JP2018057085A - モータ駆動装置、及びこれを備える冷凍サイクル装置、並びにモータ駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モータ駆動装置50は、圧縮機11に連結されたモータMの回転速度及び負荷トルクのうち少なくとも一方に基づいて、モータMの回転速度の変動許容幅を調整する制御部51を備える。これによって、モータMの出力トルクを圧縮機11の負荷トルクに一致させるようにするトルク制御の効き具合や、負荷トルクの変動に関わらずモータMの出力トルクを一定にする電流一定制御の効き具合を、モータMの運転条件に応じて連続的に調整できる。
【選択図】図2
Description
<空気調和機の構成>
図1は、第1実施形態に係るモータ駆動装置を備える空気調和機100の説明図である。
空気調和機100(冷凍サイクル装置)は、冷房運転・暖房運転等の空調を行う機器である。図1に示すように、空気調和機100は、室外機Goと、室内機Giと、リモコンReと、を備えている。
図2に示すように、空気調和機100は、冷媒回路10と、室外ファンFoと、室内ファンFiと、を備えている。また、空気調和機100は、前記した構成の他に、モータMと、コンバータ20と、インバータ30と、電流検出器40と、モータ駆動装置50と、を備えている。
モータMは、例えば、永久磁石同期モータであり、圧縮機11に連結されている。
室外ファンFoは、室外熱交換器13に外気を送り込むファンであり、室外熱交換器13の付近に設置されている。
室内ファンFiは、室内熱交換器14に室内空気を送り込むファンであり、室内熱交換器14の付近に設置されている。
インバータ30は、三相フルブリッジインバータであり、コンバータ20から印加される直流電圧を三相交流電圧に変換し、この三相交流電圧をモータMの巻線に印加する電力変換器である。
図3は、モータ駆動装置50が備える制御部51の構成図である。
図3に示すように、制御部51は、3相/2軸変換部51aと、軸誤差演算部51bと、PLL回路51cと、積分器51dと、速度制御部51eと、を備えている。また、制御部51は、前記した構成の他に、減算器51f,51gと、電流制御部51hと、電圧指令演算部51iと、2軸/3相変換部51jと、PWM信号生成部51kと、を備えている。
また、制御部51において仮定されているd軸をdc軸としている(qc軸も同様)。つまり、電流検出値(Idc,Iqc)とは、制御部51において仮定されたdc軸・qc軸のモータ電流である。
積分器51dは、回転速度ωrを積分することによって、モータMの回転子の位相θdcを演算する。
電流制御部51hは、前記した差ΔId,ΔIqがゼロになるように、第二の励磁電流指令Id**及び第二のトルク電流指令Iq**を演算する。
第1実施形態の主な特徴の一つである速度制御部51e(図3参照)の説明に先立って、モータMの「トルク制御」、「電流一定制御」、及び「調整制御」について順次に説明する。
前記した「トルク制御」とは、モータMの出力トルクを圧縮機11の負荷トルクに一致させる制御である。
前記したように、モータMを機械角で一回転させると、圧縮機11の冷媒の圧縮過程においてトルク変動が生ずる(つまり、圧縮機11の負荷トルクが脈動する)。図4に示す例では、モータMが機械角で一回転する過程において、負荷トルクが一回脈動している。
「電流一定制御」では、前記したように、モータMの出力トルクが一定に維持されるため、モータ電流の波高値も一定になる。これによって、モータMの損失を低減できる。その一方で、モータMの回転速度が大きく変動するため、圧縮機11において振動が生じやすくなる。
図6に示す例では、トルク制御寄り(回転速度を抑制気味)の「調整制御」が行われている。図6に示すように、モータMの出力トルクを負荷トルクの脈動に近づけることによって、圧縮機11の振動を抑制できる。また、「トルク制御」(図4参照)の場合よりもモータ電流の波高値の変動幅が小さいため、損失の低減を図ることができる。
図7に示す例では、電流一定制御寄り(モータ電流の波高値変動を抑制気味)の「調整制御」が行われている。図7に示すように、モータ電流の変動を抑制することによって、モータの損失を低減できる。また、「電流一定制御」(図5参照)の場合よりも、圧縮機11の振動や騒音を抑制できる。
図8は、モータ駆動装置50が備える速度制御部51eの機能ブロック図である。
図8に示すように、速度制御部51eは、加算器e1と、減算器e2と、速度制御器e3と、加算器e4と、トルク制御部e5と、電流一定制御部e6と、変動許容度指令部e7と、を備えている。
減算器e2は、第二の回転速指令ωr **からモータMの回転速度ωrを減算することによって、回転速度偏差Δωrを演算する。
加算器e4は、速度制御器e3の演算結果であるトルク電流指令Iq0 *と、トルク制御部e5の演算結果であるトルク電流指令補正値Iq1 *と、を加算することによって、新たなトルク電流指令Iq*を演算する。
なお、式(2)に示すsはラプラス演算子であり、K1,K2,K3は制御係数であり、ω0は所定の中心周波数である。
トルク制御部e5は、式(2)に示す第1伝達関数と等価な演算を行う第1演算部e51と、制御係数K3の大きさを変更する係数変更部e52と、を備えている。なお、第1演算部e5の処理に含まれる中心周波数ω0の値は、前記したように、回転速度指令ωr *に設定される。
変動検出部e521は、例えば、所定時間における回転速度偏差Δωrの変動ピーク値を検出することによって、回転速度偏差Δωrの振幅値を演算する。なお、一次遅れフィルタを用いて、回転速度偏差Δωrの振幅値を演算するようにしてもよい。
減算器e522は、回転速度偏差Δωrの振幅値と、変動許容度指令Δωr *と、の差を演算する。なお、変動許容度指令Δωr *は、「トルク制御」の効き具合を調整するための指令値であり、後記する変動許容度指令部e7(図8参照)から減算器e522に入力される。この変動許容度指令Δωr *が小さいほど、「トルク制御」の効き具合が強くなる。
電流一定制御部e6は、式(3)に示す第2伝達関数と等価な演算を行う第2演算部e61と、制御係数K5の大きさを変更する係数変更部e62と、を備えている。なお、第2演算部e6の処理に含まれる中心周波数ω0の値は、前記したように、回転速度指令ωr *に設定される。
変動検出部e621は、例えば、所定時間におけるトルク電流偏差ΔIqの変動ピーク値を検出することによって、トルク電流偏差ΔIqの振幅値を演算する。なお、一次遅れフィルタを用いて、トルク電流偏差ΔIqの振幅値を演算するようにしてもよい。
減算器e622は、トルク電流偏差ΔIqの振幅値と、変動許容度指令ΔIq*と、の差を演算する。なお、変動許容度指令ΔIq*は、「電流一定制御」の効き具合を調整するための指令値であり、後記する変動許容度指令部e7(図8参照)から減算器e622に入力される。この変動許容度指令ΔIq*が小さいほど、「電流一定制御」の効き具合が強くなる。
なお、図11の横軸は、モータMの回転速度の変動許容度指令Δωr *であり、縦軸は、トルク電流の変動許容度指令ΔIq*である。
変動許容度指令部e7(図8参照)は、制御部51(図2参照)によって設定される回転速度の変動許容度指令Δωr *と、傾きが負である線分Lの関数と、に基づいて、トルク電流の変動許容度指令ΔIq*を演算する。その結果、変動許容度指令(Δωr *,ΔIq*)で特定される動作点が線分Lに沿って移動するため、変動許容度指令Δωr *,ΔIq*の一方が大きいほど、他方は小さくなる。言い換えると、「トルク制御」及び「電流一定制御」のうち一方の効き具合が強くなるにつれて、他方の効き具合は弱くなる。なお、図11に示すデータは、制御部51(図2参照)に予め記憶されている。
また、動作点p2では、回転速度の変動許容度指令Δωr *が最大値ΔωrMax *であり、トルク電流の変動許容度指令ΔIq*がゼロであるため、「電流一定制御」(図5参照)が行われる。
なお、図12に示す例において、第2伝達関数に含まれる他の制御係数K3,K5は、固定値である(図13、図14も同様)。図12に示すように、中心周波数ω0の付近でゲイン及び位相が変化している。
図13に示すように、中心周波数ω0の付近でゲイン及び位相が変化しているが、その変化の度合いは図12よりも小さくなっている。
図14に示すように、中心周波数ω0の付近でゲイン及び位相が変化しているが、その変化の度合いは図13よりもさらに小さくなっている。このように、制御係数K4の大きさを変えることによって、中心周波数における感度(ゲイン)が変わるため、結果的に「電流一定制御」の効き具合を連続的に調整できる。また、図示は省略するが、第1伝達関数の制御係数K1,K2,K3のうち少なくとも一つの大きさを変えることで、「トルク制御」の効き具合も連続的に調整できる。
次に、制御部51における変動許容度指令Δωr *の設定について説明する。
図15の横軸はモータMの回転速度であり、縦軸は、モータMの負荷トルクである。なお、横軸の回転速度として、前記した回転速度指令値ωr *を用いることができる。縦軸の負荷トルク(平均負荷トルク)は、例えば、図2に示す電流検出器40の検出値に基づいて演算される。
例えば、モータMの電流波高値に着目すると、第3駆動領域Q3では、モータMの回転毎における電流波高値の変動幅が第1駆動領域Q1よりも小さく、かつ、第2駆動領域Q2よりも大きな値になる(図6、図7参照)。
なお、変動許容度指令Δωr *を段階的に(Δωr *=0,中程度,ωrMax *)変化させずに、モータMの運転条件に応じて、変動許容度指令Δωr *を連続的に変化させてもよい。また、図15では省略したが、圧縮機11の共振周波数付近の所定領域では、振動や騒音が起こりやすいため、「トルク制御」を優先的に行うことが望ましい。
第1実施形態によれば、モータ駆動装置50は、変動許容度指令(Δωr *,ΔIq*)に基づいて、第1伝達関数(式(2)参照)の制御係数K3や、第2伝達関数(式(3)参照)の制御係数K5を変更する。これによって、比較的簡単な構成で「トルク制御」及び「電流一定制御」の効き具合を連続的に(シームレスに)切り替えることができる。
図16は、回転速度の変動許容度指令Δωr *を0からωrMax *まで4段階で段階的に増加させた場合のシミュレーション結果である。なお、図16に示すシミュレーションは、以下の表1に示す条件下で行われた。
なお、図17の上図に示す「トルク」の実線はモータMの出力トルクであり、破線は負荷トルクである(図18、図19も同様)。また、図17の下図に示す「モータ電流」は、モータMの巻線に流れるU相・V相・W相の電流である(図18、図19も同様)。
図17に示すように、モータMの出力トルクを負荷トルクと略一致させる「トルク制御」を行うことで、モータMの回転速度が一定で維持されている。これによって、圧縮機11の振動や騒音を抑制できる。
前記した「トルク制御」の効き具合を図17の場合よりも若干弱くすることで、圧縮機11の振動・騒音を抑制しつつ、モータMの波高値の変動を抑制できる。これによって、モータMの損失を低減し、高効率化を図ることができる。
前記した「トルク制御」の効き具合を図18よりもさらに弱くし、「電流一定制御」の効き具合を強めることで、さらに高効率化を図ることができる。
Δωr *=ωrMax *(図11参照)として「電流一定制御」を行うことで、図20に示すように、モータ電流の波高値が一定になる。これによって、モータMの損失を可能な限り低減し、高効率化を図ることができる。
時刻t10〜t11では回転速度が略一定の「トルク制御」が行われ、また、時刻t11〜t12では「電流一定制御」の効き具合が強くなっていることが分かる。また、時刻t11付近においてもモータMの回転速度等が滑らかに変化し、切替ショックが生じていないことが分かる。
第2実施形態は、トルク制御部e8(図22参照)及び電流一定制御部e9(同図参照)の構成が、第1実施形態とは異なっている。また、第2実施形態は、第1実施形態で説明した変動許容度指令部e7(図8参照)に代えて、振幅制限指令部e10(図22参照)を備える点が、第1実施形態とは異なっている。なお、その他(制御部51の構成等:図3参照)については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
図22に示すように、速度制御部51Aeは、加算器e1と、減算器e2と、速度制御器e3と、加算器e4と、トルク制御部e8と、電流一定制御部e9と、振幅制限指令部e10と、を備えている。なお、トルク制御部e8、電流一定制御部e9、及び振幅制限指令部e10以外の構成については第1実施形態(図8参照)と同様であるから、説明を省略する。
図23に示すように、トルク制御部e8は、信号発生部e81と、フーリエ変換部e82と、積分補償器e83と、振幅制限部e84と、フーリエ逆変換部e85と、を備えている。
フーリエ変換部e82は、回転速度偏差Δωrを入力とし、回転速度指令ωr *のsin成分及びcos成分(1次成分)をそれぞれ抽出する。
積分補償器e83は、フーリエ変換部e82によって抽出された回転速度指令ωr *の周波数成分をゼロにするためのsin成分及びcos成分を演算する積分器である。
フーリエ逆変換部e85は、振幅制限部e84の演算結果(sin成分、cos成分)をトルク電流指令補正値Iq1 *に変換する。
また、振幅制限指令部e10は、変動許容度指令Δωr *に基づいて、モータMのトルク電流偏差ΔIqの振幅を制限するための振幅制限指令を演算し、この振幅制限指令を電流一定制御部e9に出力する。
なお、制御部51(図2参照)による変動許容度指令Δωr *の設定については、第1実施形態(図15参照)と同様であるから、説明を省略する。
第2実施形態によれば、「トルク制御」及び「電流一定制御」の効き具合を連続的に(シームレスに)切り替えることができ、また、モータMの運転条件に応じて、最適な制御を行うことができる。
以上、本発明に係るモータ駆動装置50について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第1実施形態では、モータ駆動装置50の速度制御部51eが、図8の構成を備えるものとして説明したが、これに限らない。すなわち、図24に示すように速度制御部51Beを構成してもよい。
図24は、第1実施形態で説明した加算器e1(図8参照)及び減算器e2に代えて、減算器e11及び加算器e12を備えている点が第1実施形態とは異なっているが、その他については第1実施形態と同様である。
減算器e11は、所定の回転速度指令ωr *からモータMの回転速度ωrを減算することによって、回転速度偏差Δωrを演算する。この回転速度偏差Δωrは、次に説明する加算器e12に出力されるとともに、トルク制御部e5にも出力される。
加算器e12は、減算器e11の演算結果である回転速度偏差Δωrと、電流一定制御部e6の演算結果である回転速度指令補正値ω1 *と、を加算することで、新たな回転速度偏差Δωr’を演算する。この回転速度偏差Δωr’に基づき、速度制御器e3によって、トルク電流指令Iq0 *が演算される。このような構成でも、第1実施形態と同様の効果が奏される。
また、第1実施形態で説明した第1伝達関数及び第2伝達関数は、式(2)及び式(3)に限定されるものではない。すなわち、特定の周波数のみに感度を有する伝達関数であれば、他の伝達関数を用いてもよい。
また、前記した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。
10 冷媒回路
11 圧縮機(負荷)
12 四方弁
13 室外熱交換器(凝縮器、蒸発器)
14 室内熱交換器(蒸発器、凝縮器)
15 膨張弁
20 コンバータ
30 インバータ
40 電流検出器
50 モータ駆動装置
51 制御部
M モータ
Q1 第1駆動領域
Q2 第2駆動領域
Q3 第3駆動領域
Claims (6)
- 負荷に連結されたモータの回転速度及び負荷トルクのうち少なくとも一方に基づいて、前記モータの回転速度の変動許容幅を調整する制御部を備えること
を特徴とするモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記回転速度が小さくなるにつれて、前記変動許容幅を小さくするとともに、前記負荷トルクが大きくなるにつれて、前記変動許容幅を小さくすること
を特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 前記負荷トルクの周期的な変動によって、前記モータの電流波高値が変動する第1駆動領域と、
前記負荷トルクの周期的な変動に関わらず、前記電流波高値を一定にする第2駆動領域と、
前記モータの回転毎における前記電流波高値の変動幅が前記第1駆動領域よりも小さく、かつ、前記第2駆動領域よりも大きい第3駆動領域と、を有し、
前記制御部は、前記回転速度及び前記負荷トルクに基づいて、前記第1駆動領域、前記第2駆動領域、及び前記第3駆動領域のいずれかで前記モータを制御すること
を特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 前記負荷トルクの周期的な変動に関わらず、前記回転速度を一定にする第1駆動領域と、
前記負荷トルクの周期的な変動によって、前記回転速度が変動する第2駆動領域と、
前記モータの回転毎における前記回転速度の変動幅が前記第1駆動領域よりも大きく、かつ、前記第2駆動領域よりも小さい第3駆動領域と、を有し、
前記制御部は、前記回転速度及び前記負荷トルクに基づいて、前記第1駆動領域、前記第2駆動領域、及び前記第3駆動領域のいずれかで前記モータを制御すること
を特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、が環状に順次接続され、冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路と、
前記圧縮機に連結されたモータを駆動するモータ駆動装置と、を備え、
前記モータ駆動装置は、前記モータの回転速度及び負荷トルクのうち少なくとも一方に基づいて、前記モータの回転速度の変動許容幅を調整すること
を特徴とする冷凍サイクル装置。 - 負荷に連結されたモータの回転速度及び負荷トルクのうち少なくとも一方に基づいて、前記モータの回転速度の変動許容幅を調整すること
を特徴とするモータ駆動方法。
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