JP3341826B2 - Pwm/pam制御形モータ制御装置及びそれを用いた空調機及びモータの制御方法 - Google Patents

Pwm/pam制御形モータ制御装置及びそれを用いた空調機及びモータの制御方法

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JP3341826B2
JP3341826B2 JP24537498A JP24537498A JP3341826B2 JP 3341826 B2 JP3341826 B2 JP 3341826B2 JP 24537498 A JP24537498 A JP 24537498A JP 24537498 A JP24537498 A JP 24537498A JP 3341826 B2 JP3341826 B2 JP 3341826B2
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    • H02P6/08Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、入力電流を正弦波
状に制御し力率の改善と高調波電流ひずみ抑制を行いな
がらモータの回転数を所望の回転数に制御するモータ制
御装置及びモータの制御方法、及び前記モータ制御装置
を用いて圧縮機駆動用モータを駆動し室内の空気調和を
行う空調機や冷蔵庫に関する。

【0002】

【従来の技術】従来、交流電源を整流して直流電源に変
換する整流回路にあって、直流電圧を制御する電源回路
とモータ駆動回路を組み合わせ、モータの速度制御を行
うモータ制御装置として特開昭63−224698号公
報記載の方式がある。本方式は、低速時はモータ駆動回
路を用いたPWM(Pulse Width Modulation)制御により
モータの速度制御を行い、高速時は電源回路の直流電圧
制御を用いてモータの速度制御を行うPAM(Pulse Ampli
tude Modulation)制御により速度制御を行っている。

【0003】この特開昭63−224698号公報記載
のモータ制御手段について、図23ないし図25を用い
て説明する。図23において、インバータ制御回路61
は、前記位置検出回路5からの前記位置検出信号から前
記インバータ回路3のスイッチング素子の転流動作を制
御するドライブ信号を作成するドライブ信号作成手段6
01と、前記速度制御信号演算手段600からの速度制
御信号の一つである通流率指令よりPWM信号を発生させ
るPWM信号発生手段67と、前記ドライブ信号作成手段
601のドライブ信号と前記PWM信号発生手段67のPWM
信号から前記インバータ回路3のスイッチング素子を駆
動する駆動信号発生手段65から構成されている。

【0004】コンバータ制御回路62は、前記速度制御
信号演算手段600からの速度制御信号の一つである直
流電圧指令と実際の直流電圧値の偏差から直流電圧制御
信号を出力する直流電圧制御手段69と、前記直流電圧
制御手段69の出力と電源電圧波形信号及び入力電流波
形信号から前記コンバータ回路に入力される電流を、前
記コンバータ回路2内の昇圧チョッパ回路のスイッチン
グ素子を動作させて正弦波に制御する入力電流正弦波制
御手段68から構成されている。

【0005】ここで、図24を用いて前記速度制御信号
演算手段600の動作について述べる。本図は回転数を
横軸にコンバータ制御回路62への直流電圧指令及びイ
ンバータ制御回路61への通流率指令を縦軸にとり、回
転数に対する直流電圧指令及び通流率指令の動作を示し
たものである。

【0006】速度制御信号演算手段600は低速時は直
流電圧指令を前記コンバータ回路2で制御できる最低の
直流電圧値である最低直流電圧指令を出力し、前記速度
演算手段63からの速度信号と外部からの速度指令値と
の偏差が零になるように通流率指令を算出する。いわゆ
るPWM制御である。これにより図24に示すとおり、回
転数に対して通流率指令は正比例で増加する。

【0007】反対に高速時は通流率指令を最大値である
100%とし、前記速度演算手段63からの速度信号と
外部からの速度指令値との偏差が零になるように直流電
圧指令を算出する。いわゆるPAM制御を行う。これによ
り図24に示すとおり、回転数に対して直流電圧指令は
正比例で増加する。

【0008】ここで、上記PWM制御とPAM制御の切り替え
は回転数等色々な方法があるが、本従来技術では図25
に示す方法を用いている。詳細は述べないが、PWM制御
からPAM制御に切り替えは、速度偏差があり加速が必要
な状態で通流率指令が100%に到達した場合に行う。
また反対に、PAM制御からPWM制御への切り替えは、速度
偏差があり減速が必要な状態で直流電圧指令が最低値に
到達した場合に行う。このようにすると負荷の状態によ
り切り替える点が移動し安定した切り替えが行える。

【0009】なお、図24は負荷トルク一定の場合で示
してあり、負荷トルクが異なると制御が切り替わる回転
数も変化する。また、図24は横軸回転数で示してある
が、モータの出力で示しても同様の図となる。つまり、
本制御はモータの出力、言い換えればモータの負荷に応
じて制御構成が切り替わる方式である。

【0010】また、他のモータ制御手段として、通常は
PWM制御によりモータの速度制御を行い、PWM信号のデュ
ーティが100%に達した後は、高速時は転流位相の制
御による弱め界磁の効果によりモータの速度制御を行う
ものが、特開平7−312895号公報や特開平8−1
91589号公報に記載されている。

【0011】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭63−22
4698号公報記載の従来方式では、PWM制御とPAM制御
を負荷状態で切り替え制御できるため、広範囲なモータ
制御が実現できる。しかも、PWM制御時は直流電圧を
最小値に抑え運転でき、PAM制御時はインバータのPWMチ
ョッパ成分が低減できるため、モータ制御装置全体での
高効率化が計れる。また、本装置をインバータエアコン
の圧縮機駆動用として適用すると、エアコンとして省エ
ネ化、高出力化が計れエアコンの能力を拡大できる。特
に、外気温度が低い低温暖房能力は飛躍的に向上する。

【0012】しかし、PAM制御は直流電圧を上昇させる
ことでモータの回転数を増加させているため、インバー
タモジュールの素子の耐圧以上には直流電圧を上げるこ
とができない。言い換えれば、そこがモータ回転数の最
大値となる。

【0013】一方、前記特開平7−312895号公報
や特開平8−191589号公報に記載の従来方式で
は、PWM制御による限界以上にモータ回転数の最大値を
大きく出来る。しかし、モータのPWM制御運転時の効率
については、十分な配慮がなされていない。

【0014】また、PWM制御とPAM制御を組み合わせたモ
ータ制御装置を備えた空調機等においては、性能向上に
加えて、いっそうの低価格化が求められている。

【0015】本発明の目的は、PWM制御とPAM制御を切り
替えモータの速度を制御するものにおいて、広い運転範
囲で常時、効率の高い運転ができるモータ制御装置及び
モータの制御方法及びそれを用いた空調機等を提供する
ことにある。

【0016】本発明の他の目的は、PWM制御とPAM制御を
切り替えモータの速度を制御するものにおいて、さらな
る高速回転制御を可能にするモータ制御装置及びモータ
の制御方法及びそれを用いた空調機等を提供することに
ある。

【0017】本発明の他の目的は、PWM制御とPAM制御を
切り替えモータの速度を制御するものにおいて、低速回
転時の効率をアップさせることのできるモータ制御装置
及びモータの制御方法及びそれを用いた空調機等を提供
することにある。

【0018】本発明の他の目的は、PWM制御とPAM制御を
切り替えモータの速度を制御するものにおいて、インバ
ータモジュールの低価格化が出来るモータ制御装置及び
モータの制御方法及びそれを用いた空調機等を提供する
ことにある。

【0019】

【課題を解決するための手段】上記目的は、交流電源を
直流に変換するコンバータ回路と、該コンバータ回路の
出力に接続されたインバータ回路と、前記インバータ回
路に接続されたモータと、該モータの速度制御を行うモ
ータ制御手段とを備え、該モータ制御手段は、コンバー
タ制御回路とインバータ制御回路とを有し、前記コンバ
ータ制御回路への直流電圧指令または前記インバータ制
御回路への通流率指令値を変更し前記モータの速度制御
を行うものにおいて、前記モータ制御手段は、前記モー
タの巻線の転流タイミングを変更する転流位相制御手段
を備え、前記モータの速度ならびに負荷に応じて、前記
モータの巻線の転流位相を変更することにより、達成さ
れる。

【0020】本発明の他の特徴は、交流電源を直流に変
換するコンバータ回路と、該コンバータ回路の出力に接
続されたインバータ回路と、前記インバータ回路に接続
されたモータと、該モータの速度制御を行うモータ制御
手段とを備え、該モータ制御手段は、コンバータ制御回
路とインバータ制御回路とを有し、前記コンバータ制御
回路への直流電圧指令または前記インバータ制御回路へ
の通流率指令値を変更し前記モータの速度制御を行うも
のにおいて、前記モータ制御手段は、前記モータの巻線
の転流タイミングを変更する転流位相制御手段を備え、
該転流位相制御手段は、入力電力あるいは直流電流値等
の前記モータ制御装置の効率に関係した値を検出し、前
記モータ制御装置の効率が最大値になるように転流位相
を変更することにある。

【0021】本発明によれば、PWM制御とPAM制御を切り
替えてモータの速度を制御するものにおいて、PWM/PAM
制御と位相の単独制御の組み合わせで、効率を向上でき
る。すなわち、PWM制御とPAM制御を切り替えモータの速
度を制御するものにおいて、転流位相制御手段によりモ
ータの巻線の転流タイミングを変更し、定常時は効率を
最大にし、高速時は回転数が最大になるように制御する
ことにより、広範囲に高効率の運転ができるようにモー
タを制御できる。

【0022】特に、全速度域で位相を制御することによ
り効率の向上を図ることができる。高速側で回転数制御
をする場合、位相を変更する方法と、直流電圧を変更す
る方法があるが、どちらの方法で変更した場合に効率が
良くなるかの観点でいずれかの制御方法を選択すると、
常に効率の良い運転ができる。また、位相が常に効率の
良い所になるように探索することで、上記同様の効果が
得られる。

【0023】従って、本発明をインバータエアコンに適
用することにより、冷暖房能力を大幅に増加すると同時
に省エネになるエアコンを提供できる。また、最適転流
位相を自動的に求めることができるため、上記エアコン
を安価に供給できる。

【0024】また、本発明によれば、モータの高速回転
が可能になる。すなわち、直流電圧を330V以上に上
げることなく、位相を制御することでさらなる高速回転
制御が可能になる。よって、本発明をエアコンや冷蔵庫
に使用することにより、起動時や負荷急変時のような過
渡運転時の能力アップを図ることができる。

【0025】また、本発明によれば、モータの設計回転
数を下げられるため、低速回転時の効率がアップする。
すなわち、最大回転数を一定とした場合、高速側の制御
に余裕が出来るため、モータの設計点を低く出来る。こ
のため、低速側の効率を向上できる。また、PWM/PAM制
御と組み合わせると、さらに、高効率の運転が可能とな
る。そのため、本発明をエアコンや冷蔵庫に使用するこ
とにより、定常運転域の効率が向上し、大幅な省エネル
ギーとなり、年間電気代の大幅な低減が図れる。

【0026】さらに、本発明によれば、インバータモジ
ュールの低価格化が出来る。すなわち、最大直流電圧を
330V程度にすることで標準的なインバータモジュー
ルが使用可能となり、装置の低価格化が出来る。従っ
て、エアコンや冷蔵庫に使用する場合、これらのコスト
を低減できる。

【0027】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施例を図
1から図7を用いて説明する。図1は本発明が適用され
るエアコン用圧縮機駆動装置の全体構成図である。本駆
動装置は、交流電源1からの交流電圧を整流回路及び昇
圧チョッパ回路を用い、直流電源に変換し直流電圧の大
きさを制御するコンバータ回路2と、直流電圧を希望す
る電圧の交流電源に変換するインバータ回路3と、速度
指令に応じてブラシレス直流モータ4の速度制御を行う
モータ制御手段6と、ブラシレス直流モータ4の磁極位
置を検出する位置検出回路5と、前記モータ制御手段6
からのコンバータ駆動信号に従い前記コンバータ回路2
を駆動するドライバ9と、前記モータ制御手段6からの
インバータ駆動信号により前記インバータ回路3を駆動
するドライバ8と、モータ4に直結されヒートサイクル
を構成する圧縮機7から構成されている。

【0028】図2に、本発明に係る第1の実施例のモー
タ制御手段6の内部構成を示す。本モータ制御手段6は
ワンチップマイコンが用いられ、すべての制御手段はソ
フトウエアで実現されている。本モータ制御手段6は速
度制御回路60、インバータ制御回路61及びコンバー
タ制御回路62より構成されている。

【0029】速度制御回路60は、前記位置検出回路5
からの位置検出信号を基に前記モータ4の速度を演算す
る速度演算手段63、外部からの速度指令値と速度演算
手段63からの速度信号との偏差から速度制御信号を算
出する速度制御信号演算手段64から構成されている。

【0030】速度制御信号演算手段64は、前記コンバ
ータ制御回路62への直流電圧指令を出力する直流電圧
指令部641、前記インバータ制御回路61への通流率
指令を出力する通流率指令部642及び転流位相指令を
出力する転流位相指令部643の3つの信号生成部とこ
れらを切り替えるスイッチ部644から成っている。

【0031】図3を用いて速度制御信号演算手段64の
動作について述べる。本図は図24同様に、回転数に対
する直流電圧指令、通流率指令及び転流位相指令の動作
を示したものである。直流電圧指令及び通流率指令の動
作は図24と同じなので説明は省略する。

【0032】本速度制御信号演算手段64では上記直流
電圧指令及び通流率指令の算出以外に、転流位相指令部
643での転流位相指令の算出も行う。転流位相指令
は、前記で述べたPWM制御中及びPAM制御中は一定値に固
定され、直流電圧指令が最大電圧値に達してもさらに加
速が必要な場合に速度偏差に応じて変更されるものであ
る。

【0033】図4に上記転流位相制御への切り替えアル
ゴリズム、すなわち、図2のスイッチ部644の作用を
示す。本転流位相制御はPAM制御で回転数が制御できな
くなった状態、言い換えれば直流電圧が最大電圧になっ
た時に行うものである。

【0034】そのためPAM制御から転流位相制御に切り
替えは、速度偏差があり加速が必要な状態で直流電圧指
令が最大値に到達した場合に行う。また反対に、転流位
相制御からPAM制御への切り替えは、速度偏差があり減
速が必要な状態で転流位相指令が最低値に到達した場合
に行う。このようにすると負荷の状態により切り替える
点が移動し滑らかな切り替えが行える。

【0035】次に、図3で示した速度制御を実際に可能
にする速度制御演算のフローチャートを図5に示す。本
フローチャートは前記速度制御信号演算手段64内で行
われている速度制御処理である。速度制御処理は予め設
定された周期で繰り返し行われている。

【0036】速度制御処理は予め設定された周期で繰り
返し行われている。まず、(イ)において前記速度演算
手段63からの速度信号を読み込み、(ロ)において外
部からの速度指令値と上記速度信号との速度偏差を算出
する。

【0037】(ハ)において現在の制御状態を確認す
る。PWM制御状態の場合は(ニ)へ、PAM制御状態の場合
は(ヘ)へ進む。ここで、制御状態の判定はフラグを用
い、制御状態の変更は図4に示したアルゴリズムに従い
行われる。図4に示す制御状態の切り替え処理も本速度
制御信号演算手段600の内部で周期的に処理されてい
る。

【0038】(ニ)に処理が進んだ場合はPWM制御中で
あるので、前記(ロ)で求めた速度偏差を用いて通流率
指令を演算する。演算は図示の通りである。

【0039】処理(ニ)終了後(ホ)に移り、算出した
通流率指令D*を前記PWM信号発生手段67に出力する。
この時制御状態はPWM制御であるので、直流電圧指令を
最低値である150Vとして前記直流電圧制御手段69
に出力している。また、転流位相指令値P*=0度とす
る。

【0040】次に、処理(ハ)においてPAM制御状態で
あると判定され(ヘ)に進んだ場合は、処理(ニ)同様
に、前記(ロ)で求めた速度偏差を用いて直流電圧指令
を演算する。演算は図示の通りである。

【0041】その後、(ト)に進み、前記(ホ)同様、
算出した直流電圧指令を前記直流電圧制御手段69に出
力する。この時制御状態はPAM制御であるので、通流率
指令を最大値である100%として前記PWM信号発生手
段67に出力している。また、転流位相指令値P*=0
度とする。

【0042】PAM制御中もしくは転流位相制御中は
(チ)に進み、転流位相制御中かの判定を行う。PAM制
御中の場合は(ヘ)に進み、前と同様の処理を行う。

【0043】転流位相制御中の場合は(リ)に進み、処
理(ロ)で算出した速度偏差が正か負かを判定する。

【0044】速度偏差が正、つまり増速が必要な場合は
(ヌ)に進み、転流位相指令を予め設定してある値だけ
減算する。反対に、速度偏差が負、つまり減速が必要な
場合は(ル)に進み、転流位相指令を予め設定してある
値だけ加算する。

【0045】ここで位置検出信号とドライブ信号の関係
は図6の通りである。転流位相指令は、図6に示すよう
に位置検出信号の変化点から実際にドライブ信号を変化
させるまでの遅延時間を算出する値であるため、小さい
ほど位相が進むことになる。言い換えれば、転流位相指
令値が小さいほど速度が増加するものである。

【0046】処理(ヲ)では、上記(ヌ)もしくは
(ル)で算出した転流位相指令P*を出力している。ま
た、同時に通流率指令D*及び直流電圧指令Vd*を最大
値として出力している。

【0047】上記処理を繰り返し行うことにより前記速
度制御信号演算手段600は、図4に示したように前記
モータ4の速度制御を行っている。

【0048】ドライブ信号作成手段601は前記位置検
出回路5からの位置検出信号に従い前記インバータ回路
3のスイッチング素子のオンするタイミング及び組み合
わせを示すドライブ信号を出力している。

【0049】図6に示す通り、本実施例で述べている位
置検出回路5は実際に転流動作を行う位置より電気角で
30度前の位置を検出する回路を用いているので、ドラ
イブ信号は位置検出信号の変化点から電気角で30度の
時間だけ遅れてインバータの各相のドライブ信号を出力
している。この遅延も前記ドライブ信号作成手段601
で行っている。

【0050】また、本図はモータの誘起電圧波形と位置
検出信号、PWM信号、インバータ駆動信号の関係も併せ
て示した図である。

【0051】ここで、図6を用いて前記PWM信号発生手
段67と駆動信号発生手段65の動作を簡単に説明す
る。

【0052】PWM信号発生手段67は図6のPWM信号に示
すように、前記速度制御信号演算手段600からの通流
率指令からPWM信号を作成している。

【0053】駆動信号発生手段65は図6のインバータ
駆動信号に示すように、前記PWM信号発生手段67のPWM
信号と前記ドライブ信号作成手段66のドライブ信号か
ら、前記インバータ回路3の上アームに設定されている
U+相、V+相、W+相のオン時にPWM信号を掛け合わ
せる処理を行っている。なお、これは上アームのみにチ
ョッパ動作をさせる場合を想定したものである。

【0054】以上のように駆動信号発生手段65からは
図6に示す6本のインバータ駆動信号が出力されてい
る。

【0055】ここで、図7に転流位相と回転数と出力ト
ルクの関係を示した実験値を示す。図7に示す通り、出
力トルクが一定の場合、転流位相を進ませることにより
回転数が上昇しているのが分かる。本転流位相制御は図
7に示すモータの特性を利用している。

【0056】なお、転流位相制御を行わないPWM制御及
びPAM制御時は、図5の処理(ホ)、(ト)に示す通
り、転流位相指令P*は最小値となっている。本実施例
では、位相の進みがない転流位相0度としている。

【0057】上記処理を繰り返し行うことにより前記速
度制御信号演算手段64は、図3に示したように前記モ
ータ4の速度制御を行っている。

【0058】ドライブ信号作成手段66は、従来技術の
ドライブ信号作成手段601と同様に、位置検出回路5
からの位置検出信号に従いドライブ信号を出力してい
る。従来技術と異なるのは、位置検出信号の変化点から
ドライブ信号を変化させるまでの遅延時間に、前記速度
制御信号演算手段64で算出した転流位相指令を用いる
ことである。

【0059】以上が本発明の第1の実施例に係るの圧縮
機駆動装置のモータ制御法である。

【0060】本実施例の方法を用いることにより、従来
方法に対して最大直流電圧を上げることなく回転数の増
加ができ制御範囲を拡大できる。また、図7に示す通
り、転流位相を進めることによりモータの出力範囲も拡
大できる。このため、本発明を、ヒートサイクルを構成
する圧縮機の駆動装置に用い、室内設定温度と室温との
差に応じて前記モータの速度指令値を演算し、該速度指
令値に従って前記モータの速度制御を行うエアコンとし
て使用した場合は、能力の拡大が計れる。

【0061】さらに、本方式は直流電圧を、同じ値、例
えば330Vにできるためインバータ回路3の耐圧をあ
げる必要がなく、従来と同様のコストで実現できる。

【0062】また反対に、最大回転数の設定を同じにし
た場合、直流電圧の最大電圧を下げることができるた
め、従来方式より高効率化が計れる。さらに、直流電圧
の最大値も同じにした場合、モータの設計点をさらに低
速側で効率が良くなるように設計できるため、常時使う
領域で効率の良いシステムが構築できる。このため、エ
アコンとして使用した場合は年間電気代を低減できる。

【0063】なお、本発明の圧縮機駆動装置を、冷蔵庫
の冷凍サイクルを構成する圧縮機の駆動装置に用い、庫
内設定温度と庫内温度との差に応じて前記モータの速度
指令値を演算し、該速度指令値に従って前記モータの速
度制御を行うものに用いても同様な効果がある。

【0064】次に本発明の第2の実施例について図8な
いし図12で説明する。本実施例は第1の実施例とほと
んど同じであるが、転流位相制御を通常の回転数範囲で
も行う方式である。そのため、モータ制御手段の内部構
成は図2同様である。異なるのは、速度制御演算手段6
4からの速度制御信号の一つである転流位相指令が回転
数に応じて常に変化することである。

【0065】すなわち、図8に示すように、速度制御信
号演算手段64は、前記コンバータ制御回路62への直
流電圧指令を出力する直流電圧指令部641、前記イン
バータ制御回路61への通流率指令を出力する通流率指
令部642及び転流位相指令を出力する転流位相指令部
643の3つの信号生成部とこれらを切り替えるスイッ
チ部644に加えて、PWM制御及びPAM制御を行っている
ときにも転流位相を最適値に変化させる最適転流位相制
御部645とスイッチ部646とから成っている。

【0066】次に、この速度制御演算手段64の動作を
説明する。図9に本速度制御法を用いた場合の各速度制
御信号の動きを、回転数を横軸にとり示す。基本的な動
作は前記第1の実施例と同じである。第1の実施例では
直流電圧が最大値になった後に転流位相を変化させてい
たが、今回は、PWM制御及びPAM制御を行っているときに
も転流位相を変化させるものである。ここで、第1の実
施例に示した高速回転時の転流位相制御と区別するた
め、通常回転領域での転流位相変更を最適転流位相制御
と呼ぶ。

【0067】図9に示す通り、通流率指令及び直流電圧
指令は第1の実施例と同様であり、転流位相指令のみが
低速回転から高速回転まで変化している。このモータ起
動時から直流電圧指令値が最大値になるまでの転流位相
指令はモータ効率が最大になるように算出する。

【0068】図10に、転流位相に対するモータ効率と
して、回転数をパラメータにとった実験結果を示す。本
実験で使用したモータの場合、モータ効率は、低速回転
時には転流位相が電気角で約15度程度進んだ状態が良
く、高速になるほどさらに進ませた方が向上する。

【0069】このように、モータ効率を高めるために
は、図10に示したような回転数に対する転流位相の関
係式を予め算出し、前記速度制御信号演算手段64内の
最適転流位相制御部645での最適転流位相制御の処理
時に用いればよい。

【0070】図11及び図12に前記速度制御信号演算
手段64内で行われる速度制御処理のフローチャートを
示す。図12は図11に示す最適転流位相制御処理の内
部フローチャートである。

【0071】図12には(a)と(b)の2種類の処理
を示してある。モータの転流位相に対する効率特性が、
負荷トルクによりそれほど影響されないものであれば、
(a)で示す通り、回転数のみで転流位相指令を算出す
ればよい。もし、負荷トルクで転流位相に対する効率特
性が大幅に変化するモータやモータ効率を追求するシス
テムの場合は、回転数と負荷トルクを推定できる値を使
用し、転流位相指令を算出する必要がある。(b)は直
流電流値を用いた場合のフローチャートである。

【0072】図12(a)(b)とも、予め転流位相に
対する効率特性を測定し、その結果から演算式やテーブ
ルデータ等を作成する必要がある。

【0073】図11に示す速度制御処理は図5で示した
速度制御処理とほぼ同じであり、同一符号は同一の処理
を行う。ここでは、処理(ワ)と(カ)のみ説明する。

【0074】処理(ワ)は第1の実施例で述べた転流位
相制御を行っているかを判定している。転流位相制御を
行っている場合は最適転流位相制御は行わない。(ハ)
に進む。転流位相制御を行っていない場合は処理(カ)
に進む。処理(カ)は図12で示した処理である。

【0075】なお、最適転流位相制御と転流位相制御の
2種類の転流位相を変更する制御方法を用いる場合は、
最適転流位相制御領域と転流位相制御領域の切り替え時
に転流位相指令を滑らかに変化させる必要がある。

【0076】例えば、最適転流位相制御から転流位相制
御に切り替わる場合は、転流位相制御の転流位相指令の
初期値は、最適転流位相制御時の最終値に設定する。

【0077】もしくは、最適転流位相制御時の転流位相
指令の最終値を設定しておき、その最終値を転流位相制
御の初期値として使用する等、工夫が必要である。

【0078】本発明の第2の実施例によれば、PWM/PAM
制御と位相の単独制御の組み合わせで、効率を向上でき
る。すなわち、PWM制御とPAM制御を切り替えモータの速
度を制御するものにおいて、転流位相制御手段によりモ
ータの巻線の転流タイミングを変更し、定常時は効率を
最大にし、高速時は回転数が最大になるように制御する
ことにより、広範囲に高効率の運転ができるようにモー
タを制御できる。特に、全速度域で位相を制御すること
により効率の向上を図ることができる。

【0079】従って、最適転流位相制御を組み込んだ第
2の実施例を圧縮機駆動装置のモータ制御に適用するこ
とにより、定常回転領域でのモータ効率を向上できる。
さらに、転流位相が最適値に制御されるため、同期はず
れによるモータの停止がなくなる。本制御装置をインバ
ータエアコンに適用することにより、冷暖房能力を大幅
に増加すると同時に省エネになるエアコンを提供でき
る。これにより年間電気代が第1の実施例よりも低減で
きる。また、最適転流位相を自動的に求めることができ
るため、上記エアコンを安価に供給できる。

【0080】また、本発明の第2の実施例によれば、モ
ータの高速回転が可能になる。すなわち、直流電圧を3
30V以上に上げることなく、位相を制御することでさ
らなる高速回転制御が可能になる。よって、本発明の第
2の実施例をエアコンや冷蔵庫に使用することにより、
起動時や負荷急変時のような過渡運転時の能力アップを
図ることができる。

【0081】また、本発明の第2の実施例によれば、モ
ータの設計回転数を下げられるため、低速回転時の効率
がアップする。すなわち、最大回転数を一定とした場
合、高速側の制御に余裕が出来るため、モータの設計点
を低く出来る。このため、低速側の効率を向上できる。
また、PWM/PAM制御と組み合わせると、さらに、高効率
の運転が可能となる。

【0082】さらに、本発明の第2の実施例をによれ
ば、インバータモジュールの低価格化が出来る。すなわ
ち、最大直流電圧を330V程度にすることで標準的な
インバータモジュールが使用可能となり、装置の低価格
化が出来る。従って、エアコンや冷蔵庫に使用する場
合、これらのコストを低減できる。

【0083】次に本発明に係る第3の実施例について図
13から図17を用いて説明する。

【0084】第3の実施例における図1のモータ制御手
段6の内部構成を図13に示す。本図は、前記第2の実
施例で説明した速度制御信号演算手段64にインバータ
回路3に流入する直流電流値を入力した構成となってい
る。

【0085】すなわち、図14に示すように、速度制御
信号演算手段64は、コンバータ制御回路62への直流
電圧指令を出力する直流電圧指令部641、インバータ
制御回路61への通流率指令を出力する通流率指令部6
42とこれらを切り替えるスイッチ部644に加えて、
PWM制御及びPAM制御を行っているときにも転流位相を最
適値に変化させる最適転流位相制御部647とスイッチ
部646とから成っている。

【0086】本実施例は前記第2の実施例で述べた最適
転流位相制御部645による最適転流位相制御を改良し
た方式で、予め使用モータの最適転流位相値を測定する
ことなく、自動的に最適転流位相値に制御する方式であ
る。

【0087】次に、図15を用いてこの自動的に最適転
流位相値に制御する制御法の考え方を説明する。図15
は、回転数及び負荷トルク一定でモータをインバータ駆
動した場合の転流位相に対する直流電流の特性を示した
ものである。本図の通り、転流位相に対して最小値を持
つ特性となっている。言い換えれば、直流電流最小値の
転流位相がモータ効率最大の最適転流位相となる。

【0088】本実施例は転流位相を変更しながら直流電
流が最小になる位置を探索する方式である。ここで、本
方式は回転数及び負荷トルクがある程度の変動幅に収ま
った定常状態時にのみ有効な方式である。

【0089】図15を用いて、本実施例の特徴である直
流電流最小値探索の動作について説明する。まず、回転
数及び負荷トルクが安定した状態で転流位相が位相Aに
あったとする。ここで、探査を開始すると、(1)で位相
Aに予め設定されている増減値X分だけ位相を遅らせ位
相Cとする。転流位相を変更し速度制御を行い転流位相
の変更前と変更後での直流電流を比べる。今回の場合は
位相Aの状態より増加するため、(2)で位相Cから増減
値Xだけ位相を進め位相Aとする。また、上記同様転流
位相の変更前と変更後での直流電流を比べる。今回の場
合は位相Cの状態より減少するため、(3)では位相Aか
らさらに増減値Xだけ位相を進め位相Bとする。

【0090】転流位相が位相Bとなると転流位相の変更
前と変更後での直流電流を比べ、直流電流が増加したた
め、(4)で位相Bから増減値Xだけ位相を遅らせる。

【0091】以上の処理を繰り返すことにより、転流位
相は直流電流が最小値になる点の付近に制御される。

【0092】上記アルゴリズムを速度演算に適用したの
が、図16に示す第3の実施例の速度制御演算フローチ
ャートである。図11と同一符号は同一の動作を行う。
今回新たに追加された処理のみ説明する。なお、図16
に示す速度制御演算処理では高速時の転流位相制御は行
わない方式で記述した。

【0093】処理(あ)は処理(ロ)で算出した速度偏
差が予め設定せれている範囲に入っているかを判定して
いる。つまり速度及び負荷トルクが安定している定常状
態かを判定している。

【0094】ここで、定常状態でない場合は処理(い)
に進み、増減値Xを初期状態の正値とし、さらに(う)
へ進み、直流電流の前回値をクリアしている。

【0095】定常状態でモータが安定している場合、
(え)(お)に進み、現位相での直流電流値を検出し今
回値としてメモリに格納する。

【0096】処理(か)において直流電流の前回値が格
納されているかを判定し、前回値がない場合は(け)へ
進み、今回値を前回値としてメモリに格納する。

【0097】前回値がある場合は、(き)において前回
値と今回値を比較し直流電流が増加したかを判定する。
直流電流値が増加した場合は(く)へ進み増減値Xの符
号を反転し(け)に進む。直流電流値が増加していない
場合はそのまま(け)に進む。

【0098】(け)で今回値を前回値としてメモリに格
納した後、(こ)で変更する転流位相指令を算出する。
ここでは、増減値Xの符号が直流電流値の増減で変更さ
れているため、現位相指令値に加算する処理でよい。算
出された転流位相指令はすぐに出力されるものとする。

【0099】転流位相指令が変更されたため、モータは
転流位相に応じて回転数が変化する。ここで、処理
(さ)(し)で前記処理(イ)(ロ)と同様に速度演算
及び速度偏差を算出し、通常の速度制御である処理
(ハ)以降の処理が行われ、モータの回転数は安定す
る。つまり速度制御を行う。

【0100】上記処理を周期的に繰り返し行うことによ
り、図15に示した転流位相変更制御が実現できる。

【0101】上記実施例は直流電流を用いて説明した
が、直流電流以外の入力電力等モータ出力に比例して変
化する値を使っても同様の効果が得られる。特に、入力
電力を用いた場合はモータ効率のみの最適化でなく、圧
縮機駆動装置全体の総合効率を考慮した転流位相の最適
化が行える。図17に入力電流を用いた場合の最適転流
位相探索の説明図を示す。動作は図15と同様なので説
明は省略する。

【0102】本制御装置をインバータエアコンに適用す
ることにより、冷暖房能力を大幅に増加すると同時に省
エネになるエアコンを提供できる。特に、最適転流位相
を自動的に求めることができるため、上記エアコンを安
価に供給できる。

【0103】次に本発明の第4の実施例について図18
ないし図20を用いて簡単に説明する。本実施例は前記
第3の実施例同様、最適転流位相値を探索する方式であ
るが、前記第3の実施例のように直流電流等の値を用い
づに回転数のみで行う方法である。

【0104】図18に、本発明の第4の実施例における
速度制御信号演算手段64の構成例を示す。速度制御信
号演算手段64は、前記コンバータ制御回路62への直
流電圧指令を出力する直流電圧指令部641、前記イン
バータ制御回路61への通流率指令を出力する通流率指
令部642及び転流位相指令を出力する転流位相指令部
643の3つの信号生成部とこれらを切り替えるスイッ
チ部644に加えて、PWM制御及びPAM制御を行っている
ときにも転流位相を最適値に変化させる最適転流位相制
御部648とスイッチ部646とから成っている。

【0105】図19に第4の実施例における速度制御演
算のフローチャートを示す。また、図20に実際に最適
位相を探索する転流位相変更制御部分のフローチャート
を示す。なお、本実施例は第1の実施例で述べた高速回
転時の転流位相制御も含んだ方式で記述した。

【0106】図19に示す速度制御演算フローチャート
はこれまでに説明したフローチャートと同様なので説明
は省略する。図19の処理(ア)に示す転流位相変更制
御部分のみ、図19を用いて説明する。

【0107】図20において、処理(A)は高速時の転
流位相制御を行っているかを判定しており、転流位相制
御中の場合は今回の転流位相変更制御は行わない。

【0108】転流位相制御を行ってない場合は(B)へ
進み、転流位相指令を強制的に増減値aだけ遅らせる。
この時転流位相指令は出力される。そして(C)におい
て、図19の(イ)で算出した速度と図20の処理
(C)で算出した速度を比較し、モータ速度が増加した
かを判定する。

【0109】モータ速度が増加した場合は(H)へ進
み、(B)で変更した転流位相指令をメモリに格納す
る。この時転流位相指令は格納した値を維持する。

【0110】モータ速度が増加しなかった場合は(D)
へ進み、転流位相指令を転流位相変更制御が行われる前
の値に戻す。そして(E)に進み、今度は処理(B)と
は反対に、転流位相指令を強制的に増減値aだけ進め
る。この時転流位相指令は出力される。

【0111】再度、処理(F)で図19の(イ)で算出
した速度と(F)で算出した速度を比較し、モータ速度
が増加したかを判定する。

【0112】モータ速度が増加した場合は(G)へ進
み、(E)で変更した転流位相指令をメモリに格納す
る。この時転流位相指令は格納した値を維持する。

【0113】モータ速度が増加しなかった場合は(I)
へ進み、転流位相指令を転流位相変更制御を行う前の値
に戻す。

【0114】以上の処理を速度制御周期毎に繰り返せ
ば、最適な転流位相を自動的に求めることができる。

【0115】上記転流位相変更制御は転流位相が最適
値、言い換えれば、転流位相を変更することによりモー
タ効率が上がれば、モータが発生するエネルギーが余り
その結果回転数が上昇することを基にした方式である。

【0116】このため、転流位相変更制御中はそれ以外
の値、直流電圧や通流率を変更してはいけない。そのた
め、図19に示すように、速度制御を行う前に処理を行
っている。

【0117】以上、第3及び第4の実施例を圧縮機駆動
装置に適用することにより、モータが変わっても常に効
率の良い状態で運転ができる。また、本装置を用いたエ
アコンの場合、製品の機種が多数あってもプログラムを
1種類で対応でき、開発期間の短縮が計れ、製品コスト
を抑えることができ、安価で効率の良いエアコンを提供
できる。

【0118】次に第5の実施例を図21を用いて説明す
る。本方法は第1の実施例で説明した高速回転時の転流
位相制御に関する別の方法である。

【0119】第1の実施例では図3に示したとおり、直
流電圧が最大値に達したらその後は転流位相を変更して
速度制御を行うものであったが、本実施例は直流電圧が
最大値に達したら、転流位相を一度に大きく進め、速度
制御はPAM制御で行う方式である。

【0120】図21では2回の変更で最終値に達するよ
うに記述されているが、これは何段階化に分けて変更し
た方が安定した速度制御が行われる。簡単な装置の場合
は一度に最終値まで変更しても良い。具体的な速度制御
演算のフローチャートは省略する。

【0121】上記第5の実施例でも第1の実施例同様の
効果が得られる。特に、転流位相の変更回数をこまめに
行えば、見かけ上第1の実施例と同じように見える。ま
た、第1の実施例では、転流位相の増減幅に対する速度
の変化幅が比例でないので、位相が進んだ最終値付近で
は、転流位相の増減幅を変更しないと速度変動が大きく
なるが、第5の実施例では直流電圧制御で回転数を制御
しているため速度変動が抑えられる。

【0122】言い換えれば、第1の実施例では転流位相
の増減幅を固定値でなく、位相の絶対値や速度変動幅に
従って変更する制御を付加すると有効な制御法となる。

【0123】上記、第1から第5の実施例では図1に示
す圧縮機駆動装置の構成で説明したが、図22に示す通
り、コンバータ回路2を制御する専用のコンバータ制御
回路10を外部回路として付加した回路構成でも発明の
趣旨は変わらない。最近では電源力率を改善する専用制
御回路としてIC化されており、図22に示す回路構成
の方が現実的である。

【0124】

【発明の効果】本発明によれば、PWM/PAM制御と位相の
単独制御の組み合わせで、効率を向上できる。すなわ
ち、PWM制御とPAM制御を切り替えモータの速度を制御す
るものにおいて、転流位相制御手段によりモータの巻線
の転流タイミングを変更し、定常時は効率を最大にし、
高速時は回転数が最大になるように制御することによ
り、広範囲に高効率の運転ができるようにモータを制御
できる。

【0125】特に、全速度域で位相を制御することによ
り効率の向上を図ることができる。高速側で回転数制御
をする場合、位相を変更する方法と、直流電圧を変更す
る方法があるが、どちらの方法で変更した場合に効率が
良くなるかの観点でいずれかの制御方法を選択すると、
常に効率の良い運転ができる。また、位相が常に効率の
良い所になるように探索することで、上記同様の効果が
得られる。

【0126】従って、本発明をインバータエアコンに適
用することにより、冷暖房能力を大幅に増加すると同時
に省エネになるエアコンを提供できる。また、最適転流
位相を自動的に求めることができるため、上記エアコン
を安価に供給できる。

【0127】また、本発明によれば、モータの高速回転
が可能になる。すなわち、直流電圧を330V以上に上
げることなく、位相を制御することでさらなる高速回転
制御が可能になる。よって、本発明をエアコンや冷蔵庫
に使用することにより、起動時や負荷急変時のような過
渡運転時の能力アップを図ることができる。

【0128】また、本発明によれば、モータの設計回転
数を下げられるため、低速回転時の効率がアップする。
すなわち、最大回転数を一定とした場合、高速側の制御
に余裕が出来るため、モータの設計点を低く出来る。こ
のため、低速側の効率を向上できる。また、PWM/PAM制
御と組み合わせると、さらに、高効率の運転が可能とな
る。そのため、本発明をエアコンや冷蔵庫に使用するこ
とにより、定常運転域の効率が向上し、大幅な省エネル
ギーとなり、年間電気代の大幅な低減が図れる。

【0129】さらに、本発明によれば、インバータモジ
ュールの低価格化が出来る。すなわち、最大直流電圧を
330V程度にすることで標準的なインバータモジュー
ルが使用可能となり、装置の低価格化が出来る。従っ
て、エアコンや冷蔵庫に使用する場合、これらのコスト
を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の第1の実施例に係る圧縮機駆動装置の
構成図である。

【図2】本発明の第1の実施例に係るモータ制御手段内
部構成図である。

【図3】図2の速度制御信号演算手段の動作説明図であ
る。

【図4】本発明の第1の実施例における転流位相制御切
り替えアルゴリズムを示す図である。

【図5】本発明の第1の実施例における速度制御演算フ
ローチャートである。

【図6】図1のインバータ制御回路の動作説明図であ
る。

【図7】本発明の第1の実施例における転流位相と最大
出力の関係を示す実験結果を示す図である。

【図8】本発明の第2の実施例における速度制御信号演
算手段の構成図である。

【図9】本発明の第2の実施例における速度制御信号演
算手段の動作説明図である。

【図10】本発明の第2の実施例における転流位相とモ
ータ効率の関係を示す実験結果を示す図である。

【図11】本発明の第2の実施例における速度制御演算
フローチャートである。

【図12】本発明の第2の実施例における最適転流位相
制御のフローチャートである。

【図13】本発明の第3の実施例におけるモータ制御手
段の内部構成図である。

【図14】本発明の第3の実施例における速度制御信号
演算手段の構成図である。

【図15】本発明の第3の実施例における転流位相変更
制御の説明図である。

【図16】本発明の第3の実施例における速度制御演算
フローチャートである。

【図17】本発明の第3の実施例における転流位相変更
制御の説明図である。

【図18】本発明の第4の実施例における速度制御信号
演算手段の構成図である。

【図19】本発明の第4の実施例における速度制御演算
フローチャートである。

【図20】本発明の第4の実施例における転流位相変更
制御のフローチャートである。

【図21】本発明の第5の実施例における速度制御信号
演算手段の動作説明図である。

【図22】本発明の他の実施例に係る圧縮機駆動装置の
構成図である。

【図23】従来例におけるモータ制御手段の内部構成図
である。

【図24】図23の例における速度制御信号演算手段の
動作説明図である。

【図25】図23の例におけるPWM/PAM制御切り替えア
ルゴリズムである。

【符号の説明】

1…交流電源、2…コンバータ回路、3…インバータ回
路、4…モータ、5…位置検出回路、6、11…モータ
制御手段、7…圧縮機、8、9…ドライバ、60…速度
制御回路、61…インバータ制御回路、62…コンバー
タ制御回路、63…速度演算手段、64、600…速度
制御信号演算手段、65…駆動信号発生回路、66、6
01…ドライブ信号発生手段、67…PWM信号発生手
段、68…入力電流正弦波制御手段、69…直流電圧制
御手段、641…直流電圧指令部、642…通流率指令
部、645…最適転流位相制御部、647…最適転流位
相制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 誠 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社 日立製作所 冷熱事業部内 (72)発明者 高倉 雄八 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社 日立製作所 冷熱事業部内 (72)発明者 篠崎 弘 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社 日立製作所 冷熱事業部内 (56)参考文献 特開 平9−33145(JP,A) 特開 平7−312895(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 21/00 H02P 6/00 - 6/24 H02M 7/42 - 7/98 F24F 11/00 - 11/02

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流電源を直流に変換すると共にチョッパ
    回路により直流電圧の増減を行うコンバータ回路と、こ
    のコンバータ回路の出力に接続されたインバータ回路
    と、このインバータ回路に接続されたモータと、このモ
    ータの速度制御を行うモータ制御手段とを備え、 前記モータ制御手段は、前記モータの磁極位置情報に基
    づいて前記モータの速度を演算する速度演算手段と、前
    記チョッパ回路のスイッチング動作を制御して直流電圧
    を制御するコンバータ制御回路と、前記インバータ回路
    のスイッチング動作を制御してモータを駆動するインバ
    ータ制御回路と、速度指令値とモータの速度の偏差が零
    になるように直流電圧指令値を算出する直流電圧指令部
    と速度指令値とモータの速度の偏差が零になるように通
    流率指令値を算出する通流率指令部を有する速度制御信
    号演算手段を備え、 前記モータの負荷に応じて前記直流電圧指令部と通流率
    指令部を切り替えるモータ制御装置において、 前記直流電圧指令部と通流率指令部の何れの切り替え状
    態においても前記モータの巻線に通電する転流位相を変
    更する最適転流位相制御部を備え、モータの速度もしく
    は速度及び負荷に応じて転流位相を変更することを特徴
    とするモータ制御装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記最適転流位相制御
    部は、前記直流電圧指令部または通流率指令部を併用す
    ることを特徴とするモータ制御装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記最適転流位相制御
    部は、速度または速度及び負荷の値をパラメータとして
    予め作成した転流位相のデータテーブルを使用して最適
    転流位相制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載のモー
    タ制御装置をヒートサイクルを構成する圧縮機の駆動装
    置に用いた空調機において、 室温設定温度と室温との差に応じて前記モータの速度指
    令値を演算し、該速度指令値に従って前記モータの速度
    制御を行うことを特徴とした空調機。
  5. 【請求項5】請求項1ないし3のいずれかに記載のモー
    タ制御装置を冷凍サイクルを構成する圧縮機の駆動装置
    に用いた冷蔵庫において、 庫内設定温度と庫内温度との差に応じて前記モータの速
    度指令値を演算し、該速度指令値に従って前記モータの
    速度制御を行うことを特徴とした冷蔵庫。
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