JP3816793B2 - パターン認識を利用したリニア圧縮機の運転制御装置およびその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ストローク指令値の入力を受けてリニア圧縮機を駆動するリニア圧縮機の運転制御装置およびその方法に関し、詳しくは、電流と電圧との位相差と電流との間の関係をパターンとして認識して最適の状態で運転可能なパターン認識を利用したリニア圧縮機の運転制御装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧縮機は、蒸発器から蒸発した冷媒蒸気が容易に凝縮されるように冷媒蒸気の圧力を高める(すなわち、蒸気を圧縮する)役割を果たすものである。このような圧縮機の作用によって冷媒は、凝縮と蒸発過程とを繰り返しながら冷凍装置内を循環し、熱を冷たい所から暖かい所に運搬する。
【０００３】
近年、多様な形態の圧縮機が使用されているが、最も用いられている圧縮機は往復運動圧縮機である。この往復運動圧縮機は、シリンダの内部で上下方向に運動するピストンにより蒸気を圧縮して圧力を高める方法を利用したものである。冷蔵庫またはクーラーに利用する場合には、往復運動圧縮機に印加されるストローク電圧を可変にすることで圧縮比を可変にすることができるので、可変冷却力制御にも使用することができるという長所がある。
【０００４】
しかし、従来往復運動圧縮機は、モータの回転運動を直線運動に変換して圧縮する方式であるために、回転運動を直線運動に変換するためのスクリュー、チェーン、ギアシステムおよびタイミングベルトのような機械的な変換装置が必要である。従って、これら機構によってエネルギーの変換損失が多くなり、機器の構造が複雑になるので、最近は、モータ自体が直線運動を行うリニア方式を採用したリニア圧縮機が使用されている。
【０００５】
リニア圧縮機は、モータ自体が直線形の駆動力を直接発生するために、機械的変換装置を必要とせず、構造が簡単であり、エネルギー変換による損失を低減することができ、摩擦および摩耗が発生する連結部位がなくて騷音を大きく減らすことができるということを特徴とする。また、リニア圧縮機を冷蔵庫またはクーラーに利用する場合には、リニア圧縮機に印加されるストローク電圧を変化させることで圧縮比を変化させることができ、冷却力(refrigeration capacity)の可変制御にも使用することができるという長所がある。
【０００６】
従来のリニア圧縮機の運転制御装置においては、図4に示したように、ストローク電圧によるピストンの往復運動によりストローク(ピストンの上死点と下死点との間の距離)を変化させることで冷却力(冷凍能力)を調節するリニア圧縮機3と、ストロークの変化によりリニア圧縮機3に印加される電流を検出する電流検出部5と、ストロークの変化によりリニア圧縮機3から発生する電圧を検出する電圧検出部7と、電流検出部5および電圧検出部7から検出された電流および電圧を利用してストロークを計算して、計算されたストロークと使用者が入力したストローク指令値とを比較して、スイッチング制御信号を出力するマイクロコンピュータ9と、出力されたスイッチング制御信号が入力されるトライアックによって交流電源を断続して、リニア圧縮機にストローク電圧を印加する電気回路部1と、を包含して構成される。
【０００７】
このように構成された従来のリニア圧縮機の制御動作について説明する。
【０００８】
回路部1は、使用者が設定したストローク指令値に従うストローク電圧を出力する。このストローク電圧によりピストンが往復運動してストローク(ピストンの上死点と下死点との間の距離)が変化することで、リニア圧縮機3の冷却力を制御することになる。
【０００９】
すなわち、リニア圧縮機3は、シリンダ内部のピストンの往復運動によりストロークが変化して、シリンダ内部の冷却ガスが吐出バルブを通って凝縮機に送されることで冷力を調節する。
【００１０】
ここで、ストローク電圧に従ってストロークが変化する時、電流検出部5および電圧検出部7は、リニア圧縮機3から発生する電圧および電流を検出して、マイクロコンピュータ9は、検出された電圧および電流を利用してストロークを計算する。
【００１１】
また、マイクロコンピュータ9は、計算されたストロークがストローク指令値より小さいときは、トライアックのオン(ON)期間を長くするスイッチング制御信号を出力することでリニア圧縮機3に印加されるストローク電圧を増加させ、一方マイクロコンピュータ9は、計算されたストロークがストローク指令値より大きいときは、トライアックのオン期間を短くするスイッチング制御信号を出力することでリニア圧縮機3に印加されるストローク電圧を減少させる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のリニア圧縮機の運転制御装置およびその方法においては、機構的運動特性が著しい非線形性を有するために、非線形性を考慮していない線形的な制御方法によっては精密な制御が不可能であるという問題があった。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、電流と電圧との位相差と入力電流との間のパターンを検出して、この検出されたパターンを利用してストロークを制御することで、非線形的特性による誤差を勘案してピストンのTDC(Top Dead Center：上死点)制御の可能にし、リニア圧縮機の運転効率を向上できる、パターン認識を利用したリニア圧縮機の運転制御装置および方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係るリニア圧縮機の運転制御装置においては、リニア圧縮機11に印加される電流を検出する電流検出部20と、リニア圧縮機11から発生する電圧を検出する電圧検出部30と、電流検出部20から検出された電流と電圧検出部30から検出された電圧とを受けて電流と電圧との位相差を計算する位相差計算部40と、位相差計算部40から出力された変位および電流検出部20から出力された電流を受けてその位相差および電流に対応する軌跡を利用してパターンを検出するパターン認識部50と、パターン認識部50からパターンを受けてスイッチング制御信号を出力するストローク制御部60と、ストローク制御部60からスイッチング制御信号を受けてリニア圧縮機11に所定の電圧を出力する電気回路部10と、を包含して構成される。
【００１５】
また、本発明に係るリニア圧縮機の運転制御方法においては、リニア圧縮機11の駆動時に発生する電流および電圧をそれぞれ検出するステップと、検出された電流および電圧を利用して電流と電圧との位相差を計算して出力するステップと、計算された位相差および検出された電流にそれぞれ対応する軌跡を利用してパターンを検出するステップと、検出されたパターンを受けて、この検出されたパターンと基準パターンとを比較し、一致する場合はそれに係るスイッチング制御信号を出力するステップと、スイッチング制御信号に従ったストローク電圧をリニア圧縮機11に印加してリニア圧縮機11を駆動するステップと、を順次行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
【００１７】
本発明に係るパターン認識を利用したリニア圧縮機の運転制御装置においては、図１に示すように、使用者によって所定のストローク指令値が入力されるストローク入力部70と、リニア圧縮機11に印加される電流を検出する電流検出部20と、リニア圧縮機11から発生する電圧を検出する電圧検出部30と、電流検出部20から検出された電流と電圧検出部30から検出された電圧とを受けて電流と電圧との位相差を計算する位相差計算部40と、位相差計算部40から出力された位相差および電流検出部20から出力された電流をそれぞれ受け、その位相差および電流に対応する軌跡を利用してパターンを検出するパターン認識部50と、パターン認識部50から入力されるパターンを受けて、それに係るスイッチング制御信号を出力するストローク制御部60と、ストローク制御部60からスイッチング制御信号の入力を受けてリニア圧縮機11に所定の電圧を出力する電気回路部10と、を包含して構成される。
【００１８】
また、ストローク制御部60においては、TDC(上死点）にピストンが到達した時の電流および変位に対応した基準パターンが予め記憶されるパターン記憶ROM61と、パターン記憶ROM61の基準パターンおよびパターン認識部50から出力される所定パターンを受けて、これを比較してそれに係るスイッチング制御信号を出力するマイクロコンピュータ62と、を包含して構成される。
【００１９】
また、電気回路部10は、ストローク制御部60から出力されたスイッチング制御信号を受けて、リニア圧縮機11に、交流電源を断続させて生成したストローク電圧を印加するトライアックを包含して構成される。
【００２０】
また、パターン認識部50は、電流および位相差を利用して構成された複数のセルのうち、電流および位相差に対応する軌跡がどのセルに包含されるのかを感知してパターンを検出する。ストローク制御部60は、検出されたパターンとパターン記憶ROM61から出力された基準パターンとを比較してスイッチング制御信号を出力する。リニア圧縮機11は、スイッチング制御信号に対応するストローク電圧によるピストンの往復運動によりストロークを変化させ、冷却力を調節する。
【００２１】
このように構成される本発明に係るリニア圧縮機の運転制御装置の動作について説明する。
【００２２】
リニア圧縮機11は、使用者によって入力されたストローク指令値に従うストローク電圧を発生させ、このストローク電圧によりピストンが往復運動することでストロークを変化させて冷却力を調節する。例えば、電気回路部10のトライアックがマイクロコンピュータ62のスイッチング制御信号によりターンオン周期が長くなるにつれてストロークが増加する。このストロークによりリニア圧縮機11が駆動する。
【００２３】
電流検出部20および電圧検出部30は、リニア圧縮機11から発生する電圧および電流をそれぞれ検出して位相差計算部40に印加する。位相差計算部40は、電圧検出部30の検出電圧と電流検出部20の検出電流とを利用して電流と電圧との位相差を計算して出力する。
【００２４】
この時、パターン認識部50は、位相差計算部40の位相差および電流検出部20からの電流を受け、電流および位相差に対応するグラフの軌跡をパターンとして認識する。例えば、複数のセルを予め構成しておき、電流および位相差に対応する軌跡がどのセルに包含されるのかを感知してパターンを検出する。ここで、パターン記憶ROMには、TDCにピストンが到達した場合の電流および位相差に対応する軌跡についてのパターンが基準パターンとして予め記憶されている。
【００２５】
マイクロコンピュータ62は、パターン記憶ROM61の基準パターンおよびパターン認識部50から出力される所定パターンを受けて、それを比較してその結果に係るスイッチング制御信号を出力する。リニア圧縮機11は、そのスイッチング制御信号に対応するストローク電圧によってピストンを往復運動させ、ストロークを変化させて冷却力を調節する。
【００２６】
ここで、スイッチング制御信号のデューティー比の増加が電流および位相差に対応するパターンにおいて、図2に示したように、最外角に位置した軌跡がTDCにピストンが到達した時のパターンである。
【００２７】
リニア圧縮機11の運転時に消費される電流からセンサレス回路を用いて位相差を求めると、電流および位相差に対応して変化する軌跡を求めることができる。この時、電気回路部10のトライアック（登録商標）に印加されるスイッチング制御信号を増加させながら変化する軌跡を求めてパターンとして認識しているとき、そのパターンがTDCにピストンが到達した時の基準パターンと一致すると、その時点のスイッチング制御信号を維持してトライアック（登録商標）のオン/オフ周期を制御して、リニア圧縮機の運転を制御する。
【００２８】
本発明に係るリニア圧縮機11の運転制御方法においては、図3に示すように、使用者がストローク指令値を入力するステップST10と、ストローク電圧によりリニア圧縮機11が駆動する時に発生する電流および電圧を検出するステップST20と、検出された電流と電圧とを利用して電流と電圧との位相差を計算して出力するステップST30と、計算された位相差および検出された電流に対応する軌跡を利用してパターンを検出するステップST40と、検出されたパターンと基準パターンとを比較するステップST50と、パターンが一致する場合はスイッチング制御信号を維持して出力するステップST60と、ステップST50で検出されたパターンと基準パターンとを比較し、一致しない場合はスイッチング制御信号のデューティー比を増加させるステップST90と、リニア圧縮機11に、このスイッチング制御信号が入力されるトライアックによって交流電源を断続させて生成したストローク電圧を印加するステップST70とリニア圧縮機11を駆動するステップST80と、を順次行う。
【００２９】
マイクロコンピュータ62は、TDCにピストンが到達した時の基準パターンとパターン認識部50から出力される所定パターンとが一致するまでスイッチング制御信号のデューティー比を漸次増加させる。デューティー比の増加に従ったパターンを出力しているときに、基準パターンと所定パターンとが一致した場合は、その時点のスイッチング制御信号を維持して出力する。そして、電気回路部10は、マイクロコンピュータ62からのスイッチング制御信号によって、リニア圧縮機11にトライアック（登録商標）で交流電源を断続させたストローク電圧を印加し、リニア圧縮機の運転を制御する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るパターン認識を利用したリニア圧縮機の運転制御装置およびその方法においては、機構的特性による非線形的特性を感知するために、電流と電圧との位相差と入力電流との間のパターンを検出して、検出されたパターンを利用してストロークを制御することで、非線形的特性による誤差を考慮したピストンのTDC制御が可能であるために、リニア圧縮機の運転効率を向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリニア圧縮機の運転制御装置の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明において、スイッチング制御信号のデューティー比の増加に従う電流および変位に対応するパターンを示したグラフである。
【図３】本発明に係るリニア圧縮機の運転制御方法を示したフローチャートである。
【図４】従来のリニア圧縮機の運転制御装置の構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
10…電気回路部
11…リニア圧縮機
20…電流検出部
30…電圧検出部
40…位相差計算部
62…マイクロコンピュータ
50…パターン認識部
61…パターン記憶ROM
70…ストローク入力部

Claims (12)

1. リニア圧縮機に印加される電流を検出する電流検出部と、
   リニア圧縮機に発生する電圧を検出する電圧検出部と、
   該電流検出部から検出された電流と前記電圧検出部から検出された電圧とを受けて位相差を計算する位相差計算部と、
   該位相差計算部から出力された位相差および前記電流検出部から出力された電流を受け、その位相差および電流に対応する軌跡を利用してパターンを検出するパターン認識部と、
   該パターン認識部から、検出された前記位相差と前記電流とに対応する軌跡のパターンを受け、当該パターンと基準パターンとが一致するように前記リニア圧縮機に印加される電圧を制御するスイッチング制御信号を出力するストローク制御部と、
   該ストローク制御部から前記スイッチング制御信号を受け、前記リニア圧縮機に印加される電圧を出力する電気回路部と、を包含して構成されることを特徴とするリニア圧縮機の運転制御装置。
2. 使用者の入力に従って所定のストローク指令値を出力するストローク入力部をさらに包含して構成されることを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
3. 前記リニア圧縮機は、ストローク電圧に従ったピストンの往復運動によりストロークを変化させることで前記リニア圧縮機を利用する冷蔵庫またはクーラーの冷却力を調節することを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
4. 前記パターン認識部は、電流および位相差についてのグラフ上に予め構成された多数のセルのうち、検出された前記電流および前記位相差に対応する軌跡がどのセルに包含されるのかを感知することでパターンを認識することを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
5. 前記ストローク制御部は、
   上死点にピストンが到達した時の電流および位相差に対応する基準パターンが予め記憶されたパターン記憶ROMと、
   該パターン記憶ROMの基準パターンおよび前記パターン認識部から出力される所定パターンを受けてこれらを比較し、比較の結果に基づいてスイッチング制御信号を出力するマイクロコンピュータと、を包含して構成されることを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
6. 前記マイクロコンピュータは、上死点にピストンが到達した時の基準パターンおよびパターン認識部から出力される所定パターンが一致する時までスイッチング制御信号のデューティー比を漸次増加させて出力し、出力している間に、基準パターンと所定パターンとが一致した場合はその時点のスイッチング制御信号を維持してリニア圧縮機の運転を制御するように構成されたことを特徴とする請求項５記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
7. 前記電気回路部は、前記ストローク制御部から出力されたスイッチング制御信号を受けて、交流電源を断続させたストローク電圧を前記リニア圧縮機に印加するトライアック（登録商標）を包含して構成されることを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
8. 前記トライアック（登録商標）は、前記マイクロコンピュータのスイッチング制御信号に従ってオン/オフ期間が変化することでストローク電圧を制御することを特徴とする請求項７記載のリニア圧縮機の運転制御装置。
9. ストローク指令値が入力されるステップST10と、
   ストローク電圧によってリニア圧縮機が駆動する時に発生する電流および電圧を検出するステップST20と、
   前記検出された電流および電圧を利用して前記電流と前記電圧との位相差を計算して出力するステップST30と、
   前記計算された位相差および前記検出された電流に対応する軌跡を利用してパターンを検出するステップST40と、
   前記検出されたパターンの入力を受けて、これと基準パターンとを比較し、一致する場合はその時点のスイッチング制御信号を出力するステップと、
   前記リニア圧縮機に、前記スイッチング制御信号が入力されるトライアック（登録商標）によって交流電源を断続させて生成したストローク電圧を印加して圧縮機を駆動するステップと、を順次行うことを特徴とするリニア圧縮機の運転制御方法。
10. 前記スイッチング制御信号を出力するステップは、前記検出されたパターンと基準パターンとを比較し、一致しない場合は、前記検出されたパターンと基準パターンとが一致するまで、スイッチング制御信号のデューティー比を漸次増加させるステップをさらに包含することを特徴とする請求項９記載のリニア圧縮機の運転制御方法。
11. 前記スイッチング制御信号を出力するステップの基準パターンは、上死点にピストンが到達した時の電流および位相差に対応する軌跡についてのパターンであることを特徴とする請求項９記載のリニア圧縮機の運転制御方法。
12. 前記圧縮機を駆動するステップのスイッチング制御信号は、前記検出されたパターンと、上死点にピストンが到達した時の基準パターンとが一致したとき、その時点のスイッチング制御信号を出力してトライアック（登録商標）のオン/オフ期間を制御することを特徴とする請求項９記載のリニア圧縮機の運転制御方法。

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