JP3860383B2 - 圧縮機の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷蔵庫などの冷凍システムの圧縮機の駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーエレクトロニクスの進歩に伴い、あらゆる分野でパワー制御装置が使用されてきている。例えば、冷蔵庫や空気調和機などの冷凍システムの分野において省エネルギー等の目的でその圧縮機をインバータで制御し、可変速運転することにより冷凍能力を負荷状態に合わせて変化させることにより、機器の省エネルギーに大きく貢献している。
【０００３】
特にブラシレスモータは、回転子に永久磁石を用いているため、高効率であるという特徴が有り、特に省エネルギーのために近年盛んに使用されるようになってきた。
【０００４】
このような背景から圧縮機すなわちモータの駆動装置には様々な制御面での工夫がなされるようになってきた。
【０００５】
このような従来のモータの駆動装置としては、たとえば特開平６−３２７２８６号公報に示されているとおりである。
【０００６】
以下、従来のモータの駆動装置を図１３を用いて説明する。図１３は従来のモータの駆動装置のブロック図を示す。
【０００７】
図１３において、直流電源１０２から１２０度通電型インバータ１０１を介してブラシレスモータ１０３にパワーを供給する。
【０００８】
モータの速度Ｎは速度検出手段１０９により検出し、通流率発生装置１０４で速度指令装置１０７から出力される速度指令ＮＲと比較し誤差がゼロになるように通流率ＤＴ０を決定する。補正装置１０８では通流率ＤＴ０に対して電流が尻上がりの傾斜を持つように補正を加え、通流率ＤＴを作成する。
【０００９】
変調装置１０５はインバータのドライブ信号に対して通流率ＤＴで変調を行いパルス幅変調信号ＰＤを出力し、このパルス幅変調信号ＰＤに応じてドライブ回路１０６でインバータのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を駆動するドライブ信号ＤＶを発生する。
【００１０】
インバータ１０１はドライブ信号ＤＶによりチョッパ動作を行いモータに流れる電流を調整し、モータが指令速度ＮＲで回転するように制御する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、電流に尻上がりの傾斜を持たせるように通流率を調整するものであるため、トルクリップルに起因する振動や騒音は抑制することができる。
【００１２】
冷蔵庫などの冷凍システムに使用されている圧縮機などの場合、モータはシェルと呼ばれる密閉容器の中にバネなどで懸架して納められている。そのため、モータ自体のトルクリップルによって振動や騒音が増加するものではない。
【００１３】
しかし、ブラシレスモータのモータトルクは電流に比例することからモータトルクは前半は小さく後半へ行くほど大きくなる特性を有する。これは電流のピーク値が大きくなり、出力の電流力率を悪化させる。これによりブラシレスモータの電流が増加し、銅損が増加するため、モータ効率が悪化するという課題を有していた。
【００１４】
ここでは、従来例として電流が尻上がりになるように通流率を変化させるような例を示したが、通流率が区間を通して一定となるような変調方法も良く行われる。この場合も積極的には尻上がりには制御しないものの、モータ巻線のインダクタンスの影響により転流初期には電流が流れにくく、やはり転流の後半に電流が増加してくることになるため、前記と同様にモータ効率は悪化する。
【００１５】
一方、圧縮機はもともと負荷のトルク変動が大きく、モータのトルク変動では振動や騒音の影響を受けにくいという特性を持っているため、圧縮機に応用する場合はモータのトルク変動の抑制より、モータの効率アップの方が重要な要求性能である。
【００１６】
本発明は、ブラシレスモータの電流波形を制御することにより、モータの効率を更に向上させ商品の大幅な省エネルギーを達成することができる圧縮機の駆動装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化を行うことができる圧縮機の駆動装置を提供することを目的とする。
【００１８】
また、どのような運転状態においてもモータの高効率化を行うことができる圧縮機の運転装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また、起動などの運転状態が不安定であるときに安定した動作を提供できる圧縮機の運転装置を提供することを目的とする。
【００２０】
また、圧縮機など１回転当たりの負荷変動が非常に大きな負荷に対してより大きなモータの高効率化を行うことができる圧縮機の駆動装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とを有するものである。
【００２２】
これにより、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間においてブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少するため、モータの銅損やインバータ回路損失を削減することができる。また、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更することにより、回転数が高くなり、周期が短くなっても分割区間内に２以上のＰＷＭ制御のパルスを入れることができるので、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化をすることができる。
【００２７】
また、ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段を有するものである。
【００２８】
これにより、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるように制御することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記ブラシレスモータの回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号より前記ブラシレスモータの３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによって前記インバータを駆動させるインバータ制御手段と、前記インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とからなる圧縮機の制御装置としたものであり、ブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少するため、モータの銅損やインバータ回路損失を削減することができるという作用を有する。また、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更することにより、回転数が高くなり、周期が短くなっても分割区間内に２以上のＰＷＭ制御のパルスを入れることができるので、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化をすることができるという作用を有する。
【００３４】
請求項２に記載の発明は、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、前記ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段とからなる圧縮機の制御装置とするものであり、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるようにモータ電流を制御することができるという作用を有する。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図６を用いて説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のブロック図である。
【００３８】
図２において、１は商用電源であり、日本の一般家庭の場合、１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚが一般的に使用されている。
【００３９】
２はコンバータであり、商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。
【００４０】
コンバータ２は４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続して、商用電源１の整流を行う。また電解コンデンサ２ｅの正端子はブリッジ接続された整流ダイオード２ａと整流ダイオード２ｃとの接続点に接続し、電解コンデンサ２ｆの負端子はブリッジ接続された整流ダイオード２ｂと整流ダイオード２ｄとの接続点に接続している。
【００４１】
また、電解コンデンサ２ｅの負端子と電解コンデンサ２ｆの正端子とを直接接続している。リレー２ｇは、整流ダイオード２ｃと整流ダイオード２ｄとの接続点と、電解コンデンサ２ｅと電解コンデンサ２ｆとの接続点との間をＯＮまたはＯＦＦできる様に接続している。
【００４２】
３はインバータであり、コンバータ２で整流された直流電圧出力を入力として任意周波数、任意電圧の三相交流に変換する。
【００４３】
インバータ３はＩＧＢＴ３ａ〜３ｆを各々三相ブリッジ接続しており、また各々のＩＧＢＴ３ａ〜３ｆには並列に高速ダイオードが接続されている（図示せず）。高速ダイオードはＩＧＢＴ３ａ〜３ｆがオフしたときの環流電流を流す働きをする。
【００４４】
４は電流検知抵抗であり、インバータ３の直流電圧の負端子側に挿入している。この電流検出抵抗４の両端には電流に比例した電圧が発生する。
【００４５】
５はブラシレスモータで、インバータ３の三相交流出力で駆動される。ブラシレスモータはローターにマグネットを持っており、このマグネットトルクをうまく利用することにより高効率化が可能である。このモータ５はインバータ３の出力周波数に応じた回転数で回転する。
【００４６】
６は圧縮要素であり、ブラシレスモータ５の回転運動をクランク機構（図示せず）を用いて往復運動に変換し、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復することにより、冷媒ガスを圧縮する。
【００４７】
７は圧縮機であり、ブラシレスモータ５と圧縮要素６とを支持要素８で懸架して密閉容器９に納められている。一般的には支持要素６としてバネが使用されている。
【００４８】
１０は位置検出手段であり、ブラシレスモータ５のローターの回転位置を相対的に検出するために、モータの誘起電圧から回転位置を検出する。
【００４９】
１１はインバータ制御手段であり、マイコンなどを使用しており、位置検出手段１０の位置検出結果に基づきインバータ３のＩＧＢＴ３ａ〜３ｆを駆動するための波形を生成したり、インバータ２２の異常動作を検出して、保護動作などを行う。
【００５０】
また、インバータ制御手段１１はリレー２ｇのＯＮ／ＯＦＦを制御し、コンバータ２の出力電圧を調整する。リレー２ｇがＯＦＦの時はコンバータ２の回路は全波整流回路となり出力は約１４０Ｖ得られる。また、リレー２ｇがＯＮの時はコンバータ２の回路は倍電圧整流回路となり出力は約２８０Ｖ得られる。
【００５１】
１２は電流制御手段であり、インバータ３への駆動信号のＰＷＭ制御のデューティを調整することによりブラシレスモータ５の電流波形を制御する。ここでＰＷＭ制御とはパルス幅変調制御のことを意味し、モータの駆動周波数に対して十分大きな周波数であるキャリア周波数を選定する。一般的にはキャリア周波数は２ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度が使用される。
【００５２】
このキャリア周波数の中でデューティを調整することにより、出力の電圧を変化させることができる。ここで、デューティとはオン時間とキャリア周期の比を示し、デューティが大きいほど出力の電圧は高くなる。
【００５３】
１３は電流検出手段であり、電流検出抵抗４の両端の電圧を検出し、そこから現在の負荷トルクを知ることができる。これはブラシレスモータ５に流れるモータ電流は負荷トルクに比例するという特性を利用したものである。
【００５４】
１４は電圧検出手段であり、コンバータ２の出力電圧を検出する。ここでは商用電源１での電圧変動やリレー２ｇによる整流方式の切替による電圧の変化を検出する。
【００５５】
１５は冷凍システム制御手段１５であり、この冷凍システム制御手段１５で圧縮機７を含む冷凍システム全体の制御を行い、コンプレッサの回転数も決定し、インバータ制御手段１１に指令を行う。この回転数の指令は例えばシリアル通信などを使用して行う。
【００５６】
１６は急凍スイッチで、冷凍システムのユーザー側に取り付けられ、ユーザーが急速に冷凍したい物を投入したときにスイッチを押す。すると冷凍システム制御手段１５はコンプレッサの回転数を高回転数とし、インバータ制御手段１１に指令する。
【００５７】
１７は温度入力手段で、冷凍システムの庫内温度（例えば、冷蔵庫の場合は、冷凍室の温度）を検出する。冷凍システム制御手段１５はこの温度入力手段１７の出力を基に、コンプレッサの回転数を決定し、インバータ制御手段１１に指令信号を送る。
【００５８】
１８は負荷駆動手段であり、冷凍システム制御手段１５によって駆動され、ファンモータや霜取りヒータ（図示せず）などを駆動する。
【００５９】
図１のように構成された圧縮機の制御装置についてその動作を説明する。
【００６０】
圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは凝縮器（図示せず）で放熱、液化し、減圧器（図示せず）で減圧され、蒸発器（図示せず）で蒸発（気化）する。この時、周囲の空気から熱を奪い、空気を冷却する。この冷却された空気をファンなどで攪拌することにより庫内を冷却する。
【００６１】
この庫内の温度を温度入力手段１７を用いて検出する。また、温度入力手段１７はこれ以外にも外気温度など冷凍システムの制御に必要な温度を検出してくる。
【００６２】
冷凍システム制御手段１５ではこの温度入力手段１７からの温度情報を元に最適な状態で冷凍システムの圧縮機７が運転できる様に制御を行う。一般的には庫内温度が低いほど圧縮機７のブラシレスモータ５の回転数を低下させ冷凍能力を低くして運転する。また、外気温度が低いほど圧縮機７のブラシレスモータ５の回転数を低下させ冷凍能力を低くして運転する。
【００６３】
また、冷凍システム使用者の意志で急速な冷凍を希望する場合、急凍スイッチ１６を操作することにより、圧縮機７のブラシレスモータ５の回転数を高速にして冷凍能力を高くして運転する。これを一定時間、または再度急凍スイッチ１６が操作される（状態の強制解除）まで高速運転を継続する。これにより、庫内に置かれた被冷却物が急速に冷却されることになる。
【００６４】
冷凍システム制御手段１５が決定した回転数をインバータ制御手段１１に指令回転数として送る。インバータ制御手段１１ではブラシレスモータ５の回転数がこの指令回転数になるように出力電圧を調整する。この出力電圧の調整は一般的にはＰＷＭ制御のデューティを変えることによって行われる。
【００６５】
ブラシレスモータ５はモータの回転とインバータの出力が完全に一致する必要が有り、その役割を位置検出手段１０が行う。ブラシレスモータ５の巻線の誘起電圧を検出し、そのロータ（図示せず）の回転位置の相対位置を検出し、その信号に従ってインバータ３の最適なＩＧＢＴをオンさせる。
【００６６】
ブラシレスモータの駆動においては、３相巻線のうち２相に電流を流すことによって駆動する。すなわち位置検出手段１０の信号によって、インバータ３の駆動する２相を決定し、その後位置検出手段１０の信号の変化に合わせて駆動する相を順次切り替えていく。この駆動する相が変化してから次の変化を行うまでを２相通電区間と呼ぶ。
【００６７】
また、インバータ制御手段１１は、ブラシレスモータ５を高回転数で運転する時は、リレー２ｇをオンさせる。これによりコンバータ２は倍電圧整流の回路となり、コンバータ２の出力電圧は高くなる。また、ブラシレスモータ５を低回転数で運転する時は、リレー２ｇをオフさせる。これによりコンバータ２は全波整流の回路となり、コンバータ２の出力電圧は低くなる。このように回転数によりコンバータ２の出力電圧を変えることにより、ブラシレスモータ５の効率の高い状態で使用できる様になる。
【００６８】
次に図１における電流制御手段１２について図１及び図２を用いて説明する。
【００６９】
図２は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図を示す。
【００７０】
図２において、２０は転流手段である。位置検出手段１０の出力からインバータ３の駆動するＩＧＢＴを選択する。
【００７１】
２１は速度検出手段である。位置検出手段１０の出力からブラシレスモータ５の回転数を検出する。ブラシレスモータは同期式モータであり滑りは発生しないので、モータの回転数Ｎ〔ｒ／ｓ〕はインバータの出力周波数Ｆ〔Ｈｚ〕、ブラシレスモータ５の極数をＰとすると、次式で表される。
【００７２】
【数１】
【００７３】
２２はタイマ手段であり、速度検出手段２１で検出したモータの回転数から得られる時間をベースにタイマ時間を設定する。そのタイマ時間Ｔｔは次式で表される。ここで、ｎは１回の切替区間（６０度）内における分割数を示す。
【００７４】
【数２】
【００７５】
タイマ手段２２のスタートのタイミングは転流手段２０の切り替えるタイミング（６０度の通電区間、すなわち２相通電区間の始まり）でスタートする。既にタイマが動作している場合には、再スタートする。このタイマ時間が終了すると、各分割区間のタイミングを発生することができる。本実施例では説明の簡素化のため、ｎ＝３（分割区間２０度）として以降説明をしていく。
【００７６】
２３は区間判定手段であり、タイマ手段２２の出力により分割区間を判定する。すなわち現時点は、分割区間の０度から２０度、２０度から４０度、４０度から６０度のどの分割区間かを判定する。以降説明の簡素化のため以上の分割区間をそれぞれ分割区間Ａ、分割区間Ｂ、分割区間Ｃとする。
【００７７】
２４はデューティ補正手段であり、区間判定手段２３で判定された分割区間を基にデューティを補正するデータを選択する。例えば分割区間Ａでは補正量＋１０％、分割区間Ｂでは補正量＋５％、分割区間Ｃでは補正量０％をそれぞれ選択する。
【００７８】
２５はデューティ設定手段であり、速度検出手段２１の出力（実回転数）と指令回転数とを比較し両者が一致する様にデューティを設定する。例えば、指令回転数＜実回転数の場合、デューティを小さくする。逆に、指令回転数＞実回転数の場合、デューティを大きくする。また指令回転数＝実回転数の場合はデューティを維持する。この調整されたデューティから更にデューティ補正手段２４で決められた補正量を補正したデューティ量を出力する。
【００７９】
２６はデューティ発生手段であり、デューティ設定手段２５で設定されたデューティに従ってパルス信号を発生する。
【００８０】
２７は合成手段であり、転流手段２０で作られた転流信号とデューティ発生手段２６で作られたパルス信号とを合成して、インバータ３のＩＧＢＴ３ａ〜３ｆのドライブ信号を出力する。
【００８１】
２８は状態検出手段であり、電流検出手段１３で検出した電流の状態、電圧検出手段１４で検出した直流電圧の状態、温度入力手段１７で検出した庫内温度や外気温度などの状態、速度検出手段２１からの実回転数の状態を検出し、必要なデューティ補正値の演算を行い、デューティ補正手段にその結果を出力し、出力デューティの補正をおこなう。
【００８２】
２９はキャリア周波数変更手段であり、冷凍システム制御手段１５から送られてくる設定回転数、または速度検出手段２１で検出された実回転数により、最適なキャリア周波数を選択し、デューティ発生手段２６に指令を出し、ＰＷＭ制御のパルスのキャリア周波数を変更する。
【００８３】
次に、デューティの補正の動作について図１から図３を用いて説明する。
【００８４】
図３は本発明の実施の形態１のデューティ補正の動作を示す流れ図である。
【００８５】
Ｓ１で位置信号の変化の有無を判定する。位置検出手段１０の位置信号の変化を判定している。位置信号の変化があればＳ２へ進み、変化がなければＳ５へ進む。
【００８６】
Ｓ１で信号変化が発生したので、まずＳ２で出力の切り替えを転流手段２０で行う。この切り替えはロータの回転位置に従ってモータが最も効率の高いタイミングで行うものである。
【００８７】
次に、Ｓ３でタイマ手段２２にタイマ時間をセットする。ここでのタイマ時間は前述した様に回転数で変化し、転流手段２０が出力を切り替える、言い換えれば位置検出手段１０の位置信号が変化するまでの２相通電区間である電気角６０度の間を複数の分割区間に分けるタイマ時間を指す。本実施例は３分割するものとして説明を行っているので、電気角２０度に相当する時間をタイマ時間としている。
【００８８】
Ｓ４ではタイマをリスタートする。ここでは前回のタイマ時間が残っている場合などについても一旦そのタイマをクリアし、新たにセットされたタイマ時間で再スタートを行う。
【００８９】
Ｓ５ではタイマ手段２２のタイムアップを確認する。タイムアップしていなければＳ５を継続し、タイムアップしていればＳ６に進む。
【００９０】
Ｓ６はタイムアップした後、現在はどの分割区間にいるかを区間判定手段２３で判定する。これはカウンタなどを用い位置信号変化後何回目のタイムアップかによって分割区間を判定できる。もし、規定回数以上のタイムアップがあった場合には無視することも可能である。このようにすることによって誤動作の防止をすることができる。
【００９１】
Ｓ６で判定された分割区間に対し、Ｓ７ではデューティ補正手段２４で決められたデューティ補正値をデューティ設定手段２５に送ることにより、デューティの変更及び実際のパルス出力を行う。次にＳ８でタイマ手段２２をリスタートする。
【００９２】
このように動作させることにより、出力の転流が切り替わる間の電流を決められた分割区間毎に制御することができる。
【００９３】
次に、デューティの補正を行ってどのようにブラシレスモータ５を制御するのかについて説明する。
【００９４】
図４は本発明の実施の形態１のブラシレスモータ５の無負荷誘起電圧波形のタイミング図である。
【００９５】
図４において縦軸は誘起電圧の電圧値を示し、横軸は時間を示す。通常の停止状態ではこの波形は観測できないが、ロータを外部から直接回すことによってこの波形が観測できる。もちろんこの時インバータからの電圧は一切印加していないものとする。また、これらの電圧波形はスター結線された中性点と各相の端子との波形を示している。
【００９６】
実線はＵ相の端子の無負荷誘起電圧波形、破線はＶ相の端子の無負荷誘起電圧波形、一点鎖線はＷ相の端子の無負荷誘起電圧波形を示す。各波形はピーク値付近でその電圧はほぼ平坦な波形となっており、かつ１２０度づつ位相がずれた波形をしている。また、その周期Ｔは回転数とモータの極数によって決まり、周期Ｔが小さくなればなるほど無負荷誘起電圧は大きくなる。
【００９７】
この無負荷誘起電圧の平坦な部分で電圧を印加して、なおかつモータ電流をこの無負荷誘起電圧波形と同じ波形にすると、ブラシレスモータは最もトルクを発生し易く、かつ力率も向上するので最も効率の高い運転とすることができる。
【００９８】
しかし、実際にはモータ巻線のインダクタンス成分や抵抗成分により電流波形は一次遅れとなり、立ち上がり時に電流が増加しにくく、後半へ行くほど電流が増加してトルクを多く発生させるという動作を行うため、この無負荷誘起電圧波形と同一波形の電流を流すことは困難となる。本発明においては電流制御手段１２を設けることにより、モータ電流波形を制御し、無負荷誘起電圧の電圧波形と同一のモータ電流波形とするようにしている。
【００９９】
次に図１から図４の様に構成された圧縮機の制御装置についてその動作を全体的に説明する。
【０１００】
図５は本発明の実施の形態１の圧縮機のタイミング図である。
【０１０１】
図５において、Ａ）からＣ）は各々位置信号Ｘ、位置信号Ｙ、位置信号Ｚを示す。これはブラシレスモータ５の誘起電圧から位置検出手段１０で検出された位置信号を示す。
【０１０２】
Ｄ）からＩ）は各々ドライブ信号Ｕ、ドライブ信号／Ｕ、ドライブ信号Ｖ、ドライブ信号／Ｖ、ドライブ信号Ｗ、ドライブ信号／Ｗを示す。ここで／のついていないものは上アーム、／のついているものは下アームのＩＧＢＴのドライブ信号を示す。但し、ここでＰＷＭ制御のパルスは省略しているが、上アームまたは下アームのいずれかに合成することにより電圧制御が可能となる。
【０１０３】
ここで位置信号Ｘ、Ｙ、Ｚとドライブ信号Ｕ、／Ｕ、Ｖ、／Ｖ、Ｗ、／Ｗとは単純な論理回路で発生しており各波形のタイミングは一致している。
【０１０４】
Ｊ）はデューティを示しており、破線は従来の圧縮機の制御装置によるデューティを、実線は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置によるデューティを示す。
【０１０５】
Ｋ）はモータ電流波形を示しており、破線は従来の圧縮機の制御装置によるモータ電流波形を、実線は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置によるモータ電流波形を示す。
【０１０６】
圧縮機の制御装置によるデューティは図５のＪ）に破線で示している様に常に一定のデューティを印加していたため、電流波形は図５のＫ）に破線で示している様に尻上がりの電流波形となる。すなわちモータのインダクタンス成分により切り替え初期は電流が流れにくく後半で電流を流すことにより全体的なトルクを出している。
【０１０７】
しかしながら、このような電流波形では電流ピーク値が上がり、力率が低下するので、電流が大きくなりモータの銅損が増加するためにモータの効率が低下することとなる。
【０１０８】
そこで、本発明の実施の形態１における圧縮機の制御装置においては、モータ電流をＵ相からＶ相に流す状態の区間、すなわち時刻ｔ１からｔ４の期間が２相通電区間である。この２相通電区間をさらに３つの分割区間ｔ１からｔ２、ｔ２からｔ３、ｔ３からｔ４に分割する。その各分割区間でデューティをＪ）に示すように段階的に補正を行う。以降の２相通電区間についても動作は同様であるので説明は省略する。
【０１０９】
このように、デューティは図５のＪ）に実線で示している様に２相通電区間の６０度を更に３分割し、２０度毎の各分割区間でデューティが大きい状態から、小さい状態になる様に印加している。もちろんこの時にデューティの平均値は従来と同等になるのはいうまでもない。
【０１１０】
このようにすることにより、電流波形は図５のＫ）に実線で示している様に前半に電圧（デューティ）が高く電流の立ち上がりが早くなり、後半では電圧（デューティ）を低くするために電流の増加を防止している。
【０１１１】
これにより図４に示した無負荷誘起電圧波形と同一の平坦な電流波形を得ることができる。これによりモータのトルクを有効に発生することができると共に、電流のピーク値を抑えることができるので、力率が向上し、電流が減少し、モータの銅損が減少することによりモータの効率をあげることができる。
【０１１２】
次にデューティの補正量について図６から図９を用いて更に詳しく説明する。
【０１１３】
図６は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のデューティ補正の流れ図である。
【０１１４】
図６において、Ｓ１０からデューティ補正をスタートする。Ｓ１１で位置信号変化を検出する。Ｓ１１で検出した位置信号をもとにＳ１２で回転数を検出する。これは例えば一定時間内の位置信号の変化の回数をカウントするか、位置信号の変化するまでの時間を計測するか等の方法により検出できる。
【０１１５】
Ｓ１３では、Ｓ１２で検出した回転数データに基づいてＰＷＭ制御のパルスのキャリア周波数を決定する。ここでこの両者の関係について更に詳しく説明する。
【０１１６】
ＰＷＭ制御を行いたい時、その所定の分割区間においては少なくとも２パルス以上のパルスが必要である。それより少なくなると十分なＰＷＭ制御ができないことになる。また、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を上げるとモータの効率が上がるが、スイッチングロスの増加によりインバータ効率が下がるので、トータルの効率が最も高くなるポイントが有る。これは設計により変化するが一般的には数ｋＨｚ程度のキャリア周波数が最適値となることが多い。
【０１１７】
本発明の実施の形態１における圧縮機の制御装置においては、分割された分割区間は電気角２０度の分割区間であり、この間に２パルス以上のパルスが入る様にキャリア周波数を決定する。
【０１１８】
例えば、４極モータの場合、回転数が４１ｒ／ｓ以下ではキャリア周波数３ｋＨｚ、回転数がそれよりも大きく６９ｒ／ｓ以下ではキャリア周波数５ｋＨｚ、回転数がそれよりも大きいときは７ｋＨｚという様に、キャリア周波数の切り替えを行う。キャリア周波数７ｋＨｚでは回転数９７ｒ／ｓまで制御可能である。それ以上の回転数が必要な場合にはもっとキャリア周波数をあげればよい。
【０１１９】
このようにキャリア周波数を回転数で切り替えることにより、最も効率が高くなる様な運転が可能となる。
【０１２０】
Ｓ１４では電気角６０度の時間を演算する。これは回転数から容易に演算することができる。次に３分割された電気角２０度の分割区間の時間を演算し記憶する。これも電気角６０度の時間から容易に演算できる。
【０１２１】
Ｓ１６では、Ｓ１５で演算された結果をタイマ手段２２に設定する。Ｓ１７では所定の分割区間に予め設定されているデューティ補正値を読み出してくる。これは回転数毎に最適な値が設定されている。
【０１２２】
そのデューティ補正値を、Ｓ１８では電圧検出手段１４により検出された直流電圧により更に補正を行い、Ｓ１９では電流検出手段１３で検出された直流電流により更に補正を行い、Ｓ２０では温度入力手段１７で検出された温度により更に補正を行うことにより、Ｓ２１でデューティ補正値の決定を行う。このデューティ補正値で制御を行うこととなる。
【０１２３】
次にこのデューティの状態による補正について更に詳しく説明を行う。
【０１２４】
図７は本発明における直流電圧による最適デューティ補正量を示す相関図を示す。図７に示す様に直流電圧が低下すると最適デューティ補正量が増加する傾向にある。従って直流電圧は低下するとデューティの補正量を大きくする様に補正を行うとより最適な運転ができることになる。
【０１２５】
図８は本発明における回転数による最適デューティ補正量を示す相関図を示す。図８に示す様に回転数が低下すると最適デューティ補正量が減少する傾向にある。従ってＳ１７によって読み出されるデューティ補正値はこのデータに基づいて設定されている。
【０１２６】
図９は本発明における負荷量による最適デューティ補正量を示す相関図を示す。図９に示す様に負荷量が低下すると最適デューティ補正量が増加する傾向にある。従って直流電圧は低下するとデューティの補正量を大きくする様に補正を行うとより最適な運転ができることになる。ここでいう負荷量は電流や温度によって決定することができ、電流が大きければ負荷が大きくなる。また、温度の場合は庫内温度または外気温度が高い方が負荷が大きくなる。
【０１２７】
以上説明した通り、本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置はつぎのような効果がある。
【０１２８】
ブラシレスモータ５を駆動するインバータ３と、ブラシレスモータ５の回転子の回転位置を検出する位置検出手段１０と、位置検出手段１０の信号よりブラシレスモータ５の３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによってインバータ３を駆動させるインバータ制御手段１１と、インバータ３の２相通電区間内で電流がブラシレスモータ５の無負荷誘起電圧の波形と相似な波形となるように電流を制御する電流制御手段１２とからなる圧縮機の制御装置とすることにより、ブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少し、モータの効率を更に向上させ商品の大幅な省エネルギーを達成することができる。
【０１２９】
また、インバータ３の２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段２４と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段２９とからなる圧縮機の制御装置とすることにより、回転数が上がり分割区間の周期が短くなってもその分割区間内に常に２以上のＰＷＭのパルスが入るようにキャリア周波数を変更することができ、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化を行うことができる。
【０１３０】
また、インバータ３の２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段２４と、インバータ３の状態を検出しデューティ補正手段２４で設定されたデューティを更に変化させる状態検出手段２８とからなる圧縮機の制御装置とすることにより、直流電圧やモータの電流、温度条件などにより、周囲の負荷状況が変化しても常に最大の効果が確保できる様にモータ電流を制御することができ、どのような運転状態においてもモータの高効率化を行うことができる。
【０１３１】
実施の形態１における説明において、位置検出手段１０はブラシレスモータ５の誘起電圧を検出してロータの相対位置を検出する様にしたが、ホール素子など位置検出素子を使ったものや電流から位置を推定する方法でもよい。
【０１３２】
また、コンバータ２はリレー２ｇを使用して整流方法を切り替えて直流電圧を切り替える様にしたが、チョッパなどを使って電圧を任意に変化させてもよい。
【０１３３】
また、電圧検出手段は直流電圧を検出するようにしたが、入力電圧を検出してもよいことはいうまでもない。
【０１３４】
（実施の形態２）
図１０は本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図である。図２と同一機能を有するものは同一番号を付与し、詳しい説明は省略する。
【０１３５】
図１０において、４０は回転数安定判定手段である。位置検出手段１０の位置検出信号から回転数を検出し、指令回転数に対して安定していればデューティ補正を行う信号を送出し、安定していなければデューティ補正を行わない信号を送出する。
【０１３６】
４１はＡＮＤ手段であり、回転数安定判定手段４０で回転数が安定していると判断されるとデューティ補正手段２４の出力信号をデューティ設定手段２５に送る。逆に回転数が安定しない時はデューティ補正手段２４の出力信号をデューティ設定手段２５に送らない。
【０１３７】
４２はデューティ変更手段であり、回転数安定判定手段４０で回転数が非安定状態から安定状態に状態が変化する時、すなわちデューティが補正されない状態から補正される状態に変化する時、強制的に基となるデューティ（これまでの回転数制御を行ってきたデューティ、以降このデューティを基底デューティと呼ぶ）を変更する。このときデューティの平均値が変化の前後で一致する様にデューティの変更を行う。
【０１３８】
４３は回転数位置検出手段である。位置検出手段１０の位置検出信号から機械的な回転位置を検出する。これはブラシレスモータは同期式で駆動されていることから検出できる。例えばモータが２極の時は電気角と機械角が一致し、４極の時は電気角の２周期と機械角が一致し、６極の時は電気角の３周期と機械角が一致する。従って電気角が判ることによって機械角の検出が可能となる。
【０１３９】
４４はデューティ補正量変更手段であり、回転位置検出手段４３で検出された位置に対してデューティ補正量を変更する。具体的には機械角１周期前の回転数、電圧、電流、温度などのデータを基に最適なデューティ補正量に変更する。
【０１４０】
４５はタイマ時間決定手段であり、回転位置検出手段４３で検出された位置に対してタイマ手段２２に設定するタイマ時間を変更する。具体的には機械角１周期前の切替周期を基にその周期の１／３の時間（電気角２０度分の時間）を設定する。
【０１４１】
以上の様に構成された圧縮機の制御装置の電流制御手段１２の動作について図１０及び図１１を用いて詳しく説明する。
【０１４２】
図１１は本発明の実施の形態２のデューティ補正の動作を示す流れ図である。
【０１４３】
Ｓ３０で、回転数安定判定手段４０で実回転数が指令回転数に対して安定しているかどうかを判定する。安定していればＳ３１でデューティ補正手段２４によるデューティ補正を実施し、Ｓ３６に進む。Ｓ３０で安定していない判定であればＳ３２に進む。
【０１４４】
Ｓ３２で、デューティ補正手段２４によるデューティ補正はＡＮＤ手段４１で信号の流れを停止し、実施しない。すなわち回転数が安定している時にのみ、デューティ補正を実施することにより、起動時や回転数変化など動作が不安定な時は従来通りの制御をすることにより制御の安定性を確保する。
【０１４５】
Ｓ３３で、再度回転数安定判定手段４０で実回転数が指令回転数に対して安定しているかどうかを判定する。安定していなければＳ３２から繰り返す。安定していればＳ３４に進む。
【０１４６】
Ｓ３４で、デューティ補正をスタートすると共に、Ｓ３５でそれまでの基底デューティを変更し、Ｓ３６に進む。例えばデューティ補正を２０度の分割区間毎に＋１０％、＋５％、＋０％と変化させる場合、そのままこのデューティに補正を加えると平均デューティはそれまでの基底デューティの＋５％のデューティとなる。
【０１４７】
デューティが急激に変化すると回転数が急激に変化する。これを防ぐためにデューティ補正がスタートすると同時に基底デューティを−５％に変更する事により、この回転数の急激な変化を防止する。
【０１４８】
Ｓ３６で、回転位置検出手段４３で回転位置を検出する。この回転位置は前述した様に機械的な回転位置であり機械角で表される。
【０１４９】
Ｓ３７で、機械角１周期前の回転数、電圧、電流、温度などのデータを基に最適なデューティ補正量を決定すると共に、デューティ補正手段２４に設定する。
【０１５０】
次にＳ３８で、機械角１周期前の切替周期を基にその周期の１／３の時間（電気角２０度分の時間）をタイマ手段２２に設定する。
【０１５１】
圧縮機のように１回転当たりの負荷のトルク変動が非常に大きく、またその変化が周期的に起こる様な場合には、このように１周期前のデータを基に制御をすることが有効な手段のひとつである。
【０１５２】
この具体的な動作について、次に図１２を用いて説明する。
【０１５３】
図１２は本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置のタイミング図である。
【０１５４】
図１２において、Ｌ）からＮ）は各々位置信号Ｘ、位置信号Ｙ、位置信号Ｚを示す。これはブラシレスモータ５の誘起電圧から位置検出手段１０で検出された位置信号を示す。
【０１５５】
Ｏ）からＴ）は各々ドライブ信号Ｕ、ドライブ信号／Ｕ、ドライブ信号Ｖ、ドライブ信号／Ｖ、ドライブ信号Ｗ、ドライブ信号／Ｗを示す。ここで／のついていないものは上アーム、／のついているものは下アームのＩＧＢＴのドライブ信号を示す。但し、ここでＰＷＭ制御のパルスは省略しているが、上アームまたは下アームのいずれかに合成することにより電圧制御が可能となる。
【０１５６】
ここで位置信号Ｘ、Ｙ、Ｚとドライブ信号Ｕ、／Ｕ、Ｖ、／Ｖ、Ｗ、／Ｗとは単純な論理回路で発生しており各波形のタイミングは一致している。
【０１５７】
Ｕ）はトルクを示しており、実線は圧縮機の圧縮要素による負荷トルクを示しており、破線はモータトルクを示す。圧縮要素は往復動式圧縮要素であり一往復で吸入／圧縮を繰り返す構造であり、吸入時にはほとんど負荷トルクは必要無く、圧縮時に大きな負荷トルクが必要である。
【０１５８】
一方、モータトルクは負荷トルクと回転体の慣性モーメントによって変化し、急激なトルク変化をおこす負荷トルクに対応して、ゆっくりとした変化を示す。この時、モータトルクが負荷トルクより大きい時は回転は加速方向であり、モータトルクが負荷トルクより小さい時は回転は減速方向である。すなわち１回転当たりの回転数変動がＶ）に示す様に起こっていることとなる。
【０１５９】
このモータトルク変動、回転数変動は負荷トルクが大きい方が大きく、また回転数が低い方が大きい。これは回転数が低いと慣性モーメントが小さくなるためである。また、負荷トルクの変動は回転位置（機械角で示す）により決まっており、機械角は電気角を知る事により判ることができる。
【０１６０】
機械角３６０度の区間において２相通電区間での時間を各々Ｔ０からＴ１１とする。このＴ０からＴ１１は等幅ではなくＶ）の回転速度と同じく周期的に変動している。
【０１６１】
この各区間において、回転数や電圧、電流など負荷の状態を検出し、各々の区間に最適なデューティ補正量を決定する。そのデューティ補正量を次の機械角の同じ位置で使用する。すなわちＴ０での結果はＴ１１の次の２相通電区間で使用し、順次前回の機械角が同等のデータを使用し、各２相通電区間毎にデューティ補正量を変更していく。
【０１６２】
また、同様にタイマ手段２２にセットするタイマ時間も前回の同じ機械角での２相通電区間の時間をベースとして設定する。
【０１６３】
こうする事により、負荷変動が大きく、周期的に変化する場合にも最適なデューティ補正ができ効率が向上することとなる。
【０１６４】
以上説明した通り、本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置はつぎのような効果がある。
【０１６５】
ブラシレスモータ５の回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段４０を設ける事により、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるようにモータ電流を制御することができ、モータを高効率化することができる。
【０１６６】
また、位置検出手段１０からの信号によりロータの機械的な回転位置を検出する回転位置検出手段４３と、回転位置検出手段４３によりデューティ補正値を変更するようにしたデューティ補正量変更手段４４とを設けることにより、圧縮機などのように負荷変動の大きく、かつその負荷変動が周期的なものに対してもモータの効率を最大限あげることができる。
【０１６７】
なお、実施例では回転数の変動を防止するためにデューティ補正を行う際、基底デューティを変更するようにしたが、デューティ補正自体をゆっくり変化させる方法を用いても良い。
【０１６８】
【発明の効果】
以上の様に、本発明の圧縮機の制御装置は、ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記ブラシレスモータの回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号より前記ブラシレスモータの３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによって前記インバータを駆動させるインバータ制御手段と、前記インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とからなる圧縮機の制御装置としたものであり、ブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少するのでモータの銅損やインバータの回路損失が低減でき、高効率化となる。また、回転数が上がり分割区間の周期が短くなってもその分割区間内に常に２以上のＰＷＭのパルスが入るようにキャリア周波数を変更することができるので、本発明のデューティ補正が広い運転範囲で可能となり、広い運転範囲で高効率化を実現することができる。
【０１７１】
また、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、前記ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段とからなる圧縮機の制御装置とするものであり、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるようにモータ電流を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図
【図３】本発明の実施の形態１のデューティ補正の動作を示す流れ図
【図４】本発明の実施の形態１のブラシレスモータ５の無負荷誘起電圧波形のタイミング図
【図５】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のタイミング図
【図６】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のデューティ補正の流れ図
【図７】本発明における直流電圧による最適デューティ補正量を示す相関図
【図８】本発明における回転数による最適デューティ補正量を示す相関図
【図９】本発明における負荷量による最適デューティ補正量を示す相関図
【図１０】本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図
【図１１】本発明の実施の形態２のデューティ補正の動作を示す流れ図
【図１２】本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置のタイミング図
【図１３】従来のモータ駆動装置のブロック図
【符号の説明】
３ インバータ
５ ブラシレスモータ
６ 圧縮要素
７ 圧縮機
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷蔵庫などの冷凍システムの圧縮機の駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーエレクトロニクスの進歩に伴い、あらゆる分野でパワー制御装置が使用されてきている。例えば、冷蔵庫や空気調和機などの冷凍システムの分野において省エネルギー等の目的でその圧縮機をインバータで制御し、可変速運転することにより冷凍能力を負荷状態に合わせて変化させることにより、機器の省エネルギーに大きく貢献している。
【０００３】
特にブラシレスモータは、回転子に永久磁石を用いているため、高効率であるという特徴が有り、特に省エネルギーのために近年盛んに使用されるようになってきた。
【０００４】
このような背景から圧縮機すなわちモータの駆動装置には様々な制御面での工夫がなされるようになってきた。
【０００５】
このような従来のモータの駆動装置としては、たとえば特開平６−３２７２８６号公報に示されているとおりである。
【０００６】
以下、従来のモータの駆動装置を図１３を用いて説明する。図１３は従来のモータの駆動装置のブロック図を示す。
【０００７】
図１３において、直流電源１０２から１２０度通電型インバータ１０１を介してブラシレスモータ１０３にパワーを供給する。
【０００８】
モータの速度Ｎは速度検出手段１０９により検出し、通流率発生装置１０４で速度指令装置１０７から出力される速度指令ＮＲと比較し誤差がゼロになるように通流率ＤＴ０を決定する。補正装置１０８では通流率ＤＴ０に対して電流が尻上がりの傾斜を持つように補正を加え、通流率ＤＴを作成する。
【０００９】
変調装置１０５はインバータのドライブ信号に対して通流率ＤＴで変調を行いパルス幅変調信号ＰＤを出力し、このパルス幅変調信号ＰＤに応じてドライブ回路１０６でインバータのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を駆動するドライブ信号ＤＶを発生する。
【００１０】
インバータ１０１はドライブ信号ＤＶによりチョッパ動作を行いモータに流れる電流を調整し、モータが指令速度ＮＲで回転するように制御する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、電流に尻上がりの傾斜を持たせるように通流率を調整するものであるため、トルクリップルに起因する振動や騒音は抑制することができる。
【００１２】
冷蔵庫などの冷凍システムに使用されている圧縮機などの場合、モータはシェルと呼ばれる密閉容器の中にバネなどで懸架して納められている。そのため、モータ自体のトルクリップルによって振動や騒音が増加するものではない。
【００１３】
しかし、ブラシレスモータのモータトルクは電流に比例することからモータトルクは前半は小さく後半へ行くほど大きくなる特性を有する。これは電流のピーク値が大きくなり、出力の電流力率を悪化させる。これによりブラシレスモータの電流が増加し、銅損が増加するため、モータ効率が悪化するという課題を有していた。
【００１４】
ここでは、従来例として電流が尻上がりになるように通流率を変化させるような例を示したが、通流率が区間を通して一定となるような変調方法も良く行われる。この場合も積極的には尻上がりには制御しないものの、モータ巻線のインダクタンスの影響により転流初期には電流が流れにくく、やはり転流の後半に電流が増加してくることになるため、前記と同様にモータ効率は悪化する。
【００１５】
一方、圧縮機はもともと負荷のトルク変動が大きく、モータのトルク変動では振動や騒音の影響を受けにくいという特性を持っているため、圧縮機に応用する場合はモータのトルク変動の抑制より、モータの効率アップの方が重要な要求性能である。
【００１６】
本発明は、ブラシレスモータの電流波形を制御することにより、モータの効率を更に向上させ商品の大幅な省エネルギーを達成することができる圧縮機の駆動装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化を行うことができる圧縮機の駆動装置を提供することを目的とする。
【００１８】
また、どのような運転状態においてもモータの高効率化を行うことができる圧縮機の運転装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また、起動などの運転状態が不安定であるときに安定した動作を提供できる圧縮機の運転装置を提供することを目的とする。
【００２０】
また、圧縮機など１回転当たりの負荷変動が非常に大きな負荷に対してより大きなモータの高効率化を行うことができる圧縮機の駆動装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とを有するものである。
【００２２】
これにより、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間においてブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少するため、モータの銅損やインバータ回路損失を削減することができる。また、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更することにより、回転数が高くなり、周期が短くなっても分割区間内に２以上のＰＷＭ制御のパルスを入れることができるので、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化をすることができる。
【００２７】
また、ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段を有するものである。
【００２８】
これにより、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるように制御することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記ブラシレスモータの回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号より前記ブラシレスモータの３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによって前記インバータを駆動させるインバータ制御手段と、前記インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とからなる圧縮機の制御装置としたものであり、ブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少するため、モータの銅損やインバータ回路損失を削減することができるという作用を有する。また、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更することにより、回転数が高くなり、周期が短くなっても分割区間内に２以上のＰＷＭ制御のパルスを入れることができるので、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化をすることができるという作用を有する。
【００３４】
請求項２に記載の発明は、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、前記ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段とからなる圧縮機の制御装置とするものであり、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるようにモータ電流を制御することができるという作用を有する。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図６を用いて説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のブロック図である。
【００３８】
図２において、１は商用電源であり、日本の一般家庭の場合、１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚが一般的に使用されている。
【００３９】
２はコンバータであり、商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。
【００４０】
コンバータ２は４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続して、商用電源１の整流を行う。また電解コンデンサ２ｅの正端子はブリッジ接続された整流ダイオード２ａと整流ダイオード２ｃとの接続点に接続し、電解コンデンサ２ｆの負端子はブリッジ接続された整流ダイオード２ｂと整流ダイオード２ｄとの接続点に接続している。
【００４１】
また、電解コンデンサ２ｅの負端子と電解コンデンサ２ｆの正端子とを直接接続している。リレー２ｇは、整流ダイオード２ｃと整流ダイオード２ｄとの接続点と、電解コンデンサ２ｅと電解コンデンサ２ｆとの接続点との間をＯＮまたはＯＦＦできる様に接続している。
【００４２】
３はインバータであり、コンバータ２で整流された直流電圧出力を入力として任意周波数、任意電圧の三相交流に変換する。
【００４３】
インバータ３はＩＧＢＴ３ａ〜３ｆを各々三相ブリッジ接続しており、また各々のＩＧＢＴ３ａ〜３ｆには並列に高速ダイオードが接続されている（図示せず）。高速ダイオードはＩＧＢＴ３ａ〜３ｆがオフしたときの環流電流を流す働きをする。
【００４４】
４は電流検知抵抗であり、インバータ３の直流電圧の負端子側に挿入している。この電流検出抵抗４の両端には電流に比例した電圧が発生する。
【００４５】
５はブラシレスモータで、インバータ３の三相交流出力で駆動される。ブラシレスモータはローターにマグネットを持っており、このマグネットトルクをうまく利用することにより高効率化が可能である。このモータ５はインバータ３の出力周波数に応じた回転数で回転する。
【００４６】
６は圧縮要素であり、ブラシレスモータ５の回転運動をクランク機構（図示せず）を用いて往復運動に変換し、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復することにより、冷媒ガスを圧縮する。
【００４７】
７は圧縮機であり、ブラシレスモータ５と圧縮要素６とを支持要素８で懸架して密閉容器９に納められている。一般的には支持要素６としてバネが使用されている。
【００４８】
１０は位置検出手段であり、ブラシレスモータ５のローターの回転位置を相対的に検出するために、モータの誘起電圧から回転位置を検出する。
【００４９】
１１はインバータ制御手段であり、マイコンなどを使用しており、位置検出手段１０の位置検出結果に基づきインバータ３のＩＧＢＴ３ａ〜３ｆを駆動するための波形を生成したり、インバータ２２の異常動作を検出して、保護動作などを行う。
【００５０】
また、インバータ制御手段１１はリレー２ｇのＯＮ／ＯＦＦを制御し、コンバータ２の出力電圧を調整する。リレー２ｇがＯＦＦの時はコンバータ２の回路は全波整流回路となり出力は約１４０Ｖ得られる。また、リレー２ｇがＯＮの時はコンバータ２の回路は倍電圧整流回路となり出力は約２８０Ｖ得られる。
【００５１】
１２は電流制御手段であり、インバータ３への駆動信号のＰＷＭ制御のデューティを調整することによりブラシレスモータ５の電流波形を制御する。ここでＰＷＭ制御とはパルス幅変調制御のことを意味し、モータの駆動周波数に対して十分大きな周波数であるキャリア周波数を選定する。一般的にはキャリア周波数は２ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度が使用される。
【００５２】
このキャリア周波数の中でデューティを調整することにより、出力の電圧を変化させることができる。ここで、デューティとはオン時間とキャリア周期の比を示し、デューティが大きいほど出力の電圧は高くなる。
【００５３】
１３は電流検出手段であり、電流検出抵抗４の両端の電圧を検出し、そこから現在の負荷トルクを知ることができる。これはブラシレスモータ５に流れるモータ電流は負荷トルクに比例するという特性を利用したものである。
【００５４】
１４は電圧検出手段であり、コンバータ２の出力電圧を検出する。ここでは商用電源１での電圧変動やリレー２ｇによる整流方式の切替による電圧の変化を検出する。
【００５５】
１５は冷凍システム制御手段１５であり、この冷凍システム制御手段１５で圧縮機７を含む冷凍システム全体の制御を行い、コンプレッサの回転数も決定し、インバータ制御手段１１に指令を行う。この回転数の指令は例えばシリアル通信などを使用して行う。
【００５６】
１６は急凍スイッチで、冷凍システムのユーザー側に取り付けられ、ユーザーが急速に冷凍したい物を投入したときにスイッチを押す。すると冷凍システム制御手段１５はコンプレッサの回転数を高回転数とし、インバータ制御手段１１に指令する。
【００５７】
１７は温度入力手段で、冷凍システムの庫内温度（例えば、冷蔵庫の場合は、冷凍室の温度）を検出する。冷凍システム制御手段１５はこの温度入力手段１７の出力を基に、コンプレッサの回転数を決定し、インバータ制御手段１１に指令信号を送る。
【００５８】
１８は負荷駆動手段であり、冷凍システム制御手段１５によって駆動され、ファンモータや霜取りヒータ（図示せず）などを駆動する。
【００５９】
図１のように構成された圧縮機の制御装置についてその動作を説明する。
【００６０】
圧縮機７で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは凝縮器（図示せず）で放熱、液化し、減圧器（図示せず）で減圧され、蒸発器（図示せず）で蒸発（気化）する。この時、周囲の空気から熱を奪い、空気を冷却する。この冷却された空気をファンなどで攪拌することにより庫内を冷却する。
【００６１】
この庫内の温度を温度入力手段１７を用いて検出する。また、温度入力手段１７はこれ以外にも外気温度など冷凍システムの制御に必要な温度を検出してくる。
【００６２】
冷凍システム制御手段１５ではこの温度入力手段１７からの温度情報を元に最適な状態で冷凍システムの圧縮機７が運転できる様に制御を行う。一般的には庫内温度が低いほど圧縮機７のブラシレスモータ５の回転数を低下させ冷凍能力を低くして運転する。また、外気温度が低いほど圧縮機７のブラシレスモータ５の回転数を低下させ冷凍能力を低くして運転する。
【００６３】
また、冷凍システム使用者の意志で急速な冷凍を希望する場合、急凍スイッチ１６を操作することにより、圧縮機７のブラシレスモータ５の回転数を高速にして冷凍能力を高くして運転する。これを一定時間、または再度急凍スイッチ１６が操作される（状態の強制解除）まで高速運転を継続する。これにより、庫内に置かれた被冷却物が急速に冷却されることになる。
【００６４】
冷凍システム制御手段１５が決定した回転数をインバータ制御手段１１に指令回転数として送る。インバータ制御手段１１ではブラシレスモータ５の回転数がこの指令回転数になるように出力電圧を調整する。この出力電圧の調整は一般的にはＰＷＭ制御のデューティを変えることによって行われる。
【００６５】
ブラシレスモータ５はモータの回転とインバータの出力が完全に一致する必要が有り、その役割を位置検出手段１０が行う。ブラシレスモータ５の巻線の誘起電圧を検出し、そのロータ（図示せず）の回転位置の相対位置を検出し、その信号に従ってインバータ３の最適なＩＧＢＴをオンさせる。
【００６６】
ブラシレスモータの駆動においては、３相巻線のうち２相に電流を流すことによって駆動する。すなわち位置検出手段１０の信号によって、インバータ３の駆動する２相を決定し、その後位置検出手段１０の信号の変化に合わせて駆動する相を順次切り替えていく。この駆動する相が変化してから次の変化を行うまでを２相通電区間と呼ぶ。
【００６７】
また、インバータ制御手段１１は、ブラシレスモータ５を高回転数で運転する時は、リレー２ｇをオンさせる。これによりコンバータ２は倍電圧整流の回路となり、コンバータ２の出力電圧は高くなる。また、ブラシレスモータ５を低回転数で運転する時は、リレー２ｇをオフさせる。これによりコンバータ２は全波整流の回路となり、コンバータ２の出力電圧は低くなる。このように回転数によりコンバータ２の出力電圧を変えることにより、ブラシレスモータ５の効率の高い状態で使用できる様になる。
【００６８】
次に図１における電流制御手段１２について図１及び図２を用いて説明する。
【００６９】
図２は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図を示す。
【００７０】
図２において、２０は転流手段である。位置検出手段１０の出力からインバータ３の駆動するＩＧＢＴを選択する。
【００７１】
２１は速度検出手段である。位置検出手段１０の出力からブラシレスモータ５の回転数を検出する。ブラシレスモータは同期式モータであり滑りは発生しないので、モータの回転数Ｎ〔ｒ／ｓ〕はインバータの出力周波数Ｆ〔Ｈｚ〕、ブラシレスモータ５の極数をＰとすると、次式で表される。
【００７２】
【数１】
２２はタイマ手段であり、速度検出手段２１で検出したモータの回転数から得られる時間をベースにタイマ時間を設定する。そのタイマ時間Ｔｔは次式で表される。ここで、ｎは１回の切替区間（６０度）内における分割数を示す。
【００７４】
【数２】
タイマ手段２２のスタートのタイミングは転流手段２０の切り替えるタイミング（６０度の通電区間、すなわち２相通電区間の始まり）でスタートする。既にタイマが動作している場合には、再スタートする。このタイマ時間が終了すると、各分割区間のタイミングを発生することができる。本実施例では説明の簡素化のため、ｎ＝３（分割区間２０度）として以降説明をしていく。
【００７６】
２３は区間判定手段であり、タイマ手段２２の出力により分割区間を判定する。すなわち現時点は、分割区間の０度から２０度、２０度から４０度、４０度から６０度のどの分割区間かを判定する。以降説明の簡素化のため以上の分割区間をそれぞれ分割区間Ａ、分割区間Ｂ、分割区間Ｃとする。
【００７７】
２４はデューティ補正手段であり、区間判定手段２３で判定された分割区間を基にデューティを補正するデータを選択する。例えば分割区間Ａでは補正量＋１０％、分割区間Ｂでは補正量＋５％、分割区間Ｃでは補正量０％をそれぞれ選択する。
【００７８】
２５はデューティ設定手段であり、速度検出手段２１の出力（実回転数）と指令回転数とを比較し両者が一致する様にデューティを設定する。例えば、指令回転数＜実回転数の場合、デューティを小さくする。逆に、指令回転数＞実回転数の場合、デューティを大きくする。また指令回転数＝実回転数の場合はデューティを維持する。この調整されたデューティから更にデューティ補正手段２４で決められた補正量を補正したデューティ量を出力する。
【００７９】
２６はデューティ発生手段であり、デューティ設定手段２５で設定されたデューティに従ってパルス信号を発生する。
【００８０】
２７は合成手段であり、転流手段２０で作られた転流信号とデューティ発生手段２６で作られたパルス信号とを合成して、インバータ３のＩＧＢＴ３ａ〜３ｆのドライブ信号を出力する。
【００８１】
２８は状態検出手段であり、電流検出手段１３で検出した電流の状態、電圧検出手段１４で検出した直流電圧の状態、温度入力手段１７で検出した庫内温度や外気温度などの状態、速度検出手段２１からの実回転数の状態を検出し、必要なデューティ補正値の演算を行い、デューティ補正手段にその結果を出力し、出力デューティの補正をおこなう。
【００８２】
２９はキャリア周波数変更手段であり、冷凍システム制御手段１５から送られてくる設定回転数、または速度検出手段２１で検出された実回転数により、最適なキャリア周波数を選択し、デューティ発生手段２６に指令を出し、ＰＷＭ制御のパルスのキャリア周波数を変更する。
【００８３】
次に、デューティの補正の動作について図１から図３を用いて説明する。
【００８４】
図３は本発明の実施の形態１のデューティ補正の動作を示す流れ図である。
【００８５】
Ｓ１で位置信号の変化の有無を判定する。位置検出手段１０の位置信号の変化を判定している。位置信号の変化があればＳ２へ進み、変化がなければＳ５へ進む。
【００８６】
Ｓ１で信号変化が発生したので、まずＳ２で出力の切り替えを転流手段２０で行う。この切り替えはロータの回転位置に従ってモータが最も効率の高いタイミングで行うものである。
【００８７】
次に、Ｓ３でタイマ手段２２にタイマ時間をセットする。ここでのタイマ時間は前述した様に回転数で変化し、転流手段２０が出力を切り替える、言い換えれば位置検出手段１０の位置信号が変化するまでの２相通電区間である電気角６０度の間を複数の分割区間に分けるタイマ時間を指す。本実施例は３分割するものとして説明を行っているので、電気角２０度に相当する時間をタイマ時間としている。
【００８８】
Ｓ４ではタイマをリスタートする。ここでは前回のタイマ時間が残っている場合などについても一旦そのタイマをクリアし、新たにセットされたタイマ時間で再スタートを行う。
【００８９】
Ｓ５ではタイマ手段２２のタイムアップを確認する。タイムアップしていなければＳ５を継続し、タイムアップしていればＳ６に進む。
【００９０】
Ｓ６はタイムアップした後、現在はどの分割区間にいるかを区間判定手段２３で判定する。これはカウンタなどを用い位置信号変化後何回目のタイムアップかによって分割区間を判定できる。もし、規定回数以上のタイムアップがあった場合には無視することも可能である。このようにすることによって誤動作の防止をすることができる。
【００９１】
Ｓ６で判定された分割区間に対し、Ｓ７ではデューティ補正手段２４で決められたデューティ補正値をデューティ設定手段２５に送ることにより、デューティの変更及び実際のパルス出力を行う。次にＳ８でタイマ手段２２をリスタートする。
【００９２】
このように動作させることにより、出力の転流が切り替わる間の電流を決められた分割区間毎に制御することができる。
【００９３】
次に、デューティの補正を行ってどのようにブラシレスモータ５を制御するのかについて説明する。
【００９４】
図４は本発明の実施の形態１のブラシレスモータ５の無負荷誘起電圧波形のタイミング図である。
【００９５】
図４において縦軸は誘起電圧の電圧値を示し、横軸は時間を示す。通常の停止状態ではこの波形は観測できないが、ロータを外部から直接回すことによってこの波形が観測できる。もちろんこの時インバータからの電圧は一切印加していないものとする。また、これらの電圧波形はスター結線された中性点と各相の端子との波形を示している。
【００９６】
実線はＵ相の端子の無負荷誘起電圧波形、破線はＶ相の端子の無負荷誘起電圧波形、一点鎖線はＷ相の端子の無負荷誘起電圧波形を示す。各波形はピーク値付近でその電圧はほぼ平坦な波形となっており、かつ１２０度づつ位相がずれた波形をしている。また、その周期Ｔは回転数とモータの極数によって決まり、周期Ｔが小さくなればなるほど無負荷誘起電圧は大きくなる。
【００９７】
この無負荷誘起電圧の平坦な部分で電圧を印加して、なおかつモータ電流をこの無負荷誘起電圧波形と同じ波形にすると、ブラシレスモータは最もトルクを発生し易く、かつ力率も向上するので最も効率の高い運転とすることができる。
【００９８】
しかし、実際にはモータ巻線のインダクタンス成分や抵抗成分により電流波形は一次遅れとなり、立ち上がり時に電流が増加しにくく、後半へ行くほど電流が増加してトルクを多く発生させるという動作を行うため、この無負荷誘起電圧波形と同一波形の電流を流すことは困難となる。本発明においては電流制御手段１２を設けることにより、モータ電流波形を制御し、無負荷誘起電圧の電圧波形と同一のモータ電流波形とするようにしている。
【００９９】
次に図１から図４の様に構成された圧縮機の制御装置についてその動作を全体的に説明する。
【０１００】
図５は本発明の実施の形態１の圧縮機のタイミング図である。
【０１０１】
図５において、Ａ）からＣ）は各々位置信号Ｘ、位置信号Ｙ、位置信号Ｚを示す。これはブラシレスモータ５の誘起電圧から位置検出手段１０で検出された位置信号を示す。
【０１０２】
Ｄ）からＩ）は各々ドライブ信号Ｕ、ドライブ信号／Ｕ、ドライブ信号Ｖ、ドライブ信号／Ｖ、ドライブ信号Ｗ、ドライブ信号／Ｗを示す。ここで／のついていないものは上アーム、／のついているものは下アームのＩＧＢＴのドライブ信号を示す。但し、ここでＰＷＭ制御のパルスは省略しているが、上アームまたは下アームのいずれかに合成することにより電圧制御が可能となる。
【０１０３】
ここで位置信号Ｘ、Ｙ、Ｚとドライブ信号Ｕ、／Ｕ、Ｖ、／Ｖ、Ｗ、／Ｗとは単純な論理回路で発生しており各波形のタイミングは一致している。
【０１０４】
Ｊ）はデューティを示しており、破線は従来の圧縮機の制御装置によるデューティを、実線は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置によるデューティを示す。
【０１０５】
Ｋ）はモータ電流波形を示しており、破線は従来の圧縮機の制御装置によるモータ電流波形を、実線は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置によるモータ電流波形を示す。
【０１０６】
圧縮機の制御装置によるデューティは図５のＪ）に破線で示している様に常に一定のデューティを印加していたため、電流波形は図５のＫ）に破線で示している様に尻上がりの電流波形となる。すなわちモータのインダクタンス成分により切り替え初期は電流が流れにくく後半で電流を流すことにより全体的なトルクを出している。
【０１０７】
しかしながら、このような電流波形では電流ピーク値が上がり、力率が低下するので、電流が大きくなりモータの銅損が増加するためにモータの効率が低下することとなる。
【０１０８】
そこで、本発明の実施の形態１における圧縮機の制御装置においては、モータ電流をＵ相からＶ相に流す状態の区間、すなわち時刻ｔ１からｔ４の期間が２相通電区間である。この２相通電区間をさらに３つの分割区間ｔ１からｔ２、ｔ２からｔ３、ｔ３からｔ４に分割する。その各分割区間でデューティをＪ）に示すように段階的に補正を行う。以降の２相通電区間についても動作は同様であるので説明は省略する。
【０１０９】
このように、デューティは図５のＪ）に実線で示している様に２相通電区間の６０度を更に３分割し、２０度毎の各分割区間でデューティが大きい状態から、小さい状態になる様に印加している。もちろんこの時にデューティの平均値は従来と同等になるのはいうまでもない。
【０１１０】
このようにすることにより、電流波形は図５のＫ）に実線で示している様に前半に電圧（デューティ）が高く電流の立ち上がりが早くなり、後半では電圧（デューティ）を低くするために電流の増加を防止している。
【０１１１】
これにより図４に示した無負荷誘起電圧波形と同一の平坦な電流波形を得ることができる。これによりモータのトルクを有効に発生することができると共に、電流のピーク値を抑えることができるので、力率が向上し、電流が減少し、モータの銅損が減少することによりモータの効率をあげることができる。
【０１１２】
次にデューティの補正量について図６から図９を用いて更に詳しく説明する。
【０１１３】
図６は本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のデューティ補正の流れ図である。
【０１１４】
図６において、Ｓ１０からデューティ補正をスタートする。Ｓ１１で位置信号変化を検出する。Ｓ１１で検出した位置信号をもとにＳ１２で回転数を検出する。これは例えば一定時間内の位置信号の変化の回数をカウントするか、位置信号の変化するまでの時間を計測するか等の方法により検出できる。
【０１１５】
Ｓ１３では、Ｓ１２で検出した回転数データに基づいてＰＷＭ制御のパルスのキャリア周波数を決定する。ここでこの両者の関係について更に詳しく説明する。
【０１１６】
ＰＷＭ制御を行いたい時、その所定の分割区間においては少なくとも２パルス以上のパルスが必要である。それより少なくなると十分なＰＷＭ制御ができないことになる。また、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を上げるとモータの効率が上がるが、スイッチングロスの増加によりインバータ効率が下がるので、トータルの効率が最も高くなるポイントが有る。これは設計により変化するが一般的には数ｋＨｚ程度のキャリア周波数が最適値となることが多い。
【０１１７】
本発明の実施の形態１における圧縮機の制御装置においては、分割された分割区間は電気角２０度の分割区間であり、この間に２パルス以上のパルスが入る様にキャリア周波数を決定する。
【０１１８】
例えば、４極モータの場合、回転数が４１ｒ／ｓ以下ではキャリア周波数３ｋＨｚ、回転数がそれよりも大きく６９ｒ／ｓ以下ではキャリア周波数５ｋＨｚ、回転数がそれよりも大きいときは７ｋＨｚという様に、キャリア周波数の切り替えを行う。キャリア周波数７ｋＨｚでは回転数９７ｒ／ｓまで制御可能である。それ以上の回転数が必要な場合にはもっとキャリア周波数をあげればよい。
【０１１９】
このようにキャリア周波数を回転数で切り替えることにより、最も効率が高くなる様な運転が可能となる。
【０１２０】
Ｓ１４では電気角６０度の時間を演算する。これは回転数から容易に演算することができる。次に３分割された電気角２０度の分割区間の時間を演算し記憶する。これも電気角６０度の時間から容易に演算できる。
【０１２１】
Ｓ１６では、Ｓ１５で演算された結果をタイマ手段２２に設定する。Ｓ１７では所定の分割区間に予め設定されているデューティ補正値を読み出してくる。これは回転数毎に最適な値が設定されている。
【０１２２】
そのデューティ補正値を、Ｓ１８では電圧検出手段１４により検出された直流電圧により更に補正を行い、Ｓ１９では電流検出手段１３で検出された直流電流により更に補正を行い、Ｓ２０では温度入力手段１７で検出された温度により更に補正を行うことにより、Ｓ２１でデューティ補正値の決定を行う。このデューティ補正値で制御を行うこととなる。
【０１２３】
次にこのデューティの状態による補正について更に詳しく説明を行う。
【０１２４】
図７は本発明における直流電圧による最適デューティ補正量を示す相関図を示す。図７に示す様に直流電圧が低下すると最適デューティ補正量が増加する傾向にある。従って直流電圧は低下するとデューティの補正量を大きくする様に補正を行うとより最適な運転ができることになる。
【０１２５】
図８は本発明における回転数による最適デューティ補正量を示す相関図を示す。図８に示す様に回転数が低下すると最適デューティ補正量が減少する傾向にある。従ってＳ１７によって読み出されるデューティ補正値はこのデータに基づいて設定されている。
【０１２６】
図９は本発明における負荷量による最適デューティ補正量を示す相関図を示す。図９に示す様に負荷量が低下すると最適デューティ補正量が増加する傾向にある。従って直流電圧は低下するとデューティの補正量を大きくする様に補正を行うとより最適な運転ができることになる。ここでいう負荷量は電流や温度によって決定することができ、電流が大きければ負荷が大きくなる。また、温度の場合は庫内温度または外気温度が高い方が負荷が大きくなる。
【０１２７】
以上説明した通り、本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置はつぎのような効果がある。
【０１２８】
ブラシレスモータ５を駆動するインバータ３と、ブラシレスモータ５の回転子の回転位置を検出する位置検出手段１０と、位置検出手段１０の信号よりブラシレスモータ５の３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによってインバータ３を駆動させるインバータ制御手段１１と、インバータ３の２相通電区間内で電流がブラシレスモータ５の無負荷誘起電圧の波形と相似な波形となるように電流を制御する電流制御手段１２とからなる圧縮機の制御装置とすることにより、ブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少し、モータの効率を更に向上させ商品の大幅な省エネルギーを達成することができる。
【０１２９】
また、インバータ３の２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段２４と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段２９とからなる圧縮機の制御装置とすることにより、回転数が上がり分割区間の周期が短くなってもその分割区間内に常に２以上のＰＷＭのパルスが入るようにキャリア周波数を変更することができ、回転数の広い運転範囲の全域でモータの高効率化を行うことができる。
【０１３０】
また、インバータ３の２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段２４と、インバータ３の状態を検出しデューティ補正手段２４で設定されたデューティを更に変化させる状態検出手段２８とからなる圧縮機の制御装置とすることにより、直流電圧やモータの電流、温度条件などにより、周囲の負荷状況が変化しても常に最大の効果が確保できる様にモータ電流を制御することができ、どのような運転状態においてもモータの高効率化を行うことができる。
【０１３１】
実施の形態１における説明において、位置検出手段１０はブラシレスモータ５の誘起電圧を検出してロータの相対位置を検出する様にしたが、ホール素子など位置検出素子を使ったものや電流から位置を推定する方法でもよい。
【０１３２】
また、コンバータ２はリレー２ｇを使用して整流方法を切り替えて直流電圧を切り替える様にしたが、チョッパなどを使って電圧を任意に変化させてもよい。
【０１３３】
また、電圧検出手段は直流電圧を検出するようにしたが、入力電圧を検出してもよいことはいうまでもない。
【０１３４】
（実施の形態２）
図１０は本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図である。図２と同一機能を有するものは同一番号を付与し、詳しい説明は省略する。
【０１３５】
図１０において、４０は回転数安定判定手段である。位置検出手段１０の位置検出信号から回転数を検出し、指令回転数に対して安定していればデューティ補正を行う信号を送出し、安定していなければデューティ補正を行わない信号を送出する。
【０１３６】
４１はＡＮＤ手段であり、回転数安定判定手段４０で回転数が安定していると判断されるとデューティ補正手段２４の出力信号をデューティ設定手段２５に送る。逆に回転数が安定しない時はデューティ補正手段２４の出力信号をデューティ設定手段２５に送らない。
【０１３７】
４２はデューティ変更手段であり、回転数安定判定手段４０で回転数が非安定状態から安定状態に状態が変化する時、すなわちデューティが補正されない状態から補正される状態に変化する時、強制的に基となるデューティ（これまでの回転数制御を行ってきたデューティ、以降このデューティを基底デューティと呼ぶ）を変更する。このときデューティの平均値が変化の前後で一致する様にデューティの変更を行う。
【０１３８】
４３は回転数位置検出手段である。位置検出手段１０の位置検出信号から機械的な回転位置を検出する。これはブラシレスモータは同期式で駆動されていることから検出できる。例えばモータが２極の時は電気角と機械角が一致し、４極の時は電気角の２周期と機械角が一致し、６極の時は電気角の３周期と機械角が一致する。従って電気角が判ることによって機械角の検出が可能となる。
【０１３９】
４４はデューティ補正量変更手段であり、回転位置検出手段４３で検出された位置に対してデューティ補正量を変更する。具体的には機械角１周期前の回転数、電圧、電流、温度などのデータを基に最適なデューティ補正量に変更する。
【０１４０】
４５はタイマ時間決定手段であり、回転位置検出手段４３で検出された位置に対してタイマ手段２２に設定するタイマ時間を変更する。具体的には機械角１周期前の切替周期を基にその周期の１／３の時間（電気角２０度分の時間）を設定する。
【０１４１】
以上の様に構成された圧縮機の制御装置の電流制御手段１２の動作について図１０及び図１１を用いて詳しく説明する。
【０１４２】
図１１は本発明の実施の形態２のデューティ補正の動作を示す流れ図である。
【０１４３】
Ｓ３０で、回転数安定判定手段４０で実回転数が指令回転数に対して安定しているかどうかを判定する。安定していればＳ３１でデューティ補正手段２４によるデューティ補正を実施し、Ｓ３６に進む。Ｓ３０で安定していない判定であればＳ３２に進む。
【０１４４】
Ｓ３２で、デューティ補正手段２４によるデューティ補正はＡＮＤ手段４１で信号の流れを停止し、実施しない。すなわち回転数が安定している時にのみ、デューティ補正を実施することにより、起動時や回転数変化など動作が不安定な時は従来通りの制御をすることにより制御の安定性を確保する。
【０１４５】
Ｓ３３で、再度回転数安定判定手段４０で実回転数が指令回転数に対して安定しているかどうかを判定する。安定していなければＳ３２から繰り返す。安定していればＳ３４に進む。
【０１４６】
Ｓ３４で、デューティ補正をスタートすると共に、Ｓ３５でそれまでの基底デューティを変更し、Ｓ３６に進む。例えばデューティ補正を２０度の分割区間毎に＋１０％、＋５％、＋０％と変化させる場合、そのままこのデューティに補正を加えると平均デューティはそれまでの基底デューティの＋５％のデューティとなる。
【０１４７】
デューティが急激に変化すると回転数が急激に変化する。これを防ぐためにデューティ補正がスタートすると同時に基底デューティを−５％に変更する事により、この回転数の急激な変化を防止する。
【０１４８】
Ｓ３６で、回転位置検出手段４３で回転位置を検出する。この回転位置は前述した様に機械的な回転位置であり機械角で表される。
【０１４９】
Ｓ３７で、機械角１周期前の回転数、電圧、電流、温度などのデータを基に最適なデューティ補正量を決定すると共に、デューティ補正手段２４に設定する。
【０１５０】
次にＳ３８で、機械角１周期前の切替周期を基にその周期の１／３の時間（電気角２０度分の時間）をタイマ手段２２に設定する。
【０１５１】
圧縮機のように１回転当たりの負荷のトルク変動が非常に大きく、またその変化が周期的に起こる様な場合には、このように１周期前のデータを基に制御をすることが有効な手段のひとつである。
【０１５２】
この具体的な動作について、次に図１２を用いて説明する。
【０１５３】
図１２は本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置のタイミング図である。
【０１５４】
図１２において、Ｌ）からＮ）は各々位置信号Ｘ、位置信号Ｙ、位置信号Ｚを示す。これはブラシレスモータ５の誘起電圧から位置検出手段１０で検出された位置信号を示す。
【０１５５】
Ｏ）からＴ）は各々ドライブ信号Ｕ、ドライブ信号／Ｕ、ドライブ信号Ｖ、ドライブ信号／Ｖ、ドライブ信号Ｗ、ドライブ信号／Ｗを示す。ここで／のついていないものは上アーム、／のついているものは下アームのＩＧＢＴのドライブ信号を示す。但し、ここでＰＷＭ制御のパルスは省略しているが、上アームまたは下アームのいずれかに合成することにより電圧制御が可能となる。
【０１５６】
ここで位置信号Ｘ、Ｙ、Ｚとドライブ信号Ｕ、／Ｕ、Ｖ、／Ｖ、Ｗ、／Ｗとは単純な論理回路で発生しており各波形のタイミングは一致している。
【０１５７】
Ｕ）はトルクを示しており、実線は圧縮機の圧縮要素による負荷トルクを示しており、破線はモータトルクを示す。圧縮要素は往復動式圧縮要素であり一往復で吸入／圧縮を繰り返す構造であり、吸入時にはほとんど負荷トルクは必要無く、圧縮時に大きな負荷トルクが必要である。
【０１５８】
一方、モータトルクは負荷トルクと回転体の慣性モーメントによって変化し、急激なトルク変化をおこす負荷トルクに対応して、ゆっくりとした変化を示す。この時、モータトルクが負荷トルクより大きい時は回転は加速方向であり、モータトルクが負荷トルクより小さい時は回転は減速方向である。すなわち１回転当たりの回転数変動がＶ）に示す様に起こっていることとなる。
【０１５９】
このモータトルク変動、回転数変動は負荷トルクが大きい方が大きく、また回転数が低い方が大きい。これは回転数が低いと慣性モーメントが小さくなるためである。また、負荷トルクの変動は回転位置（機械角で示す）により決まっており、機械角は電気角を知る事により判ることができる。
【０１６０】
機械角３６０度の区間において２相通電区間での時間を各々Ｔ０からＴ１１とする。このＴ０からＴ１１は等幅ではなくＶ）の回転速度と同じく周期的に変動している。
【０１６１】
この各区間において、回転数や電圧、電流など負荷の状態を検出し、各々の区間に最適なデューティ補正量を決定する。そのデューティ補正量を次の機械角の同じ位置で使用する。すなわちＴ０での結果はＴ１１の次の２相通電区間で使用し、順次前回の機械角が同等のデータを使用し、各２相通電区間毎にデューティ補正量を変更していく。
【０１６２】
また、同様にタイマ手段２２にセットするタイマ時間も前回の同じ機械角での２相通電区間の時間をベースとして設定する。
【０１６３】
こうする事により、負荷変動が大きく、周期的に変化する場合にも最適なデューティ補正ができ効率が向上することとなる。
【０１６４】
以上説明した通り、本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置はつぎのような効果がある。
【０１６５】
ブラシレスモータ５の回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段４０を設ける事により、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるようにモータ電流を制御することができ、モータを高効率化することができる。
【０１６６】
また、位置検出手段１０からの信号によりロータの機械的な回転位置を検出する回転位置検出手段４３と、回転位置検出手段４３によりデューティ補正値を変更するようにしたデューティ補正量変更手段４４とを設けることにより、圧縮機などのように負荷変動の大きく、かつその負荷変動が周期的なものに対してもモータの効率を最大限あげることができる。
【０１６７】
なお、実施例では回転数の変動を防止するためにデューティ補正を行う際、基底デューティを変更するようにしたが、デューティ補正自体をゆっくり変化させる方法を用いても良い。
【０１６８】
【発明の効果】
以上の様に、本発明の圧縮機の制御装置は、ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記ブラシレスモータの回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号より前記ブラシレスモータの３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによって前記インバータを駆動させるインバータ制御手段と、前記インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とからなる圧縮機の制御装置としたものであり、ブラシレスモータの電流を無負荷誘起電圧の波形と相似な波形とすることにより、モータの有効磁束使用率が向上し、電流波形のピーク値が低くなるため、モータの力率がアップし、モータの電流が減少するのでモータの銅損やインバータの回路損失が低減でき、高効率化となる。また、回転数が上がり分割区間の周期が短くなってもその分割区間内に常に２以上のＰＷＭのパルスが入るようにキャリア周波数を変更することができるので、本発明のデューティ補正が広い運転範囲で可能となり、広い運転範囲で高効率化を実現することができる。
【０１７１】
また、インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、前記ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段とからなる圧縮機の制御装置とするものであり、モータの動作が起動時や回転数変更時などの動作が不安定な時はデューティの制御が安定するように従来通り等幅なデューティで制御し、運転期間のほとんどを占める回転数が安定した時にはモータが高効率になるようにモータ電流を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図
【図３】本発明の実施の形態１のデューティ補正の動作を示す流れ図
【図４】本発明の実施の形態１のブラシレスモータ５の無負荷誘起電圧波形のタイミング図
【図５】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のタイミング図
【図６】本発明の実施の形態１の圧縮機の制御装置のデューティ補正の流れ図
【図７】本発明における直流電圧による最適デューティ補正量を示す相関図
【図８】本発明における回転数による最適デューティ補正量を示す相関図
【図９】本発明における負荷量による最適デューティ補正量を示す相関図
【図１０】本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置の電流制御手段１２のブロック図
【図１１】本発明の実施の形態２のデューティ補正の動作を示す流れ図
【図１２】本発明の実施の形態２の圧縮機の制御装置のタイミング図
【図１３】従来のモータ駆動装置のブロック図
【符号の説明】
３ インバータ
５ ブラシレスモータ
６ 圧縮要素
７ 圧縮機
Claims (2)
- 圧縮要素と、この圧縮要素を動かす３相の固定子巻線を持つブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記ブラシレスモータの回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号より前記ブラシレスモータの３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによって前記インバータを駆動させるインバータ制御手段と、前記インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、回転速度の指令値または実際の回転速度に応じて前記分割区間内に少なくとも２以上のＰＷＭ制御のパルスが入るようにキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とからなる圧縮機の制御装置。
- 圧縮要素と、この圧縮要素を動かす３相の固定子巻線を持つブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記ブラシレスモータの回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号より前記ブラシレスモータの３相の固定子巻線のうち特定の２相を通電し順次切り替えることによって前記インバータを駆動させるインバータ制御手段と、前記インバータの２相通電区間を２以上の複数の分割区間に分割し、分割された各々の分割区間において電流波形が前記ブラシレスモータの無負荷誘起電圧波形と相似な波形となるようにＰＷＭ制御のデューティを変化させるようにしたデューティ補正手段と、前記ブラシレスモータの回転数が安定してない時前記デューティ補正を行わずかつ回転数が安定した時前記デューティ補正を行う回転数安定判定手段とからなる圧縮機の制御装置。
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