JP4279654B2 - インバータ装置、圧縮機駆動装置および冷凍・空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータを駆動するためのインバータ装置に関し、さらにはこのインバータ装置により駆動される圧縮機駆動装置およびこのインバータ装置を搭載した冷凍装置、空調装置（これらを総称して冷凍・空調装置とする）に関する。

同期モータをインバータ制御によって駆動する場合、回転しているロータ位置に同期させて適切なタイミングでモータのコイル端子に通電する必要がある。冷蔵庫や空気調和機等に使用される圧縮機では、内部が高温状態になり、ホールＩＣのようなロータ位置センサを設けることが困難である。そこで、ロータ位置センサを用いることなく、通電タイミングの基準を検出して、モータを駆動制御するセンサレス駆動が行われている。

センサレス駆動において、正弦波通電等の１８０度通電が行われる。１８０度通電を行うために、交流電圧と交流電流の位相差を検出して、この位相差情報に基づきインバータ装置を駆動制御する。

特許文献１では、交流電流ゼロクロス時における交流電圧の位相を検出することにより、交流電圧／電流位相差を検出している。また、特許文献２では、２ヶ所の交流電圧の位相期間ごとに各交流電流検出値を積算して交流電流信号面積とし、両交流電流信号面積の面積比を交流電圧／電流位相差情報として検出する。

例えば、図１０に示すように、交流電圧位相における第１の位相期間の交流電圧位相θ０を０〜９０度、第２の位相期間θ１を９０〜１８０度としている。また、各サンプリングタイミングがすべてｔｓという等間隔の位相間隔でｎ回、ここでは３回ずつの計６回、サンプリングするように設定している。そして、交流電圧／電流位相差情報は、θ０での交流電流信号面積をＳ０としてＩ０＋Ｉ１＋Ｉ２を積算し、θ１での交流電流信号面積をＳ１としてＩ３＋Ｉ４＋Ｉ５を積算し、２つの交流電流信号面積の比（Ｓ０／Ｓ１）を算出する。図１０の場合、Ｓ０＝Ｓ１となるため、位相差情報は１である。この方法は、特許文献１の方法に比べ、交流電流の変動による交流電圧／電流位相差情報検出精度の低下を抑制するのに効果的な方法である。

上記の方法では、交流電流を検出して、交流電圧と交流電流の位相差を検出するが、交流電流を検出するための電流検出手段、例えば巻線とホール素子で構成されたいわゆる電流センサあるいはカレントトランスなどが必要となる。そのため、電流検出手段が複雑で大きくかつ高コストとなる。一般に、家庭用電化製品などに搭載されるインバータ装置は小型化、低コスト化が望まれており、可能な限り簡単な構成にすることが望ましい。
ここで、交流電流を検出する代わりに、インバータ回路の入力直流電流から相別の交流電流を演算検出する方法が、例えば特許文献３に記載されている。これによって、交流電流検出のセンサレス化を図れる。
特開平５−２３６７８９号公報 特開２００１−１１２２８７号公報 特開平８−１９２６３号公報

特許文献３の方法では、ゲート状態が変化する毎にすべてのゲート状態で直流電流を検出しているため、非常に高速なＡ／Ｄ変換器やマイクロコンピュータが必要となる。また、３相全ての直流電流を検出するため、マイクロコンピュータの演算量も多くなり、演算に時間がかかりすぎる。例えば、同期モータを高回転で駆動するほど、演算に必要な時間が長くなり、回転数に応じた所定時間内に演算が終了せず、駆動が不可能になる可能性がある。

本発明は、上記に鑑み、３相全ての直流電流を検出しなくても、直流電流から交流電圧と交流電流の位相差を検出できるようにして、この交流電圧/電流位相差に応じてインバータ制御を行うインバータ装置の提供を目的とする。

本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、位相差制御方式によって前記インバータ回路を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記インバータ回路を流れる直流電流を検出する直流電流検出手段と、前記直流電流に基づいて交流電圧と交流電流との位相差を検出する位相差検出手段とを有し、交流電圧／電流位相差情報に応じてＰＷＭ信号を前記インバータ回路に出力するものである。

具体的には、制御装置は、インバータ回路を流れる直流電流を検出する直流電流検出手段と、前記直流電流に基づいて交流電圧と交流電流との位相差を検出する位相差検出手段と、交流電圧／電流位相差情報と目標とする位相差情報との誤差に応じたデューティ基準値を算出する演算手段と、モータ回転数に対応する正弦波データと前記デューティ基準値とに基づいてＰＷＭ信号を算出するＰＷＭ作成手段とを有する。制御装置から前記ＰＷＭ信号がインバータ回路に出力され、インバータ回路の出力側に接続されたモータがインバータ制御される。

直流電流検出手段は、インバータ回路の上アームスイッチング素子の１つのみが通電している通電期間の直流電流を検出して、位相差検出手段に直流電流信号を出力する。あるいは、下アームスイッチング素子の１つのみが通電している通電期間の直流電流を検出して、位相差検出手段に直流電流信号を出力する。さらには、インバータ回路の上アームスイッチング素子の１つのみが通電している第１の通電期間の直流電流を検出するとともに、下アームスイッチング素子の１つのみが通電している第２の通電期間の直流電流を検出するようにしてもよく、第１の直流電流信号および第２の直流電流信号を位相差検出手段に出力する。すなわち、３相全ての直流電流を検出する必要がなくなる。

位相差検出手段は、交流電圧位相を基準とした偶数個の位相期間中の直流電流信号の面積を算出し、前記位相期間を第１の位相期間と第２の位相期間に等分し、第１の位相期間の直流電流信号面積と第２の位相期間の直流電流信号面積との面積比を算出して、これを交流電圧/電流位相差情報とする。

直流電流信号面積の算出は、１位相期間当たり直流電流信号をｎ回（ｎは１以上の整数）サンプリングし、サンプリングされた各電流値を積算する。第１の位相期間は特定相の交流電圧位相のほぼ３０〜ほぼ９０度の期間とされ、第２の位相期間はほぼ９０〜ほぼ１５０度の期間とされる。あるいは、第１の位相期間は特定相の交流電圧位相のほぼ２１０〜ほぼ２７０度の期間とされ、第２の位相期間はほぼ２７０〜ほぼ３３０度の期間とされる。このように直流電流値を積算して直流電流信号面積から位相差を検出することにより、モータ電流にノイズが混入しても、その影響を受けにくく、ノイズ耐性が向上する。また、面積比から交流電圧/電流位相差情報を得ることにより、モータ電流の振幅に影響されない。したがって、信頼性の高い位相差情報を得ることができる。

本発明によると、交流電流を検出するための構造が複雑かつ大型の電流センサが不要となり、しかもマイクロコンピュータの演算量も少なく、Ａ／Ｄ変換器やマイクロコンピュータの処理速度も従来の方式に比べ低くてもよい。このように、簡単な構成で信頼性の高いインバータ装置を得ることができる。そして、モータ電流センサを設けなくても、正弦波駆動をはじめとする１８０度通電駆動が可能となり、モータ効率の向上、低騒音および低振動を実現できる。したがって、小型で信頼性の高い圧縮機駆動装置および冷凍・空調装置を提供することができる。

本実施形態のモータ駆動用のインバータ装置を図１に示す。３相の同期モータであるモータ１は、インバータ回路２の出力側に接続され、インバータ制御によって駆動される。インバータ回路２には、コンバータ回路３によってＡＣ電源４からの交流電圧が直流電圧に変換されて供給される。

そして、コンバータ回路３とインバータ回路２とを結ぶ直流回路の負極側に、電流検出抵抗５が設けられる。電流検出抵抗５の両端に発生する電圧に基づいて、直流電流検出アンプ部６がインバータ回路２を流れる直流電流を検出する。直流電流検出アンプ部６は、制御装置としてのマイクロコンピュータ７に接続され、検出した直流電流を増幅して直流電流信号にしてマイクロコンピュータ７に出力する。この直流電流検出アンプ部６が、インバータ回路２に流れる直流電流を検出する直流電流検出手段とされる。

マイクロコンピュータ７は、位相差検出部８と目標位相差情報格納部９と加算器１０とＰＩ演算部１１と回転数設定部１２と正弦波データテーブル１３と正弦波データ作成部１４とＰＷＭ作成部１５とを有し、各処理をプログラムにしたがってソフト的に行う。

位相差検出部８は、検出された直流電流を用いてモータ電圧／電流位相差情報を検出する。目標位相差情報格納部９は、目標とする位相差情報を格納し、加算器１０は、その目標位相差情報と位相差検出部８から出力された位相差情報との誤差データを算出し、その算出結果をＰＩ演算部１１に出力する。ＰＩ演算部１１は、算出された誤差データに対して比例誤差データ（Ｐ）および積分誤差データ（Ｉ）を算出し、デューティ基準値をＰＷＭ作成部１５に出力する。

回転数設定部１２は、モータ１の回転数指令を設定する。正弦波データテーブル１３は、所定のデータ個数で構成された正弦波データを予め記憶しており、正弦波データを正弦波データ作成部１４に出力する。正弦波データ作成部１４は、回転数指令と、正弦波データテーブル１３とからモータ巻線端子Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対応した正弦波データを読出して、ＰＷＭ作成部１５に出力するとともに、Ｕ相の正弦波データからＵ相のモータ駆動電圧位相情報を位相差検出部８に出力する。ＰＷＭ作成部１５は、正弦波データとデューティ基準値とから各相ごとにインバータ回路２の各駆動素子にモータ駆動電圧であるＰＷＭ波形信号を出力する。なお、正弦波データの作成は、正弦波データテーブル１３を元に作成せずに、演算によって作成しても構わない。

加算器１０は、位相差検出部８によって検出されたモータ電圧／電流位相差情報と目標位相差情報との誤差量を求め、ＰＩ演算部１１では、Ｐ制御によって誤差量に対して所定の増幅を行い比例誤差量を算出し、Ｉ制御によって誤差量を積算して、その値を増幅して積分誤差量を算出し、両者を加算してデューティ基準値を算出する。このデューティ基準値と別途回転数指令から求まる正弦波データとに基づいてＰＷＭ作成部１５がその都度の出力デューティを計算し、インバータ部２を介してモータ巻線に印加することによってモータ１が駆動される。

すなわち、モータ駆動電圧（出力デューティ）に対するモータ巻線電流位相差を一定に制御するための位相差制御フィードバックループによって、駆動電圧の大きさ（ＰＷＭデューティのデューティ幅）が決定される。また、モータ１を所望の回転数で回転させるために、所望の周波数で出力される正弦波データによって回転数が決定される。これによって、所望の位相差、所望の回転数でモータ１を駆動制御できる。

次に、回転数の設定およびＰＷＭ出力について説明する。本発明による位相差制御方式は、逆起電圧パルスなどを検出して速度制御を行う方式とは異なる。すなわち、モータ１の回転数は、モータ巻線に通電するＰＷＭ波からなる正弦波電圧の周波数で決定される、いわゆる強制励磁駆動である。

正弦波データテーブル１３には、連続的にアナログ値を出力すると正弦波波形が出力されるデータ列が格納されている。このデータ列の参照アドレスがＰＷＭキャリア周期ごとに所定数ずつ更新される。この所定数が大きければ高回転数となる。つまり、モータ回転数は、モータ１の構造的なものを除外すると、ＰＷＭキャリア周波数と正弦波データテーブル１３の参照データとの更新間隔で決まる。例えば巻線相数が３相であれば、それぞれの相のデータは、電気角で１２０度ずつずらした正弦波データを参照すればよい。なお、その都度、正弦波演算を行って正弦波データを作成してもよい。ちなみに、前記参照アドレスはモータ駆動電圧の位相情報そのものである。

ＰＷＭ波形発生器などのＰＷＭ作成部１５において、これら求まった各相の正弦波データと位相差制御によって算出されたデューティ基準値とが乗算され、ＰＷＭデューティのデューティ幅が決定され、ＰＷＭ波形信号がインバータ回路２の各スイッチング素子に出力される。このＰＷＭ波形発生器は、たとえばＰＷＭキャリア周期で三角波を発生し、この三角波の波高値と前記乗算された値とを比較し、比較結果に基づいてＨｉｇｈ／Ｌｏｗ信号を出力する。

図２にインバータ回路２のスイッチング波形と直流電流の関係を示す。インバータ回路２の上アームスイッチング素子が１つのみおよび下アームスイッチング素子が２つ通電している第１の通電期間の直流電流をＩｄｃ１、インバータ回路２の下アームスイッチング素子が１つのみおよび上アームスイッチング素子が２つ通電している第２の通電期間の直流電流をＩｄｃ２とする。

図３は、図２の第１の通電期間における直流電流とモータ電流の関係を示す図である。図中、図１と同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。インバータ回路２は、３対のスイッチング素子であるトランジスタで構成され、図中では簡略化しスイッチとして示している。第１の通電期間では、インバータ回路２の上アームスイッチング素子のうちスイッチＵのみが通電している。そのため、電流検出抵抗５に流れる直流電流（Ｉｄｃ１）の値は、直流電流（Ｉｄｃ１）＝Ｕ相電流（Ｉｕ）となる。

図４は、図２の第２の通電期間における直流電流とモータ電流の関係を示す図である。第２の通電期間では、インバータ回路２の下アームスイッチング素子のうちスイッチＺのみが通電している。そのため、直流電流（Ｉｄｃ２）＝−Ｗ相電流（−Ｉｗ）となる。

同様に考えて、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のＰＷＭパルスパターンに応じて、電流検出抵抗５に流れる直流電流Ｉｄｃに各相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが現れる。その関係は図５に示すようになる。

また、交流電圧データに応じて、電流検出抵抗５に流れる直流電流Ｉｄｃに現れる各相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの関係は図６に示すようになる。これより、電流検出モード１、２においては、Ｉｄｃ１を検出すれば、Ｉｕを検出することが可能である。

続いて、この検出したＩｕを用いて、交流電圧／電流位相差情報を演算する方法について説明する。図７に示すように、交流電流の面積比から交流電圧／電流位相差情報を演算する。つまり、図８に示すように、Ｕ相電圧位相における第１の位相期間のＵ相電圧位相θ０をほぼ３０〜９０度の間、第２の位相期間θ１をほぼ９０〜１５０度の間とする。また、各サンプリングタイミングがすべてｔｓという等間隔の位相間隔でｎ回、ここでは３回ずつ計６回、サンプリングするように設定している。そして、θ０でのＵ相電流信号面積をＳ０としてＩ０＋Ｉ１＋Ｉ２を積算し、θ１でのＵ相電流信号面積をＳ１としてＩ３＋Ｉ４＋Ｉ５を積算し、２つのＵ相電流信号面積の比（Ｓ０／Ｓ１）を算出すると、交流電圧／電流位相差情報が得られる。図８の場合、Ｓ０＝Ｓ１となるため、位相差情報は１である。

また、電流検出モード４、５においては、Ｉｄｃ２を検出すれば、−Ｉｕを検出することが可能である。この−Ｉｕを用いて、図９に示すように、交流電流の面積比から交流電圧／電流位相差情報を演算してもよい。さらには、上アームスイッチング素子の１つのみおよび下アームスイッチング素子が２つ通電している通電期間において演算した交流電圧／電流位相差情報と下アームスイッチング素子の１つのみおよび上アームスイッチング素子が２つ通電している通電期間において演算した交流電圧／電流位相差情報との平均化処理を行って、これを交流電圧／電流位相差情報としてもよい。

ここで、冷凍・空調装置などで使用される圧縮機では、内部が高温状態になり、ホールＩＣなどのロータ位置を検出する位置センサを設けることが困難であるため、位置センサレスでモータ１を駆動する必要がある。そこで、上記のインバータ装置を圧縮機駆動装置のモータを駆動するために使用する。これによって、コイルおよびホール素子で構成された電流センサ、カレントトランスといった交流電流を検出するための電流センサが不要となるとともに、位置センサも不要となる。そして、このインバータ装置を備えた圧縮機駆動装置を冷凍・空調装置に搭載する。これによって、冷蔵庫、冷凍庫、空気調和機といった冷凍・空調装置を運転することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。

本発明のインバータ装置の概略構成を示すブロック図 インバータ回路のスイッチング波形と直流電流の関係を示す図 第１の通電期間における直流電流とモータ電流の関係を示す図 第２の通電期間における直流電流とモータ電流の関係を示す図 Ｕ、Ｖ、Ｗ相のＰＷＭパルスパターンに応じて直流電流Ｉｄｃに現れる各相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを示す図 交流電圧データに応じて直流電流Ｉｄｃに現れる各相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを示す図 第１の通電期間における交流電圧／電流位相差情報の演算に用いる交流電流の面積比を説明するための図 交流電圧位相期間と交流電流のサンプリングタイミングの関係と示す図 第２の通電期間における交流電圧／電流位相差情報の演算に用いる交流電流の面積比を説明するための図 従来の交流電圧位相期間と交流電流のサンプリングタイミングの関係と示す図

符号の説明

１ モータ
２ インバータ回路
３ コンバータ回路
４ ＡＣ電源
５ 電流検出抵抗
６ 直流電流検出アンプ部
７ マイクロコンピュータ
８ 位相差検出部
９ 目標位相差情報格納部
１０ 加算器
１１ ＰＩ演算部
１２ 回転数設定部
１３ 正弦波データテーブル
１４ 正弦波データ作成部
１５ ＰＷＭ作成部

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、位相差制御方式によって前記インバータ回路を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、前記インバータ回路の上アームスイッチング素子あるいは下アームスイッチング素子の１つのみが通電している通電期間の直流電流を検出する直流電流検出手段と、
   特定相の交流電圧位相のほぼ３０〜ほぼ９０度の期間である第１の位相期間の直流電流信号面積とほぼ９０〜ほぼ１５０度の期間である第２の位相期間の直流電流信号面積との面積比を算出して、この面積比を交流電圧／電流位相差情報とする位相差検出手段とを有し、
   制御装置は、交流電圧／電流位相差情報に応じてＰＷＭ信号を前記インバータ回路に出力することを特徴とするインバータ装置。
2. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、位相差制御方式によって前記インバータ回路を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、前記インバータ回路の上アームスイッチング素子あるいは下アームスイッチング素子の１つのみが通電している通電期間の直流電流を検出する直流電流検出手段と、
   特定相の交流電圧位相のほぼ２１０〜ほぼ２７０度の期間である第１の位相期間の直流電流信号面積とほぼ２７０〜ほぼ３３０度の期間である第２の位相期間の直流電流信号面積との面積比を算出して、この面積比を交流電圧／電流位相差情報とする位相差検出手段とを有し、
   制御装置は、交流電圧／電流位相差情報に応じてＰＷＭ信号を前記インバータ回路に出力することを特徴とするインバータ装置。
3. インバータ回路の出力側にモータを接続して駆動するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のインバータ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置を備えたことを特徴とする圧縮機駆動装置。
5. 請求項４記載の圧縮機駆動装置を備えたことを特徴とする冷凍・空調装置。