JP4476112B2 - 圧縮機の駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は圧縮機の駆動装置に関し、特に、シリンダ内でピストンを駆動させて気体を圧縮するブラシレスモータを備えた圧縮機において、ブラシレスモータを回転駆動させる駆動装置に関する。

従来より、圧縮機に含まれるブラシレスモータを駆動する方法として、回転子の回転に伴って固定子の電動子巻線に誘起される電圧を利用して回転子の位置を検出し、その検出結果に基づいてインバータを制御し、電動子巻線に電流を供給してブラシレスモータを駆動させるセンサレス方式が知られている。

圧縮機の起動時は、回転子が停止した状態では電動子巻線に誘起電圧が発生しないため、まず所定の転流パルスをインバータに与えて回転子と固定子の相を一致させる相固定運転を行ない、次いで所定の転流パルスをインバータに与えて同期運転を行って回転子の回転数を上昇させ、位置検出が可能となる同期回転数に到達した後にセンサレス運転を行なう（たとえば特許文献１参照）。
特開２００２−４４９８５号公報

しかし、従来の駆動方法では、単にインバータへの転流パルスの供給を停止して圧縮機を停止させていたので、圧縮機を停止させる毎にピストンがシリンダ内の任意の位置で停止し、圧縮機の起動時におけるモータの負荷トルクが起動毎に変化し、圧縮機の起動が不安定になるという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、圧縮機を安定に起動させることが可能な圧縮機の駆動装置を提供することである。

この発明に係る圧縮機の駆動装置は、シリンダ内でピストンを駆動させて気体を圧縮するブラシレスモータを備えた圧縮機において、ブラシレスモータを回転駆動させる駆動装置であって、ブラシレスモータの複数の電動子巻線に駆動電流を供給するインバータと、複数の電動子巻線の誘起電圧に基づいて、ブラシレスモータの固定子に対する回転子の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段の検出結果に基づいてインバータを制御する制御手段を備えたものである。

この制御手段は、圧縮機の駆動停止が指示されたことに応じて、回転子の回転数を低下させるセンサレス運転手段と、センサレス運転手段によって回転子の回転数が同期回転数に低下されたことに応じて、ブラシレスモータを同期運転させて回転子の回転数をさらに低下させる同期運転手段と、同期運転手段によって回転子の回転数が予め定められた回転数に低下されたことに応じて、ブラシレスモータを相固定運転させる相固定運転手段と、相固定運転手段によってブラシレスモータが相固定運転されたことに応じて、位置検出手段の検出結果に基づいて回転子を予め定められた位置に停止させる停止手段を含む。
好ましくは、ピストンは、シリンダ内において第１および第２の死点間で往復動する。ピストンが第１の死点から第２の死点に移動することによってシリンダ内に気体が吸い込まれ、ピストンが第２の死点から第１の死点に移動することによってシリンダ内において気体が圧縮され、回転子が予め定められた位置で停止したときピストンは第２の死点で停止する。

この発明に係る圧縮機の駆動装置では、圧縮機の駆動停止が指示されたことに応じて、回転子の回転数を低下させ、回転子の回転数が同期回転数に低下されたことに応じて、ブラシレスモータを同期運転させて回転子の回転数をさらに低下させ、回転子の回転数が予め定められた回転数に低下されたことに応じてブラシレスモータを相固定運転させ、位置検出手段の検出結果に基づいて回転子を予め定められた位置に停止させる。したがって、ピストンを常に同じ位置で停止させることができるので、圧縮機の起動時におけるモータの負荷トルクを一定にすることができ、圧縮機を安定に起動させることができる。

実施の形態を説明する前に、まずこの発明の原理について説明する。この発明は、センサレスのブラシレスモータを備えた圧縮機においても、運転中の無通電相に発生する誘起電圧から回転子の位置情報を得て運転していることに着目し、その位置情報を回転子が停止に至るまで保持するものである。すなわち、圧縮機を運転させると、ピストンが１往復する時の負荷トルク変動に応じて回転子の回転速度が変化する。この回転子の回転速度の変化は、固定子に対する回転子の位置（ピストン位置）と相関がある。

圧縮機を停止させる際、運転中に見つけた相関関係が崩れないように、回転子が停止するまで回転制御を行なう。起動時に同期運転からセンサレス運転モードに切換える同期回転数まではセンサレス運転で回転子の回転数を下げて行き、回転子の回転数が同期回転数に到達したら同期運転に切換え、さらに回転数を下げて相固定運転を行なう。相固定運転を行いながら、回転子が所定の位置になったときにインバータへの転流パルスの供給を停止してピストンを停止させる。このような制御を運転停止毎に行なうことで起動時のピストン位置を一定にし、圧縮機の起動の安定化を図る。以下、この発明について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態によるセンサレスＤＣブラシレスモータ圧縮機１の駆動装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この駆動装置は、コンバータ３、インバータ７、位置検出手段８および制御装置９を備える。コンバータ３は、交流電圧を直流電圧に変換してインバータ７に与える。コンバータ３は、交流電源２から出力される交流電圧（たとえば１００Ｖ）を整流して直流電圧（この場合は２８０Ｖ）を生成する倍電圧整流回路４と、生成された直流電圧を安定化させるコンデンサ５，６とを含む。

インバータ７は、制御装置９から与えられる転流パルスによって制御され、コンバータ３からの直流電圧を３相交流電圧に変換する。この３相交流電圧は、圧縮機１に含まれるブラシレスモータの３つの電動子巻線に与えられる。インバータ７は、３相ブリッジ接続された６つのトランジスタと、各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードとを含む周知のものである。

図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）は、圧縮機１の要部の構成および動作を示す図である。図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）において、圧縮機１のブラシレスモータは、固定子２０と、その中心に回転自在に設けられた回転子２２を含む。固定子２０の内周側には、回転子２２の外周面に向けて６つのポールＰ０〜Ｐ５が等角度間隔で突設されており、対向する２つのポールＰ０とＰ３，Ｐ１とＰ４，Ｐ２とＰ５の各々には、１つの電動子巻線２１が巻回されている。３つの電動子巻線２１に３相交流電流を流すことにより、ポールＰ０とＰ３，Ｐ１とＰ４，Ｐ２とＰ５の各々をＳ極またはＮ極に交互に変化させて回転磁界を発生させる。

また、回転子２２の外周面には、永久磁石のＮ極とＳ極が交互に合せて４極配置されている。回転子２２の端面の所定位置には、シャフトクランク２３が取付けられ、シャフトの先端にはピストン２４が固定されている。ピストン２４は、シリンダ２５内で往復動自在に設けられている。回転子２２が１回転すると、ピストン２４は１往復する。

このような構成の圧縮機では、ピストン２４が１往復するときの駆動パターンには１２のパターン０〜１１があることが分かっている。図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）は、それぞれパターン０〜１１を示している。パターン１１，０〜４は気体をシリンダ２５内に吸込む吸込工程であり、パターン５〜８はシリンダ２５内で気体を圧縮する圧縮工程であり、パターン９，１０は圧縮された気体を排出弁(図示せず)を介して排出する排出工程である。

詳しく説明すると、パターン０（吸込工程）では、ポールＰ０，Ｐ３がＮ極にされるとともにポールＰ１，Ｐ４がＳ極にされ、回転子２２の２つのＮ極とポールＰ０，Ｐ３との反発力と、回転子２２の２つのＮ極とポールＰ１，Ｐ４との吸引力とにより、シャフトクランク２３は図中２８５度の位置から３１５度の位置まで回転移動する。これに応じてピストン２４は図中上方向に移動し、シリンダ２５内に気体が吸込まれる。

次にパターン１（吸込工程）では、ポールＰ０，Ｐ３がＮ極に維持されるとともにポールＰ２，Ｐ５がＳ極にされ、回転子２２の２つのＳ極とポールＰ２，Ｐ５との反発力と、回転子２２の２つのＳ極とポールＰ０，Ｐ３との吸引力とにより、シャフトクランク２３は図中３１５度の位置から３４５度の位置まで回転移動する。これに応じてピストン２４は図中上方向に移動し、シリンダ２５内に気体が吸込まれる。

次いでパターン２（吸込工程）では、ポールＰ１，Ｐ４がＮ極にされるとともにポールＰ２，Ｐ５がＳ極に維持され、回転子２２の２つのＮ極とポールＰ１，Ｐ４との反発力と、回転子２２の２つのＮ極とポールＰ２，Ｐ５との吸引力とにより、シャフトクランク２３は図中３４５度の位置から１５度の位置まで回転移動する。シャフトクランク２３が０度の位置に到達してピストン２４が上死点に到達した後、ピストン２４は図中下側に移動するが、ピストン２４の高速移動によってシリンダ２５内が負圧になっているので、引き続き気体の吸込みが行なわれる。以下同様にして回転子２２が図中時計針回転方向に回転し、パターン３，４（吸込工程）でも、パターン２と同様にして気体の吸込みが行なわれる。

パターン５（圧縮工程）では、パターン２〜４に続いてピストン２４が図中下方向に移動し、シリンダ２５内の気体が圧縮されて負圧から正圧に転じる。パターン６〜８でシリンダ２５内の気体がさらに圧縮され、パターン８ではシャフトクランク２３が１８０度の位置に到達してピストン２４が下死点に到達した後、ピストン２４は図中上側に移動する。高速移動するピストン２４の移動に遅延して、パターン９，１０で排出弁(図示せず)が開き、シリンダ２５内で圧縮された気体が排出弁を介して排出される。ピストン２４がさらに上方向に移動してシャフトクランク２３が２５５度の位置に到達すると、パターン１１でシリンダ２５内が負圧になって排出弁が閉じ、再度気体の吸込みが行なわれる。

図４は、圧縮機１の負荷トルクの時刻変化を示す図である。図４において、気体がシリンダ２５内に吸込まれる吸込工程では負荷トルクは低く略一定であるが、気体がシリンダ２５内で圧縮される圧縮工程では負荷トルクが急激に上昇し、排出弁が開いてシリンダ２５から気体が排出される排出工程では負荷トルクは急激に低下する。このように１サイクル内で負荷トルクが変化すると、それに応じてブラシレスモータの回転子２２の回転速度が変化する。したがって、回転子２２の回転速度の変化を検出することにより、負荷トルク、駆動パターン、ピストン２４の位置を検出することができる。

図１に戻って、位置検出手段８は、回転子２２の回転に応じて３つの電動子巻線２１に誘起される電圧を検出し、その検出結果に基づいてパターン０〜１１に同期する位置検出信号を出力する。制御装置９は、位置検出手段８からの位置検出信号に基づいて転流パルスを生成し、インバータ７を制御する。

すなわち制御装置９は、ソフトウェアで構成され、回転速度検出手段１０、ピストン位置検出手段１１、デューティ調整手段１２、転流手段１３、相固定運転手段１４、同期運転手段１５、起動手段１６、および停止手段１７を含む。

回転速度検出手段１０は、位置検出手段８から与えられる位置検出信号の間隔を検出し、その検出結果に基づいて回転子２２の回転速度およびその変化パターンを検出する。ピストン位置検出手段１１は、回転速度検出手段１０によって検出された回転速度の変化パターンと、図４で示した予め記憶している負荷トルクの変化パターンとを比較し、現時点の駆動パターンがパターン０〜１１のうちのいずれのパターンであるかを検出し、さらにピストン２４のシリンダ２５内における現在位置を検出する。

デューティ調整手段１２は、センサレス運転時には、回転速度検出手段１０で検出された固定子２２の回転速度と、ピストン位置検出手段１１で検出されたピストン２４の位置とに基づいてデューティを調整し、調整したデューティを示す信号を転流手段１３に与える。転流手段１３は、デューティ調整手段１２から与えられたデューティを示す信号に基づいて転流パルスを生成し、その転流パルスによってインバータ７を制御する。

相固定運転手段１４は、起動手段１６および停止手段１７によって制御され、相固定運転を指示する信号をデューティ調整手段１２に与える。その信号に応答してデューティ調整手段１２は、転流手段１３およびインバータ７を介して圧縮機１のブラシレスモータを相固定運転させる。ここで、相固定運転とは、予め定められた低い周波数の３相交流電圧をブラシレスモータに供給し、低い周波数の回転磁界を発生させて固定子２０と回転子２２の相を一致させる運転である。相固定運転は、一般には、同期運転の始動性を高めるために同期運転前に行なわれるが、本願発明では圧縮機の停止動作時にも行なわれる。この相固定モードでは、固定子２２の回転速度は遅いので、インバータ７への転流パルスの供給を停止すると、固定子２０が即座に停止する。なお、固定子２２が高速で回転しているときに転流パルスの供給を停止しても、回転子２２は即座には停止せず、慣性で回転し続ける。

同期運転手段１５は、起動手段１６および停止手段１７によって制御され、同期運転モードを指示する信号をデューティ調整手段１２に与える。その信号に応答してデューティ調整手段１２は、転流手段１３およびインバータ７を介して圧縮機１のブラシレスモータを同期運転させる。ここで、同期運転とは、一般には、ブラシレスモータの起動時は電動子巻線２２に誘起される電圧が低く、位置検出手段８が誘起電圧を検出することができないので、誘起電圧の検出が可能となる回転速度まで強制的に転流、加速を行ない、センサレス運転への準備を行なうものであるが、本願発明では圧縮機１の停止動作時にも行なわれる。同期運転手段１２は、ブラシレスモータの停止前に同期運転が指示されたことに応じて、相固定運転が可能となる回転速度まで強制的に転流、減速を行ない、相固定運転への準備を行なう。

起動手段１６は、圧縮機１の起動が指示されたことに応じて相固定運転手段１４に相固定運転の開始を指示し、所定時間後に相固定運転を停止させるとともに同期運転手段１５に同期運転の開始を指示し、回転子２２の回転数が同期回転数に到達したことに応じて同期運転を停止させる。起動時の同期運転が停止されると、デューティ調整手段１２によってセンサレス運転が開始される。

停止手段１７は、圧縮機１の停止が指示されたことに応じて、デューティ調整手段１２に減速運転の開始を指示する信号を与える。その信号に応答してデューティ調整手段１２は、転流手段１３およびインバータ７を介して圧縮機１のブラシレスモータの回転数を徐々に低下させる。停止手段１７は、回転速度検出手段１０の検出結果に基づき、回転子２２の回転数が同期回転数に到達したことに応じて同期運転手段１５に同期運転の開始を指示する信号を同期運転手段１５に与える。その信号に応答して同期運転手段１５は、回転子２２の回転数を徐々に低下させる。

停止手段１７は、回転速度検出手段１０の検出結果に基づき、回転子２２の回転数が予め定められた回転数に到達したことに応じて、同期運転手段１５に同期運転を停止させるとともに相固定手段１４に相固定運転の開始を指示する信号を相固定運転手段１４に与える。停止手段１７は、相固定運転が所定時間行なわれた後に、ピストン位置検出手段１１の検出結果に基づき、相固定運転を停止させ、固定子２２を予め定められた位置（たとえば図２（ｃ）のパターン２の位置）に停止させてピストン２４を停止させる。

図５は、図１に示した制御装置９の動作を示すフローチャートである。図５において、ステップＳ１においてブラシレスモータの起動が指示され、ステップＳ２において相固定運転が指示され、所定の転流パルスがインバータ７に与えられて回転子２２と固定子２０の相を一致させる相固定運転が行なわれる。次いでステップＳ３において同期運転が指示され、所定の転流パルスがインバータ７に与えられて電動子巻線２１の誘起電圧の検出が可能になるまで回転子２２の回転数を上昇させる同期運転が行なわれる。回転子２２の回転数が誘起電圧の検出が可能な同期回転数に到達すると、ステップＳ４でセンサレス運転が開始される。

図６は、ブラシレスモータの起動時において、固定子２０で生成される回転磁界の回転数の時刻変化を示す図である。図６において、最初の２５０ｍｓでは、回転磁界の回転数は略２５ｒｐｍに固定されて相固定運転が行なわれる。次いで同期運転が行われて回転磁界および回転子２２の回転数が３００ｒｐｍに到達すると、センサレス運転が行われ、回転磁界および回転子２２は所望の回転数に設定される。

センサレス運転の期間は、ステップＳ５において位置検出信号の間隔が検出され、その検出結果に基づいて回転速度、ピストン位置が検出され、それらの検出結果に基づいて所望の回転数が維持される。センサレス運転中は、図４で示した負荷トルク変動を伴いながら、気体圧縮動作が行なわれる。

次にステップＳ６において、圧縮機１の停止が指示されたかどうかを判別し、圧縮機１の停止が指示されていない場合はステップＳ４に戻り、圧縮機１の停止が指示されている場合はステップＳ７に進む。

ステップＳ７ではセンサレス運転が行なわれ、ステップＳ８では位置検出信号の間隔が検出され、その検出結果に基づいて回転速度、ピストン位置が検出され、それらの検出結果に基づいて、転流パルスを制御しながら回転数を低下させて行く。このとき、図７に示される転流パルスデューティ（％）と回転数（ｒｐｍ）の関係からソフトウェアにて圧縮機１のＤＣ特性を算出し、転流パルスデューティを徐々に下げて行く。

ステップＳ９において、起動時に同期運転からセンサレス運転に切換えた同期回転数（３００ｒｐｍ）に回転子２２の回転数が到達したかどうかを判別し、同期回転数に到達していない場合はステップＳ７に戻り、同期回転数に到達した場合はステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では同期運転が指示され、所定の転流パルスがインバータ７に与えられて相固定運転が可能になるまで回転子２２の回転数を低下させる同期運転が行なわれる。回転子２２の回転数が相固定運転が可能な回転数（たとえば２０ｒｐｍ）に到達すると、ステップＳ１１において相固定運転が指示され、所定の転流パルスがインバータ７に与えられて回転子２２と固定子２０の相を一致させる相固定運転が行なわれる。ステップＳ１２において、ピストン２４がシリンダ２５内の所定の位置に到達したことが検出され、インバータ７への転流パルスの供給が停止されて回転子２２の回転が停止され、ピストン２４が停止される。

図８は、ブラシレスモータの停止時において、固定子２０で生成される回転磁界の回転数の時刻変化を示す図である。図８において、圧縮機１の停止が指示されると、センサレス運転において回転磁界の回転数が徐々に低下される。回転子２２の回転数が３００ｒｐｍに到達すると、同期運転が行われ、回転磁界の回転数はさらに低下される。回転子２２の回転数が２０ｒｐｍに到達すると、回転数が固定されて相固定運転が行なわれる。ピストン２４が所定の位置に到達すると、インバータ７への転流パルスの供給が停止されて回転子２２の回転が停止され、ピストン２４が停止される。

この実施の形態では、圧縮機１の停止が指示されたことに応じて回転数を徐々に低下させ、所定の回転数に到達したことに応じて相固定運転を行ない、ピストン２４を所定の位置に停止させる。したがって、起動時の負荷トルクを一定にすることができ、起動動作の安定化を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による圧縮機の駆動装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した圧縮機の要部の構成および動作を示す図である。 図１に示した圧縮機の要部の構成および動作を示す他の図である。 図１に示した圧縮機の負荷トルクの時刻変化を示す図である。 図１に示した制御装置の動作を示すフローチャートである。 図１に示した圧縮機の起動動作を示す図である。 図１に示した圧縮機の停止動作を示す図である。 図１に示した圧縮機の停止動作を示す他の図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 交流電源、３ コンバータ、４ 倍電圧整流回路、５，６ コンデンサ、７ インバータ、８ 位置検出手段、９ 制御装置、１０ 回転速度検出手段、１１ ピストン位置検出手段、１２ デューティ調整手段、１３ 転流手段、１４ 相固定運転手段、１５ 同期運転手段、１６ 起動手段、１７ 停止手段、２０ 固定子、２１ 電動子巻線、２２ 回転子、２３ シャフトクランク、２４ ピストン、２５ シリンダ、Ｐ０〜Ｐ５ ポール。

Claims (2)

1. シリンダ内でピストンを駆動させて気体を圧縮するブラシレスモータを備えた圧縮機において、前記ブラシレスモータを回転駆動させる駆動装置であって、
   前記ブラシレスモータの複数の電動子巻線に駆動電流を供給するインバータ、
   前記複数の電動子巻線の誘起電圧に基づいて、前記ブラシレスモータの固定子に対する回転子の位置を検出する位置検出手段、および
   前記位置検出手段の検出結果に基づいて前記インバータを制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記圧縮機の駆動停止が指示されたことに応じて、前記回転子の回転数を低下させるセンサレス運転手段、
   前記センサレス運転手段によって前記回転子の回転数が同期回転数に低下されたことに応じて、前記ブラシレスモータを同期運転させて前記回転子の回転数をさらに低下させる同期運転手段、
   前記同期運転手段によって前記回転子の回転数が予め定められた回転数に低下されたことに応じて、前記ブラシレスモータを相固定運転させる相固定運転手段、および
   前記相固定運転手段によって前記ブラシレスモータが相固定運転されたことに応じて、前記位置検出手段の検出結果に基づいて前記回転子を予め定められた位置に停止させる停止手段を含むことを特徴とする、圧縮機の駆動装置。
2. 前記ピストンは、前記シリンダ内において第１および第２の死点間で往復動し、
   前記ピストンが前記第１の死点から第２の死点に移動することによって前記シリンダ内に前記気体が吸い込まれ、前記ピストンが前記第２の死点から第１の死点に移動することによって前記シリンダ内において前記気体が圧縮され、
   前記回転子が前記予め定められた位置で停止したとき前記ピストンは前記第２の死点で停止することを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機の駆動装置。

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