JP4515432B2

JP4515432B2 - 圧縮機の駆動方法

Info

Publication number: JP4515432B2
Application number: JP2006276899A
Authority: JP
Inventors: 鉉永崔; 光雲李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: EP1775473A1; US7477032B2; US20070085501A1; KR100716296B1; CN1948755A; CN1948755B; DE102006048647A1; EP1775473B1; DE602006014075D1; JP2007107523A

Description

本発明は圧縮機の駆動方法に係り、より詳しくはセンサレスモータを利用する圧縮機の駆動方法に関する。

最近、圧縮機に使用されているブラシレス直流モータ（Brushless direct current motor; BLDC motor）は、ＤＣモータの重要な部品であるブラシと整流子の代わりに、トランジスタやＭＯＳＦＥＴを利用した電子回路によるスイッチングを通じて駆動されるモータである。モータの動作はＤＣ電源から供給される電流をモータの三相又は４相巻線に分配する。そのためには、回転子の位置を検出し検出情報に基づいてモータの三相巻線に供給される電流を調節するために、トランジスタのスイッチング動作を制御する必要がある。これによって、モータの回転及び速度が制御される。

ＢＬＤＣモータを速度又は回転子の位置を感知するセンサー備えずに駆動させるためには、ＢＬＤＣモータに供給される相電流又は端子電圧などからモータ速度又は回転子の位置を間接的に検出しなければならない。回転子の位置を検出する最も一般的な方法は逆起電力の情報を利用することである。しかしながら、逆起電力は回転子の速度に比例するため、回転子が停止しているか又は低速回転している場合には利用することができない。従って、ＢＬＤＣモータの初期起動の際にはモータの巻線に所定時間の間に電流を供給しモータの回転子を特定位置に整列させた後、逆起電力の大きさが充分に検出可能な値に到逹するまで停止状態のＢＬＤＣモータを同期的に加速させる。

初期に回転子を強制的に整列させるとしても、正確な回転子の位置情報を得ていない状態でモータの巻線に電流を印加すれば、回転子の位置が合わない場合には、過電流が発生し、これにより、トルク脈動が大幅に発生する。このような過電流の発生はモータの効率を低下させる。

また、回転子の正確な位置情報を得ていない状態で回転子を強制的に整列させるので、モータに圧力が作用している状態でモータを起動する場合には、大電流を長時間供給しなければならず、起動に失敗する確率も高いという問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、過電流を発生させないで起動させる圧縮機の駆動方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、所定の圧力がモータに作用している場合にも容易に起動させる圧縮機の駆動方法を提供することにある。

さらに、起動電流を低減し、さらにはモータ回転子の減磁をも低減させることができる圧縮機の駆動方法を提供することにある。

前記目的は、本発明によって、回転子と連結されている回転軸を持つセンサレスモータと、上死点及び下死点の間で圧縮行程及び吸入行程を遂行するピストンと、前記回転軸と前記ピストンを連結するクランク部とを有する圧縮機の駆動方法において、前記回転子を前記ピストンの吸入行程内の所定の起動位置に位置させる強制整列段階と；強制的に整列された前記回転子の回転を加速させる段階とを含むことを特徴とする圧縮機の駆動方法によって達成される。

前記上死点と前記下死点との間には複数の相励磁モードが存在し、モータの起動が容易に遂行できるように、前記起動位置は前記上死点に隣接した前記相励磁モードであることが好ましい。

前記強制整列段階の以前に、前記回転子を前記下死点に位置するように整列する初期整列段階をさらに含むことができる。

過電流を防止し、回転子をより正確に強制的に整列させるために、前記強制整列段階は前記回転子を前記下死点から前記上死点の方向に前記相励磁モードの間を移動させる相励磁段階を含むことが好ましい。

上死点から下死点までの複数の相励磁モードが存在し、モータは６個の相励磁モードそれぞれに相当する電流の供給を受けるので、前記相励磁モードの間は前記上死点から前記下死点までの１０〜２０％に相当することが好ましい。

前記回転子の強制整列段階と前記加速段階との間には、前記回転子が前記所定の起動位置に整列されたか否かを判断する検査段階をさらに含むことがより正確に強制的な整列を行なうために好ましい。

前記検査段階は、所定の指令値と前記センサレスモータからフィードバックされた電流値との差が所定の許容範囲を逸脱したか否かについて判断することができる。判断方法はこれに限定されず、回転子の位置を判断することができれば、いずれの判断方法でも本発明に適用することができる。

複数の前記相励磁段階以後に、前記回転子が所定の前記相励磁モードに移動されたか否かを判断する検査段階をさらに含むこともできる。

本発明によれば、過電流を発生させずに起動させる圧縮機の駆動方法が提供される。
また、所定の圧力がモータに作用している場合にも容易に起動させる圧縮機の駆動方法が提供される。

さらに、起動電流を低減し、さらにはモータ回転子の減磁をも低減することができる圧縮機の駆動方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明について説明する。

本発明による第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態による圧縮機の概路図であり、図２は圧縮機の駆動方法を説明するための回転子移動を示した図面である。

図１に示すように、圧縮機は、センサレスモータ１００、及びセンサレスモータ１００とコネクティングバー１４０によって連結されているピストン２００を含む。また、圧縮機は、センサレスモータ１００に三相電流を供給するインバータ、及びセンサレスモータ１００の全体的な動作を制御する制御部をさらに含む。

センサレスモータ１００は、固定子（図示せず）に対して回転する回転子１１０、回転子１１０に連結されている回転軸１２０、及び回転軸１２０とピストン２００とを連結するクランク部１３０で構成されている。

本実施形態によるモータ１００はブラシレス直流モータ（Brushless DC motor）であって、公知の方法によって動作される。直流電源がインバータのスイッチング部を通じてセンサレスモータ１００に供給されて回転子１１０が回転すれば、センサレスモータ１００の三相巻線には逆起電力が発生する。この時、制御部は三相巻線の逆起電力に対する情報から回転子１１０の位置情報で回転子１１０の位置を把握し、所定の相励磁モードに電流を印加する。制御部は所定の相励磁モードに電流を印加しながらＰＷＭ制御信号を発生するようになり、このようなＰＷＭ制御信号はインバータに出力され、モータに供給される電流を調節する。

インバータスイッチング部はオン／オフ動作を遂行する複数のトランジスタを含む。トランジスタのオン／オフ動作によってインバータはセンサレスモータ１００の三相巻線のうちの二相巻線に常に電流が供給されるようにし、二相巻線に印加される電流を通じてセンサレスモータ１００の回転速度を制御する。つまり、直流型モータの一種である本実施形態によるセンサレスモータ１００は、回転子１１０の位置を検出し、検出された回転子１１０の位置によって三相巻線のうちの二相巻線に電流が供給されるように制御しながら駆動される。

回転子１１０に連結されている回転軸１２０はクランク部１３０に連結されており、クランク部１３０はコネクティングバー１４０によってピストン２００と連結されている。回転子１１０が回転運動をすれば、回転軸１２０に連結されているクランクバー１３０によって回転子１１０の回転運動がピストン２００の往復運動に転換される。

ピストン２００は上死点ＩＩ及び下死点Ｉを往復運動し、圧縮行程Ａ及び吸入行程Ｂを遂行する。上死点ＩＩは、ピストン２００が最も高い位置に到逹した際に圧縮行程Ａが終了する位置であり、吸入行程Ｂが開始する地点である。下死点Ｉは、吸入行程Ｂが終了し、圧縮行程Ａが開始する地点である。すなわち、ピストン２００は下死点Ｉから上死点ＩＩまで移動することにより圧縮行程Ａを遂行し、上死点ＩＩから下死点Ｉまで移動することにより吸入行程Ｂを遂行する。ピストン１００の上死点ＩＩの部分には冷媒のような流体が連結され、ピストン２００の運動によって圧縮及び吸入が繰り返される。

図２は、ピストン２００の圧縮行程Ａ及び吸入行程Ｂに対応した回転子１１０の回転を説明するための図面である。図２に示す振り子の形状は、回転子１１０の位置を説明するために概略的に示したものである。

センサレスモータ１００の三相巻線には二相電流が供給され、一つの行程区間の間に全て６つの相励磁モードが存在する。つまり、三相電流の組合（２３）のうち、三相電流が全て供給されるか、又は全て供給されない二つの場合を除いた６つの場合に対応する電流供給の組み合わせが可能である。言い換えれば、各相励磁モードは行程区間内で回転子１１０の位置を決定し、相励磁モード別に電流を調節することにより回転子１１０の位置を制御することができる。

回転子１１０が下死点Ｉから上死点ＩＩに回転する圧縮行程Ａの間に、ａ地点からｆ地点までの全て６つの相励磁モードが存在し、上死点ＩＩから下死点Ｉに回転する吸入行程Ｂの間に、ｇ地点からｌ地点までの全て６つの相励磁モードが存在する。起動の前にセンサレスモータ１００の回転子１１０は、圧縮機が運転中に停止された場合には、慣性力の影響によって圧縮行程Ａが開始する下死点Ｉの付近、つまりａ地点とｋ地点との間、例えば、ｍ地点に存在することが一般的である。

本実施形態による圧縮機の駆動方法においては、回転子１１０の強制整列の前に回転子１１０を下死点Ｉに初期整列させる段階をさらに含む。このような段階は、回転子１１０を最終的に強制整列させる位置に移動させるために必要な電流又は相励磁モードの変換に対する制御のために基準を提供する。つまり、ａ地点からｋ地点の間に位置する回転子１１０を下死点Ｉであるｌ地点に整列させる。

従来の場合、所定パターンによる回転子１１０の強制整列後に正確な回転子１１０の位置情報を得ない状態で加速段階に進入するため、センサレスモータ１００に印加されている残余圧力状態又は負荷程度によっては、起動を失敗する危険性があった。すなわち、過電流によって回転子１１０の効率が低減される減磁現象が発生し、特に圧縮行程区間に回転子１１０が位置している場合に過電流の供給が行われなくて起動に失敗し、モータの回転による騷音が発生することもある。

本発明はこのような問題点を改善してより容易に圧縮機を起動させるために、圧縮機の強制整列段階時に回転子１１０を吸入行程区間内の所定起動位置に整列させる。圧縮行程でない吸入行程区間内に回転子１１０を配置することによって、より少ない電流で加速段階を進行させることができる。回転子１１０を吸入行程区間に配置することは、センサレスモータ１００に残余圧力が働いている場合には、極めて効果的である。

圧縮行程区間に到逹した時に慣性力によって最大限の推進力を発生させるためには、可能であれば吸入行程区間を多く経ることが好ましい。上死点ＩＩに回転子１１０を整列させる場合には、慣性力によって吸入行程区間に回転子１１０が移動する可能性があるので、起動位置は上死点ＩＩに近接した地点に設定する。本実施形態による起動位置は、吸入行程が行われる上死点ＩＩに最も隣接した相励磁モードであるｇ地点の位置が起動位置となる。

初期整列段階から回転子１１０を起動位置に強制的に整列させる段階は、回転子１１０を下死点Ｉから上死点ＩＩの方向に相励磁モードの間を移動させる相励磁段階を通じて遂行される。初期整列位置から起動位置まで一度に回転子１１０を移動させる場合には、電流の制御が容易でなく、回転子１１０を正確に起動位置に整列できない恐れがある。従って、本実施形態では、逐次的に相励磁段階を通じて回転子１１０を起動位置まで移動させる。各相励磁段階を通じて回転子１１０が移動する角度は、上死点ＩＩから下死点Ｉまでを６等分したものに対応するので、一つの相励磁モードの間の移動を通じて回転子１１０を一つの行程区間の６分の１ずつ移動させる。

強制整列段階を経て回転子１１０がｇ地点に位置する場合には、回転子１１０の回転を加速させる段階が遂行される。加速段階は、回転子１１０から発生した逆起電力を安定的に検出することができる速度に至るまで回転子１１０を加速させる段階である。

以後、加速によって逆起電力の検出が可能になれば、検出した逆起電力及び回転子１１０の位置情報を利用してセンサレスモータ１１０を駆動させる段階に進行する。つまり、圧縮機の起動が終了し、本格的に圧縮機の駆動が行われるようになる。

以下、第２実施形態による圧縮機の駆動方法について、図３乃至図５を参照して説明する。図３は本発明の第２実施形態による圧縮機の制御ブロック図であり、図４は回転子の位置の検査段階を説明するための回転子の位置による電流値を示したグラフであり、図５は圧縮機の駆動方法を説明するための制御フローチャートである。

図３に示したように、圧縮機は、センサレスモータ３１０、センサレスモータ３１０に三相電流を供給するスイッチング素子を含むインバータ３２０、及びインバータ３２０を制御する制御部３３０を含む。

インバータ３２０は、制御部３３０から出力される制御信号によってスイッチング素子であるトランジスタをオン／オフし、センサレスモータ３１０に電流を供給する。

制御部３３０は、第１実施形態に対する説明に記述されたように、一般的にインバータ３２０を制御するための制御信号を出力する。また、制御部３３０は、強制整列段階を通じて回転子１１０が起動位置ｇ上に整列されたか否かを判断した後、強制整列又は加速段階のうちのいずれか一つの段階を進行する検査段階を遂行する。

制御部３３０は、センサレスモータ３１０からフィードバックされる電流値と所定の指令値との差が所定の許容範囲を逸脱したか可否を判断し、これに基づいてイントボ３３０に制御信号を出力する。フィードバックされる電流はＡ／Ｄコンバータなどを通じてデジタル信号に変換された後、制御部３３０に入力される。

回転子１１０が回転をすると逆起電力が発生し、これによる逆起電力成分はフィードバックされる電流値の外乱として作用するようになる。つまり、制御部３１０は外乱成分が含まれているフィードバック電流値と指令値とを比較し、その差が所定の許容範囲内にあるか否かを判断する。

強制整列が行われるｌ地点からｇ地点までの区間の間にセンサレスモータ１００に供給される電流量は次第に増加するので、増加する電流量によって基準値になる指令値ｉ_ａとフィードバックされる電流値ｉ_ｂとも増加する。図４に示したように、逆起電力の発生による外乱成分はフィードバックされる電流値ｉ_ｂのリップルとして現われる。制御部３３０は指令値ｉ_ａとフィードバックされる電流値ｉ_ｂとの差を求め、差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲を逸脱したか否かを判断する。

回転子１１０をｇ地点に整列させるための電流が供給されたが、回転子１１０がｇ地点でない他の位置に配置されている場合には、フィードバックされる電流値ｉ_ｂと指令値ｉ_ａとの間には所定の差が生じるようになり、制御部３３０は差異値ｉ_ｃの程度によって回転子１１０が起動位置に整列されたか否かを判断することができる。

判断の結果、差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲内にある場合には、回転子１１０の回転程度は大きくないことを意味するので、制御部３３０は回転子１１０が起動位置に整列されたと判断する。

一方、差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲を逸脱すれば、制御部３３０は回転子１１０の回転程度が大きいと判断し、回転子１１０がまだ起動位置に整列されなかったので、所定の電流を再度供給して回転子１１０を起動位置に整列させる。

他の実施形態によれば、このような検査段階は強制整列段階中に行われる複数の相励磁段階時ごとに遂行させることもできる。検査方法は上述した内容と同一のメカニズムでも可能であり、回転子１１０の位置を検出できる方法であれば上述した内容に限定されない。

図５の制御フローチャートを利用して、本実施形態による圧縮機の駆動方法を整理する。

まず、回転子１１０を基準位置となる下死点Ｉに初期整列する（Ｓ１０）。

初期整列された回転子１１０をインバータ３２０に供給される電流によって複数の相励磁モードに順次移動させる（Ｓ２０）。

制御部３３０は、センサレスモータ３１０からフィードバックされる電流値と指令値との間の差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲内にあるか否かを判断する（Ｓ３０）。

該判断の結果、差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲内にある場合には、起動位置に整列されていると判断して回転子１１０を加速させ（Ｓ４０）、差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲を逸脱すれば、また相励磁段階を繰り返す。

回転子１１０が起動位置に整列されたにもかかわらず、差異値ｉ_ｃが所定の許容範囲を逸脱した場合には、制御部は起動位置に該当する相励磁モードに対応する電流を印加する。

例として、本発明の幾つかの実施形態を図示し説明したが、本発明の属する技術分野の通常の知識を有する当業者であれば、本発明の技術的範囲や技術的思想から逸脱させず、圧縮機を起動するために回転子を吸入行程内に整列させる本実施形態を容易に変形できる点に留意すべきである。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲とその均等物によって決定されなければならない。

図１は本発明の第１実施形態による圧縮機の概路図である。本発明の第１実施形態による圧縮機の駆動方法を説明するための回転子移動を示した図面である。本発明の第２実施形態による圧縮機の制御ブロック図である。本発明の第２実施形態による回転子の位置の検査段階を説明するための回転子の位置による電流値を示したグラフである。本発明の第２実施形態による圧縮機の駆動方法を説明するための制御フローチャートである。

符号の説明

１００センサレスモータ
１１０回転子
１２０回転軸
１３０クランク部
１４０コネクティングバー
２００ピストン
３１０センサレスモータ
３２０インバータ
３３０制御部

Claims

回転子と連結されている回転軸を持つセンサレスモータと、
上死点及び下死点の間で圧縮行程及び吸入行程を遂行するピストンと、
前記回転軸と前記ピストンを連結するクランク部とを有する圧縮機の駆動方法において、
前記回転子を前記下死点に位置するように整列する初期整列段階と；
前記回転子を前記ピストンの吸入行程内の所定の起動位置に位置させる強制整列段階と；
強制整列された前記回転子の回転を加速させる段階とを含み、
前記上死点と前記下死点との間には複数の相励磁モードが存在し、
前記起動位置は前記上死点に隣接した前記相励磁モードであることを特徴とする圧縮機の駆動方法。
前記上死点と前記下死点との間には複数の相励磁モードが存在し、
前記強制整列段階は、前記回転子を前記下死点から前記上死点の方向に前記相励磁モードの間を移動させる相励磁段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機の駆動方法。
前記相励磁モードの間は、前記上死点と前記下死点との間を直径とする円における円弧に対する割合で１０〜２０％に相当することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機の駆動方法。
前記回転子の強制整列段階と前記加速段階との間には、
前記回転子が前記所定の起動位置に整列されたか否かを判断する検査段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機の駆動方法。
前記検査段階は、所定の指令値と前記センサレスモータからフィードバックされた電流値との差が所定の許容範囲を逸脱したか否かを判断することを特徴とする請求項４に記載の圧縮機の駆動方法。
複数の前記相励磁段階の以後に、
前記回転子が、所定の前記相励磁モードに移動されたが否かを判断する検査段階をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機の駆動方法。
前記検査段階は、所定の指令値と前記センサレスモータからフィードバックされた電流値との差が、所定の許容範囲を逸脱したか否かを判断することを特徴とする請求項６に記載の圧縮機の駆動方法。