JP6533950B2 - Motor drive device, compressor drive device using the same, refrigeration apparatus and refrigerator - Google Patents
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Description
本発明はインバータ制御によりブラシレスDCモータを使用した圧縮機を駆動するモータ駆動装置ならびに、これを用いた冷蔵庫に関するものである。 The present invention relates to a motor drive device for driving a compressor using a brushless DC motor by inverter control, and a refrigerator using the same.
従来、この種のモータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫は、ブラシレスDCモータの回転子の回転位置を検出し、その回転位置を基にして、通電する固定子巻き線を切り替えるようにしている。圧縮機等の特殊な環境下でのブラシレスDCモータの駆動では、回転子位置の検出は、エンコーダやホール素子などの検出器を用いず、インバータ出力電圧とインバータ入力電圧の1/2を比較して、その大小関係が変化するポイントを、検出するデジタルセンサレス方式が一般的である。(たとえば非特許文献1)
図4は非特許文献1のモータ駆動装置のブロック図を示すものである。
Conventionally, this type of motor drive device and a refrigerator using the same detect the rotational position of the rotor of a brushless DC motor and switch the energized stator winding based on the rotational position. When driving a brushless DC motor under a special environment such as a compressor, rotor position detection does not use a detector such as an encoder or a Hall element, and compares the inverter output voltage with 1/2 of the inverter input voltage. In general, a digital sensorless method detects a point at which the magnitude relationship changes. (For example, Non Patent Literature 1)
FIG. 4 is a block diagram of the motor drive device of Non-Patent
図4において、商用電源1を入力として整流平滑回路2により交流電圧を直流電圧に変換しインバータ3に入力する。インバータ3は6個のスイッチング素子(3aから3f)を3相フルブリッジで接続するとともに、各スイッチング素子にはダイオード(3gから3l)が逆方向に並列接続され、直流入力を3相交流電力に変換し、ブラシレスDCモータ4に電力を供給する。位置検出回路300はブラシレスDCモータ4の端子電圧から回転子の相対位置を検出する。
In FIG. 4, an alternating voltage is converted into a direct voltage by the rectifying and smoothing
図5は非特許文献1のモータ駆動装置の位置検出回路300の回路図である。図5において、非特許文献1における位置検出回路300は、コンパレータにより実現する比較部301であり、非反転入力にはブラシレスDCモータの端子電圧が入力され、反転入力には基準電圧としてインバータ入力電圧の1/2を入力する。位置信号は、固定子巻き線のうち非通電相のインバータ出力端子に現れる誘起電圧が基準電圧との大小関係が変化するタイミング(すなわち誘起電圧のゼロクロスポイント)を検出する。
FIG. 5 is a circuit diagram of a
図6は非特許文献1によるセンサレス駆動時の電流波形A、端子電圧波形Bを示しており、端子電圧波形Bを基準電圧(インバータ入力の1/2電圧)の大小関係を比較した比較結果がCであり、位置検出部の出力波形Dは、波形CからPWM制御によるスイッチングの影響と、転流により電圧供給が遮断された巻線のエネルギを還流電流として放出する際に発生するスパイク電圧XおよびYの影響を波形処理により除去したものである。この波形Dの信号状態が変化するタイミング(立ち上がりエッジまたは、立下りエッジ)を位置検出として検出し、この位置信号を基にした転流を繰り返すことでブラシレスDCモータ4を安定的に駆動することが出来る。
FIG. 6 shows a current waveform A and a terminal voltage waveform B at the time of sensorless driving according to
図7は特許文献1に記載された従来のモータ駆動装置を示すものである。図7に示すように、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータ4と、前記三相巻線に電力を供給するインバータ3と、前記インバータを駆動するドライブ部111と、前記ブラシレスDCモータ4の固定子巻線に発生する誘起電圧を基に回転子の相対的な回転位置を検出し位置信号を出力する位置検出部205と、前記位置検出部205からの出力信号を基にデューティ制御を行いながら矩形波または正弦波、或いは、それらに準じる波形を出力する第1波形発生部207と、前記ブラシレスDCモータ4へ矩形波または正弦波、或いはそれらに準じる波形を出力する第2波形発生部209と、前記ブラシレスDCモータ4が所定回転数以下の低速で回転している時は前記第1波形発生部207の出力でインバータ3を駆動させ、前記ブラシレスDCモータ4が所定回転数を
超える高速で回転している時は第2波形発生部209の出力でインバータ3を駆動させる切替判定部210とを有し、第2波形発生部209による駆動の際、所定のタイミングでブラシレスDCモータ4の誘起電圧を検出するためのパターンを出力する様に構成することで、低速ではブラシレスDCモータ4を位置検出部205の信号に基づいて第1波形発生部207によってセンサレス駆動による高効率駆動を行い、高速では第2波形発生部209による周波数固定の同期駆動を行いつつ、定期的に位置検出部205によりブラシレスDCモータ4の誘起電圧ゼロクロス検出から回転子位置情報を得て転流タイミングを決定するので、同期駆動による高負荷高速駆動時も安定した駆動性能を得るようにしている。
FIG. 7 shows a conventional motor drive device described in
しかしながら、非特許文献1および特許文献1に示す前記従来の構成では、センサレス駆動時における起動時等の低速高トルクが必要な条件ではモータ巻線に流れる電流が大きく、転流によりモータ巻線を切換えた際、電力を遮断した巻線のエネルギが還流電流として消費されるまでに時間要することになる。
However, in the conventional configuration described in Non-Patent
図6において、区間K2から区間K3へ転流するタイミングを考える。区間K2から区間K3への移行時、電力が供給されていたU相巻線への通電が遮断されたとき、U相巻線に蓄積されたエネルギは、図4に示すスイッチング素子3fおよびダイオード3jを介してブラシレスDCモータ内を還流して消費される。したがってダイオード3jが導通状態となることで、インバータ入力電圧の負側に接続されるため、還流電流発生時の端子電圧波形にはスパイク電圧Yが発生する。
In FIG. 6, consider the timing of commutation from section K2 to section K3. At the time of transition from section K2 to section K3, when the energization to the U-phase winding to which power is supplied is interrupted, the energy stored in the U-phase winding is the
同様に区間K4から区間K1に移行する際は、スイッチング素子3cおよびダイオード3gを介して還流電流として巻線エネルギが消費され、ダイオード3gがインバータ入力電圧の正側に接続されスパイク電圧Xが生じる。
Similarly, when transitioning from section K4 to section K1, winding energy is consumed as return current through switching
図8はセンサレス駆動におけるモータ電流が大きい状態で駆動している時の波形であり、電流波形A0、端子電圧波形B0を示す。ブラスレスDCモータに流れる電流が高いため、U相巻線への電力供給が遮断されて巻線に蓄えられたエネルギは大きく、その放出時間、すなわちスパイク電圧X0およびY0の発生期間が長くなる。 FIG. 8 shows waveforms when driving with a large motor current in sensorless driving, and shows a current waveform A0 and a terminal voltage waveform B0. Since the current flowing through the brushless DC motor is high, the power supply to the U-phase winding is interrupted and the energy stored in the winding is large, and the emission time, that is, the generation period of spike voltages X0 and Y0 becomes long.
従って図8の端子電圧波形B0に示すように、スパイク電圧X2およびY2は、誘起電圧のゼロクロスポイントを覆い隠してしまい、位置信号を検出できない状態となっている。 Therefore, as shown in the terminal voltage waveform B0 in FIG. 8, the spike voltages X2 and Y2 cover the zero cross point of the induced voltage and are in a state where the position signal can not be detected.
この結果ヒット居文献1に示すモータ駆動装置では、センサレス駆動におけるモータ電流が大きい状態での駆動では、ブラシレスDCモータの正確に位置検出をすることが出来ないため、駆動トルクの低下や、トルク低下による起動性能の低下、モータ駆動効率の低下、速度安定度の低下、速度変動による振動・騒音の増大といった課題を有している。
As a result, in the motor drive device shown in the
また、特許文献1に示す構成では、同期駆動中にインバータ駆動の特別パターンの信号を出力することで、ブラシレスDCモータの位置信号を取得出来る様にして、高速・高負荷時の駆動安定性を確保しているが、センサレス駆動中にモータ電流が大きくスパイク電圧がゼロクロス信号を覆い隠す様な駆動状態での安定性向上には対応することが出来ない。従って、特許文献1に示す従来のモータ駆動装置では、モータ電流が高いセンサレス駆動時は、前述した非特許文献1と同様の課題を有している。
Further, in the configuration shown in
本発明は前記従来の課題を解決するもので、起動時等で高トルク駆動が必要で、大きなモータ電流が流れる駆動状態においても、ブラシレスDCモータの位置信号を確実に検出できることで、ブラシレスDCモータの起動性を含めた高トルク駆動性能を向上することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and requires high torque drive at the time of startup etc., and can reliably detect the position signal of the brushless DC motor even in the drive state where a large motor current flows. It is an object of the present invention to improve high torque drive performance including startability of the engine.
前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、交流電圧を整流する整流部と前記整流部の出力電圧を安定した直流電圧に変換するコンデンサにより構成される平滑部とから成る整流平滑回路と、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、6個のスイッチング素子を3相ブリッジ構成で接続し、前記整流平滑回路の出力を入力として前記三相巻線に電力を供給するインバータと、前記回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの信号から前記ブラシレスDCモータの速度を検出する速度検出手段と、検出した前記回転子の回転位置と、駆動速度から前記固定し巻線の通電相を決定する通電相決定手段と、前記速度検出手段で検出した速度と目標速度との誤差を検出する誤差検出手段と、前記ブラシレスDCモータの速度が目標速度となる様に、前記インバータの出力電圧を前記インバータの任意のスイッチング素子をオン・オフチョッピングによるPWM制御で調整するPWM制御手段と、前記ブラシレスDCモータの3相巻き線に発生する還流電流を回生エネルギとして前記整流平滑部に戻すように,前記インバータのスイッチング素子のうち,PWM制御を行う素子と連続通電とする素子を選定し切り替えるPWM相設定手段と、前記インバータの駆動波形を生成する駆動波形生成手段を有し、前記ブラシレスDCモータの通電巻線の切り替え時、電力供給を遮断した巻線から前記平滑部のコンデンサを充電する電流が流れる様に、PWM制御によるチョッピングを行うスイッチング素子を選定して、前記ブラシレスDCモータを起動するものである。 From To solve the conventional problems, the motor drive apparatus of the present invention includes a smoothing unit configured by the capacitor for converting the output voltage of the rectifying section and the rectifying section for rectifying an ac voltage to a stable DC voltage , And a brushless DC motor consisting of a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding, and six switching elements connected in a three-phase bridge configuration, and the output of the rectification and smoothing circuit is input An inverter for supplying electric power to the three-phase winding, position detection means for detecting the rotational position of the rotor, and speed detection means for detecting the speed of the brushless DC motor from the signal from the position detection means; Energizing phase determining means for determining the electrified phase of the winding from the detected rotational position of the rotor and the driving speed, erroneously between the speed detected by the speed detecting means and the target speed And error detecting means for detecting, said as the speed of the brushless DC motor becomes the target speed, the PWM control means for adjusting the output voltage of the inverter in any PWM control of the switching elements by turning on and off the chopping of the inverter Select elements of the switching elements of the inverter that perform continuous PWM control with the elements that perform continuous conduction, so that return current generated in the three-phase winding of the brushless DC motor is returned to the rectifying and smoothing unit as regenerative energy; It has PWM phase setting means for switching, and drive waveform generation means for generating drive waveform of the inverter, and when switching the current-carrying winding of the brushless DC motor, charges the capacitor of the smoothing unit from the winding which cut off the power supply. Switching elements that perform chopping by PWM control so that Constant to is of also activating the brushless DC motor.
これによって、ブラシレスDCモータの巻線が切り替えられたとき、通電を遮断された巻線に蓄積されたエネルギが回生として電源側に戻ることで、電力供給を遮断した巻線電流を短時間でゼロに出来るため、ブラシレスDCモータの端子から位置情報としての誘起電圧のゼロクロス位置(すなわちブラシレスDCモータの位置信号)を確実に検出することができる。 As a result, when the winding of the brushless DC motor is switched, the energy stored in the winding that is de-energized is returned to the power supply side as regeneration, so that the winding current that shuts off the power supply is zeroed in a short time Therefore, it is possible to reliably detect the zero cross position of the induced voltage (that is, the position signal of the brushless DC motor) from the terminals of the brushless DC motor as the position information.
本発明のモータ駆動装置は、起動時等のモータに流れる電流が大きい高負荷トルクでの駆動性能を向上し、ブラシレスDCモータの起動性能を含めた高トルク駆動性能を向上することができる。 The motor drive device of the present invention can improve the drive performance at high load torque where the current flowing through the motor at the time of start up etc. is large, and can improve the high torque drive performance including the start performance of the brushless DC motor.
第1の発明は、交流電圧を整流する整流部と前記整流部の出力電圧を安定した直流電圧に変換するコンデンサにより構成される平滑部とから成る整流平滑回路と、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、6個のスイッチング素子を3相ブリッジ構成で接続し、前記整流平滑回路の出力を入力として前記三相巻線に電力を供給するインバータと、前記回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの信号から前記ブラシレスDCモータの速度を検出する速度検出手段と、検出した前記回転子の回転位置と、駆動速度から前記固定し巻線の通電相を決定する通電相決定手段と、前記速度検出手段で検出した速度と目標速度との誤差を検出する誤差検出手段と、前記ブラシレスDCモータの速度が目標速度となる様に、前記インバータの出力電圧を前記インバータの任意のスイッチング素子をオン・オフチョッピングによるPWM制御で調整するPWM制御手段と、前記ブラシレスDCモータの3相巻き線に発生する還流電流を回生エネルギとして前記整流平滑部に戻すように,前記インバータのスイッチング素子のうち,PWM制御を行う素子と連続通電とする素子を選定し切り替えるPWM相設定手段と、前記インバータの駆動波形を生成する駆動波形生成手段を有し、前記ブラシレスDCモータの通電巻線の切り替え時、電力供給を遮断した巻線から前記平滑部のコンデンサを充電する電流が流れる様に、PWM制御によるチョッピングを行うスイッチング素子を選定して、前記ブラシレスDCモータを起動するものである。これによりブラシレスDCモータ巻線の通電相が切り替えられた際、電源供給が遮断された巻線に蓄積されたエネルギは回生エネルギとして電源側に戻るため、通電を遮断したモータ巻線の電流を短時間でゼロにすることが出来るので、モータ端子電圧に現れるモータ誘起電圧のゼロクロスポイントからモータ回転子の磁極位置を確実に検出できるため、ブラシレスDCモータの起動性能を向上することができる。 The first invention includes a rectifier smoothing circuit by a capacitor for converting the output voltage of the rectifying section and the rectifying section for rectifying an ac voltage to a stable DC voltage consisting of a constructed smoothing portion, a rotor having a permanent magnet And a brushless DC motor consisting of a stator having a three-phase winding, and six switching elements connected in a three-phase bridge configuration, and an inverter supplying power to the three-phase winding using the output of the rectifying and smoothing circuit as an input A position detection means for detecting the rotational position of the rotor, a speed detection means for detecting the speed of the brushless DC motor from the signal from the position detection means, a rotational position of the rotor detected, and a drive speed Current-carrying phase determining means for determining the current-carrying phase of the winding from the fixed state, error detecting means for detecting an error between the speed detected by the speed detecting means and the target speed, and the brushless D As the speed of the motor reaches the target speed, the PWM control means for adjusting the PWM control an output voltage of the inverter by turning on and off chopping any switching elements of the inverter, the 3-phase windings of said brushless DC motor PWM phase setting means for selecting and switching an element which performs PWM control and an element performing continuous conduction among switching elements of the inverter so as to return the generated reflux current as regenerative energy to the rectifying and smoothing unit, and driving the inverter Chopping based on PWM control so that a current for charging the capacitor of the smoothing unit flows from the winding that has cut off the power supply at the time of switching of the current-carrying winding of the brushless DC motor. and selecting a switching element for, activating the brushless DC motor Than is. As a result, when the current-carrying phase of the brushless DC motor winding is switched, the energy stored in the winding whose power supply has been interrupted is returned to the power source as regenerative energy, so the current of the motor winding whose current is interrupted is shortened. Since the time can be zeroed, the magnetic pole position of the motor rotor can be reliably detected from the zero cross point of the motor induced voltage appearing in the motor terminal voltage, so that the starting performance of the brushless DC motor can be improved.
第2の発明は、第1の発明のモータ駆動装置により駆動される圧縮機の駆動装置である。これにより、停電等により圧縮機が停止したとき、圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差のため、大きな起動トルクが必要な状態でも速やかに再起動を行うことができるため、圧縮機の停止期間を短くすることができる。 A second invention is a drive device of a compressor driven by the motor drive device of the first invention. As a result, when the compressor is stopped due to a power failure or the like, the pressure difference between the suction side and the discharge side of the compressor enables rapid restart even in a state requiring a large starting torque. The period can be shortened.
第3の発明は、圧縮機により圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器により液化された液冷媒の圧力を低下する減圧器と、前記減圧器により圧力を低下した液冷媒を蒸発させる蒸発器と前記凝縮器と前記蒸発器間の冷媒の流路を遮断する冷媒流路遮断手段を有し、圧縮機が停止中は前記冷媒流路遮断手段により、前記凝縮器と前記蒸発器間の冷媒流路を遮断する第2の発明に記載の圧縮機の駆動装置を備えた冷凍装置である。これにより圧縮機停止時に高温の冷媒の凝縮器側流入による凝縮器温度の上昇を防ぐことができる。これにより圧縮機再起動時の冷凍サイクルの損失を低減することができる。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a condenser for condensing a high temperature / high pressure gas refrigerant compressed by a compressor, a decompressor for reducing the pressure of liquid refrigerant liquefied by the condenser, and a pressure reduced by the decompressor. It has an evaporator for evaporating liquid refrigerant and refrigerant flow path blocking means for blocking the flow path of the refrigerant between the condenser and the evaporator, and the condenser flow path blocking means operates the condenser flow path while the compressor is stopped. The refrigeration apparatus according to the second aspect of the invention, further comprising: a driving device for the compressor according to the second aspect of the invention, which shuts off a refrigerant flow path between the refrigerant and the evaporator. As a result, it is possible to prevent an increase in the condenser temperature due to the inflow of the high temperature refrigerant on the condenser side when the compressor is stopped. Thereby, the loss of the refrigeration cycle at the time of restarting the compressor can be reduced.
第4の発明は、第3の発明において、前記圧縮機が停止状態から起動する際は、前記圧縮機の吸入側圧力と、吐出側圧力とが所定以上の圧力差が付加されているものである。これにより、圧縮機が再起動する際も、圧縮機駆動中とほぼ同じ圧力状態から起動することが出来るので、起動後すぐに圧縮機の吸入と吐出圧力が圧縮機運転中の安定圧力状態に戻ることが出来る。従って、圧縮機起動後に安定した圧力状態に戻るまでの冷凍サイクルの損失を大幅に低減できる。 According to a fourth invention, in the third invention, when the compressor is started from the stopped state, a pressure difference between the suction side pressure and the discharge side pressure of the compressor is added by a predetermined value or more. is there. As a result, even when the compressor is restarted, it can be started from almost the same pressure condition as during driving of the compressor. Therefore, immediately after starting, the suction and discharge pressures of the compressor become stable pressure conditions during compressor operation. You can go back. Therefore, the loss of the refrigeration cycle from the start of the compressor to the return to the stable pressure state can be significantly reduced.
第5の発明は、第1から第4のいずれかのモータ駆動装置、または圧縮機の駆動装置、または冷凍装置を使用した冷蔵庫である。これにより、冷蔵庫の庫内温度調節のために圧縮機のオン・オフ制御が伴っても、圧縮機停止中は凝縮器内の高温冷媒の蒸発器内流入による熱負荷の増加の防止と、圧縮機の起動時の圧力状態が圧縮機運転時の安定圧力に戻るまでの冷凍サイクルの損失を抑制できるので、消費電力の低い冷蔵庫を提供することが出来る。 以下、本発明の実施の意形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 A fifth invention is a refrigerator using any one of the first to fourth motor drive devices, a drive device of a compressor, or a refrigeration system. As a result, even if the on / off control of the compressor is accompanied to control the temperature inside the refrigerator, while the compressor is stopped, prevention of the increase in heat load due to the inflow of the high temperature refrigerant in the condenser into the evaporator, and compression Since the loss of the refrigeration cycle until the pressure state at the time of machine start returns to the stable pressure at the time of compressor operation can be suppressed, a refrigerator with low power consumption can be provided. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited by the embodiment.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置のブロック図を示すものである。
FIG. 1 is a block diagram of a motor drive device according to a first embodiment of the present invention.
電源1は一般的な商用電源であり、日本の場合は実効値100Vの50Hzまたは60Hzの交流電源である。整流平滑回路2は整流部2aおよび平滑部2bで構成され、前記交流電源1を入力として、交流電圧を直流電圧に変換する。本実施の形態1における整流平滑回路は倍電圧整流としているが、全波整流構成でも、全波整流と倍電圧整流を切り替える構成、あるいは力率改善回路(PFC)等でも構わない。
The
インバータ3は6個のスイッチング素子(3a〜3f)を3相フルブリッジ構成で接続し、前記整流平滑回路2からの直流入力を交流電力に変換し、ブラシレスDCモータ4に任意の電圧および周波数の交流出力を供給する。各スイッチング素子(3a〜3f)には逆方向に並列にダイオード(3g〜3l)が接続されている。なお、図1ではスイッチング素子をIGBTとしているがMOSFETやバイポーラトランジスタ、SiCデバイス、GaNデバイス等でも構わない。
The
位置検出手段6はブラシレスDCモータ4の回転子の磁極位置を検出するもので、電流が流れていない固定子巻線が接続された端子に現れる誘起電圧から、そのゼロクロスポイントを位置信号として検出する。
The position detection means 6 detects the magnetic pole position of the rotor of the
速度検出手段7は位置検出手段6の出力信号間隔から、ブラシレスDCモータの駆動速度を検出する。誤差検出手段8は速度検出手段7で得た駆動速度と指令速度との差を検出する。 The speed detection means 7 detects the drive speed of the brushless DC motor from the output signal interval of the position detection means 6. The error detection means 8 detects the difference between the drive speed obtained by the speed detection means 7 and the commanded speed.
PWM制御手段9は誤差検出手段8から得た、指令速度と実際の駆動速度との差からインバータ3がブラシレスDCモータに供給する電圧を調整する。具体的にはインバータ3のスイッチング素子をPWM(パルス幅変調)により任意の周波数でオン・オフを行い、オン・オフ1サイクルあたりのオン時間(デューティ)を調整する。デューティは、ブラシレスDCモータの実際の駆動速度と目標とする指令速度とを一致させるようにフィードバック制御により調整し決定する。
The PWM control means 9 adjusts the voltage supplied to the brushless DC motor by the
通電相設定手段10は、位置検出手段で得た位置信号とその検出タイミングから次に通電する巻線の通電パターンと通電タイミングを設定し駆動波形生成手段11とPWM相設定手段13に出力する。
The energization
なお、通電相設定手段10により設定する巻線への通電パターンは、120度以上150度以下の矩形波またはそれに準じる波形を所定の周波数の波形となる様に設定する。 In addition, as for the energization pattern to the winding set by the energization phase setting means 10, a rectangular wave of 120 degrees or more and 150 degrees or less or a waveform corresponding thereto is set to be a waveform of a predetermined frequency.
PWM相設定手段13は、インバータ3のスイッチング素子のうち、どの素子をPWM制御に伴うオン・オフ制御をするか設定するものであり、転流により電力供給を遮断された巻線のエネルギを回生として電源(コンデンサ)側に戻すようにPWM制御する相(スイッチング素子)を選定する。
The PWM phase setting means 13 sets which one of the switching elements of the
駆動波形生成手段11は、通電相設定手段10により設定したブラシレスDCモータの通電相パターン、PWM制御手段9により設定したPWM制御に伴うスイッチング周波数と1サイクルあたりのオン時間、PWM相設定手段13により設定したPWM制御によるオン・オフ制御を行う相(スイッチング素子)を合成して、インバータ3の各素子の駆動波形を生成し、ドライブ手段12は駆動波形生成手段11で生成した駆動波形を基にインバータ3の各スイッチング素子をオンまたはオフしてインバータ3を駆動する。
The drive waveform generation means 11 includes an energization phase pattern of the brushless DC motor set by the energization phase setting means 10, a switching frequency and an on-time per cycle according to the PWM control set by the PWM control means 9, and the PWM phase setting means 13. The drive waveform of each element of the
ここでPWM相設定手段13の動作について図1および図2を用いて説明する。 Here, the operation of the PWM phase setting means 13 will be described using FIG. 1 and FIG.
図2は本発明の実施の形態1のモータ駆動装置による駆動時の各部の波形を示したものである。図2において波形A2はブラシレスDCモータのU相巻線電流。波形B2はブラシレスDCモータのU相端子電圧、波形C2〜H2はドライブ手段12によるインバータ3の駆動波形である。図2の「ア」から「オ」はブラシレスDCモータの通電巻線を切換える転流タイミングを示している。
FIG. 2 shows the waveform of each part at the time of driving by the motor drive device according to the first embodiment of the present invention. Waveform A2 in FIG. 2 represents the U-phase winding current of the brushless DC motor. A waveform B2 is a U-phase terminal voltage of the brushless DC motor, and waveforms C2 to H2 are drive waveforms of the
PWM相設定手段13の動作を説明するにあたり、転流タイミング「ウ」について説明する。転流タイミング「イ」と転流タイミング「ウ」の間の区間(以降、区間イウと記す)は、スイッチング素子3aがPWM制御に伴うチョッピング動作を行い、3fが連続通電状態で、モータ電流は、スイッチング素子3a→U相巻線→W相巻線→スイッチング素子3fの経路で流れていく。転流タイミング「ウ」ではスイッチング素子3aがオフされ3bがオンされる。これと同時にPWM相設定手段13は、区間イウ間では連続通電としていたスイッチング素子3f(すなわちW相低圧側接続素子)を、PWMチョッピングを行う相として選定する。したがって転流後の区間ウエではスイッチング素子3bを連続通電、スイッチング素子3fをPWMに伴うチョッピング動作を行うようにして、モータ電流は、スイッチング素子3b→V相巻線→W相巻線→スイッチング素子3fの経路で流れる。
In describing the operation of the PWM phase setting means 13, the commutation timing "c" will be described. In a section between the commutation timing "i" and the commutation timing "u" (hereinafter referred to as "section iu"), the switching
次に、転流タイミングにおける電流の流れを図1、図2および図3を用いて説明する。 Next, the flow of current at commutation timing will be described using FIGS. 1, 2 and 3. FIG.
図3は、スイッチング素子状態による電流の流れる経路を示す図である。図2における区間イウでは図3(a)に示すようにスイッチング素子3aおよび3fがオン状態にあり矢印の方向に電流が流れブラシレスDCモータは力行状態にある。転流「ウ」によりスイッチング素子3aのターンオフと同時期に3fがPWM制御に伴うチョッピング制御されることになる。スイッチング素子3aがオフされることでU相巻線のエネルギが放出されることになるが、その経路はスイッチング素子3fがPWM制御によるチョッピングでオン状態にある時は図3(b)に示す還流ルートで徐々に放出されていき、3fがオフした時は図3(c)に示す回生モードで電源側のコンデンサに戻る。巻線エネルギの放出時間は、還流モードによるエネルギ消費よりも、回生によるコンデンサへの充電による放出の方が早い。このため、本発明の実施の形態1において、巻線エネルギの放出は、還流モードでの放出とともに回生モードによる放出行えるため、転流による当該巻線の電流は短時間で切れることになる。
FIG. 3 is a diagram showing a current flow path in the switching element state. In section I in FIG. 2, as shown in FIG. 3A, the
このようにPWM相選定手段が選定するスイッチング素子は、転流直前まで通電されている巻線の内、転流後も通電を継続する巻線の相のスイッチング素子をPWM制御する相(素子)に選定する。上記転流タイミング「ウ」で説明したように、転流直前まで通電していた巻線、即ちU相巻線とW相巻線の内、転流後も通電を継続する巻線の相、即ちW相(低圧側)のスイッチング素子、即ち3fをPWM制御によるオン・オフ動作をすることで、転流により通電が遮断された巻線に蓄えられたエネルギを回生として電源側に返すようにしている。 As described above, the switching element selected by the PWM phase selection means is a phase (element) that performs PWM control of the switching element of the winding phase which continues to be energized after commutation among the windings energized just before commutation. To be selected. As described in the above commutation timing "u", the winding which has been energized until just before commutation, that is, the phase of the winding which continues to be energized after commutation among the U-phase winding and W-phase winding, That is, by turning on and off the W-phase (low-voltage side) switching element, that is, 3f by PWM control, the energy stored in the winding that is de-energized by commutation is returned to the power supply side as regeneration. ing.
上記の様にPWM制御によるスイッチング素子を選定することで、起動時等の高トルク駆動による大電流での駆動時においても、通電を遮断した巻線電流は速やかにゼロとなるため、誘起電圧のゼロクロスポイントはスパイク電圧に覆い被されることなく確実に検出でき、正確な回転子の磁極位置の検出が可能となる。これにより起動時の駆動トルクアップが実現し、ブラシレスDCモータの起動性能を向上することができる。 By selecting the switching element by PWM control as described above, even when driving with a large current due to high torque drive at the time of start-up, etc., the winding current for which energization has been cut off quickly becomes zero. The zero crossing point can be reliably detected without being covered by the spike voltage, which enables accurate detection of the rotor pole position. As a result, the driving torque can be increased at the time of startup, and the startup performance of the brushless DC motor can be improved.
また、転流時の巻線エネルギを放出するために特別なインバータのスイッチング素子の出力パターンを付加する必要もないので、非常に簡単な方法で駆動トルクアップと起動性能の向上を図ることができる。 Moreover, since it is not necessary to add the output pattern of the switching element of a special inverter in order to discharge | release the winding energy at the time of commutation, drive torque up and the improvement of starting performance can be aimed at by a very easy method. .
(実施の形態2)
図1は本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫のブロック図である。
Second Embodiment
FIG. 1 is a block diagram of a motor drive device and a refrigerator using the motor drive device according to a second embodiment of the present invention.
図1において圧縮要素14は、ブラシレスDCモータ4の回転子4aの軸に接続され、冷媒ガスを吸入し、圧縮して吐出する。このブラシレスDCモータ4と圧縮要素14とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機15を構成する。圧縮機15で圧縮された吐出ガスは、凝縮器16、減圧器17、蒸発器18を通って圧縮機15の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成し、凝縮器16では放熱、蒸発器18では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。尚、必要に応じて凝縮器16や蒸発器18に送風機などを使い、熱交換をさらに促進することもある。また本実施の形態2では、冷凍空調システムは冷蔵庫19の冷凍サイクルとして用いている。
In FIG. 1, the
冷蔵庫の冷凍サイクルでは減圧器に毛細管を使用していることが多く、その管の内径は非常に小さいため、圧縮機停止時に圧縮機の吸入と吐出の圧力がバランスするまでに時間を要する。従って圧縮機駆動時に瞬時停電等で圧縮機が停止したとき、圧縮機の吸入と吐出の圧力差が大きい状態から速やかに再起動する必要がある。 In the refrigeration cycle of a refrigerator, a capillary is often used as a pressure reducer, and since the inner diameter of the pipe is very small, it takes time until the suction and discharge pressures of the compressor are balanced when the compressor is stopped. Therefore, when the compressor is stopped due to a momentary power failure or the like at the time of driving the compressor, it is necessary to quickly restart the compressor from a large pressure difference between suction and discharge of the compressor.
圧縮機の圧力バランスが取れていない状態での起動には、大きな起動トルクが必要となり起動が困難となるが、本発明のモータ駆動装置を圧縮機の駆動に用いることで、吸入と吐出の圧力差が大きい状態での圧縮機の起動も、安定して行うことができる。 A large starting torque is required to start the compressor when the pressure is not balanced, which makes it difficult to start. However, by using the motor drive device of the present invention to drive the compressor, the suction and discharge pressures can be obtained. The start-up of the compressor in the state where the difference is large can also be performed stably.
従って、瞬時停電等が発生して一旦圧縮機が停止した場合でも、停電復帰時に圧縮機の圧力バランスが平衡するまで起動を待つ必要なく、速やかに圧縮機を再起動できるため、冷蔵庫の庫内温度の上昇を抑制することが出来る。 Therefore, even if a momentary power failure or the like occurs and the compressor is temporarily stopped, the compressor can be promptly restarted without waiting for activation until the pressure balance of the compressor is balanced at the time of power failure recovery. The temperature rise can be suppressed.
冷媒流量調整手段21は、冷凍サイクルの凝縮器16と蒸発器18の冷媒流路を開放または遮断するものである。本実施の形態2において、冷媒流量調整手段21は凝縮器16と減圧器17の間に設置しているが、減圧器17と蒸発器18の間に設置しても構わない。
The refrigerant flow rate adjusting means 21 opens or shuts off the refrigerant flow paths of the
ここで、冷媒流量調整手段21の動作について説明する。冷媒流量調整手段21は圧縮機15の運転または停止に連動して動作させ、圧縮機15が運転中は、冷媒流路を開放し、圧縮機停止中は冷媒流路を閉塞する様にしている。即ち、ブラシレスDCモータ4の駆動指示がある(すなわち指令速度がゼロ以外)時、庫内冷却のため圧縮機の運転により、冷凍サイクル内を冷媒が循環できる様に冷媒流量調整手段21を開放し、圧縮機停止時(すなわちブラシレスDCモータが停止指示)は、冷媒流量調整手段21を閉塞し凝縮器16と蒸発器18間の冷媒の流れを遮断する様にしている。
Here, the operation of the refrigerant flow control means 21 will be described. The refrigerant flow rate adjusting means 21 operates in conjunction with the operation or stop of the
冷凍サイクルにおいて、凝縮器は圧縮機の吐出(高圧)側、凝縮器は吸入(低圧)側に接続されているため、圧縮機運転中は凝縮器と蒸発器には圧力差が生じており、圧縮機停止に伴いこの両者の圧力をバランスするために凝縮器16の高温高圧のガス冷媒が減圧器17を通って蒸発器18に流入し蒸発器18内部で凝縮し液化する。
In the refrigeration cycle, since the condenser is connected to the discharge (high pressure) side of the compressor and the condenser is connected to the suction (low pressure) side, a pressure difference occurs between the condenser and the evaporator during compressor operation, With the stop of the compressor, the high-temperature, high-pressure gas refrigerant of the
従って、冷却状態にある冷蔵庫内に設置した蒸発器へ、温度の高いガス冷媒が流入し、そこで熱交換(熱エネルギを放出)することになる。結局これは、冷蔵庫の熱負荷となる
ため、冷蔵庫の消費電力の増加要因となる。
Therefore, the high temperature gas refrigerant flows into the evaporator installed in the refrigerator in a cooled state, and heat exchange (heat energy is released) there. After all, this becomes the heat load of the refrigerator, which causes an increase in the power consumption of the refrigerator.
従って、本発明の実施の形態2では圧縮機停止時に冷媒流量調整手段21を閉塞して、凝縮器側からの高温高圧ガスが蒸発器に流入しないようにすることで、圧縮機を用いた冷凍サイクルおよび、冷蔵庫の省エネ性を向上している。 Therefore, in the second embodiment of the present invention, the refrigerant flow rate adjusting means 21 is closed when the compressor is stopped to prevent the high temperature and high pressure gas from the condenser side from flowing into the evaporator, whereby refrigeration using the compressor is achieved. The cycle and the energy saving of the refrigerator have been improved.
また、圧縮機の吸入圧力と、吐出圧力がバランスした状態から圧縮機を起動する場合、起動後は、凝縮器側の圧力を所定の圧力まで低下し、吐出側の圧力を所定の圧力まで上昇させ、圧縮機運転時の安定圧力状態に戻るまでの間は、冷凍サイクルのロスとなる。 In addition, when the compressor is started from the state where the suction pressure of the compressor and the discharge pressure are balanced, the pressure on the condenser side is reduced to a predetermined pressure after the start, and the pressure on the discharge side is increased to a predetermined pressure Until it returns to the stable pressure state at the time of compressor operation, it will be loss of a refrigerating cycle.
本発明の実施の形態2では、圧縮機停止時に冷媒流量調整手段21を閉塞して、圧縮機の高圧側(吐出側)と吸入側(低圧側)を分断するため、圧縮機停止中も運転中と同等の吐出側と吸入側の圧力差を有した状態となる。そして圧縮機の吸入圧力と吐出圧力が圧縮機の運転状態と同等の状態のままで再起動を行うようにしている。 In the second embodiment of the present invention, the refrigerant flow rate adjusting means 21 is closed when the compressor is stopped, and the high pressure side (discharge side) and the suction side (low pressure side) of the compressor are divided. The pressure difference between the discharge side and the suction side is equal to that of the medium. Then, the compressor is restarted with the suction pressure and the discharge pressure of the compressor being equal to the operating condition of the compressor.
圧縮機の吸入と吐出圧力に圧力差が生じている状態での起動は、圧力がバランスした状態からの起動と比較して非常に大きな起動トルクが必要となる。しかし、本発明のモータ駆動装置を圧縮機の駆動に用いることで、大きな起動トルクを発生することが出来るので、圧縮機の吸入側と吐出側に大きな圧力差が生じている状態での起動でも、圧縮機を安定かつスムーズに起動できる。従って、起動後短時間で、圧縮機の運転時の安定圧力状態に戻すことができる、起動時における冷凍サイクルの損失低減が図れ、冷蔵庫の消費電力量を削減することができる。 Starting with a pressure difference between the suction and discharge pressures of the compressor requires a very large starting torque as compared to starting from a pressure-balanced state. However, since a large starting torque can be generated by using the motor drive device of the present invention for driving the compressor, even in the state where a large pressure difference occurs between the suction side and the discharge side of the compressor, , You can start the compressor stably and smoothly. Therefore, it is possible to return to the stable pressure state at the time of operation of the compressor in a short time after startup, reduce loss of the refrigeration cycle at startup, and reduce the power consumption of the refrigerator.
本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスDCモータに大電流が流れるような、高トルク駆動時や高負荷駆動時の駆動性能を向上したものである。これによりブラシレスDCモータの起動性能の向上および、冷凍サイクルの損失を低減できるため、エアコン、ヒートポンプ式洗濯乾燥機、給湯器などブラシレスDCモータを用いる様々な用途にも適用できる。 The motor drive device according to the present invention improves the drive performance at the time of high torque drive and high load drive where a large current flows in the brushless DC motor. As a result, since the startup performance of the brushless DC motor can be improved and the loss of the refrigeration cycle can be reduced, the invention can be applied to various applications using a brushless DC motor such as an air conditioner, a heat pump type washer / dryer and a water heater.
2 整流平滑回路
2a 整流部
2b 平滑部
3 インバータ
4 ブラシレスDCモータ
6 位置検出手段
7 速度検出手段
8 誤差検出手段
9 PWM制御手段
10 通電相設定手段
11 駆動波形生成手段
15 圧縮機
16 凝縮器
17 減圧器
18 蒸発器
19 冷蔵庫
21 冷媒流量調整手段
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