JP6602810B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

インバータ制御装置を備えた基板によって駆動される圧縮機において、圧縮機内部のモータが外部からの停止指令により停止する際に、停止指令を受信した時点の回転数よりも低回転数にしてから停止させる技術として、特許文献１に記載のようなものが開示されている。

特開２００９−２４９２９号公報

特許文献１には、圧縮機の停止要求があったとき、圧縮機の回転周波数を機械共振周波数に向けて低下させた後、インバータの駆動信号を停止している（００１９、図８）。

特許文献１は、運転停止時の振動を抑制すべく圧縮機の停止要求のたびに上述の制御を行っている。しかし、圧縮機が比較的低負荷で運転している場合は、高負荷で運転している場合に比べ、回転周波数が比較的高い状態でインバータの駆動信号を停止しても振動が抑制された状態で圧縮機を停止させることができる。停止要求後、時間をおいてインバータの駆動信号を停止させると、その間の電力が必要であり、省エネの観点から改善の余地がある。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路のスイッチング素子を制御する演算器を有し、ロータ及びコイルを有する圧縮機モータを駆動させるモータ駆動装置であって、前記演算器は、回転周波数指令値を生成する回転周波数指令生成部と、前記ロータの実回転周波数を検知又は推定する実回転周波数算出部と、前記回転周波数指令値及び前記実回転周波数を利用して前記モータの負荷の大小を判定するモータ負荷判定部と、を有し、前記モータの停止指令を検知した場合、前記モータ負荷判定部の判定結果に応じて、前記インバータ回路の駆動を停止させるタイミングを変動させることを特徴とする。

実施例１のモータ駆動装置の回路図 実施例１の演算器内部の制御構成 実施例１の回転周波数指令と実回転周波数の関係を示す図 実施例１のモータ負荷判定によるモータ停止プロセスのフローチャート 実施例２のモータ負荷判定によるモータ停止プロセスのフローチャート 実施例３のモータ負荷判定によるモータ停止プロセスのフローチャート 実施例４の周囲環境に応じた騒音低減制御のフローチャート 機器の一例としての冷蔵庫の断面図

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、また、同一の説明は繰り返さない。

[モータ駆動装置１００]
図１は実施例１におけるインバータ制御装置１及びモータ２を有するモータ駆動装置１００の回路図である。
インバータ制御装置１は、電源電圧を供給するインバータ直流電源９と、６個のスイッチング素子３から構成される３相のインバータ回路部と、各スイッチング素子３のＯＮ−ＯＦＦスイッチング状態を決定するための駆動信号を出力する演算器４と、インバータ直流電源９に流れる電流を検出する電流検出部８とから構成される。インバータ制御装置１には、負荷として３相のコイル５及びロータ６を有するモータ２が接続される。モータ２の３相のコイルは、スター形に結線されている。

インバータ直流電源９は、インバータ回路部に直流電圧を印加する。インバータ直流電源９の低電位側は接地している。インバータ回路部は、２つのスイッチング素子３が直列に接続した上下アーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）が、３つ並列に接続した構造である。上下アームの上側素子（Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋相）には、インバータ直流電源９の高電位側が、下側素子（Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−相）には、インバータ直流電源９の低電位側が、それぞれ接続している。各スイッチング素子３には、還流ダイオードが並列に接続されている。また、インバータ直流電源９の低電位側及びインバータ回路部の間には、電流検出部８が設けられている。

各上下アームの上側素子及び下側素子の間には、モータ２が有する３つのコイルそれぞれに接続する導線の一端が電気的に接続されている。以下では、第一上下アーム（Ｕ＋，Ｕ−相）にＵ相コイルが、第二上下アーム（Ｖ＋，Ｖ−相）にＶ相コイルが、第三上下アーム（Ｗ＋，Ｗ−相）にＷ相コイルが、接続しているとして説明する。各相のコイルは、それぞれの上側素子及び下側素子の間に一端が、中性点に他端が接続している。

［モータ駆動制御］
図２は、図１の演算器４内部で行われるモータ駆動制御の制御概要図である。以下にモータ駆動制御プロセスを示す。

モータ２を所望の回転数で駆動させるため、本実施例の演算器４は次の演算処理を行っている。演算器４は、回転周波数指令生成部１２、回転周波数制御部１３、インバータ駆動信号生成部１４、モータ電流取込部１５、実回転周波数算出部１６、及びモータ負荷判定部１７を有する。

まず、回転周波数指令生成部１２は、目標とする回転周波数指令を決定して回転周波数制御部１３及び後述するモータ負荷判定部１７に出力する。回転周波数制御部１３は、回転周波数指令及び後述する実回転周波数を用いてモータ２（ロータ６）が所望の回転数で回転するような電流指令値を算出し、インバータ駆動信号生成部１４に出力する。例えば、回転周波数指令と実回転周波数との残差を用いることができる。

インバータ駆動信号生成部１４は、電流指令値を電圧指令値に変換し、インバータ回路部のスイッチング素子３のドライブ信号（インバータ駆動信号）として出力する。インバータ駆動信号生成部１４にて生成されたインバータ駆動信号により、インバータ回路部のスイッチング素子３のスイッチングが行われ、インバータ直流電源９の電力が変換されて、モータ２へ電圧が印加される。これにより、コイル５へ電流が流れ、ロータ６が回転する。また、ロータ６が回転し、電流検出部８から電流情報を取得することができる。モータ電流取込部１５は、電流検出部８の検知結果を取込み、演算器３内部でモータ２の各相に流れる電流を推定して実回転周波数算出部１６に出力する。実回転周波数算出部１６は、推定されたモータ電流をもとに、ロータ６の実回転周波数を公知の方法により算出してモータ負荷判定部１７及び回転周波数制御部１３に出力する。

モータ負荷判定部１７の機能及びモータ負荷判定部１７の出力に応じた回転周波数指令生成部１２の振る舞いは後述する。

また、回転周波数制御部１３では、実回転周波数算出部１６によって算出された実回転周波数と回転周波数指令生成部１２が生成する回転周波数指令を用いて、実回転周波数が回転周波数指令に一致するようなモータ電流指令値を算出する。このプロセスを繰返すことで、モータ２を所望の回転数で駆動することが可能となる。

［モータ負荷の大小判定］
図３は、モータ２駆動時の回転周波数指令と実回転周波数の関係を示す図であり、横軸に圧縮機のモータ２の機械角を、縦軸に周波数をとったものである。

モータ２の実回転周波数は、回転周波数指令に対して周期的に脈動することがある。原理は公知であるが、例えば、クランク機構を利用して回転モータの回転力をピストンの往復動力に変換する圧縮機では、この実回転周波数の脈動が大きい程、圧縮機のモータ２へ掛かっている負荷が大きいと推定できる。

本実施例では、回転周波数指令生成部１２が例えば略一定の周波数指令値を出力している間、実回転周波数算出部１６が算出する実回転周波数が脈動する場合、これらの差分を検知することでモータ２の負荷が大きいか否かを判定する。すなわち、モータ負荷判定部１７は、実回転周波数と回転周波数指令との差を演算する。例えば具体的には、回転周波数指令の出力値である１周期間に２回、実回転周波数と回転周波数指令値との差分である差分Ａと差分Ｂとを算出する。差分Ａと差分Ｂとは、圧縮機のピストンの上死点及び下死点近傍の位置における値で取得することが好ましい。作動流体の圧縮及び膨張過程を考慮すると、それぞれこのタイミングであると、実回転周波数が最小及び最大の値をとりやすいためである。これは、圧縮機の構造が既知であることと、機械角を検知又は推定する方法が公知であることとから、当業者であれば容易に実現できる。

そして、差分Ａ及び差分Ｂの絶対値の一方又は両方が予め演算器３に設定しておいた脈動閾値を超えた場合、負荷が大きいと判定し、何れも脈動閾値を超えない場合は、負荷が大きくないと判定する。この際、判定精度を好適にするには、回転周波数指令値を略一定にしている間に負荷の大小判定を行うことが好ましい。ここでは、差分Ａが圧縮機の上死点近傍における値、差分Ｂが圧縮機の下死点近傍における値であるとして説明する。

［圧縮機モータ停止時のプロセス］
図４は、モータ駆動装置１００によるモータ負荷判定を用いた圧縮機モータ停止プロセスである。

演算器３がモータ停止指令を受信した場合（ステップＳ１０１）、モータ負荷判定部１７は、実回転周波数と回転周波数指令の差分Ａと差分Ｂの一方又は両方の絶対値が脈動閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。脈動のパターンとしては、圧縮過程での影響が大きい場合、膨張過程での影響が大きい場合、どちらも同様の影響を与える場合、がそれぞれ考え得るため、差分Ａと差分Ｂの一方だけでも脈動閾値を超えていれば負荷が大きいと判定することができる。

差分Ａと差分Ｂそれぞれの絶対値の両方が脈動閾値以下であった場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、モータ負荷判定部１７は、回転周波数指令生成部１２に周波数指令値を０にさせることでスイッチング素子３へのドライブ信号を停止させ、インバータ出力を停止させる（ステップＳ１０５）。一方、差分Ａと差分Ｂとの一方又は両方が脈動閾値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、モータ負荷判定部１７は、回転周波数指令生成部１２に回転周波数指令の値を減少させていく（ステップＳ１０３）。その後、回転周波数指令の値の減少に応じて実回転周波数が減少していく。演算器３は、実回転周波数が０となるまで実回転周波数を減少させていく（ステップＳ１０４，Ｎｏ）。実回転周波数が０となれば（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、インバータ出力を停止させる（ステップＳ１０５）。

なお、ステップＳ１０４における実回転周波数の判定、すなわち、インバータ出力を停止（ステップＳ１０５）させる実回転周波数値は、０でなくてもよく、例えば、モータ停止指令を受信した（ステップＳ１０１）ときの実回転周波数から１０％減少した値にしてもよい。

本実施例の構成は、次の点を除き実施例１と同様にできる。図５は、実施例２のモータ駆動装置１００によるモータ負荷判定を用いたモータ停止プロセスである。
本実施例では、モータ負荷判定部１７による差分Ａ，差分Ｂそれぞれの絶対値と脈動閾値との比較の結果（ステップＳ１０２の結果）に応じて、インバータへの出力を停止させる実回転周波数の値（回転周波数閾値）を決定する。具体的には、回転周波数閾値（ステップＳ１０４で用いる閾値）を、高負荷時に第１の回転周波数閾値Ｘとし、低負荷時に第２の回転周波数閾値Ｙとする。そして、高負荷時でも低負荷時でも、設定した回転周波数閾値に至るまで回転周波数指令値を略等しい速度で減少させていく（ステップＳ１０３）。

本実施例の説明において、第１の回転周波数閾値Ｘと第２の回転周波数閾値Ｙとの間には、Ｘ＜Ｙの関係が成り立つ。Ｘ＝０、Ｙ＝∞にすれば、実施例１と同様の効果が得られる。

差分Ａと差分Ｂそれぞれの絶対値の両方が脈動閾値以下であった場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、モータ負荷判定部１７は、周波数閾値として第２の周波数閾値Ｙを設定する（ステップＳ２０２）。そして、回転周波数指令生成部１２は回転周波数指令値を減少させていく（ステップＳ１０３）。実回転周波数が第２の回転周波数閾値Ｙを下回ったら（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、インバータ出力を停止させる（ステップＳ１０５）。

一方、差分Ａと差分Ｂとの一方又は両方が脈動閾値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、モータ負荷判定部１７は、回転周波数閾値として第１の回転周波数閾値Ｘを設定する（ステップＳ２０１）。そして、回転周波数指令生成部１２は回転周波数指令の値を減少させていく（ステップＳ１０３）。実回転周波数が第２の回転周波数閾値Ｘを下回ったら（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、インバータ出力を停止させる（ステップＳ１０５）。

本実施例によれば、高負荷時にインバータ出力を停止する実回転周波数値より低負荷時にインバータ出力を停止する実回転周波数値を大きくできる。これにより、高負荷時は騒音を抑制できる程度にまで減速してから停止させ、低負荷時はこれより早期に停止させることができるから、騒音抑制と省エネとの両立が可能になる。

本実施例の構成は、次の点を除き実施例１又は２と同様にできる。図６は、実施例３のモータ駆動装置１００によるモータ負荷判定を用いたモータ停止プロセスである。
本実施例では、モータ負荷判定部１７による差分Ａ，差分Ｂそれぞれの絶対値と脈動閾値との比較の結果（ステップＳ１０２の結果）に応じて、回転周波数指令値の減少速度を決定する。具体的には、減少速度（ステップＳ１０３で用いる減少速度）を、高負荷時に第１の減少速度αとし、低負荷時に第２の減少速度βとする。そして、設定した回転周波数閾値に至るまで回転周波数指令値を設定した減少速度で減少させていく（ステップＳ１０３）。

本実施例の説明において、第１の減少速度αと第２の減少速度βとの間には、α＜βの関係が成り立つ。α＝βにすれば、実施例１又は２と同様の効果が得られる。

差分Ａと差分Ｂそれぞれの絶対値の両方が脈動閾値以下であった場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、モータ負荷判定部１７は、回転周波数指令値の減少速度として第２の減少速度βを設定する（ステップＳ３０２）。そして、回転周波数指令生成部１２は回転周波数指令値を減少速度βで減少させていく（ステップＳ１０３）。実回転周波数が回転周波数閾値を下回ったら（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、インバータ出力を停止させる（ステップＳ１０５）。

一方、差分Ａと差分Ｂとの一方又は両方が脈動閾値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、モータ負荷判定部１７は、回転周波数の減少速度として第１の減少速度αを設定する（ステップＳ３０１）。そして、回転周波数指令生成部１２は回転周波数指令の値を減少速度αで減少させていく（ステップＳ１０３）。実回転周波数が回転周波数閾値を下回ったら（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、インバータ出力を停止させる（ステップＳ１０５）。

本実施例によれば、高負荷時に回転周波数を比較的高速で（単位時間あたり大きな負の傾きで）減少させ、低負荷時に回転周波数を比較的低速で（単位時間あたり小さな負の傾きで）減少させる。これにより、騒音抑制と省エネとの両立が可能になる。

本実施例は、さらに周囲環境に鑑みて騒音を低減する制御を導入したものである。同じ音圧レベルであっても、ユーザにとっては昼間より夜間の方が大きな騒音に感じる。実施例１乃至３では、圧縮機停止時に負荷に応じて騒音を抑制できるが、圧縮機停止前に拘らないタイミング（圧縮機駆動中）にも、通常よりも高度に騒音を低減したい場合、本実施例の構成を採用することが好ましい。

圧縮機の駆動中、圧縮機の停止信号を受信した場合は（ステップＳ４０１，Ｙｅｓ）、実施例１乃至３のステップＳ１０１へ遷移する。一方、圧縮機の停止信号を受信しない場合（ステップＳ４０１，Ｎｏ）、圧縮機は現在時刻を取得する（ステップＳ４０２）とともに、現在時刻に基づいて夜間（例えば午後７時〜午前５時）であるかを判定する（ステップＳ４０３）。夜間である場合（ステップＳ４０３，Ｙｅｓ）、さらに回転周波数指令阿多及び実回転周波数値の差分Ａ，Ｂ何れかが脈動閾値を上回るか判定する（ステップＳ４０４）。夜間でない場合（ステップＳ４０３，Ｎｏ）、ステップＳ４０１に戻る。

上回る場合（ステップＳ４０４，Ｙｅｓ）、回転周波数指令生成部１２は、回転周波数指令値を増加させる（ステップＳ４０５）。高負荷時における圧縮機の脈動は、高負荷環境下における圧縮・膨張過程での負荷の変動にピストン等の慣性が大きく影響を受けてしまうために起こる。このため、回転周波数を増加させて慣性力を増加させることで、脈動を小さくして騒音を低減することができる。一方、上回らない場合（ステップＳ４０４，Ｎｏ）、ステップＳ４０１に戻る。
このような制御を導入することで、圧縮機駆動中も騒音を効果的に低減できる。なお、現在時刻に基づいて夜間であるか否かを判定することに代えて又は追加して、照度センサの検出値を用いてもよい。

［各実施例のモータ２を有する圧縮機２００を備える機器］
図８は、モータ２で駆動するクランク機構を備えた圧縮機２００を備えた危機の一例である冷蔵庫３００の断面図である。冷蔵庫３００は、密閉型圧縮機２００、凝縮器（不図示）、減圧部（不図示）及び蒸発器３０１を含む冷凍サイクルを有している。密閉型圧縮機２００は、冷媒を密閉型圧縮機２００で圧縮して高温高圧にし、凝縮器で放熱させ、さらに減圧部で圧力を低下させて蒸発器３０１で蒸発させることで冷気を得ることができる。
密閉型圧縮機２００を搭載する機器は、冷蔵庫３００に限られず、空調機等種々の機器に適用可能である。

１：インバータ制御装置
２：モータ
３：スイッチング素子
４：演算器
５：コイル
６：ロータ
７：電圧検出回路
８：電流検出回路
１００：モータ駆動装置
２００：密閉型圧縮機
３００：冷蔵庫

Claims (6)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路のスイッチング素子を制御する演算器を有し、ロータ及びコイルを有する圧縮機モータを駆動させるモータ駆動装置であって、
   前記演算器は、
   回転周波数指令値を生成する回転周波数指令生成部と、
   前記ロータの実回転周波数を検知又は推定する実回転周波数算出部と、
   前記回転周波数指令値及び前記実回転周波数を利用して前記モータの負荷の大小を判定するモータ負荷判定部と、を有し、
   前記モータの停止指令を検知した場合、前記モータ負荷判定部の判定結果に応じて、前記インバータ回路の駆動を停止させるタイミングを変動させることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記モータ負荷判定部は、前記回転周波数指令値及び前記実回転周波数の差分の絶対値と脈動閾値との大小関係に基づいて、前記モータの負荷の大小を判定し、
   前記モータの負荷を小さいと判断したとき、前記インバータ回路の駆動を停止させ、
   前記モータの負荷を大きいと判断したとき、前記回転周波数指令生成部が生成する回転周波数指令値を減少させ、その後、前記インバータ回路の駆動を停止させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記モータ負荷判定部は、前記回転周波数指令値及び前記実回転周波数の差分の絶対値と脈動閾値との大小関係に基づいて、前記モータの負荷の大小を判定し、
   前記モータの負荷を大きいと判断した場合に前記インバータ回路の駆動を停止させるときの前記ロータの実回転周波数は、前記モータの負荷を小さいと判断した場合に前記インバータ回路の駆動を停止させるときの前記ロータの実回転周波数よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記モータ負荷判定部は、前記回転周波数指令値及び前記実回転周波数の差分の絶対値と脈動閾値との大小関係に基づいて、前記モータの負荷の大小を判定し、
   前記モータの負荷を大きいと判断した場合に前記ロータの実回転周波数を減少させる速度は、前記モータの負荷を小さいと判断した場合に前記ロータの実回転周波数を減少させる速度よりも低いことを特徴とする請求項１又は３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記モータの停止指令を検知しない場合、夜間であると判断したときに、前記モータ負荷判定部は、前記回転周波数指令値及び前記実回転周波数の差分の絶対値と脈動閾値との大小関係に基づいて、前記モータの負荷の大小を判定し、
   前記モータの負荷を大きいと判断したとき、前記回転周波数指令生成部が生成する回転周波数指令値を増加させることを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路のスイッチング素子を制御する演算器を有し、ロータ及びコイルを有する圧縮機モータを駆動させるモータ駆動装置であって、
   前記演算器は、前記モータの停止指令を検知した場合、前記圧縮機モータの負荷の大小に応じて、前記インバータ回路の駆動を停止させるタイミングを変動させることを特徴とするモータ駆動装置。

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