JP6846939B2

JP6846939B2 - モータ制御装置、ロータリ圧縮機システム及びモータ制御方法

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Publication number: JP6846939B2
Application number: JP2017014271A
Authority: JP
Inventors: 小川　真; 真小川; 幹人佐々木; 清水　健志; 健志清水; 創佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-01-30
Also published as: EP3355466A1; EP3355466B1; JP2018125913A

Description

本発明は、モータ制御装置、ロータリ圧縮機システム及びモータ制御方法に関する。

従来より、冷凍装置や空気調和装置などで冷媒を圧縮するためにロータリ圧縮機が用いられることがある。ロータリ圧縮機では、１回の圧縮工程中にガス圧縮トルクが大きく変動することが知られている。例えば、特許文献１には、トルクの変動によって生じる振動（特に低速運転時）を低減するために、１回転のトルク変動に応じた電流パターンで圧縮機のモータを制御する技術が記載されている。

特開２０００−４１４００号公報

また、１回の圧縮工程中におけるトルク変動は、振動の問題だけではなく、特に低速域においてロータリ圧縮機のモータ効率の低下をもたらす。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできるモータ制御装置、ロータリ圧縮機システム及びモータ制御方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、ロータリ圧縮機のピストンロータを回転駆動するモータの回転
速度を取得し、前記モータの制御方法を、前記取得した回転速度における前記モータの効
率に基づいて、前記効率がより高い制御方法に切り替える制御方法切替部、を備え、前記制御方法切替部は、前記モータの回転速度が所定の閾値より低速となると、前記モータの制御方法を、センサレスベクトル制御に切り替えるモータ制御装置である。

本発明の第２の態様における前記モータ制御装置では、前記制御方法切替部は、前記センサレスベクトル制御において、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system）制御により前記モータの回転角度を推定する。

本発明の第３の態様における前記モータ制御装置では、前記制御方法切替部は、前記モータの回転速度が所定の閾値以上となると、前記モータの制御方法を、Ｖ／ｆ制御に切り替える。

本発明の第４の態様における前記モータ制御装置では、前記閾値は、負荷が変動する場合の前記Ｖ／ｆ制御による前記モータの効率が、前記センサレスベクトル制御による前記モータの効率よりも低下する回転速度である。

本発明の第５の態様において前記所定の閾値は、１０ｒｐｍ以上３０ｒｐｍ以下の範囲に含まれる。

本発明の第６の態様では、前記モータのモータロータのイナーシャをＩｇｍｍ^２、前記所定の閾値より低速となる回転速度をＮｒｐｍとした場合、以下の式が成り立つ。
１．５×１０^４ ≦ Ｉ／Ｎ ≦ ４．９×１０^４

本発明の第７の態様は、ロータリ圧縮機と、上記の何れかに記載のモータ制御装置と、を備えるロータリ圧縮機システムである。

本発明の第８の態様は、モータ制御装置が、ロータリ圧縮機のピストンロータを回転駆動するモータの回転速度を取得するステップと、前記モータの制御方法を、前記取得した回転速度における前記モータの効率に基づいて、前記効率がより高い制御方法に切り替えるステップと、を備え、前記効率がより高い制御方法に切り替えるステップでは、前記モータの回転速度が所定の閾値より低速となると、前記モータの制御方法を、センサレスベクトル制御に切り替えるモータ制御方法である。

本発明によれば、ロータリ圧縮機が備えるモータの制御方法をその回転速度に応じて適切に切り替えることにより、モータの効率を高めることができる。

本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図である。本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第一の図である。本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第二の図である。本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第三の図である。本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機のモータ制御装置を示す図である。本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機が備えるモータの効率を説明する第１の図である。本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機が備えるモータの効率を説明する第２の図である。本発明の一実施形態におけるモータ制御装置のフローチャートである。

＜実施形態＞
以下、本発明の一実施形態によるロータリ圧縮機システムについて図１〜図８を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の側方断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る圧縮機１０は、モータ１８と、モータ１８によって回転されるクランクシャフト１６と、クランクシャフト１６の回転に伴って偏心回転するピストンロータ１３Ａ，１３Ｂと、ピストンロータ１３Ａ，１３Ｂを収容する圧縮室が内部に形成されたシリンダ１２Ａ，１２Ｂと、シリンダ１２Ａ，１２Ｂを囲うことで圧縮された冷媒が排出される吐出空間Ｖを形成するハウジング１１、を備えている。

この圧縮機１０は、円筒形状のハウジング１１に、ディスク状のシリンダ１２Ａ、１２Ｂが上下２段に設けられた、いわゆる２気筒タイプのロータリ圧縮機である。シリンダ１２Ａ、１２Ｂの内部には、各々、シリンダ内壁面の内側よりも小さな外形を有する円筒状のピストンロータ１３Ａ、１３Ｂが配置されている。ピストンロータ１３Ａ、１３Ｂは、各々、ハウジング１１の中心軸線に沿った回転軸の偏心軸部１４Ａ、１４Ｂに挿入固定されている。
上段側のシリンダのピストンロータ１３Ａと、下段側のピストンロータ１３Ｂとは、その位相が互いに１８０°だけ異なるように設けられている。
また、上下のシリンダ１２Ａ、１２Ｂの間には、ディスク状の仕切板１５が設けられている。仕切板１５により、上段側のシリンダ１２Ａ内の空間Ｒと、下段側の空間Ｒとが互いに連通せずに圧縮室Ｒ１とＲ２とに仕切られている。

クランクシャフト１６は、シリンダ１２Ａに固定された上部軸受部１７Ａ、及びシリンダ１２Ｂに固定された下部軸受部１７Ｂにより、軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。
クランクシャフト１６は、クランクシャフト１６の中心線に直交する方向にオフセットした偏心軸部１４Ａ、１４Ｂを有している。これら偏心軸部１４Ａ、１４Ｂがクランクシャフト１６の中心軸線回りに旋回することで、上下のピストンロータ１３Ａ、１３Ｂがこの旋回に追従してシリンダ１２Ａ、１２Ｂ内で、偏心回転する。

クランクシャフト１６は、上部軸受部１７Ａから上方（すなわち、圧縮機１０から見てモータ１８が位置する方向）に突出している。クランクシャフト１６における軸線Ｏ方向一方側の端部には、該クランクシャフト１６を回転駆動させるためのモータ１８のモータロータ１９が一体に設けられている。モータロータ１９の外周部に対向して、ステータ２０が、ハウジング１１の内周面に固定して設けられている。

圧縮機１０には、圧縮機１０に供給するのに先立って冷媒を気液分離するアキュムレータ２４がステー２５を介してハウジング１１に固定されている。アキュムレータ２４には、アキュムレータ２４内の冷媒を圧縮機１０に吸入させるための吸入管２６Ａ、２６Ｂが設けられている。吸入管２６Ａ、２６Ｂの先端部は、開口２２Ａ、２２Ｂを通して、吸入ポート２３Ａ、２３Ｂに接続されている。

圧縮機１０は、アキュムレータ２４の吸入口２４ａからアキュムレータ２４の内部に冷媒を取り込み、アキュムレータ２４内で冷媒を気液分離して、その気相を吸入管２６Ａ、２６Ｂから、シリンダ１２Ａ、１２Ｂの吸入ポート２３Ａ、２３Ｂを介し、シリンダ１２Ａ、１２Ｂの内部空間である圧縮室Ｒ１、Ｒ２に供給する。
そして、ピストンロータ１３Ａ、１３Ｂが偏心回転することにより、圧縮室Ｒ１、Ｒ２の容積が徐々に減少して冷媒が圧縮される。この冷媒は、モータ１８の周囲を通過してから、上部に設けられた吐出口を経由して冷凍サイクルを構成する配管２７に排出される。

なお、圧縮室Ｒ１と圧縮室Ｒ２のどちらか一方に注目し、その圧縮室内での圧縮工程を扱う場合、単に圧縮室Ｒ、シリンダ１２、ピストンロータ１３、偏心軸部１４、吸入ポート２３と記載する場合がある。

なお、圧縮機１０のモータ１８は、モータ制御装置７０によって駆動される。後述するようにモータ制御装置７０は、モータ１８を駆動するにあたり、モータ効率の観点から、モータ１８の回転速度に応じて、センサレスベクトル制御とＶ／ｆ制御の２つの制御方法を使い分ける。特に本実施形態では、センサレスベクトル制御の一例として、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system：モデル規範適応システム）制御を用いる。まず、センサレスベクトル制御の制御回路の一例について説明する。

図２は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第一の図である。
図２にモータ１８の制御を行うセンサレスベクトル制御回路７４（ＭＲＡＳ制御部７４）のブロック図を示す。図２に示すセンサレスベクトル制御回路７４は、コンバータ３１と、コンデンサ３２と、リアクタ３３と、インバータ３４と、電流センサ３５と、電流検出回路３６と、Ａ／Ｄ変換回路３７と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）デュ−ティ計算回路３８と、Ａ／Ｄ変換回路３９と、電圧検出回路４０と、フルベクトル制御回路４１と、を備えている。また、フルベクトル制御回路４１は、２相／３相変換回路４２と、２相／３相変換回路４３と、電流ＰＩ制御回路４４と、電流変換テーブル４５と、速度ＰＩ制御回路４６と、速度位置推定回路４７と、減算器４８と、減算器４９と、を備える。

コンバータ３１は、電力系統Ｅから入力される三相交流電流を整流する。コンデンサ３２、リアクタ３３は、整流された電圧を平滑化して直流電圧を生成する。インバータ３４は、ＰＷＭデュ−ティ計算回路３８が出力したデュ−ティ指令値に基づいて、直流入力電圧から３相の駆動電圧を生成し、圧縮機１０が備えるモータ１８に駆動電圧を供給する。これにより、センサレスベクトル制御回路７４は、モータ１８を駆動する。

電流検出回路３６はモータ１８に流れる電流を検出し、Ａ／Ｄ変換回路３７へ出力する。Ａ／Ｄ変換回路３７は、電流検出回路３６が検出した電流をデジタル信号に変換し、変換後の信号をフルベクトル制御回路４１へ出力する。フルベクトル制御回路４１では、２相／３相変換回路４２が、Ａ／Ｄ変換回路３７から入力した３相の信号を座標変換（ｄｑ変換）し、変換後の電流値ｉｄ、ｉｑを速度位置推定回路４７に出力する。なお、２相／３相変換回路４２は、後述するモータロータ１９による磁極角度の前回の推定値θｅｓを参照する。速度位置推定回路４７は、電流値ｉｄ、ｉｑと、電流ＰＩ制御回路４４が出力したｄｑ座標系での電力指令値ｖｄ、ｖｑを入力し、モータ１８の回転速度の推定値ωｅｓとモータロータ１９の磁極角度（磁極位置の角度）の推定値θｅｓを、例えば、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system：モデル規範適応システム）と呼ばれる方法で算出する。

減算器４８は、回転速度指令部７１による回転速度の指令値ωｃｍｄと、速度位置推定回路４７が推定した回転速度の推定値ωｅｓとの偏差Δωを算出して、速度ＰＩ制御回路４６へ出力する。速度ＰＩ制御回路４６は、Δωに基づいてＰＩ制御により、偏差を小さくする（０にする）トルク指令値を算出する。フルベクトル制御回路４１は、電流変換テーブル４５に基づいて、トルク指令値を電流指令値ｉｄ´、ｉｑ´に変換する。減算器４９は、電流指令値ｉｄ´、ｉｑ´と、２相／３相変換回路４２が出力したｉｄ、ｉｑとの偏差Δｉｄ、Δｉｑを算出して、電流ＰＩ制御回路４４へ出力する。電流ＰＩ制御回路４４は、偏差Δｉｄ、Δｉｑに基づいてＰＩ制御により、偏差を小さくする（０にする）電圧指令値ｖｄ、ｖｑを算出する。電流ＰＩ制御回路４４は、電圧指令値ｖｄ、ｖｑを２相／３相変換回路４３へ出力する。２相／３相変換回路４３は、速度位置推定回路４７が推定したモータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓを参照して電圧指令値ｖｄ、ｖｑの２相から３相への座標変換を行い、電圧指令値ＶをＰＷＭデュ−ティ計算回路３８へ出力する。ＰＷＭデュ−ティ計算回路３８は、電圧指令値Ｖと、電圧検出回路４０が検出したインバータ３４への直流入力電圧をＡ／Ｄ変換回路３９でデジタル変換した信号とを入力し、デュ−ティ指令値を算出する。ＰＷＭデュ−ティ計算回路３８は、算出したデュ−ティ指令値をインバータ３４へ出力する。

図３は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第二の図である。
図３に速度位置推定回路４７のブロック図を示す。速度位置推定回路４７は、電流推定回路５０と、速度推定回路５１と、積分回路５２とを備える。電流推定回路５０は、電力指令値ｖｄ、ｖｑと、速度推定回路５１が推定したモータロータ１９の回転速度の推定値ω_Ｍを入力し、モータ１８をモデル化した適応モデル（Adjustable Model）に基づいて、電流推定値ｉｄ_ｅｓｔ、ｉｑ_ｅｓｔを推定する。速度推定回路５１は、電流推定値ｉｄ_ｅｓｔ、ｉｑ_ｅｓｔとｉｄ、ｉｑを入力し、回転速度の推定（ω_Ｍ）を行う。積分回路５２は、回転速度の推定値ω_Ｍを積分して、モータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓを算出する。速度位置推定回路４７は、速度推定回路５１が推定した回転速度の推定値ω_Ｍを回転速度の推定値ωｅｓとして、積分回路５２が算出したモータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓと共に出力する。

圧縮機１０の内部は、高温高圧環境となるためピストンロータ１３の位置を検出するセンサを設けることが難しい。図２、図３に示す制御回路によるセンサレスベクトル制御（例えばＭＲＡＳ制御）よれば、センサを用いることなくモータロータ１９の回転速度や磁極角度を高精度に検出することができる。以下、モータロータ１９の回転速度をモータ１８の回転速度、モータロータ１９の磁極角度をモータ１８の回転角度と記述する場合がある。

次にＶ／ｆ制御の制御回路の一例について説明する。
図４は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第三の図である。
図４にモータ１８の制御を行うＶ／ｆ制御回路７３（Ｖ／ｆ制御部７３）のブロック図を示す。図４に示すＶ／ｆ制御回路７３は、電圧指令演算回路６１、２相／３相変換回路６２、３相／２相変換回路６３、および力率角演算回路６４、乗算器６５と、減算器６６と、を備える。図４において、ωmは回転数指令、ｎはモータの極対数、ω1はインバータ出力周波数（一次周波数）、ｖδ*、ｖγ*は、それぞれδ軸、γ軸電圧指令、ｖu*、ｖv*、ｖw*はそれぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の電圧指令、ｖu、ｖv、ｖwはそれぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の出力電圧、ｉu、ｉv、ｉwは、それぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の出力電流、ｉδ、ｉγはそれぞれδ軸、γ軸のインバータ出力電流であり、ｉδは励磁電流成分、ｉγはトルク電流成分である。θは出力電圧位相、およびφは力率角である。

３相／２相変換回路６３は、モータ１８の電流を３相／２相変換する際に用いられる回転軸にθではなく、θから力率角演算回路６４が算出したφを減じたθ−φを用いるように構成されている。乗算器６５は、θ-φを回転軸として３相／２相変換された電流に、ゲインＫωを乗じる。減算器６６は、回転速度指令部７１による回転速度指令値ｎω*からゲインＫωを乗じた値を減じ、修正後の回転速度指令値ω１を算出する。電圧指令演算回路６１は、修正後の回転速度指令値ω１等を入力し、電圧指令値を算出する。電圧指令演算回路６１は、算出した電圧指令値をインバータ３４へ出力する。図４で例示した回路によれば、単純なＶ／ｆ制御を基調としつつ、電流を最小にして効率よくモータ１８を駆動することが可能となる。なお、図４の制御回路についての詳細な説明については、特許第４７６４１２４号公報に記載がある。

次に本実施形態の制御方法の切り替えについて説明する。
図５は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機のモータ制御装置を示す図である。
モータ制御装置７０は、ＭＣＵ(Micro Controller Unit)などのコンピュータである。
図５に示すようにモータ制御装置７０は、回転速度指令部７１と、制御方法切替部７２と、Ｖ／ｆ制御部７３と、ＭＲＡＳ制御部７４と、記憶部７５とを備えている。
回転速度指令部７１は、モータ１８の回転速度の指令値を算出する。
制御方法切替部７２は、回転速度指令部７１が算出した回転速度に基づいて、モータの制御方法に切り替える。例えば、制御方法切替部７２は、モータの回転速度が所定の閾値未満となる低速域では、モータの制御方法を、センサレスベクトル制御に切り替える。また、制御方法切替部７２は、モータの回転速度が所定の閾値以上となる場合には、モータの制御方法を、Ｖ／ｆ制御に切り替える。
Ｖ／ｆ制御部７３は、例えば図４で例示した回路を有し、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４を制御する。
ＭＲＡＳ制御部７４は、例えば図２、３で例示した回路を有し、センサレスベクトル制御（ＭＲＡＳ制御）によってインバータ３４を制御する。
記憶部７５は、制御方法切替部７２が制御方法の切り替えの指標とする閾値等の情報を記憶する。

図６は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機が備えるモータの効率を説明する第１の図である。
図６は、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４を制御したときのモータ１８の回転速度と効率の関係を示している。グラフＰ１は、負荷が一定な場合の回転速度とモータ効率の関係を示している。グラフＰ２は、負荷が変動する場合の回転速度とモータ効率の関係を示している。グラフＰ１，Ｐ２が示すように、低速域ではモータ１８の効率が低下するが、負荷が変動する場合には、その傾向はより顕著である。ロータリ圧縮機１０では、１回の圧縮工程中にガス圧縮トルクが大きく変動する。また、１回の圧縮工程中におけるガス圧縮トルクの変動は、回転数が低速になるほど大きくなる。つまり、ロータリ圧縮機１０の運転中、特に低速域において、モータ１８の効率は、グラフＰ２と同様の推移を示す。また、ロータリ圧縮機１０を備える空調機において、モータ１８の回転速度が、モータ効率が著しく低下するまでに低速となるのは、暖房定格出力、暖房中間出力、冷房定格出力、冷房中間出力のうち、冷房中間出力を行う場合に該当する。冷房中間出力を行う場合とは、例えば、冷房中に設定温度に到達した後の運転などが考えられる。つまり、インバータ３４をＶ／ｆ制御によって制御すると、例えば、長時間の冷房運転を行う場合において、設定温度到達後の多くの時間を、モータ効率が低下した状態で行わなければならない可能性がある。本実施形態では、このような場面でもモータ効率を高く維持したまま、ロータリ圧縮機１０を運転するモータ制御方法を提供する。

図７は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機が備えるモータの効率を説明する第２の図である。
図７は、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４を制御したときのモータ１８の効率と、センサレスベクトル制御によってインバータ３４を制御したときのモータ１８の効率とを回転速度領域別（冷房中間出力、暖房中間出力）に比較したグラフである。なお、センサレスベクトル制御においては、モータ１８の回転角度の推定にＭＲＡＳ制御を使用している。グラフＰ１ａ、Ｐ１ｂは、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４を制御したときの負荷一定時のモータ効率、グラフＰ２ａ、Ｐ２ｂは、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４を制御したときの負荷変動時のモータ効率を示している。グラフＰ３ａ、Ｐ３ｂは、センサレスベクトル制御によってインバータ３４を制御したときの負荷変動時のモータ効率を示している。
図７の左図に冷房中間出力時の上記Ｐ１ａ〜Ｐ３ａのグラフ、図７の右図に暖房中間出力時の上記Ｐ１ｂ〜Ｐ３ｂのグラフを示す。なお、冷房中間出力時におけるモータ１８の回転速度は、図６においてモータ効率が低下するＸｒｐｍ以下の回転速度領域である。また、暖房中間出力時におけるモータ１８の回転速度は、Ｘｒｐｍよりも高速である。

左図に示すように、負荷が変動する場合の冷房中間出力時（低速時）におけるＶ／ｆ制御によるモータ１８の効率（Ｐ２ａ）よりも、センサレスベクトル制御によるモータ１８の効率（Ｐ３ａ）の方が効率がよい。冷房中間出力時のセンサレスベクトル制御によるモータ１８の効率（Ｐ３ａ）は、負荷一定時のＶ／ｆ制御によるモータ１８の効率（Ｐ１ａ）と同等である。このようにセンサレスベクトル制御を用いると、回転速度が低速の領域においても、モータ効率を低下させることなくモータ１８を駆動することができる。これは、１回の圧縮工程の間にガス圧縮トルクが大きく変動する中、特に低速で回転させる場合その影響を大きく受けるところ、センサレスベクトル制御によれば、モータ１８の回転速度を高精度に推定しつつ、一定の回転速度を保つように制御できるためであると考えられる。本実施形態では、変動する負荷に対してＶ／ｆ制御によるモータ効率が低下する低速領域にて、センサレスベクトル制御に切り替えてインバータ３４を制御する。

また、右図に示すように、負荷が変動する場合の暖房中間出力時におけるＶ／ｆ制御によるモータ１８の効率（Ｐ２ｂ）と、センサレスベクトル制御によるモータ１８の効率（Ｐ３ｂ）はほぼ同等であるが、Ｖ／ｆ制御によるモータ１８の効率（Ｐ２ｂ）の方が、センサレスベクトル制御によるモータ１８の効率（Ｐ３ｂ）を若干上回っている。本実施形態では、変動する負荷に対してＶ／ｆ制御によるモータ効率が低下する低速領域以外の回転速度について、Ｖ／ｆ制御によるインバータ３４の制御を行う。

なお、冷房中間出力時でも、暖房中間出力時でも、Ｖ／ｆ制御に比べ、センサレスベクトル制御の方が、若干、インバータ効率が低下する結果が得られた（図示せず）。しかし、このインバータ効率の低下を考慮しても、冷房中間出力時においては、センサレスベクトル制御の方が効率は良いことが分かっている。

また、図６、図７で効率を例示したモータ１８の効率が低下する回転速度はＸｒｐｍである。例えば、モータ１８が実際に使用される場面でのトルクや回転速度が変化すると、効率の低下が生じる閾値Ｘｒｐｍの値も変化する可能性があるが、その値は、おおよそ１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍの範囲であると考えられる。この場合、イナーシャとセンサレスベクトル制御を適用する回転速度の関係は、以下の式で表すことができる。イナーシャ（ｇｍｍ^２）をＩ、回転速度をＮ（ｒｐｍ）とすると、
１．５×１０^４≦ Ｉ／Ｎ ≦ ４．９×１０^４・・・・（１）
同程度のサイズのモータ１８であれば、上の式（１）を満たす範囲で、センサレスベクトル制御を適用すると効率の低減を防ぐことができると考えられる。なお、本実施形態の低速領域にてセンサレスベクトル制御を適用する範囲は式（１）に限定されるものではない。

次にモータ制御装置７０による制御方法の切り替え処理について説明する。
図８は、本発明の一実施形態におけるモータ制御装置のフローチャートである。
前提として記憶部７５には、制御方法の切り替えに用いる回転速度の閾値が記録されている。閾値とは、Ｖ／ｆ制御によるモータ効率が著しく低下する低速領域でのある回転速度である。この閾値は、事前に実験や計算によって予め決定されている。また、モータ制御装置７０は、ロータリ圧縮機１０のモータ１８を駆動しているとする。また、ロータリ圧縮機１０は、空調機の室外機などに設けられており、空調機の制御装置は、ユーザが指定する設定温度と室内温度に応じて、ロータリ圧縮機１０の回転速度などを制御する。モータ制御装置７０は、この空調機の制御装置から指令信号を入力して、モータ１８の回転速度を制御する。

まず、回転速度指令部７１が、空調機の制御装置から指令信号に基づいて、モータ１８の回転速度を算出する（ステップＳ１１）。回転速度指令部７１は、算出した回転速度の値を、制御方法切替部７２へ出力する。次に制御方法切替部７２は、記憶部７５から回転速度の閾値を読み出して、回転速度指令部７１から取得した回転速度と比較する（ステップＳ１２）。モータの回転速度が閾値以上の場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、制御方法切替部７２は、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４の制御を行うことを決定する（ステップＳ１４）。そして、制御方法切替部７２は、回転速度の指令値を、Ｖ／ｆ制御部７３へ出力するように回転速度指令部７１へ指示する。回転速度指令部７１は、ステップＳ１１にて算出した回転速度の指令値をＶ／ｆ制御部７３へ出力する。例えば、図４の例では、回転速度指令部７１は、減算器６６へ出力する。Ｖ／ｆ制御部７３は、Ｖ／ｆ制御によってインバータ３４の制御を行う。

また、モータの回転速度が閾値未満の場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、制御方法切替部７２は、センサレスベクトル制御によってインバータ３４の制御を行うことを決定する（ステップＳ１５）。そして、制御方法切替部７２は、回転速度の指令値を、ＭＲＡＳ制御部７４へ出力するように回転速度指令部７１へ指示する。回転速度指令部７１は、算出した回転速度の指令値をＭＲＡＳ制御部７４へ出力する。例えば、図２の例では、回転速度指令部７１は、減算器４８へ出力する。ＭＲＡＳ制御部７４は、センサレスベクトル制御（ＭＲＡＳ制御）によってインバータ３４の制御を行う。

本実施形態によれば、センサレスベクトル制御（ＭＲＡＳ制御）によって、モータ１８の回転速度の推定を精度よく行って回転速度を制御することにより、ロータリ圧縮機１０におけるガス圧縮トルクの変動の影響を大きく受ける低速領域においても、モータ１８の回転速度を一定に保つことができる。そのため、モータ効率が低下しがちな低速領域においても、モータ１８の効率を高く維持することができる。また、低速領域以外の回転速度領域については、負荷が変動する場合でも、従来から広く用いられているＶ／ｆ制御によって制御する方が、センサレスベクトル制御によって制御するよりもモータ効率（及びインバータ効率）が高いことから、それらの回転速度領域では、Ｖ／ｆ制御によるモータ制御に切り替える。これにより、モータ１８の回転速度によらず、全ての回転速度領域について、モータ１８を高い効率で駆動することができる。これにより、従来であれば、低速運転するときに効率が低下していたロータリ圧縮機についても、全ての回転速度領域で高い効率を維持したまま運転することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
なお、モータ１８は、永久磁石同期モータ、誘導モータなど各種モータを適用することができる。また、本実施形態の回転速度制御は多気筒のロータリ圧縮機に適用することができる。また、本実施形態の制御回路にはＭＲＡＳ制御以外のセンサレスベクトル制御を適用してもよい。
なお、ロータリ圧縮機システムは、モータ制御装置７０とセンサレスベクトル制御回路７４とロータリ圧縮機１０とを含んで構成される。また、制御システムは、モータ制御装置７０とセンサレスベクトル制御回路７４とを含んで構成される。本実施形態のロータリ圧縮機システムは、例えば空調機に使用される。速度位置推定回路４７はＭＲＡＳ制御回路の一例である。

１０・・・圧縮機
１１・・・ハウジング
１２Ａ，１２Ｂ・・・シリンダ
１３Ａ，１３Ｂ・・・ピストンロータ
１６・・・クランクシャフト
１８・・・モータ
２２Ａ、２２Ｂ・・・開口
２３Ａ、２３Ｂ・・・吸入ポート
２４・・・アキュムレータ
２５・・・ステー
２６Ａ、２６Ｂ・・・吸入管
３１・・・コンバータ
３２・・・コンデンサ
３３・・・リアクタ
３４・・・インバータ
３５・・・電流センサ
３６・・・電流検出回路
３７・・・Ａ／Ｄ変換回路
３８・・・ＰＷＭデュ−ティ計算回路
３９・・・Ａ／Ｄ変換回路
４０・・・電圧検出回路
４１・・・フルベクトル制御回路
４２、４３・・・２相／３相変換回路
４４・・・電流ＰＩ制御回路
４５・・・電流変換テーブル
４６・・・速度ＰＩ制御回路
４７・・・速度位置推定回路
４８・・・減算器
４９・・・減算器
５０・・・電流推定回路
５１・・・速度推定回路
５２・・・積分回路
６１・・・電圧指令演算回路
６２・・・２相／３相変換回路
６３・・・３相／２相変換回路
６４・・・力率角演算回路
６５・・・乗算器
６６・・・減算器
７０・・・モータ制御装置
７１・・・回転速度指令部
７２・・・制御方法切替部
７３・・・Ｖ／ｆ制御部
７４・・・ＭＲＡＳ制御部（センサレスベクトル制御回路）
７５・・・記憶部

Claims

ロータリ圧縮機のピストンロータを回転駆動するモータの回転速度を取得し、前記モータの制御方法を、前記取得した回転速度における前記モータの効率に基づいて、前記効率がより高い制御方法に切り替える制御方法切替部、
を備え、
前記制御方法切替部は、前記モータの回転速度が所定の閾値より低速となると、前記モータの制御方法を、センサレスベクトル制御に切り替える、
モータ制御装置。
前記制御方法切替部は、前記センサレスベクトル制御において、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system）制御により前記モータの回転角度を推定する、
請求項１に記載のモータ制御装置。
前記制御方法切替部は、前記モータの回転速度が所定の閾値以上となると、前記モータの制御方法を、Ｖ／ｆ制御に切り替える、
請求項１から請求項２の何れか１項に記載のモータ制御装置。
前記閾値は、負荷が変動する場合のＶ／ｆ制御による前記モータの効率が、センサレスベクトル制御による前記モータの効率よりも低下する回転速度である、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のモータ制御装置。
前記所定の閾値は、１０ｒｐｍ以上３０ｒｐｍ以下の範囲に含まれる、
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のモータ制御装置。
前記モータのモータロータのイナーシャをＩｇ・ｍｍ^２、前記所定の閾値より低速となる回転速度をＮｒｐｍとした場合、以下の式が成り立つ、
１．５×１０^４ ≦ Ｉ／Ｎ ≦ ４．９×１０^４
請求項１から請求項５の何れか１項に記載のモータ制御装置。
ロータリ圧縮機と、
請求項１から請求項６の何れか１項に記載のモータ制御装置と、
を備えるロータリ圧縮機システム。
モータ制御装置が、
ロータリ圧縮機のピストンロータを回転駆動するモータの回転速度を取得するステップと、
前記モータの制御方法を、前記取得した回転速度における前記モータの効率に基づいて、前記効率がより高い制御方法に切り替えるステップと、
を備え、
前記効率がより高い制御方法に切り替えるステップでは、前記モータの回転速度が所定の閾値より低速となると、前記モータの制御方法を、センサレスベクトル制御に切り替える、
モータ制御方法。