JPH10122141A - リニアコンプレッサの駆動装置 - Google Patents

リニアコンプレッサの駆動装置

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JPH10122141A
JPH10122141A JP8275940A JP27594096A JPH10122141A JP H10122141 A JPH10122141 A JP H10122141A JP 8275940 A JP8275940 A JP 8275940A JP 27594096 A JP27594096 A JP 27594096A JP H10122141 A JPH10122141 A JP H10122141A
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linear compressor
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Naoto Tojo
直人 東條
Takafumi Nakayama
隆文 中山
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Sanyo Electric Co Ltd
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  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い効率が得られ、かつ起動時における制御
性がよいリニアコンプレッサの駆動装置を提供する。 【解決手段】 起動時は、位置指令値Prefの周波数
を共振周波数よりも十分小さな値に固定するとともに、
位置指令値Prefの振幅Aを徐々に増大させる。定常
運転時は、ピストンの位置現在値Pnowが位置指令値
Prefに一致するように位置制御、速度制御、電流制
御よりなる多重制御を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はリニアコンプレッ
サの駆動装置に関し、特に、リニアモータによってシリ
ンダ内でピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリ
ニアコンプレッサの駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、冷蔵庫のような冷却装置において
膨張した冷媒ガスを圧縮する機構としてリニアコンプレ
ッサの開発が進められている。このリニアコンプレッサ
では、リニアモータと共振用機械バネによってピストン
が駆動されガス圧縮が行なわれる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このようなリニアコン
プレッサでは、ガスの吸込・圧縮・吐出に伴う非線形な
力(ガスバネ力)が圧縮室内で発生し、かつその非線形
な力は起動時などにおける負荷変動によって変動する。
【0004】しかし、従来のリニアコンプレッサでは、
リニアモータの推力を制御する手段が何ら設けられてお
らず、単に一定の電力をリニアモータに供給していただ
けなので、入力エネルギに対する出力エネルギの比率
(以下、効率という)が低かった。また、リニアコンプ
レッサの起動時および停止時にピストンの振動を十分に
制御できず、特に、起動時にはピストンの振動が大きく
なりすぎてピストンのヘッドがシリンダ内壁端部に衝突
してしまう場合があった。高効率化のため、リニアモー
タのコイルに印加する電圧を負荷変動に応じて制御する
方法も研究されているが満足できるものではない。
【0005】それゆえに、この発明の主たる目的は、高
い効率が得られ、かつ起動時における制御性がよいリニ
アコンプレッサの駆動装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
リニアモータによってシリンダ内でピストンを往復運動
させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置
であって、電源、位置指令手段、位置検出手段、速度指
令手段、速度検出手段、電流指令手段、電流検出手段、
電流制御手段、起動手段、および周波数調整手段を備え
る。電源は、リニアモータを駆動させるために設けら
れ、その出力電流の制御が可能になっている。位置指令
手段は、正弦関数に従ってピストンのシリンダ内におけ
る位置を指令する。位置検出手段は、ピストンのシリン
ダ内における位置を検出する。速度指令手段は、位置指
令手段によって指令された位置と位置検出手段によって
検出された位置との差に基づいてピストンの速度を指令
する。速度検出手段は、ピストンのシリンダ内における
速度を検出する。電流指令手段は、速度指令手段によっ
て指令された速度と速度検出手段によって検出された速
度との差に基づいて電源の出力電流を指令する。電流検
出手段は、電源の出力電流を検出する。電流制御手段
は、電流検出手段によって検出された電流が電流指令手
段によって指令された電流に一致するように電源の出力
電流を制御する。起動手段は、リニアコンプレッサの起
動が指示されたことに応じて、ピストンの振幅が予め定
められた目標値まで徐々に増大するように位置指令手段
で用いられる正弦関数の振幅および周波数のうちの少な
くとも一方を調整する。周波数調整手段は、起動手段に
よるリニアコンプレッサの起動が終了したことに応じ
て、速度検出手段によって検出されたピストンの速度と
電流指令手段によって指令された電源の出力電流との位
相差を検出し、その位相差がなくなるように位置指令手
段で用いられる正弦関数の周波数を調整する。
【0007】請求項2に係る発明では、請求項1に係る
発明の周波数調整手段は、リニアコンプレッサの停止が
指示されたことに応じて非活性化され、さらに、リニア
コンプレッサの停止が指示されたことに応じて、ピスト
ンの振幅が徐々に減少するように位置指令手段で用いら
れる正弦関数の振幅および周波数のうちの少なくとも一
方を調整する停止手段が設けられる。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は、この発明の一実施の形態
によるリニアコンプレッサ1の駆動装置2の構成を示す
ブロック図である。
【0009】図1において、この駆動装置2は、電源
3、電流センサ4、位置センサ5および制御装置6を含
む。電源3は、リニアコンプレッサ1のリニアモータに
駆動電流Iを供給する。電流センサ4は、電源3の出力
電流の現在値Inowを検出する。位置センサ5は、リ
ニアコンプレッサ1のピストンの位置現在値Pnowを
直接または間接的に検出する。制御装置6は、電流セン
サ4で検出された電流現在値Inowと位置センサ5で
検出された位置現在値Pnowとに基づいて電源3に制
御信号φcを出力し、電源3の出力電流Iを制御する。
【0010】図2は、リニアコンプレッサ1の構成を示
す断面図である。図2において、このリニアコンプレッ
サ1は、円筒状のケーシング10の上端部および下端部
にそれぞれ設けられた2つのシリンダ11a,11b
と、シリンダ11a,11b内にそれぞれ嵌挿された2
つのピストン12a,12bと、それぞれピストン12
a,12bのヘッドとシリンダ11a,11bの内壁端
部で形成された2つの圧縮室13a,13bと、それぞ
れ圧縮室13a,13b内のガス圧に応じて開閉する2
組の吸込バルブ14a,14bおよび吐出バルブ15
a,15bとを備える。
【0011】2つのピストン12a,12bはそれぞれ
1本のシャフト16の一方端部および他方端部に設けら
れている。シャフト16は、2組のリニアボールベアリ
ング17a,17bおよびコイルバネ18a,18bに
よって、ケーシング10およびシリンダ11a,11b
内を往復動自在に支持されている。ピストン12a,1
2bのヘッドの裏側とシリンダ11a,11bによって
形成される空間には、不可逆性圧縮を防止するためのガ
スリーク孔19a,19bが設けられている。
【0012】また、リニアコンプレッサ1は、シャフト
16およびピストン12a,12bを往復動させるため
のリニアモータ20を備える。リニアモータ20は、制
御性の高いボイスコイルモータであって、ヨーク部10
aおよび永久磁石21を含む固定部と、コイル23およ
び円筒状の支持部材24を含む可動部とを備える。ヨー
ク部10aは、ケーシング10の一部を構成している。
永久磁石21は、ヨーク部10aの内周壁に設けられ
る。支持部材24の一方端部は永久磁石21とシリンダ
11bの外周壁の間に往復動自在に挿入され、その他方
端部はシャフト16の中央部に固定される。コイル23
は、支持部材の一方端部において永久磁石21に対向し
て設けられる。電源3とコイル24は、コイルバネ状の
電線25を介して接続される。
【0013】このリニアコンプレッサ1は、ピストン1
2a,12b、シャフト16、コイル23および支持部
材24の重量、圧縮室13a,13b内のガスのバネ定
数、コイルバネ18a,18bのバネ定数などから定ま
る共振周波数を有する。共振周波数は、通常、商用電力
の周波数(たとえば60Hz)に設定される。この共振
周波数でリニアモータ20を駆動させることにより、上
下2つの圧縮室13a,13bで圧縮ガスを高効率で生
成できる。
【0014】図3は、図1で示した制御装置6の構成を
示すブロック図である。図3において、この制御装置6
は、P−V変換部30、位置指令部31、3つの減算器
32,34,36、位置制御部33、速度制御部35、
電流制御部37および位相制御部38を含む。P−V変
換部30は、位置センサ5によって検出された位置現在
値Pnowを微分して速度現在値Vnowを求める。
【0015】位置指令部31は、振幅Aと、角周波数ω
と、数式Pref=A*sinωtとに基づいて位置指
令値Prefを生成する。振幅Aおよび角周波数ωは、
起動時モードと定常運転時モードと停止時モードの各々
で異なる方法で制御・設定される。
【0016】すなわち起動時モードでは、位置指令値P
refの周波数f=ω/2πはガス負荷がないときの共
振周波数程度の小さな値(たとえば30Hz)に設定さ
れる。これにより、効率が低く抑えられ、ピストン12
a,12bのストロークが急に増大することが防止され
る。振幅Aは、ピストン12a,12bのストローク比
率Rsと、フルストロークAmaxと、数式A=Rs*
Amaxとに基づいて算出される。ストローク比率Rs
は、図4に示すように、0から1まで位置現在値Pno
wのピーク値の変動が収まるごとにステップ的に増大さ
れる。ステップの回数は、予め経験的に求められた回数
に設定されている。
【0017】定常運転時モードでは、振幅Aは容量制御
に対応して算出される。たとえば、圧縮ガスが冷蔵庫の
冷却に使用される場合は、振幅Aは、庫内目標温度と庫
内温度の偏差に基づいて算出される。角周波数ωは、電
流指令値Irefと速度現在値Vnowの位相が一致す
るように位相制御部38によって制御される。これによ
り、負荷変動があっても常に高い効率が得られる。
【0018】停止時モードでは、角周波数ωは、周波数
比率Rfと、停止時モード移行直前の角周波数ω0と、
数式ω=Rf*ω0とに基づいて算出される。周波数比
率Rfは、図5に示すように、停止時モードが設定され
たことに応じて、緩やかに連続的に低減化される。周波
数比率Rfの傾きは予め経験的に求められた値に設定さ
れている。これにより、効率が緩やかに低下し、ピスト
ン12a,12bのストロークが徐々に小さくなる。ピ
ストン12a,12bのストロークはフルストロークの
半分程度になったとき、電源3が遮断される。
【0019】減算器32は、位置指令部31から与えら
れた位置指令値Prefと位置センサ5によって検出さ
れた位置現在値Pnowとの差Pref−Pnowを演
算し、演算結果Pref−Pnowを位置制御部33に
与える。
【0020】位置制御部33は、制御ゲインGvと数式
Vref=Gv*(Pref−Pnow)に基づいて速
度指令値Vrefを演算し、演算結果Vrefを減算器
34に与える。減算器34は、位置制御部33から与え
られた速度指令値VrefとP−V変換部30で生成さ
れた速度現在値Vnowとの差Vref−Vnowを演
算し、演算結果Vref−Vnowを速度制御部35に
与える。
【0021】速度制御部35は、制御ゲインGiと数式
Iref=Gi*(Vref−Vnow)に基づいて電
流指令値Irefを演算し、演算結果Irefを減算器
36に与える。減算器36は、速度制御部35から与え
られた電流指令値Irefと電流センサ4によって検出
された電流現在値Inowとの差Iref−Inowを
演算し、演算結果Iref−Inowを電流制御部37
に与える。
【0022】電流制御部37は、減算器36の出力Ir
ef−Inowが0になるように制御信号φcを電源3
に与えて電源3の出力電流Iを制御する。電源3の出力
電流Iの制御は、たとえばPWM方式あるいはPAM方
式で行なわれる。
【0023】位相制御部38は、定常運転時モードにお
いて、P−V変換部30で生成された速度現在値Vno
wと速度制御部35で生成された電流指令値Irefと
の位相差を検出し、その位相差がなくなるように位置指
令部31で用いられる数式Pref=A*sinωtの
角周波数ωと速度制御部35で用いられる数式Iref
=Gi*(Vref−Vnow)の制御ゲインGiを調
整する。
【0024】図6は、図3で示した制御装置6の動作を
示すフローチャートである。このフローチャートに従っ
て、図1〜図3で示したリニアコンプレッサ1およびそ
の駆動装置2の動作について簡単に説明する。
【0025】リニアコンプレッサ1の起動が指示されて
起動時モードが設定されると、ステップS1において、
位置指令部31によって位置指令値Prefの周波数が
ガス負荷がないときの共振周波数程度の小さな値に設定
される。
【0026】ステップS2において、位置指令部31に
よってストローク比率Rsに基づき位置指令値Pref
の振幅A=Rs*Amaxが算出され、ステップS3に
おいて、位置指令部31によって位置指令値Pref=
A*sinωtが生成される。
【0027】ステップS4において、位置センサ5によ
って位置現在値Pnowが検出され、検出された位置現
在値Pnowは減算器32およびP−V変換部30に与
えられる。ステップS5において、位置制御部33によ
って速度指令値Vref=Gv*(Pref−Pno
w)が演算され、ステップS6において、P−V変換部
30によって位置現在値Pnowが速度現在値Vnow
に変換される。速度現在値Vnowは減算器34および
位相制御部38に与えられる。
【0028】ステップS7において、速度制御部35に
よって電流指令値Iref=Gi*(Vref−Vno
w)が演算され、この演算値Irefは減算器36およ
び位相制御部38に与えられる。電流制御部37は、電
流現在値Inowが電流指令値Irefに一致するよう
に電源3を制御する。これにより、リニアモータ20の
コイル23に電流が供給されると、リニアモータ20の
可動部が往復運動を開始し、これによって圧縮ガスの生
成が開始される。
【0029】ステップS8において、位置指令部31に
よって位置現在値Pnowのピーク値の変動が収まるの
を待ってストローク比率Rsが1ステップ分だけ増加さ
れ、ストローク比率Rsが1になるまでステップS1〜
S8が繰返し実行される。
【0030】ステップS9において、ストローク比率R
sが1になると、位置現在値Pnowのピーク値の変動
が収まるのを待って起動時モードが解除され定常運転時
モードが設定される。
【0031】ステップS10において、位置指令部31
によって容量制御に対応した位置指令値Prefの振幅
Aが算出される。ステップS11〜S15はステップS
3〜S7と同じである。すなわちステップS11で位置
指令部31によって位置指令値Pref=A*sinω
tが生成され、ステップS12で位置センサ5によって
位置現在値Pnowが検出され、ステップS13で位置
制御部33によって速度指令値Vrefが算出される。
ステップS14でP−V変換部30によって速度現在値
Vnowが生成され、ステップS15で速度制御部35
によって電流指令値Irefが算出される。この電流指
令値Irefに電流現在値Inowが一致するように電
源3が制御される。
【0032】ステップS16において、位相制御部38
によって速度現在値Vnowと電流指令値Irefの位
相差が検出される。ステップS17において、位相制御
部38は、速度現在値Vnowと電流指令値Irefの
位相差がなくなるように、位置指令値Prefの角周波
数ωおよび制御ゲイン定数Giを調整する。以後定常運
転時モードでは、ステップS10〜S17が繰返され
る。
【0033】リニアコンプレッサ1の停止が指示されて
定常運転時モードが解除され停止時モードが設定された
場合は、ステップS18において位置指令部31によっ
て周波数比率Rfに基づき位置指令値Prefの角周波
数ω=Rf*ω0が算出される。
【0034】ステップS19〜S23はステップS3〜
S7と同じである。すなわちステップS19で位置指令
部31によって位置指令値Pref=A*sinωtが
生成され、ステップS20で位置センサ5によって位置
現在値Vnowが検出され、ステップS21で位置制御
部33によって速度指令値Vrefが算出される。ステ
ップS22でP−V変換部30によって速度現在値Vn
owが生成され、ステップS23で速度制御部35によ
って電流指令値Irefが算出される。この電流指令値
Irefに電流現在値Inowが一致するように電源3
が制御される。
【0035】ステップS24において、位置指令部31
によって周波数比率Rfが緩やかに連続的に低減化さ
れ、位置現在値Pnowのストロークがフルストローク
の半分程度になるまでステップS18〜S24が繰返し
実行される。
【0036】ステップS25において、位置現在値Pn
owのストロークがフルストロークの半分程度になる
と、位置指令部31によって電源3が遮断される。
【0037】なお、この実施の形態では、起動時に位置
指令値Prefの角周波数ωを低い値に設定し、かつ位
置指令値Prefの振幅Aをステップ的に増加させた
が、これに限るものではなく、ピストン12a,12b
のストロークを徐々に増大させられるのであれば位置指
令値Vrefの角周波数ωおよび振幅Aのうちの少なく
とも一方をどのように制御してもよい。たとえば、角周
波数ωを共振時の値に設定したまま振幅Aをステップ的
に増加させても差し支えない。
【0038】また、この実施の形態では、停止時に位置
指令値Prefの角周波数ωを緩やかに減少させたが、
これに限るものではなく、ピーク12a,12bのスト
ロークを徐々に減少させられるのであれば位置指令値P
refの角周波数ωおよび振幅Aのうちの少なくとも一
方をどのように制御してもよい。たとえば、角周波数ω
を減少させず振幅Aのみを減少させてもよい。
【0039】また、この実施の形態では、位置センサ4
によって位置現在値Pnowを検出し、その検出値を微
分して速度現在値Vnowを求めたが、位置センサ4の
代わりに速度センサを設け、その検出値Vnowを積分
して位置現在値Pnowを求めてもよい。また、位置セ
ンサ4および速度センサの両方を設けてもよい。
【0040】また、この実施の形態では、位相制御部3
8が位置制御部33のゲイン定数Gvと速度制御部35
のゲイン定数Giのうちのゲイン定数Giのみを調整し
たが、それらのうちのゲイン定数Gvのみを調整しても
よいし、それらの両方を調整してもよい。
【0041】
【発明の効果】以上のように、請求項1に係る発明で
は、位置制御、速度制御および電流制御よりなる多重制
御構成を採用するとともに、速度現在値と電流指令値の
位相差がなくなるように位置指令値の周波数を調整す
る。したがって、負荷状況に合わせてリニアモータの推
力を直接かつ適切に制御することができ、高効率化を図
ることができる。
【0042】また、起動時にはピストンの振幅が目標値
まで徐々に増大するように位置指令手段で用いられる正
弦関数の振幅および周波数のうちの少なくとも一方を調
整するので、起動時におけるピストンの振動の安定化を
図ることができ、ピストンのヘッドがシリンダに衝突す
るのを防止することができる。
【0043】請求項2に係る発明では、さらに、停止時
にピストンの振幅が徐々に減少するように位置指令手段
で用いられる正弦関数の振幅および周波数のうちの少な
くとも一方が調整される。したがって、停止時における
ピストンの振動の安定化も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施の形態によるリニアコンプレ
ッサの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示したリニアコンプレッサの構成を示す
断面図である。
【図3】図1に示した制御装置の構成を示すブロック図
である。
【図4】図3に示した位置指令部の起動時の動作を説明
するための図である。
【図5】図3に示した位置指令部の停止時の動作を説明
するための図である。
【図6】図3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7】図6の分図である。
【符号の説明】
1 リニアコンプレッサ 2 駆動装置 3 電源 4 電流センサ 5 位置センサ 6 制御装置 11a,11b シリンダ 12a,12b ピストン 20 リニアモータ 30 P−V変換部 31 位置指令部 32,34,36 減算器 33 位置制御部 35 速度制御部 37 電流制御部 38 位相制御部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成9年4月11日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0002
【補正方法】変更
【補正内容】
【0002】
【従来の技術】近年、冷蔵庫のような冷却装置において
冷媒ガスを圧縮する機構としてリニアコンプレッサの開
発が進められている。このリニアコンプレッサでは、リ
ニアモータと共振用機械バネによってピストンが駆動さ
れガス圧縮が行なわれる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リニアモータによってシリンダ内でピス
    トンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレ
    ッサの駆動装置であって、 前記リニアモータを駆動させるための出力電流の制御が
    可能な電源、 正弦関数に従って前記ピストンの前記シリンダ内におけ
    る位置を指令する位置指令手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における位置を検出する
    ための位置検出手段、 前記位置指令手段によって指令された位置と前記位置検
    出手段によって検出された位置との差に基づいて前記ピ
    ストンの速度を指令する速度指令手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における速度を検出する
    ための速度検出手段、 前記速度指令手段によって指令された速度と前記速度検
    出手段によって検出された速度との差に基づいて前記電
    源の出力電流を指令する電流指令手段、 前記電源の出力電流を検出するための電流検出手段、 前記電流検出手段によって検出された電流が前記電流指
    令手段によって指令された電流に一致するように前記電
    源の出力電流を制御する電流制御手段、 前記リニアコンプレッサの起動が指示されたことに応じ
    て、前記ピストンの振幅が予め定められた目標値まで徐
    々に増大するように前記位置指令手段で用いられる前記
    正弦関数の振幅および周波数のうちの少なくとも一方を
    調整する起動手段、および前記起動手段による前記リニ
    アコンプレッサの起動が終了したことに応じて、前記速
    度検出手段によって検出された前記ピストンの速度と前
    記電流指令手段によって指令された前記電源の出力電流
    との位相差を検出し、その位相差がなくなるように前記
    位置指令手段で用いられる前記正弦関数の周波数を調整
    する周波数調整手段を備える、リニアコンプレッサの駆
    動装置。
  2. 【請求項2】 前記周波数調整手段は、前記リニアコン
    プレッサの停止が指示されたことに応じて非活性化さ
    れ、 さらに、前記リニアコンプレッサの停止が指示されたこ
    とに応じて、前記ピストンの振幅が徐々に減少するよう
    に前記位置指令手段で用いられる前記正弦関数の振幅お
    よび周波数のうちの少なくとも一方を調整する停止手段
    を備える、請求項1に記載のリニアコンプレッサの駆動
    装置。
JP27594096A 1996-04-22 1996-10-18 リニアコンプレッサの駆動装置 Expired - Lifetime JP3177459B2 (ja)

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