JPWO2007125967A1 - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

空気調和機の室内機の横流ファン用のブラシレスＤＣモータをベクトル制御により駆動する駆動装置において、ブラシレスＤＣモータの駆動停止から所定時間にわたり、駆動装置によるブラシレスＤＣモータの駆動を禁止するようにして、振動および騒音を低減する。

Description

この発明は、室内機に収容された横流ファン、およびこの横流ファンを駆動するブラシレスＤＣモータを備えた空気調和機に関する。

空気調和機におけるＤＣモータを用いたファンモータのベクトル制御として、起動時にファンモータの回転数を検出し、検出した回転数に応じてその回転数を上昇させるように拾い上げたり、ファンが一旦停止するようにファンモータへの通電を行ってその強制停止後に起動を開始する例がある（例えば特開２００５−１７１８４３号公報）
このベクトル制御は、空気調和機の室外ファンを対象としており、このような制御をそのまま室内機の横流ファンに適用すると様々な問題がある。

例えば、ユーザがリモコン等で横流ファンを停止させる操作（空気調和機の指示）を行い、実際に横流ファンが停止する前に再び横流ファンを起動する操作（空気調和機の運転開始）を行うと、惰性で回転しているモータのロータ位置および回転数を推定し、その状態に合わせて通電を開始する。この際、ファンモータの推定ロータ位置と実ロータ位置との間に誤差が生じ易く、その誤差が原因となり、モータへの通電パターンが最適な値からずれることで振動がファンモータに生じる。

また、停止の操作から少し時間が経過し、惰性で回転している横流ファンの回転数が低くなったところで起動の操作を行った場合には、ファンモータに対して強制停止させる通電がなされ、その強制停止後に起動が開始されることになるが、その強制停止のための通電に際し、回転しているファンモータにブレーキをかけることによる振動が生じる。

このような振動は慣性質量が大きくて剛性の高い室外ファンを駆動する場合には問題とならない。

ところが、横流ファンは横長の壁掛け型室内機に合わせて横長形状を有しており、一端がファンモータに支持され他端が軸受けを介して室内機の後板に支持される構造になっている。しかも、後板は、室内壁面に固定される据付板に引っ掛けられて固定されている。したがって、後板の固定はそれほど強固でなく、このため横流ファンやファンモータから発生する振動が室内機の筐体全体に伝わり、室内機の筐体に振動および騒音が発生するという問題がある。

また、目標回転数に対するファンモータの回転数の追従性を高めるために速度応答性が高く設定されていると、起動時の制御において、慣性質量が小さい横流ファンでは、ファンモータの出力トルク変化に対する回転数変化の応答が良すぎてしまい、その結果、回転数変化が速すぎて振動を発生させるという問題もある。

この発明の一態様の目的は、室内機の横流ファン用のブラシレスＤＣモータをベクトル制御により駆動する際の振動および騒音を低減することが可能な空気調和機を提供することである。

この発明の一態様の空気調和機は、室内機に収容された横流ファン、およびこの横流ファンを駆動するブラシレスＤＣモータを備えたものであって、
前記ブラシレスＤＣモータをベクトル制御により駆動する駆動制御手段と、
前記駆動制御手段による前記ブラシレスＤＣモータの駆動停止から所定時間はその駆動制御手段による前記ブラシレスＤＣモータの駆動を禁止する制御手段と、
を備えている。

図１は、本発明の一実施形態における室内機の筐体の構成を分解して示す図である。 図２は、一実施形態における室内機に収容された電気回路を示すブロック図である。 図３は、一実施形態におけるインバータおよび駆動制御部の具体的な構成を示す図である。 図４は、一実施形態の作用を説明するためのタイムチャートである。 図５は、一実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、室内壁面に据付板１が固定され、その据付板１に後板２が引っ掛け固定される。そして、後板２の内側に横長形状の横流ファン３が設けられる。この横流ファン３は、一端がファンモータであるブラシレスＤＣモータ３Ｍに支持され、他端が軸受け３ａに支持される。後板２には、さらに、横流ファン３を囲むように熱交換器４が設けられ、その熱交換器４を被う状態に前板５が設けられる。そして、前板５に化粧板６が設けられ、その前板５と化粧板６との間にフィルタ７が着脱自在に装着される。そして、前板５の下部および化粧板６の下部に形成される吹出口に、垂直ルーバー８および水平ルーバー９が設けられる。
この据付板１から水平ルーバー９により、室内機が構成されている。この室内機に図２の電気回路が収容される。

商用交流電源２０に室内制御部３０およびインバータ４０が接続され、その室内制御部３０に室内温度センサ３１、受光部３２、および駆動制御部５０が接続される。受光部３２は、リモートコントロール式の操作器（以下、リモコンという）３３から発せられる赤外線光を受ける。インバータ４０は、商用交流電源２０の電圧を整流し、この整流により得られる直流電圧を駆動制御部５０からの指令に応じたスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換して出力する。この出力が、３相のブラシレスＤＣモータ３Ｍに駆動電力として供給される。

インバータ４０および駆動制御部５０は、ブラシレスＤＣモータ３Ｍをベクトル制御の通電により駆動（速度制御の実行を含む）する駆動手段であり、図３に示す構成を有している。
まず、インバータ４０は、商用交流電源２０の電圧を整流して直流電圧に変換する直流電源４１、この直流電源４１の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ４２、この平滑された直流電圧を駆動制御部５０からの指令に応じたスイッチングにより所定周波数の３相交流電圧に変換して出力するスイッチング回路４３、このスイッチング回路４３からブラシレスＤＣモータ３Ｍの各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に流れる電流を検出するための検出用抵抗４４，４５，４６、直流電源４１の直流電圧を検出する直流電圧検出回路４７を有している。

次に、駆動制御部５０について説明する。
目標回転数切換部５１は、後述の停止検知部７１から何も指令を受けていない場合は室内制御部３０から供給される目標回転数ωref1をそのまま目標回転数ωrefとして出力し、停止検知部７１から強制停止指令を受けている間は目標回転数ωref＝“零”を出力する。この出力が減算器２３に供給される。

電流検出部５３は、上記検出用抵抗４４，４５，４６に生じる電圧からブラシレスＤＣモータ３Ｍの各相に流れる電流を検出し、その検出結果および後述の積分部５５から供給されるロータ推定位置θestに基づく演算により、ブラシレスＤＣモータ３Ｍのロータ軸上の座標に換算されたトルク成分電流Ｉｑおよび励磁成分電流Ｉｄを求める。この演算結果がロータ速度推定演算部５４に供給される。ロータ速度推定演算部５４は、直流電圧検出部４７で検出された直流電圧、電流検出部５３の演算結果であるトルク成分電流Ｉｑと励磁成分電流Ｉｄ、および後述のＰＩ制御部６１，６２から供給される電圧指令値のｄ軸成分Ｖｄとｑ軸成分Ｖｑに基づく演算により、ブラシレスＤＣモータ３Ｍのロータの推定回転数ωestを求める。この演算結果が上記減算器５２および積分部５５に供給される。

減算器５２は、目標回転数切換部５１から出力される目標回転数ωrefとロータ速度推定演算部５４から供給される推定回転数ωestとの差を算出する。この算出結果がＰＩ制御部５６に供給される。積分部５５は、ロータ速度推定演算部５４から供給される推定回転数ωestを積分することにより、ブラシレスＤＣモータ３Ｍのロータ推定位置θestを得る。このロータ推定位置θestが、上記電流検出部５３および波形合成部６３に供給される。

ＰＩ制御部５６は、減算器５２で算出される回転数差を操作量とするＰＩ制御により、トルク成分電流の目標値Ｉｑrefを得る。このトルク成分電流の目標値Ｉｑrefが、減算器５７および演算部５８に供給される。減算器５７は、トルク成分電流の目標値Ｉｑrefと電流検出部５３の演算により求められたトルク成分電流Ｉｑとの差を算出する。この算出結果がＰＩ制御部６１に供給される。

演算部５８は、ＰＩ制御部５６から供給されるトルク成分電流の目標値Ｉｑrefに係数Ｋを乗算して励磁成分電流の目標値Ｉｄrefを算出する。この励磁成分電流の目標値Ｉｄrefが減算器５９に供給される。減算器５９は、励磁成分電流の目標値Ｉｄrefと電流検出部５３で演算された励磁成分電流Ｉｄとの差を算出する。この算出結果がＰＩ制御部６２に供給される。

ＰＩ制御部６１は、減算器５７の算出結果（トルク成分電流の目標値Ｉｑrefとトルク成分電流Ｉｑとの差）を操作量とするＰＩ制御により、電圧指令値のｑ軸成分Ｖｑを得る。ＰＩ制御部６２は、減算器５９の算出結果（励磁成分電流の目標値Ｉｄrefと励磁成分電流Ｉｄとの差）を操作量とするＰＩ制御により、電圧指令値のｄ軸成分Ｖｄを得る。こうして得られる電圧指令値のｑ軸成分Ｖｑおよびｄ軸成分Ｖｄが、波形合成部６３に供給される。

波形合成部６３は、電圧指令値のｑ軸成分Ｖｑとｄ軸成分Ｖｄ、直流電圧検出部４７の検出結果、積分部５５からのロータ推定位置θestに基づく演算により、ブラシレスＤＣモータ３Ｍに対する駆動電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求め、その駆動電圧をインバータ４０から出力させるための駆動信号を生成する。

また、室内制御部３０から供給される目標回転数ωref1が、停止検知部７１に供給される。停止検知部７１は、目標回転数ωref1が“零”以外から“零”に変化した場合に、それをブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動停止として検知し、その検知から所定時間(例えば１５秒程度)ｔｓ１にわたり目標回転数切換部５１に強制停止指令を供給する。目標回転数切換部５１は、強制停止指令を受けている間、目標回転数ωref＝“零”を出力する。すなわち、目標回転数出力部５１および停止検知部７１により、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動停止から所定時間ｔｓ１にわたってブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動を禁止する制御手段、が構成されている。

さらに、目標回転数出力部５１から出力される目標回転数ωrefが、起動検知部７２に供給される。起動検知部７２は、目標回転数ωref1が“零”から“零”以外に変化した場合に、それをブラシレスＤＣモータ３Ｍの起動として検知する。この検知結果がゲイン切換部７３に供給される。ゲイン切換部７３は、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの起動が検知されると、それから所定時間(例えば５０秒程度)ｔｓ２にわたりＰＩ制御部５６の速度制御ゲインを低い値に設定して、当該駆動制御部５０のベクトル制御による速度制御の応答性を低くし、その所定時間ｔｓ２の経過後にＰＩ制御部５６の速度制御ゲインを高い値に切換えて当該駆動制御部５０のベクトル制御による速度制御の応答性を高くする。すなわち、起動検知部７２およびゲイン切換部７３により、当該駆動制御部５０のベクトル制御による速度制御の応答性を、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの起動から所定時間ｔｓ２は低くし、その所定時間ｔｓ２の経過後に高くする制御手段、が構成されている。

つぎに、上記の構成の作用を、図４のタイムチャートおよび図５のフローチャートを参照しながら説明する。

ブラシレスＤＣモータ３Ｍの運転中（ステップ１０１のＹＥＳ）、リモコン３３から停止信号が発せられると、目標回転数ωref1が“零”以外から“零”に変化し、ブラシレスＤＣモータ３Mに対する駆動が停止される。このとき、駆動制御部５０において、目標回転数ωref1の“零”への変化がブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動停止として検知され（ステップ１０２のＹＥＳ）、この検知に伴いタイムカウントｔ１が実行されるとともに（ステップ１０３）、目標回転数切換部５１から出力される目標回転数ωrefが“零”となってブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動が禁止される（ステップ１０４）。そして、タイムカウントｔ１と所定時間ｔｓ１とが比較される（ステップ１０５）。タイムカウントｔ１が所定時間ｔｓ１に達しないうちは（ステップ１０５のＮＯ）、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動禁止が維持される。

つまり、ブラシレスＤＣモータ３Mの駆動が停止された後、実際に横流ファン３の回転が止まるまでの少なくとも所定時間ｔｓ１は、たとえユーザによる運転開始操作がなされても、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動が禁止される。

なお、運転開始操作がなされた時点で、室内機の水平ルーバー９が初期位置まで駆動される。

タイムカウントｔ１が所定時間ｔｓ１に達すると（ステップ１０５のＹＥＳ）、タイムカウントｔ１がクリアされる（ステップ１０６）。その後、リモコン３３から運転信号が発せられて目標回転数ωrefが“零”以外になると、それがブラシレスＤＣモータ３Ｍの起動として検知される（ステップ１０７のＹＥＳ）。この検知に伴いタイムカウントｔ２が実行されるとともに（ステップ１０８）、速度制御ゲインが低い値に設定される（ステップ１０９）。これにより、駆動制御部５０のベクトル制御による速度制御の応答性が低くなる。そして、タイムカウントｔ２と所定時間ｔｓ２とが比較される（ステップ１１０）。

タイムカウントｔ２が所定時間ｔｓ２に達すると（ステップ１１０のＹＥＳ）、タイムカウントｔ２がクリアされるとともに（ステップ１１１）、速度制御ゲインが高い値に設定される（ステップ１１２）。これにより、駆動制御部５０のベクトル制御による速度制御の応答性が高くなる。

以上のように、ブラシレスＤＣモータ３Mの駆動が停止された後、実際に横流ファン３の回転が止まるまでの少なくとも所定時間ｔｓ１は、たとえユーザによる運転開始操作がなされても、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動が禁止されるので、その後のブラシレスＤＣモータ３Ｍの駆動に際して、従来のような推定ロータ位置と実ロータ位置との誤差を原因とする振動がブラシレスＤＣモータ３Ｍに生じることはなく、ひいては室内機の筐体の振動や騒音を防ぐことができる。

一般に、位置センサレスベクトル制御は、通常、停止時や低速域では、位置推定ができないため、特定位相の電圧ベクトルをモータに印加し、モータに電流を流すことでロータ位置を固定し、そこからモータ駆動電圧ベクトルの周波数を上げることでモータを起動している。しかし、ファンが慣性回転中に、再度、運転指令を受信すると、慣性回転中のロータにモータ回転数と異なる周波数の電圧ベクトルを印加することになるため、モータの発生トルクが大きく変動し、モータが振動し、その振動が筐体に伝わり、筐体振動が発生する。そこで、停止信号の受信後にタイムカウントｔ１を行い、特定位相の電圧を印加してもモータに大きな振動が発生しないだけの回転数までモータ回転数が自然降下するのに必要な少なくとも所定時間ｔｓ１は、モータの再起動を待つことにより、筐体振動を回避することができる。

なお、停止直前の回転数が高いほどモータが自然停止するまでの時間が長くなるので、停止直前に回転数が低い場合は再起動までの所定時間ｔｓ１を短くすることにより、筐体振動を押さえながら、運転信号に対する応答が速くなり、ユーザに与える違和感を小さくすることが可能である。

また、ブラシレスＤＣモータ３Ｍに対する速度制御の応答性を、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの起動から所定時間ｔｓ２にわたり低く設定するので、たとえ横流ファン３の慣性質量が小さくても、従来のような回転数変化が速すぎて振動が発生するという不具合を解消することができる。
しかも、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの起動から所定時間ｔｓ２が経過した後は、ブラシレスＤＣモータ３Ｍに対する速度制御の応答性を高く設定するので、目標回転数ωrefに対するブラシレスＤＣモータ３Ｍの回転数の追従性を高めることができる。

なお、ブラシレスＤＣモータ３Ｍに対する速度制御の応答性を低く設定する期間として、起動後のタイムカウントｔに基づく所定時間ｔｓ２を用いたが、ブラシレスＤＣモータ３Ｍの実回転数が所定値（例えば２００rps）に達するまでの期間を定めてもよい。

一般に、モータのベクトル制御では、モータを指定された目標回転数で回すために、実際のモータ回転数と目標回転数とのずれに応じてモータ発生トルクを制御している。モータを目標回転数に素早く到達させるためには、この回転数のずれを早期に収束させることが必要となる。回転数のずれの量に応じてモータの発生トルクを大きく変動させれば、モータ回転数の応答を速くすることができるが、発生トルクの変動はモータ加速度の変化となって現われ、この変化が大きいほどモータに大きな振動が発生する。このため、同じ応答性が得られるように制御した場合でも振動が大きくなる。そこで、モータ起動時の速度応答性を、起動後に比べて低く設定することで、起動時のモータ振動を下げると同時に、起動後の応答性を速くすることができる。この応答を切換える手段として、モータ起動からの時間経過で判断する方法と、モータ回転数で判断する方法がある。また、回転数が低いときほど同じ応答での振動が大きくなるので、回転数により３つ以上の応答性を切換えることで、振動を押さえながら、応答性をさらに改善することが可能である。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

この発明は、室内機の横流ファン用のブラシレスＤＣモータをベクトル制御により駆動する空気調和機への利用が可能である。

Claims (9)

1. ファン用のブラシレスＤＣモータを備えた空気調和機であって、
   前記ブラシレスＤＣモータをベクトル制御により駆動する駆動制御手段と、
   前記駆動制御手段による前記ブラシレスＤＣモータの駆動停止から所定時間はその駆動制御手段による前記ブラシレスＤＣモータの駆動を禁止する制御手段と、
   を備えている。
2. 請求項１に記載の空気調和機において、前記ファンが収容される室内機、をさらに備えている。
3. 請求項２に記載の空気調和機において、前記ファンは、横流ファンである。
4. ファン用のブラシレスＤＣモータを備えた空気調和機であって、
   前記ブラシレスＤＣモータに対する目標回転数と前記ブラシレスＤＣモータの推定回転数との差に基づくベクトル制御により、前記ブラシレスＤＣモータの速度制御を実行する駆動制御手段と、
   前記速度制御の応答性を、前記ブラシレスＤＣモータの起動から所定時間は低くし、その所定時間の経過後に高くする制御手段と、
   を備えている。
5. 請求項４に記載の空気調和機において、前記ファンが収容される室内機、をさらに備えている。
6. 請求項５に記載の空気調和機において、前記ファンは、横流ファンである。
7. ファン用のブラシレスＤＣモータを備えた空気調和機であって、
   前記ブラシレスＤＣモータをベクトル制御により駆動する駆動制御部と、
   前記駆動制御部による前記ブラシレスＤＣモータの駆動停止から所定時間はその駆動制御部による前記ブラシレスＤＣモータの駆動を禁止する制御部と、
   を備えている。
8. 請求項７に記載の空気調和機において、前記ファンが収容される室内機、をさらに備えている。
9. 請求項８に記載の空気調和機において、前記ファンは、横流ファンである。

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