JP4469185B2

JP4469185B2 - インバータ制御装置及びインバータ制御方法及び密閉型圧縮機及び冷凍空調装置

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Publication number: JP4469185B2
Application number: JP2004012862A
Authority: JP
Inventors: 美津夫鹿嶋; 芳彦吉川; 鉄矢榎本; 功川▲崎▼; 正人半田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP2005210793A

Description

この発明は、冷蔵庫・空気調和機等の冷凍空調装置に搭載される、負荷トルクが周期的に変動するシングルロータリ圧縮機等を駆動する場合に、圧縮機の振動を抑制する永久磁石同期電動機のインバータ制御装置に関するものである。

一般的に、冷蔵庫や空気調和機等の圧縮機用電動機を、インバータにより回転数を可変に制御する方式が用いられている。そして、圧縮機がシングルロータリ型の場合、圧縮要素及び電動要素が密閉容器に直付けのため圧縮機内部での振動の抑制ができないので、圧縮機の振動が問題になることが多い。シングルロータリ圧縮機の振動は、周期的な負荷変動に基因するもので、特に回転方向の振動成分が主なものである。

このような圧縮機の振動を低減する方法としてトルク制御が用いられている。例えば、４極の同期電動機の場合、圧縮機の振動が圧縮行程において圧縮容積が最小となる時点、すなわち、同期電動機に加わる負荷が最大の時点に最大となる特性を有することを利用して、同期電動機の電機子巻線端子電圧よりフィルタ回路を用いて、回転子位置に対応した位置検出信号を形成する回転子位置検出回路の位置検出信号及び圧縮機の振動の検出信号とにより回転子の機械的位置を決める。そして、回転子の機械的位置に応じて、記憶させておいた負荷トルクを読み出し、この読み出されたデータに基づいて電動機のトルクを出力させる（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら上記のような構成では、４極の同期電動機をトルク制御するためには圧縮機の振動検出器が必要となるため、コストが高くなるという問題点があった。そこで、圧縮機の振動検出器を必要としない安価な４極の同期電動機のトルク制御を実現するために、負荷を駆動する４極の電動機と、同期電動機に交流電力を供給するインバータと、同期電動機の回転子位置を検出する回転子位置検出回路と、回転子位置検出回路の出力により回転子の速度を算出する回転速度検出回路と、同期電動機の１回転あたりの負荷トルクパターンを記憶するトルクパターン記憶部と、回転速度検出回路の出力により回転子の機械的位置を決める機械的位置決定回路と、回転子位置検出回路の出力と、機械的位置決定回路の出力によりトルクパターン記憶部にあらかじめ記憶させたトルクパターンを読み出しこの読み出されたトルクパターンに基づいて同期電動機の出力トルクを制御するようにしたトルク制御部とを備えた圧縮機用電動機制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６１−４４９２号公報特開平６−９０５８８号公報

従来の圧縮機用電動機制御装置は、回転速度により回転子の機械的位置を決めるようにしているので、負荷トルク脈動の小さい起動直後や回転数が比較的高い領域などでは、機械的位置を正確に検出するのに時間が掛かるという問題がある。そのため、負荷トルク脈動の小さい領域で機械的位置を正確に検出するためには、ある回転数で連続して運転し続けなくてはならないという運転制約ができ、例えば空気調和機の圧縮機制御に使用する場合は、温度管理制御に影響がでるという問題があった。

また、負荷が圧縮機負荷においては、圧縮機メカ位置と同期電動機のステータ及びロータの位置関係を規定していない場合で機械的位置を正確に検出するためには、負荷トルク脈動が大きくなる低回転領域において機械的位置を求める必要があり、そのときの振動または騒音が問題になるときは、最悪機械的位置を求めることを諦めてトルク制御なしで制御し、最低回転数を上げて運転しなければならないという問題もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は、負荷トルク脈動の小さい起動直後や回転数が比較的高い領域などでも、機械的位置を早く正確に検出できるようにし、機械的位置を正確に検出するためにある回転数で連続して運転し続けなくてはならないという運転制約のないインバータ制御装置及びインバータ制御方法及び密閉型圧縮機及び冷凍空調装置を得ることである。

また、第２の目的は、負荷トルク脈動の小さい起動直後や回転数が比較的高い領域などでも、機械的位置を早く正確に検出できるようにし、負荷トルク脈動に対する振動と騒音を素早く抑制するインバータ制御装置及びインバータ制御方法及び密閉型圧縮機及び冷凍空調装置を得ることである。

この発明に係るインバータ制御装置は、負荷トルクが周期的に変動する負荷要素を駆動し、２ｎ極（ｎは２以上の整数）以上の極数を有し、負荷要素の機械的位置との位置関係が規定された電動機を三相正弦波駆動で制御するインバータ制御装置において、負荷トルクと相関関係のあるパラメータを用いて負荷トルク基準位置を推定する負荷トルク基準位置推定部と、負荷トルク基準位置推定部により推定した負荷トルク基準位置推定値と負荷要素の機械的位置の規定関係により負荷トルク基準位置を決定する負荷トルク基準位置決定部と、１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターン演算部と、を備え、負荷トルク基準位置決定部により決定した負荷トルク基準位置を基準に、負荷トルク補償パターン演算部にて演算した負荷トルク補償パターンを用いて、インバータの出力電圧または電流を補正することを特徴とする。

この発明に係るインバータ制御装置は、負荷トルクが周期的に変動する負荷要素を駆動し、２ｎ極（ｎは２以上の整数）以上の極数を有し、負荷要素の機械的位置との位置関係が規定された電動機を三相正弦波駆動で制御するインバータ制御装置において、負荷トルクと相関関係のあるパラメータを用いて負荷トルク基準位置を推定する負荷トルク基準位置推定部と、負荷トルク基準位置推定部により推定した負荷トルク基準位置推定値と負荷要素の機械的位置の規定関係により負荷トルク基準位置を決定する負荷トルク基準位置決定部と、１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターン演算部と、を備え、負荷トルク基準位置決定部により決定した負荷トルク基準位置を基準に、負荷トルク補償パターン演算部にて演算した負荷トルク補償パターンを用いて、インバータの出力電圧または電流を補正するようにしたので、負荷トルク脈動の小さい起動直後や回転数が比較的高い領域などでも、機械的位置を早く正確に検出でき、機械的位置を正確に検出するためにある回転数で連続して運転し続けなくてはならないという運転制約のないインバータ制御装置を得ることができる。また、早く正確に負荷トルク脈動に対する振動と騒音を抑制することができる。

実施の形態１．
図１乃至図１４は実施の形態１を示す図で、図１はインバータ制御装置の概略ブロック図、図２はインバータ制御装置の詳細ブロック図、図３はシングルロータリ圧縮機の永久磁石同期電動機及び圧縮部の断面図、図４は負荷トルク基準位置推定部のブロック図、図５は別のインバータ制御装置の概略ブロック図、図６は別のインバータ制御装置の詳細ブロック図、図７は負荷トルク基準位置決定部のタイミングチャート図、図８は負荷トルク基準位置決定部のフローチャート図、図９は負荷トルク補償パターン演算部、励磁電流指令値演算部のフローチャート図、図１０は実行周波数ｆｄと負荷トルク補償量振幅Δｉγ＊の関係を示す図、図１１は実行周波数ｆｄと負荷トルク基準位置補正量θａｄｊの関係を示す図、図１２実行周波数ｆｄと励磁電流基準指令値ｉγ＊（１）の関係を示す図、図１３は励磁電流指令値演算部のタイミングチャート図、図１４は実施の形態１における一般的な永久磁石同期電動機のベクトル線図である。

図１に示すように、インバータ制御装置は、圧縮機３を駆動する、直流電源１に接続されたインバータ２と、電流検出部４ａ、４ｂより検出されるＵ相電流値、Ｖ相電流値を基に、実行周波数ｆｄが周波数指令値ｆ＊になるようにインバータ２にＰＷＭ（パルス幅変調）信号を出力するインバータ制御部５を有する。

図２によりインバータ制御装置の構成を詳細に説明する。
インバータ２は、直流電源１を三相擬似正弦波に変換して圧縮機３を駆動する１８０度正弦波通電方式のインバータであり、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６と、それぞれに逆並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６を備える。

圧縮機３は密閉型圧縮機で、電動機の一例としての永久磁石同期電動機３ａと、その負荷となる圧縮部３ｂ（負荷トルクが周期的に変動する負荷要素の一例）とを備えるシングルロータリ圧縮機である。図３に示すように、永久磁石同期電動機３ａは、圧縮機３のシェル（密閉容器）内に直に固定され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相Ｙ形結線のステータ（固定子）と、シャフト（回転軸）に嵌合し、外周部にマグネット（永久磁石）が配置された６極の極数を有するロータ（回転子）とを備える。但し、電動機は永久磁石同期電動機に限定されない。また、負荷トルクが周期的に変動する負荷要素は圧縮機の圧縮部に限定されない。さらに、密閉型圧縮機はシングルロータリ圧縮機に限定されない。

圧縮部３ｂは、シャフト（回転軸）の偏心部分に嵌合したローリングピストンがシリンダー内を公転運動することにより、冷媒ガスを吸入し、圧縮して吐出する。図３では、ローリングピストンが上死点に位置する。

ここで、圧縮部３ｂの圧縮機メカ位置と永久磁石同期電動機３ａのステータ及びロータの位置関係は規定した位置関係で製造される。

インバータ制御部５は、直流電源１の電圧値（以下、母線電圧値と呼ぶ）と、電流検出部４ａ、４ｂより検出されるＵ相電流値、Ｖ相電流値を基に、実行周波数ｆｄが周波数指令値ｆ＊になるようにインバータ２にＰＷＭ信号を出力して、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６をオン・オフ制御している。

本実施の形態では、Ｕ相電流値とＶ相電流値を検出するようにしているが、電流検出部４ａ、４ｂによる検出電流値は、３相の電流のうちのどの２相の電流値（例えば、Ｕ相電流値とＷ相電流値）を検出しても同様な結果を得ることができる。

インバータ制御部５は、以下に示す３相／２相座標変換部６、周波数補償部７、実行周波数演算部８、一次周波数演算部９、電気角角度演算部１０、機械角角度演算部１１、負荷トルク基準位置推定部１２、負荷トルク基準位置決定部１３、負荷トルク補償パターン演算部１４、励磁電流指令値演算部１５、出力電圧指令値演算部１６、２相／３相座標変換部１７、ＰＷＭ信号生成部１８とを備えている。インバータ制御部５は、例えばマイクロプロセッサにより実現することができる。各部の処理タイミングは、例えばＰＷＭ信号のキャリア周期毎に行うものとする。

３相／２相座標変換部６は、電流検出部４ａ、４ｂにより検出された電流値を電気角角度θｅを用いて励磁電流成分（γ軸電流ｉγ）およびトルク電流成分（δ軸電流ｉδ）で表されるγ−δ軸の電流値に変換する。

周波数補償部７は、３相／２相座標変換部６により求められたδ軸電流と、そのδ軸電流を一次遅れフィルタ演算（例えば、フィルタ時定数は１００ｍｓ）して求めたδ軸電流フィルタ値との差（高調波成分）に、ゲインＫｍ（例えば、Ｋｍ＝２）を乗じることにより周波数補償量ｆｈを求める。

実行周波数演算部８は、実行周波数ｆｄを外部から与えられる周波数指令値ｆ＊にΔｆずつ近づける。

一次周波数演算部９は、周波数補償部７により求められた周波数補償量ｆｈを用いて実行周波数ｆｄを補償し、一次周波数ｆ１を得る。これにより、負荷トルクが急激に変動した場合でも、発生トルクを追従させることができる。

電気角角度演算部１０は、補償された周波数指令値である一次周波数ｆ１を積分して電気角角度θｅを求める。

機械角角度演算部１１は、電気角角度演算部１０により演算された電気角角度θｅを極対数ｐｐ（６極の場合、ｐｐ＝３）で割った値を基に機械角角度θｍを求める。

負荷トルク基準位置推定部１２は、機械角角度θｍとδ軸電流ｉδより、δ軸電流の１次周波数成分のピーク値の位相を求め、その値を負荷トルク基準位置推定値とするものである。

図４を用いて本実施の形態の負荷トルク基準位置推定部１２を説明する。図４はトルク基準位置推定部のブロック図で、ｓｉｎ成分抽出部１２ａはδ軸電流と機械角角度を用いてｓｉｎ成分を抽出する。ｃｏｓ成分抽出部１２ｂはδ軸電流と機械角角度を用いてｃｏｓ成分を抽出する。フィルタ部１２ｃはｓｉｎ成分抽出部１２ａにより抽出されたδ軸電流のｓｉｎ成分に一次遅れフィルタ（例えば、フィルタ時定数は１ｓ）を掛ける。フィルタ部１２ｄはｃｏｓ成分抽出部１２ｂにより抽出されたδ軸電流のｃｏｓ成分に一次遅れフィルタ（例えば、フィルタ時定数は１ｓ）を掛ける。

フィルタ部１２ｃより得られたδ軸電流のｓｉｎ成分のフィルタ値と、フィルタ部１２ｄより得られたδ軸電流のｃｏｓ成分のフィルタ値を用いて、ｔａｎ^−１演算部１２ｅにてｔａｎ^−１演算することで、δ軸電流の１次周波数成分のピーク値の位相を求めることができる。この値を負荷トルク基準位置推定値としている。

本実施の形態では、負荷トルクと相関関係が強いδ軸電流値を基にトルク基準位置推定値を求めているが、負荷トルクと相関関係のある他のパラメータ（例えば、δ軸電圧値）を用いてもよい。

負荷トルク基準位置決定部１３は、負荷トルク基準位置推定部１２により求められた負荷トルク基準位置推定値θｐを基に負荷トルク基準位置θｐｘを決定している。

負荷トルク補償パターン演算部１４は、実行周波数演算部８により求められた実行周波数ｆｄと、負荷トルク基準位置決定部１３により求められた負荷トルク基準位置決定値θｐｘと、機械角角度θｍとにより負荷トルク補償パターンｉγ＊（２）を演算する。

励磁電流指令値演算部１５は、負荷トルク補償パターン演算部１４により求められた負荷トルク補償パターンｉγ＊（２）と、実行周波数ｆｄに対応した後述する励磁電流指令値基準値ｉγ＊（１）より、励磁電流指令値ｉγ＊を求めている。

出力電圧指令値演算部１６は、一次周波数演算部９により求められた一次周波数ｆ１と、励磁電流指令値演算部１５により求められた励磁電流指令値ｉγ＊と、３相／２相座標変換部６により求められた励磁電流ｉγおよびδ軸電流ｉδにより、γ軸電圧指令値Ｖγ＊、δ軸電圧指令値Ｖδ＊を求めている。

２相／３相座標変換部１７は、出力電圧指令値演算部１６により求められたγ軸電圧指令値Ｖγ＊およびδ軸電圧指令値Ｖδ＊と、電気角角度演算部１０により求められた電気角角度θｅにより、３相座標系の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換する。

ＰＷＭ信号生成部１８は、２相／３相座標変換部１７により求められた３相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と母線電圧値により、インバータ２のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を発生させる。このＰＷＭ信号に基づいてインバータ２が制御され、直流電源１を三相擬似正弦波に変換して圧縮機３を駆動する。

上記実施の形態では相電流を２相検出して実現しているが、図５、６のように電流検出部４ｃにより直流電源１に流れる電流（以下、母線電流と呼ぶ）を検出して、ＰＷＭ信号生成部１８のＰＷＭ信号タイミングを用いて相電流変換部１９にて母線電流値を各相電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに変換した値を使用するようにしても同様な結果を得ることができる。

次に動作を、図７の負荷トルク基準位置決定部１３におけるタイミングチャート図で説明する。図７において、（ａ）は負荷トルク、（ｂ）はδ軸電流ｉδ、（ｃ）はδ軸電流の１次周波数成分、（ｄ）は電気角角度θｅ、（ｅ）は機械角角度θｍである。

負荷トルク脈動とδ軸電流の１次周波数成分とは相関関係があり、δ軸電流の１次周波数成分のピーク値の位相を、負荷トルク基準位置とすることができる。しかし、６極モータの場合は、電気角角度θｅを用いて機械角角度θｍを０にするタイミングにより、図７（ｅ）のように３つのパターンが存在することになる。

そのため、図７の位置関係にある場合について、図８の負荷トルク基準位置決定部１３におけるフローチャート図を用いて負荷トルク基準位置決定方法について説明する。

ＳＴＥＰ１は、負荷トルク基準位置決定値θｐｘが決定しているかどうかを判断する処理であり、θｐｘが確定した場合は、ＳＴＥＰ２〜ＳＴＥＰ９の処理は行わない。

θｐｘが確定していない場合は、ＳＴＥＰ２の負荷トルク基準位置推定演算処理を行い、δ軸電流の１次周波数成分のピーク値の位相（＝負荷トルク基準位置推定値θｐ）を求める。ＳＴＥＰ３は、負荷トルク基準位置決定演算を行う条件であり、本実施の形態においては、実行周波数が６０［ｒｐｓ］以上のときに負荷トルク基準位置決定演算処理を行うようにしている。実行周波数が６０［ｒｐｓ］未満の場合は負荷トルク基準位置決定処理は行わない。

ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ８は、負荷トルク基準位置θｐｘを決定する処理であり、負荷トルク基準位置推定値θｐが５５°以上１７５°未満（ＳＴＥＰ４）のときは負荷トルク基準位置決定値θｐｘを１１５°（ＳＴＥＰ５）とし、負荷トルク基準位置推定値θｐが１７５°以上２９５°未満（ＳＴＥＰ６）のときは負荷トルク基準位置決定値θｐｘを２３５°（ＳＴＥＰ７）とし、上記判定以外のときはθｐｘを３５５°（ＳＴＥＰ８）とする。ＳＴＥＰ９は、θｐｘが確定したことを示す処理である。

図９の負荷トルク補償パターン演算部１４と励磁電流指令値演算部１５のフローチャート図において、ＳＴＥＰ１０は実行周波数ｆｄと負荷トルク補償量振幅ΔＩγ＊のテーブル（以下、ｆｄ−ΔＩγ＊テーブルと呼ぶ）より、ｆｄに対応したΔＩγ＊を読み出す処理である。ｆｄ−ΔＩγ＊テーブルの一例を図１０に示す。

ＳＴＥＰ１１は実行周波数ｆｄと負荷トルク基準位置補正量θａｄｊのテーブル（以下、ｆｄ−θａｄｊテーブルと呼ぶ）より、ｆｄに対応したθａｄｊを読み出す処理である。ｆｄ−θａｄｊテーブルの一例を図１１に示す。

ＳＴＥＰ１２は、式（１）による負荷トルク補償パターンｉγ＊（２）を演算する処理である。
ｉγ＊（２）＝ΔＩγ＊×ｓｉｎ｛θｍ−（θｐｘ＋θａｄｊ）｝（１）

ＳＴＥＰ１３は、実行周波数ｆｄと励磁電流基準指令値ｉγ＊（１）のテーブル（以下、ｆｄ−ｉγ＊（１）テーブルと呼ぶ）より、ｆｄに対応したｉγ＊（１）を読み出す処理である。ｆｄ−ｉγ＊（１）テーブルの一例を図１２に示す。

ＳＴＥＰ１４は、ＳＴＥＰ１３により求めた励磁電流基準指令値ｉγ＊（１）と、ＳＴＥＰ１２により求めた負荷トルク補償パターンｉγ＊（２）により、励磁電流指令値ｉγ＊を求めている。

図１３の励磁電流指令値演算部１５におけるタイミングチャート図において、（ａ）は負荷トルク、（ｂ）はδ軸電流の１次周波数成分、（ｃ）は機械角角度θｍ、（ｄ）は励磁電流指令値ｉγ＊、（ｅ）は発生トルクである。図９におけるＳＴＥＰ１０〜１４の処理を行うことで、励磁電流指令値ｉγ＊を生成し、負荷トルクパターンに対応した発生トルクを得る。

ここで、本実施の形態では、座標系としてｄ−ｑ軸ではなく、γ−δ軸を使用しているので、ｄ−ｑ軸座標系とγ−δ軸座標系の関係について説明する。永久磁石同期電動機のｄ−ｑ軸座標における電圧方程式は一般的に式（２）で与えられる。ｄ−ｑ軸座標系において、ｄ軸は永久磁石回転子のＮ極の方向とし、ｄ軸から回転方向に電気角角度で９０°進んだ位相をなす軸をｑ軸と定義している。

式（２）において、Ｖｄは永久磁石同期電動機のｄ軸電圧、Ｖｑは永久磁石同期電動機のｑ軸電圧、Ｒは永久磁石同期電動機の１相あたりの抵抗値、Ｌｄは永久磁石同期電動機のｄ軸インダクタンス、Ｌｑは永久磁石同期電動機のｑ軸インダクタンス、Φｆは永久磁石同期電動機の誘起電圧定数、ｉｄは永久磁石同期電動機のｄ軸電流、ｉｑは永久磁石同期電動機のｑ軸電流、ωは永久磁石同期電動機の角速度、ｐは時間ｔによる微分演算子を表している。

図１４の永久磁石同期電動機（特に埋込磁石型同期電動機）のある運転条件におけるベクトル線図において、横軸はγ軸、縦軸はδ軸を表している。また、ｄ軸およびｑ軸は、γ軸およびδ軸に対してそれぞれΔθだけ回転した角度に位置している。ここで、ΦＦは回転子磁石により生じる磁束ベクトルであり、その大きさは誘起電圧定数Φｆであり、ｄ軸上に位置する。

また、Ｌγ・ｉγは固定子磁束のγ軸成分、Ｌδ・ｉδは固定子磁束のδ軸成分であり、Φ０は固定子磁束（Ｌγ・ｉγ、Ｌδ・ｉδ）と回転子磁束（ΦＦ）の合成磁束ベクトルである。ここで、Ｌγは永久磁石同期電動機のγ軸インダクタンス、Ｌδは永久磁石同期電動機のδ軸インダクタンスである。

また、ω１・Φ０は合成磁束により生じる電圧ベクトル、Ｒ・Ｉａはモータの抵抗により生じる電圧ベクトル、Ｖａはその合成ベクトルであり、永久磁石同期電動機に印加される電圧ベクトルである。ここで、ω１は一次周波数ｆ１を角速度に変換した値であり、Ｉａは励磁電流ｉγとδ軸電流ｉδの合成ベクトルである。Ｖａのγ軸成分がγ軸電圧Ｖγであり、δ軸成分がδ軸電圧Ｖδである。

ここで、ｄ−ｑ軸とγ−δ軸との位相差ΔθをΔθ≒０と近似して、各軸のインダクタンスをＬγ≒Ｌｄ、Ｌδ≒Ｌｑとして取り扱うことで、インバータ制御部５での演算負荷を低減させることができ、例えばスペックの低いマイコンでの対応が可能となり、マイコン選択の自由度も増える。ただし、制御精度を向上させる必要がある場合は、Δθを予測して制御すればよい。

以上のように、シングルロータリ圧縮機を代表的な例とする圧縮機３の圧縮機メカ位置（機械的位置）と永久磁石同期電動機３ａのステータ及びロータの位置関係を規定し、負荷トルクと相関関係のあるパラメータであるδ軸電流又はδ軸電圧を用いて負荷トルク基準位置を推定する負荷トルク基準位置推定部１２と、負荷トルク基準位置推定部１２により推定した負荷トルク基準位置推定値と圧縮機メカ位置の規定関係により負荷トルク基準位置を決定する負荷トルク基準位置決定部１３と、１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターン演算部１４を備え、負荷トルク基準位置決定部１３により決定した負荷トルク基準位置を基準に、負荷トルク補償パターン演算部１４にて演算した負荷トルク補償パターンを用いて、励磁電流指令値を制御することでインバータ２の出力電圧または電流を補正するようにしたので、負荷トルク基準位置を早く正確に決定することができ、負荷トルクパターンに追従した発生トルクを生成して、１回転中の負荷トルク変動に伴う速度変動を素早く抑制し、振動と騒音を抑制できる。

尚、負荷トルクと相関関係のあるパラメータとして、負荷トルクと相関関係の強いδ軸電流を使用すれば、より早く正確に負荷トルク基準位置を決定することができ、早期の振動および騒音抑制に繋がる。

また、負荷トルク補償パターンを正弦波状とすることで、負荷トルクの追従性は劣ることになるが、負荷トルクパターンに追従しすぎると、インバータ素子を保護するための過電流遮断保護に入り易くなるという問題を解決することができる。また、負荷トルクパターンを保持する必要性がなくなり、負荷トルクパターンを決定する開発負荷を軽減することができる。

また、実行周波数又は負荷の状態を検出できるパラメータ（例えば、δ軸電流）により負荷トルク基準位置により決定した負荷トルク基準位置を補正することで、より負荷トルクパターンに追従した制御が行え、振動と騒音を抑制できる。

さらに、実行周波数と負荷の状態を検出できるパラメータ（例えば、δ軸電流）を組み合わせて負荷トルク基準位置を補正するようにすれば、より振動と騒音を抑制することができる。

また、実行周波数又は負荷の状態を検出できるパラメータ（例えば、δ軸電流）により負荷トルク補償パターンを補正することで、より負荷トルクパターンに追従した制御が行え、振動と騒音を抑制できる。

さらに、実行周波数と負荷の状態を検出できるパラメータ（例えば、δ軸電流）を組み合わせて負荷トルク補償パターンを補正するようにすれば、より振動と騒音を抑制することができる。

また、負荷トルク基準位置決定部１３による負荷トルク基準位置の決定をインバータ起動後１回のみとし、その負荷トルク基準位置を保持し、その後は負荷トルク基準位置推定処理および負荷トルク基準位置決定処理を行わないようにすることで、インバータ制御部５での演算負荷を低減させることができ、例えば安価なマイコンでの対応が可能とる。

また、負荷トルク基準位置決定部１３による負荷トルク基準位置の決定タイミングを高回転時（例えば、実行周波数が６０［ｒｐｓ］以上のとき）とすることで、低回転領域に存在する振動共振を避けることができ、振動と騒音を抑制することができる。

本実施の形態では、負荷トルク基準位置決定部１３による負荷トルク基準位置の決定タイミングを高回転時（例えば、実行周波数が６０［ｒｐｓ］以上のとき）としていたが、起動直後に行うようにすれば、起動直後から１回転中の負荷トルク変動に伴う速度変動を抑制でき、振動と騒音を抑制できる。

実施の形態２．
図１５乃至図１９は実施の形態２を示す図で、図１５はインバータ制御装置のブロック図、図１６は負荷トルク補償パターン演算部のフローチャート図、図１７は実行周波数ｆｄと負荷トルク補償量振幅Δｆｈの関係を示す図、図１８は実行周波数ｆｄと負荷トルク基準位置補正量θａｄｊ’の関係を示す図、図１９は一次周波数演算部のタイミングチャート図である。

図１５において、実施の形態１の図１と同じ部分には同一符号を付して説明は省略する。以下変更している構成について説明する。

上記実施の形態１では、励磁電流指令値を制御することによりインバータ２の出力電圧又は電流を補正するようにしたが、本実施の形態では、周波数を制御することによりインバータ２の出力電圧又は電流を補正する。

図１５において、一次周波数演算部９’は、周波数補償部７により得られた周波数補償量ｆｈと、負荷トルク補償パターン演算部１４’より求められた負荷トルク補償パターンｆｈ（２）とにより、実行周波数ｆｄを補償し、一次周波数ｆ１を得る。

負荷トルク補償パターン演算部１４’は、実行周波数演算部８より求められた実行周波数ｆｄと、負荷トルク基準位置決定部１３により求められた負荷トルク基準位置決定値θｐｘと、機械角角度θｍにより負荷トルク補償パターンｆｈ（２）を演算する。

励磁電流指令値演算部１５’は、実行周波数演算部８により求められた実行周波数ｆｄにより励磁電流指令値ｉγ＊を求めている。

次に動作を、図１６の負荷トルク補償パターン演算部１４’のフローチャート図で説明する。図１６において、ＳＴＥＰ１５は実行周波数ｆｄと負荷トルク補償量振幅Δｆｈのテーブル（以下、ｆｄ−Δｆｈテーブルと呼ぶ）より、ｆｄに対応したΔｆｈを読み出す処理である。ｆｄ−Δｆｈテーブルの一例を図１７に示す。

ＳＴＥＰ１６は実行周波数ｆｄと負荷トルク基準位置補正量θａｄｊ’のテーブル（以下、ｆｄ−θａｄｊ’テーブルと呼ぶ）より、ｆｄに対応したθａｄｊ’を読み出す処理である。ｆｄ−θａｄｊ’テーブルの一例を図１８に示す。

ＳＴＥＰ１７は、式（３）による負荷トルク補償パターンｆｈ（２）を演算する処理である。
ｆｈ（２）＝Δｆｈ×ｓｉｎ｛θｍ−（θｐｘ＋θａｄｊ’）｝（３）

図１９の一次周波数演算部９’のタイミングチャート図において、（ａ）は負荷トルク、（ｂ）はδ軸電流の１次周波数成分、（ｃ）は機械角角度θｍ、（ｄ）は一次周波数ｆ１、（ｅ）は発生トルクである。図１６におけるＳＴＥＰ１５〜１７の処理を行うことで、負荷トルク補償パターンｆｈ（２）を生成し、負荷トルクパターンに対応した発生トルクを得る。

以上のように、シングルロータリ圧縮機を代表的な例とする圧縮機３の圧縮機メカ位置（機械的位置）と永久磁石同期電動機３ａのステータ及びロータの位置関係を規定し、負荷トルクと相関関係のあるパラメータであるδ軸電流又はδ軸電圧を用いて負荷トルク基準位置を推定する負荷トルク基準位置推定部１２と、負荷トルク基準位置推定部１２により推定した負荷トルク基準位置推定値と圧縮機メカ位置の規定関係により負荷トルク基準位置を決定する負荷トルク基準位置決定部１３と、１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターン演算部１４’を備え、負荷トルク基準位置決定部１３により決定した負荷トルク基準位置を基準に、負荷トルク補償パターン演算部１４’にて演算した負荷トルク補償パターンを用いて、実行周波数を制御することでインバータ２の出力電圧または電流を補正するようにしたので、負荷トルク基準位置を早く正確に決定することができ、負荷トルクパターンに追従した発生トルクを生成して、１回転中の負荷トルク変動に伴う速度変動を素早く抑制し、振動と騒音を抑制できる。

実施の形態３．
図２０〜２２は実施の形態３を示す図で、図２０はシングルロータリ圧縮機の縦断面図、図２１はシングルロータリ圧縮機に関し、吸入管に加速度ピックアップを取付て配管応力を測定する測定方法を示す概略図、図２２はシングルロータリ圧縮機の吸入管部分の配管応力の測定結果を示す図である。

実施の形態１又は実施の形態２で示したインバータ制御装置を用いて、実際にシングルロータリ圧縮機を駆動して、トルク制御の振動抑制効果を確認したので、その結果を以下説明する。

試験に用いた密閉型圧縮機は、図２０に示すような単気筒のシングルロータリ圧縮機４０であり、密閉容器４３内に圧縮部４２とともに収納される電動機４１に、実施の形態１又は実施の形態２で示した永久磁石同期電動機を用いた。

シングルロータリ圧縮機４０の振動測定方法は、図２１に示すように、密閉容器４３に接続される吸入マフラー付近の吸入管に加速度ピックアップを設置した。加速度ピックアップからの出力を増幅器を介し、周波数分析装置に入力し、１次の成分を抽出して配管応力を測定した。

測定結果を図２２に示す。図において、横軸はシングルロータリ圧縮機４０の運転周波数［Ｓ^−１］、縦軸は配管応力［Ｇ×１０^−３］である。図に示すように、実施の形態１又は実施の形態２で示したインバータ制御装置のトルク制御による、顕著な振動抑制効果が確認された。

実施の形態４．
図２３〜２６は実施の形態４を示す図で、図２３は空気調和機の室外機の正面図、図２４は同平面図、図２５は空気調和機の室外機の床加振力測定方法を示す図、図２６は空気調和機の室外機の床加振力測定結果を示す図である。

実施の形態３では、実施の形態１又は実施の形態２で示したインバータ制御装置を用いて、実際にシングルロータリ圧縮機を駆動して、トルク制御の振動抑制効果を確認したが、さらに、そのシングルロータリ圧縮機を用いた空気調和機の室外機の床加振力測定も行った。

図２３、２４に示すように、空気調和機の室内機５０は、実施の形態３で示したシングルロータリ圧縮機４０、熱交換器、送風機、電気品室等を備える。

空気調和機の室内機５０の床加振力測定は、図２５に示すように、空気調和機の室内機５０の下面支持台４ポイントの床加振力をセンサーで測定した。センサーからの信号を増幅器を介して周波数分析装置に取り込み、各ポイントの１次の成分を抽出する。４ポイントの加振力合計を床加振力［ｇｆ］とした。

測定結果を図２６に示す。図において、横軸はシングルロータリ圧縮機４０の運転周波数［Ｓ^−１］、縦軸は床加振力［ｇｆ］である。図に示すように、実施の形態１又は実施の形態２で示したインバータ制御装置のトルク制御による、顕著な振動抑制効果が確認された。

実施の形態５．
図２７は実施の形態５を示す図で、冷蔵庫の縦断面図である。図において、冷蔵庫６０の機械室は、背面の最下部に位置し、その機械室に密閉型圧縮機が設置されている。冷蔵庫６０は室内で使用されるものであり、密閉型圧縮機の振動を抑制することは、極めて重要である。

特に、密閉型圧縮機に、単シリンダーのシングルロータリ圧縮機４０を使用する場合は、その特有な振動が問題になることが多い。そこで、実施の形態１又は実施の形態２に示したインバータ制御装置のトルク制御を適用したシングルロータリ圧縮機４０を冷蔵庫６０に使用することで、振動抑制効果が期待できる。

以上の説明では、空気調和機と冷蔵庫を例に挙げたが、それ以外の冷凍空調装置においても、同様の効果が期待できる。

実施の形態１を示す図で、インバータ制御装置の概略ブロック図である。実施の形態１を示す図で、インバータ制御装置の詳細ブロック図である。実施の形態１を示す図で、シングルロータリ圧縮機の永久磁石同期電動機及び圧縮部の断面図である。実施の形態１を示す図で、負荷トルク基準位置推定部のブロック図である。実施の形態１を示す図で、別のインバータ制御装置の概略ブロック図である。実施の形態１を示す図で、別のインバータ制御装置の詳細ブロック図である。実施の形態１を示す図で、負荷トルク基準位置決定部のタイミングチャート図である。実施の形態１を示す図で、負荷トルク基準位置決定部のフローチャート図である。実施の形態１を示す図で、負荷トルク補償パターン演算部、励磁電流指令値演算部のフローチャート図である。実施の形態１を示す図で、実行周波数ｆｄと負荷トルク補償量振幅Δｉγ＊の関係を示す図である。実施の形態１を示す図で、実行周波数ｆｄと負荷トルク基準位置補正量θａｄｊの関係を示す図である。実施の形態１を示す図で、実行周波数ｆｄと励磁電流基準指令値ｉγ＊（１）の関係を示す図である。実施の形態１を示す図で、励磁電流指令値演算部のタイミングチャート図である。実施の形態１を示す図で、一般的な永久磁石同期電動機のベクトル線図である。実施の形態２を示す図で、インバータ制御装置のブロック図である。実施の形態２を示す図で、負荷トルク補償パターン演算部のフローチャート図である。実施の形態２を示す図で、実行周波数ｆｄと負荷トルク補償量振幅Δｆｈの関係を示す図である。実施の形態２を示す図で、実行周波数ｆｄと負荷トルク基準位置補正量θａｄｊ’の関係を示す図である。実施の形態２を示す図で、一次周波数演算部のタイミングチャート図である。実施の形態３を示す図で、シングルロータリ圧縮機の縦断面図である。実施の形態３を示す図で、シングルロータリ圧縮機に関し、吸入管に加速度ピックアップを取付て配管応力を測定する測定方法を示す概略図である。実施の形態３を示す図で、シングルロータリ圧縮機の吸入管部分の配管応力の測定結果を示す図である。実施の形態４を示す図で、空気調和機の室外機の正面図である。実施の形態４を示す図で、空気調和機の室外機の平面図である。実施の形態４を示す図で、空気調和機の室外機の床加振力測定方法を示す図である。実施の形態４を示す図で、空気調和機の室外機の床加振力測定結果を示す図である。実施の形態５を示す図で、冷蔵庫の縦断面図である。

符号の説明

１直流電源、２インバータ、３圧縮機、３ａ永久磁石同期電動機、３ｂ圧縮部、４ａ，４ｂ，４ｃ電流検出部、５インバータ制御部、６３相／２相座標変換部、７周波数補償部、８実行周波数演算部、９，９’ 一次周波数演算部、１０電気角角度演算部、１１機械角角度演算部、１２負荷トルク基準位置推定部、１２ａｓｉｎ成分抽出部、１２ｂｃｏｓ成分抽出部、１２ｃ，１２ｄフィルタ部、１２ｅｔａｎ^−１演算部、１３負荷トルク基準位置決定部、１４，１４’ 負荷トルク補償パターン演算部、１５，１５’ 励磁電流指令値演算部、１６出力電圧指令値演算部、１７２相／３相座標変換部、１８ＰＷＭ信号生成部、４０シングルロータリ圧縮機、４１電動機、４２圧縮部、４３密閉容器、５０空気調和機の室内機、６０冷蔵庫。

Claims

負荷トルクが周期的に変動する負荷要素を駆動し、２ｎ極（ｎは２以上の整数）以上の極数を有し、前記負荷要素の機械的位置との位置関係が規定された電動機を三相正弦波駆動で制御するインバータ制御装置において、
機械角角度とδ軸電流値又はδ軸電圧値より、前記δ軸電流値又は前記δ軸電圧値の１次周波数成分のピーク値の位相を求め、その値を負荷トルク基準位置推定値とする負荷トルク基準位置推定部と、
前記負荷トルク基準位置推定部により推定した前記負荷トルク基準位置推定値に基づいて、前記負荷要素の機械的位置の規定関係により予め定められたｎ個の負荷トルク基準位置の候補の中の一つを選択して負荷トルク基準位置として決定する負荷トルク基準位置決定部と、
１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターン演算部と、を備え、前記負荷トルク基準位置決定部により決定した負荷トルク基準位置を基準に、前記負荷トルク補償パターン演算部にて演算した負荷トルク補償パターンを用いて、前記インバータの出力電圧または電流を補正することを特徴とするインバータ制御装置。
前記負荷トルク基準位置推定部で用いる負荷トルクと相関関係のあるパラメータとして、前記インバータの三相正弦波駆動出力電流を３相／２相座標変換したトルク電流成分を用いることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
励磁電流指令値を制御することにより前記インバータの出力電圧または電流を補正することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
周波数を制御することにより前記インバータの出力電圧または電流を補正することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
前記負荷トルク補償パターンは、正弦波状であることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
前記インバータの周波数又は負荷の状態を検出できるパラメータ又はそれらの組合せを用いて、前記負荷トルク基準位置決定部により決定した負荷トルク基準位置を補正することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
前記インバータの周波数又は負荷の状態を検出できるパラメータ又はそれらの組合せを用いて、前記負荷トルク補償パターンを補正することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
前記負荷トルク基準位置決定部による負荷トルク基準位置の決定は、インバータ起動後１回のみとすることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
前記負荷トルク基準位置決定部による決定タイミングは、高回転時とすることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
前記負荷トルク基準位置決定部による決定タイミングは、起動直後とすることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
負荷トルクが周期的に変動する負荷要素を駆動し、２ｎ極（ｎは２以上の整数）以上の極数を有し、前記負荷要素の機械的位置との位置関係が規定された電動機を三相正弦波駆動で制御するインバータ制御方法において、
機械角角度とδ軸電流値又はδ軸電圧値より、前記δ軸電流値又は前記δ軸電圧値の１次周波数成分のピーク値の位相を求め、その値を負荷トルク基準位置と推定する工程と、
前記推定した負荷トルク基準位置に基づいて、前記負荷要素の機械的位置の規定関係により予め定められたｎ個の負荷トルク基準位置の候補の中の一つを選択して負荷トルク基準位置として決定する工程と、
１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターンを演算する工程と、
前記決定された負荷トルク基準位置を基準に、前記負荷トルク補償パターンを用いて、前記インバータの出力電圧または電流を補正する工程と、
を備えたことを特徴とするインバータ制御方法。
密閉容器内に設けられ、冷媒を圧縮して負荷トルクが周期的に変動する圧縮部と、
前記圧縮部を駆動し、該圧縮部機械的位置との位置関係が規定された２ｎ極（ｎは２以上の整数）以上の極数を有する電動機と、
前記電動機を三相正弦波通電で駆動するインバータと、
機械角角度とδ軸電流値又はδ軸電圧値より、前記δ軸電流値又は前記δ軸電圧値の１次周波数成分のピーク値の位相を求め、その値を負荷トルク基準位置推定値とする負荷トルク基準位置推定部と、前記負荷トルク基準位置推定部により推定した前記負荷トルク基準位置推定値に基づいて、前記負荷要素の機械的位置の規定関係により予め定められたｎ個の負荷トルク基準位置の候補の中の一つを選択して負荷トルク基準位置として決定する負荷トルク基準位置決定部と、１回転あたりの負荷トルク変動を補償する負荷トルク補償パターン演算部とを有し、前記負荷トルク基準位置決定部により決定した負荷トルク基準位置を基準に、前記負荷トルク補償パターン演算部にて演算した負荷トルク補償パターンを用いて、インバータの出力電圧または電流を補正するインバータ制御装置と、
を備えたことを特徴とする密閉型圧縮機。
前記圧縮部が、単気筒のシングルロータリ式のもので構成されたことを特徴とする請求項１２記載の密閉型圧縮機。
冷凍サイクルに、請求項１２記載の密閉型圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍空調装置。