(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内機と室外機とを備え、該室外機に、圧縮機を駆動する第１のブラシレスモータと、熱交換器に送風するためのファンを駆動する第２のブラシレスモータとを各々可変速駆動する第１のインバータと第２のインバータと、各々のブラシレスモータの回転子磁極位置を検出する手段とを具備した空気調和機において、
前記室外機が、前記磁極位置検出信号と回転数の指令値とに従って、前記第１および第２のブラシレスモータを可変速駆動する前記第１および第２のインバータの制御信号を出力するブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータと、前記室外機のシステム制御を行うシステム制御用の第２のマイクロコンピュータと、を具備し、
前記ブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータが、前記システム制御用の第２のマイクロコンピュータが出力する前記第１および第２のブラシレスモータの回転数指令と、前記第１および第２のブラシレスモータの磁極位置検出信号とを入力し、該磁極位置検出信号に従って前記第１および第２のブラシレスモータを可変速駆動し、前記ブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータから前記システム制御用の第２のマイクロコンピュータへ前記第１および第２のブラシレスモータの運転状態を伝達し、
前記システム制御用の第２のマイクロコンピュータが、
室内機からの運転指令と、外気温度とを入力して、冷媒を制御する弁の開閉命令と、
交流電源を整流した直流を昇圧して前記第１および第２のインバータに直流電圧を加える昇圧チョッパの直流電圧指令と、
前記圧縮機を駆動するブラシレスモータの回転数指令と、
ファンを駆動するブラシレスモータの回転数指令とを出力することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
請求項１に記載の空気調和機において、
前記ブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータが、前記第１および第２のブラシレスモータの磁極位置検出信号を１つの入力ポートから読込み、該磁極位置検出信号から前記第１および第２のブラシレスモータの磁極位置を推定し、該推定信号に基づいて前記第１および第２のインバータの通流信号を出力することを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
請求項２に記載の空気調和機において、
前記空気調和機が、ブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータと、システム制御用の第２のマイクロコンピュータとを有する制御装置を備えていて、
該制御装置のブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータが、第１および第２のブラシレスモータの磁極位置信号の組み合わせパターン情報を有する位置信号パターンテーブルと、前記第１および第２のインバータの通流信号の組み合わせ情報を有する通流信号パターンテーブルと、前記第１および第２のブラシレスモータの現在の位置信号パターンの組み合わせを示すポインタと、次に変化する可能性のある位置信号パターンの組み合わせを示す３種類のポインタとを有し、
検出した位置信号パターンの組み合わせが、該３つのポインタの何れかと一致した時点から所定の時間経過した後に、該一致ポインタに対応した通流信号パターンを前記第１および第２のインバータの通流信号として出力することを特徴とする空気調和機。
【請求項４】
複数個のブラシレスモータそれぞれを負荷とする複数のインバータと、該複数のインバータの駆動手段と、該複数のインバータの出力電圧から前記複数のブラシレスモータの磁極位置検出信号を生成する手段と、該磁極位置検出信号を入力し、該インバータの通流信号を出力するブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータと、システム制御用の第２のマイクロコンピュータとを具備した空気調和機の室外機の制御装置において、
該制御装置が、前記インバータのパワー素子を実装する第１の回路基板の上に前記ブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータを実装した第２の回路基板を重ねて配置し１つの樹脂ケース内に実装したモジュールと、該モジュールを搭載した第３の回路基板に実装したシステム制御用の第２のマイクロコンピュータとを備え、
該システム制御用の第２のマイクロコンピュータが、
室内機からの運転指令と、外気温度とを入力して、冷媒を制御する弁の開閉命令と、
交流電源を整流した直流を昇圧して前記第１および第２のインバータに直流電圧を加える昇圧チョッパの直流電圧指令と、
前記圧縮機を駆動するブラシレスモータの回転数指令と、
ファンを駆動するブラシレスモータの回転数指令とを出力することを特徴とする空気調和機の室外機の制御装置。
【請求項５】
室内機と、室外機とを備えた空気調和機において、
前記室外機が、
圧縮機とファンとを駆動する複数のブラシレスモータを各々駆動する複数のインバータと、該複数のインバータの駆動手段と、前記複数のインバータの出力端子間電圧から前記複数のブラシレスモータの位置検出信号を生成する手段と、該複数の位置検出信号を入力し、前記複数のインバータの通流信号を出力するブラシレスモータ駆動用の第１のマイクロコンピュータとを内蔵した半導体モジュールと、
前記室内機からの運転指令と外気温度とを入力して、冷媒を制御する弁の開閉命令と、交流電源を整流した直流を昇圧して前記複数のインバータに供給する昇圧チョッパの直流電圧指令と、前記圧縮機を駆動するブラシレスモータの回転数指令と前記ファンを駆動するブラシレスモータの回転数指令とを出力するシステム制御用の第２のマイクロコンピュータとを内蔵したことを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータで駆動される空気調和機およびブラシレスモータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年地球温暖化防止の点から、空気調和機においても省エネルギー化が強く求められるようになってきた。このため空気調和機室外機の圧縮機やファンを駆動するモータをブラシレスモータで可変速駆動する方式を採用し、高効率化を図る動向にある。両モータをブラシレスモータとした空気調和機の室外機の構成が例えば特開平8−35713号公報に記載されている。本従来技術の構成を図１１に示す。
【０００３】
マイクロコンピュータ８は、圧縮機用ブラシレスモータ５とファン用ブラシレスモータ７の位置検出回路９，１０の出力信号である位置検出信号から各ブラシレスモータ回転子の磁極位置を推定し、これにしたがってインバータ４とインバータ６のスイッチング素子を駆動するドライブ信号を生成して、ブラシレスモータの磁極位置に応じたスイッチング素子を通流させることにより、各ブラシレスモータを可変速駆動する。また、圧縮機用モータの回転数と負荷により決まる所定値に直流電圧を制御し、さらに整流回路２の入力電流を正弦波状に波形成形し、入力電流の高調波の低減と力率の改善も行うための昇圧チョッパ３のスイッチング素子３１の駆動信号を生成する。
【０００４】
以上のような処理を圧縮機用ブラシレスモータとファン用ブラシレスモータ毎に行うことによりインバータによる可変速駆動が可能になり、高効率な空気調和機を実現できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、マイクロコンピュータ８の機能として圧縮機用ブラシレスモータ５とファン用ブラシレスモータ７および昇圧チョッパ３の制御機能が開示されている。しかしながら、空気調和機室外機のシステムの制御全体について開示されていない。すなわちマイクロコンピュータ８は、２台のインバータ４，６およびブラシレスモータ５，７の制御だけではなく、冷媒を制御する各種弁の制御等の室外機全体を管理する必要がある。このため、マイクロコンピュータ８は、各々の機器の制御周期に合わせて各種の処理を時分割に処理しなければならない。したがって、従来技術ではマイクロコンピュータ８のソフトウエア構成が複雑化する。また空気調和機の冷凍サイクルの改善やシーケンスの変更を行う毎にマイクロコンピュータ８１の大規模なソフトウエアの変更が必要となり、機能変更のための工数が増大する問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を考慮し、本発明による空気調和機においては、室外機の制御回路を２台のブラシレスモータを制御するマイクロコンピュータと室外機全体の管理を行うマイクロコンピュータで構成する。ブラシレスモータ及びインバータ制御と室外機全体の運転を管理する機能を分離することで、各々のマイクロコンピュータのソフトウエア構造を簡略化し、室外機全体の制御を行うマイクロコンピュータのソフトウエア変更のみで、冷凍サイクルやシーケンスを変更できる。
【０００７】
また、ブラシレスモータを制御するマイクロコンピュータでは、２台のモータの位置検出信号を取り込み磁極位置の推定を一括して行う様にして、ブラシレスモータを制御するマイクロコンピュータの負荷の増大を抑えるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に本発明による実施形態を示す。図においてマイクロコンピュータ８１は、室内機からの運転指令と外気温度等の条件により、冷媒を制御する弁の開閉命令，昇圧チョッパの直流電圧指令，圧縮機の回転数指令，ファンの回転数指令を発生する。圧縮機用ブラシレスモータ５の回転数指令とファン用ブラシレスモータ７の回転数指令は、マイクロコンピュータ８１からマイクロコンピュータ８２に伝送される。これに対して圧縮機用ブラシレスモータとファン用ブラシレスモータの運転状態がマイクロコンピュター８２からマイクロコンピュータ８１に伝送される。
【０００９】
以上のマイクロコンピュータ８１とマイクロコンピュータ８２の機能分担構成を図２に示す。マイクロコンピュータ８１は、室内機からの運転指令にしたがって、室外機を構成する機器に、所定のシーケンスにしたがって、運転指令を与えると同時に各機器の運転状態とセンサからの情報を監視して、この情報を室内機に伝える。また室外機の機器に異常が発生した場合には、所定のシーケンスにより保護動作を各機器に命じる。
【００１０】
マイクロコンピュータ８２は、マイクロコンピュータ８１からの圧縮機の回転数指令とファンの回転数指令にしたがって、インバータ４，５を制御して、圧縮機用ブラシレスモータ５，ファン用ブラシレスモータ６をそれぞれ可変速駆動する。ブラシレスモータ制御の概略構成を図３に示す。本構成は圧縮機，ファンとも同様である。マイクロコンピュータ８２は、図１の位置検出回路９，１０の出力である位置検出信号を用いてブラシレスモータ５，７の磁極位置を推定し、それに応じたインバータ通流信号を生成する。また位置信号の周期から回転数を演算して、回転数指令と実回転数が一致するように出力電圧のＰＷＭ制御を行う。
次にブラシレスモータの磁極位置推定について説明する。図４は磁極位置の推定方法とインバータ通流信号生成を示したものである。なお本図に示した方法は、公知のものである。
【００１１】
ブラシレスモータは回転子の回転により、固定子巻線に図４（２）のような三相の誘起電圧が発生する。この誘起電圧が、回転子の磁極位置の情報を有する。この時インバータの通流すべきスイッチング素子は図４（１）に示すとおりである。図１の圧縮機側を例にすると、インバータ４の三相出力をＵ，Ｖ，Ｗと表し、各相のスイッチング素子の直流電圧＋側をそれぞれＵ+ ，Ｖ+ ，Ｗ+ と表し、−側をそれぞれＵ- ，Ｖ- ，Ｗ- と表わす。このように、インバータは磁極位置に応じて、電気角６０゜毎に通流する素子のパターンを切換える必要がある。なおインバータの通流パターンは、３６０゜を６０゜で分割した６種類である。ここでは図４（７）に示すように各スイッチング素子の通流状態をハイレベル，非通流状態をローレベルで表し、これらの組み合わせを図４（８）に示すように発生順に通流パターンとしてＤ１〜Ｄ６で表す。
【００１２】
通流パターンの切換えは図４（１）（２）に示すとおり、２つの相の誘起電圧が交差する時点である。しかし図４（２）に示す誘起電圧を直接検知することはできない。このため、以下に示すようにブラシレスモータの端子電圧から誘起電圧の交差時点を推定する方法が知られている。
【００１３】
モータの誘起電圧は、図４（３）に示すように１周期のうち、２度の非通流の６０゜期間のうち、ダイオード通流期間を除く期間にモータの端子電圧に現れる。例えばＵ相では、図中の▲１▼と▲２▼がスイッチング素子Ｕ+ ，Ｕ- がいずれも通流しない非導通期間で、このうち▲３▼と▲４▼がダイオード通流期間，▲５▼と▲６▼が誘起電圧が現れる期間である。位置検出回路は、モータ端子電圧を基準電圧（例えば直流電圧の中間値あるいはインバータ出力の中性点電位）と比較して、図４（４）の位置検出信号を生成する。この信号は誘起電圧の極性が反転する時点ＡおよびＢの情報を含む。マイクロコンピュータ８２は位置検出信号を取り込み、時点ＡおよびＢを判断する。Ａ点を判断する場合、ダイオードの通流期間▲３▼と誘起電圧極性反転以降の▲７▼の位置検出信号のパターンが一致するため、期間▲３▼と▲７▼を区別する必要がある。またブラシレスモータの回転数を制御するため、インバータ出力電圧のＰＷＭ制御を行った場合、モータ端子電圧波形が変化し、位置検出信号が影響を受ける。このためＰＷＭ制御の影響を除去して位置信号を生成する必要があるが、その方法は既に開示されており説明を省略する。公知の方法により、位置検出信号から図４（５）に示すような誘起電圧の極性に相当する位置信号を生成する。各相の位置信号の組み合わせを図４（６）に示すとおり、Ｐ１〜Ｐ６の６種類のパターンで表す。
【００１４】
この誘起電圧極性が反転する時点、すなわち位置信号パターンが変化した時点から、電気角３０゜後をインバータの通流相を変化すべき時点と判断して、インバータの通流信号を変化させる。なおインバータの通流信号のパターンも図４  （８）に示すとおり、位置信号パターンに対応してＤ１〜Ｄ６で表す。
【００１５】
本実施形態のマイクロコンピュータ８２の圧縮機用ブラシレスモータ５，ファン用ブラシレスモータ６の位置検出と通流信号生成のフローチャートを図５に示す。ブラシレスモータを高効率に駆動するためには、高精度な位置検出が必要であり、通常数マイクロ秒程度の一定時間毎にマイクロコンピュータに割込を要求して、圧縮機側の位置検出信号を取り込む。取り込んだ位置検出信号からダイオードの通流期間とＰＷＭによる影響を除去して位置信号を生成し、現在の位置信号パターンを判断する。位置信号パターンが次に来るべき位置パターンと一致した場合には、その時点から３０゜を経過したか否かを判定する。３０゜を経過した場合には位置信号パターン対応したインバータの通流信号を出力する。また、次に来るべき位置信号パターンをセットし、さらに３０゜を計時するタイマをセットする。圧縮機側の処理後ファン側も圧縮機側と全く同じ処理を行う。
【００１６】
本実施形態によれば、ブラシレスモータ及びインバータ制御と室外機全体の運転を管理する機能を分離することで、マイクロコンピュータ８１，８２のソフトウエア構造を簡素化できる。これにより空気調和機室外機の冷凍サイクルの制御やシーケンスの変更をマイクロコンピュータ８１のソフトウエア変更のみで容易に対応できるので、機能変更時の工数を低減することができる。
【００１７】
図１に示す実施形態では、図１１の従来技術に対して、昇圧チョッパ３の制御回路とインバータ４，６のＰＷＭ信号合成をマイクロコンピュータの外部で行っている。マイクロコンピュータ８１，８２の負荷を軽減する効果があるが、これらをマイクロコンピュータ内部で処理することも可能である。
【００１８】
本発明による他の実施形態を図６に示す。本実施形態は図１に示す実施形態において、圧縮機側とファン側に位置検出処理を一括に処理するものであり、図６はマイクロコンピュータ８２での位置検出処理と通流信号生成の部分の構成を示したものである。本実施形態では、マイコロコンピュータ８２は、圧縮機側の位置検出信号とファン側の位置検出信号を８ビットの入力ポート８２１から一括して取り込む。その後２組の位置検出信号を一括に処理して、圧縮機側とファン側の位置信号を生成し、各々のインバータ４，６の通流信号を生成し、８ビットの出力ポート８２２，８２３にそれぞれ出力する。
【００１９】
本実施形態の詳細な動作を図６，図７，図８により説明する。図７は図６に示すメモリ８２４に格納されている位置信号パターンテーブルと通流信号パターンテーブルの構成とＣＰＵ８２５に保持されている現在位置ポインタ，次位置ポインタ１，次位置ポインタ２，次位置ポインタ３の構成を示す。なお図６では現在位置ポインタ，次位置ポインタ１，次位置ポインタ２，次位置ポインタ３を    ＣＰＵ８２５のレジスタに格納している場合を示しているが、メモリ８２４に保持することも可能である。図８は位置検出と通流信号生成のフローチャートを示す。
【００２０】
図６に示すように、マイクロコンピュータ８２は入力ポート８２１から圧縮機側位置検出信号とファン側位置検出信号を６ビットの信号として同時に取り込む。この信号からＣＰＵ８２５はソフトウエア処理により、公知の方法でダイオード通流期間とＰＷＭの影響を取り除いて、圧縮機側とファン側の位置信号を６ビットのデータとして生成する。マイクロコンピュータ８２のメモリ８２４には図７(ａ)に示す様に、圧縮機用ブラシレスモータ５の位置信号パターンＰ１〜Ｐ６とファンブラシレス用モータ７の位置信号パターンＰ１′〜Ｐ６′の組み合わせを６ビット信号のパターンとして、３６種類のパターンを位置信号パターンテーブルに持つ。同様に図７(ｂ)に示す様に、圧縮機側インバータ４の通流信号パターンＤ１〜Ｄ６とファン側インバータ６の通流信号パターンＤ１′〜Ｄ６′の組み合わせを１２ビット信号のパターンとして、３６種類のパターンを通流信号パターンテーブルに持つ。なお、位置信号及び通流信号パターンは、図４(６)(８)に示すとおりである。
【００２１】
位置信号パターンテーブルと通流信号パターンテーブルのアドレスは、圧縮機用ブラシレスモータ５の位置信号パターンＰ１〜Ｐ６とファン用ブラシレスモータ７の位置信号パターンＰ１′〜Ｐ６′の組み合わせをポインタで表す。本実施形態では、図７に示すように、圧縮機側とファン側のパータン番号の組み合わせをポインタとしている。図７（ｃ）の現在位置ポインタは、現在の圧縮機用ブラシレスモータ５の位置信号パターンとファン用ブラシレスモータ７の位置信号パターンのパターン番号の組み合わせを示すポインタである。現在の位置パターンに対して次に来る位置信号パターンは、圧縮機側の位置パターンのみが変化する場合、ファン側の位置パターンのみが変化する場合、圧縮機側とファン側のパターンが変化する場合の３通りが考えられる。本実施形態では、図７（ｄ)〜(ｆ)に示す様に現在位置ポインタをもとにそれぞれのケースを次位置候補ポインタ１〜３に保持している。
【００２２】
図７に示す位置信号パターンテーブルと通流信号パターンテーブルおよびポインタを使った位置検出と通流信号出力の手順を図８により説明する。
【００２３】
マイクロコンピュータ８２は、図６に図示しないタイマにより数マイクロ秒の一定間隔で割込を発生し図８に示す処理を行う。割込発生後、割込を禁止して、入力ポート８２１から圧縮機側位置検出信号とファン側位置検出信号を一括して読み込む。次にダイオード通流期間とＰＷＭの影響を除いて位置信号を生成する。生成した位置信号パターンを次位置候補ポインタ１に対応する位置信号パターンと比較する。一致した場合には、圧縮機側の位置信号のみが変化したことを示す。その場合は、タイマ８２６を用いて、位置パターンの変化時点から３０゜経過したことを確認する。確認後、パターンに対応した通流信号を出力ポート822,８２３に出力し、現在位置パターンの更新と、次の圧縮機３０゜をセットする。図８（１）には、これを（２）に示す処理Ｘと記述している。
【００２４】
次位置候補ポインタ１に対応する位置信号パターンと一致しない場合、あるいは一致しても３０゜経過していない場合には、位置信号パターンと次位置候補ポインタ２に対応する位置信号パターンを比較する。一致した場合には、ファン側の位置信号のみが変化したことを示す。その場合は、変化時点から３０゜経過したことを確認する。確認後、パターンに対応した通流信号を出力し、現在位置パターンの更新と、次のファン３０゜をセットする。図８（１）には、これを(３)に示す処理Ｙと記述している。
【００２５】
次位置候補ポインタ２に対応する位置信号パターンと一致しない場合、あるいは一致しても３０゜経過していない場合には、位置信号パターンと次位置候補ポインタ３に対応する位置信号パターンを比較する。一致した場合には、圧縮機側とファン側の位置信号が変化したことを示す。その場合は、変化時点から圧縮機側が３０゜経過したことを確認する。確認後、処理Ｘを実行する。圧縮機側が３０゜経過していない場合には、ファン側が３０゜経過したことを確認する。確認後、処理Ｙを実行する。
【００２６】
図８に示す処理では、圧縮機とファンが同じ回転数で、位置パターンの変化が同時に起きた場合の処理が記載されていないが、通常圧縮器はファンより回転数が大きいので、そのケースは考慮する必要はない。
【００２７】
本実施形態によれば第１の実施形態に比べ、位置検出処理の処理量を低減できるため、マイクロコンピュータ８２の負荷を低減できる。このため、第１の実施形態に新たな機能をマイクロコンピュータ８２追加することが可能である。あるいは、第１の実施形態に比べマイクロコンピュータ８２を低価格のもので実現できる。
【００２８】
図９および図１０に本発明による別の実施形態を示す。図９は図１に示した実施形態において、太線で囲んだ部分をモジュール構造にしたものである。本実施形態では、図９に示すように、インバータを実装する基板１とマイクロコンピュータを実装する基板２を２階建構造にして、これらを樹脂ケース内に納めたものである。基板１には、インバータ４，６を構成するパワー素子の様な発熱量の大きい部品と駆動回路や電圧検出回路などの高電圧が印加される部品を実装する。基板２には、マイクロコンピュータやその周辺部品などの低電圧，低電力部品を実装する。
【００２９】
図１０は、本モジュールとマイクロコンピュータ８１とを室外機の同じ制御基板に実装している空気調和機を示す。本実施形態によれば、空気調和機の室外機の高密度実装化が可能で電力配線を短縮できるので、配線から放射される電磁ノイズの低減と室外機の小型化が可能になる。
【００３０】
尚以上の実施形態では、空気調和機室外機を例に記載しているが、冷蔵庫ほか複数のブラシレスモータを駆動する装置についても、本発明を適用することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明により、モータ及びインバータ制御と室外機全体システム制御の機能を分離して２個のマイクロコンピュータで構成することにより、空気調和機室外機を制御するマイクロコンピュータのソフトウエア構成を簡略化でき、システム制御用マイクロコンピュータのソフトウエアの変更のみで容易に冷凍サイクルやシーケンス機能変更を行えるので、機能変更時の工数を低減することができる。
【００３２】
また本発明により、モータ及びインバータ制御用マイクロコンピュータにおいて、２台のブラシレスモータの位置検出処理を一括処理できるので、マイクロコンピュータの負荷を軽減できる。
【００３３】
さらに本発明により、空気調和機室外機のインバータ及び制御回路を集積化できるので、空気調和機室外機の小型，低ノイズ化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空気調和機室外機の回路構成図。
【図２】本発明による空気調和機室外機の機能構成図。
【図３】本発明によるブラシレスモータ制御の機能構成図。
【図４】ブラシレスモータの磁極位置検出およびインバータ通流信号生成説明図。
【図５】本発明による位置検出処理のフローチャート。
【図６】本発明によるマイクロコンピュータのブラシレスモータの磁極位置検出およびインバータ通流信号生成の機能構成図。
【図７】本発明による位置信号パターンテーブル，通流信号パターンテーブルおよびポインタの構成図。
【図８】本発明による位置検出処理のフローチャート。
【図９】本発明によるブラシレスモータ駆動用モジュールの構成図。
【図１０】本発明による空気調和機の構成図。
【図１１】従来技術による空気調和機室外機の回路構成図。
【符号の説明】
４，６…インバータ、５，７…ブラシレスモータ、９，１０…位置検出回路、８１，８２…マイクロコンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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