(57)【要約】      （修正有）【課題】インバータ手段の制御を安定して行えるようにして、最適かつ安定に駆動させることができる電動機の駆動装置等を得る。【解決手段】直流電源１０による直流電圧を変換して電動機８に交流電圧を印加するインバータ手段９と、直流電源１０とインバータ手段９との間に接続されたシャント抵抗１４と、シャント抵抗１４の両端電圧のピーク値を、コンデンサに充電して保持するための充電手段と、充電手段に充電された電荷を第一の時定数にて放電するための放電手段と、シャント抵抗１４に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出した電流が所定の値となるように、インバータ手段９が電動機８に印加する交流電圧の周波数を制御するインバータ制御手段１１とを備える。【選択図】図１
2011050202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源による直流電圧を変換して電動機に交流電圧を印加するインバータ手段と、
前記直流電源と前記インバータ手段との間に接続されたシャント抵抗と、
コンデンサを有し、充電により前記シャント抵抗の両端電圧のピーク値を前記コンデンサに保持させる充電手段と、
前記コンデンサと並列に接続され、前記コンデンサに充電された電荷を第一の時定数にて放電させる放電手段と、
前記シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段と、
該電流検出手段が検出した電流が所定の値となるように、前記インバータ手段が前記電動機に印加する交流電圧の周波数を制御するインバータ制御手段と
を備えることを特徴とする電動機の駆動装置。
【請求項２】
前記第一の時定数は、前記インバータ手段が前記電動機に印加する交流電圧の周期の１／６倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の電動機の駆動装置。
【請求項３】
前記電流検出手段は、前記両端電圧のピーク値と前記シャント抵抗の抵抗値とに基づいて電流を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の駆動装置。
【請求項４】
前記電流検出手段は、検出に係る前記電流を、第二の時定数を有するローパスフィルタにより平滑するローパスフィルタ手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
【請求項５】
前記第二の時定数は前記第一の時定数よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の電動機の駆動装置。
【請求項６】
前記ローパスフィルタ手段は、前記ローパスフィルタが平滑した電流をさらに補正することを特徴とする請求項４または５に記載の電動機の駆動装置。
【請求項７】
前記電流検出手段は、検出に係る前記電流の最大値を検出する最大値検出手段および該最大値検出手段が検出した前記電流の最大値を第三の時定数にて減衰させる減衰手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
【請求項８】
前記第三の時定数は前記第一の時定数よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の電動機の駆動装置。
【請求項９】
前記電流検出手段は、電動機の運転状況に基づいて、検出に係る前記電流の値を補正する電流検出値補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８に記載の電動機の駆動装置。
【請求項１０】
電流検出値補正手段は、前記インバータ手段が電動機に印加する交流電圧の周波数に基づいて、前記電流の値を補正することを特徴とする請求項９に記載の電動機の駆動装置。
【請求項１１】
ファンを回転させる前記電動機を駆動させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載した電動機の駆動装置を、室外機に備えた熱交換器における熱交換を促す送風ファンを回転させる電動機を駆動させるために備えることを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電圧を制御しながら電動機（モータ）を駆動させる電動機の駆動装置等に関するものである。特に冷凍サイクル装置である空気調和装置において、暖房運転時に凝縮器等となる室外熱交換器に送風して空気との熱交換を行わせるための室外ファン（送風機）を回転させる電動機を駆動する装置に適するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、インバータ手段等を有する駆動装置が、電動機に印加する電圧（供給する電力）の制御を行い、電動機に所望する駆動を行わせている。例えば、空気調和装置においては、送風機を有し、熱交換器を流れる冷媒と例えば空気等との熱交換を効率よく行うようにしている。このとき、インバータ手段を介してファンモータを回転させる電動機に電圧印加することで、ファンの回転を制御するようにしている。
【０００３】
従来の空気調和装置において、直流電圧をインバータ手段でスイッチングしてファンモータに印加し、ファンモータを目標回転数に制御する一方、インバータ手段の入力電流に応じて目標回転数を所定値だけ可変できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、暖房運転時に、室外熱交換器への着霜が検知または推定されたとき、室外ファンの回転数を低くするための着霜時ファン制御を除霜運転の前に行い、暖房運転を継続させるものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−５１４５４号公報（第１頁、第１図）
【特許文献２】特開２００９−５８２２２号公報（第１項、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術については、インバータ手段の入力電流はインバータ手段の出力する周波数の６倍の周波数で脈動している。このような脈動した電流を検出してインバータ手段の制御を行い、ファンの回転を制御する場合、制御が安定せず回転数が不安定となり、例えば騒音が発生するという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２の技術においては、着霜の進行速度は外気温、外気湿度、室外ファンモータの回転数により変化するため、正確な着霜量の検出および推定は困難である。そのため、熱交換器の通風抵抗増加に対して、回転数を低下できず、室外ファンモータの電流が増加し、モータの減磁や過電流遮断による運転停止による性能悪化が課題である。
【０００８】
さらに、強風などの外的要因による室外ファンモータの負荷が増加しても、回転数の制御ができないため、室外ファンモータに流れる電流が増加する。そのため、モータの減磁や過電流遮断による運転停止による性能悪化が課題となる。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、インバータ手段の制御を安定して行えるようにして、最適かつ安定に駆動させることができる電動機等を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電動機の駆動装置は、直流電源による直流電圧を変換して電動機に交流電圧を印加するインバータ手段と、直流電源とインバータ手段との間に接続されたシャント抵抗と、シャント抵抗の両端電圧のピーク値を、コンデンサに充電して保持するための充電手段と、充電手段に充電された電荷を第一の時定数にて放電するための放電手段と、シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出した電流が所定の値となるように、インバータ手段が電動機に印加する交流電圧の周波数を制御するインバータ制御手段とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電動機の駆動装置では、充電手段がシャント抵抗の端子電圧におけるピーク電圧を保持するようにし、このピーク電圧に基づいて電流値、電動機のモータの回転数決定を行うようにしたので、電流のピーク値を安定して検出することができ、回転数指令値等を算出して電動機の制御を行うことができる。このため、電動機のモータの回転数を安定することができ騒音等の発生防止、電流一定制御等、安定した電動機の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の構成図である。
【図２】電圧保持手段１５の構成を示す図である。
【図３】電圧保持手段１５の動作による電圧の関係を示す図である。
【図４】インバータ制御手段１１の構成を示す図である。
【図５】位置・速度推定手段１９の動作を示す図である。
【図６】電流検出手段２０の構成を示す図である。
【図７】回転数指令演算手段２１の構成を示す図である。
【図８】電圧制御手段２２の構成を示す図である。
【図９】電圧制御手段２２の動作を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の制御動作を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の電流検出手段２０の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の電流検出手段２０の出力を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３の電流検出手段２０の構成を示す図である。
【図１４】ピークホールド手段３１の動作を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態３の電流検出手段２０の出力を示す図である。
【図１６】シャント電圧のパルスＤｕｔｙと誤差との関係を示す図である。
【図１７】電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示す図である。
【図１８】本発明の電流検出誤差発生時の動作を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態４のインバータ制御手段１１の構成を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態４の電流検出手段２０の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における電動機の駆動装置を中心とする空気調和装置の構成を示す図である。本実施の形態では、セパレート型の空気調和装置を例にとって説明する。
【００１４】
図１において、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４および室内熱交換器５が冷媒配管６を介して取り付けられ、各種冷媒を循環させる冷媒回路を構成している。そして、冷媒が、蒸発、凝縮するときに、熱交換対象となる空気等に対して吸熱、放熱することを利用し、管内を通過する冷媒の圧力を変化させながら空気調和運転等を行っている。
【００１５】
また、本実施の形態の空気調和装置は、室外熱交換器３に送風し、冷媒と空気との熱交換を行わせるための送風ファン７と、これを動作させる電動機８とを有している。電動機８に電圧を印加して駆動させるインバータ手段９は、スイッチング素子９ａ〜９ｆを有する回路（装置）である。直流電源１０からの電源供給により変換動作し、電気的に接続された電動機８に電圧を印加し、電力供給を行う。また、インバータ手段９は、制御入力端がインバータ制御手段１１と接続されており、インバータ制御手段１１によって動作が制御される。
【００１６】
さらに、直流電源１０による直流電圧値Ｖｄｃを検出する直流電圧検出手段１２、電動機８の磁極位置（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）を検出する磁極位置検出手段１３を有している。また、インバータ手段９と直流電源１０の間に設けられたシャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈのピーク電圧Ｖｃを検出し、保持する電圧保持手段１５を備える。
【００１７】
インバータ制御手段１１は直流電圧検出手段１２、磁極位置検出手段１３、電圧保持手段１５の出力に基づいて、ＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）を生成する。インバータ手段９において、ブリッジ結線されたスイッチング素子９ａ〜９ｆを駆動させて、電動機８に印加する電圧を制御する。
【００１８】
図２は電圧保持手段１５の構成例を示す図である。ここで、シャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈは、インバータ手段９におけるスイッチング素子９ａ〜９ｆの切り替えタイミングと電動機８に流れる電流に応じて間欠的に変化する。そのため、例えば端子電圧Ｖｓｈに基づいて、マイクロコンピュータ（マイコン）等により電流のピーク値を直接的に検出しようとすると、スイッチングのタイミングに同期して検出する必要がある。このため、検出方法が複雑となり、処理速度の高い高価なマイコンが必要となる。
【００１９】
そこで、図２に示すように、本実施の形態の電圧保持手段１５では、逆流防止手段１６、充電手段１７および放電手段１８によるピーク電圧Ｖｃの検出、保持を行う。電圧保持手段１５においては、端子電圧Ｖｓｈに基づいて供給される電荷を逆流防止手段１６を介して充電手段１７に充電する。これにより、充電手段１７は、間欠的に変化する端子電圧Ｖｓｈのピーク電圧Ｖｃを、充電に係る電圧として保持しておくことができるようになる。また、逆流防止手段１６はピーク電圧Ｖｃにより、入力側に電流が逆流することを防ぐ。そのため、信頼性を高めることが可能である。ここで充電手段１７は、放電させない限り、充電されたままとなる。このままだと、軽負荷となり電圧が低下した場合、ノイズ等が発生した場合等でも、高い電圧で保持され続ける可能性がある。そこで、充電手段１７と並列に放電手段１８を設け、充電手段１７が蓄えた電荷を所定のタイミングで放電させるようにする。このため、端子電圧Ｖｓｈの電圧低下、ノイズ等に係る電圧の影響を排除することができ、信頼性を高めることが可能となる。
【００２０】
図３は電圧保持手段１５の動作を説明するための電圧の関係を示す図である。図３に示すように、電圧保持手段１５が、スイッチング素子９ａ〜９ｆの切り替えタイミング等に関係なく、シャント電圧Ｖｓｈのピーク電圧Ｖｃを検出することが可能となる。このため、高段の手段において、処理能力が低い安価なマイコンを使用して電流のピーク値検出を行っても、問題なく電流のピーク値を検出することが可能となるため、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
ここで、図２のように逆流防止手段１６をダイオードとし、また、充電手段１７をコンデンサとして実現することが可能である。そして、放電手段１８については、充電手段１７に並列に放電抵抗を接続することができる。また、充電手段１７に並列に短絡手段を設けることにより充電手段１７に蓄えられた電荷を放電させることが可能である。今回は代表的な手段を記載したが、その他同様の機能を有するものであれば他の手段でもよい。
【００２２】
ここで、充電手段１７をコンデンサにより、放電手段１８を抵抗によって構成した場合、コンデンサの静電容量Ｃと抵抗の抵抗値Ｒとの積を第一の時定数として、コンデンサに蓄えられた電荷の放電がなされる。そのため、第一の時定数を小さくしすぎると、すぐにコンデンサに溜まった電荷が放電されてしまい、正確にピーク電圧Ｖｃを検出することができなくなる。また、図３に示すように、端子電圧Ｖｓｈの包絡線は電動機８に流れる電流の６倍の周波数で脈動することになるため、第一の時定数が小さいとピーク電圧Ｖｃの波形にも脈動が表れる恐れがある。そこで、第一の時定数が電動機８の運転周期の１／６倍以上となるような静電容量Ｃ、抵抗値Ｒのコンデンサ、抵抗を設けるようにする。
【００２３】
図４はインバータ制御手段１１の構成を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のインバータ制御手段１１は、位置・速度推定手段１９、電流検出手段２０、回転数指令演算手段２１、電圧制御手段２２を備えている。そして、直流電圧検出手段１２の検出に係る直流電圧Ｖｄｃ、磁極位置検出手段１３の検出に係る出力（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）、電圧保持手段１５からのピーク電圧Ｖｃに基づいて、６種類のＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ，ＷＮ）を出力する。ここで、インバータ制御手段１１について、特に限定するものではないが、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit ）等を有するマイコンで構成することができる。このとき、各手段の処理手順をプログラムとして記憶装置（図示せず）に記憶しておき、プログラムを実行することで、各手段の機能を実現する。
【００２４】
図５は位置・速度推定手段１９の構成を示す図である。ここでは、磁極位置検出手段１３がホールセンサの場合における位置・速度推定手段１９の動作について説明する。ホールセンサの出力は電動機８の回転子の磁極位置に応じて、略１８０［ｄｅｇ］おきにＨＩＧＨ（＝１）とＬＯＷ（＝０）とが繰り返される。そして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相において互いに１２０度位相が異なる信号が出力される。ここで、Ｕ相の立ち上がりから次の立ち上がりまでが電気１周期（運転周期）となり、その間に周期Ｔｓでｎ回の制御を行ったものとする。このとき、電気１周期をｎ×Ｔｓで表すことができ、この逆数をとれば電気周波数を求めることができる。そして、電気周波数に２πを乗ずることで電気角周波数である電動機８の回転電気角周波数ωを得ることができる。さらに、電動機８の極対数を乗ずることで機械回転数を求めることも可能である。
【００２５】
次に、Ｕ相のホールセンサ出力Ｈｕの立ち上がりを０度に設定した場合の磁極位置θの求め方について説明する。Ｕ相のホールセンサ出力Ｈｕの立ち上がりを０度に設定した場合、（Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ）＝（１，０，１）の場合を０［ｄｅｇ］、（１，０，０）を６０［ｄｅｇ］、…、（０，０，１）を３００［ｄｅｇ］としてθｈを検出する。θｈは階段状になるため、前述の求めた回転電気角周波数ωに基づいて制御周期Ｔｓ毎に加算する角度を求めて、θｈに加算する。この結果、図５中に示すように０［ｄｅｇ］から３６０［ｄｅｇ］までリニア（線形）に変化する磁極位置θを得ることができる。
【００２６】
図６は電流検出手段２０の構成を示す図である。本実施の形態の電流検出手段２０は、電圧電流変換手段２３および制限手段２４を備える。電圧電流変換手段２３は電圧保持手段１５からのピーク電圧Ｖｃとシャント抵抗１４における抵抗値Ｒｓｈとに基づいて、シャント抵抗１４に流れる電流のピーク値を、オームの法則（Ｉ＝Ｖｃ／Ｒｓｈ）により求める。求めた電流はノイズ等の影響により過電流遮断値を超えるような想定外の電流となる場合がある。過電流遮断値を超える電流を制限手段２４において制限することで、最終的に電流値Ｉとして検出する。
【００２７】
ここでは電圧電流変換手段２３で電流を求めた後に、制限手段２４にて電流値を制限するようにしたが、例えば制限手段２４にてピーク電圧Ｖｃを所定の電圧値に制限した後に、電圧電流変換手段２３にて電流Ｉを検出するようにしてもよい。
【００２８】
図７は回転数指令演算手段２１の構成を示す図である。回転数指令演算手段２１は、定電流回転数演算手段２５および回転数指令制限手段２６を備える。定電流回転数演算手段２５は、電流検出手段２０の出力である電流値Ｉと予め設定した電流制御値Ｉ＊との偏差に基づいて、比例積分（ＰＩ）制御法により、シャント抵抗１４に係る電流のピーク値が電流制御値Ｉ＊になるような回転数指令値を求める。ここで、過電流遮断に陥ることがないようにするため、電流制御値Ｉ＊は過電流遮断値より低い値に設定する必要がある。
【００２９】
また、騒音や運転性能低下が懸念されるモータ回転数にしないようにするため、本実施の形態では、回転数指令制限手段２６にて要求された回転数範囲内に制限する。このため、電流に合わせた最適な回転数指令値ω＊にて回転させることが可能であり、外風や着霜等の電動機８の負荷が大きくなる条件下でも過電流遮断による運転停止が発生することなく、安定した運転が可能となる。
【００３０】
ここで、本実施の形態では、比例積分制御法により回転数指令値を求める方法について説明を行ったが、電流を一定に保つための方法であれば、その他の制御方法を用いても何ら問題ないことは言うまでもない。
【００３１】
図８は電圧制御手段２２の構成を示す図である。電圧制御手段２２は、電圧指令振幅演算手段２７、三相電圧指令演算手段２８およびＰＷＭ生成手段２９を備える。電圧指令演算手段２７は、回転電気角周波数ωと回転数指令値ω＊との偏差に基づいて、例えば比例積分制御によって電圧指令振幅Ｖ＊を求める。これにより、回転数指令値ω＊と一致する回転電気角周波数ωにて運転が可能となる。
【００３２】
図９は電圧制御手段２２（特に三相電圧指令演算手段２８およびＰＷＭ生成手段２９）の動作を示すための図である。三相電圧指令演算手段２８は、電圧指令振幅Ｖ＊、直流電圧値Ｖｄｃおよび磁極位置θに基づいて、電動機８の各相に印加する電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を次式（１）〜（３）に基づいて求める。ここで、θｖは印加電圧位相を表し、磁極位置θと磁極位置θに対する進み位相角θｆの和によって表される。このθｆを最適に設定することにより、最適な位相で電圧を印加することが可能となり、電動機８の運転効率向上に寄与することが可能である。
【００３３】
【数１】
2011050202.tif 000003
【００３４】
ここでは、基本的な電圧指令値生成方法として、式（１）〜（３）に基づいて電圧指令値を求める方法で説明を行ったが、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調、三相変調や二相変調等により電圧指令値を求めるようにしても何ら問題ないことは言うまでもない。
【００３５】
ＰＷＭ生成手段２９は、式（１）〜（３）により得られた三相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と振幅が１の三角波キャリアとの大小関係に基づいてＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）を生成する。このＰＷＭ信号によりインバータ手段９のスイッチング素子９ａ〜９ｆをスイッチング動作させることにより、電動機８に電圧指令値に基づいた電圧を印加することができる。
【００３６】
図１０は実施の形態１に係る電動機８のモータ回転数と制御の関係を示す図である。例えば、空気調和装置の暖房運転時は、一般的に室外機の周囲温度は低く、空気密度が高いため、送風ファン７の駆動に必要な電動機８の出力トルクが大きくなり、流れる電流も多くなる。加えて、室外熱交換器３に着霜があると、空気の流路（風路）を塞ぐため、送風ファン７を駆動させるために必要なトルクが駆動時間経過と共に増加する。
【００３７】
従来の制御においては、図１０（ａ）に示すように回転数が一定になるようにして電動機８を制御するようにしていたため、例えば駆動時間の経過と共に進行する着霜量に応じて、電流値がＩ０からＩ１に増加していた。そのため、過電流遮断値に達しないように電動機８の回転数をＮ０に維持しておく必要があり、回転数の増加等によって、暖房能力の向上を図ることが困難であった。
【００３８】
そこで、図１０（ｂ）に示すように、電動機８に供給する電流が一定になるように制御することで、着霜が進んでいない軽負荷時にも、過電流遮断値に達しないような電流Ｉ１を供給し、その分、電動機８の回転数を増加させて暖房能力を向上させることを考える。上述したように、本実施の形態では、安定した電流のピーク値検出を行うことができるので、過電流遮断値に到達しないように、電流値を一定（例えばＩ１一定）にする制御を行うことが可能である。このため、着霜が進行していない軽負荷時の回転数を、従来のＮ０から最大Ｎ１まで増加させることが可能となる。これにより、室外熱交換器における熱交換の効率を良くすることができ、暖房能力を向上させることが可能な空気調和装置を得ることが可能となる。
【００３９】
また、例えば、送風ファン７に対して、送風方向と逆方向の風（いわゆる向かい風）が吹くと電動機８の負荷が増大することがある。従来制御の場合には、電流値を増大させて電動機８のモータ回転数を一定にするため、過電流遮断により電動機８が停止し、効率良く熱交換ができず、能力が低下する場合があった。実施の形態１の空気調和装置においては、電動機８に供給する電流が一定になるように制御しているため、例えば、向かい風が発生して回転数が低下しても電流値が増大することなく、風が止まった場合には電流値に合わせて回転数が増加することで運転を継続させることが可能となる。このため、信頼性が高く、能力を向上させることができる空気調和装置を得ることが可能である。
【００４０】
さらに、室外熱交換器３は経年劣化、埃などの蓄積により塞ぎ状態となり、送風ファン７を駆動するために必要なトルクが増大する場合においても、電流値一定となる最適な回転数で運転可能であるため、信頼性が高く、能力向上が可能な空気調和装置を得ることが可能である。
【００４１】
以上のように、実施の形態１の電動機の駆動装置においては、電圧保持手段１５が、シャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈのピーク電圧Ｖｃを保持するようにしたので、電流検出手段２０の電圧電流変換手段２３が、インバータ手段９におけるスイッチングのタイミングに関わらず、ピーク電圧Ｖｃとシャント抵抗１４の抵抗値とから、シャント抵抗１４に流れる電流（電動機８に供給される電流）のピーク値に変換し、電流値Ｉを検出し、回転数指令値等を算出して電動機８の制御を行うことができる。このため、少なくとも電流検出手段２０は高速の処理を行う必要がなく、低コストのマイコンで処理を行うことができる。
【００４２】
また、コンデンサ、抵抗を並列接続して電圧保持手段１５を構成したときに、静電容量と抵抗値の積である第一の時定数が、電動機８の運転周期の１／６倍以上となるようにしたので、端子電圧Ｖｓｈにおける脈動成分を抑制し、安定したピーク電圧Ｖｃを得ることができる。さらに、安定した電流のピーク値を得ることができるため、電動機８のモータの回転数を安定させ、騒音等の発生を防止することができる。また、電動機８に供給する電流が一定になるように、インバータ手段９の駆動を制御することができ、最適かつ安定に電動機８を駆動させることができる。このため、電動機８の駆動において、省エネルギー化をはかることができる。
【００４３】
そして、本実施の形態の電動機の駆動装置を、空気調和機における、室外熱交換器３に空気を送り込む送風ファン７を回転させる電動機８の駆動に利用する場合には、電流一定制御を行うことで、例えば室外熱交換器３が凝縮器等となる暖房運転を行っている際には、室外熱交換器３への着霜が進行していない軽負荷時の回転数を増加させることが可能となる。このため、室外熱交換器３において効率の良い熱交換が可能となり、暖房能力を向上させることが可能な空気調和装置を得ることが可能となる。また、過電流遮断により電動機８、空気調和装置を停止させないように電流一定制御を行うことで、安定した運転を行うことができる。さらに、電流の脈動を抑制することにより安定した制御が可能となり、騒音の少ない空気調和装置を得ることが可能となる。
【００４４】
また、送風ファン７に送風方向と逆方向に風が吹き、電動機８の負荷が増大した場合でも、電流一定制御を行うようにしたので、運転を継続させることができる。さらに、室外熱交換器３における経年劣化や埃などの蓄積により風路が塞ぎ状態となり、送風ファン７を駆動するために必要なトルクが増大する場合においても、電流値一定となる最適な回転数で運転可能である。以上のことから、信頼性が高く、能力向上が可能な空気調和装置を得ることが可能である。ここで、室外熱交換器３を凝縮器として説明したが、例えばガスクーラ等でもよい。
【００４５】
実施の形態２．
実施の形態１の空気調和装置における電動機の駆動装置では、シャント抵抗１４におけるピーク電圧Ｖｃを検出、保持する電圧保持手段１５における第一の時定数が電動機８の運転周期の１／６倍以上となるようにした。ここで、所望する第一の時定数となるように電圧保持手段１５を設計等できればよいが、例えばコンデンサの静電容量や抵抗値の選定に制約があると、脈流成分を抑制するために必要な第一の時定数を得ることが困難な場合がある。その場合、ピーク電圧Ｖｃには、インバータの運転周波数の６倍の周波数の脈動成分が顕著に表れる可能性がある。このとき、電流検出手段２０が検出する電流値Ｉも脈動し、脈動する電流値Ｉに基づいて演算される回転数指令値ω＊も脈動してしまい、制御性の悪化や騒音の悪化が懸念される。
【００４６】
そこで、実施の形態２の駆動装置は、上記の課題を解決することを目的とし、検出した電流における脈動成分を抑え、安定した電流値の検出を行うことができるようにするものである。ここで、実施の形態２の空気調和装置における基本的な構成は、図１の構成と同様である。
【００４７】
図１１は本発明の実施の形態２に係る電流検出手段２０の構成を示す図である。本実施の形態の電流検出手段２０は、電圧電流変換手段２３と制限手段２４との間にローパスフィルタ手段３０を有している点で実施の形態１とは異なる。
【００４８】
実施の形態１の電流検出手段２０は、電圧電流変換手段２３にて電圧保持手段１５の出力であるピーク電圧Ｖｃを検出して電流値に変換し、制限手段２４にて電流値の制限を行っていた。本実施の形態は、電圧電流変換手段２３の変換に係る電流値を、第二の時定数を有するローパスフィルタ手段３０にて、インバータ手段９の運転周波数の６倍の高い周波数成分を除去してから、制限手段２４にて制限を行うことで電流値Ｉの脈動を抑えるようにするものである。これにより、制御の安定性をさらに確保し、騒音の改善を図ることが可能となる。
【００４９】
図１２は電流検出手段２０の動作による電流の関係を示す図である。ローパスフィルタ手段３０は、電圧保持手段１５が抑制できなかった脈動成分を抑制する必要がある。このため、第二の時定数を、第一の時定数より高い時定数に設定することで、電流検出手段２０において脈動成分を抑制する。このようにして、脈動成分を抑制した電流値Ｉに基づいて、実施の形態１と同様に、電動機８に供給する電流が一定になるように制御することで、安定性の高い空気調和装置を得ることができる。
【００５０】
ただし、図１２からも分かるように、ローパスフィルタ手段３０を設けることで脈動成分を抑えることができるが、電流のピークも抑えられ、ピーク電圧Ｖｃを電流値Ｉに変換したそのままの波形と比べると、本来のピーク値との差分ΔＩが発生する。差分ΔＩに関しては、例えば実験的に得られた平均の差分ΔＩを予め加算して考慮して補正をしておくことで、電流値の検出誤差を低減することが可能である。
【００５１】
以上のように実施の形態２の電動機の駆動装置によれば、電流検出手段２０において、ローパスフィルタ手段３０を設け、電圧電流変換手段２３の変換に係る電流値に含まれる脈動成分を抑制し、また、差分ΔＩで補正を行うようにしたので、実施の形態１と同様に、安定した電流値Ｉによって、電動機８のモータの回転数を安定させ、騒音等の発生を防止することができる。また、電動機８に供給する電流が一定になるように、インバータ手段９の駆動を制御することができ、最適かつ安定に電動機８を駆動させることができる。
【００５２】
このため、本実施の形態の電動機の駆動装置を、空気調和機における、室外熱交換器３に空気を送り込む送風ファン７を回転させる電動機８の駆動に利用する場合においても、実施の形態１で説明したことと同様の効果を奏する空気調和装置を得ることが可能となる。
【００５３】
ここで、本実施の形態のような電流検出手段２０を設けることは、電圧保持手段１５における設定において、電動機８の運転周期の１／６倍以上の第一の時定数が得られない場合に最も効果を発揮することができる。ただし、第一の時定数が電動機８の運転周期の１／６倍以上であっても適用することは可能である。
【００５４】
実施の形態３．
実施の形態２の空気調和装置では、電圧保持手段１５にてコンデンサの静電容量や抵抗値の制約により必要な第一の時定数を得ることが困難な場合に、電流検出手段２０に設けたローパスフィルタ手段３０を用いて制御の安定性向上をはかっている。ここで、前述したように、ローパスフィルタ手段３０では、電流値中の脈動成分を抑えるために電流のピーク値も抑えられることになる。このため、実施の形態２では差分ΔＩを加算して電流のピーク値としたが、例えば差分ΔＩの見積もりが違うと電流検出誤差が大きくなると過電流遮断等が生じる可能性がある。
【００５５】
そこで、実施の形態３の空気調和装置は、電流検出手段２０において、さらに精度が高い電流のピーク値の検出を行うことができるようにするものである。ここで、実施の形態３の空気調和装置における基本的な構成は、図１の構成と同様である。
【００５６】
図１３は本発明の実施の形態３に係る電流検出手段２０の構成を示す図である。本実施の形態の電流検出手段２０は、ローパスフィルタ手段３０に代えて、電圧電流変換手段２３と制限手段２４との間にピークホールド手段３１を有している点で実施の形態２とは異なる。
【００５７】
ピークホールド手段３１は、本実施の形態においては、例えばマイクロコンピュータ等のような演算手段を有し、電圧電流変換手段２３が変換した電流のピーク値を判断して記憶装置（図示せず）に記憶（保持）させる処理を行う。また、ノイズ等で一時的に高くなった電流のピーク値が保持され続けないようにするため、設定された第三の時定数τに基づいて、電流のピーク値の減衰処理を行う。
【００５８】
例えば、実施の形態１では、電流検出手段２０は、電圧電流変換手段２３にて電圧保持手段１５の出力であるピーク電圧Ｖｃを検出して電流値に変換し、制限手段２４にて電流値の制限を行っていた。本実施の形態では、電圧電流変換手段２３の変換に係る電流値について、ピークホールド手段３１によりシャント抵抗１４に流れる電流のピーク値を保持することで、電流のピーク値の検出誤差を少なくなるようにするものである。これにより、過電流遮断によって空気調和装置の運転停止が生じないようにし、信頼性の高い空気調和装置を得ることが可能となる。
【００５９】
図１４はピークホールド手段３１の処理動作を示すフローチャートである。例えば、電圧電流変換手段２３が変換して出力した電流Ｉｂｕｆが入力されると（Ｓ１）、電流Ｉｂｕｆと初期値を０とした電流のピーク値Ｉｐとを比較する（Ｓ２）。電流Ｉｂｕｆが電流のピーク値Ｉｐより大きいと判断すると、Ｉｐ＝Ｉｂｕｆとし、ｔ＝０として（Ｓ３）、電流のピーク値Ｉｐとして保持する処理を行う（Ｓ５）。
【００６０】
例えば、ノイズ等の影響により、電圧電流変換手段２３から瞬間的に高い電流Ｉｂｕｆが入力されることがある。このようなノイズによる電流をそのまま保持し続けると、制御の信頼性が低下することになる。そこで、本実施の形態では、第三の時定数τを設定し、第三の時定数τで減衰させることにより対策を行う。ここで、第三の時定数τについては、電流のピーク値を脈動させてしまわないようにする必要がある。このため、第三の時定数を第一の時定数よりも大きい値となるように設定する。
【００６１】
Ｓ２において、電流Ｉｂｕｆが電流のピーク値Ｉｐより大きくない（電流のピーク値ＩｐがＩｂｕｆ以下である）と判断すると、電流のピーク値Ｉｐが時間ｔの経過と共に時定数τで減衰するよう、例えば次式（４）のようにして電流のピーク値Ｉｐを算出する（Ｓ４）。
Ｉｐ＝Ｉｐ×ｅｘｐ（−ｔ／τ）                                      …（４）
【００６２】
図１５は電流検出手段２０の動作による電流の関係を示す図である。ピークホールド手段３１は、シャント抵抗１４に流れる電流のピーク値Ｉｐを保持することで、脈動させずに最終的に電流値Ｉを検出することができる。そして、電流のピーク値Ｉｐを脈動させないように減衰処理を行うことにより、ノイズ等により一時的に高くなった電流のピーク値Ｉｐが保持され続けることなく、制御の信頼性を高めることができる。
【００６３】
以上のように実施の形態３の電動機の駆動装置によれば、電流検出手段２０においてピークホールド手段３１を設け、電圧電流変換手段２３の変換に係る電流値のピーク値を保持するようにしたので、電流値に脈動成分が含まれていても、実施の形態１と同様に、安定した電流値Ｉを検出することによって、電動機８のモータの回転数を安定させ、騒音等の発生を防止することができる。また、電動機８に供給する電流が一定になるように、インバータ手段９の駆動を制御することができ、最適かつ安定に電動機８を駆動させることができる。また、ピークホールド手段３１において、第三の時定数τを設定し、電流のピーク値を更新できなかった際には、電流値を減衰させていくようにしたので、ノイズ等の影響により、一時的に上昇した電流値が保持されるのを防ぐことができる。
【００６４】
以上より、本実施の形態の電動機の駆動装置を、空気調和機における、室外熱交換器３に空気を送り込む送風ファン７を回転させる電動機８の駆動に利用する場合においても、実施の形態１で説明したことと同様の効果を奏する空気調和装置を得ることが可能となる。ここで、本実施の形態のような電流検出手段２０を、電圧保持手段１５における第一の時定数が電動機８の運転周期の１／６倍以上であっても適用することは可能である。
【００６５】
実施の形態４．
上述した実施の形態２、３の空気調和装置においては、電流検出手段２０にローパスフィルタ手段３０、ピークホールド手段３１を設け、脈動成分を抑制した電圧値Ｉを検出するようにした。
【００６６】
図１６はシャント電圧におけるＤｕｔｙと誤差との関係を示す図である。例えば、電圧保持手段１５では、充電手段１７の充電と放電手段１８の放電とを繰り返すが、このとき、充電手段１７に充電されるスピードと、放電手段１８が放電するスピードとが釣り合うところで電圧値が安定する。ここで、充電手段１７、放電手段１８における素子の静電容量Ｃ、抵抗値Ｒが一定であるのに対し、端子電圧Ｖｓｈにおけるパルス電圧発生区間に対して電圧ゼロ区間の比率（Ｄｕｔｙ）が大きくなるほど充電時間に対して放電時間が長くなる。このため、図１６に示すように、シャント抵抗１４に基づく電流検出誤差が大きくなる。
【００６７】
図１７は電圧ベクトルと電流ベクトルとの関係を示す図である。図１７に示すように、例えばＵ相に供給する電流が最大となるＵ相軸上に電流ベクトルが存在する場合（Ｕ相に係るＰＷＭ信号によるスイッチングパターン（ＵＰ、ＶＮ、ＷＮ＝ＯＮ）状態となった場合）に、Ｕ相に係る電流がシャント抵抗１４に流れる。しかし、電流ベクトルに対して電圧ベクトルの位相差φが大きく異なる（力率が低下している）と、電圧ベクトルを各要素に分解したとき、図１７に示すように、Ｕ相に係る電流がシャント抵抗１４に流れるすための電圧ベクトルの要素が小さくなる。このため、シャント抵抗１４上にＵ相に係る電流を流すためのスイッチング時間が短くなり、パルス幅が狭くなる。そして、電圧保持手段１５の誤差が大きくなり、精度よくピーク値を検出することが困難になる。
【００６８】
図１８は実施の形態４に係る電動機８の制御と時間との関係を示すための図である。暖房運転中等においては、着霜による影響により時間の経過と共に電動機８にかかる負荷が増大するため、図１８に示すように、時間と共に回転数が低下すると（図１８（ａ））、運転中の力率が低下していく（図１８（ｂ））。そのため、前述の通り、電流検出誤差が、力率の悪化と共に大きくなり（図１８（ｃ））、電流値を一定に保つことが困難となる（ここで図１８（ｃ）は、電圧保持手段１５が保持するピーク電圧Ｖｃが、本来のピーク電圧と比較して低下して誤差が広がる様子を表している）。また、誤差が大きくなると、運転状況によっては過電流遮断を生じるため、運転が継続できない可能性がある。
【００６９】
図１９は本発明の実施の形態４に係るインバータ制御手段１１の構成を示す図である。本実施の形態では、電流検出誤差が大きくなることによる過電流遮断を防ぐため、ピーク電圧Ｖｃに基づいて求めた電流値を補正する。そのため、本実施の形態では、図１９に示すように位置・速度推定手段１９の出力に係る電動機８の回転電気角周波数ωを電流検出手段２０に出力する点が実施の形態１と異なる。
【００７０】
図２０は本発明の実施の形態４に係る電流検出手段２０の構成を示す図である。また、本実施の形態の電流検出手段２０は、電圧電流変換手段２３と制限手段２４との間に電流検出値補正手段３２を有している点で実施の形態１とは異なる。
【００７１】
前述したように、電動機８の負荷状況に応じて回転電気角周波数ωは増減する。ここで、回転電気角周波数ωが低下すると、負荷が高く、力率の悪い状況である。このため、電流検出値補正手段３２は、記憶装置を有し、回転電気角周波数ωと電流検出誤差との関係を予めデータとして記憶装置に記憶させておくようにする。そして、位置・速度推定手段１９から出力された回転電気角周波数ωに応じて、記憶装置に記憶させたデータから、電圧電流変換手段２３が求めた電流値を補正する。以上のようにして、簡単な処理で電流値の補正を行うことが可能である。
【００７２】
ここで、本実施の形態においては、位置・速度推定手段１９の出力に係る回転電気角周波数ωにより電流値を補正したが、補正に係るパラメータを回転電気角周波数ωだけに限定するものでない。例えば、演算等により得られた力率、パルス幅等に基づいて、電流値を補正しても何ら問題ないことは言うまでもない。
【００７３】
以上のように実施の形態４の電動機の駆動装置によれば、電流検出手段２０において電流検出値補正手段３２を設け、回転電気角周波数ωに基づいて、電圧電流変換手段２３の変換に係る電流値を補正するようにしたので、例えば負荷、力率の状況に基づいて、誤差の補正を行うことにより、実施の形態１と同様に、安定した電流値Ｉを検出することができる。このため、例えば空気調和装置の送風ファン７を回転させる電動機８の駆動に利用する場合において、誤差による過電流遮断のために電動機８、空気調和装置を停止させないようにし、安定した運転を行うことができる。以上より、実施の形態１で説明したことと同様の効果を奏する空気調和装置を得ることが可能となる。
【００７４】
実施の形態５．
上述した実施の形態１〜４については、磁極位置センサの出力に基づいて電動機８を制御していたが、モータの相電流検出による磁極位置センサレス制御を用いて本制御を行っても何ら問題ないことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
上述の各実施の形態では、本発明の駆動装置を利用して、空気調和装置の熱源機が有する室外熱交換器３に空気を送り込む送風ファン７を回転させる電動機８を駆動させる説明を行った。上述した各実施の形態により、空気調和装置の室外機に本発明の駆動装置を適用すれば、特に暖房運転時において、駆動装置が奏する効果を有効に発揮することができることがわかる。ただし、本発明の駆動装置の適用を空気調和装置だけに限定するものではない。例えば、本発明の駆動装置の活用例としては、空気調和装置は勿論、ヒートポンプ給湯機や電気掃除機など、送風ファン、スクリュー等を電動機で回転させて用いる機器において適用が可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１  圧縮機、２  四方弁、３  室外熱交換器、４  膨張弁、５  室内熱交換器、６  冷媒配管、７  送風ファン、８  電動機、９  インバータ手段、９ａ〜９ｆ  スイッチング素子、１０  直流電源、１１  インバータ制御手段、１２  直流電圧検出手段、１３  磁極位置検出手段、１４  シャント抵抗、１５  電圧保持手段、１６  逆流防止手段、１７  充電手段、１８  放電手段、１９  位置・速度推定手段、２０  電流検出手段、２１  回転数指令演算手段、２２  電圧制御手段、２３  電圧電流変換手段、２４  制限手段、２５  定電流回転数演算手段、２６  回転数指令制限手段、２７  電圧指令振幅演算手段、２８  三相電圧指令演算手段、２９  ＰＷＭ生成手段、３０  ローパスフィルタ手段、３１  ピークホールド手段、３２  電流検出値補正手段。
【図１】
2011050202.tif 000004
【図２】
2011050202.tif 000005
【図３】
2011050202.tif 000006
【図４】
2011050202.tif 000007
【図５】
2011050202.tif 000008
【図６】
2011050202.tif 000009
【図７】
2011050202.tif 000010
【図８】
2011050202.tif 000011
【図９】
2011050202.tif 000012
【図１０】
2011050202.tif 000013
【図１１】
2011050202.tif 000014
【図１２】
2011050202.tif 000015
【図１３】
2011050202.tif 000016
【図１４】
2011050202.tif 000017
【図１５】
2011050202.tif 000018
【図１６】
2011050202.tif 000019
【図１７】
2011050202.tif 000020
【図１８】
2011050202.tif 000021
【図１９】
2011050202.tif 000022
【図２０】
2011050202.tif 000023