(57)【要約】【課題】  直流モータの極数にかかわらず、直流モータの回転数を的確に認識することができ、これにより直流モータの常に適正な駆動が可能なインバータ装置とその制御方法及び冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】  ブラシレスＤＣモータＭの極数をブラシレスＤＣモータＭの１回転中の負荷変動から判別し、判別結果が４極であれば、回転数指令に基づく目標回転数Ｎｓをそのまま用いてスイッチング回路４の出力を制御し、判別結果が６極であれば、目標回転数Ｎｓの２／３の値を適切な目標回転数Ｎｓとしてスイッチング回路４の出力を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機駆動用の直流モータを可変速駆動するインバータ装置において、前記直流モータの１回転中の負荷変動に基づき前記直流モータの極数を判別する判別手段と、この判別手段の判別結果に基づき前記圧縮機の駆動を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ装置において、前記判別手段は、当該装置の出力の１周期を６区間に分け、同出力の少なくとも６周期内の各区間のうち前記圧縮機の負荷が重くなる区間を検出し、検出した区間の数に応じて、前記直流モータの極数が４極であるか６極であるかを、前記圧縮機が１シリンダロータリ形であるか２シリンダロータリ形であるかにかかわらず、判別することを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のインバータ装置によって駆動される圧縮機、蒸発器、減圧装置及び凝縮器を冷媒配管によって接続してなることを特徴と擦る冷凍サイクル装置。
【請求項４】
圧縮機駆動用の直流モータを可変速駆動するインバータ装置の制御方法において、前記直流モータの１回転中の負荷変動に基づき前記直流モータの極数を判別し、この判別結果に基づき、以後の前記直流モータの回転数を算出することを特徴とするインバータ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧縮機駆動用の直流モータを可変速駆動するインバータ装置とその制御方法及び冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧縮機の直流モータを駆動するインバータ装置は、直流モータの動作に対応する専用の制御プログラムが組み込まれた制御器を備えている。直流モータとしては、４極または６極の直流モータが主に使用されている（例えば特許文献１）。また、直流モータでは、極数と集中巻のスロット数との関係が、極数：スロット数＝２：３に設定されている。４極モータはスロット数が６、６極モータはスロット数が９である。
【特許文献１】特開２００４−１９４４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
４極モータは、インバータ装置の出力（正弦波状に変化する電圧）の周期が２回繰り返されたところで、１回転する。６極モータは、インバータ装置の出力の周期が３回繰り返されたところで、１回転する。したがって、６極モータを４極モータ用の制御器を用いて駆動した場合、回転させることはできるが、制御器が認識する回転数は実際の回転数の２／３の低い値となってしまう。
【０００４】
たとえば、空気調和機や冷蔵庫等の冷凍サイクル装置に４極モータ用の制御器を有するインバータ装置が搭載されている場合、その制御器が回転数６０ｒｐｓを認識しても、圧縮機用モータが６極モータであれば、実際の回転数は４０ｒｐｓである。この不一致のままでは、回転数を基準にして温度制御を行なう冷凍サイクル装置の場合、適正な制御が困難になるという問題がある。
【０００５】
一方、インバータ装置としてはできるだけ汎用性を持たせることが望ましい。すなわち、直流モータの極数に関係なく、直流モータの回転数を常に的確に認識して駆動できるインバータ装置であれば、従来、直流モータの極数に合わせて個々に製造していたインバータ装置を１種類に統一できる。その結果、在庫管理等も不要となる。
【０００６】
また、一般に、圧縮機は、直流モータの１回転中に吸込み・圧縮・吐出の動作を繰り返す。このため、直流モータにかかる負荷は、直流モータの１回転中において、周期的に変動する。この負荷変動は、スクロール形圧縮機やヘリカル形圧縮機では小さいが、レシプロ形圧縮機やロータリ形圧縮機では大きくなる。この負荷変動に伴い、直流モータの１回転中の速度が変動し、それが機械的振動および騒音の大きな原因となる。
【０００７】
そこで、上記特許文献１の例では、直流モータの各相巻線に誘起する電圧を検出し、その誘起電圧に基づいてインバータ装置の出力の１周期を６区間に分け、その区間ごとの負荷変動を検出し、検出した負荷変動に合わせてインバータ装置の出力を変化させることにより、直流モータの速度変動を抑えて、騒音・振動を低減するようにしている。このように、インバータ装置の出力の１周期を複数の区間に分け、その区間ごとの負荷変動を検出する手段については、公知である。
【０００８】
なお、ロータリ形圧縮機やレシプロ形圧縮機の例として、圧縮機構を２つ以上設け、負荷変動を低減したものもある。
【０００９】
この発明は、上記の事情を考慮したもので、直流モータの極数にかかわらず、直流モータの回転数を的確に認識することができ、これにより直流モータの常に適正な駆動が可能なインバータ装置とその制御方法及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明のインバータ装置は、圧縮機駆動用の直流モータを可変速駆動するものであって、直流モータの１回転中の負荷変動に基づき直流モータの極数を判別する判別手段と、この判別手段の判別結果に基づき圧縮機の駆動を制御する制御手段と、を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のインバータ装置とその制御方法及び冷凍サイクル装置によれば、直流モータの極数にかかわらず、直流モータの回転数を的確に認識することができ、これにより直流モータの常に適正な駆動が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［１］以下、この発明の第１の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、商用交流電源１に整流回路２が接続され、その整流回路２の出力端に平滑コンデンサ３を介してスイッチング回路４が接続されている。
【００１３】
スイッチング回路４は、整流回路２から印加される直流電圧の方向に沿って上流側および下流側となる一対のスイッチング素子の直列回路をＵ，Ｖ，Ｗの三相分有するもので、Ｕ相の上流側にトランジスタ５ｕ＋、下流側にトランジスタ５ｕ−を備え、Ｖ相の上流側にトランジスタ５ｖ＋、下流側にトランジスタ５ｖ−を備え、Ｗ相の上流側にトランジスタ５ｗ＋、下流側にトランジスタ５ｗ−を備えている。そして、各トランジスタに対し、還流ダイオードＤがそれぞれ逆並列接続されている。トランジスタ５ｕ＋，５ｕ−の相互接続点が出力端子Ｑｕとなり、トランジスタ５ｖ＋，５ｖ−の相互接続点が出力端子Ｑｖとなり、トランジスタ５ｗ＋，５ｗ−の相互接続点が出力端子Ｑｗとなる。
【００１４】
このスイッチング回路４の出力端子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗに、直流モータたとえば３相ブラシレスＤＣモータＭの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが接続されている。ブラシレスＤＣモータＭは、星形結線された３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するステータ、および永久磁石を有するロータにより構成されている。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れることにより生じる磁界とロータに固定された永久磁石が作る磁界との相互作用により、ロータが回転する。
【００１５】
このブラシレスＤＣモータＭが、冷凍サイクル装置たとえば空気調和機３０の圧縮機３１に搭載されている。圧縮機３１は、ブラシレスＤＣモータＭの動作により、冷媒を吸込んで圧縮し、吐出する。冷房時は、図示実線矢印で示すように、圧縮機３１から吐出される冷媒が四方弁３２を介して凝縮器として機能する室外熱交換器３３に流れ、その室外熱交換器３３を経た冷媒が減圧装置である膨張弁３４を介して蒸発器として機能する室内熱交換器３５に流れる。室内熱交換器３５を経た冷媒は、上記四方弁３２を通って圧縮機３１に吸い込まれる。なお、圧縮機３１、四方弁３２、室外熱交換器３３、膨張弁３４、室内熱交換器３５は、銅パイプ等で構成される冷媒配管により接続されている。暖房時は、図示破線矢印で示すように、圧縮機３１から吐出された冷媒が四方弁３２を介して凝縮器として機能する室内熱交換器３５に流れ、その室内熱交換器３５を経た冷媒が膨張弁３４を介して蒸発器として機能する室外熱交換器３３に流れる。室外熱交換器３３を経た冷媒は、上記四方弁３２を通って圧縮機３１に吸い込まれる。
【００１６】
空気調和機３０は、この冷凍サイクルのほかに、機器制御部３６を有している。機器制御部３６は、ユーザにより設定される運転条件および室内温度に応じ、圧縮機３１、四方弁３２、膨張弁３４、図示しない室外ファン、室内ファンなどを制御する。このうち、回転数の指令値を含む圧縮機３１を制御するための信号が、インバータ制御部１０に供給される。そして、インバータ制御部１０に、回転位置検出部１１が接続されている。
【００１７】
回転位置検出部１１は、ブラシレスＤＣモータＭの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのうち、非通電状態の相巻線に誘起する電圧を検出し、その誘起電圧の変化に基づいてブラシレスＤＣモータＭのロータの回転位置を検出する。この検出結果がインバータ制御部１０に供給される。
【００１８】
インバータ制御部１０は、回転位置検出部１１で検出される回転位置に応じて周波数が変化し且つ位相角が互いに１２０度ずつ異なる３つの正弦波電圧を生成し、これら正弦波電圧とキャリアとなる所定周波数Ｆの三角波信号との電圧比較によるパルス幅変調（ＰＷＭ）により、スイッチング回路４の各トランジスタをオン，オフするための３つの駆動信号（パルス幅変調信号）を生成して出力する。この３つの駆動信号により、スイッチング回路４における少なくとも１つの直列回路のトランジスタがオン，オフして別の少なくとも１つの直列回路のトランジスタがオンする複数相通電が、順次に切換えられる。この複数相通電の切換え（いわゆる転流）により、トランジスタのオン，オフデューティに応じたレベルの３つの相間電圧（正弦波状に変化する電圧）が、出力端子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗの相互間に生じる。これら相間電圧が相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに印加されることにより、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに正弦波状の電流が流れ、ブラシレスＤＣモータＭのロータが回転する。
【００１９】
トランジスタのオン，オフデューティは、上記生成される３つの正弦波電圧の電圧レベルに応じて変化する。この電圧レベルは、空気調和機３０の機器制御部３６から供給される回転数指令信号に応じて調節される。すなわち、空調負荷が大きくて圧縮機能力の増加が必要な場合は、各正弦波電圧の電圧レベルが上昇方向に調節されて、オン，オフデューティが増大される（オン期間が長くなってオフ期間が短くなる）。オン，オフデューティが増大すると、各相間電圧のレベルが高くなって、相巻線電流が増大する。これに伴い、ブラシレスＤＣモータＭの回転数が増大する。空調負荷が小さくて圧縮機能力の減少が必要な場合は、各正弦波電圧の電圧レベルが下降方向に調節されて、オン，オフデューティが減少される（オン期間が短くなってオフ期間が長くなる）。オン，オフデューティが減少すると、各相間電圧のレベルが低くなって、相巻線電流が減少する。これに伴い、ブラシレスＤＣモータＭの回転数が減少する。
【００２０】
こうして、スイッチング回路４からブラシレスＤＣモータＭへのいわゆる１２０度通電が行われる。この１２０度通電では、ブラシレスＤＣモータＭが４極モータの場合、スイッチング回路４から出力される相間電圧の周期（電気角の３６０度）が２回繰り返されたところで、ブラシレスＤＣモータＭが１回転する。ブラシレスＤＣモータＭが６極モータの場合は、スイッチング回路４から出力される相間電圧の周期が３回繰り返されたところで、ブラシレスＤＣモータＭが１回転する。
【００２１】
一方、回転位置検出部１１の検出結果が極数判別部２０に供給される。極数判別部２０は、ブラシレスＤＣモータMの１回転中の負荷変動に基づいてブラシレスＤＣモータMの極数を判別するもので、重負荷検出部２１、タイマ２２、および判別部２３により構成されている。
【００２２】
重負荷検出部２１は、回転位置検出部１１の検出結果に基づき、スイッチング回路４の出力（正弦波状の相間電圧）の各周期（電気角の３６０度＝４極モータの回転機械角１８０度に相当）をそれぞれ６つの区間（４極モータの回転機械角３０度に相当）に分割し、同出力の少なくとも６周期内の各区間（３６区間）のうち、上記圧縮機３１の負荷が重くなる区間（圧縮機３１の圧縮期間）を検出する。１周期内に設定される６つの区間は、上記した複数相通電のそれぞれの通電モードに対応する。圧縮機３１の負荷が重くなる区間（重負荷区間という）では、ブラシレスＤＣモータMのロータの速度が遅くなる。各区間の開始から終了までの時間がタイマ２２でそれぞれカウントされており、その各タイムカウントのうち隣り合う２つのタイムカウントの差が逐次に算出され、算出された差が増加から減少に転じる区間（ピーク区間）が重負荷区間として検出される。
【００２３】
判別部２３は、重負荷検出部２１で検出される重負荷区間の数をカウントし、６周期中のカウント数に応じて、ブラシレスＤＣモータＭの極数が４極であるか６極であるか及び圧縮機３１が１シリンダロータリ形であるか２シリンダロータリ形であるかを判別する。
【００２４】
４極モータの１回転中の負荷変動と通電モードとの関係を、１シリンダロータリ形の場合と２シリンダロータリ形の場合とに分けて、図２に示している。最も負荷が重くなるのは吐出前の圧縮行程である。このため、１シリンダロータリ形では、モータ１回転中の重負荷区間（ピーク区間ともいう）の数が“１”に対し、２シリンダロータリ形では、モータ１回転中に２回の圧縮・吐出行程が生じるため、重負荷区間の数が“２”となる。
【００２５】
インバータ装置の出力６周期における負荷変動と通電モードとの関係を、１シリンダロータリ形の場合、２シリンダロータリ形の場合、４極モータの場合、６極モータの場合に分けて、図３に示している。１シリンダロータリ形で、４極モータの場合、重負荷区間（ピーク区間）の数（ピーク回数）は“３”となる。１シリンダロータリ形で、６極モータの場合、重負荷区間の数は“２”となる。２シリンダロータリ形で、４極モータの場合、重負荷区間の数は“６”となる。２シリンダロータリ形で、６極モータの場合、重負荷区間の数は“４”となる。したがって、判別部２３は、インバータ装置の出力６周期におけるこの重負荷区間の数に基づき圧縮機の形態とモータの極数を判別する。
【００２６】
以上の整流回路２、平滑コンデンサ３、スイッチング回路４、インバータ制御部１０、回転位置検出部１１、極数判別部２０により、ブラシレスＤＣモータＭを可変速駆動するインバータ装置が構成されている。
【００２７】
次に、図４のフローチャートを参照しながら、作用を説明する。  
ブラシレスＤＣモータＭの起動に際し（ステップ１０１のＹＥＳ）、パルス幅変調用の三角波信号の周波数ＦいわゆるＰＷＭキャリア周波数Ｆが、運転中に使用する通常値Ｆａより高いＦｂに設定される（ステップ１０２）。これは、極数判別のための通電期間中は通常の運転中よりも回転位置検出をより正確に行うための処置である。そして、ブラシレスＤＣモータＭのロータの回転位置にかかわらず、スイッチング回路４が駆動されて、ブラシレスＤＣモータＭに対する複数相通電を強制的に切換えるいわゆる強制転流が実行される（ステップ１０３）。このとき、スイッチング回路４における各トランジスタのオン，オフデューティが一定に維持される（ステップ１０４）。この強制転流およびデューティ一定制御により、ブラシレスＤＣモータＭが起動される。
【００２８】
ブラシレスＤＣモータＭが起動すると、ブラシレスＤＣモータＭのロータの回転位置に応じた回転位置信号が回転位置検出部１１から出力される。この回転位置信号の検出から次の回転位置信号の検出までの時間がタイマ２２によって逐次検出され、この時間に基づき、重負荷検出部２１において重負荷区間が検出される（ステップ１０５）。スイッチング回路４の６周期分の出力が終了すると（ステップ１０６のＹＥＳ）、判別部２３において検出された重負荷区間の数に応じて、ブラシレスＤＣモータＭの極数が判別される（ステップ１０７）。
【００２９】
その後、通常運転に入り、空気調和機３０の機器制御部３６から発せられている空調負荷に応じた回転数指令がインバータ制御部１０に取込まれる（ステップ１０８）。
【００３０】
インバータ制御部１０では、判別部２３において判別された極数が４極であれば（ステップ１０９のＹＥＳ）、上記回転数指令に基づく目標回転数Ｎｓが、そのまま目標回転数Ｎｓとして確定される（ステップ１１０）。上記判別された極数が６極であれば（ステップ１０９のＮＯ）、上記回転数指令に基づく目標回転数Ｎｓの３／２の値が、この場合の目標回転数Ｎｓとして設定される（ステップ１１１）。
【００３１】
インバータ制御部１０では、回転位置検出部１１からの回転位置信号に応じてブラシレスＤＣモータＭの回転数Ｎが算出されている（ステップ１１２）。なお、この場合、インバータ制御部１０における回転数Ｎの算出は、４極をデフォルトとしたもので、Ｎ＝１／［６×（回転位置検出から次の回転位置検出までの時間（ｓ））］またはＮ＝１／（回転位置検出から６回後の回転位置検出までの時間（ｓ））］で算出される。
【００３２】
続いて、算出された回転数Ｎと上記確定された目標回転数Ｎｓとが比較される（ステップ１１３）。そして、ＰＷＭ周波数Ｆが通常値Ｆａに設定された状態で（ステップ１１４）、スイッチング回路４における各トランジスタのオン，オフデューティが、上記比較結果に応じて制御される（ステップ１１５）。すなわち、回転数Ｎが目標回転数Ｎｓより低ければオン，オフデューティが増大され、回転数Ｎが目標回転数Ｎｓより高ければオン，オフデューティが減少され、回転数Ｎと目標回転数Ｎｓとがほぼ同じであればそのときのオン，オフデューティが維持される。以上の動作を終了すると、運転停止の指示が入力されない限り、再びステップ１０８に戻り回転数制御であるステップ１０８から１１５を繰り返す。
【００３３】
以上のように、ブラシレスＤＣモータＭの極数をブラシレスＤＣモータＭの１回転中の負荷変動から判別し、その判別結果が４極であれば、回転数指令に基づく目標回転数Ｎｓをそのまま目標回転数Ｎｓに用いてスイッチング回路４の出力を制御し、判別結果が６極であれば、目標回転数Ｎｓの３／２の値を適切な目標回転数Ｎｓとしてスイッチング回路４の出力を制御する。したがって、インバータ制御部１０において実回転数の算出プログラムとして４極モータ用のプログラムを用いても、４極のブラシレスＤＣモータＭおよび６極のブラシレスＤＣモータＭのいずれについても、常に適正な駆動が可能となる。
【００３４】
ブラシレスＤＣモータＭの極数を判別する処理、すなわちステップ１０２から１０７は、起動時の１度だけであり、ごく短時間で済むので、空気調和機３０の温度制御に与える影響はほとんどない。
【００３５】
なお、上記実施形態では、４極モータと６極モータの判別についてのみ説明したが、直流モータの主流が４極と６極であることから、４極と６極の判別だけでも、十分に実用的である。また、各相巻線の誘起電圧から回転位置を検出したが、各相巻線に流れる電流を演算処理することによって回転位置を推定する場合でも適用可能である。
【００３６】
［２］この発明の第２の実施形態について説明する。  
第１の実施形態においては、４極モータと６極モータとの判別結果に基づき目標回転数Ｎｓに補正を加えたものであるが、この第２の実施形態では、モータ側の実回転数側に補正を加える方法に変更している。ここでは、図５に示すように、第１の実施形態のステップ１０８〜１１３の処理に代えて、ステップ２０１〜２０６の処理が実行される。
【００３７】
すなわち、インバータ制御部１０では、回転位置検出部１１の回転位置信号に基づき、複数相通電のそれぞれの通電モードの期間、すなわち回転位置検出から次の回転位置検出までの時間（通電期間という）ｔが求められる（ステップ２０１）。判別された極数が４極であれば（ステップ２０２のＹＥＳ）、上記求められた通電期間ｔが、そのまま通電期間ｔとして確定される（ステップ２０３）。判別された極数が６極であれば（ステップ２０２のＮＯ）、上記求められた通電期間ｔの２／３の値が、新たに通電期間ｔとして確定される（ステップ２０４）。そして、確定された通電期間ｔを用いた下式により、ブラシレスＤＣモータＭの回転数Ｎ（ｒｐｓ）が算出される。  
Ｎ＝１／（６×ｔ）
空気調和機３０の機器制御部３６から空調負荷に応じた回転数指令が発せられており、その回転数指令に応じた目標回転数Ｎｓと上記算出された回転数Ｎとが比較される（ステップ２０６）。そして、ＰＷＭ周波数Ｆが通常値Ｆａに設定された状態で（ステップ１１４）、スイッチング回路４における各トランジスタのオン，オフデューティが、上記比較結果に応じて制御される（ステップ１１５）。
【００３８】
他の構成、作用、効果は、第１の実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００３９】
［３］なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の各実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】各実施形態における４極モータの１回転中の負荷変動と通電モードとの関係を、１シリンダロータリ形の場合と２シリンダロータリ形の場合とに分けて示す図。
【図３】各実施形態における負荷変動と通電モードとの関係を、１シリンダロータリ形の場合、２シリンダロータリ形の場合、４極モータの場合、６極モータの場合に分けて示す図。
【図４】第１の実施形態の作用を説明するためのフローチャート。
【図５】第２の実施形態の作用を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
１…商用交流電源、２…整流回路、３…平滑コンデンサ、４…スイッチング回路、５ｕ＋，５ｕ−，５ｖ＋，５ｖ−，５ｗ＋，５ｗ−…トランジスタ（スイッチング素子）、Ｍ…ブラシレスＤＣモータ（直流モータ）、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、１０…制御部、１１…回転位置検出部、２０…極数判別部、２１…重負荷検出部、２２…タイマ、２３…判別部、３０…空気調和機、３１…圧縮機、３６…制御部
【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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