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発明の名称 圧縮機駆動電動機の制御装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平11−46493
公開日 平成11年(1999)2月16日
出願番号 特願平9−199886
出願日 平成9年(1997)7月25日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 一雄 (外3名)
発明者 五十嵐 唯 之
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】予め設定された転流タイミングのPWM信号により強制的に半導体スイッチ素子群を駆動して圧縮機駆動用のブラシレスモータを起動する強制転流運転モードと、前記ブラシレスモータの電機子巻線に誘起される電圧を検出して回転子位置信号に変換し、この回転子位置信号に基づいて生成したPWM信号により前記半導体スイッチ素子群を駆動して前記ブラシレスモータを運転する回転子位置検出運転モードとを有し、前記強制転流運転モードにおけるPWM信号の所定の区間に生成された前記回転子位置信号が所定の変化をしたとき前記強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードに切替える圧縮機駆動電動機の制御装置において、前記強制転流運転モードが、前記圧縮機の起動から所定の時間だけ、PWM信号のデューティ比を固定して運転するデューティ比固定強制転流運転モードを含むことを特徴とする圧縮機駆動電動機の制御装置。
【請求項2】前記デューティ比固定強制転流運転モードでの運転終了時点で回転子位置信号が得られないとき、それ以降の運転を停止することを特徴とする請求項1に記載の圧縮機駆動電動機の制御装置。
【請求項3】前記デューティ比固定強制転流運転モードにおけるPWM信号のデューティ比を3%以上で15%以下とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮機駆動電動機の制御装置。
【請求項4】前記回転子位置信号の所定の変化は、電機子巻線の1相の電圧レベルの変化であり、このレベルの変化が所定回数に到達したとき、強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードに切替えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の圧縮機駆動電動機の制御装置。
【請求項5】前記強制転流運転モードが、前記デューティ比固定強制転流運転モードでの運転終了時点で回転子位置信号が得られたとき、PWM信号のデューティ比を時間の経過に従って増大させて運転するデューティ比増大強制転流運転モードを含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の圧縮機駆動電動機の制御装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機を駆動するブラシレスモータを制御する圧縮機駆動電動機の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】通常ブラシレスモータには、その磁極位置を検出するためのホール素子等の検出器が必要である。しかし、このブラシレスモータを空気調和機の圧縮機の駆動に用いた場合、高温高圧の条件下で前記検出器の信頼性が保証できないため、電機子巻線に誘起される電圧信号を回転子位置信号に変換し、この回転子位置信号に基づいてモータの転流信号を生成する方法が採用されていた。
【0003】しかるに、電機子巻線に電圧が誘起されるのは回転子が回転している場合だけで、停止している場合には回転子の位置情報は得られない。従って、起動時には回転子の磁極位置にかかわらず電機子巻線に回転磁界が発生するような特定の信号を与えて、回転子を強制回転させることになる。ところが、この特定の信号は回転子の磁極位置を無視して与えられるため、結果として起動時に大きな始動電流が流れると共に、モータの振動も大きくなる。
【0004】また、この始動電流が電機子巻線への電流を、通電、遮断する半導体スイッチ素子群の許容電流を超える場合には、起動不能ということになる。この問題点を解決するために、従来は外部で定められた周波数及びデューティ比の低いPWM信号に応じた電流を電機子巻線に流して回転磁界を発生させ、このPWM信号の周波数及びデューティ比を時間と共に徐々に増加させ、PWM信号の所定の区間に生成された回転子位置信号、すなわち、電機子巻線の所定の相の回転子位置信号が所定の変化をしたとき、回転子位置検出信号に基づいた運転に移行していた。
【0005】すなわち、図4に示すように、時刻t0 にて起動指令が与えられてからPWM電圧のデュティ比を、時間と共に増大させ、回転子位置信号が所定の変化をした時刻t1 にて強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードに移行させていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】一般に、空気調和機の圧縮機を駆動する場合、停止状態から起動を行うときの負荷の状態は一定ではなく、また、直流電源電圧も若干の変動が有り得る。このため、強制転流モードでのPWM信号の周波数及びデューティ比は最も負荷が重い状態でかつ電源電圧がある程度低い場合においても回転子が回るように設定されていた。しかし、圧縮機がロックした状態を考慮しておらず、ロック状態にてPWM電圧のデューティ比を図4に示したように増大させた場合、ブラシレスモータにPWM電圧を供給する半導体スイッチ素子群を破壊させる虞れがあった。
【0007】本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、圧縮機がロック等の異常状態にある場合に起動制御をしたとしても、ブラシレスモータにPWM電圧を供給する半導体スイッチ素子群の破壊を未然に防止することのできる圧縮機駆動電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、予め設定された転流タイミングのPWM信号により強制的に半導体スイッチ素子群を駆動して圧縮機駆動用のブラシレスモータを起動する強制転流運転モードと、ブラシレスモータの電機子巻線に誘起される電圧を検出して回転子位置信号に変換し、この回転子位置信号に基づいて生成したPWM信号により半導体スイッチ素子群を駆動してブラシレスモータを運転する回転子位置検出運転モードとを有し、強制転流運転モードにおけるPWM信号の所定の区間に生成された回転子位置信号が所定の変化をしたとき強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードに切替えるものであって、強制転流運転モードが、圧縮機の起動から所定の時間だけ、PWM信号のデューティ比を固定して運転するデューティ比固定強制転流運転モードを含むものである。
【0009】第2の発明は、デューティ比固定強制転流運転モードでの運転終了時点で回転子位置信号が得られないとき、それ以降の運転を停止するものである。
【0010】第3の発明は、デューティ比固定強制転流運転モードにおけるPWM信号のデューティ比を3%以上で15%以下とするものである。
【0011】第4の発明は、回転子位置信号の所定の変化は、電機子巻線の1相の電圧レベルの変化であり、このレベルの変化が所定回数に到達したとき、強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードに切替えるものである。
【0012】第5の発明は、強制転流運転モードが、さらに、デューティ比固定強制転流運転モードでの運転終了時点で回転子位置信号が得られたとき、PWM信号のデューティ比を時間の経過に従って増大させて運転するデューティ比増大強制転流運転モードを含むものである。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明を好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態の構成を、PWM電圧を供給する主回路系統と併せて示したブロック図である。同図における圧縮機駆動電動機の制御装置は、直流電源1、6個のトランジスタとそれぞれに逆並列接続された6個のダイオードからなる半導体スイッチ素子群2、三相結線された電機子巻線4と磁石回転子5からなるブラシレスモータ3、ブラシレスモータ3の電機子巻線に誘起される電圧を検出して回転子位置信号に変換する回転子位置検出手段6、回転子位置検出手段6からの出力信号のエッジをカウントするするカウント手段7、外部からの速度指令(信号)とカウント手段7の出力信号から検出される実速度の差に応じて偏差信号を出力する速度制御手段8、モータが起動したかどうか判定する起動判定手段9、起動判定手段9の出力信号に応じてデューティ比固定強制転流モードまたは回転子位置検出モードに切り替える運転モード切替手段10、起動用の強制転流信号発生手段11、運転モード切替手段10を介して送られる強制転流信号発生手段11のタイミング信号または回転子位置検出信号のタイミングに合わせてベースとなる駆動信号を発生する駆動信号発生手段12、速度制御手段8からの偏差信号に応じてデューティ比指令信号を出力するデューティ比指令手段13、デューティ比指令信号に応じてパルス幅を変調するパルス幅変調手段14、デューティ比固定強制転流モードを所定時間保持させるためのタイマ手段15によって構成される。
【0014】上記の構成により、起動時は起動判定手段9の判定に基づき強制転流信号発生手段11の出力信号を運転モード切替手段10に加え、駆動信号発生手段12の出力信号に変調をかけて半導体スイッチ素子群2のトランジスタを駆動してブラシレスモータ3を起動する。一方、回転子位置検出手段6の出力信号のうち、一つは電機子巻線の1相分の出力のみを有効として起動判定手段9へ出力信号を伝えるようになっている。起動判定手段9では回転子位置検出手段6からの出力信号にエッジ信号の立上りまたは立下りが検出された場合に強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードへの移行を行う。
【0015】上述したカウント手段7、速度制御手段8、起動判定手段9、強制転流信号発生手段11、デューティ比指令手段13及びタイマ手段15はマイクロコンピュータ16にその機能を持たせるものである。そこで、マイクロコンピュータ16の動作を含めて強制転流運転及び回転子位置検出運転のより詳細な動作を説明するが、起動時の動作説明を容易にするために電機子巻線4に誘起される電圧信号に基いてモータが駆動される回転子位置検出運転モードの運転について先に説明する。
【0016】先ず、回転子位置検出運転モードでは、磁石回転子5が回転すると、電機子巻線4に誘起電圧が発生し、その電圧を回転子位置検出手段6に入力することによって回転子位置検出信号が得られている。このとき運転モード切替手段10は起動判定手段9が起動状態と判定していないことから、回転子位置検出回路6の出力信号を用いるように切替えられているため、運転モード切替手段10は回転子位置検出信号をそのまま出力して駆動信号発生手段12に加える。駆動信号発生手段12は回転子位置検出信号のタイミングを基準にした6個の駆動信号を出力する。これらの駆動信号がデューティ比指令手段13に従ってパルス幅変調されて半導体スイッチ素子群2に加えられる。これによって、半導体スイッチ素子群2がスイッチングされ、電機子巻線4に磁石回転子5の回転トルクを発生するような磁界を発生させ、モータの回転が維持される。
【0017】次に、起動時の強制転流運転モードでは、モータ停止状態で外部から速度指令信号が入力されると速度制御手段8は、カウント手段7の出力信号から得られる実速度と比較し、偏差に応じたデューティ比指令信号の出力を開始する。このデューティ比指令信号はタイマ手段15にも入力される。タイマ手段15は、入力される信号が「0」の状態から「1」の状態になると起動判定手段9とデューティ比指令手段13に所定時間起動信号を与える。これに応答して運転モード切替手段10はカウント手段7の出力信号の代わりにマイクロコンピュータ16の強制転流信号発生手段11からの予め設定された転流タイミングで生成される強制転流信号を駆動信号発生手段12に所定時間だけ加える。また、マイクロコンピュータ16のデューティ比指令手段から起動用のデューティ比指令信号が出力されてパルス幅変調手段14に所定時間だけ加えられる。
【0018】このとき、PWM信号のデューテイ比は、ブラシレスモータ3の負荷が重い場合でも回転できるような値が設定される。本実施形態では負荷の重い状態を通り越してロック状態である場合をも考慮し、例えば、3%以上で15%以下の値の適当な値に設定すると共に、その設定状態を図2に示したように所定時間(40秒間)、すなわち、時刻t0 から時刻t1 まで保持する。そして、この所定時間を経過した時点にて1相の回転位置検出信号のエッジが検出されたとすると、マイクロコンピュータ16に含まれるタイマ手段15は回転位置検出信号のエッジを計数し、計数値が、例えば、機械的に1回転する回数に等しくなると、起動判定手段9に信号を与える。これによって、マイクロコンピュータ16は運転モード切替手段10に対して強制転流信号から回転子位置検出手段7の位置検出信号の切替え指令を与える。この時刻をt1 とすれば、図2から明らかなように、起動指令が与えられた時刻t0 から時刻t1 までデューティ比固定強制転流運転モードとなり、時刻t1 以降は回転子位置検出運転モードとなり、速度制御手段8からの偏差信号に応じて偏差を小さくするようにデューティを増大させていく。
【0019】一方、デューティ比固定強制転流運転モードで所定時間運転しても回転位置検出信号のエッジが検出されなかったときには、マイクロコンピュータ16はパルス幅変調手段14に対して通電停止の信号を出力し、運転を停止させる。
【0020】かくして、本実施形態によれば、起動の直後にデューティ比固定強制転流運転モードを付加したので、圧縮機がロック等の異常状態にある場合に起動制御をしたとしても、適切な措置を講じ得ることから、ブラシレスモータにPWM電圧を供給する半導体スイッチ素子群の破壊を未然に防止することができる。
【0021】なお、デューティ比固定強制転流運転モードでの運転時間はブラシレスモータ3の定格及びPWM信号のデューティ比に応じて適宜変更しても良く。また、回転子位置検出手段6の出力信号のエッジを計数する回数もブラシレスモータ3の磁石回転子5の極数に応じて変更することができる。
【0022】発明者等の実験によれば、デューティ比固定強制転流運転モードのデューティ比を3%より小さくすると起動トルクが小さく圧縮機の起動を円滑に行うことはできず、また、15%以上にすると半導体スイッチ素子群2に対する負荷が大きくなり、過度の冷却装置が必要になることが確認されている。したがって、起動時に固定されるデューティ比は3%〜15%に設定することが望ましい。
【0023】さらに、図3に示すように、起動指令が与えられた時刻t0 から時刻t1 までデューティ比固定強制転流運転モードとし、時刻t1 から時刻t2 までデュティ比増大強制転流運転モードとし、デューティ比固定強制転流モード以降にデューティ比を強制的に増大するようにしても良い。なお、デュティ比増大強制転流運転モードになって、所定の時間を経過してもタイマ手段15から信号が出力されないときも同様にして通電停止の信号を出力し、運転を停止させる。
【0024】
【発明の効果】以上の説明によって明らかなように、本発明に係る圧縮機駆動電動機の制御装置によれば、強制転流運転モードにおけるPWM信号の所定の区間に生成された回転子位置信号が所定の変化をしたとき強制転流運転モードから回転子位置検出運転モードに切替えるに当たり、強制転流運転モードが、圧縮機の起動から所定の時間だけ、PWM信号のデューティ比を固定して運転するデューティ比固定強制転流運転モードとしたので、圧縮機がロック等の異常状態にある場合に起動制御をしたとしても、その状況に応じた措置を講じ得るため、ブラシレスモータにPWM電圧を供給する半導体スイッチ素子群の破壊を未然に防止することができる。




 

 


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