JP2013252003A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流指令値を所定値に制限して運転している状況において、回転速度のハンチングによる電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化の低減を目的とする。
【解決手段】モータ１１を所定の回転速度に制御するため電流指令値を算出する回転速度制御手段４０と、回転速度制御手段４０の電流指令値によりモータ１１へＰＭＷ変調の通電により正弦波電流を出力する電流制御手段４１とを備え、回転速度制御手段４０は、電流指令値が所定値１以上の場合、前記所定値１より低い所定値２未満になるまでモータ１１の回転速度を減速し、電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除する回転速度減速手段８８を設けてある。これにより、電動コンプレッサの回転速度のハンチングを抑制することができ、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化等を抑制することが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータによって駆動される電動コンプレッサを備えたインバータ装置に関するものである。

一般にこの種のインバータ装置、例えば電動コンプレッサのセンサレスＤＣブラシレスモータへ正弦波電流を出力して制御するインバータ装置は各種のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなインバータ装置の回路について車両用空調装置に用いたものを例に以下説明する。図４にインバータ装置とその周辺の電気回路を示す。

インバータ装置１２０の制御回路１０６は、空調制御部５１からの目標回転速度信号、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以下、モータと称す）を構成する磁石回転子５の位置情報等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、高電圧バッテリー１からの直流電圧をスイッチングすることにより、正弦波電流を電動コンプレッサのモータ１１へ出力する。

磁石回転子５の位置情報に関しては、磁石回転子５の回転により固定子巻線４に発生する誘起電圧に基づき、その位置が演算される。固定子巻線４には、インダクタンスとともに抵抗も存在している。そのため、誘起電圧は、インバータ装置１２０からの出力電圧から、インダクタンスの電圧及び抵抗の電圧を差し引く演算を行うことで求められる（例えば、特許文献２参照）。

コンデンサ１９は、インバータ回路１０への電流を平滑する平滑コンデンサである。スイッチング電源９は、高電圧バッテリー１を電源として２０Ｖ程度の直流電圧に変換し、インバータ回路１０のスイッチング素子２を駆動する駆動回路８、５Ｖ電源１４などへ出力する。５Ｖ電源１４の出力である直流電圧５Ｖは、制御回路１０６へ供給される。

高電圧バッテリー１の電源系統となる制御回路１０６と、低電圧バッテリー１２の電源系統となる空調制御部５１との通信は、電気絶縁が必要であるため、絶縁通信手段であるホトカプラ１５及びホトカプラ１６を介して行われる。これらの信号を矢印で示す。

電源の通電は、車両のキースイッチ操作により、まずスイッチ１３がＯＮとなり、低電圧バッテリー１２の電源系統が通電される。これにより、空調制御部５１が作動可能となる。更に次のキースイッチ操作により、スイッチ３０がＯＮとなり、高電圧バッテリー１の電源系統が通電される。これにより、抵抗３１からコンデンサ１９が充電される。充電完了以降に、スイッチ３２が閉じられる。そして、スイッチング電源９が機能し、駆動回路８、制御回路１０６へ電力供給されて、インバータ回路１０が作動可能となる。ここで、制御回路１０６は、空調制御部５１から目標回転速度信号を受信すると、モータ１１の速度が上記目標回転速度と一致するように、駆動回路８を介してインバータ回路１０を作動させる。

インバータ装置１２０の制御回路１０６においては、電流指令値などを用い詳細な制御が行われる（例えば、特許文献３参照）。

図５は、インバータ装置１２０（制御回路１０６）の機能ブロック図である。制御回路
１０６は速度制御部４０と電流制御部４１で構成される。速度制御部４０においては、目標回転速度ω＊と位置速度推定演算部８５から出力される速度推定値ωが速度制御演算部８７に入力される。そして、目標回転速度ω＊と速度推定値ωの差に比例・積分（ＰＩ）制御を行い電流指令値ｉ＊を出力する。電流指令値ｉ＊はモータ電流の振幅値に相当する。次に２相電流指令値出力部８６は電流指令値ｉ＊を２軸の電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に変換して出力する。

電流制御部４１においては、電圧指令作成部８３は、２軸電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と電流センサ７に検出される相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを３相／２相変換部８４により変換された２軸の電流値ｉｄ、ｉｑとにより、２軸の電圧指令値ｖｄ、ｖｑを演算する。電圧指令値ｖｄ、ｖｑは、２相／３相変換部８２により３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換される。そして、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗはＰＷＭ制御部８１を介してインバータ回路１０に印加され、モータ１１が駆動される。

ここで、インバータ回路１０を構成する図示しないスイッチング素子は通常、最大定格電流を超える電流を流してしまうと破壊、損傷させてしまう。そのため電流指令値ｉ＊の最大値は、図示しないスイッチング素子の最大定格電流よりも低い所定値に制限している。

特開２００８−１７５９５号公報 特開２００４−３２４６１９号公報 特許第４３５７９６７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、空調負荷が高く、コンプレッサの負荷が高い条件においては、電流指令値が最大値に固定されてしまう条件が存在する。モータの発生トルクは電流指令値つまりモータ電流と、ほぼ比例関係があるため、所定の発生トルクに制限されている状態となっている。この状態で、空調の熱負荷の変動により、電動コンプレッサの高圧圧力が上昇すると、モータの負荷トルクがモータの発生トルクを超えるので、電動コンプレッサの回転速度は低下していく。電動コンプレッサの回転速度が低下すると高圧圧力が低下するので、モータの負荷トルクは低下していく。その後、モータの発生トルクよりも負荷トルクが小さくなると、今度は逆に、回転速度は上昇していくこととなる。回転速度が上昇すると電動コンプレッサの高圧圧力が上昇し、モータの負荷トルクが上昇する。その後、再び、モータの発生トルクよりも負荷トルクが大きくなるので、再び、回転速度は低下する。

以上の様に、電流指令値を所定値に制限して運転している状況においては、回転速度のハンチングが発生し、電動コンプレッサの運転音のフィーリングの悪化や、吹出し温度の変動による車室内の快適性が悪化していた。

本発明はこのような問題を解決するもので、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化や、空気調和装置に用いた場合の吹出し温度変動による快適性悪化を抑制することを目的としたものである。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、バッテリーまたは発電機等からなる電源と、電気入力によって駆動されるモータを内蔵した電動コンプレッサと、前記
モータを所定の回転速度に制御するため電流指令値を算出する回転速度制御手段と、前記回転速度制御手段の電流指令値により前記モータへＰＷＭ変調の通電により正弦波電流を出力する電流制御手段とを備え、前記回転速度制御手段は、電流指令値が所定値１以上の場合、前記モータの回転速度を電流指令値が前記所定値１より低い所定値２未満になるまで減速する回転速度減速手段を設け、かつ更に電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除する解除手段を設けた構成としてある。

これによって、空気調和装置に用いた場合の電流指令値が所定値以上となった場合、空調の熱負荷の変動により電動コンプレッサの高圧圧力が上昇する前に、モータの回転速度を減速するので、電動コンプレッサの回転速度のハンチングを抑制することができ、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化や、吹出し温度変動による快適性悪化を抑制することができる。加えて、電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除することができるため、回転速度を減速中に空調の熱負荷が低下した場合、低下させた回転速度を解除でき低下させる前の回転速度に復帰させ運転することができるので、電動コンプレッサの回転速度を低下させることで空調の快適性を悪化させていた状況を改善することができる。

本発明のインバータ装置は、電流指令値を最大電流に制限している時、回転速度のハンチングを抑制することができるので、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化や空気調和装置に用いた場合の吹出し温度変動による快適性悪化を抑制するとともに、更に回転速度を低下させることで悪化させていた空調の状況をも元に戻して改善することができる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 同インバータ装置の機能ブロック図 同インバータ装置の回転速度減速手段の作動例を示す状態遷移図 従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図 同インバータ装置の機能ブロック図

第１の発明は、バッテリーまたは発電機等からなる電源と、電気入力によって駆動されるモータを内蔵した電動コンプレッサと、前記モータを所定の回転速度に制御するため電流指令値を算出する回転速度制御手段と、前記回転速度制御手段の電流指令値により前記モータへＰＷＭ変調の通電により正弦波電流を出力する電流制御手段とを備え、前記回転速度制御手段は、電流指令値が所定値１以上の場合、前記モータの回転速度を電流指令値が前記所定値１より低い所定値２未満になるまで減速する回転速度減速手段を設け、かつ更に電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除する回転速度解除手段を設けた構成として、電流指令値が所定値１以上の場合、前記モータの回転速度を減速し電流指令値が前記所定値１より低い所定値２未満になるまで減速する構成としてある。

これにより、空調の熱負荷の変動により電動コンプレッサの高圧圧力が上昇する前にモータの回転速度を減速することが可能となり、モータの発生トルクよりモータの負荷トルクが大きくなる状態を回避できて、電動コンプレッサの回転速度のハンチングを抑制することができるため、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化や、吹出し温度変動による車室内の快適性悪化を抑制することができる。また電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除することができるため、回転速度を減速中に空調の熱負荷が低下した場合、低下させた回転速度を解除でき低下させる前の回転
速度に復帰させ運転することができるので、電動コンプレッサの回転速度を低下させることで車室内空調の快適性を悪化させていた状況を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図である。なお、以下の説明において従来例と異なる部分は、制御回路１０６が制御回路６に、インバータ装置１２０がインバータ装置２０となっている点である。他の部分は従来例と同じであり、符号等はそのまま適用する。

インバータ装置２０の制御回路６は、空調制御部５１からの目標回転速度信号、モータ１１を構成する磁石回転子５の位置情報等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、高電圧バッテリー１からの直流電圧をスイッチングすることにより、正弦波電流をモータ１１へ出力する。空調制御部５１からの目標回転速度信号は、空調に係わる熱負荷を空調制御部５１が演算し、それに基づいてモータ１１（電動圧縮機）の所要速度を演算したものである。

磁石回転子５の位置情報に関しては、磁石回転子５の回転により固定子巻線４に発生する誘起電圧に基づき、その位置が演算される。固定子巻線４には、インダクタンスとともに抵抗も存在している。そのため、誘起電圧は、インバータ装置２０からの出力電圧から、インダクタンスの電圧及び抵抗の電圧を差し引く演算を行うことで求められる。電流センサ７により、モータ１１の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の電流が検出される。

コンデンサ１９は、インバータ回路１０への電流を平滑する平滑コンデンサである。スイッチング電源９は、高電圧バッテリー１を電源として２０Ｖ程度の直流電圧に変換し、インバータ回路１０のスイッチング素子２を駆動する駆動回路８、５Ｖ電源１４などへ出力する。５Ｖ電源１４の出力である直流電圧５Ｖは、制御回路６へ供給される。

高電圧バッテリー１の電源系統となる制御回路６と、低電圧バッテリー１２の電源系統となる空調制御部５１との通信は、電気絶縁が必要であるため、絶縁通信手段であるホトカプラ１５及びホトカプラ１６を介して行われる。これらの信号を矢印で示す。

電源の通電は、車両のキースイッチ操作により、まずスイッチ１３がＯＮとなり、低電圧バッテリー１２の電源系統が通電される。これにより、空調制御部５１が作動可能となる。更に次のキースイッチ操作により、スイッチ３０がＯＮとなり、高電圧バッテリー１の電源系統が通電される。これにより、抵抗３１からコンデンサ１９が充電される。充電完了以降に、スイッチ３２が閉じられる。そして、スイッチング電源９が機能し、駆動回路８、制御回路６へ電力供給されて、インバータ回路１０が作動可能となる。

ここで、制御回路６は、空調制御部５１から目標回転速度信号を受信すると、モータ１１のトルク演算値に関連させて固定子巻線４に発生させる（磁石回転子５の位置検出のための）所要誘起電圧値を得るための所要速度と、目標回転速度とを比較し、大きい方の速度にモータ１１の速度を一致させるように、駆動回路８を介してインバータ回路１０を作動させる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２０（制御回路６）の機能ブロック図である。従来の図５との相違点は、回転速度制御手段となる速度制御部４０に回転速度減速手段８８が追加されている点である。回転速度減速手段８８には目標回転速度ω＊
および速度制御演算部８７から出力される電流指令値ｉ＊が入力される。回転速度減速手段８８は目標回転速度ω＊および電流指令値ｉ＊に基づき目標回転速度（出力）ω’＊を速度制御演算部８７に出力する。目標回転速度（出力）ω’＊と位置速度推定演算部８５から出力される速度推定値ωが速度制御演算部８７に入力される。そして、目標回転速度（出力）ω’＊と速度推定値ωの差に比例・積分（ＰＩ）制御を行い電流指令値ｉ＊を出力する。

次に２相電流指令値出力部８６は電流指令値ｉ＊を２軸の電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に変換して電流制御手段となる電流制御部４１に出力する。

電流制御部４１の電圧指令作成部８３は、２軸電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と電流センサ７に検出される相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを３相／２相変換部８４により変換された２軸の電流値ｉｄ、ｉｑとにより、２軸の電圧指令値ｖｄ、ｖｑを演算する。電圧指令値ｖｄ、ｖｑは、２相／３相変換部８２により３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換される。そして、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗはＰＷＭ制御部８１を介してインバータ回路１０に印加され、モータ１１が駆動される。

回転速度減速手段８８の具体例について説明する。

図３の状態遷移図は回転速度減速手段８８の制御の状態遷移を示したものである。以下本発明の実施の形態の作動について図３を用いて説明する。

まず所定値１＞所定値２としている。

通常状態（ステップ１０）では、目標回転速度ω＊を目標回転速度（出力）ω’＊に格納される（ステップ２０）。電流指令値ｉ＊が所定値１以上となったとき、制御有り状態（ステップ４０）の減速モード（ステップ５０）に推移する（ステップ３０）。

減速モード（ステップ５０）では目標回転速度（出力）ω’＊から所定値ａを減じた値が目標回転速度（出力）ω’＊に格納される（ステップ６０）。さらにＴｉｍｅｒ＿Ａに０を格納しタイマーをリセットする（ステップ６０）。

ここで、電流指令値ｉ＊が前記所定値１より小さい値の所定値２未満となったとき、制御有り状態（ステップ４０）の時間待ちモード（ステップ９０）に推移する（ステップ８０）。

時間待ちモード（ステップ９０）では目標回転速度（出力）ω’＊が目標回転速度（出力）ω’＊に格納される（ステップ１００）。さらにＴｉｍｅｒ＿Ａに１を足した値をＴｉｍｅｒ＿Ａに格納しタイマーのカウントアップを行う（ステップ１１０）。

この様な状態で、電流指令値ｉ＊が所定値２以上となったとき、制御有り状態（ステップ４０）の減速モード（ステップ５０）に推移する（ステップ１２０）。またＴｉｍｅｒ＿Ａ＞所定値Ｃとなったとき、タイマー待ち時間終了として通常状態（ステップ１０）に推移する（ステップ１３０）。

以上のように、本実施の形態において回転速度制御手段４０に回転速度減速手段８８を設けることにより、電流指令値が所定値１以上の場合、前記モータ１１の回転速度を前記所定値１より低い所定値２未満になるまで減速することができ、また電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除することができることにより、空調の熱負荷の変動により電動コンプレッサの高圧圧力が上昇する前に、モータ１
１の回転速度を減速するので、モータ１１の発生トルクよりモータ１１の負荷トルクが大きくなる状態を回避でき、電動コンプレッサの回転速度のハンチングを抑制することが可能となり、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化や、車室内の吹出し温度変動による車室内の快適性悪化を抑制することができる。さらに回転速度を減速中に空調の熱負荷が低下した場合、低下させた回転速度を解除でき、低下させる前の回転速度に復帰させ運転することができるので、電動コンプレッサの回転速度を低下させることで車室内空調の快適性を悪化させていた状況を、改善することができる。

なお、上記各実施の形態は最適例として示したものであって、本発明の効果を達成するものであれば種々の展開が可能である。例えば、高電圧バッテリー１を電源としたもので説明したが、これに限られるものではなく、発電機等を電源としてもよいものである。また、車両用の空気調和装置に適用したものを例にしたが、車両用でなく一般家庭、或いは業務用の空気調和装置やヒートポンプ給湯機等の各種冷凍装置にも適用できるものである。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、電流指令値が所定値以上の場合に、空調の熱負荷変動により電動コンプレッサの高圧圧力が上昇する前にモータの回転速度を減速することが可能となるため、電動コンプレッサの回転速度のハンチングを抑制することができ、電動コンプレッサの運転音のフィーリング悪化や空気調和装置に用いた場合の吹出し温度変動による快適性悪化を抑制することができ、かつ更に、回転速度を低下させることで悪化させていた空調の状況をも元に戻して改善することができ、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

１ 高電圧バッテリー
２ スイッチング素子
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
６ 制御回路
７ 電流センサ
１０ インバータ回路
１１ モータ
２０ インバータ装置
４０ 速度制御部（回転速度制御手段）
４１ 電流制御部（電流制御手段）
５１ 空調制御部
８８ 回転速度減速手段

Claims (1)

1. バッテリーまたは発電機等からなる電源と、電気入力によって駆動されるモータを内蔵した電動コンプレッサと、前記モータを所定の回転速度に制御するため電流指令値を算出する回転速度制御手段と、前記回転速度制御手段の電流指令値により前記モータへＰＷＭ変調の通電により正弦波電流を出力する電流制御手段とを備え、前記回転速度制御手段は、電流指令値が所定値１以上の場合、前記モータの回転速度を電流指令値が前記所定値１より低い所定値２未満になるまで減速する回転速度減速手段を設け、かつ更に電流指令値が所定値２未満の状態が所定時間経過したときに減速した回転速度を解除する解除手段を設けたことを特徴とするインバータ装置。