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公開番号2021006000
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2020167461
出願日20201002
発明の名称モータ制御装置、および、空気調和機
出願人日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
代理人特許業務法人磯野国際特許商標事務所
主分類H02P 3/22 20060101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】信頼性の高いモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置1は、直流電源の正極に接続される複数のスイッチング素子からなる上アーム51、および直流電源の負極に接続される複数のスイッチング素子からなる下アーム52を備え、直流電力を交流電力に変換して圧縮機モータ6を駆動するインバータモジュール5と、インバータモジュール5の直流側に流れる電流を検出するシャント抵抗Rと、インバータモジュール5を駆動するドライブ信号を出力すると共に、圧縮機モータ6の停止時には上アーム51および下アーム52のいずれか一方を所定のデューティでスイッチングさせるドライブ信号を出力し、シャント抵抗Rが検出した電流値が予め定めた設定値を超えたならばデューティを減少させる制御器2とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
直流電源の正極に接続される複数のスイッチング素子からなる第1のスイッチング素子群、および前記直流電源の負極に接続される複数のスイッチング素子からなる第2のスイッチング素子群を備え、直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動する電力変換回路と、
前記電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、
前記電力変換回路を駆動するドライブ信号を出力すると共に、前記電動機の停止時には前記第1または第2のスイッチング素子群のいずれか一方のスイッチング素子群を所定のデューティでスイッチングさせるドライブ信号を出力し、前記直流電流検出手段が検出した電流値が予め定めた設定値を超えたならば前記デューティを減少させる制御器と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
続きを表示(約 100 文字)【請求項2】
請求項1に記載のモータ制御装置を備えると共に、
前記電動機によって駆動される圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、によってなる冷媒回路を備えることを特徴とする空気調和機。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、モータ制御装置、および、空気調和機に関する。
続きを表示(約 6,400 文字)【背景技術】
【0002】
電力変換装置によって駆動されるモータを停止する際、モータに接続された負荷の特性によって逆トルクが発生し、逆転してしまう場合がある。モータが逆転をすると、例えば異常磨耗や異音といった問題が生じる。
【0003】
外付けのブレーキ回路等を追加せずに逆転を抑制する手段として、例えば特許文献1に記載の技術がある。特許文献1には、上アームおよび下アームのいずれか一方の各相のスイッチング素子を全てオンにして、モータの各相の端子間を短絡させてブレーキ電流を発生させ、スイッチング素子のオンオフ動作の制御によってモータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限する手段が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2014−57391号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の手段は、モータに流れる交流電流を検出する交流電流検出手段を有することを前提としているため、交流電流検出手段を有していない装置については記載が無い。また、ブレーキ電流を所定の電流制限値に制限する手段として、ブレーキを一時的に停止する方法のみが記載されており、スイッチング素子のオンデューティを減少させるという手段については記載が無い。
そこで、本発明は、信頼性の高いモータ制御装置、および、このモータ制御装置を用いた空気調和機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記した課題を解決するため、本発明のモータ制御装置は、直流電源の正極に接続される複数のスイッチング素子からなる第1のスイッチング素子群、および前記直流電源の負極に接続される複数のスイッチング素子からなる第2のスイッチング素子群を備え、直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動する電力変換回路と、前記電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、前記電力変換回路を駆動するドライブ信号を出力すると共に、前記電動機の停止時には前記第1または第2のスイッチング素子群のいずれか一方のスイッチング素子群を所定のデューティでスイッチングさせるドライブ信号を出力し、前記直流電流検出手段が検出した電流値が予め定めた設定値を超えたならば前記デューティを減少させる制御器とを備えることを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、信頼性の高いモータ制御装置、および、このモータ制御装置を用いた空気調和機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
本実施形態におけるモータ制御装置の構成図である。
モータ制御装置によるモータの逆転抑制動作を示す図である。
各相に流れる電流を示すグラフである。
各相に流れる電流とシャント電流を示すグラフである。
領域1において下アームをオンしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
領域1において下アームをオフしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
領域2において下アームをオンしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
領域2において下アームをオフしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
領域3において下アームをオンしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
領域3において下アームをオフしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
本実施形態のブレーキ制御の概念図である。
本実施形態のブレーキ制御を示すフローチャートである。
間欠電流検出モードの概念図である。
電流検出を行いつつ等価的なオンデューティを増加させる手段の概念図である。
電流検出を行いつつ等価的なオンデューティを増加させる別の手段の概念図である。
本実施形態のモータ制御装置を用いた空気調和機の外観図である。
空気調和機の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態におけるモータ制御装置1の構成図である。
モータ制御装置1は、直流を平滑化する平滑コンデンサ4と、直流を交流に変換して圧縮機モータ6を駆動するインバータモジュール5と、このインバータモジュール5に流れる電源電流を検出するシャント抵抗Rと、インバータモジュール5を制御する制御器2を備えている。制御器2は、例えばCPU(Central Processing Unit)とROM(Read Only Memory)とRAM(Random Access Memory)とA/D変換器を備えたマイコンを有している。このマイコンは、ROMに格納された制御プログラムを実行することにより、インパータモジュール5を制御する。このモータ制御装置1は、圧縮機モータ6のUVW相に接続されており、この圧縮機モータ6を回転駆動する。
【0010】
インバータモジュール5は、6個のスイッチング素子53〜58が三相ブリッジ結線された電力変換回路である。上アーム51には、不図示の直流電源の正極ノードPに接続されるスイッチング素子53,55,57が含まれる。下アーム52には、不図示の直流電源の負極ノードNに接続されるスイッチング素子54,56,58が含まれる。これらスイッチング素子53〜58は、還流ダイオードを含んでおり、ソースからドレインに向かって電流を流す。
【0011】
スイッチング素子53,54は直列接続されて、U相スイッチングレッグを構成する。スイッチング素子53のドレインは、直流電源の正極ノードPに接続される。スイッチング素子53のソースは、スイッチング素子54のドレインに接続され、更に圧縮機モータ6のコイルLuの一端に接続される。スイッチング素子54のソースは、直流電源の負極ノードNに接続される。
【0012】
スイッチング素子55,56は直列接続されて、V相スイッチングレッグを構成する。スイッチング素子55のドレインは、直流電源の正極ノードPに接続される。スイッチング素子55のソースは、スイッチング素子56のドレインに接続され、更に圧縮機モータ6のコイルLvの一端に接続される。スイッチング素子56のソースは、直流電源の負極ノードNに接続される。
【0013】
スイッチング素子57,58は直列接続されて、W相スイッチングレッグを構成する。スイッチング素子57のドレインは、直流電源の正極ノードPに接続される。スイッチング素子57のソースは、スイッチング素子58のドレインに接続され、更に圧縮機モータ6のコイルLwの一端に接続される。スイッチング素子58のソースは、直流電源の負極ノードNに接続される。
【0014】
不図示の直流電源が供給する直流電圧は、正極ノードPと負極ノードNとの間に接続された平滑コンデンサ4によって平滑化されて、インバータモジュール5に印加される。直流/交流変換器であるインバータモジュール5は、制御器2(マイコン)によって制御され、擬似的な三相交流電圧が出力される。この三相交流電圧により圧縮機モータ6に電流が流れ、この圧縮機モータ6を駆動する。
【0015】
圧縮機モータ6に流れる電流は、シャント抵抗Rにてスイッチング素子53〜58に流れる直流電流として検出される。この直流電流は、シャント抵抗Rの両端電圧として検出され、例えば不図示のA/D変換器によって制御器2に取り込まれて監視される。このシャント抵抗RやA/D変換器は、インバータモジュール5の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段として機能する。
【0016】
制御器2は、6個のスイッチング素子53〜58の制御端子にドライブ信号を出力して、このインバータモジュール5を制御する。圧縮機モータ6は、Y結線されたコイルLu,Lv,Lwに三相交流電流が流されることで、回転子62を回転させる。
【0017】
図2は、モータ制御装置1によるモータの逆転抑制動作を示す図である。
外付けのブレーキ回路等を追加せずに逆転を抑制する手段として、このようにインバータモジュール5の下アーム52の全相をオンして各相を短絡する手段がある。つまり制御器2は、スイッチング素子54,56,58をオンしている。圧縮機モータ6の逆転によって発生する誘起電圧に応じて、コイルLwからコイルLu,Lvに向けて電流が流れる。
【0018】
コイルLuからインバータモジュール5に向けて流れる電流は、スイッチング素子54とスイッチング素子58を介して、再びコイルLwに戻る。コイルLvからインバータモジュール5に向けて流れる電流は、スイッチング素子56とスイッチング素子58を介して、再びコイルLwに戻る。これにより、圧縮機モータ6にはブレーキトルクが発生する。
【0019】
この時の各相に流れる電流は、図3に示すように、回転子の回転角度位置に応じて、順次、電流極性が変化する。
【0020】
図3は、回転子が回転しているときに各相に流れる電流を示すグラフである。領域#1〜#6は、各時刻における電流の流れ方を説明するためのものである。
U相の電流Iuと、V相の電流Ivと、W相の電流Iwは、位相が120度ずつずれた正弦波である。
領域#1において、W相の電流Iwは、正の電流である。ここで正の電流とは、インバータモジュール5から圧縮機モータ6に向かって流れる電流をいう。また、U相の電流IuとV相の電流Ivは、負の電流である。負の電流とは、圧縮機モータ6からインバータモジュール5に向かって流れる電流をいう。
【0021】
領域#2において、U相には負の電流が流れる。また、V相とW相とには、正の電流が流れる。領域#3において、V相には正の電流が流れる。また、W相とU相とには、負の電流が流れる。
【0022】
領域#4において、W相には負の電流が流れる。また、V相とU相とには、正の電流が流れる。領域#5において、U相には正の電流が流れる。また、V相とW相とには、負の電流が流れる。領域#6において、V相には負の電流が流れる。また、W相とU相とには、正の電流が流れる。
【0023】
下アーム52のオンデューティを100%としてオンし続ける場合は、シャント抵抗Rに電流は流れない。しかし、下アーム52のオンデューティが100%未満の場合は、下アーム52がオフの期間に、シャント抵抗Rにシャント電流Ishが流れる。
【0024】
図4は、各相に流れる電流とシャント電流Ishを示すグラフである。
ここでは、図3に示した領域#1〜#3において、オンデューティが100%未満とした場合の各相モータ電流とシャント電流Ishの関係を示している。
領域#1においてシャント電流Ishは、下アーム52がオフしているときにはU相の電流IuとV相の電流Ivの和であり、下アーム52がオンしているときには0Aとなる。
領域#2においてシャント電流Ishは、下アーム52がオフしているときにはU相の電流Iuと等しく、下アーム52がオンしているときには0Aとなる。
領域3においてシャント電流Ishは、下アーム52がオフしているときにはW相の電流IwとU相の電流Iuの和であり、下アーム52がオンしているときには0Aとなる。
【0025】
図5A〜図5Fは、同じく領域#1〜#3において、各相をオンオフした際のスイッチング状態と電流経路を示した図である。このように、全相を同時にオンオフすることで、シャント抵抗Rに流れる電流から、モータに流れる電流を検出できる。各相の電流分担は不明であるが、最大電流は検出可能であるため、スイッチング素子を保護するという観点で十分に有効な電流検出手段である。
【0026】
図5Aは、領域#1において下アーム52をオンしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
このとき、W相のコイルLwには、インバータモジュール5から電流が流れる。この電流は、U相のコイルLuとスイッチング素子54に流れると共に、V相のコイルLvとスイッチング素子56にも流れ、スイッチング素子58を介して再びW相のコイルLwに戻る。
【0027】
図5Bは、領域#1において下アーム52をオフしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
このときもW相のコイルLwには、インバータモジュール5から電流が流れる。この電流は、U相のコイルLuとスイッチング素子53の還流ダイオードに流れると共に、V相のコイルLvとスイッチング素子55の還流ダイオードにも流れ、平滑コンデンサ4とシャント抵抗Rとスイッチング素子58の還流ダイオードを介して再びW相のコイルLwに還流する。
このように、シャント抵抗Rに電流が流れる期間を設けているので、制御器2は、モータ電流を検出することができる。これにより、ブレーキ制御時の最大電流を制御し、パワーモジュールの信頼性を確保することができる。ブレーキ制御の開始タイミングやデューティ増加率を容易に決定することができる。更に、インバータ停止直後からブレーキを開始し、逆転時間を短くすることができる。
【0028】
図5Cは、領域#2において下アーム52をオンしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
このとき、U相のコイルLuから、インバータモジュール5に向けて電流が流れる。この電流は、スイッチング素子54に流れたのち、スイッチング素子56とコイルLvを介してコイルLuに還流し、更にスイッチング素子58とコイルLwを介してコイルLuに還流する。
【0029】
図5Dは、領域#2において下アーム52をオフしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
このときもU相のコイルLuから、インバータモジュール5に向けて電流が流れる。この電流は、スイッチング素子53の還流ダイオードと平滑コンデンサ4とシャント抵抗Rに流れたのち、スイッチング素子56の還流ダイオードとコイルLvを介してコイルLuに還流し、更にスイッチング素子58の還流ダイオードとコイルLwを介してコイルLuに還流する。
このように、シャント抵抗Rに電流が流れる期間を設けているので、制御器2は、モータ電流を検出することができる。
【0030】
図5Eは、領域#3において下アーム52をオンしたスイッチング状態と電流経路を示す図である。
このとき、V相のコイルLvには、インバータモジュール5から電流が流れる。この電流は、U相のコイルLuとスイッチング素子54に流れると共に、W相のコイルLwとスイッチング素子58にも流れ、スイッチング素子56を介して再びV相のコイルLvに戻る。
(【0031】以降は省略されています)

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