線性電動機的驅動裝置的制作方法

專利名稱：線性電動機的驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用往復電動機(以下稱為「線性電動機」)驅動由彈簧部件支承的可動子的共振型線性電動機的驅動裝置。
具體采用

圖13，對作為彈性部件采用彈簧的線性壓縮機的構成進行說明。在氣缸60中支承活塞61可以沿其軸線方向自由滑動。在活塞61上固定磁鐵62。另外，在和磁鐵62對向的位置上配置埋設在外部軛63中的定子線圈64。在由氣缸60和活塞61形成的壓縮室65中，連接吸入管66和吐出管67，在吸入管66上設置吸入閥68，在吐出管67中設置吐出閥69。另外，活塞61由共振彈簧70彈性支承。在圖13中，在由外部軛63、定子線圈64以及磁鐵62構成的線性電動機部71中通過輸入正弦波狀的電流，使活塞61在其軸線方向上往復運動，在壓縮室65內進行冷媒的吸入、壓縮。
為了使這樣的線性壓縮機高效運行，需要使線性壓縮機的共振頻率、和輸入到線性電動機部71中的輸入電流的頻率一致進行驅動。線性壓縮機的共振頻率，由于包括彈性部件，由機械安裝的彈性部件(機械彈簧)和由壓縮空氣產生的彈性(氣體彈簧)、以及活塞61的質量所確定。但是，由壓縮空氣產生的彈性隨著負載變動而有很大變化，該線性壓縮機的共振頻率不能唯一確定。因此，考察利用輸入電流和活塞速度之間的相位相等時成共振狀態的現象，計算變動的共振頻率的方法(參見特開平10-26083)。
作為該方法的一例采用圖14所示的流程圖進行簡單說明。在第S20步，根據驅動頻率作成輸入到線性壓縮機中的正弦波電流指令值Iref。在第S21步通過來自安裝在線性壓縮機上的位置傳感器的活塞61的位置信息，計算活塞61的當前速度Vno。在第S22步計算剛才求出的Iref和Vno的相位差，如果Iref的相位超前進入到第S23步，如果相位相等進入到第S24步，如果Iref的相位滯后進入到第S25步。在第S23步由于當前的驅動頻率比共振頻率低，增加驅動頻率f之后返回到第S20步。在第S24步由于當前的驅動頻率和共振頻率相等，不改變驅動頻率f，返回到第S20步。在第S25步由于當前的驅動頻率比共振頻率高，降低驅動頻率f之后返回到第S20步。這樣，采用由位置傳感器獲得的活塞61的位置信息，控制驅動頻率與共振頻率相同。
但是，上述共振頻率的控制方法存在以下問題。
第一，在驅動頻率接近共振頻率的過程中，活塞(可動子)的振幅增加很大，在共振倍率大的壓縮機中，會出現活塞和氣缸沖撞、或者使壓縮機的冷凍能力變動很大的問題。特別是在由汽車等外部起振的環境中，出現活塞的振幅由其起振頻率產生共振的問題。
第二、由于采用上述方法，需要測定氣缸內的活塞的位移，需要在線性壓縮機中安裝位移傳感器，會出現增大了傳感器分量的壓縮機的體積和重量的問題。另外，由于需要將來自位移傳感器的信號進行微分后計算速度，計算速度和電流之間的相位差，需要比較復雜的微計算機、MPU(微處理器)等控制裝置，存在提高了成本的問題。
第三、采用位移傳感器時，必須將位移傳感器封入到線性壓縮機的殼體內，存在必須在溫度、壓力、耐冷媒等苛刻的動作條件下保證位移傳感器的動作可靠性的問題。
為了解決以上的問題，本發明的線性電動機的驅動裝置具有如下構成和作用。
有關本發明的第1驅動裝置，是使由彈性部件所支承的可動子作往復運動的線性電動機的驅動裝置，包括將直流電力變換成給定頻率的交流電力后驅動所述線性電動機的逆變器、檢測所述逆變器的輸出電流的電流檢測裝置、檢測所述逆變器的輸出電壓的電壓檢測裝置、檢測所述線性電動機的可動子振幅的振幅檢測裝置、在第1控制周期對所述輸出電流或者所述輸出電壓進行調節使所述可動子的振幅成為所希望的恒定值的振幅控制裝置、以及在使所述振幅大致恒定的條件下，在比第1控制周期大的第2控制周期中使逆變器的輸出電流最小地調節逆變器的輸出頻率的共振控制裝置。
在上述構成中，在振幅控制裝置中，在第1控制周期優先將可動子的振幅控制成大致恒定，并且在共振控制部中在第2控制周期調節逆變器的輸出頻率使逆變器的輸出電流最小。
這樣，成為為獲得相同振幅而探索成為最小電流的頻率的共振控制。另外，由于將可動子的振幅始終控制成恒定，可以防止可動子和機器本體部的沖撞，消除引起可動子的振幅變動大的情況。
有關本發明的第2驅動裝置，是使由彈性部件所支承的可動子作往復運動的線性電動機的驅動裝置，其特征在于包括將直流電力變換成給定頻率的交流電力后驅動所述線性電動機的逆變器、檢測所述逆變器的輸出電流的電流檢測裝置、檢測所述逆變器的輸出電壓的電壓檢測裝置、檢測所述線性電動機的可動子振幅的振幅檢測裝置、根據所述可動子的振幅和所述頻率檢測電動機的輸出的輸出檢測裝置、
在第1控制周期對所述輸出電流或者所述輸出電壓進行調節使所述電動機的輸出成為所希望的恒定值的輸出控制裝置、以及在使所述電動機輸出大致恒定的條件下，在比第1控制周期大的第2控制周期中調節逆變器的輸出頻率使所述輸出電流近似最小的共振控制裝置。
在上述構成中，首先在輸出控制裝置中，在第1控制周期優先將電動機的輸出控制成大致恒定，并且在共振控制部中在第2控制周期調節逆變器的輸出頻率使微小電流最小。
這樣，成為為獲得相同輸出而探索成為最小電流的頻率的共振控制。另外，由于將電動機的輸出始終控制成恒定，在頻率變化滿、少的狀態下，可動子的振幅不會有大變動，可以防止可動子和機器本體部的沖撞，消除引起可動子的振幅變動大的情況。
在上述第1和2驅動裝置中，振幅檢測裝置，也可以根據由電壓檢測裝置檢測的電壓推導線性電動機的感應電壓，根據所推導的感應電壓、逆變器的輸出頻率、線性電動機的推力常數檢測可動子的振幅。
在線性電動機的感應電壓的計算式(下式1)中右邊的第2項和第3項，相對于第1項而言足夠小可以忽視時，可以根據逆變器輸出電壓V推導感應電壓E。然后如振幅的計算式(下式2)所示那樣通過用感應電壓E除以所輸出的角速度ω(與頻率成比例)和預先已知的電動機的推力常數BL，可以求出振幅r。因此可以進行不需要位移傳感器的共振控制。因此，在上述驅動裝置的效果的基礎上，可以進一步實現小型、輕量、低成本化。另外，由于不采用物理傳感器，也有望提高可靠性。
E＝V-R·I-L·dI/dt……(1)式中，E感應電壓(V)，V逆變器輸出電壓(V)，R繞組電阻(Ω)，I電流(A)，L電感(H)。
r＝E/(BL·ω) ……(2)式中，r活塞振幅(m)，BL電動機推力常數(N/A)，ω角速度(rad/s＝2·π·f，f輸出頻率(Hz)。
進一步，振幅檢測裝置，在由電壓檢測裝置檢測的電壓的基礎上，也可以進一步采用由電流檢測裝置檢測的電流和線性電動機的繞組電阻推導感應電壓。
這樣，在感應電壓的計算式(式1)中右邊的第3項，相對于感應電壓E而言足夠小可以忽視時，可以根據逆變器輸出電壓V、繞組電阻R和電流I推導感應電壓E。然后如振幅的計算式(式2)所示那樣通過用感應電壓E除以所輸出的角速度ω(與頻率成比例)和預先已知的電動機的推力常數BL，可以求出振幅r。因此可以進行不需要位移傳感器的、比較高精度的共振控制。
進一步，振幅檢測裝置，也可以在由電壓檢測裝置檢測的電壓的基礎上，進一步采用由電流檢測裝置檢測的電流、線性電動機的繞組電阻、和線性電動機的電感推導感應電壓。
這樣，在感應電壓的計算式(下式1)中根據逆變器輸出電壓V、繞組電阻R、電流I、電感L可以更正確計算感應電壓E。然后如振幅的計算式(式2)所示那樣通過用感應電壓E除以所輸出的角速度ω(與頻率成比例)和預先已知的電動機的推力常數BL，可以求出振幅r。因此可以進行不需要位移傳感器的、更高精度的共振控制。
電流檢測裝置以及電壓檢測裝置，也可以在逆變器輸出電流的變化率大致為零的時刻分別檢測這時的瞬時電流和瞬時電壓。
在電流的變化率即電流的微分值為零的時刻，感應電壓的計算式(式1)的右邊第3項為零，可以根據逆變器輸出電壓V、繞組電阻R和電流I正確計算感應電壓E。然后如振幅的計算式(式2)所示那樣通過用感應電壓E除以所輸出的角速度ω(與頻率成比例)和預先已知的電動機的推力常數BL，可以正確求出振幅r。因此可以進行不需要位移傳感器的、采用簡單計算的共振控制。
另外，電流檢測裝置以及電壓檢測裝置，由于也可以在逆變器輸出電流的瞬時值大致最大和大致最小的時刻分別檢測這時的瞬時電流和瞬時電壓。
在電流的瞬時值最大或者最小的時刻，由于正弦波狀的電流的微分值為零，感應電壓的計算式(式1)的右邊第3項為零，可以根據逆變器輸出電壓V、繞組電阻R和電流I正確計算感應電壓E。然后如振幅的計算式(式2)所示那樣通過用感應電壓E除以所輸出的角速度ω(與頻率成比例)和預先已知的電動機的推力常數BL，可以正確求出振幅r。因此可以進行不需要位移傳感器的共振控制。
另外，電流檢測裝置以及電壓檢測裝置，也可以在逆變器輸出電流的相位為大致90°和大致270°的時刻分別檢測這時的瞬時電流和瞬時電壓。
在電流的相位為大致90°和大致270°的時刻，由于正弦波狀的電流的微分值為零，感應電壓的計算式(式1)的右邊第3項為零，可以根據逆變器輸出電壓V、繞組電阻R和電流I正確計算感應電壓E。然后如振幅的計算式(式2)所示那樣通過用感應電壓E除以所輸出的角速度ω(與頻率成比例)和預先已知的電動機的推力常數BL，可以正確求出振幅r。因此可以進行不需要位移傳感器的共振控制。
在共振控制裝置中也可以設置輸出頻率的上限值和下限值。
這樣，如果預先把握機器中的共振頻率的變動范圍，據此設定輸出頻率的上限值和下限值，不會出現極端偏離共振頻率，優先確保振幅和電動機輸出，可以進行電流不會極端增大的共振控制。
另外，也可以在共振控制裝置中，以根據彈性部件的彈性常數和可動子的質量確定的無負載時的線性電動機的固有共振頻率作為啟動時的施加頻率進行輸出。
這樣，通過預先把握線性電動機的固有共振頻率，在啟動時近似于無負載狀態時輸出該頻率，可以確保在啟動時驅動頻率不會極端偏離共振頻率，優先確保振幅和電動機輸出，可以進行電流不會極端增大的共振控制。
另外，也可以在共振控制裝置中，以比根據彈性部件的彈性常數和可動子的質量確定的無負載時的線性電動機的固有共振頻率要低的頻率作為啟動時的施加頻率進行輸出。
依據上述構成，預先把握線性電動機的固有共振頻率，在啟動時的負載狀態不知道時，通過輸出比該頻率低的頻率，根據圖8所示的電流特性，可以優先確保振幅，可以進行電流不會極端增大的共振控制。
另外，也可以在共振控制裝置中，以比根據彈性部件的彈性常數和可動子的質量確定的無負載時的線性電動機的固有共振頻率要高的頻率作為啟動時的施加頻率進行輸出。
依據上述構成，預先把握線性電動機的固有共振頻率，在啟動時的負載狀態不知道時，通過輸出比該頻率高的頻率，根據圖9所示的電流特性，可以優先確保電動機輸出，可以進行電流不會極端增大的共振控制。
另外，線性電動機也可以搭載在從外部起振的車輛上。
這樣，在線性電動機驅動中，在通過從外部與驅動頻率同相進行起振而助長可動子的振幅時，降低電壓、電流，將振幅或者電動機輸出控制在恒定，可以進行使外部起振力也作為驅動能量活用的共振控制，提高節能性能。另外，在通過與驅動頻率反相進行起振而制動可動子的振幅時，增加電壓、電流，將振幅或者電動機輸出控制在恒定，對于壓縮機可以消除冷凍能力不足的情況。同時在任一種情況中，都將振幅或者電動機輸出控制在恒定，可以防止可動子和機器本體部的沖撞，或者消除由于可動子的振幅變動大而引起機器的性能變動的情況。
圖2表示本發明的振幅控制裝置的控制流程圖。
圖3表示本發明的共振控制裝置的控制流程圖。
圖4表示本發明實施例1的控制方框圖。
圖5表示本發明實施例2的構成方框圖。
圖6表示本發明的輸出控制裝置的控制流程圖。
圖7表示本發明實施例2的控制方框圖。
圖8表示在線性壓縮機的振幅一定的條件下逆變器輸出電流相對于驅動頻率的特性。
圖9表示在線性壓縮機的輸出一定的條件下逆變器輸出電流相對于驅動頻率的特性。
圖10表示相對于線性電動機的驅動頻率的效率特性。
圖11表示線性壓縮機的驅動系的等效電路圖。
圖12表示在共振狀態下的相位關系。
圖13表不線性壓縮機的內部構成圖。
圖14表示現有技術的驅動裝置的控制流程圖。符號說明1-線性壓縮機、2-商用電源、4-共振控制部、5-直流電源、6-逆變器、7-電流傳感器(CT電流變壓器)、8-電流檢測部、9-電壓檢測部、10-振幅檢測部、11-振幅控制部、12-輸出控制部、20、22-控制部、30-空調控制部、60-氣缸、61-活塞(可動子)、62-磁鐵、63-外部軛、64-定子、65-壓縮室、66-吸入管、67-吐出管、68-吸入閥、69-吐出閥、70-共振彈簧、71-線性電動機。
(實施例1)圖1表示本發明實施例1中線性壓縮機的驅動裝置的構成方框圖。如該圖所示，該驅動裝置，包括從交流電源2產生直流電壓的直流電源5、輸出線性壓縮機1的驅動電壓的逆變器6、控制逆變器6的控制部20。控制部20由共振控制部4、電流檢測部8、電壓檢測部9、振幅檢測部10以及振幅控制部11所構成。為了實現所希望的空調控制，從空調控制部30向控制部20輸出用于獲得所必要的線性壓縮機1的能力的振幅指令。
直流電源5向逆變器6供給直流電壓，一般，由商用交流電源2和將其整流的二極管橋、平滑用電容器構成。
逆變器6將直流電源5的直流電壓變成為驅動線性壓縮機1的PWM控制的交流電壓。此外，線性壓縮機1具有圖13所示的構成。
電流檢測部8采用電流傳感器7檢測逆變器6的輸出電流即線性壓縮機1中流動的電流。具體講，電流檢測部8檢測每個載頻周期的瞬時值，從這些瞬時值中輸出電流變化率大致為零的時刻的電流瞬時值(例如圖12所示的A點、D點的值)。在此，電流變化率為零時的瞬時值根據各瞬時值的微分值或者各瞬時值的最大值以及逆變器內的輸出相位值為90°或者270°附近的值進行檢測。
振幅檢測部10檢測線性壓縮機1的活塞61的振幅。具體講，振幅檢測部10通過檢測電壓檢測部9檢測從逆變器6向線性壓縮機1輸出的電壓值，在此檢測出來的電壓是和由電流檢測部8檢測的電流相同時刻中的逆變器6的輸出電壓的瞬時值(例如圖12的B點、C點)。檢測方法既可以直接檢測逆變器6的輸出，也可以根據在輸入到逆變器6的直流電壓值上乘以PWM電壓的調制率或者占空比的值進行檢測。
振幅檢測部10，首先根據逆變器6的輸出電壓、逆變器6的電流以及預先已知的繞組電阻，按照式(3)計算線性電動機71的感應電壓E。在此首先根據圖11所示的線性壓縮機的驅動系的等效電路導出電壓方程式(1)，然后，通過使第3項為零，即電流的變化率為零可以導出式(3)。
E＝V-R·I ……(3)式中，E感應電壓(V)，V逆變器輸出電壓(V)，R繞組電阻(Ω)，I電流(A)。
然后，采用式(4)根據感應電壓E、頻率f以及預先已知的電動機推力常數BL求出活塞振幅r。在此，式(4)可以通過在表示簡諧運動中的速度、振幅和角速度之間的關系的式(5)中求解振幅的方式導出。
r＝E/(BL·2·π·f) ……(4)式中，r活塞振幅(m)，BL電動機推力常數(N/A)，f輸出頻率(Hz)。
v＝r·ω ……(5)式中，v速度(m/s)，r振幅(m)，ω角速度(rad/s)。
在上述例中，為了正確以米單位檢測出活塞的振幅r采用上式，如果只要知道相對振幅，也可以只用感應電壓除以頻率或者角速度后的值進行檢測，也可以在此基礎上乘以比例常數K作為振幅。
振幅控制部11，對與由空調控制部30指令的所希望能力對應的振幅指令值和由振幅檢測部10檢測的實際振幅值進行比較，使其差最小地來增減逆變器輸出的電壓和電流。在此，增減該電壓和電流的控制周期，為了快速控制振幅，優選設定成從數ms到數百ms左右的比較短的周期。
圖2表示由振幅控制部11和振幅檢測部10進行上述振幅控制的流程圖，是在線性壓縮機1的驅動頻率的每個半周期(60Hz時約為8ms)的任務處理。
首先，從空調控制部30輸入振幅的指令值(以下稱為「指令振幅」)(第S101步)，然后，計算實際的振幅r(第S102步)。然后，對實際振幅和指令振幅進行比較(第S103步)，如果實際振幅比指令振幅大，則降低逆變器輸出的電流、電壓(第S104步)，如果不足，則提高電流、電壓(第S105步)。
通過以上那樣控制，可以將實際振幅控制在以指令值為中心的大致恒定范圍內。
在本實施例的驅動裝置中，首先進行上述那樣的振幅控制，然后使微小電流最小用共振控制部4來調節逆變器6的輸出頻率。以下對該輸出頻率的控制進行說明。
共振控制部4，對電流檢測部8所輸出的電流峰值(變化率為零的電流瞬時值)在比較長的控制頻率期間(例如1秒內)進行累計平均，檢測出電流值，根據該檢測值在該控制周期中對逆變器輸出電壓的頻率即驅動頻率進行調節(以下稱這樣的控制為「共振控制」)。
圖3表示由共振控制部4進行共振控制的流程圖。該控制是每隔1秒進行的任務處理。即，共振控制在比振幅控制的控制周期長的周期中進行。
如圖3所示，首先取出前次(從2秒前到1秒前的1秒期間)的累計平均電流值，輸入本次(從1秒前到當前時刻的1秒期間)的累計平均電流值(第S201步)。然后判斷是否是電流值減少的方向(第S202步)。
如果是電流減少的方向，并且在前次處理中是增高驅動頻率，則繼續增高(第S203、S204步)。如果是電流減少方向，并且在前次處理中是降低驅動頻率，則繼續降低(第S203、S205步)。
相反，如果是電流增加的方向，并且在前次處理中是增高驅動頻率，則和前次相反進行降低驅動頻率的操作(第S206、S207步)。另外，如果是電流增加方向，并且在前次處理中是降低驅動頻率，則增高驅動頻率(第S206、S208步)。
在最后，保存本次的頻率操作方向和累計平均電流值(第S209步)。
通過利用以上那樣的共振控制調制驅動頻率，按照圖8所示的振幅不變條件下的電流特性，可以將驅動頻率大致控制在共振頻率上。另外，在圖8中電流最小的頻率，雖然比共振頻率多少要低一些，由于只是極小的差，基本上對線性壓縮機的效率沒有影響。作為參考，在圖10中示出了相對于線性電動機的驅動頻率的效率特性。
圖4表示實施例1中的線性壓縮機的驅動裝置的整體控制方框圖。
在電流小控制環中，在逆變器6的每個載頻周期(100μs)由電流傳感器7檢測電動機電流，使電流波形成正弦波狀以及進行該電流振幅的控制。具體講，計算在正弦波電流數據的表上乘以PWM調制率后的值與實際瞬時值之間的差，在電動機上施加與其差成比例的電壓。控制增益G1(電流小控制增益)確定電流波形的穩定性，只要設定成實驗中求出的振動少并且不會出現響應不足的值即可。
在振幅控制環中，由于電流變化率為零的點每隔半周期有1次，在驅動頻率的每個半周期(60Hz時約為8ms)進行控制。然后，根據電流變化率為零的時刻的電流和電壓計算振幅，根據該振幅和指令振幅的差增減電流。控制增益G2(振幅、輸出控制增益)，由于確定振幅的控制穩定性，只要設定成實驗中求出的振動少并且不會出現響應不足的值即可。
在共振控制環中，在1秒的控制周期中按照圖3所述那樣使電流最小進行驅動頻率的調節。在該驅動頻率的調節中要注意的點是，如圖8所示，如果驅動頻率偏離共振頻率大時，電流將急劇增加。為了防止這種情況，預先設置輸出頻率的上限值和下限值即可。該設定值根據逆變器6的電流容量和控制振幅的最大值求出。
特別是，在本控制中，需要注意驅動頻率從共振頻率在增高方向上偏離大的情況，只要在壓縮機啟動等無負載時施加固有共振頻率即可。另外，當在啟動時不知道負載時，如果施加比固有共振頻率多少要低一些的頻率，則不會出大問題。另外，通過根據壓縮機溫度和殘存吐出吸入壓力推測空調系統的負載，確定啟動頻率，可以避免啟動時的不穩定狀態。
另外，線性壓縮機的固有共振頻率，利用√(k/m)進行計算。其中k表示機械彈性常數(m/N)，m表示活塞質量(kg)。進一步，在某個標準負載下的共振頻率，只要假定這時的壓縮空氣形成的氣體彈性常數為K，則可以采用√{(k+K)/m}進行計算。K表示氣體彈性常數(m/N)。
然后，在上述振幅控制環和共振控制環中，由于在這兩個環中分別有操作電流，從理論上講有矛盾的地方，但如果使控制周期具有足夠的差，可以使電流收斂。這也在實驗中被確認。
在上述那樣的本實施例中，首先快速響應將活塞振幅控制在一定，使驅動頻率和共振頻率相等(使逆變器輸出電流最小)那樣進行控制，可以防止在共振頻率的調節過程中活塞和氣缸的沖撞。另外，即使有來自外部的起振時，由于自動使電流最小進行控制，確保振幅，可以在壓縮動作中利用外部起振能量，防止能力的變動。
另外，由于不采用物理上檢測活塞位移的位移傳感器，而根據逆變器輸出電壓、逆變器電流以及電動機常數檢測振幅，可以實現小型、輕量、低成本化，提高可靠性。
(實施例2)圖5表示本發明實施例2的線性壓縮機的驅動裝置的構成方框圖。如該圖所示，驅動裝置包括從交流電源2產生直流電壓的直流電源5、輸出線性壓縮機1的驅動電壓的逆變器6、控制逆變器6的控制部22。控制部22由共振控制部4、電流檢測部8、電壓檢測部9、振幅檢測部10、輸出檢測部12以及輸出控制部13所構成。
電流檢測部8、電壓檢測部9、振幅檢測部10，是和實施例1相同的裝置。
輸出檢測部12檢測線性壓縮機1的線性電動機的輸出。具體講，根據由振幅檢測部10所檢測的振幅、驅動頻率以及預先已知的活塞質量按照式(6)計算電動機輸出。
P＝(1/2)·m·r2·ω3……(6)式中，P電動機輸出(W)，m活塞質量(kg)，ω角速度(rad/s)，r振幅(m)。
此外，式(6)，由于電動機的輸出如下式那樣由作功率表示，對其變形后可以導出。
P＝F·v ……(7)式中，F作用在活塞上的力(N有效值)，v活塞的速度(m/s有效值)。
根據式(6)由微機計算輸出時，由于需要計算2次方和3次方，也可以簡單利用驅動頻率和振幅之積的值，在后述的輸出控制部13中，使此值不變那樣進行控制。但是，如果頻率的變化幅度比較大時，需要引起注意。
然后，輸出控制部13，將與由空調控制部30指令的所希望能力對應的電動機輸出指令值和由輸出檢測部12檢測的實際輸出值進行比較，使其差最小來增減施加在線性壓縮機1上的電壓和電流(逆變器輸出的電壓和電流)。增減該電壓和電流的控制周期，為了快速控制振幅，設定成從數ms到數百ms左右的比較短的周期。
圖6表示由輸出控制部13和輸出檢測部12進行上述控制的流程圖。該控制是在驅動頻率的每個半周期(60Hz時約為8ms)的任務處理。
首先，從空調控制部30輸入輸出的指令值(以下稱為「指令輸出」)(第S301步)，然后，計算實際的輸出W(第S302步)。然后，對實際輸出和指令輸出進行比較(第S303步)，如果實際輸出超過了指令輸出，則降低輸出電流、輸出電壓(第S304步)，如果不足，則提高輸出電流、輸出電壓(第S305步)。
通過以上那樣控制，可以將實際輸出控制在以指令值為中心的大致恒定范圍內。
另外，在上述輸出控制的同時，在本實施例中，也和實施例1(圖3)時同樣由共振控制部4進行共振控制，使微小電流最小來驅動頻率。共振頻率以比輸出控制長的控制周期進行。
通過這樣控制驅動頻率，按照圖9所示的輸出不變條件下的電流特性，可以將驅動頻率大致控制在共振頻率上。另外，輸出恒定時電流最小的頻率，如圖9所示和共振頻率一致。
圖7表示本實施例中驅動裝置的整體控制方框圖。在該圖中，電流小控制環和實施例1的情況相同。
在輸出控制環中，和實施例1同樣，由于電流變化率為零的點每隔半周期有1次，驅動頻率的每個半周期(60Hz時約為8ms)成為控制周期。根據電流變化率為零的時刻的電流和電壓、以及從共振控制環反饋回來的驅動頻率計算電動機輸出，根據該電動機輸出和指令值的差增減輸出電流。控制增益G2，由于確定電動機輸出的控制穩定性，優選設定成實驗中求出的振動少并且不會出現響應不足的值。
在共振控制環中，在1秒的控制周期中按照圖3所述那樣使電流最小進行驅動頻率的調節。在該驅動頻率的調節中要注意的點時，如圖9所示如果驅動頻率偏離共振頻率大時，電流將急劇增加。為了防止這種情況，可以設置輸出頻率的上限值和下限值。該設定值根據逆變器電路的電流容量和控制振幅的最大值求出。
特別是，在本控制中，需要注意驅動頻率從共振頻率在降低方向上偏離大的情況，只要在壓縮機啟動等無負載時施加固有共振頻率即可。另外，當在啟動時不知道負載時，如果施加比固有共振頻率多少要高一些的頻率，則不會出大問題。另外，通過根據壓縮機溫度和殘存吐出吸入壓力推測空調系統的負載，確定啟動頻率，完全可以避免啟動時的不穩定狀態。
在此，由于在上述輸出控制環和共振控制環的兩個環中均操作電流，相起來應該會存在矛盾的地方，如果使控制周期具有足夠的差，可以使電流收斂。這也在實驗中被確認。
在上述那樣的本實施例中，在將電動機輸出快速響應控制在不變過程中，當頻率變化小時，大致活塞的振幅也被控制在一定，并且使驅動頻率和共振頻率相等那樣進行控制，可以防止在共振頻率的調節過程中活塞和氣缸的沖撞。另外，即使有來自外部的起振時，由于自動使電流最小進行控制，確保振幅，對外部起振能量在壓縮動作中活用，可以防止能力的變動。
另外，由于不采用物理上檢測活塞位移的位移傳感器，而根據逆變器輸出電壓、逆變器輸出電流以及電動機常數檢測電動機的輸出，可以實現小型、輕量、低成本化，提高可靠性。
(其它變形列)在上述實施例1、2中，也可以將線性壓縮機1搭載在從外部起振的車輛上。這樣，在線性壓縮機1的線性電動機驅動中，在通過從外部與驅動頻率同相進行起振而助長可動子的振幅時，降低電壓、電流，將振幅或者電動機輸出控制在恒定，可以進行使外部起振力也作為驅動能量活用的共振控制。另外，在通過從外部與驅動頻率反相進行起振而制動可動子的振幅時，增加電壓、電流，將振幅或者電動機輸出控制在恒定，對于壓縮機可以消除冷凍能力不足的情況。同時在任一種情況中，都將振幅或者電動機輸出控制在恒定，可以防止可動子和機器本體部的沖撞，或者消除由于可動子的振幅變動大而引起機器的性能變動的情況。
依據本發明的線性電動機的驅動裝置，在第1控制周期中優先將可動子的振幅或者電動機輸出控制成大致恒定，并且在共振控制裝置中，在第2控制周期使微小電流成為最小那樣來對逆變器的輸出頻率進行調節。這樣，成為為獲得相同振幅而搜尋成為最小電流的頻率，可以進行高效率的共振控制。另外，由于始終將可動子的振幅或者電動機輸出控制成恒定，在共振控制過程中可以防止可動子和機器本體部的沖撞，防止機器性能的變動，提高可靠性和舒適性。
權利要求
1.一種線性電動機的驅動裝置，是使由彈性部件所支承的可動子作往復運動的線性電動機的驅動裝置，其特征在于包括將直流電力變換成給定頻率的交流電力后驅動所述線性電動機的逆變器、檢測所述逆變器的輸出電流的電流檢測裝置、檢測所述逆變器的輸出電壓的電壓檢測裝置、檢測所述線性電動機的可動子振幅的振幅檢測裝置、在第1控制周期對所述輸出電流或者所述輸出電壓進行調節使所述可動子的振幅成為所希望的恒定值的振幅控制裝置、以及在使所述振幅大致恒定的條件下，在比第1控制周期大的第2控制周期中使逆變器的輸出電流最小地調節逆變器的輸出頻率的共振控制裝置。
2.一種線性電動機的驅動裝置，是使由彈性部件所支承的可動子作往復運動的線性電動機的驅動裝置，其特征在于包括將直流電力變換成給定頻率的交流電力后驅動所述線性電動機的逆變器、檢測所述逆變器的輸出電流的電流檢測裝置、檢測所述逆變器的輸出電壓的電壓檢測裝置、檢測所述線性電動機的可動子振幅的振幅檢測裝置、根據所述可動子的振幅和所述頻率檢測電動機的輸出的輸出檢測裝置、在第1控制周期對所述輸出電流或者所述輸出電壓進行調節使所述電動機的輸出成為所希望的恒定值的輸出控制裝置、以及在使所述電動機輸出大致恒定的條件下，在比第1控制周期大的第2控制周期中調節逆變器的輸出頻率使所述輸出電流近似最小的共振控制裝置。
3.根據權利要求1或2所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述振幅檢測裝置根據由電壓檢測裝置檢測出的電壓推導線性電動機的感應電壓，根據所推導的線性電動機的感應電壓、逆變器的輸出頻率、線性電動機的推力常數檢測可動子的振幅。
4.根據權利要求3所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述振幅檢測裝置，在由電壓檢測裝置檢測的電壓的基礎上，進一步采用由電流檢測裝置檢測的電流和線性電動機的繞組電阻推導所述感應電壓。
5.根據權利要求3所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述振幅檢測裝置，在由電壓檢測裝置檢測的電壓的基礎上，進一步采用由電流檢測裝置檢測的電流、線性電動機的繞組電阻、及線性電動機的電感推導所述感應電壓。
6.根據權利要求3所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述電流檢測裝置以及所述電壓檢測裝置，分別檢測在逆變器輸出電流的變化率大致為零的時刻的瞬時電流和瞬時電壓。
7.根據權利要求3所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述電流檢測裝置以及所述電壓檢測裝置，分別檢測在逆變器輸出電流的瞬時值大致最大和大致最小的時刻的瞬時電流和瞬時電壓。
8.根據權利要求3所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述電流檢測裝置以及所述電壓檢測裝置，分別檢測在逆變器輸出電流的相位為大致90°和大致270°的時刻的瞬時電流和瞬時電壓。
9.根據權利要求1或2所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于在所述共振控制裝置中設置輸出頻率的上限值和下限值。
10.根據權利要求1或2所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述共振控制裝置，把根據彈性部件的彈性常數和可動子的質量所確定的無負載時的線性電動機的固有共振頻率作為啟動時的施加頻率進行輸出。
11.根據權利要求1所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述共振控制裝置，把比根據彈性部件的彈性常數和可動子的質量所確定的無負載時的線性電動機的固有共振頻率更低的頻率作為啟動時的施加頻率進行輸出。
12.根據權利要求2所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于所述共振控制裝置，把比根據彈性部件的彈性常數和可動子的質量確定的無負載時的線性電動機的固有共振頻率更高的頻率作為啟動時的施加頻率進行輸出。
13.根據權利要求1或2所述的線性電動機的驅動裝置，其特征在于線性電動機搭載在從外部起振的車輛上。
全文摘要
一種線性電動機的驅動裝置，包括檢測逆變器(6)的輸出電流的電流檢測部(8)、檢測逆變器(6)的輸出電壓的電壓檢測部(9)、檢測線性壓縮機(1)的活塞振幅的振幅檢測部(10)、在第1控制周期對輸出電流或者輸出電壓進行調節使活塞振幅成為所希望的值的振幅控制部(11)、使活塞振幅大致恒定的條件下在比第1控制周期大的第2控制周期中對逆變器(6)的輸出頻率進行調節并且使輸出電流最小進行控制的共振控制部(4)。從而可以防止由線性電動機的共振控制過程中和外部起振所引起的活塞與氣缸之間的沖撞，并且不需要位移傳感器、小型、輕量、低成本、高可靠性。
文檔編號H02K33/04GK1459921SQ0313781
公開日2003年12月3日 申請日期2003年5月21日 優先權日2002年5月21日
發明者吉田誠, 植田光男 申請人:松下電器產業株式會社