JP7112466B2 - 空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 〔１〕刊行物 発行日 令和元年１１月８日 第４回ＳＴＩ－Ｇｉｇａｋｕ ２０１９（４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ” ２０１９）ＳＴＩ－９－３４アブストラクト集 ＜資 料＞ アブストラクト集 掲載研究要旨 〔２〕学会発表（ポスター） 開催日 令和元年１１月８日～９日（発表日：令和元年１１月８日） 集会名 第４回ＳＴＩ－Ｇｉｇａｋｕ ２０１９（４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ” ２０１９） 開催場所 長岡技術大学 ＜資 料＞ 国際会議概要及びプログラム抜粋 ＜資 料＞ 研究発表ポスター 〔３〕刊行物 発行日 令和２年９月１日 電気学会 産業応用部門オンライン研究会ＩＥＥＪ／ＩＡＳ（Ｄ） Ｏｎｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇｓ ２０２０（ＤＯＴｅＭ ２０２０）予稿集 ＜資 料＞ 予稿集 掲載研究論文 〔４〕学会発表（スライド） 開催日 令和２年９月１日～２日（発表日：令和２年９月２日） 集会名 電気学会 産業応用部門オンライン研究会ＩＥＥＪ／ＩＡＳ（Ｄ） Ｏｎｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇｓ ２０２０（ＤＯＴｅＭ ２０２０） 開催場所 Ｗｅｂ開催 ＜資 料＞ 研究会概要及びプログラム抜粋 ＜資 料＞ 研究発表スライド

本発明の実施形態は、空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法に関する。

近年のＩＴサービスの増加に伴い、現代の情報化社会を支えるデータセンターは重要な施設であり、その環境を管理する空調設備も高い信頼性が要求されている。空調機（空気調和機）の要であるコンプレッサモータが回転する際に発生する圧力変化は、容量が増加するにつれて速度振動を増加させ、信頼性を低下させるとともに騒音を増加させる。
コンプレッサには様々な種類があるが、回転式のコンプレッサ、例えば、幅広い用途のロータリコンプレッサでは、その負荷トルクは機械角位相に応じて周期的に脈動し、速度振動を引き起こす。
モータに対する周期的な速度振動の抑制制御として、ピークフィルタや繰り返し制御が報告されているが、これらの制御では、抑制を必要とする特定の振動周波数成分を抽出して制御を行うため、単一の周波数成分のみしか補償ができず、外乱に含まれる周波数が広域に及ぶ場合、抑制性能が低下し、十分な振動抑制ができない。

また、従来から、回転中の速度変動に起因する振動を抑制するコンプレッサモータの速度制御装置が知られている。この速度制御装置の一つでは、負荷変動１周期の電流補正量が、記録され、速度偏差による電流フィードバック制御の積分項として用いられる。
このモータの速度制御装置では、速度偏差が電流フィードバック制御に用いられるため、振動を十分に抑制できないおそれがある。

特開昭６１－１７３６９０号公報

本発明が解決しようとする課題は、コンプレッサモータの振動を適切に抑制することができる空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法を提供することである。

実施形態の空気調和機のモータ制御装置は、コンプレッサモータを駆動するインバータを制御する空気調和機のモータ制御装置であって、速度偏差算出部と、フィードフォワード部と、電圧指令値算出部と、インバータ制御部とを持つ。速度偏差算出部は、コンプレッサモータの速度指令値と速度との偏差である速度偏差を算出する。フィードフォワード部は、速度偏差算出部によって算出された速度偏差に基づき、コンプレッサの周期外乱の影響に基づく速度偏差である速度偏差信号を算出して、この速度偏差信号に基づいて、フィードフォワードゲイン出力を出力する。電圧指令値算出部は、速度偏差算出部によって算出された速度偏差と、フィードフォワード部によって設定されたフィードフォワードゲイン出力とに基づいて、インバータに印加される電圧の指令値を算出する。インバータ制御部は、電圧指令値算出部によって算出された指令値の電圧をインバータに印加することによってインバータを制御する。フィードフォワード部の伝達関数は、速度偏差信号が入力されて速度を出力する部分の伝達関数が１となるように設定され、かつ、速度指令値とフィードフォワードゲイン出力とが入力されて速度を出力する部分の閉ループ伝達関数の逆数に設定される。

実施形態の空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法を適用可能なロータリコンプレッサの構造の一例を示す図である。 ロータリコンプレッサの運転中におけるトルク変動を示すグラフである。 実施形態が適用可能な空気調和機のモータ制御装置の制御対象の一例を示すブロック図である。 図３に示すインバータの動作タイミングの一例を示す波形図である。 実施形態の空気調和機のモータ制御装置の制御ブロック線図である。 実施形態の空気調和機のモータ制御装置のフィードフォワード部の詳細構成の一例などを示す図である。 実施形態の空気調和機のモータ制御装置が適用されたシステムの一例を示す図である。 図７に示すシステムにおけるシミュレーション結果を示す図である。 図８に示す例で加えた周期外乱が増加したと仮定し、負荷トルクの変動後の応答の確認結果を示す図である。 実施形態の空気調和機のモータ制御装置によって実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。

実施形態の空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法について説明する前に、実施形態の空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法を適用可能な空気調和機用コンプレッサの一例であるロータリコンプレッサについて説明する。

図１は実施形態のモータ制御装置およびモータ制御方法を適用可能なロータリコンプレッサの圧縮機構部の構造の一例を示す図である。図２はロータリコンプレッサの運転中におけるトルク変動を示すグラフである。
ロータリコンプレッサ１ａは、円筒形のシリンダ２に対して偏心させられた円筒形のローラ３を備える。ローラ３はシリンダ２の中心に軸心を合わせて位置させた回転軸５に設けられた偏心部４によって偏心回転される。
図示しないコンプレッサモータが回転軸５を回転駆動することで、ローラ３はシリンダ２の内面に接しながら回転移動する。シリンダ２の一か所に切り込みが設けられ、その切り込み部分にほぼ隙間なくベーン６が挿入される。ベーン６は、その背面に図示しないバネ等の弾性部材で回転軸５の方向に常に押圧されており、ベーン６の先端はローラ３に接する。
したがって、シリンダ２内の空間は、図１に示すようにローラ３とシリンダ２及びベーン６によって２つの空間１０ａ，１０ｂに区画される。２つの空間の内、図１中の左側空間が低圧の吸込空間１０ａ、図１中の右側空間が圧縮空間１０ｂとなる。吸込空間１０ａに位置するシリンダ２側面には圧縮すべき冷媒を吸込む吸込口８、もう一方の圧縮空間１０ｂに位置するシリンダ２側面には、圧縮された冷媒を吐出する吐出口９が設けられている。
コンプレッサモータが回転軸５を回転させることで、図中矢印の方向にローラ３が回転し（駆動し）、圧縮空間１０ｂの容積が小さくなることで、その内部のガス冷媒が圧縮され、シリンダ２内の高圧冷媒が吐出口９から吐出される。この圧縮と同時に吸込空間１０ａの容積が大きくなることで、吸込口８から低圧のガス冷媒がシリンダ２内に吸い込まれる。
なお、図示しないが吐出口９には、内外間の差圧が所定値以上になった場合に開放される開閉弁、例えばリード弁、が設けられる。これにより吐出口９から吐出される冷媒の高圧圧力が維持される。
このようにロータリコンプレッサは、回転軸の１回転中に吸込、圧縮、吐出の動作を繰り返すことから、図２に示すようにモータの負荷トルクは、吸入時に小さく、圧縮時に大きくなる特性を持ち、機械角位相に応じて周期的に脈動し、速度変動を引き起こす。なお、図１、図２では１シリンダ型のロータリコンプレッサで説明したが、２シリンダ型では、上記速度変動の周期が回転軸の１回転中に２回生じることになる。さらに、スクロール型等の他の機構を備えたコンプレッサにおいても、その負荷トルク変動の大きさは、ロータリコンプレッサよりも小さいが、同じように回転軸の回転に合わせて負荷トルク変動が発生する。

以下、実施形態の空気調和機のモータ制御装置および空気調和機のモータ制御方法について、図面を参照して説明する。

まず、図３は実施形態が適用可能な一般的な空気調和機のモータ制御装置１の一例を説明するためのブロック図である。
図３に示すシステムでは、空気調和機用コンプレッサモータＡ１（例えばＩＰＭＳＭ：永久磁石埋込型同期モータ）と、コンプレッサモータＡ１を駆動するインバータＡ２とが含まれている。機械角位相に応じた周期外乱Ｔ_Ｌが負荷トルクとして入力されるＩＰＭＳＭの速度電流制御系が制御対象である。
図３において、Ｃｃ（ｚ）は、後退差分によって離散化した電流制御系のＰＩコントローラであり、下記の（１）式によって表される。Ｃｖ（ｚ）は、後退差分によって離散化した速度制御系のＰＩコントローラであり、（１）式によって表される。（１）式において、Ｋ_ｐｃは電流制御系の比例パラメータを示しており、Ｋ_ｉｃは電流制御系の積分パラメータを示しており、Ｔｓは整定時間、すなわちサンプリング周期、を示しており、Ｋ_ｐｖは速度制御系の比例パラメータを示しており、Ｋ_ｉｖは速度制御系の積分パラメータを示している。

図３において、Ｐｃ（ｚ）は、ゼロ次ホールドによって離散化したＩＰＭＳＭの電気モデルであり、下記の（２）式によって表される。Ｐｖ（ｚ）は、ゼロ次ホールドによって離散化したＩＰＭＳＭの機械モデルであり、（２）式によって表される。
（２）式において、Ｌはモータのリラクタンス値、Ｒはモータの抵抗値、Ｄは摩擦係数、Ｊはモータの慣性モーメントである。

図４は図３に示すインバータＡ２の動作タイミングの一例を示す図である。
図４に示す例では、キャリアの山で制御の割り込みを入れる場合、例えばこのタイミングにおける電流センサによって検出されたコンプレッサモータＡ１の電流値のサンプリング後、電圧指令値算出部がインバータＡ２の電圧指令値を算出し、インバータ制御部がインバータＡ２のスイッチング状態を決定する。
計算後ただちに電圧指令値を更新すると、スイッチング回数の増加や出力電圧の誤差が生じるため、インバータＡ２の電圧指令値の更新は、図４に示すように、１サンプリング遅れることになる。よって、図３や図５に示すように、インバータＡ２の伝達関数は、１サンプリング遅れを示す「１／ｚ」によって表される。

図５に示すように実施形態の空気調和機のモータ制御装置１は、コンプレッサの機械角周期外乱を利用したフィードフォワード制御系である。
周期外乱Ｔ_Ｌが加えられなければ、図３に示すＰＩ制御系の速度応答（コンプレッサモータＡ１の実速度）ω^ｒｅｓは、定常状態において速度指令値ω^ｒｅｆと一致し、速度偏差ｅ_ω（＝ω^ｒｅｆ－ω^ｒｅｓ）は０となる。しかしながら、上述の通り、コンプレッサでは、回転周期に対応した周期で周期外乱Ｔ_Ｌが加わる。
このような、周期外乱Ｔ_Ｌが加えられた状態では、速度応答ω^ｒｅｓは周期外乱Ｔ_Ｌに応じて変動し、周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差が発生する。ここで、図３に示すようなフィードフォワード制御系を備えず、周期外乱Ｔ_Ｌが加えられた状態での速度応答をω^ｒｅｓ１とし、新たに組み込むフィードフォワード制御系による速度応答をω^ｒｅｓ2とする。すなわち、ω^ｒｅｓ＝ω^ｒｅｓ１＋ω^ｒｅｓ2となる。
この周期外乱Ｔ_Ｌの影響を反映した速度偏差が、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂに入力される速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）である。なお、この速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）の算出方法は、その詳細を後述する。図５（Ｃ）に、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）のみを入力とした場合の速度応答ω^ｒｅｓ２を示している。ここで、速度応答ω^ｒｅｓ２を速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）と一致させることによって、図５に示すフィードフォワード制御系に入力される周期外乱Ｔ_Ｌに基づく速度応答ω^ｒｅｓ１の振動成分が打ち消され、コンプレッサモータＡ１の速度振動を低減させることができる。
図５において、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数は「Ｇ_ｆｆ（ｚ）」によって表わされる。ここで、図５（Ａ）と図（Ｂ）とは単に制御ブロックの順番を入れ替えたもので同じ制御系を表わしている。図５（Ｃ）は、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）のみを入力とした場合の速度応答ω^ｒｅｓ２を示している。
ＩＰＭＳＭのトルクＴは下記の（３）式によって表され、リラクタンストルクも含まれるが、後述する説明ではｄ軸電流ｉ_ｄを「０」とする制御を行い、定常状態においてｄ軸電流ｉ_ｄの影響は受けないと仮定すると、トルクＴは下記の（４）式によって表される。これをもとにフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂがフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）を設定する。ここで、式（３）、（４）では、ｉ_ｑはｑ軸電流、ｉ_ｄはｄ軸電流、Ｌ_ｄは、ｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸のインダクタンス、Ｋ_ｔはトルク定数（Ｋ_ｔ＝ｐ＊Φ）、ここで、Φはモータの永久磁石による鎖交磁束、ｐは極対数を表わしている。

上述の速度応答ω^ｒｅｓ２を速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）と一致させるためには、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示すフィードフォワード制御系の全体（つまり、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）が入力されて速度応答ω^ｒｅｓ２を出力する部分）の伝達関数（Ｇ_ｆｆ（ｚ）およびＧ_ｃ（ｚ）の積）が１となるように、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）は設定される必要がある。
したがって、図５に示す実施形態の空気調和機のモータ制御装置１では、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）が、図５（Ｂ）の破線によって囲まれる四角形部分である制御対象（つまり、速度指令値ω^ｒｅｆとフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とが入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分）の閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）の逆数（＝１／Ｇ_ｃ（ｚ））に設定される。
速度制御系、電流制御系、インバータを含めた閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）は、下記の（５）式によって表される。

（５）式に（１）式および（２）式を代入し整理すると、（６）式になり、Ｇ_ｃ（ｚ）は、分母が５次、分子が２次の関数となる。ここで、Ｄ_０～Ｄ_５、Ｎ_０～Ｎ_２は、係数である。
一方、閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）の逆数であるフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）を計算すると、下記の（７）式によって表される。

フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）は、分子が５次、分母が２次の関数となり、（７）式の形では実現不可能である。
実現可能な形とするため（７）式について分子／分母を計算すると、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）は、下記の（８）式によって表される。（８）式において、第１項、第２項および第３項は除算の商、Ａ_ｆｆ（ｚ）は余り、Ｂ_ｆｆ（ｚ）は分母であり、Ａ’_ｆ３～Ａ’_ｆ１は係数である。

この結果、図５に示すフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）は、下記の（９）式によって表される。

（８）式において「ｚのｎ乗」は「ｎサンプリング進み」を表す。そのため、（９）式によって表されるフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）には、速度偏差信号の現在値（ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ））だけでなく、３サンプリング未来の値（ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ＋３））が含まれる。ここで、３サンプリングとは、トルク変動Ｔ_Ｌの周期における同一タイミングの３制御周期分未来の値を意味する。よって、実施形態の空気調和機のモータ制御装置１においてフィードフォワード制御を行うためには、速度偏差信号の未来値の取得が必要である。

実施形態の空気調和機のモータ制御装置１では、コンプレッサ（例えばロータリコンプレッサなど）による負荷トルクが機械角に応じて周期的であることを利用し、毎周期の同一機械角においては、速度偏差ｅ_ω（＝ω^ｒｅｆ－ω^ｒｅｓ）が等しいと仮定することで速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を、（９）式の計算におけるすべての周期の未来値として扱う。

この仮定に基づいた動作を行わせるためのモータ制御装置１のフィードフォワード部１２の詳細構成の一例を図６（Ａ）に示す。
図６（Ａ）に示す例では、フィードフォワード部１２が、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂに加え、記憶部１２Ａ及び伝達関数Ｇ_ｏｆ（ｚ）を備えている。記憶部１２Ａは、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂに入力するための速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）（図５参照）であって、コンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌ（図５参照）の影響を受けた速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を記憶する。
フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂは、記憶部１２Ａに記憶されているコンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌの影響を反映した１周期分の速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を、次の同一周期タイミング、すなわち同じ機械角における、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）の未来値として（つまり、コンプレッサの次の周期分の速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）として）使用することによって、フィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）を設定する。
速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を記憶する記憶部１２Ａの段数Ｎは、下記の（１０）式によって求められる。（１０）式において、ｆ_ｓはサンプリング周波数、ｆ_ｒはモータの回転周波数であり、記憶部１２Ａの段数Ｎは、コンプレッサの１周期の間に行われるサンプリング回数である。

Ｎ＝ｆ_ｓ／ｆ_ｒ （１０）
なお、２シリンダロータリコンプレッサの場合、コンプレッサ駆動モータの１回転当たり２周期の周期外乱Ｔ_Ｌが発生することから、モータの半回転分のサンプリングを記憶させれば良い。この場合には、記憶するサンプリング数Ｎは、半分となり、記憶部１２Ａのメモリ容量を削減できる。

実施形態の空気調和機のモータ制御装置１のフィードフォワード制御によって周期外乱Ｔ_Ｌが打ち消されると記憶部１２Ａに入力される速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）は０になり、記憶部１２Ａに周期外乱Ｔ_Ｌの成分が含まれなくなってしまう（つまり、記憶部１２Ａに周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）が記憶されない）。そのため、実施形態の空気調和機のモータ制御装置１では、周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を記憶部１２Ａに記憶しておく必要がある。
そこで、図６（Ａ）に示すように、周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）は、その時点の速度偏差ｅω（ｋ）に記憶部１２Ａに記憶された同一位相の前回記憶した速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）をフィードフォワード制御系から速度応答までの伝達関数Ｇ_ｏｆ（ｚ）を介してフィードバックして、加算した値を新たな速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）として記憶部１２Ａに記憶する。
フィードフォワード制御系から速度応答までの伝達関数Ｇ_ｏｆ（ｚ）と閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）とフィードフォワード部１２の伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）との関係は、下記の（１１）式によって表される。

Ｇ_ｏｆ（ｚ）＝Ｇ_ｃ（ｚ）Ｇ_ｆｆ（ｚ）＝１ （１１）

上述の通りコンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌによる速度振動を抑制するにはコンプレッサの周期外乱１周期分のデータが含まれる速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を記憶部１２Ａに記憶しておく必要がある。そのため、実施形態の空気調和機のモータ制御装置１のフィードフォワード制御は、記憶部１２Ａへの速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）の保存開始時点から、コンプレッサの１周期に相当する時間が経過した時点に開始される。例えばコンプレッサモータＡ１が、コンプレッサの１周期中に１回転する場合には、実施形態の空気調和機のモータ制御装置１のフィードフォワード制御は、記憶部１２Ａへの速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）の保存開始時点から、コンプレッサモータＡ１の周期外乱の１周期、通常はモータ１回転、に相当する時間が経過した時点に開始される。これによりコンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌによる速度振動を短期間で抑制・収束させることができる。

図６（Ｂ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１の一例を示しており、空気調和機のモータ制御装置１が、コンプレッサモータＡ１（図５および図７参照）を駆動するインバータＡ２（図４および図６参照）を制御する。
空気調和機のモータ制御装置１は、速度偏差算出部１１と、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂと、電圧指令値算出部１３と、インバータ制御部１４とを備えている。
速度偏差算出部１１は、コンプレッサモータＡ１の速度指令値ω^ｒｅｆと実速度ω^ｒｅｓとの偏差である速度偏差ｅ_ω（＝ω^ｒｅｆ－ω^ｒｅｓ）を算出する。ここで、速度指令値ω^ｒｅｆは、モータ制御装置１の上位の制御器、例えば空気調和機の制御装置より入力される。一方、実速度ω^ｒｅｓは、速度検知器２０から出力される。速度検知器２０としては、コンプレッサモータＡ１に取り付けられたロータリーエンコーダから回転速度を読み取る方法や、モータ電流から回転速度を推定する等の方法が用いられる。ある程度の正確な速度検知ができるのであれば、取得方法は問わない。
なお、空気調和機の冷凍サイクルに用いられるコンプレッサは密閉容器からなること、コンプレッサモータＡ１が収納されるコンプレッサの内部は高圧・高温であることからモータ電流から回転数を推定することが一般的である。
フィードフォワード部１２内のフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂは、速度偏差算出部１１によって算出された速度偏差ｅ_ωに基づき算出された、コンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差ｅ_ωである速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）に基づいて、フィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）を設定する。
電圧指令値算出部１３は、速度偏差算出部１１によって算出された速度偏差ｅ_ωと、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂによって設定されたフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とに基づいて、インバータＡ２に印加される電圧の指令値を算出する。
インバータ制御部１４は、電圧指令値算出部１３によって算出された指令値の電圧をインバータＡ２に指示することによってインバータＡ２を制御する。インバータＡ２は、電圧指令値算出部１３によって指示された電圧を出力することでコンプレッサモータＡ１を駆動する。

図６（Ｂ）に示す例では、上述したように、フィードフォワード部１２のフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）は、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）が入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分（つまり、図５（Ｂ）に示すフィードフォワード制御系の全体）の伝達関数（Ｇ_ｆｆ（ｚ）およびＧ_ｃ（ｚ）の積）が１となるように設定され、かつ、速度指令値ω^ｒｅｆとフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とが入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分（つまり、図５（Ｂ）の破線によって囲まれる四角形部分）の閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）の逆数（＝１／Ｇ_ｃ（ｚ））に設定される。

図７は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたシステムＡの一例であって、ここでは、システムＡのパラメータが、下記の表１のように設定されている。

さらに、この例では、インバータＡ２として、理想ＩＧＢＴを備えるＰＷＭインバータが用いられ、コンプレッサモータＡ１としてＩＰＭＳＭが用いられる。ｄ軸電流指令値は「０」に設定されている。

図８は図７に示すシステムＡにおけるシミュレーション結果を示す図である。
詳細には、図８（Ａ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたコンプレッサモータＡ１の実速度ω^ｒｅｓの時間波形（「Ｐｒｏｐ」で示す）と、比較例として何等制御を加えていないコンプレッサモータの実速度の時間波形（「Ｃｏｎｖ」で示す）とを比較して示している。実施形態の空気調和機のモータ制御装置１のフィードフォワード制御は、時間０．１［ｓ］の時点に開始されている。
図８（Ｂ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたコンプレッサモータＡ１のｄ軸電流の時間波形（「Ｐｒｏｐ」で示す）と、比較例のｄ軸電流の時間波形（「Ｃｏｎｖ」で示す）とを比較して示している。
図８（Ｃ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたコンプレッサモータＡ１のｑ軸電流の時間波形（「Ｐｒｏｐ」で示す）と、比較例のｑ軸電流の時間波形（「Ｃｏｎｖ」で示す）とを比較して示している。
図８（Ｄ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたコンプレッサの機械角位相に応じた周期外乱Ｔ_Ｌ（負荷トルク）の時間波形（「Ｐｒｏｐ」で示す）と、比較例の周期外乱Ｔ_Ｌ（負荷トルク）の時間波形（「Ｃｏｎｖ」で示す）とを比較して示している。
図８（Ｅ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたコンプレッサの機械角位相の時間波形（「Ｐｒｏｐ」で示す）と、比較例の機械角位相の時間波形（「Ｃｏｎｖ」で示す）とを比較して示している。ここでは、コンプレッサモータＡ１は、２０ｒｐｓで運転されている。

図８（Ａ）～（Ｅ）に「Ｃｏｎｖ」で示す比較例では、フィードフォワード制御が行われず、周期外乱Ｔ_Ｌの影響がそのまま残ってしまっている。
一方、図８（Ａ）～（Ｅ）に「Ｐｒｏｐ」で示す実施形態の空気調和機のモータ制御装置１の適用例では、図８（Ａ）に示すように、フィードフォワード制御が開始される時間０．１［ｓ］の時点以降の時間帯においてコンプレッサモータＡ１の振動を適切に抑制することができる。
詳細には、図８（Ａ）～（Ｅ）に「Ｐｒｏｐ」で示す実施形態の空気調和機のモータ制御装置１の適用例では、時間０．０５［ｓ］の時点に、記憶部１２Ａへの速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）の保存が開始されている。

図８（Ａ）に示す測定データでは、定常状態と確認できる時間０．１５［ｓ］～時間０．３［ｓ］の期間における「Ｃｏｎｖ」で示す比較例の速度振動のｐ－ｐ最大値と「Ｐｒｏｐ」で示す実施形態の空気調和機のモータ制御装置１の適用例の速度振動のｐ－ｐ最大値とを比較することで速度振動抑制の効果を評価することができる。図８（Ａ）に示すように、「Ｐｒｏｐ」で示す実施形態の空気調和機のモータ制御装置１の適用例では、ｐ－ｐ最大値で約８７．４％の振動低減を確認することができた。

図９は図８に示す例で加えた周期外乱Ｔ_Ｌが増加したと仮定し、負荷トルクの変動後の応答の確認結果を示す図である。
詳細には、図９（Ａ）は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１が適用されたコンプレッサモータＡ１の実速度ω^ｒｅｓの時間波形（「Ｐｒｏｐ」で示す）と、比較例のコンプレッサモータの実速度の時間波形（「Ｃｏｎｖ」で示す）とを比較して示している。
図９（Ｂ）はコンプレッサの機械角位相に応じた周期外乱Ｔ_Ｌ（負荷トルク）の時間波形を示している。
図９に示す例では、時間０．２５［ｓ］の時点に、負荷トルクが１．５倍に増加している。

上述したように、実施形態の空気調和機のモータ制御装置１では、記憶部１２Ａが、フィードフォワード部１２に入力される速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）であって、コンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を記憶する。図９（Ｂ）に示す例のように、負荷トルク（周期外乱Ｔ_Ｌ）が変動する場合には、記憶部１２Ａが、変動した周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を記憶する。
更に、上述したように、実施形態の空気調和機のモータ制御装置１では、フィードフォワード部１２内のフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂが、記憶部１２Ａに記憶されているコンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた前回のコンプレッサの１周期分（例えばコンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌの１周期にコンプレッサモータＡ１が１回転する場合には、コンプレッサモータＡ１の１回転分）の速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）を、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）の未来値として使用することによって、フィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）を設定する。
つまり、図９（Ａ）に「Ｐｒｏｐ」で示す実施形態の空気調和機のモータ制御装置１のフィードフォワード制御では、丁度、コンプレッサモータＡ１の１回転後の時間０．３［ｓ］以降において、時間０．２５［ｓ］の時点から負荷トルクの増加を反映したフィードフォワード制御が行われている。その結果、さらにコンプレッサモータＡ１の１回転後の時間０．３５［ｓ］以降においては、ほぼ速度変動が抑え込まれている。
このように、十分な速度振動抑制の効果が得られるまで、負荷トルクが変動してからコンプレッサの２周期分（例えばコンプレッサの１周期にコンプレッサモータＡ１が１回転する場合には、コンプレッサモータＡ１の２回転分）の時間が必要であることが確認できた。

図１０は実施形態の空気調和機のモータ制御装置１によって実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。
図１０に示す例では、ステップＳ１において、速度偏差算出部１１が、コンプレッサモータＡ１の速度指令値ω^ｒｅｆと実速度ω^ｒｅｓとの偏差である速度偏差ｅ_ω（＝ω^ｒｅｆ－ω^ｒｅｓ）を算出する。
次いで、ステップＳ２では、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂが、ステップＳ１において算出された速度偏差ｅ_ωであって、コンプレッサの周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差ｅ_ωである速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）に基づいて、フィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）を設定する。
次いで、ステップＳ３では、電圧指令値算出部１３が、ステップＳ１において算出された速度偏差ｅ_ωと、フィードフォワードゲイン設定部１２Ｂによって設定されたフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とに基づいて、インバータＡ２に印加される電圧の指令値を算出する。
次いで、ステップＳ４では、インバータ制御部１４が、ステップＳ３において算出された指令値の電圧をインバータＡ２に印加することによってインバータＡ２を制御する。
詳細には、フィードフォワード部１２のフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）は、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）が入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分の伝達関数が１となるように設定され、かつ、速度指令値ω^ｒｅｆとフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とが入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分の閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）の逆数に設定される。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、空気調和機のモータ制御装置１は、コンプレッサモータＡ１を駆動するインバータＡ２を制御するモータ制御装置１であって、速度偏差算出部１１とフィードフォワード部１２と電圧指令値算出部１３とインバータ制御部１４とを持つ。速度偏差算出部１１は、コンプレッサモータＡ１の速度指令値ω^ｒｅｆと実速度ω^ｒｅｓとの偏差である速度偏差ｅ_ωを算出し、フィードフォワード部１２は、速度偏差算出部１１によって算出された速度偏差ｅ_ωであって、コンプレッサＡ１の周期外乱Ｔ_Ｌの影響を受けた速度偏差ｅ_ωである速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）に基づいて、フィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）を設定し、電圧指令値算出部１３は、速度偏差算出部１１によって算出された速度偏差ｅ_ωと、フィードフォワード部１２によって設定されたフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とに基づいて、インバータＡ２に印加される電圧の指令値を算出し、インバータ制御部１４は、電圧指令値算出部１３によって算出された指令値の電圧をインバータＡ２に印加することによってインバータＡ２を制御し、フィードフォワード部１２内のフィードフォワードゲイン設定部１２Ｂの伝達関数Ｇ_ｆｆ（ｚ）は、速度偏差信号ｅ_ｆｅｅｄ（ｋ）が入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分の伝達関数が１となるように設定され、かつ、速度指令値ω^ｒｅｆとフィードフォワードゲイン出力ｒ_ｆ（ｋ）とが入力されて実速度ω^ｒｅｓを出力する部分の閉ループ伝達関数Ｇ_ｃ（ｚ）の逆数に設定される。それにより、コンプレッサモータの振動を適切に抑制することができる。

なお、上述した実施形態（変形例を含む）における空気調和機のモータ制御装置１の少なくとも一部の機能をコンピュータで実現するようにしても良い。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…モータ制御装置、１１…速度偏差算出部、１２…フィードフォワード部、１２Ａ…記憶部、１２Ｂ…フィードフォワードゲイン設定部、１３…電圧指令値算出部、１４…インバータ制御部、２０…速度検知器、Ａ…システム、Ａ１…コンプレッサモータ、Ａ２…インバータ

Claims (4)

1. コンプレッサモータを駆動するインバータを制御する空気調和機のモータ制御装置であって、
   前記コンプレッサモータの速度指令値と速度との偏差である速度偏差を算出する速度偏差算出部と、
   前記速度偏差算出部によって算出された前記速度偏差に基づき、コンプレッサの周期外乱の影響に基づく速度偏差である速度偏差信号を算出して、この速度偏差信号に基づいて、フィードフォワードゲイン出力を出力するフィードフォワード部と、
   前記速度偏差算出部によって算出された前記速度偏差と、前記フィードフォワード部によって設定された前記フィードフォワードゲイン出力とに基づいて、前記インバータに印加される電圧の指令値を算出する電圧指令値算出部と、
   前記電圧指令値算出部によって算出された指令値の電圧を前記インバータに印加することによって前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、
   前記フィードフォワード部の伝達関数は、
   前記速度偏差信号が入力されて前記速度を出力する部分の伝達関数が１となるように設定され、かつ、
   前記フィードフォワード部の伝達関数が、前記速度指令値と前記フィードフォワードゲイン出力とが入力されて前記速度を出力する部分の閉ループ伝達関数の逆数に設定され、
   前記フィードフォワード部は、前記コンプレッサの周期外乱の影響を受けた前記速度偏差信号を記憶する記憶部を備え、
   前記フィードフォワード部は、前記記憶部に記憶されている前記コンプレッサの周期外乱の影響を反映した１周期分の前記速度偏差信号を、次の同一周期タイミングにおける速度偏差信号の未来値として使用することによって、前記フィードフォワードゲイン出力を設定し、
   前記コンプレッサの周期外乱の影響を受けた時点の前記速度偏差には、同一位相の前記記憶部に前回記憶された前記速度偏差信号が、フィードフォワード制御系から速度応答までの伝達関数を介してフィードバックされ、前記記憶部は、フィードバックされて加算された値を新たな速度偏差信号として記憶し、
   前記フィードフォワード制御系から速度応答までの伝達関数が１である、
   空気調和機のモータ制御装置。
2. 前記コンプレッサモータの前記速度を、前記コンプレッサモータに流れる電流から推定した請求項１に記載の空気調和機のモータ制御装置。
3. 前記フィードフォワード部は、
   前記記憶部に記憶されている前記コンプレッサの周期外乱の１周期分の前記速度偏差信号を、前記速度偏差信号の未来値として使用することによって、前記フィードフォワードゲイン出力を設定する、
   請求項１に記載の空気調和機のモータ制御装置。
4. コンプレッサモータを駆動するインバータを制御する空気調和機のモータ制御方法であって、
   前記コンプレッサモータの速度指令値と速度との偏差である速度偏差を算出する速度偏差算出ステップと、
   前記速度偏差算出ステップにおいて算出された前記速度偏差に基づき算出されたコンプレッサの周期外乱の影響を受けた前記速度偏差である速度偏差信号に基づいて、フィードフォワードゲイン出力を出力するフィードフォワードゲイン設定ステップと、
   前記速度偏差算出ステップにおいて算出された前記速度偏差と、前記フィードフォワードゲイン出力とに基づいて、前記インバータに印加される電圧の指令値を算出する電圧指令値算出ステップと、
   前記電圧指令値算出ステップにおいて算出された指令値の電圧を前記インバータに印加することによって前記インバータを制御するインバータ制御ステップとを備え、
   前記フィードフォワードゲイン出力を設定するフィードフォワードゲイン設定ステップにおける伝達関数は、
   前記速度偏差信号が入力されて前記速度を出力する部分の伝達関数が１となるように設定され、かつ、
   前記フィードフォワードゲイン設定ステップにおけるの伝達関数が、前記速度指令値と前記フィードフォワードゲイン出力とが入力されて前記速度を出力する部分の閉ループ伝達関数の逆数に設定され、
   前記フィードフォワードゲイン設定ステップを実行するフィードフォワード部は、前記コンプレッサの周期外乱の影響を受けた前記速度偏差信号を記憶する記憶部を備え、
   前記フィードフォワード部は、前記記憶部に記憶されている前記コンプレッサの周期外乱の影響を反映した１周期分の前記速度偏差信号を、次の同一周期タイミングにおける速度偏差信号の未来値として使用することによって、前記フィードフォワードゲイン出力を設定し、
   前記コンプレッサの周期外乱の影響を受けた時点の前記速度偏差には、同一位相の前記記憶部に前回記憶された前記速度偏差信号が、フィードフォワード制御系から速度応答までの伝達関数を介してフィードバックされ、前記記憶部は、フィードバックされて加算された値を新たな速度偏差信号として記憶し、
   前記フィードフォワード制御系から速度応答までの伝達関数が１である、
   空気調和機のモータ制御方法。

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