JP2004104997A

JP2004104997A - ブラシレスモータ制御装置

Info

Publication number: JP2004104997A
Application number: JP2003375417A
Authority: JP
Inventors: Koji Hamaoka; 浜岡　孝二; Keiji Ogawa; 小川　啓司
Original assignee: Matsushita Refrigeration Co
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JP3776102B2

Abstract

　【課題】高効率化のために特性改善（出力ダウン）を行ったモータにおいてもその運転範囲を広げることができ、負荷の最大点で所望の回転数を得る。
　【解決手段】直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１３と、インバータ１３により駆動されるブラシレスモータ３と、ブラシレスモータ３の逆起電圧からロータ３ａの回転位置を検出する逆起電圧検出回路１４と、逆起電圧検出回路１４の信号からインバータ１３を駆動させる波形を作る転流回路１６と、ブラシレスモータ３を同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路１７と、ブラシレスモータ３の負荷の状態を判定する負荷状態判定回路２０と、負荷状態判定回路２０によりインバータ１３から出力する波形を転流回路１６もしくは同期駆動回路１７のいずれかに切り換える切換回路１８を有し、高負荷の時には、切換回路１８が、同期駆動回路１７に切り換える。
【選択図】図１

Description

　本発明は冷蔵庫やエアコンなどの冷凍システムの圧縮機に適したブラシレスモータ制御装置に関するものである。

　ブラシレスモータは効率が高く、回転数制御も電圧制御で可能であるという点から広く利用されている。特に近年ブラシレスモータの回転位置を検出する位置検出素子を不要にする技術としてモータの巻線電圧に発生する逆起電圧から回転位置を検出する方法が提案されてから、特に冷凍システムに用いられる圧縮機など高温であり、しかも内部に冷媒、オイルなどがある非常に使用環境が悪いところでも多く使用されるようになってきた。

　例えば特許文献１などに冷蔵庫に応用した場合について記載されている。以下従来のブラシレスモータ制御装置について図面を参照しながら説明する。

　図１０は従来のブラシレスモータ制御装置のブロック図である。

　図１０において、ブラシレスモータ１０１は、シャフトを介して圧縮機構１０２を動作させている。

　商用電源１０３は、例えば一般家庭における１００Ｖ６０Ｈｚの交流電源である。整流回路１０４は商用電源１０３を整流する。ここでは倍電圧整流方式を採用しており、ＡＣ１００Ｖを入力とし、ＤＣ２５０Ｖを出力としている。

　インバータ１０５は、スイッチング素子を３相ブリッジ接続した構成であり、整流回路１０３の直流出力を３相の任意電圧、任意周波数の出力に変換し、ブラシレスモータ１０１に電力を供給する。

　逆起電圧検出回路１０６は、ブラシレスモータ１０１のステータ巻線の逆起電圧からロータの回転の相対位置を検出する。ドライブ回路１０７はインバータ１０５のスイッチング素子をオン／オフさせる。

　転流回路１０８は、ブラシレスモータ１０１が定常運転しているときに逆起電圧検出回路１０６の出力によりインバータ１０５のどの素子をオンさせるか決定する。

　ＰＷＭ制御回路１０９は、インバータ１０５のスイッチング素子の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子のみをチョッピングし、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う。パルス幅のデューティ（パルス周期中のオン周期の割合）を上／下させることで出力電圧を上昇／下降させることができる。

　以上のように構成されたブラシレスモータ制御装置について次に動作について説明する。

　ブラシレスモータ１０１が停止状態から起動をさせるときには逆起電圧が発生していないため、位置検出は不可能である。従ってインバータ１０５から強制的に低周波数、低デューティの出力を出し、強制的に回転をスタートさせる（一般的に低周波同期起動と呼ばれる）。

　ある程度回転が上昇してくると、ブラシレスモータ１０１のステータ巻線に逆起電圧が発生し、逆起電圧検出回路１０６からの位置検出信号を転流回路１０８で加工し、ドライブ回路１０７に与えることにより通常のＤＣモータとしての運転（位置信号による閉ループ制御）を行うこととなる。

　ＤＣモータにおいては電圧を変化させることで回転数制御が可能であり、ＰＷＭ制御回路１０９からのデューティを大きくすると回転数が上昇し、逆にデューティを小さくすると回転数が下降することとなる。

　また逆起電圧検出回路１０６の位置検出信号の出力はロータの回転と完全に同期しているので、この信号より回転数を検知しデューティを調整することにより、モータの回転数制御ができることになる。

　ＤＣモータとして動作しているときの特性を次に説明する。図１１はＤＣモータのトルク特性図である。図１１において、横軸がトルク、縦軸が回転数及びモータを流れる電流を示している。

　Ｒ１はデューティ１００％（最大電圧）の時のトルク＝回転数特性を示している。トルクが大きくなると回転数が低下する。またＩ１はその時のモータを流れる電流を示しており、トルクにほぼ比例して大きくなる。

　冷凍システムにおける負荷の最大点Ｌｍは、最大トルクＴｍ、最大回転数Ｒｍの点である。この点は冷凍性能確保のため、回転数は最大回転数Ｒｍを確保する必要がある。

　そこでモータを設計する場合、この最大負荷点が運転できるように設計を行う。即ち回転数特性Ｒ１が最大負荷点Ｌｍより上側に来るように設計を行う（この場合、入力電圧低下などの影響を考慮してマージンを設定する必要がある）。
特開平３−５５４７８号公報

　しかしながら従来の構成では、次のような課題があった。

　図１１における最大負荷点Ｌｍを出せるようにするには、モータをＲ１の様に設計するが、出力の高いモータであるため必然的にモータ電流自体が全体的に高くなる。従って通常運転するトルクＴｎにおいてもモータ電流が大きくなり、インバータの効率が悪くなるという課題を有していた。

　この課題を解決するためには、例えばモータの出力を低下させ、図１１における回転数特性Ｒ２、電流特性Ｉ２なるモータを設計すると電流が下がり高効率になるが、この時最大負荷点Ｌｍはクリアできず、回転数が下がってしまうこととなる。

　本発明は従来の課題を解決するもので、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ高効率なブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。

　本発明の他の目的は、負荷の検知し、運転方法を最適に切り換え、回転数がダウンせず、冷凍能力も確保できるブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。

　本発明の他の目的は、運転方法が切り替わる近辺でも動作が安定させることができるブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。

　本発明の他の目的は、高負荷に対応した運転の時、負荷を検出することによって、軽負荷になったときに速やかにもとの運転状態に戻ることのできるブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。

　本発明の他の目的は、高負荷に対応した運転の時、負荷を検出することによって、更に負荷が大きくなりモータが停止にまで至る前に回転数を下げることによってモータの停止という最悪の状態を避けることのできるブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。

　この目的を達成するために本発明のブラシレスモータ制御装置は、逆起電圧検出回路の信号からインバータを駆動させる波形を作る転流回路と、ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路とから構成されている。

　また、逆起電圧検出回路の信号からインバータを駆動させる波形を作る転流回路と、ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路とから構成されている。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路とから構成されている。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、同期駆動回路に切り換えたときにカウントを開始し一定時間経過後転流回路からの出力にする第１タイマ回路とから構成されている。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、逆起電圧検出回路の信号と同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差がなくなったときに転流回路からの出力に切り換える位相判定回路とから構成されている。

　また、逆起電圧検出回路の信号と同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差が所定値より小さくなったときに同期駆動回路からの出力周波数を下げる周波数調整回路とから構成されている。

　本発明のブラシレスモータ制御装置は、インバータから出力する波形を転流回路もしくは同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路を設けることにより、ブラシレスモータが高負荷の状態であるときには、同期モータとして運転すべく切り換えを行い、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷においては高効率な運転が可能となる。

　また、ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、負荷状態判定回路によりインバータから出力する波形を転流回路もしくは同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路を設けることにより、ブラシレスモータの負荷状態を負荷状態判定回路で検出し、高負荷の状態であるときには、同期モータとして運転すべく切り換えを行い、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷においては高効率な運転が可能となる。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路を設けることにより、デューティが最大になるとＤＣモータとしてはそれ以上能力を出せない限界であるといえるので、このデューティから負荷の状態を検知し、デューティが最大になった時には運転方法を同期モータとしての運転に切り換え、回転数がダウンせず、冷凍能力も確保できることとなる。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、同期駆動回路に切り換えたときにカウントを開始し一定時間経過後転流回路からの出力にする第１タイマ回路とを設けることにより、一度同期モータとしての運転に切り替わったとき、第１タイマ回路を動作させ一定時間運転を継続させることによって、運転方法が切り替わる近辺でも頻繁に切り替わることなく動作が安定させることができる。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、逆起電圧検出回路の信号と同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差がなくなったときに転流回路からの出力に切り換える位相判定回路とを設けることにより、同期モータとしての運転を行っているとき、その負荷を逆起電圧検出回路の信号と同期駆動回路の信号との位相差を検出することにより予測し、位相差がなくなったときに通常のＤＣモータの運転に戻すことにより、軽負荷になったときに速やかにもとの運転状態に戻ることができる。

　また、逆起電圧検出回路の信号と同期駆動回路の信号との位相差を検出し、位相差が所定値より小さくなったときに同期駆動回路からの出力周波数を下げる周波数調整回路とを設けることにより、同期モータとしての運転を行っているとき、位相差が所定値より小さくなれば、同期駆動回路からの出力周波数を低下させることにより脱調トルクを向上させることができ、更に負荷が大きくなりモータが停止にまで至る前に回転数を下げることによってモータの停止という最悪の状態を避けることができる。

　本発明の請求項１記載のブラシレスモータ制御装置の発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路とを有し、高負荷の状態であるときには、前記切換回路が、前記ブラシレスモータを同期モータとして運転すべく切り換えるものであり、ブラシレスモータが高負荷の状態であるときには、同期モータとして運転すべく切り換えを行い、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷においては高効率な運転が可能となる。

　請求項２記載のブラシレスモータ制御装置の発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路とを有するものであり、ブラシレスモータの負荷状態を負荷状態判定回路で検出し、高負荷の状態であるときには、同期モータとして運転すべく切り換えを行い、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷においては高効率な運転が可能となる。

　請求項３記載のブラシレスモータ制御装置の発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路とを有するものであり、デューティが最大になるとＤＣモータとしてはそれ以上能力を出せない限界であるといえるので、このデューティから負荷の検知し、デューティが最大になった時には運転方法を同期モータとしての運転に切り換え、回転数がダウンせず、冷凍能力も確保できることとなる。

　請求項４記載のブラシレスモータ制御装置の発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、前記同期駆動回路に切り換えたときにカウントを開始し一定時間経過後前記転流回路からの出力にする第１タイマ回路を有するものであり、一度同期モータとしての運転に切り替わったとき、第１タイマ回路を動作させ一定時間運転を継続させることによって、運転方法が切り替わる近辺でも頻繁に切り替わることなく動作が安定させることができる。

　請求項５記載のブラシレスモータ制御装置の発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、前記逆起電圧検出回路の信号と前記同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差がなくなったときに前記転流回路からの出力に切り換える位相判定回路とを有するものであり、同期モータとしての運転を行っているとき、その負荷を逆起電圧検出回路の信号と同期駆動回路の信号との位相差を検出することにより予測し、位相差がなくなったときに通常のＤＣモータの運転に戻すことにより、軽負荷になったときに速やかにもとの運転状態に戻ることができる。

　請求項６記載のブラシレスモータ制御装置の発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、前記逆起電圧検出回路の信号と前記同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差が所定値より小さくなったときに前記同期駆動回路からの出力周波数を下げる周波数調整回路とを有するものであり、同期モータとしての運転を行っているとき、位相差が所定値より小さくなれば、同期駆動回路からの出力周波数を低下させることにより脱調トルクを向上させることができ、更に負荷が大きくなりモータが停止にまで至る前に回転数を下げることによってモータの停止という最悪の状態を避けることができる。

　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。

　（実施の形態１）
　図１は本発明の実施の形態におけるブラシレスモータ制御装置のブロック図である。

　図１において、圧縮機１はシェル２を有する。ブラシレスモータ３は、ロータ３ａとステータ３ｂとからなる。ロータ３ａは周囲に永久磁石を配置してある（例えば４極の場合９０度毎にＮＳＮＳの極を配置）。

　シャフト４は、ロータ３ａに固定され、ロータ３ａの回転時にはベアリング５の中を回転する。またシャフト４の下部には偏心部４ａが設けてある。さらにその下部には給油ポンプ６が設けてある。シャフト４の回転運動が偏心部４ａによって往復運動に変えられピストン７がシリンダ８内を往復することにより、冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は吐出管９から出ていき、冷却システム（凝縮器、膨張器、蒸発器など、図示せず）を通って吸込管１０より圧縮機１のシェル２内部に放出される。

　商用電源１１は、例えば一般家庭における１００Ｖ６０Ｈｚの交流電源である。商用電源１１を整流する整流回路１２は、本実施の形態では倍電圧整流方式を採用しており、ＡＣ１００Ｖを入力とし、ＤＣ２５０Ｖを出力としている。インバータ１３は、スイッチング素子を３相ブリッジ接続した構成であり、整流回路１２の直流出力を３相の任意電圧、任意周波数の出力に変換し、ブラシレスモータ３に電力を供給する。

　逆起電圧検出回路１４は、ブラシレスモータ３のステータ３ｂの巻線の逆起電圧からロータ３ａの回転の相対位置を検出する。ドライブ回路１５はインバータ１３のスイッチング素子をオン／オフさせる。転流回路１６は、ブラシレスモータ３が定常運転しているときに逆起電圧検出回路１４の出力によりインバータ１３のどの素子をオンさせるか決定する。

　同期駆動回路１７は、ブラシレスモータ３を同期モータとして運転させる際に、所定周波数、所定電圧（所定デューティ）の出力を出す。切換回路１８は、ドライブ回路に送出する信号を、転流回路１６の信号か同期駆動回路１７の信号かを切り換える。

　ＰＷＭ制御回路１９は、インバータ１３のスイッチング素子の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子のみをチョッピングし、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う。パルス幅のデューティ（パルス周期中のオン周期の割合）を上／下させることで出力電圧を上昇／下降させることができる。

　負荷状態判定回路２０は、ブラシレスモータ３の負荷状態を判定し、切換回路１８による運転モードの切り換えを決定する。第１タイマ回路２１は、同期駆動回路１７による運転に切り替わったときにタイマをスタートし、一定時間ｔ１経過するとタイマ終了する。

　デューティ判定回路２２は、デューティが最大（１００％）になったとき、最大負荷であることを検出する。位相判定回路２３は、逆起電圧検出回路１４の信号と同期駆動回路１７の信号との位相差を検出し、現在の負荷状態を知ることができる。

　周波数調整回路２４は、逆起電圧検出回路１４の信号と同期駆動回路１７の信号との位相差を検出し、その位相差が所定値より小さくなったときに、同期駆動回路１７からの出力周波数を下げる。

　以上のように構成されたブラシレスモータ制御装置について、以下その動作を図１を用いて説明する。

　ブラシレスモータ３が停止状態から起動をさせるときには逆起電圧が発生していないため、位置検出は不可能である。従ってインバータ１３から強制的に低周波数、低デューティの出力を出し、強制的に回転をスタートさせる（一般的に低周波同期起動と呼ばれる）。

　その後、加速を行いある程度回転が上昇（１０ｒ／ｓｅｃ程度）してくると、ブラシレスモータ３のステータ巻線に逆起電圧が発生し、逆起電圧検出回路１４による位置検出が可能となる。

　逆起電圧検出回路１４からの位置検出信号を転流回路１６で加工し、切換回路１８を介してドライブ回路１５に与えることにより通常のＤＣモータとしての運転（位置信号による閉ループ制御）を行うこととなる。

　ＤＣモータとしての運転においては電圧を変化させることで回転数制御が可能であり、ＰＷＭ制御回路１９からのデューティを大きくすると回転数が上昇し、逆にデューティを小さくすると回転数が下降することとなる。

　ＰＷＭ制御はパルス幅変調と呼ばれ、電圧の調整をデューティにより調整するものであり、デューティとはＯＮ周期／キャリア周期であり０〜１００％の値をとる。キャリア周期はキャリア周波数で決まっており、一般的には数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。またデューティの値が大きければ電圧は高くなる。

　同期駆動回路１７は、ブラシレスモータを同期モータとして運転する際に出力を出すもので所定周波数、所定デューティの出力を出すことができる。この時には同期モータとしての特性となる。

　負荷状態判定回路２０でブラシレスモータ３の負荷状態を判定する。負荷状態を判定して高負荷であると判断したときには同期駆動回路１７での運転に切り換える。

　また逆起電圧検出回路１４の位置検出信号の出力はロータの回転と完全に同期しているので、この信号より回転数を検知し、ＰＷＭ制御回路１９のデューティを調整することにより、モータの回転数制御ができることになる。

　以上のような動作を行うことにより、得られる特性について、図２を用いて説明する。図２は本実施の形態におけるブラシレスモータの運転範囲を示す特性図である。図２において、横軸はトルク、縦軸は回転数を示している。Ｒ２は従来例でも説明したように高効率化を行うために出力を低下させた設計を行ったモータのデューティ１００％（最大電圧）の時のトルク＝回転数特性を示している。

　ブラシレスモータをＤＣモータとしてのみの運転を行う場合、回転数制御が可能な領域は図２に示す領域Ａであり、最高回転数、最大トルクが特性Ｒ２のために制限が加えられているのがわかる。

　そこでブラシレスモータを同期モータとしての運転も行うことによって領域Ｂにおける運転も可能となる。領域Ｂで高回転数、高トルクで領域が欠けているのは、同期モータの脱調トルクがこの部分にあることを示す。

　次に本実施の形態の動作について、図３、図１を用いて更に詳しく説明する。図３は本実施の形態におけるブラシレスモータ制御装置の流れ図である。

　図３において、ＳＴＥＰ１ではブラシレスモータをＤＣモータとして運転している。即ちインバータ１３からの出力は、切換回路１８によって転流回路１６からの出力が選択されている。

　次に、ＳＴＥＰ２でデューティ判定回路２２でＰＷＭ制御回路１９の出力しているデューティが１００％（最大）であるか否かを判定する。デューティが１００％未満であればまだ性能的に余裕があると判断し、ＳＴＥＰ１即ちＤＣモータとしての運転を継続する。デューティが１００％であればＳＴＥＰ３に進む。

　次に、ＳＴＥＰ３で現在の実際の回転数が目標回転数に比べて低下しているかどうか判定する。低下していなければデューティは１００％で最大状態ではあるがまだぎりぎり性能が出せるところにあると判断し、ＳＴＥＰ１即ちＤＣモータとしての運転を継続する。

　また、回転数が低下していれば負荷的にＤＣモータとしての運転範囲をもはや越えているものと判断し、ＳＴＥＰ４に進む。

　次に、ＳＴＥＰ４では、切換回路１８で同期駆動回路１７での運転に切り換える。この時同期駆動回路１７から出力する信号の周波数は目標回転数相当（例えば、７０ｒ／ｓｅｃが目標で４極モータであれば１４０Ｈｚの周波数）であり、デューティは１００％とする。

　次に、ＳＴＥＰ５では同期モータとしての運転に入ってからの時間をカウントし、一定時間ｔ１が経過しなければＳＴＥＰ４の同期モータとしての運転を繰り返し継続する。

　一定時間ｔ１が経過するとＳＴＥＰ１に戻り、ＤＣモータとしての運転を再度実行し、ＳＴＥＰ１から繰り返す。この時まだ負荷が高い状態であれば同じ手順で同期モータとしての運転に再度入り、負荷が軽くなっていればＤＣモータとしての運転に戻ることとなる。

　次に、図３に示すような運転を行った場合の特性について、図４を用いて説明する。図４は本実施の形態における動作を示すモータ特性図である。

　図４において、横軸がトルク、縦軸が回転数を示している。Ｒ２は従来例でも説明したように高効率化を行うために出力を低下させた設計を行ったモータのデューティ１００％（最大電圧）の時のトルク＝回転数特性である。

　トルクがＴ１からＴ２の範囲においては、ＤＣモータとしての運転で回転数制御が十分に可能な範囲である。トルクがＴ２においてはデューティ１００％での運転となっているが回転数はまだ最大回転数Ｒｍ（目標回転数）が維持できている。

　更にトルクが大きくなりＴ３になると、もはやＤＣモータとしての運転の限界を越えているので、回転数がモータの特性Ｒ２に沿って低下してくる。ここで同期モータとしての運転に切り換える。すると回転数が再び最大回転数Ｒｍとなり回転数が維持できることとなる。

　更に負荷が増加しても同期モータとして動作しているので最大負荷点ＬｍすなわちトルクＴｍにおいても、最大回転数Ｒｍを維持できる。

　しかしながら、同期モータとして運転している場合でもトルクの限界はあり、本説明ではトルクＴ４（脱調トルク）までトルクが上がるとモータが脱調を起こし、停止する。

　次に、この動作について更に時間要素も含め、図５を用いて詳しく説明する。図５は本実施の形態による動作のタイミング図である。横軸は時間を示している。（ａ）は回転数、（ｂ）は負荷トルク、（ｃ）はデューティを示す。

　時刻ｔ２においては負荷トルクも低く、ＤＣモータとしての運転で十分に回転数制御ができている。その後負荷トルクが上がってくるに従って回転数を維持させるためにもデューティを上げていく。

　更に負荷トルクが上がり、時刻ｔ３においてデューティ１００％の運転となる。更に負荷が上がると、時刻ｔ４で回転数が下がってくる。そこで同期モータとしての運転に切り換えると共に、第１タイマ回路２１のカウントをスタートする。

　第１タイマ回路２１が時間ｔ１をカウント中（時刻ｔ４〜ｔ５）同期モータとして運転しているので負荷トルクが上がっても回転数は維持される。第１タイマ回路２１がカウントを終了した時刻ｔ５では一旦ＤＣモータとしての運転に戻る。

　しかしまだ負荷トルクが高く、デューティ１００％を維持しているにも関わらず、回転数が落ちてしまうのですぐに同期モータとしての運転に切り替わり、再度第１タイマ回路が動作をし始める。

　第１タイマ回路２１が時間ｔ１をカウント中（時刻ｔ５〜ｔ６）同期モータとして運転しているので負荷トルクが上がっても回転数は維持される。第１タイマ回路２１がカウントを終了した時刻ｔ６では、再度ＤＣモータとしての運転に戻る。

　ここでは負荷トルクが低くなっており、切り換えた瞬間に回転数が上昇し、回転数制御によってデューティを下げて、回転数が目標回転数になるよう調整を行う。従って時刻ｔ６以降は通常のＤＣモータによる運転を行うこととなる。

　（実施の形態２）
　次に実施の形態２の動作について、図６、図１を用いて説明する。図６は実施の形態２におけるブラシレスモータ制御装置の流れ図である。

　図６において、ＳＴＥＰ１１ではブラシレスモータをＤＣモータとして運転している。即ちインバータ１３からの出力は、切換回路１８によって転流回路１６からの出力が選択されている。

　次に、ＳＴＥＰ１２でデューティ判定回路２２でＰＷＭ制御回路１９の出力しているデューティが１００％（最大）であるか否かを判定する。デューティが１００％未満であればまだ性能的に余裕があると判断し、ＳＴＥＰ１１即ちＤＣモータとしての運転を継続する。デューティが１００％であればＳＴＥＰ３に進む。

　次に、ＳＴＥＰ１３で現在の実際の回転数が目標回転数に比べて低下しているかどうか判定する。低下していなければデューティは１００％で最大状態ではあるがまだぎりぎり性能が出せるところにあると判断し、ＳＴＥＰ１１即ちＤＣモータとしての運転を継続する。

　また、回転数が低下していれば負荷的にＤＣモータとしての運転範囲をもはや越えているものと判断し、ＳＴＥＰ１４に進む。

　次に、ＳＴＥＰ１４では、切換回路１８で同期駆動回路１７での運転に切り換える。この時同期駆動回路１７から出力する信号の周波数は目標回転数相当（例えば、７０ｒ／ｓｅｃが目標で４極モータであれば１４０Ｈｚの周波数）であり、デューティは１００％とする。

　次に、ＳＴＥＰ１５で位相判定回路２３によって、逆起電圧検出回路１４の信号と同期駆動回路１７の信号との位相差を検出する。ここで位相差とは同期駆動回路１７の信号に対する逆起電圧検出回路１４の信号の位相差を示し、正の値の時は進み、負の値の時は遅れを意味する。

　ここでＳＴＥＰ１５での判定で位相差が０以上であれば同期モータとしての運転を終了し、ＳＴＥＰ１１に戻り、ＤＣモータとしての運転を再度実行し、ＳＴＥＰ１１から繰り返す。ＳＴＥＰ１５での判定で位相差が０未満であればＳＴＥＰ１６に進む。

　ＳＴＥＰ１６では更に位相差を判定し、−φｍ以上であればＳＴＥＰ１４から繰り返し、−φｍ未満であればＳＴＥＰ１７に進む。

　ＳＴＥＰ１７では周波数調整回路２４で同期周波数を調整し、同期駆動回路１７からの出力周波数を下げることにより、インバータ１３からの出力周波数を下げる。

　つぎに、この位相差について図７を用いて更に詳しく説明する。図７は実施の形態２における信号のタイミング図である。

　図７において（ａ）から（ｆ）はインバータ１３の各パワー素子のオン／オフを決定する同期駆動回路１７の出力である。（ｇ）から（ｉ）は逆起電圧検出回路１４の位置検出信号である。

　Ｕ相上アーム信号の立ち上がりと位置検出信号Ｘの立ち上がりとは位相差φ１の遅れが生じている。またＵ相下アーム信号の立ち上がりと位置検出信号Ｘの立ち下がりとは位相差φ２の遅れが生じている。

　同様にＶ相上アーム信号の立ち上がりと位置検出信号Ｙの立ち上がりとは位相差φ３の遅れが生じている。またＶ相下アーム信号の立ち上がりと位置検出信号Ｙの立ち下がりとは位相差φ４の遅れが生じている。

　また、Ｗ相上アーム信号の立ち上がりと位置検出信号Ｚの立ち上がりとは位相差φ５の遅れが生じている。またＷ相下アーム信号の立ち上がりと位置検出信号Ｚの立ち下がりとは位相差φ６の遅れが生じている。

　同期モータとしての運転を行っているときは、高負荷においてはロータがステータからの回転磁界に対して、遅れて回転しているのでこのように遅れ位相が発生することになる。

　反対に軽負荷においてはロータがステータからの回転磁界に対して、逆に進んで回転するので、進み位相となる。

　なお、ＤＣモータとして運転しているときは、位置検出信号Ｘ、Ｙ、Ｚに従ってドライブする信号を発生しているのでφ１からφ６は全て０になる。このように同期モータとして運転しているときに、位相差を検出することで負荷の状態を知ることができる。

　次に、図７に示すような運転を行った場合の特性について、図８を用いて説明する。図８は実施の形態２における動作を示す特性図である。

　図８において、横軸がトルク、縦軸が回転数を示している。Ｒ２は従来例でも説明したように高効率化を行うために出力を低下させた設計を行ったモータのデューティ１００％（最大電圧）の時のトルク＝回転数特性である。

　その脱調を防止するためにトルクＴ５（Ｔ５＜Ｔ４）において同期モータとしての運転周波数を下げ、回転数を低下させる。回転数が下がった場合、同期モータの特性からも明らかなように脱調トルクは大きくなる。

　従ってトルクＴ６（Ｔ６＞Ｔ４）になってもモータは脱調する事なく、継続して運転することができる。この負荷の状態を知るために位相差を判定して運転状態を適切に決定している。

　また、負荷状態が容易にわかるので位相が０になり、ＤＣモータとしての運転に復帰させることも容易にできる。

　次に、この動作について更に時間要素も含め、図９を用いて詳しく説明する。図９は実施の形態２による動作のタイミング図である。横軸は時間を示している。（ａ）は回転数、（ｂ）は負荷トルク、（ｃ）はデューティ、（ｄ）は位相差を示す。

　時刻ｔ７においては負荷トルクも低く、ＤＣモータとしての運転で十分に回転数制御ができている。その後負荷トルクが上がってくるに従って回転数を維持させるためにもデューティを上げていく。

　更に負荷トルクが上がり、時刻ｔ８においてデューティ１００％の運転となる。更に負荷が上がると、時刻ｔ９で回転数が下がってくる。そこで同期モータとしての運転に切り換え、回転数を維持させる。この時、負荷的には若干負荷が高いので位相差は若干遅れることになる。

　更に負荷が大きくなってくると、位相差は遅れが大きくなってくる。時刻ｔ１０においては位相差は−φｍより大きくなろうとするので、同期駆動回路１７からの出力周波数を下げることにより、回転数は低下する。負荷が大きい場合はこの回転数を維持する。

　時刻ｔ１１においては負荷が軽くなり位相差も−φｍより小さくなるのでもとの同期周波数での運転に戻る。更に負荷が軽くなり、位相差が０になれば、ＤＣモータとしての運転に復帰する。

　以上のように本実施の形態におけるブラシレスモータ制御装置は、ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路２０と、負荷状態判定回路２０によりインバータ１３から出力する波形を転流回路１６もしくは同期駆動回路１７のいずれかに切り換える切換回路１８を設けることにより、ブラシレスモータの負荷状態を負荷状態判定回路２０で検出し、高負荷の状態であるときには、同期モータとして運転すべく切り換えを行い、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷においては高効率な運転が可能となる。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路２２を設けることにより、デューティが最大になるとＤＣモータとしてはそれ以上能力を出せない限界であるといえるので、このデューティから負荷の状態を検知し、デューティが最大になった時には運転方法を同期モータとしての運転に切り換え、回転数がダウンせず、冷凍能力も確保できることとなる。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータから出力する波形を同期駆動回路１７からの出力にするデューティ判定回路２２と、同期駆動回路１７に切り換えたときにカウントを開始し一定時間経過後転流回路１６からの出力にする第１タイマ回路２１とを設けることにより、一度同期モータとしての運転に切り替わったとき、第１タイマ回路２１を動作させ一定時間運転を継続させることによって、運転方法が切り替わる近辺でも頻繁に切り替わることなく動作が安定させることができる。

　また、デューティが最大になったことを判定しインバータ１３から出力する波形を同期駆動回路１７からの出力にするデューティ判定回路２２と、逆起電圧検出回路１４の信号と同期駆動回路１７の信号との位相差を検出し位相差がなくなったときに転流回路１６からの出力に切り換える位相判定回路２３とを設けることにより、同期モータとしての運転を行っているとき、その負荷を逆起電圧検出回路１４の信号と同期駆動回路１７の信号との位相差を検出することにより予測し、位相差がなくなったときに通常のＤＣモータの運転に戻すことにより、軽負荷になったときに速やかにもとの運転状態に戻ることができる。

　また、逆起電圧検出回路１４の信号と同期駆動回路１７の信号との位相差を検出し、位相差が所定値より小さくなったときに同期駆動回路１７からの出力周波数を下げる周波数調整回路２４とを設けることにより、同期モータとしての運転を行っているとき、位相差が所定値より小さくなれば、同期駆動回路１７からの出力周波数を低下させることにより脱調トルクを向上させることができ、更に負荷が大きくなりモータが停止にまで至る前に回転数を下げることによってモータの停止という最悪の状態を避けることができる。

　本発明のブラシレスモータの制御装置は、回転数特性を改善したモータでも最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷においては高効率な運転が可能となるので、冷蔵庫やエアコンなどの冷凍システムに用いられる圧縮機等の用途にも適用できる。

実施の形態１におけるブラシレスモータ制御装置のブロック図実施の形態１におけるブラシレスモータの運転範囲を示す特性図実施の形態１におけるブラシレスモータ制御装置の流れ図実施の形態１における動作を示すモータ特性図実施の形態１による動作のタイミング図実施の形態２におけるブラシレスモータ制御装置の流れ図実施の形態２における信号のタイミング図実施の形態２における動作を示すモータ特性図実施の形態２による動作のタイミング図従来のブラシレスモータ制御装置のブロック図ＤＣモータのトルク特性図

符号の説明

　３　ブラシレスモータ
　３ａ　ロータ
　１３　インバータ
　１４　逆起電圧検出回路
　１６　転流回路
　１７　同期駆動回路
　１８　切換回路
　２０　負荷状態判定回路
　２１　第１タイマ回路
　２２　デューティ判定回路
　２３　位相判定回路
　２４　周波数調整回路

Claims

　直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路とを有し、高負荷の状態であるときには、前記切換回路が、前記ブラシレスモータを同期モータとして運転すべく切り換えるブラシレスモータ制御装置。
　直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路とを有するブラシレスモータ制御装置。
　直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路とを有するブラシレスモータ制御装置。
　直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、前記同期駆動回路に切り換えたときにカウントを開始し一定時間経過後前記転流回路からの出力にする第１タイマ回路を有するブラシレスモータ制御装置。
　直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、前記逆起電圧検出回路の信号と前記同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差がなくなったときに前記転流回路からの出力に切り換える位相判定回路とを有するブラシレスモータ制御装置。
　直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの逆起電圧からロータの回転位置を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路の信号から前記インバータを駆動させる波形を作る転流回路と、前記ブラシレスモータを同期モータとして動作させるための波形を作る同期駆動回路と、前記ブラシレスモータの負荷の状態を判定する負荷状態判定回路と、前記負荷状態判定回路により前記インバータから出力する波形を前記転流回路もしくは前記同期駆動回路のいずれかに切り換える切換回路と、デューティが最大になったことを判定し前記インバータから出力する波形を同期駆動回路からの出力にするデューティ判定回路と、前記逆起電圧検出回路の信号と前記同期駆動回路の信号との位相差を検出し位相差が所定値より小さくなったときに前記同期駆動回路からの出力周波数を下げる周波数調整回路とを有するブラシレスモータ制御装置。