JP2004242430A

JP2004242430A - ベクトル制御インバータ装置および洗濯機

Info

Publication number: JP2004242430A
Application number: JP2003029488A
Authority: JP
Inventors: Naoki Omura; 直起大村; Kazunobu Nagai; 一信永井; Toshimitsu Aizawa; 敏満会沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】モータ負荷の慣性モーメントを検出できるセンサレスのベクトル制御インバータ装置、それを用いて洗濯物の重量を検出する洗濯機を提供する。
【解決手段】角速度制御により定速回転させた後、該定速時のトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ１）に所定の電流値（ΔＩｑ）を加えた一定の電流値（Ｉｑ２）をトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑｒ）として与えることにより磁束軸（ｄ軸）の角速度推定値（ω）を上昇させる。該上昇時の前記モータの角加速度（ｄω／ｄｔ）を磁束軸（ｄ軸）の角速度推定値（ω）の時間変化より求める。求めた角加速度（ｄω／ｄｔ）と、前記定速時のトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ１）と、前記トルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ２）とを用いて前記モータの運動方程式を解くことにより慣性モーメントを算出する。その値より洗濯物の重量を算出する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷であるモータの慣性モーメントを検出可能なベクトル制御インバータ装置およびそのインバータ装置を使用した洗濯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の洗濯機は自動化が進み、洗濯する衣類の布質や形状などの最小限の条件を設定しただけでスタート釦を押すと、後は洗濯機が投入された洗濯物の重量を自動測定して、その値に基づいて給水量、洗剤投入量、洗い時間、すすぎ時間、すすぎ回数、脱水時間、脱水回数、更には乾燥時間をも自動決定し、全自動で乾燥まで終了してくれるものも出現している。このような完全自動の洗濯機でなくとも、洗濯する衣類の種類に最も適した洗濯を可能とし、更には洗濯時間の短縮、省エネ等を図る上で、投入された洗濯物の重量を測定することは、洗濯機の制御上、極めて重要な要件である。
【０００３】
洗濯物の重量を測定する方法としては、従来より種々の方法が提案されている。その一つとして洗濯機の槽体を吊持する支持棒、あるいは槽体を支える脚部に重量センサを取り付けて測定する方法がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では４個の重量センサを必要とする上、センサの構造も複雑でコスト高になりやすい欠点がある。
【０００４】
また別の方法として、所定の回転数まで洗濯槽の回転を上げた後、モータの電力を遮断し、慣性力により洗濯槽の回転数が低下する様子を監視してその様子から洗濯物の重量を測定する方法がある（例えば、特許文献２、３参照）。しかし、この方法にも測定所要時間、測定精度の点で問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０５−２６９２９３号報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−３２１５９１号報
【０００７】
【特許文献３】
特開平８−１０７９９０号報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、短時間で精度良くモータ負荷の慣性モーメントを検出することができるベクトル制御インバータ装置、およびそのインバータ装置を使用して洗濯物の重量検出を行なう洗濯機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータに流れる電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロとする演算により推定した磁束軸（ｄ軸）方向成分（Ｉｄ）と、これに直交するトルク軸（ｑ軸）方向成分（Ｉｑ）とに分離し、それらの成分がそれぞれの指令値（Ｉｄｒ、Ｉｑｒ）に一致するように独立に制御するセンサレスのベクトル制御インバータ装置であって、前記モータの角速度制御時の制御と、慣性モーメントの検出時の制御および慣性モーメントの検出とを次のようにして行なうことを特徴とするものである。
【００１０】
（１）前記モータの角速度制御時には、角速度指令値（ωｒｅｆ）と、前記磁束軸（ｄ軸）の角速度推定値（ω）との偏差（Δω）を比例積分した値をトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑｒ）として与えるクローズドループ制御にて角速度制御を行なう。
【００１１】
（２）前記モータの慣性モーメントの検出時には、前記角速度制御により定速回転させた後、該定速時のトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ１）に所定の電流値（ΔＩｑ）を加えた電流値（Ｉｑ２）をトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑｒ）としてステップ状に与えることにより前記角速度推定値（ω）を上昇させ、該上昇時の角加速度（ｄω／ｄｔ）を前記角速度推定値（ω）の時間変化より求める。求めた角加速度（ｄω／ｄｔ）と、前記定速時のトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ１）と、前記トルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ２）とを用いて前記モータの運動方程式を解くことにより慣性モーメントを検出する。
【００１２】
このような構成によれば、モータ回転子を含む負荷の慣性モーメントをモータ駆動中の合間に短時間で検出することができる。また、モータ回転子自体の慣性モーメント、負荷の形状が予め判明していれば、その値から負荷の質量、重量を検出できる効果がある。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求めてその値より洗濯物の重量を算出し、該算出した重量を考慮してその後の各洗濯工程の運転条件を決定することを特徴とする洗濯機である。
【００１４】
洗濯物の洗い工程における洗浄率、脱水工程における脱水率、乾燥工程における脱水率は洗濯物の重量に影響される。本発明の洗濯機によれば、特別の重量センサを用いることなく洗濯物の重量を検出でき、その値を考慮してその後の各工程の運転条件を決定することで、最適な洗濯が可能となる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておく。そして脱水工程においては、同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率とその時点の洗濯物重量とを考慮に入れて次回重量算出までの洗濯機モータの回転速度をその都度決定することを特徴とする洗濯機である。
【００１６】
このような洗濯機によれば、脱水の進行につれて減少していく洗濯物重量および含水率に対応した最適なモータ回転速度を決定することができるので、脱水運転の最適化を図ることが可能となる。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、脱水工程の途中において洗濯物の重量を１回または複数回測定し、測定した重量を基に脱水工程の終了までの時間を調整することを特徴とする洗濯機である。
【００１８】
このような洗濯機によれば、脱水工程の終了時期が、重量測定時点における洗濯物の重量により自動調整されるため、脱水不足、あるいは長すぎる脱水時間による時間延長や消費電力の無駄を避けられる効果がある。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておく。そして脱水工程においては、同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率が所定値以下になった時に脱水工程の終了と判断することを特徴とする洗濯機である。
【００２０】
このような洗濯機によれば、脱水工程の終了時期が、検出した洗濯物の含水率により自動判定されるため、脱水不足、あるいは長すぎる脱水時間による時間延長や消費電力の無駄を避けられる効果がある。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておく。そして、乾燥燥工程においては同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率とその時点の洗濯物重量とを考慮に入れて次回重量算出までの洗濯機モータの回転速度をその都度決定することを特徴とする洗濯機である。
【００２２】
このような洗濯機によれば、乾燥が進むにつれて減少していく洗濯物重量および含水率に対応した最適なモータ回転速度を決定することができるので、乾燥運転の最適化を図ることが可能となる。
【００２３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておく。そして、乾燥工程においては同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率が所定値以下になった時点から更に所定時間経過した時点を乾燥工程の終了と判断することを特徴とする洗濯機である。
【００２４】
このような洗濯機によれば、乾燥工程の終了時期が、検出した洗濯物の含水率により自動判定されるため、乾燥不足、あるいは長すぎる乾燥時間による時間延長や消費電力の無駄を避けられる効果がある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のベクトル制御インバータ装置、およびそのインバータ装置を洗濯機に適用した一実施形態について図面を参照しながら説明する。最初に本発明の特徴であるインバータ装置の構成、その速度制御動作、負荷モータの慣性モーメント検出方法、それに洗濯機のモータ制御に適用して洗濯物の重量を検出する検出動作について、図１、図２を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は、本発明のインバータ装置の電気的構成を示す。本インバータ装置１は、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた永久磁石モータ６を、ブラシを用いることなく、また回転子位置検出用のセンサを用いることもなく、その回転数を制御する位置センサレスのベクトル制御インバータ装置と呼ばれるものである。このインバータ装置１は、電流制御回路２、回転子の回転位置推定回路３、角速度制御回路４、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５を備える。
【００２７】
電流制御回路２は、加算器２１ａ、２１ｂ、比例積分器２２ａ、２２ｂ、座標変換器２３、ＰＷＭ形成器２４、ＰＷＭインバータ回路２５、電流検出回路２６を備える。電流検出回路２６は、電流検出器２６ａ、２６ｂ、３相／２相変換器２６ｃ、ベクトル回転器２６ｄにより構成される。回転位置推定回路３は、誘起電圧推定回路３１、比例積分器３２、積分器３３により構成される。また、角速度制御回路４は、加算器４１と比例積分器４２とを備える。
【００２８】
ＰＷＭインバータ回路２５と永久磁石モータ６との配線途中に取り付けられた電流検出器２６ａ、２６ｂにより検出された３相電流、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（ＩｗはＩｕ、Ｉｖより計算される）は、３相／２相変換器２６ｃにより、これと等価な２相電流Ｉα、Ｉβに変換される。変換された２相電流Ｉα、Ｉβは、ベクトル回転器２６ｄにより更に変換されてｄ軸、ｑ軸成分の電流Ｉｄ、Ｉｑが求められる。この変換演算の際、後述する回転位置推定値θが用いられる。ここでｄ軸、ｑ軸は、回転子の永久磁石が作る磁束方向をｄ軸、これと直交する方向をｑ軸とする回転座標軸である。
【００２９】
電流Ｉｄ、Ｉｑは、加算器２１ａ、２１ｂに導かれ、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５から出力されたそれぞれの電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒとの偏差ΔＩｄ、ΔＩｑが求められる。そして、比例積分器２２ａ、２２ｂを介することで出力電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑが算出される。出力電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑは、座標変換器２３にて固定２軸座標系の値に変換され、その値を基にＰＷＭ形成器２４にて３相のパルス幅変調信号が形成される。この座標変換器２３における変換演算にも、後述する回転位置推定値θが用いられる。形成されたパルス幅変調信号は、ＰＷＭインバータ回路２５に与えられモータ６の電機子にパルス幅変調された電圧が印加される。このようにして電流制御回路２によりモータ６に対して給電が行なわれるが、モータ６に流れる電流Ｉｄ、Ｉｑの値は、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５から出力された電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒにそれぞれ独立に依存する。
【００３０】
誘起電圧推定回路３１には、電流Ｉｄ、Ｉｑ、及びｄ軸の出力電圧指令値Ｖｄ、回転子の角速度推定値ωが入力される。更に、誘起電圧推定回路３１には、モータ６の回路定数である電機子コイルのインダクタンスＬｄ、Ｌｑ、抵抗Ｒが記憶されている。誘起電圧推定回路３１は、これらの入力値と回路定数を用いて、永久磁石の作る磁束によって電機子コイル内に発生する誘起電圧のｄ軸方向推定値（インバータ装置１が認識しているｄ軸方向の成分）Ｅｄを次式により計算する。
Ｅｄ＝Ｖｄ −Ｒ・Ｉｄ −Ｌｄ・ｐ・Ｉｄ＋ω・Ｌｑ・Ｉｑ（１）式
ここで、ｐは微分演算子である。
【００３１】
求められた誘起電圧推定値Ｅｄは、比例積分器３２に入力され、次式で計算される値が、回転子の角速度推定値ω（インバータ装置１が認識しているｄ軸の角速度推定値）として出力される。
ω ＝−Ｇ１・Ｅｄ −Ｇ２・∫Ｅｄ・ｄｔ（２）式
ここでＧ１、Ｇ２は、ゲイン定数である。
【００３２】
こうして算出された角速度推定値ωは、積分器３３に入力される。積分器３３は、角速度推定値ωを次の（３）式に従って積分し、回転子の回転位置推定値θ（インバータ装置１が認識しているｄ軸位置推定値）を算出する。
θ＝∫ω・ｄｔ（３）式
算出された回転位置推定値θは、ベクトル回転器２６ｄ、座標変換器２３における演算に使用される。
【００３３】
（１）式で計算される誘起電圧推定値Ｅｄを基に、比例積分器３２が（２）式に従った調節動作を行なうことで、誘起電圧推定値Ｅｄは短時間で“ゼロ ”に収束する。ｄ軸誘起電圧推定値Ｅｄがゼロに収束した時点では、インバータ装置１が認識（推定）したｄ軸は、回転子の永久磁石が作る磁束方向と一致し、回転位置推定値θは、モータ６の実際の回転子位置に等しく、角速度推定値ωは回転子の実際の角速度に等しくなる。このようにして、本インバータ装置１によれば、位置センサを用いることなく回転子の回転位置と角速度が検出される。
【００３４】
このようにして回転子の回転位置と角速度が検出されるが、モータ６に流れる電流Ｉｄ、Ｉｑの値は、前述したように電流指令形成／慣性モーメント演算回路５から出力されるそれぞれの電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒに依存する。電流指令形成／慣性モーメント演算回路５には、電流指令値Ｉｄｒ及びＩｑｒを形成するために必要な信号として、角速度推定値ωと、角速度制御回路４の出力信号である角速度制御信号Ｉｑｒ０が入力される。また、後述する慣性モーメント演算に必要な信号として、回転位置推定値θも入力される。
【００３５】
角速度制御回路４は、モータ６の角速度推定値ωを角速度指令値ωｒｅｆに一致させるための調節回路であって、加算器４１と比例積分器４２とで構成され、出力として角速度制御信号Ｉｑｒ０を生成する。加算器４１は、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５から出力された角速度指令値ωｒｅｆと角速度推定値ωとの偏差Δωを求める。偏差Δωは、比例積分器４２にて比例積分演算され、その出力が角速度制御信号Ｉｑｒ０として電流指令形成／慣性モーメント演算回路５に入力される。
【００３６】
ここで、角速度指令値ωｒｅｆは、後述する洗濯機５０の制御装置８５から電流指令形成／慣性モーメント演算回路５に送られてくる信号である。モータ６を角速度指令値ωｒｅｆで回転させるために、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、その値ωｒｅｆを加算器４１に与える。そして、角速度制御回路４の出力である角速度制御信号Ｉｑｒ０を受け取り、その値を基に電流指令値Ｉｄｒ及びＩｑｒを形成して出力する。
【００３７】
ところで、モータ６に流れる電流Ｉｄは励磁電流と呼ばれ、磁束を作る成分であってトルク発生には寄与しない。一方、電流Ｉｑはトルク電流と呼ばれ、モータ６のトルク発生に寄与する成分である。従って、モータ６を高効率で運転するために、通常、電流指令値ＩｄｒとしてはＩｄｒ＝０が出力される。一方、電流指令値Ｉｑｒとしては、角速度制御回路４の出力である角速度制御信号Ｉｑｒ０がそのまま出力される。
【００３８】
このように電流指令値Ｉｄｒ及びＩｑｒが形成され出力されると、ｄ軸電流Ｉｄは加算器２１ａと比例積分器２２ａの調節動作によって電流指令値Ｉｄｒ（＝０）に、ｑ軸電流Ｉｑは加算器２１ｂと比例積分器２２ｂの調節動作によって電流指令値Ｉｑｒ（＝Ｉｑｒ０）に一致させられる。同時に、角速度推定値ωは、加算器４１と比例積分器４２の調節動作によって角速度指令値ωｒｅｆに一致させられる。このような調節動作の結果として、モータ６は、洗濯機５０の制御回路８５が指令した角速度指令値ωｒｅｆで回転するようになる。
【００３９】
以上の説明は、インバータ装置１が、洗濯機５０の制御装置８５から送られてきた角速度指令値ωｒｅｆに一致するようにモータ６を速度制御する動作の説明であった。次に、本インバータ装置１の特徴である、モータ６のモータ軸の全慣性モーメントＪを検出する場合の制御動作について、図２を参照しながら説明する。図２中の（ａ）は、慣性モーメントＪ検出動作中におけるｑ軸電流指令値Ｉｑｒの時間変化を、また（ｂ）はそれに対応したモータ６の角速度推定値ωの時間変化を表した図である。
【００４０】
まず、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、モータ６を定速回転させるために角速度指令値ωｒｅｆを出力し、前述した速度制御動作によりモータ６を角速度指令値ωｒｅｆで定速回転させる（図２中の（１）の「一定速運転制御」部分参照）。この場合の角速度指令値ωｒｅｆの値は、低速過ぎず、また高速過ぎず、モータ６の定格回転速度の２０〜８０％の範囲に入る値が適当である。ｄ軸電流指令値Ｉｄｒはゼロにしておく。
【００４１】
電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、モータ６の角速度推定値ωが、角速度指令値ωｒｅｆに一致した時点で、その時のｑ軸電流指令値Ｉｑｒ（＝Ｉｑｒ０）の値Ｉｑ１を記憶しておき、時刻ｔ１で速度制御をＯＦＦにする。速度制御をＯＦＦにするとは、角速度制御回路４の出力である角速度制御信号Ｉｑｒ０の値をｑ軸電流指令値Ｉｑｒとして出力しないことを指す。こうすることで速度制御ループが切断され、以後、モータ６はオープンループで速度制御されることになる。但し、電流Ｉｄ、電流Ｉｑの値をそれぞれの電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒに一致させる制御動作は継続される。また、角速度推定値ω、回転位置推定値θを推定する動作も継続される。
【００４２】
時刻ｔ１において速度制御をＯＦＦすると同時に、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、ｑ軸の電流指令値Ｉｑｒの値を、それまでのＩｑ１からΔｑだけ高いＩｑ２にステップ状に変化させる。ｄ軸の電流指令値Ｉｄｒはゼロのままとする。電流Ｉｑは前述したように、モータ６のトルク発生に寄与する成分である。電流ＩｑがΔｑだけ増したことにより発生トルクもそれに比例して増加し、モータ６は一定の加速度でもって角速度推定値ωが増加する（図２中の（２）の「慣性モーメント検出制御」部分参照）。
【００４３】
電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、この角速度推定値ωの上昇カーブより角加速度ｄω／ｄｔを求める。角加速度ｄω／ｄｔは、図２の（２）に示すように、角速度推定値ωの値が一定速運転制御の時の角速度指令値ωｒｅｆより僅かに高いω１に達した時刻ｔ２から、内部タイマーにより時間を測り始め、角速度ωがΔωだけ高いω２に達する時刻ｔ３までの時間差Δｔを計測する。電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、Δω／Δｔを計算することにより角加速度ｄω／ｄｔの値を算出する。時間差Δｔの計測を時刻ｔ１から開始しないのは、電流Ｉｑｒをステップ状に変化させた直後の急激な過渡応答期間を避けて、角加速度ｄω／ｄｔの値を精度良く検出するためである。
【００４４】
角加速度ｄω／ｄｔは、このように角速度推定値ωの値がω１から一定角速度Δωだけ高いω２に上昇するまでの時間Δｔを計測することによっても求まるが、逆に角速度推定値ωの値がω１に達してから一定時間Δｔ後の角速度推定値ω２を計測し、ω２とω１の差ΔωをΔｔで割ることによって求めてもよい。
【００４５】
更に別の方法として、回転子が１回転又は数回転、即ち回転位置推定値θが２πラジアン又は２πラジアンの整数倍増加する間の時間Δｔと、その間における角速度推定値ωの増加量Δωとを計測し、求めたΔωをΔｔで割ることによって求めてもよい。この方法の場合は、回転子が整数回転する間の測定値で角加速度ｄω／ｄｔを求めるため、回転槽内における洗濯物の偏りによる回転むらの影響を排除できる効果がある。
【００４６】
何れの測定方法を用いるにせよ、この角加速度ｄω／ｄｔの値は、インバータ装置１の応答性（角速度推定値ω、回転位置推定値θの推定計算の収束性、電流Ｉｄ、Ｉｑの電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒへの収束性）が良いため１秒以下の短時間で求めることができる。
【００４７】
角加速度ｄω／ｄｔ（＝ｄ^２θ／ｄｔ^２）の値をΔω／Δｔで求めた後、電流指令形成／慣性モーメント演算回路５は、次のモータ６の運動方程式よりモータ軸の全慣性モーメントＪを検出する演算に移る。
Ｊ・ｄ^２θ／ｄｔ^２＋Ｄ・ｄθ／ｄｔ＋Ｋ・θ＋Ｔ１＝Ｔ（４）式
ここでＤは制動係数で、Ｄ・ｄθ／ｄｔは風損のようにモータ速度に比例した反力を表す。Ｋは剛性係数で、Ｋ・θはぜんまい負荷のように基準位置からのずれに比例した反力を表す。Ｔ１は固体摩擦のように、速度によらない一定の反力を表す。Ｔはモータ６の発生するトルクである。
【００４８】
ここで、第２項のＤ・ｄθ／ｄｔ、第３項のＫ・θの値は、他の項の値と比べて小さいと考えられるので、本実施形態では、Ｄ＝Ｋ＝０として以後の計算を行なう。また、モータ６の発生トルクＴは、ｄ軸電流Ｉｄがゼロであるので、回転子の永久磁石の作る磁束と電機子コイルとの鎖交磁束数Ψと、ｑ軸電流Ｉｑとの積に比例する。従って（４）式は次のようになる。
Ｊ・ｄ^２θ／ｄｔ^２＋Ｔ１＝Ｐｎ・Ψ・Ｉｑ（５）式
ここでＰｎはモータ６の極対数である。この式に図２における時刻ｔ１直前における定速状態の条件と、時刻ｔ３における加速中の条件を当てはめると次の２式が成立する。

この２式より、モータ６の全慣性モーメントＪは次のように求まる。

【００４９】
回転子の永久磁石の作る磁束と電機子コイルとの鎖交磁束数Ψは、モータ６の構造から計算で求めることができる数値である。従って、その数値を（８）式に代入することによりモータ６の全慣性モーメントＪを算出できる。すなわち、本インバータ装置１は、以上のような測定と計算により、駆動するモータ６の全慣性モーメントＪを検出することができる。
【００５０】
本インバータ装置１を、後述する洗濯機５０の駆動モータ６に適用する場合には、予め洗濯機５０に洗濯物が入っていない空の状態の全慣性モーメントＪ０を先の方法で求めておく。次に、洗濯物を投入した状態で全慣性モーメントＪ１を求めると、その差（Ｊ１−Ｊ０）は洗濯物の慣性モーメントである。その値より、洗濯物がドラムの内周面に張り付いているとすると洗濯物の質量が求まる。洗濯物の質量が求まれば、洗濯物の重量（布量）も求まる。すなわち、本インバータ装置１によれば、洗濯機５０の洗濯物の重量を容易に検出することができる。
【００５１】
以上、説明してきたようなインバータ装置１の制御演算は、ＰＷＭインバータ回路２５を除き、例えばＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）などの演算器により周期的に処理される。演算順序は、例えば３相／２相変換器２６ｃ、ベクトル回転器２６ｄ、誘起電圧推定回路３１、比例積分器３２、積分器３３、加算器４１、比例積分器４２、電流指令／慣性モーメント演算回路５、加算器２１ａ、２１ｂ、比例積分器２２ａ、２２ｂ、座標変換器２３、ＰＷＭ形成器２４の順番で実行される。
【００５２】
次に、本発明のベクトル制御インバータ装置１を、一例としてドラム式洗濯機に適用した実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、図３にそのドラム式洗濯機５０の縦断面図を示す。図３において、直方体状の外箱５１の内部には、水槽５２が、例えば左右で１組の弾性支持装置５３により弾性支持されて配設されている。この水槽５２は、後ろ下がりの斜め軸状態に配設されており、ほぼ円筒状をなしている。この水槽５２の内部には、これと同軸状態（後ろ下がりの斜め軸状態）でドラム５４が回転可能に配設されている。このドラム５４は、周側壁に通風孔を兼ねる脱水孔５４ａを多数有するものであり、洗濯槽、脱水槽及び乾燥槽としても機能するものである。
【００５３】
上記外箱５１、水槽５２及びドラム５４は、いずれも図中右側の前面部に洗濯物出し入れ用の開口部５５、５６及び５７をそれぞれ有しており、そのうちの開口部５５と開口部５６とは、弾性変形可能なべロー５８によって水密に連通接続されている。また、外箱１の開口部５５には、これを開閉する扉５９が設けられている。
【００５４】
前記ドラム５４は、背面板５４ｂに回転軸６０を有しており、この回転軸６０が、水槽５２の背面板５２ａに設けられたハウジング６１に軸受６２を介して回転自在に挿通支持されている。さらに上記ハウジング６１の外周には洗濯機モータ６３のステータ６４が取付けられており、上記回転軸６０には洗濯機モータ６３のアウタロータ６５が取付けられている。この洗濯機モータ６３が前記インバータ装置１により回転駆動させられることによりドラム５４が回転するようになっている。
【００５５】
前記水槽２の最下部には、水加熱用ヒータ６６を収容する凹陥部６７が形成されており、この凹陥部６７の底部には排水口６７ａが形成され、この排水口６７ａには排水弁６８及び配水管６９が接続されている。
【００５６】
前記水槽５２の後部、上部および前側上部にかけて乾燥装置７０が設けられている。すなわち、水槽５２の後部にはダクト状の除湿器７１が設けられており、その下部には水出口を兼用する通気口（図示せず）が形成されており、その通気口は水槽５２において開口し、この水槽２内を経て前記排水口６７ａに連通している。またこの除湿器７１の上部の通気口７０ｂはファン装置７２のケーシング７２ａの吸入口に連通されている。このファン装置７２はそのケーシング７２ａ内に遠心ファン７２ｂを有し、この遠心ファン７２ｂはファンモータ７２ｃによって回転駆動される。
【００５７】
上記ケーシング７２ａの吐出口（図示せず）にはダクト７３が接続されており、このダクト７３の先端である温風吐出口７３ａは前記べロー５８を貫通して水槽５２の開口５６に連通している。このダクト７３の内部には温風生成用ヒータ７４が配設されている。しかして、上記乾燥装置７０は乾燥行程時に運転されるものである。
【００５８】
一方、外箱５１の内部上部には、入水口が水道に接続される給水弁７５が設けられており、この給水弁７５は二つの出水口を有している。その一方の出水口は配管７５ａを介して注水器７６に接続され、他方の出水口は配管７５ｂを介して除湿器７１に接続されている。この給水弁７５は、洗い及びすすぎの各行程時に一方の出水口を開口して前記注水器７６に水を供給し、この注水器７６を経て水槽５２内へ水を供給し、また、乾燥行程時には他方の出水口を開口して既述したように除湿器７１へ少量の水を注入させるものである。前記注水器７６は内部に洗剤投入器等を備えており、給水された水と共に洗剤を水槽５２内に投入するようになっている。インバータ装置１を含む制御部分は、前面上部内面の制御箱７７内に収納されている。
【００５９】
次に図４により本ドラム式洗濯機５０の電気的構成を説明する。図４に示すように本ドラム式洗濯機５０は、給水弁７５、排水弁６８、ファンモータ７２ｃ、温風生成用ヒータ７４、それらを駆動する駆動回路８０、ドラム用洗濯機モータ６３とそれを制御するインバータ装置１、マンマシンインターフェイス８１としての入力部８２と表示部８３、水位センサなどの各種センサ８４、制御装置８５とを備えて構成される。この他、図示しない電源装置も備え、インバータ装置１、制御装置８５等に給電されている。
【００６０】
制御装置８５は、マイクロコンピュータを用いて構成されており、入力部８２からの指示に従い洗い工程、すすぎ工程、脱水工程および乾燥工程全般の制御を行なう。最初に、入力部８２より洗濯する衣類の種類、洗濯についてのオプション条件、例えば使用洗剤の種類、静音運転等の条件が設定された後、スタート釦が押されると運転が開始される。
【００６１】
制御装置８５は、まずインバータ装置１に洗濯物の重量検出を指示する。重量検出を指示されたインバータ装置１は、先に説明した方法に従い洗濯物の重量（乾燥重量Ｗ０）を検出して制御装置８５に知らせる。制御装置８５は、検出された洗濯物の乾燥重量Ｗ０、および先に入力された衣類の種類等の情報を考慮して、給水量、洗剤投入量、洗い時間、洗い強度（モータ回転速度）、すすぎ回数、すすぎ時間、標準脱水時間、それに標準の乾燥時間等を、予め記憶していたプログラムにより算出する。
【００６２】
制御装置８５は、給水弁７５を操作して算出された量の給水を行い、その過程で算出された量の洗剤投入を行なう。次いで、算出された洗い強度（モータ回転速度）で算出された時間だけの洗い運転を行なう。その間、制御装置８５からは、算出されたモータ回転速度に相当する角速度指令値ωｒｅｆがインバータ装置１の電流指令／慣性モーメント演算回路５を経由して角速度制御回路４に指令値として与えられる。そして、先に説明した制御動作によって、洗濯機モータ６３の角速度推定値ωが角速度指令値ωｒｅｆに一致するように速度制御される。洗い工程が終了すると、すすぎ工程に移り、先に算出されたすすぎ回数とすすぎ時間に従ってすすぎ運転が行なわれる。
【００６３】
すすぎ工程が終了すると、脱水工程に移る。脱水工程における脱水時間、モータ回転速度あるいはモータ回転トルクは、従来の洗濯機では、洗濯物の乾燥重量、衣類の種類等を基に計算するか、あるいは入力部８２からの設定値に従って決定されていた。しかし、本実施形態の洗濯機５０の場合は、インバータ装置１が洗濯機モータ６の全慣性モーメントを短時間で検出できることを利用して、次のような制御を行なう。
【００６４】
図５にその制御フローを示す。この脱水工程の制御では、インバータ装置１が周期的に洗濯物の重量検出を行い、その結果に基づいてその後のモータ回転速度を決定すると共に、更に脱水完了の自動判定も行なう。このような制御を行なうことができるのは、先に説明したように、本発明のインバータ装置１が短時間で洗濯機モータ６３の全慣性モーメントを検出できることによる。
【００６５】
まず、排水弁７６を開いた後（ステップＳ１）、洗濯機モータ６３を比較的低速度で定速回転させる（ステップＳ２）。次に、先に説明した方法でインバータ装置１が洗濯機モータ６３の全慣性モーメントを検出し、ドラム５４内の洗濯物の重量Ｗ１を算出する（ステップＳ３）。続いて、算出した洗濯物の重量Ｗ１と最初に検出しておいた洗濯物の乾燥重量Ｗ０とから、次式に従って、その時点における洗濯物の含水率Ｐ％を算出する（ステップＳ４）。
Ｐ＝１００・（Ｗ１−Ｗ０）／Ｗ０（９）式
【００６６】
次に、求めた含水率Ｐと、衣類の種類によって決められた脱水完了時の含水率Ｐａとの大小を比較する（ステップＳ５）。含水率Ｐの値がＰａ以下であれば、脱水完了と判定し、洗濯機モータ６３を停止して（ステップＳ９）脱水工程を終了する（ステップＳ１０）。含水率Ｐの値がＰａを越えていれば、脱水継続が必要と判断してステップＳ６に移る。
【００６７】
ステップＳ６では、その時点の洗濯物重量Ｗ１、含水率Ｐを考慮して、新たに洗濯機モータ６３の回転速度指令値（角速度指令値ωｒｅｆ）を決定する。通常、洗濯物重量Ｗ１が軽い程、また含水率Ｐの値が小さい程、高い角速度指令値ωｒｅｆが決定される。
【００６８】
次にステップＳ７に移り、決定した角速度指令値ωｒｅｆになるように、洗濯機モータ６３をクローズドループで速度制御する。この状態をｔａ時間継続した後（ステップＳ８）、再びステップＳ３の重量検出に戻る。このように、ｔａの時間間隔で洗濯物の重量測定を繰り返し行い、その結果から脱水工程の終了判定、角速度指令値ωｒｅｆの決定とそれに従った速度制御の動作を繰り返し行なう。
【００６９】
このようにして脱水工程の制御を行なえば、脱水の進行につれて減少していく洗濯物重量および含水率に対応した最適なモータ回転速度を決定でき、それに従った脱水運転を行なうことが可能となる。また、脱水工程の終了時期は、検出した含水率より自動判定されるため、脱水不足、あるいは長すぎる脱水時間による時間延長や消費電力の無駄が避けられる効果が得られる。
【００７０】
脱水工程が終了すると、乾燥工程に移る。乾燥工程における乾燥時間、モータ回転速度あるいはモータ回転トルクも、従来の洗濯機においては、洗濯物の乾燥重量、衣類の種類等から計算するか、あるいは入力部８２から設定された値に従って決定されていた。しかし、本実施形態の洗濯機５０では、インバータ装置１が洗濯機モータ６３の全慣性モーメントを短時間で検出できることを利用して、脱水工程のフローに類似の図６に示すフローにより制御を行なう。
【００７１】
まず、ファンモータ７７と温風生成用ヒータ７８をＯＮする（ステップＳ１１）。次に、洗濯機モータ６３を比較的低速度で定速回転させ（ステップＳ１２）、先に説明した方法でインバータ装置１により洗濯機モータ６３の全慣性モーメントを検出し、ドラム５４内の洗濯物の重量Ｗ１を算出する（ステップＳ１３）。続いて、算出した洗濯物の重量Ｗ１と最初に検出しておいた洗濯物の乾燥重量Ｗ０とから、前述の（９）式によりその時点の洗濯物の含水率Ｐ％を算出する（ステップＳ１４）。
【００７２】
次に、求めた含水率Ｐと、衣類の種類によって決められた乾燥完了時の含水率Ｐｂとの大小を比較する（ステップＳ１５）。含水率Ｐの値が乾燥完了と思われる所定の含水率Ｐｂを越えていれば、乾燥継続が必要と判断してステップＳ１６に移る。ステップＳ１６では、その時点の洗濯物重量Ｗ１、含水率Ｐを考慮して、新たに洗濯機モータ６３の回転速度指令値（角速度指令値ωｒｅｆ）を決定する。次いで、ステップＳ１７に移り、決定した角速度指令値ωｒｅｆになるように、洗濯機モータ６３を速度制御する。この状態をｔｂ時間継続した後（ステップＳ１８）、再びステップＳ１３の重量検出に戻る。このように、ｔｂの時間間隔で洗濯物の重量測定を繰り返し行う。
【００７３】
ステップＳ１５にて含水率Ｐの値が乾燥完了と思われる所定の含水率Ｐｂ以下と判定された場合にはステップＳ１９に移り、ステップＳ１６と同様にしてモータ角速度指令値ωｒｅｆを計算し、その角速度指令値ωｒｅｆで洗濯機モータ６３を回転させる（ステップＳ２０）。この状態を所定のｔｃ時間継続した後（ステップＳ２１）、乾燥完了と判断してファンモータ７７と温風生成用ヒータ７８をＯＦＦし（ステップＳ２２）、乾燥工程を終了する（ステップＳ２３）。なお、ステップＳ１５にて含水率Ｐが所定の含水率Ｐｂ以下になったと判断された後も、更にステップＳ２１にてｔｃ時間だけ乾燥運転を継続するのは、洗濯物の重量の検出誤差、それに基づく含水率のＰの検出誤差を考慮したものである。
【００７４】
このようにして乾燥工程の制御を行なえば、乾燥が進むにつれて減少していく洗濯物重量および含水率に対応した最適なモータ回転速度を決定することができ、それに従った乾燥運転を行なうことが可能となる。また、乾燥工程の終了時期も、検出した含水率を考慮して自動判定されるため、乾燥不足、あるいは長すぎる乾燥時間による時間延長や消費電力の無駄を避けられる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のベクトル制御インバータ装置の一実施形態を示す電気的構成図である。
【図２】モータの慣性モーメント検出方法を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態であるドラム式洗濯機の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である洗濯機の電気的ブロック図である。
【図５】脱水工程のシーケンスフロー図である。
【図６】乾燥工程のシーケンスフロー図である。
【符号の説明】
図中、１はセンサレスのベクトル制御インバータ装置、２は電流制御回路、３は回転位置推定回路、４は角速度制御回路、５は電流指令形成／慣性モーメント演算回路、６はモータ（洗濯機モータ）、３１は誘起電圧推定回路、５０は洗濯機（ドラム式洗濯機）、８５は洗濯機の制御装置、Ｅｄは誘起電圧の磁束軸方向成分推定値、Ｉｄｒはｄ軸電流指令値、Ｉｑｒはｑ軸電流指令値、ωは角速度推定値、ωｒｅｆは角速度指令値、Δωは角速度偏差、θは回転位置推定値を示す。

Claims

永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータに流れる電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロとする演算により推定した磁束軸（ｄ軸）方向成分（Ｉｄ）と、これに直交するトルク軸（ｑ軸）方向成分（Ｉｑ）とに分離し、それらの成分がそれぞれの指令値（Ｉｄｒ、Ｉｑｒ）に一致するように独立に制御するセンサレスのベクトル制御インバータ装置であって、前記モータの角速度制御時の制御と、慣性モーメントの検出時の制御および慣性モーメントの検出とを次のようにして行なうことを特徴とするもの。
（１）前記モータの角速度制御時には、角速度指令値（ωｒｅｆ）と、前記磁束軸（ｄ軸）の角速度推定値（ω）との偏差（Δω）を比例積分した値をトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑｒ）として与えるクローズドループ制御にて角速度制御を行なう。
（２）前記モータの慣性モーメントの検出時には、前記角速度制御により定速回転させた後、該定速時のトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ１）に所定の電流値（ΔＩｑ）を加えた電流値（Ｉｑ２）をトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑｒ）としてステップ状に与えることにより前記角速度推定値（ω）を上昇させ、該上昇時の角加速度（ｄω／ｄｔ）を前記角速度推定値（ω）の時間変化より求める。求めた角加速度（ｄω／ｄｔ）と、前記定速時のトルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ１）と、前記トルク軸（ｑ軸）電流指令値（Ｉｑ２）とを用いて前記モータの運動方程式を解くことにより慣性モーメントを検出する。
請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求めてその値より洗濯物の重量を算出し、該算出した重量を考慮してその後の各洗濯工程の運転条件を決定することを特徴とする洗濯機。
請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておき、脱水工程においては同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率とその時点の洗濯物重量とを考慮に入れて次回重量算出までの洗濯機モータの回転速度をその都度決定することを特徴とする洗濯機。
脱水工程の途中において洗濯物の重量を１回または複数回測定し、測定した重量を基に脱水工程の終了までの時間を調整することを特徴とする洗濯機。
請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておき、脱水工程においては同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率が所定値以下になった時に脱水工程の終了と判断することを特徴とする洗濯機。
請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておき、乾燥工程においては同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率とその時点の洗濯物重量とを考慮に入れて次回重量算出までの洗濯機モータの回転速度をその都度決定することを特徴とする洗濯機。
請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置を洗濯機モータの駆動用に使用した洗濯機であって、注水前に該モータの負荷を含む全慣性モーメントを前記検出手順により求め、その値より洗濯物の重量を算出して記憶しておき、乾燥工程においては同じ検出手順と同じ算出法により周期的に洗濯物の重量を算出すると共に、算出した重量と前記記憶しておいた注水前の洗濯物重量とから洗濯物の含水率をその都度算出し、算出した含水率が所定値以下になった時点から更に所定時間経過した時点を乾燥工程の終了と判断することを特徴とする洗濯機。