JP2004328912A - ブラシレスdcモータの駆動方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】永久磁石を有する回転子4aと三相巻線を有する固定子4bからなるブラシレスDCモータ4と、三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子3a〜3fにより電力を供給するインバータ3と、スイッチング素子群3a〜3fの切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部9と、キャリア周波数生成部9によって決定されるDuty比を調整する回転数制御部8と、回転子4aの位置を検出する回転子位置検出部5と、回転子位置検出部5により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部6と、スイッチング素子群3a〜3fを順次切り換えるスイッチング素子切換部10とを備え、インバータ3から出力される波形の状態によってキャリア周波数を2種類以上切り替える。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータを、三相巻線に電力を供給するインバータにより駆動するための方法及びその装置に関するものである。特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動するのに最適なブラシレスDCモータの駆動方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の冷蔵庫は350L以上の大型機種が主力となり、それらの冷蔵庫は、高効率な圧縮機回転数可変のインバータ制御冷蔵庫が大半を占めている。これらの冷蔵庫用圧縮機では、高効率化のために、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータを一般的には採用している。
【0003】
また、圧縮機の中という高温、高圧、冷媒雰囲気、オイル雰囲気という環境下にブラシレスDCモータを設置するため、ブラシレスDCモータで通常使われるようなホール素子などの位置検出センサは使用できない。そのために一般的にはモータの逆起電圧から回転子の回転位置を検出する方法がよく用いられている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
上記従来の技術を図面に従って説明する。図8は従来のブラシレスDCモータの駆動装置のブロック図である。
【0005】
図8において、商用電源101は、日本の場合周波数50Hzまたは60Hz、電圧100Vの交流電源である。
【0006】
整流回路102は商用電源101の交流電圧を直流電圧に変換するである。整流回路102は、ブリッジ接続された整流用ダイオード102a〜102dと平滑用の電解コンデンサ102e、102fとからなり、図8に示す回路では、倍電圧整流回路となり、商用電源101のAC100V入力から直流電圧280Vを得ることができる。
【0007】
インバータ回路103は、6個のスイッチ素子103a、103b、103c、103d、103e、103fを3相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子には各スイッチ素子の逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。
【0008】
ブラシレスDCモータ104は、永久磁石を有する回転子104aと3相巻線を有した固定子104bとからなる。インバータ103により作られた3相交流電流が固定子104bの3相巻線に流れることにより、回転子104aを回転させることができる。
【0009】
回転子104aの回転運動は、クランクシャフト(図示せず)により、往復運動に変更され、ピストン(図示せず)がシリンダ(図示せず)内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。
【0010】
逆起電圧検出回路105は、ブラシレスDCモータ104の永久磁石を有する回転子104aが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子104aの回転相対位置を検出する。
【0011】
ロータ回転数演算部106は、逆起電圧検出回路105の出力信号によりロジカルな信号変換を行い、インバータ103のスイッチ素子103a、103b、103c、103d、103e、103fを順次切り換えるタイミングを演算する。
【0012】
電圧検出部107は、整流回路2の出力電圧(直流電圧)を検出する。回転数制御部108は、ロータ回転数演算部106、及び、電圧検出部107の出力を受けて、所望の目標回転数となるようにDuty比を調整する。ここで、Duty比とはオン時間とキャリア周期の比を示し、Duty比が大きいほど出力される電圧は高くなる。
【0013】
PWMキャリア周波数制御部109は、ロータ回転数演算部106で演算された回転数が所定の回転数を超えた場合に、キヤリア周波数を切り替えるものである。ここでPWMとはパルス幅変調のことを意味し、モータの駆動周波数に対して十分大きな周波数であるキャリア周波数を選定する。一般的に、キャリア周波数は2kHz〜20kHz程度が使用される。
【0014】
スイッチ素子切換部110は、ロータ回転数演算部106によって決定された周期と回転数制御部108で調整されたDuty比をもとに、インバータ103のスイッチ素子103a、103b、103c、103d、103e、103fを駆動するための信号を出力する。
【0015】
ドライブ回路111は、スイッチ素子切換部110からの出力信号により、インバータ103のスイッチ素子103a、103b、103c、103d、103e、103fを駆動する。
【0016】
以上の構成において、次に動作の説明を行う。
【0017】
電圧検出部107で検出されたインバータへの供給電圧に応じて、回転数制御部108によりDuty比を変更する。
【0018】
ロータ回転数演算部106で演算された回転数が所定の回転数を超えた時に、PWMキャリア周波数制御部109により、キヤリア周波数を高くする。また、ロータ回転数演算部106で演算された回転数が所定の回転数と等しいか、或いは下回った時に、PWMキャリア周波数制御部109により、キヤリア周波数を低くする。
【0019】
このように駆動することにより、インバータへの供給電圧が変動しても、モ−タの起動をスム−ズにし、回転数が安定に制御される。さらには、回転数が所定の回転数を超えた時でも、安定した起動と静かな運転の両立を実現するものである。
【0020】
【特許文献1】
特開平11−356081号公報
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、次のような課題があった。
【0022】
高回転時にキャリア周波数を高くすることにより静かな運転を実現しているものの、回転数演算部106の演算結果である実回転数をベースにしているため、インバータへの供給電圧が高くなる場合やモータの負荷トルクが小さくなる場合に、回転数制御部108によって回転数を一定に保持しようとしてDuty比は小さくなり、騒音や振動を十分に低減できないという課題があった。
【0023】
本発明は、従来の課題を解決するものであり、インバータへの供給電圧や負荷の状態によって、高回転/小Duty比の運転状態になった時でも、騒音や振動を十分に抑制できるブラシレスDCモータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動方法の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部とを備えたブラシレスDCモータの駆動装置におけるブラシレスDCモータの駆動方法であって、前記インバータから出力される波形の状態によって前記キャリア周波数を2種類以上切り替えるものであり、入力電圧(商用電源の電圧)やインバータへの供給電圧(直流電圧)、負荷状態(Duty比)に応じてキャリア周波数を切り替えることで騒音や振動を抑えることが出来る。
【0025】
また請求項2に記載のブラシレスDCモータの駆動装置の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部と、前記インバータに供給される電源電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された電圧に応じて前記キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有するものであり、インバータに供給される電源電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部によって検出された電圧に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有することにより、瞬時電圧低下・停電や急峻な電源電圧の上昇が生じたり、異なる商用電源電圧環境下での使用などインバータへの供給電圧が変化した場合に発生する騒音や振動を速やかに回避することが出来る。
【0026】
また請求項3に記載のブラシレスDCモータの駆動装置の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部と、前記インバータに供給される電源電圧を調整する電圧調整部と、前記電圧調整部に出力される電圧調整信号を制御する電圧制御部と、前記電圧調整部に出力される電圧調整信号に応じて前記キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有するものであり、インバータに供給される電源電圧を調整する電圧調整部と、電圧調整部に出力される電圧調整信号を制御する電圧制御部と、電圧調整信号に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有することにより、モータの回転数などに応じて最適な電源電圧をインバータに供給できるとともに、電源電圧の変化による騒音や振動の発生を速やかに回避することが出来る。また、電圧調整信号の変化によりキャリア周波数を切り替えるため、インバータへの供給電圧の変化により切り替える手段よりも、より速やかに騒音や振動を回避できる。
【0027】
また請求項4に記載のブラシレスDCモータの駆動装置の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部と、前記回転数制御部によって調整されたDuty比に応じて前記キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有するものであり、Duty比を調整する回転数制御部と、回転数制御部によって調整されたDuty比に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有することにより、負荷状態が変化した場合に発生する騒音や振動を速やかに回避することが出来る。また、Duty比の変化によりキャリア周波数を切り替えるため、負荷変動が生じた場合のような、入力電圧(商用電源の電圧)やインバータの供給電圧(直流電圧)、電圧調整信号に変化が生じないような場合も、騒音や振動を回避できる。
【0028】
また請求項5に記載のブラシレスDCモータの駆動装置の発明は、請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の発明において、ブラシレスDCモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものであり、このような回転子においては、突極性を有しており、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクが作用し、磁石表面配置形回転子と比べてトルクリップルが増大するので、騒音や振動が発生しやすい特性を有しているため、さらに効果が現れることになる。
【0029】
また請求項6に記載のブラシレスDCモータの駆動装置の発明は、請求項2から請求項5のいずれか一項に記載の発明において、ブラシレスDCモータが圧縮機を駆動するものであり、圧縮機において低騒音を実現できる極めて重要な用途のひとつである。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による冷蔵庫の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0031】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1によるブラシレスDCモータの駆動装置のブロック図である。
【0032】
図1において、商用電源1は、日本の場合周波数50Hzまたは60Hz、電圧100Vの交流電源である。
【0033】
整流回路2は商用電源1の交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路2はブリッジ接続された整流用ダイオード2a〜2dと平滑用の電解コンデンサ2e、2fと電圧調整回路2gからなり、図1に示す回路は倍電圧整流回路の場合、商用電源1のAC100V入力から直流電圧280Vを得ることができる。ここでは倍電圧整流としたが、電圧調整回路2gは直流電圧可変式のチョッパ回路や倍電圧整流/全波整流の切替方式回路に相当する。
【0034】
インバータ回路3は、6個のスイッチ素子3a、3b、3c、3d、3e、3fを3相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子には各スイッチ素子の逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。
【0035】
ブラシレスDCモータ4は、永久磁石を有する回転子4aと3相巻線を有した固定子4bとからなる。インバータ3により作られた3相交流電流が固定子4bの3相巻線に流れることにより、回転子4aを回転させることができる。回転子4aの回転運動はクランクシャフト(図示せず)により、往復運動に変更され、ピストン(図示せず)がシリンダ(図示せず)内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。
【0036】
逆起電圧検出回路5は、ブラシレスDCモータ4の永久磁石を有する回転子4aが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子4aの回転相対位置を検出する。
【0037】
ロータ回転数演算部6は、逆起電圧検出回路5の出力信号によりロジカルな信号変換を行い、インバータ3のスイッチ素子3a、3b、3c、3d、3e、3fを順次切り換えるタイミングを演算する。
【0038】
なお、ここではロータ回転数演算部6への出力信号を逆起電圧検出回路5が出力する構成としたが、ロータの位置検出を行う手段であれば電流検出などの手段を用いた構成でも良い。
【0039】
電圧検出部7は、整流回路2の出力電圧(直流電圧)を検出する。回転数制御部8は、ロータ回転数演算部6、及び、電圧検出部7の出力を受けて、所望の目標回転数となるようにDuty比を調整する。ここで、Duty比とはオン時間とキャリア周期の比を示し、Duty比が大きいほど出力される電圧は高くなる。
【0040】
PWMキャリア周波数制御部9は、PWM制御におけるPWMキャリア周波数を生成する機能と、電圧検出部7の出力信号や電圧調整部13の電圧調整信号および回転数制御部8が決定するDuty比などからモータ4に出力される波形の状態を判断しキヤリア周波数を切り替える機能とを備えるものである。ここでPWMとはパルス幅変調のことを意味し、モータの駆動周波数に対して十分大きな周波数であるキャリア周波数を選定する。一般的に、キャリア周波数は2kHz〜20kHz程度が使用される。
【0041】
スイッチ素子切換部10は、ロータ回転数演算部6によって決定された周期と回転数制御部8で調整されたDuty比をもとに、インバータ3のスイッチ素子3a、3b、3c、3d、3e、3fを駆動するための信号を出力する。
【0042】
ドライブ回路11は、スイッチ素子切換部10から出力される駆動信号により、インバータ3のスイッチ素子3a、3b、3c、3d、3e、3fを駆動する。
【0043】
マイクロコンピュータ12は前述の機能を実現する。これらの機能はマイクロコンピュータのプログラムによって実現可能である。
【0044】
電圧制御部13は、電圧調整回路2gに電圧調整信号を出力し、インバータ3に供給する電圧を制御する機能を実現する。
【0045】
次に図1における動作について、図1〜図6を用いて説明する。
【0046】
図2は本実施の形態を表すキャリア周波数の制御パターンの一例を表す特性図である。図において、横軸は電圧検出部7が検出する供給電圧、縦軸はキャリア周波数を表す。図より、低電圧領域ではキャリア周波数を小さくし、電圧が大きくなるに従ってキャリア周波数を大きく設定している。この例の場合、電圧に応じて3種類のキャリア周波数を切り替えた例を示している。
【0047】
従って、比較的高電圧な領域でキャリア周波数を大きくしているので、1周期中の通電OFF時間が短くなり電流の落ち込みも低減でき、電流リップルによる振動、騒音を低減できる。
【0048】
電流の落ち込みの低減について図3,図4を用いて説明する。
【0049】
図3は、120度矩形波通電におけるスイッチングパターンと各相の電流波形を示したタイミングチャートである。図において横軸は電気角である。電気角は回転子4aが2極の場合360度で1回転し、4極の場合は720度で1回転し、6極の場合は1080度で1回転することを表す。縦軸はスイッチ素子切換部10がドライバ部12に出力しているインバータ3の各スイッチ素子駆動用の信号と固定子4bにおける3相巻線のそれぞれに流れる電流波形を示している。
【0050】
記号は上から順に、スイッチ素子3aの駆動信号U、スイッチ素子3bの駆動信号X、スイッチ素子3cの駆動信号V、スイッチ素子3dの駆動信号Y、スイッチ素子3eの駆動信号W、スイッチ素子3fの駆動信号Z、固定子4bにおけるU相の巻線電流Iu、固定子4bにおけるV相の巻線電流Iv、固定子4bにおけるW相の巻線電流Iwである。
【0051】
図3の動作について概略を説明する。逆起電圧検出回路5の信号に従って、120度ずつの区間で順次、インバータ3を構成しているスイッチ素子の切換(転流)を行っている。また上アームの駆動信号U、V、WではPWM制御によるデューティ制御を行っている。なお、この図においてはPWMキャリア周波数が3kHzの場合について例示している。
【0052】
図4はキャリア周波数を図3に対して2倍にした場合の120度矩形波通電におけるスイッチングパターンと各相の電流波形を示したタイミングチャートである。図4における記号、動作については図3と同一であるため、説明は省略する。
【0053】
図3と図4の巻線電流Iu、Iv、Iwを比較しても明確なように、キャリア周波数を2倍にすることにより通電OFFによるの電流の落ち込みを小さくすることができ、PWMキャリアのON/OFFに伴う電流リップルを大幅に低減できるのが分かる。
【0054】
この電流リップルの低減は、Duty比の小さい領域、即ちインバータ3への供給電圧の大きい領域ほど有効に作用する。逆に、供給電圧が小さい領域では、PWM制御により平均電圧を大きくする必要があるため、Duty比を大きくしてキャリアのON時間に対してOFF時間が短かくなり、必然的に電流リップルも抑制することができる。
【0055】
図8に示すような従来の駆動装置では、電圧が変化した際に回転数を一定に保持しようとする機能があるため、電圧が大きくなっても回転数演算部6が出力する回転数データは変化せず、キャリア周波数が切り替えられない。
【0056】
また、電圧が変化した時、モータ4に与えられる電力が増加し、回転速度が速くなり、回転数制御部8が所望の回転数となるようにDuty比を小さくするが、モータ4は一般的に、慣性力(モータの回転速度を保持するように働く力)を有するために、電圧が上昇してから回転速度が速くなるまでに時間がかかる。
【0057】
そこで、回転数制御部8が調整するDuty比に応じてキャリア周波数を切り替えるのではなく、電圧検出部7が検出した供給電圧に応じてキャリア周波数を切り替える方法にすると、Duty比が小さくなる前にキャリア周波数を切り替えることが可能となり、リプル電流が大きくなる前にキャリア周波数を切り替えることができる。
【0058】
その結果、Duty比の変化によりモータ4に出力される波形の状態を検出する手段よりも供給電圧の変化によりモータ4に出力される波形の状態を検出する手段の方が騒音・振動の低減効果は大きなものとなる。
【0059】
図5は本実施の形態を表すキャリア周波数の制御パターンの一例を表すタイミングチャートである。図において、横軸は時間を表す。縦軸は上から順に、PWMキャリア周波数制御部9が切り替えるキャリア周波数、インバータ3への供給電圧(直流電圧)、そして、電圧制御部13が電圧調整回路2gに出力される電圧調整信号である。
【0060】
なお、図中の電圧調整信号内に描かれている1から3の数字は電圧調整信号の内容を示しており、数字が大きいほど電圧調整回路2gにインバータ3に供給する電圧を大きいことを示している。
【0061】
図より、電圧制御部13が、比較的低電圧になるような電圧調整信号を出力している時にはキャリア周波数を小さくし、より高電圧になるような電圧調整信号を出力している時ほどキャリア周波数を大きく設定している。この例の場合、電圧調整信号に応じて3種類のキャリア周波数を切り替えた例を示している。
【0062】
従って、比較的高電圧な領域でキャリア周波数を大きくしているので、1周期中の通電OFF時間が短くなり電流の落ち込みも低減でき、電流リップルによる振動、騒音を低減できる。電流の落ち込みの低減について図3,図4を用いて既に説明しているので、ここでは説明を省略する。
【0063】
図8に示すような従来の駆動装置では、電圧が変化した際に回転数を一定に保持しようとする機能があるため、電圧が大きくなっても回転数演算部6が出力する回転数データは変化せず、キャリア周波数が切り替えられない。
【0064】
また、電圧制御部13によって電圧を変化させた時、平滑用の電解コンデンサ2e、2fにより時定数遅れが発生し、電圧制御部13がより大きな電圧をインバータ3に供給するための電圧調整信号を出力してから、電圧検出部7が検出した電圧の値が実際に上昇するまでに時間がかかる。
【0065】
一般的に電圧検出部7には、ノイズ低減用のコンデンサが含まれるので更に遅れが発生することも推測される。そこで、電圧検出部7が検出する供給電圧に応じてキャリア周波数を切り替えるのではなく、電圧制御部13が出力した供給電圧調整信号の変化毎にキャリア周波数を切り替える方法にすると、インバータ3に供給される電圧が昇圧される前にキャリア周波数を切り替えることが可能となり、リプル電流増大に対してより速やかにキャリア周波数を切り替えることができる。
【0066】
その結果、供給電圧の変化によりモータ4に出力される波形の状態を検出する手段よりも電圧調整信号の変化によりモータ4に出力される波形の状態を検出する手段の方が騒音・振動の低減効果は大きなものとなる。
【0067】
図6は本実施の形態を表すキャリア周波数の制御パターンの一例を表す特性図である。図において、横軸は回転数制御部8が調整するDuty比、縦軸はキャリア周波数を表す。
【0068】
図より、小さなDuty比の領域ではキャリア周波数を大きくし、Duty比が大きくなるに従ってキャリア周波数を小さく設定している。この例の場合、Duty比に応じて3種類のキャリア周波数を切り替えた例を示している。
【0069】
従って、比較的低いDuty比の領域でキャリア周波数を大きくしているので、1周期中の通電OFF時間が短くなり電流の落ち込みも低減でき、電流リップルによる振動、騒音を低減できる。電流の落ち込みの低減について図3,図4を用いて既に説明しているので、ここでは説明を省略する。
【0070】
図8に示すような従来の駆動装置では、負荷状態が変化した際に回転数を一定に保持しようとする機能があるため、負荷トルクが小さくなっても回転数演算部6が出力する回転数データは変化せず、キャリア周波数が切り替えられない。
【0071】
また、負荷トルクが小さくなった場合には、電圧検出部7が検出する供給電圧においても、電圧制御部13から出力される電圧調整信号においても、変化点が存在しないので、図5、図6のような駆動方法を用いてもキャリア周波数を切り替えることができない。
【0072】
そこで、回転数制御部8が調整するDuty比に応じてキャリア周波数を切り替える方法にすると、負荷トルクが小さくなり回転数制御部8が調整するDuty比が小さくなった場合にキャリア周波数を切り替えることが可能となり、リプル電流増大に対して速やかにキャリア周波数を切り替えることができる。
【0073】
その結果、モータ4に出力される波形の状態を検出するための他の手段よりもDuty比の変化によりモータ4に出力される波形の状態を検出する手段の方が騒音・振動の低減効果は大きなものとなる。
【0074】
次に、ブラシレスDCモータ4の構造について説明を行う。図7は、本発明の実施の形態1によるブラシレスDCモータの回転子の横断面図である。
【0075】
回転子コア20は、0.35mmから0.5mm程度の薄い珪素鋼板を打ち抜いたものを、積み重ねたものである。
【0076】
4枚のマグネット21a、21b、21c、21dは、駆動軸22に対して逆円弧状に回転子コア20に埋め込まれている。このマグネットは通常フェライト系がよく用いられるが、ネオジなどの希土類の磁石が使われる場合は平板構造のものが使われることもある。
【0077】
図7に示したような構造の回転子において、回転子中央からマグネットの中央に向かう軸をd軸、回転子中央からマグネットの間に向かう軸をq軸とすると、それぞれの軸方向のインダクタンスLd、Lqは逆突極性を有し、異なるものとなる。
【0078】
電機子巻線に流れる電流の作る磁束と、永久磁石の発する磁束の作用によって発生するフレミングの左手の法則に従うトルク(マグネットトルク)の他に、電機子巻線に流れる電流の作る磁束と、埋め込むことによって磁石の埋め込まれた部分と埋め込まれていない部分の鉄部の形状が変化すること(逆突極性)による回転子表面の鉄部が引きつけ合う力(リラクタンストルク)が作用し、磁石表面配置形回転子と比べてトルクリップルが増大するので、本実施例の制御を用いて、低負荷、高電圧領域においてトルクリップルに伴う回転子軸共振を大幅に低減することができ、騒音も抑制することができる。
【0079】
以上の様に本実施の形態1のブラシレスDCモータの駆動方法は、永久磁石を有する回転子4aと三相巻線を有する固定子4bからなるブラシレスDCモータ4と、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子3a〜3fにより電力を供給するインバータ3と、前記スイッチング素子群3a〜3fの切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部9と、前記キャリア周波数生成部9によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部8と、前記回転子4aの位置を検出する回転子位置検出部5と、前記回転子位置検出部5により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部6と、前記スイッチング素子群3a〜3fを順次切り換えるスイッチング素子切換部10とを備え、前記インバータ3から出力される波形の状態によってキャリア周波数を2種類以上切り替えることを可能にしたものであるので、入力電圧(商用電源の電圧)やインバータへの供給電圧(直流電圧)、負荷状態(Duty比)に応じてキャリア周波数を切り替えることで騒音や振動を抑えることが出来る。
【0080】
またロータの回転数によってキャリア周波数を切り替えるのではなく、インバータの出力波形の状態によってキャリア周波数を切り替えることで、回転数が変化しない場合でも電流リプルの低減を行うことができ、騒音や振動の抑制効果としては本実施の形態によるものが良くなる。
【0081】
またインバータ3に供給される電源電圧を検出する電圧検出部7と、前記電圧検出部7によって検出された電圧に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部9とを有することにより、瞬時電圧低下・停電や急峻な電源電圧の上昇が生じたり、異なる商用電源電圧環境下での使用などインバータへの供給電圧が変化した場合に発生する騒音や振動を速やかに回避することが出来る。
【0082】
またロータの回転数によってキャリア周波数を切り替えるのではなく、インバータへの供給電圧によってキャリア周波数を切り替えることで、入力電圧が変動した場合のように回転数が変化しない場合でも電流リプルの低減を行うことができ、騒音や振動の抑制効果としては本実施の形態によるものが良くなる。
【0083】
またインバータ3に供給される電源電圧を調整する電圧調整部2gと、前記電圧調整部2gに出力される電圧調整信号を制御する電圧制御部13と、電圧調整信号に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部9とを有することにより、モータの回転数などに応じて最適な電源電圧をインバータに供給できるとともに、電源電圧の変化による騒音や振動の発生を速やかに回避することが出来る。また、電圧調整信号の変化によりキャリア周波数を切り替えるため、インバータへの供給電圧の変化により切り替える手段よりも、より速やかに騒音や振動を回避できるという効果もある。
【0084】
またロータの回転数などに応じて、インバータへ供給する電圧を最適になるように制御する機能を有する装置においては、一般的に、供給電圧が変化しても回転数を一定に保つような機能を伴う場合が多い。そのため、回転数によってキャリア周波数を変更する場合は、電流リプルを低減できない。よって、ロータの回転数によってキャリア周波数を切り替えるのではなく、インバータへの供給電圧を制御するための信号によってキャリア周波数を切り替えることで、回転数が変化しない場合でも電流リプルの低減を行うことができる本実施例によるものの方が、騒音や振動の抑制効果としては良くなる。
【0085】
またDuty比を調整する回転数制御部8と、回転数制御部によって調整されたDuty比に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部9とを有することにより、負荷状態が変化した場合に発生する騒音や振動を速やかに回避することが出来る。また、Duty比の変化によりキャリア周波数を切り替えるため、負荷変動が生じた場合のような、入力電圧(商用電源の電圧)やインバータの供給電圧(直流電圧)、電圧調整信号に変化が生じないような場合も、騒音や振動を回避できるという効果もある。
【0086】
またロータの回転数によってキャリア周波数を切り替えるのではなく、Duty比によってキャリア周波数を切り替えることで、負荷変動が生じたときのような回転数が変化しない場合でも電流リプルの低減を行うことができ、騒音や振動の抑制効果としては本実施の形態によるものが良くなる。
【0087】
また、ブラシレスDCモータ4が、回転子4aの鉄心に永久磁石21a〜21dを埋め込んでなる回転子4aであり、かつ突極性を有する回転子4aを有したものであり、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクが作用し、磁石表面配置形回転子と比べてトルクリップルが増大するので、騒音や振動が発生しやすい特性を有しているため、さらに効果が現れることになる。
【0088】
また、ブラシレスDCモータ4が圧縮機を駆動するものであり、圧縮機において低騒音を実現できる極めて重要な用途のひとつである。特に、圧縮機を用いた製品の一つである冷蔵庫においては、様々な国々で利用されており、言い換えれば様々な入力電圧の環境下で使用されるということになる。インバータへ供給される電圧によってキャリア周波数を切り替えるので、電流リプルが大きくなりやすい入力電圧が高い環境下において、本実施例によるものがさらに効果を現すことになる。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項1に記載の発明は、モータに出力される波形の状態によってキャリア周波数を2種類以上切り替えることを可能にしたものであり、入力電圧(商用電源の電圧)やインバータへの供給電圧(直流電圧)、負荷状態(Duty比)に応じてキャリア周波数を切り替えることで騒音や振動を抑えることが出来る。
【0090】
また請求項2に記載の発明は、インバータに供給される電源電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部によって検出された電圧に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有することにより、瞬時電圧低下・停電や急峻な電源電圧の上昇が生じたり、異なる商用電源電圧環境下での使用などインバータへの供給電圧が変化した場合に発生する騒音や振動を速やかに回避することが出来る。
【0091】
また請求項3に記載の発明は、インバータに供給される電源電圧を調整する電圧調整部と、電圧調整部に出力される電圧調整信号を制御する電圧制御部と、電圧調整信号に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有することにより、モータの回転数などに応じて最適な電源電圧をインバータに供給できるとともに、電源電圧の変化による騒音や振動の発生を速やかに回避することが出来る。また、電圧調整信号の変化によりキャリア周波数を切り替えるため、インバータへの供給電圧の変化により切り替える手段よりも、より速やかに騒音や振動を回避できるという効果もある。
【0092】
また請求項4に記載の発明は、Duty比を調整する回転数制御部と、回転数制御部によって調整されたDuty比に応じてキャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有することにより、負荷状態が変化した場合に発生する騒音や振動を速やかに回避することが出来る。また、Duty比の変化によりキャリア周波数を切り替えるため、負荷変動が生じた場合のような、入力電圧(商用電源の電圧)やインバータの供給電圧(直流電圧)、電圧調整信号に変化が生じないような場合も、騒音や振動を回避できるという効果もある。
【0093】
また請求項5に記載の発明は、請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の発明において、ブラシレスDCモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものであり、このような回転子においては、突極性を有しており、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクが作用し、磁石表面配置形回転子と比べてトルクリップルが増大するので、騒音や振動が発生しやすい特性を有しているため、さらに効果が現れることになる。
【0094】
また請求項6に記載の発明は、請求項2から請求項5のいずれか一項に記載の発明において、ブラシレスDCモータが圧縮機を駆動するものであり、圧縮機において低騒音を実現できる極めて重要な用途のひとつである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるブラシレスDCモータの駆動装置のブロック図
【図2】同実施の形態のブラシレスDCモータの駆動装置における横軸に供給電圧をとった場合のキャリア周波数の制御パターンの一例を表す特性図
【図3】同実施の形態のブラシレスDCモータの駆動装置における120度矩形波通電におけるキャリア周波数3kHzスイッチングパターンと各相の電流波形を示したタイミングチャート
【図4】同実施の形態のブラシレスDCモータの駆動装置における120度矩形波通電におけるキャリア周波数6kHzのスイッチングパターンと各相の電流波形を示したタイミングチャート
【図5】同実施の形態のブラシレスDCモータの駆動装置におけるキャリア周波数の制御パターンの一例を表すタイミングチャート
【図6】同実施の形態のブラシレスDCモータの駆動装置における横軸にDuty比をとった場合のキャリア周波数の制御パターンの一例を表す特性図
【図7】同実施の形態のブラシレスDCモータの駆動装置におけるブラシレスDCモータの回転子の横断面図
【図8】従来のブラシレスDCモータの駆動装置のブロック図
【符号の説明】
1 商用電源
2 整流回路
3 インバータ
3a〜3f スイッチング素子
4 ブラシレスDCモータ
5 位置検出部
6 回転数演算部
8 回転数制御部
9 キャリア周波数生成部
10 スイッチング素子切換部
Claims (6)
- 永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部とを備えたブラシレスDCモータの駆動装置におけるブラシレスDCモータの駆動方法であって、前記インバータから出力される波形の状態によって前記キャリア周波数を2種類以上切り替えることを特徴とするブラシレスDCモータの駆動方法。
- 永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部と、前記インバータに供給される電源電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された電圧に応じて前記キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有するブラシレスDCモータの駆動装置。
- 永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部と、前記インバータに供給される電源電圧を調整する電圧調整部と、前記電圧調整部に出力される電圧調整信号を制御する電圧制御部と、前記電圧調整部に出力される電圧調整信号に応じて前記キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有するブラシレスDCモータの駆動装置。
- 永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスDCモータと、前記三相巻線に接続される複数個の駆動用スイッチング素子により電力を供給するインバータと、前記スイッチング素子群の切り換え周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記回転子の位置を検出する回転子位置検出部と、前記回転子位置検出部により検出された位置情報をもとに回転数を演算する回転数演算部と、前記キャリア周波数生成部によって決定されるキャリア周期内におけるオン時間の割合であるDuty比を調整する回転数制御部と、前記スイッチング素子群を順次切り換えるスイッチング素子切換部と、前記回転数制御部によって調整されたDuty比に応じて前記キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部とを有するブラシレスDCモータの駆動装置。
- ブラシレスDCモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有した請求項2から請求項4のいずれか一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
- ブラシレスDCモータが圧縮機を駆動するものである請求項2から請求項5のいずれか一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
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