JP2005218195A - 洗濯機用インバータ装置及び洗濯乾燥機用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータトルクを、モータの相電流が流れるシャント抵抗及びこのシャント抵抗の出力電圧を受けるＡ／Ｄコンバータを利用して検出する場合に、その検出精度の向上を簡単な構成で実現すること。
【解決手段】 直流ブラシレスモータ１４の可変速駆動を制御するための制御装置４０は、定格動作電圧が３.３Ｖのマイクロコンピュータにより構成されたもので、内蔵Ａ／Ｄコンバータ４０ａの入力電圧に基づいてモータ１４の相電流を検出する機能を備えている。制御装置４０の電源である制御電源端子Ｖccとシャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗの電圧出力端子との間には、抵抗分圧回路４４、４５、４６が接続されており、各抵抗分圧回路４４、４５、４６による分圧電圧がＡ／Ｄコンバータ４０ａに与えられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、運転動作の動力源である直流ブラシレスモータの可変速駆動を制御するための制御装置をＡ／Ｄコンバータを備えたマイクロコンピュータにより構成した洗濯機用インバータ装置及び洗濯乾燥機用インバータ装置、特には、前記モータの相電流を検出するためのシャント抵抗の出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに与えると共に、前記制御装置に対して当該Ａ／Ｄコンバータの出力に基づいてモータトルクを検出する機能を付加した洗濯機用インバータ装置及び洗濯乾燥機用インバータ装置に関する。

従来、全自動形の洗濯機や洗濯乾燥機においては、洗い、すすぎ及び脱水の各洗濯運転や乾燥運転を行う場合に、撹拌翼（パルセータ）や回転槽或いはドラムを回転させる動力源として直流ブラシレスモータを使用し、このモータをインバータ装置により可変速駆動する方式が採用されている。このようなインバータ装置では、モータトルクを示す相電流に基づいて直流ブラシレスモータのベクトル制御（電流制御）を行う構成とされた制御装置を設けることにより、モータトルクを正確に制御し、以てモータ回転速度などの制御応答性を高めることが行われている。この場合に用いられる制御装置は、高速な演算処理が要求されるため、ＲＩＳＣ形態の高速ＣＰＵ及びこのＣＰＵの処理を一部肩代わりするＤＳＰを備えたマイクロコンピュータにより構成することが行われている。また、近年では、このような高機能の制御装置を搭載した洗濯機や洗濯乾燥機において、モータの相電流ひいてはモータトルクを高精度に検出し、その検出結果に基づいて、回転槽或いはドラムのアンバランス状態や振動状態を制御したり、回転槽或いはドラム内での布移動を制御したりするといった高度な制御を行うことも考えられている。

上述のような各用途のためにモータトルクの検出を行う場合には、モータの相電流が流れる位置、例えばインバータ主回路を構成するブリッジ回路の下側アームにシャント抵抗を挿入し、このシャント抵抗の出力電圧を増幅して制御装置に与える構成とされるのが一般的であり、マイクロコンピュータにより構成された制御装置側では、入力されたアナログ電圧信号を内蔵Ａ／Ｄコンバータによりデジタルデータ化した後に演算処理に供する構成となっている。

この場合、従来において一般的に使用されてきたマイクロコンピュータは、その定格動作電圧が５Ｖ程度以上であったため、内蔵Ａ／Ｄコンバータのリファレンス電圧も５Ｖ以上の比較的高いレベルになるという事情があった。このようにＡ／Ｄコンバータのリファレンス電圧が比較的高い状態では、そのＡ／Ｄ変換精度を高めるために入力電圧（変換対象電圧）のレベルも大きくする必要がある。しかしながら、Ａ／Ｄコンバータの入力電圧のレベルを大きくするためにシャント抵抗の抵抗値を高めた場合には、抵抗損失が大幅に増えるという問題や、インバータ主回路を構成するブリッジ回路の下側アームを構成するＩＧＢＴのゲート電圧が限度を超えて低下するという問題などが発生する。

このため、従来では、シャント抵抗の抵抗値をなるべく小さくし、そのシャント抵抗の出力電圧を増幅回路により増幅した後にＡ／Ｄコンバータに与える構成とすることが行われており、例えば、特許文献１に見られるように、シャント抵抗の出力電圧（端子電圧）を、オペアンプを利用した増幅器で増幅する構成が一般的となっている。
特開平９−１４９６７３号公報

特許文献１に見られるような増幅器においては、オペアンプのスルーレートの影響により増幅出力電圧波形が鈍る現象が発生すると共に、オフセット電圧温度ドリフトなどによる誤差が発生することが避けられないため、最終的にＡ／Ｄコンバータから出力されるＡ／Ｄ変換出力の誤差が大きくなるという事情がある。一方、洗濯機や洗濯乾燥機においては、モータ負荷がエアコンなどの他の家電機器に比べて大きく変動するという背景があり、モータに流れる相電流が最小値と最大値との間で数十倍になることが普通である。従って、相電流が比較的小さい場合の電流検知精度が悪化する傾向が出てくることになり、このような傾向に前述した増幅器の存在に起因したＡ／Ｄ変換出力についての誤差も加わるため、モータ電流の検出出力の誤差が拡大することになる。

このため、制御装置において上記のような電流検出出力に基づいたベクトル制御が行われていた場合には、特にモータ電流が小さくなって電流検出出力の誤差が拡大したときに、モータ出力の変動による振動や騒音が大きくなるという問題点が発生する。特に、近年では、深夜に洗濯機や洗濯乾燥機が使用される頻度が高くなっているため、上記のような問題点の深刻度が増すという事情があり、何らかの対策が必要となる。また、上記電流検出出力に基づいて、回転槽或いはドラムのアンバランス状態や振動状態を制御したり、回転槽或いはドラム内での布移動を制御したりするといった高度な制御を行おうとすると、そのアンバランス状態や振動状態の制御或いは布移動の制御が不正確になり、洗濯運転や乾燥運転に悪影響が及ぶことが避けられないという事情もあった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータトルクを、モータの相電流が流れるシャント抵抗及びこのシャント抵抗の出力電圧を受けるＡ／Ｄコンバータを利用して検出する場合に、その検出精度の向上を簡単な構成で実現できるようになる洗濯機用インバータ装置及び洗濯乾燥機用インバータ装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、洗い及び脱水を含む洗濯運転動作の動力源である直流ブラシレスモータの可変速駆動を制御するための制御装置を、Ａ／Ｄコンバータを備えたマイクロコンピュータにより構成したものであって、前記モータの相電流が流れるシャント抵抗の出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに与えると共に、前記制御装置に対して前記Ａ／Ｄコンバータへの入力電圧に基づいてモータトルクを検出する機能を付加した洗濯機用インバータ装置において、
前記マイクロコンピュータとして定格動作電圧が３.３Ｖ以下のものを用いる共に、前記シャント抵抗の電圧出力端子と前記マイクロコンピュータの電源端子との間に抵抗分圧回路を接続し、この抵抗分圧回路による分圧出力を前記Ａ／Ｄコンバータに与える構成としたものである。

請求項２記載の発明は、前記目的を達成するために、洗い及び脱水を含む洗濯運転動作並びに乾燥運転動作の動力源である直流ブラシレスモータの可変速駆動を制御するための制御装置を、Ａ／Ｄコンバータを備えたマイクロコンピュータにより構成したものであって、前記モータの相電流が流れるシャント抵抗の出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに与えると共に、前記制御装置に対して前記Ａ／Ｄコンバータへの入力電圧に基づいてモータトルクを検出する機能を付加した洗濯乾燥機用インバータ装置において、
前記マイクロコンピュータとして定格動作電圧が３.３Ｖ以下のものを用いる共に、前記シャント抵抗の電圧出力端子と前記マイクロコンピュータの電源端子との間に抵抗分圧回路を接続し、この抵抗分圧回路による分圧出力を前記Ａ／Ｄコンバータに与える構成としたものである。

請求項１及び２記載の手段によれば、シャント抵抗からモータの相電流に応じたレベルの出力電圧が出力されると共に、この出力電圧が抵抗分圧回路により分圧されてＡ／Ｄコンバータに与えられるものであり、制御装置は、このようなＡ／Ｄコンバータへの入力電圧に基づいてモータトルクを検出するようになる。この場合、上記制御装置を構成するマイクロコンピュータの定格動作電圧が３.３Ｖ以下であるから、Ａ／Ｄコンバータのリファレンス電圧を相対的に低くできる。このため、シャント抵抗の出力電圧が低い状況下でもＡ／Ｄ変換精度を相対的に高めることが可能になり、モータトルクの検出精度が向上する。また、Ａ／Ｄコンバータの入力段に増幅器が不要であるから、その増幅器の存在に起因した誤差の拡大を未然に防止できるようになってモータトルクの検出精度の向上に寄与できると共に、構成の簡単化も同時に図れるようになる。

以下、本発明をドラム式の洗濯乾燥機に適用した一実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、ドラム式の洗濯乾燥機１の全体構成を示す図３において、洗濯乾燥機１の外殻をなす外箱１ａの前面部には、中央部に扉２が設けられ、上部に、多数のスイッチや表示部（何れも図示せず）を備えた操作パネル３が設けられている。扉２は、外箱１ａの前面部中央部に形成された洗濯物出し入れ口４を開閉するものである。

外箱１ａの内部には、円筒状の水槽５が配設されている。この水槽５は、その軸方向が前後方向（図２では左右方向）となる横軸状で且つ前上がりの傾斜状に配置され、弾性支持装置６により弾性的に支持されている。水槽５の内部には、円筒状のドラム７が水槽５と同軸状に配設されている。このドラム７は、洗濯の他、脱水及び乾燥に共用の槽として機能するもので、その胴部には、ほぼ全域に多数個の小孔８（一部のみ図示）が形成されていると共に、内周部に複数個（例えば３個）のバッフル９（一個のみ図示）が設けられている。
尚、ドラム７は、洗い運転時（すすぎ運転も含む概念である）に比較的短い周期で正逆回転され、乾燥運転時に比較的長い周期で正逆回転されるものである。

水槽５及びドラム７は、各々の前面部に洗濯物出し入れ用の開口部１０、１１を有し、ドラム７の開口部１１が水槽５の開口部１０に内側から臨んだ形態とされている。水槽５の開口部１０は、洗濯物出し入れ口４に円筒形ベローズ１２により水密に連ねられ、ドラム７の開口部１１の周囲部にはバランスリング１３が設けられている。

水槽５の背面部には、ドラム７を回転駆動する直流ブラシレスモータ（以下、単にモータと呼ぶ）１４が配設されている。このモータ１４はアウタロータ形のものであり、そのステータ１５が、水槽５の背部中央部に支持された軸受ハウジング１６の外周部に取り付けられている。アウタ形式のロータ１７は、中心部に固定された回転軸１８が軸受ハウジング１６に軸受１９を介して回転可能に支持されている。軸受ハウジング１６から突出した回転軸１８の前端部はドラム７の背部の中央部に連結されている。即ち、モータ１４が駆動されると、ロータ１７の回転軸１８に連結されたドラム７が回転される構成となっている。

水槽５の下部には水溜部２０が設けられており、この水溜部２０の内部に洗濯水加熱用のヒータ２１が配設され、水溜部２０の後部に、排水弁２２を介して排水ホース２３が接続されている。
水槽５の上部には乾燥運転用の温風生成装置２４が設けられ、水槽５の背部には熱交換器２５が設けられている。温風生成装置２４は、ケーシング２６内に配設された温風用ヒータ２７、ケーシング２８内に配設されたファン２９、このファン２９をベルト伝動機構３０を介して回転駆動するファンモータ３１で構成され、ケーシング２６とケーシング２８とは連通されている。ケーシング２６の前部にはダクト３２が接続され、ダクト３２の先端部は、水槽５内に突出されてドラム７の開口部１２に臨んだ配置とされている。

ここで、温風生成装置２４内の温風用ヒータ２７とファン２９とを同時駆動することにより温風が生成されるものであり、その温風はダクト３２を通してドラム７内に供給される。ドラム７内に供給された温風はドラム７内の洗濯物を加熱する共に水分を奪い、熱交換器２５側へ排出される。
熱交換器２５は、上部がケーシング２８内と連通し、下部が水槽５内と連通しており、上部から水が注ぎ入れられて流下することで、内部を通る空気中の水蒸気を冷却し凝縮させて除湿する水冷式である。この熱交換器２５を通った空気は再び温風生成装置２４に戻され、温風化されて循環する。

図１には、上記洗濯乾燥機１の電気的構成のうち本発明の要旨を説明するのに必要な部分をのみが示されており、以下これについて説明する。
即ち、モータ１４のＵ、Ｖ、Ｗの各相に対し可変周波数・可変電圧の駆動電流を与えるためのインバータ主回路３３は、６個のＩＧＢＴ３４〜３９を三相ブリッジ接続すると共に、各ＩＧＢＴ３４〜３９にフライホイールダイオード３４ａ〜３９ａを接続して構成されたものであり、各ＩＧＢＴ３４〜３９は、後述する制御装置４０からの各相ＰＷＭ信号により個別にオンオフされる構成となっている。この場合、上アーム側のＩＧＢＴ３４〜３６の各コレクタが、平滑用コンデンサ４１を備えた直流電源端子４２に接続され、下アーム側のＩＧＢＴ３７〜３９の各エミッタが、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相電流検出用のシャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗを介してグランド端子に接続されている。尚、各シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗの抵抗値は、例えば０．２Ωに設定されている。また、上記直流電源端子４２は、１００Ｖの交流電源を倍電圧全波整流するように構成された整流回路の出力端子である。

制御装置４０は、定格動作電圧が３．３Ｖのマイクロコンピュータにより構成されたもので、このマイクロコンピュータは、ＲＩＳＣ形態の高速ＣＰＵ及びこのＣＰＵの処理を一部肩代わりするＤＳＰを備えた構成となっており、その電源は、出力電圧が３．３Ｖの制御電源端子Ｖccから供給される。
シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗの各電圧出力端子（対応するＩＧＢＴ３７〜３９側の端子）と制御電源端子Ｖccとの間には、抵抗分圧回路４４、４５、４６がそれぞれ接続されている。各抵抗分圧回路４４、４５、４６は、それぞれ抵抗Ｒ１及びＲ２の直列回路より成るものであり、各抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値は、例えば１ｋΩに設定されている。

制御装置４０は、前記制御電源端子Ｖccをリファレンス電源としたＡ／Ｄコンバータ４０ａを備えており、このＡ／Ｄコンバータ４０ａは、入力端子Ｐ_U、Ｐ_v、Ｐ_wに与えられたアナログ電圧信号を個別にデジタル変換して信号処理に供する構成となっている。この場合、Ａ／Ｄコンバータ４０ａの各入力端子Ｐ_U、Ｐ_v、Ｐ_wには、抵抗分圧回路４４、４５、４６による各分圧電圧（抵抗Ｒ１及びＲ２の共通接続点の電圧）が与えられる構成となっている。尚、Ａ／Ｄコンバータ４０ａは、主に制御装置４０内のＤＳＰのソフトウエアで実現される機能である。また、抵抗分圧回路４４、４５、４６の各出力端子（抵抗Ｒ１及びＲ２の共通接続点）とグランド端子との間には、それぞれフィルタコンデンサ４７が接続されている。

制御装置４０は、Ａ／Ｄコンバータ４０ａの出力によりモータ１４の発生トルクを示す各相電流値を検出すると共に、その検出電流値に基づいて当該モータ１４のベクトル制御を行う構成となっており、その制御に応じてＩＧＢＴ３４〜３９をオンオフさせるための各相ＰＷＭ信号を出力する。尚、ＩＧＢＴ３４〜３９の最大定格電流は例えば１０Ａであり、制御装置４０は、検出電流値が１０Ａを超えたときに、故障発生を防止するために全てのＩＧＢＴ３４〜３９を強制的にオフさせる保護機能も備えている。

制御装置４０は、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗからの出力電圧の読み取りを、下アーム側のＩＧＢＴ３７〜３９がオンしている期間の中心点のタイミングで行う。この場合、各相ＰＷＭ信号の出力周期を、モータ１４の回転数に比べて十分に早い例えば１６ｋＨｚに設定しており、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗからの出力電圧の元の波形を問題なく再現できる。

また、本実施例の場合、制御電源端子Ｖccの出力電圧が３．３Ｖ、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗの抵抗値が０．２Ω、抵抗分圧回路４４、４５、４６を構成する各抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が１ｋΩであるから、例えば、抵抗分圧回路４４、４５、４６からの出力電圧は、モータ１４の相電流が零の状態時に１．６５Ｖ、当該相電流が１０Ａ及び−１０Ａの各状態時にそれぞれ２．６５Ｖ及び−２．６５Ｖになる。

要するに、上記した本実施例の構成によれば、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗからモータ１４の相電流に応じたレベルの出力電圧が出力されると共に、この出力電圧が抵抗分圧回路４４、４５、４６により分圧されてＡ／Ｄコンバータ４０ａに与えられ、制御装置４０は、このようなＡ／Ｄコンバータ４０ａへの入力電圧に基づいてモータトルクを検出すると共にモータ１４のベクトル制御を行うようになる。この場合、制御装置４０を構成するマイクロコンピュータの定格動作電圧が３.３Ｖ以下であるから、Ａ／Ｄコンバータ４０ａのリファレンス電圧を相対的に低くできる。このため、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗの出力電圧が比較的低い状況下でも、Ａ／Ｄコンバータ４０ａによるＡ／Ｄ変換精度を相対的に高めることが可能になり、モータトルクの検出精度が向上する。また、Ａ／Ｄコンバータ４０ａの入力段に従来のようなオペアンプを利用した増幅器が不要であるから、その増幅器の存在に起因した誤差の拡大を未然に防止できるようになってモータトルクの検出精度の向上に寄与できると共に、構成の簡単化も同時に図れるようになる。

ここで、Ａ／Ｄコンバータ４０ａの入力段に増幅器が存在しない場合の作用及び効果について、図２を参照して説明する。即ち、図２（ａ）には、本実施例におけるシャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗの出力電圧Ｖｓ並びにＡ／Ｄコンバータ４０ａの入力電圧Ｖinの波形が、モータ電流が相対的に小さい場合と大きい場合の各状態について模式的に示され、図２（ｂ）には、Ａ／Ｄコンバータ４０ａの入力段に、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗに代えて従来のようなオペアンプを利用した増幅器を設けた場合における出力電圧Ｖｓ及び入力電圧Ｖinの波形が、モータ電流が相対的に小さい場合と大きい場合の各状態について模式的に示されている。

この場合、前述したように、制御装置４０は、シャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗからの出力電圧の読み取りを、下アーム側のＩＧＢＴ３７〜３９がオンしている期間の中心点のタイミング（図２（ａ）、（ｂ）に破線で示すタイミングｔ）で行う構成となっている。このため、Ａ／Ｄコンバータ４０ａの入力段にオペアンプを利用した増幅器が設けられていた場合には、図２（ｂ）に示すように、オペアンプのスルーレートによって入力電圧Ｖin（増幅器による増幅出力電圧）の立ち上がり及び立ち下り波形が鈍る現象が発生し、これによりモータ電流が小さい状態時において入力電圧Ｖinが本来検知すべきレベルより小さくなることがある。また、その検知電流には、増幅器のオフセット電圧温度ドリフトなどによる誤差も含まれることになる。これにより、増幅器を使用する構成では、図２（ｃ）に示すように、実際のモータ電流（実線参照）と上記入力電圧Ｖinに基づいて検出したモータ電流（破線参照）との間にずれが発生することになるため、その検出電流に基づいて行われる制御装置４０による制御動作に悪影響が及ぶようになる。これに対して、本実施例のようにシャント抵抗４３ｕ、４３ｖ、４３ｗとＡ／Ｄコンバータ４０ａの入力端子Ｐ_U、Ｐ_v、Ｐ_wとの間に抵抗分圧回路４４、４５、４６のみが存在する場合は、図２（ａ）に示すように、出力電圧Ｖｓ及び入力電圧Ｖinがモータ電流の大小に関係なく所定の比例関係を呈するようになるから、実際のモータ電流と上記入力電圧Ｖinに基づいて検出したモータ電流との間にずれが発生することがなく、結果的に制御装置４０による制御動作に悪影響が及ぶ恐れがなくなる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば以下に述べるような変形或いは拡大が可能である。
Ａ／Ｄコンバータ４０ａのリファレンス電源電圧は、制御装置４０を構成するマイクロコンピュータの電源電圧より低い値に設定しても良く、このような設定によれば、Ａ／Ｄコンバータ４０ａによるＡ／Ｄ変換精度をさらに高めることができる。上記実施例では、洗濯乾燥機１用のインバータ装置について説明したが、乾燥機能がない洗濯機或いは補助的な乾燥機能を備えた洗濯機用のインバータ装置に適用できることは勿論である。制御装置４０を構成するマイクロコンピュータの定格動作電圧は３．３Ｖ以下であれば良い。

本発明の一実施例の要部を示す電気的構成図 作用及び効果説明用の電圧波形図 洗濯乾燥機の縦断面図

符号の説明

１は洗濯乾燥機、１４は直流ブラシレスモータ、４０は制御装置、４０ａはＡ／Ｄコンバータ、４３ｕ、４３ｖ、４３ｗはシャント抵抗、４４、４５、４６は抵抗分圧回路を示す。

Claims (3)

1. 洗い及び脱水を含む洗濯運転動作の動力源である直流ブラシレスモータの可変速駆動を制御するための制御装置を、Ａ／Ｄコンバータを備えたマイクロコンピュータにより構成したものであって、前記モータの相電流が流れるシャント抵抗の出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに与えると共に、前記制御装置に対して前記Ａ／Ｄコンバータへの入力電圧に基づいてモータトルクを検出する機能を付加した洗濯機用インバータ装置において、
   前記マイクロコンピュータとして定格動作電圧が３.３Ｖ以下のものを用いる共に、
   前記シャント抵抗の電圧出力端子と前記マイクロコンピュータの電源端子との間に抵抗分圧回路を接続し、この抵抗分圧回路による分圧出力を前記Ａ／Ｄコンバータに与える構成としたことを特徴とする洗濯機用インバータ装置。
2. 洗い及び脱水を含む洗濯運転動作並びに乾燥運転動作の動力源である直流ブラシレスモータの可変速駆動を制御するための制御装置を、Ａ／Ｄコンバータを備えたマイクロコンピュータにより構成したものであって、前記モータの相電流が流れるシャント抵抗の出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに与えると共に、前記制御装置に対して前記Ａ／Ｄコンバータへの入力電圧に基づいてモータトルクを検出する機能を付加した洗濯乾燥機用インバータ装置において、
   前記マイクロコンピュータとして定格動作電圧が３.３Ｖ以下のものを用いる共に、
   前記シャント抵抗の電圧出力端子と前記マイクロコンピュータの電源端子との間に抵抗分圧回路を接続し、この抵抗分圧回路による分圧出力を前記Ａ／Ｄコンバータに与える構成としたことを特徴とする洗濯乾燥機用インバータ装置。
3. 前記Ａ／Ｄコンバータのリファレンス電源電圧を前記マイクロコンピュータの電源電圧より低い値に設定したことを特徴とする請求項１及び２記載の洗濯機用インバータ装置及び洗濯乾燥機用インバータ装置。
   
   

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