JP2005312227A

JP2005312227A - ポンプあるいはファンのモータ駆動装置

Info

Publication number: JP2005312227A
Application number: JP2004127815A
Authority: JP
Inventors: Mitsusachi Kiuchi; 光幸木内; Masahiro Suzuki; 将大鈴木; Hideki Nakada; 秀樹中田; Kaneharu Yoshioka; 包晴吉岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】ポンプあるいはファンモータをセンサレス正弦波駆動して高効率運転を行う。
【解決手段】交流電力１を整流回路２により直流電力に変換し、インバータ回路３によりポンプあるいはファンを駆動するモータ４を駆動し、インバータ回路３の出力電流を電流検出手段５により検出して制御手段６によりセンサレス正弦波駆動し、モータ４の回転数に応じてインバータ回路３の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明はポンプあるいはファンのモータ駆動装置に関するものである。

従来、この種のポンプあるいはファンのモータ駆動装置は、永久磁石形同期モータをＶ／ｆ制御してセンサレス正弦波駆動するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２３６６９４号公報

しかしながら、Ｖ／ｆ制御によりセンサレス正弦波駆動する場合において、座標変換後の無効電流、あるいは力率制御するために駆動周波数を制御すると所定回転数制御が困難となる課題があった。

また、駆動周波数を変更するとモータリアクタンスや誘起電圧変化等のモータパラメータが変化し、モータトルクも変化するので、制御がさらに不安定となり脱調し易い欠点があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、Ｖ／ｆ制御によりセンサレス正弦波駆動する場合において、駆動周波数や運転駆動モードに応じて座標変換後の無効電流、あるいは力率を最適値に設定し、回転数変動がほとんどない制御を実現することを目的としている。

さらに、簡単な制御方法により脱調しにくい動作点に設定でき、回転数やトルクに応じてモータ誘起電圧に対する電流位相を最適化できるので、モータ効率を高くし、トルク変動に対して脱調せず安定な回転駆動を目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明のポンプあるいはファンのモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、ポンプあるいはファンを駆動するモータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をＰＷＭ制御してセンサレス正弦波駆動し、モータの回転数に応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものである。

また、インバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比に上限値、あるいは下限値を設けるようにしたものである。

さらに、モータ駆動運転モードに応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものである。

本発明のポンプあるいはファンのモータ駆動装置は、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようセンサレス正弦波駆動し、モータの回転数に応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものであるから、回転数変動がほとんどなく回転数やトルクに応じてモータ誘起電圧に対する電流位相を最適化できるので、モータ効率を高くし、トルク変動に対して脱調せず安定な回転駆動が可能となる。

また、インバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比に上限値、あるいは下限値を設けるようにしたので、モータ誘起電圧に対するモータ電流位相をほぼ同じ、あるいは遅角設定できるので、脱調しにくく高効率運転可能となる。

さらに、モータ駆動運転モードに応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたので、正転、あるいは逆転等により駆動モードが変化しても駆動モードに応じた最適設定を行うので、脱調しにくく高効率運転が可能となる。

第１の発明は、交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されポンプあるいはファンを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように制御し、前記モータの回転数に応じて前記出力電圧と出力電流との位相、あるいは前記無効電流の設定値を変更するようにしたものであり、回転数変動がほとんどなく回転数やトルクに応じてモータ誘起電圧に対する電流位相を最適化できるので、モータ効率を高くし、トルク変動に対して脱調せず安定な回転駆動が可能となる。

第２の発明は、第１の発明における制御手段は、モータの回転数に対応したインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定テーブルにより制御するようにしたから、ファンやポンプにおいては回転数の二乗によりトルクが変動する場合でもトルク電流に対応した力率、あるいは無効電流が確保でき、モータ効率を最適設定できる。

第３の発明は、第１の発明における制御手段は、モータの回転数よりインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を演算して求めるようにしたから、回転数の変更によりトルクが変動する場合でもトルク電流に対応した最適力率、あるいは最適無効電流を演算により求めることができるので、プロセッサのプログラム容量を減らして最適制御が可能となる。

第４の発明は、第１の発明において制御手段は、モータの回転数に応じてインバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比を制御するようにしたから、回転数の変更によりトルクが変動する場合でもトルク電流に対応した最適力率、あるいは最適無効電流に設定することにより、モータ誘起電圧に対する電流位相を最適位相に設定でき、モータ効率を最大にして脱調せず安定な回転駆動が可能となる。

第５の発明は、第１の発明においてインバータ回路により駆動される複数のモータと、制御手段により前記複数のモータを交互に切り換える出力切換手段より構成し、前記出力切換手段により切り換える前記モータに応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるようにしたから、ポンプと乾燥ファンを１つのインバータ回路で駆動する場合でもそれぞれの負荷に対応した最適力率、あるいは最適無効電流に設定することにより、モータ誘起電圧に対する電流位相を最適位相に設定して高効率のセンサレス正弦波駆動を可能とし、低価格、低振動のモータ駆動装置を実現できる。

第６の発明は、交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されポンプ、あるいはファンを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように前記インバータ回路出力電圧を制御し、前記インバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比に上限値、あるいは下限値を設けるようにしたから、モータ駆動周波数変化によりモータリアクタンスと誘起電圧が変わった場合でも、モータ誘起電圧に対する電流位相を制限して異常進角や異常遅角による脱調を防ぐことができる。

第７の発明は、第６の発明においてインバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比の下限値をほぼ１とするようにしたから、誘起電圧に対するモータ印加電圧の低下による異常進角を防止する事ができるので、トルク電流減少やインバータ回路への電圧回生を防ぎ安定な起動や回転駆動を実現できる。

第８の発明は、第６の発明においてインバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比の上限値を１．２から１．３とするようにしたから、誘起電圧に対するモータ印加電圧の上昇による異常遅角を防止する事ができるので、電流位相遅れによりトルク電流減少を防止して脱調を防ぎ安定な起動や回転駆動を実現できる。

第９の発明は、交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されポンプ、あるいはファンを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように制御し、前記モータの駆動運転モードに応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流設定値を変更するようにしたから、モータの駆動運転モードを変化させたり、あるいは、モータ立ち上げ時間を変えてトルクが変わった場合でもモータ誘起電圧に対する電流位相を最適設定して脱調を防ぎ高効率運転が可能となる。

また、回転数立ち上がり時間を早める起動モードと回転数立ち上がりを遅くする起動モードでは必要なトルクが変わるので、立ち上がりに応じた無効電流設定値にすることにより脱調がなく立ち上がり時間を短縮することができる。

第１０の発明は、第９の発明においてモータを正回転、あるいは逆回転に制御可能となるようにし、前記モータの正転、あるいは逆回転に応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたから、食器洗い機の洗浄ポンプと排水ポンプを１つのモータで駆動する１モータ方式の如き正逆回転制御でトルクが大きく変わる場合でもトルク電流に対応した最適力率、あるいは最適無効電流に設定することにより、モータ誘起電圧に対する電流位相を最適位相に設定でき、モータ効率を最大にして脱調せず安定な回転駆動が可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるポンプあるいはファンのモータ駆動装置のブロック図を示すものである。

図１において、交流電源１より整流回路２に交流電力を加えて直流電力に変換し、インバータ回路３により直流電力を３相交流電力に変換してモータ４を駆動する。整流回路２は、全波整流回路２０の直流出力端子にコンデンサ２１ａ、２１ｂを直列接続し、コンデンサ２１ａ、２１ｂの接続点を交流電源入力の一方の端子に接続して直流倍電圧回路を構成し、インバータ回路３への印加電圧を高くする。インバータ回路３の負電圧側に電流検出手段５を接続し、インバータ回路３の３相各下アームに流れる電流を検出することによりインバータ回路３の出力電流、すなわち、モータ４の各相電流を検出する。

電流検出手段５は、インバータ回路３の下アームトランジスタのエミッタ端子に接続されたシャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃと、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれの電圧降下を検知する電流検知回路５１より構成される。

制御手段６は、電流検出手段５の出力信号よりインバータ回路３の出力電流を演算し、設定回転数に応じた所定周波数、所定電圧を印加してモータ４を回転駆動するものであり、モータ負荷に応じてインバータ回路出力電圧に対する出力電流位相、あるいは無効電流となるように制御することにより設定同期速度でモータ４を回転駆動できる。

図２はインバータ回路３の詳細な回路図であり、６個のトランジスタとダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路により構成している。ここで、３相アームの１つのＵ相アーム３０Ａについて説明すると、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと略す）よりなる上アームトランジスタ３１ａ１と逆並列ダイオード３２ａ１の並列接続体と、ＩＧＢＴよりなる下アームトランジスタ３１ａ２と逆並列ダイオード３２ａ２の並列接続体を直列に接続し、上アームトランジスタ３１ａ１のコレクタ端子は直流電源の正電位端子Ｌｐに接続し、上アームトランジスタ３１ａ１のエミッタ端子は出力端子Ｕに接続し、下アームトランジスタ３１ａ２のエミッタ端子は電流検出手段５を構成するシャント抵抗５０ａを介して直流電源の負電位側端子Ｌｎに接続する。

上アームトランジスタ３１ａ１は上アーム駆動信号Ｕｐに応じて上アームゲート駆動回路３３ａ１により駆動され、下アームトランジスタ３１ａ２は下アーム駆動信号Ｕｎに応じて下アームゲート駆動回路３３ａ２によりオンオフスイッチング制御される。上アームゲート駆動回路３３ａ１は、微分信号によりセットリセットされるＲＳフリップフロップ回路を内蔵し、上アーム駆動信号Ｕｐの立ち上がりで上アームトランジスタ３１ａ１をオン動作させ、上アーム駆動信号Ｕｐの立ち下がりで上アームトランジスタ３１ａ１をオフ動作させる。下アームゲート駆動回路３３ａ２にはＲＳフリップフロップ回路は不必要であり、内蔵していない。

ＩＧＢＴのゲート印加電圧は１０〜１５Ｖ必要であり、下アームトランジスタ３１ａ２をオンさせると、１５Ｖの直流電源の＋端子Ｂ１よりブートストラップ抵抗３４ａ、ブートストラップダイオード３５ａを介してブートストラップコンデンサ３６ａが充電されるので、ブートストラップコンデンサ３６ａの蓄積エネルギーにより上アームトランジスタ３１ａ１をオンオフスイッチングできる。また、下アームの逆並列ダイオード３２ａ２が導通した場合にも同様にブートストラップコンデンサ３６ａが充電される。

後ほど説明する過電流検出手段が過電流を検出した場合には、過電流遮断信号をインバータ回路３へを出力し、インバータ回路３の遮断信号端子ＯｆをＬｏにするとインバータ回路３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相各下アームトランジスタが瞬時にターンオフする。

制御手段６は、過電流検出手段からの信号をプロセッサの割り込み入力端子に加え、過電流信号に対して最優先速度でインバータ回路３への駆動出力信号を遮断するが、内蔵するプロセッサの応答時間分遮断速度が遅いため、インバータ回路３には高速遮断信号端子Ｏｆを設けて上下アーム同時短絡等によるパワースイッチング素子の破壊やモータ４の減磁を防止する。

Ｖ相アーム３０Ｂ、Ｗ相アーム３０Ｃも同様の接続であり、各アームの下アームトランジスタのエミッタ端子は電流検出手段５を構成するシャント抵抗５０ｂ、５０ｃに接続し、シャント抵抗５０ｂ、５０ｃの他方の端子は直流電源負電位端子Ｌｎに接続している。ＩＧＢＴ、あるいはパワーＭＯＳＦＥＴにより下アームトランジスタを構成すると、ゲート電圧を制御することによりスイッチング制御できるので、ＩＧＢＴの場合はエミッタ端子、パワーＭＯＳＦＥＴの場合にはソース端子に接続するシャント抵抗の電圧が１Ｖ以下となるように抵抗値を選定すればスイッチング動作にはほとんど影響することなく電圧制御によりオンオフスイッチング制御でき、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃの電圧ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを検出することによりインバータ回路出力電流、すなわちモータ電流を検出できる特徴がある。

図３は、インバータ回路出力電流の検出タイミングを示し、三角波変調によりＰＷＭ制御して、スイッチングノイズの影響を減らすために上下アームＩＧＢＴのスイッチングタイミングをはずして高速Ａ／Ｄ変換してマイクロコンピュータ等のモータ制御プロセッサにより電流検出する。

図３において、ｃｋは三角波変調信号Ｖｔのピーク値すなわち時間ｔ３にて発生させる同期信号であり、ｖｕはＵ相電圧制御信号で、三角波変調信号ＶｔとＵ相電圧制御信号ｖｕを比較してＵ相上アームトランジスタ３１ａ１の駆動信号ＵｐとＵ相下アームトランジスタ３１ａ２の駆動信号Ｕｎを発生させる。ｔ１〜ｔ２区間、ｔ５〜ｔ６区間は上下アームトランジスタの非導通期間でデッドタイムΔｔと呼び、Ａ／Ｄ変換タイミングは、上アームトランジスタがオフで下アームトランジスタがオンとなる時間ｔ３、あるいは、時間ｔ３からデッドタイムΔｔ時間ずらした時間ｔ４の範囲内で行うとよい。

図４は、本発明による制御手段のブロック図で、マイクロコンピュータ、あるいはディジタルシグナルプロセッサ等の高速プロセッサによりセンサレス正弦波駆動を実現するものである。

基本的な制御方法について図５の制御ベクトル図を用いて説明する。図５は、ロータ表面に永久磁石を設けた表面永久磁石モータ（略してＳＰＭモータ）のｄ−ｑ座標系のベクトル図であり、モータ誘起電圧Ｖｒはｑ軸と同軸であり、誘起電圧Ｖｒは誘起電圧定数ｋｅと回転数Ｎの積となり、式１で表される。

モータ誘起電圧Ｖｒはモータ駆動周波数ｆに比例し、モータ印加電圧Ｖａ（＝Ｖｉ）はモータ誘起電圧Ｖｒにほぼ比例した電圧が印加される。言い換えれば、モータ印加電圧Ｖａとモータ誘起電圧Ｖｒの比（Ｖａ／Ｖｒ；印加電圧定数）を一定にするので、式２に示すようにモータ印加電圧と周波数ｆの比（Ｖａ／ｆ）をほぼ一定に制御することになり、Ｖ／ｆ制御とも呼ばれる。

モータ電流Ｉをｑ軸電流とｄ軸電流に分解してそれぞれ制御すると一般的なベクトル制御になるが、センサレス制御の場合、ｑ軸、ｄ軸は直接検出できないので、モータ電流位相が角度γ進角していると仮定する。モータの電圧方程式は式３で表現されるので、駆動周波数ｆが固定された場合、ｄ−ｑ座標系においては、電流ベクトルＩを固定するとモータ印加電圧ベクトルＶｉが固定される。逆に、モータ印加電圧ベクトルＶｉを固定すると電流ベクトルＩは固定される。また、モータ印加電圧Ｖａ（母線軸）を主軸とするａ−ｒ軸に座標変換した場合においても同様であり、電流ベクトルＩを固定するとモータ誘起電圧ベクトルＶｒが固定される。言い換えれば、モータ定数があらかじめわかっておれば、電流ベクトルＩを固定することにより誘起電圧Ｖｒと電流Ｉの位相は一定に制御できるので、ｑ軸電流Ｉｑ（すなわちトルク電流）をほぼ一定に制御できベクトル制御とほとんど同じ制御が可能となる。

無効電流Ｉｓｉｎφ（＝Ｉｒ）を適当な値に選び、進角γを小さくすることにより、モータ電流Ｉはトルク電流（ｑ軸電流）Ｉｑとほとんど同じとなり、高効率運転が可能となり、モータ損失が減らせるのでモータの温度上昇を減らし、モータを小型化できる。

また、通常運転においては図６のベクトル図に示すように、モータ電流位相を誘起電圧位相とほぼ同位相、あるいは少し遅れた位相に設定することによりロータ位相を電流位相よりも進め、急激な負荷変動により位相φが変化してロータが回転磁界より遅れてもｑ軸との位相γが零に近づきトルクが増加するので脱調することがなくなる。

図４において、駆動条件設定手段６０は、モータ駆動条件に応じて駆動回転数、トルク電流、最適角度γを求めて、駆動周波数ｆ、無効電流Ｉｓｉｎφ等を設定するもので、回転数設定手段６１、無効電流設定手段６２に設定信号を送る。キャリヤ信号発生手段６３は、ＰＷＭ変調のための三角波信号Ｖｔと同期信号ｃｋを発生させるもので、キャリヤ周波数（スイッチング周波数）はモータ騒音を減らすために、通常、１５ｋＨｚ以上の超音波周波数に設定する。同期信号ｃｋは各演算ブロックに送られ、同期信号ｃｋに同期して各演算ブロックが動作する。

回転数設定手段６１は、モータ駆動周波数ｆを設定するためにキャリヤ信号周期Ｔｃの位相角Δθを求めて電気角演算手段６４に加え、Ｖ／ｆ設定手段６５に駆動周波数信号ｆを送る。電気角演算手段６４は、同期信号ｃｋに同期して位相θを求め、規格化された正弦波テーブルを記憶する記憶手段６６や座標変換手段等に位相信号θを加える。

Ｖ／ｆ設定手段６５は、駆動周波数ｆと負荷トルクに応じた印加電圧定数ｋｖｎを設定するもので回転数あるいは負荷トルクに比例した値が設定される。ポンプモータやファンモータの場合には、トルクは回転数の２乗で増加するので、印加電圧定数ｋｖｎは駆動周波数の２乗に比例して増加させる必要がある。しかし、ポンプやファンモータの場合には、それほど高い回転数は必要としないので、１．０〜１．３まで直線的に変化させても問題ない。後ほど述べるように、食器洗い機において洗浄ポンプと排水ポンプを１つのモータで駆動する１モータ２ポンプ、あるいは、１モータ１ポンプ方式において正回転で洗浄運転、逆回転で排水運転させる場合にはモータに必要なトルク電流がそれぞれ変化するので、印加電圧定数ｋｖｎと無効電流を正転と逆転で設定値を変更させる必要がある。

記憶手段６６は、位相角に対応した三角関数の演算を行うために必要な規格化された正弦波テーブルを記憶領域に記憶しており、例えば、位相０から２πまで−１から＋１までの正弦波データを持っている。

高速Ａ／Ｄ変換手段６７は、図３のタイミングチャートに示したように三角波変調信号Ｖｔのピーク値にて電流検出手段５の出力信号ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗをインバータ出力電流に対応したディジタル信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに数マイクロ秒以下でＡ／Ｄ変換して３相／２相・母線軸変換手段６８に各相電流の瞬時値を加える。

３相／２相・母線軸変換手段６８は、インバータ回路出力電流の瞬時値を３相／２相変換してインバータ回路出力電圧軸、すなわちモータ母線軸（ａ−ｒ軸）へ座標変換するもので、式４を用いて絶対変換し、ａ軸成分Ｉａとｒ軸成分Ｉｒを求める。ＩｒはＩｓｉｎφに相当しインバータ出力（母線電圧）からみると無効電流成分となる。座標変換することにより、出力電流瞬時値より瞬時に無効電流成分Ｉｒが求まるだけではなく、式５に示す２乗平均により出力電流ベクトル絶対値Ｉを瞬時に求めることができる。

無効電流比較手段６９は、３相／２相・母線軸変換手段６８の出力信号Ｉｒと無効電流設定手段６２の設定信号Ｉｒｓを比較し誤差信号ΔＩｒを出力し、誤差信号増幅演算手段７０により増幅あるいは積分して印加電圧補正信号ΔＶａを求め、出力電圧設定手段７１に出力する。

出力電圧設定手段７１は、Ｖ／ｆ設定手段６５の出力信号ｋｖｎと誤差信号増幅演算手段７０の印加電圧補正信号ΔＶａより出力電圧信号Ｖａを演算制御するもので、式６より出力電圧信号Ｖａを演算する。式６にてｇ１は比例ゲイン、ｇ２は積分ゲインである。

２相／３相・母線軸逆変換手段７２は、式７に示す逆変換式を用いて３相正弦波電圧信号を発生させる。インバータ出力電圧はａ軸と同相なので、Ｖａのみ演算すればよく、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをＰＷＭ制御手段７３に出力する。

無効電流制御手段７４は、モータ回転数Ｎ、すなわち、駆動周波数ｆに応じて無効電流設定値Ｉｒｓを制御するものである。ファンやポンプの場合、回転数の２乗に比例してトルクが上昇するので、回転数−トルク特性は２乗曲線で近似でき、トルクがわかれば最適無効電流が式８のような演算式で与えることができ、無効電流制御手段７４は式８の演算手段と同等である。回転数設定データ数は通常多くないので、離散的な回転数に対応した無効電流の設定テーブルデータでも構わない。

起動制御手段７５は、モータ起動時に駆動周波数を零から設定値まで直線的に増加させ、回転数に対応して無効電流Ｉｒを変化させるものである。負荷トルクが一定で、回転数を急速に立ち上げたい場合には、無効電流Ｉｒを大きくして立ち上げる。

図７は、正弦波ＰＷＭ制御による各部波形のタイミングチャートを示す。

Ｅｕは中性点からみたモータ誘起電圧波形で、ＩｕはＵ相電流波形であり、モータ誘起電圧Ｅｕとほぼ同相である。ｖｕ、ｖｖ、ｖｗはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各ＰＷＭ制御入力信号、すなわち、２相／３相・母線軸逆変換手段７２の出力信号で三角波変調信号Ｖｔと比較することによりＰＷＭ制御出力信号Ｕｐを生成する。信号ｖｕとＵ相出力電圧位相は同じであり、Ｕ相電流Ｉｕの位相は信号ｖｕから位相φ遅れる。

以上述べたように、本発明によればモータ誘起電圧に対するモータ電流位相がほぼ零、あるいは少し遅れ位相となるようにモータ回転数に応じて無効電流を設定するものであり、モータ回転数よりモータ負荷に対応した演算式、あるいは制御テーブルデータにより最適無効電流を求め、モータ効率が最大でかつ脱調しない安定動作点に設定するものである。

ファンモータやポンプモータの場合には予め回転数−トルク特性は把握できるので、回転数−トルク特性より最適無効電流を求め、演算式や制御テーブルとしてプロセッサのＲＯＭ、あるいは、不揮発性メモリに記憶させることにより最適制御が可能となる。

（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について図８から図１３を用いて説明する。

図８は、本発明によるポンプあるいはファンのモータ駆動装置を食器洗い機に応用したもので、食器洗い機を簡略化して表したものであり、洗浄ポンプと排水ポンプを兼用した１モータ１ポンプ方式の構造を示す断面図である。

洗浄槽７に給水弁８より水道水を給水し、洗浄水９を洗浄槽７に貯水する。洗浄槽７の下部に軸方向が垂直となるように扁平状のＤＣブラシレスモータ４を配設し、モータ４の下部にポンプケーシング１０を配置し、インペラー１１を回転させることにより軸方向から遠心方向に圧力を加える。正転方向に回転させると噴射ノズル１２ａを有する噴射翼１２ｂから食器（図示せず）に洗浄水を噴射して洗浄する。正回転させるとポンプケーシング１０の内部圧力が高くなって、ポンプケーシング１０側面に設けた排水弁１３が閉じるので、水流方向は噴射翼１２ｂ側となる。インペラー１１を逆転させるとインペラー１１の側面から垂直方向に圧力が加わり排水弁１３が開いて垂直方向の水流が排水管１４方向に流れるので１つのモータとポンプで洗浄と排水が可能となる。洗浄用と排水用にそれぞれインペラーとポンプケーシングを設ける１モータ２ポンプ方式でも、正回転で洗浄、逆回転で排水とすることが可能であるが、ポンプの高さが高くなり、洗浄槽７の下部容積を小さくできない課題がある。

図９は、本発明によるポンプモータ駆動装置の動作を示すフローチャートであり、食器洗い機の洗浄ポンプ、あるいは排水ポンプを１つのモータで駆動する実施例について説明する。

ステップ１００よりモータ駆動プログラムが開始し、ステップ１０１に進んで起動運転かどうかの判定を行い、起動運転ならばステップ１０２に進んで起動制御サブルーチンを実行する。

起動制御サブルーチン１０２は、図１２の起動制御のタイムチャートに示すように回転数零から設定回転数（駆動周波数ｆｓ）となるまで、駆動周波数ｆを直線的に上昇させるもので、駆動周波数ｆに応じて無効電流設定値Ｉｒｓを設定する。ポンプやファン等の流体負荷の場合、トルクは回転数の２乗により変化するので、厳密には回転数に対応したトルク電流Ｉｑを実験等により求め、ロータ位相が回転磁界よりも遅れると仮定してＩｓｉｎφを計算し起動制御することにより安定な起動が可能となる。起動時には加速のためにトルク電流を大きくする必要があり、脱調を防ぐために無効電流設定値Ｉｒｓはトルクに対応した値よりも大きめに設定する必要がある。

本発明による駆動方式は起動安定性がよく、Ｖ／ｆ設定値、無効電流設定値Ｉｒｓを大きく変更させなくても起動可能となる場合が多い。

次に、ステップ１０３に進んでキャリヤ信号割込の有無を判定し、キャリヤ信号割込が有ればステップ１０４のキャリヤ信号割込サブルーチンとステップ１０５の回転数制御サブルーチンを実行する。

図１０は、キャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャートである。ステップ２００よりプログラムが開始し、ステップ２０１にてキャリヤ同期信号ｃｋのカウント数ｋがモータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃかどうか判定し、等しければステップ２０２に進んでキャリヤカウント数ｋをクリヤする。モータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃは、駆動周波数設定時に予め求める。

例えば、８極モータの回転数４０４０ｒｐｍにおける駆動周波数ｆは２６９．３Ｈｚ、周期Ｔは３．７１２ｍｓｅｃとなり、キャリヤ周期Ｔｃが６４μｓｅｃ（キャリヤ周波数１５．６ｋＨｚ）の場合、パルス数ｋｃは５８となる。１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθは、駆動周波数ｆの１周期を２πとすると、Δθ＝２π／ｋｃとなる。

ステップ２０３にてキャリヤ同期信号のカウント数をインクリメントとし、次にステップ２０４に進んで、キャリヤ数ｋと１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθより電気角θの演算を行う。次にステップ２０５に進んで電流検出手段５からの信号を検出してインバータ出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。次にステップ２０６に進んで式４に従い３相／２相・母線軸座標変換を行い無効電流Ｉｒと有効電流Ｉａを求め、ステップ２０７に進んでＩｒ、Ｉａをメモリする。次にステップ２０８に進んでモータ電流最大ベクトル値を演算する。

次にステップ２０９に進んで印加電圧Ｖａを呼び出し、次にステップ２１０に進んで式７に従い、２相／３相・母線軸座標変換を行いインバータ各相制御信号ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを求め、ステップ２１１に進んでＰＷＭ制御を行い、ステップ２１２に進んでリターンする。

図１１は回転数制御サブルーチンのフローチャートである。回転数制御サブルーチンはキャリヤ信号毎に必ずしも行う必要がないので、例えば、２キャリヤ信号毎に実行してもよい。キャリヤ周波数が超音波周波数になるとキャリヤ周期内のプログラム処理時間が問題となるので、電流検出演算、あるいはＰＷＭ制御等のキャリヤ毎に必ず実行する処理と、座標変換や図１１に示したキャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を分け、キャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を複数に分割して処理することによりモータ制御以外のシーケンスプログラムを実行させることができる。

ステップ３００より回転数制御サブルーチンが開始し、ステップ３０１にて駆動周波数設定値ｆを呼び出し、次にステップ３０２に進んで周波数設定値ｆに対応した無効電流設定値Ｉｒｓを呼び出し、ステップ３０３に進んで式４の３相／２相・母線軸座標変換より求めた無効電流Ｉｒを呼び出し、ステップ３０４に進んで印加電圧定数設定値Ｖ／ｆ（すなわちｋｖｎ）を呼び出す。次にステップ３０５に進んでＩｒｓとＩｒを比較し誤差信号ΔＩｒを求め、次に、ステップ３０６に進んで式６より印加電圧Ｖａを演算する。

次にステップ３０７に進み、式９より印加電圧定数下限値ｋｖｎｍｉｎと印加電圧定数上限値ｋｖｎｍａｘより印加電圧Ｖａの上限値、下限値を求め、印加電圧Ｖａの上限値、下限値内となるように印加電圧Ｖａを制限してＶａ値をメモリする。

次に、ステップ３０８に進んで起動フラグの有無を判定し、起動フラグが有ればステップ３０９に進んで初期印加電圧Ｖａｓを設定し、次にステップ３１０に進んで図１２に示すようなタイムチャートに従い起動時間と回転数（駆動周波数ｆ）、無効電流設定値Ｉｒｓを制御する。次にステップ３１１に進んで式１０に示す起動時印加電圧Ｖａの演算を行い、次にステップ３１２に進んで印加電圧Ｖａの上限値、下限値を演算しステップ３１３に進んでサブルーチンをリターンする。

モータ起動時が最も脱調し易いので、起動用に特別な制御テーブルを用意するほうが望ましい。また、起動時間を早くするほどトルクが必要となるので、起動時間に応じて無効電流設定値を変更する方がよい。食器洗い機の場合、ポンプ回転数を減らし、起動時間を遅くするほど騒音を減らすことができるので、夜間運転コースは騒音を減らすために回転数と起動時間を減らす運転駆動モードでモータを駆動する。

再び、図９に示すモータ駆動プログラムに戻り、ステップ１０６に進んで洗浄運転フラグの有無の判定をし、洗浄運転ならばステップ１０７に進んで洗浄ポンプモータ駆動モードの回転数−トルク特性に対応した制御テーブルを設定する。次にステップ１０９に進んでモータ回転数、モータ回転数に対応した無効電流設定値Ｉｒｓ、印加電圧定数ｋｖｎ等を制御テーブルから読み出してポンプモータを駆動し洗浄運転を行う。洗浄運転のポンプモータ回転数は、標準運転コース、強力運転コース、夜間運転コース等に応じて数段階に制御される。ポンプモータ回転数が変わるとモータトルクも変わるので、無効電流設定値Ｉｒｓを変えることによりモータ誘起電圧に対する電流位相を最適値に設定でき、高効率運転と安定回転駆動が実現できる。

図１３はモータ回転数Ｎに対応する無効電流設定値Ｉｒｓと印加電圧定数ｋｖｎの制御特性図であり、洗浄運転が正転でＣＷであり、排水運転が逆転でＣＣＷ表示している。

１モータ１ポンプ方式においては、排水運転でランナー逆回転させるためモータトルクが増加し無効電流設定値Ｉｒｓを洗浄運転よりも増加させる必要がある。ただし、排水運転の回転数は洗浄運転よりも少ないので、トルク電流はそれほど大きな増加はない。

１モータ２ポンプ方式の場合には、洗浄運転において排水ポンプランナーは逆回転となり負荷が増加する。同様に排水運転において洗浄ポンプランナーは逆回転となり同様に負荷が増加する。排水運転において負荷は洗浄運転よりも軽くなり、さらに洗浄水が排水されると洗浄ポンプ、排水ポンプとも負荷が急激に軽くなるので、排水運転の無効電流は洗浄運転よりも少ない値に設定する。

ステップ１０６にて洗浄運転フラグが無ければ、排水運転と判断し、ステップ１１０に進み排水運転モータ駆動モードに設定を行い、次にステップ１１１に進んで排水運転に対応した制御テーブルを設定する。次にステップ１１２に進んで溢水異常運転かどうか判定し、溢水異常でなければステップ１１３に進んで排水運転回転数、回転数に対応した無効電流設定値Ｉｒｓ、印加電圧定数ｋｖｎ等を設定する。

ステップ１１２において溢水異常と判定した場合にはステップ１１４に進んで溢水異常運転設定を行い、ステップ１１５に進んでポンプモータ回転数等を高くし、給水弁故障により給水連続となった場合でも洗浄槽から水が溢水しないようにポンプ排水能力を最大に設定する。

以上述べたように、本発明によれば、ポンプあるいはファンのモータ駆動運転モードに対応した回転数−無効電流特性を演算式、あるいは制御テーブルとしてプロセッサ内のＲＯＭ、あるいは不揮発性メモリに記憶しておき、駆動運転モードに応じて演算式、あるいは制御テーブルを選択し、最適制御するものであり食器洗い機の１モータ１ポンプ方式、１モータ２ポンプ方式の如く正転、逆転運転に対応した制御においても常に最大効率運転が可能となる。

（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について図１４を用いて説明する。

図１４は、１つのインバータ回路３によりモータ４Ａとモータ４Ｂを交互に切り換えて駆動する１インバータ２モータ駆動方式のブロック図である。

制御手段６Ａは複数のモータを駆動できるようにモータ４Ａ、４Ｂに応じたモータ制御データを、不揮発性メモリ６Ｂに有し、切換信号ｓｗによりインバータ回路３の出力端子に設けた出力切換手段６Ｃと、過電流検知手段６Ｄの過電流設定値および不揮発性メモリ６Ｂのモータ制御テーブルを駆動モータに応じて切り換える。

食器洗い機の場合には、洗浄排水兼用ポンプモータと乾燥ファンモータは同時に動作しないので、リレーよりなる出力切換手段６Ｃによりポンプモータ４Ａとファンモータ４Ｂを交互に切り換えて駆動できる。ポンプモータ４Ａとファンモータ４Ｂは回転数、トルク、巻線仕様が全て異なるので、無効電流設定値も異なり、回転数−無効電流設定制御テーブルもそれぞれに応じた最適値に設定する。

乾燥ファンモータと洗浄排水兼用ポンプモータは運転コースに応じて回転数制御されるので、回転数に対応した設定データを不揮発性メモリ６Ｂに有し、運転モードに応じてモータ制御データを呼び出し、回転数に対応した無効電流設定値Ｉｒｓ、印加電圧定数ｋｖｎを設定する。設定方法は実施の形態２にて説明したので省略する。

以上食器洗い機の実施例について述べたが、洗濯乾燥機の場合でも、風呂水ポンプモータと乾燥用ファンモータ、あるいは、排水ポンプモータと乾燥用ファンモータは同時に動作させる必要がなく、以上述べた１インバータ２モータ駆動方式が可能となるので、駆動モータに応じてモータ制御テーブルや演算データを切り換えることにより複数のモータを交互にセンサレス正弦波駆動可能となりモータ騒音を減らし、高効率で安定な回転駆動が可能となる。

（実施の形態４）
以下、本発明の第４の実施の形態について図１５を用いて説明する。

図１５は第４の実施の形態を示すブロック図で、図４のブロック図に電圧リミッタ７６を追加したものであり電圧リミッタ７６の動作についてのみ説明する。

電圧リミッタ７６は、インバータ出力電圧Ｖａの上限値、下限値を設定するもで、図１１に示したフローチャートの上限、加減設定と同じ動作を行う。すなわち、モータ誘起電圧に対して印加電圧の上限、下限値を設定し、ＰＩ制御による印加電圧設定値が上限値以上となった場合には、強制的に上限値に設定し、ＰＩ制御による印加電圧設定値が下限値以下となった場合には、強制的に下限値に設定するものである。

図６は、遅角制御のベクトル図を示す。ｑ軸に対して電流位相を遅角設定するもので、ｑ軸電流Ｉｑに応じて有効電流Ｉａが増減するようにしたものである。

ｑ軸に対して電流位相を遅らすためには、モータ誘起電圧Ｖｒに対して印加電圧Ｖａを大きくする。モータ誘起電圧Ｖｒに対する印加電圧Ｖａの比率を印加電圧定数ｋｖｎとするとｋｖｎ＝Ｖａ／Ｖｒで表される。印加電圧定数ｋｖｎを適当に設定することにより誘起電圧に対する電流位相をほぼ零、あるいは遅角設定できモータ効率を高くすることができる。

モータ電流位相を遅角設定すると、負荷増大によりモータトルクが増加してロータが遅れると電流位相はｑ軸に近づいてトルク電流Ｉｑが増加するので自動的にトルクが増加し、脱調しにくく安定な動作を行う特長がある。電流進角の場合、ロータが遅れると逆にトルク電流が減少するので脱調し易くなる。よって、安定動作させるためにも電流遅角設定は非常に有利となる。

図１３は、実施の形態２においても説明したように、ポンプモータの正転、逆転それぞれの回転数に対応した無効電流設定値Ｉｒｓと、印加電圧定数ｋｖｎの最適設定値を示す特性図である。モータ回転数の二乗によりトルク電流が増加するので、無効電流設定値Ｉｒｓもほぼ二乗で増加させ、印加電圧定数ｋｖｎも１から二乗で増加させることにより所定の遅角設定値γｓにすることができる。ただし、ｋｖｎ変化率は小さいので直線近似してもほとんど問題はない。

モータ電流位相を遅角設定するためには、モータ印加電圧Ｖａはモータ誘起電圧Ｖｒよりも必ず高く設定する必要がある。すなわち、１以上に設定しないと電流進角となり、脱調したり電圧回生が生じる。

モータ印加電圧ＶａはＰＩ制御の場合、式６に示されるように印加電圧定数ｋｖｎ、誘起電圧定数ｋｅ、回転数Ｎの積に、誤差比例要素、誤差積分要素が加わるので、過度的に変動が大きくなりゲインを高くすると脱調する可能性がある。よって、式９に示すように印加電圧定数の上限値ｋｖｎｍａｘ、下限値ｋｖｎｍｉｎにより印加電圧Ｖａの上限と下限を設定することにより脱調や異常電流を防止できる。印加電圧定数の下限値は通常１に設定され、上限値は１．２から１．３に設定すると位相γが大きくずれることはない。

以上述べたように、本発明はモータ誘起電圧とインバータ回路出力電流の位相が所定の遅角位相となるように印加電圧定数ｋｖｎを最適設定制御することによりセンサレス正弦波駆動の動作安定性を高めるものである。

特に、印加電圧定数を回転数に応じて制御した場合、印加電圧はモータ回転数に比例し、た値よりも高くなり、モータ電流位相をｑ軸とほぼ同じ、あるいは、ｑ軸よりも少し遅れた位相に最適制御できるので、モータ効率を最大にして脱調がほとんどない安定回転駆動が可能となる。

なお、以上は無効電流設定値を回転数に応じて変更する場合の説明をしたが、回転数に応じて力率（ｓｉｎφ、又はｃｏｓφ）を変更したり、あるいは位相φを変更しても同様であることは明らかである。

以上のように、本発明によるポンプあるいはファンのモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、ポンプあるいはファンを駆動するモータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をＰＷＭ制御してセンサレス正弦波駆動し、モータの回転数に応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものであるから、回転数変動がほとんどなく設定回転数やトルクに応じてモータ誘起電圧に対する電流位相を最適化できるので、モータ効率を高くし、トルク変動に対して脱調せず安定な回転駆動が可能となり、食器洗い機のポンプモータや乾燥ファンモータ、洗濯乾燥機の風呂水ポンプモータや乾燥ファンモータ、あるいは、空気調和機の室内、及び室外ファンモータ、給湯機の燃焼用ファンモータ等の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態におけるポンプあるいはファンのモータ駆動装置のブロック図同ポンプあるいはファンのモータ駆動装置のインバータ回路を示す図同ポンプあるいはファンのモータ駆動装置の電流検出タイミングチャート同ポンプあるいはファンのモータ駆動装置の制御手段のブロック図同ポンプあるいはファンのモータ駆動装置の進角時の制御ベクトル図同ポンプあるいはファンのモータ駆動装置の遅角時の制御ベクトル図同ポンプあるいはファンのモータ駆動装置の各部波形とタイミングチャート本発明の第２の実施の形態における食器洗い機の断面図本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御プログラムのフローチャート本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御プログラムのキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャート本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御プログラムの回転数制御サブルーチンのフローチャート本発明の第２の実施の形態におけるのポンプあるいはファンのモータ駆動装置の起動制御のタイミングチャート本発明の第２の実施の形態におけるポンプあるいはファンのモータ駆動装置の回転数に対する制御特性図本発明の第３の実施の形態におけるポンプあるいはファンのモータ駆動装置のブロック図本発明の第４の実施の形態におけるポンプあるいはファンのモータ駆動装置の制御手段のブロック図

符号の説明

１交流電源
２整流回路
３インバータ回路
４モータ
５電流検出手段
６制御手段

Claims

交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されポンプあるいはファンを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように制御し、前記モータの回転数に応じて前記出力電圧と出力電流との位相、あるいは前記無効電流の設定値を変更するようにしたポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
制御手段は、モータの回転数に対応したインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定テーブルにより制御するようにした請求項１記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
制御手段は、モータの回転数よりインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を演算して求めるようにした請求項１記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
制御手段は、モータの回転数に応じてインバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比を制御するようにした請求項１記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
インバータ回路により駆動される複数のモータと、制御手段により前記複数のモータを交互に切り換える出力切換手段より構成し、前記出力切換手段により切り換える前記モータに応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるようにした請求項１記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されポンプ、あるいはファンを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように前記インバータ回路出力電圧を制御し、前記インバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比に上限値、あるいは下限値を設けるようにしたポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
前記インバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比の下限値をほぼ１とするようにした請求項６記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
前記インバータ回路出力電圧とモータ誘起電圧の比の上限値を１．２から１．３とするようにした請求項６記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されポンプ、あるいはファンを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように制御し、前記モータの駆動運転モードに応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流設定値を変更するようにしたポンプあるいはファンのモータ駆動装置。
モータを正回転、あるいは逆回転に制御可能となるようにし、前記モータの正転、あるいは逆回転に応じてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにした請求項９記載のポンプあるいはファンのモータ駆動装置。