JP2006081271A - ブラシレスｄｃモータの駆動方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速性が発揮でき、２つの波形出力手段を切り替える際にモータ挙動の変動が生じないようなブラシレスＤＣモータの高効率化を図る。
【解決手段】通電角が１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部６と、とともに、所定周波数と通電角を変化させながら通電角が１８０度未満の波形を出力する第２波形発生部７とを、切り替える際に通電角を保持したまま切り替えることで、モータ挙動の変動を抑えることが可能となり、システムの安定性を改善できる。更に、第２波形発生部７を選択中に必要に応じて通電角を拡大することで、より高速性・高トルク性を実現することが可能となり、冷蔵庫の冷却スピードＵＰや真夏時の鈍冷の抑制に効果を発揮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置に関し、更に詳細に言えば、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り、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。

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。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。

従来の技術は、例えば、特許文献１に示されている。その従来の技術を図面に従って説明する。図６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。

図６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。

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６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。

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。

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。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。

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。

転流回路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を順次切り換えて駆動する信号を作り出す。

同期駆動回路１０７は、インバータ１０３から強制的に所定周波数の出力を出し、ブラシレスＤＣモータ１０４を駆動するものであり、転流回路１０６で生成されるロジカルな信号と同等形状の信号を強制的に所定周波数で発生させるものである。

負荷状態判定回路１０８は、圧縮機１０４が運転されている負荷状態を判定するものである。

切替回路１０９は、負荷状態判定回路１０８の出力により、圧縮機１０４のブラシレスＤＣモータを転流回路１０６で駆動するか、同期駆動回路１０７で駆動するかを切り替える。

ドライブ回路１１０は、切替回路１０９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。

以上の構成において、次に動作の説明を行う。

負荷状態判定回路１０８で検出された負荷が、通常負荷の場合、転流回路１０６による駆動を行う。

逆起電圧検出回路１０５でブラシレスＤＣモータ１０４の回転子１０４ａの相対位置を検出する。次に転流回路１０６で回転子１０４ａの相対位置からインバータ１０３を駆動する転流パターンを作り出す。

この転流パターンは切替回路１０９を通して、ドライブ回路１１０に供給され、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。

この動作により、ブラシレスＤＣモータ１０４はその回転位置に合致した駆動を行うこととなる。

次に、負荷が増加してきたときの動作について説明する。

ブラシレスＤＣモータの負荷が増加し、ブラシレスＤＣモータの特性により回転数が低下してくる。この状態を負荷状態判定回路１０８で高負荷状態であることを判定し、切替回路１０９の出力を同期駆動回路１０７からの信号に切り替える。このように駆動することにより高負荷時の回転数低下を抑えようとするものである。
特開平９−８８８３７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。

負荷状態判定回路１０８の出力信号に応じて、低負荷時には切替回路１０９が転流回路１０６に切り替えることで高効率な駆動を、高負荷時には切替回路１０９が同期駆動回路１０７に切り替えることで高回転な駆動を可能とするものの、同期駆動回路１０７で駆動中に所定周波数しか変化させられないため、通電角を調整することができず、すなわち転流回路１０６が出力可能な通電角でしか駆動できず、ブラシレスＤＣモータ１０４の高速・高トルク性能を十分に発揮することが出来なかった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高回転駆動を可能とする駆動手段を選択中に通電角を調整することでブラシレスＤＣモータのもつ高速・高トルク性能を更に引き出すことのできるブラシレス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。また、低負荷時の波形出力手段と高負荷時の波形出力手段とを切り替える際に、通電角を一定の大きさで保持した状態で切り替え、ピーク電流や回転数変動、更にはそれに伴う運転停止を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。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動方法は、所定周波数と通電角を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する第２波形発生部がモータを駆動している最中に負荷状態に応じて通電角を調整することを可能にしたものである。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第２波形発生部がモータを駆動している最中に、モータ電流位相が不安定であることを検出し、通電角を拡大することでモータ電流位相を進ませると共に安定したモータ駆動を可能にした装置である。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第２波形発生部が駆動している最中に、通電角限界判定部が通電角の上限で運転していることを判断し、つまりはシステムを運転するのに十分なトルクを出力できていると判断しているにも関わらず、モータ電流位相が不安定であることを検出し、システムの異常状態を検知してモータを安全に保護停止することを可能とした装置である。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第２波形発生部がモータを駆動している最中に、モータ電流位相が遅れていることを検出し、通電角を縮小することでモータ電流位相を進ませると共に比較的効率の良いモータ駆動を可能にした装置である。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第２波形発生部がモータを駆動している最中に、通電角が下限値に達していると通電角限界判定部が判断している、すなわち第２波形発生部の最小トルク出力状態であると判断しているにも関わらず、モータ電流位相が遅れていること、つまりはトルクが余分に出力されていることを検出でき、それによって第１波形発生部に切り替えても問題無くトルクが出力可能な十分低負荷な状態になってから、第１波形発生部の駆動に切り替えることを可能とした装置である。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第１波形発生部と第２波形発生部とを切替判定部が切り替える前後において、通電角を等しく保持することを可能とした装置である。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動方法は、モータの運転範囲を拡大することが可能となり、高負荷・低電圧環境下での回転数低下や脱調停止などに対する抑制の効果を発揮できる。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、モータ電流位相を進ませると共に安定したモータ駆動を可能にしたものであり、高負荷・低電圧の環境下におけるモータのトルク不足を解消し、ピーク電流の抑制や、騒音・振動の低減に対し効果を発揮できる。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、保証の限りではない異常な使用状態や、外乱混入などによる異常な状態などを検知することが可能となり、システムの破壊や寿命・信頼性の劣化を未然に防ぐ効果を発揮できる。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、モータ電流位相を進ませると共に比較的効率の良いモータ駆動が可能となり、更に位相が遅れ始めたとき、即ち負荷が低くなったときにおける第１波形発生部への切り替えを円滑にする効果や第２波形発生部で駆動している最中の無効電力を低減する効果を発揮できる。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第１波形発生部に切り替えても問題無くトルクが出力可能な十分低負荷な状態になってから円滑に第１波形発生部の駆動に切り替えることが可能となり、確実に第１波形発生部で駆動可能な負荷状態になっていることを確認した後、第１波形発生部へ切り替えるといった切替動作円滑化の効果や、第２波形発生部により駆動している最中で、比較的大きな通電角であるにも関わらず電流位相が遅れている時に、誤って第１波形発生部に切り替えてしまうといった誤動作を防止する効果を発揮できる。また、モータの磁極位置を検出しない第２波形発生部で駆動中に、瞬時電圧低下などが原因でロック状態に陥った場合でも磁極位置を検出できる第１波形発生部に切り替えることでロック状態が検出可能となるといった非常に有用な効果も発揮できる。

また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、切替時のピーク電流やモータの回転速度変動を低減することが可能となり、騒音・振動、引いては脱調停止などの防止といった効果を発揮できる。

請求項１に記載の発明は、所定周波数と通電角を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する第２波形発生部がモータを駆動している最中に負荷状態に応じて通電角を調整することを可能にしたものであり、モータの運転範囲を拡大することが可能となり、高負荷・低電圧環境下での回転数低下や脱調停止などに対する抑制の効果を発揮できる。

請求項２に記載の発明は、第２波形発生部がモータを駆動している最中に、モータ電流位相が不安定であることを検出し、通電角を拡大する機能を有することにより、モータ電流位相を進ませると共に安定したモータ駆動を可能にしたものであり、高負荷・低電圧の環境下におけるモータのトルク不足を解消し、ピーク電流の抑制や、騒音・振動の低減に対し効果を発揮できる。

請求項３に記載の発明は、第２波形発生部が駆動している最中に、通電角限界判定部が通電角の上限で運転していることを判断し、つまりはシステムを運転するのに十分なトルクを出力できていると判断しているにも関わらず、モータ電流位相が不安定であることを検出し、システムの異常状態を検知してモータを安全に保護停止する機能を有することにより、保証の限りではない異常な使用状態や、外乱混入などによる異常な状態などを検知することが可能となり、システムの破壊や寿命・信頼性の劣化を未然に防ぐ効果を発揮できる。

請求項４に記載の発明は、第２波形発生部がモータを駆動している最中に、モータ電流位相が遅れていることを検出し、通電角を縮小する機能を有することにより、モータ電流位相を進ませると共に比較的効率の良いモータ駆動が可能となり、更に位相が遅れ始めたとき、即ち負荷が低くなったときにおける第１波形発生部への切り替えを円滑にする効果や第２波形発生部で駆動している最中の無効電力を低減する効果を発揮できる。

請求項５に記載の発明は、第２波形発生部がモータを駆動している最中に、通電角が下限値に達していると通電角限界判定部が判断している、すなわち第２波形発生部の最小トルク出力状態であると判断しているにも関わらず、モータ電流位相が遅れていること、つまりはトルクが余分に出力されている状態を検出する機能を有することにより、第１波形発生部に切り替えても問題無くトルクが出力可能な十分低負荷な状態になってから円滑に第１波形発生部の駆動に切り替えることが可能となり、確実に第１波形発生部で駆動可能な負荷状態になっていることを確認した後、第１波形発生部へ切り替えるといった切替動作円滑化の効果や、第２波形発生部により駆動している最中で、比較的大きな通電角であるにも関わらず電流位相が遅れている時に、誤って第１波形発生部に切り替えてしまうといった誤動作を防止する効果を発揮できる。また、モータの磁極位置を検出しない第２波形発生部で駆動中に、瞬時電圧低下などが原因でロック状態に陥った場合でも磁極位置を検出できる第１波形発生部に切り替えることでロック状態が検出可能となるといった非常に有用な効果も発揮できる。

請求項６に記載の発明は、第１波形発生部と第２波形発生部とを切替判定部が切り替える前後において、通電角を等しく保持する機能を有することにより、切替時のピーク電流やモータの回転速度変動を低減することが可能となり、騒音・振動、引いては脱調停止などを防止するといった効果を発揮できる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、巻込量の比較的多い鉄損低減型のブラシレスＤＣモータのような出力トルクの小さなモータのトルク不足を解消でき、モータの高効率において避けることのできない高速運転時のトルク不足を補う効果は極めて重要である。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７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、冷蔵庫やエアコンなど高効率で低速な運転から高トルクで高速な運転まで広い運転範囲を必要とされるシステムの圧縮機において、通常運転されている状態である低速領域では効率を上昇でき、急冷・急凍・システムインしたイニシャル時などの高速領域ではトルクを上昇することができるといった効果を発揮することは極めて重要である。また、第１波形発生部と第２波形発生部とを切り替える際に生じる回転速度変動や、ひいては騒音・振動を低減する効果についても、静音静のニーズが極めて高い冷蔵庫やエアコンに搭載される圧縮機において同じく非常に重要である。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、圧縮機が冷蔵庫を運転するものであり、圧縮機の脱調停止を防止することで冷蔵庫における不冷、鈍冷現象の発生を防止することや、ピーク電流を抑制することでモータの寿命低下の回避、ひいては冷蔵庫自体の寿命を確保することとなり、これらは極めて重要である。

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。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における第１波形発生部または第２波形発生部による駆動時、および両波形発生部の切替時に関するブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。

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。

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。

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。

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。

負荷検出回路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できる。なお、回転相対位置の検出用途の他にも還流電流用ダイオードに電流が流れる時間の増減を検出することにより、モータ電流の乱れや負荷状態の変化を検出することも可能である。これらの検出によりモータ電流位相の進み度合いを知ることもできる。

なお、ここでは回転子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構成としたが、回転子４ａの位置検出やモータ電流の状態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。

第１波形発生部６は、位置検出回路５の位置検出信号をもとに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を駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は矩形波通電を基本として行っており、通電角が１２０度以上１８０度未満の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でもそれに準じる波形として立ち上がり／立ち下がりに若干の傾斜を持たせた台形波であってもよい。さらに回転数を一定に保つためにＰＷＭ制御のデューティの制御や通電角の制御も行っている。回転位置に従って、ブラシレスＤＣモータ４の実回転数を検出し、目標回転数との比較を行いながら最適なデューティで運転させることができるため、最も効率的な運転が可能となる。この実回転数の検出は負荷検出回路５の出力信号の一定時間カウントまたは周期測定などによって実現可能である。高効率、低振動が求められる低回転運転領域に適した波形発生手段である。

第２波形発生部７は、デューティを一定にしたまま出力する周波数と通電角を変化させインバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は通電角が１８０度未満の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でも正弦波や歪波などのそれに準じる波形であってもよい。高トルクが求められる高回転運転領域に適した波形発生手段である。

切替判定部８は、第１波形発生部６が算出した回転数、その回転数をもとに制御しているデューティや、第２波形発生部が制御している周波数や、負荷検出回路５が検出する回転子４ａの磁極位置情報、モータ電流の位相情報や、冷蔵庫等の用途におけるシステムの温度状態といった要素に基づいてブラシレスＤＣモータ４の運転状態を判断し、インバータ３を動作させる波形を第１波形発生部６か第２波形発生部７かを選択し切り替えるものである。たとえば、回転数が低速の場合、第１波形発生部６からの信号を選択し、回転数が高速の場合、第２波形発生部７からの信号を選択してインバータ３を動作させる。

ドライブ部９は、切替判定部８からの出力信号により、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する。この駆動によりインバータ３から最適な交流出力がブラシレスＤＣモータ４に印加することができるので回転子４ａを回転させることができる。

マイクロコンピュータ１０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。

次に図１における動作について、図１、図２を用いて説明する。

図２は、本実施の形態１における第２波形発生部による駆動時時における動作を示したフローチャートである。

ここで、ＳＴＥＰ２１からＳＴＥＰ２４は何れも第２波形発生部が行う処理である。

まず、ＳＴＥＰ２１において、負荷検出回路５から出力される信号により、回転子４ａの磁極位置に対するモータ電流の位相が進んでいるのか遅れているのか、または不安定状態なのかを判定している。その判定の結果、位相が不安定状態の場合はＳＴＥＰ２２に、位相が遅れている場合はＳＴＥＰ２３に移行する。位相が進んでいる場合にはスタートに戻る。

次に、ＳＴＥＰ２２において、通電角を拡大し、ＳＴＥＰ２４に移行する。

また、ＳＴＥＰ２３において、通電角を縮小し、ＳＴＥＰ２４に移行する。

最後に、ＳＴＥＰ２４において、モータ挙動が安定するまで任意の時間待機する。これは、通電角を調整しても、即座に「電流位相が安定した進み状態」になるわけではないので、モータ挙動が安定するまでに十分な時間待機させるために、本処理は必要である。ただし、この時間待機は、ＳＴＥＰ２２、ＳＴＥＰ２３の通電角調整処理をゆっくりと行う、すなわち、通電角を非常に細かく変化させることにより省略することも可能である。

次に、図１、図２、図３を使って、通電角の拡大、縮小の仕方について説明する。

図３は、本発明の実施の形態１による第２波形発生部による駆動中の通電角と運転限界電圧との関係を示した特性を示す図の一例である。この表において、θとは第２波形発生部７により設定された通電角、脱調電圧とは電圧が下降するに連れてモータ電流位相が不安定になり始めた時点のインバータ３に供給される電圧、遅れ電圧とは電圧が上昇するに連れてモータ電流の位相が遅れ始めた時点のインバータ３に供給される電圧である。ただし、この表は本実施の形態１を説明するために作成したものであり、モータ特性やシステム負荷によって大きく変化する特性値である。また、ここでは電圧特性を一例としたが、負荷トルク特性などのいろいろな特性表が考えられる。

例えば、通電角１５０゜（θ１）で駆動中には、インバータ３に供給される電圧がＤＣ２６７Ｖ（Ｖ１１）まで下降するとモータ電流位相が不安定になり始め、逆にＤＣ３４９Ｖ（Ｖ２１）まで上昇するとモータ電流の位相が遅れ始める。一方、通電角１６５゜（θ４）で駆動中には、インバータ３に供給される電圧がＤＣ１９６Ｖ（Ｖ１４）まで下降するとモータ電流位相が不安定になり始め、逆にＤＣ２７８Ｖ（Ｖ２４）まで上昇するとモータ電流の位相が遅れ始める。更に、通電角１７５゜（θ６）で駆動中には、インバータ３に供給される電圧がＤＣ１８２Ｖ（Ｖ１６）まで下降するとモータ電流位相が不安定になり始め、逆にＤＣ２６４Ｖ（Ｖ２６）まで上昇するとモータ電流の位相が遅れ始める。

このことから、次のようなことが言える。

まず、通電角が２種類しか設定できない仕様で説明する。通電角１５０゜（θ１）で運転中に、インバータ３に供給している電圧が下降し始めＤＣ２６７Ｖ（Ｖ１１）となりモータ電流位相が不安定となった時、図２のＳＴＥＰ２２により通電角を一挙に１７５゜（θ６）まで拡大した場合、遅れ電圧２６４Ｖ（Ｖ２６）よりも大きい電圧であるため即座にモータ電流の位相が遅れ始め、図２のＳＴＥＰ２３に従って、再び通電角１５０゜（θ１）に戻ってしまう。この様に、２種類の通電角の往来を繰り返すことになり、かえってシステムの不安定要因を生むことになる。一方、ＳＴＥＰ２２で１６５゜（θ４）まで通電角を拡大した場合は、通電角１５０゜（θ１）で駆動中の脱調電圧ＤＣ２６７Ｖ（Ｖ１１）が、遅れ電圧ＤＣ２７８Ｖ（Ｖ２４）よりも十分に低い電圧であるため、前述のような往来現象は起こらない。つまり、変更前の通電角をθｍ、変更後の通電角をθｎとすると、通電角の拡大幅［θｎ−θｍ］は、拡大前の脱調電圧（Ｖ１ｍ）よりも拡大後の遅れ電圧（Ｖ２ｎ）の方が十分大きくなるように設定する必要がある。逆に、縮小する場合も同じであり、通電角の縮小幅［θｍ−θｎ］は、縮小前の遅れ電圧（Ｖ２ｍ）よりも縮小後の脱調電圧（Ｖ１ｎ）の方が十分小さくなるように設定する必要がある。

しかし通電角１６５゜（θ４）では、脱調電圧がＤＣ１９６Ｖ（Ｖ１４）であり、電圧低下の著しい環境下では駆動不可能という課題がある。前述のような往来現象が起こらず、なおかつ、低電圧環境下でも運転可能とするためには、通電角を３種類以上設定できるようにして、より大きな通電角でも駆動できる仕様にすることが課題解決方法の１つとなり、それにともなって通電角の調整もスムーズに行うことが可能であることを補足しておく。

以上のように、本実施の形態においては第２波形発生部が通電角調整機能を有することにより、高負荷・低電圧環境下のようなモータ電流位相が不安定な時には、通電角を拡大することで、位相を更に進めると共にモータ駆動の安定化を確保し、大きなトルクを出力することが可能となり、回転数低下や脱調停止の抑制、ピーク電流の低減によるシステム停止の防止、モータ自身やシステムの信頼性の確保などの効果を発揮することができる。逆に低負荷、高電圧な環境下のようなモータ電流位相が遅れた時には、通電角を縮小することで、無効電力の低減などの効果を発揮する。また、磁極位置に応じてモータを駆動する第１波形発生部でも運転可能な通電角まで縮小することが可能となり、波形発生部の切り替えを円滑に行うことができる効果も重要な効果の一つである。

図６に示すような従来の駆動装置では、同期駆動回路１０７に通電角を調整する機能を有していなかったため、モータの運転状態（モータ電流の位相）に応じた最適な駆動ができなかった。そこで、通電角調整機能を有することにより、第２波形発生部７による駆動中において、トルク不足の補強、回転数低下や脱調停止の防止、ピーク電流の低減、さらには、無効電力の抑制を実現することが可能となり、第２波形発生部７による駆動中の効率や信頼性の向上などの効果をもたらす。

また、モータ効率化の手段の１つとして、固定子の巻線量（ターン数）を増加させる方式がある。これは、モータの鉄損を低減できる反面、出力トルクを低下させてしまうという短所もある。この様なモータにおける出力トルク向上に対しても、本実施の形態の制御装置は大いに効果を発揮する。

更に、冷蔵庫やエアコンなど近年著しくインバータ化の進んでいる製品において、電源高調波歪みの抑制が不可欠となっている。この抑制方式としては、アクティブフィルタ方式や変圧方式などいろいろな手段があるが、特に冷蔵庫においては、安価でシステムインしやすい「リアクトル方式」が一般的な手段となっている。リアクトル方式は、電源高調波歪みを抑制する一方で、インバータに供給する電力を低減させる短所も有している。この様なインバータへの供給電力が低下した状況下でのモータの高トルク駆動にも、本実施の形態の制御装置が非常に有用である。

図４は、本発明の実施の形態１による通電角限界判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。なお、図４中の構成部品において図１と同じものについては、既に説明しているので割愛する。

図４において、通電角限界判定部４０は、第１波形発生部６や第２波形発生部７が調整した通電角と予め設定されている任意の限界値とを比較し、切替判定部８に切り替え指令、もしくは保護停止指令を出力する。

次に図４における動作について、図４、図５を用いて説明する。

図５は、本実施の形態１における第２波形発生部駆動中の動作を通電角限界判定部も含めて示したフローチャートである。なお、図５中の構成要素において図２と同じものについては、既に説明しているので割愛する。

ここで、ＳＴＥＰ５１からＳＴＥＰ５３は何れも通電角限界判定部４０が行う処理である。

まず、ＳＴＥＰ５１において、予め設定されている通電角の限界値とその時点の通電角との比較を行い、限界値を外れているかどうかを判定する。その判定の結果、上限値より大きければＳＴＥＰ５２に、下限値より小さければＳＴＥＰ５３に移行する。また、下限値以上、上限値以下であればＳＴＥＰ２４に移行する。ＳＴＥＰ５２に移行するということは、システムを運転するに十分大きなトルクが出力できているはずなのに不安定なモータ電流位相を検出していることから、システムの異常と判断している。ＳＴＥＰ５３に移行するということは、第２波形発生部７にて運転可能な最も小さいトルクを出力しているにもかかわらず遅れたモータ電流を検出していることから、第２波形発生部では余剰なトルクが出力されていると判断している。

次に、ＳＴＥＰ５２において、モータの停止処理を行う。ＳＴＥＰ５１にてシステム異常状態と判断したのを受けて、速やかに停止処理を行い、システムを保護している。処理を行ったあとは第２波形発生部７による駆動処理から抜け出す。

また、ＳＴＥＰ５３において、切替判定部８に第１波形発生部６への切替指令処理を行う。ＳＴＥＰ５１にて余剰トルクが出力されていると判断したのを受けて、速やかに第１波形発生部６への切り替えを促し、モータ駆動の高効率化を図っている。処理を行ったあとは第２波形発生部７による駆動処理から抜け出す。

以上のように、本実施の形態においては通電角限界判定部４０を有することにより、第２波形発生部７の駆動範囲を限定することが可能となり、システム異常の検知、第１波形発生部６への速やかなる切り替えによるモータ駆動の高効率化などの効果を発揮することができる。また、通電角限界判定部４０で予め設定されている限界値を最適化することにより、第１波形発生部６と第２波形発生部７との切替処理において不安定現象を防止するという効果も発揮できる。ここで不安定現象とは、第１波形発生部６で駆動中にトルクが不足し、第２波形発生部７に帰還し、期間直後にトルクを余剰に出力していると判断され再び第１波形発生部６に切り替わり、切替直後に再びトルク不足で第２波形発生部７に帰還するといったような往来現象のことを指している。

図６に示すような従来の駆動装置では、通電角を調整する機能を追加したとしても、同期駆動回路１０７の駆動限界を知る手段がなかったため、同期駆動回路１０７の終了時期を確定することができなかった。そこで、通電角限界判定部４０を有することにより、第２波形発生部７の駆動範囲を限定することが可能となり、システム異常の検知、第１波形発生部６への速やかなる切り替えによるモータ駆動の高効率化などの効果をもたらす。更に、通電角限界判定部４０において設定されている下限値を、第１波形発生部６で確実に駆動可能な通電角とすることで、第２波形発生部７から第１波形発生部６へ切り替える前後の通電角を等しく保持することが可能となり、回転数変動やピーク電流を抑制する効果、第１波形発生部６に切り替えた後の駆動安定化の効果も発揮できる。

また、冷蔵庫やエアコンなど省エネニーズのある製品の圧縮機において、速やかに磁極位置に応じた制御手段（第１波形発生部）に切り替えることで可能な限り高効率な駆動をすることは極めて重要であり、通電角限界判定部を有することによりこのニーズに対応したモータ制御が可能となる。

以上の様に本発明にかかるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置は、騒音・振動の低減、脱調停止の防止、ピーク電流発生の抑制、駆動効率の向上、出力トルクの向上などの効果を発揮することが可能となるので、家庭用・産業用を問わずブラシレスＤＣモータを搭載したさまざまな用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における第１波形発生部または第２波形発生部による駆動時、および両波形発生部の切替時に関するブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における第２波形発生部による駆動時の動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態１における第２波形発生部による駆動中の通電角と運転限界電圧との関係を示した特性を示す図 本発明の実施の形態１による通電角限界判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における第２波形発生部による駆動時の動作を通電角限界判定部も含めて示したフローチャート 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

３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
４ａ 回転子
４ｂ 固定子
５ 負荷検出回路
６ 第１波形発生部
７ 第２波形発生部
８ 切替判定部
４０ 通電角限界判定部

Claims (9)

1. 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、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する第２波形発生部と、前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを備え、負荷状態に応じて通電角を調整するブラシレスＤＣモータの駆動方法。
2. 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、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第２波形発生部と、前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを備え、前記第２波形発生部を前記切替判定部が選択中に、前記負荷検出回路が出力する信号からモータ電流位相が安定していないと判断した場合に、通電角を拡大するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
3. 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、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第２波形発生部と、前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部と、予め設定しておいた通電角の限界値と駆動中の通電角とを比較しその時点の通電角が通電角の限界に達しているかどうかを判断する通電角限界判定部とを備え、前記第２波形発生部を前記切替判定部が選択中で、かつ前記通電角限界判定部が駆動中の通電角は上限値に達していると判断しており、かつ前記負荷検出回路が出力する信号からモータ電流位相が安定していないと判断した場合に、モータの駆動を停止するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
4. 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、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第２波形発生部と、前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを備え、前記第２波形発生部を前記切替判定部が選択中に、前記負荷検出回路が出力する信号からモータ電流位相が誘起電圧位相に対して遅れていると判断した場合に、通電角を縮小するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
5. 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、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第２波形発生部と、前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部と、予め設定しておいた通電角の限界値と駆動中の通電角とを比較しその時点の通電角が通電角の限界に達しているかどうかを判断する通電角限界判定部とを備え、前記第２波形発生部を前記切替判定部が選択中で、かつ前記通電角限界判定部が駆動中の通電角は下限値に達していると判断しており、かつ前記負荷検出回路が出力する信号からモータ電流位相が誘起電圧位相に対して遅れていると判断した場合に、前記切替判定部が前記第１波形発生部に切り替えるブラシレスＤＣモータの駆動装置。
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、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する第１波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて波形を出力する第２波形発生部と、前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを備え、前記切替判定部が前記第１波形発生部と前記第２波形発生部とを切り替える際に、切り替える前後で通電角を等しく保持したまま切り替えるブラシレスＤＣモータの駆動装置。
7. ブラシレスＤＣモータが巻線の巻込量（ターン数）が比較的多いモータである請求項１から６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。
8. 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１から７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。
9. 圧縮機が冷蔵庫を運転するものである請求項８に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。

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