JP2008005639A - Method and device for driving brushless dc motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、冷蔵庫やエアコン等の冷凍空調システムに用いられる圧縮機等に搭載されたブラシレスDCモータの駆動方法およびその装置に関するものであり、特に小型化のために整流回路における平滑用コンデンサを大幅に小容量化したものにおける位置センサを用いない位置検出制御に関するものである。 The present invention relates to a driving method and apparatus for a brushless DC motor mounted on a compressor or the like used in a refrigerating and air conditioning system such as a refrigerator or an air conditioner, and more particularly to a smoothing capacitor in a rectifier circuit for miniaturization. The present invention relates to position detection control that does not use a position sensor in a case where the capacity is greatly reduced.
従来の冷凍空調システムにおける圧縮機等に搭載されるブラシレスDCモータの駆動装置は、一般的には十分大きな平滑用コンデンサを有した整流回路と、インバータと、位置検出センサをなくし誘起電圧またはモータ電流から位置検出をすることより駆動されていた。これは圧縮機等の高温雰囲気・冷媒雰囲気・オイル雰囲気等で位置センサを取付けることが著しく困難なためである。 In general, a driving device for a brushless DC motor mounted on a compressor or the like in a conventional refrigeration and air-conditioning system generally includes a rectifier circuit having a sufficiently large smoothing capacitor, an inverter, and an induced voltage or motor current by eliminating a position detection sensor. It was driven by detecting the position. This is because it is extremely difficult to attach the position sensor in a high-temperature atmosphere such as a compressor, a refrigerant atmosphere, or an oil atmosphere.
また、近年この駆動装置を小型化するために、整流回路の平滑用コンデンサを大幅に小容量化する取組みもなされている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, in order to reduce the size of this drive device, efforts have been made to significantly reduce the capacity of the smoothing capacitor of the rectifier circuit (see, for example, Patent Document 1).
この従来のブラシレスDCモータの駆動装置について、図面を参照しながら説明する。 The conventional brushless DC motor driving apparatus will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 6 is a block diagram of a conventional brushless DC motor driving apparatus.
図6において、1は単相交流電源である。2はダイオード全波整流回路であり、その入力は単相交流電源1に接続されており、さらにその出力は平滑コンデンサ3が接続されている。この平滑コンデンサ3は、十分に小さい容量のもので、従来の1/100程度の容量のコンデンサである。
In FIG. 6, reference numeral 1 denotes a single-phase AC power source. Reference numeral 2 denotes a diode full-wave rectifier circuit, the input of which is connected to a single-phase AC power source 1 and the output of which is connected to a
4はPWM(パルス幅変調)インバータであり、6個のスイッチング素子(逆向きのダイオードを含む)を3相ブリッジ接続している。その入力は平滑コンデンサ3の両端に接続されている。
Reference numeral 4 denotes a PWM (pulse width modulation) inverter, in which six switching elements (including diodes in the reverse direction) are connected in a three-phase bridge. The input is connected to both ends of the
5は3相巻線が施されたモータであり、PWMインバータ4の出力に接続されており、これにより駆動されるものである。 Reference numeral 5 denotes a motor provided with a three-phase winding, which is connected to the output of the PWM inverter 4 and is driven thereby.
6は制御回路であり、単相交流電源1の電圧v、直流部電流idc、PWMインバータ4の出力電流ia、ib、ic、位置検出センサ7からの位置情報θ等の情報を入力として、最適な駆動ができるようにPWMインバータ4のゲートを駆動している。
しかしながら、上記従来の構成では、位置検出センサであるエンコーダやホール素子等がついているものでは直流電圧が低下しても位置検出は可能ではあるが、圧縮機のように位置検出センサを取付けることができないような用途では使用できない。 However, in the above-described conventional configuration, the position detection sensor can be attached like a compressor, although the position detection can be performed even if the DC voltage is lowered if the encoder or the hall element which is a position detection sensor is attached. It cannot be used for purposes that cannot.
一般的に、位置検出センサを用いないでブラシレスDCモータを駆動する方法として知られているのは、モータの誘起電圧を検出する方法と、モータ電流から回転位置を検出する方法等である。 In general, methods for driving a brushless DC motor without using a position detection sensor include a method for detecting an induced voltage of the motor and a method for detecting a rotational position from a motor current.
しかし、この位置検出が可能なのは、平滑コンデンサが十分に大きくリプル電圧が小さいときに可能となる。この時には、誘起電圧やモータ電流は安定するので十分に安定した位置検出ができるが、この従来例のように平滑コンデンサを大幅に小容量化すると、リプル電圧が大幅に増加するので、特に電圧の低いときに誘起電圧が検出できなくなり、また電圧が低いことから、位置検出に必要なモータ電流を流すことができない。 However, this position detection is possible when the smoothing capacitor is sufficiently large and the ripple voltage is small. At this time, the induced voltage and the motor current are stable, so that a sufficiently stable position can be detected.However, if the smoothing capacitor is greatly reduced as in this conventional example, the ripple voltage will increase significantly, When the voltage is low, the induced voltage cannot be detected, and since the voltage is low, the motor current necessary for position detection cannot flow.
その結果、直流電圧が低いときの位置検出ができずに、タイミングが大幅にずれた転流を行い、効率ダウンを引き起こすとともに、最悪の場合大きな電流が流れてしまい、モータが停止してしまうという課題を有していた。 As a result, the position cannot be detected when the DC voltage is low, the commutation is greatly shifted in timing, the efficiency is reduced, and in the worst case, a large current flows and the motor stops. Had problems.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、平滑コンデンサを大幅に小容量化した大きなリプル電圧がある場合でも、位置検出センサを用いずに効率ダウンをさせないようにし、さらに電流も安定し、モータが停止することなく、振動も低減でき、安定して駆動できるブラシレスDCモータの駆動方法および装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problem, and even when there is a large ripple voltage with a significantly reduced smoothing capacitor, the efficiency is not reduced without using a position detection sensor, and the current is also stabilized. An object of the present invention is to provide a brushless DC motor driving method and apparatus that can reduce vibrations without stopping the motor and can be driven stably.
上記課題を解決するために本発明は、交流電源と、前記交流電源を入力として小容量のコンデンサをもつ整流回路と、前記整流回路に接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスDCモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Aと、前記ブラシレスDCモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Bを有し、前記位置検出手段A、前記位置検出手段Bによる位置の検出が不可能なときに、位置を推定して前記インバータを動作させるようにしたものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides an AC power supply, a rectifier circuit having a small-capacitance capacitor with the AC power supply as an input, an inverter connected to the rectifier circuit, a brushless DC motor driven by the inverter, , A position detecting means A for detecting the rotational position of the rotor in the brushless DC motor for each switching period from the induced voltage or motor current of the brushless DC motor, and operating the inverter; and one of the rotors in the brushless DC motor. Position detection means B that detects the rotational position for each rotation period and operates the inverter, and estimates the position when position detection by means of the position detection means A and position detection means B is impossible. The inverter is operated.
これにより、位置検出手段Aによるスイッチング周期毎の位置検出に加え、位置検出手段Bによる一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。 As a result, in addition to position detection for each switching cycle by the position detection means A, synchronization with position detection for each rotation period by the position detection means B enables stable operation with reduced vibration.
本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスDCモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスDCモータの回転子の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Aと、回転子の一回転周期毎の回転位置を検出してインバータを動作させる位置検出手段Bを有し、前記位置検出手段Aによる位置の検出が不可能なときに、その位置を推定して前記インバータを動作させるようにすることにより、位置検出が不可能なときにもその位置を推定して位置検出に応じた転流とすることができ、また位置検出手段Bとの差から得た補正値を加算することにより、振動を抑制することができ、安定した運転が可能となり、その用途が大幅に拡大できる。 The motor driving device of the present invention includes position detecting means A that detects the rotational position of the rotor of the brushless DC motor from the induced voltage or motor current of the brushless DC motor and operates the inverter, and each rotation period of the rotor. A position detecting means B for detecting the rotational position of the inverter and operating the inverter, and when the position detecting means A cannot detect the position, the position is estimated and the inverter is operated. Thus, even when position detection is impossible, the position can be estimated and commutation according to position detection can be performed, and by adding a correction value obtained from the difference from the position detection means B, vibration can be obtained. Can be suppressed, stable operation is possible, and its application can be greatly expanded.
請求項1に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源を入力として小容量のコンデンサをもつ整流回路と、前記整流回路に接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスDCモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Aと、前記ブラシレスDCモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Bを有し、前記位置検出手段A、前記位置検出手段Bによる位置の検出が不可能なときに、位置を推定して前記インバータを動作させるものである。 The invention according to claim 1 is an AC power supply, a rectifier circuit having a small-capacitance capacitor with the AC power supply as an input, an inverter connected to the rectifier circuit, a brushless DC motor driven by the inverter, Position detecting means A for detecting the rotational position of the rotor in the brushless DC motor at each switching period from the induced voltage or motor current of the brushless DC motor, and operating the inverter, and one rotational period of the rotor in the brushless DC motor Position detecting means B for detecting the rotational position of each and operating the inverter, and when the position detecting means A and position detecting means B cannot detect the position, the position is estimated and the inverter Is to operate.
かかることにより、前記位置検出手段Aによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定して前記インバータを動作させるため、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。 Thus, when the position detection by the position detection means A is impossible, the position is estimated and the inverter is operated. Therefore, in addition to the position detection for each switching period, the position detection is synchronized with the position detection for each rotation period. By doing so, stable operation with reduced vibration becomes possible.
請求項2に記載の発明は、前記位置検出手段Aのスイッチング周期にスイッチング数を乗算した結果と、前記位置検出手段Bの一回転周期との差から位置の補正を行うようにしたものである。 According to a second aspect of the present invention, the position is corrected from the difference between the result of multiplying the switching period of the position detection means A by the number of switching and one rotation period of the position detection means B. .
かかることにより、スイッチング周期毎の位置検出に補正値を加え、一回転周期毎の位置検出との差を補正し、振動が低減した安定運転が可能となる。 As a result, a correction value is added to the position detection for each switching cycle, the difference from the position detection for each rotation cycle is corrected, and stable operation with reduced vibration is possible.
請求項3に記載の発明は、位置検出が可能であったときの検出時間を基にして所定時間を定め、位置の検出が不可能なときに所定時間ごとに位置が切換わっていくものとして推定を行うものである。 According to the third aspect of the present invention, the predetermined time is determined based on the detection time when the position can be detected, and the position is switched every predetermined time when the position cannot be detected. Estimate.
かかることにより、位置検出ができない状態において、圧縮機等のモータはイナーシャ(慣性モーメント)で動作しているので、安定した運転を実現し、モータ停止を防止することができる。 As a result, in a state where position detection is not possible, a motor such as a compressor operates with inertia (moment of inertia), so that stable operation can be realized and motor stop can be prevented.
請求項4に記載の発明は、前記整流回路の出力電圧があらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、位置検出が不可能であると判断するようにしたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, when the output voltage of the rectifier circuit is equal to or lower than a predetermined voltage, it is determined that position detection is impossible.
かかることにより、位置検出ができない部分を的確に判断することができるので、より安定した運転を行うことができる。 As a result, it is possible to accurately determine a portion where position detection is not possible, and thus more stable operation can be performed.
請求項5に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源を入力とする整流回路と、前記整流回路の出力側に接続された小容量のコンデンサと、6個のスイッチ素子を3相ブリッジ接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスDCモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Aと、前記ブラシレスDCモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Bを有し、前記位置検出手段A、前記位置検出手段Bによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定する位置推定手段と、前記位置検出手段A、前記位置検出手段Bと前記位置推定手段とを切換えて前記インバータを動作させるようにする制御手段を具備したものである。 The invention according to claim 5 is a three-phase bridge connection of an AC power source, a rectifier circuit that receives the AC power source, a small-capacitance capacitor connected to the output side of the rectifier circuit, and six switch elements. A position at which a rotation position of the brushless DC motor for each switching period is detected from an induced voltage or a motor current of the brushless DC motor, and the inverter is operated. A position detecting means A and a position detecting means B for detecting the rotational position of each rotation period of the rotor in the brushless DC motor to operate the inverter, and the position by the position detecting means A and the position detecting means B. Position estimation means for estimating the position when it is impossible to detect, position detection means A, position detection Switching between said position estimating means and stage B is obtained by having a control means so as to operate the inverter.
かかる構成とすることにより、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。 By adopting such a configuration, in addition to position detection for each switching period, synchronization with position detection for each rotation period enables stable operation with reduced vibration.
請求項6に記載の発明は、前記位置検出手段Aのスイッチング周期にスイッチング数を乗算した結果と、前記位置検出手段Bの一回転周期との差から位置の補正を行う補正手段を設けたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided correction means for correcting the position based on a difference between a result obtained by multiplying the switching period of the position detection means A by the number of switching and one rotation period of the position detection means B. It is.
かかる構成とすることにより、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出との差で補正することにより、振動が低減した安定運転が可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to perform stable operation with reduced vibration by correcting the difference with the position detection for each rotation cycle in addition to the position detection for each switching cycle.
請求項7に記載の発明は、前記位置推定手段を、位置検出が可能であったときの検出時間を基にして所定時間を定め、位置の検出が不可能なときの推定位置を、タイマ手段を用いて決定するものである。 According to a seventh aspect of the present invention, the position estimating means determines a predetermined time based on a detection time when position detection is possible, and an estimated position when position detection is impossible is determined by timer means. It is determined using.
かかる構成とすることにより、圧縮機のように適度のイナーシャ(慣性モーメント)をもつシステムにおいては、簡単に安易な構成で安定した運転を実現することができる。 By adopting such a configuration, in a system having a proper inertia (moment of inertia) such as a compressor, stable operation can be realized with a simple and easy configuration.
請求項8に記載の発明は、前記コンデンサの両端電圧を検出してあらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、前記位置推定手段からの出力で前記インバータを動作させるようにしたものである。 According to an eighth aspect of the present invention, when the voltage across the capacitor is detected and the voltage is equal to or lower than a predetermined voltage, the inverter is operated by the output from the position estimating means.
かかる構成とすることにより、直流電圧が低下して位置検出ができなくなる状態を的確に判断でき、適切な切換えを行うことができるので、より安定した運転を実現することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to accurately determine a state in which the DC voltage decreases and position detection cannot be performed, and appropriate switching can be performed, so that more stable operation can be realized.
請求項9に記載の発明は、前記ブラシレスDCモータにより、凝縮器、減圧器、蒸発器等と冷凍空調システムを構成する圧縮機を駆動するようにしたものである。 According to the ninth aspect of the present invention, the brushless DC motor drives a compressor, a condenser, a decompressor, an evaporator, and the like constituting a refrigeration air conditioning system.
かかる構成とすることにより、位置検出センサを具備することができない用途での小容量コンデンサ化を実現できるので、これまで考えることができなかった大幅な機器の小型化を実現することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to realize a small-capacitance capacitor in an application in which a position detection sensor cannot be provided, so that it is possible to realize a significant downsizing of the device that could not be considered so far.
請求項10に記載の発明は、前記ブラシレスDCモータにより、風を送る送風機を駆動するようにしたものである。 In a tenth aspect of the present invention, a blower that sends wind is driven by the brushless DC motor.
かかる構成とすることにより、特に送風機のように慣性モーメント(イナーシャ)の大きな用途では、小容量のコンデンサによる大きなリップルにが、その回転数に大きな影響を与えることなくモータを回転させることができるので、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。 By adopting such a configuration, especially in applications where the moment of inertia (inertia) is large, such as a blower, a large ripple due to a small-capacitance capacitor can rotate the motor without significantly affecting its rotational speed. Thus, it is possible to realize a significant downsizing of the device that could not be considered so far.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参考に説明する。なお、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるブラシレスDCモータの駆動装置のブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a brushless DC motor driving apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、交流電源10は、日本の場合、100V50Hzまたは60Hzの一般的な商用の交流電源である。また、整流回路11は、周知の如く4個のダイオードをブリッジ接続することにより構成されている。整流回路11の後段に設けられた小容量の平滑用のコンデンサ12は、4μF以下のチップコンデンサである。
In FIG. 1, an
コンデンサは、近年高耐圧で大容量のコンデンサがチップで実現できるようになってきている。 In recent years, a capacitor having a high withstand voltage and a large capacity can be realized on a chip.
したがって、従来、このコンデンサには主に大容量(200W出力の場合には数百μF)の電解コンデンサが使われていたが、本実施の形態1においては、前述の小型化により、非常に小型の駆動装置が実現できることになる。 Therefore, conventionally, an electrolytic capacitor having a large capacity (several hundred μF in the case of 200 W output) has been mainly used for this capacitor. However, in the first embodiment, the capacitor is very small due to the above-described miniaturization. The driving device can be realized.
整流回路11とコンデンサ12を組み合わせた回路は、波形の整流装置となる。
A circuit in which the
従来、この平滑用のコンデンサは、一般的にはインバータ13の出力容量([W]または[VA])や駆動装置全体の入力容量([W]または[VA])および、直流電圧のリプル含有量やリプル電流による平滑用コンデンサの耐リプル電流の特性等からコンデンサの容量を決定していた。
Conventionally, this smoothing capacitor generally includes an output capacity ([W] or [VA]) of the
そして、これらの条件を加味して、一般的には2〜4μF/W程度の容量を確保する。すなわち200Wの出力容量の場合は400〜800μF程度の電解コンデンサを使用していた。 In consideration of these conditions, a capacity of about 2 to 4 μF / W is generally secured. That is, in the case of an output capacity of 200 W, an electrolytic capacitor of about 400 to 800 μF was used.
これに対し、本実施の形態1では、コンデンサ12に、0.1μF/W以下の容量を持つコンデンサを使用する。すなわち200Wの出力容量の場合は20μF以下のコンデンサを使用する。
On the other hand, in the first embodiment, a capacitor having a capacitance of 0.1 μF / W or less is used as the
インバータ13は、スイッチング素子IGBTと逆向きに接続されたダイオードをセットにした6回路を3相ブリッジ接続することにより構成されている。
The
また、ブラシレスDCモータ14は、インバータ13の3相出力により駆動される。ブラシレスDCモータ14の固定子には、3相スター結線された巻線が施されている。この巻き方は集中巻であっても、分布巻であっても構わない。また、回転子には永久磁石を配置している。その配置方法は表面磁石型(SPM)でも磁石埋め込み型(IPM)であっても構わず、また永久磁石はフェライトでも希土類でも構わない。
The
ブラシレスDCモータ14の回転子の軸に接続された圧縮要素15は、周知の構成からなり、冷媒ガスを吸入し、圧縮して、吐出するもので、このブラシレスDCモータ14と圧縮要素15とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機16を構成する。
The
圧縮機16は、周知の冷凍サイクル構成に用いられ、圧縮機16で圧縮された吐出ガスは、凝縮器17、減圧器18、蒸発器19を通って圧縮機の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成している。
The
周知の如く、前記冷凍空調システムによれば、凝縮器17では放熱を、蒸発器19では吸熱をそれぞれ行うので、冷却や加熱を行うことができる。必要に応じて凝縮器17や蒸発器19に送風機F1、F2等を付加し、熱交換をさらに促進することもある。
As is well known, according to the refrigeration and air conditioning system, the
位置検出手段A20は、ブラシレスDCモータ14の誘起電圧またはモータ電流からブラシレスDCモータ14における回転子のスイッチング周期CF毎の回転位置と、スイッチング周期CFとスイッチング数SAを乗算することにより一回転周期TAの検出を行う。
The position detection means A20 multiplies the rotational position of the rotor in the
本実施の形態1では、誘起電圧から回転子の回転位置を検出する方法について説明する。 In the first embodiment, a method for detecting the rotational position of the rotor from the induced voltage will be described.
また、インバータ13は、120度通電方式の矩形波駆動とし、常時通電されていない相ができるもので、この通電されていない相に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出し、回転位置を検出する。
Further, the
位置推定手段21は、タイマ手段(図示せず)を具備しており、位置検出手段A20が正常に位置検出しているときは、その検出タイミングの時間測定を行っている。このタイミング時間をベースに位置推定を行い、駆動出力を出している。 The position estimation means 21 includes a timer means (not shown), and when the position detection means A20 is normally detecting the position, it measures the time of the detection timing. Based on this timing time, position estimation is performed to output a drive output.
電圧検出手段22は、コンデンサ12の両端電圧を検出し、その電圧値があらかじめ設定された所定値より大きいか小さいかの判断を行い、信号を出力する。
The voltage detection means 22 detects the voltage across the
切換手段23は、電圧検出手段22の出力を入力とし、位置検出手段A20か位置推定手段21かいずれかを選択し、出力する。 The switching means 23 receives the output of the voltage detection means 22 as an input, selects either the position detection means A20 or the position estimation means 21 and outputs it.
転流手段24は、切換手段23の出力を入力とし、インバータ13の6個のIGBTのON/OFFを制御するものである。
The commutation means 24 receives the output of the switching means 23 and controls ON / OFF of the six IGBTs of the
位置検出手段B25は、ブラシレスDCモータ14の誘起電圧またはモータ電流からブラシレスDCモータ14の回転子における一回転周期TB毎の回転位置の検出を行う。
The position detection means B25 detects the rotational position of the rotor of the
本実施の形態1においては、前記回転子の位置検出を、誘起電圧から検出するものとして説明する。 In the first embodiment, description will be made assuming that the position detection of the rotor is detected from the induced voltage.
すなわち、インバータ13は、120度通電方式の矩形波駆動とし、常時通電されていない相ができる。この通電されていない相に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出して回転位置を検出し、スイッチング周期SAとスイッチング数CFの乗算からの一回転周期TAと、一回転周期TBとの差を補正することにより、振動の少ない安定した回転が可能となる。
That is, the
次に、以上のように構成されたブラシレスDCモータの駆動装置についてその動作を説明する。 Next, the operation of the brushless DC motor driving apparatus configured as described above will be described.
交流電源10は、整流回路11で全波整流されるが、コンデンサ12は従来に比べて非常に小容量であるため、後述する如く、その出力電圧(コンデンサ12の両端の電圧)は平滑されず、大きなリプルを持ったものとなる。
The
また、位置検出手段A20は、誘起電圧からブラシレスDCモータ14の回転子の回転位置を検出するものであるから、整流回路11の出力電圧が低い時、所望の電圧(電流)が十分に確保できないため、その位置検出は不可能となる。
Further, since the position detecting means A20 detects the rotational position of the rotor of the brushless DC motor 14 from the induced voltage, when the output voltage of the
さらに、位置検出手段A20だけでは、スイッチング周期SA毎に検出を行っているため、スイッチング数CFとの乗算で一回転周期TAを算出している場合は精度が悪く、ブラシレスモータ14の駆動において、振動が大きくなっていた。
Furthermore, since only the position detection means A20 performs detection for each switching cycle SA, the accuracy is poor when the single rotation cycle TA is calculated by multiplication with the switching number CF, and in driving the
一方位置推定手段21は、位置検出手段20の位置検出のタイミングを常に検出しており、位置検出信号が入力されなかった場合、前のタイミングと同一のタイミングで位置推定信号を出力する。 On the other hand, the position estimation means 21 always detects the position detection timing of the position detection means 20, and outputs a position estimation signal at the same timing as the previous timing when no position detection signal is input.
さらに、電圧検出手段22で検出したコンデンサ12の両端の電圧が、あらかじめ設定された所定値(本実施の形態1では50Vとする)より高ければ、切換手段23が位置検出手段20の信号を選択・切換えし、転流手段24に出力する。逆に所定値より低ければ切換手段23は位置推定手段21の信号を選択・切換えし、転流手段24に出力する。
Further, if the voltage across the
また位置検出手段B25は、スイッチング周期に関係なく、ブラシレスDCモータ14のモータ電流から直接一回転周期TBを検出する手段であり、この検出信号は、安定した回転が行える基準のタイミングとなる。
The position detection means B25 is a means for directly detecting one rotation period TB from the motor current of the
ここで図は省略しているが、ブラシレスDCモータ14の駆動制御は、コンデンサ12の両端電圧が変化するのを電圧検出手段22で検出し、出力のPWM制御のデューティにフィードフォワード制御を行い、インバータ13の出力の電圧または電流を一定にするように制御されるものである。
Although not shown here, the drive control of the
すなわち、速度制御で得られた基底(基本)デューティに対し、コンデンサ12の両端電圧が高い場合はデューティを低くし、逆に低い場合はデューティを高くすることによって出力の電圧または電流を調整し、ブラシレスDCモータ14の駆動を滑らかなものとしている。
That is, with respect to the base (basic) duty obtained by speed control, the voltage or current of the output is adjusted by decreasing the duty when the voltage across the
次に、コンデンサ12の両端の電圧波形について、図2および図1を用いて説明する。
Next, voltage waveforms at both ends of the
図2は、本発明の実施の形態1におけるコンデンサの電圧波形を示すタイミング図である。 FIG. 2 is a timing chart showing the voltage waveform of the capacitor in the first embodiment of the present invention.
図2において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。また交流電源10は100V50Hzの交流電源である。
In FIG. 2, the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time. The
同図において、波形Aは非常に負荷電流が小さい(ほとんど電流が流れていない)時の状態の波形であり、コンデンサ12の充電電荷がほとんど使われず電圧の低下はほとんどない。ただし、ここでいう負荷電流は、整流回路11の出力電流、すなわちインバータ13への入力電流とする。また、波形Aにおいては、平均電圧を141V、リプル電圧を0V、リプル含有率を0%としている。なお、リプル電圧およびリプル含有率は次式の通り定義する。
In the same figure, a waveform A is a waveform when the load current is very small (almost no current flows), and the charge of the
次に、負荷電流を大きくしていくとコンデンサ12の充電電荷が使われ、波形Bに示すように、瞬時に電圧が低下する。但し、電源電圧から決まる瞬時最高電圧は141Vで変わらない。
Next, as the load current is increased, the charge stored in the
波形Bに示す場合、瞬時最低電圧は40Vであるので、平均電圧が約112Vであり、リプル電圧は101V、リプル含有率は90%となる。 In the case of waveform B, since the instantaneous minimum voltage is 40V, the average voltage is about 112V, the ripple voltage is 101V, and the ripple content is 90%.
さらに負荷電流を大きくすると、コンデンサ1にはほとんど充電電荷が蓄えられず、波形Cに示すように瞬時最低電圧がほとんど0Vまで低下する。ただし、電源電圧から決まる瞬時最高電圧は141Vで変わらない。波形Cに示す場合、瞬時最低電圧は0Vであるので、平均電圧が約100Vであり、リプル電圧は141V、リプル含有率は141%となる。 When the load current is further increased, almost no charge is stored in the capacitor 1, and the instantaneous minimum voltage decreases to almost 0V as shown in the waveform C. However, the instantaneous maximum voltage determined from the power supply voltage is 141 V and does not change. In the case of waveform C, since the instantaneous minimum voltage is 0V, the average voltage is about 100V, the ripple voltage is 141V, and the ripple content is 141%.
このように、コンデンサ12が小容量の場合、負荷電流を取り出すとほとんど平滑されず入力の交流電源10を全波整流した波形となる。
Thus, when the
次に、負荷電流と瞬時最低電圧、リプル含有率との関係について、図3を用いてさらに詳しく説明する。 Next, the relationship between the load current, the instantaneous minimum voltage, and the ripple content will be described in more detail with reference to FIG.
図3は、本発明の実施の形態1における負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図である。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing the load current and the instantaneous minimum voltage / ripple content in Embodiment 1 of the present invention.
図3において、横軸は負荷電流を示し、縦軸は瞬時最低電圧とリプル含有率を示す。また、実線は瞬時最低電圧の特性を、破線はリプル含有率の特性をそれぞれ示す。 In FIG. 3, the horizontal axis indicates the load current, and the vertical axis indicates the instantaneous minimum voltage and the ripple content. Further, the solid line indicates the instantaneous minimum voltage characteristic, and the broken line indicates the ripple content ratio characteristic.
図2において説明を行った波形Aに示す電流波形は、負荷電流0Aであり、瞬時最低電圧141V、リプル含有率0%の場合である。また波形Bに示す電流波形は、負荷電流0.25Aであり、瞬時最低電圧40V、リプル含有率90%の場合である。また波形Cに示す電流波形は、負荷電流0.35Aであり、瞬時最低電圧0V、リプル含有率141%の場合である。そして、0.35A以上の電流においては、瞬時最低電圧、リプル含有率ともに変化はしない。 The current waveform shown in the waveform A described in FIG. 2 is a case where the load current is 0 A, the instantaneous minimum voltage is 141 V, and the ripple content is 0%. The current waveform shown in waveform B is a case where the load current is 0.25 A, the instantaneous minimum voltage is 40 V, and the ripple content is 90%. The current waveform shown in the waveform C is a case where the load current is 0.35 A, the instantaneous minimum voltage is 0 V, and the ripple content is 141%. And at a current of 0.35 A or more, neither the instantaneous minimum voltage nor the ripple content ratio changes.
本実施の形態1におけるブラシレスDCモータの駆動装置では、実使用範囲を負荷電流0.25A以上でかつ1.3A以下であるものとする。また、実使用範囲においては、リプル含有率は常に90%以上であるような小容量のコンデンサ12を選定している。
In the brushless DC motor driving apparatus according to the first embodiment, the actual use range is assumed to be a load current of 0.25 A or more and 1.3 A or less. Further, in the actual use range, a small-
本実施の形態1においては、前述したように50V以下において位置検出ができない状態であり、その結果、実使用範囲のいずれにおいても位置検出が不可能な部分を含んでいることとなる。 In the first embodiment, as described above, the position cannot be detected at 50 V or less, and as a result, a portion where the position cannot be detected in any actual use range is included.
次に、図4を用いて図1における動作を更に詳しく説明する。 Next, the operation in FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIG.
図4は、本発明の実施の形態1における制御動作内容を示す流れ図である。 FIG. 4 is a flowchart showing the contents of the control operation in Embodiment 1 of the present invention.
まずSTEP1において、電圧検出手段22で直流電圧Vdcを検出する。ここでいう直流電圧Vdcは、コンデンサ12の両端電圧である。
First, in STEP 1, the voltage detection means 22 detects the DC voltage Vdc. The DC voltage Vdc here is the voltage across the
次にSTEP2において、位置検出手段A20により、スイッチング周期SA毎とスイッチング数CFを検出する。 Next, in STEP 2, the position detecting means A20 detects the switching period SA and the switching number CF.
そして、STEP3において、スイッチング周期SA毎とスイッチング数CFを乗算し、ブラシレスモータ14の一回転周期TAを求める。
In
またSTEP4では、位置検出手段B25において、スイッチング周期に関係なく、ブラシレスDCモータ14のモータ電流から直接一回転周期TBを検出する。
In STEP 4, the position detection means B25 directly detects one rotation period TB from the motor current of the
そして、STEP5では、位置検出手段A20から算出したTAが、位置検出手段B25から検出したTBより等しく小さければ、位置推定値の+S分補正し、STEP6へ移行する。また、逆に位置検出手段A20から算出したTAが、位置検出手段B25から検出したTBより大きければ、位置推定値の−S分補正し、STEP7へ移行する。 In STEP5, if the TA calculated from the position detecting means A20 is equal to and smaller than the TB detected from the position detecting means B25, the position estimated value is corrected by + S, and the process proceeds to STEP6. Conversely, if the TA calculated from the position detection means A20 is larger than the TB detected from the position detection means B25, the estimated position value is corrected by -S, and the process proceeds to STEP7.
次にSTEP8において、位置検出ができなくなる電圧の所定値50Vと比較し、50V未満であれば、STEP9に進む。 Next, in STEP 8, the voltage is compared with a predetermined value 50V at which position detection cannot be performed.
STEP9において、切換手段23は、STEP8の結果に基づいて位置推定手段21を選択するように切換える。 In STEP9, the switching means 23 switches so as to select the position estimating means 21 based on the result of STEP8.
その結果、位置推定手段21では、STEP10に示すように、位置検出信号が前の変化から一定時間経過したかどうかを判断する。この一定時間は位置検出によりあらかじめ決められた時間であり、回転数によりその時間は変化するものである。またこの一定時間の演算誤差を吸収するためSTEP6、7のいずれかで決定した補正値+S、−Sを加算する。
As a result, as shown in
ここで、一定時間が経過していなければ、そのまま通過・完了し、一定時間が通過していれば、STEP11に進み、転流すなわち位置検出を行ったものとしてインバータ13のスイッチング素子を転流手段24で切換える動作を行う。
Here, if the fixed time has not passed, it passes and completes as it is, and if the fixed time has passed, the process proceeds to STEP 11 and the switching element of the
また、STEP8において、位置検出ができなくなる電圧の所定値50Vと比較し、50V以上であれば、STEP12に進む。 Further, in STEP8, the voltage is compared with a predetermined voltage 50V at which position detection is impossible. If it is 50V or more, the process proceeds to STEP12.
このSTEP12においては、切換手段23が位置検出手段20を選択するように切換える。
In
その結果、位置検出手段20では、STEP13に示すように、位置検出信号が前の変化から状態が変化したかどうかを判断する。
As a result, the position detecting means 20 determines whether or not the position detection signal has changed from the previous change, as shown in
STEP13で状態が変化していなければ、そのまま通過・完了し、状態が変化していれば、STEP14に進み、転流すなわち位置検出を行ったものとして、インバータ13のスイッチング素子を転流手段24で切換える動作を行う。またこの一定時間の演算誤差を吸収するためSTEP6、7のいずれかで決定した補正値+S、−Sを加算する。
If the state has not changed in
上述の動作を一定時間内に繰り返すことにより、常に電圧検出手段22で直流電圧の状態を検出し、その状態によって位置検出手段20と位置推定手段21との信号を切換手段23で切換えることができ、直流電圧の低い位置検出ができない状態においても転流動作を行うことができ、運転を継続することができる。 By repeating the above operation within a predetermined time, the voltage detection means 22 can always detect the state of the DC voltage, and the signal between the position detection means 20 and the position estimation means 21 can be switched by the switching means 23 according to the state. The commutation operation can be performed even in a state where the position detection with a low DC voltage cannot be performed, and the operation can be continued.
以上の説明した動作を行った場合の波形について、さらに図5を用いて説明する。 A waveform when the above-described operation is performed will be further described with reference to FIG.
図5は、本発明の実施の形態1における各部の波形を示すタイミング図である。 FIG. 5 is a timing diagram showing waveforms at various parts in the first embodiment of the present invention.
図5において、(A)は直流電圧であり、コンデンサ12の両端の電圧波形である。(B)は電圧検出であり、電圧検出手段22の出力波形である。電圧検出手段22では、(A)の直流電圧を所定電圧(本実施の形態1においては50V)と比較した結果を出力し、50V以上であればHighレベルを、50V未満であればLowレベルの信号を出力する。図5においては時間T6、T7において直流電圧が50V以下である場合を示している。
In FIG. 5, (A) is a DC voltage, which is a voltage waveform across the
(C)は位置検出であり、位置検出手段A20の出力波形を示す。また(D)は位置検出手段B25の出力波形を示す。さらに、(C+D)は位置推定であり、位置推定手段21の出力波形を示す。 (C) is position detection, and shows an output waveform of the position detection means A20. (D) shows the output waveform of the position detecting means B25. Further, (C + D) is position estimation, and shows an output waveform of the position estimation means 21.
したがって、各波形(C)、(D)で示すように、直流電圧が50V以上の時は位置検出が可能で、時間T1〜T5、時間T8〜T12の区間では、位置検出を正常な状態で行うことができる。 Therefore, as shown by the waveforms (C) and (D), position detection is possible when the DC voltage is 50 V or more, and position detection is performed in a normal state during the time T1 to T5 and time T8 to T12. It can be carried out.
一方、図5の時間T6、T7では、直流電圧が50V未満であるので、位置検出手段20からの位置検出信号が出力されず、または、出力されたとしても、タイミングの全く合っていない誤動作を引き起こす信号となる可能性が高い。 On the other hand, at times T6 and T7 in FIG. 5, since the DC voltage is less than 50V, the position detection signal from the position detection means 20 is not output, or even if it is output, a malfunction that does not match the timing at all. It is likely to be a triggering signal.
そこで時間T6、T7においては、転流に位置推定手段21の信号を使用するものである。 Therefore, at time T6 and T7, the signal of the position estimation means 21 is used for commutation.
すなわち、位置推定手段21では、前の転流のタイミングT5からの時間を計測しており、あらかじめ決められた所定時間が経過すると、時間T6のタイミングで転流を行う。また同様に時間T7においても、時間T6から所定時間経過後に転流を行う。 That is, the position estimation means 21 measures the time from the previous commutation timing T5, and performs commutation at the timing of time T6 when a predetermined time has elapsed. Similarly, at time T7, commutation is performed after a predetermined time has elapsed from time T6.
ここでいう所定時間は、正常に位置検出ができている時間、例えば時間T4〜T5間の時間を測定し、位置検出手段A20により算出した一回転周期TAと、位置検出手段Bにより検出した一回転周期TBから算出した補正値を加えたものを所定時間としている。そのタイミングを図5の(C+D)位置推定の波形に示す。 The predetermined time here is a time during which position detection is normally performed, for example, a time period between time T4 and T5, and one rotation period TA calculated by the position detection means A20 and one time detected by the position detection means B. A predetermined time is obtained by adding a correction value calculated from the rotation period TB. The timing is shown in the waveform of (C + D) position estimation in FIG.
以上のように、時間T1〜T5および時間T8〜T12において、切換手段23は、位置検出手段A20の出力を選択し出力する。また時間T6、T7においては、切換手段23は位置推定手段21の出力を選択し出力する。
As described above, at time T1 to T5 and time T8 to T12, the switching
そして、切換手段23の出力は、転流手段24に入力され、転流手段24により、インバータ13の6個のスイッチング素子を、図5の各波形(E)〜(J)に示すようにON/OFF動作させる。図5において、HighレベルがON動作、LowレベルがOFF動作を示している。したがって、ハッチングの範囲がON動作状態にある。
The output of the switching means 23 is input to the commutation means 24, and the commutation means 24 turns on the six switching elements of the
インバータ13の出力電圧波形の一例として、図5波形(K)にU相電圧波形を示す。
As an example of the output voltage waveform of the
同図に示す如く、出力の最大電圧は直流電圧により規制され、U相電圧の包絡線(破線で示す)は(A)の直流電圧に一致する。 As shown in the figure, the maximum output voltage is regulated by the DC voltage, and the envelope of the U-phase voltage (shown by a broken line) matches the DC voltage of (A).
他のV相、W相についても、同様の波形がU相に対して所定の位相で形成される。 Similar waveforms are formed with respect to the U phase for the other V and W phases.
上述した通り、直流電圧の電圧レベルにより、PWM制御のデューティを変更しているので、図5の波形(K)に示すとおり、電圧の低いところ(例えば時間T5〜T6間)ではデューティを高くし、電圧の高いところ(例えば時間T11〜T12間)ではデューティを低くしている。これにより電圧変動による電流の不安定を未然に防止する。 As described above, since the duty of PWM control is changed according to the voltage level of the DC voltage, as shown in the waveform (K) of FIG. 5, the duty is increased at a low voltage (for example, between time T5 and T6). The duty is lowered at a high voltage (for example, between times T11 and T12). This prevents current instability due to voltage fluctuations.
なお、本実施の形態1においては、ブラシレスDCモータ14における回転子の位置検出を、電圧レベルを直接検出する電圧検出手段22としたが、ゼロクロス等のタイミングを検出し、時間に応じて電圧レベルを推定するもの等でも構わない。
In the first embodiment, the position of the rotor in the
また、直流電圧により、位置検出手段A20と位置推定手段21とを切換えるようにしたが、位置検出信号が出ない時に自動的に位置推定手段21に切換える方法とすることも可能である。 Further, the position detecting means A20 and the position estimating means 21 are switched by the DC voltage. However, it is also possible to automatically switch to the position estimating means 21 when no position detection signal is output.
さらに、本実施の形態1においては、ブラシレスDCモータ14の駆動負荷を、圧縮機16を例に説明を行ったが、図1に示す送風機F1、F2のように、慣性モーメント(イナーシャ)の大きなモータ機器の用途に応用した場合であっても、小容量のコンデンサによる大きなリップルに大きく影響されることなくモータを回転させることができるので、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。
Furthermore, in the first embodiment, the driving load of the
また、本実施の形態1においては、回転子の位置検出に、位置検出手段A20の如くリアルタイムに位置を検出するものと、位置検出手段B25のように一回転周期毎の検出を行うものを利用することにより、回転むら等から発生する振動を抑制し、安定した回転駆動を行うことができる。 In the first embodiment, the position detection of the rotor, such as the position detection means A20 that detects the position in real time, and the position detection means B25 that detects each rotation period are used. By doing so, it is possible to suppress vibrations generated from uneven rotation and to perform stable rotation driving.
以上のように、本実施の形態1によると、位置検出手段A20による位置の検出が不可能なときに、その位置を推定してインバータ13を動作させるもので、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。
As described above, according to the first embodiment, when position detection by the position detection means A20 is impossible, the position is estimated and the
また、位置検出手段A20による位置の検出が不可能なときに、その位置を推定してインバータ13を動作させるため、スイッチング周期毎の位置検出に補正値を加え、一回転周期毎の位置検出との差を補正することにより、低振動でかつ回転が安定した運転が行えるものである。
Further, when position detection by the position detection means A20 is impossible, the position is estimated and the
さらに、回転子の位置の検出が不可能なときに、所定時間毎に位置が切換わっていくものとして推定を行うため、位置検出ができない状態において、イナーシャ(慣性モーメント)で動作している圧縮機16等の機器では、安定した運転を実現し、モータ停止を防止することができる。
Further, since it is estimated that the position is switched every predetermined time when the position of the rotor cannot be detected, the compression operating with inertia (moment of inertia) in a state where the position cannot be detected. Equipment such as the
また、整流回路11の出力電圧が、予め定められた所定電圧以下であるときに位置検出が不可能であると判断するため、位置検出ができない部分を的確に判断することができ、より安定した運転を行うことができる。
Further, since it is determined that position detection is impossible when the output voltage of the
さらに、位置検出手段A20による位置の検出が不可能なときに、その位置を推定してインバータ13を動作させるため、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。
Furthermore, in order to estimate the position and operate the
また、位置検出手段A20による位置の検出が不可能なときに、位置検出手段A20によるスイッチング周期毎の位置検出に加え、位置検出手段B25による一回転周期毎の位置検出との差を補正することにより、振動が低減した安定運転が可能となる。 Further, when position detection by the position detection means A20 is impossible, in addition to position detection for each switching cycle by the position detection means A20, a difference from position detection for each rotation period by the position detection means B25 is corrected. Thus, stable operation with reduced vibration becomes possible.
さらに、前記回転子の位置の検出が不可能なときに、推定位置を、タイマ手段を用いて決定するため、圧縮機のように適度のイナーシャ(慣性モーメント)をもつシステムにおいては、簡単かつ安易な構成によって安定した運転を実現することができる。 Furthermore, since the estimated position is determined using the timer means when the position of the rotor cannot be detected, it is simple and easy in a system having an appropriate inertia (moment of inertia) such as a compressor. A stable operation can be realized with a simple configuration.
また、コンデンサ12の両端電圧を検出してあらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、位置推定手段21からの出力でインバータ13を動作させるため、直流電圧が低下して位置検出ができなくなる状態を的確に判断でき、適切な切換えを行うことができるので、より安定した運転を実現することができる。
Further, when the voltage across the
さらに、ブラシレスDCモータ14を、冷凍空調システムを構成する圧縮機16のように、位置検出センサを取付けることができない機器の駆動源として用いることにより、モータ駆動装置における小容量コンデンサ化が実現でき、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。
Furthermore, by using the
また、ブラシレスDCモータ14を送風機F1、F2のように慣性モーメント(イナーシャ)の大きな機器の駆動源として用いることにより、小容量のコンデンサによる大きなリップルによってその回転数が大きく影響されることはなく、機器を安定して回転させることができ、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。
Further, by using the
以上のように本発明のブラシレスDCモータの駆動方法およびその装置は、位置検出手段Aによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定してインバータを動作させるものであり、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となり、ブラシレスDCモータを駆動源とする冷凍空調機器、あるいは洗濯機等に広く適用できるものである。 As described above, the brushless DC motor driving method and apparatus according to the present invention estimate the position when the position cannot be detected by the position detecting means A, and operate the inverter. In addition to position detection, by synchronizing with position detection for each rotation cycle, stable operation with reduced vibration is possible, and it can be widely applied to refrigeration and air-conditioning equipment using a brushless DC motor as a drive source, washing machines, etc. is there.
10 交流電源
11 整流回路
12 コンデンサ
13 インバータ
14 ブラシレスDCモータ
16 圧縮機
17 凝縮器
18 減圧器
19 蒸発器
20 位置検出手段A
21 位置推定手段
22 電圧検出手段
23 切換え手段
25 位置検出手段B
F1,F2 送風機
DESCRIPTION OF
21 position estimation means 22 voltage detection means 23 switching means 25 position detection means B
F1, F2 blower
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