JP2008054369A - 交流負荷駆動装置及びスイッチング制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流モータを駆動する制御の精度を向上するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】フォトトライアック７は、マイコン１が出力するドライブ信号を契機として、交流電源Ｅ１の交流電流を交流モータＭ１に供給する。マイコン１は、電流検知回路２から入力される電流値が０である場合のみ、フォトトライアック７の導通を開始して交流モータの位相制御を実行する。従って、交流モータＭ１を流れる電流と、フォトトライアック７によって交流モータＭ１に印加される電圧の極性が相違する状況を回避することができ、交流モータＭ１を駆動する制御の精度を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流負荷駆動装置及びスイッチング制御方法に関し、例えば、位相制御によりモータを駆動する技術に関する。

位相制御によりファンモータを駆動するファン位相制御駆動装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の技術では、交流電源の周期に対して選択的にトライアックを導通させて、交流電源からの交流電流をＡＣファンに供給して位相制御を行っている。

特開平９−２５７２４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、交流電源の電圧とＡＣファンを流れる電流との位相差は考慮されていないので、ＡＣファンに電流が流れているときに、トライアックがオンし始める場合がある。これにより、ＡＣファンに印加される電圧とＡＣファンに流れる電流の極性が相違するという状況が生じるという問題があった。また、当該相違によって、ＡＣファンを駆動する制御の精度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、交流負荷を駆動する制御の精度を向上できる交流負荷駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第１の態様は、交流電源（Ｅ１）と交流負荷（Ｍ１）との間に設けられ、前記交流電源の周期に対して選択的に導通するスイッチ素子（７）と、前記スイッチ素子によって前記交流負荷に供給される電流を検知する電流検知回路（２）と、前記電流検知回路によって検知された電流値の絶対値が所定のしきい値未満である場合のみ、前記スイッチ素子の導通を開始させる制御部（１，４，６）とを備える。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第２の態様は、第１の態様に係る交流負荷駆動装置であって、前記交流負荷は交流モータである。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第３の態様は、第１又は第２の態様に係る交流負荷駆動装置であって、前記制御部は、前記交流電源の電圧のゼロクロスを検知するゼロクロス検知回路（３）をさらに有し、前記電圧の前記ゼロクロスを基準として、前記スイッチ素子の導通を開始させる。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第４の態様は、第１又は第２の態様に係る交流負荷駆動装置であって、前記制御部は、前記電流検知部によって検知される電流値の絶対値が所定のしきい値未満となった時点を基準として、前記スイッチ素子の導通を開始させる。

本発明に係るスイッチング制御方法の第１の態様は、交流電源（Ｅ１）と交流負荷（Ｍ１）との間に設けられ、前記交流電源の周期に対して選択的に導通するスイッチ素子（７）と、前記スイッチ素子によって前記交流負荷に供給される電流を検知する電流検知回路（２）とを備えた交流負荷駆動装置における、スイッチング制御方法であって、（ａ）前記電流検知回路の電流値を検知するステップと、（ｂ）前記ステップ（ａ）の実行後、前記電流値の絶対値が所定のしきい値未満であるかどうかを判断するステップと、（ｃ）前記ステップ（ｂ）において、前記電流値の絶対値が所定のしきい値未満であると判断した場合のみ、前記スイッチ素子の導通を開始するステップとを実行する。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第１の態様又はスイッチング制御方法の第１の態様によれば、スイッチ素子の導通によって交流負荷に印加される電圧の極性とは逆の極性で交流負荷に流れる電流を小さくすることにより、交流負荷を駆動する制御の精度を向上できる。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第２の態様によれば、交流モータのコギングや騒音を低減することができる。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第３の態様によれば、電圧のゼロクロスを基準として、交流負荷に印加する電圧の位相を制御することができる。

本発明に係る交流負荷駆動装置の第４の態様によれば、交流電源の電圧に基づく位相制御が不要となり、回路規模を小さくできるとともに製造コストを低減することができる。

（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態のモータ駆動装置について説明する。図１は、本実施の形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。本モータ駆動装置は、例えば空気調和機におけるファンモータを駆動することができる。

図１を参照して、本モータ駆動装置は、交流電源Ｅ１と、マイコン１と、電流検知回路２と、ゼロクロス検知回路３と、ドライブ回路４と、安定化電源回路５と、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、発光ダイオード６と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、リアクタンスＬ１と、フォトトライアック７と、トランスＬ２と、ダイオードブリッジＤ１と、交流負荷なる交流モータＭ１とを備えている。

フォトトライアック７は、発光ダイオード６の光信号を検知して、交流電源Ｅ１からの交流電流を交流モータＭ１に伝達する。即ち、フォトトライアック７と発光ダイオード６とでいわゆるフォトトライアックカプラを構成している。リアクタンスＬ１は、フォトトライアック７と直列に接続され、交流電源Ｅ１の高周波成分（ノイズ）を除去する。コンデンサＣ１はリアクタンスＬ１とフォトトライアック７とを挟む様に、並列に接続され、フォトトライアック７を保護する。

電流検知回路２はフォトトライアック７と交流モータＭ１との間に接続されている。電流検知回路２はフォトトライアック７によって交流モータＭ１に供給される電流を検知してマイコン１に出力する。

コンデンサＣ２は、電流検知回路２から分岐したライン上にあって、交流モータＭ１に接続されている。コンデンサＣ２は交流電源Ｅ１の位相をずらして交流モータＭ１に供給し、交流モータＭ１の始動を補助する役目などを果たす。

トランスＬ２は１次側コイルＬ２ａと２次側コイルＬ２ｂにより構成されており、１次側コイルＬ２ａと２次側コイルＬ２ｂの巻数比に応じて交流電源Ｅ１の電圧を変換する。そして、変換した電圧をゼロクロス検知回路３及びダイオードブリッジＤ１に出力する。

ダイオードブリッジＤ１は、ダイオードＤ１ａ〜Ｄ１ｅにより構成されている。ダイオードブリッジＤ１は電圧変換された交流電源Ｅ１を整流して、安定化電源回路５に出力する。

安定化電源回路５はダイオードブリッジＤ１から入力された電圧を平滑した上で、２つの直流電源Ｖｄｄ１及びＶｄｄ２を生成する。そして、直流電源Ｖｄｄ１をマイコン１に、直流電源Ｖｄｄ２を発光ダイオード６にそれぞれ供給する。

ゼロクロス検知回路３はトランスＬ２によって電圧変換された交流電源Ｅ１が入力される。そして、交流電源Ｅ１による電圧のゼロクロスを検知して、マイコン１にゼロクロス信号を出力する。

抵抗Ｒ２は発光ダイオード６と並列に接続されており、発光ダイオード６を過電流等から保護する。抵抗Ｒ１は発光ダイオード６と直列に接続されている。

ドライブ回路４はマイコン１からドライブ信号が入力されると、発光ダイオード６に電流を流す。発光ダイオード６に電流が流れると、発光ダイオード６はフォトトライアック７に光信号を出力する。

マイコン１はゼロクロス検知回路３からゼロクロス信号が入力されると、その時点から所定の期間経過後にドライブ信号をドライブ回路４に出力する。即ち、交流電源Ｅ１のゼロクロスから所定の期間経過後にフォトトライアック７をＯＮして交流モータＭ１に交流電流を供給する。このゼロクロスからドライブ信号を出力するまでの期間を変更することによって交流モータＭ１の回転数を制御する。即ち、マイコン１は位相制御を実行する。なお、マイコン１とドライブ回路４と発光ダイオード６とからなる部分を制御部と見なすことができる。

但し、マイコン１は、電流検知回路２から入力された電流値が所定のしきい値未満であるときのみ、ドライブ信号を出力してフォトトライアック７の導通を開始する。この点については後述する。

次に、図２，図３を参照して本モータ駆動装置の動作を説明する。図２，３は、位相制御による交流電源Ｅ１の電圧、ドライブ信号、交流モータＭ１に流れる電流の一例を示す図である。図２は交流モータの回転数が高い場合、図３は交流モータの回転数が低い場合を例示している。

図２を参照して、時刻ｔ０で、ゼロクロス検知回路３はトランスＬ２によって電圧変換された交流電源Ｅ１から電圧のゼロクロスを検知して、マイコン１にゼロクロス信号を出力する。

マイコン１はゼロクロス信号を受け取った時点から例えば時間ｔだけ経過した時（時刻ｔ０＋ｔ）に、ドライブ信号をドライブ回路４に出力する。ドライブ信号が入力されたドライブ回路４は発光ダイオード６に電流を流し、発光ダイオード６が出力する光信号によりフォトトライアック７が導通して、交流電源Ｅ１からの交流電流が交流モータＭ１に供給される。即ち、時刻ｔ０＋ｔの時に交流モータＭ１に電流が流れ始める。

そして時刻ｔ１で、交流電源Ｅ１の電圧が０になる。一方、交流モータＭ１を流れる電流は交流電源Ｅ１の電圧に比べて位相遅れαが生じており、この時点では未だ０にはならない。

また、時刻ｔ１では、時刻ｔ０の場合と同様に、ゼロクロス検知回路３が交流電源Ｅ１の電圧のゼロクロスを検知して、マイコン１にゼロクロス信号を出力する。

マイコン１は、ゼロクロス信号を受け取った時点から時間ｔだけ経過した時（時刻ｔ１＋ｔ）に、電流検知回路２から入力された電流値の絶対値が所定のしきい値未満であるかどうかを判断する。なお、所定のしきい値とは実質的に電流値の０を検出するためのしきい値であり、例えば０．００１［Ａ］である。図２に示すように、電流値の絶対値が所定のしきい値以上であれば、マイコン１はドライブ信号を出力しない。そして、電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点（例えば時刻ｔ１＋ｔ＋ｔ’）で、マイコン１はドライブ信号をドライブ回路４に出力する。

そして、ドライブ信号が入力されたドライブ回路４は発光ダイオード６に電流を流し、発光ダイオード６が出力する光信号によりフォトトライアック７が導通して、交流電源Ｅ１からの交流電流が再び交流モータＭ１に供給される。

なお、図３に示すように、時刻ｔ１＋ｔの時点で電流検知回路２からの電流値の絶対値が所定のしきい値未満であれば、マイコン１はドライブ信号を出力する。

以上のように、マイコン１は電流検知回路２からの電流値の絶対値が所定のしきい値未満でなければ、ドライブ信号を出力せず、当該電流値の絶対値が所定のしきい値未満であるときのみ、ドライブ信号をドライブ回路４に出力する。

ここで、電源電圧の極性が時刻ｔに反転した後も、交流モータＭ１に流れる電流がその極性を反転させないまま流れているときに（例えば図２における時刻ｔ１＋ｔ）、マイコン１がドライブ信号を出力すると、交流モータＭ１に流れる電流の極性と、フォトトライアック７によって交流モータＭ１に印加される電圧の極性とに相違が生じる。このような相違は、交流モータＭ１の回転数の制御精度の低下や、交流モータＭ１のコギングや騒音といった不具合を引き起こす。

本モータ駆動装置によれば、マイコン１は電流検知回路２によって検知された電流値の絶対値が所定のしきい値未満であるときのみドライブ信号を出力するので、交流モータＭ１に印加される電圧の極性とは逆の極性で、交流モータＭ１に流れる電流を小さくすることができる。よって実質的には上記の極性の相違を回避でき、交流モータＭ１を駆動する制御の精度を向上することができる。また、交流モータＭ１のコギングや騒音を低減できる。

また、交流モータＭ１や周辺電子部品のばらつきによって、交流電源Ｅ１の電圧に対する交流モータＭ１を流れる電流の位相遅れαはばらつく。本モータ駆動装置によれば、電流検知回路２の電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点で、マイコン１はドライブ信号を出力することができるので、製品毎に駆動可能な回転数を最適化できる。

なお、交流モータＭ１を流れる電流値の絶対値が所定のしきい値未満のときのみ、ドライブ信号を出力するというマイコン１の機能はソフトウェアで実現されても良く、ハードウェアで実現されても良い。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態のモータ駆動装置について説明する。図４は、第２の実施の形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。なお、同一符号は同一又は相当部分を示し、重畳する説明は省略する。第１の実施の形態と比較して、第２の実施の形態に係るモータ駆動装置にはゼロクロス検知回路２が設けられておらず、回転数検知センサ８が設けられている。回転数検知センサ８は交流モータＭ１の回転数を検知して、マイコン１に出力する。そして、第２の実施の形態では、電流検知回路２がゼロクロス検知回路２の役割を担う。

モータの回転制御のまえに、交流電源Ｅ１の電圧に対する交流モータＭ１を流れる電流の位相遅れαを検知する。そして、マイコン１は、当該位相遅れαを考慮したうえで、電流検知回路２からの電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点を基準として、フォトトライアック７の導通を開始する。

具体的に、まず、マイコン１はドライブ信号をドライブ回路４に出力して、フォトトライアック７をＯＮする。すると、交流電源Ｅ１からの交流電流が交流モータＭ１に供給される。そして、交流電源Ｅ１の電圧が０になった時点から遅れて電流が０になる。マイコン１は電流検知回路２からの電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点で再びドライブ信号を出力する。なお、所定のしきい値とは実質的に電流値の０を検出するためのしきい値であり、例えば０．００１［Ａ］である。

回転数検知センサ８から入力される交流モータＭ１の回転数が安定するまで、マイコン１は電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点でドライブ信号を繰り返し出力する。つまり、交流電源Ｅ１のゼロクロスから、位相遅れαに相当する時間が経過した時点でドライブ信号を繰り返し出力している。

そして、安定した後の交流モータＭ１の回転数から位相遅れαを算出する。その後は、当該位相差を考慮したうえで、電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点を基準として所定の期間が経過した時に、ドライブ信号を出力する。この期間を変更することで交流モータＭ１の回転数を制御する。

従って、ゼロクロス検知回路２が不要となり、回路規模を小さくできるとともに、製造コストを低減できる。

なお、交流電源Ｅ１の電圧に対する交流モータＭ１を流れる電流の位相遅れαが小さい場合や、モータの回転数の精度が要求されない場合などは、位相遅れαを無視し、電流検知回路２からの電流値の絶対値が所定のしきい値未満になった時点を基準として、フォトトライアック７の導通制御を開始しても構わない。

第１の実施の形態にかかるモータ駆動装置を示す概略構成図である。 本モータ駆動装置の位相制御によるドライブ信号を示す図である。 本モータ駆動装置の位相制御によるドライブ信号を示す図である。 第２の実施の形態にかかるモータ駆動装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ マイコン
２ 電流検知回路
３ ゼロクロス検知回路
４ ドライブ回路
６ 発光ダイオード
７ フォトトライアック
Ｅ１ 交流電源
Ｍ１ 交流モータ

Claims (5)

1. 交流電源（Ｅ１）と交流負荷（Ｍ１）との間に設けられ、前記交流電源の周期に対して選択的に導通するスイッチ素子（７）と、
   前記スイッチ素子によって前記交流負荷に供給される電流を検知する電流検知回路（２）と、
   前記電流検知回路によって検知された電流値の絶対値が所定のしきい値未満である場合のみ、前記スイッチ素子の導通を開始させる制御部（１，４，６）と
   を備える、交流負荷駆動装置。
2. 前記交流負荷は交流モータである、請求項１に記載の交流負荷駆動装置。
3. 前記制御部は、
   前記交流電源の電圧のゼロクロスを検知するゼロクロス検知回路（３）
   をさらに有し、
   前記電圧の前記ゼロクロスを基準として、前記スイッチ素子の導通を開始させる、請求項１又は２に記載の交流負荷駆動装置。
4. 前記制御部は、前記電流検知部によって検知される電流値の絶対値が所定のしきい値未満となった時点を基準として、前記スイッチ素子の導通を開始させる、請求項１又は２に記載の交流負荷駆動装置。
5. 交流電源（Ｅ１）と交流負荷（Ｍ１）との間に設けられ、前記交流電源の周期に対して選択的に導通するスイッチ素子（７）と、
   前記スイッチ素子によって前記交流負荷に供給される電流を検知する電流検知回路（２）と
   を備えた交流負荷駆動装置における、スイッチング制御方法であって、
   （ａ）前記電流検知回路の電流値を検知するステップと、
   （ｂ）前記ステップ（ａ）の実行後、前記電流値の絶対値が所定のしきい値未満であるかどうかを判断するステップと、
   （ｃ）前記ステップ（ｂ）において、前記電流値の絶対値が所定のしきい値未満であると判断した場合のみ、前記スイッチ素子の導通を開始するステップと
   を実行する、スイッチング制御方法。
   

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