JP2008530971A - 永久磁石モーター駆動用の安全インターロックおよび保護回路 - Google Patents

Abstract

コントローラの故障を防止する回路。コントローラは、ＤＣバスによって給電されるＤＣ／ＡＣインバータを制御し、かつ永久磁石モーターを駆動する制御信号を提供する。この回路は、第１回路を備え、第１回路は、ＤＣバス電圧を監視し、ＤＣバス電圧がモーターによって発生した逆起電力に因って第１閾値を超える場合に、コントローラへの信号を生成し、インバータのスイッチ状態を切り換え、それによって逆起電力は、インバータのスイッチ状態によって与えられた短絡状態の結果として、永久磁石モーターのモーター回路抵抗でほぼ費消され、その結果、インバータのＤＣバス電圧が第１閾値を超えるのを防止し、永久磁石モーターを減速させる。
【選択図】 図３

Description

本出願は、「ＰＭモーターをベースとする洗濯機応用の安全ドアロックおよび保護回路」という発明の名称の２００５年２月１４日に提出の米国仮特許願第６０／６５２８６１号に関連するものである。

本発明は、永久磁石モーターを駆動する、例えば洗濯機のドラムを駆動するＤＣ／ＡＣインバータモーターコントローラで用いられる安全インターロックおよび保護回路に関する。永久磁石モーターがまだ回転しているのに、主モーターコントローラが故障し、制御できなくなると、本発明による回路は、ドアロック機能を実行し、過電圧保護およびモーター制動を行わせる。

永久磁石モーターは、誘導モーターよりも高い出力密度、および１アンペア当たりのトルクを有する。誘導モーターは、従来、例えば洗濯機用に使用されてきた。永久磁石モーターは、より最新の洗濯機で使用され、例えば洗濯機だけでなく、エアコンおよび冷蔵庫などのエネルギー効率の良い重要な動力源になっている。

永久磁石モーターは、多くの場合、ＡＣ電源から給電されるＤＣ／ＡＣインバータ回路によって駆動される。すなわち、先ずＡＣ主電源が、ＤＣバス全体にわたって維持されるＤＣ電圧に変換され、次に、ＤＣバス電圧は、インバータに供給されて、永久磁石モーターの相、通常３相の各々について、ＡＣ信号に変換される。永久磁石モーターは、誘導モーターとは違って、ドラムが高速で回転する洗濯機では、安全回路および安全機構を追加する必要がある。

マイクロコントローラまたはＤＳＰ（デジィタル信号プロセッサ）は、所望電圧を永久磁石モーターに供給するために、インバータ電源スイッチ（通常ＩＧＢＴまたはＦＥＴ）を制御する、一般的なコントローラ部品である。コントローラが故障し、制御できなくなると、従来は、暴走モーターの問題を解決するには、安全ドアロックおよび制動機構のための個別の機械的解決法によっていた。

この解決法は、機械的ブレーキと連動する過電圧保護用のパワートランジスタ、並びに、個別リレー、タイマー、およびクロウバースイッチを使用している。この機械的解決法は、実行可能ではあるものの、非常に費用がかかり、複雑であり、また機械的に故障しやすい。

コントローラが故障した場合、永久磁石モーターは、２つの潜在的に危険な状態を呈する。その１つは、永久磁石モーターが惰行時高速で回転している状態である。この状態で、洗濯機のドアまたは蓋が開けられた場合に、もし人が、回転しているドラムに物理的に近づこうとすると、肉体を損傷する危険性を生じる。従って、モーターが回転している間、ドアまたは蓋をロックする必要があり、好ましくは、コントローラが故障した場合、回転速度を出来るだけ早急に、停止状態まで減速させる（制動）必要がある。

他の状態では、コントローラが故障した結果として、コントローラがモーターに電圧を加えなくなると、永久磁石モーターはＤＣバス上に過電圧を発生する。これは、モーターが自由に回転するとき、それによって発生する逆起電力（バック起電力としても知られる）に因る。この電圧は、非常に高速の動作を達成するために、弱め界磁制御の下で動作する場合に特に上昇する。もし故障が、このときに起こると、発生する電圧は非常に高い。

電圧は、モーター速度（ω）と永久磁石が巻線に対して運動するとき、それによって発生する磁束（φ）の積に比例する。弱め界磁モードで、コントローラが故障し、モーターを制御できなくなると、モーター速度が、回転モード速度によって、公称動作速度の３または４倍を超える値に達するのに対して、弱くなった磁束は、磁束弱化の消滅に因って、十分な量の磁束に変化する。

弱め界磁動作中のこのようなコントローラの故障時に、いかなる処置も講じないと、公称定格電圧が、２３０ボルトＡＣ ＲＭＳ入力主電圧に対して、約３１０ボルトＤＣである、ＤＣバス電圧は約１０００ボルト（公称ＤＣバス電圧の３または４倍）に達することもあり得る。

システム内の電源デバイスおよび高電圧ＩＣの公称定格電圧は、２３０ボルトＡＣ ＲＭＳ主入力に対して６００ボルトであるので、これはそれらを損傷することになる。ＤＣバスコンデンサもまた損傷することがある。一旦電力システムで損傷が起こると、基板上のどんな回路も損傷するか、動作しなくなるので、安全ドアロック／制動機構を施すことはもはや不可能である。

従って、１）コントローラが故障した場合にこのような過電圧を防止し、２）モーターおよびドラムの速度を急速に減らし、そして３）安全インターロックを施して、物理的損傷を防止することが必要である。

本発明は、回転するモーターに蓄積された過剰な機械的エネルギーを除去し、費消させるために、制動用の機械的部品、または追加の電源デバイスのいずれをも必要としない。

本発明は、上の目的のすべてを達成するために、単一または複数の集積回路によって、あるいは個別部品、またはモノリシック部品によって実現される簡単な回路を提供するものである。

本発明によれば、コントローラの故障を防止する回路が設けられ、それによりコントローラは、ＤＣバスによって給電されるＤＣ／ＡＣインバータを制御し、かつ永久磁石モーターを駆動する制御信号を与えるようになっている。

この回路は、第１回路を備え、第１回路はＤＣバス電圧を監視し、ＤＣバス電圧がモーターによって発生した逆起電力により、第１閾値を超える場合に、コントローラへの信号を生成して、インバータのスイッチ状態を切り換え、それによって逆起電力は、インバータのスイッチ状態によって与えられた短絡状態の結果として、永久磁石モーターのモーター回路抵抗でほぼ費消され、その結果、インバータのＤＣバス電圧が第１閾値を超えるのを防止し、永久磁石モーターを減速させるようになっている。

本発明の別の態様によれば、ＤＣバス電圧が第２閾値未満に低下すると、短絡状態を生じるスイッチ状態は解除される。ＤＣバス電圧が、再び第１閾値を超えて上昇すれば、短絡状態を生じるスイッチ状態は、モーター速度を基準値まで減らすために、必要に応じて何度でも回復する。

第１回路はまた、モーター駆動部品に手が届かないように、インターロック信号、例えばドアロック信号を生成する。逆起電力モーター相電圧を監視する第２回路は、インターロック信号が停止状態に達するまで、解除されないようにする。

本発明の他の目的、特徴および利点について、次に詳細に説明する。

図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１は、コントローラが回転モード時モーターの弱め界磁動作中に故障した場合の最も危険な状態を示す。図示の動作モードは、永久磁石モーターが、ディープな弱め界磁で動作する高速回転モードである。図示の場合、コントローラは、速度が、回転モードにおいて、かつ弱め界磁動作の最もディープな領域において、最速である回転モードの最後の最後で故障したとして示されている。

故障は、図１の上のグラフ（図１Ａ）に星印によって示されている。図２は、モータートルク・速度曲線を示している。図２において、故障の時点は、高速回転動作の最後、例示では約８８００ｒｐｍに近い。

図３は、インバータＩを駆動するコントローラＣ回路の一部を示す。このインバータは、周知のように、ＩＧＢＴから成る３つのハーフブリッジを備えている。コントローラＣへの制御信号は、信号ＨＩＮ１、ＬＩＮ１、ＨＩＮ２、ＬＩＮ２、およびＨＩＮ３、ＬＩＮ３を与えるマイクロプロッセサまたはＤＳＰ（図示せず）によって与えられる。

これらの信号は、ドライバ段Ｄ、不感時間回路ＤＴ（ハイサイドスイッチ、およびローサイドスイッチが同時にオンしないことを保証する）からゼロベクトル挿入回路２４に与えられる。ハイサイド制御信号は、レベルシフト（２．５）され、ハイサイドドライバＨＳに与えられる。ローサイド信号は、ローサイドドライバＬＳに与えられる。ドライバＨＳおよびＬＳは、ゲートドライブ回路１０からそれぞれのＩＧＢＴゲートに与えられる。

図示のように、プロッセサは、ゲートＧを経由して、制動要求信号を与えることができる。一方、以下に説明するように、プロッセサが故障した場合、制動要求信号２２は比較器２０を含む回路によっても要求される。

コントローラが故障したとき、通常、ゲート駆動回路１０、例えば高電圧ゲートドライバＩＣ１０などに加えられるすべてのゲート信号は存在しない。モーターは事実上惰行している。弱め界磁動作モードであると、モーターおよびドラムは、高速、例えば６０００〜９０００ｒｐｍで回転している。

ＤＣバス電圧Ｖは、公称電圧よりも高い電圧を直ちに発生し始め、例えば、フロントエンドにおけるダイオード整流回路の主入力が２３０ボルトＡＣ ＲＭＳである場合に、３１０ボルトのＤＣバス電圧Ｖを上昇させる。これは、モーターで発生した逆またはバック起電力に因る。

本発明によれば、ＤＣバス電圧が、最高許容電圧、例えばこの場合は４３０ボルトに達するとすぐに、ゲート駆動回路１０は、モーター巻線を短絡するスイッチ状態、すなわち、ゼロベクトルをＩＧＢＴインバータに自動的に与える。これは、ＤＣバス全体にわたって、検出回路、例えばＤＣバス全体にわたって、配置される抵抗分割器ＲＡを有する第１回路によって行われる。

比較器２０は、ＤＣバス電圧が基準２１によって決定された閾値を超える場合に検出し、信号オンライン２２を、ゼロベクトルをアサートするゼロベクトル注入回路２４に与える。このゼロベクトル電圧挿入は、図３のすべてのハイサイドＩＧＢＴがオフであるのに対して、すべてのローサイドＩＧＢＴはオンであることに対応する０００状態であるか、あるいはすべてのローサイドＩＧＢＴがオフであるのに対して、すべてのハイサイドＩＧＢＴはオンであることに対応する１１１状態であるか、あるいは所定の周期サイクル内の０００および１１１ベクトルの組合せである。

いくつかのＩＧＢＴだけをオンにすることも可能であるが、すべてのモーター相が短絡するように、上部スイッチのすべて、または下部スイッチのすべてをオンにすることが好ましい。この時、信号２２は、また図３のＲＳフリップフロップラッチ３０を起動して、ドアインターロック信号を、図３に「安全ロック」として示すように設定して、ドアをロックし、回転ドラムに手が届かないようにする。

ゼロベクトル保護は、図示の実施形態では、コントローラの故障（すべてのゲートドライバ入力＝０）と、ＤＣバスに加わる過電圧の組合せによって起動される。このような場合、ゲートＧへのすべての入力は低レベルとなり、従って制動要求信号を起動する。コントローラ自体が、ＤＣバスに加わる過電圧を処理できないのは、コントローラが故障した場合に限る。このような状況では、ゲートＧへのすべての入力は低レベルであって、制動要求信号を起動する。

ゼロベクトルゲート信号パターンが、ＩＧＢＴインバータに加えられるとすぐに、永久磁石モーターは、ＩＧＢＴによって短絡され、短絡電流は、図４に示すように、短絡されたステータ巻線内を流れる。モーターによって発生して逆起電力は、図４にωΦによって示されている。従って、モーターに蓄積された機械的エネルギーは、ステータ抵抗Ｒ_sを通して主に費消され、その結果、ＤＣバス電圧は公称バス電圧、この例では、約３１０ボルトＤＣに向って低下する。

ＤＣバス電圧が、ヒステリシスによって比較器２０に設定される、例えば３６０ボルトの第２閾値に達すると、ゼロベクトル注入は停止し、ＩＧＢＴの各々へのすべてのゲート駆動信号は、オフになる。すべてのＩＧＢＴがオフになるとすぐに、低速でまだ回転している永久磁石モーターは、ＤＣバス電圧を再び上昇させ始め、それが第１閾値、例えば４３０ボルトに再び達すると、回路は、ゼロベクトルを再び活動させる。このゼロベクトルの挿入および離脱は、モーター速度が基底速度未満、この例では３１００ｒｐｍ未満になるまで、繰り返して続けられる。

モーター速度は、第２回路４０によって監視される。この第２回路４０は、モーターが惰行しているとき、モーター相電圧を監視する。基底速度において、逆起電力電圧は公称ＤＣバス電圧未満であるので、モーターは、もはやＤＣバス上に過電圧を生じない。従って、ゼロベクトル注入は、基底速度未満ではもはや必要ではなく、ゼロ電圧注入はもはや実行されない。

モーターは、惰性で回転することによって、ゼロ速度に向って惰行する。この惰行中、図３および図５に示すように、第２回路４０は、３相モーター電圧を監視し、モーターがまだ回転している状態を検出する。図５は、図３の電圧シフタ／減衰回路４１（３つの抵抗分割回路）および電圧加算器４３、ならびにローパスフィルター４５および比較器５０を含む図３の回路４０の細部を示す。

比較器５０は、フィルターにかけられた相電圧と比較される基準５１を備えている。モーターが停止に達するとすぐに、比較器５０は、図５の比較器出力で高から低への遷移を生じ、この遷移は、ＲＳフリップフロップのリセットをトリガーして、ドアまたは蓋を開くことができるように、安全ロックを解除する。

図５に示すように、惰性で回転するモーター速度を検出する第２回路は、コンデンサおよび抵抗を有する単一比較器５０および演算増幅器４６、ならびに電圧分割／減衰回路４１によって実現される。

図５において、比較器５０の入力信号は、惰性で回転するモーター速度を表わす線形信号である。入力信号を、例えば単一電圧ライン・中性点間波形と比較する場合、３相電圧波形の加算によって、少量のリップル電圧を有するので、比較的小さいＲＣフィルターネットワーク４５を使用する。これを、図６に示す。３相ラインと中性点間の電圧波形の合計を提供することにより、図７に示すように、惰行しているモーターの速度が、信頼しうるように表現される。

図１Ｂは、対応する制動とともに、ゼロベクトルの適用によって低下するＤＣバス電圧を示す。図１Ｃは、インターロック信号を示す。

本発明は、多くの利益および利用の可能性を提供するものである。すなわち、本発明は、大きくて高価であり、かつ潜在的に信頼できない個別リレー回路、および機械的部品、例えば従来の洗濯システムにおける機械的ブレーキをなくしたものである。回路は、個別部品、あるいは高電圧ＩＣのような個別集積回路、またはモノリシック集積回路を用いて実現される。

応用は洗濯機以外にも可能であり、洗濯機だけに限定されるべきではない。例えば、本発明は、永久磁石モーターが回転している間に、安全インターロック信号または制動または過電圧保護を必要とする、高速スピンドル駆動またはその他の永久磁石モーター駆動式の装置を制動するために使用することができる。

以上、本発明を、その特定の実施形態に即して説明したが、多くの他の変形例と変更態様、および他の用途が当業者には明らかであると思う。従って本発明は、本明細書における特定の開示のみによってではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。

コントローラ故障時の波形を示す。 弱め界磁動作下のトルク・速度曲線形状を示す。 本発明の過電圧保護、自動制動、および安全ドアロック回路のブロック／略図である。 永久磁石モーターの制動、および短絡保護がゼロベクトルを適用することによって達成される様子を示す図である。 永久磁石モーターをベースにしている洗濯機用の安全ドアロック回路の細部を示す。 惰行時のライン・中性点間永久磁石モーター相電圧を示す。 永久磁石モーターの相・中性点間電圧の図５の個所Ａにおける加算された電圧を示す。

符号の説明

１０ ゲート駆動回路
２０ 比較器
２１ 基準
２２ 制動要求信号
２４ ゼロベクトル挿入回路
３０ ＲＳフリップフロップ
４０ 第２回路
４１ 電圧分割／減衰回路
４３ 電圧加算器
４５ ローパスフィルター
４６ 演算増幅器
５０ 比較器
５１ 基準
Ａ 個所Φ
Ｃ コントローラ
Ｄ ドライバ段
ＤＴ 不感時間回路
Ｇ ゲート
ＨＩＮ１ 信号
ＨＩＮ２ 信号
ＨＩＮ３ 信号
ＨＳ ハイサイドドライバ
Ｉ インバータ
ＬＩＮ１ 信号
ＬＩＮ２ 信号
ＬＩＮ３ 信号
ＬＳ ローサイドドライバ
ＲＡ 抵抗分割器
Ｒ_s ステータ抵抗
Ｖ ＤＣバス電圧
Φ 磁束
ω モーター速度

Claims (24)

1. コントローラの故障を防止する回路であって、前記コントローラは、ＤＣバスによって給電されるＤＣ／ＡＣインバータを制御し、かつ永久磁石モーターを駆動する制御信号を与えるようになっており、
   前記ＤＣバス電圧を監視し、前記ＤＣバス電圧が、前記モーターによって発生した逆起電力に因って第１閾値を超えた場合に、前記コントローラへの信号を生成して、前記インバータのスイッチ状態を切り換え、それによって、前記逆起電力は、前記インバータの前記スイッチ状態によって与えられた短絡状態の結果として、前記永久磁石モーターのモーター回路抵抗でほぼ費消され、その結果、前記インバータのＤＣバス電圧が前記第１閾値を超えるのを防止し、もって前記永久磁石モーターを減速させる第１回路を備える回路。
2. 第１回路は、永久磁石モーターが回転している間、前記モーターまたは前記モーターによって駆動される装置を収容する囲いをロックするインターロック信号を送出するようになっている請求項１に記載の回路。
3. 永久磁石モーターは洗濯機のドラムを駆動し、安全インターロック信号は、前記永久磁石モーターによって駆動される回転ドラムに近づくためにドアが開けられるのを防止するようになっている請求項２に記載の回路。
4. 第１回路は、ＤＣバス電圧を監視するためにＤＣバスに結合される第１検出回路と、検出された電圧を基準電圧と比較し、第１信号を生成して、コントローラに短絡状態を生じるスイッチ状態を与えるようになっている比較器とを備える請求項２に記載の回路。
5. インターロック信号は、第１信号から発生させられるようになっている請求項４に記載の回路。
6. スイッチ状態は、ゼロベクトルを含む請求項４に記載の回路。
7. ゼロベクトルは、スイッチ状態１１１または０００である請求項６に記載の回路。
8. ＤＣバス電圧が第２閾値以下まで低下すると、短絡状態を生じるスイッチ状態が解除されるようになっている請求項１に記載の回路。
9. 第２閾値は、公称ＤＣバス電圧を超えている請求項８に記載の回路。
10. ＤＣバス電圧が再び第１閾値を超えて増大すれば、短絡状態を生じるスイッチ状態が、モーター速度を基準値まで減らすために、必要に応じて何度でも、第１回路によって回復するようになっている請求項８に記載の回路。
11. モーターによって発生する逆起電力を監視する第２回路を、さらに備える請求項２に記載の回路。
12. 第２回路は、永久磁石モーターの各相について第２検出回路を備え、前記第２検出回路のそれぞれは、出力を前記出力を加算する電圧加算回路に供給して、加算出力を前記加算出力を別の閾値と比較する別の比較器の入力に与え、前記モーターの速度が停止状態に減速される時を決定するようになっている請求項１１に記載の回路。
13. 加算出力は、別の比較器に供給される前に、ローパスフィルターにかけられるようになっている請求項１０に記載の回路。
14. スイッチ状態は、０００または１１１ベクトル、あるいは別々の期間に提供される前記０００と１１１ベクトルの組合せを含む請求項１に記載の回路。
15. 第１検出回路は、抵抗分割器を備える請求項４に記載の回路。
16. 各第２検出回路は、それぞれ抵抗分割回路を備える請求項１２に記載の回路。
17. 電圧加算回路は、演算増幅回路を備える請求項１２に記載の回路。
18. 第２回路は、モーター速度がほぼゼロになるまで、インターロック信号が解除されないようにする請求項１１に記載の回路。
19. 第１回路は、インターロック信号を送出するラッチ回路に、信号を供給するようになっている請求項２に記載の回路。
20. 永久磁石モーターは、３相永久磁石モーターである請求項１に記載の回路。
21. モーター回路抵抗は、モーターのステータの抵抗を含む請求項１に記載の回路。
22. 第１回路は、ラッチ回路の１つの入力に与えられる第１信号を発生し、第２回路は、前記ラッチ回路の第２入力に与えられる第２信号を発生するようになっている請求項１９に記載の回路。
23. 第１信号は、ラッチ回路をセットして、インターロック信号を提供し、第２回路は、ラッチ回路をリセットして、前記インターロック信号を解除するようになっている請求項２２に記載の回路。
24. モーターは、弱め界磁で動作するようになっている請求項１に記載の回路。

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