JP2010124540A - Motor controller and refrigerator/air-conditioner and household electrical appliances using the controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電圧を交流電圧に変換しモーターに電圧を印加するインバーター回路とそれを制御する制御部を備えたモーター制御装置、この制御装置を用いた冷凍空調装置及び家電機器に関するものである。 The present invention relates to an inverter circuit that converts a DC voltage into an AC voltage and applies a voltage to a motor, a motor control device that includes a control unit that controls the inverter circuit, a refrigeration air conditioner using the control device, and household appliances. .
従来のインバータ回路は、直流電源の正極と負極の間に3相ブリッジに接続された上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子(例えば、IGBTやMOS−FET)と、この6個のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続されたフライホイールダイオードと、上アームスイッチング素子のゲートに接続された高圧側駆動回路と、下アームスイッチング素子のゲートに接続された低圧側駆動回路とで構成されている。マイコン等の制御部から駆動信号が高圧側駆動回路と低圧側駆動回路に出力されると、前述の各スイッチング素子がオン/オフされ上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の接続点からモーターに電圧が供給される(例えば、特許文献1参照)。 The conventional inverter circuit includes an upper arm switching element and a lower arm switching element (for example, IGBT or MOS-FET) connected to a three-phase bridge between a positive electrode and a negative electrode of a DC power supply, and each of these six switching elements. A flywheel diode connected in parallel, a high-voltage side drive circuit connected to the gate of the upper arm switching element, and a low-voltage side drive circuit connected to the gate of the lower arm switching element. When a drive signal is output from a control unit such as a microcomputer to the high-voltage side drive circuit and the low-voltage side drive circuit, each of the aforementioned switching elements is turned on / off, and the voltage is applied to the motor from the connection point between the upper arm switching element and the lower arm switching element. Is supplied (see, for example, Patent Document 1).
従来のインバータ回路は、マイコン等の制御部からスイッチング素子に出力される駆動信号の電圧とスイッチング素子のオン/オフ動作電圧のレベルが異なるため、下アームスイッチング素子を制御部にて制御する際、制御部とスイッチング素子のゲート間に駆動信号の電圧を変換するための低圧側駆動回路が接続されている。例えば、制御部であるマイコンの制御電源がDC5Vの場合、スイッチング素子の駆動信号を出力する出力ポートはマイコンの制御電源以下のH信号とL信号を出力することができ、H信号はDC約5V、L信号は約0Vとなり、これらH信号やL信号によりスイッチング素子を制御するのであるが、スイッチング素子のオン動作電圧が例えばDC15Vの場合、マイコンの駆動信号と電圧レベルが異なるため、電圧レベルを変換する低圧側駆動回路が必要となる。この場合、低圧側駆動回路の部品分コストがかかり、また、低圧側駆動回路の部品を基板等に実装する際に広いスペースが必要となるという課題がある。 In the conventional inverter circuit, the voltage of the drive signal output to the switching element from the control unit such as a microcomputer is different from the level of the on / off operation voltage of the switching element. Therefore, when the lower arm switching element is controlled by the control unit, A low-voltage side drive circuit for converting the voltage of the drive signal is connected between the control unit and the gate of the switching element. For example, when the control power supply of the microcomputer that is the control unit is DC5V, the output port that outputs the drive signal of the switching element can output the H signal and the L signal below the control power supply of the microcomputer, and the H signal is about DC 5V. The L signal is about 0 V, and the switching element is controlled by these H signal and L signal. However, when the switching element ON operation voltage is, for example, DC 15 V, the voltage level is different from the driving signal of the microcomputer. A low-voltage side drive circuit for conversion is required. In this case, there is a problem that a cost corresponding to the components of the low-voltage side drive circuit is required, and a large space is required when the components of the low-voltage side drive circuit are mounted on a substrate or the like.
また、低圧側駆動回路は、多くの部品で構成されているため、各部品の動作に遅れが発生することにより、制御部からの駆動信号が出力されてから実際に下アームスイッチング素子が動作するまでに遅れが生じるという課題がある。また、動作遅れのため上アームと下アームの各スイッチング素子の短絡を防止するデッドタイムの設定の制約が大きくなっている。 In addition, since the low-voltage side drive circuit is composed of many components, a delay occurs in the operation of each component, so that the lower arm switching element actually operates after the drive signal is output from the control unit. There is a problem that a delay occurs. In addition, due to a delay in operation, restrictions on setting a dead time for preventing a short circuit between the switching elements of the upper arm and the lower arm are increasing.
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、小型、低コストで、信頼性の高いモーター制御装置、この制御装置を用いた冷凍空調装置及び家電機器を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a small, low-cost, highly reliable motor control device, a refrigerating air-conditioning apparatus and home appliances using the control device. And
本発明に係るモーター制御装置は、直流電源の正極と負極との間に3相ブリッジ接続され、出力側にモーターが接続される上アームと下アームの各スイッチング素子、上アームと下アームの各スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード、上アームの各スイッチング素子をそれぞれ駆動する駆動回路、下アームの各スイッチング素子及びダイオードを介して流れるモーターの電流を検出する電流検出手段を有するインバータ回路と、上アームと下アームの各スイッチング素子の駆動信号を生成する制御部とを備え、下アームの各スイッチング素子として制御部の制御電圧で駆動可能なものを用いるようにした。 The motor control device according to the present invention has a three-phase bridge connection between the positive electrode and the negative electrode of a DC power supply, and each switching element of the upper arm and the lower arm to which the motor is connected on the output side, and each of the upper arm and the lower arm. An inverter circuit having a diode connected in antiparallel to the switching element, a drive circuit for driving each switching element of the upper arm, and a current detection means for detecting the current of the motor flowing through each switching element of the lower arm and the diode And a control unit that generates drive signals for the switching elements of the upper arm and the lower arm, and those that can be driven by the control voltage of the control unit are used as the switching elements of the lower arm.
本発明においては、制御部と下アームのスイッチング素子の間に駆動信号の電圧を変換する駆動回路を配置しない構成としたので、モーター制御装置の回路を簡素化でき、このため、コストを下げることができ、また、回路が基板に占める面積を縮小でき、回路動作の遅れを抑制することが可能になる。 In the present invention, since the drive circuit for converting the voltage of the drive signal is not arranged between the control unit and the switching element of the lower arm, the circuit of the motor control device can be simplified, thereby reducing the cost. In addition, the area that the circuit occupies on the substrate can be reduced, and delays in circuit operation can be suppressed.
図1は本発明の実施の形態に係るモーター制御装置を示す回路図である。
図1において、上アームスイッチング素子1,2,3と下アームスイッチング素子4,5,6は、IGBTやMOS−FETなどの電力用半導体素子からなり、直流電源22の正極と負極との間に3相ブリッジ接続されている。3相ブリッジ接続による各接続点は、本制御装置の出力端子(図示せず)を介してモーター25に接続される。前述した6個のスイッチング素子1〜6には、環流時の逆方向電流を流すフライホイールダイオード7〜12が並列に接続されている。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a motor control device according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, upper
上アームスイッチング素子1,2,3のゲートには、それぞれ高圧側駆動回路13,14,15が接続されている。高圧側駆動回路13,14,15は、直流電源23が接続され、制御部19からの駆動信号の電圧レベルを上アームスイッチング素子1,2,3のオン動作電圧に変換する。この高圧側駆動回路13,14,15は、一般的にHVICと呼ばれ、回路構成としては公知のものである。下アームスイッチング素子4,5,6のゲートには、各ゲートに流れる電流を調整する抵抗16,17,18が接続されている。この抵抗16,17,18により下アームスイッチング素子4,5,6の立上りや立下りなどの応答時間が調整されている。なお、抵抗に代えてダイオードやコンデンサ等の回路素子でも良い。また、抵抗などの回路素子をスイッチング素子のゲートと出力端子間に接続しても良い。
High-voltage
電流検出用抵抗20は、例えばシャント抵抗よりなり、一端が直流電源22の負極に接続され、他端が下アームスイッチング素子4,5,6の接続点に接続されている。この電流検出用抵抗20に流れる電流から発生する電圧を増幅する増幅回路21が制御部19と電流検出用抵抗20の入力端との間に挿入されている。なお、増幅回路21に代えてフィルタ回路を用いても両回路で構成しても良い。前記の電流検出用抵抗20と増幅回路21とで電流検出手段が構成されている。
The
前述した上アームと下アームの各スイッチング素子1〜6、この6個のスイッチング素子に逆並列に接続されたフライホイールダイオード7〜12、上アームスイッチング素子1,2,3をそれぞれ駆動する高圧側駆動回路13,14,15、下アームスイッチング素子4,5,6のゲートにそれぞれ接続された抵抗16,17,18、電流検出用抵抗20,増幅回路21などの各部品でインバータ回路が構成されている。
Each of the switching elements 1 to 6 of the upper arm and the lower arm, the flywheel diodes 7 to 12 connected in reverse parallel to the six switching elements, and the high voltage side for driving the upper
制御部19は、マイコンやDSPなどで構成され、上アームと下アームの各スイッチング素子1〜6のオン/オフを制御する駆動信号を生成する。下アームスイッチング素子4,5,6をオン/オフ制御するための駆動信号の電圧レベルは、直流電源24の電圧レベル以下である。例えば、制御部19の制御電圧である直流電源24の電圧がDC5Vの場合、下アームスイッチング素子4,5,6の駆動信号も0〜5Vである。このため、下アームスイッチング素子4,5,6には、0〜5Vの電圧範囲内でオン/オフする電力用半導体素子が用いられている。
The
従来例と構成上で異なるのは、下アームスイッチング素子4,5,6をオン/オフ制御するための駆動信号の電圧レベルが直流電源24の電圧レベル以下である点と、下アームスイッチング素子4,5,6に低圧側駆動回路が接続されていない点である。
The difference from the conventional example is that the voltage level of the drive signal for on / off control of the lower
次に動作について説明する。
制御部19は、汎用出力ポートから直流電源24の電圧以下のH信号とL信号(駆動信号)を出力する。前述したように制御電源24がDC5Vの場合、H信号は約5V、L信号は約0Vとなる。上アームスイッチング素子1,2,3においては、高圧側駆動回路13,14,15によって変換されたオン動作電圧のH信号と約0VのL信号の入力に基づいてオン/オフし、下アームスイッチング素子4,5,6においては、約5VのH信号と約0VのL信号の入力に基づいてオン/オフし、直流電源22の直流電圧を交流電圧に変換してモーター25に供給する。駆動信号のHやLといった論理とスイッチング素子のオン/オフの関係はスイッチング素子1〜6の特性により決まる。
Next, the operation will be described.
The
このように構成されたモーターの制御装置においては、制御部19と下アームスイッチング素子4,5,6との間にはゲートに流れ込む電流を調整する抵抗16,17,18などごく少数の部品しかないため、構成部品が少なく部品コストが少なくてすみ、また、これらの部品を基板に実装する際には部品が基板に占める実装面積を小さくすることができる。
In the motor control apparatus configured as described above, there are only a few components such as
また、制御部19からの駆動信号が出力されてから実際に下アームスイッチング素子4,5,6の状態が切り換わるまでの遅れ時間が小さく高速なスイッチング動作が可能となる。それにより、スイッチング損失が抑えられ省エネにつながる。
In addition, the delay time from when the drive signal from the
また、遅れ時間が大きくなるとモーター25の電流とインバータ回路からの出力電圧の位相ずれ大きくなり、モーター損失が増加するが、それも抑えることができ結果として省エネ制御が可能となる。
Further, when the delay time is increased, the phase shift between the current of the
さらに、高速なスイッチング動作が可能となるため、上アームと下アームの各スイッチング素子1〜6の短絡を防止するデッドタイムを極限まで小さく設定することができる。 Furthermore, since a high-speed switching operation is possible, the dead time for preventing a short circuit between the switching elements 1 to 6 of the upper arm and the lower arm can be set as small as possible.
なお、本実施の形態では、下アームスイッチング素子4,5,6を制御部19の制御電圧以下でオン/オフさせるようにしたが、上アームスイッチング素子1,2,3も制御部19の制御電圧以下でオン/オフできるようなスイッチング素子で構成してもよい。このように構成した場合、高圧側駆動回路13,14,15の直流電源23と制御部19の直流電源24を共通にすることができるので、例えばDC5Vだけといった単電源で制御可能なインバータ回路を実現することができ、また、それによりDC電源回路の構成部品が少なくでき、部品コストを抑えることができる。また、これらの部品を基板に実装する際には部品が基板に占める実装面積を小さくすることができる。
In this embodiment, the lower
また、図2の破線で示すように、上アームと下アームの各スイッチング素子1〜6、フライホイールダイオード7〜12、高圧側駆動回路13,14,15、抵抗16,17,18、電流検出用抵抗20,増幅回路21などの各部品で構成されたインバータ回路と制御部19を1つのパッケージで構成しても良い。
Further, as indicated by broken lines in FIG. 2, the switching elements 1 to 6 of the upper arm and the lower arm, flywheel diodes 7 to 12, high-voltage
このように構成した場合、高集積化により小型化が可能になり、基板に実装する場合の作業が簡単で、基板占有面積を小さくすることができ、また、他の電子部品間の配線が容易になるなどの利点がある。 In such a configuration, downsizing is possible due to high integration, the work for mounting on a substrate is simple, the area occupied by the substrate can be reduced, and wiring between other electronic components is easy. There are advantages such as becoming.
また、直流電源22の電圧が高く、モーター25に流れる電流が大きくなると、上アームと下アームの各スイッチング素子1〜6やフライホイールダイオード7〜12の電流の導通/非導通の切り替わりの際、急峻な電流変化(dI/dtが大)が発生する。基板配線パターンの引き回しによりパターンインダクタンス(L)が大きくなると、L×dI/dtによるノイズが発生するため、電流検出用抵抗20からの電流検出結果によりモーター25の制御を行う場合などに、前記ノイズにより誤動作を起こす可能性が大きくなる。このノイズの発生を抑えるためには、配線パターンの引き回しを短くする必要があるため、前述したように各種部品を1つのパッケージに組み込んで配線パターンを短くすれば、ノイズ耐力も上がりモーター制御装置の信頼性も向上する。
Further, when the voltage of the
また、本実施の形態では、下アームスイッチング素子4,5,6と直流電源22の負極の間に電流検出用抵抗20を設け、この電流検出用抵抗20に流れる電流から発生する電圧を増幅する増幅回路21を設けたことを述べたが、図3に示すように、下アームスイッチング素子4,5,6に電流検出用抵抗27〜29をそれぞれ接続し、電流検出用抵抗27,28,29の反対側の端子を直流電源22の負極に接続し、また、電流検出用抵抗27,28,29それぞれに増幅回路21(又はフィルタ回路)を設けるようにしても良い。このように構成した場合、図2で述べた効果に加えて、電流検出用抵抗27,28,29が多いため、電流をより高精度に検出でき、信頼性の高いモーター制御が可能となる。
In the present embodiment, a
以上のように構成されたモーター制御装置を、エアコンや冷蔵庫などの冷凍空調装置に設けられた圧縮機やファンモーターの制御や、洗濯機、掃除機等の家電機器に設けられたモーターの制御に使用することができ、それにより安価な構成で信頼性が高く、省エネを実現したモーターの制御が可能となる。 The motor control device configured as described above can be used to control compressors and fan motors provided in refrigeration and air-conditioning equipment such as air conditioners and refrigerators, and motors provided in household appliances such as washing machines and vacuum cleaners. Therefore, it is possible to control a motor which is inexpensive and has high reliability and energy saving.
1,2,3 上アームスイッチング素子、4,5,6 下アームスイッチング素子、
7,8,9,10,11,12 フライホイールダイオード、13,14,15 高圧側駆動回路、16,17,18 抵抗、19 制御部、20 電流検出用抵抗、21 増幅回路、22 直流電源、23 高圧側駆動回路用の直流電源、24 制御部用の直流電源、25 モーター、26 パッケージ、27,28,29 電流検出用抵抗。
1, 2, 3 Upper arm switching element, 4, 5, 6 Lower arm switching element,
7, 8, 9, 10, 11, 12 Flywheel diode, 13, 14, 15 High voltage side drive circuit, 16, 17, 18 Resistor, 19 Control unit, 20 Current detection resistor, 21 Amplifier circuit, 22 DC power supply, 23 DC power supply for high-voltage side drive circuit, 24 DC power supply for control unit, 25 motor, 26 package, 27, 28, 29 Current detection resistor.
Claims (5)
上アームと下アームの各スイッチング素子の駆動信号を生成する制御部とを備え、
下アームの各スイッチング素子として制御部の制御電圧で駆動可能なものを用いたことを特徴とするモーター制御装置。 A three-phase bridge connection is made between the positive and negative electrodes of the DC power supply, and the upper and lower arm switching elements connected to the motor on the output side, and the upper and lower arm switching elements are connected in antiparallel. An inverter circuit having a current detection means for detecting a current of a motor flowing through the diode, a driving circuit for driving each switching element of the upper arm, each switching element of the lower arm, and the diode;
A control unit that generates a drive signal for each switching element of the upper arm and the lower arm,
A motor control device using a switching device of a lower arm that can be driven by a control voltage of a control unit.
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