JP2010530202A - 電気モーターのパワー制御 - Google Patents

Abstract

整流された入力電圧Vrmを受けるための入力端子IT1、IT2と、モーター駆動信号Vmを出力するための出力端子OT1、OT2とを有するモーター制御回路MCがある。スイッチング回路1は、入力端子IT1、IT2を出力端子OT1、OT2に断続的に接続するために、交互にオン状態及びオフ状態がある。コントローラ2はスイッチング回路1を、(i)モーターの磁気飽和の量が所定の値よりも小さい第1の期間T1の間はオン状態であるよう制御し、(ii)モーターの磁気飽和の量が所定の値よりも大きい第2の期間T2の間は、モーター駆動信号Vmのパルス幅制御を得るために、交互にオン状態及びオフ状態であるよう制御する。

Description

本発明は、モーター制御回路、モーター制御回路を有するモーターシステム、モーターシステムを有する機器、及びモーターのパワーを制御する方法に関する。

トライアックを使ったAC直巻電動機のパワー制御が良く知られている。トライアック制御回路の例が、国際特許公開公報 WO2006／033085A2にて開示されている。トライアックを使ったモーターの電流の制御は、ブラシの寿命が短縮する欠点をもつ。

本発明の目的は、より長いブラシの寿命を伴うACモーターのパワー制御を供することである。

本発明の第1の態様が、請求項１に記載のモーター制御回路を供する。本発明の第2の態様が、請求項８に記載のモーターシステムを供する。本発明の第3の態様が、請求項９に記載の機器を供する。本発明の第4の態様が、請求項11に記載のモーターのパワーを制御する方法を供する。好都合な実施例が、従属請求項にて規定される。

本発明の第1の態様によるモーター制御回路は、整流された入力電圧を受けるための入力端子と、モーターに対してモーター駆動信号を出力するための出力端子とを有する。モーターは、電圧駆動、又は電流駆動でもよい。通常、整流された入力電圧は、バッファされていない整流されたサイン波形の本線電圧である。

スイッチング回路が、入力端子と出力端子との間に配置される。モーターのパワーは、スイッチング回路が交互にオン状態及びオフ状態にするPWM（パルス幅変調）アプローチを用いて制御される。オン状態及びオフ状態の期間の比率が、モーターのパワーを決定する。スイッチング回路がオン状態にある場合、整流された入力電圧をモーターに供するために、入力端子は出力端子に接続される。スイッチング回路がオフ状態にある場合、整流された入力電圧はモーターから切り離される。

コントローラはスイッチング回路を、モーターの磁気飽和の量が所定の値よりも小さい第1の期間の間はオン状態であるよう制御する。このように、モーターのローター及び/又は固定子の磁気飽和が所定の値以下にある限り、AC入力電圧がモーターに連続的に接続される。モーターの磁気飽和の量が所定の値より大きい第2の期間の間、コントローラはスイッチング回路を、モーター駆動信号のパルス幅変調制御を得るために、交互にオン状態及びオフ状態になるよう制御する。このように、パルス幅変調制御は、モーターの固定子及び/又はローターが所定の零ではないレベルを上回って磁気的に飽和されている場合にのみ、活性化される。通常、当該所定のレベル（値）は、実際のモーターのタイプ、又は特定の使用されたモーターにさえ依存する。当該所定のレベルは、連続的なオン状態がPWMフェイズへと変更される種々異なるレベルにて寿命試験を実行することと、それぞれのブラシの寿命を調べることとによって、特定のモーターのタイプ、又は特定のモーターに対して見出すことができる。これゆえ、「十分な磁気飽和」という表現が使われた場合、これは、ブラシの所望の寿命が達成されるモーターの飽和レベルを意味する。

固定子及び/又はローターが十分に磁気飽和状態にある直巻モーターでは、モーターに流れる電流の変動の関数としての磁束の変動は、モーターが磁気飽和状態に無い場合よりも非常に少ない。又は別の言い方をすると、モーターを流れる特定のデルタ電流が、大きな電流でよりも、小さな電流で、非常に大きなデルタ磁束を生じさせる。従って、パルス幅変調が小さな電流で影響を受ける場合、比較的大きな磁束変動が生じている。これらの大きな磁束変動は、ブラシを流れる高電流を引き起こす高電圧を誘起し、ブラシの寿命を短縮する。これゆえ、本発明は、PWMが活性化される前に十分に高い磁気飽和を得るために、モーターに流れる十分な電流をゆっくり確立するよう、最初はPWMを実行せずに、整流された入力電圧をモーターに供給する。従って、PWMが活性化されるときには、比較的高い磁気飽和により、モーターを流れる電流変動によって生じる誘起電圧は非常に低く、ブラシの寿命は、より長い。

実施例では、モーター制御回路は、モーターの磁気飽和の量を示すパラメータの値を検知するための検知回路を更に有する。コンパレータは、比較値を得るために、当該パラメータの値を所定の値と比較する。コントローラは、当該比較値が、モーターの飽和の量が所定の値よりも小さいことを示す場合は、スイッチング回路を連続的にオン状態にするよう制御する。従って、磁気飽和の量が所定の値よりも小さい限り、パルス幅変調制御は禁止され、整流された入力電圧が連続的にモーター間に接続される。

実施例では、検知回路は、整流された入力電圧のレベルを検出するためのレベル検出器を有する。コンパレータは、比較値を得るために、このレベルを所定の値と比較する。コントローラは、当該比較値が、整流された入力電圧のレベル値が所定の値より小さいことを示すときに、スイッチング回路をオン状態にするよう制御する。このように、整流された入力電圧の値が所定の値以下にある限り、パルス幅変調制御は禁止される。

実施例では、検知回路は、整流された入力電圧の零レベルを検出するための検出回路を有する。零レベルが検出されたあと、コントローラは、スイッチング回路を所定の期間の間、オン状態にするよう制御する。当該所定の期間の後はモーターの磁気飽和が所定のレベルよりも高くなっているように、所定の期間の継続時間が選択される。同様に、整流された入力電圧の半周期の終わりにパルス幅変調が禁止される期間が始まるタイミングも、整流された入力電圧の先行する零電圧レベルから開始して、計時されることができる。

実施例では、検知回路は、出力端子に供給された駆動電流の変動の比率と、出力端子での駆動電圧の変動の比率とを検出する検出回路を有する。この比率が、モーターの飽和の量に対する測度である。当該比率が所定の値よりも大きいとき、コントローラはスイッチング回路をオン状態にするよう制御する。

実施例では、スイッチング回路は、電子スイッチのフルブリッジを有する。コントローラは、ACモーターの駆動信号を得るために、フルブリッジの電子スイッチを制御するよう構成されている。

斯様なモーター制御回路は、モーターとモーター制御回路とを有するモーターシステムにおいて、都合よく使われることができる。当該モーターシステムは、例えば掃除機、洗濯機、シェーバ、ブレンダ、又は台所機器などの機器に実装されている。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、これ以降説明される実施例によって明らかであり、同実施例を参照して解明されよう。

モーター制御回路とモーターとを有するモーターシステムの実施例の回路図を概観的に示す。 モーター制御回路の検知回路の実施例の回路図を概観的に示す。 モーター制御回路の検知回路の別の実施例の回路図を概観的に示す。 モーター制御回路によって生成された駆動信号の実施例を概観的に示す。 モーター制御回路のスイッチング回路の実施例を概観的に示す。 モーターとモーター制御回路とを有する掃除機の実施例を概観的に示す。

種々異なる図中で同じ引用番号をもつアイテムは、同じ構造的特徴及び同じ機能をもっているか、又は同じ信号である点に留意する必要がある。斯様なアイテムの機能及び/又は構造が説明された場合、詳細説明中では、その反復説明の必要はない。

図1は、モーター制御回路MCとモーターMとを有するモーターシステムの実施例の回路図を概観的に示す。当該モーター制御回路MCは、整流された入力電圧Vrmを受けるための入力端子IT1、IT2を有する。好ましくは、整流された入力電圧Vrmは、バッファされていない整流された本線電圧である。バッファされていないとは、コンデンサによって電圧波形が滑らかにされていないことを意味する。モーターMは、モーター制御回路MCの出力端子OT1、OT2の間に接続されている。

スイッチング回路1は、出力端子OT1、OT2を入力端子IT1、IT2に断続的に接続するために、入力端子IT1、IT2と出力端子OT1、OT2との間に配置されている。当該スイッチング回路1がオン状態Tonにある場合（対応するオン期間の時間については図4を参照）、整流された入力電圧Vrmは、モーターMにAC駆動電圧Vmと駆動電流Imとを供給するために、スイッチング回路1を介してモーターMに接続される。当該スイッチング回路1がオフ状態Toffにある場合（対応するオフ期間の時間については図4を参照）、整流された入力電圧Vrmは出力端子OT1、OT2から切り離され、モーターMは惰性で回転するか、又はスイッチング回路1によって短絡される。

スイッチング回路1は、整流された入力電圧VrmをAC駆動電圧へと変換するために、それぞれが制御信号CS1乃至CS4によって制御される電子スイッチング装置SD1乃至SD4のフルブリッジを有する。電子スイッチング装置SD1乃至SD4は、それぞれ切換パスS1乃至S4と、それぞれ内部並列のダイオードD1乃至D4とを有するMOSFETの装置、又はIGBTの装置でもよい。

スイッチング回路1は、すべてのスイッチング装置SD1乃至SD4が導通していない（又は別の言い方をすれば、対応するスイッチS1乃至S4が開いている）状態にある場合か、スイッチング装置SD1及びSD2が両方とも導通していない場合か、又は、スイッチング装置SD3及びSD4が両方とも導通していない場合かの何れかである場合、オフ状態Toffにある。コントローラ2は、オフ状態Toffの間はモーターMが短絡されるように、フルブリッジを制御することができる。例えば、スイッチング装置SD1及びSD4が、オフ状態Toffに先行するオン状態Tonの間は、導通する（対応するスイッチS1及びS4は閉じられる）と仮定しよう。オフ状態の開始時に、スイッチS4が閉に保たれたままで、スイッチS1が開かれる。駆動電流Imは、ここで、閉じられたスイッチS4とダイオードD3とによって形成された閉ループ内で流れる。

スイッチング回路1のオン状態の間、コントローラ2は、モーターMへの駆動電圧Vmが、整流された入力電圧Vrmの連続した半周期の間に反対の極性をもつAC電圧であるよう、フルブリッジを制御することができる。例えば、本線電圧の半周期に対応する、第1の極性をもっている、整流された入力電圧Vrmの第１の半周期の間は、スイッチS1とS4とが閉じられ、スイッチS2とS3とが開かれている。次に、第1の極性とは反対の第2の極性をもつ本線電圧の半周期に対応する、整流された入力電圧Vrmの第2の半周期の間は、スイッチS1とS4とが開かれ、スイッチS2とS3とが閉じられる。

代替的には、フリーホイーリング（フライホイール）ダイオードを伴った単一のスイッチング装置（図示せず）が、整流された入力電圧Vrmを断続的にモーターMに接続するために、使われることができる。斯様な単純なスイッチング回路1は、モーターがDC電圧によって駆動されるという欠点をもち、これはブラシの寿命を悪化させる可能性がある。

コントローラ2は、モーターMの磁気飽和が所定のレベル以下にある限り、PWM制御が禁止されるよう、スイッチング回路1を制御する。モーターMの磁気飽和とは、モーターMの固定子の材料及びローターの材料の磁気飽和の意味である。固定子の材料及びローターの材料は、例えば鉄などの、積層された磁化可能な材料でもよい。モーターMが十分に磁化されていない期間は、コントローラ2は、スイッチング回路1を、整流された入力電圧Vrmをモーター間に接続するよう制御する。整流された入力電圧Vrmの整流された正弦波波形に起因して、ドライブ電流Imはゆっくり増大し、モーターMの磁束の変動は比較的少ない。一旦、ドライブ電流Imが十分に高くなると、モーターMは十分に磁気的に飽和され、PWM制御が活性化されることができる。モーターMが磁気飽和しているので、大きな駆動電圧Vmの変動でも、モーターM内で生じる磁束は相対的に少なく、ブラシを流れる電流は比較的小さいことであろう。従って、モーターが不十分に磁気的に飽和している期間の間はPWM制御が禁止されている斯様なモーター駆動システムでは、PWMパワー制御に起因するブラシの寿命の劣化は、比較的少ないことであろう。

モーターMが十分に磁気的に飽和されているかどうかの検知は、さまざまな態様で実施されることができる。

図1に示す実施例では、検知回路3は、整流された入力電圧Vrmを受け、整流された入力電圧Vrmの実際の電圧レベルを表しているレベル信号PVを供する、レベル検出器30を有する。例えば、レベル検出器30は、整流された入力電圧Vrmを、コンパレータ4に適するレベルにタップ・インする、抵抗タップを有してもよい。コンパレータ4は、レベル信号PVを所定の値RVと比較し、コントローラ2にコンパレータ信号CVを供する。整流された入力電圧Vrmが、レベル信号PVは所定の値RV以下であることを示す電圧レベルをもつ限り、コンパレータ信号CVは、コントローラ2が、整流された入力電圧Vrmを連続的にモーターMに供給するようスイッチング回路1を制御することを示している、第1の論理状態にある。整流された入力電圧Vrmが、レベル信号PVは所定の値RVよりも高いことを示す電圧レベルをもつ限り、コンパレータ信号CVは、コントローラ2が、スイッチング回路1がPWM制御をすることを示している、第2の論理状態にある。

整流された入力電圧Vrmの実際の電圧レベルを検知する代わりに、代替的に、駆動電流Imが検知され、所定の値と比較されてもよい。駆動電流Imが所定の値以下である限り、コントローラ2は、連続的にモーターMに整流された入力電圧Vrmを供するために、スイッチング回路1を制御し、これによって、駆動電流Imが所定の値RVよりも大きくなるまで、スイッチング回路1のPWM制御を禁止する。

検知回路の更なる代替実施例が、図2及び図3に関して説明されている。

図2は、モーター制御回路MCの検知回路3の実施例の回路図を概観的に示す。当該検知回路3は、整流された入力電圧Vrmが零レベルをもつか、又は零に非常に近い値をもつ瞬間の時間を検出する、零レベル検出器31を有する。当該零に近い電圧は、例えば、整流された入力電圧Vrmの、零ではない電圧レベルを検出するために必要とされ得るダイオードの順方向電圧によって生じる可能性がある。零レベル検出器31の出力信号CVは、コントローラ2に直接供給される。従って本実施例では、図1に示されるコンパレータ4が、検知回路3とコントローラ2との間に存在しない。実際、零レベル検知回路31は、整流された入力電圧Vrmを零電圧レベルと比較するコンパレータでもよい。コントローラ2は、ここで、整流された入力電圧Vrmから検出された零電圧レベル以降、所定の時間まで、スイッチング回路1のPWM制御を禁止するために、タイマー動作を実施する。

整流された入力電圧Vrmが、整流されたACの本線電圧である場合、当該ACの本線電圧の零交差する点が、整流された入力電圧Vrmの零電圧レベルの代わりに検出されてもよい点に留意されなければならない。

図3は、モーター制御回路MCの検知回路3の別の実施例の回路図を概観的に示す。整流された入力電圧Vrmの代わりに、検知回路3は、ここでは、駆動電圧Vmを表している信号Vm'と、駆動電流Imを表している信号Im'とを受信する。当該信号Vm'は、駆動電圧Vmのタップ・インされたものでもよい。信号Im'は、電流変換器によって得られるか、又はモーターMと直列に繋がれた小さな値の抵抗器間の電圧として得られることができる。検出回路32は、駆動電流Imの変動の比率と、駆動電圧Vmの変動の比率とを決定する。当該比率が所定の値RVよりも大きい限り、コントローラ2はスイッチング回路1のPWM制御を禁止する。

図4は、モーター制御回路MCによって生成された駆動信号Vmの実施例を概観的に示す。如何に図1のモーター制御回路MCが動作するかについての以下の解説においては、スイッチング回路1のオフ状態の間は、モーターMを短絡させると看做される。

図4は、AC駆動電圧Vmの二つの半周期を示す。駆動電圧Vmは、時刻t0から時刻t3まで続く第1の半周期TH1の間、正の極性をもつ。駆動電圧Vmは、時刻t3から時刻t6まで続く第2の半周期TH2の間、負の極性を持つ。駆動電圧Vmのエンベロープは、整流された入力電圧Vrmと大体同一である。少々の差が、スイッチング回路1の電圧降下によって生じる。

T1によって示される期間の間、正弦波形をしている整流された入力電圧Vrmは低い電圧レベルであり、モーターMの磁気飽和は依然として低く、スイッチング回路1は、整流された入力電圧VrmをモーターM間に接続するために、連続的にオン状態にある。T2によって示される期間の間、モーターMの磁気飽和は、コントローラ2がスイッチング回路1をPWM制御することができるほど、十分に高い。

t2からt4まで持続する期間から明らかなように、スイッチング回路1は、時刻t0の前に、整流された入力電圧VrmをモーターM間へすでに接続していた。このように、スイッチング回路1が依然として、整流された入力電圧VrmをモーターM間に接続している時刻t0で、駆動電圧Vmは、零電圧レベルに達する。スイッチング回路1は、時刻t1までオン状態Tonにある。時刻t1では、モーターMの磁気飽和は十分に高く、コントローラ2はスイッチング回路1のPWM制御を開始する。当該コントローラ2は、モーターMの磁気飽和が所望の量以下に低下する時刻t2で、PWM制御を終える。時刻t2から時刻t4まで持続している期間の間、PWM制御は再び禁止され、スイッチング回路1は連続的にオン状態Tonにある。図4に示す実施例では、この期間は、整流された入力電圧Vrmの零電圧レベルが中央に位置する。すなわち、時刻t3より前に、別の対のスイッチが、このt3より前の時刻の後以降アクティブである点に留意されねばならない。例えば、スイッチS1とスイッチS4とが時刻t2から時刻t3まで閉じられ、スイッチS2とスイッチS3とが時刻t3から時刻t4まで閉じられる。時刻t4から時刻t5まで続く期間T2の間、PWM制御は再び活性化され、その一方で、時刻t5から時刻t6まで続く期間T1の間、PWM制御は再び禁止される。

期間T2の間、PWM制御が活性化され、コントローラ2は、オン期間の時間Tonとオフ期間の時間Toffとの比率を制御することによって、モーターMのパワーを制御する。図4に示されている駆動電圧Vmは、フルブリッジのスイッチング回路1にあてはまる。フルブリッジ回路は、DCの整流された入力電圧Vrmを、ACの駆動電圧Vmへと変換することを可能にする。更に、フルブリッジ回路は、オフ期間Toffの間、モーターMを短絡することを可能にする。

図5は、モーター制御回路のスイッチング回路の実施例を概観的に示している。ここでは、スイッチング回路1は、内部ダイオードD5を伴う単一の電子スイッチS5を有する。スイッチS5及びダイオードD5の並列回路が、整流された電圧Vrmを受けるために、モーターMと直列に配置されている。

図6は、モーターM及びモーター制御回路MCを有する掃除機の実施例を概観的に示している。当該掃除機は、ハウジングH、車輪W1、及び車輪W2を有する。モーターMは、空気流入口AIへと空気を吸引し、ボリュームV内にごみを格納する。空気は、空気排出口AVを経由して、ハウジングHを退出する。モーター制御回路MCが、モーターMを制御する。これまでに本願明細書で説明されたように、モーター制御回路MCは、部分的に禁じられたPWM制御を伴って、モーターMのパワーを制御する。モーター制御回路MCは、所望のパワー設定を示しているユーザー入力を受信する。

上述の実施例が本発明を限定するよりはむしろ、例示している点、及び、当業者は、添付の請求の範囲を逸脱すること無く、多くの代替実施例を設計することが可能であろう点に留意する必要がある。

請求項において、括弧の間に配置されたいかなる引用符号も、当該請求項を限定するものとして解釈されてはならない。動詞「有する」及び、その活用形の使用は、請求項において明言された以外の要素又はステップの存在を除外することはない。要素に先立つ冠詞「a」又は「an」は、斯様な要素の複数の存在を除外することはない。本発明は、数個の別個の要素を有するハードウェアによって実現されることが可能であり、適切にプログラムされたコンピュータによって実現されることも可能である。複数の手段を列挙している装置請求項において、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの全く同一のアイテムによって実施されることができる。特定の手段が相互に種々異なる従属請求項において列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われることができないことを示してはいない。

Claims (11)

1. 整流された入力電圧を受けるための入力端子と、
   モーター駆動信号を出力するための出力端子と、
   当該入力端子を当該出力端子に断続的に結合させるために、交互にオン状態及びオフ状態になるスイッチング回路と、
   当該スイッチング回路は、
   (i)前記モーターの磁気飽和の量が所定の値よりも小さくなる第1の期間の間、オン状態になり、
   (ii)前記モーターの磁気飽和の量が前記所定の値よりも大きくなる第2の期間の間、モーター駆動信号のパルス幅制御を得るために、交互にオン状態及びオフ状態になるように制御するためのコントローラと
   を有する、モーター制御回路。
2. 前記磁気飽和の量を示すためのパラメータの値を検知するための検知回路と、
   前記パラメータの値を前記所定の値と比較して比較値を得るためのコンパレータとを更に有し、前記比較値は、前記モーターの磁気飽和の量が前記所定の値よりも小さいことを示すとき、前記コントローラは、前記スイッチング回路がオン状態になるよう制御するよう構成されている、請求項１に記載のモーター制御回路。
3. 前記検知回路が、前記整流された入力電圧のレベルを検出するためのレベル検出器を有し、前記比較値は、前記整流された入力電圧のレベルの値が前記所定の値よりも小さいことを示すとき、前記コントローラは、前記スイッチング回路がオン状態になるように制御するよう構成されている、請求項２に記載のモーター制御回路。
4. 前記検知回路は、前記整流された入力電圧の零レベルを検出するための検出回路を有し、当該零レベルが検出された後、所定の期間の間、前記コントローラは、前記スイッチング回路がオン状態になるよう制御するために構成されている、請求項２に記載のモーター制御回路。
5. 前記検知回路が、前記出力端子に供される駆動電流の変動の比率と、前記出力端子間の駆動電圧の変動の比率とを検出するための検出回路を有し、当該比率が前記所定の値よりも大きいとき、前記コントローラは、前記スイッチング回路がオン状態になるよう制御するために構成されている、請求項２に記載のモーター制御回路。
6. 前記スイッチング回路が、電子スイッチのフルブリッジを有し、前記コントローラが、ACモーターの駆動信号を得るために、当該フルブリッジの電子スイッチを制御するよう構成されている、請求項１に記載のモーター制御回路。
7. 前記スイッチング回路が、DCモーター駆動信号を得るために、内部にフリーホイーリングダイオードを伴った単一のスイッチングデバイスを有する、請求項１に記載のモーター制御回路。
8. モーターと、請求項１乃至７の何れか一項に記載のモーター制御回路とを有するモーターシステムであって、前記モーター駆動信号が前記モーターの入力端子に供給される、モーターシステム。
9. 請求項８に記載の前記モーターシステムを有する機器。
10. 掃除機、洗濯機、シェーバ、ブレンダ、台所機器のグループの中の一つである、請求項９に記載の機器。
11. オン状態の間、整流された入力電圧をモーターに断続的に接続し、オフ状態の間、当該整流された入力電圧を前記モーターから切り離すステップと、
    当該断続的な接続を、
    (i)前記モーターの磁気飽和の量が所定の値よりも小さい第1の期間の間、前記整流された入力電圧を前記モーターに接続し、
    (ii)前記モーターの磁気飽和の量が前記所定の値よりも大きい第2の期間の間、前記モーター駆動信号のパルス幅制御を得るために、前記オン状態の間、前記整流された入力電圧を前記モーターへ接続し、前記オフ状態の間、前記整流された入力電圧を前記モーターから切り離すことを交互に実行するように、前記断続的に結合するステップを制御するステップとを含む、モーターのパワーを制御する方法。

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