JP2014039596A - 洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの相電流を検出することなく、処理負荷が小さい演算によって高精度の制御を行うことができる洗濯機を提供する。
【解決手段】本実施形態の洗濯機によれば、制御回路は、複数の位置センサが永久磁石モータのロータ回転位置を検出して出力する位置信号に応じて通電パターンを決定し、インバータ回路に通電制御信号を出力し、モータを交互に正反転させる洗い又は濯ぎ運転時において、位置信号に基づき検出されるモータの回転数に応じて、通電パターンの位相を所定量だけ進めるように制御する、いわゆる電圧・位相制御を行う。その際に、制御回路は、モータの回転数を、複数の位置センサよりそれぞれ出力される位置信号の出力間隔より検出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、回転槽の内底部に配置される撹拌翼を回転させる永久磁石型モータを、インバータ回路によって駆動する洗濯機に関する。

従来より、洗濯機のモータ制御においては、モータの出力トルクが変動することによる不快な振動や騒音の発生を抑制すると共に、効率の向上を図る目的で正弦波通電を行っている。また、最近では、モータの各相電流を検出してベクトル制御を行い、効率の更なる向上を図る技術も普及している。例えば特許文献１には、モータの相電流を検出する電流センサを用いることなく、効率的な制御を行う技術の一例が開示されている。

特開２００７−２８７７９号公報

一般に、ベクトル制御を行う構成では、相電流を検出用の電流センサや、高速で演算処理を行うことができる例えば３２ビットのマイクロコンピュータや、当該マイコンの消費電流に対応した電源回路が必要となり、複雑かつ大型で高価なものになりがちであった。特許文献１では、ベクトル制御を行うことなく効率の向上を図る制御方式を採用しているが、回転速度を検出するために、位置センサが所定時間内に出力するパルス信号の数をカウントしている。

この様な検出方式を洗濯機に適用することを想定すると、脱水運転のように、速度変動が比較的緩やかな場合は問題がない。ところが、洗い又は濯ぎ運転のように、速度変動が急激となる場合は誤差が含まれる可能性が高くなり、電流位相ずれが発生して回転がロックするおそれがある。また、特許文献１では、変調率と回転速度とをパラメータして位相差を求めているが、その演算処理は負荷が重いため、やはり性能が高いマイクロコンピュータを使用する必要がある。
そこで、モータの相電流を検出することなく、処理負荷が小さい演算によって高精度の制御を行うことができる洗濯機を提供することにある。

本実施形態の洗濯機によれば、制御回路は、複数の位置センサが永久磁石モータのロータ回転位置を検出して出力する位置信号に応じて通電パターンを決定し、インバータ回路に通電制御信号を出力する。また、モータを交互に正反転させる洗い又は濯ぎ運転時において、位置信号に基づき検出されるモータの回転数に応じて、通電パターンの位相を所定量だけ進めるように制御する、いわゆる電圧・位相制御を行う。その際に、制御回路は、モータの回転数を、複数の位置センサよりそれぞれ出力される位置信号の出力間隔より検出する。

第１実施形態であり、モータの駆動制御系を示す図 全自動洗濯機の全体構成を示す縦断面図 ロータの電気角とセンサ信号Ａ，Ｂとの関係を示す図 正弦波駆動の内容を示すタイミングチャート モータの出力トルクと回転数及び最適な進み位相量の関係を示す図 センサ信号Ａ，Ｂのエッジ出力間隔と、推定されるモータの回転数及び回転数に応じて付与すべき進み位相量を示す図 位相制御の内容を示すフローチャート（その１） 位相制御の内容を示すフローチャート（その２） 洗い・濯ぎ運転のタイミングチャート 進み位相量を一定とした場合の図９相当図 水跳ね防止制御を説明する図 第２次実施形態を示す図８相当図

（第１実施形態）
以下、縦軸形の全自動洗濯機に適用した第１の実施形態について図１ないし図１１を参照して説明する。まず、図２は、全自動洗濯機１の全体構成を示す縦断面図である。すなわち、全体として矩形状をなす外箱２内には、水受槽３が、４組（１組のみ図示）の防振機構４を介して弾性支持されている。この場合、防振機構４は、上端が外箱２内において上方に係止された吊り棒４ａと、その吊り棒４ａの他端側に取り付けられた振動減衰用のダンパー４ｂとを含んで構成されている。これらの防振機構４を介して水受槽３が弾性支持されることで、洗濯運転時に発生する振動が外箱２に極力伝達されないようにしている。

上記水受槽３内には、洗濯槽兼脱水槽用の回転槽５が配設されており、この回転槽５の内底部には、撹拌体（パルセータ）６が配設されている。上記回転槽５は、槽本体５ａと、この槽本体５ａの内側に設けられた内筒５ｂと、これらの上端部に設けられたバランスリング５ｃとから構成されている。そして、この回転槽５が回転されると、内部の水を回転遠心力により揚水して槽本体５ａの上部の脱水孔５ｄから水受槽３内に放出するようになっている。

また、回転槽５の底部には、通水口７が形成されており、この通水口７は、排水通路７ａを通して排水口８に連通されている。そして、排水口８には、排水弁９を備えた排水路１０が接続されている。従って、排水弁９を閉塞した状態で回転槽５内に給水すると、回転槽５内に水が貯溜され、排水弁９を開放すると、回転槽５内の水は排水通路７ａ、排水口８および排水路１０を通じて排出されるようになっている。
水受槽３の底部には、補助排水口８ａが形成されており、この補助排水口８ａは、図示しない連結ホースを介し前記排水弁９をバイパスして前記排水路１０に接続され、前記回転槽５が回転したときに、その上部から水受槽３内に放出された水を排出するようになっている。

また、前記水受槽３の外底部には、機構部ハウジング１１が取付けられており、この機構部ハウジング１１には、中空の槽軸１２が回転自在に設けられ、この槽軸１２には、回転槽５が連結されている。また、槽軸１２の内部には、撹拌軸１３が回転自在に設けられており、この撹拌軸１３の上端部には、撹拌体６が連結されている。そして、撹拌軸１３の下端部は、アウタロータ形のＤＣブラシレスモータ１４（永久磁石型モータ，以下、単にモータと称す）のロータ１４ａに連結されている。このモータ１４は、洗い時には、撹拌体６を直接正逆回転駆動するようになっている。

また、モータ１４は、脱水時には、図示しないクラッチにより槽軸２と撹拌軸１３とが連結された状態で、回転槽５および撹拌体６を一方向に直接回転駆動するようになっている。従って、本実施形態では、モータ１４の回転速度は、洗い時には撹拌体６のそれと同一になり、脱水時には回転槽５および撹拌体６のそれと同一になる、いわゆる、ダイレクトドライブ方式が採用されている。

図１は、モータ１４の駆動制御系を示す図である。インバータ回路２１は、６個のＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）２２ａ〜２２ｆを三相ブリッジ接続して構成されており、各ＩＧＢＴ２２ａ〜２２ｆのコレクタ−エミッタ間には、フライホイールダイオード２３ａ〜２３ｆが接続されている。下アーム側のＩＧＢＴ２２ｄ、２２ｅ、２２ｆのエミッタは、シャント抵抗（電流検出抵抗）２４を介してグランドに接続されている。
また、ＩＧＢＴ２２ｄ、２２ｅ、２２ｆのエミッタとシャント抵抗２４との共通接続点は、抵抗素子２５及びコンデンサ２６を介してグランドに接続されている。そして、抵抗素子２５及びコンデンサ２６の共通接続点は、コンパレータ２８の反転入力端子に接続されている。尚、コンパレータ２８の出力は、オープンコレクタタイプである。

５Ｖ電源とグランドとの間には、抵抗素子４０及び４１の直列回路が接続されており、両者の共通接続点は、コンパレータ２８の非反転入力端子に接続されている。コンパレータ２８の出力端子は、抵抗素子４２を介して５Ｖ電源にプルアップされていると共に、コンデンサ４３を介してグランドに接続され、更に制御回路３９の入力端子に接続されている。コンパレータ２８の出力信号は過電流検出に基づく緊急停止信号となり、制御回路３９は、緊急停止信号の入力があるとインバータ回路２１に対するＰＷＭ信号の出力を停止する。

モータ１４には、ロータ１４ａの回転位置を検出する位置センサ４４（Ａ，Ｂ）が配置されている。位置センサ４４は例えばホールＩＣで構成され、位相が９０度異なる２相信号を出力する。図３に示すように、位置センサ４４Ａが出力するセンサ信号（位置信号）の立ち上がりエッジがロータ１４ａの電気角０度に対応している。センサ信号の出力端子は、夫々ＮＯＴゲート４５Ａ，４５Ｂを介して制御回路３９の入力端子に接続され、ＮＯＴゲート４５Ａ，４５Ｂの出力端子は、コンデンサ４６Ａ，４６Ｂを介してグランドに接続されている。

インバータ回路２１の入力側には駆動用電源回路４７（直流電源回路）が接続されている。駆動用電源回路４７は、１００Ｖの交流電源４８を、ダイオードブリッジで構成される全波整流回路４９及び直列接続された２個のコンデンサ５０ａ，５０ｂにより倍電圧全波整流し、約２８０Ｖの直流電圧をインバータ回路２１に供給する。インバータ回路２１の各相出力端子は、モータ１４の各相巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗに接続されている。

第１電源回路５１は、インバータ回路２１に供給される約２８０Ｖの駆動用電源を降圧して１５Ｖ電源を生成すると、制御回路３９及び駆動回路５２に供給する。また、第２電源回路５３（制御電源回路）は、上記駆動用電源を降圧して５Ｖの制御用電源を生成し、制御回路３９に供給する三端子レギュレータである。高圧ドライバ回路５４は、インバータ回路２１における上アーム側のＩＧＢＴ２２ａ〜２２ｃを駆動するために配置されている。

また、駆動用電源回路４７の出力端子（インバータ回路２１の正側直流母線）とグランドとの間には、抵抗素子５５ａ，５５ｂの直列回路が接続されており、両者の共通接続点は、制御回路３９の入力端子に接続されている。制御回路３９は、例えば８ビットのマイクロコンピュータで構成され、電圧・位相制御を行うことで電圧率が正弦波状に変化する三相上下分のＰＷＭ信号（通電制御信号）を生成する。そして、それらのＰＷＷ信号を、駆動回路５２及び上側については高圧ドライバ回路５４を介して、インバータ回路２１を構成する各ＩＧＢＴ２２ａ〜２２ｆのゲートに出力する。

次に、本実施形態の作用について図４ないし図１０も参照して説明する。制御回路３９に対しては、センサ信号Ａ，Ｂのエッジで割り込みが発生する。そのエッジの出力間隔をカウントすれば、電気角９０度に相当する時間が得られる（図４（ａ），（ｂ）参照）。そこで、制御回路３９は、電気角９０度に相当する時間を得ると共に、上記割り込みとは別に、ＰＷＭ制御に用いる搬送波の周期毎に発生する割り込みのタイミングで、正弦波状に変化する電圧の通電するためのタイミングとなる詳細な位相を求めて通電を行う（詳細については、例えば特開平９−７４７９０号公報参照，図４は前記公報の図８相当図）。また、上記エッジの出力間隔より、モータ１４の回転数を求めることができる。

図５は、モータ１４の出力トルクと回転数（回転速度）及び通電制御を行う際に付与すべき最適な進み位相量の関係を示すものである。モータ１４の巻線１４ｕ〜１４ｗはインダクタンス成分を有しているので、モータの回転数が高くなるほど電圧位相に対して電流位相が遅れる傾向を示す。したがって、電圧位相をより進めるように調整することで、より大きな出力トルクを得ることができる。尚、モータ１４の構成は、４８極／３６スロットである。

例えば洗濯機１の洗い運転では、撹拌体６の最高回転数が１５０ｒｐｍ程度になる。この場合、必要となる出力トルクが１３Ｎ・ｍ程度までは、一定の進み位相量を与えることで回転数１５０ｒｐｍを維持できる。しかし、出力トルクが１３Ｎ・ｍを超えると、進み位相量を徐々に増加させるようにして回転数１５０ｒｐｍを維持する。尚、図４（ｆ）に示すＰｒが進み位相量である。

図６は、センサ信号Ａ，Ｂのエッジ出力間隔［ｍ秒］と、その間隔より推定されるモータ１４の回転数［ｒｐｍ］及び回転数に応じて（誘起電圧の位相０度を基準として）付与すべき進み位相量［ｄｅｇ］を示す。回転数が６０ｒｐｍまでは一定の位相量：２８度とし、６０ｒｐｍを超えると次第に位相量を増加させる。そして、９０ｒｐｍを超えると位相量を４８度で頭打ちとする。

図７は、制御回路３９が図６に示すテーブルに従い位相制御を行うための処理内容を示すフローチャートである。この処理は、例えば２０ｍ秒周期で割り込みが発生する毎に実行される。先ず、位相補正値をゼロに設定すると（Ｓ１）、後述する図８に示す処理で設定される「センサ異常」の有無を判定する（Ｓ２）。ここでセンサ異常がなければ（ＹＥＳ）、変数「位相」を２８［ｄｅｇ］に設定してから（Ｓ３）以降のステップＳ４〜Ｓ７の判断を行う。

制御回路３９は、ステップＳ４〜Ｓ７において、センサ信号Ａ，Ｂのエッジ出力間隔が１０．４ｍ秒以上か否か（Ｓ４），８．９ｍ秒以上か否か（Ｓ５），７．８ｍ秒以上か否か（Ｓ６），６．９ｍ秒以上か否か（Ｓ７），…というように各区間に分類するための判断を行う。これらは図６に示すように、推定されるモータ１４の回転数が６０ｒｐｍ以下，６１ｒｐｍ以上〜７０ｒｐｍ以下，７１ｒｐｍ以上〜８０ｒｐｍ以下，８１ｒｐｍ以上〜９０ｒｐｍ以下の区間に対応している。
ステップＳ４〜Ｓ７の何れかで「ＹＥＳ」と判断すれば位相補正値をそれぞれ「０，２，１２，１７」に設定する（Ｓ１０〜Ｓ１３）。また、ステップＳ７で「ＮＯ」と判断すると、位相補正値を「２０」に設定する（Ｓ８）。

そして、ステップＳ９では「位相」に位相補正値を加えたものを「位相」とする。これにより、図６に示すテーブルと同様に進み位相量が設定される。また、ステップＳ２で「ＮＯ」と判断した場合は、「位相」を「２８」に、位相補正値を「０」に設定する（Ｓ１４，Ｓ１５）。

図８は、位置センサの異常判定処理内容を示すフローチャートであり。この処理は、例えば１ｍ秒周期で割り込みが発生する毎に実行される。先ず、現在の位置センサ値と、前回の位置センサ値とが異なるか否かを判断する（Ｓ４１）。図３に示すようにセンサ信号Ａ，Ｂの値は、電気角９０度毎に「１０」，「１１」，「０１」，「００」に変化する。現在と今回とで位置センサ値が異なれば（ＹＥＳ）位置センサ４４に「異常なし」と判断し（Ｓ４２）、異常判定用の位置センサカウンタをリセットし（Ｓ４３）、図示しない洗濯機１の運転行程を制御するメインルーチンにリターンする。

一方、ステップＳ４１において、現在と今回とで位置センサ値が等しい場合は（ＮＯ）上記位置センサカウンタをカウントアップして（Ｓ４４）、そのカウンタ値が「１２」（所定時間に相当）以上となったか否かを判断する（Ｓ４５）。カウンタ値が「１２」未満であれば（ＮＯ）そのままリターンし、カウンタ値が「１２」以上であれば（ＹＥＳ）位置センサに「異常あり」とするフラグをセットして（Ｓ４６）リターンする。「異常あり」の場合、モータ１４の回転数は５２ｒｐｍ以下となっている。そして、カウンタ値が「１２」に達する前に位置センサ値が変化すれば、ステップＳ４３でカウンタ値がリセットされる。

図９は、上述した位相（PHASE）制御と共にＰＷＭ信号のデューティ（DUTY）を制御して行う洗い・濯ぎ運転のタイミングチャートである。デューティについては、各運転の水流パターンに応じて決定されている（ｃ）。回転方向については、正転，反転を交互に繰り返す（ａ）。また、正転，反転を切り換える際に、撹拌翼６；モータ１４の回転を一端停止させる「位置決め」を行う（ｂ）。

そして、進み位相量については、回転数６０ｒｐｍまでは２８度を付与し、６０ｒｐｍを超えて１５０ｒｐｍに至るまでは２８度から４８度まで順次増加させるように制御する（ｄ，ｅ）。尚、実際のモータ１４の回転数は負荷の変動に応じて変動するが（ｅ）では単純化して示している。図１０は比較のため、モータの回転数にかかわらず一定の進み位相量を付与した場合の制御例であり、回転数を十分に上昇させることができない。

図１１は、フローチャートに現わしていないが、洗い運転等において所謂「水跳ね」の発生を防止する制御を示す。（ａ）に示すように通常の運転状態であれば、最高回転数は１５０ｒｐｍ程度に維持されるが、例えば一時的に負荷が軽減されることで突発的に回転数が上昇することがある。その様な運転状態になると、回転槽内５の水が跳ねるおそれがある。そこで、検出される回転数が１７０ｒｐｍを超えると異常と判定し、モータ１４の駆動をオフさせる（ｂ）。更に、前記異常が各水流時限期間（正転又は反転動作の何れ一方向の回転）中に例えば合計４回発生すると、ＰＷＭ信号のデューティを低下させるようにして「水跳ね」の発生を防止する。

以上のように本実施形態によれば、制御回路３９は、２つの位置センサ４４Ａ，４４Ｂが永久磁石モータ１４のロータ回転位置を検出して出力するセンサ信号Ａ，Ｂに応じて通電パターンを決定してインバータ回路２１にＰＷＭ信号を出力し、モータ１４を交互に正反転させる洗い又は濯ぎ運転時において、センサ信号Ａ，Ｂに基づき検出されるモータ１４の回転数に応じて、通電パターンの位相を所定量だけ進めるように電圧・位相制御を行う。その際に、制御回路３９は、モータ１４の回転数を、位置センサ４４Ａ，４４Ｂよりそれぞれ出力されるセンサ信号Ａ，Ｂの出力間隔より検出するようにした。

ここで、一般的な電圧・位相制御は、ベクトル制御等に比較すれば単純な制御であり、検出した電流に基づくフィードバック制御を行わないので８ビット程度のマイコンでも十分に対応できるが、制御精度に問題がある。また、性能の良い洗濯機を低コストで実現する手段の１つとして、高価な永久磁石を使用するモータの極数を増やすことが考えられる。極数が増えた分だけ、ロータに配置する永久磁石を薄型にできるため、低コスト化が図れるからである。ところが、モータの極数を増やすと制御周波数が上昇するので、特に位相制御を高い精度で行わなければ脱調するおそれがある。本実施形態によれば、極数が多いモータ１４を、８ビット程度のマイクロコンピュータで構成される制御回路３９により電圧・位相制御する際に、位相制御の精度を高めてモータ１４の運転効率を向上させることが可能となる。

また、制御回路３９は、センサ信号Ａ，Ｂの出力間隔を補間して得られるタイミングに基づいて、通電パターンにより正弦波状の電圧をモータ１４に出力する。したがって、低コストで簡単な構成においても、制御精度を高めることでモータ１４を正弦波駆動できる。更に、制御回路３９は、センサ信号Ａ，Ｂが所定時間以上検出されないときは、通電パターンの進み位相量を、モータ１４の回転数が最低速領域に属する場合に対応する値（２８度）に設定する。これにより、モータ１４の負荷が急激に増加することで回転数が大幅に低下した場合でも、出力トルクを維持できる。

（第２実施形態）
図１２は第２実施形態を示す図８相当図であり、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態では、ステップＳ４７，Ｓ４８が追加されている。ステップＳ４４の実行後に、センサ信号Ａ，Ｂの出力間隔が１０．４ｍ秒（所定の閾値）以上（回転数６０ｒｐｍ以下）か否かを判断し（Ｓ４７）、１０．４ｍ秒以上であれば（ＹＥＳ）ステップＳ４５に移行する。一方、１０．４ｍ秒未満であれば（ＮＯ）、ステップＳ４５における「１２」に替えて位置センサカウンタの値が「４」以上か否かを判断し（Ｓ４８）、「３」以下であれば（ＮＯ）リターンし、「４」以上であれば（ＹＥＳ）ステップＳ４６に移行する。

すなわち、ステップＳ４７で「ＮＯ」と判断した場合は、直前に検出されていたモータ１４の回転数が６０ｒｐｍ以上であり、回転数が比較的高い状態から急激に低下した状態にあると推察され、異常が発生している可能性が高い。したがって、この場合は、位置センサ異常をより短い時間で判定する。

以上のように第２実施形態によれば、制御回路３９は、直前に検出されたセンサ信号Ａ，Ｂの出力間隔が１０．４ｍ秒よりも短いときはセンサ異常を判定するカウンタのカウント値を短く設定し、前記出力間隔が１０．４ｍ秒以上であれば前記カウント値を長く設定するようした。したがって、直前に検出されていたモータ１４の回転数がある程度高い状態にあった場合は、位置センサ異常判定をより短時間で行うことができる。

本発明のいくつか実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図６に示すモータの回転数と、回転数に応じて付与すべき進み位相量との関係は一例であり、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
位置センサの数は、３つ以上でも良い。
モータ１４の構成は、４８極／３６スロットに限ることはない。
制御回路３９は、必ずしも８ビットのマイクロコンピュータで構成する必要はない。
ステップＳ４５，Ｓ４８における所定時間相当のカウンタ値については、適宜変更して良い。
第２実施形態における所定の閾値も、適宜変更して良い。

図面中、１は全自動洗濯機、５は回転槽、６は撹拌翼、１４はＤＣブラシレスモータ（永久磁石型モータ）、１４ａはロータ、２１はインバータ回路、３９は制御回路、４４は位置センサを示す。

Claims (4)

1. 回転槽の内底部に配置される撹拌翼を回転させる永久磁石型モータと、
   永久磁石型モータを駆動するインバータ回路と、
   前記モータのロータ回転位置を検出し、位置信号を出力する複数の位置センサと、
   前記位置信号に応じて通電パターンを決定し、前記インバータ回路に通電制御信号を出力し、
   前記モータを交互に正反転させる洗い又は濯ぎ運転時において、前記位置信号に基づき検出される前記モータの回転数に応じて、前記通電パターンの位相を所定量だけ進めるように制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記モータの回転数を、前記複数の位置センサよりそれぞれ出力される位置信号の出力間隔より検出することを特徴とする洗濯機。
2. 前記制御回路は、前記位置信号の出力間隔を補間して得られるタイミングに基づいて、前記通電パターンにより正弦波状の電圧を前記モータに出力することを特徴とする請求項１記載の洗濯機。
3. 前記制御回路は、前記位置信号が所定時間以上検出されないときは、前記通電パターンの進み位相量を、前記モータの回転数が最低速領域に属する場合に対応する値に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の洗濯機。
4. 前記制御回路は、直前に検出された前記位置信号の出力間隔が所定の閾値よりも短いときは前記所定時間を短くするように設定し、前記出力間隔が前記閾値以上であれば前記所定時間を長くするように設定することを特徴とする請求項３記載の洗濯機。

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