JP2014087078A - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】低騒音、高効率なモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】回転子に永久磁石を有するブラシレスＤＣモータと、回転子の回転により発生する逆起電圧から、回転位置を検出する位置検出回路と、位置検出回路の出力に補正量を設定する補正部と、ブラシレスＤＣモータの回転位置を確定する位置確定部と、位置確定部の信号に基づいてブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する波形を生成する転流手段と、転流手段で生成した波形でブラシレスＤＣモータを駆動するインバータを有するモータ駆動装置であり、ブラシレスＤＣモータの回転位置検出に誤差が含まれる可能性がある場合、位置検出部からの出力信号に補正部で設定した補正量を付加することで位置検出精度を向上することが可能となり、ブラシレスＤＣモータの速度安定性向上で、駆動振動の低減と効率の向上が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ装置および、これを用いた冷蔵庫に関するものである。

従来この種のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータ回転子の回転位置を検出し、その回転位置を基にして、通電する固定子巻き線を切り替えるようにしている。ブラシレスＤＣモータの回転子位置の検出は、エンコーダやホール素子などの検出器を用いず、インバータ出力電圧とインバータ入力電圧の１／２を比較して、その大小関係が変化するポイントを、ブラシレスＤＣモータ回転に伴い発生する逆起電圧のゼロクロスポイントとして検出するデジタルセンサレス方式が一般的である。（たとえば非特許文献１）
図６は非特許文献１のモータ駆動装置のブロック図を示すものである。

図６において、商用電源１を入力として整流平滑回路２により交流電圧を直流電圧に変換しインバータ３に入力する。インバータ３は６個のスイッチング素子（３ａから３ｆ）を３相フルブリッジで接続するとともに、各スイッチング素子にはダイオード（３ｇから３ｌ）が逆方向に並列接続され、直流入力を３相交流電力に変換し、ブラシレスＤＣモータ４に電力を供給する。位置検出回路３００はブラシレスＤＣモータ４の端子電圧から回転子の相対位置を検出する。

図７は非特許文献１のモータ駆動装置の位置検出回路３００の回路図である。

図７において、非特許文献１における位置検出回路３００は、コンパレータにより実現する比較部３０１であり、非反転入力にはブラシレスＤＣモータの端子電圧が入力され、反転入力には基準電圧としてインバータ入力電圧の１／２を入力する。位置信号は、固定子巻き線のうち非通電相のインバータ出力端子に現れる誘起電圧が基準電圧の大小関係が変化するタイミング（すなわち誘起電圧のゼロクロスポイント）を検出する。

長竹和夫編著「家電用モータ・インバータ技術」、日刊工業新聞社、２０００年４月２８日、Ｐ８９−９２

しかしながら上記従来の構成において、端子電圧にはＰＷＭ制御に伴う高周波のオン・オフ波形が重畳されている。従って、ＰＷＭのオフ区間での端子電圧はグランドレベル付近にあるため、比較部の出力はローとなる。つまり、インバータ出力端子に誘起電圧が現れるのはＰＷＭがオンの時のみであり、誘起電圧のゼロクロスポイントの検出はＰＷＭがオンの時しかできず、誘起電圧のゼロクロス発生がＰＷＭオフ時であれば、ブラシレスＤＣモータの位置検出は、ＰＷＭがオンになるまで遅延されることになる。

このようにＰＷＭのオフ区間による位置検出遅れは、ＰＷＭのオフ時間が長い場合、すなわち、低負荷時や低速駆動時、ＰＷＭ周波数が低いとき、あるいはインバータ入力電圧が高い場合などに発生しやすく、位置誤差も大きくなるため、圧縮機の駆動速度変動による騒音・振動増大、駆動効率低下などの原因となる。

前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、位置検出回路から得た信号に対して、位置検出信号が発生したタイミングに応じて補正部がブラシレスＤＣモータの回転位置の補正を行った上で、位置確定するので、回転位置の検出精度を向上することが出来る。

本発明のモータ駆動装置は、ＰＷＭデューティ幅が小さい低速・低負荷時の駆動や、インバータのスイッチング損失を抑制した低キャリア周波数での駆動において、圧縮機を低騒音・低振動・高効率で駆動することができる。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における位置検出回路のタイミングチャート 本発明の実施の形態１における位置検出回路のタイミングチャート 位置確定部の位置信号サンプリング区間を示すタイミングチャート ＰＷＭのタイミングによる位置検出タイミングのズレを表すチャート 従来のモータ駆動装置のブロック図 従来のモータ駆動装置の位置検出回路図

第１の発明は、永久磁石を有する回転子と３相巻き線を有する固定子により構成されるブラシレスＤＣモータと、前記固定子巻き線に電気的に接続され、前記回転子の回転により前記固定子に発生する逆起電圧から前記回転子の回転位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路の出力に補正量を設定する補正部と、前記位置検出回路の出力と前記補正部の出力から前記ブラシレスＤＣモータの回転位置を確定する位置確定部と、前記位置確定部の信号に基づいて前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する通電角１２０度以上１５０度未満の矩形波およびそれに準じる任意の周波数の波形を生成する転流手段と、前記転流手段で生成した波形により前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータを有するモータ駆動装置であり、ブラシレスＤＣモータの回転位置検出に誤差が含まれる可能性がある場合、位置検出部からの出力信号に補正部で設定した補正量を付加することで位置検出精度を向上することが可能となり、ブラシレスＤＣモータの速度安定性向上で、駆動振動の低減と効率の向上が図れる。

第２の発明は、第１のモータ駆動装置に、前記位置確定部から駆動速度を検出する速度検出手段と、前記ブラシレスＤＣモータの指令速度と前記速度検出手段で検出した駆動速度との偏差から、パルス幅変調によるデューティを決定するＰＷＭ生成手段を有するものである。これによりＰＷＭオン直後に位置信号が発生したとき、前記位置補正部は位置信号の発生タイミングを補正することで、ＰＷＭオフタイミングでの位置検出の遅れを抑制できるのでブラシレスＤＣモータの速度安定性向上で駆動振動の低減と、効率の向上が図れる。

第３の発明は、第１および第２の発明のモータ駆動装置に、前記補正部は、前記位置検出回路の信号が所定のタイミングで入力されたとき補正量を付加するようにしたものである。これによりＰＷＭオフ期間およびノイズ除去による位置検出開始遅延時間に伴う位置検出遅れ要因を加味して補正を行うことが可能となり、さらに位置検出の遅れを抑制し、検出精度の向上を図れるので、ブラシレスＤＣモータの速度安定性が向上し、駆動振動の低減と、効率の向上が図れる。

第４の発明は、第１から第３の発明のモータ駆動装置に、ブラシレスＤＣモータの回転
位置補正は、前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する巻線を切り替えるタイミングを補正することで実現するようにしたものである。これによりブラシレスＤＣモータの回転位置検出ズレを容易に修正でき、位置検出の遅れを抑制し、位置検出精度の向上でブラシレスＤＣモータの速度安定性の向上と、低振動・低騒音および高効率化が図れる。

第５の発明は、第１から第４の発明のモータ駆動装置を有した冷蔵庫である。これにより低騒音・低振動、高効率な圧縮機駆動が可能となり、低騒音・低振動・低消費電力の冷蔵庫を提供することが出来る。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図を示すものである。

図１において電源１は一般的な商用電源であり、日本の場合は実効値１００Ｖの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源である。整流平滑回路２は整流部２ａおよび平滑部２ｂで構成され、前記交流電源１を入力として、交流電圧を直流電圧に変換する。本実施の形態における整流平滑回路は倍電圧整流としているが、全波整流構成でも、全波整流と倍電圧整流を切り替える構成、あるいは力率改善回路（ＰＦＣ）等でも構わない。

インバータ３は６個のスイッチング素子（３ａ〜３ｆ）を３相フルブリッジ構成で接続し、前記整流平滑回路２からの直流入力を交流電力に変換し、ブラシレスＤＣモータ４に任意の電圧および周波数の交流出力を供給するものである。また各スイッチング素子（３ａ〜３ｆ）には逆方向に並列にダイオード（３ｇ〜３ｌ）が接続されている。

位置検出手段５はブラシレスＤＣモータ４の磁極位置を検出するものであり、ブラシレスＤＣモータの相電圧（即ちインバータ出力端子電圧）と基準電圧とを比較する位置検出回路６と、位置検出回路６の出力タイミングに所定の補正値を付加する補正部７と、位置検出回路６と補正部７との入力によりブラシレスＤＣモータの磁極位置を確定する位置確定部８を有している。

さらに位置検出回路６はブラシレスＤＣモータの相電圧を検出する相電圧検出部６ａと検出した相電圧と基準電圧との大小関係を比較する比較部６ｂで構成され、比較部６ｂの出力を位置確定部８に入力する。

補正部７はＰＷＭ波形の出力状態により補正量を決定して位置確定部８に入力する。

位置確定部８は位置検出回路６の出力状態が変化するタイミングを検出し、検出したタイミングに補正部７による補正時間を付加したタイミングを位置信号として確定する。

速度検出手段９は、位置確定部８からの位置信号からブラシレスＤＣモータの駆動速度を検出する。

ＰＷＭ生成手段１０は、指令速度と、速度検出手段９で検出したブラシレスＤＣモータの駆動速度からＰＷＭ（パルス幅変調）制御によるＰＷＭ出力波形を生成し、指令速度と駆動速度が一致するようにＰＷＭデューティ幅調節を行う。

転流手段１１は位置確定部８の出力を基に、インバータ３のどのスイッチ素子をオンさせるか決定し、位置確定部８からの信号入力から一定時間経過（たとえばモータ電流と誘起電圧の位相が同一となる進角０°で駆動する場合は位置確定部入力から電気角３０度）後、インバータ３の各スイッチング素子の動作指令をドライブ部１２に送る。ドライブ部１２は転流手段１１の指示およびＰＷＭ生成手段１０の信号を合成して、当該のスイッチ
ング素子をオン／オフさせるものである。

以上のように構成された圧縮機の駆動装置についてその動作を説明する。

図２は本実施の形態１における位置検出回路の動作を説明するタイミングチャートである。図２において（ア）は基準電圧を示し、本実施の形態ではインバータ３の入力電圧Ｖｄｃの１／２としている。（イ）はブラシレスＤＣモータの相電圧つまりインバータ３の出力端子電圧を示し、（ウ）は位置検出回路６の出力、即ち比較部６（ｂ）の出力波形を示す。実際のブラシレスＤＣモータの相電圧波形（イ）および、位置検出回路６の出力波形（ウ）には、ＰＷＭ制御に伴う高周波のオン・オフ波形が重畳しているが、本図では簡単のため省略している。

また図２はＵ相波形を示すものとし、Ｖ相およびＷ相はＵ相波形に対して±１２０度位相がずれた波形となっている。

図２の波形（イ）において区間Ａは、スイッチング素子３ｄ（Ｕ相下側スイッチング素子）のオフに伴いダイオード３ｇがオンしたことで、Ｕ相端子電圧がＶｄｃ（インバータ入力電圧）となる区間であり、同様に区間Ｄはスイッチング素子３ａ（Ｕ相上側スイッチング素子）のオフに伴いダイオード３ｊのオンでＵ相端子電圧がグランドレベルになる区間である。ＣおよびＦの区間は、それぞれ上側スイッチング素子３ａ、下側スイッチング素子３ｄがオンした区間である。

区間ＢおよびＥはＵ相巻線の非通電区間であり、この時、インバータ入力電圧Ｖｄｃの１／２にバイアスされたＵ相巻線の誘起電圧が現れる。従って、この区間においてＵ相端子電圧とインバータ入力電圧Ｖｄｃの１／２の大小関係が変化するポイント（ＸおよびＹ点）が誘起電圧のゼロクロスポイントとなり、これを検出することで回転子の磁極位置（即ちブラシレスＤＣモータの回転位置）とする。従って、位置確定部８は、位置検出回路６の出力から、区間Ｂおよび区間Ｅにて、ＸおよびＹのポイントを検出する。

位置検出動作についてさらに詳細に説明する。

図３は図２における位置検出タイミング（ポイントＸ）付近を拡大した図である。先述したように端子電圧波形（イ）にはＰＷＭ制御に伴う高周波のオン・オフ波形（オ）が重畳され、ＰＷＭ波形がオフの時は、相電圧波形はグランドレベルに張り付くため相電圧に誘起電圧が現れるのは、ＰＷＭのオン時のみである。従って、誘起電圧のゼロクロスポイント（即ち相電圧とインバータ入力電圧Ｖｄｃとの大小関係が反転するポイント）の検出可能な範囲はＰＷＭオン時に限定される。従って位置確定部８は、位置検出回路６の出力状態が変化するタイミング検出をＰＷＭオン時のみに行うようにしている。

図３において（カ）はブラシレスＤＣモータの誘起電圧であり、そのゼロクロスポイントをＸ０で示している。ポイントＸ０を境に相電圧に現れた誘起電圧とインバータ入力電圧の１／２（Ｖｄｃ／２）の大小関係が反転するが、図８の様にポイントＸ０がＰＷＭのオフ期間にある。この場合、相電圧とＶｄｃ／２の大小関係が反転したと検出できるのは、次にＰＷＭがオンしたポイントＸ１まで遅れることになる。即ち最大ＰＷＭのオフ時間ｔ１だけ位置検出タイミングが遅れることになる。

ＰＷＭオフ区間にゼロクロスポイントが発生する頻度は、ＰＷＭオフ時間が長い場合、即ち低速時や低負荷時、入力電圧が高い場合や、キャリア周波数が低い場合等であり、ゼロクロスポイントに対する位置検出回路の出力最大遅れ時間は大きくなる。

さらに相電圧波形のＰＷＭオンによる立ち上がり時には共振によるリンギングノイズＧが重畳される。このリンギングノイズが誘起電圧ゼロクロスポイント付近で発生すると、そのノイズ成分がＶｄｃ／２より大きいと、位置検出回路の出力状態が変化し（ポイントＨ１、Ｈ２、Ｈ３）これを位置信号として誤検出する可能性がある。このため、ノイズによる位置誤検出防止策として、位置確定部８が位置検出回路６の出力変化をサンプリング開始するタイミングとして、ＰＷＭオン後の一定時間のディレイ時間を設けている。

図４は位置確定部８の位置検出回路６の出力状態が変化するタイミング検出のサンプリング区間を示している。

図４に示すように、リンギングノイズによる位置信号誤検出を防止するため、ＰＷＭオン直後からサンプリング開始遅延時間ｔ２を設け、位置確定部８は遅延時間ｔ２経過後からＰＷＭオフまでの区間で位置検出信号のサンプリングを行うものとしている。なおｔ２の設定は、リンギングノイズ２周期分などモータや回路、または装置の特性により任意に最適値を設定すればよい。

このように、位置検出信号がＰＷＭオフ期間中に発生した場合、位置検出タイミングは最大『（ＰＷＭオフ時間ｔ１）＋（位置検出サンプリング開始遅延時間ｔ２）』だけ遅れることになる。位置検出タイミングの遅れは、位置信号を基に転流を行うブラシレスＤＣモータの駆動方法においてはモータ磁極位置（即ち回転位置）に対して遅れ位相で通電する巻線を切り替えることになり、この時急激なトルク低下や、遅れ位相電流による電流増加等の要因となる。

従って位置確定部８は位置検出サンプリング開始と同時に位置検出回路の出力信号が変化した（即ちＰＷＭオフからＰＷＭオンからｔ２経過するまでの間にゼロクロスタイミングＸ０があった）場合、補正部７は任意の補正量を付加して位置検出タイミングを補正して、位置検出タイミング遅れを抑制している。

具体的には進角０°で駆動する場合は、本実施の形態においての補正量は（ｔ１＋ｔ２）／２として、位置検出確定部は位置検出回路出力が変化したと認識したから検出したタミングＸ２に対して、補正量分早期に検出したものとしてＸポイントを位置検出として認識する。そして、転流手段１１による転流手段タイミングは位置検出回路６からの入力から、電気角３０°相当の時間から補正量（ｔ１＋ｔ２）／２早いタイミングで転流する様にして、位置検出の遅れを修正する。

図５は、ＰＷＭのタイミングによる位置検出タイミングのズレを表すチャートである。図５において（オ）はＰＷＭ波形を示し、下側記載の破線グラフは補正部７による位置補正を行わなかった波形を示し、実線グラフは補正部７により（ｔ１＋ｔ２）／２の補正量を付加した場合の位置検出タイミングズレを示している。

下側グラフにおいて横軸は時間、縦軸は位置検出タイミングのズレを示しており、位置検出ずれがマイナス方向の場合、位置検出が遅れることを示す。

図５に示すように、位置検出が不可能な期間に応じた簡単な位置検出補正を行うことで、高速な演算処理等が必要ない非常にシンプルな方法で位置検出の最大ズレ幅を縮小することができ、位置検出回路の安定化が図れていることが分かる。

以上の様に、本実施の形態において、永久磁石を有する回転子と３相巻き線を有する固定子により構成されるブラシレスＤＣモータと、前記固定子巻き線に電気的に接続され、前記回転子の回転により前記固定子に発生する逆起電圧から前記回転子の回転位置を検出
する位置検出回路と、位置検出回路の出力に補正量を設定する補正部と、位置検出回路の出力と補正部の出力からブラシレスＤＣモータの回転位置を確定する位置確定部と、位置確定部の信号に基づいてブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する通電角１２０度以上１５０度未満の矩形波およびそれに準じる任意の周波数の波形を生成する転流手段と、転流手段で生成した波形によりブラシレスＤＣモータを駆動するインバータを有して、ブラシレスＤＣモータの回転位置検出に誤差が含まれる可能性がある場合、位置検出回路からの出力信号に補正部で設定した補正量を付加することで位置検出精度を向上することが可能となり、ブラシレスＤＣモータの速度安定性が向上し、駆動振動および騒音の低減と、効率の向上が図れる。

また、位置確定部から駆動速度を検出する速度検出手段と、前記ブラシレスＤＣモータの指令速度と実際の駆動速度との偏差から、パルス幅変調によるデューティを決定するＰＷＭ生成手段を有するものである。これによりＰＷＭオン直後に位置信号が発生したとき、補正部は位置信号の発生タイミングを補正することで、ＰＷＭオフタイミングでの位置検出の遅れを抑制できるので、ブラシレスＤＣモータの更なる速度安定性向上で駆動振動の低減と、効率の向上が図れる。

さらに、補正部は、位置検出部の信号が所定のタイミングで入力されたとき補正量を付加するようにすることで、ＰＷＭオフ期間およびノイズ除去による位置検出開始遅延時間等による位置検出遅れ要因を加味した上で補正量を決定することが可能となる。これにより、さらに位置検出の遅れを抑制し、位置検出精度の向上が図れるので、さらにブラシレスＤＣモータの速度安定性が向上し、駆動振動および騒音の低減と、駆動効率の向上が図れる。
さらに、ブラシレスＤＣモータの回転位置補正は、前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する巻線を切り替えるタイミングを補正することで実現することで、ブラシレスＤＣモータの回転位置検出ズレを容易に修正でき、位置検出の遅れを抑制し、位置検出精度の向上でブラシレスＤＣモータの速度安定性の向上と、低振動・低騒音および高効率化が図れる。

（実施の形態２）
図１は本発明の実施の形態２のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫を示すブロック図である。

ブラシレスＤＣモータ４は往復運動により冷媒を吸入、圧縮し循環させるレシプロ式の圧縮要素２０に接続され密封容器に収納し圧縮機２１を形成している。本実施の形態では圧縮機は冷凍サイクルに用い、圧縮機２１から吐出する高温高圧の冷媒を凝縮器１３に送り液化し、毛細管１４で低圧化し、蒸発器１５で蒸発させ、再度圧縮機に戻すようにしている。さらに本実施の形態でのモータ駆動装置を用いた冷凍サイクルを冷蔵庫１６に用いており、蒸発器１５は冷蔵庫１６の庫内１７を冷却するようにしている。

冷蔵庫は、負荷状態が高くなるのは扉開閉が頻繁に行われる家事時間帯のみであり、一日を通してほとんどの時間帯では庫内温度が冷却状態で安定した状態にあり、この時圧縮機は低速・低負荷状態の低ＰＷＭデューティ状態で駆動している。

本発明の実施の形態による冷蔵庫に搭載しているモータ駆動装置を用いた圧縮機の駆動では、特に低デューティ駆動時におけるブラシレスＤＣモータの位置検出精度を向上で駆動の安定化を図り、圧縮機の効率（つまりＣＯＰ）向上と、低騒音・低振動化を実現している。

従って、冷蔵庫の駆動状態における１日の大半を占める低負荷状態で高効率な運転を行
えることから、消費電力量の少ない冷蔵庫を提供することが出来る。

さらに圧縮機駆動装置の低振動・低騒音化は、特に夜間における冷蔵庫の静音化に対する要望に応えることが出来る。

以上の様に、本発明による圧縮機の駆動装置は、低速・低負荷時等のＰＷＭデューティが低い状態での高効率化と、低騒音・低振動化を図ったものであるため、エアコンや除湿機、ヒートポンプ式洗濯乾燥機、ショーケース、自動販売機など、圧縮機を用いたあらゆる機器においても適用できる。

３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
６ 位置検出回路
７ 補正部
８ 位置確定部
９ 速度検出手段
１０ ＰＷＭ生成手段
１１ 転流手段
１６ 冷蔵庫
２１ 圧縮機

Claims (5)

1. 永久磁石を有する回転子と３相巻き線を有する固定子により構成されるブラシレスＤＣモータと、前記固定子巻き線に電気的に接続され、前記回転子の回転により前記固定子に発生する逆起電圧から前記回転子の回転位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路の出力に補正量を設定する補正部と、前記位置検出回路の出力と前記補正部の出力から前記ブラシレスＤＣモータの回転位置を確定する位置確定部と、前記位置確定部の信号に基づいて前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する通電角１２０度以上１５０度未満の矩形波およびそれに準じる任意の周波数の波形を生成する転流手段と、前記転流手段で生成した波形により前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータを有するモータ駆動装置。
2. 前記位置確定部から駆動速度を検出する速度検出手段と、前記ブラシレスＤＣモータを指令速度と前記速度検出手段により検出した駆動速度との偏差からパルス幅変調によるデューティを決定するＰＷＭ生成手段を有する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記補正部は、前記位置検出回路の信号が所定のタイミングで入力されたとき補正量を付加する請求項１および請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記ブラシレスＤＣモータの回転位置補正は、前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に通電する巻線を切り替えるタイミングを補正することで実現する請求項１から請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. 請求項１から請求項４に記載のモータ駆動装置を有した冷蔵庫。