JP2017017996A - DC brushless motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DCブラシレスモータを制御するDCブラシレスモータ制御装置に関するものである。 The present invention relates to a DC brushless motor control device that controls a DC brushless motor.
エアーノズルから噴射される高圧空気流で手を乾燥させる手乾燥装置においては、その乾燥時間は概ねエアーノズルから吹き出される高圧空気流の静圧×風量により決定され、その積が大きいほど短い時間で手の乾燥が可能となる。なお、静圧は風速の2乗に比例する。手乾燥装置の高圧空気流は、ブロワモータにより生成されるが、そのブロワモータには、整流子モータや、整流子モータより長寿命となるDCブラシレスモータが採用されている。 In a hand-drying device that dries hands with a high-pressure air flow ejected from an air nozzle, the drying time is generally determined by the static pressure of the high-pressure air flow blown from the air nozzle x the air volume, and the larger the product, the shorter the time The hand can be dried. The static pressure is proportional to the square of the wind speed. The high-pressure airflow of the hand dryer is generated by a blower motor, and a commutator motor or a DC brushless motor that has a longer life than the commutator motor is employed as the blower motor.
ブロワモータにDCブラシレスモータを採用した場合、モータ駆動回路を小型で安価に構成するために、DCブラシレスモータにホール素子等のローター位置検知手段(センサ素子)を搭載せず、そのモータが回転することにより発生する逆起電圧においてローターの磁極の変化(磁極の境界)に対応して発生するゼロクロスポイントを認識しローターの回転位置を検知する、センサレス駆動方式が採用されている(例えば、特許文献1参照)。 When a DC brushless motor is used for the blower motor, the motor drive circuit must be compact and inexpensive, so that the DC brushless motor is not equipped with a rotor position detection means (sensor element) such as a hall element, and the motor rotates. A sensorless driving method is adopted in which the zero cross point generated in response to the change in the magnetic pole of the rotor (the boundary between the magnetic poles) is detected in the counter electromotive voltage generated by the above, and the rotational position of the rotor is detected (for example, Patent Document 1). reference).
また、逆起電圧を用いたセンサレス駆動方式として、DCブラシレスモータを駆動するスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間中は逆起電圧が正しく検出できないため、スパイク信号の発生期間を避けてローターの位置を検知するものがある(例えば、特許文献2参照)。 In addition, as a sensorless drive method using a back electromotive voltage, the back electromotive voltage cannot be detected correctly during the spike signal generation period immediately after the switching element that drives the DC brushless motor is de-energized. There is one that detects the position of the rotor while avoiding it (see, for example, Patent Document 2).
手に付着した水を高圧空気流で吹き飛ばすタイプの手乾燥装置においては、その乾燥時間は概ね高圧空気流の風速×風量により決定される。所定の乾燥性能を得る場合、風速を上げ風量を下げれば、モータからエアーノズルに高圧空気流を送る送風路を小型化でき、また、高圧空気流を温風化するヒーターを搭載する場合、ヒーターの容量が小さくてすむというメリットがある。 In a hand-drying apparatus of the type that blows off water adhering to the hand with a high-pressure air flow, the drying time is generally determined by the wind speed × the air volume of the high-pressure air flow. When obtaining a predetermined drying performance, the air passage that sends the high-pressure air flow from the motor to the air nozzle can be downsized by increasing the air speed and reducing the air volume, and when the heater that warms the high-pressure air flow is installed, There is an advantage that the capacity is small.
モータの回転数を上げればジェット風の風速を上げることができるが、逆起電圧を利用したローターの回転位置の検知によるセンサレス駆動方式の場合、DCブラシレスモータを高速回転させていくとスパイク信号の発生期間中にゼロクロスポイントが到達してしまい、ローターの回転位置の検知ができなくなってしまう。従って、スパイク信号の発生期間がゼロクロスポイントと重ならない回転数までしかモータの回転数を上げることができなかった。 Increasing the motor speed can increase the speed of the jet wind. However, in the sensorless drive system based on the detection of the rotor rotation position using the back electromotive force, the spike signal is generated when the DC brushless motor is rotated at a high speed. The zero cross point will be reached during the occurrence period, making it impossible to detect the rotational position of the rotor. Therefore, the number of revolutions of the motor can be increased only to the number of revolutions at which the spike signal generation period does not overlap with the zero cross point.
即ち、DCブラシレスモータの回転数に制約がある分、乾燥性能を得るために風量が必要となり、送風路の小型化やヒーターの小容量化の妨げになっている。 That is, since the rotational speed of the DC brushless motor is limited, an air volume is required to obtain the drying performance, which hinders downsizing of the air passage and the capacity of the heater.
本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、DCブラシレスモータの回転数を高速化してもスパイク信号の発生期間がゼロクロスポイントと重ならないDCブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a DC brushless motor control device in which the generation period of a spike signal does not overlap with the zero cross point even if the rotational speed of the DC brushless motor is increased. With the goal.
本発明に係るDCブラシレスモータ制御装置は、複数のスイッチング素子の駆動に基づいて直流電力を交流電力に変換し、DCブラシレスモータのステータの巻線に通電してローターを回転させるインバータと、DCブラシレスモータのローターの回転により巻線に発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出手段と、逆起電圧検出手段により検出された逆起電圧から逆起電圧のゼロクロスポイントを検出してローターの回転位置を検知し、ゼロクロスポイントを検出してから所定の遅延時間後に複数のスイッチング素子への通電を切り替える制御回路とを備え、制御回路は、複数のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いて、スイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間とゼロクロスポイントが重ならないようにした。 A DC brushless motor control device according to the present invention converts an DC power into an AC power based on driving of a plurality of switching elements, and an inverter that rotates a rotor by energizing a winding of a stator of the DC brushless motor, and a DC brushless The counter electromotive voltage detecting means for detecting the counter electromotive voltage generated in the winding due to the rotation of the rotor of the motor, and the rotation of the rotor by detecting the zero cross point of the counter electromotive voltage from the counter electromotive voltage detected by the counter electromotive voltage detecting means. And a control circuit that switches energization to a plurality of switching elements after a predetermined delay time after detecting a position and detecting a zero cross point, and the control circuit uses a wide band gap semiconductor for the switching elements and performs switching. If the generation period of the spike signal that occurs immediately after the element is de-energized and the zero cross point overlap It was strange.
本発明によれば、DCブラシレスモータのステータの巻線に通電する複数のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いて、そのスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間とゼロクロスポイントが重ならないようにした。そのため、スイッチングスピードが速くなり、スイッチング素子の通電休止直後のスパイク信号の発生期間が短縮され、これに伴いスパイク信号により逆起電圧が正しく検出できない期間も短縮され、その分、DCブラシレスモータの回転数を上げることができる。 According to the present invention, a wide band gap semiconductor is used for a plurality of switching elements energized in the stator winding of a DC brushless motor, and the generation period of a spike signal generated immediately after the energization of the switching element is interrupted and the zero cross point overlap. I tried not to be. Therefore, the switching speed is increased, the generation period of the spike signal immediately after the switching element is deenergized is shortened, and the period during which the back electromotive voltage cannot be detected correctly by the spike signal is also shortened. You can increase the number.
以下、本発明に係る手乾燥装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of a hand dryer according to the present invention will be described in detail. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
図1は実施の形態に係る手乾燥装置の右側を切断して示す断面図である。
図1において、手乾燥装置の外観は、上部に手挿入口3および手挿入口3から下方に凹んで両側面が開放された手乾燥室6を有する箱形状のケーシング1によりなっている。ケーシング1は、背面の外郭をなすベース5と、正面の外郭をなす前面パネル7と、両側面の外郭をなす側面パネルとから構成されている。手乾燥室6の前後の壁面には、シリコン系もしくはフッ素系等の撥水性コーティング、又は酸化チタン等の親水性を有するコーティング、又は抗菌剤が含浸されており、表面への汚れの付着の軽減や細菌の繁殖の低減が図られている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the right side of the hand dryer according to the embodiment.
In FIG. 1, the external appearance of the hand drying device is a box-shaped casing 1 having a
ケーシング1には、手乾燥室6の前面と背面の壁面に設置された手検出装置8と、手乾燥室6の下方に設置された高圧空気発生装置2と、高圧空気発生装置2により生成された高圧空気流を手乾燥室6の手前側と奥側に分流する送風路15と、底部に前後方向に抜き差し可能に設けられたドレン容器13と、手乾燥室6の底部に設けられた排水口11に接続され、ドレン容器13に水を導くための排水管12と、高圧空気発生装置2の近傍に設置された回路基板10とが設けられている。また、ケーシング1の底部には、着脱可能にエアーフィルタ14が装着された空気取入口17が設けられている。
The casing 1 is generated by the
手検出装置8は、赤外線発光部と赤外線受光部とで構成され、赤外線発光部と赤外線受光部の間の赤外線が遮断されたときに手検知信号を回路基板10の制御回路に入力する。高圧空気発生装置2は、後述するが、DCブラシレスモータと、DCブラシレスモータの回転により吸込口16から外気を吸引し、高圧空気流を送風路15内に送り込むファンとで構成されている。
The
送風路15は、前述したように手乾燥室6の手前側と奥側に分流して成り、手挿入口3の近傍の前面側および背面側の各壁面に設けられたエアーノズル4と連結されている。これらエアーノズル4から高速空気流が手乾燥室6内に噴射され、手挿入口3に挿入された手に付着した水を手乾燥室6内に吹き飛ばす。吹き飛ばされた水は、手乾燥室6の底部に落下し、排水口11から排水管12を通じてドレン容器13に貯留される。前述の送風路15には、高圧空気発生装置2からの高圧空気流を温風とするヒーター9が設置されている。
The
ドレン容器13には、取外し可能な蓋が取り付けられている。ドレン容器13と蓋は、耐薬品性のあるPP又はABS樹脂などにより成型され、中性洗剤及びアルコールなどを使って洗浄し清掃することができる。回路基板10には、後述するが、例えばマイクロコンピュータからなる制御回路、直流電源回路、高圧空気発生装置2を駆動するためのインバータ、逆起電圧検出手段などが実装されている。
A removable lid is attached to the
前述の制御回路は、手検出装置8からの手検出信号が入力されたときに高圧空気発生装置2に通電して高速空気流を発生させ、手検出信号の入力が断たれたときには、所定の遅延時間後に高圧空気発生装置2への通電を遮断して停止する。また、制御回路は、高圧空気発生装置2の運転時に送風路15に設置されたヒーター9に通電し、エアーノズル4から暖かい高圧空気流が噴射されるようにする。
When the hand detection signal from the
次に、高圧空気発生装置2の構成について図2を用いて説明する。
図2は図1の手乾燥装置に搭載された高圧空気発生装置の構成を示す断面図である。
図2において、高圧空気発生装置2は、前述したように、DCブラシレスモータ2aと、DCブラシレスモータの回転軸22cと共に回転して高圧空気流を発生するファン2bとで構成されている。
Next, the configuration of the high-
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the high-pressure air generator mounted on the hand dryer shown in FIG.
In FIG. 2, the high-
DCブラシレスモータ2aは、インナーローター型のセンサレスDCブラシレスモータで、ステータ21と、ステータ21の内側に空隙を有して配置され、一体化された回転軸22cを介して軸受23に回転自在に支持されたローター22とで構成されている。ステータ21は、内側に径方向に突出する鉄心歯部21aと、鉄心歯部21aに巻かれた巻線21bとを有している。このステータ21は、巻線21bで構成されるU相、V相、W相の3相からなっている。ローター22は、円柱形状のローター鉄心22aと、ローター鉄心22aの外周に周方向に埋め込まれた複数の永久磁石22bとで構成されている。前述のDCブラシレスモータ2aは、後述するインバータからの電流に基づいてステータ21の巻線21bに回転磁界が発生し、回転磁界と同じ周期でローター22が回転する。
The DC
次に、DCブラシレスモータ2aを駆動する回路構成について図3を用いて説明する。
図3は図2の高圧空気発生装置のDCブラシレスモータを駆動する回路図である。
図3において、交流電流を整流して平滑し直流電流に変換する直流電源回路31と、直流電源回路31からの直流電力を交流電力に変換し、ステータ21の各相の巻線21bに電流を供給するインバータ32と、ローター22の回転により巻線21bに発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出手段33と、逆起電圧検出手段33により検出された逆起電圧からローター22の回転位置を検知し、その回転位置に基づいてインバータ32にモータ駆動信号を出力する制御回路34とを備え、これらが前述の回路基板10に実装されている。
Next, a circuit configuration for driving the DC
FIG. 3 is a circuit diagram for driving a DC brushless motor of the high-pressure air generator of FIG.
In FIG. 3, a DC
インバータ32は、6個のスイッチング素子51〜56(UH、VH、WH、UL、VL、WL)により構成されている。本実施の形態においては、各スイッチング素子51〜56にワイドバンドギャップ半導体が用いられている。このバンドギャップ半導体は、従来の珪素(シリコン:Si)系半導体と比較して大きなエネルギーバンド幅を有し、例えば、炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)系材料、又はダイヤモンド等が使用されている。バンドギャップ半導体によるスイッチング素子51〜56は、Si系半導体のスイッチング素子と比べ、スイッチングスピードが2倍から数倍速いので、後述するスパイク信号の発生期間が短縮(例えば1/2)される。
The
制御回路34は、逆起電圧検出手段33でステータ21の巻線21bに発生する逆起電圧をモニターし、ローター22の磁極の変化(N極とS極との境界)に対応して発生するゼロクロスポイントを検出することでローター22の回転位置を検知し、所定の遅延時間後にスイッチング素子51〜56への通電を切り替える(センサレス駆動方式)。スイッチング素子51〜56への通電を切り替えたときに、モータ電流の還流によりスパイク信号が発生する。
The
ここで、スパイク信号の発生期間について図4乃至図6を用いて説明する。なお、スパイク信号の発生期間は、DCブラシレスモータ2aの巻線21bの仕様やモータ電流によって変化するが、その仕様およびモータ電流を同じとして説明する。なお、極数が4極のDCブラシレスモータ2aが使用されているものとする。
Here, the generation period of the spike signal will be described with reference to FIGS. The generation period of the spike signal varies depending on the specification of the winding 21b of the
図4はDCブラシレスモータの回転数を例えば毎分20000としたときのモータ駆動信号の波形図および従来技術におけるステータの巻線に誘起された逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図、図5はDCブラシレスモータの回転数を例えば毎分30000としたときの逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図、図6は従来技術におけるDCブラシレスモータの回転数を例えば毎分30000としたときの逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図である。 4 is a waveform diagram of a motor drive signal when the rotational speed of the DC brushless motor is, for example, 20000 per minute, and a waveform diagram showing a back electromotive voltage signal and a spike signal induced in the stator winding in the prior art, FIG. FIG. 6 is a waveform diagram showing a counter electromotive voltage signal and a spike signal when the rotational speed of the DC brushless motor is 30000 per minute, for example. FIG. 6 is a reverse diagram when the rotational speed of the DC brushless motor in the prior art is 30000 per minute, for example. It is a wave form diagram which shows an electromotive voltage signal and a spike signal.
DCブラシレスモータ2aを毎分20000回転数で回転させた場合、モータ駆動信号および逆起電圧信号の周期は1.5msec(=1s/((20000rpm/60s)×4極/2))となる。この事例では、逆起電圧信号のゼロクロスポイント18を検出してからモータ駆動信号を切り替えるまでの時間を周期の15°相当に設定しており、周期1.5msecでは62.5μsecとなる。この値は、駆動シーケンスを検討する上で個々に設定されるものである。スパイク信号19の時間はモータに流れる電流量やスイッチング素子のスピードにより変化するが、従来のSi系半導体を用いたスイッチング素子でスパイク信号19が125μsecの間発生したとすると、スパイク信号19の発生期間が完了してからゼロクロスポイント18までの期間は62.5μsecとなり、逆起電圧信号の検出が可能になる。
When the
この状態からDCブラシレスモータ2aの回転数を毎分30000回転まで上げると、逆起電圧信号の周期は約1.0msec(=1s/((30000rpm/60s)×4極/2))、逆起電圧信号のゼロクロスポイント18を検出してからモータ駆動信号を切り替えるまでの時間は41.7μsec(=1.0msec×15°/360°)となる。ゼロクロスポイントの間隔は166.7μsec(=1.0msec/6)なので、スパイク信号19が図4と同じ125μsec発生したとすると、41.7μsec+125μsec=166.7μsecとなり、図6に示すように、スパイク信号19の期間とゼロクロスポイント18が重なってしまう。そのため、ゼロクロスポイント18が信号として現れず、逆起電圧信号を正常に検知することができなくなる。
From this state, when the rotational speed of the
ここで、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子51〜56を駆動して、DCブラシレスモータ2aを図6と同様に毎分30000回転数で回転させる。この事例では、スパイク信号19の発生期間を図4および図6のときの1/2の62.5μsec(=125μsec/2)になるとする。すると、スパイク信号19の発生期間が完了してからゼロクロスポイント18までの期間は62.5μsec(=166.7μsec−41.7μsec−62.5μsec)となり、従来のSi系半導体を用いたスイッチング素子で20000回転させた時と、ローター22の回転位置の検知は同じ安定性となる。
Here, the switching
以上のように、センサレス駆動方式においても、スパイク信号19の発生期間を短くすることで、DCブラシレスモータ2aの高速回転化が可能となる。
As described above, also in the sensorless driving method, the
手に付着した水を高圧空気流で吹き飛ばす手乾燥装置においては、その乾燥性能は、概ねエアーノズル4から吹き出される高圧空気流の静圧×風量により決定され、その積が大きいほど短い時間で手の乾燥が可能となる。
In a hand dryer that blows off water adhering to the hand with a high-pressure air flow, the drying performance is generally determined by the static pressure x air volume of the high-pressure air flow blown from the
静圧は風速の2乗に比例し、風速はDCブラシレスモータ2aの回転数比の2乗に比例する。そのため、その回転数を1.5倍にすれば、風速は2.25倍となり、静圧は5.06倍となる。従って、手乾燥装置の乾燥性能を維持した場合、静圧が5.06倍になれば、風量を1/5に軽減できる。また、送風路15の面積は、Q=AP(A:ダクト面積、Q:風量、P:風速)となるため、風量が1/5、風速が2.25倍になれば、送風路15の面積は1/11.25に軽減できる。図1に示すように送風路15は製品サイズに大きく寄与しているため、送風路15を細くすることにより、手乾燥装置のサイズのコンパクト化や製品構造制約の緩和を実現できる。
The static pressure is proportional to the square of the wind speed, and the wind speed is proportional to the square of the rotational speed ratio of the
本実施の形態においては、DCブラシレスモータ2aのステータ21の巻線21bへの通電をスイッチングするスイッチング素子51〜56にワイドバンドギャップ半導体を用いて、そのスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号19の発生期間を短くなるようにしている。そのため、センサレス駆動方式でもDCブラシレスモータ2aの高速回転化が可能になり、手の乾燥性能を維持したまま風量を1/5に減らすことで、送風路15の体積を減らすことができ、手乾燥装置のサイズのコンパクト化を実現できる。
In the present embodiment, a wide band gap semiconductor is used for switching
また、高圧空気流を温風化するヒーター9の容量は、ΔT=W/KQ(ΔT:温度上昇、W:ヒーター発熱量、Q:風量、K:係数)となるため、風量を1/5に軽減できればヒーター9の容量も1/5に軽減できる。例えば、従来、500Wのヒーター9を用いていた場合、風量を1/5にできれば100Wのヒーター9で同等の温風を得ることができ、大幅な省エネが実現できる。 Further, the capacity of the heater 9 for warming the high-pressure air flow is ΔT = W / KQ (ΔT: temperature rise, W: heater heat generation, Q: air volume, K: coefficient). If it can be reduced, the capacity of the heater 9 can be reduced to 1/5. For example, when a 500 W heater 9 is conventionally used, if the air volume can be reduced to 1/5, the same warm air can be obtained with the 100 W heater 9, and significant energy saving can be realized.
また、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子51〜56は、耐熱性も高いため、スイッチング素子51〜56の冷却のために必要な放熱フィン(図示せず)の小型化が可能であり、手乾燥装置の小型化が可能になる。
In addition, since the switching
さらに、電力損失が低いため、スイッチング素子51〜56の高効率化が可能であり、延いては、手乾燥装置の高効率化が可能になる。
Furthermore, since the power loss is low, the switching
また、スイッチング素子51〜56の高速回転化により、DCブラシレスモータ2aの起動開始から定常回転になるまでの過渡期間を短縮することができるので、手乾燥室6に手を挿入してからエアーノズル4から吹き出される高圧空気流が定常になるまでの時間を短縮できるので、より短時間に手を乾燥させることができ、使い勝手がよい。
Further, since the switching
1 手乾燥装置のケーシング、2 高圧空気発生装置、2a DCブラシレスモータ、2b ファン、3 手挿入口、4 エアーノズル、5 ベース、6 手乾燥室、7 前面パネル、8 手検出装置、9 ヒーター、10 回路基板、11 排水口、12 配水管、13 ドレン容器、14 エアーフィルタ、15 送風路、16 吸込口、17 空気取入口、18 ゼロクロスポイント、19 スパイク信号、21 ステータ、21a 鉄心歯部、21b 巻線、22 ローター、22a ローター鉄心、22b 永久磁石、22c 回転軸、23 軸受、31 直流電源回路、32 インバータ、33 逆起電圧検出手段、34 制御回路、51〜56 スイッチング素子。
1 Hand dryer casing, 2 High pressure air generator, 2a DC brushless motor, 2b Fan, 3 Hand insertion port, 4 Air nozzle, 5 Base, 6 Hand drying chamber, 7 Front panel, 8 Hand detector, 9 Heater, DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記DCブラシレスモータのローターの回転により前記巻線に発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出手段と、
前記逆起電圧検出手段により検出された逆起電圧から当該逆起電圧のゼロクロスポイントを検出して前記ローターの回転位置を検知し、前記ゼロクロスポイントを検出してから所定の遅延時間後に前記複数のスイッチング素子への通電を切り替える制御回路と
を備え、
前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いて、当該スイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間と前記ゼロクロスポイントが重ならないようにしたことを特徴とするDCブラシレスモータ制御装置。 An inverter that converts DC power into AC power based on driving of a plurality of switching elements, energizes the windings of the stator of the DC brushless motor, and rotates the rotor;
Back electromotive voltage detection means for detecting a back electromotive voltage generated in the winding by rotation of the rotor of the DC brushless motor;
From the back electromotive voltage detected by the back electromotive voltage detecting means, a zero cross point of the back electromotive voltage is detected to detect the rotational position of the rotor, and after the predetermined time delay, A control circuit for switching energization to the switching element,
The control circuit uses a wide band gap semiconductor for the plurality of switching elements so that a generation period of a spike signal generated immediately after the energization of the switching elements is stopped does not overlap with the zero cross point. Brushless motor control device.
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