JP2017086597A - モータ制御装置及び洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速なハードウェアやＣＰＵを用いることなく、検出した電流に含まれているノイズ成分を除去してベクトル制御を精確に行うことができるモータ制御装置を提供する。【解決手段】実施形態の洗濯機のモータ駆動装置によれば、モータの固定子巻線に流れる電流を検出し、複数の電流検出値を平均して決定した電流に基づいて前記モータをベクトル制御する際に、前記モータの回転数が高くなるのに応じて平均値の演算に使用する電流検出値の数を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータの固定子巻線に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいてモータをベクトル制御する装置，及び当該装置を備えてなる洗濯機に関する。

特許文献１には、モータ電流を所定時間毎にＡ／Ｄ変換してサンプリングし、最もかけ離れた電流値をノイズ除去部により除去し、残りのサンプル値を用いて平均化部により平均したものをデジタル情報として出力する技術が開示されている。この場合、前記所定時間をＡ／Ｄ変換時間より短く、且つパルス状のノイズ時間幅よりも長く設定することで、得られる情報に遅れが生じることなくパルス状のノイズ成分を除去するようにしている。

特許第５４６６４８２号公報

しかしながら、特許文献１では、ノイズ除去部や平均化部がＡ／Ｄ変換器に内蔵される構成を想定しており、一般的な構成のマイクロコンピュータでは実現できない。また、ノイズ除去部や平均化部の機能をソフトウェアで実現することは可能であるが、それを実用するには高速で高価なＣＰＵが必要となる。

そこで、高速なハードウェアやＣＰＵを用いることなく、検出した電流に含まれているノイズ成分を除去してベクトル制御を精確に行うことができるモータ制御装置及び洗濯機を提供する。

実施形態のモータ制御装置によれば、モータの固定子巻線に流れる電流を検出し、複数の電流検出値を平均して決定した電流に基づいて前記モータをベクトル制御する際に、前記モータの回転数が高くなるのに応じて平均値の演算に使用する電流検出値の数を低減する。

第１実施形態であり、洗濯乾燥機における各モータの駆動制御系を概略的に示す図 ドラム式洗濯乾燥機の構成を示す縦断側面図 脱水運転の動作を概略的に示すフローチャート 電流プローブで測定したモータ電流について、平均の有無による波形の変化を示す図 第２実施形態であり、脱水運転の動作を概略的に示すフローチャート ＰＷＭ制御のキャリア周期毎に電流のＡ／Ｄ変換を４回行った場合を説明する図 キャリア周期毎に電流のＡ／Ｄ変換を１回行った場合を説明する図 第１実施形態に対応し、脱水運転を一貫してベクトル制御で行った場合のモータの回転数及び消費電力の変化を示す図 第２実施形態に対応するモータの回転数及び消費電力の変化を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図４を参照して説明する。図２は、ドラム式洗濯乾燥機の構成を示す縦断側面図である。外箱１は前板と後板と左側板と右側板と底板と天板を有する中空状をなすものであり、外箱１の前板には貫通孔状の出入口２が形成されている。この外箱１の前板には扉３が装着されている。この扉３は使用者が前方から閉鎖状態および開放状態相互間で操作可能なもので、扉３の閉鎖状態では出入口２が閉鎖され、扉３の開放状態では出入口２が開放される。外箱１の内部には水受槽４が固定されている。この水受槽４は後面が閉鎖された円筒状をなすもので、軸心線ＣＬが前から後に向けて下降する傾斜状態に配置されている。この水受槽４は前面が開口するものであり、扉３の閉鎖状態では扉３が水受槽４の前面を気密状態に閉鎖する。

水受槽４の後板には、水受槽４の外部に位置してドラムモータ５が固定されている。このドラムモータ５は速度制御可能なＤＣブラシレスモータからなり、ドラムモータ５の回転軸６は水受槽４の内部に突出している。この回転軸６は水受槽４の軸心線ＣＬに重ねて配置されたものであり、回転軸６には水受槽４の内部に位置してドラム７が固定されている。このドラム７は後面が閉鎖された円筒状をなすもので、ドラムモータ５の運転状態で回転軸６と一体的に回転する。このドラム７の前面は水受槽４の前面を介して出入口２に後方から対向しており、ドラム７の内部には扉３の開放状態で前方から出入口２と水受槽４の前面とドラム７の前面を通して洗濯物が出し入れされる。

ドラム７には、複数の貫通孔８が形成されており、ドラム７の内部空間は複数の貫通孔８のそれぞれを通して水受槽４の内部空間に接続されている。このドラム７には複数のバッフル９が固定されている。これら複数のバッフル９のそれぞれはドラム７が回転することに応じて軸心線ＣＬを中心に円周方向へ移動するものであり、ドラム７内の洗濯物は複数のバッフル９のそれぞれに引掛かりながら円周方向へ移動した後に重力で落下することで撹拌される。

外箱１の内部には、給水弁１０が固定されている。この給水弁１０は入口および出口を有するものであり、給水弁１０の入口は水道の蛇口に接続されている。この給水弁１０は給水弁モータ１１（図２参照）を駆動源とするものであり、給水弁１０の出口は給水弁モータ１１の回転量に応じて開放状態および閉鎖状態相互間で切換えられる。この給水弁１０の出口は、注水ケース１２に接続されており、給水弁１０の開放状態では水道水が給水弁１０を通して注水ケース１２内に注入され、給水弁１０の閉鎖状態では水道水が注水ケース１２内に注入されない。この注水ケース１２は外箱１の内部に水受槽４より高所に位置して固定されたものであり、筒状の注水口１３を有している。この注水口１３は水受槽４の内部に挿入されており、給水弁１０から注水ケース１２内に注入された水道水は注水口１３から水受槽４の内部に注入される。

水受槽４には、最底部に位置して排水管１４の上端部が接続されており、排水管１４には排水弁１５が介在されている。この排水弁１５は排水弁モータ１６（図２参照）を駆動源とするものであり、排水弁モータ１６の回転量に応じて開放状態および閉鎖状態相互間で切換えられる。この排水弁１５の閉鎖状態では注水口１３から水受槽４内に注入された水道水が水受槽４内に貯留され、排水弁１５の開放状態では水受槽４内の水道水が排水管１４を通して水受槽４の外部に排出される。

外箱１の底板には、水受槽４の下方に位置してメインダクト１７が固定されている。このメインダクト１７は前後方向へ指向する筒状をなすものであり、メインダクト１７の前端部には前ダクト１８の下端部が接続されている。この前ダクト１８は上下方向へ指向する筒状をなすものであり、前ダクト１８の上端部は水受槽４の内部空間に水受槽４の前端部で接続されている。メインダクト１７の後端部にはファンケーシング１９が固定されている。このファンケーシング１９は貫通孔状の吸気口２０および筒状の排気口２１を有するものであり、ファンケーシング１９の内部空間は吸気口２０を介してメインダクト１７の内部空間に接続されている。

ファンケーシング１９には、ファンケーシング１９の外部に位置してファンモータ２２が固定されている。このファンモータ２２はファンケーシング１９の内部に突出する回転軸２３を有するものであり、回転軸２３にはファンケーシング１９の内部に位置してファン２４が固定されている。このファン２４は軸方向から空気を吸込んで径方向へ吐出する遠心式のものであり、ファンケーシング１９の吸気口２０はファン２４にファン２４の軸方向から対向し、ファンケーシング１９の排気口２１はファン２４にファン２４の径方向から対向している。

ファンケーシング１９の排気口２１には、後ダクト２５の下端部が接続されている。この後ダクト２５は上下方向へ指向する筒状をなすものであり、後ダクト２５の上端部は水受槽４の内部空間に水受槽４の後端部で接続されている。これら後ダクト２５とファンケーシング１９とメインダクト１７と前ダクト１８と水受槽４は水受槽４の内部空間を始点および終点のそれぞれとする環状の循環ダクト２６を構成するものであり、扉３の閉鎖状態でファンモータ２２が運転されている場合にはファン２４が一定方向へ回転することに基づいて水受槽４内の空気が前ダクト１８内からメインダクト１７内を通してファンケーシング１９内に吸引され、ファンケーシング１９内から後ダクト２５内を通して水受槽４内に戻される。

外箱１の内部には、コンプレッサ（圧縮機）２７が固定されている。このコンプレッサ２７は循環ダクト２６の外部に配置されたものであり、冷媒を吐出する吐出口および冷媒を吸込む吸込口を有している。このコンプレッサ２７はコンプモータ２８（図２参照）を駆動源とするものであり、コンプモータ２８は速度制御可能なＤＣブラシレスモータから構成されている。

メインダクト１７の内部には、コンデンサ（凝縮器）２９が固定されている。このコンデンサ２９は空気を加熱するものであり、蛇行状に曲折する１本の冷媒管３０の外周面に板状をなす複数の加熱フィン３１のそれぞれを接触状態で固定することから構成されている。このコンデンサ２９の冷媒管３０はコンプレッサ２７の吐出口に接続されており、コンプモータ２８の運転状態ではコンプレッサ２７の吐出口から吐出された冷媒がコンデンサ２９の冷媒管３０内に進入する。

図１は、ドラムモータ５，ファンモータ２２及びコンプモータ２８の駆動制御系を概略的に示すものである。インバータ回路３４は、６個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）３５ａ〜３５ｆを三相ブリッジ接続して構成されており、各ＩＧＢＴ３５ａ〜３５ｆのコレクタ−エミッタ間には、フライホイールダイオード３６ａ〜３６ｆが接続されている。インバータ回路３４の各相出力端子は、ドラムモータ５の各相巻線に接続されている。

下アーム側のＩＧＢＴ３５ｄ、３５ｅ、３５ｆのエミッタは、シャント抵抗３７ｕ、３７ｖ、３７ｗを介してグランドに接続されている。また、ＩＧＢＴ３５ｄ、３５ｅ、３５ｆのエミッタとシャント抵抗３７ｕ、３７ｖ、３７ｗとの共通接続点は、制御回路（マイクロプロセッサ，マイクロコンピュータ）４２Ａの入力端子に接続されている。

制御回路４２Ａの内部では、図示しないが、オペアンプなどを含んで構成されレベルシフト回路により、シャント抵抗３７ｕ〜３７ｗの端子電圧を増幅すると共にその増幅信号の出力範囲が正側に収まるように（例えば、０〜＋３．３Ｖ）バイアスを与える。また制御回路４２Ａには、インバータ回路３４の上下アームが短絡した場合に回路の破壊を防止するために過電流検出を行なう機能がある。

そして、ファンモータ２２に対しては、同様に構成されるインバータ回路３８及びシャント抵抗３９（ｕ，ｖ，ｗ）が配置され、コンプモータ２８に対しては、インバータ回路４０及びシャント抵抗４１（ｕ，ｖ，ｗ）が配置されている。インバータ回路３８及び４０の制御は、もう１つの制御回路４２Ｂ（マイクロプロセッサ，マイクロコンピュータ），短絡制御手段）によって行われ、制御回路４２Ａ，４２Ｂは、シリアル通信による双方向通信が可能となっている。

インバータ回路３４，３８，４０の入力側には、駆動用電源回路４３が接続されている。駆動用電源回路４３は、１００Ｖの交流電源に対し、一端側にリアクトル（誘導性リアクタ）４４を介して接続され、ダイオードブリッジで構成される全波整流回路４５と、全波整流回路４５の出力側に直列接続された２個のコンデンサ４６ａ、４６ｂとを備えている。コンデンサ４６ａ、４６ｂの共通接続点は、全波整流回路４５の入力端子の一方に接続されている。駆動用電源回路４３は、後述するリアクトル４４を用いた昇圧動作を行わない場合には、１００Ｖの交流電源を倍電圧全波整流し、約２８０Ｖの直流電圧をインバータ回路３４等に供給する。

全波整流回路４５の入力端子には、同様にダイオードブリッジで構成されるもう１つの全波整流回路４７（短絡手段）が並列に接続されており、全波整流回路４７の出力端子間には、ＩＧＢＴ４８（短絡手段）が接続されている。ＩＧＢＴ４８のオンオフ制御は、制御回路４２Ｂが行う。尚、駆動用電源回路４３には、全波整流回路４７及びＩＧＢＴ４８も含まれている。また、全波整流回路４５の入力端子には、ＡＣ電圧検出器６０が接続されており、ＡＣ電圧検出器６０の出力端子は、制御回路４２Ａ及び４２Ｂの入力端子に接続されている。

インバータ回路３４，３８の入力端子間には、それぞれ抵抗４９ａ及び４９ｂの直列回路、抵抗５０ａ及び５０ｂの直列回路が接続されており、それぞれの共通接続点は、制御回路４２Ａ，４２Ｂの入力端子に接続されている。制御回路４２Ａ，４２Ｂは、上記各共通接続点の電圧を参照することで、インバータ回路３４，３８に入力される駆動電源電圧を検知する。

また、ドラムモータ５に対しては、ロータ位置を検出するため、例えばホールＩＣなどで構成される位置センサ５１（ｕ，ｖ，ｗ）が配置されており、位置センサ５１が出力するセンサ信号は、制御回路４２Ａに与えられている。また、交流電源とリアクトル４４との間には、例えば電流トランス（ＣＴ）などからなる電流センサ５２が介挿されており、電流センサ５２が出力するセンサ信号は、制御回路４２Ｂに与えられている。

制御回路４２Ａ，４２Ｂは、モータ５，２２，２８の各相巻線に流れる電流を検出し、その電流値に基づいて２次側の回転磁界の位相θ及び回転角速度ωを推定すると共に、三相電流を直交座標変換及びｄｑ(direct-quadrature) 座標変換することで励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑを得る。そして、制御回路４２Ａ，４２Ｂは外部より速度指令が与えられると、推定した位相θ及び回転角速度ω並びに電流成分Ｉｄ、Ｉｑに基づいて電流指令Ｉｄref 、Ｉｑref を生成し、それを電圧指令Ｖｄ、Ｖｑに変換すると直交座標変換及び三相座標変換を行なう。最終的には、駆動信号がＰＷＭ信号として生成され、インバータ回路３４，３８，４０を介してモータ５，２２，２８の各相巻線に出力される。

以上の構成において、インバータ回路３４，制御回路４２Ａ及び４２Ｂ，駆動用電源回路４３は、駆動装置６１を構成している。
次に、本実施形態の作用について図３及び図４を参照して説明する。図３は、脱水運転を行う場合の制御内容を、本実施形態の要旨に係る部分について示すフローチャートである。脱水運転を開始すると、先ずＵ，Ｖ，Ｗ各相の電流値を決定するための移動平均演算に使用するＡ／Ｄ変換値のサンプル数を「４」に設定する（Ｓ１）。ここで、各相電流のＡ／Ｄ変換はＰＷＭ制御の周期毎に行う。制御周期は例えば６４μ秒である。そして、ロータの位置決め処理を行うと（Ｓ２，Ｓ３；ＹＥＳ）、ベクトル制御を開始する（Ｓ４）。また、モータ５の起動時は、位置センサ５１を用いて駆動制御を行う（Ｓ５）。

モータ５の回転数が例えば３０ｒｐｍ以上になると（Ｓ６；ＹＥＳ）センサレス駆動方式に切り替え（Ｓ７）、更に回転数が例えば２００ｒｐｍ以上になると（Ｓ８；ＹＥＳ）、各相の電流値を決定するための移動平均演算に使用するサンプル数を「３」に減らす（Ｓ９）。引き続き、回転数が例えば３００ｒｐｍ以上になると（Ｓ１０；ＹＥＳ）同サンプル数を「２」に減らし（Ｓ１１）、回転数が例えば５００ｒｐｍ以上になると（Ｓ１２；ＹＥＳ）移動平均演算を行わず、サンプル数を「１」に、つまりその時点にＡ／Ｄ変換したサンプル値をそのまま電流値として制御に用いる（Ｓ１３）。

ベクトル制御を行う際に、Ａ／Ｄ変換した電流値にノイズが混入すると制御演算に影響を与えるため、モータ５から異音が発生したり、過大な電流が流れて過電流エラーが検出されたり、インバータ回路３４を構成するＩＧＢＴ３５が損傷するおそれがある。ノイズの原因としては、ＩＧＢＴ３５や、制御用の５Ｖ，１５Ｖ電源に使用されている素子のスイッチング動作等である。

図４は、電流プローブで測定したモータ電流について、平均の有無による波形の変化を示したものである。同図に示すように、ベクトル制御に使用する電流値を移動平均により決定することで、電流波形のノイズが減少していることが分かる。また、実際にモータより発生する異音も低下した。

以上のように本実施形態によれば、制御回路４２Ａは、モータ５の固定子巻線に流れる各相電流を検出し、複数の電流検出値を平均して決定した電流に基づいてモータ５をベクトル制御する際に、モータ５の回転数が高くなるのに応じて平均値の演算に使用する電流検出値の数を低減するようにした。これにより、制御回路４２Ａに高速処理を実行可能なマイクロコンピュータを用いずとも、モータ５の回転数が上昇した場合に電流値の平均演算を余裕を持って行い、ノイズを除去することができる。そして、モータ５から異音が発生したり、過電流エラーが発生することを回避できる。

（第２実施形態）
以下、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、異なる部分について説明する。図６は、移動平均演算に使用するサンプル数を「４」として、ＰＷＭ制御のキャリア周期毎に４回サンプリングを行うことを想定した例である。この場合、インバータ回路３４の下相側アームがＯＮしている期間内に４回Ａ／Ｄ変換を行うことになるが、ノイズの影響を避けるには、前記ＯＮ期間内の中央付近でサンプリングするのが好ましい。すると、制御回路４２を構成するＣＰＵやＡ／Ｄ変換器の処理速度が不足する場合が多い。

これに対して、図７に示す第１実施形態のように、キャリア周期毎に１回サンプリングを行い複数周期に亘って移動平均演算を行うようにすれば、Ａ／Ｄ変換処理を十分な余裕を持って行うことができる。しかしながら、この場合、電流値の処理に時間遅れが生じるため、モータ５の回転速度が低速である場合は問題ないが、高速になると処理の遅れによる影響が及ぶようになる。

そこで、第２実施形態では、モータ５の回転数がある程度上昇した段階で、ベクトル制御から電圧・位相制御に切り替えを行う。このための構成は、例えば特許第３６５１５９５号公報などに開示されている。また、電圧・位相制御に切り替えるのに伴い、電流値の移動平均演算も停止する。ベクトル制御においては、その制御ループ中にＰＩ（比例積分）制御が含まれているため、電流値に含まれるノイズの影響が顕著に表れる。一方、電圧・位相制御ではＰＩ制御を行わないため、電流値に多少のノイズが含まれていても電流変動が少ないので問題はない。

図５に示すフローチャートでは、ステップＳ８〜Ｓ１３に替えてステップＳ２１〜Ｓ２３を実行する。ステップＳ７を実行すると、モータ５の回転数が閾値である例えば２８０ｒｐｍ以上になると（Ｓ２１；ＹＥＳ）、ステップＳ１３と同様に移動平均演算を行わず、その時点にＡ／Ｄ変換したサンプル値をそのまま電流値として制御に用いる（Ｓ２２）。それから、制御方式をベクトル制御から電圧・位相制御に切り替えると（Ｓ２３）、ステップＳ１４に移行する。

図８は第１実施形態に対応し、脱水運転を一貫してベクトル制御で行ったもので、モータ５の回転数が１６５０ｒｐｍに達した時点でピークとなる消費電力は６７０Ｗである。電流値について移動平均演算を行わない場合は８００Ｗであり、移動平均演算のために時間遅れが発生し、その影響が高速回転時に顕著になり電力低下すなわちモータ出力の低下が発生している。一方、図９は第２実施形態に対応した脱水運転の場合であり、電圧・位相制御に切り替え移動平均演算処理を停止したことで、ピークの消費電力は上記と同様の８００Ｗ程度に維持されている。

以上のように第２実施形態によれば、制御回路４２Ａは、モータ５の回転数が予め設定した閾値以上になると、ベクトル制御に替えて電圧・位相制御を行うようにした。これにより、モータ５の高速回転領域において移動平均演算処理を停止した場合でも、ノイズの影響による電流の変動を低減できる。

（その他の実施形態）
制御回路４２Ａ，４２Ｂを統合して、１つの制御回路としても良い。
半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限ることなく、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴを用いても良い。
ファンモータ２２や、コンプモータ２８に同様の制御を適用しても良い。
移動平均演算に用いるサンプル数の最大値や減少のパターンについては、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
回転数の閾値の設定も一例であり、同様に個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
乾燥機能を持たない洗濯機に適用しても良い。

本発明のいくつかの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。これら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。

図面中、５はドラムモータ、４２は制御回路、３４，３８，４０はインバータ回路、６１は駆動装置を示す。

Claims (3)

1. モータの固定子巻線に流れる電流を検出し、複数の電流検出値を平均して決定した電流に基づいて前記モータをベクトル制御する際に、前記モータの回転数が高くなるのに応じて平均値の演算に使用する電流検出値の数を低減するモータ制御装置。
2. 前記モータの回転数が予め設定した閾値以上になると、前記ベクトル制御に替えて電圧・位相制御を行う請求項１記載のモータ制御装置。
3. 洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させるモータと、
   このモータを駆動する駆動回路と、
   この駆動回路を介して前記モータの駆動を制御する請求項１又は２記載のモータ制御装置とを備えてなる洗濯機。

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