JP2017163786A - モータ駆動システム及び洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】低速・高トルク出力特性と、高速・低トルク出力特性とをより効率的に切り換えて制御できるモータ駆動システムを提供する。【解決手段】実施形態のモータ駆動システムは、独立したｎ相の巻線を有するモータと、各相出力端子がそれぞれ対応する相の巻線の一端に接続されるｎ個のアーム，及び各相出力端子がそれぞれ前記巻線の他端に接続されるｎ個のアームを有するインバータ回路と、前記ｎ相の巻線への通電を各相毎に行う第１通電パターンを発生する通電信号と、前記ｎ相の巻線への通電が複数相間で時間的に重複する第２通電パターンを発生する通電信号とを形成し、前記第１及び第２通電パターンに対応する通電信号を選択して前記インバータ回路に供給する通電制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、独立したｎ相の巻線を有するモータを、２ｎ個のアームを有するインバータ回路により駆動するシステム，及びそのシステムを搭載した洗濯機に関する。

従来、交流電力を整流して得た直流電圧源やバッテリーによる直流電圧源をスイッチングして可変電圧，可変周波数の三相交流電力に変換し、その電力で三相交流モータを可変速制御するモータ駆動装置が広く採用されている。この場合、モータの特性に応じて低速且つ高トルク出力，又は高速且つ低トルク出力といった性能を有するが、例えば電気自動車や洗濯機などの製品では、運転状態に応じて双方の特性を選択できることが好ましい。

このような要求に対応する従来技術として、例えば特許文献１には、独立した３相の巻線を有するモータを２つのインバータ回路により駆動することで、Ｙ結線等価動作とΔ結線等価動作とを切換えるようにした駆動制御装置が開示されている。

特開２００８−２１９９５６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、Ｙ結線等価動作時には実際のＹ結線動作と同等の電流を流すことができるが、電圧は同等のレベルにならない。また、直流電圧部の電流変化が大きくなるため直流電圧源のピーク出力が大きくなる、といった問題がある。
そこで、低速・高トルク出力特性と、高速・低トルク出力特性とをより効率的に切り換えて制御できるモータ駆動システム，及びそのシステムを搭載した洗濯機を提供する。

実施形態のモータ駆動システムは、独立したｎ相の巻線を有するモータと、各相出力端子がそれぞれ対応する相の巻線の一端に接続されるｎ個のアーム，及び各相出力端子がそれぞれ前記巻線の他端に接続されるｎ個のアームを有するインバータ回路と、前記ｎ相の巻線への通電を各相毎に行う第１通電パターンを発生する通電信号と、前記ｎ相の巻線への通電が複数相間で時間的に重複する第２通電パターンを発生する通電信号とを形成し、前記第１及び第２通電パターンに対応する通電信号を選択して前記インバータ回路に供給する通電制御部とを備える。

一実施形態であり、モータ駆動システムの構成を示す図 制御回路の構成を示す機能ブロック図 ドラム式洗濯乾燥機の縦断側面図 ドラム式洗濯乾燥機の動作例を示す図 図２に示す制御回路における各機能ブロックによる処理内容に対応したフローチャート ステップＳ１０の通電パターンＡを形成する処理を示すフローチャート ステップＳ１２の通電パターンＢを形成する処理を示すフローチャート 通電パターンＡからＢへの切換え処理を示すフローチャート ステップＳ２３の詳細処理を示すフローチャート 通電パターンＢからＡへの切換え処理を示すフローチャート ステップＳ３３の詳細処理を示すフローチャート 通電パターンＢを形成するために決定される空間ベクトルを示す図 通電パターンＡに対応する各相通電信号の出力例を示す図（その１） 通電パターンＡに対応する各相通電信号の出力例を示す図（その２） 通電パターンＡに対応する各相通電信号の出力例を示す図（その３） 通電パターンＢに対応する各相通電信号の出力例を示す図 変形例であり、モータ駆動システムの構成を示す図

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図３はドラム式洗濯乾燥機の縦断側面図である。ドラム式洗濯乾燥機２１の外殻を形成する外箱２２は、前面に円形状に開口する洗濯物出入口２３を有しており、この洗濯物出入口２３は、ドア２４により開閉されるようになっている。外箱２２の内部には、背面が閉鎖された有底円筒状の水槽２５が配置されており、この水槽２５の背面中央部には洗濯用モータとしての永久磁石モータ３の固定子がねじ止めにより固着されている。そして、水槽２５は、サスペンション４１により支持されている。

永久磁石モータ３の回転軸２６は、後端部（図３では右側の端部）が永久磁石モータ３の回転子に固定されており、前端部（図３では左側の端部）が水槽２５内に突出している。回転軸２６の前端部には、背面が閉鎖された有底円筒状のドラム２７が水槽２５に対して同軸状となるように固定されており、このドラム２７は、永久磁石モータ３の駆動により回転軸２６と一体的に回転する。なお、ドラム２７には、空気および水を流通可能な複数の流通孔２８と、ドラム２７内の洗濯物の掻き上げやほぐしを行うための複数のバッフル２９が設けられている。

水槽２５には給水弁３０が接続されており、当該給水弁３０が開放されると、水槽２５内に給水されるようになっている。また、水槽２５には排水弁３１を有する排水ホース３２が接続されており、当該排水弁３１が開放されると、水槽２５内の水が排出されるようになっている。

水槽２５の下方には、前後方向へ延びる通風ダクト３３が設けられている。この通風ダクト３３の前端部は前部ダクト３４を介して水槽２５内に接続されており、後端部は後部ダクト３５を介して水槽２５内に接続されている。通風ダクト３３の後端部には、送風ファン３６が設けられており、この送風ファン３６の送風作用により、水槽２５内の空気が、矢印で示すように、前部ダクト３４から通風ダクト３３内に送られ、後部ダクト３５を通して水槽２５内に戻されるようになっている。

通風ダクト３３内部の前端側には蒸発器３７が配置されており、後端側には凝縮器３８が配置されている。これら蒸発器３７および凝縮器３８は、コンプレッサ３９や図示しない絞り弁とともにヒートポンプ４０を構成しており、通風ダクト３３内を流れる空気が蒸発器３７により除湿され凝縮器３８により加熱されて、水槽２５内に循環されるようになっている。

図１は、モータ駆動システムの構成を示している。図示しない商用交流電源に接続された直流電圧源１は、商用交流電源とリアクトル７を介して接続されたダイオードブリッジ８の出力端子に、電解コンデンサ９を接続して構成されている。直流電圧源１の出力端子には、例えばＩＧＢＴ等の１２個の半導体スイッチング素子Ｕ+ｐ，Ｕ+ｎ，Ｕ-ｐ，Ｕ-ｎ，Ｖ+ｐ，Ｖ+ｎ，…Ｗ-ｐ，Ｗ-ｎからなる６つのアームＵ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−を有するインバータ回路２が接続されている。

モータ３のＵ，Ｖ，Ｗ各相の巻線は中性点が接続されておらず互いに独立しており、各巻線の一端は、それぞれインバータ回路２のアームＵ＋，Ｖ＋，Ｗ＋の出力端子に接続されている。また、各巻線の他端，つまり従来中性点として接続される側の端子は、それぞれインバータ回路２のアームＵ−，Ｖ−，Ｗ−の出力端子に接続されている。各相の負側アームのエミッタと、インバータ回路２の負側端子との間には、電流検出素子に相当する電流検出抵抗４，５，６がそれぞれ挿入されている。

次に、インバータ回路２の各ゲート信号を形成する例えばマイコンで構成される制御回路１０について、図２を参照して説明する。ＡＤ変換部１１は電流検出部に相当し、電流検出抵抗４，５，６により検出される各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに比例した電圧ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをＡＤ変換する。ｕｖｗ／αβ変換部１２は、ＡＤ変換された電流値を、Ｕ相巻線方向に対して平行な成分Ｉαと、垂直な成分Ｉβとの２相交流に変換する。αβ／ｄｑ変換部１３は、電流Ｉα，Ｉβをモータ回転子の永久磁石の作る磁束方向と平行な成分Ｉｄと、垂直な成分Ｉｑとの２軸直流に変換する。

ω，θ検出部１４は、２種類の位置検出方法を有している。モータ３の停止又は極低速時の位置検出は、回転子磁束を各相の巻線単位で検出可能な位置に、例えば図示しないホールＩＣを配置しており、これらホールＩＣの出力信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗにより回転子の回転位置を検出する。その方法は、例えば特許第３２９０３５４号公報に詳細に記載されている。低速から高速回転時の位置検出方法は、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑ並びに後述するｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑ，更にモータ３のインダクタンス及び抵抗定数から、回転子の電気的位置である回転電気角θ及び回転角周波数ωを推定する。この方法については、例えば、特許第４０３８４１２号公報に記載されている。

回転電気角θは、αβ／ｄｑ変換部１３，ｄｑ／αβ変換部１７に入力される。回転角周波数ωは、制御回路１０に入力される速度指令値ωrefとの差分が減算器２０ωでとられた後ＰＩＤ制御部１５に入力される。ＰＩＤ制御部１５では、入力信号に対し比例・微分・積分演算が行われ、ｄ軸，ｑ軸の電流指令Ｉｄref，Ｉｑrefが生成される。電流指令Ｉｄref，Ｉｑrefは、減算器２０ｄ，２０ｑによりｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑとの差分がとられた後ＰＩＤ制御部１６ｄ，１６ｑに入力される。ＰＩＤ制御部１６ｄ，１６ｑでは、同様に入力信号に対し比例・微分・積分演算が行われ、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ，Ｖｑが生成される。

電圧指令Ｖｄ，Ｖｑは、ｄｑ／αβ変換部１７及びαβ／ｕｖｗ変換部１８ａ又は空間ベクトル生成部１８ｂにより各相の電圧Ｖｕ,Ｖｖ,Ｖｗに変換されて、通電パターン形成部１９に入力される。通電パターン形成部１９により形成される各スイッチング素子Ｕ+ｐ〜Ｗ-ｎのゲート信号Ｇｕ＋（ｐ，ｎ），Ｇｖ＋（ｐ，ｎ），Ｇｗ＋（ｐ，ｎ），Ｇｕ−（ｐ，ｎ），Ｇｖ−（ｐ，ｎ），Ｇｗ−（ｐ，ｎ）は、図示しないゲートドライブ回路を介して各スイッチング素子のゲート端子に与えられる。尚、以下では、記載が煩雑になることを避けるため、ゲート信号の符号について（ｐ，ｎ）は省略する。

尚、後述するように、通電パターン形成部１９では、αβ／ｕｖｗ変換部１８ａを介して第１通電パターンに相当する通電パターンＡが生成され、空間ベクトル決定部１８ｂを介して第２通電パターンに相当する通電パターンＢが生成される。変換部１８及び通電パターン形成部１９は、通電制御部に相当する。通電パターンＡ，Ｂの切換制御を行うため、通電パターン形成部１９には、回転角周波数ω並びにｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑが入力されている。これらは、選択的に何れか一方を入力しても良い。

次に、本実施形態の作用について図４から図１６を参照して説明する。ドラム式洗濯乾燥機２１は、図１及び図２のモータ駆動システムによりモータ３を駆動するが、この際、数１０回転，例えば５０〜６０ｒｐｍで正回転と反転及び停止を繰り返す洗い運転と、数百回転以上，例えば７００〜２０００ｒｐｍでの回転を継続する脱水運転とを含む、多種の回転動作により洗濯運転や乾燥運転を遂行する。図４はこれらの動作例である。

図５に示すフローチャートのステップＳ１〜Ｓ１２の処理は、図２に示す制御回路１０における各機能ブロックによる処理内容に対応している。ステップＳ７において、通電パターンＡを選択する場合は（ＹＥＳ）、ドラム式洗濯乾燥機２１が低速・高トルク，つまり大電流動作となる洗い運転や濯ぎ運転の場合である。一方、通電パターンＢを選択する場合は（ＮＯ）、ドラム式洗濯乾燥機２１が高速・低トルク，つまり小電流動作となる脱水運転の場合である。

図６は、ステップＳ１０における通電パターンＡを形成する処理である。通電パターンＡは、３相正弦波電圧信号Ｖｕ,Ｖｖ,Ｖｗに基づき、例えばＰＷＭ周期毎に下記のように各相の通電時間ｔｕ,ｔｖ,ｔｗを演算することで形成される（Ｓ１３）。
ｔｕ＝ｔpwm×（２Ｖｕ／Ｖｄｃ）
ｔｖ＝ｔpwm×（２Ｖｖ／Ｖｄｃ）
ｔｗ＝ｔpwm×（２Ｖｗ／Ｖｄｃ）
ｔ０＝ｔpwm−ｔｕ−ｔ−ｔｖ−ｔｗ
ここで、Ｖｄｃは直流電圧源１により供給される電圧，ｔpwmはＰＷＭ周期である。それから、各相の通電時間ｔｕ,ｔｖ,ｔｗに基づき、各スイッチング素子Ｕ+ｐ〜Ｗ-ｎのゲートに信号Ｇｕ＋，Ｇｖ＋，Ｇｗ＋，Ｇｕ−，Ｇｖ−，Ｇｗ−を出力する（Ｓ１４）。

図１３に示すように、例えばｔｕ,ｔｖ,ｔｗ,ｔ０の順で、各相間で通電が時間的に重複しないように通電信号を発生する。図１３は最大電圧を発生させた場合を示しており、ｔ０＝０となっている。モータ３の各相巻線には、インダクタンスの作用により連続した電流が流れる。また、図１４はより小さい電圧を発生した場合でｔ０≠０となっているが、同様に各相間で通電が時間的に重複しないように通電信号を発生している。

通電パターンＡでは最大電圧がＤＣ電圧Ｖｄｃの１／２となるが、直流電圧源１への充放電電流の重なりが無く、その間の配線や直流電圧源１における，特に電解コンデンサ９の充放電電流Ｉｄｃの変動が少なくなる。尚、ステップＳ１におけるＡＤ変換部１１でのＡＤ変換タイミングは、図１３に示すように、各相通電タイミングのほぼ中間のタイミングが望ましい。

図１５は、出力電圧は図１４と同じであるが、通電の相順を変化させている。電流Ｉｄｃの変化，つまり充放電による変動を最小とするように、前回ＰＷＭ周期での電流検出結果に応じて通電の順番を選択する。３相の各デューティ，通電期間の長さに応じて電流量が最大，中間，最小となるものをそれぞれ最大相，中間相，最小相とすると、最大相と中間相との電流差である第１差と、中間相と最小相との電流差である第２差とを求める。そして、最初は中間相から通電を開始し、次は、双方の差の大小関係に応じて
（第１差）＜（第２差）→最大相
（第１差）＞（第２差）→最小相
を選択し、最後は残りの相を通電する。

図７は、ステップＳ１２における通電パターンＢを形成する処理である。通電パターンＢは、通電パターンＡと同様に３相正弦波電圧に基づいて出力可能であるが、より高い電圧を供給できる空間ベクトルを使用して生成する。通電パターンＢでは、モータ３の各相巻線をΔ結線同様に使用するため、例えば
Ｇｕ−＝−Ｇｖ＋
Ｇｖ−＝−Ｇｗ＋
Ｇｗ−＝−Ｇｕ＋
とする。したがって、ゲート信号は３相分を形成すれば良い。

先ず、２軸電圧Ｖα及びＶβから、セクタ１〜６を決定する（Ｓ１５）。ここでは図１２に示すように、以下の論理に従って決定を行う。
if（Vα≧0 and Vβ≧0）and Vα≧Vβ/√3 → セクタ１，else セクタ２
if（Vα＜0 and Vβ≧0）and |Vα|＜Vβ/√3 → セクタ２，else セクタ３
if（Vα＜0 and Vβ＜0）and |Vα|≧|Vβ|/√3→ セクタ４，else セクタ５
if（Vα≧0 and Vβ＜0）and Vα＜|Vβ|/√3→ セクタ５，else セクタ６

次に、各電圧ベクトルの発生時間を決定する（Ｓ１６）。例えば、セクタ１の場合
電圧ベクトルＶ１(100)の発生時間ｔ１
ｔ１＝√３／Ｖｄｃ・ｔpwm・（√３／２・Ｖα−１／２・Ｖβ）
電圧ベクトルＶ２(110)の発生時間ｔ２
ｔ２＝√３／Ｖｄｃ・ｔpwm・Ｖβ
零ベクトル（Ｖ０(000)，Ｖ７(111)）の発生時間ｔ３
ｔ３＝ｔpwm−ｔ１−ｔ２
よって、各相ゲートのON時間は、例えばセクタ１の場合
Ｕ相のＯＮ時間ｔａ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３／２
Ｖ相のＯＮ時間ｔｂ＝ｔ２＋ｔ３／２
Ｗ相のＯＮ時間ｔｃ＝ｔ３／２
となる（Ｓ１７，Ｓ１８）。通電パターンＢの一例を図１６に示した。各相の通電タイミングが時間的に重複しており、それにより高電圧出力が達成されている。

脱水運転においては、図８に示すように始動は通電パターンＡで行い（Ｓ２１；ＹＥＳ→Ｓ２２）、ある回転数に達すると（Ｓ２１；ＮＯ）通電パターンＢに切り換える（Ｓ２３）。

図９は、ステップＳ２３の詳細処理を示す。最初は通電パターンＡでモータ３の駆動を開始し（Ｓ２４）、その後ｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑが通電パターンの切換え閾値となるように制御する（Ｓ２５，Ｓ２６）。ここでは、電流の急激な変化による振動騒音が発生しないように、通電パターンＡにおいてｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑを徐々にゼロに近づけるようにする。そして、双方の電流がゼロ又はゼロ付近に設定した切換え閾値を下回ると（Ｓ２６；ＹＥＳ）通電パターンＢでモータ３を駆動するように切換える（Ｓ２７）。この切換の際に、モータ３は一定期間だけ惰性運転となる。その後、電流値ゼロから通電パターンＢによる駆動制御が開始され、ｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑは速度制御により、加速に必要な値に制御される（Ｓ２８）。

また、図１０及び図１１は、通電パターンＢから通電パターンＡに切り換える場合の図８及び図９相当図であるが、通電パターンＡ，Ｂを入れ換えている以外は図８及び図９と同様である。

以上のように本実施形態によれば、独立した３相の巻線を有するモータ３と、各相出力端子がそれぞれ対応する相の巻線の一端に接続される３個のアームＵ＋，Ｖ＋，Ｗ＋及び各相出力端子がそれぞれ前記巻線の他端に接続される３個のアームＵ−，Ｖ−，Ｗ−を有するインバータ回路２と、３相巻線への通電を各相毎に行う通電パターンＡを発生する通電信号と、３相巻線への通電が複数相間で時間的に重複する通電パターンＢを発生する通電信号とを形成し、これらの一方を選択してインバータ回路２に供給する変換部１８及び通電パターン形成部１９とを備える。そして、通電パターン形成部１９は、モータ３の回転速度が閾値以下であれば通電パターンＡに対応する通電信号をインバータ回路２に供給し、回転速度が閾値を超えると通電パターンＢに対応する通電信号をインバータ回路２に供給する。

すなわち、本実施形態のモータ駆動システムは、低電圧大電流を出力可能な通電パターンＡと、高電圧小電流を出力できる通電パターンＢとを選択してモータ３を駆動できるので、低速・高トルク特性と高速・低トルク特性との両方を要求される負荷に対して最適である。特に、本実施形態のシステムをドラム式洗濯乾燥機２１に適用することで、通電パターンＡで始動し、回転数が上昇する過程において通電パターンＢに切り換えることができる。したがって、洗濯容量が大きい場合にも十分な始動トルクを確保でき、数１００回転で脱水が進み、負荷トルクが小さくなったときに特性を切り換えることができる。

また、通電パターン形成部１９は、通電パターンＡに対応する通電信号を、電流変化が最小となる相順で生成するので、電流Ｉｄｃの変化，つまり充放電による変動を最小にして、直流電圧源１の損失を最小化することができる。更に、直流電圧源１とインバータ回路２との間に電流検出抵抗４〜６を接続し、Ａ／Ｄ変換部１１は、通電パターンＡに対応する通電信号を供給する際に、各相巻線に電力を供給する期間の中間タイミングで電流検出抵抗４〜６の両端電圧を検出する。したがって、ノイズの影響を極力受けない状態で電流検出を行うことができる。

（その他の実施形態）
図１７に示すように、電流検出抵抗９９を、直流電圧源１の負側端子と、アームＵ＋の負側スイッチング素子Ｕ+nのエミッタとの間に１個のみ配置してもよい。電流検出抵抗が１個のみの場合は低電圧側で限界のある検出方法となるが、本実施形態では各相の電流が重複しないように通電されるため、上記検出方法の実施が容易となる。
モータの相数ｎは、「３」に限らない。
図４に示す動作例や回転数等の具体数値例は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
乾燥機能が無い洗濯機に適用しても良い。また、洗濯機に限ることなく、空調機や単体のコンプレッサ，電気自動車等に適用しても良い。

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、１は直流電圧源、２はインバータ回路、４〜６は電流検出抵抗、１０は制御回路、１１はＡＤ変換部、１８ａはαβ／ＵＶＷ変換部、１８ｂは空間ベクトル生成部、１９は通電パターン形成部、２１はドラム式洗濯乾燥機を示す。

Claims (6)

1. 独立したｎ相の巻線を有するモータと、
   各相出力端子がそれぞれ対応する相の巻線の一端に接続されるｎ個のアーム，及び各相出力端子がそれぞれ前記巻線の他端に接続されるｎ個のアームを有するインバータ回路と、
   前記ｎ相の巻線への通電を各相毎に行う第１通電パターンを発生する通電信号と、前記ｎ相の巻線への通電が複数相間で時間的に重複する第２通電パターンを発生する通電信号とを形成し、前記第１及び第２通電パターンに対応する通電信号を選択して前記インバータ回路に供給する通電制御部とを備えるモータ駆動システム。
2. 前記通電制御部は、前記モータの回転速度が閾値以下であれば前記第１通電パターンに対応する通電信号を前記インバータ回路に供給し、
   前記モータの回転速度が前記閾値を超えると前記第２通電パターンに対応する通電信号を前記インバータ回路に供給する請求項１記載のモータ駆動システム。
3. 前記通電制御部は、前記第１通電パターンに対応する通電信号を、電流変化が最小となる相順で生成する請求項１又は２記載のモータ駆動システム。
4. 直流電圧源と前記インバータ回路との間に接続される１個以上の電流検出素子と、
   前記第１通電パターンに対応する通電信号を供給する際に、各相巻線に電力を供給する期間の中間タイミングで前記電流検出素子の両端電圧を検出する電流検出部とを備える請求項１から３の何れか一項に記載のモータ駆動システム。
5. 前記モータの相数が「３」である請求項１から４の何れか一項に記載のモータ駆動システム。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載のモータ駆動システムを備え、
   前記通電制御部は、洗い運転時に前記第１通電パターンに対応する通電信号を前記インバータ回路に供給し、
   脱水運転時において、前記モータの回転速度が前記閾値を超えると前記第２通電パターンに対応する通電信号を前記インバータ回路に供給する洗濯機。

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