JP3641575B2

JP3641575B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP3641575B2
Application number: JP2000198758A
Authority: JP
Inventors: 細糸強志; 俊雅田中; 太施磯野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: JP2002017096A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源を整流しその直流電圧をインバータ主回路を介して直流ブラシレスモータに与えるようにしたモータ駆動装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図１０には、従来におけるモータ駆動装置の一例を示している。商用交流電源１には、整流器２とコンデンサ３および４とからなる直流電源回路５が接続されており、この直流電源回路５は商用交流電源１を倍電圧整流して直流電圧Ｖｄｃ（商用交流電源１の電圧が１００Ｖのとき約２８２Ｖ）を出力する。この直流電圧Ｖｄｃはインバータ主回路６に与えられる。インバータ主回路６は、スイッチング素子６ａ〜６ｆを有して構成されており、各スイッチング素子６ａ〜６ｆは、駆動回路７からゲート信号が与えられてオンオフ制御され、もって直流ブラシレスモータ８を回転駆動制御するものである。
【０００３】
上記駆動回路７には、マイクロコンピュータ等を含んで構成される制御回路９からＰＷＭ信号が与えられるようになっており、そして、この駆動回路７は、このＰＷＭ信号に応じてゲート信号を出力する。
【０００４】
さて、上述の従来構成において、直流電源回路５は、交流を整流・平滑するとはいうものの、完全には平滑できないことから、その出力電圧Ｖｄｃには、図１１に示すようなリップルが発生する。ちなみにこのリップルの周波数は、直流電源回路５が全波整流倍電圧形であるので、商用交流電源１の２倍の周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの２倍）である。
ところで上述した出力電圧Ｖｄｃの電圧リップルにより振動が発生することがあることから、従来では、この振動発生を抑制することが行なわれていた。すなわち、インバータ主回路６からモータ８へ与える供給電圧に、前記電圧リップルと相殺する電圧を結果的に重畳させるという方式があり、詳述すると、次のようになっている。制御回路９は、便宜的に基準電圧Ｖｋ（例えば２００Ｖ）を固定的に設定し、出力電圧Ｖｄｃを検出し、モータ８への供給電圧を一義的に２００ＶとするようにＰＷＭ制御のモータ駆動指令値（搬送信号に対する制御信号）を設定する。
【０００５】
このとき、上述の出力電圧Ｖｄｃを電圧リップルの周期より短い周期で逐次検出し、電圧リップルの高い部分では供給電圧を低くし、電圧リップルの低い部分では供給電圧を高くするようにしている。つまり、Ｖｋ／Ｖｄｃを計算し、その値を、モータ駆動指令値に乗ずる。例えば、Ｖｄｃが２００Ｖ（電圧リップルの最低値）であるときには、Ｖｋ／Ｖｄｃ＝１であり、この時点でのモータ駆動指令値の大きさ（ＰＷＭのパルス幅）は、そのままとする。また例えばＶｄｃが例えば２３０Ｖ（電圧リップルの最高値）であるときには、Ｖｋ／Ｖｄｃ＝２００／２３０＝ほぼ０．８７となり、モータ駆動指令値の大きさ（ＰＷＭのパルス幅）は、０．８７倍とする。このように、出力電圧Ｖｄｃの変動（リップル）を操作するようにモータ駆動指令値が逆方向に増減される。これにて、インバータ主回路６からモータ８へ与える供給電圧Ｖｍに、前記電圧リップルと相殺する電圧を結果的に重畳させて、電圧リップルによる振動を消去させる。なお、基準電圧２００ＶはＰＷＭデューティー比１００％のときにえられるものであり、回転速度制御等により若干変動する。
【０００６】
ここで、上記基準電圧Ｖｋを２００Ｖの固定値に設定している理由は次にある。すなわち、商用電源１の電圧変動などによりの直流出力電圧Ｖｄｃが瞬間的な最低値として約２００Ｖとなることがあり、これを考慮して基準電圧を２００Ｖの固定値に設定している。
【０００７】
ところが、上記従来では、基準電圧が２００Ｖに固定されているため、直流出力電圧Ｖｄｃの最低値が２００Ｖより高い場合（通常は高い）でも、２００Ｖ駆動となってしまい、直流ブラシレスモータ８が常に低電圧駆動となり、モータ効率を上げることができないといった問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電圧リップルによる振動の低減を図りつつモータ効率を上げることができるモータ駆動装置を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、交流電源を整流して直流電圧を出力する直流電源回路と、この直流電源回路に接続され、モータ駆動指令値に基づいてＰＷＭ制御されるスイッチング素子を備えたインバータ主回路と、
このインバータ主回路により駆動される直流ブラシレスモータと、
前記直流電源回路の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記出力電圧に含まれる電圧リップルを打ち消すための基準となる基準電圧と前記電圧検出手段による電圧検出結果とから、電圧リップルと逆位相となる指令値を演算するリップル消去制御手段と、
前記モータ駆動指令値を発生すると共に、前記リップル消去制御手段が発生する指令値をこのモータ駆動指令値に含ませて前記インバータ主回路を制御するインバータ制御手段と、
前記基準電圧の初期値を所定の固定値に設定し、その後、前記電圧検出手段によって検出された直流出力電圧の最低値を基に前記基準電圧を変更設定する基準電圧設定手段と
を備えて構成される。
【００１０】
この請求項１の発明においては、リップル消去制御手段により、直流電源回路の出力電圧の電圧リップルと逆位相となる指令値を演算させ、インバータ制御手段により、この指令値をこのモータ駆動指令値に含ませてインバータ主回路を制御するから、インバータ主回路からモータへ与える供給電圧に、電圧リップルと相殺する電圧を結果的に重畳させることができて、振動の発生を防止できるようになる。そして、電圧リップルを打ち消すための基準となる基準電圧を、電圧検出手段による電圧検出結果に基づいて設定する基準電圧設定手段を備えているから、直流出力電圧が高いときには上記基準電圧を高く設定することが可能となり、直流出力電圧を有効に使うことができ、つまり、モータを可能な限り高い電圧で駆動できてモータ効率を上げることができるようになる。特に、基準電圧の初期値を所定の固定値に設定し、その後、電圧検出出力により検出された出力電圧の中でも、その最低値を基に基準電圧として変更設定するようにしているから、直流電源回路の出力が安定してから、直流電源回路の出力電圧をモータ供給電圧として最大限使用できて、モータ効率を向上できるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を洗濯機のモータ駆動装置に適用した一実施例につき図１ないし図９を参照しながら説明する。まず図３には洗濯機全体の構成を示しており、外箱１１内に、外槽１２を複数組（１組のみ図示）の弾性吊持機構１３を介して弾性支持している。この外槽１２の内部には洗い槽兼脱水槽たる回転槽１４を配設しており、さらに、この回転槽１４の内部には撹拌体１５を配設している。
【００１６】
上記回転槽１４は、槽本体１４ａと、この槽本体１４ａの内側に設けた内筒１４ｂと、バランスリング１４ｃとを有して構成されている。そして、この回転槽１４は回転されると、内部の水を回転遠心力により揚水して槽本体１４ａ上部の脱水孔部１４ｄから外槽１２へ放出するものである。
【００１７】
また、上記回転槽１４の底部には通水口１６が形成され、この通水口１６は排水通路１６ａを通して、排水口１７に連通している。この排水口１７には排水弁１８を備えた排水路１９を接続している。従って、排水弁１８を閉鎖した状態で回転槽１４内へ給水すると、回転槽１４内に水が溜められ、排水弁１８を開放すると回転槽１４内の水が、排水通路１６ａ、排水口１７及び排水路１９を通じ排水されるようになっている。
【００１８】
また、外槽１２の底部には補助排水口１７ａを形成しており、この補助排水口１７ａは図示しない連結ホースを介し前記排水弁１８をバイパスして前記排水路１９に接続し、前記回転槽１４の回転によってその上部から外槽１２内へ放出された水を排出するようになっている。
【００１９】
上記外槽１２の外底部には機構部ハウジング２０を取付けている。この機構部ハウジング２０には、中空の槽軸２１が回転自在に設けられ、この槽軸２１には回転槽１４が連結されている。また、この槽軸２１の内部には撹拌軸２２が回転自在に設けられており、その上端部には撹拌体１５が連結され、下端部はモータたる例えば直流ブラシレスモータからなる洗濯機モータ２３のアウタロータ２３ａに連結されている。この洗濯機モータ２３は洗い時に撹拌体１５を正逆回転させ、また、脱水時には、図示しないクラッチにより槽軸２１と撹拌軸２２とを連結した状態で一方向回転させて回転槽１４及び撹拌体１５を一方向へ一体回転させるように制御される。
【００２０】
次に電気的構成について図１を参照して述べる。１００Ｖの商用交流電源２４には、直流電源回路２５が接続されている。この直流電源回路２５は、ダイオードブリッジ整流回路２６及び平滑コンデンサ２７、２８を備えた倍電圧整流回路から構成されている。すなわち、整流回路２６の入力端子２６ａが前記交流電源２４の電源端子２４ａに接続され、整流回路２６の入力端子２６ｂが交流電源２４の電源端子２４ｂに接続されている。そして、整流回路２６の出力端子２６ｃ、２６ｄ間には平滑コンデンサ２７、２８が直列に接続され、そして、この平滑コンデンサ２７、２８の共通接続点と整流回路２６の入力端子２６ａとが接続されている。この直流電源回路２５は、正側出力端子２５ａと負側出力端子２５ｂとの間で直流出力電圧Ｖｄｃ（商用交流電源２４が１００Ｖのとき、理論的には２８２Ｖ）の直流電圧を発生する。
【００２１】
この直流電源回路２５には、インバータ主回路２９が接続されている。このインバータ主回路２９は、例えばＩＧＢＴからなるスイッチング素子３０ａ〜３０ｆを３相ブリッジ接続し、各スイッチング素子３０ａ〜３０ｆにそれぞれフリーホイールダイオード３１ａ〜３１ｆを図示極性にて並列に接続して構成されている。
【００２２】
上記各相ブリッジの出力端子が洗濯機モータ２３のステータの各相巻線２３ｕ、２３ｖ、２３ｗに接続されている。すなわち、このインバータ主回路２９により前記洗濯機モータ２３が駆動されるようになっている。そのスイッチング素子３０ａ〜３０ｆは制御回路３２により駆動回路３３を介してオンオフ制御されるようになっている。上記制御回路３２はマイクロコンピュータやＡ／Ｄコンバータ等を備えて構成されている。前記洗濯機モータ２３には、その回転子（図示せず）の位置を検出する位置検出素子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗが設けられている。
【００２３】
さらに、前記直流電源回路２５の正側出力端子２５ａと負側出力端子２５ｂとの間に電圧検出手段たる分圧回路からなる電圧検出回路３５が接続されており、これは、直流電源回路２５の出力電圧を検出するものである。そしてその電圧検出信号は前記制御回路３２に入力されるようになっている。
【００２４】
また、この制御回路３２には、回転槽１４内の水位を検出する水位センサ３６からの水位検出信号が与えられると共に、図示しない操作パネルに設けられた各種スイッチを含んで構成されたスイッチ入力部３７からのスイッチ信号が入力されるようになっている。また、前記排水弁１８、および洗濯機後部パネル内に設けられた給水弁３８は、この制御回路３２により駆動制御されるようになっている。
【００２５】
前記制御回路３２は、リップル消去制御手段およびインバータ制御手段並びに基準電圧設定手段たるものであり、洗濯機モータ２３を駆動するためのインバータ制御手段としては、電圧リップル消去を考慮しない場合には、次の様にモータ２３を駆動制御する。すなわち、前記位置検出素子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗからの位置検出信号に基づいて、図６に示すように、電気角１２０°に変化するほぼsin カーブ状の各相通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗ（モータ駆動指令値に相当する）を作成し、この通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに基づいてＰＷＭ信号を発生して駆動回路３３に出力する。駆動回路３３は、このＰＷＭ信号に基づいて各スイッチング素子３０ａ〜３０ｆをオンオフするためのベース信号を各スイッチング素子３０ａ〜３０ｆに与えるようになっている。この結果、モータ２３の各巻線２３ｕ、２３ｖ、２３ｗにsin 波状の電圧が上記通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗの波形タイミングで順次供給されるようになり、もってモータ２３が回転駆動制御される。なお、上記通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗは、回転速度指令等により、通電タイミングやデータ値（振幅）が変更されるようになっている。
【００２６】
ところで、本実施例では、実際には、脱水行程において、上記通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに、直流出力電圧Ｖｄｃに発生する電圧リップルを消去するための指令値を含ませるように制御するものである。すなわち、直流出力電圧Ｖｄｃには、図７に示すように、電圧リップルが含まれる。これを消去するための制御と、消去のための基準電圧の補正とを図１（ａ）、（ｂ）で示すフローチャートのように行なう。図１（ａ）には、脱水行程のメインプログラムのフローチャートを示し、同図（ｂ）には、電圧リップルと結果的に逆位相となる指令値を演算する割り込み処理プログラムのフローチャートを示している。また、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、回転速度制御の割り込み処理プログラムのフローチャートを示している。
【００２７】
まず図１（ａ）のステップＰ１においては、電圧リップルを打ち消すための基準となる基準電圧Ｖｋを初期値である例えば２００Ｖに設定する。そして、インバータ主回路２９の各スイッチング素子３０ａ〜３０ｆを制御して洗濯機モータ２３の駆動を開始する。この後、図２（ａ）で示す回転速度制御処理を１０ｍ秒ごとに実行する。すなわち、位置検出素子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗの回転位置検出信号に基づいて回転速度を検出し（ステップＱ１）、その検出された回転速度が目標回転速度（最終脱水速度）より低ければ（ステップＱ２で判断）、回転速度増加処理を行ない（ステップＱ３）、検出回転速度が目標回転速度より高いときには、回転速度減少処理を行なう（ステップＱ４）。
【００２８】
ステップＱ３に示す回転速度増加処理は、サブルーチンを示す図２（ｂ）のステップＲ１から判るように、モータ供給電圧が所定値増加させるべくＰＷＭデューティー比を増加させる。そのＰＷＭデューティー比がこの時点での基準電圧（ＰＷＭデューティー比１００％）を超えるものであれば、洗濯機モータ２３のロータ２３ａと印加電圧との位相を所定値増やすようにする。
【００２９】
また、ステップＱ４に示す回転速度減少処理は、サブルーチンを示す図２（ｃ）のステップＳ１から判るように、モータ供給電圧が減少するようにＰＷＭ制御する。そのＰＷＭデューティー比がこの時点での基準電圧よりある程度低い電圧を示す所定値以下となれば、洗濯機モータ２３のロータに対する印加電圧の位相を所定値減らすようにする。
このようにして回転速度制御がなされる。
【００３０】
さらに、この図１（ａ）、図２（ａ）〜（ｃ）のフローチャートの制御とは別に、０．２５ｍ秒ごとに、図１（ｂ）に示すリップル演算制御のための割り込み処理制御を実行する。まずステップＴ１では、この時点での直流電源回路２５の出力電圧Ｖｄｃを検出し、ステップＴ２では、この時点での基準電圧Ｖｋをこの出力電圧Ｖｄｃで除して、指令値αを演算する。例えば、基準電圧が２００Ｖであるとき（図１（ａ）のステップＰ３以前）のときにおいて、出力電圧Ｖｄｃが例えば２８０Ｖと２６０Ｖとの間でリップルがあるとすると、
瞬間値が最高電圧２８０Ｖであるときには、
α＝２００／２８０＝ほぼ０．７１となり、
瞬間値が最低電圧２６０Ｖであるときには、
α＝２００／２６０＝ほぼ０．７７となる。
【００３１】
次のステップＴ３では、通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗにおけるこの時点の値（振幅）に上記αを乗ずる（通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗにαを含ませる）。図８には、洗濯機モータ２３の回転速度が低いときにおける通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗの波形を示している。この通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに基づいてＰＷＭ信号を発生する。これにより、洗濯機モータ２３への供給電圧に出力電圧Ｖｄｃの電圧リップルと逆位相の電圧成分が重畳されることになり、電圧リップルが消去される。
【００３２】
さて、図１（ａ）のステップＰ３において洗濯機モータ２３の回転速度が目標回転速度に達したことが判断されると、次のステップＰ４に移行して、出力電圧Ｖｄｃの最低値を１０個分検出し、その平均値Ｖｘを算出し記憶する。そしてステップＰ５に移行して、現在の基準電圧Ｖｋから上記平均値（現在の出力電圧Ｖｄｃの最低値の平均値）を差し引き、その差ΔＶｘが「−１Ｖ」より小さい（ΔＶｘ＜−１）か、あるいは、「＋３Ｖ」より大きい（ΔＶｘ＞＋３）か、を判断する。
【００３３】
そして、上記差ΔＶｘが、ΔＶｘ＜−１のときあるいはΔＶｘ＞＋３のときには、ステップＰ６に移行して、現在の出力電圧Ｖｄｃの最低値の平均値を新たに基準電圧Ｖｋとする（変更設定する）。つまり、ΔＶｘ＜−１のときには、基準電圧Ｖｋを「Ｖｋ＋１」Ｖとし、ΔＶｘ＞＋３のときには、基準電圧Ｖｋを「Ｖｋ−３」Ｖとする。つまり、基準電圧Ｖｋを上げるときには「１Ｖ」単位で上げ、下げるときには「３Ｖ」単位で下げる。
【００３４】
この後ステップＰ７に移行して脱水行程が終了条件となったか（設定された脱水時間を満了したか）を判断し、終了条件となっていないときにはステップＰ４に戻る。このようにして、基準電圧Ｖｋが現在の出力電圧Ｖｄｃの最低値平均値となるように制御する。
【００３５】
ところで、前述のステップＰ４〜ステップＰ７の実行中においても、図１（ｂ）に示した割り込み処理制御を実行しており、この制御については既述したが、このときの基準電圧Ｖｋは、現在の直流出力電圧Ｖｄｃの最低値に設定されている。図５には、直流出力電圧Ｖｄｃの最低値Ｖｄｃ′が基準電圧Ｖｋとなっており、洗濯機モータ２３への供給電圧は、直流出力電圧Ｖｄｃと逆位相電圧となっており、振動の発生が防止される。
【００３６】
このように本実施例によれば、直流電源回路２５の出力電圧Ｖｄｃの電圧リップルと逆位相となる指令値αを演算し、この指令値αを通電データＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに含ませてインバータ主回路２９を制御するから、インバータ主回路２９から洗濯機モータ２３へ与える供給電圧に、電圧リップルと相殺する電圧を結果的に重畳させることができて、振動の発生を防止できる。そして、電圧リップルを打ち消すための基準となる基準電圧Ｖｋを、直流出力電圧Ｖｄｃに基づいて設定するから、直流出力電圧Ｖｄｃを有効に使うことができ、洗濯機モータ２３のモータ効率を上げることができる。
【００３７】
特には、出力電圧Ｖｄｃの最低値を、基準電圧Ｖｋとして設定するようになっているから、直流電源回路２５の出力電圧Ｖｄｃをモータ供給電圧として最大限使用できて、モータ効率をさらに向上できる。なお、図９には、商用交流電圧に対する、従来例における入力電力の特性（特性線Ｊで示す）、本実施例における入力電力の特性（特性線Ｈで示す）、および本実施例における効率改善度（特性線Ｈｋで示す）を示している。これから判るように、基準電圧が一定であった従来では、商用交流電源の入力電圧にさほど関係なく入力電力は一定であったが、これに対して、本実施例では、商用交流電源の入力電圧が高いほど入力電力の低減を図ることができ、その入力電力の相対比率で示される効率改善度は向上しており、特に、商用交流電源の入力電圧が高いほど効率改善度は飛躍的に向上している。
【００３８】
また、本実施例によれば、基準電圧Ｖｋの初期値を所定の固定値例えば２００Ｖに設定し、洗濯機モータ２３の運転開始以後、該基準電圧Ｖｋを変更設定するようにしたから、洗濯機モータ２３の運転が安定して直流電源回路２５の出力が安定してから基準電圧Ｖｋを変更設定することになり、基準電圧Ｖｋを適切に設定できる。
【００３９】
さらにまた本実施例によれば、基準電圧Ｖｋを上げる変更設定をするときの電圧上げ幅に対して、基準電圧Ｖｋを下げる変更設定をするときの電圧下げ幅を大きくしたから、基準電圧を下げる頻度が少なくなり、基準電圧変更に伴う振動・騒音の発生を少なくできる。
【００４０】
なお、上記実施例では、出力電圧Ｖｄｃの最低値を基準電圧Ｖｋとしたが、これに代えて、出力電圧Ｖｄｃの最低値より低い値を基準電圧として設定するようにしても良い。このようにすることにより、直流電源回路２５の出力電圧Ｖｄｃが瞬間的に変動した場合でも、基準電圧Ｖｋが、出力電圧Ｖｄｃの最低値を超えてしまうことをなくすようにでき、電圧リップル消去制御に支障を来すことがない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、次の効果を得ることができる。
請求項１の発明によれば、インバータ主回路からモータへ与える供給電圧に、電圧リップルと相殺する電圧を結果的に重畳させることができて、振動の発生を防止でき、しかも、直流出力電圧が高いときには基準電圧を高く設定することが可能となり、モータ効率を上げることが可能となる。しかも、基準電圧の初期値を所定の固定値に設定し、その後、直流電源回路の出力電圧の最低値を基に基準電圧として変更設定するようにしているから、直流電源回路の出力が安定してから、直流電源回路の出力電圧をモータ供給電圧として最大限使用できて、モータ効率をさらに向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す制御フローチャート
【図２】別の制御のフローチャート
【図３】洗濯機の破断縦断側面図
【図４】電気回路図
【図５】出力電圧およびモータ供給電圧との関係を示す図
【図６】通電データを概念的に示す図
【図７】出力電圧の波形を示す図
【図８】演算値αを含む通電データを概念的に示す図
【図９】交流入力電圧と交流入力電力との関係、および交流入力電圧と効率改善度との関係を示す図
【図１０】従来例を示す図４相当図
【図１１】図７相当図
【符号の説明】
２３は洗濯機モータ（直流ブラシレスモータ）、２４は交流電源回路、２５は直流電源回路、２９はインバータ主回路、３０ａ〜３０ｆはスイッチング素子、３２は制御回路（リップル消去制御手段、インバータ制御手段、基準電圧設定手段）を示す。

Claims

交流電源を整流して直流電圧を出力する直流電源回路と、
この直流電源回路に接続され、モータ駆動指令値に基づいてＰＷＭ制御されるスイッチング素子を備えたインバータ主回路と、
このインバータ主回路により駆動される直流ブラシレスモータと、
前記直流電源回路の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記出力電圧に含まれる電圧リップルを打ち消すための基準となる基準電圧と前記電圧検出手段による電圧検出結果とから、電圧リップルと逆位相となる指令値を演算するリップル消去制御手段と、
前記モータ駆動指令値を発生すると共に、前記リップル消去制御手段が発生する指令値をこのモータ駆動指令値に含ませて前記インバータ主回路を制御するインバータ制御手段と、
前記基準電圧の初期値を所定の固定値に設定し、それ以後、前記電圧検出手段によって検出された直流出力電圧の最低値を基に前記基準電圧を変更設定する基準電圧設定手段と
を備えてなるモータ駆動装置。