JP3656901B2 - 電気掃除機用電動送風機のインバータ制御回路を用いた駆動制御回路及びこの駆動制御回路を用いた電気掃除機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気掃除機用電動送風機のインバータ制御回路を用いた駆動制御回路及びこの駆動制御回路を用いた電気掃除機に関する。ここでいう電気掃除機は、負圧を用いて様々な固体または流体を収集領域に集める様々な機器を含有する。
【０００２】
【従来の技術】
電気掃除機では、ゴミの吸込性能を上げるために、その駆動源である電動機の回転子を高速で回転させる必要がある。これに対し、従来の電気掃除機は、その電動機に整流子電動機が用いられていたため、整流子とブラシとの間に機械的摩擦が伴う整流子電動機ではその高速回転化に伴いブラシの寿命が短くなったり、また、条件によってはブラシから火花が生じたりという課題を有していた。
【０００３】
そこで、この課題を克服するために、特開昭６０−２４２８２７号公報に記載されたようなブラシレス電動機を用いた電気掃除機、あるいは、特公平７−２８５４６号公報、特公平７−２８５４７号公報に記載されたようなブラシレス電動機を用いた電気掃除機の制御方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電気掃除機の分野では、小型・軽量・高性能志向の電気掃除機が望まれていることから、その電動機部分をより小型化したり回転速度を上げたりすることや、その消費電力を抑えること、さらには、掃除機から発せられる騒音について対策を施すということなどが必要となってきている。そこで、以下、掃除機から発せられる騒音について考える。
【０００５】
掃除機から発せられる特徴的な音の中には、電動機の回転子の回転速度（回転周波数）に比例して音質が変化する種類の音が多くある。例えば、回転周波数と同じ周波数音や、羽根車の羽根枚数と回転周波数の積に一致する周波数音などである。そして、このような回転速度に起因して発せられる特徴的な音の周波数は、掃除機の使用中、つまり、掃除中に大きく変化してしまうという問題があり、これにより、ユーザーに不快感を与えてしまう。これは、掃除中においては、掃除機の吸込口が掃除面に着けられたり離されたり、掃除面の状態が変わったり、色々な種類のゴミが吸い込まれたりすることから、掃除中の電動送風機は急激な流体負荷変動を受けるからである。つまり、このような流体負荷変動によって電動機の回転子の回転速度（回転周波数）も急激に変化するので、回転速度に起因して発せられる特徴的な音の周波数も変化し、これによって、ユーザーに不快感を与えるに至るわけである。特に、掃除機の最高動作モード時における不快感は大きい。
【０００６】
本発明の目的は、ユーザーに不快感を与える電動機の回転子の回転速度に起因して発せられる特徴的な音の変化を減少させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１記載の発明は、電気掃除機の吸引駆動源として用いられる電動送風機を駆動制御する電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、複数のスイッチング素子を有し、前記電気掃除機に関する物理量を検出する物理量検出手段の検出値に基づく、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、前記電動送風機を交流駆動するインバータ回路と、入力するパルス信号に従い前記スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期を設定する手段と、前記物理量検出手段の検出値に基づいて前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理を実行する手段と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段と、を具備する。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、前記ドライブ回路にパルス信号を入力する手段は、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波と、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理によって得られた値とを比較してパルス信号を生成する。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、前記搬送波は、三角波である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の電気掃除機用電動送風機の駆動回路において、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段の機能は、動作プログラムに従い処理を実行するマイクロプロセッサによって実行され、このマイクロプロセッサは、乗算器とこの乗算器での処理と並列処理可能な加算器とを備え、前記乗算器と前記加算器とを利用して積和演算を実行する。
【００１５】
請求項５記載の電気掃除機の発明は、流体吸引口を有するハウジングと、前記流体吸込口から流体を吸引可能なように前記ハウジングに収納された電動送風機と、前記電動送風機に関する物理量を検出する物理量検出手段と、複数のスイッチング素子を有し、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、前記電動送風機を交流駆動するインバータ回路と、入力するパルス信号に従い前記スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期を設定する手段と、前記物理量検出手段の検出値に基づいて前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理を実行する手段と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段と、を具備する。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記ドライブ回路にパルス信号を入力する手段は、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波と、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理によって得られた値とを比較してパルス信号を生成する。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の電気掃除機において、前記搬送波は、三角波である。
【００１８】
請求項８記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記電動送風機の回転子の回転位置を検出する回転子位置検出手段である。
【００１９】
請求項９記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記電動送風機の巻線に流れる電流を検出する電流検出手段である。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記インバータ回路の入力電圧を検出するインバータ回路入力電圧検出手段である。
【００２１】
請求項１１記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記電動送風機のファンの回転に影響を及ぼす流体の物理量を検出する流体検出手段である。
【００２２】
請求項１２記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記電動送風機の送風機は、遠心型送風機である。
【００２３】
請求項１３記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段の機能は、動作プログラムに従い処理を実行するマイクロプロセッサによって実行され、このマイクロプロセッサは、乗算器とこの乗算器での処理と並列処理可能な加算器とを備え、前記乗算器と前記加算器とを利用して積和演算を実行する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。
【００２５】
１．ハードウエア構成
図１は、電気掃除機１の外観構成を示す斜視図である。この電気掃除機１は、電気掃除機１の基体をなすハウジング２に対して、先端部に吸込口体３を着脱自在に備えた２分割構成の延長管４が着脱自在に接続されるホース５が着脱自在に取り付けられて構成されている。
【００２６】
ハウジング２には、電動機６と遠心型送風機である送風機７などからなる電動送風機８が内蔵されている。そして、ホース５は、その基端が図示しない集塵室を介して電動送風機８の吸込側に連通するようにハウジング２に接続されており、そのホース５の先端には後方に向けてホース５から分岐する形状の手元操作部１１が設けられている。この手元操作部１１は、後方に向けてホース５から分岐する先端の自由端の部分が握り部１０となっており、この握り部１０を握った操作者の親指で操作可能な位置には操作ボタン１２が設けられている。その操作ボタン１２は、いわゆるスライドスイッチであり、電動送風機８の電源スイッチを兼ね、この電動送風機８をそれぞれ異なる駆動状態にする複数種類の運転モードを選択設定することができるように構成されている。つまり、操作ボタン１２は、停止、弱、中、強の４段階に運転モードを切り換える。さらに、先端部に吸込口体３を着脱自在に備えた２分割構成の延長管４は、その手元操作部１１に対して着脱自在に取り付けられている。
【００２７】
図２は、電動送風機８の駆動制御回路１２を示す回路図である。この駆動制御回路１２は、電源部１３を駆動源として高周波駆動されるインバータ回路としてのインバータ主回路部１４から発生する高周波電流によって電動送風機８の電動機６を回転駆動するという動作原理を備え、マイクロプロセッサ１５を含むインバータ制御回路としてのインバータ制御部１６によってインバータ主回路部１４を駆動制御するような回路構成となっている。以下、各部の詳細を説明する。
【００２８】
電源部１３において、商用交流電源ＰＳからの交流電圧は、整流回路１７及び平滑コンデンサ１８による整流平滑作用により直流電圧に変換され、このような直流電圧の態様でインバータ主回路部１４に供給される。
【００２９】
インバータ主回路部１４は、６個の半導体スイッチング素子（スイッチング素子）、例えばパワートランジスタを３相ブリッジ接続すると共に、各パワートランジスタと並列にダイオードを接続した構成になっている。このインバータ主回路部１４は、マイクロプロセッサ１５を主体とするインバータ制御部１６によって出力されるＰＷＭ波形（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）に基づいて制御され、直流電圧を電動機６の電機子巻線１９に供給する。
【００３０】
電動機６は、３相のブラシレスＤＣ電動機６で、２極対の永久磁石２０が埋設された回転子２１と、複数の電機子巻線１９を有する固定子２２とを備える。回転子２１のコアは、高い透磁率を有する珪素鋼等からなっている。
【００３１】
ここで、電動送風機８の駆動制御回路１２は、回転子２１の回転位置を検出するための回転子位置検出手段２３を備える。この回転子位置検出手段２３は、電気掃除機１に関する物理量、ここでは回転子２１の回転位置を検出する物理量検出手段として構成されている。このような回転位置検出手段２３としては、電気角の１２０°間隔で設置した３つの磁気センサ（図４中では位置センサ）が用いられている。実施に際しては、その他の回転子位置検出手段２３として、光学式パルスエンコーダを使用する構造、電流を流さない非通電期間に電機子巻線１９に誘起される電圧を電圧位相検出手段によって検出する構造などが使用可能である。このような回転子位置検出手段２３によって、回転子２１の一定間隔ごとの磁極位置を検出し、インバータ制御部１６のマイクロプロセッサ１５は、その検出情報である磁極位置を用いて回転子２１の回転速度や、各相の通流タイミングを演算をして、固定子２１の電機子巻線１９に適切な電流を与え、回転磁界を発生させる構造となっている。
【００３２】
また、電動送風機８の駆動制御回路１２は、電動機６における電機子巻線１９に流れる電流を検出する電機子電流検出手段２４を備える。この電機子電流検出手段２４は、電気掃除機１に関する物理量、ここでは電動機６における電機子巻線１９に流れる電流を検出する物理量検出手段（電流検出手段）として構成されている。このような電機子電流検出手段２４は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の巻線に流れる電流、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検知するための３つの電流センサや、３つの抵抗の両端電圧をインバータ制御部１６で検出する回路構成によって構成されている。
【００３３】
さらに、電動送風機８の駆動制御回路１２は、電機子巻線１９に流れる電流を検出する前記とは別の手段として、インバータ主回路部１４に流れる電流Ｉｉｎを検出するインバータ回路電流検出手段２５と、インバータ主回路部１４への入力電圧Ｖｄｃを検出するインバータ回路入力電圧検出手段２６とを備える。インバータ回路電流検出手段２５は、電気掃除機１に関する物理量、ここでは電機子巻線１９に流れる電流を検出する前記とは別の手段として、インバータ主回路部１４に流れる電流Ｉｉｎを検出する物理量検出手段として構成されている。このようなインバータ回路電流検出手段２５は、電流センサや、整流回路１７と平滑コンデンサ１８との間に介在接続された抵抗の両端電圧をインバータ制御部１６で検出する回路構成によって構成されている。
【００３４】
また、インバータ回路入力電圧検出手段２６は、電気掃除機１に関する物理量、ここではインバータ主回路部１４への入力電圧Ｖｄｃを検出する物理量検出手段として構成されている。このようなインバータ回路入力電圧検出手段２６は、整流回路１７と平滑コンデンサ１８によって整流平滑されてインバータ主回路部１４に入力される入力電圧Ｖｄｃをインバータ制御部１６で検出する回路構成によって構成されている。
【００３５】
加えて、インバータ制御部１６のマイクロプロセッサ１５は、電気掃除機１を正確に制御するために、電気掃除機１に係る物理量の検出値にノイズが多く含まれる時は、各種検出値をディジタル信号に変換後、ディジタル的なフィルタリング処理を行う。例えば、有限長インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ処理などを行う。ＦＩＲフィルタの演算式を（１）式に示す。
【００３６】
【数１】
【００３７】
図３（Ａ）は、遠心型の送風機７の羽根車４９の形状を概略的に示す側面図であり、図３（Ｂ）は、遠心型の送風機７の羽根車４９の形状を概略的に示す正面図である。遠心型送風機は、電気掃除機用として性能に優れているため、従来から広く使用されている。羽根車４９は、主板５０、側板５１及び、複数の羽根５２から構成されており、羽根５２には複数の凸部が設けられていて、主板５０と側板５１に設けられた穴に嵌合し加締られて、それぞれが固定される。この送風機からは、特徴的な音として、羽根５２の枚数と回転周波数の積に一致する周波数音が発生する。
【００３８】
図４は、インバータ制御部１６が備えるマイクロプロセッサ１５の内部構成の一部を示す概略図である。マイクロプロセッサ１５は、論理演算ユニットを構成する乗算器２７と加算器２８とを内部に備える。そして、同一チップ上や外部に配置されているプログラムメモリ２９とデータメモリ３０とのそれぞれに接続するバスとして、プログラムメモリ２９に接続するプログラムバス３１と、データメモリ３０に接続するデータバス３２とを備えている。また、マイクロプロセッサ１５は、プログラムメモリ２９とデータメモリ３０との間を結合するバス３３も備えている。さらに、乗算器２７は、乗算を行う２つのデータのうちの一つを先に取り込んでおくためのレジスタ１、及び、乗算した結果を格納しておくレジスタ２も備えている。また、マイクロプロセッサ１５は、同一チップ上に、データの入出力動作を行う各種ペリフェラルなども搭載している。
【００３９】
ここで、乗算器２７との間でのデータ転送に係る実行は、データバス３２を使用して実行されるが、乗算器２７と加算器２８との間でのデータ転送等の処理実行３はデータバス３２とは全く無関係なバスを使用して行われる。このため、実行１と実行３は、並列（同時）に実行可能である。また、乗算器２７との間でのデータ転送に係る実行２は、データバスを使わずに、通常は、プログラムをデコーダに取込むために使用するプログラム・データバス３１を使用して実行する事で、実行１や実行３と並列に（同時）に実行することができる。したがって、実行１、２、３を並列に実行することができ、乗算器２７と加算器２８とに対するデータ転送や乗算器２７と加算器２８とにおける並列処理の実行が可能となる。このようなアーキテクチャのマイクロプロセッサ１５は、チップ面積が大きくならず、インバータ制御部１６を小さくできるので、可動性の電気掃除機１に適している。
【００４０】
２．制御
次いで、インバータ制御部１６における電動機６の制御について説明する。ここでは、上述した電気掃除機１のハードウエア構成を共有する制御について説明する。
【００４１】
図５は本発明の機能ブロック図である。インバータ制御部１６が備えるマイクロプロセッサ１５は、各種演算処理を実行して各部を集中制御するＣＰＵと各種のメモリとを備えるマイクロコンピュータ（図示せず）であり、メモリに格納された動作プログラムに従い所定の演算処理と各種信号の入出力処理とを実行し、これによって各部を制御する。図５に示す機能ブロック図は、そのようなマイクロプロセッサの機能をブロック図化して示している。
【００４２】
インバータ制御部１６は、手元操作認識部３６から出される指令に基づいて、基本的に電動送風機８の電動機６の回転子２１の磁極位置を検出し、各相への通流タイミングをとり、ＰＷＭ制御（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）を受けたパルス信号を出力する。
【００４３】
このようなインバータ制御部１６を構成する機能要素として、インバータ制御部１６は、回転子２１の磁極位置、インバータ回路入力電圧、電流および流体情報などの電気掃除機１に係る物理量の検出部、通流タイミング制御部３８、回転速度演算部４１、回転速度制御部４２、電流制御部４４、搬送波発生部４５、比較部４３、及びパルス出力部３９を備えており、これら多くがマイクロプロセッサ１５でソフトウエア処理される。ソフトウエア処理の利点は、電気掃除機１の用途に応じて、ハードウエアを変更することなく、その機能を容易に変更することができることである。
【００４４】
このインバータ制御部１６の基本機能は、電流制御部４４において、手元操作認識部３６から与えられる電流指令値Ｉｉｎ＊、及び電気掃除機１に関する物理量の検出値に基づいて、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊が生成され、この電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊は、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生部としての比較部４３に比較入力され、比較基準として搬送波発生部４５から三角波信号が与えられることによって比較部４３の出力にＰＷＭ波形が取出される。そして、このＰＷＭ波形と、磁極位置検出部の検出値に基づく通流タイミング制御部３８から与えられる各相への通流タイミングとにより、パルス信号を発生させる。
【００４５】
マイクロプロセッサ１５内での三角波信号の生成方法としては、マイクロプロセッサ１５が有するタイムカウンタのアップカウンティングとダウンカウンティングとを利用して、そのカウンタ値が三角波信号となるようにディジタル的に近似させて生成する。そして、このカウンタ値（三角波信号）と電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊とを比較することによって、ＰＷＭ波形であるパルス信号を生成する。
【００４６】
こうして生成されたパルス信号を受けてドライブ回路４０によってインバータ主回路部１４における半導体スイッチング素子が選択的に駆動制御され、これによって高周波の電圧出力が電動機６の電機子巻線１９に供給されて電動機６が駆動される。ドライブ回路４０は、マイクロプロセッサ１５の外部に設けられた回路であっても、マイクロプロセッサ１５の内部に設けられた回路であっても良い。インバータ主回路部１４における半導体スイッチング素子を駆動するのに高いパワーが必要な場合には、ドライブ回路４０は、マイクロプロセッサ１５の外部に設けることが望ましい。そうでなければ、マイクロプロセッサ１５の内部に設けたドライブ回路４０が半導体スイッチング素子を駆動することができる。
【００４７】
次に、回転速度制御部４２の機能について説明する。回転速度制御部４２では、回転子２１の磁極位置検出手段２３によって検出される角度とその経過時間から算出される回転速度演算値Ｒが、機械的強度などから決まる回転子２１の上限回転速度とを比較し、回転速度演算値Ｒが上限回転速度を越えた場合、回転速度を上限回転速度内に抑えるように制御する。
【００４８】
また、回転速度制御部４２では、比例積分制御系となっており、手元操作部１１の操作ボタン１２の操作に基づいてマイクロプロセッサ１５のＣＰＵが停止、弱、中、強の４段階の運転モード（機能ブロックとしては手元操作認識部により認識される運転モード）を認識し、各運転モードに応じて認識される回転速度指令値Ｒｉｎ＊から、回転子２１の磁極位置検出手段２３によって検出される角度とその経過時間から算出される回転速度演算値Ｒとを減算し、その減算結果を参照しつつ、（２）式のような式を用いて回転速度出力値Ｒｏｕｔ＊を得る。
【００４９】
【数２】
【００５０】
（２）式中、Ｒｏｕｔ＊は回転速度出力値、Ｅは回転速度指令値Ｒｉｎ＊と回転速度演算値Ｒとの誤差、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｔは回転速度の検出周期をそれぞれ示す。
【００５１】
そして、電流制御部４４では、回転速度制御部４２から与えられる回転速度制御出力値Ｒｏｕｔ＊、及び電気掃除機１に関する物理量の検出値に基づいて、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊が生成される。この電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊は、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生部としての比較部４３に比較入力され、比較基準として搬送波発生部４５からの三角波信号が与えられることによって比較部４３の出力にＰＷＭ波形が取出される。そして、このＰＷＭ波形と、通流タイミング制御部３８から与えられる各相への通流タイミングとにより、パルス信号を発生させる。
【００５２】
そして前記同様に、生成されたパルス信号を受けてドライブ回路４０によってインバータ主回路部１４における半導体スイッチング素子が選択的に駆動制御され、これによって高周波の電圧出力が電動機６の電機子巻線１９に供給されて電動機６が駆動される。
【００５３】
このような構成において、電気掃除機１の電動送風機８を構成する電動機６は、インバータ主回路部１４からの電流によって回転駆動され、これによって羽根車４９が回転する。電気掃除機１は、羽根車４９の回転によってハウジング２内に流体、例えば空気を吸引し、吸引口体３から延長管４とホース５とを介して塵やゴミ等の非吸引物を吸引する。この際、電動機６は、手元操作部１１の操作ボタン１２の状態、電動機６の回転子２１の回転位置、インバータ主回路部１４に流れる電流等に応じて最適な状態で回転駆動される。
【００５４】
図６は、ＰＷＭの搬送波、インバータ制御部１６から出力されるパルス信号、回転速度演算の割込信号、回転速度演算の周期、回転速度演算を含む割込処理の割込信号、及びその割込処理のタイミングチャートである。ここで、図６を用いて、各信号のタイミングについてより詳しく説明する。マイクロプロセッサ１５は、周期Ｔｒで割込信号を発生させるか、または、外部から割込信号を受けて、この割込信号をトリガとして回転速度の演算を含む割込処理を始める。そして前述したように、回転速度演算、回転速度制御、各物理量の検出、電流制御などを処理し、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊を演算する。この回転速度の演算を含む一連の割込処理の処理時間がＤである。なお、この回転速度の演算を含む割込周期Ｔｒは、可変である。
【００５５】
そして、この電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊は、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生部としての比較部４３に比較入力され、比較基準として搬送波発生部４５から周期Ｔｐの搬送波が与えられることによって比較部４３の出力にＰＷＭ波形が取出される。図６に示す例では、搬送波の値が、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊以上になると、パルス信号がアクティブになる。よって、このパルス信号の出力周期もＴｐになる。このようにして、回転速度の算出値を、パルス幅に反映し、電機子巻線１９に流れる電流量を制御することによって、所望の出力の電気掃除機１を得るようにする。なお、搬送波発生部４５からの搬送波の周期Ｔｐは可変であり、また、搬送波の値は、所望なタイミングでリセット（ゼロに）することもある。例えば、電気掃除機１の各運転モードにあわせて、割込信号が発生した時に、搬送波の値をリセットし、さらに、回転速度演算値より適切な搬送波周期を設定すると、回転速度演算周期内にインバータ制御部１６から出力されるパルスの数を制御することができるので、より正確な回転速度制御が実現できる。
【００５６】
ここで、回転速度演算周期内に少なくとも一つ以上のパルスが出力されるように、搬送波周期Ｔｐを、電動機６の回転速度を演算する周期Ｔｒより短くする。さらに、搬送波周期Ｔｐを、電動機６の回転速度演算を含む割込処理の時間Ｄより長く設定することによって、割込処理で算出される回転速度値が反映された電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊を、搬送波のすぐ次の波と比較させることができ、インバータ制御部１６から出力されるパルス幅に反映させることが可能になる。このことに関しては、図６中では、回転速度演算を含む割込処理でＩｏｕｔ＊（ｋ＋１）を算出し、その値がすぐに搬送波と比較され、幅ＰＷ（ｋ＋１）のパルスが出力されていることで表している。したがって、応答性に優れた電動機６の回転速度制御を行うことが可能となり、このため、例えば、最高動作モード時で使用中の電気掃除機１が急激な流体負荷変動を受け、流体負荷変動によって電動機６の回転子２１の回転速度が急激に変化しても、インバータ制御部１６から出力されるパルス幅が素早く変化し、速く所望の回転速度に戻るので、回転速度変化に起因して発せられる不快な音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。
【００５７】
また、割込処理で算出される回転速度値を早くパルス幅に反映させることができるので、回転速度演算値が機械的強度などから決まる上限回転速度を越えたとしても、直ちに、回転速度を上限回転速度内に抑えることができる。従って、機械的に安全性の高い電気掃除機１を実現できる。
【００５８】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、電動機６の回転子２１の回転位置を検出する回転子位置検出手段２３を備えると、回転子２１の位置を的確につかむことができるので、この検出値に応じて電動送風機を適切に制御することができる。
【００５９】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、電動機６の巻線１９に流れる電流を検出する電流検出手段２４、２５を備えると、トルクに直接寄与する電流を検知することができるので、急激に流体負荷が変化した場合でも、この検出値に応じて電動送風機を適切に制御することができる。
【００６０】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、インバータ主回路部１４の入力電圧を検出するインバータ回路入力電圧検出手段２６を備えると、商用交流電源ＰＳの交流電圧、または、バッテリ−電源（図示せず）の電圧が急激に変動しインバータ主回路部１４の入力電圧が急激に変化した場合でも、この挙動を的確に捉え、この検出値に応じて電動送風機を適切に制御することができる。
【００６１】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、ファン７の回転に影響を及ぼす流体の物理量を検出する流体検出手段としての流体情報検出部４８を備えると、掃除によりごみや塵の量が増えたり目詰まりが生じて集塵室と電動送風機８との間の真空度が大きくなったりして電動送風機８に加わる負荷が小さくなった場合でも、電気掃除機１内の流体状態を検出することによって、掃除中の電気掃除機１の挙動を的確につかみ、この検出値に応じて電動送風機８を適切に制御することができる。
【００６２】
また、電動送風機８に関する物理量を検出する物理量検出手段と、複数のスイッチング素子を有し、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、電動送風機８を交流駆動するインバータ回路と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い、周期を有する搬送波を出力する搬送波発生回路と、を備えることにより、従来から、吸引性能が優れているとして電気掃除機用１に搭載されている遠心型の送風機７の羽根５２枚数と回転周波数の積に一致する周波数音が、急激な流体負荷変動によって変化し、不快な音になっても、正確かつ速く所望の回転速度に戻り、その音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。
【００６３】
また、本実施の形態は、マイクロプロセッサ１５に、上記（１）式、及び（２）式のような積和演算の繰り返しが要求される。このため、マイクロプロセッサ内で多くの命令実行を要する。これに対し、本実施の形態では、乗算器２７と、この乗算器２７での処理と並列に処理の実行が可能な加算器２８とを備えているので、積和演算を高速で処理することが可能である。例えば、図４に示すように、マイクロプロセッサ１５には、プログラムメモリ２９とデータメモリ３０とに対するそれぞれのバスと、プログラムメモリ２９とデータメモリ３０とを結合するバスと、乗算器２７と、この乗算器２７での処理と並列に処理の実行が可能な加算器２８とを備えている。よって、回転速度演算を含む割込処理時間Ｄを短くすることができるため、ＰＷＭの搬送波の周期Ｔｐを短く設定することができ、積和演算を伴う電気掃除機１の制御においても、より応答性の優れた電動機６の回転速度制御を行うことができる。このため、流体負荷変動によって電動機６の回転子２１の回転速度が急激に変化しても、正確かつ速く所望の回転速度に戻ることが可能になる。これにより、回転速度変化に起因して発せられる不快な音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、電動送風機の応答性に優れた回転速度制御を行うことが可能となり、電気掃除機が急激な流体負荷変動を受け、流体負荷変動によって電動送風機の回転子の回転速度が急激に変化しても、インバータ制御部から出力されるパルス幅が素早く変化し、速く所望の回転速度に戻るので、回転速度変化に起因して発せられる不快な音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。また、割込処理で算出される回転速度値を早くパルス幅に反映させることができるので、回転速度演算値が機械的強度などから決まる上限回転速度を越えたとしても、直ちに、回転速度を上限回転速度内に抑えることができるので、機械的に安全性の高い電気掃除機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態として、電気掃除機の外観構成を示す斜視図である。
【図２】電動送風機の駆動制御回路を示す回路図である。
【図３】遠心型送風機の羽根車を示す概略図であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその正面図である。
【図４】インバータ制御部が備えるマイクロプロセッサの内部構成の一部を示す概略図である。
【図５】電動送風機の制御に係るインバータ制御部の機能ブロック図である。
【図６】各種信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 電気掃除機
２ ハウジング
３ 流体吸引口
７ 送風機、遠心型送風機
８ 電動送風機
１２ 駆動制御回路
１４ インバータ回路（インバータ主回路部）
１５ マイクロプロセッサ
１６ インバータ制御回路
２３ 物理量検出手段、回転子位置検出手段
２４ 物理量検出手段、電流検出手段（電機子電流検出手段）
２５ 物理量検出手段、電流検出手段（インバータ回路電流検出手段）
２６ インバータ回路入力電圧検出手段
２７ 乗算器
２８ 加算器
４５ 搬送波発生回路（搬送波発生部）
４８ 流体検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気掃除機用電動送風機のインバータ制御回路を用いた駆動制御回路及びこの駆動制御回路を用いた電気掃除機に関する。ここでいう電気掃除機は、負圧を用いて様々な固体または流体を収集領域に集める様々な機器を含有する。
【０００２】
【従来の技術】
電気掃除機では、ゴミの吸込性能を上げるために、その駆動源である電動機の回転子を高速で回転させる必要がある。これに対し、従来の電気掃除機は、その電動機に整流子電動機が用いられていたため、整流子とブラシとの間に機械的摩擦が伴う整流子電動機ではその高速回転化に伴いブラシの寿命が短くなったり、また、条件によってはブラシから火花が生じたりという課題を有していた。
【０００３】
そこで、この課題を克服するために、特開昭６０−２４２８２７号公報に記載されたようなブラシレス電動機を用いた電気掃除機、あるいは、特公平７−２８５４６号公報、特公平７−２８５４７号公報に記載されたようなブラシレス電動機を用いた電気掃除機の制御方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電気掃除機の分野では、小型・軽量・高性能志向の電気掃除機が望まれていることから、その電動機部分をより小型化したり回転速度を上げたりすることや、その消費電力を抑えること、さらには、掃除機から発せられる騒音について対策を施すということなどが必要となってきている。そこで、以下、掃除機から発せられる騒音について考える。
【０００５】
掃除機から発せられる特徴的な音の中には、電動機の回転子の回転速度（回転周波数）に比例して音質が変化する種類の音が多くある。例えば、回転周波数と同じ周波数音や、羽根車の羽根枚数と回転周波数の積に一致する周波数音などである。そして、このような回転速度に起因して発せられる特徴的な音の周波数は、掃除機の使用中、つまり、掃除中に大きく変化してしまうという問題があり、これにより、ユーザーに不快感を与えてしまう。これは、掃除中においては、掃除機の吸込口が掃除面に着けられたり離されたり、掃除面の状態が変わったり、色々な種類のゴミが吸い込まれたりすることから、掃除中の電動送風機は急激な流体負荷変動を受けるからである。つまり、このような流体負荷変動によって電動機の回転子の回転速度（回転周波数）も急激に変化するので、回転速度に起因して発せられる特徴的な音の周波数も変化し、これによって、ユーザーに不快感を与えるに至るわけである。特に、掃除機の最高動作モード時における不快感は大きい。
【０００６】
本発明の目的は、ユーザーに不快感を与える電動機の回転子の回転速度に起因して発せられる特徴的な音の変化を減少させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１記載の発明は、電気掃除機の吸引駆動源として用いられる電動送風機を駆動制御する電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、複数のスイッチング素子を有し、前記電気掃除機に関する物理量を検出する物理量検出手段の検出値に基づく、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、前記電動送風機を交流駆動するインバータ回路と、入力するパルス信号に従い前記スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期を設定する手段と、前記物理量検出手段の検出値に基づいて前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理を実行する手段と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段と、を具備する。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、前記ドライブ回路にパルス信号を入力する手段は、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波と、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理によって得られた値とを比較してパルス信号を生成する。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、前記搬送波は、三角波である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の電気掃除機用電動送風機の駆動回路において、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段の機能は、動作プログラムに従い処理を実行するマイクロプロセッサによって実行され、このマイクロプロセッサは、乗算器とこの乗算器での処理と並列処理可能な加算器とを備え、前記乗算器と前記加算器とを利用して積和演算を実行する。
【００１５】
請求項５記載の電気掃除機の発明は、流体吸引口を有するハウジングと、前記流体吸込口から流体を吸引可能なように前記ハウジングに収納された電動送風機と、前記電動送風機に関する物理量を検出する物理量検出手段と、複数のスイッチング素子を有し、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、前記電動送風機を交流駆動するインバータ回路と、入力するパルス信号に従い前記スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期を設定する手段と、前記物理量検出手段の検出値に基づいて前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理を実行する手段と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段と、を具備する。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記ドライブ回路にパルス信号を入力する手段は、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波と、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理によって得られた値とを比較してパルス信号を生成する。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の電気掃除機において、前記搬送波は、三角波である。
【００１８】
請求項８記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記電動送風機の回転子の回転位置を検出する回転子位置検出手段である。
【００１９】
請求項９記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記電動送風機の巻線に流れる電流を検出する電流検出手段である。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記インバータ回路の入力電圧を検出するインバータ回路入力電圧検出手段である。
【００２１】
請求項１１記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記物理量検出手段は、前記電動送風機のファンの回転に影響を及ぼす流体の物理量を検出する流体検出手段である。
【００２２】
請求項１２記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記電動送風機の送風機は、遠心型送風機である。
【００２３】
請求項１３記載の発明は、請求項５記載の電気掃除機において、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段の機能は、動作プログラムに従い処理を実行するマイクロプロセッサによって実行され、このマイクロプロセッサは、乗算器とこの乗算器での処理と並列処理可能な加算器とを備え、前記乗算器と前記加算器とを利用して積和演算を実行する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。
【００２５】
１．ハードウエア構成
図１は、電気掃除機１の外観構成を示す斜視図である。この電気掃除機１は、電気掃除機１の基体をなすハウジング２に対して、先端部に吸込口体３を着脱自在に備えた２分割構成の延長管４が着脱自在に接続されるホース５が着脱自在に取り付けられて構成されている。
【００２６】
ハウジング２には、電動機６と遠心型送風機である送風機７などからなる電動送風機８が内蔵されている。そして、ホース５は、その基端が図示しない集塵室を介して電動送風機８の吸込側に連通するようにハウジング２に接続されており、そのホース５の先端には後方に向けてホース５から分岐する形状の手元操作部１１が設けられている。この手元操作部１１は、後方に向けてホース５から分岐する先端の自由端の部分が握り部１０となっており、この握り部１０を握った操作者の親指で操作可能な位置には操作ボタン１２が設けられている。その操作ボタン１２は、いわゆるスライドスイッチであり、電動送風機８の電源スイッチを兼ね、この電動送風機８をそれぞれ異なる駆動状態にする複数種類の運転モードを選択設定することができるように構成されている。つまり、操作ボタン１２は、停止、弱、中、強の４段階に運転モードを切り換える。さらに、先端部に吸込口体３を着脱自在に備えた２分割構成の延長管４は、その手元操作部１１に対して着脱自在に取り付けられている。
【００２７】
図２は、電動送風機８の駆動制御回路１２を示す回路図である。この駆動制御回路１２は、電源部１３を駆動源として高周波駆動されるインバータ回路としてのインバータ主回路部１４から発生する高周波電流によって電動送風機８の電動機６を回転駆動するという動作原理を備え、マイクロプロセッサ１５を含むインバータ制御回路としてのインバータ制御部１６によってインバータ主回路部１４を駆動制御するような回路構成となっている。以下、各部の詳細を説明する。
【００２８】
電源部１３において、商用交流電源ＰＳからの交流電圧は、整流回路１７及び平滑コンデンサ１８による整流平滑作用により直流電圧に変換され、このような直流電圧の態様でインバータ主回路部１４に供給される。
【００２９】
インバータ主回路部１４は、６個の半導体スイッチング素子（スイッチング素子）、例えばパワートランジスタを３相ブリッジ接続すると共に、各パワートランジスタと並列にダイオードを接続した構成になっている。このインバータ主回路部１４は、マイクロプロセッサ１５を主体とするインバータ制御部１６によって出力されるＰＷＭ波形（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）に基づいて制御され、直流電圧を電動機６の電機子巻線１９に供給する。
【００３０】
電動機６は、３相のブラシレスＤＣ電動機６で、２極対の永久磁石２０が埋設された回転子２１と、複数の電機子巻線１９を有する固定子２２とを備える。回転子２１のコアは、高い透磁率を有する珪素鋼等からなっている。
【００３１】
ここで、電動送風機８の駆動制御回路１２は、回転子２１の回転位置を検出するための回転子位置検出手段２３を備える。この回転子位置検出手段２３は、電気掃除機１に関する物理量、ここでは回転子２１の回転位置を検出する物理量検出手段として構成されている。このような回転位置検出手段２３としては、電気角の１２０°間隔で設置した３つの磁気センサ（図４中では位置センサ）が用いられている。実施に際しては、その他の回転子位置検出手段２３として、光学式パルスエンコーダを使用する構造、電流を流さない非通電期間に電機子巻線１９に誘起される電圧を電圧位相検出手段によって検出する構造などが使用可能である。このような回転子位置検出手段２３によって、回転子２１の一定間隔ごとの磁極位置を検出し、インバータ制御部１６のマイクロプロセッサ１５は、その検出情報である磁極位置を用いて回転子２１の回転速度や、各相の通流タイミングを演算をして、固定子２１の電機子巻線１９に適切な電流を与え、回転磁界を発生させる構造となっている。
【００３２】
また、電動送風機８の駆動制御回路１２は、電動機６における電機子巻線１９に流れる電流を検出する電機子電流検出手段２４を備える。この電機子電流検出手段２４は、電気掃除機１に関する物理量、ここでは電動機６における電機子巻線１９に流れる電流を検出する物理量検出手段（電流検出手段）として構成されている。このような電機子電流検出手段２４は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の巻線に流れる電流、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検知するための３つの電流センサや、３つの抵抗の両端電圧をインバータ制御部１６で検出する回路構成によって構成されている。
【００３３】
さらに、電動送風機８の駆動制御回路１２は、電機子巻線１９に流れる電流を検出する前記とは別の手段として、インバータ主回路部１４に流れる電流Ｉｉｎを検出するインバータ回路電流検出手段２５と、インバータ主回路部１４への入力電圧Ｖｄｃを検出するインバータ回路入力電圧検出手段２６とを備える。インバータ回路電流検出手段２５は、電気掃除機１に関する物理量、ここでは電機子巻線１９に流れる電流を検出する前記とは別の手段として、インバータ主回路部１４に流れる電流Ｉｉｎを検出する物理量検出手段として構成されている。このようなインバータ回路電流検出手段２５は、電流センサや、整流回路１７と平滑コンデンサ１８との間に介在接続された抵抗の両端電圧をインバータ制御部１６で検出する回路構成によって構成されている。
【００３４】
また、インバータ回路入力電圧検出手段２６は、電気掃除機１に関する物理量、ここではインバータ主回路部１４への入力電圧Ｖｄｃを検出する物理量検出手段として構成されている。このようなインバータ回路入力電圧検出手段２６は、整流回路１７と平滑コンデンサ１８によって整流平滑されてインバータ主回路部１４に入力される入力電圧Ｖｄｃをインバータ制御部１６で検出する回路構成によって構成されている。
【００３５】
加えて、インバータ制御部１６のマイクロプロセッサ１５は、電気掃除機１を正確に制御するために、電気掃除機１に係る物理量の検出値にノイズが多く含まれる時は、各種検出値をディジタル信号に変換後、ディジタル的なフィルタリング処理を行う。例えば、有限長インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ処理などを行う。ＦＩＲフィルタの演算式を（１）式に示す。
【００３６】
【数１】
図３（Ａ）は、遠心型の送風機７の羽根車４９の形状を概略的に示す側面図であり、図３（Ｂ）は、遠心型の送風機７の羽根車４９の形状を概略的に示す正面図である。遠心型送風機は、電気掃除機用として性能に優れているため、従来から広く使用されている。羽根車４９は、主板５０、側板５１及び、複数の羽根５２から構成されており、羽根５２には複数の凸部が設けられていて、主板５０と側板５１に設けられた穴に嵌合し加締られて、それぞれが固定される。この送風機からは、特徴的な音として、羽根５２の枚数と回転周波数の積に一致する周波数音が発生する。
【００３８】
図４は、インバータ制御部１６が備えるマイクロプロセッサ１５の内部構成の一部を示す概略図である。マイクロプロセッサ１５は、論理演算ユニットを構成する乗算器２７と加算器２８とを内部に備える。そして、同一チップ上や外部に配置されているプログラムメモリ２９とデータメモリ３０とのそれぞれに接続するバスとして、プログラムメモリ２９に接続するプログラムバス３１と、データメモリ３０に接続するデータバス３２とを備えている。また、マイクロプロセッサ１５は、プログラムメモリ２９とデータメモリ３０との間を結合するバス３３も備えている。さらに、乗算器２７は、乗算を行う２つのデータのうちの一つを先に取り込んでおくためのレジスタ１、及び、乗算した結果を格納しておくレジスタ２も備えている。また、マイクロプロセッサ１５は、同一チップ上に、データの入出力動作を行う各種ペリフェラルなども搭載している。
【００３９】
ここで、乗算器２７との間でのデータ転送に係る実行は、データバス３２を使用して実行されるが、乗算器２７と加算器２８との間でのデータ転送等の処理実行３はデータバス３２とは全く無関係なバスを使用して行われる。このため、実行１と実行３は、並列（同時）に実行可能である。また、乗算器２７との間でのデータ転送に係る実行２は、データバスを使わずに、通常は、プログラムをデコーダに取込むために使用するプログラム・データバス３１を使用して実行する事で、実行１や実行３と並列に（同時）に実行することができる。したがって、実行１、２、３を並列に実行することができ、乗算器２７と加算器２８とに対するデータ転送や乗算器２７と加算器２８とにおける並列処理の実行が可能となる。このようなアーキテクチャのマイクロプロセッサ１５は、チップ面積が大きくならず、インバータ制御部１６を小さくできるので、可動性の電気掃除機１に適している。
【００４０】
２．制御
次いで、インバータ制御部１６における電動機６の制御について説明する。ここでは、上述した電気掃除機１のハードウエア構成を共有する制御について説明する。
【００４１】
図５は本発明の機能ブロック図である。インバータ制御部１６が備えるマイクロプロセッサ１５は、各種演算処理を実行して各部を集中制御するＣＰＵと各種のメモリとを備えるマイクロコンピュータ（図示せず）であり、メモリに格納された動作プログラムに従い所定の演算処理と各種信号の入出力処理とを実行し、これによって各部を制御する。図５に示す機能ブロック図は、そのようなマイクロプロセッサの機能をブロック図化して示している。
【００４２】
インバータ制御部１６は、手元操作認識部３６から出される指令に基づいて、基本的に電動送風機８の電動機６の回転子２１の磁極位置を検出し、各相への通流タイミングをとり、ＰＷＭ制御（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）を受けたパルス信号を出力する。
【００４３】
このようなインバータ制御部１６を構成する機能要素として、インバータ制御部１６は、回転子２１の磁極位置、インバータ回路入力電圧、電流および流体情報などの電気掃除機１に係る物理量の検出部、通流タイミング制御部３８、回転速度演算部４１、回転速度制御部４２、電流制御部４４、搬送波発生部４５、比較部４３、及びパルス出力部３９を備えており、これら多くがマイクロプロセッサ１５でソフトウエア処理される。ソフトウエア処理の利点は、電気掃除機１の用途に応じて、ハードウエアを変更することなく、その機能を容易に変更することができることである。
【００４４】
このインバータ制御部１６の基本機能は、電流制御部４４において、手元操作認識部３６から与えられる電流指令値Ｉｉｎ＊、及び電気掃除機１に関する物理量の検出値に基づいて、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊が生成され、この電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊は、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生部としての比較部４３に比較入力され、比較基準として搬送波発生部４５から三角波信号が与えられることによって比較部４３の出力にＰＷＭ波形が取出される。そして、このＰＷＭ波形と、磁極位置検出部の検出値に基づく通流タイミング制御部３８から与えられる各相への通流タイミングとにより、パルス信号を発生させる。
【００４５】
マイクロプロセッサ１５内での三角波信号の生成方法としては、マイクロプロセッサ１５が有するタイムカウンタのアップカウンティングとダウンカウンティングとを利用して、そのカウンタ値が三角波信号となるようにディジタル的に近似させて生成する。そして、このカウンタ値（三角波信号）と電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊とを比較することによって、ＰＷＭ波形であるパルス信号を生成する。
【００４６】
こうして生成されたパルス信号を受けてドライブ回路４０によってインバータ主回路部１４における半導体スイッチング素子が選択的に駆動制御され、これによって高周波の電圧出力が電動機６の電機子巻線１９に供給されて電動機６が駆動される。ドライブ回路４０は、マイクロプロセッサ１５の外部に設けられた回路であっても、マイクロプロセッサ１５の内部に設けられた回路であっても良い。インバータ主回路部１４における半導体スイッチング素子を駆動するのに高いパワーが必要な場合には、ドライブ回路４０は、マイクロプロセッサ１５の外部に設けることが望ましい。そうでなければ、マイクロプロセッサ１５の内部に設けたドライブ回路４０が半導体スイッチング素子を駆動することができる。
【００４７】
次に、回転速度制御部４２の機能について説明する。回転速度制御部４２では、回転子２１の磁極位置検出手段２３によって検出される角度とその経過時間から算出される回転速度演算値Ｒが、機械的強度などから決まる回転子２１の上限回転速度とを比較し、回転速度演算値Ｒが上限回転速度を越えた場合、回転速度を上限回転速度内に抑えるように制御する。
【００４８】
また、回転速度制御部４２では、比例積分制御系となっており、手元操作部１１の操作ボタン１２の操作に基づいてマイクロプロセッサ１５のＣＰＵが停止、弱、中、強の４段階の運転モード（機能ブロックとしては手元操作認識部により認識される運転モード）を認識し、各運転モードに応じて認識される回転速度指令値Ｒｉｎ＊から、回転子２１の磁極位置検出手段２３によって検出される角度とその経過時間から算出される回転速度演算値Ｒとを減算し、その減算結果を参照しつつ、（２）式のような式を用いて回転速度出力値Ｒｏｕｔ＊を得る。
【００４９】
【数２】
（２）式中、Ｒｏｕｔ＊は回転速度出力値、Ｅは回転速度指令値Ｒｉｎ＊と回転速度演算値Ｒとの誤差、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｔは回転速度の検出周期をそれぞれ示す。
【００５１】
そして、電流制御部４４では、回転速度制御部４２から与えられる回転速度制御出力値Ｒｏｕｔ＊、及び電気掃除機１に関する物理量の検出値に基づいて、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊が生成される。この電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊は、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生部としての比較部４３に比較入力され、比較基準として搬送波発生部４５からの三角波信号が与えられることによって比較部４３の出力にＰＷＭ波形が取出される。そして、このＰＷＭ波形と、通流タイミング制御部３８から与えられる各相への通流タイミングとにより、パルス信号を発生させる。
【００５２】
そして前記同様に、生成されたパルス信号を受けてドライブ回路４０によってインバータ主回路部１４における半導体スイッチング素子が選択的に駆動制御され、これによって高周波の電圧出力が電動機６の電機子巻線１９に供給されて電動機６が駆動される。
【００５３】
このような構成において、電気掃除機１の電動送風機８を構成する電動機６は、インバータ主回路部１４からの電流によって回転駆動され、これによって羽根車４９が回転する。電気掃除機１は、羽根車４９の回転によってハウジング２内に流体、例えば空気を吸引し、吸引口体３から延長管４とホース５とを介して塵やゴミ等の非吸引物を吸引する。この際、電動機６は、手元操作部１１の操作ボタン１２の状態、電動機６の回転子２１の回転位置、インバータ主回路部１４に流れる電流等に応じて最適な状態で回転駆動される。
【００５４】
図６は、ＰＷＭの搬送波、インバータ制御部１６から出力されるパルス信号、回転速度演算の割込信号、回転速度演算の周期、回転速度演算を含む割込処理の割込信号、及びその割込処理のタイミングチャートである。ここで、図６を用いて、各信号のタイミングについてより詳しく説明する。マイクロプロセッサ１５は、周期Ｔｒで割込信号を発生させるか、または、外部から割込信号を受けて、この割込信号をトリガとして回転速度の演算を含む割込処理を始める。そして前述したように、回転速度演算、回転速度制御、各物理量の検出、電流制御などを処理し、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊を演算する。この回転速度の演算を含む一連の割込処理の処理時間がＤである。なお、この回転速度の演算を含む割込周期Ｔｒは、可変である。
【００５５】
そして、この電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊は、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生部としての比較部４３に比較入力され、比較基準として搬送波発生部４５から周期Ｔｐの搬送波が与えられることによって比較部４３の出力にＰＷＭ波形が取出される。図６に示す例では、搬送波の値が、電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊以上になると、パルス信号がアクティブになる。よって、このパルス信号の出力周期もＴｐになる。このようにして、回転速度の算出値を、パルス幅に反映し、電機子巻線１９に流れる電流量を制御することによって、所望の出力の電気掃除機１を得るようにする。なお、搬送波発生部４５からの搬送波の周期Ｔｐは可変であり、また、搬送波の値は、所望なタイミングでリセット（ゼロに）することもある。例えば、電気掃除機１の各運転モードにあわせて、割込信号が発生した時に、搬送波の値をリセットし、さらに、回転速度演算値より適切な搬送波周期を設定すると、回転速度演算周期内にインバータ制御部１６から出力されるパルスの数を制御することができるので、より正確な回転速度制御が実現できる。
【００５６】
ここで、回転速度演算周期内に少なくとも一つ以上のパルスが出力されるように、搬送波周期Ｔｐを、電動機６の回転速度を演算する周期Ｔｒより短くする。さらに、搬送波周期Ｔｐを、電動機６の回転速度演算を含む割込処理の時間Ｄより長く設定することによって、割込処理で算出される回転速度値が反映された電流制御出力値Ｉｏｕｔ＊を、搬送波のすぐ次の波と比較させることができ、インバータ制御部１６から出力されるパルス幅に反映させることが可能になる。このことに関しては、図６中では、回転速度演算を含む割込処理でＩｏｕｔ＊（ｋ＋１）を算出し、その値がすぐに搬送波と比較され、幅ＰＷ（ｋ＋１）のパルスが出力されていることで表している。したがって、応答性に優れた電動機６の回転速度制御を行うことが可能となり、このため、例えば、最高動作モード時で使用中の電気掃除機１が急激な流体負荷変動を受け、流体負荷変動によって電動機６の回転子２１の回転速度が急激に変化しても、インバータ制御部１６から出力されるパルス幅が素早く変化し、速く所望の回転速度に戻るので、回転速度変化に起因して発せられる不快な音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。
【００５７】
また、割込処理で算出される回転速度値を早くパルス幅に反映させることができるので、回転速度演算値が機械的強度などから決まる上限回転速度を越えたとしても、直ちに、回転速度を上限回転速度内に抑えることができる。従って、機械的に安全性の高い電気掃除機１を実現できる。
【００５８】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、電動機６の回転子２１の回転位置を検出する回転子位置検出手段２３を備えると、回転子２１の位置を的確につかむことができるので、この検出値に応じて電動送風機を適切に制御することができる。
【００５９】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、電動機６の巻線１９に流れる電流を検出する電流検出手段２４、２５を備えると、トルクに直接寄与する電流を検知することができるので、急激に流体負荷が変化した場合でも、この検出値に応じて電動送風機を適切に制御することができる。
【００６０】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、インバータ主回路部１４の入力電圧を検出するインバータ回路入力電圧検出手段２６を備えると、商用交流電源ＰＳの交流電圧、または、バッテリ−電源（図示せず）の電圧が急激に変動しインバータ主回路部１４の入力電圧が急激に変化した場合でも、この挙動を的確に捉え、この検出値に応じて電動送風機を適切に制御することができる。
【００６１】
また、電気掃除機１に係る物理量検出手段として、ファン７の回転に影響を及ぼす流体の物理量を検出する流体検出手段としての流体情報検出部４８を備えると、掃除によりごみや塵の量が増えたり目詰まりが生じて集塵室と電動送風機８との間の真空度が大きくなったりして電動送風機８に加わる負荷が小さくなった場合でも、電気掃除機１内の流体状態を検出することによって、掃除中の電気掃除機１の挙動を的確につかみ、この検出値に応じて電動送風機８を適切に制御することができる。
【００６２】
また、電動送風機８に関する物理量を検出する物理量検出手段と、複数のスイッチング素子を有し、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、電動送風機８を交流駆動するインバータ回路と、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い、周期を有する搬送波を出力する搬送波発生回路と、を備えることにより、従来から、吸引性能が優れているとして電気掃除機用１に搭載されている遠心型の送風機７の羽根５２枚数と回転周波数の積に一致する周波数音が、急激な流体負荷変動によって変化し、不快な音になっても、正確かつ速く所望の回転速度に戻り、その音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。
【００６３】
また、本実施の形態は、マイクロプロセッサ１５に、上記（１）式、及び（２）式のような積和演算の繰り返しが要求される。このため、マイクロプロセッサ内で多くの命令実行を要する。これに対し、本実施の形態では、乗算器２７と、この乗算器２７での処理と並列に処理の実行が可能な加算器２８とを備えているので、積和演算を高速で処理することが可能である。例えば、図４に示すように、マイクロプロセッサ１５には、プログラムメモリ２９とデータメモリ３０とに対するそれぞれのバスと、プログラムメモリ２９とデータメモリ３０とを結合するバスと、乗算器２７と、この乗算器２７での処理と並列に処理の実行が可能な加算器２８とを備えている。よって、回転速度演算を含む割込処理時間Ｄを短くすることができるため、ＰＷＭの搬送波の周期Ｔｐを短く設定することができ、積和演算を伴う電気掃除機１の制御においても、より応答性の優れた電動機６の回転速度制御を行うことができる。このため、流体負荷変動によって電動機６の回転子２１の回転速度が急激に変化しても、正確かつ速く所望の回転速度に戻ることが可能になる。これにより、回転速度変化に起因して発せられる不快な音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、電動送風機の応答性に優れた回転速度制御を行うことが可能となり、電気掃除機が急激な流体負荷変動を受け、流体負荷変動によって電動送風機の回転子の回転速度が急激に変化しても、インバータ制御部から出力されるパルス幅が素早く変化し、速く所望の回転速度に戻るので、回転速度変化に起因して発せられる不快な音の発生時間が短くなり、ユーザーに与える不快感を減じることができる。また、割込処理で算出される回転速度値を早くパルス幅に反映させることができるので、回転速度演算値が機械的強度などから決まる上限回転速度を越えたとしても、直ちに、回転速度を上限回転速度内に抑えることができるので、機械的に安全性の高い電気掃除機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態として、電気掃除機の外観構成を示す斜視図である。
【図２】電動送風機の駆動制御回路を示す回路図である。
【図３】遠心型送風機の羽根車を示す概略図であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその正面図である。
【図４】インバータ制御部が備えるマイクロプロセッサの内部構成の一部を示す概略図である。
【図５】電動送風機の制御に係るインバータ制御部の機能ブロック図である。
【図６】各種信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 電気掃除機
２ ハウジング
３ 流体吸引口
７ 送風機、遠心型送風機
８ 電動送風機
１２ 駆動制御回路
１４ インバータ回路（インバータ主回路部）
１５ マイクロプロセッサ
１６ インバータ制御回路
２３ 物理量検出手段、回転子位置検出手段
２４ 物理量検出手段、電流検出手段（電機子電流検出手段）
２５ 物理量検出手段、電流検出手段（インバータ回路電流検出手段）
２６ インバータ回路入力電圧検出手段
２７ 乗算器
２８ 加算器
４５ 搬送波発生回路（搬送波発生部）
４８ 流体検出手段
Claims (13)
- 電気掃除機の吸引駆動源として用いられる電動送風機を駆動制御する電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路において、
複数のスイッチング素子を有し、前記電動送風機に関する物理量を検出する物理量検出手段の検出値に基づく、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、前記電動送風機を交流駆動するインバータ回路と、
入力するパルス信号に従い前記スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、
前記電動送風機の回転速度を演算する周期を設定する手段と、
前記物理量検出手段の検出値に基づいて前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理を実行する手段と、
前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段と、
を具備することを特徴とする電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路。 - 前記ドライブ回路にパルス信号を入力する手段は、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波と、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理によって得られた値とを比較してパルス信号を生成することを特徴とする請求項１記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路。
- 前記搬送波は、三角波であることを特徴とする請求項２記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路。
- 前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段の機能は、動作プログラムに従い処理を実行するマイクロプロセッサによって実行され、このマイクロプロセッサは、乗算器とこの乗算器での処理と並列処理可能な加算器とを備え、前記乗算器と前記加算器とを利用して積和演算を実行することを特徴とする請求項１記載の電気掃除機用電動送風機の駆動制御回路。
- 流体吸引口を有するハウジングと、
前記流体吸込口から流体を吸引可能なように前記ハウジングに収納された電動送風機と、
前記電動送風機に関する物理量を検出する物理量検出手段と、
複数のスイッチング素子を有し、これらのスイッチング素子の周期的な切替動作によって、前記電動送風機を交流駆動するインバータ回路と、
入力するパルス信号に従い前記スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、
前記電動送風機の回転速度を演算する周期を設定する手段と、
前記物理量検出手段の検出値に基づいて前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理を実行する手段と、
前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段と、
を具備することを特徴とする電気掃除機。 - 前記ドライブ回路にパルス信号を入力する手段は、前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波と、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理によって得られた値とを比較してパルス信号を生成することを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
- 前記搬送波は、三角波であることを特徴とする請求項６記載の電気掃除機。
- 前記物理量検出手段は、前記電動送風機の回転子の回転位置を検出する回転子位置検出手段であることを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
- 前記物理量検出手段は、前記電動送風機の巻線に流れる電流を検出する電流検出手段であることを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
- 前記物理量検出手段は、前記インバータ回路の入力電圧を検出するインバータ回路入力電圧検出手段であることを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
- 前記物理量検出手段は、前記電動送風機のファンの回転に影響を及ぼす流体の物理量を検出する流体検出手段であることを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
- 前記電動送風機の送風機は、遠心型送風機であることを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
- 前記電動送風機の回転速度を演算する周期より短く、かつ、前記電動送風機の回転速度演算を含む割込処理の時間より長い周期を有する搬送波に従いパルス信号を生成し、このパルス信号を前記ドライブ回路に入力する手段の機能は、動作プログラムに従い処理を実行するマイクロプロセッサによって実行され、このマイクロプロセッサは、乗算器とこの乗算器での処理と並列処理可能な加算器とを備え、前記乗算器と前記加算器とを利用して積和演算を実行することを特徴とする請求項５記載の電気掃除機。
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