JP4341266B2 - ブラシレスｄｃモータの駆動方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置に関し、更に詳細に言えば、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータを、三相巻線に電力を供給するインバータにより駆動するための方法及びその装置に関するものであり、特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動するのに最適なブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の冷蔵庫は３５０L以上の大型機種が主力となり、それらの冷蔵庫は、高効率な圧縮機回転数可変のインバータ制御冷蔵庫が大半を占めている。これらの冷蔵庫用圧縮機では高効率化のために、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータを一般的には採用している。また、圧縮機の中という高温、高圧、冷媒雰囲気、オイル雰囲気という環境下にブラシレスＤＣモータを設置するため、ブラシレスＤＣモータで通常使われるようなホール素子などの位置検出センサは使用できない。そのために一般的にはモータの逆起電圧から回転子の回転位置を検出する方法がよく用いられている。
【０００３】
従来の技術は、例えば、特許文献１に示されている。その従来の技術を図面に従って説明する。図１０は従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。
【０００４】
図１０において、１０１は商用電源であり、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。
【０００５】
１０２は商用電源１０１の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路である。整流回路１０２はブリッジ接続された整流用ダイオード１０２ａ〜１０２ｄと平滑用の電解コンデンサ１０２ｅ、１０２ｆとからなり、図１０に示す回路では倍電圧整流回路となり、商用電源１０１のＡＣ１００Ｖ入力から直流電圧２８０Ｖを得ることができる。
【０００６】
１０３はインバータ回路であり、６個のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆには各スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆの逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。
【０００７】
１０４はブラシレスＤＣモータであり、永久磁石を有する回転子１０４ａと３相巻線を有した固定子１０４ｂとからなる。インバータ１０３により作られた３相交流電流が固定子１０４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子１０４ａを回転させることができる。回転子１０４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。
【０００８】
１０５は逆起電圧検出回路であり、ブラシレスＤＣモータ１０４の永久磁石を有する回転子１０４ａが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子１０４ａの回転相対位置を検出する。
【０００９】
１０６は転流回路であり、逆起電圧検出回路１０５の出力信号によりロジカルな信号変換を行い、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する信号を作り出す。
【００１０】
１０７は同期駆動回路であり、インバータ１０３から強制的に所定周波数の出力を出し、ブラシレスＤＣモータ１０４を駆動するものであり、転流回路１０６で生成されるロジカルな信号と同等形状の信号を強制的に所定周波数で発生させるものである。
【００１１】
１０８は負荷状態判定回路であり、圧縮機１０４が運転されている負荷状態を判定するものである。１０９は切替回路であり、負荷状態判定回路１０８の出力により、圧縮機１０４のブラシレスＤＣモータを転流回路１０６で駆動するか、同期駆動回路１０７で駆動するかを切り替える。１１０はドライブ回路であり、切替回路１０９からの出力信号により、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。
【００１２】
以上の構成において、次に動作の説明を行う。
【００１３】
負荷状態判定回路１０８で検出された負荷が、通常負荷の場合、転流回路１０６による駆動を行う。そして、逆起電圧検出回路１０５でブラシレスＤＣモータ１０４の回転子１０４ａの相対位置を検出する。次に転流回路１０６で回転子１０４ａの相対位置からインバータ１０３を駆動する転流パターンを作り出す。
【００１４】
この転流パターンは切替回路１０９を通して、ドライブ回路１１０に供給され、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。この動作により、ブラシレスＤＣモータ１０４はその回転位置に合致した駆動を行うこととなる。
【００１５】
次に、負荷が増加してきたときの動作について説明する。
【００１６】
ブラシレスＤＣモータ１０４の負荷が増加し、ブラシレスＤＣモータ１０４の特性により回転数が低下してくる。この状態を負荷状態判定回路１０８で高負荷状態であることを判定し、切替回路１０９の出力を同期駆動回路１０７からの信号に切り替える。
【００１７】
このように駆動することにより高負荷時の回転数低下を抑えようとするものである。
【００１８】
【特許文献１】
特開平９−８８８３７号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、次のような課題があった。
【００２０】
高負荷での回転数アップを目指しているものではあるものの、逆起電圧検出回路１０５の信号をベースにしているため、逆起電圧検出回路１０５の限界位相（進角で３０度）を超える範囲では運転できない。また、通常の駆動波形である１２０°通電の矩形波駆動で動作させているので、ピーク電流が高くなり、過電流保護回路が働きやすくなる。以上のような理由により、ブラシレスＤＣモータ１０４の回転数を上げることのできる範囲が狭まってしまい、低回転数での効率を十分上げれないという課題があった。
【００２１】
本発明は、従来の課題を解決するものであり、ステータ巻線を大きく巻き込んでトルク（回転数）を落として、低速におけるモータ効率を大きく上げたまま、高速時のブラシレスＤＣモータの回転数は従来と同等を得られるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明の他の目的は、低速におけるモータ効率を最大限に活かしながら、高速性が確保できるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、高回転／高負荷時においてもモータがブレークダウンすることなく運転しつづけることができるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、低速では通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力し、高速では通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波・正弦波またはそれに準じる波形を所定周波数で出力するとともに、デューティを一定として所定周波数のみを変化させるようにしたものであり、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、安定した高速性を確保でき尚且つ電流波形も正弦波に近づくので実効電流に対するピーク電流を抑えることが出来る。
また請求項１に記載の発明は、回転子の回転位置を検出する位置検出部を有し、低速においては位置検出部の位置検出によりインバータを駆動することにより低速での効率をより上げることが出来る。
また請求項１に記載の発明は、前記所定周波数の上限周波数を設定しその上限周波数以上の周波数の出力を禁止する周波数制限部を有し、上限周波数を設けることにより、より安定した高速運転が可能となる。
また請求項1に記載の発明は、上限周波数を前記第１波形発生部により出力する最大周波数により設定する上限周波数設定部を有し、運転状況に応じた最大周波数を設定することができ、より安定した最大限の高速運転をだすことができる。
さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００２７】
また請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部と、デューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を前記周波数設定部で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部と、低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部とを有することにより、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、高速においては安定した高速性を確保でき尚且つ電流波形も正弦波に近づくので実効電流に対するピーク電流を抑えることが出来る。
さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００３１】
また請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において所定時間が経過した後前記周波数設定部からの駆動から前記第１波形発生部からの駆動に一時的に切り替えることにより上限周波数を設定しなおす上限周波数変更部を有することにより、時間が経過して負荷状態が変化してもより最適な最高回転数で運転をすることができる。さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００３２】
また請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータに供給される電圧を検出する電圧検出部と、前記上限周波数を前記電圧検出部により補正する上限周波数補正部とを有することにより、電源電圧が変動した場合にも安定した高速回転数を維持することが出来る。
さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００３３】
また請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記上限周波数を前記出力電圧検出部の所定タイミングで得られた電圧値により補正する上限周波数補正部とを有することにより、新たな回路を追加することなく電源電圧を検出することにより、電源電圧が変動した場合にも安定した高速回転数を維持することが出来る。
さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００３４】
また請求項６に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された出力電流の出力電圧に対する位相により前記周波数制限部の上限周波数を変更するようにした位相差検出部とを有することにより、常に負荷の状態を監視することができ、そのときの負荷にあわせた最適な高速運転を実現することができる。
さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００３６】
また請求項７に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された出力電流の振幅により前記周波数制限部の上限周波数を変更するようにした振幅検出部とを有することにより、出力電流の振幅値を検出し最適な高速運転を行うことができる。
さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００３８】
また請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものであり、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクを使うことにより、低速時の効率アップは当然のこと、高速時の高速性もさらに得られることになる。
【００３９】
また請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものであり、圧縮機において高効率・低騒音を実現できる極めて重要な用途のひとつである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による冷蔵庫の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。
【００４２】
図１において、１は商用電源であり、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。
【００４３】
２は商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路である。整流回路２はブリッジ接続された整流用ダイオード２ａ〜２ｄと平滑用の電解コンデンサ２ｅ、２ｆとからなり、図１に示す回路では倍電圧整流回路となり、商用電源１のＡＣ１００Ｖ入力から直流電圧２８０Ｖを得ることができる。ここでは倍電圧整流としたが、全波整流や直流電圧可変式のチョッパ回路や倍電圧整流／全波整流の切替方式でもよい。
【００４４】
３はインバータ回路であり、６個のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆには各スイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆの逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。
【００４５】
４はブラシレスＤＣモータであり、永久磁石を有する回転子４ａと３相巻線を有した固定子４ｂとからなる。インバータ３により作られた３相交流電流が固定子４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子４ａを回転させることができる。回転子４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。
【００４６】
５は位置検知部であり、ブラシレスＤＣモータ４の回転子４ａが回転することにより、固定子４ｂの３相巻線に発生する誘起電圧を検出し、回転子４ａの相対的な回転位置を検出するものである。
【００４７】
６は第１波形発生部であり、位置検出部５の位置検出信号をもとにインバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は矩形波通電を基本として行っており、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でもそれに準じる波形として立ち上がり／立ち下がりに若干の傾斜を持たせた台形波であってもよい。
【００４８】
第１波形発生部６ではさらに回転数を一定に保つためにＰＷＭ制御のデューティの制御も行っている。回転位置に従って、最適なデューティで運転させることができるため最も効率的な運転が可能となる。
【００４９】
７は回転数検出部であり、位置検知部５の出力信号からブラシレスＤＣモータ４の回転数を検出する。この回転数の検出は位置検知部５の出力信号の一定時間カウントまたは周期測定などによって実現可能である。
【００５０】
８は周波数設定部であり、出力のデューティを一定にしたまま出力する周波数のみを変化させていく。９は周波数制限部であり、周波数設定部８からの周波数が上限周波数を超えることのないように制限している。
【００５１】
１０は第２波形発生部であり、周波数設定部９の出力信号をもとにインバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でも正弦波や歪波などのそれに準じる波形であってもよい。またここでは最大デューティで運転しており、９０〜１００％の一定のデューティで運転している。さらに、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたものである。
【００５２】
１１は切替判定部であり、回転数検出部７で検出された回転数により低速／高速を判断し、インバータ３を動作させる波形を第１波形発生部６か第２波形発生部１０かを切り替えるものである。具体的には回転数が低速の場合、第１波形発生部６からの信号を選択し、回転数が高速の場合、第２波形発生部１０からの信号を選択してインバータ３を動作させる。
【００５３】
ここで回転数が低速か高速かの判定は回転数検出部７からの実際の回転数としたが、設定回転数やデューティを判断してもよい。デューティは最大デューティ（一般的には１００％）で位置検知による回転数が最大となるため、この条件で信号を切り替えることも可能である。
【００５４】
１２はドライブ部であり、切替回路１１からの出力信号により、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する。この駆動によりインバータ３から最適な交流出力がブラシレスＤＣモータ４に印加することができるので回転子４ａを回転させることができる。
【００５５】
１３は上限周波数設定部であり、第１波形発生部６から駆動されているときの最大回転数（デューティ１００％の時）をもとに上限周波数を設定する。本実施例では上限回転数を最大回転数の１．５倍に設定するものとする。例えば最大回転数が５０ｒ／ｓであった場合、上限周波数は７５ｒ／ｓとする。この上限周波数設定部で設定された上限周波数は周波数制限部９の周波数の制限に利用する。
【００５６】
この上限周波数の設定は、次のように行う。周波数設定部８と第２波形発生部１０による駆動を行っているときはブラシレスＤＣモータ４は同期モータとして運転しており、通常の位置検知による状態よりも電流位相が進角し、いわゆる弱め磁束制御のような形で高速回転ができるものである。しかしこの進角が大きくなるとモータは同期を外れて脱調してしまう。この脱調をおこす回転数より上限周波数が低くなるように予め設定しておく。
【００５７】
１４は上限周波数変更部であり、切替判定部１１により第２波形発生部１０による駆動が所定時間（例えば３０分間）継続した場合、強制的に切替判定部を第１波形発生部６に切り替え、上限周波数設定部１３による上限周波数を再設定する。
【００５８】
１５は電圧検出部であり、整流回路２の出力電圧（直流電圧）を検出する。この電圧検出部１５の出力を受けて、上限周波数補正部１６にて上限周波数を補正するべく出力を送出し、上限周波数設定部１３の上限周波数を補正する。ここでは電圧が標準より高ければ上限周波数を上げ、標準より低ければ上限周波数を下げるように補正を行う。
【００５９】
１７は以上の機能を実現するための、マイクロコンピュータである。これらの機能はマイクロコンピュータのプログラムによって実現可能である。
【００６０】
次に図１における動作について、図１〜図６を用いて説明する。
【００６１】
まず、低速時の動作について説明する。図２は本発明の実施の形態１における低速時のインバータ駆動のタイミング図である。ブラシレスＤＣモータ４の回転数が低い場合、位置検知部５の出力により動作する第１波形発生部６からの信号により駆動され、図２に示すような動作となる。
【００６２】
図２において、Ｕはスイッチ素子３ａの駆動信号、Ｖはスイッチ素子３ｃの駆動信号、Ｗはスイッチ素子３ｅの駆動信号、Ｘはスイッチ素子３ｂの駆動信号、Ｙはスイッチ素子３ｄの駆動信号、Ｚはスイッチ素子３ｆの駆動信号であり、Ｉｕ・Ｉｖ・Ｉｗは固定子４ｂの各巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を示す。
【００６３】
位置検知部５の信号に従って、１２０度づつの区間で順次転流を行っている。また上アームの駆動信号Ｕ、Ｖ、ＷにはＰＷＭ制御によるデューティ制御を行っている。このとき、電流波形は図２に示すようにのこぎり波の形状の波形となる。
【００６４】
この時は、位置検知部５の出力により最適なタイミングで転流を行っているので最も効率よくブラシレスＤＣモータが駆動できることとなる。
【００６５】
次に、最適な通電角について図３を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態１における低速時の通電角＝効率特性図である。図３は、実線がモータ効率、破線が回路効率、一点鎖線が総合効率（モータ効率×回路効率）を示す。
【００６６】
図３に示すように、通電角を１２０度より大きくすると、モータ効率は向上する。これは通電角が広がることにより、モータ電流の実効値が下がり（即ち力率が上がり）、モータの銅損が減少しモータ効率が上がることによるものである。
【００６７】
しかしながら、回路ではスイッチング回数が増加し、スイッチングロスが増加することにより、回路効率は低下する。したがって、最も総合効率のよい点が現れる。本実施例においては、１３０度が最も効率の高くなるポイントであるということがいえる。
【００６８】
次に、高速時の動作について説明する。図４は本発明の実施の形態１における高速時のインバータ駆動のタイミング図である。ブラシレスＤＣモータ４の回転数が高い場合、周波数設定部８の出力により動作する第２波形発生部１０からの信号により駆動され、図４に示すような動作となる。
【００６９】
図４における記号は図２と同一であるため、符号の説明は省略する。各駆動信号は周波数設定部８の出力にしたがって、所定周波数を出力するように転流を行うが、このとき導電角は１３０度以上１８０度未満が望ましい。これは図４では導電角が１５０度で示しているが、導電角を上げることによって各相の電流波形は擬似的に正弦波に近いものとなる。
【００７０】
デューティを一定として周波数を上げていくことにより、従来に比べ大幅に回転数を上げることができる。この回転数が上がった状態ではブラシレスＤＣモータ４は同期モータとして運転しており、周波数があがるにしたがって電流はどんどん上がってくる。ここで、導電角を１３０度以上１８０度未満にすることにより、ピーク電流値が小さくすることができ、より高い電流まで過電流保護がかからずに動作させることができる。
【００７１】
次に、実際の切替動作について説明する。図５は本発明の実施の形態１における回転数＝デューティ特性図を示す。
【００７２】
図５において、回転数５０ｒ／ｓ以下の場合は第１波形発生部６により駆動される。デューティは回転数により自動的にフィードバック制御により最も効率のよくなるポイントに調整される。
【００７３】
５０ｒ／ｓにおいて、デューティ１００％となり、第１波形発生部６による駆動はそれ以上回転させることのできない限界に到達する。この状態において上限周波数設定部１３ではこの５０ｒ／ｓをベースにその１．５倍の７５ｒ／ｓを上限周波数として設定する。周波数設定部８からの出力信号が７５ｒ／ｓを超えると周波数制限部９がこの上限周波数７５ｒ／ｓにしたがって、これ以上の周波数を出すのを防止する。５０ｒ／ｓから７５ｒ／ｓの間においてはデューティはそのままで回転数のみを上げている。
【００７４】
次に上限周波数変更部１４の動作について説明する。冷蔵庫などの圧縮機に本装置を使用した場合、トルクを落とした高効率なモータを使うことができ、庫内温度が安定している低速回転数が必要なときは高効率の運転ができ、庫内温度が高く高速回転数が必要なときは簡単に回転数を上げることができるので本技術の応用としては最適である。このように冷蔵庫などの圧縮機に本装置を使用した場合、負荷トルクが急激に変化することは少なく比較的長い時間がかかって負荷トルクが変化する。このとき上限周波数を変える必要が生じる。
【００７５】
図６は本発明の実施の形態１における回転数とデューティのタイミング図を示す。
【００７６】
図６において、時刻ｔ０においてブラシレスＤＣモータ４は起動する。ここでは回転数指令が８０ｒ／ｓが指示されたものとする。ブラシレスＤＣモータ４にインバータ３が電力を供給し、デューティを上げていくと同時に、位置検知部５と第１波形発生部６によるフィードバックによる駆動で順次回転数もアップしていく。
【００７７】
時刻ｔ１においてデューティは最大の１００％となり、位置検知部５と第１波形発生部６によるフィードバックによる駆動ではこれ以上回転数を上げれなくなる。このときブラシレスＤＣモータ４の回転数は５０ｒ／ｓであり、この回転数をもとに上限周波数設定部１３で上限周波数を１．５倍の７５ｒ／ｓと設定する。
【００７８】
次に切替判定部１１にて、周波数設定部８と第２波形発生部１０による駆動に切り替える。その後デューティは１００％一定で、周波数設定部８により周波数を上げていくことにより、ブラシレスＤＣモータ４の回転数を上げていく。 時刻ｔ２において、回転数指令は８０ｒ／ｓが指示されてはいるが、上限周波数設定部１３で決められた上限周波数は７５ｒ／ｓであるので、周波数制限部９により回転数は７５ｒ／ｓに制限される。
【００７９】
次に、時刻ｔ３（時間ｔ３−ｔ２は一例として３０分）においては、冷蔵庫などの圧縮機に使用した場合、負荷状態が変わっている可能性があるので最高回転数の確認を行う。これは上限周波数変更部１４が所定時間（本実施例の場合は３０分）たったことを検出して、切替判定部１１を第１波形発生回路６からの駆動に切り替える。すると回転数が下がり、通常の第１波形発生回路６から動作させれる最大の回転数が回転数検出部７から測定できることになる。
【００８０】
本実施の形態においては、時刻ｔ２における負荷状態に比べて、時刻ｔ３における負荷状態は軽くなっており、最大回転数が上昇して５５ｒ／ｓとなっている。この結果、上限周波数設定部１３で上限周波数は再設定されるが、１．５倍の８２．５ｒ／ｓが上限周波数として設定される。
【００８１】
その後、同様に切替判定部１１を周波数設定部８と第２波形発生部１０とからの駆動に切り替えることにより、回転数を再びアップさせる。このとき指令回転数８０ｒ／ｓに対して上限周波数は８２．５ｒ／ｓであるため所望とする８０ｒ／ｓで運転を継続することとなる。このようにして負荷の変動に対して、一定時間ごとに負荷状態を再度検出して上限周波数を補正を行うことにより、負荷状態に応じた最適な運転が実現できる。
【００８２】
次に、商用電源１が電圧変動した場合について説明する。一般的な家庭においては宅内の電源インピーダンスや他の機器のＯＮ／ＯＦＦ状態により、商用電源１のコンセント部の電源電圧が変化することがしばしばある。
【００８３】
商用電源１の電源電圧が変動するのに伴い、整流回路２の直流電圧出力も電源電圧の変動に比例して変化する。この直流電圧出力の変化を電圧検出部１５で検出する。この検出結果をもとに、上限周波数補正部１６で補正すべき値を決定し、上限周波数設定部１３で設定される上限周波数を補正する。
【００８４】
ブラシレスＤＣモータの最大回転数は、一般的にもよく知られている通り、整流回路２の直流電圧出力に比例して変化する。したがって直流電圧が１０％下がれば上限周波数も１０％下げ、逆に直流電圧が１０％上がれば上限周波数も１０％上げるように補正を行えば、入力電圧が電圧変動を起こしても脱調することなく回りつづけるブラシレスＤＣモータの駆動装置を提供することができる。
【００８５】
次に、ブラシレスＤＣモータ４の構造について説明を行う。図７は、本発明の実施の形態１によるブラシレスＤＣモータの回転子の構造図である。
【００８６】
２０は回転子コアであり、０．３５ｍｍから０．５ｍｍ程度の薄い珪素鋼板を打ち抜いたものを、積み重ねたものである。
【００８７】
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは４枚のマグネットであり、逆円弧状に回転子コア２０に埋め込まれている。このマグネットは通常フェライト系がよく用いられるが、ネオジなどの希土類の磁石が使われる場合は平板構造のものが使われることもある。
【００８８】
このような構造の回転子において、回転子中央からマグネットの中央に向かう軸をｄ軸、回転子中央からマグネットの間に向かう軸をｑ軸とすると、それぞれの軸方向のインダクタンスＬｄ、Ｌｑは逆突極性を有し、異なるものとなる。つまりこれは、モータとしては、マグネットの磁束によるトルク（マグネットトルク）以外に、逆突極性を利用したトルク（リラクタンストルク）を有効に使えることとなる。したがってモータとしてよりトルクが有効的に利用できることとなる。この結果、モータとしては高効率なモータとなる。
【００８９】
また、本実施の形態の制御を使用すると周波数設定部８と第２波形発生部１０による駆動を行っているとき、電流は進み位相で運転するので、このリラクタンストルクが大きく利用されるようになるので、逆突極性がないモータに比べてより高回転数まで運転することができる。
【００９０】
以上の様に本実施の形態１のブラシレスＤＣモータの駆動方法は、永久磁石を有する回転子４ａと三相巻線を有する固定子４ｂからなるブラシレスＤＣモータ４と、前記三相巻線に電力を供給するインバータ３と、低速では通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力し、高速では通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波・正弦波またはそれに準じる波形を所定周波数で出力するとともに、デューティを一定として所定周波数のみを変化させるようにしたものであるので、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、安定した高速性を確保でき尚且つ電流波形も正弦波に近づくので実効電流に対するピーク電流を抑えることが出来る。
【００９１】
低速においては、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形（例えば台形波など）を出力することにより、実効電流が下がることによる銅損の低減や回路のオンロスの減少と、回路のスイッチングロスの増加とがつりあう最もロスの低い状態での運転が可能となり、最も効率的な運転が可能となる。一般的には正弦波による駆動がモータの効率がよいとの評価はあるものの通電角が１８０度となるため、回路のスイッチングロスが増加するため、回路を含んだ総合効率としては本実施例によるものが良くなる。
【００９２】
また、高速においては、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波・正弦波またはそれに準じる波形（例えば台形波など）を出力すると、出力の電圧波形が矩形波であっても、電流波形は擬似的な正弦波電流となり、従来より電流ピーク値が小さくなるため、より安定した高速運転を得ることができる。
【００９３】
また、ブラシレスＤＣモータ４が、回転子４ａの鉄心に永久磁石２１ａ〜２１ｄを埋め込んでなる回転子４ａであり、かつ突極性を有する回転子４ａを有したものであり、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクを使うことにより、低速時の効率アップは当然のこと、高速時の高速性もさらに得られることになる。
【００９４】
永久磁石にネオジなどの希土類磁石を採用してマグネットトルクの割合を多くしたり、インダクタンスＬｄ、Ｌｑの差を大きくしてリラクタンストルクの割合を多くしたりすると、最適な通電角を変えることにより効率をベストにあわせることができる。
【００９５】
また、ブラシレスＤＣモータ４が圧縮機を駆動するものであり、圧縮機において高効率・低騒音を実現できる極めて重要な用途のひとつである。特に巻線の巻込み量を増やしたトルクダウンした（即ち最高回転数を落とした）モータが利用できるので、低回転数時のデューティが従来の方法より大きくできるので、モータの騒音、特にキャリア音（ＰＷＭ制御の周波数に相当、例えば３ｋＨｚ）が低減できる。
【００９６】
通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部６と、デューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部８と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を前記周波数設定部８で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部１０と、低速では前記第１波形発生部６の出力を、高速では前記第２波形発生部１０の出力をそれぞれ選択する切替判定部１１とを有することにより、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、高速においては安定した高速性を確保でき尚且つ電流波形も正弦波に近づくので実効電流に対するピーク電流を抑えることが出来る。
【００９７】
また、回転子の回転位置を検出する位置検出部５を有し、低速においては位置検出部５の位置検出によりインバータ３を駆動することにより、回転子４ａの回転位置タイミングが最適になり、低速での効率をより上げることが出来る。
【００９８】
また、前記所定周波数の上限周波数を設定しその上限周波数以上の周波数の出力を禁止する周波数制限部９を有し、上限周波数を設けることによりより安定した高速運転が可能となる。
【００９９】
このように、上限周波数を設けることにより、出せる能力以上の回転は行わないようにできるので、脱調などによって、冷蔵庫などの冷却システムの冷却が予期せず停止してしまい冷えなくなることを防止できる。
【０１００】
また、上限周波数を前記第１波形発生部６により出力する最大周波数により設定する上限周波数設定部１３を有し、運転状況に応じた最大周波数を設定することができ、より安定した最大限の高速運転をだすことができる。
【０１０１】
また、所定時間が経過した後前記周波数設定部８からの駆動から前記位置検知部５からの駆動に一時的に切り替えることにより上限周波数を設定しなおす上限周波数変更部を有することにより、時間が経過して負荷状態が変化してもより最適な最高回転数で運転をすることができる。
【０１０２】
圧縮機の制御などにおいては、負荷が瞬時的に変わることは少なく、冷却システムの状態によってゆっくり変化するので、この方法は非常に有効である。
【０１０３】
また、インバータ３に供給される電圧を検出する電圧検出部１５と、前記上限周波数を前記電圧検出部１５により補正する上限周波数補正部１６とを有することにより、電源電圧が変動した場合にも安定した高速回転数を維持することが出来る。つまり電源電圧が変化した場合でも、停止することなく運転を継続することができる。
【０１０４】
（実施の形態２）
次に本発明による実施の形態２について図８を用いて説明する。図８は本発明の実施の形態２によるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。
【０１０５】
図８において、図１で説明したものと同一構成のものは、同一符号を付与して詳しい説明は省略する。
【０１０６】
３０は出力電圧検出部であり、ブラシレスＤＣモータ４の固定子４ｂの巻線のＷ相につながれている。所定のタイミングで出力電圧を検出するものである。この検出された出力電圧は上限周波数補正部１６に送られる。
【０１０７】
以上のように構成されたブラシレスＤＣモータの駆動装置について、次にその動作について説明する。
【０１０８】
出力電圧検出部３０はＷ相の出力端子に接続されており、インバータ３のスイッチ素子３ｅがオンした時、このＷ相の電圧は整流回路２の出力電圧そのものが出てくる。実際には立ち上がり時にはチャタリングなどがあり、スイッチ素子３ｅがオンした所定時間（十分にチャタリングがなくなる時間）経過後に、出力電圧を検出すると、インバータ３の直流電圧値が検出できることとなる。
【０１０９】
この出力電圧検出部３０の出力を受けて、上限周波数補正部１６にて上限周波数を補正するべく出力を送出し、上限周波数設定部１３の上限周波数を補正する。ここでは電圧が標準より高ければ上限周波数を上げ、標準より低ければ上限周波数を下げるように補正を行う。
【０１１０】
これにより、入力電圧が変動した場合は、出力電圧を所定のタイミングで検出することによりその変動を検出できるので最適な補正を行うことができる。
【０１１１】
以上の様に本実施の形態２のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、インバータ３の出力電圧を検出する出力電圧検出部３０と、前記上限周波数を前記出力電圧検出部３０の所定タイミングで得られた電圧値により補正する上限周波数補正部１６とを有することにより、新たな回路を追加することなく電源電圧を検出することにより、電源電圧が変動した場合にも安定した高速回転数を維持することが出来る。
【０１１２】
また、位置検出部５の回路をそのまま利用できるので、新たな回路を設けることなく実現可能であり、小型・低コストの駆動装置を提供することができる。
【０１１３】
（実施の形態３）
次に本発明による実施の形態３について図９を用いて説明する。図９は本発明の実施の形態３によるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。
【０１１４】
図９において、図１で説明したものと同一構成のものは、同一符号を付与して詳しい説明は省略する。
【０１１５】
４０は整流回路２とインバータ３との間に設けられたシャント抵抗である。４１はシャント抵抗４０の両端電圧からシャント抵抗４０を流れる電流を検出する電流検出部である。
【０１１６】
４２は位相差検出部であり、電流検出部４１で検出された電流と出力電圧との位相差を検出し、位相差が予め設定された所定値（例えば５０°〜６０°）を超えるとその結果を周波数制限部９に送出し、出力周波数を制限する。
【０１１７】
４３は振幅検出部であり、電流検出部４１で検出された電流の振幅を検出して、振幅が所定値（例えば３Ａ）を超えるとその結果を周波数制限部９に送出し、出力周波数を制限する。
【０１１８】
以上のように構成されたブラシレスＤＣモータの駆動装置について、次にその動作について説明する。
【０１１９】
シャント抵抗４０を電流が流れることにより、シャント抵抗４０の両端には電圧が発生する。この電圧を電流検出部４１に入力して、電流を検出する。
【０１２０】
次に、電流検出部４１の電流と出力電圧の位相差を位相差検出部４２で検出する。低速において効率の高い運転をしているとき、磁石埋め込み型のモータではこの位相差は５°〜１５°程度となる。さらに高速においては、位置検知部５を用いて駆動する最大回転数から実際の回転数が離れてくるほどこの位相差は進むことになる。
【０１２１】
この位相差がどんどん進み６０°を超えると脱調する可能性が出てくる。したがって脱調する直前に回転数を上げるのを止めるために、５５°を超えると回転数をそれ以上上げないように、周波数制限部９で周波数を制限する。
【０１２２】
次に、電流検出部４１の電流の振幅を振幅検出部４３で検出する。トルクが一定の場合、位置検知部５で駆動しているときは、電流値はほぼ一定であるが、周波数設定部８による駆動に切り替わると回転数が上がるにつれて、電流値がどんどん増加していく。この電流が所定値を超えるとモータは保護回路（図示せず）により停止してしまうので、この停止する前に回転数の上昇を止める必要がある。そこで振幅検出部４３で検出した振幅値が所定値を超えると回転数をそれ以上上げないように、周波数制限部９で周波数を制限する。
【０１２３】
このように電流の位相差や振幅により、回転数に制限を設けることにより、そのときの負荷量にあった最適な高速運転が得ることができる。
【０１２４】
以上の様に本実施の形態３のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、インバータ３の出力電流を検出する電流検出部４１と、前記電流検出部４１で検出された出力電流の出力電圧に対する位相により前記周波数制限部９の上限周波数を変更するようにした位相差検出部４２とを有することにより、常に負荷の状態を監視することができ、そのときの負荷にあわせた最適な高速運転を実現することができる。
【０１２５】
また、位置検出部５と、インバータ３の出力電流を検出する電流検出部４１と、前記電流検出部４１で検出された出力電流の出力電圧に対する位相により前記周波数制限部９の上限周波数を変更するようにした位相差検出部４２とを有することにより、低速における最高の効率を得るとともに、常に負荷の状態を監視することができ、そのときの負荷にあわせた最適な高速運転を実現することができる。
【０１２６】
また、インバータ３の出力電流を検出する電流検出部４１と、前記電流検出部４１で検出された出力電流の振幅により前記周波数制限部９の上限周波数を変更するようにした振幅検出部４３とを有することにより、出力電流の振幅値を検出し最適な高速運転を行うことができる。
【０１２７】
また、位置検出部５と、インバータ３の出力電流を検出する電流検出部４１と、前記電流検出部４１で検出された出力電流の振幅により前記周波数制限部９の上限周波数を変更するようにした振幅検出部４３とを有することにより、低速における最高の効率を得るとともに、常に負荷の状態を監視することができ、そのときの負荷にあわせた最適な高速運転を実現することができる。
【０１２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１に記載の発明は、低速では通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力し、高速では通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波・正弦波またはそれに準じる波形を所定周波数で出力するとともに、デューティを一定として所定周波数のみを変化させるようにしたものであり、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、安定した高速性を確保でき尚且つ電流波形も正弦波に近づくので実効電流に対するピーク電流を抑えることが出来る。
また請求項１に記載の発明は、回転子の回転位置を検出する位置検出部を有し、低速においては位置検出部の位置検出によりインバータを駆動することにより低速での効率をより上げることが出来る。
また請求項１に記載の発明は、前記所定周波数の上限周波数を設定しその上限周波数以上の周波数の出力を禁止する周波数制限部を有し、上限周波数を設けることにより、より安定した高速運転が可能となる。
また請求項１に記載の発明は、上限周波数を前記第１波形発生部により出力する最大周波数により設定する上限周波数設定部を有し、運転状況に応じた最大周波数を設定することができ、より安定した最大限の高速運転をだすことができる。
【０１３１】
また請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部と、デューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を前記周波数設定部で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部と、低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部とを有することにより、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、高速においては安定した高速性を確保でき尚且つ電流波形も正弦波に近づくので実効電流に対するピーク電流を抑えることが出来る。
【０１３５】
また請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において所定時間が経過した後前記周波数設定部からの駆動から前記第１波形発生部からの駆動に一時的に切り替えることにより上限周波数を設定しなおす上限周波数変更部を有することにより、時間が経過して負荷状態が変化してもより最適な最高回転数で運転をすることができる。
【０１３６】
また請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータに供給される電圧を検出する電圧検出部と、前記上限周波数を前記電圧検出部により補正する上限周波数補正部とを有することにより、電源電圧が変動した場合にも安定した高速回転数を維持することが出来る。
【０１３７】
また請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記上限周波数を前記出力電圧検出部の所定タイミングで得られた電圧値により補正する上限周波数補正部とを有することにより、新たな回路を追加することなく電源電圧を検出することにより、電源電圧が変動した場合にも安定した高速回転数を維持することが出来る。
【０１３８】
また請求項６に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された出力電流の出力電圧に対する位相により前記周波数制限部の上限周波数を変更するようにした位相差検出部とを有することにより、常に負荷の状態を監視することができ、そのときの負荷にあわせた最適な高速運転を実現することができる。
【０１４０】
また請求項７に記載の発明は、請求項１記載の発明においてインバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された出力電流の振幅により前記周波数制限部の上限周波数を変更するようにした振幅検出部とを有することにより、出力電流の振幅値を検出し最適な高速運転を行うことができる。
【０１４２】
また請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものであり、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクを使うことにより、低速時の効率アップは当然のこと、高速時の高速性もさらに得られることになる。
【０１４３】
また請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものであり、圧縮機において高効率・低騒音を実現できる極めて重要な用途のひとつである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における低速時のインバータ駆動のタイミング図
【図３】本発明の実施の形態１における低速時の通電角＝効率特性図
【図４】本発明の実施の形態１における高速時のインバータ駆動のタイミング図
【図５】本発明の実施の形態１における回転数＝デューティ特性図
【図６】本発明の実施の形態１における回転数とデューティのタイミング図
【図７】本発明の実施の形態１によるブラシレスＤＣモータの回転子の構造図
【図８】本発明の実施の形態２によるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【図９】本発明の実施の形態３によるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【図１０】従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【符号の説明】
１ 商用電源
２ 整流回路
３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ

Claims (9)

1. 永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、前記回転子の回転位置を検出する位置検出部と、低速では前記位置検出部の出力により通電角が１２０度以上１５０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を所定周波数で出力して前記インバータを駆動する第１波形発生部と、高速ではデューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を前記周波数設定部で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部と、前記所定周波数の上限周波数を設定しその上限周波数以上の周波数の出力を禁止する周波数制限部と、前記上限周波数を前記第１波形発生部により出力する最大周波数により設定する上限周波数設定部とを有し、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能としたブラシレスＤＣモータの駆動装置。
2. 低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部とを有し、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能とした請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
3. 所定時間が経過した後前記周波数設定部からの駆動から前記第１波形発生部からの駆動に一時的に切り替えることにより上限周波数を設定しなおす上限周波数変更部とを有し、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能とした請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
4. 前記インバータに供給される電圧を検出する電圧検出部と、前記上限周波数を前記電圧検出部により補正する上限周波数補正部とを有し、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能とした請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
5. 前記インバータの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記上限周波数を前記出力電圧検出部の所定タイミングで得られた電圧値により補正する上限周波数補正部とを有し、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能とした請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
6. 前記インバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された出力電流の出力電圧に対する位相により前記周波数制限部の上限周波数を変更するようにした位相差検出部とからなり、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能とした請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
7. 前記インバータの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された出力電流の振幅により前記周波数制限部の上限周波数を変更するようにした振幅検出部とからなり、低速から高速への切替時の回転数以上で駆動することを可能とした請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
8. ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有した請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
9. ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものである請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。

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