JP4927521B2 - 電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換し、モータに印加して駆動制御するモータ駆動装置、及び当該モータ駆動装置を備えた電気掃除機に関し、特に、モータ駆動に使用される電力を所望の電力となるように制御するものに関する。

インバータを用いたブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置として、インバータ回路の通流率を可変してモータの速度制御等を行うＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御や、インバータ回路に供給する直流電圧を制御してモータ速度制御等を行うＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御がよく用いられている。

ＰＷＭ制御は、ＤＣモータに印加される直流電源電圧をチョッピングすることによりモータ印加電圧を擬似的に可変し、ＰＷＭ信号のＰＷＭデューティを調整することでモータの回転速度を制御している。ＰＷＭ制御としては、１２０度矩形波通電制御や１８０度正弦波通電制御がよく用いられており、例えば１２０度矩形波通電ＰＷＭ制御で３相ブラシレスモータを駆動する場合、回路構成としては図６（１）のようなものがあり、インバータ駆動信号としては図６（２）のように各相に１２０度区間、高周波の等幅パルス信号を生成する。

ＰＡＭ制御は、出力電圧制御をインバータへの入力電源の電圧で行う。インバータ自体での電圧制御が不要であるから、スイッチング損失の低減がなされる。その構成・制御方法は各種検討されている。

また、ＰＷＭ制御とＰＡＭ制御とを組合せ、負荷の大きさや、回転数によりそれらの制御を切替えるようなものも各種検討されている（例、特許文献１）。

上記のモータ駆動装置は、モータを備える各種電化製品等において回転数等の細かな制御に用いられており、モータ駆動の高出力化、省エネ化、静音化等の各種目的が図られている。電気掃除機においては、一般的に、送風モータに整流子モータを採用し、交流位相制御により交流入力電力を調整するものが多い。ただし、整流子モータではカーボンブラシを用いているため、モータ駆動時のブラシの摩耗により、モータ寿命が短い、ブラシ粉が発生・排出される、機械損失が生じるといった問題がある。一部の電気掃除機、また、充電池等の直流電圧を電源とする電気掃除機では、上記のインバータ回路で駆動するブラシのないブラシレスモータ等を採用している。ブラシを用いていないため、寿命を長くできる、インバータ回路により回転数等の細かな制御が可能となっている。

しかしながら、上記ＰＷＭ制御では、モータを高回転数で駆動するためには駆動制御手段に高速の高機能な制御装置が必要となる、また制御回路においてはＰＷＭスイッチングによるスイッチング損失が発生するという問題がある。上記ＰＡＭ制御では、モータを広範囲の速度領域で駆動させようとすると制御手段には高機能で複雑な装置が必要となる。また、ＰＷＭ制御とＰＡＭ制御とを組み合わせたものでも同様に、装置が高価・複雑になる、またＰＷＭスイッチング損失が発生するといった問題がある。
特開２０００−３５０４８６号公報 特開平１１−１６４５６２号公報

特に、モータ駆動に使用される電力を所望の電力となるように制御する場合、所望の電力でできるだけ高いモータ出力を得るために、駆動制御手段（駆動制御回路）やモータにて発生する電力損失を抑えることが強く望まれる。なお、電気掃除機に用いられる場合には、家庭での電源容量内に電力を抑えつつ、かつできるだけ高いモータ出力（ひいては高い吸込み能力）が求められる。また、電気掃除機では、高い回転数で駆動する必要がある。その一方で、駆動制御手段には安価なもので、また、掃除作業時のとりまわし性能をよくするため、掃除機本体が大きくならないように、小形・軽量のものが求められる。

そこで、上記従来のモータ駆動装置では、インバータの駆動制御としてスイッチングを高速で繰り返すＰＷＭ制御ではスイッチング損失を伴うという問題があることを認識し、より簡素な波形を有するインバータ駆動信号でモータを駆動制御する点で解決すべき課題がある。

本発明の目的は、より高出力・高回転数駆動を可能とし、またできるだけ駆動制御手段（駆動制御回路）及びモータでの損失を抑え、電力を有効に活用し、限られた所望の電力で高いモータ出力が得られるモータ駆動装置を備えた電気掃除機を提供することである。また、できるだけ安価な制御装置で高回転数を駆動できる構成を得ることである。

上記課題を解決するため、この発明による電気掃除機は、直流電源の可変な直流電圧を方形波交流電圧に変換し、ブラシレスモータに電力を供給するインバータ部と、前記ブラシレスモータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、前記インバータ部の通電信号の通電角を制御する駆動制御手段とを備えた電気掃除機において、モータ駆動に使用されている電力値を検出する電力検出手段を更に備え、前記駆動制御手段は、前記電力検出手段により検出された電力値が所定の目標電力値に略一定となるように、前記通電角に加えて、モータ印加電圧位相又はモータ電流位相の進み角、及び前記直流電源の直流電圧値を制御し、前記ブラシレスモータを吸込み用の送風モータとして備えてなることを特徴とする。

この発明によるモータ駆動装置によれば、インバータ駆動信号はＰＷＭ制御を実施しない方形波の１パルス波形であって、高周波ＰＷＭ制御を実施しないため、モータ駆動で使用される電力（駆動制御手段及びモータで使用される電力）が所定の電力値となるように通電角を制御することで、高周波ＰＷＭ制御に起因するスイッチング損失を抑えて制御回路の低損失化を図り、限られた入力電力で高いモータ出力を得ること（電力の有効活用）ができ、また制御装置は安価なマイコン等で構成することが可能となる。

この電気掃除機において、前記駆動制御手段は、モータ印加電圧位相又はモータ電流位相の進み角を制御する。また、前記直流電源の直流電圧は可変であり、前記駆動制御手段は、前記直流電源の直流電圧値を制御する。前記駆動御手段は、前記電力検出手段により検出された電力値が所定の目標電力値に略一定となるように、前記通電角に加えて、前記進み角及び前記直流電源の直流電圧値を制御する。この電気掃除機によれば、電力が所定の目標電力値となるように、１パルス方形波駆動信号の通電角に加えて、進み角及び印加電圧の電圧振幅（直流電源の直流電圧値）が制御される。通電角、進み角及び直流電圧値を効率（回路及びモータ）が良くなる最適なポイントに制御することで、高出力・高回転数駆動を可能とし、可及的に低損失化を図り、限られた入力電力で高いモータ出力を得ることができる。

前記の各モータ駆動装置において、前記直流電源を、交流電源電圧と、前記交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ部とで構成することができる。このモータ駆動装置によれば、商用交流電源などの交流入力に対しても対応可能となる。交流電圧を直流電圧へ変換するコンバータ部において、出力直流電圧を可変できない場合、また可変幅が小さい場合、または昇圧（または降圧）のみしか可変できない構成の場合でも、通電角等を制御することで、幅広く電力調整を実施し、各電力条件において、低損失化をはかり、電力を有効活用することができる。

前記の各モータ駆動装置において、前記駆動制御手段は、運転モードに応じて前記所定の目標電力値を切替えることができる。このモータ駆動装置によれば、ユーザからの指令や、運転時の運転条件（負荷の大きさ、またモータや回路の温度など）によって、ハイパワー高出力とする強運転モード、静音や省エネ低出力とする弱運転モードなど各種設定される運転モードに合せて目標電力値を変更することが可能になる。この設定値を切替えることで、モータに使用される電力を可変し、なおそれぞれ指令電力の範囲で低損失化を図り、高いモータ出力を得ることができる。

前記の各モータ駆動装置において、前記駆動制御手段に、前記インバータ部の交流変換時において、高周波ＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号デューティ比を制御するＰＷＭ制御手段を備えることができる。このモータ駆動装置によれば、駆動制御装置にＰＷＭ制御手段を兼ね備えることで、起動時などの非常に低い回転数において、通電角や直流電圧の制御では安定駆動できない恐れがある場合には、ＰＷＭ制御を行うことでスムーズに安定駆動させることができる。なお、ＰＷＭ制御を使用するのは起動時などの低い回転数のみであるため、制御装置には高機能な装置は不要で、スイッチング損失が大きく発生することもない。

前記ブラシレスモータを吸込み用の送風モータとして備えてなることを特徴とする電気掃除機が提供される。このような電気掃除機によれば、方形波１パルス駆動制御を実施することで、数万回転のような高い回転数でモータを駆動する機種でも、高出力で高回転数駆動及び低損失化を図り、限られた入力電力で高いモータ出力を得られるように駆動できる。また、制御装置をできるだけ複雑化・大型化しないようにし、掃除機本体が必要以上に大型化して掃除作業のとりまわし性能が悪くならないようにする。

なお本発明は、市販されているＡＣコード付きタイプ、及び電源として充電池で駆動する充電式コードレスタイプの両方の電気掃除機に対応する。ＡＣコード付きでは、家庭の電源容量制限を超えないように、電力制御を行う。コードレスタイプでも、電源電池の容量を有効利用するために、電力制御を行う。また、ユーザからの吸込み力の強さの指令設定（強：ごみ量が多い・ハイパワーが必要な時など、弱：ごみ量が少ない・省エネ運転や静音運転を実施する時など）に対応し、指令の強さ（電力の大きさ）の範囲で低損失・高いモータ出力で駆動するようにする。

上述のように、モータ印加電圧波形はＰＷＭ制御を実施しない方形波１パルスとし、通電角、進み角及び電圧振幅といったパラメータを回路及びモータ効率の良い最適なポイントに調整制御することで、低損失・ハイパワーで、高速モータを安価な制御装置で駆動できる電気掃除機を提供することができる。工業的規模で量産することができ、市場規模の拡大を図ることができる。

添付図面に基づいて、本発明によるモータ駆動装置の実施の形態を説明する。なお、上記従来の実施の形態と同一部分は同一符号を示す。

基本構成１（図１）
（１）図１の回路構成
図１（１）は、本発明によるモータ駆動装置の一実施形態を示す回路図である。図１（１）に示されているモータ駆動装置は、直流電源８の直流電圧をインバータ部１４により所要の周波数の交流電圧に変換してモータ１５に供給する回路である。直流電源８の出力直流電圧値は可変できるものとする。直流電圧検出手段１２は、直流電源８が出力する直流電圧を検出するためのもので、例えば分圧抵抗で構成される。直流電流検出手段１３は、直流電源８からの直流電流を検出するためのもので、例えばシャント抵抗で構成される。インバータ部１４は、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６（及びドライブ回路）から構成されており、直流電源８の電圧を交流電圧に変換する。

モータ１５は３相ブラシレスモータであり、モータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段１６はホール素子を用いた３個の検出センサで構成される。ロータ位置検出手段１６は、ロータ磁極の位置を示す３つの方形波信号を出力する。なお、ロータ位置検出は、１２０度矩形波通電にて位置センサレス方式としてよく用いられているモータの誘起電圧から位置を検出する方法でも良い。ただし、その場合には、誘起電圧を検出する無通電区間がある程度必要となるので、通電角をあまり大きくできない等の制限が生じる。

駆動制御装置１７は、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する）又はＤＳＰ（Digital SignalProcessor）を含んでおり、各周辺検出手段からの信号をマイコン又はＤＳＰが読み取れるような電圧値に変換する変換回路等（図示せず）を備える。

（２）駆動制御装置の基本動作
駆動制御装置１７の制御内容について説明する。図１（２）には、駆動制御装置の構成の概略を表すブロック図が示されている。駆動制御装置１７は、ロータ位置検出手段１６の出力信号の入力を受けて、当該出力信号に基づいて、インバータ部１４の各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオン／オフを制御する。また、駆動制御装置１７は電力検出手段を備えており、直流電圧検出手段１２の電圧検出値及び直流電流検出手段１３の電流検出値の入力を受けて、「電圧検出値×電流検出値」の平均値を取る等の演算により、電力値を演算・検出する。なお、直流電源電圧が一定の場合には、直流電源電圧検出手段１２を省略し、電力演算の際には、電圧値は所定の定数を用いる等として電流検出値のみで演算・検出し得る。また、電力検出については、直流電圧と直流電流ではなく、モータ電圧とモータ電流を検出し演算するようにしても良い。

また、駆動制御装置１７は、直流電圧検出手段１２の電圧検出値等に基づき、直流電源８の直流電圧値を制御する。

また、駆動制御装置１７は、上記位置検出信号に基づいて実働回転数を検出する実働回転数検出手段（位置検出間隔から計測する方法について後述）や、負荷の大きさ等の各種運転条件に基づいてモータ６の目標回転数を設定するための目標回転数設定手段（図示せず）を備える。また、電力検出値、直流電流検出値（またはモータ電流を検出しても良い）や実働回転数等など各種検出値から、負荷の大きさ等を推定する。例えば、ある電源電力において、所定回転数より高い回転数で駆動している場合には負荷が所定負荷より軽い、所定回転数より低い回転数で駆動している場合には負荷が所定負荷より重い、と判断する。

基本構成２（図２）
図２は、本発明によるモータ駆動装置の図１とは別の実施形態を示す回路構成図である。図２に示す回路構成は、図１における直流電源部８を、交流電源１と、交流電源１の電圧を直流電圧に変換するコンバータ部９とで構成したものである。交流電源１の交流電圧をコンバータ部９で直流電圧に変換し、インバータ部１４に供給し、インバータ部１４で直流電圧を所要の周波数の交流電圧に変換してモータ１５を駆動する。交流電圧検出手段１０は、交流電圧を検出するためのものであり、また、交流電圧のゼロクロスを検出する。交流電流検出手段１１は、交流電流を検出するためのものであり、例えばＣＴ（カレントトランス）で構成される。インバータ部１４の構成は、図１と同様である。

コンバータ部９は、リアクトル４、ダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジ整流回路３、及び平滑用コンデンサ６で構成され、商用交流電源１からの交流電圧を直流電圧に変換する。なお、図２では、全波整流回路構成としているが、倍電圧整流回路構成としてもかまわないし、全波整流回路と倍電圧整流回路とを切替可能とする構成としてもかまわない。交流電源１がＡＣ１００Ｖの場合には、各回路部品の電圧降下分や負荷を全く無視すると、直流電圧は、全波整流回路の場合には１００×√２×１≒１４１Ｖ、倍電圧整流回路の場合には１００×√２×２≒２８２Ｖとなる。本構成の説明の中で直流電圧（インバータ電圧）と記載しているものは、コンバータ部９により整流・平滑した直流電圧のことを指す。

図２のコンバータ部９には、直流電圧を変更可能にする可変手段が備わっている。図２では、コンバータ部９はリアクトル４を用いたエネルギーの蓄積・放出による昇圧手段を備える。即ち、コンバータ部９は、リアクトル４を介して交流を短絡開放するための短絡スイッチング素子５と、電源電圧のゼロクロス検出手段（交流電圧検出手段１０とを兼ねる）とを設けており、電源半周期毎に、検出した電源電圧のゼロクロス後の所定の時間に、１回から数回、スイッチング素子５を所定の時間だけオンすることで、電源力率の改善と、直流電圧の昇圧を行う。本構成の昇圧・力率改善方法では、降圧は不可であって且つ大きな昇圧は電源力率が悪化するため困難であるが、スイッチング損失が少なく、また回路構成があまり大型化しないといった特徴がある（本構成の１例、特許文献２参照）。なお、直流電圧の可変手段は他の方法で構わない。本内容のものでも、例えば短絡開放手段、又はリアクトル及び短絡開放手段を、ダイオードブリッジ整流回路３の出力側に配置する構成方法等でも良い。

電力の検出は、交流電源の交流電圧検出手段１０の検出値及び交流電流検出手段１１の検出値から演算する（「電圧検出値×電流検出値」の周期毎平均値、等）ことで行い得る。なお、交流電圧値が既知の場合には（例えばＡＣ１００Ｖで６０Ｈｚで歪の無い正弦波と推定）、交流電圧検出手段１０を省略、あるいは簡易化（ピーク値のみ検出など）し、交流電流検出手段１１の検出値のみを用いて演算・検出するようにしても良い。

１パルス駆動波形の説明（図３）
（１）インバータ駆動信号の説明
図３は、本発明によるモータ駆動装置のインバータ部における駆動信号を説明するための波形図の例である。図３（１）には、（ａ）誘起電圧波形（Ｕ相１相分のみ）と、（ｂ）位置検出信号Ｈａ〜Ｈｃの波形、（ｃ）インバータ通電駆動信号Ｔｒ１の波形を示している。なお、同図（ａ）誘起電圧波形と（ｂ）位置検出信号との関係は、位置検出センサの取付け位置により変わるが、同図はその１例である。

本方法では、図３（１）の（ｃ１）に示すように、従来の高周波ＰＷＭ制御を行わず、方形波の１パルスとし、このパルスの幅（通電角）を制御する。高周波ＰＷＭ制御を行わないことでスイッチング損失を低減化する。同図では、通電角を１２０度よりも広げた場合を示している。なお参考までに、このときのインバータ通電駆動信号Ｔｒ１〜６の波形を図３（２）に示す。

本方法では、更に図３（１）の（ｃ２）に示すように、誘起電圧に対して、方形波１パルス信号の印加タイミングを制御、誘起電圧位相に対するモータ印加電圧位相の電圧進み角（電圧位相）を制御する。なお、電圧進み角を制御することで、ひいてはモータ電流の進み角（電流位相）を制御することができる。以下の説明では、電圧進み角で制御している。なお、参考までに上述のように、従来の方法では、図３（１）の（ｃ３）に示すように、電気角３６０度のうち１２０度区間（通電角１２０度）で通電・ＰＷＭ制御を行う１２０度矩形波通電ＰＷＭ制御がよく用いられている。

（２）インバータ駆動信号の生成方法の説明
次に、本発明の駆動信号の生成制御方法の例について示す。駆動制御装置１７は、位置検出信号の間隔より、３６０度区間のＴ［ｓ］を測定する。なお、モータの実働回転数は、回転数［ｒｐｍ］＝６０／（Ｔ×モータ極対数）で測定される。

図３（１）の位置検出信号Ｈａ信号の立ち上がりエッジを基準にＴｒ１（Ｕ＋）通電駆動信号を制御する場合、Ｈａの立ち上がりエッジからｔ［ｓ］後に、Ｔｒ１（Ｕ＋）通電駆動信号をアクティブレベル（オン）にする。その後、通電角に相当する時間経過後にＴｒ１（Ｕ＋）通電駆動信号を非アクティブレベル（オフ）にする。なお、転流タイミング時間である時間ｔ［ｓ］及び通電角時間［ｓ］は、Ｔ［ｓ］から次のように算出できる。進み角制御を行わない場合は、
ｔ［ｓ］＝Ｔ［ｓ］×（１２０［度］−通電角［度］／２）／３６０［度］
進み角制御を行う場合には、
ｔ［ｓ］＝Ｔ［ｓ］×（１２０［度］−通電角［度］／２−進み角［度］）／３６０［度］
通電角分の時間は、通電角時間［ｓ］＝Ｔ［ｓ］×通電角［度］／３６０［度］
ただし通電角は、０度≦通電角≦１８０度である。なお、進み角は、負の値として、遅れ位相として駆動することも可能である。これらは駆動制御手段にタイマ機能があれば、容易に設定でき、通電角及び進み角は細かく調整可能である。
なお、基準信号とするＨａの立ち上がりエッジよりも、進み角をより大きくして進め位相としたい場合には、Ｈｃの立ち下がりエッジを基準にしても良い。その場合には、
ｔ［ｓ］＝Ｔ［ｓ］×（１８０［度］−通電角［度］／２−進み角［度］）／３６０［度］となる。

Ｔｒ１についてのみ説明したが、他のＴｒ２〜６の信号も同様にして生成する。電気角３６０度内において、計１２回転流することになる（図６等、通電角が１２０度の場合には６回）。なお、全ての１２回の転流タイミング時間の作成には、個別に６つのタイマは必要なく、計算式を変更して１つのタイマで順次転流できるようにしても良い。

本方法の場合、高周波ＰＷＭスイッチングを行わないので、駆動制御装置には安価なマイコンを用いても実現可能なものである。制御装置が高性能なものである場合には、本方法を使用することで他の処理に専念できる。

以上、本図３（１）では１例のみで説明をしたが、他の場合でも、例えば、通電角を１２０度よりも狭めた場合、逆回転の場合、誘起電圧とロータ位置検出信号との関係や誘起電圧又はロータ位置検出信号の波形の形状が図３（１）とは異なる場合等でも、それぞれの条件に合せ、各信号検出タイミングや構成を変更する、上記計算式を変更する等で対応できる。

（３）印加電圧波形の制御（駆動信号制御＋直流電圧制御）
上述のように、インバータ駆動信号Ｔｒ１〜Ｔｒ６を制御し、モータへ印加する方形波１パルスの通電角と進み角を制御する。本発明によるモータ駆動装置では、更に、インバータ部へ供給される直流電圧値を制御するようにする。

図３（３）に、モータへの印加電圧の波形を示す。同図（ａ）はＰＷＭスイッチングレスで方形波１パルスとした場合、（ｂ）は更に通電角（パルス幅）の制御を実施する場合、（ｃ）は更に進め角の制御を実施する場合、（ｄ）は更に電圧振幅（インバータ直流電圧）の制御を実施する場合である。最終的に同図（ｄ）のように、電圧振幅と通電角の制御（これら２つを制御することで、１パルスのパルス面積を制御することに相当）と、また進み角を制御することにより印加タイミングを制御することになる。こられの値を大きくすることで、高出力化（高回転数駆動化）が可能となる。以下の説明で“制御パラメータ”と記載しているものは、主に通電角、進み角、電圧振幅の３つを指す。

ＰＷＭ制御を行わないことで、スイッチング素子の損失の低減が１０Ｗ程度（電源入力電力７００Ｗ程度のとき、スイッチング素子損失３０Ｗ→２０Ｗ）達成されることが実験により確認できた。なお、この損失低減の程度は、回路スイッチング素子の特性や駆動回路の構成、駆動するモータの仕様、また回転数や電源電力、負荷の大きさなどの運転条件で大きく変わるので、あくまで参考の目安程度である。また、通電角を最大１８０度と大きくすることで、従来の１２０度に比べ、単純比較して１．５倍の高出力化（高回転数駆動化）が可能となる。また直流電圧を上げることで、更に高出力化が可能となる。例えば従来、電源入力電力７００Ｗ程度までであったものが、１０００Ｗ以上でのモータ駆動を可能とする。

（４）駆動信号の制御パラメータと効率との関係の説明
次に、図４を参照して各制御パラメータと駆動効率との関係を説明する。図４のグラフは、突極性をもつＩＰＭＳＭ（ロータ内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石構造の永久磁石同期モータ）を駆動させたときの特性を描いたイメージ図である。

図４（１）は通電角をある値に固定し、電圧進み角を変化させたときの電源電力の変化の様子を描いたものである。なお、モータの回転数（ひいてはモータ出力）が一定となるように、直流電圧を調整している。同図では通電角が通電角ａと通電角ｂの２つの場合を示す（ａ＜ｂ＜１８０度）。同図より、電源電力が最小となる最適な電圧進み角が存在している。なお、通電角ａの場合と通電角ｂの場合とでは、それぞれ最適な電圧進み角の値が異なっている（通電角によって最適な電圧進み角が異なる）。なお、図示はしていないが、横軸に電流進み角（電流位相）をとった場合も同様の特性（電源電力が最小となる電流進み角が存在）となる。

図４（２）は、図４（１）と同様の条件で、横軸を通電角とし、縦軸には各通電角において電圧進み角（及び直流電圧値）を調整して得られた電源電力の最小値を描いたイメージ図である。同図では、電源電力が最小となる通電角が存在することを示している。図４（３）は、図４（１）と同様の条件で、横軸を電圧進み角でなく、直流電圧とした場合に、通電角ａと通電角ｂとにおいて電源電力を描いたイメージ図である。同図より、電源電力が最小となる直流電圧が存在することを示している。

図４（１）〜（３）より、回転数（ひいてはモータ出力）が一定の場合、通電角・進み角・直流電圧を適切に調整すれば、電源電力を最小となるよう制御することができるとわかる。もし電源電力を一定になるように制御する場合には、各制御パラメータの選択により回転数（モータ出力）を最大となるよう制御することができる。

効率が最大となるよう各制御パラメータを制御する際、各パラメータは独立して最適値へと調整制御できるものでなく、各パラメータ同士は複雑に互いに影響しあう。３つの内でいずれか１つのパラメータ値を変更すると、それに対し、残り２つのパラメータの最適値は変わってくる。よって単に１つのパラメータを制御するだけではなく、２つのパラメータ、可能であれば３つの制御パラメータを同時に制御し、そのとき電源電力が所望電力値となりつつ且つ総合的に効率が最大となる点に各制御パラメータをそれぞれ調整する。

図３（４）に、モータ印加電圧波形について、モータの回転数（モータの出力）をアップする場合の概要図を示す。（ａ）は従来の１２０度矩形波通電ＰＷＭ制御であり、ＰＷＭデューティを大きくすることで、モータの回転数をアップする。それに対し、（ｂ）の本発明の場合には、ＰＷＭ制御をしない方形波１パルス波形とし、効率最大となるように３つの各パラメータを組み合わせて最適に調整する。

上記図４の特性データは、駆動回路の構成や駆動するモータの仕様、また回転数や電源電力、負荷の大きさなどの運転条件によって、種々大きく変わってくるのであくまでも一例ではあるが、それぞれの条件で、最適となる制御パラメータの組合せ・値がそれぞれ存在する。運転時には、運転条件に合せ、運転中常にこれらのパラメータを適切に調整制御する必要がある。

制御フロー１（電力一定調整制御）
次に、図５を参照して制御フローについて説明する。図５（１）は電力を所望目標値近くに略一定に調整制御するときの制御フローチャートの一例である。図５（１）に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１１にて、電力値の検出を行う。ステップＳ１２にて、検出電力値と目標設定電力値とを比較する。検出電力値のほうが低いと判断した場合には（ステップＳ１２にてＹＥＳ）、処理はステップＳ１３へと移される。そうでない場合には（ステップＳ１２にてＮＯ）、処理はステップＳ１４へ移される。ステップＳ１３にて、電力アップ調整制御を行う。ステップＳ１４にて、電力ダウン調整制御を行う。
駆動制御装置１７は、一定時間ごとに図５（１）の処理を行うようにする。なお、Ｓ１１の電力値の検出は、上述のとおり、駆動制御装置１７は電圧検出値及び電流検出値等を用いて演算する。

Ｓ１３の電力アップ調整制御及びＳ１４の電力ダウン調整制御は、それぞれ通電角、進み角、直流電圧値の各パラメータのうち、可変できるものを調整制御する。通電角のみのとき等、１つのパラメータで電力を制御する場合には、電力を大きくするときには各パラメータを大きくし、電力を小さくするときには各パラメータを小さくする。２つ以上のパラメータで電力を制御する際には、最適な組み合わせとなるように制御する。例えば、電力一定の条件で、その際に実働回転数がもっとも大きくなるように各パラメータを制御する。モータの回転数や負荷の大きさ等の運転条件に応じ、各値は最適な設定値を予めシミュレーションや実験により決定し、駆動制御装置内のメモリ（図示せず）に記憶しておくと良い。
なお通電角が小さく、モータ回転数が安定しないなど駆動が不安定な場合には、直流電
圧を小さく、進み角を小さくし、通電角がある程度大きくなるようにする。

図２のように交流を電源とし、上述のような力率改善・昇圧手段をもつ構成では、リアクトル４等のコンバータ部９での回路損失を考慮する必要がある。交流電源の力率が最大（交流電流が最小）で、コンバータ回路９の回路損失が最小となるように直流電圧の制御を重視しつつ、通電角と進み角とを最適に制御する。

制御フロー２（電力モード変更）
図５（２）は電力モード（目標設定電力の大きさ）を変更するときの制御フローチャートの一例である。図５（２）に示すフローチャートにおいて、ステップＳ２１にて、電力モード切替を行うかどうかを判断する。切替えを行うと判断した場合には（ステップＳ２１にてＹＥＳ）、処理はステップＳ２２へ移される。ステップＳ２２にて、目標電力を高く上げるかどうかを判断する。目標電力を上げると判断した場合には（ステップＳ２２にてＹＥＳ）、処理はステップＳ２３へ移される。目標電力を下げると判断した場合には（ステップＳ２２にてＮＯ）、処理はステップＳ２４へ移される。ステップＳ２３にて目標設定電力値は大きくされ、ステップＳ２４にて目標設定電力値は小さくされる。

駆動制御装置１７は、一定時間毎に図５（２）に示される一連の処理を行う。なお、Ｓ２１において電力モードを変更するかどうかは、ユーザからの運転モードの変更設定指令や、また駆動制御装置が運転時の運転条件（負荷の大きさ、モータや回路の温度など）や異常検出等に基づいて判定するようにする。例えば、負荷が大きい場合（ある電力に対して、回転数が所定値より低い等）には電力モードを大きく上げて強運転モードとし、負荷が小さい場合には電力モードを小さく下げて弱運転モードとする。回路やモータの温度を検出する温度検出手段を設け（図示せず）、当該温度検出手段が回路やモータの温度が高くなりすぎたと検出した場合には、電力モードを弱くする。各電力モードの目標設定電力値は予め検討しておき、駆動制御装置内のメモリ（図示せず）に記憶しておくと良い。

制御フロー３（ＰＷＭ制御を付加）
図５（３）は起動時にＰＷＭ制御を行う場合の制御フローチャートの一例である。図５（３）に示すフローチャートにおいて、ステップＳ３１にて、起動を開始するかどうかを判断する。開始すると判断した場合には（ステップＳ３１にてＹＥＳ）、処理はステップＳ３２へ移される。ステップＳ３２にて、ＰＷＭ制御をＯＮ（有効）にし、ＰＷＭ制御を行う。ステップＳ３３にて、起動が適切に完了したかどうかを判断する。完了したと判断した場合には（ステップＳ３３にてＹＥＳ）、処理はステップＳ３４へ移される。まだ完了していないと判断した場合には（ステップＳ３３にてＮＯ）、処理はステップＳ３３に戻される。ステップＳ３４にて、ＰＷＭ制御はＯＦＦ（無効）にされ、モータはＰＷＭ制御なしで駆動される。

駆動制御装置１７は、起動前の駆動停止時には、一定時間毎に図５（３）の処理を行うようにする。なお、Ｓ３３において起動が完了したかどうかは、例えば駆動制御装置は、回転数やＰＷＭデューティ値で判断する（ＰＷＭスイッチングレス駆動でも安定回転ができるような所定の回転数に達したときを起動完了とする、又はＰＷＭデューティが所定の値になったときを起動完了とする）。起動完了後、上述のようにＰＷＭスイッチングレスの方形波１パルス電圧での駆動に移行するようにする。

このように駆動制御装置１７にＰＷＭ制御手段を兼ね備えることにより、起動時などの出力回転数が非常に低い回転数である場合において、通電角や直流電圧の制御では安定駆動できない恐れがあるときには、ＰＷＭ制御を実施することでモータをスムーズに安定駆動させることができる。なお、このようにＰＷＭ制御手段を備えたとしても、ＰＷＭ制御を実施する必要があるのは起動時などの低い回転数のみであるため、制御装置には高機能な装置は不要で、スイッチング損失が大きく発生することもない。

製品への適用（電気掃除機）
これまで上述したモータ駆動装置を、ブラシレスモータを吸込み用の送風モータとした電気掃除機（図示せず）に用いることができる。電気掃除機においては、家庭の電源容量内で高い吸込み能力が求められ、且つ数万回転等のような高回転数でモータが駆動される。上述のような構成の制御装置とすることで、電気掃除機において、モータの高出力・高速駆動が可能となり、低損失化を図り、限られた入力電力で高いモータ出力を得られるように駆動できる。高速駆動の際、細かなＰＷＭ制御を必要としないので、スイッチング損失を低減化することができ、駆動制御手段として安価なマイコン等で構成することで、装置を複雑化せず、構造を可及的に小型・軽量とし、掃除機本体を大型化せず、掃除作業のとりまわし性を悪化させないようにすることができる。電源装置には図２のような構成で対応できる。

電気掃除機にて実際に運転したところ、方形波の１パルス駆動とすることで、スイッチング素子の損失の低減、また高出力、高回転数化が確認できた。例えば、従来、回転数３３０００ｒｐｍのものが、４５０００ｒｐｍ以上での駆動が可能である。なお、モータ・ファン・回路構成の仕様や運転条件によって変わってくるので、これらの数値はあくまで目安程度のものである。

掃除機の電源として、商用交流電源を電源とするＡＣコード付きタイプ、及び充電池を電源とするコードレスタイプの両方に対応する。ＡＣコード付きタイプでは、家庭の電源容量制限を超えないように（例えば１０００Ｗ）、電力制御を行う。コードレスタイプでも、限られたバッテリー電力を有効利用するために、電力制御を行う。

電力モード（目標設定電力の大きさ）に関しては、使用ユーザからの運転モード指令などに対応するようにする。運転モードとして、例えば、吸い込むごみ量が多い場合には、電力モードを高く上げてハイパワーで駆動する強運転モード、ごみ量が少ない場合や省エネや静音が求められる場合には、電力モードを低く下げて低回転数で駆動するなどの弱運転・静音運転モードとし、運転モード指令の強さ（電力の大きさ）の範囲で低損失・ハイパワーで駆動するようにする。ユーザからの指令は、掃除機本体に入力切替スイッチ等を設けることで対応できる。その他、駆動制御装置１７は、負荷（ごみ量）の大きさを判定し、自動的に運転モード（電力モード）を変更するようにしても良い。
なお、本発明に係る装置は、電気掃除機に関わらず、その他、モータを用いる電機製品全般に適用することができる。

まとめ、及び他の実施例
以上のように、従来の１２０度矩形波通電ＰＷＭ制御に比べ、本発明による方法では、起動時以外はＰＷＭ制御スイッチングを行わないので、スイッチング損失の低減化を図ることができる。通電角、進み角及び直流電圧値の３つのパラメータを制御するようにし、それらの制御パラメータ値を大きくすることで高出力・高回転数駆動が可能であり、また効率がよくなるようにこれらの制御パラメータを最適に調整することで、可能な限り損失を抑え電力を有効に活用することができる。電気掃除機に適用した場合には、高い吸込み能力（高い吸込仕事率）を実現することができる。また、制御パラメータを最適に制御し、低回転数時などの電力をあまり必要としないときも、損失を抑えて、省エネでの駆動を図ることができる。

ここまで上述では、電力を一定にする制御について実施説明したが、用途によっては、回転数が一定、又はモータ電流や直流電流が一定となるように制御しても良い。電力検出方法、ロータ位置検出方法、直流電圧の可変手段も上述とは異なる他の方法で構わない。モータ駆動が不安定となるような条件で駆動されないように、駆動制御手段には、各パラメータ制御値（通電角、進み角、直流電圧値）の上限値及び下限値をそれぞれ持たせておくようにしておいても良い。

制御パラメータの１つである電圧進み角について、これを電流進み角（モータ電流位相）で制御するようにしても良い。その場合には、モータ電流を検出するモータ電流検出手段（モータ線にＣＴを付ける、インバータ直流電流からモータ電流を推定検出する等）とモータ電流検出結果から電流進み角を検出するモータ電流進み角検出手段とを設け、電流進み角が所望の最適値になるように、電圧進み角等を制御する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正及び変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係るモータ駆動装置の構成例の概略図１ 本発明に係るモータ駆動装置の構成例の概略図２ 本発明に係る駆動信号の波形を示す波形図 本発明に係る制御パラメータと効率との関係を説明するための概略図 本発明に係る制御フローを示すフローチャート図 従来のＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置の駆動信号の波形を示す波形図

符号の説明

１ 交流電源 ３ ダイオードブリッジ
４ リアクトル ５ 短絡スイッチ
６ 平滑用コンデンサ ８ 直流電源
９ コンバータ部 １０ 交流電圧検出手段
１１ 交流電流検出手段 １２ 直流電圧検出手段
１３ 直流電流検出手段 １４ インバータ部
１５ モータ（ブラシレスモータ） １６ ロータ位置検出手段
１７ 駆動制御装置

Claims (4)

1. 直流電源の可変な直流電圧を方形波交流電圧に変換し、ブラシレスモータに電力を供給するインバータ部と、
   前記ブラシレスモータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記インバータ部の通電信号の通電角を制御する駆動制御手段と
   を備えた電気掃除機において、
   モータ駆動に使用されている電力値を検出する電力検出手段を更に備え、
   前記駆動制御手段は、前記電力検出手段により検出された電力値が所定の目標電力値に略一定となるように、前記通電角に加えて、モータ印加電圧位相又はモータ電流位相の進み角、及び前記直流電源の直流電圧値を制御し、
   前記ブラシレスモータを吸込み用の送風モータとして備えてなる
   ことを特徴とする電気掃除機。
2. 請求項１記載の電気掃除機において、
   前記直流電源は、交流電源電圧と、前記交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ部とで構成される
   ことを特徴とする電気掃除機。
3. 請求項１記載の電気掃除機において、
   前記駆動制御手段は、運転モードに応じて前記所定の目標電力値を切替える
   ことを特徴とする電気掃除機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の電気掃除機において、
   前記駆動制御手段は、前記インバータ部の交流変換時において、高周波ＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号デューティ比を制御するＰＷＭ制御手段を備えてなる
   ことを特徴とする電気掃除機。

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