JP6103949B2

JP6103949B2 - 電動機駆動装置および冷蔵庫

Info

Publication number: JP6103949B2
Application number: JP2013008379A
Authority: JP
Inventors: 山田　哲也; 哲也山田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: JP2014140273A

Description

本発明は、冷蔵庫冷却用ファンモータ等の電動機に対して駆動電圧を供給する電動機駆動装置およびこれを備えた冷蔵庫に関する。

冷蔵庫冷却用ファンモータ等の電動機に対して電圧を供給する装置として、ファンモータの回転数が目標の回転数になるよう出力電圧を制御する装置が存在している（例えば、特許文献１参照）。

また、ファンモータが駆動停止に至らない２〜３段階の電圧を印加しているだけのものもある。

特開２００１−２９２５６６号公報

上記のように、従来の電動機駆動装置は、回転数制御を行っているが、制御対象の電動機の性能にはばらつきがあるため、一般的には、電動機の性能のばらつきを考慮し、必ず駆動できる回転数範囲で制御している。すなわち、性能ばらつきを考慮してマージンを持たせた制御を行っている。そのため、例えば冷蔵庫に適用した場合、冷蔵庫の運転状態によっては、必要以上に高い回転数で運転することとなってしまい、十分な省電力化が実現できていないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、無駄な電力消費を抑えた電動機駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機駆動装置は、スイッチング素子を備えて構成され、印加された直流電圧を電圧変換して電動機の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記駆動電圧生成手段により生成された駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段と、前記駆動電圧の供給先の電動機の回転数を検出する回転数検知手段と、前記駆動電圧検出手段により検出された駆動電圧および前記回転数検知手段により検出された回転数に基づいて、前記スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記駆動電圧の供給先の電動機が高負荷状態にあれば前記回転数が外部から指定された指令回転数となるように前記スイッチング素子を制御し、当該電動機が軽負荷状態にあれば前記駆動電圧が当該電動機の駆動動作保障電圧の下限値となるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも消費電力を低く抑えた電動機駆動装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の電動機駆動装置の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１の制御動作例を示すフローチャートである。図３は、実施の形態１の制御動作例のタイミングチャートを示す図である。図４は、実施の形態２の制御動作例を示すフローチャートである。図５は、実施の形態２の制御動作例のタイミングチャートを示す図である。

以下に、本発明にかかる電動機駆動装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。一例として、冷蔵庫冷却用ファンモータに対して駆動電圧を供給する電動機駆動装置について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の冷蔵庫冷却用ファンモータの駆動装置（電動機駆動装置）の構成例を示す図である。また、図２は、本実施の形態の電動機駆動装置における制御動作の一例を示すフローチャート、図３は、本実施の形態の電動機駆動装置における制御動作のタイミングチャートを示すものである。なお、冷蔵庫冷却用ファンモータは、以降、ファンモータと記述する。

図１に示したように、本実施の形態の電動機駆動装置は、ファンモータ２に対して電圧を供給するものであり、主要な構成要素として、制御手段としてのマイコン（マイクロコンピュータ）３と、ファンモータ駆動電圧生成回路４と、ファンモータ駆動電圧検出回路５と、ファンモータ回転数検出回路６とを備えている。また、電動機駆動装置にはアクチュエータ駆動用ＤＣ電源１（以下、ＤＣ電源１と称する）および制御ＩＣ駆動用電源７（以下、駆動用電源７と称する）から電圧が供給されている。

図１に示した電動機駆動装置のファンモータ駆動電圧生成回路４においては、マイコン３の出力端子ＯＵＴ１から出力されるパルス信号に従ってトランジスタＱ１がＯＮ／ＯＦＦ動作する。そして、このトランジスタＱ１がＯＮ／ＯＦＦ動作することによりトランジスタＱ２がＯＮ／ＯＦＦ動作し、ＤＣ電源１がＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹに従ったパルス波形となり、これをリアクトルＬ１とコンデンサＣ２からなる平滑回路にて平滑することで、ファンモータ駆動電圧ＶＭを生成している。ファンモータ駆動電圧ＶＭはマイコン３が出力端子ＯＵＴ１から出力するパルス信号のＤＵＴＹ比を変更することにより変更できる。ファンモータ駆動電圧ＶＭはファンモータ２に供給され、ファンモータ２は、入力された（供給された）ＶＭの値に応じてモータ（ロータ）を回転させる。

ファンモータ２は、モータの回転数を示す信号Ｒｅｖを出力する機能を有しており、この信号Ｒｅｖはファンモータ回転数検出回路６を介してマイコン３の入力端子ＩＮ２（第２の入力端子）に入力される構成となっている。また、ファンモータ駆動電圧生成回路４から出力されるファンモータ駆動電圧ＶＭを検出するファンモータ駆動電圧検出回路５では、ファンモータ駆動電圧ＶＭを分圧し、ファンモータ駆動電圧ＶＭの検出結果としてマイコン３の入力端子ＩＮ１（第１の入力端子）に入力する構成となっている。

このような構成の本実施の形態の電動機駆動装置において、マイコン３は、ファンモータ駆動電圧生成回路４から出力されるファンモータ駆動電圧ＶＭ（すなわち、ファンモータ２に供給される駆動電圧ＶＭ）とファンモータ２の回転数とに基づきファンモータ駆動電圧生成回路４へ出力するパルス信号のＤＵＴＹ比を決定（変更）することによりファンモータ駆動電圧ＶＭを調整する。

次に電動機駆動装置の動作について図２の制御フローチャートおよび図３のタイミングチャートを用いて説明する。図２はマイコン３が行う制御をフローチャートで示したものである。

電動機駆動装置において、マイコン３は、まず、ファンモータ２の起動条件を確認し、起動条件が成立しているかどうか判断する（ステップＳ１，Ｓ２）。起動条件の詳細については特に規定しないが、例えば、図示を省略した冷蔵庫内の温度検知手段により検知された温度（検知温度）と予め設定されている目標温度の差が所定のしきい値を超えている場合（検知温度−目標温度＞しきい値の場合）とする。起動条件が不成立ならば定期的に判断を行い（ステップＳ２：Ｎｏ）、起動条件が成立している場合には（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、ファンモータを起動させる（ステップＳ３）。具体的には、起動時シーケンスにおけるＤＵＴＹ比のパルス信号を出力端子ＯＵＴ１から出力してファンモータ２を起動させる。

その後、ファンモータ２の回転数が安定したとみなせる程度に十分な時間（t₁とする）が経過後（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、マイコン３は、入力端子ＩＮ２から入力されたファンモータ２の回転数Ｒｅｖが指令回転数となるよう出力端子ＯＵＴ１から出力するパルス信号のＤＵＴＹ比を変更する（ステップＳ５）。指令回転数は、例えば、電動機駆動装置の外部の機器（電動機駆動装置とともに冷蔵庫を形成している他の装置）で決定され、マイコン３に対して通知される。マイコン３は、ステップＳ５においてパルス信号のＤＵＴＹ比を変更した後、冷蔵庫が十分に冷却され軽負荷状態となったかどうかを監視し（ステップＳ６）、軽負荷状態となったことを検出すると（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、ファンモータ２の回転数Ｒｅｖを指令回転数に合わせる制御を終了し、パルス信号のＤＵＴＹ比を調整することにより、ファンモータ２の駆動電圧限界（駆動最低電圧）となるまで駆動電圧ＶＭを低下させる（ステップＳ７）。なお、「軽負荷」となったかどうかの判断は、例えば、検知温度（＝冷蔵庫内の温度）＝目標温度となった場合に「軽負荷」と判断する。このときの目標温度には幅を持たせるようにしてもよい。例えば、利用者により指定された温度±１℃の範囲を目標温度とする。また、駆動電圧限界は、ファンモータ２が駆動状態を維持できる（ロータが回転している状態を維持できる）必要最低限の電圧値（駆動動作保障電圧の下限値）であり、この情報はマイコン３自身が予め保持しておいてもよいし図１への記載が省略されている記憶部で保持するようにしてもよい。

マイコン３は、次に、ファンモータ２の回転数Ｒｅｖが冷蔵庫筐体の共振周波数と一致していないかどうかを確認し（ステップＳ８）、一致している場合には（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、ファンモータ２の回転数Ｒｅｖが上昇するようにパルス信号のＤＵＴＹ比を変更する（ステップＳ９）。一方、一致していない場合には（ステップＳ８：Ｎｏ）、軽負荷状態が継続しているかどうかを確認する（ステップＳ１０）。軽負荷状態ではない場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、ステップＳ５に戻り、ファンモータ２の回転数Ｒｅｖを指令回転数に合わせる制御を再開する。ステップＳ９では、回転数Ｒｅｖが必要以上に上昇しないように、すなわち、回転数Ｒｅｖが冷蔵庫筐体の共振周波数と一致した状態（共振状態）を解消可能な最小限の上昇数となるように、ＤＵＴＹ比を変更する。駆動電圧ＶＭを徐々に上昇させながら共振状態が解消されたかどうかを監視し、共振状態が解消された時点で駆動電圧ＶＭを上昇させる動作を終了すればよい。「冷蔵庫筐体の共振周波数」はシミュレーション等を行って予め取得しておく情報であり、上述した「駆動電圧限界」と同様に、マイコン３自身がこの情報を保持しておいてもよいし、記憶部（図示せず）で保持するようにしてもよい。

また、軽負荷状態の場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、マイコン３は、ファンモータ２の運転条件（運転継続条件）が成立しているかどうかを確認する（ステップＳ１１）。運転条件が成立している場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に戻って軽負荷状態か否かを再確認する。一方、運転条件が不成立の場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、ファンモータ２を停止させる（ステップＳ１２）。すなわち、マイコン３は、出力端子ＯＵＴ１からのパルス信号出力を停止する。

ファンモータ２の運転条件は、例えば、上記の目標温度と検知温度（＝冷蔵庫内の温度）の差が所定値（例えば２℃）以下の場合（目標温度−検知温度≦所定値）とする。上記の目標温度に幅を持たせている場合には、運転条件を、検知温度が目標温度の幅（目標温度範囲）の下限値以上の場合、としてもよい。この場合、ファンモータ２が起動後の状態（運転中の状態）において、マイコン３は、検知温度が目標温度範囲の上限に達する（下がる）まではファンモータ２の回転数Ｒｅｖを指令回転数に合わせる制御を行い、検知温度が目標温度範囲の上限に達したことを検知すると、軽負荷状態と判断してファンモータの駆動電圧ＶＭを下限値（駆動電圧限界）まで下げる（下限値まで下げたときに回転数Ｒｅｖが冷蔵庫筐体の共振周波数と一致してしまう場合には下限値付近まで下げる）。その後、検知温度が目標温度範囲の下限に達したことを検知すると、それ以上の冷却は不要と判断してファンモータ２を停止させる。一方、検知温度が目標温度範囲の上限を超えたことを検知するとファンモータ２の回転数Ｒｅｖを指令回転数に合わせる制御を再開する。

以上の制御における各部の波形を簡易的に示したものが図３のタイミングチャートである。マイコン３は、起動時においては、起動シーケンス用のＤＵＴＹ比のパルス信号を生成して出力端子ＯＵＴ１から出力する（ＯＵＴ１出力信号）。これによりファンモータ２の駆動電圧ＶＭ（ＶＭ電圧）が上昇し始める。駆動電圧ＶＭが最低起動電圧に到達するとファンモータ２が回転を開始し、入力端子ＩＮ２にはファンモータ２の回転数Ｒｅｖを示す信号の入力が始まる（ＩＮ２入力信号）。起動シーケンスを開始してからｔ₁時間が経過し、回転数が安定した後は、指定回転数となるように、出力端子ＯＵＴ１から出力するパルス信号（ＯＵＴ１出力信号）のＤＵＴＹ比を変更してファンモータ２の駆動電圧ＶＭを調整する。ｔ₁時間が経過してからさらにｔ₂時間が経過して十分に冷蔵庫の冷却が進み、冷蔵庫が軽負荷状態と判断すると、ファンモータ２の最低駆動電圧と等しくなるよう、出力端子ＯＵＴ１から出力しているパルス信号のＤＵＴＹ比を変更する。

このように、本実施の形態の電動機駆動装置においては、電圧供給先の電動機（ファンモータ２）が軽負荷運転状態になったことを検出すると、供給する駆動電圧ＶＭが電動機の最低駆動電圧となるように制御する。これにより、例えば駆動電圧ＶＭの供給先が冷蔵庫のファンモータの場合、冷蔵庫が軽負荷時にファンモータの個体差（ファンモータ間における駆動電圧と回転数の関係のばらつき）によらず常に最低駆動電圧で駆動できる回転数で運転させることができるので、ファンモータによる消費電力を最小にして冷蔵庫を運転することができる。また、最低駆動電圧で駆動させた場合の回転数が冷蔵庫筐体の共振周波数に一致する場合には、一致しないように駆動電圧を変更するので、騒音が増加するのを抑えつつ省電力化を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２の電動機駆動装置について説明する。なお、装置構成は上述した実施の形態１と同様である。本実施の形態の電動機駆動装置を冷蔵庫に適用した場合、冷蔵庫が高負荷時にはファンモータの回転数ムラを小さくし、軽負荷時にはより低損失でファンモータを駆動させることができる。

実施の形態１の電動機駆動装置では、マイコン３がファンモータ駆動電圧生成回路４に対して出力するパルス信号のＤＵＴＹ比を調整することによりファンモータ２へ供給する駆動電圧を制御することとした。これに対して、本実施の形態の電動機駆動装置では、パルス信号のＤＵＴＹ比および周波数を調整することにより駆動電圧を制御する。本実施の形態では実施の形態１と異なる部分を中心に説明を行い、実施の形態１と共通の部分については詳細説明を省略する。

本実施の形態の電動機駆動装置の動作について図４の制御フローチャートおよび図５のタイミングチャートを用いて説明する。図４は実施の形態２のマイコン３が行う制御をフローチャートで示したものである。図４に示したフローチャートは、実施の形態１の制御を示した図２にフローチャートのステップＳ５およびＳ７をステップＳ５ａおよびＳ７ａに置き換えたものである。

ステップＳ５ａにおいて、マイコン３は、入力端子ＩＮ２から入力されたファンモータ２の回転数Ｒｅｖが指令回転数となるよう出力端子ＯＵＴ１から出力するパルス信号のＤＵＴＹ比および周波数を変更する。このステップＳ５ａを実行する時点では負荷が高い状態のため、軽負荷状態と比較して周波数を高めることで、駆動電圧ＶＭのリプル電圧を小さくし、ファンモータ２の回転数ムラを小さくする。回転数のムラを小さくすることにより騒音等の問題が起きるのを防止できる。

ステップＳ７ａにおいては、マイコン３は、ファンモータ２の回転数Ｒｅｖを指令回転数に合わせる制御を終了し、パルス信号のＤＵＴＹ比および周波数を変更することにより、ファンモータ２の駆動電圧限界となるまで駆動電圧ＶＭを低下させる。ステップＳ７ａを実行する時点では軽負荷状態のため、駆動電圧ＶＭが駆動電圧限界となるまでＤＵＴＹ比および周波数を低下させる。この結果、スイッチング回数が減少するので、これに伴いスイッチング損失も減少する。

なお、ファンモータ２の回転数と冷蔵庫筐体の共振周波数が一致した状態をステップＳ８で検出し、この状態（共振状態）を解消させるためにパルス信号を調整する必要性が生じた場合には、実施の形態１と同様に、ＤＵＴＹ比のみを調整して駆動電圧ＶＭを上昇させ、共振状態を解消させる（ステップＳ９を実行する）。周波数は変更せずにＤＵＴＹ比のみを調整するのはスイッチング回数が上昇してスイッチングによる損失が増加するのを回避するためである。

以上の制御における各部の波形を簡易的に示したものが図５のタイミングチャートである。マイコン３は、起動時においては、起動シーケンス用のＤＵＴＹ比および周波数のパルス信号を生成して出力端子ＯＵＴ１から出力する。これによりファンモータ２の駆動電圧ＶＭが上昇し始める。駆動電圧ＶＭが最低起動電圧に到達するとファンモータ２が回転を開始し、入力端子ＩＮ２にはファンモータ２の回転数Ｒｅｖを示す信号の入力が始まる。起動シーケンスを開始してからｔ₁時間が経過し、回転数が安定した後は、指定回転数となるように、出力端子ＯＵＴ１から出力するパルス信号のＤＵＴＹ比および周波数を変更してファンモータ２の駆動電圧ＶＭを調整する。ｔ₁時間が経過してからさらにｔ₂時間が経過して十分に冷蔵庫の冷却が進み、冷蔵庫が軽負荷状態と判断すると、ファンモータ２の最低駆動電圧と等しくなるよう、出力端子ＯＵＴ１から出力しているパルス信号のＤＵＴＹ比および周波数を変更する。

このように、本実施の形態の電動機駆動装置においては、電圧供給先の電動機（ファンモータ２）が軽負荷運転状態になったことを検出すると、供給する駆動電圧ＶＭが電動機の最低駆動電圧となるように、ファンモータ駆動電圧生成回路４に対して出力するパルス信号のＤＵＴＹ比および周波数を制御する（低下させる）こととした。パルス信号の周波数を高くすることで、駆動電圧ＶＭのリプル電圧を小さく抑え、ファンモータ２の回転ムラを抑制して騒音の増加を抑えることができる。一方、軽負荷の場合、パルス信号の周波数を低くすることで、ファンモータ駆動電圧生成回路４におけるスイッチングロスが小さくなるので、効率的な運転を実現でき、実施の形態１と比較して、更なる省電力化を実現できる。また、実施の形態１と同様に、最低駆動電圧で駆動させた場合の回転数が冷蔵庫筐体の共振周波数に一致する場合には、一致しないように駆動電圧を変更するので、騒音の増加を抑えつつ省電力化を図ることができる。

各実施の形態では電動機駆動装置を冷蔵庫に適用する場合の例について説明したが、空気調和機などの機器に対して適用することも可能である。

以上のように、本発明は、ファンモータ等の電動機に供給する駆動電圧を生成する電動機駆動装置として有用である。

１アクチュエータ駆動用ＤＣ電源、２ファンモータ、３マイコン（マイクロコンピュータ）、４ファンモータ駆動電圧生成回路、５ファンモータ駆動電圧検出回路、６ファンモータ回転数検出回路、７制御ＩＣ駆動用電源。

Claims

スイッチング素子を備えて構成され、印加された直流電圧を電圧変換して電動機の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
前記駆動電圧生成手段により生成された駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段と、
前記駆動電圧の供給先の電動機の回転数を検出する回転数検知手段と、
前記駆動電圧検出手段により検出された駆動電圧および前記回転数検知手段により検出された回転数に基づいて、前記スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記駆動電圧の供給先の電動機が高負荷状態にあれば前記回転数が外部から指定された指令回転数となるように前記スイッチング素子を制御し、当該電動機が軽負荷状態にあれば前記駆動電圧が当該電動機の駆動動作保障電圧の下限値となるように制御し、前記駆動電圧を前記下限値まで下げた状態での前記回転数が自電動機駆動装置を備えた装置の筐体の共振周波数と一致する場合、前記回転数が前記共振周波数と不一致状態となるまで、前記スイッチング素子に対するスイッチング制御のデューティー比を変化させて前記駆動電圧を上昇させることを特徴とする電動機駆動装置。
前記制御手段は、前記電動機が高負荷状態の場合は前記スイッチング素子を高周波でスイッチングさせ、前記電動機が軽負荷状態の場合には前記スイッチング素子を低周波でスイッチングさせることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
請求項１または２に記載の電動機駆動装置によりファンモータを駆動させることを特徴とする冷蔵庫。