本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
[単相交流モータの制御装置の構成]
図1は、本発明の実施の形態に従う単相交流モータの制御装置の概略構成を示す図である。
図1を参照して、単相交流モータ10を制御する制御装置100は、電源12と、インバータ14と、コントローラ16と、アナログデジタル変換器(ADC)18と、ゲートドライバ20と、電流センサ22と、磁気センサ24A,24Bとを備える。
単相交流モータ10は、単相の交流同期モータであり、たとえば、表面磁石型同期モータである。図2は、図1における単相交流モータ10の概略構成図である。
図2を参照して、単相交流モータ10は、ロータ2と、ステータ3とを含む。ロータ2は、複数の磁極を有する。ロータ2には永久磁石が設けられる。
ステータ3は、ステータコア4と、ステータコア4のティース5に巻回されたステータコイル6とを含む。ステータ3は、ロータ2の周囲を覆っている。ステータ3が生成する回転磁界によってロータ2が回転駆動される。
本実施の形態では、ロータ2の磁極数が4であり、ステータ3のティース5の数が4である、単相交流モータ10を制御する制御装置100について説明する。ただし、本発明が適用される単相交流モータ10の磁極数およびティースの数はこれに限定されるものではない。
再び図1を参照して、電源12は、直流電源であり、たとえば、充放電可能に構成された蓄電装置である。電源12は、直流電源に限られず、単相交流電源から供給される単相交流電圧を直流電圧に変換するコンバータであってもよい。この場合、コンバータは、たとえば、4個のダイオードによって構成されるダイオードブリッジ整流回路と、平滑コンデンサとを含むことができる。
インバータ14は、単相インバータである。インバータ14は、電源12から電力線PL,NLを介して供給される直流電圧を、単相交流モータ10の駆動電圧に変換して単相交流モータ10のステータ3(ステータコイル6)に印加する。インバータ14はさらに、静止状態のロータ2を起動するための起動処理において、正または負の極性の駆動電圧を、単相交流モータ10のステータ3に印加することができる。インバータ14の構成については、図3にて詳細に説明する。
電流センサ22は、単相交流モータ10のステータコイル6に流れる電流(以下、「モータ電流」とも称する)を検出する。ADC18は、アナログ信号である電流センサ22の検出信号を、デジタル信号に変換する。デジタル変換された検出信号は、コントローラ16に入力される。
磁気センサ24A,24Bは、単相交流モータ10のロータ2の磁極位置を検出する。磁気センサ24A,24Bの検出信号は、コントローラ16に入力される。以下の説明では、磁気センサ24A(第1の磁気センサ)の検出信号を、「位置検出信号SA」とも称する。また、磁気センサ24B(第2の磁気センサ)の検出信号を、「位置検出信号SB」とも称する。磁気センサ24A,24Bとしては、代表的にホールICを用いることができる。
図1に示されるように、磁気センサ24Aと磁気センサ24Bとは、ロータ2の回転方向に沿って互いに離間した位置に配置される。したがって、位置検出信号SAと位置検出信号SBとの間には、磁気センサ24Aと磁気センサ24Bとの間の角度間隔に応じた位相差が発生する。
コントローラ16は、図示しないCPUおよびメモリなどを含むプロセッサを基に構成され、単相交流モータ10の制御装置100全体の動作を制御する。たとえば、コントローラ16は、電流センサ22の検出信号、および磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBに基づいて、インバータ14を制御するための制御信号を生成する。
ゲートドライバ20は、コントローラ16によって生成された制御信号に従って、インバータ14を構成する複数の半導体スイッチング素子(図3参照)のスイッチングを制御する。
図3は、本実施の形態に従う単相交流モータ10の制御装置100の制御構成を示すブロック図である。
図3を参照して、電源12(図1)は、電力線PL,NLに直流電圧Vdcを供給する。インバータ14は、電源12から直流電圧Vdcが供給されると、ゲートドライバ20からの駆動信号に応じて、直流電圧Vdcを単相交流電圧に変換して単相交流モータ10を駆動する。
インバータ14は、4個の半導体スイッチング素子Q1〜Q4と、これらの半導体スイッチング素子に対して並列かつ逆バイアス方向にそれぞれ接続された、4個のダイオードD1〜D4とを含む。図3の例では、半導体スイッチング素子Q1〜Q4の各々はMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)によって構成されるが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)またはバイポーラトランジスタなどであってもよい。
各半導体スイッチング素子を構成する材料としては、珪素よりもバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体を採用することができる。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドのいずれかであることが好ましい。
半導体スイッチング素子Q1,Q2は、電力線PLと電力線NLとの間に直列に接続される。半導体スイッチング素子Q1,Q2の接続ノードN1は、単相交流モータ10のステータコイル6に接続される。半導体スイッチング素子Q3,Q4は、電力線PLと電力線NLとの間に直列に、かつ、直列接続された半導体スイッチング素子Q1,Q2の全体と並列に接続される。半導体スイッチング素子Q3,Q4の接続ノードN2は、単相交流モータ10のステータコイル6に接続される。
次に、インバータ14の動作について簡単に説明する。
ゲートドライバ20は、半導体スイッチング素子Q1〜Q4のゲート端子と電気的に接続される。ゲートドライバ20は、半導体スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチングを制御する。
具体的には、ゲートドライバ20は、コントローラ16からの制御信号に応答して、各半導体スイッチング素子のゲート端子に印加する制御電圧を制御する。この制御電圧の大きさに応じて、各半導体スイッチング素子は、導通状態(オン状態)または非導通状態(オフ状態)となる。
半導体スイッチング素子Q1,Q4がオン状態となり、半導体スイッチング素子Q2,Q3がオフ状態となるとき、ステータコイル6には、正の直流電圧(+Vdc)が印加される。一方、半導体スイッチング素子Q2,Q3がオン状態となり、半導体スイッチング素子Q1,Q4がオフ状態となるとき、ステータコイル6には、負の直流電圧(−Vdc)が印加される。なお、半導体スイッチング素子Q1〜Q4がすべてオフ状態となるときには、ステータコイル6に印加される電圧は0となる。以下の説明では、単相交流モータ10のステータコイル6に印加される電圧(単相交流モータ10の駆動電圧)を、「モータ電圧Vm」とも称する。
単相交流モータ10の運転時は、半導体スイッチング素子Q1,Q4のオン状態と、半導体スイッチング素子Q2,Q3のオン状態とが交互に繰返されることによって、モータ電圧Vmは、+Vdcと−Vdcとが交互に切替わる。これにより、ステータ3に回転磁界が生成される。
(単相交流モータの可変速制御)
コントローラ16は、起動処理部30と、速度制御部32と、電流制御部34と、PWM(Pulse Width Modulation)制御部36とを含む。
単相交流モータ10の駆動時、速度制御部32、電流制御部34およびPWM制御部36は、互いに協働して、単相交流モータ10の回転速度の可変制御(以下、「可変速制御」とも称する)を実行することができる。以下、単相交流モータ10の可変速制御について簡単に説明する。
速度制御部32、電流制御部34およびPWM制御部36は、回転速度の目標値に基づいて、単相交流モータ10の回転速度をフィードバック制御するように構成される。
具体的には、速度制御部32は、磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBを受け、回転速度の目標値を示す速度指令ω*を受ける。速度制御部32は、磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBに基づいて、ロータ2の磁極位置および回転速度を検出する。速度制御部32は、速度指令ω*と回転速度検出値との偏差にPI(比例および積分)制御を施すことにより、モータ電流の目標値を算出する。
電流制御部34は、モータ電流の目標値を示す電流指令i*を受け、電流センサ22の検出信号を受け、磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBを受ける。電流制御部34は、位置検出信号SA,SBから得られるロータ2の磁極位置を用いて、モータ電流の位相を決定する。電流制御部34は、電流指令i*とモータ電流検出値との偏差にPI制御を施すことにより、単相交流モータ10に印加する電圧の目標値を算出する。電流制御部34は、単相交流モータ10に印加する電圧の目標値を示す電圧指令v*をPWM制御部36へ出力する。
PWM制御部36は、電圧指令v*に基づいて、インバータ14を構成する半導体スイッチング素子Q1〜Q4をPWM制御するための制御信号を生成する。PWM制御部36は、生成した制御信号をゲートドライバ20に出力する。
上記の速度制御部32、電流制御部34およびPWM制御部36によって構成されるフィードバック制御の構成は一般的なものである。ただし、本実施の形態では、2つの位置検出信号SA,SBを用いてロータ2の磁極位置を検出するため、単一の位置検出信号を用いる場合に比べて、より細かいタイミングで磁極位置を検出することができる。したがって、磁極位置の検出精度を高めることができる。
磁極位置の検出精度が高められることで、上記のフィードバック制御の応答性が向上するため、単相交流モータ10の回転速度を速度指令ω*に追従させることができる。特に、単相交流モータ10の加速時には、速度指令ω*を上昇させていく過程において、回転速度を速度指令ω*に追従させることができる。この結果、単相交流モータ10の出力トルクの変動によって単相交流モータ10に振動が発生することを抑制できる。
(起動処理)
単相交流モータ10の運転停止状態において、起動処理部30は、静止状態のロータ2を第1の回転方向に起動するための起動処理を実行する。本実施の形態では、「第1の回転方向」を正転方向(時計回り)とし、第1の回転方向と反対方向である「第2の回転方向」を逆転方向(反時計回り)とする。なお、「第1の回転方向」を逆転方向とし、「第2の回転方向」を正転方向とすることもできる。
以下、起動処理について説明する。
起動処理では、起動処理部30は、最初に、ロータ2が静止しているときの磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBを取得する。次に、第1の極性のモータ電圧Vmを、単相交流モータ10のステータコイル6に印加する。ステータコイル6が通電されることにより、ステータ3が励磁される。第1の極性は、正の極性であってもよいし、負の極性であってもよい。
ステータ3が励磁されると、ステータ3のティース5とロータ2の各磁極との間に生じる磁力(吸引力および反発力)によって、ロータ2が起動する。起動処理部30は、ロータ2が静止していたとき、および、ロータ2が回転しているときの位置検出信号SA,SBに基づいて、ロータ2の回転方向を検出する。
ロータ2の回転方向が正転方向(第1の回転方向)であると検出されると、起動処理部30は、その状態で、単相交流電圧からなるモータ電圧Vmをステータコイル6に印加する。これにより、ステータ3が生成する回転磁界によって、ロータ2が正転方向に回転する。
一方、ロータ2の回転方向が逆転方向(第2の回転方向)であると検出されると、起動処理部30は、モータ電圧Vmの印加を一時的に停止した後、第1の極性とは異なる第2の極性のモータ電圧Vmをステータコイル6に印加する。モータ電圧Vmの極性が反転したことで磁力の向きが切替わるため、ロータ2は、以前の回転方向とは逆向き、すなわち、正転方向に回転し始める。ロータ2の回転方向が正転方向に切替わったことが検出されると、起動処理部30は、単相交流電圧からなるモータ電圧Vmをステータコイル6に印加する。これにより、ステータ3が生成する回転磁界によって、ロータ2が正転方向に回転する。
なお、本実施の形態では、上記起動処理において、運転停止状態の単相交流モータ10に第1の極性の電圧を印加してからロータ2の回転方向が正転方向であることを検出するまでの時間を、「起動時間」と定義する。後述するように、本実施の形態に従う単相交流モータの制御装置100は、起動時間の短縮を実現するものである。
(ロータの回転方向の検出)
以下、図4〜図6を用いて、本実施の形態に従うロータ2の回転方向の検出方法の原理について説明する。
図4は、単相交流モータ10のロータ2が正転方向に回転した場合における、ロータ2と磁気センサ24A,24Bとの位置関係が時間的に遷移する様子を模式的に示す図である。
図4の例では、磁気センサ24Aは、ロータ2の回転角(機械角)が0°となる位置に配置されている。磁気センサ24Bは、ロータ2の回転角(機械角)が45°となる位置に配置されている。すなわち、磁気センサ24Aと磁気センサ24Bとは、ロータ2の回転軸1を中心とする同一円上に、45°の角度間隔をおいて配置されている。
図4では、ロータ2は正転方向に回転する。図4(a)〜(e)は、それぞれ、ロータ2の回転角(機械角)が0°,45°,90°,135°,180°となるときのロータ2と磁気センサ24A,24Bとの位置関係を表わしている。なお、ロータ2の磁極数が4であるため、機械角180°は電気角360°に相当する。
磁気センサ24Aは、ロータ2の磁極から外周方向に向かって延びる磁束線を検出したとき、すなわち、ロータ2のN極を検出したとき、論理レベル“1”の位置検出信号SAを出力する。一方、磁気センサ24Aは、ロータ2の磁極から内周方向に向かって延びる磁束線を検出したとき、すなわち、ロータ2のS極を検出したとき、論理レベル“0”の位置検出信号SAを出力する。
磁気センサ24Bは、磁気センサ24Aと同様に、ロータ2のN極を検出したとき、論理レベル“1”の位置検出信号SBを出力し、ロータ2のS極を検出したとき、論理レベル“0”の位置検出信号SBを出力する。
図5は、図4に示す磁気センサ24A,24Bが出力する位置検出信号SA,SBの波形を示す図である。図5では、図4(a)〜(e)に示すタイミング、すなわち、ロータ2の回転角(機械角)が0°,45°,90°,135°,180°となるタイミングが、それぞれ、矢印で示されている。
図5を参照して、位置検出信号SA,SBの各々は、機械角90°の間隔(電気角180°の間隔に相当)で、“1”と“0”との間を交互に切替わる。位置検出信号SAは、ロータ2の回転角が0°〜90°のとき(図4(a)〜(c)の状態)、“0”となり、回転角が90°〜180°のとき(図4(c)〜(e)の状態)、“1”となる。位置検出信号SBは、ロータ2の回転角が0°〜45°(図4(a)〜(b)の状態)、および回転角が135°〜180°のとき(図4(d)〜(e)の状態)、“1”となり、回転角が45°〜135°のとき(図4(b)〜(d)の状態)、“0”となる。
図4の例では、磁気センサ24Aと磁気センサ24Bとは、ロータ2の回転方向に沿って45°の角度間隔をおいて配置されている。そのため、図5の波形図において、位置検出信号SAと位置検出信号SBとは、機械角45°の位相差を有している。なお、ロータ2の磁極数が4であるため、当該位相差は電気角90°(=45°×4/2)の位相差に相当する。これにより、ロータ2が回転しているときに位置検出信号SA,SBがとり得る論理レベルの組合せは、図6に示される4通りにまとめることができる。
図6は、図4に示す磁気センサ24A,24Bが出力する位置検出信号SA,SBの論理表を示す図である。図5および図6では、図4(a)〜(b)の状態を[1]と表記し、図4(b)〜(c)の状態を[2]と表記し、図4(c)〜(d)の状態を[3]と表記し、図4(d)〜(e)の状態を[4]と表記している。図6には、これら4つの状態[1]〜[4]の各々における、位置検出信号SA,SBの組合せが示されている。
図6を参照して、位置検出信号SA,SBの組合せを(SA,SB)と表した場合、(SA,SB)は、状態[1]では(0,1)となり、状態[2]では(0,0)となり、状態[3]では(1,0)となり、状態[4]では(1,1)となる。
たとえば、静止状態のロータ2が[1]の状態である場合において、ロータ2が正転方向に回転すると、ロータ2の状態は、[1]→[2]→[3]→[4]→[1]→[2]・・・の順で遷移する。一方、ロータ2が逆転方向に回転すると、ロータ2の状態は、[1]→[4]→[3]→[2]→[1]→[2]・・・の順で遷移する。
ここで、静止状態のロータ2が[2]の状態である場合を想定する。この場合、ロータ2が正転方向に回転すると、ロータ2の状態は[2]から[3]に遷移する。一方、ロータ2が逆転方向に回転すると、ロータ2の状態は[2]から[1]に遷移する。すなわち、ロータ2の回転方向によって、静止状態の次に遷移する状態が異なってくる。したがって、静止しているときのロータ2の状態(以下、「初期状態」とも称する)と、その次に遷移する状態とを把握することができれば、ロータ2の回転方向が正転方向か逆転方向かを検出することができる。
詳細には、ロータ2の初期状態は、ロータ2が静止状態での(SA,SB)から検出することができる。静止状態のロータ2が起動すると、回転方向に応じて、最初に、位置検出信号SA,SBのいずれか一方が切替わる。いずれの位置検出信号が最初に切替わるかを把握することができれば、ロータ2の回転方向を検出することができる。これによれば、ロータ2が回転し始めてから最初の位置検出信号が切替わるタイミングで、ロータ2の回転方向を検出することができる。
これを、上記の初期状態が[2]の状態である場合に当て嵌めると、初期状態(=[2])での(SA,SB)は(0,0)である。回転方向が正転方向であれば、最初に、位置検出信号SAが“0”から“1”に切替わる。一方、回転方向が逆転方向であれば、最初に、位置検出信号SBが“0”から“1”に切替わる。いずれの回転方向においても、最初の位置検出信号の切替えは、ロータ2が静止状態から45°回転するまでの間に起きている。したがって、ロータ2が静止状態から45°回転するまでの間に、ロータ2の回転方向を検出することができる。
このように、本実施の形態では、複数の磁気センサの位置検出信号を用いることにより、複数の位置検出信号のうちのいずれかが切替るタイミングを捉えることで、ロータ2の回転方向を検出することができる。これによれば、1個の磁気センサの位置検出信号を用いる従来技術のように、個々の磁気センサの取付け精度やモータ定数のばらつきに影響されず、ロータ2の起動処理を安定して行なうことができる。
また、上記特許文献1に記載される従来技術に比べて、短時間でロータ2の回転方向を検出することができる。以下、その理由について説明する。
従来技術では、ステータコイルを励起させてから、磁気センサの検出信号の切替わりを第1期間の間に検出したときに、ロータが正転方向に回転していると判断する。一方、第1期間の間に検出信号の切替わりを検出しなければ、ロータが逆転方向に回転していると判断する。この第1期間は、ロータが静止しているときから少なくとも360°/磁極数の機械角に亘って回転するのに十分な時間に設定されている。すなわち、ロータの磁極数が4である場合、静止状態のロータが回転し始めてから回転方向が検出されるまでのロータの回転角(機械角)は最大90°となる。
これに対して、本実施の形態では、ロータ2の機械的回転周期を機械角360°とすると、ロータ2の磁極数が4であるため、各位置検出信号の1周期は機械角180°となる。位置検出信号SAと位置検出信号SBとの位相差は45°(機械角)であるため、当該1周期内で、機械角45°おきに、いずれかの位置検出信号が切替わる。したがって、静止状態のロータ2が回転し始めてから回転方向が検出されるまでのロータ2の回転角は、最大45°となる。上記の従来技術と比べると、回転方向が検出されるまでのロータ2の回転角が半分以下となっていることが分かる。これにより、ロータ2が回転し始めてから回転方向が検出されるまでの時間を、半分以下に短縮することができる。この結果、単相交流モータの短時間で起動することができる。
(磁気センサの配置)
次に、磁気センサ24A,24Bの配置について説明する。以下の説明では、図4と同様に、磁気センサ24Aがロータ2の回転角(機械角)が0°となる位置に配置されているものとする。また、ロータ2の磁極数をPとする。この状態における、磁気センサ24Bの好適な位置について説明する。
本実施の形態では、図5の波形図に示されるように、位置検出信号SAと位置検出信号SBとの間に位相差を持たせることで、位置検出信号SAが切替わるタイミングと、位置検出信号SBが切替わるタイミングと異ならせている。このようにすると、ロータ2の回転によって生じる、位置検出信号SA,SBの組合せの遷移に基づいて、ロータ2の回転方向を検出することができる。
位置検出信号SAと位置検出信号SBとの間で切替わるタイミングを異ならせるためには、少なくとも、磁気センサ24Bを「180×n/(P/2)」を満たす位置以外の位置に配置する必要がある(nは1以上P以下の整数)。「180×n/(P/2)」を満たす位置とは、位置検出信号SAが切替わるタイミングに相当する。したがって、当該位置以外の位置に磁気センサ24Bを配置することで、ロータ2の回転方向を検出することができる。
より好ましくは、磁気センサ24Bを、磁気センサ24Aに対して、ロータ2の回転軸1を中心とする同一円上に、「180×{1+(2n−1)}/P」の角度間隔をおいてする。このようにすると、ロータ2の回転方向の検出に加えて、ロータ2の磁極位置の検出精度を高めることができる。
たとえば、磁極数P=4の場合、磁気センサ24Bを、45°,135°,225°,315°のいずれかの位置に配置することが好ましい。なお、図4の例は、磁気センサ24Bを45°の位置に配置した場合を示している。
このようにすると、位置検出信号SAと位置検出信号SBとの間に、機械角45°もしくは135°の位相差を持たせることができる。機械角45°の位相差は、位置検出信号SA,SBの1/4周期に相当する。機械角135°の位相差は、位置検出信号SA,SBの3/4周期に相当する。したがって、位置検出信号SAと位置検出信号SBとの間で切替わるタイミングは1/4周期分異なることになる。
これによれば、コントローラ16は、ロータ2が1回転(機械角360°)する間に、1/4周期おきに合計4回の位置検出信号の切替わりを検出することになる。したがって、単一の位置検出信号を用いる場合に比べて、より細かいタイミングでロータ2の磁極位置を検出することが可能となる。その結果、磁極位置の検出精度を高めることができる。
(起動処理の詳細)
次に、図7〜図9を用いて、本実施の形態に従う起動処理の詳細について説明する。
図7は、ロータ2を第1の方向(正転方向)に起動させるための起動処理の流れを説明するための図である。図7(a)は、ステータ3の励磁により、ロータ2が初期状態から正転方向に回転し始めた場合の起動処理の流れを示している。図7(b)は、ステータ3の励磁により、ロータ2が初期状態から逆転方向に回転し始めた場合の処理の流れを示している。図8は、図7(a)に示す起動処理の流れに対応するタイミングチャートである。図9は、図7(b)に示す起動処理の流れに対応するタイミングチャートである。
なお、図7(a),(b)では、ステータ3に生じる回転磁界を、ロータ2を中心として4分割された領域で表している。磁気センサ24A,24Bの配置は、図4に示した配置と同じである。また、説明を容易にするために、図7(a)と図7(b)との間で、ロータ2の初期状態を共通とする一方で、ステータ3(ステータコイル)に印加する、第1の極性のモータ電圧Vmの極性を異ならせている。
図7(a)を参照して、時刻tAにおいて、ロータ2は初期状態であるとする。なお、初期状態において、ロータ2は、0°から正転方向に所定角度ずれた位置で静止している。これにより、ステータ3の励磁により生じる磁力を、ロータ2の回転力に変換することができる。このような静止状態は、たとえば、ステータ3のティースとロータとの間隙を調整することで実現できる。
図7の例では、ロータ2の初期状態は、図5の[1]の状態となっている。よって、磁気センサ24A,24Bにおいて、(SA,SB)は(0,1)である(図8参照)。
図7(a)および図8を参照して、初期状態において、起動処理部30は、インバータ14からステータコイルに対して、第1の極性のモータ電圧Vmを印加する。図7(a)では、「第1の極性」を、正の極性とする。起動処理部30は、半導体スイッチング素子Q1,Q4がオン状態となり、半導体スイッチング素子Q2,Q3がオフ状態となるように、インバータ14を制御する。これにより、モータ電圧Vmとして、正の直流電圧(+Vdc)がステータコイルに印加される。
モータ電圧Vm(=+Vdc)を受けてステータ3が励磁されると、ステータ3のティースに生じる磁界とロータ2の磁極との間に生じる磁力によって、ロータ2が正転方向(時計回り)に回転し始める。
時刻tBにおいて、ロータ2の回転角が45°となると、図5に示したように、磁気センサ24Bの位置検出信号SBが“1”から“0”に切替わる。起動処理部30は、ロータ2が回転し始めてから最初に位置検出信号SBが切替わったことに基づいて、ロータ2の回転方向が正転方向であると検出する。
ロータ2の回転方向が正転方向であると検出されると、起動処理部30は、ロータ2が所望の回転方向に回転していると判断する。したがって、時刻tCにおいて、起動処理部30は、インバータ14からステータコイルに対して、単相交流電圧であるモータ電圧Vmを供給する。
なお、ロータ2を引き続き正転方向に回転させるために、時刻tCにおけるモータ電圧Vmの極性は、第1の極性と同じ極性とする。これにより、時刻tC以降、モータ電圧Vmを受けてステータ3に回転磁界が生じることによって、ロータ2は正転方向に回転する。
これに対して、図7(b)では、第1の極性を、負の極性とする。起動処理部30は、半導体スイッチング素子Q2,Q3がオン状態となり、半導体スイッチング素子Q1,Q4がオフ状態となるように、インバータ14を制御する。これにより、モータ電圧Vmとして、負の直流電圧(−Vdc)がステータコイルに印加される。
図7(b)および図9を参照して、時刻tAにおいて、起動処理部30は、インバータ14からステータコイルに対して、負の極性のモータ電圧Vm(=−Vdc)を印加する。図7(b)では、図7(a)とモータ電圧Vmの極性が異なるため、図7(a)に対してステータ3のティースに生じる磁界が反転している。その結果、ロータ2は逆転方向(反時計回り)に回転し始める。
時刻tBにおいて、ロータ2の回転角が0°となると、図5に示したように、磁気センサ24Aの位置検出信号SAが“0”から“1”に切替わる。起動処理部30は、ロータ2が回転し始めてから最初に位置検出信号SAが切替わったことに基づいて、ロータ2の回転方向が逆転方向であると検出する。
ロータ2の回転方向が逆転方向であると検出されると、起動処理部30は、ロータ2が所望の回転方向とは反対方向に回転していると判断する。そこで、起動処理部30は、半導体スイッチング素子Q1〜Q4がすべてオフ状態となるように、インバータ14を制御することにより、ステータコイルへのモータ電圧Vmの印加を一旦停止する。
モータ電圧Vmの印加を停止したことによって、ステータ3に発生していた磁界が消滅するため、ロータ2は初期状態に戻ろうとする。そのため、ロータ2は正転方向に回転し始める。その結果、時刻tCにおいて、再びロータ2の回転角が0°となり、位置検出信号SAが“1”から“0”に切替わる。
時刻tCにおいて、位置検出信号SAの切替わりが検出されると、起動処理部30は、インバータ14からステータコイルに対して、第2の極性のモータ電圧Vm(すなわち、正の極性のモータ電圧Vm)を印加する。これにより、ステータ3のティースには、図7(a)と同様の磁界が生じる。
時刻tDにおいて、ロータ2が初期状態に戻ると、ステータ3のティースに生じる磁界とロータ2の磁極との間に生じる磁力によって、ロータ2は引き続き正転方向に回転する。そして、時刻tEにおいて、ロータ2の回転角が45°となると、図5に示したように、磁気センサ24Bの位置検出信号SBが“1”から“0”に切替わる。起動処理部30は、モータ電圧Vmの極性を第2の極性に反転させてから最初に位置検出信号SBが切替わったことに基づいて、ロータ2の回転方向が正転方向であると検出する。
ロータ2の回転方向が正転方向であると検出されると、起動処理部30は、ロータ2が所望の回転方向に回転していると判断する。したがって、時刻tEにおいて、起動処理部30は、インバータ14からステータコイルに対して、単相交流電圧であるモータ電圧Vmを印加する。このとき、起動処理部30は、ロータ2を引き続き正転方向に回転させるため、時刻tEにおけるモータ電圧Vmの極性を、第2の極性と同じ極性とする。これにより、時刻tC以降、モータ電圧Vmを受けてステータ3に回転磁界が生じることによって、ロータ2が正転方向に回転する。
以上説明したように、起動処理部30は、時刻tAにて、単相交流モータ10のステータコイルに第1の極性のモータ電圧Vmを印加すると、時刻tAからのロータ2の回転角が45°に満たない時刻tBにおいて、ロータ2の回転方向を検出することができる。
図7(a)の例では、時刻tBにて検出される回転方向が正転方向であるため、起動時間は、時刻tAから時刻tBまでの時間となる。図7(a)の場合、時刻tB以降直ちに、ロータ2を正転方向に駆動することができる。
一方、図7(b)の例では、時刻tBにおいて検出されるロータ2の回転方向が逆転方向であるため、時刻tCにてモータ電圧Vmの極性を第2の極性に反転させる。したがって、時刻tCからのロータ2の回転角が45°となる時刻tEにおいて、ロータ2の回転方向が正転方向であると検出することができる。すなわち、図7(b)の場合、起動時間は、時刻tAから時刻tEまでの時間となる。これにより、時刻tE以降、ロータ2を正転方向に駆動することができる。
上述のように、本実施の形態によれば、ロータ2の回転開始後の短時間でロータ2の回転方向を検出することができる。その結果、起動時間を短縮することができる。
なお、図示は省略するが、単相交流モータ10において、ロータ2が回転しない異常が発生している場合には、モータ電圧Vmを印加しても、位置検出信号SA,SBが切替わらないケースが起こり得る。このようなケースにおいて、モータ電圧Vmを印加し続けると、ステータコイルに直流電流が流れ続けることによってステータコイルが過熱される場合がある。その結果、ステータ3を焼損させてしまう可能性がある。
ステータ3を過熱から保護するためには、たとえば、インバータ14の各半導体スイッチング素子の周辺に温度検知素子(サーミスタ等)を設置し、過熱を検知してインバータ14の運転を停止する方法を採ることができる。あるいは、位置検出信号SA,SBが切替わらない状態が所定時間を超えて継続した場合に、インバータ14の運転を停止する方法を採ることができる。
図10は、本実施の形態に従う起動処理を説明するためのフローチャートである。
図10を参照して、単相交流モータ10を起動させるにあたり、コントローラ16は、最初に、ステップS01により、ロータ2が静止しているときの磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBを取得する。これにより、ロータ2の初期状態を把握できる。
ステップS02では、コントローラ16は、単相交流モータ10のステータコイル6に第1の極性のモータ電圧Vmを印加する。これにより、単相交流モータ10のロータ2が起動する。
ステップS03にて、ロータ2が回転しているときの磁気センサ24A,24Bの位置検出信号SA,SBを取得すると、コントローラ16は、ステップS04により、ロータ2が静止しているときの位置検出信号SA,SBと、ロータ2が回転しているときの位置検出信号SA,SBとに基づいて、ロータ2の回転方向を検出する。ここでは、コントローラ16は、位置検出信号SA,SBから、ロータ2の初期状態と、その次に遷移する状態とを把握することにより、ロータ2の回転方向を検出することができる。
ステップS05では、コントローラ16は、ロータ2の回転方向が第1の回転方向か否かを判定する。ロータ2の回転方向が第1の回転方向である場合(S05のYES判定時)、コントローラ16は、ステップS05に進み、単相交流電圧であるモータ電圧Vmをステータコイル6に印加する。これにより、ロータ2を第1の回転方向に駆動する。
一方、ロータ2の回転方向が第1の回転方向でない場合(S05のNO判定時)には、コントローラ16は、ステップS07に進み、インバータ14の半導体スイッチング素子Q1〜Q4をすべてオフ状態とすることにより、ステータコイル6へのモータ電圧Vmの印加を停止する。これにより、ロータ2は、初期状態に戻ろうとして第1の回転方向に回転し始める。
続いて、コントローラ16は、ステップS08により、ステータコイル6に第2の極性のモータ電圧Vmを印加する。さらにステップS05に戻って、コントローラ16は、位置検出信号SA,SBに基づいて、ロータ2の回転方向を検出する。ステップS05にて、ロータ2の回転方向が第1の回転方向であると判定されると、コントローラ16は、ステップS06にて、単相交流電圧であるモータ電圧Vmをステータコイル6に印加することにより、ロータ2を第1の回転方向に駆動する。
(適用例)
次に、本実施の形態に従う単相交流モータの制御装置の適用例について説明する。以下では、図1に示す制御装置100を電気掃除機に適用した例(図11および図12参照)と、制御装置100をハンドドライヤーに適用した例(図13参照)とを説明する。
(1)電気掃除機
図11は、図1に示す制御装置100が適用される電気掃除機の概略構成図である。
図11を参照して、本実施の形態に従う電気掃除機61は、延長管62と、吸込口体63と、電動送風機64と、集塵室65と、操作部66と、電源12と、センサ68とを備える。電動送風機64は、図1に示す単相交流モータ10および制御装置100を含む。
電動送風機64は、単相交流モータ10を送風モータとして駆動する。単相交流モータ10を回転駆動すると、吸引風が発生する。吸引風によって、被掃除面(図示せず)上の塵が空気とともに、吸込口体63内部に吸い込まれる。
この塵を含んだ空気は、延長管62を通って集塵室65に搬送される。空気中の塵は集塵室65に捕集される。塵を捕集された空気は図示しないフィルタを通過した後、電動送風機64に到達する。その後、当該空気は、内部通路を通って排気口(ともに図示せず)から外部へ排出される。
なお、図11の例では、制御装置100の電源は、電気掃除機61の電源12と共通である。また、制御装置100のコントローラ16は、電気掃除機61全体の動作を制御することが可能に構成されている。
操作部66は、電源スイッチ66aおよび加速スイッチ66bを含む(図12参照)。電源スイッチ66aは、電源12から電気掃除機61の各部に対する電源供給および遮断を切替えるためのスイッチである。加速スイッチ66bは、電動送風機64における単相交流モータ10を低速回転速度から定常回転速度まで加速するためのスイッチである。低速回転速度は、定常回転速度の10分の1以下の回転速度をいう。たとえば、定常回転速度が10万rpmである場合、低速回転速度は1万rpm以下となる。
単相交流モータ10が低速回転速度で駆動しているときにユーザによって加速スイッチ66bがオン操作されると、制御装置100は、単相交流モータ10の回転速度が定常回転速度に達するように、図3で説明した回転速度の可変速制御を実行する。この回転速度の可変速制御では、回転速度が低速回転速度から定常回転速度に到達するまでの加速度(以下、「加速レート」とも称する)を調整することができる。
センサ68は、電気掃除機61の動きもしくは人の動きを検知する。センサ68として、たとえば、ジャイロセンサまたは人感センサ等を用いることができる。センサ68の検知信号はコントローラ16に入力される。
次に、図12を用いて、電気掃除機61における電動送風機64(単相交流モータ10)の動作について説明する。図12は、電動送風機64の制御構成を示すブロック図である。
まず、ユーザによって電源スイッチ66aがオン操作されると、電源12から電力供給を受けて電気掃除機61の主回路、制御装置100およびセンサ68等が起動する。
センサ68は、たとえば、ジャイロセンサである。センサ68は、電気掃除機61の動きを検知し、検知信号を制御装置100のコントローラ16に出力する。
具体的には、ジャイロセンサは、電気掃除機61に取付けられることで、電気掃除機61の使用の際に生じる電気掃除機61の動きを検知することができる。電気掃除機61の使用直前には必ず本体が動く。この使用直前の動きをセンサ68が検知することで、以下に述べるように、加速スイッチ66bがオン操作されるよりも前に、電動送風機64(単相交流モータ10)を起動することができる。
コントローラ16は、センサ68の検知信号をトリガとして単相交流モータ10を起動し、単相交流モータ10を低速回転速度で駆動する。なお、単相交流モータ10を起動する際、コントローラ16は、上述した起動処理を実行する。これにより、短時間で単相交流モータ10のロータ2を所望の回転方向(第1の回転方向)に起動することができる。ロータ2が起動すると、コントローラ16は、単相交流モータ10を低速回転速度まで加速する。
低速回転速度での駆動時に加速スイッチ66bがオン操作されると、コントローラ16は、単相交流モータ10を定常回転速度まで加速する。なお、電源スイッチ66aよりも先に加速スイッチ66bがオン操作されていた場合には、電源スイッチ66aがオン操作されると、コントローラ16は、起動処理の実行後、単相交流モータ10を直ちに定常回転速度まで加速する。
定常回速度での駆動時において加速スイッチ66bがオフ操作されると、コントローラ16は、単相交流モータ10の駆動を停止せずに、単相交流モータ10を低速回転速度まで減速して駆動し続ける。低速回転速度で駆動し続けることによって、集塵室65に捕集された塵が、延長管62を通って吸込口体63から排出されることを防止できる。
上述したように、本実施の形態に従う電気掃除機61では、電源スイッチ66aがオン操作されると、センサ68の検知信号をトリガとして、単相交流モータ10を低速回転速度で駆動する。これにより、ユーザが実際に電気掃除機61を使用する際に、加速スイッチ66bをオン操作してから単相交流モータ10が定常回転速度に到達するまでの時間を短縮することができる。
たとえば、電源供給を開始してから単相交流モータ10が低速回転速度(たとえば、2000rpm)に達するまでの時間が1秒であり、かつ、低速回転速度から定常回転速度(たとえば、10万rpm)に達するまでの時間が0.4秒であると仮定する。この場合、電源供給を開始してから単相交流モータ10が定常回転速度に到達するまでには、1.4秒の時間が必要となる。本実施の形態では、加速スイッチ66bがオン操作されるときには、既に単相交流モータ10が低速回転速度で駆動している。したがって、ユーザが実際に電気掃除機61を使用する際には、加速スイッチ66bをオン操作してから僅か0.4秒で、単相交流モータ10を定常回転速度に到達させることができる。
その一方で、単相交流モータ10を起動するためには、単相交流モータ10が定常回転しているときに比べて、より大きなトルクを発生させる必要がある。そのため、単相交流モータ10に大きなモータ電流を流す必要がある。しかしながら、モータ電流を大きくすると、消費電力が増えるとともに、単相交流モータ10および電源12を含む部品における発熱量も増加する。たとえば、電源12が二次電池等の蓄電装置である場合には、消費電力が増えることで、電気掃除機61の連続運転時間が短くなる。また、部品の発熱量が増えることで、部品の信頼性を損なう可能性がある。
このような問題を解決するためには、単相交流モータ10を起動するときの加速レートを低下させることが有効である。加速レートを低下させることでモータ電流の急峻な立上りが抑えられるため、消費電力および部品の発熱量の増加を防ぐことができる。
なお、本実施の形態では、上記の起動処理を行なうことにより、起動時間を短縮することが可能となる。そのため、起動時の加速レートを低下させたことに起因して、単相交流モータ10の起動に要する時間が延長することを防ぐことができる。
また、本実施の形態によれば、単相交流モータ10の可変速制御を2つの位置検出信号SA,SBを用いて実行するため、ロータ2の磁極位置の検出精度を向上させることができる。その結果、可変速制御の応答性を高めることができる。したがって、可変レートを低下させる場合に、単相交流モータ10の出力トルクの変動によって単相交流モータ10に振動が発生することを抑制することができる。
なお、電気掃除機61においては、単相交流モータ10を低速回転速度から定常回転速度まで加速するときにおいても、加速レートを低下させることで、加速による電力消費を抑えることができる。このときも、可変速制御の応答性が良好であるため、単相交流モータ10に振動が発生することを抑制することができる。
(2)ハンドドライヤー
図13は、図1に示す制御装置100が適用されるハンドドライヤーの概略構成図である。本実施の形態に従うハンドドライヤー70は、ユーザが手を洗った後に、水で濡れた手に乾燥風を当てて、手を乾燥させるための装置である。
図13を参照して、本実施の形態に従うハンドドライヤー70は、ケーシング71と、手挿入部72と、水受け部73と、ドレン容器74と、カバー76と、センサ77と、吸気口78とを備える。
ケーシング71は、ユーザの手を挿入するための凹部の空間、すなわち手挿入部72を形成する。水受け部73は、ユーザの濡れた手から飛沫した水滴を受ける。ドレン容器74は、ケーシング71に着脱可能に取付けられており、水受け部73が受けた水滴を蓄積する。カバー76は、ケーシング71と結合され、ハンドドライヤー70の前面を構成する。
ケーシング71内には、電動送風機(図示せず)およびセンサ77が搭載されている。電動送風機は、図1に示す単相交流モータ10および制御装置100を含む。制御装置100のコントローラ16は、ハンドドライヤー70全体の動作を制御することが可能に構成されている。
電動送風機は、単相交流モータ10を送風モータとして駆動する。単相交流モータ10を回転駆動すると、乾燥風が発生する。乾燥風は、ケーシング71に設けられた送風口(図示せず)から手挿入部72に向けて吹出される。
センサ77は、ハンドドライヤー70にユーザが接近したことを検知する。センサ77はさらに、手挿入部72にユーザの手が挿入されたことを検知する。センサ77として、たとえば、人感センサ等を用いることができる。センサ77の検知信号は、制御装置100のコントローラ16に入力される。
次に、ハンドドライヤー70における電動送風機(単相交流モータ10)の動作について説明する。
電動送風機は、ハンドドライヤー70にユーザが接近していないときには、単相交流モータ10の駆動を休止する待機状態となっている。電動送風機の待機状態において、センサ77は、ハンドドライヤー70に人が接近したか否かを検知している。そして、ハンドドライヤー70に人が接近したことを検知すると、センサ77は、検知信号を制御装置100のコントローラ16に出力する。
コントローラ16は、センサ77の検知信号をトリガとして単相交流モータ10を起動し、単相交流モータ10を低速回転速度で駆動する。なお、単相交流モータ10を起動する際、コントローラ16は、上述した起動処理を実行する。これにより、短時間で単相交流モータ10のロータ2を所望の回転方向(第1の回転方向)に起動することができる。ロータ2が起動すると、コントローラ16は、単相交流モータ10を低速回転速度まで加速する。
低速回転速度での駆動時において、ユーザの手が手挿入部72に挿入されたことがセンサ77により検知されると、コントローラ16は、単相交流モータ10を定常回転速度まで加速する。
定常回速度での駆動時において、手挿入部72からユーザの手が抜かれると、コントローラ16は、単相交流モータ10の駆動を停止せずに、所定時間、単相交流モータ10を低速回転速度まで減速して駆動し続ける。当該所定時間の間に、次のユーザの手が手挿入部72に挿入された場合、コントローラ16は、単相交流モータ10を再度、定速回転速度まで加速する。一方、当該所定時間の間に、ハンドドライヤー70に人が接近したことが検知されない場合には、コントローラ16は、単相交流モータ10を停止し、電動送風機を待機状態とする。
本実施の形態に従うハンドドライヤー70では、ハンドドライヤー70にユーザが接近したことを示す検知信号をトリガとして、単相交流モータ10を低速回転速度で駆動する。これにより、ユーザの手が手挿入部72に挿入された際に、単相交流モータ10が定常回転速度に到達するまでの時間を短縮することができる。
また、図11に示した電気掃除機61と同様に、ハンドドライヤー70においても、単相交流モータ10を起動するためには、大きなモータ電流が必要となる。大きなモータ電流は、消費電力の増加や部品の発熱量の増加を招く可能性がある。本実施の形態によれば、上記の起動処理を行なうことにより、起動時間を短縮することができる。これにより、大きなモータ電流が長時間にわたって流れることを抑制できるため、結果的に、起動時における消費電力および発熱量の増加を抑えることができる。
なお、上記の実施の形態では、本実施の形態に従う単相交流モータ10の制御装置100を、電気掃除機およびハンドドライヤーに適用した構成について説明したが、本発明は、これらに限らず、単相交流モータを駆動源とする製品に広く適用することが可能である。たとえば、焼却炉、粉砕機、乾燥機、集塵機、印刷機械、クリーニング機械、製菓機械、製茶機械、木工機械、プラスチック押出機、段ボール機械、包装機械、熱風発生機、OA機器、一般送排風用途など、電動送風機を備えた製品に対して、本発明を適用することが可能である。
本発明は、請求の範囲に記載された範囲内において、複数の実施形態の任意の組み合わせ、いずれかの実施形態に含まれる任意の構成要素の変形、あるいは、いずれかの実施形態に含まれる任意の構成要素の省略が可能である。
今回開示された実施の形態がすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。