JP6421331B2 - モータ駆動装置及びそれを備えたブラシレスモータ、並びに空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特にブラシレスモータの巻線への印加電圧の進み位相制御機能を有するモータ駆動装置及びそれを備えたブラシレスモータ、並びに空気調和機に関する。
ブラシレスモータに効率良くトルクを発生させるには、駆動巻線の誘起電圧位相と、巻線電流位相とを良く一致させることが必要である。ところが、駆動巻線の誘起電圧位相と、巻線への印加電圧位相とを一致させると、電機子反作用により巻線電流は、誘起電圧位相から遅れ位相となって、トルクが低下してしまうという課題があった。
その課題解決のためには、巻線への印加電圧を誘起電圧位相より進み位相にする必要があり、従来、種々の方法が提案されている。その例としては、巻線電流の位相を検出もしくは推定して、巻線の電流位相と誘起電圧位相とが一致するように、巻線への印加電圧位相の進み位相量を制御する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、巻線電流位相を検出して、巻線への印加電流位相を誘起電圧位相に一致させる方法は、効率よくトルクを発生させるのに理想的であるが、巻線電流を検出する電流センサが必要であった。又、電流センサの代わりに、電源電流をシャント抵抗で検出して巻線電流位相を推定する方法では、ブラシレスモータの負荷、インダクタンスや電源電圧によっては、巻線電流位相の推定誤差が大きくなったり、推定ができないなどの課題あった。
特開2004−48951号公報
本発明のモータ駆動装置は、送風ファン負荷など、モータの速度と負荷トルクの変化を示す負荷特性曲線が予め判明もしくは予測しうるような用途で、上記従来の課題を解決するものである。この課題を解決するため、本モータ駆動装置は、巻線への印加電圧位相の進み位相量を、あらかじめ負荷特性曲線から求め、その進み位相量で電圧を印加する。本モータ駆動装置は、このように動作することで、巻線への印加電流位相と誘起電圧位相を一致させることができ、効率よくトルクを発生させることが可能となる。
本発明は、モータの複数相の巻線に電力供給するパワースイッチ部と、パワースイッチ部をON/OFF制御する制御部とを含むモータ駆動装置である。制御部は、回転速度を示す回転速度信号を発生する速度信号発生器と、パワースイッチ部に作用して巻線印加電圧を発生するようにパワースイッチ部を制御するPWM信号発生器と、モータの負荷特性
に基づいて、所定速度に対する巻線印加電圧の進み位相量を予め設定した進み位相情報発生器とを含む。そして、進み位相情報発生器の進み位相信号に応じて、複数相の巻線に電圧を印加するように構成している。ここで、進み位相情報発生器には、外部入力端子が設けられている。そして、進み位相情報発生器は、外部入力端子からの入力信号に応じて、進み位相量に一定比率を乗じる。
このような構成により、誘起電圧位相と巻線電流位相がよく一致し、効率よくトルクを発生させることができる。
また、負荷特性は、曲線を複数の直線で近似して進み位相量を設定する構成である。このように構成することで、進み位相情報発生器を半導体素子で具現化する場合に、位相情報発生器を簡素化することができる。特に、2本の直線で近似することで、構成要素である進み位相情報発生器を半導体素子で具現化する場合に、位相情報発生器を最小に簡素化することができる。
また、進み位相情報発生器の進み位相量に、外部からの設定信号により一定比率を乗じることで、様々な送風ファン駆動において、最適な、進角増大比率を設定することができる。
また、進み位相情報発生器の進み位相量に、予め多用する送風ファン用途に応じた一定比率を乗じる構成としておき、外部からの設定信号がある場合には、その外部設定信号が意味する比率を優先することで、外部からの設定信号を不要とすることができる。
このように、本発明のブラシレスモータの駆動装置によれば、巻線への印加電圧位相の進み位相量を、あらかじめ負荷特性曲線から求め、その進み位相量で電圧を印加することで、巻線への印加電流位相と誘起電圧位相を一致させることができ、効率よくトルクを発生させることができる。
図1は、本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置を備えたブラシレスモータの構成を示すブロック図である。 図2は、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の位相説明図である。 図3Aは、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の動作説明図である。 図3Bは、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の動作説明図である。 図3Cは、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の動作説明図である。 図4は、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の他の動作説明図である。 図5は、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の他の動作説明図である。 図6は、本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置を備えたブラシレスモータの構成を示すブロック図である。 図7は、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の動作説明図である。 図8は、本発明の実施の形態3におけるモータ駆動装置を備えたブラシレスモータの構成を示すブロック図である。 図9は、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の動作説明図である。 図10は、本発明の実施の形態4におけるモータ駆動装置を備えたブラシレスモータの構成を示すブロック図である。 図11は、同ブラシレスモータのモータ駆動装置の動作説明図である。 図12は、本発明のモータ駆動装置を内蔵したブラシレスモータの構成図である。 図13は、本発明のモータ駆動装置を備えるブラシレスモータを用いた空気調和機の構成図である。 図14は、同空気調和機の屋内機の構成図である。 図15は、同屋内機の電装基板の接続図である。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置91を備えたブラシレスモータ101の構成を示すブロック図である。図1において、ブラシレスモータ101は、モータ駆動装置91と、巻線1a、1b、1cを巻回したステータやロータを備えたモータ60とで構成される。また、モータ駆動装置91は、パワースイッチ部2、PWM信号発生器3、シャント抵抗4、速度信号発生器5、進み位相情報発生器6を含む構成である。また、PWM信号発生器3、速度信号発生器5、および進み位相情報発生器6によって、パワースイッチ部2をON/OFF制御する制御部が構成される。
さらに、モータ駆動装置91は、入出力端子としてMU、MV、MW、VDC、Vcc、GND端子を備える。そして、MU、MV、MW端子には、それぞれ第一の巻線1a、第二の巻線1b、第三の巻線1cが接続される。また、VDC端子には、直流電源8の正側出力が、Vcc端子には、制御電源11の正側出力が接続され、GND端子には、直流電源8、制御電源11の負側出力が接続される。
このような構成において、パワースイッチ部2は、スイッチ素子Q1〜Q6を備え、モータ60の複数相の巻線1a、1b、1cに電力を供給する。PWM信号発生器3は、パワースイッチ部2に作用して、スイッチ素子Q1〜Q6をON/OFF制御する。すなわち、外部からのモータ印加電圧指令信号が、VSP端子を介して、PWM信号発生器3に入力される。すると、PWM信号発生器3の制御によって、パワースイッチ部2は、巻線印加電圧を発生し、第一の巻線1a、第二の巻線1b、第三の巻線1cに、発生した電圧を印加することで、電力を供給してトルクを発生させる。
さらに、速度信号発生器5は、図示しない磁気センサや光学センサから得たブラシレスモータ101の回転状態を意味する信号から、ブラシレスモータ101の回転速度を示す回転速度信号を発生し、進み位相情報発生器6へ供給する。ここで、回転速度信号は、モータ60のロータが実回転している速度を示す信号である。
また、進み位相情報発生器6には、ブラシレスモータ101の負荷特性に基づいて、所定速度に対する巻線印加電圧の進み位相量が進角値として予め設定されている。この進み位相情報発生器6に、速度信号発生器5から回転速度信号が供給される。すると、進み位相情報発生器6は、受け取った回転速度信号に対する進角値を求め、求めた進角値をPWM信号発生器3に出力する。
すなわち、進み位相情報発生器6は、回転速度信号が示す速度に応じて、回転速度毎に予め設定した進角値を抽出し、抽出した進角値をPWM信号発生器3へ供給する。そして、PWM信号発生器3は、進角値に応じた進み位相の印加電圧を巻線に印加するようにパワースイッチ部2に作用して、第一の巻線1a、第二の巻線1b、第三の巻線1cへ入力する電圧位相を進めている。本実施の形態では、このような構成により、回転速度信号が示す速度に応じた位相の印加電圧でそれぞれの巻線を通電駆動している。
図2は、第一の巻線1a、第二の巻線1b、第三の巻線1cに発生する誘起電圧Eu、Ev、Ewと、印加電圧Vu−n、Vv−n、Vw−nと、巻線電流Iu、Iv、Iwの位相関係を示した図である。図2において、上段は第一の巻線1a、中段は第二の巻線1b、下段は第三の巻線1cを示している。なお、巻線に印加される電圧は、パルス幅変調であるPWM(Pulse Width Modulation)変調されており、巻線の中性点N基準で平均化している。
図2の上段に示すように、誘起電圧Euに対し、進角値Δθだけ位相を進めた印加電圧Vu−nが第一の巻線1aに入力される。その結果、誘起電圧Euと位相が一致した巻線電流Iuが発生している。図2では、中段での第二の巻線1b、下段での第三の巻線1cも同様に、進角値Δθだけ位相を進めた印加電圧を印加する例を示している。
このように、本実施の形態では、巻線1a、1b、1cの誘起電圧Eu、Ev、Ewの位相と、巻線電流位相Iu、Iv、Iwの位相とが一致するように、進み位相量である進角値Δθを設定している。
図3Aは、回転速度Nと進角値Δθ、図3Bは、回転速度NとトルクT、図3Cは、回転速度Nと効率ηの関係を示した図である。図3Aは、負荷特性の一例で、回転速度Nと進角値Δθの関係を示したものであり、進角値Δθは、Nのa乗に比例して増大する。
上記特性を次式で示す。
Δθ=A×N+B×Na−1+C×Na−2+・・+K (deg)
ここで、A、B、C、a、Kは定数であり、実際に適用する回転数範囲と送風ファンに好適な値に予め設定される。この回転速度Nに対するΔθのデータが、あらかじめ進み位相情報発生器6に設定されている。
上記に示す進角特性は、図3Bに示すような、回転速度Nのa乗にトルクが増大するような負荷、例えばaが1<a<3である負荷特性曲線の負荷特性を有するような送風ファンには好適である。図3Cの実線η1は、進角値を可変制御した一例を示し、点線η2は、進角値の可変制御を行わない一例を示したものである。ブラシレスモータの効率特性は、図3Cの実線η1に示す様に、回転速度の広範囲で高効率を維持可能ならしめる。
次に、図4を用い、モータ駆動装置101の進み位相情報発生器6に関する動作を説明する。図4において、破線は、負荷特性曲線の一例として2次曲線を示したものである。本実施の形態では、破線の負荷特性曲線を、0から最高回転速度Nmax.までをn回分割し、さらに、0−(1)、(1)−(2)、(2)−(3)、(3)−(4)、・・・・、(n−1)−(n)の各分割点間を直線で結んで、破線の負荷特性曲線に対して実線で示すように、整数回の折れ線で近似して、進角値Δθを設定している。
分割数が多いほど整数回の折れ線は、破線の負荷特性曲線に、より一致するが、進み位相情報発生器6の構造が複雑で高価になるので、ブラシレスモータ101の効率が著しく低下しない最小分割数に設定される。
図5は、図4における分割数を3回として、破線の負荷特性曲線に対し3本の直線で、実線で示すような2回折れの折れ線で近似したもので、進み位相情報発生器6の構成は、図4の場合と比べて、安価で簡単な構成で具現化可能としている。
なお図5では、等間隔で分割したが、分割比を変えても差し支えない。
(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置92を備えたブラシレスモータ102の構成を示すブロック図である。図6に示すように、本実施の形態では、モータ駆動装置92において、誘起電圧位相信号発生器7を新たに設けている。この誘起電圧位相信号発生器7には、モータ60の回転子の近傍に設けた磁気センサ12a、12b、12cからの回転子磁極位置信号HU、HV、HWが入力される。そして、誘起電圧位相信号発生器7は、回転子磁極位置信号HU、HV、HWに基づいて誘起電圧位相信号eu、ev、ewを発生し、PWM信号発生器3へ供給するとともに、速度信号発生器5へ、回転子磁極位置信号HU、HV、HWを伝達する。
本実施の形態においては、速度信号発生器5は、回転子磁極位置信号HU、HV、HWを用いて、モータ60の回転子の実回転速度を示す回転速度信号を生成し、進み位相情報発生器6へ供給している。進み位相情報発生器6は、回転速度信号が示す速度に応じて、回転速度毎に予め設定した進角値を抽出し、抽出した進角値をPWM信号発生器3へ供給する。
PWM信号発生器3は、誘起電圧位相信号eu、ev、ewの位相を基準として、進み位相情報発生器6からの進角値に従って、第一の巻線1a、第二の巻線1b、第三の巻線1cへ供給する印加電圧の電圧位相を進めるようにパワースイッチ部2に作用する。本実施の形態では、このような構成により、回転子磁極位置信号HU、HV、HWを利用して回転速度信号を生成し、その回転速度信号が示す速度に応じた位相の印加電圧で、それぞれの巻線を通電駆動している。
図7は、実施の形態2における各信号の位相関係を示した図である。図7の(A)には、磁気センサ12a、12b、12cからの回転子磁極位置信号HU、HV、HWを示す。図7の(B)には、誘起電圧位相信号発生器7が生成する誘起電圧位相信号eu、ev、ewを示す。図7の(a)には、第一の巻線1aに発生する誘起電圧Eu、印加電圧Vu−n、巻線電流Iuを示す。図7の(b)には、第二の巻線1bに発生するEv、印加電圧Vv−n、巻線電流Ivを示す。図7の(c)には、第三の巻線1cに発生する誘起電圧Ew、印加電圧Vw−n、巻線電流Iwの位相関係を示す。
誘起電圧位相信号発生器7において、磁気センサ12a、12b、12cからの回転子磁極位置信号HU、HV、HWに基づき、図7の(B)に示すような誘起電圧位相信号eu、ev、ewが生成される。巻線1a、1b、1cには、誘起電圧位相信号eu、ev、ewの位相を基準として、進角値Δθだけ位相を進めた印加電圧Vu−n、Vv−n、Vw−nが入力される。その結果、誘起電圧Euと巻線電流Iu、誘起電圧Evと巻線電流Iv、誘起電圧Ewと巻線電流Iwの各々において、互いの位相が一致している。なお、図7では、誘起電圧位相信号がハイレベルの期間の中心を基準位相とした一例を示している。また、進角値Δθは、回転速度Nの2乗に比例して増大するが、動作は実施の形態1と同じであるので以降の説明は省く。
また、本実施の形態では、磁気センサを用いてブラシレスモータの回転子磁極位置信号を得たが、実施の形態1のように、磁気センサを用いず巻線の誘起電圧や電流値、電流方向からブラシレスモータの回転子磁極位置信号を得る方法でもよい。
(実施の形態3)
図8は、本発明の実施の形態3におけるモータ駆動装置93を備えたブラシレスモータ103の構成を示すブロック図である。図8において、進み位相情報発生器6に外部入力端子であるADD端子を設け、この端子にレギュレータ13の出力電圧Vregを第一の抵抗14、第二の抵抗15で分圧した電圧値を入力するよう構成したものである。進み位相情報発生器6は、ADD端子の電圧値に従って、進角値Δθに一定の比率を乗じるようにして、進角値Δθを変更可能とした。
図9は、ADD端子の入力電圧値に従って進角値Δθの比率が変更され、Δθカーブ(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)という具合に選択可能であることを示している。Δθカーブは、図9では連続量であるが、上述したように折れ線近似してもよい。
(実施の形態4)
図10は、本発明の実施の形態4におけるモータ駆動装置94を備えたブラシレスモータ104の構成を示すブロック図である。図10において、外部入力端子であるADD端子のモータ駆動装置94側に、抵抗値が数十kオームから数百kオームの高抵抗値の第三の抵抗16を設けて、レギュレータ出力電圧Vregにプルアップするとともに、初期化手段17を設けた。初期化手段17は、制御電源11の立ち上げ時、レギュレータ13の出力電圧が所定の値に達した場合に、進み位相情報発生器6へ、ADD端子の端子電圧値に相応する進角値Δθカーブを選択するよう作用する。
図11は、ADD端子の端子入力電圧に従って選択可能な(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)のΔθカーブを示している。ADD端子の外部に第一の抵抗14、第二の抵抗15を設けない場合には、ADD端子内部の第三の抵抗16によりADD端子電圧はレギュレータ13の出力電圧Vregになる。進み位相情報発生器6は、ADD端子電圧がVregの場合、図11の実線のカーブ(3)が選択される。この選択は、制御電源11の立ち上げ時、レギュレータ13の出力電圧が所定の値に達した場合で、以降は、制御電源11の遮断まで選択値が保持されて、ADD端子のノイズの影響は受けない。
ADD端子の外部に第一の抵抗14、第二の抵抗15を設けず、ADD端子内部の第三の抵抗16により選択される進角値Δθカーブは、使用頻度の多いカーブを予め設定する。
なお、ADD端子の外部へ第一の抵抗14、第二の抵抗15を設ける場合、第一の抵抗14、第二の抵抗15の抵抗値を、数百から数kオームにすれば、ADD端子の内部の第三の抵抗16による電圧値より、外部の第一の抵抗14、第二の抵抗15による電圧が優先される。
(実施の形態5)
上記実施の形態1〜4のいずれかのモータ駆動装置90を搭載したブラシレスモータ100および空気調和機について、図12〜15を用いて説明する。ここで、モータ駆動装置90は、上述したモータ駆動装置91、92、93、94のいずれかであり、ブラシレスモータ100は、ブラシレスモータ101、102、103、104のいずれかである。
図12はモータ駆動装置90を内蔵したブラシレスモータ100の構成図である。図12において、インシュレータ50を介して巻線1が施された固定子48は、樹脂でモールドされてモールド組立52を成している。外周に永久磁石46を施したヨーク45とシャフト42が結合されて回転子組立47をなしている。シャフト42は第一、第二の玉軸受け43、44で保持されている。モールド組立52に、回転子組立47をセットし、さらにモータ駆動装置90を実装したプリント配線板40を載せて、ブラケット53で蓋をした構成である。なおプリント配線板40からリード線54が外部に導出されている。
図13は、空気調和機の全体図である。図13において、地面31上にある家屋22の屋内24に屋内機25を設け、屋外23には、屋外機26を地面31上に設け、屋内機25と屋外機26は、互いに配管30で連結されている。屋内機25には、受光部28、表示部29があり、リモコン27からの信号は、受光部28にて受信し、表示部29の表示が可変する。
図14は、屋内機25の構成を示している。図14において、熱交換器32の下方にクロスフローファン33と、クロスフローファン33とシャフトが結合されてモータ駆動装置90を内部に有するブラシレスモータ100とがあり、電装BOX34と電気的に接続されている。ACコンセント36からACプラグ35を介して、電装BOX34に電力供給を行う。リモコン27を操作して、運転指令信号が発信され、運転信号が、受光部28を介して、電装BOX34に伝達され、電装BOX34から表示部29に作用して表示を可変し、ブラシレスモータ100を運転する。
図15は、電装BOX34とブラシレスモータ100の接続を示している。図15において、ACコンセント36からACプラグ35を介して電装BOX34に入力された商用交流電圧は、電装BOX34で直流に変換されて、直流電源8、制御電源11の出力となり、それぞれVdc端子、Vcc端子、Gnd端子を経て、ブラシレスモータ100へ供給される。
リモコン27からの信号が、受光部28を介して演算器37へ伝達され、演算器37は、表示部29の表示を、受信した信号に相応した表示を行うよう作用するとともに、VSP端子にモータ運転信号(VSP信号)を発生する。VSP信号に相応してブラシレスモータ100は運転を行う。
FG端子には、ブラシレスモータ100の運転により、回転速度を意味する信号(FG信号)を、ブラシレスモータ100が発生する。FG信号は、演算器37へ入力され、VSP信号を、FG信号に相応して可変し、ブラシレスモータ100の回転速度を制御する。
ブラシレスモータ100の回転速度が増すと進角値Δθが、負荷特性曲線状に増大して、巻線への印加電圧位相が誘起電圧位相より進められて、巻線電流位相は、誘起電圧位相と良く一致するので、ブラシレスモータ100は、効率よくトルクを発生させることができる。
図14の構造図に示すように、屋内機25の主要消費電力源は送風ファン用のブラシレスモータであるので、ブラシレスモータの効率を向上することで、空気調和機の消費電力軽減に大きく寄与することができる。
本発明のモータ駆動装置は、モータの高効率化に最適であり、機器の省エネルギー化にも有用であるため、モータを搭載する各種電気機器に利用が可能である。
2 パワースイッチ部
3 PWM信号発生器
5 速度信号発生器
6 進み位相情報発生器
7 誘起電圧位相信号発生器
8 直流電源
11 制御電源
14 第一の抵抗
15 第二の抵抗
16 第三の抵抗

Claims (3)

  1. モータの複数相の巻線に電力供給するパワースイッチ部と、前記パワースイッチ部をON/OFF制御する制御部とを含むモータ駆動装置であって、
    前記制御部は、
    回転速度を示す回転速度信号を発生する速度信号発生器と、
    前記パワースイッチ部に作用して巻線印加電圧を発生するように前記パワースイッチ部を制御するPWM信号発生器と、
    前記モータの負荷特性に基づいて、所定速度に対する前記巻線印加電圧の進み位相量を予め設定した進み位相情報発生器とを含み、
    前記進み位相情報発生器の進み位相信号に応じて、複数相の前記巻線に電圧を印加し、
    前記進み位相情報発生器に外部入力端子を設け、前記外部入力端子からの入力信号に応じて、前記進み位相量に一定比率を乗じることを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記外部入力端子からの入力信号がない場合には、前記進み位相量に一定比率を乗じ、前記外部入力端子からの入力信号がある場合には、その入力信号に応じて、一定比率を乗じることを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記巻線の誘起電圧と巻線電流位相とが一致するように、前記進み位相量を設定したことを特徴とする請求項1から請求項に記載のモータ駆動装置。
JP2014554103A 2012-12-27 2013-12-10 モータ駆動装置及びそれを備えたブラシレスモータ、並びに空気調和機 Active JP6421331B2 (ja)

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