JP6500224B2 - モータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機又は洗濯乾燥機 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路によりモータを駆動する洗濯機等に用いられるモータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機又は洗濯乾燥機に関するものである。

洗濯機等を駆動するためのモータ駆動装置において、異常時などに交流入力電流が過大にならないように、制限する必要がある。従来、インバータ回路の駆動制御をおこなうマイコンは、交流入力電流ラインと絶縁されており、ＧＮＤ電位が異なることが多い（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、マイコンから絶縁された回路における過電流状態を検知する安価な方法として、電流を検出したいラインに直列に電流検出用の抵抗を挿入し、挿入した抵抗の両端に発生する電圧によって、フォトカプラを駆動する過電流検出装置を備えたモータ駆動装置および洗濯機が開示されている。

特開２００８−１２２２２６号公報

しかしながら、上記従来のモータ駆動装置の過電流検出装置は、電流検出抵抗、直流電圧源等の回路部品が必要であり、ＧＮＤ電位も異なるため、フォトカプラ等の高価な部品も必要となるほか、検出抵抗部の発熱、検出抵抗部での損失も増加することもあり、より安価なモータ駆動装置を構成できないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、より安価なモータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機または洗濯乾燥機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るモータ駆動装置は、交流電源と、前記交流電源に接続した整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗濯兼脱水槽等の負荷を駆動するブラシレスモータと、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、前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータのモータ電流を磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分とに分解してそれぞれ所望の値となるように制御するベクトル制御と、前記ロータ位置検出手段によるモータ回転数を所望の指令回転数となるように速度制御とを行うとともに、前記トルクに対応した電流成分を所望の制限値以下に制限する１次電流判定手段を備え、前記１次電流判定手段は、前記モータ回転数に応じて、あらかじめ設定したテーブルにより、前記トルクに対応した電流成分の制限値を切り替えるようにし、前記テーブルによる前記制限値は、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数によって規定されることを特徴とする。

本発明のモータ駆動装置は、高価な１次電流検出部を用いずとも、所望する任意の範囲に１次側電流を制限でき、入力電流が過大になることを防止できる。また、トルクに対応した電流成分の制限値を、指令回転数に応じて変化させることにより、低回転において必
要以上にトルクに対応した電流成分を制限しないため、低速時でもトルク不足による回転数低下が発生しない。また、従来に比べ高価な部品を要する１次電流検出部を用いないため、低コストなモータ駆動装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１のモータ駆動装置の一部ブロック化した回路図 同モータ駆動装置の動作タイムチャート 同モータ駆動装置のＩｑリミット制御のフローチャート 同モータ駆動装置のモータ駆動サブルーチンのフローチャート 同モータ駆動装置のキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャート 同モータ駆動装置の位置信号割込サブルーチンのフローチャート 同モータ駆動装置のＩｑリミットテーブルの関数を示す特性図 本発明の実施の形態２のモータ駆動装置の一部ブロック化した回路図 同モータ駆動装置の整流電圧値検出によるテーブル切替制御時のフローチャート 同モータ駆動装置の整流電圧値検出時の低電位状態例を示す図 同モータ駆動装置の整流電圧値検出時の標準電位状態例を示す図 同モータ駆動装置の整流電圧値検出時の高電位状態例を示す図 同モータ駆動装置のＩｑリミットテーブルの関数を示す特性図

第１の発明は、交流電源と、前記交流電源に接続した整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗濯兼脱水槽等の負荷を駆動するブラシレスモータと、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、前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータのモータ電流を磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分とに分解してそれぞれ所望の値となるように制御するベクトル制御と、前記ロータ位置検出手段によるモータ回転数を所望の指令回転数となるように速度制御とを行うとともに、前記トルクに対応した電流成分を所望の制限値以下に制限する１次電流判定手段を備え、前記１次電流判定手段は、前記モータ回転数に応じて、あらかじめ設定したテーブルにより、前記トルクに対応した電流成分の制限値を切り替えるようにし、前記１次電流判定手段において、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数によって規定されることを特徴とする。

この構成により、高価な１次電流検出部を用いずとも、必要以上にトルクに対応した電流成分を制限せずに、入力電流が過大になることを防止できる、低コストなモータ駆動装置を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記整流回路の直流電圧を検出する電圧検出手段を備えるとともに前記テーブルを複数備え、前記制御手段は、前記電圧検出手段で検出された電圧を、あらかじめ決められた標準値と比較し、その大小関係によって、前記複数のテーブルを選択的に適用して前記トルクに対応した電流成分の制限値を切り替える構成とする。

この構成により、電源電圧が変動した場合でも、高価な１次電流検出部を用いずとも、必要以上にトルクに対応した電流成分を制限せずに、入力電流が過大になることを防止できる、低コストなモータ駆動装置を提供することができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記電圧検出手段で検出された電圧を、あらかじめ決められた標準値と比較し、それよりも高電位と判定された場合、前記テーブルによる前記制限値は、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数の係数を大きくするように構成する。

この構成により、電源電圧が高く変動した場合でも、高価な１次電流検出部を用いずとも、必要以上にトルクに対応した電流成分を制限せずに、入力電流が過大になることを防止できる、低コストなモータ駆動装置を提供することができる。

第４の発明は、特に、第２の発明において、前記電圧検出手段で検出された電圧を、あらかじめ決められた標準値と比較し、それよりも低電位と判定された場合、前記テーブルによる前記制限値は、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数の係数を小さくする構成とする。

この構成により、電源電圧が低く変動した場合でも、高価な１次電流検出部を用いずとも、必要以上にトルクに対応した電流成分を制限せずに、入力電流が過大になることを防止できる、低コストなモータ駆動装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のモータ駆動装置の一部ブロック化した回路図である。図１に示すように、交流電源１は、整流回路２に交流電圧を加え、整流回路２は、整流器２０とコンデンサ２１により直流電圧に変換し、直流電圧をインバータ回路３に加える。

インバータ回路３は、６個のパワースイッチング半導体と逆並列ダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路により構成し、通常、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と逆並列ダイオードおよびその駆動回路と保護回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュール（以下、ＩＰＭという）で構成している。パワースイッチング半導体は、ＩＧＢＴの他、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などで構成しても良い。このインバータ回路３の構成は、よく知られたものと同様であるので、詳しい説明は省略する。

インバータ回路３の出力端子にモータ４を接続し、洗濯機、洗濯乾燥機の撹拌翼（図示せず）、または洗濯兼脱水槽（図示せず）等の負荷を駆動する。モータ４は、ブラシレスモータにより構成し、回転子（ロータ）を構成する永久磁石と固定子との相対位置（回転子位置）をロータ位置検出手段４ａにより検出する。ロータ位置検出手段４ａは、通常、３個のホールＩＣにより構成し、電気角６０度ごとの位置出力基準信号を検出する。

電流検出手段５は、モータ４のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出するもので、通常は、シャント抵抗５ａ、５ｂを用いる。また、直流電流を含む低周波数から測定可能な直流電流トランスや、交流電流トランスでも検出可能である。また、３相モータの場合、２相の電流（例えばＩｕ、Ｉｖ）を求め、キルヒホッフの法則（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０）より残りの１相の電流（Ｉｗ）を求める方法が一般的である。

なお、ロータ位置検出手段４ａは、出力基準信号Ｈ１〜Ｈ３を元にロータの位置を検出しているが、ホールＩＣを用いず、モータの相電流と３相モータ駆動制御電圧からロータ位置を演算により検出する方法でもよい（図示せず）。

制御手段６は、ロータ位置検出手段４ａと電流検出手段５によりインバータ回路３をベクトル制御してモータ４の回転数を制御するものである。

制御手段６は、マイクロコンピュータと、マイクロコンピュータに内蔵したインバータ制御タイマー（ＰＷＭタイマー）、高速Ａ／Ｄ変換回路、メモリ回路（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等より構成し、ロータ位置検出手段４ａの出力信号より電気角を検知する電気角検知手段６０と、電流検出手段５の出力信号と電気角検知手段６０の信号より磁束に対応した電流成分Ｉｄ（ｄ軸電流）とトルクに対応した電流成分（トルク電流）Ｉｑ（ｑ軸電流）に分解する３相／２相ｄｑ変換手段６１と、静止座標系から回転座標系に変換、あるいは逆変換するのに必要な正弦波データ（ｓｉｎ、ｃｏｓデータ）を格納する記憶手段６２と、磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑを３相モータ駆動制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する２相／３相ｄｑ逆変換手段６３と、３相モータ駆動制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに応じてインバータ回路３のＩＧＢＴのスイッチングを制御するＰＷＭ制御手段６４などを備えている。

さらに、行程に応じてモータ４の起動、停止、回転数、および制動等を制御する設定変更手段６５と、ロータ位置検出手段４ａの出力信号より回転数を検知する回転数検知手段６６と、回転数検知手段６６によって検知された検知回転数ｎと設定変更手段６５によって設定された設定回転数Ｎｓを参照してトルク電流Ｉｑの電流設定値Ｉｑｓを決定するトルク電流制御手段６７と、設定変更手段６５からのｄ軸（ｄｉｒｅｃｔ−ａｘｉｓ）電流設定値Ｉｄｓ、トルク電流制御手段６７からのｑ軸（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ａｘｉｓ）電流設定値Ｉｑｓと、３相／２相ｄｑ変換手段６１より演算したＩｄとＩｑを比較しモータ電流を制御するための磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑを演算するモータ電流制御手段６８とを備えている。

磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑから逆変換して得られる２相／３相ｄｑ逆変換手段６３からの入力（３相モータ駆動制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に応じて、ＰＷＭ制御手段６４は、インバータ回路３に制御信号を出力する。

トルクに対応したｑ軸電流Ｉｑが設定値Ｉｑｓとなるようにフィードバック制御することにより定トルク制御が可能となる。しかし、回転数が上昇すると、モータ誘起電圧が上昇してトルク電流Ｉｑが増加しなくなるので、回転数に応じてｄ軸電流を増加させる、いわゆる弱め磁束制御によりｑ軸電流も増加させることができ、トルクを増加させることができる。

図２は、モータ駆動装置動作時の各部の波形関係を示し、ロータ位置検出手段４ａの出力基準信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のエッジ信号は、６０度ごとに変化して、各部状態信号より３６０度を６分割した角度が判別できる。出力基準信号Ｈ１がローからハイとなるハイエッジを基準電気角０度として示し、モータ４のＵ相巻線誘起電圧Ｅｃは、出力基準信号Ｈ１から３０度遅れた波形となる。Ｕ相モータ電流ＩｕとＵ相巻線誘起電圧Ｅｃの位相を同じにすると、最大効率が得られる。Ｕ相巻線誘起電圧Ｅｃがｑ軸と同等軸となり、ｄ軸は９０度遅れている。ｑ軸電流はモータ誘起電圧位相と同相なので、トルク電流と呼ばれる。

図２において、Ｕ相モータ電流Ｉｕは、Ｕ相巻線誘起電圧Ｅｃよりわずかに進んで、モータ印加電圧Ｖｕは、Ｕ相巻線誘起電圧Ｅｃより３０度進んだ波形を示す。Ｖｃは、ＰＷＭ制御手段６４内で生成される鋸歯状、または三角波波形のキャリヤ信号で、Ｖｕは、正弦波状のＵ相制御電圧でキャリヤ信号ＶｃとＵ相制御電圧Ｖｕを比較したＰＷＭ信号ＵをＰＷＭ制御手段６４内で発生させ、インバータ回路３のＵ相上アームトランジスタの制御
信号として加える。ｃｋは、キャリヤ信号Ｖｃの同期信号で、キャリヤカウンタがカウントアップしてオーバーフローしたときの割込信号である。

モータ４のロータ磁石軸とステータの磁束軸が一致した電気角をｄ軸として基準電気角０度として静止座標系から回転座標系への座標変換、すなわち、ｄｑ変換を行うので、電気角検知手段６０は、ロータ位置検出手段４ａの出力基準信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３より３０度、９０度、１５０度等の電気角を検知し、６０度毎以外は、推定により電気角θを求める。

一般的に、磁束に対応した電流成分をｄ軸電流Ｉｄと呼び、永久磁石の磁束と界磁の磁束が同軸上で永久磁石が界磁に吸引された状態なので、トルクは零となる。また、ｄ軸から電気角で９０度の角度で誘起電圧位相と同じ位相となり、トルク最大となる軸をｑ軸と呼び、トルクに対応した電流成分なので、ｑ軸電流Ｉｑと呼ぶ。さらに、ｄ軸電流を負の方向に増加させると、ｄ軸上の界磁磁束を弱めることと等価となるので、弱め界磁制御、あるいは弱め磁束制御（または磁束弱め制御）と呼ばれる。また、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに分解してそれぞれ独立に制御するので、ベクトル制御と呼ばれる。

３相／２相ｄｑ変換手段６１は、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを数式１によりｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換するもので、電気角θに対応して検出したモータ電流瞬時値よりＩｄ、Ｉｑを演算する。

記憶手段６２には、ｓｉｎθとｃｏｓθのデータを記憶しているので、電気角データに対応したデータを呼び出して積和演算を行うことにより、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに分解できる。電気角θの検知とモータ電流瞬時値の検出は、キャリヤ信号に同期して行うもので、後述するフローチャートに従い、詳細な説明を行う。

回転数検知手段６６は、ロータ位置検出手段４ａの出力基準信号Ｈ３よりモータ回転数を検知し、回転数信号を設定変更手段６５、トルク電流制御手段６７に加える。設定変更手段６５は、モータ４の回転数の設定、回転数に応じたｄ軸電流設定値Ｉｄｓの設定、トルク電流制御手段６７への設定回転数Ｎｓの設定を行なうとともに、モータ電流制御手段６８にｄ軸電流設定値Ｉｄｓを加える。なお、出力基準信号は、Ｈ１、Ｈ２をそれぞれ使用しても良いし、Ｈ１〜Ｈ３の信号から求めた回転数の平均値を用いてもよい（図示せず）。

トルク電流制御手段６７（１次電流判定手段）は、検知回転数ｎと設定回転数Ｎｓを比較する回転数比較手段６７ａと、検知回転数ｎと設定回転数Ｎｓとの誤差信号Δｎと、回
転数の変化率（加速度）に応じてｑ軸電流設定値Ｉｑｓを制御するトルク電流設定手段６７ｂと、ｑ軸電流設定値Ｉｑｓの値に対し、現在の検知回転数ｎとの関数より導出される最大Ｉｑｓの値と比較し、制限を掛けるＩｑ指令リミッタ部６７ｃとより構成される。

トルク電流設定手段６７ｂは、誤差信号Δｎに応じてｑ軸電流設定値ＩｑｓをＰＩ制御する、いわゆる、回転数制御電流マイナーループ制御を行う。ＰＩ制御の際のゲインなどの設定切り換えについては、設定変更手段６５からの指示を受けるもので、後述するフローチャートに従い説明を行う。

モータ電流制御手段６８は、３相／２相ｄｑ変換手段６１の出力信号Ｉｑ、Ｉｄと設定値Ｉｑｓ、Ｉｄｓをそれぞれ比較して制御電圧信号Ｖｑ、Ｖｄを出力するもので、ｑ軸電流比較手段６８ａ、ｑ軸電圧設定手段６８ｂ、ｄ軸電流比較手段６８ｃ、ｄ軸電圧設定手段６８ｄより構成し、ｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄをそれぞれ制御する電圧信号Ｖｑ、Ｖｄを生成する。

ｄ軸電流設定値Ｉｄｓは、設定変更手段６５からモータ電流制御手段６８に信号が加えられるもので、埋め込み磁石モータの場合には、回転数に応じてｄ軸電流設定値Ｉｄｓを増加させて弱め界磁制御を行う。表面磁石モータの場合には、通常ｄ軸電流設定値Ｉｄｓは零に設定し、高回転数駆動の場合にｄ軸電流設定値Ｉｄｓを増加させる。本実施の形態では、交流電源１から整流回路２に流入する電流を制限するための説明であり、表面磁石モータでは、ｄ軸電流設定値Ｉｄｓは、零近くの所定の値に設定するため、以降、ｄ軸電流設定値Ｉｄｓについては特に記載しないこととする。

２相／３相ｄｑ逆変換手段６３は、電圧信号Ｖｑ、Ｖｄより３相モータ駆動制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを数式２によって演算するもので、キャリヤ信号に同期して、電気角検知手段６０により検知した電気角θに対応した正弦波状の信号をＰＷＭ制御手段６４に加える。記憶手段６２に記憶したｓｉｎθ、ｃｏｓθのデータを呼び出して行う積和演算の方法は、３相／２相ｄｑ変換手段６１の演算とほぼ同じである。

上記構成のモータ駆動装置について、図３から図７を参照しながら、動作、作用を説明する。図３は、本実施の形態におけるモータ制御の切り替わりを示すフローチャートで、ステップ１００により洗濯機や洗濯乾燥機のモータ４の速度制御を行うためのモータ制御を開始する。

ステップ１０１において、指令速度を決定し、ステップ１０２において、現在の回転数を検出する。その後、ステップ１０３において、電流指令値（Ｉｑ指令値）を算出するが、同時にステップ１０４において、Ｉｑ指令値のリミット値を後述する方法で取得する。

ステップ１０５において、電流指令値とＩｑリミット値を比較し、Ｉｑリミット値よりも電流指令値が高い場合は、ステップ１０７へ、低い場合は、ステップ１０６へ進む。

ステップ１０６では、ステップ１０３で算出されたＩｑ指令値をそのまま出力する。

ステップ１０７では、現在回転数に応じて得られるＩｑリミット値をＩｑ指令値として出力する。

ステップ１０８では、上記のようにして出力された電流指令値に応じてモータ制御のサブルーチン処理を行う。その後、ステップ１０９において、モータ制御が継続中ならば、ステップ１０１に戻り、速度制御を継続する。モータ制御が終了した場合は、速度制御を終了する。

ステップ１０８で行なわれるモータ駆動サブルーチン（モータ制御サブルーチン）の制御に関して、図４を用いて説明する。

ステップ６００によりモータ駆動サブルーチンが開始すると、次に、ステップ６０１に進んで、キャリヤ信号割込の有無を判定する。キャリヤ信号割込とは、ＰＷＭ制御手段６４のキャリヤカウンタがオーバーフローすると発生する割込信号ｃｋにより実行するもので、キャリヤ信号割込があった場合は、ステップ６０２に進んで、キャリヤ信号割込サブルーチンを実行する。

図５は、キャリヤ信号割込サブルーチンの詳細フローチャートを示し、ステップ７００によりキャリヤ信号割込サブルーチンを開始し、ステップ７０１にて割込信号ｃｋをカウントする。

次に、ステップ７０２に進んで、電気角検知手段６０によりロータ位置の電気角θを演算する。ロータ位置の電気角θは、別途求めたキャリヤ信号１周期当たりの電気角Δθとキャリヤカウンタのカウント値ｋを掛けた値ｋ・Δθを、ロータ位置検出手段４ａより検知できる６０度ごとの電気角φを加えることで推定演算する。

モータ４を８極、キャリヤ周波数を１５．６ｋＨｚ、回転数を９００ｒ／ｍｉｎとすると、モータ駆動周波数は６０Ｈｚとなり、電気角６０度内のキャリヤカウンタのカウント値ｋは、約４３となる。よって、Δθは、約１．４度となる。モータ回転数が低い程、電気角６０度内のカウント値ｋは高くなり、演算上の電気角検知分解能は向上するので、回転数が低く精度が要求される場合でも問題はないことがわかる。

次に、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖを検出する。ステップ７０３に進んで、１回目のモータ電流検出を行ない、Ｉｕ１、Ｉｖ１を得る。電流検出１回ではノイズが含まれる可能性があるので、ステップ７０４に進んで、再度検出し、Ｉｕ２、Ｉｖ２を得る。ステップ７０５にて、これら２回の検出値の平均値を求めてノイズを除去してモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを算出し、Ｉｗ＝−（Ｉｕ＋Ｉｖ）よりモータ電流Ｉｗを演算する。

ここでは、ノイズ除去のために単純な二回平均値にてモータ電流Ｉｕ、Ｉｖとしたが、この方式に限定されるものではない。たとえば、前回のキャリヤ信号割込の際に検出した電流と今回のキャリヤ信号割込の際に検出した電流との変化分を算出し、変化分を一定比
率で低減して前回検出した電流に足し合わせるようなローパスフィルター機能を構成してノイズ除去を実施しても良い。

次に、ステップ７０６に進んで、３相／２相ｄｑ変換手段６１によって電気角θとモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗより、前記数式１に示した演算を行い、３相／２相ｄｑ変換を行い、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを求める。次に、ステップ７０７に進んで求められた電流値Ｉｄ、Ｉｑをメモリし、別途ベクトル制御データとして用いる。

次に、ステップ７０８に進んで、ｄ軸制御電圧Ｖｄ、ｑ軸制御電圧Ｖｑを呼び出し、ステップ７０９に進んで、前記数式２に従い２相／３相ｄｑ逆変換手段６３によって２相／３相ｄｑ逆変換を行い、３相制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを求める。この逆変換は、ステップ７０６と同じように、記憶手段６２の電気角θに対応したｓｉｎθ、ｃｏｓθデータを用い、積和演算を高速で行う。

次に、ステップ７１０に進んで、ＰＷＭ制御手段６４によって３相制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに対応したＰＷＭ制御を行い、ステップ７１１に進んで、サブルーチンを終了してリターンする。

ＰＷＭ制御は、図２でも説明したように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相各相に対応して、鋸歯状波（または三角波）のキャリヤ信号と制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを比較してインバータ回路３のＩＧＢＴオンオフ制御信号を発生させ、モータ４を正弦波駆動するもので、上アームトランジスタと下アームトランジスタの信号は、逆転された波形で、上アームトランジスタの導通比を増加させると、出力電圧は正電圧が増加し、下アームトランジスタの導通比を増加させると、出力電圧は負電圧が増加する。

導通比を５０％にすると、出力電圧は零となる。電気角θに対応して制御電圧を正弦波状に変化させると、正弦波状の電流が流れる。正弦波駆動の場合、トランジスタの導通比を最大値１００％にしたとき、出力電圧は最大となり、変調度Ａｍは１００％で、導通比の最大値を５０％にしたとき、出力電圧は最低となり、変調度Ａｍは０％と呼ぶ。

モータ電流をベクトル制御するための、３相／２相ｄｑ変換と２相／３相ｄｑ逆変換をキャリヤ信号毎に高速で実行するので、高速の電流制御が可能となり、さらに、キャリヤ信号毎にベクトル制御することにより、撹拌翼や洗濯兼脱水槽を負荷変動に対応して適切なトルク駆動することができる。

図４に戻って、キャリヤ信号割込サブルーチン（ステップ６０２）を実行した後、ステップ６０３に進み、位置信号割込の有無を判定する。ロータ位置検出手段４ａの出力基準信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のいずれかの信号が変化すると、割込信号が発生し、ステップ６０４に進んで、図６に示す位置信号割込サブルーチンを実行する。図２に示すように、電気角６０度ごとに割込信号が発生する。

ここで、図６により、位置信号割込サブルーチンについて説明する。ステップ８００より、位置信号割込サブルーチンを開始し、ステップ８０１に進んで、出力基準信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を電気角検知手段６０に入力し、位置検出を行い、次に、ステップ８０２に進んで、位置信号よりロータ電気角θｃを検出する。次に、ステップ８０３に進んで、キャリヤ信号割込サブルーチンでカウントしているカウント値ｋをｋｃにメモリし、ステップ８０４に進んで、カウント値ｋをクリヤし、ステップ８０５に進み、電気角６０度間のキャリヤカウンタのカウント値ｋｃより１キャリヤの電気角Δθを演算する。

次に、ステップ８０６に進んで、回転数検知手段６６によって、出力基準信号Ｈ３によ
る割込信号か否かを判定し、基準位置信号割込ならば、ステップ８０７に進んで、回転周期測定タイマーのカウント値Ｔを周期Ｔｏとしてメモリし、ステップ８０８に進んで、カウント値Ｔをクリヤし、ステップ８０９に進んで、モータ回転数ｎを演算する。次に、ステップ８１０に進んで、回転周期測定タイマーのカウントを開始させ、ステップ８１１に進んで、サブルーチンを終了してリターンする。

回転周期測定タイマーの検知分解能を８ｂｉｔ精度にすると、クロックは、６４μｓとなりキャリヤ信号をクロックに使用できるが、回転制御性能を向上するためには、回転周期検知分解能を向上させる必要があり、クロックの周期は、１〜１０μｓに設定する必要がある。この場合には、マイクロコンピュータのシステムクロックを分周してクロックに使用する。

以上に説明した回転数検知方法は、出力基準信号Ｈ３の周期から求める方法を示したが、出力基準信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３をすべて使用してもよい。また、キャリヤ信号を三角波にすると、キャリヤカウンタタイマーの周期は、鋸歯状波の２倍となるので、三角波のオーバーフロー信号をクロックにすると、分解能が向上するので、三角波タイマーのオーバーフロー信号をクロックにしてもよい。

図３のステップ１０４における、Ｉｑ指令値のリミット値を取得するＩｑリミットテーブルについて以下に説明する。

図７は、本発明のモータ駆動装置のＩｑ指令値のリミット値を取得するＩｑリミットテーブルの一例を示している。交流電源１の電圧がＡＣ１００Ｖの時に、整流回路２へ流れる電流の実効値を７Ａとした時の、モータ回転数とＩｑ指令値の関係性を示す特性図である。図７の特性曲線よりも回転数を示すｘ軸側にＩｑ指令値を保持することにより、整流回路２へ流れる電流の実効値を常に７Ａ以下に制御できることを示している。図７の曲線を数式で表したものが数式３である。

数式３は、２次曲線で表記しているが、Ｉｑ指令値が回転数に対してべき乗で単調減少する特性であれば、これに限られるものではなく、数式３であらわされる曲線からｘ軸、ｙ軸方向の領域にＩｑ指令値を制限することで、１次電流の実効値を検出することなく、任意の値に制限することが可能となる。

たとえば、モータ回転数を７００ｒｐｍに速度制御している場合、Ｉｑ指令値を２．５８Ａを超えないよう制御することで、整流回路２へ流れる電流の実効値を７Ａ以下に制御することが可能となる。

同様に、モータ回転数を４００ｒｐｍに速度制御している場合、Ｉｑ指令値を３．３３Ａを超えないよう制御することで、整流回路２へ流れる電流の実効値を７Ａ以下に制御することが可能となる。

以上で説明したＩｑ指令値のリミット制御により、整流回路２へ流れる電流を検出せずとも、所望の値に電流を制御することが可能となり、低回転時に必要以上にＩｑ指令値をリミットさせず、モータ回転数に応じてリミット値を適切に変更することができるため、低回転時のトルク不足による不具合が発生しないようにすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、電源電圧が一定の場合における単一の電流リミット制限特性を用いて述べたが、電源電圧が変動する場合については考慮されていない。本実施の形態では、電源電圧が変動した場合にも、必要以上にトルク指令電流を低減させず、１次側電流を所望の値に制限できる構成について図を用いて説明する。

図８は、実施の形態２のモータ駆動装置の一部ブロック化した回路図である。本実施の形態のモータ駆動装置は、実施の形態１の構成に加えて、整流回路２の電圧を検出する電圧検出手段６９を備えており、その他の構成は実施の形態１の構成と同じである。以降、実施の形態１と異なる部分について説明し、その他の構成については説明を省略する。

図９は、電圧検出手段６９で行う整流電圧検出によるＩｑリミットテーブルの切替処理をステップごとに図示している。ステップ２００において、整流回路２のコンデンサ２１の電圧Ｖｐを検出し、ステップ２０１において、あらかじめ決められた高位規定値と比較を行う。ステップ２０１において、Ｖｐ電圧が高位規定値よりも高い場合は、ステップ２０３へ進み、高電位対応のＩｑリミットテーブルを選択し、Ｖｐ電圧が高位規定値よりも低い場合は、ステップ２０２に進む。ステップ２０２では、更に低位規定値とＶｐ電圧を比較し、Ｖｐ電圧が低位規定値よりも低い場合は、ステップ２０４に進み、低電位対応のＩｑリミットテーブルを選択し、Ｖｐ電圧が低位規定値よりも高い場合はステップ２０５に進み、標準のＩｑリミットテーブルを選択する。ステップ２０３〜２０５において、選択されたテーブルをＩｑ指令リミッタ部６７ｃのＩｑリミットテーブルとして設定する。

ステップ２０１、２０２で、Ｖｐ電圧値と比較する規定値について、図１０〜図１２を用いて、説明する。

図１０は、電源電圧８５Ｖとした条件下での電圧検出手段６９による整流電圧検出部の電圧波形（計算波形）を示している。図１０（ａ）では、モータ４の状態は、通電中（回転中）であり、電圧値は、２１０Ｖ〜２２５Ｖに脈動し、平均値は、２１５Ｖ程度である。図１０（ｂ）では、モータ４の状態は、停止中であり、電圧値の脈動は、小さく、平均値は、２３５Ｖ程度である。電源電圧が８５Ｖの場合、モータ回転中であれば、平均値で２３５Ｖ以下、停止時で２５５Ｖ以下を低位規定値としてテーブルを設定することで、電源電圧変動に対する適切なＩｑリミットテーブルを選択することができる。

同様に、図１１は、標準的な電圧である電源電圧１００Ｖとした条件下での電圧検出手段６９による整流電圧検出部の電圧波形（計算波形）を示している。図１１（ａ）では、モータ４の状態は通電中（回転中）であり、電圧値は２３５Ｖ〜２６５Ｖに脈動し、平均値は２５５Ｖ程度である。図１１（ｂ）では、モータ４の状態は停止中であり、電圧値の脈動は小さく、平均値として２７５Ｖ程度である。電源電圧が１００Ｖの場合、モータ回転中であれば、平均値で２３５Ｖ以上２７５Ｖ未満、停止時で、２５５Ｖ以上２９５Ｖ未満として標準テーブルを設定することで、電源電圧変動に対する適切なＩｑリミットテーブルを選択することができる。

さらに、同様に、図１２は、電源電圧１１５Ｖとした条件下での電圧検出手段６９による整流電圧検出部の電圧波形（計算波形）を示している。図１２（ａ）では、モータ４の状態は、通電中（回転中）であり、電圧値は、２８５Ｖ〜３０５Ｖに脈動し、平均値は、２９５Ｖ程度である。図１２（ｂ）では、モータ４の状態は、停止中であり、電圧値の脈動は小さく、平均値として３１５Ｖ程度である。電源電圧が１１５Ｖの場合、モータ回転中であれば、平均値で２７５Ｖ以上、停止時であれば、２９５Ｖ以上を高位規定値としてテーブルを設定することで、電源電圧変動に対する適切なＩｑリミットテーブルを選択す
ることができる。

図１３は、交流電源１の電圧がそれぞれ、高電圧条件（ＡＣ１１５Ｖ）、標準電圧（ＡＣ１００Ｖ）、低電圧条件（ＡＣ８５Ｖ）の時に、整流回路２へ流れる電流の実効値を７Ａとした時の、モータ回転数とＩｑ指令値の関係性を示す特性図である。図１３のそれぞれの特性曲線よりも回転数を示すｘ軸側にＩｑ指令値を保持することにより、電源電圧に応じて、整流回路２へ流れる電流の実効値を常に７Ａ以下に制御できることを示している。

図１３の曲線において、高電圧条件（高電位のＩｑリミットテーブル）の曲線を数式で表したものが数式４、低電圧条件（低電位のＩｑリミットテーブル）の曲線を数式で表したものが数式５である。標準電圧時（標準電位のＩｑリミットテーブル）の曲線を数式で表したものは、実施の形態１と同じ数式３である。

数式４、数式５は、２次曲線で表記しているが、Ｉｑ指令値が回転数に対してべき乗で単調減少する特性であれば、これに限られるものではなく、数式４、数式５であらわされる曲線からｘ軸、ｙ軸方向の領域にＩｑ指令値を制限することで、１次側電流の実効値を検出することなく、任意の値に制限することが可能となる。

なお、上述のＩｑリミットテーブルは、３通りで説明したが、電源電圧変動に応じた基準値を４通り以上で設定しても良い。さらに、電源電圧変動幅に対して、モータ回転数の２乗に比例する項を有し、単調減少する関数の係数を連続的に変化させても良い。

上記のモータ駆動装置を用いた洗濯機、または洗濯乾燥機は、異常時などに交流入力電流が過大にならないように制限しつつ、モータによって駆動されるドラム内の被洗濯物の容量や偏りに応じて変動する負荷に応じた最適なトルク制御でモータを駆動することができるとともに、省エネ性の向上を図ることができる。また、多様な洗濯、すすぎ、乾燥の条件に応じてきめ細かく、効率的にドラムの回転数を制御することができるので、多機能で使い勝手の良い洗濯機、洗濯乾燥機を提供することができる。また、モータ駆動装置の回路構成を簡素化でき、フォトカプラ等の高価な部品も不要とすることができるので、安価な洗濯機、洗濯乾燥機を提供することができる。

本発明に係るモータ駆動装置は、必要以上にトルクに対応した電流成分を制限せずに、入力電流が過大になることを防止できる、低コストなモータ駆動装置を提供することができるので、１次側電流を任意の値に制限する必要がある洗濯機、洗濯乾燥機等のモータ駆動装置に好適に利用することができる。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ インバータ回路
４ モータ（ブラシレスモータ）
４ａ ロータ位置検出手段
５ 電流検出手段
６ 制御手段
６０ 電気角検知手段
６１ ３相／２相ｄｑ変換手段
６２ 記憶手段
６３ ２相／３相ｄｑ逆変換手段
６４ ＰＷＭ制御手段
６５ 設定変更手段
６６ 回転数検知手段
６７ トルク電流制御手段（１次電流判定手段）
６８ モータ電流制御手段
６９ 電圧検出手段

Claims (5)

1. 交流電源と、前記交流電源に接続した整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗濯兼脱水槽等の負荷を駆動するブラシレスモータと、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、前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータのモータ電流を磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分とに分解してそれぞれ所望の値となるように制御するベクトル制御と、前記ロータ位置検出手段によるモータ回転数を所望の指令回転数となるように速度制御とを行うとともに、前記トルクに対応した電流成分を所望の制限値以下に制限する１次電流判定手段を備え、前記１次電流判定手段は、前記モータ回転数に応じて、あらかじめ設定したテーブルにより、前記トルクに対応した電流成分の制限値を切り替えるようにし、前記テーブルによる前記制限値は、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数によって規定されることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記整流回路の直流電圧を検出する電圧検出手段を備えるとともに前記テーブルを複数備え、前記制御手段は、前記電圧検出手段で検出された電圧を、あらかじめ決められた標準値と比較し、その大小関係によって、前記複数のテーブルを選択的に適用して前記トルクに対応した電流成分の制限値を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記電圧検出手段で検出された電圧を、あらかじめ決められた標準値と比較し、それよりも高電位と判定された場合、前記テーブルによる前記制限値は、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数の係数を大きくすることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記電圧検出手段で検出された電圧を、あらかじめ決められた標準値と比較し、それよりも低電位と判定された場合、前記テーブルによる前記制限値は、前記モータ回転数の２乗に比例する項を有し単調減少する関数の係数を小さくすることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
5. 前記請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置を用いた洗濯機又は洗濯乾燥機。
   

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