JP6634602B2 - 洗濯機 - 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に関するものである。

従来、洗濯機の洗濯槽に用いるモータとしては、洗浄能力の向上のためブラシレスモータが採用されており、これをインバータ回路によって駆動することが行われている。

一方で、洗濯機の低コスト化のために位置センサを使用することなくブラシレスモータを駆動する制御装置が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

図２は、本発明の実施の形態１における洗濯機のモータ制御装置のブロック図を示すものであるが、従来の洗濯機のモータ制御装置のブロック図もほぼ同様の表現となるので、図２を参照して従来の洗濯機のモータ制御装置について説明する。ただし、従来の洗濯機のモータ制御装置は、図２に示された蓋開閉検知手段と制御装置の設定変更手段との関係は備えていない。

図２に示すように、モータ制御装置６は、交流電源１に接続される整流回路２と、整流回路２の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３と、インバータ回路３により駆動され洗濯槽等を駆動するブラシレスモータ４と、ブラシレスモータ４のモータ電流を検出する電流検出手段５と、インバータ回路３に入力する電圧を検出する電源電圧検出手段７と、電流検出手段５により検出したモータ電流をロータの磁束方向の電流成分とロータの磁束方向と直角の電流成分とに変換する電流変換手段６１と、ロータの磁束方向の電流成分とロータの磁束方向と直角の電流成分と電源電圧検出手段７により検出した電圧よりブラシレスモータ４のロータ角度とブラシレスモータ４のロータ速度を算出するロータ位置検出手段６２と、ロータ位置検出手段６２が算出したブラシレスモータ４のロータ速度を使用して、速度制御を行いトルク指令に対応した電流指令を算出する速度制御手段６３と、トルク指令に対応した電流指令と電流変換手段６１が変換したロータの磁束方向に対応した電流成分とロータの磁束方向と直角の電流成分とを用いて電流制御を行いロータの磁束方向の電圧指令とロータの磁束方向と直角の電圧指令とを算出する電流制御手段６４と、ロータの磁束方向の電圧指令とロータの磁束方向と直角の電圧指令をブラシレスモータ４に印加する電圧指令に変換し、インバータ回路３に出力する電圧変換手段６５とを備え、モータ制御装置６によりブラシレスモータ４を回転始動させる際にブラシレスモータ４に対して直流励磁を行い、ロータの位置決めを行うように構成されている。

特開平１１−１８７６９０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ブラシレスモータ４を回転始動させる際に行う直流励磁中に洗濯槽を回転させると、洗濯槽と接続されているブラシレスモータ４のロータ位置も変動するため、位置決めが困難となり、ブラシレスモータ４の起動に要する時間がより長期化することになり、結果として洗濯機の運転時間が長くなるという課題を有していた。

したがって、ロータの位置決めを行う際には、脱水時は洗濯槽、攪拌時は攪拌翼の回転
が停止していることが前提となる。そこで、ブラシレスモータ４のモータ制御装置６は、ブレーキ処理を行い、ブラシレスモータ４の回転が停止した状態から次の起動のための位置決めを行う。運転中は、起動〜ブレーキを交互に繰り返すことで停止させた状態で位置決めを行い、再起動を行うことができる。

一方で、ユーザが洗濯槽を手で回すなど外から力を加えた場合には、モータ制御装置６は、ブラシレスモータ４が停止している状態と認識しているにも関わらず、ロータが回転し、位置決めの精度が悪化して起動に時間をより要する。このとき、洗濯槽の回転、もしくは、静止を検知する手段を設けることも考えられるが、位置センサを省略してコストを下げようとするモータ制御装置のメリットを失うことになる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、部品の追加コストを必要とせず、起動時間を短縮し得る洗濯機を提供することを目的とする。

モータの制御手段以外が洗濯槽を回転させ、ロータ位置を変更するとすれば、それは、洗濯槽を直接回すなど外力が働いた場合が考えられる。洗濯機は通常、洗濯槽の脱水回転中に手指の巻き込み防止のため洗濯槽に直接触れられないよう蓋がついており、洗濯槽の回転中は蓋が開けられないような仕組み、または蓋を開けると回転が停止するような仕組みが必ず設けられている。よって蓋の開閉状態を検知する手段が搭載されている。

そこで、本発明における洗濯機は、外槽内に回転自在に設けた洗濯脱水槽を駆動するブラシレスモータと、前記洗濯脱水槽内に洗濯水を給水する給水手段と、前記洗濯脱水槽内の洗濯水を排水する排水手段と、前記洗濯脱水槽に洗濯物を出し入れする開口部を覆う蓋部と、前記蓋部の開閉状態を検知する蓋開閉検知手段と、前記給水手段、ブラシレスモータ、排水手段などを制御し、洗い、すすぎ、脱水の一連の行程を逐次制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換し、前記ブラシレスモータを駆動するインバータ回路と、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に入力する電圧を検出する電源電圧検出手段と、前記電流検出手段により検出したモータ電流をロータの磁束方向の電流成分とロータの磁束方向と直角の電流成分とに変換する電流変換手段と、前記ロータの磁束方向の電流成分と前記ロータの磁束方向と直角の電流成分と前記電源電圧検出手段により検出した電圧によりブラシレスモータのロータ角度とブラシレスモータのロータ速度を算出するロータ位置検出手段と、前記ロータ位置検出手段が算出した前記ブラシレスモータのロータ速度を使用し、速度制御を行う設定変更手段と、前記設定変更手段によって設定される目標速度を参照してトルク指令に対応したロータの磁束方向と直角の電流指令を算出する速度制御手段と、前記設定変更手段からのロータの磁束方向の電流指令と前記トルク指令に対応した電流指令と前記電流変換手段が変換した前記ロータの磁束方向の電流成分と前記ロータの磁束方向と直角の電流成分とを用い電流制御を行いロータの磁束方向の電圧指令とロータの磁束方向と直角の電圧指令とを算出する電流制御手段と、前記ロータの磁束方向の電圧指令と前記ロータの磁束方向と直角の電圧指令とを前記ブラシレスモータに印加する電圧指令に変換し、前記インバータ回路に出力する電圧変換手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータの前回の停止から次回の回転始動までの間に前記蓋開閉検知手段が前記蓋部の開状態を検知した場合は、前記蓋開閉検知手段が前記蓋部の開状態を検知した情報を前記設定変更手段が受けて、前記設定変更手段が、前記ブラシレスモータを回転始動させる際に行う直流励磁の前に前記洗濯脱水槽の回転を停止させるようブレーキ動作を行う構成とした。

これにより、部品の追加コストを必要とせず、起動時間を短縮することができるものである。

本発明の洗濯機は、部品の追加コストを必要とせず、不必要に洗濯機の運転時間が長くなることのない洗濯機を実現できる。

本発明の実施の形態１の洗濯機の側断面図 同洗濯機のモータ制御装置のブロック構成図

第１の発明は、外槽内に回転自在に設けた洗濯脱水槽を駆動するブラシレスモータと、前記洗濯脱水槽内に洗濯水を給水する給水手段と、前記洗濯脱水槽内の洗濯水を排水する排水手段と、前記洗濯脱水槽に洗濯物を出し入れする開口部を覆う蓋部と、前記蓋部の開閉状態を検知する蓋開閉検知手段と、前記給水手段、ブラシレスモータ、排水手段などを制御し、洗い、すすぎ、脱水の一連の行程を逐次制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換し、前記ブラシレスモータを駆動するインバータ回路と、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に入力する電圧を検出する電源電圧検出手段と、前記電流検出手段により検出したモータ電流をロータの磁束方向の電流成分とロータの磁束方向と直角の電流成分とに変換する電流変換手段と、前記ロータの磁束方向の電流成分と前記ロータの磁束方向と直角の電流成分と前記電源電圧検出手段により検出した電圧によりブラシレスモータのロータ角度とブラシレスモータのロータ速度を算出するロータ位置検出手段と、前記ロータ位置検出手段が算出した前記ブラシレスモータのロータ速度を使用し、速度制御を行う設定変更手段と、前記設定変更手段によって設定される
目標速度を参照してトルク指令に対応したロータの磁束方向と直角の電流指令を算出する速度制御手段と、前記設定変更手段からのロータの磁束方向の電流指令と前記トルク指令に対応した電流指令と前記電流変換手段が変換した前記ロータの磁束方向の電流成分と前記ロータの磁束方向と直角の電流成分とを用い電流制御を行いロータの磁束方向の電圧指令とロータの磁束方向と直角の電圧指令とを算出する電流制御手段と、前記ロータの磁束方向の電圧指令と前記ロータの磁束方向と直角の電圧指令とを前記ブラシレスモータに印加する電圧指令に変換し、前記インバータ回路に出力する電圧変換手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータの前回の停止から次回の回転始動までの間に前記蓋開閉検知手段が前記蓋部の開状態を検知した場合は、前記蓋開閉検知手段が前記蓋部の開状態を検知した情報を前記設定変更手段が受けて、前記設定変更手段が、前記ブラシレスモータを回転始動させる際に行う直流励磁の前に前記洗濯脱水槽の回転を停止させるようブレーキ動作を行うことで、部品の追加コストを必要とせず、ブラシレスモータを回転始動する際に行う直流励磁の時間を必要最低限とすることができ、不必要に洗濯機の運転時間が長くなることのない洗濯機を実現できるとともに、蓋開閉検知手段が蓋部の開状態を検知した情報を、電流制御を行う上で重要な設定変更手段に供給してブラシレスモータの再制動動作を行うようにしたので、効率的かつ高精度にブラシレスモータの再制動動作を行うことができ、ブラシレスモータの起動時間をより効率的に短縮することができる。

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の洗濯機の構成を示す側断面図、図２は、同洗濯機のモータ制御装置のブロック構成図である。

図１において、洗濯機の本体１０は、サスペンション１９により外槽１２をその内部に懸垂防振支持している。外槽１２には、洗濯脱水槽１１が回転可能に内装されており、洗濯脱水槽１１は、側壁に多数の脱水孔（図示せず）を有し、中央底部には、外周を傾斜面としたナベ型の形状に形成した攪拌翼１３が回転可能に配設されている。外槽１２の底部には、洗濯・脱水軸１４が配設され、洗濯・脱水軸１４は、洗濯軸が脱水軸の中空部に互いに独立して回転できるように収められた２軸構造としている。洗濯・脱水軸１４の脱水軸により洗濯脱水槽１１を回転させ、洗濯軸により攪拌翼１３を回転させるよう構成している。

伝達機構部１５は、内部に洗濯時の減速ギア（図示せず）および洗濯軸と脱水軸の切り換えクラッチ機構（図示せず）を内蔵している。洗濯・脱水用のブラシレスモータ４は、外槽１２の底部に取り付けられ、伝達機構部１５を介して動力を上記洗濯軸及び脱水軸に伝達する。また、洗濯脱水槽１１に給水を行うための給水手段１６が本体１０の上部に、洗濯脱水槽１１内の洗濯水を排水する排水手段１７が外槽１２の下部に、それぞれ取り付けられている。

本体１０の上部には、洗濯脱水槽１１への洗濯物の出し入れをする開口部と、その開口部を開閉自在に覆う蓋部１８が設けられ、蓋部１８の開閉を検知する蓋開閉検知手段８が設けられている。蓋開閉検知手段８は、例えばマグネットと磁力センサを用いて、蓋部１８が開いた場合に、マグネットが磁力センサから離れることで開状態を検知する方式がよく用いられる。

本体１０内には、制御手段２２が搭載されており、制御手段２２は、ブラシレスモータ４、給水手段１６、排水手段１７等を制御して、洗濯機の洗い、すすぎ、脱水の一連の行程を逐次制御する。

制御手段２２の一部は、モータ制御装置６により構成され、モータ制御装置６は、ブラシレスモータ４の起動、回転制御、ブレーキ動作を制御するもので、図２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により交流電圧を直流電圧に変換してインバータ回路３に加える。

インバータ回路３は、整流回路２からの直流電力を交流電力に変換してブラシレスモータ４を駆動するもので、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、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと呼ぶ）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と呼ぶ）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。

ブラシレスモータ４は、インバータ回路３の出力端子に接続されており、ブラシレスモータ４は、図１に示すようにモータ部から動力を伝達機構部１５を介して洗濯機を構成する要素である洗濯脱水槽１１、または攪拌翼１３に伝達して回転させる。

電流検出手段５は、ブラシレスモータ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を用いる。また、電流検出手段５としては、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によっても検出可能である。

モータ制御装置６は、上記３相モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをブラシレスモータ４のロータの磁束方向の電流成分ｄ軸電流Ｉｄとロータの磁束方向と直角の電流成分ｑ軸電流Ｉｑとに分解して、それぞれ独立に制御しながらインバータ回路３を駆動する、いわゆる、ベクトル制御を行ってブラシレスモータ４の回転数を制御して、回転始動、定常回転、ブレーキ動作を制御するものである。モータ制御装置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）等より構成される。

電流変換手段６１は、３相モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを２つの座標軸電流（ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑ）に３相／２相ｄｑ変換する。キルヒホッフの法則より３相モータ電流のうち２相の電流値がわかれば、残りの１相の電流は求められるので、本実施の形態では、Ｉｕ、Ｉｖのみ使用しているが、もちろん３相全ての電流値を使用してもよい。

ロータ位置検出手段６２は、ｄ軸電流Ｉｄと、ｑ軸電流Ｉｑと、電源電圧検出手段７により検出したインバータ回路３に入力される電圧Ｖｐと、ＰＷＭのデューティ比から算出されるモータの印加電圧を用いて、ロータの角度と速度を算出する。一般的に、ロータ速度は、ロータの回転数が高いほど電圧も大きくなるので、ロータ位置の検出精度が良くなる。一方、ロータの回転数が低いほど電圧も小さくなるので、ロータ位置の検出精度が悪
くなるという特性がある。

速度制御手段６３は、ロータ位置検出手段６２のブラシレスモータ４のロータ速度と行程に応じてブラシレスモータ４の起動、停止、速度、および制動等を制御する設定変更手段６７によって設定される目標速度ωｓを参照して、ロータの磁束方向と直角の電流成分ｑ軸電流Ｉｑ（トルク電流）のｑ軸電流指令値Ｉｑｓを決定する。

電流制御手段６４は、設定変更手段６７からのｄ軸電流指令値Ｉｄｓ、速度制御手段６３からのｑ軸電流指令値Ｉｑｓと、電流変換手段６１が演算したｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑをそれぞれ比較し、モータ電流を制御するためのロータの磁束方向の電圧指令Ｖｄとロータの磁束方向と直角の電圧指令Ｖｑを演算する。なお、電流変換手段６１により算出されるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑは変換が行われるたびに更新される。

電圧変換手段６５は、ロータの磁束方向の電圧指令Ｖｄとロータの磁束方向と直角の電圧指令Ｖｑから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６５ａと、２相／３相ｄｑ逆変換手段６５ａからの入力（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に制御信号を出力するＰＷＭ制御手段６５ｂを備えている。

記憶手段６６は、電流変換手段６１や電圧変換手段６５が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）を格納している。記憶手段６６からロータ角度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。本実施の形態では、記憶手段６６に予め設定された正弦波データを利用してソフトウェア的に演算を行い、ｄｑ変換を行っているが、マイクロコンピュータが必要時に正弦波データを求めるなどにより、予め記憶手段にデータを用意することなく演算してｄｑ変換してもよい。

電源電圧検出手段７は、整流回路２の出力であるコンデンサ２１の両端の電圧を検出して、電圧Ｖｐをロータ位置検出手段６２に出力する。

以上のように構成した洗濯機について、ブラシレスモータ４の回転始動時の動作、作用を説明する。モータ制御装置６は、ブラシレスモータ４を回転始動させる際には、設定変更手段６７によってブラシレスモータ４に対して直流励磁を行ってロータの位置決めを行う。

このとき、設定変更手段６７がブラシレスモータ４に制動動作を行い、回転を停止させた後から次の回転始動までの間に、蓋開閉検知手段８から蓋部１８の開状態を通知された場合、モータ制御装置６は、次のブラシレスモータ４の回転始動のための直流励磁によるロータ位置決め操作を行う前に、再制動動作を行う。再制動動作としては、具体的には、例えば、３相を短絡させる短絡ブレーキなどがあげられる。

モータ制御装置６がブラシレスモータ４を回転始動する前に、蓋開閉検知手段８からの蓋開状態の通知によって、設定変更手段６７が位置決め操作をする前に制動動作を行い、ブラシレスモータ４が停止した後に直流励磁を行うことにより、ロータ位置が安定することで確実な位置決め操作を行うことができ、ブラシレスモータ４の起動時間を短縮することができる。

また、蓋開閉検知手段８が蓋部１８の開状態を検知した情報を、電流制御を司るｄ軸電流指令値Ｉｄｓおよびｑ軸電流指令値Ｉｑｓを決定する上で重要な設定変更手段６７に供給してブラシレスモータ４の再制動動作を行うようにしたので、効率的かつ高精度にブラ
シレスモータ４の再制動動作を行うことができ、ブラシレスモータ４の起動時間をより効率的に短縮することができる。

なお、上記実施の形態では洗濯脱水槽内に攪拌翼を備えたいわゆるパルセータ式洗濯機としたが、攪拌翼を有さず洗濯時にも洗濯脱水槽を低速で回転させる回転ドラム式洗濯機に対しても本発明は適用し得る。また、乾燥機能を備えた洗濯乾燥機であってもよい。

以上のように、本発明に係る洗濯機は、部材の追加コストを必要とせず、ブラシレスモータの起動時間を短縮することができるので、インバータ回路によりブラシレスモータを駆動する洗濯機、さらには洗濯乾燥機等として有用である。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ インバータ回路
４ ブラシレスモータ
５ 電流検出手段
６ モータ制御装置
７ 電源電圧検出手段
８ 蓋開閉検知手段
１０ 本体
１１ 洗濯脱水槽
１２ 外槽
１３ 攪拌翼
１６ 給水手段
１７ 排水手段
１８ 蓋部
２２ 制御手段
６１ 電流変換手段
６２ ロータ位置検出手段
６３ 速度制御手段
６４ 電流制御手段
６５ 電圧変換手段
６６ 記憶手段
６７ 設定変更手段

Claims (1)

1. 外槽内に回転自在に設けた洗濯脱水槽を駆動するブラシレスモータと、前記洗濯脱水槽内に洗濯水を給水する給水手段と、前記洗濯脱水槽内の洗濯水を排水する排水手段と、前記洗濯脱水槽に洗濯物を出し入れする開口部を覆う蓋部と、前記蓋部の開閉状態を検知する蓋開閉検知手段と、前記給水手段、ブラシレスモータ、排水手段などを制御し、洗い、すすぎ、脱水の一連の行程を逐次制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換し、前記ブラシレスモータを駆動するインバータ回路と、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に入力する電圧を検出する電源電圧検出手段と、前記電流検出手段により検出したモータ電流をロータの磁束方向の電流成分とロータの磁束方向と直角の電流成分とに変換する電流変換手段と、前記ロータの磁束方向の電流成分と前記ロータの磁束方向と直角の電流成分と前記電源電圧検出手段により検出した電圧によりブラシレスモータのロータ角度とブラシレスモータのロータ速度を算出するロータ位置検出手段と、前記ロータ位置検出手段が算出した前記ブラシレスモータのロータ速度を使用し、速度制御を行う設定変更手段と、前記設定変更手段によって設定される目標速度を参照してトルク指令に対応したロータの磁束方向と直角の電流指令を算出する速度制御手段と、前記設定変更手段からのロータの磁束方向の電流指令と前記トルク指令に対応した電流指令と前記電流変換手段が変換した前記ロータの磁束方向の電流成分と前記ロータの磁束方向と直角の電流成分とを用い電流制御を行いロータの磁束方向の電圧指令とロータの磁束方向と直角の電圧指令とを算出する電流制御手段と、前記ロータの磁束方向の電圧指令と前記ロータの磁束方向と直角の電圧指令とを前記ブラシレスモータに印加する電圧指令に変換し、前記インバータ回路に出力する電圧変換手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータの前回の停止から次回の回転始動までの間に前記蓋開閉検知手段が前記蓋部の開状態を検知した場合は、前記蓋開閉検知手段が前記蓋部の開状態を検知した情報を前記設定変更手段が受けて、前記設定変更手段が、前記ブラシレスモータを回転始動させる際に行う直流励磁の前に前記洗濯脱水槽の回転を停止させるようブレーキ動作を行うことを特徴とした洗濯機。

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