JP6671516B2 - Motor drive, electric blower, vacuum cleaner and hand dryer - Google Patents

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Description

本発明は、単相モータを駆動するモータ駆動装置、モータ駆動装置によって駆動される単相モータを搭載した電動送風機、電気掃除機及びハンドドライヤに関する。   The present invention relates to a motor drive device for driving a single-phase motor, an electric blower equipped with a single-phase motor driven by the motor drive device, a vacuum cleaner, and a hand dryer.

単相モータには、相数が3つの三相モータと比較して以下の利点がある。
(1)三相モータには三相インバータを用いる必要があるのに対し、単相モータには、三相インバータよりも構成が簡素化された単相インバータを用いればよい。
(2)フルブリッジインバータを用いた三相インバータは6つのスイッチング素子が必要であるのに対し、単相モータは、フルブリッジインバータを用いたとしても、4つのスイッチング素子で構成できる。
(3)上記(1)及び(2)の特徴により、単相モータを用いた装置は、三相モータを用いた装置に比べて、小型化が可能である。
A single-phase motor has the following advantages over a three-phase motor having three phases.
(1) While a three-phase inverter must be used for a three-phase motor, a single-phase inverter whose configuration is simpler than that of a three-phase inverter may be used for a single-phase motor.
(2) While a three-phase inverter using a full-bridge inverter requires six switching elements, a single-phase motor can be configured with four switching elements even if a full-bridge inverter is used.
(3) Due to the features of (1) and (2), a device using a single-phase motor can be downsized compared to a device using a three-phase motor.

単相モータを単相インバータで駆動する場合、単相インバータには、単相モータに流れる電流の高調波成分を低減することが求められる。   When a single-phase motor is driven by a single-phase inverter, the single-phase inverter is required to reduce harmonic components of a current flowing through the single-phase motor.

特許文献1には、高調波成分を低減するため、単相モータに供給する電圧を制御することによって、単相モータに流す電流を正弦波に制御するパルス幅変調(Pulse Width Moduration:PWM)制御する技術が開示されている。単相モータに流れる電流は、以下では単に「モータ電流」と称する場合がある。   Patent Literature 1 discloses a pulse width modulation (PWM) control for controlling a voltage supplied to a single-phase motor to control a current supplied to the single-phase motor to a sine wave in order to reduce harmonic components. A technique for performing this is disclosed. The current flowing through the single-phase motor may be simply referred to as “motor current” below.

特許文献2には、位置センサ信号の切り替わりに応じて出力電圧パルスを切り替える方法が開示されている。   Patent Literature 2 discloses a method of switching output voltage pulses according to switching of a position sensor signal.

特許文献3には、三相のセンサレスDCブラシレスモータの制御駆動装置において、直流電流を検出して得た消費電力の値に応じて、通電位相の遅延角度を変化させることが開示されている。   Patent Document 3 discloses that in a control drive device of a three-phase sensorless DC brushless motor, a delay angle of a conduction phase is changed according to a value of power consumption obtained by detecting a DC current.

特開2012−257457号公報JP 2012-257457 A 特許第5524925号Patent No. 5524925 特許第3183071号Patent No.3183071

しかしながら電気掃除機に搭載されるモータのように、小径でありかつ高速回転が要求されるモータを駆動するモータ駆動装置では、位置センサの取り付け位置にずれが生じた場合、位置センサ信号とモータ誘起電圧との間に位相差が生じてしまい、駆動回転数にばらつきが発生する。特許文献1,2,3には、このような位相差に起因した駆動回転数のばらつきを抑制する方法が開示されていないといった課題があった。   However, in a motor drive device that drives a small-diameter motor that requires high-speed rotation, such as a motor mounted on a vacuum cleaner, if the position of the position sensor is shifted, the position sensor signal and the motor induced A phase difference occurs between the voltage and the voltage, and the driving speed varies. Patent Literatures 1, 2, and 3 have a problem in that a method for suppressing a variation in the driving rotation speed due to such a phase difference is not disclosed.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バッテリから供給される電力で駆動する単相モータを使用する場合でも位置センサの位置ずれに起因した駆動回転数のばらつきを抑制できるモータ駆動装置を得ることを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and has been made in consideration of the above-described problems, and has been made in consideration of the above-described problems, and has been made in consideration of the following circumstances. The aim is to obtain a device.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、バッテリを電源として単相モータを駆動するモータ駆動装置であって、複数のスイッチング素子を備え、単相モータに交流電圧を印加する単相インバータと、単相モータに取り付けられ、単相モータのロータ回転位置を検出して回転位置検出信号を出力する位置センサと、電圧指令と回転位置検出信号とに基づいて、複数のスイッチング素子をパルス幅変調制御する制御部とを備え、制御部には、回転位置検出信号と単相インバータの出力電圧との位相差を調整するための位相調整角と、単相モータへの位置センサの取り付け位置のばらつき範囲に相当する進角調整幅とが設定され、制御部は、位相調整角と進角調整幅とを用いて、電圧指令の演算に用いられ特定の回転数に対する進角位相を設定する。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a motor driving device according to the present invention is a motor driving device that drives a single-phase motor using a battery as a power source, the motor driving device including a plurality of switching elements, and A single-phase inverter that applies an AC voltage to the single-phase motor, a position sensor that is attached to the single-phase motor and detects a rotor rotation position of the single-phase motor and outputs a rotation position detection signal, and a voltage command and a rotation position detection signal. A control unit for performing pulse width modulation control of the plurality of switching elements, the control unit including a phase adjustment angle for adjusting a phase difference between the rotational position detection signal and the output voltage of the single-phase inverter, and a single-phase A lead angle adjustment width corresponding to a variation range of the position where the position sensor is attached to the motor is set, and the control unit is used to calculate a voltage command using the phase adjustment angle and the lead angle adjustment width. Setting the advanced angle phase relative to the constant rotation speed.

本発明に係るモータ駆動装置は、バッテリから供給される電力で駆動する単相モータを使用する場合でも位置センサの位置ずれに起因した駆動回転数のばらつきを抑制できる、という効果を奏する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION The motor drive device which concerns on this invention has the effect that even when using the single phase motor driven by the electric power supplied from a battery, the fluctuation | variation of the drive rotation speed resulting from the position displacement of a position sensor can be suppressed.

実施の形態に係るモータ駆動装置を含むモータ駆動システムの構成を示すブロック図1 is a block diagram illustrating a configuration of a motor drive system including a motor drive device according to an embodiment. 図1に示す単相インバータの回路構成図Circuit configuration diagram of the single-phase inverter shown in FIG. PWM信号を生成するための機能構成を示す図The figure which shows the functional structure for producing | generating a PWM signal. 図3に示すキャリア比較部及びキャリア生成部の詳細に示す図FIG. 3 is a diagram showing details of a carrier comparison unit and a carrier generation unit shown in FIG. 図4に示される正側の電圧指令と、負側の電圧指令と、PWM信号と、モータ印加電圧とのそれぞれの波形例を示すタイムチャート4 is a time chart showing respective waveform examples of the positive voltage command, the negative voltage command, the PWM signal, and the motor applied voltage shown in FIG. 変調率に応じたインバータ出力電圧の変化を示す図Diagram showing change in inverter output voltage according to modulation factor 図3及び図4に示したキャリア生成部及びキャリア比較部へ入力される進角位相を算出するための機能構成を示す図The figure which shows the functional structure for calculating the advance phase input into the carrier generation part and the carrier comparison part shown in FIG.3 and FIG.4. 進角位相の算出方法の一例を示す図The figure which shows an example of the calculation method of an advance angle phase 位置センサとステータとロータとの位置関係を示す第1の図1st diagram showing the positional relationship between a position sensor, a stator and a rotor 位置センサとステータとロータとの位置関係を示す第2の図2nd diagram showing the positional relationship between the position sensor, the stator and the rotor 位置センサ信号とモータ誘起電圧とを示す図Diagram showing position sensor signal and motor induced voltage 進角位相を決定するための動作を説明するフローチャートFlow chart for explaining the operation for determining the advance angle phase 位置センサ信号と、ロータ機械角と、基準位相と、電圧指令との関係を示す図The figure which shows the relationship between a position sensor signal, a rotor mechanical angle, a reference phase, and a voltage command. 電圧振幅指令の時間変化を示す図Diagram showing time change of voltage amplitude command インバータ出力電圧の極性によるモータ電流の経路を示す第1の図FIG. 1 is a first diagram illustrating a path of a motor current according to a polarity of an inverter output voltage. インバータ出力電圧の極性によるモータ電流の経路を示す第2の図FIG. 2 is a second diagram illustrating a path of the motor current according to the polarity of the inverter output voltage. インバータ出力電圧の極性によるモータ電流の経路を示す第3の図Third diagram showing the path of the motor current according to the polarity of the inverter output voltage 実施の形態に係るモータ駆動装置を備えた電気掃除機の構成図Configuration diagram of a vacuum cleaner including a motor drive device according to an embodiment 実施の形態に係るモータ駆動装置を備えたハンドドライヤの構成図Configuration diagram of a hand dryer including a motor drive device according to an embodiment 実施の形態に係るモータ駆動装置における変調制御を説明するための図Diagram for explaining modulation control in a motor drive device according to an embodiment

以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置、電動送風機、電気掃除機及びハンドドライヤを図面に基づいて詳細に説明する。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。   Hereinafter, a motor drive device, an electric blower, a vacuum cleaner, and a hand dryer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the embodiment.

実施の形態.
図1は実施の形態に係るモータ駆動装置を含むモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。図1に示すモータ駆動システム1は、単相モータ12と、単相モータ12に交流電力を供給して単相モータ12を駆動するモータ駆動装置2と、モータ駆動装置2に直流電力を供給する直流電源である電源10と、電源10からモータ駆動装置2に出力される直流電圧Vdcを検出する電圧センサ20と、単相モータ12に内蔵されるロータ12aの回転位置であるロータ回転位置を検出する位置センサ21とを備える。
Embodiment.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a motor drive system including a motor drive device according to an embodiment. The motor drive system 1 shown in FIG. 1 supplies a single-phase motor 12, a motor drive device 2 that supplies AC power to the single-phase motor 12 to drive the single-phase motor 12, and supplies DC power to the motor drive device 2. A power supply 10 that is a DC power supply, a voltage sensor 20 that detects a DC voltage Vdc output from the power supply 10 to the motor driving device 2, and a rotor rotation position that is a rotation position of a rotor 12 a built in the single-phase motor 12 are determined. And a position sensor 21 for detecting.

単相モータ12は不図示の電動送風機を回転させる回転電機として利用され、当該電動送風機及び単相モータ12は、電気掃除機及びハンドドライヤといった装置に搭載される。   The single-phase motor 12 is used as a rotating electric machine that rotates an electric blower (not shown), and the electric blower and the single-phase motor 12 are mounted on devices such as a vacuum cleaner and a hand dryer.

なお本実施の形態では電圧センサ20が直流電圧Vdcを検出しているが、電圧センサ20の検出対象は、電源10から出力される直流電圧Vdcに限定されず、モータ駆動装置2の出力電圧であるインバータ出力電圧でもよい。「インバータ出力電圧」は後述する「モータ印加電圧」と同義である。In the present embodiment, the voltage sensor 20 detects the DC voltage V dc , but the detection target of the voltage sensor 20 is not limited to the DC voltage V dc output from the power supply 10, and the output of the motor driving device 2 is not limited. The voltage may be an inverter output voltage. “Inverter output voltage” is synonymous with “motor applied voltage” described later.

モータ駆動装置2は、単相モータ12に接続され、単相モータ12に交流電圧を印加する単相インバータ11と、電圧センサ20により検出された直流電圧Vdcであるアナログデータをディジタルデータに変換するアナログディジタル変換器30とを備える。The motor drive device 2 is connected to the single-phase motor 12, and converts a single-phase inverter 11 that applies an AC voltage to the single-phase motor 12 and analog data that is a DC voltage Vdc detected by the voltage sensor 20 to digital data. And an analog-to-digital converter 30.

またモータ駆動装置2は、PWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成する制御部25と、制御部25から出力されたPWM信号Q1,Q2,Q3,Q4に基づいて単相インバータ11内のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部32と、を備える。制御部25は、アナログディジタル変換器30で変換された直流電圧と、位置センサ21から出力された回転位置検出信号である位置センサ信号21aと、図示しない装置から出力される回転速度の指令値である回転数指令とに基づいて、PWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成する。位置センサ信号21aは、ロータ12aで発生する磁束の方向に応じて変化する二値のディジタル信号であり、制御部25に入力される。   The motor drive device 2 includes a control unit 25 that generates PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4, and a switching unit in the single-phase inverter 11 based on the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 output from the control unit 25. A drive signal generation unit 32 that generates a drive signal for driving the element. The control unit 25 uses the DC voltage converted by the analog-to-digital converter 30, the position sensor signal 21 a that is a rotation position detection signal output from the position sensor 21, and a rotation speed command value output from a device (not shown). PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 are generated based on a certain rotational speed command. The position sensor signal 21a is a binary digital signal that changes according to the direction of the magnetic flux generated by the rotor 12a, and is input to the control unit 25.

制御部25は、プロセッサ31、キャリア生成部33及びメモリ34を有する。プロセッサ31は、PWM制御によりPWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成する。   The control unit 25 has a processor 31, a carrier generation unit 33, and a memory. The processor 31 generates PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 by PWM control.

プロセッサ31は、PWM制御及び進角制御に関する各種演算を行う処理部である。後述するキャリア比較部38の機能と、回転速度算出部42の機能と、進角位相算出部44の機能は、プロセッサ31によって実現される。プロセッサ31は、CPU(Central Processing Unit)、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はDSP(Digital Signal Processor)と称されるものでもよい。   The processor 31 is a processing unit that performs various calculations related to the PWM control and the advance angle control. The function of the carrier comparison unit 38, the function of the rotation speed calculation unit 42, and the function of the advance phase calculation unit 44, which will be described later, are realized by the processor 31. The processor 31 may be referred to as a CPU (Central Processing Unit), a microprocessor, a microcomputer, or a DSP (Digital Signal Processor).

メモリ34には、プロセッサ31によって読みとられるプログラムが保存される。メモリ34は、プロセッサ31が演算処理を行う際の作業領域として使用される。メモリ34は、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが一般的である。キャリア生成部33の構成の詳細は後述する。   The memory 34 stores a program read by the processor 31. The memory 34 is used as a work area when the processor 31 performs arithmetic processing. The memory 34 is generally a nonvolatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable ROM), and an EEPROM (Electrically EPROM). Details of the configuration of the carrier generation unit 33 will be described later.

駆動信号生成部32は、プロセッサ31から出力されたPWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を、単相インバータ11を駆動するための駆動信号に変換して、単相インバータ11に出力する。   The drive signal generation unit 32 converts the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 output from the processor 31 into drive signals for driving the single-phase inverter 11 and outputs the drive signals to the single-phase inverter 11.

単相モータ12はブラシレスモータである。単相モータ12のロータ12aには、図示しない複数個の永久磁石が周方向に配列されている。これらの複数個の永久磁石は、着磁方向が周方向に交互に反転するように配置され、ロータ12aの複数個の磁極を形成する。単相モータ12のステータ12bには図示しない巻線が巻まかれている。当該巻線に流れる交流電流が前述した「モータ電流」に相当する。本実施の形態ではロータ12aの磁極数が4極とされるが、ロータ12aの磁極数は4極以外でもよい。   The single-phase motor 12 is a brushless motor. On the rotor 12a of the single-phase motor 12, a plurality of permanent magnets (not shown) are arranged in the circumferential direction. The plurality of permanent magnets are arranged so that the magnetization directions are alternately reversed in the circumferential direction, and form a plurality of magnetic poles of the rotor 12a. A winding (not shown) is wound around the stator 12 b of the single-phase motor 12. The alternating current flowing through the winding corresponds to the “motor current” described above. In the present embodiment, the number of magnetic poles of the rotor 12a is four, but the number of magnetic poles of the rotor 12a may be other than four.

図2は図1に示す単相インバータの回路構成図である。単相インバータ11は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子51,52,53,54を有する。高電位側に位置する2つのスイッチング素子51,53のそれぞれは、上アームのスイッチング素子と称される。低電位側に位置する2つのスイッチング素子52,54のそれぞれは、下アームのスイッチング素子と称される。スイッチング素子51とスイッチング素子52との接続端、及びスイッチング素子53とスイッチング素子54との接続端は、ブリッジ回路における交流端を構成し、これらの交流端には単相モータ12が接続される。   FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the single-phase inverter shown in FIG. The single-phase inverter 11 has a plurality of switching elements 51, 52, 53, 54 connected in a bridge. Each of the two switching elements 51 and 53 located on the high potential side is called an upper arm switching element. Each of the two switching elements 52 and 54 located on the low potential side is called a lower arm switching element. A connection end between the switching element 51 and the switching element 52 and a connection end between the switching element 53 and the switching element 54 constitute AC terminals in a bridge circuit, and the single-phase motor 12 is connected to these AC terminals.

複数のスイッチング素子51,52,53,54のそれぞれは、金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタであるMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)が使用される。MOSFETはFET(Field−Effect Transistor)の一例である。   As each of the plurality of switching elements 51, 52, 53, and 54, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), which is a metal oxide semiconductor field-effect transistor, is used. A MOSFET is an example of a FET (Field-Effect Transistor).

スイッチング素子51には、スイッチング素子51のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード51aが形成される。スイッチング素子52には、スイッチング素子52のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード52aが形成される。スイッチング素子53には、スイッチング素子53のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード53aが形成される。スイッチング素子54には、スイッチング素子54のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード54aが形成される。複数のボディダイオード51a,52a,53a,54aのそれぞれは、MOSFETの内部に形成される寄生ダイオードであり、還流ダイオードとして使用される。   In the switching element 51, a body diode 51a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 51 is formed. In the switching element 52, a body diode 52a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 52 is formed. In the switching element 53, a body diode 53a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 53 is formed. In the switching element 54, a body diode 54a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 54 is formed. Each of the plurality of body diodes 51a, 52a, 53a, 54a is a parasitic diode formed inside the MOSFET, and is used as a freewheeling diode.

複数のスイッチング素子51,52,53,54の内の少なくとも一つは、シリコン系材料により形成されたMOSFETに限定されず、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体により形成されたMOSFETでもよい。   At least one of the plurality of switching elements 51, 52, 53, 54 is not limited to a MOSFET formed of a silicon-based material, but is formed of a wide band gap semiconductor such as silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond. A MOSFET may be used.

一般的にワイドバンドギャップ半導体はシリコン半導体に比べて耐電圧および耐熱性が高い。そのため、複数のスイッチング素子51,52,53,54の内の少なくとも一つにワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、スイッチング素子の耐電圧性及び許容電流密度が高くなり、スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化できる。またワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、半導体モジュールで発生した熱を放熱するための放熱部の小型化が可能であり、また半導体モジュールで発生した熱を放熱する放熱構造の簡素化が可能である。   Generally, a wide band gap semiconductor has higher withstand voltage and heat resistance than a silicon semiconductor. Therefore, by using a wide band gap semiconductor for at least one of the plurality of switching elements 51, 52, 53, and 54, the withstand voltage and the allowable current density of the switching elements are increased, and the semiconductor module incorporating the switching elements is provided. Can be reduced in size. Wide bandgap semiconductors also have high heat resistance, so the heat radiating part for radiating the heat generated by the semiconductor module can be downsized, and the heat radiating structure for radiating the heat generated by the semiconductor module can be simplified. It is possible.

図3はPWM信号を生成するための機能構成を示す図である。図4は図3に示すキャリア比較部及びキャリア生成部の詳細に示す図である。前述したように、PWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成する機能は、図3に示すキャリア生成部33及びキャリア比較部38によって実現できる。   FIG. 3 is a diagram showing a functional configuration for generating a PWM signal. FIG. 4 is a diagram showing details of the carrier comparison unit and the carrier generation unit shown in FIG. As described above, the function of generating the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 can be realized by the carrier generation unit 33 and the carrier comparison unit 38 shown in FIG.

図3においてキャリア比較部38には、後述する電圧指令Vを生成するときに用いる進角制御された進角位相θと基準位相θとが入力される。基準位相θは、ロータ12aの基準位置からの角度であるロータ機械角θを電気角に換算した位相である。ここで、「進角位相」とは、電圧指令の「進み角」である「進角」を位相で表したものである。また、ここでいう「進み角」とは、単相インバータ11がステータ巻線に印加するモータ印加電圧と、図示しないステータ巻線に誘起されるモータ誘起電圧との間の位相差である。なお、モータ印加電圧がモータ誘起電圧よりも進んでいるときに「進み角」は正の値をとる。In FIG. 3, the advance phase θ v and the reference phase θ e that are advanced and controlled to be used when generating a voltage command V m described later are input to the carrier comparison unit 38. Reference phase theta e is a phase obtained by converting the rotor mechanical angle theta m in electrical angle which is the angle from the reference position of the rotor 12a. Here, the “advance angle phase” represents the “advance angle”, which is the “advance angle” of the voltage command, as a phase. The “lead angle” here is a phase difference between a motor applied voltage applied to the stator winding by the single-phase inverter 11 and a motor induced voltage induced in the stator winding (not shown). Note that when the motor applied voltage is ahead of the motor induced voltage, the “lead angle” takes a positive value.

またキャリア比較部38には、進角位相θ及び基準位相θ以外にも、キャリア生成部33で生成されたキャリアと、直流電圧Vdcと、電圧指令Vの振幅値である電圧振幅指令V*とが入力される。キャリア比較部38は、キャリア、進角位相θ、基準位相θ、直流電圧Vdc及び電圧振幅指令V*に基づいて、PWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成する。In addition to the advance phase θ v and the reference phase θ e , the carrier comparison unit 38 also includes a carrier generated by the carrier generation unit 33, a DC voltage V dc, and a voltage amplitude that is an amplitude value of the voltage command V m. Command V * is input. The carrier comparing unit 38 generates the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 based on the carrier, the advance phase θ v , the reference phase θ e , the DC voltage Vdc, and the voltage amplitude command V *.

キャリア生成部33には、キャリアの周波数であるキャリア周波数f[Hz]が設定される。キャリア周波数fの矢印の先には、キャリア波形の一例として、“0”と“1”との間を上下する三角波キャリアが示される。なお単相インバータ11のPWM制御には、同期PWM制御と非同期PWM制御とがあるが、非同期PWM制御の場合、進角位相θにキャリアを同期させる必要はない。A carrier frequency f C [Hz], which is a carrier frequency, is set in the carrier generation unit 33. The arrowheads of the carrier frequency f C, as an example of a carrier wave, a triangular wave carrier up and down between "0" and "1" is shown. Note that the PWM control of the single-phase inverter 11, there are a synchronous PWM control and the asynchronous PWM control, when the asynchronous PWM control, it is not necessary to synchronize the carrier to advance the phase theta v.

キャリア比較部38は、図4に示すように、絶対値演算部38a、除算部38b、乗算部38c、乗算部38d、乗算部38f、加算部38e、比較部38g、比較部38h、出力反転部38i及び出力反転部38jを有する。   As shown in FIG. 4, the carrier comparison unit 38 includes an absolute value calculation unit 38a, a division unit 38b, a multiplication unit 38c, a multiplication unit 38d, a multiplication unit 38f, an addition unit 38e, a comparison unit 38g, a comparison unit 38h, and an output inversion unit. 38i and an output inversion unit 38j.

絶対値演算部38aでは、電圧振幅指令V*の絶対値|V*|が演算される。除算部38bでは、絶対値|V*|が、電圧センサ20で検出された直流電圧Vdcによって除算される。電源10がバッテリである場合、バッテリ電圧が変動するが、絶対値|V*|を直流電圧Vdcで除算することにより、バッテリ電圧の低下によってモータ印加電圧が低下しないように、変調率を増加させることができる。The absolute value calculator 38a calculates the absolute value | V * | of the voltage amplitude command V *. In the divider 38b, the absolute value | V * | is divided by the DC voltage Vdc detected by the voltage sensor 20. When the power supply 10 is a battery, the battery voltage fluctuates. However, by dividing the absolute value | V * | by the DC voltage Vdc , the modulation rate is increased so that the motor applied voltage does not decrease due to the decrease in the battery voltage. Can be done.

乗算部38cでは、基準位相θ及び進角位相θの正弦値が演算され、演算された進角位相θの正弦値が除算部38bの出力に乗算される。乗算部38dでは、乗算部38cの出力である電圧指令Vに1/2が乗算される。加算部38eでは、乗算部38dの出力に1/2が加算される。乗算部38fでは、加算部38eの出力に−1が乗算される。ここで、加算部38eの出力は、複数のスイッチング素子51,52,53,54の内、上アームの2つのスイッチング素子51,53を駆動するための正側の電圧指令Vとして比較部38gに入力され、乗算部38fの出力は、下アームの2つのスイッチング素子52,54を駆動するための負側の電圧指令Vm2として比較部38hに入力される。The multiplier unit 38c, the sine of the reference phase theta e and advanced phase theta v is calculated, the sine value of the computed advanced phase theta v is multiplied by the output from the divider 38b. The multiplier unit 38d, 1/2 is multiplied by the voltage command V m is the output of the multiplication unit 38c. The adder 38e adds 1 / to the output of the multiplier 38d. The multiplier 38f multiplies the output of the adder 38e by -1. Here, the output of the adder 38e, of the plurality of switching elements 51, 52, 53, 54, comparing section 38g as a voltage command V m of positive side for driving the two switching elements 51, 53 of the upper arm It is input, the output of the multiplication unit 38f is input to the comparison unit 38h as a voltage command V m2 of the negative side for driving the two switching elements 52, 54 of the lower arm.

比較部38gの出力はスイッチング素子51へのPWM信号Q1となり、比較部38gの出力を反転した出力反転部38iの出力はスイッチング素子52へのPWM信号Q2となる。同様に、比較部38hの出力はスイッチング素子53へのPWM信号Q3となり、比較部38hの出力を反転した出力反転部38jの出力はスイッチング素子54へのPWM信号Q4となる。出力反転部38iにより、スイッチング素子51とスイッチング素子52とが同時にオンすることはなく、出力反転部38jにより、スイッチング素子53とスイッチング素子54とが同時にオンすることはない。   The output of the comparing section 38g becomes a PWM signal Q1 to the switching element 51, and the output of the output inverting section 38i obtained by inverting the output of the comparing section 38g becomes a PWM signal Q2 to the switching element 52. Similarly, the output of the comparing section 38h becomes a PWM signal Q3 to the switching element 53, and the output of the output inverting section 38j obtained by inverting the output of the comparing section 38h becomes a PWM signal Q4 to the switching element 54. The switching element 51 and the switching element 52 are not simultaneously turned on by the output inversion section 38i, and the switching element 53 and the switching element 54 are not simultaneously turned on by the output inversion section 38j.

図5は図4に示される正側の電圧指令と、負側の電圧指令と、PWM信号と、モータ印加電圧とのそれぞれの波形例を示すタイムチャートである。図5には上から順に、加算部38eから出力される電圧指令Vm1の波形と、乗算部38fから出力される電圧指令Vm2の波形と、PWM信号Q1,Q2,Q3,Q4の波形と、モータ印加電圧の波形とが示される。電圧指令Vm1,Vm2を使用することによりPWM信号Q1,Q2,Q3,Q4が生成される。図1に示されるモータ駆動装置2は、PWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を使用して単相インバータ11内の複数のスイッチング素子51,52,53,54を制御することにより、図5に示されるようなモータ印加電圧、すなわちPWM制御された電圧パルスを、単相モータ12に印加する。FIG. 5 is a time chart showing respective waveform examples of the positive voltage command, the negative voltage command, the PWM signal, and the motor applied voltage shown in FIG. FIG. 5 shows, in order from the top, the waveform of the voltage command V m1 output from the adder 38e, the waveform of the voltage command V m2 output from the multiplier 38f, and the waveforms of the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4. , And the waveform of the motor applied voltage. The PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 are generated by using the voltage commands Vm1 and Vm2 . The motor driving device 2 shown in FIG. 1 controls a plurality of switching elements 51, 52, 53, and 54 in the single-phase inverter 11 using the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4, thereby obtaining the configuration shown in FIG. A motor application voltage as shown, that is, a PWM-controlled voltage pulse is applied to the single-phase motor 12.

ところでPWM信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成する際に使用する変調方式としては、正又は負の電位で変化する電圧パルスを出力するバイポーラ変調と、電源半周期ごとに3つの電位で変化する電圧パルス、すなわち正の電位と負の電位と零の電位とに変化する電圧パルスを出力するユニポーラ変調とが知られている。図5に示した波形はユニポーラ変調によるものである。実施の形態に係るモータ駆動装置2には何れの変調方式を用いてもよい。なお、モータ電流波形をより正弦波に制御する必要がある用途では、バイポーラ変調よりも、高調波含有率が少ないユニポーラ変調を採用することが好ましい。   By the way, as a modulation method used when generating the PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4, bipolar modulation that outputs a voltage pulse that changes at a positive or negative potential and change at three potentials every power supply half cycle are available. 2. Description of the Related Art Unipolar modulation that outputs a voltage pulse, that is, a voltage pulse that changes between a positive potential, a negative potential, and zero potential is known. The waveform shown in FIG. 5 is based on unipolar modulation. Any modulation method may be used for the motor drive device 2 according to the embodiment. In applications where it is necessary to control the motor current waveform to a sine wave, it is preferable to employ unipolar modulation having a lower harmonic content than bipolar modulation.

図6は変調率に応じたインバータ出力電圧の変化を示す図である。図6の上段部には、変調率=1.0である場合の電圧指令Vとキャリアとインバータ出力電圧とが示される。図6の中段部には、変調率=1.2である場合の電圧指令Vとキャリアとインバータ出力電圧とが示される。図6の下段部には、変調率=2.0である場合の電圧指令Vとキャリアとインバータ出力電圧とが示される。FIG. 6 is a diagram showing a change in the inverter output voltage according to the modulation factor. The upper part of FIG. 6 shows the voltage command Vm , the carrier, and the inverter output voltage when the modulation factor is 1.0. The middle part of FIG. 6 shows the voltage command Vm , the carrier, and the inverter output voltage when the modulation factor is 1.2. The lower part of FIG. 6 shows the voltage command Vm , the carrier, and the inverter output voltage when the modulation factor is 2.0.

図4で説明したように、電圧指令Vm1は比較部38gにおいてキャリアと比較され、電圧指令Vm2は比較部38hにおいてキャリアと比較される。電圧指令Vm1,2がキャリアよりも大きいときは、単相インバータ11のスイッチング素子がオンとなり、電圧指令Vm1,2がキャリアよりも小さいときは、単相インバータ11のスイッチング素子がオフとなる。このため図4に示すようにPWM制御されたインバータ出力電圧が単相モータ12に印加される。As described in FIG. 4, the voltage command V m1 is compared with the carrier in the comparing unit 38g, and the voltage command V m2 is compared with the carrier in the comparing unit 38h. When the voltage command V m1,2 is larger than the carrier, the switching element of the single-phase inverter 11 is turned on, and when the voltage command V m1,2 is smaller than the carrier, the switching element of the single-phase inverter 11 is turned off. . Therefore, as shown in FIG. 4, the inverter output voltage subjected to the PWM control is applied to the single-phase motor 12.

変調率の定義は種々なものが存在するが、ここでは、電圧振幅指令V*と三角波キャリアの振幅との比率、すなわち「電圧振幅指令V*/三角波キャリア振幅」を変調率と定義する。図6の上段部には、変調率=1.0の場合の波形が示されるが、変調率が1.0未満の場合も同様な波形となる。変調率が1.0未満の場合、三角波キャリアの周波数に応じてインバータ出力電圧が生成されるため、インバータ出力電圧もキャリア周波数に応じた電圧パルスが出力される。   Although there are various definitions of the modulation rate, here, the ratio between the voltage amplitude command V * and the amplitude of the triangular wave carrier, that is, “voltage amplitude command V * / triangle wave carrier amplitude” is defined as the modulation rate. The upper part of FIG. 6 shows a waveform when the modulation rate is 1.0, but the same waveform is obtained when the modulation rate is less than 1.0. When the modulation rate is less than 1.0, the inverter output voltage is generated according to the frequency of the triangular wave carrier, and therefore, the inverter output voltage also outputs a voltage pulse corresponding to the carrier frequency.

一方、変調率が1.0を超える場合、図6の中段部及び下段部に示すような波形となる。なお、変調率が1.0を超える場合は「過変調」と称され、変調率が1.0を超える領域は「過変調領域」と称される。過変調領域では、電圧指令Vがキャリアの振幅を超えるため、キャリア周波数に応じてインバータ駆動信号を生成することができない区間が発生する。この区間では、インバータ出力電圧は、正の電源電圧又は負の電源電圧に固定されるため、インバータ出力電圧は変調率1のときに比べ、大きな出力電圧を得ることができる。On the other hand, when the modulation factor exceeds 1.0, the waveform is as shown in the middle part and the lower part of FIG. When the modulation rate exceeds 1.0, it is called “overmodulation”, and the area where the modulation rate exceeds 1.0 is called “overmodulation area”. In the overmodulation region, the voltage command V m exceeds the amplitude of the carrier, sections that can not be generated inverter drive signal is generated in accordance with the carrier frequency. In this section, since the inverter output voltage is fixed to the positive power supply voltage or the negative power supply voltage, a larger output voltage can be obtained for the inverter output voltage than when the modulation factor is 1.

ここで図1に示す電源10にバッテリが用いられている場合の問題点を説明する。バッテリは構造として内部インピーダンスを有しており、バッテリ出力電圧は、バッテリから出力される電流に応じて大きく変化する。具体的には、20[V]のバッテリにおいて、20[A]の電流を流した場合、バッテリ出力電圧はおよそ19.5[V]まで低下することが知られている。また前述した変調率が1以上の領域の場合、出力電圧パルスが少なくなることで、電圧指令に対して出力電圧が正確に得られないという問題が生じる。さらに、インバータによるスイッチングの影響により、バッテリ電流は脈動した電流となるため、バッテリから出力される電圧も脈動することが知られている。それらの問題に対して、進角を一定とすることなく逐次変化させることによって、バッテリからインバータに供給される電圧のばらつきと、インバータが出力する電圧のばらつきとの両方を抑制することができる。   Here, a problem in the case where a battery is used for the power supply 10 shown in FIG. 1 will be described. A battery has an internal impedance as a structure, and the battery output voltage greatly changes according to the current output from the battery. Specifically, it is known that when a current of 20 [A] flows in a battery of 20 [V], the battery output voltage drops to about 19.5 [V]. In the case where the above-mentioned modulation rate is 1 or more, the output voltage pulse is reduced, so that there is a problem that the output voltage cannot be accurately obtained with respect to the voltage command. Further, it is known that the battery current becomes a pulsating current due to the influence of the switching by the inverter, so that the voltage output from the battery also pulsates. In order to solve these problems, it is possible to suppress both the variation in the voltage supplied from the battery to the inverter and the variation in the voltage output from the inverter by successively changing the advance angle without making it constant.

次に本実施の形態における進角制御について説明する。図7は図3及び図4に示したキャリア生成部及びキャリア比較部へ入力される進角位相を算出するための機能構成を示す図である。進角位相θを算出するための機能は、図7に示すように回転速度算出部42及び進角位相算出部44によって実現できる。Next, the advance angle control in the present embodiment will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating a functional configuration for calculating an advance phase input to the carrier generation unit and the carrier comparison unit illustrated in FIGS. 3 and 4. The function for calculating the advance angle phase θ v can be realized by the rotation speed calculation section 42 and the advance angle phase calculation section 44 as shown in FIG.

回転速度算出部42は、位置センサ信号21aに基づいて単相モータ12の回転速度ωを算出し、さらにロータ12aの基準位置からの角度であるロータ機械角θを電気角に換算した基準位相θを算出する。進角位相算出部44は、回転速度算出部42が算出した回転速度ω及び基準位相θの情報に基づいて、進角位相θを算出する。Rotation speed calculation unit 42, the position sensor signal 21a calculates the rotation speed ω of the single-phase motor 12 based on the further is the angle rotor mechanical angle theta m the reference phase in terms of electrical angle from the reference position of the rotor 12a to calculate the θ e. Advanced angle phase calculator 44, the rotation speed calculation unit 42 based on the calculated information of the rotation speed ω and the reference phase theta e, calculates the advance phase theta v.

図8は進角位相の算出方法の一例を示す図である。図8の横軸は回転数であり、図8の縦軸は進角位相である。進角位相θは、図8に示すように、回転数Nの増加に対して進角位相θが増加する関数を用いて決定することができる。図8の例では、1次の線形関数により進角位相θを決定しているが、これに限らず、回転数の増加に応じて進角位相θが大きくなる関係であれば、1次の線形関数以外の関数を用いてもよい。進角調整幅Δθdelは、位置センサ21の取り付け位置のばらつき範囲を示す。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a method of calculating the advance angle phase. The horizontal axis in FIG. 8 is the rotation speed, and the vertical axis in FIG. 8 is the advance phase. The advance phase θ v can be determined using a function in which the advance phase θ v increases with an increase in the rotation speed N, as shown in FIG. In the example of FIG. 8, the advance angle phase θ v is determined by a first-order linear function. However, the present invention is not limited to this. If the advance angle phase θ v increases as the rotational speed increases, 1 A function other than the following linear function may be used. The advance angle adjustment width Δθdel indicates a range of variation in the mounting position of the position sensor 21.

図9は位置センサとステータとロータとの位置関係を示す第1の図である。図10は位置センサとステータとロータとの位置関係を示す第2の図である。   FIG. 9 is a first diagram illustrating a positional relationship among a position sensor, a stator, and a rotor. FIG. 10 is a second diagram illustrating a positional relationship among the position sensor, the stator, and the rotor.

図9及び図10には、複数のティース12b1と、複数のティース12b1の中央に配置されるロータ12aと、位置センサ21とが示される。中心線CLは、ロータ12aの回転方向D1に隣接する2つのティース12b1の間の中心と、ロータ12aの中心軸AXとを通る線である。   9 and 10 show a plurality of teeth 12b1, a rotor 12a arranged at the center of the plurality of teeth 12b1, and a position sensor 21. The center line CL is a line passing through the center between two teeth 12b1 adjacent to each other in the rotation direction D1 of the rotor 12a and the center axis AX of the rotor 12a.

図9に示される位置センサ21は2つのティース12b1の間に配置され、位置センサ21の回転方向D1における中心は中心線CLと一致する。図10に示される位置センサ21は2つのティース12b1の間に配置され、位置センサ21の回転方向D1における中心は中心線CLからずれている。   The position sensor 21 shown in FIG. 9 is arranged between the two teeth 12b1, and the center of the position sensor 21 in the rotation direction D1 coincides with the center line CL. The position sensor 21 shown in FIG. 10 is disposed between the two teeth 12b1, and the center of the position sensor 21 in the rotation direction D1 is shifted from the center line CL.

一般的にモータ制御では、隣接するティース12b1の間の中心と位置センサ21の中心とが一致するように位置センサ21が配置されていることを想定して、位相演算が行われる。ただし実際の単相モータ12の組み立て工程では、位置センサ21の中心が隣接するティース12b1の間の中心からずれた位置で、位置センサ21が固定される。そのため、この位置のずれ量によって、位置センサ信号21aと誘起電圧との間には、位相のずれ、すなわち位相差が発生する。なお位置センサ21の中心が、隣接するティース12b1の間の中心からずれていることが予め分かっている場合、そのずれ量が考慮されて位相の算出が行われる。   In general, in motor control, phase calculation is performed on the assumption that the position sensor 21 is arranged such that the center between the adjacent teeth 12b1 and the center of the position sensor 21 match. However, in the actual assembling process of the single-phase motor 12, the position sensor 21 is fixed at a position where the center of the position sensor 21 is shifted from the center between the adjacent teeth 12b1. Therefore, a phase shift, that is, a phase difference occurs between the position sensor signal 21a and the induced voltage due to the position shift amount. If it is known in advance that the center of the position sensor 21 is shifted from the center between the adjacent teeth 12b1, the phase is calculated in consideration of the shift amount.

図11は位置センサ信号とモータ誘起電圧とを示す図である。点線のモータ誘起電圧の波形は、図9に示すように、隣接するティース12b1の間の中心と位置センサ21の中心とが一致するように位置センサ21が配置されている場合、すなわち位置ずれが生じていない場合の波形である。実線のモータ誘起電圧の波形は、図10に示すように、隣接するティース12b1の間の中心と位置センサ21の中心とがずれるように位置センサ21が配置されている場合、すなわち位置ずれが生じている場合の波形である。図11では、位置ずれが生じていない場合を「位置ずれなし」と表記され、位置ずれが生じている場合を「位置ずれ」と表記される。   FIG. 11 is a diagram showing the position sensor signal and the motor induced voltage. As shown in FIG. 9, the waveform of the motor induced voltage indicated by the dotted line indicates that the position sensor 21 is arranged so that the center between the adjacent teeth 12 b 1 and the center of the position sensor 21 coincide with each other. This is a waveform in the case where there is no occurrence. As shown in FIG. 10, the waveform of the motor induced voltage indicated by the solid line indicates that the position sensor 21 is disposed so that the center between the adjacent teeth 12b1 and the center of the position sensor 21 are displaced. FIG. In FIG. 11, a case where no position shift has occurred is described as “no position shift”, and a case where a position shift has occurred is described as “position shift”.

位置ずれが生じていない場合、位置センサ信号21aのエッジとモータ誘起電圧のゼロクロス点とは一致し、位相差が0となる。なお位置センサ信号21aのエッジは、信号の立ち上がり時点又は信号の立ち下がり時点を示す。ところが位置センサ21の位置ずれが生じている場合、位置センサ信号21aのエッジとモータ誘起電圧のゼロクロス点とは一致せず、位置センサ信号とモータ誘起電圧との間に位相差が生じる。   When no displacement occurs, the edge of the position sensor signal 21a matches the zero cross point of the motor induced voltage, and the phase difference becomes zero. Note that an edge of the position sensor signal 21a indicates a rising point of the signal or a falling point of the signal. However, when the position sensor 21 is displaced, the edge of the position sensor signal 21a does not coincide with the zero cross point of the motor induced voltage, and a phase difference occurs between the position sensor signal and the motor induced voltage.

位置センサ21の位置ずれに起因するモータ制御への影響は、制御対象である単相モータ12に設けられたロータ12aのロータ径と、ロータ12aが備える磁極数とに応じて、その度合いが変化する。ロータ径が小さくなるほど、ロータ外周面の円弧の距離に応じた位相の変化が大きい。また磁極数が多くなるほど、ロータ12aの1回転中の電気角変化率が大きくなる。そのためロータ径が小さく、かつ、磁石の磁極数が多くなるほど、位相差が大きくなる。   The degree of the influence on the motor control due to the displacement of the position sensor 21 varies depending on the rotor diameter of the rotor 12a provided in the single-phase motor 12 to be controlled and the number of magnetic poles of the rotor 12a. I do. The smaller the rotor diameter, the greater the change in phase according to the distance of the arc on the outer peripheral surface of the rotor. Further, as the number of magnetic poles increases, the rate of change in the electrical angle during one rotation of the rotor 12a increases. Therefore, the phase difference increases as the rotor diameter decreases and the number of magnetic poles of the magnet increases.

上記より、位置ずれに起因して誘起電圧と位置センサ信号21aとの位相差が発生することで、モータ制御上設定された回転数に対する進角位相を与えられても、実際とは異なる位相でモータに電圧が印加される。異なる位相で電圧を印加された場合、回転数が特定の値まで増加しないといった問題が発生する。   From the above, the phase difference between the induced voltage and the position sensor signal 21a is generated due to the position shift, so that even if an advance angle phase with respect to the rotation speed set in motor control is given, the phase difference is different from the actual phase. Voltage is applied to the motor. When voltages are applied in different phases, there arises a problem that the rotation speed does not increase to a specific value.

ここで、特定の回転数に到達しない場合、位相を進角調整幅Δθdelの範囲で変化させ、予め設定した回転数になる位相で固定させるという方法を用いることにより、位置センサ21の位置ずれが発生したときでも、特定の回転数を得ることができる。   Here, when the rotation speed does not reach a specific rotation speed, the phase shift of the position sensor 21 is changed by using a method of changing the phase within a range of the advance adjustment width Δθdel and fixing the phase at a predetermined rotation speed. Even when this occurs, a specific rotational speed can be obtained.

また、予め複数のモータを利用して、複数のモータのそれぞれの誘起電圧と位置センサ信号21aとの位相差を把握することによって、位置センサ21の位置ずれの最大値を進角調整幅Δθdelとすることができる。このように進角調整幅Δθdelの最大値を設定しない場合、モータ制御では、回転数を進角調整幅Δθdelの最大値よりも上げようとするため、制御が破綻するおそれが有る。従って進角調整幅Δθdelを予め決定することにより、安定した制御を実現できる。   In addition, by using a plurality of motors in advance and grasping the phase difference between the induced voltage of each of the plurality of motors and the position sensor signal 21a, the maximum value of the position shift of the position sensor 21 is set to the advance adjustment width Δθdel. can do. If the maximum value of the advance angle adjustment width Δθdel is not set in this way, the motor control attempts to increase the rotation speed beyond the maximum value of the advance angle adjustment width Δθdel, and thus the control may fail. Therefore, stable control can be realized by determining the advance adjustment width Δθdel in advance.

図12は進角位相を決定するための動作を説明するフローチャートである。制御部25は、位置センサ21のエッジ間の時間に応じて決定される回転数を演算する(S1)。制御部25は、演算された回転数と設定された目標回転数と比較する(S2)。   FIG. 12 is a flowchart illustrating an operation for determining the advance phase. The control unit 25 calculates the number of rotations determined according to the time between edges of the position sensor 21 (S1). The control unit 25 compares the calculated rotation speed with the set target rotation speed (S2).

現在の回転数が目標回転数以下の場合(ステップS2,Yes)、制御部25は、位相調整角θadjに予め決められた位相調整角Δθadjを加算することにより、位相調整角θadjを更新する(S3)。   When the current rotational speed is equal to or less than the target rotational speed (Step S2, Yes), the controller 25 updates the phase adjustment angle θadj by adding a predetermined phase adjustment angle Δθadj to the phase adjustment angle θadj ( S3).

現在の回転数が目標回転数を超えている場合(ステップS2,No)、制御部25は、位相調整角θadjから位相調整角Δθadjを差し引くことにより、位相調整角θadjを更新する(S4)。   When the current rotation speed exceeds the target rotation speed (step S2, No), the control unit 25 updates the phase adjustment angle θadj by subtracting the phase adjustment angle Δθadj from the phase adjustment angle θadj (S4).

次に制御部25は、位相調整角θadjと進角調整幅Δθdelを比較する(S5)。位相調整角θadjが進角調整幅Δθdel以上の場合(ステップS5,Yes)、制御部25は、位相調整角θadjが進角調整幅Δθdelよりも大きくならないようするため、位相調整角θadjを進角調整幅Δθdelに固定(S6)し、S3又はS4で求められた位相調整角θadjを進角位相θに加算する(S7)。これにより制御部25は、最終的な電圧指令Vを導出する(S8)。Next, the controller 25 compares the phase adjustment angle θadj with the advance angle adjustment width Δθdel (S5). If the phase adjustment angle θadj is equal to or larger than the advance angle adjustment width Δθdel (step S5, Yes), the control unit 25 sets the phase adjustment angle θadj to an advance angle so that the phase adjustment angle θadj does not become larger than the advance angle adjustment width Δθdel. fixed (S6) the adjusted width Derutashitadel, adds the phase adjustment angle θadj obtained in S3 or S4 in the advance phase θ v (S7). Thus, the control unit 25 derives the final voltage command V m (S8).

位相調整角θadjが進角調整幅Δθdel未満の場合(ステップS5,No)、制御部25は、S7の処理を実行して、最終的な電圧指令Vを導出する(S8)。If the phase adjustment angle θadj is less than the advance adjustment range Derutashitadel (step S5, No), the control unit 25 executes the processing of S7, the deriving the final voltage command V m (S8).

これらの進角位相θの設定により、現在の回転数が目標回転数よりも低い場合には位相を進めることで回転数を大きくし、現在の回転数が目標回転数よりも高い場合には位相を遅らせることで回転数を小さくすることができる。By setting these advance angle phases θ v , when the current rotation speed is lower than the target rotation speed, the rotation speed is increased by advancing the phase, and when the current rotation speed is higher than the target rotation speed, By delaying the phase, the number of rotations can be reduced.

本実施の形態では回転数が目標回転数に追従するような制御をする場合の例を説明したが、本実施の形態の制御例は、回転数が目標回転数に追従するような制御に限定されず、最大回転数を得るように進角位相θを調整する制御でもよい。In the present embodiment, an example in which control is performed so that the rotation speed follows the target rotation speed has been described. However, the control example of the present embodiment is limited to control in which the rotation speed follows the target rotation speed. Sarezu may be a control for adjusting the advance phase theta v so as to obtain the maximum speed.

三相のセンサレスDCブラシレスモータにおいては、ロータの位置を直接検出することができず、モータ電流からロータ回転位置を推定する方式が一般的に用いられている。この場合、推定されたロータ回転位置と実際のロータ回転位置との誤差が発生するため、モータ制御で進角を調整することは公知である。   In a three-phase sensorless DC brushless motor, the position of the rotor cannot be directly detected, and a method of estimating the rotor rotational position from the motor current is generally used. In this case, since an error occurs between the estimated rotor rotation position and the actual rotor rotation position, it is known to adjust the advance angle by motor control.

一方、位置センサ付DCブラシレスモータでは、位置センサ信号を直接読むことができるため、磁極間の位置把握が可能となる。ロータ回転位置を把握することが容易となるため、位置センサ付DCブラシレスモータでは、位置センサ21の取り付け位置のばらつきに起因する補正を、モータ制御で実施する事例は少ない。位置センサ付DCブラシレスモータで進角補正をすることによって、位置センサ21の取り付け位置のばらつきに起因するモータ制御への影響が抑制され、ロータ位置に応じた高精度な制御を実現することができる。   On the other hand, in the DC brushless motor with a position sensor, the position sensor signal can be directly read, so that the position between the magnetic poles can be grasped. Since it is easy to grasp the rotor rotation position, in the DC brushless motor with the position sensor, there are few cases where the correction caused by the variation in the mounting position of the position sensor 21 is performed by the motor control. By performing the lead angle correction with the DC brushless motor with the position sensor, the influence on the motor control due to the variation in the mounting position of the position sensor 21 is suppressed, and highly accurate control according to the rotor position can be realized. .

バッテリ電圧が満充電に近い状態であるとき、バッテリから出力可能な電力も大きいため、インバータによって、バッテリから最大に近い状態で電力を取り出そうとした場合、変調率が1を超えて、出力電圧誤差が大きくなる。その状態においては、制御部25は、進角位相による回転数変動の影響が大きくなるため、位相調整角θadjを小さくする。また、バッテリ電圧が低下した場合、放電電流の制限により最大出力電力が低下してしまう。そこで制御部25は、バッテリ電圧が低下した場合には位相調整角θadjを大きくすることで、最大回転数になるまでの時間を早くすることができる。   Since the power that can be output from the battery is large when the battery voltage is close to full charge, if the inverter tries to extract power from the battery in a state close to the maximum, the modulation rate exceeds 1 and the output voltage error Becomes larger. In this state, the control unit 25 reduces the phase adjustment angle θadj because the influence of the rotational speed variation due to the advance phase becomes large. When the battery voltage decreases, the maximum output power decreases due to the limitation of the discharge current. Therefore, when the battery voltage decreases, the control unit 25 can increase the phase adjustment angle θadj, thereby shortening the time required to reach the maximum rotation speed.

図13は位置センサ信号と、ロータ機械角と、基準位相と、電圧指令との関係を示す図である。図13の最下段部には、ロータ12aが時計方向に回転したときのロータ機械角θが0°、45°、90°、135°及び180°である単相モータ12が示される。単相モータ12のロータ12aには4つの磁石が設けられている。ロータ12aの外周に4つのティース12b1が設けられている。ロータ12aが時計方向に回転した場合、制御部25では、ロータ機械角θに応じた位置センサ信号21aが検出され、検出された位置センサ信号21aに応じて電気角に換算された基準位相θが算出される。FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship among a position sensor signal, a rotor mechanical angle, a reference phase, and a voltage command. The lowermost portion of FIG. 13, the rotor mechanical angle theta m when the rotor 12a is rotated in the clockwise direction is 0 °, 45 °, 90 ° , the single-phase motor 12 is 135 ° and 180 ° are shown. The rotor 12a of the single-phase motor 12 is provided with four magnets. Four teeth 12b1 are provided on the outer periphery of the rotor 12a. If the rotor 12a is rotated clockwise, the control unit 25, the position sensor signal 21a corresponding to the rotor mechanical angle theta m is detected, it converted to an electrical angle in accordance with the detected position sensor signals 21a the reference phase theta e is calculated.

図13の中段部に「例1」として示される電圧指令Vは、進角位相θ=0の場合の電圧指令である。進角位相θ=0の場合、基準位相θと同相の正弦波状の電圧指令Vが出力される。このときの電圧指令Vの振幅は、前述した電圧振幅指令V*に基づいて決定される。Voltage command V m shown as "Example 1" in the middle portion of FIG. 13 is a voltage command in a case of advanced angle phase θ v = 0. When the advance phase θ v = 0, a sinusoidal voltage command V m in phase with the reference phase θ e is output. The amplitude of the voltage command V m at this time is determined based on the voltage amplitude command V * as described above.

図13の中段部に「例2」として示される電圧指令Vは、進角位相θ=π/4の場合の電圧指令である。進角位相θ=π/4の場合、基準位相θから進角位相θの成分、すなわちπ/4進めた正弦波状の電圧指令Vが出力される。Voltage command V m shown as "Example 2" in the middle portion of FIG. 13 is a voltage command in a case of advanced angle phase θ v = π / 4. For advanced angle phase θ v = π / 4, components of the reference phase theta e from advanced angle phase theta v, i.e. [pi / 4 sinusoidal voltage command V m has proceeded is output.

次に、電圧振幅指令V*の与え方について説明する。図14は電圧振幅指令の時間変化を示す図である。本実施の形態において、電圧振幅指令V*は、図示のように、時間tに応じて段階的に変化する動作態様とする。具体的に説明すると、まず、起動時には予め設定した一定の第1電圧Vが与えられ、加速後の定常運転時には、第1電圧Vよりも大きな一定の第2電圧Vが与えらる。また、第1電圧Vから第2電圧Vに変化させる加速時には、予め設定した加速レートが得られるように電圧振幅指令V*を上昇させる。すなわち、本実施の形態では、起動時及び定常運転時には、電圧振幅指令V*を一定とするように制御している。なお、起動時において、第1電圧V1を与える時間τ1は制御系の安定時間を考慮した任意の時間を設定することができる。Next, how to give the voltage amplitude command V * will be described. FIG. 14 is a diagram showing a time change of the voltage amplitude command. In the present embodiment, an operation mode in which the voltage amplitude command V * changes stepwise according to the time t as shown in the figure. Specifically, first, the first voltage V 1 of the constant set in advance is given at startup, during steady operation after acceleration, the second voltage V 2 of greater constant than the first voltages V 1 Ataeraru . Further, at the time of acceleration is changed from the first voltages V 1 to the second voltage V 2, to raise the voltage amplitude command V * as acceleration rate set in advance is obtained. That is, in the present embodiment, the control is performed so that the voltage amplitude command V * is constant at the time of startup and during steady operation. At the time of startup, the time τ1 for applying the first voltage V1 can be set to an arbitrary time in consideration of the stabilization time of the control system.

次に、電圧振幅指令V*が一定であることの効果について説明する。定常運転時において、電圧振幅指令V*を一定に制御することにより、以下の効果が得られる。   Next, the effect of the constant voltage amplitude command V * will be described. The following effects can be obtained by controlling the voltage amplitude command V * to be constant during the steady operation.

(1)負荷が急変した場合においても位置センサ信号21aから検出された位相を元に、一定の電圧指令を出力できる。
(2)回転数が変動した場合においても電圧指令に影響が及ばないため、出力電圧を安定に保つことができる。
(1) Even when the load suddenly changes, a constant voltage command can be output based on the phase detected from the position sensor signal 21a.
(2) Even if the rotational speed changes, the voltage command is not affected, so that the output voltage can be kept stable.

上記の効果は、電気掃除機のように、電気掃除機の吸込口と床面との接触面積に応じて負荷が変動するアプリケーションの場合に有効である。   The above-described effect is effective in an application such as a vacuum cleaner in which the load varies according to the contact area between the suction port of the vacuum cleaner and the floor surface.

一般的な電動送風機で実施されている回転数一定制御では、モータに過電流が流れる場合がある。過電流が流れる理由は、負荷変動の際に回転数を一定に保とうとするため、電流が急激に変動するからである。より詳細に説明すると、「負荷が軽い状態」すなわち「負荷トルクが小さい状態」から、「負荷が重い状態」すなわち「負荷トルクが大きい状態」に遷移した際に回転数一定制御を行うと、同一回転数を維持しようしてモータ出力トルクを大きくしなければならず、モータ電流の変化量が大きくなるからである。   In the constant rotation speed control performed by a general electric blower, an overcurrent may flow through the motor. The reason why the overcurrent flows is that the current fluctuates rapidly in order to keep the rotation speed constant during a load change. To explain in more detail, when performing the rotation speed constant control when transitioning from the “light load” state, that is, the “load torque small state”, to the “heavy load state”, that is, the “high load torque state”, This is because the motor output torque must be increased while maintaining the same rotational speed, and the amount of change in the motor current increases.

一方、本実施の形態の制御では、前述したように、定常運転時において、電圧振幅指令V*を一定とする制御を行っている。ここで、電圧振幅指令V*を一定とする場合、負荷が重くなった際には、電圧振幅指令V*は変化させないので、負荷トルクが大きくなった分、モータ回転数は低下する。この制御により、モータ電流の急峻な変化と過電流とを防止できるので、安定して回転する電動送風機及び電機掃除機を実現することができる。   On the other hand, in the control according to the present embodiment, as described above, control is performed to keep the voltage amplitude command V * constant during steady operation. Here, when the voltage amplitude command V * is constant, when the load becomes heavy, the voltage amplitude command V * is not changed, so that the motor torque is reduced by an increase in the load torque. With this control, a steep change in motor current and overcurrent can be prevented, so that an electric blower and an electric vacuum cleaner that rotate stably can be realized.

なお、電動送風機の場合、負荷トルクは、モータの負荷である羽根の回転数の増加によって増加すると共に、風路の径が広くなることでも増加する。風路の径とは、電機掃除機を例とした場合、吸込口の広さを表している。風路の径が広いとき、吸込口に何も接触していない場合、風を吸い込む力が必要となるため、同一回転数で羽根が回転している際の負荷トルクは大きくなる。一方、風路の径が狭いとき、吸込口が何かと接触して塞がれている状態では、風を吸い込む力が必要なくなるため、同一回転数で羽根が回転している際の負荷トルクは小さくなる。   In the case of an electric blower, the load torque increases with an increase in the number of rotations of the blade, which is a load of the motor, and also increases with an increase in the diameter of the air path. The diameter of the air path represents the size of the suction port when an electric vacuum cleaner is used as an example. When the diameter of the air passage is large, when nothing is in contact with the suction port, a force for sucking the wind is required, so that the load torque when the blade is rotating at the same rotation speed increases. On the other hand, when the diameter of the wind path is small, the suction torque is not required when the blades are rotating at the same rotation speed because the suction force is not required when the suction port is in contact with something and is closed. Become.

次に、進角制御による効果について説明する。まず、回転数の増加に応じて進角位相θを増加させるようにすれば、回転数範囲を広げることができる。進角位相θを0とした場合には、モータ印加電圧とモータ誘起電圧とが釣り合う所で回転数が飽和する。回転数を更に増加させるためには、進角位相θを進め、電機子反作用によるステータに発生させる磁束を弱めることでモータ誘起電圧を抑制し、回転数を増加させる。よって、進角位相θを回転数に応じて選択することで、広い回転数領域を得ることができる。Next, the effect of the advance angle control will be described. First, if the advance angle phase θ v is increased in accordance with an increase in the number of revolutions, the range of the number of revolutions can be expanded. The advance phase theta v when 0, the rotational speed is saturated at which the voltage applied to the motor and the motor induced voltage is balanced. In order to further increase the rotation speed, the advance angle θ v is advanced and the magnetic flux generated in the stator due to the armature reaction is weakened to suppress the motor induced voltage and increase the rotation speed. Thus, by selecting the advanced angle phase theta v according to the rotation speed, it is possible to obtain a wide speed range.

次に、進角制御に進角調整幅Δθdelを設けることによる効果について説明する。まず、進角調整幅Δθdelを設けることで、製造時に位置センサ21の位置ずれが生じた場合においても、安定して特定の回転数を得ることができる。また、位置センサ固有の感度の特性ずれが発生した場合においても特定の回転数を得ることができる。よって、製造工程上で位置センサ21の取り付け位置のばらつきを無くすように調整するためのコストの発生を抑制できる。   Next, the effect of providing the advance angle adjustment width Δθdel in the advance angle control will be described. First, by providing the advance adjustment width Δθdel, a specific number of rotations can be stably obtained even when the position sensor 21 is displaced during manufacturing. In addition, a specific rotation speed can be obtained even in the case where a characteristic deviation of the sensitivity unique to the position sensor occurs. Therefore, it is possible to suppress the generation of the cost for adjusting the mounting position of the position sensor 21 to eliminate the variation in the manufacturing process.

本実施の形態による進角制御御を電気掃除機に適用する場合には、吸込口の塞ぎ状態の変化によらず、すなわち負荷トルクに関係なく、電圧指令を一定とし、回転速度の増加に応じて電圧指令の進み角である進角位相θを増加させるようにすればよい。このように制御すれば、広い回転速度範囲において安定した駆動が可能となる。また、進角調整幅を設けることにより、位置センサ21の位置ずれが発生した場合においても駆動回転数に与える影響を抑制することができる。When the advance angle control according to the present embodiment is applied to a vacuum cleaner, the voltage command is kept constant regardless of the change in the closed state of the suction port, that is, regardless of the load torque, and the voltage command is adjusted according to the increase in the rotation speed. it suffices to increase the advance phase theta v is a lead angle of the voltage command Te. With such control, stable driving can be performed in a wide rotation speed range. Further, by providing the advance angle adjustment width, it is possible to suppress the influence on the drive rotation speed even when the position sensor 21 is displaced.

次に、本実施の形態における損失低減手法について説明する。図15はインバータ出力電圧の極性によるモータ電流の経路を示す第1の図である。図16はインバータ出力電圧の極性によるモータ電流の経路を示す第2の図である。図17はインバータ出力電圧の極性によるモータ電流の経路を示す第3の図である。   Next, a loss reducing method according to the present embodiment will be described. FIG. 15 is a first diagram illustrating a path of a motor current according to the polarity of the inverter output voltage. FIG. 16 is a second diagram showing the path of the motor current depending on the polarity of the inverter output voltage. FIG. 17 is a third diagram showing the path of the motor current depending on the polarity of the inverter output voltage.

インバータ出力電圧の極性が正の場合、図15の太実線(a)で示すように、電流は、第1相の上アームであるスイッチング素子51のチャネルを通って単相モータ12に流れ込み、第2相の下アームであるスイッチング素子54のチャネルを通って単相モータ12から流れ出す。また、インバータ出力電圧の極性が負の場合、図15の太破線(b)で示すように、電流は、第2相の上アームであるスイッチング素子53のチャネルを通って単相モータ12に流れ込み、第1相の下アームであるスイッチング素子52のチャネルを通って単相モータ12から流れ出す。   When the polarity of the inverter output voltage is positive, the current flows into the single-phase motor 12 through the channel of the switching element 51, which is the upper arm of the first phase, as shown by the thick solid line (a) in FIG. It flows out of the single-phase motor 12 through the channel of the switching element 54 which is the lower arm of the two-phase. When the polarity of the inverter output voltage is negative, the current flows into the single-phase motor 12 through the channel of the switching element 53, which is the upper arm of the second phase, as shown by the thick broken line (b) in FIG. , From the single-phase motor 12 through the channel of the switching element 52 which is the lower arm of the first phase.

次に、インバータ出力電圧が零、すなわち単相インバータ11から零電圧が出力された場合の電流経路について説明する。正のインバータ出力電圧が生成された後にインバータ出力電圧が零になると、図16の太実線(c)で示すように、電源側からは電流が流れず、単相インバータ11と単相モータ12との間で電流が行き来する還流モードとなる。このとき、単相モータ12に直前に流れている電流の向きは変わらないため、単相モータ12から流れ出した電流は、第2相の下アームであるスイッチング素子54のチャネルと、第1相の下アームであるスイッチング素子52のボディダイオード52aとを通って単相モータ12に戻る。なお、負のインバータ出力電圧が生成された後にインバータ出力電圧が零になる場合は、直前に流れていた電流の向きが逆であるため、図16の太破線(d)で示すように、還流電流の向きは逆となる。具体的に説明すると、単相モータ12から流れ出した電流は、第1相の上アームであるスイッチング素子51のボディダイオード51aと、第2相の上アームであるスイッチング素子53のチャネルとを通って単相モータ12に戻る。   Next, a current path when the inverter output voltage is zero, that is, when the single-phase inverter 11 outputs a zero voltage will be described. When the inverter output voltage becomes zero after the positive inverter output voltage is generated, no current flows from the power supply side as shown by the thick solid line (c) in FIG. 16, and the single-phase inverter 11 and the single-phase motor 12 A reflux mode in which current flows back and forth between. At this time, since the direction of the current flowing immediately before to the single-phase motor 12 does not change, the current flowing out of the single-phase motor 12 is applied to the channel of the switching element 54 which is the lower arm of the second phase and the first phase. The light returns to the single-phase motor 12 through the body diode 52a of the switching element 52 serving as the lower arm. Note that when the inverter output voltage becomes zero after the negative inverter output voltage is generated, the direction of the current flowing immediately before is opposite, and therefore, as shown by the thick broken line (d) in FIG. The direction of the current is reversed. More specifically, the current flowing from the single-phase motor 12 passes through the body diode 51a of the switching element 51, which is the upper arm of the first phase, and the channel of the switching element 53, which is the upper arm of the second phase. Return to the single-phase motor 12.

上記の説明の通り、単相モータ12と単相インバータ11との間で電流が還流する還流モードでは、第1相及び第2相の内の何れか一方の相ではボディダイオードに電流が流れる。一般的に、ダイオードの順方向に電流を流すことに比べ、MOSFETのチャネルに電流を流した方が、導通損失が小さくなることが知られている。そこで、本実施の形態では、還流電流が流れる還流モードにおいて、ボディダイオードに流れる通流電流を小さくすべく、当該ボディダイオードを有する側のMOSFETがオンに制御される。   As described above, in the reflux mode in which the current flows between the single-phase motor 12 and the single-phase inverter 11, the current flows through the body diode in one of the first phase and the second phase. In general, it is known that conduction loss is smaller when a current flows through a channel of a MOSFET than when a current flows in a forward direction of a diode. Therefore, in the present embodiment, in the return mode in which the return current flows, the MOSFET on the side having the body diode is controlled to be turned on in order to reduce the conduction current flowing in the body diode.

還流モードにおいて、図16の太実線(c)で示す還流電流が流れるタイミングでは、スイッチング素子52がオンに制御される。このように制御すれば、図17の太実線(e)で示すように、還流電流の多くは抵抗値の小さいスイッチング素子52のチャネル側を流れる。これにより、スイッチング素子52での半導体損失が低減される。また、図16の太破線(d)で示す還流電流が流れるタイミングでは、スイッチング素子51がオンに制御される。このように制御すれば、図17の太破線(f)で示すように、還流電流の多くは抵抗値の小さいスイッチング素子51のチャネル側を流れる。これにより、スイッチング素子51での半導体損失が低減される。   In the reflux mode, the switching element 52 is controlled to be turned on at the timing when the reflux current shown by the thick solid line (c) in FIG. 16 flows. With this control, most of the return current flows on the channel side of the switching element 52 having a small resistance value, as shown by the thick solid line (e) in FIG. Thereby, the semiconductor loss in the switching element 52 is reduced. At the timing when the return current shown by the thick broken line (d) in FIG. 16 flows, the switching element 51 is controlled to be turned on. With this control, most of the return current flows on the channel side of the switching element 51 having a small resistance value, as shown by the thick broken line (f) in FIG. Thus, semiconductor loss in the switching element 51 is reduced.

前述のように、ボディダイオードに還流電流が流れるタイミングにおいて、当該ボディダイオードを有する側のMOSFETがオンに制御されることにより、スイッチング素子の損失を低減することができる。このため、MOSFETの形状を表面実装タイプにして基板にて放熱可能な構造とし、また、要すればスイッチング素子の一部又は全部をワイドバンドギャップ半導体で形成することにより、基板のみでMOSFETの発熱を抑制する構造を実現する。なお、基板のみで放熱が可能であれば、ヒートシンクが不要となるため、インバータの小型化に寄与し、製品の小型化にも繋げることができる。   As described above, at the timing when the return current flows through the body diode, the MOSFET having the body diode is controlled to be turned on, so that the loss of the switching element can be reduced. For this reason, the shape of the MOSFET is made to be a surface mount type so that heat can be dissipated on the substrate, and if necessary, part or all of the switching element is formed of a wide band gap semiconductor, so that the heat generated by the MOSFET is generated only on the substrate. To realize a structure for suppressing noise. If heat radiation is possible only with the substrate, no heat sink is required, which contributes to downsizing of the inverter and downsizing of the product.

前述の放熱方法に加え、基板を風路に設置することで、更なる放熱効果をも得ることができる。ここで、風路とは、電動送風機のように空気の流れを発生させる部位又は電動送風機が発生する風流の通路である。基板を風路に設置することにより、電動送風機が発生する風によって基板上の半導体素子を放熱できるので、半導体素子の発熱を大幅に抑制することができる。   In addition to the above-described heat dissipation method, a further heat dissipation effect can be obtained by installing the substrate in the air passage. Here, the air path is a portion that generates an air flow like an electric blower or a passage of an air flow generated by the electric blower. By arranging the substrate in the air passage, heat generated by the electric blower can radiate heat from the semiconductor element on the substrate, so that heat generation of the semiconductor element can be significantly suppressed.

次に、実施の形態に係るモータ駆動装置の適用例について説明する。図18は実施の形態に係るモータ駆動装置を備えた電気掃除機の構成図である。電気掃除機61は、直流電源であるバッテリ67と、図1に示されるモータ駆動装置2と、図1に示される単相モータ12により駆動される電動送風機64と、集塵室65と、センサ68と、吸込口体63と、延長管62と、操作部66とを備える。バッテリ67は図1に示す電源10に相当する。   Next, an application example of the motor drive device according to the embodiment will be described. FIG. 18 is a configuration diagram of a vacuum cleaner including the motor driving device according to the embodiment. The vacuum cleaner 61 includes a battery 67 that is a DC power supply, the motor driving device 2 illustrated in FIG. 1, an electric blower 64 driven by the single-phase motor 12 illustrated in FIG. 1, a dust collection chamber 65, 68, a suction port body 63, an extension tube 62, and an operation unit 66. Battery 67 corresponds to power supply 10 shown in FIG.

電気掃除機61を使用するユーザは、操作部66を持ち、電気掃除機61を操作する。電気掃除機61のモータ駆動装置2は、バッテリ67を電源として電動送風機64を駆動する。電動送風機64が駆動することにより、吸込口体63からごみの吸込みが行われ、吸込まれたごみは、延長管62を介して集塵室65へ集められる。   A user who uses the vacuum cleaner 61 has the operation unit 66 and operates the vacuum cleaner 61. The motor drive device 2 of the vacuum cleaner 61 drives the electric blower 64 using the battery 67 as a power supply. When the electric blower 64 is driven, dust is sucked from the suction port 63, and the sucked dust is collected in the dust collecting chamber 65 via the extension pipe 62.

電気掃除機61は、モータ回転数が0[rpm]から10万[rpm]まで変動する製品である。このようも単相モータ12が高速回転する製品を駆動する際には、前述した実施の形態に係る制御手法が好適である。電圧振幅指令V*を一定とし、回転速度に応じて進角位相θを変更することで、低速から高速回転領域まで回転数駆動範囲を広げつつ、負荷急変に対応することができる。また、PWM制御によってモータ電流を正弦波に制御することで高効率な駆動ができるため、運転時間の長時間化が望める。The vacuum cleaner 61 is a product whose motor rotation speed varies from 0 [rpm] to 100,000 [rpm]. As described above, when the single-phase motor 12 drives a product that rotates at a high speed, the control method according to the above-described embodiment is preferable. And constant voltage amplitude command V *, by changing the advanced angle phase theta v in accordance with the rotational speed, it is possible while expanding the rotational speed drive range from a low speed to a high speed rotation region, corresponding to the sudden load change. In addition, since the motor current is controlled to a sine wave by the PWM control, high-efficiency driving can be performed, so that a longer operation time can be expected.

また電気掃除機61のように小型モータを搭載した製品は、位置センサ21の取り付け位置のばらつきによる位相差の影響が大きく、制御に大きな影響を与えてしまう。そのため、一般的には製造上で予め位置センサ21の位置のずれ量が測定され、電気掃除機61では位置センサ21の位置のずれ量を考慮した制御が実施される。ただし、この場合、製造工程で位置センサ21の位置ずれ量を測定する工程が発生するため、製造コストが増大するといった課題がある。そのため、位置センサ21の位置ずれ量を測定することなく、位置センサの位置ずれによる影響を抑制するモータ制御を実現することで、安価で製品品質の向上を図ることができる。   Further, in a product such as the vacuum cleaner 61 on which a small motor is mounted, the phase difference due to the variation in the mounting position of the position sensor 21 has a large influence, which greatly affects the control. Therefore, generally, the amount of displacement of the position sensor 21 is measured in advance in manufacturing, and the vacuum cleaner 61 performs control in consideration of the amount of displacement of the position sensor 21. However, in this case, since a step of measuring the amount of displacement of the position sensor 21 occurs in the manufacturing process, there is a problem that the manufacturing cost increases. Therefore, by controlling the motor that suppresses the influence of the displacement of the position sensor without measuring the displacement amount of the position sensor 21, it is possible to improve the product quality at low cost.

また実施の形態に係る電気掃除機61は、前述した放熱部品の削減により小型化及び軽量化することができる。さらに電気掃除機61は、電流を検出する電流センサが必要なく、高速なアナログディジタル変換器も必要ないことから、コストを抑制することができる。   Further, the vacuum cleaner 61 according to the embodiment can be reduced in size and weight by reducing the above-described heat radiating components. Further, the vacuum cleaner 61 does not need a current sensor for detecting a current and does not need a high-speed analog-to-digital converter, so that the cost can be reduced.

図19は実施の形態に係るモータ駆動装置を備えたハンドドライヤの構成図である。ハンドドライヤ90は、モータ駆動装置2と、ケーシング91と、手検知センサ92と、水受け部93と、ドレン容器94と、カバー96と、センサ97と、吸気口98と、電動送風機95とを備える。ここで、センサ97は、ジャイロセンサ及び人感センサの何れかである。ハンドドライヤ90では、水受け部93の上部にある手挿入部99に手が挿入されることにより、電動送風機95による送風で水が吹き飛ばされ、吹き飛ばされた水は、水受け部93で集められた後、ドレン容器94に溜められる。   FIG. 19 is a configuration diagram of a hand dryer including the motor drive device according to the embodiment. The hand dryer 90 includes the motor driving device 2, the casing 91, the hand detection sensor 92, the water receiving portion 93, the drain container 94, the cover 96, the sensor 97, the intake port 98, and the electric blower 95. Prepare. Here, the sensor 97 is either a gyro sensor or a human sensor. In the hand dryer 90, when a hand is inserted into the hand insertion portion 99 above the water receiving portion 93, water is blown off by the air blower 95, and the blown water is collected in the water receiving portion 93. After that, it is stored in the drain container 94.

ハンドドライヤ90は、図18に示す電気掃除機61と同様に、モータ回転数が0[rpm]から10万[rpm]まで変動する製品である。このため、ハンドドライヤ90においても、前述した実施の形態に係る制御手法が好適であり、電気掃除機61と同様な効果を得ることができる。   The hand dryer 90 is a product whose motor rotation speed varies from 0 [rpm] to 100,000 [rpm], like the vacuum cleaner 61 shown in FIG. Therefore, also in the hand dryer 90, the control method according to the above-described embodiment is suitable, and the same effect as that of the electric vacuum cleaner 61 can be obtained.

図20は実施の形態に係るモータ駆動装置における変調制御を説明するための図である。同図の左側には、回転数と変調率の関係が示される。また同図の右側には、変調率が1以下のときのインバータ出力電圧の波形と、変調率が1を超えるときのインバータ出力電圧の波形とが示される。一般的に、回転数の増加に伴い回転体の負荷トルクは大きくなる。このため、回転数の増加に伴いモータ出力トルクを増加させる必要がある。また、一般的にモータ出力トルクはモータ電流に比例して増加し、モータ電流の増加にはインバータ出力電圧の増加が必要である。よって、変調率を上げてインバータ出力電圧を増加させることで、回転数を増加させることができる。   FIG. 20 is a diagram for explaining modulation control in the motor drive device according to the embodiment. The relationship between the number of rotations and the modulation rate is shown on the left side of FIG. On the right side of the figure, a waveform of the inverter output voltage when the modulation factor is 1 or less and a waveform of the inverter output voltage when the modulation factor exceeds 1 are shown. Generally, the load torque of the rotating body increases as the number of rotations increases. For this reason, it is necessary to increase the motor output torque as the number of rotations increases. In general, the motor output torque increases in proportion to the motor current, and an increase in the motor current requires an increase in the inverter output voltage. Therefore, by increasing the modulation rate and increasing the inverter output voltage, the number of rotations can be increased.

次に、本実施の形態における回転数制御について説明する。なお、以下の説明では、負荷として電動送風機を想定し、電動送風機の運転域を以下の通り区分する。
(A)低速回転域(低回転数領域):0[rpm]から10万[rpm]
(B)高速回転域(高回転数領域):10万[rpm]以上
Next, rotation speed control in the present embodiment will be described. In the following description, an electric blower is assumed as a load, and the operating range of the electric blower is divided as follows.
(A) Low-speed rotation range (low-speed range): 0 [rpm] to 100,000 [rpm]
(B) High-speed rotation region (high rotation speed region): 100,000 [rpm] or more

なお、上記(A)と上記(B)に挟まれた領域はグレーゾーンであり、用途に応じて、低速回転域に含まれる場合もあれば、高速回転域に含まれる場合もある。   The region between (A) and (B) is a gray zone, and may be included in the low-speed rotation region or the high-speed rotation region depending on the application.

まず、低速回転域での制御について説明する。低速回転域では変調率を1以下としてPWM制御される。なお、変調率を1以下とすることで、モータ電流を正弦波に制御し、モータの高効率化を図ることができる。なお、低速回転域と高速回転域とで同じキャリア周波数で動作させた場合、キャリア周波数は高速回転域に合わせたキャリア周波数となるため、低速回転域ではPWMパルスが必要以上に多くなる傾向にある。このため、低速回転域ではキャリア周波数を低下させ、スイッチング損失を低下させる手法を用いてもよい。また、回転数に同期させてキャリア周波数を可変させることで、回転数に応じてパルス数が変化しないように制御してもよい。   First, control in the low-speed rotation range will be described. In the low-speed rotation range, the modulation rate is set to 1 or less and PWM control is performed. By setting the modulation factor to 1 or less, the motor current can be controlled to a sine wave, and the efficiency of the motor can be improved. When operating at the same carrier frequency in the low-speed rotation region and the high-speed rotation region, the carrier frequency becomes the carrier frequency adjusted to the high-speed rotation region, so that the PWM pulse tends to increase more than necessary in the low-speed rotation region. . For this reason, a method of reducing the carrier frequency in the low-speed rotation range to reduce the switching loss may be used. Further, by varying the carrier frequency in synchronization with the rotation speed, control may be performed so that the pulse number does not change in accordance with the rotation speed.

次に、高速回転域での制御について説明する。高速回転域では、変調率が1より大きな値に設定される。変調率を1より大きくすることで、インバータ出力電圧を増加させつつ、インバータ内のスイッチング素子が行うスイッチング回数を低減させることで、スイッチング損失の増加を抑えることができる。ここで、変調率が1を超えることによって、モータ出力電圧は増加するが、スイッチング回数が低下するため、電流の歪が懸念される。しかしながら、高速回転中においては、モータのリアクタンス成分が大きくなり、モータ電流の変化成分であるdi/dtが小さくなるため、低速回転域に比べて電流歪は小さくなり、波形の歪に対する影響は小さくなる。よって、高速回転域では、変調率を1より大きな値に設定し、スイッチングパルス数を低減させる制御を行う。この制御により、スイッチング損失の増加を抑制し、高効率化を図ることができる。   Next, control in the high-speed rotation range will be described. In the high-speed rotation range, the modulation factor is set to a value larger than 1. By setting the modulation factor to be greater than 1, the number of switching operations performed by the switching elements in the inverter is reduced while increasing the inverter output voltage, thereby suppressing an increase in switching loss. Here, when the modulation factor exceeds 1, the motor output voltage increases, but the number of times of switching decreases, so that current distortion may be a concern. However, during high-speed rotation, the reactance component of the motor increases, and di / dt, which is the change component of the motor current, decreases. Therefore, the current distortion is smaller than in the low-speed rotation region, and the influence on the waveform distortion is small. Become. Therefore, in the high-speed rotation range, the modulation factor is set to a value larger than 1, and control is performed to reduce the number of switching pulses. With this control, an increase in switching loss can be suppressed, and higher efficiency can be achieved.

なお、上記の通り、低速回転域と高速回転域の境界は曖昧である。このため、制御部25には、低速回転域と高速回転域との境界を決める第1回転速度が設定され、制御部25は、モータ又は負荷の回転速度が第1回転速度以下の場合には変調率を1以下に設定し、モータ又は負荷の回転速度が第1回転速度を超えた場合には1を超える変調率に設定するように制御すればよい。   As described above, the boundary between the low-speed rotation region and the high-speed rotation region is ambiguous. For this reason, the first rotation speed that determines the boundary between the low-speed rotation region and the high-speed rotation region is set in the control unit 25, and the control unit 25 determines that the rotation speed of the motor or the load is equal to or less than the first rotation speed. The modulation rate may be set to 1 or less, and if the rotation speed of the motor or the load exceeds the first rotation speed, control may be performed to set the modulation rate to more than 1.

以上の説明の通り、本実施の形態では、電気掃除機61及びハンドドライヤ90にモータ駆動装置2を適用した構成例を説明したが、モータ駆動装置2は、モータが搭載された電気機器一般に適用することができる。モータが搭載された電気機器は、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、ダンボール機械、包装機械、熱風発生機、物体輸送、吸塵用、一般送排風、又はOA機器といった、電動送風機を備えた機器である。   As described above, in the present embodiment, the configuration example in which the motor driving device 2 is applied to the vacuum cleaner 61 and the hand dryer 90 has been described. However, the motor driving device 2 is generally applied to electric equipment having a motor. can do. Electric equipment equipped with a motor includes incinerators, crushers, dryers, dust collectors, printing machines, cleaning machines, confectionery machines, tea making machines, woodworking machines, plastic extruders, cardboard machines, packaging machines, hot air generators, objects It is a device equipped with an electric blower, such as a device for transportation, dust suction, general ventilation, or OA equipment.

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。   The configurations described in the above embodiments are merely examples of the contents of the present invention, and can be combined with other known technologies, and can be combined with other known technologies without departing from the gist of the present invention. Parts can be omitted or changed.

1 モータ駆動システム、2 モータ駆動装置、10 電源、11 単相インバータ、12 単相モータ、12a ロータ、12b ステータ、12b1 ティース、20 電圧センサ、21 位置センサ、21a 位置センサ信号、25 制御部、30 アナログディジタル変換器、31 プロセッサ、32 駆動信号生成部、33 キャリア生成部、34 メモリ、38 キャリア比較部、38a 絶対値演算部、38b 除算部、38c,38d,38f 乗算部、38e 加算部、38g,38h 比較部、38i,38j 出力反転部、42 回転速度算出部、44 進角位相算出部、51,52,53,54 スイッチング素子、51a,52a,53a,54a ボディダイオード、61 電気掃除機、62 延長管、63 吸込口体、64 電動送風機、65 集塵室、66 操作部、67 バッテリ、68 センサ、90 ハンドドライヤ、91 ケーシング、92 手検知センサ、93 水受け部、94 ドレン容器、95 電動送風機、96 カバー、97 センサ、98 吸気口、99 手挿入部。   Reference Signs List 1 motor drive system, 2 motor drive device, 10 power supply, 11 single-phase inverter, 12 single-phase motor, 12a rotor, 12b stator, 12b1 teeth, 20 voltage sensor, 21 position sensor, 21a position sensor signal, 25 control unit, 30 Analog-to-digital converter, 31 processor, 32 drive signal generator, 33 carrier generator, 34 memory, 38 carrier comparator, 38a absolute value calculator, 38b divider, 38c, 38d, 38f multiplier, 38e adder, 38g , 38h comparison unit, 38i, 38j output inversion unit, 42 rotation speed calculation unit, 44 advance angle phase calculation unit, 51, 52, 53, 54 switching element, 51a, 52a, 53a, 54a body diode, 61 vacuum cleaner, 62 Extension tube, 63 Suction port, 64 Electric feed Blower, 65 dust collection chamber, 66 operation unit, 67 battery, 68 sensor, 90 hand dryer, 91 casing, 92 hand detection sensor, 93 water receiver, 94 drain container, 95 electric blower, 96 cover, 97 sensor, 98 intake Mouth, 99 hand insertion part.

Claims (13)

バッテリを電源として単相モータを駆動するモータ駆動装置であって、複数のスイッチング素子を備え、前記単相モータに交流電圧を印加する単相インバータと、前記単相モータに取り付けられ、前記単相モータのロータ回転位置を検出して回転位置検出信号を出力する位置センサと、電圧指令と前記回転位置検出信号とに基づいて、複数の前記スイッチング素子をパルス幅変調制御する制御部とを備え、
前記制御部は、モータ誘起電圧を基準とする前記電圧指令の進み角である進角位相を、特定の回転数に対して、前記単相モータへの前記位置センサの取り付け位置のばらつき範囲に相当する進角調整幅内に変化させるモータ駆動装置。
A motor drive device for driving a single-phase motor using a battery as a power supply, comprising a plurality of switching elements, a single-phase inverter for applying an AC voltage to the single-phase motor, and a single-phase inverter attached to the single-phase motor, A position sensor that detects a rotor rotation position of the motor and outputs a rotation position detection signal, and a control unit that performs pulse width modulation control on the plurality of switching elements based on a voltage command and the rotation position detection signal,
Wherein the control unit, the voltage command of the advance angle a is advanced angle phase relative to the motor induced voltage, and against the specific rotational speed, the variation range of the mounting position of the position sensor to the single-phase motor A motor drive device that changes within the corresponding advance adjustment width.
前記制御部には、前記回転位置検出信号と前記単相インバータの出力電圧との位相差を調整するための位相調整角が設定され、前記位相調整角と前記進角調整幅とを、前記電圧指令の演算に用いる請求項1に記載のモータ駆動装置。   In the control unit, a phase adjustment angle for adjusting a phase difference between the rotation position detection signal and the output voltage of the single-phase inverter is set, and the phase adjustment angle and the advance angle adjustment width are set to the voltage. The motor drive device according to claim 1, which is used for calculating a command. 複数の前記スイッチング素子は金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタであり、
前記制御部は、前記単相インバータに還流電流が流れるタイミングでは、前記還流電流がボディダイオードに流れる前記金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタをオンに制御する請求項1に記載のモータ駆動装置。
The plurality of switching elements are metal oxide semiconductor field effect transistors,
2. The motor drive device according to claim 1, wherein the control unit turns on the metal oxide semiconductor field effect transistor in which the return current flows through the body diode at a timing when the return current flows through the single-phase inverter. 3.
前記制御部は、前記パルス幅変調制御を行うためのパルス幅変調信号を、ユニポーラ変調によって生成する請求項1から3の何れか一項に記載のモータ駆動装置。   4. The motor drive device according to claim 1, wherein the control unit generates a pulse width modulation signal for performing the pulse width modulation control by unipolar modulation. 5. 起動時には、前記電圧指令の振幅である電圧振幅指令に予め設定した一定の第1電圧を付与し、加速後の定常運転時には、第1電圧よりも大きな一定の第2電圧を付与する請求項1から4の何れか一項に記載のモータ駆動装置。   2. A method according to claim 1, wherein a predetermined first voltage is applied to a voltage amplitude command that is an amplitude of the voltage command at a start time, and a constant second voltage larger than the first voltage is applied during a steady operation after acceleration. The motor drive device according to any one of claims 1 to 4. 前記制御部は、低速回転域と高速回転域の境界を決める第1回転速度を設定し、
前記単相モータの回転速度が前記第1回転速度以下の場合には、前記パルス幅変調制御の変調率を1以下に設定し、前記回転速度が前記第1回転速度を超えた場合には、前記変調率を、1を超える値に設定する請求項1から4の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
The control unit sets a first rotation speed that determines a boundary between a low-speed rotation region and a high-speed rotation region,
When the rotation speed of the single-phase motor is equal to or less than the first rotation speed, the modulation rate of the pulse width modulation control is set to 1 or less, and when the rotation speed exceeds the first rotation speed, The motor drive device according to any one of claims 1 to 4, wherein the modulation factor is set to a value exceeding 1.
複数の前記スイッチング素子の内の少なくとも一つはワイドバンドギャップ半導体で形成されている請求項1から6の何れか一項に記載のモータ駆動装置。   The motor drive device according to claim 1, wherein at least one of the plurality of switching elements is formed of a wide band gap semiconductor. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム又はダイヤモンドである請求項7に記載のモータ駆動装置。   The motor driving device according to claim 7, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, gallium nitride, or diamond. 請求項1から8の何れか1項に記載のモータ駆動装置を備えた電動送風機。   An electric blower comprising the motor drive device according to claim 1. 請求項9に記載の電動送風機を備えた電気掃除機。   An electric vacuum cleaner comprising the electric blower according to claim 9. 複数の前記スイッチング素子が搭載されている基板が、前記電動送風機が発生する風流の通路に設置されている請求項10に記載の電気掃除機。   The vacuum cleaner according to claim 10, wherein the board on which the plurality of switching elements are mounted is installed in a passage of an airflow generated by the electric blower. 請求項9に記載の電動送風機を備えたハンドドライヤ。   A hand dryer comprising the electric blower according to claim 9. 複数の前記スイッチング素子が搭載されている基板が、前記電動送風機が発生する風流の通路に設置されている請求項12に記載のハンドドライヤ。   The hand dryer according to claim 12, wherein a substrate on which the plurality of switching elements are mounted is installed in a passage of an airflow generated by the electric blower.
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