JP7089449B2 - 洗濯機のインバータ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、洗濯機に搭載されるモータを駆動対象とするインバータ装置に関する。

従来より、インバータ回路の直流部に抵抗素子を１つだけ配置して電流検出を行う所謂１シャント方式において、モータに通電される３相の電流を検出する検出率を向上させるため、３相ＰＷＭ信号のパルスをシフトする技術が提案されている。

特許第５１７８７９９号公報 特許第５９２９５２１号公報

洗濯機に搭載され、パルセータや回転槽などを駆動して洗濯運転を行うモータでは、回転を短時間で停止させるために短絡ブレーキを行う。一般的な短絡ブレーキでは、インバータ回路を構成する各スイッチング素子のオンオフ状態は固定される。このようなモータの駆動を制御するため１シャント方式を適用した場合、短絡ブレーキを行う際に相電流を検出可能とするためには、スイッチング素子のオンオフ状態を切り替える必要がある。
しかしながら、短絡ブレーキを行う際にスイッチング素子のオンオフ状態を切り替えると、素子の発熱量が増加することが問題となる。

そこで、１シャント方式を適用した場合に、スイッチング素子の発熱を抑制しつつモータに制動トルクを発生させることができる洗濯機のインバータ装置を提供する。

実施形態の洗濯機のインバータ装置は、洗濯機に搭載されるモータを駆動対象とし、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフさせるインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
前記モータのロータ位置に追従するように３相のＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記電流検出素子に発生した信号と前記ＰＷＭ信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ信号の搬送波周期内の２点のタイミングで２相の電流を検出可能となるように、３相のＰＷＭ信号パターンを生成する３相変調を行い、
前記モータに制動トルクを発生させる際に、短絡ブレーキを行った後に回生ブレーキを行う第１ブレーキモードと、短絡ブレーキのみを行う第２ブレーキモードとの何れかを実行し、
前記第１ブレーキモードにおける短絡ブレーキでは、前記インバータ回路の上相側での短絡と、同下相側での短絡とを切り替えて、前記電流検出部による相電流の検出を行い、
前記第２ブレーキモードにおける短絡ブレーキでは、前記インバータ回路の上相側又は下相側での短絡の一方のみを行い、前記相電流の検出を行わないように制御する制動制御部を更に備える。

一実施形態であり、特許文献１の図１相当図 全自動洗濯機の構成を示す縦断側面図 ３相変調を行っている際に、ｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑを何れもゼロに設定した場合の３相パルス波形を示す図 位相シフトを加えた場合の図３相当図 図４に示す短絡ブレーキ時の３相パルス波形を、αβ軸上の電圧ベクトルパターンで示す図 各電圧ベクトルパターン（１）～（４）において出力される相電圧を示す図 各電圧ベクトルパターン（１）～（４）において出力されるｑ軸電圧Ｖｑとそれらの合計とを示す図 各電圧ベクトルパターン（１）～（４）において出力されるｄ軸電圧Ｖｄとそれらの合計とを示す図 一般的な洗濯機が全自動運転を行う場合の行程の一例を示す図 （Ｃ）の洗い行程においてモータ６の正転，反転を交互に行う場合のｑ軸電流Ｉｑの波形を示す図 （２）の短絡ブレーキを行った際の実際の３相ＰＷＭ信号波形を示す図 （１）の短絡ブレーキを行う場合の処理を示すフローチャート （２）の短絡ブレーキを行う場合の処理を示すフローチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。まず、図２は、全自動洗濯機３１の全体構成を示す縦断面図である。すなわち、全体として矩形状をなす外箱３２内には、水受槽３３が、４組の防振機構３４を介して弾性支持されている。尚、図示は１組のみである。この場合、防振機構３４は、上端が外箱３２内において上方に係止された吊り棒３４ａと、その吊り棒３４ａの他端側に取り付けられた振動減衰用のダンパー３４ｂとを含んで構成されている。これらの防振機構３４を介して水受槽３３が弾性支持されることにより、洗濯運転時に発生する振動が外箱３２に極力伝達されないようにしている。

上記水受槽３３内には、洗濯槽兼脱水槽用の回転槽３５が配設されており、この回転槽３５の内底部には、撹拌体，パルセータ３６が配設されている。上記回転槽３５は、槽本体３５ａと、この槽本体３５ａの内側に設けられた内筒３５ｂと、これらの上端部に設けられたバランスリング３５ｃとから構成されている。そして、この回転槽３５が回転されると、内部の水を回転遠心力により揚水して槽本体３５ａの上部の脱水孔３５ｄから水受槽３３内に放出するようになっている。

また、回転槽３５の底部には、通水口３７が形成されており、この通水口３７は、排水通路３７ａを通して排水口３８に連通されている。そして、排水口３８には、排水弁３９を備えた排水路４０が接続されている。従って、排水弁３９を閉塞した状態で回転槽３５内に給水すると、回転槽３５内に水が貯溜され、排水弁３９を開放すると、回転槽３５内の水は排水通路３７ａ、排水口３８および排水路４０を通じて排出されるようになっている。

水受槽３３の底部には、補助排水口３８ａが形成されており、この補助排水口３８ａは、図示しない連結ホースを介し前記排水弁３９をバイパスして前記排水路４０に接続され、前記回転槽３５が回転したときに、その上部から水受槽３３内に放出された水を排出するようになっている。

また、前記水受槽３３の外底部には、機構部ハウジング４１が取付けられており、この機構部ハウジング４１には、中空の槽軸４２が回転自在に設けられ、この槽軸４２には、回転槽３５が連結されている。また、槽軸４２の内部には、撹拌軸４３が回転自在に設けられており、この撹拌軸４３の上端部には、撹拌体３６が連結されている。そして、撹拌軸４３の下端部は、アウタロータ形のＤＣブラシレスモータ６のロータ６ａに連結されている。このモータ６は、洗い時には、撹拌体６を直接正逆回転駆動するようになっている。

また、モータ６は、脱水時には、図示しないクラッチにより槽軸３２と撹拌軸４３とが連結された状態で、回転槽３５および撹拌体３６を一方向に直接回転駆動するようになっている。従って、本実施形態では、モータ６の回転速度は、洗い時には撹拌体３６のそれと同一になり、脱水時には回転槽３５および撹拌体３６のそれと同一になる、いわゆる、ダイレクトドライブ方式が採用されている。

尚、本実施形態においてモータ６を駆動制御する構成は特許文献１の構成を基本としたものであるから、特許文献１に開示されている構成と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１は、特許文献１の図１相当図であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図である。特許文献１と相違している点は、ＰＷＭ信号生成部９に替わるＰＷＭ信号生成部２１が、ブレーキ制御部２２を備えている点である。また、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５は、ＩＧＢＴ５に変更されている。

制動制御部に相当するブレーキ制御部２２は、上位の制御装置等によりブレーキ指令が与えられると、シャント抵抗４により２相の電流を検出可能な状態を極力維持しながら、モータ６に制動トルクを発生させるように制御する。また、ＰＷＭ信号生成部２１は、洗濯運転の制御を行う制御部としての機能を備えており、電流検出部７により検出される各相電流に基づいてベクトル制御を行う。以上においてモータ６を除いたものがインバータ装置２３を構成している。

図３は、ベクトル制御により３相変調を行っている際に、ｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑを何れもゼロに設定した場合の３相パルス波形であり、特許文献１のように３相パルスの位相をシフトしない場合である。上アーム側のＩＧＢＴ５Ｕ＋～５Ｗ＋を同時にオンするパターンと、下アーム側のＩＧＢＴ５Ｕ－～５Ｗ－を同時にオンするパターンとが、それぞれデューティ比５０％の波形になる。つまり、上アーム側の短絡ブレーキと、下アーム側の短絡ブレーキとがそれぞれ半周期ずつ行われる。

ここで、ｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑは、電圧方程式より次式のように表される。
Ｖｄ＝Ｒ・Ｉｄ－ω・Ｌｑ・Ｉｑ
Ｖｑ＝Ｒ・Ｉｑ－ω・Ｌｄ・Ｉｄ＋ω・φ
Ｒ:抵抗[Ω]
ω：モータ角速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］
Ｉｄ:ｄ軸電流［Ａ］
Ｌｑ:ｑ軸インダクタンス［Ｈ］
Ｉｑ：ｑ軸電流［Ａ］
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス［Ｈ］
φ：誘起電圧［線間Ｖｒｍｓ／Ｈｚ］
これらの式をそれぞれ（＝０）とすることで、任意のωを与えればｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑが算出でき、短絡ブレーキにおけるトルクが求められる。しかしながら、このような３相パルスパターンでは、ＰＷＭ制御の１周期内に２相の電流を検出することができない。

そこで、本実施形態では、図３に示す３相パルス波形に対し、特許文献１において行っている位相シフトを加えることで、行程に示す３相パルス波形を出力する。すなわち、Ｕ相キャリアである三角波の谷であるＰＷＭ制御周期の中央位相を基準として、Ｕ相上アームのパルスＵ＋はそのまま図中右方向にパルスを伸ばし、Ｖ相上アームのパルスＶ＋は図中左方向にパルスを伸ばし、Ｗ相上アームのパルスＷ＋は図中右方向にパルスを伸ばす。これにより、図３に示す３相パルス波形と同様の短絡ブレーキがモータ６に作用する。そして、例えば電流を検出するタイミングが、中央位相近傍の遅れ側と進み側との２点であれば、中央位相より遅れ側近傍の期間ではＷ相電流（－）が検出でき、同進み側近傍の期間ではＶ相電流（－）が検出できる。以降では、このような位相シフトを「シフト２ＰＷＭ」と称すことがある。

図５は、図４に示す短絡ブレーキの３相パルス波形を、αβ軸上の電圧ベクトルパターンで示したものである。これらの図に示すように、シフト２ＰＷＭでの３相変調による短絡ブレーキは、パターン（１）～（４）を繰り返すものとなる。図６は、各電圧ベクトルにおいて出力される相電圧を示しており、各相電圧の和は何れの電圧ベクトルでもゼロになる。また、図７は各電圧ベクトルにおけるｑ軸電圧Ｖｑとそれらの合計を示し、図８は各電圧ベクトルにおけるｄ軸電圧Ｖｄとそれらの合計を示している。各電圧ベクトルについてＶｑ，Ｖｄが値を持つように発生するが、４つの電圧ベクトルの合計が何れもゼロとなる。したがって、Ｖｑ＝０，Ｖｄ＝０と同様の短絡ブレーキが作用する。

図９は、一般的な洗濯機が全自動運転を行う場合の行程を示すもので、横軸が経過時間（分）、縦軸がモータ６の回転数（ｒｐｍ）である。これらの内、（Ｆ）すすぎ脱水（１）行程，（Ｇ）すすぎ撹拌（１）行程，（Ｋ）すすぎ脱水（２）行程，（Ｐ）最終脱水行程を終了する際に行うブレーキは、（２）短絡ブレーキと回生ブレーキとの組合せであり、その他の行程にて行われるブレーキは、（１）短絡ブレーキのみである。

そして、（１）の短絡ブレーキを行う際には電流検出は不要であるから、一般的な短絡ブレーキを行えば良く、上アーム側のＩＧＢＴ５Ｕ＋～５Ｗ－を同時にオンするパターンか、又は下アーム側のＩＧＢＴ５Ｕ－～５Ｗ－を同時にオンするパターンを継続すれば良い。（２）の短絡ブレーキを行う際には、シフト２ＰＷＭでの３相変調により電流検出を行う。上記（２）は第１ブレーキモードに相当し、上記（１）は第２ブレーキモードに相当する。

図１０は、例えば（Ｃ）洗い行程においてモータ６の正転，反転を交互に行う場合のｑ軸電流Ｉｑの波形であり、回転方向を変化させるためモータ６の回転を停止させる際には（１）の短絡ブレーキを行う。その際には、図１２に示すように、１ｍ秒毎の割込み処理において、短絡ブレーキを開始すると（Ｓ１）、モータ６の回転が停止するまで（Ｓ２；ＮＯ）短絡ブレーキを継続し、モータ６の回転が停止すると（Ｓ２；ＹＥＳ）短絡ブレーキを終了する。

図１１は、（２）の短絡ブレーキを行った際の実際の３相ＰＷＭ信号波形であり、上述した電圧ベクトルパターン（１）～（４）が繰り返されている。図中に示すＡＤ１，ＡＤ２が電流の検出タイミングである。この場合は、図１３に示すように、同じく１ｍ秒毎の割込み処理において、先ず「ステージ」の設定が無しか否かを判断し（Ｓ１１）、設定が無ければ（ＹＥＳ）「ステージ」を「短絡ブレーキ１」に設定する（Ｓ１２）。

一方、ステップＳ１１において「ステージ」の設定があれば（ＮＯ）、その設定が「短絡ブレーキ１」か否かを判断する（Ｓ１３）。「短絡ブレーキ１」であれば（ＹＥＳ）シフト２ＰＷＭでの短絡ブレーキを開始する（Ｓ１４）。その開始から０．５秒が経過すると（Ｓ１５；ＹＥＳ）、「ステージ」を「回生ブレーキ初期設定」に設定する（Ｓ１６）。

ステップＳ１３において、「ステージ」の設定が「短絡ブレーキ１」でなければ（ＮＯ）、「ステージ」の設定が「回生ブレーキ初期設定」か否かを判断する（Ｓ１７）。「回生ブレーキ初期設定」であれば（ＹＥＳ）、ｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆ又はｑ軸電圧Ｖｑの値を負に設定することで回生ブレーキを開始する（Ｓ１８）。回生ブレーキの実行中は、勿論電流検出が可能である。そして、「ステージ」を「回生ブレーキ制御」に設定する（Ｓ１９）。

ステップＳ１７において、「ステージ」の設定が「回生ブレーキ初期設定」でなければ（ＮＯ）、「ステージ」の設定が「回生ブレーキ制御」か否かを判断する（Ｓ２０）。「回生ブレーキ制御」であれば（ＹＥＳ）、モータ６の回転数が１００ｒｐｍ以下に低下したか否かを判断する（Ｓ２１）。１００ｒｐｍ以下になれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１４と同様に短絡ブレーキを開始する（Ｓ２２）。それから、「ステージ」を「短絡ブレーキ２」に設定する（Ｓ２３）。

ステップＳ２０において、「ステージ」の設定が「回生ブレーキ」でなければ（ＮＯ）、「ステージ」の設定が「短絡ブレーキ２」か否かを判断する（Ｓ２４）。「短絡ブレーキ２」であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ２，Ｓ３と同様の処理を行う（Ｓ２５、Ｓ２６）。すなわち、回生ブレーキを行うことで回転数が１００ｒｐｍ以下に低下すれば、再度短絡ブレーキに切り替えて、モータ６の回転が停止するまで継続する。

以上のように本実施形態によれば、インバータ回路３を構成するＩＧＢＴ５Ｕ±，Ｖ±，Ｗ±を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフ制御する際に、インバータ回路３の直流母線２ｂ側にシャント抵抗４を接続し、ＰＷＭ信号生成部２１が、モータ６の相電流に基づいてロータ位置θを決定し、そのロータ位置θに追従するように３相のＰＷＭ信号パターンを生成する。電流検出部７が、シャント抵抗４に発生した信号とＰＷＭ信号パターンとに基づきモータ６の相電流を検出する場合、ＰＷＭ信号生成部２１は、電流検出部７が、キャリア周期内の２点のタイミングで２相の電流を検出可能となるように３相のＰＷＭ信号パターンを生成する。

具体的には、３相のＰＷＭ信号のうち１相は、キャリア周期の中間位相を基準として遅れ側，進み側の双方向にデューティパルスを増減させ、他の１相は、前記基準より遅れ方向にデューティパルスを増減させ、残りの１相は、前記基準より進み方向にデューティパルスを増減させる。そして、ブレーキ制御部２２は、モータ６に制動トルクを作用させる際には、短絡ブレーキを行った後に回生ブレーキを行う第１ブレーキモードと、短絡ブレーキのみを行う第２ブレーキモードとの何れかを実行する。

第１ブレーキモードにおける短絡ブレーキでは、インバータ回路３の上相側での短絡と、同下相側での短絡とを切り替え、第２ブレーキモードにおける短絡ブレーキでは、インバータ回路の上相側又は下相側での短絡の一方のみを行う。これにより、１シャント電流検出方式を採用した構成においても、第１ブレーキモードでは、極力３相の電流を検出しながらモータ６に制動トルクを作用させることが可能になる。

具体的には、洗い運転時において６モータの回転方向を交互に切り替えるため制動トルクを発生させる際や、電源が投入された直後にモータ６に制動トルクを発生させる際には、第２ブレーキモードを実行する。また、脱水行程においては第１ブレーキモードを実行し、最初に短絡ブレーキを行い、回生電力を減少させてから回生ブレーキを行うことで回路素子等に過電圧が印加されることを回避できる。そして、モータ６の回転数が閾値である１００ｒｐｍ以下に低下すると、再度短絡ブレーキを行うように切り替え、その際には第２ブレーキモードと同様の短絡ブレーキを行う。これにより、モータ６をより短い時間で停止させることができる。

（その他の実施形態）
回転数や周波数の具体数値については、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
電流を検出する２点のタイミングは必ずしも常時固定する必要は無く、検出率を向上させるために適宜変更しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、３はインバータ回路、４はシャント抵抗、６はモータ、７は電流検出部、２１はＰＷＭ信号生成部、２２はブレーキ制御部を示す。

Claims (5)

1. 洗濯機に搭載されるモータを駆動対象とし、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフさせるインバータ回路と、
   前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
   前記モータのロータ位置に追従するように３相のＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記電流検出素子に発生した信号と前記ＰＷＭ信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部とを備え、
   前記ＰＷＭ信号生成部は、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ信号の搬送波周期内の２点のタイミングで２相の電流を検出可能となるように、３相のＰＷＭ信号パターンを生成する３相変調を行い、
   前記モータに制動トルクを発生させる際に、短絡ブレーキを行った後に回生ブレーキを行う第１ブレーキモードと、短絡ブレーキのみを行う第２ブレーキモードとの何れかを実行し、
   前記第１ブレーキモードにおける短絡ブレーキでは、前記インバータ回路の上相側での短絡と、同下相側での短絡とを切り替えて、前記電流検出部による相電流の検出を行い、
   前記第２ブレーキモードにおける短絡ブレーキでは、前記インバータ回路の上相側又は下相側での短絡の一方のみを行い、前記相電流の検出を行わないように制御する制動制御部を更に備える洗濯機のインバータ装置。
2. 前記制動制御部は、洗い運転時において前記モータの回転方向を交互に切り替えるため前記モータに制動トルクを発生させる際には、前記第２ブレーキモードを実行する請求項１記載の洗濯機のインバータ装置。
3. 前記制動制御部は、電源が投入された直後に前記モータに制動トルクを発生させる際には、前記第２ブレーキモードを実行する請求項１又は２記載の洗濯機のインバータ装置。
4. 前記制動制御部は、前記第１ブレーキモードにおいて回生ブレーキを行うことで前記モータの回転数が閾値以下に低下すると、再度短絡ブレーキを行うように切り替える請求項１から３の何れか一項に記載の洗濯機のインバータ装置。
5. 前記制動制御部は、前記第１ブレーキモードで回生ブレーキ後に行う短絡ブレーキは、前記第２ブレーキモードと同様の短絡ブレーキである請求項４記載の洗濯機のインバータ装置。

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