JP7108812B2 - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Description

本開示は、ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫に関する。

従来、この種のモータ駆動装置では、モータをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御で駆動させている。ＰＷＭ制御では、ＰＷＭのオン幅によってモータへの印加電圧を制御することになるため、現在のモータの回転速度（以下、特記する場合を除き、単に速度と称す）が低いほどＰＷＭオン比率は低く、速度が高いほどＰＷＭオン比率は高くなる。

また、モータの起動時はモータの回転速度が最も低くなるため、ＰＷＭのオン比率は極端に低くなり、ＰＷＭのオン時間は短くなる。ＰＷＭのオン時間が短くなることで、端子電圧が立ち上がる前にオフしてしまい、正確に位置検出ができなくなる。このため、ＰＷＭのオン時間を確保できるよう、ＰＷＭ周期を低くするなどの対策が行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、端子電圧のオン時に発生するリンギングを検出すると、位置誤検出となるため、一般的にリンギングが収束してから位置検出を行う。しかしながら、モータの起動時は、ＰＷＭのオン時間が短く、リンギング収束前に端子電圧がオフしてしまう。このため、モータの起動時のみ、位置検出の閾値を変更するなどの対策も行われている（例えば、特許文献２）。

図６は、特許文献１に記載された従来のモータ駆動装置である。図６に示すように、従来のモータ駆動装置１００は、ブラシレスＤＣモータ１０１と、ブラシレスＤＣモータ１０１を駆動するための複数のスイッチング素子で構成されたインバータ１０２と、インバータ１０２のスイッチングをＰＷＭ制御するドライバ部１０３と、ブラシレスＤＣモータ１０１が起動中かどうかを判断し、判断結果をドライバ部１０３に入力する起動判断部１０４を備えている。

ドライバ部１０３は、ブラシレスＤＣモータ１０１を駆動させるためのインバータ１０２の複数スイッチング素子をオンおよびオフする。また、ドライバ部１０３は、ＰＷＭ制御によってオン時間を変化させ、ブラシレスＤＣモータ１０１の回転数を制御している。起動判断部１０４は、ブラシレスＤＣモータ１０１が起動中であるか否かを判断し、ドライバ部１０３に判断結果を入力する。ドライバ部１０３では、ブラシレスＤＣモータ１０１が起動中である場合には、ＰＷＭキャリア周波数を、通常の運転中のＰＷＭキャリア周波数より低くする。また、ドライバ部１０３では、低いＰＷＭキャリア周波数で位置検出が十分可能な状態までブラシレスＤＣモータ１０１の回転速度を加速した後に、通常の運転に切り替え、ＰＷＭキャリア周波数を起動中より高く設定する。

これにより、ＰＷＭのオン幅が大きくなり、インバータ１０２のスイッチング素子を駆動する際にパルスが十分に立ち上がる。したがって、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧のピーク値が本来のレベルになり、ブラシレスＤＣモータの起動中における回転子の位置検出を確実に行うことができる。

しかしながら、特許文献１に示す従来の構成は、ブラシレスＤＣモータの起動時にＰＷＭキャリア周波数を低下させ、オフ時間幅も長くなる。これにより、ブラシレスＤＣモータの磁極位置を検出できない期間が長くなるため、位置検出精度が低下し、起動性悪化につながる。また、特許文献１に示す従来の構成では、ＰＷＭキャリア周波数を自由に選択できないため、共振による騒音が発生するなどの課題がある。

また、特許文献２に示す従来の構成では、リンギングのピーク値は電流値の影響を受けるため、起動時の負荷の大きさによってリンギングのピーク値が変わる。これにより、起動時の負荷が一定ではない冷蔵庫のようなシステムにおいては、位置検出タイミングが起動時の負荷によってずれ、安定した起動が困難となる課題がある。

特開平８－２２３９７１号公報 特開２００３－１１１４８２号公報

本開示は、上記のような従来の課題に鑑みてなされたものであり、負荷トルク変動が大きな状態でも、安定して起動するモータ駆動装置を提供する。

具体的には、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置は、波形生成部とドライブ部とを備える。波形生成部は、通電角が１２０度以下の矩形波またはそれに準じる波形をＰＷＭによって生成する。ドライブ部は、波形生成部によって生成された波形でドライブ信号を出力し、ブラシレスＤＣモータを起動させる。
また、印加電圧決定部と、を備え、前記印加電圧決定部はモータへ印加する電圧を決定し、前記波形生成部は、前記ブラシレスＤＣモータの磁極位置の検出に必要なオン幅を確
保できないときに、前記印加電圧決定部が決定した印加電圧が一定に保たれるように、前記ＰＷＭ波形生成部が生成するＰＷＭオン比率で不足している比率の半分の割合を１２０度に乗じ、１２０度から減じた通電角で駆動するモータ駆動装置。

このような構成により、同じＰＷＭキャリア周波数であっても、ＰＷＭのオン幅を広げることが可能となる。このため、１２０度通電方式では位置検出できないような狭いＰＷＭのオン幅でも、通常運転で使用するキャリア周波数のまま、位置検出が可能となり、安定したモータの起動が可能となる。

また、このような構成により、リンギングの周期は、モータまたは回路インピーダンスによって決定され、負荷によらず収束時間はほぼ一定となる。このため、同じＰＷＭキャリア周波数でＰＷＭオン幅を広げることによって、リンギングが収束するまでの時間を確保できることとなる。よって、このような構成により、負荷の大きさの影響を受けず安定したモータの駆動が可能となる。

また、このような構成により、９０度だけではなく、１２０度未満の中で自由に選択できその結果、電圧変動など単純に９０度と１２０度の切替では対応できない内容に対応できる。また、通常は特別な対応が必要なく起動し、入力電圧が高くなるなどのＰＷＭオン幅が狭くなるような異常状態のときに、位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保できることとなる。これにより、異常時でも安定したモータの駆動が可能となる。

また、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータが組み込まれた圧縮機をさらに備えていてもよい。この場合、ブラシレスＤＣモータが動作させる負荷が、圧縮機の圧縮要素であってもよい。このような構成により、非常に負荷が軽い起動でも位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保することができる。よって、このような構成により、起動時の負荷が一定でない圧縮機を安定して起動させることができる。

また、本開示は、上述したモータ駆動装置のいずれかを備えた冷蔵庫を提供する。上述したモータ駆動装置のいずれかを備えた冷蔵庫は、圧縮機、凝縮器、減圧器、および、蒸発器がこの順に接続された冷凍サイクルを備えていてもよい。このような構成により、冷蔵庫の負荷が軽く、ブラシレスＤＣモータの起動に必要な印加電圧が小さくても、位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保することが可能となり、冷蔵庫の周囲温度が低い温度条件でも、安定したモータの起動が可能となる。

図１は、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置のブロック図である。 図２は、本開示の実施の形態の一例によるブラシレスＤＣモータ５の負荷が軽いときの端子電圧の波形（Ａ）、および、ブラシレスＤＣモータ５の負荷が重いときの端子電圧の波形（Ｂ）を表す図である。 図３は、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置の、一般的なブラシレスＤＣモータ起動時のスイッチング素子をスイッチングする波形（Ａ）、および、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置の、起動時のスイッチング素子をスイッチングする波形（Ｂ）を表す図である。 図４は、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置における、ブラシレスＤＣモータの起動時と通常時とで、ＰＷＭオン時間および通電角を変更する波形生成部の動作の流れを示すフローチャートである。 図５は、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置における、ＰＷＭの最小オン時間が確保する波形生成部の動作の流れを示すフローチャートである。 図６は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。

以下、本開示の実施の形態の例を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本開示が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置のブロック図である。

図１において、交流電源１は、一般的な商用電源で、例えば日本においては、実効値１００Ｖの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源である。

図１に示すように、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置１２は、整流回路２、平滑部３、インバータ４、位置検出部６、速度検出部７、印加電圧決定部８、電圧検出部９、波形生成部１０、および、ドライブ部１１で構成される。モータ駆動装置１２は、交流電源１に接続され、ブラシレスＤＣモータ５を駆動させる。

整流回路２は、交流電源１を入力として交流電力を直流電力に整流するものであり、ブリッジ接続された４個の整流ダイオード２ａ～２ｄで構成される。

平滑部３は、整流回路２の出力側に接続され、整流回路２の出力を平滑する。本実施の形態においては、平滑部３は、平滑コンデンサまたはリアクタによって構成される。本実施の形態においては、回路構成の単純化のため、平滑部３が平滑コンデンサのみで構成されている例を示す。

なお、平滑部３にリアクタを用いる場合は、交流電源１とコンデンサとの間に挿入すればよく、整流ダイオード２ａ～２ｄの前後どちらでも構わない。また、リアクタについて、高周波除去部を構成するコモンモードフィルタを回路に設けた場合は、高周波除去部のリアクタンス成分との合成成分を考慮する。

インバータ４は、平滑部３からの直流電力を交流電力に変換する。インバータ４は、６個のスイッチング素子４ａ～４ｆを３相ブリッジ接続して構成される。また、６個の還流電流用ダイオード４ｇ～４ｌは、スイッチング素子４ａ～４ｆに、それぞれ逆方向に接続される。

ブラシレスＤＣモータ５は、永久磁石を有する回転子５ａと、３相巻線を有する固定子５ｂとから構成される。ブラシレスＤＣモータ５においては、インバータ４により作られた３相交流電流が固定子５ｂの３相巻線に流れることにより、回転子５ａが回転する。

位置検出部６は、固定子５ｂの３相巻線に発生する誘起電圧、並びに、固定子５ｂの３相巻線に流れる電流および印加電圧などから、回転子５ａの磁極位置を検出する。本実施の形態においては、位置検出部６は、ブラシレスＤＣモータ５の端子電圧を取得し、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの磁極相対位置を検出する。具体的には、位置検出部６は、固定子５ｂの３相巻線に発生する誘起電圧に基づいて、回転子５ａの相対的な回転位置を検出する。より具体的には、誘起電圧と基準となる電圧とを比較し、ゼロクロスを検出する。誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧は、３相分の端子電圧から仮想中点を作っても良いし、直流母線電圧を取得しその電圧としても良い。本実施の形態では、誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧は、仮想中点とする。誘起電圧から検出する方式は、構成が簡単でより安価に構成することが可能となる。

速度検出部７は、位置検出部６が検出する位置情報から、ブラシレスＤＣモータ５の現在の回転速度および過去一回転の平均速度を計算する。本実施の形態では、誘起電圧のゼロクロス検出からの経過時間を測定し、この経過時間から誘起電圧ゼロクロスの間隔を区間経過時間として計算する。最新の区間経過時間からブラシレスＤＣモータ５の現在の回転速度を計算する。また、速度検出部７は、区間経過時間の過去一回転分の和を算出し、結果から一回転の平均速度を算出する。

印加電圧決定部８は、速度検出部７で検出された一回転の平均速度と、外部から入力される目標速度とを比較する。目標速度のほうが一回転の平均速度より高ければ、印加電圧決定部８は、ブラシレスＤＣモータ５への印加電圧を上げるよう決定し、決定した印加電圧を波形生成部１０へ入力する。目標速度が一回転の平均速度より低ければ、印加電圧決定部８は、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を下げるよう決定し、決定した印加電圧を波形生成部１０へ入力する。目標速度が一致していれば、印加電圧決定部８は、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を維持するよう決定し、決定した印加電圧を波形生成部１０へ入力する。

電圧検出部９は、平滑部３で平滑されインバータ４に入力される直流母線電圧の値を検出する。検出する方法としては、インピーダンスの高い抵抗により降圧した値を取り込み、分圧比から元の値を取得する方法などがとられる。この方法は、耐圧が通常５Ｖ以下であるマイコン（マイクロコンピュータ）で電圧を検出する際に有効で、かつ安価に構成することができる。また、ノイズを除去するフィルタとして、コンデンサなどが直流母線電圧を検出するマイコンの近傍の入力ライン上に挿入される。フィルタ用のコンデンサには、静電容量が数十ｐＦのものから数十μＦのものが選択される。平滑部３のリプル成分の除去が必要な場合は、静電容量の大きなコンデンサを選択し、リプルも含めた精密な電圧値を必要とする場合は、静電容量が小さなコンデンサを選択する。本実施の形態では、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を精度良く制御するために、抵抗による分圧および１００ｐＦのノイズフィルタによる構成とする。これにより、非常に安価な構成で電圧を精度よく検出できる。

波形生成部１０は、印加電圧決定部８で決定された印加電圧値と、電圧検出部９で検出された直流母線電圧値とから、ＰＷＭのオン比率を決定する。ＰＷＭオン比率の計算には、印加電圧決定部８で決定された印加電圧値を、電圧検出部９で検出された直流母線電圧値で除算することで算出する。直流母線電圧値が一定ならば、印加電圧値が大きいほどＰＷＭオン比率は大きくなるが、直流母線電圧値が大きくなると、ＰＷＭオン比率は小さくなる。

また、波形生成部１０は、通電率を決定する際に、ブラシレスＤＣモータ５が停止状態から回転を始め、所定の状態に到達していない状態である起動時かどうかを判定する。起動時であれば、波形生成部１０は、通常のＰＷＭオン比率の計算結果に、１２０度と９０度との差分の２倍を１２０度から引いた６０度で、１２０度を除算した結果となる２を乗じた値を、オン比率とする。起動時かどうかの判定は、ブラシレスＤＣモータ５の現在の回転速度が、外部から入力される目標速度以下かつ所定値以下のときとする、または、起動開始時にフラグをセットし、目標速度に到達したらフラグをクリアするなどの方法で、容易に判定することできる。本実施の形態では、波形生成部１０は、目標速度と、ブラシレスＤＣモータ５の現在の回転速度とから起動を判定する。この方法では、駆動に必要な情報のみで判定できるため、情報の種類を削減でき、マイコンなどのＲＡＭ使用量低減などにより安価に構成できる。

さらに、波形生成部１０では、位置検出部６で検出された位置検出のタイミングから、ブラシレスＤＣモータ５の通電する相を決定し、速度検出部７で計算した現在の速度から通電相を切り換えるタイミングを計算し、インバータ１０２のスイッチング素子４ａ～４ｆの出力を切り換える。ブラシレスＤＣモータ５は、３相モータであるので、通電相の通電期間は、電気角で６０度ごとに組合せが変わり、一つの相の通電期間は、基本的に１２０度通電後、６０度オフを繰り返す。ただし、ブラシレスＤＣモータ５の起動時は、波形生成部１０は、通電期間が９０度となるよう通電角を制御し、通常の通電角である１２０度から、ブラシレスＤＣモータ５の起動時の通電角である９０度の差である３０度と、通常のオフ期間である６０度加算した９０度のオフ期間を設ける。スイッチング素子４ａ，４ｃ，４ｅは、それぞれ１２０度ずつずれ、順番に通電が開始される。スイッチング素子４ｂ，４ｄ，４ｆも同様に、１２０度ずつずれ、順番に通電が開始される。さらに、スイッチング素子４ａとスイッチング素子４ｂ、スイッチング素子４ｃとスイッチング素子４ｄ、および、スイッチング素子４ｅとスイッチング素子４ｆは、１８０度ずれて通電が開始される。これによって回転磁界が形成され、ブラシレスＤＣモータ５が回転する。

波形生成部１０は、ＰＷＭオン比率の計算結果およびキャリア周波数から、インバータ４の通電相にあたるスイッチング素子４ａ～４ｆいずれかが、ＰＷＭで周期的にオンする時間およびオフする時間を決定する。波形生成部１０は、このＰＷＭオン時間とＰＷＭオフ時間を決定する際に、オンする時間が、予め決定していたＰＷＭの最小オン時間となった場合に、ＰＷＭの最小オン時間を維持できるよう、通電期間を狭める。

ここで、Ｔｄは最終的な通電期間、Ｔｎは現在の通電期間、ＴｐはＰＷＭのオン時間、および、ＴｍはＰＷＭの最小オン時間を表す。この場合、波形生成部１０は、ＰＷＭの最小オン時間Ｔｍに対してＰＷＭのオン時間Ｔｐの不足している割合の半分の比率で、現在の通電期間Ｔｎを狭める。式で表すと（数１）となる。

これを変形すると、（数２）となり、例えばＴｐをＴｍで除算した結果が０．８であれば、０．８の半分の０．４に０．５を加算した０．９倍の通電期間となるので、通電期間は１０８度となる。

ドライブ部１１は、波形生成部１０から出力される信号によって、インバータ４のスイッチング素子４ａ～４ｆのオンまたはオフ（以下、オン／オフと記す）する。

冷蔵庫２２は、圧縮機１７、凝縮器１９、減圧器２０、および、蒸発器２１で構成された冷凍サイクルを搭載し、蒸発器２１で冷却された空気を冷蔵室および冷凍室に送ることで、冷蔵庫２２の筐体内部を冷却する。圧縮機１７の圧縮方式（機構方式）は、ロータリ型またはスクロール型など、任意の方式が用いられる。本実施の形態においては、レシプロ型を採用している。レシプロ型の圧縮方式は、圧縮要素である冷媒の漏れが少なく、低速では効率よく圧縮することができる。本実施の形態においては、圧縮機１７は、レシプロ型であるため、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａに接続されたクランクシャフト（図示せず）により、回転運動は往復運動に変換される。クランクシャフトに接続されたピストン（図示せず）は、シリンダ（図示せず）内を往復することとなり、シリンダ内の冷媒を圧縮する。

圧縮機１７で圧縮された冷媒は、凝縮器１９、減圧器２０、および、蒸発器２１を順に通って、再び圧縮機１７に戻る冷凍サイクルを構成する。このとき、凝縮器１９では放熱を、蒸発器２１では吸熱を行うので、冷却および加熱を行うことができる。

以上のように構成されたモータ駆動装置１２について、図面を参照しながら説明する。

まず、図２を用いて、ＰＷＭの最小オン時間の決定について説明する。

図２の波形（Ａ）は、ブラシレスＤＣモータ５が駆動させる負荷が小さいときの、ブラシレスＤＣモータ５のスイッチング素子４ｃにつながる端子電圧の波形を示している。

図２の波形（Ｂ）は、ブラシレスＤＣモータ５が駆動させる負荷が大きいときの、ブラシレスＤＣモータ５のスイッチング素子４ｃにつながる端子電圧の波形を示している。

図２において、スイッチング素子４ｆは、常時オンされており、Ｔ１でスイッチング素子４ａがオンされ、Ｔ３でスイッチング素子４ａがオフされる。これに伴い、ブラシレスＤＣモータ５のスイッチング素子４ｃにつながる相の端子電圧に、誘起電圧がＴ１で立ち上がり、Ｔ３でオフする。

しかし、Ｔ１からＴ３の区間では、誘起電圧だけでなく、Ｔ１での立ち上がりとともにリンギング電圧が発生する。ブラシレスＤＣモータ５が動作させる負荷の軽い図２の波形（Ａ）より、ブラシレスＤＣモータ５が動作させる負荷の重い図２の波形（Ｂ）の方が、リンギング電圧のピークは高くなる。一方で、リンギング電圧の周期は図２の波形（Ａ）と波形（Ｂ）で変わらず、Ｔ２の時間で２周期となり、ともにほぼ収束し、誘起電圧そのものの電圧が現れる。

このように、リンギングを含めて位置検出の閾値を決定することは困難であるが、例えば「Ｔ２以降のみ位置検出を行う」のように、リンギングの影響がでないよう位置検出を行うことは容易である。ただし、このためには、ＰＷＭのオン時間をＴ２以上確保することが必要であるため、あらかじめリンギングの収束時間を測定し、ＰＷＭの最小オン時間として決定し、ＰＷＭの最小オン時間として決定する。

次に、図３を用いて、通電角およびＰＷＭのオン時間の変更を説明する。

図３の波形（Ａ）は、ブラシレスＤＣモータ５の一般的な起動時のスイッチング素子４ａをスイッチングする波形を表す。図３の波形（Ｂ）は、本実施の形態のブラシレスＤＣモータの起動時のスイッチング素子４ａをスイッチングする波形を表す。

図３の波形（Ａ）および波形（Ｂ）において、横軸は、時間を表し、縦軸は、スイッチング素子４ａのスイッチング波形の状態のオンとオフを示している。図３の波形（Ａ）および波形（Ｂ）において、Ｔ４は、スイッチング素子４ａの通電開始タイミングであり、Ｔ６で１２０度相当の時間が経過する。本実施の形態において、位置検出に必要な時間はＰ１である。図３の波形（Ａ）において、ＰＷＭのオン時間は、Ｐ１よりも短いＰ２であり、必要なＰＷＭのオン時間がＰ３だけ不足しており、位置検出が安定せず、ブラシレスＤＣモータの正常な起動を行うことができない。

一方、図３の波形（Ｂ）において、ＰＷＭのオン時間はＰ４とし、図３の波形（Ａ）におけるＰＷＭのオン時間の２倍となるよう変更する。一方で、通電期間は、Ｔ４からＴ５の時間となり、９０度相当とする。２相ある通電相に対して、６０度ずらして３０度の間、１相のみ通電することとなるので、１２０度の間に３０度が２回の計６０度、１相のみの通電となり、その間は電流がインバータ４から供給されない。このため、通電期間の９０度は、図３の波形（Ａ）の通電期間である１２０度に対し、電流を供給する区間が半分となる。ＰＷＭのオン時間の２倍で通電角での電流を供給する倍率が１／２となるので、通電期間の平均電圧は維持され、目的の印加電圧が保たれることとなる。

また、ＰＷＭオン時間を２倍したことにより、位置検出に必要なＰＷＭオン時間は確保され、ＰＷＭオン時間が短い状態である起動から正確な位置検出が行え、安定した起動が可能となる。

次に、図４を用いて、ブラシレスＤＣモータ５の起動時および通常運転時のＰＷＭオン時間、並びに、通電角を変更する動作の詳細を説明する。

図４は、本実施の形態のブラシレスＤＣモータ５の起動時および通常時で、ＰＷＭオン時間および通電角を変更する波形生成部１０のフローチャートである。

まず、ＳＴＥＰ１０１において、波形生成部１０が、目標速度、および、速度検出部７が検出するブラシレスＤＣモータ５の現在の回転速度から、ブラシレスＤＣモータ５が起動中かどうかを判定する。判定は、目標速度より現在の回転速度が低く、かつ現在の回転速度が、例えば１５ｒ／ｓ以下のときは、起動中とする。この場合は、目標速度が３０ｒ／ｓで、速度検出部７からの現在の回転速度が１０ｒ／ｓであれば、起動中となる。ここで、判定の結果が起動中として（ＳＴＥＰ１０１でＹｅｓ）、ＳＴＥＰ１０２に移行する。

ＳＴＥＰ１０２では、波形生成部１０が現在出力しようとしているＰＷＭオン時間を２倍に増加させ、ドライブ部１１に出力するよう設定する。そして、ＳＴＥＰ１０３に移行する。

ＳＴＥＰ１０３では、ブラシレスＤＣモータ５の通電相を切り換えずに通電を続ける期間である通電期間を、１２０度相当の時間から、１２０度の２倍の逆数の半分である１／４を１２０度から減じた９０度の時間にし、９０度経過時点で出力を停止させる。そして、１２０度相当の時間で通電相を切り換える。このように出力する相とタイミングを決定しながらＰＷＭ波形をドライブ信号に出力する。これによってＰＷＭオンの時間を増加させつつ、通電相の１２０度区間に印加される電圧の平均は、ＳＴＥＰ１０２およびＳＴＥＰ１０３を実行する前と同等となる。

一方、ＳＴＥＰ１０１においてブラシレスＤＣモータ５が起動中でないと判断した場合（ＳＴＥＰ１０１でＮｏ）、ＳＴＥＰ１０４に移行する。

ＳＴＥＰ１０４では、波形生成部１０が現在設定されているＰＷＭオン幅をそのまま、ドライブ部１１に出力するよう設定し、ＳＴＥＰ１０５に移行する。

ＳＴＥＰ１０５では、通電期間を１２０度とし、１２０度ごとに通電相を切り換えながら、ＰＷＭ波形をドライブ信号に出力する。

以上のＳＴＥＰ１０１～ＳＴＥＰ１０５を、通電相の切り換えごとに行うことで、位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保しながら確実な起動を行い、通常運転時は、よりブラシレスＤＣモータ５の効率が良い１２０度通電で駆動を行うことができる。

次に、図５を用いて、波形生成部１０が電圧変動等により必要なＰＷＭオン幅が確保できない場合の動作について説明する。

ＳＴＥＰ２０１では、まず電圧検出部９で検出したインバータ４に入力される直流母線電圧の値を波形生成部１０が取得し、ＳＴＥＰ２０２に移行する。

ＳＴＥＰ２０２では、印加電圧決定部８で計算した印加電圧値を波形生成部１０が取得し、ＳＴＥＰ２０３に移行する。

ＳＴＥＰ２０３では、ＳＴＥＰ２０１で取得した直流母線電圧で、ＳＴＥＰ２０２で取得した印加電圧値を除算し、その結果をＰＷＭのオン比率として格納する。そしてＳＴＥＰ２０４へ移行する。

ＳＴＥＰ２０４では、ＳＴＥＰ２０３で計算したＰＷＭのオン比率と、ブラシレスＤＣモータの速度範囲または共振などからあらかじめ決定するＰＷＭキャリア周波数から、ＰＷＭのオン時間を設定する。具体的には、ＰＷＭキャリアの周期とＰＷＭのオン比率とを乗算した結果を、ＰＷＭのオン時間として設定する。そして、ＰＷＭのオン時間設定後にＳＴＥＰ２０５に移行する。

ＳＴＥＰ２０５では、ＳＴＥＰ２０４で計算したＰＷＭのオン時間が、端子電圧に発生するリンギング電圧の収束時間または処理時間などからあらかじめ決定されるＰＷＭの最小オン時間未満かどうかを判定する。このＰＷＭの最小オン時間よりもＰＷＭのオン時間が短ければ、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの磁極位置の検出が正確に行われず、駆動することができなくなる。判定の結果、ＰＷＭのオン時間がＰＷＭの最小オン時間未満であるとし、ＳＴＥＰ２０６に移行する。

ＳＴＥＰ２０６では、ＰＷＭのオン時間がＰＷＭの最小オン時間よりも短いため、どの程度充たせているかの割合を計算する。具体的にはＰＷＭのオン時間をＰＷＭの最小オン時間で除算する。除算した結果を充足率として格納し、ＳＴＥＰ２０７へ移行する。

ＳＴＥＰ２０７では、現在の通電角と速度とから計算される通電期間に、ＳＴＥＰ２０６で計算した充足率を（式２）に適用し、最終的に出力する通電期間として、ドライブ部１１を制御し、ブラシレスＤＣモータの通電相を切り換える。そして、ＳＴＥＰ２０８へ移行する。

ＳＴＥＰ２０８では、通電期間を変更したので、ＰＷＭのオン時間をＰＷＭの最小オン時間に変更し、ドライブ部１１に出力する。ＰＷＭの最小オン時間に対するＰＷＭのオン時間の不足分を通電角に相当する通電期間で減じることにより、通電角１２０度区間の平均印加電圧は印加電圧決定部８で決定した印加電圧値となる。

一方で、ＳＴＥＰ２０５でＰＷＭのオン時間がＰＷＭの最小オン時間以上である場合（ＳＴＥＰ２０５でＮｏ）、ＳＴＥＰ２０９に移行する。

ＳＴＥＰ２０９では、ＰＷＭのオン時間は変更せず、ＳＥＴＰ２１０へ移行する。

ＳＴＥＰ２１０では、通電期間はそのままでＳＴＥＰ２０９で設定されたＰＷＭのオン時間でドライブ部１１を制御し、ブラシレスＤＣモータ５の通電相を、位置検出部６の位置情報に基づき、切り換える。

以上の処理を図４のＳＴＥＰ１０４およびＳＴＥＰ１０５と置き換えることで、通常の駆動中でも電圧変動等によりＰＷＭオン時間が短くなっても、ＰＷＭの最小オン時間を常に確保できることとなり、起動から通常の駆動まで常に位置検出が確実に行われ安定した駆動が可能となる。

また、図５に示すＳＴＥＰ２０１～ＳＴＥＰ２１０の処理は、ＰＷＭの最小オン時間を常に確保する処理であるため、通常運転時だけでなく、ブラシレスＤＣモータ５の起動時にも適用することができる。よって、ＳＴＥＰ２０１～ＳＴＥＰ２１０の処理をブラシレスＤＣモータ５の起動時に適用することにより、ブラシレスＤＣモータ５の起動時に安定した位置検出が行える。つまり、図４のＳＴＥＰ１０１～ＳＴＥＰ１０５の処理と、ＳＴＥＰ２０１～ＳＴＥＰ２１０は、置き換え可能である。これにより、起動時と通常運転時とを別の処理で行う必要がなくなり、同一の処理で起動から通常運転まで安定して駆動できるため、制御を行うためのマイコンのＲＯＭ容量削減が可能となり、安価な構成が可能となる。

次に、圧縮機１７にモータ駆動装置１２を適用した際の説明を行う。圧縮機１７において、負荷は一定ではなく、圧縮する気体の状態によって負荷は変化するため、ブラシレスＤＣモータ５の起動時も非常に軽い負荷から重い負荷まで幅広く存在する。非常に軽い負荷に対し、重い負荷にあわせた印加電圧では、制御が追従できず、ブラシレスＤＣモータ５をうまく起動させることができない。そこで、波形生成部１０で、ブラシレスＤＣモータ５の起動前にどの程度の負荷状態かを判定する。判定方法は、ブラシレスＤＣモータの固定相に電圧を印加し、回転子５ａの位置を固定する。固定した回転子５ａが回転する方向の通電相に電圧を印加する。このとき、次の位置検出が発生するまでにどの程度時間がかかったかによって負荷の大きさを判定する。時間が長いほど負荷は重く、すぐに位置検出が発生した場合は負荷が軽いと判定する。このように負荷に対応し、ＰＷＭのオン時間を変更すると、通電角が１２０度のままでは位置検出に必要なＰＷＭの最小オン時間が確保できなくなるため、図４もしくは図５に示す処理を行うことで、ＰＷＭの最小オン時間を確保できる。これによって非常に負荷の軽い条件であっても、適切な電圧を印加し、安定した起動が可能となる。

また、レシプロ型の圧縮機はイナーシャが大きく、短時間での速度変動が少ないため、通電角を狭めて無通電区間を設けても影響が殆どなく、圧縮機１７は、滑らかな駆動が可能となる。

次に、冷蔵庫２２について説明する。冷蔵庫２２は、庫内の負荷および外気温度などによって必要な負荷は大きく変動し、特に外気温度が５℃などでは負荷が非常に小さくなる。このような条件では、ブラシレスＤＣモータ５の起動に必要な印加電圧が小さくなり、圧縮機１７を駆動するブラシレスＤＣモータ５の位置検出に必要なＰＷＭの最小オン時間が確保されず、ブラシレスＤＣモータ５が起動できなくなる。しかし、本実施の形態では、通電角を狭め、ＰＷＭのオン時間を広げ、ＰＷＭの最小オン時間を確保できるよう、図４および図５に示すような処理を行うため、ブラシレスＤＣモータ５を起動することが可能となる。

以上のように、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置１２は、通電角が１２０度以下の矩形波またはそれに準じる波形をＰＷＭによって生成する波形生成部１０と、波形生成部１０によって生成された波形でドライブ信号を出力しブラシレスＤＣモータ５を起動するドライブ部１１を有するとしたことにより、同じＰＷＭキャリア周波数であってもＰＷＭのオン幅を広げることが可能となる。これにより、１２０度通電では位置検出できないような狭いＰＷＭのオン幅でも位置検出が可能となり安定した起動が可能となる。

また、リンギングの周期は、モータまたは回路インピーダンスによって決定され、負荷によらず収束時間はほぼ一定となるため、同じＰＷＭキャリア周波数でＰＷＭオン幅を広げることによってリンギングが収束するまでの時間を確保できることとなり、負荷の大きさの影響を受けず安定した駆動が可能となる。

また、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置１２において、波形生成部１０は、ブラシレスＤＣモータ５の磁極位置の検出に必要なオン幅を確保できないときに１２０度未満の通電角を出力する。このような構成により、通常は特別な対応が必要なく起動し、入力電圧が高くなるなどのＰＷＭオン幅が狭くなるような異常状態のときに、位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保できることとなる。これにより、異常時でも安定したブラシレスＤＣモータ５の駆動が可能となる。

また、ブラシレスＤＣモータ５のインダクタンスを減少させると、ブラシレスＤＣモータ５の起動に必要な印加電圧が減少するが、同じ制御のままで位置検出に必要なＰＷＭの最小オン時間が確保できるので、インダクタンスを減少させた安価なモータを採用することができる。

また、交流電源１が、地域によっては１００Ｖより高い１１０Ｖなどがある。このような交流電源の電圧が高い地域でブラシレスＤＣモータを動作させようとすると、ブラシレスＤＣモータの起動に必要な印加電圧が一定であるため、ＰＷＭのオン時間は短くなる。しかしながら、通電角を狭めＰＷＭのオン時間を広げブラシレスＤＣモータの起動が可能となるため、単一の制御で複数の地域に展開することができ、開発の工数を削減することができる。

また、本開示の実施の形態の一例によるモータ駆動装置１２は、ブラシレスＤＣモータ５が組み込まれた圧縮機１７を備えていてもよい。この場合、ブラシレスＤＣモータ５が駆動する負荷が圧縮機１７の圧縮要素であってもよい。このような構成により、非常に負荷が軽い起動でも、位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保することができる。よって、起動時の負荷が一定でない圧縮機１７を安定して起動させることができる。

また、本開示の実施の形態の一例による冷蔵庫２２は、圧縮機１７、凝縮器１９、減圧器２０、蒸発器２１、および、圧縮機１７の順に接続された冷凍サイクルを備えていてもよい。圧縮機１７に組み込まれたブラシレスＤＣモータ５をモータ駆動装置１２で起動する冷蔵庫２２としたことにより、冷蔵庫２２の負荷が軽く、ブラシレスＤＣモータ５の起動に必要な印加電圧が小さくても、位置検出に必要なＰＷＭオン幅を確保することが可能となる。これにより、冷蔵庫２２の周囲温度が５℃程度の低い温度条件でも安定した起動が可能となる。

以上述べたように、本開示は、モータ起動時の負荷が一定でなくても、モータの起動が可能となるモータ駆動装置を提供する。よって、冷蔵庫のみならず、エアコン、自動販売機およびショーケース、並びに、ヒートポンプ給湯器等における圧縮機等に適用できる。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 平滑部
４ インバータ
５ ブラシレスＤＣモータ
５ａ 回転子
５ｂ 固定子
６ 位置検出部
７ 速度検出部
８ 印加電圧決定部
９ 電圧検出部
１０ 波形生成部
１１ ドライブ部
１２ モータ駆動装置
１７ 圧縮機
１９ 凝縮器
２０ 減圧器
２１ 蒸発器
２２ 冷蔵庫

Claims (3)

1. 通電角が１２０度以下の矩形波またはそれに準じる波形をＰＷＭによって生成する波形生成部と、
   前記波形生成部によって生成された波形でドライブ信号を出力しブラシレスＤＣモータを駆動するドライブ部と、印加電圧決定部と、を備え、
   前記印加電圧決定部はモータへ印加する電圧を決定し、前記波形生成部は、前記ブラシレスＤＣモータの磁極位置の検出に必要なオン幅を確保できないときに、前記印加電圧決定部が決定した印加電圧が一定に保たれるように、前記ＰＷＭ波形生成部が生成するＰＷＭオン比率で不足している比率の半分の割合を１２０度に乗じ、１２０度から減じた通電角で駆動するモータ駆動装置。
2. 前記ブラシレスＤＣモータが組み込まれた圧縮機をさらに備え、
   前記ブラシレスＤＣモータが動作させる負荷が前記圧縮機の圧縮要素を含む請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 請求項２に記載のモータ駆動装置を備えるとともに、
   前記圧縮機、凝縮器、減圧器、および、蒸発器が順に接続された冷凍サイクルを備えた冷蔵庫。

Images