JP7141201B2 - 洗濯機用インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生するモータを駆動するインバータ装置に関する。

従来より、洗濯機のモータを駆動対象とするインバータ装置では、モータに流れる各相電流を検出するための電流検出抵抗に発生する端子電圧を、ＣＲフィルタを介しコンパレータにより閾値電圧と比較することで、過電流状態を検出することが行われている。一般的に使用されるモータは３相構成であるから、３個のコンパレータにより各相毎に比較を行い、それらコンパレータ出力のＯＲゲートを介した論理和出力によって過電流が検出されている。

コンパレータの出力端子はローレベルを示す際には０Ｖになるが、ハイレベルを示す際には開放状態となるため、抵抗を介してプルアップされる。そして、相電流が通常値の範囲であればコンパレータ出力がハイレベルとなり、相電流が過大な値を示すとローレベルとなるように設定しておく。すると、ＯＲゲートの出力がローレベルとなることで、モータの駆動を緊急停止させる。

特許第４３４５５５３号公報

しかしながら、上記の構成では、コンパレータがモータの相数分だけ必要となる。また、ローパスフィルタのような周辺回路も含めると、回路面積が増大しインバータ装置が大型化する。更に、部品点数が増えることでコストが上昇し、装置の信頼性が低下するおそれもある。

そこで、より少ない部品点数で、過電流検出を確実に行うことができる洗濯機用インバータ装置を提供する。

実施形態の洗濯機用インバータ装置によれば、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生する三相のモータを駆動するインバータ回路と、
このインバータ回路を制御する制御回路と、
前記モータの各相巻線に流れる電流を検出するため、前記各相に対応して配置される電流検出抵抗と、
前記制御回路が過電流検出を行うために用いられる、１つの比較回路と、
前記各相の電流検出抵抗と、前記比較回路の入力端子との間に配置され、アノード側が抵抗を介してグランドに接続されるダイオードオア回路とを備え、
前記比較回路は、前記ダイオードオア回路のアノード電位を閾値電圧と比較する。

第１実施形態であり、洗濯機の電気的構成を示す回路図 洗濯機の構成を模式的に示す一部の縦断側面図 一般的な洗濯機の運転行程を示す図 第２実施形態であり、洗濯機の電気的構成を示す回路図 第３実施形態であり、洗濯機の電気的構成を示す回路図

（第１実施形態）
以下、ランドリー機器である洗濯機に適用した第１実施形態について図１から図３を参照して説明する。図２に示すように、洗濯機１０は、その外郭を構成する外箱１１の内部に、上面が開放した有底円筒状の水槽１２が弾性吊持機構１３によって弾性的に支持されている。この水槽１２の内部には、上面が開放した有底円筒状の回転槽１４が回転可能に設けられている。回転槽１４の底部には、当該回転槽１４の底部を補強するための補強部材１５が設けられている。回転槽１４は、垂直な軸線を中心に回転するように構成されており、洗濯物を洗う洗い行程及び洗濯物をすすぐすすぎ行程における洗濯槽、及び、洗濯物を脱水する脱水行程における脱水槽として兼用される。つまり、洗濯機１０は、回転槽１４の回転中心軸が垂直方向に延びるいわゆる縦軸型洗濯機である。

この回転槽１４は、その周壁部に多数の孔１６を有している。これらの孔１６は貫通しており、通水及び通気が可能である。なお、図１には多数の孔１６のうちその一部のみを示している。回転槽１４の上部には、例えば塩水等の液体が封入された合成樹脂製のバランスリング１７が取り付けられている。回転槽１４内の底部には、撹拌体として例えば合成樹脂で形成されたパルセータ１８が回転可能に設けられている。

水槽１２の下部には排水経路１９が設けられている。この排水経路１９には排水弁２０が設けられており、この排水弁２０が開放されることにより、水槽１２内の水が機外に排出される。また、水槽１２の底部には、水位検知用のエアトラップ２１が設けられている。

水槽１２の下部の中央部には駆動機構部２３が設けられている。この駆動機構部２３は、モータ２４、及び図示しないクラッチ機構部等を備えている。駆動機構部２３は、洗い行程時またはすすぎ行程時においては、クラッチ機構部により回転力をパルセータ１８に伝達する。このため、洗い行程時またはすすぎ行程時に回転槽１４は回転駆動されず、パルセータ１８だけが回転駆動される。また、駆動機構部２３は、脱水行程時においては、モータ２４の回転力をクラッチ機構部によりパルセータ１８及び回転槽１４に伝達する。このため、脱水行程時にパルセータ１８は、回転槽１４と一体に回転駆動される。

外箱１１の上部には、トップカバー２６が設けられている。このトップカバー２６には、洗濯物出入口を開閉する例えば二つ折り式の蓋２７が開閉可能に設けられている。なお、水槽１２の上部には、図示しない槽カバーが開閉可能に取り付けられている。トップカバー２６の前部には、操作パネル２８が設けられている。操作パネル２８の裏側には、洗濯機１０の動作全般を制御する制御ユニット２９が配置されている。この制御ユニット２９は、トップカバー２６において外箱１１の前面側に設けられている。

トップカバー２６内の後部には、水源からの水を水槽１２内に供給する給水機構部３０が設けられている。この給水機構部３０は、図示しない給水弁や水槽１２に連通する図示しない給水経路等を備えており、制御ユニット２９が給水弁の開閉を制御することにより、水槽１２内への給水が制御される。

次に、洗濯機１０の制御系に係る電気的構成について説明する。図１に示すように、インバータ回路４０は、６個のＩＧＢＴ４１を三相ブリッジ接続して構成されており、各ＩＧＢＴ４１のコレクタ－エミッタ間には、フライホイールダイオード４２が接続されている。ＩＧＢＴ４１はスイッチング素子に相当する。インバータ回路４０には、１００Ｖの交流電源を倍電圧全波整流することで生成した約２８０Ｖの直流電圧が供給される。インバータ回路４０の各相出力端子は、モータ２４のＵ，Ｖ，Ｗ各相巻線にそれぞれ接続されている。本実施形態では、モータ２４として、例えばアウタロータ型の三相ブラシレスＤＣモータを採用している。

下アーム側ＩＧＢＴ４１のエミッタとグランドとの間には、それぞれ電流検出抵抗であるシャント抵抗４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗが接続されている。シャント抵抗４３の抵抗値は、例えば０．２２Ωである。以下、各相について対称な構成については特に区別が必要な場合を除き、図１に示す符号の「Ｕ，Ｖ，Ｗ」を付さずに説明する。

下アーム側のＩＧＢＴ４１のエミッタとシャント抵抗４３との共通接続点は、抵抗４４を介して制御回路４５のＡ／Ｄ入力端子に接続されている。制御回路４５は、例えばシングルチップのマイクロコンピュータで構成されており、図示しないＡ／Ｄ変換器を内蔵している。Ａ／Ｄ入力端子とグランドとの間にはコンデンサ４６が接続されており、当該コンデンサ４６と抵抗４４とでＣＲフィルタが構成されている。

また、前記Ａ／Ｄ入力端子は、抵抗４７を介して３．３Ｖ電源にプルアップされている。すなわち、Ａ／Ｄ入力端子に印加される電圧は、抵抗４７，シャント抵抗４３及び抵抗４４により抵抗分圧されてレベルシフトされている。これらの抵抗は、抵抗分圧回路４８を構成している。シャント抵抗４３には、下アーム側ＩＧＢＴ４１がＯＮしているタイミングで、モータ巻線と同じモータ相電流が流れる。したがって、その端子電圧は、モータ相電流に応じたレベルを示す。

下アーム側の各相ＩＧＢＴ４１のエミッタは、カソードが共通に接続された３つのダイオード４９Ｕ，４９Ｖ，４９Ｗのアノードにそれぞれ接続されている。ダイオード４９Ｕ，４９Ｖ，４９Ｗは、ダイオードオア回路５０を構成している。ダイオード４９のカソードは、抵抗５１を介してグランドに接続されていると共に、抵抗５２を介してコンパレータ５３の反転入力端子に接続されている。また、前記反転入力端子はコンデンサ５４を介してグランドに接続されており、コンデンサ５４は抵抗５２と共にＣＲフィルタを構成している。コンパレータ５３は比較回路に相当する。

５Ｖ電源とグランドとの間には、抵抗５５及び５６の直列回路が接続されており、それらの共通接続点はコンパレータ５３の非反転入力端子に接続されている。前記共通接続点の電位はコンパレータ５３に閾値電圧を付与するもので、例えば３．３Ｖに設定されている。また、非反転入力端子はコンデンサ５７を介してグランドに接続されている。コンパレータ５３の出力端子は、抵抗５８を介して５Ｖ電源に、コンデンサ５９を介してグランドにそれぞれ接続されると共に、制御回路４５の緊急停止信号入力端子に接続されている。

制御回路４５は、モータ２４を駆動するためのＰＷＭ指令を生成する。また、制御回路４５は、ＰＷＭ信号の搬送波周期毎に、下アーム側のＩＧＢＴ４１がＯＮするタイミングの中間付近で最低二相分，例えば下アームのＯＮ時間が長い相を選択し、それらの端子電圧をＡ／Ｄ変換してモータ相電流を取得する。制御回路４５は、モータ２４の回転に伴う図示しない回転位置センサの出力に基づきロータの位置を取得して、３相の相補ＰＷＭ信号を調整するように生成する。制御回路４５は、モータ２４のｄ軸電流及びｑ軸電流が適切な値となるようにベクトル制御演算を行い、モータ２４を駆動制御する。

図３は、洗濯機１０の全行程における給水弁、モータ２４、排水弁、クラッチ機構等の各構成要素の動作を示す。この図において、太線は各構成要素が動作する状態を示している。また、モータ２４は正転，反転に分けて示している。なお、クラッチ機構が太線で示すように動作する場合には、モータ２４の回転は該クラッチ機構を介して回転槽１４にも伝達され、回転槽１４も回転する。

次に、本実施形態の作用について説明する。モータ２４の相電流が通常の値を示す範囲では、ダイオードオア回路５０を介してコンパレータ５３の反転入力端子に印加される電圧は閾値電圧を超えることがない。したがって、制御回路４５の緊急停止信号入力端子のレベルはハイに維持されている。例えば、インバータ回路４０において、何れかの相の上下アームが短絡することで過電流が流れると、前記反転入力端子の電位が閾値電圧を超えるため、緊急停止信号入力端子のレベルはローに変化する。制御回路４５は、そのレベル変化を認識すると、ＰＷＭ信号の出力を直ちに停止する。これにより回路素子の破壊等が防止される。

以上のように本実施形態によれば、インバータ回路４０は、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生するモータ２４を駆動し、制御回路４５はインバータ回路４０を制御する。シャント抵抗４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗにより、モータ２４の各相巻線に流れる電流を検出し、コンパレータ５３は、制御回路４５が過電流検出を行うために用いられ、シャント抵抗４３の端子電圧を閾値電圧と比較する。そして、シャント抵抗４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗとコンパレータ４３の反転入力端子との間に、ダイオードオア回路５０を配置した。

このように構成すれば、ダイオードオア回路５０と１つのコンパレータ５３とを用いて過電流を検出できるので、回路面積を増大させることなくインバータ装置を小型に構成できる。そして、部品点数を減らしてコストを低減し、装置の信頼性を高めることができる。

また、シャント抵抗４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗの端子電圧を抵抗分圧回路４８により分圧して、制御回路４５のＡ／Ｄ入力端子に印加するようにした。これにより、前記入力端子に印加される電位が、制御回路４５が内蔵するＡ／Ｄ変換器の入力電圧範囲内となるように調整できる。そして、ダイオードオア回路５０を用いて過電流検出を行う際に、ダイオード４９の順方向電圧分だけ電圧低下が生じることで発生する誤差を吸収できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態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４に示すように、第２実施形態のインバータ装置は、制御回路４５を制御回路６１に置き換えたものである。制御回路６１は、コンパレータ６２を内蔵しており、このコンパレータ６２をコンパレータ５３に替えて、過電流検出に用いている。以上のように構成される第２実施形態によれば、使用する部品点数を更に削減できる。

（第３実施形態）
図５に示すように、第３実施形態のインバータ装置は、第１実施形態と同様に制御回路４５を用いる。そして、インバータ回路４０を含むパワー素子モジュール７１を用いている。パワー素子モジュール７１には、上記インバータ回路４０と、各ＩＧＢＴ４１にゲート信号を出力する内蔵ドライバ部７２とが搭載されている。内蔵ドライバ部７２は、制御回路４５より入力される相補ＰＷＭ信号に応じてＩＧＢＴ４１のゲートを駆動するゲートドライバ７３と、ゲートドライバ７３からのゲート信号出力を停止させるために使用されるコンパレータ７４とを有している。

第３実施形態では、上記のコンパレータ７４を過電流検出に用いるため、ダイオードオア回路５０の出力端子をコンパレータ７４の反転入力端子に接続している。コンパレータ７４の出力端子は、上述のようにゲート信号出力を停止させるため、ゲートドライバ７３の緊急停止信号入力端子に接続されている。したがって、制御回路４５は、第１実施形態のように自身がインバータ回路４０の緊急停止処理を行う必要はない。しかし、過電流検出に伴う例えば異常報知など、その他の処理を実行するため、コンパレータ７４の出力端子は、制御回路４５の過電流検出端子にも接続されている。

以上のように第３実施形態によれば、インバータ回路４０と、インバータ回路４０を構成するＩＧＢＴ４１のゲートを駆動するドライバ７３と、過電流検出を行うコンパレータ７３とを一体化してなるパワー素子モジュール７１を備える。これにより、第２実施形態と同様に、使用する部品点数を削減できる。

（その他の実施形態）
各電源電圧や抵抗値等については、個別の設計に応じて変更すれば良い。周波数の具体数値ついても同様である。
スイッチング素子はＩＧＢＴ５１に限ることなく、ＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタ等でも良い。
ドラム式洗濯機や洗濯乾燥機，乾燥機などのランドリー機器に適用しても良い。

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、１０は洗濯機、４０はインバータ回路、４１はＩＧＢＴ、４８は抵抗分圧回路、４９はダイオード、５０はダイオードオア回路、５３はコンパレータ、６１は制御回路、６２はコンパレータ、７１はパワー素子モジュール、７４はコンパレータを示す。

Claims (4)

1. 洗濯運転を行うための回転駆動力を発生する三相のモータを駆動するインバータ回路と、
   このインバータ回路を制御する制御回路と、
   前記モータの各相巻線に流れる電流を検出するため、前記各相に対応して配置される電流検出抵抗と、
   前記制御回路が過電流検出を行うために用いられる、１つの比較回路と、
   前記各相の電流検出抵抗と、前記比較回路の入力端子との間に配置され、アノード側が抵抗を介してグランドに接続されるダイオードオア回路とを備え、
   前記比較回路は、前記ダイオードオア回路のアノード電位を閾値電圧と比較する洗濯機用インバータ装置。
2. 前記制御回路は、Ａ／Ｄ変換器を備え、
   前記複数の電流検出抵抗の端子電圧を分圧して前記Ａ／Ｄ変換器に入力する抵抗分圧回路を備える請求項１記載の洗濯機用インバータ装置。
3. 前記比較回路は、前記制御回路に内蔵されている請求項１又は２記載の洗濯機用インバータ装置。
4. 前記インバータ回路と、このインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子を駆動するドライバと、前記比較回路とを一体化してなるパワー素子モジュールを備える請求項１又は２記載の洗濯機用インバータ装置。

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