JPWO2016194835A1 - 直流ブラシレスモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

三相直流ブラシレスモータの固定子の巻線に対して電流を供給する直流ブラシレスモータ制御装置であって、磁極位置検出部が検出する磁極位置が基準位置に達した時点から順に、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第１状態と、第１スイッチング素子がオン状態に維持され第２スイッチング素子がオフ状態に維持される第２状態と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第３状態と、第１スイッチング素子がオフ状態に維持され第２スイッチング素子がオン状態に維持される第４状態と、を含む複数の状態によって、スイッチング素子の通電状態を制御する。

Description

本発明は、直流ブラシレスモータ制御装置に関する。

ＰＷＭでモータを制御する方法が従来から知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載されたモータは、モータの加速運転時または定常運転時にはインバータ回路の上段もしくは下段のみＰＷＭで制御し、モータの減速運転時にはインバータ回路の上段および下段ともにＰＷＭで制御する方法が開示されている。

日本国公開公報：特開２００３−１８９６６７号

しかしながら、そもそもＰＷＭはインバータ回路の上段および下段の切替を頻繁に行う必要が有る。すなわち、アームのＨ状態およびＬ状態の切替を頻繁に行う必要が有るため、スイッチングロスが発生してしまう、という問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、直流ブラシレスモータのスイッチングロスの低減を目的とする。

本発明の実施形態における直流ブラシレスモータ制御装置は、三相直流ブラシレスモータの固定子の巻線に対して電流を供給する直流ブラシレスモータ制御装置であって、スイッチング素子どうしが直列接続され、かつ前記スイッチング素子どうしの接続点と前記巻線の一端とが接続されたアームを、各相に備える三相ブリッジインバータ部と、前記三相直流ブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出部が検出する前記磁極位置に基づいて、前記アームが備える前記スイッチング素子のうち、前記接続点の一方側にある第１スイッチング素子の通電状態と、他方側にある第２スイッチング素子の通電状態とを、それぞれ制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記磁極位置検出部が検出する前記磁極位置が基準位置に達した時点から順に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第１状態と、前記第１スイッチング素子がオン状態に維持され前記第２スイッチング素子がオフ状態に維持される第２状態と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第３状態と、前記第１スイッチング素子がオフ状態に維持され前記第２スイッチング素子がオン状態に維持される第４状態と、を含む複数の状態によって、前記スイッチング素子の通電状態を制御する。

本実施形態によれば、電気角１周期の間に、各相のアームが１回だけＨ状態に制御される。すなわち、頻繁な切替が必要なく、スイッチングロスを低減することができる。

図１は、本実施形態に係る吸引装置の外観の一例を示す図である。 図２は、本実施形態に係る吸引装置の機能構成の一例を示す図である。 図３は、本実施形態に係る吸引装置が備える三相ブリッジインバータ部、及び三相直流ブラシレスモータの構成の一例を示す図である。 図４は、三相直流ブラシレスモータの構造の一例を示す図である。 図５は、三相ブリッジインバータ部の電圧波形の一例を示す図である。 図６は、ＭＣＵが制御するロータの回転数と、目標回転数との関係の一例を示す図である。 図７は、磁極位置検出部が検出する磁極位置の移動の周期の一例を示す図である。 図８は、ＭＣＵの２つの動作モードを例示する図である。 図９は、直流ブラシレスモータ制御装置によるワンパルス制御の波形の一例を示す波形図である。 図１０は、直流ブラシレスモータ制御装置によるアームの制御状態の一例を示す表である。 図１１は、直流ブラシレスモータ制御装置によるワンパルス制御の波形の他の一例を示す波形図である。 図１２は、直流ブラシレスモータ制御装置によるアームの制御状態の他の一例を示す表である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る吸引装置１について説明する。
図１は、本実施形態に係る吸引装置１の外観の一例を示す図である。吸引装置１は、操作スイッチ１３を備える。

図２は、本実施形態に係る吸引装置１の機能構成の一例を示す図である。
吸引装置１は、操作スイッチ１３と、直流ブラシレスモータ制御装置１５と、三相直流ブラシレスモータ２０と、整流部２９と、昇圧部３０と、第１ＤＣ−ＤＣコンバーター３１と、第２ＤＣ−ＤＣコンバーター３２を備える。直流ブラシレスモータ制御装置１５は、制御部１６と、三相ブリッジインバータ部４０を備える。制御部１６は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）１７と、ドライバー１８を備える。ＭＣＵ１７は、操作スイッチ１３に対する操作を検出する図示しない操作検出部を備える。三相直流ブラシレスモータ２０は、磁極位置検出部２５を備える。

図３は、本実施形態に係る吸引装置１が備える三相ブリッジインバータ部４０、及び三相直流ブラシレスモータ２０の構成の一例を示す図である。
三相ブリッジインバータ部４０は、アーム４１と、アーム４２と、アーム４３を備える。アーム４１は、電界効果トランジスタ４１１と、電界効果トランジスタ４１２を備える。アーム４２は、電界効果トランジスタ４２１と、電界効果トランジスタ４２２を備える。アーム４３は、電界効果トランジスタ４３１と、電界効果トランジスタ４３２を備える。より詳細に述べると、三相ブリッジインバータ部４０は、スイッチング素子どうしが直列接続され、かつスイッチング素子どうしの接続点と巻線２１、２２、２３の一端とが接続された各相のアームである、第１相アーム４１、第２相アーム４２及び第３相アーム４３を備える。

三相直流ブラシレスモータ２０は、巻線２１と、巻線２２と、巻線２３と、ロータ２４と、磁極位置検出部２５−１と、磁極位置検出部２５−２と、磁極位置検出部２５−３と、永久磁石２４１を備える。なお、前述の磁極位置検出部２５は、磁極位置検出部２５−１と、磁極位置検出部２５−２と、磁極位置検出部２５−３との総称である。以下、磁極位置検出部２５−１と、磁極位置検出部２５−２と、磁極位置検出部２５−３とを区別する必要が無い限り、まとめて磁極位置検出部２５と称して説明する。

図４は、三相直流ブラシレスモータ２０の構造の一例を示す図である。
図５は、三相ブリッジインバータ部４０による電界効果トランジスタ４１１と、電界効果トランジスタ４２１と、電界効果トランジスタ４３１とを制御する電圧波形の一例を示す図である。なお、電界効果トランジスタ４１１と、電界効果トランジスタ４２１と、電界効果トランジスタ４３１とはそれぞれ、第１スイッチング素子の一例である。また、電界効果トランジスタ４１２と、電界効果トランジスタ４２２と、電界効果トランジスタ４３２とはそれぞれ、第２スイッチング素子の一例である。

以下、電界効果トランジスタ４１１と、電界効果トランジスタ４２１と、電界効果トランジスタ４３１とを区別する必要が無い限り、まとめて第１スイッチング素子と称して説明する。以下、電界効果トランジスタ４１２と、電界効果トランジスタ４２２と、電界効果トランジスタ４３２とを区別する必要が無い限り、まとめて第２スイッチング素子と称して説明する。

図５（Ａ）は、三相直流ブラシレスモータ２０が備えるロータ２４の回転数が所定の回転数以上の場合に三相ブリッジインバータ部４０が第１スイッチング素子を制御する電圧波形の一例である。なお、ロータ２４の回転数は、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置に基づいてＭＣＵ１７により算出される。ロータ２４の回転数が所定の回転数以上の場合、三相ブリッジインバータ部４０は、第１スイッチング素子の通電状態を、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置が基準位置に達した時点から順に、第１状態Ｓ１と、第２状態Ｓ２と、第３−１状態Ｓ３−１と、第３状態Ｓ３と、第４状態Ｓ４とを含む複数の状態によって制御する。

第１状態Ｓ１では、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である。第２状態Ｓ２では、第１スイッチング素子がオン状態に維持され第２スイッチング素子がオフ状態に維持される。第３−１状態Ｓ３−１では、第１スイッチング素子がオフ状態に維持され第２スイッチング素子がオン状態に維持される。第３状態Ｓ３では、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である。第４状態Ｓ４では、第１スイッチング素子がオフ状態に維持され第２スイッチング素子がオン状態に維持される。以下、図５（Ａ）に示した電圧波形による第１スイッチング素子の制御を、ワンパルス制御と称する。直流ブラシレスモータ制御装置１５は、ワンパルス制御により、スイッチングロスを低減することができる。

図５（Ｂ）は、三相直流ブラシレスモータ２０が備えるロータ２４の回転数が所定の回転数未満の場合に三相ブリッジインバータ部４０が第１スイッチング素子を制御する電圧波形の一例である。所定の回転数は、この一例において、２００００［ｒ／ｍ］（revolution per minutes）である。ロータ２４の回転数が所定の回転数未満の場合、三相ブリッジインバータ部４０は、第１スイッチング素子の通電状態を、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置が基準位置に達した時点から順に、第１状態Ｓ１と、第５状態Ｓ５と、第３状態Ｓ３と、第４状態Ｓ４とを含む複数の状態によって制御する。第５状態Ｓ５では、第２スイッチング素子がオフ状態に維持されつつ、第１スイッチング素子がオン状態とオフ状態とを交互に切り替えられる。以下、図５（Ｂ）に示した電圧波形による第１スイッチング素子の制御を、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御と称する。

図６は、ＭＣＵ１７が三相ブリッジインバータ部４０により制御するロータ２４の回転数と、目標回転数との関係の一例を示す図である。ＭＣＵ１７は、算出したロータ２４の回転数が所定の回転数未満の間、三相ブリッジインバータ部４０により第１スイッチング素子を、図５（Ｂ）に示した電圧波形によって制御させる。一方、ＭＣＵ１７は、算出したロータ２４の回転数が所定の回転数以上の場合、三相ブリッジインバータ部４０により第１スイッチング素子を、図５（Ａ）に示した電圧波形によって制御させる。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、低速域は制御性がよいＰＷＭ制御、高速域は効率がよいワンパルス制御を行なうことにより、制御性と効率とを両立させることができる。

ＭＣＵ１７は、操作スイッチ１３により受け付けられた操作に基づいて、記憶部１２から当該操作に応じたレベルの目標回転数を示す情報を読み出す。目標回転数のレベルは、例えば、レベル１〜レベル５の５段階である。これらの目標回転数のレベルのそれぞれは、各目標回転数に応じた吸引装置１の吸込仕事率と対応付けられている。ＭＣＵ１７は、三相ブリッジインバータ部４０に第１スイッチング素子を制御させ、読み出した目標回転数と、算出したロータ２４の回転数とを一致させる。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、吸引装置１の使用状況に適したレベルの回転数で三相直流ブラシレスモータ２０を制御することができる。例えば、吸引装置１が掃除機である場合には、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、フローリングや畳、絨毯等の床面の状況にそれぞれ適したレベルの回転数で三相直流ブラシレスモータ２０を制御することができる。

ＭＣＵ１７は、ロータ２４の回転数を目標回転数のレベルに応じて変化させる際、ワンパルス制御における第２状態の継続時間を、ロータ２４の目標回転数に応じて変化させる。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、ワンパルス制御において、ロータ回転数を制御することができる。なお、ここでいう継続時間とは、ロータ２４の回転数に応じて変化する時間であり、絶対的な時間を意味していない。また、ＭＣＵ１７は、第２状態の継続時間を変化させる際には、第１スイッチング素子を可変させ、第２スイッチング素子を可変させずに制御する。
なお、ＭＣＵ１７は、吸引装置１が二次電池により駆動している場合であり、且つ二次電池の残存電力量が所定のしきい値以下の場合、目標回転数を所定値分下げる。所定のしきい値は、特定の残存電力量を示す値であってもよく、所定の割合であってもよい。この一例において、所定のしきい値は、所定の割合である。所定の割合は、例えば、２０％である。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、二次電池の残存電力量が少ない場合に、吸引装置１の使用可能な時間を長くすることができる。また、ＭＣＵ１７は、吸引装置１が二次電池により駆動している場合であり、且つ二次電池の残存電力量が所定のしきい値以下の場合、目標回転数を所定値に保持する等の他の処理を行ってもよい。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、二次電池の残存電力量が少ない場合に、吸引装置１の使用可能な時間、又は吸引装置１の吸引力を変更することができる。

図７は、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置の移動の周期の一例を示す図である。ＭＣＵ１７は、磁極位置検出部２５から供給される磁極位置を示す信号を、磁極位置の判定に用いる信号として取得するか否かを、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置の移動の周期に基づいて判定する。この図において、電気角１周期に要する時間は、ロータ２４の回転数の変化に応じて変化する。具体的には、電気角１周期に要する時間は、ロータ２４が高速回転する場合、低速回転する場合に比べて短い。また、ロータ２４の回転数の変化速度が所定範囲内であれば、電気角１周期に要する時間の変化も所定範囲内である。つまり、一例として、２００００［ｒ／ｍ］程度以上で高速回転しているロータ２４が数回転する程度の微小な時間内であれば、電気角１周期に要する時間の変化は、極めて小さい。したがって、ＭＣＵ１７は、電気角１周期に要する時間を算出することにより、算出したタイミングから微小な時間経過後における、電気角１周期に要する時間の幅を推定することができる。つまり、ＭＣＵ１７は、磁極位置を示す信号が、どのタイミングで発生するのかを推定することができる。ＭＣＵ１７は、磁極位置を示す信号のうち、推定した電気角１周期に要する時間の幅内のタイミングで発生した磁極位置を示す信号を、ノイズではないと判定する。ＭＣＵ１７は、ノイズではないと判定した磁極位置を示す信号を、磁極位置の判定に用いる信号として取得すると判定する。また、ＭＣＵ１７は、磁極位置を示す信号のうち、推定した電気角１周期に要する時間の幅外のタイミングで発生した磁極位置を示す信号を、ノイズであると判定する。ＭＣＵ１７は、ノイズであると判定した磁極位置を示す信号を、磁極位置の判定に用いる信号として取得しないと判定する。

また、ＭＣＵ１７は、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置の移動の周期と、ロータ２４の目標回転数とに基づいて、ロータ２４の回転数をフィードバック制御することもできる。例えば、ＭＣＵ１７は、図８に示した２つの動作モードのいずれかの動作モードによって動作する。図８は、ＭＣＵ１７の２つの動作モードを例示する図である。２つの動作モードは、例えば、電流保持モードと回転数保持モードである。ＭＣＵ１７の動作モードが電流保持モードの場合、ＭＣＵ１７は、巻線２１、巻線２２、巻線２３のそれぞれに供給される電流値のフィードバックによりロータ２４の回転数を制御する。具体的には、巻線２１、巻線２２、巻線２３に供給される電流値は、電流センサ（不図示）により検出される。この場合、ＭＣＵ１７は、電流センサが検出する巻線２１、巻線２２、巻線２３の電流値と、目標電流値との差分に基づいて、巻線２１、巻線２２、巻線２３に供給する電流値を算出する。また、ＭＣＵ１７は、算出した電流値の電流を巻線２１、巻線２２、巻線２３に供給する。
また、ＭＣＵ１７の動作モードが回転数保持モードの場合、ＭＣＵ１７は、ロータ２４の回転数のフィードバックにより、ロータ２４の回転数を制御する。具体的には、ＭＣＵ１７は、磁極位置検出部２５により検出された磁極位置の変化周期に基づいて、ロータ２４の回転数を算出する。また、ＭＣＵ１７は、算出したロータ２４の回転数と、目標回転数との差分に基づいて、巻線２１、巻線２２、巻線２３に供給する電圧波形を算出する。また、ＭＣＵ１７は、算出した電圧波形の電流を巻線２１、巻線２２、巻線２３に供給する。ＭＣＵ１７は、これらの回転数の制御を、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置の移動の周期が示すロータ２４の回転数が、操作検出部が検出する操作に対応する目標回転数を超える場合に行う。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、フィードバックにより、ロータ２４の回転数が目標上限値である目標回転数から意図せずに上昇してしまうことによる発熱を抑制することができる。

ここで、操作検出部が検出する操作は、この一例において、吸引装置の吸引力の段階を選択する操作である。記憶部には、図６に示したように、ロータ２４の目標回転数を示す情報が、操作検出部が検出する操作が示す吸引装置１の吸引力の段階に対応する複数の段階の回転数に区切られて記憶されている。ＭＣＵ１７は、操作検出部が検出した操作に応じた吸引力の段階に対応する段階の目標回転数を示す情報を記憶部１２から読み出す。ＭＣＵ１７は、ロータ２４の回転数を、読み出した目標回転数に一致させる。これにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、吸引力に基づく吸引装置１の操作をユーザに提供することができる。なお、吸引装置１は、吸引装置の一例である。

［ワンパルス制御の詳細］
次に、図９から図１２を参照して、本実施形態の直流ブラシレスモータ制御装置１５が行うワンパルス制御の詳細について説明する。
図９は、本実施形態の直流ブラシレスモータ制御装置１５によるワンパルス制御の波形の一例を示す波形図である。図１０は、本実施形態の直流ブラシレスモータ制御装置１５によるアームの制御状態の一例を示す表である。なお、これら図９及び図１０は、直流ブラシレスモータ制御装置１５による三相直流ブラシレスモータ２０の駆動デューティが、約５０％である場合の一例を示す。

制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０のロータ２４の磁極位置を検出する磁極位置検出部２５が検出する磁極位置に基づいて、各相のアーム４１、４２、４３が備えるスイッチング素子のうち、接続点の一方側にある第１スイッチング素子の通電状態と、他方側にある第２スイッチング素子の通電状態とを、それぞれ制御する。すなわち、直流ブラシレスモータ制御装置１５の制御部１６は、三相ブリッジインバータ部４０が備える各相のアーム４１と、アーム４２と、アーム４３とをＨ状態、Ｌ状態又はＨｉ−Ｚ状態にそれぞれ切換えることにより、各相の出力電位を制御する。ここで、Ｈ状態とは、各相のアームの第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態である場合をいう。また、Ｌ状態とは、各相のアームの第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態である場合をいう。また、Ｈｉ−Ｚ状態とは、各相のアームの第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子がいずれもオフ状態である場合をいう。また、ここでＵ相の出力電位とは、電界効果トランジスタ４１１と電界効果トランジスタ４１２との接続部、すなわちアーム４１の中点の、基準電位に対する電位である。また、Ｖ相の出力電位とは、電界効果トランジスタ４２１と電界効果トランジスタ４２２との接続部、すなわちアーム４２の中点の、基準電位に対する電位である。また、Ｗ相の出力電位とは、電界効果トランジスタ４３１と電界効果トランジスタ４３２との接続部、すなわちアーム４３の中点の、基準電位に対する電位である。

制御部１６による制御動作のより具体的な一例について、図９及び図１０に示す区間ごとに説明する。なお、ここでいう区間Ｐ１０１から区間Ｐ１１２までが、三相直流ブラシレスモータ２０の電気角１周期分に相当する。また、区間Ｐ２０１から区間Ｐ２１２までが、三相直流ブラシレスモータ２０の電気角１周期分に相当する。なお、この一例では各区間が時間軸上で等分割されている場合について説明するが、各区間は必ずしも時間軸上で等分割されていなくてもよい。

制御部１６は、電気角が１周期目の区間、すなわち区間Ｐ１０１から区間Ｐ１１２までの各区間において、次のようにして各相のアームを制御する。
区間Ｐ１０１において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＨｉ−Ｚ状態に、Ｖ相のアーム４２をＬ状態に、Ｗ相のアーム４３をＨ状態にする。区間Ｐ１０１において、制御部１６は、駆動電流をＷ相のアーム４３から巻線２３及び巻線２２を介してＶ相のアーム４２に流す。
区間Ｐ１０２及び区間Ｐ１０３において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＨｉ−Ｚ状態に、Ｖ相のアーム４２をＬ状態に、Ｗ相のアーム４３をＨｉ−Ｚ状態にする。区間Ｐ１０２及び区間Ｐ１０３において、制御部１６は、駆動電流をいずれの巻線にも供給しない。
区間Ｐ１０４において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＨ状態に、Ｖ相のアーム４２をＬ状態に、Ｗ相のアーム４３をＨｉ−Ｚ状態にする。区間Ｐ１０４において、制御部１６は、駆動電流をＵ相のアーム４１から巻線２１及び巻線２２を介してＶ相のアーム４２に流す。
区間Ｐ１０５において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＨ状態に、Ｖ相のアーム４２をＨｉ−Ｚ状態に、Ｗ相のアーム４３をＬ状態にする。区間Ｐ１０５において、制御部１６は、駆動電流をＵ相のアーム４１から巻線２１及び巻線２３を介してＷ相のアーム４３に流す。

区間Ｐ１０６及び区間Ｐ１０７において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＨｉ−Ｚ状態に、Ｖ相のアーム４２をＨｉ−Ｚ状態に、Ｗ相のアーム４３をＬ状態にする。区間Ｐ１０６及び区間Ｐ１０７において、制御部１６は、駆動電流をいずれの巻線にも供給しない。
区間Ｐ１０８において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＨｉ−Ｚ状態に、Ｖ相のアーム４２をＨ状態に、Ｗ相のアーム４３をＬ状態にする。区間Ｐ１０８において、制御部１６は、駆動電流をＶ相のアーム４２から巻線２２及び巻線２３を介してＷ相のアーム４３に流す。
区間Ｐ１０９において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＬ状態に、Ｖ相のアーム４２をＨ状態に、Ｗ相のアーム４３をＨｉ−Ｚ状態にする。区間Ｐ１０９において、制御部１６は、駆動電流をＶ相のアーム４２から巻線２２及び巻線２１を介してＵ相のアーム４１に流す。
区間Ｐ１１０及び区間Ｐ１１１において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＬ状態に、Ｖ相のアーム４２をＨｉ−Ｚ状態に、Ｗ相のアーム４３をＨｉ−Ｚ状態にする。区間Ｐ１１０及び区間Ｐ１１１において、制御部１６は、駆動電流をいずれの巻線にも供給しない。
区間Ｐ１１２において、制御部１６は、Ｕ相のアーム４１をＬ状態に、Ｖ相のアーム４２をＨｉ−Ｚ状態に、Ｗ相のアーム４３をＨ状態にする。区間Ｐ１１２において、制御部１６は、駆動電流をＷ相のアーム４３から巻線２３及び巻線２１を介してＵ相のアーム４１に流す。

制御部１６は、電気角が２周期目の区間、すなわち区間Ｐ２０１から区間Ｐ２１２までの各区間についても、区間Ｐ１０１から区間Ｐ１１２までと同様にして、各相のアームを制御する。
なお、図９に示す区間Ｐ１０１から区間Ｐ１０３までは、図５に示す第１状態Ｓ１に対応する。また、図９に示す区間Ｐ１０４及び区間Ｐ１０５は、図５に示す第２状態Ｓ２に対応する。また、図９に示す区間Ｐ１０６から区間Ｐ１０８までは、図５に示す第３状態Ｓ３に対応する。また、図９に示す区間Ｐ１０９から区間Ｐ１１２は、図５に示す第４状態Ｓ４に対応する。
なお、図５に示す第３−１状態Ｓ３−１は、他の状態に比べて短時間であるため図９においては図示を省略している。

［ワンパルス制御における各相のアームの制御タイミング］
次に、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置と、制御部１６による各相のアームの制御タイミングとの関係について説明する。一例として、制御部１６は、各相の磁極位置検出部２５から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングに合わせて、当該相のアームをＨ状態に変化させる。

具体的には、制御部１６は、Ｕ相の磁極位置検出部２５−１から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングに合わせて、Ｕ相のアーム４１をＨ状態に変化させる。つまり、制御部１６は、Ｕ相の磁極位置検出部２５−１から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングと、図９に示す区間Ｐ１０４の開始タイミングとを一致させて、各相のアームを制御する。
また、制御部１６は、Ｖ相の磁極位置検出部２５−２から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングに合わせて、Ｖ相のアーム４２をＨ状態に変化させる。つまり、制御部１６は、Ｖ相の磁極位置検出部２５−２から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングと、図９に示す区間Ｐ１０８の開始タイミングとを一致させて、各相のアームを制御する。
また、制御部１６は、Ｗ相の磁極位置検出部２５−３から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングに合わせて、Ｗ相のアーム４３をＨ状態に変化させる。つまり、制御部１６は、Ｗ相の磁極位置検出部２５−３から出力される磁極位置検出信号の立ち上がりタイミングと、図９に示す区間Ｐ１１２の開始タイミングとを一致させて、各相のアームを制御する。
つまり、制御部１６は、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置が基準位置に達した時点を基準にして、アームをＨｉ−Ｚ状態と、Ｈ状態と、Ｈｉ−Ｚ状態と、Ｌ状態とに、この記載順に変化させる。

上述したように、制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０の電気角の１周期ごとに、アームをＨｉ−Ｚ状態、Ｈ状態、Ｈｉ−Ｚ状態、及びＬ状態に、この記載順に変化させる。すなわち、制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０の電気角の１周期ごとに、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置が基準位置に達した時点から順に、アームをＨｉ−Ｚ状態、Ｈ状態、Ｈｉ−Ｚ状態、及びＬ状態に変化させる。換言すれば、制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０の電気角の１周期ごとに、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置が基準位置に達した時点から順に、第１状態と、第２状態と、第３状態と、第４状態とによって、アームのスイッチング素子の通電状態を制御する。

［ワンパルス制御におけるパルス幅可変制御の概要］
次に、制御部１６が、ワンパルス制御によって三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を可変に制御する場合の一例について、図９を参照して説明する。この図９に示す一例では、制御部１６は、区間Ｐ１０４及び区間Ｐ１０５においてＵ相のアーム４１をＨ状態にする。なお、以下の説明において、Ｕ相のアーム４１がＨ状態である期間を、期間ＵＴ_ｏｎと記載する。また、Ｖ相のアーム４２がＨ状態である期間を、期間ＶＴ_ｏｎと、Ｗ相のアーム４３がＨ状態である期間を、期間ＷＴ_ｏｎと、それぞれ記載する。なお、各相を区別しない場合には、アームがＨ状態である期間を、期間Ｔ_ｏｎとも記載する。

制御部１６は、期間Ｔ_ｏｎの継続時間を変化させることにより、三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を制御する。具体的には、制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を上昇させる場合には、期間ＵＴ_ｏｎの継続時間を増加させる。また、制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を低下させる場合には、期間ＵＴ_ｏｎの継続時間を減少させる。また、制御部１６は、期間ＶＴ_ｏｎの継続時間、及び期間ＷＴ_ｏｎの継続時間についても、期間ＵＴ_ｏｎの継続時間と同様にして変化させることにより、三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を制御する。

［パルス幅が最大（駆動デューティが１００％）の場合の例］
ここで一例として、制御部１６が、期間Ｔ_ｏｎの継続時間を最大にする場合、つまり、駆動デューティを１００％にする場合の具体例について、図１１及び図１２を参照して説明する。

図１１は、本実施形態の直流ブラシレスモータ制御装置１５によるワンパルス制御の波形の他の一例を示す波形図である。図１２は、本実施形態の直流ブラシレスモータ制御装置１５によるアームの制御状態の他の一例を示す表である。なお、これら図１１及び図１２は、直流ブラシレスモータ制御装置１５による三相直流ブラシレスモータ２０の駆動デューティが、約１００％である場合の一例を示す。また、図１１及び図１２に示す各区間は、図９及び図１０に示す同一符号の区間に対応する。

制御部１６は、電気角が１周期目の区間、すなわち区間Ｐ１０１から区間Ｐ１１２までの各区間において、次のようにして各相のアームを制御する。
ここで、制御部１６は、期間Ｔ_ｏｎの継続時間を最大にする場合、Ｕ相について、Ｕ相のアーム４１がＨ状態に維持される時間を最大まで増加させ、Ｕ相のアーム４１がＨｉ−Ｚ状態に維持される時間を最小まで減少させる。この場合、制御部１６は、Ｖ相についてもＵ相と同様に、Ｖ相のアーム４２がＨ状態に維持される時間を最大まで増加させ、Ｖ相のアーム４２がＨｉ−Ｚ状態に維持される時間を最小まで減少させる。この場合、制御部１６は、Ｗ相についてもＵ相及びＶ相と同様に、Ｗ相のアーム４３がＨ状態に維持される時間を最大まで増加させ、Ｗ相のアーム４３がＨｉ−Ｚ状態に維持される時間を最小まで減少させる。

なお、各区間における制御部１６によるアームの制御状態は、上述した図９及び図１０の場合と同様である。すなわち、制御部１６は、磁極位置検出部２５が検出する磁極位置が基準位置に達した時点から順に、第１の第１相駆動状態と、第２の第１相駆動状態と、第１の第２相駆動状態と、第２の第２相駆動状態と、第１の第３相駆動状態と、第２の第３相駆動状態と、を含む複数の状態によって、スイッチング素子の通電状態を制御する。ここで、第１の第１相駆動状態は、第１相アーム４１の第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態であり、第２相アーム４２の第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態であり、第３相アーム４３の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である。第２の第１相駆動状態は、第１相アーム４１の第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態であり、第２相アーム４２の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、第３相アーム４３の第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態である。第１の第２相駆動状態は、第１相アーム４１の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、第２相アーム４２の第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態であり、第３相アーム４３の第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態である。第２の第２相駆動状態は、第１相アーム４１の第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態であり、第２相アーム４２の第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態であり、第３相アーム４３の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である。
第１の第３相駆動状態は、第１相アーム４１の第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態であり、第２相アーム４２の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、第３相アーム４３の第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態である。
第２の第３相駆動状態は、第１相アーム４１の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、第２相アーム４２の第１スイッチング素子がオフ状態かつ第２スイッチング素子がオン状態であり、第３相アーム４３の第１スイッチング素子がオン状態かつ第２スイッチング素子がオフ状態である。

以上説明したように、制御部１６は、ワンパルス制御において、パルス幅を変化させることにより、三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を制御する。つまり、制御部１６は、各相のアームについて、期間Ｔ_ｏｎの継続時間と、アームがＨｉ−Ｚ状態である区間の継続時間との割合を可変させることによって、三相直流ブラシレスモータ２０の回転数を制御する。
上述したように、制御部１６は、期間Ｔ_ｏｎにおいて、アームをＨ状態に維持することにより、三相直流ブラシレスモータ２０の巻線に駆動電流を供給し続ける。
一方、従来技術であるＰＷＭ制御の場合には、期間Ｔ_ｏｎに相当する期間において、所定のＰＷＭ周波数に応じた切換速度によって、アームが、Ｈ状態と、Ｌ状態又はＨｉ−Ｚ状態とに交互に切り替えられる。つまり、従来技術であるＰＷＭ制御の場合には、期間Ｔ_ｏｎに相当する期間において、アームがＨ状態に維持されない。つまり、本実施形態の制御部１６が行うワンパルス制御は、期間Ｔ_ｏｎにおいて、アームがＨ状態に維持される点で、従来技術であるＰＷＭ制御とは異なる。

［ワンパルス制御におけるパルス幅可変制御の詳細］
次に、制御部１６によるパルス幅可変制御の詳細について説明する。ここで、期間Ｔ_ｏｎは、前半部分と、後半部分とに分けられる。具体的には、期間ＵＴ_ｏｎは、区間Ｐ１０４から区間Ｐ１０５に切り替わる時刻ｔ１を境にして、区間Ｐ１０４側の期間ＵＴ_ｏｎ１と、区間Ｐ１０５側の期間ＵＴ_ｏｎ２とに分けられる。期間ＶＴ_ｏｎは、区間Ｐ１０８から区間Ｐ１０９に切り替わる時刻ｔ２を境にして、区間Ｐ１０８側の期間ＶＴ_ｏｎ１と、区間Ｐ１０９側の期間ＶＴ_ｏｎ２とに分けられる。期間ＷＴ_ｏｎは、区間Ｐ１１２から区間Ｐ２０１に切り替わる時刻ｔ３を境にして、区間Ｐ１１２側の期間ＷＴ_ｏｎ１と、区間Ｐ２０１側の期間ＷＴ_ｏｎ２とに分けられる。

制御部１６は、パルス幅を可変させる場合に、期間Ｔ_ｏｎの前半部分と、後半部分とを対応させて増減させる。具体的には、制御部１６は、パルス幅を増加させる場合には、期間Ｔ_ｏｎの前半部分の増加幅と、期間Ｔ_ｏｎの後半部分の増加幅とを一致させて、パルス幅を増加させる。また、制御部１６は、パルス幅を減少させる場合には、期間Ｔ_ｏｎの前半部分の減少幅と、期間Ｔ_ｏｎの後半部分の減少幅とを一致させて、パルス幅を減少させる。より具体的には、Ｕ相について、制御部１６は、期間ＵＴ_ｏｎ１の長さと、期間ＵＴ_ｏｎ２の長さとを一致させて、パルス幅を増減させる。また、Ｖ相について、制御部１６は、期間ＶＴ_ｏｎ１の長さと、期間ＶＴ_ｏｎ２の長さとを一致させて、パルス幅を増減させる。また、Ｗ相について、制御部１６は、期間ＷＴ_ｏｎ１の長さと、期間ＷＴ_ｏｎ２の長さとを一致させて、パルス幅を増減させる。つまり、制御部１６は、Ｕ相については時刻ｔ１を、Ｖ相については時刻ｔ２を、Ｗ相については時刻ｔ３をそれぞれ中心にして、パルス幅を可変させる。

１…吸引装置、１２…記憶部、１３…操作スイッチ、１５…直流ブラシレスモータ制御装置、１６…制御部、１７…ＭＣＵ、１８…ドライバー、２０…三相直流ブラシレスモータ、２１、２２、２３…巻線、２４…ロータ、２５、２５−１、２５−２、２５−３…磁極位置検出部、２９…整流部、３０…昇圧部、３１…第１ＤＣ−ＤＣコンバーター、３２…第２ＤＣ−ＤＣコンバーター、４０…三相ブリッジインバータ部、２４１…永久磁石、４１１、４１２、４２１、４２２、４３１、４３２…電界効果トランジスタ

Claims (12)

1. 三相直流ブラシレスモータの固定子の巻線に対して電流を供給する直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   
   スイッチング素子どうしが直列接続され、かつ前記スイッチング素子どうしの接続点と前記巻線の一端とが接続されたアームを、各相に備える三相ブリッジインバータ部と、
   前記三相直流ブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出部が検出する前記磁極位置に基づいて、前記アームが備える前記スイッチング素子のうち、前記接続点の一方側にある第１スイッチング素子の通電状態と、他方側にある第２スイッチング素子の通電状態とを、それぞれ制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記磁極位置検出部が検出する前記磁極位置が基準位置に達した時点から順に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第１状態と、前記第１スイッチング素子がオン状態に維持され前記第２スイッチング素子がオフ状態に維持される第２状態と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第３状態と、前記第１スイッチング素子がオフ状態に維持され前記第２スイッチング素子がオン状態に維持される第４状態と、を含む複数の状態によって、前記スイッチング素子の通電状態を制御する。
2. 請求項１に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記ロータの回転数が所定の回転数未満である場合には、前記第２状態に代えて、前記第２スイッチング素子がオフ状態に維持されつつ、第１スイッチング素子がオン状態とオフ状態とを交互に切り替えられる第５状態によって、前記スイッチング素子の通電状態を制御する。
3. 請求項２に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記ロータの目標回転数を示す情報が、低回転数から高回転数まで複数の段階に区切られて、前記段階ごとに記憶されている記憶部を備え、
   前記制御部は、
   前記記憶部に前記段階ごとに記憶されている前記目標回転数に応じて、前記ロータの回転数を制御する。
4. 請求項３に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記記憶部に前記段階ごとに記憶されている前記目標回転数のうち、前記所定の回転数未満である低回転数側の前記目標回転数による制御を前記第５状態によって行い、前記所定の回転数以上である高回転数側の前記目標回転数による制御を前記第２状態によって行う。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記ロータの目標回転数に応じて、前記第２状態の継続時間を変化させる。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記磁極位置検出部から供給される前記磁極位置を示す信号を、前記磁極位置の判定に用いる信号として取得するか否かを、前記磁極位置検出部が検出する前記磁極位置の移動の周期に基づいて判定する。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記磁極位置検出部が検出する前記磁極位置の移動の周期と、前記ロータの目標回転数とに基づいて、前記ロータの回転数をフィードバック制御する。
8. 三相直流ブラシレスモータの固定子の巻線に対して電流を供給する直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   
   スイッチング素子どうしが直列接続され、かつ前記スイッチング素子どうしの接続点と前記巻線の一端とが接続されたアームを、各相に備える三相ブリッジインバータ部と、
   前記三相直流ブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出部が検出する前記磁極位置に基づいて、前記アームが備える前記スイッチング素子のうち、前記接続点の一方側にある第１スイッチング素子の通電状態と、他方側にある第２スイッチング素子の通電状態とを、それぞれ制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記三相直流ブラシレスモータの電気角の１周期ごとに、前記磁極位置検出部が検出する前記磁極位置が基準位置に達した時点から順に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第１状態と、前記第１スイッチング素子がオン状態に維持され前記第２スイッチング素子がオフ状態に維持される第２状態と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第３状態と、前記第１スイッチング素子がオフ状態に維持され前記第２スイッチング素子がオン状態に維持される第４状態と、によって、前記スイッチング素子の通電状態を制御する。
9. 請求項８に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記第２状態の継続時間と、前記第１状態の継続時間及び前記第３状態の継続時間との割合を可変させることによって、前記ロータの回転速度を可変にする。
10. 請求項８又は請求項９に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
    前記制御部は、
    前記第２状態の継続時間を増加させる場合には、前記第１状態の継続時間の減少幅と前記第３状態の継続時間の減少幅とを対応させて、前記第１状態の継続時間及び前記第３状態の継続時間を減少させ、
    前記第２状態の継続時間を減少させる場合には、前記第１状態の継続時間の増加幅と前記第３状態の継続時間の増加幅とを対応させて、前記第１状態の継続時間及び前記第３状態の継続時間を増加させる。
11. 請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
    前記制御部は、
    前記各相のうちの第１相、第２相及び第３相について、前記第１相が前記第２状態である間に、前記第２相を前記第４状態から前記第１状態に切換え、前記第３相を前記第３状態から前記第４状態に切換える。
12. 三相直流ブラシレスモータの固定子の巻線に対して電流を供給する直流ブラシレスモータ制御装置であって、
    
    スイッチング素子どうしが直列接続され、かつ前記スイッチング素子どうしの接続点と前記巻線の一端とが接続された各相のアームである、第１相アーム、第２相アーム及び第３相アームを備える三相ブリッジインバータ部と、
    前記三相直流ブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出部が検出する前記磁極位置に基づいて、各相のアームが備える前記スイッチング素子のうち、前記接続点の一方側にある第１スイッチング素子の通電状態と、他方側にある第２スイッチング素子の通電状態とを、それぞれ制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記磁極位置検出部が検出する前記磁極位置が基準位置に達した時点から順に、
    前記第１相アームの前記第１スイッチング素子がオン状態かつ前記第２スイッチング素子がオフ状態であり、前記第２相アームの前記第１スイッチング素子がオフ状態かつ前記第２スイッチング素子がオン状態であり、前記第３相アームの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第１の第１相駆動状態と、
    前記第１相アームの前記第１スイッチング素子がオン状態かつ前記第２スイッチング素子がオフ状態であり、前記第２相アームの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、前記第３相アームの前記第１スイッチング素子がオフ状態かつ前記第２スイッチング素子がオン状態である第２の第１相駆動状態と、
    前記第１相アームの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、前記第２相アームの前記第１スイッチング素子がオン状態かつ前記第２スイッチング素子がオフ状態であり、前記第３相アームの前記第１スイッチング素子がオフ状態かつ前記第２スイッチング素子がオン状態である第１の第２相駆動状態と、
    前記第１相アームの前記第１スイッチング素子がオフ状態かつ前記第２スイッチング素子がオン状態であり、前記第２相アームの前記第１スイッチング素子がオン状態かつ前記第２スイッチング素子がオフ状態であり、前記第３相アームの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態である第２の第２相駆動状態と、
    前記第１相アームの前記第１スイッチング素子がオフ状態かつ前記第２スイッチング素子がオン状態であり、前記第２相アームの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、前記第３相アームの前記第１スイッチング素子がオン状態かつ前記第２スイッチング素子がオフ状態である第１の第３相駆動状態と、
    前記第１相アームの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とがいずれもオフ状態であり、前記第２相アームの前記第１スイッチング素子がオフ状態かつ前記第２スイッチング素子がオン状態であり、前記第３相アームの前記第１スイッチング素子がオン状態かつ前記第２スイッチング素子がオフ状態である第２の第３相駆動状態と、
    を含む複数の状態によって、前記スイッチング素子の通電状態を制御する。

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