JPWO2016194836A1 - 直流ブラシレスモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

吸引装置の吸引ファンを回転させる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、ロータの回転数を制御する制御部と、吸引装置に対する操作を検出する操作検出部と、ロータの目標回転数を示す情報が、操作検出部が検出する操作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記憶部と、を備え、制御部は、磁極位置検出部が検出する磁極位置の移動の周期が示すロータの回転数が、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は、ロータの回転数のフィードバックにより、又は巻線に供給される電流値のフィードバックによりロータの回転数を制御する。

Description

本発明は、直流ブラシレスモータ制御装置に関する。

従来、電動送風機の電流もしくは負圧に基づいて、電動送風機の電力または回転数の制御を行う電動送風機が知られている（例えば、特許文献１）。

日本国公開公報：特開平０８−２１５１１９号

しかしながら、電動送風機の電流もしくは負圧の閾値に関して、バリエーションをもたせておらず、最適な制御が十分できているとは言えない、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、ユーザフレンドリな直流ブラシレスモータ制御装置の提供を目的とする。

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、吸引装置の吸引ファンを回転させる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、それぞれ制御することにより、前記ロータの回転数を制御する制御部と、前記吸引装置に対する操作を検出する操作検出部と、前記ロータの目標回転数を示す情報が、前記操作検出部が検出する操作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記憶部と、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の移動の周期が示す前記ロータの回転数が、前記操作検出部が検出する操作に対応する前記目標回転数を超える場合には、前記ロータの回転数のフィードバックにより、又は前記巻線に供給される電流値のフィードバックにより前記ロータの回転数を制御する。

本発明の実施形態によれば、各種目標回転数に合わせた最適制御が可能な直流ブラシレスモータ制御装置を提供することができる。

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。

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。直流ブラシレスモータ制御装置１５は、吸引装置１の吸引ファンを回転させる三相直流ブラシレスモータ２０の固定子の巻線２１、２２、２３に対して電流を供給する。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。すなわち、操作検出部は、吸引装置１に対する操作を検出する。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。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、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、それぞれ制御することにより、ロータ２４の回転数を制御する。

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。すなわち、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アーム４１、４２、４３を、各相に備える。

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。記憶部１２には、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。より詳細に述べると、記憶部１２には、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。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。なお、ロータ２４の回転数が目標回転数以上になった場合には、ロータ２４の回転を停止させてもよい。これにより、何らかの要因でロータ２４の回転数が目標回転数を上回った際に、自動的にロータ２４の回転を止めることができる。図６の場合においては、例えば、レベル５の目標回転数を上回った際にロータ２４が自動的に停止するように制御すればよい。

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、吸引装置１は、三相直流ブラシレスモータ２０の動作電源としての電池を備えていてもよい。この電池は、例えば、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、又はリチウムイオン電池などの二次電池であってもよい。三相直流ブラシレスモータ２０が電池によって動作している場合には、ＭＣＵ１７は、電池の残存電力量に基づいて、ロータ２４の目標回転数を変更してもよい。すなわち、制御部１６は、三相直流ブラシレスモータ２０に電力を供給する二次電池の残量に基づいて、ロータ２４の回転数を制御する。
具体的には、ＭＣＵ１７は、電池の残存電力量が所定のしきい値未満の場合、ロータ２４の目標回転数を低減して、ロータ２４の回転数を制御する。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。所定の割合とは、例えば、電池の容量の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、電池の残存電力量が所定のしきい値未満の場合、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。このように構成することにより、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、電池の残存電力量が所定のしきい値以上か、所定のしきい値未満かによって、ロータ２４の目標回転数を切り換える制御を行なってもよい。具体的には、ＭＣＵ１７は、電池の残存電力量が所定のしきい値以上の場合には、ロータ２４の目標回転数を変更せずにロータ２４の回転数を制御する。また、ＭＣＵ１７は、電池の残存電力量が所定のしきい値未満の場合には、ロータ２４の目標回転数を低減してロータ２４の回転数を制御する。このように構成することにより、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、電池の残存電力量が所定のしきい値以上の場合には、所定の吸引力を維持し、電池の残存電力量が所定のしきい値未満の場合には、動作時間を長くすることができる。すなわち、直流ブラシレスモータ制御装置１５は、電池の残存電力量に応じて、例えば、パワー維持モードと省エネモードとの切り替えをすることができる。

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。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は、ロータ２４の回転数のフィードバックにより、又は巻線２１、２２、２３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。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。つまり、吸引装置に対する操作とは、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。

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 (4)

1. 吸引装置の吸引ファンを回転させる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、それぞれ制御することにより、前記ロータの回転数を制御する制御部と、
   前記吸引装置に対する操作を検出する操作検出部と、
   前記ロータの目標回転数を示す情報が、前記操作検出部が検出する操作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記憶部と、
   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の移動の周期が示す前記ロータの回転数が、前記操作検出部が検出する操作に対応する前記目標回転数を超える場合には、前記ロータの回転数のフィードバックにより、又は前記巻線に供給される電流値のフィードバックにより前記ロータの回転数を制御する。
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、
   前記吸引装置に対する操作とは、前記吸引装置の吸引力の段階を選択する操作であり、
   前記記憶部には、前記ロータの目標回転数を示す情報が、前記操作検出部が検出する操作が示す前記吸引装置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。
3. 請求項１又は請求項２に記載の直流ブラシレスモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記三相直流ブラシレスモータに電力を供給する二次電池の残量に基づいて、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、
   前記二次電池の残量が所定のしきい値未満である場合に、前記ロータの回転数を前記記憶部に記憶されている目標回転数から低減して前記ロータの回転数を制御し、前記二次電池の残量が所定のしきい値以上である場合に、前記ロータの回転数を前記記憶部に記憶されている目標回転数によって前記ロータの回転数を制御する。
   
   

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