JPWO2017072960A1 - モータ制御装置、電気掃除機およびハンドドライヤー - Google Patents

モータ制御装置、電気掃除機およびハンドドライヤー Download PDF

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Abstract

モータ制御装置２は、モータ１２の位置を検出する位置センサ２１と、モータ電流の検出値であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器３０と、ＡＤ変換器３０の出力信号を用いてインバータ１１を駆動する制御回路２５とを備える。制御回路２５は、許可期間中に、ＡＤ変換器３０を起動し、許可期間を含む電気半サイクル中に、ＡＤ変換器３０の処理を行う。モータ１２の回転速度が増大するにつれて、電気半サイクルから許可期間を除いて得られる禁止期間の長さが減少する。

Description

本発明は、ブラシレスモータを制御するモータ制御装置、電気掃除機およびハンドドライヤーに関する。
モータ制御装置では、一般にロータ回転位置に応じてステータ巻線の通電を制御する方式が用いられている。
このようなモータ制御の一例として、特許文献１では、ロータ回転位置を検出する位置センサを備えたブラシレスモータの制御において、モータ制御装置が、位置センサ信号の第１のエッジに応答してアナログディジタル変換器を起動し、かつ第１のエッジと異なる第２のエッジに応答してアナログディジタル変換器からディジタル信号を読み取ることが記載されている。
特許第５４７３９７９号公報
ところで、モータの制御では、位置センサ信号のエッジをモータ電流のゼロクロス点と同期させた制御をすることがある。すなわち、位置センサ信号によりロータの磁極間を検出するタイミングとモータ電流のゼロクロス点のタイミングとを同期させた制御をすることがある。
一方、モータ電流のゼロクロス点では、電流極性の切り替りに起因してノイズが発生することが知られている。
従って、位置センサ信号のエッジをモータ電流のゼロクロス点と同期させた制御をする場合、モータ電流のゼロクロス点のタイミングで発生するノイズがエッジの検出誤差の要因となり、エッジ検出によるロータの磁極間の正確な検出が困難となる。
そのため、位置センサ信号の第１のエッジに応答してアナログディジタル変換器を起動し、かつ第１のエッジと異なる第２のエッジに応答してアナログディジタル変換器からディジタル信号を読み取る上記従来の制御によれば、位置センサ信号のエッジとモータ電流のゼロクロス点とが一致する場合には、モータ制御に用いられるディジタル信号に電流極性の切り替わりに起因したノイズが含まれることとなり、モータの安定した制御を実現することが困難となる。
特に、ロータ回転位置の検出誤差が増大すると、ステータ巻線の通電切り換えのタイミングがずれてしまい、ステータ巻線を流れる電流とステータ巻線に生じる誘起電圧との力率が低くなってモータ効率が悪化すると共に、モータトルクにムラが生じて振動および騒音が大きくなる。
上記ノイズはロータの回転数が１０万ｒｐｍ（revolution per minute）以上の高回転数領域で特に顕著となり、上記振動および騒音もこの高回転数領域で特に顕著に現れる。従って、上記ノイズの影響を抑制することは、特に電気掃除機またはハンドドライヤーにおいてモータの安定な制御を実現する上で課題となる。
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、ノイズの制御への影響を抑制し、安定したモータ制御を実現可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモータ制御装置は、インバータにより駆動されるモータに用いられるモータ制御装置であって、前記モータの位置を検出する位置検出手段と、前記モータに流れる交流電流の検出値であるアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換器と、前記アナログディジタル変換器の出力信号を用いて前記インバータを駆動する制御回路と、を備え、前記制御回路は、第１の期間中に、前記アナログディジタル変換器を起動し、第２の期間中に、前記アナログディジタル変換器の処理を行い、前記第２の期間は、前記位置検出手段の出力信号の変化点から次の変化点までの期間であり、前記第１の期間は、前記各変化点を含まない、前記第２の期間より短い期間であり、前記モータの回転速度が増大するにつれて、前記第２の期間から前記第１の期間を除いて得られる第３の期間の長さが減少する。
この発明によれば、ノイズの制御への影響を抑制し、安定したモータ制御を実現することができる、という効果を奏する。
実施の形態１に係るモータ制御システムの構成を示すブロック図 実施の形態１におけるモータの構成を示す図 実施の形態１におけるＡＤ変換器の構成の一例を示すブロック図 実施の形態１においてプロセッサとＡＤ変換器との間の信号の授受の一例を示した図 実施の形態１においてＡＤ変換器の起動およびＡＤ変換器からのディジタル信号の読み取りのタイミングを説明するためのタイミングチャート 実施の形態１において禁止範囲を決定するためのフローチャート 実施の形態１において禁止期間内でのモータ電流の電流値の推定方法を説明するための図 実施の形態１においてＡＤ変換器の起動およびＡＤ変換器からのディジタル信号の読み取りのタイミングを説明するための別のタイミングチャート 実施の形態１においてプロセッサ内における禁止期間の設定の処理を説明するためのブロック図 実施の形態１において回転速度に応じた禁止幅の設定の一例を示す図 実施の形態１において回転速度に応じた禁止幅の設定の別の一例を示す図 実施の形態１において回転速度に応じた禁止幅の設定のさらに別の一例を示す図 実施の形態１の変形例に係るモータ制御システムの構成を示すブロック図 実施の形態２において電気掃除機の構成の一例を示す図 実施の形態２においてハンドドライヤーの構成の一例を示す図
以下に、本発明に係るモータ制御装置、電気掃除機およびハンドドライヤーの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係るモータ制御システム１の構成を示すブロック図である。図２は、モータ１２の構成を示す図である。図１に示すように、モータ制御システム１は、モータ１２と、モータ１２に接続され、モータ１２に交流電力を出力して、モータ１２を駆動するインバータ１１と、インバータ１１への直流電源となる電源１０と、モータ１２のステータ３に設けられ、モータ１２のロータ４の回転位置であるロータ回転位置を検出する位置センサ２１と、モータ１２に流れる交流電流であるモータ電流を検出する電流検出部である電流センサ２０と、ロータ回転位置とモータ電流とに基づいてインバータ１１を制御するモータ制御装置２とを備える。
モータ１２は、ブラシレスモータであり、環状のステータ３と、ステータ３の内側に配置されたロータ４とを備える。また、ロータ４は周方向に配列された複数個の永久磁石６を有する。これらの複数個の永久磁石６は、着磁方向が周方向に交互に反転するように配置され、ロータ４の複数個の磁極を形成する。また、ステータ３には巻線５が巻回されている。モータ電流は、巻線５に流れる交流電流である。以下では、永久磁石６の個数は図示例のように４個とし、磁極数は４極とするが、これ以外でもよい。
位置センサ２１は、モータ１２の位置を検出する位置検出手段である。位置センサ２１は、ディジタル信号である位置センサ信号をモータ制御装置２に出力する。すなわち、位置センサ信号は、位置センサ２１の出力信号である。位置センサ信号は、ロータ４の回転位置を検出する信号であり、ロータ４からの磁束の方向に応じて高低の二値を示す。従って、位置センサ信号のエッジは磁極間に相当する。位置センサ信号のエッジは、位置センサ信号の変化点である。エッジは、信号の立上りまたは立下り点である。
電力変換器であるインバータ１１は、図示しない上下アームを構成する複数個のスイッチング素子４０を組み合わせて構成される。スイッチング素子４０は、トランジスタに還流ダイオードが逆並列に接続されて構成される。なお、還流ダイオードは寄生ダイオードとすることができる。インバータ１１は例えば単相インバータとしているが、多相インバータでもよい。
電流センサ２０は、モータ１２とインバータ１１との間に接続され、モータ電流を検出する。電流センサ２０の検出値はアナログ信号である。
モータ制御装置２は、電流センサ２０により検出されたモータ電流の検出値であるアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換器３０と、アナログディジタル変換器３０から読み取られたモータ電流と位置センサ２１からの位置センサ信号と図示しない回転数指令とに基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation:パルス幅変調）信号を生成する制御回路２５と、制御回路２５から出力されたＰＷＭ信号に基づいてインバータ１１を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部３２とを備える。
制御回路２５は、プロセッサ３１、三角波キャリア生成部３３およびメモリ３４を有する。制御回路２５は、公知のＰＷＭ制御により、モータ１２に印加すべき電圧指令を生成し、この電圧指令と三角波キャリア生成部３３で生成された三角波キャリアとを比較することでＰＷＭ信号を生成する。駆動信号生成部３２は、制御回路２５からのＰＷＭ信号に基づいて、インバータ１１のスイッチング素子４０のオンまたはオフを制御する駆動信号を生成し、この駆動信号をインバータ１１に出力する。
このように、制御回路２５は、アナログディジタル変換器３０からディジタル信号を読み取る処理を行い、アナログディジタル変換器３０の出力信号であるディジタル信号を用いてインバータ１１を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。なお、インバータ１１も含めて制御回路２５を定義することもできる。
次に、アナログディジタル変換器３０の構成の一例について説明する。以下では、アナログディジタル変換器３０は逐次比較型である場合について説明するが、アナログディジタル変換器３０の具体的構成は逐次比較型に限定されない。また、以下では、「アナログディジタル変換器」を「ＡＤ変換器３０」と略記し、「アナログディジタル変換」を「ＡＤ変換」と略記することがある。
図３は、ＡＤ変換器３０の構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、ＡＤ変換器３０は、制御回路５１、比較器５２、およびＤＡ（ディジタルアナログ）変換器５３を備える。なお、図３に示すＡＤ変換器３０の動作の詳細については特開平５−１５２９６０号公報に記載されている。
制御回路５１は、図示しないプロセッサを有する。比較器５２は、ＤＡ変換器５３からの比較信号ＣＯＭとアナログ入力信号ＡＩＮとの大小を比較し、比較結果を制御回路５１に出力する。アナログ入力信号ＡＩＮは、モータ電流に相当する。制御回路５１は、比較結果に応じてアナログ入力信号ＡＩＮを近似する制御信号ＣＮをＤＡ変換器５３に出力する。ＤＡ変換器５３は、制御信号ＣＮに相当する比較信号ＣＯＭを比較器５２に出力する。制御回路５１は、比較信号ＣＯＭをアナログ入力信号ＡＩＮに逐次近似する制御を実行することで、アナログ入力信号ＡＩＮに相当するディジタル信号ＤＯＵＴを求める。制御回路５１は、ディジタル信号ＤＯＵＴを図示しないレジスタに保持する。
図４は、プロセッサ３１とＡＤ変換器３０との間の信号の授受の一例を示した図である。まず、プロセッサ３１は、ＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力する。起動信号Ｓ１はＡＤ変換器３０にＡＤ変換の開始を指示する信号である。プロセッサ３１は、起動信号Ｓ１を出力することによりＡＤ変換器３０を起動する。
ＡＤ変換器３０は、起動信号Ｓ１を受けると、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換処理を開始する。具体的には、ＡＤ変換器３０の制御回路５１が、起動信号Ｓ１を受けると、逐次比較処理を開始する。
ＡＤ変換器３０は、ＡＤ変換完了後、ＡＤ変換が完了したことを示す完了信号Ｓ２をプロセッサ３１に出力する。具体的には、制御回路５１が完了信号Ｓ２をプロセッサ３１に出力する。プロセッサ３１は、ＡＤ変換器３０から完了信号Ｓ２を受けた後、ＡＤ変換器３０の処理を行う。すなわち、プロセッサ３１は、ＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取る。具体的には、プロセッサ３１は、制御回路５１内のレジスタに記憶されたディジタルデータを読み取る。
このように、ＡＤ変換器３０は、プロセッサ３１から起動信号Ｓ１が入力されるとＡＤ変換処理を開始し、ＡＤ変換処理が完了するとプロセッサ３１に完了信号Ｓ２を出力して、ＡＤ変換処理を停止する。
次に、図５を参照して、ＡＤ変換器３０の起動およびＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取りのタイミングについて説明する。図５は、ＡＤ変換器３０の起動およびＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取りのタイミングを説明するためのタイミングチャートである。
図５において、「位置センサ信号」は、プロセッサ３１に入力された位置センサ２１の出力信号を表す。なお、位置センサ信号の直下に付された角度はロータの機械角である。位置センサ信号は、４極のロータ４に対応して、機械角で０°、９０°、１８０°、２７０°、３６０°にエッジを含む。
「ロータ回転角」は、ロータ４の電気角を表す。すなわち、磁極数をＰとして電気角＝機械角×Ｐ／２で与えられる。プロセッサ３１は、位置センサ信号に基づいてロータ回転角を算出する。なお、ロータ回転角の直下に付された角度は電気角である。
「モータ電流」は、モータ電流の波形を表す。「モータ電流」は、「ロータ回転角」との比較のために示している。図５に示すように、位置センサ信号のエッジはモータ電流のゼロクロス点と同期している。ここでゼロクロス点は、信号の波形における極性の変化点であり、極性が正から負へまたは負から正へ切り替わる点である。図５では、互いに隣り合うゼロクロス点Ａ１，Ａ２を示している。ゼロクロス点Ａ１からゼロクロス点Ａ２までの期間は、ゼロクロス点Ａ１，Ａ２で決まるモータ電流の電気半サイクルである。このように、以下では、位置センサ信号のエッジをモータ電流のゼロクロス点と同期させた制御をする場合について説明する。この場合、ロータ回転角は、モータ電流の位相情報を与える。
次に、「ＡＤ変換器動作タイミング」と「三角波キャリア」について説明する。「ＡＤ変換器動作タイミング」はＡＤ変換処理を表し、「三角波キャリア」は三角波キャリアの波形を表す。本実施の形態では、ゼロクロス点を含む一定の位相角範囲はＡＤ変換器３０の起動が禁止された禁止範囲とする。具体的には、ゼロクロス点を中心に前後それぞれαからなる合計２αの位相角範囲を禁止範囲とする。プロセッサ３１は、禁止範囲内においてＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力せず、起動信号Ｓ１が入力されないＡＤ変換器３０はＡＤ変換処理を実行せず、ＡＤ変換処理を完了したことを示す完了信号Ｓ２を出力しない。
禁止範囲以外の範囲は、ＡＤ変換器３０の起動が許可された許可範囲である。すなわち、プロセッサ３１によるＡＤ変換器３０の起動は、許可範囲のみで許可される。なお、禁止範囲か許可範囲かに関係なく、ＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取りは許可される。許可範囲は、互いに隣り合う禁止範囲間となる。禁止範囲に相当する期間、すなわち禁止範囲を時間に読み替えたものを、以下では禁止期間という。同様に、許可範囲に相当する期間を、以下では許可期間という。禁止期間は禁止範囲と実質同一であり、許可期間は許可範囲と実質同一である。
図６は、禁止範囲を決定するためのフローチャートである。図６に示すように、プロセッサ３１は、位置センサ信号からロータ回転角を算出し（Ｓ１）、算出されたロータ回転角に基づいて、モータ電流のゼロクロス点を算出し（Ｓ２）、ゼロクロス点を含む前後αの範囲を禁止範囲に設定する（Ｓ３）。
なお、モータ電流の電気サイクルである周期をＴＩとすると、禁止期間の長さは２×（α／３６０）×ＴＩで与えられ、モータ電流の電気半サイクルである半周期中における許可期間の長さはＴＩ／２−２×（α／３６０）×ＴＩで与えられる。位置センサ信号のエッジとモータ電流のゼロクロス点とが同期しているので、周期ＴＩは、モータ電流の周期であり、位置センサ信号の周期でもある。
αは０よりも大きくかつ９０°未満の予め決められた角度である。図示例では、αは１０°である。この場合、禁止範囲は、−１０°以上かつ１０°以下の範囲、１７０°以上かつ１９０°以下の範囲、３５０°以上かつ３７０°以下の範囲、５３０°以上かつ５５０°以下の範囲、７１０°以上かつ７３０°以下の範囲である。プロセッサ３１は、ロータ回転角を算出した後、ロータ回転角と予め決められたαとに基づいて、禁止範囲および許可範囲を決定する。
また、本実施の形態では、プロセッサ３１によるＡＤ変換器３０の起動およびＡＤ変換器３０からの読み取りは、三角波キャリア生成部３３で発生させる三角波キャリアの山点のタイミングで行うものとする。なお、ＡＤ変換器３０の起動およびＡＤ変換器３０からの読み取りは、三角波キャリアの山点以外のタイミング、例えば谷点のタイミングまたは、山点と谷点両方のタイミングで行ってもよい。また、三角波キャリアによらずにタイミングを決めてもよい。なお、１つのサンプリングデータに対するＡＤ変換処理は、三角波キャリアの周期Ｔｃよりも短い時間で実行されるものとする。
さらに、１つの許可期間は、三角波キャリアの周期Ｔｃの２倍よりも大きいものとする。これにより、同一の許可範囲内には、三角波キャリアの山点が２個以上含まれるので、同一の許可範囲内で、ＡＤ変換器３０の起動とＡＤ変換器３０からの読み取りが可能になる。
「ＡＤ変換器動作タイミング」について詳細に説明する。以下では、「期間」を用いて説明するが「範囲」に読み替えることもできる。プロセッサ３１は、算出されたロータ回転角に基づき、山点のタイミングである時刻ｔ０が許可期間内にあるか否かの判定を行う。時刻ｔ０は、禁止期間内にあるので、プロセッサ３１は、ＡＤ変換器３０の起動を行わない。
次に、プロセッサ３１は、算出されたロータ回転角に基づき、時刻ｔ０に続く山点のタイミングである時刻ｔ１が許可期間内にあるか否かの判定を行う。時刻ｔ１は許可期間内にあるので、プロセッサ３１は、時刻ｔ１において、ＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力する。なお、この場合の許可期間は、ゼロクロス点Ａ１からゼロクロス点Ａ２まで電気半サイクル中に含まれる。ＡＤ変換器３０は、起動信号Ｓ１を受けると、ＡＤ変換処理を実行する。図５では、ＡＤ変換中の範囲を斜線付の「ＡＤ変換」で示している。ＡＤ変換器３０は、ＡＤ変換処理を完了すると、完了信号Ｓ２をプロセッサ３１に出力し、プロセッサ３１はＡＤ変換器３０から完了信号Ｓ２を受ける。
ここでは一つの許可期間内には三角波キャリアの山点が２個以上含まれることを前提としているため、時刻ｔ１に続く山点のタイミングである時刻ｔ２は許可期間内にある。そこで、プロセッサ３１は、時刻ｔ２において、ＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取ると共にＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力する。そして、プロセッサ３１は、このディジタル信号を制御に使用する。ＡＤ変換器３０は、起動信号Ｓ１を受けると、ＡＤ変換処理を実行し、ＡＤ変換後のディジタルデータでレジスタを書き換える。ＡＤ変換器３０は、ＡＤ変換処理を完了すると、完了信号Ｓ２をプロセッサ３１に出力し、プロセッサ３１はＡＤ変換器３０から完了信号Ｓ２を受ける。
次に、プロセッサ３１は、算出されたロータ回転角に基づき、時刻ｔ２に続く山点のタイミングである時刻ｔ３が許可期間内にあるか否かの判定を行う。時刻ｔ３は許可期間内にあるので、プロセッサ３１は、時刻ｔ３において、ＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取ると共にＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力する。そして、プロセッサ３１は、このディジタル信号を制御に使用する。ＡＤ変換器３０は、起動信号Ｓ１を受けると、ＡＤ変換処理を実行し、ＡＤ変換後のディジタルデータでレジスタを書き換える。ＡＤ変換器３０は、ＡＤ変換処理を完了すると、完了信号Ｓ２をプロセッサ３１に出力し、プロセッサ３１はＡＤ変換器３０から完了信号Ｓ２を受ける。
次に、プロセッサ３１は、算出されたロータ回転角に基づき、時刻ｔ３に続く山点のタイミングである時刻ｔ４が許可期間内にあるか否かの判定を行う。時刻ｔ４は許可期間内にあるので、プロセッサ３１は、時刻ｔ４において、ＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取ると共にＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力する。そして、プロセッサ３１は、このディジタル信号を制御に使用する。ＡＤ変換器３０は、起動信号Ｓ１を受けると、ＡＤ変換処理を実行し、ＡＤ変換後のディジタルデータでレジスタを書き換える。ＡＤ変換器３０は、ＡＤ変換処理を完了すると、完了信号Ｓ２をプロセッサ３１に出力し、プロセッサ３１はＡＤ変換器３０から完了信号Ｓ２を受ける。
さらに、プロセッサ３１は、算出されたロータ回転角に基づき、時刻ｔ４に続く山点のタイミングである時刻ｔ５が許可期間内にあるか否かの判定を行う。時刻ｔ５は禁止期間内にあるので、ＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力しない。また、プロセッサ３１は、時刻ｔ５がゼロクロス点Ａ１からゼロクロス点Ａ２まで電気半サイクル中にあるか否かの判定を行う。時刻ｔ５は当該電気半サイクル中にあるので、プロセッサ３１は、時刻ｔ５において、ＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取る。そして、プロセッサ３１は、このディジタル信号を制御に使用する。
プロセッサ３１は、モータ１２の運転中に以上のような動作を繰り返している。
ここで、禁止期間内におけるモータ制御について説明する。本実施の形態では、禁止期間内は、プロセッサ３１はＡＤ変換器３０から読み取りを行わないが、禁止期間の直前の許可期間で得られたモータ電流の実測値からモータ電流の電流値を推定し、この推定された電流値を用いてモータ制御を行う。
図７は、禁止期間内でのモータ電流の電流値の推定方法を説明するための図である。図７において、「位置センサ信号」および「モータ電流」は図５と同様である。「検出電流」は、実際に実測された「検出値」と禁止期間内で推定された「推定値」とからなる。なお、「検出値」は黒丸で、「推定値」は白丸で示している。点Ｎ−３から点Ｎ−１は禁止期間の直前の許可期間で実測された３点を示している。また、点Ｎ＋２および点Ｎ＋３は禁止期間の直後の許可期間で実測された２点を示している。点Ｎおよび点Ｎ＋１は、禁止期間で推定された２点を示している。「推定値」は次のようにして求めることができる。禁止期間内にはゼロクロス点が存在するので、モータ電流は直線で近似可能である。そこで、禁止期間の直前の許可期間で実測された直近の２点Ｎ−２および点Ｎ−１を通る直線を求め、当該直線上に電流値が存在すると推定して点Ｎおよび点Ｎ＋１を求めることができる。
なお、禁止期間内でのモータ電流の推定方法は上記した例に限定されない。例えば禁止期間の直前の許可期間で実測された直近の複数点を用いて、多項式近似により、点Ｎおよび点Ｎ＋１を推定してもよい。
また、モータ制御において、モータ電流を直交２軸のｄｑ軸に分解して制御するベクトル制御を用いる場合、モータ電流を直流成分として扱うことができるため、上記した電流値の推定を精度良く行うことが可能となる。
また、モータ１２の回転速度が一定の場合には、この直流成分の値は変化しないため、禁止期間内でのモータ電流の推定も容易に行うことが可能となる。
なお、モータ１２の回転速度は、単位時間当たりの回転数、例えば１分間当たりの回転数（ｒｐｍ）である。
ところで、モータ１２の回転速度の可変範囲が広い場合、禁止期間の長さを回転速度によらずに一定としたときには、回転速度が増大するにつれて周期ＴＩに占める禁止期間の割合が大きくなるため、制御性が低下する場合がある。
そこで、本実施の形態では、以下で説明するように、モータ１２の回転速度が増大するにつれて、禁止期間の長さを減少させることで、モータ１２の回転速度の可変範囲が広い場合でも安定した制御性を実現する。
図８は、ＡＤ変換器３０の起動およびＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取りのタイミングを説明するための別のタイミングチャートであり、モータ１２の回転速度に応じて禁止期間を可変に設定する制御を示している。以下では、図５との差異についてのみ説明する。
図８は、時間の経過とともに周期ＴＩが減少する場合、すなわち、モータ１２の加速時の動作を示す概念図である。具体的には、周期ＴＩは、「ロータ回転角」が０°から３６０°までの範囲ではＴＩ１、「ロータ回転角」が３６０°から７２０°までの範囲ではＴＩ２、「ロータ回転角」が７２０°から１０８０°までの範囲ではＴＩ３である。ここで、ＴＩ２はＴＩ１よりも短く、ＴＩ３はＴＩ２よりも短い。
周期ＴＩがＴＩ１の期間では、禁止期間の長さである禁止幅は、２×ｔｆ１に設定される。すなわち、「ロータ回転角」が０°に対応するゼロクロス点Ａ１を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ１を中心に前後それぞれｔｆ１からなる合計２×ｔｆ１の期間である。ゼロクロス点Ａ１の次のゼロクロス点Ａ２を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ２を中心に前後それぞれｔｆ１からなる合計２×ｔｆ１の期間である。ゼロクロス点Ａ２の次のゼロクロス点Ａ３を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ３を中心に前後それぞれｔｆ１からなる合計２×ｔｆ１の期間である。
周期ＴＩがＴＩ２の期間では、禁止期間の長さである禁止幅は、２×ｔｆ２に設定される。すなわち、ゼロクロス点Ａ３の次のゼロクロス点Ａ４を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ４を中心に前後それぞれｔｆ２からなる合計２×ｔｆ２の期間である。ゼロクロス点Ａ４の次のゼロクロス点Ａ５を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ５を中心に前後それぞれｔｆ２からなる合計２×ｔｆ２の期間である。
周期ＴＩがＴＩ３の期間では、禁止期間の長さである禁止幅は、２×ｔｆ３に設定される。すなわち、ゼロクロス点Ａ５の次のゼロクロス点Ａ６を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ６を中心に前後それぞれｔｆ３からなる合計２×ｔｆ３の期間である。ゼロクロス点Ａ６の次のゼロクロス点Ａ７を含む禁止期間は、ゼロクロス点Ａ７を中心に前後それぞれｔｆ３からなる合計２×ｔｆ３の期間である。
このように、本実施の形態では、モータ１２の回転速度が増大するにつれて、禁止幅を減少させる。減速時も同様であり、モータ１２の回転速度が減少するにつれて、禁止幅を増大させる。
図９は、プロセッサ３１内における禁止期間の設定の処理を説明するためのブロック図である。回転速度検出部５５、禁止幅算出部５６および禁止期間設定部５７は、プロセッサ３１により実現される機能ブロックを表している。
回転速度検出部５５は、位置センサ２１から出力された位置センサ信号を用いて、回転速度を検出する。回転速度は、位置センサ信号のエッジ間の時間を検出することで求められる。
禁止幅算出部５６は、回転速度検出部５５から出力された回転速度を用いて、禁止幅を算出する。禁止幅は、回転速度と禁止幅とを対応付ける特性式またはテーブルを参照することで求められる。禁止幅算出部５６には、このような特性式またはテーブルに関する情報が予め付与される。
禁止期間設定部５７は、禁止幅算出部５６から出力された禁止幅および位置センサ２１から出力された位置センサ信号を用いて、禁止期間を設定する。すなわち、禁止期間設定部５７は、位置センサ信号からロータ回転角を算出し、算出されたロータ回転角に基づいてモータ電流のゼロクロス点を算出し、禁止幅に基づいてゼロクロス点を含む禁止期間を設定する。なお、禁止期間の設定は、モータ電流のゼロクロス点によらずに、位置センサ信号のエッジを用いて行ってもよい。
図１０は、回転速度に応じた禁止幅の設定の一例を示す図である。横軸は回転速度、縦軸は禁止幅である。図１０では、回転速度が増大するにつれて、禁止幅は連続的にかつ一定の割合で減少している。この場合、禁止幅算出部５６は、特性式として図１０に示すような一次関数に関する情報またはテーブルとして図１０に示すような一次関数を離散化した情報を参照して、回転速度に対応する禁止幅を求める。なお、禁止幅は、回転速度が増大するにつれて、非一様に減少させることも可能である。
図１１は、回転速度に応じた禁止幅の設定の別の一例を示す図である。横軸は回転速度、縦軸は禁止幅である。図１１では、回転速度が増大するにつれて、禁止幅は段階的に減少している。この場合、禁止幅算出部５６は、特性式として図１１に示すような関数に関する情報またはテーブルとして図１１に示すような関数を離散化した情報を参照して、回転速度に対応する禁止幅を求める。
図１２は、回転速度に応じた禁止幅の設定のさらに別の一例を示す図である。横軸は回転速度、縦軸は禁止幅である。図１２では、回転速度がｗＬＬからｗ１までは禁止幅は一定のｔｆＡであり、回転速度がｗ１からｗ２までは禁止幅は連続的にかつ一定の割合で減少し、回転速度がｗ２からｗＵＬまでは禁止幅は一定のｔｆＢである。ここで、ｗＬＬは回転速度の下限値であり、０である。ｗＵＬは回転速度の上限値であり、予め設定される。第１の値であるｗ１はｗＬＬよりも大きく、第２の値であるｗ２はｗ１よりも大きく、ｗＵＬはｗ２よりも大きい。また、ｔｆＡはｔｆＢよりも大きい。この場合、禁止幅算出部５６は、特性式として図１２に示すような関数に関する情報またはテーブルとして図１２に示すような関数を離散化した情報を参照して、回転速度に対応する禁止幅を求める。
なお、図５では、禁止期間は、ゼロクロス点を含む２αの位相角範囲に設定されるとした。このような禁止期間の設定を回転速度によらずに適用した場合には、回転速度が増大するにつれて、禁止幅が減少する。この場合は、周期ＴＩに占める禁止期間の割合が回転速度によらずに一定となる。なお、回転速度が増大するにつれて、周期ＴＩに占める禁止期間の割合が減少するように禁止期間を減少させることもできる。
本実施の形態の効果について説明する。モータ電流のゼロクロス点ではノイズが発生することが知られている。具体的には、インバータ１１のスイッチング素子４０のオンまたはオフ動作に際してノイズが発生することから、電流極性が切り替わるゼロクロス点ではスイッチングに起因するノイズがモータ電流に含まれることになる。また、モータ電流のゼロクロス点では、スイッチング素子４０を構成するトランジスタに逆並列に接続された還流ダイオードにリカバリー電流が流れ、このリカバリー電流もノイズの要因となる。
これに対して、本実施の形態では、モータ電流の各ゼロクロス点を含む一定の期間をＡＤ変換器３０の起動を禁止する禁止期間に設定し、禁止期間と次の禁止期間との間にＡＤ変換器３０の起動を許可する許可期間を設定している。
プロセッサ３１は、許可期間内においてＡＤ変換器３０に起動信号Ｓ１を出力してＡＤ変換器３０を起動し、かつ当該許可期間を含む互いに隣り合うゼロクロス点で決まる電気半サイクル中でＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取る。ここで許可期間は、ゼロクロス点から次のゼロクロス点までの電気半サイクルに含まれ、これらのゼロクロス点を含まない連続する期間である。これにより、プロセッサ３１は、これらのゼロクロス点を含まない許可範囲内で起動されたＡＤ変換器３０により変換されたディジタル信号を制御に使用することができるので、ノイズの制御への影響を抑制し、安定したモータ制御を実現することが可能となる。
また、本実施の形態では、モータ１２の回転速度が増大するにつれて、禁止期間の長さである禁止幅が減少する。これにより、回転速度が増大し、周期ＴＩが減少した場合でも、周期ＴＩに占める禁止幅の割合が増大することを抑制することができる。従って、周期ＴＩに比して電流値の推定期間が抑制され、最新の電流検出値を制御に使用できることで、高回転数領域における制御性の低下が抑制され、回転速度によらずに安定した制御を実現することができる。
これに対し、回転速度に応じて禁止期間を減少させない場合、高回転数領域では周期ＴＩに占める禁止幅の割合が増大するため、最新の電流検出値を使用できる期間が限定され、結果として制御性が低下する。
また、本実施の形態では、図１０から図１２を用いて、回転速度に応じた禁止幅の設定例について説明した。図１０のように禁止幅を設定した場合は、禁止幅を逐次設定する必要はあるものの、回転速度の可変範囲は広い場合においても、安定した制御を実現することができる。図１１のように、禁止幅を設定した場合は、禁止幅を逐次設定する必要がないため、演算負荷を軽減することができる。これは、回転速度の変化が比較的緩やかな場合に適する。図１２のように、図１０に示す禁止幅の設定方法と図１１に示す禁止幅の設定方法とを組み合わせた場合は、演算負荷を軽減しつつ、広い回転速度範囲にわたって安定した制御を実現することができる。
また、本実施の形態によれば、ノイズの影響を抑制することができることから、モータ制御システム１を備えた電気機器の品質の向上を図ることができる。さらに、ノイズの影響を抑制することで、モータ制御システム１にノイズ除去用のフィルタを設ける場合でも、フィルタ定数を小さくできることから、フィルタの小型化が可能となる、部品の小型化を図ることができる。
また、本実施の形態では、プロセッサ３１は、同一の電気半サイクル中に、ＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取りを複数回行う。同一の電気半サイクル中におけるディジタル信号の読み取りの回数が多いほど、モータ電流の検出精度が高くなる。従って、本実施の形態のように、同一の電気半サイクル中におけるＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取り回数を２回以上とすることで、安定したモータ制御を実現することができる。
一般に、プロセッサ３１は、第１の期間中に、ＡＤ変換器３０を起動し、第２の期間中に、ＡＤ変換器３０の処理、すなわちＡＤ変換器３０からのディジタル信号の読み取りを行う。ここで、第２の期間は、ゼロクロス点から次のゼロクロス点までの期間、すなわち、電気半サイクルである。第１の期間は、第２の期間に含まれ、ゼロクロス点および次のゼロクロス点を含まない連続する期間、すなわち、許可期間である。なお、位置センサ信号のエッジはモータ電流のゼロクロス点と同期しているので、第２の期間は、位置センサ信号の変化点であるエッジから次の変化点である次のエッジまでの期間である。また、第１の期間は、第２の期間に含まれ、第２の期間よりも短い期間であり、各変化点を含まない期間である。
また、第２の期間から第１の期間を除いて得られる第３の期間は、ゼロクロス点から次のゼロクロス点までの期間から当該期間に含まれる許可期間を除いた期間であり、当該期間内に含まれる禁止期間である。本実施の形態では、モータ１２の回転速度が増大するにつれて、第３の期間の長さが減少する。
次に、本実施の形態の変形例を示す。図１３は、本実施の形態の変形例に係るモータ制御システムの構成を示すブロック図である。図１３では、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。
図１３に示すように、本変形例に係るモータ制御システム１は、図１に示す構成に加えて、モータ１２とインバータ１１との間でモータ１２の両端の交流電圧であるモータ電圧を検出する電圧センサ２３と、電圧センサ２３により検出されたモータ電圧の検出値であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器３５とを備える。
ＡＤ変換器３５は、ＡＤ変換器３０と同一の機能を有する。プロセッサ３１からの起動信号Ｓ１によりＡＤ変換器３５にＡＤ変換処理を開始させ、ＡＤ変換器３５からの完了信号Ｓ２を受けてプロセッサ３１がＡＤ変換器３５からディジタル信号を読み取る点も同様である。プロセッサ３１は、ＡＤ変換器３０から読み取ったディジタル信号およびＡＤ変換器３５から読み取ったディジタル信号を用いてインバータ１１を駆動する。
プロセッサ３１は、ＡＤ変換器３５の起動およびＡＤ変換器３５からの読み取りを以下のようにする。すなわち、プロセッサ３１は、許可期間中に、ＡＤ変換器３５を起動し、当該許可期間を含む電気半サイクル中に、ＡＤ変換器３５からディジタル信号を読み取る。ここで、電気半サイクルは、モータ電圧の電気半サイクルであり、モータ電圧のゼロクロス点から次のモータ電圧のゼロクロス点までの期間である。あるいは、電気半サイクルは、位置センサ信号のエッジから次のエッジまでの期間である。また、許可期間は、モータ電圧のゼロクロス点から次のモータ電圧のゼロクロス点までの期間に含まれ、これらのゼロクロス点を含まない連続する期間である。あるいは、許可期間は、位置センサ信号のエッジから次のエッジまでの期間に含まれ、各エッジを含まない連続する期間である。禁止期間は、許可期間と次の許可期間との間の期間である。
モータ電圧のゼロクロス点でもノイズが発生することが知られているので、モータ電圧のゼロクロス点を含まない連続する期間内で起動されたＡＤ変換器３５により変換されたモータ電圧のディジタル信号を制御に使用することで、ノイズの制御への影響を抑制し、安定したモータ制御を実現することが可能となる。
また、本変形例においても、モータ１２の回転速度が増大するにつれて、禁止期間の長さである禁止幅は減少する。これにより、高回転数領域における制御性の低下が抑制され、回転速度によらずに安定した制御を実現することができる。
本変形例のその他の構成、動作および効果は本実施の形態で説明した通りである。
なお、本変形例において、プロセッサ３１が、許可期間中に、ＡＤ変換器３５を起動し、当該許可期間を含む電気半サイクル中に、ＡＤ変換器３５からディジタル信号を読み取る動作において、本実施の形態のように、電気半サイクルをモータ電流の互いに隣り合うゼロクロス点から定め、許可期間を当該電気半サイクル中の許可期間とすることもできる。この場合は、モータ電圧のディジタル信号へのモータ電流のゼロクロス点で発生するノイズの影響を抑制することができる。
また、本変形例において、プロセッサ３１が、許可期間中に、ＡＤ変換器３０を起動し、当該許可期間を含む電気半サイクル中に、ＡＤ変換器３０からディジタル信号を読み取る動作において、電気半サイクルをモータ電圧の互いに隣り合うゼロクロス点から定め、許可期間を当該電気半サイクル中の許可期間とすることもできる。この場合は、モータ電流のディジタル信号へのモータ電圧のゼロクロス点で発生するノイズの影響を抑制することができる。
同様にして、モータ電流をモータ１２に関連する交流信号に置き換えることで、本実施の形態を一般化することができる。
本実施の形態では、禁止範囲を規定するαを例えば１０°としたが、これに限定されない。ただし、αをあまり大きくすると、禁止範囲内で推定する電流値の個数が多くなり、αをあまり小さくすると、ゼロクロス点で発生するノイズの影響を受ける可能性がある。そこで、αは例えば５°以上かつ１５°以下の範囲から選択するとよい。また、禁止範囲はゼロクロス点に対して非対称でもよい。
なお、本実施の形態では、モータ１２に位置センサ２１を設け、位置センサ２１からの位置センサ信号に基づいてロータ回転角を算出しているが、位置センサ２１によらずに位置センサ信号を推定してもよい。いわゆるセンサレスモータにおける回転位置の推定については、例えば、特許第５６１９１９５号公報に記載されている。
複数のスイッチング素子４０のうちの少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体を含んでいる。ワイドギャップ半導体は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）またはダイヤモンドである。スイッチング素子４０にワイドバンドギャップ半導体を用いることで、スイッチング素子４０の耐電圧性および許容電流密度が高くなるため、スイッチング素子４０の小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化も可能になる。
実施の形態２．
実施の形態１では、モータ制御装置２、インバータ１１およびモータ１２を備えたモータ制御システム１について説明した。本実施の形態では、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を備えた電気機器について説明する。電気機器としては、特に電気掃除機とハンドドライヤーについて説明する。
図１４は、電気掃除機６１の構成の一例を示す図である。電気掃除機６１は、延長管６２、吸込口体６３、電動送風機６４、集塵室６５、操作部６６、バッテリー６７およびセンサ６８を備える。電動送風機６４は、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を備える。電気掃除機６１は、バッテリー６７を電源として電動送風機６４を駆動し、吸込口体６３から吸込みを行い、延長管６２を介して集塵室６５へごみを吸引する。使用の際は操作部６６を持ち、電気掃除機６１を操作する。
操作部６６は、図示しない電源スイッチおよび加速スイッチを有している。ここで、電源スイッチはバッテリー６７から図示しない主回路および制御回路へ電源供給をするためのスイッチである。また、加速スイッチは、電動送風機６４を低速回転から定常回転まで加速させるためのスイッチである。
なお、低速回転とは、定常回転数の１／１０以下の回転をいう。例えば定常回転数が１０万ｒｐｍの場合、１万ｒｐｍ以下の回転が低速回転である。
上記した電源スイッチをオンしバッテリー６７から主回路および制御回路へ電源供給が開始されることでセンサ６８も同時に検出を開始する。
センサ６８は、電気掃除機６１の動きまたは人の動きを検知する。センサ６８から電気掃除機６１の動きまたは人の動きを検知した信号が電動送風機６４内に入力されたことをトリガーとして、電動送風機６４内の図示しないモータが低速起動される。
低速起動後に上記した加速スイッチをオンすることでモータは低速回転から定常回転数まで加速する。なお、電源スイッチをオンするより前に加速スイッチをオンしていた場合は、電源スイッチをオンすることで起動から定常回転数まで加速されて通常動作となる。
また、定常回転数で回転している状態から加速スイッチのみをオフした場合、モータは停止せずに低速回転で運転し続ける。モータが低速回転で運転し続けることで、掃除の合間の移動で、蓄積された塵埃が集塵室６５から延長管６２を伝って排出される可能性を抑制することができる。
センサ６８は、電気掃除機６１の動きを検知するジャイロセンサまたは人の動きを検知する人感センサである。どちらを用いて起動する場合でも定常回転数までの到達時間を短縮することが可能となる。この際、電気掃除機６１に実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を適用することで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、より高速な応答においても制御の安定化が可能となる。
モータが回転する際に発生するトルクＴは、次式のように、トルク定数Ｋｔとモータ電流Ｉａとの積により決定される。
Ｔ＝Ｋｔ×Ｉａ
このように、トルクＴはモータ電流Ｉａに比例するため、加速時間をより短くするためにはより大きなトルクＴを発生させる必要があり、モータ電流Ｉａもより大きくする必要がある。より大きなモータ電流Ｉａを流すことで、消費電力がより大きくなり、加速時間がより短くなることのメリットが低減し、またバッテリー６７を含む部品の信頼性を損ねる。
このような問題を解決するため、加速レートをコントロールすることが一般的である。例えばモータが通常回転数に至るまでの加速時間を延長させることで、加速時間の延長と部品の信頼性を向上させることができる。この際、電気掃除機６１に実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を適用することで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、加速時間をコントロールするときに、モータの回転速度の振動を抑制することが可能となる。
さらに、起動時に流れる電流を抑えることで、部品の発熱量を抑えることができることから、部品の信頼性も向上する。
また、加速を緩やかにすることで回転数が緩やかに上昇する形となるので、急加速による振動を抑えることができる。振動を抑えることで人体への不快感および周辺装置への影響を抑えることが可能となる。また、振動を抑えることで、機器から発生する音も抑制することが可能である。
なお、上記のような方法により静止状態から起動する場合は、起動時により大きな力が必要となるため、より多くの電流が必要となる。よって電流のピークを抑えるためには、この起動時の加速度を小さくコントロールすることがより効果的である。電気掃除機６１に実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を適用することで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、加速度を細かくコントロールすることができる。
また、これらの加速方法は、使用者が切り替えることができるように切り替えスイッチを設け、使用者が設定できるようにしてもよい。
ここで、ジャイロセンサを用いた場合の動作について説明する。まず、手動で電源スイッチをオンすることにより、ジャイロセンサが電気掃除機６１の動きを検知した信号を出力開始する。ジャイロセンサから電気掃除機６１の動きを検知した信号が出力されたときに低速回転が開始される。手動により加速スイッチをオンすることにより低速回転から定常回転数まで回転数が加速される。掃除が一部完了し、次の掃除場所へ移動する際は、手動により加速スイッチをオフすることにより低速回転が再開される。再度掃除する場合は、手動で加速スイッチをオンすることにより定常回転数まで加速され、掃除終了する場合は、手動により電源スイッチをオフすることで回転が停止される。
ジャイロセンサは、電気掃除機６１に取り付けられることで、電気掃除機６１の使用の際に生ずる電気掃除機６１の動きを検知する。電気掃除機６１は使用直前に必ず本体が動く。そこで、電気掃除機６１にジャイロセンサを取り付けることで、電気掃除機６１の動きを検知して電気掃除機６１を予め起動することができる。この際、電気掃除機６１に実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を適用することで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、より早く定常回転数まで加速することができる。
図１５は、ハンドドライヤー７０の構成の一例を示す図である。ハンドドライヤー７０は、ケーシング７１、手検知センサ７２、水受け部７３、ドレン容器７４、カバー７６、センサ７７、および吸気口７８を備える。ここで、センサ７７は、ジャイロセンサおよび人感センサのいずれかである。ハンドドライヤー７０では、ケーシング７１内に図示しない電動送風機を有する。電動送風機は、実施の形態１のモータ制御システム１を有する。ハンドドライヤー７０では、水受け部７３の上部にある手挿入部７９に手を挿入することで電動送風機による送風で水を吹き飛ばし、水受け部７３からドレン容器７４へと水を溜めこむ構造となっている。
センサ７７が人感センサである場合の動作を説明する。まず、センサ７７により、周囲に人が来たことが検知されてハンドドライヤー７０が低速で起動する。人が手を乾かすためにハンドドライヤー７０に手をかざしたところで定常回転数まで加速される。乾かしが終わり、手挿入部７９から手が外に出たところで低速運転が再開される。低速運転中に次の人の手が検出されると回転数は再度定常回転数まで加速される。周囲の人を検知しなければ運転停止状態が維持される。
センサ７７は、例えば赤外線、超音波、または可視光を検知するセンサである。この他に、温度センサまたはカメラ認識で人を検知するセンサを用いてもよい。
人感センサをハンドドライヤー７０に取り付けることで、使用者がハンドドライヤー７０に近づいたことを検知してハンドドライヤー７０を予め起動することができる。この際、ハンドドライヤー７０に実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を適用することで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、より早く定常回転数まで加速することができる。
また、電気掃除機６１およびハンドドライヤー７０に共通して、一般的にモータは起動時に大きな電流が流れることから、起動回数が増加するに伴ってバッテリーおよび使用素子の信頼性が低下する。よって、モータを停止させることなく低速で回転させ続けることで起動回数を低減することが望まれる。電気掃除機６１またはハンドドライヤー７０に実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を適用することで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、安定した低速回転を実現することができ、信頼性を向上させることが可能となる。
さらに、低速起動から定常回転数までの到達時間が大幅に短くなることから、回転数を細目に低速回転まで落とすことで消費電力を削減することも可能となる。このとき、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１によれば、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、モータの回転速度の振動を抑制でき、無駄な消費電力を削減することが可能となる。
一般に、電気掃除機６１では、操作部６６のスイッチをオンすることで、起動から定常回転数まで到達するが、予め低速運転させておくモードを設けることで、操作部６６のスイッチをオンして実際に使用するときまでの時間を大幅に低減することが可能となる。このとき、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を用いることで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、モータの回転速度の振動を抑制でき、無駄な消費電力を削減することが可能となる。
例えば、電源供給開始から２０００ｒｐｍまで回転させる時間が１ｓであり、２０００ｒｐｍから定常回転数である１０万ｒｐｍまで回転させる時間が０．４ｓであるとすると、起動から定常回転数に到達するまでに１．４ｓ必要となる。よって時間がかかる起動を予め行っておくことで、実際に使用する際はスイッチオンから定常回転数までわずか０．４ｓで実現することが可能となる。このとき、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を用いることで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、より短い起動時間を実現することが可能となる。
また、入力電流の急峻な立ち上がりが発生する起動時においては、加速レートを低めに設定し急峻な立ち上がりを抑制することで、バッテリーの信頼性を向上させることが可能となる。このとき、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を用いることで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、急峻な立ち上がりが懸念される起動時においても迅速な電流遮断を実現することが可能となる。
また、低速運転までの加速レートを下げることにより起動時のモータへ流れる電流も小さくなることから半導体素子の発熱を抑制することで部品の発熱を抑えることができ、部品の信頼性の向上につながる。このとき、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を用いることで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、低い加速レート時の振動を抑制することが可能となる。
半導体素子の発熱除去は、通常であれば熱伝導の良い放熱フィンを素子表面に取り付けるか、あるいは表面実装素子を使用して実装基板へ熱を分散させる方法がとられる。また、放熱用のファンを設けて半導体素子に風を当てて冷やすか、あるいは水冷で冷却する方法もあるが、冷却にかかるコストおよび設置体積の増加から、これらの方法は小型の装置には適さない。しかしながら、本実施の形態で説明した電動送風機を備えた電気機器であれば、電動送風機が発生させる風の通り道にこれらの発熱素子を配置することで追加部品を備えることなく、現状の構成で熱を逃がすことが可能となる。
また、追加部品が必要ないことからコストの増加を抑えることが可能となること、および追加部品を備える分のスペースも必要なくなることから更なる小型化を達成することが可能となる。さらに、小型化が可能な分のスペースをバッテリーに割り当てることで運転時間を延長させることも可能となる。このとき、実施の形態１に記載されたモータ制御システム１を用いることで、モータ電流またはモータ電圧であるアナログ信号の検出精度が向上するため、運転に不必要な無駄な電力を消費することが少なくなり、より運転時間を延長させることが可能となる。
なお、本実施の形態では、電気掃除機６１およびハンドドライヤー７０について説明したが、実施の形態１のモータ制御システム１は、モータが搭載された電気機器一般に適用することができる。モータが搭載された電気機器は、例えば、焼却炉、粉砕機、乾燥機、集塵機、印刷機械、クリーニング機械、製菓機械、製茶機械、木工機械、プラスチック押出機、ダンボール機械、包装機械、熱風発生機、またはＯＡ機器のような電動送風機を備えた機器である。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
１ モータ制御システム、２ モータ制御装置、３ ステータ、４ ロータ、５ 巻線、６ 永久磁石、１０ 電源、１１ インバータ、１２ モータ、２０ 電流センサ、２１ 位置センサ、２３ 電圧センサ、２５，５１ 制御回路、３０，３５ アナログディジタル変換器、３１ プロセッサ、３２ 駆動信号生成部、３３ 三角波キャリア生成部、３４ メモリ、４０ スイッチング素子、５２ 比較器、５３ ＤＡ変換器、５５ 回転速度検出部、５６ 禁止幅算出部、５７ 禁止期間設定部、６１ 電気掃除機、６２ 延長管、６３ 吸込口体、６４ 電動送風機、６５ 集塵室、６６ 操作部、６７ バッテリー、６８，７７ センサ、７０ ハンドドライヤー、７１ ケーシング、７２ 手検知センサ、７３ 水受け部、７４ ドレン容器、７６ カバー、７８ 吸気口。

Claims (13)

  1. インバータにより駆動されるモータに用いられるモータ制御装置であって、
    前記モータの位置を検出する位置検出手段と、
    前記モータに流れる交流電流の検出値であるアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換器と、
    前記アナログディジタル変換器の出力信号を用いて前記インバータを駆動する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、第１の期間中に、前記アナログディジタル変換器を起動し、第２の期間中に、前記アナログディジタル変換器の処理を行い、
    前記第２の期間は、前記位置検出手段の出力信号の変化点から次の変化点までの期間であり、
    前記第１の期間は、前記各変化点を含まない、前記第２の期間より短い期間であり、
    前記モータの回転速度が増大するにつれて、前記第２の期間から前記第１の期間を除いて得られる第３の期間の長さが減少するモータ制御装置。
  2. 前記モータの回転速度が増大するにつれて、前記第３の期間の長さが連続的に減少する請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記モータの回転速度が増大するにつれて、前記第３の期間の長さが段階的に減少する請求項１に記載のモータ制御装置。
  4. 前記第３の期間の長さは、前記モータの回転速度が下限値から第１の値までは一定であり、前記第１の値から前記第１の値よりも大きい第２の値までは連続的に減少し、前記第２の値から上限値までは一定である請求項１に記載のモータ制御装置。
  5. 前記各変化点は、前記出力信号のエッジである請求項１に記載のモータ制御装置。
  6. 前記制御回路は、三角波キャリアを生成する三角波キャリア生成部を有し、
    前記制御回路が前記アナログディジタル変換器を起動するタイミングは、前記三角波キャリアの山点または谷点のタイミングであり、
    前記制御回路が前記アナログディジタル変換器の処理を行うタイミングは、前記三角波キャリアの山点または谷点のタイミングである請求項１に記載のモータ制御装置。
  7. 前記制御回路は、前記第２の期間中に、前記アナログディジタル変換器の処理を複数回行う請求項１に記載のモータ制御装置。
  8. 前記モータは、環状のステータと、前記ステータの内側に配置され、複数個の永久磁石を有するロータとを備える請求項１に記載のモータ制御装置。
  9. 前記インバータは、複数個のスイッチング素子を有し、
    前記複数個のスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成される請求項１に記載のモータ制御装置。
  10. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウムまたはダイヤモンドである請求項９に記載のモータ制御装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置と前記インバータと前記モータとを備える電気掃除機。
  12. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置と前記インバータと前記モータとを備えるハンドドライヤー。
  13. インバータにより駆動されるモータに用いられるモータ制御装置であって、
    前記モータの位置を検出する位置検出手段と、
    前記モータの交流電圧の検出値であるアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換器と、
    前記アナログディジタル変換器の出力信号を用いて前記インバータを駆動する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、第１の期間中に、前記アナログディジタル変換器を起動し、第２の期間中に、前記アナログディジタル変換器の処理を行い、
    前記第２の期間は、前記位置検出手段の出力信号の変化点から次の変化点までの期間であり、
    前記第１の期間は、前記各変化点を含まない、前記第２の期間より短い期間であり、
    前記モータの回転速度が増大するにつれて、前記第２の期間から前記第１の期間を除いて得られる第３の期間の長さが減少するモータ制御装置。
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