WO2017208873A1 - モータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器 - Google Patents

Abstract

ブラシレスＤＣモータ（４）と、ブラシレスＤＣモータ（４）に電力を供給するインバータ（３）と、ブラシレスＤＣモータ（４）の回転子位置を検出する位置検出部（５）を備える。インバータ（３）は、位置検出部（５）で得られた位置信号に応じて、オンタイミングまたはオフタイミングがそれぞれ独立して設定される、６個のスイッチング素子（３ａ～３ｆ）で構成され、スイッチング素子（３ａ～３ｆ）のオフタイミングを調整して、ブラシレスＤＣモータ（４）の速度制御を行う。これにより、スイッチング素子（３ａ～３ｆ）の導通期間およびスイッチング期間と回数を減らして損失を低減し、高効率で低消費電力のモータ駆動装置を実現できる。

Description

モータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器

　本発明は、インバータ制御によりブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器に関する。

　従来、この種のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ－Ｗｉｄｔｈ－Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御の矩形波１２０度通電を基本として、ブラシレスＤＣモータを駆動する。そして、ＰＷＭ制御のオンデューティが１００％となったとき、通電区間を１２０度以上に拡張して、高速・高負荷駆動領域を拡張するモータ駆動装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

　以下、特許文献１に記載の従来のモータ駆動装置について、図８を用いて説明する。

　図８は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。

　図８に示すように、従来のモータ駆動装置は、インバータ３を構成する、スイッチング素子３ａ～３ｆが、オフからオンに移行する際、オンタイミング制御部１０３により進角制御を行う。一方、スイッチング素子３ａ～３ｆが、オンからオフに移行する際、オフタイミング制御部１０４による進角制御を行わない。そして、スイッチング素子３ａ～３ｆに、オーバーラップ通電を行う。

　これにより、スイッチング素子のターンオンを早くして、ブラシレスＤＣモータへの電力供給区間を１２０度以上に広げ、高負荷・高速駆動領域の拡張を可能としている。しかしながら、上記構成の場合、低速駆動領域で、電力供給区間を１２０度以上に拡張すると、ＰＷＭ制御によるスイッチング素子のスイッチング回数が増加し、回路およびモータの損失が増加する。そのため、モータ駆動装置の効率が低くなる。

　また、モータ駆動電力が目標電力値となる様に導通角と進み角およびインバータ入力直流電圧を制御するモータ駆動装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

　以下、特許文献２に記載のモータ駆動装置について、図９を用いて、説明する。

　図９は、特許文献２に記載のモータ駆動装置の制御ブロック図である。

　図９に示すように、モータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータを制御する駆動制御部２０１を備える。駆動制御部２０１は、駆動電力を検出する電力検出部２０２と、インバータの駆動信号パターンの生成とインバータ入力電圧を設定する通電パルス信号生成制御部２０３を有する。駆動制御部２０１は、駆動電力が目標設定の電力値に一致する様に、インバータ入力電圧値と通電角および進角を制御する。これにより、ブラシレスＤＣモータの高出力、高回転を可能としながら、モータ損失の低減を図っている。

　しかしながら、上記構成の場合、ブラシレスＤＣモータの負荷や駆動速度などの駆動状態に応じて、入力電圧・通電角・進角の独立した３パラメータの選定が必要となる。そのため、開発工数の増加、駆動状態に応じた３パラメータの演算・選定などが必要となり、制御が複雑化する。また、高速演算が可能な演算素子、あるいは駆動状態に応じて各パラメータの最適値をテーブルにした記憶素子が必要となる。そのため、モータ駆動装置のコストが増加する。

特開２００６－５０８０４号公報 特開２００８－１６７５２５号公報

　本発明は、低負荷・低速での駆動時におけるブラシレスＤＣモータのモータ損失を低減し、高効率で低消費電力のモータ駆動装置を低コストで提供する。

　つまり、本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータと、ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出する位置検出部を備える。インバータは、位置検出部で得られた位置信号に応じて、オンタイミングまたはオフタイミングがそれぞれ独立して設定される、６個のスイッチング素子で構成され、それぞれのスイッチング素子のオフタイミングを調整して、ブラシレスＤＣモータの速度制御を行う。

　この構成によれば、ブラシレスＤＣモータを低負荷・低速で駆動する場合、ブラシレスＤＣモータの固定子巻線に電力を供給する区間を狭くできる。これにより、ＰＷＭ制御に伴うスイッチング素子のオン・オフ回数を少なくして、インバータのスイッチング損失を抑制できる。その結果、ブラシレスＤＣモータの低負荷・低速駆動時におけるモータ駆動装置の高効率・低消費電力化が図れる。

図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器のブロック図である。 図２Ａは、同実施の形態における各部の波形とタイミングチャートである。 図２Ｂは、同実施の形態における各部の波形とタイミングチャートである。 図３は、スイッチング素子のオフタイミング調整制御の開始時における、判定フローチャートである。 図４は、ＰＷＭ制御からオフタイミング調整制御への移行フローチャートである。 図５は、オフタイミング調整制御の動作を示すフローチャートである。 図６Ａは、図２Ａの区間Ｃ１におけるブラシレスＤＣモータの端子電圧波形を示す図である。 図６Ｂは、図２Ａの区間Ｆ１におけるブラシレスＤＣモータの端子電圧波形を示す図である。 図６Ｃは、図２Ｂの区間Ｃ３におけるブラシレスＤＣモータの端子電圧波形を示す図である。 図６Ｄは、図２Ｂの区間Ｆ４におけるブラシレスＤＣモータの端子電圧波形を示す図である。 図７Ａは、ブラシレスＤＣモータの相電流波形を示す図である。 図７Ｂは、ブラシレスＤＣモータの相電流波形を示す図である。 図８は、従来のモータ駆動装置のブロック図である。 図９は、従来のモータ駆動装置の制御ブロック図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるわけではない。

　（実施の形態）
　以下、本発明の実施の形態のモータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器について、図１を参照しながら、説明する。

　図１は、同実施の形態におけるモータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器のブロック図である。

　図１に示すように、本実施の形態のモータ駆動装置は、交流電源１に接続されるコンバータ回路２、インバータ３、位置検出部５、速度検出部６、誤差検出部７、転流制御部８、ＰＷＭ制御部１１、波形合成部１２およびドライブ部１３などで構成される。モータ駆動装置は、例えばブラシレスＤＣモータ４などを駆動する。

　交流電源１は、例えば日本国内の場合、実効値１００Ｖで５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流で出力される、一般的な商用電源である。

　コンバータ回路２は、整流回路２ａと、コンデンサによる平滑回路２ｂと、スイッチ部２ｃなどで構成される。コンバータ回路２は、交流電源１から入力される交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路２ａは、４個のダイオードをブリッジ接続して構成される。スイッチ部２ｃは、オン／オフの切り替えにより、出力電圧を倍電圧整流と全波整流の２段階で切り替える。なお、コンバータ回路２は、スイッチ部２ｃを設けずに、倍電圧整流出力または全波整流出力を単一で出力する構成としてもよい。また、コンバータ回路２は、昇圧チョッパまたは降圧チョッパを用いた構成、あるいは任意の電圧に出力を調整できる構成としてもよい。

　インバータ３は、例えばＭＯＳＦＥＴからなる６個のスイッチング素子３ａ～３ｆの３相ブリッジ接続で構成される。インバータ３は、任意の相のスイッチング素子のオン／オフの切り替えにより、コンバータ回路２から入力される直流電圧を、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電圧に変換する。

　ブラシレスＤＣモータ４は、３相の固定子巻線を有する固定子（ステータ）と、永久磁石を有する回転子（ロータ）により構成される。ブラシレスＤＣモータ４は、インバータ３から、３相の固定子巻線に供給される３相の交流電力により駆動される。

　位置検出部５は、ブラシレスＤＣモータ４の磁極位置を検出する。本実施の形態の位置検出部５は、モータ端子電圧から、回転子の回転により固定子の巻線に発生する誘起電圧の位相（ゼロクロスポイント）を検出する。なお、位置検出部５は、ホールＩＣなどの位置センサや、電流センサによる電流検出などの方法で構成してもよい。

　速度検出部６は、位置検出部５の出力信号からブラシレスＤＣモータ４の駆動速度を検出する。本実施の形態の速度検出部６は、ブラシレスＤＣモータ４の回転子の回転により、固定子巻線に生じる誘起電圧のゼロクロス周期に基づいて、駆動速度を算出する。

　誤差検出部７は、速度検出部６で算出されたブラシレスＤＣモータ４の駆動速度と、目標速度との差（誤差）を検出する。

　転流制御部８は、位置検出部５の出力信号に基づいて、ブラシレスＤＣモータ４の各相の固定子巻線に、電気角９０度以上、１５０度以下の範囲で、供給する電力を設定する。転流制御部８は、オンタイミング制御部９とオフタイミング制御部１０を備える。オンタイミング制御部９は、スイッチング素子３ａ～３ｆをターンオンするオンタイミングを設定する。オフタイミング制御部１０は、スイッチング素子３ａ～３ｆをターンオフするオフタイミングを設定する。つまり、転流制御部８は、インバータ３の各スイッチング素子のオン、オフのそれぞれのタイミングを、オンタイミング制御部９とオフタイミング制御部１０を介して、個別に設定する。

　ＰＷＭ制御部１１は、インバータ３の３相交流の出力電圧を、ＰＷＭ制御により調節する。これにより、ＰＷＭ制御部１１は、ブラシレスＤＣモータ４を目標速度で駆動するように制御する。このとき、『ブラシレスＤＣモータの固定子巻線への電力供給区間の最低電気角』を『電気角１２０度』で除した値より大きいＰＷＭ制御によるオン時間の時比率で駆動している場合、オフタイミング制御部１０は、スイッチング素子のターンオフを早いタイミングで行う。これにより、ＰＷＭ制御部１１の時比率が、１００％となるように調節する。

　この場合、スイッチング素子のオフするタイミングを、徐々に早めて行くように変更することが望ましい。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の動作の急激な変化を、防止できる。この場合、上記タイミングの変更を、１度の制御周期で実行してもよいことは、言うまでもない。

　なお、ブラシレスＤＣモータ４の速度制御は、以下の状態において、ＰＷＭ制御部１１によるオン時間の時比率の調整により実行される。具体的には、ブラシレスＤＣモータ４の起動時などにおける駆動速度が非常に低い（遅い）場合、あるいは駆動負荷が小さい場合などに、速度制御が実行される。それ以外のブラシレスＤＣモータ４の状態の場合、ＰＷＭ制御部１１は、オン時間の時比率が１００％となるように、転流制御部８により各スイッチング素子のオフタイミングを調整する。これにより、オン時間の時比率が１００％で、ブラシレスＤＣモータ４の速度制御が実行される。

　波形合成部１２は、ＰＷＭ制御部１１により生成したＰＷＭ信号と、転流制御部８により生成した信号を合成し、ドライブ部１３に出力する。

　ドライブ部１３は、波形合成部１２で合成された信号に基づいて、インバータ３の各スイッチング素子３ａ～３ｆをオンまたはオフ状態にする。これにより、インバータ３は、任意の３相の交流電圧を生成し、ブラシレスＤＣモータ４に供給して、駆動する。

　以上のように、本実施の形態のモータ駆動装置は構成され、ブラシレスＤＣモータ４が駆動される。

　上記モータ駆動装置およびブラシレスＤＣモータ４は、図１に示すように、例えば冷蔵庫１９などの圧縮機を有する電気機器に組み込まれて利用される。

　以下に、モータ駆動装置およびブラシレスＤＣモータ４を用いて冷蔵庫１９の冷凍空調システムを駆動する構成を例に、説明する。

　冷蔵庫１９の冷凍空調システムは、圧縮機１５、凝縮器１６、減圧器１７、蒸発器１８などが配管２２を介して接続され、冷媒ガスを循環させて冷蔵庫１９内を冷却するように構成される。

　圧縮機１５は、同一の密閉容器に収納されるブラシレスＤＣモータ４と圧縮要素１４で構成される。圧縮要素１４は、ブラシレスＤＣモータ４の回転子の軸に接続され、配管２２内の冷媒ガスを吸入し、圧縮して吐出する。圧縮機１５の圧縮要素１４で圧縮された冷媒ガスは、凝縮器１６、減圧器１７、蒸発器１８を通って、再び圧縮機１５に戻るように配管２２内を循環する。

　つまり、冷凍空調システムは、凝縮器１６で放熱、蒸発器１８で吸熱を行って、加熱および吸熱動作を行う。なお、必要に応じて、送風機などで、凝縮器１６や蒸発器１８に送風してもよい。これにより、熱交換効率がさらに向上する。

　上述したように、冷凍空調システムは、冷蔵庫１９の冷凍サイクルとして用いられる。このとき、蒸発器１８は断熱壁２０で囲われた食品貯蔵室２１内に配設され、貯蔵される食品などを冷却する。

　以上のように、モータ駆動装置が冷蔵庫１９などに組み込まれ、冷凍空調システムが構成される。

　以下、上記モータ駆動装置の動作および作用について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて、説明する。

　図２Ａおよび図２Ｂは、モータ駆動装置における各部の波形とそのタイミングチャートである。具体的には、図２Ａは、一般的なモータ駆動装置において、１２０度通電における波形とそのタイミングチャートである。図２Ｂは、同モータ駆動装置において、オフタイミング制御部１０でスイッチング素子のオフタイミングを調整して、ブラシレスＤＣモータ４を駆動したときの波形とそのタイミングチャートである。

　なお、図２Ａおよび図２Ｂは、ブラシレスＤＣモータ４の回転により発生する誘起電圧をＥ、端子電圧をＶｕとし、両波形ともＵ相のみを図示している。図示しないＶ相およびＷ相は、それぞれの位相が互いに１２０度ずれた同じ形状の波形で示される。また、高圧側に接続したスイッチング素子３ａ、３ｂ、３ｃの駆動信号を、Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋として、図示している。図示しない低圧側に接続されるスイッチング素子３ｄ、３ｅ、３ｆの駆動信号は、それぞれの高圧側のスイッチング素子の駆動信号から１８０度位相がずれた波形となる。

　まず、モータ駆動装置の位置検出部５は、誘起電圧Ｅのゼロクロスポイントを位置信号として検出する。そして、ブラシレスＤＣモータ４の回転子の磁極の相対位置を検出する。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線に通電する相を切り換えるタイミング（図示せず）を図る。

　なお、ゼロクロスポイントは、各相（図２Ａでは、Ｕ相が対応）の固定子巻線へ電圧が印加されていない区間に現れる誘起電圧Ｅと、インバータ３に入力される入力電圧Ｖｄｃの１／２の大小関係が反転するポイントで検出される。具体的には、図２Ａおよび図２Ｂに示すＵ相の場合、スイッチング素子３ａ、３ｄの両方がオフとなる区間Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に現れる誘起電圧Ｅと、インバータ３の入力電圧Ｖｄｃの１／２の大小関係が反転するポイントＰ１、Ｐ２でゼロクロスポイントが検出される。これにより、電気角の１周期あたり各相２回、３相合計で６回、電気角３０度毎に位置信号が発生する。

　つまり、図２Ａに示す１２０度通電におけるスイッチング素子３ａ、３ｂ、３ｃの通電パターン（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋）に依れば、まず、位置検出部５は、ポイントＰ１のゼロクロスポイントで、ブラシレスＤＣモータ４の磁極位置を検出する。ポイントＰ１を検出後、電気角３０度後に、Ｗ＋（スイッチング素子３ｃに相当）をオフし、同時にＵ＋（スイッチング素子３ａに相当）をオンする。これにより、電気角３６０度の全範囲において、常に３相のいずれかの相の固定子巻線に通電される。

　一方、図２Ｂでは、図２Ａと同様に、まず、位置検出部５は、ポイントＰ１のゼロクロスポイントで、ブラシレスＤＣモータ４の磁極位置を検出する。ポイントＰ１を検出後、電気角３０度を経過する前に、Ｗ＋（スイッチング素子３ｃ）をオフする。そして、Ｗ＋をオフし、電気角３０度後に、Ｕ＋（スイッチング素子３ａ）をオンする。

　このとき、図２Ａおよび図２Ｂに示す区間Ｃ１～Ｃ４のＵ相で誘起電圧Ｅが現れるのは、他の相（Ｖ相、Ｗ相）のスイッチング素子がオンしている、すなわちＰＷＭ制御のオン期間のみである。従って、図２Ｂの場合、Ｗ＋のスイッチング素子３ｃのターンオフは、Ｕ＋のスイッチング素子３ａのターンオンより早く実行される。そのため、ブラシレスＤＣモータ４への電力供給区間（Ｕ相の場合、Ｆ２に相当）が短くなる。つまり、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間が短くなる。これにより、ＰＷＭ制御によるオン・オフ回数が低減され、インバータ３のスイッチング損失が抑制される。さらに、電力供給区間を短くすることにより、ＰＷＭ制御のオン時間が長くなる。そのため、位置検出部５による位置検出信号の取得可能な期間が長くなる。その結果、位置検出部５の検出精度が向上する。つまり、ＰＷＭ制御のオフ時間では位置検出ができない。そのため、ＰＷＭ制御のオフ時間に位置信号が発生した場合、ＰＷＭ制御がオン時間となるタイミングまで位置検出ができないので、遅れが発生する。しかし、ＰＷＭ制御のオン時間が長くなることにより、オフ時間が短くなる。そのため、遅れの発生が抑制され、位置検出部５の検出精度が向上する。

　また、スイッチング素子をオフするタイミングを、位置検出直後から、電気角３０度経過（位置検出のポイントＰ１から区間Ａ１の範囲）後までの範囲としている。具体的には、図２Ｂに示すように、スイッチング素子３ｃをオフするタイミングを、ポイントＰ１の位置検出後、区間Ａ１までの範囲としている。つまり、ポイントＰ１の位置検出で、確実に転流可能な範囲、かつ、誘起電圧Ｅに対して進み位相になる範囲としている。これにより、遅れ位相によるブラシレスＤＣモータ４のトルク低下の発生を、防止できる。

　上述したように、本実施の形態においては、スイッチング素子３ａ～３ｆのオフタイミングの範囲を、位置検出直後から電気角３０度以内の範囲としている。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の３相の固定子巻線への電力供給区間（図２Ｂでは、Ｆ２に相当）が、電気角９０度以上１２０度以下に調節される。このとき、電力供給が休止される電力無供給区間Ａ１、Ａ２、Ａ３が短いほど、大きな進角Ｂ（電力無供給区間の電気角の１／２）が自動的に付加される。これにより、ブラシレスＤＣモータ４のトルクが増加する。そのため、電力無供給区間の設定にもかかわらず、ブラシレスＤＣモータ４の脱調などの発生を防止できる。その結果、ブラシレスＤＣモータ４を安定して駆動できる。

　以上のように、モータ駆動装置の動作が実行され、上述の作用が得られる。

　以下に、スイッチング素子のオフタイミング調整制御について、説明する。

　はじめに、オフタイミング調整制御の開始時における判定動作について、図３を用いて、説明する。

　図３は、スイッチング素子のオフタイミング調整制御の開始時における判定フローチャートである。

　図３に示すように、まず、ＰＷＭ制御部１１で生成したスイッチング素子のオン時間の時比率が所定値より大きいか否かを確認する（ステップＳ１１）。オン時間の時比率が所定値より大きい場合（ステップＳ１１のＹ）、オフタイミング調整制御を開始する（ステップＳ１２）。

　一方、オン時間の時比率が所定値より小さい場合（ステップＳ１１のＮ）、ＰＷＭ制御を実行する。

　なお、本実施の形態では、固定子巻線への最小電力供給区間を電気角９０度としている。つまり、オン時間の時比率の所定値を、１２０度通電との割合から、例えば７５％に設定している。しかしながら、所定値は、用途などに応じて、適正な任意の値を設定してもよいことは言うまでもない。

　本実施の形態のモータ駆動装置は、スイッチング素子のオフタイミング調整制御の開始を、所定のＰＷＭ制御のオン時間の時比率以下の場合、ＰＷＭ制御と併用して制御する。これにより、起動時の極端に駆動速度が低い場合や、低速駆動時で非常に負荷が低い場合などにおける、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間が極端に短くなることを防止する。その結果、ブラシレスＤＣモータ４の起動の失敗や不安定な運転状態、あるいは極端なトルク低下などを防止できる。つまり、上記制御により、ブラシレスＤＣモータ４を、あらゆる負荷条件でも安定して駆動することができる。

　以上のように、オフタイミング調整制御の開始時における判定動作が実行される。

　つぎに、ＰＷＭ制御からオフタイミング調整制御への移行動作について、図４を用いて、説明する。

　図４は、ＰＷＭ制御からオフタイミング調整への移行動作を示すフローチャートである。

　まず、図３で説明したオフタイミング調整制御の開始が決定されると、図４に示すように、スイッチング素子のオフタイミングを任意の時間、早く行う（ステップＳ２１）。そして、ＰＷＭ制御により、ブラシレスＤＣモータ４の速度制御を行う（ステップＳ２２）。このとき、スイッチング素子のオフタイミングを早く行うことにより、ブラシレスＤＣモータ４への電力供給区間（図２ＢのＦ２参照）が短くなる。そのため、ＰＷＭ制御によるオン時間の時比率が増加する。

　つぎに、ＰＷＭ制御によるオン時間の時比率が１００未満か否かを判定する（ステップＳ２３）。オン時間の時比率が１００％未満の場合（ステップＳ２３のＹ）、ステップＳ２１に戻り、以降のステップ動作を続ける。

　一方、オン時間の時比率が１００％に到達した時（ステップＳ２３のＮ）、ＰＷＭ制御によるオン時間の時比率を１００％に設定する（ステップＳ２４）。

　そして、オン時間の時比率を１００％の状態に保持して、スイッチング素子のオフタイミング調整制御を開始する（ステップＳ２５）。

　以上のように、ＰＷＭ制御からオフタイミング調整制御への移行動作が実行される。

　つぎに、スイッチング素子のオフタイミング調整制御への移行後のオフタイミング調整制御の動作について、図１を参照しながら、図５を用いて、説明する。

　図５は、スイッチング素子のオフタイミング調整制御の動作を示すフローチャートである。

　図５に示すように、まず、速度検出部６で検出したブラシレスＤＣモータ４の駆動速度と目標速度との偏差（誤差）を誤差検出部７で検出する。そして、駆動速度が目標速度より早いか否かを判定する（ステップＳ３１）。駆動速度が目標速度より早い場合（ステップＳ３１のＹ）、ＰＷＭ制御部１１はオン時間の時比率を１００％に保持する。

　そして、ＰＷＭ制御部１１は、オフタイミング制御部１０によりスイッチング素子のオフタイミングを早くすることが可能か否かを判断する（ステップＳ３２）。オフタイミングを早くすることが可能な場合（ステップＳ３２のＹ）、スイッチング素子のオフタイミングを早める（ステップＳ３３）。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間を減じて、ブラシレスＤＣモータ４の速度が低下するように速度制御を行う。

　一方、オフタイミングを早くできない場合（ステップＳ３２のＮ）、ＰＷＭ制御部１１におけるＰＷＭ制御を行う（ステップＳ３４）。このとき、オフタイミングを早くすることが可能か否かの判断は、位置検出後のスイッチング素子のオフタイミング時の状態で判断する。具体的には、位置検出後、すぐにスイッチング素子をオフしている場合、ＰＷＭ制御部１１は、オフタイミングをこれ以上早めることができないと判断する。この場合、本実施の形態では、進角を０度としているので、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への最低電力供給区間は電気角９０度となる。

　また、駆動速度が目標速度以下の場合（ステップＳ３１のＮ）、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度が目標速度より遅いか否かを判断する（ステップＳ３５）。駆動速度が目標速度より遅い場合（ステップＳ３５のＹ）、スイッチング素子のオフタイミングが位置検出から電気角３０度より前か否かを判断する（ステップＳ３６）。オフタイミングが位置検出から電気角３０度より前の場合（ステップＳ３６のＹ）、スイッチング素子のオフタイミングを遅らせる（ステップＳ３７）。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給期間を増やす。そして、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度を上昇させるように速度制御を行う。

　一方、オフタイミングが位置検出から電気角３０度より後の場合（ステップＳ３６のＮ）、スイッチング素子のオンタイミングを早める（ステップＳ３８）。つまり、これ以上スイッチング素子のオフタイミングを遅らせた場合、誘起電圧Ｅに対して、印加電圧の位相が遅れ位相となる。この場合、モータトルクの低下および、これに伴う脱調などが発生する可能性がある。そこで、ステップＳ３８において、スイッチング素子のオンタイミングを早める。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間を増やして、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度を上昇させるように速度制御を行う。この場合、オンタイミングを早める上限は、位置検出後の直後までとする。このとき、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への最大電力供給区間は、電気角１５０度となる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、進角を０度としている。そのため、電気角１２０度における通電では、スイッチング素子のオフタイミングとオンタイミングが一致して行われる。しかしながら、固定子の内部に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）モータの場合、最適な駆動のために、任意の進角を設ける必要がある。

　そこで、本実施の形態のモータ駆動装置は、ＩＰＭモータなど、あらゆるモータを最適に駆動できるように、スイッチング素子のオフタイミングの調整範囲およびオンタイミングは、以下のように設定している。

　つまり、スイッチング素子のオフタイミングの調整範囲として、位置検出直後のタイミングから、「（電気角３０度）－（進角）」まで経過した位置に設定する。一方、スイッチング素子のオンタイミングは、まず、位置検出タイミングから「（電気角３０度）－（進角）」だけ経過したタイミングに設定する。

　具体的には、例えば進角が１０度の場合、スイッチング素子をターンオフするオフタイミングは、位置検出から電気角が２０度経過までの範囲で調整する。一方、スイッチング素子をターンオンするオンタイミングは、位置検出後、電気角が２０度後に行う。さらに、位置検出からターンオフまでの電気角と、位置検出からターンオンまでの電気角の和を６０度以下として、ターンオフをターンオンより電気角０度から３０度までの任意の範囲で調整できるように設定する。これにより、位置検出から電気角３０度までの間で、進角と、スイッチング素子のオン・オフのタイミングを任意に設定することができる。

　なお、進角を付加した場合、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間は、電気角で「９０度＋進角」から１２０度の範囲で調整される。

　さらに、本実施の形態のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータ４を高速・高負荷で駆動する場合、以下のように、ターンオフのオフタイミング、および、ターンオンのオンタイミングの範囲を設定する。

　具体的には、ターンオフのオフタイミングは、位置検出から「（電気角３０度）－（進角）」経過したタイミングの範囲で調整する。一方、ターンオンのオンタイミングは、位置検出直後の検出位置から、「電気角３０度－進角」だけ経過したタイミングの範囲で調整する。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間を、電気角１２０度から「電気角１５０度－進角」の範囲で調整できる。

　つまり、スイッチング素子のターンオン、ターンオフのタイミングを調整することにより、例えば進角０度の場合、電気角９０度から１５０度までの範囲で、ブラシレスＤＣモータ４への電力供給区間を調整できる。これにより、低速・低負荷の駆動から、高速・高負荷の駆動までの、幅広い範囲における負荷・速度の状態の変化に応じて、ブラシレスＤＣモータ４の駆動が可能となる。

　以上のように、オフタイミング調整制御の動作が実行される。

　つぎに、ブラシレスＤＣモータ４の端子電圧Ｖｕの挙動について、図６Ａ～図６Ｄを用いて、説明する。

　図６Ａおよび図６Ｂは、図２Ａにおける区間Ｃ１、Ｆ１の端子電圧Ｖｕの挙動を示している。図６Ｃおよび図６Ｄは、図２Ｂにおける区間Ｃ３、Ｆ２の端子電圧Ｖｕの挙動を示している。

　まず、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、図２Ａに示す１２０度通電のＰＷＭ制御の場合、端子電圧Ｖｕに、高周波のＰＷＭ制御のキャリア周波数成分（周期ｆ）が重畳された波形となる。さらに、図６Ａに示す区間Ｃ１では、ＰＷＭ制御がオンした瞬間に、モータ巻線や浮遊容量などの影響によるリンギングノイズ成分も、端子電圧Ｖｕに重畳される。なお、上述したように、区間Ｃ１は、ブラシレスＤＣモータ４の端子電圧Ｖｕとインバータ入力電圧の１／２を比較して、その大小関係が反転するポイントをブラシレスＤＣモータ４の誘起電圧ＥのゼロクロスポイントＰとして検出する。しかし、図６Ａの場合、重畳されたリンギングノイズ成分などにより、Ｐｘ点をＰ点と誤って検出する。このゼロクロスポイントＰの位置検出ズレは、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度の脈動や振動、騒音の増大、駆動効率の低下などの原因となる。

　一方、図６Ｃに示すように、ＰＷＭ制御のオン時間の時比率を１００％とした場合、端子電圧Ｖｕには誘起電圧Ｅの波形が現れる。そのため、ポイントＰで、正確にゼロクロスポイントの位置検出が可能となる。これにより、低騒音、低振動、低損失で、安定した駆動が可能なブラシレスＤＣモータ４を実現できる。

　また、図６Ｂに示す区間Ｆ１では、ＰＷＭ制御による高周波でのスイッチング素子のオン・オフ動作に伴うスイッチング損失が発生する。しかし、図６Ｄに示すように、オン時間の時比率１００％の駆動においては、スイッチング素子はスイッチング動作を実行しないため、スイッチング損失が発生しない。そのため、スイッチング損失などの回路損失が低減され、高効率なモータ駆動装置を実現できる。

　以上のように、ＰＷＭ制御の条件に基づいて、ブラシレスＤＣモータ４の端子電圧Ｖｕは変化する。

　つぎに、図６Ａから図６Ｄで説明したブラシレスＤＣモータ４の端子電圧Ｖｕの変化に対応して、ブラシレスＤＣモータ４に流れる電流の挙動について、図７Ａおよび図７Ｂを用いて、説明する。

　図７Ａは、図２Ａに示す１２０度通電によるＰＷＭ制御時におけるブラシレスＤＣモータ４に流れる電流波形を示している。図７Ａに示すように、ブラシレスＤＣモータ４に流れる電流には、ＰＷＭ制御でのスイッチング素子のオン・オフ動作に伴う高周波電流成分が重畳していることが分かる。この高周波電流成分は、モータ鉄損の原因となる。

　一方、図７Ｂに示すように、ＰＷＭ制御のオン時間の時比率１００％で、モータ駆動装置を運転した場合、高周波電流成分が発生しない。そのため、モータ鉄損などの損失が低減され、高効率のモータ駆動装置が実現できる。

　以下に、上記構成のモータ駆動装置を用いて、圧縮機１５を駆動する冷凍空調システムを有する冷蔵庫１９の動作について、図１を参照しながら、説明する。

　近年の冷蔵庫１９は、真空断熱材の採用などによる断熱技術の向上により、外部からの熱の侵入が非常に少ない。さらに、例えば扉の開閉が頻繁に行われる朝夕の家事の時間帯を除けば、冷蔵庫１９の庫内は、１日の大半において安定した冷却状態にある。そのため、圧縮機１５は、冷凍能力を下げた低速・低負荷の状態で駆動が行われる。

　上記状況において、冷蔵庫１９の消費電力を、さらに削減するには、圧縮機１５、すなわちブラシレスＤＣモータ４の低速・低出力時の駆動効率の向上が非常に有効となる。

　そこで、本実施の形態のモータ駆動装置では、ブラシレスＤＣモータ４を低速・低負荷で駆動する場合、以下のように制御しながら駆動する。

　具体的には、ＰＷＭ制御による高周波のオン・オフ制御を実行しないで、ＰＷＭ制御によるオン時間の時比率を１００％として、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間を調整しながら駆動速度の制御を行う。これにより、インバータ３には、ＰＷＭ制御によるスイッチング損失が発生しない。そのため、インバータ３の回路効率を大幅に向上できる。

　また、本実施の形態のインバータ３は、スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いる。ＭＯＳＦＥＴは、オン時の出力電流の経路にＰＮ接合を持たない構造的特徴を有する。そのため、ＭＯＳＦＥＴは、特に、低電流出力時におけるオン時のスイッチング損失が、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他のパワーデバイスと比較して非常に低い。

　上述したように、冷蔵庫１９は、１日の大半、低速・低負荷で駆動される。そのため、ブラシレスＤＣモータ４に流れる電流は低い（小さい）。従って、本実施の形態のモータ駆動装置を冷蔵庫１９の圧縮機１５の駆動に用い、モータ駆動装置のインバータ３のスイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いると、冷蔵庫１９の消費電力を大幅に低減できる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、ＰＷＭ制御によるオン・オフ制御を行わない。そのため、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線に流れる電流に、高周波電流成分が重畳しない。これにより、モータ鉄損が大幅に抑制され、モータ効率が向上する。

　さらに、ＰＷＭ制御は、一般的に、１ｋＨから２０ｋＨｚ程度のＰＷＭ周波数でのスイッチング動作で実行される。そのため、ＰＷＭ制御の周波数成分が、騒音として発生する。冷蔵庫１９は、昼夜にかかわらず１日中運転されるため、静音設計は非常に重要な要素となる。

　そこで、本実施の形態のモータ駆動装置は、オン時間の時比率を１００％で駆動するため、ＰＷＭ制御に起因する騒音が発生しない。そのため、モータ駆動装置は、冷蔵庫１９の静音設計に対して、非常に有効となる。

　以上のように、本実施の形態のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータ４と、ブラシレスＤＣモータ４に電力を供給するインバータ３と、ブラシレスＤＣモータ４の回転子位置を検出する位置検出部５を備える。インバータ３は、位置検出部５で得られた位置信号に応じて、オンタイミングまたはオフタイミングがそれぞれ独立して設定される、６個のスイッチング素子で構成される。そして、位置検出部５の位置信号に対して、インバータ３は、スイッチング素子のオフタイミングを、オンタイミングより進ませるように調整される。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線への電力供給区間を短くできる。そのため、ＰＷＭ制御によるオン時間の時比率が大きくなり、ブラシレスＤＣモータ４の高周波電流成分が抑制される。その結果、ブラシレスＤＣモータ４のモータ鉄損の低減が図れる。さらに、ＰＷＭ制御に伴うスイッチング素子のオン・オフ回数が少なくなる。そのため、インバータ損失が低減され、モータ駆動装置の高効率化が図れる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、インバータ３のスイッチング素子のスイッチングによるオン時間の時比率でブラシレスＤＣモータ４に供給する電圧を調節するＰＷＭ制御部１１と、スイッチング素子のオンタイミングおよびオフタイミングを制御する転流制御部８を有する。そして、転流制御部８は、ＰＷＭ制御部１１によるオン時間の時比率が１００％となるように、スイッチング素子のオフタイミングを調整する。これにより、スイッチング素子のオン・オフに伴うスイッチング損失を大幅に抑制して、インバータ３の効率を向上できる。また、ブラシレスＤＣモータに流れる電流に、スイッチング素子のオン・オフ駆動に伴う高周波成分が発生しない。そのため、モータ鉄損を大幅に抑制できる。これにより、ブラシレスＤＣモータおよび回路の損失を低減して、高効率なモータ駆動装置を提供できる。また、転流制御部８は、ＰＷＭ制御のオン時間の時比率を１００％とするように調整する。これにより、スイッチング素子の高周波によるスイッチング動作に伴う高周波数帯域の騒音の発生を抑制して、モータ駆動装置の静音化が図れる。さらに、オン時間の時比率１００％の駆動により、リンギングノイズの影響によるブラシレスＤＣモータ４の磁極位置の検出ズレを排除して、正確に磁極位置を検出できる。これにより、ブラシレスＤＣモータ４の駆動安定性が、さらに向上する。その結果、さらなるモータ駆動装置の高効率化、低騒音化、低振動が図れる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、スイッチング素子のオン状態からオフ状態への切換えを、オフ状態からオン状態の切換えに対して、電気角０度から３０度の範囲で、早いタイミングで行う。これにより、ターンオフをターンオンより早めた電気角の１／２の進角が自動的に付加される。そのため、ブラシレスＤＣモータ４を、電力供給の休止期間を有する駆動波形で駆動する場合でも、脱調などの発生が抑制できる。その結果、安定した駆動が可能なモータ駆動装置が得られる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの固定子巻線への通電相の切換えタイミングを、つぎのように設定する。

　具体的には、切換えタイミングを、位置検出部の位置信号に対して、スイッチング素子のオフタイミングを進ませる電気角と、オンタイミングを進ませる電気角との和を電気角６０度以下とし、かつ、オフタイミングを進ませる電気角を、オンタイミングを進ませる電気角以上に設定する。これにより、進角と、ブラシレスＤＣモータへの電力供給休止区間を、電気角０度～３０度の範囲で設定できる。その結果、ブラシレスＤＣモータの負荷および駆動速度など状態に応じて、より最適な電力供給期間を設定できる。そのため、例えば負荷状態や速度により、最適な進角の設定が必要なＩＰＭモータを、最適に駆動できる。つまり、ＩＰＭモータなど様々なタイプの永久磁石モータを、高効率に駆動できる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの３相の固定子巻線への電力供給区間を電気角９０度以上１５０度以下とする。そして、電力供給区間が電気角９０度以上１２０度未満の時、スイッチング素子のオフタイミングを、オンタイミングより進ませるように設定する。これにより、幅広い、負荷および駆動速度範囲において、ブラシレスＤＣモータを最適に駆動できる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、ＰＷＭ制御部１１によるスイッチング素子のオン時間の時比率が所定値以上になると、転流制御部８はスイッチング素子のオフタイミングをオンタイミングより進ませるように設定する。通常、ＰＷＭ制御のオン時間の時比率が所定値より低くなる起動時や、低速駆動時で負荷が低い場合、固定子巻線への電力供給区間が極端に短くなる。この場合でも、上記設定により、ブラシレスＤＣモータの起動の失敗や駆動時の不安定動作、あるいは極端なトルク低下などを防止できる。そのため、あらゆる負荷条件に対して、ブラシレスＤＣモータを安定して駆動できるモータ駆動装置が得られる。

　また、本実施の形態のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータで、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する。これにより、ブラシレスＤＣモータのモータ鉄損を低減して、モータ効率を向上できる。その結果、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｏｆ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の高い圧縮機を用いた高効率な冷凍サイクルを実現できる。

　さらに、本実施の形態の電気機器は、上記モータ駆動装置と、モータ駆動装置により駆動される圧縮機を備える。具体的には、例えば圧縮機を駆動する冷凍サイクルを有する冷蔵庫などの電気機器にモータ駆動装置を採用する。これにより、モータ駆動装置の高い回路効率と、高ＣＯＰ圧縮機による高効率の冷凍サイクルが得られる。その結果、消費電力量の低い冷蔵庫などの電気機器を実現できる。さらに、ＰＷＭ制御のスイッチング動作に伴う高周波数帯域の騒音の発生を抑制して、冷蔵庫の静音化が可能となる。

　以上で説明したように、本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータと、ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出する位置検出部を備える。インバータは、位置検出部で得られた位置信号に応じて、オンタイミングまたはオフタイミングがそれぞれ独立して設定される、６個のスイッチング素子で構成され、それぞれのスイッチング素子のオフタイミングを調整して、ブラシレスＤＣモータの速度制御を行う。

　また、本発明のモータ駆動装置は、調整が、位置検出部の位置信号に対して、スイッチング素子のオフタイミングを、オンタイミングより進ませるよう実行してもよい。

　これらの構成によれば、ブラシレスＤＣモータを低速・低負荷で駆動する際、スイッチング素子のオン期間を短くできる。そのため、スイッチング素子のスイッチング回数を減すことができる。これにより、インバータの回路損失を抑制して、モータ駆動装置の高効率化が図れる。

　また、本発明のモータ駆動装置は、インバータのスイッチング素子をオン・オフするオン時間の時比率でブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調節するＰＷＭ制御部と、スイッチング素子のオンタイミングおよびオフタイミングを制御する転流制御部を有する。そして、転流制御部８は、ＰＷＭ制御部によるオン時間の時比率が１００％となるように、スイッチング素子のオフタイミングを調整する構成としてもよい。この構成によれば、スイッチング素子のオン・オフが高い周波数で行われないため、スイッチング損失が大幅に抑制され、インバータの回路効率が向上する。また、モータ電流には、ＰＷＭ制御のオン・オフに伴う高周波電流の発生が無い。そのため、モータ鉄損の低減によるモータ効率の向上により、モータ駆動装置の効率を大幅に向上できる。さらに、ＰＷＭ制御による高周波スイッチングに伴う高周波音の発生がなくなる。そのため、モータ駆動装置の静音化が図れる。

　また、本発明のモータ駆動装置は、スイッチング素子をオン状態からオフ状態への切換えを、オフからオンへの切換えに対して、電気角０度から３０度の範囲で早いタイミングで行うように構成してもよい。この構成によれば、スイッチング素子のターンオフを早めた電気角１／２の進角が自動的に付加される。そのため、ブラシレスＤＣモータへの電力供給を休止する区間がある駆動波形で駆動しても、脱調などの発生を抑制して、安定した駆動性能を確保できる。

　また、本発明のモータ駆動装置は、ＰＷＭ制御部によるスイッチング素子のオン時間の時比率が所定値以上になると、転流制御部はスイッチング素子のオフタイミングをオンタイミングより進ませるように設定してもよい。これにより、ブラシレスＤＣモータの起動直後の低速時や、低負荷・低速駆動時において、ＰＷＭ制御を併用することができる。その結果、ブラシレスＤＣモータを、安定して起動できるとともに、超低負荷、超低速時における駆動安定性を向上できる。

　また、本発明のモータ駆動装置は、上記モータ駆動装置により駆動されるブラシレスＤＣモータで、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する構成としてもよい。この構成によれば、モータ駆動装置により、圧縮機のＣＯＰを向上させることができる。その結果、高効率な冷凍サイクルを実現できる。

　また、本発明の電気機器は、上記モータ駆動装置と、モータ駆動装置により駆動される圧縮機を備える構成としてもよい。この構成によれば、高効率な冷凍サイクルにより、低消費電力の電気機器を実現できる。さらに、ＰＷＭ制御によるスイッチング素子のスイッチング動作に伴う高周波数帯域の騒音を抑制して、静音性に優れた電気機器を実現できる。

　本発明は、モータ駆動装置の回路損失の低減、モータ効率の向上および駆動騒音と振動の低減が可能となる。そのため、冷蔵庫、エアコン、洗濯機、ポンプ、扇風機、ファン、電気掃除機など、ブラシレスＤＣモータを用いた機器などに適用できる。

　１　　交流電源
　２　　コンバータ回路
　２ａ　　整流回路
　２ｂ　　平滑回路
　２ｃ　　スイッチ部
　３　　インバータ
　３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ　　スイッチング素子
　４　　ブラシレスＤＣモータ
　５　　位置検出部
　６　　速度検出部
　７　　誤差検出部
　８　　転流制御部
　９，１０３　　オンタイミング制御部
　１０，１０４　　オフタイミング制御部
　１１　　ＰＷＭ制御部
　１２　　波形合成部
　１３　　ドライブ部
　１４　　圧縮要素
　１５　　圧縮機
　１６　　凝縮器
　１７　　減圧器
　１８　　蒸発器
　１９　　冷蔵庫
　２０　　断熱壁
　２１　　食品貯蔵室
　２２　　配管
　２０１　　駆動制御部
　２０２　　電力検出部
　２０３　　通電パルス信号生成制御部

Claims (7)

1. ブラシレスＤＣモータと、
   前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、
   前記ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出する位置検出部と、を備え、
   前記インバータは、前記位置検出部で得られた位置信号に応じて、オンタイミングまたはオフタイミングがそれぞれ独立して設定される、６個のスイッチング素子で構成され、それぞれの前記スイッチング素子の前記オフタイミングを調整して、前記ブラシレスＤＣモータの速度制御を行うモータ駆動装置。
2. 前記調整は、前記位置検出部の位置信号に対して、前記スイッチング素子の前記オフタイミングを、前記オンタイミングより進ませるように行う請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記インバータの前記スイッチング素子のスイッチングによるオン時間の時比率で前記ブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調節するＰＷＭ制御部と、
   前記スイッチング素子の前記オンタイミングおよび前記オフタイミングを制御する転流制御部を有し、
   前記ＰＷＭ制御部による前記オン時間の時比率が１００％となるように、前記スイッチング素子の前記オフタイミングを調整する請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記スイッチング素子のオン状態からオフ状態への切換えは、オフ状態からオン状態に切換えに対して、電気角０度から３０度の範囲で早いタイミングで行う請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記ＰＷＭ制御部による前記スイッチング素子の前記オン時間の時比率が所定値以上となると、
   前記転流制御部は、前記スイッチング素子の前記オフタイミングを前記オンタイミングより進ませる請求項３に記載のモータ駆動装置。
6. 前記ブラシレスＤＣモータは、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する請求項１に記載のモータ駆動装置。
7. 請求項１に記載のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置により駆動される圧縮機を有する電気機器。

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