(57)【要約】【課題】駆動電源を昇圧するための昇圧回路を用いる構成において、その昇圧動作を利用してＰＷＭ制御に伴い発生する騒音を低減できるインバータ装置を提供する。【解決手段】実施形態のインバータ装置は、モータを駆動対象とするインバータ回路，インバータ回路の直流側に接続され電流値に対応する信号を発生する電流検出素子，モータのロータ位置を検知するロータ位置検知部，検知されたロータ位置に追従するようＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部，電流検出素子に発生した信号とＰＷＭ信号パターンとに基づきモータの相電流を検出する電流検出部，インバータ回路に供給する駆動電圧を昇圧する昇圧回路を備え、ＰＷＭ信号生成部は電流検出部が搬送波周期内における２点のタイミングで二相の電流を検出可能となるよう出力タイミングをシフトしたＰＷＭ信号パターンを生成し、昇圧回路の動作に基づく駆動電圧の変化に応じて出力タイミングをシフトする制御の実行可否を決定する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動対象とし、三相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフさせるインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
前記モータのロータ位置を検知するロータ位置検知部と、
このロータ位置検知部により検知されたロータ位置に追従するようにＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記電流検出素子に発生した信号と前記ＰＷＭ信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部と、
前記インバータ回路に供給する駆動電圧を昇圧する昇圧回路とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ信号の搬送波周期内における２点のタイミングで二相の電流を検出可能となるように、出力タイミングをシフトしたＰＷＭ信号パターンを生成し、
前記昇圧回路の動作に基づく駆動電圧の変化に応じて、前記出力タイミングをシフトする制御の実行可否を決定するインバータ装置。
【請求項２】
前記モータの出力が閾値未満であれば、前記駆動電圧を低下させる請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のインバータ装置を搭載した洗濯機。
【請求項４】
脱水運転時には、モータの出力トルクが増加するのに応じて、前記駆動電圧を上昇させる請求項３記載の洗濯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、所謂１シャント電流検出方式を採用するインバータ装置，及びそのインバータ装置を備えた洗濯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ装置では、３相の電流を検出するために各相に抵抗素子を配置する３シャント電流方式を用いていた。しかし、ベクトル制御を実現する構成の低コスト化を図るため、１シャント電流検出方式を採用したインバータ装置を搭載した家電製品が増加しつつある。１シャント電流検出方式では、各相の電流の検出が難しくなることから、電流検出率を向上させるためにＰＷＭ信号の出力タイミングをシフトさせるなどの対策が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４３３６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１にも記載されているように、ＰＷＭ信号の出力タイミングをシフトさせるとＰＷＭ制御に伴い発生する騒音が増大するという問題がある。また、インバータ装置には、駆動電源電圧を昇圧するための昇圧回路を用いるものがある。
【０００５】
そこで、駆動電源を昇圧するための昇圧回路を用いる構成において、その昇圧動作を利用してＰＷＭ制御に伴い発生する騒音を低減できるインバータ装置及びそのインバータ装置を備えた洗濯機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のインバータ装置は、モータを駆動対象とし、三相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフさせるインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
前記モータのロータ位置を検知するロータ位置検知部と、
このロータ位置検知部により検知されたロータ位置に追従するようにＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記電流検出素子に発生した信号と前記ＰＷＭ信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部と、
前記インバータ回路に供給する駆動電圧を昇圧する昇圧回路とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ信号の搬送波周期内における２点のタイミングで二相の電流を検出可能となるように、出力タイミングをシフトしたＰＷＭ信号パターンを生成し、
前記昇圧回路の動作に基づく駆動電圧の変化に応じて、前記出力タイミングをシフトする制御の実行可否を決定する。
また、実施形態の洗濯機は、実施形態のインバータ装置を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態であり、縦型洗濯機の構成を概略的に示す縦断側面図
【図２】インバータ装置の構成を示す回路図
【図３】通常ＰＷＭ方式及びシフトＰＷＭ方式について、キャリア１周期内に出力されるＰＷＭパルスを示す図
【図４】通常ＰＷＭ方式及びシフトＰＷＭ方式について、デューティ比と電流検出率との関係を示す図
【図５】通常ＰＷＭ方式及びシフトＰＷＭ方式について、同一の運転条件で発生する騒音のレベルを示す図
【図６】洗濯運転時における処理内容を示すフローチャート
【図７】第２実施形態であり、脱水運転時における処理内容を示すフローチャート
【図８】脱水運転時における電源電圧，インバータ出力電圧及びＰＷＭデューティ比の変化の一例を示すタイムチャート
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の洗濯機１は、縦型の全自動洗濯機であり、家電機器に相当する。図１において、洗濯機１の外殻は、外箱２と、外箱２の上部に装着されたトップカバー３とにより構成されている。トップカバー３には、図示しない洗濯物出入口を開閉する洗濯蓋４が開閉可能に設けられている。外箱２内には、水槽５が配設されている。水槽５は、底部が閉塞され且つ上面が開口した円筒容器状をなしていて、外箱２の四隅に設けられた吊り棒６ａと図示しないコイルばねを主体に構成された防振装置６を介して弾性的に吊り下げ支持されている。水槽５の中心軸線は上下方向に指向している。
【０００９】
水槽５の内部には、洗濯槽と脱水槽を兼ねた回転槽７が収容配置されている。回転槽７も底部が閉塞され上面が開口した円筒容器状をなしている。回転槽７は、中心軸線を上下方向に指向させた状態で、その中心軸線を中心に回転可能とされている。回転槽７は、周壁部に多数の脱水孔８を有するとともに、上端部にバランスリング９を備えている。各脱水孔８は、回転槽７の周壁部を厚さ方向に貫通していて、回転槽７の内外を連通させている。回転槽７には、トップカバー３の洗濯物出入口を通して洗濯物が出し入れされる。回転槽７内の底部には、撹拌体１０が回転可能に配設されている。この場合、水槽５と回転槽７で槽体３０を構成している。
【００１０】
水槽５の下方には、洗濯および脱水用の洗濯機モータ１１およびクラッチ機構１２が設けられている。洗濯機モータ１１は、例えばアウターロータ型の３相のＤＣブラシレスモータである。洗濯機モータ１１が有するロータの回転位置は、ロータ位置検知部に相当する図示しない回転センサ，例えば３つの磁気的な位置センサにより検出される。
【００１１】
クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０だけを回転させる場合と、撹拌体１０と回転槽７を一体的に回転させる場合とを切り替えるためのものである。水槽５の底部に形成された排水口１３には、排水弁１４を介して排水ホース１５が接続されている。排水弁１４が開放されると、回転槽７内および水槽５内の水が排水ホース１５を通して機外へ排出される。
【００１２】
この場合、クラッチ機構１２と排水弁１４は、水槽５の底部下面に設けられた切替用モータ１６により連動して切り替え操作される。具体的には、切替用モータ１６により排水弁１４を開放動作させた場合には、クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０と回転槽７を一体的に回転させるように切り替えられる。また、排水弁１４を閉鎖動作させた場合には、クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０だけを独立させて回転させるように切り替えられる。なお、切替用モータ１６の代わりに電磁ソレノイドを用いる構成とすることもできる。
【００１３】
外箱２内の下部には、運転制御部を構成する制御装置１８が設けられている。また、トップカバー３の内部には、安全レバー１９によって操作される安全スイッチ２０が設けられている。安全レバー１９は、トップカバー３の下部から水槽５の外周面と外箱２の内面との間に位置するように垂下する状態に設けられている。安全スイッチ２０は、水槽５が揺れて水槽５の外面が安全レバー１９に当接することに伴い操作されることで、水槽５の揺れが大きいことを検出する。
【００１４】
トップカバー３の上面における前部，図１中の左側には、操作パネル２１が設けられている。操作パネル２１には、表示部や操作入力部２３が設けられている。トップカバー３内には、回転槽７内および水槽５内へ給水するための給水弁や、水槽５内の水位を検出するための水位センサが設けられている。給水弁には、図示はしないが水道の蛇口に接続された給水ホースが接続されていて、その給水弁が開放されると、水道水が、図示しない注水口を通して回転槽７内ひいては水槽５内に供給される。
【００１５】
図２は、洗濯機１に搭載され、昇圧回路を備えるインバータ装置３１の構成を示す。１００Ｖの商用交流電源には、一端側にリアクトル３２を介して、４つのダイオードをブリッジ接続してなる整流ブリッジ回路３３が接続される。整流ブリッジ回路３３の出力端子間には、スイッチング素子であるＩＧＢＴ３４のコレクタ，エミッタと、ダイオード３５及び平滑コンデンサ３６の直列回路とが並列に接続されている。ＩＧＢＴ３４のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード３７が接続されている。
【００１６】
平滑コンデンサ３６の両端には、インバータ回路４０が接続されている。インバータ回路４０は、６個のＩＧＢＴ４１を３相ブリッジ接続して構成されている。ＩＧＢＴ１１のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード４２が接続されている。インバータ回路４０の各相出力端子は、洗濯機モータ１１のスター結線されている各相固定子巻線の一端にそれぞれ接続されている。
【００１７】
インバータ回路４０の負側と制御回路グランドとの間には、シャント抵抗４４が接続されている。シャント抵抗４４の両端は、図示しないがマイクロコンピュータ４５の入力端子にそれぞれ接続されている。以下、マイコン４５と称す。シャント抵抗４４は、インバータ回路４０を介してモータ１１に通電される相電流を検出するもので、本実施形態では１シャント電流検出方式を採用している。マイコン４５は、シャント抵抗４４の端子電圧を所定のタイミングでＡ／Ｄ変換して読み込むことで、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相電流を検出する。そして、マイコン１５は、検出した電流に基づいてＰＷＭ信号を生成し、インバータ回路４０を構成する各ＩＧＢＴ４１にゲート信号として出力する。
【００１８】
また、マイコン４５は、ＩＧＢＴ３４にもゲート信号を出力する。そして、リアクトル３２，整流ブリッジ回路３３，ＩＧＢＴ３４，ダイオード３５，平滑コンデンサ３６及びマイコン４５により、昇圧回路４７が構成されている。昇圧回路４７は、リアクトル４２を用いた昇圧動作を行わない場合には、１００Ｖの交流電源を全波整流し、約１４１Ｖの直流電圧をインバータ回路４０等に供給する。
【００１９】
ＩＧＢＴ３４のオンオフ制御は、マイコン４２からのパルス指令により制御される。ＩＧＢＴ３４がＯＮすると、交流電源からリアクトル４２，整流ブリッジ回路４３，ＩＧＢＴ３４を介して短絡電流が流れ，このとき短絡電流が磁気エネルギーとしてリアクタ４２に蓄えられる。ＩＧＢＴ３４がＯＦＦすると、蓄えられた磁気エネルギーが解放され、ダイオード３５を介してインバータ回路４０に供給される電圧が昇圧される。ＩＧＢＴ３４への指令パルスをコントロールすることにより昇圧レベルが変更可能となる。
【００２０】
インバータ回路４０の入力端子間には、図示しない分圧抵抗回路が接続されており、その分圧点はマイコン４５の入力端子に接続されている。これにより、マイコン４５は、インバータ回路４０に供給される駆動電源電圧を検知する。シャント抵抗４４には、下側の３相のうち１相のＩＧＢＴ４１がＯＮしており、且つ他の２相のＩＧＢＴ４１がＯＦＦしているタイミングでモータ１１の巻線と同じ電流が発生するので、正負の電圧が発生する。この正負の電圧は、図示しないレベルシフト用分圧抵抗によりプラス側にレベルシフトされて、マイコン４５のＡ／Ｄ端子に入力される。
【００２１】
３相変調方式では、ＰＷＭキャリア１周期中に３相のＩＧＢＴ４１をスイッチングして正弦波電圧を生成する。２相変調方式では、３相のうち１相のＩＧＢＴ４１をＯＮ又はＯＦＦに固定し、残りの２相をスイッチングして電圧を生成する。２相変調方式の方がスイッチング回数が少なくなり、ＩＧＢＴ４１の発熱を抑えることができる。
【００２２】
マイコン４５は、ＰＷＭの搬送波周期毎に下相のＩＧＢＴ４１がオンするタイミングで、最低２相分の電圧を変換する。またマイコン４５の内部には、インバータ回路４０の上下アームが短絡した場合に、回路の破壊を防止するために過電流検出を行なう機能がある。過電流として、例えば１５Ａに相当する比較電圧を検知すると、ＰＷＭ信号の出力が直ちに遮断されて回路部品の破損を防ぐ。マイコン４５は、前述した３つの位置センサの情報からモータ１１の現在のロータの位置を推測してベクトル制御を行い、ＰＷＭ信号の出力を制御してモータ１１のｄ軸，ｑ軸電流を適切に発生させる。マイコン４５は、ＰＷＭ信号生成部及び電流検出部に相当する。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について説明する。３シャント電流検出方式では、一般的にＰＷＭキャリアである三角波の山もしくは谷に対して左右対称にＰＷＭパルスを生成し、３つの電流検出抵抗にて各相電流を個別に検出する。一方、１シャント電流検出方式では電流検出抵抗が１つであるため、３相の合成電流から各相の電流を切り分けるには、キャリア１周期の間に通電パターンが異なる２カ所のタイミングで電流検出することが必要である。以下、この電流検出方式を通常ＰＷＭ方式とする。
【００２４】
通常ＰＷＭ方式でもある程度は電流検出が可能となるが、各相のパルス幅の差が小さくなると、電流検出タイミングを変えても通電パターンが変わらなくなり、相電流を切り分けられず電流検出が困難となる場合がある。この解決法として、特許文献１に開示されているように、ＰＷＭパルスの位相をシフトする方式が用いられる。以下、この電流検出方式をシフトＰＷＭ方式とする。パルス幅を変えずに位相をずらすことで、電流検出時の各相パルスに差がつけられるので、通常ＰＷＭ方法では電流検出が困難な場合でも検出が可能となる。
【００２５】
図３は、通常ＰＷＭ方式とシフトＰＷＭ方式のＰＷＭパルス波形例を示す。通常ＰＷＭ方式は２相変調の場合を示し、シフトＰＷＭ方式は３相変調の場合を示している。図４に示すように、シフトＰＷＭ方式では、２相変調よりも３相変調の方がモータ出力が小さい領域で電流検出率を高めることができる。
【００２６】
しかしながら、シフトＰＷＭ方式を用いると、キャリア周波数における騒音が悪化するという問題がある。キャリア周波数はモータの種類や制御方式によっても異なるが、洗濯機モータでは一般的に１６ｋＨｚが使われる。図５に示すように、例えば３ｋｇの負荷で脱水運転を行う際に、回転数１３０ｒｐｍにおける１６ｋＨｚ帯域での騒音値は、通常ＰＷＭ方式が１４．１ｄＢであるのに対し、シフトＰＷＭ方式では２４．５ｄＢとなる。
【００２７】
本実施形態では、昇圧回路４７を用いた電圧調整により通常ＰＷＭ方式を用いる領域を拡大し、シフトＰＷＭ方式を使う頻度を低減して騒音を抑制する。同じモータ出力でも、ＰＷＭ信号のパルス幅は電源電圧の高低に応じて異なる。電源電圧が低くてもモータ１１を駆動できる条件では、電源電圧を低くしてＰＷＭパルス幅を大きくすることで通常ＰＷＭ方式でも駆動できる領域を拡大できる。
【００２８】
本実施形態では、昇圧回路４７が昇圧を行わない場合の電源電圧は約１４１Ｖに留まる。始動時のモータ出力が小さいときはシフトＰＷＭ方式を用いるが、モータ出力が増加して通常ＰＷＭ方式に移行した後で昇圧を行う。このように、通常ＰＷＭ方式で駆動する領域を拡大して騒音を抑制する。
【００２９】
図６は、洗濯運転時における制御内容を本実施形態の要旨に係る部分について示すフローチャートである。先ず、初期状態での電流検出方式をシフトＰＷＭ方式とし（Ｓ１）、昇圧回路４７に昇圧動作を行わせず、電源電圧１４１Ｖでモータ１１を起動する（Ｓ２）。運転が継続中であれば（Ｓ３；ＹＥＳ）、ＰＷＭ信号のデューティ比が６０％以上か否かを判断する（Ｓ６）。デューティ比が６０％未満であれば（ＮＯ）、昇圧回路４７の昇圧動作を停止させたまま（Ｓ７）ステップＳ３に戻る。
【００３０】
一方、デューティ比が６０％以上になると（Ｓ６；ＹＥＳ）電流検出方式を通常ＰＷＭ方式に変更し（Ｓ８）、昇圧回路４７の昇圧動作を開始させてから（Ｓ９）ステップＳ３に戻る。運転が終了すると（Ｓ３；ＮＯ）昇圧回路４７の昇圧動作を停止させ（Ｓ４）、モータ１１の駆動を停止して処理を終了する（Ｓ５）。尚、ステップＳ６におけるデューティ比が６０％以上か否かの判断は、モータ１１の出力の高低を判別するための閾値としてデューティ比６０％を用いている。
【００３１】
以上のように本実施形態によれば、インバータ回路４０は、洗濯機用モータ１１を駆動対象とし、シャント抵抗４４は、インバータ回路４０の下アーム側ＩＧＢＴ４１のエミッタとグランドとの間に接続される。マイコン４５は、位置センサにより検知されたモータ１１のロータ位置に追従するようにＰＷＭ信号パターンを生成する。
【００３２】
また、インバータ回路４０に供給する駆動電圧を昇圧する昇圧回路４７を備え、マイコン４５は、ＰＷＭ信号のキャリア周期内における２点のタイミングで２相の電流を検出可能となるようにシフトＰＷＭ方式を行い、昇圧回路４７の動作に基づく駆動電圧の変化に応じて、シフトＰＷＭ方式の実行可否を決定する。
【００３３】
具体的には、ＰＷＭ信号のデューティ比６０％未満でありモータ１１の出力が低い領域では、昇圧回路４７の昇圧動作を行わず低い駆動電圧でシフトＰＷＭ方式を行い、デューティ比６０％以上でありモータ１１の出力が高い領域では、昇圧回路４７の昇圧動作を行って高い駆動電圧で通常ＰＷＭ方式を行う。これにより、モータ１１を通常ＰＷＭ方式で駆動する領域を拡大してキャリア周波数で発生する騒音を抑制できる。特に、洗濯機１では、モータ１１の運転音が大きく騒音に作用するため、騒音の低減は効果的になる。
【００３４】
（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７は、洗濯運転時における制御内容を本実施形態の要旨に係る部分について示すフローチャートである。ステップＳ１１〜Ｓ１５の内容は、ステップＳ１〜Ｓ５と同様である。また、図８は、脱水運転時における電源電圧，インバータ回路４０の出力電圧及びＰＷＭ信号のデューティ比の変化の一例を示しており、図７におけるステップＳ１３〜Ｓ２１のループを３回繰り返し実行した場合である。
【００３５】
ステップＳ１９の実行後は、ＰＷＭ信号のデューティ比が９０％以上で、且つ電源電圧が２９０Ｖ以下か否かを判断する（Ｓ２０）。ここで、２９０Ｖは昇圧回路４７の昇圧限界電圧である。デューティ比９０％以上で電源電圧が２９０Ｖ以下であれば（ＹＥＳ）、昇圧回路４７に昇圧動作を行わせ、電源電圧を昇圧させてから（Ｓ２１）ステップＳ１３に戻る。デューティ比９０％未満か又は電源電圧が２９０Ｖ以下でなければ（ＮＯ）そのままステップＳ１３に戻る。
【００３６】
ステップ１６において、デューティ比が６０％未満であれば（ＮＯ）、デューティ比が４０％以下で、且つ昇圧動作中か否かを判断する（Ｓ１７）。デューティ比が４０％以下で昇圧動作中であれば（ＹＥＳ）、駆動電圧を低下させてから（Ｓ１８）ステップＳ１３に戻る。これにより、ＰＷＭ信号のデューティ比を増加させ、ステップＳ１６からステップＳ１９に移行して通常ＰＷＭ方式を行う機会を増やすようにする。一方、デューティ比が４０％を超えているか又は昇圧動作中でなければ（Ｓ１７；ＮＯ）そのままステップＳ１３に戻る。
【００３７】
以上のように第２実施形態によれば、洗濯機１の脱水運転時には、モータ１１の出力が増加するのに応じて駆動電圧を上昇させるようにした。これにより、モータ１１の回転数が上昇するのに伴う騒音の発生を抑制できる。
【００３８】
（その他の実施形態）
ステップＳ６，Ｓ１６におけるデューティ比は、６０％に限らない。
ステップＳ１７におけるデューティ比も、４０％に限らない。
ステップＳ２０におけるデューティ比は９０％に限らず、電源電圧も２９０Ｖに限らない。
スイッチング素子はＩＧＢＴに限らない。
ロータ位置検知部は、位置センサレス制御によりロータ位置を推定するものでも良い。
洗濯機以外のモータを駆動対象とするインバータ装置に適用しても良い。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
図面中、１は洗濯機、１１は洗濯機モータ、３１はインバータ装置、３２はリアクトル、３３は整流ブリッジ回路、３４はＩＧＢＴ、４０はインバータ回路、４１はＩＧＢＴ、４４シャント抵抗、４５はマイクロコンピュータ、４７は昇圧回路を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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