(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの位置検出信号から生成される前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御することを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
【請求項２】
前記導通角１０８°のスイッチング信号を所定位相だけ進ませて、前記各半導体スイッチをオン，オフ制御することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。
【請求項３】
直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかが所定値になったときは、前記各半導体スイッチを、導通角１２０°の内６０°はパルス幅変調を行なう１２０°導通形スイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第１の制御から、前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第２の制御へと切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
【請求項４】
直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかの値に応じ、前記各半導体スイッチを、導通角１２０°の内６０°はパルス幅変調を行なう１２０°導通形スイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第１の制御、前記１２０°導通形スイッチング信号とは導通角，パルス幅変調の導通率がともに異なるスイッチング信号に基づき、前記各半導体スイッチをオン，オフ制御する第２の制御、前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第３の制御へと順次切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
【請求項５】
直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかが所定値になったときは、前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第１の制御から、前記各半導体スイッチの導通角を１２０°とするスイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第２の制御へと切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
【請求項６】
直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかの値に応じ、前記各半導体スイッチの導通角を１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第１の制御、前記スイッチング信号とは導通角が異なるスイッチング信号に基づき、前記各半導体スイッチをオン，オフ制御する第２の制御、前記各半導体スイッチの導通角を１２０°とするスイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第３の制御へと順次切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータを介して駆動されるブラシレスＤＣモータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は第１の従来例を示すブロック図、図１６は第２の従来例を示すブロック図である。
これらの図において、１は交流電源、２は整流回路、３は直流電圧昇圧用のチョッパ回路、４，５は直流電圧平滑用電解コンデンサ、６はトランジスタとダイオードを逆並列接続してなる半導体スイッチ４組（Ｔａ〜Ｔｄ）よりなるインバータ回路、７はインバータ主回路６から給電されるブラシレスＤＣモータ（Ｍ：単にモータともいう）である。
【０００３】
また、モータの制御を行なう制御部として図１５では、磁極センサからの信号またはインバータの出力電圧信号からモータの磁極位置を検出し、モータの６０度（°）毎の磁極位置検出信号を出力する磁極位置検出回路９と、その検出信号にもとづき半導体スイッチへのスイッチング信号（Ｔａ１〜Ｔｄ１信号）を作成する信号作成回路１０、磁極位置検出回路９からの信号によりモータの速度を検出し，制御する速度検出・制御回路１１、直流電圧指令演算回路１２、直流中間電圧制御回路および入力電流制御回路を含む制御回路１３等より構成する。
図１６では、図１５に加えて導通角１２０°の内の６０°はパルス幅変調（ＰＷＭ）を行なわせるための発振器１８、およびＰＷＭ信号（Ｔａ４〜Ｔｄ４信号）の信号作成回路１９を備えている。なお、上記「導通角１２０°およびその内の６０°」なる文言の各数値は理論値であるが、実際には多少の誤差（±２，３度）を含むことを許容することとし、以下同様とする。
上記のような構成において、モータの速度指令値および６０°毎の磁極位置検出信号にもとづく直流中間電圧値の制御、および各半導体スイッチＴａ〜Ｔｄへのスイッチング指令信号により、モータ７に所望の回転数と出力トルクとを与えることができる。
【０００４】
図１７に図１５における半導体スイッチＴａ〜Ｔｄへのスイッチング信号例を示す。図１７では、１２０°導通角形のスイッチングパターンとする例を示している。また、電流波形においては、時刻Ｔ４，Ｔ７付近でＵ相およびＷ相に大電流が流れるという特徴を有する。これは、モータ７に印加される電圧が３相不平衡であることに起因する。
図１８に、図１６における半導体スイッチＴａ〜Ｔｄへのスイッチング信号（Ｔａ４〜Ｔｄ４）の例を示す。同図では、各半導体スイッチへは導通角１２０°の内の６０°は、例えばオンデューティ７５％のＰＷＭを実施するスイッチングパターンとしており、この制御方法が基本となる。また、電流波形においては、時刻Ｔ３〜Ｔ４間とＴ６〜Ｔ７付近でＰＷＭ波形となり、他の区間（Ｔ２〜Ｔ３やＴ５〜Ｔ６等）に流れる電流と平均的にほぼ等しくなるという特徴を有する。これは、モータ７に印加される電圧が３相平衡であることに起因する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１６の方式において、モータの最高回転数を上げるためには、直流チョッパ回路３によって電解コンデンサ４，５の直流電圧を高くすれば良いが、このときチョッパ回路内の半導体スイッチやインバータ主回路を構成する半導体スイッチＴａ〜Ｔｄの電圧定格が高くなり、小型化，低価格化の妨げとなる。また、図１５の方式の場合は図１６の場合に比べて高速運転が可能であるが、トルクリプルや効率に問題がある。
したがって、この発明の課題は、従来のものに比べて半導体スイッチの電圧定格を下げ、ブラシレスＤＣモータの高性能を運転を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの位置検出信号から生成される前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御することを特徴とする。
上記請求項１の発明においては、前記導通角１０８°のスイッチング信号を所定位相だけ進ませて、前記各半導体スイッチをオン，オフ制御することができる（請求項２の発明）。
【０００７】
請求項３の発明では、直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかが所定値になったときは、前記各半導体スイッチを、導通角１２０°の内６０°はパルス幅変調を行なう１２０°導通形スイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第１の制御から、前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第２の制御へと切り換えることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明では、直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかの値に応じ、前記各半導体スイッチを、導通角１２０°の内６０°はパルス幅変調を行なう１２０°導通形スイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第１の制御、前記１２０°導通形スイッチング信号とは導通角，パルス幅変調の導通率がともに異なるスイッチング信号に基づき、前記各半導体スイッチをオン，オフ制御する第２の制御、前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第３の制御へと順次切り換えることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明では、直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかが所定値になったときは、前記各半導体スイッチの導通角を、１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第１の制御から、前記各半導体スイッチの導通角を１２０°とするスイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第２の制御へと切り換えることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明では、直流電圧源間に、複数のコンデンサを直列接続した直列回路と、４組の半導体スイッチを２相ブリッジ接続した２相ブリッジ回路とを並列接続し、前記直列回路の中間電位点および２相ブリッジ回路の各交流出力点にブラシレスＤＣモータを接続して給電しつつその制御を行なうに当たり、
前記ブラシレスＤＣモータの速度指令値，検出値、または前記コンデンサの直流電圧指令値，検出値のいずれかの値に応じ、前記各半導体スイッチの導通角を１０８°とするスイッチング信号でオン，オフ制御する第１の制御、前記スイッチング信号とは導通角が異なるスイッチング信号に基づき、前記各半導体スイッチをオン，オフ制御する第２の制御、前記各半導体スイッチの導通角を１２０°とするスイッチング信号に基づきオン，オフ制御する第３の制御へと順次切り換えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
これは、図１５に示す回路に対し、速度検出値または速度指令値（ｎ）から次の（１）式および（２）式の演算をして１２°および４８°相当の時間データを演算する時間データ演算回路１４と信号作成回路１５とを付加した点が特徴である。
１２°時間データ＝１／（速度検出値または速度指令値）＊（１２／３６０）＝１／３０ｎ                                …（１）
４８°時間データ＝１／（速度検出値または速度指令値）＊（４８／３６０）＝２／１５ｎ                                …（２）
【００１２】
信号作成回路１５では、上記時間データ演算回路１４からの出力と、信号作成回路１０からのスイッチング信号Ｔａ１〜Ｔｄ１とにもとづき１０８°導通形のスイッチング信号Ｔａ２〜Ｔｄ２を作成する。なお、１２°および４８°相当の時間だけ信号の立ち上がり，立ち下がりを遅らせる具体的な回路としては、例えばカウンタを用いることができる。
図２に図１の場合の各信号のタイムチャートを示す。信号Ｔａ２は時刻Ｔ３において、また信号Ｔｃ２は時刻Ｔ６において、それぞれ信号Ｔａ１，Ｔｃ１の立ち上がりに対して１２°分の時間遅れて立ち上がり、信号Ｔｂ２，Ｔｄ２はそれぞれ時刻Ｔ６，Ｔ３に対して４８°分の時間後に立ち下がるようにしている。また、モータに流れる電流も、第１の従来例に対してｉｕ，ｉｗのピーク電流値が低減していることが分かる。
【００１３】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。制御部分のみを示しており、図１に対し位相シフト量演算回路１６および信号作成回路１７を付加して構成される。位相シフト量演算回路１６は、上記１０８°導通形のスイッチング信号Ｔａ２〜Ｔｄ２を進相させる位相（Δθ）量相当の時間データ（Δｔ）を得るため、速度検出・制御回路１１からの速度検出データまたは速度指令データ（ｎ’）にもとづき、次の（３）式の如き演算を行なう。
Δｔ＝Δθ／３６０ｎ’                                      …（３）
信号作成回路１７は位相シフト量演算回路１６からの出力にもとづき、信号作成回路１５からの１０８°導通形のスイッチング信号Ｔａ２〜Ｔｄ２を、Δθだけ進相させる。
【００１４】
図４に図３の場合の各信号のタイムチャートを示す。
すなわち、Δθだけ進相させるのは通常はできないので、例えばＴａ３信号の立ち上がりは、時刻Ｔ２から（７２°−Δθ）相当の時間データ分遅らせることで、また、Ｔａ３信号の立ち下がりは、時刻Ｔ４から（６０°−Δθ）相当の時間データ分遅らせることでそれぞれ対応するようにしており、これは他の信号Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄについても同様である。
【００１５】
図５はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図である。制御部分のみを示しており、図１に対し発振器１８，信号作成回路１９，２０および比較器２１を付加して構成される。発振器１８，信号作成回路１９は図１６に示す第２の従来例と同じく、各半導体スイッチに対し、導通角１２０°の内６０°はパルス幅変調を行なう１２０°導通形スイッチング信号Ｔａ４〜Ｔｄ４を作成する。信号作成回路２０はスイッチを内蔵し、信号作成回路１５からの信号Ｔａ２〜Ｔｄ２と信号作成回路１９からの信号Ｔａ４〜Ｔｄ４を切り換えて出力し、比較器２１は速度検出データまたは速度指令データと、予め設定された切り換え速度データとを比較し、信号作成回路２０内のスイッチを切り換えるための信号を作成する。
図６は図５の動作説明図である。同図には、切り換え速度ｎ１を境に、半導体スイッチＴａへのスイッチング信号Ｔａ５が、導通角１２０°の内６０°はパルス幅変調を行なう１２０°導通形のものから、１０８°導通形のものへと切り換わる様子が示されている。これは他の信号Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄについても同様である。
【００１６】
図７はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図である。制御部分のみを示しており、第２の従来例に対しオンデューティ（ｏｎｄｕｔｙ）演算回路２２，導通角演算回路２３および信号作成回路２４を付加して構成される。
オンｄｕｔｙ演算回路２２および導通角演算回路２３は、速度検出データまたは速度指令データにもとづき、信号Ｔａ４〜Ｔｄ４を出力している期間のオンデューティ（導通率）および導通角を演算し、信号作成回路２４は導通率および導通角に応じたスイッチング信号Ｔａ６〜Ｔｄ６を作成する。
【００１７】
図８はモータの速度がステップ的に変化したときの信号Ｔａ６の例を示す。すなわち、低速時においては導通角１２０°，ｏｎｄｕｔｙ７５％のスイッチング信号とし、中速時には導通角１１４°，ｏｎｄｕｔｙ８７．５％のスイッチング信号とし、高速時には導通角１０８°，ｏｎｄｕｔｙ１００％のスイッチング信号とした例を示している。
図９に速度と導通角，ｏｎｄｕｔｙとの関係例を示す。
すなわち、或る設定した速度ｎ１からｎ２の間は、ｏｎｄｕｔｙをｘ，導通角をｙとして、次式の如き関係を満たすようにするものである。
ｙ＝９０＋４５／（４ｘ−１．５）                            …（４）
【００１８】
図１０はこの発明の第５の実施の形態を示す構成図で、図１の制御部分に信号作成回路２５および比較器２６を付加して構成される。
信号作成回路２５はスイッチを内蔵しており、モータの速度に応じて信号作成回路１０からの信号Ｔａ１〜Ｔｄ１と信号作成回路１５からの信号Ｔａ２〜Ｔｄ２を切り換えて出力し、比較器２１は速度検出データまたは速度指令データと、予め設定された切り換え速度データとを比較し、信号作成回路２５内のスイッチを切り換えるための信号を作成する。
図１１は図１０の動作説明図である。同図には、切り換え速度ｎ３を境に、半導体スイッチＴａへのスイッチング信号Ｔａ７が、１０８°導通形のものから、１２０°導通形のものへと切り換わる様子が示されている。これは他の信号Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄについても同様である。
【００１９】
図１２はこの発明の第６の実施の形態を示す構成図で、図１の制御部分に導通角演算回路２７および信号作成回路２８を付加して構成される。
すなわち、導通角演算回路２７は速度検出データまたは速度指令データにもとづき導通角を演算し、信号作成回路２８はその演算された導通角に応じたスイッチング信号Ｔａ８〜Ｔｄ８を作成する。
図１３はモータの速度がステップ的に変化したときの信号Ｔａ８の例を示す。
つまり、低速時においては導通角１０８°のスイッチング信号とし、中速時には導通角１１４°のスイッチング信号とし、高速には導通角１２０°のスイッチング信号とする例を示す。これは他の信号Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄについても同様である。
【００２０】
図１４は速度と導通角の関係説明図である。これは、速度ｎ５〜ｎ６の間では導通角を１０８°〜１２０°として運転する例を示している。
以上では、制御の切り換えに当たって速度指令値，検出値を利用するようにしたが、コンデンサ４，５の直流電圧指令値，検出値を用いても良いのは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
第１の発明によれば、第２の従来例に対して電圧利用率が向上するため、同一の半導体スイッチを使用する場合はモータの高速運転が可能となり、また、モータの最高回転数を同じとすれば、半導体スイッチの電圧定格を低減することができる。また、第１の従来例に対しては、モータに流れる低次高調波が低減するため、モータのトルクリプルの低減や効率の向上が図れる。第２の発明によれば、第１の発明に比べてモータに流れる低次高調波が低減し、モータのトルクリプルの低減や効率の向上が図れる。
【００２２】
第３の発明によれば、第１の発明に対しモータの低速運転時には第２の従来例と同様の運転方式としているため、モータ低速運転時のトルクリプルの低減や効率の向上が図れる。
第４の発明によれば、第３の発明に対し制御方式の切り換わりによる急激な加減速運転がなくなるため、ショックの少ない円滑なモータの運転が可能になる。
【００２３】
第５の発明によれば、第１の従来例に対してモータの低速運転時には第１の発明と同様の運転を行なうため、低速運転時におけるモータのトルクリプルの低減や効率の向上が図れる。
第６の発明によれば、第５の発明に対して制御方式の切り換わりによる急激な加減速運転がなくなるため、ショックの少ない円滑なモータの運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図４】図３の動作説明図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図６】図５の動作説明図である。
【図７】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図８】図７の動作説明図である。
【図９】図８における速度と導通角，オンｄｕｔｙの関係説明図である。
【図１０】この発明の第５の実施の形態を示す構成図である。
【図１１】図１０の動作説明図である。
【図１２】この発明の第６の実施の形態を示す構成図である。
【図１３】図１２の動作説明図である。
【図１４】図１３における速度と導通角の関係説明図である。
【図１５】第１の従来例を示すブロック図である。
【図１６】第２の従来例を示すブロック図である。
【図１７】図１５の動作説明図である。
【図１８】図１６の動作説明図である。
【符号の説明】
１…電源、２…整流回路、３…チョッパ回路、４，５…電解コンデンサ、６…インバータ回路、７…ブラシレスＤＣモータ（Ｍ）、９…磁極位置検出回路、１０，１５，１７，１９，２０，２４，２５，２８…信号作成回路、１１…速度検出・制御回路、１２…直流電圧指令演算回路、１３…制御回路、１４…時間データ演算回路、１６…位相シフト量演算回路、１８…発振器、２１，２６…比較器、２２…オンｄｕｔｙ演算回路、２３，２７…導通角演算回路。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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