(57)【要約】  【課題】従来の制御方法では、モータ逆起電圧の検出機能しか備えていないために『進み制御時・ロック状態時などに適切な運転ができない』、『正常に運転しているときでもロック状態と誤検出して停止してしまう』、『同期運転時に発生する電流位相の不安定状態が検出できず脱調停止してしまう』という課題があった。  【解決手段】モータ４の逆起電圧から回転子４ａの相対位置を検出する位置検出部７と、逆起電圧が現れない場合でも位相の大まかな変化を認識できる位相検出部６とを備えることで、同期駆動運転中に逆起電圧が現れない場合でも、モータ挙動の不安定な状態を検出でき、システムにおける安定性の改善、脱調停止の抑制効果を発揮できる。更に、大まかな位相変化が認識できることで、ロック状態を区別して検出でき、誤動作（保護停止）による冷蔵庫の冷却スピード低下を防止することができる。【選択図】図１
2006081329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにして回転子の相対位置を検出する位置検出部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにしてモータ電流の大まかな位相の変化を検出することができる位相検出部と、前記位置検出部と前記位相検出部の２つの検出回路を切り替える検出手段切替判定部とを備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項２】
永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにして回転子の相対位置を検出する位置検出部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにしてモータ電流の大まかな位相の変化を検出することができる位相検出部と、前記位置検出部と前記位相検出部の２つの検出回路を切り替える検出手段切替判定部とを備え、負荷状態に応じて前記検出手段切替判定部により前記位相検出部に切り替えて運転するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項３】
永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する位置検出駆動波形発生部と、前記同期駆動波形発生部と前記位置検出駆動波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える駆動手段切替判定部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにして回転子の相対位置を検出する位置検出部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにしてモータ電流の大まかな位相の変化を検出することができる位相検出部と、前記位置検出部と前記位相検出部の２つの検出回路を切り替える検出手段切替判定部とを備え、回転子の相対位置に応じて運転する必要があるときには前記検出手段切替判定部が前記位置検出部に切り替えて運転するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項４】
ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性をもつ回転子を有したものや、巻線の巻込量（ターン数）が比較的多い固定子を有したものである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項５】
前記請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置を備えた圧縮機。
【請求項６】
前記請求項５に記載の圧縮機を備えた冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動装置に関し、更に詳細に言えば、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータを、三相巻線に電力を供給するインバータにより駆動するための装置に関するものであり、特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動するのに最適なブラシレスＤＣモータの駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の冷蔵庫は３５０Ｌ以上の大型機種が主力となり、それらの冷蔵庫は、高効率な圧縮機の回転数を可変駆動させるインバータ制御冷蔵庫が大半を占めている。これらの冷蔵庫用圧縮機では高効率化のために、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータを一般的には採用している。また、圧縮機の中という高温、高圧、冷媒雰囲気、オイル雰囲気という環境下にブラシレスＤＣモータを設置するため、ブラシレスＤＣモータで通常使われるようなホール素子などの位置検出センサは使用できない。そのために一般的にはモータの逆起電圧や直流電流から回転子の回転位置を検出する方法がよく用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
その従来の技術を図面に従って説明する。図１０は従来のブラシレスＤＣモータ駆動に関する駆動装置のブロック図である。
【０００４】
図１０において、商用電源１０１は、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。
【０００５】
整流回路１０２は商用電源１０１の交流電圧を直流電圧に変換するものである。整流回路１０２はブリッジ接続された整流用ダイオード１０２ａ〜１０２ｄと平滑用の電解コンデンサ１０２ｅ、１０２ｆとからなり、図１０に示す回路では倍電圧整流回路であり、商用電源１０１のＡＣ１００Ｖ入力から直流電圧２８０Ｖを得ることができる。
【０００６】
インバータ回路１０３は、６個のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子には各スイッチ素子の逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。
【０００７】
ブラシレスＤＣモータ１０４は、永久磁石を有する回転子１０４ａと３相巻線を有した固定子１０４ｂとからなる。インバータ１０３により作られた３相交流電流が固定子１０４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子１０４ａを回転させることができる。回転子１０４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。
【０００８】
逆起電圧検出回路１０５は、ブラシレスＤＣモータ１０４の永久磁石を有する回転子１０４ａが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子１０４ａの回転相対位置を検出する。
【０００９】
転流回路１０６は、逆起電圧検出回路１０５の出力信号によりロジカルな信号変換を行い、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを順次切り換えて駆動する信号を作り出す。
【００１０】
同期駆動回路１０７は、インバータ１０３から強制的に所定周波数の出力を出し、ブラシレスＤＣモータ１０４を駆動するものであり、転流回路１０６で生成されるロジカルな信号と同等形状の信号を強制的に所定周波数で発生させるものである。
【００１１】
負荷状態判定回路１０８は、圧縮機１０４が運転されている負荷状態を判定するものである。
【００１２】
切替回路１０９は、負荷状態判定回路１０８の出力により、圧縮機１０４のブラシレスＤＣモータを転流回路１０６で駆動するか、同期駆動回路１０７で駆動するかを切り替える。
【００１３】
ドライブ回路１１０は、切替回路１０９からの出力信号により、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。
【００１４】
以上の構成において、次に動作の説明を行う。
【００１５】
負荷状態判定回路１０８で検出された負荷が、通常負荷の場合、転流回路１０６による駆動を行う。
【００１６】
逆起電圧検出回路１０５でブラシレスＤＣモータ１０４の回転子１０４ａの相対位置を検出する。次に転流回路１０６で回転子１０４ａの相対位置に応じてインバータ１０３を駆動する転流パターンを作り出す。
【００１７】
この転流パターンは切替回路１０９を通して、ドライブ回路１１０に供給され、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。
【００１８】
この動作により、ブラシレスＤＣモータ１０４はその回転位置に合致した駆動を行うこととなる。
【００１９】
次に、負荷が増加してきたときの動作について説明する。
【００２０】
ブラシレスＤＣモータの負荷が増加すると、ブラシレスＤＣモータの特性により回転数が低下してくる。この状態を負荷状態判定回路１０８で高負荷状態であると判定し、切替回路１０９の出力を同期駆動回路１０７からの信号に切り替える。
【００２１】
このように駆動することにより高負荷時の回転数低下を抑えることが可能となる。
【特許文献１】特開平９−８８８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、従来の構成では、次のような課題があった。
【００２３】
逆起電圧検出回路１０５の出力信号から、ブラシレスＤＣモータ１０４が発生する逆起電圧が現れるような負荷状態であれば回転子１０４ａの相対位置は検出できる。しかし、切替回路１０９が同期駆動回路１０７に切り替えて高回転駆動している時などは、より進み制御（固定子１０４ｂを流れるモータ電流が逆起電圧よりも位相が大きく進んでいる状態）となっているため、逆起電圧が現れず相対位置を検出することができない。そのため、同期駆動回路１０７で運転中における安定性は、永久磁石の磁力の強さと固定子１０４ｂが作る回転磁界の強さのみに依存し、完全なオープンループ制御となっていた。また、ブラシレスＤＣモータ１０４がロック状態に陥ってしまうと、逆起電圧は全く現れなくなるため、この様な緊急停止を要する非常な状態も検出できなかった。つまり、ブラシレスＤＣモータ１０４の出力限界トルクが負荷トルクに対して充分にマージンを有している様な状況下では問題無いが、経年変化などにより出力トルク限界が初期状態に比べて極度に低下した場合や設計時に予測がつかないほどの非常に大きな負荷トルクを要するシステムで運転した場合などには、ロック状態に陥っても検出することができなかった。
【００２４】
また逆に、システムの負荷状態が非常に低くなり、より遅れ制御になった場合には、固定子１０４ｂに流れる電流が増加、それに伴って還流電流用ダイオードにモータ電流が帰還される時間が増加し、逆起電圧が現れるのを妨げる雑音（以降、スパイク電圧と呼ぶ）の発生時間が長くなる。その結果、回転子１０４ａの相対位置が検出できず、負荷状態判定回路１０８も負荷の低下を検出できないため、同期駆動回路１０７による駆動が必要無いような低トルク負荷状態でも、切替回路１０９が転流回路１０６に切り替えることもできなかった。
【００２５】
更に、ブラシレスＤＣモータ１０４がＩＰＭ構造の場合、ＳＰＭ構造に比べてインダクタンスが大きい傾向にあり、固定子１０４ｂに蓄えられるエネルギが大きくなるため、還流電流用ダイオードにモータ電流が帰還する時間が更に長くなり、逆起電圧が現れるのをより妨げてしまう。加えて、固定子１０４ｂが比較的巻込量の多い鉄損低減型の固定子の場合も、インダクタンスが大きくスパイク電圧幅も大きくなり逆起電圧が現れるのをより妨げてしまう。
【００２６】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、逆起電圧が現れない、すなわち、回転子の相対位置が検出できないような負荷状態のもとでも、モータ電流の位相の変化を検出することで、モータのロック状態や低トルク負荷状態を区別して検出ができるブラシレスＤＣモータの駆動方法及び駆動装置を提供することを目的とする。また、低トルク負荷状態を検出し転流回路への切り替えが可能になることでより高効率な運転を実現でき、更に、モータのロック状態の検出が可能となることでより信頼性を向上することができるブラシレスＤＣモータの駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する同期駆動波形発生部がモータを駆動している最中に負荷状態に応じて検出手段を切り替えることを可能にしたものである。
【００２８】
また、本発明の請求項２は、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する同期駆動波形発生部がモータを駆動している最中に負荷状態に応じて検出手段を切り替えることで、逆起電圧が現れないような負荷状態においても位相の変化だけは検出可能にした装置である。
【００２９】
また、同期駆動波形発生部がモータを駆動している最中に、負荷状態に応じて検出手段を切り替え、逆起電圧が現れないような負荷状態においても位相の変化だけは検出可能となることで、回転子の正確な相対位置検出が必要なときには駆動手段を切り替えることを可能にした装置である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、負荷状態に応じて検出手段を切り替えることが可能となり、同期駆動波形発生部による駆動中においても、オープンループ制御ではなくなり安定性向上の効果を発揮できる。
【００３１】
また、負荷状態に応じて検出手段を切り替えることで逆起電圧が現れないような負荷状態でも位相変化の検出は可能にしたものであり、ロック状態と低負荷状態の区別によるロック状態誤検出防止、不安定運転状態（位相の進みと遅れの状態を繰り返す状態）時の保護動作により異音・騒音・振動・ピーク電流の抑制、更には信頼性の向上といった効果を発揮できる。
【００３２】
また、負荷状態に応じて検出手段を切り替え、逆起電圧が現れないような負荷状態でも位相変化の検出が可能となることで、回転子の正確な相対位置検出が必要な運転状態となれば相対位置に応じて駆動する位置検出駆動波形発生部に駆動手段を切り替えることが可能となり、より高効率な運転を実現するといった効果を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
請求項１に記載の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにして回転子の相対位置を検出する位置検出部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにしてモータ電流の大まかな位相の変化を検出することができる位相検出部と、前記位置検出部と前記位相検出部の２つの検出回路を切り替える検出手段切替判定部とを備えたものであり、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する同期駆動波形発生部がモータを駆動している最中に負荷状態に応じて検出手段を切り替えることが可能となり、同期駆動波形発生部による駆動における安定性向上の効果を発揮できる。
【００３４】
請求項２に記載の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにして回転子の相対位置を検出する位置検出部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにしてモータ電流の大まかな位相の変化を検出することができる位相検出部と、前記位置検出部と前記位相検出部の２つの検出回路を切り替える検出手段切替判定部とを備え、負荷状態に応じて前記検出手段切替判定部により前記位相検出部に切り替えて運転するものであり、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する同期駆動波形発生部がモータを駆動している最中に負荷状態に応じて検出手段を切り替えることで、逆起電圧が現れないような負荷状態においても位相の変化は検出可能にしたものであり、ロック状態と低負荷状態の区別による誤動作防止、不安定運転状態（位相の進みと遅れの状態を繰り返す状態）時の保護動作（不安定状態からの回避処理）により異音・騒音・振動の抑制、更には信頼性の向上といった効果を発揮できる。
【００３５】
請求項３に記載の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、モータの運転状態情報からモータの負荷状態を検出する負荷検出回路と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記回転子の回転位置に応じて通電角１５０度以下の波形を出力する位置検出駆動波形発生部と、前記同期駆動波形発生部と前記位置検出駆動波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える駆動手段切替判定部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにして回転子の相対位置を検出する位置検出部と、前記負荷検出回路から出力される信号をもとにしてモータ電流の大まかな位相の変化を検出することができる位相検出部と、前記位置検出部と前記位相検出部の２つの検出回路を切り替える検出手段切替判定部とを備え、回転子の相対位置に応じて運転する必要があるときには前記検出手段切替判定部が前記位置検出部に切り替えて運転するものであり、同期駆動波形発生部がモータを駆動している最中に、負荷状態に応じて検出手段を切り替え、逆起電圧が現れないような負荷状態においても位相の変化だけは検出可能となり、なおかつ駆動手段切替可能な機能を有することで、回転子の正確な相対位置検出が必要なときには駆動手段を切り替えることができ、そのような運転状態となれば相対位置に応じて駆動する位置検出駆動波形発生部に駆動手段を切り替えることが可能となり、より高効率な運転を実現するといった効果を発揮できる。
【００３６】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性をもつ回転子を有したものや、巻線の巻込量（ターン数）が比較的多い固定子を有したものであり、鉄心に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭ構造型の回転子や巻線の巻込量が比較的多い鉄損低減型の固定子を有するブラシレスＤＣモータのようなスパイク幅が比較的大きくなる特性を持つモータにおいても位相変化を検出することが可能となり、位相が遅れたり進んだりしていることの検出による不安定状態からの回避、高効率モータ（低トルクモータ）の高速運転時における安定性の向上といった効果を有する。
【００３７】
請求項５に記載の発明は、前記請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置を備えた圧縮機であり、通常運転されている状態である低速領域では効率を向上させ、急冷・急凍・システムインしたイニシャル時などの高速領域ではトルクを安定して上昇することができるといった効果を発揮することができる。また、同期駆動波形発生部にて運転中の不安定状態を検出し、通電角を拡大して出力トルクを上昇させたり回転数を低下させて負荷トルクを下降させたりすることで回転速度変動や、ひいては騒音・振動・ピーク電流を低減する効果についても、静音性・長期信頼性のニーズが極めて高い冷蔵庫やエアコンに搭載される圧縮機において効果を発揮することができる。
【００３８】
請求項６に記載の発明は、前記請求項５に記載の圧縮機を備えた冷蔵庫であり、圧縮機の不安定状態から速やかに脱出できることで、それが引き起こす脱調停止を防止することが可能となり、冷蔵庫における不冷、鈍冷現象の発生を防止するといった効果を発揮する。また、安定した高速運転を可能とすることによる急冷性能の向上、更には回転数変動、騒音・振動の抑制効果もあり、省エネ、ハイパワー、静音といった多岐にわたるニーズのある冷蔵庫においてこれらの効果は有効となる。
【００３９】
以下、本発明による冷蔵庫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、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動に関するブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。
【００４１】
図１において、商用電源１は、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。
【００４２】
整流回路２は商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路２はブリッジ接続された整流用ダイオード２ａ〜２ｄと平滑用の電解コンデンサ２ｅ、２ｆと電圧調整回路２ｇからなり、図１に示すような倍電圧整流回路の場合、商用電源１のＡＣ１００Ｖ入力から２８０Ｖ程度の直流電圧を得ることができる。ここでは倍電圧整流としたが、電圧調整回路２ｇは直流電圧可変式のチョッパ回路や倍電圧整流／全波整流の切替方式回路に相当する。
【００４３】
インバータ回路３は、６個のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子には各スイッチ素子の逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。
【００４４】
ブラシレスＤＣモータ４は、永久磁石を有する回転子４ａと３相巻線を有した固定子４ｂとからなる。インバータ３により作られた３相交流電流が固定子４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子４ａを回転させることができる。回転子４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。なお、スイッチ素子３ａ（３ｂ）と接続された３相巻線部分をＵ相巻線、スイッチ素子３ｃ（３ｄ）と接続された３相巻線部分をＶ相巻線、スイッチ素子３ｅ（３ｆ）と接続された３相巻線部分をＷ相巻線と呼ぶことにする。
【００４５】
負荷検出回路５は、ブラシレスＤＣモータ４の永久磁石を有する回転子４ａが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子４ａの回転相対位置を検出できる。なお、回転相対位置の検出用途の他にも還流電流用ダイオードに電流が流れる時間の増減を検出することにより、モータ電流の乱れや負荷状態の変化を検出することも可能である。これらの検出によりモータ電流位相の進み度合いを知ることもできる。本負荷検出回路５は、相対位置信号だけでなく、３相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の基準電位Ｇに対する電圧と予め設定されている任意の基準電圧とを比較した結果を出力する機能を有する回路である。
【００４６】
なお、ここでは３相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の基準電位Ｇに対する電圧と予め設定されている任意の基準電圧とを比較する構成としたが、回転子４ａの位置検出やモータ電流の状態検出などが可能な手段であれば電流検出などの他の手段を用いた構成でも良い。
【００４７】
位置検出部６は、負荷検出回路５から出力される信号をもとにして、回転子４ａの相対位置を検出できる。例えば、負荷検出回路５が、前述のような３相巻線の各相の電圧と任意の基準電圧との比較から信号を出力する構成をとる場合、その出力信号レベルの変化をもとに相対位置を検出できる。ただし、逆起電圧が現れないような進み位相で駆動している場合や、還流電流用ダイオードに電流が流れる時間が増加している場合には、逆起電圧が現れない、または、逆起電圧は発生しているものの信号レベルの変化が現れないために相対位置の検出はできない。なお、位置検出部６は負荷検出回路５から出力される相対位置信号以外の信号も入力し、その他の信号と区別して位置信号を検出する機能を有する。
【００４８】
位相検出部７は、位置検出部６から出力される情報をもとにして、ブラシレスＤＣモータ４に流れる電流の電圧に対する位相の変化を検出できる。具体的には、負荷検出回路５から出力される位置信号などの信号のうち何が検出され、何が検出できなかったかという情報を位置検出部６から受信し、その情報から位相の変化を検出している。これにより、逆起電圧が現れないような負荷状態においても、同期駆動波形発生部９による駆動の安定性を向上できる。
【００４９】
検出手段切替判定部８は、位置検出部６が負荷検出回路５から相対位置信号を検出できたかどうかに応じて、検出手段を位相検出部７に切り替える。具体的には、基本的に位置検出部６を選択して回転子４ａの正確な相対位置を検出し、相対位置が検出できないような負荷状態においては位相検出部７を選択して相対位置ではなく位相の変化を検出する。なお、検出手段切替判定部８の詳細な動作については、位置検出部６、位相検出部７の動作とともに、後に他の図を用いて説明するのでここでは割愛する。
【００５０】
同期駆動波形発生部９は、デューティを一定にしたまま、出力する周波数と通電角を変化させながらインバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は通電角が１８０度未満の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でも正弦波や歪波などのそれに準じる波形であってもよい。なお、同期駆動は、モータ自身の自己進角特性を活かすことにより、高トルクが求められる高回転運転領域に適応させた波形発生手段である。更に、検出手段切替判定部８が出力する信号から、運転状態の安定性を判断し、異常を検出した場合には保護停止などをおこなってシステムの安定化を図る機能も有している。ただし、これらは図１には示されていない内容なので、後述する他の図に関する説明の中で詳細について述べることにする。
【００５１】
本実施例において、同期駆動波形発生部９が出力する波形は、デューティ一定としているが、よりきめ細やかな制御を必要とする場合はこの限りではない。同期駆動とは、回転子４ａの相対位置とは関係なく所定周波数に応じて波形を出力する駆動方法のことを指し、通電角やデューティなどの要素を一定に保つ性質までは限定していない。
【００５２】
ドライブ部１０は、同期駆動波形発生部９からの出力信号により、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する。この駆動によりインバータ３から最適な交流出力をブラシレスＤＣモータ４に印加し、回転子４ａの回転を実現する。
【００５３】
マイクロコンピュータ１１は前述の機能を実現する。これらの機能はマイクロコンピュータのプログラムによって実現可能である。
【００５４】
基準電位Ｇは本ブロック図中の電位の基準となる点で、整流ダイオード２ｄと電解コンデンサ２ｆの接続点における電位にあたる。商用電源１が供給する電圧がＡＣ１００Ｖの場合、この基準電位Ｇと電解コンデンサ２ｅ−整流ダイオード２ｃの接続点との間に２８０Ｖ程度の直流電圧を得ることができ、インバータ３に供給されることになる。
【００５５】
次に図１における動作について、図１、図２を用いて説明する。
【００５６】
図２は、本実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示した模式図である。
【００５７】
本図２は、同期駆動波形発生部９による運転における、３相巻線のうちのＵ相に関わる２つのスイッチ素子３ａ、３ｂにドライブ部１０が出力する信号波形と、Ｕ相と基準電位Ｇ間の電位差を観測した電圧波形”Ｕ相電圧”と、その電圧と基準電圧との比較結果から負荷検出回路５が出力する信号波形”Ｕ５”とをａ）からｄ）のいろいろな位相状態に区別して示している。電圧波形”Ｕ相電圧”の左端に記されているＰはインバータ３に供給される電圧（ポジティブ側の電位）を示しており商用電源１がＡＣ１００Ｖの場合２８０Ｖ程度の直流電圧に相当する。また、Ｎはインバータ３に供給される電圧の基準電位Ｇ（ネガティブ側の電位）を示しており０Ｖに相当する。本図において上から、ａ）はＵ相巻線に流れる電流の位相が進み状態にあるときの波形、ｂ）は位相が中間状態にあるときの波形、ｃ）は位相が遅れ状態にあるときの波形、ｄ）は回転子４ａがロック状態の可能性があるときの波形をそれぞれ示している。但しここで、ｂ）の中間状態は進角０°の状態を指すのではなく、進角１５°（但し、通電角１５０°とする。）の状態を指すこととし、中間状態よりも進角が大きい状態を進み状態、進角が小さい状態を遅れ状態と呼ぶこととする。また、進角とは、回転子４ａの回転によって発生する逆起電圧に対する固定子４ｂに流れる電流の進み度合いを電気角で表したものである。なお、ここでは説明を簡易にするため代表してＵ相の説明だけに留めるが、他の２相Ｖ相、Ｗ相についても全く同じ動作をする。また、ここでは、通電角１５０°の場合についてのみ説明し、１８０°未満の他の通電角についても同様なので省略する。
【００５８】
まず、これら３つの波形について説明する。第一に、ドライブ部１０が出力する信号波形について説明する。スイッチ素子３ａ、３ｂともに電気角にして１５０°の間ＯＮ、２１０°の間ｏｆｆといった動作を繰り返す。本図では、スイッチ素子３ａが１５０°導通、スイッチ素子３ｂが２１０°非導通となるタイミングを中心に信号波形が記されている。本図の中央付近で縦に描かれている二点鎖線は、スイッチ素子３ａの導通期間の中央位置を示している。なお、この図はデューティ１００％運転時の信号波形である。第二に、Ｕ相の電圧波形”Ｕ相電圧”について説明する。ここでは、便宜上図ｃ）を用いて説明する。左の方には凸状、右の方には凹状の斜線部分があるが、これをスパイク電圧と呼ぶことにする。スパイク電圧は、スイッチ素子３ａ、３ｂがｏｆｆした直後に、固定子４ｂ（Ｕ相巻線）に蓄えられたエネルギが還流用ダイオードを通して放出される間発生し、ｏｆｆする直前におけるＵ相巻線に流れていた電流とＵ相巻線のインダクタンス等によって発生時間が変化する。そのため、蓄えられていたエネルギによってはこのスパイク電圧の幅は大きくなったり小さくなったりして、場合によっては発生しない場合もある。スイッチ素子３ｂ（ネガティブ側）がｏｆｆした時は還流ダイオードを通して電解コンデンサ２ｅ側（ポジティブ側）に電流を回生させるため凸状になり、スイッチ素子３ａ（ポジティブ側）がｏｆｆした時は電解コンデンサ２ｆ側（ネガティブ側）に電流を回生させるため凹状になる。また、左の方には右上がり状、右の方には右下がり状の太線破線部分があるが、これは回転子４ａが回転することにより発生する逆起電圧がＵ相の電圧波形上に現れている部分である。逆起電圧は、３相巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれについて現れるが、各相に接続されている２つのスイッチ素子がともにｏｆｆ中であるときのみ現れる。つまりＵ相の場合、スイッチ素子３ａ、３ｂのどちらかがＯＮすると電圧波形がＰ側、Ｎ側に張り付いてしまうため、両スイッチ素子がともにｏｆｆの時だけ現れる。そして、中央付近に横に描かれている点線は負荷検出回路５が３相巻線の電圧波形から信号を出力するために必要となる基準電圧である。この基準電圧を示す点線上にある丸印はスパイク電圧との交点を表し、同点線上にある米印は逆起電圧との交点を表している。第三に、負荷検出回路５が出力する信号”Ｕ５”について説明する。負荷検出回路５は、基準電圧とＵ相電圧波形とを比較して、Ｕ相電圧波形の方が小さい場合にはロウレベル信号（以降、Ｌ信号という）を出力し、逆に大きい場合はハイレベル信号（以降、Ｈ信号という）を出力する。波形上の丸印は、スパイク電圧終了時に出力された信号のエッジ部を示している。米印は、逆起電圧と基準電圧が同レベルになったときに出力された信号のエッジ部を示し、この米印部分のエッジが回転子４ａの相対位置を表すことになる。
【００５９】
次に、各位相状態毎に描かれた図ａ）からｄ）を用いて検出手段切替判定部８の動作について説明する。
【００６０】
図中ａ）は固定子４ｂのＵ相に流れる電流の位相が進み状態（進角が１５°より大きい状態）にあるときの波形を表した図である。図からも分かるように進角が３０°以上ある場合、逆起電圧波形はスイッチ素子３ａ、３ｂのＯＮ動作で隠れてしまい、相対位置の検出ができず、スパイク電圧の終了時点のみが検出できる。図中ｂ）は位相が中間状態（進角が１５°の状態）にあるときの波形を表したものである。図からも分かるように、進角１５°の場合、逆起電圧波形は現れているものの負荷検出回路５が逆起電圧波形と基準電圧との交点を検出して信号を出力しようとすると同時に、スイッチ素子３ａがＯＮしている。つまり、この場合もスパイク電圧終了時点は検出できるが、回転子４ａの相対位置は検出できない状態となる。
【００６１】
同期駆動波形発生部９による駆動中は、普通、進み状態ａ）か中間状態ｂ）の様な波形となっている。位置検出部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧終了時点は検出できるが（図２の表中”○検出：有り”）、回転子４ａの相対位置信号を検出できない（図２の表中”＊検出：無し”）、といった情報を位相検出部７、検出手段切替判定部８に出力する。位相検出部７はその情報を入力し、固定子４ｂを流れる電流位相が”進み状態”または”中間状態”であると判断し、検出手段切替判定部８にその情報を出力する。検出切替判定部８は、位置検出部６と位相検出部７の出力情報から、位相検出部７を選択し、進み状態または中間状態であると判断して、そのまま同期駆動波形発生部９が運転を継続する。
【００６２】
図中ｃ）は固定子４ｂのＵ相に流れる電流の位相が遅れ状態（進角が１５°より小さい状態）にあるときの波形を表した図である。図からも分かるように進角が１５°未満の場合、逆起電圧波形はスイッチ素子３ａ、３ｂのＯＮ動作前に現れ、なおかつ基準電圧と交差するので、相対位置の検出も、スパイク電圧の終了時点の検出もともにできる。
【００６３】
同期駆動波形発生部９による駆動中に、負荷トルクが低下してくると、遅れ状態ｃ）の様な波形となっている。位置検出部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧終了時点も回転子４ａの相対位置信号もともに検出できた（図２の表中”○検出：有り”、”＊検出：有り”）、という情報を位相検出部７、検出手段切替判定部８に出力する。位相検出部７はその情報を入力し、固定子４ｂを流れる電流位相が”遅れ状態”であると判断し、検出手段切替判定部８にその情報を出力する。検出切替判定部８は、位置検出部６と位相検出部７の出力情報から、位置検出部６を選択し、回転子４ａの正確な位置情報を取得しながら、そのまま同期駆動波形発生部９が運転を継続する。なお、遅れ状態において同期駆動波形発生部９による運転を継続すると、効率は悪くなるものの運転の安定性を悪くすることはないのでそのまま同期駆動運転を継続しても問題無い。遅れ状態での効率改善方法としては、通電角を低下させてブラシレスＤＣモータ４に供給する電力を低減し、逆起電圧の位相（回転子４ａの進み具合）を遅らせる方法がある。また、本実施例ではデューティ固定としているが、可変である場合はデューティを小さくすることにより通電角と同様に効率改善できることを補足しておく。
【００６４】
図中ｄ）は回転子４ａがロック状態にあるときの波形を表した図である。図からも分かるように、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）も電圧波形はＰ、Ｎのどちらかに張り付いたままとなり、相対位置の検出も、スパイク電圧の終了時点の検出もともにできない状態となる。
【００６５】
同期駆動波形発生部９による駆動中に、インバータ３がブラシレスＤＣモータ４に供給している電力に比べて負荷トルクが非常に大きい場合などは、脱調してしまってロック状態ｄ）の様な波形となっている。位置検出部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧終了時点も回転子４ａの相対位置信号もともに検出できなかった（図２の表中”○検出：無し”、”＊検出：無し”）、という情報を位相検出部７、検出手段切替判定部８に出力する。位相検出部７はその情報を入力し、回転子４ａがロック状態であると判断し、検出手段切替判定部８にその情報を出力する。検出手段切替判定部８は、位置検出部６と位相検出部７の出力情報から、位相検出部７を選択し、回転子４ａをロック状態と判定し、同期駆動波形発生部９に停止指令を出力する。ロック状態は、言うまでもなく極めて異常な状態であるため運転を停止させる必要がある。
【００６６】
なお、前述したとおり、スパイク電圧は固定子４ｂに蓄えられているエネルギによっては発生しないこともあるが、スパイク電圧の終了時点を判定しているので、スパイク電圧が発生しない場合でも、ａ）からｃ）の位相状態では検出可能である。スパイク電圧が発生しない場合の詳細な説明は他の図を用いて後述するので、ここでは割愛する。
【００６７】
次に図１における詳細な動作について、図１〜図５を用いて説明する。
【００６８】
図３は、本実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の位置検出部の動作を示したフローチャートである。なお図３から図５では、３相巻線のどの相の場合も動作が共通しているので、代表してＵ相の動作を説明する。
【００６９】
まず、ＳＴＥＰ３１において、同期駆動波形発生部９が出力するスイッチ素子３ａ、３ｂに対する信号の両方がｏｆｆであるかどうかを判定している。その判定の結果、ともにｏｆｆしていればＳＴＥＰ３２に移行する。スイッチ素子３ａ、３ｂのどちらかがＯＮしている場合はスタートに戻る。
【００７０】
次に、ＳＴＥＰ３２において、同期駆動波形発生部９が出力するスイッチ素子３ａ、３ｂに対する信号の両方がｏｆｆになった時点から経過した時点がｔ３１未満であるかどうかを判定している。その判定の結果、ｔ３１未満であればＳＴＥＰ３３に、ｔ３１以上であればＳＴＥＰ３５に移行する。ここでいうｔ３１は、予め設定された任意の時間であり、例えば、電気角６０°相当（スイッチ素子３ｂ［または３ａ］をｏｆｆしてから３ａ［または３ｂ］をＯＮするまでの時間）等の時間とする。電気角６０°は、同期駆動波形発生部９が変化させている所定周波数に依存し、例えば所定周波数が１８０Ｈｚであった場合およそ９２６μｓｅｃとなる。また、ここではｔ３１未満であればＳＴＥＰ３３に移行しているが、負荷検出回路５などのハード的な遅れやマイクロコンピュータ１１の処理遅れなどの遅れ要因を加味した時間判定処理をＳＴＥＰ３３の前に挿入される場合もあることを補足しておく。
【００７１】
また、ＳＴＥＰ３３において、負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧が終了したかどうかを判定している。判定の結果、スパイク電圧が終了していればスパイク電圧が発生していた時間を算出してＳＴＥＰ３４に移行する。スパイク電圧が終了していない場合はスタートに戻る。判定方法は、スイッチ素子３ａがＯＮされる直前の場合はＬ信号、３ｂがＯＮされる直前の場合はＨ信号が入力された時にスパイク電圧が終了したと判定する。この様な判定方法なので、スパイク電圧が発生しなかった場合でもスパイク電圧が終了したという判定が可能となる。ここでスパイク電圧終了判定処理は、一度スパイク電圧の終了を判定すればＳＴＥＰ３２でｏｆｆからの経過時間がｔ３１以上になるまで、常にスパイク電圧が終了していると判定し続けるような処理とする。次に図２のｃ）を用いて、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間を例にとって、スパイク電圧終了検出動作について説明する。スイッチ素子３ｂがｏｆｆすると、図２からわかるようにスパイク電圧が発生し、負荷検出回路５がＨ信号を出力する。スパイク電圧が終了すると、負荷検出回路５はＬ信号を出力し、位置検出部６がスパイク電圧の終了時点と判定してＳＴＥＰ３４に移行する。ただし、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてもスパイク電圧が発生しなかった場合は、負荷検出回路５はｏｆｆ前後で同じＬ信号を出力し続けるので、位置検出部６はＳＴＥＰ３２でｏｆｆ判定した直後にスパイク電圧終了を判定しＳＴＥＰ３４に移行することになる。また、ここではスパイク電圧終了判定後であれば直ちにＳＴＥＰ３４に移行しているが、スパイク電圧終了時に発生する雑音の除去等の目的で、時間判定処理をＳＴＥＰ３４の前に挿入される場合もあることを補足しておく。ここでいうスパイク電圧終了時に発生する雑音の長さや大きさは、還流ダイオードの特性によって左右される。
【００７２】
また、ＳＴＥＰ３４において、負荷検出回路５が相対位置信号を示す信号を出力したかどうかを判定している。判定の結果、相対位置信号を示す信号を出力した後であればＳＴＥＰ３５に移行する。まだ位置信号が出力されていない場合はスタートに戻る。判定方法は、スイッチ素子３ａがＯＮされる直前の場合はＨ信号、３ｂがＯＮされる直前の場合はＬ信号が入力された時に相対位置信号が入力されたと判定する。このことからもわかるように、前述のスパイク電圧終了時点の判定と逆の論理の判定となり、信号レベルがスパイク電圧終了時点から反転した時に相対位置信号が入力されたと判定する。ここで位置検出終了判定処理は、一度位置信号を入力したと判定すればＳＴＥＰ３２でｏｆｆからの経過時間がｔ３１以上になるまで、位置検出が終了していると判定し続けるような処理とする。次に図２のｃ）を用いて、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間を例にとって、相対位置信号検出動作について説明する。スパイク電圧が終了すると、図２からわかるように”Ｕ相電圧”には逆起電圧が現れ、しばらく負荷検出回路５はそのままＬ信号を出力する。その後、逆起電圧が基準電圧よりも高くなった時に負荷検出回路５はＨ信号を出力し、位置検出部６が位置検出を終了したと判定しＳＴＥＰ３５に移行する。
【００７３】
最後に、ＳＴＥＰ３５において、位相検出部７と検出手段切替判定部８に対して信号検出情報を出力し、スタートに戻る。この検出情報とは、スパイク電圧終了検出の有無、位置信号検出の有無、スパイク電圧発生時間などのことである。
【００７４】
図４は、本実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の位相検出部の動作を示したフローチャートである。
【００７５】
まず、ＳＴＥＰ４１において、位置検出部６が出力する情報からスパイク電圧の終了を検出できたかどうかを判定している。判定の結果、スパイク電圧の終了が検出できていればＳＴＥＰ４２に移行する。終了が検出していなければＳＴＥＰ４５に移行する。
【００７６】
次に、ＳＴＥＰ４２において、位置検出部６が出力する情報から位置信号を検出できたかどうかを判定している。判定の結果、位置信号が検出できていなければＳＴＥＰ４３に移行する。位置信号が検出できていればＳＴＥＰ４４に移行する。
【００７７】
また、ＳＴＥＰ４３において、検出手段切替判定部８に位相状態情報として、電流位相が進み状態、または中間状態であることを出力し、スタートに戻る。
【００７８】
また、ＳＴＥＰ４４において、検出手段切替判定部８に位相状態情報として、電流位相が遅れ状態であることを出力し、スタートに戻る。
【００７９】
最後に、ＳＴＥＰ４５において、検出手段切替判定部８に位相状態情報として、ロック状態であることを出力し、スタートに戻る。
【００８０】
図５は、本実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示したフローチャートである。
【００８１】
まず、ＳＴＥＰ５１において、位置検出部６が出力する情報からスパイク電圧の終了を検出できたかどうかを判定している。判定の結果、スパイク電圧の終了が検出できていればＳＴＥＰ５２に移行する。終了を検出できていなければＳＴＥＰ５５に移行する。なお、誤検出防止の目的で、ＳＴＥＰ５５の前に終了検出がされなかった回数の連続回数判定処理を挿入する場合があることを補足しておく。
【００８２】
次に、ＳＴＥＰ５２において、位置検出部６が出力する情報から位置信号を検出できたかどうかを判定している。判定の結果、位置信号が検出できていなければＳＴＥＰ５３０に移行する。位置信号が検出できていればＳＴＥＰ５４０に移行する。
【００８３】
また、ＳＴＥＰ５３０において、位相検出部７を検出手段として選択しＳＴＥＰ５３１に移行している。位相検出部７から出力される位相情報（大まかな位相変化）を入力しながら、同期駆動波形発生部９に運転継続指令を出力する。
【００８４】
また、ＳＴＥＰ５３１において、運転状態が不安定状態かどうかを判定している。判定の結果、不安定状態と判定した場合にはＳＴＥＰ５３２に移行する。不安定状態でないと判定した場合はスタートに戻る。また、ＳＴＥＰ５４１で加算される遅れ状態連続回数を０に戻す処理もここで行う。つぎに不安定状態かどうかの判定方法について説明する。不安定な運転をしているときは、固定子４ｂに流れる電流が大きく変動するために、トルク脈動によって遅れ状態と進み状態を繰り返したり、スパイク電圧発生時間が非常に大きく変動したりする。つまり、位置検出部６から出力されたスパイク電圧発生時間の最小値と最大値の差が任意の時間よりも大きければ不安定状態と判定する方法が１つである。ここでいう最小値、最大値は任意の周期でリフレッシュすべきものである。他の判定方法として、予め設定されている任意の回数以上連続的に遅れ状態が継続していたにも関わらず、進み状態でしか移行されない本ＳＴＥＰ５３１に移行していることから判定する方法もある。ここで任意の回数以上連続的に継続していることを条件に加えているのは、中間状態のような負荷状態にある場合は、安定して運転している場合でも遅れ状態と進み状態を行ったり来たりすることから、誤検知を防止するためにこの条件を加えている。
【００８５】
また、ＳＴＥＰ５３２において、不安定状態回避処理を実行しスタートに戻っている。不安定状態回避処理について説明する。同期駆動波形発生部９によって発生している波形の通電角が、予め設定された任意の角度（上限角度）に到達していなければ、通電角を上昇し出力トルクを増加させることで回転子４ａの回転脈動を抑制し、不安定状態から回避させる。上限角度に到達している場合は、それ以上出力トルクを上げられないと判断し、同期駆動波形発生部９に運転周波数を低下させるような指令を出力し、運転状態が安定するまで周波数を低下させる。ここでいう任意の角度は、システムを安全に運転することのできる１８０°未満の電気角とする。
【００８６】
また、ＳＴＥＰ５４０において、位置検出部６を検出手段として選択しＳＴＥＰ５４１に移行している。位置検出部６から出力される正確な位置情報を入力しながら、同期駆動波形発生部９に運転継続指令を出力する。この時、通電角やデューティを小さくすることで効率の悪い遅れ状態から回避する処理をここで実行する場合があることを補足しておく。
【００８７】
また、ＳＴＥＰ５４１において、遅れ状態連続回数をカウントしてスタートに戻る。ここでは、本ＳＴＥＰ５４１には、電流位相が遅れ状態にあるときのみ移行されるので、ここで加算することで遅れ状態連続回数が加算されることになる。
【００８８】
最後に、ＳＴＥＰ５５において、同期駆動波形発生部９に停止指令を出力しスタートに戻っている。ＳＴＥＰ５５に移行するときは、回転子４ａがロックしている可能性があるため緊急停止している。なお、ここでもＳＴＥＰ５３１同様、ＳＴＥＰ５４１で加算される遅れ状態連続回数を０に戻す処理を行う。
【００８９】
以上のように、本実施の形態においては位置検出部がスパイク電圧時間検出機能を有することにより、高負荷・低電圧環境下で特に起こる可能性のあるモータ電流位相の不安定な状態を検出することが可能となり、通電角を上昇させたり、回転周波数を低下させたりすることによって脱調停止の抑制、ピーク電流の低減によるシステム停止の防止、モータ自身やシステムの信頼性の確保などの効果を発揮することができる。また、回転子がロック状態に陥っている場合など負荷検出回路の出力信号から位置検出部が全く信号を検出できない場合でも、位相検出部を有することで、電流位相の大まかな変化やロック状態であることを認識することが可能となり、こちらもモータ自身やシステムの信頼性の確保などの効果を発揮することができる。
【００９０】
図１０に示すような従来の駆動装置では、逆起電圧検出回路１０５に逆起電圧を検出する機能しか有していなかったため、回転子１０４ａが電流位相の不安定な状態に陥ったことやロック状態に陥ったことを検出することができなかった。そこで、スパイク電圧終了時点の検出機能を有することにより、同期駆動波形発生部９による駆動中において、不安定状態やロック状態の検出が可能となり、運転状態の安定化や信頼性の向上といった効果をもたらす。
【００９１】
また、モータ効率化の手段の１つとして、固定子の巻線量（ターン数）を増加させる方式があるが、この方式ではモータの鉄損を低減できる反面、スパイク電圧発生時間が増加し、同期駆動中に位置信号を検出しにくいという短所があった。このようなモータにおける同期駆動制御の安定化に対しても、本実施の形態の制御装置は大いに効果を発揮する。効率化の他の手段として、回転子の構造をＩＰＭ型構造にする方式があるが、この場合もスパイク電圧自身やスパイク電圧終了時に出現する雑音の発生時間が増加傾向にあるため同様な短所があり、ＩＭＰ構造のモータに対しても本実施の形態は効果を発揮する。
【００９２】
更に、冷蔵庫やエアコンなど近年著しくインバータ化の進んでいる製品において、電源高調波歪みの抑制が不可欠となっている。この抑制方式としては、アクティブフィルタ方式や変圧方式などいろいろな手段があるが、特に冷蔵庫においては、安価でシステムインしやすい”リアクトル方式”が一般的な手段となっている。リアクトル方式は、電源高調波歪みを抑制する一方で、インバータに供給する電力を低減させ、その結果スパイク電圧発生時間が増加し、位置信号を検出しにくくする短所も有している。この様なインバータへの供給電力が低下した状況下での同期駆動運転の安定化にも、本実施の形態の制御装置が非常に有用である。
【００９３】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における駆動手段切替判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。なお、図６中の構成部品において図１と同じものについては、既に説明しているので割愛する。
【００９４】
図６において、位置検出駆動波形発生部６０は、位置検出部６の位置信号をもとにロジカルな信号変換を行い、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は矩形波通電を基本として行っており、通電角が１５０度以下の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でもそれに準じる波形として立ち上がり／立ち下がりに若干の傾斜を持たせた台形波であってもよい。更に回転数を一定に保つためにＰＷＭ制御のデューティ制御や通電角の制御も行っている。回転位置に従って、ブラシレスＤＣモータ４の実回転数を検出し、目標回転数との比較を行いながら最適なデューティで運転させることができるため、最も効率的な運転が可能となる。この実回転数の検出は位置検出部６の出力信号の一定時間カウントまたは周期測定などによって実現可能である。高効率、低振動が求められる低回転運転領域に適した波形発生手段である。
【００９５】
駆動手段切替判定部６１は、位置検出駆動波形発生部６０が算出した回転数、その回転数をもとに制御しているデューティや通電角、同期駆動波形発生部９が制御している周波数や通電角、位置検出部６や位相検出部７からの運転状態情報をもとに検出手段切替判定部８が判定し出力する指令信号や、冷蔵庫等の用途におけるシステムの温度状態といった要素に基づいてブラシレスＤＣモータ４の運転状態を判断し、インバータ３を動作させる波形を出力する駆動手段を同期駆動波形発生部９か位置検出駆動波形発生部６０かを選択し切り替えるものである。たとえば、回転数が低速の場合、位置検出駆動波形発生部４０からの信号を選択し、回転数が高速の場合、同期駆動波形発生部９からの信号を選択してインバータ３を動作させる。
【００９６】
次に図６における動作について、図６、図２を用いて説明する。
【００９７】
なお図２は、実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示した模式図であったが、本図は本実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示した模式図としても意味を成す図であるので、ここでも同図を用いて説明し、説明の重複する部分は割愛する。
【００９８】
同期駆動波形発生部９による駆動中は、普通、進み状態ａ）か中間状態ｂ）の様な波形となっている。位置検出部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧終了時点は検出できるが（図２の表中”○検出：有り”）、回転子４ａの相対位置信号を検出できない（図２の表中”＊検出：無し”）、といった情報を位相検出部７、検出手段切替判定部８に出力する。位相検出部７はその情報を入力し、固定子４ｂを流れる電流位相が”進み状態”または”中間状態”であると判断し、検出手段切替判定部８にその情報を出力する。検出切替判定部８は、位置検出部６と位相検出部７の出力情報から、位相検出部７を選択し、進み状態または中間状態であると判断して、そのまま同期駆動運転を継続するよう駆動手段切替判定部６１に指令を出力する。その指令を受けて駆動手段切替判定部６１が同期駆動波形発生部９を選択したまま運転を継続する。
【００９９】
同期駆動波形発生部９による駆動中に、負荷トルクが低下してくると、遅れ状態ｃ）の様な波形となっている。位置検出部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧終了時点も回転子４ａの相対位置信号もともに検出できた（図２の表中”○検出：有り”、”＊検出：有り”）、という情報を位相検出部７、検出手段切替判定部８に出力する。位相検出部７はその情報を入力し、固定子４ｂを流れる電流位相が”遅れ状態”であると判断し、検出手段切替判定部８にその情報を出力する。検出切替判定部８は、位置検出部６と位相検出部７の出力情報から、位置検出部６を選択し、回転子４ａの正確な位置情報を取得しながら、そのまま同期駆動運転を継続するように駆動手段切替判定部６１に指令を出力し、同期駆動波形発生部９による運転を継続する。しかし、同期駆動運転を継続していると、位置検出部６から出力される正確な位置情報から、検出手段切替判定部８がどんどん進角が小さくなってくることを判断する。そして、進角が位置検出駆動波形発生部６０で運転可能なレベルまで小さくなったと判断したときに、検出手段切替判定部８が駆動手段切替判定部６０に位置検出駆動運転へ切り替えるよう指令を出力し、駆動手段切替判定部６１が位置検出駆動波形発生部６０に切り替えて運転を継続する。
【０１００】
同期駆動波形発生部９による駆動中に、インバータ３がブラシレスＤＣモータ４に供給している電力に比べて負荷トルクが非常に大きい場合などは、脱調してしまってロック状態ｄ）の様な波形となっている。極めて異常な状態であるため直ちに運転を停止させる必要があるが、同期駆動波形発生部９による運転中は回転子４ａの正確な位置情報が取得できていない状態なので、いったん位置検出駆動波形発生部６０による運転に切り替えた後に停止させる方が誤動作防止につながる。位置検出部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）負荷検出回路５からの信号を入力し、スパイク電圧終了時点も回転子４ａの相対位置信号もともに検出できなかった（図２の表中”○検出：無し”、”＊検出：無し”）、という情報を位相検出部７、検出手段切替判定部８に出力する。位相検出部７はその情報を入力し、回転子４ａがロック状態の可能性があると判断し、検出手段切替判定部８にその情報を出力する。検出手段切替判定部８は、位置検出部６と位相検出部７の出力情報から、位相検出部７を選択し、回転子４ａをロック状態と判定し、駆動手段切替判定部６０に位置検出駆動運転をするよう指令を出力する。その指令を受けた駆動手段切替判定部６０は位置検出駆動波形発生部６１を選択し、回転子４ａの正確な位置信号を検出した後にロック状態であることを確定したときにはドライブ部１０への出力を停止させ、ロック状態でないと確定したときにはそのまま運転を継続する。
【０１０１】
次に図６における詳細な動作について、図２〜図４、図６〜図８を用いて説明する。
【０１０２】
図３、図４はそれぞれ実施の形態１における位置検出部、位相検出部の動作を示したフローチャートであるが、これら２つの構成要素の動作は本実施の形態２においても全く同一なので、図３、図４を本実施の形態２においても用いることとし、すでに説明をしているのでここでは説明を割愛する。
【０１０３】
図７は、本実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示したフローチャートである。なお、図５と同じ構成要素の処理内容はすでに説明を終えているのでここでは割愛する。また、ＳＴＥＰ５１、ＳＴＥＰ５３１、ＳＴＥＰ５３２、ＳＴＥＰ５４１の移行先については図５とは異なるが、フローチャートから容易にわかるので説明を割愛する。
【０１０４】
まず、ＳＴＥＰ７１において、位置検出駆動波形発生部６０に駆動手段を切り替えるべきかどうかを判定する。判定の結果、駆動手段を切り替える必要があると判断すればＳＴＥＰ７２に移行する。駆動手段を切り替える必要が無いと判断すればスタートに戻る。次に、判定方法について説明する。位置検出部６が出力した情報から進角が位置検出駆動可能なほど小さいと認識した場合、もしくは、位相検出部７が出力した情報からロック状態の可能性があると認識した場合、位置検出駆動波形発生部６０に切り替える必要があると判定する。ここで進角とは、固定子４ｂに流れる電流の逆起電圧に対する位相の進み具合を電気角で表した量であり、本ＳＴＥＰでの判定の際に位置信号部６から出力された回転子４ａの位置情報をもとに算出される。
【０１０５】
次に、ＳＴＥＰ７２において、位置検出駆動指令を駆動手段切替判定部６１に出力し、スタートに戻る。
【０１０６】
図８は、本実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時の駆動手段切替判定部の動作を示したフローチャートである。
【０１０７】
まず、ＳＴＥＰ８１において、検出手段切替判定部８の指令から位置検出駆動波形発生部６０に切り替えるべきかどうかを判定する。判定の結果、検出手段切替部８が出力した情報からそのまま駆動手段を切り替える必要がないと判定した場合、ＳＴＥＰ８２に移行する。駆動手段を切り替える必要が有ると判定すればＳＴＥＰ８３に移行する。
【０１０８】
次に、ＳＴＥＰ８２において、駆動手段として同期駆動波形発生部９を選択し、スタートに戻る。
【０１０９】
次に、ＳＴＥＰ８３において、駆動手段として位置検出駆動波形発生部６０を選択し、スタートに戻る。
【０１１０】
以上のように、本実施の形態においては位置検出に応じて駆動する方法に切り替えることのできる駆動手段切替機能を有することにより、モータ効率が悪い遅れ位相状態を検出したときには高効率運転のできる位置検出駆動波形発生部による運転が可能となり、モータ電流の実効値低減による高効率化などの効果を発揮することができる。また、回転子がロック状態に陥っている場合など負荷検出回路の出力信号から位置検出部が全く信号を検出できなかったときでも、いったん位置検出駆動運転に切り替えることで、ロック状態をより精度良く検出することができ、過剰な保護停止などが招くシステムの性能悪化抑制といった効果を発揮することができる。
【０１１１】
図９は、本実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時のロック状態と誤検出される可能性のある遅れ状態での負荷検出回路が出力する信号波形をあらわした模式図である。
【０１１２】
図９からもわかるように、ａ）のようにスパイク電圧発生時間が非常に長い場合や、ｂ）のように位相が非常に遅れている場合、負荷検出回路５が出力する信号”Ｕ５”は、ｃ）のロック状態の時と全く同じ波形になってしまう。ここで、ロック状態と同じ信号波形になってしまう条件は、通電角が１５０°の場合、（スパイク電圧発生時間）−（進角）≧１５°［電気角］となる。
【０１１３】
これは、進角が１５°以上あればスパイク電圧が電気角にして３０°弱でもロック状態との区別がつき、逆に、スパイク電圧が全く発生しないときは進角が−１５°より大きければ区別がつく、ということである。
【０１１４】
図１０に示すような従来の駆動装置では、逆起電圧検出回路１０５に逆起電圧を検出する機能しか有していなかったため、回転子１０４ａの電流位相が非常に遅れている状態やスパイク電圧発生時間が長いこと、ロック状態に陥ったことを区別して検出することができず、切替回路１０９は備えているものの適切な判断ができなかった。つまり、図９のａ）、ｂ）、ｃ）の区別ができないために、ロック状態時に実行する緊急停止処理の優先が不可欠となり、正常にａ）、ｂ）の状態で運転している場合でも停止せざるを得なかった。そこで、スパイク電圧終了時点の検出機能を有することにより通常運転状態（図９において進角が１５°以上である状態）であればａ）、ｂ）、ｃ）の区別が可能となる。また、位置検出に応じて駆動する方法に切り替えることのできる駆動手段切替機能を有することにより、万一スパイク終了時点の検出機能で区別ができなかった場合でも、一旦位置検出信号を取り込むため、ロック状態を正確に判断することが可能となる。これら２つの機能を備えることで誤動作（保護停止）を防止できるといった効果をもたらす。また、電流の実効値が増加し、効率の悪くなる遅れ状態から一旦停止させることなく脱出することが可能となり、システム運転効率の向上といった効果ももたらす。
【０１１５】
また、モータ効率化の手段の１つとして、固定子の巻線量（ターン数）を増加させる方式があるが、この方式ではモータの鉄損を低減できる反面、スパイク電圧発生時間が増加し、同期駆動中に位置信号を検出しにくいという短所があった。このようなモータの運転中における位相状態（図９のａ）、ｂ）、ｃ）の状態）の区別に対しても、本実施の形態の駆動装置は大いに効果を発揮する。効率化の他の手段として、回転子の構造をＩＰＭ型構造にする方式があるが、この場合もスパイク電圧自身やスパイク電圧終了時に出現する雑音の発生時間が増加傾向にあるため同様な短所があり、ＩＭＰ構造のモータに対しても本実施の形態は効果を発揮する。
【０１１６】
更に、冷蔵庫やエアコンなど近年著しくインバータ化の進んでいる製品において、電源高調波歪みの抑制が不可欠となっている。この抑制方式としては、アクティブフィルタ方式や変圧方式などいろいろな手段があるが、特に冷蔵庫においては、安価でシステムインしやすい”リアクトル方式”が一般的な手段となっている。リアクトル方式は、電源高調波歪みを抑制する一方で、インバータに供給する電力を低減させ、その結果スパイク電圧発生時間が増加し、位置信号を検出しにくくする短所も有している。この様なインバータへの供給電力が低下した状況下での同期駆動運転中における、ロック状態誤検出による保護停止の防止、ひいては不冷・鈍冷状態の回避にもつながるため本実施の形態の制御装置が非常に有用である。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
以上の様に本発明にかかるブラシレスＤＣモータの駆動装置は、騒音・振動の低減、脱調停止の防止、ピーク電流発生の抑制、駆動効率の向上、出力トルクの向上などの効果を発揮することが可能となるので、家庭用・産業用を問わずブラシレスＤＣモータを搭載したさまざまな用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動に関するブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示した模式図
【図３】本発明の実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の位置検出部の動作を示したフローチャート
【図４】本発明の実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の位相検出部の動作を示したフローチャート
【図５】本発明の実施の形態１における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示したフローチャート
【図６】本発明の実施の形態２による駆動手段切替判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【図７】本発明の実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時の検出手段切替判定部の動作を示したフローチャート
【図８】本発明の実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時の駆動手段切替判定部の動作を示したフローチャート
【図９】本発明の実施の形態２における同期駆動波形発生部による駆動時のロック状態と誤検出される可能性のある遅れ状態での負荷検出回路が出力する信号波形をあらわした模式図
【図１０】従来のブラシレスＤＣモータ駆動に関する駆動装置のブロック図
【符号の説明】
【０１１９】
３    インバータ
４    ブラシレスＤＣモータ
４ａ  回転子
４ｂ  固定子
５    負荷検出回路
６    位相検出部
７    位置検出部
８    検出手段切替判定部
９    同期駆動波形発生部
６０  位置検出駆動波形発生部
６１  駆動手段切替判定部
【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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