(57)【要約】【課題】低回転数での効率を十分上げられるブラシレスＤＣモータの高効率化を実現する。【解決手段】通電角が１５０度以下の波形を出力する波形発生手段Ｉと、とともに、所定周波数と通電角を変化させながら通電角が１８０度未満の波形を出力する波形発生手段ＩＩとを、切り替えることが可能であり、高効率運転が必要なときは手段Ｉで運転しながら、電圧や進角を調整することで更なる効率化が実現できる。高速性が必要なときは手段ＩＩで運転しながら通電角を拡大することで更なる高出力を発揮できる。また、電圧と通電角が調整可能なので、低電圧・狭通電角運転、高電圧・広通電角運転を使い分けることでワイドレンジな運転も可能となる。【選択図】図１
2006042429.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、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第Ｉ波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第ＩＩ波形発生部と、前記第Ｉ波形発生部と前記第ＩＩ波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを備え、モータの運転状態に応じて前記インバータへの供給電圧を調整するブラシレスＤＣモータの駆動方法。
【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、前記回転子の回転位置に応じて誘起電圧位相に対するモータ電流位相の進み角を調整する進角調整部と、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第Ｉ波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第ＩＩ波形発生部と、前記第Ｉ波形発生部と前記第ＩＩ波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部と、予め設定しておいた通電角の限界値と駆動中の通電角とを比較しその時点の通電角が通電角の限界に達しているかどうかを判断する通電角限界判定部とを備え、前記第Ｉ波形発生部を前記切替判定部が選択中で、かつ前記通電角限界判定部が駆動中の通電角は上限値に達していると判断しており、かつそのままの進み角では前記第Ｉ波形発生部が出力できる高回転速度の限界であると判断した場合に、前記進角調整部が進み角を調整するとともに前記第Ｉ波形発生部がより高回転速度が出力できるように通電角を調整するブラシレス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、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第Ｉ波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第ＩＩ波形発生部と、前記第Ｉ波形発生部と前記第ＩＩ波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部と、予め設定しておいた通電角の限界値と駆動中の通電角とを比較しその時点の通電角が通電角の限界に達しているかどうかを判断する通電角限界判定部と、前記インバータに供給する電圧を調整する電圧制御部とを備え、モータの運転状態に応じて前記インバータに供給する電圧を調整するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項４】
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、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第Ｉ波形発生部と、所定周波数や通電角を変化させながらその周波数に同期させて１８０度未満の波形を出力する第ＩＩ波形発生部と、前記第Ｉ波形発生部と前記第ＩＩ波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部と、予め設定しておいた通電角の限界値と駆動中の通電角とを比較しその時点の通電角が通電角の限界に達しているかどうかを判断する通電角限界判定部と、前記インバータに供給する電圧を調整する電圧制御部とを備え、モータの運転状態に応じて前記インバータを駆動するために波形の通電角を調整するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項５】
ブラシレスＤＣモータが巻線の巻込量（ターン数）が比較的多い低鉄損型のモータ、あるいは埋め込み磁石型のモータ等に代表される高効率モータである前記請求項１から請求項４のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項６】
ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものである前記請求項１から請求項５のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【請求項７】
圧縮機が冷蔵庫を運転するものである前記請求項６に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置に関し、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方法及びそ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モータの駆動方法及びその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、高効率な圧縮機回転数可変の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。
【０００３】
従来の技術は、例えば、特許文献１に示されている。その従来の技術を図面に従って説明する。図８は従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。
【０００４】
図８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８に示す回路では倍電圧整流回路となり、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の相対位置からインバータ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し、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ことを判定し、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ようとするものである。
【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】
負荷状態判定回路１０８の出力信号に応じて、低負荷時には切替回路１０９が転流回路１０６に切り替えることで高効率な駆動を、高負荷時には切替回路１０９が同期駆動回路１０７に切り替えることで高回転な駆動を可能とするものの、インバータ１０３に供給する電圧を調整することが出来なかったため、定速で高効率な運転が必要な運転状態に合わせた電圧設定では、高速・高トルクが必要な運転を実現することが出来ず、逆に高速・高トルクが必要な運転状態に合わせた電圧設定では、定速・高効率な運転が必要な時にモータの鉄損や回路のスイッチングロスを十分に低減することが出来なかった。
【００２４】
また、同期駆動回路１０７で駆動中に所定周波数しか変化させられないため、通電角を調整することができず、すなわち転流回路１０６が出力可能な通電角でしか駆動できず、ブラシレスＤＣモータ１０４の高速・高トルク性能を十分に発揮することが出来なかった。
【００２５】
さらに、転流回路１０６の出力するタイミングの回転子１０４ａの相対位置に対する進み具合を調整する機能を有していないため、モータ１０４がもつ高効率でかつ高トルクな性能を十分に発揮することができなかった。
【００２６】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高効率な運転が必要な低負荷時には比較的低めの電圧をインバータに供給し、高速・高トルク性能が必要な高負荷運転状態では比較的高めの電圧をインバータに供給する電圧供給機能を有し、高効率な運転が必要なときにモータの鉄損や回路ロスを十分に低減でき、高速・高トルク性能が必要なときにモータに供給する電力を増加できるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００２７】
本発明の２つ目の目的は、高回転駆動を可能とする駆動手段を選択中に通電角を調整することでブラシレスＤＣモータのもつ高速・高トルク性能を更に引き出すことのできるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。また、低負荷時の波形出力手段と高負荷時の波形出力手段とを切り替える際に、通電角を一定の大きさで保持した状態で切り替え、ピーク電流や回転数変動、更にはそれに伴う運転停止を抑制できるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００２８】
本発明の３つ目の目的は、高効率な運転が必要でなおかつ高速・高トルク性能を活かしたいときにロータの相対位置に対するモータ電流の位相の進み具合を調整する進角調整機能を有し、高効率性能と高速・高トルク性能を両立できるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその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】
【００２９】
本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、インバータに供給する電圧をモータの運転状態に応じて調整でき、高効率な運転が必要な低負荷時には比較的低めの電圧をインバータに供給し、高速・高トルク性が必要な高負荷運転状態では比較的高めの電圧をインバータに供給する、といった様に運転状態によって最適な電圧を供給することを可能としたものである。
【００３０】
また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第Ｉ波形発生部がモータを駆動中に通電角を調整するだけでなく、進角調整部が電流位相の進み具合も調整することを可能としたものである。
【００３１】
また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第Ｉ波形発生部もしくは第ＩＩ波形発生部がモータを駆動中に、電圧制御部がインバータへの供給電圧も調整することを可能としたものである。
【００３２】
また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第Ｉ波形発生部もしくは第ＩＩ波形発生部がモータを駆動中に、通電角を調整することを可能としたものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、高速・高トルク性能が必要なときと高効率運転が必要なときの相反する運転時の両方でインバータに供給する電力の最適化を実現でき、特に高効率な運転が必要なときに、モータの鉄損や回路ロスを十分に低減できるといった効果を発揮できる。
【００３４】
また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、回転子の回転位置に応じた最適効率運転を可能とするといった第Ｉ波形発生部の長所を活かしながら、最大限のトルクを出力でき、比較的高負荷・高回転の状態においても効率を向上できるといった効果を発揮できる。
【００３５】
また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、第Ｉ波形発生部運転時の更なる高トルク性能を引き出すことが可能となり、更に高負荷・高回転の状態においても効率を向上できるといった効果を発揮できる。逆に、第ＩＩ波形発生部運転時に負荷が軽くなり、通電角判定部が第ＩＩ波形発生部の運転可能な通電角下限値に達していると判断していても、第Ｉ波形発生部に切り替えることなく運転することが可能となり、モータの逆起電圧検出回路が出力する信号に外乱が含まれていて第Ｉ波形発生部で運転不可能なときでも比較的低めの電圧をインバータに供給することで、第ＩＩ波形発生部による運転を可能とし、回転子の相対位置情報が安定していないときでも運転できるといった効果も発揮する。
【００３６】
また、本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、通電角を拡大する機能により、モータへの供給電圧が比較的低い状況下で駆動するときの高速・高トルク性能を向上させる効果を発揮する。また、モータへの供給電圧が比較的低い状況下で駆動するときの低速運転を実現できる効果も発揮する。これらの効果によって、電圧調整回数を低減することが可能となり、電圧調整回路のロス低減につながり、加えて電圧調整機能を実現する素子がリレーなどに代表される機械的接点で構成されている場合に、この素子の寿命・信頼性向上にも効果を発揮する。さらには、電圧調整機能が不要となる可能性もあり、電圧調整回路廃止に伴うコストダウンといった効果も発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
請求項１に記載の発明は、インバータに供給する電圧をモータの運転状態に応じて調整でき、高効率な運転が必要な低負荷時には比較的低めの電圧をインバータに供給し、高速・高トルク性が必要な高負荷運転状態では比較的高めの電圧をインバータに供給するといった様に運転状態によって最適な電圧を供給することを可能としたものであり、高速・高トルク性能が必要なときと高効率運転が必要なときの相反する運転時の両方でインバータに供給する電力の最適化を実現でき、特に高効率な運転が必要なときに、モータの鉄損や回路ロスを十分に低減できるといった効果を発揮できる。
【００３８】
請求項２に記載の発明は、第Ｉ波形発生部がモータを駆動中に通電角を調整するだけでなく、進角調整部が電流位相の進み具合も調整することを可能とした装置であり、回転子の回転位置に応じた最適効率運転を可能とするといった第Ｉ波形発生部の長所を活かしながら、最大限のトルクを出力でき、比較的高負荷・高回転の状態においても効率を向上できるといった効果を発揮できる。
【００３９】
請求項３に記載の発明は、第Ｉ波形発生部もしくは第ＩＩ波形発生部がモータを駆動中に、電圧制御部がインバータへの供給電圧も調整することを可能とした装置であり、第Ｉ波形発生部運転時の更なる高トルク性能を引き出すことが可能となり、更に高負荷・高回転の状態においても効率を向上できるといった効果を発揮できる。逆に、第ＩＩ波形発生部運転時に負荷が軽くなり、通電角判定部が第ＩＩ波形発生部の運転可能な通電角下限値に達していると判断していても、第Ｉ波形発生部に切り替えることなく運転することが可能となり、例えばモータの逆起電圧検出回路が出力する信号に外乱が含まれていて第Ｉ波形発生部で運転不可能なときでも比較的低めの電圧をインバータに供給することで、第ＩＩ波形発生部による運転を可能とし、回転子の相対位置情報が安定していないときでも運転できるといった効果も発揮する。
【００４０】
請求項４に記載の発明は、第Ｉ波形発生部もしくは第ＩＩ波形発生部がモータを駆動中に、通電角を調整することを可能とした装置であり、通電角を拡大する機能により、モータへの供給電圧が比較的低い状況下で駆動するときの高速・高トルク性能を向上させる効果を発揮する。また、モータへの供給電圧が比較的高い状況下で駆動するときの低速運転を実現できる効果も発揮する。これらの効果によって、電圧調整回数を低減することが可能となり、電圧調整回路のロス低減につながり、加えて電圧調整機能を実現する素子がリレーなどに代表される機械的接点で構成されている場合に、この素子の寿命・信頼性向上にも効果を発揮する。さらには、電圧調整機能が不要となる可能性もあり、電圧調整回路廃止に伴うコストダウンといった効果も発揮できる。
【００４１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、巻込量の比較的多い鉄損低減型のブラシレスＤＣモータを駆動するものであり、そのような出力トルクの小さなモータのトルク不足を解消でき、モータの高効率化において避けることのできない高速運転時のトルク不足を補う効果、高負荷運転時の脱調を防止する効果は非常に重要である。
【００４２】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものであり、冷蔵庫やエアコンなど高効率で低速な運転から高トルクで高速な運転まで広い運転範囲を必要とされるシステムの圧縮機において、通常運転されている状態である低速領域では効率を上昇でき、システムインしたイニシャル時・急冷・急凍時などの高速領域ではトルクを上昇することができるといった効果を発揮することは極めて重要である。
【００４３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、圧縮機が冷蔵庫を運転するものであり、圧縮機の脱調停止を防止することで冷蔵庫における不冷、鈍冷現象の発生を防止することや、高速運転を可能とすることによる急冷性能の向上、更には高負荷環境下での回転数変動、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非常に重要である。また、近年インバータ機種の増加する冷蔵庫において、電源高調波の課題は重要であり、その改善策として安価で簡潔な手段であるリアクタを採用することは一般的である。しかし、このリアクタはインバータへの供給電力を低下させてしまうといったデメリットも併せ持っている。そこで、モータの出力不足を解消できる本発明は、このリアクタの課題解消にも大きく効果を発揮する。
【００４４】
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。
【００４５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電圧制御部を備えた、第Ｉ波形発生部または第ＩＩ波形発生部による駆動時、および両波形発生部の切替時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。
【００４６】
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。
【００４７】
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に示す回路は倍電圧整流回路の場合であり、商用電源１のＡＣ１００Ｖ入力から直流電圧２８０Ｖ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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、ここでは回転子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を行う手段であれば電流検出などの手段を用いた構成でも良い。
【００５２】
第Ｉ波形発生部６は、負荷検出回路５の位置検出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１２０度以上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。さらに回転数を一定に保つためにＰＷＭ制御のデューティの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負荷検出回路５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。
【００５３】
第ＩＩ波形発生部７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。高トルクが求められる高回転運転領域に適した波形発生手段である。
【００５４】
切替判定部８は、第Ｉ波形発生部６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、第ＩＩ波形発生部が制御している周波数や、負荷検出回路５が検出する回転子４ａの磁極位置情報、モータ電流の位相情報や、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第Ｉ波形発生部６か第ＩＩ波形発生部７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、第Ｉ波形発生部６からの信号を選択し、回転数が高速の場合、第ＩＩ波形発生部７からの信号を選択してインバータ３を動作させる。
【００５５】
ドライブ部９は、切替判定部８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がブラシレスＤＣモータ４に印加することができるので回転子４ａを回転させることができる。
【００５６】
マイクロコンピュータ１０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。
【００５７】
電圧制御部１１は、電圧調整回路２ｇに電圧調整信号を出力し、インバータ３に供給する電圧を制御する機能を実現する。
【００５８】
次に図１における動作について説明する。
【００５９】
電圧制御部１１は、インバータ３に供給する電圧を制御し最適化する機能を有し、効率の良い運転が要求される低回転運転領域においては低い電圧が供給できるように制御し、高トルク性能の要求される高回転運転領域においては高い電圧が供給できるように制御する。すなわち、第Ｉ波形発生部６による駆動中に実回転数が目標回転数に到達しておらず、なおかつインバータ３に供給している電圧が上限値に到達していない場合は、第ＩＩ波形発生部７に切り替える手段の他に、電圧制御部１１によって昇圧し、目標回転数に到達させることができる。逆に、第ＩＩ波形発生部７による駆動中に、モータ電流位相が遅れている場合は、第Ｉ波形発生部６に切り替える手段の他に、インバータ３に供給している電圧が下限値より大きければ電圧制御部１１によって降圧し、電流位相を安定して進ませることが可能である。
【００６０】
以上のように、本実施の形態においては電圧制御部１１を有することにより、高効率運転が必要なときの相反する運転時の両方でインバータ３に供給する電力の最適化を実現でき、特に高効率な運転が必要なときに、モータの鉄損や回路ロスを十分に低減できるといった効果を発揮できる。
【００６１】
図８に示すような従来の駆動装置では、インバータ１０３に供給する電圧を調整する機能がないため、転流回路１０６で運転するような低速領域に最適な電圧をインバータ１０３に供給した場合は、モータ１０４の高トルク性能を発揮するには電圧が不足してしまい、逆に同期駆動回路１０７で運転するような高速領域に最適な電圧をインバータ１０３に供給した場合は、モータ１０４の高効率性能を発揮するためには余分な電力を与えすぎてしまっていた。最適な電圧を供給できるような電圧制御部を設けることで、運転領域のワイドレンジ化といった効果を発揮できる。
【００６２】
図２は、本発明の実施の形態１による通電角限界判定部及び進角調整部を備えた第Ｉ波形発生部による駆動時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。なお、図２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。
【００６３】
図２において、通電角限界判定部２０は、第Ｉ波形発生部６や第ＩＩ波形発生部７が調整した通電角と予め設定されている任意の限界値とを比較し、切替判定部８に切り替え指令を出力する。
【００６４】
進角調整部２１は、第Ｉ波形発生部６による駆動中に負荷検出回路５から出力される信号に基づいて、モータ電流位相の誘起電圧位相に対する進み具合を調整する。
【００６５】
次に図２における動作について、図２、図３、図４を用いて説明する。
【００６６】
図３は、本発明の実施の形態１における第Ｉ波形発生部による駆動時の回転数限界を示した特性図の一例である。この図において、横軸［上］は進角（誘起電圧に対するモータ電流位相の進み具合）、横軸［下］は通電角、縦軸はある負荷状態での限界回転数を表す。また、実線で描かれた曲線は進角１５゜での限界回転数特性（横軸［下］：通電角）であり、破線で描かれた特性は通電角１２０゜での限界回転数特性（横軸［上］：進角）である。図より、進角、通電角が大きくなるほど限界回転数が大きくなることが分かる。
【００６７】
しかし、第Ｉ波形発生部６は、回転子４ａの磁極位置を検出してからしか転流することはできないので、進角βを大きく取るためには通電角θを小さくしなくてはならず、通電角θを大きく取るには進角βを小さくしなくてはならないといった制約条件が存在する。図４は、本発明の実施の形態１における通電角と進角の間に存在する制約条件を示した特性図であり、通電角を大きく取ると自ずと進角を小さくしなくてはならないことが明示されている。
【００６８】
例えば、図３において通電角１２０゜、進角１５゜の時の限界回転数はおよそ６３．９ｒ／ｓであり、進角１５゜、通電角１５０゜の時の限界回転数はおよそ６５．５ｒ／ｓである。同じ進角条件下では、無論通電角が大きいほど限界回転数は大きくなる。一方、図から、通電角１２０゜、進角３０゜の時の限界回転数は７０．０ｒ／ｓであり、異なる進角条件下で比較すると、通電角が大きいほど限界回転数が高いとは一概に言えないことが容易に分かる。進角３０゜、通電角１２０゜以上の波形を第Ｉ波形発生部６が生成することができれば、７０．０ｒ／ｓ以上の回転数を実現できるのであるが、進角３０゜の条件下における限界通電角はず４より１２０゜であるため、７０．０ｒ／ｓ以上の運転は不可能となる。
【００６９】
前述の様に、第Ｉ波形発生部６で駆動中の限界回転数は進角と通電角の組み合わせによって変化する。つまり、高効率運転（第Ｉ波形発生部による駆動）のままできるだけ高い回転数を実現するためには通電角だけでなく進角も調整する必要がある。高効率で尚かつ高速性に富んだ運転をするためには、進角調整部２１は必要不可欠と言える。
【００７０】
次に図２における動作について、図２、図５を用いて説明する。
【００７１】
図５は、本実施の形態１における第Ｉ波形発生部駆動中の動作を示したフローチャートである。
【００７２】
１つ目に、進角調整部２１の処理ＳＴＥＰ５０１からＳＴＥＰ５０３について説明する。
【００７３】
まず、ＳＴＥＰ５０１において、負荷状態検出部５から出力される信号に基づいてその時点の負荷状態を把握し、進角を調整する必要があるかどうかを判定する。その判定の結果、進角を増やす必要がある場合はＳＴＥＰ５０２、進角を減らす必要がある場合はＳＴＥＰ５０３に、調整する必要がなければＳＴＥＰ５１１に移行する。進角調整判定の例としては、モータの実回転数と、モータ電流とから進角の最適値を決定し、その時点の進角の値に過不足があるかどうかを判定する方法などがあるが、詳細内容は本実施の形態の内容から少しはずれるので、具体的な説明については割愛させていただく。
【００７４】
次に、ＳＴＥＰ５０２において、進角を増加し、ＳＴＥＰ５１１に移行する。
【００７５】
また、ＳＴＥＰ５０３において、進角を減少し、ＳＴＥＰ５１１に移行する。
【００７６】
２つ目に、第Ｉ波形発生部６の処理ＳＴＥＰ５１１からＳＴＥＰ５１３について説明する。
【００７７】
まず、ＳＴＥＰ５１１において、目標回転数、実回転数、および第Ｉ波形発生部７で制御されているデューティといった情報から通電角の調整の必要性を判定する。その判定の結果、デューティが最大値に達しているにもかかわらず実回転数が目標回転数に到達していないならばＳＴＥＰ５１２に、デューティが最大値より十分に小さいにもかかわらず実回転数が目標回転数に到達しているならばＳＴＥＰ５１３に、実回転数が目標回転数に到達しているもののデューティが最大値近くであるなら、通電角の調整の必要がないと判断しスタートに移行する。ここでは図が煩雑になるために省略しているが、通電角の調整が不要と判断した場合でも、ＳＴＥＰ５０２、ＳＴＥＰ５０３にて進角を調整した場合は、ＳＴＥＰ５３１の処理を行う必要があるためＳＴＥＰ５２１に移行する方が適切であることを補足しておく。
【００７８】
次に、ＳＴＥＰ５１２において、通電角を拡大し、ＳＴＥＰ５２１に移行する。
【００７９】
また、ＳＴＥＰ５１３において、通電角を縮小し、ＳＴＥＰ５２１に移行する。
【００８０】
３つ目に、通電角限界判定部２０の処理ＳＴＥＰ５２１からＳＴＥＰ５２３について説明する。
【００８１】
まず、ＳＴＥＰ５２１において、進角の大きさを加味して決定された通電角の限界値とその時点の通電角との比較を行い、限界値を外れているかどうかを判定する。その判定の結果、上限値より大きければＳＴＥＰ５２２に、下限値より小さければＳＴＥＰ５２３に移行する。また、下限値以上、上限値以下であればＳＴＥＰ５３１に移行する。ここで、上限値とは進角を加味して磁極位置を検出しながら制御できる最大の通電角のことであり図５を参照いただきたい。一方、下限値とはシステムを効率よく安定して運転するために最低限必要な通電角のことであり、詳細な説明については本実施の形態の内容から逸脱するので割愛する。
【００８２】
次に、ＳＴＥＰ５２２において、切替判定部８に第ＩＩ波形発生部７への切替指令を出力する。ＳＴＥＰ５２１にて実回転数が目標回転数に到達していないと判定されたのを受けて、第Ｉ波形発生部６の駆動による限界回転数が目標回転数に達していないと判断し、速やかに第ＩＩ波形発生部７への切替を促し、能力不足の防止を図っている。処理を行ったあとは第Ｉ波形発生部６による駆動処理から抜け出す。
【００８３】
また、ＳＴＥＰ５２３において、通電角に下限値を設定する処理を行う。これにより、通電角の過度な縮小が引き起こすシステムの不安定化の防止を図っている。処理を行ったあとはＳＴＥＰ５３１に移行する。
【００８４】
そして最後に、ＳＴＥＰ５３１において、モータ挙動安定までの待機処理を行う。進角や通電角が調整された直後は、モータの運転状態（モータ電流の実効値や位相など）が少し変化する可能性があるため、この様な待機処理が必要となる。ただし、この待機処理は、ＳＴＥＰ５０２、ＳＴＥＰ５０３、ＳＴＥＰ５１２、ＳＴＥＰ５１３の進角調整処理、通電角調整処理をゆっくりと行う、すなわち、進角、通電角を非常に細かく変化させることにより省略することも可能である。
【００８５】
以上のように、本実施の形態においては進角調整部２１を有することにより、第Ｉ波形発生部６による駆動中の限界回転数を上昇させることが可能となり、高回転運転の効率化などの効果を発揮することができる。また、進角調整部２１に通電角限界値判定部２０を連動させることで、第Ｉ波形発生部６から第ＩＩ波形発生部７に切り替える前後の通電角を等しく保持することが可能となり、切替処理の円滑化といった効果も発揮できる。
【００８６】
図８に示すような従来の駆動装置では、転流回路１０６の限界通電角を判定する機能や進角を調整する手段がないため、転流回路１０６の限界まで回転数を上昇させることができなかった。しかし、通電角限界判定部２０に進角調整部２１を連動させることで、進角の変化に対応した通電角上限値が設定でき、第Ｉ波形発生部６から第ＩＩ波形発生部７へ切り替える前後の通電角を等しく保持することが可能となり、回転数変動やピーク電流を抑制する効果、第Ｉ波形発生部６に切り替えた後の駆動安定化の効果も発揮できる。
【００８７】
また、冷蔵庫やエアコンなど省エネ・急冷といった相反するニーズのある製品の圧縮機において、高効率運転の可能な磁極位置に応じた制御手段（第Ｉ波形発生部）で高速性を向上させることは極めて重要であり、進角調整部を有することによりこのニーズに対応したモータ制御が可能となる。
【００８８】
図６は、本発明の実施の形態１における電圧制御部、通電角限界判定部および進角調整部を備えた、第Ｉ波形発生部または第ＩＩ波形発生部による駆動時、および両波形発生部の切替時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。なお、図６中の構成部品はすべて図１、図２で既に説明しているので割愛する。
【００８９】
次に、図６における動作について図６、図７を用いて説明する。
【００９０】
図７は、本実施の形態１における第Ｉ波形発生部駆動中もしくは第ＩＩ波形発生部駆動中の動作を示したフローチャートである。
【００９１】
まず、ＳＴＥＰ７１において、第Ｉ波形発生部６もしくは第ＩＩ波形発生部７が出力する波形の通電角を調整するのか、インバータ３に供給される電圧を調整するのかを選択する。この判断は例えば以下のように行う。まず、通電角を調整するのが適していると判断する場合について説明する。『第Ｉ波形発生部６が駆動中に少しだけ回転数が不足しているとき』、『第ＩＩ波形発生部７が駆動中にモータ電流の位相が遅れ始めたとき』、『電圧調整回路が出力できる範囲の限界電圧をインバータ３に供給していてそれ以上調整できないとき』、『電圧調整回路２ｇを動作させるよりも通電角を調整した方が回路効率が良いとき』など電圧を調整するよりも通電角を調整した方が有利なときにはＳＴＥＰ７２に移行する。次に、電圧を調整するのが適していると判断する場合について説明する。『第Ｉ波形発生部６が駆動中に通電角の調整だけでは運転不可能なほど高速な駆動が必要となったとき』、『第ＩＩ波形発生部７が駆動中にモータ電流の位相が遅れ始めているものの、負荷検出回路５から出力される信号に外乱が重畳されていて第Ｉ波形発生部６による駆動が困難なとき』、『通電角限界判定部２０が限界に達していると判断していてそれ以上通電角を調整できないとき』、『通電角を調整するよりも電圧調整回路２ｇを動作させた方が回路効率がよいとき』など通電角を調整するよりも電圧を調整する方が有利なときにはＳＴＥＰ７３に移行する。どちらの調整も不要なときにはスタートに戻る。
【００９２】
次に、ＳＴＥＰ７２において、通電角を調整する。なお、第Ｉ波形発生部６が駆動中の動作については図５のＳＴＥＰ５１１からＳＴＥＰ５１３で既に説明しているので割愛する。第ＩＩ波形発生部７が駆動中における通電角の調整方法は以下の通りである。モータ電流の位相が常に遅れているときは通電角を縮小し、モータ電流の位相が不安定なときは通電角を拡大する。調整処理を実行した後ＳＴＥＰ７４に移行する。なお、位相が常に進んでいる状態ならＳＴＥＰ７１にて通電角の調整は不要と判断されている。
【００９３】
また、ＳＴＥＰ７３において、インバータ３に供給する電圧を調整する。電圧の調整方法は以下の通りである。まず第Ｉ波形発生部６が駆動中の場合について説明する。負荷検出回路５が出力する信号から、目標回転数に対して実回転数小さいと判断され、なおかつデューティが最大値に達した場合電圧上昇させ、実回転数が目標回転数に到達していて、なおかつデューティが最大値より十分小さい場合電圧を下降させる。次に第ＩＩ波形発生部７が駆動中の場合について説明する。モータ電流の位相が不安定であるときは電圧を上昇させ、モータ電流の位相が常に遅れているときは電圧を下降させる。なお、第Ｉ波形発生部６が駆動中に実回転数が目標回転数に到達しているもののデューティが最大値近くであるか、第ＩＩ波形発生部が駆動中に位相が常に進んでいる状態であるなら、ＳＴＥＰ７１にて電圧の調整は不要と判断されている。
【００９４】
次に、ＳＴＥＰ７４において、切替判定部８が波形発生部を選択する。選択の方法は以下のようである。なお、第Ｉ波形発生部６で駆動中の選択方法については、図５の説明で代用できると考えここでは割愛する。第ＩＩ波形発生部７で駆動中に通電角限界判定部２０が通電角下限値を下回っていると判断した場合には切替判定部８は第Ｉ波形発生部６に切り替えるためにＳＴＥＰ７５に移行し、下限値と上限値の間の通電角であると判断した場合はそのままの波形発生部とするためにＳＴＥＰ７６に移行する。
【００９５】
次に、ＳＴＥＰ７５において、第Ｉ波形発生部６による駆動を行う。駆動方法の詳細説明については、図１で既に説明しているので割愛する。
【００９６】
また、ＳＴＥＰ７６において、第ＩＩ波形発生部７による駆動を行う。駆動方法の詳細説明については、図１で既に説明しているので割愛する。また、図が煩雑になるのを避けるため、図７に明記はしていないが、第ＩＩ波形発生部７で駆動中に、通電角限界判定部２０が、通電角の上限値を上回って駆動していると判断した場合には、異常な駆動状態と判断して速やかにシステムを停止させた方が良い場合があることをここで付け加えておく。
【００９７】
そして最後に、ＳＴＥＰ７７において、モータ挙動安定までの待機処理を行う。通電角や電圧が調整された直後は、モータの運転状態（モータ電流の実効値や位相など）が少し変化する可能性があるため、この様な待機処理が必要となる。ただし、この待機処理は、ＳＴＥＰ７２、ＳＴＥＰ７３の通電角調整処理、電圧調整処理をゆっくりと行う、すなわち、通電角、電圧を非常に細かく変化させることにより省略することも可能である。
【００９８】
以上のように、本実施の形態においては電圧制御部１１を有することで、モータの運転状態に応じて、電圧を調整するか、通電角を調整するかを選択することが可能となり、より広い運転範囲において、より効率の良いモータ駆動が実現できるといった効果を発揮できる。また、波形発生部の切り替え無しにモータ運転状態を安定化できることから、波形発生部の切替がシステムを不安定にさせるような可能性のある環境下でも電圧制御部１１は大いに効果を発揮できる。
【００９９】
図８に示すような従来の駆動装置では、インバータ１０３に供給される電圧を制御する機能や出力される波形の通電角を調整する機能がないため、高効率運転可能なモータの性能をフルに生かすことができず、ワイドレンジ駆動が不可能であった。そこで、電圧制御機能と通電角調整機能を加えることにより、第Ｉ波形発生部運転時の更なる高トルク性能を引き出すことが可能となり、更に高負荷・高回転の状態においても効率を向上できるといった効果を発揮できる。逆に、第ＩＩ波形発生部運転時に負荷が軽くなり、通電角判定部が第ＩＩ波形発生部の運転可能な通電角下限値に達していると判断していても、第Ｉ波形発生部に切り替えることなく運転することが可能となり、例えばモータの逆起電圧検出回路が出力する信号に外乱が含まれていて第Ｉ波形発生部で運転不可能なときでも比較的低めの電圧をインバータに供給することで、第ＩＩ波形発生部による運転を可能とし、回転子の相対位置情報が安定していないときでも運転できるといった効果も発揮する。また、通電角を拡大する機能により、モータへの供給電圧が比較的低い状況下で駆動するときの高速・高トルク性能を向上させる効果を発揮する。さらに、モータへの供給電圧が比較的高い状況下で駆動するときの低速運転を実現できる効果も発揮する。これらの効果によって、電圧調整回数を低減することが可能となり、電圧調整回路のロス低減につながり、加えて電圧調整機能を実現する素子がリレーなどに代表される機械的接点で構成されている場合に、この素子の寿命・信頼性向上にも効果を発揮する。さらには、電圧調整機能が不要となる可能性もあり、電圧調整回路廃止に伴うコストダウンといった効果も発揮できる。このように、広範囲なモータ運転領域における駆動効率の最適化が実現できる。
【０１００】
また、鉄損低減型に代表される高効率モータを駆動する場合に、インバータ供給電圧を下げることで、デューティを増加（ＰＷＭチョッピング・オフ時間を減少）させることができ、更に鉄損を低減できるとともにモータ電流の実効値も下げられるので、モータ銅損、回路ロスともに減少可能といった効果も発揮できる。
【０１０１】
更に、冷蔵庫やエアコンなど省エネ・急冷といった相反するニーズのある製品の圧縮機において、高効率運転の可能な磁極位置に応じた制御手段（第Ｉ波形発生部）で高速性を向上させることは極めて重要であり、電圧制御部を有することにより、更にニーズに対応したモータ制御が可能となる。
【０１０２】
そして、圧縮機の脱調停止を防止することで冷蔵庫における不冷、鈍冷現象の発生を防止することや、高速運転を可能とすることによる急冷性能の向上、更には高負荷環境下での回転数変動、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本実施の形態は非常に重要である。また、近年インバータ機種の増加する冷蔵庫において、電源高調波の課題は重要であり、その改善策として安価で簡潔な手段であるリアクタを採用することは一般的である。しかし、このリアクタはインバータへの供給電力を低下させてしまうといったデメリットも併せ持っている。そこで、モータの出力不足を解消できる本発明は、このリアクタの課題解消にも大きく効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上の様に本発明にかかるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置は、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】
【０１０４】
【図１】本発明の実施の形態１における電圧制御部を備えた、第Ｉ波形発生部または第ＩＩ波形発生部による駆動時、および両波形発生部の切替時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による通電角限界判定部及び進角調整部を備えた第Ｉ波形発生部による駆動時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３】本発明の実施の形態１における第Ｉ波形発生部による駆動時の回転数限界を示した特性図
【図４】本発明の実施の形態１における通電角と進角の間に存在する制約条件を示した特性図
【図５】本発明の実施の形態１における第ＩＩ波形発生部による駆動時の動作を通電角限界判定部も含めて示したフローチャート
【図６】本発明の実施の形態１における電圧制御部、通電角限界判定部および進角調整部を備えた、第Ｉ波形発生部または第ＩＩ波形発生部による駆動時、および両波形発生部の切替時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７】本実施の形態１における第Ｉ波形発生部駆動中もしくは第ＩＩ波形発生部駆動中の動作を示したフローチャート
【図８】従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図
【符号の説明】
【０１０５】
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    第Ｉ波形発生部
７    第ＩＩ波形発生部
８    切替判定部
１１    電圧制御部
２０    通電角限界判定部
２１    進角調整部
【図１】
2006042429.tif 000003
【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】
2006042429.tif 000009
【図８】
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