(57)【要約】【課題】制御の破綻を防止して、所望のモータトルクを継続的に発生できるモータ駆動装置を提供する。【解決手段】実施形態のモータ駆動装置は、正側及び負側スイッチング素子の直列回路からなる複数のレグを並列に接続して構成され、モータを駆動する電力変換回路と、モータを制御するため、電力変換回路を構成する各スイッチング素子に対するオンオフ信号を生成して出力する制御回路と、モータの回転位置を検出する回転位置検出部と、入力される交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流部と、全波整流電圧を検出する電圧検出部とを備え、制御回路は、スイッチング素子を介してモータに通電を開始する通電タイミング及び／又は通電を継続する通電時間を調整し、通電タイミングを第１及び第２通電パラメータにより決定し、通電時間を第１及び第２時間パラメータにより決定し、第１通電パラメータ及び第１時間パラメータは回転速度に応じて決定し、第２通電パラメータ及び第２時間パラメータは全波整流電圧に応じて決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側及び負側スイッチング素子の直列回路からなる複数のレグを並列に接続して構成され、モータを駆動する電力変換回路と、
前記モータを制御するため、前記電力変換回路を構成する各スイッチング素子に対するオンオフ信号を生成して出力する制御回路と、
前記モータの回転位置を検出する回転位置検出部と、
入力される交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流部と、
前記全波整流電圧を検出する電圧検出部とを備え、
前記制御回路は、前記スイッチング素子を介して前記モータに通電を開始する通電タイミング及び／又は前記通電を継続する通電時間を調整し、
前記通電タイミングを第１及び第２通電パラメータにより決定し、前記通電時間を第１及び第２時間パラメータにより決定し、
前記第１通電パラメータ及び前記第１時間パラメータは前記回転速度に応じて決定し、前記第２通電パラメータ及び前記第２時間パラメータは前記全波整流電圧に応じて決定するモータ駆動装置。
【請求項２】
前記交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、
前記ゼロクロス点を基準とする経過時間を計測する経過時間計測部と、
前記ゼロクロス点の検出間隔を計測する検出間隔計測部とを備え、
前記制御回路は、前記第２通電パラメータ及び前記第２時間パラメータを、前記ゼロクロス点からの経過時間と前記ゼロクロス点の検出間隔とに基づいて、前記交流電源電圧が最大又は最小となる時間の前後で変更する請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記全波整流電圧を、前記通電タイミングにおいて取得する請求項１又は２記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記通電タイミングを、前記回転位置検出部が出力する位置信号が変化するタイミングに同期して更新する請求項１から３の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、モータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ブラシレスＤＣモータが、省エネや静音化の観点から多く用いられている。ブラシレスＤＣモータを駆動するためにインバータが用いられるが、一般的な家電機器などでは、インバータの電源に、例えば単相１００Ｖの商用交流電源を整流した直流電源が使用される。交流電源から直流電源を生成する直流電源回路では、直流電源を平滑化するための平滑用コンデンサや力率改善用のリアクトルが用いられる。これらの部品は体積が大きく装置の小形化に影響を及ぼし、低コスト化の妨げとなっている。
【０００３】
このような背景において、コンデンサやリアクトルを使用しない直流電源回路も検討されているが、直流電圧に大きなリップルが生じるため、モータ制御が不安定となる課題がある。この課題に対し、特許文献１では、交流電圧の位相に同期した波形によって、インバータに出力するスイッチング信号の元になるｑ軸電流指令値を調整する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−６１３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、交流電圧位相に同期した波形に応じて制御を調整する際には、交流電源が不安定な状態になると制御が破綻する可能性がある。
そこで、制御の破綻を防止して、所望のモータトルクを継続的に発生できるモータ駆動装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のモータ駆動装置は、正側及び負側スイッチング素子の直列回路からなる複数のレグを並列に接続して構成され、モータを駆動する電力変換回路と、
前記モータを制御するため、前記電力変換回路を構成する各スイッチング素子に対するオンオフ信号を生成して出力する制御回路と、
前記モータの回転位置を検出する回転位置検出部と、
入力される交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流部と、
前記全波整流電圧を検出する電圧検出部とを備え、
前記制御回路は、前記スイッチング素子を介して前記モータに通電を開始する通電タイミング及び／又は前記通電を継続する通電時間を調整し、
前記通電タイミングを第１及び第２通電パラメータにより決定し、前記通電時間を第１及び第２時間パラメータにより決定し、
前記第１通電パラメータ及び前記第１時間パラメータは前記回転速度に応じて決定し、前記第２通電パラメータ及び前記第２時間パラメータは前記全波整流電圧に応じて決定する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態であり、モータ駆動装置の構成を示す図
【図２】動作タイミングチャート
【図３】ＤＣ電圧の検出タイミングと、進角及び通電角の更新タイミングとを示す図
【図４】制御マイコンが実行するメインルーチン処理を、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
【図５】回転位置信号のエッジ発生に伴う割込み処理を示すフローチャート
【図６】タイマ１割込み処理を示すフローチャート
【図７】タイマ２割込み処理を示すフローチャート
【図８】進角Ａテーブルを示す図
【図９】進角Ｂテーブルを示す図
【図１０】通電角Ａテーブルを示す図
【図１１】通電角Ｂテーブルを示す図
【図１２】第２実施形態であり、通電角Ｂテーブルを示す図
【図１３】第３実施形態であり、交流電源電圧，ＤＣ電圧及び交流電圧振幅のゼロクロス点間のカウント値を示すタイミングチャート
【図１４】進角Ｂテーブルを示す図
【図１５】通電角Ｂテーブルを示す図（その１）
【図１６】通電角Ｂテーブルを示す図（その２）
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図１１を参照しながら説明する。モータ駆動装置の構成を示す図１において、単相の交流電源１の両端は、ダイオードブリッジで構成される整流回路２の入力端子に接続されている。整流回路２の出力端子間には、抵抗素子３及び４の直列回路，並びにインバータ回路５が並列に接続されている。電力変換回路に相当するインバータ回路５は、４つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４がＨブリッジ接続されて構成されている。そして、ＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ２の直列回路であるレグの共通接続点と、ＦＥＴ＿Ｑ３及びＱ４の直列回路であるレグの共通接続点との間に、単相ブラシレスＤＣモータ６の図示しない固定子巻線が接続されている。尚、ＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ３は正側半導体スイッチング素子に対応し、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ４は負側半導体スイッチング素子に対応する。
【０００９】
ＦＥＴ＿Ｑ１〜Ｑ４は、制御マイクロコンピュータ７によりスイッチング制御される。制御回路に相当する制御マイコン７は、各ＦＥＴ＿Ｑ１〜Ｑ４のゲートに、それぞれゲート駆動回路８〜１１を介してゲート駆動信号を出力する。抵抗素子３及び４の共通接続点は制御マイコン７の入力端子に接続されている。制御マイコン７は、直流電源１の分圧された電圧をＡ／Ｄコンバータ１２によりＡ／Ｄ変換して読み込む。
【００１０】
また、モータ６にはホールセンサ１３が配置されており、ホールセンサ１３の出力端子は制御マイコン７の入力端子に接続されている。ホールセンサ１３は、モータ６の回転子に配置されている永久磁石の磁界を検出して、回転位置信号を制御マイコン７に出力する。制御マイコン７は、前記回転位置信号に応じて、モータ６の固定子巻線に対する通電方向，つまりモータ６の回転方向を切り替える。ホールセンサ１３は、回転位置検出部に相当する。
【００１１】
インバータ回路５と、直流電源１の負側端子であるグランドとの間を接続する電源線には、電流検出部である抵抗素子１４が挿入されている。抵抗素子１４のインバータ回路５側の端子は、制御マイコン７の入力端子に接続されており、制御マイコン７は、抵抗素子１４の端子電圧をＡ／Ｄコンバータ１２によりＡ／Ｄ変換して読み込む。ゼロクロス点検出回路１９は、交流電源１の電圧波形のゼロクロス点を検出し、検出信号を制御マイコン７に出力する。
【００１２】
制御マイコン７は、第１ＰＷＭ回路１５及び第２ＰＷＭ回路１６を備えており、第１ＰＷＭ回路１５はＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ２側にゲート信号を出力し、第２ＰＷＭ回路１６はＦＥＴ＿Ｑ３及びＱ４側にゲート信号を出力する。制御マイコン７は、それぞれタイマ１及びタイマ２を内蔵してなるタイマ１制御部１７及びタイマ２制御部１８を備えている。タイマ１及び２はプログラマブルであり、それぞれ第１及び第２タイマに相当する。タイマ１は、ホールセンサ１３が出力する回転位置信号のエッジで起動され、モータ６の進角制御に使用される。タイマ２は、タイマ１の計時が終了すると起動され、ＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ３の通電時間制御に使用される。
【００１３】
周知のように、Ｈブリッジ型のインバータ回路５では、ＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ４を同時にオンすることでモータ６の固定子巻線に例えば正方向の通電を行い、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ３を同時にオンすることで同巻線に逆方向の通電を行う。
【００１４】
次に、本実施形態の作用について図２から図１２を参照して説明する。図４は、制御マイコン７が例えば１ｍｓ毎に実行するメインルーチンの処理内容を、本実施形態の要旨に係る部分のみ示すものである。制御マイコン７は、前回までの回転位置信号のエッジ間隔時間を用いて、モータ６の回転速度の平均値を算出する（Ｍ１）。次に、前記速度の平均値をパラメータとして、例えば図８に示すような進角Ａテーブルに基づいて進角Ａを算出する（Ｍ２）。また、同じく前記速度の平均値をパラメータとして、例えば図１０に示すような通電角Ａテーブルに基づいて通電角Ａを算出する（Ｍ３）。図８，図１０に示す進角Ａ，通電角Ａテーブルでは、回転速度が上昇するのに応じて進角Ａ，通電角Ａがそれぞれ単調増加するように設定されている。
【００１５】
図５は、回転位置信号のエッジ発生に伴う割込み処理，図６はタイマ１割込み処理，図７はタイマ２割込み処理のフローチャートである。
（１）ホールセンサ１３が出力する回転位置信号のエッジで（図５；開始）、タイマ１を起動させる（Ｓ１０）。このときタイマ１には、前回までの回転位置信号のエッジ間隔時間（Ｓ１，キャプチャデータ）を用いてモータ６の進角制御を実現するため、信号エッジからの遅延時間を設定する（Ｓ９）。それに先立ち、タイマ１割込み処理のステップＳ１１でＡ／Ｄ変換して読み込んだＤＣ電圧より、例えば図９に示すような進角Ｂテーブルに基づいて進角Ｂを算出する（Ｓ６）。進角Ｂテーブルでは、ＤＣ電圧が上昇するのに応じて進角Ｂが単調減少するように設定されている。
【００１６】
そして、ステップＭ２で決定した進角Ａに進角Ｂを加えて進角量を決定すると（Ｓ７）、その進角量を進角時間に変換する（Ｓ８）。進角Ａ，進角Ｂは、それぞれ第１，第２通電パラメータに相当する。前記進角時間より前記遅延時間を設定する（Ｓ９）。つまり、
（遅延時間）＝（エッジ間隔時間）−（進角時間）
となる。ここでの遅延時間の設定は、モータ６への通電を開始する通電タイミングを決定することに相当する。尚、図５に示すステップＳ５の「内部動作指令＝出力オン」は、インバータ回路５によりモータ６を駆動する指令が与えられている状態である。また、進角量は、（進角Ａ）×（進角Ｂ）により決定しても良い。
【００１７】
（２）タイマ１が設定された時間を計時すると、タイマ１割込みが発生する（図６；開始）。この割込みに伴う処理では、抵抗素子３及び４の直列回路により検出されるＤＣ電圧，全波整流電圧のＡ／Ｄ変換を開始し（Ｓ１１）、Ａ／Ｄ変換に要する時間を調整する（Ｓ１２）。また、誤動作を防止するためタイマ１を停止させる（Ｓ１３）。信号エッジが「立上り」であれば（Ｓ１４；Ｈ）ＦＥＴ＿Ｑ１をオンさせ（Ｓ２７）、信号エッジが「立下がり」であれば（Ｓ１４；Ｌ）ＦＥＴ＿Ｑ３をオンさせて（Ｓ１８）モータ６への通電を開始する。そして、タイマ２を起動させる（Ｓ２３）。このとき、タイマ２には、ステップＳ２２で決定した通電時間を設定する（Ｓ２２）。
【００１８】
それに先立ち、ステップＳ１１で読み込んだＤＣ電圧より、例えば図１１に示すような通電角Ｂテーブルに基づいて通電角Ｂを算出する（Ｓ１９）。通電角Ｂテーブルでは、ＤＣ電圧が上昇するのに応じて通電角Ｂが単調減少するように設定されている。そして、ステップＭ３で決定した通電角Ａから通電角Ｂを減じて通電角量を決定すると（Ｓ２０）、その通電角量を通電時間に変換する（Ｓ２１）。通電角Ａ，通電角Ｂは、それぞれ第１，第２時間パラメータに相当する。
【００１９】
尚、ＦＥＴ＿Ｑ１をオンさせた時点では、下記（３）の制御におけるタイマ２による計時が過去に完了しており、それに伴いＦＥＴ＿Ｑ４が既にオンしているので、ＦＥＴ＿Ｑ１→Ｑ４方向の通電となる（Ｓ２５）。同様に、ＦＥＴ＿Ｑ３をオンさせた時点では、ＦＥＴ＿Ｑ２が既にオンしているので、ＦＥＴ＿Ｑ３→Ｑ２方向の通電となる（Ｓ１６）。
【００２０】
（３）タイマ２が設定された時間を計時すると、タイマ２割込みが発生する（図７；開始）。この割込みに伴う処理では，現状の通電方向に応じてオンさせている正側のＦＥＴ＿Ｑ１又はＱ３をオフさせる（Ｓ４２，Ｓ３８）。尚、ＦＥＴをオフさせる前に、抵抗素子１４で検出される電流のＡ／Ｄ変換を開始させる（Ｓ３１）。そして、タイマ１と同様に誤動作を防止するため，タイマ２を停止させる（Ｓ３３）。
【００２１】
尚、ステップＳ３６でＦＥＴ＿Ｑ３及びＱ４をオフし、ステップＳ４０でＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ２をオフすると、ステップＳ３７，Ｓ４１でデッドタイム調整を行った後、ステップＳ３８，Ｓ４２でＦＥＴ＿Ｑ４，Ｑ２をオンさせる。これにより、インバータ回路５に還流電流が流れ、モータ６への通電電流は「フリーホイール」状態となる（Ｓ３９）。次に、回転位置信号の逆方向のエッジが発生すると（１）に移行する。
【００２２】
以上のように本実施形態によれば、制御マイコン７は、ＦＥＴ＿Ｑ１〜Ｑ４を介してモータ６に通電を開始する通電タイミング,及び前記通電を継続する通電時間を調整し、前記通電タイミングを進角Ａ及び進角Ｂにより決定し、前記通電時間を通電角Ａ及び通電角Ｂにより決定する。そして、進角Ａ及び通電角Ａはモータ６の回転速度に応じて決定し、進角Ｂ及び通電角Ｂは、整流回路２を介して出力される全波整流電圧に応じて決定するようにした。これにより、交流電源１が不安定な場合でも、モータ６の進角制御を安定して行うことができる。
【００２３】
また、制御マイコン７は、全波整流電圧を、モータ６への通電を開始するタイミングであるタイマ１割込み処理において取得するので、進角Ｂ及び通電角Ｂを確実に決定できる。加えて、制御マイコン７は、通電タイミングを、ホールセンサ１３が出力する回転位置信号が変化するタイミングである信号エッジに同期して更新するので、信号エッジを基準として進角制御を簡単に行うことができる。
【００２４】
（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１２に示す通電角テーブルＢでは、ＤＣ電圧が上昇するのに応じて通電角Ｂが単調増加するように設定されている。通電角Ｂをこのようなテーブルを用いて決定しても良い。この場合、通電角量は、（通電角Ａ）×（通電角Ｂ）により決定する。
【００２５】
（第３実施形態）
図１３は、交流電源電圧と全波整流電圧（ＤＣ電圧）波形のイメージを示している。ゼロクロス点検出回路１９による時間測定により、モータ６を起動する前に交流電圧の周波数を検出できる。時間は、例えば、専用タイマや周期割込みによるカウント値で測定でき、周波数が分かればゼロクロス点を基準とするカウント値から、ＤＣ電圧振幅がピーク値よりも前なのか後なのかが判別できる。これらは、ゼロクロス点を基準とする経過時間を計測する経過時間計測部，又はゼロクロス点の検出間隔を計測する検出間隔計測部に相当する。
【００２６】
また、同じくモータ６の起動前に電圧を検出することで、交流電圧の振幅を検出できる。ゼロクロス点検出回路１９の構成によっては、交流電圧の振幅によりゼロクロス点検出位置にずれが生じるので、進角又は通電角の補正に前記ずれの量を反映させる。例えば、ＤＣ電圧ピークの前後で補正量を変更する。
【００２７】
図１４及び図１５に示すように、進角Ｂ，通電角Ｂを単調減少させる際には、ＤＣ電圧のピーク前よりもピーク後に増加させる。また、図１６に示すように、通電角Ｂを単調増加させる際には、ＤＣ電圧のピーク前よりもピーク後に減少させる。尚、ＤＣ電圧のピークに替えて、ボトムの前後で補正量を変更しても良い。
【００２８】
以上のように第３実施形態によれば、制御マイコン７は、進角Ｂ及び通電角Ｂを、交流電圧振幅のゼロクロス点からの経過時間と前記ゼロクロス点の検出間隔とに基づいて、交流電源１の電圧が最大又は最小となる時間の前後で変更するようにした。これにより、交流電圧の振幅によりゼロクロス点の検出位置にずれが生じた場合でも、進角制御をより正確に行うことができる。
【００２９】
（その他の実施形態）
進角，通電角の何れか一方のみを調整しても良い。
３相のインバータ回路に適用しても良い。
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限ることなく、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタ等でも良い。
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】
【００３０】
図面中、１は直流電源、５はインバータ回路、６はブラシレスＤＣモータ、７は制御マイクロコンピュータ、１３はホールセンサ、１４は抵抗素子、１７はタイマ１制御部、１８はタイマ２制御部、１９はゼロクロス点検出回路、Ｑ１〜Ｑ４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ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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【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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