(57)【要約】  【課題】高効率、高速駆動、高トルク駆動が可能なモータ駆動装置を提供する。  【解決手段】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５と、三相巻線に電力を供給するインバータ３と、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部１５と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を所定の周波数で出力する第２波形発生部１７と、所定速度以下の低速では第１波形発生部１５の出力を、所定速度を超える高速では第２波形発生部１７の出力をそれぞれ選択する切替判定部１８とを有し、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動に移行する場合は、通電角を１５０度以下とすることで、安定した駆動モードの移行が可能となる。【選択図】図１
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【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、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第２波形発生部と、所定速度以下の低速では前記第１波形発生部の出力を、所定速度を超える高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部とを有し、前記第２波形発生部での駆動から前記第１波形発生部での駆動に移行する場合は、通電角を１５０度以下とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置をブラシレスＤＣモータの駆動により発生する誘起電圧から検出する位置検出手段を有し、第１波形発生部での駆動から第２波形発生部での駆動に移行する際は、前記位置検出手段によって検出した前記ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置に対して所定のタイミングで前記インバータの通電相の切り替えを行う請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記位置検出手段によって、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置を検出できない場合は第２波形発生部での駆動から第１波形発生部での駆動へ移行しない請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
ブラシレスＤＣモータは冷凍空調サイクルの圧縮機を駆動する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を圧縮機の駆動に用いた冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータをインバータにより駆動制御するモータ駆動装置及び、これを用いた冷蔵庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータを低速で駆動する場合と、高速で駆動する場合とで、波形発生方法を切り替えることで、モータの高速駆動と高効率駆動を実現している（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
図４は従来のモータ駆動装置を示すものである。図４に示すように、従来のモータ駆動装置は、交流電源２０１を入力として直流電圧に変換する整流平滑回路２０２、整流平滑回路の出力を入力として所定の周波数の擬似交流電力に変換するインバータ２０３、インバータ２０３のスイッチング素子のオン、オフを制御するドライブ部２０４および、インバータ２０３により駆動されるブラシレスＤＣモータ２０５、ブラシレスＤＣモータ２０５の回転子の位置を検出する位置検出手段２０６、位置検出手段２０６からのブラシレスＤＣモータの位置情報を基にフィードバック制御によってデューティおよび転流タイミングを決定して、インバータ２０３の出力波形を発生する第１波形発生部２０７と、デューティを一定としてオープンループ制御で転流タイミングを可変することでインバータ２０３の出力波形を発生する第２波形発生部２０８、位置検出手段２０６の出力信号からブラシレスＤＣモータ５の駆動速度を検出する回転数検出部２０９、回転数検出部２０９で検出された速度に基づいて第１波形発生部２０７と第２波形発生部２０８とを切り替える切替判定部２１０とを備えている。
【０００４】
上記のように構成されたモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータ２０５を比較的低負荷・低速で駆動する場合、切替判定部２１０は第１波形発生部２０７を選択しフィードバック制御よって高効率にブラシレスＤＣモータ２０５を駆動する。一方、第１波形発生部２０７での駆動において負荷が大きい場合や、高速での駆動でデューティが１００％に到達した場合、それ以上の高速駆動や、高負荷駆動は不可能となる。
【０００５】
したがって従来のモータ駆動装置では第２波形発生部２０８での駆動に切り替えて、ブラシレスＤＣモータ２０５をオープンループ運転（同期運転）行うことで、高負荷・高速駆動性能を確保している。
【特許文献１】特開２００４−２８２９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記従来の構成では、回転子の位置を検出しながらのフィードバック制御（第１波形発生部２０７での駆動）からオープンループ駆動（第２波形発生部２０８での駆動）に移る際は、波形発生部の切り替え前後での転流タイミングを同じとすることでスムーズな切り替えは可能となるが、第２波形発生部２０８から第１波形発生部２０７での駆動に移る際は、回転子の位置がわからないため、印加電圧位相とモータ位相とのズレが発生した場合、モータ脱調停止や過電流による電流保護が動作しやすくなるなどの課題を有していた。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、第１波形発生部による駆動と第２波形発生部による駆動の移行をスムーズに行うことで、従来のモータ駆動装置の実用性をより高めるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明のモータ駆動装置は、第２波形発生部での駆動から第１波形発生部での駆動に移行する場合は、通電角を１５０度以下としたものである。
【０００９】
これにより、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧から回転子の位置の検出が可能となり、回転子の位置を検出しながらフィードバック制御による駆動への移行がスムーズに行える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のモータ駆動装置は、高効率・高速・高トルク駆動を実現する実用性の高いモータ駆動装置を提供することができる。
【００１１】
また本発明のモータ駆動装置を冷熱空調システムに用いることで、上記効果を得た冷凍空調サイクルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の請求項１に記載のモータ駆動装置の発明は、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、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第２波形発生部と、所定速度以下の低速では前記第１波形発生部の出力を、所定速度を超える高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部とを有し、前記第２波形発生部での駆動から前記第１波形発生部での駆動に移行する場合は、通電角を１５０度以下とするのである。
【００１３】
これにより、第２波形発生部での駆動から第１波形発生部での駆動への移行の際、脱調停止や過電流発生を抑制することができ、高効率・高速・高トルクのモータ駆動装置の安定駆動性能を向上することができる。
【００１４】
請求項２に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置をブラシレスＤＣモータの駆動により発生する誘起電圧から検出する位置検出手段を有し、第１波形発生部での駆動から第２波形発生部での駆動に移行する際は、前記位置検出手段によって検出した前記ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置に対して所定のタイミングで前記インバータの通電相の切り替えを行うのである。
【００１５】
これにより、第２波形発生部での駆動から第１波形発生部での駆動に移る際、回転子の相対位置に対して適切な電圧位相でブラシレスＤＣモータに電圧を供給できるので、より確実な波形発生部の移行の実現と共に、さらなる信頼性を高めることができる。
【００１６】
請求項３に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記位置検出手段によって、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置を検出できない場合は第２波形発生部での駆動から第１波形発生部での駆動へ移行しない（移行を居禁止する）ものである。
【００１７】
通電角が１５０度以下の場合、誘起電圧のゼロクロスが検出できない時は、第１波形発生部での駆動は負荷が大きく不可能な状態であるため、第１波形発生部への移行を禁止することは、脱調停止や過電流発生の防止となり、モータ駆動装置の信頼性を大きく向上することができる。
【００１８】
請求項４に記載のモータ駆動装置の発明は、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けるブラシレスＤＣモータが、冷凍空調サイクルの圧縮機を駆動するものであり、これにより、上記請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の効果をもつ冷凍空調サイクルを提供することができる。
【００１９】
請求項５に記載の冷蔵庫の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を冷蔵庫の圧縮機駆動に用いたものである。
【００２０】
これにより冷蔵庫の消費電力量の削減が可能となると共に、庫内温度や外気温度が高い高負荷状態での高速駆動も可能となり冷却性能を高めることができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図である。図１において、交流電源１は日本の場合はＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの一般的な交流電源である。整流平滑回路２は交流電源１を入力として交流を直流に変換し、インバータ３に入力する。本実施の形態では、倍電圧整流としているが、全波整流でも特に構わない。
【００２３】
インバータ３は６個のスイッチング素子で構成されており、整流平滑回路２から入力された直流電力を交流電力に変換してブラシレスＤＣモータ５に電力を供給する。尚、本実施の形態ではスイッチング素子としてＦＥＴを使用しているが、ＩＧＢＴでもバイポーラトランジスタでも特に構わない。
【００２４】
ブラシレスＤＣモータ５は永久磁石を有する回転子と３相巻き線が促された固定子とからなる。本実施の形態ではブラシレスＤＣモータは圧縮要素６と連結されている。圧縮要素６は、ブラシレスＤＣモータ５の回転子の軸に接続され、冷媒ガスを吸入し、圧縮して吐出する。このブラシレスＤＣモータ５と圧縮要素６とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機７を構成する。
【００２５】
圧縮機７で圧縮された吐出ガスは、凝縮器８、減圧器９、蒸発器１０を通って圧縮機７の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成し、凝縮器８では放熱、蒸発器１０では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。尚、必要に応じて凝縮器８や蒸発器１０に送風機などを使い、熱交換をさらに促進することもある。また本実施の形態では、冷凍システムは冷蔵庫の庫内１１を蒸発器１０により冷却する構成としている。
【００２６】
位置検出手段１２は、ブラシレスＤＣモータ５の回転子が回転することで発生する誘起電圧を検出して回転子の相対位置を検出するものであり、インバータ３の出力端子電圧をＰＷＭキャリア周期毎などの頻度でアナログ電圧として検出する位置検出部１３と、位置検出部１３によって得られたブラシレスＤＣモータ回転子の相対位置情報が正しいか否か、即ち誘起電圧検出方法によって回転子の位置情報が得られるか否かを判定する位置検出可否判定手段１４によって構成されている。
【００２７】
第１波形発生部１５は、位置検出手段１２の位置信号を基に１２０度以上１５０度以下の通電角で、インバータ３のスイッチ素子を駆動する信号を生成する。また第１波形発生部１５では、ブラシレスＤＣモータ５の回転速度を一定に保つ為に、ＰＷＭ制御のデューティ制御を行っており、ブラシレスＤＣモータ５の回転位置に従って最適となるデューティにて運転する為最も効率的な駆動を行っている。
【００２８】
回転数検出部１６は、位置検出手段１２の出力信号からブラシレスＤＣモータ５の駆動速度を検出するもので、位置検出手段１２の出力信号を一定時間カウントすることや、周期を測定することで実現している。
【００２９】
第２波形発生部１７は、ブラシレスＤＣモータ５の目標速度から通電角１８０度未満の矩形波波形を生成する。このときＰＷＭデューティは一定とし、９０％から１００％で運転している。
【００３０】
切替判定部１８は、回転数検出部１６で検出された速度と目標速度との偏差によって、インバータ３を動作させる波形を第１波形発生部１５による波形と第２波形発生部１７による波形から選択し入力を切り替えるものである。
【００３１】
具体的にはブラシレスＤＣモータ５の起動後からの所定速度以下の通常時は第１波形発生部１５でブラシレスＤＣモータ５を駆動するようにし、所定速度を超える高速駆動や高負荷状態での駆動によって第１波形発生部１５での駆動では目標速度に到達できない場合は、第２波形発生部１７による駆動に切り替えることとする。
【００３２】
ドライブ部１９は切替判定部１８からの出力信号によって、インバータ３のスイッチング素子を駆動するもので、スイッチング素子の適切な切替によってブラシレスＤＣモータ５へ交流電力が供給され、ブラシレスＤＣモータ５の回転子を回転させることができる。
【００３３】
以上の様に構成されたモータ駆動装置において、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動への移行について以下説明する。
【００３４】
図２は本実施の形態のモータ駆動装置のインバータの出力端子電圧を示すタイミングチャートである。図２の（ａ）は、ブラシレスＤＣモータ５の回転子の回転によって固定子巻き線に発生する誘起電圧の波形を示し、同図（ｂ）および（ｃ）は、第２波形発生部１７によって１５０度通電でブラシレスＤＣモータ５を駆動している場合のインバータ３出力の端子電圧の波形、同図（ｄ）は、第１波形発生部１５による１２０度通電でのインバータ３出力端子の電圧波形を示している。
【００３５】
図２（ｄ）において、第１波形発生部１５による駆動では、ブラシレスＤＣモータ５の回転子の相対位置を検出しながらインバータ３のスイッチング素子をフィードバック制御によってオン・オフタイミングを計っているので、ブラシレスＤＣモータ５と端子電圧との位相関係は常に一定の状態を保っている（本実施の形態においては、進角を０度として、端子電圧位相と誘起電圧位相は一致するように保っている）。
【００３６】
なお、ブラシレスＤＣモータ５の相対位置の検出方法としてはインバータ３出力端子電圧に現れるブラシレスＤＣモータ５の誘起電圧（（ｄ）における区間１ｄおよび区間２ｄ）がインバータ３入力電圧（即ち整流平滑回路出力電圧）の１／２電位となるタイミングを誘起電圧が０Ｖとなる回転子位置（ゼロクロス点）として検出している。
【００３７】
一方で第２波形発生部１７での駆動では、ブラシレスＤＣモータ５の回転子位置（誘起電圧位相）とは無関係に同期モータとして任意の出力周波数を保持してオープンループで制御しているため、ブラシレスＤＣモータ５の速度や負荷状態によって、誘起電圧位相とインバータ３端子電圧位相が変化することになる。
【００３８】
同図（ｂ）は、速度に対する負荷状態が比較的大きい状態であり、誘起電圧位相に対し出力端子電圧位相は３０度進んだ状態で、（ｃ）は、速度に対する負荷が比較的小さい状態で誘起電圧位相に対する出力端子電圧の位相は１５度進んだ状態にある。
【００３９】
このように第２波形発生部１７での駆動では、一定速度で駆動する場合、負荷が大きいと出力端子電圧位相は誘起電圧位相に対し進み方向に推移していく（実際には転流に回転子がついて行くことになるので、端子電圧位相に対し誘起電圧が遅れていく）。
【００４０】
ここで、回転子の位置を検出するための誘起電圧ゼロクロスタイミングの検出について説明する。先に説明したように回転子の相対位置は誘起電圧が０Ｖとなる位置を検出している。
【００４１】
誘起電圧は任意の相の上下両方のスイッチング素子がオフ状態の時、端子電圧に現れる（図２の１ｂ，２ｂ，１ｃ，２ｃ，１ｄ，２ｄ）が誘起電圧と端子電圧との位相関係のズレにより、現れる誘起電圧の部分が異なってくる。
【００４２】
進角が０度の場合は誘起電圧のゼロクロスを中心として１５０度通電ではプラスマイナス１５度（（ｄ）に示す１２０度通電ではプラスマイナス３０度）の誘起電圧が現れるが、進角が大きくなるに従い誘起電圧のゼロクロスポイントは左方向にズレ、（ｃ）の様に進角１５度を超えると、誘起電圧のゼロクロスポイントはインバータの端子電圧では検出できなくなることが分かる。
【００４３】
言い換えると、進角１５度以下では、誘起電圧のゼロクロスポイントを検出できるということであり、第２波形発生部１７での駆動において進角が１５度以下となった時は、回転子の相対位置を検出しながらフィードバック制御を行う第１波形生成部１５での駆動が可能ということでもある。
【００４４】
したがって、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１７による駆動へスムーズに行こうさせる為には、誘起電圧のゼロクロスポイントを検出できることが必要十分条件であり、位置検出手段１２で検出した信号からの情報が、回転子の位置情報を検出できるものか否かを判断した上で、位置情報を取り出すことが必要である。
【００４５】
ここで位置検出手段１２による回転子の位置の検出動作について説明する。図３は本実施の形態の位置検出手段１２の動作を示すフローチャートである。
【００４６】
まずＳｔｅｐ１０１で、位置検出部１３によってインバータ３の出力端子電圧を取得する。Ｓｔｅｐ１０２では取得した電圧がインバータ入力の１／２電位ポイントを通過したか否かを判定する。
【００４７】
即ち誘起電圧が上昇するタイミング（図２（ｂ），（ｃ）において１ｂ，１ｃ区間）であれば、取得したインバータ入力の１／２電圧以上となったか否か、下降タイミングであれば（図２（ｂ），（ｃ）において２ｂ，２ｃ区間）取得した電圧がインバータ入力の１／２電圧以下となったか否かを判定する。
【００４８】
ここでインバータ入力の１／２電位に到達しない場合は、本動作を繰り返し、１／２電圧に到達した場合はＳｔｅｐ１０３に進む。
【００４９】
Ｓｔｅｐ１０３以降の動作は、位置検出可否判定手段１４による動作となり、前回取得した端子電圧値と今回の取得値との差異が所定値以内であるかを確認する。たとえば図２（ｂ）に示すｐ１のタイミングが前回取得した電圧レベルであったとして、今回取得したポイントはｐ２であるとする。
【００５０】
（ｂ）の状態は進角が１５度より大きい状態であるので、誘起電圧のゼロクロスタイミングは検出できない状態にあるため、ｐ２のポイントでインバータ出力端子電圧の１／２電位以上に到達したとき、前回値との偏差は大きくなる。
【００５１】
この場合、Ｓｔｅｐ１０４で取得した情報は回転子位置情報としての信憑性は無いと判断し、回転子の位置信号が取得できない為、現状の負荷状態および速度状態では位置信号に基づくフィードバック制御は出来ない状態として、第２波形発生部１７での駆動を継続し、以降本動作を繰り返す。
【００５２】
また、Ｓｔｅｐ１０３で前回取得したインバータ出力端子電圧値が図２（ｃ）で示すところのポイントｐ３であり、今回の取得値がインバータ入力端子電圧の１／２であった（同図ｐ４）場合は、前回値との偏差が小さく（所定の差異以内とする）Ｓｔｅｐ１０５に進むことになる。
【００５３】
Ｓｔｅｐ１０５では、検出した位置検出部１３からの信号は回転子の位置情報として認識する。これにより駆動速度と、位置情報をもとにスイッチング素子の転流タイミングを図ることで、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動に切り替える際、過電流等を抑制したスムーズな以降を実現できる。
【００５４】
以上の様に本実施の形態においては、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５と、三相巻線に電力を供給するインバータ３と、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれに準じる波形を出力する第１波形発生部１５と、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれに準じる波形を所定の周波数で出力する第２波形発生部１７と、所定速度以下の低速では第１波形発生部１５の出力を、所定速度を超える高速では第２波形発生部１７の出力をそれぞれ選択する切替判定部１８とを有し、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動に移行する場合は、通電角を１５０度以下とすることで、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動への移行の際、脱調停止や過電流発生を抑制することができ、高効率・高速・高トルクのモータ駆動装置の安定駆動性能を向上することができる。
【００５５】
また本実施の形態は、ブラシレスＤＣモータ５の回転子の相対位置をブラシレスＤＣモータ５の駆動により発生する誘起電圧から検出する位置検出手段１２を有し、第１波形発生部１５での駆動から第２波形発生部１７での駆動に移行する際は、位置検出手段１２によって検出したブラシレスＤＣモータ５の回転子の相対位置に対して所定のタイミングでインバータ５の通電相の切り替えを行うことで、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動に移る際、回転子の相対位置に対して適切な電圧位相でブラシレスＤＣモータ５に電圧を供給できるので、より確実な波形発生部の移行の実現と共に、さらなる信頼性を高めることができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、位置検出手段１２によって、ブラシレスＤＣモータ５の回転子の相対位置を現出できない場合は、第２波形発生部１７での駆動から第１波形発生部１５での駆動への移行を禁止した。
【００５７】
これにより通電角が１５０度以下の場合、誘起電圧のゼロクロスが検出できない時は、第１波形発生部１５での駆動は負荷が大きく不可能な状態であるため、第１波形発生部１５への移行を禁止することは、脱調停止や過電流発生の防止となり、モータ駆動装置の信頼性を大きく向上することができる。
【００５８】
また、ブラシレスＤＣモータ５を冷凍空調サイクルの圧縮機７の駆動に用いることで、上記効果をもつ冷凍空調サイクルを提供することができる。
【００５９】
また、モータ駆動装置を冷蔵庫の圧縮機７の駆動に用いたことで、冷蔵庫の消費電力量の削減が可能となると共に、庫内温度や外気温度が高い高負荷状態での高速駆動も可能となり冷却性能を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によるモータ駆動装置は、高効率、高速、高トルクなモータ駆動装置を提供できるので、空気調和機や洗濯機、掃除機をはじめとしたモータを使用した白物家電や、ＤＶＤプレーヤー等のＡＶ機器、油圧ポンプ等の産業機器等、ブラシレスＤＣモータを使用した幅広い用途での適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図
【図２】同実施の形態のモータ駆動装置におけるブラシレスＤＣモータの固定子巻き線に発生する誘起電圧の波形とインバータの出力端子電圧の波形との関係を示すタイミングチャート
【図３】同実施の形態のモータ駆動装置における位置検出手段の動作を示すフローチャート
【図４】従来のモータ駆動装置のブロック図
【符号の説明】
【００６２】
３    インバータ
５    ブラシレスＤＣモータ
７    圧縮機
１２  位置検出手段
１５  第１波形発生部
１７  第２波形発生部
１８  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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