(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室外ファンを有する室外機を備えた空気調和機であって、
複数のスイッチング素子から構成されるインバータと、
前記インバータにより１８０度通電方式で駆動されるとともに、前記室外ファンを駆動する電動機と、
前記インバータの直流側に設けられた抵抗と、
前記電動機の３相の線間電圧をアナログ値で検出する手段と、
前記電動機の駆動前の外乱による前記室外ファンの回転により発生する前記抵抗に掛かる電圧の変化から前記電動機の３相の線間電圧をアナログ値で検出することにより、前記インバータのスイッチングによる前記電動機の駆動前に前記電動機のロータの回転方向，回転速度及び磁極位置を検出する前記電動機の制御装置と、
を備えた空気調和機。
【請求項２】
請求項１において、前記電動機の３相の線間電圧を各相に設けられたスイッチを切り替えることにより、マイコンの同一ポートで前記アナログ値を検出する電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ回路において、１本の過電流検出用抵抗によって３相（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）の合成電流を検出することで、マイコン内部演算によって磁極位置を推定して通常駆動時は位置センサレス駆動方式で１８０度通電制御（正弦波変調）を行う電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石回転子と固定子巻線とを備えた永久磁石同期モータが、高効率であることから空気調和機など家電製品に多く用いられている。この永久磁石同期モータの駆動制御は、回転子の磁極位置とモータ電流の位相とを密接に関係付けて行う事が必要である。近年では、モータ制御の高効率化が進んでおり、ホール素子等のロータ位置検出センサを用いてロータ磁極位置検出を行うことなく、１本の過電流検出用シャント抵抗によって電流検出を行いマイコン内部でＡ／Ｄ変換することにより磁極位置を推定して１８０度通電方式によってモータ駆動する位置センサレス駆動方法が採用されている。
【０００３】
ところで、洗濯機において、制御系に所定の異常が発生したときに、インバータによるモータの駆動を一旦停止するが、その後制御を再開する場合、同期モータが慣性で回転しており、ロータの磁極位置を特定できなくなってしまう。このような問題を解決するため、特許文献１において、モータの磁極位置センサを設けることにより、位置が検出され、インバータによる駆動が可能になることが記載されている。
【０００４】
一方で、この特許文献１には、磁極位置センサを設けないセンサレス駆動方式についても記載されている。上記のような状態に陥ったとき、回転子が有する慣性によって急速に回転速度が低下しないことを利用して、異常発生直前の回転周波数を記憶しておき、この位置を用いて運転を再開することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６４５３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、空気調和機の室外機に設けられる室外ファンを駆動する同期電動機の場合、インバータによるモータ起動前に風によりファンが勝手に回転している場合がある。このような場合に、電動機の駆動をシャント抵抗１本で磁極位置を推定しているセンサレスベクトル制御で行っていると、この磁極位置の推定は、インバータがスイッチングするタイミングから現在シャント抵抗に流れている電流が如何なる電流であるかを論理的に導き出す制御であるために、インバータのスイッチ素子がオンオフされていない状態では、モータの誘起電圧による電流がいかなる電流であるかを特定することができない。また、従来技術のように、直前もインバータによるモータ制御が実行されているわけではないので、直前の回転周波数を読み込んで推定することは不可能である。
【０００７】
モータ効率の向上のためにホール素子を使用し、位置検出を行って制御するか（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相各相にシャント抵抗を設けた方式で１８０度通電方式を行った場合は、３本のシャント抵抗と３つの電流検出回路が必要になるため、部品の点数が大幅に増え、モータ制御システムが高価になってしまううえ、広い実装スペースを必要とする。
【０００８】
本発明の目的は、外乱によってモータが勝手に回ってしまう可能性がある用途に使用するモータに関しても（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相各相の合成電流を１本の過電流検出用シャント抵抗で検出することで１８０度通電方式を適用することができる電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、室外ファンを有する室外機を備えた空気調和機であって、
複数のスイッチング素子から構成されるインバータと、前記インバータにより１８０度通電方式で駆動されるとともに、前記室外ファンを駆動する電動機と、前記インバータの直流側に設けられた抵抗と、前記電動機の３相の線間電圧をアナログ値で検出する手段と、前記電動機の駆動前の外乱による前記室外ファンの回転により発生する前記抵抗に掛かる電圧の変化から前記電動機の３相の線間電圧をアナログ値で検出することにより、前記インバータのスイッチングによる前記電動機の駆動前に前記電動機のロータの回転方向，回転速度及び磁極位置を検出する前記電動機の制御装置と、を備えることにより達成される。
【００１０】
また上記目的は、前記電動機の３相の線間電圧を各相に設けられたスイッチを切り替えることにより、マイコンの同一ポートで前記アナログ値を検出する電動機の制御装置とすることにより達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、外乱によってモータが勝手に回ってしまう可能性がある用途に使用するモータに関しても（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相各相の合成電流を１本の過電流検出用シャント抵抗で検出することで１８０度通電方式を適用することができる電動機の制御装置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】
以下、本発明の永久磁石同期モータを使用したモータ制御装置の実施例を、図１〜図５を用いて説明する。
【００１３】
空気調和機の室外機を示す図２において、室外機は屋外に設置されるため風にさらされる。このため、ファンモータ８を駆動しなくても、ファン７は風向きによって正転若しくは逆転し、風速によって様々な回転数で回転する。
【００１４】
一方、室外機ユニット自体を小型化し尚且つ低コストを実現する必要がある。そのため搭載されている電気品も限られた小さなスペースに安価で高効率な電気品を作成しなくてはならない。そこで室外ファンモータ８の制御方式を図１に示すように１本の過電流検出用シャント抵抗によって、インバータモジュール（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相各相に流れる合成電流を検出する方法を用いる。これにより、磁極位置センサや電動機の各相に電流検出用の抵抗を設ける必要がなくなる。合成した電流をオペアンプと数本の抵抗によって構成される差動増幅器によって増幅し、その値をマイコンのＡ／Ｄポートに入力することで、マイコン内部でＡ／Ｄ変換を行い、その値からモータ電流を再現する。
【００１５】
制御の詳細は、マイコン内部で直流電流が流れていない位相もＡ／Ｄ変換し、その結果と直流が流れている位相でのＡ／Ｄ変換結果とを組み合わせ、直流電流検出回路の出力に含まれているオフセット電圧を除去し、ＰＷＭ信号のパルス幅を検出できるパルス幅に広げるためにキャリア周波数を変化させたり、また過去に得た直流電流情報から再現したモータ電流とを組み合わせて、現時点のインバータの出力電流を推定して制御している。図７に示すセンサレス運転部に示すように（Ｓ１３）で１本の過電流検出用シャント抵抗から３相の合成電流をマイコンＡ／Ｄポートで検出し（Ｓ１４）でマイコン内部でＡ／Ｄ変換を行い、(Ｓ９)でモータ電流を再現する。その再現したモータ電流情報を元に(Ｓ１０)で発生させたＰＷＭ信号を（Ｓ１１）でドライバに入力し、（Ｓ１２）インバータモジュールを制御している。この方法では、通常駆動時には位置検出を行う必要がないため、
１８０度通電方式（図３）によって制御可能となる。１８０度通電方式では、正弦波電圧をモータ巻線に印加して駆動する方法で、モータ電流を滑らかに変化させる為、モータの力率を大幅に改善できるため高効率化を実現でき、１５０度または１２０度通電のように転流に伴いモータ出力トルクの脈動が発生しない。そのことによって、振動と騒音の低減を実現した。
【００１６】
通常はこの制御方式のみでモータ駆動することが可能なのだが、空気調和機の室外ファンモータ８の場合、起動前に風などの外乱によって勝手にファンが回っている状態にあるケースがある。その場合、起動時のロータの位相と回転周波数が判らないため、この制御だけではモータ起動することができない。
【００１７】
そこで、インバータ回路２がスイッチングする前に同期モータ３の誘起電圧を検出する回路を追加することでロータ磁極位置と回転速度と回転方向を検出する。これにより、起動時に外乱が入っても所望の回転速度に制御する事が可能となる。
【００１８】
磁極位置検出方法は、従来、数通りの方法が採用されており、例えば特公昭５９−
３６５１９号公報には、モータが回転することにより発生する誘起電圧を１次フィルタに通すことにより誘起電圧に対してほぼ９０度の位相関係を持つ３つの三角波状信号に変換し、これら３つの三角波状信号を星型結線した抵抗に導通させて、星型結線の中性点電圧とこれらの三角波状信号とを比較器で大小比較し、比較器から得られたパルス信号に応じてモータ駆動制御している。
【００１９】
これには、１次フィルタを利用し誘起電圧を検出した場合モータの回転数が低く場合位相差が大きくなってしまうという問題があり、特開２０００−１４１８７号公報には、比較器によって比較する電圧を安定させるため直流電源電圧の１／２の電圧と比較し、各相のロータ磁極位置検出信号を形成し、モータ駆動制御を行っている。
【００２０】
しかしいずれの場合も、１２０度通電か１５０度通電方式を採用しており、無通電区間に上記に示す位置検出回路によって線間の誘起電圧を検出し起動時と通常運転時にロータの磁極位置検出を行って制御している。１２０度通電や１５０度通電方式では、無通電区間が各相に存在する。起動時は、インバータモジュールがＯＮしていないので誘起電圧を検出することができる。通常駆動中には、電流が流れていない相（無通電区間にある相）に発生するモータの回転によって発生する誘起電圧を検出することができる。この様にロータの磁極位置検出と回転速度と回転方向を検出しモータ制御をおこなっている。
【００２１】
本実施例においては、誘起電圧の検出回路は、マイコンのＡ／Ｄポートに（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相に発生する誘起電圧を直接入れて、マイコン内部でＡ／Ｄ変換することにより再現したモータ電流から、モータのロータ磁極位置と回転速度と回転方向を算出する方式としている。
【００２２】
しかし、マイコン４ａのＡ／Ｄポートの本数が不足している場合には、図４に示す回路によってトランジスタとダイオードを使用する事により、１本のＡ／Ｄポートで検出することが可能である。
【００２３】
図６を用いてその検出原理を説明する。風によってファンが回転させられ、同期モータ３が勝手に回転している場合も、ロータの磁石が固定子巻線を横切るので誘起電圧が発生し、この電圧のためにインバータ回路２を介して電流が流れる。例えば、図示の如く電圧が発生している場合、Ｕ相巻線からの電流はインバータのＵ相の還流ダイオード，電源，シャント抵抗を介してＷ相下アームの還流ダイオードを通って、Ｗ相巻線に至る。同様に、Ｖ相巻線からの電流は、インバータのＶ相の還流ダイオード，電源，シャント抵抗，Ｗ相下アームの還流ダイオードを介してＷ相巻線に至る。
【００２４】
このとき、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３を所定の順序で１つだけオフする。つまり、他２つはオン状態となる。これを、同期モータ３の回転周波数よりも十分に高い周波数で行う。従って、Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３の順で順次オフ動作を行った場合、ほぼその瞬時の誘起電圧を検出することができる。
【００２５】
図４，図６において、Ｉ／Ｏポートによって、仮にＴｒ１をＯＦＦした場合はＲ１によって検出したＵ相の誘起電圧ＶunがＤ１のダイオードを通過しＡ／Ｄポートで検出することができる。この場合、同期モータ３のＷ相が基準電圧（アース）となりＷ相巻線及びＵ相巻線の合成誘起電圧が検出される。次にＴｒ１をオンしてＴｒ２をオフすると、Ｗ相の端子が基準電位となるＷ相巻線及びＶ相巻線の合成誘起電圧が検出される。次に、Ｔｒ２をオンし、Ｔｒ３をオフすると、この電位はインバータ回路２のＷ相下アームの還流ダイオードがオンしているためアース電位となり検出用抵抗Ｒ１には電流が流れず０電圧が検出されることとなる。この状態が、図７（ａ）における、２７０度から３０度の期間である。各相の電圧波形に山が２つある理由は、図７（ｂ）において、Ｗ相の２７０度から
３０度は負極となり、例えば、正極となるＵ相に現れる電圧は、Ｗ相巻線とＵ相巻線の合成電圧であることから、線間電圧が検出されることとなる。Ｗ相の端子は、アース電位であり、このアースを基準として線間電圧を検出しているので、基準電位が同期モータ３のＷ相端子電圧の時間変化に従って変化する。すなわち、正弦波状に変化するＷ相端子電圧を０電位としたため、合成電圧であるＵ相，Ｖ相端子電圧は、図７（ａ）の如く変化するのである。
【００２６】
このようにトランジスタのＯＮ・ＯＦＦの動作を高速で切り替えることにより、１本のＡ／Ｄポートで３相の瞬時の誘起電圧を検出することができ、この三相の誘起電圧をトレースすることによって、図７（ａ）のようなグラフが描けることとなる。これによって、ロータの回転方向，回転速度，磁極位置を検出することができる。
【００２７】
回転方向は、ＵＶＷの出現順序により、回転速度はこれら波形の周波数により、磁極位置はそれぞれの位相によって判別することができる。
【００２８】
このフローを図５に基づいて説明する。位置検出部で（Ｓ１）で線間誘起電圧を検出し、（Ｓ２）でＲＣ構成によりノイズフィルタを設けてノイズを除去する。但し十分にノイズを低減する検出回路となっているが、フィルタで除去できるノイズには限界があり、検出した誘起電圧にノイズがのって検出したデータが若干ずれる可能性がある。そのため一定値以下の検出値はノイズと判定し、誤判定を行わないようにしている。
【００２９】
また、（Ｓ５）（Ｓ６）で電圧のα・β変換を行い電圧位相を算出する。そのデータから、（Ｓ７）位相差を演算し（Ｓ３）その位相総和値ΔΦSUM が正の場合正転状態・０の場合停止状態・負の場合逆転状態と回転方向を判定する。（Ｓ３）の判定値と（Ｓ６）の演算値から（Ｓ８）でロータ位相を決定する。また（Ｓ３）の判定値から（Ｓ４）で周波数変換を行い、回転数を検出する。ここで算出した回転数が停止又は若干の回転と判断した場合は、ロータの位置決めを行い、ロータ位置を１度固定してから、起動する。また算出した回転方向が逆転と判断した場合、制御によってブレーキを掛け、正転へと移行し、所望の回転数で駆動する。
【００３０】
さらに算出した回転方向が正転と判断した場合、１度停めることなくそのままロータ位置を合わせＰＷＭ通電を開始し、所望の回転数で駆動する。
【００３１】
この１本の過電流検出用シャント抵抗による電流検出方式と誘起電圧方式を組み合わせて採用することにより、空気調和機の外乱によって空転する可能性がある室外ファンモータを、少ない実装スペースで、安価かつ高効率・低振動で所望の回転速度に制御することが可能なモータ駆動回路を実現することができる。
【００３２】
以上本実施例で説明したとおり、この制御方式では通常運転時は、１本の１シャント抵抗で（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相各相の合成電流を検出することによって１８０通電制御を行い、外乱などによって勝手にファンが回っている状態では、起動時のみインバータがスイッチングする前に誘起電圧検出を行い、ロータ磁極位置と回転周速度と回転方向を算出しその位相にあわせ１８０度通電制御をおこなう。
【００３３】
上記に示す外乱などによってロータが空転している可能性がある用途に使用するモータに関して（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）３相各相に流れる電流を合成した電流を１本の過電流検出用シャント抵抗によって検出する方式と、起動時のみインバータがスイッチングする前に誘起電圧検出を行い、ロータ磁極位置と回転周速度と回転方向を算出する２つの方式を合わせたモータ制御方法により、小スペースに実装可能・安価でかつ高効率・低振動で安定した始動と所望の回転速度に制御することが可能となるといった効果を有する。
【００３４】
尚、図１において、誘起電圧を検出してそれを電流に置き換えている理由は、元々180度通電のベクトル制御にてモータ電流を作成しており、これを利用して誘起電圧によるロータの動きを掴むためである。
【００３５】
また以上は、外乱などによってロータが空転している場合にロータの磁極位置検出を行うために、発生する３相（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）の誘起電圧をマイコンのＡ／Ｄポート１ポートで検出する方式を説明したが、３相（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）の誘起電圧をマイコンのＡ／Ｄポートに直接入力し、マイコン内部でＡ／Ｄ変換するようにしても効果は同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】１本のシャント抵抗による電流検出と誘起電圧検出のモータ制御装置のブロック図。
【図２】空気調和機の室外ユニット図。
【図３】１８０度通電方式と１２０度通電方式の違いを示す図。
【図４】ＡＤポート１ポートで誘起電圧検出を行う回路図。
【図５】１シャント＋位置検出モータ制御のフローチャート。
【図６】誘起電圧検出の原理を説明する図。
【図７】誘起電圧の検出波形を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１…直流電源、２…インバータ回路、３…同期モータ、４…制御回路、４ａ…マイコン、５…シャント抵抗、６…ファンモータ支え、７…ファン、８…ファンモータ、９…電気品。
【図１】
0005193421.tif 000002
【図２】
0005193421.tif 000003
【図３】
0005193421.tif 000004
【図４】
0005193421.tif 000005
【図５】
0005193421.tif 000006
【図６】
0005193421.tif 000007
【図７】
0005193421.tif 000008