(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、前記交流電源に接続した整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され撹拌翼あるいは洗濯兼脱水槽を駆動するとともに回転子が永久磁石から構成された直流ブラシレスモータと、前記直流ブラシレスモータの電気角６０度ごとのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、前記直流ブラシレスモータの電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ロータ位置検出手段の出力信号とキャリヤ信号よりロータ位置電気角を演算し、前記ロータ位置電気角に応じて前記直流ブラシレスモータの電流を前記永久磁石の磁束に対応した電流成分と前記永久磁石の磁束に対応した電流成分と直角関係となるトルクに対応した電流成分に分解し、前記直流ブラシレスモータの制御行程に応じて前記磁束に対応した電流成分と前記トルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにし、前記直流ブラシレスモータの低速回転時に前記磁束に対応した電流成分をほぼ零となるように制御し、前記直流ブラシレスモータの高速回転時に前記磁束に対応した電流成分を負の方向に増加させるようにした洗濯機のモータ駆動装置。
【請求項２】
制御手段は、直流ブラシレスモータの回転起動時に前記直流ブラシレスモータの回転を制御する起動制御手段を備え、前記直流ブラシレスモータの回転起動時には前記直流ブラシレスモータへの印加電圧を直接制御し、その後、回転数に応じて永久磁石の磁束に対応した電流成分と前記永久磁石の磁束と直角関係となるトルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにした請求項１記載の洗濯機のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ回路によりモータを駆動する洗濯機のモータ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、洗濯機のモータをインバータ回路によりベクトル制御してモータ性能を向上させるものが提案されている。
【０００３】
従来、この種の洗濯機は、特開平１１−９００８８号公報に示すように構成していた。すなわち、３相誘導電動機により洗濯槽の下部の撹拌翼、あるいは脱水槽を駆動し、モータ電流を検出してトルク電流成分と励磁電流成分をそれぞれ独立にベクトル制御してインバータ回路により駆動するようにし、３相誘導電動機の低速回転時におけるトルクを増加させて直流ブラシレスモータとほぼ同じトルク特性で運転させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の構成では、３相誘導電動機の低速回転時におけるトルクの改善は可能であるが、モータ効率の改善は困難であり、かつ、３相誘導電動機は効率が悪いため大電流が流れてモータ騒音が大きくなる欠点があった。
【０００５】
本発明は上記従来課題を解決するもので、モータのトルク−回転数特性を変えることで定トルク制御ができるようにし、高速回転時のトルクアップ、あるいは、低速回転時の効率改善を可能とし、モータを小型化するとともに省エネルギーを実現することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、交流電源に接続した整流回路の直流電力をインバータ回路により交流電力に変換して回転子が永久磁石から構成された直流ブラシレスモータに加え、直流ブラシレスモータにより撹拌翼あるいは洗濯兼脱水槽を駆動し、ロータ位置検出手段により直流ブラシレスモータの電気角６０度ごとのロータ位置を検出し、電流検出手段により直流ブラシレスモータの電流を検出し、制御手段によりインバータ回路を制御するよう構成し、制御手段は、ロータ位置検出手段の出力信号とキャリヤ信号よりロータ位置電気角を演算し、ロータ位置電気角に応じて直流ブラシレスモータの電流を永久磁石の磁束に対応した電流成分と永久磁石の磁束に対応した電流成分と直角関係となるトルクに対応した電流成分に分解し、直流ブラシレスモータの制御行程に応じて磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにし、直流ブラシレスモータの低速回転時に磁束に対応した電流成分をほぼ零となるように制御し、直流ブラシレスモータの高速回転時に磁束に対応した電流成分を負の方向に増加させるようにしたものである。
【０００７】
これにより、直流ブラシレスモータのトルク−回転数特性を変えることができ、定トルク制御が可能となり、高速回転時のトルクアップが可能となり、正確な弱め界磁制御ができるとともに、低速回転時の効率改善による最大効率運転が可能となるので、直流ブラシレスモータを小型化できるとともに省エネルギーを実現することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源に接続した整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され撹拌翼あるいは洗濯兼脱水槽を駆動するとともに回転子が永久磁石から構成された直流ブラシレスモータと、前記直流ブラシレスモータの電気角６０度ごとのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、前記直流ブラシレスモータの電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ロータ位置検出手段の出力信号とキャリヤ信号よりロータ位置電気角を演算し、前記ロータ位置電気角に応じて前記直流ブラシレスモータの電流を前記永久磁石の磁束に対応した電流成分と前記永久磁石の磁束に対応した電流成分と直角関係となるトルクに対応した電流成分に分解し、前記直流ブラシレスモータの制御行程に応じて前記磁束に対応した電流成分と前記トルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにし、前記直流ブラシレスモータの低速回転時に前記磁束に対応した電流成分をほぼ零となるように制御し、前記直流ブラシレスモータの高速回転時に前記磁束に対応した電流成分を負の方向に増加させるようにしたものであり、直流ブラシレスモータのモータ電流を検出して、磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分に分解してベクトル制御することで、低速回転ではトルクに対応した電流成分をほぼ零となるようにして最大効率で制御し、高速回転では磁束に対応した電流成分を負の方向に増加させて弱め界磁制御を行うことにより電流を大きくして最大トルク制御を行うことで、直流ブラシレスモータのトルク−回転数特性を変えることができ、定トルク制御が可能となり、高速回転時のトルクアップ、あるいは、低速回転時の効率改善による最大効率運転が可能となるので、直流ブラシレスモータを小型化できるとともに省エネルギーを実現することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の発明において、制御手段は、直流ブラシレスモータの回転起動時に前記直流ブラシレスモータの回転を制御する起動制御手段を備え、前記直流ブラシレスモータの回転起動時には前記直流ブラシレスモータへの印加電圧を直接制御し、その後、回転数に応じて永久磁石の磁束に対応した電流成分と前記永久磁石の磁束と直角関係となるトルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにしたものであり、電流フィードバック制御への移行を滑らかにして回転数の異常上昇を抑えるだけではなく、電流検出手段に低価格の交流電流トランスを使用することができるので、高性能低価格のモータ駆動装置を実現できる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施例１）
図１に示すように、交流電源１は、整流回路２に交流電力を加え、整流回路２は整流器２０とコンデンサ２１により直流電力に変換し、直流電圧をインバータ回路３に加える。
【００１２】
インバータ回路３は、６個のパワースイッチング半導体と逆並列ダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路により構成し、通常、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と逆並列ダイオードおよびその駆動回路と保護回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュール（以下、ＩＰＭという）で構成している。インバータ回路３の出力端子にモータ４を接続し、撹拌翼（図示せず）または洗濯兼脱水槽（図示せず）を駆動する。
【００１３】
モータ４は直流ブラシレスモータにより構成し、回転子を構成する永久磁石と固定子との相対位置（回転子位置）をロータ位置検出手段４ａにより検出する。ロータ位置検出手段４ａは、通常、３個のホールＩＣにより構成し、電気角６０度ごとの位置信号を検出する。電流検出手段５は、モータ４の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出するもので、通常は直流電流を含む低周波数から測定可能な直流電流トランスを用いる。しかし、後述するように、交流電流トランスでも検出可能である。また、３相モータの場合、２相の電流を求め、キルヒホッフの法則（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０）より残りの１相を求める方法が一般的である。
【００１４】
制御手段６は、インバータ回路３を制御するもので、マイクロコンピュータと、マイクロコンピュータに内蔵したインバータ制御タイマー（ＰＷＭタイマー）、高速Ａ／Ｄ変換回路、メモリ回路（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等より構成し、ロータ位置検出手段４ａの出力信号より電気角を検知する電気角検知手段６０と、電流検出手段５の出力信号と電気角検知手段６０の信号より磁束に対応した電流成分Ｉｄとトルクに対応した電流成分Ｉｑに分解する３相／２相ｄｑ変換手段６１と、ロータ回転数を検知する回転数検知手段６２と、静止座標系から回転座標系に変換、あるいは逆変換するに必要な正弦波データ（ｓｉｎ、ｃｏｓデータ）を格納する記憶手段６３と、磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑを３相モータ駆動制御電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換する２相／３相ｄｑ逆変換手段６４と、３相モータ駆動制御電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに応じてインバータ回路３のＩＧＢＴのスイッチングを制御するＰＷＭ制御手段６５より構成される。
【００１５】
さらに、洗い行程、あるいは脱水行程に応じてモータ４の起動、回転停止、および制動等を制御する行程制御手段６６と、回転数検知手段６２の出力信号に応じてモータ５の回転数を制御する回転数制御手段６７と、行程制御手段６６と回転数制御手段６７からのｄ軸（ｄｉｒｅｃｔ−ａｘｉｓ）電流設定信号Ｉｄｓ、ｑ軸（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ａｘｉｓ）電流設定信号Ｉｑｓと、３相／２相ｄｑ変換手段６１より演算したＩｄとＩｑを比較しモータ電流を制御するための磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑを演算するモータ電流制御手段６８と、布量検知手段６９とより構成される。
【００１６】
トルクに対応したｑ軸電流Ｉｑが設定値Ｉｑｓとなるようにフィードバック制御することにより定トルク制御が可能となる。しかし、回転数が上昇するとモータ誘起電圧が上昇してトルク電流Ｉｑが増加しなくなるので、回転数に応じてｄ軸電流を増加させるとｑ軸電流も増加させることができ、トルクを増加させることができる。
【００１７】
図２は各部の波形関係を示し、ロータ位置検出手段４ａの出力信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のエッジ信号は６０度ごとに変化して、各部状態信号より３６０度を６分割した角度が判別できる。信号Ｈ１がローからハイとなるハイエッジを基準電気角０度として示し、モータ４のＵ相巻線誘起電圧Ｅｃは、基準信号Ｈ１から３０度遅れた波形となる。Ｕ相モータ電流Ｉｕとモータ誘起電圧Ｅｃの位相を同じにすると最大効率が得られる。モータ誘起電圧Ｅｃがｑ軸と同等軸となり、ｄ軸は９０度遅れている。ｑ軸電流はモータ誘起電圧位相と同相なのでトルク電流と呼ばれる。
【００１８】
図２において、Ｕ相モータ電流Ｉｕは、Ｕ相巻線誘起電圧Ｅｃよりわすがに進んで、モータ印加電圧ＶｕはＵ相巻線誘起電圧Ｅｃより３０度進んだ波形を示す。ｖｃはＰＷＭ制御手段６５内で生成される鋸歯状波形のキャリヤ信号で、ｖｕは正弦波状のＵ相制御電圧でキャリヤ信号ｖｃとＵ相制御電圧ｖｕを比較したＰＷＭ信号ｕをＰＷＭ制御手段６５内で発生させ、インバータ回路３のＵ相上アームトランジスタの制御信号として加える。ｃｋはキャリヤ信号ｖｃの同期信号で、キャリヤカウンタがカウントアップしてオーバーフローしたときの割込信号である。
【００１９】
モータ３のロータ磁石軸とステータの磁束軸が一致した電気角をｄ軸として基準電気角０度として静止座標系から回転座標系への座標変換、すなわち、ｄｑ変換を行うので、電気角検知手段６０は、ロータ位置検出手段４ａの出力信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３より３０度、９０度、１５０度等の電気角を検知し、６０度毎以外は推定により電気角θを求める。
【００２０】
一般的に、磁束に対応した電流成分をｄ軸電流Ｉｄと呼び、永久磁石の磁束と界磁の磁束が同軸上で永久磁石が界磁に吸引された状態なのでトルクは零となる。また、ｄ軸から電気角で９０度の角度で誘起電圧位相と同じ位相となりトルク最大となる軸をｑ軸と呼び、トルクに対応した電流成分なのでｑ軸電流Ｉｑと呼ぶ。さらに、ｄ軸電流を負の方向に増加させるとｄ軸上の界磁磁束を弱めることと等価となるので弱め界磁制御と呼ばれる。また、ｄ軸電流とｑ軸電流に分解してそれぞれ独立に制御するのでベクトル制御と呼ばれる。
【００２１】
３相／２相ｄｑ変換手段６１は、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを（数１）によりｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換するもので、電気角θに対応して検出したモータ電流瞬時値よりＩｄ、Ｉｑを演算する。
【００２２】
【数１】
0004103354.tif 000002
【００２３】
記憶手段６３には図３に示すｓｉｎθとｃｏｓθのデータを記憶しているので、電気角データに対応したデータを呼び出して積和演算を行うことにより、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに分解できる。電気角θの検知とモータ電流瞬時値の検出はキャリヤ信号に同期して行うもので、後ほどフローチャートに従い詳細な説明を行う。
【００２４】
回転数検知手段６２は、ロータ位置検出手段４ａの出力基準信号Ｈ１よりモータ回転数を検知し、回転数信号を行程制御手段６６、回転数制御手段６７、および布量検知手段６９に加える。行程制御手段６６は、モータ３の起動制御と回転数の設定、および回転数に応じたｄ軸電流の設定を行い、回転数制御手段６７に回転数設定信号Ｎｓを加え、モータ電流制御手段６８にｄ軸設定信号Ｉｄｓを加える。
【００２５】
回転数制御手段６７は、検知回転数Ｎと回転数設定信号Ｎｓを比較する回転数比較手段６７ａと、回転数Ｎと設定回転数Ｎｓとの誤差信号ΔＮと、回転数の変化率（加速度）に応じてｑ軸電流設定値Ｉｑｓを制御するトルク電流設定手段６７ｂより構成し、モータ４のトルクに対応したｑ軸電流Ｉｑが設定値Ｉｑｓとなるように制御する。
【００２６】
モータ電流制御手段６８は、３相／２相ｄｑ変換手段６１の出力信号Ｉｑ、Ｉｄと設定信号Ｉｑｓ、Ｉｄｓをそれぞれ比較して制御電圧信号Ｖｑ、Ｖｄを出力するもので、ｑ軸電流比較手段６８ａ、ｑ軸電圧設定手段６８ｂ、ｄ軸電流比較手段６８ｃ、ｄ軸電圧設定手段６８ｄより構成し、ｑ軸電流とｄ軸電流をそれぞれ制御する電圧信号Ｖｑ、Ｖｄを生成する。
【００２７】
２相／３相ｄｑ逆変換手段６４は、電圧信号Ｖｑ、Ｖｄより３相モータ駆動制御電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを（数２）より演算するもので、キャリヤ信号に同期して、電気角検知手段６０により検知した電気角θに対応した正弦波状の信号をＰＷＭ制御手段に加える。記憶手段６３に記憶したｓｉｎθ、ｃｏｓθの積和演算の方法は、３相／２相ｄｑ変換手段６１の演算とほぼ同じである。
【００２８】
【数２】
0004103354.tif 000003
【００２９】
上記構成において動作を説明する。図４は、本発明による洗い行程のフローチャートで、ステップ１００より洗い行程が開始し、ステップ１０１にて洗い行程の各種初期設定を行い、つぎにステップ１０２に進んで洗濯兼脱水槽内の布量検知を行う。布量検知の方法は、通常、モータ４により撹拌翼を駆動してモータ４の回転数の立ち上がり速度、あるいは、モータ４駆動停止後のモータ４の惰性回転数を検知することにより布量を検知する。
【００３０】
つぎに、ステップ１０３に進んで布量に応じた水位、水流等を設定し、ステップ１０４に進んで給水弁（図示せず）を駆動し、つぎにステップ１０５に進んで洗濯兼脱水槽内の水位が設定水位に達したかどうか判定する。設定水位に達するとステップ１０６に進んで給水弁をオフし、達しなければ給水弁をオンしつづける。
【００３１】
ステップ１０７より撹拌行程に入り、ステップ１０７にて正転か反転かのフラグを判定し、正転ならばステップ１０８に進んでモータ正転駆動を行い、反転ならば、ステップ１０９に進んでモータ反転駆動を行う。モータ駆動の詳細フローチャートについては図６のモータ駆動サブルーチンで説明する。
【００３２】
モータ駆動サブルーチンを実行して所定時間撹拌翼を回転させた後、ステップ１１０に進んで正反転フラグを制御し、つぎにステップ１１１に進んで所定時間モータ４を停止させた後、ステップ１１２に進んで洗い行程が終了したかどうか判定し、洗い行程終了ならば次行程に進み、終了しなければステップ１０７に戻る。
【００３３】
図５は脱水行程のフローチャートで、ステップ１２０より脱水行程が開始し、ステップ１２１は脱水行程の最大設定回転数Ｎｓｍａｘ、あるいは、脱水回転数の立ち上げ速度等の各種初期設定を行い、つぎにステップ１２２に進んで回転数設定を行い、時間とともに設定回転数を高くする制御を行う。
【００３４】
つぎに、ステップ１２３に進んで、図６に示すモータ駆動サブルーチンを実行し、ステップ１２４にてモータ４の設定回転数Ｎｓが最大値Ｎｓｍａｘに達したかどうか判定し、最大設定値Ｎｓｍａｘに達するとステップ１２５に進んでモータ回転数Ｎが最大設定値Ｎｓｍａｘとほぼ等しくなっているかどうか判定し、回転数Ｎが所定回転数以内に達しなければ、ステップ１２６に進んでｄ軸電流設定値Ｉｄｓを負の方向に増加させステップ１２７に進み、モータ回転数Ｎと最大設定値Ｎｓｍａｘがほぼ等しければステップ１２６を実行せずにステップ１２７へジャンプする。
【００３５】
ステップ１２７は脱水行程の終了判定で、終了ならばステップ１２８に進んで制動行程を行う。制動行程１２８は、モータ駆動サブルーチンの中でトルク指令を負にするだけでよい。すなわち、ｑ軸電流を負に設定すればモータ４はブレーキ運転になる。ただし、適当なｄ軸電流を設定しないと発電エネルギーが直流電源側に回生して高電圧直流電圧が発生し、整流回路２とインバータ回路３のパワー半導体を破壊する。
【００３６】
図６はモータ駆動サブルーチンのフローチャートで、ステップ２００よりモータ駆動サブルーチンが開始する。ステップ２０１はサブルーチン実行の最初に実行する初期設定で、メインルーチンからのパラメータの受け渡しと各種設定を実行し、つぎにステップ２０２に進んで回転起動制御を行う。ステップ２０１、２０２は最初に一回だけ実行する。
【００３７】
起動制御は、回転数フィードバック制御ができない起動時に、所定のモータ印加電圧に設定して１２０度通電するものであり、低いモータ印加電圧から高い電圧まで時間経過とともに電圧を上昇させるソフトスタートを行う。
【００３８】
つぎに、ステップ２０３に進んでキャリヤ信号割込の有無を判定する。キャリヤ信号割込とは、ＰＷＭ制御手段６５のキャリヤカウンタがオーバーフローすると割込信号ｃｋを発生させるもので、割込信号ｃｋが発生するとステップ２０４に進んでキャリヤ信号割込サブルーチンを実行する。
【００３９】
図７には、キャリヤ信号割込サブルーチンの詳細フローチャートを示し、ステップ３００よりサブルーチンが開始し、ステップ３０１にて割込信号ｃｋをカウントする。つぎにステップ３０２に進んでロータ位置電気角θを演算する。ロータ位置信号θは、別途求めたキャリヤ信号１周期当たりの電気角Δθとキャリヤカウンタのカウント値ｋを掛けた値ｋ・Δθを、ロータ位置検出手段４ａより検知できる６０度毎の電気角φを加えることで推定する。
【００４０】
モータ４を８極、キャリヤ周波数を１５．６ｋＨｚ、回転数を９００ｒ／ｍとするとモータ駆動周波数は６０Ｈｚとなり、電気角６０度内のキャリヤカウンタカウント値ｋは約４３となる。よって、Δθは約１．４度となる。モータ回転数が低い程、電気角６０度内のカウント値ｋは高くなり演算上の電気角検知分解能は向上するので、回転数が低く精度が要求される場合でも問題はないことがわかる。
【００４１】
つぎに、ステップ３０３に進んでモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを検出する。電流検出１回ではノイズが含まれる可能性があるので、ステップ３０４に進んで再度検出し、ステップ３０５にて平均値を求めてノイズを除去し、Ｉｗ＝−（Ｉｕ＋Ｉｖ）よりモータ電流Ｉｗを演算する。
【００４２】
つぎに、ステップ３０６に進んで電気角θとモータ電流より、（数１）に示した演算を行い、３相／２相ｄｑ変換を行い、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを求める。つぎにステップ３０７に進んでＩｄ、Ｉｑをメモリし、別途回転数制御データとして用いる。
【００４３】
つぎに、ステップ３０８に進んでｄ軸制御電圧Ｖｄ、ｑ軸制御電圧Ｖｑを呼び出し、ステップ３０９に進んで数式２に従い２相／３相ｄｑ逆変換を行い、３相制御電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを求める。この逆変換は、ステップ３０６と同じように記憶手段６３の電気角に対応したｓｉｎθ、ｃｏｓθデータを用い、積和演算を高速で行う。つぎに、ステップ３１０に進んで３相制御電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに対応したＰＷＭ制御を行い、ステップ３１０に進んでサブルーチンをリターンする。
【００４４】
ＰＷＭ制御は、図２でも説明したように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相各相に対応して、鋸歯状波（または三角波）のキャリヤ信号と制御電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを比較してインバータ回路３のＩＧＢＴオンオフ制御信号を発生させ、モータ４を正弦波駆動するもので、上アームトランジスタと下アームトランジスタの信号は逆転された波形で、上アームトランジスタの導通比を増加すると出力電圧は正電圧が増加し、下アームトランジスタの導通比を増加させると出力電圧は負電圧が増加する。導通比を５０％にすると出力電圧は零となる。
【００４５】
電気角θに対応して制御電圧を正弦波状に変化させると正弦波状の電流が流れる。正弦波駆動の場合、トランジスタの導通比を最大値１００％にしたとき、出力電圧は最大となり変調度Ａｍは１００％で、導通比の最大値を５０％にした時、出力電圧は最低となり変調度Ａｍは０％と呼ぶ。
【００４６】
図６に戻って、キャリヤ信号割込サブルーチンを実行した後、ステップ２０５に進み、位置信号割込の有無を判定する。位置信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のいずれかの信号が変化すると割込信号が発生し、ステップ２０６に進んで図８に示した位置信号割込サブルーチンを実行する。図２に示すように、電気角６０度ごとに割込信号が発生する。
【００４７】
ステップ４００より位置信号割込サブルーチンが開始し、ステップ４０１に進んで位置信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を入力し、つぎにステップ４０２に進んで位置信号よりロータ電気角θｃを検出する。つぎに、ステップ４０３に進んでキャリヤ信号割込サブルーチンでカウントしているカウント値ｋをｋｃにメモリし、ステップ４０４に進んでカウント値ｋをクリヤし、ステップ４０５に進み、電気角６０度間のキャリヤカウンタカウント値ｋｃより１キャリヤの電気角Δθを演算する。
【００４８】
つぎに、ステップ４０６に進んで基準位置信号Ｈ１による割込信号かどうかを判定し、基準位置信号割込ならばステップ４０７に進んで回転周期測定タイマーのカウント値Ｔを周期Ｔｏとしてメモリし、ステップ４０８に進んでタイマーＴをクリヤし、ステップ４０９に進んでモータ回転数Ｎを演算する。つぎに、ステップ４１０に進んで回転周期測定タイマーのカウントを開始させ、ステップ４１１に進んでサブルーチンをリターンする。
【００４９】
回転周期測定タイマーの検知分解能を８ｂｉｔ精度にするとクロックは６４μｓとなりキャリヤ信号をクロックに使用できるが、回転制御性能を向上するためには回転周期検知分解能を向上させる必要があり、クロックの周期は１〜１０μｓに設定する必要がある。この場合には、マイクロコンピュータのシステムクロックを分周してクロックに使用する。
【００５０】
図６において、位置信号割込サブルーチン２０６を実行した後、ステップ２０７に進み回転数制御サブルーチンを実行する。回転数制御サブルーチンの詳細は図９に示す。
【００５１】
図９において、ステップ５００より回転数制御サブルーチンが開始し、ステップ５０１にてモータ回転数Ｎを呼び出し、ステップ５０２に進んで回転数に応じたｄ軸電流設定値Ｉｄｓを設定する。モータ回転数とｄ軸電流−Ｉｄｓとの関係は、図１０に示す関係で制御するもので、回転数が低い場合にはｄ軸電流設定値−Ｉｄｓは零に設定し、所定回転数以上で回転数に応じて負の方向にＩｄｓを増加させる。
【００５２】
ここでのモータ回転数は検知回転数でも、設定回転数でもよいが、設定回転数Ｎｓに応じてｄ軸電流設定値Ｉｄｓ負の方向に増加させる方が制御安定性がよい。つまり、検知回転数に応じて−Ｉｄｓを増加させると、回転数が増加するに従い−Ｉｄｓが増加し、−Ｉｄｓが増加すると回転数が増加するので負荷が軽い場合には回転数制御できなくなる恐れがある。
【００５３】
つぎに、ステップ５０３に進んで３相／２相ｄｑ変換手段６１より求めたｄ軸電流Ｉｄを呼び出し、ステップ５０４にてＩｄとＩｄｓの大小比較判定を行い、ｄ軸電流Ｉｄが設定値Ｉｄｓよりも大きければステップ５０５に進んでｄ軸制御電圧Ｖｄを減らし、ｄ軸電流Ｉｄが設定値Ｉｄｓよりも小さければステップ５０６に進んでｄ軸制御電圧Ｖｄを増やす。
【００５４】
つぎに、ステップ５０７に進んで３相／２相ｄｑ変換手段６１より求めたｑ軸電流Ｉｑを呼び出し、ステップ５０８にてＩｑとＩｑｓの大小比較判定を行い、ｑ軸電流Ｉｑが設定値Ｉｑｓよりも大きければステップ５０９に進んでｑ軸制御電圧Ｖｑを減らし、ｑ軸電流Ｉｑが設定値Ｉｑｓよりも小さければステップ５１０に進んでｑ軸制御電圧Ｖｑを増やす。つぎに、ステップ５１１に進んで演算されたｄ軸制御電圧Ｖｄ、ｑ軸制御電圧Ｖｑをそれぞれメモリし、ステップ５１２に進んでサブルーチンをリターンする。
【００５５】
ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑは、ほぼキャリヤ信号ごとに変換するので、トルクリップルも含めて変動が大きい。変換したｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑと設定値Ｉｄｓ、Ｉｑｓをキャリヤ毎に比較判断制御すると変動要素が大きく制御が安定しないので、平均化するなどの積分要素を加える必要がある。
【００５６】
よって、回転制御サブルーチンは、図６に示すようにキャリヤ信号割込サブルーチン、あるいは、位置信号割込サブルーチンの中で実行せず、モータ駆動制御の中で独立に実行させる。ただし、回転制御の応答速度を速めるために、位置信号割込サブルーチンの中で行う方法も考えられるが、回転数が低い場合には逆に応答が遅くなる欠点がある。
【００５７】
図１０に示すように、設定回転数に応じてｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを増加させると、高速回転時において弱め界磁制御となり、モータ電流を増加させてトルクを増加させることができる。特に、脱水高速回転時にｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを増加させると脱水回転数を高く設定することができ、脱水率を高くすることができる。
【００５８】
また、洗い撹拌運転時においても回転数を高く設定する場合には、ｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを増加させると、高回転数においてトルクを増加させることができ、布量が多い場合でもトルクを大きくすることができ、洗浄率を高くすることができる。
【００５９】
このようにすると、低速回転領域ではｄ軸電流設定値Ｉｄｓをほぼ零に設定して制御するので最大効率で運転でき、高回転領域でｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを大きくして高トルク運転するので、脱水運転、あるいは、洗い運転においてモータ効率を上昇することができる。
【００６０】
図１１は、布量に応じて、回転数に対応するｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを変える場合を示し、曲線Ａは布量検知手段６９による判定結果が大の場合、曲線Ｂは布量が小と判定した場合である。布量が多い場合には、高トルクが必要なので、高回転数でｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを増加し、布量が少ない場合には高トルクは必要なく、ｄ軸電流設定値−Ｉｄｓの増加率を減らしてトルクを減らし布傷みを減少し、かつ、モータ効率を向上することができる。
【００６１】
特に、一家庭における日常の洗濯布量は２〜４ｋｇの範囲なので、ｄ軸電流設定値−Ｉｄｓを減らすことにより、高効率でモータ４を回転制御することができ、モータ４の発熱を減らして省エネルギー化ができる。
【００６２】
図１２は、モータ電流Ｉｍをｄ軸電流とｑ軸電流に分解したベクトル図で、ｄ軸電流を負の方向に増加させた弱め界磁制御、いわゆる進角制御を示す。−Ｉｄｓ、Ｉｑｓはベクトル制御のそれぞれの設定値である。ｑ軸電流を負に設定するとブレーキとなり、一般的に、Ｉｑが負で、Ｉｄが正の場合は、直流電源側に発電エネルギーが回生される回生ブレーキとなり、Ｉｑ、Ｉｄが負の場合には、モータ内部抵抗で発電エネルギーが消費されるダイナミックブレーキとなる。
【００６３】
よって、ｄ軸電流とｑ軸電流に分解してＩｄｓ、Ｉｑｓを適当に設定してベクトル制御を行うことによりブレーキ制御と発電エネルギーの制御が容易となる特徴がある。
【００６４】
（実施例２）
図１３に示すように、制御手段６’は、上記実施例１の制御手段６に、起動制御手段７０と、変調度制御手段７１と、電圧制御手段７２を追加している。
【００６５】
起動制御手段７０はモータ駆動起動時に各種初期値の設定、ソフトスタートからフィードバック制御への切換を行うもので、起動時にはモータ４に所定の電圧を印加し、回転起動してから所定回転、あるいは、所定電気角回転してからフィードバック制御を行う。変調度制御手段７１はモータ起動時、モータ印加電圧の変調度Ａｍとモータ誘起電圧Ｅｃと印加電圧の位相θａを直接制御する。電圧設定手段７２は、起動時にＰＷＭ制御手段６５への電圧制御信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを直接制御するものである。他の構成は上記実施例１と同じである。
【００６６】
上記構成において動作を説明する。図１４は、本発明による起動制御サブルーチンで、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電流Ｉｄを検知してフィードバック制御するまでの制御内容を示し、図６のステップ２０２に示す起動制御サブルーチンと同じ位置におかれる。
【００６７】
ステップ６００より起動制御サブルーチンが開始し、ステップ６０１にて初期印加電圧等の各種初期設定を行い、つぎにステップ６０２に進んでロータ１回転内の処理かロータ１回転以上の処理か判別し、１回転内ならばステップ６０３に進み、ロータ位置検出手段４ａの信号により１２０度通電と呼ばれる方形波駆動を行う。回転起動前後には６０度ごとの位置信号間の位置推定が困難なため、１２０度通電の方がトルクを大きくできるためである。
【００６８】
つぎに、ロータ１回転以上ならばステップ６０４に進んで正弦波駆動設定し、ステップ６０５に進みロータ位置信号に対応した正弦波出力出力電圧を印加する。位置信号と出力電圧のタイミングは、図２に示す波形関係で、モータ誘起電圧Ｅｃとほぼ同じか、わずかに進んでも、電気角θａは３０度以内の電圧波形を強制的に印加する。
【００６９】
つぎに、ステップ６０６に進んでキャリヤ信号割込の有無を判定し、割込信号有ならばステップ６０７に進んでキャリヤ信号割込サブルーチンを実行し、割込信号がなければステップ６０８に進んで位置信号割込の有無を判定し、割込信号有ならばステップ６０９に進んで位置信号割込サブルーチンを実行し、割込信号がなければステップ６１０に進んで回転数が所定回転数Ｎ１に達したかどうか判定する。
【００７０】
所定回転数Ｎ１に達しなければステップ６１１に進んでトランジスタ導通比を増加させ、正弦波変調度を大きくするか、１２０度通電の場合は、トランジスタ通電比を大きくしてモータ印加電圧を増加させる。所定回転数Ｎ１以上ならばステップ６１２に進んでサブルーチンをリターンする。
【００７１】
所定回転数以上でベクトル制御を行うようにすると、電流検出手段５の周波数特性を直流成分まで広げる必要がなく、低価格の交流電流トランスを使用できるようになり、直流電流トランスに比べて大幅な価格低減が可能となる。また、ソフトスタートにより滑らかな起動電流制御が可能となるので、過度応答による直流成分がほとんどなくなり、交流電流トランスによりｄ軸電流、ｑ軸電流がほぼ正確に検出できるようになる。
【００７２】
ステップ６０７のキャリヤ信号割込サブルーチンは、図７とほぼ同じであり、ステップ３０８とステップ３０８は不要である。このとき、キャリヤ信号ごとにロータ位置電気角を推定し、３相／２相ｄｑ変換を行い、ｄ軸電流、ｑ軸電流を求め、データをメモリする。モータ誘起電圧ＥＣと２相／３相ｄｑ逆変換後の出力電圧がほぼ同相となるＶｄ、Ｖｑに設定できるならば、そのままフローチャートを使用できる。また、ステップ６０９の位置信号割込サブルーチンは、図８に示すフローチャートと同じである。
【００７３】
起動制御サブルーチンリターン後に、ベクトル制御に移行した後の制御は、上記実施例１に示した制御内容と同様であり、回転数に応じてｄ軸電流を制御する。３相／２相ｄｑ変換して求めたｄ軸電流、ｑ軸電流を用いてベクトル制御に移行する。ｄ軸電流、ｑ軸電流の変換はキャリヤ周波数毎に行うことができるが、変動要素が大きいので少なくとも電気角１サイクル（３６０度）は必要である。
【００７４】
本実施例では、所定回転数まで上昇してから起動制御サブルーチンを抜ける例を示したが、正弦波駆動に移行してから電気角３６０度以降にベクトル制御に移行すると制御応答速度を高くすることができ、また、ベクトル制御の特徴をより引き出せる。
【００７５】
１２０度通電から正弦波への移行を電気角にして３６０度の２倍に設定し、その後、一定変調度正弦波駆動からベクトル制御への移行を３６０度に設定すると、３６０度の３倍の電気角でベクトル制御に移行できる。このときの制御単位は電気角となり、８極の直流ブラシレスモータの場合、電気角３６０度の４倍でロータ１回転なので、３／４回転でベクトル制御への移行が可能であり、起動時に高速で回転制御が可能となる。
【００７６】
６０度ごとの割込信号により回転数推定を行うとさらに高速の応答制御が可能となるが、ホールＩＣの位置ずれによる回転数誤差が大きくなるので、基準のホールＩＣを用いた回転数演算、すなわち、電気角３６０度毎の回転数検知が誤差が少なく優れている。
【００７７】
以上述べた如く本発明の特徴は、直流ブラシレスモータのモータ電流を検出して、磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分に分解してベクトル制御するものであり、低速回転ではトルクに対応した電流成分を主として制御して最大効率で制御し、高速回転では磁束に対応した電流成分を負の方向に増加させて弱め界磁制御を行うことにより電流を大きくして最大トルク制御を行うことによりモータ特性を向上させ、洗濯運転の効率を高めることができ、モータ４の小型化が可能となる。
【００７８】
特に、洗濯機の撹拌翼を駆動する場合は、流体負荷に近いので回転数が増加するほどトルクが増大し、従来の制御では高回転で撹拌翼が停止する場合があったが、ベクトル制御により高回転でもトルクを出せるので洗浄率を高めることができる。また、脱水運転においても高回転で洗濯兼脱水槽を回転できるので、小型のモータでも脱水率を高めることができる。
【００７９】
また、モータ回転起動時に、所定電圧を印加してモータ電流より磁束に対応した電流成分とトルクに対応した電流成分に分解し、所定回転数あるいは所定回転角度に達した後、ベクトル制御による電流フィードバック制御に移行すれば、滑らかなトルク制御が可能となり、回転数制御のオーバーシュートや異常回転を減らすことができ、衣類の布傷みを減らすことができる。
【００８０】
また、電流検出手段５に交流電流トランスを使用でき、低価格の洗濯機のモータ駆動装置を実現できる。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１に記載の発明によれば、交流電源と、前記交流電源に接続した整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され撹拌翼あるいは洗濯兼脱水槽を駆動するとともに回転子が永久磁石から構成された直流ブラシレスモータと、前記直流ブラシレスモータの電気角６０度ごとのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、前記直流ブラシレスモータの電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ロータ位置検出手段の出力信号とキャリヤ信号よりロータ位置電気角を演算し、前記ロータ位置電気角に応じて前記直流ブラシレスモータの電流を前記永久磁石の磁束に対応した電流成分と前記永久磁石の磁束に対応した電流成分と直角関係となるトルクに対応した電流成分に分解し、前記直流ブラシレスモータの制御行程に応じて前記磁束に対応した電流成分と前記トルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにし、前記直流ブラシレスモータの低速回転時に前記磁束に対応した電流成分をほぼ零となるように制御し、前記直流ブラシレスモータの高速回転時に前記磁束に対応した電流成分を負の方向に増加させるようにしたから、直流ブラシレスモータのトルク−回転数特性を変えることができ、定トルク制御が可能となり、弱め界磁制御による直流ブラシレスモータの高速回転時のトルクアップ、および、低速回転時の効率改善による最大効率運転が可能となるので、直流ブラシレスモータを小型化できるとともに省エネルギーを実現することができる。
【００８２】
また、請求項２に記載の発明によれば、制御手段は、直流ブラシレスモータの回転起動時に前記直流ブラシレスモータの回転を制御する起動制御手段を備え、前記直流ブラシレスモータの回転起動時には前記直流ブラシレスモータへの印加電圧を直接制御し、その後、回転数に応じて永久磁石の磁束に対応した電流成分と前記永久磁石の磁束と直角関係となるトルクに対応した電流成分をそれぞれ制御するようにしたから、電流フィードバック制御への移行を滑らかにして回転数の異常上昇を抑えるだけではなく、電流検出手段に低価格の交流電流トランスを使用することができるので、高性能低価格のモータ駆動装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例の洗濯機のモータ駆動装置のブロック図
【図２】  同洗濯機のモータ駆動装置のタイムチャート
【図３】  同洗濯機のモータ駆動装置の制御手段の記憶手段の電気角に対応するメモリデータを示す図
【図４】  同洗濯機のモータ駆動装置の洗い行程のフローチャート
【図５】  同洗濯機のモータ駆動装置の脱水行程のフローチャート
【図６】  同洗濯機のモータ駆動装置のモータ駆動サブルーチンのフローチャート
【図７】  同洗濯機のモータ駆動装置のキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャート
【図８】  同洗濯機のモータ駆動装置の位置信号割込サブルーチンのフローチャート
【図９】  同洗濯機のモータ駆動装置の回転数制御サブルーチンのフローチャート
【図１０】  同洗濯機のモータ駆動装置のモータ回転数とｄ軸電流設定値Ｉｄｓの関係図
【図１１】  同洗濯機のモータ駆動装置の布量に応じたモータ回転数とｄ軸電流設定値Ｉｄｓの関係図
【図１２】  同洗濯機のモータ駆動装置のモータ電流をｄ軸電流とｑ軸電流に分解したベクトル図
【図１３】  本発明の第２の実施例の洗濯機のモータ駆動装置のブロック図
【図１４】  同洗濯機のモータ駆動装置の起動制御サブルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１  交流電源
２  整流回路
３  インバータ回路
４  モータ
４ａ  ロータ位置検出手段
５  電流検出手段
６  制御手段
【図１】
0004103354.tif 000004
【図２】
0004103354.tif 000005
【図３】
0004103354.tif 000006
【図４】
0004103354.tif 000007
【図５】
0004103354.tif 000008
【図６】
0004103354.tif 000009
【図７】
0004103354.tif 000010
【図８】
0004103354.tif 000011
【図９】
0004103354.tif 000012
【図１０】
0004103354.tif 000013
【図１１】
0004103354.tif 000014
【図１２】
0004103354.tif 000015
【図１３】
0004103354.tif 000016
【図１４】
0004103354.tif 000017