(57)【要約】【課題】ドラム式洗濯機において、回転速度制御性能を維持したまま、回転速度センサを不要とし、低コスト化と信頼性向上を図る。【解決手段】  電動機に他励直流電動機４を用いるとともに、それを制御する制御機構７として、界磁電流のＯＮ／ＯＦＦにより電動機４の起動停止を繰り返す工程での、界磁電流を０とした後の電動機４が停止するまでの減速途中において、一定期間測定された電機子電流とそのときに印加されている端子間電圧とから電機子抵抗を算出する電機子抵抗算出部７１と、前記電機子抵抗、電機子電流及び端子間電圧をパラメータとして、電動機４の回転速度を算出する回転速度算出部７２と、前記回転速度算出部７２で算出した回転速度である推定回転速度と前記目標回転速度との偏差に少なくとも基づいて、印加すべき端子間電圧を算出する印加電圧設定部７３と、を具備するものにした。【選択図】図３
2009082534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗濯物が投入されるドラムと、前記ドラムを回転駆動する他励式直流電動機と、前記電動機の電機子に印加する電圧を調整して電動機の回転速度を予め定めた目標回転速度に近づける制御を行う制御機構とを備え、
前記制御機構が、
界磁電流のＯＮ／ＯＦＦにより電動機の起動停止を繰り返す工程での、界磁電流を０とした後の電動機が停止するまでの減速途中において、一定期間測定された電機子電流とそのときに印加されている端子間電圧とから電機子抵抗を算出する電機子抵抗算出部と、
前記電機子抵抗、電機子電流及び端子間電圧をパラメータとして、電動機の回転速度を算出する回転速度算出部と、
前記回転速度算出部で算出した回転速度である推定回転速度と前記目標回転速度との偏差に少なくとも基づいて、印加すべき端子間電圧を算出する印加電圧設定部と、を具備したものであるドラム式洗濯機。
【請求項２】
前記電機子抵抗算出部が、電動機の停止毎に電機子抵抗を算出するものである請求項１記載のドラム式洗濯機。
【請求項３】
前記回転速度算出部が、測定された電機子電流及び電機子抵抗に基づいて、端子間電圧から逆起電力を差し引いた差分電圧を推定算出するとともに、
印加されている端子間電圧から前記差分電圧を差し引いた値に基づいて、電動機の回転速度を算出するものである請求項１又は２記載のドラム式洗濯機。
【請求項４】
洗濯物が投入されるドラムと、前記ドラムを回転駆動する他励式直流電動機と、前記電動機の電機子に印加する電圧を調整して電動機の回転速度を予め定めた目標回転速度に近づける制御を行う制御機構とを備え、
前記制御機構が、
洗濯物の重量を算出する重量算出部と、
電機子の端子間に印加されている端子間電圧及び前記洗濯物重量をパラメータとして、電動機の回転速度を算出する回転速度算出部と、
前記回転速度算出部で算出した回転速度である推定回転速度と前記目標回転速度との偏差に少なくとも基づいて、印加すべき端子間電圧を算出する印加電圧設定部と、を具備したものであるドラム式洗濯機。
【請求項５】
前記回転速度算出部が、メモリに予め格納されている回転速度算出式（数１）を用いて、電動機の回転速度を算出するものである請求項４記載のドラム式洗濯機。
【数１】
2009082534.tif 000019
ここで、ωrは推定回転速度、Vaは端子間電圧であり、α、Vo、qは、それぞれ洗濯物重量の一次関数で定まる係数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転速度センサを用いることなく好適に速度制御を行うことのできるドラム式洗濯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
他励直流電動機とは、周知のように界磁回路と電機子回路とを独立に有するＤＣモータのことであり、高性能の回転速度センサ及びフィードバック制御機構と一体的に組み合わせることで、いわゆるサーボドライブモータを構成することができる。このサーボドライブモータは、高い応答性、高い位置決め精度、高い速度制御性等が要求される用途に利用され、かかる用途においては、センサレス化によって性能や特性が大きく劣化してしまうことから、回転速度センサは必須であると考えられている。
なお、フィードバック制御を行わず、負荷とバランスする適当な速度で回転すればよい用途、例えば電動工具や掃除機、ミキサーなどに他励直流電動機を用いる場合には、そもそも制御しないのだから、回転速度センサは取り付けられていない。
【０００３】
ところで、ドラム式洗濯機においても、従来、回転速度センサを利用したドラム回転速度の制御が行われている（特許文献１参照）。ドラム式洗濯機は、洗い工程においては低回転速度、脱水工程においては高回転速度となって、速度制御範囲が非線形性を無視できなくなるほど広いうえに、洗いでは高い外乱応答性が、脱水ではある程度の速度制御精度が必要とされることなどから、オープンループ制御が難しく、回転速度センサを用いたフィードバック制御がやはり必要であると考えられている。
【特許文献１】特開２００６−２８８７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、回転速度センサは、故障や動作不良の原因となって製品の信頼性を低下させるうえ、高コストの原因にもなる。この問題を解決すべく従来は、高い応答性が不要であるという洗濯機の仕様特性から、回転速度センサとして分解能の低いTG（Tacho Generator）やHall ICなどを利用するようにしているが、それでも抜本的な解決には、至っていない。
【０００５】
そこで、本発明は、洗濯機独特の間欠的な動作、すなわち電動機の起動・停止を頻繁に繰り返すという動作と、界磁回路及び電機子回路を独立に制御できるという他励直流電動機独特の構成とに着目して初めてなされたものであって、単独ではそれぞれ回転速度センサが必須と考えられていたそれらを組み合わせることにより、センサレス化による低コスト化や信頼性向上が可能となるだけでなく、精度の高い速度制御が可能なドラム式洗濯機を提供することをその主たる所期課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明に係るドラム式洗濯機は、洗濯物が投入されるドラムと、前記ドラムを回転駆動する他励直流電動機と、前記電動機の電機子に印加する電圧を調整して当該電動機の回転速度を予め定めた目標回転速度に近づける制御を行う制御機構とを備えている。
そして、前記制御機構が、界磁電流のＯＮ／ＯＦＦにより電動機の起動停止を繰り返す例えば洗い工程での、界磁電流を０とした後の電動機が停止するまでの減速途中において、一定期間測定された電機子電流とそのときに印加されている端子間電圧とから電機子抵抗を算出する電機子抵抗算出部と、前記電機子抵抗、電機子電流及び端子間電圧をパラメータとして、電動機の回転速度を算出する回転速度算出部と、前記回転速度算出部で算出した回転速度である推定回転速度及び前記目標回転速度の偏差に少なくとも基づいて、印加すべき端子間電圧を算出する印加電圧設定部とを具備していることを特徴とする。
【０００７】
他励直流電動機を用いてセンサレス化を図る場合、回転速度を推定算出するための一手法として電機子抵抗を測定しておくことが必要となる。しかしながら、電機子抵抗は、整流子とブラシとの接触面積や接触圧力等により細かく変動し、静止状態では正確な値を測定することができないため、その不正確な抵抗値から算出された回転速度も不正確なものとなる。
【０００８】
これに対し、上述した構成であれば、電機子抵抗を、静止状態ではなく、電動機の回転中の一定期間に亘って測定するため、ブラシと整流子との接触面積や接触圧力に係る状態の相違がキャンセル（平均化）され、より真値に近く、精度の高い値となる。そして、このように高い精度で算出された電機子抵抗の値を用いて回転速度を算出し、その値に基づいてフィードバック制御するため、より正確な回転速度制御を行うことが可能になる。
また、界磁電流が０の状態で測定することから、界磁電流の電機子への影響を考慮せずとも良く、電機子の端子間電圧を電機子電流で除算すると言う簡単な計算で電機子抵抗を算出することが可能となる。
【０００９】
ほぼリアルタイムで電機子抵抗を算出し、電動機の運転による巻線の温度上昇などに起因した抵抗値の動的な変化をも補償できるようにするには、前記電機子抵抗算出部が、電動機の停止毎に電機子抵抗を算出するものであることが望ましい。
【００１０】
電機子電流の外乱推定効果を利用して、洗い工程での洗濯物の落下などに起因する外乱応答補償を可能ならしめるには、前記回転速度算出部が、測定された前記電機子電流及び電機子抵抗に基づいて、端子間電圧から逆起電力を差し引いた差分電圧を推定算出するとともに、印加されている端子間電圧から前記差分電圧を差し引いた値に基づいて、電動機の回転速度を算出するものであることが好ましい。
【００１１】
一方、例えば脱水工程において、回転数センサなしでの好適な速度制御を行うには、制御機構が、洗濯物の重量を算出する重量算出部と、電機子の端子間に印加されている端子間電圧及び前記洗濯物重量をパラメータとして、電動機の回転速度を算出する回転速度算出部と、前記回転速度算出部で算出した回転速度である推定回転速度と前記目標回転速度との偏差に少なくとも基づいて、印加すべき端子間電圧を算出する印加電圧設定部と、を具備したものであることが望ましい。脱水工程では、広い範囲に亘っての速度制御が必要とされるところ、このような場合に電機子の端子間電圧、電流及び抵抗だけから回転速度を推定算出したのでは、非線形効果による誤差が著しくなるからである。
【００１２】
本発明者が鋭意検討の結果見出した具体的な回転速度算出式は、以下のようなものである。
【数２】
2009082534.tif 000003
ここで、ωrは推定回転速度、Vaは端子間電圧であり、α、Vo、qは、それぞれ洗濯物重量の一次関数で定まる係数である。
【発明の効果】
【００１３】
このように本発明によれば、高度な信号処理技術を必要とせず、従来の洗濯機でも行うことの可能な洗濯物の布量や停止ごとの抵抗値計測により、回転速度センサを使うことなく、高い精度での回転速度の算出とそれに伴う高い速度制御性の実現が可能となる。そして、センサレス化による低コスト化や信頼性向上を図ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るドラム式洗濯機１００の概略内部構造を示した縦断面図である。同図中、符号１は中空のボディであり、このボディ１の使用端側（以下、前側とも言う）には、洗濯物を投入するための投入口１１と、前記投入口１１を閉じるための開閉可能な蓋１２とが設けてある。また、ボディ１の内部には、水槽２が配設されており、当該水槽２のさらに内部にはドラム３が設けられている。
【００１５】
水槽２は、後端面が底板２１によって閉塞され、前端面に開口部２２が設けられた概略円筒状をなすものであり、その中心軸Ｃを水平又は水平から傾斜させ、前側が後側よりも若干高くなる姿勢で、ダンパＤや弾性体Ｓによって揺動可能に支持されている。また、前記開口部２２は、可撓性を有した筒状体２３を介してボディ１の投入口１１に接続されている。
【００１６】
ドラム３は、水槽２よりも一回り小さい円筒状をなすもので、水槽２と同様、その後端面が底板３１によって閉塞され、その前端面には開口部３２が設けられている。このドラム３には、厚み方向に貫通する多数の孔３３が設けられていて、この孔３３を介して水槽２からドラム３内に水が浸入自在に構成されている。また、このドラム内周面の複数箇所（３箇所）には、洗濯物を引っ掛けて持ち上げるための突条形状をなすリフタ３４が設けられている。
【００１７】
前記水槽２における底板２１の外側には、例えばドラム３を回転駆動するための電動機４が取り付けられており、前記電動機４の回転軸４１が軸受４２を介して当該底板２１を貫通し、ドラム３の底板３２に固定されている。
この電動機４は、他励直流電動機と称されるもので、図２に示すように、界磁回路４ｆと電機子回路４ａとを有し、それら各回路４ｆ、４ａに印加する電圧Vf、Vaを独立に制御できるように構成されている。
【００１８】
符号５は、洗濯水を供給する給水機構５である。この給水機構５は、外部の水道管に接続された給水管５１と、前記給水管５１の途中に設けられた電磁開閉弁５２とから構成されている。この給水管５１の先端噴射口５１ａは、前記ドラム３の開口部３２に臨ませて配置されており、この噴射口５１ａからドラム３内部の洗濯物に直接水を掛けることができるように構成されている。
【００１９】
符号６は、水槽２及びドラム３内の洗濯水を外部に排出するための排水機構である。この排水機構６は、水槽２の最下部、すなわち水槽２の後端下部に接続された排水管６１と、前記排水管６１の途中に設けられた電磁開閉弁６２とから構成されている。
【００２０】
これらの構成に加えて、この洗濯機１００は、前記各電磁開閉弁５２、６２や電動機４等を制御して、洗い工程や脱水工程を自動で行う制御機構７（図１には図示していない）を、ボディ１の内部に備えている。
この制御機構７は、ハードウェア構成としては、図３に示すように、ＣＰＵ、メモリ、各種ドライバ回路などを具備したものであり、前記メモリに記憶させたプログラムに従って、前記ＣＰＵや周辺機器が協動することで種々の機能を発揮する。
【００２１】
そして、洗い工程においては、図４に機能ブロック図を示すように、この制御機構７が、少なくとも、電機子抵抗算出部７１、回転速度算出部７２、印加電圧設定部７３としての機能を発揮するようにプログラムを構成し、図５に示す制御ブロックが形成されるようにしている。
そこでまず、前記制御機構７の機能説明を兼ねて、本ドラム式洗濯機１００の洗い工程における動作を説明する。
【００２２】
＜＜洗い工程＞＞
最初にオペレータが洗濯物をドラム３内に投入し、蓋１２を閉めて、図示しないコントロールパネルのスタートボタンを押すと洗い工程が開始される。このとき、図６に示すように、界磁電流のＯＮ・ＯＦＦ制御による間欠的な運転、すなわち起動・停止が繰り返される。
【００２３】
そして、界磁電流がＯＦＦにされた後、電動機４が回転を停止するまでの減速途中において、制御機構７における電機子抵抗算出部７１が、電機子電流を測定するとともに、前記電機子電流及び印加されている端子間電圧から電機子抵抗を算出する。
【００２４】
より具体的に説明すると、前記電機子抵抗算出部７１は、界磁電流（又は界磁電圧）のＯＦＦ期間であって電動機４がまだ回転を続けているときに、電機子電流を、例えば低抵抗などからなる電流測定回路７５を利用して測定するとともに、そのときに印加している端子間電圧を測定電流値で除算することによって電機子抵抗を算出する（式（数５）参照）。
【００２５】
その理論的な理由は以下のとおりである。
すなわち、電機子の端子間電圧Vaと電機子電流Iaとの関係は次式（数３）で表される。
【数３】
2009082534.tif 000004
ここで、Raは電機子抵抗、Laはインダクタンス、Veは電機子の逆起電力である。
また、逆起電力Veは、電動機４の実回転速度ω及び界磁電流Ifに比例して以下の式（数４）で表される。
【数４】
2009082534.tif 000005
ここでｋは逆起電力係数である。
【００２６】
今、界磁電流Ifは０であり、通常Laの値は小さく無視できるので、数４は次式（数５）のようになる。
【数５】
2009082534.tif 000006
したがって、上述したように、端子間電圧を電流実測値で単純に除算することにより電機子抵抗を算出することができる。
【００２７】
なお、この実施形態では、電機子抵抗算出部７１は、図７に示すように端子間電圧を線形に変化させ、その間の複数時点でそれぞれ算出した電機子抵抗の値の平均をもって、その後の演算で利用する電機子抵抗の値としている。
また、電機子抵抗算出部７１は、電動機４の停止毎に、同様にして電機子抵抗を算出し、それらを電機子抵抗データとしてメモリの所定領域に設定した抵抗値格納部Ｄ１に時系列で格納するとともに、その後の回転速度算出などに係る演算では最新のデータを利用するようにしている。
【００２８】
しかして、このようにして求めた電機子抵抗は、電動機４の回転中の一定期間に亘って測定されたものであって、静止状態で求めたものではないので、ブラシと整流子との接触面積や接触圧力に係る状態の相違がキャンセル（平均化）され、より実値に近い数値となる。また、電動機４の停止毎に、いわばリアルタイムで電機子抵抗を算出していると言えるため、電動機４の運転による巻線の温度上昇などに起因した抵抗値の動的な変化をも補償できる。さらに、この実施形態では、線形に変化させた状態で電機子抵抗を算出しているため、Ａ／Ｄコンバータなど、機器の分解能に起因する測定誤差を低減することができる。
【００２９】
次に回転速度制御につき説明する。
電動機４の出力トルクTは、界磁電流If、電機子電流Iaに比例して以下の式（数６）で表される。
【数６】
2009082534.tif 000007
【００３０】
界磁電流Ifが一定であるＯＮ時を考えれば、k・Ifは定数Kと見なせるので、式（数７）が成り立つ。
【数７】
2009082534.tif 000008
【００３１】
そして、電動機４内では、図５に示すように、前記出力トルクTと負荷及び外乱トルクとのバランスで回転速度が定まり、前記回転速度によって逆起電力が定まり、前記逆起電力と印加されている端子間電圧から電機子電流が定まるという閉ループを構成することとなる。
【００３２】
しかして、この実施形態では、制御機構７の一部を構成する回転速度算出部７２が、測定された電機子電流Ia及び電機子抵抗Raから、そのときの電動機４の回転速度で定まる逆起電力Veを差し引いた差分電圧Vdを算出する。その算出式は、式（数３）を変形させた以下の式（数８）である。
【数８】
2009082534.tif 000009
【００３３】
次に、前記差分電圧Vdを、現在印加している端子間電圧Vaから差し引く。
【数９】
2009082534.tif 000010
すると、この式（数９）から明らかなように、逆起電力Veが算出される。
【００３４】
この逆起電力Veと実回転速度ωとの関係は、式（数４）から明らかなように比例関係にあるから、回転速度算出部７２は、算出された逆起電力Veを比例定数K ( = k・If )で除算して、回転速度（推定回転速度）ωrを推定算出する（下記式（数１０）参照）。
【数１０】
2009082534.tif 000011
【００３５】
次に、印加電圧設定部７３が、前記推定回転速度ωrと目標回転速度ωpとの偏差に基づいて、印加すべき端子間電圧Vaを設定する。
端子間電圧の設定式は、例えば次式（数１１）のようなものである。
【数１１】
2009082534.tif 000012
ここでKDはフィードバック係数である。
なお、目標回転速度は、メモリの所定領域に予め設定した目標回転速度格納部に予め格納してあり、印加電圧設定部７３は、目標回転速度格納部から目標回転速度に係るデータの値を取得する。
【００３６】
このようにして、本実施形態では、図５の制御ブロックに示すようなフィードバックループを構成し、速度制御を行う。
【００３７】
しかして、この図５からも明らかなように、電機子電流Iaは、逆起電力Veの影響を受け（数３参照）、前記逆起電力Veは実回転速度ωによって定まり（数４、数１０参照）、前記実回転速度ωは、電動機４に対する負荷トルクや洗濯物の落下などによる外乱トルクの影響を受ける（式（数１２）参照）。
【数１２】
2009082534.tif 000013
ここでTdは外乱トルク、Bは機械摩擦や粘性などによる抵抗係数、Jはイナーシャである。
【００３８】
したがって、電機子電流は、負荷トルクや外乱トルクの影響を受けていると言え、前記電機子電流に基づいて洗い工程時の回転速度を算出し、それをフィードバックしているこの本実施形態によれば、電機子電流による外乱推定効果が作用し、前記KDを適切に設定することにより、外乱を有効に抑制することが可能となる。
しかも、このような構成であれば、回転速度センサが不要となるので、低価格化と部品削減を図ることができるようになる。
【００３９】
なお、実験による具体的な効果を図８に示す。ここでは３０枚のシーツ（合計重量３Ｋｇ）を１４リットルの水で洗ったときの回転速度のばらつきを計測した。従来の回転速度センサを設けた場合の制御性を示す図９と比較して、ドットのばらつきが小さいことから明らかなように、本実施形態による構成の方が、速度制御性能が向上することがわかる。したがって、従来に比べて、性能向上と低価格化とを一挙に推し進めることができるようになる。
【００４０】
＜＜脱水工程＞＞
次に、同洗濯機の脱水工程における動作を説明する。なお、脱水工程では、図１０に機能ブロック図を示すように、この制御機構７が、少なくとも、回転速度算出部７２、印加電圧設定部７３、重量算出部７４としての機能を発揮するようにプログラムを構成している。
【００４１】
ここでは、まず、前記洗い工程での給水が開始されるまでの初期時において、制御機構７における重量算出部７４が、例えばＯＮ・ＯＦＦ切替時の電機子電流の経時変化に基づいて、洗濯物の重量を算出し、その算出値を示すデータを、メモリの所定領域に設定した重量格納部Ｄ３に格納する。
【００４２】
そして脱水工程になると、回転速度算出部７２が、電機子の端子間に印加されている端子間電圧及び初期時に算出した前記洗濯物重量をパラメータとして、電動機４の回転速度を算出する。
【００４３】
具体的に回転速度算出部７２は、以下の算出式（数１３）に基づいて回転速度を算出する。
【数１３】
2009082534.tif 000014
ここで、α、Vo、qは、それぞれ洗濯物重量Mの一次関数で表される係数であり（数１４〜数１６参照）、これら数１４〜数１６において、a、b、c、d、e、fは、それぞれ実験やシミュレーションにより適宜定めた定数である。
【数１４】
2009082534.tif 000015
【数１５】
2009082534.tif 000016
【数１６】
2009082534.tif 000017
【００４４】
そして、前記洗い工程と同様、印加電圧設定部７３が、前記回転速度ωrと目標回転速度ωpとの偏差に基づいて、印加すべき端子間電圧Vaを設定する。
【００４５】
しかして、かかる構成によれば、回転速度算出部７２によって算出される回転速度の精度が大きく向上し、図１１に実験結果を示すように、数十ｒｐｍ〜数千ｒｐｍに亘って５％未満の速度誤差に抑えることができるようになる。そしてその結果、精度良い速度制御が可能となり、洗濯性能を向上させることができるようになる。
【００４６】
これに対し、従来の他励直流電動機で用いられる、端子間電圧と電機子電流をパラメータとした回転数推定式（数１７）では、前述したような広い速度制御範囲では、図１２に示すように約３０％にも及ぶ誤差が生じ得る。
【数１７】
2009082534.tif 000018
【００４７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記実施形態において、回転速度算出部７２は、洗い工程では洗濯物重量を考慮せずに回転速度を算出し、脱水工程では電機子電流を考慮せずに回転速度を算出していたが、例えば洗い工程で、洗濯物重量をパラメータとしてさらに加えて回転速度を算出してもよいし、脱水工程で、電機子電流をパラメータとしてさらに加えて回転速度を算出しても構わない。
また、その他の工程において、上記回転数算出部を利用してもよい。
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る洗濯機の内部構造を示す概略縦断面図。
【図２】同実施形態における他励直流電動機の模式的構成図。
【図３】同実施形態における制御機構のハードウェア構成図。
【図４】同実施形態における洗い工程での制御機構の機能ブロック図。
【図５】同実施形態における洗い工程での制御ブロック図。
【図６】同実施形態において電動機を間欠運転させるときの界磁電流波形図と、それに伴う電動機の回転速度の変化を示す速度変化図。
【図７】同実施形態において、減速期間に与える電機子電流及び電機子電圧の波形図。
【図８】同実施形態における速度制御の結果を示す実験データ。
【図９】従来の速度制御の結果を示す実験データ。
【図１０】同実施形態における脱水工程での制御装置の機能ブロック図。
【図１１】同実施形態における速度制御の結果を示す実験データ。
【図１２】従来の速度制御の結果を示す実験データ。
【符号の説明】
【００４９】
１００・・・洗濯機
４  ・・・他励直流電動機
７  ・・・制御機構
７１・・・電機子抵抗算出部
７２・・・回転速度算出部
７３・・・印加電圧設定部
７４・・・重量算出部
【図８】
2009082534.tif 000020
【図９】
2009082534.tif 000021
【図１】
2009082534.tif 000022
【図２】
2009082534.tif 000023
【図３】
2009082534.tif 000024
【図４】
2009082534.tif 000025
【図５】
2009082534.tif 000026
【図６】
2009082534.tif 000027
【図７】
2009082534.tif 000028
【図１０】
2009082534.tif 000029
【図１１】
2009082534.tif 000030
【図１２】
2009082534.tif 000031