JP2008005639A - ブラシレスｄｃモータの駆動方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のセンサレス駆動においては、平滑コンデンサの少容量化と組み合わせた場合、直流電圧が低いときの位置検出ができずに、効率ダウンを引き起こすとともに、最悪の場合モータが停止してしまうという課題を有していた。
【解決手段】位置検出手段２０による位置の検出が不可能なときにその位置を推定して前記インバータを動作させるようにすることを特徴としたものであり、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、冷蔵庫やエアコン等の冷凍空調システムに用いられる圧縮機等に搭載されたブラシレスＤＣモータの駆動方法およびその装置に関するものであり、特に小型化のために整流回路における平滑用コンデンサを大幅に小容量化したものにおける位置センサを用いない位置検出制御に関するものである。

従来の冷凍空調システムにおける圧縮機等に搭載されるブラシレスＤＣモータの駆動装置は、一般的には十分大きな平滑用コンデンサを有した整流回路と、インバータと、位置検出センサをなくし誘起電圧またはモータ電流から位置検出をすることより駆動されていた。これは圧縮機等の高温雰囲気・冷媒雰囲気・オイル雰囲気等で位置センサを取付けることが著しく困難なためである。

また、近年この駆動装置を小型化するために、整流回路の平滑用コンデンサを大幅に小容量化する取組みもなされている（例えば、特許文献１参照）。

この従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置について、図面を参照しながら説明する。

図６は従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。

図６において、１は単相交流電源である。２はダイオード全波整流回路であり、その入力は単相交流電源１に接続されており、さらにその出力は平滑コンデンサ３が接続されている。この平滑コンデンサ３は、十分に小さい容量のもので、従来の１／１００程度の容量のコンデンサである。

４はＰＷＭ（パルス幅変調）インバータであり、６個のスイッチング素子（逆向きのダイオードを含む）を３相ブリッジ接続している。その入力は平滑コンデンサ３の両端に接続されている。

５は３相巻線が施されたモータであり、ＰＷＭインバータ４の出力に接続されており、これにより駆動されるものである。

６は制御回路であり、単相交流電源１の電圧ｖ、直流部電流ｉｄｃ、ＰＷＭインバータ４の出力電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、位置検出センサ７からの位置情報θ等の情報を入力として、最適な駆動ができるようにＰＷＭインバータ４のゲートを駆動している。
特開２００２−５１５８９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、位置検出センサであるエンコーダやホール素子等がついているものでは直流電圧が低下しても位置検出は可能ではあるが、圧縮機のように位置検出センサを取付けることができないような用途では使用できない。

一般的に、位置検出センサを用いないでブラシレスＤＣモータを駆動する方法として知られているのは、モータの誘起電圧を検出する方法と、モータ電流から回転位置を検出する方法等である。

しかし、この位置検出が可能なのは、平滑コンデンサが十分に大きくリプル電圧が小さいときに可能となる。この時には、誘起電圧やモータ電流は安定するので十分に安定した位置検出ができるが、この従来例のように平滑コンデンサを大幅に小容量化すると、リプル電圧が大幅に増加するので、特に電圧の低いときに誘起電圧が検出できなくなり、また電圧が低いことから、位置検出に必要なモータ電流を流すことができない。

その結果、直流電圧が低いときの位置検出ができずに、タイミングが大幅にずれた転流を行い、効率ダウンを引き起こすとともに、最悪の場合大きな電流が流れてしまい、モータが停止してしまうという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、平滑コンデンサを大幅に小容量化した大きなリプル電圧がある場合でも、位置検出センサを用いずに効率ダウンをさせないようにし、さらに電流も安定し、モータが停止することなく、振動も低減でき、安定して駆動できるブラシレスＤＣモータの駆動方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、交流電源と、前記交流電源を入力として小容量のコンデンサをもつ整流回路と、前記整流回路に接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Ａと、前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Ｂを有し、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂによる位置の検出が不可能なときに、位置を推定して前記インバータを動作させるようにしたものである。

これにより、位置検出手段Ａによるスイッチング周期毎の位置検出に加え、位置検出手段Ｂによる一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Ａと、回転子の一回転周期毎の回転位置を検出してインバータを動作させる位置検出手段Ｂを有し、前記位置検出手段Ａによる位置の検出が不可能なときに、その位置を推定して前記インバータを動作させるようにすることにより、位置検出が不可能なときにもその位置を推定して位置検出に応じた転流とすることができ、また位置検出手段Ｂとの差から得た補正値を加算することにより、振動を抑制することができ、安定した運転が可能となり、その用途が大幅に拡大できる。

請求項１に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源を入力として小容量のコンデンサをもつ整流回路と、前記整流回路に接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Ａと、前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Ｂを有し、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂによる位置の検出が不可能なときに、位置を推定して前記インバータを動作させるものである。

かかることにより、前記位置検出手段Ａによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定して前記インバータを動作させるため、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

請求項２に記載の発明は、前記位置検出手段Ａのスイッチング周期にスイッチング数を乗算した結果と、前記位置検出手段Ｂの一回転周期との差から位置の補正を行うようにしたものである。

かかることにより、スイッチング周期毎の位置検出に補正値を加え、一回転周期毎の位置検出との差を補正し、振動が低減した安定運転が可能となる。

請求項３に記載の発明は、位置検出が可能であったときの検出時間を基にして所定時間を定め、位置の検出が不可能なときに所定時間ごとに位置が切換わっていくものとして推定を行うものである。

かかることにより、位置検出ができない状態において、圧縮機等のモータはイナーシャ（慣性モーメント）で動作しているので、安定した運転を実現し、モータ停止を防止することができる。

請求項４に記載の発明は、前記整流回路の出力電圧があらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、位置検出が不可能であると判断するようにしたものである。

かかることにより、位置検出ができない部分を的確に判断することができるので、より安定した運転を行うことができる。

請求項５に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源を入力とする整流回路と、前記整流回路の出力側に接続された小容量のコンデンサと、６個のスイッチ素子を３相ブリッジ接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Ａと、前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Ｂを有し、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定する位置推定手段と、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂと前記位置推定手段とを切換えて前記インバータを動作させるようにする制御手段を具備したものである。

かかる構成とすることにより、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

請求項６に記載の発明は、前記位置検出手段Ａのスイッチング周期にスイッチング数を乗算した結果と、前記位置検出手段Ｂの一回転周期との差から位置の補正を行う補正手段を設けたものである。

かかる構成とすることにより、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出との差で補正することにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

請求項７に記載の発明は、前記位置推定手段を、位置検出が可能であったときの検出時間を基にして所定時間を定め、位置の検出が不可能なときの推定位置を、タイマ手段を用いて決定するものである。

かかる構成とすることにより、圧縮機のように適度のイナーシャ（慣性モーメント）をもつシステムにおいては、簡単に安易な構成で安定した運転を実現することができる。

請求項８に記載の発明は、前記コンデンサの両端電圧を検出してあらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、前記位置推定手段からの出力で前記インバータを動作させるようにしたものである。

かかる構成とすることにより、直流電圧が低下して位置検出ができなくなる状態を的確に判断でき、適切な切換えを行うことができるので、より安定した運転を実現することができる。

請求項９に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータにより、凝縮器、減圧器、蒸発器等と冷凍空調システムを構成する圧縮機を駆動するようにしたものである。

かかる構成とすることにより、位置検出センサを具備することができない用途での小容量コンデンサ化を実現できるので、これまで考えることができなかった大幅な機器の小型化を実現することができる。

請求項１０に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータにより、風を送る送風機を駆動するようにしたものである。

かかる構成とすることにより、特に送風機のように慣性モーメント（イナーシャ）の大きな用途では、小容量のコンデンサによる大きなリップルにが、その回転数に大きな影響を与えることなくモータを回転させることができるので、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参考に説明する。なお、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。

図１において、交流電源１０は、日本の場合、１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの一般的な商用の交流電源である。また、整流回路１１は、周知の如く４個のダイオードをブリッジ接続することにより構成されている。整流回路１１の後段に設けられた小容量の平滑用のコンデンサ１２は、４μＦ以下のチップコンデンサである。

コンデンサは、近年高耐圧で大容量のコンデンサがチップで実現できるようになってきている。

したがって、従来、このコンデンサには主に大容量（２００Ｗ出力の場合には数百μＦ）の電解コンデンサが使われていたが、本実施の形態１においては、前述の小型化により、非常に小型の駆動装置が実現できることになる。

整流回路１１とコンデンサ１２を組み合わせた回路は、波形の整流装置となる。

従来、この平滑用のコンデンサは、一般的にはインバータ１３の出力容量（［Ｗ］または［ＶＡ］）や駆動装置全体の入力容量（［Ｗ］または［ＶＡ］）および、直流電圧のリプル含有量やリプル電流による平滑用コンデンサの耐リプル電流の特性等からコンデンサの容量を決定していた。

そして、これらの条件を加味して、一般的には２〜４μＦ／Ｗ程度の容量を確保する。すなわち２００Ｗの出力容量の場合は４００〜８００μＦ程度の電解コンデンサを使用していた。

これに対し、本実施の形態１では、コンデンサ１２に、０．１μＦ／Ｗ以下の容量を持つコンデンサを使用する。すなわち２００Ｗの出力容量の場合は２０μＦ以下のコンデンサを使用する。

インバータ１３は、スイッチング素子ＩＧＢＴと逆向きに接続されたダイオードをセットにした６回路を３相ブリッジ接続することにより構成されている。

また、ブラシレスＤＣモータ１４は、インバータ１３の３相出力により駆動される。ブラシレスＤＣモータ１４の固定子には、３相スター結線された巻線が施されている。この巻き方は集中巻であっても、分布巻であっても構わない。また、回転子には永久磁石を配置している。その配置方法は表面磁石型（ＳＰＭ）でも磁石埋め込み型（ＩＰＭ）であっても構わず、また永久磁石はフェライトでも希土類でも構わない。

ブラシレスＤＣモータ１４の回転子の軸に接続された圧縮要素１５は、周知の構成からなり、冷媒ガスを吸入し、圧縮して、吐出するもので、このブラシレスＤＣモータ１４と圧縮要素１５とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機１６を構成する。

圧縮機１６は、周知の冷凍サイクル構成に用いられ、圧縮機１６で圧縮された吐出ガスは、凝縮器１７、減圧器１８、蒸発器１９を通って圧縮機の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成している。

周知の如く、前記冷凍空調システムによれば、凝縮器１７では放熱を、蒸発器１９では吸熱をそれぞれ行うので、冷却や加熱を行うことができる。必要に応じて凝縮器１７や蒸発器１９に送風機Ｆ１、Ｆ２等を付加し、熱交換をさらに促進することもある。

位置検出手段Ａ２０は、ブラシレスＤＣモータ１４の誘起電圧またはモータ電流からブラシレスＤＣモータ１４における回転子のスイッチング周期ＣＦ毎の回転位置と、スイッチング周期ＣＦとスイッチング数ＳＡを乗算することにより一回転周期ＴＡの検出を行う。

本実施の形態１では、誘起電圧から回転子の回転位置を検出する方法について説明する。

また、インバータ１３は、１２０度通電方式の矩形波駆動とし、常時通電されていない相ができるもので、この通電されていない相に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出し、回転位置を検出する。

位置推定手段２１は、タイマ手段（図示せず）を具備しており、位置検出手段Ａ２０が正常に位置検出しているときは、その検出タイミングの時間測定を行っている。このタイミング時間をベースに位置推定を行い、駆動出力を出している。

電圧検出手段２２は、コンデンサ１２の両端電圧を検出し、その電圧値があらかじめ設定された所定値より大きいか小さいかの判断を行い、信号を出力する。

切換手段２３は、電圧検出手段２２の出力を入力とし、位置検出手段Ａ２０か位置推定手段２１かいずれかを選択し、出力する。

転流手段２４は、切換手段２３の出力を入力とし、インバータ１３の６個のＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦを制御するものである。

位置検出手段Ｂ２５は、ブラシレスＤＣモータ１４の誘起電圧またはモータ電流からブラシレスＤＣモータ１４の回転子における一回転周期ＴＢ毎の回転位置の検出を行う。

本実施の形態１においては、前記回転子の位置検出を、誘起電圧から検出するものとして説明する。

すなわち、インバータ１３は、１２０度通電方式の矩形波駆動とし、常時通電されていない相ができる。この通電されていない相に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出して回転位置を検出し、スイッチング周期ＳＡとスイッチング数ＣＦの乗算からの一回転周期ＴＡと、一回転周期ＴＢとの差を補正することにより、振動の少ない安定した回転が可能となる。

次に、以上のように構成されたブラシレスＤＣモータの駆動装置についてその動作を説明する。

交流電源１０は、整流回路１１で全波整流されるが、コンデンサ１２は従来に比べて非常に小容量であるため、後述する如く、その出力電圧（コンデンサ１２の両端の電圧）は平滑されず、大きなリプルを持ったものとなる。

また、位置検出手段Ａ２０は、誘起電圧からブラシレスＤＣモータ１４の回転子の回転位置を検出するものであるから、整流回路１１の出力電圧が低い時、所望の電圧（電流）が十分に確保できないため、その位置検出は不可能となる。

さらに、位置検出手段Ａ２０だけでは、スイッチング周期ＳＡ毎に検出を行っているため、スイッチング数ＣＦとの乗算で一回転周期ＴＡを算出している場合は精度が悪く、ブラシレスモータ１４の駆動において、振動が大きくなっていた。

一方位置推定手段２１は、位置検出手段２０の位置検出のタイミングを常に検出しており、位置検出信号が入力されなかった場合、前のタイミングと同一のタイミングで位置推定信号を出力する。

さらに、電圧検出手段２２で検出したコンデンサ１２の両端の電圧が、あらかじめ設定された所定値（本実施の形態１では５０Ｖとする）より高ければ、切換手段２３が位置検出手段２０の信号を選択・切換えし、転流手段２４に出力する。逆に所定値より低ければ切換手段２３は位置推定手段２１の信号を選択・切換えし、転流手段２４に出力する。

また位置検出手段Ｂ２５は、スイッチング周期に関係なく、ブラシレスＤＣモータ１４のモータ電流から直接一回転周期ＴＢを検出する手段であり、この検出信号は、安定した回転が行える基準のタイミングとなる。

ここで図は省略しているが、ブラシレスＤＣモータ１４の駆動制御は、コンデンサ１２の両端電圧が変化するのを電圧検出手段２２で検出し、出力のＰＷＭ制御のデューティにフィードフォワード制御を行い、インバータ１３の出力の電圧または電流を一定にするように制御されるものである。

すなわち、速度制御で得られた基底（基本）デューティに対し、コンデンサ１２の両端電圧が高い場合はデューティを低くし、逆に低い場合はデューティを高くすることによって出力の電圧または電流を調整し、ブラシレスＤＣモータ１４の駆動を滑らかなものとしている。

次に、コンデンサ１２の両端の電圧波形について、図２および図１を用いて説明する。

図２は、本発明の実施の形態１におけるコンデンサの電圧波形を示すタイミング図である。

図２において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。また交流電源１０は１００Ｖ５０Ｈｚの交流電源である。

同図において、波形Ａは非常に負荷電流が小さい（ほとんど電流が流れていない）時の状態の波形であり、コンデンサ１２の充電電荷がほとんど使われず電圧の低下はほとんどない。ただし、ここでいう負荷電流は、整流回路１１の出力電流、すなわちインバータ１３への入力電流とする。また、波形Ａにおいては、平均電圧を１４１Ｖ、リプル電圧を０Ｖ、リプル含有率を０％としている。なお、リプル電圧およびリプル含有率は次式の通り定義する。

次に、負荷電流を大きくしていくとコンデンサ１２の充電電荷が使われ、波形Ｂに示すように、瞬時に電圧が低下する。但し、電源電圧から決まる瞬時最高電圧は１４１Ｖで変わらない。

波形Ｂに示す場合、瞬時最低電圧は４０Ｖであるので、平均電圧が約１１２Ｖであり、リプル電圧は１０１Ｖ、リプル含有率は９０％となる。

さらに負荷電流を大きくすると、コンデンサ１にはほとんど充電電荷が蓄えられず、波形Ｃに示すように瞬時最低電圧がほとんど０Ｖまで低下する。ただし、電源電圧から決まる瞬時最高電圧は１４１Ｖで変わらない。波形Ｃに示す場合、瞬時最低電圧は０Ｖであるので、平均電圧が約１００Ｖであり、リプル電圧は１４１Ｖ、リプル含有率は１４１％となる。

このように、コンデンサ１２が小容量の場合、負荷電流を取り出すとほとんど平滑されず入力の交流電源１０を全波整流した波形となる。

次に、負荷電流と瞬時最低電圧、リプル含有率との関係について、図３を用いてさらに詳しく説明する。

図３は、本発明の実施の形態１における負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図である。

図３において、横軸は負荷電流を示し、縦軸は瞬時最低電圧とリプル含有率を示す。また、実線は瞬時最低電圧の特性を、破線はリプル含有率の特性をそれぞれ示す。

図２において説明を行った波形Ａに示す電流波形は、負荷電流０Ａであり、瞬時最低電圧１４１Ｖ、リプル含有率０％の場合である。また波形Ｂに示す電流波形は、負荷電流０．２５Ａであり、瞬時最低電圧４０Ｖ、リプル含有率９０％の場合である。また波形Ｃに示す電流波形は、負荷電流０．３５Ａであり、瞬時最低電圧０Ｖ、リプル含有率１４１％の場合である。そして、０．３５Ａ以上の電流においては、瞬時最低電圧、リプル含有率ともに変化はしない。

本実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの駆動装置では、実使用範囲を負荷電流０．２５Ａ以上でかつ１．３Ａ以下であるものとする。また、実使用範囲においては、リプル含有率は常に９０％以上であるような小容量のコンデンサ１２を選定している。

本実施の形態１においては、前述したように５０Ｖ以下において位置検出ができない状態であり、その結果、実使用範囲のいずれにおいても位置検出が不可能な部分を含んでいることとなる。

次に、図４を用いて図１における動作を更に詳しく説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における制御動作内容を示す流れ図である。

まずＳＴＥＰ１において、電圧検出手段２２で直流電圧Ｖｄｃを検出する。ここでいう直流電圧Ｖｄｃは、コンデンサ１２の両端電圧である。

次にＳＴＥＰ２において、位置検出手段Ａ２０により、スイッチング周期ＳＡ毎とスイッチング数ＣＦを検出する。

そして、ＳＴＥＰ３において、スイッチング周期ＳＡ毎とスイッチング数ＣＦを乗算し、ブラシレスモータ１４の一回転周期ＴＡを求める。

またＳＴＥＰ４では、位置検出手段Ｂ２５において、スイッチング周期に関係なく、ブラシレスＤＣモータ１４のモータ電流から直接一回転周期ＴＢを検出する。

そして、ＳＴＥＰ５では、位置検出手段Ａ２０から算出したＴＡが、位置検出手段Ｂ２５から検出したＴＢより等しく小さければ、位置推定値の＋Ｓ分補正し、ＳＴＥＰ６へ移行する。また、逆に位置検出手段Ａ２０から算出したＴＡが、位置検出手段Ｂ２５から検出したＴＢより大きければ、位置推定値の−Ｓ分補正し、ＳＴＥＰ７へ移行する。

次にＳＴＥＰ８において、位置検出ができなくなる電圧の所定値５０Ｖと比較し、５０Ｖ未満であれば、ＳＴＥＰ９に進む。

ＳＴＥＰ９において、切換手段２３は、ＳＴＥＰ８の結果に基づいて位置推定手段２１を選択するように切換える。

その結果、位置推定手段２１では、ＳＴＥＰ１０に示すように、位置検出信号が前の変化から一定時間経過したかどうかを判断する。この一定時間は位置検出によりあらかじめ決められた時間であり、回転数によりその時間は変化するものである。またこの一定時間の演算誤差を吸収するためＳＴＥＰ６、７のいずれかで決定した補正値＋Ｓ、−Ｓを加算する。

ここで、一定時間が経過していなければ、そのまま通過・完了し、一定時間が通過していれば、ＳＴＥＰ１１に進み、転流すなわち位置検出を行ったものとしてインバータ１３のスイッチング素子を転流手段２４で切換える動作を行う。

また、ＳＴＥＰ８において、位置検出ができなくなる電圧の所定値５０Ｖと比較し、５０Ｖ以上であれば、ＳＴＥＰ１２に進む。

このＳＴＥＰ１２においては、切換手段２３が位置検出手段２０を選択するように切換える。

その結果、位置検出手段２０では、ＳＴＥＰ１３に示すように、位置検出信号が前の変化から状態が変化したかどうかを判断する。

ＳＴＥＰ１３で状態が変化していなければ、そのまま通過・完了し、状態が変化していれば、ＳＴＥＰ１４に進み、転流すなわち位置検出を行ったものとして、インバータ１３のスイッチング素子を転流手段２４で切換える動作を行う。またこの一定時間の演算誤差を吸収するためＳＴＥＰ６、７のいずれかで決定した補正値＋Ｓ、−Ｓを加算する。

上述の動作を一定時間内に繰り返すことにより、常に電圧検出手段２２で直流電圧の状態を検出し、その状態によって位置検出手段２０と位置推定手段２１との信号を切換手段２３で切換えることができ、直流電圧の低い位置検出ができない状態においても転流動作を行うことができ、運転を継続することができる。

以上の説明した動作を行った場合の波形について、さらに図５を用いて説明する。

図５は、本発明の実施の形態１における各部の波形を示すタイミング図である。

図５において、（Ａ）は直流電圧であり、コンデンサ１２の両端の電圧波形である。（Ｂ）は電圧検出であり、電圧検出手段２２の出力波形である。電圧検出手段２２では、（Ａ）の直流電圧を所定電圧（本実施の形態１においては５０Ｖ）と比較した結果を出力し、５０Ｖ以上であればＨｉｇｈレベルを、５０Ｖ未満であればＬｏｗレベルの信号を出力する。図５においては時間Ｔ６、Ｔ７において直流電圧が５０Ｖ以下である場合を示している。

（Ｃ）は位置検出であり、位置検出手段Ａ２０の出力波形を示す。また（Ｄ）は位置検出手段Ｂ２５の出力波形を示す。さらに、（Ｃ＋Ｄ）は位置推定であり、位置推定手段２１の出力波形を示す。

したがって、各波形（Ｃ）、（Ｄ）で示すように、直流電圧が５０Ｖ以上の時は位置検出が可能で、時間Ｔ１〜Ｔ５、時間Ｔ８〜Ｔ１２の区間では、位置検出を正常な状態で行うことができる。

一方、図５の時間Ｔ６、Ｔ７では、直流電圧が５０Ｖ未満であるので、位置検出手段２０からの位置検出信号が出力されず、または、出力されたとしても、タイミングの全く合っていない誤動作を引き起こす信号となる可能性が高い。

そこで時間Ｔ６、Ｔ７においては、転流に位置推定手段２１の信号を使用するものである。

すなわち、位置推定手段２１では、前の転流のタイミングＴ５からの時間を計測しており、あらかじめ決められた所定時間が経過すると、時間Ｔ６のタイミングで転流を行う。また同様に時間Ｔ７においても、時間Ｔ６から所定時間経過後に転流を行う。

ここでいう所定時間は、正常に位置検出ができている時間、例えば時間Ｔ４〜Ｔ５間の時間を測定し、位置検出手段Ａ２０により算出した一回転周期ＴＡと、位置検出手段Ｂにより検出した一回転周期ＴＢから算出した補正値を加えたものを所定時間としている。そのタイミングを図５の（Ｃ＋Ｄ）位置推定の波形に示す。

以上のように、時間Ｔ１〜Ｔ５および時間Ｔ８〜Ｔ１２において、切換手段２３は、位置検出手段Ａ２０の出力を選択し出力する。また時間Ｔ６、Ｔ７においては、切換手段２３は位置推定手段２１の出力を選択し出力する。

そして、切換手段２３の出力は、転流手段２４に入力され、転流手段２４により、インバータ１３の６個のスイッチング素子を、図５の各波形（Ｅ）〜（Ｊ）に示すようにＯＮ／ＯＦＦ動作させる。図５において、ＨｉｇｈレベルがＯＮ動作、ＬｏｗレベルがＯＦＦ動作を示している。したがって、ハッチングの範囲がＯＮ動作状態にある。

インバータ１３の出力電圧波形の一例として、図５波形（Ｋ）にＵ相電圧波形を示す。

同図に示す如く、出力の最大電圧は直流電圧により規制され、Ｕ相電圧の包絡線（破線で示す）は（Ａ）の直流電圧に一致する。

他のＶ相、Ｗ相についても、同様の波形がＵ相に対して所定の位相で形成される。

上述した通り、直流電圧の電圧レベルにより、ＰＷＭ制御のデューティを変更しているので、図５の波形（Ｋ）に示すとおり、電圧の低いところ（例えば時間Ｔ５〜Ｔ６間）ではデューティを高くし、電圧の高いところ（例えば時間Ｔ１１〜Ｔ１２間）ではデューティを低くしている。これにより電圧変動による電流の不安定を未然に防止する。

なお、本実施の形態１においては、ブラシレスＤＣモータ１４における回転子の位置検出を、電圧レベルを直接検出する電圧検出手段２２としたが、ゼロクロス等のタイミングを検出し、時間に応じて電圧レベルを推定するもの等でも構わない。

また、直流電圧により、位置検出手段Ａ２０と位置推定手段２１とを切換えるようにしたが、位置検出信号が出ない時に自動的に位置推定手段２１に切換える方法とすることも可能である。

さらに、本実施の形態１においては、ブラシレスＤＣモータ１４の駆動負荷を、圧縮機１６を例に説明を行ったが、図１に示す送風機Ｆ１、Ｆ２のように、慣性モーメント（イナーシャ）の大きなモータ機器の用途に応用した場合であっても、小容量のコンデンサによる大きなリップルに大きく影響されることなくモータを回転させることができるので、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。

また、本実施の形態１においては、回転子の位置検出に、位置検出手段Ａ２０の如くリアルタイムに位置を検出するものと、位置検出手段Ｂ２５のように一回転周期毎の検出を行うものを利用することにより、回転むら等から発生する振動を抑制し、安定した回転駆動を行うことができる。

以上のように、本実施の形態１によると、位置検出手段Ａ２０による位置の検出が不可能なときに、その位置を推定してインバータ１３を動作させるもので、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

また、位置検出手段Ａ２０による位置の検出が不可能なときに、その位置を推定してインバータ１３を動作させるため、スイッチング周期毎の位置検出に補正値を加え、一回転周期毎の位置検出との差を補正することにより、低振動でかつ回転が安定した運転が行えるものである。

さらに、回転子の位置の検出が不可能なときに、所定時間毎に位置が切換わっていくものとして推定を行うため、位置検出ができない状態において、イナーシャ（慣性モーメント）で動作している圧縮機１６等の機器では、安定した運転を実現し、モータ停止を防止することができる。

また、整流回路１１の出力電圧が、予め定められた所定電圧以下であるときに位置検出が不可能であると判断するため、位置検出ができない部分を的確に判断することができ、より安定した運転を行うことができる。

さらに、位置検出手段Ａ２０による位置の検出が不可能なときに、その位置を推定してインバータ１３を動作させるため、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

また、位置検出手段Ａ２０による位置の検出が不可能なときに、位置検出手段Ａ２０によるスイッチング周期毎の位置検出に加え、位置検出手段Ｂ２５による一回転周期毎の位置検出との差を補正することにより、振動が低減した安定運転が可能となる。

さらに、前記回転子の位置の検出が不可能なときに、推定位置を、タイマ手段を用いて決定するため、圧縮機のように適度のイナーシャ（慣性モーメント）をもつシステムにおいては、簡単かつ安易な構成によって安定した運転を実現することができる。

また、コンデンサ１２の両端電圧を検出してあらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、位置推定手段２１からの出力でインバータ１３を動作させるため、直流電圧が低下して位置検出ができなくなる状態を的確に判断でき、適切な切換えを行うことができるので、より安定した運転を実現することができる。

さらに、ブラシレスＤＣモータ１４を、冷凍空調システムを構成する圧縮機１６のように、位置検出センサを取付けることができない機器の駆動源として用いることにより、モータ駆動装置における小容量コンデンサ化が実現でき、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。

また、ブラシレスＤＣモータ１４を送風機Ｆ１、Ｆ２のように慣性モーメント（イナーシャ）の大きな機器の駆動源として用いることにより、小容量のコンデンサによる大きなリップルによってその回転数が大きく影響されることはなく、機器を安定して回転させることができ、これまで考えることができなかったような大幅な機器の小型化を実現することができる。

以上のように本発明のブラシレスＤＣモータの駆動方法およびその装置は、位置検出手段Ａによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定してインバータを動作させるものであり、スイッチング周期毎の位置検出に加え、一回転周期毎の位置検出と同期させることにより、振動が低減した安定運転が可能となり、ブラシレスＤＣモータを駆動源とする冷凍空調機器、あるいは洗濯機等に広く適用できるものである。

本発明の実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図 同実施の形態におけるコンデンサの電圧波形を示すタイミング図 同実施の形態における負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図 同実施の形態における制御動作の内容を示す流れ図 同実施の形態における各部の波形を示すタイミング図 従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図

符号の説明

１０ 交流電源
１１ 整流回路
１２ コンデンサ
１３ インバータ
１４ ブラシレスＤＣモータ
１６ 圧縮機
１７ 凝縮器
１８ 減圧器
１９ 蒸発器
２０ 位置検出手段Ａ
２１ 位置推定手段
２２ 電圧検出手段
２３ 切換え手段
２５ 位置検出手段Ｂ
Ｆ１，Ｆ２ 送風機

Claims (10)

1. 交流電源と、前記交流電源を入力として小容量のコンデンサをもつ整流回路と、前記整流回路に接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Ａと、前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Ｂを有し、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂによる位置の検出が不可能なときに、位置を推定して前記インバータを動作させるようにするブラシレスＤＣモータの駆動方法。
2. 前記位置検出手段Ａのスイッチング周期にスイッチング数を乗算した結果と、前記位置検出手段Ｂの一回転周期との差から位置の補正を行う請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動方法。
3. 位置検出が可能であったときの検出時間を基にして所定時間を定め、位置の検出が不可能なときに所定時間ごとに位置が切換わっていくものとして推定を行う請求項１または請求項２に記載のブラシレスＤＣモータの駆動方法。
4. 前記整流回路の出力電圧が予め定められた所定電圧以下であるとき、位置検出が不可能であると判断するようにした請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動方法。
5. 交流電源と、前記交流電源を入力とする整流回路と、前記整流回路の出力側に接続された小容量のコンデンサと、６個のスイッチ素子を３相ブリッジ接続したインバータと、前記インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧またはモータ電流から前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子のスイッチング周期毎の回転位置を検出し、前記インバータを動作させる位置検出手段Ａと、前記ブラシレスＤＣモータにおける回転子の一回転周期毎の回転位置を検出して前記インバータを動作させる位置検出手段Ｂを有し、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂによる位置の検出が不可能なときにその位置を推定する位置推定手段と、前記位置検出手段Ａ、前記位置検出手段Ｂと前記位置推定手段とを切換えて前記インバータを動作させるようにする制御手段を具備したブラシレスＤＣモータの駆動装置。
6. 前記位置検出手段Ａのスイッチング周期にスイッチング数を乗算した結果と、前記位置検出手段Ｂの一回転周期との差から位置の補正を行う補正手段を設けた請求項５に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
7. 前記位置推定手段を、位置検出が可能であったときの検出時間を基にして所定時間を定め、位置の検出が不可能なときの推定位置を、タイマ手段を用いて決定する請求項５または請求項６に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
8. 前記コンデンサの両端電圧を検出してあらかじめ定められた所定電圧以下であるとき、前記位置推定手段からの出力で前記インバータを動作させるようにした請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
9. 前記ブラシレスＤＣモータにより、凝縮器、減圧器、蒸発器等と冷凍空調システムを構成する圧縮機を駆動するようにした請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
10. 前記ブラシレスＤＣモータにより、風を送る送風機を駆動するようにした請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。

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