JP2010246333A - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷状態による最適な駆動を行えるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】低速ではブラシレスＤＣモータ４の位置信号を位置検出部５で取得しての第１波形発生部７によるＰＷＭフィードバック制御で高効率化を図り、高速では第２波形発生部９からの波形で周波数固定の同期駆動を行い、第２波形発生部９での駆動においてブラシレスＤＣモータ４の誘起電圧位相と、第２波形発生部９により発生する印加電圧位相との位相関係から負荷状態を検出して、負荷状態により第１波形発生部６での駆動か第２波形発生部９での駆動かを選択したうえで、ブラシレスＤＣモータ４を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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モータを、三相巻線に電力を供給するインバータにより駆動するための装置に関するものであり、特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動するのに最適なブラシレスＤＣモータの駆動装置に関するものである。

従来この種のモータ駆動装置は駆動負荷の状態によって、波形発生方法を切り替えることで、負荷に応じた最適な駆動を実現している（例えば特許文献１参照）。

図８において交流電源１は一般的な商用電源で日本国内の場合はＡＣ１００Ｖ、５０または６０Ｈｚである。整流平滑回路２は４個のダイオードをブリッジ接続した整流回路と２個の平滑電解コンデンサによって構成され、交流１００Ｖ電圧を入力し直流２８０Ｖを出力する倍電圧整流回路としている。

インバータ３は６個のスイッチング素子を３相ブリッジ接続しており、整流平滑回路２の出力を入力として３相交流電力に変換してブラシレスＤＣモータ４に供給する。

ブラシレスＤＣモータ４は永久磁石を有する回転子４ａと、３相巻線を有した固定子４ｂとで構成され、インバータ３により作られた３相交流電流が固定子の３相巻線に流れることにより、回転子を回転することができる。

位置検出部２０５はブラシレスＤＣモータ４の回転子が回転することにより、固定子に促された３相巻線に発生する誘起電圧を検出することで回転子の相対的な回転位置を検出するものである。

第１波形発生部２０６は、位置検出部５の位置検出信号をもとにインバータ３のスイッチ素子を駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は矩形波通電を基本としており、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でもそれに準じる波形として立ち上がり／立ち下がりに若干の傾斜を持たせた台形波であってもよい。第１波形発生部２０６ではさらに回転数を一定に保つためにＰＷＭ 制御のデューティの制御も行い、回転位置に従って最適なデューティで運転させるので最も効率的な運転が可能となる。

回転数検出部２０７は、位置検出部２０５の出力信号からブラシレスＤＣモータ４の回転数を検出する。この回転数の検出は位置検出部２０５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などによって実現可能である。

周波数設定部２０８は、出力のデューティを一定にしたまま出力周波数のみを変化させる。

第２波形発生部２０９は、周波数設定部２０８の出力信号をもとにインバータ３のスイッチ素子を駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波を作り出している。またここでは矩形波以外でも正弦波や歪波などのそれに準じる波形であってもよい。またここでは最大デューティで運転しており、９０〜１００％の一定のデューティで運転している。

切替判定部２１０は、回転数検出部２０７で検出された回転数により低速／高速を判断し、インバータ３を動作させる波形を第１波形発生部２０６か第２波形発生部２０９かを切り替えるものである。具体的には回転数が低速の場合、第１波形発生部２０６からの信号を選択し、回転数が高速の場合、第２波形発生部９からの信号を選択してインバータ３を動作させる。

ここで回転数が低速か高速かの判定は回転数検出部２０７からの実際の回転数としたが、設定回転数やデューティを判断してもよい。デューティは最大デューティ（一般的には１０ ０％）で位置検出でのＰＷＭデューティ制御による回転数が最大となるため、この条件で信号を切り替えることも可能である。

ドライブ部２１１は、切替回路２１０からの出力信号により、インバータ３のスイッチ素子を駆動する。この駆動によりインバータ３から最適な交流出力がブラシレスＤＣモータ４に印加されるので回転子を回転させることができる。

以上の様に構成されたモータ駆動装置について以下その動作を説明する。

まず比較的低負荷低速時においては位置検出部２０５の出力タイミングをもとに動作する第１波形発生部２０６によってインバータ３の各スイッチ素子は駆動される。このとき位置検出部２０５の出力信号からブラシレスＤＣモータ４の回転速度を検出し、駆動速度が目標速度に近づくように第１波形発生部２０６はＰＷＭデューティ制御を行う、誘起電圧検出による一般的なセンサレスＰＷＭ制御で、ブラシレスＤＣモータ４を効率よく駆動している。

また第１波形発生部２０６での駆動においてＰＷＭデューティが最大（例えば１００％）となったにもかかわらず、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度が目標速度に到達しない負荷状態では、切り替え判定部２１０は周波数設定部２０８によって動作する第２波形発生部２０９を選択しインバータ３を駆動する。インバータ３の各相の駆動信号は周波数設定部２０８の出力にしたがって、所定周波数を出力するように転流を行う。このときデューティを一定として回転子位置と関係なく同期駆動で転流周波数を段階的に上げていくことで、ブラシレスＤＣモータ４の誘起電圧位相に対し電流位相が進んだ状態、いわゆる「弱め磁束制御」と同様の状態となり、第１波形発生部２０６での駆動より大幅な高速駆動が可能となる。

以上の様な構成とすることで従来のモータ駆動装置は、第１波形発生部２０６での誘起電圧検出による一般的なＰＷＭフィードバック制御よりもブラシレスＤＣモータ４の高負荷高速性能を向上できる。また固定子巻線を大きく巻き込んでトルク（回転数）を落としたモータを使用する場合は、低速では第１波形発生部２０６で高効率駆動を行うとともに、高速駆動性能は第２波形発生部２０９での駆動によって確保することができる。
特開２００４−２８２９１１号公報

しかしながら上記従来の構成は、ブラシレスＤＣモータの高効率化が可能かつ、駆動可能な速度および負荷領域を拡張できるが、第２波形発生手段で高速高負荷駆動状態から負荷が減少した場合でも、第２波形発生手段ではデューティ一定での同期駆動を行うため、負荷に対して印加電圧が高い状態となり、誘起電圧に対してモータ電流位相が遅れ位相となることで、著しくモータ効率が悪化する場合がある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あり、第２波形発生部での駆動においてブラ
シレスＤＣモータの負荷状態を検出できるようにすることで、負荷に応じて波形発生部の選択を可能とし、ブラシレスＤＣモータを最適に駆動出来る様にすることで、従来のモータ駆動装置の実用性をより向上することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータが第２波形発生部による駆動を行っている際、波形補正部は所定のタイミングで第２波形発生部により発生した波形の一部あるいは全部を間欠させた波形でドライブ部を介しインバータを駆動することで、同期駆動中の誘起電圧位相の検出を可能とし、検出した誘起電圧位相と第２波形発生部との位相関係から、負荷状態監視部は第１波形発生部での駆動が可能な負荷状態か否かを判断できるようにしたものである。

これによって第２波形発生部で駆動している状態で、負荷が低下し第１波形発生部で駆動可能な低負荷状態となったことが検出可能となり、第１波形発生部での駆動へ移行するタイミングを的確に得ることが出来る。

本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスモータを高効率に駆動できるとともに、駆動可能な負荷及び速度領域を拡張できるので、実用性を高めることができる。

また本発明のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫は、庫内負荷状態に合わせて圧縮機を最適な状態で駆動することが出来るため、庫内が冷却安定状態にある低負荷時は高効率駆動による消費電力の低減が可能であり、庫内温度が高い場合は高速高負荷駆動による速やかな庫内の冷却運転が可能となり、食品の保鮮性能を向上することが出来る。

請求項１に記載の発明は、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、前記インバータを駆動するドライブ部と、前記ブラシレスＤＣモータの前記固定子の三相巻線に発生する誘起電圧を基に前記回転子の相対的な回転位置を検出し位置信号を出力する位置検出部と、前記位置検出部からの出力信号を基にデューティ制御を行いながら矩形波または正弦波、或いはそれらに準じる波形を出力する第１波形発生部と、デューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部と、矩形波または正弦波あるいはそれらに準じる波形を前記周波数設定部で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部と、前記位置検出部により検出した前記ブラシレスＤＣモータの回転子相対位置と前記第２波形発生部で発生した波形の位相との位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部で得た位相差からブラシレスＤＣモータの負荷状態を監視する負荷状態監視部と、前記ブラシレスＤＣモータの駆動回転数を負荷状態から第１波形発生部によってインバータを駆動するか、あるいは第２波形発生部によってインバータを駆動するかを選択して波形発生部を切り替える切替判定部と、所定のタイミングで第２波形発生部において発生した波形の一部あるいは全部を間欠するように波形を補正する波形補正部とを有し、負荷状態監視部は第２波形発生部での駆動時にブラシレスＤＣモータの負荷状態を監視し、第１波形発生部での駆動が可能な低負荷状態であることを検出するので、第１波形発生部での駆動へ移行するタイミングを的確に得ることが出来、最適なタイミングで波形発生部を切り替えることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明のモータの駆動装置において、第２波形発生部による駆動時に、前記負荷状態監視部が前記ブラシレスＤＣモータの負荷状態が第１波形発生部での駆動が可能であると検出した場合、前記切り替え判定部は前記ブラシレスＤＣモータを第１波形発生部での駆動に切り替えるようにしたものである。これによ
り第１波形発生部でブラシレスＤＣモータが駆動できる負荷状態のとき、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ので、前記第１波形発生部での駆動が不可能な負荷状態での移行による脱調等を防止でき安定した駆動を実現できるとともに第１波形発生部により位置検出を基にしたＰＷＭフィードバック制御で高効率駆動が可能となり、モータ駆動装置の信頼性および実用性を上げることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１および請求項２に記載の発明に、前記ブラシレスＤＣモータの駆動を前記第２波形発生部での駆動から第１波形発生部への駆動に移行する前後での通電角は１５０度以下としたものである。これにより第１波形発生部での駆動に移行した直後からブラシレスＤＣモータの誘起電圧検出による位置検出が確実に出来る様になり、波形発生部の切り替え時に過電流等の発生がなくスムーズな移行が可能となると共に、移行直後から安定した駆動が可能で、モータ駆動装置の信頼性及び実用性を向上することが出来る。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の発明に、前記ブラシレスＤＣモータを第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際、第２波形発生部での駆動で１５０度をこえる通電角で駆動している場合、通電角を１５０度以下まで低下したのち第１波形発生部での駆動に移行するようにしたものである。これにより第２波形発生部で生成する波形の通電角を最大１８０度まで広げることが可能となり、ブラシレスＤＣモータをより高速、高トルクで駆動することが出来るとともに第１波形発生部への移行直前から確実な位置検出が可能なため、第１波形発生部への駆動へ安定且つスムーズな移行が実現でき、モータ駆動装置の信頼性および実用性を向上することができる。

請求項５に記載の発明は請求項１から請求項４に記載のモータ駆動装置は圧縮機を駆動するものである。圧縮機はその構成上イナーシャが比較的大きい負荷であるため、第２波形発生部による同期駆動でも非常に安定した駆動性能を確保できると共に、誘起電圧を検出するためにモータ印加電圧の一部あるいは全部を間欠したパターンでブラシレスＤＣモータを駆動した場合でも、駆動速度変動に対する影響は殆どないので、本発明のモータ駆動装置にとって非常に適した用途のひとつである。

請求項６に記載の発明は請求項５に記載の圧縮機をレシプロ型としたものである。レシプロ圧縮機はその構成上圧縮機内部で前記ブラシレスＤＣモータ４をバネ等で懸架されていることから、前記ブラシレスＤＣモータ４の駆動による振動や騒音が外部に漏れにくい構成となっている。従って本発明のモータ駆動装置ではモータ印加電圧の一部あるいは全部を間欠することで前記ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度に若干の速度変動が発生しても、それに伴う振動や騒音を前記圧縮機４の内部で吸収できるため、振動および騒音が大きく増加することなく、従来同等の騒音および振動性能とすることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載のモータ駆動装置を、冷蔵庫の圧縮機の駆動に用いたものである。冷蔵庫の庫内温度が比較的高く急速に庫内を冷却する必要があるなどの高負荷状態では高負荷高効率駆動を行い、その後庫内が安定した冷却状態となり負荷が低くなったときは低速での高効率駆動へ、負荷状態により運転を切り替えることができるので、最適な駆動による冷蔵庫の消費電力の削減と、庫内温度変動の抑制による食品保鮮性能の向上が図れる。
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。

（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からの入力電圧を整流平滑回路２で直流に変換しインバータ３に入力する。インバータ３は直流入力を３相交流電力に変換したうえでブラシレスＤＣモータ４に供給する。

位置検出部５はブラシレスＤＣモータ４の回転子が回転することにより、固定子に促された３相巻線に発生する誘起電圧を検出することで回転子の相対的な回転位置を検出するものである。

第１波形発生部６は、位置検出部５の位置検出信号をもとにインバータ３のスイッチ素子を駆動する信号を作り出す。この駆動する信号は矩形波通電を基本としており、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波を作り出している。また、ここでは矩形波以外でもそれに準じる波形として立ち上がり／立ち下がりに若干の傾斜を持たせた台形波であってもよい。第１波形発生部６ではさらに回転数を一定に保つためにＰＷＭデューティ制御も行い、回転位置に従って最適なデューティで運転させるので最も効率的な運転が可能となる。

回転数検出部７は、位置検出部５の出力信号からブラシレスＤＣモータ４の回転数を検出する。この回転数の検出は位置検出部５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などによって実現可能である。

周波数設定部８は、出力のデューティを一定にしたまま出力周波数のみを変化させる。

第２波形発生部９は、周波数設定部８の出力信号をもとにインバータ３のスイッチ素子を駆動する信号を作り出す。この駆動信号は通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波を作り出している。またここでは矩形波以外でも正弦波や歪波などのそれに準じる波形であってもよい。さらにＰＷＭデューティは最大で運転しており、９０〜１００％の一定としている。

切替判定部１０は、回転数検出部７で検出された回転数により低速／高速を判断するとともに、負荷状態監視部１５からのブラシレスＤＣモータの負荷状態から、インバータ３を動作させる波形を第１波形発生部６か第２波形発生部９かを選択し切り替えるものである。具体的には回転数が低速の場合、第１波形発生部６からの信号を選択し、回転数が高速の場合、第２波形発生部９からの信号を選択してインバータ３を動作させ、さらに第２波形発生部９での駆動時は、負荷が第１波形発生部で駆動可能な状態に低下したときは、第１波形発生部を選択してインバータ３を駆動するようにしている。

ここで回転数が低速か高速かの判定は回転数検出部７からの実際の回転数としたが、設定回転数やデューティを判断してもよい。デューティは最大デューティ（一般的には１００％）で位置検出でのＰＷＭデューティ制御による回転数が最大となるため、この条件で信号を切り替えることも可能である。

ドライブ部１１は、切替回路１０からの出力信号により、インバータ３のスイッチ素子を駆動する。この駆動によりインバータ３から最適な交流出力がブラシレスＤＣモータ４に印加されるので回転子を回転させることができる。

波形補正部１２は第２波形発生部９によって発生した波形を切替判定部１０に出力するが、所定のタイミングでは波形の一部ないし全部を一定の期間だけ間欠した波形を出力する。位置信号判定部１３は、第２波形発生部９による駆動時において位置検出部５から入力される信号が位置検出信号として信憑性あるものか否かを判断し、正確なブラシレスＤ
Ｃモータ４の位置情報が含まれる信号のみを取り出すものである。

位相差検出部１４は、第２波形発生部９によって生成した波形の位相とブラシレスＤＣモータ４の誘起電圧位相との位相差を検出するものである。具体的には位置信号判定部１３の出力である位置信号と、第２波形発生部９で生成した波形の出力タイミングの時間差から検出することができる。

負荷状態監視部１５は、第２波形発生部での駆動において位相差検出部１４で検出したモータ４の誘起電圧位相と第２波形発生部で生成した印加電圧との位相差から、負荷が所定の状態より小さいか大きいかを監視するものである。

圧縮要素１６は、ブラシレスＤＣモータ４の回転子４ａ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４と圧縮要素１６とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機１７を構成する。圧縮機１７で圧縮された吐出ガスは、凝縮器１８、減圧器１９、蒸発器２０を通って圧縮機１７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１８では放熱、蒸発器２０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１８や蒸発器２０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２１の庫内２２を蒸発器２０により冷却する構成としている。

図２は、本実施の形態１の圧縮機１７の断面図を示している。図２において圧縮機１７の密封容器２３内にはオイル２４を貯溜すると共にＲ６００ａの冷媒２５が封入され、固定子４ｂと回転子４ａからなるブラシレスＤＣモータ４およびこれによって駆動される圧縮要素１６がスプリング等により弾性的に支持されており、ブラシレスＤＣモータ４の回転による振動が圧縮機外部に漏れにくい構成となっている。

圧縮要素１６は回転子４ａが固定された主軸部２６および偏芯軸部２７から構成されたクランクシャフト２８の主軸部２６を軸支するとともに圧縮室２９を有するシリンダ３０と、圧縮室２９内で往復運動するピストン３１と、偏芯軸部２７とピストン３１を連結する連結手段３２を備え、レシプロ型の圧縮機構を構成している。従って、本実施の形態において第２波形発生部９での駆動の際、一定の期間波形の一部または全部を間欠した波形でブラシレスＤＣモータ４を駆動した場合でも、イナーシャが大きい圧縮機１７では回転速度に及ぼす影響（例えば速度変化）は殆ど無いことに加え、レシプロ型圧縮機の特徴と密封構造から、速度変動による振動や騒音が発生しにくく、かつ騒音が圧縮機１７の外部に漏れにくい構成となっている。

図３は本実施の形態１における低速時の駆動状態を示すタイミングチャートであり、ドライブ部１１の信号とインバータ３の出力端子電圧状態を示している。尚、本タイミングチャートは通電角１５０度の矩形波とし、１５度の進角状態での駆動を示している。

図３に示すようにこの状態においてはＵＶＷ各相の上下両方のスイッチがオフ状態のとき出力端子電圧に誘電電圧が現れる。たとえば同図に示すように、Ｕ相に関しては出力パターンが１１および５のときＵ相の上下スイッチは共にオフとなり端子電圧に誘起電圧が現れている。位置検出部５はこの端子電圧から誘起電圧のゼロクロスポイントを位置信号として検出するために、端子電圧とインバータ入力電圧の１／２との大小関係が反転するポイント（即ち誘起電圧のゼロクロスポイント）をモニタする。そして検出したゼロクロスポイントをブラシレスＤＣモータ回転子の相対回転位置として基準に置き、この基準位置から次回の転流タイミングを決定する。本実施の形態１においては１５０度通電進角１５度としているため、次回の転流は位置検出からゼロ秒後（即ち同時）であり、位置検出と同時に転流（出力パターンを１１から０あるいは、５から６に切換え）を行っている。
尚、図３図ではＵ相端子電圧とＵ相による位置検出タイミングを示しているが、電気角１周期当たり各相２回の位置検出が行われるため、結局電気角１周期中に６回の位置検出信号が発生し、この位置信号検出の度に出力パターンを順次切り替えることで任意の周波数の交流電圧を生成してブラシレスＤＣモータ４に印加して駆動している。

また位置検出の信号を基に回転数検出部７は、ブラシレスＤＣモータ４の速度を検出するが、検出速度が目標速度より遅い場合、第１波形発生部６はブラシレスＤＣモータ４への印加電圧を上げるようにし、目標速度より速い場合はブラシレスＤＣモータ４への印加電圧を下げるようにＰＷＭデューティ幅を制御して目標速度での安定駆動を実現している。

ここでブラシレスＤＣモータ４の負荷が大きく、ＰＷＭデューティが１００％となっても、駆動速度が目標速度に到達しない状態では、これ以上電圧を印加することは出来ないため、さらなる高速駆動は不可能である。したがってこの時、切替判定部１０は第２波形発生部９によりブラシレスＤＣモータ４を駆動するように切り替える。

第２波形発生部９での駆動は、最大デューティ（即ち１００％）で通電角１３０度以上１８０度未満とした波形を、周波数設定部８により設定した周波数で同期駆動を行うため、駆動方法の切り替え時は、切り替え直前直後の転流周期（即ち駆動速度）と通電角を同じにして、位置信号と関係なく所定タイミングで転流を繰り返すことで、過電流等の電流の乱れや速度変動といった不具合を発生することなく容易に実現できる。

図４は本発明の実施の形態１における高速時の駆動状態を示すタイミングチャートである。図４では、第２波形発生部による駆動状態であり、ドライブ部１１の信号とＷ相端子電圧の状態を示している。尚、本タイミングチャートは通電角１５０度の矩形波での駆動を示している。

第２波形発生部９による駆動では、ブラシレスＤＣモータ４の回転子位置とは関係なく周波数設定部８によって設定した任意の周波数で同期駆動しており、モータ誘起電圧と端子電圧との位相は、駆動速度と負荷状態に応じた適切な関係で平衡・安定している。このとき通常は転流に対して回転子が遅れてついて行く状態、即ち誘起電圧に対して端子電圧が進む状態となることから、ブラシレスＤＣモータ４の電流位相が進み、いわゆる弱め磁束での駆動状態になることで高速・高負荷駆動が可能となり、第１波形発生部によるセンサレス運転より高速高負荷性能を引き伸ばすことができる。一方でデューティ一定の同期駆動では、負荷および駆動速度に対して印加電圧が大きすぎる場合、回転子の回転に対しブレーキをかけながらの駆動状態となり、最終的にモータ誘起電圧位相より印加電圧および相電流が遅れ位相となり、モータ電流の増大によるモータ駆動装置の大幅な効率低下や、駆動不安定による脱調停止等が発生する可能性がある。

従って本発明では、同期駆動中は速度と負荷の状態によりモータ誘起電圧と端子電圧との位相関係が変化（負荷が大きいほど進角が増加し、印加電圧に対して負荷が小さいときは遅れ位相となる）することから、誘起電圧と印加電圧との位相差から負荷状態を検出し、負荷状態により波形発生部を切り替えることで、最適な駆動を行えるようにしている。

図４では通電角は１５０度であるため、誘起電圧のゼロクロス検出と転流のタイミングが一致する（即ちゼロクロス検出直後に転流を行う）ときの進角が１５度となるが、図４では誘起電圧のゼロクロス検出より先に転流しており、１５度以上の進角であることが判る。尚、図４において、Ｗ相の上下両スイッチ素子がオフのとき、端子電圧にブラシレスＤＣモータ４の誘起電圧が発生するが、誘起電圧のゼロクロスタイミングより前に転流するため、ゼロクロス付近のインバータ端子電圧は入力電位に張り付いた状態（上側スイッ
チング素子がオンのとき）となる。従ってこの様な駆動状態では、誘起電圧のゼロクロス等、誘起電圧位相の基準点を正確に検出することは難しく、誘起電圧と印加電圧との位相関係から負荷状態の検出も当然困難となる。

図５は本発明の実施の形態１における同期駆動時の位置検出を示すタイミングチャートであり、ドライブ部１１の信号とインバータ３の出力端子電圧状態を示している。図５は１５０度通電での同期駆動を行っている状態でありＶ相およびＷ相の端子電圧状態を見ると誘起電圧のゼロクロスポイントより前に転流が行われていることから１５度以上の進角状態であることが分かる。また誘起電圧ゼロクロスポイントは当該のスイッチ素子の通電によりインバータ３の入力電圧あるいはＧＮＤレベルに埋もれてしまい検出不可能な状態となっている。

そこで本実施の形態１では、波形補正手段１２によってＵ相上側の通電区間において誘起電圧のゼロクロスポイントの発生が期待される一定期間中は、当該のスイッチ素子を強制的にオフするよう第２波形発生部９の波形を補正する。これにより補正時の通電角は１５０度以下として誘起電圧のゼロクロスを確実に検出できるようにしている（本実施の形態１では出力パターン０ではＵ相上側のスイッチ素子をオンさせるタイミングであるが、強制的にオフ状態として、１５０度通電を１２０度としている）。これにより図５のＵ相端子電圧波形に示す様に、Ｕ相上側が転流する前（即ち出力パターン１に切り替わる前）に、誘起電圧ゼロクロスが現れ検出が可能となる。従ってこの期間において、第２波形発生部による同期駆動でも正確にブラシレスＤＣモータ４の回転子相対位置検出が可能となり、モータ誘起電圧位相と第２波形発生部で発生する印加電圧位相との位相差を正確に検出可能である。

ここで位置信号判定部１３の動作について説明する。本実施の形態１においてブラシレスＤＣモータ４の回転子相対位置はインバータ入力電圧の１／２とインバータ出力端子電圧との大小比較により、その大小関係が反転するタイミングを位置情報として検出するが、図５のＶ相およびＷ相端子電圧において、インバータ端子電圧とインバータ入力電圧の１／２との大小関係の反転するポイントは明らかに誘起電圧ゼロクロスポイントからズレている（Ｕ相端子電圧においてインバータ端子電圧がインバータ入力電圧１／２より小さくなるポイントも同様）。従ってブラシレスＤＣモータ４の回転子相対位置を確実に検出するためには、位置検出部の出力信号を回転子の位置情報を含む信号のみを取り出す必要がある。

そこで本実施の形態１において位置信号判定部１３は、位置検出部５の出力信号を取捨選択しブラシレスＤＣモータ４の位置情報を含む信号のみを取り出すようにしている。具体的には誘起電圧を取得するために強制的にスイッチング素子を停止する期間とその前の出力パタン時（本実施の形態では出力パターン１１および０のとき）に得た信号のみを取り出し、位置信号として認識することで実現している。

次に前述のよう得た誘起電圧のゼロクロスポイントと第２波形発生部９で発生する印加電圧波形との位相関係について説明する。

図６は本発明の実施の形態１における負荷状態による位置検出タイミングの変化を示すタイミングチャートである。

図６において（Ａ）と（Ｂ）は同一速度で駆動している場合の高負荷時（Ａ）と、低負荷時（Ｂ）を示している。尚、本タイミングチャートは図５と同様に通電角は１５０度としており、出力パターン０において波形補正部１２によって、第２波形発生部９での波形のＵ相上側スイッチ素子を強制的にＯＦＦするように補正している。

図６（Ａ）における高負荷状態では大きな進角状態で駆動が安定するため、位置検出タイミングは出力パターン１１から０に切り替わるタイミング（即ち転流タイミング）より遅れて発生している。１５０度通電で進角１５度のときは位置検出（即ち誘起電圧ゼロクロスタイミング）と同時に転流が行われるため、１５度以上の進角で駆動していることが判る。また誘起電圧ゼロクロスポイントを位置信号とする場合で１５０度通電での最大進角は１５度であるため、図６（Ａ）に示す状態では第１波形発生部６での駆動は不可能である。従ってこの様な負荷状態では切替判定部１０は第２波形発生部９による駆動を選択し高負荷・高速駆動を続ける。尚、前述のように第２波形発生部９による同期駆動では駆動速度と負荷状態により適切な進角状態で平衡するため負荷の増大にともない進角（転流から位置検出までのタイミング遅れ）が増加することになる。

一方図６（Ｂ）の低負荷状態では位置検出は出力パターンが１１から０に切り替わる（即ち転流タイミング）と同時に位置検出タイミングが発生している。即ちこの状態は１５０度通電の進角１５度の状態であるため、第１波形発生部６での駆動が可能な負荷状態である。図示していないが図６（Ｂ）の負荷状態から更に負荷が小さくなった場合は、位置検出信号の発生は出力パターンが１１から０に切り替わるタイミングより早くなり、進角は１５度より小さくなる。

このように、第２波形発生部９による同期駆動中では速度と負荷の状態によって進角が変化（負荷が大きいほど進角が増加）することから、印加電圧と誘起電圧の位相関係も負荷状態によって変化（負荷が大きいほど誘起電圧に対し印加電圧の位相が進む）するため、印加電圧位相と誘起電圧位相との位相関係を検出することで、負荷状態を知ることが出来る。

位相差検出部１４は第２波形発生部９での駆動時に、転流タイミングと位置検出信号取得タイミングとの差から、印加電圧（相電流）位相とモータ誘起電圧位相との相対差を検出するものであり、このタイミング差が所定の差より大きい時は負荷が大きく、第１波形発生部での駆動は不可能として、切替判定部１０に出力し、切替判定部１０は第２波形発生部９を選択して駆動を続ける。また所定のタイミング差より小さい場合は、第１波形発生部６での駆動が可能として切り替え判定部１０は第１波形発生部６での駆動を選択し、波形発生部を切り替えて、位置信号を基にしたＰＷＭフィードバック制御による高効率駆動を行う。

尚、第２波形発生部９での駆動から第１波形発生部６での駆動への移行については、第２波形発生部９での駆動において検出した位置信号を基にして、第１波形発生部移行直後の転流タイミングを検出することで、転流タイミングズレ等による過電流停止や脱調停止等も発生することなくスムーズな移行が実現できる。

図７は本発明の実施の形態１での同期駆動時における波形発生部の選択を示すフローチャートである。図７においてまず、ＳＴＥＰ１０１で位置検出部５から入力される信号を取得しＳＴＥＰ１０２に進む。ＳＴＥＰ１０２では、位置信号判定部１３で、位置信号を正確に検出可能なタイミングであるか否か（即ち本発明の実施の形態では、図５における出力パターンが１１または０か）を監視し、位置信号の検出が不可能なタイミングではＳＴＥＰ１１１に進み、ＳＴＥＰ１０１で取得した信号が正確な位置情報を含む信号でないとしてデータを破棄し、切替判定部１０は第２波形発生部９を選択しての駆動を継続する。ＳＴＥＰ１０２で位置信号を正確に検出可能なタイミングの場合ＳＴＥＰ１０３に進み、位相差検出部１４によって第２波形発生部９で生成した印加電圧とＳＴＥＰ１０１で取得した位置信号とのタイミング差を検出し、ＳＴＥＰ１０４に進む。尚、本実施の形態ではモータ誘起電圧と第２波形発生部９で生成した印加電圧との位相関係を簡単に検出する
ために、位置検出信号と転流（出力パターン１１から０への転流）タイミングの差を検出するようにしている。

ＳＴＥＰ１０４では負荷状態を判断するために、負荷状態監視部１５はＳＴＥＰ１０３で得たタイミング差と所定の値との大小関係を判断（本実施の形態では出力パターン１１から０への転流タイミングに対し位置検出信号の発生が先か後かを判断するようにしているため、タイミング差が０より大きいか否かを判断）する。ＳＴＥＰ１０４において所定値より大きい場合は、負荷が大きい状態と判断しＳＴＥＰ１２１に進み、切替判定部１０は第２波形発生部９を選択し高速高負荷駆動を続け、所定の値より小さい場合はＳＴＥＰ１０５に進む。

ＳＴＥＰ１０５では現在の通電角が１５０度より大きいか否かを判断し、１５０度以下の通電角の場合はＳＴＥＰ１０６に進み第１波形発生部６を選択し、位置検出を基にしたＰＷＭフィードバック制御を行うようにする。

ＳＴＥＰ１０５において通電角が１５０度より大きい場合、ＳＴＥＰ１３１に進み、切替判定部１０は第２波形発生部９を選択しＳＴＥＰ１３２で通電角を所定の角度（例えば１度）だけ減少させる。

このように負荷が軽い状態でも、通電角が１５０度より大きいときは第１波形発生部６を選択せずに第２波形発生部９を選択した上で、通電角を減らしていくことで、第１波形発生部６での駆動に移行した直後から位置検出が確実に行えるので、第１波形発生部６での駆動への移行をスムーズに行えるとともに、駆動安定性を確保できる。

さらに第１波形発生部６での駆動へ移行する際は通電角を１５０度以下まで減らすようにすることで、第２波形発生部９での駆動における通電角を最大１８０度まで広げることが可能となり、更なる高速高負荷駆動性能を伸長出来ることになり、さらに通電角の拡張により高負荷時の相電流ピークを抑制できるため、インバータ３のスイッチ素子の電流定格を下げることができ、装置の低コスト化と小型化にも貢献する。

以上の様に本発明の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４と、前記三相巻線に電力を供給するインバータ３と、インバータ３を駆動するドライブ部１１と、ブラシレスＤＣモータ４の固定子の三相巻線に発生する誘起電圧を基に回転子の相対的な回転位置を検出し位置信号を出力する位置検出部５と、位置検出部からの出力信号を基にデューティ制御を行いながら矩形波または正弦波、或いはそれらに準じる波形を出力する第１波形発生部６と、デューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部８と、矩形波または正弦波あるいはそれらに準じる波形を周波数設定部８で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部９と、位置検出部５により検出したブラシレスＤＣモータ４の回転子相対位置と第２波形発生部９で発生した波形の位相との位相差を検出する位相差検出部１４と、位相差検出部１４で得た位相差からブラシレスＤＣモータ４の負荷状態を監視する負荷状態監視部１５と、ブラシレスＤＣモータ４の駆動回転数を負荷状態によって第１波形発生部６でインバータ３を駆動するか、あるいは第２波形発生部９でインバータを駆動するかを選択して波形発生部を切り替える切替判定部１０と、所定のタイミングで第２波形発生部において発生した波形の一部あるいは全部を間欠するように波形を補正する波形補正部とを有し、負荷状態監視部は第２波形発生部での駆動時にブラシレスＤＣモータの負荷状態を監視し、第１波形発生部での駆動が可能な低負荷状態であることを検出するので、第１波形発生部での駆動へ移行するタイミングを的確に得ることが出来、最適なタイミングで波形発生部を切り替えることができる。

また、第２波形発生部９による駆動時に、負荷状態監視部１５が、ブラシレスＤＣモータ４の負荷状態が第１波形発生部６での駆動が可能であると検出した時、切替判定部１０はブラシレスＤＣモータ４を第１波形発生部６での駆動に切り替えるようにしたものである。これにより第１波形発生部６でブラシレスＤＣモータ４が駆動できる負荷状態のとき、第２波形発生部９での駆動から第１波形発生部６での駆動に移行するので、第１波形発生部６での駆動が不可能な負荷状態での移行による脱調等を防止でき、安定した駆動が実現可能であるとともに、第１波形発生部６により位置検出を基にしたＰＷＭフィードバック制御で高効率駆動ができ、モータ駆動装置の信頼性および実用性を上げることができる。

また、ブラシレスＤＣモータの駆動を第２波形発生部での駆動から第１波形発生部への駆動に移行する前後での通電角は１５０度以下とすることで、第１波形発生部での駆動に移行した直後からブラシレスＤＣモータの誘起電圧検出による位置検出が確実に出来る様になり、波形発生部の切り替え時に過電流等の発生がなくスムーズな移行が可能となると共に、移行直後から安定した駆動が可能で、モータ駆動装置の信頼性および実用性を向上することが出来る。

また、ブラシレスＤＣモータを第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際、第２波形発生部での駆動で１５０度をこえる通電角で駆動している場合、通電角を１５０度以下まで低下したのち第１波形発生部での駆動に移行するようにしたので、第２波形発生部で生成する波形の通電角を最大１８０度まで広げることが可能となり、ブラシレスＤＣモータをより高速、高トルクで駆動することが出来るとともに、第１波形発生部６への移行直前から確実な位置検出が可能なため、第１波形発生部への駆動に安定且つスムーズな移行が実現できモータ駆動装置の信頼性及び実用性を向上できる。

また本実施の形態のモータ駆動装置で圧縮機を駆動した場合、圧縮機はその構成上イナーシャが比較的大きい負荷であるため、第２波形発生部による同期駆動でも非常に安定した駆動性能を確保できる。また、誘起電圧を検出するためにモータ印加電圧の一部あるいは全部を間欠したパターンでブラシレスＤＣモータを駆動した場合でも、駆動速度変動に対する影響は殆どないので、本発明のモータ駆動装置にとって圧縮機の駆動は非常に適した用途のひとつである。

また本実施の形態では圧縮機をレシプロ型とすることは、その構成上から圧縮機内部でブラシレスＤＣモータ４をバネ等で懸架されているので、ブラシレスＤＣモータ４の駆動による振動や騒音が外部に漏れにくい。従って、モータ印加電圧の一部あるいは全部を間欠することでブラシレスＤＣモータ４の駆動速度に若干の速度変動が発生しても、それに伴う振動や騒音を圧縮機４の内部で吸収できるため、振動および騒音が大きく増加することなく、従来の圧縮機と遜色のない騒音および振動性能を確保することができる。

また本実施の形態では本発明のモータ駆動装置を冷蔵庫の圧縮機の駆動に用いたことで、急速に庫内を冷却する必要があるなどの高負荷状態では高負荷高効率駆動を行い、その後庫内が安定した冷却状態となり負荷が低くなったときは低速での高効率駆動へ、負荷状態により的確に運転を切り替えることができるので、最適な圧縮機駆動による冷蔵庫の消費電力の削減が可能となると共に、庫内温度変動の抑制による食品保鮮性能の向上が図れる。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、高速においては負荷に応じた電流進角による弱め磁束で高負荷高速駆動も可能となるので、特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動する用途や、速度範囲や
負荷範囲が広い扇風機等のファンや掃除機に適している。

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 本実施の形態１の圧縮機の断面図 本実施の形態１における低速時の駆動状態を示すタイミングチャート 本実施の形態１における高速時の駆動状態を示すタイミングチャート 本実施の形態１における同期駆動時の位置検出を示すタイミングチャート 本実施の形態１における負荷状態による位置検出タイミングの変化を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態１における同期駆動時の波形発生部選択を示すフローチャート 従来のモータ駆動装置のブロック図

３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
５ 位置検出部
７ 第１波形発生部
８ 周波数設定部
９ 第２波形発生部
１０ 切替判定部
１１ ドライブ部
１２ 波形補正部
１４ 位相差検出部
１５ 負荷状態監視部
１６ 圧縮機
２１ 冷蔵庫

Claims (7)

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、前記インバータを駆動するドライブ部と、前記ブラシレスＤＣモータの前記固定子の三相巻線に発生する誘起電圧を基に前記回転子の相対的な回転位置を検出し位置信号を出力する位置検出部と、前記位置検出部からの出力信号を基にデューティ制御を行いながら矩形波または正弦波、或いはそれらに準じる波形を出力する第１波形発生部と、デューティを一定として所定周波数のみを変化させる周波数設定部と、矩形波または正弦波あるいはそれらに準じる波形を前記周波数設定部で決められた所定周波数で出力する第２波形発生部と、前記位置検出部により検出した前記ブラシレスＤＣモータの回転子相対位置と前記第２波形発生部で発生した波形の位相との位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部で得た位相差からブラシレスＤＣモータの負荷状態を監視する負荷状態監視部と、前記ブラシレスＤＣモータの駆動回転数と負荷状態から前記第１波形発生部によって前記インバータを駆動するか、前記第２波形発生部によって前記インバータを駆動するか選択して波形発生部を切り替える切替判定部と、所定のタイミングで第２波形発生部において発生した波形の一部あるいは全部を間欠するように波形を補正する波形補正部とを有し、負荷状態監視部は第２波形発生部での駆動時にブラシレスＤＣモータの負荷状態を監視し、第１波形発生部での駆動が可能な負荷状態であることを検出するモータ駆動装置。
2. 前記負荷状態監視部で前記ブラシレスＤＣモータの負荷状態が第１波形発生部での駆動が可能であると検出した場合、前記切り替え判定部は前記ブラシレスＤＣモータを第１波形発生部での駆動に切り替える請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記ブラシレスＤＣモータの駆動を前記第２波形発生部での駆動から第１波形発生部への駆動に移行する前後での通電角は１５０度以下とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記ブラシレスＤＣモータを第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際、第２波形発生部での駆動において１５０度をこえる通電角で駆動している場合、通電角を１５０度以下まで低下したのち第１波形発生部での駆動に移行する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータモータ駆動装置。
5. 前記ブラシレスモータは圧縮機を駆動する請求項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。
6. 前記圧縮機はレシプロ構成である請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 請求項５または請求項６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。