JP4380566B2 - ブラシレスｄｃモータの駆動装置及びこれを搭載した冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置に関し、更に詳細に言えば、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方法及びそ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モータの駆動方法及びその装置に関するものである。

近年の冷蔵庫は３５０Ｌ以上の大型機種が主力となり、それらの冷蔵庫は、高効率な圧縮機の回転数を可変駆動させるインバータ制御冷蔵庫が大半を占めている。これらの冷蔵庫用圧縮機では高効率化のために、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モータを一般的には採用している。また、圧縮機の中という高温、高圧、冷媒雰囲気、オイル雰囲気という環境下にブラシレスＤＣモータを設置するため、ブラシレスＤＣモータで通常使われるようなホール素子などの位置検出センサは使用できない。そのために一般的にはモータの逆起電圧や直流電流から回転子の回転位置を検出する方法がよく用いられている。

従来の技術は、例えば、特許文献１に示されている。その従来の技術を図面に従って説明する。図１０は従来のブラシレスＤＣモータ駆動に関する駆動装置のブロック図である。

図１０において、商用電源１０１は、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。

整流回路１０２は商用電源１０１の交流電圧を直流電圧に変換するものである。整流回路１０２はブリッジ接続された整流用ダイオード１０２ａ〜１０２ｄと平滑用の電解コンデンサ１０２ｅ、１０２ｆとからなり、図１０に示す回路では倍電圧整流回路であり、商用電源１０１のＡＣ１００Ｖ入力から直流電圧２８０Ｖを得ることができる。

インバータ回路１０３は、６個のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子には各スイッチ素子の逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。

ブラシレスＤＣモータ１０４は、永久磁石を有する回転子１０４ａと３相巻線を有した固定子１０４ｂとからなる。インバータ１０３により作られた３相交流電流が固定子１０４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子１０４ａを回転させることができる。回転子１０４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。

逆起電圧検出回路１０５は、ブラシレスＤＣモータ１０４の永久磁石を有する回転子１０４ａが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子１０４ａの回転相対位置を検出する。

転流回路１０６は、逆起電圧検出回路１０５の出力信号によりロジカルな信号変換を行い、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを順次切り換えて駆動する信号を作り出す。

同期駆動回路１０７は、インバータ１０３から強制的に所定周波数の出力を出し、ブラシレスＤＣモータ１０４を駆動するものであり、転流回路１０６で生成されるロジカルな信号と同等形状の信号を強制的に所定周波数で発生させるものである。

負荷状態判定回路１０８は、圧縮機１０４が運転されている負荷状態を判定するものである。

切替回路１０９は、負荷状態判定回路１０８の出力により、圧縮機１０４のブラシレスＤＣモータを転流回路１０６で駆動するか、同期駆動回路１０７で駆動するかを切り替える。

ドライブ回路１１０は、切替回路１０９からの出力信号により、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。

以上の構成において、次に動作の説明を行う。

負荷状態判定回路１０８で検出された負荷が、通常負荷の場合、転流回路１０６による駆動を行う。

逆起電圧検出回路１０５でブラシレスＤＣモータ１０４の回転子１０４ａの相対位置を検出する。次に転流回路１０６で回転子１０４ａの相対位置に応じてインバータ１０３を駆動する転流パターンを作り出す。

この転流パターンは切替回路１０９を通して、ドライブ回路１１０に供給され、インバータ１０３のスイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆを駆動する。

この動作により、ブラシレスＤＣモータ１０４はその回転位置に合致した駆動を行うこととなる。

次に、負荷が増加してきたときの動作について説明する。

ブラシレスＤＣモータの負荷が増加すると、ブラシレスＤＣモータの特性により回転数が低下してくる。この状態を負荷状態判定回路１０８で高負荷状態であると判定し、切替回路１０９の出力を同期駆動回路１０７からの信号に切り替える。このように駆動することにより高負荷時の回転数低下を抑えることが可能となる。
特開平９−８８８３７号公報

しかしながら、従来の構成では、次のような課題があった。

逆起電圧検出回路１０５の出力信号から、ブラシレスＤＣモータ１０４が発生する逆起電圧が現れるような負荷状態であれば回転子１０４ａの相対位置は検出できる。しかし、切替回路１０９が転流回路１０６にて高回転駆動している時などは、固定子１０４ｂを流れるモータ電流が大きいため、それに伴って還流電流用ダイオードにモータ電流が帰還される時間が増加し、逆起電圧が現れるのを妨げる雑音（スパイク電圧ともいう）の発生時間が長くなる。その結果、回転子１０４ａの相対位置が検出できず、制御不能となり回転数変動を発生したり、ひいては脱調停止や保護停止といった状態にまで陥ってしまっていた。

更に、ブラシレスＤＣモータ１０４がＩＰＭ構造の場合、ＳＰＭ構造に比べてインダクタンスが大きい傾向にあり、固定子１０４ｂに蓄えられるエネルギが大きくなるため、還流電流用ダイオードにモータ電流が帰還する時間が更に長くなり、逆起電圧が現れるのをより妨げてしまう。加えて、固定子１０４ｂが比較的巻込量の多い鉄損低減型の固定子の場合も、インダクタンスが大きくスパイク電圧幅も大きくなり逆起電圧が現れるのをより妨げてしまう。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、逆起電圧が現れない、すなわち、回転子の相対位置が検出できないような負荷状態のもとでも、その時点の目標周波数や運転周波数をもとにして強制的に波形を出力しモータの運転を持続することで、回転数変動や脱調停止・保護停止の状態を回避できるブラシレスＤＣモータの駆動方法及び駆動装置を提供することを目的とする。また、強制的に波形を出力する必要がある状態が任意の時間以上継続した場合は、転流回路での運転が不可能であると判断し、同期駆動波形発生部への切替が可能になることでより安定した運転を実現できるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動方法は、回転子の位置に応じてモータを駆動している最中に、端子電圧検出回路から回転子の位置情報が出力されない様な負荷状態に陥った場合でも、強制的に波形を発生させることを可能にしたものである。

また、ブラシレスＤＣモータの駆動装置は、回転子の位置に応じて波形発生部がモータを駆動している最中に、端子電圧検出回路から回転子の位置情報が出力されない様な負荷状態に陥った場合でも、位置情報が出力されない状態が任意の時間以上継続した場合に強制的に波形を発生させることで安定して運転することを可能にしたものである。

また、強制的に波形を発生させることもできる波形発生部がモータを駆動している最中に、端子電圧検出回路から回転子の位置情報が出力されない様な負荷状態に陥り、所定周波数などに応じて強制的に波形を発生させて運転を継続しても、位置情報が出力されない状態から一向に回避されない場合には、異常状態であることを検出可能にしたものである。

また、強制的に波形を発生させることもできる位置検駆動波形発生部がモータを駆動している最中に、端子電圧検出回路から回転子の位置情報が出力されない様な負荷状態から一向に回避されない場合には、所定の周波数を変化させながらその周波数に同期させて波形を出力する同期駆動波形発生部に切り替え、同期駆動波形発生部がモータを駆動中に、位置情報が出力されるような負荷状態になった時には、位置検駆動波形発生部に切り替える切替判定部を備えることで、運転状態に応じて最適な駆動手段に切り替えて運転継続を可能にしたものである。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動方法は、目標周波数などをもとに波形を強制的に出力することを可能にしたものであり、位置情報が認識できないような運転状態においても、回転数変動を抑制できるなどの安定性向上の効果を発揮できる。

また、位置情報が認識できない状態が予め設けられた任意の時間以上継続したことを検知して強制的に波形を出力することを可能にした装置であり、回転数変動や脱調停止、ピーク電流、ひいては保護停止などを引き起こす前に不安定な状態から回避できるといった効果を発揮できる。

また、強制的に安定して波形を出力し続けているにも関わらず位置情報が認識できないような異常状態の検出を可能にした装置であり、ロック状態などの異常状態を早期に検出し、モータ減磁の防止や巻線温度上昇低減などといった、モータの信頼性向上効果を発揮できる。さらに、異常状態を検出して再起動をかけることによりシステムの性能向上も図れ、システムの信頼性向上といった効果も発揮できる。

また、運転状態に応じて最適な駆動手段に切り替えて運転継続を可能にした装置であり、システムの異常停止、不安定運転時に発生する騒音・振動、ピーク電流を可能な限り回避することができ、システムの安定性向上といった効果を発揮できる。また、効率が必要なときは位置情報を認識しながらの運転、位置情報が認識しにくい高速運転時には所定周波数を変化させながら同期して駆動する運転に切り替えることができる装置でもあり、低速で高効率な運転から高速で高トルクな運転まで幅広く運転できるというような性能向上にも効果を発揮できる。

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、三相巻線とつながる端子における電圧と任意の基準電圧のレベルを比較して信号を出力する端子電圧検出回路と、前記端子電圧検出回路が出力する信号からその信号が雑音であると判定する雑音判定部と、雑音と区別して真の相対位置信号であることを判定する信号判定部と、基本的には前記信号判定部が検出した回転子の相対位置に応じて波形を出力するが雑音発生時間が任意の時間以上継続した時には波形を強制的に出力することもできる位置検駆動波形発生部と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記同期駆動波形発生部と前記位置検駆動波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを有し、モータの運転状態に応じて最適な駆動手段に切り替えて運転するものであり、強制的に波形を発生させることもできる位置検駆動波形発生部がモータを駆動している最中に、端子電圧検出回路から回転子の位置情報が出力されない様な負荷状態から一向に回避されない場合には、所定の周波数を変化させながらその周波数に同期させて波形を出力する同期駆動波形発生部に切り替え、同期駆動波形発生部がモータを駆動中に、位置情報が出力されるような負荷状態になった場合には、位置検駆動波形発生部に切り替える切替判定部を備えることで、運転状態に応じて最適な駆動手段に切り替えて運転継続を可能にし、システムの異常停止、不安定運転時に発生する騒音・振動、ピーク電流を回避することができ、システムの安定性向上といった効果を発揮できる。また、効率が必要なときは位置情報を認識しながらの運転、位置情報が認識しにくい高速運転時には所定周波数を変化させながら同期して駆動する運転に切り替えることができる装置でもあり、低速で高効率な運転から高速で高トルクな運転まで幅広く運転できるというような性能向上にも効果を発揮できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものであり、スパイク幅が比較的大きくなる特性を持つモータにおいても、たとえ位置情報が認識できなくても運転を実現し、モータのロック状態からの回避などモータ自身の信頼性向上や、高効率モータ（低トルクモータ）の高速運転時における安定性の向上といった効果を発揮する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものであり、冷蔵庫やエアコンなど高効率で低速な運転から高トルクで高速な運転まで広い運転範囲を必要とされるシステムの圧縮機において、通常運転されている状態である低速領域では効率を向上させ、急冷・急凍・システムインしたイニシャル時などの高速領域ではトルクを安定して上昇することができるといった効果を発揮する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置を搭載した冷蔵庫であり、圧縮機の不安定状態から速やかに脱出できることで、それが引き起こす脱調停止を防止することが可能となり、冷蔵庫における不冷、鈍冷現象の発生を防止するといった効果を発揮する。また、安定した高速運転を可能とすることによる急冷性能の向上、更には回転数変動、騒音・振動の抑制効果もあり、省エネ、ハイパワー、静音といった多岐にわたるニーズのある冷蔵庫においてこれらの効果は非常に重要である。

以下、本発明による冷蔵庫の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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における波形発生部による駆動に関するブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。

図１において、商用電源１は、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。

整流回路２は商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路２はブリッジ接続された整流用ダイオード２ａ〜２ｄと平滑用の電解コンデンサ２ｅ、２ｆと電圧調整回路２ｇからなり、図１に示すような倍電圧整流回路の場合、商用電源１のＡＣ１００Ｖ入力から２８０Ｖ程度の直流電圧を得ることができる。ここでは倍電圧整流としたが、電圧調整回路２ｇは直流電圧可変式のチョッパ回路や倍電圧整流／全波整流の切替方式回路に相当する。

インバータ回路３は、６個のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のスイッチ素子には各スイッチ素子の逆方向に還流電流用のダイオードが入っているが本図では省略している。

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とからなる。インバータ３により作られた３相交流電流が固定子４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子４ａを回転させることができる。回転子４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。なお、スイッチ素子３ａ（３ｂ）と接続された３相巻線部分をＵ相巻線、スイッチ素子３ｃ（３ｄ）と接続された３相巻線部分をＶ相巻線、スイッチ素子３ｅ（３ｆ）と接続された３相巻線部分をＷ相巻線と呼ぶことにする。

また、３相巻線とスイッチ素子と端子電圧検出回路との接続点である図中のＵ、Ｖ、ＷをＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子と呼ぶことにする。

端子電圧検出回路５は、Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子のそれぞれの電圧と予め設定された基準電圧との比較を行い、電圧変化の情報を出力することができる。なお、この出力情報から、ブラシレスＤＣモータ４の運転状態を検出することが可能となる。具体的には、ブラシレスＤＣモータ４の永久磁石を有する回転子４ａが回転することにより発生する逆起電圧から、回転子４ａの回転相対位置を検出することが可能となる。また、還流電流用ダイオードに電流が流れる時間の増減を検出することにより、モータ電流の乱れや負荷状態の変化を検出することも可能となる。

なお、Ｕ、Ｖ、Ｗの３つの端子に発生する電圧からブラシレスＤＣモータ４の運転状態を検出する構成としたが、回転子４ａの位置検出やモータ電流の状態検出などが可能な手段であれば電流検出などの他の手段を用いた構成でも良い。

雑音判定部６は、端子電圧検出回路５から出力される信号をもとにして、回転子４ａの相対位置に関する信号を阻害する雑音とその発生時間を検出し雑音の終了を判定する。例えば、端子電圧検出回路５が、前述のような３相巻線の各相の端子電圧と任意の基準電圧との比較から信号を出力する構成をとる場合、インバータ３のスイッチ素子３ａ〜３ｆがｏｆｆした時に発生するスパイク電圧を検出し、その終了時点にスパイク電圧の発生時間とスパイク電圧が終了したという情報を信号判定部７に出力する。

信号判定部７は、雑音判定部６から雑音終了の情報をもとに、端子電圧検出回路５から出力される信号を区別して判定する。具体的には、雑音終了情報を受信した後に端子電圧検出回路５の出力信号が変化を検出して回転子４ａの位置信号であると認識する。

波形発生部８は、信号判定部７が出力する雑音の終了情報と回転子４ａの位置情報をもとに、ロジカルな信号変換を行い、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。ただし、一定時間経過しても雑音が終了しない場合には、位置情報に応じず、目標周波数やその時点の実周波数をもとに強制的に波形を出力する機能も波形発生部８は有している。また、位置情報に応じた運転中には、回転数を一定に保つためにＰＷＭ制御のデューティ制御や通電角の制御も行っている。回転位置に従って、ブラシレスＤＣモータ４の実回転数を検出し、目標回転数との比較を行いながら最適なデューティで運転させることができるため、最も効率的な運転が可能となる。この実回転数の検出は信号判定部７による位置信号の出力タイミングから一定時間カウントまたは周期測定などによって実現可能である。

ドライブ部９は、波形発生部８からの出力信号により、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ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をブラシレスＤＣモータ４に印加することができるので回転子４ａを回転させることができる。

マイクロコンピュータ１０は前述の機能を実現する。これらの機能はマイクロコンピュータのプログラムによって実現可能である。

基準電位Ｇは本ブロック図中の電位の基準となる点で、整流ダイオード２ｄと電解コンデンサ２ｆの接続点にあたる。商用電源１が供給する電圧がＡＣ１００Ｖの場合、この基準電位Ｇと電解コンデンサ２ｅ−整流ダイオード２ｃの接続点との間に２８０Ｖ程度の直流電圧を得ることができ、インバータ３に供給されることになる。

次に図１における動作について、図１、図２を用いて説明する。

図２は、本実施の形態１における波形発生部による駆動時の雑音判定部と信号判定部の動作を示した模式図である。

本図２は、波形発生部８による運転における、３相巻線のうちのＵ相に関わる２つのスイッチ素子３ａ、３ｂにドライブ部９が出力する信号波形と、Ｕ端子と基準電位Ｇ間の電位差を観測した電圧波形“Ｕ相電圧”と、その電圧と基準電圧との比較結果から端子電圧検出回路５が出力する信号波形“Ｕ５”とをａ）からｃ）の運転状態に区別して示している。電圧波形“Ｕ相電圧”の左端に記されているＰはインバータ３に供給される電圧（ポジティブ側の電位）を示しており商用電源１がＡＣ１００Ｖの場合２８０Ｖ程度の直流電圧に相当する。また、Ｎはインバータ３に供給される電圧の基準電位Ｇ（ネガティブ側の電位）を示しており０Ｖに相当する。本図において上から、ａ）は端子電圧検出回路５が位置信号を出力しているときの波形、ｂ）は端子電圧検出回路５が位置信号を出力していないときの波形、ｃ）は回転子４ａがロック状態であるときの波形をそれぞれ示している。但しここでは、進角７．５°で運転しているときの波形をもとに説明するが、本実施例が進角を限定するわけではないことを補足しておく。また、進角とは、回転子４ａの回転によって発生する逆起電圧に対する固定子４ｂに流れる電流の進み度合いを電気角で表したものである。なお、ここでは説明を簡易にするため代表してＵ相の説明だけに留めるが、他の２相Ｖ相、Ｗ相についても全く同じ動作をする。また、ここでは、通電角１５０°の場合についてのみ説明し、１５０°以下の他の通電角についても同様なので省略する。

まず、これら３つの波形について説明する。第一に、ドライブ部１０が出力する信号波形について説明する。スイッチ素子３ａ、３ｂともに電気角にして１５０°の間ＯＮ、２１０°の間ｏｆｆといった動作を繰り返す。本図では、スイッチ素子３ａが１５０°導通、スイッチ素子３ｂが２１０°非導通となるタイミングを中心に信号波形が記されている。本図の中央付近で縦に描かれている二点鎖線は、スイッチ素子３ａの導通期間の中央位置を示している。なお、この図はデューティ１００％運転時の信号波形である。第二に、Ｕ相の電圧波形“Ｕ相電圧”について説明する。ここでは、便宜上図ａ）を用いて説明する。左の方には凸状、右の方には凹状の網掛部分があるが、これをスパイク電圧と呼ぶことにする。スパイク電圧は、スイッチ素子３ａ、３ｂがｏｆｆした直後に、固定子４ｂ（Ｕ相巻線）に蓄えられたエネルギが還流用ダイオードを通して放出される間発生し、ｏｆｆする直前におけるＵ相巻線に流れていた電流とＵ相巻線のインダクタンス等によって発生時間が変化する。そのため、蓄えられていたエネルギによってはこのスパイク電圧の幅は大きくなったり小さくなったりして、場合によっては発生しない場合もある。スイッチ素子３ｂ（ネガティブ側）がｏｆｆした時は還流ダイオードを通して電解コンデンサ２ｅ側（ポジティブ側）に電流を回生させるため凸状になり、スイッチ素子３ａ（ポジティブ側）がｏｆｆした時は電解コンデンサ２ｆ側（ネガティブ側）に電流を回生させるため凹状になる。また、左の方には右上がり状、右の方には右下がり状の太線破線部分があるが、これは回転子４ａが回転することにより発生する逆起電圧がＵ相の電圧波形上に現れている部分である。逆起電圧は、３相巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれについて現れるが、各相に接続されている２つのスイッチ素子がともにｏｆｆ中であるときのみ現れる。つまりＵ相の場合、スイッチ素子３ａ、３ｂのどちらかがＯＮすると電圧波形がＰ側、Ｎ側に張り付いてしまうため、両スイッチ素子がともにｏｆｆの時だけ現れる。そして、中央付近に横に描かれている点線は端子電圧検出回路５が３相巻線の電圧波形から信号を出力するために必要となる基準電圧である。この基準電圧を示す点線上にある丸印はスパイク電圧との交点を表し、同点線上にある米印は逆起電圧との交点を表している。第三に、端子電圧検出回路５が出力する信号“Ｕ５”について説明する。端子電圧検出回路５は、基準電圧とＵ相電圧波形とを比較して、Ｕ相電圧波形の方が小さい場合にはロウレベル信号（以降、Ｌ信号という）を出力し、逆に大きい場合はハイレベル信号（以降、Ｈ信号という）を出力する。波形上の丸印は、スパイク電圧終了時に出力された信号のエッジ部を示している。米印は、逆起電圧と基準電圧が同レベルになったときに出力された信号のエッジ部を示し、この米印部分のエッジが回転子４ａの相対位置を表すことになる。

次に、各運転状態毎に描かれた図ａ）、ｂ）を用いて雑音判定部６、信号判定部７、波形発生部８の動作について詳しく説明する。なお、図ｃ）のロック状態については他の図を用いて後に説明するのでここでは割愛する。

図中ａ）は通常運転状態にあるときの波形を表した図である。図からも分かるようにスパイク電圧の幅が７．５°（２２．５°未満）の場合、逆起電圧波形はスイッチ素子３ａ、３ｂのＯＮ動作前に現れ、なおかつ基準電圧と交差するので、相対位置（○印）も、スパイク電圧（雑音）の終了時点（＊印）も共に検出可能となる。

波形発生部８による駆動中に、電流が十分低く安定した運転を行っている場合、通常状態ａ）の様な波形となっている。まず、雑音判定部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）端子電圧検出回路５からの信号を観測し、その信号レベルの変化点を検出することでスパイク電圧（雑音）終了時点を認識する（図中○印）。次に、雑音判定部６から雑音終了の信号を入力した信号判定部７は、端子電圧検出回路５から出力される信号を観測しながら波形発生部８に雑音発生が終了したという情報を出力する。そして、端子電圧検出回路５が、逆起電圧と基準電圧が交差するポイントで信号のレベルを変化させた時点で、その変化を入力した信号判定部７は位置信号と判定して波形発生部８にその情報を出力する。その後、波形発生部８は、その位置信号をもとに進角が７．５°となるように波形を出力する。すなわち、信号判定部７が出力する位置信号を受け取った時点から電気角にして７．５°経過した時点で波形発生部８がドライブ部９に波形を出力する。さらに、波形発生部８は、信号判定部７から位置信号が出力される周期も観測し、目標の周期に合致するようにデューティや通電角を調整した上で波形を出力して、回転数が一定になるよう制御している。

図中ｂ）は過負荷運転状態にあるときの波形を表した図である。図からも分かるようにスパイク電圧幅が２２．５°（２２．５°以上）の場合、逆起電圧波形はスイッチ素子３ａ、３ｂのＯＮ動作前に現れるものの、基準電圧とは交差しないので、相対位置の検出も、スパイク電圧の終了時点の検出もともにできない状態となる。

波形発生部８による駆動中に、負荷トルクが上昇してくると、モータ電流が増加し、スパイク電圧（雑音）の発生時間が拡大された過負荷状態ｂ）の様な波形となっている。まず、雑音判定部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）端子電圧検出回路５からの信号を観測する。しかし、雑音が終了すると同時に逆起電圧が基準電圧のレベルに達しているため、端子電圧検出回路５が出力する信号レベルが変化せず、雑音判定部６は一向に雑音終了時点を検出することができない。また、雑音判定部６から雑音終了の信号を入力できないため、信号判定部７は端子電圧検出回路５から出力される信号の観測を開始できず、位置信号を検出できない。そして、信号判定部７から位置情報はおろか雑音終了情報も入力できない波形発生部８は、任意の時間以上情報が入力されないために、予め決定されている時間経過後に強制的に波形を出力する。この様にして、位置情報が無くても運転を継続し、トルクが低くなってくるとｂ）の右側波形のように位置検出可能な通常状態に変化する。例えば、ブラシレスＤＣモータ４が圧縮機を駆動するモータの場合、圧縮機の吸入行程から吐出行程に向かう間は負荷トルクが段々高くなっているが、逆に吐出行程から吸入行程に向かう間は負荷トルクが段々低くなっている。この様に負荷変動の有るシステムにおいては、ｂ）左側のように雑音幅が大きくなる高負荷時だけ強制的に波形を発生させて運転を継続すれば、次第にｂ）右側の様な雑音幅の小さい波形に変化していく。言いかえると、圧縮機のようなシステムを運転する場合の波形がｂ）の様な波形となる。

次に図１における詳細な動作について、図１〜図５を用いて更に詳しく説明する。

図３は、本実施の形態１における無視期間を有していない雑音判定部と信号判定部の動作を示したフローチャートである。なお図３から図５では、３相巻線のどの相の場合も動作が共通しているので、代表してＵ相の動作を説明する。

なお、図３においてＳＴＥＰ３１、ＳＴＥＰ３２は雑音判定部６の処理、その他は信号判定部７の処理である。

まず、ＳＴＥＰ３１において、波形発生部８が出力するスイッチ素子３ａ、３ｂに対する信号の両方がｏｆｆであるかどうかを判定している。その判定の結果、ともにｏｆｆしていればＳＴＥＰ３２に移行する。スイッチ素子３ａ、３ｂのどちらかがＯＮしている場合はスタートに戻る。

また、ＳＴＥＰ３２において、端子電圧検出回路５からの信号を入力し、雑音が終了したかどうかを判定している。判定の結果、雑音が終了していればＳＴＥＰ３３に移行する。終了していなければスタートに戻る。判定方法は、スイッチ素子３ａがＯＮされる直前の場合はＬ信号、３ｂがＯＮされる直前の場合はＨ信号が入力された時に雑音が終了したと判定する。この様な判定方法なので、雑音が発生しなかった場合でも終了したという判定が可能となる。次に図２のａ）を用いて、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間を例にとって、雑音終了検出動作について説明する。スイッチ素子３ｂがｏｆｆすると、図２からわかるように雑音（スパイク電圧）が発生し、端子電圧検出回路５がＨ信号を出力する。雑音が終了すると、端子電圧検出回路５はＬ信号を出力し、雑音判定部６がスパイク電圧の終了時点と判定してＳＴＥＰ３３に移行する。ただし、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしても雑音が発生しなかった場合は、端子電圧検出回路５はｏｆｆ前後で同じＬ信号を出力し続けるので、雑音判定部６はＳＴＥＰ３２でｏｆｆ判定した直後に雑音終了を判定しＳＴＥＰ３３に移行することになる。また、ここでは雑音終了判定１処理で雑音終了と判定されれば直ちにＳＴＥＰ３３に移行しているが、スパイク電圧終了時に発生する雑音の除去等の目的で、時間判定処理をＳＴＥＰ３３の前に挿入される場合もあることを補足しておく。ここでいうスパイク電圧終了時に発生する雑音の長さや大きさは、還流ダイオードの特性によって左右される。

また、ＳＴＥＰ３３において、端子電圧検出回路５から出力される信号のレベルの変化を観測、判定している。判定の結果、変化が生じていればＳＴＥＰ３４に移行する。変化が生じていなければＳＴＥＰ３５に移行する。判定方法は、スイッチ素子３ａがＯＮされる直前の場合はＨ信号、３ｂがＯＮされる直前の場合はＬ信号が入力されている時に雑音終了時のレベルに比べて信号に変化が生じたと判定する（つまり、相対位置信号が入力されたと判定することになる）。このことからもわかるように、前述の雑音終了時点の判定と逆の論理の判定となり、信号レベルがスパイク電圧終了時点から反転した時に相対位置信号が入力されたと判定する。次に図２のａ）を用いて、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間を例にとって、相対位置信号検出動作について説明する。スパイク電圧（雑音）が終了すると、図２からわかるように“Ｕ相電圧”には逆起電圧が現れ、しばらく端子電圧検出回路５はそのままＬ信号を出力しているのでＳＴＥＰ３５に移行する。その後、逆起電圧が基準電圧よりも高くなった時に端子電圧検出回路５はＨ信号を出力し、信号判定部７が位置信号を入力し終わったと判定しＳＴＥＰ３４に移行する。

また、ＳＴＥＰ３４において、波形発生部８に相対位置信号の検出情報を出力し、スタートに戻る。信号検出情報とは、スイッチ素子がｏｆｆしてから信号判定部７が相対位置信号を検出するまでの時間で表される位置信号検出時間などを指す。

最後に、ＳＴＥＰ３５において、波形発生部８に対して雑音終了情報を出力し、スタートに戻る。

図４は、本実施の形態１における無視期間を有している雑音判定部と信号判定部の動作を示したフローチャートである。また、本図において、図３と共通の処理については既に説明しているので説明を割愛する。

なお、図４においてＳＴＥＰ４１、ＳＴＥＰ４２は雑音判定部６の処理、その他は信号判定部７の処理である。

まず、ＳＴＥＰ４１において、波形発生部８が出力するスイッチ素子３ａ、３ｂに対する信号の両方がｏｆｆになってから予め設定されている任意の時間が経過したかどうかを判定している。その判定の結果、時間が経過していればＳＴＥＰ４２に移行する。時間が経過していない場合はスタートに戻る。ここでいう任意の時間とは、スパイク電圧（雑音）を無視するために設けられた時間であり、この期間において雑音判定部６は端子電圧検出回路５の信号を入力しない。

次に、ＳＴＥＰ４２において、端子電圧検出回路５からの信号を入力し、雑音が終了したかどうかを判定している。判定の結果、雑音が終了していればＳＴＥＰ３３に移行する。終了していなければスタートに戻る。ただし、この判定はＳＴＥＰ４１から移行したときだけ行い、その時点の判定結果が保持されるような処理となっている。つまり、スイッチ素子３ａ、３ｂに対する信号の両方がｏｆｆになってからの経過時間が任意に設定された時間と一致したときのみ判定し、判定の結果雑音が終了していればスイッチ素子３ａ、３ｂのどちらかがＯＮするまでＳＴＥＰ３３への移行を継続し、終了していなければスタートに戻り続ける処理となっている。判定方法は、スイッチ素子３ａがＯＮされる直前の場合はＬ信号、３ｂがＯＮされる直前の場合はＨ信号が入力されている時に雑音終了状態にあると判定する。この様な判定方法なので、雑音が発生しなかった場合でも終了したという判定が可能となる。次に図２を用いて、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間を例にとって、雑音終了検出動作について説明する。なお、ここではＳＴＥＰ４１で設定されている無視期間を電気角にして１５°として説明する。１例としてａ）においては、端子電圧検出回路５は、雑音の発生と共に電気角にして７．５°の間Ｈ信号を出力した後にＬ信号を出力している。雑音の発生時間“７．５°”が無視期間“１５°”に対して短いため、雑音終了判定２処理が初めて実行される時点において既に雑音が終了しており、それ以降は必ずＳＴＥＰ３３に移行することとなる。他の例としてｂ）においては、端子電圧検出回路５は、電気角にして２２．５°の間Ｈ信号を出力した後にＬ信号を出力している。雑音の発生時間“２２．５°”が無視期間“１５°”に対して長いため、雑音終了判定２処理が初めて実行される時点において未だ雑音が終了おらず、それ以降は必ずスタートに戻ることとなる。無論、スイッチ素子３ｂがｏｆｆしても雑音が発生しなかった場合は、常にＳＴＥＰ３３に移行することとなる。また、ここでは雑音終了判定２で終了と判定されれば直ちにＳＴＥＰ３３に移行しているが、スパイク電圧終了時に発生する雑音の除去等の目的で、時間判定処理をＳＴＥＰ３３の前に挿入される場合もあることを補足しておく。ここでいうスパイク電圧終了時に発生する雑音の長さや大きさは、還流ダイオードの特性によって左右される。

ＳＴＥＰ３３からＳＴＥＰ３５については、既に図３にて説明済みであるので詳しい説明は割愛するが、図３の処理方法と図４の処理方法との違いについて説明を加える。まず、図３では無視期間を設けず、図４では無視期間を設けている点がいうまでもないことではあるが一番大きな違いである。すなわち、図３の処理方法ではタイマ演算処理などの時間計測処理（タイマ割込処理）が省略できる。しかし、無視期間を設けていないために位置信号を検出する処理（外部割込処理）の前に、端子電圧検出回路５の出力信号の変化を検出する外部割込処理をもう一度設ける必要がある。これに引き替え、図４の処理方法であればタイマ割込処理が一つ必要ではあるものの、外部割込処理は１度だけ実行すればよいことになる。なお、タイマ割込処理や外部割込処理はマイクロコンピュータ１０が有する特色ある機能であり、マイクロコンピュータによってはどちらかの割込処理だけに高性能である場合がある。図３、図４に示す２つの方法は、マイクロコンピュータの性能に応じて使い分けられることがある。

図５は、本実施の形態１における波形発生部の動作を示したフローチャートである。

まず、ＳＴＥＰ５１において、信号判定部７が出力する情報からスパイク電圧（雑音）の終了を検出できたかどうかを判定している。判定の結果、雑音の終了が検出できていればＳＴＥＰ５２に移行する。終了を検出できていなければＳＴＥＰ５５０に移行する。

次に、ＳＴＥＰ５２において、信号判定部７が出力する情報から位置信号を検出できたかどうかを判定している。判定の結果、位置信号が検出できていればＳＴＥＰ５３０に移行する。位置信号が検出できていなければＳＴＥＰ５４０に移行する。

また、ＳＴＥＰ５３０において、信号判定部７が位置信号を検出してから所望の進角を実現するための時間が経過したかどうかを判定している。判定の結果、経過していればＳＴＥＰ５３１に移行する。経過していなければスタートに戻る。ここで、判定方法について図２ａ）を用いてもう少し詳しく説明する。本図では進角７．５°、通電角１５０°の場合の波形を表しており、位置信号が検出された米印のポイントから電気角にして７．５°経過した時点で波形発生部８はスイッチ素子３ａがＯＮとなるような波形を発生している。電気角７．５°は、回転周波数が１８０Ｈｚの場合およそ１１６μｓｅｃに相当する。つまり、本進角判定処理における判定条件（判定時間）は、この例の場合、１１６μｓｅｃとなる。

また、ＳＴＥＰ５３１において、位置検出駆動波形出力処理を実行しスタートに戻っている。本処理では、位置検出信号に応じてデューティや通電角、波形を出力するタイミングを調整しており、それによって所望の周波数での運転が安定して継続できるようになる。

また、ＳＴＥＰ５４０において、運転状態の異常判定をしている。判定の結果、異常状態であると判定した場合にはＳＴＥＰ５４１に移行する。異常状態でない場合はスタートに戻る。ここで判定方法について詳しく説明する。本ＳＴＥＰ５４０に移行するのは、雑音が終了しているにもかかわらず位置信号が検出されない状態である。正常な運転状態において雑音が終了していれば、３相巻線の各相に接続されている２つのスイッチ素子が共にｏｆｆしてから電気角にしておよそ３０°（通電角が１５０°の場合）の時間が経過するまでに位置信号が発生するはずである。しかし、端子電圧検出回路５が突然故障した場合や回転子４ａの回転速度が急激に低下した場合など極めて異常な状態が起こった時には電気角にして３０°の時間が経過しても位置信号が発生しない。そこで、本判定処理においては、スイッチ素子３ａ、３ｂがともにｏｆｆされた時点から十分な時間が経過しているにもかかわらず、位置信号が検出されない場合には異常状態と判定してＳＴＥＰ５４１に移行する。なお、ここでいう“十分な時間”とは、位置信号検出されるのに十分な時間のことであるから、例えば、電気角にして６０°相当の時間とする。ちなみに、運転周波数が１８０Ｈｚの場合、６０°はおよそ９２６μｓｅｃに相当する。

また、ＳＴＥＰ５４１において、保護動作処理を実行してスタートに戻る。ここでは、ＳＴＥＰ５４０にて異常状態と判定されているから、モータを不安全状態から脱出させるために、直ちに波形出力を停止する等の処理を行う。

また、ＳＴＥＰ５５０において、運転状態が過負荷状態かどうかを判定している。判定の結果、過負荷状態であればＳＴＥＰ５５１に移行する。過負荷状態でなければスタートに戻る。ここで判定方法について詳しく説明する。雑音終了が検出されていない状態で本ＳＴＥＰ５５０に移行する。通常の負荷状態で運転している場合、３相巻線の各相に接続されている２つのスイッチ素子が共にｏｆｆしてから電気角にしておよそ３０°（通電角が１５０°の場合）の時間が経過するまでに雑音終了が検出されるはずである。しかし、過負荷状態（モータ電流が大いに必要な負荷トルクの高い状態）においては、図２のｂ）の様にスパイク電圧（雑音）が終了した時点で既に逆起電圧が基準電圧と交差するポイントを過ぎているために端子電圧検出回路５の信号レベルが変化しないまま電気角にして３０°の時間が経過する。そこで、本判定処理では、２つのスイッチ素子３ａ、３ｂがともにｏｆｆとなってから３０°の時間が経過しているにもかかわらず雑音終了時点が検出できない場合に過負荷状態と判定しＳＴＥＰ５５１に移行する。ちなみに、３０°の基準となる運転周波数が１８０Ｈｚの場合、３０°は４６３μｓｅｃに相当する。

ただし、ＳＴＥＰ５５０で基準としている“運転周波数”は、“システムが目標としている所望の運転周波数”であったり、“その時点で実際に波形発生部が出力している運転周波数”であったり、場合によって判定条件を変化させた方がより高精度な判定処理となることがある点を付け加えておく。なぜなら、“所望の運転周波数”と“その時点の運転周波数”とに大きく乖離があった場合に“所望の運転周波数”を基準として波形を出力すると、その波形の出力タイミングに回転子４ａの回転が追従できず、ピーク電流を発生したり、ひいては脱調停止に至ることも考えられる。逆に乖離がほとんど無かった場合には、“所望の運転周波数”を基準とした方が目標の周波数によりいっそう近づけることができるので“その時点の運転周波数”を基準とするよりも最適な判定方法であると言える。

最後に、ＳＴＥＰ５５１において、強制駆動波形出力処理を実行しスタートに戻っている。ここでは、ＳＴＥＰ５５０にて過負荷状態と判定されているから、位置信号が検出されなくてもモータの運転を継続させるために、直ちに波形を出力する処理を行う。

なお、ＳＴＥＰ５３０、ＳＴＥＰ５４０、ＳＴＥＰ５５０の判定処理においては、それぞれ異なる時間を基準として判定している。一方、本実施の形態は、基本的には位置信号に応じた駆動波形を出力し、スパイク電圧（雑音）の終了時点も位置信号も共に検出できない場合にはその時の運転周波数に応じた駆動波形を強制的に出力し、雑音終了は検出できているのに位置信号が速やかに検出されない場合は異常状態と判定して波形出力を停止させるような波形発生部８を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置である。つまり、まずはＳＴＥＰ５３１を基本処理とし、ＳＴＥＰ５３１の処理が不可能な状態ではＳＴＥＰ５５１の処理を行い、その処理も不可能な状態であればＳＴＥＰ５４１の処理を行うといった、ＳＴＥＰ５３１、ＳＴＥＰ５５１、ＳＴＥＰ５４１という優先順位を設ける必要がある。よって、本実施の形態を実現するためには、ＳＴＥＰ５３０の判定処理における時間条件を最も短くなるように設定し、ＳＴＥＰ５４０の判定処理における時間条件を最も長くなるように設定しなければならないことを補足しておく。

以上のように、本実施の形態においては雑音の終了時点を判定できる雑音判定部を有することにより、高負荷・高速運転環境下で特に起こる可能性のあるスパイク電圧（雑音）発生時間の長い状態でも、確実に位置信号を検出することが可能となり、回転数変動や脱調停止・保護停止といった不安定状態が起こりにくくなる。また、雑音判定部でも検出できないほど極めて長い時間雑音が発生した場合でも、目標周波数や実周波数に応じて強制的に波形を発せさせることもできる波形発生部を有することにより、前述のような不安定状態から脱出可能となり、システム停止の防止、システムの信頼性の確保などの効果を発揮することができる。

図１０に示すような従来の駆動装置では、逆起電圧検出回路１０５に逆起電圧を検出する機能しか有していなかったため、回転子１０４ａが電流位相の不安定な状態に陥ったことを検出することができなかった。そこで、スパイク電圧終了時点の検出機能を有することにより、波形発生部８による駆動中において、不安定状態の検出が可能となり、運転状態の安定化や信頼性の向上といった効果をもたらす。さらに、転流回路１０６は回転子１０４ａの位置に応じた駆動しかできなかったため、雑音が極めて長い時間発生したときなどは、正確な位置情報が獲得できないために回転数変動を起こしたり、ひいては脱調停止に至るなど不安定な状態からの脱出が不可能であった。そこで、波形発生部８に位置情報を獲得できないときには強制的に波形を出力しながら運転を継続する機能を有することにより、瞬時的に発生する不安定な状態を乗り切ることが可能となり、強制駆動と位置検出駆動とを繰り返しながら運転を持続できるようになるため、システムの安定性向上や信頼性の更なる向上といった効果を発揮できる。

また、モータ効率化の手段の１つとして、固定子の巻線量（ターン数）を増加させる方式があるが、この方式ではモータの鉄損を低減できる反面、雑音発生時間が増加し、高負荷運転中（モータ電流が大いに必要な運転状態）に位置信号を検出しにくいという短所があった。このようなモータにおける駆動制御の安定化に対しても、本実施の形態の制御装置は大いに効果を発揮する。効率化の他の手段として、回転子の構造をＩＰＭ型構造にする方式もあるが、この場合もスパイク電圧自身やスパイク電圧終了時に出現する雑音の発生時間が増加傾向にあるため前述のような短所が及ぼす影響が更に大きく、ＩＰＭ構造のモータに対しても本実施の形態は効果を発揮する。

更に、冷蔵庫やエアコンなど近年著しくインバータ化の進んでいる製品において、電源高調波歪みの抑制が不可欠となっている。この抑制方式としては、アクティブフィルタ方式や変圧方式などいろいろな手段があるが、特に冷蔵庫においては、安価でシステムインしやすい“リアクトル方式”が一般的な手段となっている。リアクトル方式は、電源高調波歪みを抑制する一方で、インバータに供給する電力を低減させ、その結果スパイク電圧発生時間が増加し、位置信号を検出しにくくする短所も有している。この様なインバータへの供給電力が低下した状況下での高負荷運転（モータ電流が大いに必要な運転状態）の安定化にも、本実施の形態の制御装置が非常に有用である。

図６は、本発明の実施の形態１における異常状態判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。なお、図６中の構成部品において図１と同じものについては、既に説明しているので割愛する。

図６において、異常状態判定部６０は、信号判定部７の位置情報をもとにロック状態などの異常状態を判定する。具体的には、波形発生部８が強制的波形を出力しながら運転を継続しているにもかかわらず、一向に信号判定部７からの位置情報が入力されず、モータが安定して回転しているのかどうかが判定できない状態が、通常ではあり得ないほどの間継続した場合に、異常状態と判定する。異常状態と判定した後は、保護動作などの指令を波形発生部８に出力し、システムの運転状態を不安定な状態から脱却させる様な処理も行う。たとえば、波形出力の停止などによるシステムの保護動作処理や、波形発生部８の出力する周波数を低下させることにより電流を低下させ、位置信号を阻害している雑音の発生時間を低減させる処理によって不安定状態からの脱却を図る。

次に図１における動作について、図１、図２を用いて説明する。なお、図２に関してａ）からｃ）に共通する内容やａ）、ｂ）に関する詳しい説明については既に終えているので割愛する。

図中ｃ）は回転子４ａがロック状態にあるときの波形を表した図である。図からも分かるように、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）も電圧波形はＰ、Ｎのどちらかに張り付いたままとなり、相対位置の検出も、スパイク電圧（雑音）の終了時点の検出もともにできない状態となる。

波形発生部８による駆動中に、インバータ３がブラシレスＤＣモータ４に供給している電力に比べて負荷トルクが非常に大きい場合などは、脱調したあげくにロック状態ｃ）の様な波形となる場合がある。雑音判定部６が、スイッチ素子３ａ、３ｂの両方ｏｆｆの期間（スイッチ素子３ｂがｏｆｆしてから３ａがＯＮするまでの間、もしくは、スイッチ素子３ａがｏｆｆしてから３ｂがＯＮするまでの間）端子電圧検出回路５からの信号を観測する。しかし、“Ｕ相電圧”波形がＰ、Ｎのどちらかに張り付いたままとなるため、端子電圧検出回路５が出力する信号レベルが変化せず、雑音判定部６は一向に雑音終了時点を検出することができない。また、雑音判定部６から雑音終了の信号を入力できないため、信号判定部７は端子電圧検出回路５から出力される信号の観測を開始できず、位置信号を検出できない。そして、信号判定部７から位置情報はおろか雑音終了情報も入力できない波形発生部８は、任意の時間以上情報が入力されないために、予め決定されている時間経過後に強制的に波形を出力する。この様にして、モータの運転状態情報が全く得られないながらも、強制的に波形を出力しながら転流を継続しているにも関わらず、通常では考えられないほどの間運転状態情報が得られない場合は、異常状態と判定し波形発生部８は保護動作処理を実行する。

次に図６における詳細な動作について、図２、図６，図７を用いて更に詳しく説明する。

図７は、本実施の形態１における異常状態判定部と波形発生部の動作を示したフローチャートである。また、本図において、図５と共通の処理については既に説明しているので説明を割愛する。なお、本図７においてＳＴＥＰ７５２、ＳＴＥＰ７５３、ＳＴＥＰ７５４は異常状態判定部の処理、それ以外は波形発生部の処理を表している。

まず、ＳＴＥＰ７５２において、強制駆動波形を出力した回数をカウントしてＳＴＥＰ７５３に移行する。なお、この回数はＳＴＥＰ５２、ＳＴＥＰ７５４に移行したときにクリアされる。

次に、ＳＴＥＰ７５３において、異常判定２処理を実行する。判定の結果、異常状態である場合はＳＴＥＰ７５４に移行する。正常状態である場合はスタートに戻る。ここで、判定方法について説明する。通常の運転状態においては、運転周波数に応じて強制的に波形を出力しながら転流を継続していると、信号判定部７が位置信号を検出できる負荷状態に変化してくる。たとえ、位置信号が検出できない様な負荷状態の場合でも、少なくとも雑音判定部６がスパイク電圧（雑音）の終了を検出できるような負荷状態には変化する。そこで、本判定処理では、通常考えられないほどの間、雑音終了時点すら検出できない状態が継続することを判定するために、ＳＴＥＰ７５２で加算された転流回数が予め設定された任意の回数以上になったときに異常状態と判定して、ＳＴＥＰ７５４に移行する。なお、“任意の回数”とは異常状態と判定するのに十分な回数であり、例えば１０回転に相当する１８０転流回数（但し回転子４ａの磁極数が６の場合）等とする。

最後に、ＳＴＥＰ７５４において、保護動作２処理を実行しスタートに戻る。保護動作２処理は、システムを異常状態から脱却させるための処理であり、停止処理や回転速度減速処理がそれにあたる。図２からわかるように、ＳＴＥＰ７５３で異常状態と判定される状態はｂ）、ｃ）の２種類が考えられる。まず、ｂ）の場合、回転子４ａは回転しているもののスパイク電圧（雑音）が大きいために、端子電圧検出回路５が信号レベルを変化させることができないような状態である。この場合、回転子４ａは回転しているから波形出力を停止させる必要はなく、雑音の発生時間を小さくする必要がある。具体的な方法としては、回転速度を小さくすることで、固定子４ｂに流れる電流を低減し、雑音の発生時間を抑えるという方法があり、先程述べた“回転速度減速処理”が保護動作処理となるわけである。一方、ｃ）の場合、回転子４ａはロック停止状態にあるため、速やかに波形出力を停止させてシステムを不安全状態から脱却させる必要があり、“停止処理”も保護動作処理となるわけである。本処理では、まず“回転速度減速処理”を実行し、それでもＳＴＥＰ７５３に移行する場合には、１度目の判定回数に対して半分の回数で異常状態と判定して“停止処理”を実行するような構成にすれば、端子電圧検出回路５の出力信号だけでは、過負荷状態かロック状態かの区別が付かない場合でも、過負荷状態に誤って停止処理してしまうような誤動作を防止でき、なおかつ、ロック状態の場合でも比較的速やかに停止できることを付け加えておく。

以上のように、本実施の形態においてはシステムの異常状態から脱却できる異常状態判定部を有することにより、高負荷・高速運転環境下で特に起こる可能性のあるスパイク電圧（雑音）発生時間の長い状態でも、運転速度は低下してしまうものの、回転数変動や脱調停止・保護停止といった不安定状態が起こりにくくなる。また、端子電圧検出回路の出力信号だけでは、ロック状態か過負荷常態化の区別が付かないような場合でも、速やかに、かつ、誤動作なく不安定状態から脱出可能となり、システム停止の防止、システムの信頼性の確保などの効果を発揮することができる。

図１０に示すような従来の駆動装置では、逆起電圧検出回路１０５に逆起電圧を検出する機能しか有していなかったため、ロック状態や過負荷状態のような運転状態では安定した運転を保証することはできなかった。そこで、スパイク電圧終了時点の検出機能と異常状態検出機能を有することにより、波形発生部８による駆動中において、不安定状態の検出が可能となり、なおかつ、誤動作なく異常状態から脱却でき、運転状態の安定化や信頼性の向上といった効果をもたらす。

また、モータ効率化の手段の１つとして、固定子の巻線量（ターン数）を増加させる方式があるが、この方式ではモータの鉄損を低減できる反面、雑音発生時間が増加し、高負荷運転中（モータ電流が大いに必要な運転状態）に位置信号を検出しにくいという短所があった。このようなモータにおける駆動制御の安定化に対しても、本実施の形態の制御装置は大いに効果を発揮する。効率化の他の手段として、回転子の構造をＩＰＭ型構造にする方式もあるが、この場合もスパイク電圧自身やスパイク電圧終了時に出現する雑音の発生時間が増加傾向にあるため前述のような短所が及ぼす影響が更に大きく、ＩＰＭ構造のモータに対しても本実施の形態は効果を発揮する。

更に、冷蔵庫やエアコンなど近年著しくインバータ化の進んでいる製品において、電源高調波歪みの抑制が不可欠となっている。この抑制方式としては、アクティブフィルタ方式や変圧方式などいろいろな手段があるが、特に冷蔵庫においては、安価でシステムインしやすい“リアクトル方式”が一般的な手段となっている。リアクトル方式は、電源高調波歪みを抑制する一方で、インバータに供給する電力を低減させ、その結果スパイク電圧発生時間が増加し、位置信号を検出しにくくする短所も有している。この様なインバータへの供給電力が低下した状況下での高負荷運転（モータ電流が大いに必要な運転状態）の安定化にも、本実施の形態の制御装置が非常に有用である。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における切替判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。なお、図６中の構成部品において図１と同じものについては、既に説明しているので割愛する。

図８において、位置検駆動波形発生部８０は、信号判定部７が出力する雑音の終了情報と回転子４ａの位置情報をもとに、ロジカルな信号変換を行い、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを駆動する信号を作り出す。ただし、一定時間経過しても雑音が終了しない場合には、位置情報に応じず、目標周波数やその時点の実周波数をもとに強制的に波形を出力する機能も位置検駆動波形発生部８０は有している。さらに、任意の時間以上、もしくは、任意の転流回数以上強制的に波形を出力しているにもかかわらず、一向に信号判定部７が回転子４ａの相対位置情報を出力できない状況から脱却されない場合、回転速度を減速したり保護停止したりするようなシステム保護動作を実行する機能も有している。本位置検駆動波形発生部８０の駆動する信号は矩形波通電を基本として行っており、通電角が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。また、位置情報に応じた運転中には、回転数を一定に保つためにＰＷＭ制御のデューティ制御や通電角の制御も行っている。回転位置に従って、ブラシレスＤＣモータ４の実回転数を検出し、目標回転数との比較を行いながら最適なデューティで運転させることができるため、最も効率的な運転が可能となる。この実回転数の検出は信号判定部７による位置信号の出力タイミングから一定時間カウントまたは周期測定などによって実現可能である。

同期駆動波形発生部８１は、デューティを一定にしたまま、出力する周波数と通電角を変化させ、インバータ３のスイッチ素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ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１８０度未満の矩形波を作り出している。また、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。なお、同期駆動は、モータ自身の自己進角特性を活かすことにより、高トルクが求められる高回転運転領域に適応させた波形発生手段である。また、図８には示されていないが、位置信号判定部７が出力する信号から、運転状態の安定性を判断し、異常を検出した場合には保護停止などをおこなってシステムの安定化を図ることのできる構成としても良い。

本実施例において、同期駆動波形発生部８１が出力する波形は、デューティ一定としているが、よりきめ細やかな制御を必要とする場合はこの限りではない。強制駆動とは、回転子４ａの相対位置とは関係なく所定周波数に応じて波形を出力する駆動方法のことを指し、デューティなどの要素を一定に保つ性質まで限定するものではない。

切替判定部８２は、位置検駆動波形発生部８０が算出した回転数、その回転数をもとに制御しているデューティや通電角、雑音終了時点が検出できない状況で位置検駆動波形発生部８０が強制的に波形を出力した連続転流回数、同期駆動波形発生部８１が制御している周波数や通電角、信号判定部７からの負荷状態情報、冷蔵庫等の用途におけるシステムの温度状態といった要素に基づいてブラシレスＤＣモータ４の運転状態を判断し、インバータ３を動作させる波形を位置検駆動波形発生部８０か同期駆動波形発生部８１かを選択し切り替えるものである。たとえば、負荷トルクが低い場合位置検駆動波形発生部８０からの信号を選択し、負荷トルクが高い場合同期駆動波形発生部８１からの信号を選択してインバータ３を動作させる。

次に図８における動作について、図８、図９を用いて説明する。なお、本実施の形態２における位置検駆動波形発生部は、実施の形態１における波形発生部と異常状態判定部の両方の機能を有するものであり、詳細な説明については、実施の形態１における図２〜図４、図７を用いて説明は終えているのでここでは割愛する。

図９は、本実施の形態２における位置検駆動波形発生部による動作時の切替判定部の動作を示したフローチャートである。

まず、ＳＴＥＰ９１において、位置検駆動波形発生部８０が強制的に波形を出力しながら転流を続けた回数が多いかどうかを判定している。判定の結果、判定回数よりも少ない場合はＳＴＥＰ９２に移行する。任意の回数よりも多い場合はＳＴＥＰ９８に移行する。強制転流回数判定処理の目的は、位置検駆動波形発生部８０が、強制的に波形を出力しながら転流を繰り返しているにも関わらず一向に回転子４ａの位置信号を取得できていないような異常状態（過負荷状態など）を検出することである。なお、判定回数は、確実に異常状態を検出できる回数とし、例えば１８０転流（回転子４ａの磁極数が６の場合：１０回転相当）のような回数とする。

次に、ＳＴＥＰ９２において、デューティ判定を行う。判定の結果、デューティが判定条件より大きければＳＴＥＰ９３に移行する。小さければＳＴＥＰ９４に移行する。デューティ判定処理の目的は、位置検駆動波形発生部８０の運転限界（限界デューティへの到達）を検出することである。よって、判定条件となるデューティの値は１００％に限りなく近い値となる。

また、ＳＴＥＰ９３において、通電角判定を行う。判定の結果、通電角が小さければＳＴＥＰ９４に移行する。大きければＳＴＥＰ９６に移行する。通電角判定処理の目的は、位置検駆動波形発生部８０の運転限界（限界通電角への到達）を検出することである。よって、判定条件となる通電角の値は１５０°、もしくは１５０°に限りなく近い値となる。

また、ＳＴＥＰ９４において、システム温度判定を行う。判定の結果、システム温度が低ければＳＴＥＰ９５に移行する。高ければＳＴＥＰ９６に移行する。システム温度判定処理の目的は、位置検駆動波形発生部８０の運転限界負荷（限界温度への到達）を検出することである。よって、判定条件となる温度の値はシステムにより異なり、予め実験などで抽出された限界温度の値となる。

また、ＳＴＥＰ９５において、回転数判定を行う。判定の結果、回転数が高ければＳＴＥＰ９６に移行する。低ければＳＴＥＰ９７に移行する。回転数判定処理の目的は、位置検駆動波形発生部８０の運転限界（限界回転数への到達）を検出することである。よって、判定条件となる回転数の値はシステムにより異なり、予め実験などで抽出された限界回転数の値となる。

また、ＳＴＥＰ９６において、切替判定部８２が同期駆動波形発生部８１を選択する。ＳＴＥＰ９１〜ＳＴＥＰ９５の判定処理を終え位置検駆動波形発生部８０による運転限界に達していると判定された場合に本ＳＴＥＰ９６に移行し、駆動手段を切り替えて運転する。

また、ＳＴＥＰ９７において、切替判定部８２が位置検駆動波形発生部８０を選択する。ＳＴＥＰ９１〜ＳＴＥＰ９５の判定処理を終え位置検駆動波形発生部８０による運転限界に達していないと判定された場合に本ＳＴＥＰ９７に移行し、駆動手段をそのままにして運転を継続する。

また、ＳＴＥＰ９８において、同期駆動波形発生部８２により転流した回数が多いかどうかの判定を行う。判定の結果、転流回数が判定条件より多ければＳＴＥＰ９９に移行する。少なければＳＴＥＰ９６に移行する。同期駆動回数判定処理の目的は、位置検駆動波形発生部８０による駆動中に、雑音終了が検出できない負荷状態（過負荷状態またはロック状態）に陥り、ＳＴＥＰ９１にて運転限界到達していると判定され、ＳＴＥＰ９６で同期駆動波形発生部８１による駆動を続けているにも関わらず、一向に雑音終了が検出できない場合に、システムが不安全な状態であることを検出することである。よって、判定条件となる転流回数は、ＳＴＥＰ９１と同様、確実に異常状態を検出できる回数とする。ただし、ＳＴＥＰ９１で一度確実に異常状態を検出しているから、ここではＳＴＥＰ９１ほど大きな判定回数としなくてもよく、判定回数を可能な限り小さくした方が、速やかにＳＴＥＰ９９へ移行可能となり、システムの安定性向上のためにも小さい方が適している。

最後に、ＳＴＥＰ９９において、保護停止処理を行う。本処理により、ロック状態などの極めて異常なシステム状態から脱却することができるようになる。

なお、ＳＴＥＰ９８、ＳＴＥＰ９９は、位置検駆動波形発生部８０で駆動中に異常を検出して同期駆動波形発生部８１に駆動手段を切り替えたにもかかわらず、異常状態から脱却されない場合に実行する処理であるから、厳密には同期駆動波形発生部８１によって駆動中の処理となることを補足しておく。

以上のように、本実施の形態においては周波数を変化させながら強制的に同期駆動する方法に切り替えることのできる駆動手段切替機能を有することにより、位置検駆動波形発生部の運転可能限界に到達した時に速やかに同期駆動波形発生部への切替が可能となり、運転可能領域拡張などの性能向上効果を発揮することができる。また、位置検駆動波形発生部による運転中に異常な運転状態であることは判別できるものの、回転子がロック状態に陥っているか、過負荷状態にて運転しているのかが不明な場合でも、同期駆動波形発生部に一旦切り替えることでそれらの状態の区別が可能となり、過負荷状態で運転中の誤動作による保護停止を防止でき、モータ駆動の安定性向上といった効果を発揮することができる。さらに、同期駆動波形発生部に切り替えても異常な運転状態から脱却できない状態に陥った場合にロック状態であることを速やかに検出することが可能となり、異常状態では速やかなるシステム停止も実現でき、モータ自身やシステム全体の信頼性向上といった効果も発揮できる。

図１０に示すような従来の駆動装置では、逆起電圧検出回路１０５に逆起電圧を検出する機能しか有していなかったため、回転子１０４ａの電流位相が非常に遅れている状態やスパイク電圧発生時間が長いこと、ロック状態に陥ったことを区別して検出することができず、切替回路１０９は備えているものの適切な判断ができずに転流手段を切り替えることができなかった。つまり、図２のｂ）、ｃ）の区別ができないために、ロック状態時に実行する緊急停止処理の優先が不可欠となり、正常にｂ）の状態で運転している場合でも停止せざるを得なかった。そこで、スパイク電圧終了時点が検出できないときには、強制的に波形を出力する機能を有することにより一時的な運転継続が可能となる。また、所定周波数を変化させながら同期駆動する方法に切り替えることのできる駆動手段切替機能とを有することにより、強制的に波形を出力しながら運転を継続しても一向に雑音終了時点が検出できない場合でも、一旦同期駆動に切り替えて進角を増加させ、雑音終了時点を検出しやすくすることで、ロック状態との区別を正確に判断することが可能となる。これら２つの機能を備えることで過負荷運転中の誤動作（保護停止）を防止できるといった効果をもたらす。また、電流の実効値が増加し雑音発生時間が長くなり、位置信号が検出できないような運転状態でも、そのような過負荷状態から一旦停止させることなく脱出することが可能となり、システム運転効率の向上といった効果ももたらす。

また、モータ効率化の手段の１つとして、固定子の巻線量（ターン数）を増加させる方式があるが、この方式ではモータの鉄損を低減できる反面、スパイク電圧発生時間が増加し、位置検駆動波形発生部による運転中に位置信号を検出しにくいという短所があった。このようなモータの運転中における位相状態（図２のｂ）、ｃ）の状態）の区別に対しても、本実施の形態の駆動装置は大いに効果を発揮する。効率化の他の手段として、回転子の構造をＩＰＭ型構造にする方式もあるが、この場合もスパイク電圧自身やスパイク電圧終了時に出現する雑音の発生時間が増加傾向にあるため同様な短所があり、ＩＰＭ構造のモータに対しても本実施の形態は効果を発揮する。

更に、冷蔵庫やエアコンなど近年著しくインバータ化の進んでいる製品において、電源高調波歪みの抑制が不可欠となっている。この抑制方式としては、アクティブフィルタ方式や変圧方式などいろいろな手段があるが、特に冷蔵庫においては、安価でシステムインしやすい“リアクトル方式”が一般的な手段となっている。リアクトル方式は、電源高調波歪みを抑制する一方で、インバータに供給する電力を低減させ、その結果スパイク電圧（雑音）発生時間が増加し、位置信号を検出しにくくする短所も有している。この様なインバータへの供給電力が低下した状況下での位置検駆動波形発生部による運転中における、ロック状態誤検出による保護停止の防止、ひいては不冷・鈍冷状態の回避にもつながるため本実施の形態の制御装置が非常に有用である。

以上の様に本発明にかかるブラシレスＤＣモータの駆動方法及びその装置は、騒音・振動の低減、脱調停止の防止、ピーク電流発生の抑制、駆動効率の向上、出力トルクの向上などの効果を発揮することが可能となるので、家庭用・産業用を問わずブラシレスＤＣモータを搭載したさまざまな用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における波形発生部による駆動に関するブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における波形発生部による駆動時の雑音判定部と信号判定部の動作を示した模式図 本発明の実施の形態１における無視期間を有していない雑音判定部と信号判定部の動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態１における無視期間を有している雑音判定部と信号判定部の動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態１における波形発生部の動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態１による異常状態判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における異常状態判定部と波形発生部の動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態２における切替判定部を備えたブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態２における位置検駆動波形発生部による駆動時の切替判定部の動作を示したフローチャート 従来のブラシレスＤＣモータ駆動に関する駆動装置のブロック図

符号の説明

３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
４ａ 回転子
４ｂ 固定子
５ 端子電圧検出回路
６ 雑音判定部
７ 信号判定部
８ 波形発生部
６０ 異常状態判定部
８０ 位置検駆動波形発生部
８１ 同期駆動波形発生部
８２ 切替判定部

Claims (4)

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、三相巻線とつながる端子における電圧と任意の基準電圧のレベルを比較して信号を出力する端子電圧検出回路と、前記端子電圧検出回路が出力する信号からその信号が雑音であると判定する雑音判定部と、雑音と区別して真の相対位置信号であることを判定する信号判定部と、基本的には前記信号判定部が検出した回転子の相対位置に応じて波形を出力するが雑音発生時間が任意の時間以上継続した時には波形を強制的に出力することもできる位置検駆動波形発生部と、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させて通電角１８０度未満の波形を出力する同期駆動波形発生部と、前記同期駆動波形発生部と前記位置検駆動波形発生部とをモータの運転状態によって切り替える切替判定部とを有し、モータの運転状態に応じて最適な駆動手段に切り替えて運転することのできるブラシレスＤＣモータの駆動装置。
2. ブラシレスＤＣモータが、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有した請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
3. ブラシレスＤＣモータが圧縮機を駆動するものである請求項１または２に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
4. 請求項３に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置を搭載したことを特徴とする冷蔵庫。

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