JP4687583B2

JP4687583B2 - 洗濯機

Info

Publication number: JP4687583B2
Application number: JP2006174815A
Authority: JP
Inventors: 高祖　　洋; 俊成松本; 雅人姜; 徹廣瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: JP2008000501A

Description

本発明は、洗い、濯ぎ、脱水および乾燥を行うために、洗濯槽を回転させる回転駆動力を発生させるモータを有する洗濯機に関するものである。

従来の洗濯機とそのモータの速度制御装置としては、洗い、濯ぎ運転や脱水運転を行う場合、ブラシレスＤＣモータを使用して、そのブラシレスＤＣモータをインバータ回路によって駆動し、モータへの印加電圧を増減させることによって、モータのトルクを制御しているものがある。

洗濯機の速度制御装置はマイクロコンピュータなどで構成されていて、ＰＩ制御部、洗い速度パターン出力部、ＵＶＷ変換部、初期速度パターン出力部、ＰＷＭ駆動部、位置速度検出部などを備えている。ＰＷＭ駆動部より出力される各相のＰＷＭ信号は、モータを駆動するインバータ回路に出力される。モータにはホールセンサが組み込まれていて、モータの回転速度とロータの位置検出を行っている。ＰＩ制御部は、洗濯機の運転制御部（図示なし）より出力される脱水運転の目標回転速度とモータの検出速度に基いてモータの回転速度をＰＩ制御し、ＰＷＭ信号のデューティ指令と位相指令をＵＶＷ変換部へ出力する。

洗い速度パターン出力部は、洗い運転時におけるデューティ指令と位相指令をＵＶＷ変換部へ出力している。ＵＶＷ変換部は、ＰＩ制御部もしくは洗い速度パターン出力部より出力される信号をＵ、Ｖ、Ｗの各相の電圧指令に変換してＰＶＷ駆動部に出力している。初期パターン出力部は、モータを停止状態から起動する場合に通電パターンをＵＶＷ変換部に代わってＰＷＭ駆動部に出力している。

洗い、濯ぎ運転や脱水運転を行う場合、モータのトルク制御を高精度に行うことによって、騒音や振動を抑制するために、モータへの印加電流を増減させることによって、モータのトルクを制御している。

図１７は、従来の洗濯機の速度制御装置の構成を示すものである。洗濯機の速度制御装置はマイクロコンピュータなどで構成されていて、その機能ブロックは、図１７に示すように、速度指令出力部、速度ＰＩ制御部、電流ＰＩ制御部、ｑ軸とｄ軸への指令値をＵＶＷの３相への出力に変換するｄｑ／αβ変換部、αβ／ＵＶＷ変換部、ＰＷＭ駆動部、電流検出のためのＡＤ変換部、αβ／ｄｑ変換部、ＵＶＷ／αβ変換部、回転速度を推定する推定部などを備えている。以下、第１の従来例について説明する。

速度ＰＩ制御部１０１は、目標速度指令値と速度推定部１０２の出力であるモータ回転推定速度との差分量に基づいてＰＩ制御を行い、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆとｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆを生成して出力している。ここで、洗いおよび濯ぎ運転におけるｄ軸電流は、ゼロに設定され、脱水時におけるｄ軸電流は、弱め磁界制御を行うために所定の値に設定されている。

αβ／ｄｑ変換部１０３より出力される実際のｑ軸電流値Ｉｑ、ｄ軸電流値Ｉｄは、減算器１０４、１０５で上記ｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆ、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆとの差分量が計算され、電流制御部１０６はその差分量に基づいてＰＩ制御を行い、ｑ軸電圧指令値Ｖｑとｄ軸電圧指令値Ｖｄを生成して、ｄｑ／αβ変換部に出力している。

ｄｑ／αβ変換部は、推定部によって検出されたロータ位相角度が入力され、回転位相角に基づいた電圧指令値Ｖｄ、ＶｑをＶα、Ｖβに座標変換して出力している。

電圧指令値Ｖα、Ｖβはαβ／ＵＶＷ変換部に入力され、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換されて、ＰＷＭ形成部に入力されている。

ＰＷＭ形成部は、３相の電圧指令値に基づいて１６ｋＨｚの搬送波を変調した各相のＰＷＭ信号をインバータ回路に出力して、モータの各相に正弦波状の電流が通電されるように正弦波に基づいた電圧振幅に対するパルス幅の信号が出力されている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の第２の従来のモータ制御装置としては、図１８に示すように電流制御処理２０１およびＰＷＭ処理２０２によりモータ駆動信号の通電／断電パターンを作成してモータ制御を行い、モータ停止直前のモータ駆動信号の通電パターンをパターン学習処理２０３で学習し、再起動するときこの学習パターンをもとにパターン演算処理２０４で作成することにより、モータ駆動電流を早期に指令値に一致させて振動および騒音を低減しているものがある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、他の第３の従来のモータ制御装置としては、モータ回転に同期したロータ位置信号を使用しての制御駆動と、非同期での制御駆動を切り換えながらモータを制御駆動して振動、騒音を抑えているものがある（例えば、特許文献３参照）。

図１９は、第３の従来のインバータ洗濯機の制御装置の構成を示すものである。インバータ洗濯機は直流ブラシレスモータ３０１をロータ位置検出手段でモータ３０１の回転位置を検出して副制御部３０２に内蔵のインバータ手段が３相電流をモータ３０１に供給することによって駆動されている。副制御部３０２はモータ３０１の起動時にはロータ位置信号に同期した信号でモータを起動している。そしてモータの回転速度が所定値Ａになると、ロータ位置信号に非同期で予め決められた信号でモータを駆動している。これによって、ロータ位置検出手段の取付位置に依存しない信号でモータを駆動できるため、モータの振動、騒音を抑えている。
特開２００３−５３０９２号公報特開平７−２６４８９０号公報特開２０００−２２４８９０号公報

洗濯機は、その脱水工程において、モータで洗濯槽を高速回転させている。その高速回転のためにモータ制御系は、モータに大きな電流を流すことになり、コギング振動やトルクリップル振動による騒音が発生するという課題がある。

トルクリップルは、モータ制御基本周波数の６ｎ倍（ｎは１以上の整数）で、８極モータを９００ｒ／ｍｉｎで回転させた場合、１次成分が３６０Ｈｚ、２次成分が７２０Ｈｚとなる。また、コギングトルクは、モータの極数とコイル（スロット）数の最小公倍数で、８極１２スロットモータの場合、モータ回転数の２４ｋ倍（ｋは１以上の整数）で、モータを９００ｒ／ｍｉｎで回転させた場合、１次成分が３６０Ｈｚ、２次成分となり、これらの振動がモータだけでなく、筐体、洗濯槽を振動させて大きな騒音となっている。

前記第１の従来の構成では、図１７のように電圧指令のみでモータのトルクを制御している。電流はトルクに比例するが、駆動回路には遅れがあり、電圧からトルクまでの伝達関数に遅れが含まれ、そのため制御動作にも遅れが生じ、外乱がない状態でも、正確な速度制御ができない。速度制御の制御帯域を前記した振動が補償できるように１ｋＨｚまであげることは、センサノイズ、モータ時定数などの理由から現実的でない。よって、前記コギングトルクやトルクリップルのような振動外乱は制御系で補償されず、洗濯機の脱水工程において、振動、騒音が発生するという課題を有していた。

また、前記第２の従来の構成では、図１８のように電流指令でモータのトルクを制御している。電流はトルクに比例するため、駆動回路に遅れがあっても電流をフィードバック制御しているため、動作の遅れを低減でき、正確な速度制御、トルク制御が可能である。

しかしながら、前記コギングトルクやトルクリップルのような振動外乱がある場合、外乱による速度変化を検出できても、速度フィードバックだけでは制御帯域で決まる補償ゲインでのみ速度変動を低減することが可能となるだけである。ＤＣ的な低域外乱は補償できても、ＡＣ的な外乱（とくに制御帯域以上）に対しては正確な補償ができず、速度変動、ひいては速度変動が起因となる振動、騒音が発生するという課題を有していた。

さらに、前記第３の従来の構成では、図１９のように、学習処理部を使って早期にモータ駆動電流を指令値に一致させる構成をとっている。

しかしながら、学習処理部は前回の通電時間を学習して、次回にそのパターンを反映させるもので、コギング振動やトルクリップル振動に対する制御駆動電流を学習、補償するような機能を有していない。

よって、コギングトルクやトルクリップルのような振動外乱は制御系で補償されず、洗濯機の脱水工程において、振動、騒音が発生するという課題を有していた。

また、前記第３の従来の構成では、図１９のように、モータをホール素子などの回転同期信号を使用して制御する方法と、使用せずに非同期に制御する方法とを切り換えて行うことによって、ホール素子の取り付け位置誤差による通電の誤差、駆動電流のひずみ、それによるトルクリップルを低減して、モータによる振動、騒音を低減させる構成をとっている。

しかしながら、トルクリップルは３相モータを正弦波駆動で制御する場合、原理的に発生する振動であり、コギングトルク振動も、ブラシレスモータなどの同期回転機の場合、大小の差はあれ、その極数とコイル数の最小公倍数できまる回転に同期した磁気加振により発生する振動である。

よって、非同期正弦波信号を使用して３相モータを回転制御した場合、前記のような振動外乱は補償されず、洗濯機の脱水工程において、振動、騒音が発生するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、モータのコギング振動およびトルクリップル振動を検出もしくは推定して、その振動を低減させるために、制御信号に、その振動を直接打ち消すための信号で、その信号により発生する振動は、前記した課題の振動と振幅が同等で、位相が逆位相になるような信号を加算している。実際には、問題となる振動のモータ制御基本周波数Ｎの前後１次（（Ｎ＋１）次、（Ｎ−１）次）の信号を制御信号に加算して、フィードフォワード補償することによって、コギング振動もしくはトルクリップル振動をキャンセルする。

よって、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となる振動、騒音を防止できるようにした洗濯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の洗濯機は、洗濯物を回転させる洗濯槽と、洗濯槽を回転駆動するモータと、前記洗濯槽の回転速度を検出する速度検出手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した速度と電流と目標値より前記モータを制御する制御手段と、トルクリップルとコギングトルクによる振動を検出する振動検出手段と、振動を打ち消すための振動制御量を前記制御手段に加える振動制御手段とを備え、前記制御手段は、検出した電流に基いてベクトル制御することでトルク制御量を演算してトルク制御量と振動制御量を加算する高調波振動加算器を有するとともに、前記振動加算器は、洗濯機の動作モードに応じて振動制御量を加算するか否かを切り換える加算切換手段を有するものである。

これによって、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

本発明の洗濯機は、洗濯機の脱水工程において、高速回転で大きな電流を流す場合であっても、コギングトルク振動、トルクリップル振動と、それによる騒音を、低減、防止することができる。

第１の発明は、洗濯物を回転させる洗濯槽と、洗濯槽を回転駆動するモータと、前記洗濯槽の回転速度を検出する速度検出手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した速度と電流と目標値より前記モータを制御する制御手段と、トルクリップルとコギングトルクによる振動を検出する振動検出手段と、振動を打ち消すための振動制御量を前記制御手段に加える振動制御手段とを備え、前記制御手段は、検出した電流に基いてベクトル制御することでトルク制御量を演算してトルク制御量と振動制御量を加算する高調波振動加算器を有するとともに、前記振動加算器は、洗濯機の動作モードに応じて振動制御量を加算するか否かを切り換える加算切換手段を有することにより、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の制御手段は、電流の目標値と実際の値との電流誤差を演算する電流誤差検出手段を有し、振動検出手段は、電流誤差より振動の振幅と位相を推定することにより、振動の振幅と位相を高精度に推定することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の制御手段は、速度の目標値と実際の値との速度誤差を演算する速度誤差検出手段を有し、振動検出手段は、速度誤差より振動の振幅と位相を推定することにより、振動の振幅と位相を高精度に推定することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第４の発明は、特に、第１の発明の振動検出手段は、加速度センサであり、モータの振動を検出することにより、小型かつ簡単にモータが発生する高周波振動を高精度に検出することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれかの発明の振動制御手段は、モータ電流基本周波数のＮ倍の振動を減衰させるために、前記モータ電流基本周波数のＮ＋１もしくはＮ−１の次数の周波数信号を制御手段へ出力することにより、モータが発生するＮ次の振動を積極的に打ち消すことが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第６の発明は、特に、第５の発明の振動制御手段、モータ相電流基本周波数の（６の整数倍＋１）もしくは（６の整数倍−１）の次数の周波数信号を制御手段へ出力することにより、モータ制御で発生するトルクリップル振動を積極的に打ち消すことが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第７の発明は、特に、第５の発明の振動制御手段は、モータコギング振動周波数の（整数倍＋１）もしくは（整数倍−１）の次数の周波数信号を制御手段へ出力することにより、モータ制御で発生するコギング振動を積極的に打ち消すことが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれかの発明の高調波振動加算器は、モータ電流の大きさ、もしくは、モータ回転速度に応じて振動制御量を加算するか否かを切り換える加算切換手段を有することにより、モータ振動による騒音が発生する回転数の場合のみ高調波振動を加えることが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第９の発明は、特に、第８の発明の高調波振動加算器は、ベクトル制御演算する２相信号であるｄ軸制御信号とｑ軸制御信号に振動制御量を加算することにより、ベクトル制御方式にモータ振動キャンセルのための高調波振動を付加することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第１０の発明は、特に、第８の発明の高調波振動加算器は、制御量をモータへ出力する３相信号であるＵ相制御信号、Ｖ相制御信号、Ｗ相制御信号に振動制御量を加算することにより、３相モータにモータ振動キャンセルのための高調波振動を付加することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第１１の発明は、特に、第１または第８の発明の制御手段は、加算切換手段の動作に応じて制御ゲインを調整するゲイン調整手段を有することにより、高調波振動制御量付加による制御信号の飽和を防止することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第１２の発明は、特に、第１または第８の発明の制御手段は、加算切換手段の動作に応じてフィードバック制御方法を変更する制御方式切換手段を有することにより、高調波振動制御量付加による制御性能劣化を防止することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第１３の発明は、特に、第１〜第１２のいずれかの発明の振動制御手段は、メモリ内部にコギング振動を補正するための基本振動制御量をマップとして有し、モータ電流あるいはモータ回転速度あるいは制御帯域に応じて、振幅と位相を調節して振動制御量を出力する振動調整手段を有することにより、回転数に応じた高調波振動制御量を出力することが可能となり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

第１４の発明は、特に、第１〜第１３のいずれかの発明のモータは、三相の直流同期回転機であることにより、３相の制御信号に高調波振動制御量を付加することが可能であり、洗濯機の脱水工程において、高速回転で、大きな電流を流す場合であっても、モータ回転が起因となるコギングトルク振動、トルクリップル振動とそれによる騒音を、前記振動の推定もしくは検出と、フィードフォワード制御で低減、防止することができる。

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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。図１において、１０は洗濯機機構部で、１１は洗濯物を回転させる洗濯槽の回転ドラム、１２は回転ドラムを速度制御しながら回転させるブラシレスモータ、１３は洗濯物と水が入る洗濯槽の水受筒、１８は洗濯物投入口を有するカバー、１４は洗濯槽と洗濯物投入窓のあるカバーとの隙間をなくして接続するための窓パッキン、１５は洗濯槽１１の姿勢を支持するための支持ばね、１６は洗濯時（モータ回転時）に発生する振動を低減してカバー１８や床への振動伝達を小さくするためのダンパ、１７は洗濯物投入口のふた、１９は洗濯機を床に設置する防振ゴムである。

ここで、モータ１２は極数８、コイル数１２のブラシレスモータである。また、１００は洗濯機電気部で、３０はモータ１２の回転速度Ｖｍを検出する速度検出手段、２１は回転速度指令値Ｖｒｅｆと検出した実際の回転速度Ｖｍとの差分をとり速度偏差ＶＥを出力する速度誤差減算器、２２は速度偏差ＶＥに基づいて制御量Ｉａを演算して出力する速度制御手段、４０はモータ駆動電流Ｉｍを検出する電流検出手段、２０はモータを制御駆動する制御手段で、２３は制御量Ｉａと検出したモータ駆動電流Ｉｍとの差分を出力する電流誤差減算器、２４は電流をベクトル制御でフィードバック制御する電流制御量を出力する電流制御手段、２５は２相のｄ軸電流とｑ軸電流を実際に３相のブラシレスモータに印加するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電流に変換して出力する制御指令手段、２６はＰＷＭ制御でモータに電流を加えるインバータ回路の駆動手段である。

また、５０は電流誤差よりコギング振動を検出する振動検出手段、５１は検出した高調波振動の振幅と位相を推定、もしくは検出して、前記高調波振動が相殺するような高調波振動制御量を演算して出力する振動制御手段、２７は電流制御量に振動制御量を加算する高調波振動加算器、２８は洗濯機の動作モードに応じて振動制御手段５１が出力する振動制御量である高調波電流を制御して、高調波電流を電流制御量に加算するか否かを切り換える加算切換手段である。

図２は、本発明の第１の実施の形態における洗濯機のモータ制御装置の詳細ブロック図である。以下、ベクトル制御による制御方法について説明する。モータの目標回転速度は、洗濯機コントローラ（ここでは図示なし）より指令される。また、ここで使用するモータとしてはブラシレスＤＣモータで、その中でもリラクタンストルクを使用して回転させるリラクタンスモータである。図中の１２はブラシレスモータで、１２−１はマグネットとコイルで構成されるモータ部、１２−２はロータ位相を検出できるホール素子である。

速度検出手段３０は、ここではタコジェネレータを使用する。ブラシレスタコジェネレータは、モータ中に組み込まれたホール素子とコンパレータ、アナログスイッチで構成される。この速度検出手段３０よりモータの回転速度Ｖｍを検出する。

減算器２１は目標回転速度Ｖｒｅｆと検出したモータ回転速度Ｖｍの速度偏差ＶＥを出力し、速度制御手段２２では、速度偏差ＶＥに基づいて制御量Ｉｃを演算する。図３に速度制御手段２２のブロック図を示す。速度制御手段は、速度偏差ＶＥに速度フィードバックゲインＫｖを乗じて速度フィードバック制御量Ｕｖを演算するとともに、速度偏差ＶＥの積分値に積分フィードバックゲインを乗じて積分フィードバック制御量Ｕｉを演算し、これら２つの制御量を加算器２２−４で加算し、制御量Ｉａを出力している。

図１における制御量Ｉａは、図２におけるブラシレスモータのベクトル制御におけるｑ軸（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）電流指令Ｉｑａとなる。また、図２においてリラクタンストルクに相当するｄ（ｄｉｒｅｃｔ）軸電流指令Ｉｄａは、洗濯機コントローラより目標回転速度に応じて出力される。

次に、電流制御手段２４について説明する。図２における３相ＵＶＷ／ｄｑ変換器２４−８において、Ｕ相電流とＶ相電流よりｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄを検出している。図３に電流制御手段２４のブロック図を示すとともに、図４に３相ＵＶＷ／ｄｑ変換器のブロック図を示す。前記電流値より減算器２４−１と２４−２がｑ軸指令電流との偏差Ｉｑａ’とｄ軸指令電流との偏差Ｉｄａ’を演算している。そして、それぞれの偏差に速度制御手段２２と同様に比例積分制御（ＰＩ制御）を行って指令電圧ＶｑａとＶｄａを出力している。

図５に非干渉制御器のブロック図を示す。ここで、Φは相電機子鎖交磁束数、Ｌａは電機子巻線の自己インダクタンスである。演算された指令電圧ＶｑａとＶｄａは、次に非干渉制御器２４−７の出力を加算器２４−５、２４−６で加算して相互独立な指令電圧Ｖｑａ’とＶｄａ’となる。ブラシレスモータにはｄ、ｑ軸間で干渉しあう速度起電力がある。それらはｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電流Ｉｄに影響するが直接制御することはできない。そこで、その速度起電力を求めておいてそれらを打ち消す制御がここでの非干渉制御器２４−７である。非線形制御器では、電機子巻線自己インダクタンスＬａと巻線鎖交磁束数Φより非線形制御量を演算している。なお、通常トルク定数ｋｔは極数ｐとΦによって決定される。そして、相互独立な指令電圧Ｖｑａ’とＶｄａ’は、制御指令手段２５のｄｑ／３相ＵＶＷ変換器へ出力される。

図６にｄｑ／３相変換器２５とロータ位相角演算器２６−４の関係を示すブック図を示す。ｄｑ／３相変換器２５では、指令電圧Ｖｑａ’とＶｄａ’に対してロータ位相角のサイン値、コサイン値を乗じて、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）への指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＰＷＭインバータ回路２６−２に出力する。ＰＷＭインバータ回路２６−２は、３相の正弦波指令電圧に対して、キャリア周波数１５．６ｋＨｚ、印加電圧１００Ｖのパルス波信号をブラシレスモータ１２に出力している。２６−３は抵抗による電流検出器で、検出されたＵ相とＶ相の電流値は３相ＵＶＷ／ｄｑ変換器２４−８へ出力されている。

次に、高調波電流による高調波振動によってコギング振動やトルクリップル振動を減衰させる原理について説明する。

トルクリップルは、３相モータの場合モータ基本周波数は６ｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数で発生する。また、コギングトルクはロータマグネットの極数とステータコイルの数の最小公倍数ｋでモータ回転数のｍｋ倍（ｍは１以上の整数）で発生し、本実施の形態ではモータ基本周波数の６ｎ倍の周波数で発生する。

一般に、モータ駆動に応用される磁気加振力はロータ起磁力とステータ電流により発生する。また、次数６ｎの高調波振動を減衰させるため、この高調波振動とのベクトル和の振幅が減少する振幅、位相をもつ磁気加振力を追加すればよい。この磁気加振力は、減衰させたい高調波振動の次数よりも１だけ大きいもしくは小さい高調波電流をステータに重畳すればよいことがわかっている。

そして、６次、１２次の高調波振動は以下のロータ起磁力とステータ電流によって発生することがわかっている。
ロータ起磁力の３次高調波成分による６次
ロータ起磁力の１次と５次高調波成分による６次
ロータ起磁力の１次と７次高調波成分による６次
ロータ起磁力の５次と７次高調波成分による１２次
ロータ起磁力の５次高調波成分とステータ電流の１次成分による６次
ロータ起磁力の７次高調波成分とステータ電流の１次成分による６次
現在、洗濯機のモータ制御装置において、この高調波振動６次と１２次が騒音の原因となっていて、ステータ電流に高調波電流成分の７次と１３次を付加することで、上記６次と１２次を減衰させる高調波振動を発生することが可能である。

以下に、ステータ電流の７次成分と１３次成分の重畳により発生する高調波振動を列記する。
ロータ起磁力１次成分とステータ電流７次成分により発生する６次成分
ロータ起磁力１次成分とステータ電流１３次成分により発生する１２次成分
ロータ起磁力５次成分とステータ電流７次成分により発生する１２次成分
ロータ起磁力５次成分とステータ電流１３次成分により発生する１８次成分
ロータ起磁力７次成分とステータ電流１３次成分により発生する６次成分
ステータ電流１次成分と７次成分により発生する６次成分
ステータ電流１次成分と１３次成分により発生する１２次成分
ステータ電流７次成分と１３次成分により発生する６次成分
以上より、振幅と位相の調整により、コギング振動およびトルクリップル振動である６次および１２次の高調波振動は、ステータ電流に高調波電流７次成分と１３次成分を重畳させることによって減衰させることが可能である。

次に、以上の原理を用いた高調波電流による高調波振動のフィードフォワード制御について説明する。

振動検出手段５０は電流誤差よりコギング振動の振幅と位相を推定する。モータは８極１２コイルなので、コギング振動はモータ回転数の２４次、モータ基本周波数の６次が１次成分となる。振動検出手段はあらかじめモータ基本周波数６次、１２次成分の基本波をメモリに記憶していて、電流誤差減算器２３の出力と比較して、振幅と位相を推定出力する。

振動制御手段５１は６次の振動に対しては７（６＋１）次、１２次に対しては１３（１２＋１）次の成分を、振動検出手段の出力である振幅と、位相より、６次成分、１２成分を打ち消すように同振幅、逆位相の高調波振動のための高調波電流信号を出力する。

そして、高調波電流信号は加算器２７でｖｑａ’、ｖｄａ’に加算される。また、振動加算切換手段２８は洗濯機コントローラからの出力である洗濯モードに応じて高調波電流の出力を制限している。

例えば、８００ｒ／ｍｉｎの高速回転でモータを回転させる脱水モードにおいて高調波振動を出力して、それ以外のモードでは出力しないように制限する。

以上が、高調波電流による高調波振動補償を含むブラシレスモータ制御系の信号の流れ、および制御アルゴリズムである。

実際に以下の仕様での騒音と駆動電流との実験結果を図７、図８に示す。図７が高調波振動制御なしの場合、図８が高調波ありの場合であり、それぞれ（ａ）がモータの騒音、（ｂ）がモータ制御電流である。

図７、図８の実験結果より、モータ騒音のＦＦＴ結果より高調波振動制御ありの場合、１２次成分で１６ｄＢの減衰がある。また、制御電流のＦＦＴ結果には高調波振動制御ありの場合、１３次成分が付加されているのが確認できる。
＜実験仕様＞
モータトルク定数：０．８３Ｎｍ／Ａ
洗濯槽の慣性：２．２５×１０＾４ｋｇｍ＾２
目標回転速度：８００〜９００ｒ／ｍｉｎ
サンプリング周波数：３ｋＨｚ
ｄ軸電流：２．５Ａ
制御帯域：４５
インバータキャリア周波数：１５．６ｋＨｚ
付加した高調波電流の次数：１３次
以上より、高調波振動信号をモータ制御信号に付加することが可能となり、コギング振動を減衰することが可能であり、振動、騒音を防止することができる。

なお、本実施の形態において、モータのトルク定数、洗濯槽とモータの慣性、目標速度、サンプリング周波数、キャリア周波数、制御帯域を上記仕様としたが、他の仕様であっても同様の効果が可能である。

（実施の形態２）
図９は本発明の第２の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、振動検出手段５０が、速度誤差よりコギング振動を検出しているところと、高調波電流を電流制御量に加算する高調波振動加算器２７が、制御指令手段２５の出力である３相の電圧信号に高調波振動成分の高調波電圧信号を加算しているところである。

すなわち、速度偏差に含まれる高調波振動よりコギング振動を検出し、ＰＷＭ制御回路を含むインバータ回路である駆動手段への指令電圧信号に、１３次の高調波振動を発生させる高調波電圧信号を加算して、課題である１２次成分を減衰させている。

以上より、高調波振動信号をモータ制御信号に付加することが可能となり、コギング振動を減衰することが可能であり、振動、騒音を防止することができる。

（実施の形態３）
図１０は本発明の第３の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、振動検出手段５０が、モータ振動をモータに配置された圧電素子の振動センサよりコギング振動を検出しているところと、高調波電流を電流制御量に加算する高調波振動加算器２７が、制御指令手段２５の出力である３相の電圧信号に高調波振動成分の高調波電圧信号を加算しているところである。

（実施の形態４）
図１１は本発明の第４の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、加算切換手段２８が洗濯動作モードに応じてではなく、検出したモータ駆動電流の値に応じて、振動制御手段５１が、高調波振動を発生させる高調波電流信号を加算器２７に出力するか否かを制御しているところである。

すなわち、モータ駆動電流に応じて、例えば、１Ａ以上の電流が流れている場合、電流制御量に１３次の高調波振動を発生させる高調波電流信号を加算して制御指令手段に出力することによって、課題である１２次成分を減衰させている。洗濯物の量が多い場合、モータ駆動電流は大きくなり、コギング振動による騒音が大きくなることを防いでいる。

（実施の形態５）
図１２は本発明の第５の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、加算切換手段２８が洗濯動作モードに応じてではなく、検出したモータ回転速度の値に応じて、振動制御手段５１が、高調波振動を発生させる高調波電流信号を加算器２７に出力するか否かを制御しているところである。

すなわち、モータ回転数に応じて、例えば、３００ｒ／ｍｉｎ以上の回転速度で回転している場合、電流制御量に１３次の高調波振動を発生させる高調波電流信号を加算して制御指令手段に出力することによって、課題である１２次成分を減衰させている。洗濯物の脱水起動時、回転数上昇に伴い、コギング振動による騒音が大きくなることを防いでいる。

（実施の形態６）
図１３は本発明の第６の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、ゲイン調整手段６０を有しているところである。ゲイン調整手段６０は、加算切換手段２８による高調波電流信号の制御に応じて、速度制御手段２２と電流制御手段２４の制御ゲイン、図３におけるＫｖ、Ｋｉを変更する。

脱水モードで回転数を上昇させていて、高調波電流信号を付加しない場合、速度制御の制御帯域が２０Ｈｚ、電流制御の制御帯域を１００Ｈｚでモータ制御する。回転数が脱水モードの所定回転数９００ｒ／ｍｉｎに達したあと、加算切換手段２８と振動制御手段５１により高調波電流が付加される。この高調波電流付加にあわせて、ゲイン調整手段６０は電流制御の帯域を４００Ｈｚになるように制御ゲインを調整する。これにより、高調波電流が感度よく加えられることなる。

すなわち、洗濯モード、モータ回転数に応じて、制御帯域を調整しながら、電流制御量に１３次の高調波振動を発生させる高調波電流信号を加算して制御指令手段に出力することによって、課題である１２次成分を減衰させている。洗濯物の脱水起動時、回転数上昇に伴い、コギング振動による騒音が大きくなることを防いでいる。

（実施の形態７）
図１４は本発明の第７の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、制御方式切換手段７０を有しているところである。制御方式切換手段７０は、加算切換手段２８による高調波電流信号の制御に応じて、速度制御手段２２と電流制御手段２４のフィードバックループの切断を行う。

脱水モードで回転数を上昇させていて、高調波電流信号を付加しない場合、速度制御の制御帯域が２０Ｈｚ、電流制御の制御帯域を１００Ｈｚでモータ制御する。回転数が脱水モードの所定回転数９００ｒ／ｍｉｎに達したあと、加算切換手段２８と振動制御手段５１により高調波電流が付加される。この高調波電流付加にあわせて、速度制御のフィードバックを切断して、電流制御のみでモータ制御を行う。

これにより、高調波電流が速度フィードバックに影響なく加えられることになる。高調波振動による速度変動で速度フィードバックが発振することを防止している。

すなわち、洗濯モード、モータ回転数に応じて、制御方式を調整しながら、電流制御量に１３次の高調波振動を発生させる高調波電流信号を加算して制御指令手段に出力することによって、課題である１２次成分を減衰させている。洗濯物の脱水起動時、回転数上昇に伴い、コギング振動による騒音が大きくなることを防いでいる。

（実施の形態８）
図１５は本発明の第７の実施の形態である洗濯機のモータ制御装置のブロック図である。速度制御装置の基本的な構成については、第１の実施の形態と同様のため、ここでは、基本的な説明は省略する。また、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

図１と異なるところは、振動制御手段５１にモータ駆動電流値を入力しているところである。図１５に振動制御手段５１の詳細ブロック図を示す。振動制御手段５１は、内部メモリに高調波基本波は有している。例えば、モータ基本周波数６次でコギング振動の１次成分の基本波が記憶されている。この基本波に対してゲイン決定手段５１２が入力されるモータ電流の大きさに応じて振幅を決定する。

次に、位相決定手段５１３が入力される電流誤差の前記基本周波数６次成分の位相をもとに遅らせる位相を決定する。そして、加算切換手段の出力をもとに、基本波から振幅、位相の決定された高調波電流信号を高調波電流加算器２７へ出力している。

これにより、洗濯物の量などによってモータ電流が大きくことなっていても、内部にもつ基本波をもとに適切な高調波振動を加えることができる。

すなわち、洗濯状態、モータ電流に応じて、電流制御量に１３次の高調波振動を発生させる適切な高調波電流信号を加算して制御指令手段に出力することによって、課題である１２次成分を減衰させている。洗濯物の脱水起動時、回転数上昇に伴い、コギング振動による騒音が大きくなることを防いでいる。

なお、本実施の形態１では、１３次成分の補償としたが、６次、１８次など他の次数でもよい。

また、本実施の形態では、センサはタコジェネレータとエンコーダを使用しているが、他のセンサやオブザーバによる速度推定値を使用しても同様の効果が得られる。

さらに、本実施の形態では、速度制御手段を速度フィードバック制御と積分制御としたが、速度フィードバックだけでもよいし、加速度フィードバックを加えてもよい。

また、本実施の形態では、電流制御手段を比例制御と積分制御としたが、比例制御だけでもよいし、微分制御を加えてもよい。

また、本実施の形態では、電流フィードバック制御を速度制御とＰＷＭ駆動の間に行っているが、電圧制御であってもよい。

さらに、本実施の形態では、速度制御であったが、位置決め制御であっても同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、１２次の高調波振動に対してＮ＋１次の１３次の高調波電流を付加したが、Ｎ−１次の１１次の高調波を付加してもよい。

また、付加する高調波信号は、高調波電流指令もしくは高調波電圧指令のどちらでもよい。

また、本実施の形態では、位相を検出電流などによって調整しているが、あらかじめ測定した高調波をメモリに記憶しておいて、その信号をそのまま付加してもよい。

また、本実施の形態では、振幅を電流誤差などによって調整しているが、あらかじめ測定した高調波をメモリに記憶しておいて、その信号をそのまま付加してもよい。

また、付加される高調波振動は、その位相が最適位相に対して約４５度の範囲に入っていればよく、振幅が最適振幅に対して３倍から３分の１倍の範囲に入っていればよい。

本発明にかかる洗濯機は、洗濯機の脱水工程において、高速回転で大きな電流を流す場合であっても、コギングトルク振動、トルクリップル振動と、それによる騒音を、低減、防止することができるので、洗濯機のモータ制御装置として有用である。

本発明の実施の形態１における洗濯機のモータ制御装置のブロック図同洗濯機のモータ制御装置の詳細ブロック図同洗濯機の速度制御手段のブロック図同洗濯機の３相ＵＶＷ／２相ｄｑ変換器のブロック図同洗濯機の非干渉制御器のブロック図同洗濯機の２相ｄｑ／３相ＵＶＷ変換器のブロック図（ａ）同洗濯機の高調波振動制御なしの場合の実験結果の騒音のＦＦＴ図（ｂ）同実験結果のモータ制御電流のＦＦＴ図（ａ）同洗濯機の高調波振動制御ありの場合の実験結果の騒音のＦＦＴ図（ｂ）同実験結果のモータ制御電流のＦＦＴ図本発明の実施の形態２における洗濯機のモータ制御装置のブロック図本発明の実施の形態３における洗濯機のモータ制御装置のブロック図本発明の実施の形態４における洗濯機のモータ制御装置のブロック図本発明の実施の形態５における洗濯機のモータ制御装置のブロック図本発明の実施の形態６における洗濯機のモータ制御装置のブロック図本発明の実施の形態７における洗濯機のモータ制御装置のブロック図本発明の実施の形態８における洗濯機のモータ制御装置のブロック図同洗濯機の振動制御手段の詳細ブロック図従来の洗濯機の速度制御装置のブロック図従来の他の洗濯機の速度制御装置のブロック図従来の洗濯機のモータ制御装置のブロック図

符号の説明

１１ドラム（洗濯槽）
１２モータ
１３水受筒
１４窓パッキン
１５支持ばね
１６ダンパ
１７ふた
１８カバー
１９足ゴム
２１速度誤差減算器
２２速度制御手段
２３電流誤差減算器
２４電流制御手段
２５制御指令手段
２６駆動手段
２７振動加算器
２８加算切換手段
２０制御手段
３０速度検出手段
４０電流検出手段
５０振動検出手段
５１振動制御手段

Claims

洗濯物を回転させる洗濯槽と、洗濯槽を回転駆動するモータと、前記洗濯槽の回転速度を検出する速度検出手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した速度と電流と目標値より前記モータを制御する制御手段と、トルクリップルとコギングトルクによる振動を検出する振動検出手段と、振動を打ち消すための振動制御量を前記制御手段に加える振動制御手段とを備え、前記制御手段は、検出した電流に基いてベクトル制御することでトルク制御量を演算してトルク制御量と振動制御量を加算する高調波振動加算器を有するとともに、前記振動加算器は、洗濯機の動作モードに応じて振動制御量を加算するか否かを切り換える加算切換手段を有することを特徴とする洗濯機。
制御手段は、電流の目標値と実際の値との電流誤差を演算する電流誤差検出手段を有し、振動検出手段は、電流誤差より振動の振幅と位相を推定することを特徴とする請求項１記載の洗濯機。
制御手段は、速度の目標値と実際の値との速度誤差を演算する速度誤差検出手段を有し、振動検出手段は、速度誤差より振動の振幅と位相を推定することを特徴とする請求項１記載の洗濯機。
振動検出手段は、加速度センサであり、モータの振動を検出することを特徴とする請求項１記載の洗濯機。
振動制御手段は、モータ電流基本周波数のＮ倍の振動を減衰させるために、前記モータ電流基本周波数のＮ＋１もしくはＮ−１の次数の周波数信号を制御手段へ出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の洗濯機。
振動制御手段、モータ相電流基本周波数の（６の整数倍＋１）もしくは（６の整数倍−１）の次数の周波数信号を制御手段へ出力することを特徴とする請求項５記載の洗濯機。
振動制御手段は、モータコギング振動周波数の（整数倍＋１）もしくは（整数倍−１）の次数の周波数信号を制御手段へ出力することを特徴とする請求項５記載の洗濯機。
高調波振動加算器は、モータ電流の大きさ、もしくはモータ回転速度に応じて振動制御量を加算するか否かを切り換える加算切換手段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の洗濯機。
高調波振動加算器は、ベクトル制御演算する２相信号であるｄ軸制御信号とｑ軸制御信号に振動制御量を加算することを特徴とする請求項８記載の洗濯機。
高調波振動加算器は、制御量をモータへ出力する３相信号であるＵ相制御信号、Ｖ相制御信号、Ｗ相制御信号に振動制御量を加算することを特徴とする請求項８記載の洗濯機。
制御手段は、加算切換手段の動作に応じて制御ゲインを調整するゲイン調整手段を有することを特徴とする請求項１または８記載の洗濯機。
制御手段は、加算切換手段の動作に応じてフィードバック制御方法を変更する制御方式切換手段を有することを特徴とする請求項１または８記載の洗濯機。
振動制御手段は、メモリ内部にコギング振動を補正するための基本振動制御量をマップとして有し、モータ電流あるいはモータ回転速度あるいは制御帯域に応じて、振幅と位相を調節して振動制御量を出力する振動調整手段を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の洗濯機。
モータは、三相の直流同期回転機であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の洗濯機。