JP5375260B2 - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

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、特に冷蔵庫や空気調和機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。

従来のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの駆動状態に基づき、フィードバック駆動と同期駆動とを切換えることで、ブラシレスＤＣモータの駆動領域の拡張と低速駆動での高効率化を実現している（たとえば特許文献１）。図７は特許文献１に記載のモータ駆動装置を示すものである。

図７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もので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とから構成されている。図７に示す回路では倍電圧整流回路として、商用電源１のＡＣ１００Ｖ入力から直流電圧２８０Ｖを得る。

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相ブリッジ接続した構成であり、各々のスイッチ素子には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とからなり、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で、回転子４ａを回転させることができる。

位置検出部５は、ブラシレスＤＣモータ４の回転子４ａが回転することにより、固定子４ｂの３相巻線に発生する誘起電圧を検出し、回転子４ａ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。

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っている。また第１波形発生部での駆動では、回転位置に従って、適切なタイミングで、最適なデューティによりブラシレスＤＣモータを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。

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知部５の出力信号の一定時間カウントまたは周期測定などによって実現している。

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する周波数のみを変化させていく。周波数制限部９は、周波数設定部８からの周波数が上限周波数を超えることのないように制限している。

第２波形発生部１０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し、この信号は通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波である。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となっている。

切替判定部１１は、回転数検出部７で検出された回転数により低速／高速を判断し、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１０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１０からの信号を選択してインバータ３を動作させる。

ドライブ部１２は、切替判定部１１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から適切な交流出力がブラシレス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。

上限周波数設定部１３は、第１波形発生部６から駆動されているときの最大回転数（デューティ１００％の時）をもとに上限周波数を設定する。尚、この上限周波数設定部で設定された上限周波数は周波数制限部９の周波数の制限に利用している。

上限周波数変更部１４は、切替判定部１１により第２波形発生部１０による駆動が所定時間継続した場合、強制的に切替判定部を第１波形発生部６に切り替え、上限周波数設定部１３による上限周波数を再設定する。

電圧検出部１５は、整流回路２の出力電圧（直流電圧）を検出する。この電圧検出部１５の出力を受けて、上限周波数補正部１６にて上限周波数を補正するべく出力を送出し、上限周波数設定部１３の上限周波数を補正する。ここでは電圧が標準より高ければ上限周波数を上げ、標準より低ければ上限周波数を下げるように補正を行う。

以上の様に構成した従来のモータ駆動装置は切替判定部１１によって、ブラシレスＤＣモータを低速で駆動する時は、第１波形発生部による駆動を選択し、高速駆動を行うときは、第２波形発生部を選択し、インバータ３に電圧を印加する。

このとき第１波形発生部での駆動では、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧から回転子の相対位置を検出し、その位置検出信号から電圧をインバータに印加するタイミングを決めるフィードバック制御を行うのでブラシレスＤＣモータを高効率で駆動できる。また高速駆動では第２波形発生部よって同期駆動を行うことで印加電圧（インバータ出力電圧）の転流タイミングに対してモータ回転子が遅れてついていくことになり、誘起電圧位相に対し端子電圧位相が相対的に進むことになる。これにより電流位相も同様に誘起電圧位相より進み位相となることから、同期駆動時は弱め磁束制御と同様の状態となり、ブラシレスＤＣモータの高速駆動における運転領域が拡張できる。

さらに同期駆動時の通電角を１３０度以上１８０度未満とすることで、モータ電流のピーク値を低下できるので、高速時の比較的低負荷での過電流保護の発生を回避し同期駆動における駆動領域をより拡張している。
特開２００４−２８２９１１号公報

しかしながら上記従来の構成では、ブラシレスＤＣモータの負荷状態に応じた通電角の制御を行っておらず、負荷に応じた最適な通電角の波形をインバータに与えることが出来
ない。従って、負荷状態に対して印加電圧が低い（即ち通電角が狭い）場合は、多少の電流ピークが高くなるが印加電圧に応じた進角（即ち印加電圧が低ければより大きい進角）で駆動できるが、印加電圧に対して負荷が小さい場合（特に極端に負荷が小さい場合は）は誘起電圧に対して端子電圧位相が遅れ位相となり急激なトルク低下および効率低下が伴うといった課題を有している。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、同期駆動においてブラシレスＤＣモータへの印加電圧と負荷状態との関係を常に最適に保つことで、同期駆動でのモータ電流を最小に抑え、ブラシレスＤＣモータの高速駆動領域を拡張しつつ、高速高負荷時の効率を向上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、本発明のモータ駆動装置は、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、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する位置検出部と、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれ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、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれ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、低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部と、前記第２波形発生部により前記ブラシレスＤＣモータを駆動している際は、前記位置検出部の出力信号の発生タイミングと前記第２波形発生部が発生するブラシレスＤＣモータの駆動信号のオンまたはオフタイミングの差を検出する位相差検出部を有し、前記位相差検出部により位相差が所定の差より大きいと検出した場合は第２波形発生部により発生する電圧の通電角を広げるとともに、小さいと検出した場合は通電角を減じる通電角制御部を有し、ブラシレスＤＣモータの負荷状態に応じた通電角を与えるものである。

これにより第２波形発生部による同期駆動において負荷状態に応じた最適な通電角を印加することで、ブラシレスＤＣモータに流れる電流を常に最小に抑えることが可能となる。

本発明のモータ駆動装置によれば、ブラシレスモータの高負荷・高速回転での駆動領域を拡張することが可能であると共に、高負荷高速駆動における効率を向上することができる。さらに高速高負荷時の効率向上およびモータ電流の抑制に伴い、モータ駆動装置の小型化と低コスト化も可能となる。

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、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する位置検出部と、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれ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、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれ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、低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部と、前記第２波形発生部により前記ブラシレスＤＣモータを駆動している際は、前記位置検出部の出力信号の発生タイミングと前記第２波形発生部が発生するブラシレスＤＣモータの駆動信号のオンまたはオフタイミングの差を検出する位相差検出部を有し、前記位相差検出部により位相差が所定の差より大きいと検出した場合は第２波形発生部により発生する電圧の通電角を広げるとともに、小さいと検出した場合は通電角を減じる通電角制御部を有するものである。これにより、ブラシレスＤＣモータをその時の負荷状態に応じて、常に最適な通電角を与えることが出来る様になり、特に高負荷時は通電角を広げることで電流のピークを抑制の抑制と波形が正弦波に近づくことで、ブラシレスＤＣモータの効率を向上することが出来る。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明に、回転子の回転位置を検出する位置検出部を
有し、前記ブラシレスＤＣモータを駆動するために、低速では前記位置検出部の出力により前記第１波形発生部により発生した電圧を、高速では前記第２波形発生部で発生した電圧を前記インバータに印加する様にしたものである。これによりブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置を検出出来る様になり、特に第１波形発生部における駆動ではブラシレスＤＣモータの回転子位置に基づき最適な位相の波形をインバータに印加できるので、第１波形発生部ではブラシレスＤＣモータを最高効率での駆動が可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明に、前記第２波形発生部で生成する電圧波形の通電角が１５０度以下のとき、前記位相差検出部により検出した位相差が、所定の差より小さいとき、前記切替判定部は前記第１波形発生部の出力を選択し、前記インバータに電圧を印加するようにしたものである。これにより第２波形発生部での駆動において負荷状態が減少したとき、的確なタイミングで第１波形発生部への移行に移ることが出来る。これによりブラシレスＤＣモータは第１波形発生部で極力駆動されることとなり、最高効率での駆動頻度を高くでき、低消費電力のモータ駆動装置を実現できる。

請求項４に記載の発明は請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明に前記位相差検出部は、前記インバータの出力端子電圧の状態から検出するようにしたものである。これにより誘起電圧と印加電圧との位相関係を、新たに位相検出回路を設ける必要も無く低コストなモータ駆動装置を提供することができる。
請求項５に記載の発明は請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明に前記位置検出部は、前記固定巻線に発生する誘起電圧より検出するもので、位置検出手段を付加することなくコストダウンをできる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明に、前記ブラシレスＤＣモータは、冷凍空調サイクルの圧縮機を駆動としたものである。圧縮機は比較的イナーシャが大きい負荷であるため、回転子位置を検出しない第２波形発生部での駆動が非常に容易に実現でき、さらに高精度な回転数制御や加速制御が不要であることから本発明のモータ駆動装置の用途に非常に適しており、本モータ駆動装置により冷却システムの高効率化と、低コスト化が可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明に、ラシレスＤＣモータが、鉄心に永久磁石を埋め込んでなる埋め込み磁石型の回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものである。これにより永久磁石の磁束によるマグネットトルクの他に、リラクタンストルクを有効に利用できることになりさらなるモータ駆動装置の高効率化が可能となる。

請求項８に記載の発明は、冷蔵庫に請求項６または請求項７に記載の発明のモータ駆動装置を用いたものである。これにより高高率な冷却システムを構成できることから冷蔵庫の負荷状態が低い場合から高い状態まで、高高率な駆動化可能となり低消費電力の冷蔵庫を提供できることが出来る。さらに高負荷高速での高効率化に伴い冷凍能力の向上が図れ、庫内温度上昇時の冷却時間の短縮も可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（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において従来のモータ駆動装置における構成と同一の要素については同一符号を用い、詳細な説明は省略する。

図１において、位置検出部５はブラシレスＤＣモータ４の回転子４ａの回転により固定子巻線に発生する誘起電圧の特定位相を、回転子の相対位相として検出する。一般的な方法として、インバータ３の所定の相の上下両方のスイッチ素子（たとえば、３ａと３ｂ）がオフ中に現れる誘起電圧波形のゼロクロスポイントを検出する方法であり、例えばインバータ３の当該の出力端子（即ちブラシレスＤＣモータの端子電圧）と、インバータ３の入力電圧Ｖｄｃの１／２とを比較して、その大小関係が変化するポイントをゼロクロスポイントとして検出する方法などがよく知られている。

位置検出部５で検出するブラシレスＤＣモータの特定位相情報（本実施の形態ではゼロクロスタイミングとしている）には、回転子の回転速度情報が含まれており、回転数検出部７は、位置検出部５の信号の周期を検出する等により、ブラシレスＤＣモータの回転速度を検出できる。

第１波形発生部６は、位置検出部５の位置検出信号を基にインバータ３のスイッチ素子３ａから３ｆを駆動する信号を作り出す。この信号は矩形波を基本として１２０度以上、１５０度以下として、位置検出部５により得たブラシレスＤＣモータの位置情報をもとに出力するタイミングを図っている。通電タイミングは通電角を１２０度としている場合、位置検出部でブラシレスＤＣモータの誘起電圧ゼロクロスのタイミングを検出後、３０度経過したタイミング（ブラシレスＤＣモータの誘起電圧の１周期を３６０度としている）からスイッチ素子をオンすることで、誘起電圧とブラシレスＤＣモータの端子電圧が同相（即ち進角０度）となる。この様にゼロクロス信号取得から通電開始のタイミングを設定することで、任意に進角を設定することが可能であり、ブラシレスＤＣモータの特性や、駆動負荷の状態、或いは速度状態等により、最適な進角を設定することで最適な駆動状態を実現できる。

速度指令部１７は、ブラシレスＤＣモータの目標駆動速度を設定するものである。第１波形発生部６では、ブラシレスＤＣモータ４を指示された速度で安定して運転するために、ＰＷＭデューティ制御を行っており、回転数検出部７で得た、現在の駆動速度と目標速度とを比較し、駆動速度が目標速度に満たない場合はＰＷＭデューティを増加し、目標速度より駆動速度が速い場合はＰＷＭデューティを減じることで、ブラシレスＤＣモータへの印加電圧を調整し、駆動速度の安定化を図っている。

周波数設定部８は、出力デューティを一定として、出力周波数のみを変化させていく。
出力周波数は、速度指令部のブラシレスＤＣモータの目標駆動速度に基づくが、目標駆動速度における周波数と、周波数設定部における出力周波数が大きく異なる場合、周波数設定部の出力周波数を急激に変化させることなく、徐々に目標に近づけるように動作することで、第２波形発生部１０による同期駆動時の急激な周波数変化による脱調停止等を回避している。

第２波形発生部１０は、周波数設定部８の出力信号を基にインバータ３のスイッチ素子３ａから３ｆを駆動する信号を作り出す。この信号は通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波である。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となっている。

切替判定部１１は、回転数検出部７で検出されたブラシレスＤＣモータ４の駆動速度と、速度指令部１７による目標速度により低速／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６か第２波形発生部１０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１０からの信号を選択してインバータ３を動作させる。

切替判定部１１によるブラシレスＤＣモータの高速または低速の判断は、第１波形発生部６による駆動にて、目標速度での駆動が可能か否かによって判断する。第１波形発生部６による駆動は先述のようにブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出しながらの一般的なＰＷＭフィードバック制御を行っているため、ＰＷＭデューティが最大デューティ（一般的には１００％）に到達したとき、それ以上の速度で駆動することが不可能となる。したがってこのとき駆動回転数が目標とする回転数より遅くてもこれ以上高速で駆動することが出来ない。このとき切替判定部は第２波形発生部１０での駆動に切り替え、ＰＷＭデューティを一定に保ったまま、ブラシレスＤＣモータに印加する電圧の周波数を変化させて目標速度に到達出来るようにする。

負荷検出手段１８はブラシレスＤＣモータに加わっている負荷の状態を検出するものであり、デューティ監視部１９と位相差検出部２０により構成されている。デューティ監視部１９は第１波形発生部による駆動時の負荷状態を検出するものであり、ＰＷＭデューティが最大デューティに到達したか否かを監視している。また位相差検出部２０は第２波形発生部１０による駆動での負荷状態を検出するもので、ブラシレスＤＣモータ４の誘起電圧と、第２波形発生部１０で出力するインバータ３駆動信号（即ちブラシレスＤＣモータ４の端子電圧波形）との位相差からブラシレスＤＣモータの負荷状態を監視する。

尚、位相差検出部２０は第２波形部で発生する波形と、インバータ３の出力端子の状態を、位置検出部５を介して取得し、両信号の位相関係を得るようにしているため、特に新たな回路等を付加する必要も無く、装置のコストアップは伴わない。

通電角制御部２１は第１波形発生部６および第２波形発生部１０で生成するインバータ駆動信号の通電角を増減するものであり、負荷検出部１８で検出した負荷状態により、各波形発生部において許された範囲内で、通電角の増減を行う。

以上のように構成されたモータ駆動装置について、以下その動作について説明する。

図２は、本実施の形態における第１波形発生部での駆動での通電角制御を示すフローチャートである。

ブラシレスＤＣモータを駆動している際は、速度指令部により指示された目標回転数で
の駆動が行われているかを切替判定部は常に監視している（ｓｔｅｐ１０１）。さらに第１波形発生部によるフィードバックによるＰＷＭデューティ制御による駆動では、負荷検出部１８のデューティ監視部１９でＰＷＭデューティが最大デューティ（通常は１００％）に到達しているかどうかを監視している（ｓｔｅｐ１０２）。ｓｔｅｐ１０２で最大デューティに到達していないと判断したときは、第１波形発生部はＰＷＭデューティ制御を行い、最大デューティに到達している場合はｓｔｅｐ１０３に進む。

任意の負荷状態において進角および通電角が一定の条件下では、ブラシレスＤＣモータの回転速度は印加電圧により決まる。したがってｓｔｅｐ１０２で第１波形発生部６による駆動ではＰＷＭデューティが最大デューティに到達したと判断した場合、これ以上の高速駆動が望めない負荷状態である。このとき、ｓｔｅｐ１０３で通電角が第１波形発生部６において許された範囲内であるかどうかを確認し、通電角が最大通電角に到達していない際は、ｓｔｅｐ１０４に進み、通電角制御部２１は第１波形発生部６で生成するインバータ３のスイッチ素子のオン時間（即ち通電角）を延ばすことでブラシレスＤＣモータへ印加する電圧をあげる。即ち負荷判定部内のデューティ監視部は、所定の通電角での駆動においてＰＷＭデューティが最大となったとき、この時の通電角では目標速度での駆動が出来ない負荷状態であると判断し、通電角制御部は通電角を広げるように動作する。

この様に第１波形発生部での駆動において、デューティが最大に到達したとき、通電角を増やして第１波形発生部での駆動領域を拡張することで、位置検出によるフィードバック制御による高効率な駆動期間を拡張し、装置の電力消費を抑制している。

またｓｔｅｐ１０３において、最大通電角に到達していない場合（即ち、駆動速度が目標速度に到達していないにも関わらず、デューティも通電角も最大である場合）は、第１波形発生部での駆動が出来ない負荷状態にあるため、切替判定部は第２波形発生部での駆動に切り替えることになる。

またｓｔｅｐ１０１で駆動速度が目標速度より高い場合、図２では本ルーチンを抜ける様にしているが、通電角を保持したまま目標速度まで減速するようにＰＷＭデューティ幅を調整しても良いし、通電角を減じた上でＰＷＭ制御を行なっても特に構わず、利用するシステム全体の最適化から決めることが好ましい。

次にブラシレスＤＣモータを第２波形発生部で駆動している時の、通電角制御について説明する。図３はブラシレスＤＣモータを第２波形発生部で駆動している際の、各部の波形を示している。図３において（ａ）はＵ相のスイッチ素子（３ａおよび３ｂ）の通電タイミング（Ｈアクティブで示す）を示し、（ｂ）（ｃ）（ｄ）はブラシレスＤＣモータの駆動状態による端子電圧、誘起電圧および位置検出部出力（全てＵ相としている）を示している。

（ｂ）の状態において、負荷が小さい或いは駆動速度が遅く、誘起電圧位相に対し端子電圧が大きく遅れた位相（誘起電圧に対し、端子電圧がＤｂ度遅れ）の場合である。これは負荷に対して印加電圧が大きすぎるためブラシレスＤＣモータがさらに高速で駆動しようとしているところを、周波数設定部設定部で決められた固定周期で転流するため、ブレーキをかけながら固定された周波数で強制的に駆動している状態にある。この時、極端に最大トルクが低下するとともに、大きなピークを持ったモータ電流が流れ、非常に不安定な駆動にある。このときの位置検知部の出力信号は下側スイッチ素子３ｂのオフと同時に反転する。

（ｃ）の状態は、負荷が大きい或いは速度が速く、誘起電圧に対し端子電電圧が大きく進み位相（誘起電圧に対し端子電圧がＤｃ度進み）の場合である。これは駆動速度に対し
印加電圧が低いため、転流に対しブラシレスＤＣモータが遅れることで、誘起電圧を基準とすると端子電圧および電流の位相が大きく進み、弱め磁束制御と同様の状態で、高速高負荷での駆動をしており、大きなモータ電流が流れることになる。このとき位置検出部５の出力信号は上側スイッチ素子のオンと同時に反転する。

さらに（ｄ）は誘起電圧と端子電圧の位相が同相にあるときを示しており負荷状態および駆動速度に対し印加電圧が適正な状態であり、位置検知部の出力が反転するタイミングは、誘起電圧のゼロクロス位置で、上下両スイッチ素子のオフ期間の中点となる。このときモータに流れる電流は、大幅な遅れ位相や進み位相の場合と比較して非常に小さくできる。

以上より、第２波形発生部による同期駆動時において、位置検出信号の発生（反転）するタイミングを通電角によって適切な位置になるように制御することで、モータ電流を抑制することが可能となる。即ち、位置検出部の信号反転タイミングが上下スイッチ素子のオフ期間の中間点より、上側スイッチ素子３ａのオンタイミング側にあるときは、端子電圧位相が誘起電圧に対して進み位相（即ち印加電圧が不足）時のため通電角を増加し、下側スイッチ素子３ｂのオフタイミング側にある時は遅れ位相（即ち電圧を与えすぎ）時のため、通電角を減じるように制御する。

図４は本実施の形態における第２波形発生部での駆動における通電角制御を示すフローチャートである。以下図４および図１を用いてその動作を説明する。

位相差検出部２０は、ｓｔｅｐ１１１にて転流タイミングまで（図４においてはＵ相下スイッチ素子３ｂがオフするタイミング）待機し、転流タイミングとなったとき位置検出部５からの信号が変化するまでの時間計測を開始する（ｓｔｅｐ１１２および１１３）。位置検出信号が変化したとき計測時間を取り出し（ｓｔｅｐ１１４）、計測時間が所定の時間範囲内かを比較（ｓｔｅｐ１１５）する。ここで計測時間と比較する所定の時間とは、第２波形発生部での駆動における電圧進角の目標範囲であり、例えば１５０度通電において電圧進角の範囲を０〜１０度とすれば、転流後（本実施の形態ではスイッチ素子３ｂオフ後）電気角で１５度から２５度相当の時間とすればよい。

ｓｔｅｐ１１５で計測時間が所定の範囲を外れていた場合、ｓｔｅｐ１１６で所定の範囲より大きいか小さいか（即ち、転流に対して誘起電圧が遅れ気味にあるか進み気味にあるか）を確認する。

転流から位置検出信号５の出力反転タイミングまでの時間が、所定の時間より長い場合は、端子電圧（転流）に対し誘起電圧（ブラシレスＤＣモータの回転）が遅れている（即ち誘起電圧を基準とすると端子電圧位相が進み位相）場合であり、これは先述のようにブラシレスＤＣモータの負荷または駆動速度に対して印加電圧が不足している状態である。従ってこのとき通電角制御部２１は第１波形発生部で生成する波形の通電角（即ちスイッチ素子３ａから３ｆのオン時間）を広げる（ｓｔｅｐ１１７）。

逆に所定時間範囲より小さい場合は、ブラシレスＤＣモータの負荷または駆動速度に対して印加電圧が、過剰である場合なので通電角制御部２１により第１波形発生部により生成するスイッチ素子（３ａから３ｆ）のオン時間を減らすために通電角を減少する（ｓｔｅｐ１１８）。

一方ｓｔｅｐ１１５で転流から位置検出部５の信号の反転タイミングが所定の範囲内である場合、ｓｔｅｐ１１９で通電角が第１波形発生部で許容された通電角範囲内であるか
どうかを確認し、許容範囲外である場合、通電角制御部２１は現状の通電角を保持する
（ｓｔｅｐ１２１）。

このように、第２波形発生部での駆動において転流タイミングから位置検知部の信号が変化するタイミングから、誘起電圧と端子電圧との位相状態を監視することができ、その位相関係から印加電圧に対する負荷状態を知ることが出来る。そして負荷状態に基づいて通電角を増減し、位置検出信号の変化するタイミングを常に所定の範囲内に収める（即ち位相差を所定の範囲内に収める）ように制御する。これにより誘起電圧に対し端子電圧が極端に遅れや、過剰な進角での駆動によるモータ電流の増加を防いでいる。さらに遅れ位相による最大トルクの急激な低下など駆動の不安定な状態も回避することができ、第２波形発生部における脱調停止を抑制することが出来る。

尚図４には記載していないが、ｓｔｅｐ１１７および１１８における通電角の増減は第２波形発生部において許可された通電角範囲内に押さえていることは当然である。

またｓｔｅｐ１１９において通電角が第１波形発生部で許容された通電角範囲である場合は、即ち上下スイッチ素子のオフ区間に誘起電圧のゼロクロス検出（位置検出）が可能な場合であることから、第１波形発生部によるＰＷＭフォードバック制御での駆動が可能な負荷および速度状態であるため、切替判定部はドライブ部１２に出力する波形として第１波形発生部を選択し、以降ブラシレスＤＣモータを第１波形発生部での駆動に切換える（ｓｔｅｐ１２０）。これにより位置検出を行いながらのフィードバック制御で、より高高率な駆動状態に移すことが出来る。

尚、ｓｔｅｐ１１８での通電角減少により第２波形発生部で許されている最低通電角に到達した後も、ｓｔｅｐ１１５でのタイマ値の比較において、転流から位置検知部の信号が反転するタイミングが所定の範囲内に入らない場合は、誘起電圧に対して電流および端子電圧位相が大きく遅れた状態や、ブラシレスＤＣモータのロック停止状態などの異常状態であるので、一旦位置検出フィードバック制御を行う第１波形発生部での駆動に移行してブラシレスＤＣモータが駆動状態にあるか否かを確認（停止状態あることを検出した時は停止処理がされ、駆動状態にあればＰＷＭデューティ制御により適正なデューティで駆動される）しても、一旦ブラシレスＤＣモータを停止処理しても構わない。

以上の様に本発明のモータ駆動装置では、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、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれ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、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれ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、低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部と、前記ブラシレスＤＣモータの負荷状態を検出する負荷検出部と、前記負荷検出部により検出した負荷状態に基づき、ブラシレスＤＣモータに印加する電圧の通電角を決定する通電角制御手段を有し、ブラシレスＤＣモータの負荷状態に応じた適切な通電角でブラシレスＤＣモータを駆動することで、ブラシレスＤＣモータの高速での駆動可能な負荷領域を拡張できるとともに、ブラシレスＤＣモータの電流を抑えることが出来る。これにより整流回路やインバータの電流定格をさげることができ、装置の小型化および低価格化が可能となる。さらに電流の抑制により整流回路やインバータによる回路ロスおよび、ブラシレスＤＣモータの巻線による損失を低減できるため、モータ駆動装置の効率を上げることが出来る。

またブラシレスＤＣモータの回転子の位置を検出する位置検知部を有することで、低速時は位置検出に基づくフィードバック制御を行うことで、低速時の効率をより上げることができる。

さらに第２波形発生部で発生したブラシレスＤＣモータを駆動する波形と誘起電圧との位相差を検出する位相差検出部を有することで、特に高負荷時速やかに通電角を増加して適正な通電角でブラシレスＤＣモータを駆動できることから、誘起電圧に対する電圧の進角を必要以上に大きく付加した状態で駆動することはなく、最低限の進角による弱め磁束状態で、第２波形発生部での駆動における電流を抑制し、高速駆動時の高効率化を実現している。

また誘起電圧に対し第２波形発生部で発生した波形との位相が遅れ位相であることを検出したとき、通電角を減じて適正な通電角を保持することで、遅れ制御状態による不要な電流の増加と不安定な駆動状態による最大トルクの低下を防止することができ、電流増加にともなう損失の防止と、最大トルク減少を防ぐことで信頼性の向上が図れる。

また第２波形発生部で生成する電圧波形の通電角が１５０度以下のとき、前記位相差検出手段により検出した位相差が、所定の位相差より小さいとき、切替判定部は前記第１波形発生部での駆動に切換えるので、ブラシレスＤＣモータの負荷あるいは速度が低下したとき、速やかに第１波形発生部による駆動に切換え、より高効率な駆動を行う。

また位相差監視部は第２波形発生部で発生する波形と、位置検出部を介して得たインバータ端子電圧の状態から位相関係を検出しているため、従来のモータ駆動装置から新たな回路を付加する必要はなく、コストアップを回避している。

次に、ブラシレスＤＣモータ４の構造について説明を行う。図５は、本発明の実施の形態１によるブラシレスＤＣモータの回転子の構造図である。２２は回転子コアであり、０．３５ｍｍから０．５ｍｍ程度の薄い珪素鋼板を打ち抜いたものを、積み重ねている。

２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは４枚の永久磁石であり、逆円弧状に回転子コア２２に埋め込まれている。このマグネットは通常フェライト系がよく用いられるが、ネオジウムなどの希土類系の磁石が使われる場合は平板構造のものが使われることもある。

このような構造の回転子において、回転子中央からマグネットの中央に向かう軸をｄ軸、回転子中央からマグネットの間に向かう軸をｑ軸とすると、それぞれの軸方向のインダクタンスＬｄ、Ｌｑは逆突極性を有し、異なるものとなる。つまりこれは、モータとしては、マグネットの磁束によるトルク（マグネットトルク）以外に、逆突極性を利用したトルク（リラクタンストルク）を有効に使えることとなる。したがってモータとしてよりトルクが有効的に利用できることとなる。この結果、高効率なモータを実現できる。

また、本実施の形態の制御を使用すると周波数設定部８と第２波形発生部１０による駆動を行っているとき、電流は進み位相で運転するので、このリラクタンストルクが大きく利用される。従って、逆突極性がないモータに比べてより高回転数まで運転することができる。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫を示すブロック図である。図６において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

ブラシレスＤＣモータ４は圧縮要素２４に接続され圧縮機２５を形成している。本実施の形態では圧縮機は冷凍サイクルに用い、圧縮機から吐出する高温高圧の冷媒を凝縮器２６に送り、液化して毛細管２７で低圧化し、凝縮器２８で蒸発させた後、再度圧縮機に戻すようにしている。さらに本実施の形態では、冷凍サイクルを冷蔵庫２９に用いており、
蒸発器２８は冷蔵庫２９の庫内３０を冷却するようにしている。

このように本実施の形態２ではブラシレスＤＣモータ４は冷凍空調サイクルの圧縮機２５を駆動するものとしている。圧縮機では特に高精度な回転数制御や加速制御など必要なく、さらにイナーシャが比較的大きな負荷である。従って本実施の形態のように第２波形発生部による位置検出を行わない同期駆動を行っても速度変動は少なく、本発明の非常に有効な用途の一つである。

さらに本実施の形態では圧縮機は冷蔵庫の庫内を冷却するために用いている。冷蔵庫はその製品の特徴上、朝夕の限られた時間帯のみ扉開閉頻度が高く、その他の時間帯は庫内が冷却安定状態で、非常に低負荷状態でブラシレスＤＣモータは低速で駆動している。従って冷蔵庫の消費電力の削減はブラシレスＤＣモータの低速低出力時の駆動での効率向上が有効である。本発明ではブラシレスＤＣモータの高速高負荷効率を大きく拡張できるため、固定子巻線数を増やして高効率化のためモータトルクを犠牲（高速回転性能）にしたブラシレスＤＣモータの使用を可能とした。これにより１日の大半を占める低負荷領域での高効率化による消費電力を更に削減し、扉開閉が頻繁に行われた場合や霜取り後、或いは設置直後といった急速に庫内を冷却する必要がある高負荷状態では、第２波形発生部による同期駆動によって高速駆動を行うので、従来の冷却システム以上の冷凍能力を確保することができる。

さらに本発明では、ブラシレスＤＣモータの負荷に応じた通電角で駆動するため、高負荷時は通電角が広くなり電流が抑制されることになる。従って冷蔵庫の庫内温度が高いなどの高負荷状態で高速駆動を行う場合、電流を比較的低く抑えることが出来るので、ブラシレスＤＣモータの巻線による損失低減で、巻線の温度上昇を抑制できる。これにより圧縮機の温度上昇を抑制出来ることから、高負荷高速時の圧縮機冷凍能力を向上でき、庫内温度が高い等の高負荷時、庫内温度の冷却時間を短縮できることになる。また、圧縮機温度の抑制による冷凍能力の向上は、夏季等で圧縮機の雰囲気温度が高い場合でも、高い冷凍能力を確保できるので消費電力の削減が可能となる。

さらに、圧縮機の温度上昇を抑制することは、圧縮機内に封入した潤滑油の粘度低下を抑制できるため、特に高温時の高速駆動における摺動部の磨耗を抑制でき、圧縮機および冷蔵庫の信頼性を向上することができる。

本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの駆動領域を拡張し、さらにモータ電流の抑制により効率を高めたものである。これによりブラシレスＤＣモータの負荷範囲が拡張できると共に、高効率モータを高速・高負荷で駆動できることから機器の消費電力の削減が出来る。従ってエアコン、洗濯機、給湯器、ポンプなどブラシレスＤＣモータを用いる様々な分野での用途にも適用できる。

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 本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置の第１波形発生部での駆動での通電角制御を示すフローチャート 本発明のモータ駆動装置でブラシレスＤＣモータを第２波形発生部で駆動している際の各部の波形図 本実施の形態における第２波形発生部での駆動における通電角制御を示すフローチャート 本発明の実施の形態１によるブラシレスＤＣモータの回転子の構造図 本発明の実施の形態１による冷蔵庫のブロック図 従来のモータ駆動装置を示すブロック図

３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
５ 位置検出部
６ 第１波形発生部
８ 周波数設定部
１０ 第２波形発生部
１１ 切替判定部
１８ 負荷検出手段
２０ 位相差検出部
２１ 通電角制御部
２５ 圧縮機
２９ 冷蔵庫

Claims (8)

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、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転位置を検出する位置検出部と、通電角が１２０度以上１５０度以下の矩形波またはそれ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、通電角が１３０度以上１８０度未満の矩形波またはそれ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、低速では前記第１波形発生部の出力を、高速では前記第２波形発生部の出力をそれぞれ選択する切替判定部と、前記第２波形発生部により前記ブラシレスＤＣモータを駆動している際は、前記位置検出部の出力信号の発生タイミングと前記第２波形発生部が発生するブラシレスＤＣモータの駆動信号のオンまたはオフタイミングの差を検出する位相差検出部を有し、前記位相差検出部により位相差が所定の差より大きいと検出した場合は第２波形発生部により発生する電圧の通電角を広げるとともに、小さいと検出した場合は通電角を減じる通電角制御部を有するモータ駆動装置。
2. 前記ブラシレスＤＣモータを駆動するために、低速では前記位置検出部の出力により前記第１波形発生部により発生した電圧を、高速では前記第２波形発生部で発生した電圧を前記インバータに印加する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記第２波形発生部で生成する電圧波形の通電角が１５０度以下のとき、且つ前記位相差検出部により検出した位相差が、所定の差より小さいとき、前記切替判定部は前記第１波形発生部の出力を選択し、前記インバータに電圧を印加する請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記位相差検出部は、前記インバータの出力端子電圧の状態から検出する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記位置検出部は、前記固定巻線に発生する誘起電圧より検出する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記ブラシレスＤＣモータは、冷凍空調サイクルの圧縮機を駆動する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
7. ブラシレスＤＣモータが、鉄心に永久磁石を埋め込んでなる埋め込み磁石型の回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有した請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
8. 請求項６または請求項７に記載のモータ駆動装置を有する冷蔵庫。