JP6979568B2 - モータ駆動装置および、これを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明はインバータ制御によりブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置および、これを用いた冷蔵庫に関するものである。

従来この種のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御の矩形波１２０度通電を基本としてブラシレスＤＣモータを駆動し、ＰＷＭ制御のオンデューティが１００％となったとき通電区間を１２０度以上に拡張することで、高速・高負荷駆動領域を拡張している（例えば特許文献１参照）。

図９は特許文献１に記載されたモータ駆動装置を示すものである。図９に示すように、インバータ３を構成する、各スイッチング素子３ａから３ｆが、オフからオンに移行する際、オンタイミング制御手段１０３により進角制御を行い、オンからオフに移行する際は、オフタイミング制御手段１０４で進角制御を行わないことで、オーバーラップ通電を行う。

またモータ駆動電力が目標電力値となるように導通角と進み角およびインバータ入力直流電圧を制御して高出力、高回転を可能としつつ低損失化している（例えば特許文献２参照）。図１０は特許文献２に記載されたモータ駆動装置を示すものである。図１０に示すようにブラシレスＤＣモータの駆動制御手段２０１は、駆動電力を検出する電力検出手段２０２と、インバータの駆動信号パターンの生成とインバータ入力電圧を設定する通電パルス信号生成制御手段２０３を有し、駆動電力が目標設定電力値に一致するように、インバータ入力電圧値と通電角および進角を制御する。

特開２００６−５０８０４号公報 特開２００８−１６７５２５号公報

しかしながら上記特許文献１の構成では、スイッチング素子のターンオンを早くしてブラシレスＤＣモータへの電力供給区間を１２０度以上に広げることで高負荷・高速駆動領域を拡張することは可能であるが、低負荷・低速駆動領域でＰＷＭ制御を行うためスイッチング素子のオン／オフに伴う損失が発生する。さらにＰＷＭ制御による高周波スイッチングはモータ鉄損の増加が伴うという課題を有していた。

また、上記特許文献２に記載の構成では、ブラシレスＤＣモータの通電角増減による速度制御は、制御可能なタイミングは転流時（例えば４極モータでは、モータ１回転中１２回）に限られる。さらに一定の通電角増減は、１２０度未満と１２０度以上の通電角における単位角度あたりのモータ電流変化量が異なるため、一律の制御周期または制御量では、ブラシレスＤＣモータの加速度が不均一になり、急な加速による脱調停止、緩慢な加減速による機器の共振周波数帯域の通過による振動および騒音の原因といった課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、モータ駆動装置の低損失化による機器の高効率化と、低振動・低騒音化および信頼性の向上を図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、ブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給する６個のスイッチング素子で構成されるインバータと、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手段と、前記インバータの出力電圧を前記インバータのスイッチング素子を高周波数でオン／オフすることで前記ブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調整するＰＷＭ制御手段と、ＰＷＭ制御による前記インバータのスイッチング素子のオン時間の時比率が最大となるように前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に対し電気角９０度以上１５０度以下の範囲で電力を供給する通電相を決める通電相制御手段と、前記通電相制御手段により設定した通電相状態に応じて、前記ブラシレスＤＣモータを所定の速度で駆動するための前記ブラシレスＤＣモータの通電相に通電する電気角を制御量として調整する制御量調整部を有し、前記制御量調整部は、前記ブラシレスＤＣモータの電力供給状態応じて、ブラシレスＤＣモータの速度制御における制御量を調整するようにしている。
これにより、ブラシレスＤＣモータの電力供給状態、即ち通電角状態によらず、常に一定の加速度が得られるようになる。

本発明のモータ駆動装置は、インバータとブラスレスＤＣモータの損失低減で高効率化を図るとともに、低騒音、低振動、高信頼性を確保するものである。

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 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１における各部の波形とタイミングチャート図 スイッチング素子オフタイミング調整制御開始判定フローチャート図 ＰＷＭ制御からオフタイミング調整制御への移行フローチャート図 ブラシレスＤＣモータの速度制御を示すフローチャート図 制御量調整を示すフローチャート図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれブラシレスＤＣモータの端子電圧波形を示す図 （ａ）、（ｂ）はそれぞれブラシレスＤＣモータの相電流波形を示す図 特許文献１のモータ駆動装置のブロック図 特許文献２のモータ駆動装置の制御ブロック図

第１の発明は、ブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給する６個のスイッチング素子で構成されるインバータと、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手段と、前記インバータの出力電圧を前記インバータのスイッチング素子を高周波数でオン／オフすることで前記ブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調整するＰＷＭ制御手段と、ＰＷＭ制御による前記インバータのスイッチング素子のオン時間の時比率が最大となるように前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に対し電気角９０度以上１５０度以下の範囲で電力を供給する通電相を決める通電相制御手段と、前記通電相制御手段により設定した通電相状態に応じて、前記ブラシレスＤＣモータを所定の速度で駆動するための前記ブラシレスＤＣモータの通電相に通電する電気角を制御量として調整する制御量調整部を有し、前記制御量調整部は、前記ブラシレスＤＣモータの電力供給状態応じてブラシレスＤＣモータの速度制御における制御量を調整するようにしている。
これにより、高効率化を図ることができるとともに、駆動状態によらず、安定した加速性能を得ることが可能となるため、加減速時における騒音や振動の発生を抑制でき、装置の低騒音・低振動化が可能となり、その結果、信頼性を向上させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の制御量調整部は、前記通電相制御手段により設定した前記ブラシレスＤＣモータへの電力供給区間が電気角１２０度を境として通電する電気角が１２０度より大きい時の速度偏差に対する変更量が、１２０度以下での速度偏差に対する変更量よりも大きくなるよう制御量を切換えるようにしたものである。これにより、ブラシレスＤＣモータの通電角が１２０度以上での駆動における加速度を１２０度未満時の加速度と同等にすることで、ブラシレスＤＣモータの駆動速度が機器の共振周波数帯域通過時の振動・騒音を抑制でき、装置の低振動・低騒音化を可能とする。また、共振周波数帯域通過時の振動の抑制は、振動に起因する機器の故障防止に繋がり、信頼性の高い装置を提供することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明のモータ駆動装置により駆動されるブラシレスＤＣモータが、冷凍サイクルの圧縮機を駆動するものである。これにより圧縮機ＣＯＰの向上と、共振による振動を抑制することで、冷凍サイクルを構成する配管の破損を防止でき、高効率・高信頼性の冷凍サイクルを提供できる。

第４の発明は、第１から第３の発明のいずれか一つのモータ駆動装置により駆動される圧縮機を有する冷蔵庫である。これにより高効率高信頼性の冷凍サイクルにより、低消費電力で信頼性の高い冷蔵庫が提供できるとともに、加減速時における冷蔵庫の低振動・低騒音化を図ることができる。

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わけではない。

（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を示すものである。

図１において、交流電源１は一般的な商用電源であり、日本国内の場合実効値１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。コンバータ回路２は交流電源１を直流電圧に変換する。図１におけるコンバータ回路２は４個のダイオードをブリッジ接続した整流回路２ａとコンデンサによる平滑回路２ｂ、出力電圧を切換えるスイッチ部２ｃで構成することで、出力電圧を倍電圧整流と全波整流の２段階に切り替える構成としている。

インバータ回路３は６個のスイッチング素子３ａ〜３ｆで構成され、本実施の形態１ではＭＯＳＦＥＴを用いる。そして、各スイッチング素子を３相ブリッジ接続し、任意のスイッチング素子のオン／オフを切り替えることで、入力直流電圧を３相交流電圧に変換する。

ブラシレスＤＣモータ４は３相巻線を有する固定子と永久磁石を有する回転子により構成され、インバータ回路３からの３相交流電力により駆動される。

位置検出手段５はブラシレスＤＣモータ４の磁極位置を検出するものであり、本発明の実施の形態１ではモータ端子電圧から、回転子の回転により固定子巻線に発生する誘起電圧の位相（ゼロクロスポイント）を検出する方式としている。ただし、ホールＩＣ等の位置センサを用いる方法や、電流センサ等による電流検出方法等でも構わない。

速度検出手段６は位置検出手段５の出力信号からブラシレスＤＣモータ４の駆動速度を検出するものであり、本実施の形態１ではブラシレスＤＣモータ回転子の回転により固定子巻線に生じる誘起電圧のゼロクロス周期を基に算出する。

速度誤差検出回手段７は、速度検出手段６により得たブラシレスＤＣモータ４の駆動速度と目標速度との差を検出する。

通電相制御手段８は位置検出手段５からの信号を基に、前記ブラシレスＤＣモータ固定子巻線に電気角９０度以上１５０度以下の範囲で電力を供給する相を設定する。また通電相制御手段８はスイッチング素子３ａ〜３ｆをターンオンおよびターンオフするタイミングを設定するオンタイミング制御部８ａと、オフタイミング制御部８ｂとを有しているため、インバータ３のスイッチング素子のオン、オフのそれぞれのタイミングを個別に設定することができる。従って、通電相制御手段８は、各スイッチング素子のオン・オフタイミングを調整することで、ブラシレスＤＣモータ４への電力供給区間を調整し、目標速度で駆動するように速度制御を行う。

また通電相制御手段８は電力供給間の設定値（即ち、速度制御における制御量）を調整する制御量調整部８ｃを有している。制御量調整部８ｃは特に加減速時におけるスイッチング素子のオン・オフタイミング（時間）を調整するもので、その時の電力供給区間に応じて調整を行うようにしている。

ＰＷＭ制御手段１１は、インバータ回路３からの３相交流出力をＰＷＭ制御で出力電圧を調節し、ブラシレスＤＣモータ４が目標速度で駆動するように制御する。ここで『ブラシレスＤＣモータ巻線への電力を供給する電気角最小値の２倍から電気角１２０度を引いた値』を『電気角１２０度』で除した値より大きいＰＷＭオン時間時比率で駆動している場合、ＰＷＭ制御手段はオン時間の時比率が最大値（１００％）となるようにオフタイミング制御部１０はスイッチング素子のターンオフタイミングを早く行っていく。具体的には、電力供給区間の最小値９０度の場合、（９０度×２−１２０）÷１２０＝５０［％］となり、ＰＷＭオン時間比率が５０％以上で駆動している場合、オン時間比率１００％となるように、スイッチング素子のオフタイミングを早く行うようにしていく。

また、電力供給区間が１２０度、ＰＷＭ制御のオン時間時比率が１００％の状態で、ブラシレスＤＣモータの駆動速度が目標速度より遅い場合は、ＰＷＭ制御のオン時間時比率１００％を保ちながら、スイッチング素子のオン時間を進めていくことで、オーバーラップ通電となり駆動領域を拡張する。

ターンオフおよびオンタイミングの変更は、ブラシレスＤＣモータの動作状態への急激な変化を防ぐため、徐々に早めて行くことが望ましいが、１度の制御周期で行っても特に問題ない。なお、ＰＷＭ制御手段１１によるオン時間時比率調整でのブラシレスＤＣモータ４の速度制御は、先述したＰＷＭ制御のオン時間時比率以下で駆動している場合に限られるため、起動時や、低速駆動時、低負荷駆動時、および倍電圧入力時における、比較的低負荷、低速駆動時に行われる。それ以外の安定した駆動状態では、ＰＷＭ制御手段１１はオン時間時比率が１００％となるように、通電相制御手段８によるスイッチング素子のオフおよびオンタイミングを制御してブラシレスＤＣモータ４への電力供給区間調整による速度制御を行う。

波形合成手段１２はＰＷＭ制御手段１１により生成したＰＷＭ信号と通電相制御手段８により生成した信号を合成し、合成した信号を基にドライブ手段１３によりインバータ回路３の各スイッチング素子３ａ〜３ｆをオンまたはオフ状態にして、生成した任意の３相交流電圧をブラシレスＤＣモータ４に供給し駆動する。

圧縮要素１６は、ブラシレスＤＣモータ４の回転子の軸に接続され、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、加熱や吸熱を行うことができる。

なお、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１では、冷凍空調システムは冷蔵庫２１の冷凍サイクルとして用い、蒸発器２０は断熱壁２２で囲われた食品貯蔵室２３内を冷却するために用いる。

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と作用を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のタイミングチャート図である。図２（ａ）は一般的な１２０度通電での駆動波形およびタイミング図であり、図２（ｂ）はオフタイミング制御部８ｂによりスイッチング素子のオフタイミングを調整してブラシレスＤＣモータを駆動したときの波形とタイミングを示している。ブラシレスＤＣモータ４の回転により発生する誘起電圧をＥ、端子電圧をＶｕとして示している。両波形ともＵ相のみを示しているが、Ｖ相およびＷ相波形はそれぞれ位相が１２０度ずれた同形状の波形となっている。高圧側に接続したスイッチング素子３ａ、３ｂ、３ｃの駆動信号をＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋として示し、低圧側接続のスイッチング素子３ｄ、３ｅ、３ｆの駆動信号はそれぞれの高圧側ＳＷ素子の駆動信号から１８０度位相がずれた波形となる。

固定子巻線の通電相の切換えタイミング（図示せず）を図るために、回転子磁極相対位置検出に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。ゼロクロスポイントの検出は当該相巻線への電圧印加がされていない（図２に示すＵ相では、スイッチング素子３ａ、３ｄの両方がオフとなる）区間（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）に現れる誘起電圧とインバータ入力電圧Ｖｄｃの１／２との大小関係が反転するポイント（Ｐ１、Ｐ２）を検出する。よって電気角１周期あたり各相２回、３相合計で６回、電気角６０度毎に位置信号が発生する。

図２（ａ）に示す１２０度通電におけるスイッチング素子（高圧側接続の３ａ、３ｂ、３ｃ）の通電パターン（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋）を見ると、位置検出後（Ｐ１）電気角３０度後にＷ＋のオフと同時にＵ＋（スイッチング素子３ａ）をオンすることで、電気角３６０度全範囲で常に３相いずれかの巻線が通電される。一方、図２（ｂ）では位置検出（Ｐ１）後、電気角３０度経過する前にＷ＋（スイッチング素子３ｃ）をオフにしたのち、電気角３０度後にＵ＋をオンするようにしている。

Ｃ１〜Ｃ４区間で誘起電圧が現れるのは他相のスイッチング素子がオンしている、即ちＰＷＭのオン期間のみである。従って、スイッチング素子のターンオフは、ターンオンより早く行い、ブラシレスＤＣモータへの電力供給区間を短くしている。これにより固定子巻線の電力供給区間が短くなり、ＰＷＭ制御によるオン・オフ回数が少なくなるので、インバータ回路の損失が抑制できる。更に、電力供給区間を短くすることで、ＰＷＭ制御のオン時間が長くなり、位置検出信号の取得可能期間が長くなるので、位置検出精度が向上することになる。

さらに、スイッチング素子をオフするタイミングは位置検出直後から、位置検出後電気角３０度経過（位置検出Ｐ１に対して区間Ａ１の範囲）後までとして、当該位置検出（Ｐ１）で確実に転流可能な範囲且つ、誘起電圧に対して進み位相となるようにして、遅れ位相によるトルク低下が発生しないように考慮している。

このようにスイッチング素子（３ａ〜３ｆ）のオフタイミングを位置検出直後から３０度以内とすることで、３相巻線への通電角を９０度以上１２０度以下に調節して、電力供給休止区間（Ａ１、Ａ２、Ａ３）が短いほど大きな進角Ｂ（電力無供給区間の電気角の１／２）が自動的に付加されるようになり、モータトルクが増加し電力無供給区間があるにもかかわらず脱調等無く安定した駆動が可能となる。

負荷の増加等によりスイッチング素子のオフタイミングが位置検出後３０度となったときが、１２０度通電で駆動可能な最大負荷である。この時オフタイミングを位置検出後３０度の位置に固定し、ＰＷＭ制御のオン時間時比率を１００％とした状態で、オンタイミングを最大３０度まで進める（即ち位置検出信号取得と同時に転流）ことで１５０度まで通電角を広げることができ駆動可能な負荷領域を拡張できる。

次にＳＷ素子のオン・オフタイミング調整によるブラシレスＤＣモータの速度制御について、フローチャートを用い、その動作を説明する。

図３はスイッチング素子のオフタイミング制御の開始を判断するフローチャート図である。図３において、まずＳ１１において、ＰＷＭ制御手段１１で生成したスイッチング素子のオン時間時比率が所定値より大きくなっているかを確認し、所定値より大きい場合はＳ１２に進みオフタイミング調整制御を開始し、所定値より小さい場合はＰＷＭ制御を行うようにする。オン時間時比率の所定値の設定は、本実施の形態１では巻線への最小電力供給区間を電気角９０度としているため、｛（９０度×２）−１２０度｝／１２０度から５０％としているが、用途により適正な任意の値を選定する。

このようにスイッチング素子のオフタイミング調整制御の開始を所定のＰＷＭオン時間時比率以上の時としてＰＷＭ制御と併用することで、起動時等の極端に駆動速度が低い場合や、低速駆動時で非常に負荷が低い場合、倍電圧入力時で比較的負荷が軽い時や低速時などで巻線への電力供給区間が極端に短くなることによる起動の失敗や不安定な運転状態、あるいは極端なトルク低下等を防止し、あらゆる負荷条件でも安定した駆動が実現できるようにしている。

図４はＰＷＭ制御からオフタイミング調整への移行を示すフローチャート図である。図３に示したフローにより、オフタイミング調整制御の開始を決定したとき、Ｓ２１においてスイッチング素子のオフタイミングを任意の時間早く行い、Ｓ２２でＰＷＭ制御により速度制御を行う。オフタイミングを早くすることで、ブラシレスＤＣモータへの電力供給区間が短くなっていくため、ＰＷＭ制御によるオン時間の時比率は増加することになる。Ｓ２３でＰＷＭ制御によるオン時間時比率が１００未満であるときＳ２１に戻りその動作を続ける。Ｓ２３でオン時間時比率が１００％に到達した時、Ｓ２４に進みオン時間時比率を１００％の状態を保持して、以降はＳ２５でスイッチング素子のオフタイミングの調整でブラシレスＤＣモータが目標速度で駆動するように速度制御を行う。さらに、スイッチング素子のオフタイミングが位置検出後３０度（即ち１２０度通電状態）となったときは、オンタイミングを位置検出直後から位置検出後３０度までの間で調整を行うオンタイミング制御による速度制御を行うことでブラシレスＤＣモータの駆動領域を拡張し、目標速度で駆動する。

次にスイッチング素子のオフタイミング調整制御への移行後のブラシレスＤＣモータの速度制御について図１および図５を用いてその動作を説明する。

図５は本実施の形態１のスイッチング素子のオフタイミング調整制御の動作フローチャート図である。図５においてまずＳ３１において、速度検出手段６で検出したブラシレスＤＣモータ４の駆動速度と目標速度との偏差を速度誤差検出手段７で検出し、目標速度より早い場合はＳ３２に進む。Ｓ３２では、ＰＷＭ制御手段１１でのオン時間時比率１００％を保持して、オフタイミング制御部８ｂによりオフタイミングを早くすることが可能か否かを判断し、可能であればスイッチング素子のオフ時間を早めることで巻線への電力供給区間を減じてブラシレスＤＣモータの速度が低下するように速度制御を行い（Ｓ３３）、不可能であればＰＷＭ制御手段１１におけるＰＷＭ制御を併用する（Ｓ３４）。本実施の形態１において、オフタイミングを早くすることが可能か否かの判断は、スイッチング素子のオフタイミングが位置検出直後の場合は、これ以上タイミングを早めることが出来ないと判断する。本実施の形態１では進角を０度としているので固定子巻線への最低通電角は電気角９０度となる。通電角１２０度未満では、非通電区間の電気角に対して２倍の非電力供給区間が生じる。従って９０度通電では、３０度の非通電区間を有し、６０度の非電力供給区間が生じる。即ち１２０度通電時の出力に対して５０％出力が低下する。

ブラシレスＤＣモータの駆動速度が目標速度より遅いと判断（Ｓ３５）した時Ｓ３６に進み、スイッチング素子のオフが位置検出から電気角３０度経過するまでに行われているかを判断する。オフタイミングが電気角３０度経過より前に行われている場合Ｓ３７に進みスイッチング素子のオフタイミングを遅らせて、ブラシレスＤＣモータ巻線への電力供給期間を増やし、駆動速度が上昇するように速度制御を行う。Ｓ３６でオフスイッチング素子のオフタイミングが電気角３０度経過位置である場合はＳ３８に進む。Ｓ３８ではこれ以上スイッチング素子のオフタイミングを遅らせた場合、誘起電圧に対して印加電圧位相が遅れ位相となり、モータトルク低下およびこれに伴う脱調等の可能性があるため、オンタイミングを早めることで巻線への電力供給区間を増やしてブラシレスＤＣモータの駆動速度が上昇するように速度制御を行う。

本発明の実施の形態１では、オンタイミングを早める上限は位置検出後直後までとして、このときの巻線への最大電力供給区間は電気角１５０度となり、このときブラシレスＤＣモータに流れる電流は１７％増加することになり、最大出力も１７％程度増加する。

なお、駆動速度が目標速度と等しい場合はＳ４５にて制御を抜ける。

また、本実施の形態１では進角を０度としているため、電気角１２０度通電でスイッチング素子のオフタイミングとオンタイミングが位置検出後３０度のタイミングで一致して行われることになる。回転子内部に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータでは、最適な駆動実現のためには適切な進角を設ける必要がある。従ってＩＰＭモータ等、あらゆるモータを最適に駆動出来るように、スイッチング素子のオフタイミング調整範囲は、位置検出直後から、位置検出から「（電気角３０度）−（進角）」まで経過した位置。スイッチング素子のオンタイミングは、位置検出タイミングから「（電気角３０度）−（進角）」だけ経過したタイミング（例えば進角１０度の場合、ターンオフは位置検出から電気角２０度経過までの範囲で調整し、ターンオンは位置検出後電気角２０度後）で行い、かつ位置検出からターンオフまでの電気角と、位置検出からターンオンまでの電気角の和を６０度以下として、ターンオフをターンオンより電気角０度から３０度までの任意の範囲で調整できるようにして、位置検出から電気角３０度までの間で進角とオン・オフのタイミングを自由に設定可能としている。

なお、進角を付加したときの巻線の通電角は電気角で「９０度＋進角」から１２０度の範囲で調整されることになる。

さらにブラシレスＤＣモータ４を高速・高負荷で駆動する場合は、ターンオフタイミングを位置検出から「（電気角３０度）−（進角）」経過したタイミングとして、ターンオンタイミングを位置検出直後から、位置検出から「電気角３０度−進角」だけ経過したタイミングの範囲で調整することで巻線への通電角を電気角１２０度から「電気角１５０−進角」の範囲で調整できる。

従って、スイッチング素子のターンオン、ターンオフタイミングの調整により電気角９０度から１５０度までの範囲（進角０度の時）でブラシレスＤＣモータへの通電角調整で電力供給を調整できることになり、低速・低負荷の駆動から高速・高負荷の駆動まで幅広い負荷・速度状態での駆動に対応可能である。

ここでブラシレスＤＣモータの加減速時について考える。前述したように通電角１２０度に対して、３０度減じた９０度通電では出力電力は５０％となり、３０度増加した１５０度通電では１７％程度の出力増加となる。つまり、単位通電角あたりの出力電力の増減量が１２０度通電を境に異なるため、同一レートで通電角を増減した場合、通電角１２０度以上での加速度は、通電角１２０度未満時の１／３程度になる。

モータ駆動装置を利用する機器において、固有の共振周波数でのブラシレスＤＣモータの駆動は、振動および騒音の増大や、その増大された振動が原因となる機器故障原因となる懸念が生じるため、避けることが一般的である。よって、加速度の低下は、共振周波数帯を通過する時間が長くなるため、振動および騒音発生の原因となりうるし、頻繁に共振周波数帯を通過する加減速が多い場合、その振動による機器の故障の原因に繋がりかねない。

従って本実施の形態１では、速度制御におけるスイッチング素子のオン・オフタイミングの変化量を、通電角に応じて補正することで、一定の加減速性能を確保出来るようにしている。

図６は本実施の形態１における制御量の調整を示すフローチャート図である。図６においてＳ４１は図５に示すフローチャート内容で、通電相制御手段８におけるスイッチング素子のオンおよびオフタイミングを設定する。Ｓ４２では設定したスイッチング素子のオンおよびオフタイミングから、通電角が１２０度以上かどうかを判断し、判断結果に基づいてＳ４３またはＳ４４で電力供給増減レートを選択する。本実施の形態１では、通電角１２０度以上では、１２０度未満時に増減する通電角の３倍の通電角を増加するようにしている。例えば、加減速時において１２０度未満の通電角時では、１制御周期あたり０．１度の通電角を増減するのに対して、１２０度以上の場合は１制御周期あたり０．３度通電角を増減するようにして、駆動状態によらず、ほぼ一定の加減速性能が得られるようにしている。

次に本実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの端子電圧について図７を用いて説明する。図７（ａ）および（ｂ）は図２（ａ）における区間Ｃ１、Ｆ１を示し、図７（ｃ）および（ｄ）は図２（ｂ）における区間Ｃ３，Ｆ２を示している。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように１２０度通電のＰＷＭ制御での波形を示す図２（ａ）は高周波のＰＷＭキャリア周波数成分（周期ｆ）が重畳されている。また図７（ａ）に示すようにＣ１区間では、ＰＷＭがオンした瞬間にモータ巻線や浮遊容量等の影響によるリンギングノイズ成分も重畳する。Ｃ１区間はブラシレスＤＣモータの端子電圧Ｖｕとインバータ入力電圧の１／２を比較して、その大小関係が反転するポイントをブラシレスＤＣモータの誘起電圧のゼロクロス点（Ｐ点）として検出するが、リンギングノイズ成分によりＰｘ点と誤検出してしまう。この位置検出ズレは、ブラシレスＤＣモータの駆動速度の脈動や振動、騒音の増大、駆動効率の低下などの原因となる。

一方で図７（ｃ）に示すように、ＰＷＭ制御のオン時間時比率を１００％とした場合、端子電圧Ｖｕには誘起電圧波形が現れ、正確なゼロクロスポイント（Ｐ点）での位置検出が可能であり、低騒音、低振動、低損失な安定した駆動が実現できる。

また区間Ｆ１区間では、図７（ｂ）に示すようにＰＷＭ制御による高周波でのスイッチング素子のオン・オフに伴うスイッチング損失が発生するが、図７（ｄ）に示すようにオン時間時比率１００％の駆動ではスイッチング動作は行われないためスイッチング損失は発生せず、回路損失の低減による高効率化が実現できる。

さらにブラシレスＤＣモータに流れる電流を図８に示す。図８（ａ）は１２０度通電によるＰＷＭ制御での波形であり、ＰＷＭ制御でのスイッチング素子のオン・オフに伴う高周波電流成分が重畳していることが分かる。この高周波電流成分はモータ鉄損の原因となる一方、図８（ｂ）に示すＰＷＭオン時間時比率１００％での運転では高周波電流成分の発生はないため、モータ損失の低減によるモータ駆動装置の高効率化が図れる。

以上のように構成したモータ駆動装置で圧縮機を駆動する冷却システムを持つ冷蔵庫について説明する。

近年の冷蔵庫は、真空断熱材の採用など断熱技術の向上により、外部からの熱侵入が非常に少なくなっている。このため扉開閉が頻繁に行われる朝夕の家事時間帯を除けば、１日の大半で冷蔵庫内は安定した冷却状態にあり、圧縮機は冷凍能力を下げた低速・低負荷での駆動が行われている。従って、冷蔵庫の消費電力を削減するためには、圧縮機すなわちブラシレスＤＣモータの低速・低出力時の駆動効率を上げることが非常に有効である。

本発明の実施の形態１では、ブラシレスＤＣモータが低速・低負荷で駆動している状態において、ＰＷＭ制御による高周波のオン・オフ制御を行わず、ＰＷＭオン時間時比率を１００％となるように、スイッチング素子のオンまたはオフタイミングを調整しながらブラシレスＤＣモータの駆動速度制御を行う。これによりインバータ回路３はＰＷＭ制御によるスイッチングロスの発生が無くインバータの回路効率を大幅に向上することが出来る。

本実施の形態１では、インバータ回路３のスイッチング素子にはＭＯＳＦＥＴを用いている。ＭＯＳＦＥＴはその構造的特徴から、オン時の出力電流の経路にＰＮ接合を持たないため、特に低電流出力時におけるオン時の損失は、ＩＧＢＴ等の他のパワーデバイスと比較して非常に低くなる。

先述したように冷蔵庫は１日の大半で低速・低負荷での駆動がされているためブラシレスＤＣモータに流れる電流が低い。従って、本発明を冷蔵庫の圧縮機の駆動に用いるとき、インバータ３のスイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いることは、冷蔵庫の消費電力の低減に非常に有効となる。

また、電力供給状態によらず、一定の加速度による加減速は、速度変更時の騒音および振動を抑え、共振周波数帯を即座に通過するようにして、配管損傷等の発生を回避して信頼性を向上している。

また、ＰＷＭ制御によるオン・オフ制御を行わないことでブラシレスＤＣモータの巻線電流には高周波電流成分が無く、モータ鉄損を大幅に抑制できモータ効率の向上が図れる。

更にＰＷＭ制御は一般的に１ｋＨから２０ｋＨｚ程度のＰＷＭ周波数でのスイッチング動作が行われ、この周波数成分が騒音として発生する。冷蔵庫は昼夜にかかわらず１日中運転しているため、静音設計は非常に重要である。本実施の形態１のモータ駆動装置は、オン時間の時比率が１００％であり、ＰＷＭ制御に起因する騒音の発生が無いため、冷蔵庫の静音設計に非常に有効である。

以上のように本発明にかかるモータ駆動装置は、モータ駆動装置の回路損失の低減およびモータ効率の向上、高信頼性、駆動騒音と振動の低減が可能となるため、冷蔵庫、エアコン、洗濯機、ポンプ、扇風機、ファン、電気掃除機など、ブラシレスＤＣモータを用いたあらゆる機器にも適用できる。

３ インバータ回路
４ ブラシレスＤＣモータ
５ 位置検出手段
８ 通電相制御手段
８ｃ 制御量調整部
１１ ＰＷＭ制御手段
１７ 圧縮機
２１ 冷蔵庫

Claims (4)

1. ブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給する６個のスイッチング素子で構成されるインバータと、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手段と、前記インバータの出力電圧を前記インバータのスイッチング素子を高周波数でオン／オフすることで前記ブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調整するＰＷＭ制御手段と、ＰＷＭ制御による前記インバータのスイッチング素子のオン時間の時比率が最大となるように前記ブラシレスＤＣモータの３相巻線に対し電気角９０度以上１５０度以下の範囲で電力を供給する通電相を決める通電相制御手段と、前記通電相制御手段により設定した通電相状態に応じて、前記ブラシレスＤＣモータを所定の速度で駆動するための前記ブラシレスＤＣモータの通電相に通電する電気角を制御量として調整する制御量調整部を有し、前記制御量調整部は、前記ブラシレスＤＣモータの電力供給状態応じてブラシレスＤＣモータの速度制御における制御量を調整するモータ駆動装置。
2. 前記制御量調整部は、前記通電相制御手段により設定した前記ブラシレスＤＣモータへの電力供給区間が電気角１２０度を境として通電する電気角が１２０度より大きい時の速度偏差に対する変更量が、１２０度以下での速度偏差に対する変更量よりも大きくなるよう制御量を切換える請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記ブラシレスＤＣモータは、冷凍サイクルの圧縮機を駆動することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のモータ駆動装置により駆動される圧縮機を有する冷蔵庫。

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