JPWO2019225486A1 - モータ駆動装置およびにこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents
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Abstract
スイッチング部(4a〜4f)を有し、入力電力をスイッチング部(4a〜4f)によりスイッチングしてブラシレスDCモータに供給するインバータ(4)と、インバータ(4)を制御する制御部(8)と、を備える。制御部(8)は、ブラシレスDCモータ(5)の回転の位置情報を間欠的に取得し、位置情報に基づいてPWM制御信号を生成し、PWM駆動信号に基づいてスイッチング部(4a〜4f)をスイッチングスイッチングするように構成される。スイッチング部(4a〜4f)は、PWM駆動信号に基づいて、所定のキャリア数毎にオンに制御され、且つ、スイッチング部(4a〜4f)がオンに制御される所定のキャリアの開始時から、少なくとも制御部(8)が最初に位置情報を取得する時点までの期間、オンに制御される。
Description
本開示は、ブラシレスDCモータを駆動するモータ駆動装置及びこれを用いた冷蔵庫に関する。
従来、この種のモータ駆動装置では、PWM制御によってモータを駆動している。PWM制御では、PWM制御におけるオン幅を変化させることによってPWMオン比率を増減し、モータへの印加電圧を制御する。このため、現在のモータの回転速度が小さいほどPWMオン比率は低くなり、現在の速度が大きいほどPWMオン比率は高くなる。また、負荷が軽いほどPWMオン比率は低くなり、負荷が重いほどPWMオン比率は高くなる。
PWM制御には、非同期PWM制御及び同期PWM制御がある。非同期PWM制御は、モータの駆動周波数とPWMのキャリア周波数との間で同期をとらずに運転を行う方法である。同期PWM制御は、PWMのキャリア周波数をモータの駆動周波数の整数倍に同期させる方法である。
同期PWM制御は、インバータ回路の温度上昇の抑制(例えば、特許文献1参照)等、高負荷時及び高速駆動時等に使われている。また、同期PWM制御における位置検出方法としては、レゾルバ又はホール素子等のセンサに加えて、モータに流れている電流値のオフセットを用いる方法(例えば、特許文献2参照)、及び、電流値を検出し、dq座標変換等を用いて推定する方法(例えば、特許文献3参照)等がある。
図5は、特許文献2に記載された従来のモータ駆動装置である。図5に示すように、モータ駆動装置は、ブラシレスDCモータ101及びブラシレスDCモータ101を駆動するための複数のスイッチング素子で構成されたインバータ102を有する。また、モータ駆動装置は、ブラシレスDCモータ101の角度を検出する角度検出部103、ブラシレスDCモータ101に流れる電流を検出する電流検出部104、角度検出部103で検出されたブラシレスDCモータの角度と、電流検出部104で検出された電流値と、から目標電流とのズレを表す電流オフセット量を計算する電流オフセット量算出部105、ブラシレスDCモータ101をPWM制御する駆動信号生成部106、及び、電流オフセット算出部105が算出する電流オフセット量によって駆動信号生成部106の生成した駆動信号を補正し、インバータ102のスイッチングを行う位相信号補正部107を有する。
駆動信号生成部106は、角度検出部103で検出されるブラシレスDCモータ101の位相角に応じて、適切な駆動信号を生成する。位相信号補正部107は、角度検出部103が出力する位相角のずれを補正して、インバータ102の駆動を行う。これにより、ブラシレスDCモータの位相角に適した電圧が印加され、ブラシレスDCモータ101を安定して駆動することができる。
しかしながら、特許文献1には、モータの位相の検出に関する詳細が開示されていない。
また、特許文献2に係るモータ駆動装置では、モータの位相情報の取得に、レゾルバ等の角度センサが利用されており、コストが高いという課題がある。
また、特許文献3に係るモータ駆動装置では、センサを用いないセンサレス制御が行われるが、電流検出用の電流検出器、及び、高度な計算を行うプロセッサ等が必要であり、コストが高いという課題がある。
本開示は、安価な構成によってブラシレスDCモータの位置情報の検出を行いつつ、安定してモータを駆動することができるモータ駆動装置を提供する。
本開示のモータ駆動装置は、スイッチング部を有し、入力電力をスイッチング部によりスイッチングして、ブラシレスDCモータに供給するインバータと、インバータを制御する制御部と、を備える。制御部は、ブラシレスDCモータの回転の位置情報を間欠的に取得し、位置情報に基づいて、スイッチング部を駆動するPWM駆動信号を生成し、PWM駆動信号に基づいてスイッチング部をスイッチングするように構成される。スイッチング部は、PWM駆動信号に基づいて、所定のキャリア数毎にオンに制御され、且つ、スイッチング部がオンに制御される所定のキャリアの開始時から、少なくとも制御部が最初に位置情報を取得する時点までの期間、オンに制御される。
本開示の一態様に係るモータ駆動装置は、スイッチング部を有し、入力電力をスイッチング部によりスイッチングして、ブラシレスDCモータに供給するインバータと、インバータを制御する制御部と、を備える。制御部は、ブラシレスDCモータの回転の位置情報を間欠的に取得し、位置情報に基づいて、スイッチング部を駆動するPWM駆動信号を生成し、PWM駆動信号に基づいてスイッチング部をスイッチングするように構成される。スイッチング部は、PWM駆動信号に基づいて、所定のキャリア数毎にオンに制御され、且つ、スイッチング部がオンに制御される所定のキャリアの開始時から、少なくとも制御部が最初に位置情報を取得する時点までの期間、オンに制御される。
このような構成により、ブラシレスDCモータの位相を検出するためのセンサは不要となる。また、ブラシレスDCモータの位相を検出するための複雑なタイミングの計算をするためのプロセッサも不要となる。従って、PWM制御におけるオン中に表れるブラシレスDCモータの位置情報を、安価な構成によって検出することができる。また、ブラシレスDCモータの位置情報を確実に取得できる。このため、ブラシレスDCモータの安定した駆動が可能となる。
本開示の他の一態様に係るモータ駆動装置は、スイッチング部が、制御部が最初に位置情報を取得した時点から、所定のキャリアの次のキャリアの開始時までの間で、オンからオフに制御されてもよい。
このような構成により、位置情報を確実に取得しつつ、PWM制御のオン比率を変更することができる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、連続するキャリアの各々のキャリアの開始タイミングは、通電相の切り替えタイミングと同期されてもよい。
このような構成により、ブラシレスDCモータの位置情報の検出を行いつつ、安定してモータを駆動することができる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、連続するキャリアの各々のキャリア区間が、ブラシレスDCモータが駆動される際の電気角0度を基準として、電気角60度毎の区間と同期されてもよい。
このような構成により、ブラシレスDCモータの位置情報の検出を行いつつ、安定してモータを駆動することができる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、スイッチング部が、所定のキャリアの開始時から次のキャリアの終了時までの間、継続してオンに制御され、且つ、次のキャリアの終了時にオフに制御されてもよい。
このような構成により、位置情報を確実に取得しつつ、PWM制御のオン比率を大きくすることができる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、制御部が、所定のキャリアの開始時から最初に取得した位置情報に基づいて、所定のキャリアのキャリア周期を決定するように構成されてもよい。
このような構成により、安定してモータを駆動することができる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、PWM駆動信号が矩形波であってもよい。
このような構成により、ブラシレスDCモータの回転の位置の検出に必要な計算が単純となり、モータ駆動装置を安価な構成とすることができる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、制御部が、ブラシレスDCモータの回転の位置情報として、ブラシレスDCモータの誘起電圧からブラシレスDCモータの磁極位置の情報を取得してもよい。
このような構成により、ブラシレスDCモータの各相の基準となる誘起電圧のゼロクロスが表れるタイミングが、PWM制御におけるオン期間中となる。このため、ブラシレスDCモータの位置検出を精度良く行うことができる。
本開示の一態様に係るモータ駆動装置は、スイッチング部を有し、入力電力を前記スイッチング部によりスイッチングしてブラシレスDCモータに供給するインバータと、インバータを制御する制御部と、を備える。制御部は、負荷を駆動するブラシレスDCモータの基準位置を検出する位置検出部と、位置検出部の情報に基づきブラシレスDCモータを駆動するための波形を生成するPWM生成部と、を有し、少なくとも位置検出部がブラシレスDCモータの基準位置を検出するまでPWM生成部の出力するPWMをオンする。
このような構成により、PWM制御におけるオン中に表れるブラシレスDCモータの位置情報を確実に検出し、安定してブラシレスDCモータを駆動することが可能となる。
本開示のさらに他の一態様に係るモータ駆動装置は、モータ駆動装置によって駆動されるブラシレスDCモータが、圧縮機を駆動するモータであってもよい。
このような構成により、高温の密閉空間である圧縮機を駆動するブラシレスDCモータにおいても、センサレスで位置検出ができるため、モータ駆動装置を安価な構成とすることができる。
本開示の一態様に係る冷蔵庫は、ブラシレスDCモータを有する圧縮機、凝縮器、減圧器及び蒸発器が接続されて構成された冷凍サイクル回路を備える。ブラシレスDCモータは、前述のいずれかのモータ駆動装置により駆動される。
このような構成により、圧縮機の低速での運転率が高い冷蔵庫の消費電力を低減することができ、安価な構成によって冷蔵庫の消費電力を効果的に低減することができる。
(実施の形態)
[1.全体構成]
図1は、本開示の実施の形態におけるモータ駆動装置を含む全体構成のブロック図である。
[1.全体構成]
図1は、本開示の実施の形態におけるモータ駆動装置を含む全体構成のブロック図である。
図1に示すように、モータ駆動装置13は、インバータ4と、インバータ4を制御する制御部8と、を有する。
インバータ4はスイッチング部4a〜4fを有する。インバータは、入力電力をスイッチング部4a〜4fによりスイッチングしてブラシレスDCモータ5に供給する。
以下、より詳細に説明する。
図1に示す交流電源1は、一般的な商用電源である。例えば、日本においては、実効値が100Vであり、周波数が50Hz又は60Hzの電源である。
整流回路2には、交流電源1からの交流電力が入力される。整流回路2は、入力された交流電力を直流電力に整流する。整流回路2は、ブリッジ接続された4個の整流ダイオード2a〜2dで構成される。
平滑部3は、整流回路2の出力側に接続され、整流回路2の出力を平滑する。平滑部3は、平滑コンデンサ及びリアクタ(インダクタ)等によって構成される。なお、平滑部3は、図1に示すように、回路構成の単純化のため、平滑コンデンサのみで構成されてもよい。
なお、リアクタが用いられる場合は、交流電源1とコンデンサとの間に挿入されてもよい。また、リアクタは、整流ダイオード2a〜2dの前後、すなわち整流回路2の入力側及び出力側のいずれ側に挿入されてもよい。また、リアクタが用いられる場合において、高周波除去手段を構成するコモンモードフィルタが回路に設けられる場合には、リアクタと当該高周波除去手段のリアクタンス成分との合成成分を考慮する必要がある。
本実施の形態では、インバータ4は、平滑部3からの直流電力を交流電力に変換する。インバータ4は、スイッチング部である、6個のスイッチング素子4a〜4fを有し、これらのスイッチング素子4a〜4fが3相ブリッジ接続されて構成される。また、本実施の形態では、6個の還流電流用のダイオード4g〜4lが、各スイッチング素子4a〜4fの導通方向に対して逆方向となるように、各スイッチング素子4a〜4fと並列に接続される。
ブラシレスDCモータ5は、永久磁石を有する回転子5aと、3相巻線を有する固定子5bと、を有する。インバータ4で生成された3相交流電流が、ブラシレスDCモータ5の固定子5bの3相巻線に流れることにより、回転子5aが回転する。また、ブラシレスDCモータ5の極数は、要求される特性に応じて決定される。ブラシレスDCモータ5の極数は、本実施の形態では4極であるが、これに限られず、4極以外であってもよい。
制御部8は、例えば、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)と、当該制御プログラムを実行する演算処理部(図示せず)と、を備えて構成される。
本実施の形態では、制御部8は、ブラシレスDCモータ5の回転の位相角の情報である、位置情報を間欠的に取得する。また、制御部8は、取得した位置情報に基づいてPWM駆動信号を生成する。制御部8は、生成したPWM制御信号に基づいてスイッチング部をスイッチングする。また、制御部8は、PWM駆動信号に基づいて、所定のキャリア毎にスイッチング部をオンに制御し、且つ、所定のキャリアの開始時から、少なくとも最初に位置情報を取得する時点までの期間、スイッチング部をオンに制御する。
制御部8は、図1に示すように、例えば、位置検出部6、速度検出部7、PWM生成部10及びドライブ部12を含んでもよい。
位置検出部6は、ブラシレスDCモータ5の回転の位置情報として、回転子5aの磁極位置を検出する。本実施の形態では、位置検出部6は、固定子5bの3相巻線に発生する誘起電圧に基づいて、回転子5aの磁極位置を検出する。より具体的には、位置検出部6は、ブラシレスDCモータ5の端子電圧の値を検出し、これによりブラシレスDCモータ5の回転子5aの磁極相対位置を取得する。なお、位置検出部6は、ブラシレスDCモータ5の端子電圧の値を継続的に検出するように構成されてもよいし、ブラシレスDCモータ5の回転の位置情報が取得されるタイミングを含む一定の期間において、端子電圧の値を検出するように構成されていてもよい。
なお、本実施の形態では、位置検出部6は、固定子5bの3相巻線に発生する誘起電圧と、基準となる電圧(基準電圧)と、を比較してゼロクロスを検出し、回転子5aの相対的な回転位置を検出する。ここで、誘起電圧のゼロクロスと比較される基準電圧は、3相分の端子電圧の仮想中点によって規定されてもよいし、直流母線電圧を取得して、取得した当該電圧によって規定されてもよい。本実施の形態では、基準電圧として、仮想中点の値が用いられる。本実施の形態のように、ブラシレスDCモータ5の位置の検出方法として、誘起電圧に基づいて検出する方式が用いられる場合は、ホール素子等を用いる必要がないため、構成が簡単である。従って、より安価にモータ駆動装置を構成することが可能となる。
速度検出部7は、ブラシレスDCモータ5の回転速度を検出する。本実施の形態では、速度検出部7は、位置検出部6が検出する位置情報から、ブラシレスDCモータ5の、現在の駆動速度(回転速度)、及び、過去一回転の平均速度(回転速度)を計算する。具体的には、現在の速度は、誘起電圧のゼロクロスの検出間隔の時間を測定し、この時間から計算される。また、過去一回転の平均速度は、誘起電圧のゼロクロスの検出間隔の時間をブラシレスDCモータ5の一回転分だけ記録し、一回転分の検出間隔の時間の和から算出される。そして、これらの計算は、位置検出部6により誘起電圧のゼロクロスが検出されるたびに行われる。
PWM生成部10は、PWM制御におけるオン比率(Duty)を設定し、PWM信号を生成する。ここで、PWM制御におけるオン比率(Duty)とは、1キャリアのキャリア周期におけるオン期間の割合である。PWM信号は、キャリア周期及びオン比率の情報を有する、矩形波である。キャリア周期については、後述する。
本実施の形態では、PWM生成部10は、位置検出部6で誘起電圧のゼロクロスが検出されるたびに、速度検出部7で検出された一回転の平均速度と外部から入力される目標速度とを比較する。そして、目標速度のほうが一回転の平均速度より速い場合は、PWM生成部10は、ブラシレスDCモータ5への印加電圧を上げるように、PWM制御のオン比率を設定する。一方、目標速度が一回転の平均速度より遅い場合は、PWM生成部10は、ブラシレスDCモータ5に印加する電圧を下げるように、PWM制御のオン比率を設定する。また、目標速度と一回転の平均速度とが一致している場合は、PWM生成部10は、ブラシレスDCモータ5に印加する電圧を維持するように、PWM制御のオン比率を設定する。これにより、ブラシレスDCモータ5の1回転の平均速度が制御される。
また、PWM生成部10は、ブラシレスDCモータ5を駆動する回転磁界を生成するための波形(モータ駆動波形)を生成する。本実施の形態では、モータ駆動波形は、矩形波である。これにより、ブラシレスDCモータ5の回転の位置の検出に必要な計算が単純となり、モータ駆動装置13を安価な構成とすることができる。
PWM生成部10は、位置検出部6で検出された位置検出のタイミング、及び、速度検出部7で計算された現在の駆動速度から、通電の切換えタイミングを計算する。そして、各相の間で通電相を切り換えるように、モータ駆動波形を生成する。
本実施の形態では、ブラシレスDCモータ5は3相モータであるので、通電相の組み合わせは、電気角で60度ごとに変わる。そして、一つの相の通電期間においては、基本的に、電気角で120度の通電及びその後の60度のオフが繰り返される。
スイッチング素子4a,4c,4eは、それぞれ電気角で120度ずつずれるように、順番に通電が開始される。スイッチング素子4b、4d、4fも同様に、それぞれ電気角で120度ずつずれるように、順番に通電が開始される。また、スイッチング素子4aとスイッチング素子4bとは、電気角で180度ずれて通電が開始される。同様に、スイッチング素子4cとスイッチング素子4dとは、電気角で180度ずれて通電が開始され、スイッチング素子4eとスイッチング素子4fとは、電気角で180度ずれて通電が開始される。これによって回転磁界が形成され、ブラシレスDCモータ5の回転子5aが回転する。
また、PWM生成部10は、PWM信号の周波数(キャリア周波数)を計算する。キャリア周波数は、ブラシレスDCモータ5の現在の駆動速度から計算される。
そして、PWM生成部10は、モータ駆動波形とPWM信号とを合成することで、PWM駆動信号を生成する。なお、PWM駆動信号は、矩形波であってもよい。
本実施の形態では、PWM周期(キャリア周期)の開始タイミングは、ブラシレスDCモータ5の通電相の切替わりのタイミングと同期される。すなわち、本実施の形態では、連続するキャリアの各々のキャリア区間が、ブラシレスDCモータ5が駆動される際の電気角0度を基準として、電気角60度毎の区間と同期される。このため、スイッチング部4aは、所定のキャリアの開始タイミングと同じタイミングでオンされる。そして、少なくとも位置検出部6が誘起電圧のゼロクロスを最初に検出するまでは、スイッチング部4aに対してPWMの出力がオンされる。すなわち、スイッチング部4aは、PWM駆動信号に基づいて、所定のキャリア数毎にオンされ、スイッチング部4aがオンに制御される所定のキャリアの開始時から少なくとも最初に位置情報が取得される時点までの期間、オンされる。また、同様に、スイッチング部4b〜4fについても、それぞれ、PWM駆動信号に基づいて、所定のキャリア数毎にオンされ、スイッチング部がオンに制御される所定のキャリアの開始時から少なくとも最初に位置情報が取得される時点までの期間、オンされる。これにより、ブラシレスDCモータ5の位置情報の検出を行いつつ、安定してブラシレスDCモータ5を駆動することができる。なお、前述の所定のキャリアは、スイッチング部4a〜4fの間で、互いに異なるものである。
本実施の形態では、前述のようにブラシレスDCモータ5は3相モータであるので、通電相の組み合わせは、電気角で60度ごとに変わる。従って、PWM生成部10は、スイッチング部4a〜4fが、所定のキャリア数として、6キャリア毎にPWM制御によりオンに制御されるように、PWM駆動信号を生成し、出力する。
PWM制御の所定のキャリアのキャリア周期の開始時には、当該所定のキャリアにおけるPWM制御のキャリア周波数は未決定の状態である。位置検出部6で誘起電圧のゼロクロスが検出されるまでの期間、PWMがオンされる。そして、誘起電圧のゼロクロスの際に、取得された位置情報に基づいて、当該所定のキャリアにおけるPWM制御のキャリア周期(キャリア周波数)、及び、PWM制御におけるオフの開始タイミングが決定される。
なお、ブラシレスDCモータ5の駆動速度は、例えば、本実施の形態のように、速度検出部7によって検出される。速度検出部7は、位置検出部6によって誘起電圧のゼロクロスが検出された際に、駆動速度を検出する。誘起電圧のゼロクロスは、ブラシレスDCモータ5を駆動するための基準の位置である。
ドライブ部12は、PWM生成部10が生成したPWM駆動信号に基づいて、インバータ4のスイッチング素子4a〜4fをオン又はオフ(以下、オン/オフと記す)する。より具体的には、ドライブ部12は、PWM生成部10が生成したPWM駆動信号に基づいて駆動信号を生成し、当該駆動信号をスイッチング素子4a〜4fの制御端子に入力する。
モータ駆動装置13は、インバータ4の他に、整流回路2と、平滑部3と、を含んでもよい。そして、モータ駆動装置13は、交流電源1に接続されてもよい。また、モータ駆動装置13は、制御部8として、位置検出部6、速度検出部7、PWM生成部10、ドライブ部12を含んで構成されてもよい。このように構成されたモータ駆動装置13は、ブラシレスDCモータ5を駆動する。
圧縮機20としては、ロータリ型又はスクロール型等の、任意の圧縮方式(機構)が用いられる。例えば、本実施の形態では、圧縮機20は、レシプロ型が採用されている。
レシプロ型の圧縮機20では、ブラシレスDCモータ5の回転子5aに接続されたクランクシャフト(図示せず)により、回転子5aの回転運動が往復運動に変換される。そして、クランクシャフトに接続された圧縮要素であるピストン(図示せず)が、シリンダ(図示せず)内を往復する。これにより、シリンダ内の冷媒が圧縮される。
なお、レシプロ型の圧縮機は、圧縮時の冷媒の漏れが少なく、特に低速での効率が高い。また、レシプロ型の圧縮機は、負荷脈動によって現在の駆動速度が変動する場合であっても、確実に速度変化に追従することができる。従って、適切なタイミングで駆動することができるため、効率が良く、消費電力を抑えることができる。また、特に、低速駆動において、現在の駆動速度の変動が大きい場合であっても、現在の駆動速度の変化に応じてPWM制御のキャリア周期を変えることができるため、安定した駆動が可能である。
圧縮機20で圧縮された冷媒は、凝縮器21、減圧器22、及び蒸発器23を順に通って、再び圧縮機20に戻る。冷凍サイクルを構成する媒体である冷媒は、凝縮器21で放熱し、蒸発器23で吸熱する。従って、冷媒との熱交換による冷却及び加熱を行うことができる。
冷蔵庫30は、圧縮機20、凝縮器21、減圧器22、蒸発器23で構成された冷凍サイクル回路を有し、蒸発器23で冷却された空気が冷蔵室及び冷凍室に送られることで筐体の内部が冷却される。
[2.モータ駆動装置]
次に、モータ駆動装置13について、図面を交えて詳細に説明する。
次に、モータ駆動装置13について、図面を交えて詳細に説明する。
図2は、本実施の形態におけるPWM駆動信号、並びに、ブラシレスDCモータの電流及び端子電圧を表す波形図である。
まず、図2を用いて、PWM駆動信号、及び、ブラシレスDCモータ5とインバータ4のスイッチング素子4aとの間の電流、及び、端子電圧の変化について説明する。
図2の(a)は、スイッチング素子4aに入力されるドライブ部12からの駆動信号、図2の(b)は、スイッチング素子4bに入力されるドライブ部12からの駆動信号、図2の(c)はスイッチング素子4cに入力されるドライブ部12からの駆動信号を示している。また、図2の(d)は、スイッチング素子4dに入力されるドライブ部12からの駆動信号、図2の(e)は、スイッチング素子4eに入力されるドライブ部12からの駆動信号、図2の(f)はスイッチング素子4fに入力されるドライブ部12からの駆動信号を示している。さらに、図2の(g)は、スイッチング素子4aとブラシレスDCモータ5との間に流れる電流を示している。また、図2の(h)は、スイッチング素子4aとブラシレスDCモータ5との間の端子電圧を表している。なお、図2の(g)の電流の向きは、スイッチング素子4aからブラシレスDCモータ5への向きを正とする。
図2の横軸において、T1からT2、T2からT3、T3からT4、T4からT5、T5からT6、及びT6からT7の区間は、それぞれPWM制御における1キャリアのキャリア周期を表している。これらの区間の各々において、3相のうちの少なくとも1相について、スイッチングが行われる。
具体的には、T1からT2の区間では、スイッチング素子4bがスイッチングを行っている。同様に、T2からT3の区間では、スイッチング素子4eがスイッチングを行っており、T3からT4の区間ではスイッチング素子4dがスイッチングを行っている。また、T4からT5の区間では、スイッチング素子4aがスイッチングを行っており、T5からT6の区間では、スイッチング素子4fがスイッチングを行っており、T6からT7の区間では、スイッチング素子4cがスイッチングを行っている。
スイッチング素子4a〜4fの各々は、スイッチングを行う所定のキャリアの区間(キャリア周期)において、前半でオンするとともに、後半でオフする。例えば、スイッチング素子4aについての所定のキャリアは、T4からT5の区間に該当するキャリアである。同様に、スイッチング素子4b〜4fの各々についての所定のキャリアは、それぞれ、T1からT2、T6からT7、T3からT4、T2からT3、T5からT6の区間に該当するキャリアである。なお、スイッチング素子4a〜4fの各々は、ハイアクティブによって駆動してもよい。そして、スイッチング素子4a〜4fは、スイッチングを行った当該所定のキャリアの次のキャリアの区間では、継続してオン(100%オン)しており、100%通電される。
これにより、スイッチング素子4a〜4fの各々がオフの時に、モータ電流が還流し、オン中とオフ中の電流のバランスがよくなり、効率良いモータ駆動制御が行われる。
なお、T1からT7の6キャリア周期が、ブラシレスDCモータ5の電気角1周期に対応する。スイッチング素子4a〜4fのうち、インバータ4の上側のスイッチング素子である4a,4c,4eの各々は、電気角で120度ずつ互いにずらした波形に基づいてスイッチングされる。また、インバータ4の下側のスイッチング素子である4b,4d,4fの各々もそれぞれ同様に、電気角120度ずつ互いにずらした波形に基づいてスイッチングされる。これにより回転磁界をつくり、ブラシレスDCモータ5を回転させることができる。また、本実施の形態のブラシレスDCモータ5は3相4極であるので、電気角2周期分が、ブラシレスDCモータ5の一回転に対応する。そして、電気角1周期における通電パターンが繰り返されることで、ブラシレスDCモータ5が継続して回転される。
本実施の形態では、T4からT5の区間において、T4からT8の期間は、スイッチング素子4aがオンする。この際、図2の(g)に示すように、T4〜T8の区間で電流は単調に増加する。そして、T8からT5の期間は、スイッチング素子4aがオフし、電流が単調に減少する。
T5からT6の区間においては、スイッチング素子4aは100%オンとなっているが、スイッチング素子4fがスイッチングを行っているため、電流の増減が発生する。
また、T6からT7の区間において、スイッチング素子4aがオフするため、図2の(g)に示すように、T6からT9の期間で電流が0に収束していく。電流が0になるまでの間(T6からT9の期間)、図2の(g)に示す電流は、還流電流用のダイオード4hを通ってブラシレスDCモータ5に流れる。このため、図2の(h)に示す、スイッチング素子4aとブラシレスDCモータ5との間の端子電圧と、グランドとの間は、還流電流用のダイオード4hの電位差のみとなる。従って、端子電圧は0V付近に張り付き、端子電圧に誘起電圧があらわれない。
また、T6からT7の区間において、T9からT10の期間は、図2の(g)に示すように、スイッチング素子4aからブラシレスDCモータ5に流れる電流は0となる。また、図2の(h)に示すように、スイッチング素子4c及びスイッチング素子4fがオンしているが、端子電圧につながらない。このため、インバータ4の直流母線間電圧の中点(図2の(h)に示す一点鎖線)と誘起電圧との交点(T10)が、誘起電圧ゼロクロスとして検出される。
本実施の形態では、T9からT10の期間において、少なくとも誘起電圧ゼロクロスが検出されるまで、PWM制御によって、スイッチング素子4cはオンされる。そして、目標速度と1回転の平均速度との差に応じて、PWM制御におけるオン幅が増減される。これにより、確実に位置検出を行うことが可能となる。また、位置検出1回につきスイッチングが1回となり、スイッチング損失が非常に小さくなる。従って、ブラシレスDCモータ5の磁極位置の検出精度を高くしつつ、損失を低減し、負荷に応じた任意の速度での駆動を行うことができる。
PWM生成部10は、位置検出部6で誘起電圧ゼロクロスを検出した際に、PWM制御のキャリア周波数の計算を行う。従って、図2に示す例では、T6からT7の区間において、誘起電圧ゼロクロスが検出されるT10のタイミングで、キャリア周波数を決定する。
キャリア周波数は、次のように決定される。まず、前回の誘起電圧ゼロクロスの検出のタイミングから今回の誘起電圧ゼロクロスの検出のタイミングまでの時間の逆数によって、現在の駆動速度を求める。次に、ブラシレスDCモータ5の通電相を切り替えるべきタイミングであり、且つ、次のキャリアのキャリア周期の開始(現キャリアのキャリア周期の終わり)であるタイミングを計算し、キャリア周波数を決定する。そして、計算されたキャリア周波数から、PWM制御におけるオフのはじまり(PWM制御におけるオンの終わり)のタイミングを決定する。T10では、誘起電圧ゼロクロスのタイミングと同時に、スイッチング素子4cについて、PWM制御におけるオフが開始している。この場合、PWMのオン比率としては50%となる。
なお、図2においては、PWM制御のオン比率が50%である場合を示しているが、オン比率はこれに限られない。例えば、スイッチング部4a〜4fは、所定のキャリアの開始時から最初に位置情報を取得した時点から、所定のキャリアの次のキャリアの開始時までの間で、オンからオフに制御されてもよい。これにより、PWM制御のオン比率を変化させることができる。
また、スイッチング部4a〜4fは、所定のキャリアの開始時から次のキャリアの終了時までの間、継続してオンに制御され、且つ、次のキャリアの終了時にオフに制御されてもよい。すなわち、スイッチング部4a〜4fは、連続する2キャリアにおいて、PWMのオン比率が100%となるように制御されてもよい。
このように、本実施の形態では、制御部8は、位置情報を取得してから、現キャリア(所定のキャリア)についてPWM制御によるオフの開始(オンの終わり)のタイミングを決定するとともに、次のキャリアPWM制御によるオンのタイミングを決定する。従って、速度応答性の高い制御を行うことができる。
次に、スイッチングを行う区間の違いに関して、図2及び図3を用いて説明する。
図3は、PWM制御におけるスイッチング区間を変更した場合のPWM駆動信号の波形図である。図3は図2と同様に、図3の(a)〜(f)は、それぞれ、スイッチング素子4a〜4fのドライブ信号(駆動信号)を示している。また、図3の(g)はスイッチング素子4aからブラシレスDCモータ5に流れる電流を示しており、図3の(h)はスイッチング素子4aとブラシレスDCモータ5との間の端子電圧を示している。
前述のように、図2においては、スイッチング素子4aは、電気角で120度の通電区間のうち、前半の電気角で60度の区間(T4からT5)においてスイッチングし、後半の電気角で60度の区間(T5からT6)において100%通電としている。一方、図3では、スイッチング素子4aは、電気角で120度の通電区間のうち、前半の電気角で60度の区間(T404からT405)を100%通電とし、後半の電気角で60度の区間(T405からT406)においてスイッチングしている。すなわち、スイッチング区間の電気角で60度の区間(T405からT406)のうち、図2のT4からT8と同様に、前半(T405からT408)をオンさせ、後半(T408からT406)をオフさせる。
図3に示す場合、スイッチング素子4aについての所定のキャリアは、T405からT406の区間に該当するキャリアである。そして、スイッチング素子4aは、所定のキャリアの開始時であるT405から、少なくとも制御部8が最初に位置情報を取得する時点までの期間、オンに制御される。なお、他のスイッチング素子4b〜4fについても、各々の所定のキャリアの開始時から、スイッチング素子4aと同様に制御される。
また、図3に示す場合、T404からT406の電気角で120度の区間で、スイッチングのオンとオフが1回ずつとなるため、インバータ4のスイッチング損失がより低減される。
また、図2の(h)に示す端子電圧と、図3の(h)に示す端子電圧とは、異なる。しかし、位置検出を行う区間である、図2のT9からT10の区間と、図3のT409からT410の区間とでは、端子電圧の波形は互いに相似な波形である。従って、図3に示す場合においても、図2に示す場合と同様に位置検出を正確に行うことができる。また、電流については、図2の(g)に示す波形と、図3の(g)に示す波形とが、ほぼ同じ波形となっており、同等のトルクを得ることができる。
[3.モータの速度制御]
次に、図4を用いてPWM制御によるブラシレスDCモータ5の速度制御について詳細に説明する。
次に、図4を用いてPWM制御によるブラシレスDCモータ5の速度制御について詳細に説明する。
図4は、速度検出及びPWM制御によるモータの速度制御に関するフローチャートである。
まず、ブラシレスDCモータ5の磁極位置の基準である誘起電圧ゼロクロスが検出されたか否かが判定される。(STEP101)。判定の結果、誘起電圧ゼロクロスが検出されていなければ再びSTEP101に移行し、再度判定が行われる(STEP101,No)。例えば、位置検出部6が、誘起電圧ゼロクロスを検出し、速度検出部7が当該判定を行う。
一方、誘起電圧ゼロクロスが検出されていれば、STEP102へと移行する(STEP101,Yes)。
次に、誘起電圧ゼロクロスの検出間隔から、ブラシレスDCモータ5の現在の駆動速度が計算される(STEP102)。ブラシレスDCモータ5は3相4極モータであるので、モータが一回転する間に、誘起電圧ゼロクロスが12回発生する。すなわち、制御部8は、間欠的にブラシレスDCモータ5の位置情報を取得することになる。よって、ゼロクロスの位置検出間隔の12倍で1秒を除算することで、ブラシレスDCモータ5の1秒間あたりの回転数である、現在の駆動速度を計算することができる。この際、1回転の平均速度もあわせて計算される。1回転の平均速度は、1回転の間の位置検出回数である12回分の位置検出間隔を合計し、逆数を取ることで計算することができる。1秒を、合計した位置検出間隔で除算すると、1秒あたりの1回転の平均速度を計算することができる。例えば、本実施の形態では、速度検出部7がブラシレスDCモータ5の現在の駆動速度を計算する。計算が終わると、STEP103へ移行する。
次に、STEP102で計算された1回転の平均速度が、外部より入力される目標速度より速いか否かが判定される(STEP103)。目標速度は外部から入力されるが、例えば、冷蔵庫30では、冷蔵庫30の庫内の温度によって決定される。例えば、冷蔵庫30の庫内温度が、予め食品保存に適した温度として決定された目標温度よりも高ければ(STPE103,No)、高い目標速度が設定されて冷却能力を向上させる。一方、冷蔵庫30の庫内温度が目標温度より低ければ(STPE103,Yes)、低い目標速度が設定されて冷却能力を低下させる。特に、冷蔵庫30の電源投入時等の、庫内が冷却されていない状態では、目標速度が高く設定される。現在の1回転の平均速度が、当該目標速度よりも速ければ(STEP103,Yes)、STEP104へ移行する。
STEP104では、PWM生成部10が生成するPWM制御のオン比率(Duty)が過剰であるので、PWM制御のオン比率を減少させ(STEP104)、STEP105へ移行する。
STEP105では、PWM生成部10のPWM制御のオン比率、及び、速度検出部7で検出されたブラシレスDCモータ5の現在の駆動速度から、PWM生成部10のPWMキャリア周期が計算される。そして、次にPWM制御でオンするタイミング、及び、ブラシレスDCモータ5への通電パターンを切り換える転流タイミングが計算され、設定される。
例えば、STEP102で計算された現在の駆動速度が20Hzであるとする。この場合、1回転の位置検出回数12及び20Hzの積の逆数である12.5/3msが、直前のブラシレスDCモータ5の通電相の切り替えタイミングから次の通電相の切り替えタイミングまでの時間となり、これをPWMキャリア周期とする。そしてこのPWMキャリア周期の逆数が、キャリア周波数となる。
STEP106では、STEP105で計算されたキャリア周期、及び、PWM生成部10で決定されたPWMオン比率から、現キャリア(所定のキャリア)におけるPWM制御のオフタイミングが決定される。例えば、ブラシレスDCモータ5の現在の駆動速度が20Hz、PWM制御のオン比率が60%であるとする。この場合、PWM周期12.5/3ms及び60%の積である2.5msが、現キャリアにおけるPWM制御の開始時からのオン時間となり、当該時間を経過するタイミングが、オフに切り換えるタイミングとなる。そしてこのように計算された、オフに切り替えるタイミングを設定し、処理を抜ける。
一方、STEP103において、速度検出部7により検出されたブラシレスDCモータ5の1回転の平均速度が、目標速度よりも遅い、又は目標速度と一致する場合は(STEP103,No)、STEP107へ移行する。
STEP107では、速度検出部7により検出されたブラシレスDCモータ5の1回転の平均速度が、目標速度よりも遅いか否かが判定される。平均速度が目標速度よりも遅ければ(STEP107,Yes)、STEP108へ移行する。
STEP108では、ブラシレスDCモータ5の1回転の平均速度を上昇させるため、PWM生成部10が生成するPWM制御のオン比率(Duty)を増加させる。そして、STEP105及びSTEP106へと順に移行する。
一方、STEP107で、目標速度とブラシレスDCモータ5の1回転の平均速度とが一致している場合は(STEP107,No)、PWM生成部10のPWM制御のオン比率を維持し、STEP105及びSTEP106へと移行する。
これらの処理が繰り返されることによって、PWM生成部10は、ブラシレスDCモータ5の1回転の速度が目標速度に対して不足して加速が必要な場合に、加速することができる。また、ブラシレスDCモータ5の1回転の速度が目標速度に対して過剰で減速が必要な場合に、減速することができる。また、ブラシレスDCモータ5の1回転の速度が目標速度と一致していれば、1回転の平均速度を維持することができる。
また、PWM生成部10は、電気角で60度ごとに通電相を切り換える。これにより、ブラシレスDCモータ5を回転させるための回転磁界が生成される。
なお、図4のフローの処理が行われる前に、通電相の切り替えのパターンが生成される。そして、各通電相にどれだけの電圧を印加し、どのタイミングで通電相が切り換えられるかについて、図4のフローによって決定される。
また、PWM生成部10によるPWM制御のオン比率の下限は、50%としてもよい。これにより、少なくとも位置検出部6での誘起電圧ゼロクロス検出のタイミングまで、PWM制御によるオンが継続する。従って、誘起電圧のゼロクロスを検出することが可能となる。
なお、PWM生成部10によるPWM制御のオン比率の下限以下では、PWM生成部10で速度制御することができない。しかしながら、ブラシレスDCモータ5の固定子5bの巻き線のターン数を多くしたり、又は、回転子5aの磁力を強くしたりする等によって、誘起電圧を調整することができる。そして、これにより、システムの通常運転に必要な最低速度で、且つ、最小負荷の場合であっても、PWM生成部10のPWM制御のオン比率が下限を上回るようにすることができる。
本開示のモータ駆動装置13は、ブラシレスDCモータ5の各相の基準となる、電気角0度及び180度を検出するタイミングで通電をオンする、すなわち、所定のキャリア毎にスイッチング4a〜4fがオンされるため、ブラシレスDCモータ5の位相をセンサレスで検出するための複雑なタイミングの計算が必要ない。従って、PWM制御におけるオン期間中に表れるブラシレスDCモータ5の位置情報を確実に検出し、安定したブラシレスDCモータ5の駆動が可能となる。
また、センサレスで位置検出を行うため、センサを配置することができない場合、例えば高温の密閉空間等においても、ブラシレスDCモータ5を駆動することができる。
また、ブラシレスDCモータ5を駆動するためのスイッチング回数が少ない。このため、モータ駆動装置13の損失のうち、スイッチング損失が支配的となる低速でのブラシレスDCモータ5の駆動に適用することにより、効果的に消費電力を低減することができる。
[4.圧縮機]
次に、圧縮機20にモータ駆動装置13を適用する場合について説明する。
次に、圧縮機20にモータ駆動装置13を適用する場合について説明する。
圧縮機20においては、ブラシレスDCモータ5は、高温雰囲気、冷媒雰囲気、且つオイル雰囲気に配置されることになる。このため、ブラシレスDCモータ5に位置センサを取り付けることは、著しく困難である。従って、多くの場合、モータ駆動のための磁極位置を、センサを用いずに検出できる、センサレス技術が必須である。
モータ駆動装置13は、圧縮機20の内部に納められた、ブラシレスDCモータ5の回転子5aの磁極位置を、圧縮機20の外部において検出可能なブラシレスDCモータ5の誘起電圧によって検出し、取得することができる。本実施の形態では、具体的には、位置検出部6が回転子5aの磁極位置の検出を行う。
また、少なくとも、位置検出部6で誘起電圧ゼロクロスが検出されるまで、PWM制御によりスイッチング部をオンする。これにより、位置検出部6によって確実に誘起電圧ゼロクロスを検出することができる。従って、センサレスであっても、精度良くブラシレスDCモータ5を駆動することができる。
また、本実施の形態においては、圧縮機20はレシプロ型の圧縮方式を採用している。このため、冷蔵庫等の、低速で駆動する時間が長いシステムにおいては、非常に効率が良い。しかしながら、レシプロ型の圧縮方式では、圧縮工程及び吸入工程が別々に行われるため、周期的に大きなトルク脈動が発生する。従って、制御の応答性が悪い場合には、固定子5bへの通電と回転子5aの位置とがずれて、効率が悪化する。そこで、本実施の形態のモータ駆動装置13では、制御の応答性を高めるために、ブラシレスDCモータ5の現在の駆動速度を検出する。具体的には、速度検出部7が、位置検出部6で検出される誘起電圧ゼロクロスごとに、図2又は図3に示す誘起電圧ゼロクロス検出間隔に基づいて、現在の駆動速度を検出する。そして、PWM生成部10によるPWM制御のオン時間及びキャリア周波数を変更することで、周期的なトルクの変化及び速度の変化にも瞬時に対応することができる。
[5.冷蔵庫]
次に、上述した圧縮機20を用いた冷蔵庫30について説明する。図1に示すように、冷蔵庫30の圧縮機20は、モータ駆動装置13によって駆動される。
次に、上述した圧縮機20を用いた冷蔵庫30について説明する。図1に示すように、冷蔵庫30の圧縮機20は、モータ駆動装置13によって駆動される。
冷蔵庫30は、庫内の負荷及び外気温度等によって、必要な負荷が大きく変動する。冷蔵庫30の運転状態のうち、時間的に最も大きな割合を占めるのは、食品等の庫内の負荷が十分に冷却された状態での運転状態である。このような運転状態では、圧縮機20の圧縮負荷が減り、ブラシレスDCモータ5は低速且つ低負荷で運転される。そして、低速且つ低負荷になるほど、インバータ4の導通損失が減少していき、インバータ4の損失全体におけるスイッチング損失の割合が大きくなっていく。
本実施の形態では、ブラシレスDCモータ5の磁極位置が精度良く検出され、ブラシレスDCモータ5の通電相の切替えが行われる周期を1キャリアとして、ブラシレスDCモータ5の駆動が行われる。このため、スイッチング回数が非常に少ない状態でブラシレスDCモータ5の駆動が可能となる。従って、特に、インバータ4のスイッチング損失の割合が大きな、低速又は低負荷の領域において、モータ駆動装置13が適用された冷蔵庫30の省エネルギ性能を大きく向上させることができる。
なお、図1においては、モータ駆動装置13が冷蔵庫30と別体に設けられた例を示しているが、モータ駆動装置13は、冷蔵庫30と一体として設けられていてもよい。
本開示のモータ駆動装置は、低速運転時におけるインバータ回路の損失を低減できるため、冷蔵庫のみならず、エアコン、自動販売機、ショーケース及びヒートポンプ給湯器等における圧縮機を駆動するモータに適用できる。
1 交流電源
2 整流回路
2a,2b,2c,2d 整流ダイオード
3 平滑部
4 インバータ
4a,4c,4e スイッチング素子(スイッチング部)
4b,4d,4f スイッチング素子(スイッチング部)
4g,4i,4k ダイオード
4h,4j,4l ダイオード
5 ブラシレスDCモータ
5a 回転子
5b 固定子
6 位置検出部
7 速度検出部
8 制御部
10 PWM生成部
12 ドライブ部
13 モータ駆動装置
20 圧縮機
21 凝縮器
22 減圧器
23 蒸発器
30 冷蔵庫
2 整流回路
2a,2b,2c,2d 整流ダイオード
3 平滑部
4 インバータ
4a,4c,4e スイッチング素子(スイッチング部)
4b,4d,4f スイッチング素子(スイッチング部)
4g,4i,4k ダイオード
4h,4j,4l ダイオード
5 ブラシレスDCモータ
5a 回転子
5b 固定子
6 位置検出部
7 速度検出部
8 制御部
10 PWM生成部
12 ドライブ部
13 モータ駆動装置
20 圧縮機
21 凝縮器
22 減圧器
23 蒸発器
30 冷蔵庫
Claims (11)
- スイッチング部を有し、入力電力を前記スイッチング部によりスイッチングして、ブラシレスDCモータに供給するインバータと、
前記インバータを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記ブラシレスDCモータの回転の位置情報を間欠的に取得し、
前記位置情報に基づいて、前記スイッチング部を駆動するPWM駆動信号を生成し、
前記PWM駆動信号に基づいて前記スイッチング部をスイッチングするように構成され、
前記スイッチング部は、前記PWM駆動信号に基づいて、
所定のキャリア数毎にオンに制御され、且つ、
前記スイッチング部がオンに制御される所定のキャリアの開始時から、少なくとも前記制御部が最初に前記位置情報を取得する時点までの期間、オンに制御される、
モータ駆動装置。 - 前記スイッチング部は、前記制御部が最初に前記位置情報を取得した前記時点から、前記所定のキャリアの次のキャリアの開始時までの間で、オンからオフに制御される、
請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 前記スイッチング部は、前記所定のキャリアの開始時から次のキャリアの終了時までの間、継続してオンに制御され、且つ、前記次のキャリアの終了時にオフに制御される、
請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 連続するキャリアの各々のキャリアの開始タイミングは、通電相の切り替えタイミングと同期される、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - 連続するキャリアの各々のキャリア区間は、前記ブラシレスDCモータが駆動される際の電気角0度を基準として、電気角60度毎の区間と同期される、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記所定のキャリアの前記開始時から最初に取得した前記位置情報に基づいて、前記所定のキャリアのキャリア周期を決定する、
請求項1〜5のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記PWM駆動信号は矩形波である、
請求項1〜6のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記ブラシレスDCモータの回転の前記位置情報として、前記ブラシレスDCモータの誘起電圧から前記ブラシレスDCモータの磁極位置の情報を取得する、
請求項1〜7のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - スイッチング部を有し、入力電力を前記スイッチング部によりスイッチングして、ブラシレスDCモータに供給するインバータと、
前記インバータを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
負荷を駆動する前記ブラシレスDCモータの基準位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部からの前記基準位置の情報に基づき前記ブラシレスDCモータを駆動する波形を生成するPWM生成部と、
を有し、
少なくとも前記位置検出部が前記ブラシレスDCモータの基準位置の情報を検出するまで、前記PWM生成部の出力する信号をオンとする、
モータ駆動装置。 - 前記ブラシレスDCモータは、圧縮機を駆動するモータである、
請求項1〜9のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - ブラシレスDCモータを有する圧縮機、凝縮器、減圧器及び蒸発器が接続されて構成された冷凍サイクル回路を備え、
前記ブラシレスDCモータは、請求項1〜10のいずれか一項に記載のモータ駆動装置により駆動される、
冷蔵庫。
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