JP2010252480A - Motor drive device and refrigerator using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】ブラシレスDCモータの低速での高効率駆動を実現するとともに、高負荷時の高速駆動が可能な信頼性の高いモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】低速ではブラシレスDCモータ4の位置信号を位置検出部5で取得しての第1波形発生部7でのセンサレス駆動で高効率化を図り、高速では第2波形発生部9からの波形で周波数固定の同期駆動を行い、第2波形発生部9での高負荷高速駆動状態から第1波形発生部での低速高効率駆動へ移行する時、波形補正部12で第2波形発生部で発生した波形をブラシレスDCモータの位置信号取得が可能な波形に補正することで、第1波形発生部への移行直後から位置信号を基にした転流が可能となるので、安定した移行が可能となる。
【選択図】図1Provided is a highly reliable motor driving device capable of realizing high-efficiency driving at low speed of a brushless DC motor and capable of high-speed driving at high load.
At a low speed, a position signal of a brushless DC motor 4 is acquired by a position detection section 5 and sensorless driving by a first waveform generation section 7 is performed to improve efficiency. At a high speed, a signal from a second waveform generation section 9 is achieved. When the waveform is synchronized with the frequency fixed and the second waveform generator 9 shifts from the high-load high-speed drive state to the low-speed high-efficiency drive in the first waveform generator, the waveform corrector 12 performs the second waveform generator. Since the commutation based on the position signal can be performed immediately after the transition to the first waveform generation unit by correcting the waveform generated in step 1 to a waveform capable of acquiring the position signal of the brushless DC motor, a stable transition is achieved. It becomes possible.
[Selection] Figure 1
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モータの駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a device for driving a brushless DC motor comprising a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding by means of an inverter that supplies power to the three-phase winding. The present invention relates to a brushless DC motor driving apparatus that is optimal for driving a compressor such as an air conditioner.
従来この種のモータ駆動装置は駆動負荷の状態によって、波形発生方法を切り替えることで、負荷に応じた最適な駆動を実現している(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, this type of motor driving apparatus realizes optimum driving according to the load by switching the waveform generation method according to the state of the driving load (see, for example, Patent Document 1).
図7において交流電源1は一般的な商用電源で日本国内の場合はAC100V、50または60Hzである。整流平滑回路2は4個のダイオードをブリッジ接続した整流回路と2個の平滑電解コンデンサによって構成され、交流100V電圧を入力し直流280Vを出力する倍電圧整流回路としている。 In FIG. 7, the AC power source 1 is a general commercial power source, and is AC 100 V, 50 or 60 Hz in Japan. The rectifying / smoothing circuit 2 includes a rectifying circuit in which four diodes are bridge-connected and two smoothing electrolytic capacitors, and is a voltage doubler rectifying circuit that inputs an AC 100V voltage and outputs a DC 280V.
インバータ3は6個のスイッチング素子を3相ブリッジ接続しており、整流平滑回路2の出力を入力として3相交流電力に変換してブラシレスDCモータ4に供給する。 The inverter 3 has six switching elements connected in a three-phase bridge, converts the output of the rectifying / smoothing circuit 2 into three-phase AC power, and supplies it to the brushless DC motor 4.
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とで構成され、インバータ3により作られた3相交流電流が固定子の3相巻線に流れることにより、回転子を回転することができる。 The brushless DC motor 4 includes a rotor 4a having a permanent magnet and a stator 4b having a three-phase winding, and a three-phase alternating current generated by the inverter 3 flows through the three-phase winding of the stator. Thus, the rotor can be rotated.
位置検出部5はブラシレスDCモータ4の回転子が回転することにより、固定子に促された3相巻線に発生する誘起電圧を検出することで回転子の相対的な回転位置を検出するものである。 The position detector 5 detects the relative rotational position of the rotor by detecting the induced voltage generated in the three-phase winding urged by the stator as the rotor of the brushless DC motor 4 rotates. It is.
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。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。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 制御のデューティの制御も行い、回転位置に従って最適なデューティで運転させるので最も効率的な運転が可能となる。 The first waveform generator 6 generates a signal for driving the switch element of the inverter 3 based on the position detection signal of the position detector 5. This driving signal is based on rectangular wave energization, and produces a rectangular wave with an energization angle of 120 degrees to 150 degrees. In addition to the rectangular wave, a trapezoidal wave having a slight inclination in rising / falling may be used as a waveform conforming thereto. The first waveform generator 6 also controls the duty of PWM control in order to keep the rotational speed constant, and operates with the optimum duty according to the rotational position, so that the most efficient operation is possible.
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出部5の出力信号を一定時間カウントすることや周期を測定することなどによって実現可能である。 The rotation speed detector 7 detects the rotation speed of the brushless DC motor 4 from the output signal of the position detector 5. This rotation speed can be detected by counting the output signal of the position detector 5 for a certain period of time or measuring the period.
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周波数のみを変化させる。 The frequency setting unit 8 changes only the output frequency while keeping the output duty constant.
第2波形発生部9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す。この駆動する信号は通電角が130度以上180度未満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で運転している。 The second waveform generation unit 9 generates a signal for driving the switch element of the inverter 3 based on the output signal of the frequency setting unit 8. This driving signal creates a rectangular wave with a conduction angle of 130 degrees or more and less than 180 degrees. In addition to the rectangular wave, a waveform conforming thereto such as a sine wave or a distorted wave may be used. Further, here, the operation is performed at the maximum duty, and the operation is performed at a constant duty of 90 to 100%.
切替判定部10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9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9からの信号を選択してインバータ3を動作させる。
The switching determination unit 10 determines the low speed / high speed based on the rotational speed detected by the rotational speed detection unit 7 and switches the waveform for operating the inverter 3 between the first waveform generation unit 6 and the second waveform generation unit 9. is there. Specifically, when the rotational speed is low, the signal from the first waveform generator 6 is selected, and when the rotational speed is high, the signal from the second waveform generator 9 is selected to operate the inverter 3.
ここで回転数が低速か高速かの判定は回転数検出部7からの実際の回転数としたが、設定回転数やデューティを判断してもよい。デューティは最大デューティ(一般的には10
0%)で位置検出でのPWMデューティ制御による回転数が最大となるため、この条件で信号を切り替えることも可能である。
Here, the determination of whether the rotational speed is low or high is based on the actual rotational speed from the rotational speed detection unit 7, but the set rotational speed and duty may be determined. Duty is the maximum duty (generally 10
0%), the number of rotations by PWM duty control in position detection becomes maximum, so that the signal can be switched under this condition.
ドライブ部11は、切替回路10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から最適な交流出力がブラシレスDCモータ4に印加されるので回転子を回転させることができる。 The drive unit 11 drives the switch element of the inverter 3 by the output signal from the switching circuit 10. By this driving, an optimum AC output is applied from the inverter 3 to the brushless DC motor 4, so that the rotor can be rotated.
以上に様に構成されたモータ駆動装置について以下その動作を説明する。 The operation of the motor driving apparatus configured as described above will be described below.
まず比較的低負荷低速時においては位置検出部5の出力タイミングをもとに動作する第1波形発生部6によってインバータ3の各スイッチング素子は駆動される。このとき位置検出部5の出力信号からブラシレスDCモータ4の回転速度を検出し、駆動速度が目標速度に近づくように第1波形発生部6はPWMデューティ制御を行う、誘起電圧検出による一般的なセンサレスPWM制御で、ブラシレスDCモータ4を効率よく駆動している。 First, at a relatively low load and low speed, each switching element of the inverter 3 is driven by the first waveform generator 6 that operates based on the output timing of the position detector 5. At this time, the rotation speed of the brushless DC motor 4 is detected from the output signal of the position detection unit 5, and the first waveform generation unit 6 performs PWM duty control so that the driving speed approaches the target speed. The brushless DC motor 4 is efficiently driven by sensorless PWM control.
また第1波形発生部6での駆動においてPWMデューティが最大(例えば100%)となったにもかかわらず、ブラシレスDCモータ4の駆動速度が目標速度に到達しない負荷状態では、切り替え判定部10は周波数設定部8によって動作する第2波形発生部9を選択しインバータ3を駆動する。インバータ3の各相の駆動信号は周波数設定部8の出力にしたがって、所定周波数を出力するように転流を行う。このときデューティを一定として回転子位置と関係なく同期駆動で転流周波数を段階的に上げていくことで、ブラシレスDCモータ4の誘起電圧位相に対し電流位相が進んだ状態、いわゆる「弱め磁束制御」と同様の状態となり、第1波形発生部6での駆動より大幅な高速駆動が可能となる。
以上の様な構成とすることで従来のモータ駆動装置は、第1波形発生部6での誘起電圧検出による一般的なPWMフィードバック制御よりもブラシレスDCモータの高負荷高速性能を向上できる。また固定子巻線を大きく巻き込んでトルク(回転数)を落としたモータを使用する場合は、低速では第1波形発生部6で高効率駆動を行うとともに、高速駆動性能は第2波形発生部9での駆動によって確保することができる。
With the configuration as described above, the conventional motor driving device can improve the high-load high-speed performance of the brushless DC motor as compared with the general PWM feedback control based on the detection of the induced voltage in the first waveform generator 6. Also, when using a motor with a large amount of stator winding and reduced torque (number of rotations), the first waveform generator 6 performs high-efficiency driving at low speed and the high-speed driving performance is the second waveform generator 9. It can be ensured by driving at
しかしながら上記従来の構成は、駆動速度の減速時など第2波形発生部9での駆動から第1波形発生部6への駆動へ移行する際、回転子位置を基にした転流が必要となるが、同期駆動を行っている時の位置検出部5からの出力信号は、ブラシレスDCモータ4の誘起電圧ゼロクロス信号とはズレが発生している場合があり、検出した位置信号が正確なタイミングであるかどうか判断できず、この様な状態のもとで第2波形発生部9から第1波形発生部6へ波形発生部を切り換えた場合、過電流の発生による保護停止や、脱調により停止してしまう可能性があるという課題を有している。 However, the above-described conventional configuration requires commutation based on the rotor position when shifting from driving by the second waveform generation unit 9 to driving to the first waveform generation unit 6 such as when the driving speed is reduced. However, the output signal from the position detection unit 5 when performing synchronous driving may deviate from the induced voltage zero cross signal of the brushless DC motor 4, and the detected position signal is at an accurate timing. If the waveform generator is switched from the second waveform generator 9 to the first waveform generator 6 in such a state, the protection is stopped due to the occurrence of an overcurrent or the step is stopped due to a step-out. There is a problem that this may occur.
また従来の構成では、過電流の発生や脱調停止といった課題を回避するためには、第2波形発生部9から第1波形発生部6に切り替える際は一旦ブラシレスDCモータ4を停止し、再起動によって第1波形発生部6で駆動するなどの対処が必要で、高速から低速に減速する場合一旦停止しなければならないといった実用面における課題を有していた。 Further, in the conventional configuration, in order to avoid problems such as generation of overcurrent and stop of step-out, the brushless DC motor 4 is once stopped and switched again when switching from the second waveform generator 9 to the first waveform generator 6. There is a practical problem that it is necessary to take measures such as driving by the first waveform generator 6 upon activation, and to stop once when decelerating from high speed to low speed.
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、波形発生部の切り替えを安定かつスムーズに実現することで、高効率かつ高速駆動を実現できる従来のモータ駆動装置の信頼性と実用性をより向上することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and realizes the reliability and practicality of a conventional motor driving device capable of realizing high efficiency and high speed driving by stably and smoothly switching the waveform generator. It aims to improve.
上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モータが回転子位置に関係なく第2波形発生部による同期駆動で所定の速度より速い速度で駆動をしている状態から、第1波形発生部により回転子位置を検出しながら所定の速度以下での駆動に移行する際は、波形補正部で所定のタイミングで第2波形発生部で発生した波形の一部あるいは全部を間欠させた波形でドライブ部を介しインバータを駆動することで、同期駆動中の位置検出を可能として、第1波形発生部での駆動への移行直後もブラシレスDCモータの位置情報を基に転流を可能としたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the motor driving apparatus of the present invention is a state in which the brushless DC motor is driven at a speed higher than a predetermined speed by the synchronous driving by the second waveform generator regardless of the rotor position. When shifting to driving at a predetermined speed or less while detecting the rotor position by the first waveform generator, part or all of the waveform generated by the second waveform generator at a predetermined timing in the waveform corrector By driving the inverter with an intermittent waveform via the drive unit, it is possible to detect the position during synchronous driving, and the position is switched based on the position information of the brushless DC motor immediately after the shift to the drive in the first waveform generation unit. The flow is possible.
これによって得た回転子の位置信号によって、第1波形発生部へ切り替えた際の転流は回転子位置情報を基にした適切なタイミングで行えるので、波形発生部切り替えの際の位置ズレに伴う転流位相ズレを防止できるため、切り替え時における過電流の発生や脱調等による停止等の発生を防止することができる。 The commutation at the time of switching to the first waveform generation unit can be performed at an appropriate timing based on the rotor position information by the rotor position signal obtained in this way, and therefore accompanying the position shift at the time of switching the waveform generation unit Since the commutation phase shift can be prevented, the occurrence of an overcurrent at the time of switching or the occurrence of a stop due to a step-out or the like can be prevented.
本発明のモータ駆動装置は、高効率と高速駆動性能を確保しつつ、過電流の発生や脱調による停止等を防ぐことで信頼性を向上し、実用性を高めることができる。 The motor driving device of the present invention can improve reliability and prevent practicality by preventing occurrence of overcurrent or stoppage due to step-out while ensuring high efficiency and high-speed driving performance.
また本発明のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫は、庫内負荷状態に合わせて圧縮機を最適な状態で駆動することが出来るとともに、駆動状態の切り替えを圧縮機を停止することなく切り替えることができるため、冷蔵庫の消費電力と庫内食品の劣化を抑制することが出来る。 Moreover, the refrigerator using the motor drive device of the present invention can drive the compressor in an optimal state according to the load state in the warehouse, and can switch the driving state without stopping the compressor. Therefore, power consumption of the refrigerator and deterioration of food in the refrigerator can be suppressed.
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、前記インバータを駆動するドライブ部と、前記ブラシレスDCモータの前記固定子の三相巻線に発生する誘起電圧を基に前記回転子の相対的な回転位置を検出し位置信号を出力する位置検出部と、前記位置検出部からの出力信号を基にデューティ制御を行いながら矩形波または正弦波、或いは、それら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、矩形波または正弦波あるいはそれら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、前記ブラシレスDCモータが所定回転数以下の低速で回転している時は前記第1波形発生部の出力で前記ドライブ部を介して前記インバータを駆動させ、前記ブラシレスDCモータが所定回転数を超える高速で回転している時は、前記第2波形発生部の出力で前記ドライブ部を介して前記インバータを駆動させるように波形発生部を切り替える切替判定部と、所定のタイミングで前記第2波形発生部において発生した波形の一部あるいは全部を間欠するように波形を補正する波形補正部とを有し、前記第2波形発生部による駆動から前記第1波形発生部での駆動に移行する際、前記波形補正部は前記第2波形発生部で出力した波形を補正して前記ドライブ部に出力し前記インバータを駆動することで、前記ブラシレスDCモータの回転子相対位置を検出し、その検出した前記ブラシレスDCモータの回転子位置をもとに転流タイミングを決定することで、前記第1波形発生部へ切り替えた際の転流は回転子位置情報を基にした適切なタイミングで行え、波形発生部切り替えの際の位置ズレに伴う転流位相ズレを防止できるようになり、切り替え時における過電流の発生や脱調等による停止等の発生を無くすことができ、モータ駆動装置の信頼性向上によって実用性を
上げることができる。
The invention according to claim 1 is a brushless DC motor comprising a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding, an inverter for supplying electric power to the three-phase winding, and a drive for driving the inverter A position detection unit that detects a relative rotational position of the rotor based on an induced voltage generated in a three-phase winding of the stator of the brushless DC motor and outputs a position signal; and the position detection unit A first waveform generator that outputs a rectangular wave, a sine wave, or a waveform conforming thereto while performing duty control based on an output signal from the output, a frequency setting unit that changes only a predetermined frequency with a constant duty, and a rectangular A second waveform generator for outputting a wave, a sine wave or a waveform conforming thereto, at a predetermined frequency determined by the frequency setting unit, and the brushless DC motor has a predetermined rotation speed When rotating at a low speed below, the inverter is driven via the drive unit with the output of the first waveform generating unit, and when the brushless DC motor is rotating at a high speed exceeding a predetermined number of revolutions, A switching determination unit that switches the waveform generation unit to drive the inverter via the drive unit with the output of the second waveform generation unit, and a part of the waveform generated in the second waveform generation unit at a predetermined timing, or A waveform correction unit that corrects the waveform so as to be intermittent, and when the drive from the second waveform generation unit shifts to the drive by the first waveform generation unit, the waveform correction unit By correcting the waveform output from the generator and outputting it to the drive unit to drive the inverter, the rotor relative position of the brushless DC motor is detected, and the detected brush By determining the commutation timing based on the rotor position of the DC motor, commutation when switching to the first waveform generator can be performed at an appropriate timing based on the rotor position information, and waveform generation The commutation phase shift due to the position shift at the time of part switching can be prevented, and the occurrence of an overcurrent at the time of switching or the occurrence of a stop due to a step-out, etc. can be eliminated, and by improving the reliability of the motor drive device Practicality can be increased.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明のモータ駆動装置において、前記第2波形発生部での駆動から前記第1波形発生部での駆動へ切り替える前後における前記インバータの通電角を等しく、かつ150度以下とすることで、前記第1波形発生部での駆動へ移行したあとの誘起電圧検出による位置検出が確実に出来るため、前記第1波形発生部への移行後の安定駆動を確保できることから、さらにモータ駆動装置の信頼性をあげることができる。 According to a second aspect of the present invention, in the motor drive device according to the first aspect of the present invention, the energization angle of the inverter before and after switching from driving by the second waveform generating unit to driving by the first waveform generating unit. Are equal and 150 degrees or less, it is possible to reliably detect the position by detecting the induced voltage after the shift to the drive in the first waveform generator, and therefore the stability after the shift to the first waveform generator. Since the drive can be secured, the reliability of the motor drive device can be further increased.
請求項3に記載の発明は、請求項1および請求項2に記載の発明において、前記波形補正部は前記第2波形発生部で発生する波形の少なくとも1相の通電角を150度以下とすることで、前記第2波形発生部での駆動において誘起電圧検出での位置検出が確実に出来る様になるため、前記第1波形発生部への移行をより確実かつ安定しておこなえるため、モータ駆動装置の信頼性をより高め実用性を向上することができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first and second aspects of the present invention, the waveform correction section sets a conduction angle of at least one phase of a waveform generated by the second waveform generation section to 150 degrees or less. Thus, since the position detection by the induced voltage detection can be surely performed in the driving by the second waveform generator, the motor drive is performed in order to perform the transition to the first waveform generator more surely and stably. The reliability of the apparatus can be further increased and the utility can be improved.
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3に記載の発明において、前記ブラシレスDCモータの回転子の相対位置と、前記第2波形発生部により発生する波形との位相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って検出した位相差が所定の差となったとき、前記第2波形発生部での駆動から前記第1波形発生部での駆動に移行することで、前記第1波形発生部での駆動で可能な負荷状態となったとき前記第1波形発生部での駆動に移行するので、前記第1波形発生部での駆動が不可能な負荷状態での移行による脱調等を防止でき安定した駆動を実現できるので、モータ駆動装置の信頼性および実用性を上げることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, a phase difference between a relative position of the rotor of the brushless DC motor and a waveform generated by the second waveform generating unit is detected. When the phase difference detected by the phase difference detection unit becomes a predetermined difference, the driving from the second waveform generation unit shifts to the driving by the first waveform generation unit. As a result, when the load state that can be driven by the first waveform generating unit is reached, the driving is shifted to the driving by the first waveform generating unit, and thus the load state in which the driving by the first waveform generating unit is impossible. Therefore, it is possible to prevent a step-out due to the shift in the motor and to realize a stable drive, and thus it is possible to improve the reliability and practicality of the motor drive device.
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4に記載の発明のモータ駆動装置は圧縮機を駆動するとしたものである。圧縮機はその構成上イナーシャが比較的大きい負荷であるため、誘起電圧を検出するためにモータ印加電圧の一部あるいは全部を間欠したパターンでブラシレスDCモータを駆動した場合でも、駆動速度変動に対する影響は殆どないので、本発明のモータ駆動装置にとって非常に適した用途のひとつである。 According to a fifth aspect of the present invention, the motor driving device according to the first to fourth aspects of the present invention drives a compressor. Since the compressor is a load having a relatively large inertia due to its configuration, even when a brushless DC motor is driven in a pattern in which some or all of the motor applied voltage is intermittent to detect the induced voltage, the influence on the driving speed fluctuation is affected. This is one of the very suitable applications for the motor drive device of the present invention.
請求項6に記載の発明は、請求項7に記載の発明の圧縮機はレシプロ構成としたものである。レシプロ圧縮機はその構成上圧縮機内部で前記ブラシレスDCモータ4をバネ等で懸架されていることから、前記ブラシレスDCモータ4の駆動による振動や騒音が外部に漏れにくい構成となっている。従って本発明のモータ駆動装置ではモータ印加電圧の一部あるいは全部を間欠することで前記ブラシレスDCモータ4の駆動速度に若干の速度変動が発生しても、それに伴う振動や騒音を前記圧縮機4の内部で吸収できるため、振動および騒音が大きく増加することなく、従来同等の騒音および振動のレベルを保持することができる。 According to a sixth aspect of the present invention, the compressor according to the seventh aspect of the present invention has a reciprocating configuration. Since the reciprocating compressor has a configuration in which the brushless DC motor 4 is suspended by a spring or the like inside the compressor, vibration and noise due to the driving of the brushless DC motor 4 are hardly leaked to the outside. Therefore, in the motor driving device of the present invention, even if a part of or all of the motor applied voltage is intermittently generated and a slight speed fluctuation occurs in the driving speed of the brushless DC motor 4, vibrations and noises accompanying the fluctuation are generated in the compressor 4. Therefore, the same level of noise and vibration can be maintained without greatly increasing vibration and noise.
請求項7に記載の発明は、請求項5または請求項6に記載のモータ駆動装置を、冷蔵庫の圧縮機の駆動に用いたものであり、冷蔵庫の庫内温度が比較的高く急速に庫内を冷却する必要があるなどの高負荷状態では高負荷高効率駆動を行い、その後庫内が安定した冷却状態となり負荷が低くなったときは低速での高効率駆動へ、圧縮機を停止することなく駆動状態を切り替えることができるので、庫内負荷状態に合わせた最適な駆動状態に連続して切り替えることができ、庫内温度の変動抑制による食品保鮮性能が向上できると共に、圧縮機起動回数減による起動時の電力ロス低減で、冷蔵庫の省エネ化が図れる。 The invention according to claim 7 uses the motor driving device according to claim 5 or claim 6 for driving the compressor of the refrigerator, and the refrigerator has a relatively high internal temperature and rapidly enters the internal storage. High-load high-efficiency drive is performed in high-load conditions, such as when the compressor needs to be cooled, and then the compressor is stopped to high-efficiency drive at low speed when the interior is in a stable cooling state and the load decreases. The drive state can be switched without any change, so that it is possible to continuously switch to the optimum drive state according to the load state in the refrigerator, improve food freshness performance by suppressing fluctuations in the refrigerator temperature, and reduce the number of times the compressor is started. By reducing the power loss at startup, you can save energy in the refrigerator.
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が、従来と同一構成については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the same reference numerals are given to the same components as those in the related art, and detailed descriptions thereof will be omitted.
尚、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。 The present invention is not limited to the embodiments.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a block diagram of a motor drive apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において波形補正部12は第2波形発生部9によって発生した波形を切替判定部10に出力するが、所定のタイミングでは波形の一部ないし全部を一定の期間だけ間欠した波形を出力する。位置信号判定部13は、第2波形発生部9による駆動時において位置検出部5から入力される信号が位置検出信号として信憑性あるものか否かを判断し、正確なブラシレスDCモータ4の位置情報が含まれる信号のみを取り出すものである。 In FIG. 1, the waveform correction unit 12 outputs the waveform generated by the second waveform generation unit 9 to the switching determination unit 10, but outputs a waveform in which a part or all of the waveform is intermittent for a certain period at a predetermined timing. The position signal determination unit 13 determines whether or not the signal input from the position detection unit 5 is credible as a position detection signal when driven by the second waveform generation unit 9, and the accurate position of the brushless DC motor 4 is determined. Only a signal including information is extracted.
位相差検出部14は、第2波形発生部9によって生成した波形の位相とブラシレスDCモータ4の誘起電圧位相との位相差を検出するものである。具体的には位置信号判定部13の出力である位置信号と、第2波形発生部9で生成した波形の出力タイミングの時間差から検出することができる。 The phase difference detection unit 14 detects a phase difference between the phase of the waveform generated by the second waveform generation unit 9 and the induced voltage phase of the brushless DC motor 4. Specifically, it can be detected from the time difference between the position signal output from the position signal determination unit 13 and the output timing of the waveform generated by the second waveform generation unit 9.
圧縮要素15は、ブラシレスDCモータ4の回転子4a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15とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機16を構成する。圧縮機16で圧縮された吐出ガスは、凝縮器17、減圧器18、蒸発器19を通って圧縮機16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17では放熱、蒸発器19では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。尚、必要に応じて凝縮器17や蒸発器19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。また本実施の形態では、冷凍システムは冷蔵庫20の庫内21を蒸発器19により冷却する構成としている。 The compression element 15 is connected to the shaft of the rotor 4a of the brushless DC motor 4, and sucks, compresses and discharges the refrigerant gas. The brushless DC motor 4 and the compression element 15 are accommodated in the same hermetic container to constitute the compressor 16. The discharge gas compressed by the compressor 16 constitutes a refrigerating and air-conditioning system that returns to the suction of the compressor 16 through the condenser 17, the decompressor 18, and the evaporator 19. Then, since endotherm is performed, cooling and heating can be performed. If necessary, a heat blower may be further promoted by using a blower or the like for the condenser 17 or the evaporator 19. Further, in the present embodiment, the refrigeration system is configured to cool the inside 21 of the refrigerator 20 by the evaporator 19.
図2は、本実施の形態1の圧縮機16の断面図を示している。図2において圧縮機16の密封容器22内にはオイル23を貯溜すると共にR600aの冷媒24が封入され、固定子4bと回転子4aからなるブラシレスDCモータ4およびこれによって駆動される圧縮要素15がスプリング等により弾性的に支持されており、ブラシレスDCモータ4の回転による振動が圧縮機外部に漏れにくい構成となっている。 FIG. 2 shows a cross-sectional view of the compressor 16 according to the first embodiment. In FIG. 2, oil 23 is stored in a sealed container 22 of the compressor 16 and a refrigerant 24 of R600a is enclosed, and a brushless DC motor 4 including a stator 4b and a rotor 4a and a compression element 15 driven by the brushless DC motor 4 are provided. It is elastically supported by a spring or the like, and is configured such that vibration due to rotation of the brushless DC motor 4 is difficult to leak out of the compressor.
圧縮要素15は回転子4aが固定された主軸部25および偏芯軸部26から構成されたクランクシャフト27の主軸部25を軸支するとともに圧縮室28を有するシリンダ29と、圧縮室28内で往復運動するピストン30と、偏芯軸部26とピストン30を連結する連結手段31を備え、レシプロ型の圧縮機構を構成している。従って、本実施の形態において第2波形発生部9での駆動の際、一定の期間波形の一部または全部を間欠した波形でブラシレスDCモータ4を駆動した場合でも、イナーシャが大きい圧縮機16では回転速度に及ぼす影響(例えば速度変化)は殆ど無いことに加え、レシプロ型圧縮機の特徴と密封構造から、速度変動による振動や騒音が発生しにくく、かつ騒音が圧縮機16の外部に漏れにくい構成となっている。 The compression element 15 supports a main shaft portion 25 of a crankshaft 27 composed of a main shaft portion 25 to which the rotor 4 a is fixed and an eccentric shaft portion 26, and has a compression chamber 28 and a cylinder 29. A reciprocating compression mechanism is provided by including a reciprocating piston 30 and a connecting means 31 for connecting the eccentric shaft portion 26 and the piston 30. Accordingly, in the present embodiment, when the brushless DC motor 4 is driven with a waveform in which a part or all of the waveform for a certain period is intermittent when driven by the second waveform generator 9, the compressor 16 having a large inertia is used. In addition to having little influence on the rotational speed (for example, speed change), vibration and noise due to speed fluctuations are less likely to occur due to the characteristics and sealing structure of the reciprocating compressor, and noise is less likely to leak outside the compressor 16. It has a configuration.
図3は本実施の形態1における低速時の駆動状態を示すタイミングチャートであり、ドライブ部11の信号とインバータ3の出力端子電圧状態を示している。なお本タイミングチャートは通電角150度の矩形波であり15度の進角で駆動している。 FIG. 3 is a timing chart showing a driving state at a low speed in the first embodiment, and shows a signal of the drive unit 11 and an output terminal voltage state of the inverter 3. This timing chart is a rectangular wave with an energization angle of 150 degrees and is driven with an advance angle of 15 degrees.
図3に示すようにこの状態においてはUVW各相の上下両方のスイッチがオフ状態のとき出力端子電圧に誘電電圧が現れる。たとえば同図に示すように、U相に関しては出力パターンが11および5のときU相の上下スイッチは共にオフとなり端子電圧に誘起電圧が現れている。位置検出部5はこの端子電圧から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ために、端子電圧とインバータ入力電圧の1/2との大小関係が反転する
ポイント(即ち誘起電圧のゼロクロスポイント)をモニタする。そして検出したゼロクロスポイントをブラシレスDCモータ回転子の相対回転位置として基準に置き、この基準位置により次回の転流タイミングを決定する。本実施の形態1においては150度通電進角15度としているため、次回の転流は位置検出からゼロ秒後(即ち同時)であり、位置検出と同時に転流(出力パターンを11から0あるいは、5から6に切換え)を行っている。尚、図3図ではU相端子電圧とU相による位置検出タイミングを示しているが、電気角1周期当たり各相2回の位置検出が行われるため、結局電気角1周期中に6回の位置検出信号が発生し、この位置信号の検出の度に出力パターンを順次切り替えることで任意の周波数の交流電圧を生成してブラシレスDCモータ4に印加して駆動している。
As shown in FIG. 3, in this state, when both the upper and lower switches of each UVW phase are in the OFF state, a dielectric voltage appears in the output terminal voltage. For example, as shown in the figure, for the U phase, when the output pattern is 11 and 5, both the U phase upper and lower switches are off and an induced voltage appears in the terminal voltage. In order to detect the zero cross point of the induced voltage from the terminal voltage as a position signal, the position detecting unit 5 determines a point where the magnitude relationship between the terminal voltage and 1/2 of the inverter input voltage is inverted (that is, the zero cross point of the induced voltage). Monitor. The detected zero cross point is set as a reference as the relative rotation position of the brushless DC motor rotor, and the next commutation timing is determined based on this reference position. In the first embodiment, 150 degrees energization advance angle is 15 degrees, so the next commutation is zero seconds after position detection (that is, at the same time), and commutation (output pattern from 11 to 0 or 5 to 6). Although FIG. 3 shows the position detection timing based on the U-phase terminal voltage and the U-phase, since the position detection is performed twice for each phase per electrical angle cycle, it is eventually 6 times in one electrical angle cycle. A position detection signal is generated, and an output voltage is sequentially switched each time this position signal is detected, thereby generating an AC voltage of an arbitrary frequency and applying it to the brushless DC motor 4 for driving.
また位置検出の信号を基にブラシレスDCモータ4の速度を検出するが、検出速度が目標速度より遅い場合、第1波形発生部6はブラシレスDCモータ4への印加電圧を上げるようにし、目標速度より速い場合はブラシレスDCモータ4への印加電圧を下げるようにPWMデューティ幅を制御して目標速度での速度安定性を確保している。 The speed of the brushless DC motor 4 is detected based on the position detection signal. When the detected speed is slower than the target speed, the first waveform generator 6 increases the voltage applied to the brushless DC motor 4 to increase the target speed. If it is faster, the PWM duty width is controlled so as to lower the voltage applied to the brushless DC motor 4 to ensure speed stability at the target speed.
ここでブラシレスDCモータ4の負荷が大きく、PWMデューティが100%となっても、駆動速度が目標速度に到達しない状態では、これ以上電圧を印加することは出来ないため、さらなる高速駆動は不可能である。したがってこの時、切替判定部10は第2波形発生部9によりブラシレスDCモータ4を駆動するように切り替える。 Here, even if the load of the brushless DC motor 4 is large and the PWM duty is 100%, no further voltage can be applied in a state where the driving speed does not reach the target speed, so further high speed driving is impossible. It is. Therefore, at this time, the switching determination unit 10 performs switching so that the brushless DC motor 4 is driven by the second waveform generation unit 9.
第2波形発生部9での駆動は、最大デューティ(即ち100%)で通電角130度以上180度未満とした波形を、周波数設定部8により設定した周波数で同期駆動を行う。 The driving by the second waveform generation unit 9 performs synchronous driving at a frequency set by the frequency setting unit 8 with a waveform having a maximum duty (ie, 100%) and a conduction angle of 130 degrees or more and less than 180 degrees.
図4は本発明の実施の形態1における高速時の駆動状態を示すタイミングチャートであり、ドライブ部11の信号およびU相端子電圧の状態を示している。図4のタイミングチャートも図3のタイミングチャートと同様、通電角150度の矩形波である。 FIG. 4 is a timing chart showing the driving state at high speed in the first embodiment of the present invention, and shows the state of the signal of the drive unit 11 and the U-phase terminal voltage. The timing chart of FIG. 4 is also a rectangular wave with a conduction angle of 150 degrees, similar to the timing chart of FIG.
第2波形発生部9による駆動では、ブラシレスDCモータ4の回転子相対位置とは関係なく周波数設定部8によって設定した任意の周波数で同期駆動しており、転流に対し回転子が遅れてついて行く状態、即ち誘起電圧に対して端子電圧が進む状態となることから、ブラシレスDCモータ4の電流位相が進み、いわゆる弱め磁束での駆動状態となる。この時の端子電圧および電流の進み位相角は、印加電圧に対する負荷より適切な状態で平衡状態となることで高速・高負荷駆動が可能となる。 In the driving by the second waveform generation unit 9, synchronous driving is performed at an arbitrary frequency set by the frequency setting unit 8 regardless of the relative position of the rotor of the brushless DC motor 4, and the rotor follows the commutation. Since the terminal voltage advances with respect to the state, that is, the induced voltage, the current phase of the brushless DC motor 4 advances, and the driving state with the so-called weak magnetic flux is obtained. The lead phase angle of the terminal voltage and current at this time can be driven at high speed and with a high load by being in an equilibrium state in a state more appropriate than the load with respect to the applied voltage.
図4での通電角は150度であるため、誘起電圧のゼロクロス検出と転流のタイミングが一致する(即ちゼロクロス検出直後に転流を行う)ときの進角が15度となるが、本図では誘起電圧のゼロクロス検出より先に転流しており、15度以上の進角で駆動していることが判る。なお図4において、U相の上下両スイッチ素子がオフのとき、端子電圧にブラシレスDCモータ4の誘起電圧が発生するが、誘起電圧のゼロクロスタイミングより前に転流するため、ゼロクロス付近のインバータ端子電圧は入力電位に張り付いた状態(上側スイッチング素子がオンのとき)となる。従ってこの様な駆動状態では、誘起電圧のゼロクロスを正確に検出することは難しく、位置検出部5の出力信号を基にした第1波形発生部6での駆動では、適切なタイミングで転流を行うことが難しく、安定した駆動が困難である。 Since the conduction angle in FIG. 4 is 150 degrees, the advance angle when the zero cross detection of the induced voltage coincides with the commutation timing (that is, the commutation is performed immediately after the zero cross detection) is 15 degrees. Then, the commutation occurs before the detection of the zero cross of the induced voltage, and it can be seen that the driving is performed at an advance angle of 15 degrees or more. In FIG. 4, when both the upper and lower switching elements of the U phase are off, an induced voltage of the brushless DC motor 4 is generated in the terminal voltage, but since the commutation occurs before the zero cross timing of the induced voltage, an inverter terminal near the zero cross The voltage is stuck to the input potential (when the upper switching element is on). Therefore, in such a driving state, it is difficult to accurately detect the zero crossing of the induced voltage, and in the driving by the first waveform generation unit 6 based on the output signal of the position detection unit 5, the commutation is performed at an appropriate timing. It is difficult to perform and stable driving is difficult.
次に第1波形発生部6での駆動と第2波形発生部9での駆動との切り替えについて説明する。第1波形発生部6での駆動は誘起電圧ゼロクロス信号を検出してのフィードバック制御であるため確実な位置検出が必要である。従って波形発生部の切り替え前後の通電角は150度以下として、第1波形発生部6での駆動では確実に位置検出が出来る様にしている。さらに第1波形発生部6への移行前での第2波形発生部9での駆動において、15
0度以上の通電角である場合は、150度以下の通電角まで通電角を減少させる。
Next, switching between driving by the first waveform generator 6 and driving by the second waveform generator 9 will be described. Since driving by the first waveform generator 6 is feedback control by detecting the induced voltage zero cross signal, it is necessary to detect the position reliably. Therefore, the energization angle before and after the switching of the waveform generation unit is set to 150 degrees or less so that the position can be reliably detected by driving with the first waveform generation unit 6. Further, in the driving by the second waveform generator 9 before the transition to the first waveform generator 6, 15
When the conduction angle is 0 degree or more, the conduction angle is decreased to a conduction angle of 150 degrees or less.
第1波形発生部6での駆動から第2波形発生部9での駆動への切り替えは、切り替え前後の転流周期を同じにして、以降は位置信号と関係なく所定の周期で転流を繰り返すことで、過電流等の電流の乱れや速度変動といった不具合を発生することなく容易に実現できる。 Switching from driving by the first waveform generation unit 6 to driving by the second waveform generation unit 9 makes the commutation cycle before and after switching the same, and thereafter repeats the commutation at a predetermined cycle regardless of the position signal. Thus, it can be easily realized without causing problems such as current disturbance such as overcurrent and speed fluctuation.
しかし第2波形発生部9での駆動から第1波形発生部6での駆動への移行では、第1波形発生部6での駆動には回転子の位置を検出して転流タイミングを決定する必要があるが、移行直前の位置検出部5の出力信号を位置検知信号として転流を行った場合は、前述のように第2波形発生部9による同期駆動中の位置検出部の出力信号は位置信号としての信憑性が無いため、誤ったタイミングでの転流を行う可能性があり、過電流発生や、脱調停止の要因となる。 However, in the transition from the drive at the second waveform generator 9 to the drive at the first waveform generator 6, the drive at the first waveform generator 6 detects the rotor position and determines the commutation timing. Although it is necessary, when commutation is performed using the output signal of the position detection unit 5 immediately before the transition as the position detection signal, the output signal of the position detection unit during synchronous driving by the second waveform generation unit 9 is as described above. Since there is no credibility as a position signal, there is a possibility of commutation at an incorrect timing, which causes overcurrent generation or out-of-step stop.
従って第1波形発生部6での駆動へスムーズに移行を果たすためには、ブラシレスDCモータ4の回転子相対位置を正確に検出する必要がある。 Therefore, in order to smoothly shift to the driving by the first waveform generator 6, it is necessary to accurately detect the rotor relative position of the brushless DC motor 4.
図5は本発明の実施の形態1における同期駆動時の位置検出を示すタイミングチャートであり、ドライブ部11の信号とインバータ3の出力端子電圧状態を示している。図5は150度通電での同期駆動を行っている状態でありV相およびW相の端子電圧状態を見ると誘起電圧のゼロクロスポイントより前に転流が行われていることから15度以上の進角状態であることが分かる。また誘起電圧ゼロクロスポイントは当該のスイッチ素子の通電によりインバータ3の入力電圧あるいはGNDレベルに埋もれてしまい検出不可能な状態となっている。 FIG. 5 is a timing chart showing position detection at the time of synchronous driving in the first embodiment of the present invention, and shows a signal of the drive unit 11 and an output terminal voltage state of the inverter 3. FIG. 5 shows a state in which synchronous driving is performed at 150 ° energization, and when the terminal voltage states of the V phase and the W phase are seen, since commutation is performed before the zero cross point of the induced voltage, it is 15 ° or more. It turns out that it is an advance angle state. Further, the induced voltage zero cross point is buried in the input voltage or the GND level of the inverter 3 due to the energization of the switch element, and is in an undetectable state.
しかし本実施の形態1では、波形補正手段12によってU相上側の通電区間において誘起電圧のゼロクロスポイントの発生が期待される一定期間中は、当該のスイッチ素子を強制的にオフするよう第2波形発生部9の波形を補正する。 However, in the first embodiment, the second waveform is forcibly turned off during a certain period when the waveform correcting means 12 is expected to generate a zero cross point of the induced voltage in the energized section on the upper side of the U phase. The waveform of the generator 9 is corrected.
補正時の通電角は150度以下として誘起電圧のゼロクロスを確実に検出できるようにしている(本実施の形態1では出力パターン0ではU相上側のスイッチ素子をオンさせるタイミングであるが、強制的にオフ状態として、150度通電を120度としている)。これにより図5のU相端子電圧波形に示す様に、U相上側が転流する前(即ち出力パターン1に切り替わる前)に、誘起電圧ゼロクロスが現れ検出が可能となる。従って、第2波形発生部による同期駆動でも正確にブラシレスDCモータ4の回転子相対位置検出が可能となり、第1波形発生部6での駆動に切り替える際、正確な位置検出により正しいタイミングでの転流が可能となる。 The conduction angle at the time of correction is set to 150 degrees or less so that the zero crossing of the induced voltage can be reliably detected (in the first embodiment, in the output pattern 0, the switching element on the upper side of the U phase is turned on, but forced And 150 degrees energization is 120 degrees). As a result, as shown in the U-phase terminal voltage waveform of FIG. 5, before the U-phase upper side commutates (that is, before switching to the output pattern 1), an induced voltage zero cross appears and can be detected. Therefore, the relative position of the rotor of the brushless DC motor 4 can be detected accurately even by synchronous driving by the second waveform generator, and when switching to driving by the first waveform generator 6, switching at the correct timing is performed by accurate position detection. Flow is possible.
ここで位置信号判定手段12の動作について説明する。本実施の形態1においてブラシレスDCモータ4の回転子相対位置はインバータ入力電圧の1/2とインバータ出力端子電圧との大小比較により、その大小関係が反転するタイミングを位置情報として検出するが、図5のV相およびW相端子電圧において、インバータ端子電圧とインバータ入力電圧の1/2との大小関係の反転するポイントは明らかに誘起電圧ゼロクロスポイントからズレている(U相端子電圧においてインバータ端子電圧がインバータ入力電圧1/2より小さくなるポイントも同様)。従ってブラシレスDCモータ4の回転子相対位置を確実に検出するためには、位置検出部の出力信号を回転子の位置情報を含む信号のみを取り出す必要がある。 Here, the operation of the position signal determination means 12 will be described. In the first embodiment, the relative position of the rotor of the brushless DC motor 4 is detected as position information at the time when the magnitude relation is inverted by comparing the magnitude of the inverter input voltage with 1/2 of the inverter output terminal voltage. In the V-phase and W-phase terminal voltages of 5, the point at which the magnitude relationship between the inverter terminal voltage and 1/2 of the inverter input voltage is reversed is clearly deviated from the induced voltage zero cross point (in the U-phase terminal voltage, the inverter terminal voltage This also applies to the point where becomes smaller than the inverter input voltage 1/2). Therefore, in order to reliably detect the rotor relative position of the brushless DC motor 4, it is necessary to take out only the signal including the rotor position information from the output signal of the position detector.
そこで本実施の形態1において位置信号判定手段13は、位置検出部5の出力信号を取捨選択しブラシレスDCモータ4の位置情報を含む信号のみを取り出すようにしている。
具体的には誘起電圧を取得するために強制的にスイッチング素子を停止させた期間(本実施の形態では出力パターン0のとき)に得た信号のみを取り出し、位置信号として認識することで実現している。
Therefore, in the first embodiment, the position signal determination unit 13 selects the output signal of the position detection unit 5 and extracts only the signal including the position information of the brushless DC motor 4.
Specifically, it is realized by extracting only the signal obtained during the period when the switching element is forcibly stopped to acquire the induced voltage (in this embodiment, when the output pattern is 0) and recognizing it as a position signal. ing.
しかしながら、第2波形発生部9による同期駆動時は、速度と負荷に応じた進角状態で安定状態にある。従って速度と負荷の関係によっては第1波形発生部6では実現できない大きな進角状態で駆動している場合がある。 However, at the time of synchronous driving by the second waveform generator 9, the state is in a stable state with an advance state corresponding to the speed and load. Therefore, depending on the relationship between the speed and the load, there may be a case of driving in a large advance state that cannot be realized by the first waveform generator 6.
図6は本発明の実施の形態1における負荷状態による位置検出タイミングの変化を示すタイミングチャートである。図6において(A)と(B)は同一速度で駆動している場合の低負荷時(A)と、高負荷時(B)を示している。尚本チャートは図5のチャートと同様通電角は150度としており、出力パターン0において波形補正部12によって、第2波形発生部9での波形のU相上側スイッチ素子を強制的にOFFするように補正している。 FIG. 6 is a timing chart showing changes in position detection timing depending on the load state in the first embodiment of the present invention. In FIG. 6, (A) and (B) show a low load (A) and a high load (B) when driving at the same speed. This chart is similar to the chart of FIG. 5 in that the energization angle is 150 degrees, and in the output pattern 0, the waveform correction unit 12 forcibly turns off the U-phase upper switching element of the waveform in the second waveform generation unit 9. It is corrected to.
図6(A)の低負荷状態での位置検出は出力パターンが11から0に切り替わる(即ち転流タイミング)と同時に位置検出タイミングが発生している。即ちこの状態は150度通電の進角15度の状態であるため、第1波形発生部での駆動が可能な負荷状態である。従ってこの様な負荷状態では検出した位置信号をもとに転流転流タイミングを決め第1波形発生手段6による駆動へスムーズな移行が可能となる。 In the position detection in the low load state of FIG. 6A, the position detection timing is generated at the same time when the output pattern is switched from 11 to 0 (that is, commutation timing). That is, since this state is a state where the lead angle is 15 degrees with 150 degrees energization, it is a load state that can be driven by the first waveform generator. Therefore, in such a load state, the commutation commutation timing is determined based on the detected position signal, and a smooth transition to driving by the first waveform generating means 6 is possible.
また同図6(B)における高負荷状態では大きな進角状態で駆動が安定するため、位置検出タイミングは出力パターン11から0に切り替わるタイミング(即ち転流タイミング)より遅れて発生している。150度通電で進角15度のときは位置検出(即ち誘起電圧ゼロクロスタイミング)と同時に転流が行われるため、15度以上の進角で駆動していることが判る。また誘起電圧ゼロクロスポイントを位置信号とする場合で150度通電での最大進角は15度であるため、図6(B)に示す状態では第1波形発生部6での駆動は不可能である。従ってこの様な負荷状態において第2波形発生部9での同期駆動から第1波形発生部による駆動に移行したとき、適切なタイミングでの転流が出来ず、過電流の発生や脱調発生の原因となる。 Further, in the high load state shown in FIG. 6B, since the driving is stable in a large advance angle state, the position detection timing is delayed from the timing at which the output pattern 11 is switched to 0 (that is, commutation timing). When energization is 150 degrees and the advance angle is 15 degrees, the commutation is performed simultaneously with the position detection (that is, the induced voltage zero cross timing), so that it is understood that the drive is performed with the advance angle of 15 degrees or more. In addition, when the induced voltage zero cross point is used as a position signal, the maximum advance angle at 150 degrees energization is 15 degrees. Therefore, in the state shown in FIG. 6B, the first waveform generator 6 cannot be driven. . Therefore, in such a load state, when shifting from the synchronous driving in the second waveform generator 9 to the driving by the first waveform generator, commutation at an appropriate timing cannot be performed, and overcurrent and out-of-step occurrence are caused. Cause.
次に位相差検出手段14の動作について説明する。前述のように第2波形発生部9での駆動から第1波形発生部6での駆動への移行において、第1波形発生部6では駆動ができない負荷状態(高負荷)では、過電流や脱調等の不具合を回避するため、第1波形発生部6による駆動への移行を制限する必要がある。 Next, the operation of the phase difference detection means 14 will be described. As described above, in the transition from the driving by the second waveform generator 9 to the driving by the first waveform generator 6, in a load state (high load) where the first waveform generator 6 cannot drive, In order to avoid problems such as adjustment, it is necessary to limit the shift to driving by the first waveform generator 6.
同期駆動では速度と負荷の状態によって進角が変化(負荷が大きいほど進角が増加)することから、印加電圧と誘起電圧の位相関係も負荷状態によって変化(負荷が大きいほど誘起電圧に対し印加電圧の位相が進む)するため、印加電圧位相と誘起電圧位相との位相関係から、駆動速度における負荷の状態を知ることが出来る。 In synchronous drive, the advance angle changes depending on the speed and load state (the advance angle increases as the load increases), so the phase relationship between the applied voltage and the induced voltage also changes depending on the load state (the larger the load, the greater the applied voltage to the induced voltage). Therefore, the state of the load at the driving speed can be known from the phase relationship between the applied voltage phase and the induced voltage phase.
位相差検出手段14は印加電圧位相と誘起電圧位相との位相差を検出するものであり、転流タイミングと位置検出タイミングとのタイミング差を検出し、検出したタイミング差が所定の差より大きい時は負荷が大きく、第1波形発生部での駆動は不可能として、切替判定部10に出力し切替判定部10は第2波形発生部での駆動を選択するようにしている。 The phase difference detection means 14 detects a phase difference between the applied voltage phase and the induced voltage phase, detects a timing difference between the commutation timing and the position detection timing, and when the detected timing difference is larger than a predetermined difference. Since the load is large and the driving by the first waveform generation unit is impossible, it is output to the switching determination unit 10 so that the switching determination unit 10 selects the driving by the second waveform generation unit.
本実施の形態では、図6(B)に示すように位置検出タイミングが転流タイミングより遅れて入る場合は負荷が大きく、第1波形発生部6での駆動は無理として第2波形発生部9での同期駆動を継続するようにしている。また、同図(A)に示すように転流タイミン
グに対し位置検出タイミングが一致または早い場合は、第1波形発生部6での駆動が可能な程度に負荷が軽い状態であるため、第2波形発生部9での駆動から第1波形発生部6での駆動へ移行し、位置検出を基にしたPWMフィードバック制御を行う。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6B, when the position detection timing comes later than the commutation timing, the load is large, and the second waveform generator 9 cannot be driven by the first waveform generator 6. The synchronous drive is continued. Further, as shown in FIG. 2A, when the position detection timing is coincident or early with respect to the commutation timing, the load is light enough to enable the first waveform generator 6 to be driven. Shifting from driving by the waveform generator 9 to driving by the first waveform generator 6 performs PWM feedback control based on position detection.
以上の様に本発明の実施の形態においては、永久磁石を有するブラシレスDCモータ4と、ブラシレスDCモータ4に電力を供給するインバータ3と、インバータ3を駆動するドライブ部11と、ブラシレスDCモータ4の巻線に発生する誘起電圧から回転子の相対的な回転位置を検出する位置検出部5と、位置検出部5からの出力信号を基にPWMデューティ制御を行いながら波形を出力する第1波形発生部6と、ブラシレスDCモータ4へ矩形波または正弦波、或いはそれらに準じる波形を出力する第2波形発生部9と、ブラシレスDCモータ4が所定の回転数以下の低速で回転している時は第1波形発生部6の出力でドライブ部11を介してインバータ3を駆動させ、所定の回転数を超える高速で回転している時は第2波形発生部9の出力でドライブ部11を介してインバータ3を駆動させる切替判定部10と、所定のタイミングで第2波形発生部9において発生した波形の一部あるいは全部を間欠するように波形を補正する波形補正部12とを有し、第2波形発生部9による駆動から第1波形発生部6での駆動に移行する際、波形補正部12は第2波形発生部9で出力した波形を補正してドライブ部11に出力し、インバータ3を駆動することでブラシレスDCモータ4の回転子相対位置の検出を可能とし、検出した回転子位置情報をもとに転流タイミングを決定して第1波形発生部6での駆動に移行する。これにより第2波形発生部9による同期駆動においてブラシレスDCモータ4の回転子位置を確実に検出できる様になり、第1波形発生部6での駆動に移行する際の転流を、回転子位置を基に適切なタイミングに決定できるため、波形発生部切り替え時の転流位相ズレを防止し、過電流や脱調等の発生を無くすことができるようになり、モータ駆動装置の信頼性向上による実用性を上げることができる。 As described above, in the embodiment of the present invention, the brushless DC motor 4 having a permanent magnet, the inverter 3 that supplies power to the brushless DC motor 4, the drive unit 11 that drives the inverter 3, and the brushless DC motor 4 A position detector 5 that detects the relative rotational position of the rotor from the induced voltage generated in the winding of the first coil, and a first waveform that outputs a waveform while performing PWM duty control based on an output signal from the position detector 5 When the generator 6, the second waveform generator 9 that outputs a rectangular wave or a sine wave to the brushless DC motor 4, or a waveform corresponding thereto, and the brushless DC motor 4 are rotating at a low speed equal to or less than a predetermined number of rotations. Drives the inverter 3 via the drive unit 11 with the output of the first waveform generation unit 6, and when rotating at a high speed exceeding a predetermined rotation number, the second waveform generation unit 9 A switching determination unit 10 that drives the inverter 3 via the drive unit 11 with force, and a waveform correction unit that corrects the waveform so that part or all of the waveform generated in the second waveform generation unit 9 is intermittent at a predetermined timing 12, the waveform correction unit 12 corrects the waveform output from the second waveform generation unit 9 when shifting from driving by the second waveform generation unit 9 to driving by the first waveform generation unit 6. 11 to drive the inverter 3 so that the rotor relative position of the brushless DC motor 4 can be detected, the commutation timing is determined based on the detected rotor position information, and the first waveform generator 6 Move on to drive. As a result, the rotor position of the brushless DC motor 4 can be reliably detected in the synchronous drive by the second waveform generator 9, and the commutation when shifting to the drive by the first waveform generator 6 can be detected. Therefore, the commutation phase shift at the time of switching the waveform generator can be prevented, and the occurrence of overcurrent and step-out can be eliminated. Practicality can be increased.
また第2波形発生部9での駆動から前記第1波形発生部6での駆動へ切り替える前後におけるインバータ3の通電角を等しく、かつ150度以下とすることで、第1波形発生部6での駆動へ移行したあとの誘起電圧検出による位置検出が確実に出来るようになり、モータ駆動装置の信頼性をさらにあげることができる。 Further, by setting the energization angle of the inverter 3 before and after switching from driving at the second waveform generator 9 to driving at the first waveform generator 6 to be equal to or less than 150 degrees, the first waveform generator 6 Position detection by detection of the induced voltage after shifting to driving can be performed reliably, and the reliability of the motor driving device can be further increased.
また波形補正部12は、第2波形発生部9で発生した波形の少なくとも1相の通電角を150度以下に補正することで、第2波形発生部9での同期駆動でも誘起電圧のゼロクロスポイント検出を確実に出来るようにしたことで、同期駆動時の位置検出が可能となり、第1波形発生部6への移行をより確実かつ安定に行えることから、モータ駆動装置の信頼性をより高め実用性を向上することができる。 Further, the waveform correction unit 12 corrects the conduction angle of at least one phase of the waveform generated by the second waveform generation unit 9 to 150 degrees or less, so that the zero cross point of the induced voltage can be obtained even in the synchronous drive by the second waveform generation unit 9. Since the detection can be performed reliably, the position can be detected during synchronous driving, and the transition to the first waveform generator 6 can be performed more reliably and stably. Can be improved.
また位相差検出部14は、ブラシレスDCモータ4の回転子の相対位置と、第2波形発生部9により発生する波形との位相差を検出して、検出した位相差が所定の差となったとき、第2波形発生部9での駆動から第1波形発生部6での駆動に移行するようにしたことで、第1波形発生部6での駆動で可能な負荷状態となったとき第1波形発生部6での駆動に移行するので、第1波形発生部6での駆動が不可能な負荷状態での移行による脱調等を防止でき安定した駆動を実現できるので、モータ駆動装置の信頼性および実用性を上げることができる。 The phase difference detection unit 14 detects the phase difference between the relative position of the rotor of the brushless DC motor 4 and the waveform generated by the second waveform generation unit 9, and the detected phase difference becomes a predetermined difference. When the driving by the second waveform generating unit 9 is shifted to the driving by the first waveform generating unit 6, the first waveform generating unit 6 can be driven by the first waveform generating unit 6. Since the process shifts to driving by the waveform generation unit 6, it is possible to prevent a step-out due to a shift in a load state where the driving by the first waveform generation unit 6 is impossible, and to realize a stable drive. Can increase the sexiness and utility.
またブラシレスDCモータ4がイナーシャの大きい圧縮機16を駆動することで、印加電圧の一部あるいは全部を間欠したパターンでブラシレスDCモータ4を駆動した場合でも、駆動速度変化に対する影響は殆ど無く、本発明のモータ駆動装置にとって非常に適した負荷の一つである。 In addition, when the brushless DC motor 4 drives the compressor 16 having a large inertia, even when the brushless DC motor 4 is driven in a pattern in which a part or all of the applied voltage is intermittent, there is almost no influence on the drive speed change. This is one of the very suitable loads for the motor drive device of the invention.
また圧縮機16がレシプロ構成であれば、圧縮機内部でブラシレスDCモータ4はバネ
等で懸架された構成であることからブラシレスDCモータ4の駆動に伴う振動や騒音が外部に漏れにくいという特徴がある。従ってブラシレスDCモータへの印加電圧の一部あるいは全部を間欠することで、駆動速度に若干の速度変動が発生した場合でも、速度変動に伴う振動や騒音は圧縮機16内部で吸収されるため、振動および騒音が大きく増加することなく、従来同等の低騒音・低振動を実現できる。
Further, if the compressor 16 is a reciprocating configuration, the brushless DC motor 4 is suspended by a spring or the like inside the compressor, so that vibration and noise associated with the driving of the brushless DC motor 4 are difficult to leak to the outside. is there. Therefore, by intermittently applying a part or all of the voltage applied to the brushless DC motor, even if a slight speed fluctuation occurs in the driving speed, vibration and noise accompanying the speed fluctuation are absorbed inside the compressor 16. The same low noise and low vibration can be achieved without greatly increasing vibration and noise.
また本発明のモータ駆動装置を搭載した圧縮機16を冷蔵庫に用いたとき、冷蔵庫の庫内温度が比較的高く急速に庫内を冷却する必要がある高負荷の状態などでは高負荷高速駆動を行い、その後庫内が安定した冷却状態となり負荷が低くなったときは低速での高効率駆動へ、圧縮機を停止することなくの駆動状態を切り替えることができるので、庫内負荷状態に合わせた最適な駆動状態に連続して切り替えを可能とすると共に、圧縮機起動回数の低減による起動時の電力ロスを低減することができ、庫内温度ムラ抑制による食品保存性の向上および、冷蔵庫の消費電力を低減することが出来る。 Further, when the compressor 16 equipped with the motor drive device of the present invention is used in a refrigerator, a high load high speed drive is performed in a high load state in which the refrigerator interior temperature is relatively high and the interior needs to be rapidly cooled. After that, when the inside of the warehouse is in a stable cooling state and the load is low, the driving state can be switched to high efficiency driving at low speed without stopping the compressor, so it is matched to the inside load state It is possible to continuously switch to the optimal driving state, reduce the power loss at the start-up by reducing the number of start-up of the compressor, improve the food storage stability by suppressing the temperature unevenness in the refrigerator, and consume the refrigerator Electric power can be reduced.
本発明のブラシレスDCモータの駆動装置は、低速においては高効率・低騒音な運転を実現するとともに、高速においては負荷に応じた電流進角による弱め磁束制御で高負荷高速駆動も可能となるので、特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動する用途や、速度範囲や負荷範囲が広い扇風機等のファンや掃除機に適している。 The brushless DC motor drive device of the present invention realizes high-efficiency and low-noise operation at low speed, and also enables high-load high-speed drive by weakening magnetic flux control by current advance according to the load at high speed. In particular, it is suitable for applications such as driving a compressor such as a refrigerator or an air conditioner, or a fan or a vacuum cleaner such as a fan having a wide speed range or load range.
3 インバータ
4 ブラシレスDCモータ
5 位置検出部
7 第1波形発生部
8 周波数設定部
9 第2波形発生部
10 切替判定部
11 ドライブ部
12 波形補正部
14 位相差検出部
16 圧縮機
20 冷蔵庫
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Inverter 4 Brushless DC motor 5 Position detection part 7 1st waveform generation part 8 Frequency setting part 9 2nd waveform generation part 10 Switching determination part 11 Drive part 12 Waveform correction part 14 Phase difference detection part 16 Compressor 20 Refrigerator
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