JP2017220970A - モータ駆動装置および、これを用いた圧縮機を有する電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動装置の高効率化で機器の消費電力削減を図る。【解決手段】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インバータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータ位置を検出する位置検出手段とを備え、前記インバータは、前記位置検出手段で得られた位置信号に応じてオンまたはオフする６個のスイッチング素子で構成され、前記位置検出手段の位置信号に対して前記インバータのスイッチング素子をオフするタミングをオンするタイミングより進ませることで前記ブラシレスＤＣモータへの電力供給期間を調整することでＰＷＭ制御によるオン時間時比率が大きくなり、ブラシレスＤＣモータの高周波電流成分が抑制され、ブラシレスＤＣモータの鉄損低減が図れる。【選択図】図１

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、これを用いた圧縮機を有する電気機器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８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８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様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９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９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手段２０３を有し、駆動電力が目標設定電力値に一致する様に、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は可能となるが、低負荷・低速駆動領域に対する改善は見られず、回路およびモータ損失よりモータ駆動装置の効率が低い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モータの負荷状態や駆動速度状態などの各駆動状態に応じて、入力電圧・通電角・進角の独立した３パラメータの選定が必要となり、開発工数の増加、駆動状態に応じた３パラメータの演算・選定等が必要となり制御の複雑化に伴う高速演算可能な演算素子の使用、あるいは駆動状態に応じて各パラメータの最適値をテーブルにした記憶素子の使用など、モータ駆動装置のコストアップが伴うという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、ブラシレスＤＣモータが低負荷・低速での駆動における装置の損失を低減し、高効率・低消費電力なモータ駆動装置を低コストで提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、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インバータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータ位置を検出する位置検出手段とを備え、前記インバータは、前記位置検出手段で得られた位置信号に応じてオンまたはオフする６個のスイッチング素子で構成され、前記位置検出手段の位置信号に対して、前記インバータのスイッチング素子をオフするタミングをオンするタイミングより進ませるものである。

これにより、ブラシレスＤＣモータを低負荷・低速で駆動する際にブラシレスＤＣモータ固定子巻線に電力を供給する区間が狭くなるため、ＰＷＭ制御のオン時間時比率が大きくなり、ブラシレスＤＣモータに流れる電流の高周波電流成分抑制でモータ鉄損が低減できる。

本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの低負荷・低速駆動時における装置の高効率・低消費電力化を図ることができる。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における各部の波形とタイミングチャート スイッチング素子オフタミング調整制御開始判定フローチャート ＰＷＭ制御からオフタミング調整制御への移行フローチャート オフタミング調整制御の動作を示すフローチャート ブラシレスＤＣモータの端子電圧波形を示す図 ブラシレスＤＣモータの相電流波形を示す図 従来のモータ駆動装置のブロック図 従来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インバータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータ位置を検出する位置検出手段とを備え、前記インバータは、前記位置検出手段で得られた位置信号に応じてオンまたはオフする６個のスイッチング素子で構成され、前記位置検出手段の位置信号に対して前記インバータのスイッチング素子をオフするタミングをオンするタイミングより進ませることにより、ブラシレスＤＣモータの低負荷・低速駆動においてブラシレスＤＣモータへの電力供給区間を短くすることが出来ることで、ＰＷＭスイッチング回数低減によるスイッチング損失を抑制できるため、モータ駆動装置の高効率化が図れる。

第２の発明は、第１の発明において、前記インバータのスイッチング素子の高周波でスイッチングによるオン期間の時比率で前記ブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調節するＰＷＭ制御手段と、前記スイッチング素子のオンおよびオフさせるタミングを制御する転流制御部を有し、前記ＰＷＭ制御手段によるオン期間の時比率が１００％となる様に、スイッチング素子のオフタミングを調整することにより、高周波でのスイッチング素子のオン・オフが行われないためスイッチング損失が大幅に抑制され、回路の高効率化が可能となる。また、モータ電流にはＰＷＭ制御のオン・オフに伴う高周波電流の発生が無いためモータ鉄損低減によるモータ効率の向上もでき、モータ駆動装置の大幅な高効率化が実現できる。更に、ＰＷＭ制御による高周波スイッチングに伴う高周波音の発生がなくなるため、モータ駆動装置の静音化が図れる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記スイッチング素子のオン状態から
オフ状態への切換えは、オフ状態からオン状態に切換えに対して、電気角０度から３０度の範囲で早いタイミングで行うことにより、スイッチング素子のターンオフを早めた電気角１／２の進角が自動的に付加されることになり、ブラシレスＤＣモータへの電力供給を休止する区間がある駆動波形であっても、脱調等の発生が起こりにくい安定した駆動性能を確保することが出来る。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記ＰＷＭ制御手段による前記スイッチング素子のオン期間時比率が所定値以上となったとき、前記転流制御手段はスイッチング素子のオフをオンタイミングより進ませることにより、ブラシレスＤＣモータの起動直後の超低速時や、低負荷・低速駆動時ではＰＷＭ制御を併用することで安定した起動性の確保と、超低負荷、超低速時の駆動安定性が向上する。

第５の発明は、第１から第４のいずれか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り、これにより本発明のモータ駆動装置によって圧縮機のＣＯＰを向上することが出来、高効率な冷凍サイクルを提供できる。

第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明のモータ駆動装置により駆動される圧縮機を有する電気機器であり、これにより高効率な冷凍サイクルにより低消費電力な電気機器が提供できるとともに、高周波スイッチングに伴う高周波数帯域の騒音が抑制され電気機器の静音化が可能となる。

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が、倍電圧整流出力または全波整流出力の単出力構成でも問題なく、昇圧チョッパまたは降圧チョッパを用いた構成、あるいは任意の電圧に出力を調整できる構成でも構わない。

インバータ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）を検出するが、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モータの駆動速度を検出するものであり、本実施の形態ではブラシレス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ゼロクロス周期を基に算出する。

誤差検出手段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。

転流制御部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供給する相を設定する。また転流制御部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ミングを設定するオンタイミング制御部９と、オフタイミング制御部１０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。

ＰＷＭ制御手段１１は、インバータの３相交流出力をＰＷＭ制御により出力電圧を調節し、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供給区間最低電気角』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制御手段は時比率が１００％となる様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。

ターンオフ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。尚、ＰＷＭ制御手段１１によるオン時間時比率の調整によるブラシレスＤＣモータ４の速度制御は、ブラシレスＤＣモータ４の起動時等の非常に駆動速度が低い場合、あるいは駆動負荷が小さい場合としている。それ以外の状態では、ＰＷＭ制御手段１１はオン時間時比率が１００％となるように、転流制御部８による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４の速度制御を行う。

波形合成部１２はＰＷＭ制御手段１１により生成したＰＷＭ信号と転流制御部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、任意の３相交流電圧を生成しブラシレスＤＣモータ４に供給し駆動する。

圧縮要素１４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１４とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機１５を構成する。圧縮機１５で圧縮された吐出ガスは、凝縮器１６、減圧器１７、蒸発器１８を通って圧縮機１５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１６では放熱、蒸発器１８では吸熱を行うので、加熱や吸熱を行うことができる。尚、必要に応じて凝縮器１６や蒸発器１８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１９の冷凍サイクルとして用い、蒸発器１８は断熱壁２０で囲われた食品貯蔵室２１内を冷却するために用いる。

以上の様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である。図２（１）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、（２）はオフタイミング制御部１０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、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切換えのタイミング（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。よって電気角の１周期あたり各相２回、３相合計で６回、電気角３０度毎に位置信号が発生する。

図２（１）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（２）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＋をオンする様にしている。

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すなわち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。これにより固定し巻線の電力供給区間が短くなり、ＰＷＭ制御によるオン・オフ回数の低減で、インバータ回路の損失を抑制できる。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るため、位置検出信号を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）の検出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様にして、遅れ位相によるトルク低下が発生しない様に考慮している。

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相巻線への電力供給区間を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の無い安定した駆動が可能となる。

次にＳＷ素子のオフタイミング調整動作について、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、１２０度通電との割合から７５％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、Ｓ２５でスイッチング素子のオフタイミングの調整制御を開始する。

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１０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様に速度制御を行い（Ｓ３３）、不可能であればＰＷＭ制御手段１１におけるＰＷＭ制御を行う（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後すぐスイッチング素子をオフしている場合はこれ以上オフ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電力供給区間は電気角９０度となる。

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タミング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ることで、ブラシレスＤＣモータ巻線への電力供給期間を増やすことで駆動速度が上昇する様に速度制御を行う。また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様に速度制御を行う。 なお、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度での通電ではスイッチング素子のオフタミングとオンタイミングが一致して行われることになる。固定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任意の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様に、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、位置検出タイミングから「（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（例えば進角が１０度の場合、ターンオフは位置検出から電気角が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が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・オフのタミングを自由に設定可能としている。

尚、進角を付加したときの巻線への電力供給区間は電気角で「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、ターンオフタミングを位置検出から「（電気角３０度）−（進角）」経過したタミングとして、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電力供給区間を電気角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モータへの電力供給区間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。

次に本実施の形態におけるブラシレスＤＣモータの端子電圧について図６を用いて説明する。図６（１）および（２）は図２（１）における区間Ｃ１、Ｆ１を示し、図６（３）および（４）は図２（２）における区間Ｃ３，Ｆ２を示している。

図６（１）、（２）に示すように１２０度通電のＰＷＭ制御での波形を示す図２（１）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６（１）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６（３）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６（２）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６（４）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７に示す。図７（１）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７（２）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。

以上の様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日大半で冷蔵庫の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％としてブラシレスＤＣモータの巻線への電力供給区間を調整しながら駆動速度の制御を行う。これによりインバータ３はＰＷＭ制御によるスイッチングロスの発生が無いため大幅にインバータ回路効率を向上することが出来る。

本実施の形態では、インバータ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、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％であるため、ＰＷＭ制御に起因する騒音の発生をなくせるため、冷蔵庫の静音設計に非常に有効である。

以上の様に本実施の形態１において、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、ブラシレスＤＣモータ４のロータ位置を検出する位置検出手段５とを備え、インバータ３は、位置検出手段５で得られた位置信号に応じてオンまたはオフする６個のスイッチング素子で構成され、位置検出手段５の位置信号に対してインバータ３のスイッチング素子をオフするタミングをオンするタイミングより進ませることにより、ブラシレスＤＣモータの固定し巻線に電力を供給する区間を短くすることが出来るため、ＰＷＭ制御によるオン時間時比率が大きくなり、ブラシレスＤＣモータの高周波電流成分が抑制され、ブラシレスＤＣモータの鉄損低減が図れる。また、ＰＷＭ制御に伴うスイッチング素子のオン・オフ回数が少なくなり、インバータ損失の低減によるモータ駆動装置に高効率化が図れる。

また本実施の形態では、インバータ３のスイッチング素子を高周波でスイッチングすることにより、ブラシレスＤＣモータ４に供給する電圧を調節するＰＷＭ制御手段１１と、スイッチング素子をオンおよびオフさせるタミングを制御する転流制御部８を有し、ＰＷＭ制御手段１１によるオン時間の時比率が１００％となる様に、スイッチング素子のオフ
タミングを調整するので、スイッチング素子のオン・オフに伴うスイッチングロスを大幅に抑制可能となりインバータ３の効率を向上できる。またスイッチング素子の高周波オン・オフによるブラシレスＤＣモータに流れる電流に高周波成分の発生がないので、モータ鉄損を大幅に抑制することができる。これにより、ブラシレスＤＣモータおよび回路の低損失化で、高効率なモータ駆動装置を提供することができる。また、ＰＷＭ制御のオン時間時比率を１００％とするので、高周波スイッチングに伴う高周波数帯域の騒音の発生もなく、装置の静音化が図れる。さらにオン時間時比率１００％の駆動は、リンギングノイズの影響による位置検出ズレを排除でき正確な位置検出が実現できるため、駆動安定性の更なる向上が図れ、これによりモータ駆動装置の更なる高効率化、低騒音化、低振動図れる。

また、スイッチング素子をオン状態からオフ状態への切換えは、オフ状態からオン状態に切換えに対して、電気角０度から３０度の範囲で早いタミングで行うことで、ターンオフをターンオンより早めた電気角の１／２の進角が自動的に付加されるようになり、電力供給の休止期間を有する駆動波形での駆動であっても、脱調等の発生無く安定した駆動が可能となる。

また、ブラシレスＤＣモータ固定子巻線の通電相の切換えタイミングは、位置検出手段の位置信号に対してスイッチング素子のオフタイミングを進ませる電気角とオンタイミングを進ませる電気角の和は電気角６０度以下として、且つオフタイミングを進ませる電気角がオンタイミングを進ませる電気角以上としている。これにより進角とブラシレスＤＣモータへの電力供給休止区間を、電気角０度〜３０度の範囲で設定できるため、ブラシレスＤＣモータの負荷および駆動速度状態により最適な電力供給期間に設定できるため、負荷状態や速度により最適な進角を与える必要がある埋め込み型磁石（ＩＰＭ）モータを最適に駆動出来る様になるので様々なタイプの永久磁石モータを高効率に駆動することができる。

また、ブラシレスＤＣモータの３相巻線への電力供給区間を電気角９０度以上１５０度以下として、電力供給区間が電気角９０度以上１２０度未満の時、前記スイッチング素子のオフをオンするタミングより進ませる様にして、ブラシレスＤＣモータの幅広い負荷および駆動速度範囲で最適な駆動状態を実現することが可能となる。

また、ＰＷＭ制御手段１１によるスイッチング素子のオン時間時比率が所定値以上のとき、転流制御部８はスイッチング素子のオフをオンタイミングより進ませることで、ＰＷＭオン時間時比率が所定値より低くなる起動時や、低速駆動時で非常に負荷が低い場合などでも、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駆動時の不安定動作、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。

またブラシレスＤＣモータは、冷凍サイクルの圧縮機を駆動することで、鉄損低減によるモータ効率の向上でＣＯＰの高い圧縮機の提供とこれによる高効率な冷凍サイクルを提供することが出来る。

さらに本発明のモータ駆動装置で圧縮機を駆動する冷凍サイクルを冷蔵庫に採用すれば、モータ駆動装置の回路効率向上と、高ＣＯＰ圧縮機を用いた高効率冷凍サイクルの採用により、消費電力量の低い冷蔵庫を提供できるとともに、ＰＷＭ制御のスイッチング動作に伴う高周波数帯域の騒音発生が無く、冷蔵庫の静音化も可能となる。

以上の様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、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。

１ 交流電源
２ コンバータ回路
３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
５ 位置検出手段
６ 速度検出手段
７ 誤差検出手段
８ 転流制御部
９ オンタイミング制御部
１０ オフタイミング制御部
１１ ＰＷＭ制御手段
１２ 波形合成部
１３ ドライブ手段
１４ 圧縮要素
１５ 圧縮機
１６ 凝縮器
１７ 減圧器
１８ 蒸発器
１９ 冷蔵庫
２０ 断熱壁
２１ 食品貯蔵室

Claims (6)

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インバータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータ位置を検出する位置検出手段とを備え、前記インバータは、前記位置検出手段で得られた位置信号に応じてオンまたはオフする６個のスイッチング素子で構成され、前記位置検出手段の位置信号に対して前記インバータのスイッチング素子をオフするタミングをオンするタイミングより進ませることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記インバータのスイッチング素子の高周波でスイッチングによるオン期間の時比率で前記ブラシレスＤＣモータに供給する電圧を調節するＰＷＭ制御手段と、前記スイッチング素子のオンおよびオフさせるタミングを制御する転流制御部を有し、前記ＰＷＭ制御手段によるオン期間の時比率が１００％となる様に、スイッチング素子のオフタミングを調整する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記スイッチング素子のオン状態からオフ状態への切換えは、オフ状態からオン状態に切換えに対して、電気角０度から３０度の範囲で早いタイミングで行う請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記ＰＷＭ制御手段による前記スイッチング素子のオン期間時比率が所定値以上となったとき、転流制御手段はスイッチング素子のオフをオンタイミングより進ませる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 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から請求項４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 請求項１から請求項５に記載のいずれかのモータ駆動装置により駆動される圧縮機を有する電気機器。

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