WO2016170792A1 - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

モータ駆動装置（３０）は、負荷を駆動させるブラシレスＤＣモータ（５）と、ブラシレスＤＣモータ（５）をＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部（８）とを有する。モータ駆動装置は、さらに、ブラシレスＤＣモータ（５）の駆動速度によりＰＷＭオン比率を増減させるＰＷＭオン比率増減部（９）と、ＰＷＭオン比率増減部（９）で決定されたＰＷＭオン比率に従ってブラシレスＤＣモータ（５）を駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部（１０）を有する。ＰＷＭオン比率増減部（９）は、ブラシレスＤＣモータ（５）の駆動速度が所定の速度より遅い区間では、ＰＷＭオン比率を速度制御部（８）で決定されたＰＷＭオン比率以下に設定し、所定の速度より速い区間では、ＰＷＭオン比率を速度制御部（８）で決定されたＰＷＭオン比率以上に設定する。

Description

モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫

　本発明は、ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫に関する。

　従来、この種のモータ駆動装置では、モータをＰＷＭ（パルス幅変調）制御で駆動しながら、目標速度に対してモータの運転速度が高ければ、ＰＷＭのオン時間を低減させ、目標速度に対してモータの運転速度が低ければオン時間を増加させている。

　また、従来のモータ駆動装置を用いて冷却する冷蔵庫においては、冷凍サイクル内に四方弁が設けられ、圧縮機運転時は、通常の冷凍サイクルが構成される。また、圧縮機停止時は、高低圧が冷凍サイクル上分離し、かつドライヤから圧縮機に高圧冷媒がパスされ、圧縮機の吸入および吐出の圧力差が小さくなるよう四方弁が切り換えられる。このような構成により、圧縮機停止時には、高圧側の冷媒が蒸発器に流れ込むことなく、蒸発器の温度は低いまま保持され庫内温度を上昇させないことで冷蔵庫の省エネルギ化を図っている（例えば、特許文献１参照）。

　図５は、特許文献１に記載された従来のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫の冷凍サイクルを示す図である。図５に示すように、低圧シェル式の圧縮機１０１、コンデンサ（凝縮器）１０２、ドライヤ１０３、毛細管１０４、および、蒸発器１０５の順番で冷凍サイクルが形成されている。冷媒は、上述の順番で、冷凍サイクル内を圧縮機１０１から凝縮器１０５に向けて流れている。四方弁１０６は、入り口Ａがドライヤ１０３に、出口Ｂが毛細管１０４に、入り口Ｃが蒸発器１０５に、出口Ｄが圧縮機１０１に、それぞれ接続されている。圧縮機１０１の運転中は、四方弁１０６の入り口Ａと出口Ｂとを連通させているとともに、入り口Ｃと出口Ｄとを連通させている。また、圧縮機１０１の停止中は、四方弁１０６の入り口Ａと出口Ｄとを連通させるとともに、入り口Ｃと出口Ｂとを連通させる。

　これにより、圧縮機停止中は、圧縮機１０１、コンデンサ１０２、および、ドライヤ１０３が設けられた高圧域の閉回路と、毛細管１０４および蒸発器１０５が設けられた低圧域の閉回路とが構成される。冷凍サイクル動作中は、正規の冷凍サイクルが形成され、通常の冷却運転を行うことができる。また、冷凍サイクル停止時は、高低圧がサイクル上分離され、かつドライヤから圧縮機に高圧冷媒がパスされ、圧縮機の吸入および吐出の圧力差を小さくし、負荷トルク変動が小さい状態でモータ駆動装置を起動することができる。このような構成により、冷凍サイクル停止中は、高圧側の冷媒が蒸発器１０５に流れることがなく蒸発器１０５の温度も上昇せず、冷凍サイクルのロスを低減することができる。

　しかしながら、上記のような従来の構成は、モータ駆動装置が起動時の大きな負荷トルク変動に対応できず、圧縮機１０１を安定して起動させるには、圧縮機１０１の停止時は四方弁１０６を用いて、圧縮機１０１の吸入および吐出の圧力をバランスさせる必要があるため、システムが複雑になりコストも増加するという問題がある。

特開平１０－０２８３９５号公報

　本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであり、負荷トルク変動が大きな状態でも安定して起動するモータ駆動装置を提供する。

　具体的には、本発明の実施の形態の一例によるモータ駆動装置は、負荷を駆動するブラシレスＤＣモータと、ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部とを有する。さらに、モータ駆動装置は、ＰＷＭオン比率を、ブラシレスＤＣモータの駆動速度が所定の速度より遅い区間では速度制御部で決定されたＰＷＭオン比率以下に設定し、ブラシレスＤＣモータの駆動速度が所定の速度より速い区間では速度制御部で決定されたＰＷＭオン比率以上に設定するＰＷＭオン比率増減部を有する。さらに、モータ駆動装置は、ＰＷＭオン比率増減部で決定されたＰＷＭオン比率に従ってブラシレスＤＣモータを駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部を有する。

　このような構成により、モータ駆動装置は、負荷が重くなる区間で、ブラシレスＤＣモータの出力トルクを増加させ、負荷が軽くなる区間では、ブラシレスＤＣモータの出力トルクを低減させて駆動する。また、必要なトルクが小さい速度の遅い区間では、過剰な出力トルクを抑制することとなり、トルクが不足している速度が速い区間では、出力トルク大きくすることが可能となる。これにより、負荷トルク変動が大きい条件であっても速度変化を減少させ、振動を低減しながら起動することができる。

　また、モータ駆動装置の起動時の振動に関しても、トルクの変動に合わせて印加電圧を変動させ、ブラシレスＤＣモータに流れる電流を調整することが可能となる。このため、モータ駆動装置の起動時の振動を抑制することができる。

　さらに、上記のような構成により、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧が低下し、電流が流れやすくなる区間である、ブラシレスＤＣモータの駆動速度が低下する区間で、ＰＷＭオン比率を低減させ電流を流れにくくし、ピーク電流を抑制することができる。これにより、減磁電流の低い高効率モータの使用による省エネルギ化および電流定格の小さい素子の使用によるコストダウンなどが可能となる。

　また、本発明の実施の形態の一例によるモータ駆動装置は、モータ駆動装置が、圧縮機、凝縮器、キャピラリ、蒸発器および圧縮機の順に接続された冷凍サイクルにおける圧縮機を駆動し、圧縮機の吸入側と吐出側との圧力差が残る状態で起動するよう構成されていてもよい。

　このような構成により、モータ駆動装置は、圧縮機の吸入側と吐出側とで圧力差がついた状態であっても起動できることとなり、単純なシステム構成で安価に蒸発器の温度を上昇させず、冷凍サイクルのロスを低減することができる。

　また、圧縮機が運転中に停電となり、圧縮機の吸入および吐出の圧力がバランスする前に停電から復帰した場合でもすぐに圧縮機を運転開始することが可能となり、停電が頻発するような電源事情の悪い状況であっても即座に冷却することができる。

　本発明の実施の形態の一例によるモータ駆動装置は、圧縮機の吸入と吐出との圧力差が少なくとも０．０５ＭＰａ以上となるよう構成されていてもよい。このような構成により、モータ駆動装置の振動の増加による劣化の促進を軽減し、圧縮機の信頼性を維持しつつ、冷凍サイクルのロスを低減できる。

　本発明の実施の形態の一例によるモータ駆動装置は、圧縮機と凝縮器との間に弁が設けられ、圧縮機停止時に弁が閉じられ、圧縮機運転時は開かれるよう構成された冷蔵庫において、圧縮機を駆動するよう構成されていてもよい。このような構成により、凝縮器の高温高圧の冷媒が圧縮機に戻らないこととなり、蒸発器の温度をより上昇させず、より冷凍サイクルのロスを低減することができる。

　また、四方弁を用いた構成に比べシステムも単純で安価に構成することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるＰＷＭオン比率の変化を示す遷移図である。 図３は、本発明の実施の形態における動作の流れを示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスＤＣモータのゼロクロス検出間隔および負荷トルクの変化を示す遷移図である。 図５は、従来の冷蔵庫の冷凍サイクルを示す図である。

　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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。図１において、交流電源１は一般的な商用電源で、日本においては実効値１００Ｖの５０または６０Ｈｚの電源である。モータ駆動装置３０は、交流電源１に接続され、ブラシレスＤＣモータ５を駆動する。以下、モータ駆動装置３０について説明する。

　整流回路２は、交流電源１を入力として交流電力を直流電力に整流するものであり、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の出力を平滑化する。平滑部３は、平滑コンデンサ３ｅと、リアクタ３ｆとから構成される。平滑部３からの出力はインバータ４に入力される。

　また、平滑コンデンサ３ｅとリアクタ３ｆとは、共振周波数が交流電源周波数の４０倍より高い周波数になるように設定される。これによって、共振周波数による電流は、電源高調波規制の範囲外となり、高調波電流を低減することができる。また、このような条件を満たす平滑コンデンサ３ｅが設けられることで、母線電圧は大きなリプル成分を含み、交流電源１から平滑コンデンサ３ｅに流れる電流も交流電源１の周波数成分に近い電流となるため、高調波電流を低減することができる。

　なお、リアクタ３ｆは、交流電源１と平滑コンデンサ３ｅとの間に挿入されていればよく、整流ダイオード２ａ～２ｄの前後どちらに配置されていても構わない。また、リアクタ３ｆは、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た場合、高周波除去手段のリアクタンス成分との合成成分が考慮されて周波数が設定される。

　インバータ４は、平滑部３からの電圧に、交流電源１の電源周期の２倍周期で大きなリプル成分を含ませた直流電力を、交流電力に変換する。インバータ４は、６個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ている。また、６個の還流電流用ダイオード４ｇ～４ｌは、スイッチング素子４ａ～４ｆにそれぞれ、逆方向に接続されている。

　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とから構成される。ブラシレスＤＣモータ５は、インバータ４により作られた３相交流電流が固定子５ｂの３相巻線に流れることにより、回転子５ａを回転させる。

　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、および、固定子５ｂの３相巻線に流れる電流と印加電圧などから、固定子５ｂの磁極位置を検出する。本実施の形態においては、位置検出部６は、ブラシレスＤＣモータ５の端子電圧を取得し、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの磁極相対位置を検出する。具体的には、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の相対的な回転位置を検出している。より具体的には、誘起電圧と基準となる電圧とを比較し、ゼロクロスを検出する。誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧は、３相分の端子電圧から仮想中点を作ることにより設定されてもよいし、直流母線電圧を取得してその電圧を誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧としてもよい。本実施の形態では、仮想中点を誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧としている。誘起電圧から検出する方式は、構成が簡単でより安価に構成することが可能となる。

　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、および、過去１回転の平均速度を計算する。本実施の形態では、誘起電圧のゼロクロス検出からの時間を測定し、この誘起電圧のゼロクロス検出からの時間を現在の速度として計算を行う。また、誘起電圧ゼロクロスの間隔を区間経過時間として検出し、ブラシレスＤＣモータ５の過去１回転における区間経過時間の和を算出し、その結果から１回転の平均速度を算出する。

　速度制御部８は、速度検出部７で検出された１回転の平均速度と目標速度とを比較し、目標速度のほうが１回転の平均速度より高ければ、ブラシレスＤＣモータ５への印加電圧を上げ、目標速度が１回転の平均速度より低ければ、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を下げ、一致していれば、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を維持する制御を行う。

　ＰＷＭオン比率増減部９では、速度検出部７で検出されたブラシレスＤＣモータ５の現在の速度が、あらかじめ決定された所定の速度よりも速ければ、速度制御部８で設定されたブラシレスＤＣモータ５への印加電圧を増加させ、ブラシレスＤＣモータ５の現在の速度が所定の速度より遅ければ、速度制御部８で設定されたブラシレスＤＣモータ５への印加電圧を低下させる。所定の速度は、固定の値であらかじめ設定されてもよいし、母線電圧とデューティ幅の積から決定されてもよい。所定の速度は、あらかじめ定めておくことで、処理が非常に簡素化され、安価で低性能なマイコンであっても実現が可能となる。また、母線電圧とデューティ幅との積から所定の速度を決定する場合は、ブラシレスＤＣモータ５への印加電圧の大きさに応じてブラシレスＤＣモータ５の速度が変わるため、状態に応じたより安定した駆動が可能となる。本実施の形態では、所定の速度をあらかじめ定めておく方式とする。印加電圧の増加および低下の幅は、あらかじめ定めた所定の値および所定の速度に応じて変化させるとしてもよい。所定の速度等をあらかじめ定めておくことにより、想定される範囲内での起動に対して、簡易な処理および構成となり、安価に実現できる。また、所定の速度に応じて変化させる方式では、運転状態に応じて印加電圧を変化させることとなり、広い負荷範囲に対応が可能となる。本実施の形態では、あらかじめ定めた値とする。

　ドライブ部１０は、位置検出部６で検出されるブラシレスＤＣモータの回転子５ａの位置に基づき、インバータ４がブラシレスＤＣモータ５の３相巻線に供給する電力の供給タイミングと、ＰＷＭ制御するドライブ信号を出力する。具体的には、ドライブ信号は、インバータ４のスイッチング素子４ａ～４ｆをオンまたはオフ（以下、オン／オフと記す）する。これにより、固定子５ｂに最適な交流電力が印加され、回転子５ａが回転し、ブラシレスＤＣモータ５が駆動される。駆動波形は、矩形波および正弦波などがある。

　また、ドライブ部１０では、ＰＷＭオン比率増減部９で設定された印加電圧を元にＰＷＭデューティ幅を計算し、出力する。

　また、どの相に通電するかの決定は、位置検出部６からの情報を元に、ドライブ部１０で行われている。本実施の形態では、１２０度矩形波で駆動を行っているため、上側アームのスイッチング素子（インバータ４に入力される直流電圧の正側に接続されたスイッチング素子）４ａ，４ｃ，４ｅをそれぞれ１２０度ずつずらして通電している。下側アームのスイッチング素子（インバータ４に入力される直流電圧の負側に接続されたスイッチング素子）４ｂ，４ｄ，４ｆも同様に、１２０度ずつずらして通電している。スイッチング素子４ａと４ｂ，４ｃと４ｄ，および、４ｅと４ｆは、それぞれお互いの通電期間の間に６０度ずつのオフ期間が存在する。

　次に、本実施の形態におけるモータ駆動装置３０を用いた冷蔵庫２２について説明する。

　冷蔵庫２２には、圧縮機１７が搭載されているが、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの回転運動は、クランクシャフトにより、往復運動に変換される。クランクシャフトに接続されたピストンは、シリンダ内を往復運動することにより、シリンダ内の冷媒を圧縮する。つまり、ブラシレスＤＣモータ５と、クランクシャフト、ピストン、および、シリンダにより、圧縮機１７が構成される。

　圧縮機１７の圧縮方式（機構方式）は、ロータリ型およびスクロール型など、任意の方式が用いられる。本実施の形態においては、レシプロ型の場合について説明する。レシプロ型の圧縮機１７は、吸入および圧縮の工程でのトルク変動が大きく、速度および電流値が大きく変動する。

　圧縮機１７で圧縮された冷媒は、弁１８、凝縮器１９、減圧器２０、蒸発器２１を順に通って、再び圧縮機１７に戻るような冷凍サイクルを構成する。このとき、凝縮器１９では放熱を、蒸発器２１では吸熱を行うので、冷却および加熱を行うことができる。このような冷凍サイクルが搭載されて、冷蔵庫２２が構成されている。

　弁１８は、通電によって開閉動作が可能な電磁弁などが用いられる。本実施の形態では、弁１８は、圧縮機１７が運転中は開状態とし、圧縮機１７と凝縮器１９とを連通させる。これにより、冷凍サイクル内に冷媒が流れる。一方、圧縮機１７が停止中は、弁１８は閉状態とし、圧縮機１７と凝縮器１９との間を閉塞させることにより、冷媒が流れないようにする。

　以上のように構成されたモータ駆動装置３０について、その動作を図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるＰＷＭオン比率の変化を示す遷移図である。図２において、横軸はゼロクロス検出を行ってからの時間を示す。図２のグラフＡの縦軸は、インバータ４をＰＷＭ制御する際のデューティのオン比率を示し、図２のグラフＢの縦軸は、ゼロクロスからの平均ＰＷＭオン比率を示している。

　Ｒｂ１は、ブラシレスＤＣモータ５の駆動速度が過去１回転の平均速度より早いときに印加する最大の平均ＰＷＭオン比率を示し、Ｒａ１と等しい。Ｒｂ２は、速度制御部８で決定されたＰＷＭオン比率を示している。Ｒｂ３は、ブラシレスＤＣモータ５の駆動速度が過去１回転の平均速度より遅いときに印加する最小の平均ＰＷＭオン比率を示しており、Ｒａ２と等しい。Ｒａ３は、位置検出部６で回転子５ａの磁極位置を検出するために最低限必要なＰＷＭオン比率を示している。

　Ｔ０は、ゼロクロス検出のタイミングを示し、Ｔ２は、過去１回転分の平均速度から求められるゼロクロス検出間隔の平均時間である。例えば、本実施の形態の３相４極モータでは、１回転で１２回転流し、平均速度が３ｒ／ｓであるとすると、１秒間に１２と３の積である３６回転流することとなるため、ゼロクロス検出間隔の平均時間は、１秒を３６で除算した約２７．８ｍｓとなる。Ｔ１は、

で表される。具体的には、Ｔ２のタイミングで、平均ＰＷＭオン比率が速度制御部８で決定されたＰＷＭオン比率Ｒｂ２になるために、Ｔ０からＰＷＭオン比率Ｒａ１で運転し、途中でＰＷＭオン比率をＲａ３に切り換えるタイミングを示す。Ｔ３は、

で表される。具体的には、Ｔ２のタイミングからＰＷＭオン比率をＲａ３で運転を継続した場合、平均ＰＷＭオン比率がＲｂ３になるタイミングを示し、ＰＷＭオン比率をＲａ３からＲａ２に切り換えるタイミングとなる。

　実際のＰＷＭオン比率の変化を示すと、図２のグラフＡに示すように、Ｔ０からＴ１まで、Ｒａ１に設定され、Ｔ１からＴ２までＲａ３に設定されることで、モータ駆動装置３０は、平均以上の速度では、速度制御部８で決定されたＰＷＭオン比率よりも高いＰＷＭオン比率で駆動することとなる。Ｔ２からＴ３に関しては、引き続きＲａ３で駆動し、Ｔ３以降は、Ｒａ２で駆動することで、モータ駆動装置３０は、平均以下の速度では、速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率以下で駆動することとなる。その際の平均ＰＷＭオン比率の最大は、Ｒｂ１、最小はＲｂ３となる。このとき、Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３およびＲａ３の関係は
　Ｒｂ１≧Ｒｂ２≧Ｒｂ３＞Ｒａ３　　　（３）
となる。Ｒａ３は、少なくとも位置検出部６で回転子５ａの磁極位置を検出できるＰＷＭオン比率を確保する。

　次に、モータ駆動装置３０の詳細な制御方法について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態における動作の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、ゼロクロス検出が行われた際に呼び出される。まず、ＳＴＥＰ２０１において、ゼロクロス検出が発生した場合、ゼロクロス検出からの経過時間を示す、ゼロクロス検出タイマをクリアし、ＳＴＥＰ２０２に移行する。

　ＳＴＥＰ２０２では、ゼロクロス検出からの経過時間を計測するため、ゼロクロス検出タイマをスタートし、ＳＴＥＰ２０３に移行する。

　ＳＴＥＰ２０３では、ゼロクロス検出タイマの経過時間がＴ１以上かどうかを判定する。Ｔ１未満であればＳＴＥＰ２０４へ、Ｔ１以上であればＳＴＥＰ２０６へ移行する。ここでは、ゼロクロス検出タイマはＴ１未満として、ＳＴＥＰ２０４へ移行する。

　ＳＴＥＰ２０４では、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御する際のインバータ４のオン比率を設定する。ＳＴＥＰ２０４では、ＰＷＭオン比率がＲａ１に設定され、ＳＴＥＰ２０５へ移行する。

　ＳＴＥＰ２０５では、位置検出部６がゼロクロスを検出したかどうかを判定する。位置検出部６がゼロクロスを検出しなかった場合は、再びＳＴＥＰ２０３へ移行し、ゼロクロスを検出した場合は、処理を終了する。

　一方、ＳＴＥＰ２０３において、ゼロクロス検出タイマがＴ１以上だった場合は、ＳＴＥＰ２０６へ移行する。

　ＳＴＥＰ２０６では、ゼロクロス検出タイマが、ゼロクロス検出からこれまでの平均ＰＷＭオン比率が平均速度よりも遅い場合の最小ＰＷＭオン比率と一致するＴ３以上かどうかを判定する。Ｔ３未満であれば、ＳＴＥＰ２０７へ移行し、Ｔ３以上であればＳＴＥＰ２０８へ移行する。ここでは、ゼロクロス検出タイマがＴ３未満として、ＳＴＥＰ２０７へ移行する。

　ＳＴＥＰ２０７では、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御する際のインバータ４のオン比率を設定する。本実施の形態においては、ＳＴＥＰ２０７にて、ＰＷＭオン比率がＲａ３に設定され、ＳＴＥＰ２０５へ移行する。

　一方、ＳＴＥＰ２０６でゼロクロス検出タイマの経過時間がＴ３以上だった場合、ＳＴＥＰ２０８に移行する。

　ＳＴＥＰ２０８では、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御する際のインバータ４のオン比率を設定する。本実施の形態においては、ＳＴＥＰ２０８にて、ＰＷＭオン比率がＲａ２に設定され、ＳＴＥＰ２０５へ移行する。

　ＳＴＥＰ２０５でゼロクロス検出があった場合、処理を終了する。ＳＴＥＰ２０４からの経路で終了へ移行した場合は、現在の平均ゼロクロス検出間隔を表すＴ２よりも前にゼロクロスを検出したこととなるため、平均速度よりも速い区間ということとなる。したがって、その間の平均ＰＷＭオン比率は、速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２よりも高いＲｂ１が出力されることとなる。

　また、ＳＴＥＰ２０８からの経路で終了へ移行した場合は、現在の平均ゼロクロス検出間隔を表すＴ２より後にゼロクロスを検出したため、平均より遅い区間ということとなる。したがって、その間の平均ＰＷＭオン比率は、速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２よりも低いＲｂ３が出力されることとなる。

　また、ＳＴＥＰ２０７からの経路で終了へ移行した場合は、ゼロクロス検出タイマがＴ２で、平均ＰＷＭオン比率は、速度制御部８で決定されたＰＷＭオン比率Ｒｂ２と一致する。ゼロクロス検出タイマがＴ２より速い場合は、平均ＰＷＭオン比率は、Ｒｂ１からＲｂ２の間の速度制御部８で決定されたＰＷＭオン比率Ｒｂ２より高い値となる。ゼロクロス検出タイマがＴ２より遅い場合は、Ｒｂ２からＲｂ３の間のＲｂ２より低い値となる。

　上述したフローをゼロクロス検出のタイミングで呼び出すことで、過去１回転の平均速度より速い区間では、ＰＷＭオン比率を増加させ、遅い区間では、ＰＷＭオン比率を減少させることができる。ブラシレスＤＣモータ５の速度が低いほど、同じ負荷の変化に対して、速度の変化が大きくなる。このため、起動時に負荷トルクが大きく変動するような場合は、速度の遅い部分では、ブラシレスＤＣモータ５の誘起電圧が特に低くなり、印加電圧が一定のとき電流が大きくなる。このため、インバータ４の破壊を防止するために大きな容量の素子を用いたり、ブラシレスＤＣモータの減磁限界電流を大きくするために効率の悪いモータを使用するなどが必要となる。

　ここで、ブラシレスＤＣモータ５の効率と減磁限界電流との関係を詳しく説明する。固定子５ｂの巻き数を多くすることで、同じ電流で得られるトルクが大きくなり、必要なトルクを出力するための電流が小さくなるため、効率が良くなる。しかし、回転子５ａの中の永久磁石の磁力が不可逆的に低減する減磁の磁力は変わらないため、回転子５ａの減磁とならない限界の電流である減磁限界電流は、固定子５ｂの巻き数が多くなるほど小さくなる。つまり、大きな電流を流そうとすると、大きな減磁限界電流が必要となり、効率の悪いモータを使うこととなる。

　また、これらを防ぐために用意された過電流保護によってブラシレスＤＣモータの駆動が停止することもある。本実施の形態では、速度が遅い部分でＰＷＭオン比率を低減し、印加電圧を減少させることで電流値を抑制することができるので、インバータ４に比較的小さな容量の素子を採用したり、高効率のモータを採用することが可能となる。

　次に、図４を用いて、速度が速い区間でＰＷＭオン比率を増加させ、速度が遅い区間でＰＷＭオン比率を低減させる効果を示す。図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスＤＣモータのゼロクロス検出間隔および負荷トルクの変化を示す遷移図である。図４の横軸は、ブラシレスＤＣモータ５の位相を示し、１回転分の位相をプロットしたものである。図４のグラフＣの縦軸は、ゼロクロス検出間隔を示し、図４のグラフＤは、負荷トルクの変化を示している。図４に示すように、差圧起動を行う場合、負荷トルクおよびゼロクロス検出間隔は大きく変化するが、負荷トルクの増加および実際のゼロクロス検出間隔の増加のピークは一致せず、負荷トルクに対してゼロクロス検出間隔には応答遅れが存在する。

　これにより、位置検出間隔が長い速度の遅い区間では、必要なトルクは小さいため、速度が遅い区間でＰＷＭオン比率を低減することは過剰な出力トルクを抑制することとなる。このため、速度が速い区間でＰＷＭオン比率を増加させることは、トルクが不足している部分で出力トルク大きくすることとなるので、負荷トルク変動が大きい条件であっても、速度変化を減少させ、振動を低減しながら起動することができる。

　また、速度が速く、負荷トルクが小さい部分も存在するが、その区間では、負荷が大きく速度が低下する区間の前に加速することで、回転子５ａの回転エネルギを利用し、速度の低下を低減させることができるので、振動の低減に効果的である。

　圧縮機１７において、吸入と吐出との間の差圧が０．０５ＭＰａ以上ある状態で、印加電圧を１回転の中で速度に応じて変化させず、加速のために単調に増加させた場合、差圧により負荷トルクの変動が大きく速度変動が大きくなるため、振動が大きくなり、圧縮機１７の部品の磨耗による故障の可能性の増加などの問題がある。しかし、速度が速い区間でＰＷＭオン比率を増加させ、速度が遅い区間でＰＷＭオン比率を低減させることで、従来の印加方式に比べ信頼性を大きく向上させることができる。

　次に、本実施の形態のモータ駆動装置３０を冷蔵庫２２に用いて、圧縮機１７を駆動した場合について説明する。

　圧縮機１７を起動させると同時に、弁１８を開の状態とし、圧縮機１７の吐出と凝縮器１９とを連通させる。弁１８は、圧縮機１７の起動と同時に開にするとしたが、時間的に多少前後しても問題とはならない。圧縮機１７の駆動を継続すると、凝縮器１９は高圧となり、減圧器２０で減圧され蒸発器２１は低圧となる。このとき、圧縮機１７の凝縮器１９につながる吐出は高圧に、蒸発器２１につながる吸入は低圧になる。ここで、冷蔵庫２２の庫内温度が低下し、圧縮機１７を停止したとする。弁１８が開のままの状態では、徐々に凝縮器１９と蒸発器２１の圧力がバランスしていく。冷蔵庫のシステムにもよるが、圧縮機１７の吸入と吐出との間の圧力差が０．０５ＭＰａ以下のバランスしたといえる状態になるまで、１０分程度かかる。圧縮機１７の停止と同時に弁１８を開から閉状態に移行させると、凝縮器１９と蒸発器２１との圧力差はほぼ維持され、圧縮機１７の吐出と吸入との間に圧力差が残る。冷蔵庫２２の庫内温度が上昇し、再び圧縮機１７を起動させる際に、圧縮機１７の停止中に弁１８を閉め圧力差を保持した状態と、圧力がバランスした状態から起動する場合と比較した場合、弁１８を閉め圧力差を保持したほうが、凝縮器１９と蒸発器２１の間に再び圧力差を設けるための電力が小さくすむため、より省エネルギ化が可能となる。また、圧縮機１７の停止中も弁１８を開のままにする場合、および、弁１８が設けられない場合であっても、圧縮機１７の停止から、圧縮機１７の吸入と吐出との間の圧力がバランスする１０分経過前に、庫内温度が上昇した場合、従来の構成においては圧力差が０．０５ＭＰａ以下でしか起動できないため、１０分経過することを待つ必要がある。一方、本実施の形態のモータ駆動装置３０が用いられた冷蔵庫２２では、０．０５ＭＰａ以上の差圧でも起動することが可能であるため、庫内温度が上昇し、圧縮機１７の運転が必要なタイミングでの起動が可能となる。よって、圧力差がバランスした状態に比べ、凝縮器１９と蒸発器２１との間に圧力差を設けるための電力が減少することとなるため、より省エネルギ化が可能となる。

　以上述べたように、本実施の形態においては、モータ駆動装置３０は、負荷を駆動するブラシレスＤＣモータ５と、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部８と、ＰＷＭオン比率増減部９とを有する。ＰＷＭオン比率増減部９は、ＰＷＭオン比率を、ブラシレスＤＣモータ５の速度が所定の速度より遅い区間では、速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率以下に設定し、所定の速度より速い区間では、速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率以上に設定する。モータ駆動装置３０は、さらに、ＰＷＭオン比率増減部９で決定されたＰＷＭオン比率に従ってブラシレスＤＣモータ５を駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部１０を有する。

　このような構成により、必要なトルクが小さい、速度の遅い区間では、過剰な出力トルクを抑制することができ、トルクが不足している速度が速い区間では出力トルク大きくすることができるので、負荷トルク変動が大きい条件であっても速度変化を減少させ、振動を低減させながら起動することができる。さらに、ブラシレスＤＣモータ５の誘起電圧が低下し電流が流れやすくなる、ブラシレスＤＣモータ５の速度が低下する区間で、ＰＷＭオン比率を低減させて電流を流れにくくし、ピーク電流を抑制することができる。これにより、減磁電流の低い高効率モータの使用による省エネルギおよび電流定格の小さい素子の使用によるコストダウンなどが可能となる。

　また、本実施の形態では、選択的に、モータ駆動装置３０が、圧縮機１７、凝縮器１９、減圧器２０、蒸発器２１および圧縮機１７の順に接続された冷凍サイクルにおける圧縮機１７を駆動し、圧縮機１７の吸入側と吐出側と間の圧力差が残る状態で起動するよう構成されている。このような構成により、圧縮機１７の吸入と吐出との間に圧力差がついた状態であっても起動できることとなる。これにより、単純なシステム構成で安価に蒸発器２１の温度を上昇させず、冷凍サイクルのロスを低減することができる。また、圧縮機１７が運転中に停電となり、圧縮機の吸入および吐出の圧力がバランスする前に停電から復帰した場合でも、すぐに圧縮機１７を運転開始することが可能となる。これにより、停電が頻発するような電源事情の悪い状況であっても即座に冷却することができる。

　また、本実施の形態では、選択的に、圧縮機１７の吐出側と吸入側との圧力差は、少なくとも０．０５ＭＰａ以上となるよう構成されている。このような構成により、振動の増加による劣化の促進を軽減し、圧縮機１７の信頼性を維持しつつ、冷凍サイクルのロスを低減できる。

　また、本実施の形態では、選択的に、圧縮機１７と凝縮器１９との間に弁１８が設けられ、圧縮機１７の停止時に弁１８が閉じられ、圧縮機１７の運転時は開かれるよう構成された冷蔵庫２２において、モータ駆動装置３０が圧縮機１７を駆動する構成としている。このような構成により、凝縮器１９の高温高圧の冷媒が圧縮機１７に戻らないこととなり、蒸発器２１の温度をより上昇させず、より冷凍サイクルのロスを低減することができる。

　以上、実施の形態の一例により説明した本発明によれば、位置検出部６はスパイク電圧が消失したことを検出し、消失検出後に誘起電圧から回転子の位置検出をすることにより、スパイク電圧が確実に終了した後に位置検出を行う。このため、電流の急激な変化に対しても、位置検出とスパイク電圧を分けることができ、モータ位相の遅れおよびスパイク電圧を誘起電圧と誤検出することなく、正確な位置検出を行うことができる。これにより、安定した電流波形でモータ駆動装置を駆動することができる。

　以上述べたとおり、本発明は、負荷トルク変動が大きな状態でも安定して起動することができるモータ駆動装置およびこれが用いられた冷蔵庫を提供する。よって、冷蔵庫のみならず、エアコン、自動販売機、ショーケースおよびヒートポンプ給湯器における圧縮機などに幅広く利用できる。

　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
　３ｅ　　平滑コンデンサ
　３ｆ　　リアクタ
　４　　インバータ
　４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ　　スイッチング素子
　４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊ，４ｋ，４ｌ　　還流電流用ダイオード
　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　　速度制御部
　９　　ＰＷＭオン比率増減部
　１０　　ドライブ部
　１７　　圧縮機
　１８　　弁
　１９　　凝縮器
　２０　　減圧器
　２１　　蒸発器
　２２　　冷蔵庫
　３０　　モータ駆動装置

Claims (4)

1. 負荷を駆動させるブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部と、前記ブラシレスＤＣモータの駆動速度により前記ＰＷＭオン比率を増減させるＰＷＭオン比率増減部と、前記ＰＷＭオン比率増減部で決定されたＰＷＭオン比率に従って前記ブラシレスＤＣモータを駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部を備え、
   前記ＰＷＭオン比率増減部は、前記ブラシレスＤＣモータの駆動速度が所定の速度より遅い区間では、前記ＰＷＭオン比率を前記速度制御部で決定されたＰＷＭオン比率以下に設定し、前記所定の速度より速い区間では、前記ＰＷＭオン比率を前記速度制御部で決定されたＰＷＭオン比率以上に設定するよう構成されたモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置を備え、前記モータ駆動装置が、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器および前記圧縮機の順に接続されて構成された冷凍サイクルにおける前記圧縮機を駆動し、前記圧縮機の吸入側と吐出側との圧力差が残る状態で起動するよう構成された冷蔵庫。
3. 前記圧力差は少なくとも０．０５ＭＰａ以上に設定された請求項２に記載の冷蔵庫。
4. 前記圧縮機と前記凝縮器との間に弁が設けられ、前記圧縮機停止時に前記弁が閉じられ、前記圧縮機運転時は開かれるよう構成された請求項２または３に記載の冷蔵庫。

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