JP2011010476A - Motor drive device and electric apparatus employing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】ブラシレスDCモータの高負荷・高速駆動での安定性を高め駆動領域を拡張すると共に、外的要因による不安定状態を抑制し、負荷が過大となった状態であっても安定して駆動する信頼性の高いブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】高負荷時に所定周波数で出力する第2波形発生部15の出力を電流電圧状態把握手段16により把握した電流と電圧の状態と、目標とする電流と電圧の状態とを一致させるよう出力を補正し、更に電圧件手段17で検出した電圧によって出力を補正する波形補正部18の出力で高速を駆動することで、駆動速度や負荷状態、入力電圧状態等により適切な位相関係で保持されることとなり、外乱発生時等も安定して駆動出来ることになる。
【選択図】図1[PROBLEMS] To increase the stability of a brushless DC motor at high loads and high speeds and to expand the driving range, to suppress unstable states due to external factors, and to stabilize even under excessive load conditions. Provided is a highly reliable brushless DC motor driving apparatus.
A current and voltage state grasped by a current-voltage state grasping means 16 and a target current and voltage state are made to coincide with an output of a second waveform generator 15 that outputs at a predetermined frequency at a high load. By driving the high speed with the output of the waveform correction unit 18 that corrects the output and further corrects the output with the voltage detected by the voltage means 17, the phase is maintained in an appropriate phase relationship depending on the driving speed, load state, input voltage state, etc. Therefore, it can be driven stably even when a disturbance occurs.
[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、特に冷蔵庫や空気調和機などの圧縮機を駆動する電気機器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 an electric device that drives a compressor such as an air conditioner.
従来のモータ駆動装置は、電流状態と速度状態により、速度フィードバック運転と速度オープンループ運転を切り替えるステップと設けて、モータを駆動するようにしている(例えば特許文献1)。図14は特許文献1に記載された従来のモータ駆動装置を示すものである。
A conventional motor drive device is provided with a step of switching between speed feedback operation and speed open loop operation according to a current state and a speed state to drive the motor (for example, Patent Document 1). FIG. 14 shows a conventional motor driving device described in
図14において、直流電源201は6個のスイッチング素子を3相ブリッジ構成としたインバータ回路に入力し、インバータ202は入力された直流電圧から任意の周波数の交流電圧に変換し、ブラシレスDCモータ203に入力する。
In FIG. 14, a
位置検出部204はインバータ202の出力端子電圧からブラシレスDCモータ203の回転により発生する誘起電圧情報を基にしてブラシレスDCモータ203の回転子203a相対位置を検出する。制御回路205は位置検出部204から出力される位置信号を入力としてインバータ202のスイッチング素子の制御信号を発生する。
The
位置演算手段206は位置検出部204の信号から、ブラシレスDCモータ203の回転子203aの磁極位置情報を演算するものである。自制運転手段207は前記位置演算手段206から得た回転子203aの磁極位置と速度指令値とを基に、ブラシレスDCモータ203の3相巻線に流す電流を切り替えてブラシレスDCモータをフィードバック制御で駆動するものであり、他制運転手段210は、速度指令に基づきブラシレスDCモータの3相巻線に流す電流を切り替えてオープンループ駆動を行うものであり、選択手段211はブラシレスDCモータを自制運転手段で駆動するか、他制運転手段で駆動するかを選択するものである。
The position calculation means 206 calculates magnetic pole position information of the
駆動制御手段212は前記選択手段211によって選択した運転手段をもとにインバータ202のスイッチング素子の制御信号を生成するものである。
The drive control means 212 generates a control signal for the switching element of the
この様に従来のモータ駆動装置は、ブラシレスDCモータの高速駆動時または高負荷時駆動では、フィードバック制御による自制運転からオープンループ駆動を行う他制運転に切換えることで、ブラシレスDCモータの運転範囲を拡張している。 As described above, the conventional motor drive device can change the operation range of the brushless DC motor by switching from the self-regulated operation by the feedback control to the other control operation that performs the open loop drive when the brushless DC motor is driven at a high speed or a high load. It has been expanded.
しかしながら上記従来の構成は、高速あるいは高負荷時の運転時でのブラシレスDCモータをオープンループで駆動するため、比較的負荷が小さい状態では安定した駆動性能を得ることが出来るが、ある程度以上負荷が大きくなると、不安定な駆動状態に陥る場合がある。 However, the above-described conventional configuration drives the brushless DC motor in an open loop during high-speed or high-load operation, so that stable driving performance can be obtained with a relatively small load. If it becomes larger, it may fall into an unstable driving state.
図9はブラシレスDCモータをオープンループ同期駆動した場合の、相電流と端子電圧の位相関係を示したものである。図9において、横軸は時間、縦軸は誘起電圧位相を基準とした位相(即ち誘起電圧との位相差)を示し、(イ)は相電流を、(ロ)は端子電圧、(ハ)は相電流と端子電圧との位相差である。また図5(a)は比較的低負荷の状態を示し、(b)は高負荷状態を示し、誘起電圧位相との差から、(a)(b)共に端子電圧位相より電流位相が進んでいることから、同期駆動により非常に高速で駆動していることが分かる。 FIG. 9 shows the phase relationship between the phase current and the terminal voltage when the brushless DC motor is driven in an open loop synchronous manner. In FIG. 9, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the phase based on the induced voltage phase (that is, the phase difference from the induced voltage), (A) represents the phase current, (B) represents the terminal voltage, and (C). Is the phase difference between the phase current and the terminal voltage. FIG. 5 (a) shows a relatively low load state, and FIG. 5 (b) shows a high load state. In both cases (a) and (b), the current phase advances from the terminal voltage phase due to the difference from the induced voltage phase. From this, it can be seen that it is driven at a very high speed by synchronous driving.
図9(a)に示すように、駆動速度に対して負荷が比較的小さい場合の同期駆動では、転流に対して負荷の状態に見合った角度分回転子が遅れ、即ち回転子(誘起電圧)から見ると転流(即ち電圧および電流位相)が進み位相となり所定の関係が保たれるので弱め磁束制御と同様の状態となり高速での駆動が可能となる。一方、(b)に示すように駆動速度に対して負荷が大きい状態では、(a)と同様に「転流に対して回転子が遅れることで弱め磁束状態になり、転流周期に同期するようになり回転子加速、回転子の加速により電流位相の進み角が減少し回転子が減速」を繰り返し、結局駆動状態(駆動速度)が安定しない。即ち(b)に示す様に、一定周期で繰り返される転流に対して、ブラシレスDCモータの回転が変動するため、誘起電圧位相を基準としたとき、端子電圧位相が変動することになる。このよう駆動状態ではブラシレスDCモータの回転数に変動に伴う「うねり音」の発生や電流脈動による過電流停止の可能性等の不具合発生が予想される。 As shown in FIG. 9 (a), in synchronous driving in which the load is relatively small with respect to the driving speed, the rotor is delayed by an angle corresponding to the load state with respect to commutation, that is, the rotor (induced voltage). ), The commutation (that is, the voltage and current phase) becomes the leading phase and the predetermined relationship is maintained, so that the same state as the flux-weakening control is achieved, and high-speed driving is possible. On the other hand, as shown in (b), in a state where the load is large with respect to the driving speed, as in (a), “the rotor is delayed with respect to the commutation so that the magnetic flux is weakened and the commutation cycle is synchronized. Thus, the acceleration of the rotor and the acceleration of the rotor repeatedly reduce the current phase lead angle and the rotor decelerates ", and the drive state (drive speed) is not stabilized after all. That is, as shown in (b), since the rotation of the brushless DC motor fluctuates with respect to the commutation repeated at a constant period, the terminal voltage phase fluctuates when the induced voltage phase is used as a reference. In such a driving state, occurrence of problems such as the occurrence of “swelling noise” accompanying fluctuations in the rotational speed of the brushless DC motor and the possibility of overcurrent stop due to current pulsation is expected.
従って、上記の様な不具合の可能性を回避するためには、ブラシレスDCモータの回転状態が不安定に陥るまでに、負荷を軽減することや、速度を低下することで対応できるが、結局ブラスレスDCモータの高速および高負荷駆動を制限することになり、駆動領域を十分に拡張することが難しいという課題を有している。 Therefore, in order to avoid the possibility of the above-mentioned problems, it can be dealt with by reducing the load or reducing the speed until the rotational state of the brushless DC motor becomes unstable. This limits the high speed and high load driving of the DC motor, and has a problem that it is difficult to sufficiently expand the drive region.
さらに上記従来の構成では、モータ電流位相および電圧位相は速度および負荷によって成り行き任せであるため、ブラシレスDCモータの負荷や入力電圧が非常に安定した理想的な環境下では、モータ電流および電圧位相状態が安定し駆動領域の拡張は可能となるが、上記に示した回転の変動現象は、駆動速度と負荷の大きさに影響されると共に、負荷変動(圧縮機などのようにモータ1回転中の負荷変動も含む)や入力電圧に変動(交流電圧の整流平滑に伴うリプル電圧も含む)など外的な要因にも大きく左右されるため、実際には駆動領域の拡張範囲は制限されてしまうという課題を有していた。 Furthermore, in the above conventional configuration, since the motor current phase and voltage phase are determined by speed and load, the motor current and voltage phase states are ideal in an ideal environment where the load and input voltage of the brushless DC motor are very stable. However, the rotation fluctuation phenomenon described above is affected by the driving speed and the load size, and the load fluctuation (the motor during one rotation of the motor such as a compressor) is affected. (Including load fluctuations) and input voltage fluctuations (including ripple voltage associated with AC voltage rectification and smoothing) are also greatly affected by external factors. Had problems.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ブラシレスDCモータの高負荷・高速駆動での安定性を高め駆動領域を拡張すると共に、外的要因による不安定状態を抑制し信頼性の高いブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。 The present invention solves the above-described conventional problems, and enhances the stability of a brushless DC motor at a high load and high speed driving to expand the driving range, and also suppresses an unstable state due to an external factor and has high reliability. A brushless DC motor driving apparatus is provided.
さらに高速・高負荷駆動の安定性による駆動領域を拡張できることで、固定子巻線の巻数を増やして高速駆動性能を犠牲にした高効率低トルクモータを、高速・高負荷での駆動を可能として、高効率・高トルクなモータ駆動装置を実現することを目的とする。 In addition, by expanding the drive range due to the stability of high-speed and high-load drive, high-efficiency low-torque motors that increase the number of stator winding turns and sacrifice high-speed drive performance can be driven at high speed and high load. An object is to realize a motor drive device with high efficiency and high torque.
前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動方法は、ブラシレスDCモータの通電角を低速もしくは低負荷では120度以上150度以下、高速もしくは高負荷では120度以上180度未満として、高速では所定の周波数を一定のデューティで、ブラシレスDCモータの速度および負荷状態に見合った電流と端子電圧状態との関係を保ち、さらに端子電圧値によって通電タイミングを図る。これによりブラシレスDCモータの相電流および端子電圧位相は誘起電圧位相に対し、駆動速度や負荷状態、入力電圧状態等により適切な位相関係で保持されることになり、さらに外乱発生時等も安定して駆動出来るこ
とになる。
In order to solve the conventional problem, the motor driving method of the present invention is configured such that the energization angle of the brushless DC motor is 120 degrees or more and 150 degrees or less at low speed or low load, and 120 degrees or more and less than 180 degrees at high speed or high load. At high speed, the relationship between the current and the terminal voltage state corresponding to the speed and load state of the brushless DC motor is maintained at a predetermined frequency with a constant duty, and further the energization timing is achieved by the terminal voltage value. As a result, the phase current and terminal voltage phase of the brushless DC motor are maintained in an appropriate phase relationship with respect to the induced voltage phase depending on the driving speed, load state, input voltage state, etc., and also stable when a disturbance occurs. Can be driven.
本発明のモータ駆動方法は、単純な波形発生方法によりモータの限界トルク付近まで安定して駆動することができ、運転可能領域を拡張と、信頼性の高いモータ駆動装置を提供することが出来る。 According to the motor driving method of the present invention, it is possible to stably drive to the vicinity of the limit torque of the motor by a simple waveform generation method, and it is possible to provide a highly reliable motor driving device with an extended operation range.
さらに運転領域の拡張によって、モータ巻数を増やし高速駆動性能を犠牲にした高効率モータを、高負荷・高速での駆動を可能とすることで、従来と同等の負荷駆動範囲を維持しつつ、高効率化を図ることができる。 In addition, by expanding the operating range, high-efficiency motors that increase the number of motor turns and sacrifice high-speed drive performance can be driven at high loads and high speeds, while maintaining the same load drive range as before. Efficiency can be improved.
また、電圧の変化に応じて転流速度を変更するため、電圧の変化に対しても安定して駆動することができる。 Further, since the commutation speed is changed in accordance with the change in voltage, it is possible to drive stably with respect to the change in voltage.
また本発明のモータ駆動装置を冷凍サイクルの圧縮機の駆動に用いたとき、特に低速下での駆動において、機器の高効率化を図ることができ、電気機器の省エネを図ることが出来る。 Further, when the motor driving device of the present invention is used for driving a compressor of a refrigeration cycle, it is possible to increase the efficiency of the device, particularly in the driving at a low speed, and to save the energy of the electric device.
第1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、前記インバータへの入力電圧を検出する電圧検出部と、前記ブラシレスDCモータの電流位相を検出する電流位相検出部と、前記回転子の回転位置を検出する位置検出部と、前期位置検出部の出力により通電角が120度以上150度未満の矩形波またはそれに準じる波形を所定周波数で出力して前記インバータを駆動する第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、通電角が120度以上180度未満の矩形波またはそれ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、前記電流位相検出部の検出する電流位相と前記第2波形発生部の駆動信号の状態を検出する電流電圧状態把握手段と、前記電流電圧状態把握手段により検出される状態と、目標状態とを一致させるよう前記第2波形発生部の出力を補正し、更に前記電圧検出部によって検出
された電圧値によって波形を補正し、インバータに出力する波形補正部と、低速もしくは低負荷時に前記第1波形発生部を前記インバータへの出力とし、高速もしくは高負荷のときに前記波形補正部を前記インバータへの出力とするよう切換える運転切換手段とを有することにより、これによりブラシレスDCモータの相電流および端子電圧位相は誘起電圧位相に対し、駆動速度や負荷状態、入力電圧状態等により適切な位相関係で保持されることとなり、外乱発生時等も安定して駆動出来ることになる。
A first invention is a brushless DC motor comprising a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding, an inverter for supplying power to the three-phase winding, and a voltage for detecting an input voltage to the inverter The energization angle is 120 degrees or more and less than 150 degrees by the output of the detection section, the current phase detection section for detecting the current phase of the brushless DC motor, the position detection section for detecting the rotational position of the rotor, and the previous position detection section. A first waveform generator for driving the inverter by outputting a rectangular wave or a waveform equivalent thereto at a predetermined frequency, a frequency setting unit for changing only the predetermined frequency with a constant duty, and a conduction angle of 120 degrees or more and less than 180 degrees A second waveform generating unit that outputs a rectangular wave or a waveform conforming thereto at a predetermined frequency determined by the frequency setting unit, and a current detected by the current phase detecting unit Current voltage state grasping means for detecting the phase and the state of the drive signal of the second waveform generating section, the state detected by the current voltage state grasping means, and the second waveform generating section Correcting the output, further correcting the waveform by the voltage value detected by the voltage detection unit, and outputting the waveform correction unit to the inverter and the first waveform generation unit to the inverter at low speed or low load, Operation switching means for switching the waveform correction section to output to the inverter at high speed or high load, thereby driving the phase current and terminal voltage phase of the brushless DC motor with respect to the induced voltage phase. It is held in an appropriate phase relationship depending on the speed, load state, input voltage state, etc., and can be driven stably even when a disturbance occurs.
さらに運転領域の拡張によって、モータ巻数を増やし高速駆動性能を犠牲にした高効率モータを、高負荷・高速での駆動を可能とすることで、従来と同等の負荷駆動範囲を維持しつつ、高効率化を図ることができる。 In addition, by expanding the operating range, high-efficiency motors that increase the number of motor turns and sacrifice high-speed drive performance can be driven at high loads and high speeds, while maintaining the same load drive range as before. Efficiency can be improved.
第2の発明は、特に、第1の発明の前記波形補正部が、前記電圧検出部から出力される電圧値が高いほど転流を早め、前記電圧検出部によって検出された電圧値が低いほど、転流を遅らせるよう補正するとしたことにより、電圧位相の進みすぎによる過剰な電流や脱調を防止し、誘起電圧よりも端子電圧位相が遅れる遅れ位相による過剰な電流を防止することができ、簡易な方法で電圧変動による前記インバータの素子の破壊防止や前記モータの減磁を防ぎ信頼性を上げることができる。 In the second aspect of the invention, in particular, the waveform correction unit of the first aspect of the invention accelerates commutation as the voltage value output from the voltage detection unit is higher, and the voltage value detected by the voltage detection unit is lower. By correcting to delay commutation, it is possible to prevent excessive current and step-out due to excessive advancement of the voltage phase, and it is possible to prevent excessive current due to a delayed phase in which the terminal voltage phase is delayed from the induced voltage, The reliability can be improved by preventing damage to the inverter elements due to voltage fluctuation and demagnetizing the motor by a simple method.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の前記電圧検出部が電圧値の検出を前記ブラシレスDCモータの駆動周期よりも早い周期で定期的に行い、検出結果を積算したものを出力とし、積算の値は前記波形補正部で補正を行うごとにクリアするとしたことにより、補正周期の全体の電圧を測ることができることとなり、実際の電圧状態に即したより安定した駆動が可能となる。 In the third invention, in particular, the voltage detection unit according to the first or second invention periodically detects the voltage value at a period earlier than the driving period of the brushless DC motor, and integrates the detection results. As an output, the integrated value is cleared each time correction is performed by the waveform correction unit, so that the voltage of the entire correction cycle can be measured, and more stable driving is possible in accordance with the actual voltage state. Become.
第4の発明は、特に第1〜3のいずれか1つの発明の前記電圧検出部が、検出した電圧の平均を行い、平均と検出値の差分を出力することにより、直前まで安定して駆動していた状態との差を見ることとなるので、負荷の変動による電圧変化の過剰な補正を回避し、同期駆動の安定状態に収束しようとする特性を活かしたより安定した駆動が可能となる。 In the fourth aspect of the invention, in particular, the voltage detector according to any one of the first to third aspects of the invention performs average of the detected voltages, and outputs a difference between the average and the detected value, thereby driving stably until just before. Therefore, it is possible to avoid the excessive correction of the voltage change due to the fluctuation of the load, and to perform more stable driving utilizing the characteristic of convergence to the stable state of the synchronous driving.
第5の発明は、特に第1〜4のいずれか1つの発明の前記波形補正部が前記電流電圧状態把握手段の出力と目標状態を一致させるための補正量と、前記電圧検出部の出力による補正量とに上限を設けた事により、外乱に対して変化量を制限することとなり、ノイズや外乱により強い駆動が可能となる。 According to a fifth aspect of the invention, in particular, the waveform correction unit according to any one of the first to fourth aspects of the present invention is based on a correction amount for causing the output of the current / voltage state grasping means to coincide with the target state, and the output of the voltage detection unit. By providing an upper limit to the correction amount, the amount of change is limited against disturbance, and strong driving is possible due to noise and disturbance.
第6の発明は、特に第1〜5のいずれか1つの発明の前記位置検出部が前記ブラシレスDCモータにより誘起される電圧から位置を検出し、前記電流位相検出部が前記ブラシレスDCモータと前記インバータで還流電流が流れる際に発生する前記ブラシレスDCモータの端子にあらわれる電圧がOFFしたタイミングを電流位相0として検出し、前記電流位相検出部を前記位置検出部が行うことにより、新たに電流位相検出部を設ける必要が無いため、低コストで単純な構成をとることができる。
In a sixth aspect of the invention, in particular, the position detector of any one of the first to fifth aspects of the present invention detects a position from a voltage induced by the brushless DC motor, and the current phase detector detects the brushless DC motor and the The timing at which the voltage appearing at the terminal of the brushless DC motor generated when the return current flows in the inverter is turned off is detected as a
第7の発明は、特に第1〜6のいずれか1つの発明の前記運転切換手段が切換えを所定の速度未満では第1波形発生部の出力とし、所定の速度以上では波形補正部の出力とすることにより、単純な構成で適切な駆動方法を選択することとなり、システム負荷範囲が明確で名場合においてシステム構成を簡素化できる。 In the seventh aspect of the invention, in particular, the operation switching means of any one of the first to sixth aspects uses the output of the first waveform generator when the switching is less than a predetermined speed, and the output of the waveform corrector when the speed is higher than the predetermined speed. By doing so, an appropriate driving method is selected with a simple configuration, and the system configuration can be simplified in a case where the system load range is clear and nominal.
第8の発明は、特に第1〜6のいずれか1つの発明の前記運転切換手段が第1波形発生部から波形補正部の出力に切換える際は第1波形発生部のデューティ出力が所定の基準値を超えたときとし、波形補正部から第1波形発生部へ出力を切換える際は位置検出部により回転子の位置が検出可能なときとしたことにより、確実に位置信号を取得できる状態で
第1波形発生部による駆動を行うため、より安定した駆動を行うことができる。
In the eighth invention, in particular, when the operation switching means of any one of the first to sixth inventions switches from the first waveform generator to the output of the waveform corrector, the duty output of the first waveform generator is a predetermined reference. When the value is exceeded, and when the output is switched from the waveform correction unit to the first waveform generation unit, the position detection unit can detect the position of the rotor. Since driving by one waveform generator is performed, more stable driving can be performed.
第9の発明は、特に第1〜8のいずれか1つの発明の前記ブラシレスDCモータが、鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ前記回転子が突極性を有するとしたものであるとしたことにより、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクを使うことが可能となり、低速時の効率アップは当然のこと、高速駆動性能をさらに上げることになる。 According to a ninth aspect of the invention, in particular, the brushless DC motor according to any one of the first to eighth aspects is a rotor in which a permanent magnet is embedded in an iron core, and the rotor has saliency. This makes it possible to use reluctance torque due to saliency in addition to the magnet torque of the permanent magnet, which naturally increases the efficiency at low speed and further increases the high-speed driving performance.
第10の発明は、特に第1〜9のいずれか1つの発明の前記ブラシレスDCモータが駆動する負荷が圧縮機であるとしたことにより、巻線の巻込み量を増やしたモータを使用することが可能となり、トルクダウンしたブラシレスDCモータを所定の高速で駆動できるので、低回転数時のデューティが従来の駆動方法より大きくできるので、モータの騒音、特にキャリア音が低減できる。 In the tenth aspect of the invention, in particular, the load driven by the brushless DC motor according to any one of the first to ninth aspects is a compressor, so that a motor with an increased winding amount is used. Since the torque-reduced brushless DC motor can be driven at a predetermined high speed, the duty at a low rotation speed can be made larger than that of the conventional driving method, so that motor noise, particularly carrier noise, can be reduced.
第11の発明は、特に、第10の発明の前記圧縮機が冷蔵庫の冷凍サイクルを構成することにより、冷蔵庫の負荷変動が急峻では無く、電流位相と端子電圧位相の位相差目標の変化を小さく抑えられるため、より安定した駆動が可能となる。 In the eleventh aspect of the invention, in particular, since the compressor of the tenth aspect of the invention constitutes a refrigeration cycle of the refrigerator, the load fluctuation of the refrigerator is not steep, and the change in the phase difference target between the current phase and the terminal voltage phase is reduced. Therefore, more stable driving is possible.
以下本発明を実施するための最良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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that 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におけるブラシレスDCモータの駆動装置を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a brushless DC motor driving apparatus according to
図1において交流電源1は、日本の場合50または60Hz、実効値100Vの商用電源である。整流平滑回路2は交流電源1を入力として、直流電源に整流平滑するもので、ブリッジ接続した4個の整流ダイオード(2a〜2d)と、平滑コンデンサ(2eおよび2f)から構成されている。なお本実施の形態では倍電圧整流回路としているが全波整流回路でも特に構わない。さらに本実施の形態では交流電源を単相としているが、3相交流電源を用いた場合、整流平滑回路に3相整流平滑回路を用いると良い。
In FIG. 1, an
インバータ3は整流平滑回路2から出力される直流電圧を入力として、直流電力を交流電力に変換するものであり、6個のスイッチング素子(3a〜3f)を3相ブリッジ接続して構成している。また各スイッチング素子の逆方向に還流電流用のダイオード(3g〜3l)を接続している。
The
ブラシレスDCモータ4は、永久磁石をもつ回転子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4bの巻線に流れることで固定子4aを回転させることが出来る。回転子4aの回転運動はクランクシャフト(図示せず)により往復運動に変換され、ピストン(図示せず)がシリンダ(図示せず)内を往復運動することにより冷媒を圧縮する圧縮機5の駆動を行う。
The brushless DC motor 4 includes a
圧縮機5の圧縮方式(機構形態)はロータリーやスクロールなど何であっても構わないが、今回はレシプロ型とする。レシプロ型はとくにイナーシャが大きくなるため、同期駆動ではより安定した駆動を行うことができる。 The compression method (mechanism form) of the compressor 5 may be anything such as a rotary or a scroll, but this time, it is a reciprocating type. Since the reciprocating type has particularly large inertia, synchronous driving can perform more stable driving.
また、冷媒ガスはR134a等何であっても構わないが、本実施の形態1においては、R600aを採用している。前記R600aはR134aとくらべ冷凍能力が低く、前記圧縮要素6の気筒容積を大きくして冷凍能力の低下を補う。その結果、圧縮機5は、イナ
ーシャが大きくなっている。これにより、電圧低下時であっても、イナーシャによってブラシレスDCモータ4が回転するため、速度が変動しにくく、より安定した同期駆動が可能となる。
The refrigerant gas may be anything such as R134a, but R600a is adopted in the first embodiment. The R600a has a lower refrigeration capacity than the R134a, and the cylinder capacity of the compression element 6 is increased to compensate for a decrease in the refrigeration capacity. As a result, the compressor 5 has a large inertia. As a result, even when the voltage drops, the brushless DC motor 4 rotates due to the inertia, so that the speed is unlikely to fluctuate and more stable synchronous driving is possible.
圧縮機5で圧縮された吐出ガスは、凝縮器7、減圧器8、蒸発器9を通って圧縮機5の吸い込みに戻るような冷蔵庫10を構成する。この時、凝縮器7では放熱を、蒸発器9では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。必要に応じて前記凝縮器7や前記蒸発器9に送風機等を使い、熱交換をさらに促進することもできる。
The discharge gas compressed by the compressor 5 constitutes the
位置検出部11はブラシレスDCモータ4の回転子4aの磁極相対位置を検出するものであり、本実施の形態では固定子4bの3相巻線に発生する誘起電圧から、回転子4aの相対的な回転位置を検出している。なお、固定子位置の検出方法はモータ電流(相電流はたは母線電流)の検出からベクトル演算を経て磁極位置推定を行っても構わない。
The position detection unit 11 detects the relative magnetic pole position of the
第1波形発生部12は位置検出部11で得た回転子4aの位置情報を基にインバータ3のスイッチング素子を駆動する信号を生成する。この駆動する信号は矩形波通電を基本として、通電角を120度以上150度以下としている。ただし矩形波以外の波形でもそれに準じる波形として立上がり/立下りに若干の傾斜を持たせた台形波であっても何ら問題ない。
The
第1波形発生部12ではさらに回転数を一定に保つためにPWMデューティ制御を行っている。これにより回転位置に従って、最適なデューティで運転することが可能となりブラシレスDCモータを最も効率の良い運転が実現できる。
The
速度検出部13は位置検出部11の出力信号からブラシレスDCモータ4の速度を検出する。具体的方法として一定周期で発生する位置検出部11からの信号を計測する等で簡単に検出することが出来る。
The
周波数設定部14は、出力デューティを一定として周波数のみを変化させて出力するもので、ある。
The
第2波形発生部15は、周波数設定部14の出力信号を基に120度以上、180゜未満の矩形波の駆動信号を出力する。ただし正弦波でも歪み波などのそれに準じる波形であっても問題ない。またここでは最大デューティで駆動するとしており、90〜100%の一定デューティとしている。
The second
電流電圧状態把握手段16は位置検出部11の出力信号と第2波形発生部15で出力された波形をもとにブラシレスDCモータ4に流れる電流と端子電圧の関係を把握する。
The current voltage state grasping means 16 grasps the relationship between the current flowing through the brushless DC motor 4 and the terminal voltage based on the output signal of the position detector 11 and the waveform output from the
ブラシレスDCモータ4に流れる電流と端子電圧の関係とは電流と端子電圧の位相差であっても良いし、0クロスなど特定の条件の時間差であっても構わない。またより簡便に行うために、端子電圧そのものを取得するのではなく、端子電圧状態とほぼ一致する駆動信号を基に行っても構わない。 The relationship between the current flowing through the brushless DC motor 4 and the terminal voltage may be a phase difference between the current and the terminal voltage, or may be a time difference under a specific condition such as zero crossing. Further, in order to perform more simply, the terminal voltage itself may not be acquired, but may be performed based on a drive signal that substantially matches the terminal voltage state.
本実施の形態では、電流0クロスとドライブ信号の立ち上がりとの時間差を電流電圧状態として把握するものとし、電流位相検出手段として電流電圧状態把握手段16が機能している。 In the present embodiment, the time difference between the current zero cross and the rise of the drive signal is grasped as the current voltage state, and the current voltage state grasping means 16 functions as the current phase detecting means.
また、位置検出部11の出力信号として採用するのは、端子電圧に現れるインバータ3の還流電流用のダイオードに流れる電流の有無の検知結果とする。つまり、電流の流れが
正から負、もしくは負から正に切り替わる点と一致する点であり、電流の0クロスが電流電圧状態把握手段16への入力となっている。
Moreover, what is adopted as the output signal of the position detection unit 11 is a detection result of the presence or absence of current flowing in the diode for the return current of the
なお、位置検出部11は端子電圧の状態が閾値を基準に高いか低いかの信号を出力しているため、第1波形発生部で基準としているブラシレスDCモータ4の誘起電圧の0クロス点の検知と構成を変える必要がない。 Since the position detection unit 11 outputs a signal indicating whether the terminal voltage state is high or low with reference to the threshold value, the zero-crossing point of the induced voltage of the brushless DC motor 4 used as the reference in the first waveform generation unit is output. There is no need to change detection and configuration.
電圧検出部17は整流回路2から出力されインバータ3へと入力する直流母線間の電圧を検出し積算を行っている。さらに積算の平均算出と積算のクリアを行っており、平均の算出とクリアは波形の補正を行う波形補正部18での波形補正ごとに行われる。
The
波形補正部18は電流電圧状態把握手段16と電圧検出部17の出力を基に、第2波形発生部15で出力された波形を補正しインバータ3を駆動するための信号を出力する。
The
運転切換手段20は低速/高速を判断して、インバータ3を動作させる波形を第1波形発生部12か波形補正部18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12からの信号を選択し、高速の場合は波形補正部18からの信号を選択してインバータ3を動作させる。
The operation switching means 20 determines whether the
ここで回転数が低速か高速かの判断は、速度検出部13で検出した実際の速度から判断しても構わないし、設定回転数やデューティから判断しても構わない。速度による判断であれば非常に単純な構成となり、開発が容易となる。デューティでの判断は最大デューティ(一般的には100%)で位置検出での駆動における最高速度となるため、この条件で波形発生部を第1波形発生部12から波形補正部18切替えることとすることで、必要な電圧を最適に印加した駆動が可能となる。また、波形補正部18の駆動波形から第1波形発生部に切換えは位置検出部11により位置検出信号が取得できる場合としてもよく、確実なセンサレス駆動への移行が可能となる。
Here, the determination of whether the rotation speed is low or high may be determined from the actual speed detected by the
本実施の形態では最大デューティに到達した際に、第1波形発生部12から波形補正部18に切り換え、位置検出部11で確実な位置検出ができている際に、波形補正部18から第1波形発生部に切り換えるとする。
In the present embodiment, when the maximum duty is reached, the
ドライブ部19は運転切換手段20からの出力信号によりインバータ3のスイッチ素子(3a〜3f)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に印加出来るので回転子4aを回転させることができる。
The
次に本発明の実施の形態1における動作について説明する。
Next, the operation in
まず、低速時の動作について説明する。図2は本発明の実施の形態1における低速時のインバータ駆動のタイミング図である。ブラシレスDCモータ4の回転数が低い場合、位置検出部11の出力により動作する第1波形発生部12からの信号により駆動され、図2に示すような動作となる。
First, the operation at low speed will be described. FIG. 2 is a timing diagram of inverter driving at low speed in
図2において、Uはスイッチ素子3aの駆動信号、Vはスイッチ素子3cの駆動信号、Wはスイッチ素子3eの駆動信号、Xはスイッチ素子3bの駆動信号、Yはスイッチ素子3dの駆動信号、Zはスイッチ素子3fの駆動信号であり、Iu・Iv・Iwは固定子4bの各巻線のU相、V相、W相の電流を示す。低速時の駆動では、位置検出部11の信号に従って、120度毎の区間で順次転流を行っている。また上アームの駆動信号U、V、WにはPWM制御によるデューティ制御を行っている。このとき、電流波形は図2に示す様に、のこぎり波の形状の波形となる。この時は、位置検出部11の出力により最適なタ
イミングで転流を行っているので最も効率よくブラシレスDCモータが駆動できることとなる。
In FIG. 2, U is a drive signal for the switch element 3a, V is a drive signal for the
次に、最適な通電角について図3を用いて説明する。図3は本発明の実施の形態1における低速時の通電角=効率特性図である。図3は、実線がモータ効率、破線が回路効率、一点鎖線が総合効率(モータ効率×回路効率)を示す。図3に示すように、通電角を120度より大きくすると、モータ効率は向上する。これは通電角が広がることで、モータ電流の実効値が下がり(即ち力率が上がり)、モータの銅損減少に伴いモータ効率が上がるためである。しかしながら、回路ではスイッチング回数が増加し、スイッチングロスが増加することで、回路効率は低下する。したがって、最も総合効率のよい点が現れる。本実施の形態では、130度が最も効率の高くなるポイントであるといえる。
Next, the optimum energization angle will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a conduction angle = efficiency characteristic diagram at low speed in
次に、高速時の動作について説明する。図4は本発明の実施の形態1における高速時のインバータ駆動のタイミング図である。ブラシレスDCモータ4の回転数が高い場合、周波数設定部14の出力から第2波形発生部15が信号を出力し、第2波形発生部15が出力した信号を波形補正部が信号を補正し、信号を出力することにより駆動され、図4に示すような動作となる。
Next, the operation at high speed will be described. FIG. 4 is a timing diagram of inverter driving at high speed in the first embodiment of the present invention. When the rotation speed of the brushless DC motor 4 is high, the second
図4における記号は図2と同一であるため、符号の説明は省略する。各駆動信号は周波数設定部14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が、このとき導電角は120度以上180度未満とする。これは図4では導電角が150度で示しているが、導電角を上げることによって各相の電流波形は擬似的に正弦波に近づく。
The symbols in FIG. 4 are the same as those in FIG. Each drive signal is commutated so as to output a predetermined frequency in accordance with the output of the
デューティを一定として周波数を上げていくことで、従来に比べ大幅に回転数を上げることができる。この回転数が上がった状態ではブラシレスDCモータ4は同期モータとして運転しており、駆動周波数の上昇に伴い電流も増加する。このとき、導電角を最大180度未満まで広げることで、ピーク電流値の抑制ができ、より高い電流まで過電流保護がかからずに動作させることができる。 By increasing the frequency while keeping the duty constant, the number of revolutions can be significantly increased compared to the prior art. In this state where the rotational speed is increased, the brushless DC motor 4 is operated as a synchronous motor, and the current increases as the drive frequency increases. At this time, by increasing the conduction angle to less than 180 degrees at the maximum, the peak current value can be suppressed, and a higher current can be operated without overcurrent protection.
ここで第2波形発生部15と電流電圧状態把握手段16と電圧検出部17からの信号を受け駆動波形を補正し出力する波形補正部18によるスイッチング素子をオンするタイミングについて説明する。
Here, the timing when the switching element is turned on by the
図5はブラシレスDCモータを同期駆動した時の負荷に対する位相状態を示したグラフである。図5において横軸はモータトルク、縦軸は誘起電圧位相を基準とした位相差を示し、位相が正の場合、誘起電圧位相に対して進みであることを示す。また図5の(イ)はモータ電流、(ロ)はモータ相電圧の位相であり同期運転での安定状態を示している。低負荷状態でも電流位相が端子電圧位相より進んでいることから同期駆動でブラシレスDCモータを高速駆動しているといえる。図5に示す相電流位相と相電圧位相との関係から明確なように、負荷トルクに対して電流位相の変化は少なく端子電圧位相が直線的に変化するため、負荷トルクに応じて電流と電圧との位相差はほぼ線形に単調に増加することが分かる。 FIG. 5 is a graph showing a phase state with respect to a load when the brushless DC motor is synchronously driven. In FIG. 5, the horizontal axis represents the motor torque, and the vertical axis represents the phase difference based on the induced voltage phase. When the phase is positive, the phase is positive with respect to the induced voltage phase. Further, (a) in FIG. 5 is the motor current, and (b) is the phase of the motor phase voltage, which shows a stable state in the synchronous operation. Since the current phase is ahead of the terminal voltage phase even in a low load state, it can be said that the brushless DC motor is driven at high speed by synchronous driving. As is clear from the relationship between the phase current phase and the phase voltage phase shown in FIG. 5, the change in the current phase is small with respect to the load torque, and the terminal voltage phase changes linearly. It can be seen that the phase difference between and increases substantially linearly.
先述のように同期駆動では、ブラシレスDCモータの駆動速度および負荷に応じた適切な電流および電圧位相関係で安定することである。このときの端子電圧および電流位相の関係を図6に示す。図6は負荷状態による電流と端子電圧の位相関係をd−q平面状に示したベクトル図である。 As described above, in the synchronous drive, it is stable at an appropriate current and voltage phase relationship according to the drive speed and load of the brushless DC motor. FIG. 6 shows the relationship between the terminal voltage and the current phase at this time. FIG. 6 is a vector diagram showing the phase relationship between the current and the terminal voltage depending on the load state in a dq plane.
図6に示すように同期駆動では、端子電圧ベクトルは負荷が増加したとき大きさをほぼ一定に保ちながら位相は進み方向に推移する。一方電流ベクトルは、ほぼ一定の位相を保
ちながら負荷の増加に伴い大きさを変化(負荷増加に伴い、電流が増える)する。
As shown in FIG. 6, in the synchronous drive, the phase of the terminal voltage vector changes in the advance direction while keeping the magnitude almost constant when the load increases. On the other hand, the current vector changes its magnitude as the load increases while maintaining a substantially constant phase (current increases as the load increases).
次に、インバータ3の直流母線間の電圧とブラシレスDCモータの位相状態に関して図7を用いて説明する。図7はブラシレスDCモータ4を同期駆動した時の直流母線電圧に対する位相状態を示したグラフである。図8において横軸は直流母線間の電圧値、縦軸は誘起電圧位相を基準とした位相差を示し、位相が正の場合、誘起電圧位相に対して進みであることを示す。また、図7の(イ)はモータ電流、(ロ)はモータ相電圧の位相であり、特定負荷における同期運転での安定状態を示している。
Next, the voltage between the DC buses of the
高電圧においても、電流位相が端子電圧位相より進んでいることから、同期駆動でブラシレスDCモータ4を高速で駆動しているといえる。図7に示す相電流位相と相電圧位相との関係から明確なように、直流母線間電圧に対して電流位相と電圧位相ともに単調に減少し、かつ電流位相より電圧位相の変化が大きいため、直流母線間電圧に応じて電流と電圧との位相差は単調に増加することが分かる。 Even at a high voltage, since the current phase is ahead of the terminal voltage phase, it can be said that the brushless DC motor 4 is driven at high speed by synchronous driving. As is clear from the relationship between the phase current phase and the phase voltage phase shown in FIG. 7, both the current phase and the voltage phase monotonously decrease with respect to the DC bus voltage, and the change in the voltage phase is larger than the current phase. It can be seen that the phase difference between the current and the voltage monotonously increases according to the DC bus voltage.
このときの端子電圧および電流位相の関係を図8に示す。図8は特定負荷において直流母線間電圧の変動による電流と端子電圧の位相関係をd−q平面状に示したベクトル図である。 FIG. 8 shows the relationship between the terminal voltage and the current phase at this time. FIG. 8 is a vector diagram showing the phase relationship between the current and the terminal voltage due to fluctuations in the DC bus voltage at a specific load in the dq plane.
図8に示すように同期駆動では、端子電圧ベクトルは直流母線間電圧が増加したことによりベクトルは大きくなり、位相は進角が小さくなる方向に推移する。一方電流ベクトルは、直流簿線間電圧にともないベクトルの大きさを小さくしながら、端子電圧よりも位相が大きく変化し、進角が小さくなる方向に推移する。 As shown in FIG. 8, in the synchronous drive, the terminal voltage vector increases as the DC bus voltage increases, and the phase shifts in the direction in which the advance angle decreases. On the other hand, the phase of the current vector changes more greatly than the terminal voltage while the magnitude of the vector decreases with the voltage between the DC lead wires, and the advance angle decreases.
このように電圧および電流ベクトルが駆動環境(入力電圧、負荷トルク、駆動速度等)に従い適切な状態で各ベクトルの位相関係が定まる。 In this way, the phase relationship between the vectors is determined in an appropriate state in which the voltage and current vectors are in accordance with the driving environment (input voltage, load torque, driving speed, etc.).
ここで、ある負荷状態・速度状態における位相状態の時間的変化を図9を用いて説明する。従来の技術の課題でも説明したように、同期駆動で安定した駆動状態にあるときは、図9(a)の波形(ハ)のように、相電流位相と端子電圧位相との位相差は一定に保たれ安定する。 Here, the temporal change of the phase state in a certain load state / speed state will be described with reference to FIG. As described in the problem of the prior art, when the driving state is stable by synchronous driving, the phase difference between the phase current phase and the terminal voltage phase is constant as shown by the waveform (c) in FIG. Kept stable.
一方で負荷が極端に大きい場合や、外乱等により駆動状態が不安定(回転速度の変動発生時)となった状態では、回転子の速度変動によって、誘起電圧位相を基準とした電流および端子電圧の位相が変動するが、電流位相の変動に対し端子電圧位相の変動が大きいため電流と端子電圧の位相関係も変動することになる。 On the other hand, when the load is extremely large, or when the driving state is unstable due to disturbance or the like (when fluctuations in rotational speed occur), current and terminal voltage based on the induced voltage phase due to fluctuations in the rotor speed The phase relationship between the current and the terminal voltage also varies because the variation in the terminal voltage phase is larger than the variation in the current phase.
即ち同期駆動での不安定現象が発生しているときは誘起電圧・モータ端子電圧・モータ電流の位相関係が不安定(変動)状態にあり、オープンループ駆動による成り行きでの運転では一旦不安定な位相状態に陥ったとき、負荷および速度に見合った位相関係に収束するのが困難な状態にある。従って、電流位相と端子電圧との位相差を図5および図7に示すように負荷や直流母線間電圧に見合った適切な位相関係を保つことで、同期駆動による不安定現象を抑制することが可能となる。 In other words, when an unstable phenomenon occurs in synchronous drive, the phase relationship between the induced voltage, motor terminal voltage, and motor current is in an unstable (fluctuating) state, and is unstable once in an open loop drive. When falling into a phase state, it is difficult to converge to a phase relationship commensurate with load and speed. Therefore, by maintaining the phase difference between the current phase and the terminal voltage in an appropriate phase relationship corresponding to the load and the voltage between the DC buses as shown in FIGS. 5 and 7, the unstable phenomenon due to the synchronous drive can be suppressed. It becomes possible.
端子電圧と相電流との位相関係を保つ方法として、本実施の形態では、端子電圧の基準位相(即ちドライブ信号の転流基準位置)と電流位相の基準点を検出して、オープンループの同期駆動における転流タイミング(一定周期の転流)を補正するようにしている。さらに、直流母線電圧の変動に応じて、オープンループの同期駆動における転流タイミングを補正する。 As a method of maintaining the phase relationship between the terminal voltage and the phase current, in this embodiment, the reference phase of the terminal voltage (that is, the commutation reference position of the drive signal) and the reference point of the current phase are detected, and the open loop synchronization is performed. The commutation timing in driving (commutation with a fixed period) is corrected. Furthermore, commutation timing in open-loop synchronous driving is corrected according to fluctuations in the DC bus voltage.
それではまず、端子電圧の基準位相と電流位相の基準点を検出して補正を行うインバータ3のスイッチング素子の制御タイミングの決定方法について図10の本発明の実施の形態1における電流電圧状態把握手段16と波形補正部18の動作を示すフローチャートを用いて説明する。
First, a method for determining the control timing of the switching element of the
最初に、step101にて電流電圧状態把握手段16が、波形補正部18にて出力される駆動信号からインバータ3の第1特定スイッチ素子のOFFタイミングを待つ。本実施の形態ではU相下側スイッチ素子、即ちインバータ3のスイッチ素子3bのオフタイミングを待つものとする。ここでスイッチ素子3bのオフタイミングである場合、step102に進む。
First, at step 101, the current / voltage state grasping means 16 waits for the OFF timing of the first specific switch element of the
step102では、電流電圧状態把握手段16が時間計測用のタイマをスタートさせ、step103に進む。 In step 102, the current / voltage state grasping means 16 starts a timer for time measurement, and the process proceeds to step 103.
step103では、位置検出部11によって、特定相のスパイク電圧が“端子電圧−スイッチ素子3aの電圧低下分”から0V付近まで低下したかどうかを判定する。本実施の形態では、U相の端子電圧が0V付近まで低下したかどうかを判定するものとする。つまり、U相下のスイッチ素子であるインバータ3のスイッチ素子3bのOFF後に還流電流用ダイオード3gに流れる電流が流れなくなったタイミングであり、これは電流の流れる向きが負から正に切り替わる電流の0クロスを判定したこととなっている。
In step 103, the position detector 11 determines whether or not the spike voltage of the specific phase has dropped from “terminal voltage—the voltage drop of the switch element 3a” to near 0V. In the present embodiment, it is determined whether or not the terminal voltage of the U phase has decreased to around 0V. In other words, it is the timing at which the current flowing through the return
ここで、スパイク電圧が0V付近まで低下したとして、step104に進む。 Here, assuming that the spike voltage has dropped to around 0 V, the routine proceeds to step 104.
step104では、電流電圧状態把握手段16がstep102でスタートしたタイマを停止させ、タイマカウント値を格納する。つまり、スイッチ素子3dのオンからインバータの還流電流用ダイオード3gに電流が流れている間に発生するスパイク電圧がOFFするまでの時間を計測する。次に、step105に進む。
In step 104, the current voltage state grasping means 16 stops the timer started in step 102 and stores the timer count value. That is, the time from when the
step105は電流電圧状態把握手段16が計測した時間を波形補正部18に入力し、波形補正部18がこれまでの平均時間との差分を計算し、step106にすすむ。
In step 105, the time measured by the current / voltage state grasping means 16 is input to the
step106で、その差分に基づいて転流タイミングの補正量を演算し、step107に進む。 In step 106, the correction amount of the commutation timing is calculated based on the difference, and the process proceeds to step 107.
ここで、転流タイミングの補正量とは、周波数設定部14で設定した指令速度に基づき、第2波形発生部が出力する基本転流周期に対して転流タイミングを補正するものである。従って大きな補正量を付加した場合、過電流や脱調停止の原因ともなる。したがって補正量決定おいては、ローパスフィルタ等を付加、補正量の上限設定、差分に1未満の値を乗じることなどで、上で補正量演算を行うことで急激な転流タイミングの変動を抑えている。これによりノイズ等の影響により電流ゼロクロス検出を失敗(誤検出)した場合でも補正量への影響を小さくすることができ、駆動安定性をより向上できる。さらに補正量演算において急激な変化を抑えることは、ブラシレスDCモータの加減速時における転流タイミングの変化に対しても緩やかになるため、指令速度が大きく変更され周波数設定部による転流周期が大幅に変わった場合でも転流タイミングの変化は緩やかになり、電流の乱れ等を抑制したスムーズな加減速性能を得ることが出来る。
Here, the commutation timing correction amount is to correct the commutation timing with respect to the basic commutation period output from the second waveform generation unit based on the command speed set by the
具体的には位相差を常に平均時間に近づける(位相差を平均時間に保持できる)ように転流タイミングを補正する。 Specifically, the commutation timing is corrected so that the phase difference always approaches the average time (the phase difference can be maintained at the average time).
例えば負荷が大きくなり、回転子速度の低下により電流位相が遅れ、端子電圧基準位相
から相電流基準位相までの平均時間より計測時間が長い場合、転流タイミングを回転数に基づく転流周期のタイミングよりも遅らせる(電流位相が遅れたため計測時間が長くなったので、転流タイミングを遅らせて端子電圧位相を遅らせ、電流位相との位相差を平均時間に近づける)ように転流タイミングを補正する。
For example, when the load becomes large, the current phase is delayed due to a decrease in the rotor speed, and the measurement time is longer than the average time from the terminal voltage reference phase to the phase current reference phase, the commutation timing is the timing of the commutation cycle based on the rotation speed. The commutation timing is corrected so that it is delayed (the measurement time is longer because the current phase is delayed, so the terminal voltage phase is delayed by delaying the commutation timing, and the phase difference from the current phase is brought closer to the average time).
逆に負荷が小さくなり、回転子の速度が上がり電流位相が進み、端子電圧基準位相から相電流位相までの平均時間より計測時間が短くなった時は、一旦転流タイミングを回転数に基づく転流周期のタイミングよりも早くする(電流位相が早くなり計測時間が短くなったので、転流タイミングを早くして端子電圧位相を進ませ、電流位相の位相差を平均時間に近づける)ように補正する。 Conversely, when the load decreases, the rotor speed increases, the current phase advances, and the measurement time becomes shorter than the average time from the terminal voltage reference phase to the phase current phase, the commutation timing is temporarily changed based on the rotation speed. Correction is made so that it is earlier than the current cycle timing (since the current phase is faster and the measurement time is shorter, the commutation timing is advanced to advance the terminal voltage phase and the phase difference of the current phase is closer to the average time) To do.
さらに転流タイミングの補正は、特定相(たとえばU相上スイッチングのみ)の任意のタイミング(回転子1回転に1回など)としてその他の相の転流は、目標とする回転数に基づく転流周期で時間的に行う。これにより負荷に応じて相電流と端子電圧位相との位相関係を最適に保つことが出来、ブラシレスDCモータの駆動速度も保持できる。 Further, the commutation timing is corrected as an arbitrary timing of a specific phase (for example, only switching on the U phase) (such as once per rotation of the rotor), and the commutation of other phases is based on the target rotational speed. Perform in time by cycle. As a result, the phase relationship between the phase current and the terminal voltage phase can be optimally maintained according to the load, and the driving speed of the brushless DC motor can be maintained.
次にstep107では、step104で得た転流から電流の特定位相までの時間を加味した平均時間として演算を行い更新したのちに、step108に進む。 Next, in step 107, the calculation is performed and updated as an average time including the time from the commutation obtained in step 104 to the specific phase of the current, and then the process proceeds to step 108.
これにより、負荷が重くなった場合は、特定の電流位相と転流タイミングの差である位相差が狭まろうとすることに対して、補正の基準となる平均が小さくなり、負荷が重くなる前と比較して、位相差が狭まった状態を基準としてモータ4を駆動することとなる。つまり、より大きな進角でモータ4を駆動することとなり、弱め磁束効果の向上により、出力トルクを増大させ、必要な出力トルクを確保する。 As a result, when the load becomes heavy, the phase difference, which is the difference between the specific current phase and the commutation timing, is narrowed. The motor 4 is driven with reference to a state where the phase difference is narrower. That is, the motor 4 is driven with a larger advance angle, and the output torque is increased and the required output torque is secured by improving the flux-weakening effect.
逆に、負荷が軽くなり特定の電流位相と転流タイミングの差である位相差が広がろうとすると、補正の基準となる平均が大きくなり負荷が軽くなる前と比較して、位相差が広がった状態を基準としてモータ4を駆動することとなる。つまり、より小さな進角でブラシレスDCモータ4を駆動し、弱め磁束効果の低減により出力トルクを減少させ、必要以上のトルクを出力しない。 Conversely, if the load becomes lighter and the phase difference, which is the difference between the specific current phase and the commutation timing, increases, the average of the correction reference becomes larger and the phase difference becomes wider than before the load becomes lighter. The motor 4 is driven with reference to this state. That is, the brushless DC motor 4 is driven with a smaller advance angle, the output torque is reduced by reducing the weakening magnetic flux effect, and no more torque than necessary is output.
つまり、必要な出力を確保し、余計な出力をしない駆動を行うことができる。 In other words, it is possible to ensure the necessary output and drive without extra output.
step108では周波数設定部で設定した駆動速度を基にしたスイッチ素子の転流周期に対して、補正量を加算することで転流タイミングを決定する。 In step 108, the commutation timing is determined by adding a correction amount to the commutation cycle of the switch element based on the driving speed set by the frequency setting unit.
一方で、step103において、特定相のスパイクがOFFしなかった場合、step109へと移行し、step109において第2特定SW素子の転流が行われたかどうかを判断する。ここで第2特定SW素子とはスパイクが発生し得る区間が終了するタイミングでスイッチが変化するものであり、ここではU相上のスイッチ素子3aとなる。ここで第2特定SW素子が転流しなかった場合は再びstep103へと戻り、スパイクOFFを待つこととなる。また、第2特定SW素子が転流した場合は、スパイクが発生しなかった事となるため、step110へと移行し、転流タイミングの補正量を0としてstep108へと移行する。step108では補正量が0であるため、回転数に基づく転流周期のタイミングそのままが次回の転流タイミングとして決定される。 On the other hand, when the specific phase spike is not turned off in step 103, the process proceeds to step 109, and it is determined whether or not the second specific SW element is commutated in step 109. Here, the second specific SW element is a switch that changes at the timing when a section in which a spike can occur is completed, and here is the switch element 3a on the U phase. Here, when the second specific SW element does not commutate, the process returns to step 103 again and waits for spike OFF. Further, when the second specific SW element commutates, it means that no spike has occurred. Therefore, the process proceeds to step 110, and the process proceeds to step 108 with the commutation timing correction amount set to zero. In step 108, since the correction amount is 0, the timing of the commutation cycle based on the rotational speed is determined as the next commutation timing.
ここでスパイクが発生しない状態とは、端子電圧に対して電流位相が十分に進んでいる状態であり負荷が軽く、必要なトルクが十分に確保されているため、補正を行うことなく安定して駆動することができる状態である。 Here, the state in which no spike occurs is a state in which the current phase is sufficiently advanced with respect to the terminal voltage, the load is light, and the necessary torque is sufficiently secured. It is in a state where it can be driven.
一方、step101において第1特定スイッチ素子(本実施の形態ではスイッチ素子3b)の転流タイミングでない場合は、step111に移行する。
On the other hand, if it is not the commutation timing of the first specific switch element (switch
そして、step111において、転流タイミングの補正量を0として、step108に移行する。 In step 111, the commutation timing correction amount is set to 0, and the flow proceeds to step 108.
step108では補正量が0であるので、回転数に基づく転流周期のタイミングを次回の転流タイミングとして決定する。 Since the correction amount is 0 at step 108, the timing of the commutation cycle based on the rotational speed is determined as the next commutation timing.
また本実施の形態ではU相上側スイッチ素子3aのオンタイミングのみで転流周期の補正を行っているため電気角周期中に1回の補正となるが、モータ駆動装置の用途やモータのイナーシャ等を勘案して、1回転に1回の補正としても、電気角1周期に2回としても、または各スイッチ素子がオンする毎回のタイミングで行っても特に構わない。 In this embodiment, since the commutation cycle is corrected only by the ON timing of the U-phase upper switch element 3a, the correction is performed once during the electrical angle cycle. However, the application of the motor drive device, the inertia of the motor, etc. In consideration of the above, the correction may be performed once per rotation, twice in one electrical angle cycle, or at each timing when each switch element is turned on.
次に、直流母線電圧の変動に応じて、オープンループの同期駆動における転流タイミングの補正を行うインバータ3のスイッチング素子の制御タイミングの決定方法について図11の本発明の実施の形態1における電圧検出部17と波形補正部18の動作を示すフローチャートを用いて説明する。
Next, a method for determining the control timing of the switching element of the
最初に、step201において、インバータ3の第1特定スイッチ素子のOFFタイミングを待つ。本実施の形態においては図10のフローにおけるstep101同様に、U相下側スイッチ素子3bがOFFするのを待つ。このスイッチに関しては同一である必要は無く、step101とは異なるスイッチのOFFを待っても構わない。スイッチがOFFされなかった場合step202へと遷移する。
First, in
step202では、所定時間が経過したかどうかを判定を行う。この所定時間は1回の補正の中で2回以上必要で、例えば低速で駆動時のキャリア周期とすると、同期駆動と第1波形発生部での駆動とでキャリアを特に変更する必要が無く制御ができる。本実施の形態においても、キャリア周期を所定時間とする。
In
ここで所定時間が経過していなければstep201に再び戻る。所定時間が経過していれば、step203へ遷移する。 If the predetermined time has not passed, the process returns to step 201 again. If the predetermined time has elapsed, the process proceeds to step 203.
step203では、電圧検出部17が直流母線間の電圧を検出し、格納する。処理終了後にstep204に遷移する。
In
step204では、電圧検出部17がstep203で格納した電圧値を積算値として、積算用変数に加算し格納するする。格納後にstep205に遷移する。電圧値を積算することで、波形を補正する周期の実態に即した電圧を把握できるため、適切な補正を行うことが可能となる。
In
step205では、電圧検出部17がstep204で格納した電圧値の積算値を電圧の積算の平均から減算し、差分として変数に格納する。格納後にstep201に再び遷移する。低速では第1波形発生部によって駆動するため、起動直後は第1波形発生部によって駆動することとなるため、積算の平均は第1波形発生部で処理を行っている間も算出することで、波形補正部によって駆動する際には0とならないようになっている。
In
また、平均を算出することで、現在の状態の差を見ることとなるので、同期駆動の安定状態に収束しようとする特性を活かすことが可能となり、より安定した駆動が可能となる。 In addition, by calculating the average, the difference in the current state can be seen, so that it is possible to take advantage of the characteristic of convergence to the stable state of synchronous driving, and more stable driving is possible.
また、step201において第1特定スイッチ素子がOFFした場合、step206へと遷移する。
Further, when the first specific switch element is turned OFF in
step206では、電圧検出部17がstep204において算出した積算電圧値の平均値を計算し、step207へと遷移する。平均の算出方法は複数のバッファを用意しておきバッファに順番に格納し、いっぱいになって以降は最初のバッファから順番に上書きしていき、それらのバッファの合計をバッファの個数で除算することにより簡単に求めることができる。また、バッファを複数確保することが困難な場合は、積算電圧値にローパスフィルタをかけることで求めても構わない。本実施の形態では複数のバッファを用意し求めているとする。
In
step207では、波形補正部18が積算電圧の平均との差分による補正量の算出を行い、step208に遷移する。補正量の算出は差分電圧を時間に変換するための係数を乗じ算出する。
In
step208では、波形補正部18が補正量を現在の転流タイミングに加算し補正を行い、step209に遷移する。ここで、補正量が負で平均に対して電圧が不足している場合、つまり電圧が低下している場合は、転流タイミングを本来の周期よりも遅らせ、誘起電圧位相に対して端子電圧位相の進角を減少させることとなる。
In step 208, the
一方、補正量が正で平均に対して電圧が超えている場合、つまり電圧が上昇している場合は、転流タイミングを現在転流しようとしているタイミングよりも早め、誘起電圧位相に対して端子電圧位相の進角を増加させる。 On the other hand, when the correction amount is positive and the voltage exceeds the average, that is, when the voltage is rising, the commutation timing is set earlier than the timing at which the current commutation is about to be performed, Increase the advance angle of the voltage phase.
これにより、電圧が不足した場合の、進角が大きくついたことによる電流の増加を抑える。一方、電圧が上昇し、誘起電圧位相よりも、端子電圧位相が遅れ位相になるような状態であっても、進角を増加させ遅れ位相を改善するため過剰な電流が流れないこととなる。 This suppresses an increase in current due to a large advance angle when the voltage is insufficient. On the other hand, even when the voltage rises and the terminal voltage phase becomes a lag phase with respect to the induced voltage phase, an excessive current does not flow because the advance angle is increased and the lag phase is improved.
最後にstep209では、電圧検出部17が1周期あたりの電圧の積算を計算可能となるように、積算した電圧値をクリアする。
Finally, at step 209, the integrated voltage value is cleared so that the
これらの動作を繰り返すことによって、電圧の変動に対して、高速高負荷であっても安定した駆動を行うことができる。 By repeating these operations, stable driving can be performed even with a high speed and high load against voltage fluctuations.
また、図10で説明した電流電圧状態把握手段16による補正と、図11で説明した電圧検出部17による補正とを組み合わせることで、より安定した駆動が可能となる。それぞれの補正手段単独でも効果があるが、瞬停などの電圧の急峻な変化に対して電流電圧状態把握手段16よりも組み合わせることでより強くなり、急激な負荷変動に対して電圧検出部17による補正だけでは困難であるが、組み合わせることで駆動が可能となる。
Further, by combining the correction by the current / voltage state grasping means 16 described with reference to FIG. 10 and the correction by the
また、電流電圧状態把握手段16によって補正される量と、電圧検出部17により補正される量とにそれぞれ制限を設けることで、位相検出のノイズ、電圧検出のノイズが入力されたとしても脱調や過電流に至らない範囲での補正量となるため、安定した駆動が可能となる。
Moreover, even if phase detection noise or voltage detection noise is input, the amount corrected by the current / voltage
次に、運転切換手段20により波形発生部の切り替え動作について説明する。 Next, the switching operation of the waveform generator by the operation switching means 20 will be described.
図12は本発明の実施の形態1における回転数=デューティ特性図である。 FIG. 12 is a graph showing the rotation speed = duty characteristic in the first embodiment of the present invention.
図12において、回転数50r/s以下の場合は第1波形発生部12により駆動される。デューティはフィードバック制御により回転数から自動的に最も効率のよくなるポイントに調整される。
In FIG. 12, when the rotation speed is 50 r / s or less, the
50r/sで、デューティ100%となり、第1波形発生部12による駆動はそれ以上回転させることのできない限界に到達する。
At 50 r / s, the duty becomes 100%, and the drive by the
本実施の形態ではデューティが100%となったところで、波形補正部18による駆動に切り換えるとしているため、ここで第2波形発生部15の信号を基に補正を行った波形補正部18の出力が選択されることとなる。
In the present embodiment, when the duty reaches 100%, the driving is switched to the driving by the
ここで回転数指令が80r/sであれば、デューティを固定で80r/sまで周波数設定部14が予め決めておいた加速度によって周波数を上昇させ、第2波形発生部で駆動信号を生成し、波形補正部で補正を行った波形を出力しながら加速していき、80r/sになったところで、周波数設定手段が設定する周波数は固定される。
If the rotational speed command is 80 r / s, the frequency is increased by the acceleration set in advance by the
次に、波形補正部18の出力波形によって駆動している状態で、指令回転数が低下した場合、デューティを固定で周波数設定部が予め決めておいた加速度によって周波数を低下させていき、位置検出部11によって位置検出の信号が取得可能となった場合、位置検出部11の信号を基に駆動信号を生成する第1波形発生部による駆動へと切り換える。指令の回転数へとフィードバック制御により収束していき安定する。
Next, when the command rotational speed decreases while driving with the output waveform of the
次に、ブラシレスDCモータ4の構造について説明を行う。 Next, the structure of the brushless DC motor 4 will be described.
図13は、本発明の実施の形態1によるブラシレスDCモータの回転子の構造図である。
回転子コア21は、0.35mmから0.5mm程度の薄い珪素鋼板を打ち抜いたものを、積み重ねたものである。4枚のマグネット22a〜22dは、逆円弧状に回転子コア21に埋め込まれている。このマグネットは通常フェライト系がよく用いられるが、ネオジなどの希土類の磁石が使われる場合は平板構造のものが使われることもある。
FIG. 13 is a structural diagram of the rotor of the brushless DC motor according to the first embodiment of the present invention.
The
このような構造の回転子において、回転子中央からマグネットの中央に向かう軸をd軸、回転子中央からマグネットの間に向かう軸をq軸とすると、それぞれの軸方向のインダクタンスLd、Lqは逆突極性を有し、異なるものとなる。つまりこれは、モータとしては、マグネットの磁束によるトルク(マグネットトルク)以外に、逆突極性を利用したトルク(リラクタンストルク)を有効に使えることとなる。したがってモータとしてよりトルクが有効的に利用できることとなる。この結果、モータとしては高効率なモータとなる。 In a rotor having such a structure, assuming that the axis from the rotor center to the magnet center is the d axis and the axis between the rotor center and the magnet is the q axis, the inductances Ld and Lq in the respective axial directions are reversed. It has saliency and will be different. That is, this means that the motor can effectively use torque (reluctance torque) using reverse saliency in addition to torque (magnet torque) due to magnetic flux of the magnet. Therefore, the torque can be used more effectively as a motor. As a result, the motor is a highly efficient motor.
また、本実施の形態の制御を使用すると波形補正部18により駆動を行っているとき、電流は進み位相での運転となり、このリラクタンストルクが大きく利用されるようになるため、逆突極性がないモータに比べてより高回転数まで運転することができる。
Further, when the control according to the present embodiment is used, when driving is performed by the
以上の様に本実施の形態でのブラシレスDCモータの駆動方法は、永久磁石を有する回転子4aと三相巻線を有する固定子4bからなるブラシレスDCモータ4と、固定子4bの三相巻線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の電流位相を検出する電流位相検出部としても働く位置検出部11と、回転子4aの回転位置を検出する位置検出部11と、位置検出部11の出力により通電角が120度以上150度未満の矩形波またはそれに準じる波形を所定周波数で出力してインバータ3を駆動する第1波形発生
部12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14と、通電角が120度以上180度未満の矩形波またはそれに準じる波形を周波数設定部14で決められた所定周波数で出力する第2波形発生部15と、位置検出部11の検出する電流位相と第2波形発生部15の駆動信号の状態を検出し電流電圧状態の把握を行う電流電圧状態把握手段16と、インバータ4の入力電圧である直流母線間の電圧を検出する電圧検出部と、電流電圧状態把握手段16により把握した状態と、目標状態とを一致させるよう第2波形発生部15の出力を補正し、さらに電圧検出部17の検出した電圧値によって波形を補正し、インバータ3に出力する波形補正部18と、低速もしくは低負荷時に第1波形発生部12をインバータ3への出力とし、高速もしくは高負荷のときに波形補正部18をインバータ3への出力とするよう切換える運転切換手段20とを有することで、モータを所定の速度で駆動するために必要なトルクを確保できることとなり、これによりブラシレスDCモータの相電流および端子電圧位相は誘起電圧位相に対し、駆動速度や負荷状態、入力電圧状態等により適切な位相関係で保持されることとなり、外乱発生時等も安定して駆動出来ることになる。
As described above, the brushless DC motor driving method according to the present embodiment is a three-phase winding of the brushless DC motor 4 including the
また相電流位相と端子電圧位相との関係を、負荷及び速度に応じて固定するので、負荷変動や電圧変動等の外乱に対しても安定して駆動できるのでモータ駆動装置の信頼性を上げることができる。 In addition, since the relationship between the phase current phase and the terminal voltage phase is fixed according to the load and speed, it can be driven stably against disturbances such as load fluctuations and voltage fluctuations, so that the reliability of the motor drive device is improved Can do.
また特に高負荷時の高速駆動での広角通電で、電流ピークを低く抑えることが出来るので、インバータの電流定格を下げることが可能となり、モータ駆動装置の低コスト化が図れる。 In addition, since the current peak can be kept low by wide-angle energization with high-speed driving at high load, the current rating of the inverter can be lowered, and the cost of the motor drive device can be reduced.
また低速では回転子の回転位置を検出する位置検出部を有し、ブラシレスDCモータ回転子の相対位置を位置検出部で検出しながらの速度フィードバック制御を行うのでモータ駆動装置を高効率で駆動することが出来る。 Also, at low speed, it has a position detection unit that detects the rotational position of the rotor, and speed feedback control is performed while the relative position of the brushless DC motor rotor is detected by the position detection unit, so that the motor drive device is driven with high efficiency. I can do it.
さらに低速駆動領域では、通電角が120度以上150度以下の矩形波またはそれに準じる波形(例えば台形波など)を出力することで、実効電流低下による銅損の低減と回路ロス減少と、回路のスイッチングロスの増加とがつりあう最低損失状態での運転が可能となり、最高効率での運転が可能となる。一般的に正弦波駆動はモータ効率がよいと言われるが、通電角が180度となるため、回路のスイッチング損失が増加することになり、回路を含めた総合効率では、本実施の形態での駆動方法が優位である。 Furthermore, in the low-speed drive region, by outputting a rectangular wave with an energization angle of 120 degrees or more and 150 degrees or less, or a waveform corresponding thereto (for example, a trapezoidal wave), the copper loss is reduced by reducing the effective current, the circuit loss is reduced, and the circuit Operation in the lowest loss state that balances with an increase in switching loss is possible, and operation at the highest efficiency is possible. In general, sinusoidal drive is said to have good motor efficiency, but since the conduction angle is 180 degrees, the switching loss of the circuit increases. The driving method is superior.
また、波形補正部18が、電圧検出部17から出力される電圧値が高いほど転流を進ませ、電圧検出部17によって検出された電圧値が低いほど、転流を遅らせるよう補正するとしたことにより、電圧位相の進みすぎによる過剰な電流や脱調を防止し、誘起電圧よりも端子電圧位相が遅れる遅れ位相による過剰な電流を防止することができ、インバータ3の素子の破壊防止やモータ4の減磁を防ぎ信頼性を上げることができる。
In addition, the
また、電圧検出部17が電圧値の検出をブラシレスDCモータ4の駆動周期よりも早い周期で定期的に行い、検出結果を積算したものを出力とし、積算の値は波形補正部18で補正を行うごとにクリアするとしたことにより、補正周期の全体の電圧を測ることができることとなり、実際の電圧状態に即したより安定した駆動が可能となる。
Further, the
また、電圧検出部17が、検出した電圧の平均を行い、現在の状態の差を見ることとなるので、負荷の変動による電圧の変化による過剰な補正を回避し、同期駆動の安定状態に収束しようとする特性を活かしたより安定した駆動が可能となる。
In addition, the
また、波形補正部18が電流電圧状態把握手段16の出力と目標状態を一致させるため
の補正量と、電圧検出部17の出力による補正量とに上限を設けた事により、ノイズに強くなり、外乱により強い駆動が可能となる。
In addition, since the
また、位置検出部11がブラシレスDCモータ4により誘起される電圧から位置を検出し、電流位相検出手段をブラシレスDCモータ4とインバータ3で還流電流が流れる際に発生するブラシレスDCモータ4の端子にあらわれる電圧がOFFしたタイミングを電流位相0として検出し、電流位相検出部を位置検出部11が行うことにより、新たに電流位相検出部を設ける必要が無いため、低コストで単純な構成をとることができる。
Further, the position detection unit 11 detects the position from the voltage induced by the brushless DC motor 4, and the current phase detection means is connected to the terminal of the brushless DC motor 4 generated when the return current flows between the brushless DC motor 4 and the
また、運転切換手段20が第1波形発生部12から波形補正部18の出力に切換える際は第1波形発生部12のデューティ出力が所定の基準値を超えたときとし、波形補正部18から第1波形発生部12へ出力を切換える際は位置検出部11により回転子4aの位置が検出可能なときとしたことにより、確実に位置信号を取得できる状態で第1波形発生部による駆動を行うため、より安定した駆動を行うことができる。
Further, when the operation switching means 20 switches from the first
なお、運転切換手段20が切換えを所定の速度未満では第1波形発生部12の出力とし、所定の速度以上では波形補正部18の出力とすることにより、単純な構成で必要な適切な駆動方法を選択することとなり、システム構成を簡素化できる。
The operation switching means 20 uses the output of the
ブラシレスDCモータ4が、回転子4aの鉄心に永久磁石21a〜21dを埋め込んでなる回転子4aであり、かつ突極性を有する回転子4aを有したものであり、永久磁石のマグネットトルクの他に突極性によるリラクタンストルクを使うことにより、低速時の効率アップは当然のこと、高速駆動性能をさらに上げることになる。また永久磁石にネオジなどの希土類磁石を採用してマグネットトルクの割合を多くしたり、インダクタンスLd、Lqの差を大きくしてリラクタンストルクの割合を多くしたりすると、最適な通電角を変えることにより効率を上げることができる。
The brushless DC motor 4 is a
また本実施の形態のモータ駆動装置を圧縮機駆動に用いることは、巻線の巻込み量を増やしトルクダウンした(即ち従来のモータ駆動装置で用いるブラシレスDCモータより最高回転数を落とした)ブラシレスDCモータを所定の高速で駆動できるので、低回転数時のデューティが従来の駆動方法より大きくできるので、モータの騒音、特にキャリア音(PWM制御の周波数に相当、例えば3kHz)もが低減でき、極めて重要な用途である。 In addition, the use of the motor driving device of the present embodiment for driving the compressor increases the winding amount of the winding and reduces the torque (that is, lowers the maximum number of rotations than the brushless DC motor used in the conventional motor driving device). Since the DC motor can be driven at a predetermined high speed, the duty at a low rotation speed can be made larger than that of the conventional driving method, so that motor noise, particularly carrier noise (equivalent to the frequency of PWM control, for example, 3 kHz) can be reduced. This is a very important application.
尚、本実施の形態において、ブラシレスDCモータは冷蔵庫の圧縮機を駆動するものとしたが、空気調和機の圧縮機を駆動する場合でも同様に、低速時の高効率駆動と高負荷高速駆動ができ、冷房時の最低負荷から暖房時の最大負荷まで幅広い駆動範囲をカバーできるとともに、特に定格以下の比較的低負荷での電力を低減することが可能である。 In this embodiment, the brushless DC motor drives the compressor of the refrigerator. However, even when driving the compressor of the air conditioner, the high-efficiency driving at low speed and the high-load high-speed driving are similarly performed. It is possible to cover a wide driving range from the lowest load during cooling to the maximum load during heating, and in particular, it is possible to reduce power at a relatively low load below the rating.
本発明にかかるモータ駆動装置およびこれを用いた電気機器は、低速から高速まで広範囲に効率が良く、安定して駆動が可能となるので、圧縮機や冷蔵庫や扇風機などのファンの駆動などとして有用である。 The motor driving device according to the present invention and the electric equipment using the motor driving device are efficient in a wide range from low speed to high speed, and can be driven stably. Therefore, the motor driving device is useful for driving a fan such as a compressor, a refrigerator, and a fan. It is.
3 インバータ
4 ブラシレスDCモータ
5 圧縮機
10 冷蔵庫
11 位置検出部
12 第1波形発生部
14 周波数設定部
15 第2波形発生部
16 電流電圧状態把握手段
17 電圧検出部(電流位相検出部)
18 波形補正部
20 運転切換手段
21 回転子コア
22a〜22d マグネット
DESCRIPTION OF
18
Claims (11)
回転子が突極性を有するとしたものであるとした請求項1から8のいずれか一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 The brushless DC motor according to any one of claims 1 to 8, wherein the brushless DC motor is a rotor in which a permanent magnet is embedded in an iron core, and the rotor has saliency. Motor drive device.
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