JP2004015946A

JP2004015946A - ランドリー機器のモータ駆動回路装置

Info

Publication number: JP2004015946A
Application number: JP2002168439A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Hosoito; 細糸　強志
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】シャント抵抗により検出される相電流に基づいてベクトル制御を行う場合に、回路基板に必要とされる面積を削減すると共に、作業工数の増加を抑制することができるランドリー機器のモータ駆動回路装置を提供する。
【解決手段】洗濯機のモータ１１の各相巻線１１ｕ〜１１ｗに交流電源を印加するインバータ回路２２を構成するＩＧＢＴ２９ａ〜２９ｆと、その下アーム側に接続され、モータ１１をセンサレス方式によってベクトル制御するために当該モータの相電流を検出するシャント抵抗２３ｕ〜２３ｗとを、１つのパッケージ内に収めてＩＰＭ２１を構成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、洗濯に関連した運転動作を行なうランドリー機器のモータを駆動するためのモータ駆動回路装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、洗濯機などのランドリー機器に使用されるモータを駆動するインバータ回路は、回路の信頼性向上やコストの圧縮、又は、回路を小型化して配置の自由度を向上させる目的で、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を複数個一体化してなるモジュール：ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅ）として構成されたものが一般に用いられている。
【０００３】
そして、現在のモータ駆動制御は、モータの電流（トルク）を直接制御することができないため制御精度の向上に限界があるという問題がある。また、駆動制御に、モータを構成するロータの回転位置を検出するためにホールセンサを必要とすることでコストアップしたり、その取付けを行なうことで構造的な自由度が制約されてしまう。更に、ホールセンサを複数個取り付けたとしても、詳細な位置情報を得る事が困難であるため高速な制御応答性が得られない、といったような問題があった。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、インバータ回路の駆動制御にベクトル制御を導入することが例えば、特願２００２−２７６９１などで提案されている。図９は、特願２００２−２７６９１に記載されているものと等価な構成を概略的に示すものである。インバータ回路１は、６個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）２ａ〜２ｆを三相ブリッジ接続して上述のようにＩＰＭ１３として構成されており、各ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆのコレクタ−エミッタ間には、フライホイールダイオード３ａ〜３ｆが接続されている。
【０００５】
下アーム側のＩＧＢＴ２ｄ〜２ｆのエミッタは、シャント抵抗４ｕ，４ｖ，４ｗを介してグランドに接続されている。また、両者の共通接続点は、増幅回路５を介して制御回路６に接続されている。
【０００６】
増幅回路５はオペアンプなどを含んで構成されており、シャント抵抗４ｕ〜４ｗの端子電圧を増幅すると共にその増幅信号の出力範囲が正側に収まるように（例えば、０〜＋５Ｖ）バイアスを与える。また、比較回路７は、インバータ回路１の上下アームが短絡した場合に回路の破壊を防止するために過電流検出を行うものである。
【０００７】
また、インバータ回路１には、１００Ｖの交流電源８を、ダイオードブリッジで構成される全波整流回路９及び直列接続された２個のコンデンサ１０ａ，１０ｂにより倍電圧全波整流した約２８０Ｖの直流電圧が印加されるようになっている。そして、インバータ回路１の出力端子は、モータ１１の各相巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されている。
【０００８】
制御回路６は、増幅回路５を介して得られるモータ１１の巻線１１ｕ〜１１ｗに流れる電流Ｉｕ〜Ｉｗを検出し、その電流値に基づいて２次側の回転磁界の位相θ及び回転角速度ωを推定すると共に、三相電流を直交座標変換及びｄｑ（ｄｉｒｅｃｔ−ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）座標変換することで励磁電流成分Ｉｄ，トルク電流成分Ｉｑを得る。
【０００９】
そして、制御回路６は、外部より速度指令が与えられると、推定した位相θ及び回転角速度ω並びに電流成分Ｉｄ，Ｉｑに基づいて、電流指令Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを生成し、それを電圧指令Ｖｄ，Ｖｑに変換すると直交座標変換及び三相座標変換を行なう。最終的には、駆動信号がＰＷＭ信号として生成され、ゲートドライバ１２を介してモータ１１の巻線１１ｕ〜１１ｗに出力される。
【００１０】
斯様に構成されたセンサレス方式のベクトル制御によれば、ｑ軸電流成分によってモータのトルクを直接制御することができるため高精度の制御を高速で行うことができ、洗濯機の振動や騒音を低減することができる。
【００１１】
しかしながら、ＩＰＭ１３として構成されるインバータ回路１に外付けされるシャント抵抗４ｕ〜４ｗには大電流が流れるため、そのサイズをある程度大きくせざるを得ない。また、放熱を効率的に行なうため抵抗外部にセメントがコーティングされることもあり、回路基板に大きなスペースを占有することになりコストアップの要因となってしまう。
また、最近の洗濯機においては、筐体をできるだけコンパクトにすると共に洗濯容量は増大させたいという厳しい要求がある。従って、制御回路用の基板といえども、サイズを極力小さくすることが望ましい。
【００１２】
更に、回路基板には一般に片面基板が用いられているが、上述のようにシャント抵抗４には大電流が流れるため、シャント抵抗４のリードが挿入される部分には電流対策としてはとめ処理などを施す必要があり、作業工数が増加するといった問題がある。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シャント抵抗により検出される相電流に基づいてベクトル制御を行う場合に、回路基板に必要とされる面積を削減すると共に、作業工数の増加を抑制することができるランドリー機器のモータ駆動回路装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載のランドリー機器のモータ駆動回路装置は、洗濯に関連した運転動作を行なうランドリー機器のモータを駆動するものにおいて、
前記モータの各相巻線に交流電源を印加するインバータ回路と、
このインバータ回路を構成する下アーム側のスイッチング素子とグランドとの間に配置され、前記モータをベクトル制御することを目的として当該モータの相電流を検出するためのシャント抵抗とを備え、
前記インバータ回路を構成するスイッチング素子と前記シャント抵抗とは、１つのパッケージ内に収められるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成されていることを特徴とする。
【００１５】
即ち、複数のスイッチング素子をパッケージ内に収めてなるＩＣは、回路素子が配置される基板や、モールド材料などが大きな熱容量を有している。また、斯様なＩＣでは、スイッチング素子の放熱効率を向上させるため、パッケージの外部にヒートシンクなどの放熱機構を付加するのが通常であるから、トータルでの熱容量はかなり大きくなっている。
【００１６】
従って、この構成にシャント抵抗をも加えれば、シャント抵抗の放熱についてもその放熱機構を利用することができるため、シャント抵抗のサイズを小さくすることが可能である。そして、シャント抵抗の実装に関する密度を高めて更に小型化を図ることができ、加えてその実装作業が不要となるので組立てを容易に行なうことができる。
【００１７】
この場合、請求項２に記載したように、ＩＣを、シャント抵抗に発生する電圧を増幅するための増幅回路をもパッケージ内に収めて構成すると良い。斯様に構成すれば、実装密度を更に向上させることができる。
【００１８】
この場合、請求項３に記載したように、増幅回路を、スルーレイトが０．５Ｖ／μ秒以上のオペアンプを用いて構成すると良い。即ち、ランドリー機器は、一般家庭の屋内に設置されることが多いため、インバータ回路のスイッチング周波数が耳障りな雑音となることを回避する目的で、当該周波数が例えば１５ｋＨｚ以上に設定されることが多い。これは、例えばエアコンの場合はスイッチング周波数が３〜５ｋＨｚであることに比較するとかなり高い周波数である。
従って、それに応じて、シャント抵抗により検出される電流パルスも高速化することになるので、スルーレイトが０．５Ｖ／μ秒以上のオペアンプを用いて増幅回路を構成すれば、電流検出に十分対応することができる。
【００１９】
また、以上の場合において、請求項４に記載したように、ＩＣを、スイッチング素子を駆動するためのドライバをもパッケージ内に収めて構成すると良い。斯様に構成すれば、実装密度をより一層向上させることができる。
【００２０】
加えて、請求項５に記載したように、シャント抵抗の抵抗値を、２０ｍΩから１２０ｍΩの間に設定することが好ましい。即ち、ランドリー機器に使用されるモータの回転制御範囲は一般にかなり広いため、モータに流れる相電流のダイナミックレンジも広くなる。すると、モータが低速回転して電流値が小さくなった場合のＳ／Ｎ比が十分に確保されるか否かが問題となる。そこで、シャント抵抗の抵抗値を２０ｍΩから１２０ｍΩの間に設定することで、電流検出を支障なく行なえることが確認できた。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をランドリー機器たる洗濯機に適用した場合の一実施例について、図１乃至図８を参照して説明する。尚、図９と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。図１は、本実施例のモータ駆動回路装置の電気的構成を示すものであるが、基本的には、図９に示すものと同様である。しかし、当該モータ駆動回路装置に使用されるＩＰＭ（ＩＣ）２１は、インバータ回路２２，シャント抵抗２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ，増幅回路２４，比較回路２５及びゲートドライバ２６を１枚の基板上に搭載することでハイブリッドＩＣとして構成されている。
【００２２】
図２は、ＩＰＭ２１のモールドパッケージ内の回路配置を示す平面図である。基板２７は、厚さ１ｍｍ程度のアルミ基材の上に厚さ６０μｍ程度の絶縁層２８を配置し、その絶縁層２８の上に厚さ４０μｍ程度の銅箔によって必要な配線を施している。そして、各回路素子が配置され、素子と配線との間はボンディングワイヤ（何れも図示せず）によって接続されている。
【００２３】
即ち、インバータ回路２２を構成するＩＧＢＴ（スイッチング素子）２９ａ〜２９ｆ及びダイオード３０ａ〜３０ｆは、夫々単体のＩＣチップとして構成され、各６個ずつ配置されている。そして、シャント抵抗２３ｕ，２３ｖ，２３ｗは、例えば、チップ抵抗器の内部に配置されるような抵抗体が基板２７上に直接配置され、配線と接続されている。尚、シャント抵抗２３の抵抗値は、例えば５０ｍΩに設定されている。
【００２４】
ドライバＩＣ部４０は、増幅回路２４，比較回路２５及びゲートドライバ２６をワンチップＩＣとして一体に構成したものである。また、この構成では、基板２７自体がＩＧＢＴ２９及びシャント抵抗２３のヒートシンクとして作用することでこれらの放熱を促すようにもなっている。
【００２５】
図３は、ＩＰＭ２１を樹脂モールドしたＤＩＰ（Ｄｕａｌ　Ｉｎ−ｌｉｎｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）パッケージの外観を示す平面図である。リードの配置ピッチが部分的に大きくなっているのは、高い電圧が印加される端子間の絶縁を確保するためである。そして、ＩＰＭ２１が基板に実装された場合は、モールドパッケージ上に金属製のヒートシンクがねじ止めによって固定される。
尚、洗濯機としての構成や制御回路６が行うベクトル制御については、特願２００２−２７６９１に記載されている内容と同様である。
【００２６】
次に、本実施例の作用について図４乃至図８をも参照して説明する。図４は、制御回路６が増幅回路２４を介して検出し、Ａ／Ｄ変換してサンプリングしたモータ１１の電流データの一例を示すものである。増幅回路２４を構成する反転オペアンプの増幅率は５，スルーレイトは０．８Ｖ／μ秒，モータ１１の駆動条件は、回転数８００ｒｐｍで無負荷脱水運転を行った場合である。電流データは、単独値，４個分及び８個分の移動平均値をプロットしているが、何れも略正弦波状の波形として検出されている。
【００２７】
一方、図５は、シャント抵抗の抵抗値を１０ｍΩとし、反転オペアンプの増幅率を２４として同様に電流データをサンプリングした場合を示す。この場合、データ値が正弦波から外れた値となってしまうケースがある。即ち、洗濯機に使用されるモータ１１の回転制御範囲は一般にかなり広いため、モータ１１に流れる相電流のダイナミックレンジも広くなる。従って、シャント抵抗の抵抗値が小さくなり過ぎると、モータ１１が低速回転して電流値が小さくなった場合のＳ／Ｎ比が十分に確保されなくなる傾向を示す。
【００２８】
また、図６は、シャント抵抗の抵抗値を１０ｍΩ〜２００ｍΩの範囲で変化させた場合に、サンプリングデータが本来の正弦波を示す値から外れることでエラー」となる率［％］と、シャント抵抗の発熱量［Ｗ］とを示すものである。尚、ここでの「エラー率」とは、データの真値が例えば１００Ｖである場合にサンプリングデータ値が１１０Ｖであればエラー率を１０％として、各データの平均をとって示したものである。即ち、抵抗値が高くなるとエラー率は低くなるが、発熱量は線形に増加する。そして、抵抗値が５０ｍΩを下回る辺りからエラー率は上昇し始め、そこから抵抗値が低くなるほど急上昇する。
【００２９】
この図６から、エラー率を許容できる抵抗値の下限を２０ｍΩ，発熱量の上限を１２０ｍΩと規定し、シャント抵抗の抵抗値は２０ｍΩ〜１２０ｍΩの範囲で設定することが好ましいと判断した。そして、本実施例では、シャント抵抗２３の抵抗値を、エラー率の下降曲線と発熱量の上昇直線とが交差した直後の値となる５０ｍΩに設定した。
【００３０】
また、図７は、インバータ回路２２を構成するＩＧＢＴ２９の下アーム側がオンとなった場合に、シャント抵抗２３に流れる電流ＩＳＲ（ａ），シャント抵抗２３の端子電圧ＶＳＲ（ｂ），増幅回路２４の出力信号ＶＡＤＣＩＮ（ｃ）の波形をオシロスコープで観測したものである。尚、電流ＩＳＲ及び端子電圧ＶＳＲは負の値として観測されている。
【００３１】
そして、図８は、図７と同様の観測を、増幅回路に使用される反転オペアンプのスルーレイトを０．３Ｖ／μ秒とした場合である。図８に示すケースでは、オペアンプの速度がＩＧＢＴ２９のスイッチングレートに応答することができず、（ｃ）に示す出力信号ＶＡＤＣＩＮの波形は、制御回路６が正しい値をサンプリングすることが不可能なほど歪んでいる。
【００３２】
以上のように本実施例によれば、モータ１１の各相巻線１１ｕ〜１１ｗに交流電源を印加するインバータ回路２２を構成するＩＧＢＴ２９ａ〜２９ｆと、その下アーム側に接続され、モータ１１をセンサレス方式によってベクトル制御するために当該モータ１１の相電流を検出するシャント抵抗２３ｕ〜２３ｗとを、１つのパッケージ内に収めてＩＰＭ２１を構成した。
【００３３】
即ち、基板２７や樹脂モールド材、及びＩＧＢＴ２９を放熱させるためパッケージ外部に装着されるヒートシンクなどにより大きな熱容量を有しているＩＰＭ２１にシャント抵抗２３を内蔵させることで、シャント抵抗２３の放熱についても熱容量の大きなそれらの機構を利用することができる。従って、シャント抵抗２３のサイズを小さくすることが可能である。そして、シャント抵抗２３回りの実装密度を高めてモータ駆動回路装置の小型化を更に図ることができ、加えて、その実装作業が不要となるので組立てを容易に行なうことができる。
【００３４】
更に、シャント抵抗２３をＩＰＭ２１の内部に収容したことで、ＩＧＢＴ２９とシャント抵抗２３との間の配線距離は、シャント抵抗２３を外部に実装する場合に比較して著しく短縮化されている。その結果として、電流検出においてノイズの影響を受けにくくなるため、シャント抵抗２３の抵抗値をその分だけ小さく設定することも可能となっている。
【００３５】
また、本実施例によれば、ＩＰＭ２１に、ＩＧＢＴ２９を駆動するためのゲートドライバ２６と、シャント抵抗２３に発生する電圧を増幅するための増幅回路２４も内蔵させたので、実装密度をより一層向上させることができ、モータ駆動回路装置を更に小型化することができる。
【００３６】
そして、増幅回路２４を、スルーレイトが０．８Ｖ／μ秒のオペアンプを用いて構成したので、インバータ回路２２のスイッチング周波数が耳障りな雑音となることを回避する目的で１５ｋＨｚ以上に設定される場合でも、モータ１１の巻線１１ｕ〜１１ｗに流れる電流の検出に十分対応することができる。
【００３７】
加えて、シャント抵抗２３の抵抗値を５０ｍΩに設定したので、モータ１１が低速回転して電流値が小さくなった場合のＳ／Ｎ比を十分に確保することができると共に、シャント抵抗２３の発熱量も十分に抑制することができる。
【００３８】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
シャント抵抗２３の抵抗値は５０ｍΩに限ることはなく、２０ｍΩ〜１２０ｍΩの範囲で設定すれば、許容できるエラー率と発熱量とのバランスを概ね良好に維持することができる。
増幅回路を構成するオペアンプのスルーレイトは０．８Ｖ／μ秒に限ることなく、０．５Ｖ／μ秒であれば、インバータ回路２２のスイッチング周波数が１５ｋＨｚをある程度超える場合でも電流検出に支障がないことを確認している。
また、上述の抵抗値やスルーレイトは、モータの定格や、インバータ回路のスイッチング周波数の設定など、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
【００３９】
増幅回路２４，比較回路２５及びゲートドライバ２６は、夫々異なるＩＣチップとして構成しても良い。
ゲートドライバ２６は、ＩＰＭ２１の外部に構成しても良い。また、増幅回路２４，比較回路２５についてもＩＰＭ２１の外部に構成しても良い。
ＩＣは、ハイブリッドＩＣとして構成されるものに限らず、モノリシックＩＣとして構成しても良い。
スイッチング素子はＩＧＢＴ２９に限ることなく、その他、パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴなどでも良い。
ランドリー機器は洗濯機に限ることなく、その他、乾燥機や洗濯乾燥機などに適用しても良い。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のランドリー機器のモータ駆動回路装置によれば、インバータ回路を構成するスイッチング素子とモータをベクトル制御することを目的として当該モータの相電流を検出するためのシャント抵抗とを、１つのパッケージ内に収めてＩＣとして構成した。従って、シャント抵抗の放熱についても、ＩＣが備えている熱容量の大きな機構を利用することができるため、シャント抵抗のサイズを小さくすることが可能である。そして、シャント抵抗の実装に関する密度を高めることもでき、駆動回路装置の小型化を更に図ることができる。加えて、その実装作業が不要となるので組立てを容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をランドリー機器たる洗濯機に適用した場合の一実施例であり、モータ駆動回路装置の電気的構成を示す図
【図２】ＩＰＭのモールドパッケージ内の回路配置を示す平面図
【図３】ＩＰＭを樹脂モールドしたＤＩＰパッケージの外観を示す平面図
【図４】制御回路が増幅回路を介して検出し、サンプリングしたモータの電流データの一例を示す図
【図５】シャント抵抗の抵抗値を１０ｍΩとし、反転オペアンプの増幅率を２４とした場合の図４相当図
【図６】シャント抵抗の抵抗値を１０ｍΩ〜２００ｍΩの範囲で変化させた場合における、データのエラー率とシャント抵抗の発熱量とを示す図
【図７】インバータ回路を構成するＩＧＢＴの下アーム側がオンとなった場合にオシロスコープで観測した、シャント抵抗に流れる電流ＩＳＲ（ａ），端子電圧ＶＳＲ（ｂ），増幅回路の出力信号ＶＡＤＣＩＮ（ｃ）の波形を示す図
【図８】増幅回路に使用されるオペアンプのスルーレイトを０．３Ｖ／μ秒とした場合の図７相当図
【図９】従来技術を示す図１相当図
【符号の説明】
１１はモータ、１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは巻線、２１はＩＰＭ（ＩＣ）、２２はインバータ回路、２３ｕ，２３ｖ，２３ｗはシャント抵抗、２４は増幅回路、２６はゲートドライバ、２９ａ〜２９ｆはＩＧＢＴ（スイッチング素子）を示す。

Claims

洗濯に関連した運転動作を行なうランドリー機器のモータを駆動するためのモータ駆動回路装置において、
前記モータの各相巻線に交流電源を印加するインバータ回路と、
このインバータ回路を構成する下アーム側のスイッチング素子とグランドとの間に配置され、前記モータをベクトル制御することを目的として当該モータの相電流を検出するためのシャント抵抗とを備え、
前記インバータ回路を構成するスイッチング素子と前記シャント抵抗とは、１つのパッケージ内に収められるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成されていることを特徴とするランドリー機器のモータ駆動回路装置。
ＩＣは、シャント抵抗に発生する電圧を増幅するための増幅回路をもパッケージ内に収めて構成されていることを特徴とする請求項１記載のランドリー機器のモータ駆動回路装置。
増幅回路は、スルーレイトが０．５Ｖ／μ秒以上のオペアンプを用いて構成されていることを特徴とする請求項２記載のランドリー機器のモータ駆動回路装置。
ＩＣは、スイッチング素子を駆動するためのドライバをもパッケージ内に収めて構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のランドリー機器のモータ駆動回路装置。
シャント抵抗の抵抗値を、２０ｍΩから１２０ｍΩの間に設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のランドリー機器のモータ駆動回路装置。