JP2008043013A - モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高調波電流の改善を行うためには容量の大きなリアクタを必要となりコストと重量が増加してしまう。また、高調波電流の原因となる平滑用コンデンサを小さくした場合はでも電流波形が歪んでしまうという課題を有していた。
【解決手段】直流母線間の平均電圧を取得する平均電圧取得手段と、平均電圧取得手段により取得された平均電圧と位置検出手段１１４により検出されたモータ１０５の位置を用いインバータ１０４を制御しモータ１０５への印加電圧を決定する制御手段１１８を備えることにより、モータ１０５への印加電圧が単相交流電源１０１の電圧波形とほぼ同期し単相交流電源１０１の電流波形が改善されることとなり、電流波形が改善された小型化・低コストのモータの駆動装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機、冷蔵庫等に設けられた圧縮機あるいは送風機、さらには洗濯機のドラム（洗濯槽）等の駆動源となるモータの駆動方法およびその装置に関するものである。

従来、この種のモータ駆動装置における従来技術として、単相交流電源を、ダイオードをブリッジ接続した整流回路でリプル成分を含む直流に整流し、容量の大きな平滑用のコンデンサを用いてリプル成分を含む電圧を平滑し、安定してモータを駆動する制御装置が知られている。

また、異なる従来技術として、モータ駆動装置の小型・低コスト化を図るために、単相交流電源から整流回路への入力電流波形を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１０は従来の平滑用のコンデンサを用いていないモータの駆動装置のブロック図である。

図１０において、交流電源１は整流ダイオード２により脈動を持った直流電力に変換され、インバータ３に入力する。インバータ３は整流された直流電力を交流電力に変換し、ブラシレスモータ４に所望の電圧を印加する。

インバータ制御部５は、ｄｑ変換部６、ｄ軸ＰＩ制御器７、ｑ軸ＰＩ制御器８、ＰＷＭ生成部９を有し、インバータ３への入力電圧と、ブラシレスモータ４に流れるモータ電流と、ブラシレスモータ４に流すべき値を示すモータ電流指令値が入力され、インバータ３への入力電圧値が印加すべき電圧値よりも小さいときに、ブラシレスモータ４への印加電圧の電圧位相を保持して、インバータ３を制御する。

これにより、インバータ３の直流側電圧が低いときでもブラシレスモータ４への電圧印加を停止させることなく連続的に電圧を印加するようにし、大きく脈動した電圧がインバータ３に入力された場合でも安定した駆動を実現することで、モータ駆動装置の小型化を図っている。
特開２００５−２０９８６号公報

しかしながら、前者の従来技術は、波形の平滑のために容量の大きなコンデンサを用いているため、整流回路への入力が電圧のピーク付近のみで流れることとなってしまう。

そのため高調波規制を満足することがでず、容量の大きなリアクタを用いて対応を行っている。このようなリアクタはサイズ、重量ともに大きくコストアップにつながるという課題を有していた。

また、後者の従来技術は、平滑用の容量の大きなコンデンサが無いため、単相交流の電圧のピーク付近のみ電流が流れることは無いが、モータへの入力電圧を一定に保つよう制御しているため、単相交流入力の電圧がモータに印加しようとする電圧よりも低下した区間では、回路内のＬＣの容量により電流を流し続けようとして、電流波形に高調波成分を含んでしまい、印加電圧波形が大きく歪んでしまうという課題を有していた。

その結果、前記電流波形の歪が、前記モータ駆動装置を具備した機器と電源を同じとする他の機器に影響を及ぼし、例えば前記他の機器が照明器具の場合では、一時的に照明が暗くなったりし、また前記モータ駆動装置を具備した機器が多くなるにつれて、電柱から家屋に引込まれる引込み線電源（単相交流電源）に与える影響も大きくなるものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、大きな容量のリアクタを用いることなく単相交流入力の電流波形の高調波成分を減少させ、高調波規制を満足するモータの駆動装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のモータの駆動装置は、単相交流電源を整流回路により整流した電圧・電流を直接インバータへの入力とし、モータへの印加電圧の計算に、平均電圧取得手段によって取得した平均電圧を用いるようにしたものである。

これによって、前記モータへの印加電圧波形が単相交流電源の電圧波形とほぼ同期し、高調波成分を含まないような波形となって単相交流電源（モータへの印加電圧）の電流波形が改善されることとなる。

本発明のモータの駆動装置は、容量の大きなリアクタ等を用いることなく単純な構成で単相交流入力の電流波形が改善でき、高調波成分による単相交流電源への影響が緩和され、しかも小型・低コストのモータ駆動装置を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、単相交流電源と、前記単相交流電源から入力される電流を整流して直流に変換し出力する整流回路と、前記整流回路から出力される直流を入力とするインバータと、前記インバータにより駆動されるモータと、前記整流回路の直流母線間の平均電圧を取得する平均電圧取得手段と、前記モータを構成する回転子の位置を検出する位置検出手段と、前記平均電圧取得手段により取得された平均電圧と前記位置検出手段により検出された検出位置信号を入力信号として前記モータへの印加電圧を決定する制御手段を備え、前記決定された印加電圧が前記モータへ供給されるように前記インバータを制御するものである。

かかる構成とすることにより、所定範囲（例えば、電源波形における半波区間）の電圧を一定とみなしてモータへの印加電圧を設定することとなり、従来の電圧変動に伴いデューティを連続して可変する制御と異なり、モータへの印加電圧形成に際してのデューティ（率）設定（演算処理）が容易となり、印加電圧供給が速やかに行える。

請求項２に記載の発明は、前記平均電圧取得手段を、前記直流母線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出した電圧を演算により平均電圧を算出し出力する平均電圧演算手段で構成し、前記位置検出手段を、前記モータの電流を取得する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流と前記電圧検出手段により検出された電圧から前記回転子の位置を検出するモータ位相演算手段で構成ものである。

かかる構成とすることにより、モータ位相を精度良く推定するために必要な電圧検出手段の検出値を基に平均電圧を演算処理で設定することができ、また、前記電圧検出手段が平均電圧を検出するための電圧検出手段を兼ねるため、部品数の削減と、低コストで位置検出精度の向上をはかることが可能となる。

請求項３に記載の発明は、前記決定された印加電圧値と、前記平均電圧取得手段により取得された前記平均電圧値によりデューティを演算処理にて決定し、そのデューティに基づき前記インバータを駆動するものである。

かかる構成とすることにより、一定のデューティ率で前記モータへ給電されるため、前記モータへの印加電圧波形が単相交流電源の電圧波形とほぼ同期し、その結果、前記モータへの印加電圧波形、強いては単相交流電源の電流波形が改善されることとなり、電流波形の高調波成分が改善された小型化・低コストのモータ駆動装置を提供することができる。

さらに、前記電流波形の改善に伴い、高調波成分による機器への悪影響が抑制され、前記モータの起動時、再起動時における単相交流電源の急激な電圧変動も緩和される。

請求項４に記載の発明は、前記平均電圧取得と、前記回転子の位置検出と、これらを用いて所定時間単位での前記印加電圧を決定する演算処理を行うものである。

かかることにより、その所定時間ではデューティを変更制御する必要が無く、制御のための演算処理の負荷となることもない。これは、制御プログラムの簡略化につながり、またモータの回転数制御のための演算処理時間も短くなり、モータを俊敏に駆動することが可能となる。

請求項５に記載の発明は、平均電圧を演算するために前記電圧取得手段が取得する電圧取得時間を、電源周波数における半波の時間の公倍数としたものである。

かかることにより、平均電圧を精度よく演算設定することができ、また、前記公倍数を最小とすることにより、前記モータへの印加電圧供給が速やかとなり、前記電源電圧に対する電流波形の歪みも少なく、安定したモータの駆動が行える。

請求項６に記載の発明は、前記整流回路の直流母線間に小容量のコンデンサを接続したものである。

かかる構成とすることにより、電圧低下時にモータからの回生エネルギーを蓄え利用することが可能となり、その結果、モータの起動に一層大きなトルクを発生させることが可能となる。

請求項７に記載の発明は、前記モータを、冷凍サイクルを構成する圧縮機の駆動用としたものである。

かかることにより、慣性モーメントが大きい圧縮機駆動用モータの場合、電圧変動によるトルク変動の影響を受けることが少なく、より安定した駆動が可能となる。

請求項８に記載の発明は、前記圧縮機を、レシプロ型圧縮機としたもので、かかることにより、スクロール型圧縮機やロータリ型圧縮機等よりさらに慣性モーメントが大きくなり、さらに安定した駆動が可能となる。

請求項９に記載の発明は、前記圧縮機を、冷蔵庫を構成する冷凍サイクルに設けたもので、かかることにより、高調波規制が厳しい冷蔵庫であっても、小型・低コストで高調波規制を満足することができる。

また、小型のモータ駆動装置であるので、庫内容積率が高い冷蔵庫が得られ、従来と同じ外形寸法で収納容量が一層多く、使い勝手の良い冷蔵庫が得られる。

請求項１０に記載の発明は、前記モータを、送風装置を構成するファンの駆動用としたものである。

かかる構成とすることにより、モータ駆動装置の小型軽量化に伴い、送風機自体を従来の送風機に比べて一層小型化および軽量化でき、可搬性の高い送風装置を提供することができる。

請求項１１に記載の発明は、前記モータを、衣類の汚れ等を洗濯する電気洗濯機のドラムの回転駆動用としたものである。

かかることにより、小型化したモータ制御装置を用いているため、洗濯機のドラムの容積率を高くすることが可能となり、従来の電気洗濯機と同じ外形寸法で洗濯兼脱水槽の大容量化が達成できる。

請求項１２に記載の発明は、前記モータを、湿った衣類等を乾燥する電気乾燥機のドラムの回転駆動用としたもので、かかることにより、小型化したモータ制御装置を用いているため、乾燥機のドラムの容積率を高くすることが可能となり、従来の電気乾燥機と同じ外形寸法でドラムの大容量化が達成できる。

請求項１３に記載の発明は、前記モータを、床等のごみを吸引する電気掃除機のファン駆動用としたもので、かかることにより、小型軽量化したモータ制御装置を用いているため、掃除機本体を従来の掃除機に比べて小型化および軽量化が可能となり、可搬性が高くユーザにとってハンドリングが容易な電気掃除機を提供することができる。

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この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１におけるモータの駆動装置のブロック図である。

図１において、単相交流電源１０１は商用電源で、日本国内ではＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであり、整流回路１０２に接続している。

整流回路１０２は、周知の如く４個のダイオードをブリッジ接続した回路で構成されている。

平滑用のコンデンサ１０３は、整流回路１０２で全波整流した電圧が入力される。このコンデンサ１０３の容量は０．２μＦ／Ｗ以下の静電容量を持つコンデンサを使用する。

この種の平滑用コンデンサは、一般的にはインバータ１０４の出力容量（ＷまたはＶＡ）や駆動装置全体の入力容量（ＷまたはＶＡ）から、あるいは直流電圧のリプル含有量やリプル電流による平滑用コンデンサの耐リプル電流の特性等からコンデンサの静電容量を決定する。

これらの条件を加味して、一般的には２〜４μＦ／Ｗ程度の容量を確保する。すなわち２００Ｗの出力容量の場合は４００〜８００μＦ程度の電解コンデンサを使用していた。

これに対し、本実施の形態１では、コンデンサ１０３には０．２μＦ／Ｗ以下の静電容量を持つコンデンサを使用している。すなわち２００Ｗの出力容量の場合は４０μＦ以下のコンデンサを使用することになる。

コンデンサ１０３の種類は、積層セラミックコンデンサやフィルムコンデンサ等を用いることができ、特に積層セラミックコンデンサは、近年高耐圧で大容量のコンデンサがチップで実現できるようになってきており、装置を非常に小型化できるという利点がある。

本実施の形態１では、上述の如くコンデンサ１０３に、静電容量が１μＦの積層セラミックコンデンサを採用している。

インバータ１０４は、スイッチング素子と逆向きに接続されたダイオードをセットにした回路を６回路３相ブリッジ接続している。前記スイッチング素子は、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタやＦＥＴ等を用いることができる。本実施の形態１においては、ＰＷＭ（Ｐｌｕｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）制御によるインバータとして説明する。

ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータと称す）１０５は、インバータ１０４の３相出力により駆動される。モータ１０５の固定子には、３相スター結線された巻線が施され、この巻き方は集中巻であっても、分布巻であっても構わない。また回転子は、希土類永久磁石を有しており、その配置方法は表面磁石型（ＳＰＭ）でも磁石埋め込み型（ＩＰＭ）であっても構わない。また永久磁石はフェライト系磁石でも希土類系磁石でも構わない。

尚、永久磁石を用いる場合は、希土類系磁石を用い、マグネット使用重量をフェライト系磁石と同量とした場合、モータ効率を向上することができ、またフェライト系磁石を用いたモータと同等性能のモータとする場合は、マグネット重量を低減することができるため、モータ重量を軽量化することができる。

圧縮要素１０６は、モータ１０５を構成する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。このモータ１０５と圧縮要素１０６を同一の密閉容器１０７に収納し、レシプロ型の圧縮機１０８を構成する。圧縮機１０８は、搭載される機器に応じてロータリ型、スクロール型が用いられる。なお、圧縮機１０８の具体的な構成については、図２を用いて後述する。

圧縮機１０８は、ここで圧縮し、吐出した冷媒ガスを、凝縮器１０９、減圧器１１０、蒸発器１１１を通って圧縮機１０８の吸い込みに戻る冷凍空調システム（冷凍サイクル）を構成し、凝縮器１０９では放熱を、蒸発器１１１では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。

尚、必要に応じて凝縮器１０９や蒸発器１１１に送風機等を付加し、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、冷凍空調システムを具備した機器として冷蔵庫を例にし、庫内１１２を蒸発器１１１により冷却する構成としている。

電圧検出手段１１３は、整流回路１０２の直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧を検出し、位置検出手段１１４と平均電圧演算手段１１５への入力としている。

位置検出手段１１４は、電流検出手段１１６とモータ位相演算手段１１７を具備し、これらの信号を基にしてモータ１０５を構成する回転子の位置（回転角度）を検出（演算処理）し、その信号を制御手段１１８への入力としている。

電流検出手段１１６は、モータ１０５を流れる電流を検出し、その検出した電流値を信号としてモータ位相演算手段１１７へ入力している。また、電流検出手段１１６としては、電流センサやシャント抵抗等を用いることができる。前記シャント抵抗は特に小型で低コストであり、実現可能性が高い。

また、モータ位相演算手段１１７は、電流検出手段１１６の出力であるモータ１０５の電流値と、電圧検出手段１１３の出力である整流回路１０２の直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧値を入力（信号）とし、これらの信号を演算処理してモータ１０５の回転子の位置（回転角度）を検出している。そして検出した位置情報を制御手段１１８への入力（信号）としている。

平均電圧演算手段１１５は、電圧検出手段１１３の出力である整流回路１０２の直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧値を入力として直前の設定時間（本実施の形態１においては、過去５０ミリ秒として説明する）に入力された電圧の平均を演算し、制御手段１１８への入力（信号）とする。

本実施の形態１においては、平均電圧を演算する対象期間（直前の設定時間）を過去５０ミリ秒とすることで、国内電源周波数である５０Ｈｚと６０Ｈｚにおける半波の時間の公倍数としたので、単相交流電源１０１の周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚのどちらでも安定した平均電圧が算出される。単相交流電源１０１は、周期関数であるので、平均電圧は次式の通りとなる。

かかる式により、平均電圧Ｖａｖは実効値Ｖｅと比べて約０．９倍となる。したがって、交流１００Ｖの実効値であれば、約９０Ｖの平均電圧となる。

制御手段１１８では、位置検出手段１１４の出力であるモータ１０５の位置情報を入力として、モータ１０５の印加電圧（モータの所定のトルクを得るための電圧）を決定する。そして、決定された印加電圧と平均電圧演算手段１１５により演算された平均電圧からＰＷＭデューティ幅を決定し、インバータ１０４の駆動を行う。

このように、モータ１０５の位置検出に平均電圧ではなく、電圧検出手段１１３によって検出された直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧を用いることで、精度良くモータ１０５の位置を検出しつつ、デューティの計算には平均電圧を用い、高調波成分を改善することができる。

また、モータ１０５の位置検出手段１１４によるモータ１０５（回転子）の位置と実際のモータ（回転子）の位置との間に多少のずれや、高トルク運転のための弱め磁束制御等を行ってモータ１０５からのエネルギーが返ってきたとしても、０．２μＦ／Ｗの容量のコンデンサ１０３を選んでいるため、急峻な電圧変化を吸収し、吸収したエネルギーを利用してモータ１０５を駆動することができる。

次に、圧縮機１０８の構成について図２を参考に説明する。図２は、本実施の形態１における圧縮機の断面図を示している。

図２において、圧縮機１０８の密閉容器１０７内には、オイル１１９を貯溜すると共にＲ６００ａの冷媒１２０が封入され、固定子１２１と回転子１２２を主体に構成されたモータ１０５、およびこれによって駆動される圧縮要素１０６がスプリング等により弾性的に支持されており、モータ１０５の回転による振動が圧縮機外部に伝播しにくい構成となっている。

圧縮要素１０６は、回転子１２２が固定された主軸部１２３および偏芯軸部１２４から構成されたクランクシャフト１２５の主軸部１２３を軸支するとともに圧縮室１２６を有するシリンダ１２７と、圧縮室１２６内で往復運動するピストン１２８と、偏芯軸部１２４とピストン１２８を連結する連結手段１２９を備え、レシプロ型の圧縮機構を構成している。

従って、本実施の形態１においては、インバータの入力電圧に大きな脈動を含む場合でも、イナーシャが大きいレシプロ型圧縮機の特徴と構造から、脈動による振動および振動に伴う騒音が圧縮機外部に漏れにくくなっている。

なお本実施の形態１では、Ｒ１３４ａ冷媒と比較して冷凍能力の低いＲ６００ａを用いているので、同等の冷却性能を確保するためにはＲ１３４ａ用圧縮機より圧縮室容積を大きくする必要があり、ピストンが大型化する。従って、モータイナーシャが増大するため、コンデンサ１０３を非常に小さい容量としても、インバータ入力電圧に大きな脈動を含んだ場合も振動および騒音の影響をさらに受けにくくなる。

なお、電圧検出手段１１３、位置検出手段１１４（電流検出手段１１６、モータ位相演算手段１１７）、平均電圧演算手段１１５、制御手段１１８は、各種信号を演算処理する関係から、周知の如くマイクロコンピュータを中心とする集積回路（ＬＳＩ）によって構成されている。

以上のように構成されたモータの駆動装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、図１、図３、図４、図５、図６を用いて従来技術の説明と同様に平均電圧を用いず、直流母線Ｖ１、Ｖ２の電圧を用いて制御を行った場合について説明する。

図３は本実施の形態１であるモータの駆動装置における直流母線電圧の推移の一部（半波）を示す波形図である。図４は従来の制御による直流母線電圧値を用いた時のモータに印加されるキャリア周期毎の平均電圧推移の一部（半波）を示すグラフである。図５は従来の制御による直流母線電圧値を用いた時のキャリア周期毎におけるＰＷＭデューティ率の推移の一部（半波）を示すグラフである。図６は従来の制御による直流母線電圧値を用いた時のモータに流れる電流推移の一部（半波）を示す波形図である。

なお、これらの波形図、グラフは、便宜上波形の１サイクルを２０ミリ秒として説明する。

位置検出手段１１４によって検出されたモータ１０５の位置情報を基に制御手段１１８は、モータ１０５に印加する電圧を決定する。ここで、モータ１０５の印加電圧を便宜上６４Ｖと設定して説明を進める。

このとき、従来の制御では、直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧を用いてＰＷＭデューティを計算するため、図３において直流母線電圧が６４Ｖ以上あるＴ１ミリ秒からＴ２ミリ秒の区間では、ＰＷＭデューティ幅を図５のＴ１ミリ秒からＴ２ミリ秒間に示すように電圧の上昇に反比例してデューティ率を制御し、これによってＴ１ミリ秒からＴ２ミリ秒の区間においてキャリア周期毎の平均電圧が図４に示すように６４Ｖとなるよう制御を行う。

つまり、従来の制御は、キャリア周期毎におけるモータ１０５への印加電圧を、デューティ率を制御して設定していた。

一方で、直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧が６４Ｖ以下の区間である０ミリ秒からＴ１ミリ秒、およびＴ２ミリ秒から１０ミリ秒の区間においては、モータ１０５に最大限に電圧を印加しようとするため、図５の同区間に示すようにデューティ率は１００％となる。したがって、モータ１０５への印加電圧は図４に示すように直流母線の電圧（波形）と等しくなる。

その結果、図６に示すようにＴ１ミリ秒からＴ２ミリ秒間での電流がほぼ一定となり、Ｔ２ミリ秒から１０ミリ秒間では電圧が低下しているため、電流を流せなくなり、電流値が減少する。

また、電圧が０Ｖになった場所であっても、単相交流電源１０１のインダクタ成分等により電流を流し続けようとし、図６の０ミリ秒からＴ１の区間に相当する０Ｖからの電圧の立ち上がり区間では、立下りの部分で流し続けようとした電流が流れ、図６のＰで示すように電流波形が尖り、高調波成分を含んでしまう。

次に、本実施の形態１による制御、すなわち、平均電圧演算手段１１５が演算した直流母線Ｖ１、Ｖ２間の電圧の平均電圧を用いて制御手段１１８がモータ１０５への印加電圧を計算した場合について、図１、図３、図４、図７、図８、図９を用いて説明する。

また、本実施の形態１においては、電源周波数が５０Ｈｚで、平均電圧を算出する時間を前述の如く５０ミリ秒とした場合について説明する。したがって、電源周期が安定していることを前提にすれば、５０ミリ秒と１０ミリ秒の各平均電圧は等しいため、以下の説明では便宜上、１０ミリ秒の区間の図を用いて説明する。

ここで、図７は本実施の形態１において平均電圧値を用いた時のキャリア周期毎におけるＰＷＭデューティ率の推移の一部（半波）を示すグラフである。図８は本実施の形態１における平均電圧値を用いた時のモータに印加されるキャリア周期毎の平均電圧推移の一部（半波）を示すグラフである。図９は本実施の形態１における平均電圧値を用いた時のモータに流れる電流推移の一部（半波）を示す波形図である。

まず、平均電圧演算手段１１５によって演算される平均電圧は、前述の数１式から約９０Ｖとなり、モータ１０５へ６４Ｖを出力するのに必要なデューティは約７１％と計算される。従来の如く直流母線間電圧をデューティ演算に用いた場合は、デューティ（率）が図５に示すように変動するが、本実施の形態１においては、平均電圧を演算に用いているため、一キャリア周期におけるデューティ（率）は図７に示すように０ミリ秒から１０ミリ秒の区間全てに亘って一定となる。

その結果、モータ１０５に印加されるキャリア周期毎の平均電圧推移は、図８に示すように、図３に示す直流母線電圧（整流回路１０２の出力電圧）の推移の値を約０．７１倍したものとほぼ一致し、これは整流回路１０２の入力側である単相交流電源１０１の電圧推移とも略一致している。

その結果、モータ１０５に印加される電圧が正弦波状に推移し、モータ１０５に流れる総電流の推移も図９に示すように正弦波状となり、高調波成分が大きく改善されることとなる。

つまり、従来はモータ１０５への印加電圧を一定にするために、一キャリア周期における母線間電圧とデューティを変化数値として捕らえ、双方を時間経過と共に変化させる制御としていたが、本実施の形態１においては、モータ１０５への印加電圧を、交流電源（母線間電圧）と同期（変化）させるために、母線間電圧の平均電圧とデューティをそれぞれ一定として制御したものである。そして各種演算処理、出力処理はマイクロコンピュータのプログラム構成によって行われるものである。

かかる制御は、負荷が軽く、モータ１０５が低速で運転される場合のように、低い電流値の場合でも高調波が発生しないように制御することができ、その結果、高調波規制がエアコンよりも厳しい冷蔵庫の制御に適したものとなる。

なお、前記印加電圧は、位置検出手段１１４で検出された回転子の位置に応じて都度決定されるもので、必ずしも一定の値（６４Ｖ）に固定されるものではない。

以上のように、本実施の形態１においては、単相交流電源１０１と、単相交流電源１０１から入力される電流を整流して直流に変換し出力する整流回路１０２と、整流回路１０２から出力される直流を入力とするインバータ１０４と、インバータ１０４により駆動されるモータ１０５と、電圧検出手段１１３と平均電圧演算手段１１５を具備し、整流回路１０２の直流母線Ｖ１、Ｖ２間の平均電圧を取得する平均電圧取得手段と、モータ１０５の位置を検出する位置検出手段１１４と、平均電圧演算手段１１５により取得された平均電圧と位置検出手段１１４により検出されたモータ１０５の位置を用いてインバータ１０４を制御し、モータ１０５への印加電圧を決定する制御手段１１８を備えることにより、モータ１０５への印加電圧形成に際してのデューティ（率）を一定とし、このデューティに基づいてモータ１０５へ給電するものである。

その結果、モータ１０５への印加電圧が単相交流電源１０１の電圧波形とほぼ同期し、単相交流電源１０１の電流波形が改善されることとなり、電流波形が改善された小型化・低コストのモータの駆動装置を提供することができる。

また、直流母線Ｖ１、Ｖ２の電圧を検出する電圧検出手段１１３と、電圧検出手段１１３が検出した電圧を演算により平均電圧を算出し、出力する平均電圧演算手段１１５で電圧取得手段を構成し、位置検出手段１１４を、モータ１０５の電流を取得する電流検出手段１１６と、この電流検出手段１１６により検出された電流と電圧検出手段１１３により検出された電圧からモータ１０５の位置を検出するモータ位相演算手段１１７で構成していることにより、モータ位相を精度良く推定するために必要な電圧検出と平均電圧を検出するための電圧検出が一つの電圧検出手段１１３で検出できるため、部品数の削減がはかれ、低コストで位置検出精度の向上が可能となる。

さらに、整流回路１０２の直流母線間に小容量のコンデンサ１０３を接続することにより、電圧低下時にモータ１０５からの回生エネルギーを蓄え利用することとなり、より大きなトルクを発生させることが可能となる。

また、圧縮機１０８を駆動するモータ１０５の場合は、電圧の変動によってモータ１０５にトルク変動が発生しても、圧縮機１０８の慣性モーメントが大きいことからモータ１０５への影響は小さく、その結果、より安定した駆動が可能となる。

さらに、圧縮機１０８をレシプロ型の圧縮機としているため、構造上、スクロール型圧縮機やロータリ型圧縮機等よりさらに慣性モーメントが大きく、さらに安定した駆動が可能となる。

また、圧縮機１０８が圧縮する冷媒をＲ６００ａとしているため、冷蔵庫等で一般的に採用されたＲ１３４ａと比較して冷凍能力が低く、同等の冷凍能力を得るためには、圧縮機１０８の気筒容積を大きくする必要がある。かかる構成は、慣性モーメントがさらに増加することとなるので、非常に安定した運転を行うことができる。

さらに、モータ駆動装置は、モータ１０５に印加される電圧波形を正弦波状に推移させるため、モータ１０５に流れる総電流の推移も高調波成分が改善された正弦波状となる。

したがって、前記モータ駆動装置を具備する圧縮機１０８を、凝縮器１０９、減圧器１１０、蒸発器１１１等とともに構成される冷凍空調システム（冷凍サイクル）に設け、この冷凍空調システムを冷蔵庫に採用することにより、高調波規制を満足する冷蔵庫が得られる。しかも、前記モータの駆動装置は、小型であるので、冷蔵庫の庫内容積率を高めることができ、従来と同じ外形寸法でより収納容量の多い使い勝手の良い冷蔵庫が提供できることとなる。

また、前記冷凍空調システムを空気調和機に適用することにより、空気調和機の小型化が可能となり、しかも、低コストで高調波を改善した空気調和機が構成できる。そのため、空気調和機における設置スペースの自由度を高めることができる。

前記モータの駆動装置は、冷凍空調システム以外にも用途展開が可能で、適用した各種機器に特有の作用効果を奏する。

以下、前記モータの駆動装置を適用した幾つかの機器を例に説明する。

モータ１０５を、送風装置のファン駆動用として用いた場合、小型軽量化したモータ駆動装置であることに起因して送風装置自体を従来の送風装置に比べて小型化および軽量化でき、可搬性の高い送風装置を提供することができる。

また、モータ１０５を、衣類の汚れ等を洗濯する電気洗濯機のドラム（洗濯兼脱水槽）の回転駆動用として用いた場合、小型化したモータ駆動装置であることに起因して洗濯機のドラム容積率を高くすることが可能となり、従来の電気洗濯機と同じ外形寸法で洗濯兼脱水槽の大容量化が可能となる。

同様に、モータ１０５を、湿った衣類等を乾燥する電気乾燥機の乾燥ドラムの回転駆動用として用いた場合も、小型化したモータ駆動装置であることに起因して乾燥機の乾燥ドラム容積率を高くすることが可能となり、従来の電気乾燥機と同じ外形寸法で乾燥ドラムの大容量化が可能となる。

さらに、モータ１０５を、床等のごみを吸引する電気掃除機のファン駆動用として用いた場合も同様に、小型軽量化したモータ駆動装置であることに起因して掃除機本体を従来の掃除機に比べて小型化および軽量化することができ、その結果、可搬性が高く、ユーザにとってハンドリングが容易な使い勝手のよい電気掃除機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるモータの駆動装置は、小型・低コストで高調波抑制が可能となるので、エアコン等の冷凍空調システム以外にも、ＡＶ機器（特に小型機器）等のようにモータが非常に小さくてセンサをつけることが困難な機器や回路を非常に小型化したい場合等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるモータの駆動装置のブロック図 同実施の形態１における駆動装置によって駆動する圧縮機の断面図 同実施の形態１におけるモータの駆動装置における直流母線電圧の推移の一部（半波）を示す波形図 従来の制御による直流母線電圧値を用いた時のモータに印加されるキャリア周期毎の平均電圧推移の一部（半波）を示すグラフ 従来の制御による直流母線電圧値を用いた時のキャリア周期毎におけるＰＷＭデューティ率の推移の一部（半波）を示すグラフ 従来の制御による直流母線電圧値を用いた時のモータに流れる電流推移の一部（半波）を示す波形図 本発明の実施の形態１における平均電圧値を用いた時のキャリア周期毎におけるＰＷＭデューティ率の推移の一部（半波）を示すグラフ 同実施の形態１における平均電圧値を用いた時のモータに印加されるキャリア周期毎の平均電圧推移の一部（半波）を示すグラフ 同実施の形態１における平均電圧値を用いた時のモータに流れる電流推移の一部（半波）を示す波形図 従来技術におけるモータの駆動装置のブロック図

符号の説明

１０１ 単相交流電源
１０２ 整流回路
１０３ コンデンサ
１０４ インバータ
１０５ モータ
１０６ 圧縮要素
１０７ 密閉容器
１０８ 圧縮機
１０９ 凝縮器
１１０ 減圧器
１１１ 蒸発器
１１２ 庫内
１１３ 電圧検出手段
１１４ 位置検出手段
１１５ 平均電圧演算手段
１１６ 電流検出手段
１１７ モータ位相演算手段
１１８ 制御手段
１１９ オイル
１２０ 冷媒
１２１ 固定子
１２２ 回転子
１２３ 主軸部
１２４ 偏芯軸部
１２５ クランクシャフト
１２６ 圧縮室
１２７ シリンダ
１２８ ピストン
１２９ 連結手段

Claims (13)

1. 単相交流電源と、前記単相交流電源から入力される電流を整流して直流に変換し出力する整流回路と、前記整流回路から出力される直流を入力とするインバータと、前記インバータにより駆動されるモータと、前記整流回路の直流母線間の平均電圧を取得する平均電圧取得手段と、前記モータを構成する回転子の位置を検出する位置検出手段と、前記平均電圧取得手段により取得された平均電圧と前記位置検出手段により検出された検出位置信号を入力信号として前記モータへの印加電圧を決定する制御手段を備え、前記決定された印加電圧が前記モータへ供給されるように前記インバータを制御するモータの駆動装置。
2. 前記平均電圧取得手段を、前記直流母線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出した電圧を演算により平均電圧を算出し出力する平均電圧演算手段で構成し、前記位置検出手段を、前記モータの電流を取得する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流と前記電圧検出手段により検出された電圧から前記回転子の位置を検出するモータ位相演算手段で構成した請求項１に記載のモータの駆動装置。
3. 前記決定された印加電圧値と、前記平均電圧取得手段により取得された前記平均電圧値によりデューティを演算し、そのデューティに基づき前記インバータを駆動する請求項１または２に記載のモータの駆動装置。
4. 前記平均電圧取得と、前記回転子の位置検出と、これらを用いて所定時間単位での前記印加電圧を決定する演算処理を行う請求項１から３のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
5. 平均電圧を演算するために前記電圧取得手段が取得する電圧取得時間を、電源周波数における半波の時間の公倍数とした請求項１から４のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
6. 前記整流回路の直流母線間に小容量のコンデンサを接続した請求項１から５のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
7. 前記モータを、冷凍サイクルを構成する圧縮機の駆動用とした請求項１から６のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
8. 前記圧縮機を、レシプロ型圧縮機とした請求項７に記載のモータの駆動装置。
9. 前記圧縮機を、冷蔵庫を構成する冷凍サイクルに設けた請求項７または８に記載のモータの駆動装置。
10. 前記モータを、送風装置を構成するファンの駆動用とした請求項１から６のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
11. 前記モータを、衣類の汚れ等を洗濯する電気洗濯機のドラムの回転駆動用とした請求項１から６のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
12. 前記モータを、湿った衣類等を乾燥する電気乾燥機のドラムの回転駆動用とした請求項１から６のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
13. 前記モータを、床等のごみを吸引する電気掃除機のファン駆動用とした請求項１から６のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。

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