JP4363169B2

JP4363169B2 - 食器洗い機のモータ駆動装置

Info

Publication number: JP4363169B2
Application number: JP2003412988A
Authority: JP
Inventors: 光幸木内; 将大鈴木; 秀樹中田; 包晴吉岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: TWI302094B; CN2815266Y; US20050127865A1; TW200528057A; JP2005168797A; KR20050058191A; KR100712247B1; US7064517B2; CN1306694C; EP1542351A2; EP1542351A3; CN1627625A

Description

本発明は家庭用の食器を洗浄する食器洗い機に関するものである。

従来、この種の食器洗い機のモータ駆動装置は、インバータによりセンサレスブラシレスモータを駆動することによりポンプモータを小型化する必要があった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１９００７０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、位置検出のためにモータ誘起電圧を検出する必要があるので、１２０度通電、あるいは方形波駆動と呼ばれるモータ駆動方法を採用しているためモータ電流の波形歪みが大きくモータ騒音が増加する課題があった。また、センサレス駆動ではなく位置センサ信号により駆動する場合には、モータに位置センサを設ける必要があり、モータ厚みが大きくなり、モータの信頼性が低下して高価格となる課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ポンプモータをセンサレス正弦波駆動することによりモータ騒音を低下させ、位置センサをなくすことよりモータを小型化、薄型化、低価格化して信頼性を向上させることを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明の食器洗い機のモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、洗浄ポンプ、あるいは排水ポンプを駆動するモータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をＰＷＭ制御し、モータの印加電圧と前記モータの電流Ｉとの位相差をφとし、そのモータの電流Ｉの無効電流成分Ｉｓｉｎφを無効電流とし、制御手段が、設定回転数におけるモータ負荷のトルク電流に応じた所定値に無効電流を設定し、設定回転数において無効電流が所定値となるように制御することにより、インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相を制御するようにしたものである。

本発明の食器洗い機のモータ駆動装置は、設定回転数におけるモータ負荷のトルク電流に応じた無効電流を流すことによりＤＣブラシレスモータ（同期モータ）をセンサレス正弦波駆動するようにしたものであり、位置センサを無くしても高効率運転が可能であり、モータ騒音を減らし、位置センサを無くしてモータを小型化でき、信頼性向上と低価格化を実現できる。

第１の発明は、交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗浄ポンプ、あるいは排水ポンプを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段とを備え、前記モータの印加電圧と前記モータの電流Ｉとの位相差をφとし、前記モータの電流Ｉの無効電流成分Ｉｓｉｎφを無効電流とし、前記制御手段は、設定回転数におけるモータ負荷のトルク電流に応じた所定値に前記無効電流を設定し、前記設定回転数において前記無効電流が前記所定値となるように制御することにより、前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相を制御するようにしたもので、位置センサを無くしても高効率運転が可能であり、モータ騒音を減らし、位置センサを無くしてモータを小型化でき、信頼性向上と低価格化を実現できる。

第２の発明は、第１の発明におけるインバータ回路は、６ヶのトランジスタとダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路より構成し、電流検出手段は前記３相フルブリッジインバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子にそれぞれ接続したシャント抵抗より構成し、前記シャント抵抗に流れる電流を検出することにより前記インバータ回路の出力電流を検出するようにしたもので、直流成分の検出が容易となり、低価格のシャント抵抗により電流検出手段を構成できるので、電流検出手段を小型でき、低価格のセンサレスモータ駆動装置を実現できる。

第３の発明は、第１の発明におけるモータは、扁平状の位置センサレスＤＣブラシレスモータより構成するようにしたものであり、ＤＣブラシレスモータにより構成することによりモータを小型化でき、さらに、位置センサが無いのでモータを扁平形状にすることができ、洗浄槽底部のモータ等装着容積を減らすことが可能となり、食器を配設する洗浄槽容積を大きくできコンパクト大容量の食器洗い機を実現できる。

第４の発明は、第１の発明においてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御することにより前記インバータ回路の出力電流と前記モータの誘起電圧との位相がほぼ同位相となるように制御するようにしたものであり、モータ誘起電圧位相とモータ電流位相をほぼ同位相とすることによりモータ電流を減らして最大効率運転が可能となり、モータの温度上昇を減らすことができるのでモータの小型化、扁平化が可能となり、モータ装着容積を減らし、食器を配設する洗浄槽容積を大きくできコンパクト大容量、低価格の食器洗い機が実現できる。

第５の発明は、第１の発明においてインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御することにより前記モータの誘起電圧に対する前記インバータ回路の出力電流位相が進み角となるように制御するようにしたものであり、負荷変動により電流位相が変動しても誘起電圧に対する電流位相が遅れになってトルクが減少して脱調することがなくなり制御が安定化するので、ポンプのエア噛みのような急激な負荷変動に対しても安定に動作させることができると同時に弱め界磁制御により極数の多いモータにおいても高速運転が可能となる。

第６の発明は、第１の発明においてインバータ回路をＰＷＭ制御するスイッチング周期に同期して電流検出手段により前記インバータ回路の出力電流を検出し、前記電流検出手段により検出した電流値とスイッチング周期に同期して演算設定した出力電流値とを比較することにより前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の瞬時値が所定値となるように制御するようにしたので、モータ駆動周波数よりも高いキャリヤ周波数でモータ電流位相や無効電流、あるいは電流絶対値検出が可能となり、モータ制御応答時間を早くして負荷変動に追従できるので、ポンプのエア噛みのような急激な負荷変動に対しても安定に動作させることができる。

第７の発明は、第１の発明においてモータを正回転、あるいは逆回転に制御して洗浄ポンプ動作、あるいは排水ポンプ動作が可能となるようし、前記ポンプ駆動時に前記モータを設定回転数に制御しインバータ回路出力電流が所定値以下になると前記ポンプのエア噛み検知判定するようにしたので、エア噛み検知判定時の騒音増加を防ぐために、洗浄運転あるいはすすぎ運転時には回転数を減らすか水量を増やすことができ、排水運転時にはポンプ動作を一時停止して洗浄槽下部に洗浄水が溜まるまで待ち、再度排水ポンプを駆動することにより運転時間を減らし騒音発生を減らすことが可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における食器洗い機のモータ駆動装置のブロック図を示すものである。

図１において、交流電源１より整流回路２に交流電力を加えて直流電力に変換し、インバータ回路３により直流電力を３相交流電力に変換してモータ４を駆動する。整流回路２は、全波整流回路２０の直流出力端子にコンデンサ２１ａ、２１ｂを直列接続し、コンデンサ２１ａ、２１ｂの接続点を交流電源入力の一方の端子に接続して直流倍電圧回路を構成し、インバータ回路３への印加電圧を高くする。インバータ回路３の負電圧側に電流検出手段５を接続し、インバータ回路３の３相各下アームに流れる電流を検出することによりインバータ回路３の出力電流、すなわち、モータ４の各相電流を検出する。

制御手段６は、電流検出手段５の出力信号よりインバータ回路３の出力電流を演算し、設定回転数に応じた所定周波数、所定電圧を印加してモータ４を回転駆動するものであり、モータ負荷に応じて出力電圧に対する出力電流位相、あるいは無効電流となるように制御することにより設定同期速度でモータ４を回転駆動できる。

図２はインバータ回路３の詳細な回路図であり、６個のトランジスタとダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路により構成している。ここで、３相アームの１つのＵ相アーム３０Ａについて説明すると、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと略す）よりなる上アームトランジスタ３１ａ１と逆並列ダイオード３２ａ１の並列接続体と、ＩＧＢＴよりなる下アームトランジスタ３１ａ２と逆並列ダイオード３２ａ２の並列接続体を直列に接続し、上アームトランジスタ３１ａ１のコレクタ端子は直流電源の正電位端子Ｌｐに接続し、上アームトランジスタ３１ａ１のエミッタ端子は出力端子Ｕに接続し、下アームトランジスタ３１ａ２のエミッタ端子は電流検出手段５を構成するシャント抵抗５０ａを介して直流電源の負電位側端子Ｌｎに接続する。

上アームトランジスタ３１ａ１は上アーム駆動信号Ｕｐに応じて上アームゲート駆動回路３３ａ１により駆動され、下アームトランジスタ３１ａ２は下アーム駆動信号Ｕｎに応じて下アームゲート駆動回路３３ａ２によりオンオフスイッチング制御される。上アームゲート駆動回路３３ａ１は、微分信号によりセットリセットされるＲＳフリップフロップ回路を内蔵し、上アーム駆動信号Ｕｐの立ち上がりで上アームトランジスタ３１ａ１をオン動作させ、上アーム駆動信号Ｕｐの立ち下がりで上アームトランジスタ３１ａ１をオフ動作させる。下アームゲート駆動回路３３ａ２にはＲＳフリップフロップ回路は不必要であり、内蔵していない。

ＩＧＢＴのゲート印加電圧は１０〜１５Ｖ必要であり、下アームトランジスタ３１ａ２をオンさせると、１５Ｖの直流電源の＋端子Ｂ１よりブートストラップ抵抗３４ａ、ブートストラップダイオード３５ａを介してブートストラップコンデンサ３６ａが充電されるので、ブートストラップコンデンサ３６ａの蓄積エネルギーにより上アームトランジスタ３１ａ１をオンオフスイッチングできる。また、下アームの逆並列ダイオード３２ａ２が導通した場合にも同様にブートストラップコンデンサ３６ａが充電される。

Ｖ相アーム３０Ｂ、Ｗ相アーム３０Ｃも同様の接続であり、各アームの下アームトランジスタのエミッタ端子は電流検出手段５を構成するシャント抵抗５０ｂ、５０ｃに接続し、シャント抵抗５０ｂ、５０ｃの他方の端子は直流電源負電位端子Ｌｎに接続している。ＩＧＢＴ、あるいはパワーＭＯＳＦＥＴにより下アームトランジスタを構成すると、ゲート電圧を制御することによりスイッチング制御できるので、ＩＧＢＴの場合はエミッタ端子、パワーＭＯＳＦＥＴの場合にはソース端子に接続するシャント抵抗の電圧が１Ｖ以下となるように抵抗値を選定すればスイッチング動作にはほとんど影響することなく電圧制御によりオンオフスイッチング制御でき、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃの電圧ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを検出することによりインバータ回路出力電流、すなわちモータ電流を検出できる特徴がある。

図３は、インバータ回路出力電流の検出タイミングを示し、三角波変調によりＰＷＭ制御して、スイッチングノイズの影響を減らすために上下アームＩＧＢＴのスイッチングタイミングをはずして高速Ａ／Ｄ変換してマイクロコンピュータ等のモータ制御プロセッサにより電流検出する。

図３において、ｃｋは三角波変調信号Ｖｔのピーク値すなわち時間ｔ３にて発生させる同期信号であり、ｖｕはＵ相電圧制御信号で、三角波変調信号ＶｔとＵ相電圧制御信号ｖｕを比較してＵ相上アームトランジスタ３１ａ１の駆動信号ＵｐとＵ相下アームトランジスタ３１ａ２の駆動信号Ｕｎを発生させる。ｔ１〜ｔ２区間、ｔ５〜ｔ６区間は上下アームトランジスタの非導通期間でデッドタイムΔｔと呼び、Ａ／Ｄ変換タイミングは、上アームトランジスタがオフで下アームトランジスタがオンとなる時間ｔ３、あるいは、時間ｔ３からデッドタイムΔｔ時間ずらした時間ｔ４の範囲内で行うとよい。

図４は、本発明による制御手段のブロック図で、マイクロコンピュータ、あるいはディジタルシグナルプロセッサ等の高速プロセッサによりセンサレス正弦波駆動を実現するものである。

基本的な制御方法について図５のベクトル図を用いて説明する。図５は、ロータ表面に永久磁石を設けた表面永久磁石モータ（略してＳＰＭモータ）のｄ−ｑ座標系のベクトル図であり、モータ誘起電圧Ｖｒはｑ軸と同軸となり、誘起電圧Ｖｒは誘起電圧定数ｋｒと回転数Ｎ、すなわちモータ駆動周波数ｆに比例する。言い換えれば、モータ誘起電圧Ｖｒと周波数ｆの比（Ｖｒ／ｆ）は常に一定となる。

モータ電流Ｉをｑ軸と同軸に制御するとベクトル制御になるが、ｑ軸は検出できないので、角度γ進角していると仮定する。モータの電圧方程式は式１で表現されるので、駆動周波数ｆが固定された場合、ｄ−ｑ座標系においては、電流ベクトルＩを固定するとモータ印加電圧ベクトルＶｉが固定される。逆に、モータ印加電圧ベクトルＶｉを固定すると電流ベクトルＩは固定される。また、モータ印加電圧Ｖｉ（母線軸）を主軸とするａ−ｒ軸に座標変換した場合においても同様であり、電流ベクトルＩを固定するとモータ誘起電圧ベクトルＶｒが固定される。言い換えれば、モータ定数があらかじめわかっておれば、電流ベクトルＩを固定することにより誘起電圧Ｖｒと電流Ｉの位相は一定に制御できるので、ｑ軸電流Ｉｑ（すなわちトルク電流）をほぼ一定に制御できベクトル制御とほとんど同じ制御が可能となる。

無効電流Ｉｓｉｎφを適当な値に選び、進角γを小さくすることにより、モータ電流Ｉはトルク電流（ｑ軸電流）Ｉｑとほとんど同じとなり、高効率運転が可能となり、モータ損失が減らせるのでモータの温度上昇を減らし、モータを小型化できる。

また、通常運転において、図５に示したようにモータ電流Ｉをγ進角設定することにより、急激な負荷変動により位相φが変化してもｑ軸との位相γが遅れてトルクが急減して脱調することがなくなる。特に、急に回転数が低下して位相γがｑ軸に対して遅れ、かつ、位相φが９０度以上になると脱調する可能性が高くなるので、進角制御することにより遅れ位相になる場合が減少し、回転制御の安定性能が向上する。

さらに、進角制御により弱め界磁制御（ｄ軸電流が負）となるので、モータ誘起電圧Ｖｒとコイル巻線電圧（ｊωＬＩ）の和の電圧ベクトルＶｏを小さくできるのでトルク電流Ｉｑを増加させて高速回転が可能となる。

以上述べたように、モータ定数（巻線抵抗Ｒ、巻線インダクタンスＬ、モータ誘起電圧定数ｋｒ）とモータ負荷に対応したトルク電流Ｉｑがわかっているならば、モータ電流ベクトルを制御するためにモータ印加電圧Ｖｉに対するインバータ電流Ｉの絶対値と位相φを制御すればよいので、図５のベクトル図においてｄ−ｑ座標から母線軸座標変換後のｒ軸電流Ｉｒ（＝Ｉｓｉｎφ）、あるいはａ軸電流Ｉａ（＝Ｉｃｏｓφ）を所定値に制御するものである。

図４において、駆動条件設定手段６０は、モータ駆動条件に応じて駆動回転数、トルク電流、進み角γを求めて、駆動周波数ｆ、無効電流Ｉｓｉｎφ等を設定するもので、回転数設定手段６１、無効電流設定手段６２に設定信号を送る。キャリヤ信号発生手段６３は、ＰＷＭ変調のための三角波信号Ｖｔと同期信号ｃｋを発生させるもので、キャリヤ周波数（スイッチング周波数）はモータ騒音を減らすために１５ｋＨｚ以上の超音波周波数に設定する。同期信号ｃｋは各演算ブロックに送られ、同期信号ｃｋに同期して各演算ブロックが動作する。

回転数設定手段６１は、モータ駆動周波数ｆを設定するためにキャリヤ信号周期Ｔｃの位相角Δθを求めて電気角演算手段６４に加え、Ｖ／ｆ設定手段６５に駆動周波数信号ｆを送る。電気角演算手段６４は、同期信号ｃｋに同期して位相θを求め、規格化された正弦波テーブルを記憶する記憶手段６６や座標変換手段等に位相信号θを加える。

Ｖ／ｆ設定手段６５は、駆動周波数ｆと負荷トルクに応じた印加電圧定数ｋｖｎを設定するもので回転数あるいは負荷トルクに比例した値が設定される。ポンプモータの場合には、負荷トルクは回転数の２乗で増加するので、印加電圧定数ｋｖｎは駆動周波数の２乗に比例して増加させる必要がある。後ほど述べるように、１モータ２ポンプ、あるいは、１モータ１ポンプ方式により正回転で洗浄運転、逆回転で排水運転させる場合にはモータに必要なトルク電流がそれぞれ変化するので、印加電圧定数ｋｖｎを正転と逆転で設定値を変更させる必要がある。

記憶手段６６は、位相角に対応した三角関数の演算を行うために必要な規格化された正弦波テーブルを記憶領域に記憶しており、例えば、位相０から２πまで−１から＋１までの正弦波データを持っている。

高速Ａ／Ｄ変換手段６７は、図３のタイミングチャートに示したように三角波変調信号Ｖｔのピーク値にて電流検出手段５の出力信号ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗをインバータ出力電流に対応したディジタル信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに数マイクロ秒以下でＡ／Ｄ変換して３相／２相・母線軸変換手段６８に各相電流の瞬時値を加える。

３相／２相・母線軸変換手段６８は、図５に示したようにインバータ回路出力電流の瞬時値を３相／２相変換してインバータ回路出力電圧軸、すなわちモータ母線軸（ａ−ｒ軸）へ座標変換するもので、式２を用いて絶対変換し、ａ軸成分Ｉａとｒ軸成分Ｉｒを求める。ＩｒはＩｓｉｎφに相当しインバータ出力（母線電圧）からみると無効電流成分となる。座標変換することにより、出力電流瞬時値より瞬時に無効電流成分Ｉｒが求まるだけではなく、式３に示す二乗平均により出力電流ベクトル絶対値Ｉｍを瞬時に求めることができる。また、インバータ出力（母線電圧）からみた電流位相φは式４より瞬時に求まるので、電流零クロス検知手段を設けて位相検知するよりも応答性が格段に向上する。

無効電流比較手段６９は、３相／２相・母線軸変換手段６８の出力信号Ｉｒと無効電流設定手段６２の設定信号Ｉｒｓを比較し誤差信号ΔＩｒを出力し、誤差信号増幅演算手段７０により増幅あるいは積分して印加電圧定数変更信号ｋｖを制御電圧比較設定手段７１に出力する。

制御電圧比較設定手段７１は、Ｖ／ｆ設定手段６５の出力信号ｋｖｎと誤差信号増幅演算手段７０の出力信号ｋｖを比較してインバータ出力電圧制御信号Ｖａを発生させるもので、無効電流成分Ｉｒが所定値となるようにインバータ出力電圧を制御するもので、インバータ出力電圧制御信号Ｖａを、２相／３相・母線軸逆変換手段７２に加える。

２相／３相・母線軸逆変換手段７２は、式５に示す逆変換式を用いて３相正弦波電圧信号を発生させる。インバータ出力電圧はａ軸と同相なので、Ｖａのみ演算すればよく、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをＰＷＭ制御手段７３に出力する。

図６は、ＰＷＭ制御による各部波形のタイミングチャートを示す。

Ｅｕは中性点からみたモータ誘起電圧波形で、ＩｕはＵ相電流波形であり、モータ誘起電圧Ｅｕからわずかに進んでいる。ｖｕ、ｖｖ、ｖｗはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各ＰＷＭ制御入力信号、すなわち、２相／３相・母線軸逆変換手段７２の出力信号で三角波変調信号Ｖｔと比較することによりＰＷＭ制御出力信号Ｕｐを生成する。信号ｖｕとＵ相出力電圧位相は同じであり、Ｕ相電流Ｉｕの位相は信号ｖｕから位相φ遅れる。

図７は、食器洗い機を簡略化して表したもので、１モータ１ポンプ方式の構造を示す断面図である。洗浄槽７に給水弁８より水道水を給水し、洗浄水９を洗浄槽７に貯水する。洗浄槽７の下部に軸方向が垂直となるように扁平状のＤＣブラシレスモータ４を配設し、モータ４の下部にポンプケーシング１０を配置し、インペラー１１を回転させることにより軸方向から遠心方向に圧力を加える。正転方向に回転させると噴射ノズル１２ａを有する噴射翼１２ｂから食器（図示せず）に洗浄水を噴射して洗浄する。正回転させるとポンプケーシング１０の内部圧力が高くなって、ポンプケーシング１０側面に設けた排水弁１３が閉じるので、水流方向は噴射翼１２ｂ側となる。インペラー１１を逆転させるとインペラー１１の側面から垂直方向に圧力が加わり排水弁１３が開いて垂直方向の水流が排水管１４方向に流れるので１つのモータとポンプで洗浄と排水が可能となる。洗浄用と排水用にそれぞれインペラーとポンプケーシングを設ける１モータ２ポンプ方式でも、正回転で洗浄、逆回転で排水とすることが可能であるが、ポンプの高さが高くなり、洗浄槽７の下部容積を小さくできない課題がある。

本発明によれば、ＤＣブラシレスモータの位置センサを無くすことができるので、扁平構造のモータを更に薄くでき、１モータ１ポンプ方式と組み合わせることにより洗浄槽下部容積を減らして食器を配設する洗浄槽容積を大きくすることができる。さらに、ＤＣブラシレスモータ４はモータ出力一定ならば回転数を高くするほどモータを小型化できるので、インペラー回転数を高くすることによりポンプ形状とモータ形状を小型化できる特長がある。

（実施の形態２）
図８は、本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の動作を示すモータ制御プログラムのフローチャートである。

ステップ１００よりモータ駆動プログラムが開始し、ステップ１０１にて駆動周波数、Ｖ／ｆ設定、無効電流等の各種設定を行う。次にステップ１０２に進んで起動運転かどうかの判定を行い、起動運転ならばステップ１０３に進んで起動制御サブルーチンを実行する。

起動制御サブルーチン１０３は、図１１に示すように周波数零から設定周波数ｆｓとなるまで、駆動周波数ｆを直線的に上昇させるもので、駆動周波数ｆに応じてＶ／ｆ制御と無効電流設定値Ｉｒｓを変更する。ポンプ負荷の場合、トルクは回転数の２乗により変化するので、厳密には回転数に対応したトルク電流Ｉｑを求め、Ｉｓｉｎφを計算してテーブルにより起動制御することにより安定な起動が可能となる。

次に、ステップ１０４に進んでキャリヤ信号割込の有無を判定し、キャリヤ信号割込が有ればステップ１０５のキャリヤ信号割込サブルーチンとステップ１０６の回転数制御サブルーチンを実行する。

図９は、キャリヤ信号割込サブルーチンの詳細であり、ステップ２００よりプログラムが開始し、ステップ２０１にてキャリヤ同期信号ｃｋのカウント数ｋがモータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃかどうか判定し、等しければステップ２０２に進んでキャリヤカウント数ｋをクリヤする。モータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃは、駆動周波数設定時に予め求める。

例えば、８極モータの回転数４０４０ｒｐｍにおける駆動周波数ｆは２６９．３Ｈｚ、周期Ｔは３．７１２ｍｓｅｃとなり、キャリヤ周期Ｔｃが６４μｓｅｃ（キャリヤ周波数１５．６ｋＨｚ）の場合、パルス数ｋｃは５８となる。１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθは、駆動周波数ｆの１周期を２πとすると、Δθ＝２π／ｋｃとなる。

ステップ２０３にてキャリヤ同期信号のカウント数をインクリメントとし、次にステップ２０４に進んで、キャリヤ数ｋと１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθより電気角θの演算を行う。次にステップ２０５に進んで電流検出手段５からの信号を検出してインバータ出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。次にステップ２０６に進んで式２に従い３相／２相・母線軸座標変換を行い無効電流Ｉｒと有効電流Ｉａを求め、ステップ２０７に進んでＩｒ、Ｉａをメモリする。

次に、ステップ２０８に進んでモータ電流のベクトル絶対値Ｉｍを式３により求め、次にステップ２０９に進んで演算値Ｉｍが過電流設定値Ｉｍａｘ以上かどうか判定する。

演算値Ｉｍが過電流設定値Ｉｍａｘ以上ならばステップ２１０に進んでインバータ回路３のパワー半導体の駆動を停止しモータ駆動を停止し、ステップ２１１に進んで過電流異常フラグをたてる。

演算値Ｉｍが過電流設定値Ｉｍａｘ未満ならばステップ２１２に進み、回転数制御サブルーチンからのインバータ出力制御信号Ｖａを呼出し、次にステップ２１３に進んで式５に従い、２相／３相・母線軸座標逆変換を行いインバータ各相制御信号ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを求め、ステップ２１４に進んでＰＷＭ制御を行い、ステップ２１５に進んでリターンする。

図１０は、回転数制御サブルーチンでキャリヤ信号毎に必ずしも行う必要はなく、例えば２キャリヤ信号毎に実行してもよい。キャリヤ周波数が超音波周波数になるとキャリヤ周期内のプログラム処理時間が問題となるので、位相計算や電流検出演算、あるいはＰＷＭ制御等のキャリヤ毎に必ず実行する処理と、座標変換や図１０に示したキャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を分け、キャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を複数に分割して処理することによりモータ制御以外の食器洗い機のシーケンスプログラムを実行させることができる。

図１０において、ステップ３００より回転数制御サブルーチンが開始し、ステップ３０１にて駆動周波数設定値ｆｓを呼出し、次にステップ３０２に進んで周波数設定値ｆｓに対応した無効電流設定値Ｉｒｓを呼び出し、ステップ３０３に進んで３相／２相・母線軸座標変換より求めた無効電流Ｉｒを呼出し、ステップ３０４に進んで印加電圧定数設定値Ｖ／ｆを呼び出す。次にステップ３０５に進んでＩｒｓとＩｒを比較し誤差信号ΔＩｒより印加電圧定数ｋｖを演算し、次に、ステップ３０６に進んで印加電圧定数設定値Ｖ／ｆとステップ３０５にて求めた印加電圧定数ｋｖより母線軸印加電圧信号Ｖａを演算し、ステップ３０７に進んでＶａをメモリし、ステップ３０８に進んでリターンする。

再び、図８に示すモータ駆動プログラムに戻り、ステップ１０７にて排水ポンプ駆動かどうか判定し、排水ポンプ駆動ならばステップ１０８に進んでモータ電流Ｉｍを検出し、次にモータ電流Ｉｍが設定値Ｉｓよりも小さいかどうか判定し、小さければステップ１１０に進んでエア噛み検知フラグをたて、次にステップ１１１に進んでモータ駆動停止させ、次にステップ１１２に進んでリターンする。

図１２は、ポンプ駆動回転数に応じてＶ／ｆ、Ｉｓｉｎφ、エア噛み検知電流レベルＩｍａを設定するもので、図１３に示すように、ポンプがエア噛みすると、モータ負荷が軽くなりトルク電流Ｉｑ１が減少するのでモータ印加電圧Ｖｉは小さくなり、無効電流Ｉｒは一定なので位相φ１が大きくなり印加電圧位相はｑ軸に対して大きく進むことにより電流実効値Ｉ１は減少する。

排水ポンプ駆動時には、排水動作により洗浄槽内の洗浄水が無くなるとエア噛みして排水運転時の騒音が大きくなるのでエア噛み検知するとモータ駆動を至急停止させ、しばらく休止の後、再起動して排水運転を行うことを数回繰り返す。

洗浄運転時には、エア噛み検知するとモータ駆動回転数を減らしてエア噛みを減らすことができる。また、回転数を減らすと洗浄性能が低下する場合があるので、回転数はそのままで補給水して洗浄水量を増加させてエア噛みを減らす場合もある。あるいは、その両方を行ってもよい。

モータ電流Ｉｍと式４より求まる位相φからエア噛み検知がよりはっきりするので両方のデータからエア噛み検知判定してもよい。

また、エア噛みするとモータ負荷が軽くなって、モータ印加電圧（インバータ出力電圧）を減らす動作をするが、モータ電流が減少して無効電流が減るので逆に無効電流を増やす動作をするので、電流エンベロープが大きく振動し、電流振幅値が大きくなる場合もあるが、逆に小さくなる場合もあるので、電流振幅が減少した場合に検知する方が検知精度は高くなる。

さらに、電流、あるいは電圧振動を検知する手段として、エンベロープの最大値と最小値の差を求めることによりエア噛み検知ができる。

以上のように、本発明による食器洗い機のモータ駆動装置は、低価格の電流検出手段によりインバータ回路電流を検出してＤＣブラシレスモータをセンサレス正弦波駆動するもので、位置センサをなくし、かつ、高効率運転が可能となるので、モータを小型化、薄型化、低振動、低価格化して信頼性を向上させることができる。

さらに、キャリヤ周期に同期し、パワートランジスタのスィチングタイミングをはずして電流検出することによりスイッチングノイズの影響を少なくして電流検出でき、３シャント方式によりキャリヤ周波数が超音波周波数においても問題なく検出できる特長がある。

さらに、キャリヤ周期に同期してインバータ出力電圧母線軸へ座標変換するので、瞬時に電流ベクトル絶対値と電流位相、あるいは無効電流が検出できるのでポンプモータがエア噛みするような急速な負荷変動に対しても高速応答が可能となり脱調することが無い特長がある。

また、瞬時電流検出が容易にできるので、モータ負荷変動によるモータ電流変化よりエア噛み検知が容易となる。

また、以上ＳＰＭモータについて説明したが、ロータ鉄心内に永久磁石を配置するＩＰＭモータについても本発明は同様の効果がある。

また、主として無効電流Ｉｓｉｎφ一定について説明したが、有効電流Ｉｃｏｓφや位相φ一定制御でもほぼ同様の効果がある。

以上のように、本発明による食器洗い機のモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、モータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をＰＷＭ制御し、インバータ回路出力電圧と電流位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御するようにしたものであるから、モータの高効率のセンサレス正弦波駆動が可能となり、食器洗い乾燥機の乾燥ファンモータ、あるいは洗濯乾燥機の乾燥用ファンモータや風呂水ポンプモータ駆動等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における食器洗い機のモータ駆動装置のブロック図本発明による食器洗い機のモータ駆動装置のインバータ回路を示す図本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の電流検出タイミングチャート本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の制御手段のブロック図本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の制御ベクトル図本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の各部波形とタイミングチャート本発明の実施の形態における食器洗い機のモータ駆動装置の断面図本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御プログラムフローチャート本発明によるモータ制御プログラムのキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャート本発明によるモータ制御プログラムの回転数制御サブルーチンのフローチャート本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の起動制御のタイミングチャート本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の回転数に対応した制御テーブルを示す図本発明による食器洗い機のモータ駆動装置のエア噛み時の制御ベクトル図

符号の説明

１交流電源
２整流回路
３インバータ回路
４モータ
５電流検出手段
６制御手段
７排水手段

Claims

交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗浄ポンプ、あるいは排水ポンプを駆動するモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段とを備え、
前記モータの印加電圧と前記モータの電流Ｉとの位相差をφとし、前記モータの電流Ｉの無効電流成分Ｉｓｉｎφを無効電流とし、前記制御手段は、設定回転数におけるモータ負荷のトルク電流に応じた所定値に前記無効電流を設定し、前記設定回転数において前記無効電流が前記所定値となるように制御することにより、前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相を制御するようにした食器洗い機のモータ駆動装置。
インバータ回路は、６ヶのトランジスタとダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ回路より構成し、電流検出手段は前記３相フルブリッジインバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子にそれぞれ接続したシャント抵抗より構成し、前記シャント抵抗に流れる電流を検出することにより前記インバータ回路の出力電流を検出するようにした請求項１における食器洗い機のモータ駆動装置。
モータは、扁平状の位置センサレスＤＣブラシレスモータより構成するようにした請求項１における食器洗い機のモータ駆動装置。
インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御することにより前記インバータ回路の出力電流と前記モータの誘起電圧との位相がほぼ同位相となるように制御するようにした請求項１における食器洗い機のモータ駆動装置。
インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御することにより前記モータの誘起電圧に対する前記インバータ回路の出力電流位相が進み角となるように制御するようにした請求項１における食器洗い機のモータ駆動装置。
インバータ回路をＰＷＭ制御するスイッチング周期に同期して電流検出手段により前記インバータ回路の出力電流を検出し、前記電流検出手段により検出した電流値とスイッチング周期に同期して演算設定した出力電流値とを比較することにより前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の瞬時値が所定値となるように制御するようにした請求項１における食器洗い機のモータ駆動装置。
モータを正回転、あるいは逆回転に制御して洗浄ポンプ動作、あるいは排水ポンプ動作が可能となるようし、前記ポンプ駆動時に前記モータを設定回転数に制御しインバータ回路出力電流が所定値以下になると前記ポンプのエア噛み検知判定するようにした請求項１における食器洗い機のモータ駆動装置。