JP4465770B2 - ブラシレスモータの制御装置及びそれを用いた自吸式ポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定して起動させることができ、脱調等することのないブラシレスモータの制御装置及びそれを用いた自吸式ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々のブラシレスモータの制御装置が研究されており、また、小型化やコスト低減のためブラシレスモータを用いた自吸式ポンプが望まれている。
【０００３】
従来のセンサレス駆動のブラシレスモータの制御装置としては、特開平５−２１９７８４号公報（以下、イ号公報と呼ぶ。）に、起動時に強制同期運転から定常センサレス運転に切換える時、固定子巻線の誘起電圧による位置検出信号から導き出される転流のタイミング信号と強制同期信号の位相差のある特定の状態が一定時間続いた場合切換える制御方法が開示されている。
【０００４】
以下にイ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置について、図面を用いて説明する。
【０００５】
図６はイ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図である。
【０００６】
図６において、１０１はブラシレスモータのステータ、１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗはステータ１０１内で駆動磁界を発生させる三相スター結線された固定子巻線、１０３は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの発生する磁界により回転駆動される永久磁石回転子、１０４は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの各端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続され各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路、１０５〜１１０は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに流す駆動電流ｉu、ｉv、ｉwの切り換えを行うコミュテータ素子、１１１〜１１６はコミュテータ素子１０５〜１１０のスイッチングにより発生するサージ電圧を解放するフリーホイーリングダイオード、１１７’はステータ１０１を駆動するための電圧を供給する駆動電源である。
【０００７】
ハイサイドのコミュテータ素子１０５〜１０７はＮＰＮ型トランジスタが用いられ、ローサイドのコミュテータ素子１０８〜１１０はＰＮＰ型トランジスタが用いられる。固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの一端子Ｏ（以下、コモン端子と呼ぶ。）は共通に接続され、他端子Ｕ，Ｖ，Ｗ（以下、駆動端子と呼ぶ。）はそれぞれ、駆動端子Ｕはコミュテータ素子１０５及び１０８の共通接続点（両素子のコレクタ側）に接続されており、駆動端子Ｖはコミュテータ素子１０６及び１０９の共通接続点（両素子のコレクタ側）に接続されており、駆動端子Ｗはコミュテータ素子１０７及び１１０の共通接続点（両素子のコレクタ側）に接続されている。駆動電源１１７の負極側は接地されている。また、ハイサイドのコミュテータ素子１０５〜１０７のエミッタ側は駆動電源１１７の正極側に接続され、ローサイドのコミュテータ素子１０８〜１１０のコレクタ側は接地されている。
【０００８】
２０１は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの駆動端子Ｕ、Ｖ、Ｗに発生する駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWに基づいて出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’を生成し出力する位置検出手段、２０２はドライブ回路１０４を制御することにより永久磁石回転子１０３の回転数の制御を行う制御部である。
【０００９】
制御部２０２は、コミュテータ素子１０５〜１１０のベースに接続されており、ドライブ回路１０４を制御するための六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成し出力する。また、制御部２０２は、位置検出手段２０１の出力側に接続されており、永久磁石回転子１０３の回転数がある一定値以上となり帰還同期制御が可能な状態となると、位置検出手段２０１より入力される出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’に基づき各六相制御信号を生成し出力する帰還同期制御に切り換わる。
【００１０】
２０３は起動指令を出力する起動指令手段、２０４は起動指令手段２０３の起動指令により同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’を出力する同期信号発生手段、２０５は位置検出手段２０１の出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’のモードが同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’のモードに対して所定の関係にあるか否かを判別するモード判別手段、２０６は同期信号発生手段２０４が出力した同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’に基づいてドライブ回路１０４を駆動する六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成する一方、モード判別手段２０５の判別結果を受け位置検出手段の出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’のモードが同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’のモードに対して所定の関係にある状態が所定期間続いた後は位置検出手段の出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’に基づいてドライブ回路１０４を駆動する六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成する駆動信号生成手段である。
【００１１】
以上のように構成された従来のブラシレスモータの制御装置について、以下その起動時の動作を説明する。
【００１２】
図７はイ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の同期制御から帰還制御への切り換え時のタイミングを示す図である。
【００１３】
図７において、２０７は位置検出手段２０１が固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに発生する誘起電圧から生成する出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’の相切り換えのタイミングを表し、２０８は同期信号発生手段２０４の発生する同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’の相切り換えタイミングを表す。また、２０９は出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’と同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’との相切り換えのタイミングの位相差を表す。
【００１４】
ブラシレスモータを起動してから、ある回転数に達すると、永久磁石回転子１０３の回転に伴い位置検出手段２０１により固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに誘起される誘起電圧を検出することが可能となる。その時点では、図７（ａ）に示したように、切り換えタイミング２０７と切り換えタイミング２０８との位相差２０９は大きい。永久磁石回転子１０３の回転が一定の回転数に近づき回転が安定すると、図７（ｂ）に示したように、切り換えタイミング２０７と切り換えタイミング２０８との位相差２０９は小さくなる。このように、位相差２０９がある一定の値以下の状態がある一定時間以上継続すると、駆動信号生成手段２０６は強制同期制御状態（同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’に基づき相切り換えを行う状態）から帰還同期制御状態（出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’に基づき相切り換えを行う状態）へ切り換わる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のブラシレスモータの制御装置では、以下のような課題を有していた。
【００１６】
（１）強制的な同期信号に従って転流させ、位相差をなくして定常センサレス運転に切り換えるため、ポンプ等の起動時に負荷変動の有る機器に使用する場合、強制同期運転から定常センサレス運転への切り換え時に位相差がなくならず、定常センサレス運転への切り換えが行われないという課題を有していた。
【００１７】
（２）位相差がなくなり、センサレス運転に切り換えることができたとしても、モータにかかる負荷に合わせた強制同期信号で運転させていないため、切り換え時に脱調するという課題を有していた。
【００１８】
（３）センサレス駆動するブラシレスモータにより駆動される自吸式ポンプの場合、該自吸式ポンプのケーシング内の水量によって、モータの起動時の負荷が変動するため、センサレス駆動させることが困難であるという課題を有していた。
【００１９】
本発明は、センサレス駆動のブラシレスモータの制御装置において、起動時のモータの負荷に強制同期信号の周期データを対応させることにより、安定して起動することができるブラシレスモータの制御装置を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明は、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができるブラシレスモータの制御装置を用いた自吸式ポンプを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のブラシレスモータの制御装置は、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有する構成より成る。
【００２２】
この構成により、起動時のモータの負荷に強制同期信号の周期データを対応させることにより、安定して起動することができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００２３】
また、本発明のブラシレスモータの制御装置を用いた自吸式ポンプは、羽根車がブラシレスモータによって駆動される自吸式のポンプであって、前記ブラシレスモータを制御する制御装置が、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有する構成より成る。
【００２４】
この構成により、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができるブラシレスモータの制御装置を用いた自吸式ポンプを提供することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の自吸式ポンプは、羽根車がブラシレスモータによって駆動される自吸式のポンプであって、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置によって制御され、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有し、前記負荷は、ポンプの内部及び配管に水が満たされている状態と、ポンプの内部に水が満たされているが配管に水が無い状態と、ポンプの内部に水がない状態と、の３つの状態に分類されるものであり、これにより、変動する負荷に対応した強制同期信号の周期データで強制同期運転することで、強制同期運転からセンサレス運転への切り換えにおいて、駆動電流の増加や脱調のない安定した切り換えをすることができるという作用に加え、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができるという作用が得られる。
【００２６】
ここで、ブラシレスモータは２相、又は３相、５相、７相等のセンサレス方式のものが用いられる。また、スター結線したバイポーラ駆動のブラシレスモータや、デルタ結線バイポーラ駆動のブラシレスモータや、ユニポーラ駆動のブラシレスモータ等が用いられる。
【００２７】
ドライブ回路は、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタなどのスイッチング素子からなるコミュテータ素子により、固定子巻線に流す駆動電流の相切り換えを行う回路が用いられる。
【００２８】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、前記複数の強制同期信号の周期データのうち周期の長い周期データから順に選択し強制同期信号を生成する構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、起動時の負荷が大きいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるという作用が得られる。
【００２９】
ここで、起動時の負荷が大きいことが多い機器としては、井戸用ポンプ，給湯器に組み込まれた風呂の追い炊き用循環ポンプ，ジェットバス等が用いられる。
【００３０】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、前記複数の強制同期信号の周期データのうち周期の短い周期データから順に選択し強制同期信号を生成する構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、起動時の負荷が小さいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるという作用が得られる。
【００３１】
ここで、起動時の負荷が小さいことが多い機器としては、エアコンの室外機用送風ファン等が用いられる。
【００３２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記駆動電流が一定の電流値以上の場合に負荷トルクが設定より大きいとして前記駆動電流を基に前記複数の強制同期信号の周期データのうち適正な周期データを選択し強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えた構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより大きいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるという作用が得られる。
【００３３】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記駆動電流が一定の電流値以下の場合に負荷トルクが設定より小さいとして前記駆動電流を基に前記複数の強制同期信号の周期データのうち適正な周期データを選択し強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えた構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより小さいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるという作用が得られる。
【００３４】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のブラシレスモータの制御装置であって、前記適正な周期データを選択する前に一度停止し、その後前記適正な周期データに切り換え再起動する構成としたものであり、これにより、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データから大きくずれた場合でも一度停止して再起動することにより、安定した強制同期運転を行うことができるという作用が得られる。
【００３５】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記複数の強制同期信号の周期データのうち最も長い周期の周期データを選択して起動し前記駆動電流が一定の電流値より小さい場合は前記最も長い周期の周期データの次に長い周期の周期データを選択して強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えた構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、起動時の負荷が変動することが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるという作用が得られる。
【００３６】
ここで、起動時の負荷が変動することが多い機器としては、井戸用ポンプ，給湯器に組み込まれた風呂の追い炊き用循環ポンプ，ジェットバス等が用いられる。
【００３８】
（基本構成）
図１は本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図である。
【００３９】
図１において、１０１はステータ、１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗは固定子巻線、１０３は永久磁石回転子、１０４はドライブ回路、１０５〜１１０はコミュテータ素子、１１１〜１１６はフリーホイーリングダイオード、ｉu、ｉv、ｉwは駆動電流、Ｕ、Ｖ、Ｗは駆動端子、Ｏはコモン端子、ＶU、ＶV、ＶWは駆動端子電圧であり、これらは図６と同様のものであり、同一の符号を付して説明は省略する。
【００４０】
１１７は可変電圧源からなりステータ１０１を駆動するための電圧を供給する駆動電源、１１８は駆動電源１１７の電圧に重畳するノイズを除去するバイパスコンデンサ、ＲIは全電流値検出抵抗、ＶIは全電流検出抵抗ＲIの両端に発生する電圧である全電流検出電圧である。
【００４１】
バイパスコンデンサ１１８は駆動電源１１７の両極に負極側で全電流値検出抵抗ＲIを介して接続されており、駆動電源１１７の負極側は接地されている。また、ハイサイドのコミュテータ素子１０５〜１０７のエミッタ側は駆動電源１１７の正極側に接続され、ローサイドのコミュテータ素子１０８〜１１０のコレクタ側は全電流値検出抵抗ＲIを介して接地されている。
【００４２】
１１９Ｕ、１１９Ｌは固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの端子に発生する電圧の中性点の電位（以下、中性電位ＶNと呼ぶ。）を生成する中性電位生成抵抗、１２０は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの端子Ｕ、Ｖ、Ｗに発生する駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWと中性電位ＶNとを比較することによりゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0を生成し出力するゼロクロス点検出部、１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗはそれぞれ駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWと中性電位ＶNとが入力されゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0を出力するコンパレータ、１２１はドライブ回路１０４を制御することにより永久磁石回転子１０３の回転数の制御を行う制御部である。
【００４３】
中性電位生成抵抗１１９Ｕ及び中性電位生成抵抗１１９Ｌとは接続点ＯNにおいて一端が互いに接続されており、中性電位生成抵抗１１９Ｕの他端はバイパスコンデンサ１１８の正極に接続され、中性電位生成抵抗１１９Ｌの他端は全電流値検出抵抗Ｒ1を介して接地されている。中性電位生成抵抗１１９Ｕと中性電位生成抵抗１１９Ｌとは、互いが接続する接続点ＯNにおいて中性電位ＶNを生成するように抵抗値が調整されている。コンパレータ１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗの正入力側は、それぞれ、駆動端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続されており、各々の負入力側は接続点ＯNに接続されている。コンパレータ１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗは、入力された各相の駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWと中性電位ＶNとを比較し、駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWが中性電位ＶNより大きいときにはそれぞれゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0をＨＩＧＨ状態として出力し、駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWが中性電位ＶNより小さいときにはそれぞれゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0をＬＯＷ状態として出力する。制御部１２１は、コミュテータ素子１０５〜１１０のベースに接続されており、ドライブ回路１０４を制御するための六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成し出力する。また、制御部１２１は、コンパレータ１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗの出力側に接続されており、永久磁石回転子１０３の回転数がある一定値以上となり帰還同期制御が可能な状態となると、ゼロクロス点検出部１２０より入力されるゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0に基づき各六相制御信号を生成し出力する帰還同期制御に切り換わる。
【００４４】
図２は本発明の基本構成における制御部の機能ブロック図である。
【００４５】
図２において、１２０はゼロクロス点検出部、１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗはコンパレータ、１２１は制御部、ＶU、ＶV、ＶWは駆動端子電圧、ＶU0、ＶV0、ＶW0はゼロクロス点検出信号、ＶIは全電流検出電圧、ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは六相制御信号であり、これらは図１と同様のものである。
【００４６】
１３０は入力されるゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0に基づき六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬの転流のタイミングを得るための帰還同期制御信号ＶU1、ＶV1、ＶW1を生成し出力する帰還同期信号生成手段、１３１は複数の強制同期信号の周期データ（本基本構成においては、３つの強制同期信号の周期データ、周期の長い（周波数の低い）方からｆ１，ｆ２，ｆ３）が記憶された強制同期周期データメモリ手段であり、負荷の大きいものにはｆ１が用いられ、負荷の小さいものにはｆ３が用いられる。１３２は全電流検出電圧ＶIから駆動電流を検知する電流検知手段であり、所定の電流値（以下、閾電流値という）より、駆動電流が大きい場合に後述の強制同期信号生成手段に検知信号を出力する。１３３は電流検知手段１３２からの検知信号が入力され、駆動電流に応じた強制同期周期データ（ｆ１，ｆ２，ｆ３）を強制同期周期データメモリ手段１３１から読み出し強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2を生成する強制同期信号生成手段、１３４は帰還同期制御信号ＶU1、ＶV1、ＶW1又は強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2に基づき六相制御信号ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’を生成し出力する転流制御手段、１３５は転流制御部１３４から入力される六相制御信号ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’から実際にコミュテータ素子１０５〜１１０のベース電圧のレベルの六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成し出力する駆動ベース信号バッファ手段、１３６は転流制御手段１３３の入力を帰還同期制御信号ＶU1、ＶV1、ＶW1と強制同期制御信号ＶU2、ＶV2、ＶW2との何れか一方に切り換える切換制御部である。
【００４７】
以上のように構成された本基本構成のブラシレスモータの制御装置において、以下その起動時のモータの負荷が変動する場合の制御方法について説明する。
【００４８】
図３は本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置の強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを負荷毎に示す図であり、図４は起動時の強制同期運転から定常センサレス運転に移行するまでの強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを示す図である。
【００４９】
ブラシレスモータの起動が開始されると、強制同期信号生成手段１３３は強制同期周期データメモリ手段１３１から周期の最も長い（周波数の最も低い）強制同期信号の周期データｆ１を読み出す。次いで、周期の長い方から周期データｆ１に周期を段階的に近づけていきながら、強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2を転流制御手段１３４に段階的に出力する。次いで、転流制御手段１３４は駆動ベース信号バッファ手段１３５に六相制御信号ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’を出力し、駆動ベース信号バッファ手段１３５はドライブ回路１０４に六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを出力し、強制同期運転が開始される。所定の期間、駆動電流が安定している場合は、電流検知手段１３２が切換制御手段１３６に検知信号を出力し、切換制御手段１３６が転流制御手段１３４に切換信号を出力することによって、定常センサレス運転へ切り換えられる。
【００５０】
周期データｆ１での強制同期運転時における負荷が、予め設定された負荷と違い小さい場合、駆動電流が小さくなる。この場合、起動から所定の時間（Ｔ１）経過後、電流検知手段１３２が全電流検出電圧ＶIから駆動電流を検出し駆動電流が閾電流値より小さい場合は、強制同期信号生成手段１３３に検知信号を出力する。電流検知手段１３２から検知信号が入力された強制同期信号生成手段１３３は、予め設定された負荷が周期データｆ１より小さい周期データｆ２を強制同期周期データメモリ手段１３１から読み出し、周期データｆ１の周期を周期データｆ２の周期に段階的に近づけていきながら、強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2を転流制御手段１３４に段階的に出力する。所定の期間、駆動電流が安定している場合は、電流検知手段１３２が切換制御手段１３６に検知信号を出力し、切換制御手段１３６が転流制御手段１３４に切換信号を出力することによって、定常センサレス運転へ切り換えられる。
【００５１】
以上のように、本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置は、駆動電流を検出し、駆動電流に対応した周期データを使用することによって、起動時の負荷に対応した強制同期運転ができるので、脱調等おこさない安定した強制同期運転を行うことができる。
【００５２】
尚、周期データｆ２を用いた場合も、駆動電流が閾電流値より小さい場合は、周期データｆ３に移行される。
【００５３】
本基本構成においては、周期データはｆ１，ｆ２，ｆ３の３つであるが、周期データの数は複数であれば同様に実施可能である。
【００５４】
（実施の形態）
次に基本構成のブラシレスモータの制御装置を用いた本実施の形態における自吸式ポンプについて説明する。
【００５５】
図５は本発明の実施の形態における自吸式ポンプの要部断面側面図である。
【００５６】
図５において、１０１はステータ、１０３は永久磁石回転子であり、これらは基本構成と同様のものであるので、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５７】
１１は上部に吸込口１１ａ及び吐出口１１ｂを有する自吸式ポンプのハウジング、１２はハウジング１１内の空間を吸込口１１ａ側の空間である吸水室１３と吐出口１１ｂ側の空間である吐出室１４とに分割する仕切り板、１２ａは仕切り板１２の下部に穿設された通水孔、１５は一端が通水孔１２ａ付近に固定されて吐出室１４内に固設された固定軸、１６は固定軸１５に固定軸１５と同軸に回動自在に外嵌された軸受け部であり、周囲部に永久磁石回転子１０３が固定軸１５と同軸に固定されている。１７は固定軸１５の両端部に固定され軸受け部１６の軸方向への移動を防止している。１８は吸込側が通水孔１２ａに対向して吐出室１４内に配設された羽根車であり、軸受け部１６に固定軸１５と同軸に固定されている。１９は永久磁石１０３，軸受け部１６，羽根車１８が一体に形設されたロータであり、ステータ１０１に通電することにより回動する。２０は基本構成のドライブ回路１０４，ゼロクロス点検出部１２０，論理演算手段１２１等から構成された制御部である。
【００５８】
尚、本実施の形態は基本構成におけるブラシレスモータの制御装置と同様のものを用いている。
【００５９】
以上のように構成された本実施の形態における自吸式ポンプについて、以下その動作を説明する。
【００６０】
制御部２０がステータ１０１に通電することにより、ステータ１０１に回転磁界が発生し、ロータ１９が回動する。ロータ１９が回転することにより、羽根車１８の吸込側が低圧、吐出側が高圧になり、吸込口１１ａから流入した流体は、吸水室１３，通水孔１２ａ，羽根車１８，吐出室１４を経て、吐出口１１ｂから吐出される。
【００６１】
以上のような自吸式ポンプの起動時のモータ（ステータ１０１及びロータ１９）にかかる負荷は、自吸式ポンプの内部及び配管に水が満たされている状態（以下、状態１という），自吸式ポンプの内部に水が満たされているが配管に水が無い状態（以下、状態２という），自吸式ポンプの内部に水がない状態（以下、状態３という）の３つの状態に分類することができる。尚、本実施の形態における強制同期信号の周期データｆ１，ｆ２，ｆ３は状態１，状態２，状態３における負荷に対応した周期データである。
【００６２】
この際の、モータへの負荷は状態１が最大であり、状態３が最小であり、状態２がその中間である。自吸式ポンプの状態は起動毎に状態が変動することが多い用途に使用されることが多く、起動時のモータへの負荷を特定することが困難である。そこで、起動時の強制同期運転において、周期の長い（周波数の低い）周期データｆ１を選択し強制同期運転を開始し、基本構成と同様に段階的にｆ２，ｆ３と強制同期信号の周期データの周期を短い（周波数の高い）ものに変えていく。強制同期信号の周期データｆ１を用いた強制同期運転時にモータの負荷が予め設定した負荷と違い小さい場合、駆動電流が低くなる。これにより、基本構成と同様に論理演算手段１２１が負荷が軽いと判断し、強制同期信号の周期データは周期のより短い周期データ（ｆ２）へ移行される。これにより、電流値が高くなった場合は、そのまま定常センサレス運転に移行し、駆動電流が低いままの場合は、強制同期信号周期データはさらに短い周期データ（ｆ３）へ移行される。
【００６３】
以上のように、本発明の実施の形態における自吸式ポンプは、起動毎に異なる（状態１，状態２，状態３における）負荷に対応した強制同期信号の周期データ（ｆ１，ｆ２，ｆ３）を予め設定しておき負荷に対応した強制同期信号の周期データで強制同期運転するので、運転開始時の自吸式ポンプの状態にかかわらず（モータへの負荷の大小にかかわらず）、脱調等おこさない安定した強制同期運転を行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように本発明のブラシレスモータの制御装置及びそれを用いた自吸式ポンプによれば、以下のような有利な効果を得ることができる。
【００６５】
請求項１に記載の発明によれば、変動する負荷に対応した強制同期信号の周期データで強制同期運転することで、強制同期運転からセンサレス運転への切り換えにおいて、駆動電流の増加や脱調のない安定した切り換えをすることができ、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができる自吸式ポンプを提供することができる。
【００６６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、起動時の負荷が大きいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００６７】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、起動時の負荷が小さいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００６８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより大きいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００６９】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより小さいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００７０】
請求項６に記載の発明によれば、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データから大きくずれた場合でも一度停止して再起動することにより、安定した強制同期運転を行うことができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００７１】
請求項７に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、起動時の負荷が変動することが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図
【図２】 本発明の基本構成における制御部の機能ブロック図
【図３】 強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを負荷毎に示す図
【図４】 起動時の強制同期運転から定常センサレス運転に移行するまでの強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを示す図
【図５】 本発明の実施の形態における自吸式ポンプの要部断面側面図
【図６】 イ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図
【図７】 イ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の同期制御から帰還制御への切り換え時のタイミングを示す図
【符号の説明】
１１ ハウジング
１１ａ 吸込口
１１ｂ 吐出口
１２ 仕切り板
１２ａ 通水孔
１３ 吸水室
１４ 吐出室
１５ 固定軸
１６ 軸受け部
１７ 軸受け板
１８ 羽根車
１９ ロータ
２０ 制御部
１０１ ステータ
１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗ 固定子巻線
１０３ 永久磁石回転子
１０４ ドライブ回路
１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０ コミュテータ素子
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６ フリーホイーリングダイオード
１１７ 駆動電源
１１８ バイパスコンデンサ
１１９Ｕ、１１９Ｌ 中性電位生成抵抗
１２０ ゼロクロス点検出部
１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗ コンパレータ
１２１ 制御部
１３０ 帰還同期信号生成手段
１３１ 強制同期周期データメモリ手段
１３２ 電流検知手段
１３３ 強制同期信号生成部
１３４ 転流制御手段
１３５ 駆動ベース信号バッファ部
１３６ 切換制御手段
２０１ 位置検出手段
２０２ 制御部
２０３ 起動指令手段
２０４ 同期信号発生手段
２０５ モード判別手段
２０６ 駆動信号生成手段
２０７、２０８ 切り換えタイミング
２０９ 位相差
ＶN 性電位
ＶU、ＶV、ＶW 駆動端子電圧
ＶI 全電流検出電圧
Ｒ1 全電流検出抵抗
ＶU0、ＶV0、ＶW0 ゼロクロス点検出信号
ＶU1、ＶV1、ＶW1 帰還同期制御信号
ＶU2、ＶV2、ＶW2 強制同期制御信号
ＶS 駆動電圧
ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ、ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’ 六
相制御信号
ｉu、ｉv、ｉw 駆動電流
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定して起動させることができ、脱調等することのないブラシレスモータの制御装置及びそれを用いた自吸式ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々のブラシレスモータの制御装置が研究されており、また、小型化やコスト低減のためブラシレスモータを用いた自吸式ポンプが望まれている。
【０００３】
従来のセンサレス駆動のブラシレスモータの制御装置としては、特開平５−２１９７８４号公報（以下、イ号公報と呼ぶ。）に、起動時に強制同期運転から定常センサレス運転に切換える時、固定子巻線の誘起電圧による位置検出信号から導き出される転流のタイミング信号と強制同期信号の位相差のある特定の状態が一定時間続いた場合切換える制御方法が開示されている。
【０００４】
以下にイ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置について、図面を用いて説明する。
【０００５】
図６はイ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図である。
【０００６】
図６において、１０１はブラシレスモータのステータ、１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗはステータ１０１内で駆動磁界を発生させる三相スター結線された固定子巻線、１０３は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの発生する磁界により回転駆動される永久磁石回転子、１０４は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの各端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続され各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路、１０５〜１１０は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに流す駆動電流ｉu、ｉv、ｉwの切り換えを行うコミュテータ素子、１１１〜１１６はコミュテータ素子１０５〜１１０のスイッチングにより発生するサージ電圧を解放するフリーホイーリングダイオード、１１７’はステータ１０１を駆動するための電圧を供給する駆動電源である。
【０００７】
ハイサイドのコミュテータ素子１０５〜１０７はＮＰＮ型トランジスタが用いられ、ローサイドのコミュテータ素子１０８〜１１０はＰＮＰ型トランジスタが用いられる。固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの一端子Ｏ（以下、コモン端子と呼ぶ。）は共通に接続され、他端子Ｕ，Ｖ，Ｗ（以下、駆動端子と呼ぶ。）はそれぞれ、駆動端子Ｕはコミュテータ素子１０５及び１０８の共通接続点（両素子のコレクタ側）に接続されており、駆動端子Ｖはコミュテータ素子１０６及び１０９の共通接続点（両素子のコレクタ側）に接続されており、駆動端子Ｗはコミュテータ素子１０７及び１１０の共通接続点（両素子のコレクタ側）に接続されている。駆動電源１１７の負極側は接地されている。また、ハイサイドのコミュテータ素子１０５〜１０７のエミッタ側は駆動電源１１７の正極側に接続され、ローサイドのコミュテータ素子１０８〜１１０のコレクタ側は接地されている。
【０００８】
２０１は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの駆動端子Ｕ、Ｖ、Ｗに発生する駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWに基づいて出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’を生成し出力する位置検出手段、２０２はドライブ回路１０４を制御することにより永久磁石回転子１０３の回転数の制御を行う制御部である。
【０００９】
制御部２０２は、コミュテータ素子１０５〜１１０のベースに接続されており、ドライブ回路１０４を制御するための六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成し出力する。また、制御部２０２は、位置検出手段２０１の出力側に接続されており、永久磁石回転子１０３の回転数がある一定値以上となり帰還同期制御が可能な状態となると、位置検出手段２０１より入力される出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’に基づき各六相制御信号を生成し出力する帰還同期制御に切り換わる。
【００１０】
２０３は起動指令を出力する起動指令手段、２０４は起動指令手段２０３の起動指令により同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’を出力する同期信号発生手段、２０５は位置検出手段２０１の出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’のモードが同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’のモードに対して所定の関係にあるか否かを判別するモード判別手段、２０６は同期信号発生手段２０４が出力した同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’に基づいてドライブ回路１０４を駆動する六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成する一方、モード判別手段２０５の判別結果を受け位置検出手段の出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’のモードが同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’のモードに対して所定の関係にある状態が所定期間続いた後は位置検出手段の出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’に基づいてドライブ回路１０４を駆動する六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成する駆動信号生成手段である。
【００１１】
以上のように構成された従来のブラシレスモータの制御装置について、以下その起動時の動作を説明する。
【００１２】
図７はイ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の同期制御から帰還制御への切り換え時のタイミングを示す図である。
【００１３】
図７において、２０７は位置検出手段２０１が固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに発生する誘起電圧から生成する出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’の相切り換えのタイミングを表し、２０８は同期信号発生手段２０４の発生する同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’の相切り換えタイミングを表す。また、２０９は出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’と同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’との相切り換えのタイミングの位相差を表す。
【００１４】
ブラシレスモータを起動してから、ある回転数に達すると、永久磁石回転子１０３の回転に伴い位置検出手段２０１により固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに誘起される誘起電圧を検出することが可能となる。その時点では、図７（ａ）に示したように、切り換えタイミング２０７と切り換えタイミング２０８との位相差２０９は大きい。永久磁石回転子１０３の回転が一定の回転数に近づき回転が安定すると、図７（ｂ）に示したように、切り換えタイミング２０７と切り換えタイミング２０８との位相差２０９は小さくなる。このように、位相差２０９がある一定の値以下の状態がある一定時間以上継続すると、駆動信号生成手段２０６は強制同期制御状態（同期信号ＶU1’、ＶV1’、ＶW1’に基づき相切り換えを行う状態）から帰還同期制御状態（出力信号ＶU0’、ＶV0’、ＶW0’に基づき相切り換えを行う状態）へ切り換わる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のブラシレスモータの制御装置では、以下のような課題を有していた。
【００１６】
（１）強制的な同期信号に従って転流させ、位相差をなくして定常センサレス運転に切り換えるため、ポンプ等の起動時に負荷変動の有る機器に使用する場合、強制同期運転から定常センサレス運転への切り換え時に位相差がなくならず、定常センサレス運転への切り換えが行われないという課題を有していた。
【００１７】
（２）位相差がなくなり、センサレス運転に切り換えることができたとしても、モータにかかる負荷に合わせた強制同期信号で運転させていないため、切り換え時に脱調するという課題を有していた。
【００１８】
（３）センサレス駆動するブラシレスモータにより駆動される自吸式ポンプの場合、該自吸式ポンプのケーシング内の水量によって、モータの起動時の負荷が変動するため、センサレス駆動させることが困難であるという課題を有していた。
【００１９】
本発明は、センサレス駆動のブラシレスモータの制御装置において、起動時のモータの負荷に強制同期信号の周期データを対応させることにより、安定して起動することができるブラシレスモータの制御装置を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明は、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができるブラシレスモータの制御装置を用いた自吸式ポンプを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のブラシレスモータの制御装置は、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有する構成より成る。
【００２２】
この構成により、起動時のモータの負荷に強制同期信号の周期データを対応させることにより、安定して起動することができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００２３】
また、本発明のブラシレスモータの制御装置を用いた自吸式ポンプは、羽根車がブラシレスモータによって駆動される自吸式のポンプであって、前記ブラシレスモータを制御する制御装置が、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有する構成より成る。
【００２４】
この構成により、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができるブラシレスモータの制御装置を用いた自吸式ポンプを提供することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の自吸式ポンプは、羽根車がブラシレスモータによって駆動される自吸式のポンプであって、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置によって制御され、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有し、前記負荷は、ポンプの内部及び配管に水が満たされている状態と、ポンプの内部に水が満たされているが配管に水が無い状態と、ポンプの内部に水がない状態と、の３つの状態に分類されるものであり、これにより、変動する負荷に対応した強制同期信号の周期データで強制同期運転することで、強制同期運転からセンサレス運転への切り換えにおいて、駆動電流の増加や脱調のない安定した切り換えをすることができるという作用に加え、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができるという作用が得られる。
【００２６】
ここで、ブラシレスモータは２相、又は３相、５相、７相等のセンサレス方式のものが用いられる。また、スター結線したバイポーラ駆動のブラシレスモータや、デルタ結線バイポーラ駆動のブラシレスモータや、ユニポーラ駆動のブラシレスモータ等が用いられる。
【００２７】
ドライブ回路は、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタなどのスイッチング素子からなるコミュテータ素子により、固定子巻線に流す駆動電流の相切り換えを行う回路が用いられる。
【００２８】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、前記複数の強制同期信号の周期データのうち周期の長い周期データから順に選択し強制同期信号を生成する構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、起動時の負荷が大きいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるという作用が得られる。
【００２９】
ここで、起動時の負荷が大きいことが多い機器としては、井戸用ポンプ，給湯器に組み込まれた風呂の追い炊き用循環ポンプ，ジェットバス等が用いられる。
【００３０】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、前記複数の強制同期信号の周期データのうち周期の短い周期データから順に選択し強制同期信号を生成する構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、起動時の負荷が小さいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるという作用が得られる。
【００３１】
ここで、起動時の負荷が小さいことが多い機器としては、エアコンの室外機用送風ファン等が用いられる。
【００３２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記駆動電流が一定の電流値以上の場合に負荷トルクが設定より大きいとして前記駆動電流を基に前記複数の強制同期信号の周期データのうち適正な周期データを選択し強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えた構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより大きいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるという作用が得られる。
【００３３】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記駆動電流が一定の電流値以下の場合に負荷トルクが設定より小さいとして前記駆動電流を基に前記複数の強制同期信号の周期データのうち適正な周期データを選択し強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えた構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより小さいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるという作用が得られる。
【００３４】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のブラシレスモータの制御装置であって、前記適正な周期データを選択する前に一度停止し、その後前記適正な周期データに切り換え再起動する構成としたものであり、これにより、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データから大きくずれた場合でも一度停止して再起動することにより、安定した強制同期運転を行うことができるという作用が得られる。
【００３５】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記複数の強制同期信号の周期データのうち最も長い周期の周期データを選択して起動し前記駆動電流が一定の電流値より小さい場合は前記最も長い周期の周期データの次に長い周期の周期データを選択して強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えた構成としたものであり、これにより、請求項１の作用に加え、起動時の負荷が変動することが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるという作用が得られる。
【００３６】
ここで、起動時の負荷が変動することが多い機器としては、井戸用ポンプ，給湯器に組み込まれた風呂の追い炊き用循環ポンプ，ジェットバス等が用いられる。
【００３８】
（基本構成）
図１は本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図である。
【００３９】
図１において、１０１はステータ、１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗは固定子巻線、１０３は永久磁石回転子、１０４はドライブ回路、１０５〜１１０はコミュテータ素子、１１１〜１１６はフリーホイーリングダイオード、ｉu、ｉv、ｉwは駆動電流、Ｕ、Ｖ、Ｗは駆動端子、Ｏはコモン端子、ＶU、ＶV、ＶWは駆動端子電圧であり、これらは図６と同様のものであり、同一の符号を付して説明は省略する。
【００４０】
１１７は可変電圧源からなりステータ１０１を駆動するための電圧を供給する駆動電源、１１８は駆動電源１１７の電圧に重畳するノイズを除去するバイパスコンデンサ、ＲIは全電流値検出抵抗、ＶIは全電流検出抵抗ＲIの両端に発生する電圧である全電流検出電圧である。
【００４１】
バイパスコンデンサ１１８は駆動電源１１７の両極に負極側で全電流値検出抵抗ＲIを介して接続されており、駆動電源１１７の負極側は接地されている。また、ハイサイドのコミュテータ素子１０５〜１０７のエミッタ側は駆動電源１１７の正極側に接続され、ローサイドのコミュテータ素子１０８〜１１０のコレクタ側は全電流値検出抵抗ＲIを介して接地されている。
【００４２】
１１９Ｕ、１１９Ｌは固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの端子に発生する電圧の中性点の電位（以下、中性電位ＶNと呼ぶ。）を生成する中性電位生成抵抗、１２０は固定子巻線１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗの端子Ｕ、Ｖ、Ｗに発生する駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWと中性電位ＶNとを比較することによりゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0を生成し出力するゼロクロス点検出部、１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗはそれぞれ駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWと中性電位ＶNとが入力されゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0を出力するコンパレータ、１２１はドライブ回路１０４を制御することにより永久磁石回転子１０３の回転数の制御を行う制御部である。
【００４３】
中性電位生成抵抗１１９Ｕ及び中性電位生成抵抗１１９Ｌとは接続点ＯNにおいて一端が互いに接続されており、中性電位生成抵抗１１９Ｕの他端はバイパスコンデンサ１１８の正極に接続され、中性電位生成抵抗１１９Ｌの他端は全電流値検出抵抗Ｒ1を介して接地されている。中性電位生成抵抗１１９Ｕと中性電位生成抵抗１１９Ｌとは、互いが接続する接続点ＯNにおいて中性電位ＶNを生成するように抵抗値が調整されている。コンパレータ１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗの正入力側は、それぞれ、駆動端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続されており、各々の負入力側は接続点ＯNに接続されている。コンパレータ１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗは、入力された各相の駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWと中性電位ＶNとを比較し、駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWが中性電位ＶNより大きいときにはそれぞれゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0をＨＩＧＨ状態として出力し、駆動端子電圧ＶU、ＶV、ＶWが中性電位ＶNより小さいときにはそれぞれゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0をＬＯＷ状態として出力する。制御部１２１は、コミュテータ素子１０５〜１１０のベースに接続されており、ドライブ回路１０４を制御するための六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成し出力する。また、制御部１２１は、コンパレータ１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗの出力側に接続されており、永久磁石回転子１０３の回転数がある一定値以上となり帰還同期制御が可能な状態となると、ゼロクロス点検出部１２０より入力されるゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0に基づき各六相制御信号を生成し出力する帰還同期制御に切り換わる。
【００４４】
図２は本発明の基本構成における制御部の機能ブロック図である。
【００４５】
図２において、１２０はゼロクロス点検出部、１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗはコンパレータ、１２１は制御部、ＶU、ＶV、ＶWは駆動端子電圧、ＶU0、ＶV0、ＶW0はゼロクロス点検出信号、ＶIは全電流検出電圧、ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは六相制御信号であり、これらは図１と同様のものである。
【００４６】
１３０は入力されるゼロクロス点検出信号ＶU0、ＶV0、ＶW0に基づき六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬの転流のタイミングを得るための帰還同期制御信号ＶU1、ＶV1、ＶW1を生成し出力する帰還同期信号生成手段、１３１は複数の強制同期信号の周期データ（本基本構成においては、３つの強制同期信号の周期データ、周期の長い（周波数の低い）方からｆ１，ｆ２，ｆ３）が記憶された強制同期周期データメモリ手段であり、負荷の大きいものにはｆ１が用いられ、負荷の小さいものにはｆ３が用いられる。１３２は全電流検出電圧ＶIから駆動電流を検知する電流検知手段であり、所定の電流値（以下、閾電流値という）より、駆動電流が大きい場合に後述の強制同期信号生成手段に検知信号を出力する。１３３は電流検知手段１３２からの検知信号が入力され、駆動電流に応じた強制同期周期データ（ｆ１，ｆ２，ｆ３）を強制同期周期データメモリ手段１３１から読み出し強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2を生成する強制同期信号生成手段、１３４は帰還同期制御信号ＶU1、ＶV1、ＶW1又は強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2に基づき六相制御信号ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’を生成し出力する転流制御手段、１３５は転流制御部１３４から入力される六相制御信号ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’から実際にコミュテータ素子１０５〜１１０のベース電圧のレベルの六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを生成し出力する駆動ベース信号バッファ手段、１３６は転流制御手段１３３の入力を帰還同期制御信号ＶU1、ＶV1、ＶW1と強制同期制御信号ＶU2、ＶV2、ＶW2との何れか一方に切り換える切換制御部である。
【００４７】
以上のように構成された本基本構成のブラシレスモータの制御装置において、以下その起動時のモータの負荷が変動する場合の制御方法について説明する。
【００４８】
図３は本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置の強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを負荷毎に示す図であり、図４は起動時の強制同期運転から定常センサレス運転に移行するまでの強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを示す図である。
【００４９】
ブラシレスモータの起動が開始されると、強制同期信号生成手段１３３は強制同期周期データメモリ手段１３１から周期の最も長い（周波数の最も低い）強制同期信号の周期データｆ１を読み出す。次いで、周期の長い方から周期データｆ１に周期を段階的に近づけていきながら、強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2を転流制御手段１３４に段階的に出力する。次いで、転流制御手段１３４は駆動ベース信号バッファ手段１３５に六相制御信号ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’を出力し、駆動ベース信号バッファ手段１３５はドライブ回路１０４に六相制御信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを出力し、強制同期運転が開始される。所定の期間、駆動電流が安定している場合は、電流検知手段１３２が切換制御手段１３６に検知信号を出力し、切換制御手段１３６が転流制御手段１３４に切換信号を出力することによって、定常センサレス運転へ切り換えられる。
【００５０】
周期データｆ１での強制同期運転時における負荷が、予め設定された負荷と違い小さい場合、駆動電流が小さくなる。この場合、起動から所定の時間（Ｔ１）経過後、電流検知手段１３２が全電流検出電圧ＶIから駆動電流を検出し駆動電流が閾電流値より小さい場合は、強制同期信号生成手段１３３に検知信号を出力する。電流検知手段１３２から検知信号が入力された強制同期信号生成手段１３３は、予め設定された負荷が周期データｆ１より小さい周期データｆ２を強制同期周期データメモリ手段１３１から読み出し、周期データｆ１の周期を周期データｆ２の周期に段階的に近づけていきながら、強制同期信号ＶU2、ＶV2、ＶW2を転流制御手段１３４に段階的に出力する。所定の期間、駆動電流が安定している場合は、電流検知手段１３２が切換制御手段１３６に検知信号を出力し、切換制御手段１３６が転流制御手段１３４に切換信号を出力することによって、定常センサレス運転へ切り換えられる。
【００５１】
以上のように、本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置は、駆動電流を検出し、駆動電流に対応した周期データを使用することによって、起動時の負荷に対応した強制同期運転ができるので、脱調等おこさない安定した強制同期運転を行うことができる。
【００５２】
尚、周期データｆ２を用いた場合も、駆動電流が閾電流値より小さい場合は、周期データｆ３に移行される。
【００５３】
本基本構成においては、周期データはｆ１，ｆ２，ｆ３の３つであるが、周期データの数は複数であれば同様に実施可能である。
【００５４】
（実施の形態）
次に基本構成のブラシレスモータの制御装置を用いた本実施の形態における自吸式ポンプについて説明する。
【００５５】
図５は本発明の実施の形態における自吸式ポンプの要部断面側面図である。
【００５６】
図５において、１０１はステータ、１０３は永久磁石回転子であり、これらは基本構成と同様のものであるので、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５７】
１１は上部に吸込口１１ａ及び吐出口１１ｂを有する自吸式ポンプのハウジング、１２はハウジング１１内の空間を吸込口１１ａ側の空間である吸水室１３と吐出口１１ｂ側の空間である吐出室１４とに分割する仕切り板、１２ａは仕切り板１２の下部に穿設された通水孔、１５は一端が通水孔１２ａ付近に固定されて吐出室１４内に固設された固定軸、１６は固定軸１５に固定軸１５と同軸に回動自在に外嵌された軸受け部であり、周囲部に永久磁石回転子１０３が固定軸１５と同軸に固定されている。１７は固定軸１５の両端部に固定され軸受け部１６の軸方向への移動を防止している。１８は吸込側が通水孔１２ａに対向して吐出室１４内に配設された羽根車であり、軸受け部１６に固定軸１５と同軸に固定されている。１９は永久磁石１０３，軸受け部１６，羽根車１８が一体に形設されたロータであり、ステータ１０１に通電することにより回動する。２０は基本構成のドライブ回路１０４，ゼロクロス点検出部１２０，論理演算手段１２１等から構成された制御部である。
【００５８】
尚、本実施の形態は基本構成におけるブラシレスモータの制御装置と同様のものを用いている。
【００５９】
以上のように構成された本実施の形態における自吸式ポンプについて、以下その動作を説明する。
【００６０】
制御部２０がステータ１０１に通電することにより、ステータ１０１に回転磁界が発生し、ロータ１９が回動する。ロータ１９が回転することにより、羽根車１８の吸込側が低圧、吐出側が高圧になり、吸込口１１ａから流入した流体は、吸水室１３，通水孔１２ａ，羽根車１８，吐出室１４を経て、吐出口１１ｂから吐出される。
【００６１】
以上のような自吸式ポンプの起動時のモータ（ステータ１０１及びロータ１９）にかかる負荷は、自吸式ポンプの内部及び配管に水が満たされている状態（以下、状態１という），自吸式ポンプの内部に水が満たされているが配管に水が無い状態（以下、状態２という），自吸式ポンプの内部に水がない状態（以下、状態３という）の３つの状態に分類することができる。尚、本実施の形態における強制同期信号の周期データｆ１，ｆ２，ｆ３は状態１，状態２，状態３における負荷に対応した周期データである。
【００６２】
この際の、モータへの負荷は状態１が最大であり、状態３が最小であり、状態２がその中間である。自吸式ポンプの状態は起動毎に状態が変動することが多い用途に使用されることが多く、起動時のモータへの負荷を特定することが困難である。そこで、起動時の強制同期運転において、周期の長い（周波数の低い）周期データｆ１を選択し強制同期運転を開始し、基本構成と同様に段階的にｆ２，ｆ３と強制同期信号の周期データの周期を短い（周波数の高い）ものに変えていく。強制同期信号の周期データｆ１を用いた強制同期運転時にモータの負荷が予め設定した負荷と違い小さい場合、駆動電流が低くなる。これにより、基本構成と同様に論理演算手段１２１が負荷が軽いと判断し、強制同期信号の周期データは周期のより短い周期データ（ｆ２）へ移行される。これにより、電流値が高くなった場合は、そのまま定常センサレス運転に移行し、駆動電流が低いままの場合は、強制同期信号周期データはさらに短い周期データ（ｆ３）へ移行される。
【００６３】
以上のように、本発明の実施の形態における自吸式ポンプは、起動毎に異なる（状態１，状態２，状態３における）負荷に対応した強制同期信号の周期データ（ｆ１，ｆ２，ｆ３）を予め設定しておき負荷に対応した強制同期信号の周期データで強制同期運転するので、運転開始時の自吸式ポンプの状態にかかわらず（モータへの負荷の大小にかかわらず）、脱調等おこさない安定した強制同期運転を行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように本発明のブラシレスモータの制御装置及びそれを用いた自吸式ポンプによれば、以下のような有利な効果を得ることができる。
【００６５】
請求項１に記載の発明によれば、変動する負荷に対応した強制同期信号の周期データで強制同期運転することで、強制同期運転からセンサレス運転への切り換えにおいて、駆動電流の増加や脱調のない安定した切り換えをすることができ、モータの負荷に対応した周期データの強制同期信号を利用することによって、起動時の羽根車への負荷にかかわらず安定して起動させることができる自吸式ポンプを提供することができる。
【００６６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、起動時の負荷が大きいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００６７】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、起動時の負荷が小さいことが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００６８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより大きいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００６９】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データより小さいときに、そのまま周期データを変更して強制同期運転を行うことができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００７０】
請求項６に記載の発明によれば、負荷トルクが設定した強制同期信号の周期データから大きくずれた場合でも一度停止して再起動することにより、安定した強制同期運転を行うことができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【００７１】
請求項７に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、起動時の負荷が変動することが多い機器に使用する場合に、適切な周期データに速やかに合わせることができるブラシレスモータの制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本構成におけるブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図
【図２】 本発明の基本構成における制御部の機能ブロック図
【図３】 強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを負荷毎に示す図
【図４】 起動時の強制同期運転から定常センサレス運転に移行するまでの強制同期信号の周波数の時間変化と電流値の時間変化とを示す図
【図５】 本発明の実施の形態における自吸式ポンプの要部断面側面図
【図６】 イ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の装置構成を示すブロック図
【図７】 イ号公報に開示のブラシレスモータの制御装置の同期制御から帰還制御への切り換え時のタイミングを示す図
【符号の説明】
１１ ハウジング
１１ａ 吸込口
１１ｂ 吐出口
１２ 仕切り板
１２ａ 通水孔
１３ 吸水室
１４ 吐出室
１５ 固定軸
１６ 軸受け部
１７ 軸受け板
１８ 羽根車
１９ ロータ
２０ 制御部
１０１ ステータ
１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗ 固定子巻線
１０３ 永久磁石回転子
１０４ ドライブ回路
１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０ コミュテータ素子
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６ フリーホイーリングダイオード
１１７ 駆動電源
１１８ バイパスコンデンサ
１１９Ｕ、１１９Ｌ 中性電位生成抵抗
１２０ ゼロクロス点検出部
１２０ｕ、１２０ｖ、１２０ｗ コンパレータ
１２１ 制御部
１３０ 帰還同期信号生成手段
１３１ 強制同期周期データメモリ手段
１３２ 電流検知手段
１３３ 強制同期信号生成部
１３４ 転流制御手段
１３５ 駆動ベース信号バッファ部
１３６ 切換制御手段
２０１ 位置検出手段
２０２ 制御部
２０３ 起動指令手段
２０４ 同期信号発生手段
２０５ モード判別手段
２０６ 駆動信号生成手段
２０７、２０８ 切り換えタイミング
２０９ 位相差
ＶN 性電位
ＶU、ＶV、ＶW 駆動端子電圧
ＶI 全電流検出電圧
Ｒ1 全電流検出抵抗
ＶU0、ＶV0、ＶW0 ゼロクロス点検出信号
ＶU1、ＶV1、ＶW1 帰還同期制御信号
ＶU2、ＶV2、ＶW2 強制同期制御信号
ＶS 駆動電圧
ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ、ＵＨ’、ＵＬ’、ＶＨ’、ＶＬ’、ＷＨ’、ＷＬ’ 六
相制御信号
ｉu、ｉv、ｉw 駆動電流
Claims (7)
- 羽根車がブラシレスモータによって駆動される自吸式のポンプであって、複数の固定子巻線の各端子の電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記各固定子巻線の各端子に接続され前記各固定子巻線に流す駆動電流を生成するドライブ回路と、前記ドライブ回路に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記ドライブ回路に通電タイミング信号を出力する論理演算手段と、を備えたブラシレスモータの制御装置によって制御され、
前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データを有し、前記負荷は、ポンプの内部及び配管に水が満たされている状態と、ポンプの内部に水が満たされているが配管に水が無い状態と、ポンプの内部に水がない状態と、の３つの状態に分類されることを特徴とする自吸式ポンプ。 - 請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、前記複数の強制同期信号の周期データのうち周期の長い周期データから順に選択し強制同期信号を生成することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
- 請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、前記複数の強制同期信号の周期データのうち周期の短い周期データから順に選択し強制同期信号を生成することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
- 請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記駆動電流が一定の電流値以上の場合に負荷トルクが設定より大きいとして前記駆動電流を基に前記複数の強制同期信号の周期データのうち適正な周期データを選択し強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
- 請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記駆動電流が一定の電流値以下の場合に負荷トルクが設定より小さいとして前記駆動電流を基に前記複数の強制同期信号の周期データのうち適正な周期データを選択し強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
- 前記適正な周期データを選択する前に一度停止し、その後前記適正な周期データに切り換え再起動することを特徴とする請求項４又は５に記載のブラシレスモータの制御装置。
- 請求項１に記載の自吸式ポンプを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記論理演算手段が、起動毎に異なる負荷に対応して設定された複数の強制同期信号の周期データが記憶された強制同期周期データメモリ手段と、前記ドライブ回路の駆動電流を検出する電流値検知手段と、前記複数の強制同期信号の周期データのうち最も長い周期の周期データを選択して起動し前記駆動電流が一定の電流値より小さい場合は前記最も長い周期の周期データの次に長い周期の周期データを選択して強制同期信号を生成する強制同期信号生成手段と、を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
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