JP5396969B2 - Motor drive device, compressor and refrigerator - Google Patents
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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、特に冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機を駆動するの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 driving a compressor such as an air conditioner.
従来のモータ駆動装置は、ブラシレスDCモータの運転範囲を拡張するために、低負荷時はブラシレスDCモータの回転位置を検出しながらの速度制御をPWMフィードバック制御で行い、高負荷時は一定周期でブラシレスDCモータの通電相を切り替える同期駆動を行うようにしている。(例えば、特許文献1参照)
図13は前記特許文献1に記載された従来のモータ駆動装置をしめすブロック図である。
In order to extend the operating range of the brushless DC motor, the conventional motor drive device performs speed control by PWM feedback control while detecting the rotational position of the brushless DC motor at low load, and at a constant cycle at high load. Synchronous driving for switching the energized phase of the brushless DC motor is performed. (For example, see Patent Document 1)
FIG. 13 is a block diagram showing a conventional motor driving device described in Patent Document 1. In FIG.
図13において、電源1は一般的な商用電源であり、日本の場合実効値100Vの50Hzまたは60Hzの交流電源である。前記交流電源1を入力として整流平滑回路2は交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ3はスイッチング素子(3aから3f)とダイオード(3gから3l)を逆並列に接続したものを、3相フルブリッジ構成で接続し、前記整流平滑回路2からの直流入力を交流電力に変換し、ブラシレスDCモータに任意の電圧および周波数の交流出力を供給するものである。ブラシレスDCモータ4は、永久磁石を有する回転子と3相スター結線した巻線を有する固定子とから構成される。 In FIG. 13, the power source 1 is a general commercial power source. In Japan, the power source 1 is a 50 Hz or 60 Hz AC power source having an effective value of 100V. The rectifying / smoothing circuit 2 converts the AC voltage into a DC voltage using the AC power supply 1 as an input. The inverter 3 is composed of a switching element (3a to 3f) and a diode (3g to 3l) connected in antiparallel in a three-phase full bridge configuration, and converts the DC input from the rectifying and smoothing circuit 2 into AC power. An AC output having an arbitrary voltage and frequency is supplied to the brushless DC motor. The brushless DC motor 4 is composed of a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase star-connected winding.
逆起電圧検出回路105はブラシレスDCモータ4の固定子巻線に発生する逆起電圧から回転子の相対位置を検出する。 The counter electromotive voltage detection circuit 105 detects the relative position of the rotor from the counter electromotive voltage generated in the stator winding of the brushless DC motor 4.
ドライブ回路106はインバータ3のスイッチング素子(3aから3f)をオン/オフさせるものである。
転流回路107は、ブラシレスDCモータ4が定常運転しているときに逆起電圧検出回路105の出力によりインバータ3のどの素子をオンさせるか決定する。
The drive circuit 106 turns on / off the switching elements (3a to 3f) of the inverter 3.
The commutation circuit 107 determines which element of the inverter 3 is turned on by the output of the back electromotive voltage detection circuit 105 when the brushless DC motor 4 is in steady operation.
同期駆動回路108は、ブラシレスDCモータ4を同期モータとして運転させる際に、所定周波数、所定電圧(所定デューティ)で出力する。 The synchronous drive circuit 108 outputs a predetermined frequency and a predetermined voltage (predetermined duty) when the brushless DC motor 4 is operated as a synchronous motor.
切換回路109は、ドライブ回路106に送出する信号を、転流回路107の信号か同期駆動回路108の信号かを切り換える。 The switching circuit 109 switches the signal sent to the drive circuit 106 between the signal of the commutation circuit 107 and the signal of the synchronous drive circuit 108.
PWM制御回路110は、インバータ3のスイッチング素子(3aから3f)の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子のみをチョッピングし、PWM(パルス幅変調)制御を行う。パルス幅のデューティ(パルス周期中のオン周期の割合)を上/下させることで出力電圧を上昇/下降させることができる。 The PWM control circuit 110 performs PWM (pulse width modulation) control by chopping only the switching elements of the upper arm or the lower arm of the switching elements (3a to 3f) of the inverter 3. The output voltage can be increased / decreased by increasing / decreasing the duty of the pulse width (ratio of the ON period in the pulse period).
負荷状態判定回路111は、ブラシレスDCモータ4の負荷状態を判定し、切換回路109による運転モードの切り換えを決定する。 The load state determination circuit 111 determines the load state of the brushless DC motor 4 and determines the switching of the operation mode by the switching circuit 109.
第1タイマ回路112は、同期駆動回路108による運転に切り替わったときにタイマをスタートし、一定時間t1経過するとタイマ終了する。 The first timer circuit 112 starts a timer when the operation is switched to the operation by the synchronous drive circuit 108, and ends the timer when a predetermined time t1 has elapsed.
デューティ判定回路113は、デューティが最大(100%)になったとき、最大負荷
であることを検出する。
The duty determination circuit 113 detects the maximum load when the duty reaches the maximum (100%).
位相判定回路114は、逆起電圧検出回路105の信号と同期駆動回路108の信号との位相差を検出し、現在の負荷状態を知ることができる。 The phase determination circuit 114 can detect the phase difference between the signal of the back electromotive voltage detection circuit 105 and the signal of the synchronous drive circuit 108 and know the current load state.
周波数調整回路115は、逆起電圧検出回路106の信号と同期駆動回路108の信号との位相差を検出し、その位相差が所定値より小さくなったときに、同期駆動回路105からの出力周波数を下げる。 The frequency adjustment circuit 115 detects the phase difference between the signal of the back electromotive voltage detection circuit 106 and the signal of the synchronous drive circuit 108, and when the phase difference becomes smaller than a predetermined value, the output frequency from the synchronous drive circuit 105 Lower.
上記の構成とすることで、従来のモータ駆動装置はブラシレスDCモータに印加される負荷が増大し、ブラシレスDCモータの回転子を検出しながらのフィードバック制御では所定の速度を保持出来なくなった場合は、オープンループ制御による同期駆動に切り替え、目標とする回転速度一定の転流に切り替える。 With the above configuration, when the load applied to the brushless DC motor increases in the conventional motor driving device, the predetermined speed cannot be maintained by the feedback control while detecting the rotor of the brushless DC motor. Then, switch to synchronous drive by open loop control, and switch to commutation with a constant rotation speed.
これにより転流タイミングに対してモータ回転子が遅れてついていくことになり、誘起電圧位相に対し端子電圧位相が相対的に進むことになる。これにより電流位相も同様に誘起電圧位相より進み位相となることから、同期駆動時は弱め磁束制御と同様の状態となることで、ブラシレスDCモータの運転領域を簡単に拡張することを実現した。 As a result, the motor rotor follows the commutation timing, and the terminal voltage phase advances relative to the induced voltage phase. As a result, since the current phase is also advanced from the induced voltage phase, the operating range of the brushless DC motor can be easily expanded by being in the same state as the weak magnetic flux control during synchronous driving.
これにより、モータ効率アップを図るため最高回転数を犠牲にした低トルクモータでも、最大負荷点で所望の回転数が得られるように運転範囲が拡大でき、なおかつ通常負荷ではフォードバック制御により高効率なモータをより高効率に運転できる。
しかしながら上記従来の構成は、高速あるいは高負荷でのブラシレスDCモータをオープンループで同期駆動するため、一定の負荷範囲内では、ブラシレスDCモータの誘起電圧、電圧、電流の位相関係は一定の位相状態で安定するため駆動可能な負荷範囲を拡張することが出来るが、ある程度以上負荷が大きい場合は、「転流に対して回転子が遅れる(即ち回転子位置を基準にすると、印加電圧位相と電流位相が、回転子の誘起電圧位相に対し進み位相になる)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は加速、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)が安定状態に収束しない可能性を有している。このよう駆動状態ではブラシレスDCモータの回転速度が変動し、これに伴う「うなり音」の発生が懸念される。また周期的な加減速によってモータ電流が増減する「電流脈動」の発生、電流脈動による過電流保護停止の可能性、さらには最終的にブラシレスDCモータの脱調停止発生の可能性も有している。 However, in the above conventional configuration, the brushless DC motor at high speed or high load is synchronously driven in an open loop, so that the phase relationship between the induced voltage, voltage, and current of the brushless DC motor is in a constant phase state within a certain load range. However, if the load is larger than a certain level, the rotor will be delayed with respect to commutation (ie, the applied voltage phase and current The phase becomes a leading phase with respect to the induced voltage phase of the rotor), and the magnetic flux is weakened and synchronized with the commutation cycle. The rotor is accelerated and the leading angle of the current phase is decreased by the acceleration of the rotor. There is a possibility that the driving state (driving speed) will not converge to the stable state after all, as the rotor repeatedly decelerates. In such a driving state, the rotational speed of the brushless DC motor fluctuates, and there is a concern about the occurrence of “beating noise” accompanying this. In addition, the occurrence of “current pulsation” in which the motor current increases or decreases due to periodic acceleration / deceleration, the possibility of stopping overcurrent protection due to the current pulsation, and the possibility of finally causing a step-out stop of the brushless DC motor. Yes.
この様な不具合の可能性を回避するために従来の技術では、ブラシレスDCモータの負荷状態を監視し、駆動状態が不安定に陥るまでに駆動速度を低下するようにしている。 In order to avoid the possibility of such a problem, in the conventional technique, the load state of the brushless DC motor is monitored, and the drive speed is reduced until the drive state becomes unstable.
さらに従来のモータ駆動装置の、負荷状態判定回路は逆起電圧検出回路で検出したブラシレスDCモータの回転により発生する逆起電圧の位相と、同期駆動回路の駆動信号との位相差から負荷状態を判定しているため、逆起電圧が検出可能な位相差(120度通電では30度)となった時点が駆動可能負荷の上限となる。 Furthermore, the load state determination circuit of the conventional motor drive device determines the load state from the phase difference between the phase of the counter electromotive voltage generated by the rotation of the brushless DC motor detected by the counter electromotive voltage detection circuit and the drive signal of the synchronous drive circuit. Since the determination is made, the upper limit of the drivable load is the time when the counter electromotive voltage becomes a detectable phase difference (30 degrees when 120 degrees energization).
従って結局ブラシレス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、十分に駆動領域を拡張することが出来なくなるという課題を有している。 Therefore, the high-speed and high-load driving of the brushless DC motor is eventually limited, and there is a problem that the driving area cannot be sufficiently expanded.
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
さらに高速・高負荷駆動の安定性による駆動領域の拡張に伴い、高効率低トルクモータの高速・高負荷駆動を可能とし、高効率・低騒音・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。
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. Providing a brushless DC motor drive system With the expansion of the drive range due to the stability of high-speed and high-load drive, high-efficiency low-torque motors can be driven at high speed and high-load, resulting in high efficiency, low noise, and high torque. It aims at realizing a motor drive device.
前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、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を有し、前記ブラシレスDCモータ巻線に流れる電流或いは、前記インバータの出力端子電圧のいずれかから、前記ブラシレスDCモータの巻線に流れる電流の位相を検出し、ブラシレスDCモータの所定の巻線の電流位相と、電圧位相とが所定の位相関係を保持するように、前記ブラシレスDCモータに通電する巻線を切換えることで、前記ブラシレスDCモータを駆動する。 In order to solve the above-described conventional problems, a motor driving device according to the present invention supplies a power to a brushless DC motor including a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding, and the three-phase winding. The inverter has an inverter, detects the phase of the current flowing through the winding of the brushless DC motor from either the current flowing through the brushless DC motor winding or the output terminal voltage of the inverter, and performs a predetermined winding of the brushless DC motor. The brushless DC motor is driven by switching the windings energized to the brushless DC motor so that the current phase of the line and the voltage phase maintain a predetermined phase relationship.
これによりブラシレスDCモータを同期駆動により高速で駆動する場合も、ブラシレスDCモータの電流及び電圧位相は誘起電圧位相に対して適切な位相関係で保持され、適切な電流および電圧進角の状態で駆動される。このため同期駆動における安定性が向上するとともに、外乱発生時の位相関係の変化への影響も抑制することができる。 As a result, even when the brushless DC motor is driven at high speed by synchronous driving, the current and voltage phase of the brushless DC motor are maintained in an appropriate phase relationship with respect to the induced voltage phase, and are driven in an appropriate current and voltage advance state. Is done. For this reason, the stability in synchronous driving is improved, and the influence on the change in phase relationship when a disturbance occurs can be suppressed.
本発明のモータ駆動装置によれば、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できると共に、外的要因による不安定状態を抑制でき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ことが可能となる。さらに高速・高負荷駆動の安定性による駆動領域の拡張に伴い、高効率低トルクモータの高速・高負荷駆動を可能とし、高効率・低騒音・高トルクなモータ駆動装置を提供することが出来る。 According to the motor drive device of the present invention, the stability of a brushless DC motor can be increased by increasing the stability of the brushless DC motor at a high load and at a high speed, and an unstable state caused by an external factor can be suppressed. A drive device can be provided. Furthermore, along with the expansion of the drive range due to the stability of high-speed and high-load drive, high-efficiency low-torque motors can be driven at high speed and high-load, and high-efficiency, low-noise and high-torque motor drive devices can be provided. .
請求項1に記載の発明は、永久磁石を有する回転子と3相巻線を有する固定子とからなるブラシレスDCモータと、直流電圧を交流電圧に変換し前記ブラシレスDCモータに電力を供給するインバータと、前記インバータの出力端子電圧を検出する電圧検出部を備えて出力端子電圧から前記ブラシレスDCモータの回転子相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の信号をもとに前記ブラシレスDCモータに通電する巻線を切換える信号を生成する第1転流手段と、前記ブラシレスDCモータの巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出した電流あるいは前記電圧検出部で検出した電圧から前記ブラシレスDCモータに流れる電流の位相を検出する電流位相検出手段と、負荷トルクの出力端子電圧により定まるモータ電流位相とインバータの出力端子電圧位相との位相関係を保持するように、PWM制御のデューティを一定の同期運転で前記ブラシレスDCモータに通電する巻線を切換える信号を生成する第2転流手段と、前記ブラシレスDCモータの負荷の状態を判定する負荷判定手段と、前記負荷判定手段により前記インバータのドライブ信号源を前記第1転流手段もしくは前記第2転流手段のいずれかに切り換える切換手段を有し、前記ブラシレスDCモータの巻線に流れる電流位相の検出は、1相分とし、ゼロクロスポイントを検出する様にしたモータ駆動装置である。これによりブラシレスDCモータの回転子位置を検出しない駆動でも、常にモータ電流位相と電圧位相との関係が安定するため、ブラシレスDCモータの駆動領域を拡張することが出来る。 The invention according to claim 1 is a brushless DC motor comprising a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding, and an inverter for converting a DC voltage into an AC voltage and supplying electric power to the brushless DC motor. And a position detecting means for detecting a relative position of the rotor of the brushless DC motor from the output terminal voltage, and a voltage detecting unit for detecting the output terminal voltage of the inverter, and the brushless based on a signal from the position detecting means. First commutation means for generating a signal for switching a winding for energizing the DC motor, current detection means for detecting a current flowing in the winding of the brushless DC motor, current detected by the current detection means or voltage detection a current phase detection means for detecting the phase of the current flowing from the detected voltage in parts to the brushless DC motor, the output terminal voltage of the load torque Ri determined so as to hold the phase relation between the motor current phase and an inverter output terminal voltage phase, second rolling to produce a signal for switching the windings energizing the brushless DC motor the duty of the PWM control at a constant synchronous operation Switching means, load determination means for determining the load state of the brushless DC motor, and switching of the drive signal source of the inverter to either the first commutation means or the second commutation means by the load determination means. The motor driving device has switching means and detects the phase of the current flowing through the winding of the brushless DC motor for one phase and detects a zero cross point. As a result, even when driving without detecting the rotor position of the brushless DC motor, the relationship between the motor current phase and the voltage phase is always stable, so the driving range of the brushless DC motor can be expanded.
また、本発明は、電流位相の検出は1相分としたものである。通常、モータ電流から回
転子位置の推定をおこなうフィードバック制御では3相の各電流を分離するため最低2相の電流を検出する必要があるが、特定の相の基準位相を検出するための1相分しか必要なく、モータ駆動装置の小型化と低コスト化が図れる。
In the present invention, the current phase is detected for one phase. Normally, in feedback control that estimates the rotor position from the motor current, it is necessary to detect at least two-phase currents in order to separate the three-phase currents, but one phase for detecting the reference phase of a specific phase. Therefore, the motor drive device can be reduced in size and cost.
また、本発明は、ブラシレスDCモータの巻線に流れる電流の位相は、電流のゼロクロスポイントを検出するようにしたものである。これにより電流位相を非常に簡単な方法で確実に検出できるため、モータ駆動装置の簡素化と、簡素化にともなう低コスト化と信頼性の向上を図ることが出来る。 Further, in the present invention, the phase of the current flowing through the winding of the brushless DC motor detects the zero cross point of the current. As a result, the current phase can be reliably detected by a very simple method, so that the motor drive device can be simplified, and the cost can be reduced and the reliability can be improved.
また、本発明は、ブラシレスDCモータの負荷状態に応じて転流手段を切換えることが出来るので、負荷が大きく高負荷・高速回転での駆動が必要な場合は高トルク運転、負荷が小さい場合は高効率運転による省エネ駆動が可能となる。さらにブラシレスDCモータの固定子巻線に流れる電流の位相を基準としてブラシレスDCモータに印加する電圧の位相を決めるので、ブラシレスDCモータの電流位相と電圧位相との関係が安定し、第2転流手段による駆動安定性が向上することで、ブラシレスDCモータの駆動可能な負荷領域および速度領域を大幅に拡張することができる。 Further, according to the present invention, the commutation means can be switched according to the load state of the brushless DC motor. Therefore, when the load is large and driving at high load / high speed is necessary, high torque operation is performed. Energy-saving drive through high-efficiency operation is possible. Further, since the phase of the voltage applied to the brushless DC motor is determined based on the phase of the current flowing through the stator winding of the brushless DC motor, the relationship between the current phase and the voltage phase of the brushless DC motor is stabilized, and the second commutation is performed. By improving the driving stability by the means, the load area and speed area in which the brushless DC motor can be driven can be greatly expanded.
請求項2に記載の発明は請求項1に記載の発明に、前記電流位相検出手段は前記電流検出手段で検出したブラシレスDCモータに流れる電流または前記電圧検出部により得た前記インバータの出力端子電圧のいずれかを選択してブラシレスDCモータに流れる電流の位相を検出するものである。これによりブラシレスDCモータの電流位相を確実かつ容易に取得できることになり、モータ駆動装置の信頼性向上および装置の簡略化による低コスト化が図れる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the current phase detection unit detects a current flowing through the brushless DC motor detected by the current detection unit or an output terminal voltage of the inverter obtained by the voltage detection unit. Is selected to detect the phase of the current flowing through the brushless DC motor. As a result, the current phase of the brushless DC motor can be acquired reliably and easily, and the cost can be reduced by improving the reliability of the motor driving device and simplifying the device.
請求項3に記載の発明は請求項1および請求項2に記載のいずれか一項に記載の発明に、前記電流検出手段にはカレントトランスを用いている。これにより電流検出手段による
回路損失を極力低減できるため、高効率なモータ駆動装置を提供できる。
According to a third aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first and second aspects, a current transformer is used as the current detecting means. As a result, the circuit loss due to the current detection means can be reduced as much as possible, so that a highly efficient motor drive device can be provided.
請求項4に記載の発明は請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発明に、前記電流位相検出手段は、前記端子電圧検出手段により電流位相が検出できないとき、前記電流検出手段により検出した電流によって電流位相を検出するものである。これにより負荷状態や駆動速度状態などによらず、あらゆる駆動状態でも常に電流位相の検出が可能となり、ブラシレスDCモータの同期駆動での安定性向上と、さらなる駆動領域の拡張を実現できる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, when the current phase detection unit cannot detect a current phase by the terminal voltage detection unit, the current detection unit The current phase is detected by the current detected by. As a result, the current phase can always be detected in any driving state regardless of the load state or the driving speed state, and the stability improvement in the synchronous driving of the brushless DC motor and the further expansion of the driving region can be realized.
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明に、前記第1転流手段の出力波形のデューティが最大になったことを判定するデューティ判定部を有し、前記第1転流手段の出力が最大となったとき、前記インバータのドライブドライブ信号源を、前記第1転流手段から第2転流手段に切換えるものである。これにより低負荷時は第1転流手段による駆動においてPWMデューティが最大となる様な負荷が大きい状態に至ったとき、第2転流手段による駆動に切換えることが可能なるので、ブラシレスDCモータの駆動可能な負荷領域を拡張できる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the duty determination unit determines that the duty of the output waveform of the first commutation means is maximized. When the output of the first commutation means becomes maximum, the drive drive signal source of the inverter is switched from the first commutation means to the second commutation means. As a result, when the load is such that the PWM duty is maximized in driving by the first commutation means at low load, it is possible to switch to driving by the second commutation means. The driveable load area can be expanded.
請求項6に記載の発明は請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発明に、前記位置検出手段の信号と前記第2転流手段の信号との位相差を検出する位相差判定部を有し、位相差が所定値より小さくなくなったときに、前記第2転流手段による出力から前記第1転流手段からの出力に切り換えるものである。これにより第2転流手段での駆動状態にあるとき、負荷が減少して第1転流手段で駆動が可能な負荷状態であること的確に認識することができるので、ブラシレスDCモータを第1転流手段で高効率運転をおこなう頻度を上げることになり、モータ駆動装置の電力消費を低減することができる。 Phase difference the invention according to claim 6 to the invention described in any one of claims 1 to 5, for detecting the phase difference between the signal of the signal and the second commutation means of said position detecting means A determination unit is provided to switch the output from the second commutation means to the output from the first commutation means when the phase difference becomes smaller than a predetermined value. As a result, when the second commutation means is in the driving state, it is possible to accurately recognize that the load is reduced and the first commutation means can drive the first commutation means. The frequency of performing high-efficiency operation by the commutation means is increased, and the power consumption of the motor drive device can be reduced.
請求項7に記載の発明は請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発明に前記ブラシレスDCモータは、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んでなる回転子であり、かつ突極性を有する回転子を有したものである。これによりブラシレスDCモータの駆動において、永久磁石によるマグネットトルクとともに、突極性によるリラクタンストルクも有効に利用できるようになるため、低速時の高効率駆動とともに、高効率の高速駆動性能も更に
伸張することが可能となる。
The invention described in claim 7 is the brushless DC motor according to any one of claims 1 to 6 , wherein the brushless DC motor is a rotor in which a permanent magnet is embedded in an iron core of the rotor, and has saliency. It has the rotor which has. This makes it possible to effectively use the reluctance torque due to the saliency as well as the magnet torque due to the permanent magnet in driving the brushless DC motor. Is possible.
請求項8に記載の発明は請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の発明に、ブラシレスDCモータの駆動負荷として圧縮機を用いたものである。圧縮機の駆動制御では工業用サーボモータ制御等の様に、高精度な回転数制御や加速制御、位置制御などは必要無い。さらに圧縮機はイナーシャが比較的大きい負荷であり、特に往復運動を行うレシプロタイプは、構造上回転子には、金属性で重量の大きいクランクシャフトやピストンが接続されているため、イナーシャが非常に大きく、短い時間での速度の変動は非常に少ない負荷といえる。従って、電流位相の検出を1相のみとしても速度変動等の制御精度が悪化することは無いため、本発明のモータ駆動装置の非常に有効な用途のひとつと言える。また従来のモータ駆動装置よりブラシレスDCモータの駆動領域の拡張により、従来のモータ駆動装置と同じ圧縮機を用いた場合でも、冷凍能力を高めることが出来るので、高能力の冷凍サイクルの小型化と低価格化を実現できる。さらに、従来のモータ駆動装置を用いた冷凍サイクルに、本発明のモータ駆動装置を置き換えれば、より高効率なモータを用いた圧縮機を使用することが出来る様になり、冷凍サイクルのさらなる高効率化が実現できる。 The invention according to an eighth aspect is the invention according to any one of the first to seventh aspects, wherein a compressor is used as a driving load of the brushless DC motor. In the drive control of the compressor, high-precision rotation speed control, acceleration control, position control, etc. are not required unlike industrial servo motor control. In addition, the compressor has a relatively large load of inertia, and the reciprocating type that reciprocates in particular has a very heavy inertia because the rotor is connected to a heavy metal crankshaft and piston. It can be said that the fluctuation of the speed in a large and short time is a very small load. Therefore, even if the detection of the current phase is only one phase, the control accuracy such as speed fluctuation does not deteriorate, so it can be said that it is one of the very effective applications of the motor drive device of the present invention. In addition, by extending the drive area of the brushless DC motor compared to the conventional motor drive device, even when the same compressor as the conventional motor drive device is used, the refrigeration capacity can be increased, so the high-capacity refrigeration cycle can be downsized. Low price can be realized. Furthermore, if the motor drive device of the present invention is replaced with a refrigeration cycle using a conventional motor drive device, a compressor using a higher efficiency motor can be used, and the refrigeration cycle can be further improved in efficiency. Can be realized.
請求項9に記載の発明は、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のモータ駆動装置で駆動されるモータを備えた圧縮機である。これにより圧縮機の駆動可能な負荷範囲と速度範囲を拡張でき、負荷が低い場合は低速駆動では高効率運転、負荷が大きい場合は高速駆動による高冷凍能力運転が可能な圧縮機が提供できる。 A ninth aspect of the present invention is a compressor including a motor driven by the motor driving device according to any one of the first to eighth aspects. Thereby, the load range and speed range in which the compressor can be driven can be expanded. When the load is low, it is possible to provide a compressor capable of high-efficiency operation at low speed drive and high refrigeration capacity operation at high speed drive when the load is large.
請求項10に記載の発明は請求項9に記載の圧縮機を備えた冷蔵庫である。圧縮機の駆動可能な負荷範囲と速度範囲の拡張にともない、例えば低負荷領域での効率アップをターゲットとして固定子巻線の巻数を増やした高効率低トルク設計のモータを用いた圧縮機でも、転流手段を第2転流手段に切換えることで高速高負荷での駆動も可能となる。 A tenth aspect of the present invention is a refrigerator including the compressor according to the ninth aspect . With the expansion of the compressor's drivable load range and speed range, for example, a compressor using a motor with a high-efficiency low-torque design that increases the number of stator windings with the aim of increasing efficiency in the low-load region, By switching the commutation means to the second commutation means, it is possible to drive at high speed and high load.
従って冷蔵庫の様に、1日の大半を占める安定した冷却状態では高効率な運転が求められる一方で、朝夕の家事時間帯や夏場等で扉開閉が多い場合、さらには霜取り後など庫内温度が上昇した時など速やかに冷却する為に一時的な高速高負荷駆動が求められる機器に対して、相反する要求を両立出する事ができる非常に合理的且つ有効な手段であり最適な用途である。 Therefore, high-efficiency operation is required in the stable cooling state that occupies most of the day, such as a refrigerator, while the door temperature is frequently used in housework hours in the morning and evening, summertime, etc. It is a very rational and effective means that can satisfy conflicting requirements for devices that require temporary high-speed and high-load drive to quickly cool, such as when the temperature rises. is there.
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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置のブロック図である。図1において従来の技術と同一構成要素については同一の符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a motor drive device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the same components as those of the conventional technique are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図1において位置検出手段5は、ブラシレスDCモータ4の回転子の相対位置を検出す
るもので、インバータ3の出力端子電圧を検出する電圧検出部5aと、前記電圧検出部5aの出力波形から、ブラシレスDCモータの誘起電圧のゼロクロスポイントを検出する位置検出部5bとにより構成されている。位置検出手段5は、インバータ3の任意の相の上下両スイッチング素子(たとえばU相スイッチング素子3aおよび3b)がオフしている期間に、インバータ出力端子に現れる誘起電圧から、そのゼロクロスポイントを検出するようにしている。具体的には、コンパレータ回路等で構成した比較回路等によって、インバータ3の出力端子電圧とブラシレスDCモータ4の固定子3相巻線の中点電位あるいはインバータ3の入力直流電圧の2分の1とを比較して、その大小関係が反転するタイミングを検出している。
In FIG. 1, the position detection means 5 detects the relative position of the rotor of the brushless DC motor 4, and from the voltage detection unit 5a for detecting the output terminal voltage of the inverter 3 and the output waveform of the voltage detection unit 5a, The position detection unit 5b detects the zero cross point of the induced voltage of the brushless DC motor. Position detecting means 5 detects the zero cross point from the induced voltage appearing at the inverter output terminal during the period when the upper and lower switching elements (for example, U-phase switching elements 3a and 3b) of any phase of inverter 3 are off. I am doing so. Specifically, the output terminal voltage of the inverter 3 and the midpoint potential of the stator three-phase winding of the brushless DC motor 4 or a half of the input DC voltage of the inverter 3 are compared by a comparison circuit constituted by a comparator circuit or the like. And the timing at which the magnitude relationship is inverted is detected.
第1転流手段6はブラシレスDCモータ4をフィードバック制御によって転流タイミングを計るものであり、速度指令手段7はブラシレスDCモータの駆動速度を指示するものである。第1転流手段6では、前記位置検出手段5によって得た位置信号の発生周期からブラシレスDCモータの現在の駆動速度を検出し、検出した駆動速度と速度指令手段7によって指示される指令速度との偏差から、インバータ3に印加する電圧と印加するタイミングを計る。具体的には120度矩形波駆動の場合は、誘起電圧のゼロクロスポイント検出時点(即ち位置検出時点)から電気角30度経過したタイミングから電圧を印加すると、誘起電圧と端子電圧とが同相となり、モータの種類や特性あるいは負荷状態などから位置検出タイミングから任意に電圧の印加タイミングを調整することで最適なタイミングを得ることができる。また電圧値の調整は、PWM制御により容易に行える。指令速度に対して駆動速度が遅い場合は印加電圧を増加するようにPWMデューティを増加し、指令速度より早い場合はデューティを減少することで、ブラシレスDCモータに印加する電圧を調整する。これは結果的にブラシレスDCモータの速度制御となり、誘起電圧検出によるフィードバック制御を行っている。 The first commutation means 6 measures the commutation timing of the brushless DC motor 4 by feedback control, and the speed command means 7 instructs the drive speed of the brushless DC motor. The first commutation means 6 detects the current drive speed of the brushless DC motor from the generation cycle of the position signal obtained by the position detection means 5, and detects the detected drive speed and the command speed instructed by the speed command means 7. From the deviation, the voltage applied to the inverter 3 and the application timing are measured. Specifically, in the case of 120-degree rectangular wave drive, when a voltage is applied from the timing at which an electrical angle of 30 degrees has elapsed from the zero cross point detection time point of the induced voltage (that is, the position detection time point), the induced voltage and the terminal voltage are in phase, The optimum timing can be obtained by arbitrarily adjusting the voltage application timing from the position detection timing based on the type and characteristics of the motor or the load state. The voltage value can be easily adjusted by PWM control. When the drive speed is slower than the command speed, the PWM duty is increased so as to increase the applied voltage, and when the drive speed is faster than the command speed, the duty is decreased to adjust the voltage applied to the brushless DC motor. This results in speed control of the brushless DC motor, and feedback control is performed by detecting the induced voltage.
電流検出手段8はブラシレスDCモータの相電流を検出するものであり、本実施の形態ではインバータ3の出力と固定子巻線の間に設置している。モータ相電流の検出方法としては、インバータ3の下側スイッチング素子(3b、3d、3f)とインバータ入力N側(即ち整流平滑回路2のダイオード2c、2dのアノード側)との間に電流検出用シャント抵抗を取り付け、その抵抗に発生する電圧から検出する方法等でも構わないが、抵抗による損失が増加してしまため、本発明の実施の形態では電流センサを用い、損失増加は殆ど無く、高効率なモータ駆動装置を実現できている。 The current detection means 8 detects the phase current of the brushless DC motor, and is installed between the output of the inverter 3 and the stator winding in this embodiment. As a method for detecting the motor phase current, current detection is performed between the lower switching element (3b, 3d, 3f) of the inverter 3 and the inverter input N side (that is, the anode side of the diodes 2c, 2d of the rectifying and smoothing circuit 2). There may be a method of attaching a shunt resistor and detecting from the voltage generated in the resistor, but the loss due to the resistance increases. Therefore, in the embodiment of the present invention, a current sensor is used, and there is almost no increase in loss. An efficient motor drive device has been realized.
電流位相検出手段9は電流位相検出切替部9aと電流位相検出部9bにより構成されている。電流位相検出手段9には、インバータ3の出力端子電圧を検出する端子電圧検出手段9cと電流検出手段8の出力が入力されるが、本実施の形態では位置検出手段5の電圧検出部5aを端子電圧検出手段と兼用化することで、別途回路を付加する必要がなく、装置の小型化と低コスト化を図っている。 The current phase detection means 9 includes a current phase detection switching unit 9a and a current phase detection unit 9b. The current phase detection means 9 receives the output of the terminal voltage detection means 9c for detecting the output terminal voltage of the inverter 3 and the output of the current detection means 8. In this embodiment, the voltage detection unit 5a of the position detection means 5 is connected to the current phase detection means 9. By sharing the terminal voltage detection means, it is not necessary to add a separate circuit, and the device is reduced in size and cost.
電流位相検出切替部9aでは、電圧検出部5aおよび電流検出手段8からの入力波形状態に応じて、電流位相の検出を電流検出手段の出力に基づき検出するか、電圧検出部の出力に基づき検出するかを選択し切り替える。また電流位相検出部9bでは、前記電流位相検出切替部により選択した方法から、ブラシレスDCモータに流れる相電流の任意の位相を検出する。なお、本実施の形態では電流波形のゼロクロスポイントを検出するようにしている。 In the current phase detection switching unit 9a, the detection of the current phase is detected based on the output of the current detection unit or the detection based on the output of the voltage detection unit according to the input waveform state from the voltage detection unit 5a and the current detection unit 8. Select to switch. The current phase detection unit 9b detects an arbitrary phase of the phase current flowing through the brushless DC motor from the method selected by the current phase detection switching unit. In this embodiment, the zero cross point of the current waveform is detected.
第2転流手段10は前記電流位相検出手段9により検出したブラシレスDCモータ相電流の任意の位相としてゼロクロスポイントを基準に、速度指令手段7により指示されたモータ駆動速度に基づく転流周期で所定のデューティで、インバータ3のスイッチング素子の転流タイミングを計るものである。 The second commutation means 10 has a predetermined commutation period based on the motor drive speed instructed by the speed command means 7 with the zero cross point as a reference as an arbitrary phase of the brushless DC motor phase current detected by the current phase detection means 9. The commutation timing of the switching element of the inverter 3 is measured with a duty of.
ここで電流位相検出手段9の動作について図1および図2、図3、図4を用いて説明する。 Here, the operation of the current phase detection means 9 will be described with reference to FIGS. 1, 2, 3, and 4.
図2は実施の形態1における第1転流手段での駆動におけるU相の各部の波形を示している。なお第1転流手段における駆動ではPWMフィードバック制御を行っているので、各部の波形にはPWMキャリアの成分が重畳される。しかし図2ではPWMデューティは100%として説明を簡単にしている。 FIG. 2 shows the waveform of each part of the U phase in the drive by the first commutation means in the first embodiment. Since PWM feedback control is performed in the drive in the first commutation means, the PWM carrier component is superimposed on the waveform of each part. However, in FIG. 2, the PWM duty is 100% and the description is simplified.
図2において(ハ)は電圧検出部5aの出力波形を示しており、(ロ)に示したインバータの出力端子電圧(図2ではU相の出力端子電圧としている)と、ブラシレスDCモータ固定子3相巻線の中点電位またはインバータ入力電圧Vinの2分の1との大小関係を出力する。(本実施の形態では、端子電圧とVin/2を比較して、電圧検出部5aは端子電圧がVin/2より大きいときはHi出力、小さいときはLo出力するようにしている。)
区間Aおよび区間Bは図1におけるスイッチング素子3aおよび3bがオフするタイミングであり、このとき端子電圧にはブラシレスDCモータ4の回転に伴う誘起電圧が現れる。この誘起電圧がVin/2と等しくなるタイミングが誘起電圧のゼロクロスポイントであり、電圧検出部5aの出力レベルが反転する。位置検出手段5内の位置検出部5bは、この出力反転タイミングを位置検出タイミングとして取得して第1転流手段に出力する。なお、区間AおよびBにおいて、スイッチング素子がオフした際にダイオード3g(区間A)、3h(区間B)を介して巻線に蓄えたエネルギーを放出する際に発生するスパイク電圧が現れ、電圧検出部5aの信号は変化する。しかし位置検出部5bは誘起電圧のゼロクロスポイントを確実に取得するため、スイッチ素子のオフ後の一定期間は電圧検出部5aの信号変化を無視することで、スパイク電圧検出による誘起電圧ゼロクロスの検出ミスを防止している。
In FIG. 2, (c) shows the output waveform of the voltage detector 5a, the output terminal voltage of the inverter shown in (b) (the U-phase output terminal voltage in FIG. 2), and the brushless DC motor stator. A magnitude relationship with the midpoint potential of the three-phase winding or half of the inverter input voltage Vin is output. (In this embodiment, the terminal voltage is compared with Vin / 2, and the voltage detector 5a outputs Hi when the terminal voltage is higher than Vin / 2, and outputs Lo when it is lower.)
Sections A and B are timings when the switching elements 3a and 3b in FIG. 1 are turned off. At this time, an induced voltage accompanying the rotation of the brushless DC motor 4 appears in the terminal voltage. The timing at which this induced voltage becomes equal to Vin / 2 is the zero cross point of the induced voltage, and the output level of the voltage detector 5a is inverted. The position detector 5b in the position detector 5 acquires this output inversion timing as the position detection timing and outputs it to the first commutator. In the sections A and B, when the switching element is turned off, a spike voltage generated when the energy stored in the winding is released through the diodes 3g (section A) and 3h (section B) appears, and voltage detection is performed. The signal of the part 5a changes. However, since the position detection unit 5b reliably acquires the zero cross point of the induced voltage, the signal voltage of the voltage detection unit 5a is ignored for a certain period after the switch element is turned off. Is preventing.
図3は実施の形態1における第2転流手段での駆動におけるU相各部の波形で、図3(a)は比較的高負荷での駆動であり(b)は比較的低負荷での駆動状態である。 FIG. 3 is a waveform of each part of the U phase in the driving by the second commutation means in the first embodiment. FIG. 3A is a driving at a relatively high load, and FIG. 3B is a driving at a relatively low load. State.
図3(a)および(b)において、(ハ)は電圧検出部5aの出力波形を示しており、先述したように(ロ)に示す端子電圧とVinとの比較結果が出力される。 3A and 3B, (C) shows the output waveform of the voltage detector 5a, and the comparison result between the terminal voltage shown in (B) and Vin is output as described above.
図3(a)において区間AはU相上側スイッチング素子3aがオン状態にあり、モータ電流はスイッチング素子3aを介してモータに流れ込む。区間Bはスイッチング素子3aのオフにともない、クランプダイオード3hが導通状態となる区間で、区間Cはクランプダイオード3gが導通状態になる区間である。ここで区間Bから区間Cに変わる境界ポイントはダイオード3gがオフし、ダイオード3hがオンするタイミングで、モータ電流(本実施の形態ではU相)の向きが変化する、即ち電流のゼロクロスのポイントである。したがって、スイッチング素子(3a)のオフ後、電圧検出部5aの出力状態が変化するポイントがあるとき(即ち、スパイク電圧が発生しているとき)、電流位相検出切替部は電圧検出部5aの出力から電流位相を検出することを選択し、図3(a)の(ホ)に示すように、スイッチ素子のオフ後に電圧検出部5aの出力が反転するタイミングをモータ電流のゼロクロスポイントとして取得する。 In FIG. 3A, in the section A, the U-phase upper switching element 3a is in the ON state, and the motor current flows into the motor via the switching element 3a. The section B is a section in which the clamp diode 3h is turned on as the switching element 3a is turned off, and the section C is a section in which the clamp diode 3g is turned on. Here, the boundary point that changes from the section B to the section C is the point at which the direction of the motor current (the U phase in the present embodiment) changes at the timing when the diode 3g is turned off and the diode 3h is turned on. is there. Therefore, when there is a point where the output state of the voltage detection unit 5a changes after the switching element (3a) is turned off (that is, when a spike voltage is generated), the current phase detection switching unit outputs the output of the voltage detection unit 5a. 3 is selected, and the timing at which the output of the voltage detector 5a is inverted after the switch element is turned off is acquired as the zero cross point of the motor current, as shown in FIG.
一方で図3(b)に示す駆動状態では、(ロ)に示す端子電圧波形は180度ワンパルスの矩形波形となっている。当然この場合電圧検出部5aの出力波形もワンパルス状となっており、電圧検出部5aの出力から、電流の位相を検出することは困難である。したがって、このとき電流位相検出切替部は電流検出手段8による出力から電流位相を検出するように選択する。 On the other hand, in the driving state shown in FIG. 3B, the terminal voltage waveform shown in FIG. 3B is a rectangular waveform of 180 degrees one pulse. Naturally, in this case, the output waveform of the voltage detector 5a is also in a one-pulse shape, and it is difficult to detect the phase of the current from the output of the voltage detector 5a. Therefore, at this time, the current phase detection switching unit selects to detect the current phase from the output from the current detection means 8.
電流検出手段8による電流位相の検出は、電流検出手段8の出力をマイコン等で定期的(例えば20μ秒ごと)にA/D変換を行い、電流値が最大あるいは最小となるポイント、或いはゼロとなる位相(ゼロクロス)をソフトウェアで簡単に検出できる。本実施の形態では制御を簡単にするために、電流ゼロクロスを検出するようにして、電圧検出部での位相検出ポイントと同じにしている。 The detection of the current phase by the current detection means 8 is performed by periodically A / D converting the output of the current detection means 8 with a microcomputer or the like (for example, every 20 μsec), and the point where the current value becomes maximum or minimum, or zero This phase (zero cross) can be easily detected by software. In the present embodiment, in order to simplify the control, a current zero cross is detected and is made the same as the phase detection point in the voltage detection unit.
またハードウェアによる特定位相の検出として、電流検出手段の出力をフォトカプラに入力してフォトカプラ出力信号の立ち上がりおよび立下りエッジをゼロクロスとして検出する方法や、フォトカプラ出力信号の立下りと立ち上がりの中間ポイントを電流が最大または最小ポイントとなる位相として検出することも容易に実現できる。 In addition, as a specific phase detection by hardware, a method of detecting the rising and falling edges of the photocoupler output signal as a zero cross by inputting the output of the current detection means to the photocoupler, and the falling and rising of the photocoupler output signal are detected. It is also possible to easily detect the intermediate point as a phase where the current becomes the maximum or minimum point.
ここで本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置では、前記電流検出手段8によって得た電流情報は電流の位相を検出するために用いるものであり、電流値を検出するものでない。従って直流電流センサなど高精度な電流検出手段を用いる必要はなく、本実施の形態では非常に安価な交流電流センサ8a(一般的に交流カレントトランスとか、ACCT等とも呼ばれる)を用いて、モータ駆動装置の低コスト化を図っている。 Here, in the motor drive device according to the embodiment of the present invention, the current information obtained by the current detection means 8 is used to detect the phase of the current, and does not detect the current value. Therefore, it is not necessary to use highly accurate current detection means such as a DC current sensor, and in this embodiment, a very inexpensive AC current sensor 8a (generally called an AC current transformer or ACCT) is used to drive the motor. The cost of the device is reduced.
また、交流電流センサの選定においては、商用電源(50または60Hz)用の一般的なタイプを使用することで、さらに低コスト化が図れる。また本実施の形態では、交流電流センサは、電流値を検出するために用いないため、出力精度も特に要求しないため、歩留まりの良さからも、低価格の部品が選定できる。ただし、周波数特性については、電流周波数に対する出力精度が変化することは問題ないが、相電流の最低周波数から最大周波数まで安定して特定位相が取得可能なタイプを選定する必要があることは当然である。次に図4に示す電流波形の場合について説明する。 In selecting an alternating current sensor, the cost can be further reduced by using a general type for a commercial power supply (50 or 60 Hz). In the present embodiment, since the alternating current sensor is not used for detecting the current value, output accuracy is not particularly required, so that low-cost parts can be selected from the viewpoint of good yield. However, with regard to frequency characteristics, there is no problem in changing the output accuracy with respect to the current frequency, but naturally it is necessary to select a type that can acquire a specific phase stably from the minimum frequency to the maximum frequency of the phase current. is there. Next, the case of the current waveform shown in FIG. 4 will be described.
図4は、実施の形態1における第2転流手段での駆動で低負荷で通電角が比較的狭い状態におけるU相各部の波形である。 FIG. 4 is a waveform of each part of the U-phase in a state in which the energization angle is relatively narrow with a low load driven by the second commutation means in the first embodiment.
図4(イ)に示す電流波形はU相上下両方のスイッチング素子(3aおよび3b)がオフ状態のとき、電流がゼロとなる期間がある。本実施の形態では電流のゼロクロス位相を検出しているため、電流検出手段でのゼロクロス検出では検出位相ポイントがばらつき検出タイミングが不安定になってしまう可能性がある。さらに電流検出手段として交流電流センサを用いた場合、電流ゼロとなる期間は検出が非常に困難となる。したがってこの様な電流波形の場合は、スイッチング素子(3aおよび3b)のオフ後、電圧検出部の出力が変化するポイント(即ちスパイク電圧が消えるタイミング)を検出すれば、特定位相として電流がゼロとなるポイントを確実且つ安定して取得することが出来る。 The current waveform shown in FIG. 4 (a) has a period in which the current is zero when both the upper and lower switching elements (3a and 3b) of the U phase are in the OFF state. In the present embodiment, since the zero cross phase of the current is detected, there is a possibility that the detection timing of the detection phase point varies and the detection timing becomes unstable in the zero cross detection by the current detecting means. Furthermore, when an alternating current sensor is used as the current detection means, detection becomes very difficult during a period when the current is zero. Therefore, in the case of such a current waveform, if the point at which the output of the voltage detector changes (that is, the timing at which the spike voltage disappears) is detected after the switching elements (3a and 3b) are turned off, the current is zero as the specific phase. Can be acquired reliably and stably.
以上の様に、電流位相検出切替部は、スイッチング素子のオフ後に電圧検出部の出力が変化するポイント(即ちスパイク電圧)を検出したときは端子電圧(電圧検出部)から電流位相検出を選択し、180度のワンパルス状の矩形波形などインバータ出力端子電圧から電流位相を検出できない波形の場合は、電流検出手段による電流位相検出を選択することで、様々な駆動状態においても電流のゼロクロスポイントを安定且つ確実に検出することを可能としている。 As described above, the current phase detection switching unit selects the current phase detection from the terminal voltage (voltage detection unit) when it detects a point where the output of the voltage detection unit changes (ie, spike voltage) after the switching element is turned off. In the case of a waveform in which the current phase cannot be detected from the inverter output terminal voltage, such as a 180-degree one-pulse rectangular waveform, by selecting the current phase detection by the current detection means, the current zero cross point can be stabilized even in various drive states And it is possible to detect reliably.
また、ハードウェアの定数バラツキや、ゼロクロス検出におけるノイズ除去フィルタ設置などで検出タイミングに一定のズレが発生する場合でも、本発明のモータ駆動装置はモータ電流の任意の基準位相が定まればよいため、回路バラツキ等に対する影響が非常に少ないモータ駆動装置を実現できている。 In addition, even when a constant deviation in detection timing occurs due to a constant variation in hardware or a noise removal filter in zero cross detection, the motor driving device of the present invention only needs to determine an arbitrary reference phase of the motor current. Thus, it is possible to realize a motor drive device that has very little influence on circuit variations and the like.
負荷判定手段11はブラシレスDCモータの負荷状態を判定するものであり、PWMデューティの状態を判定するデューティ判定部12と位置検出タイミングと第2転流手段によって生成した転流信号との位相関係を判定する位相差判定部13より構成している。 The load determination means 11 is for determining the load state of the brushless DC motor, and the phase relationship between the duty determination unit 12 for determining the PWM duty state, the position detection timing, and the commutation signal generated by the second commutation means. The phase difference determination unit 13 for determination is configured.
切換手段15は前記負荷判定手段11による負荷状態の判定結果から、インバータ3の出力を、第1転流手段6により行うか第2転流手段10により行うかを切り替える。 The switching unit 15 switches whether the output of the inverter 3 is performed by the first commutation unit 6 or the second commutation unit 10 based on the determination result of the load state by the load determination unit 11.
ドライブ部16はインバータ3のスイッチング素子をオン・オフするものであり、スイッチング素子のオン・オフ状態の切換タイミングは、前記切換手段において選択した、第1転流手段6または第2転流手段10により生成した転流タイミングに基づく。 The drive unit 16 turns on / off the switching element of the inverter 3, and the switching timing of the on / off state of the switching element is the first commutation means 6 or the second commutation means 10 selected by the switching means. Based on the commutation timing generated by.
以上の様に構成されたモータ駆動装置について、その動作を説明する。 The operation of the motor driving apparatus configured as described above will be described.
図5は本実施の形態における動作を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing the operation in the present embodiment.
図5においてまずstep1では位置検出手段5により検出したブラシレスDCモータの回転子相対位置に基づいて速度指令手段7で指示された速度を目標としてPWMフィードバック制御で速度制御を行う。本制御は一般的な駆動方法であるため、詳細な説明は省略するが、位置検出フィードバック制御を行うためもっとも効率の良い駆動状態となるように転流タイミングを制御している。次にstep2で駆動速度が目標速度に到達したか否かを確認し、目標速度に到達している場合はstep1に戻る。目標速度に到達していない場合はstep3に進み、負荷判定手段11内のデューティ判定部12はPWMデューティが最大デューティ(一般的には100%)に到達したか否かを確認する。PWMデューティが100%未満である場合は、PWMデューティ制御による速度制御が可能であるためstep1に戻る。ここでPWMデューティ幅が最大に達している場合、これ以上ブラシレスDCモータへの供給電圧を上げることができない。即ち、第1転流手段6による駆動での限界負荷状態にある。 In FIG. 5, first, at step 1, speed control is performed by PWM feedback control with the speed designated by the speed command means 7 as a target based on the rotor relative position of the brushless DC motor detected by the position detection means 5. Since this control is a general driving method, detailed description is omitted, but the commutation timing is controlled so as to achieve the most efficient driving state in order to perform position detection feedback control. Next, in step 2, it is confirmed whether or not the drive speed has reached the target speed. If the drive speed has reached the target speed, the process returns to step 1. If the target speed has not been reached, the process proceeds to step 3, and the duty determination unit 12 in the load determination unit 11 checks whether the PWM duty has reached the maximum duty (generally 100%). If the PWM duty is less than 100%, the speed control by the PWM duty control is possible, and the process returns to step 1. Here, when the PWM duty width reaches the maximum, the supply voltage to the brushless DC motor cannot be increased any more. That is, it is in the limit load state in the drive by the first commutation means 6.
従ってこのとき切換手段15は第1転流手段を第2転流手段10に切換え、step4で第2転流手段によりブラシレスDCモータを駆動する。 Accordingly, at this time, the switching means 15 switches the first commutation means to the second commutation means 10 and drives the brushless DC motor by the second commutation means at step 4.
ここで第2転流手段による駆動について説明する。 Here, driving by the second commutation means will be described.
図6は従来のモータ駆動装置でブラシレスDCモータを同期駆動回路でオープンループ駆動した場合の、相電流と端子電圧の位相関係を示したものである。 FIG. 6 shows the phase relationship between the phase current and the terminal voltage when a brushless DC motor is driven in an open loop by a synchronous drive circuit in a conventional motor drive device.
図6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6(a)は比較的低負荷で安定した運転状態を示し、(b)は従来のモータ駆動装置における駆動限界での状態を示している。また、(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、ブラシレスDCモータが非常に高速で駆動しており誘起電圧が高い状態にあることが分かる。 In FIG. 6, 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. 6A shows a stable operation state at a relatively low load, and FIG. 6B shows a state at the drive limit in the conventional motor drive device. Further, since the current phase is advanced from the terminal voltage phase in both (a) and (b), it can be seen that the brushless DC motor is driven at a very high speed and the induced voltage is high.
図6(a)に示すように、同期駆動で安定した駆動状態にあるときは、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。これは弱め磁束制御と同様の状態であるため高速での駆動が可能となる。 As shown in FIG. 6A, when the driving state is stable by synchronous driving, the rotor is delayed by an angle corresponding to the load state with respect to the commutation, that is, when viewed from the rotor (induced voltage). The commutation (i.e., voltage and current phase) becomes the leading phase and the predetermined relationship is maintained. Since this is the same state as the magnetic flux weakening control, it is possible to drive at high speed.
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
回転子は加速するが、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する、回転子の減速により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、回転子が加速する・・・」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、一定周期で行われる転流に対して、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り、駆動状態が不安定となる。これはオープンループ駆動ゆえに、モータ回転子が同期を外れたとき、その位置を把握できず、誘起電圧に対して端子電圧の位相(即ち転流タイミング)を固定出来ない為である。従って、同期駆動状態において、常に誘起電圧と端子電圧の位相関係を固定することで安定した駆動性能が得ることが出来る。
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. The rotor accelerates, but the advance angle of the current phase decreases due to the acceleration of the rotor, and the rotor decelerates. The rotor is accelerated ... ", and the driving state (driving speed) is not stable after all. That is, as shown in (b), since the rotation of the brushless DC motor fluctuates with respect to the commutation performed at a constant cycle, the terminal voltage phase fluctuates when the induced voltage phase is used as a reference. The state becomes unstable. This is because, because of the open loop drive, when the motor rotor is out of synchronization, its position cannot be grasped, and the phase of the terminal voltage (that is, the commutation timing) cannot be fixed with respect to the induced voltage. Therefore, stable driving performance can be obtained by always fixing the phase relationship between the induced voltage and the terminal voltage in the synchronous driving state.
図7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7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7の(イ)はモータ電流、(ロ)はモータ端子電圧の位相であり同期運転での安定状態を示している。電流位相が端子電圧位相より進んでいることから、誘起電圧が高い高速での駆動であることが判る。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、負荷トルクに対して電流位相の変化は非常に少ない。一方で端子電圧位相は直線的に変化することから、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変化する。ここで先述したように、同期駆動で安定駆動している状態では図6(a)のように誘起電圧、モータ電流、端子電圧の位相が一定の関係を保ち安定している。即ちモータ電流位相と端子電圧位相とが負荷に応じて適切な位相関係でバランスしている。従って、モータ電流位相と電圧位相を負荷に応じて適切な位相関係を常に保持し固定することで従来のモータ駆動装置で発生する、高速高負荷駆動での不安定現象を回避でき、さらなる駆動領域の拡張が出来るといえる。 FIG. 7 is a graph showing a phase state with respect to a load when the brushless DC motor is synchronously driven. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the motor torque, and the vertical axis indicates 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, (b) in FIG. 7 is the motor current, and (b) is the phase of the motor terminal voltage, indicating a stable state in the synchronous operation. Since the current phase is ahead of the terminal voltage phase, it can be seen that the driving is performed at a high speed with a high induced voltage. As is clear from the relationship between the phase current phase and the phase voltage phase shown in FIG. 7, the change in the current phase with respect to the load torque is very small. On the other hand, since the terminal voltage phase changes linearly, the phase difference between the current and the voltage changes almost linearly according to the load torque. Here, as described above, in the state of stable driving by synchronous driving, the phases of the induced voltage, the motor current, and the terminal voltage are stable while maintaining a constant relationship as shown in FIG. That is, the motor current phase and the terminal voltage phase are balanced in an appropriate phase relationship according to the load. Therefore, the motor current phase and voltage phase are always maintained and fixed in an appropriate phase relationship according to the load, thereby avoiding the unstable phenomenon in the high-speed and high-load drive that occurs in the conventional motor drive device. It can be said that it can be expanded.
ここで負荷状態に応じたモータ電流位相と端子電圧位相の位相差安定方法について説明する。図8は本実施の形態における第2転流手段による転流タイミングを示したタイミングチャートである。図8において(イ)はU相電流の基準位相(本実施の形態ではU相電流が負から正極性に変化するゼロクロスポイントとしている)タイミングを示し、(ロ)(ハ)(ニ)はそれぞれU相、V相、W相の上側スイッチング素子状態を示している。なお本タイミングチャートでは120度の矩形波通電としている。図8中のTfrqは転流周期であり、第2転流手段による同期駆動では速度指令手段7による指令速度に基づく一定の周期で転流を繰り返している。 Here, a method for stabilizing the phase difference between the motor current phase and the terminal voltage phase according to the load state will be described. FIG. 8 is a timing chart showing commutation timing by the second commutation means in the present embodiment. In FIG. 8, (A) indicates the timing of the reference phase of the U-phase current (in this embodiment, the zero-cross point at which the U-phase current changes from negative to positive polarity), and (B), (C), and (D) respectively. The U-phase, V-phase, and W-phase upper switching element states are shown. In this timing chart, a rectangular wave of 120 degrees is energized. Tfrq in FIG. 8 is a commutation cycle. In the synchronous drive by the second commutation means, the commutation is repeated at a constant period based on the command speed by the speed command means 7.
T0からTn+1はモータ相電流の基準位相(本実施の形態ではU相ゼロクロスポイント)から任意の相が転流(本実施の形態ではU相上側スイッチング素子がオン)するまでの経過時間であり、第2転流手段10は常にこの時間を計測している。 T0 to Tn + 1 is an elapsed time from the reference phase of the motor phase current (the U-phase zero cross point in the present embodiment) to the commutation of the arbitrary phase (the U-phase upper switching element is turned on in the present embodiment). The second commutation means 10 always measures this time.
TW0からTWn+1はモータ相電流基準位相検出後から任意の相を転流(本実施の形態ではW相下側スイッチング素子3fをオンする)するタイミングである。 TW0 to TWn + 1 are timings at which an arbitrary phase is commutated after the motor phase current reference phase is detected (in this embodiment, the W-phase lower switching element 3f is turned on).
ここでこの転流タイミングの決定方法を図9を用いて説明する。図9は本実施の形態におけるモータ駆動装置の第2転流手段10の転流タイミングの決定方法を示したフローチャートである。 Here, a method for determining the commutation timing will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a flowchart showing a method for determining the commutation timing of the second commutation means 10 of the motor drive device according to the present embodiment.
まずstep11で電流基準位相から任意の相の転流(本実施の形態では、U相上がオン)までの時間Tnを取得する。step12では取得した時間Tnと過去n個のデータ(T0からTn−1まで)の平均時間Tavとを比較して差分を算出する。step13では演算した差分に基づいて転流タイミングの補正量を算出する。補正量の算出は例えば差分の2分の1とするなど、モータ特性や負荷特性等により最適な補正式等を用いて決定
する。step14ではstep13で算出した補正量を基に、同期駆動における転流周期に補正量を付加して任意の相の転流周期(本実施の形態ではW相上側スイッチング素子3fの通電時間TWn+1)を決定し、step15では今回取得したデータTnを加味して相電流基準位相から任意相の転流周期までの平均時間Tavを更新する。
First, at step 11, the time Tn from the current reference phase to the commutation of an arbitrary phase (in this embodiment, the U phase is on) is acquired. In step 12, the acquired time Tn is compared with the average time Tav of the past n pieces of data (from T0 to Tn-1) to calculate a difference. In step 13, the commutation timing correction amount is calculated based on the calculated difference. The correction amount is calculated by using an optimum correction formula or the like based on the motor characteristics, load characteristics, etc. In step 14, based on the correction amount calculated in step 13, the correction amount is added to the commutation cycle in the synchronous drive to set the commutation cycle of any phase (in this embodiment, the energization time TWn + 1 of the W-phase upper switching element 3f). In step 15, the average time Tav from the phase current reference phase to the commutation cycle of the arbitrary phase is updated in consideration of the data Tn acquired this time.
以上の様に転流タイミングの補正量を決めるため、負荷等が安定しブラシレスDCモータの駆動も安定状態にあるときは、取得データTnと過去n回の平均時間Tavとの差分が非常に小さく、転流タイミングの補正量も非常に小さい値となり殆ど補正されず位相関係は安定することになる。 Since the correction amount of the commutation timing is determined as described above, when the load or the like is stable and the driving of the brushless DC motor is in a stable state, the difference between the acquired data Tn and the past n average times Tav is very small. The correction amount of the commutation timing is also a very small value and is hardly corrected, and the phase relationship is stabilized.
一方で安定駆動の状態で負荷が増加した場合、前述のように転流周期に対し回転子の回転が遅れ、相電流位相と端子電圧位相との位相差が縮まり、図8における時間Tnが短くなる。従ってTavに対しTnが小さくなりTavとTnとの差分が増える。このとき転流周期を回転子の回転を近づける(即ち、相電流位相と端子電圧位相を常に一定に保つように)、本実施の形態ではW相の転流周期を遅らせる方向にTavとTnとの差分に基づく補正量を付加する。尚、このとき他の相の転流は補正を行わず、指令速度に基づく転流を繰り返す。これは相電流基準位相から特定相の転流までの時間(以降代表の時間としてTmとして説明する)を平均時間Tavに近づけるように動作することになる。 On the other hand, when the load increases in a stable drive state, the rotation of the rotor is delayed with respect to the commutation cycle as described above, the phase difference between the phase current phase and the terminal voltage phase is reduced, and the time Tn in FIG. 8 is shortened. Become. Therefore, Tn becomes smaller than Tav, and the difference between Tav and Tn increases. At this time, the commutation period is made closer to the rotation of the rotor (that is, the phase current phase and the terminal voltage phase are always kept constant). In this embodiment, Tav and Tn are set in the direction of delaying the W-phase commutation period. A correction amount based on the difference is added. At this time, commutation of other phases is not corrected, and commutation based on the command speed is repeated. This operates so that the time from the phase current reference phase to the commutation of the specific phase (hereinafter referred to as Tm as a representative time) approaches the average time Tav.
従って負荷が増大して、回転子が転流に対し遅れ始めることで相電流位相と端子電圧との位相差が少なくなり、Tmが短くなる。これにより転流タイミングの補正量の基準となるTavも徐々に短くなることで、TmとTavがバランスし負荷状態に応じた相電流位相と端子電圧位相の関係を保ち、適切な電流および電圧進角を得ることで駆動状態が安定する。 Accordingly, the load increases and the rotor starts to be delayed from commutation, so that the phase difference between the phase current phase and the terminal voltage is reduced, and Tm is shortened. As a result, Tav, which serves as a reference for the commutation timing correction amount, is gradually shortened, so that Tm and Tav are balanced and the relationship between the phase current phase and the terminal voltage phase according to the load state is maintained. The driving state is stabilized by obtaining the angle.
なお負荷が軽減された場合は、TavとTnとの差分が負荷増加時と逆符号で増えることになり、転流タイミングの補正も逆符号の方向で行うことになるが、負荷増加時の動作と同様である。 When the load is reduced, the difference between Tav and Tn increases with the opposite sign to that when the load increases, and the commutation timing is also corrected in the opposite sign direction. It is the same.
このように負荷状態に応じて、モータ相電流と端子電圧の位相関係を保持するように転流タイミングを補正することで、モータ誘起電圧(即ちモータ回転)位相と相電流位相、端子電圧位相を適切な関係で保つことができ、結果としてブラシレスDCモータの高速高負荷駆動の安定性を向上でき、高負荷高速駆動性能を拡張することが可能となった。 As described above, by correcting the commutation timing so as to maintain the phase relationship between the motor phase current and the terminal voltage according to the load state, the motor induced voltage (that is, motor rotation) phase, the phase current phase, and the terminal voltage phase are changed. As a result, the stability of the high speed and high load driving of the brushless DC motor can be improved, and the high load and high speed driving performance can be expanded.
以上の様にPWMデューティが100%以下となるような比較的低速低負荷状態でブラシレスDCモータを駆動する際は、第1転流手段6で、回転子相対位置に基づく速度制御をPWMフィードバック制御で行うことで高効率駆動を実現し、比較的高速・高負荷によりPWMデューティが100%となり第1転流手段では目標速度で駆動出来ない負荷状態では、第2転流手段による相電流・端子電圧位相を負荷状態に合わせた位相関係を保持する駆動制御で高トルク駆動を実現し、従来のモータ駆動装置よりさらに駆動領域の拡張し、外乱等に影響を受けにくい安定した高速高負荷駆動性能を実現している。 As described above, when the brushless DC motor is driven in a relatively low speed and low load state where the PWM duty is 100% or less, the first commutation means 6 performs speed control based on the rotor relative position by PWM feedback control. In the load state in which the PWM duty is 100% due to relatively high speed and high load, and the first commutation means cannot be driven at the target speed, the phase current / terminal by the second commutation means is realized. Realizes high torque drive with drive control that maintains the phase relationship that matches the voltage phase to the load state, expands the drive range further than conventional motor drive devices, and stable high-speed and high-load drive performance that is less susceptible to disturbances Is realized.
また、モータ相電流の位相検出は1相のみで行っているが、2相あるいは3相全ての位相情報を取得して転流タイミング補正を行えば、より感度の良い補正制御も可能である。しかし、本実施の形態では1相のみで行うことで、モータ駆動装置のコストパフォーマンスを向上している。 In addition, the phase detection of the motor phase current is performed only for one phase, but if the commutation timing correction is performed by acquiring phase information of two phases or all three phases, correction control with higher sensitivity is possible. However, in this embodiment, the cost performance of the motor drive device is improved by performing the operation in only one phase.
次に負荷判定手段11の位相差判定部の動作について説明する。 Next, the operation of the phase difference determination unit of the load determination unit 11 will be described.
第2転流手段での駆動は、ブラシレスDCモータの負荷状態によらず、PWMデューテ
ィ一定の同期駆動を行う。従って高負荷状態下で第2波形発生部により駆動している状態から負荷状態が低下し、第1転流部での駆動が可能な負荷状態となったとき、過剰な電圧の印加によってブラシレスDCモータの回転子が目標回転数より高速で駆動しようとする。この状態でも同期駆動は、常に目標速度に基づく一定速度で転流を行うため、速度を押さえ込みながらの、いわばブレーキをかけながらの駆動となる。この時、ブラシレスDCモータの電流は大きくなる一方で、モータトルクは極端に低下してしまう。
The driving by the second commutation means performs synchronous driving with a constant PWM duty regardless of the load state of the brushless DC motor. Therefore, when the load state drops from the state of being driven by the second waveform generating unit under a high load state, and the load state is enabled to be driven by the first commutation unit, the brushless DC is applied by applying an excessive voltage. The motor rotor tries to drive at a higher speed than the target speed. Even in this state, the synchronous driving always performs commutation at a constant speed based on the target speed, so that the driving is performed while the brake is being applied while the speed is being suppressed. At this time, the current of the brushless DC motor is increased, while the motor torque is extremely decreased.
この様な状態を回避するために、本発明の実施の形態では第2転流部による駆動時において、負荷状態を確認することで第1転流手段での駆動が可能な負荷状態となったとき、速やかに第1転流部での駆動に移行するようにしている。 In order to avoid such a state, in the embodiment of the present invention, when driving by the second commutation unit, by confirming the load state, the first commutation means can be driven. At this time, the drive at the first commutation portion is promptly shifted.
図10はブラシレスDCモータ駆動時の位置検出手段5の電圧検出部5aの出力信号タイミング図である。図10の(イ)はU相端子電圧波形、(ロ)は位置検出手段5の電圧検出部5aの出力信号、(ハ)はU相上ドライブ信号である。なお図10はU相の各信号を示しているが、V相、W相であっても±120度の位相ズレはあるものの同様の波形であることは言うまでもない。 FIG. 10 is an output signal timing chart of the voltage detector 5a of the position detector 5 when the brushless DC motor is driven. 10A is a U-phase terminal voltage waveform, FIG. 10B is an output signal of the voltage detector 5a of the position detector 5, and FIG. 10C is a U-phase upper drive signal. Although FIG. 10 shows the U-phase signals, it is needless to say that the V-phase and W-phase signals have the same waveform although there is a phase shift of ± 120 degrees.
先述したように、第2転流手段による同期駆動では駆動状態に応じた電流および電圧進角で安定する。従って図10(イ)に示す端子電圧に現れる誘起電圧のゼロクロスポイントの位置が進角状態(即ち駆動状態)により、ドライブ信号の位相に対し変化する。またこれにより位置検出部の出力信号(ロ)の位相も変化することになる。 As described above, in the synchronous driving by the second commutation means, the current and voltage advance angle corresponding to the driving state are stabilized. Therefore, the position of the zero cross point of the induced voltage appearing in the terminal voltage shown in FIG. 10 (a) changes with respect to the phase of the drive signal depending on the advance angle state (that is, the drive state). This also changes the phase of the output signal (b) of the position detector.
具体的には図10(ロ)に示すように電圧進角が大きくなれば、電圧検出部5aの出力信号は右方向にシフトしドライブ信号との位相差が大きくなり、120度通電の場合進角30度以上となったとき最大位相差30度一定となる。また進角が小さくなれば、電圧検出部は左方向にシフトしドライブ信号との位相差が小さくなり、位相差がゼロとなった後もさらに負荷が低下したとき、誘起電圧に対して遅れ位相となり、最終的に30度の遅れ位相となる。 Specifically, as shown in FIG. 10 (b), when the voltage advance angle increases, the output signal of the voltage detector 5a shifts to the right and the phase difference with the drive signal increases, and the advance proceeds when 120 degrees energization occurs. When the angle is 30 degrees or more, the maximum phase difference is constant at 30 degrees. If the advance angle is reduced, the voltage detector shifts to the left and the phase difference from the drive signal becomes smaller.When the load further decreases after the phase difference becomes zero, the phase is delayed from the induced voltage. Finally, a delayed phase of 30 degrees is obtained.
つまり誘起電圧に対してドライブ信号の位相差が−30℃から+30℃までの範囲では誘起電圧のゼロクロスを検出が可能(ただしスパイク電圧が発生している場合は、スパイク電圧を差し引いた区間内となる)であり、また位相差が+30度以下であれば第1転流手段での駆動が可能な負荷状態である。従って、位置検出手段の電圧検出部の信号とドライブ信号との位相差負荷状態を判断することで、第1転流手段による駆動が可能か動かを判断でき、的確に第1転流手段による駆動に移行することが可能となる。 In other words, the zero crossing of the induced voltage can be detected in the range where the phase difference of the drive signal with respect to the induced voltage is from −30 ° C. to + 30 ° C. (However, if a spike voltage is generated, If the phase difference is +30 degrees or less, it is a load state that can be driven by the first commutation means. Therefore, by determining the phase difference load state between the signal of the voltage detection unit of the position detection means and the drive signal, it is possible to determine whether the drive by the first commutation means is possible, and the drive by the first commutation means accurately. It becomes possible to shift to.
本実施の形態では、上記電圧検出部の信号とドライブ信号との位相差の検出は、電圧検出部の信号およびドライブ信号が変化するタイミング(図10においては電圧検出部の出力がLからHに変化するタイミングとU相上側ドライブ信号がH(オン)となるタイミング)差を用いている。 In the present embodiment, the detection of the phase difference between the voltage detection unit signal and the drive signal is performed when the voltage detection unit signal and the drive signal change (in FIG. 10, the output of the voltage detection unit changes from L to H). The difference between the changing timing and the timing at which the U-phase upper drive signal becomes H (ON) is used.
図10のφはドライブ信号のオンタイミングと電圧検出部5aの出力信号の立ち上がりエッジとの時間差を示しており、これは両信号の位相差情報が含まれている。例えば120度通電の場合、電圧検出部5a出力の立ち上がりエッジから転流までが20度であれば位相差は10度となる。 In FIG. 10, φ indicates the time difference between the ON timing of the drive signal and the rising edge of the output signal of the voltage detector 5a, which includes phase difference information of both signals. For example, in the case of 120-degree energization, if the angle from the rising edge of the voltage detector 5a output to commutation is 20 degrees, the phase difference is 10 degrees.
負荷が大きく、第1波形発生部での駆動が出来ない場合は、ドライブ信号(即ち転流タイミング)に対して、ブラシレスDCモータの回転が遅れ(誘起電圧位相を基準とすると、端子電圧が誘起電圧に対し進み位相となり、弱め磁束状態となる)、電圧検出部5a立ち上がりと、ドライブ信号の立ち上がりエッジが近づく(即ちφが0に近づき、で電圧検
出部の出力と第2転流手段によるドライブ信号との位相差が大きくなる)。
When the load is large and the first waveform generator cannot be driven, the rotation of the brushless DC motor is delayed with respect to the drive signal (ie, commutation timing) (the terminal voltage is induced based on the induced voltage phase). When the voltage detector 5a rises and the rising edge of the drive signal approaches (that is, φ approaches 0), the output of the voltage detector and the drive by the second commutation means The phase difference from the signal increases).
さらに負荷が増大し、120度通電の場合では、誘起電圧に対し30度以上の進角を有すると、誘起電圧のゼロクロスが端子電圧に埋もれてしまい、ドライブ信号の立上がりエッジと電圧検出部5aの立ち上がりエッジは同時(即ちφ=0となり、電圧検出部の出力と第2転流手段によるドライブ信号との位相差は30度で一定)となる。この様な負荷状態では誘起電圧のゼロクロスを検出しながらの第1転流手段による駆動は当然出来ないため、第1転流手段での駆動限界を超えた負荷状態であり、第2転流手段による駆動を行う。 Further, when the load increases and 120 ° energization has an advance angle of 30 ° or more with respect to the induced voltage, the zero cross of the induced voltage is buried in the terminal voltage, and the rising edge of the drive signal and the voltage detector 5a The rising edges are simultaneous (that is, φ = 0, and the phase difference between the output of the voltage detector and the drive signal from the second commutation means is constant at 30 degrees). In such a load state, the driving by the first commutation means while detecting the zero cross of the induced voltage is naturally not possible. Therefore, the load state exceeds the drive limit of the first commutation means, and the second commutation means Drive by.
次に負荷が大きく第2転流手段による駆動を行っているとき、負荷が低下してきた場合について説明する。 Next, a case where the load is reduced when the load is large and driving by the second commutation means is performed will be described.
先述のように第1波形発生部で駆動できない高負荷状態での第2転流部による駆動では、120度通電では30度以上の進角状態となっている。ここで負荷が軽減したとき、進角も減少し、進角状態が30度未満になったときブラシレスDCモータの誘起電圧ゼロクロスポイントが端子電圧に現れ、第1転流部での駆動が可能な負荷状態となる。図10で説明すると、位置検出手段5の電圧検出部5a出力は誘起電圧ゼロクロスを境に出力が反転する。その反転タイミングは、U相上ドライブ信号のオンタイミングとタイミング差が発生(φ≠0)し、軽負荷ほど進角が小さくなるのでφは大きくなる(即ち電圧検出部出力と第2転流手段によるドライブ信号との位相差が0に近づく)。 As described above, in the drive by the second commutation unit in the high load state that cannot be driven by the first waveform generation unit, the advance angle state of 30 degrees or more is obtained at 120 degrees energization. Here, when the load is reduced, the advance angle also decreases, and when the advance angle state is less than 30 degrees, the induced voltage zero cross point of the brushless DC motor appears in the terminal voltage, and the first commutation unit can be driven. It becomes a load state. Referring to FIG. 10, the output of the voltage detector 5a of the position detecting means 5 is inverted at the induced voltage zero cross. The inversion timing is different from the on-timing of the U-phase drive signal (φ ≠ 0), and the lead angle becomes smaller as the load becomes lighter, so φ becomes larger (that is, the voltage detection unit output and the second commutation means). The phase difference from the drive signal due to (approaching 0) approaches 0).
つまり電圧検出部5a出力の変化タイミングと転流タイミングとのタイミング差から、電圧検出部出力と第2転流手段によるドライブ信号との位相差を監視でき、第1転流手段で駆動可能な負荷状態か否かを検出することが容易に出来る。本実施の形態では、電圧検出部5aの出力変化タイミングと転流タイミングとの差φが所定の差φmaxより大きくなったとき、第2波形発生部による駆動から第1波形発生部での駆動に移行するようにしている。尚、φmaxの値は第1波形発生部での駆動において設定している進角値等、任意に設定した値で構わない。 That is, the phase difference between the voltage detection unit output and the drive signal by the second commutation means can be monitored from the timing difference between the change timing of the voltage detection unit 5a output and the commutation timing, and the load that can be driven by the first commutation unit It can be easily detected whether or not it is in a state. In the present embodiment, when the difference φ between the output change timing and the commutation timing of the voltage detection unit 5a becomes larger than the predetermined difference φmax, the driving by the second waveform generation unit is changed to the driving by the first waveform generation unit. I try to migrate. Note that the value of φmax may be an arbitrarily set value such as an advance value set in the drive by the first waveform generator.
以上に説明した第2転流手段による駆動から第1転流手段に移行する方法について図5および図10を用いて説明する。 A method of shifting from the driving by the second commutation means described above to the first commutation means will be described with reference to FIGS.
step4において第2転流手段による駆動を行っている際、step5で位置検出手段5の電圧検出部5aの出力変化タイミング(図10ではU相についての位置検出手段の電圧検出部出力が立ち上がるタイミング)と転流タイミング(図10ではU相上のオンタイミング)との差φがφmaxより大きいか小さいかを監視している。このときφがφmaxより小さい場合は、負荷が大きいとして第2転流手段による駆動を続けるためにstep4に戻る。 When driving by the second commutation means in step 4, the output change timing of the voltage detection unit 5a of the position detection unit 5 in step 5 (in FIG. 10, the timing at which the voltage detection unit output of the position detection unit rises for the U phase) And whether the difference φ between the commutation timing (ON timing on the U phase in FIG. 10) is larger or smaller than φmax. If φ is smaller than φmax at this time, it returns to step 4 to continue driving by the second commutation means because the load is large.
一方、φがφmaxより大きくなったとき、第1転流手段による駆動が可能な負荷状態であると判断し、step1に戻り、位置検出(誘起電圧ゼロクロス検出)フィードバック制御に基づく第1転流手段での駆動を行う。 On the other hand, when φ becomes larger than φmax, it is determined that the load state can be driven by the first commutation unit, and the process returns to step 1, and the first commutation unit based on position detection (induced voltage zero cross detection) feedback control is performed. Drive with.
これにより第2転流手段での駆動時に負荷が減少したとき、第1転流手段での駆動が可能な負荷状態になった場合は、このタイミングを的確に検出して、第1転流手段で駆動を行い、ブラシレスDCモータの回転子相対位置を検出しながらのPWMフィードバック制御で高効率な駆動に切換える。 As a result, when the load is reduced during driving by the second commutation means, when the load state that can be driven by the first commutation means is reached, this timing is accurately detected, and the first commutation means is detected. Is switched to high-efficiency driving by PWM feedback control while detecting the rotor relative position of the brushless DC motor.
なお第1転流手段と第2転流手段との双方向への切替において、ハンチングを防止する
ために、移行タイミングの設定にはヒステリシス等を設けることが望ましい。
In order to prevent hunting in bidirectional switching between the first commutation means and the second commutation means, it is desirable to provide hysteresis or the like in setting the transition timing.
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11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。 FIG. 11 is a structural diagram of the rotor of the brushless DC motor according to the first embodiment of the present invention.
回転子コア4a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4b〜4eは、逆円弧状に回転子コア4a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、ネオジム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。 The rotor core 4a is formed by stacking punched thin steel sheets of about 0.35 mm to 0.5 mm. The four magnets 4b to 4e are embedded in the rotor core 4a in a reverse arc shape. This magnet is usually a ferrite type, but when a rare earth magnet such as neodymium is used, a plate structure may be used.
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になる。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、第2転流手段10による駆動を行っているとき、電流は進み位相で運転するので、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ので、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 of the present embodiment is used, since the current is operated in the leading phase when the second commutation means 10 is driven, the reluctance torque is greatly utilized, so that the reverse collision occurs. The motor can be operated at a higher rotational speed than a motor having no polarity.
ブラシレスDCモータ4が、回転子4aの鉄心に永久磁石4b〜4eを埋め込んでなる回転子であり、かつ逆突極性を有するものであり、永久磁石のマグネットトルクの他に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。 The brushless DC motor 4 is a rotor in which the permanent magnets 4b to 4e are embedded in the iron core of the rotor 4a and has reverse saliency. By using reluctance torque in addition to the magnet torque of the permanent magnet, As a matter of course, the efficiency at low speed is increased, and the high-speed driving performance is further increased.
また永久磁石にネオジム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。 Also, by adopting a rare earth magnet such as neodymium as the permanent magnet to increase the ratio of magnet torque, or increase the ratio of reluctance torque by increasing the difference between inductances Ld and Lq, the optimum conduction angle can be changed. Efficiency can be increased.
またブラシレスDCモータを低速での低負荷から高速での高負荷まで非常に広い範囲で使用することを要求される用途においては、例えば駆動における大半を占める負荷が低負荷から中負荷であれば、最も使用頻度の高い速度および負荷近辺でデューティ100%で第1転流手段による駆動が出来るトルク設計のブラシレスDCモータを用いれば、さらなる高効率化が可能となる。 In applications where it is required to use a brushless DC motor in a very wide range from a low load at low speed to a high load at high speed, for example, if the load occupying most of the drive is low load to medium load, If a brushless DC motor having a torque design that can be driven by the first commutation means with a duty of 100% near the most frequently used speed and load is used, a further increase in efficiency can be achieved.
(実施の形態2)
図12は本発明の実施の形態2のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫を示すブロック図である。図12において図1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a block diagram showing a refrigerator using the motor drive device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 12, the same components as those in FIG.
ブラシレスDCモータ4は圧縮要素16に接続され圧縮機17を形成している。本実施の形態では圧縮機は冷凍サイクルに用い、圧縮機から吐出する高温高圧の冷媒を凝縮器18に送り液化し、毛細管19で低圧化し、蒸発器20で蒸発させ、再度圧縮機に戻すようにしている。さらに本実施の形態では、モータ駆動装置22を用いた冷凍サイクルを冷蔵庫21に用いており、蒸発器20は冷蔵庫21の庫内23を冷却するようにしている。 The brushless DC motor 4 is connected to the compression element 16 to form a compressor 17. In the present embodiment, the compressor is used in the refrigeration cycle, and the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor is sent to the condenser 18 to be liquefied, reduced in pressure by the capillary 19, evaporated by the evaporator 20, and returned to the compressor again. I have to. Furthermore, in this Embodiment, the refrigerating cycle using the motor drive device 22 is used for the refrigerator 21, and the evaporator 20 cools the inside 23 of the refrigerator 21. FIG.
このように本実施の形態2ではブラシレスDCモータは冷凍空調サイクルの圧縮機の圧縮機構部を駆動するものとしている。たとえば特に往復運動式(レシプロタイプ)の圧縮
機はその構成上、ブラシレスDCモータに質量の大きな金属製のクランクシャフトおよびピストンが接続されており、非常にイナーシャの大きい負荷である。このため短時間における速度の変動は、高速駆動ほど圧縮機の工程(吸入工程、圧縮工程など)によらず非常に少ない。従って、任意の1相のみの電流位相を元にして転流タイミングを決定しても速度変動が大きくなることもなく安定した駆動性能を得ることが出来る。さらに圧縮機の制御では高精度な回転数制御や加減速制御などは要求されないことから、本発明のモータ駆動装置は、圧縮機の駆動に対し非常に有効な用途のひとつと言える。
As described above, in the second embodiment, the brushless DC motor drives the compression mechanism of the compressor of the refrigeration air conditioning cycle. For example, in particular, a reciprocating (reciprocating type) compressor has a structure in which a metal crankshaft and a piston having a large mass are connected to a brushless DC motor, and the load is very large. For this reason, fluctuations in speed in a short time are very small regardless of the compressor process (suction process, compression process, etc.) as the drive speed is high. Therefore, even if the commutation timing is determined based on the current phase of only one arbitrary phase, a stable driving performance can be obtained without increasing the speed fluctuation. Furthermore, since the control of the compressor does not require high-precision rotation speed control or acceleration / deceleration control, the motor driving device of the present invention can be said to be one of the very effective applications for driving the compressor.
また、従来のモータ駆動装置で圧縮機を駆動する時よりも、駆動領域を拡張することが出来るため、より高速駆動することで冷凍サイクルの冷凍能力を上げることが出来る。これにより従来と同一の冷却システムであっても、より高い冷凍能力が必要なシステムに適用することが可能となる。即ち、高い冷凍能力が必要な冷凍サイクルを小型化でき、低コストで提供することができる。 In addition, since the drive region can be expanded compared to when the compressor is driven by a conventional motor drive device, the refrigeration capacity of the refrigeration cycle can be increased by driving at a higher speed. Thereby, even if it is the same cooling system as before, it can be applied to a system that requires higher refrigeration capacity. That is, a refrigeration cycle that requires high refrigeration capacity can be reduced in size and provided at low cost.
また、従来のモータ駆動装置を用いた冷凍サイクルから、冷凍能力が1ランク小さい(たとえば圧縮機気筒容積が小さい)圧縮機を用いても、本発明の実施の形態のモータ駆動装置を用いる圧縮機を高速回転することで、必要な冷凍能力を確保することが可能となり、さらに冷却サイクルの小型化・低コスト化が実現出来る。 Further, even if a compressor having a refrigerating capacity one rank smaller (for example, a compressor cylinder volume is small) than a conventional refrigeration cycle using a motor drive device, the compressor using the motor drive device of the embodiment of the present invention is used. By rotating at a high speed, it becomes possible to secure the necessary refrigeration capacity, and further, the cooling cycle can be reduced in size and cost.
本実施の形態では圧縮機は冷蔵庫の庫内を冷却するために用いているために、冷蔵庫はその製品の特徴上、朝夕の限られた時間帯のみ扉開閉頻度が高く、その他の時間帯は庫内が冷却安定状態で、非常に低負荷状態でブラシレスDCモータは駆動している。従って冷蔵庫の消費電力の削減はブラシレスDCモータの低速低出力時の駆動での効率向上が有効である。本発明ではブラシレスDCモータの高速高負荷効率を大きく拡張できるため、固定子の巻線数を増やして高効率化のためモータトルク(高速回転性能)を犠牲にしたブラシレスDCモータを使用した圧縮機の高負荷・高速駆動性能を向上して冷蔵庫に必要な最大冷凍能力を確保している。これにより1日の大半を占める低負荷領域での高効率化による消費電力を更に削減できる。 In this embodiment, since the compressor is used to cool the inside of the refrigerator, the refrigerator has a high frequency of opening and closing the door only in the morning and evening due to the characteristics of the product. The inside of the refrigerator is in a stable cooling state, and the brushless DC motor is driven in a very low load state. Therefore, to reduce the power consumption of the refrigerator, it is effective to improve the efficiency of driving the brushless DC motor at low speed and low output. In the present invention, since the high-speed and high-load efficiency of the brushless DC motor can be greatly expanded, the compressor using the brushless DC motor that sacrifices the motor torque (high-speed rotation performance) to increase the number of windings of the stator and increase the efficiency. The maximum refrigeration capacity required for the refrigerator is secured by improving the high-load and high-speed driving performance of the refrigerator. This can further reduce power consumption due to high efficiency in a low load area that occupies most of the day.
なお、具体的なモータ巻線の設計として、冷蔵庫として一番使用頻度の高い回転数および負荷状態(たとえば40Hzの回転数で圧縮機入力電力が80W程度)での駆動を行う時、第1転流手段6によって、120度から150度の通電角でデューティ100%となるような仕様とすれば、ブラシレスDCモータの鉄損の低減とインバータ3のスイッチング損失の低減できるので、回路効率も最高効率を引き出すことができる。従って、冷蔵庫としての消費電力を最小限にすることが可能である。 As a specific motor winding design, when driving at the most frequently used rotation speed and load state (for example, 40 Hz rotation speed and compressor input power of about 80 W) as a refrigerator, the first rotation is used. If the current means 6 is designed to have a duty ratio of 100% at a conduction angle of 120 to 150 degrees, the iron loss of the brushless DC motor and the switching loss of the inverter 3 can be reduced, so that the circuit efficiency is also the highest efficiency. Can be pulled out. Therefore, power consumption as a refrigerator can be minimized.
また本発明のモータ駆動装置で圧縮機の高速高負荷駆動領域を拡張できるので、冷凍サイクルの冷凍能力を上げることとなり、冷蔵庫の扉開閉が頻繁に行われた場合や霜取り後、或いは設置直後といった庫内温度が高い高負荷の状態、さらには熱い食品を庫内に投入し、その食品を急速に冷却(凍結)させたい場合などに行う『急速冷凍』などにおいて、従来のモータ駆動装置を用いた冷凍サイクルの冷蔵庫より、庫内や食品を短時間で冷却することも出来る。 In addition, since the motor drive device of the present invention can expand the high-speed and high-load drive region of the compressor, it will increase the refrigeration capacity of the refrigeration cycle, such as when the door of the refrigerator is frequently opened, after defrosting, or immediately after installation. The conventional motor drive unit is used for "high-speed freezing" that is performed when the chamber temperature is high and the load is high, or when hot food is put into the chamber and the food is to be rapidly cooled (frozen). It is possible to cool the inside and food in a short time from the refrigerator of the refrigeration cycle.
さらに冷凍サイクルの冷凍能力向上は、コンパクトな冷凍サイクルでも冷蔵庫の大容量化に対応できることとなり、冷蔵庫の低コスト化の実現と、コンパクトな冷凍サイクル採用に伴い庫内容積効率(冷蔵庫体積に対する食品収納部容積の占める割合)も向上することができる。 Furthermore, the improvement in the refrigeration capacity of the refrigeration cycle will enable the capacity of the refrigerator to be increased even with a compact refrigeration cycle, and the cost reduction of the refrigerator will be realized and the volumetric efficiency in the refrigerator (food storage relative to the refrigerator volume) will be realized. The ratio of part volume) can also be improved.
本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスDCモータの駆動領域を拡張し、高負荷高速駆
動での駆動安定性を向上したものである。これによりブラシレスDCモータの負荷範囲が拡張できると共に、高効率モータを高速・高負荷で駆動できることから機器の消費電力削減が出来る。従ってエアコン、自動販売機、食品ショーケース、ヒートポンプ給湯器など圧縮機を用いた電気機器のほか、洗濯機、給湯器、ポンプなどブラシレスDCモータを用いる様々な用途にも適用できる。
The motor drive device of the present invention extends the drive area of a brushless DC motor and improves drive stability at high load and high speed drive. As a result, the load range of the brushless DC motor can be expanded, and the high-efficiency motor can be driven at high speed and high load, so that the power consumption of the device can be reduced. Therefore, it can be applied to various uses using brushless DC motors such as washing machines, water heaters, pumps, etc., as well as electric devices using compressors such as air conditioners, vending machines, food showcases, heat pump water heaters.
3 インバータ
4 ブラシレスDCモータ
5 位置検出手段
5a 電圧検出部
6 第1転流手段
8 電流検出手段
9 電流位相検出手段
10 第2転流手段
11 負荷判定手段
12 デューティ判定部
13 位相差判定部
15 切換手段
17 圧縮機
21 冷蔵庫
22 モータ駆動装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Inverter 4 Brushless DC motor 5 Position detection means 5a Voltage detection part 6 1st commutation means 8 Current detection means 9 Current phase detection means 10 2nd commutation means 11 Load determination means 12 Duty determination part 13 Phase difference determination part 15 Switching Means 17 Compressor 21 Refrigerator 22 Motor drive device
Claims (10)
部を有し、前記第1転流手段から出力される波形のデューティが最大になった時、前記インバータのドライブ信号源を、前記第1転流手段から前記第2転流手段に切換える請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 A duty determination unit configured to determine that the duty of the output waveform of the first commutation means is maximized, and when the duty of the waveform output from the first commutation means is maximized, The motor driving device according to any one of claims 1 to 4, wherein a drive signal source is switched from the first commutation means to the second commutation means.
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