JP6677067B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置に係わり、より詳細には、モータの巻線を短絡することで回生電力を消費してダイナミックブレーキをかける構成に関する。

従来、インバータを用いたモータの駆動装置において、モータが停止する場合にモータの巻線に発生する回生電力をインバータを介して消費することでモータの回転にブレーキをかける構成が多数の文献に開示されている。（例えば、特許文献１参照。）。

この駆動装置はトーテムポール型に接続された上アーム用のスイッチング素子と下アーム用のスイッチング素子とからなるアームを３相分備えたインバータと、３つの相に対応する巻線のそれぞれの一端が共通に接続されてインバータで駆動される三相モータを備えている。そして、この三相モータの回転を停止する場合、上アームか、もしくは下アームの全てのスイッチング素子を全てオンすることでモータの巻線を短絡する。このため、この三相モータにダイナミックブレーキがかかってモータの回転が停止する。

ところで、近年はこのようなインバータの機能のうちスイッチング素子周辺回路を１つのパッケージに集約したインテリジェントパワーモジュールを用いる場合が多い。このインテリジェントパワーモジュールは、前述した上下アームのスイッチング素子と、スイッチング素子の駆動回路と、このスイッチング素子の温度を測定し、この温度が許容値以上になった時に下アームを強制的にオフさせる温度保護機能が内部に備えられている。

一方、上アームのスイッチング素子は下アームのスイッチング素子と直列に接続されている。このため下アームのスイッチング素子がオフとなった場合、上アームのオン可能時間は上アームの各スイッチング素子の駆動部に電源を供給するブートストラップコンデンサの電圧に依存する。この電圧は直前までの上アームのオン時間に対応して低下するため、現在の電圧（上アームのオン可能時間）を知るためにはこのブートストラップコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出回路を追加する必要があった。

なお、上アームのスイッチング素子はブートストラップコンデンサの両端電圧が一定電圧未満になった場合、そのオンオフ状態が不定になるためスイッチング素子の損失が増加して最悪の場合はスイッチング素子が破壊される場合がある。このため、上アームをオンする期間は、ブートストラップコンデンサの電圧が一定電圧（許容放電電圧）以上である期間に限られる。

しかしながら、許容放電電圧を検出するために電圧検出回路を追加するとコストが増加する問題がある。一方、下アームはブートストラップコンデンサを使用しないため、このような時間的制約がない。しかしながら、前述したようにスイッチング素子の温度が許容温度以上になると下アームが強制的にオフとなるため、異常温度上昇時には下アームを用いてダイナミックブレーキをかけることができない問題があった。

また、電圧検出回路を用いないで上アームによるモータの巻線短絡を行なう場合、上アームをオンとしてもブートストラップコンデンサの電圧が許容放電電圧以上となることを保証するため、最大負荷でのスイッチング素子のオン時間に基づいて上アームの動作可能時間を決定する必要があり、この動作可能時間が非常に短くなってしまう問題もあった。

特開平９−４７０５４号公報（第３−４頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、温度保護機能を備えたインバータを用いてダイナミックブレーキを実行するモータ駆動装置において、可能な限り上アームによるダイナミックブレーキの期間を長くしてモータの回転速度を減速させると共に、これを安価に提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、トーテムポール型に接続された上アーム用のスイッチング素子と下アーム用のスイッチング素子とからなるアームを複数備えており、入力された直流電圧を交流電圧に変換して前記アームと対応するモータ内部に備えられて一端が共通に接続された複数の巻線の他端に供給するインバータと、
前記上アームを駆動する電荷を蓄積するブートストラップコンデンサと、
前記スイッチング素子にスイッチング信号を出力するインバータ制御部と、
前記モータの回転が減速する時に前記巻線に発生する回生電力を前記巻線の他端同士を接続させることで低減させる回生電力低減手段とを備え、
前記スイッチング信号は、前記スイッチング素子をオンオフして前記巻線に交流電圧を印加するスイッチング期間と印加しない休止期間が交互に設けられ、
前記回生電力低減手段は、前記ブートストラップコンデンサにおける所定電圧から上アームが動作可能な許容放電電圧に低下するまでの時間である最大動作時間が予め記憶された記憶手段を備え、
前記回生電力低減手段は、
前記スイッチング期間における上アームをオンした時間を合計した合計オン時間を個々の上アーム毎に算出して前記記憶手段に記憶し、
前記回生電力低減手段は、前記回生電力を低減させる場合、
回生電力の低減処理の開始時刻直前の前記スイッチング期間と同じ時間における前記合計オン時間のうち最も大きい最大合計オン時間を前記記憶手段から抽出し、
前記最大動作時間から、前記最大合計オン時間を差し引いた残動作時間を算出し、
前記残動作時間の期間だけ全ての前記上アームをオンする。

以上の手段を用いることにより、本発明によるモータ駆動装置によれば、請求項１に係わる発明は、可能な限り上アームによるダイナミックブレーキの期間を長くしてモータの回転速度を減速させると共に、モータ駆動装置を安価に提供できる。

本発明によるモータ駆動装置を備えた空気調和機の実施例を示すブロック図である。 インテリジェントパワーモジュールと、その周辺回路を説明するブロック図である。 本発明による回生電力低減部を説明するブロック図である。 本発明による回生電力低減部の動作を説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明によるモータ駆動装置を備えた空気調和機の実施例を示すブロック図である。
この空気調和機１は、室内機２と、交流電源４が入力される室外機３とが備えられており、室内機２と室外機３とは通信接続されている。なお、空気調和機１は図示しない圧縮機や熱交換器、冷媒回路、送風ファンなどを備えているが図示と説明とを省略する。

室外機３は、交流電源４が入力されて変換された直流電源を出力するコンバータ３１と、内部にＵ相の巻線３３Ｕ、Ｖ相の巻線３３Ｖ、Ｗ相の巻線３３Ｗが巻かれた図示しないステータを備えており、それぞれの巻線の一端が共通に接続されている三相のモータ３３と、コンバータ３１の出力電圧でこのモータ３３を駆動するモータ駆動装置５と、室内機２の指示に従って室外機３を制御する室外機制御部３６を備えている。

モータ駆動装置５は、トーテムポール型に接続された２個のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）を有するアームを３個備え、コンバータ３１から出力された直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータ３３の各巻線に三相の交流電圧を出力するインテリジェントパワーモジュール（インバータ）３２と、インテリジェントパワーモジュール３２に駆動信号を出力するインバータ制御部３５とを備えている。

なお、インテリジェントパワーモジュール３２とモータ３３とを接続する配線を相ラインと呼称する。また、コンバータ３１とインテリジェントパワーモジュール３２とを接続する電源線のうち正極側をＰライン、負極側をＮラインとそれぞれ呼称する。また、モータ３３の巻線３３Ｕ、巻線３３Ｖ、巻線３３Ｗの他端がインテリジェントパワーモジュール３２と接続される相ラインを、それぞれＵ相ライン、Ｖ相ライン、Ｗ相ラインと呼称する。

さらにモータ駆動装置５は、インテリジェントパワーモジュール３２とインバータ制御部３５の間に設けられ、インテリジェントパワーモジュール３２を介してＵ相ラインとＶ相ライン、及びＶ相ラインとＷ相ライン、及びＵ相ラインとＷ相ラインをそれぞれ短絡させることでモータ３３が減速するときに発生する回生電力を低減させる回生電力低減部（回生電力低減手段）２０と、モータ３３の各相ラインに接続されてモータ３３の回転位置を検出する回転位置検出部４０とを備えている。なお、検出された回転位置は回転位置信号として回生電力低減部２０とインバータ制御部３５に出力されている。また、室外機制御部３６はインバータ制御部３５にモータ３３の回転数である回転数指令値を出力している。

インバータ制御部３５は、室外機制御部３６が出力する回転数指令信号の指示回転数にモータ３３の回転数が近づくように、回転位置検出部４０から出力される回転位置信号に基づいて巻線３３Ｕ、巻線３３Ｖ、巻線３３Ｗへの通電を切り替える。また、インバータ制御部３５はインテリジェントパワーモジュール３２の各スイッチング素子をオン、オフ駆動するスイッチング信号のデューティーを制御するＰＷＭ制御を実行する。

インテリジェントパワーモジュール３２は、コンバータ３１の出力の正極が接続される入力端３２ａと、負極が接続される入力端３２ｂと、各アームを駆動する電源であるドライバ駆動電源３４が接続される電源端子３２ｃと、内部のＩＧＢＴの過熱を報知する温度異常信号が出力される状態端子３２ｇと、各ＩＧＢＴを駆動する６つのスイッチング信号が入力される信号端子３２ｈと、ブートストラップコンデンサが接続される端子３２ｋと端子３２ｊと端子３２ｉと、モータ３３のＵ相ライン、Ｖ相ライン、Ｗ相ラインがそれぞれ接続される出力端３２ｄと出力端３２ｅと出力端３２ｆを備えている。

そして、ドライバ駆動電源３４の正極が電源端子３２ｃに、負極がグランドがそれぞれ接続されている。また、ブートストラップコンデンサ３９の正極が端子３２ｋに、負極が出力端３２ｆに接続され、ブートストラップコンデンサ３８の正極が端子３２ｊに、負極が出力端３２ｅに接続され、ブートストラップコンデンサ３７の正極が端子３２ｉに、負極が出力端３２ｄに接続されている。そして状態端子３２ｇから出力される温度異常信号は回生電力低減部２０とインバータ制御部３５にそれぞれ出力されている。

図２は本発明によるインテリジェントパワーモジュール３２と、これに接続されるモータ３３とブートストラップコンデンサ３７、３８、３９の接続と、ドライバ駆動電源３４の接続を示すブロック図である。モータ３３はＵ相の巻線３３Ｕ，Ｖ相の巻線３３Ｖ，Ｗ相の巻線３３Ｗを備えており、それぞれの巻線の一端が共通に接続されている。また、信号端子３２ｈを介して各ＩＧＢＴを駆動するスイッチング信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮが各ＩＧＢＴを駆動するドライバにそれぞれ入力されている。

インテリジェントパワーモジュール３２は以下に説明する構成が備えられている。
上アームとしてのＩＧＢＴ６１と下アームとしてのＩＧＢＴ７１とがトーテムポール型に接続されており、ＩＧＢＴ６１のエミッタ端子とＩＧＢＴ７１のコレクタ端子とが接続されている。
同様に上アームとしてのＩＧＢＴ６２と下アームとしてのＩＧＢＴ７２とがトーテムポール型に接続されており、ＩＧＢＴ６２のエミッタ端子とＩＧＢＴ７２のコレクタ端子とが接続されている。
同様に上アームとしてのＩＧＢＴ６３と下アームとしてのＩＧＢＴ７３とがトーテムポール型に接続されており、ＩＧＢＴ６３のエミッタ端子とＩＧＢＴ７３のコレクタ端子とが接続されている。

なお、各ＩＧＢＴのコレクタ端子にはカソード端子が、エミッタ端子にはアノード端子が、それぞれ接続された還流ダイオードが接続されている。さらに上アームの各ＩＧＢＴのコレクタ端子はＰラインに接続され、下アームの各ＩＧＢＴのエミッタ端子はＮライン（グランド）に接続されている。

そしてＩＧＢＴ６１のゲート端子には、入力されたスイッチング信号ＵＰでＩＧＢＴ６１を駆動するドライバ６４の出力が接続され、ＩＧＢＴ６２のゲート端子には、入力されたスイッチング信号ＶＰでＩＧＢＴ６２を駆動するドライバ６５の出力が接続され、ＩＧＢＴ６３のゲート端子には、入力されたスイッチング信号ＷＰでＩＧＢＴ６３を駆動するドライバ６６の出力が接続されている。一方、下アームの各ＩＧＢＴのゲート端子は下アーム用のドライバ６７の出力に接続されている。そして、スイッチング信号ＵＮでＩＧＢＴ７１が、スイッチング信号ＶＮでＩＧＢＴ７２が、スイッチング信号ＷＮでＩＧＢＴ７３が、それぞれ駆動される。

各ドライバに電源を供給するため、電源端子３２ｃがドライバ６７と、ダイオード５１とダイオード５２とダイオード５３の各アノード端子に接続されている。そして、ダイオード５１のカソード端子は抵抗５４を介して端子３２ｉとドライバ６４に接続され、ダイオード５２のカソード端子は抵抗５５を介して端子３２ｊとドライバ６５に接続され、ダイオード５３のカソード端子は抵抗５６を介して端子３２ｋとドライバ６６に接続されている。

一方、インテリジェントパワーモジュール３２は温度保護部５７を備えており、いずれかのＩＧＢＴの温度が許容値以上となると全ての下アームをオフする下アームオフ信号をドライバ６７に出力すると共に、状態端子３２ｇからパルス信号である温度異常信号を出力する。

以上のようにインテリジェントパワーモジュール３２が構成されている。そして、１５．７ボルトのドライバ駆動電源３４の電圧が電源端子３２ｃを介して各ドライバに印加されると、下アームはスイッチング信号ＵＮ，ＶＮ，ＷＮに従ってオン又はオフになる。一方、ドライバ駆動電源３４の電圧はダイオード５１，５２，５３のアノード端子に供給されており、下アームがオンとなっている間、この下アームと対応する上アームを駆動するための電源を保持するブートストラップコンデンサ３７、３８、３９を予め定めた所定電圧である１５ボルト（満充電電圧）まで充電することができる。

従って各下アームをオンにすることで、各ブートストラップコンデンサを充電し、下アームがオフとなっても、この充電された電荷を用いて上アームを駆動することができる。ただし、最初に起動する場合は下アームをオンにして各ブートストラップコンデンサを充電してから動作を開始する必要がある。また、インテリジェントパワーモジュール３２をインバータとして使用する場合、上下アーム共オンオフに変化するスイッチング信号で駆動されるため、上アームを所定時間、つまり、ブートストラップコンデンサの電圧が上アームを駆動できる最低の電圧である許容放電電圧値未満に低下しない期間で使用しなければならない。

図３は本発明による回生電力低減部２０を説明するブロック図である。
回生電力低減部２０は、ブートストラップコンデンサにおける所定電圧（満充電電圧）から上アームが動作可能な許容放電電圧に低下するまでの時間である最大動作時間が予め記憶された記憶部（記憶手段）４１と、上アームがオンした時間の合計である合計オン時間をそれぞれの上アーム毎に算出して記憶部４１に記憶し、この記憶された中で最も長い最大合計オン時間を記憶部４１から抽出して出力するオン時間算出部（オン時間算出手段）２２と、記憶部４１から読み出した最大動作時間から、入力された最大合計オン時間を差し引いて、ブートストラップコンデンサの電圧が上アームを駆動できる許容放電電圧値まで低下するまでの残時間を算出する残時間算出部（残時間算出手段）２３と備えている。

また、回生電力低減部２０は、パルス信号である初回タイマー信号をこの算出した残時間だけ出力する初回タイマー部（初回タイマー手段）２４と、オア回路（オア手段）２５と、モータ３３を駆動するためのスイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１，ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１か、モータ３３を停止するためにモータ３３の各巻線を短絡させる上アーム信号が入力されるＵＰ２，ＶＰ２，ＷＰ２の各端子の信号と下アーム信号が入力されるＵＮ２，ＶＮ２，ＷＮ２の各端子の信号とのいずれか一方を切り換えてスイッチング信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮとして出力する信号切換部（信号切換手段）２１を備えている。

また、回生電力低減部２０は、モータ３３を停止するためにモータ３３の各巻線を短絡させる停止処理の時間を管理する停止処理時間管理部（停止処理時間管理手段）２６と、入力された回転位置信号から回転数（ｒｐｍ）を算出して停止処理時間管理部２６へ出力する回転数算出部（回転数算出手段）３０と、モータ３３の停止処理中に上アームをオンさせる上アーム信号を出力する上アームタイマー部（上アームタイマー手段）２８と、モータ３３の停止処理中に下アームをオンさせる下アーム信号を出力する下アームタイマー部（下アームタイマー手段）２９と、上アームタイマー部２８と下アームタイマー部２９の動作を管理するタイマー管理部（タイマー管理手段）２７を備えている。

停止処理時間管理部２６は、インバータ制御部３５が指示する運転停止信号と、インテリジェントパワーモジュール３２が出力する温度異常信号と、スイッチング信号ＵＰ１と、回転数算出部３０が出力する回転数（ｒｐｍ）が、それぞれ入力されている。一方、停止処理時間管理部２６が出力し、回生電力低減処理を実行する期間を示す停止処理信号を、オン時間算出部２２と信号切換部２１とタイマー管理部２７にそれぞれ出力する。

また、初回タイマー部２４は、初回タイマー信号をオア回路２５とタイマー管理部２７へそれぞれ出力する。一方、上アームタイマー部２８は、タイマー管理部２７から出力される上アームの開始信号が入力され、上アームタイマー部２８から出力される上アーム信号はオア回路２５とタイマー管理部２７へそれぞれ出力されている。さらに、オア回路２５の出力は信号切換部２１のＵＰ２，ＶＰ２，ＷＰ２の各端子へ出力されている。

また、下アームタイマー部２９は、タイマー管理部２７から出力される下アームの開始信号が入力され、下アームタイマー部２９から出力される下アーム信号は信号切換部２１のＵＮ２，ＶＮ２，ＷＮ２の各端子とタイマー管理部２７へそれぞれ出力されている。

次に回生電力低減部２０の各部の動作について説明する。
モータ３３を回転させる場合、インバータ制御部３５は、インテリジェントパワーモジュール３２を介してモータ３３の各巻線に電圧を印加するためにオンオフを繰り返すスイッチング信号を連続的に発生させるスイッチング期間と、スイッチングを休止する休止期間を交互に繰り返して発生させている。また、インバータ制御部３５から出力されるスイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１はそれぞれ１２０度の位相差を有し、スイッチング信号ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１は、それぞれ１２０度の位相差を有すると共に、スイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１に対して、それぞれの信号が１８０度の位相差を有している。また、上アームがオフとなって休止している時、対応する下アームがオンとなるタイミングが必ず存在するため、このタイミングでブートストラップコンデンサを所定電圧、ここでは満充電電圧まで充電することができる。これらの詳しいタイミングについては後で説明する。

オン時間算出部２２は、上アームがオフとなる休止期間になってから次に上アームがオンとなるタイミング、つまりスイッチング期間の開始を監視し、これを検出してからスイッチング期間における上アームの合計オン時間を各アーム毎に算出して、それぞれの合計オン時間の値を記憶部４１に記憶する。

そして停止処理時間管理部２６から出力される停止処理信号がローレベルからハイレベルに変化した時、つまり、モータ３３の停止処理である回生電力の低減処理が開始された時、オン時間算出部２２は、記憶部４１から各アーム毎の合計オン時間を読み出す。そして、オン時間算出部２２は、回生電力の低減処理の開始時刻からスイッチング期間と同じ時間だけ遡った期間における各上アーム毎の合計オン時間を算出する。そして３種類の上アームのそれぞれの合計オン時間値のうち最も大きい値である最大合計オン時間を残時間算出部２３へ出力する。これは合計オン時間値のうち最も大きい値の上アームは、対応するブートストラップコンデンサの電圧が３つのブートストラップコンデンサの中で最も低い、つまり、次に上アームをオンにする場合、３つの上アームの中で最もオンできる時間が短いからである。

一方、本実施例ではインバータ制御部３５が三相モータを制御している。そして上アームの３つの相のスイッチング信号においてある相が休止期間の場合、他の相が順次スイッチング期間となる。これは２つの上アームの合計オン時間のみを比較して時間が大きい方の値を抽出するだけでよいため、３つの上アームと対応する合計オン時間の大小判別が容易である。

残時間算出部２３は、記憶部４１から最大動作時間を読み出し、この最大動作時間から入力された合計オン時間値を差し引いた残動作時間を算出して初回タイマー部２４へ出力する。初回タイマー部２４は、この残動作時間だけハイレベルとなる初回タイマー信号をオア回路２５とタイマー管理部２７と停止処理時間管理部２６へ出力する。

初回タイマー信号はオア回路２５に入力されると、オア回路２５は初回タイマー信号がハイレベルとなる期間、信号切換部２１のＵＰ２，ＶＰ２，ＷＰ２の各端子へハイレベルの信号を出力する。一方、この時点で下アームタイマー部２９は動作していないため、下アーム信号はローレベルのままである。このため、信号切換部２１のＵＮ２，ＶＮ２，ＷＮ２の各端子はローレベルとなっている。

一方、停止処理信号がハイレベルの期間において信号切換部２１は、スイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１，ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１に代えてＵＰ２，ＶＰ２，ＷＰ２の各端子の信号とＵＮ２，ＶＮ２，ＷＮ２の各端子の信号をＵＰ信号，ＶＰ信号，ＷＰ信号，ＵＮ信号，ＶＮ信号，ＷＮ信号としてインテリジェントパワーモジュール３２へ出力する。このため、上アームは残時間算出部２３で算出された残動作時間の期間だけモータ３３の巻線を短絡することになる。

このように回生電力低減部２０は、モータ３３の負荷によって異なるスイッチング信号のパルス幅の時間をオン時間算出部２２で常に検出・合計し、３つの上アームのそれぞれ合計オン時間が最も大きい最大オン時間合計を抽出し、これで駆動できる上アームのオン時間（残動作時間）を算出し、この時間だけモータ３３の巻線を短絡させる。

一方、前述したように、温度保護部５７によっていずれかのＩＧＢＴの温度異常が検出された場合、温度保護部５７が全ての下アームをオフにするため、下アームで巻線の短絡ができない状況が発生する。この状態を温度異常信号で検出した回生電力低減部２０は、上アームをオン可能な最大の時間、つまり、ブートストラップコンデンサの電圧が許容放電電圧に低下するまでの時間だけ連続的に上アームをオンとして巻線を短絡させる。これによって回生電力によるＰラインとＮライン間における異常な電圧上昇を抑制してインテリジェントパワーモジュール３２やコンバータ３１の回路を保護することができる。

一方、タイマー管理部２７の許可端子には停止処理信号が入力されており、停止処理信号がハイレベルの期間だけタイマー管理部２７が動作するようになっている。また、タイマー管理部２７の開始端子には初回タイマー信号が入力されており、この信号がハイレベルからローレベルに変化した時、つまり、初回タイマー部２４による最初の上アームのオンが終了した時、タイマー管理部２７は下アームタイマー部２９のタイマー起動と、このタイマーの終了待ちを実行し、このタイマーが終了した直後に上アームタイマー部２８のタイマー起動と、このタイマーの終了待ちを実行する。そして、このタイマーが終了した直後に下アームタイマー部２９のタイマー起動と終了待ちを実行し、この２つのタイマー部の交互の動作を停止処理信号がローレベルになるまで繰り返して実行する。

タイマー管理部２７は上アームタイマー部２８にタイマーの開始信号を出力し、上アームタイマー部２８はこの開始信号に従って予め規定された上アームタイマー時間だけハイレベルとなる上アーム信号を出力する。この上アーム信号はタイマー管理部２７に入力されており、タイマー管理部２７は上アーム信号がハイレベルからローレベルになることでタイマーの終了を検出することができる。なお、上アームタイマー時間は、各ブートストラップコンデンサが所定電圧（満充電電圧）から上アームを連続オンすることで許容放電電圧に低下するまでの時間を予め実験的に求めた時間である。なお、上アームタイマー時間は実験的に求めてもよいし、供給電圧や配線インピーダンス、ブートストラップコンデンサの容量から計算で求めてもよい。

また、タイマー管理部２７は下アームタイマー部２９にタイマーの開始信号を出力し、下アームタイマー部２９はこの開始信号に従って予め規定された下アームタイマー時間だけハイレベルとなる下アーム信号を出力する。この下アーム信号はタイマー管理部２７に入力されており、タイマー管理部２７は下アーム信号がハイレベルからローレベルになることでタイマーの終了を検出することができる。なお、下アームタイマー時間は、各ブートストラップコンデンサが許容放電電圧から所定電圧（満充電電圧）に上昇するまでの時間を予め実験的に求めた時間である。なお、下アームタイマー時間は実験的に求めてもよいし、供給電圧や配線インピーダンス、ブートストラップコンデンサの容量から計算で求めてもよい。

停止処理時間管理部２６は、インバータ制御部３５から出力される運転停止信号とインテリジェントパワーモジュール３２から出力される温度異常信号がそれぞれ入力されている。運転停止信号は室内機２の指示や室外機制御部３６の判断による空気調和機１の運転停止を意味しており、温度異常信号はこのような指示とは無関係にインテリジェントパワーモジュール３２の温度異常を意味している。

停止処理時間管理部２６は、温度異常信号が入力された場合は下アームによる回生電力低減が実行できないと判断し、上アームによる１回のみの巻線短絡処理を実行する。この場合、停止処理時間管理部２６は、入力された初回タイマー信号がハイレベルからローレベルに変化した時、上アームによる初回の巻線短絡が完了したと認識して停止処理信号をハイレベルからローレベルにする。

一方、停止処理時間管理部２６は、温度異常信号が入力さずに運転停止信号のみが入力された場合は下アームによる回生電力低減が使用できると判断し、初回タイマー部２４による上アームのオンが終了した後、下アーム／上アームによる交互の巻線短絡処理を実行する。この場合、停止処理時間管理部２６は入力された初回タイマー信号を無視する。
また、停止処理時間管理部２６は運転停止信号が入力された場合、モータ３３の負荷状態と回転数とにより求められる停止時間だけ上アーム／下アームによる交互の巻線短絡処理を実行する。次にこの停止時間の算出方法を説明する。

停止処理時間管理部２６は、スイッチング信号ＵＰ１と回転数信号が入力されており、停止処理時間管理部２６は、最新のスイッチング信号ＵＰ１のパルス幅（ＩＧＢＴ６１がオンとなる時間）と最新の回転数を記憶部４１に常に記憶している。そして、停止処理時間管理部２６は運転停止信号が入力された時に、直前のスイッチング信号ＵＰ１のパルス幅と回転数（ｒｐｍ）を記憶部４１から読み出す。スイッチング信号ＵＰ１のパルス幅はＰＷＭ制御された結果であり、このパルス幅はモータ３３の負荷の大きさを示している。この負荷の大きさである負荷トルク（単位はニュートンメートル）とこのパルス幅との関係を予め実験的に求めてあり、記憶部４１に対比表として記憶されている。

次に回生電圧を抑制するための巻線の短絡処理時間の算出方法について説明する。
短絡処理時間：ｔ（単位は秒）、
モータ３３の慣性モーメント：Ｊｍ（単位はキログラム平方メートル）、
モータ３３の制動直前の回転速度：Ｎ（単位は回転数／毎分）、
負荷トルク：ＴＬ（単位はニュートンメートル）と規定した場合、

短絡処理時間： ｔ＝Ｊｍ×Ｎ／（９．５５×ＴＬ）・・・・・・・・式１

なお、慣性モーメント：Ｊｍはモータ３３の仕様書に記載されている値が予め記憶部４１に記憶されている。そして停止処理時間管理部２６は、回転速度：Ｎを回転数算出部３０から入力し、また、負荷トルク：ＴＬは前述したようにスイッチング信号ＵＰ１のパルス幅を記憶部４１が記憶している対比表から抽出し、これらを式１に代入して短絡処理時間：ｔを算出し、この算出した時間だけ停止処理信号をハイレベルにする。
なお、簡易的には短絡処理時間を予め実験で求めたモータ３３の最高速からの停止時間としてもよい。

次に図４の説明図を用いて本発明による回生電力低減部２０の動作を説明する。
図４の横軸は時間である。図４の縦軸においてインテリジェントパワーモジュール３２に出力される図４（１）はＵＰ信号、図４（２）はＶＰ信号、図４（３）はＷＰ信号、図４（４）はＵＮ信号、図４（５）ＶＮ信号、図４（６）はＷＮ信号を示している。

さらに、図４の縦軸において図４（７）はブートストラップコンデンサ３７、図４（８）はブートストラップコンデンサ３８、図４（９）はブートストラップコンデンサ３９、のそれぞれの両端電圧を示している。

さらに、図４の縦軸において図４（１０）は運転停止信号を、図４（１１）は停止処理信号を、図４（１２）は初回タイマー信号を、図４（１３）は上アーム信号を、図４（１４）は下アーム信号を、図４（１５）はインテリジェントパワーモジュール３２の入力電圧を、図４（１６）は温度異常信号をそれぞれ示している。なお、ｔ０ｔ〜１５は時刻を示している。
まず最初に運転停止信号が出力された場合の動作について説明し、その説明の後で温度異常信号が出力された場合について説明する。

ｔ０〜ｔ１１の期間におけるＵＰ信号，ＶＰ信号，ＷＰ信号，ＵＮ信号，ＶＮ信号，ＷＮ信号はインテリジェントパワーモジュール３２を介してモータ３３を回転させるスイッチング信号であり、運転停止信号、もしくは温度異常信号がローレベルからハイレベルに変化するｔ１１まで出力されている。運転停止信号、もしくは温度異常信号がローレベルの時は信号切換部２１が選択するスイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１，ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１がそのままインテリジェントパワーモジュール３２へ出力される。

インバータ制御部３５はスイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１毎にＰＷＭ変調されたスイッチング期間の次に、この期間の２倍の期間がローレベルの休止期間として続くように１周期を構成して制御し、各スイッチング信号は位相が１２０度ごとに順次ずれたタイミングになっている。さらに、スイッチング信号ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１も同様に位相が１２０度ごとに順次ずれたタイミングになっている。そして、インバータ制御部３５は、スイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１に対してスイッチング信号ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１が１８０度の位相遅れとなるように制御している。

このため、例えばＵＰ信号がスイッチングを開始するｔ８からスイッチングが終了するｔ１０の期間でブートストラップコンデンサ３７の電圧は図４（７）に示すように低下する。一方、ＶＰ信号がオフとなったｔ６〜ｔ１０の期間において、この上アームと対応する下アームの信号であるＶＮ信号は、ｔ６〜ｔ７、及びｔ９〜ｔ１０でローレベルとなっており、ＶＰ信号で駆動されるＩＧＢＴ６２用のブートストラップコンデンサ３８を、少なくともｔ１０までに所定電圧（満充電）まで充電することができる。また、ＷＰ信号はｔ８でスイッチングを終了しており、ｔ８〜ｔ１１でブートストラップコンデンサ３９をほぼ所定電圧まで充電することができる。

オン時間算出部２２は、スイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１毎に算出した運転停止信号もしくは、温度異常信号の発生直前の所定期間であるオン時間集計期間（スイッチング期間と同じ長さ）における３つの合計オン時間から最も長い最大合計オン時間を抽出する。具体的にはスイッチング期間と同じ時間であるｔ８．５〜ｔ１１の期間におけるＵＰ信号，ＶＰ信号，ＷＰ信号（スイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１）におけるそれぞれの合計オン時間を算出する。この場合、ＵＰ信号がｔ８．５〜ｔ１０であり、ＶＰ信号がｔ１０〜ｔ１１であり、ＷＰ信号がゼロ（オン信号なし）であり、ＵＰ信号の合計オン時間が一番長い。つまり、上アームの中ではブートストラップコンデンサの電圧が最も低く、次に上アームをオンする場合において、オン時間を３つの上アームの中で最も短くする必要がある。

なお、図４の例の場合、ＵＰ信号はｔ８〜ｔ１０で１つのスイッチング期間だけ上アームを使用している。従ってｔ１０の時点ではｔ８〜ｔ１０の合計オン時間と対応するブートストラップコンデンサ３７の電圧だけが低下している。一方、本実施例ではｔ８．５〜ｔ１０の期間だけを合計オン時間の比較対象にしており、ｔ８〜ｔ８．５の期間は合計オン時間の対象外となり、この期間の電圧低下分が考慮されていない。一方、ｔ１０〜ｔ１１はブートストラップコンデンサ３７に関しては充電期間中であり、ブートストラップコンデンサ３７の電圧が上昇する期間である。従って本実施例では簡易的にこれを相殺と見なして計算の対象から除外する。

この電圧低下と充電による電圧上昇の相殺における誤差を低減させるためには、ｔ８〜ｔ８．５の期間の合計オン時間に、予め実験的に求めた誤差を低減させる一定の係数を乗じた値をｔ８．５〜ｔ１０の合計オン時間に加算してもよい。もしくは、ｔ８〜ｔ８．５の期間の合計オン時間から、ｔ１０〜ｔ１１の電圧上昇の差分と対応する合計オン時間を差し引き、この結果にｔ８．５〜ｔ１０の期間の合計オン時間を加算するようにしてもよい。

そして、オン時間算出部２２は、このようにして求めたＵＰ信号の合計オン時間と、同様にして求めたＶＰ信号とＷＰ信号の合計オン時間から最も長い最大オン時間合計を抽出し、これを残時間算出部２３へ出力し、残時間算出部２３がｔ１１以降でＵＰ信号をオンできるｔ１１〜ｔ１２の残動作時間を算出して初回タイマー部２４へ出力する。初回タイマー部２４は、この残作動時間だけ図４（１２）に示すように初回タイマー信号を出力する。

運転停止信号もしくは温度異常信号がローレベルからハイレベルに変化したｔ１１以降は停止処理信号がハイレベルになるため、信号切換部２１はスイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１，ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１をＵＰ２，ＶＰ２，ＷＰ２，ＵＮ２，ＶＮ２，ＷＮ２の各端子に入力されている信号に切り換える。このため、信号切換部２１はｔ１１〜ｔ１２の期間に初回タイマー信号をＵＰ信号，ＶＰ信号，ＷＰ信号としてオンの信号（ハイレベルの信号）を出力する。一方、ＵＮ２，ＶＮ２，ＷＮ２の各端子には下アームタイマー部２９が未動作のためローレベルが入力されており、信号切換部２１はＵＮ信号，ＶＮ信号，ＷＮ信号をローレベルで出力する。

このため、モータ３３の各巻線は、初回タイマー信号のハイレベルの期間であるｔ１１〜ｔ１２に上アームによって短絡される。これにより図４（１５）に示すように、インテリジェントパワーモジュール３２の入力電圧のピークが、回生電圧を短絡しない場合の５５０ボルトから３９０ボルトに低減され、コンバータ３１やインテリジェントパワーモジュール３２内のスイッチング素子や還流ダイオードなどの破損を防止することができる。

一方、残動作時間が終了して初回タイマー信号がハイレベルからローレベルに変化するとタイマー管理部２７が動作を開始し、下アームタイマー部２９から下アームタイマー時間だけハイレベルとなる下アーム信号を出力する。この時、初回タイマー部２４と上アームタイマー部２８は動作を停止しているため、共に出力信号はローレベルである。このため、信号切換部２１はｔ１２〜ｔ１３の下アームタイマー時間に、ＵＰ信号，ＶＰ信号，ＷＰ信号をローレベルに、ＵＮ信号，ＶＮ信号，ＷＮ信号をハイレベルにしてそれぞれ出力する。

そしてタイマー管理部２７は、停止処理信号がハイレベルからローレベルになるｔ１５まで上アームと下アームを交互にオンするように上アーム信号と下アーム信号を交互に出力する。なお、停止処理時間管理部２６は、前述した式１を用いて短絡処理時間を求め、運転停止信号がローレベルからハイレベルになった以降、この短絡処理時間だけ停止処理信号をハイレベルにした後ローレベルにする。

次に図４（１６）に示す温度異常信号がｔ１１でインテリジェントパワーモジュール３２から出力された場合を説明する。この場合、ｔ１２までは運転停止信号が停止処理時間管理部２６に入力された場合と同じ処理になる。つまり、初回タイマー部２４が残動作時間だけ上アームをオンする。

一方、温度異常信号が停止処理時間管理部２６に入力された場合、ｔ１２で初回タイマー信号がハイレベルからローレベルになると、停止処理時間管理部２６は、停止処理信号をハイレベルからローレベルにして回生電力低減処理を終了する。これは前述したように、インテリジェントパワーモジュール３２の温度異常の場合、下アームによる制御ができないためである。このため、モータ３３の制動を最後まで行なうことができないが、上アームによる巻線短絡でインテリジェントパワーモジュール３２の入力電圧の上昇を低減させることができる。

そして、停止処理時間管理部２６は、停止処理信号をハイレベルからローレベルにしてタイマー管理部２７の動作を停止させる共に、信号切換部２１がスイッチング信号ＵＰ１，ＶＰ１，ＷＰ１，ＵＮ１，ＶＮ１，ＷＮ１を選択して出力する。なお、インバータ制御部３５は温度異常信号が入力された時点でインバータの運転を停止させるため、全てのスイッチング信号をローレベルにしている。このため、ＵＰ信号，ＶＰ信号，ＷＰ信号，ＵＮ信号，ＶＮ信号，ＷＮ信号は全てローレベルになる。

以上説明したように、温度保護部５７により下アームが全てオフとなった状態であっても、回生電力低減手段が上アームを確実にオン可能な残動作時間を算出してこの時間だけ上アームをオンするため、ブートストラップコンデンサの電圧が許容放電電圧未満になることがない。このため、背景技術で説明したように最大負荷を考慮して短めに決定した上アームの動作可能時間よりも長い動作可能時間を求めることができる。
また、残動作時間の算出やタイマー機能をソフトウェアで実現できるため、背景技術で説明した許容放電電圧を検出するための電圧検出回路が不要であるためコストを低減できる。

なお、本実施例ではモータ駆動装置５を空気調和機１に適用した例を説明しているが、これに限るものでなく、洗濯機のモータ駆動装置などに適用してもよい。
さらに、本実施例では回生電力低減部２０をハードウェアとして説明しているが、これをソフトウェアで実現してもよい。
また、本実施例ではインテリジェントパワーモジュール３２の保護機能としてスイッチング素子の温度保護を説明しているが、これに限るものでなく、スイッチング素子の過電流保護機能など、他の保護機能を総合的に備えたものであってもよい。これらの保護機能が動作して、下アームが使用できない場合であっても本発明と同様の効果を得ることができる。

１ 空気調和機
２ 室内機
３ 室外機
４ 交流電源
５ モータ駆動装置
２０ 回生電力低減部（回生電力低減手段）
２１ 信号切換部（信号切換手段）
２２ オン時間算出部（オン時間算出手段）
２３ 残時間算出部（残時間算出手段）
２４ 初回タイマー部（初回タイマー手段）
２５ オア回路（オア手段）
２６ 停止処理時間管理部（停止処理時間管理手段）
２７ タイマー管理部（タイマー管理手段）
２８ 上アームタイマー部（上アームタイマー手段）
２９ 下アームタイマー部（下アームタイマー手段）
３０ 回転数算出部（回転数算出手段）
３１ コンバータ
３２ インテリジェントパワーモジュール（インバータ）
３２ａ 入力端
３２ｂ 入力端
３２ｃ 電源端子
３２ｄ 出力端
３２ｅ 出力端
３２ｆ 出力端
３２ｇ 状態端子
３２ｈ 信号端子
３２ｉ 端子
３２ｊ 端子
３２ｋ 端子
３３ モータ
３３Ｕ 巻線
３３Ｖ 巻線
３３Ｗ 巻線
３４ ドライバ駆動電源
３５ インバータ制御部
３６ 室外機制御部
３７、３８、３９ ブートストラップコンデンサ
４０ 回転位置検出部
４１ 記憶部（記憶手段）
５１、５２、５３ ダイオード
５４、５５、５６ 抵抗
５７ 温度保護部
６１、６２、６３ ＩＧＢＴ
６４ ドライバ、６５、６６、６７ ドライバ
７１、７２、７３ ＩＧＢＴ

Claims (1)

1. トーテムポール型に接続された上アーム用のスイッチング素子と下アーム用のスイッチング素子とからなるアームを複数備えており、入力された直流電圧を交流電圧に変換して前記アームと対応するモータ内部に備えられて一端が共通に接続された複数の巻線の他端に供給するインバータと、
   前記上アームを駆動する電荷を蓄積するブートストラップコンデンサと、
   前記スイッチング素子にスイッチング信号を出力するインバータ制御部と、
   前記モータの回転が減速する時に前記巻線に発生する回生電力を前記巻線の他端同士を接続させることで低減させる回生電力低減手段とを備え、
   前記スイッチング信号は、前記スイッチング素子をオンオフして前記巻線に交流電圧を印加するスイッチング期間と印加しない休止期間が交互に設けられ、
   前記回生電力低減手段は、前記ブートストラップコンデンサにおける所定電圧から上アームが動作可能な許容放電電圧に低下するまでの時間である最大動作時間が予め記憶された記憶手段を備え、
   前記回生電力低減手段は、
   前記スイッチング期間における上アームをオンした時間を合計した合計オン時間を個々の上アーム毎に算出して前記記憶手段に記憶し、
   前記回生電力低減手段は、前記回生電力を低減させる場合、
   回生電力の低減処理の開始時刻直前の前記スイッチング期間と同じ時間における前記合計オン時間のうち最も大きい最大合計オン時間を前記記憶手段から抽出し、
   前記最大動作時間から、前記最大合計オン時間を差し引いた残動作時間を算出し、
   前記残動作時間の期間だけ全ての前記上アームをオンすることを特徴とするモータ駆動装置。

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