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WO2021106195A1 - モータ駆動装置、電気掃除機及び手乾燥機 - Google Patents

モータ駆動装置、電気掃除機及び手乾燥機 Download PDF

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Publication number
WO2021106195A1
WO2021106195A1 PCT/JP2019/046802 JP2019046802W WO2021106195A1 WO 2021106195 A1 WO2021106195 A1 WO 2021106195A1 JP 2019046802 W JP2019046802 W JP 2019046802W WO 2021106195 A1 WO2021106195 A1 WO 2021106195A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulse
motor
switching element
drive device
voltage
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/046802
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
遥 松尾
裕次 ▲高▼山
和徳 畠山
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to JP2021561107A priority Critical patent/JP7237197B2/ja
Priority to EP19954670.6A priority patent/EP4068618A4/en
Priority to PCT/JP2019/046802 priority patent/WO2021106195A1/ja
Publication of WO2021106195A1 publication Critical patent/WO2021106195A1/ja

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/06—Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/26—Arrangements for controlling single phase motors

Definitions

  • the present invention relates to a motor drive device for driving a single-phase motor, and an electric vacuum cleaner and a hand dryer equipped with the motor drive device.
  • a connection point on the low potential side of each lower switching element of each of the two legs of the inverter and a negative side of the DC power supply are used to detect the motor current flowing from the inverter to the single-phase motor.
  • a configuration is disclosed in which a shunt resistor, which is a current detecting means, is provided between the terminal and the terminal. This configuration is called a "1 shunt method”.
  • Patent Document 1 a threshold value is set for the current to switch the energization of the single-phase motor.
  • this method only the magnitude of the current is considered, not the motor shaft output. Therefore, there is a problem that the single-phase motor cannot be driven efficiently.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a motor driving device capable of efficiently driving a single-phase motor.
  • the motor drive device includes an inverter and a current detector.
  • the inverter includes a first leg in which the first switching element of the upper arm and the second switching element of the lower arm are connected in series, and a third switching element of the upper arm and a fourth switching element of the lower arm. It comprises a second leg in which and are connected in series. The first leg and the second leg are connected in parallel to the DC power supply.
  • the inverter converts the DC power supplied from the DC power supply into AC power and supplies it to the single-phase motor.
  • the current detector is located in the path between the inverter and the DC power supply.
  • the motor drive device performs the first control for controlling the continuity of the first to fourth switching elements so that the physical quantity detected by the current detector becomes a pulse-shaped waveform sequence.
  • the pulsed waveform train during the period when the motor current flowing through the single-phase motor has the same polarity is the first pulse appearing at the beginning of the period and the first pulse appearing at the end of the period with the same polarity as the first pulse. It is divided into two pulses and a pulse train consisting of a plurality of pulses appearing between the first pulse and the second pulse.
  • the pulse width of at least one of the pulses of the pulse train is larger than the pulse width of the second pulse.
  • FIG. 1 Configuration diagram of a motor drive system including a motor drive device according to an embodiment Circuit diagram of the inverter shown in FIG. A block diagram showing a functional part that generates a pulse width modulation (PWM) signal among the functional parts of the control unit shown in FIG. 1.
  • a block diagram showing an example of the carrier comparison unit shown in FIG. A time chart showing a waveform example of a main part in the carrier comparison part shown in FIG.
  • the figure which shows an example of the calculation method of the advance angle phase in embodiment A time chart used to explain the relationship between the voltage command shown in FIG. 4 and the advance phase.
  • FIG. 2 shows one of the current paths when power is supplied from the battery to the single-phase motor.
  • FIG. 2 shows one of the current paths when the inverter operates the flywheel.
  • the other current path when the inverter operates the flywheel is shown in FIG.
  • Figure 2 shows one of the current paths when the energy of a single-phase motor is regenerated into a battery.
  • the other current path when the energy of the single-phase motor is regenerated into the battery is shown in FIG.
  • the figure which shows the structural example of the current detection part shown in FIG. The figure which shows the example of several kinds of waveforms used for explaining the point of control in an embodiment.
  • connection The motor drive device, the vacuum cleaner, and the hand dryer according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings below.
  • the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in the following description, the electrical connection and the physical connection are not distinguished, and are simply referred to as "connection”.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a motor drive system 1 including a motor drive device 2 according to an embodiment.
  • the motor drive system 1 shown in FIG. 1 includes a single-phase motor 12, a motor drive device 2, a battery 10, and a voltage sensor 20.
  • the motor drive device 2 supplies AC power to the single-phase motor 12 to drive the single-phase motor 12.
  • the battery 10 is a DC power source that supplies DC power to the motor drive device 2.
  • the voltage sensor 20 detects the DC voltage V dc output from the battery 10 to the motor drive device 2.
  • the single-phase motor 12 is used as a rotary electric machine for rotating an electric blower (not shown).
  • the single-phase motor 12 and the electric blower are mounted on devices such as a vacuum cleaner and a hand dryer.
  • the voltage sensor 20 detects the DC voltage V dc , but the detection target of the voltage sensor 20 is not limited to the DC voltage V dc output from the battery 10.
  • the detection target of the voltage sensor 20 may be an inverter output voltage which is an AC voltage output from the inverter 11.
  • the "inverter output voltage” is the output voltage of the motor drive device 2, and is synonymous with the "motor applied voltage” described later.
  • the motor drive device 2 includes an inverter 11, a current detection unit 22, a control unit 25, and a drive signal generation unit 32.
  • the inverter 11 drives the single-phase motor 12 by converting the DC power supplied from the battery 10 into AC power and supplying it to the single-phase motor 12.
  • the inverter 11 is assumed to be a single-phase inverter, it may be any one capable of driving the single-phase motor 12. Further, although not shown in FIG. 1, a capacitor for voltage stabilization may be inserted between the battery 10 and the inverter 11.
  • the current detection unit 22 generates and outputs a current signal Ima for restoring the motor current Im and a protection signal Sps.
  • a current signal Ima is described as a current signal, a voltage signal converted into a voltage value may be used.
  • the control unit 25 contains a voltage amplitude command V *, a DC voltage Vdc detected by the voltage sensor 20, a current signal Ima detected by the current detection unit 22, a protection signal Sps, and an operation mode signal Sms. Entered.
  • the voltage amplitude command V * is an amplitude value of the voltage command V m described later.
  • the control unit 25 generates PWM signals Q1, Q2, Q3, and Q4 (hereinafter, referred to as “Q1 to Q4”) based on the voltage amplitude command V * and the DC voltage V dc.
  • Q1 to Q4 PWM signals
  • the inverter output voltage is controlled by the PWM signals Q1 to Q4, and a desired voltage is applied to the single-phase motor 12.
  • control unit 25 generates PWM signals Q1 to Q4 for stopping the operation of the switching element of the inverter 11 based on the protection signal Sps.
  • the PWM signals Q1 to Q4 stop the operation of the inverter 11 and cut off the power supply to the single-phase motor 12.
  • control unit 25 switches the operation mode of the control unit 25 based on the operation mode signal SMS. The details of switching the operation mode will be described later.
  • the drive signal generation unit 32 converts the PWM signals Q1 to Q4 output from the control unit 25 into drive signals S1, S2, S3, S4 for driving the inverter 11 and outputs the PWM signals to the inverter 11.
  • the control unit 25 includes a processor 31, a carrier generation unit 33, and a memory 34.
  • the processor 31 generates the above-mentioned PWM signals Q1 to Q4.
  • the processor 31 also performs arithmetic processing related to advance angle control in addition to arithmetic processing related to PWM control.
  • the processor 31 may be referred to as a CPU (Central Processing Unit), a microprocessor, a microcomputer, a microcomputer, or a DSP (Digital Signal Processor).
  • the program read by the processor 31 is stored in the memory 34.
  • the memory 34 is used as a work area when the processor 31 performs arithmetic processing.
  • the memory 34 is generally a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Project ROM), or an EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM). Details of the configuration of the carrier generation unit 33 will be described later.
  • An example of the single-phase motor 12 is a brushless motor.
  • a plurality of permanent magnets (not shown) are arranged in the circumferential direction on the rotor 12a of the single-phase motor 12. These plurality of permanent magnets are arranged so that the magnetizing directions are alternately reversed in the circumferential direction, and form a plurality of magnetic poles of the rotor 12a.
  • a winding (not shown) is wound around the stator 12b of the single-phase motor 12. Motor current flows through the winding.
  • the number of magnetic poles of the rotor 12a is assumed to be 4 poles, but the number of magnetic poles may be other than 4 poles.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the inverter 11 shown in FIG.
  • the inverter 11 has a plurality of switching elements 51, 52, 53, 54 (hereinafter, referred to as “51 to 54”) to be bridge-connected.
  • the switching elements 51 and 52 constitute the first leg, the leg 5A.
  • the leg 5A is a series circuit in which the switching element 51, which is the first switching element, and the switching element 52, which is the second switching element, are connected in series.
  • the switching elements 53 and 54 form a leg 5B which is a second leg.
  • the leg 5B is a series circuit in which a switching element 53, which is a third switching element, and a switching element 54, which is a fourth switching element, are connected in series.
  • the legs 5A and 5B are connected in parallel with each other between the DC bus 16a on the high potential side and the DC bus 16b on the low potential side. As a result, the legs 5A and 5B are connected in parallel to both ends of the battery 10.
  • the switching elements 51 and 53 are located on the high potential side, and the switching elements 52 and 54 are located on the low potential side.
  • the high potential side is referred to as an "upper arm” and the low potential side is referred to as an "lower arm”. Therefore, the switching element 51 of the leg 5A may be referred to as the "first switching element of the upper arm”, and the switching element 52 of the leg 5A may be referred to as the "second switching element of the lower arm”.
  • the switching element 53 of the leg 5B may be referred to as a "third switching element of the upper arm”, and the switching element 54 of the leg 5B may be referred to as a "fourth switching element of the lower arm”.
  • connection point 6A between the switching element 51 and the switching element 52 and the connection point 6B between the switching element 53 and the switching element 54 form an AC end in the bridge circuit.
  • a single-phase motor 12 is connected between the connection point 6A and the connection point 6B.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effective Transistor
  • FET Field-Effective Transistor
  • the switching element 51 is formed with a body diode 51a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 51.
  • the switching element 52 is formed with a body diode 52a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 52.
  • the switching element 53 is formed with a body diode 53a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 53.
  • the switching element 54 is formed with a body diode 54a connected in parallel between the drain and the source of the switching element 54.
  • Each of the plurality of body diodes 51a, 52a, 53a, 54a is a parasitic diode formed inside the MOSFET and is used as a freewheeling diode. A separate recirculation diode may be connected. Further, instead of the MOSFET, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) may be used.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the switching elements 51 to 54 are not limited to MOSFETs formed of silicon-based materials, and may be MOSFETs formed of wide bandgap (Wide Band Gap: WBG) semiconductors such as silicon carbide, gallium nitride, gallium oxide, or diamond.
  • WBG Wide Band Gap
  • WBG semiconductors have higher withstand voltage and heat resistance than silicon semiconductors. Therefore, by using WBG semiconductors for the plurality of switching elements 51 to 54, the withstand voltage resistance and allowable current density of the switching elements are increased, and the semiconductor module incorporating the switching elements can be miniaturized. Further, since the WBG semiconductor has high heat resistance, it is possible to miniaturize the heat radiating part for radiating the heat generated by the semiconductor module, and it is possible to simplify the heat radiating structure for radiating the heat generated by the semiconductor module. Is.
  • a shunt resistor 55 is inserted in the DC bus 16b on the low potential side.
  • the shunt resistor 55 is arranged in a path between the inverter 11 and the battery 10 (not shown in FIG. 2).
  • the shunt resistor 55 is a detector for detecting the direct current flowing between the inverter 11 and the battery 10.
  • the shunt resistor 55 and the current detection unit 22 form a "current detection means”. Further, the shunt resistor 55 constitutes a "current detector” in the current detecting means.
  • the shunt resistor 55 is not limited to that shown in FIG. 2 as long as it can detect the direct current flowing between the inverter 11 and the battery 10.
  • the shunt resistor 55 may be inserted into the DC bus 16a.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a functional part that generates a PWM signal among the functional parts of the control unit 25 shown in FIG.
  • the carrier comparison unit 38 is input with the advance angle controlled advance phase ⁇ v and the reference phase ⁇ e used when generating the voltage command V m described later.
  • the reference phase ⁇ e is a phase obtained by converting the rotor mechanical angle ⁇ m , which is an angle from the reference position of the rotor 12a, into an electric angle.
  • the motor drive device according to the present embodiment has a so-called position sensorless drive configuration in which the position sensor signal from the position sensor is not used. Therefore, the rotor mechanical angle ⁇ m and the reference phase ⁇ e are estimated by calculation.
  • the "advance angle phase” referred to here is a phase representing the “advance angle” which is the “advance angle” of the voltage command.
  • the “advance angle” referred to here is a phase difference between the motor applied voltage applied to the winding of the stator 12b and the motor induced voltage induced in the winding of the stator 12b. The “advance angle” takes a positive value when the voltage applied to the motor is ahead of the voltage induced by the motor.
  • the carrier comparison unit 38 in addition to the advance phase ⁇ v and the reference phase ⁇ e , the carrier generated by the carrier generation unit 33, the DC voltage V dc, and the voltage which is the amplitude value of the voltage command V m.
  • the amplitude command V * is input.
  • the carrier comparison unit 38 generates PWM signals Q1 to Q4 based on the carrier, the advance phase ⁇ v , the reference phase ⁇ e , the DC voltage V dc, and the voltage amplitude command V *.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of the carrier comparison unit 38 shown in FIG. FIG. 4 shows the detailed configuration of the carrier comparison unit 38 and the carrier generation unit 33.
  • a triangular wave carrier moving up and down between “0” and “1” is shown.
  • the PWM control of the inverter 11 includes synchronous PWM control and asynchronous PWM control. In the case of synchronous PWM control, it is necessary to synchronize the carrier with the advance phase ⁇ v. On the other hand, in the case of asynchronous PWM control, it is not necessary to synchronize the carriers with the advance phase ⁇ v.
  • the carrier comparison unit 38 includes an absolute value calculation unit 38a, a division unit 38b, a multiplication unit 38c, a multiplication unit 38k, an addition unit 38m, an addition unit 38n, a comparison unit 38g, a comparison unit 38h, and an output inversion. It has a unit 38i and an output inversion unit 38j.
  • the absolute value calculation unit 38a calculates the absolute value
  • is divided by the DC voltage V dc detected by the voltage sensor 20.
  • the output of the division unit 38b is the modulation factor.
  • the battery voltage which is the output voltage of the battery 10, fluctuates as the current continues to flow.
  • the value of the modulation factor can be adjusted so that the motor applied voltage does not decrease due to the decrease in the battery voltage.
  • the sine value of “ ⁇ e + ⁇ v ” obtained by adding the advance phase ⁇ v to the reference phase ⁇ e is calculated.
  • the calculated sine value of " ⁇ e + ⁇ v " is multiplied by the modulation factor which is the output of the division unit 38b.
  • the multiplier unit 38k, "-1" is multiplied by an output of the multiplication unit 38c voltage command V m.
  • "1" is added to the voltage command V m is the output of the multiplication unit 38c.
  • the output of the multiplying unit 38k, that is, "1" to the inverted output of the voltage command V m is added.
  • the output of the addition unit 38m is input to the comparison unit 38g as a first voltage command V m1 for driving the two switching elements 51 and 53 of the upper arm among the plurality of switching elements 51 to 54.
  • the output of the adder 38n is input to the comparison unit 38h as a second voltage command V m2 for driving the two switching elements 52, 54 of the lower arm.
  • the comparison unit 38 g the first voltage command V m1 and the amplitude of the carrier are compared.
  • the output of the output inversion unit 38i which is the inverted output of the comparison unit 38g, is the PWM signal Q1 to the switching element 51, and the output of the comparison unit 38g is the PWM signal Q2 to the switching element 52.
  • the second voltage command Vm2 and the amplitude of the carrier are compared.
  • the output of the output inversion unit 38j which is the inverted output of the comparison unit 38h, is the PWM signal Q3 to the switching element 53, and the output of the comparison unit 38h is the PWM signal Q4 to the switching element 54.
  • the output inverting unit 38i does not turn on the switching element 51 and the switching element 52 at the same time
  • the output inverting unit 38j does not turn on the switching element 53 and the switching element 54 at the same time.
  • FIG. 5 is a time chart showing a waveform example of a main part in the carrier comparison unit 38 shown in FIG.
  • FIG. 5 shows the waveform of the first voltage command V m1 output from the adder 38 m, the waveform of the second voltage command V m2 output from the adder 38n, the waveforms of the PWM signals Q1 to Q4, and the inverter output.
  • the voltage waveform is shown.
  • the waveform portion of the first voltage command V m1 whose amplitude value is larger than the peak value of the carrier and the second voltage command V m 2 whose amplitude value is larger than the peak value of the carrier.
  • the corrugated portion is represented by a flat straight line.
  • PWM signal Q1 is "low (Low)” next when the first voltage command V m1 is greater than the carrier, the first voltage command V m1 is “high (High)” when less than the carrier.
  • the PWM signal Q2 is an inverted signal of the PWM signal Q1.
  • PWM signal Q3, the second voltage command V m2 is “high (High)” when “low (Low)” becomes when larger than the carrier, the second voltage command V m2 smaller than the carrier.
  • the PWM signal Q4 is an inverted signal of the PWM signal Q3.
  • the circuit shown in FIG. 4 is configured with “Low Active", but even if each signal is configured with "High Active” having opposite values. Good.
  • the waveform of the inverter output voltage shows a voltage pulse due to the difference voltage between the PWM signal Q1 and the PWM signal Q4 and a voltage pulse due to the difference voltage between the PWM signal Q3 and the PWM signal Q2. These voltage pulses are applied to the single-phase motor 12 as the motor applied voltage.
  • the switching element 52 in one half cycle of one cycle T of the voltage command V m, the switching element 52 is controlled to be normally on, one period T of the voltage command V m In the other half cycle, the switching element 54 is controlled to be always on.
  • FIG. 5 is an example, in which the switching element 51 is controlled to be always on in one half cycle, and the switching element 53 is controlled to be always on in the other half cycle. Is also possible. That is, the waveform shown in FIG. 5 is characterized in that at least one of the switching elements 51 to 54 is controlled to be in the ON state in a half cycle of the voltage command V m.
  • Bipolar modulation and unipolar modulation are known as modulation methods used when generating PWM signals Q1 to Q4.
  • Bipolar modulation is a modulation method that outputs a voltage pulse that changes with a positive or negative potential every cycle of the voltage command V m.
  • Unipolar modulation is a voltage pulse, i.e. a positive potential and the negative modulation mode for outputting a voltage pulse that changes the potential of the zero that changes at three potentials per cycle of the voltage command V m.
  • the waveform of the inverter output voltage shown in FIG. 5 is due to unipolar modulation.
  • any modulation method may be used. In applications where it is necessary to control the motor current waveform to a more sinusoidal wave, it is preferable to adopt unipolar modulation having a lower harmonic content than bipolar modulation.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration for calculating the advance phase ⁇ v input to the carrier comparison unit 38 shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a method of calculating the advance angle phase ⁇ v in the embodiment.
  • FIG. 8 is a time chart used for explaining the relationship between the voltage command V m shown in FIG. 4 and the advance phase ⁇ v.
  • the function of calculating the advance phase ⁇ v can be realized by the rotation speed calculation unit 42 and the advance phase calculation unit 44.
  • the rotation speed calculation unit 42 calculates the rotation speed ⁇ of the single-phase motor 12 based on the current signal Ima detected by the current detection unit 22. Further, the rotation speed calculation unit 42 calculates the rotor mechanical angle ⁇ m , which is an angle from the reference position of the rotor 12a, based on the current signal Ima, and also converts the rotor mechanical angle ⁇ m into an electric angle, which is the reference phase ⁇ . Calculate e.
  • the position of the rotor 12a is represented by a signal level.
  • the edge portion where the signal falls from “H” to “L” is set as the reference position of the rotor 12a, and this reference position is set to “0 °” of the rotor mechanical angle ⁇ m. ing.
  • the reference phase theta e is shown a phase obtained by converting the rotor mechanical angle theta m of the electric angle.
  • the advance angle phase calculation unit 44 calculates the advance angle phase ⁇ v based on the rotation speed ⁇ and the reference phase ⁇ e calculated by the rotation speed calculation unit 42.
  • the horizontal axis of FIG. 7 shows the rotation speed N
  • the vertical axis of FIG. 7 shows the advance phase ⁇ v .
  • the advance phase ⁇ v can be determined by using a function in which the advance phase ⁇ v increases with respect to the increase in the rotation speed N.
  • the advance phase ⁇ v is determined by a linear function of the first order, but the linear function is not limited to the first order.
  • a function other than the linear linear function of the first order may be used as long as the advance phase ⁇ v becomes the same or increases as the rotation speed N increases.
  • FIG. 8 shows a state in which the rotor mechanical angles ⁇ m when the rotor 12a is rotated clockwise are 0 °, 45 °, 90 °, 135 ° and 180 °.
  • the rotor 12a of the single-phase motor 12 is provided with four magnets, and four teeth 12b1 are provided on the outer circumference of the rotor 12a.
  • the rotor mechanical angle ⁇ m is estimated based on the current signal Ima, and the reference phase ⁇ e converted into the electric angle is calculated based on the estimated rotor mechanical angle ⁇ m. ..
  • the voltage command V m having the same phase as the reference phase ⁇ e is output.
  • the amplitude of the voltage command V m at this time is determined based on the voltage amplitude command V * described above.
  • the voltage command V m advanced by ⁇ / 4 which is a component of the advance phase ⁇ v , is output from the reference phase ⁇ e.
  • FIG. 9 is a diagram showing one of the current paths when power is supplied from the battery 10 to the single-phase motor 12 in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing another current path when power is supplied from the battery 10 to the single-phase motor 12 in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing one of the current paths when the inverter 11 operates the flywheel in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing another current path when the inverter 11 operates the flywheel.
  • FIG. 13 is a diagram showing one of the current paths when the energy of the single-phase motor 12 is regenerated to the battery 10.
  • FIG. 14 is a diagram showing another current path when the energy of the single-phase motor 12 is regenerated to the battery 10.
  • the switching elements 51 and 54 are conducted by the drive signals S1 and S4, and the current flows in the order of the switching element 51, the single-phase motor 12, the switching element 54, and the shunt resistor 55.
  • the switching elements 52 and 53 are conducted by the drive signals S2 and S3, and the current flows in the order of the switching element 53, the single-phase motor 12, the switching element 52, and the shunt resistor 55. In either case, power is supplied from the battery 10 to the single-phase motor 12. Further, in either case, a current flows through the shunt resistor 55.
  • FIGS. 11 and 12 are switching patterns in which drive signals S1 and S3 or drive signals S2 and S4 are turned on at the same time to cause reflux (also referred to as “flywheel”).
  • the switching elements 51 and 53 are conducted by the drive signals S1 and S3, and the flywheel current flowing out of the single-phase motor 12 returns to the single-phase motor 12 via the switching element 51 and the switching element 53.
  • the switching elements 52 and 54 are conducted by the drive signals S2 and S4, and the flywheel current flowing out from the single-phase motor 12 is transmitted to the single-phase motor 12 via the switching element 54 and the switching element 52. Return. What is characteristic of these operations is that no current flows through the shunt resistor 55 in both the switching patterns of FIGS. 11 and 12.
  • FIGS. 13 and 14 are operations when the energy of the single-phase motor 12 is regenerated into the battery 10.
  • the switching elements 51 and 54 are conducted by the drive signals S1 and S4, and the regenerative current flowing out from the single-phase motor 12 is the switching element 51, the battery 10 (not shown in FIG. 13), the shunt resistor 55, and the switching element 54. Via, it returns to the single-phase motor 12.
  • the switching elements 52 and 53 are conducted by the drive signals S2 and S3, and the regenerative current flowing out from the single-phase motor 12 is the switching element 53, the battery 10 (not shown in FIG. 14), the shunt resistor 55, and the switching element. It returns to the single-phase motor 12 via 52. In either case, a current flows through the shunt resistor 55.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of the current detection unit 22 shown in FIG.
  • the current detection unit 22 includes an amplifier circuit 70, a level shift circuit 71, and a protection unit 74. Further, the protection unit 74 includes a comparator 74a.
  • the protection unit 74 is a configuration unit that generates a protection signal Sps. That is, a protection function is added to the current detection unit 22 shown in FIG.
  • the amplifier circuit 70 amplifies the voltage across the shunt resistor 55 generated by the shunt current Idc flowing through the shunt resistor 55.
  • the shunt resistor 55 is a current detector that detects the shunt current Idc flowing through the shunt resistor 55.
  • the output value of the shunt resistor 55 is a voltage value. That is, the shunt resistor 55 is a detector that detects a physical quantity corresponding to the shunt current Idc flowing through the shunt resistor 55. Since the shunt resistor 55 is arranged in the current path from the battery 10 to the single-phase motor 12, it is desirable that the shunt resistor 55 has a minute resistance value in consideration of loss and heat generation. Therefore, when the shunt current Idc flows, the voltage across the shunt resistor 55 becomes an extremely low value. Therefore, it is desirable to provide the amplifier circuit 70 as shown in FIG.
  • the level shift circuit 71 shifts the output level of the amplifier circuit 70 so that the output signal of the level shift circuit 71 becomes a level that can be input to the processor 31.
  • a typical example of the processor 31 is a microcomputer.
  • the microcomputer is generally designed to detect a positive voltage of about 0 to 5 V, and does not support a negative voltage of up to 5 V.
  • the direction of the current flowing through the shunt resistor 55 changes.
  • a negative voltage may be generated depending on the polarity of the current. Therefore, for example, when the maximum value of the output voltage of the microcomputer is 5V, an offset of about 2.5V is provided to set the zero point. Then, 0 to 2.5V is a negative voltage, and 2.5V to 5V is a positive voltage.
  • the level shift circuit 71 is responsible for this function.
  • the level shift circuit 71 By providing the level shift circuit 71, it is possible to input to an AD input terminal (not shown) of the processor 31. Further, the processor 31 can detect positive and negative currents by converting the output of the level shift circuit 71, which is a voltage value, into a current value. The processor 31 may perform positive / negative inversion processing with 0 to 2.5 V as a positive voltage and 2.5 V to 5 V as a negative voltage.
  • the protection unit 74 generates and outputs a protection signal Sps based on the amplification signal amplified by the amplifier circuit 70. Specifically, the protection unit 74 compares the level of the amplification signal output from the amplifier circuit 70 with the protection threshold value Vth by the comparator 74a, and if the level of the amplification signal is larger than the protection threshold value Vth, the protection signal Sps is set. Generate. The protection signal Sps is input to the processor 31. When the processor 31 receives the protection signal Sps, the processor 31 stops the generation of each PWM signal for driving each switching element of the inverter 11 in order to protect the inverter 11.
  • FIG. 16 is a diagram showing several types of waveform examples used for explaining the main points of control in the embodiment.
  • the upper part of FIG. 16 shows an example of waveforms of PWM signals Q1 to Q4 when PWM controlling the inverter 11.
  • the waveform of the shunt current Idc that flows when the inverter 11 is operated by the PWM signals Q1 to Q4 shown in the upper part is shown.
  • the lower part of FIG. 18 shows the waveform of the motor-induced voltage induced in the single-phase motor 12 when the voltage generated by the PWM signals Q1 to Q4 shown in the upper part is applied to the single-phase motor 12.
  • the pulse is defined as follows.
  • the "pulse” is "a section in which a value of 0 level takes a positive or negative value, and the value returns to 0 level again after a certain period of time while changing the value”.
  • the width of the section is called “pulse width”. It should be noted that the "0 level” does not mean a completely zero level. Since there is also the influence of noise during actual operation, it is permissible to define “0 level” when there is a slight fluctuation around the 0 point, or when the value is within a predetermined threshold value. Absent.
  • the motor efficiency which is the operating efficiency of the single-phase motor 12, depends on the motor-induced voltage that changes depending on the rotation angle of the rotor. Specifically, when the waveform of the motor induced voltage is large, if a large current is passed through the motor winding, the motor efficiency is improved. However, if the current is constantly applied, the current becomes excessive, and the switching element may generate heat to cause thermal runaway or the switching element may be damaged. Therefore, it is a desirable embodiment to pass a current at an optimum timing.
  • the optimum timing means the timing at which the active power supplied to the single-phase motor 12 increases.
  • the power supply half cycle is the period from when the shunt current Idc is commutated in the negative direction to when it is commutated in the negative direction.
  • the electric half cycle is also the period from the commutation of the motor current Im to the next commutation. Therefore, the electric half cycle may be rephrased as "a period in which the polarities of the motor currents are the same".
  • the pulse that appears at the beginning of the electric half cycle is called the "first pulse”
  • the pulse that appears at the end of the electric half cycle is called the "second pulse”.
  • the pulsed waveform sequence that repeats every half cycle of the power supply includes the first pulse that appears at the beginning of the half cycle of electricity, the second pulse that appears at the end of the half cycle of power supply, and the first of these. It can be divided into a pulse train consisting of a plurality of pulses appearing between the second pulse and the second pulse.
  • the example shown in FIG. 16 is one of the preferable examples in which the motor shaft output can be increased. Comparing the waveform of the shunt current Idc with the waveform of the motor-induced voltage, it can be seen that the peak of the motor-induced voltage, which is the peak of the motor-induced voltage waveform, comes between the first pulse and the second pulse. In other words, the pulse train comes near the apex of the motor-induced voltage. Focusing on each pulse in the pulse train, at least one pulse has a larger pulse width than the second pulse. If controlled in this way, the single-phase motor 12 can be efficiently driven while limiting the current flowing through the switching elements 51 to 54. This makes it possible to improve the motor efficiency while preventing thermal runaway and damage to the switching elements 51 to 54. As is clear from the waveform of FIG. 16, since it is obvious that the on-time of the first pulse becomes long, it is excluded from the comparison target.
  • FIG. 17 is a diagram showing an operation curve used for explaining the operation in the embodiment.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents rotation speed N.
  • an operation curve having an acceleration section in which the rotation speed N is increased after startup and a steady section in which the increased rotation speed N is maintained. It is common to operate according to.
  • the motor shaft output may be insufficient in the acceleration section in which the single-phase motor 12 is accelerated. Therefore, in the present embodiment, the pulse width of at least one of the pulses of the pulse train appearing between the first pulse and the second pulse is made larger than the pulse width of the second pulse. Controls switching elements 51 to 54. By controlling in this way, the motor shaft output in the acceleration section can be secured, so that the single-phase motor can be driven efficiently.
  • control may be performed based on the pulse area, which is the area of the portion surrounded by the line representing the waveform of each pulse of the shunt current Idc and the 0 level line. Specifically, the pulse area of at least one of the pulses of the pulse train consisting of a plurality of pulses appearing between the first pulse and the second pulse becomes larger than the pulse area of the second pulse. To control. Even with this control, the motor shaft output in the acceleration section can be secured, so that the single-phase motor can be driven efficiently.
  • the control unit conducts the first to fourth switching elements so that the physical quantity detected by the current detector becomes a pulse-shaped waveform sequence.
  • the first control for controlling the above is performed.
  • a first pulse, a second pulse, and a pulse train including a plurality of pulses appear in the pulse-shaped waveform train.
  • the pulse width of at least one pulse in the pulse train is controlled to be larger than the pulse width of the second pulse.
  • the first pulse is a pulse that appears at the beginning of a period in which the polarities of the motor currents flowing through the single-phase motor are the same.
  • the second pulse is a pulse having the same polarity as the first pulse that appears at the end of the period.
  • the pulse train is a pulse train that appears between the first pulse and the second pulse.
  • the control unit receives the pulse of at least one of the pulses of the pulse train.
  • a second control for controlling the continuity of the first to fourth switching elements is performed so that the pulse area is larger than the pulse area of the second pulse.
  • the first and second controls can be performed in at least a part of the operating section for accelerating the single-phase motor. In the section where the single-phase motor is accelerated, the shaft output of the single-phase motor tends to be insufficient. Therefore, if any of the first and second controls is performed in the section in which the single-phase motor is accelerated, the required motor shaft output can be reliably obtained.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of a vacuum cleaner 61 including the motor drive device 2 according to the embodiment.
  • the vacuum cleaner 61 includes a battery 10 shown in FIG. 1, a motor driving device 2 shown in FIG. 1, an electric blower 64 driven by a single-phase motor 12 shown in FIG. 1, a dust collecting chamber 65, and the dust collecting chamber 65. It includes a sensor 68, a suction port body 63, an extension pipe 62, and an operation unit 66.
  • the user who uses the vacuum cleaner 61 has an operation unit 66 and operates the vacuum cleaner 61.
  • the motor drive device 2 of the vacuum cleaner 61 drives the electric blower 64 using the battery 10 as a power source. By driving the electric blower 64, dust is sucked from the suction port 63. The sucked dust is collected in the dust collecting chamber 65 via the extension pipe 62.
  • the vacuum cleaner 61 is a product in which the rotation speed of the single-phase motor 12 fluctuates from 0 [rpm] to over 100,000 [rpm].
  • a single-phase motor 12 drives a product rotating at high speed, a high carrier frequency is required, so that it is difficult to adjust the A / D conversion timing by the conventional current detection method, and the switching time is shortened. Since the detection becomes more difficult, the control method according to the above-described embodiment is suitable.
  • the control unit 25 receives the first switching element of the upper arm and the second switching element of the lower arm in one half cycle of the cycle of the voltage command.
  • the switching operation with the switching element is suspended, and the switching operation between the third switching element of the upper arm and the fourth switching element of the lower arm is suspended in the other half cycle of the voltage command cycle.
  • the vacuum cleaner 61 according to the embodiment can be made smaller and lighter by simplifying the heat radiating parts described above. Further, since the vacuum cleaner 61 does not require a current sensor for detecting a current and does not require a high-speed analog-to-digital converter, it is possible to realize the vacuum cleaner 61 in which an increase in design cost and manufacturing cost is suppressed. ..
  • FIG. 19 is a configuration diagram of a hand dryer 90 including the motor drive device 2 according to the embodiment.
  • the hand dryer 90 includes a motor drive device 2, a casing 91, a hand detection sensor 92, a water receiving unit 93, a drain container 94, a cover 96, a sensor 97, an intake port 98, and an electric blower 95.
  • the sensor 97 is either a gyro sensor or a motion sensor.
  • the hand dryer 90 when the hand is inserted into the hand insertion portion 99 above the water receiving portion 93, the water is blown off by the blown air by the electric blower 95, and the blown water is collected by the water receiving portion 93. After being drained, it is stored in the drain container 94.
  • the hand dryer 90 is a product in which the motor rotation speed fluctuates from 0 [rpm] to over 100,000 [rpm], similar to the vacuum cleaner 61 shown in FIG. Therefore, also in the hand dryer 90, the control method according to the above-described embodiment is suitable, and the same effect as that of the electric vacuum cleaner 61 can be obtained.
  • the motor drive device 2 can be widely applied to electric devices on which a motor is mounted.
  • Examples of electrical equipment equipped with motors are incinerators, crushers, dryers, dust collectors, printing machines, cleaning machines, confectionery machines, tea making machines, woodworking machines, plastic extruders, cardboard machines, packaging machines, hot air generators. , OA equipment, and electric blowers.
  • the electric blower is a blower means for transporting an object, collecting dust, or for general blowing and exhausting.
  • PWM signals Q1 to Q4 are generated in comparison with the carrier, but the method is not limited to this method.
  • the PWM signals Q1 to Q4 may be generated by time management, and the PWM signals Q1 to Q4 may be generated by arithmetic processing by the processor 31.

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Abstract

モータ駆動装置（２）は、スイッチング素子（５１，５２）が直列に接続されたレグ（５Ａ）と、スイッチング素子（５３，５４）が直列に接続されたレグ（５Ｂ）とがバッテリ（１０）に並列に接続され、バッテリ（１０）から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ（１１）と、インバータ（１１）とバッテリ（１０）との間の経路に配置されるシャント抵抗（５５）と、を備える。モータ駆動装置（２）は、シャント抵抗（５５）の検出値の波形が、パルス状の波形列となるように第１から第４のスイッチング素子の導通を制御する。この制御によって、パルス状の波形列には、第１のパルスと、第１のパルスと同じ極性の第２のパルスと、複数のパルスからなるパルス列とが表れ、パルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス幅は、第２のパルスのパルス幅よりも大きくなるように制御される。

Description

モータ駆動装置、電気掃除機及び手乾燥機
　本発明は、単相モータを駆動するモータ駆動装置、並びにそれを備えた電気掃除機及び手乾燥機に関する。
　従来、単相モータを駆動するインバータにおいて、インバータから単相モータに流れるモータ電流を検出するためにインバータの２つのレグの各下側スイッチング素子同士の低電位側の接続点と直流電源の負極側端子との間に、電流検出手段であるシャント抵抗を設ける構成が開示されている。この構成は、「１シャント方式」と呼ばれる構成である。
特開２０１７－２００４３３号公報
　上記特許文献１では、電流に閾値を設けて単相モータへの通電を切り替えている。しかしながら、この方法では、電流の大きさのみが考慮され、モータ軸出力については考慮されていない。このため、単相モータを効率良く駆動することができないという課題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単相モータを効率良く駆動することができるモータ駆動装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るモータ駆動装置は、インバータ及び電流検出器を備える。インバータは、上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とが直列に接続された第１のレグと、上アームの第３のスイッチング素子と下アームの第４のスイッチング素子とが直列に接続された第２のレグとを備える。第１のレグ及び第２のレグは、直流電源に並列に接続される。インバータは、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して単相モータに供給する。電流検出器は、インバータと直流電源との間の経路に配置される。モータ駆動装置は、電流検出器によって検出される物理量がパルス状の波形列となるように第１から第４のスイッチング素子の導通を制御する第１の制御を実施する。単相モータに流れるモータ電流の極性が同一である期間におけるパルス状の波形列は、当該期間の最初に表れる第１のパルスと、当該期間の最後に表れる、第１のパルスと同じ極性の第２のパルスと、第１のパルスと第２のパルスとの間に表れる複数のパルスからなるパルス列とに区分される。第１の制御によって、パルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス幅は、第２のパルスのパルス幅よりも大きくなる。
　本発明に係るモータ駆動装置によれば、単相モータを効率良く駆動することができるという効果を奏する。
実施の形態に係るモータ駆動装置を含むモータ駆動システムの構成図 図１に示されるインバータの回路図 図１に示される制御部の機能部位のうちのパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）信号を生成する機能部位を示すブロック図 図３に示されるキャリア比較部の一例を示すブロック図 図４に示されるキャリア比較部における要部の波形例を示すタイムチャート 図４に示されるキャリア比較部へ入力される進角位相を算出するための機能構成を示すブロック図 実施の形態における進角位相の算出方法の一例を示す図 図４に示される電圧指令と進角位相との関係の説明に使用するタイムチャート バッテリから単相モータへ電力が供給されるときの電流経路の１つを図２に示した図 バッテリから単相モータへ電力が供給されるときの電流経路のもう１つを図２に示した図 インバータがフライホイール動作するときの電流経路の１つを図２に示した図 インバータがフライホイール動作するときの電流経路のもう１つを図２に示した図 単相モータのエネルギーがバッテリに回生されるときの電流経路の１つを図２に示した図 単相モータのエネルギーがバッテリに回生されるときの電流経路のもう１つを図２に示した図 図１に示される電流検出部の構成例を示す図 実施の形態における制御の要点の説明に使用する数種の波形例を示す図 実施の形態における動作の説明に使用する動作曲線を示す図 実施の形態に係るモータ駆動装置を備えた電気掃除機の構成図 実施の形態に係るモータ駆動装置を備えた手乾燥機の構成図
　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置、電気掃除機及び手乾燥機について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下では、電気的な接続と物理的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。
実施の形態．
　図１は、実施の形態に係るモータ駆動装置２を含むモータ駆動システム１の構成図である。図１に示すモータ駆動システム１は、単相モータ１２と、モータ駆動装置２と、バッテリ１０と、電圧センサ２０とを備える。
　モータ駆動装置２は、単相モータ１２に交流電力を供給して単相モータ１２を駆動する。バッテリ１０は、モータ駆動装置２に直流電力を供給する直流電源である。電圧センサ２０は、バッテリ１０からモータ駆動装置２に出力される直流電圧Ｖｄｃを検出する。
　単相モータ１２は、不図示の電動送風機を回転させる回転電機として利用される。単相モータ１２及び当該電動送風機は、電気掃除機及び手乾燥機といった装置に搭載される。
　なお、本実施の形態では電圧センサ２０が直流電圧Ｖｄｃを検出しているが、電圧センサ２０の検出対象は、バッテリ１０から出力される直流電圧Ｖｄｃに限定されない。電圧センサ２０の検出対象は、インバータ１１から出力される交流電圧であるインバータ出力電圧でもよい。「インバータ出力電圧」はモータ駆動装置２の出力電圧であり、後述する「モータ印加電圧」と同義である。
　モータ駆動装置２は、インバータ１１と、電流検出部２２と、制御部２５と、駆動信号生成部３２とを備える。インバータ１１は、バッテリ１０から供給される直流電力を交流電力に変換して単相モータ１２に供給することで、単相モータ１２を駆動する。なお、インバータ１１は、単相インバータを想定しているが、単相モータ１２を駆動できるものであればよい。また、図１には図示しないが、バッテリ１０とインバータ１１の間に、電圧安定化のためのコンデンサを挿入してもよい。
　電流検出部２２は、モータ電流Ｉｍを復元するための電流信号Ｉｍａ、及び保護信号Ｓｐｓを生成して出力する。なお、電流信号Ｉｍａについては、電流信号と記載しているが、電圧値に変換された電圧信号を用いてもよい。
　制御部２５には、電圧振幅指令Ｖ*と、電圧センサ２０により検出された直流電圧Ｖｄｃと、電流検出部２２により検出された電流信号Ｉｍａと、保護信号Ｓｐｓと、動作モード信号Ｓｍｓとが入力される。電圧振幅指令Ｖ*は、後述する電圧指令Ｖｍの振幅値である。制御部２５は、電圧振幅指令Ｖ*及び直流電圧Ｖｄｃに基づいて、ＰＷＭ信号Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４（以下、「Ｑ１～Ｑ４」と表記）を生成する。このＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４によってインバータ出力電圧が制御され、単相モータ１２に所望の電圧が印加される。また、制御部２５は、保護信号Ｓｐｓに基づいて、インバータ１１のスイッチング素子の動作を停止するＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を生成する。このＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４によってインバータ１１は動作を停止し、単相モータ１２への電力供給は遮断される。また、制御部２５は、動作モード信号Ｓｍｓに基づいて、制御部２５の動作モードを切り替える。なお、動作モードの切替の詳細は、後述する。
　駆動信号生成部３２は、制御部２５から出力されたＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を、インバータ１１を駆動するための駆動信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に変換して、インバータ１１に出力する。
　制御部２５は、プロセッサ３１、キャリア生成部３３及びメモリ３４を有する。プロセッサ３１は、上述したＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を生成する。プロセッサ３１は、ＰＷＭ制御に関する演算処理に加え、進角制御に関する演算処理も行う。後述するキャリア比較部３８、回転速度算出部４２及び進角位相算出部４４の各機能は、プロセッサ３１によって実現される。プロセッサ３１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、マイクロプロセッサ、マイコン、マイクロコンピュータ又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と称されるものでもよい。
　メモリ３４には、プロセッサ３１によって読みとられるプログラムが保存される。メモリ３４は、プロセッサ３１が演算処理を行う際の作業領域として使用される。メモリ３４は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが一般的である。キャリア生成部３３の構成の詳細は後述する。
　単相モータ１２の一例は、ブラシレスモータである。単相モータ１２がブラシレスモータである場合、単相モータ１２のロータ１２ａには、図示しない複数個の永久磁石が周方向に配列される。これらの複数個の永久磁石は、着磁方向が周方向に交互に反転するように配置され、ロータ１２ａの複数個の磁極を形成する。単相モータ１２のステータ１２ｂには図示しない巻線が巻かれている。当該巻線には，モータ電流が流れる。なお、本実施の形態では、ロータ１２ａの磁極数は４極を想定するが、４極以外でもよい。
　図２は、図１に示されるインバータ１１の回路図である。インバータ１１は、ブリッジ接続される複数のスイッチング素子５１，５２，５３，５４（以下、「５１～５４」と表記）を有する。
　スイッチング素子５１，５２は、第１のレグであるレグ５Ａを構成する。レグ５Ａは、第１のスイッチング素子であるスイッチング素子５１と、第２のスイッチング素子であるスイッチング素子５２とが直列に接続された直列回路である。
　スイッチング素子５３，５４は、第２のレグであるレグ５Ｂを構成する。レグ５Ｂは、第３のスイッチング素子であるスイッチング素子５３と、第４のスイッチング素子であるスイッチング素子５４とが直列に接続された直列回路である。
　レグ５Ａ，５Ｂは、高電位側の直流母線１６ａと低電位側の直流母線１６ｂとの間に、互いに並列になるように接続される。これにより、レグ５Ａ，５Ｂは、バッテリ１０の両端に並列に接続される。
　スイッチング素子５１，５３は、高電位側に位置し、スイッチング素子５２，５４は、低電位側に位置する。一般的に、インバータ回路では、高電位側は「上アーム」と称され、低電位側は「下アーム」と称される。よって、レグ５Ａのスイッチング素子５１を「上アームの第１のスイッチング素子」と呼び、レグ５Ａのスイッチング素子５２を「下アームの第２のスイッチング素子」と呼ぶ場合がある。同様に、レグ５Ｂのスイッチング素子５３を「上アームの第３のスイッチング素子」と呼び、レグ５Ｂのスイッチング素子５４を「下アームの第４のスイッチング素子」と呼ぶ場合がある。
　スイッチング素子５１とスイッチング素子５２との接続点６Ａと、スイッチング素子５３とスイッチング素子５４との接続点６Ｂとは、ブリッジ回路における交流端を構成する。接続点６Ａと接続点６Ｂとの間には、単相モータ１２が接続される。
　スイッチング素子５１～５４のそれぞれには、金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタであるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が使用される。ＭＯＳＦＥＴは、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の一例である。
　スイッチング素子５１には、スイッチング素子５１のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード５１ａが形成される。スイッチング素子５２には、スイッチング素子５２のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード５２ａが形成される。スイッチング素子５３には、スイッチング素子５３のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード５３ａが形成される。スイッチング素子５４には、スイッチング素子５４のドレインとソースとの間に並列接続されるボディダイオード５４ａが形成される。複数のボディダイオード５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａのそれぞれは、ＭＯＳＦＥＴの内部に形成される寄生ダイオードであり、還流ダイオードとして使用される。なお、別途の環流ダイオードを接続してもよい。また、ＭＯＳＦＥＴに代えて絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）を用いてもよい。
　スイッチング素子５１～５４は、シリコン系材料により形成されたＭＯＳＦＥＴに限定されず、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ（Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ　Ｇａｐ：ＷＢＧ）半導体により形成されたＭＯＳＦＥＴでもよい。
　一般的にＷＢＧ半導体はシリコン半導体に比べて耐電圧及び耐熱性が高い。そのため、複数のスイッチング素子５１～５４にＷＢＧ半導体を用いることにより、スイッチング素子の耐電圧性及び許容電流密度が高くなり、スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化できる。また、ＷＢＧ半導体は、耐熱性も高いため、半導体モジュールで発生した熱を放熱するための放熱部の小型化が可能であり、また半導体モジュールで発生した熱を放熱する放熱構造の簡素化が可能である。
　また、図２において、低電位側の直流母線１６ｂには、シャント抵抗５５が挿入されている。シャント抵抗５５は、インバータ１１と、図２では図示しないバッテリ１０との間の経路に配置される。シャント抵抗５５は、インバータ１１とバッテリ１０との間に流れる直流電流を検出するための検出器である。シャント抵抗５５及び電流検出部２２は、「電流検出手段」を構成する。また、シャント抵抗５５は、電流検出手段における「電流検出器」を構成する。
　なお、シャント抵抗５５は、インバータ１１とバッテリ１０との間に流れる直流電流を検出できるものであればよく、図２のものに限定されない。シャント抵抗５５は、直流母線１６ａに挿入されるものであってもよい。
　図３は、図１に示される制御部２５の機能部位のうちのＰＷＭ信号を生成する機能部位を示すブロック図である。
　図３において、キャリア比較部３８には、後述する電圧指令Ｖｍを生成するときに用いる進角制御された進角位相θｖと基準位相θｅとが入力される。基準位相θｅは、ロータ１２ａの基準位置からの角度であるロータ機械角θｍを電気角に換算した位相である。なお、本実施の形態に係るモータ駆動装置は、位置センサからの位置センサ信号を用いない、いわゆる位置センサレス駆動の構成である。このため、ロータ機械角θｍ及び基準位相θｅは、演算によって推定される。また、ここで言う「進角位相」とは、電圧指令の「進み角」である「進角」を位相で表したものである。更に、ここで言う「進み角」とは、ステータ１２ｂの巻線に印加されるモータ印加電圧と、ステータ１２ｂの巻線に誘起されるモータ誘起電圧との間の位相差である。なお、モータ印加電圧がモータ誘起電圧よりも進んでいるときに「進み角」は正の値をとる。
　また、キャリア比較部３８には、進角位相θｖと基準位相θｅとに加え、キャリア生成部３３で生成されたキャリアと、直流電圧Ｖｄｃと、電圧指令Ｖｍの振幅値である電圧振幅指令Ｖ*とが入力される。キャリア比較部３８は、キャリア、進角位相θｖ、基準位相θｅ、直流電圧Ｖｄｃ及び電圧振幅指令Ｖ*に基づいて、ＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を生成する。
　図４は、図３に示されるキャリア比較部３８の一例を示すブロック図である。図４には、キャリア比較部３８及びキャリア生成部３３の詳細構成が示されている。
　図４において、キャリア生成部３３には、キャリアの周波数であるキャリア周波数ｆＣ［Ｈｚ］が設定される。キャリア周波数ｆＣの矢印の先には、キャリア波形の一例として、“０”と“１”との間を上下する三角波キャリアが示される。インバータ１１のＰＷＭ制御には、同期ＰＷＭ制御と非同期ＰＷＭ制御とがある。同期ＰＷＭ制御の場合、進角位相θｖにキャリアを同期させる必要がある。一方、非同期ＰＷＭ制御の場合、進角位相θｖにキャリアを同期させる必要はない。
　キャリア比較部３８は、図４に示されるように、絶対値演算部３８ａ、除算部３８ｂ、乗算部３８ｃ、乗算部３８ｋ、加算部３８ｍ、加算部３８ｎ、比較部３８ｇ、比較部３８ｈ、出力反転部３８ｉ及び出力反転部３８ｊを有する。
　絶対値演算部３８ａでは、電圧振幅指令Ｖ*の絶対値｜Ｖ*｜が演算される。除算部３８ｂでは、絶対値｜Ｖ*｜が、電圧センサ２０で検出された直流電圧Ｖｄｃによって除算される。図４の構成では、除算部３８ｂの出力が変調率となる。バッテリ１０の出力電圧であるバッテリ電圧は、電流を流し続けることにより変動する。一方、絶対値｜Ｖ*｜を直流電圧Ｖｄｃで除算することにより、変調率の値を調整し、バッテリ電圧の低下によってモータ印加電圧が低下しないようにできる。
　乗算部３８ｃでは、基準位相θｅに進角位相θｖを加えた“θｅ＋θｖ”の正弦値が演算される。演算された“θｅ＋θｖ”の正弦値は、除算部３８ｂの出力である変調率に乗算される。乗算部３８ｋでは、乗算部３８ｃの出力である電圧指令Ｖｍに“－１”が乗算される。加算部３８ｍでは、乗算部３８ｃの出力である電圧指令Ｖｍに“１”が加算される。加算部３８ｎでは、乗算部３８ｋの出力、即ち電圧指令Ｖｍの反転出力に“１”が加算される。加算部３８ｍの出力は、複数のスイッチング素子５１～５４のうち、上アームの２つのスイッチング素子５１，５３を駆動するための第１電圧指令Ｖｍ１として比較部３８ｇに入力される。加算部３８ｎの出力は、下アームの２つのスイッチング素子５２，５４を駆動するための第２電圧指令Ｖｍ２として比較部３８ｈに入力される。
　比較部３８ｇでは、第１電圧指令Ｖｍ１と、キャリアの振幅とが比較される。比較部３８ｇの出力を反転した出力反転部３８ｉの出力は、スイッチング素子５１へのＰＷＭ信号Ｑ１となり、比較部３８ｇの出力は、スイッチング素子５２へのＰＷＭ信号Ｑ２となる。同様に、比較部３８ｈでは、第２電圧指令Ｖｍ２と、キャリアの振幅とが比較される。比較部３８ｈの出力を反転した出力反転部３８ｊの出力は、スイッチング素子５３へのＰＷＭ信号Ｑ３となり、比較部３８ｈの出力は、スイッチング素子５４へのＰＷＭ信号Ｑ４となる。出力反転部３８ｉにより、スイッチング素子５１とスイッチング素子５２とが同時にオンされることはなく、出力反転部３８ｊにより、スイッチング素子５３とスイッチング素子５４とが同時にオンされることはない。
　図５は、図４に示されるキャリア比較部３８における要部の波形例を示すタイムチャートである。図５には、加算部３８ｍから出力される第１電圧指令Ｖｍ１の波形と、加算部３８ｎから出力される第２電圧指令Ｖｍ２の波形と、ＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４の波形と、インバータ出力電圧の波形とが示されている。なお、図５では、便宜的に、キャリアのピーク値よりも振幅値が大きくなる第１電圧指令Ｖｍ１の波形部分と、キャリアのピーク値よりも振幅値が大きくなる第２電圧指令Ｖｍ２の波形部分は、フラットな直線で表されている。
　ＰＷＭ信号Ｑ１は、第１電圧指令Ｖｍ１がキャリアよりも大きいときに“ロー（Ｌｏｗ）”となり、第１電圧指令Ｖｍ１がキャリアよりも小さいときに“ハイ（Ｈｉｇｈ）”となる。ＰＷＭ信号Ｑ２は、ＰＷＭ信号Ｑ１の反転信号である。ＰＷＭ信号Ｑ３は、第２電圧指令Ｖｍ２がキャリアよりも大きいときに“ロー（Ｌｏｗ）”となり、第２電圧指令Ｖｍ２がキャリアよりも小さいときに“ハイ（Ｈｉｇｈ）”となる。ＰＷＭ信号Ｑ４は、ＰＷＭ信号Ｑ３の反転信号である。このように、図４に示される回路は、“ローアクティブ（Ｌｏｗ　Ａｃｔｉｖｅ）”で構成されているが、それぞれの信号が逆の値となる“ハイアクティブ（Ｈｉｇｈ　Ａｃｔｉｖｅ）”で構成されていてもよい。
　インバータ出力電圧の波形は、図５に示されるように、ＰＷＭ信号Ｑ１とＰＷＭ信号Ｑ４との差電圧による電圧パルスと、ＰＷＭ信号Ｑ３とＰＷＭ信号Ｑ２との差電圧による電圧パルスとが表れる。これらの電圧パルスが、モータ印加電圧として、単相モータ１２に印加される。
　図５に示される波形では、電圧指令Ｖｍの１周期Ｔのうちの一方の半周期では、スイッチング素子５１，５２のスイッチング動作が休止し、電圧指令Ｖｍの１周期Ｔのうちの他方の半周期では、スイッチング素子５３，５４のスイッチング動作が休止している。
　また、図５に示される波形では、電圧指令Ｖｍの１周期Ｔのうちの一方の半周期では、スイッチング素子５２は常時オン状態となるように制御され、電圧指令Ｖｍの１周期Ｔのうちの他方の半周期では、スイッチング素子５４は常時オン状態となるように制御される。なお、図５は一例であり、一方の半周期では、スイッチング素子５１が常時オン状態となるように制御され、他方の半周期では、スイッチング素子５３が常時オン状態となるように制御される場合も有り得る。即ち、図５に示される波形には、電圧指令Ｖｍの半周期において、スイッチング素子５１～５４のうちの少なくとも１つがオン状態となるように制御されるという特徴がある。
　ＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を生成する際に使用する変調方式としては、バイポーラ変調と、ユニポーラ変調とが知られている。バイポーラ変調は、電圧指令Ｖｍの１周期ごとに正又は負の電位で変化する電圧パルスを出力する変調方式である。ユニポーラ変調は、電圧指令Ｖｍの１周期ごとに３つの電位で変化する電圧パルス、すなわち正の電位と負の電位と零の電位とに変化する電圧パルスを出力する変調方式である。図５に示されるインバータ出力電圧の波形は、ユニポーラ変調によるものである。本実施の形態のモータ駆動装置２においては、何れの変調方式を用いてもよい。なお、モータ電流波形をより正弦波に制御する必要がある用途では、バイポーラ変調よりも、高調波含有率が少ないユニポーラ変調を採用することが好ましい。
　次に、本実施の形態における進角制御について、図６から図８の図面を参照して説明する。図６は、図４に示されるキャリア比較部３８へ入力される進角位相θｖを算出するための機能構成を示すブロック図である。図７は、実施の形態における進角位相θｖの算出方法の一例を示す図である。図８は、図４に示される電圧指令Ｖｍと進角位相θｖとの関係の説明に使用するタイムチャートである。
　進角位相θｖの算出機能は、図６に示されるように、回転速度算出部４２と、進角位相算出部４４とによって実現できる。回転速度算出部４２は、電流検出部２２によって検出された電流信号Ｉｍａに基づいて単相モータ１２の回転速度ωを算出する。また、回転速度算出部４２は、電流信号Ｉｍａに基づいて、ロータ１２ａの基準位置からの角度であるロータ機械角θｍを算出すると共に、ロータ機械角θｍを電気角に換算した基準位相θｅを算出する。
　ここで、図８の最上段部には、ロータ１２ａの位置が信号レベルで表されている。最上段部の波形において、信号が「Ｈ」から「Ｌ」に立ち下がるエッジの部分がロータ１２ａの基準位置とされており、この基準位置がロータ機械角θｍの「０°」に設定されている。また、ロータ機械角θｍを表す数値列の下部には、ロータ機械角θｍを電気角に換算した位相である基準位相θｅが示されている。進角位相算出部４４は、回転速度算出部４２が算出した回転速度ω及び基準位相θｅに基づいて、進角位相θｖを算出する。
　図７の横軸には回転速度Ｎが示され、図７の縦軸には進角位相θｖが示されている。図７に示されるように、進角位相θｖは、回転速度Ｎの増加に対して進角位相θｖが増加する関数を用いて決定することができる。図７の例では、１次の線形関数により進角位相θｖを決定しているが、１次の線形関数に限定されない。回転速度Ｎの増加に応じて進角位相θｖが同じか、もしくは大きくなる関係であれば、１次の線形関数以外の関数を用いてもよい。
　図８の中段部には、「例１」及び「例２」として、２つの電圧指令Ｖｍの波形例が示されている。また、図８の最下段部には、ロータ１２ａが時計方向に回転したときのロータ機械角θｍが０°、４５°、９０°、１３５°及び１８０°である状態が示されている。単相モータ１２のロータ１２ａには４つの磁石が設けられ、ロータ１２ａの外周には４つのティース１２ｂ１が設けられている。ロータ１２ａが時計方向に回転した場合、電流信号Ｉｍａに基づいてロータ機械角θｍが推定され、推定されたロータ機械角θｍに基づいて、電気角に換算した基準位相θｅが算出される。
　図８の中段部において、「例１」として示される電圧指令Ｖｍは、進角位相θｖ＝０の場合の電圧指令である。進角位相θｖ＝０の場合、基準位相θｅと同相の電圧指令Ｖｍが出力される。なお、このときの電圧指令Ｖｍの振幅は、前述した電圧振幅指令Ｖ*に基づいて決定される。
　また、図８の中段部において、「例２」として示される電圧指令Ｖｍは、進角位相θｖ＝π／４の場合の電圧指令である。進角位相θｖ＝π／４の場合、基準位相θｅから進角位相θｖの成分であるπ／４進めた電圧指令Ｖｍが出力される。
　次に、インバータ１１の動作パターンについて、図９から図１４の図面を参照して説明する。図９は、バッテリ１０から単相モータ１２へ電力が供給されるときの電流経路の１つを図２に示した図である。図１０は、バッテリ１０から単相モータ１２へ電力が供給されるときの電流経路のもう１つを図２に示した図である。図１１は、インバータ１１がフライホイール動作するときの電流経路の１つを図２に示した図である。図１２は、インバータ１１がフライホイール動作するときの電流経路のもう１つを図２に示した図である。図１３は、単相モータ１２のエネルギーがバッテリ１０に回生されるときの電流経路の１つを図２に示した図である。図１４は、単相モータ１２のエネルギーがバッテリ１０に回生されるときの電流経路のもう１つを図２に示した図である。
　まず、図９では、駆動信号Ｓ１，Ｓ４により、スイッチング素子５１，５４が導通し、スイッチング素子５１、単相モータ１２、スイッチング素子５４、シャント抵抗５５の順で電流が流れる。また、図１０では、駆動信号Ｓ２，Ｓ３により、スイッチング素子５２，５３が導通し、スイッチング素子５３、単相モータ１２、スイッチング素子５２、シャント抵抗５５の順で電流が流れる。何れの場合も、バッテリ１０から単相モータ１２への電力供給が行われる。また、何れの場合も、シャント抵抗５５に電流が流れる。
　次に、図１１及び図１２について説明する。図１１及び図１２は、駆動信号Ｓ１，Ｓ３又は駆動信号Ｓ２，Ｓ４を同時にオンさせることで、還流（「フライホイール」とも言う）させるスイッチングパターンである。図１１では、駆動信号Ｓ１，Ｓ３により、スイッチング素子５１，５３が導通し、単相モータ１２から流れ出るフライホイール電流は、スイッチング素子５１及びスイッチング素子５３を経由して、単相モータ１２に戻る。また、図１２では、駆動信号Ｓ２，Ｓ４により、スイッチング素子５２，５４が導通し、単相モータ１２から流れ出るフライホイール電流は、スイッチング素子５４及びスイッチング素子５２を経由して、単相モータ１２に戻る。これらの動作において、特徴的なことは、図１１及び図１２のスイッチングパターン共に、シャント抵抗５５には電流は流れないことである。
　次に、図１３及び図１４について説明する。図１３及び図１４は、何れも単相モータ１２のエネルギーがバッテリ１０に回生されるときの動作である。図１３では、駆動信号Ｓ１，Ｓ４により、スイッチング素子５１，５４が導通し、単相モータ１２から流れ出る回生電流は、スイッチング素子５１、図１３では図示しないバッテリ１０、シャント抵抗５５及びスイッチング素子５４を経由して、単相モータ１２に戻る。また、図１４では、駆動信号Ｓ２，Ｓ３により、スイッチング素子５２，５３が導通し、単相モータ１２から流れ出る回生電流は、スイッチング素子５３、図１４では図示しないバッテリ１０、シャント抵抗５５及びスイッチング素子５２を経由して、単相モータ１２に戻る。何れの場合も、シャント抵抗５５に電流が流れる。
　以上の説明から明らかなように、図１１及び図１２のスイッチングパターンを除き、シャント抵抗５５に電流が流れる。つまり、図１１及び図１２に示すスイッチングパターンが発生しないように、インバータ１１を動作させることで、全ての期間においてモータ電流Ｉｍの検出が可能になることが分かる。
　次に、本実施の形態における電流検出部について説明する。図１５は、図１に示される電流検出部２２の構成例を示す図である。図１５において、電流検出部２２は、増幅回路７０と、レベルシフト回路７１と、保護部７４とを備える。また、保護部７４は、比較器７４ａを備える。保護部７４は、保護信号Ｓｐｓを生成する構成部である。即ち、図１５に示される電流検出部２２には、保護機能が付加されている。
　増幅回路７０は、シャント抵抗５５に流れるシャント電流Ｉｄｃによって生じるシャント抵抗５５の両端電圧を増幅する。シャント抵抗５５は、シャント抵抗５５に流れるシャント電流Ｉｄｃを検出する電流検出器である。シャント抵抗５５の出力値は、電圧値である。即ち、シャント抵抗５５は、シャント抵抗５５に流れるシャント電流Ｉｄｃに相当する物理量を検出する検出器である。シャント抵抗５５は、バッテリ１０から単相モータ１２の電流経路に配置されるため、損失及び発熱面を考慮して、微小な抵抗値であることが望ましい。そのため、シャント電流Ｉｄｃが流れた際にシャント抵抗５５の両端電圧は極めて低い値となる。そのため、図１５に示すように増幅回路７０を設けることが望ましい構成となる。
　レベルシフト回路７１は、レベルシフト回路７１の出力信号がプロセッサ３１に入力可能なレベルとなるように、増幅回路７０の出力のレベルをシフトさせる。
　プロセッサ３１の典型的な例は、マイコンである。マイコンは、一般的に０～５Ｖ程度の正の電圧を検出するようにできており、５Ｖまでの負電圧には対応していない。一方、図９、図１０、図１３及び図１４に示されるように、シャント抵抗５５に流れる電流の向きは変化する。その結果、電流の極性次第で、負電圧が発生する可能性がある。そのため、例えばマイコンの出力電圧の最大値が５Ｖの場合には、２．５Ｖ程度のオフセットを持たせてゼロ点とする。そして、０～２．５Ｖまでを負電圧とし、２．５Ｖ～５Ｖまでを正電圧とする。この機能を担うのが、レベルシフト回路７１である。レベルシフト回路７１を設けることにより、プロセッサ３１の図示しないＡＤ入力端子に入力することが可能となる。また、プロセッサ３１は、電圧値であるレベルシフト回路７１の出力を電流値へ換算することにより、正及び負の電流を検出することが可能となる。なお、０～２．５Ｖまでを正電圧、２．５Ｖ～５Ｖまでを負電圧として、プロセッサ３１で正負反転の処理を行ってもよい。
　保護部７４は、増幅回路７０によって増幅された増幅信号に基づいて、保護信号Ｓｐｓを生成して出力する。具体的に、保護部７４は、比較器７４ａによって、増幅回路７０から出力される増幅信号のレベルを保護閾値Ｖｔｈと比較し、増幅信号のレベルが保護閾値Ｖｔｈよりも大きければ、保護信号Ｓｐｓを生成する。保護信号Ｓｐｓは、プロセッサ３１に入力される。プロセッサ３１は、保護信号Ｓｐｓを受信すると、インバータ１１を保護するため、インバータ１１の各スイッチング素子を駆動するための各ＰＷＭ信号の生成を停止する。
　次に、実施の形態における制御の要点、動作及び効果について説明する。図１６は、実施の形態における制御の要点の説明に使用する数種の波形例を示す図である。
　図１６の上段部には、インバータ１１をＰＷＭ制御する際のＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４の波形例が示されている。図１８の中段部には、上段部に示すＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４でインバータ１１を動作させた際に流れるシャント電流Ｉｄｃの波形が示されている。図１８の下段部には、上段部に示すＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４によって生成される電圧が単相モータ１２に印加されるときに単相モータ１２に誘起されるモータ誘起電圧の波形が示されている。なお、前述したように、図１１及び図１２のスイッチングパターンでは、シャント抵抗５５に電流が流れない。このため、シャント電流Ｉｄｃの波形は、図１６に示すような、パルス状の波形が並ぶパルス列となる。
　本明細書では、パルスを以下の通り定義する。「パルス」とは、「０レベルの値が、正、もしくは負の値をとり、その値が変化しながら、ある時間の経過後に、その値が再び０レベルに戻る区間」である。また、区間の幅を「パルス幅」と呼ぶ。なお、「０レベル」とは完全に０となるものを指し示すものではない。実際の運転中にはノイズなどの影響もあるため、０点を中心に微小に変動している場合、所定の閾値以下に値が収まっている場合などを「０レベル」と定義しても差し支えない。
　単相モータ１２の運転効率であるモータ効率は、回転子の回転角によって変化するモータ誘起電圧に依存する。具体的には、モータ誘起電圧の波形が大きいときに、モータ巻線に大きな電流を流すようにすれば、モータ効率が良くなる。しかしながら、常に電流を流し続けようとすると、電流過多となり、スイッチング素子が発熱して熱暴走を起こしたり、スイッチング素子が損傷したりするおそれがある。このため、最適なタイミングで電流を流すことが望ましい実施の形態となる。最適なタイミングとは、単相モータ１２に供給される有効電力が大きくなるタイミングを意味する。
　図１６に示されるシャント電流Ｉｄｃでは、電源半周期ごとに繰り返される、パルス状の波形列が表れている。電源半周期は、シャント電流Ｉｄｃが負方向に転流してから、次に負方向に転流するまでの期間である。電気半周期は、モータ電流Ｉｍが転流してから次に転流するまでの期間でもある。従って、電気半周期は、「モータ電流の極性が同一である期間」と言い替えてもよい。
　図１６のシャント電流Ｉｄｃの波形において、電気半周期の最初に表れるパルスを「第１のパルス」と呼び、電気半周期の最後に表れるパルスを「第２のパルス」と呼ぶ。このように定義すると、電源半周期ごとに繰り返されるパルス状の波形列は、電気半周期の最初に表れる第１のパルスと、電源半周期の最後に表れる第２のパルスと、これらの第１及び第２のパルスの間に表れる複数のパルスからからなるパルス列とに区分することができる。
　図１６に示す例は、モータ軸出力を大きくできる好ましい実施例の１つである。シャント電流Ｉｄｃの波形とモータ誘起電圧の波形とを比較すると、第１のパルスと第２のパルスとの間にモータ誘起電圧波形の頂点であるモータ誘起電圧のピークが来ていることが分かる。これを言い替えると、モータ誘起電圧の頂点付近にパルス列が来ている。そして、パルス列の中の各パルスに着目すると、少なくとも１つのパルスは、第２のパルスよりもパルス幅が大きくなっている。このように制御されていれば、スイッチング素子５１～５４に流れる電流を制限しつつ、単相モータ１２を効率良く駆動することができる。これにより、スイッチング素子５１～５４の熱暴走及び損傷を防止しつつ、モータ効率を高めることが可能となる。なお、図１６の波形からも明らかなように、第１のパルスのオン時間は長くなることは自明であるため、比較対象からは除外している。
　図１７は、実施の形態における動作の説明に使用する動作曲線を示す図である。横軸は時間、縦軸は回転速度Ｎを表している。後述する電気掃除機、手乾燥機などの応用製品では、図１７に示すように、起動後に回転速度Ｎを増加させる加速区間と、増加させた回転速度Ｎを維持する定常区間とを有する動作曲線に従って動作させることが一般的である。
　起動時及び起動直後の低速回転域では、回転速度が低いため、モータ巻線のインダクタンスの影響は小さくなる。これに対し、起動後の加速中においては、回転速度Ｎの上昇に従ってモータ巻線のインダクタンスの影響が大きくなる。このため、単相モータ１２の仕様、又は応用製品における回転速度範囲によっては、単相モータ１２を加速動作させる加速区間において、モータ軸出力が不足するおそれがある。そこで、本実施の形態では、第１のパルスと第２のパルスとの間に表れるパルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス幅が、第２のパルスのパルス幅よりも大きくなるようにスイッチング素子５１～５４を制御する。このように制御すれば、加速区間におけるモータ軸出力を確保できるので、単相モータを効率良く駆動することが可能となる。
　なお、上記の制御に代え、シャント電流Ｉｄｃの各パルスの波形を表す線と０レベルの線とによって囲まれる部分の面積であるパルス面積に基づいて制御してもよい。具体的には、第１のパルスと第２のパルスとの間に表れる複数のパルスからなるパルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス面積が、第２のパルスのパルス面積よりも大きくなるように制御する。このように制御しても、加速区間におけるモータ軸出力を確保できるので、単相モータを効率良く駆動することが可能となる。
　以上説明したように、実施の形態に係るモータ駆動装置によれば、制御部は、電流検出器によって検出される物理量がパルス状の波形列となるように第１から第４のスイッチング素子の導通を制御する第１の制御を実施する。この第１の制御によって、パルス状の波形列には、第１のパルスと、第２のパルスと、複数のパルスからなるパルス列とが表れる。そして、第１の制御によって、パルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス幅は、第２のパルスのパルス幅よりも大きくなるように制御される。これにより、モータ軸出力が得にくい動作区間であっても、必要なモータ軸出力を確保できるので、単相モータを効率良く駆動することが可能となる。なお、第１のパルスは、単相モータに流れるモータ電流の極性が同一である期間において、当該期間の最初に表れるパルスである。また、第２のパルスは、当該期間の最後に表れる、第１のパルスと同じ極性のパルスである。また、パルス列は、第１のパルスと第２のパルスとの間に表れるパルス列である。
　また、実施の形態に係るモータ駆動装置によれば、上記のように定義される、第１のパルス、第２のパルス及びパルス列において、制御部は、パルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス面積が、第２のパルスのパルス面積よりも大きくなるように第１から第４のスイッチング素子の導通を制御する第２の制御を実施する。この制御により、モータ軸出力が得にくい動作区間であっても、必要なモータ軸出力を確保できるので、単相モータを効率良く駆動することが可能となる。
　上記第１及び第２の制御は、単相モータを加速動作させる動作区間の少なくとも一部において実施することができる。単相モータを加速動作させる区間では、単相モータの軸出力が不足しがちである。このため、単相モータを加速動作させる区間において、第１及び第２の制御のうちの何れかの制御を実施すれば、必要とされるモータ軸出力を確実に得ることができる。
　次に、実施の形態に係るモータ駆動装置の適用例について説明する。図１８は、実施の形態に係るモータ駆動装置２を備えた電気掃除機６１の構成図である。電気掃除機６１は、図１に示されるバッテリ１０と、図１に示されるモータ駆動装置２と、図１に示される単相モータ１２により駆動される電動送風機６４と、集塵室６５と、センサ６８と、吸込口体６３と、延長管６２と、操作部６６とを備える。
　電気掃除機６１を使用するユーザは、操作部６６を持ち、電気掃除機６１を操作する。電気掃除機６１のモータ駆動装置２は、バッテリ１０を電源として電動送風機６４を駆動する。電動送風機６４が駆動されることにより、吸込口体６３からごみの吸込みが行われる。吸込まれたごみは、延長管６２を介して集塵室６５へ集められる。
　電気掃除機６１は、単相モータ１２の回転速度が０［ｒｐｍ］から１０万［ｒｐｍ］を超えて変動する製品である。このような単相モータ１２が高速回転する製品を駆動する際には、高いキャリア周波数が必要となるため従来の電流検出方式ではＡ／Ｄ変換タイミングを調整することが難しく、スイッチング時間も短くなり検出がより困難となるため、前述した実施の形態に係る制御手法が好適である。
　また、単相モータ１２に電圧指令に基づく電圧を出力する際、制御部２５は、電圧指令の周期のうちの一方の半周期では、上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とのスイッチング動作を休止させ、電圧指令の周期のうちの他方の半周期では、上アームの第３のスイッチング素子と下アームの第４のスイッチング素子とのスイッチング動作を休止させる。これにより、スイッチング損失の増加が抑制され、効率のよい電気掃除機６１を実現することができる。
　また、実施の形態に係る電気掃除機６１は、前述した放熱部品の簡素化により小型化及び軽量化することができる。更に、電気掃除機６１は、電流を検出する電流センサが必要なく、高速なアナログディジタル変換器も必要ないので、設計コスト及び製造コストの増加が抑制された電気掃除機６１を実現することができる。
　図１９は、実施の形態に係るモータ駆動装置２を備えた手乾燥機９０の構成図である。手乾燥機９０は、モータ駆動装置２と、ケーシング９１と、手検知センサ９２と、水受け部９３と、ドレン容器９４と、カバー９６と、センサ９７と、吸気口９８と、電動送風機９５とを備える。ここで、センサ９７は、ジャイロセンサ及び人感センサの何れかである。手乾燥機９０では、水受け部９３の上部にある手挿入部９９に手が挿入されることにより、電動送風機９５による送風で水が吹き飛ばされ、吹き飛ばされた水は、水受け部９３で集められた後、ドレン容器９４に溜められる。
　手乾燥機９０は、図１８に示す電気掃除機６１と同様に、モータ回転数が０［ｒｐｍ］から１０万［ｒｐｍ］を超えて変動する製品である。このため、手乾燥機９０においても、前述した実施の形態に係る制御手法が好適であり、電気掃除機６１と同様な効果を得ることができる。
　以上の説明の通り、本実施の形態では、電気掃除機６１及び手乾燥機９０にモータ駆動装置２を適用した構成例を説明したが、この例に限定されない。モータ駆動装置２は、広くモータが搭載された電気機器に適用することができる。モータが搭載された電気機器の例は、焼却炉、粉砕機、乾燥機、集塵機、印刷機械、クリーニング機械、製菓機械、製茶機械、木工機械、プラスチック押出機、ダンボール機械、包装機械、熱風発生機、ＯＡ機器、及び電動送風機である。電動送風機は、物体輸送用、吸塵用、又は一般送排風用の送風手段である。
　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　例えば図４及び図５では、キャリアとの比較でＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を生成しているが、この手法に限定されない。ＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４の生成を時間管理とし、プロセッサ３１による演算処理によって、ＰＷＭ信号Ｑ１～Ｑ４を生成してもよい。
　１　モータ駆動システム、２　モータ駆動装置、５Ａ，５Ｂ　レグ、６Ａ，６Ｂ　接続点、１０　バッテリ、１１　インバータ、１２　単相モータ、１２ａ　ロータ、１２ｂ　ステータ、１２ｂ１　ティース、１６ａ，１６ｂ　直流母線、２０　電圧センサ、２２　電流検出部、２５　制御部、３１　プロセッサ、３２　駆動信号生成部、３３　キャリア生成部、３４　メモリ、３８　キャリア比較部、３８ａ　絶対値演算部、３８ｂ　除算部、３８ｃ，３８ｋ　乗算部、３８ｇ，３８ｈ　比較部、３８ｉ，３８ｊ　出力反転部、３８ｍ，３８ｎ　加算部、４２　回転速度算出部、４４　進角位相算出部、５１，５２，５３，５４　スイッチング素子、５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ　ボディダイオード、５５　シャント抵抗、６１　電気掃除機、６２　延長管、６３　吸込口体、６４　電動送風機、６５　集塵室、６６　操作部、６８，９７　センサ、７０　増幅回路、７１　レベルシフト回路、７４　保護部、７４ａ　比較器、９０　手乾燥機、９１　ケーシング、９２　手検知センサ、９３　水受け部、９４　ドレン容器、９５　電動送風機、９６　カバー、９８　吸気口、９９　手挿入部。

Claims (8)

  1. 　上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とが直列に接続された第１のレグと、上アームの第３のスイッチング素子と下アームの第４のスイッチング素子とが直列に接続された第２のレグとを備え、前記第１のレグと前記第２のレグとが直流電源に並列に接続され、前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して単相モータに供給するインバータと、
    　前記インバータと前記直流電源との間の経路に配置される電流検出器と、
    　を備え、
    　前記電流検出器によって検出される物理量がパルス状の波形列となるように前記第１から第４のスイッチング素子の導通を制御する第１の制御を実施し、
    　前記単相モータに流れるモータ電流の極性が同一である期間における前記パルス状の波形列は、前記期間の最初に表れる第１のパルスと、前記期間の最後に表れる、前記第１のパルスと同じ極性の第２のパルスと、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間に表れる複数のパルスからなるパルス列とに区分され、
    　前記第１の制御によって、前記パルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス幅は、前記第２のパルスのパルス幅よりも大きくなる
    　モータ駆動装置。
  2. 　前記第１の制御は、前記単相モータを加速動作させる動作区間の少なくとも一部において実施される
    　請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 　上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とが直列に接続された第１のレグと、上アームの第３のスイッチング素子と下アームの第４のスイッチング素子とが直列に接続された第２のレグとを備え、前記第１のレグと前記第２のレグとが直流電源に並列に接続され、前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して単相モータに供給するインバータと、
    　前記インバータと前記直流電源との間の経路に配置される電流検出器と、
    　を備え、
    　前記電流検出器によって検出される物理量がパルス状の波形列となるように前記第１から第４のスイッチング素子の導通を制御する第２の制御を実施し、
    　前記単相モータに流れるモータ電流の極性が同一である期間における前記パルス状の波形列は、前記期間の最初に表れる第１のパルスと、前記期間の最後に表れる、前記第１のパルスと同じ極性の第２のパルスと、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの間に表れる複数のパルスからなるパルス列とに区分され、
    　前記第２の制御によって、前記パルス列のパルスのうちの少なくとも１つのパルスのパルス面積は、前記第２のパルスのパルス面積よりも大きくなる
    　モータ駆動装置。
  4. 　前記第２の制御は、前記単相モータを加速動作させる動作区間の少なくとも一部において実施される
    　請求項３に記載のモータ駆動装置。
  5. 　前記第１から第４のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されている
    　請求項１から４の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
  6. 　前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム又はダイヤモンドである
    　請求項５に記載のモータ駆動装置。
  7. 　請求項１から６の何れか１項に記載のモータ駆動装置を備えた電気掃除機。
  8. 　請求項１から６の何れか１項に記載のモータ駆動装置を備えた手乾燥機。
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