| 【発明の名称】 |
食器洗い機のモータ駆動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】木内 光幸
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内
【氏名】玉江 貞之
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内
【氏名】鈴木 将大
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】ポンプモータをベクトル制御して負荷状態を検出することが可能で、食器洗い機に適したモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】交流電力１を整流回路２により直流電力に変換し、インバータ回路３によりポンプモータ４を駆動し、モータ電流を検出する電流検出手段５と、ロータ位置を検知するロータ位置検知手段６によりトルク電流を検知し、トルク電流により水位低下等の負荷状態を検出する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、前記交流電源に接続された整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗浄ポンプあるいは排水ポンプを駆動するモータと、前記モータの駆動電流を検出する電流検出手段と、前記モータのロータ位置を検知あるいは推定するロータ位置検知手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記電流検出手段と前記ロータ位置検知手段によりトルクに対応した電流成分を検出し、前記トルクに対応した電流成分より前記洗浄ポンプあるいは排水ポンプの負荷状態を検出するようにした食器洗い機のモータ駆動装置。
【請求項２】
制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の洗浄槽の水位を判別するようにした請求項１記載の食器洗い機のモータ駆動装置。
【請求項３】
制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の排水状態を判別するようにした請求項１記載の食器洗い機のモータ駆動装置。
【請求項４】
制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の水漏れを判別するようにした請求項１記載の食器洗い機のモータ駆動装置。
【請求項５】
制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の洗浄ポンプあるいは排水ポンプのエア噛みを判別するようにした請求項１記載の食器洗い機のモータ駆動装置。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は家庭用の食器を洗浄する食器洗い機のモータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の食器洗い機のモータ駆動装置は、単相誘導モータによりポンプを駆動し回転数変動より負荷変動を検出するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０８−１９５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、単相誘導モータは同期速度からのすべりで回転トルクを発生するものであるが、負荷変動による回転数変化は基本的に少なく、回転数変化よりポンプのエア噛み等の負荷変動を検出することは実際には困難であった。また、インバータと永久磁石同期モータによりポンプを駆動する最近の制御方式においては、回転数変動はほとんどなく、回転数変化から負荷変動を検出することはほとんど不可能であった。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、モータ電流を検出してポンプモータをインバータ回路により正弦波駆動することによりモータ騒音を低下させ、永久磁石同期モータにより小型化、薄型化、低価格化して信頼性を向上させ、モータ電流とロータ位置検知手段によりトルクに応じた電流成分を検出して水位変動、エア噛み、排水等の負荷変動を検出することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記従来の課題を解決するために、本発明の食器洗い機のモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、インバータ回路により直流電力を交流電力に変換して洗浄ポンプ、あるいは排水ポンプを駆動し、モータの駆動電流を電流検出手段により検出し、ロータ位置検知手段によりロータ位置を検知し、電流検出手段とロータ位置検知手段によりトルク電流成分を検出してトルク電流成分より洗浄ポンプあるいは排水ポンプの負荷状態を検出するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の食器洗い機のモータ駆動装置は、電流検出手段とロータ位置検知手段によりトルク電流成分を検出してトルク電流成分より洗浄ポンプあるいは排水ポンプの負荷状態を検出するようにしたものであり、ポンプモータのトルク電流変化により食器洗浄槽の水位を検出することができ、エア噛み検知、排水検知、水漏れ検知、あるいは、給水完了検知が可能となり、時間短縮や安全性の向上が可能となる。
【０００７】
さらに、排水時にエア噛み検知した場合にはモータ回転数を低下させて騒音を減らすことができ、低騒音の食器洗い機を実現できる。
【０００８】
また、モータをセンサレス正弦波駆動することによりモータを小型化、薄形化でき、振動を減らすことができるので、ポンプケーシングにモータを直接取り付けることができ、小型、薄形、低騒音のポンプモータを構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、交流電源と、前記交流電源に接続された整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動され洗浄ポンプあるいは排水ポンプを駆動するモータと、前記モータの駆動電流を検出する電流検出手段と、前記モータのロータ位置を検知あるいは推定するロータ位置検知手段と、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記電流検出手段と前記ロータ位置検知手段によりトルクに対応した電流成分を検出し、前記トルクに対応した電流成分より前記洗浄ポンプあるいは排水ポンプの負荷状態を検出するようにしたものであり、ポンプモータのトルク電流値、あるいは電流変化により食器洗浄槽の水位やエア噛みを検出することができ、排水検知や水漏れ検知、あるいは、給水完了検知が可能となり、時間短縮や安全性の向上が可能となる。
【００１０】
第２の発明における制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の洗浄槽の水位を判別するようにしたもので、ポンプモータ駆動時のトルク増加により水位増加を検知でき、トルク減少によりエア噛み、あるいは水位低下を検知できるので、給水判定や排水判定、あるいは水漏れ判定が可能となる。
【００１１】
第３の発明における制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の排水状態を判別するようにしたものであり、排水ポンプ駆動時のトルク電流値、あるいは電流変化により排水エア噛み、あるいは排水完了検知が可能となり、水位センサや水位スイッチよりも正確に検知することができ、検知時間の短縮、あるいは排水エア噛み時の騒音対策が可能となる。
【００１２】
第４の発明における制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の水漏れを判別するようにしたものであり、洗浄ポンプ駆動時のトルク電流変化により水位低下を検知することができるので、ポンプモータ駆動中に水位低下を検知でき、水位センサや水位スイッチよりも短時間でより正確に水位低下を検出でき、ヒータの空焚き防止が可能となる。
【００１３】
第５の発明における制御手段は、トルクに対応した電流成分により食器洗い機の洗浄ポンプあるいは排水ポンプのエア噛みを判別するようにしたものであり、排水ポンプ駆動時のトルク電流変化により排水エア噛み検知をしてポンプモータ回転数を下げ、エア噛みによる騒音を低下させることができる。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における食器洗い機のモータ駆動装置のブロック図を示すものである。
【００１５】
図１において、交流電源１より整流回路２に交流電力を加えて直流電力に変換し、インバータ回路３により直流電力を３相交流電力に変換してモータ４を駆動する。整流回路２は、全波整流回路２０の直流出力端子にコンデンサ２１ａ、２１ｂを直列接続し、コンデンサ２１ａ、２１ｂの接続点を交流電源入力の一方の端子に接続して直流倍電圧回路を構成し、インバータ回路３への印加電圧を高くする。インバータ回路３の負電圧側に電流検出手段５を接続し、インバータ回路３の３相各下アームに流れる電流を検出することによりインバータ回路３の出力電流、すなわち、モータ４の相電流を検出する。
【００１６】
電流検出手段５は、インバータ回路３の下アームトランジスタのエミッタ端子に接続されたシャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃと、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれの電圧降下を検知する電流検知回路５１より構成される。
【００１７】
ロータ位置検知手段６は、ホール素子等の磁気検出手段より構成され、永久磁石よりなるロータの位置を検出するもので、永久磁石によりステータコイルに発生する誘起電圧が最大となるロータ位置（ｑ軸）、あるいは、永久磁石の磁束とステータコイルの界磁磁束が直線上に重なるロータ位置（ｄ軸）を検出する。あるいは、電気角６０度あるいは１２０度毎の位置検出を行う。
【００１８】
制御手段７は、高速Ａ／Ｄ変換回路とインバータ制御ＰＷＭタイマー内蔵のマイクロコンピュータ、あるいはディジタルシグナルプロセッサ（略してＤＳＰ）等の高速プロセッサより主として構成され、電流検出手段５の出力信号を高速Ａ／Ｄ変換してインバータ回路３の出力電流（モータ相電流）を検出し、ロータ位置検知手段６により検出したロータ位置に応じてトルクが発生する電流位相となるようにインバータ回路３の出力電圧をＰＷＭ制御することによりモータ４を正弦波駆動するものであり、モータ負荷に応じてインバータ回路出力電流を制御することによりモータ４の回転数制御が可能となる。
【００１９】
図２は、本発明による制御手段７のブロック図であり、モータ電流を検出してベクトル制御する実施例であり、モータ電流を磁束電流成分Ｉｄとトルク電流成分Ｉｑに分解してそれぞれの電流ベクトルを制御するものである。
【００２０】
図２のブロック図について、図３、４、５、６、７を用いて詳細な説明を行う。
【００２１】
図３は、電流検出のタイミングチャートを示し、モータ電流を検出するためにキャリヤ周期に同期して電流検出するもので、三角波変調によりＰＷＭ制御して、スイッチングノイズの影響を減らすためにインバータ回路３の上下アームトランジスタのスイッチングタイミングをはずして高速Ａ／Ｄ変換してマイクロコンピュータ等のモータ制御プロセッサにより電流検出する。
【００２２】
図３において、ｃｋは三角波変調信号Ｖｔのピーク値すなわち時間ｔ３にて発生させる同期信号であり、ｖｕはＵ相電圧制御信号で、三角波変調信号ＶｔとＵ相電圧制御信号ｖｕを比較してＵ相上アームトランジスタ３１ａ１の駆動信号ＵｐとＵ相下アームトランジスタ３１ａ２の駆動信号Ｕｎを発生させる。ｔ１〜ｔ２区間、ｔ５〜ｔ６区間は上下アームトランジスタの非導通期間でデッドタイムΔｔと呼び、Ａ／Ｄ変換タイミングは、上アームトランジスタがオフで下アームトランジスタがオンとなる時間ｔ３、あるいは、時間ｔ３からデッドタイムΔｔ時間ずらした時間ｔ４の範囲内で行うとよい。
【００２３】
図４は、電流検知回路の詳細な実施例であり、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃにより検出した電流信号を非反転増幅器により増幅し、マイクロコンピュータ等に内蔵するＡ／Ｄ変換回路が検出できるＤＣ電圧レベルにレベル変換するものである。
【００２４】
電流検知回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃは同一の回路なので、電流検知回路５１ａについて説明する。シャント抵抗５０ａに発生する電圧ｖｅｕのピーク値はインバータ回路３のＵ相出力電流に対応しており、シャント抵抗電圧は電流検知回路の接地電位に対して正と負に変化する。マイクロコンピュータ等に内蔵のＡ／Ｄ変換回路は所定のＤＣ電圧で動作するので、ＤＣ電圧のセンター値に対して変化するように増幅してレベルシフトさせる必要がある。言い換えれば、Ａ／Ｄ変換回路の入力ダイナミックレンジ内で、モータ電流信号が変化するように設定する。
【００２５】
シャント抵抗５０ａと並列関係にコンデンサ５００ａを接続し、シャント抵抗５０ａより抵抗５０１ａ、５０２ａを直列関係に接続して電流検知回路５１ａの直流電源（Ｖｃｃ）に抵抗５０２ａをプルアップ接続する。抵抗５０１ａ（抵抗値Ｒ２）と抵抗５０２ａ（抵抗値Ｒ１）の接続点を演算増幅器５０３ａの＋入力端子に接続し、演算増幅器５０３ａの出力端子と−入力端子間に帰還抵抗５０４ａ（抵抗値Ｒ４）を接続し、−入力端子と接地電位間に抵抗５０５ａ（抵抗値Ｒ３）を接続し非反転増幅器として使用する。シャント抵抗抵抗値をＲｏ、電流をＩとするとｖｅｕ＝Ｒｏ×Ｉとなり、抵抗５０１ａと抵抗５０２ａの分圧比ｋをｋ＝Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）、帰還増幅率ＫをＫ＝Ｒ４／Ｒ３とすると、電流検知回路５１ａの出力電圧ｖａｕは（数１）で表される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここで、分圧比ｋと帰還増幅率Ｋの積、すなわち、ｋ×Ｋ＝０．５となるようにすれば、直流電源電圧Ｖｃｃの１／２を中心にして電流Ｉに対応した電圧信号に変換される。
【００２８】
例えば、分圧比ｋ＝０．１、帰還増幅率Ｋ＝５、シャント抵抗値Ｒｏ＝０．２Ω、Ｖｃｃ＝５Ｖとすると、電流検知回路５１ａの出力電圧はｖａｕ＝０．９×Ｉ＋２．５で表される。すなわち、Ａ／Ｄ変換回路のＤＣ電圧が５Ｖの場合、センター値２．５Ｖが０Ａに相当し、ダイナミックレンジは±２．５Ｖに対して±２．５Ａまでの電流を検知することができる。
【００２９】
抵抗５０６ａとダイオード５０７ａ、５０８ａはＡ／Ｄ変換回路の過電圧保護のために接続している。
【００３０】
図５は、電流検知回路の他の実施例であり、反転増幅器により電流信号を増幅して電圧レベル変換するもので、Ｕ相電流検知回路５１ａ１の実施例のみ示している。
【００３１】
回路接続は、図４に示す実施例から一部変更したもので、抵抗５０２ａを負電源Ｖｅにプルダウン接続し、演算増幅器５０３ａを反転増幅器として使用したものである。図４に示す接地抵抗５０５ａは省略できる。この時、帰還増幅率Ｋは帰還抵抗５０４ａ（Ｒ４）を入力抵抗５０１ａ（Ｒ２）で除したもので、シャント抵抗電圧降下ｖｅｕと出力電圧ｖａｕの関係式は（数２）で表される。
【００３２】
【数２】
【００３３】
ここで、帰還抵抗５０４ａと抵抗５０２ａの比を、Ｒ４／Ｒ１＝０．５に設定し、負電源ＶｅのＤＣ電圧絶対値をＡ／Ｄ変換器の電源電圧（ダイナミックレンジ）と等しくすると、Ａ／Ｄ変換器の電源電圧のセンター値に対して上下に変化するようにシャント抵抗電圧が増幅されてレベル変換される。
【００３４】
例えば、Ｖｅ＝−５Ｖ、Ｒ４＝１０ｋΩ、Ｒ１＝２０ｋΩ、Ｒ２＝２ｋΩとすると、ｖａｕ＝２．５−５×ｖｅｕで表される。シャント抵抗抵抗値を０．２Ω、電流をＩとすれば、ｖａｕ＝２．５−Ｉとなる。
【００３５】
図４に説明した非反転増幅器を使用した回路は、プルアップ接続するＤＣ電源電圧とＡ／Ｄ変換回路のＤＣ電圧と等しくし、入力抵抗とプルアップ抵抗の分圧比ｋと帰還増幅率Ｋの積、すなわち、ｋ×Ｋをほぼ０．５となるようにすれば、Ａ／Ｄ変換回路のＤＣ電圧のセンター値にレベル変換できる。
【００３６】
また、図５に説明した反転増幅器を使用した回路は、負電源電圧絶対値をＡ／Ｄ変換回路のＤＣ電圧と等しくし、帰還抵抗と負電源へプルダウン接続する抵抗の比をほぼ０．５に設定すればＡ／Ｄ変換回路のＤＣ電圧のセンター値にレベル変換できる。
【００３７】
以上述べたように、本発明の電流検知回路は少ない部品点数と演算増幅器により構成でき、電流検出が容易で、かつ安価にできる特長がある。
【００３８】
図４に示した非反転増幅器による実施例は、単一電源で動作するので直流電源が簡略化される特長があり、図５に示した反転増幅器による実施例は、Ａ／Ｄ変換回路のダイナミックレンジと同一の負電圧が必要となり価格アップとなるが、電流信号の正負の方向はモータ電流と等しいので演算が簡略化される特長がある。
【００３９】
制御手段７は、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃの電圧降下を検出し、プロセッサに内蔵した高速Ａ／Ｄ変換回路によりモータ相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出してベクトル制御するもので、ロータ位置検知手段６の出力信号より電気角を検知する電気角検知手段７０と、電流検出手段５の出力信号と電気角検知手段７０の信号よりモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを（数３）に従い磁束に対応した電流成分Ｉｄとトルクに対応した電流成分Ｉｑに分解する３相／２相ｄｑ変換手段７１と、
【００４０】
【数３】
【００４１】
ロータ位置検知手段６の信号よりモータ回転数を検知する回転数検知手段７２と、静止座標系から回転座標系に変換、あるいは逆変換するに必要な正弦波データ（ｓｉｎ、ｃｏｓデータ）を格納する記憶手段７３と、磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑを（数４）に従い３相モータ駆動制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する２相／３相ｄｑ逆変換手段７４と、
【００４２】
【数４】
【００４３】
３相モータ駆動制御電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに応じてインバータ回路３のパワートランジスタのスイッチングを制御するＰＷＭ制御手段７５より構成される。
【００４４】
さらに、洗浄行程、あるいは排水行程に応じてモータ４の回転数、あるいは正逆反転を制御する回転制御手段７６、回転数検知手段７２の出力信号に応じてモータ４の回転数を制御する回転数比較制御手段７７と、回転制御手段７６と回転数比較制御手段７７からのｄ軸（ｄｉｒｅｃｔ−ａｘｉｓ）電流設定信号Ｉｄｓ、ｑ軸（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ａｘｉｓ）電流設定信号Ｉｑｓと、３相／２相ｄｑ変換手段７１より演算したＩｄとＩｑを比較しモータ電流を制御するための磁束に対応した電圧成分Ｖｄとトルクに対応した電圧成分Ｖｑを演算するモータ電流制御手段７８と、トルクに対応した電流成分Ｉｑより負荷状態を検知して回転制御する負荷状態検知手段７９より構成される。
【００４５】
図６は本発明によるモータ駆動装置の各部の波形関係を示し、ロータ位置検知手段６の出力信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のエッジ信号は電気角６０度毎に変化し、３ヶの信号より３６０度を６分割した角度が判別できる。信号Ｈ１がローからハイとなるハイエッジを電気角０度として示している。
【００４６】
ベクトル制御の座標変換基準軸は通常ｑ軸とするので、ロータ位置検知手段６の出力信号Ｈ３のＬｏからＨｉのエッジ信号がｑ軸と同相なので信号Ｈ３を基準時間軸とすると電気角の演算が容易となる。
【００４７】
モータ４のＵ相巻線誘起電圧Ｅｃは、信号Ｈ１からほぼ３０度遅れた波形となる。Ｕ相モータ電流Ｉｕとモータ誘起電圧Ｅｃの位相を同じにすると最大効率が得られる。すなわち、モータ誘起電圧Ｅｃがｑ軸と同等軸となり、ｄ軸は９０度遅れている。ｑ軸電流Ｉｑはモータ誘起電圧位相と同相なのでトルク電流と呼ばれる。
【００４８】
図６において、Ｕ相モータ電流Ｉｕは、Ｕ相巻線誘起電圧Ｅｃよりわずかに進み、モータ印加電圧ＶｕはＵ相巻線誘起電圧Ｅｃより約３０度進んだ波形を示す。ｖｃはＰＷＭ制御手段７５内で生成される三角波形のキャリヤ信号で、ｖｕ、ｖｖ、ｖｗは正弦波状の各相制御電圧で三角波キャリヤ信号Ｖｔと各相制御電圧を比較したＰＷＭ信号をＰＷＭ制御手段７５内で発生させ、各相制御信号としてインバータ回路３に加える。ｃｋはキャリヤ信号Ｖｔの同期信号で、キャリヤカウンタがカウントアップしてオーバーフローした時の割込信号である。ＵｐはＵ相上アーム制御信号を示している。
【００４９】
一般的に、界磁磁束に対応した電流成分をｄ軸電流Ｉｄと呼び、永久磁石の磁束と界磁の磁束が同軸上で永久磁石が界磁に吸引された状態なのでトルクは零となる。よって一般的に表面永久磁石形モータ（略してＳＰＭモータの場合）には、ロータ位置がｄ軸上の時には界磁電流が零、ロータの磁極がｑ軸上の時には界磁電流が最大となるように制御する。
【００５０】
よって、ＳＰＭモータの場合には、ｄ軸電流設定値Ｉｄｓは零となるように制御すると最大効率運転が可能となる。
【００５１】
図７は、ＳＰＭモータの制御ベクトル図を示し、モータ電流Ｉをｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄに分解して制御するもので、前述したように、Ｉｄを零となるように制御すると最大効率運転となり、Ｉｄを負の方向に増加させると弱め界磁制御となる。Ｖｒは誘起電圧でｑ軸と同相となり、Ｖｉはモータ印加電圧、すなわち、インバータ回路３の出力電圧、Ｖｚはモータコイルインピーダンスによる電圧降下、ωＬＩはコイルインダクタンス電圧降下である。Ｉｄ、Ｉｑを制御するために、モータ印加電圧Ｖｉのｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑをそれぞれ制御する。
【００５２】
ＳＰＭモータのモータ出力は（数５）で表される。ここで、Ｖｅはモータ誘起電圧、Ｉはモータ相電流、φは誘起電圧とモータ相電流の位相である。
【００５３】
【数５】
【００５４】
（数５）よりモータトルクは（数６）で表される。すなわち、モータトルクはトルク定数Ｋｔとモータ電流にｃｏｓφを掛けたもので、Ｉｃｏｓφがトルク電流に相当する。
【００５５】
【数６】
【００５６】
図８は、本発明による食器洗い機のモータ駆動装置の動作を示すフローチャートである。
【００５７】
ステップ１００よりモータ駆動プログラムが開始し、ステップ１０１に進んで起動運転かどうかの判定を行い、起動運転ならばステップ１０２に進んで起動制御サブルーチンを実行する。
【００５８】
次に、ステップ１０３に進んでキャリヤ信号割込の有無を判定し、キャリヤ信号割込が有ればステップ１０４のキャリヤ信号割込サブルーチンとステップ１０５の回転数制御サブルーチンを実行する。
【００５９】
図９は、キャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャートである。ステップ２００よりプログラムが開始し、ステップ２０１にてキャリヤ同期信号ｃｋのカウント数ｋがモータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃかどうか判定し、等しければステップ２０２に進んでキャリヤカウント数ｋをクリヤする。モータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃは、駆動周波数設定時に予め求める。
【００６０】
例えば、８極モータの回転数４０４０ｒｐｍにおける駆動周波数ｆは２６９．３Ｈｚ、周期Ｔは３．７１２ｍｓｅｃとなり、キャリヤ周期Ｔｃが６４μｓｅｃ（キャリヤ周波数１５．６ｋＨｚ）の場合、パルス数ｋｃは５８となる。１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθは、駆動周波数ｆの１周期の電気角を２πとすると、Δθ＝２π／ｋｃとなる。
【００６１】
ステップ２０３にてキャリヤ同期信号のカウント数をインクリメントとし、次にステップ２０４に進んで、キャリヤ数ｋと１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθより電気角θの演算を行う。次にステップ２０５に進んで電流検出手段５からの信号を検出して高速Ａ／Ｄ変換し、インバータ出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。次にステップ２０６に進んで（数３）に従い３相／２相・ｄｑ軸座標変換を行いトルク電流Ｉｑと磁束電流Ｉｄを求め、ステップ２０７に進んでＩｑ、Ｉｄをメモリする。
【００６２】
次に、ステップ２０８に進んで印加電圧Ｖｄ、Ｖｑを呼び出し、次にステップ２０９に進んで（数４）に従い、２相／３相・ｄｑ軸座標変換を行いインバータ各相制御信号ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを求め、ステップ２１０に進んでＰＷＭ制御を行い、ステップ２１１に進んでリターンする。
【００６３】
図１０は回転数制御サブルーチンのフローチャートである。回転数制御サブルーチンはキャリヤ信号毎に必ずしも行う必要がないので、例えば、２キャリヤ信号毎に実行してもよい。キャリヤ周波数が超音波周波数になるとキャリヤ周期内のプログラム処理時間が問題となるので、ｑ軸電圧Ｖｑとｄ軸電圧Ｖｄの制御はキャリヤ周期で交互に実行してもよい。
【００６４】
ステップ３００より回転数制御サブルーチンが開始し、ステップ３０１にて検知回転数Ｎを呼出し、次にステップ３０２に進んで検知回転数Ｎと設定回転数Ｎｓの誤差信号に応じてトルク電流設定値Ｉｑｓを求める。次に、ステップ３０３に進んでキャリヤ信号割込サブルーチンで求めたｑ軸電流Ｉｑを呼出し、ステップ３０４に進んでＩｑとＩｑｓを比較し、Ｉｑが設定値Ｉｑｓよりも大きければステップ３０５に進んでｑ軸電圧Ｖｑを減らし、逆ならばステップ３０６に進んでｑ軸電圧Ｖｑを増加させる。
【００６５】
次にステップ３０７に進んでキャリヤ信号割込サブルーチンで求めたｄ軸電流Ｉｄを呼出し、ステップ３０８に進んでＩｄとＩｄｓを比較し、Ｉｄが設定値Ｉｄｓよりも大きければステップ３０９に進んでｄ軸電圧Ｖｄを減らし、逆ならばステップ３１０に進んでｄ軸電圧Ｖｄを増加させる。ＳＰＭモータの場合、通常はＩｄｓは零に設定するが、高速回転させるために弱め界磁制御する場合には、所定回転数以上からＩｄｓを設定回転数Ｎｓに応じて増加させる。
【００６６】
次に、ステップ３１１に進んでＶｄ，Ｖｑをメモリし、ステップ３１２に進んでサブルーチンをリターンする。
【００６７】
再び、図８に示すモータ駆動プログラムに戻り、ステップ１０６に進んで洗浄運転フラグの有無の判定をし、洗浄運転ならばステップ１０７に進んで負荷状態検知判定を行う。
【００６８】
洗浄運転における負荷状態検知は、トルク電流Ｉｑを検知してモータ負荷トルクを検出するもので、トルク電流Ｉｑが所定値Ｉｓ０よりも減少するとエア噛み、あるいは、低水位と判断しステップ１０８に進んでモータ駆動を停止する。次にステップ１０９に進んでフロートスイッチ、あるいは水位センサ等により洗浄槽の水位を検知し、ステップ１１０に進んで水位判定を行う。水位が所定値よりも低下した場合には、ステップ１１１に進んで異常報知等の異常処理を行いサブルーチンをリターンする。水位の低下がなければステップ１１２に進んでモータの再起動処理を行いサブルーチンをリターンする。
【００６９】
洗浄運転において、フロートスイッチや水位センサの信号による水位低下判定の信頼性が低い場合には、ステップ１１０を省略し、水位低下異常フラグを数回検知すると異常報知させ、洗浄運転を停止させてもよい。水漏れ判定した場合には、再給水してから洗浄運転を再開させ、再度水漏れ判定すると異常報知する方がよい。
【００７０】
ステップ１０６にて洗浄運転フラグが無ければ、ステップ１１３に進み排水運転フラグの有無を判定する。排水運転ならばステップ１１４に進んでトルク電流Ｉｑが所定値Ｉｑ１よりも低下するとエア噛み検知を行う。
【００７１】
排水運転時の負荷状態検知は、トルク電流の変化によりエア噛み検知を行うもので、排水運転にてポンプモータを駆動する場合、ポンプに水が供給されておればポンプランナー（インペラー）にトルクが加わりトルク電流は所定値となるが、洗浄水が排水されるとポンプランナーに空気が回り込んでエア噛みによりトルクが減少しトルク電流が減少するので、トルク電流の変化、あるいは変化率を検出することによりエア噛みや排水を検出できる。
【００７２】
ステップ１１４にてトルク電流Ｉｑが所定値Ｉｑ１より低下して排水エア噛み検知をすると、ステップ１１５に進んで騒音を低下させるためにモータ設定回転数を低下させ、ステップ１１６に進んで排水終了検知を行う。
【００７３】
排水終了検知は、回転数を低下させてから再度トルク電流の変化を検知するもので、トルク電流が所定値以下となり、かつ、電流変化のない期間が所定時間以上継続すると排水終了と判定する。
【００７４】
図１１は、食器洗い機を簡略化して表したもので、１モータ１ポンプ方式の構造を示す断面図である。洗浄槽８に給水弁９より水道水を給水し、洗浄水１０を洗浄槽８に貯水する。洗浄槽８の下部に軸方向が垂直となるように扁平状の永久磁石形モータ４を配設し、モータ４の下部にポンプケーシング１１を配置し、インペラー１２を回転させることにより軸方向から遠心方向に圧力を加える。正転方向に回転させると噴射ノズル１３ａを有する噴射翼１３ｂから食器（図示せず）に洗浄水を噴射して洗浄する。正回転させるとポンプケーシング１１の内部圧力が高くなって、ポンプケーシング１１側面に設けた排水弁１４が閉じるので、水流方向は噴射翼１３ｂ側となる。インペラー１２を逆転させるとインペラー１３の側面から垂直方向に圧力が加わり排水弁１４が開いて垂直方向の水流が排水管１５方向に流れるので１つのモータとポンプで洗浄と排水が可能となる。
【００７５】
洗浄用と排水用にそれぞれインペラーとポンプケーシングを設ける１モータ２ポンプ方式でも、正回転で洗浄、逆回転で排水とすることが可能であるが、ポンプの高さが高くなり、洗浄槽８の下部容積を小さくできない課題がある。
【００７６】
図１２は、洗浄運転時におけるトルク電流変化を示し、洗浄槽や洗浄ポンプから水漏れして水位が低下した場合のトルク電流変化を示す。
【００７７】
図１２において、時間ｔ０にてポンプモータ駆動開始し、定常回転数に於いてはトルク電流は所定のピーク値Ｉｏとなるが、水漏れが発生するとポンプモータのオンオフを繰り返すうちにトルク電流は除々に減少し、モータ駆動中に電流が設定値Ｉｓ０以下になると負荷状態検知手段が漏水と判定し、ポンプモータの駆動を停止させ水位低下を判定し、所定水位以下ならば図１０のフローチャートで説明したように異常判定する。
【００７８】
１モータ１ポンプ方式の場合、インペラー１１を逆回転させることにより排水弁１３が開き、正回転においては排水弁１３は閉じるが、排水弁１３にゴミが詰まる等の異常時には洗浄運転、すなわち、正回転の場合にも排水され水漏れが発生するので、上述したようにモータ負荷状態を検出して水漏れを検出する必要がある。
【００７９】
図１３は、排水運転時におけるモータのトルク電流変化と制御シーケンスを示し、エア噛み検知して排水ポンプ回転数と排水時間を制御する。
【００８０】
図１３において、排水運転開始すると、時間ｔ０からｔ１まで回転数Ｎを零からＮ１まで直線的に立ち上げ、トルク電流Ｉｑは零からＩ１まで増加し、回転数Ｎ１で排水運転を続けると電流値はほぼ一定の期間（ｔ１〜ｔ２）があり、洗浄水が無くなってくるとエア噛みしてトルク電流Ｉｑが低下し始める。時間ｔ３においてトルク電流値が設定値Ｉｓ１以下になるとエア噛みと判定し、モータ回転数ＮをＮ２まで低下させる。ポンプモータ回転数をＮ２まで低下させるとトルク電流が低下するので、排水時間を延長する必要があり、残りの排水時間（ｔ３〜ｔ５）は所定時間以上を確保する。
【００８１】
トルク電流Ｉｑが所定値Ｉｓ２以下となり、かつ、トルク電流ＩｑがＩ２となってほとんど所定経過時間（ｔ４〜ｔ５）変化しなくなると排水終了判定する。
【００８２】
エア噛み検知の実施例として、所定トルク電流以下の場合に判定する実施例を示したが、排水定電流Ｉ１から１０〜２０％トルク電流が低下した場合、すなわち変化率検知でも可能である。
【００８３】
以上述べた如く、本発明はポンプモータのトルク電流を検知することによりモータの負荷状態を直接検知することができるので、エア噛みや洗浄槽の水位低下を判別でき、排水時間を短縮したり水漏れによる洗浄水加熱ヒータの空焼きを防止することができる。
【００８４】
また、給水中に洗浄ポンプを駆動することにより水位上昇を検出でき、トルク電流がほぼ一定になった時点で、給水完了判定が可能となる。
【００８５】
なお、ポンプのトルクは回転数の二乗に比例するので、正確な負荷状態を検出するためには回転数とトルク電流を比較することにより可能となる。勿論、排水ポンプ運転と洗浄ポンプ運転のトルク特性は異なるので、それぞれの回転数に応じてトルク電流より負荷状態を判別することができる。
【００８６】
また、洗浄ポンプと排水ポンプを１つのモータで駆動する１モータ２ポンプ方式、あるいは、洗浄ポンプと排水ポンプを別々のモータで駆動する場合でも効果は同じであることは明らかである。
【００８７】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について図１４、１５を用いて説明する。
【００８８】
図１４のブロック図はセンサレス正弦波駆動の制御手段の実施例であり、図１に示したロータ位置検知手段６を省略して電気的にロータ位置推定するセンサレスベクトル制御の実施例である。
【００８９】
センサレス正弦波駆動の実現方法は多くの方法が提案されており、一般的な方法について説明する。食器洗い機に使用されるモータの誘起電圧やコイルインダクタンス等のモータ定数は予めわかっているので、モータ印加電圧位相とモータ電流を検知することにより、誘起電圧位相を演算により求めることができる。
【００９０】
図１５は、センサレス正弦波駆動の制御ベクトル図であり、実際のロータ位置（ｄ−ｑ軸）は不明なので電気角βずれた仮想のロータ軸をａ−ｒ軸として電流演算を行う。誘起電圧ベクトルＶｒがａ軸にあると想定（Ｖｒａ）して演算した電流値と電流測定して座標変換した電流値Ｉａが異なるので、電流値が等しくなるように電気角βを修正することにより仮想ロータ軸と実際のロータ軸（ｄ−ｑ軸）が等しくなる。
【００９１】
言い換えれば、モータの状態方程式は（数７）で表され、印加電圧Ｖｉ、コイルインピーダンス、モータ電流はわかっており、モータ誘起電圧の位相だけ不明なので、モータ誘起電圧が位相βずれた正弦波と仮定して演算した電流値と測定値の誤差を零となるように位相βを修正して位置推定を行う。
【００９２】
【数７】
【００９３】
図１４において、電気角検知手段７０ａは、前述したように電流値と印加電圧より誘起電圧位相を修正する位相修正手段８０の信号によりロータ位置電気角を推定する。座標変換手段は、ａ−ｒ仮想軸に座標変換するので、３相／２相ａｒ軸変換手段７１ａと２相／３相ａｒ軸逆変換手段７４ａより構成され、基本的には図２のブロック図とほとんど同じである。
【００９４】
位相修正によりａ軸とｑ軸は等しくなり、ＩａはＩｑと等しくトルク電流となるので、トルク電流よりポンプモータの負荷状態が判別できる。
【００９５】
以上述べたように、本発明の食器洗い機のモータ駆動装置は、電流検出手段とロータ位置検知手段によりトルク電流成分を検出してトルク電流成分より洗浄ポンプあるいは排水ポンプの負荷状態を検出するようにしたものであり、ポンプモータのトルク電流変化により食器洗浄槽の水位を検出することができ、排水検知や水漏れ検知、あるいは、給水完了検知が可能となり、時間短縮や安全性の向上が可能となる。
【００９６】
さらに、排水時にエア噛み検知した場合にはモータ回転数を低下させて騒音を減らすことができ、低騒音の食器洗い機を実現できる。
【００９７】
また、モータをセンサレス正弦波駆動することによりモータを小型化、薄形化でき、振動を減らすことができるので、ポンプケーシングにモータを直接取り付けることができ、小型、薄形、低騒音のポンプモータを構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明の食器洗い機のモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、インバータ回路により直流電力を交流電力に変換して洗浄ポンプ、あるいは排水ポンプを駆動し、モータ電流を電流検出手段により検出し、ロータ位置検知手段によりロータ位置を検知し、電流検出手段とロータ位置検知手段によりトルク電流成分を検出してトルク電流成分より洗浄ポンプあるいは排水ポンプの負荷状態を検出するようにしたものであるから、安価な電流検出手段により容易に負荷状態の検知が可能となり、洗濯機の排水ポンプ、あるいは風呂水ポンプ駆動装置等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施の形態における食器洗い機のモータ駆動装置のブロック図
【図２】同食器洗い機のモータ駆動装置の制御手段のブロック図
【図３】同食器洗い機のモータ駆動装置の電流検出タイミングチャート
【図４】同食器洗い機のモータ駆動装置の非反転増幅器による電流検知回路を示す図
【図５】同食器洗い機のモータ駆動装置の反転増幅器による電流検知回路を示す図
【図６】同食器洗い機のモータ駆動装置の各部波形とタイミングチャート
【図７】同食器洗い機のモータ駆動装置の制御ベクトル図
【図８】同食器洗い機のモータ駆動装置のモータ制御プログラムのフローチャート
【図９】同食器洗い機のモータ駆動装置のモータ制御プログラムのキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャート
【図１０】同食器洗い機のモータ駆動装置のモータ制御プログラムの回転数制御サブルーチンのフローチャート
【図１１】同食器洗い機のモータ駆動装置の断面図
【図１２】同食器洗い機のモータ駆動装置の水位低下時のモータ電流を示す図
【図１３】同食器洗い機のモータ駆動装置のエア噛み時の制御タイミングチャート
【図１４】本発明の第２の実施の形態における食器洗い機のモータ駆動装置の制御手段のブロック図
【図１５】同食器洗い機のモータ駆動装置の制御ベクトル図
【符号の説明】
【０１００】
１ 交流電源
２ 整流回路
３ インバータ回路
４ モータ
５ 電流検出手段
６ ロータ位置検知手段
７ 制御手段
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地
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| 【出願日】 |
平成１６年６月２９日（２００４．６．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
【識別番号】１００１０３３５５
【弁理士】
【氏名又は名称】坂口 智康
【識別番号】１００１０９６６７
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 浩樹
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| 【公開番号】 |
特開２００６−６７６６（Ｐ２００６−６７６６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１８年１月１２日（２００６．１．１２） |
| 【出願番号】 |
特願２００４−１９０６９１（Ｐ２００４−１９０６９１） |
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