JP2002536953A - 交差結合式モータ・ゲート駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータを駆動するゲート駆動装置を含むモータ装置を提供する。 【解決手段】 インバータ・ブリッジ回路（７１）が、モータ巻線（６３）に電源リンクのレールを選択的に接続して、巻線をモータ動作電流で付勢する。ブリッジ回路は、巻線と夫々電源リンクの上側及び下側レールの間に接続された上側及び下側電力スイッチを有する。各々の下側スイッチ（７５，７７）は、巻線に対して下側スイッチと同じ側にある上側スイッチ（７９，８１）の内の１つに対応して、ブリッジ回路のアームを定める。制御回路（３９）がスイッチを制御するモータ制御信号を発生する。駆動回路（４５）が、対応する下側スイッチの状態に応答して、上側スイッチを駆動し、これらの下側スイッチがモータ制御信号に応答する。駆動回路が、夫々の下側スイッチの電流に応答するブリッジ回路の各アームに接続された電圧利得素子を含んでいて、対応する上側スイッチをその非導電状態に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

この発明は全般的にモータ装置、具体的に言うと、単相または多相電子制御モ
ータに対する改良されたゲート駆動装置に関する。

【０００２】 この明細書で説明する種類の電子転流式モータ（ＥＣＭ）は、複数個の歯を持
つ固定子と、その上に装着した永久磁石を持つ回転子とを有する。歯の上にワイ
ヤーを巻装したコイルが電流で付勢されると、固定子と回転子が相互作用して、
磁石の極性に対する電流の向きに応じて、正または負のトルクを発生する。この
種のモータでは、電子式インバータ・ブリッジが固定子巻線の付勢を制御して、
モータによって発生されるトルクの向き及び大きさを制御すると共に、回転子軸
速度を制御する。典型的には、インバータ・ブリッジが、モータの巻線（１つま
たは複数）を電源に接続するための多数の電力スイッチング装置を持っている。
装置は、電源リンクの上側及び下側レールに対して配置されていて、各々の装置
にはフライバック・ダイオードが結合されている場合が多い。

【０００３】 本出願人に譲渡された米国特許出願第０８/８６５，１３５号（その開示全体
をここで引用することによってこの出願に取り入れる）は、下側電力スイッチの
状態に応答して、モータのインバータ・ブリッジの上側電力スイッチを制御する
改良された単相モータ・ゲート駆動装置を示している。このゲート駆動装置は、
インバータ・ブリッジを駆動するための高電圧ゲート・レベル・シフタを使うこ
とをしないで、突き抜け電流を減少している。公知の様に、モータの転流は、モ
ータの回転子の角位置の関数として制御するのが普通である。この出願と同じ被
譲渡人に譲渡された米国特許第５，７９６，１９４号及び米国特許出願第０９/
０４８，９４６号（その開示全体をここで引用することによってこの出願に取り
入れる）は、直角軸巻線を用いて、単相モータの回転子の位置を感知する改良さ
れた手段を示している。

【０００４】 これらの発明は改良になっているが、モータのコストを下げることを含めて一
層の改善が依然として望まれている。特に、米国特許出願第０８/ ８６５，１３
５号のゲート駆動回路は、下側電力スイッチのターンオンに応答して、上側スイ
ッチのゲート駆動装置を強制的にターンオフにする電力ダイオードを用いている
。このとき、ダイオードには、上側ゲートを許容し得る電圧にクランプしながら
、巻線からの負荷電流を通す。しかし、このダイオードはフライバック電流の流
れを阻止する。完全な動作には、下側電力スイッチの内部のフライバック・ダイ
オードを通るフライバック電流を阻止しないで流すことが望ましい。このため、
この点で改良された交差結合ゲート駆動装置が望ましい。さらに、一層高い電力
レベルで使うため、並びに多相モータに使うためのゲート駆動装置が望まれてい
る。

【０００５】 単相モータの駆動について言うと、巻線の逆起電力（ＥＭＦ）を感知するとい
うような、モータの角位置を感知するというような、モータの回転子の角位置を
検出する普通の方法は利用できないことがある。さらに、従来の調整及び導電方
式によっては、トルクのリップル及び雑音が望ましくない大きさになることがあ
る。したがって、直角軸電圧に基づいて、直角軸で位置を感知し、電流を調整す
ることを含めて、単相ゲート駆動装置を制御するこの他の改良が望まれている。

【０００６】 米国特許第５，５５２，６８５号、同第５，４２３，１９２号、同第４，９３
３，５８４号、同第４，７５７，６０３号、及び同第４，７５７，２４１号（こ
の全てはこの出願と同じ被譲渡人に譲渡されており、その開示全体をここで引用
することによってこの出願に取り入れる）が、電子制御モータを開示している。

【０００７】

【発明の概要】

この発明は、モータを駆動するための交差結合ゲート駆動装置を含む改良され
た装置を提供することにより、上に述べた必要に応え、従来の欠点を克服する。

【０００８】 簡単に言うと、この発明のモータ装置を実現する一面は、少なくとも１つの巻
線を含む不動の集成体と、この不動の集成体に磁気結合された回転自在の集成体
とを有する。装置は、電源から給電される上側及び下側レールを持つ電源リンク
をも有する。ブリッジ回路がレールを巻線に選択的に接続して、それをモータ動
作(motoring)電流で付勢して、不動の集成体に対して回転自在の集成体を回転さ
せる電磁界を発生させる。ブリッジ回路は、巻線と夫々上側及び下側レールの間
に接続された上側及び下側電力スイッチを持っている。各々の下側スイッチが、
巻線に対して下側スイッチと同じ側にある上側スイッチの内の１つに対応し、ブ
リッジ回路のアームを定める。さらに装置が、スイッチを制御するモータ制御信
号を発生する制御回路を含む。駆動回路が、モータ制御信号に応答する、対応す
る下側スイッチの状態に応答して、上側スイッチを駆動する。駆動回路が、ブリ
ッジ回路の各アームに接続された電圧利得素子を含み、これが夫々の下側電流ス
イッチの電流に応答して、各ブリッジ回路の同じアームにある対応する上側スイ
ッチをその非導電状態に保つ。

【０００９】 全般的に言うと、この発明の別の形式は、モータを駆動するインバータ・ブリ
ッジを対象とする。モータが、少なくとも１つの巻線を含む不動の集成体と、こ
の不動の集成体に磁気結合された回転自在の集成体とを有する。モータは、電源
から給電される上側及び下側レールを持つ電源リンクと、巻線の転流を制御する
モータ制御信号を発生する制御回路とをも有する。インバータ・ブリッジが、巻
線と夫々上側及び下側レールの間に接続された上側及び下側電力スイッチを持っ
ている。各々の下側スイッチは、巻線に対して下側スイッチと同じ側にある上側
スイッチの内の１つに対応する。インバータ・ブリッジは、モータ制御信号に応
答する、対応する下側スイッチの状態に応答して、上側スイッチを駆動する駆動
回路をも持っている。駆動回路が、各々の下側スイッチに接続された電圧利得素
子を持っており、これが夫々の下側スイッチの電流に応答して、対応する上側ス
イッチをその非導電状態に保つ。こうしてインバータ・ブリッジがレールを巻線
に選択的に接続して、それをモータ動作電流で付勢して、不動の集成体に対して
回転自在の集成体を回転させる電磁界を発生させる。

【００１０】 この発明のさらに別の実施例では、３相モータ装置が、３相巻線を含む不動の
集成体と、不動の集成体に磁気結合された回転自在の集成体とを有する。直角軸
巻線が各相巻線に対応している。各々の直角軸巻線が回転自在の集成体に磁気結
合されていて、回転自在の集成体の角位置を表す出力信号を発生するように位置
決めされている。さらに装置が、直角軸巻線の出力信号に応答して、相巻線の転
流を制御するモータ制御信号を発生する制御回路を含む。

【００１１】 この代わりに、この発明はこの他の種々の方法及びシステムを構成することが
できる。

【００１２】 その他の目的及び特徴は一部分が明らかであろうし、一部分はこれから説明す
る。

【００１３】

【好ましい実施例の詳しい説明】

次に図面について説明する。図面全体に亙り、対応する参照記号は対応する部
分を表わす。図１はこの発明の好ましい実施例によるモータ装置２１を示す。装
置２１が全体を２３で示したモータを含み、これは不動の集成体または固定子２
５と、固定子２５に磁気結合された回転自在の集成体または回転子２７とを有す
る。ここで説明する実施例では、モータ２３が電子電流型モータである。しかし
、この発明の色々な面は、任意の電子制御が可能なモータまたは典型的な電子制
御回路から給電されるダイナモ電気機械に用いることができることを承知された
い。例えば、この様なモータは、例えば外側回転子モータ（即ち、内側を外にし
たモータ） 、永久磁石モータ、単一及び可変速度モータ、複数個の速度を持つ
速度選択可能なモータ、無ブラシ直流モータ、電子転流型モータ、切り換え磁気
抵抗型モータ及びインダクション・モータを含む。さらに、モータは多相又は単
相であってよく、いづれの場合も、このモータは単一分割相巻線または多相巻線
を持っていてよい。このモータは、電気スイッチまたはその他の制御回路によっ
て選ばれる１つ又はさらに多くの有限の離散的な回転子速度にすることができる
。

【００１４】 この発明の好ましい実施例では、モータ軸３１が回転子２７を、回転自在の部
品３３のような、駆動しようとする特定の装置に機械的に接続する。例えば、回
転自在の部品３３は、加熱、通風及び空気調和装置又は冷却装置に使われるファ
ン、送風機、圧縮材等を構成している。モータ２３は、ファンを駆動するのに特
に役に立つが、モータ２３が、この他の回転自在の部品を駆動する多数の異なる
装置の一部分であってよいことを承知されたい。さらに、回転自在の部品３３は
、それを軸３１に結合するための接続機構を含んでいてよい。

【００１５】 ユーザ・インターフェース又はシステム制御装置３５が、線４１を介して制御
回路３９にシステム制御信号を供給することが望ましい。この場合、システム制
御信号は、例えばターン・オン及びターン・オフ指令、所望のファン速度等を表
すモータ指令の形をしている。システム制御信号に応答して、制御回路３９がモ
ータ制御信号を発生する。図１のブロック図に示すように、制御回路３９がモー
タ制御信号を線４３を介して供給し、複数個のゲート駆動装置４５を電子的に制
御する。これによってゲート駆動装置４５が、絶縁ゲート・バイポーラ・トラン
ジスタ、バイポーラ接合トランジスタ又は金属酸化物シリコン電界効果トランジ
スタのような複数個の電力スイッチ５３を切り換える駆動信号を線５１を介して
供給する。電力スイッチ５３を駆動するのに十分な電圧（例えば１５ボルト）を
供給する他に、ゲート駆動装置４５は、電力スイッチ５３の動作が最適になるよ
うに制御回路３９から供給される信号を条件付ける。この発明の好ましい実施例
では、制御回路３９がマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ及び/ または
用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）によって構成される。制御回路３９の或るまたは
全ての機能を実現するためにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使ってもよい
。

【００１６】 電源５７が線５９を介してスイッチ５３に高電圧直流電力を供給する。このと
き、電極スイッチ５３が、固定子２５にあるモータ巻線６３（図２参照）に関連
して、電源５７を選択的に切り換えることにより、線６１を介してモータ２３に
電力を供給する。電力スイッチ５３が、制御回路３９に応答して、モータ２３を
転流する少なくとも１つのあらかじめ選ばれた順序でモータ巻線６３を付勢する
ことが好ましい。この場合、制御回路３９が、モータ制御信号の関数として電力
スイッチ５３を選択的に作動して、モータ２３の回転を制御する。電源５７が、
制御回路３９を動作させる電力を供給してもよいことを承知されたい。

【００１７】 さらに図１について説明すると、位置センサ６５が、固定子２５に対する回転
子２７の角位置を表す帰還信号を線６７を介して制御回路３９に供給する。例え
ば、直角位相巻線６９（図１０参照）がこの位置センサ６５を構成する。一般的
に、位置信号は、モータの逆起電力に対して（例えばモータ２３の逆起電力に対
して同相または９０まで位相はずれというような）あらかじめ定められた角度関
係をもっており、これにより回転子の位置を推定することができる。例えは、３
相モータでは、制御回路３９は巻線のモータ直角位相波形を観察して、位置を感
知することができる。１つまたはさらに多くのホール・センサまたは光センサの
ようなこの他の位置センサを用いて、直角位相巻線６９または逆起電力情報の代
わりに、またはその他に、回転子の位置の帰還をすることができる。

【００１８】 制御回路３９は、巻線６３の逆起電の推定されたゼロ交差の関数として、その
制御信号を発生することが好ましい。電流と逆起電力の積がモータ２３で発生れ
るトルクを決定するから、制御回路３９は、逆起電力がそれを付勢する電圧と対
抗する向きにゼロと交差したときに、巻線６３を付勢することにより、正のトル
クを維持する。モータの逆起電力もゼロと交差する時点に、モータ電流がゼロと
交差することが望ましく、そのため、制御回路３９は、次の逆起電力のゼロ交差
に対するある角度でモータ２３を転流することが望ましい。言いかえると、制御
回路３９が、回転子２７の感知された位置に基づいて、この後の逆起電力のゼロ
交差を推定し、推定された逆起電力のゼロ交差と一致してまたはその前に、電力
スイッチ５３を駆動するゲート駆動信号を線５１に発生する。このため、制御回
路３９が、位置信号によって表される回転子２７の感知された位置の関数として
モータ制御信号を発生する。この出願と同じ被譲渡人に譲渡された米国特許第５
，４２３，１９２号は、ゼロ交差を検出する好ましい１つの手段を記載している
。

【００１９】 動作について説明すると、制御回路３９は、システム制御信号に基づいて所望
の転流期間を定める状態マシーンを構成する。制御回路３９によって発生された
モータ制御信号または転流信号に応答して、ゲート駆動装置４５が電力スイッチ
５３を切り換える。この結果生じるモータ電流が、調整された電流基準レベルの
関数としての負荷トルク需要と釣合うことが好ましい。トルク負荷が発生された
トルクと釣合うようにすることにより、モータ２３は所望のトルクまたは速度で
運転することができる。１実施例では、モータ制御信号が、一連のパルス幅変調
サイクルを含み、各サイクルによって電力スイッチ５３の対応する切り換え事象
が行われる。巻線６３の電流が、モータ２３の回転子２７を回転させる電磁界を
発生する。回転自在の部品３３の速度を制御するため、装置２１が、負荷に送り
出される電力を制御して、モータ２３の速度を制御することが好ましい。特に装
置２１は、モータ２３の電流を調整し、これによってトルクを調整して、所望の
速度で負荷及びモータ損失需要トルクを釣合わせることにより、所望のモータ速
度を達成する。

【００２０】 電流調整方式の一例として、制御回路３９が、巻線６３の瞬時電流レベルに基
づいて、交互のオン・オフ期間を定める。測定された電流が予定のピーク・レベ
ルに達したとき、制御回路３９が電力スイッチ５３に指令を送って、例えば非同
期発振器またはオフ・タイマによって決定された期間の間、電流をターン・オフ
にする。その代わりに、制御回路３９は、可変デューティ・サイクル信号を使っ
て、電圧の調整を行う。デューティ・サイクルは、例えば０％から１００％まで
変化してよく、ここで１００％は最大電圧に対応する。

【００２１】 図２は、この発明にしたがってモータ２３を駆動する好ましい交差結合ゲート
駆動方式を示す。図２に示すように、インバータ・ブリッジ回路７１が、２つの
下側スイッチ７５、７７（Ｑ０５、Ｑ０６）及び２つの上側スイッチ７９、８１
（Ｑ０３、Ｑ０４）を持ち、これらが電力スイッチ５３を構成している。フライ
バック・ダイオード(図２には示してない)が各々のスイッチ７５、７７、７９、
８１と逆並列に結合されている。この場合、図２は電界効果トランジスタとして
のスイッチ７５、７７、７９、８１を示しており、フライバック・ダイオードは
これらの部品の内部にある。モータ巻線６３に接続されたとき、インバータ・ブ
リッジ回路７１が、モータ２３の駆動に使われるＨ型ブリッジの形になる。簡単
の為、図２はモータ２３を単相巻線６３を持つ単相ＥＣＭとして示している。し
かし、この発明の色々な面が、多相モータに使うことも考えられていることを承
知されたい。

【００２２】 インバータ・ブリッジ回路７１が正、または上側レール８５と、負または下側
レール８７を持ち、これらが電源５７から給電される。分路抵抗、変流器、ホー
ル効果電流センサ、積分電流センサまたはこの分野で公知のその他のセンサまた
は回路を使って電流調整のためにモータ２３の巻線電流またはモータ動作電流を
感知することができる。レール８５、８７が、線５９、６１でも示された電源リ
ンクを構成していて、モータ巻線６３に電力を供給する。

【００２３】 さらに、図２は、ブリッジ回路７１の右側（即ちスイッチ７７、８１）に関連
する全体を８９で示したゲート駆動回路と、ブリッジ回路７１の左側（即ちスイ
ッチ７５、７９）と関連した全体を９１で示すゲート駆動回路を示している。図
面を簡単にするために、図１では、電力スイッチ５３、線５１及びゲート駆動装
置４５が別々に示されているが、図２のブリッジ回路７１は、これらの部品の夫
々の面を実現していることを承知されたい。

【００２４】 モータ２３の動作の一例として、制御回路３９が、巻線４３の反対側に夫々あ
る一対の電力スイッチ５３（即ちスイッチ７７、７９またはスイッチ７５、８１
）を付能(enabling)する制御信号を供給する。普通の動作では、制御回路３９が
、能動的な電力スイッチ５３の内の１つをモータ電流の制御に使うために選ぶ。
２つの能動的なスイッチの内の一方（例えばスイッチ７７またはスイッチ７５）
が、他方（例えばスイッチ７９、８１）が転流論理回路によって指示された転流
期間全体の間、オン状態または導電状態に留まる間、パルス幅変調（ＰＷＭ）を
行う。この期間中のモータ逆起電力の極性は、供給電圧と反対であり、このため
、モータ２３に電流を発生する駆動用の起電力は、供給電圧からこの逆起電力を
差し引いた値である。図示の実施例では、制御回路３９が、転流及び調整信号の
関数として、制御信号をスイッチ７５、７７に印加する。例えば、スイッチ７７
に論理低レベル信号がスイッチ７７に印加されている間、パルス幅変調信号がス
イッチ７５に印加され、あるいはその逆になる。一方または両方の導電している
電力スイッチの導電時間をパルス幅変調してモータ巻線６３に供給される電流を
制御することはできるが、図示の実施例では、下側スイッチ７５，７７だけがパ
ルス幅変調に使われている。この出願人に譲渡された米国特許第４，７５７，６
０３号は、この一例のモータのＰＷＭ制御を示している。

【００２５】 制御回路３９が、抵抗９５（Ｒ１７）を介してスイッチ７７のゲートに電圧を
印加してトランジスタのスイッチングを制御する。この発明の好ましい実施例で
は、この下側ターン・オン抵抗９５の値は、上側スイッチ８１がターン・オフす
る速度に比べて、下側スイッチ７７が比較的ゆっくりとターン・オンするように
選ばれる。同様にその値は抵抗９５よりずっと大きいが、上側ターン・オン抵抗
９７（Ｒ１３）が、下側スイッチ７７がターン・オフになる速度よりずっとゆっ
くりと上側スイッチ８１をターン・オンさせる。インバータ・ブリッジのゲート
駆動回路８９が、ＮＰＮトランジスタ９９（Ｑ０８）のような電圧利得素子を用
いて、下側スイッチ７７が導電しているとき、上側スイッチ８１をターン・オフ
する。ブリッジ回路７１の夫々のアームに接続されているが、トランジスタ９９
は、モータ動作電流の導電通路の一部分を形成するものではない。スイッチ７７
が導電しているとき、抵抗分路１０３（Ｒ１６）がモータ巻線６３からの電流を
通す。分路抵抗１０３により、下側電力スイッチ７７の内部にあるフライバック
・ダイオードを通るフライバック電流を阻止せずに流すことができ、比較的大型
の電力ダイオードを使わずにすむ。これは小規模の用途では特に有利である。

【００２６】 下側スイッチ７７が最初に電流を通すときの分路抵抗１０３の両端の電圧降下
に応答する電圧利得素子ＮＰＮトランジスタ９９は、スイッチ８１に対する上側
ゲート駆動を強制的にオフにする作用をする。開始電流は、突き抜け電流である
ように見えるが、その持続時間は限られており(即ち、過渡的なものであり)、典
型的にはそれはモータ駆動の転流ごとに起こるにすぎない。この後の下側スイッ
チ７７のＰＷＭ動作の間、開始電流が、ダイオード回復電流の形でスイッチ８１
の上側フライバック・ダイオードから供給される。ＮＰＮゲート・ターン・オフ
・トランジスタ９９のベースに接続されたベース抵抗１０５（Ｒ１５）が、下側
スイッチの導電を開始するのにかなりの電流が流れなければならないという条件
を制限する。これによって、トランジスタ９９のベース・エミッタ接合における
過電流状態が防止される。

【００２７】 図示の実施例では、ゲート駆動回路９１が対応する回路８９と同様に動作する
。ゲート駆動回路９１がＮＰＮトランジスタ１１３（Ｑ０７）及び分路抵抗１１
５（Ｒ１１）と組み合わさって下側ターンオン抵抗１０７（Ｒ１８）及び上側タ
ーンオン抵抗１１１（Ｒ０８）を含む。この場合、抵抗１１７（Ｒ１０）がＮＰ
Ｎゲート・ターン・オフ・トランジスタ１１３のベースに接続される。この発明
の転流方式では、下側スイッチ７５、７７だけの直接的なスイッチングにより、
モータ電流の転流及び調整が行われる。上側スイッチ７９、８１の状態が、それ
ぞれ自動的に下側スイッチ７５、７７の状態に対して補数になる。上側ゲート駆
動装置を自動的に制御することにより、ゲート駆動回路８９のトランジスタ９９
と抵抗９５、９７、１０３，１０５の組み合わせは、もし両方のスイッチ７７、
８１が同時に導電した場合に起こる突き抜け電流を最小限に抑える。同様に、ト
ランジスタ１１３と抵抗１０７、１１１、１１５、１１７の組み合わせが、駆動
回路８９と同様に、スイッチ７５、７９の突き抜け電流を減らす。

【００２８】 続けてゲート駆動回路８９の説明をすると、分路抵抗１０３の両端の電圧降下
が、ＮＰＮトランジスタ９９をターンオンする閾値を超えると、抵抗１０３は、
夫々の下側電力スイッチ７７が引き出した電流をベース抵抗１０５を介してトラ
ンジスタ９９に知らせる。正帰還抵抗１２１（Ｒ１４）が、夫々の下側電力スイ
ッチ７７がオンであるとき、トランジスタ９９に対するベース電流駆動を維持す
る。ＮＰＮゲート・ターン・オフ・トランジスタ９９は、そのベース端子のバイ
アス条件が適切なコレクタ電流を発生するとき、ゲート抵抗９７を介して供給さ
れる電圧を低に引張る。

【００２９】 図２は、下側スイッチ７７がターンオフであるときに上側スイッチ８１をター
ンオンするための好ましい電荷ポンプ回路をも示している。スイッチ７７が導電
しているとき、キャパシタ１２３（Ｃ０６）が高電圧ダイオード１２５（Ｄ０７
）を介してプラス１５ボルトに充電されることが好ましい。これによって、上側
電力スイッチ８１に対して必要なバイアスを発生するための「フライング・キャ
パシタ」または「電荷ポンプ」源が形成される。言い換えると、下側スイッチ７
７がターンオフになったとき、キャパシタ１２３の両端の電圧が上側スイッチ８
１をターンオンする。夫々の下側電力スイッチ７７のオン状態によってキャパシ
タ１２３が充電されているとき、抵抗１２９（Ｒ１２）が、論理電源に流れる電
流を制限する。

【００３０】 インバータ・ブリッジ回路７１の左側について言うと、ゲート駆動回路９１は
ゲート駆動回路８９と同じように動作する。この場合、ＮＰＮトランジスタ１１
３は、下側スイッチ７５がベース抵抗１１７を介して通す電流により、分路抵抗
１１５の両端の電圧降下が、トランジスタ１１３をターンオンするための閾値を
越えたときに、ターンオンになる。正帰還抵抗１３１（Ｒ０９）が、夫々の下側
電力スイッチ７５がオンであるとき、トランジスタ１１３に対するベース電流駆
動を維持し、トランジスタ１１３が、そのベース端子のバイアス状態が適切なコ
ネクタ電流を発生した時、ゲート抵抗１１１を介して供給される電圧を低に引張
る。さらに、駆動回路９１が、下側スイッチ７５がターンオフになったとき、上
側スイッチ７９をターンオンするための電荷ポンプ回路を含む。スイッチ７５が
導電していて、下側スイッチ７５がターンオフになったときに上側スイッチ７９
をターンオンするとき、キャパシタ１３３（Ｃ０５）が高電圧ダイオード１３５
（Ｄ０６）を介してプラス１５ボルトに充電されることが好ましい。抵抗１３９
（Ｒ０７）が、夫々の下側電力スイッチ７５のオン状態によってキャパシタ１３
３が充電されているときの論理電源に流れる電流を制限する。２つの抵抗１２９
及び１３９は、論理電源電圧ＶＣＣとダイオード１２５、１３５の互いに接続さ
れた陽極の間に入れた１個の抵抗におきかえることができることを承知されたい
。

【００３１】 このため、ブリッジ回路７１の各々のアーム（即ち、負荷の同じ側にある上側
及び下側スイッチ）に対し、上側スイッチ（即ちスイッチ７９または８１）の状
態は、対応する下側スイッチ(即ちスイッチ７５またはスイッチ７７)の状態に関
係する。こうしてこの発明は上側スイッチ７９、８１の「手離し」の制御をする
。ブリッジ回路７１のゲート駆動回路８９、９１は、各アームの上側スイッチが
対応する下側スイッチがターンオフする速度よりもゆっくりした速度でターンオ
ンすることにより、過渡的でない突き抜け電流が起こる機会を少なくする。

【００３２】 図２で、スイッチ５３を構成するトランジスタは、各々ゲート電極、ソース電
極及びドレイン電極を持っている。これらのトランジスタは内部のフライバック
・ダイオードをも持っている。下側ターンオン抵抗９５、１０７が夫々下側スイ
ッチ７７、７５のゲート電極に接続され、上側ターンオン抵抗９７、１１１が夫
々上側スイッチ８１、７９のゲート電極に接続されることが望ましい。キャパシ
タ１２３及びダイオード１２５の組み合わせと、キャパシタ１３３及びダイオー
ド１３５の組み合わせが、ブリッジ回路７１の同じアームにある対応する下側ス
イッチ７７、７５がターンオフすることに応答して夫々上側スイッチ８１、７９
をターンオンするための電荷ポンプ回路を構成する。図示の様に、抵抗１２９及
びダイオード１２５が上側ターンオン抵抗９７及び＋１５ボルト源の間に接続さ
れ、キャパシタ１２３が抵抗１２９と対応する下側スイッチ７７のドレイン電極
の間に接続される。同様に、抵抗１３９及びダイオード１３５が上側ターンオン
抵抗１１１と＋１５ボルト源の間に接続され、キャパシタ１３３が抵抗１３９と
対応する下側スイッチ７５のドレイン電極の間に接続される。さらに、駆動回路
８９、９１が、夫々の上側スイッチ８１、７９のゲート電極とそれらに対応する
下側スイッチ７７、７５のドレイン電極の間に接続された電圧利得素子トランジ
スタ９９、１１３を含む。

【００３３】 ゲート駆動インバータ・ブリッジ７１のスイッチ５３がターンオン及びターン
オフする速度も、従来のブリッジ回路に比べて利点がある。具体的に言うと、上
側スイッチ８１、７９のターンオン速度は夫々下側スイッチ７７、７５のターン
オフ速度よりもゆっくりしている。これは、スイッチ７７がターンオフした後に
スイッチ８１がターンオンし、スイッチ７５がターンオフした後にスイッチ７９
がターンオンになることを意味する。したがって、ブリッジ回路７１によって構
成されたゲート駆動装置は、スイッチ７５、７７に印加される制御信号の間に時
間的な隙間を必要とせずに、管理できないような突抜け電流が生ずることを最小
限に抑える。従来のゲート駆動装置と対照的に、ブリッジ回路７１は、電力スイ
ッチ５３に印加される駆動信号の間に時間的な隙間、即ち「デッドタイム」を設
けて突抜け電流を減らすためのタイマ等を使っていない。

【００３４】 こういう理由で、この発明はブリッジ回路７１の下側スイッチ７５、７７のパ
ルス幅変調により、モータのトルクまたは速度を制御するのに特に適している。
一例として、上側スイッチ８１は、下側スイッチ７７がオフであるとき、即ち、
スイッチ７７のゲートに論理低レベル信号が印加されているとき、連続的にオン
のままでいる。一方、下側スイッチ７５は制御の為にパルス幅変調することがで
きる。上側スイッチ８１のオン状態は、下側スイッチ７５のオンまたはオフ状態
ではなく、下側スイッチ７７のオフ状態に関係するから、スイッチ７５がパルス
幅変調されているときでも、スイッチ８１はオンのままでいる。スイッチ７５の
パルス幅変調の間、スイッチ８１を不必要にオン及びオフに切り換えないことが
有利である。

【００３５】 次に図３について説明すると、この発明の別の好ましい実施例は、その電圧利
得素子として比較器１４５（Ｕ９Ｂ）を用いたゲート駆動回路１４３を含む。簡
単のため、図３は下側電力スイッチ１４７（Ｑ１８）及び上側電力スイッチ１４
９（Ｑ１９）を持つ単相枝路を示している。これから説明するように、比較器１
４５の他に比較器１５１（Ｕ９Ａ）を含む２重比較回路が、上側スイッチ１４９
の過小電圧保護を容易にしている。分路抵抗１５３（Ｒ１１７）が下側スイッチ
１４７の電流を測定して、電圧利得素子比較器１４５による状態変化を行わせる
。この比較器はその反転端子（ピン６）に接続された抵抗１５５（Ｒ１１６）を
通じて作動される。この実施例では、直列抵抗回路１５７（Ｒ１１８、Ｒ１１９
，Ｒ１２０）が正帰還抵抗を構成している。比較器１４５の出力（ピン７）が、
分路抵抗１５３の両端の電圧（抵抗回路１５７を通じて反映する）が、比較器１
４５の非反転端子（ピン５）の基準電圧を超えたとき、上側電力スイッチ１４９
のゲートを低に引張る。この発明では、ツェナー・ダイオード１６１（Ｄ２６）
及び分圧器１６３（Ｒ１１３，Ｒ１１４）が基準電圧を設定する。

【００３６】 比較器１４５を電圧利得素子として使うことにより、ゲート駆動回路１４３は
、作動するのにダイオードの順方向電圧降下を必要としない。即ち、回路１４３
は、分路１５３の両端に一層低い作動閾値電圧を取れるようにし、これが回路の
挿入損失を小さくする。特に、一層低い作動閾値（例えば約５０ｍＶ）は、値が
一層小さい電流分路抵抗１５３（例えば５０ｍ）を使うことができるようにする
。これと対照的に、スイッチング・トランジスタ９９，１１３の閾値は約０．８
ないし１．２Ｖである。その結果、図３のゲート駆動回路１４３で構成したこの
発明は、比較的高い電力レベル（例えば低電力用途の約０．２Ａではなく、約２
．２５Ａの動作電流）の用途に特に適している。例えば、１Ｖの作動レベルでは
、挿入損失は約２．２５Ｗであるが、一層低い作動レベルを持つ低電力用途では
、挿入損失は約０．２５Ｗである。大電流動作では、分路抵抗１５３は規模を小
さくして、挿入損失を最小限に抑えることができる。

【００３７】 図３の説明を続けると、上側スイッチ１４９のゲートを放電するとき、抵抗１
６５（Ｒ１０１）がいづれかの比較器１４５、１５１が通す電流を制限する。抵
抗１６７（Ｒ１０９）が、比較器１４５、１５１によって許されるとき、ゲート
を上に引張り、（スイッチ１４９をターンオンし）、抵抗１７１（Ｒ１１２）が
ツェナー１６１に対する電流のソースとなる。比較器１５１は、キャパシタ１７
３（Ｃ３０）の電圧が抵抗回路１７５（Ｒ１１５、Ｒ１１１、Ｒ１０９，Ｒ１２
１）によって設定された閾値電圧（例えば約９Ｖ）より下がったとき、過小電圧
ゲート駆動保護をする。抵抗１７９（Ｒ１１１）がヒステリシスを持たせ、キャ
パシタ１７３が、上側ゲートの動作を再び付能する前に、約１２．７Ｖの公称レ
ベルに再び充電されるようにする。高電圧ダイオード１８１（Ｄ２５）及びキャ
パシタ１７３が、図２の交差結合データ駆動装置７１について前に述べた電荷ポ
ンプ源になる。この代わりに、ゲート駆動装置７１、１４３は、電荷ポンプ源の
代わりに、電圧源に対する隔離された変圧器巻線を用いる。

【００３８】 この発明の好ましい実施例では、キャパシタ１７３は図２のキャパシタ１２３
、１３３より規模が大きい。これは、比較器１４５、１５１及びゲート駆動回路
１４３の余分な回路が、一層大きな合計バイアス電流を使うからである。図３に
示すように、プルアップ抵抗１８５（Ｒ１０２）を持つＮＰＮトランジスタ１８
３（Ｑ１６）が、制御回路３９からのモータ制御信号に応答して、下側ゲート・
スイッチ１４７を駆動する。この比較的簡単な電圧利得素子であるトランジスタ
１８３は、回路１４３を駆動するのにマイクロコンピュータまたはＤＳＰのよう
な５Ｖ源を使えるようにする。

【００３９】 上に述べたように、図３は簡単の為に１相の枝路だけを示している。中心タッ
プつき電源と組み合わせると、ゲート駆動回路１４３は単相動作を維持すること
ができる。しかし、単相Ｈ型ブリッジ動作のためには、ゲート駆動回路１４３を
２重にし、３相動作では３重にすることが好ましい。

【００４０】 図２及び３の交差結合ゲート駆動方式を３相ＥＣＭ用途に応用することは、固
有の１８０導電の考えがあるために複雑になる。単相ＥＣＭの用途並びに３相可
変速度インダクション・モータ駆動装置及び３相正弦波ＥＣＭ駆動装置（巻線及
び磁束が正弦状に分布する）では１８０導電が標準の手順である。しかし、３相
ＥＣＭの用途では、１２０導電により逆起電力の位置の感知ができ、負のレール
８７に配置した１個の分路抵抗によって電流調整ができる。さらに、１２０導電
は他の場合に１８０導電で起こるような循環電流の問題が避けられる。したがっ
て、交差結合ゲート駆動装置の利点が得られるような３相ＥＣＭ駆動装置が望ま
しい。

【００４１】 一般的に、交差結合ゲート駆動回路を用いると、１８０導電方式になる。この
ような回路をモータ２３の駆動に直接的に用いた一例としては、負のレール８７
に１個の電流感知用分路抵抗を使って、モータ電流を制御する。この例では、電
流が所望の閾値を超えることが観測されたとき、インバータ・ブリッジの全ての
下側電力スイッチをターンオンすることにより、電流のＰＷＭ制御が行われる。
適当な期間（非同期ＰＷＭタイマーのオフ・タイマーのいづれかによって設定さ
れる）の後、下側電力スイッチの内の１つをターンオフすると、ソース電流が再
び設定される。３相の用途では、ある期間の間２つの下側スイッチをターンオフ
することが適切であることがあるということが理解されよう。この方式は大電流
レベルでは受け容れられるように作用するが、低電流レベルでは重要な問題が発
生する。

【００４２】 図４Ａ−４Ｃは、全ての下側スイッチ（例えば各相に対応するスイッチ１４７
）のターンオンを作動するために負のレール８７に１個の抵抗分路を用いたモー
タ２３の動作例を示す。前に述べたように、電力スイッチ５３のうちの下側スイ
ッチをターンオンすることが３相ＥＣＭ制御で電流を制限する手段になる。図４
Ａは、速度及びピーク電流調整レベルに対してトルクを示すグラフであり、広い
速度範囲にわたって、ピーク電流によってモータ・トルクを制御するという所望
の特性を示している。図４Ｂは、速度及びピーク電流の調整に対して効率を示す
グラフであり、０．５Ａのピーク調整値の上方での比較的効率のよい動作を示し
ている。図４Ｃは、速度及びピーク調整アンペア数に対して観察された最大各相
アンペア数を示す。観測された最大各相アンペア数は、ピーク調整値が２Ａから
１Ａになるのに対応して減少するが、１Ａより下に調整しようとしても、観測さ
れる最大各相アンペア数は１Ａよりあまり減らない。

【００４３】 図５Ａ及び５Ｂには、０．２５Ａのピーク調整レベルでの回転（電気角度）に
対して、各相電流及び電圧の夫々の例が示されている。図５Ａは、電気角度に対
してモータ巻線６３の台形の各相逆起電力及び各相電流と基本インバータ電圧状
態を示している。図５Ａは、１Ａのレベルより低くなるように調整する努力に対
して電流の応答がないことをも示している。図５Ｂでは、図５Ａのデータに瞬時
及び平均トルク及び分路電流を追加している。図５Ｂのグラフから、１つの各相
電流が、任意のあるときに分路電流の調整に応答するが、他の２相は図面では見
えない、そして電流調整器によって制御されない循環電流であることが分かる。

【００４４】 次に図６について説明すると、この発明は、可変速度インダクション・モータ
（ＶＳＩＭ）駆動装置に普通用いられる各相電圧調整を設定することにより、３
相ＥＣＭの用途に対する改良されたゲート駆動応答を提供する。３相電子転流モ
ータ２３に各相電圧の適当な順序を印加すると、効率及び制御されたトルクの点
で一般的な条件を満たす電流が発生される。図６は、適当な各相電圧を発生する
ための１相枝路ＰＷＭ基準の２つの交代的な順序を示している。各々の順序が、
３相駆動装置の１つの枝路だけに対応する。図面に示してない２つの各相枝路は
、この順序を１２０（２．０９４ラジアン）だけ次々とずらすことにより、図６
に示した特定の順序から直接的に導き出すことができる。台形及び正弦波順序は
、いづれも、モータ２３のＹ結線巻線６３の中性点に対してモータの各相に加え
た電圧の形から導き出される。これらの電圧が、最も負の瞬時値を持つ相が負の
レール８７に対してゼロに設定されるという条件で、インバータの負のレール８
７を基準として示されている。図示の様に、両方の順序は、３．６７ないし５．
７６ラジアンの期間（約２／３ラジアンの期間）の間ゼロである。３相の内の１
相の電圧をゼロに設定することにより、図６のやり方の動作は色々な利点をもた
らす。例えば、モータ２３を駆動するために利用しうる電圧が最大になり、ＰＷ
Ｍスイッチングの合計量が最小限になるために効率が改善され、負のレール８７
と下側電力スイッチ／フライバック・ダイオード（例えばスイッチ１４７）の間
に入れた個別の各相枝路分路が、その相がゼロ・ボルトに設定されている間の完
全なモータ各相電流に関する情報を提供する。

【００４５】 図６で、第１の順序は、モータの中性点に関して各相に加えられた電圧の台形
波に基づいており、第２の順序は、モータの中性点に対して各相に加えられた電
圧の正弦波に基づいている。これらの順序は、台形がとんがった特性を持つのに
対し、正弦波が丸くなった形を持つことによって区別される。例えばＶＳＩＭ駆
動装置では、インダクション・モータ駆動装置では高調波を最小限に抑える必要
があるために、効率を最大にするために正弦波形式のほうが好ましい。電子転流
型モータ（特に正弦状ではない逆起電力波形を持つ場合は）では、高調波を最小
にすることが効率の点で同じような利点を持っていない。

【００４６】 図７Ａ−７Ｃ及び図８Ａ−８Ｃは、図６の２相電圧順序によるモータの動作例
を並べて示す３つのグラフを示している。特に、図７Ａ−７Ｃは、正弦波電圧デ
ューティ・サイクルに基づいて調整したときのモータ２３の動作を示しており、
図８Ａ−８Ｃは、台形各相電圧に基づいて調整した時のモータ２３の動作を示し
ている。図７Ａ及び８Ａは、モータ速度及び公称電流調整レベルに対してモータ
・トルクを示している。図７Ｂ及び８Ｂは、速度及び公称電流調整レベルに対し
て効率を示しており、図７Ｃ及び８Ｃは、速度及び公称電流調整レベルに対して
観察された最大各相電流を示している。図４Ａ−４Ｃとは対照的に、図７Ａ−７
Ｃ及び８Ａ−８Ｃの例のグラフは、負のレール８７のピーク電流の瞬間的な調整
に基づいていない。その代わりに、これらのグラフは、負のレール８７で観察さ
れた電流に応答して、各相枝路のＰＷＭの値を調節することによるモータ動作を
示している。実質的に、これは遅延サーボ応答になり、それがこういう方式に隠
れているループ安定性を導入する。図７Ａ−７Ｃと図８Ａ−８Ｃとを比較すれば
、複雑な度合いが少ない台形は、正弦波順序とそんなに異なるものではないこと
が明らかである。好ましい実施例では、制御回路３９（例えばＤＳＰ）が、モー
タ２３を運転するのに、図７Ａ−７Ｃと図８Ａ−８Ｃの電圧調整方式の内の一方
を実施する。

【００４７】 図９Ａ−９Ｃは、台形動作の間の電圧、電流及び各相枝路のデューティ・サイ
クルの例を示す。参考のため、各々のグラフには、回転子２７の回転（電気角度
で表す）に対して、３相の逆起電力電圧が描かれている。図９Ａは、モータ２３
が例えば２０Ｏｚ Ｆｔのトルクを発生することを示している。図９Ａは、０．
８Ａの目標値（右側がＹ軸）に対して描いた分路電流のフィルター後のピーク値
をしめしている。図９Ｂは、各相枝路に対する単位当たりのデューティ・サイク
ルを示し、図９Ｃは各相電流を示す。

【００４８】 コストを安くするとともに効率を改善するため、３相電子転流型モータは、凸
極構造で設計される。この構造は、各々の固定子各相凸極の磁束を他の２相の凸
極を介して戻すことを必要とし、そのため「順次極設計」と呼ばれる場合が多い
。この構造では、相数と極数の積の半分の数の固定子凸極がある。例えば、１２
極で３相の順次極設計の固定子は、１８個の凸極を有する。

【００４９】 この出願人に譲渡された米国特許第５，７９６，１９４号は、モータの固定子
の各々の歯にある切り欠きを通る直角軸巻線を持つ単相モータを開示している。
直角軸巻線を巻装する向きが隣り合った歯で交互に変わる。言い換えると、単相
凸極モータに対する直角軸巻線が、各々の凸極の中心に位置決めされる。順次極
設計の３相モータは、固定子の各相の極が、同じ向きに巻装されることを意味す
るから、これは最初は直角位相巻線６９を配置する上でのジレンマの様に思われ
る。

【００５０】 前に述べた様に、３相モータに対する従来の台形各相電圧方式は、回転子の位
置を追跡することを必要とする。例えば、回転子磁石の縁に接近した３つのホー
ル・センサを使って前の転流期間を基準とした経過時間により、回転角度を推定
することができる。同様に、３つの光遮断器及び軸装着シャッターを使って、回
転速度を推定することができる。この発明では、直角巻線６９が回転子の位置の
帰還を行う。図１０はモータ２３を平坦にした断面の平面図である。この場合モ
ータ２３はＡ，Ｂ及びＣと示す巻線６３、及び各相に対応する位置感知用の追加
のコイル（即ち直角軸巻線６９）を持つ３相モータである。主巻線及び直角軸巻
線６３、６９の両方が、回転子２７の磁束磁石から電磁的影響を受ける。しかし
、直角位相巻線６９は、固定子２５の磁束の電磁的な影響を受けない。このため
、直角位相巻線６９は、主巻線６３の電流の影響を受けずに、回転子２７の位置
を検出することができる。両方の組の巻線が、回転子２７の磁束の電磁的な影響
をうける。これは、回転子の各々の磁石による回転子２７との間の磁束の向きが
、固定子２５の夫々の部分に隣接する回転子磁石の極性に関係するからである。
１実施例では、固定子２５が複数個の歯１８９を持ち、各々が３つの切り欠きを
持っている。直角軸巻線６９が、図１０に示すように、歯１８９の中心の切り欠
きの間に巻装される。

【００５１】 この発明では、モータ２３は、夫々の直角軸巻線６９を他の２相の間のスロッ
トを通して戻す。図１０に示す様に、各々の直角位相巻線に対する交差端は、固
定子凸極の中心に配置される。図１０は、各相のドット端が向かい合った２相の
巻線６９の間を通って戻ることを示している。巻線６９の最後の終端が共通接続
部（図に示してない）に戻り、直角位相巻線６９に対するＹ結線形式を完成する
。動作の際、３つのＹ結線の直角位相巻線が基準となる１組の電圧を発生する。
これらの直角位相電圧が、前の転流期間を基準とした経過時間に基づいて、回転
子２７の角度位置を推定するための情報を提供する。さらに、直角軸巻線の電圧
を積分して、各相電流を調整するための基準として使われる同相の１組の電圧を
達成することができる。１実施例では、制御回路３９が積分器を構成している。

【００５２】 一例として、制御回路３９が、この出願と同じ被譲渡人に譲渡された米国特許
第５，７９６，１９４号に開示された原理に基づいて計算された転流進み角と組
み合わせて、回転子２７の角度位置の推定値を発生する。この例では、モータの
各相に台形電圧順序が加えられると、図９Ａ−９Ｃに示されるような結果が生ず
る。この発明が、直角位相巻線６９から得られる情報を用いて、位置を感知する
他に、モータ動作電流を整形を行うことが有利である。この形式の電流調整は、
通常１２０導電方式に見られるトルク高調波の量を減らすことができる。

【００５３】 この発明の好ましい１実施例では、制御回路３９が（例えば普通のアナログ回
路によりまたはＤＳＰの計算により）直角位相電圧の低域フィルタ作用を実施し
、このため基準電圧がモータ逆起電力と同相になる。逆起電力各相電圧を表す電
圧が得られることにより、モータ装置２１は、各相電流を各相電圧にある倍率を
かけた値まで調整することができる。同相基準電圧により、回転状態の間の臨界
的順序に渡って電流を制御することができるとともに、自動的に進み角の補償が
行われるのが有利である。

【００５４】 隔離(isolation) された電流の測定に代わるものとして、負のレール８７を３
つの下側電力スイッチ（例えば、スイッチ１４７）に接続する別々の各相分路及
びそれらに対応するフライバック・ダイオードが、下側電力スイッチまたはフラ
イバック・ダイオードが導電しているとき、正しい各相電流をもたらす。しかし
、分路は、上側電力スイッチ（例えばスイッチ１４９）がオンであるときには、
電流が存在しない。ここで説明している交差結合ゲート駆動方式では、下側電力
スイッチがオンに制御されたときには、いつでも正しい電流を観察することがで
きる。この理由で、制御回路３９（例えばＤＳＰ）が、電流を低域フィルターに
かけられた直角巻線電圧に倍率をかけた値に釣り合う様に調整することに基づく
制御を実施する好ましい手段になる。ＤＳＰでは、どの相の枝路に対しても、Ｐ
ＷＭ期間は、１００％デューティ・サイクル未満になるように制限される。各々
のＰＷＭサイクルの初めに、分路電流のサンプルを、全ての下側電力スイッチが
作用している時間の間に記録する。低コストのＤＳＰでは、各相サンプルは約３
マイクロ秒を必要とすることがある。このため、合計のサンプル時間は、３相全
部に対しては９マイクロ秒であり、２相に対しては約６マイクロ秒である。３相
の内の１つの下側電力スイッチが、ＰＷＭサイクルの間、オンに留まる様に選ば
れるから、全ての下側スイッチがオンである期間の間にそれを測定する必要はな
い。

【００５５】 電流を標本化(sampling)した後、制御回路３９がＰＷＭ期間を開始することが
好ましい。１実施例では、制御回路３９が３つの各相枝路の内の１つを選んで、
夫々の下側電力スイッチをＰＷＭ期間全体にわたってターンオンする。制御回路
３９は、低域フィルターにかけ、倍率を掛けた直角位相電圧によって定まる電流
の目標に比較して、どの相電流が最も負の補正を必要とするかを判断することに
より、この選択を下す。正の各相電流の補正を必要とする残りの上側電力スイッ
チをターンオンすることにより、ＰＷＭ期間が開始される。上側スイッチが導電
している期間の間、上側スイッチが導電している枝路の各相電流は測定しなくて
も推定することができる。

【００５６】 電流の推定には、ＰＷＭサイクルの時間、各相インダクタンス（各相巻線の間
の結合によって増加する）、各相逆起電力に対して直角位相電圧で推定された電
圧、及び想定されたまたは測定されたレール電圧を用いる。さらに精度を高くす
るため、Ｙ結線された主巻線６３の中心接続点の測定された電圧も取り入れるこ
とができる。一般的に、デューティ・サイクルはデューティ・サイクルの個別の
選択に拘束して、例えば４５％という高い値にすることができる。ＰＷＭ期間全
体に亙って下側電力スイッチをオンに選んだ各相枝路の分路により、電流の制御
されていない速い立ち上がりを観察することができ、それが所望の調整値を超え
た場合、それを用いて全ての上側電力スイッチの導電を終了させることができる
。

【００５７】 図１１Ａ−図１１Ｃには、電圧、電流及び各相枝路のデューティ・サイクルの
例が示されている。参考の為、各々のグラフには、回転子２７の回転（電気角度
で表す）に対して描いた３相の逆起電力電圧が示されている。図１１Ａは、モー
タ２３が、例えば約５０Ｏｚ Ｆｔのトルクを発生することを示す。この場合、
制御回路３９は３つの分路を介して電流を監視し、そのため、電流のフィルター
にかけたピーク値は示していない。図１１Ｂは、示された各相枝路に対する単位
あたりのデューティ・サイクルを示し、図９Ｃは各相電流を示す。制御回路３９
が、推定する各相電流を、低域フィルターにかけて倍率を掛けた直角位相電圧か
ら得られた目標値に調整することに基づいて、デューティー・サイクルを決定す
ることが好ましい。

【００５８】 しかし、直角位相巻線６９による位置の感知に基づくモータ２３の運転は、自
動的に開始されるわけではない。始動の時、直角巻線の電圧はゼロである。した
がって、低域フィルターにかけられた直角巻線電圧に倍率を掛けた電流の値もゼ
ロである。好ましい始動方法は、正、ゼロの値及び負の電流の目標という６状態
順序を用いる。この場合、制御回路３９が、直角位相電圧から導き出した推定各
相ボルトの順序によって決定されるボルト秒の和により、状態の間の転流を制御
する。

【００５９】 一例の順序は、相１（相Ａ）に対して状態０ないし５に対する０，１，１，０
、−１、−１である。同じ順序内で、相２（または相Ｂ）は相１よりも２状態進
んでおり、相３（または相Ｃ）は相２より２状態進んでいる。この場合、順序は
、所望のピーク電流レベルに乗ずる係数の組を表す。推定各相電圧が、次の様に
フィルターにかけられた直角巻線電圧から導き出される。

【００６０】 最初に、ＲＣ分圧器は定常状態では次の分圧比を有する。基本に対して複素数
の数式を表すと Ｖｃ＝Ｖｑ（−ｊＸｃ）／（Ｒ−ｊＸｃ） ここでＶｃはキャパシタの両端の電圧、Ｖｑは直角位相電圧である。

【００６１】 分圧比の大きさに対して、角度を無視し、Ｘｃ及びＶｑで除すと

【００６２】

【数１】

【００６３】 １／ｗＣをＸｃに代入すると

【００６４】

【数２】

【００６５】 ここでｗ＝２。極数 RPM／１２０。

【００６６】 ｎを各相巻線／直角位相コイルの実効ターン比として、Ｖｑ＝Ｖｐｈ／ｎ及び
＝Ｒ Ｃを代入すると

【００６７】

【数３】

【００６８】 Ｖｐｈについて解くと

【００６９】

【数４】

【００７０】 次に制御回路３９は選ばれた相に対する各相電圧のこの推定値を用いて転流の
ためのボルト秒を加算する。ボルト秒の加算がゼロより大きい場合だけが許され
、ゼロより低い負の和は禁止される。制御回路３９は、前の電流目標順序の相１
に割り当てられた状態により、ボルト秒の加算に選ばれる相を決定する。状態０
ないし５に対するこの後の順序（相１に割り当てられた状態によって選ばれる）
が、加算する各相電圧推定値を決定し、加算の方向は、この順序−１、２、−３
，１、−２，３における各相番号につけられた符号によって決定される。

【００７１】 この代わりに、制御回路３９が、ｗが始動時に小さいとき、ボルト秒に対し、
低域フィルターにかけた直角位相電圧を直接的に加算する。

【００７２】 Ｖｐｈ＝Ｖｃ ｎ ｋ ここでｋは始動性能が受け入れられるものになるように、実験的に導き出される
。

【００７３】 適切な時間の限界内にボルト秒加算によって転流がでてこない場合、制御回路
３９は強制転流を用いることが望ましい。始動アルゴリズムは、１００ＲＰＭの
ような予定の速度までしか持続せず、その後動作は電流を低域フィルターにかけ
た直角位相電圧に倍率を掛けた値に調整することに転換する。

【００７４】 図１２Ａ−１２Ｄは、このようにして開始されたモータ２３の動作例を示す。
図１２Ａは、低域フィルターにかけた直角位相電圧から導き出した逆起電力の推
定値に対する逆起電力を示す。一例として、低域フィルターは、０．１秒の時定
数を持つが、これは１２極の３相モータでは、１００ＲＰＭに対応する。このグ
ラフから分かる様に、これらの推定値の角度は許容しうるものである。図１２Ａ
には示してないが、制御回路３９は、各相電圧の推定値が中心合わせされること
を促進するために、低域フィルターの出力をクランプするためのディジタルまた
はアナログの誘導計算をすることが好ましい。中心合わせアルゴリズムによって
決定された値にクランプしたとき、制御回路３９（例えばＤＳＰ）は純粋な積分
を行って、所望の各相電圧の推定を行うことが好ましい。図１２Ｂは、始動時の
シミュレーションによる各相電流を示しており、下側電力スイッチをオンにする
ように選ばれた相枝路の分路の観察に基づいて、ピーク電流限界の介入を示して
いる。始動電流の非対称性は、各相電圧推定値の非対称性を反映しており、これ
は前に述べた手段により実質的に補正することができる。図１２Ｃは、始動時の
回転方向の反転及び補正の例を示す。このような反転は「位置はずれ」の始動に
よっておこることがある。この反転が、０乃至０．０５５秒まで負のＲＰＭで、
そして０乃至０．０９秒まで負の角度で起こることが認められる。約０．１２秒
で始まる加速度の変化は、前に述べた電流の非対称性によるものである。図１２
Ｄは、始動アルゴリズムが作用している最初の０．０３秒だけを示している。ｍ
Ｖ秒のパラメータが加算されて、第１の状態変化を０．０２１５秒のところで、
そして第２の状態変化を０．０２３秒のところで発生することが示されている。

【００７５】 これらのグラフは、３相直角巻線６９に対する４線接続に基づいている。３線
接続（Ｙ結線になっている3相の中心接続を省略する場合）、３つの等しい抵抗
を使って、人工的な中心点に対して加算する。この加算された中心点から３つの
端子までの電圧は、ソースとなるＹ結線電圧の推定値として、かなりの瞬時誤差
を持つことがある。しかし、これらの近似的な電圧から導き出した低域フィルタ
ーにかけた電圧は、一般的に、ソースとしてＹ結線された直角位相電圧から直接
的に導き出した電圧と区別することができない。

【００７６】 上に述べたところから、この発明の幾つかの目的が達成され、その他の有利の
結果が得られたことが理解されよう。

【００７７】 この発明の範囲を逸脱せずに上に述べた構成及び方法に種々の変更を加えるこ
とができるので、上の説明に述べたことまたは添付図面に示したことは全て、例
であって、この発明を制限するものと解釈してはならないことを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の好ましい実施例によるモータ装置のブロック図。

【図２】 図１のモータを駆動する好ましい交差結合ゲート駆動装置を構成するインバー
タ・ブリッジの図。

【図３】 図１のモータを駆動する別の好ましい交差結合ゲート駆動装置を構成するイン
バータ・ブリッジの図。

【図４Ａ】 インバータ・ブリッジの負のレールのピーク電流の瞬時調整に基づく３相電子
転流モータ制御による図１のモータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図４Ｂ】 インバータ・ブリッジの負のレールのピーク電流の瞬時調整に基づく３相電子
転流モータ制御による図１のモータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図４Ｃ】 インバータ・ブリッジの負のレールのピーク電流の瞬時調整に基づく３相電子
転流モータ制御による図１のモータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図５Ａ】 図４Ａ−４Ｃのモータ動作の各相電流及び電圧の例を回転の電気角度に対して
示すグラフ。

【図５Ｂ】 図４Ａ−４Ｃのモータ動作の各相電流及び電圧の例を回転の電気角度に対して
示すグラフ。

【図６】 ３相電子転流モータを動作させるための図１のモータに印加される各相電圧順
序の２つの例を示すグラフ。

【図７Ａ】 インバータ・ブリッジの負のレールの観察された電流に応答して、各相枝路の
パルス幅変調の値の正弦波電圧調整に基づく３相電子転流モータ制御により、図
１のモータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図７Ｂ】 インバータ・ブリッジの負のレールの観察された電流に応答して、各相枝路の
パルス幅変調の値の正弦波電圧調整に基づく３相電子転流モータ制御により、図
１のモータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図７Ｃ】 インバータ・ブリッジの負のレールの観察された電流に応答して、各相枝路の
パルス幅変調の値の正弦波電圧調整に基づく３相電子転流モータ制御により、図
１のモータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図８Ａ】 インバータ・ブリッジの負のレールの観察された電流に応答する、各相枝路の
パルス幅変調の値の台形電圧調整に基づく３相電子転流モータ制御による図１の
モータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図８Ｂ】 インバータ・ブリッジの負のレールの観察された電流に応答する、各相枝路の
パルス幅変調の値の台形電圧調整に基づく３相電子転流モータ制御による図１の
モータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図８Ｃ】 インバータ・ブリッジの負のレールの観察された電流に応答する、各相枝路の
パルス幅変調の値の台形電圧調整に基づく３相電子転流モータ制御による図１の
モータの動作例を速度に対して示すグラフ。

【図９Ａ】 台形動作の間の図１のモータの電圧、電流及び各相枝路のデューティ・サイク
ルの例を示すグラフ。

【図９Ｂ】 台形動作の間の図１のモータの電圧、電流及び各相枝路のデューティ・サイク
ルの例を示すグラフ。

【図９Ｃ】 台形動作の間の図１のモータの電圧、電流及び各相枝路のデューティ・サイク
ルの例を示すグラフ。

【図１０】 複数個の固定子の切り欠きを通る直角軸巻線を含む、図１の固定子を平坦にし
てみた側面図。

【図１１Ａ】 回転子の位置の追跡の為に、図１０の直角軸巻線を用いた図１のモータの電圧
、電流及び各相枝路のデューティ・サイクルの例を示すグラフ。

【図１１Ｂ】 回転子の位置の追跡の為に、図１０の直角軸巻線を用いた図１のモータの電圧
、電流及び各相枝路のデューティ・サイクルの例を示すグラフ。

【図１１Ｃ】 回転子の位置の追跡の為に、図１０の直角軸巻線を用いた図１のモータの電圧
、電流及び各相枝路のデューティ・サイクルの例を示すグラフ。

【図１２Ａ】 図１１Ａ−１１Ｃの直角軸回転位置追跡にしたがって動作する図１のモータの
始動時の動作例を示すグラフ。

【図１２Ｂ】 図１１Ａ−１１Ｃの直角軸回転位置追跡にしたがって動作する図１のモータの
始動時の動作例を示すグラフ。

【図１２Ｃ】 図１１Ａ−１１Ｃの直角軸回転位置追跡にしたがって動作する図１のモータの
始動時の動作例を示すグラフ。

【図１２Ｄ】 図１１Ａ−１１Ｃの直角軸回転位置追跡にしたがって動作する図１のモータの
始動時の動作例を示すグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キーファー，ジェームズ・アール アメリカ合衆国、46825、インディアナ州、 フォート・ウェイン、アーチウッド・レー ン、5440番 Ｆターム(参考） 5H560 AA01 AA02 BB02 BB04 BB12 DA02 DA05 DA06 DA13 DC12 EB01 TT01 TT08 TT15 UA02 UA05 UA06 XA02 XA12 5H576 AA08 AA10 CC01 DD01 DD02 DD04 DD07 EE11 HA03 HB02 JJ03 JJ04 JJ08 JJ17 JJ18 JJ22 JJ26 JJ28 LL22 LL41 5J055 AX26 AX37 BX16 CX20 DX04 DX13 EX01 EX07 EY01 EY05 EY10 EY12 EY13 EY17 EY21 EZ00 EZ10 EZ14 EZ55 EZ66 FX18 FX32 GX01 GX02 GX06

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転自在の集成体と、 前記回転自在の集成体に対して磁気結合され、少なくとも１つの巻線を含む不
   動の集成体と、 上側レール及び下側レールを持ち、電源から給電される電源リンクと、 前記巻線及び前記上側レールの間に接続された１組の上側電力スイッチ並びに
   前記巻線及び前記下側レールの間に接続された１組の下側電力スイッチを含むブ
   リッジ回路であって、各々の前記下側スイッチが、前記巻線に対して前記下側ス
   イッチと同じ側にある前記上側スイッチの内の１つに対応しており、前記巻線の
   同じ端に接続された対応する上側及び下側スイッチがブリッジ回路のアームを定
   め、前記スイッチは各々導電状態及び非導電状態を持ち、各々の上側スイッチの
   状態が、ブリッヂ回路の同じアームにある対応する下側スイッチの状態によって
   決定されるブリッジ回路と、 前記スイッチを制御するモータ制御信号を発生する制御回路であって、前記下
   側スイッチが該モータ制御信号を受け取るとともにそれに応答するようにする制
   御回路と、 前記下側スイッチの状態に応答して、対応する上側スイッチを駆動して、電源
   リンクのレールを巻線に選択的に接続することにより、該巻線をモータ動作電流
   で付勢して、不動の集成体に対して回転自在の集成体を回転させる電磁界を発生
   するようにする駆動回路であって、該駆動回路はブリッジ回路の各アームに接続
   された電圧利得素子を含み、該電圧利得素子が各々夫々の下側スイッチの電流に
   応答して、ブリッジの同じアームにある対応する上側スイッチをその非導電状態
   に保つようにする駆動装置と、 を有しているモータ装置。
2. 【請求項２】 さらに、前記ブリッジ回路の各アームにある抵抗分路を有し
   、各々の抵抗分路が前記巻線と夫々の下側スイッチの間に接続されて、該下側ス
   イッチの電流を感知する請求項１記載のモータ装置。
3. 【請求項３】 各々の電圧利得素子が前記巻線及び夫々の抵抗分路の間に接
   続されていて、該抵抗分路の両端の閾値電圧に応答して、夫々の上側スイッチを
   非導電にする請求項２記載のモータ装置。
4. 【請求項４】 前記上側スイッチが各々その状態を決定するゲート電極を持
   ち、前記電圧利得素子は各々夫々の上側スイッチに接続されていて、夫々の下側
   スイッチの電流が閾値レベルを超えるとき、該電圧利得素子が夫々の上側スイッ
   チのゲート電極を低に引張り、こうして夫々の上側スイッチを非導電にする請求
   項１記載のモータ装置。
5. 【請求項５】 前記電圧利得素子が各々の上側スイッチに接続されたトラン
   ジスタで構成され、該トランジスタは各々導電状態及び非導電状態を持ち、前記
   上側スイッチが前記トランジスタの導電状態に応答して非導電になる請求項１記
   載のモータ装置。
6. 【請求項６】 前記トランジスタが各々その状態を決定するベース電極を持
   ち、さらに、夫々の抵抗分路と各々のトランジスタのべース電極の間に接続され
   て、ベース電極電流を制限するベース抵抗を有する請求項５記載のモータ装置。
7. 【請求項７】 前記上側レールと各トランジスタのベース電極の間に接続さ
   れて、夫々の下側スイッチが導電するときに、前記トランジスタに対するベース
   電流駆動を維持する正帰還抵抗を有する請求項６記載のモータ装置。
8. 【請求項８】 前記電圧利得素子が、各々の上側スイッチに接続された比較
   回路で構成され、該比較回路は各々低レベル出力状態及び高レベル出力状態を持
   ち、前記上側スイッチが比較回路の低レベル出力状態に応答して非導電になる請
   求項１記載のモータ装置。
9. 【請求項９】 前記比較回路が各々基準レベルに対するその状態を決定する
   入力を持ち、さらに夫々の抵抗分路と各々の比較回路の入力の間に接続されて、
   入力電流を制限する抵抗を有する請求項８記載のモータ装置。
10. 【請求項１０】 前記比較回路がその出力で一緒に接続されて、ブリッジ回
    路に対する過小電圧保護をする１対の比較器で構成されている請求項８記載のモ
    ータ装置。
11. 【請求項１１】 前記下側スイッチには各々フライバック・ダイオードが結
    合されていて、前記電圧利得素子が各々夫々の下側スイッチに対するダイオード
    回復電流に応答して、対応する上側スイッチをその非導電状態に維持する請求項
    １記載のモータ装置。
12. 【請求項１２】 前記巻線が単相巻線で構成され、前記ブリッジ回路が２つ
    の上側スイッチ及び２つの下側スイッチをもつＨ形ブリッジで構成されていて、
    前記単相巻線を電源リンクに選択的に接続する請求項１記載のモータ装置。
13. 【請求項１３】 前記巻線が３つの相互接続された相巻線の内の１つを構成
    しており、前記ブリッジ回路が少なくとも３つの上側スイッチ及び少なくとも３
    つの下側スイッチを持つ完全インバータ・ブリッジで構成されていて、３つの相
    巻線を前記電源リンクに選択的に接続する請求項１記載のモータ装置。
14. 【請求項１４】 前記モータ制御信号が、前記ブリッジ回路の異なるアーム
    からの１つの下側スイッチ及び１つの上側スイッチが導電して、前記巻線を前記
    電源リンクの上側及び下側レールに接続する転流期間を定め、該転流期間が前記
    回転自在の集成体の角位置の関数として定められ、さらに、前記３つの相巻線の
    各々に対応する直角軸巻線を有し、各々の直角軸巻線は回転自在の集成体に磁気
    結合されているとともに、該回転自在の集成体の角位置を表す出力信号を発生す
    るように位置決めされている請求項１３記載のモータ装置。
15. 【請求項１５】 さらに、前記直角軸巻線の出力信号の位相を遅らせる積分
    器を有し、積分された出力信号は夫々の相巻線の逆起電力を表し、前記制御回路
    が前記積分された出力信号に応答して、前記モータ制御信号を発生して、３つの
    相巻線の各々におけるモータ動作電流を調整する請求項１４記載のモータ装置。
16. 【請求項１６】 前記不動の集成体が、その間にスロットを定める複数個の
    固定子の歯を含み、前記相巻線が前記歯に逐次的に巻装されて、前記３つの相巻
    線の内の１つが各々の歯の上に位置決めされるとともに前記３つの相巻線のうち
    の２つが各々のスロット内に位置決めされるようになっており、各々の歯はその
    面の中心位置にある切り欠きを持ち、前記直角軸巻線が固定子の歯の切り欠きに
    逐次的に位置決めされている請求項１４記載のモータ装置。
17. 【請求項１７】 前記３つの相巻線の内の１つに対応する前記直角軸巻線が
    、他の２つの相巻線が位置決めされているスロット内に位置決めされる請求項１
    ６記載のモータ装置。
18. 【請求項１８】 前記直角軸巻線がＹ結線回路を構成する請求項１４記載の
    モータ装置。
19. 【請求項１９】 前記制御回路によって発生されるモータ制御信号が、始動
    時に前記直角軸巻線からの出力信号がないとき、モータを始動するための始動順
    序を実施し、該始動順序が所望の起動トルクに基づいて、前記相巻線の目標電流
    レベルの順序を定める請求項１４記載のモータ装置。
20. 【請求項２０】 さらに、前記回転自在の集成体と駆動関係を持ち、回転自
    在の部品を駆動する軸を有する請求項１記載のモータ装置。
21. 【請求項２１】 回転自在の集成体及びそれに対して磁気結合された不動の
    集成体を持つモータであって、該不動の集成体が少なくとも１つの巻線を含み、
    該モータがまた上側レール及び下側レールを持っていて、電源から給電される電
    源リンクをも持つとともに、前記巻線の転流を制御するモータ制御信号を発生す
    る制御回路を持つようなモータを駆動するゲート駆動装置において、 前記巻線及び前記上側レールの間に接続された１組の上側電力スイッチと、 前記巻線及び前記下側レールの間に接続されていて、各々モータ制御信号を受
    け取るとともにそれに応答する１組の下側電力スイッチであって、各々の当該下
    側スイッチが前記巻線の前記下側スイッチと同じ側にある前記上側スイッチの内
    の１つに対応し、これらのスイッチの各々は導電状態及び非導電状態を持ってい
    る１組の下側電力スイッチと、 前記下側スイッチの状態に応答して、対応する上側スイッチを駆動して、電源
    リンクのレールを前記巻線に選択的に接続することによって、該巻線が付勢され
    て、回転自在の集成体を不動の集成体に対して回転させる電磁界が発生するよう
    にした駆動回路であって、該駆動回路が各々の下側スイッチに接続された電圧利
    得素子を含んでおり、該電圧利得スイッチは各々夫々の下側スイッチの電流に応
    答して、ブリッジ回路の同じアームにある対応する上側スイッチをその非導電状
    態に保つようにした駆動回路と、 有しているゲート駆動装置。
22. 【請求項２２】 回転自在の集成体と、 該回転自在の集成体に磁気結合されていて、３つの相巻線を含む不動の集成体
    と、 各々の相巻線に対応していて、各々回転自在の集成体に磁気結合されるととも
    に、該回転自在の集成体の角位置を表す出力信号を発生するように位置決めされ
    た直角軸巻線と、 該直角軸巻線の出力信号を受け取り、それに応答して前記相巻線の転流を制御
    するモータ制御信号を発生する制御回路と、 を有する３相モータ装置。
23. 【請求項２３】 前記不動の集成体が、その間にスロットが構成される複数
    個の固定子の歯を含み、前記相巻線が前記歯に逐次的に巻装されて、前記３つの
    相巻線の内の１つが各々の歯の上に位置決めされ、前記３つの相巻線の２つが各
    スロット内に位置決めされるようにし、各々の歯はその面に中心位置にある切り
    欠きを持ち、前記直角軸巻線が固定子の歯の切り欠き内に逐次的に位置決めされ
    る請求項２２記載のモータ装置。
24. 【請求項２４】 前記３つの相巻線の内の１つに対応する前記直角軸巻線が
    、他の２つの相巻線が位置決めされているスロット内に位置決めされる請求項２
    ３記載のモータ装置。
25. 【請求項２５】 前記直角軸巻線がＹ結線回路を構成している請求項２２記
    載のモータ装置。
26. 【請求項２６】 さらに、前記直角軸巻線の出力信号の位相を遅らせる積分
    器を有し、積分された出力信号が夫々の相巻線の逆起電力を表し、前記制御回路
    が積分された出力信号に応答して、モータ制御信号を発生して、前記３つの相巻
    線の各々のモータ動作電流を調整する請求項２２記載のモータ装置。
27. 【請求項２７】 前記制御回路によって発生されるモータ制御信号が、始動
    時に前記直角軸巻線からの出力信号がないとき、前記モータを始動する始動順序
    を実施し、該始動順序が所望の起動トルクに基づいて、前記相巻線の目標電流レ
    ベルの順序を定める請求項２２記載のモータ装置。