JP2004173336A - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】直流モータ2の正逆転制御を行うブリッジ回路3からのサージ電力を回収し、抵抗による熱消費を防ぎ、消費電力を低減する。
【解決手段】直流電源1の電力は、H形ブリッジ回路3の半導体スイッチング素子21〜24を経て直流モータ2に与えられ、このブリッジ回路の2組の対を成すスイッチング素子21,24;22,23のオン/オフの動作を制御し、極性を反転する。高電圧側スイッチング素子21,22に制御信号を与えるバッファ4,5には、直流電源1の電圧を昇圧して与える。ブリッジ回路の出力端15,16から得られるスイッチング素子の遮断時のサージ電力は、ダイオード54,55を介して、昇圧回路8と高電圧側バッファ4,5とを接続するライン40に与えて、回収する。スイッチング素子21〜24は、たとえばNPNバイポーラトランジスタまたはNチャネル電界効果トランジスタである。昇圧回路8は、たとえばチャージポンプ回路またはスイッチングレギュレータであってもよい。
【選択図】 図1
【解決手段】直流電源1の電力は、H形ブリッジ回路3の半導体スイッチング素子21〜24を経て直流モータ2に与えられ、このブリッジ回路の2組の対を成すスイッチング素子21,24;22,23のオン/オフの動作を制御し、極性を反転する。高電圧側スイッチング素子21,22に制御信号を与えるバッファ4,5には、直流電源1の電圧を昇圧して与える。ブリッジ回路の出力端15,16から得られるスイッチング素子の遮断時のサージ電力は、ダイオード54,55を介して、昇圧回路8と高電圧側バッファ4,5とを接続するライン40に与えて、回収する。スイッチング素子21〜24は、たとえばNPNバイポーラトランジスタまたはNチャネル電界効果トランジスタである。昇圧回路8は、たとえばチャージポンプ回路またはスイッチングレギュレータであってもよい。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータを正逆転可能に駆動するモータ駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
直流モータに供給する電力を遮断したとき、巻線インダクタンスによるエネルギが放出される。
【0003】
典型的な先行技術(特許文献1参照)は、他励式直流モータの電機子に直列に接続される半導体スイッチング素子に、スナバ回路が接続され、このスナバ回路は、ダイオードとコンデンサとが直列接続されて構成され、スイッチング素子が開いたときに生じるサージ電力を、ダイオードを介してコンデンサで回収する構成を開示する。この先行技術では、界磁巻線の極性反転を行って正逆転制御を行う際に生じるサージ電力を回収するための工夫がなされていない。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−102286
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、直流モータの正逆転制御を行う極性反転時に発生するサージ電力を有効に回収して省電力化を行うモータ駆動装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明を、参照符を用いて説明するが、これは理解を容易にするためにすぎず、本発明を限定的に解釈されるべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の記載に基づいて、解釈されなければならない。
【0007】
本発明は、H形ブリッジ回路によって、直流モータを正逆転制御することが可能なモータ駆動装置において、
前記H形ブリッジ回路におけるスイッチング素子を制御することによって、前記直流モータの制御極性を切換える際に生じるサージ電力を充電回収するコンデンサを備え、
該コンデンサに充電された電力を、該スイッチング素子を制御するための電力に用いることを特徴とするモータ駆動装置である。
【0008】
また本発明は、(a)直流電源と、
(b)直流モータと、
(c)ブリッジ回路であって、
直流電源が接続される入力端と、
直流モータが接続される出力端と、
入力端の直流電源を正逆転制御して出力端に与えるH形ブリッジ接続された複数のスイッチング素子とを有し、
各スイッチング素子は、
高電圧側の第1端子と、
低電圧側の第2端子と、
第1および第2端子間のオン/オフ動作を制御する制御端子とを有し、
制御端子に、第2端子よりも高い電圧の制御信号が与えられることによって、オン動作するブリッジ回路と、
(d)各制御端子に制御信号をそれぞれ与えるバッファと、
(e)直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路であって、
この昇圧した電圧を、
少なくとも高電圧側のスイッチング素子の制御端子に制御信号を与える高電圧側バッファに、電源電圧として与える昇圧回路と、
(f)ブリッジ回路の出力端からのサージ電力を、前記高電圧側バッファの電源電圧として与えるサージ電力供給回路とを含むことを特徴とするモータ駆動装置である。
【0009】
また本発明は、スイッチング素子は、NPNバイポーラトランジスタと、Nチャネル電界効果トランジスタと、絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBTとから成るグループから選ばれる1つであることを特徴とする。
【0010】
本発明に従えば、直流電源の電力は、H形ブリッジ回路の2つの対を成す2組のスイッチング素子21,24;22,23を経て直流モータに電力が供給され、これらの2組の一対のスイッチング素子のオン/オフの動作が切換えられることによって、モータに与えられる電流の方向が極性反転され、そのモータの正逆転制御が可能になる。スイッチング素子は、たとえば半導体スイッチング素子であって、NPN導電形式のバイポーラトランジスタであってもよく、Nチャネル金属電界効果トランジスタ(略称FET)であってもよく、たとえばNチャネル金属酸化膜電界効果トランジスタ(略称N−MOS FET)などであってもよく、さらに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor、略称IGBT)などによって実現されてもよく、高電圧側の第1端子であるコレクタまたはソースと、低電圧側の第2端子であるエミッタまたはドレンと、これらの第1および第2制御端子間をオン/オフの動作を制御する制御端子であるベースまたはゲートとを有し、第1および第2端子がオン動作して導通するには、制御端子に、第2端子よりもたとえば0.7V以上高い電圧の制御信号が与えられる。
【0011】
これらの各制御端子には、バッファから前記制御信号が与えられる。特にH形ブリッジ回路を構成する高電圧側の2つのスイッチング素子21,22の制御端子に制御信号をそれぞれ与えるバッファ4,5は、それら2つの高電圧側スイッチング素子をオン動作制御するために、直流電源の電源電圧よりも高い制御信号を発生しなければならない。このために昇圧回路は、直流電源の電圧を昇圧して、バッファ4,5に電源電圧として与える。
【0012】
モータの極性反転の際、モータの巻線インダクタンスによる蓄積されたエネルギは、サージ電力となって、ブリッジ回路の出力端15,16から高電圧側バッファ4,5の電源電圧としてサージ電力供給回路9,9a,9bによって与えられ、サージ電力の回収が行われる。直流電源の電圧は、たとえば10Vであり、サージ電圧は、たとえば30〜50Vであって、比較的高い電圧であり、このサージ電力が、高電圧側バッファ4,5の制御信号を発生するために用いられる。こうしてサージ電力が、たとえば熱消費されて無駄に捨てられることはなく、電力消費を低減することができるようになる。
【0013】
また本発明は、サージ電力供給回路は、
ブリッジ回路の各出力端から、昇圧回路と高電圧側バッファの電源入力端子との接続ラインに、
サージ電力を一方向性に与えるダイオードを含むことを特徴とする。
【0014】
本発明に従えば、後述の図1、図4、図7に示されるように、サージ電力が昇圧回路と高電圧側バッファ4,5の電源電圧端子36,37の接続ライン40に与えられて回収される。
【0015】
また本発明は、サージ電力供給回路は、
ブリッジ回路の各出力端から、昇圧回路の電力入力端子に、
サージ電力を一方向性に与えるダイオードを含むことを特徴とする。
【0016】
本発明に従えば、後述の図2、図3;図5、図6;図8、図9に示されるようにサージ電力が昇圧回路の電力入力端子58に与えられて回収される。
【0017】
また本発明は、スイッチング素子に並列に、フライホイル用ダイオードが備えられ、
前記ダイオードは、フライホイル用ダイオードよりもオフからオンへの動作の応答速度が高い特性を有することを特徴とする。
【0018】
本発明に従えば、サージ電力を回収するために用いられるダイオード54,55は、スイッチング素子に並列に接続されるフライホイル用ダイオード65〜68;76〜79のオフからオンへの動作の応答速度に比べて、もっと高い応答速度を有する特性を有し、たとえばファースト・リカバリ・ダイオードが用いられる。これによってサージ電力は、ブリッジ回路の出力端15,16からダイオード54,55を経て高電圧側バッファ4,5の電力のために有効に回収されて用いられることが確実になる。
【0019】
また本発明は、サージ電力供給回路からのサージ電圧を制限する素子が接続されることを特徴とする。
【0020】
サージ電力の電圧が過大になることを抑制するために、サージ電力の流れる経路の途中にサージ電圧を制限する素子、たとえば逆極性に方向性結合されたツエナダイオード59などが介在される。これによって過大なサージ電圧によるスイッチング素子およびダイオードなどの破壊を未然に防ぐことができる。
【0021】
また本発明は、昇圧回路は、直流電源の電力を、発振回路の発振出力が与えられる縦続接続されたインバータによって、複数のコンデンサに順次的に与えて充電して昇圧するチャージポンプ回路であることを特徴とする。
【0022】
本発明に従えば、昇圧回路はチャージポンプ回路8であってもよいが、そのほかの回路、たとえばスイッチングレギュレータ81およびそのほかの昇圧機能を有する構成によって実現されてもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の一形態のモータ駆動装置の電気回路図である。このモータ駆動装置は、たとえば自動車の内燃機関に関連して設けられる電子スロットル装置、操舵輪の電動パワーステアリング装置、またはサンルーフおよび窓を開閉する装置などにおいて実施され、さらにそのほかの広範囲の各種の技術分野において実施されることができる。モータ駆動装置は基本的に、直流電源1と、直流モータ2と、H形ブリッジ回路3と、バッファ4〜7と、昇圧回路8と、直流モータ2の巻線インダクタンスに蓄積されたサージ電力を供給して回収するサージ電力供給回路9とを含む。直流電源1の電力は、その正電圧端子およびライン11から、電気配線などのインダクタンス成分12を経てライン13からブリッジ回路3の高電圧側入力端18に接続される。ライン13には、コンデンサ35が接続される。
【0024】
ブリッジ回路3において、高電圧側入力端18と接地される低電圧側入力端19との間には、半導体スイッチング素子である合計4つのNPN導電形式バイポーラトランジスタ21〜24が接続される。これらのNPN導電形式バイポーラトランジスタ21〜24は、大電流を供給することができ、商業的に安価に入手が容易であるという利点がある。ブリッジ回路3の出力端15,16には、直流モータ2が接続される。こうして高電圧側トランジスタ21,22のコレクタは、高電圧側入力端18に接続され、それらのトランジスタ21,22のエミッタは出力端15,16にそれぞれ接続される。低電圧側トランジスタ23,24のコレクタは、出力端15,16にそれぞれ接続され、それらのトランジスタ23,24のエミッタは低電圧側入力端19に共通に接続される。
【0025】
トランジスタ21〜24のベースには、抵抗27〜30をそれぞれ介して、前述のバッファ4〜7から制御信号がそれぞれ与えられる。
【0026】
正逆転制御回路32からライン33には、たとえばモータ2の正転のために正電圧の制御信号が一対のトランジスタ21,24のためのバッファ4,7に与えられ、これによってトランジスタ21,24は導通する。このときライン33の制御信号はインバータ34によって反転され、負電圧はバッファ5,6に与えられて他の一対のトランジスタ22,23は遮断される。こうしてモータ2が正転駆動される。正逆転制御回路32からライン33に導出される制御信号が負電圧であるとき、一対のトランジスタ21,24は遮断し、残りの一対のトランジスタ22,23が導通してモータ2に前述とは逆方向の電流が流れて逆転駆動される。
【0027】
トランジスタ21,22をオン動作するには、それらのベースに与えられる制御信号の電圧が、エミッタに比べて高く設定されなければならず、そのためにバッファ4,5の電源入力端子36,37には、接続ライン40に、昇圧回路8からの直流電源1よりも高い電圧が与えられる。ライン40には、電荷蓄積用のコンデンサ41と、過大な電圧を遮断して各素子の破壊を防ぐツエナダイオード42とが接続される。低電圧側バッファ6,7の電源入力端子38,39には、直流電源1からライン11を介して電力が供給される。
【0028】
チャージポンプ回路8は、ライン11,40には複数(たとえばこの実施の形態では3)のダイオード40〜46と、これらのダイオード44〜46の接続点に一端子がそれぞれ接続される複数(たとえば2)の電荷汲み上げ用コンデンサ47,48と、たとえば20〜100kHzの発振回路49と、発振回路49の出力を反転してコンデンサ47,48の他端子に与える縦続接続されたインバータ51,52とを含む。発振回路49の発振周波数に対応して、コンデンサ47,48に充電された直流電源1による電荷を、順次的に汲み上げて取出し、ライン40には、直流電源1の出力電圧の、たとえば3倍の電圧を、ライン40に導出することができる。こうしてライン40には、電源1の電圧よりも高い電圧が発生され、そのライン40の電圧がバッファ4,5の電源入力端子36,37にそれぞれ与えられることによって、NPN導電形式バイポーラトランジスタ21,22のベースには、エミッタよりも高い電圧を有する制御信号を与えることができ、これによってトランジスタ21,22の選択的なオンの動作制御が確実に達成されることになる。
【0029】
本発明に従うサージ電力供給回路9において、ブリッジ回路3の一対の各出力端15,16には、サージ電力供給用ダイオード54,55のアノードがそれぞれ接続される。これらのダイオード54,55のカソードは、ライン56を介して昇圧回路8と高電圧側バッファ4,5の電源入力端子36,37との接続ライン40に、接続される。
【0030】
したがってブリッジ回路3における一対のスイッチング素子22,23が導通している状態から、遮断状態に移る過渡状態において、モータ2の巻線インダクタンスに蓄積されたエネルギは、出力端15からダイオード54を経てライン56からライン40に流れて回収され、高電圧側バッファ4,5を駆動するために用いられ、またコンデンサ41に充電されて蓄積される。こうしてモータ2のエネルギが無駄に消費されることなく回収され、消費電力の無駄を防ぐことができる。また他の一対のトランジスタ21,24が導通状態から、遮断状態に移る過渡状態では、モータ2のエネルギは出力端16からダイオード55を経てライン56からライン40に回収されて、同様に有効に利用されることができる。
【0031】
図2は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、サージ電力供給回路9aは、ブリッジ3の出力端15,16にそれぞれ接続されたダイオード54,55のカソードが、ライン57から昇圧回路8の電力入力端子であるライン58に流れて供給されるように構成される。このライン57の途中には、ツエナダイオード59が逆方向性に結合されて介在されてもよく、これによってライン58に過大なサージ電圧が発生して各素子が破壊されることを防ぐことができる。ライン58には、コンデンサ61が接続される。そのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。
【0032】
図3は、本発明の実施のさらに他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は、前述の図1および図2の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。サージ電力供給回路9bでは、ダイオード54,55のカソードが共通に接続される57が、昇圧回路8のライン58に接続される。このライン58には、前述の図2に示されるコンデンサ61だけでなく、さらにツエナダイオード62が接続されて過大な電圧が発生することを抑制する。ダイオード63は、ライン11を経て直流電源1側に不所望なサージ電圧が印加されることを防ぐ。
【0033】
図4は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この図4に示される実施の形態は、前述の図1の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、ブリッジ回路3の4つの各トランジスタ21〜24のコレクタとエミッタとの間に、これらのトランジスタ21〜24とは逆方向性に結合されたフライホイル用ダイオード65〜68がそれぞれ接続される。これらのダイオード65〜68は、モータ2の巻線インダクタンスによるサージ電力を流して直流電源1に回収する働きを果たす。このような図4に示されるフライホイル用ダイオード65〜68が備えられた構成においてもまた、サージ電力供給回路9を設けてモータ2のサージ電力を回収することができる。
【0034】
図5は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。図5の実施の形態は、前述の図2の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。図5の実施の形態では、前述の図4の実施の形態と同様に、ブリッジ回路3の各トランジスタ21〜24に並列にフライホイル用ダイオード65〜68が接続される。この図5に示される実施の形態において、サージ電力供給回路9aが、前述の図2と同様に設けられる。
【0035】
図6は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。図6の実施の形態は、前述の図3の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。図6の実施の形態では、前述の図4および図5の実施の形態と同様に、ブリッジ回路3の各トランジスタ21〜24に並列にフライホイル用ダイオード65〜68が接続される。この図6に示される実施の形態において、サージ電力供給回路9bが、前述の図3と同様に設けられる。
【0036】
図7は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は、前述の図1および図4の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、H形ブリッジ回路3aは、4つのNチャネル金属酸化膜電界効果トランジスタ(略称N−MOS FET)を含む。トランジスタ71,74は対を成し、トランジスタ72,73は対を成す。これらのトランジスタ71〜74は、内蔵されたボディダイオードと呼ばれるダイオード76〜79を、ソース、ドレン間に備える。トランジスタ71,72のソースは一方の入力端18に接続され、それらのトランジスタ71,72のドレンは出力端15,16に接続される。残りのトランジスタ73,74のソースは出力端15,16に接続され、それらのトランジスタ73,74のドレンは低電圧側入力端19に接続される。トランジスタ71〜74のゲートには、バッファ4〜7から抵抗27〜30を介して、ソースよりも高い電圧を有する制御信号がオン動作のために与えられる。ブリッジ回路3aの出力端15,16とライン40との間には、前述の実施の形態と同様にダイオード54,55を含むサージ電力供給回路9が接続される。そのほかの構成と動作は、前述の実施の形態と同様である。
【0037】
図8は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。図8に示される実施の形態は、図2および図7の実施の形態に類似する。Nチャネル金属酸化膜電界効果トランジスタ71〜74を含むブリッジ回路3aに関連して、ツエナダイオード59を含むサージ電力供給回路9aが備えられる。ツエナダイオード59は、省略されてもよい。
【0038】
図9は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は、前述の図3および図7の実施の形態に類似する。ブリッジ回路3aに関連してサージ電力供給回路9bが備えられる。そのほかの構成と動作は、前述の実施の形態と同様である。
【0039】
図10は、本発明の実施の他の形態の一部の電気回路図である。前述の図1〜図9の実施の各形態では、チャージポンプ回路8が昇圧回路として用いられたが、図10に示される実施の形態では、スイッチングレギュレータ81が用いられる。図10に示される実施の形態のそのほかの構成は、前述の実施の各形態と同様であり、対応する部分には同一の参照符を付す。スイッチングレギュレータ81において、直流電源1からライン11を介する電力は、ライン82からインダクタンス素子83を経て、ダイオード84からライン40に供給される。インダクタンス素子83とダイオード84との間に、スイッチング素子であるトランジスタ85が接続され、発振回路86によってトランジスタ85がオン/オフ制御される。こうしてインダクタンス素子83に蓄積されるエネルギが、直流電源1の電圧を昇圧して、ダイオード84からライン40に導出される。前述の実施の各形態におけるサージ電力供給回路9,9a,9bのライン56,57は、ライン40またはライン82にそれぞれ接続される。そのほかの構成は、前述の実施の各形態と同様である。
【0040】
図11は、バッファ4の一部の具体的な構成を示す電気回路図である。バッファ4の制御信号入力端子88に与えられる制御信号は、トランジスタ89のベースに与えられる。電源入力端子36の電圧は、抵抗91を介してトランジスタ89のコレクタに与えられ、そのエミッタは接地され、直流電源1の負電圧端子に接続される。電源入力端子36はまた、一方導電形式であるNPNバイポーラトランジスタ93のコレクタに接続され、そのトランジスタ93のエミッタは、接続点94から出力端子95に接続される。接続点94は、他方導電形式であるPNPバイポーラトランジスタ96のエミッタに接続され、そのトランジスタ96のコレクタは、接地され、直流電源1の負電圧端子に接続される。トランジスタ93,96のベースは共通に、トランジスタ89のコレクタにライン97を介して接続される。こうして制御信号入力端子88に正電圧の制御信号が与えられることによって、出力トランジスタ89,93が導通し、制御信号出力端子95には、電源入力端子36に与えられる電圧とほぼ等しい電圧を有する制御信号がトランジスタ21,71のために導出されることになる。制御信号入力端子88が負電圧の制御信号が与えられることによって、トランジスタ93が遮断され、トランジスタ96が導通し、制御信号出力端子95が接地電位と等しくなる。他のバッファ5〜7も、バッファ4と同様な構成を有する。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、直流モータの正逆転制御を行うためのH形ブリッジ回路のスイッチング素子を制御する電力として、そのブリッジ回路で生じるサージ電力を用いることによって省エネルギ効果が図られ、ジュール熱などによる無駄なエネルギ消費が防がれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図2】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図3】本発明の実施のさらに他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図4】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図5】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図6】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図7】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図8】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図9】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図10】本発明の実施の他の形態の一部の電気回路図である。
【図11】バッファ4の一部の具体的な構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
1 直流電源
2 直流モータ
3,3a ブリッジ回路
4〜7 バッファ
8 昇圧回路
9,9a,9b サージ電力供給回路
15,16 出力端
18 高電圧側入力端
19 低電圧側入力端
81 スイッチングレギュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータを正逆転可能に駆動するモータ駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
直流モータに供給する電力を遮断したとき、巻線インダクタンスによるエネルギが放出される。
【0003】
典型的な先行技術(特許文献1参照)は、他励式直流モータの電機子に直列に接続される半導体スイッチング素子に、スナバ回路が接続され、このスナバ回路は、ダイオードとコンデンサとが直列接続されて構成され、スイッチング素子が開いたときに生じるサージ電力を、ダイオードを介してコンデンサで回収する構成を開示する。この先行技術では、界磁巻線の極性反転を行って正逆転制御を行う際に生じるサージ電力を回収するための工夫がなされていない。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−102286
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、直流モータの正逆転制御を行う極性反転時に発生するサージ電力を有効に回収して省電力化を行うモータ駆動装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明を、参照符を用いて説明するが、これは理解を容易にするためにすぎず、本発明を限定的に解釈されるべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の記載に基づいて、解釈されなければならない。
【0007】
本発明は、H形ブリッジ回路によって、直流モータを正逆転制御することが可能なモータ駆動装置において、
前記H形ブリッジ回路におけるスイッチング素子を制御することによって、前記直流モータの制御極性を切換える際に生じるサージ電力を充電回収するコンデンサを備え、
該コンデンサに充電された電力を、該スイッチング素子を制御するための電力に用いることを特徴とするモータ駆動装置である。
【0008】
また本発明は、(a)直流電源と、
(b)直流モータと、
(c)ブリッジ回路であって、
直流電源が接続される入力端と、
直流モータが接続される出力端と、
入力端の直流電源を正逆転制御して出力端に与えるH形ブリッジ接続された複数のスイッチング素子とを有し、
各スイッチング素子は、
高電圧側の第1端子と、
低電圧側の第2端子と、
第1および第2端子間のオン/オフ動作を制御する制御端子とを有し、
制御端子に、第2端子よりも高い電圧の制御信号が与えられることによって、オン動作するブリッジ回路と、
(d)各制御端子に制御信号をそれぞれ与えるバッファと、
(e)直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路であって、
この昇圧した電圧を、
少なくとも高電圧側のスイッチング素子の制御端子に制御信号を与える高電圧側バッファに、電源電圧として与える昇圧回路と、
(f)ブリッジ回路の出力端からのサージ電力を、前記高電圧側バッファの電源電圧として与えるサージ電力供給回路とを含むことを特徴とするモータ駆動装置である。
【0009】
また本発明は、スイッチング素子は、NPNバイポーラトランジスタと、Nチャネル電界効果トランジスタと、絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBTとから成るグループから選ばれる1つであることを特徴とする。
【0010】
本発明に従えば、直流電源の電力は、H形ブリッジ回路の2つの対を成す2組のスイッチング素子21,24;22,23を経て直流モータに電力が供給され、これらの2組の一対のスイッチング素子のオン/オフの動作が切換えられることによって、モータに与えられる電流の方向が極性反転され、そのモータの正逆転制御が可能になる。スイッチング素子は、たとえば半導体スイッチング素子であって、NPN導電形式のバイポーラトランジスタであってもよく、Nチャネル金属電界効果トランジスタ(略称FET)であってもよく、たとえばNチャネル金属酸化膜電界効果トランジスタ(略称N−MOS FET)などであってもよく、さらに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor、略称IGBT)などによって実現されてもよく、高電圧側の第1端子であるコレクタまたはソースと、低電圧側の第2端子であるエミッタまたはドレンと、これらの第1および第2制御端子間をオン/オフの動作を制御する制御端子であるベースまたはゲートとを有し、第1および第2端子がオン動作して導通するには、制御端子に、第2端子よりもたとえば0.7V以上高い電圧の制御信号が与えられる。
【0011】
これらの各制御端子には、バッファから前記制御信号が与えられる。特にH形ブリッジ回路を構成する高電圧側の2つのスイッチング素子21,22の制御端子に制御信号をそれぞれ与えるバッファ4,5は、それら2つの高電圧側スイッチング素子をオン動作制御するために、直流電源の電源電圧よりも高い制御信号を発生しなければならない。このために昇圧回路は、直流電源の電圧を昇圧して、バッファ4,5に電源電圧として与える。
【0012】
モータの極性反転の際、モータの巻線インダクタンスによる蓄積されたエネルギは、サージ電力となって、ブリッジ回路の出力端15,16から高電圧側バッファ4,5の電源電圧としてサージ電力供給回路9,9a,9bによって与えられ、サージ電力の回収が行われる。直流電源の電圧は、たとえば10Vであり、サージ電圧は、たとえば30〜50Vであって、比較的高い電圧であり、このサージ電力が、高電圧側バッファ4,5の制御信号を発生するために用いられる。こうしてサージ電力が、たとえば熱消費されて無駄に捨てられることはなく、電力消費を低減することができるようになる。
【0013】
また本発明は、サージ電力供給回路は、
ブリッジ回路の各出力端から、昇圧回路と高電圧側バッファの電源入力端子との接続ラインに、
サージ電力を一方向性に与えるダイオードを含むことを特徴とする。
【0014】
本発明に従えば、後述の図1、図4、図7に示されるように、サージ電力が昇圧回路と高電圧側バッファ4,5の電源電圧端子36,37の接続ライン40に与えられて回収される。
【0015】
また本発明は、サージ電力供給回路は、
ブリッジ回路の各出力端から、昇圧回路の電力入力端子に、
サージ電力を一方向性に与えるダイオードを含むことを特徴とする。
【0016】
本発明に従えば、後述の図2、図3;図5、図6;図8、図9に示されるようにサージ電力が昇圧回路の電力入力端子58に与えられて回収される。
【0017】
また本発明は、スイッチング素子に並列に、フライホイル用ダイオードが備えられ、
前記ダイオードは、フライホイル用ダイオードよりもオフからオンへの動作の応答速度が高い特性を有することを特徴とする。
【0018】
本発明に従えば、サージ電力を回収するために用いられるダイオード54,55は、スイッチング素子に並列に接続されるフライホイル用ダイオード65〜68;76〜79のオフからオンへの動作の応答速度に比べて、もっと高い応答速度を有する特性を有し、たとえばファースト・リカバリ・ダイオードが用いられる。これによってサージ電力は、ブリッジ回路の出力端15,16からダイオード54,55を経て高電圧側バッファ4,5の電力のために有効に回収されて用いられることが確実になる。
【0019】
また本発明は、サージ電力供給回路からのサージ電圧を制限する素子が接続されることを特徴とする。
【0020】
サージ電力の電圧が過大になることを抑制するために、サージ電力の流れる経路の途中にサージ電圧を制限する素子、たとえば逆極性に方向性結合されたツエナダイオード59などが介在される。これによって過大なサージ電圧によるスイッチング素子およびダイオードなどの破壊を未然に防ぐことができる。
【0021】
また本発明は、昇圧回路は、直流電源の電力を、発振回路の発振出力が与えられる縦続接続されたインバータによって、複数のコンデンサに順次的に与えて充電して昇圧するチャージポンプ回路であることを特徴とする。
【0022】
本発明に従えば、昇圧回路はチャージポンプ回路8であってもよいが、そのほかの回路、たとえばスイッチングレギュレータ81およびそのほかの昇圧機能を有する構成によって実現されてもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の一形態のモータ駆動装置の電気回路図である。このモータ駆動装置は、たとえば自動車の内燃機関に関連して設けられる電子スロットル装置、操舵輪の電動パワーステアリング装置、またはサンルーフおよび窓を開閉する装置などにおいて実施され、さらにそのほかの広範囲の各種の技術分野において実施されることができる。モータ駆動装置は基本的に、直流電源1と、直流モータ2と、H形ブリッジ回路3と、バッファ4〜7と、昇圧回路8と、直流モータ2の巻線インダクタンスに蓄積されたサージ電力を供給して回収するサージ電力供給回路9とを含む。直流電源1の電力は、その正電圧端子およびライン11から、電気配線などのインダクタンス成分12を経てライン13からブリッジ回路3の高電圧側入力端18に接続される。ライン13には、コンデンサ35が接続される。
【0024】
ブリッジ回路3において、高電圧側入力端18と接地される低電圧側入力端19との間には、半導体スイッチング素子である合計4つのNPN導電形式バイポーラトランジスタ21〜24が接続される。これらのNPN導電形式バイポーラトランジスタ21〜24は、大電流を供給することができ、商業的に安価に入手が容易であるという利点がある。ブリッジ回路3の出力端15,16には、直流モータ2が接続される。こうして高電圧側トランジスタ21,22のコレクタは、高電圧側入力端18に接続され、それらのトランジスタ21,22のエミッタは出力端15,16にそれぞれ接続される。低電圧側トランジスタ23,24のコレクタは、出力端15,16にそれぞれ接続され、それらのトランジスタ23,24のエミッタは低電圧側入力端19に共通に接続される。
【0025】
トランジスタ21〜24のベースには、抵抗27〜30をそれぞれ介して、前述のバッファ4〜7から制御信号がそれぞれ与えられる。
【0026】
正逆転制御回路32からライン33には、たとえばモータ2の正転のために正電圧の制御信号が一対のトランジスタ21,24のためのバッファ4,7に与えられ、これによってトランジスタ21,24は導通する。このときライン33の制御信号はインバータ34によって反転され、負電圧はバッファ5,6に与えられて他の一対のトランジスタ22,23は遮断される。こうしてモータ2が正転駆動される。正逆転制御回路32からライン33に導出される制御信号が負電圧であるとき、一対のトランジスタ21,24は遮断し、残りの一対のトランジスタ22,23が導通してモータ2に前述とは逆方向の電流が流れて逆転駆動される。
【0027】
トランジスタ21,22をオン動作するには、それらのベースに与えられる制御信号の電圧が、エミッタに比べて高く設定されなければならず、そのためにバッファ4,5の電源入力端子36,37には、接続ライン40に、昇圧回路8からの直流電源1よりも高い電圧が与えられる。ライン40には、電荷蓄積用のコンデンサ41と、過大な電圧を遮断して各素子の破壊を防ぐツエナダイオード42とが接続される。低電圧側バッファ6,7の電源入力端子38,39には、直流電源1からライン11を介して電力が供給される。
【0028】
チャージポンプ回路8は、ライン11,40には複数(たとえばこの実施の形態では3)のダイオード40〜46と、これらのダイオード44〜46の接続点に一端子がそれぞれ接続される複数(たとえば2)の電荷汲み上げ用コンデンサ47,48と、たとえば20〜100kHzの発振回路49と、発振回路49の出力を反転してコンデンサ47,48の他端子に与える縦続接続されたインバータ51,52とを含む。発振回路49の発振周波数に対応して、コンデンサ47,48に充電された直流電源1による電荷を、順次的に汲み上げて取出し、ライン40には、直流電源1の出力電圧の、たとえば3倍の電圧を、ライン40に導出することができる。こうしてライン40には、電源1の電圧よりも高い電圧が発生され、そのライン40の電圧がバッファ4,5の電源入力端子36,37にそれぞれ与えられることによって、NPN導電形式バイポーラトランジスタ21,22のベースには、エミッタよりも高い電圧を有する制御信号を与えることができ、これによってトランジスタ21,22の選択的なオンの動作制御が確実に達成されることになる。
【0029】
本発明に従うサージ電力供給回路9において、ブリッジ回路3の一対の各出力端15,16には、サージ電力供給用ダイオード54,55のアノードがそれぞれ接続される。これらのダイオード54,55のカソードは、ライン56を介して昇圧回路8と高電圧側バッファ4,5の電源入力端子36,37との接続ライン40に、接続される。
【0030】
したがってブリッジ回路3における一対のスイッチング素子22,23が導通している状態から、遮断状態に移る過渡状態において、モータ2の巻線インダクタンスに蓄積されたエネルギは、出力端15からダイオード54を経てライン56からライン40に流れて回収され、高電圧側バッファ4,5を駆動するために用いられ、またコンデンサ41に充電されて蓄積される。こうしてモータ2のエネルギが無駄に消費されることなく回収され、消費電力の無駄を防ぐことができる。また他の一対のトランジスタ21,24が導通状態から、遮断状態に移る過渡状態では、モータ2のエネルギは出力端16からダイオード55を経てライン56からライン40に回収されて、同様に有効に利用されることができる。
【0031】
図2は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、サージ電力供給回路9aは、ブリッジ3の出力端15,16にそれぞれ接続されたダイオード54,55のカソードが、ライン57から昇圧回路8の電力入力端子であるライン58に流れて供給されるように構成される。このライン57の途中には、ツエナダイオード59が逆方向性に結合されて介在されてもよく、これによってライン58に過大なサージ電圧が発生して各素子が破壊されることを防ぐことができる。ライン58には、コンデンサ61が接続される。そのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。
【0032】
図3は、本発明の実施のさらに他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は、前述の図1および図2の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。サージ電力供給回路9bでは、ダイオード54,55のカソードが共通に接続される57が、昇圧回路8のライン58に接続される。このライン58には、前述の図2に示されるコンデンサ61だけでなく、さらにツエナダイオード62が接続されて過大な電圧が発生することを抑制する。ダイオード63は、ライン11を経て直流電源1側に不所望なサージ電圧が印加されることを防ぐ。
【0033】
図4は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この図4に示される実施の形態は、前述の図1の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、ブリッジ回路3の4つの各トランジスタ21〜24のコレクタとエミッタとの間に、これらのトランジスタ21〜24とは逆方向性に結合されたフライホイル用ダイオード65〜68がそれぞれ接続される。これらのダイオード65〜68は、モータ2の巻線インダクタンスによるサージ電力を流して直流電源1に回収する働きを果たす。このような図4に示されるフライホイル用ダイオード65〜68が備えられた構成においてもまた、サージ電力供給回路9を設けてモータ2のサージ電力を回収することができる。
【0034】
図5は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。図5の実施の形態は、前述の図2の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。図5の実施の形態では、前述の図4の実施の形態と同様に、ブリッジ回路3の各トランジスタ21〜24に並列にフライホイル用ダイオード65〜68が接続される。この図5に示される実施の形態において、サージ電力供給回路9aが、前述の図2と同様に設けられる。
【0035】
図6は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。図6の実施の形態は、前述の図3の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。図6の実施の形態では、前述の図4および図5の実施の形態と同様に、ブリッジ回路3の各トランジスタ21〜24に並列にフライホイル用ダイオード65〜68が接続される。この図6に示される実施の形態において、サージ電力供給回路9bが、前述の図3と同様に設けられる。
【0036】
図7は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は、前述の図1および図4の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、H形ブリッジ回路3aは、4つのNチャネル金属酸化膜電界効果トランジスタ(略称N−MOS FET)を含む。トランジスタ71,74は対を成し、トランジスタ72,73は対を成す。これらのトランジスタ71〜74は、内蔵されたボディダイオードと呼ばれるダイオード76〜79を、ソース、ドレン間に備える。トランジスタ71,72のソースは一方の入力端18に接続され、それらのトランジスタ71,72のドレンは出力端15,16に接続される。残りのトランジスタ73,74のソースは出力端15,16に接続され、それらのトランジスタ73,74のドレンは低電圧側入力端19に接続される。トランジスタ71〜74のゲートには、バッファ4〜7から抵抗27〜30を介して、ソースよりも高い電圧を有する制御信号がオン動作のために与えられる。ブリッジ回路3aの出力端15,16とライン40との間には、前述の実施の形態と同様にダイオード54,55を含むサージ電力供給回路9が接続される。そのほかの構成と動作は、前述の実施の形態と同様である。
【0037】
図8は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。図8に示される実施の形態は、図2および図7の実施の形態に類似する。Nチャネル金属酸化膜電界効果トランジスタ71〜74を含むブリッジ回路3aに関連して、ツエナダイオード59を含むサージ電力供給回路9aが備えられる。ツエナダイオード59は、省略されてもよい。
【0038】
図9は、本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。この実施の形態は、前述の図3および図7の実施の形態に類似する。ブリッジ回路3aに関連してサージ電力供給回路9bが備えられる。そのほかの構成と動作は、前述の実施の形態と同様である。
【0039】
図10は、本発明の実施の他の形態の一部の電気回路図である。前述の図1〜図9の実施の各形態では、チャージポンプ回路8が昇圧回路として用いられたが、図10に示される実施の形態では、スイッチングレギュレータ81が用いられる。図10に示される実施の形態のそのほかの構成は、前述の実施の各形態と同様であり、対応する部分には同一の参照符を付す。スイッチングレギュレータ81において、直流電源1からライン11を介する電力は、ライン82からインダクタンス素子83を経て、ダイオード84からライン40に供給される。インダクタンス素子83とダイオード84との間に、スイッチング素子であるトランジスタ85が接続され、発振回路86によってトランジスタ85がオン/オフ制御される。こうしてインダクタンス素子83に蓄積されるエネルギが、直流電源1の電圧を昇圧して、ダイオード84からライン40に導出される。前述の実施の各形態におけるサージ電力供給回路9,9a,9bのライン56,57は、ライン40またはライン82にそれぞれ接続される。そのほかの構成は、前述の実施の各形態と同様である。
【0040】
図11は、バッファ4の一部の具体的な構成を示す電気回路図である。バッファ4の制御信号入力端子88に与えられる制御信号は、トランジスタ89のベースに与えられる。電源入力端子36の電圧は、抵抗91を介してトランジスタ89のコレクタに与えられ、そのエミッタは接地され、直流電源1の負電圧端子に接続される。電源入力端子36はまた、一方導電形式であるNPNバイポーラトランジスタ93のコレクタに接続され、そのトランジスタ93のエミッタは、接続点94から出力端子95に接続される。接続点94は、他方導電形式であるPNPバイポーラトランジスタ96のエミッタに接続され、そのトランジスタ96のコレクタは、接地され、直流電源1の負電圧端子に接続される。トランジスタ93,96のベースは共通に、トランジスタ89のコレクタにライン97を介して接続される。こうして制御信号入力端子88に正電圧の制御信号が与えられることによって、出力トランジスタ89,93が導通し、制御信号出力端子95には、電源入力端子36に与えられる電圧とほぼ等しい電圧を有する制御信号がトランジスタ21,71のために導出されることになる。制御信号入力端子88が負電圧の制御信号が与えられることによって、トランジスタ93が遮断され、トランジスタ96が導通し、制御信号出力端子95が接地電位と等しくなる。他のバッファ5〜7も、バッファ4と同様な構成を有する。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、直流モータの正逆転制御を行うためのH形ブリッジ回路のスイッチング素子を制御する電力として、そのブリッジ回路で生じるサージ電力を用いることによって省エネルギ効果が図られ、ジュール熱などによる無駄なエネルギ消費が防がれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図2】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図3】本発明の実施のさらに他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図4】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図5】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図6】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図7】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図8】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図9】本発明の実施の他の形態のモータ駆動装置の電気回路図である。
【図10】本発明の実施の他の形態の一部の電気回路図である。
【図11】バッファ4の一部の具体的な構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
1 直流電源
2 直流モータ
3,3a ブリッジ回路
4〜7 バッファ
8 昇圧回路
9,9a,9b サージ電力供給回路
15,16 出力端
18 高電圧側入力端
19 低電圧側入力端
81 スイッチングレギュレータ
Claims (8)
- H形ブリッジ回路によって、直流モータを正逆転制御することが可能なモータ駆動装置において、
前記H形ブリッジ回路におけるスイッチング素子を制御することによって、前記直流モータの制御極性を切換える際に生じるサージ電力を充電回収するコンデンサを備え、
該コンデンサに充電された電力を、該スイッチング素子を制御するための電力に用いることを特徴とするモータ駆動装置。 - (a)直流電源と、
(b)直流モータと、
(c)ブリッジ回路であって、
直流電源が接続される入力端と、
直流モータが接続される出力端と、
入力端の直流電源を正逆転制御して出力端に与えるH形ブリッジ接続された複数のスイッチング素子とを有し、
各スイッチング素子は、
高電圧側の第1端子と、
低電圧側の第2端子と、
第1および第2端子間のオン/オフ動作を制御する制御端子とを有し、
制御端子に、第2端子よりも高い電圧の制御信号が与えられることによって、オン動作するブリッジ回路と、
(d)各制御端子に制御信号をそれぞれ与えるバッファと、
(e)直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路であって、
この昇圧した電圧を、
少なくとも高電圧側のスイッチング素子の制御端子に制御信号を与える高電圧側バッファに、電源電圧として与える昇圧回路と、
(f)ブリッジ回路の出力端からのサージ電力を、前記高電圧側バッファの電源電圧として与えるサージ電力供給回路とを含むことを特徴とするモータ駆動装置。 - スイッチング素子は、NPNバイポーラトランジスタと、Nチャネル電界効果トランジスタと、絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBTとから成るグループから選ばれる1つであることを特徴とする請求項2記載のモータ駆動装置。
- サージ電力供給回路は、
ブリッジ回路の各出力端から、昇圧回路と高電圧側バッファの電源入力端子との接続ラインに、
サージ電力を一方向性に与えるダイオードを含むことを特徴とする請求項2または3記載のモータ駆動装置。 - サージ電力供給回路は、
ブリッジ回路の各出力端から、昇圧回路の電力入力端子に、
サージ電力を一方向性に与えるダイオードを含むことを特徴とする請求項2または3記載のモータ駆動装置。 - スイッチング素子に並列に、フライホイル用ダイオードが備えられ、
前記ダイオードは、フライホイル用ダイオードよりもオフからオンへの動作の応答速度が高い特性を有することを特徴とする請求項4または5記載のモータ駆動装置。 - サージ電力供給回路からのサージ電圧を制限する素子が接続されることを特徴とする請求項2〜6のうちの1つに記載のモータ駆動装置。
- 昇圧回路は、直流電源の電力を、発振回路の発振出力が与えられる縦続接続されたインバータによって、複数のコンデンサに順次的に与えて充電して昇圧するチャージポンプ回路であることを特徴とする請求項2〜7のうちの1つに記載のモータ駆動装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060207 |