JP2005168136A - モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータを備えたモータの制御装置において、インバータを構成するスイッチング素子に設けられている還流ダイオードに起因する発熱を効果的に低減する技術を提供する。
【解決手段】モータの制御装置１００は、モータ２００に対応した相数のインバータ１１０を備え、インバータ１１０は、それぞれに還流素子が配設された双方向スイッチング素子を相数に応じて複数個備え、各双方向スイッチング素子１２１，１２２，１２３，１３１，１３２，１３３をオンオフ制御することにより、モータ２００の２相間を通電する駆動信号を出力してモータ２００を駆動し、モータ２００の進角制御を行う場合には、各双方向スイッチング素子１２１，１２２，１２３，１３１，１３２，１３３がオン状態である位相期間につき、３６０度をモータ２００の相数で除した位相期間よりも大きくなるように設定し、これによって還流素子１への通電規制を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータを備えたモータの制御装置の発熱対策に資する技術に関する。

従来より、インバータを備えたモータの制御装置を用いて多相モータを駆動する技術が知られている。一般的に、インバータは多相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を備えており、モータの制御装置は、各スイッチング素子をオン・オフ制御してモータの各相に位相をずらした信号を出力し、これによりモータの２相間を選択的に順次通電してモータを駆動する。
ところで、通電状態となった２相間に流れる相電流は、当該相に対応するスイッチング素子がオフ状態となっても、各相コイルのインダクタンス等の影響により流れ続けようとする。このため、一般的に、インバータを構成するスイッチング素子には、其々の出力側（例えばＦＥＴの場合、ドレイン・ソース間）に逆並列接続された還流ダイオードが設けられている。これにより、スイッチング素子がオフしても該スイッチング素子に流れ続けようとする相電流が存在する場合には、還流ダイオードを介してこれを還流させることでスイッチング素子を保護している。

このように構成されたモータの制御装置を用いてモータを駆動した場合の各種信号波形の一例を、図１４のタイミングチャート図に示す。図１４には、３相ブラシレスモータを３相インバータを備えたモータの制御装置を用いて１２０度通電方式で駆動する場合の、モータのロータ位置検出装置（例えば、ホールセンサ）による位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ、インバータの出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗ、モータのＵ相誘起電圧Ｖｕ、Ｕ相端子電圧ＴＥｕ、Ｕ相電流Ｉｕの対応関係が示されている。このように、Ｕ相には、インバータの出力信号Ｕに伴い交番する波形のＵ相電流が流れる。そして、例えば、１サイクル中の期間Ａ１，Ａ２では、インバータ出力信号Ｕが０レベルになった瞬間（前述した、Ｕ相に対応するスイッチング素子がオフ状態になった瞬間）には、Ｕ相コイルのインダクタンス等の影響によりＵ相電流が流れ続けようとするが、Ｕ相に対応するスイッチング素子の還流ダイオードを介して還流されることで瞬時に解消されている。このようにして、Ｕ相電流は、図１４に示すように、概ね、１２０度正方向通電、６０度非通電、１２０度負方向通電、６０度非通電を１サイクルとして繰り返すことが知られている。
ここでは、便宜上、Ｕ相のみに着目して説明したが、Ｖ相、及びＷ相についてもＵ相と同様であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に発生する相電流は互いに１２０度ずつ位相がずれている。

一方、特開平７−１８４３８４号公報に開示されているように、モータの制御装置は、インバータからモータの各相に出力する信号の出力タイミングを、各相の位置検出信号よりも所定期間ずつ早くして、モータのインダクタンスによる各相電流の遅れを補償する進角制御を行う場合がある（特許文献１参照）。進角制御は、モータを等価弱め界磁制御する場合にも用いられることが知られている。
このように、モータを進角制御（進角４５度）した場合のモータの制御装置とモータの各種信号波形の一例を、図１５のタイミングチャート図に示す。図１５では、進角制御に起因し、図１４に示した進角制御をしていない場合と比較して、モータのＵ相誘起電圧Ｖｕとインバータ出力電圧Ｕの位相差が大きくなることで、モータのＵ相誘起電圧Ｖｕとインバータ出力電圧Ｕの電位差が大きくなり、１サイクル中概ね全ての期間で両者に電位差が生じている（Ｕ相端子電圧ＴＥｕの波形を参照）。このため、Ｕ相に対応するインバータのスイッチング素子がオフであっても、Ｕ相電流は１サイクル中（０度〜３６０度）概ね全ての期間で流れ続け、なおかつ進角制御をしていない場合と比較して電流値が大きい。
この現象は、Ｖ相、Ｗ相に関しても同様であり、したがって、進角制御をしていない場合と比較して、還流ダイオードを介して電流が流れている期間が長くなる傾向にあることが知られている。例えば、図１５に示す期間Ｂ１では、インバータ出力信号Ｕは０レベルであり、Ｕ相に対応するスイッチング素子はオフしているが、Ｕ相負方向電流が所定のスイッチング素子の還流ダイオードを介して流れている。また、期間Ｂ２では、インバータ出力信号Ｕは０レベルであり、Ｕ相に対応するスイッチング素子はオフしているが、Ｕ相正方向電流が所定のスイッチング素子の還流ダイオードを介して流れている。
特開平７−１８４３８４号公報

前記した還流ダイオードは電流が流れることで発熱し易く、このため、還流ダイオードが設けられたスイッチング素子に放熱フィン等が取り付けられて発熱対策が施されている。しかしながら、特に進角制御をしている場合には各還流ダイオードに電流が流れる期間が長く電流値も大きいことから、スイッチング素子への影響、ひいてはモータの制御装置の高温化等種々の問題点が生じていた。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、インバータを備えたモータの制御装置において、インバータを構成するスイッチング素子に設けられている還流ダイオードに起因する発熱を効果的に低減する技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するため、各請求項記載の発明が構成される。
請求項１に記載の発明によれば、所定相数モータに対応した相数のインバータを備えたモータの制御装置が構成される。該インバータは、それぞれに還流素子が配設された双方向スイッチング素子を相数に応じて複数個備えている。モータの制御装置は、各双方向スイッチング素子をオンオフ制御することによりモータの２相間を通電する駆動信号を出力して当該モータを駆動する。
「所定相数モータ」としては、インバータで駆動されるとともに、後述するように進角制御が可能なモータを広く包含する。例えば、３相インバータで駆動される３相ブラシレスモータが好適に包含される。

「所定相数モータに対応した相数のインバータ」とは、典型的には、モータと同一相数のインバータとして構成され、一般的に当該相数と同数のスイッチング素子が、上アーム、及び下アームにそれぞれ配設されるとともにブリッジ接続されている。然るに、当該相数の２倍の個数のスイッチング素子が設けられている。

このようにインバータを構成するスイッチング素子としては、ドレインからソース、及びソースからドレインの双方向に導通可能なＦＥＴ等の「双方向スイッチング素子」が好適に用いられるが、双方向に通電可能なスイッチング素子であれば足りる。中でも、パワーＭＯＳＦＥＴは高速スイッチングを行うために好適な素子であることが知られている。また、各双方向スイッチング素子に配設されている「還流素子」としては、例えば、前記したＦＥＴの場合には、ドレイン・ソース間に逆並列接続された寄生ダイオードが用いられる。勿論、ドレイン・ソース間に外付けの還流ダイオードを配設する場合も包含される。このような還流素子は、一般的に、スイッチング素子のドレイン・ソース間よりも内部抵抗が大きく、電流が流れると比較的発熱し易い特徴を有している。

このような構成のインバータの各双方向スイッチング素子をオンオフ制御することで、モータの所定相数のうちの２相間を通電する「駆動信号」を出力する。「駆動信号」は、典型的には、インバータの出力信号としてモータの各相に出力される交番信号を示す。例えば、ｕ相、ｖ相、ｗ相を有する３相モータの各相に出力される駆動信号としては、互いに１２０度ずつ位相がずれた交番信号が出力される。これにより、ｕ相→ｖ相、ｕ相→ｗ相、ｖ相→ｗ相、ｖ相→ｕ相、ｗ相→ｕ相、ｗ相→ｖ相を１サイクルとして各２相間を順次通電する。このように、３相モータの２相間を順次通電してモータを駆動する方法として１２０度通電方式が多用されている。１２０度通電方式では、各相に出力される駆動信号は、１２０度正方向通電、６０度非通電、１２０度負方向通電、６０度非通電を繰り返す。このような駆動信号が出力され、モータの各相には各相のコイルによる誘起電圧が発生し、しいては相電流が流れる。前述した「還流素子」は、モータの各相に対応する双方向スイッチング素子がオフ状態となっても、モータの当該相に設けられているコイルのインダクタンス等の影響で流れ続けようとする相電流を還流させ、双方向スイッチング素子を保護する。

ところで、上記したように、インバータを用いて所定相数のモータを駆動し、なおかつモータを進角制御する場合、前記した還流素子へ流れる電流に起因して種々の不都合が生じることがある。従来の技術に記載したように、進角制御を行うと、進角制御を行わない場合と比較して、前記した還流素子に流れる相電流の電流値が大きくなるとともに流れている期間が長くなることが知られている。そして、還流素子は、流れる電流値が大きいほど、また流れている期間が長くなるほど（すなわち、流れる電流量が多くなるほど）発熱し易く、還流素子が発熱することでスイッチング素子が高温化する傾向にある。このように、電子部品が高温化することは機器の信頼性の低下の一因となり得る。

そこで、請求項１に記載の発明によれば、所定相数のモータを進角制御する場合には、各双方向スイッチング素子がオン状態である位相期間を、３６０度を前記相数で除した位相期間よりも大きくなるように設定する。
ここで「位相期間」とは、インバータからモータに出力される各相駆動信号の１サイクルを０度〜３６０度とする電気角における期間（度）を示す。
従来は、「各双方向スイッチング素子がオン状態である位相期間」は、３６０度をモータの相数で除した位相期間であり、例えば、３相モータを前述した１２０度通電方式で駆動する場合には、各双方向スイッチング素子を１２０度の位相期間選択的にオン状態とし、各相へのインバータ出力信号としては、１２０度正方向通電、６０度非通電、１２０度負方向通電、６０度非通電を繰り返す信号を出力していた。インバータ出力信号において６０度非通電の期間は、当該相に対応するスイッチング素子がオフ状態の場合であり、従来の技術に記載したように、進角制御を行うと、特にこの期間に当該相に対応するスイッチング素子の還流ダイオードを介して相電流が流れ易い。本発明のモータの制御装置によれば、各双方向スイッチング素子がオン状態である位相期間は、３６０度を前記相数で除した位相期間よりも大きく設定されるので、当該還流素子が配設されている双方向スイッチング素子のオン状態が所定期間継続されることで、従来は還流素子を流れていた相電流が、内部抵抗値の低いオン状態のスイッチング素子を逆方向に流れる。これにより、還流ダイオードに流れていた電流を低減させ、しいては還流ダイオードの発熱を低減させることができる。
このオン状態を継続する位相期間は、本発明においては存在すればよく、結果的に各スイッチング素子が３６０度を前記相数で除した位相期間よりも長い時間オン状態を継続していれば足りる。すなわち、例えば、前述した１２０度通電方式の場合には、非通電期間の６０度内で所定期間オン状態が継続されていればよい。

本発明により、各相電流が還流素子を流れる期間を減少させ、還流素子の発熱量を低減させることが可能となった。従来は、還流素子の発熱対策として、例えば、還流素子が設けられたスイッチング素子に放熱フィン等が配設されていた。しかしながら、放熱フィンが配設されても熱はインバータ近傍に籠りがちであり、然るに電子部品が高温化して機器の信頼性の低下の一因となる可能性があった。さらには、放熱フィンが配設されることにより部品配設に必要な実装面積が広くなり、しいては、モータの制御装置の小型化が困難となる傾向にあった。そこで、本発明によれば、上記したように還流素子の発熱を低減させ、電子部品の発熱を防止して信頼性を高め、さらには、放熱フィンが不要もしくは小型化が可能な状態となることで部品配設に必要な実装面積が小さくなり、モータの制御装置の小型化が可能となった。

（請求項２に記載の発明）
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のモータの制御装置は、さらにオンタイミング設定手段を有している。
オンタイミング設定手段は、前記したインバータの各双方向スイッチング素子を、通常進角制御を行っている場合にオン状態とするタイミングよりも、所定の遅延時間だけ遅らせたタイミングでオン状態とする。
ここで、「オン状態とするタイミング」とは、オフ状態からオン状態に切り替わる時、すなわちオン状態が開始される時を示す。また、「遅延時間」は、前記した位相期間で設定されている場合、時間で設定されている場合等を好適に包含する。
モータの制御装置は、典型的には、ＣＰＵと、モータ制御プログラムが予め記憶されたＲＯＭ等の記憶手段とを備えていて、ＣＰＵは記憶手段からモータ制御プログラムを読み出してモータの制御を実行する。本発明では、この制御プログラムに、各双方向スイッチング素子をオン状態にするタイミングに所定の遅延時間を設けるステップを備えていて、典型的には、このプログラムのステップが本発明のオンタイミング設定手段に対応する。

一般的に、スイッチング素子がブリッジ接続された所定相数のインバータでは、上アームのスイッチング素子と、該上アームスイッチング素子に接続されている下アームのスイッチング素子は、同時にオン状態となることがないようにオンオフ制御されている。本発明のように、各スイッチング素子において、３６０度をモータ及びインバータの相数で除した位相期間よりも長い期間オン状態が継続される場合にも、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子が、瞬間的にでも同時にオン状態となり短絡が生じる可能性を回避する必要がある。
そこで、本発明のモータの制御装置では、オン状態を継続した上アームもしくは下アームのスイッチング素子が、確実にオフ状態となってから他方のスイッチング素子がオン状態となるように、オンタイミング設定手段を用いて各双方向スイッチング素子をオン状態とするタイミングに所定の遅延時間を設けている。所定の遅延時間とは、前述したよう短絡の発生を防止できる微小な時間でも足りる。これにより、インバータを構成する各スイッチング素子に短絡が発生する可能性を回避することができる。

（請求項３に記載の発明）
請求項３に記載の発明によれば、請求項１、２に記載のモータの制御装置は、さらにモータのロータ位置検出装置と、オフタイミング設定手段を有している。
オフタイミング設定手段は、前記ロータ位置検出装置から出力されるロータの位置検出信号に基づいて、前記したインバータの各双方向スイッチング素子をオフ状態とするタイミングを設定する。
「モータのロータ位置検出装置」とは、モータのロータ位置検出装置から出力される位置検出信号に基づいて、モータの制御装置が、前述したインバータを制御可能な信号を出力できる装置であればよく、典型的には、ブラシレスモータのホールセンサ等これに対応する。
典型的には、前述したモータの制御装置に記憶されているモータ制御プログラムに、位置検出信号を受信したら所定時間経過後にスイッチング素子をオフ状態とするステップを備えていて、このプログラムのステップが本発明のオフタイミング設定手段に対応する。
このようなオフタイミング設定手段により、オン状態を継続した上アームもしくは下アームのスイッチング素子が確実にオフ状態となってから他方のスイッチング素子をオン状態とすることで、請求項２に記載の発明と同様の効果を帰し、インバータを構成する各スイッチング素子に短絡が発生する可能性を回避することができる。

本発明によれば、インバータを備えたモータの制御装置において、インバータを構成するスイッチング素子に設けられている還流ダイオードに起因する発熱を効果的に低減する技術を提供されることとなった。

以下に、本発明を実施するための最良の形態の一例につき、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態では、本発明の一例として３相ブラシレスモータを進角制御するモータの制御装置について説明する。
まず、３相ブラシレスモータ２００と本発明のモータの制御装置１００の構成が図１のブロック図に模式的に示される。また、該モータの制御装置１００が備えている３相インバータ１１０を構成するＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ１２１〜１２３，１３１〜１３３の概略構成と、各ＦＥＴの通電状態に対応する回路図が図２〜図９に示される。そして、該モータ２００とモータの制御装置１００の、位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ、インバータの出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗ、モータのＵ相誘起電圧Ｖｕ、Ｕ相端子電圧、Ｕ相電流Ｉｕの対応関係を示すタイミングチャート図が図１０に示される。

まず、図１を用いて、本実施の形態の３相ブラシレスモータ２００と、該モータを駆動制御するモータの制御装置１００の構成を説明する。
３相ブラシレスモータ２００には、Ｙ結線されたＵ相巻線（界磁コイル）２１１、Ｖ相巻線２１２、Ｗ相巻線２１３が設けられたステータ２１０と、ステータ２１０の中空部に配置され永久磁石で構成されたロータ２２０が設けられている。
ステータ２１０には、位置検出装置２３１，２３２，２３３が、ロータ２２０の側面に近接しつつ互いに１２０度ずつずれた位置に配置されている。位置検出装置２３１，２３２，２３３はホールセンサを用いて構成され、ロータ２２０の回転位置を検出して、モータの制御装置１００の制御部１４０に、位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃを出力する。これらの位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃは、Ｕ相コイル２１１、Ｖ相コイル２１２、Ｗ相コイル２１３のうち通電する２相を切り替えるタイミングを決定するのに、後述するモータの制御装置１００で用いられる。

このようなモータ２００を駆動制御するモータの制御装置１００には、３相インバータ１１０、電源部１５０、制御部１４０が設けられている。
３相インバータ１１０は、上アーム１２０、下アーム１３０にそれぞれ３個ずつのパワーＭＯＳＦＥＴ１２１〜１２３、１３１〜１３３を備えており、各ＦＥＴ１２１〜１２３、１３１〜１３３は３相ブリッジ接続されている。上アーム１２０の各ＦＥＴのドレイン側コモンは電源部１５０に接続され、下アーム１３０の各ＦＥＴのソース側コモンは接地されている。
また、各ＦＥＴ１２１〜１２３，１３１〜１３３には、還流ダイオード１２１ａ〜１２３ａ，１３１ａ〜１３３ａがドレイン・ソース間に逆並列接続されている。
このＦＥＴ１２１〜１２３，１３１〜１３３が本発明の「双方向スイッチング素子」に対応する要素である。

制御部１４０は、特に図示していないが、ＣＰＵ、及びモータ制御プログラムが予め記憶されているＲＯＭ等の記憶手段を備えている。そして、制御部１４０は、記憶手段から読み出したモータ制御プログラムに基づいて３相インバータ１１０の各ＦＥＴをオン・オフ制御する。これにより、インバータ１１０は、モータ２００に、モータ２００を駆動するインバータ出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗを出力する。
このインバータ出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗが本発明の「駆動信号」に対応する要素である。

次に、引き続き図１を用いて、モータの制御装置１００を用いたモータ２００の一般的な駆動方法について詳細を説明する。
制御部１４０は、インバータ１１０の上アーム１２０のＦＥＴ１２１〜１２３のいずれか、及び下アーム１３０のＦＥＴ１３１〜１３３のいずれかを選択的にオン状態にし、これに対応するモータ２００の２相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうちの２相）間を通電する。制御部１４０は、オン状態にするＦＥＴ１２１〜１２３，１３１〜１３３を順次切り替えてモータ２００の通電する２相を順次切り替える。

具体的には、以下の（１）〜（６）までの状態が順次切り替えられる。
状態（１）ＦＥＴ１２１、ＦＥＴ１３２をオン状態にしてＵ相→Ｖ相通電
状態（２）ＦＥＴ１２１、ＦＥＴ１３３をオン状態にしてＵ相→Ｗ相通電
状態（３）ＦＥＴ１２２、ＦＥＴ１３３をオン状態にしてＶ相→Ｗ相通電
状態（４）ＦＥＴ１２２、ＦＥＴ１３１をオン状態にしてＶ相→Ｕ相通電
状態（５）ＦＥＴ１２３、ＦＥＴ１３１をオン状態にしてＷ相→Ｕ相通電
状態（６）ＦＥＴ１２３、ＦＥＴ１３２をオン状態にしてＷ相→Ｖ相通電
上記した状態（１）〜（６）を繰り返すことで、モータ２００のステータ２１０に回転磁界を発生させ、これにより永久磁石で構成されているロータ２２０を回転させる。

ここで、このように選択的にオン状態にされるＦＥＴの概略構成と、オン状態時やオフ状態時での通電態様を、図２〜図９を参照しつつ説明する。以下では、ＦＥＴ１２１について説明し、他のＦＥＴについては、ＦＥＴ１２１の場合と同様であるので、説明及び図示を省略する。
まず、ＦＥＴ１２１がオフ状態の場合の回路図を図２に、概略構成図を図３に示す。ここでは、ＦＥＴ１２１のゲート・ソース間にゲート電圧が印加されておらず、ＦＥＴ１２１はオフ状態となっている。ところで、図２、図３に示すように、ＦＥＴ１２１のドレイン・ソース間に逆並列接続されている還流ダイオード１２１ａは、ＦＥＴ１２１のドレイン・ソース間に形成されている半導体のＰＮ接合による寄生ダイオードとして構成されている。

次に、ＦＥＴ１２１が正方向導通状態の場合の回路図を図４に、概略構成図を図５に示す。正方向導通状態では、ＦＥＴ１２１のゲート・ソース間にゲート電圧が印加されＦＥＴ１２１はオン状態となっている。そして、ドレイン・ソース間には正方向電圧が印加され（ドレイン側にプラス、ソース側にマイナス）、図５に示すように、ゲート電極下に配置されたゲート酸化膜Ｇｓが当接するＰ層にチャネル層が形成されてドレイン→ソース方向に電流が流れている。

次に、ＦＥＴ１２１に逆並列接続された還流ダイオード１２１ａに電流が流れている状態の回路図を図６に、概略構成図を図７に示す。還流ダイオード導通状態では、ＦＥＴ１２１のゲート・ソース間にゲート電圧が印加されておらず、ＦＥＴ１２１はオフ状態となっている。そして、ドレイン・ソース間には逆方向電圧が印加され（ドレイン側にマイナス、ソース側にプラス）ているので、還流ダイオード１２１ａに電流が流れている。

次に、ＦＥＴ１２１が逆方向導通状態の場合の回路図を図８に、概略構成図を図９に示す。逆方向導通状態では、ＦＥＴ１２１のゲート・ソース間にゲート電圧が印加されＦＥＴ１２１はオン状態となっている。そして、ドレイン・ソース間には逆方向電圧が印加され、図９に示すように、ゲート酸化膜Ｇｓが当接するＰ層にチャネル層が形成されてソース→ドレイン方向に電流が流れている。

次に、前述した、図１に示したモータの制御装置１００の構成と、図２〜図９に示したＦＥＴ１２１〜１２３、１３１〜１３３のオン・オフ状態を示す回路図と概略構成図を参照しつつ、モータ２００に進角制御を行っている場合の各種信号波形を、図１０を用いて説明する。図１０には、位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ、インバータ１１０の出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗ、モータ２００のＵ相誘起電圧Ｖｕ、Ｕ相端子電圧ＴＥｕ、Ｕ相電流Ｉｕの対応関係を示すタイミングチャート図が示されている。

図１０に示すように、位置検出信号Ｈａの立ち上がりを電気角０度（ｔ０）とし、位相が１サイクルするまでの期間を電気角３６０度（ｔ６）とすれば、位置検出信号Ｈａは電気角０度（ｔ０）〜１８０度（ｔ３）の期間ハイレベルとなっている。位置検出信号Ｈｂは位置検出信号Ｈａから１２０度位相が遅れた信号、位置検出信号Ｈｃは位置検出信号Ｈｂからさらに１２０度位相が遅れた信号となっている。このようにして、位置検出装置からは、１２０度ずつ位相がずれ、なおかつ１８０度ずつハイレベルを出力する位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃが出力される。モータの制御装置１００の制御部１４０は、この位相検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃに基づいて、各ＦＥＴ１２１〜１２３，１３１〜１３３をオン状態とするタイミングを決定し、インバータ１１０からモータ２００にインバータ出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗを出力する。

進角を４５度とする場合、位置検出信号Ｈａの立ち上がりよりも４５度早いタイミングでインバータ出力電圧Ｕが立ち上がるように設定される。そこで、ｔ０〜ｔ５よりもそれぞれ４５度早いタイミングをｓ０〜ｓ５とすると、ｓ０〜ｓ１ではＦＥＴ１２１とＦＥＴ１３２及びＦＥＴ１２３が、ｓ１〜ｓ２ではＦＥＴ１２１とＦＥＴ１３３及びＦＥＴ１３２が、ｓ２〜ｓ３ではＦＥＴ１２２とＦＥＴ１３３及びＦＥＴ１２１が、ｓ３〜ｓ４ではＦＥＴ１２２とＦＥＴ１３１及びＦＥＴ１３３が、ｓ４〜ｓ５ではＦＥＴ１２３とＦＥＴ１３１及びＦＥＴ１２２が、ｓ５〜ｓ６ではＦＥＴ１２３とＦＥＴ１３２及びＦＥＴ１３１がオン状態となっている。

これにより、インバータ１１０から図１０に示すようなインバータ出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗがモータ２００のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に出力される。
インバータ出力信号Ｕは、ｓ０〜ｓ３の１８０度間でプラス電圧、ｓ３〜ｓ６の１８０度間でマイナス電圧を１サイクルとして繰り返す交番信号として出力される。インバータ出力信号Ｖはインバータ出力信号Ｕと１２０度位相がずれた信号、インバータ出力信号Ｗはインバータ出力信号Ｖとさらに１２０度位相がずれた信号として出力される。

一般的に、進角制御を行う場合、位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃより早いタイミングでインバータ出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗを変化させることとなるので、進角制御を行っていない状態よりもロータ２２０の回転が速くなり、モータ２００の各コイル２１１，２１２，２１３に発生する誘起電圧波形の振幅が進角制御を行ってない場合よりも大きくなることが知られている。また、進角制御を行うので、各相コイルの誘起電圧波形と対応するインバータ出力信号の位相差が大きくなることにより、１サイクル中に両者に電位差が生じている期間が長くなることが知られている。
例えば、図１０には、Ｕ相誘起電圧Ｖｕの波形とインバータ出力信号Ｕの波形に基づくＵ相端子電圧ＴＥｕが示されているが、前述した図１４に示す進角制御を行っていない場合と比較して、１サイクル中に両者に電位差が生じている期間が長く、その振幅の差も平均して大きい。これにより、図１０に示すようなＵ相電流Ｉｕが生じることとなり、このＵ相電流ＩｕはＵ相にインバータ出力信号Ｕを出力するＦＥＴ１２１，１３１がオフ状態であっても、常に通電状態となることが知られている。すなわち、進角制御をしていない場合のような非通電期間がないことが知られている。ここでは、Ｕ相の場合について説明したがＶ相、Ｗ相に関しても同様である。

この場合の、ｓ０〜ｓ６間のＦＥＴの状態を、ＦＥＴ１２１，１３１に着目して以下に説明する。
図１０，１１に示すように、Ｕ相電流Ｉｕの波形は、ｓ１とｓ２の間の時刻ｓＸでプラス側からマイナス側に振れて方向が逆転している。また、ｓ４とｓ５の間の時刻ｓＹでマイナス側からプラス側に振れて方向が逆転している。
そこで、図１１に示すように、本発明のモータの制御装置１００では、ｓ０〜ｓＸでは、Ｕ相電流ＩｕはＵ相がプラス側となって流れているとともにＦＥＴ１２１はオン状態であるので、ＦＥＴ１２１のドレインからソースに電流が流れる。すなわち、図４、図５に示した正方向導通状態となっている。
また、ｓＸ〜ｓ３では、図１３に示すように、Ｕ相電流ＩｕはＵ相がマイナス側となって流れているとともにＦＥＴ１２１はオン状態であるので、ＦＥＴ１２１のソースからドレインに電流が流れる。すなわち、図８、図９に示す逆方向導通状態となっている。
また、ｓ３〜ｓ６では、ＦＥＴ１２１はオフ状態であるとともにＦＥＴ１２１に接続されている下アームのＦＥＴ１３１がオン状態であるので、Ｕ相電流ＩｕはＦＥＴ１３１の方に流れてＦＥＴ１２１には流れない。すなわち、図２、図３に示したオフ状態となっている。
ここで、従来のモータの制御装置においては（併せて、図１５参照）、ｓＸ〜ｓ２では、本実施の形態と同様でありＦＥＴ１２１は逆方向導通状態となっているが、ｓ２〜ｓ３では、図１２に示すように、Ｕ相電流ＩｕはＵ相がマイナス側となって流れているとともにＦＥＴ１２１はオフ状態であるので、ＦＥＴ１２１の還流ダイオード１２１ａに電流が流れていた。すなわち、図６、図７に示す還流ダイオード導通状態となっていた。

一方、ＦＥＴ１３１は、ｓ０〜ｓ３ではオフ状態であるとともにＦＥＴ１３１に接続されている上アームのＦＥＴ１２１がオン状態であるので、Ｕ相電流ＩｕはＦＥＴ１２１の方に流れてＦＥＴ１３１には流れない。すなわち、図２、図３に示したオフ状態となっている。
また、ｓ３〜ｓＹでは、Ｕ相電流ＩｕはＵ相がマイナス側となって流れているとともにＦＥＴ１３１はオン状態であるので、ＦＥＴ１３１のドレインからソースに電流が流れる。すなわち、図４、図５に示した正方向導通状態となっている。
また、ｓＹ〜ｓ６では、Ｕ相電流ＩｕはＵ相がプラス側となって流れているとともにＦＥＴ１３１はオン状態であるので、ＦＥＴ１３１のソースからドレインに電流が流れる。すなわち、図８、図９に示す逆方向導通状態となっている。
ここで、従来のモータの制御装置では（併せて、図１５参照）ｓＹ〜ｓ５では、本実施の形態と同様であり、ＦＥＴ１３１は逆方向導通状態となっているが、ｓ５〜ｓ６では、Ｕ相電流ＩｕはＵ相がプラス側となって流れているとともにＦＥＴ１３１はオフ状態であるので、ＦＥＴ１３１の還流ダイオード１３１ａに電流が流れていた。すなわち、図６、図７に示す還流ダイオード導通状態となっていた。

ここでは、Ｕ相電流ＩｕとＦＥＴ１２１及びＦＥＴ１３１に関して説明したが、Ｖ相電流ＩｖとＦＥＴ１２２及びＦＥＴ１３２、Ｗ相電流ＩｗとＦＥＴ１２３及びＦＥＴ１３３に関しても、互いに１２０度ずつ位相がずれているが同様の状態となっている。
然るに、再び図１０を参照すれば、インバータ出力信号Ｕ，Ｖ，Ｗにより、ｓ０〜ｓ１では、前述した状態（１）（Ｕ相→Ｖ相通電）であるとともに、ＦＥＴ１２３のオン状態が継続されて前の期間のＷ相電流ＩｗがＦＥＴ１２３を逆方向に流れている。ｓ１〜ｓ２では、前述した状態（２）（Ｕ相→Ｗ相通電）であるとともに、ＦＥＴ１３２のオン状態が継続されて前の期間のＶ相電流ＩｖがＦＥＴ１３２を逆方向に流れている。ｓ２〜ｓ３では、前述した状態（３）（Ｖ相→Ｗ相通電）であるとともに、ＦＥＴ１２１のオン状態が継続されて前の期間のＵ相電流ＩｕがＦＥＴ１２１を逆方向に流れている。ｓ３〜ｓ４では、前述した状態（４）（Ｖ相→Ｕ相通電）であるとともに、ＦＥＴ１３３のオン状態が継続されて前の期間のＷ相電流ＩｗがＦＥＴ１３３を逆方向に流れている。ｓ４〜ｓ５では、前述した状態（５）（Ｗ相→Ｕ相通電）であるとともに、ＦＥＴ１２２のオン状態が継続されて前の期間のＶ相電流ＩｖがＦＥＴ１２２を逆方向に流れている。ｓ５〜ｓ６では、前述した状態（６）（Ｗ相→Ｖ相通電）であるとともに、ＦＥＴ１３１のオン状態が継続されて前の期間のＵ相電流ＩｕがＦＥＴ１３１を逆方向に流れている。この状態が繰り返される。

このように、各ＦＥＴ１２２〜１２３，１３１〜１３３がオン状態である期間を継続することで、各ＦＥＴに設けられている還流ダイオードに電流が流れる期間を減少させ、各還流ダイオードの発熱を効果的に低減させることができる。本実施の形態では、各還流ダイオードは、各ＦＥＴ１２２〜１２３，１３１〜１３３の寄生素子として構成されているので、ＦＥＴの発熱を低減させることができる。

ここで制御部１４０は、オン状態を継続した上アームもしくは下アームのスイッチング素子が、確実にオフ状態となってから他方のスイッチング素子がオン状態となるように各双方向スイッチング素子をオン状態とするタイミングに微少な遅延時間を設けている。すなわち、このような処理を行うステップを含むモータ制御プログラムが制御部１４０の記憶手段（図示省略）に予め記憶されていて、制御部１４０のＣＰＵ（図示省略）は該記憶手段から制御プログラムを読み出してモータの制御を実行する。
このモータ制御プログラムのステップが、本発明の「オンタイミング設定手段」に対応する要素である。
これにより、例えば、図１０に示すｓ３で、ＦＥＴ１２１が確実にオフ状態となってからＦＥＴ１３１をオン状態とすることができる。そして、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子が同時にオン状態となることで、短絡が発生する可能性を回避できる。

また、制御部１４０は、オン状態を継続した上アームもしくは下アームのスイッチング素子が、確実にオフ状態となってから他方のスイッチング素子がオン状態となるように、位置検出信号Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃに基づいて各スイッチング素子をオフ状態としてもよい。すなわち、このような処理を行うステップを含むモータ制御プログラムが制御部１４０の記憶手段（図示省略）に予め記憶されていて、制御部１４０のＣＰＵ（図示省略）は該記憶手段から制御プログラムを読み出してモータの制御を実行する。
このモータ制御プログラムのステップが、本発明の「オフタイミング設定手段」に対応する要素である。
これにより、モータ制御装置１００は、上記した「オンタイミング設定手段」を備える場合と同様の効果を奏する。
また、「オンタイミング設定手段」と「オフタイミング設定手段」は、両方が設けられていてもよいし、片方でもよい。また、必要がない場合には設けられていなくても良い。「オンタイミング設定手段」と「オフタイミング設定手段」が両方が設けられていれば、確実にスイッチング素子の短絡が発生する可能性を回避できる。

本実施の形態では、モータ２００に進角制御を行う場合について説明したが、同じモータを、進角制御を行わない場合には、ＦＥＴをオン状態とする位相期間を３６０度をモータの相数で除した位相期間（すなわち、３相モータであれば１２０度）として駆動制御し、進角制御を行う場合には、ＦＥＴをオン状態とする位相期間を３６０度をモータの相数で除した位相期間よりも大きくなるように駆動制御してもよい。
また、本実施の形態では、モータ２００の正転の場合について説明したが、モータ２００の逆転の場合についても同様にして各ＦＥＴに設けられている還流ダイオードに電流が流れる期間を減少させ、各還流ダイオードの発熱を効果的に低減させることができる。

さらに本発明の趣旨に鑑み、以下の態様を構成することができる。
(態様１)
「３相ブラシレスモータに対応した３相インバータを備え、前記インバータは、それぞれに還流素子が配設された双方向スイッチング素子を６個備え、各双方向スイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記モータの２相間を通電する駆動信号を出力して当該モータを駆動するモータの制御装置を備えた電動工具であって、
前記モータの制御装置は、前記モータの進角制御を行う場合に、前記双方向スイッチング素子がオン状態である位相期間につき、１２０度よりも大きくなるように設定し、これによって前記還流素子への通電規制を行うことを特徴とする電動工具。」

この態様によれば、電動工具に用いるモータの制御装置につき、請求項１と同様の効果を奏する。特に、本発明は、進角制御により弱め界磁を行いつつネジを締め付けるドライバ等に好適に用いられる。電動工具では一般的に本体の小型化が試みられていて、本体が小さい場合には特に、内部の部品が発した熱が内部に篭もり易く、これにより電動工具自体が熱くなると作業に支障をきたす可能性がある。この態様により、電動工具に発熱対策を講じることができ、発熱する部品に取り付けられていた放熱フィン等が不要になれば、ないしは小型化できれば、さらに電動工具本体を小型化することも可能となる。

本実施の形態に係るモータの制御装置１００を用いてモータ２００の駆動制御を行った場合のブロック図を示す。 モータの制御装置１００が備えているインバータ１１０が有するＦＥＴがオフ状態での回路図を示す。 ＦＥＴがオフ状態での該ＦＥＴの概略構成図を示す。 ＦＥＴが正方向導通状態での回路図を示す。 ＦＥＴが正方向導通状態での該ＦＥＴの概略構成図を示す。 ＦＥＴの還流ダイオードが導通している状態での回路図を示す。 ＦＥＴの還流ダイオードが導通している状態での該ＦＥＴの概略構成図を示す。 ＦＥＴが逆方向導通状態での回路図を示す。 ＦＥＴが逆方向導通状態での該ＦＥＴの概略構成図を示す。 モータの制御装置１００を用いてモータ２００に進角制御を行った場合の各信号波形のタイミングチャート図を示す。 Ｕ相電流Ｉｕに対応させた、ＦＥＴ１２１，１３１の通電態様を示す。 従来のモータの制御装置を用い、ＦＥＴ１２１が還流ダイオード導通状態である時の通電状態を記載したブロック図を示す。 本発明のモータの制御装置１００を用い、ＦＥＴ１２１がオン状態を継続している時の通電状態を記載したブロック図を示す。 従来のモータの制御装置を用いてモータ２００に進角制御を行わず駆動制御している場合の各信号波形のタイミングチャート図を示す。 従来のモータの制御装置を用いてモータ２００に進角制御を行っている場合の各信号波形のタイミングチャート図を示す。

符号の説明

１００ モータ制御装置
１１０ インバータ
１２０ 上アーム
１２１，１２２，１２３，１３１，１３２，１３３ ＦＥＴ
１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ，１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ， 還流ダイオード
１３０ 下アーム
１４０ 制御部
１５０ 電源部
２００ モータ
２１１ Ｕ相コイル
２１２ Ｖ相コイル
２１３ Ｗ相コイル
２３１，２３２，２３３ 位置検出装置
Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ 位相検出信号
Ｉｕ Ｕ相電流
Ｉｖ Ｖ相電流
Ｉｗ Ｗ相電流
Ｕ，Ｖ，Ｗ インバータ出力信号
Ｖｕ Ｕ相誘起電圧

Claims (3)

1. 所定相数モータに対応した相数のインバータを備え、前記インバータは、それぞれに還流素子が配設された双方向スイッチング素子を前記相数に応じて複数個備え、前記各双方向スイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記モータの２相間を通電する駆動信号を出力して当該モータを駆動するモータの制御装置であって、
   前記モータの進角制御を行う場合に、前記各双方向スイッチング素子がオン状態である位相期間につき、３６０度を前記相数で除した位相期間よりも大きくなるように設定し、これによって前記還流素子への通電規制を行うことを特徴とするモータの制御装置
2. 請求項１に記載のモータの制御装置であって、
   前記インバータの各双方向スイッチング素子をオン状態とするタイミングに所定の遅延時間を設けるオンタイミング設定手段を有すること特徴とするモータの制御装置。
3. 請求項１または２に記載のモータの制御装置であって、
   前記モータのロータ位置検装置を備え、前記ロータ位置検出装置から出力される位置検出信号に基づいて当該モータを制御するモータの制御装置であって、
   前記位置検出信号に基づいて、前記インバータの各双方向スイッチング素子をオフ状態とするタイミングを設定するオフタイミング設定手段を有することを特徴とするモータの制御装置。

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