JP2008072857A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ローサイドの各スイッチング素子それぞれに電流検出部を設けたモータ駆動装置において、スイッチング素子の電流レベルの高いものを選定する必要がなく、安価で、かつ最適な回路構成で過電流に対する保護を行うことができるモータ駆動装置を得る。
【解決手段】スイッチング素子４ｄ〜４ｆのエミッタ側に設けられた電流検出部９ａ〜９ｃにより検出された各電流を加算する加算回路部１０と、加算回路部１０の出力値が予め設定された過電流比較信号１２の値より高いときに、スイッチング素子４ａ〜４ｆのオン・オフ動作を停止させる過電流検出信号をインバータ制御部８に出力する比較器１１とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータをインバータ部を介して駆動するモータ駆動装置に関するものである。

インバータ部を過電流から保護する装置として以下のものがある。例えば、６個あるスイッチング素子のエミッタ（またはソース）側にそれぞれ電流検出部(抵抗)が設けられ、各電流検出部の一端には、比較器及びフォトカプラを介してＯＲ回路が接続されている。電流検出部により信号が検出されると、比較器で過電流判別信号と比較される。電流検出部の信号が過電流判別信号以上のとき、フォトカプラを導通してＯＲ回路の出力をハイレベルにし、スイッチング素子のゲート信号をオフさせる。また、他の例として、６個あるスイッチ素子のうち、ローサイドの３個のスイッチ素子のエミッタ（またはソース）側にそれぞれ電流検出部(抵抗)を設け、各電流検出部に対応して比較器がそれぞれ設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２１０７７９号公報（第３−４頁、図１−２）

前述した特許文献１に記載の装置は、６個のスイッチング素子にそれぞれに対応して電流検出部と比較器とフォトカプラとが必要となっており、このため、部品点数が多く回路規模が大きくなり、簡素で、かつ安価な回路構成がとりずらいという課題がある。
また、特許文献１に記載の他の装置は、回路構成を簡素化した内容となっているが、過電流が流れた際に、ローサイドに設けられた３個の電流検出部の信号がそれぞれの比較器の出力をＯＲで検出される構成となっているため、例えばハイサイドのスイッチング素子が１個オンし、ローサイドのスイッチング素子が２個オンしたときに負荷を通して過電流が流れる状態の場合、仮に過電流判別信号のレベルを「１」とすると、過電流による装置保護は、ローサイドのスイッチング素子２個のどちらかの電流検出部の信号が過電流判別信号の「１」にならない限り働かないことになる。これにより、ハイサイドのスイッチング素子には、最大で過電流判別信号のレベルの２倍の電流が流れるまで装置保護が働かないことになるため、ハイサイドのスイッチング素子の選定においては、過電流判別信号のレベルの約２倍の電流を流すことができるものを選定する必要がある。また、負荷を空気調和機などで用いられる直流ブラシレスモータを使用した場合には、モータ内部に存在する永久磁石の保護を目的として、モータに流す電流を制限する必要があるが、この構成では、過電流判別信号のレベルの２倍の電流が流れるため、モータにおいても永久磁石の保護レベルの高いものを選定する必要があり、装置全体としての安価な構成が取りにくいという課題がある。
さらに、前述したように電流検出部がスイッチング素子のエミッタ側に接続されている。負荷を空気調和機などで用いられる直流ブラシレスモータを使用した場合には、モータ制御が意図しない状態になると、モータから平滑コンデンサに、スイッチングング素子に並列接続のダイオードを介して電流が流れる場合がある。この場合においては、インバータ部の停止を行うときに、電流検出部に前記の経路で流れる信号が発生しないため、インバータ部の駆動可否の判断ができないという課題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、ローサイドの各スイッチング素子に流れる電流をそれぞれ検出する複数の電流検出部を有するモータ駆動装置において、第１の目的は、スイッチング素子の電流レベルの高いものを選定する必要がなく、安価で、かつ最適な回路構成で過電流に対する保護を行うことができるモータ駆動装置を得るものである。
また、第２の目的は、直流ブラシレスモータを使用した場合に、モータ内の永久磁石の保護レベルの高いものを選定する必要がなく、安価で、かつ最適な回路構成で過電流に対する保護を行うことができるモータ駆動装置を得るものである。
さらに、第３の目的は、直流ブラシレスモータを使用した場合に、モータから平滑コンデンサに、スイッチング素子に並列接続のダイオードを介して流れる電流を検出して、インバータの駆動可否を判断することができるモータ駆動装置を得るものである。

本発明に係るモータ駆動装置は、交流電圧を整流する整流回路部と、整流回路部により整流された電圧を平滑するコンデンサと、複数のスイッチング素子及び各スイッチング素子にそれぞれ並列接続された複数のダイオードよりなり、複数のスイッチング素子のオン・オフ動作によりコンデンサの直流電圧を交流に変換し、出力側のモータに供給するインバータ部と、複数のスイッチング素子のオン・オフを制御するインバータ制御部と、インバータの各アームのローサイドの各スイッチング素子に流れる電流をそれぞれ検出し、その値を電圧出力する複数の電流検出部と、複数の電流検出部により出力された電圧を加算する加算回路部と、加算回路部の出力値と予め設定された第１の値とを比較し、その比較結果に基づいて複数のスイッチング素子のオン・オフ動作を停止させる過電流検出信号をインバータ制御部に出力する比較器とを備えたものである。

本発明においては、インバータの各アームのローサイドの各スイッチング素子に流れる電流をそれぞれ検出して加算し第１の値と比較するようにしたので、簡素な構成で、スイッチング素子の動作パターンに左右されることなく、精度よく過電流を監視できるようになり、このため、複数のスイッチング素子それぞれに保護回路を設ける必要がなくなり、また、スイッチング素子の選定において高容量、高定格のものを使用する必要がなく、装置に応じた最適なものを選ぶことができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示すモータ駆動装置の回路図、図２は実施の形態１における電流検出の一例を示す回路図である。
図１において、全波整流回路部２は、ブリッジ接続された４個のダイオードからなり、交流電源１からの交流電圧を全波整流する。平滑コンデンサ３は、全波整流回路部２により全波整流された電圧を平滑する。インバータ部６は、例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴなどからなる６個のスイッチング素子４ａ〜４ｆと、スイッチング素子４ａ〜４ｆにそれぞれ並列に接続されたダイオード５ａ〜５ｆとを備え、平滑コンデンサ３の直流電圧を三相交流に変換し、出力側に設けられたモータ７に印加する。なお、上側のスイッチング素子４ａ〜４ｃ及びダイオード５ａ〜５ｃをハイサイドのスイッチング素子４ａ〜４ｃ及びハイサイドのダイオード５ａ〜５ｃといい、下側のスイッチング素子４ｄ〜４ｆ及びダイオード５ｄ〜５ｆをローサイドのスイッチング素子４ｄ〜４ｆ及びローサイドのダイオード５ｄ〜５ｆという。

インバータ制御部８は、例えばマイコンからなり、図示せぬ制御信号の入力に応じてパルス信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）し、インバータ部６のハイサイド及びローサイドのスイッチング素子４ａ〜４ｆをオン・オフする。また、後述する比較器１１からの過電流検出信号の入力を検知したときは、パルス信号の出力を遮断してインバータ部６の動作を停止させる。電流検出部９ａ〜９ｃは、ローサイドのスイッチング素子４ｄ〜４ｆのエミッタ側に接続された例えば抵抗からなり、抵抗の両端に発生する電圧を電流として検出する。

加算回路部１０は、一端がそれぞれローサイドのスイッチング素子４ｄ〜４ｆと電流検出部９ａ〜９ｃとの各接続点に接続され、他端が互いに結合された３個の抵抗１０ａと、一方の入力端がその結合点に接続され、他方の入力端に基準電位が印加された演算部１０ｂとからなり、電流検出部９ａ〜９ｃによりそれぞれ検出された各電流を合成し、この合成電流が０Ａ（ゼロアンペア）より大きいときのみ、つまり、９ａ＋９ｂ＋９ｃ＞０（Ａ）の関係にあるとき全電流信号を電圧出力する。この加算回路部１０の出力側に設けられた比較器１１は、全電流信号が入力されると、予め設定された過電流比較信号１２（第１の値）と比較し、全電流信号のレベルが過電流比較信号１２より低いときに、インバータ部６の動作を停止させる過電流検出信号をインバータ制御部８に出力する。

次に、前記のように構成されたモータ駆動装置の動作について図２を用いて説明する。
本装置に交流電源１が印加されると、全波整流回路部２が交流電圧を全波整流し、平滑コンデンサ３が全波整流された電圧を平滑する。インバータ制御部８からインバータ部６にパルス信号が出力されると、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子４ａ〜４ｆがパルス信号の入力に基づいてオン・オフ動作し、平滑コンデンサ３により平滑された直流電圧を制御に応じた電圧・周波数の３相交流に変換し、モータ７を駆動させる。この時、平滑コンデンサ３からインバータ部６を介してモータ７に駆動電流が流れる。

この駆動電流は、例えば図２（ａ）に示すように、ハイサイドのスイッチング素子４ａがオンし、ローサイドのスイッチング素子４ｅ、４ｆが共にオンすると、平滑コンデンサ３のプラス側からハイサイドのスイッチング素子４ａを通ってモータ７へ流れ、そして、モータ７からローサイドのスイッチング素子４ｅ、４ｆに分流して、平滑コンデンサ３のマイナス側へ流れる。これを力行電流という。次に、図２（ｂ）に示すようにハイサイドのスイッチング素子４ａがオンからオフに切り替わると、モータ７の誘導による電流がモータ７とインバータ部６（ローサイドのスイッチング素子４ｅ、４ｆ及びダイオード５ｄ）との間で流れる。これを還流電流という。

一方、電流検出部９ａ〜９ｃは、抵抗の両端に発生する電圧を電流として検出する。この場合、カ行電流時では電流検出部９ｂ、９ｃが検出し、環流電流時では電流検出部９ａ〜９ｃが検出する。加算回路部１０は、電流検出部９ｂ、９ｃによって検出された電流が入力されたとき、電流方向が同じであるため合成し、この時、０Ａより「大」となるのでカ行電流時の合成電流（９ｂ＋９ｃ＞０（Ａ））を全電流信号として比較器１１に出力する。続いて、電流検出部９ａ〜９ｃによって検出された電流が入力されたときは、電流検出部９ａによって検出された合成電流（電流検出部９ｂ、９ｃの検出電流の和）と電流検出部９ｂ、９ｃの検出電流とが方向が逆となるため０Ａとなる（９ａ＋９ｂ＋９ｃ＝０（Ａ））。この場合は、加算回路部１０から全電流信号が出力されない。比較器１１は、全電流信号が入力されると、予め設定された過電流比較信号１２と比較し、全電流信号のレベルが過電流比較信号１２より高いときにインバータ制御部８に過電流検出信号を出力し、インバータ制御部８は、過電流検出信号が入力されたときに、制御に基づくパルス信号の出力を遮断し、インバータ部６の動作を停止させる。

以上のように実施の形態１によれば、電流検出部９ａ〜９ｃにより検出されたそれぞれの電流を加算回路部１０にて合成し、この合成電流が０Ａより「大」のときのみ比較器１１にて過電流比較信号１２と比較するようにしているので、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子４ａ〜４ｆの動作パターンに左右されることなく、全電流から精度よく過電流を検知することができ、このため、スイッチング素子４ａ〜４ｆそれぞれに保護回路を設ける必要がなくなり、また、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子４ａ〜４ｆの選定において高容量、高定格のものを使用する必要がなく、装置に応じた最適なものを選ぶことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、空気調和機などで使用されている直流ブラシレスモータを実施の形態１のモータ駆動装置に用いて示すものである。直流ブラシレスモータは、過電流によるモータ内部の永久磁石の磁力劣化（減磁）を考慮する必要があるが、前述したモータ駆動装置においては、インバータ部６に流れる全電流（合成電流）を精度よく検出し、その合成電流と過電流比較信号２とを比較して、スイッチング素子４ａ〜４ｆを過電流から保護することができるため、直流ブラシレスモータの永久磁石の磁力劣化を抑えることが可能である。

このように、電流検出部９ａ〜９ｃにより検出されたそれぞれの電流を加算回路部１０にて合成し、この合成電流が０Ａより「大」のときのみ比較器１１にて過電流比較信号１２と比較するようにしているので、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子４ａ〜４ｆの動作パターンに左右されることなく、全電流から精度よく過電流を検知することができる。このことにより、モータ７に直流ブラシレスモータを用いた場合においても、減磁抑制を精度よく行うことができるため、わざわざ減磁レベルの高い直流ブラシレスモータを使う必要がなく、装置に応じた最適なものを選ぶことができる。

実施の形態３．
前記の実施の形態１、２は、力行電流時の過電流保護について述べたが、実施の形態３では、直流ブラシレスモータにおける同期駆動異常時の保護について図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態３を示すモータ駆動装置の回路図、図４は実施の形態３における電流検出の一例を示す回路図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。

実施の形態３のモータ駆動装置は、図３に示すように加算回路部１０とインバータ制御部８との間に、比較器１１とは別に比較器１３を設けたものである。実施の形態１、２で述べたように、モータ駆動時は、平滑コンデンサ３のプラス側→インバータ部６→モータ７→平滑コンデンサのマイナス側に力行電流（駆動電流）が流れ、モータ７とインバータ部６との間で還流電流が発生する。直流ブラシレスモータの場合、インバータ部６の出力に同期して駆動しているモータであるため、外乱などでこの同期状態から外れると、図４に示すように平滑コンデンサ３のマイナス側からインバータ部６の方に回生電流が流れる。即ち、力行電流とは逆方向の回生電流が流れ、電流検出部９ａ〜９ｃにより検出されて加算回路部１０に入力する。

この場合、電流検出部９ａ〜９ｃによって検出された電流は９ａ+９ｂ+９ｃ＜０Ａが成立するので、演算部１０から出力される信号は、極性が力行電流時とは逆方向となる。この出力信号は、比較器１３によって予め設定された回生電流判別信号１４（第２の値）と比較される。出力信号のレベルが回生電流判別信号１４より高いときにインバータ制御部８に同期異常検出信号を出力し、インバータ制御部８は、同期異常検出信号が入力されたときに、制御に基づくパルス信号の出力を遮断し、インバータ部６の動作を停止させる。

以上のように実施の形態３においては、回生電流を検出する比較器１３と回生電流判別信号１４を実施の形態１、２のモータ駆動装置に追加しているので、直流ブラシレスモータの同期駆動異常を検知することが可能になり、装置の駆動可否を判断することができる。

本発明の実施の形態１を示すモータ駆動装置の回路図である。 実施の形態１における電流検出の一例を示す回路図である。 本発明の実施の形態３を示すモータ駆動装置の回路図である。 実施の形態３における電流検出の一例を示す回路図である。

符号の説明

１ 交流電源、２ 全波整流回路部、３ 平滑コンデンサ、４ａ〜４ｆ スイッチング素子、５ａ〜５ｆ ダイオード、６ インバータ部、７ モータ、８ インバータ制御部、９ａ〜９ｃ 電流検出部、１０ 加算回路部、１１ 比較器、１２ 過電流比較信号、１３ 比較器、１４ 回生電流判別信号。

Claims (3)

1. 交流電圧を整流する整流回路部と、
   該整流回路部により整流された電圧を平滑するコンデンサと、
   複数のスイッチング素子及び各スイッチング素子にそれぞれ並列接続された複数のダイオードよりなり、複数のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記コンデンサの直流電圧を交流に変換し、出力側のモータに供給するインバータ部と、
   前記複数のスイッチング素子のオン・オフを制御するインバータ制御部と、
   前記インバータの各アームのローサイドの各スイッチング素子に流れる電流をそれぞれ検出し、その値を電圧出力する複数の電流検出部と、
   該複数の電流検出部により出力された電圧を加算する加算回路部と、
   該加算回路部の出力値と予め設定された第１の値とを比較し、その比較結果に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン・オフ動作を停止させる過電流検出信号を前記インバータ制御部に出力する比較器と
   を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記インバータ部の出力側のモータに直流ブラシレスモータが使用されていることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記加算回路部の出力値と予め設定された第２の値とを比較し、その比較結果に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン・オフ動作を停止させる同期異常検出信号を前記インバータ制御部に出力する比較器を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のモータ駆動装置。

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