JP2008236932A - モータ駆動装置及びこれを用いた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、モータの低速回転時における電力効率を改善することが可能なモータ駆動装置、及び、これを用いた電気機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るモータ駆動装置１ａは、モータ２のコイルに接続されるスイッチ素子（例えばトランジスタＮ１、Ｎ２、Ｎ３）のオン期間をＰＷＭ信号に応じてチョッピングし、所望の回転速度でモータ２の駆動制御を行うモータ駆動装置であって、モータ２の回転速度を検出する回転速度検出部１６と、その検出結果に応じてＰＷＭ信号の周波数を可変制御するＰＷＭ信号調整部（図１の例では、三角波電圧Ｖ２の発振周波数を可変制御する三角波発振器１４）と、を有して成る構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの駆動制御を行うモータ駆動装置（モータドライバやモータコントローラ）、及び、これを用いた電気機器に関するものであり、特に、モータの低速回転時における電力効率の改善に関するものである。

従来より、モータコイルに接続されたスイッチ素子（パワートランジスタ）のオン期間をＰＷＭ［Pulse Width Modulation］信号に応じてチョッピングし、モータの回転速度制御を行うモータ駆動装置が広く実用化されている。

なお、上記従来のＰＷＭ信号は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、所望の回転速度に応じて電圧値が可変制御される速度指令電圧Ｖ１と、発振周波数が一定の三角波電圧Ｖ２と、を比較することで得られるパルス信号であり、その周期Ｔが一定で、オンデューティ（周期Ｔに占めるオン期間Ｔｏｎの比率）が所望の回転速度に応じて可変とされていた。
特開平５−１４６１９２号公報

確かに、上記従来のモータ駆動装置であれば、ＰＷＭ信号のデューティに応じて、モータに供給する電流の実効値を任意に調整することができ、延いては、モータの回転速度を所望値に制御することが可能である。

しかしながら、上記従来のモータ駆動装置では、所望の回転速度を得るために、スイッチ素子を頻繁にオン／オフさせることになるので、スイッチングロスが大きくなるという問題があった。

モータ駆動装置の電力効率を考える上で、モータの高速回転時には、図６（ａ）に示すように、ＰＷＭ信号のオンデューティが大きくなり、スイッチ素子のオン時に生じるロスが支配的となるため、上記のスイッチングロスはほぼ無視できるが、モータの低速回転時には、図６（ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号のオンデューティが小さくなり、スイッチ素子のオン時に生じるロスが小さくなるので、上記のスイッチングロスを無視することができなくなる。特に、モータに大きな駆動電圧を印加し、これを低速回転で運転する時間が長い電気機器（例えばインバータエアコン）では、電力効率の改善を図る上で、上記のスイッチングロスをいかに低減するかが非常に重要となっていた。

なお、モータ駆動装置の電力効率を改善する従来技術の一例として、特許文献１には、モータの低速回転時に全波駆動回路を用い、高速回転時に半波駆動回路を用いるＤＣブラシレスモータの駆動回路が開示・提案されているが、当該従来技術は、あくまで、全波駆動方式と半波駆動方式の長所を兼ね備えた駆動回路を実現するものであって、上記したＰＷＭ駆動時のスイッチングロスを低減し得る技術ではなかった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、モータの低速回転時における電力効率を改善することが可能なモータ駆動装置、及び、これを用いた電気機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、モータのコイルに接続されるスイッチ素子のオン期間をＰＷＭ信号に応じてチョッピングし、所望の回転速度で前記モータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、その検出結果に応じて前記ＰＷＭ信号の周波数を可変制御するＰＷＭ信号調整部と、を有して成る構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成るモータ駆動装置において、前記ＰＷＭ信号は、所望の回転速度に応じて電圧値が可変制御される速度指令電圧と、所定の三角波電圧との比較信号であり、前記ＰＷＭ信号調整部は、前記モータの回転速度に応じて、前記三角波電圧の発振周波数を可変制御する構成（第２の構成）にするとよい。

或いは、上記第１の構成から成るモータ駆動装置において、前記ＰＷＭ信号調整部は、前記モータの回転速度に応じて、前記ＰＷＭ信号のパルスを間引く構成（第３の構成）にしてもよい。

また、本発明に係る電気機器は、モータと、前記モータの駆動制御を行うモータ駆動装置と、を有して成る電気機器であって、前記モータ駆動装置として、上記第１〜第３いずれかの構成から成るモータ駆動装置を有して成る構成（第４の構成）とされている。

本発明によれば、ＰＷＭ駆動によるモータの回転速度制御に際して、モータの低速回転時におけるスイッチングロスを低減することができるので、その電力効率を改善することが可能となる。

まず、本発明に係るモータ駆動装置の第１実施形態について、図１を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係るモータ駆動装置の第１実施形態を示すブロック図（一部に回路図を含む）である。

本図に示す通り、本実施形態のモータ駆動装置１ａは、ホールコンパレータ１１と、ロジック部１２と、ドライバ部１３と、三角波発振器１４と、ＰＷＭコンパレータ１５と、回転速度検出部１６と、を集積化して成る半導体装置である。なお、モータ駆動装置１ａには、その駆動対象であるモータ２（本実施形態では三相全波モータ）と、モータ２を構成する各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルに各々付加されたホールセンサ３Ｕ、３Ｖ、３Ｗと、が外部接続されている。

ホールコンパレータ１１は、ホールセンサ３Ｕ、３Ｖ、３Ｗから各々入力される正弦波形状の各相ホール信号（＋／−）を互いに比較して矩形波形状の各相出力信号を生成し、これをロジック部１２に送出する手段である。

ロジック部１２は、モータ２の各相駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ（信号波形については、図２の符号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを参照）を生成し、これをドライバ部１２に送出する手段である。また、ロジック部１２には、ホールコンパレータ１１の各相出力信号に基づいて、回転速度信号ＲＶ（モータ２の回転速度を示す信号）を生成する機能や、ＰＷＭコンパレータ１５で生成されるＰＷＭ信号に基づいて、モータ２の回転速度制御を行う機能が具備されている。

ドライバ部１３は、モータ２を構成する各相コイルに所望の駆動電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ（電流波形については、図２の符号ＩＵ、ＩＶ、ＩＷを参照）を供給する手段であり、Ｐチャネル電界効果トランジスタＰ１〜Ｐ３と、Ｎチャネル電界効果トランジスタＮ１〜Ｎ３と、を有して成る。トランジスタＰ１〜Ｐ３のソースは、いずれも電源ラインに接続されており、トランジスタＮ１〜Ｎ３のソースは、いずれも接地ラインに接続されている。トランジスタＰ１〜Ｐ３のドレインとトランジスタＮ１〜Ｎ３のドレインは、各相毎に共通接続されており、その接続ノードは、モータ２を構成する各相コイルの一端に接続されている。モータ２を構成する各相コイルの他端は、互いに共通接続されている。トランジスタＰ１、Ｎ１、Ｐ２、Ｎ２、Ｐ３、Ｎ３のゲートには、ロジック部１２から各相の駆動信号（ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ）が印加されている（図２を参照）。

三角波発振器１４は、例えば、キャパシタを充放電させることで、所望の三角波電圧Ｖ２を生成し、これをＰＷＭコンパレータ１５の反転入力端（−）に印加する手段である。なお、本実施形態の三角波発振器１４は、回転速度検出部１６からの制御信号ＣＴＲＬに基づいて、例えば、キャパシタの容量や充放電時の電流量を変化させることにより、三角波電圧Ｖ２の発振周波数を可変制御する機能を具備しているが、これについては、後ほど詳細な説明を行うことにする。

ＰＷＭコンパレータ１５は、非反転入力端（＋）に印加される速度指令電圧Ｖ１と、反転入力端（−）に印加される三角波電圧Ｖ２を比較し、ドライバ部１３を構成するスイッチ素子（本実施形態では、下側トランジスタＮ１〜Ｎ３のみ）のオン期間をチョッピングするためのＰＷＭ信号を生成する手段である。なお、速度指令電圧Ｖ１が三角波電圧Ｖ２よりも高ければ、ＰＷＭ信号はハイレベルとなり、逆に、速度指令電圧Ｖ１が三角波電圧Ｖ２よりも低ければ、ＰＷＭ信号はローレベルとなる。また、速度指令電圧Ｖ１は、所望の回転速度に応じてその電圧値が可変制御される電圧信号であり、モータ２の回転速度を上げるときには、速度指令電圧Ｖ１が高く設定され、モータ２の回転速度を下げるときには、速度指令電圧Ｖ１が低く設定される。

回転速度検出部１６は、ロジック部１２から入力される回転速度信号ＲＶに基づいて、モータ２の回転速度を検出し、その検出結果に応じた制御信号ＣＴＲＬを三角波発振器１４に送出する手段である。

次に、モータ２の回転速度に応じたＰＷＭ信号の周波数可変制御について、図３を参照しながら詳細に説明する。

図３は、モータ駆動装置１ａにおけるＰＷＭ信号の周波数可変制御（本実施形態では、三角波電圧Ｖ２の周波数可変制御）を説明するための図であり、速度指令電圧Ｖ１、三角波電圧Ｖ２、ＰＷＭ信号の各電圧波形と、ドライバ部１３で生じるスイッチングロス（上下スイッチ素子に流れる貫通電流およびスイッチ素子を駆動するためのチャージ電流）が描写されている。なお、図３（ａ）には、モータ２の高速回転時における波形が示されており、図３（ｂ）には、モータ２の低速回転時における波形が示されている。また、図３（ｃ）には、図３（ｂ）との比較参照用として、モータ２の低速回転時における従来波形が示されている。

モータ２の回転速度が所定の閾値よりも速い場合、回転速度検出部１６は、図３（ａ）で示すように、三角波電圧Ｖ２の発振周波数をｆ１（＝１／Ｔ）とするように、三角波発振器１４に制御信号ＣＴＲＬを送出する。なお、ＰＷＭ駆動によるモータ２の回転速度制御に際して、ドライバ部１３では、ＰＷＭ信号のパルスエッジ毎にスイッチングロスを生じるが、モータ２の高速回転時には、図３（ａ）で示すように、ＰＷＭ信号のオンデューティ（周期Ｔに占めるオン期間Ｔｏｎの比率）が大きくなり、ドライバ部１３を構成するスイッチ素子のオン時に生じるロスが支配的となるため、上記のスイッチングロスについては、ほぼ無視することができる。

一方、モータ２の回転速度が所定の閾値よりも遅い場合、回転速度検出部１６は、図３（ｂ）で示すように、三角波電圧Ｖ２の発振周波数をｆ２（＝１／Ｔ’、Ｔ’＞Ｔ）とするように、三角波発振器１４に制御信号ＣＴＲＬを送出する。

このように、モータ２の回転速度が低速であると判定されたときに、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を決めている三角波電圧Ｖ２の発振周波数を下げる構成（例えば、三角波電圧Ｖ２の発振周波数を１／２とする構成）であれば、図３（ｃ）で示した従来の構成に比べて、単位時間当たりのスイッチングロスを減らすことができるので、モータ２の低速回転時における電力効率を改善することが可能となる。

また、モータ２の回転速度に応じて三角波電圧Ｖ２の発振周波数を可変制御する上記の構成であれば、ＰＷＭ信号の周期がＴからＴ’に延びたこと伴い、これと同様の割合で、ＰＷＭ信号のオン期間がＴｏｎからＴｏｎ’に延びることになるので、図３（ｃ）の従来構成と対比した場合に、ＰＷＭ信号のオンデューティを維持することができ、モータ２の回転速度制御に対する影響を抑えることが可能となる。

次に、本発明に係るモータ駆動装置の第２実施形態について、図４を参照しながら詳細に説明する。

図４は、本発明に係るモータ駆動装置の第２実施形態を示すブロック図（一部に回路図を含む）である。

本図に示すように、本実施形態のモータ駆動装置１ｂは、先述の第１実施形態とほぼ同様の構成から成り、ＰＷＭ信号の周波数可変制御を実現する手段として、三角波電圧Ｖ２の発振周波数を可変制御する構成ではなく、ＰＷＭ信号のパルスを間引き処理する構成を採用した点に特徴を有している。そこで、第１実施形態と同様の構成部分については、図１と同一の符号を付すことで詳細な説明を省略し、以下では、本実施形態の特徴部分（間引き処理部１７）についてのみ、重点的な説明を行うことにする。

間引き処理部１７は、ＰＷＭコンパレータ１５の後段に設けられ、回転速度検出部１６からの制御信号ＣＴＲＬに基づいて、ＰＷＭ信号のパルスを間引き処理する手段である。

図５は、モータ駆動装置１ｂにおけるＰＷＭ信号の周波数可変制御（本実施形態では、ＰＷＭ信号のパルス間引き制御）を説明するための図であり、速度指令電圧Ｖ１、三角波電圧Ｖ２、ＰＷＭ信号の各電圧波形と、ドライバ部１３で生じるスイッチングロス（上下スイッチ素子に流れる貫通電流）が描写されている。なお、図５（ａ）には、モータ２の高速回転時における波形が示されており、図５（ｂ）には、モータ２の低速回転時における波形が示されている。また、図５（ｃ）には、図５（ｂ）との比較参照用として、モータ２の低速回転時における従来波形が示されている。

モータ２の回転速度が所定の閾値よりも速い場合、回転速度検出部１６は、図５（ａ）で示すように、ＰＷＭコンパレータ１５で生成されるＰＷＭ信号（発振周波数ｆ１＝１／Ｔ）に何ら処理を施すことなく、これをロジック部１２にスルーするように、間引き制御部１７に制御信号ＣＴＲＬを送出する。なお、ＰＷＭ駆動によるモータ２の回転速度制御に際して、ドライバ部１３では、ＰＷＭ信号のパルスエッジ毎にスイッチングロスを生じるが、モータ２の高速回転時には、図５（ａ）で示すように、ＰＷＭ信号のオンデューティ（周期Ｔに占めるオン期間Ｔｏｎの比率）が大きくなり、ドライバ部１３を構成するスイッチ素子のオン時に生じるロスが支配的となるため、上記のスイッチングロスについては、ほぼ無視することができる。

一方、モータ２の回転速度が所定の閾値よりも遅い場合、回転速度検出部１６は、図５（ｂ）で示すように、ＰＷＭコンパレータ１５で生成されるＰＷＭ信号にパルス間引き処理を施し、三角波電圧Ｖ２の発振周波数をｆ２（＝１／Ｔ’、Ｔ’＞Ｔ）とするように、三角波発振器１４に制御信号ＣＴＲＬを送出する。

このように、モータ２の回転速度が低速であると判定されたときに、ＰＷＭ信号のパルスを間引く構成であれば、図５（ｃ）で示した従来の構成に比べて、単位時間当たりのスイッチングロスを減らすことができるので、モータ２の低速回転時における電力効率を改善することが可能となる。

なお、上記の実施形態では、三相全波モータの駆動制御を行うモータ駆動装置に本発明を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、他形式のモータ（ＤＣモータやステッピングモータなど）を駆動対象とするモータ駆動装置、及び、これを用いた電気機器にも広く適用することが可能である。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、モータ２の回転速度に応じてＰＷＭ信号の周波数を可変制御するＰＷＭ信号調整部として、三角波電圧Ｖ２の発振周波数を可変制御する三角波発振器１４、或いは、ＰＷＭ信号に対してパルスの間引き処理を施す間引き処理部１７を設けた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、ＰＷＭ信号の周波数を可変制御し得るのであれば、いかなる構成を採用してもよい。

また、上記の実施形態では、ホールセンサ３Ｕ、３Ｖ、３Ｗを用いて、モータ２の回転速度を検出する構成を例示して説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、モータの回転速度を検出し得るのであれば、いかなる構成を採用してもよく、例えば、速度センサで生成されるＦＧ信号やモータコイルに生じる逆起電圧信号をモータからの帰還信号とし、これに基づいてモータの回転速度を検出する構成を採用しても構わない。このとき、モータからの帰還信号をロジック部に入力する必要はなく、回転速度検出部１６で直接的にモータの回転速度を検出しても構わない。

また、上記の実施形態では、モータの回転速度が所定の閾値よりも速いか否かで、ＰＷＭ信号の周波数を切り換える構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、モータの回転速度に応じて、ＰＷＭ信号の周波数を連続的に可変制御しても構わない。

本発明は、モータ駆動装置及びこれを用いた電気機器の電力効率を高める上で有用な技術であり、ＤＣモータ、ステッピングモータ、３相ブラシレスモータなど、ＰＷＭ駆動を行う全てのモータ駆動装置に好適な技術である。特に、本発明に係るモータ駆動装置は、高い電力効率が要求されている自動車用モータや白物家電用モータ（例えば、モータに大きな駆動電圧を印加し、これを低速回転で運転する時間が長いインバータエアコン）の駆動手段として好適である。

は、本発明に係るモータ駆動装置の第１実施形態を示すブロック図（一部に回路図を含む）である。 は、モータ２の各相駆動信号（ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ）及び各相駆動電流（ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ）の一例を示す図である。 は、モータ駆動装置１ａにおけるＰＷＭ信号の周波数可変制御を説明するための図である。 は、本発明に係るモータ駆動装置の第２実施形態を示すブロック図（一部に回路図を含む）である。 は、モータ駆動装置１ｂにおけるＰＷＭ信号の周波数可変制御を説明するための図である。 は、ＰＷＭ信号の一従来例を示す波形図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ モータ駆動装置
２ モータ
３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ ホールセンサ
１１ ホールコンパレータ
１２ ロジック部
１３ ドライバ部
１４ 三角波発振器
１５ ＰＷＭコンパレータ
１６ 回転速度検出部
１７ 間引き処理部
Ｐ１〜Ｐ３ Ｐチャネル型電界効果トランジスタ（上側スイッチ素子）
Ｎ１〜Ｎ３ Ｎチャネル型電界効果トランジスタ（下側スイッチ素子）

Claims (4)

1. モータのコイルに接続されるスイッチ素子のオン期間をＰＷＭ信号に応じてチョッピングし、所望の回転速度で前記モータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、その検出結果に応じて前記ＰＷＭ信号の周波数を可変制御するＰＷＭ信号調整部と、を有して成ることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記ＰＷＭ信号は、所望の回転速度に応じて電圧値が可変制御される速度指令電圧と、所定の三角波電圧との比較信号であり、前記ＰＷＭ信号調整部は、前記モータの回転速度に応じて、前記三角波電圧の発振周波数を可変制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記ＰＷＭ信号調整部は、前記モータの回転速度に応じて、前記ＰＷＭ信号のパルスを間引くことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. モータと、前記モータの駆動制御を行うモータ駆動装置と、を有して成る電気機器であって、前記モータ駆動装置として、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のモータ駆動装置を有して成ることを特徴とする電気機器。

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