JP2010115090A - モータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】位相差の有無にかかわらず、計算時間及びデジタル回路の規模を増大させることなく、印加電圧ピークを低減し、スイッチング損失を低減することができるモータ駆動回路を提供すること。
【解決手段】スイッチング素子22、25とダイオード23、26とを備えて多相モータ10の各相のコイル端子11に接続されるブリッジ回路20と、各相のコイル端子11に印加する印加電圧値(s1)について、最も電圧値が小さい電圧最小相の印加電圧値をゼロとするように印加電圧値を変調する変調手段30と、変調手段30により変調された各相の印加電圧値(s2)に基づいて、PWM信号(s3)を生成するPWM信号生成手段40と、PWM信号生成手段40により生成されたPWM信号に基づいてスイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動信号(s4)を生成するスイッチング素子駆動信号生成手段50と、を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、多相モータを回転駆動するために、モータのコイル端子にパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)された電圧を印加し、モータコイルへ駆動電流を供給するモータ駆動装置に関する。
家電機器、OA機器、車両走行用電動機の分野において、ブラシレスモータや誘導モータなど、スイッチング素子を用いた電気回路により転流を行う無整流子型のモータが広く利用されている。そして、その駆動回路における印加電圧ピークの低減やスイッチング損失の低減を目的として、常に1つの相の印加電圧がゼロとなるように印加電圧の基本波形を設定し、基本波形と電気角および電圧振幅値に従って、所定の位相差を持つ印加電圧を各コイル端子へ印加する方式が、特許文献1に開示されている。さらに、ベクトル制御方式による速度制御を行う場合においては、各相の印加電圧が固定の位相差を持たないため、特許文献1に開示されている方式を適用することはできないが、制御演算および軸変換により得られる、直交2軸の固定座標系における印加電圧ベクトルの位相によって、スイッチングを休止する相を選択的に切り替えることにより、特許文献1と同様の効果を得る方式が特許文献2に開示されている。
特開平7−241095号公報 特開2006−129663公報
特許文献1のように、相間で所定の位相差を持ち、基本波形に従った電圧を印加する方式では、各相の印加電圧が所定の位相差を持たない場合には対応することができないという問題がある。
また、特許文献2のようにベクトル制御による速度制御ループを組む場合においても、直交2軸の固定座標系における印加電圧ベクトルの位相に対してスイッチングを休止する相の判定、およびベクトルの分離において、複数回の乗算と大小比較が必要となるため、変調手段をプロセッサ上にソフトウェアによって実現する際に計算時間が長くなり、デジタル回路により実現する場合は回路規模が大きくなるという問題がある。また、各相間で所定の位相差を持たず、かつ制御計算の過程で印加電圧ベクトルを算出しない制御方式については、各相の印加電圧値および各相の方向ベクトルから2軸の印加電圧ベクトルを合成し、その位相に対して改めてスイッチングを休止する相の判定を行うという手順になるため、計算時間または回路規模が大きくなってしまうという問題がある。
また、印加電圧の変調方式によっては変調の前後で電力が異なり、変調しない場合とモータの挙動が異なるという問題がある。
また、印加電圧の変調により印加電圧波形が変化するため、スイッチング素子の駆動状態とコイル電流の方向によって、電流を流すことができない区間があるという問題がある。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、位相差の有無にかかわらず、計算時間及びデジタル回路の規模を増大させることなく、印加電圧ピークを低減し、スイッチング損失を低減することができるモータ駆動回路を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、スイッチング素子とダイオードとを備えて多相モータの各相のコイル端子に接続されるブリッジ回路と、前記各相のコイル端子に印加する印加電圧値について、最も電圧値が小さい電圧最小相の印加電圧値をゼロとするように前記印加電圧値を変調する変調手段と、前記変調手段により変調された各相の印加電圧値に基づいて、PWM信号を生成するPWM信号生成手段と、前記PWM信号生成手段により生成されたPWM信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動信号を生成するスイッチング素子駆動信号生成手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、前記変調手段が、前記印加電圧値から電圧最小相を判定する電圧最小相判定手段と、該電圧最小相判定手段の判定結果に基づいて変換行列を選択する変換行列選択手段と、該変換行列選択手段の選択した変換行列によって前記印加電圧値を変調する変換演算手段と、を備えることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、前記変調手段が、変調前後におけるモータ電力が等しくなるように印加電圧値を変調することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、前記変調手段が、前記電圧最小相以外の相の電圧値から、前記電圧最小相の電圧値をそれぞれ減ずることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、前記ブリッジ回路は上側アームと下側アームとを備えるフルブリッジ回路であり、前記スイッチング素子駆動信号生成手段は各相の上側アームと下側アームのスイッチング素子を相補駆動するスイッチング素子駆動信号を生成することを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、前記スイッチング素子駆動信号が、前記上側アームのスイッチング素子と前記下側アームのスイッチング素子とを同時にONさせないためのデッドタイムを有することを特徴とする。
本発明によれば、各相のコイル端子に印加する印加電圧値について、最も電圧値が小さい相の印加電圧値をゼロとするよう印加電圧値を変調することにより、1相は必ずスイッチング休止状態になり、印加電圧ピークを低減し、スイッチング損失を低減することができる。また、ブリッジ回路の電源電圧が同じ条件下においては、相間電圧の飽和する値をより大きく取ることができる。また、変調手段を簡易な計算で実現するため、プロセッサ上にソフトウェアで実現する場合は計算時間を低減し、デジタル回路で実現する場合は回路規模を小さくすることができる。
以下、本発明の第一の実施形態について、図1に基づいて説明する。図1は、本実施例におけるモータ駆動装置の概略構成を示す図である。
多相モータ10を駆動するモータ駆動装置1は、スイッチング素子としてのトランジスタ22、25とダイオード23、26とから構成されて多相モータ10のコイル端子11(11u、11v、11w)に接続されるフルブリッジ回路20(ブリッジ回路)と、多相モータ10の各相のコイル端子11u、11v、11wに印加する印加電圧値信号s1について、最も電圧値が小さい相の印加電圧値をゼロとするよう印加電圧値を変調する変調手段30と、各相の変調された印加電圧値s2に基づいて、PWM信号s3を生成するPWM信号生成手段40と、PWM信号s3に基づいて、フルブリッジ回路20のトランジスタ22、25を駆動するスイッチング素子駆動信号s4を生成するスイッチング素子駆動信号生成手段50と、を備えている。
本実施形態における多相モータ10は、U相、V相、W相を有し、各相のコイルLu、Lv、Lwが1点で結線されたY結線(スター結線)型の3相モータである。U相のコイル端子11u、V相のコイル端子11v、W相のコイル端子11wは、それぞれフルブリッジ回路20の出力端子28u、28v、28wと接続される。
フルブリッジ回路20は、トランジスタ22とトランジスタ22に並列に接続されたダイオード23とを有する上側アーム21と、トランジスタ25とトランジスタ25に並列に接続されたダイオード26とを有する下側アーム24とから構成され、上側アーム21と下側アーム24は接続点27にてブリッジ接続されている。トランジスタ22u、22v、22w、25u、25v、25wは、それぞれスイッチング素子駆動信号生成手段50の出力であるスイッチング素子駆動信号s4のUH、VH、WH、UL、VL、WLにより駆動され、多相モータ10のコイルL(Lu、Lv、Lw)に駆動電流i(iu、iv、iw)を供給し、多相モータ10を回転駆動する。
印加電圧値V(Vu、Vv、Vw)は、例えば多相モータ10の回転子が一定速度で回転するように、回転数検出器(図示せず)により検出した前記回転子の回転数に基づいて、制御演算手段(図示せず)により算出される。
変調手段30は、各相のコイル端子11u、11v、11wに印加するそれぞれの印加電圧値Vu、Vv、Vwについて、最も電圧値が小さい相の印加電圧値をゼロとするよう印加電圧値信号s1を変調する。
ここで、本実施例における、印加電圧の変調および変調手段30の構成について説明する。以下、「*」はスカラの乗算を、右肩の添え字「T」はベクトルまたは行列の転置を、「I(m)」はm次の単位行列を、(j×k)は行列のサイズがj行k列(k=1の場合はベクトル)であることを表すとする。
まず、本実施例における変調について式(1)乃至式(6)を用いて説明する。印加電圧値、印加電圧値(変調後)、コイル電流値について、それぞれU相、V相、W相の値を順に並べたベクトルを、式(1)に示すようにそれぞれベクトルv、vm、iと定義する。
Figure 2010115090
ただし、本実施例における多相モータ10はY(スター)結線であるので、各相のコイル電流値iu、iv、iwを図2に示すように、矢印方向を正方向と定義すると、各相のコイル電流値は式(2)を満たす。
Figure 2010115090
次に、印加電圧値ベクトルvと印加電圧値ベクトル(変調後)vmには式(3)に示す関係があるとする。
Figure 2010115090
このとき、行列Tは印加電圧の変調を行う変換行列である。変換行列Tは3相の印加電圧値(Vu、Vv、Vw)の大小関係によって変化する。3相の印加電圧値の内で、Vuが最も小さいとき、変換行列Tは式(4)−1に示すT1で表され、Vvが最も小さいとき、変換行列Tは式(4)−2に示すT2で表され、Vwが最も小さいとき、変換行列Tは式(4)−3に示すT3で表される。ただし、ある2相の印加電圧値が等しく、かつ最も小さい場合は、その2相のいずれかが最も小さい場合の変換行列Tを用いる。この場合、どちらの変換行列Tを用いても結果は同じである。
Figure 2010115090

Figure 2010115090

Figure 2010115090
ここで、W相の印加電圧値が最も小さい場合を例として、モータ電力が変調前後で等しいことを説明する。まずモータ電力は、各相毎の印加電圧値とコイル電流値を乗じた値の総和であり、変調しない場合のモータ電力は式(2)の関係を用いて式(5)で表すことができる。
Figure 2010115090
次に、印加電圧変調後のモータ電力は式(3)の関係を用いて式(6)で表すことができ、式(5)と等しいことが分かる。
Figure 2010115090
以上より、本実施例の変調方式は、変調の前後で電力が等しいことが分かる。
次に、上記変調を行う変調手段30の構成について図3を用いて説明する。図3は、変調手段30の構成を示す図である。
変調手段30は、印加電圧値信号s1から最も電圧値が小さい相を判定する電圧最小相判定手段31と、電圧最小相判定手段31の判定結果に基づいて変換行列を選択する変換行列選択手段32と、変換行列選択手段32の選択した変換行列によって印加電圧値(Vu、Vv、Vw)を変調する変換演算手段33とを備える。
電圧最小相判定手段31は、印加電圧値信号s1より得るVu、Vv、Vwの中から最も印加電圧値の小さい相(以下、「ゼロ相」と呼ぶ)を判定し、いずれの相がゼロ相であるかを示す信号である、ゼロ相選択信号sel_Tを出力する。ただし、ゼロ相が同時に2相存在する場合は、どちらか一方をゼロ相として判定する。
変換行列選択手段32は、変換行列データd1(T1、T2、T3)の中から1つを選択し、変換行列データ(選択後)d2として出力する。この変換行列データの選択は、ゼロ相選択信号sel_Tに基づいて、U相がゼロ相の場合はT1を選択し、V相がゼロ相の場合はT2を選択し、W相がゼロ相の場合はT3を選択する。ただし、変換行列データT1、T2、T3は、それぞれ式(4)−1、式(4)−2、式(4)−3の行列を示すデータとする。最後に、変換演算手段33は、印加電圧値信号s1から得た印加電圧値Vu、Vv、Vw、および変換行列データ(選択後)d1から得た変換行列Tについて、式(3)に示す変換演算を実行し、演算結果であるVum、Vvm、Vwmを印加電圧値信号(変調後)s2として出力する。以上の構成により、印加電圧の変調を実行する。
なお、前述の変調方式は3相モータの場合であるが、m相モータの場合における変換行列Tは、式(7)で表される。
Figure 2010115090
式(7)の右辺は、m次の単位行列I(m)から、n列の要素の値が全て1であり、残りの要素は全て0の行列を引いたものである。ただしnについては、式(8)に示すように、印加電圧ベクトルvにおいてn番目の要素(相の印加電圧)が最も小さいとする。
Figure 2010115090
以上のように、本実施例における印加電圧の変調手段は、大小比較と減算のみにより実現している。また、印加電圧の変調前後においてモータ電力は等しく、印加電圧を変調した場合でも、変調をしない場合とコイル電流値は同等である。
PWM信号生成手段40の動作について図4を用いて説明する。図4は、PWM変調を示す図である。図4には例としてU相のみを示す。入力されるU相の印加電圧値Vumに対して、図4の上段で示すように三角波(搬送波)と大小比較を行い、図4の下段に示すようにパルス幅変調したU相のPWM信号Uonを出力する。他の2相についても同様である。
スイッチング素子駆動信号生成手段50の動作について図5を用いて説明する。図5はPWM信号とスイッチング素子駆動信号生成手段50の出力するスイッチング素子駆動信号との関係を示す図である。図5には例としてU相のみを示す。
入力されるU相のPWM信号Uonに対して、所定のデッドタイム分だけ遅延した信号を、上側アーム21uのスイッチング素子駆動信号UHとして出力する。次に、下側アーム24uのスイッチング素子駆動信号ULは、U相のPWM信号UonがHiになるとLoに変化し、Uonが再びLoに変化すると所定のデッドタイムの2倍の区間の後、Hiになる。以上のように、各相の上側アーム21のトランジスタ22と下側アーム24のトランジスタ25は相補的に駆動される。
なお、デッドタイムは、上側アーム21および下側アーム24のトランジスタが同時にオンした場合に、貫通電流が流れてトランジスタが破壊される危険性があるため、貫通電流保護対策として設けられている。他の2相についても同様である。
次に、スイッチング素子の駆動方式と電流方向について図6と式(4)に基づいて説明する。図6は印加電圧値の波形例を示し、(a)は変調前の波形例、(b)は変調後の波形例を示す図である。まず、図6や式(4)−1乃至式(4)−3に示すように、本実施形態において変調後の3相の印加電圧値は必ず零以上(すなわち正)となる。一方で、モータのコイル電流はAC的に変化するため、正の印加電圧値に対してコイルLに正方向と負方向の両方向の電流を流すことができなければ、印加電圧に対して電流の不感帯が生じることになる。
例えば、印加電圧値が正の場合は上側アームのスイッチング素子をON、印加電圧値が負の場合は下側アームのスイッチング素子をONする、というスイッチング素子の駆動方式を本実施形態に採用したとする。印加電圧が正の場合であって、かつ負方向の電流(図2に示すように中性点方向を正とする)の場合は、電流経路が常に電源方向になり、負方向の電流iuが流れないという不具合が生ずる。
U相を例に挙げて具体的に説明する。U相の印加電圧値が正の場合であって、コイルLuには負方向の電流iuが流れる場合であるとする。
多相モータ10から流れた電流の経路はトランジスタ22u、25uのON・OFF状態により決まり、トランジスタ22u、25uのON・OFFの状態は、前記印加電圧値をPWM変調したPWM信号のHi・Loに基づいて決まる。本事例においては、正の印加電圧値に基づいたPWM信号がHiの区間は、前述のとおり上側アームのトランジスタ22uをON、前記正の印加電圧値に基づいたPWM信号がLoの区間はトランジスタ22u、25uともにOFFとする。まずPWM信号がHiのとき、負方向の電流iuが通過可能な経路は、トランジスタ22uを経由して電源方向へ向かう経路のみとなる。次にPWM信号がLoのとき、負方向の電流iuが通過可能な経路は、ダイオード23uを経由して電源方向へ向かう経路のみとなる。つまり、正の印加電圧値の場合、負方向の電流の電流経路は常に電源方向のみとなる。
ここで、電流経路が電源方向の場合、他相の印加電圧値の方が大きいならば、負方向の電流を流そうとしても、他相の印加電圧値が電源電圧より大きくなることはないため負方向の電流は流れない。また、多相モータ10の急減速時などにおいて、コイルLに発生する逆起電圧により負方向の電流を流そうとするが、外力によりフルブリッジ回路20の電源電圧と多相モータ10の特性により決まる上限回転数を超えて多相モータ10が回転させられている場合を除いて、逆起電圧が電源電圧を越えることはないため、負方向の電流は流れない。
つまり、前述のスイッチング素子駆動方式では、正の印加電圧値の場合における負方向電流の経路は、常に電圧の高い方向に向かうように接続されるため、負方向の電流iuを流すことができない。ただし、スイッチング直後などは、コイルインダクタンスの効果により瞬時に電流方向が変化することはないため、電源方向へ負方向電流が流れるが、短時間で減少してゼロまたは電流の方向が反転する。
ここで、本実施形態におけるスイッチング素子の相補駆動と電流方向について、図7および図8に基づいて説明する。図7および図8は、フルブリッジ回路20のU相の上側アーム21uおよび下側アーム24uと、多相モータ10のコイルLuを示す図である。
図7は正方向の電流が流れる場合を示している。(a)はPWM信号UonがHiの場合、右図(b)はPWM信号UonがLoの場合を示している。ただしデッドタイム区間は図示していない。(a)のときは電源からモータコイルLuへ電流が流れ、(b)のときはフルブリッジ回路20とモータコイルLuの中で還流する。
図8は負方向の電流が流れる場合を示している。正方向の電流の場合と同様に、(a)はPWM信号UonがHiの場合、(b)はPWM信号UonがLoの場合を示している。図7と同様にデッドタイム区間は図示していない。(a)のときは電源方向へ電流が流れ、(b)のときはGNDへ流れる、またはブリッジ回路とモータコイルの中で還流する。つまり、印加電圧値が正かつ負方向の電流の場合も、PWM信号UonがLoの場合は電流経路が電源方向ではないため、負方向の電流も流すことができる。
本実施例においては、印加電圧値は必ず零以上となるように変調するが、モータを回転させるためにコイルに流すべき電流は、正方向、負方向に変化する交番電流である。そして本実施例の駆動方式は、正の印加電圧値でも正方向、負方向の電流を流すことが可能であるため、前記交番電流を流すことができる。
なお、U相の場合について説明したが、V相、W相についても同様である。
以上により、本実施例の発明は、最も電圧値が小さい相の印加電圧値をゼロとするよう印加電圧値を変調することにより、1相は必ずスイッチング休止状態として、印加電圧ピークを低減し、スイッチング損失を低減することができる。また、相間電圧の飽和する値をより大きく取ることができる。また、変調手段を簡易な計算で実現するため、プロセッサ上にソフトウェアで実現する場合は計算時間を低減し、デジタル回路で実現する場合は回路規模を小さくすることができる。また、変調手段における印加電圧値の変調を、変調前後においてモータの電力が等しくなるよう設定することにより、印加電圧を変調しない場合と同等のコイル電流値および回転子の挙動を得ることができる。また、フルブリッジ回路における各相の上側アームと下側アームのスイッチング素子を相補駆動することにより、印加電圧値に対するコイル電流の不感帯を回避することができる。
実施例における構成を示す図である。 モータコイルと電流の正方向を示す図である。 本実施例における変調手段の構成を示す図である。 PWM変調を示す図である。 PWM信号とスイッチング素子駆動信号を示す図である。 印加電圧値の波形例を示す図であり、(a)は変調前の波形例、(b)は変調後の波形例を示す図である。 (a)及び(b)は、コイル電流が正方向時の電流経路(U相のみ)を示す図である。 (a)及び(b)は、コイル電流が負方向時の電流経路(U相のみ)を示す図である。
符号の説明
1…モータ駆動装置、10…多相モータ、11…コイル端子、20…フルブリッジ回路、21…上側アーム、22…トランジスタ、23…ダイオード、24…下側アーム、25…トランジスタ、26…ダイオード、27…接続点、28…出力端子、30…変調手段、31…電圧最小相判定手段、32…変換行列選択手段、33…変換演算手段、40…PWM信号生成手段、50…スイッチング素子駆動信号生成手段、s1…印加電圧値信号、s2…印加電圧値信号(変調後)、s3…PWM信号、s4…スイッチング素子駆動信号、d1…変換行列データ、d2…変換行列データ(選択後)、sel_T…ゼロ相選択信号、L…コイル(モータコイル)、i…電流、Vu、Vv、Vw…印加電圧値信号(U相、V相、W相)、Vum、Vvm、Vwm…印加電圧値信号(変調後)(U相、V相、W相)、Uon、Von、Won…PWM信号(U相、V相、W相)、UH、VH、WH…スイッチング素子駆動信号(U相、V相、W相:上側アーム)、UL、VL、WL…スイッチング素子駆動信号(U相、V相、W相:下側アーム)

Claims (6)

  1. スイッチング素子とダイオードとを備えて多相モータの各相のコイル端子に接続されるブリッジ回路と、前記各相のコイル端子に印加する印加電圧値について、最も電圧値が小さい電圧最小相の印加電圧値をゼロとするように前記印加電圧値を変調する変調手段と、前記変調手段により変調された各相の印加電圧値に基づいて、PWM信号を生成するPWM信号生成手段と、前記PWM信号生成手段により生成されたPWM信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動信号を生成するスイッチング素子駆動信号生成手段と、を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記変調手段が、前記印加電圧値から電圧最小相を判定する電圧最小相判定手段と、該電圧最小相判定手段の判定結果に基づいて変換行列を選択する変換行列選択手段と、該変換行列選択手段の選択した変換行列によって前記印加電圧値を変調する変換演算手段と、を備えることを特徴とする請求項1記載のモータ駆動装置。
  3. 前記変調手段が、変調前後におけるモータ電力が等しくなるように印加電圧値を変調する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。
  4. 前記変調手段が、前記電圧最小相以外の相の電圧値から、前記電圧最小相の電圧値をそれぞれ減ずることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項記載のモータ駆動装置。
  5. 前記ブリッジ回路は上側アームと下側アームとを備えるフルブリッジ回路であり、前記スイッチング素子駆動信号生成手段は各相の上側アームと下側アームのスイッチング素子を相補駆動するスイッチング素子駆動信号を生成することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項記載のモータ駆動装置。
  6. 前記スイッチング素子駆動信号が、前記上側アームのスイッチング素子と前記下側アームのスイッチング素子とを同時にONさせないためのデッドタイムを有することを特徴とする請求項5記載のモータ駆動装置。
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