JP2010130782A - モータ制御回路及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ制御回路において、過電流から確実にスイッチング素子を保護しつつ、突発的に発生するノイズの影響による過電流保護の誤動作を防止する過電流保護技術を提供する。
【解決手段】モータ制御回路は、ロータの位置情報及びＰＷＭ指令に基づき、インバータ回路（３０）のスイッチング素子（３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚ）をオン/オフするためのゲート信号を生成して出力する駆動信号生成回路（２２）と、インバータ回路に流れる電流を検出する過電流検出回路（２６）を備える。過電流検出回路（２６）は、インバータ回路に流れる電流に応じた信号の高周波成分を除去し、その信号と、所定の電流値を示す信号とを比較して過電流の有無を検出する。駆動信号生成回路（２２）は、過電流が検出された場合、各スイッチング素子をオフするようにゲート信号を生成する。また、過電流検出結果は出力端子（OVP）を介して外部ＣＰＵ（５０）に通知される。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの制御回路に関し、特に、モータの駆動回路のインバータ回路のスイッチング素子に流れる過電流を検出し、スイッチング素子を過電流から保護する過電流保護技術に関する。

一般に、三相ブラシレスＤＣモータの駆動回路は、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路を備える。従来より、そのようなインバータ回路のスイッチング素子に流れる過電流を検出し、スイッチング素子を過電流から保護する過電流保護回路が知られている。例えば特許文献１に開示の過電流保護回路がある。その過電流保護回路は、電気負荷の通電経路に設けた抵抗器の両端電圧から、トランジスタを介して電気負荷に流れる電流を検出する。その検出電流が所定値以上の過電流になると、一定時間、トランジスタを強制的にオフして、トランジスタを過電流から保護する。さらに、こうした過電流保護の動作状態を監視（カウント）して、過電流保護（つまりトランジスタの強制オフ）が頻繁に実行された場合には、トランジスタをオフ状態に保持して、トランジスタが再びオンされるのを禁止している。

この種の過電流保護回路では、過電流を検出する時点でトランジスタをオフ状態に保持するようにすると、ノイズ等によって電気負荷の通電経路に一時的に過電流が流れたような場合であっても、電気負荷を駆動することができなくなってしまうという潜在的な問題がある。そこで、特許文献１では、過電流の検出時に、所定の保護時間だけトランジスタを強制的にオフするようにし、さらに、このような強制オフの実行頻度を監視して、その頻度が所定度数以上になったときに、電気負荷の通電経路に短絡等の異常が生じていると判断して、トランジスタをオフ状態に保持するようにしている。

一般には、電気負荷の通電経路に設けた抵抗器の両端電圧から、トランジスタを介して電気負荷に流れる電流を検出することで、過電流の検出を行っている。そのような電流検出のみで過電流か否かを判定した場合、瞬間的なノイズによっても過電流保護回路が動作し、本来停止すべきでない場合でもモータ駆動が停止してしまうという可能性がある。特許文献２はこのような問題を解決する１つの技術を開示している。特許文献２では、ノイズの影響を除去するため、２つのタイマにより設定される所定時間内に、過電流状態の発生頻度をカウントし、カウント値が一定数以上であれば、異常状態であるとして、スイッチング素子をすべてオフしている。

特開平５−３００７３１号公報 特開平９−３０８２６１号公報

特許文献１では、コンデンサの充放電回路により、過電流を検出してトランジスタを強制オフしている保護期間内にコンデンサを所定の充電時定数にて充電し、トランジスタの強制オフが解除された復帰期間内にコンデンサを所定の放電時定数にて放電を行う。すなわち、その充放電回路のコンデンサの両端電圧（つまり充電電荷量）が所定レベルに達したときに、強制オフの実行頻度が所定数以上になったと判断して、トランジスタをオフ状態に保持するようになっている。このため、例えば、通電経路の異常が、振動等によって間欠的に解消されるような場合は、その異常を検出できないことがあった。また、頻度を監視するため、コンデンサへの充電放電を行うことで電位を監視するアナログ回路が別途必要となる。

特許文献２では、２つのタイマ回路（第１及び第２のタイマ）を用意し、過電流状態を検出した際に第１のタイマを動作させかつ保護回路を差動させ、所定時間経過後に保護回路を停止し、その時点から第２のタイマを起動し、第２のタイマが所定時間経過しても過電流状態を検出しなければ、第１のタイマをリセットする。第２のタイマが所定時間以内に過電流状態を検出すると、第１のタイマはカウントを継続し、第１のタイマがある所定のカウント数に達すると保護回路を作動させる。

特許文献２では、過電流検出時に即座に保護回路が作動して所定時間過電流保護を行うことができる。また、振動等により間欠的に過電流状態が発生する場合でも、素子破壊を防ぐための過電流保護回路が構成できる。しかし、一方で、パルス的なノイズでも保護回路が作動してしまう欠点がある。また、第１及び第２のタイマに加えて、保護回路を所定時間オフすることを計測するためのタイマが別途必要となる。

通常、モータ制御回路はアナログ回路主体で構成され、デジタル回路のカウンタで構成することは、デジタル信号に起因するノイズがアナログ回路の動作に影響を与える点や、アナログ回路向けプロセスでデジタル回路を実現することは面積の増大やコスト増を招く等、考慮すべき問題が多々ある。

本発明は上記の問題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、過電流から確実にスイッチング素子を保護しつつ、突発的に発生するノイズの影響による過電流保護の誤動作を防止する過電流保護技術を提供することにある。

本発明に係るモータ制御回路は、モータの駆動電圧を生成するインバータ回路のスイッチング素子の動作を制御して、モータの駆動を制御する制御回路である。モータ制御回路は、モータのロータの位置情報を入力するための第１の入力端子と、スイッチング素子のオン/オフのタイミング制御のためのＰＷＭ指令を入力するための第２の入力端子と、第１及び第２の入力端子を介して入力した、ロータの位置情報及びＰＷＭ指令に基づき、スイッチング素子をオン/オフするためのゲート信号を生成して出力する駆動信号生成回路と、インバータ回路に流れる電流を検出する過電流検出回路とを備える。過電流検出回路は、インバータ回路に流れる電流に応じた信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、ローパスフィルタからの信号と、所定の電流値を示す信号とを比較して過電流の検出の有無を示す信号を出力するコンパレータとを含む。駆動信号生成回路は、過電流が検出された場合、各スイッチング素子をオフするようにゲート信号を生成する。モータ制御回路は、過電流検出回路による検出結果を外部に出力するための出力端子をさらに備えてもよい。

本発明に係るモータ駆動装置は、複数のスイッチング素子を含み、モータに駆動電力を供給するインバータ回路と、インバータ回路のスイッチング素子のオン・オフを制御するためのゲート信号を生成する、上記のモータ制御回路とを備える。

本発明に係るモータ制御方法は、モータの駆動電圧を生成するインバータ回路のスイッチング素子の動作を制御して、モータの駆動を制御する、モータ制御方法である。その制御方法は、モータのロータの位置情報を入力するステップと、スイッチング素子のオン/オフのタイミング制御のためのＰＷＭ指令を入力するステップと、入力したロータの位置情報及びＰＷＭ指令に基づき、スイッチング素子をオン/オフするためのゲート信号を生成するステップと、インバータ回路に流れる電流を検出するステップと、検出した電流に基づき、インバータ回路内の過電流を検出するステップとを含む。
インバータ回路内の過電流を検出するステップは、インバータ回路に流れる電流に応じた信号の高周波成分を除去し、その高周波成分が除去された信号を、所定の電流値を示す信号と比較して過電流の有無を検出する。ゲート信号を生成するステップは、過電流が検出された場合、各スイッチング素子をオフするように前記ゲート信号を生成する。

本発明によれば、インバータ回路に流れる電流値を示す信号にローパスフィルタを適用して高周波ノイズ成分を除去した後、その信号を用いて過電流検出を行う。これにより、モータの動作制御において、高周波ノイズに起因する不要な過電流保護の実施を防止でき、過電流が発生時に即座に保護回路を動作させることができる。また、過電流の検出結果をＣＰＵへ通知することが可能となるため、ＣＰＵ側で過電流検出の発生頻度のカウントが可能となり、プログラムにより、システムに最適な保護回路動作のタイミングを制御できる。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態のブラシレスＤＣモータの制御回路を含むモータ駆動装置の構成を示した図である。モータ駆動装置は３相ブラシレスＤＣモータ１０の駆動する装置であり、ブラシレスＤＣモータの制御回路２０とインバータ回路３０を含む。インバータ回路３０は高圧側のスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗと、低圧側のスイッチング素子３１ｘ〜３１ｚを備える。

制御回路２０は、ホストＣＰＵ５０からの指令にしたがい、インバータ回路３０のスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚを駆動するためのゲート信号を生成する。インバータ回路３０は、制御回路２０からの制御信号（ゲート信号）にしたがいモータ１０へ駆動電力を生成し、供給する。

制御回路２０は、インバータ回路３０のスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚを駆動するための信号を生成する駆動信号生成回路２２と、スイッチング素子３１ｘ〜３１ｚに流れる過電流を検出する過電流検出回路２６とを含む。駆動信号生成回路２２は、出力信号生成回路２３と、高圧側ゲートドライバ２４と、低圧側ゲートドライバ２５とを含む。出力信号生成回路２３は、スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚのオン・オフを指示する論理信号を生成する。高圧側ゲートドライバ２４及び低圧側ゲートドライバ２５は、出力信号生成回路２３からの論理信号に基づき、高圧側スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ及び低圧側スイッチング素子３１ｘ〜３１ｚをそれぞれ駆動するためのゲート信号を生成する。

また、制御回路２０は外部の素子や機器と種々の信号をやりとりするための複数の端子を備えている。具体的には、制御回路２０は、ホストＣＰＵ５０からＰＷＭ信号を入力するための端子（PWMIN_N）、ホストＣＰＵ５０へ過電流検出結果を出力するための端子（OVP）、インバータ回路３０へゲート信号を出力するための端子（UH,VH,WH, UL,VL,WL）、ホール素子１５からの位置検出信号を入力するための端子（HU,HV,HW）、及びシャント抵抗３５の電圧を入力するための端子（ISNS）等を備えている。制御回路２０は例えば半導体ＩＣで構成される。

スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚは、例えば、Ｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴで構成される。モータ１の３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）巻線１１には、１２０度通電矩形波駆動方式によって駆動電力が給電される。

モータ１の回転位置（ロータの位置）は、モータ巻線１１の各相に設けられたホール素子（またはホールＩＣ）１５によって検出される。ホール素子１５のＵ、Ｖ、Ｗ各相の位置検出信号をそれぞれＨＵ、ＨＶ、ＨＷとする。位置検出信号ＨＵ、ＨＶ、ＨＷそれぞれの位相は互いに１２０度ずつ異なる信号となる。位置検出信号ＨＵ、ＨＶ、ＨＷは制御回路２０に入力される。インバータ回路３０の６個のスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚに対して、現在のモータ１０の回転位置（ホール素子１５からの位置検出信号）に応じたゲート信号が生成され、スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚに印加されることで、モータ１０を回転させることができる。

出力信号生成回路２３は、現在のホール素子１５の出力に応じてインバータ回路３０の６個のスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚのオン・オフを制御する信号を生成する。

図３は、ホール素子１５からの位置検出信号に対する、インバータ回路３０の各スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚのオン・オフの論理を示した図である。任意のタイミングで低圧側スイッチング素子３１ｘ〜３１ｚのいずれか１つがオンしており、高圧側スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗはいずれか１つは、ＰＷＭ入力がオンのときオンし、ＰＷＭ入力がオフのときにオフしている。しかしながら、過電流が発生した際には、ホール入力によらずスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚは全てオフに制御するものとする。また、ブレーキ状態のときもホール入力によらず、高圧側スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗは３相ともにオフで、低圧側スイッチング素子３１ｘ〜３１ｚは全てオンさせる。

また、モータ回転速度の調整はＰＷＭ制御で行われる。制御回路２０は、外部ＣＰＵ５０からＰＷＭ信号（ＰＷＭパルス信号（PWMIN_N））を受け、それをスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚのゲート切り替えタイミングとして使用する。ＰＷＭ信号のデューティ比（「Ｈ」期間と「Ｌ」期間の比）が高いとモータ回転速度は速くなり、デューティ比が低いと回転速度は遅くなる。

過電流検出回路２６は、低圧側スイッチング素子３１ｘ〜３１ｚとグランドGND間に接続されたシャント抵抗３５の一端の電圧を入力して、スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚに流れる電流を測定する。シャント抵抗３５はその測定した電流を電圧に変換する。図２に過電流検出回路２６の詳細な構成を示す。過電流検出回路２６は、アンプ４１と、ローパスフィルタ４３と、コンパレータ４５と、しきい値設定部４７とを備える。

アンプ４１は、シャント抵抗３５の電圧（ISNS）を増幅する。ローパスフィルタ４３は、アンプ４１からの出力信号の高周波成分ノイズを除去（例えばカットオフ周波数300Hz）する。コンパレータ４５は、ローパスフィルタ４３からの出力を、過電流を判定するためにしきい値設定部４７により予め決められた閾値電圧と比較する。コンパレータ４５は、比較結果（OVP）を出力信号生成部２３及びホストＣＰＵ５０へ出力する。ここで、シャント抵抗３５の電圧が、所定の閾値電圧よりも高い場合、過電流状態が検出されたと判断できる。一般にモータ駆動システムでは大電流が発生することから、比較的周波数の高いノイズが突発的に発生しやすい。ローパスフィルタ４３はそのようなノイズを除去し、不要な過電流保護が発生するのを防止する働きを持つ。

制御回路２０は、ホストＣＰＵ５０から、モータ回転動作を指定するスタート信号(START)、回転中にブレーキ動作させるためのブレーキ信号(BREAK)、ＰＷＭ制御を行うためのＰＷＭ信号入力(PWMIN)を入力し、ホストＣＰＵ５０に対して、過電流発生を示す過電流検出信号(OVP)を出力する。ホストＣＰＵ５０からスタート信号を受信すると、駆動信号生成回路２２は、現在のホール素子１５からの位置検出信号に応じたゲート信号を生成する。出力信号生成回路２３は、過電流状態が検出された場合、インバータ回路３０の高圧側スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗへのゲート信号を「Ｌ」に制御し、高圧側スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗをオフさせる。これにより、モータ１０に電流が流れないようにし、過電流保護を行う。

ホストＣＰＵ５０は、モータ１０の制御回路２０からの過電流検出信号（ＯＶＰ信号）を監視することで、過電流保護の発生頻度をＣＰＵ５０のプログラムにて計算（カウント）でき、過電流が発生したと判断した時に、スタート信号をオフにすることで回転をストップして、インバータ回路３０やモータ１０を破壊から保護することができる。このように、制御回路２０側ではなくホストＣＰＵ５０側に過電流発生頻度を計測させることで、システムに適した発生頻度と保護の始動タイミングを制御できる。

制御回路２０によるモータ１０の駆動時の全体動作を以下に説明する。
最初に、制御回路２０及びインバータ回路３０に電源が供給される。制御回路２０は、所定のデューティ比のＰＷＭ信号をホストＣＰＵ５０から入力する。その後、ホストＣＰＵ５０がスタート信号をアサートすると、制御回路２０は、図３に示すようなその時点のホール素子１５からの位置検出信号ＨＵ、ＨＶ、ＨＷに応じたゲート信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬを生成し、インバータ回路３０へ出力する。ＰＷＭ信号のデューティ比はモータ１０の回転速度に応じてホストＣＰＵ５０により制御される。モータ１０の回転に伴い、モータの回転位置情報が変化すると、その変化はホール素子１５によって検知され、制御回路２０へ入力される。制御回路２０は回転位置情報に対応してスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚのゲートをオン、オフさせる。

インバータ回路３０では、スタート信号をアサートしたのち、スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚがオンすることで電流が流れるが、この電流がシャント抵抗３５の両端に電圧を発生させる。過電流検出回路２６はこの電圧を入力して過電流の検出を実施する。過電流検出回路２６は過電流状態であると判断すると（すなわち、シャント抵抗３５からの電圧が所定値以上であるとき）、ＯＶＰ端子をアサートする。これにより、駆動信号生成回路２２によって、インバータ回路３０のスイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚを全てオフとするように、ゲート信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬが生成される。過電流状態が解消されると、スイッチング素子３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚのゲート信号は、図３に示すようなホール素子１５の位置検出信号に応じたものが再び出力される。

通常、過電流状態は、スタート信号がアサートされた直後または急加速を行う際に、モータ１０に逆起電力が十分発生していないことにより発生する。ホストＣＰＵ５０が、モータ始動時や急加速時以外で過電流状態が発生するかどうか、またその頻度をＯＶＰ端子の状態を監視することで判断し、スタート信号をアサートしないことで過電流によるインバータ回路３０のスイッチング素子の破壊を防ぐことが可能となる。

なお、上記の説明では、モータとして３相ブラシレスＤＣモータを用いたが、本発明の思想は、他の種類のモータ（単相や４相以上のブラシレスＤＣモータモータやＡＣサーボモータ等）に対しても同様に適用できることは言うまでもない。

本発明の実施形態のモータ制御回路を含むモータ駆動装置の構成を示す図 モータ制御回路の過電流検出回路の構成を示す図 ホール素子からの位置検出信号に対する、インバータ回路の各スイッチング素子のオン・オフの論理を示した図

符号の説明

１０ モータ
１１ モータ巻線
１５ ホール素子
２０ 制御回路
２２ 駆動信号生成回路
２３ 出力信号生成回路
２４ 高圧側ゲートドライバ
２５ 低圧側ゲートドライバ
２６ 過電流検出回路
３０ インバータ回路
３１ｕ〜３１ｗ、３１ｘ〜３１ｚ スイッチング素子
３５ シャント抵抗
４１ アンプ
４３ ローパスフィルタ
４５ コンパレータ
４７ しきい値設定部
５０ ホストＣＰＵ

Claims (6)

1. モータの駆動電圧を生成するインバータ回路のスイッチング素子の動作を制御して、モータの駆動を制御する制御回路において、
   モータのロータの位置情報を入力するための第１の入力端子と、
   スイッチング素子のオン/オフのタイミング制御のためのＰＷＭ指令を入力するための第２の入力端子と、
   前記第１及び第２の入力端子を介して入力した、ロータの位置情報及びＰＷＭ指令に基づき、前記スイッチング素子をオン/オフするためのゲート信号を生成して出力する駆動信号生成回路と、
   前記インバータ回路に流れる電流を検出する過電流検出回路とを備え、
   前記過電流検出回路は、前記インバータ回路に流れる電流に応じた信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、ローパスフィルタからの信号と、所定の電流値を示す信号とを比較して過電流の検出の有無を示す信号を出力するコンパレータとを含み、
   前記駆動信号生成回路は、過電流が検出された場合、各スイッチング素子をオフするように前記ゲート信号を生成する、
   モータ制御回路。
2. 前記過電流検出回路による検出結果を外部に出力するための出力端子をさらに備える、請求項１記載のモータ制御回路。
3. 前記モータは、三相ＤＣブラシレスモータである、請求項１記載のモータ制御回路。
4. 複数のスイッチング素子を含み、モータに駆動電力を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路のスイッチング素子のオン・オフを制御するゲート信号を生成する、請求項１記載のモータ制御回路と
   を備えたモータ駆動装置。
5. モータの駆動電圧を生成するインバータ回路のスイッチング素子の動作を制御して、モータの駆動を制御する、モータ制御方法において、
   モータのロータの位置情報を入力するステップと、
   スイッチング素子のオン/オフのタイミング制御のためのＰＷＭ指令を入力するステップと、
   前記入力したロータの位置情報及びＰＷＭ指令に基づき、前記スイッチング素子をオン/オフするためのゲート信号を生成するステップと、
   前記インバータ回路に流れる電流を検出するステップと、
   前記検出した電流に基づき、インバータ回路内の過電流を検出するステップと、
   を含み、
   前記インバータ回路内の過電流を検出するステップは、前記インバータ回路に流れる電流に応じた信号の高周波成分を除去し、その高周波成分が除去された信号を、所定の電流値を示す信号と比較して過電流の有無を検出し、
   前記ゲート信号を生成するステップは、過電流が検出された場合、各スイッチング素子をオフするように前記ゲート信号を生成する、
   モータ制御方法。
6. 前記過電流検出結果を外部に出力するステップをさらに含む、請求項５記載のモータ制御方法。

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