JP2012075202A

JP2012075202A - ブラシレスモータ駆動回路

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Publication number: JP2012075202A
Application number: JP2010216189A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyazaki; 博宮崎
Original assignee: Panasonic Eco Solutions Power Tools Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: US8779708B2; CN102420555B; EP2445111B1; CN102420555A; US20120074886A1; JP5314652B2; EP2445111A2; EP2445111A3

Abstract

【課題】電池電圧が低下しても駆動を継続することができるものとする。
【解決手段】制御部３が駆動回路を介して複数のＦＥＴからなるブリッジ回路２をスイッチングしてモータ回転させるものである。ＮチャネルＦＥＴを駆動素子とするブリッジ回路の上段側ＦＥＴにゲート電圧を印加するフローティング電圧発生部５と、上記電池から電源が供給されるコンバータ１１とを備える。ＦＥＴのゲートへの電源供給専用として設けた上記コンバータは、ブリッジ回路の上段側に対しフローティング電圧発生部の入力部に出力を接続し、ブリッジ回路の下段側に対し上記駆動回路の入力部に出力を接続している。上記制御部はコンバータを介することなく上記電池から電源が供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動するための駆動回路、殊に充電式電動工具に用いられるブラシレスモータの駆動回路に関するものである。

電池を電源として駆動される直流ブラシレスモータの駆動回路として、特許文献１に示されたものがある。この従来例においては、ブラシレスモータの位置検出器（図示せず）が発生する信号に基づいて制御部が駆動回路を介して複数のＦＥＴからなるブリッジ回路をスイッチングしてモータ回転させるにあたり、上記ＦＥＴのゲートに供給する電圧をフローティング電圧発生部（ブートストラップ回路）で行っている。

ところでＦＥＴは図３に示すように、そのゲート・ソース間に加える電圧が高いほどオン抵抗が低く且つ発熱が小さくなり、ゲート・ソース間に加える電圧が低ければオン抵抗が高く、発熱も大きくなる。ちなみに図３のＦＥＴの場合は７Ｖ以上を印加することが好ましい。

一方、制御部は一般的にはマイクロコンピュータで構成されることが多く、その駆動電圧は５Ｖや３Ｖ程度で上記ゲート・ソース間に加えるべき電圧よりも低い。

そして電池式の電動工具の場合、電池電圧は満容量状態では高く、容量が少なくなると電圧が低下する。一回の充電当たりの作業数量を多くするという点からは、容量が低下して電圧が低下した状態でも使用したいが、電圧が低下した時はゲート・ソース間に印加される電圧が低下して発熱が大きくなる。

ここにおいて、電池電圧が低下すれば、上記従来例においてはＦＥＴのゲート・ソース間に加える電圧も低下してＦＥＴの動作が不安定となるために、電池電圧がある値よりも低下する時には駆動を禁止してしまう必要がある。しかし、上記の電池電圧は、制御部の動作可能範囲よりも高い電圧であって、このような電圧で駆動を禁止してしまうということは、電動工具においては１回の充電当たりの作業数量が少なくなってしまうことになる。

特公平６−１０４０００号公報

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、電池電圧が低下しても駆動を継続することができるブラシレスモータ駆動回路を提供することを課題とするものである。

本発明は、ブラシレスモータの位置検出器から発生する信号に基づいて制御部が駆動回路を介して複数のＦＥＴからなるブリッジ回路をスイッチングしてモータ回転させる電池電源型のブラシレスモータ駆動回路において、ＮチャネルＦＥＴを駆動素子とする上記ブリッジ回路の上段側のＦＥＴにゲート電圧を印加するフローティング電圧発生部と、上記電池から電源が供給されるコンバータとを備え、上記ＦＥＴのゲートへの電源供給専用として設けた上記コンバータは、上記ブリッジ回路の上段側に対してはフローティング電圧発生部の入力部に出力を接続し、上記ブリッジ回路の下段側に対しては上記駆動回路の入力部に出力を接続しており、上記制御部は上記コンバータを介することなく上記電池から電源が供給されていることに第１の特徴を有しており、ＮチャネルＦＥＴを駆動素子とする上記ブリッジ回路の上段側ＦＥＴのゲートへの電源供給専用の第１のコンバータと、上記ブリッジ回路の下段側ＦＥＴのゲートへの電源供給専用の第２のコンバータとを備えるとともに、上記第１のコンバータの出力電圧が上記第２のコンバータの出力電圧より大であり、上記制御部は上記コンバータを介することなく上記電池から電源が供給されていることに第２の特徴を有している。

上記コンバータの電圧が所定電圧以下になったとき、制御部はＦＥＴの駆動を禁止するものであることが好ましく、また上記制御部は、ＦＥＴ近傍に配した温度検出手段で検出される温度に応じて、駆動禁止のための上記所定電圧を変更するものであってもよい。

本発明においては、コンバータを介してＦＥＴのゲートへの電源供給を行うために、電池電圧が低下しても安定した動作を得ることができるものであり、電池電圧が少々低下しても駆動を禁止する必要がなくなるために、電動工具に用いた場合、１回の充電当たりの作業数量を多くすることができる。しかもコンバータはＦＥＴのゲートへの電源供給専用であり、消費電力の多い制御部にはコンバータを介さずに電池から電源を供給するために、コンバータとしては小さくて定格の小のものを用いることができる。

本発明の実施の形態の一例の概略回路図である。同上のコンバータの回路図である。ＦＥＴのゲート電圧とオン抵抗との相関を示す説明図である。電動工具に用いた際の電池電圧の変動を示すタイムチャートである。他の実施形態の一例の概略回路図である。同上の他例の概略回路図である。同上のコンバータの回路図である。同上の更に他例の概略回路図である。コンバータの入力電圧と出力電圧の関係を示す説明図である。別の例の概略回路図である。同上の検出温度と駆動禁止電圧との関係を示す説明図である。

以下本発明を図示実施例に基づいて詳述すると、図１は電池１を電源として駆動される３相直流ブラシレスモータの駆動回路の一例を示しており、モータにおける３相のコイルＵ，Ｖ，Ｗには総計６個のＮチャネルＦＥＴ２１〜２６からなるブリッジ回路２が接続されている。そして各ＦＥＴ２１〜２６のゲートにはトランジスタブリッジからなる駆動回路３１，３２が接続されている。なお、ＦＥＴ２３〜２６のゲートに接続された駆動回路については図示を省略している。

上記駆動回路３１，３２の動作を制御する制御部４は、ブラシレスモータの位置検出器（図示せず）から発生する信号が入力される分配回路を備えて、回転トルクを発生させるためにどのコイルに通電するべきかを規定の真理値に基づいて決定してゲート信号を駆動回路３１，３２に出力し、これを受けて駆動回路３１，３２がＦＥＴ２１〜２６をオンとするものであり、ＦＥＴ２１とＦＥＴ２４とがオンとなる時にはコイルＵからコイルＶへと電流が流れる。

図中１１は、ＦＥＴ２１〜２６のゲートへの電圧供給用としてのコンバータであり、電池１から電源が供給されるコンバータ１１は、上記ブリッジ回路２の上段側ＦＥＴ２１，２３，２５の駆動回路３１用のフローティング電圧発生部５の入力部にその出力を接続しているとともに、ブリッジ回路２の下段側のＦＥＴの駆動回路３２の入力部にその出力を接続している。なお、上記フローティング電圧発生部５は、図示例ではブートストラップ用コンデンサＣｂを有するブートストラップ回路で構成している。

上記コンバータ１１としては、チャージポンプ式のコンバータを用いることもできるが、ここでは図２に示すステップアップ型のコンバータを用いている。上述のように電池１１から電源が供給される該コンバータ１１は、Ｖｏｕｔ電圧の抵抗Ｒ２，Ｒ１による分圧電圧をＩＣ１９にフィードバックすることでトランジスタＴｘを発振させたり停止させたりするもので、電池電圧が十分高いときは該コンバータ１１から電源供給を行う必要がないために、この時には発振を停止するように抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を設定している。なお、発振停止時には抵抗Ｒｓｃ、コイルＬ１，ダイオードＤ１とそのまま電池電圧が通過して電源を供給する。

しかし電池電圧が低下してくるとＶｏｕｔの出力が低下し、ＩＣにフィードバックされる抵抗Ｒ１，Ｒ２の分圧出力が低くなるために発振がスタートし、コイルＬ１に蓄えられた電圧がステップアップ電圧となって電源供給を行う。

抵抗Ｒ１，Ｒ２の電圧設定にあたっては、前述のゲート・ソース間電圧とオン抵抗との関係から、オン抵抗が高くなる電圧（図３の場合は７Ｖ）にすることが必要である。また、該ブラシレスモータが使用される電動工具では、１回の作業において負荷変動により電池電圧が変動しながら低下していくことになり、特にインパクト型電動工具である場合は、図４に示すような電圧変動カーブを描くことになる。この場合、Ａ１ラインにコンバータ１１の電圧を設定した場合はＡ１ラインを下回ったときにコンバータ１１の発振が開始することになるために電圧の供給が遅れてしまうことになる。従って、発振時間を考慮してＡ１ラインよりも高い電圧（図中のＡ２ライン以上の電圧）で設定することが必要である。

ここにおいて、前述のように、電池式の電動工具の場合、電池電圧が満容量状態では高く、容量が少なくなると電圧が低下するものであり、一回の充電当たりの作業数量を多くするという点から、容量が低下して電圧が低下した状態でも使用できることが望ましいが、この電圧が低下した時はゲート・ソース間に印加される電圧も低下して発熱が大きくなるという問題は、電圧が低下した時にはゲート・ソース間に印加される電圧をコンバータ回路２１によって高くすることで解決しているものである。

また、コンバータ１１は消費電力に応じて大きさや定格が大きくなるために、コンバータ１１で消費電力の大きい制御部３の電源供給も行うと、コンバータの大きさや定格が大きくなってしまう。しかし、制御部３に加えるべき最低電圧はゲート・ソース間に印加すべき電圧より低いために、電池１からの制御部３への電源供給はコンバータ１１を介することなく行い、コンバータ１１はＦＥＴのゲート・ソース間への供給に絞っているために、コンバータ１１の大きさや定格を抑えることができるものである。

図５は他の実施形態の一例を示しており、ここではコンバータ１１に加えて、ブリッジ回路２における下段側のＦＥＴ２２，２４，２６の駆動回路３２の入力部に接続されるコンバータ１２を設けている。またブートストラップ回路からなるフローティング電圧発生部５を使用せず、コンバータ１１も上段側のＦＥＴ２１，２３，２５の駆動回路３１の入力部に直接接続している。この時、上段側のＦＥＴ２１，２３，２５のソースは電池電圧とほぼ等しいことから、コンバータ１１＝電池電圧＋コンバータ１２の電圧設定としておくことが好ましい。

上段側のＦＥＴ２１，２３，２５へのゲート・ソース間に加える電圧は、グランド側からみると電池電圧＋ＦＥＴへのゲート・ソース間に加える電圧が必要であり、このために一般的にはブートストラップ回路を採用している。しかし、ブートストラップ回路の場合、モータロック等が原因で連続して同じ相に通電することが生じると、ブートストラップ用のコンデンサの電圧が低下していくことになる。従って、インパクトドライバーのように常時回転する電動工具には適していても、ドリルドライバーや丸鋸のような電動工具、つまりは負荷が増大した時にモータがロックしてしまうような電動工具であると、ロックした時に特定の相に通電した状態が保持されてしまうために、上述のようにコンデンサの容量が低下し、上段側のＦＥＴのゲート・ソース間に印加する電圧が低下してしまうことになる。ブートストラップ回路を用いずにコンバータ１１，１２のみを介して電源を供給する本例の場合、モータのロック状態にも対応できるものとなる。

下段側のＦＥＴ２２，２４，２６の駆動回路３２に接続するコンバータ１２は、ステップダウン型のものとして、図６に示すように、コンバータ１１の後にコンバータ１２を接続してもよい。上段ＦＥＴの駆動回路に接続するコンバータ１１の出力を、コンバータ１２の入力に接続するのである。この場合のステップダウン型のコンバータ１２は、たとえば図７に示すようなシリーズレギュレータで構成することができる。

図８に他の実施例を示す。これは図５に示した実施例に電池電圧を測定する電圧測定手段６を追加したもので、電圧測定手段６で検出される電池電圧が予め設定した駆動禁止電圧以下になると、制御部３がその動作を停止するようにしてある。図９に示すように、コンバータ１１，１２はその入力電圧が所定電圧より低下すると出力電圧も低下してしまうために、コンバータ１１，１２出力が低下し始める入力電圧より高い電圧に駆動禁止電圧を設定しておくものとする。コンバータ１１，１２の入力電圧が低下し過ぎると発振が停止して電源が供給できなくなるとともに、この時にはゲート・ソース間に加える電圧が著しく低下することになるが、この時は駆動を禁止してしまうためにＦＥＴの破壊を防ぐことができる。

なお、電池電圧を測定することは、コンバータの出力電圧を間接的に監視していることになるために、電池電圧の測定に代えて、コンバータ出力電圧を直接測定するものであってもよい。

図１０に更に他の実施例を示す。これはサーミスタやポジスタ等で構成される温度測定手段７をＦＥＴ２１〜２６の近傍に配置して、温度検出手段７で検出した温度出力を制御部３に入力している。そして制御部３は、検出温度に応じて上記の駆動禁止電圧を演算設定する。つまりは、図１１に示すように、検出温度が低い時には上記の駆動禁止電圧を低くし、検出温度が高い時には駆動禁止電圧を高くする。

一般的にＦＥＴはそのジャンクション温度（ＦＥＴのチップ部の温度）１５０℃〜１７５℃を上限とするように決められている。一方、ＦＥＴのオン抵抗の値は発熱度合に影響を与えるとともに、温度が低い状態から発熱しても上記上限温度まで達するまでは時間がかかるが、温度が高い状態から発熱すると上限温度に達するまでの時間が短くなる。しかし、温度に応じて駆動禁止電圧を設定すれば、電圧が低い範囲において温度が低ければ使用可能となる状況が増えることになり、使用できる範囲が拡大する。

また低温のときの電池１のセルは内部抵抗が高くなるために、電流を流したときの電圧降下が大きく、このためにＦＥＴのゲートに印加される電圧も低くなる。そして電池１が低温状態のときは周囲環境も低温であり、ＦＥＴも低温状態であることが予想される。従って低温のために電池電圧が低い時においても使用可能となる範囲が増えることになる。

１電池
２ブリッジ回路
４制御部
１１コンバータ
１２コンバータ
３１駆動回路
３２駆動回路

Claims

ブラシレスモータの位置検出器から発生する信号に基づいて制御部が駆動回路を介して複数のＦＥＴからなるブリッジ回路をスイッチングしてモータ回転させる電池電源型のブラシレスモータ駆動回路において、
ＮチャネルＦＥＴを駆動素子とする上記ブリッジ回路の上段側のＦＥＴにゲート電圧を印加するフローティング電圧発生部と、上記電池から電源が供給されるコンバータとを備え、上記ＦＥＴのゲートへの電源供給専用として設けた上記コンバータは、上記ブリッジ回路の上段側に対してはフローティング電圧発生部の入力部に出力を接続し、上記ブリッジ回路の下段側に対しては上記駆動回路の入力部に出力を接続しており、上記制御部は上記コンバータを介することなく上記電池から電源が供給されていることを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
ブラシレスモータの位置検出器から発生する信号に基づいて制御部が駆動回路を介して複数のＦＥＴからなるブリッジ回路をスイッチングしてモータ回転させる電池電源型のブラシレスモータ駆動回路において、
ＮチャネルＦＥＴを駆動素子とする上記ブリッジ回路の上段側ＦＥＴのゲートへの電源供給専用の第１のコンバータと、上記ブリッジ回路の下段側ＦＥＴのゲートへの電源供給専用の第２のコンバータとを備えるとともに、上記第１のコンバータの出力電圧が上記第２のコンバータの出力電圧より大であり、上記制御部は上記コンバータを介することなく上記電池から電源が供給されていることを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
上記コンバータの電圧が所定電圧以下になったとき、制御部はＦＥＴの駆動を禁止するものであることを特徴とする請求項１または２記載のブラシレスモータ駆動回路。
上記制御部は、ＦＥＴ近傍に配した温度検出手段で検出される温度に応じて、駆動禁止のための上記所定電圧を変更するものであることを特徴とする請求項３記載のブラシレスモータ駆動回路。