JP2013099128A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の装置は、回生電流の吸収機能が無い電源装置に使用することができないという問題点があった。
【解決手段】直流電源ＥとモータＭとの間に接続した第１トランジスタＴＲ１と、モータＭに対して並列に接続した第２トランジスタＴＲ２と、第１及び第２のトランジスタＴＲ１，ＴＲ２をＰＷＭ制御する制御手段１を備え、制御手段１が、モータＭの電流を検出するモータ電流検出手段８、及びモータ電流検出手段８の検出値とゼロを含むプラス側の電流の閾値とを比較する比較手段４を含むと共に、検出値が閾値以上である場合には第２トランジスタＴＲ２をオンにし且つ検出値が閾値未満である場合には第２トランジスタＴＲ２をオフにする回生対応機能を有する構成としたことで、回生電流による過電圧状態を未然に阻止し、回生電流の吸収機能が無い電源装置にも適用可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランジスタのＰＷＭ制御によって直流電源に接続したモータを駆動するモータ駆動装置の改良に関するものである。

従来、この種のモータ駆動装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の電源供給装置は、直流電源とモータとの間に設けた電子スイッチをＰＷＭ制御して前記モータを駆動する負荷回路において、前記モータに対して並列にＭＯＳＦＥＴを配置した構成である。この電源供給装置は、電子スイッチがオフの時にＭＯＳＦＥＴをオンにすることで、ＭＯＳＦＥＴを還流の経路にし、これにより発熱を低減して、エネルギー損失の低減をも実現したものである。

特開２０１０−１５４６４７号公報

ところで、上記したような電源供給装置では、例えば、モータを急減速すると、モータに付与する平均電圧よりもモータの回転による発生電圧の方が高くなる状態すなわち回生制動状態となり、一種の昇圧回路が形成されて回生電流が電源に逆流する。このような現象は、バッテリーのように回生電流の吸収が可能な電源装置では問題にならないが、一般的にスイッチング電源に代表されるような回生電流の吸収機能が無い電源装置では、電源電圧が上昇して過電圧状態になる。このため、従来の電源供給装置は、回生電流の吸収機能が無い電源装置に使用することができないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、直流電源とモータとの間に設けたトランジスタをＰＷＭ制御して前記モータを駆動する装置において、回生電流による過電圧状態を阻止することができ、回生電流の吸収機能が無い電源装置にも適用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している。

本発明のモータ駆動装置は、直流電源とモータとの間に接続した第１トランジスタと、前記モータに対して並列に接続した還流経路用の第２トランジスタと、第１及び第２のトランジスタをＰＷＭ制御する制御手段を備えている。

そして、モータ駆動装置は、前記制御手段が、モータの電流を検出するモータ電流検出手段、及びモータ電流検出手段の検出値とゼロを含むプラス側の電流の閾値とを比較する比較手段を含むと共に、検出値が閾値以上である場合には第２トランジスタをオンにし且つ検出値が閾値未満である場合には第２トランジスタをオフにする回生対応機能を有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明のモータ駆動装置は、上記構成を採用したことにより、直流電源とモータとの間に設けたトランジスタをＰＷＭ制御して前記モータを駆動する装置において、回生電流による過電圧状態を阻止することができるので、回生電流の吸収機能が有る電源装置及び無い電源装置のいずれにも適用することができ、汎用性を拡大することができる。

本発明のモータ駆動装置の一実施形態を説明する回路図である。 図１に示すモータ駆動装置における電流変化を説明する夫々グラフ（Ａ）〜（Ｈ）である。 駆動時と回生時の電流変化を説明する夫々グラフ（Ａ）〜（Ｆ）である。 本発明のモータ駆動装置の他の実施形態を説明する回路図である。 図４に示すモータ駆動装置における電流変化を説明する夫々グラフ（Ａ）〜（Ｌ）である。

図１及び図２は、本発明のモータ駆動装置の一実施形態を説明する図である。
図１に示すモータ駆動装置は、直流電源ＥとモータＭとの間に接続した第１トランジスタＴＲ１と、前記モータＭに対して並列に接続した還流経路用の第２トランジスタＴＲ２と、第１及び第２のトランジスタＴＲ１，ＴＲ２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御する制御手段１を備えている。第１及び第２のトランジスタＴＲ１，ＴＲ２は、寄生ダイオードを有する電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）である。

制御手段１は、ＰＷＭ信号の発生器２、ピークホールド回路３、比較手段である比較器４、ゲートドライバ５、ＮＯＴ回路６及びＡＮＤ回路７を備えている。制御手段１は、発生器２において所定のデューティー比のＰＷＭ信号を発生し、ゲートドライバ５を介して第１トランジスタＴＲ１をオン／オフ制御する。また、ＰＷＭ信号は、ＮＯＴ回路６及びゲートドライバ５を介して第２トランジスタＴＲ２をオン／オフ制御する。したがって、第１及び第２のトランジスタＴＲ１，ＴＲ２は、オン／オフが互いに逆になるように制御される。

これにより、モータ駆動装置は、第１トランジスタＴＲ１がオンになると、第２トランジスタＴＲ２がオフになり、モータＭに駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）が流れる。また、第１トランジスタＴＲ１がオフになると、第２トランジスタＴＲ２がオンになり、第２トランジスタＴＲ２が還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）の経路となる。これにより、発熱並びにエネルギー損失を低減することができる。

ここで、上記の如く第１及び第２のトランジスタＴＲ１，ＴＲ２をＰＷＭ制御してモータＭを駆動する装置は、回生電流の吸収機能が無い電源装置に適用した場合、例えばモータＭの減速時に過電圧状態になることがある。

通常、モータＭの駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）は、図３（Ａ）に示すように、ＰＷＭ信号のオンと同位相に現れ、モータインダクタンスによる立ち上がり傾斜を有している。モータＭの還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）は、図３（Ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号のオフと同位相に現れ、モータインダクタンスによる立ち下がり傾斜を有している。これにより、モータ電流（Ｉ_Ｍ１）は、図３（Ｃ）に示すように、駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）と還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）とが連続したものになる。

ところが、モータＭの減速により、モータＭに付与する平均電圧よりもモータＭの回転による発生電圧の方が高くなる回生制動状態になると、第１トランジスタＴＲ１がオンの時に、電源Ｅに対して逆流する回生電流（Ｉ_ＯＦＦ２）が発生する。この回生電流（Ｉ_ＯＦＦ２）は、図３（Ｅ）に示すように、駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）に対し、マイナス側の逆位相として現れる。

また、回生制動状態では、第２トランジスタＴＲ２がオンの時に、還流電流とは逆向きの制動電流（Ｉ_ＯＮ２）が発生する。この制動電流（Ｉ_ＯＮ２）は、図３（Ｄ）に示すように、還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）に対し、マイナス側の逆位相として現れる。これにより、モータＭには、図３（Ｆ）に示すように、通常時とは逆向きのモータ電流（Ｉ_Ｍ２）が流れる。このとき、回生電流の吸収機能が無い電源装置では、過電圧状態になることがある。

そこで、モータ駆動装置は、前記制御手段１が、モータＭの電流を検出するモータ電流検出手段８、及びモータ電流検出手段８の検出値とゼロを含むプラス側の電流の閾値とを比較する比較手段（比較器３）を含むと共に、検出値が閾値以上である場合には第２トランジスタＴＲ２をオンにし且つ検出値が閾値未満である場合には第２トランジスタＴＲ２をオフにする回生対応機能を有するものとなっている。とくに、この実施形態では、モータ電流検出手段８が、モータＭの駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）を利用する。

図示例のモータ電流検出手段８は、第１トランジスタＴＲ１と電源Ｅとの間に接続した抵抗Ｒと、前記ピークホールド回路３により構成してあり、シャント抵抗Ｒでの電圧をモータＭの駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）として取得し、ピークホールド回路３で駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）のピーク値を求めて、これを比較器４に入力する。

図３の説明と同様に、モータＭの駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）は、図２（Ａ）に示す如くＰＷＭ信号のオン位相に対応し、また、還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）は、図２（Ｃ）に示す如くＰＷＭ信号のオフ位相に対応している。モータＭの電流（Ｉ_Ｍ１）は、図２（Ｄ）に示す如く駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）と還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）との合成で、増減を繰り返す波形になる。ピークホールド回路３は、モータＭの電流（Ｉ_Ｍ１）の波形を、駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）の波形から図２（Ｂ）に示すピークホールド電圧波形として求め、これを比較器４に入力する。

前記比較器４には、ゼロを含むプラス側の電流の閾値が予め設定してある。この閾値は、より望ましくは、第２トランジスタＴＲ２の寄生ダイオードの順方向電圧と還流電流による消費電力に基づいて設定することができ、これにより、第２トランジスタＴＲ２の発熱をより確実に阻止して、エネルギー損失のさらなる低減を図ることができる。

前記比較器４は、モータ電流検出手段８の検出値と電流の閾値とを比較し、その結果をＡＮＤ回路７からゲートドライバ５に入力して、ゲートドライバ５により第２トランジスタＴＲ２をオン／オフ制御する。

この際、モータ電流検出手段８の検出値が電流の閾値以上である場合には、第２トランジスタＴＲ２をオンにする。これにより、還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）が第２トランジスタＴＲ２の抵抗領域に流れるので、大電流である場合でも発熱が軽減されることとなる。

また、図２（Ｆ）に示すように、モータ電流検出手段８の検出値が電流の閾値未満である場合には、第２トランジスタＴＲ２をオフにする。つまり、モータＭに閾値未満の電流が流れる場合、ＰＷＭ制御での還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）は第２トランジスタＴＲ２の寄生ダイオードを流れ、さらに、駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）がゼロになり、モータＭが回生状態になっても、第２トランジスタＴＲ２がオフのままであり、モータＭの両端を第２トランジスタＴＲ２で短絡することがないので、図２（Ｅ）及び（Ｇ）に示すように、制動電流（Ｉ_ＯＮ２）及び回生電流（Ｉ_ＯＦＦ２）は発生しない。図２（Ｈ）に示すように、逆向きのモータ電流（Ｉ_Ｍ２）も発生しない。

このように、上記実施形態のモータ駆動装置によれば、直流電源ＥとモータＭとの間に設けたトランジスタＴＲ１，ＴＲ２をＰＷＭ制御して前記モータＭを駆動する装置において、回生電流による過電圧状態を未然に阻止することができる。したがって、バッテリー等のように回生電流の吸収機能が有る電源装置、及びスイッチング電源に代表されるような回生電流の吸収機能が無い電源装置のいずれにも適用することができ、電源装置に対する汎用性が非常に高いものとなる。

図４及び図５は、本発明のモータ駆動装置の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示すモータ駆動装置は、制御手段１が、前記回生対応機能をオン／オフする回生選択手段１０を有している。この場合、比較器４とＡＮＤ回路７との間には、第２のＡＮＤ回路１２が設けてあり、第２のＡＮＤ回路１２に、回生選択手段１０及び比較器４からの信号を入力する。

前記回生選択手段１０は、この回生選択手段１０をオフにすると、先の実施形態と同様の制御が行われ、図５（Ｅ）及び（Ｇ）に示すように、制動電流（Ｉ_ＯＮ２）及び回生電流（Ｉ_ＯＦＦ２）が発生せず、図５（Ｈ）に示すように、逆向きのモータ電流（Ｉ_Ｍ２）も発生しない。

これに対して、回生選択手段１０をオンにすると、モータＭが回生状態の場合、図５（Ｉ）及び（Ｌ）に示すように、駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）及び還流電流（Ｉ_ＯＦＦ１）とはマイナス側の逆位相となる制動電流（Ｉ_ＯＮ２）及び回生電流（Ｉ_ＯＦＦ２）が発生し、図５（Ｌ）に示すように、モータＭに逆向きの電流（Ｉ_Ｍ２）が流れて回生制動状態となる。

上記構成を備えたモータ駆動装置は、バッテリー等のように回生電流の吸収機能が有る電源装置に適用する場合には、回生選択手段１０をオンにし、また、スイッチング電源のように回生電流の吸収機能が無い電源装置に適用する場合には、回生選択手段１０をオフにすれば良く、電源装置の機能に最適な仕様に自由に変更することができる。

上記の各実施形態では、モータ電流検出手段８によりモータＭの駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）を検出し、ピークホールド回路３により、モータＭの電流（Ｉ_Ｍ１）を、駆動電流（Ｉ_ＯＮ１）の波形からピークホールド電圧波形として求めるようにした。この場合には、装置を比較的安価に提供し得ると共に、モータ電流検出手段８の検出値と電流の閾値との比較判定を安定的に行うことができる。さらに、本発明のモータ駆動装置は、モータ電流検出手段８が、モータＭの電流（Ｉ_Ｍ１）を直接検出する構成でも構わない。この場合には、ピークホールド回路３や抵抗Ｒを省略して構造の簡略化を図ることが可能である。

なお、本発明のモータ駆動装置は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。

Ｅ 電源
Ｍ モータ
ＴＲ１ 第１トランジスタ
ＴＲ２ 第２トランジスタ
１ 制御手段
４ 比較器（比較手段）
８ モータ電流検出手段
１０ 回生選択手段

Claims (3)

1. 直流電源とモータとの間に接続した第１トランジスタと、
   前記モータに対して並列に接続した還流経路用の第２トランジスタと、
   第１及び第２のトランジスタをＰＷＭ制御する制御手段と、
   前記制御手段が、
   モータの電流を検出するモータ電流検出手段、及びモータ電流検出手段の検出値とゼロを含むプラス側の電流の閾値とを比較する比較手段を含むと共に、
   検出値が閾値以上である場合には第２トランジスタをオンにし且つ検出値が閾値未満である場合には第２トランジスタをオフにする回生対応機能を有することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記電流の閾値が、第２トランジスタの寄生ダイオードの順方向電圧と還流電流による消費電力に基づいて設定してあ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. 前記制御手段が、前記回生対応機能をオン／オフする回生選択手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。

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