JP2013172492A - モータ駆動回路、およびそれを備えるモータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】外乱によりモータが発電動作を行ったとしても、インバータ回路に高電圧がかかることを防ぐことができるモータ駆動回路を提供する。
【解決手段】モータ１に電力を供給するインバータ回路２と、制御回路３と、を備え、前記制御回路３は、外部から入力される速度指令電圧４０を参照して、前記インバータ回路２に含まれる上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるスイッチング制御部と、前記上アーム側スイッチング素子を駆動するための電力を蓄電可能なブートストラップコンデンサと、を備える。前記スイッチング制御部は、前記速度指令電圧４０が所定電圧以上のときに、所定時間、前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動回路、およびそれを備えるモータユニットに関する。

ブラシレスＤＣモータは、インバータ回路から駆動電圧が供給されることで動作することができる。特許文献１は、ブラシレスＤＣモータに駆動電圧を供給するインバータ回路を開示している。インバータ回路は、ブラシレスＤＣモータの各コイルに電圧を供給するための複数のスイッチング素子を備える。スイッチング素子の駆動方式には、ブートストラップ方式がある。ブートストラップ方式は、複数のスイッチング素子各々にコンデンサを接続し、コンデンサに蓄積した電荷でスイッチング素子をオン動作させる方式である。

特開２００３−１５８８８７号公報

一般的なブートストラップ方式では、外乱に対する対策がなされている構成は少ない。例えば、空気調和機の室外機に備わるモータは、インバータ回路に速度指令信号が入力されていない状態で、モータの出力軸に連結されたインペラが風等により回転した場合、発電動作を行う。モータで発電された回生電圧は、インバータ回路に供給され、インバータ回路における電圧が上昇する可能性がある。

本願に開示するモータ駆動回路は、モータに備わるコイルに電力を供給するインバータ回路と、制御回路と、を備える。前記インバータ回路は、モータ電圧が印加される端子と前記コイルとの間に接続される上アーム側スイッチング素子と、前記上アーム側スイッチング素子とグランドとの間に接続される下アーム側スイッチング素子と、を備える。前記制御回路は、外部から入力される速度指令電圧と前記検出信号とを参照して、前記インバータ回路に含まれるスイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるスイッチング制御部と、前記上アーム側スイッチング素子を駆動するための電力を蓄電可能なブートストラップコンデンサと、を備える。前記スイッチング制御部は、前記速度指令電圧が所定電圧以上のときに、所定時間、前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する。

本願に開示するモータユニットは、モータと、インバータ回路と、制御回路とを備える。前記モータは、コイルを備える静止部と、前記静止部に回転可能に支持される回転部と、を備える。前記インバータ回路は、モータ電圧が印加される端子と前記コイルとの間に接続される上アーム側スイッチング素子と、前記上アーム側スイッチング素子とグランドとの間に接続される下アーム側スイッチング素子と、を備える。前記制御回路は、外部から入力される速度指令電圧と前記検出信号とを参照して、前記インバータ回路に含まれるスイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるスイッチング制御部と、前記上アーム側スイッチング素子を駆動するための電力を蓄電可能なブートストラップコンデンサと、を備える。前記スイッチング制御部は、前記速度指令電圧が所定電圧以上のときに、所定時間、前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する。

本発明によれば、外乱によりモータが発電動作を行ったとしても、インバータ回路に高電圧がかかることを防ぐことができる。

図１は、本実施の形態にかかるモータユニットのブロック図である。 図２は、本実施の形態にかかるインバータ回路及びドライブ回路の回路図である。 図３は、本実施の形態にかかるモータユニットのフローチャートである。 図４は、本実施の形態にかかるモータユニットのタイミングチャートである。 図５は、本実施の形態にかかるモータユニットの変形例である。

（実施の形態１）
〔１．モータ駆動回路の構成〕
図１は、本実施の形態にかかるモータユニットのブロック図である。モータユニットは、モータ１、インバータ回路２、および制御回路３を備える。制御回路３は、インバータ回路２を動作させる。インバータ回路２は、モータ１へ駆動電圧を供給する。モータユニットは、シャント抵抗Ｒ１を備える。

モータ１は、例えばブラシレスＤＣモータである。モータ１は、静止部と、回転部とを備える。静止部は、ステータコア、コイルなどを含む。回転部は、ロータコア、マグネット、シャフトなどを含む。モータ１は、回転部の回転位置を検出するためのセンサ４を備える。

インバータ回路２は、スイッチング素子を備える。インバータ回路２は、スイッチング素子として例えばトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えてもよい。本実施の形態では、インバータ回路２は、スイッチング素子の一例としてＦＥＴを備える。スイッチング素子は、モータ１の相数に比例した数とすることが好ましい。インバータ回路２は、例えばモータ１が三相モータである場合、６個のスイッチング素子を備えることが好ましい。本実施の形態では、モータ１が三相のブラシレスＤＣモータであるため、インバータ回路２は６個のスイッチング素子を備える。

制御回路３は、三角波発振回路３１、比較器３２、ＰＷＭ信号生成部３３、タイミング制御部３４、通電信号形成部３５、ドライブ回路３６、比較器３７、位置検出部３８、および充電制御部３９を備える。制御回路３は、制御ＩＣで構成することができる。制御回路３は、制御電源から供給される直流の制御用電圧Ｖｃｃが供給されることで駆動することができる。制御回路３は、外部コントローラ等から速度指令電圧Ｖｓｐが印加される。制御回路３は、速度指令電圧Ｖｓｐに従う速度で、モータ１を動作させることができる。

三角波発振回路３１は、三角波（のこぎり波）信号を出力する。

比較器３２は、三角波発振回路３１から出力される三角波信号と、外部から入力される速度指令電圧Ｖｓｐとを比較する。

ＰＷＭ信号生成部３３は、比較器３２から出力される比較結果からＰＷＭ信号を生成する。具体的には、ＰＷＭ信号生成部３３は、比較器３２から出力される比較結果を参照し、速度指令電圧Ｖｓｐが三角波よりも大きい期間がＯＮ期間となり、速度指令電圧Ｖｓｐが三角波より小さい期間がＯＦＦ期間となるパルス信号を生成する。

タイミング制御部３４は、位置検出部３８から出力される回転位置信号を参照して、ＰＷＭ信号生成部３３から出力されるＰＷＭ信号のタイミング（例えば立ち上がりタイミング）を調整する。タイミング制御部３４は、シャント抵抗Ｒ１の端子電圧を検出して、インバータ回路２に流れる電流の値を算出することができる。

通電信号形成部３５は、タイミング制御部３４にて調整されたＰＷＭ信号を基に、スイッチング素子６を駆動するための通電信号を生成する。通電信号形成部３５は、生成した通電信号をドライブ回路３６に出力する。

ドライブ回路３６は、通電信号形成部３５から出力された通電信号を参照し、インバータ回路２のスイッチング素子をオン／オフ制御することができる信号をインバータ回路２へ送る。具体的には、ドライブ回路３６は、通電信号形成部３５から出力された通電信号を参照し、インバータ回路２に含まれる６個のスイッチング素子のそれぞれに印加するための制御信号を生成する。ドライブ回路３６は、生成した制御信号をインバータ回路２に含まれる６個のスイッチング素子に送る。

位置検出部３８は、センサ４から出力される検出信号を参照し、モータ１に含まれる回転部の回転位置を検出する。位置検出部３８は、検出した回転部の回転位置の情報を回転位置信号としてタイミング制御部３４に送る。

充電制御部３９は、ドライブ回路３６に含まれるブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３への充電動作を制御する。具体的には、充電制御部３６は、位置検出部３８が検出した位置情報を参照し、所定のタイミングでブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３への充電が行われる充電制御信号を生成する。

センサ４は、モータ１に含まれ、回転部の近傍に配置される。センサ４は、複数のセンサ素子を含むことが好ましく、本実施の形態では３個のセンサ素子を含む。センサ４に含まれるセンサ素子は、回転部の回転軸を中心とした電気角１２０度の間隔で配置されることが好ましい。センサ４は、回転部の回転位置を検出することができる。センサ４は、例えば回転部に含まれるマグネットの磁束を検出できる磁気センサで実現することができ、例えばホール素子で実現することができる。なお、センサ４の数は、本実施の形態では３個としたが、これに限らない。センサ４の位置は、本実施の形態では電気角１２０度の間隔で配置したが、これに限らない。

図２は、インバータ回路２及びドライブ回路３６の回路図である。図２に示すように、インバータ回路２は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備える。なお、本明細書では、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５を「上アーム」と称し、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を「下アーム」と称する。ドライブ回路３６は、第１の上アーム駆動回路３６ａ、第１の下アーム駆動回路３６ｂ、第２の上アーム駆動回路３６ｃ、第２の下アーム駆動回路３６ｄ、第３の上アーム駆動回路３６ｅ、第３の下アーム駆動回路３６ｆ、ダイオードＤ１〜Ｄ３、電流制限抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３、およびブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３を備える。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインには、モータ電圧Ｖｍが印加される。スイッチング素子Ｑ１は、ゲートが第１の上アーム駆動回路３６ａに接続され、ソースがモータ１のＵ相コイル及びスイッチング素子Ｑ２のドレインに接続される。スイッチング素子Ｑ２は、ゲートが第１の下アーム駆動回路３６ｂに接続され、ソースが接地される。スイッチング素子Ｑ３は、ゲートが第２の上アーム駆動回路３６ｃに接続され、ソースがモータ１のＶ相コイル及びスイッチング素子Ｑ４のドレインに接続される。スイッチング素子Ｑ４は、ゲートが第２の下アーム駆動回路３６ｄに接続され、ソースが接地される。スイッチング素子Ｑ５は、ゲートが第３の上アーム駆動回路３６ｅに接続され、ソースがモータ１のＷ相コイル及びスイッチング素子Ｑ６のドレインに接続される。スイッチング素子Ｑ６は、ゲートが第３の下アーム駆動回路３６ｆに接続され、ソースが接地される。

端子ＵＨは、第１の上アーム駆動回路３６ａに接続される。端子ＵＬは、第１の下アーム駆動回路３６ｂに接続される。端子ＶＨは、第２の上アーム駆動回路３６ｃに接続される。端子ＶＬは、第２の下アーム駆動回路３６ｄに接続される。端子ＷＨは、第３の上アーム駆動回路３６ｅに接続される。端子ＷＬは、第３の下アーム駆動回路３６ｆに接続される。端子ＵＨ〜ＷＬには、通電信号形成部３５から出力される通電信号が入力される。

電流制限抵抗Ｒ１は、ダイオードＤ１のアノードに接続される。電流制限抵抗Ｒ２は、ダイオードＤ２のアノードに接続される。電流制限抵抗Ｒ３は、ダイオードＤ３のアノードに接続される。電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ３は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の初期充電電流によって、過電流制限動作が発生するのを防ぐためのものである。

ブートストラップコンデンサＣ１は、ダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ１のソースとの間に接続される。ブートストラップコンデンサＣ２は、ダイオードＤ２と、スイッチング素子Ｑ３のソースとの間に接続される。ブートストラップコンデンサＤ３は、ダイオードＤ３と、スイッチング素子Ｑ５のソースとの間に接続される。ダイオードＤ１〜Ｄ３には、制御用電圧入力端子に接続される。したがって、スイッチング素子Ｑ１がオフで、スイッチング素子Ｑ２がオンのときに、ブートストラップコンデンサＣ１が充電される。また、スイッチング素子Ｑ３がオフで、スイッチング素子Ｑ４がオンのときに、ブートストラップコンデンサＣ２が充電される。また、スイッチング素子Ｑ５がオフで、スイッチング素子Ｑ６がオンのときに、ブートストラップコンデンサＣ３が充電される。

〔２．モータユニットの動作〕
〔２ー１．モータユニットの運転動作〕
図３は、モータユニットの動作を示すフローチャートである。以下、図３を参照しながら、モータユニットの動作を説明する。なお、図３に示すフローは、Ｖｓｐ入力端子４０に速度指令電圧Ｖｓｐが印加されておらずモータ１が停止していること、ブートストラップコンデンサの充電動作が停止していること、を前提としている。また、一例として、本実施の形態のモータユニットは、空気調和機の室外機に搭載されているファンを回転させるモータとする。したがって、モータ１のシャフトには、負荷としてインペラが連結されている。なお、室外機は、空気調和機の室内機からの命令に基づき動作する。

空気調和機の室内機は、リモートコントローラ等から、電源をオフからオンに切り換える命令を含む信号を受けると、外部コントローラへ動作命令を送る。外部コントローラは、動作命令を受けると、速度指令電圧ＶｓｐをモータユニットのＶｓｐ入力端子４０へ印加する（Ｓ１）。

次に、タイミング制御部３４は、速度指令電圧Ｖｓｐと基準電圧Ｖｔｈとを比較する。タイミング制御部３４は、比較動作を継続的に実行する（Ｓ２）。

充電制御部３９は、位置検出部３８から送られる回転位置信号を参照して、モータ１の回転部の回転周波数ｆを算出する。充電制御部３９は、算出した回転周波数ｆと、基準周波数ｆｔｈとを比較する。充電制御部３９は、周波数の比較結果を充電制御信号としてタイミング制御部３４へ送る。なお、基準電圧Ｖｔｈは、速度指令電圧Ｖｓｐが印加されていることを検出できる値であればよく、本実施の形態では一例として２．１ボルトとした（Ｓ３）。

タイミング制御部３４は、充電制御信号を参照し、回転周波数ｆが基準周波数ｆｔｈ未満であると判断すると（Ｓ３におけるＹＥＳ判断）、ドライブ回路３６に含まれるブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を開始させる。なお、基準周波数ｆｔｈは、モータ１の回転部の回転動作が停止していることを検出できる値であればよく、本実施の形態では一例として１ヘルツとした。また、基準周波数ｆｔｈ未満の回転周波数は、モータ１の回転部が停止しているときの回転周波数（０ヘルツ）を含む。また、タイミング制御部３４は、タイマーを備え、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を開始したタイミングから計時を開始する（Ｓ４）。

具体的には、タイミング制御部３４は、インバータ回路２における上アームをオフにして下アームをオンにする命令を通電信号形成部３５に送る。通電信号形成部３５は、タイミング制御部３４からの命令に基づき、インバータ回路２の上アームをオフにするＵＨ信号、ＶＨ信号、およびＷＨ信号を生成し、インバータ回路２の下アームをオンにするＵＬ信号、ＶＬ信号、およびＷＬ信号を生成する。通電信号形成部３５は、生成した信号をドライブ回路３６へ送る。

第１の上アーム駆動回路３６ａは、スイッチング素子Ｑ１のゲート電圧を下げて、スイッチング素子Ｑ１をオフにする。第２の上アーム駆動回路３６ｃは、スイッチング素子Ｑ３のゲート電圧を下げて、スイッチング素子Ｑ３をオフにする。第３の上アーム駆動回路３６ｅは、スイッチング素子Ｑ５のゲート電圧を下げて、スイッチング素子Ｑ５をオフにする。第１の下アーム駆動回路３６ｂは、スイッチング素子Ｑ２のゲート電圧を上げて、スイッチング素子Ｑ２をオンにする。第２の下アーム駆動回路３６ｄは、スイッチング素子Ｑ４のゲート電圧を上げて、スイッチング素子Ｑ４をオンにする。第３の下アーム駆動回路３６ｆは、スイッチング素子Ｑ６のゲート電圧を上げて、スイッチング素子Ｑ６をオンにする。

上記のようにスイッチング素子Ｑ１及びＱ２が動作することにより、スイッチング素子ＱＱ２のドレインが低電位となるため、制御用電圧Ｖｃｃに基づく電流は、ダイオードＤ１、ブートストラップコンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ２に流れ、ブートストラップコンデンサＣ１が充電される。また、上記のようにスイッチング素子Ｑ３及びＱ４が動作することにより、スイッチング素子ＱＱ４のドレインが低電位となるため、制御用電圧Ｖｃｃに基づく電流は、ダイオードＤ２、ブートストラップコンデンサＣ２、スイッチング素子Ｑ４に流れ、ブートストラップコンデンサＣ２が充電される。また、上記のようにスイッチング素子Ｑ５及びＱ６が動作することにより、スイッチング素子ＱＱ６のドレインが低電位となるため、制御用電圧Ｖｃｃに基づく電流は、ダイオードＤ３、ブートストラップコンデンサＣ３、スイッチング素子Ｑ６に流れ、ブートストラップコンデンサＣ３が充電される。

タイミング制御部３４は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電時間が、所定の充電時間を経過したか否かを判断する。なお、所定の充電時間は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電が完了する（満充電に到達する）最短時間とすることが好ましい。所定の充電時間は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の容量が大きければ長くし、容量が小さければ短くすることができる。所定の充電時間は、本実施の形態では一例として１．５ミリ秒とした（Ｓ５）。

タイミング制御部３４は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電時間が、所定の充電時間を経過したと判断すると（Ｓ５におけるＹＥＳ判断）、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を停止させる。具体的には、タイミング制御部３４は、インバータ回路２における上アームをオフにして下アームをオンにする状態を解除する（Ｓ６）。

タイミング制御部３４は、インバータ回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を順次オンまたはオフにし、インバータ制御を行わせる。インバータ回路２は、インバータ制御を実行し、モータ１の運転を継続させる（Ｓ７）。

以下、モータユニットの具体的な運転動作について説明する。

比較器３２は、Ｖｓｐ入力端子４０に印加される速度指令電圧Ｖｓｐと、三角波発振回路３１から送られる三角波とを比較し、比較結果をＰＷＭ信号生成部３３へ送る。ＰＷＭ信号生成部３３は、比較器３２から送られる比較結果に基づき、ＰＷＭ信号を生成する。具体的には、速度指令電圧Ｖｓｐが三角波の値を超える期間のみＨＩＧＨレベルとなるパルス信号を生成する。すなわち、比較器３２及びＰＷＭ信号生成部３３は、ＰＷＭ制御を実行し、速度指令電圧Ｖｓｐのレベルに応じてパルス幅（デューティ比）が変調されたパルス信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部３３は、ＰＷＭ信号（パルス信号）をタイミング制御部３４へ送る。

タイミング制御部３４は、ＰＷＭ信号と、位置検出部３８から送られる位置信号とを参照し、ＰＷＭ信号の立ち上がりタイミングを制御する。タイミング制御部３４は、ＰＷＭ信号を、通電信号形成部３５へ送る。

通電信号形成部３５は、ＰＷＭ信号を参照し、モータ１の三相コイルに対応した通電信号を生成する。具体的には、通電信号形成部３５は、Ｕ相のＵＨ信号及びＵＬ信号と、Ｖ相のＶＨ信号及びＶＬ信号と、Ｗ相のＷＨ信号及びＷＬ信号とを生成する。通電信号形成部３５は、生成した信号をドライブ回路３６へ送る。なお、ＵＨ信号、ＶＨ信号、およびＷＨ信号は、インバータ回路２の上アームを動作させるための信号である。ＵＬ信号、ＶＬ信号、およびＷＬ信号は、インバータ回路２の下アームを動作させるための信号である。ＵＨ信号、ＶＨ信号、およびＷＨ信号は、互いに例えば１２０度の位相差を有する。ＵＬ信号、ＶＬ信号、およびＷＬ信号は、互いに例えば１２０度の位相差を有する。

ＵＨ信号は、ドライブ回路３６の第１の上アーム駆動回路３６ａに入力される。第１の上アーム駆動回路３６ａは、ＵＨ信号に基づき、スイッチング素子Ｑ１のゲートをオンまたはオフにする。ＵＬ信号は、ドライブ回路３６の第１の下アーム駆動回路３６ｂに入力される。第１の下アーム駆動回路３６ｂは、ＵＬ信号に基づき、スイッチング素子Ｑ２のゲートをオンまたはオフにする。ＶＨ信号は、ドライブ回路３６の第２の上アーム駆動回路３６ｃに入力される。第２の上アーム駆動回路３６ｃは、ＶＨ信号に基づき、スイッチング素子Ｑ３のゲートをオンまたはオフにする。ＶＬ信号は、ドライブ回路３６の第２の下アーム駆動回路３６ｄに入力される。第２の下アーム駆動回路３６ｄは、ＶＬ信号に基づき、スイッチング素子Ｑ４のゲートをオンまたはオフにする。ＷＨ信号は、ドライブ回路３６の第３の上アーム駆動回路３６ｅに入力される。第３の上アーム駆動回路３６ｅは、ＷＨ信号に基づき、スイッチング素子Ｑ５のゲートをオンまたはオフにする。ＷＬ信号は、ドライブ回路３６の第３の下アーム駆動回路３６ｆに入力される。第３の下アーム駆動回路３６ｆは、ＷＬ信号に基づき、スイッチング素子Ｑ６のゲートをオンまたはオフにする。

インバータ回路２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を選択的にオンとオフにすることで、モータ１の三相コイルに通電を行い、モータ１の回転部を回転させることができる。例えば、スイッチング素子Ｑ１及びＱ４をオンにすることにより、モータ電圧Ｖｍに基づく電流がスイッチング素子Ｑ１，Ｕ相コイル、スイッチング素子Ｑ４の順に流れる。また、スイッチング素子Ｑ３及びＱ６に通電を行うことにより、モータ電圧Ｖｍに基づく電流がスイッチング素子Ｑ３、Ｖ相コイル、スイッチング素子Ｑ６の順に流れる。また、スイッチング素子Ｑ５及びＱ２に通電を行うことにより、モータ電圧Ｖｍに基づく電流がスイッチング素子Ｑ５、Ｗ相コイル、スイッチング素子Ｑ２の順に流れる。

ブートストラップコンデンサＣ１は、スイッチング素子Ｑ１がオンになるタイミングで放電される。ブートストラップコンデンサＣ２は、スイッチング素子Ｑ３がオンになるタイミングで放電される。ブートストラップコンデンサＣ３は、スイッチング素子Ｑ５がオンになるタイミングで放電される。

一方、ブートストラップコンデンサＣ１は、スイッチング素子Ｑ２がオンになるタイミングで充電される。ブートストラップコンデンサＣ２は、スイッチング素子Ｑ４がオンになるタイミングで充電される。ブートストラップコンデンサＣ３は、スイッチング素子Ｑ５がオンになるタイミングで充電される。なお、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がオンになるタイミングは１２０度の位相差を有するため、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３は、１２０度周期で充電される。

以上のようにインバータ回路２が動作することにより、モータ１の回転部は、速度指令電圧Ｖｓｐに応じた回転速度で回転を行う。

図４は、本実施の形態にかかるモータ１の運転動作及びブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電動作を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は、位置検出部３８から出力される回転位置信号であり、ＨＩＧＨ期間がセンサ４でマグネットの磁束を検出した期間を示している。図４（ｂ）は、充電制御部３９から出力される充電制御信号であり、ＨＩＧＨ期間がブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行う期間である。図４（ｃ）は、速度指令電圧Ｖｓｐを示す。

図４において、空気調和機の室内機は、リモートコントローラ等から、電源をオフからオンに切り換える命令を含む信号を受けると、外部コントローラへ動作命令を送る。外部コントローラは、動作命令を受けると、速度指令電圧ＶｓｐをモータユニットのＶｓｐ入力端子４０へ印加する（タイミングｔ１）。

タイミング制御部３４は、速度指令電圧Ｖｓｐと基準電圧Ｖｔｈとを比較し、速度指令電圧Ｖｓｐが基準電圧Ｖｔｈを超えたと判断すると、下アーム（図２に示すスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）をオンにして、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を開始する（タイミングｔ２）。

タイミング制御部３４は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を開始するタイミングｔ２から計時を行う。タイミング制御部３４は、タイミングｔ２から予め設定されている所定時間Ｔが経過すると、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を停止させる（タイミングｔ３）。

タイミング制御部３４は、タイミングｔ３以降、インバータ回路２に対してインバータ制御を実行させる。インバータ回路２は、タイミングｔ３以降、インバータ制御を実行して、モータ１の運転を開始させる。

〔２ー２．負荷が外部要因で回転したときのモータユニットの動作〕
空気調和機の室外機は、屋外に設置されていることが多い。このような室外機では、モータが運転をしていないときに風等がインペラ（負荷）に吹き付けると、インペラが回転することがある。モータ１が運転をしていない状態でインペラが外部要因（風等）によって回転すると、インペラに連結されているモータ１の回転部が回転する。回転部が回転すると、モータ１の静止部に回生電圧が発生する。

本実施の形態では、図３に示すように、速度指令電圧Ｖｓｐを監視するステップ（Ｓ２）と、モータ１の回転周波数ｆを監視するステップ（Ｓ３）とを含むことを、特徴の一つとしている。すなわち、本実施の形態では、速度指令電圧Ｖｓｐが基準電圧Ｖｔｈ以上で、モータ１の回転周波数ｆが基準周波数ｆｔｈよりも高いとき、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行わない。つまり、外部要因によりインペラが回転している状態で、速度指令電圧Ｖｓｐが印加されるとき、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電は行わない。このような構成とすることで、インペラが外部要因（風等）によって回転している状態で、モータ１を運転させる際、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３が充電されないため、インバータ回路２の電圧が大幅に上昇することを防ぐことができる。

例えば、速度指令電圧Ｖｓｐを監視するステップが無いフローでは、インペラが外的要因によって回転しているときにモータユニットに速度指令電圧Ｖｓｐが印加され、速度指令電圧Ｖｓｐが基準電圧Ｖｔｈを超えると、ブートストラップコンデンサの充電が行われる。ブートストラップコンデンサの充電が行われるときは、下アーム（図２に示すスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）がオンとなる。下アームがオンになると、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のノード、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４のノード、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６のノードにおける電圧が上がり、回転している回転部にブレーキがかかる。このとき、外部要因によって回転している回転部の回転速度が高い場合、モータ１の静止部には、高い値の回生電圧がかかり、インバータ回路２のモータ電圧Ｖｍが高くなる。モータ電圧Ｖｍがインバータ回路２の耐圧を超えてしまうと、スイッチング素子が破損してしまう可能性がある。

〔２ー３．モータが外部要因で停止したときのモータユニットの動作〕
モータユニットが運転をしているときに、モータユニットへの給電が遮断された場合、速度指令電圧Ｖｓｐ、制御用電圧Ｖｃｃ、およびモータ電圧Ｖｍが急激に低下する。

本実施の形態では、図３に示すように、速度指令電圧Ｖｓｐを監視するステップ（Ｓ２）と、モータ１の回転周波数ｆを監視するステップ（Ｓ３）とを含むことを、特徴の一つとしている。すなわち、本実施の形態では、速度指令電圧Ｖｓｐが基準電圧Ｖｔｈ以上で、モータ１の回転周波数ｆが基準周波数ｆｔｈよりも高いとき、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行わない。このような構成とすることで、速度制御信号Ｖｓｐが印加されているときに、モータユニットへの給電が遮断されてモータ１の回転部が慣性等により回転しているとき、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行わない。したがって、インバータ回路２の電圧が大幅に上昇することを防ぐことができる。

例えば、速度指令電圧Ｖｓｐを監視するステップ、およびモータ１の回転周波数ｆを監視するステップが無いフローでは、モータ１が運転をしているときに給電が遮断され、速度指令電圧Ｖｓｐが充電動作レベルまで低下すると、ブートストラップコンデンサの充電が行われる。ブートストラップコンデンサの充電が行われるときは、下アーム（図２に示すスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）がオンとなる。下アームがオンになると、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のノード、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４のノード、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６のノードの電圧が高くなり、モータ１の回転部にブレーキがかかる。このとき、ブレーキがかかる直前の回転部の回転速度が高い場合、モータ１の静止部に発生する回生電圧が高くなる。回生電圧が高くなると、インバータ回路２のモータ電圧Ｖｍが高くなる。モータ電圧Ｖｍがインバータ回路２の耐圧を超えてしまうと、スイッチング素子が破損してしまう可能性がある。

〔３．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態にかかるモータユニットは、駆動フローに、速度指令電圧Ｖｓｐを監視するステップ（Ｓ２）と、モータ１の回転部の回転周波数ｆを監視するステップ（Ｓ３）とを含む。モータユニットは、速度指令電圧Ｖｓｐが基準電圧Ｖｔｈ以上で、回転周波数ｆが基準周波数ｆｔｈ未満のときに、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行う。このような構成とすることにより、モータ１に連結されたインペラ等の負荷が風等の外部要因で回転しているときに速度指令電圧Ｖｓｐが印加されたとしても、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行わないため、モータ１に高い回生電圧が発生することを防止できる。したがって、インバータ回路２における電圧の上昇を防ぐことができ、インバータ回路２に含まれるスイッチング素子の破損を防止できる。

また、モータ１が運転中に給電が遮断され、速度指令電圧Ｖｓｐが急激に低下したとしても、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電を行わないため、モータ１に高い回生電圧が発生することを防止できる。したがって、インバータ回路２における電圧の上昇を防ぐことができ、インバータ回路２に含まれるスイッチング素子の破損を防止できる。

また、本実施の形態において、タイミング制御部３４は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電時間を監視するタイマーを備える。これにより、タイミング制御部３４は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３への充電動作を、所定時間に限定して行うため、消費電力を低減することができる。

なお、本実施の形態では、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電時間を１．５ミリ秒としたが、この値はブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の容量を１マイクロファラッド（一例）としたときの必要充電量を確保するために必要な最短時間である。必要充電量は、満充電に限らず、消費電力の低下を抑えるために充電時間を意図的に短く（例えば０．５ミリ秒等）してもよい。

また、本実施の形態では、モータ１の回転部の回転周波数を検出するためにセンサ４を用いたが、モータ１で発生する誘起電圧を検出して回転部の回転周波数を検出する構成としてもよい。図５は、本実施の形態にかかるモータユニットの変形例を示す。図５に示すモータユニットは、図１に示すモータユニットにさらに検出回路４１を備える。検出回路４１は、モータ１で発生する誘起電圧を検出できる。検出回路４１は、検出した誘起電圧の値を位置検出部３８へ送る。位置検出部３８は、検出回路４１から送られる誘起電圧の値から誘起電圧の周波数を検出する。位置検出部３８は、誘起電圧の周波数をタイミング制御部３４へ送る。タイミング制御部３４は、誘起電圧の周波数と基準電圧周波数とを比較する。タイミング制御部３４は、誘起電圧の周波数が基準電圧周波数よりも低い場合、モータ１の回転部が停止していると判断する。タイミング制御部３４は、判断結果を、図３における判断ステップＳ３の判断基準として用いる。

また、制御回路３は、ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３の充電量が所定値未満である場合、各ブートストラップコンデンサＣ１〜Ｃ３に接続されたコイルへの給電を行わない構成としてもよい。このような構成は、低電圧保護回路を備えることで実現することが可能となる。

また、モータ駆動回路は、制御回路３を備えるパッケージＩＣと、インバータ回路２を含むパッケージＩＣとを備える構成とすることができる。また、モータ駆動回路は、インバータ回路２と制御回路３とを含むパッケージＩＣを備えることができる。また、モータ駆動回路は、三角波発振回路３１、比較器３２、ＰＷＭ信号生成部３３、タイミング制御部３４、通電信号形成部３５、比較器３７、位置検出部３８、および充電制御部３９を含むパッケージＩＣと、インバータ回路２及びドライブ回路３６を含むパッケージＩＣとを備える構成とすることができる。すなわち、インバータ回路２と、制御回路３に含まれる構成とは、任意の組み合わせでＩＣにパッケージすることができる。

また、モータ駆動回路が実装される基板は、モータ１の内部に配置されていてもよいし、モータ１の外面に支持されていてもよいし、モータ１から独立していてもよい。

本発明は、モータ駆動回路、およびそれを備えるモータユニットに有用である。

１ モータ
２ インバータ回路
３ インバータ制御回路
４ センサ
３１ 三角波発振回路
３２ 比較器
３３ ＰＷＭ信号生成部
３４ タイミング制御部
３５ 通電信号形成部
３６ ドライブ回路
３７ 比較器
３８ 位置検出部
３９ 充電制御部
４０ Ｖｓｐ入力端子
４１ 検出回路

Claims (10)

1. モータに備わるコイルに電力を供給するインバータ回路と、
   制御回路と、を備え、
   前記インバータ回路は、
   モータ電圧が印加される端子と前記コイルとの間に接続される上アーム側スイッチング素子と、
   前記上アーム側スイッチング素子とグランドとの間に接続される下アーム側スイッチング素子と、を備え、
   前記制御回路は、
   外部から入力される速度指令電圧と前記検出信号とを参照して、前記インバータ回路に含まれるスイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるスイッチング制御部と、
   前記上アーム側スイッチング素子を駆動するための電力を蓄電可能なブートストラップコンデンサと、を備え、
   前記スイッチング制御部は、前記速度指令電圧が所定電圧以上のときに、所定時間、前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する、
   モータ駆動回路。
2. 請求項１に記載のモータ駆動回路であって、
   前記スイッチング制御部は、前記モータの回転周波数を算出し、前記回転周波数と所定回転周波数とを比較し、前記回転周波数が前記所定回転周波数未満のときに前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する、モータ駆動回路。
3. 請求項１に記載のモータ駆動回路であって、
   前記スイッチング制御部は、前記モータの誘起電圧を参照して回転周波数を算出し、前記回転周波数と所定回転周波数とを比較し、前記回転周波数が前記所定回転周波数未満のときに前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する、モータ駆動回路。
4. 請求項１に記載のモータ駆動回路であって、
   前記スイッチング制御部は、
   前記速度指令信号からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ信号のタイミングを調整するタイミング制御部と、
   前記タイミング制御部から出力されるＰＷＭ信号を参照して通電信号を生成する通電信号形成部と、
   前記通電信号を用いて前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるドライブ回路と、を備える、モータ駆動回路。
5. 請求項４に記載のモータ駆動回路であって、
   前記ドライブ回路は、
   前記上アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換える上アーム側スイッチング制御回路と、
   前記下アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換える下アーム側スイッチング制御回路と、
   前記ブートストラップコンデンサと、を備える、モータ駆動回路。
6. モータと、インバータ回路と、制御回路とを備え、
   前記モータは、
   コイルを備える静止部と、
   前記静止部に回転可能に支持される回転部と、を備え、
   前記インバータ回路は、
   モータ電圧が印加される端子と前記コイルとの間に接続される上アーム側スイッチング素子と、
   前記上アーム側スイッチング素子とグランドとの間に接続される下アーム側スイッチング素子と、を備え、
   前記制御回路は、
   外部から入力される速度指令電圧と前記検出信号とを参照して、前記インバータ回路に含まれるスイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるスイッチング制御部と、
   前記上アーム側スイッチング素子を駆動するための電力を蓄電可能なブートストラップコンデンサと、を備え、
   前記スイッチング制御部は、前記速度指令電圧が所定電圧以上のときに、所定時間、前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する、
   モータユニット。
7. 請求項６に記載のモータユニットであって、
   前記モータは、前記回転部の回転位置を検出し、検出信号を出力する位置検出部を備え、
   前記スイッチング制御部は、前記検出信号を用いて回転周波数を算出し、前記回転周波数と所定回転周波数とを比較し、前記回転周波数が前記所定回転周波数未満のときに前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する、モータユニット。
8. 請求項６に記載のモータユニットであって、
   前記静止部で発生する誘起電圧を検出する誘起電圧検出部を、さらに備え、
   前記スイッチング制御部は、前記誘起電圧検出部で検出された誘起電圧を用いて回転周波数を算出し、前記回転周波数と所定回転周波数とを比較し、前記回転周波数が前記所定回転周波数未満のときに前記ブートストラップコンデンサの充電を実行する、モータユニット。
9. 請求項６に記載のモータユニットであって、
   前記スイッチング制御部は、
   前記速度指令信号からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ信号のタイミングを調整するタイミング制御部と、
   前記タイミング制御部から出力されるＰＷＭ信号を参照して通電信号を生成する通電信号形成部と、
   前記通電信号を用いて前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換えるドライブ回路と、を備える、モータユニット。
10. 請求項９に記載のモータユニットであって、
    前記ドライブ回路は、
    前記上アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換える上アーム側スイッチング制御回路と、
    前記下アーム側スイッチング素子をオンまたはオフに切り換える下アーム側スイッチング制御回路と、
    前記ブートストラップコンデンサと、を備える、モータユニット。

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