JP2021097445A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ制動運転時に制動回路の負荷を軽減しモータの発熱を抑えることが可能なモータ駆動装置を提供する。【解決手段】直流電源に並列に接続されて電源電圧を平滑化するキャパシタ１１が制動回路８と第一スイッチング素子７を介して接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばブラシレスモータを使用してモータ制動運転時にモータの発熱を抑えることが可能なモータ駆動装置に関する。

例えばブラシレスモータを回転駆動するモータ駆動回路は、電源電圧（直流電圧）が印加されるパワーライン間に、直列に接続される二つのスイッチング素子間をモータの巻線に接続した複数のアームを介装した駆動回路を備え、各アームのスイッチング素子を開閉動作させることで、モータを駆動するようにしている。上記モータ駆動回路には、各アームと電源との間に介装したリレーと、各アームの両端に接続されて上記巻線を短絡するバイパスと、バイパスの途中に設けた短絡用スイッチング素子と、を備えている。

フェール動作時には、リレーを開動作させるとともに短絡用スイッチング素子を閉動作させて、バイパスで巻線を短絡させモータを制動させている。このフェール動作時に短絡用スイッチング素子を保護して確実にフェール動作を行うために特許文献１に示すモータ駆動回路が提案されている。

モータ駆動回路と、パワーライン間に電源に並列に接続されて電源電圧を平滑化するキャパシタと、パワーライン間と電源との間に介装した電源スイッチと、パワーライン間に介装されて巻線を短絡するバイパスと、バイパスの途中に設けられた短絡用スイッチング素子とを備え、フェール動作時に電源スイッチを開くとともに短絡用スイッチング素子を閉動作させてモータの巻線を短絡させ、電源スイッチの開動作に遅延させて短絡用スイッチング素子を閉動作させるとともに、少なくとも電源スイッチが開動作してから短絡用スイッチング素子を閉動作するまではモータを界磁制御する。これにより、短絡用スイッチング素子が閉動作してバイパスにて巻線を短絡するまでの間に、モータを界磁制御するので、キャパシタの放電が進んで短絡用スイッチング素子へ過電流が流れ込むことが阻止され、短絡用スイッチング素子の破壊が防止され、フェール動作を確実に行って、モータを巻線の短絡による制動トルクで停止させることができる（特許文献１：特開２０１１−１５１８７９号公報参照）。

特開２０１１−１５１８７９号公報

フェール動作時に電源スイッチを開くとともに短絡用スイッチング素子を閉動作させてモータの巻線を短絡させるとその短絡経路にパワーライン間にキャパシタが電源に並列に接続されているため、キャパシタが有するエネルギーも制動回路に流れ込むことになり、制動回路の負荷が大きくなり、電流を抵抗器等で制限している場合にはモータの制動力が低下する。
また、例えばブロワ用モータなどのように、高速回転とそれより減速した低速回転とを交互に繰り返し運転する場合、モータコイルに流れる電流量が多くなり、モータの発熱を抑えることができない。

本発明はこれらの課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、モータ制動運転時に制動回路の負荷を軽減しモータの発熱を抑えることが可能なモータ駆動装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
コントローラの指令によりインバータ回路を通じて三相モータコイルのうちいずれか二相コイルに通電方向を切り替えて通電するモータ駆動回路であって、モータに直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源とモータコイルに対して直列に接続されるハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を複数有しいずれか二相コイルと接続される前記インバータ回路と、前記直流電源と前記インバータ回路の接続をスイッチング制御する第一スイッチング素子と、前記インバータ回路の前記ハイサイドスイッチング素子と直列に接続された第二スイッチング素子と、前記インバータ回路の前記ハイサイドスイッチング素子とグラウンド電位間に第二スイッチング素子と抵抗素子が直列接続された制動回路と、を備え、前記直流電源に並列に接続されて電源電圧を平滑化するキャパシタは前記制動回路と前記第一スイッチング素子を介して接続されていることを特徴とする。
これにより、コントローラは、モータの制動動作を実行する際に、第一スイッチング素子をオフしてモータへの電源供給を遮断し、第二スイッチング素子をオンすると、モータ電流が逆向きに流れて第二スイッチング素子を介して制動回路に流れ、モータには逆転トルクが作用し制動力が発生する。このとき、第一スイッチング素子がオフしているため、制動回路には、キャパシタに蓄積されたエネルギーが放出されることはないので制動回路の負荷が減り、モータコイルに過大な電流が流れることもないので、モータの発熱を抑えることができる。

前記キャパシタは、前記直流電源と第一スイッチング素子のコレクタ側端子との間に接続されていると、第一スイッチング素子がオフすれば、キャパシタの有するエネルギーが制動回路へ放出されることはなくなり制動回路の負荷を軽減することができる。

前記コントローラは、ブレーキ動作時に前記第一スイッチング素子をオフし前記第二スイッチング素子をオンすることによりモータへの電源供給を遮断し、前記モータコイルに生じた誘起電圧に基づく誘導電流を、前記インバータ回路のハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を逆向きに流れて前記制動回路の抵抗素子を通じて流すことが好ましい。
これにより、モータコイルで発生した誘導起電力による誘導電流をハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を逆流させて第二スイッチング素子を介して制動回路の抵抗素子を通じてグラウンド側に流すことで、モータコイルに過大な電流が流れることはないので、モータの発熱を抑えることができる。

上述したモータ駆動装置を用いれば、モータ制動動作時に制動回路の抵抗でエネルギーを消費させモータコイルに過大な電流が流れずモータの発熱を抑えることができる。

モータ駆動装置のブロック構成図である。 図１のインバータ回路の要部及び制動回路の説明図である。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。モータ駆動装置は、一例として三相ブラシレスモータの駆動装置を例示して説明する。
先ず、モータ駆動装置の概略構成について、図１のブロック構成図を参照して説明する。直流電源１は、コントローラ２やスイッチ回路３（第一スイッチング素子７及び第二スイッチング素子９）に直流電源Ｖｃｃを供給する。コントローラ２は、ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）等が用いられ、インバータ回路４のスイッチング素子にコマンドを出力し、インバータ回路４は三相モータコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のうち、いずれか二相コイルに通電方向を切り替えて通電する。モータ５は、三相ブラシレスモータが用いられる。モータコイルは、スター結線されたもの或いはデルタ結線されたものが用いられる。モータ５には、ホールセンサ等の回転検出センサ６が設けられ、回転子の位置と速度が検出される。回転検出センサ６の検出結果はコントローラ２に出力される。コントローラ２は、回転子位置に基づいて、インバータ回路４を通じてモータコイルに対して回転子の回転を付勢するように通電切り替えを行う。

ここで、図２を参照してインバータ回路４の構成と制動回路８の構成について説明する。インバータ回路４は、直流電源１とモータコイルに対して直列に接続される一対のハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３及びローサイドスイッチング素子４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３を複数組有している。コントローラ２はインバータ回路４のハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３及びローサイドスイッチング素子４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３をスイッチング制御することで、いずれか二相のモータコイルが直列に接続されるようになっている。

コントローラ２は、回転検出センサ６の回転子の位置情報に応じていずれか一対のハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３及びローサイドスイッチング素子４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３をオンオフすることで三相モータコイルのいずれか二相のモータコイルに通電するようになっている。ハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３とローサイドスイッチング素子４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３はトランジスタやＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等が用いられる。直流電源１とインバータ回路４はスイッチ回路３（第一スイッチング素子７）を介して接続されている。コントローラ２は、第一スイッチング素子７をオンし第二スイッチング素子９をオフしたままインバータ回路４を通じていずれか二相のモータコイルへ通電する（図２の実線矢印Ａ参照）。また、第一スイッチング素子７をオフし第二スイッチング素子９をオンすると、後述するようにモータ５側から制動回路８へ通電可能となる（図２の破線矢印Ｂ参照）。

制動回路８は、スイッチ回路３の一部（第二スイッチング素子９）を用いている。即ち、スイッチ回路３において、第一スイッチング素子７と直列に接続された第二スイッチング素子９を用いている。インバータ回路４のハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３とグラウンド電位間に第二スイッチング素子９と抵抗素子１０が直列接続されている。図２では第二スイッチング素子９のコレクタ側端子は、インバータ回路４のハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３と直列に接続されている。また、第二スイッチング素子９のエミッタ側端子とグラウンド電位間には抵抗素子１０が直列に接続されている。尚、制動回路８の他例として、インバータ回路４のハイサイドスイッチング素子４ａ１，４ａ２，４ａ３と抵抗素子１０が直列に接続され、抵抗素子１０と第二スイッチング素子９のコレクタ側端子が直列に接続されていてもよい。上記第一スイッチング素子７や第二スイッチング素子９にはトランジスタやＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等が用いられる。

直流電源１に並列に接続されて電源電圧（Ｖｃｃ）を平滑化するキャパシタ１１は、制動回路８と直接接続されておらず第一スイッチング素子７を介して接続されている。具体的には、直流電源１と第一スイッチング素子７のコレクタ側端子との間に接続されている。これにより、第一スイッチング素子７がオフすれば、キャパシタ１１の有するエネルギーが制動回路８へ放出されることはなくなり、制動回路８の負荷を軽減することができる。

コントローラ２は、モータ５に対してブレーキ動作をするとき、第一スイッチング素子７をオフし第二スイッチング素子９をオンする。モータ５に対する電源供給を遮断し、インバータ回路４は通常通りスイッチング動作している。このため、コントローラ２による回転検出センサ６の検出信号に基づきインバータ回路４を動作させると、モータコイルに誘導起電力が発生しモータ５側の電位が高くなるため、第一スイッチング素子７がオンしていたときと逆向きの電流が流れる。

例えば、図２において第一スイッチング素子７がオンし第二スイッチング素子９がオフしていたときに、ハイサイドスイッチング素子４ａ２、モータ５、ローサイドスイッチング素子４ｃ１を経て実線矢印Ａ方向に流れていたモータ電流が、第一スイッチング素子７がオフし第二スイッチング素子９がオンすると、破線矢印Ｂ方向にモータ５を逆向きに流れ出し、ローサイドスイッチング素子４ｃ１、モータ５、ハイサイドスイッチング素子４ａ２を経て第二スイッチング素子９を通じて抵抗素子１０に向かう制動回路８に電流が流れ、回転子には逆転トルクが作用しモータ５に制動力が発生する。このように、モータ５への電源供給の遮断によりモータコイルに生ずる逆起電力を、主としてモータコイル及び抵抗素子１０への通電による発熱により消費させる。

このとき、第一スイッチング素子７がオフしているため、制動回路８には、キャパシタ１１に蓄積されたエネルギーが放出されることはないので制動回路８の負荷が減り、モータコイルに過大な電流が流れることもないので、モータ５の発熱を抑えることができる。
例えば、ブロワモータ等で回転数が40,000(rpm)を超える運転から10,000(rpm)程度の運転のように加減速を交互に切り替えて運転する場合に、モータ５の発熱を２０℃程度抑えることができた。
尚、インバータ回路４に設けられたスイッチング素子、スイッチ回路３に設けられたスイッチング素子は、トランジスタが用いられるが、ＦＥＴやＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの他のスイッチング素子でもよい。

１ 直流電源 ２ コントローラ ３ スイッチ回路 ４ インバータ回路 ４ａ１，４ａ２，４ａ３ ハイサイドスイッチング素子 ４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３ ローサイドスイッチング素子 ５ モータ ６ 回転検出センサ ７ 第一スイッチング素子 ８ 制動回路 ９ 第二スイッチング素子 １０ 抵抗素子 １１ キャパシタ

Claims (3)

1. コントローラの指令によりインバータ回路を通じて三相モータコイルのうちいずれか二相コイルに通電方向を切り替えて通電するモータ駆動回路であって、
   モータに直流電圧を供給する直流電源と、
   前記直流電源とモータコイルに対して直列に接続される一対のハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を複数有し、いずれか二相のモータコイルと接続される前記インバータ回路と、
   前記直流電源と前記インバータ回路の接続をスイッチング制御する第一スイッチング素子と、
   前記インバータ回路の前記ハイサイドスイッチング素子とグラウンド電位間に第二スイッチング素子と抵抗素子が直列接続された制動回路と、を備え、
   前記直流電源に並列に接続されて電源電圧を平滑化するキャパシタは、前記制動回路と前記第一スイッチング素子を介して接続されていることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記キャパシタは、前記直流電源と第一スイッチング素子のコレクタ側端子との間に接続されている請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記コントローラは、ブレーキ動作時に前記第一スイッチング素子をオフし前記第二スイッチング素子をオンすることによりモータへの電源供給を遮断し、モータコイルに生じた誘起電圧に基づく誘導電流を、前記インバータ回路のハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を逆向きに流れて前記制動回路の抵抗素子を通じて流す請求項１又は請求項２記載のモータ駆動装置。

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