JP3105727U - プログラマブル快速モータートルクコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】 モデュレーション・チップの快速・安全性及びマイクロ・コントロールユニットの省電力でプログラマブルという二重の長所を結合したプログラマブル快速モーター・トルクコントローラを提供すること。
【解決手段】 主とし通常スイッチング・パワーサプライに使用される電流型モデュレーション・コントローラを利用してモーターの運転電流に対して即時にハードウェア制御を行い、マイクロ・コントロールユニットを制御のインターフェースとし、比較器及び関連アナログ電気回路の使用を経由して、モーターの即時電流とマイクロ・コントロールユニット命令の差異を、電流制限型コントローラの転換スイッチの出力信号によって、更にモスフェット・スイッチの部品を制御し、モーターの実際運行電流をコントロールして、デジタル信号処理機の10分の１に近い代価で、デジタル信号処理機に近似した機能を持たせる。
【選択図】 図２

Description

本考案はプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ、特にパルスワイズ・モデュレーション・チップ(PWM IC)によって快速・即時に制御する特性及びマイクロ・コントロールユニット(MCU)のプログラマブル信号出力を巧みに結合することによって、省電力・快速・安全・信頼性を達成することのできるプログラマブル快速モーター・トルクコントローラに関する。

現行のモーター・コントローラは、電力転換の損失を節減するため、既に全面的にパルスワイズ・モデュレーション・コントローラ(Pulse Width Modulation Controller)に置き換えられている。このパルスワイズ・モデュレーション・コントローラは、通常パルスワイズ・モデュレーション・チップ(ＰＷＭ ＩＣ)によって、パルスワイズ・モデュレーション・ジェネレータ(ＰＷＭ Generator)を持つマイクロ・コントロールユニット(ＭＣＵ)又はデジタル信号処理機(ＤＳＰ)を備えている。

既存の技術や部品には、何らかの欠点或いは制限がある。以下に現行システムの欠点について説明する。

（１）パルスワイズ・モデュレーション・チップ(ＰＷＭ ＩＣ)を使用することは最も直接的なやり方であり、電力電子学の進歩によって、現在のモデュレーション・チップは、モデュレーション周波数を５００ＫＨｚに高めるだけでなく、更に内部搭載のフィードバック制御混合回路によって基本的な定電圧・定電流の出力制御を提供でき、又一部のモデュレーション・チップには、ゲートの高圧ドライバ及び参考電圧入力の制御機能を内蔵している。
しかしこのようなモデュレーション・チップは、設計段階で既にサポート可能な機能が定義され、特殊なニーズに対応して適当な機能を修正して定義することはできない。
例えば、電気自転車に使用する場合において、モーターが動力を出力しない時、モーターの電流回路を切断するような電子スイッチを定義しようとする場合、現行のモデュレーション・チップではこのような簡単な機能ですら達成できない。
更に、ゲートの高圧ドライバ及び参考電圧入力の制御機能を内蔵したモデュレーション・チップは、価格面でも無理なことが多い。

（２）パルスワイズ・モデュレーション・ジェネレータ(ＰＷＭ Generator)によるマイクロ・コントロールユニット(ＭＣＵ)を使用する、現行のマイクロ・コントロールユニットは、既にモデュレーション・ジェネレータを内蔵し、限られた範囲で、モーター出力制御を行うことができるが、しかしこの種のマイクロ・コントロールユニットは、それ自体の演算速度に制限されて、モーターの実際の電流状態に対応して快速で有効な即時制御を行うことができず、往々にしてモデュレーション回路の効率を下げるのみならず、電力システムのスイッチングをトーンの範囲に(＜２０ＫＨｚ)おいて行わざるをえないので、電力スイッチングシステム及びモーターにおいて騒音や高熱を発生させている。

（３）パルスワイズ・モデュレーション・ジェネレータ(ＰＷＭ Generator)によるデジタル信号処理機(ＤＳＰ)を使用する、現在僅か少数のメーカーがこのように快速なモーター専用デジタル信号処理機を提供できるが、使用されている数は非常に少なく、価格面でもはやはり無理がある。
更に、制御状態に対して快速な調変を提供するためには、デジタル信号処理機はきわめて高い運転速度において作動しなければならず、低電力消費の設計には不適である。

（４）モーター逆転時のトルク問題がある。図１に示すように、現行モーター制御器の構造では、モーター１１の二つの入力側にフリーホイール・ダイオード１０(Free Wheeling Diode)をつけてモーター１１のインダクタンス電流のドレイン回路を提供し、その他の部品が電圧によって損傷することを避けなければならない。
しかしこのことは前記フリーホイール・ダイオード１０がモーター１１において反転する時、順方向導通状態となり、強力なブレーキ効果を形成する、この現象が電気自転車又はバイクにおいてバック運転を困難にするという問題がある。

このように上述の従来の物品には多くの欠点があり、良い設計とは言い難く、改良が待たれていた。
本考案者は、上記従来のモーター・トルクコントローラに派生する各項の欠点に鑑みて新規改良を試み、長年の苦心研鑚の末、ついに本案のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラの研究開発に成功した。

本考案の目的は、モデュレーション・チップの快速・安全性及びマイクロ・コントロールユニットの省電力でプログラマブルという二重の長所を結合したプログラマブル快速モーター・トルクコントローラを提供することにある。
本考案のもう一つの目的は、内蔵電源回路のスイッチを通じてモーター運転の抵抗を下げる効果を達成できるプログラマブル快速モーター・トルクコントローラを提供することにある。

上述の新規目的を達成できるプログラマブル快速モーター・トルクコントローラは、主として電流制限型コントロール・チップ(ＰＷＭ ＩＣ)の快速・安全性及びマイクロ・コントロールユニットの省電力でプログラマブルという二重の長所を結合して、新しいモーター制御回路を構成し、且つデジタル信号処理機の１０分の１に近い代価で、デジタル信号処理機に近似した機能性を達成することが出来る。
前記マイクロ・コントロールユニットは直接電子ゲートのスイッチ（Ｎ型金属・酸化膜・半導体電界効果トランジスタ、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ)を直接制御するのではなく、プログラムの運営によって、内蔵のパルスワイズ・モデュレーション・ジェネレータ(ＰＷＭ Generator)が電流制御に必要なパルス幅を送り出し、且つ快速電流比較器の中においてモーター運転中の即時電流と比較し、電流制限型モデュレーション・チップ（ＰＷＭ ＩＣ)の過電流保護回路(Over Current Protection)によって、モデュレーション・チップがモーターに対して引き続き電力を出力するかどうかを制御する。
且つ動力出力の要求がない場合モーターの逆転を切断する一組の電源回路スイッチを内蔵させ、大幅にモーター逆転トルクを下げることが出来る。

本考案の提供するプログラム可能型快速モーター・トルクコントローラは、その他従来の技術と比較した場合、更に下記のような長所がある。
（１）本考案は、モデュレーション・コントロール・チップの快速・安全性及びマイクロ・コントロールユニットの省電力でプログラマブル二重の長所を結合したものである。
（２）本考案は、内蔵された電源回路のスイッチによって、モーター運転抵抗抑制の機能と効果を達成したものである。

以下、図面を参照しながら本考案の最良の形態について説明する。
図２に示すように、本考案の提供するプログラマブル快速モーター・トルクコントローラは、主として、
一組の電流監視回路を内蔵し、電流がマイクロ・レジスタＲ１によって形成された降圧を通じて、即時電流が電流制限点（監視電圧）を超過したかどうかを判断し、もし電流が制限点を超過したことを検出した場合、第一電子ゲート８０の出力を切断する。この監視電圧より確実に高い電圧信号を全閉信号(logic“0”)又はゼロ電圧を全開信号(logic“1”)とした場合、この電流制限信号の入力ゲートを電流制限型コントローラ２のスイッチング動作に利用することができる。且つ全開したモーター３の加速又はトルク漸増モードの下で、第一電子ゲートスイッチ８０が開通する度に最高効率を達成できる。電流制限型コントローラ２のここでの機能が単純であるため、低コスト・省電力で快速なモデュレーション・チップによってこの目的を容易に実現することが出来る電流制限型コントローラ２(ＰＷＭ ＩＣ)と、
デジタル又はアナログ信号の入力によって、マイクロ・コントロールユニット４に外部信号の制御を受けさせ、マイクロ・コントロールユニット４の内部書き込み制御プログラムに基づいて、対応する電流命令４１を生じ、マイクロ・コントロールユニット４に内蔵された中低速パルス・ジェネレータによって、一級下の電流比較器５に対して正確な電流命令４１を出力する。マイクロ・コントロールユニット４の主な機能は、外部指令のニーズを演算し、且つ即時のパルス幅に反応することにあるので、一般の省電力で安価なマイクロ・コントロールユニットを使用できるようなマイクロ・コントロールユニット４と、
モーター３の即時電流３１及び電流命令４１の差異を快速に比較し、毎回のスイッチング周期中に、モーター電流の即時修正を行い、大幅にトルク制御の精度及び効率を高めることの出来る電流比較器５と、
モーター３の電流回路のスイッチとして、モーター３の逆転トルクを釈放する問題を解決するのみならず、モデュレーション・コントローラ２の次のシーケンスの第一電子ゲート８０（Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ）が故障した場合、モーター３に対しても一歩進んだ保護を提供する、前記第二電子ゲート８１には機械式のような電流スイッチ又はリレーにおいて発生し得るスパーキングの問題がなく、一層快速に保護域を超過した電流を切断し、電子製品の信頼性を高めることが出来る。Ｎ−ＭＯＳＦＥＴの長寿特性は尚更現行の機械式電流スイッチ又はリレーでは達成できないものである。尚、前記第二電子ゲート８１はマイクロ・コントロールユニット４によって制御される電源スイッチとよりなる。

前記マイクロ・コントロールユニットは、電流命令があるかどうかによって前記第二電子ゲート８１を開閉するかどうかを決定すると共に、モーター３の使用に対する保護及びモーター３の逆転トルクを釈放する。マイクロ・コントロールユニット４がユーザーのインターフェースから送られてきた電流・トルク命令を受け取った時、内部のプログラムによってパルスワイズ・モデュレーション・ジェネレータの周波数及びパルス幅を決定し、外部電気回路によって電圧型に転換された電流命令４１を通じて電流比較器５の中に入力する。モデュレーション・コントローラ２の第一電子ゲートスイッチ８０がオンしたとき、モーター３の電流は下方のマイクロ・レジスタＲ１によって、瞬間電流に相応する電圧信号を発生する。この瞬間電圧信号は処理された後、電流比較器５のもう一方の側に入力される。これによって、電流比較器はロジック”０”及び”１”の信号によって、快速且つ正確にモーター３の瞬間電流が電流命令４１を満足させているかどうかを表示することが出来る。電流制限型コントローラ２は、モデュレーション・コントローラの基礎的核心であり、瞬間電流の比較結果に基づいて、周期毎のスイッチング・デューティ(Duty)を決定する。使用される制御方式が過電流保護(ＯＣＰ)であるため、一般の快速モデュレーション・チップを使用するだけでよい。

図３は、本考案に係る実施の形態を示す図である、フォト・カプラ６(Photo-coupler)をＮ−ＭＯＳＦＥＴＭ２の信号スイッチの上にブリッジ接続させてマイクロ・コントロールユニット４が電源スイッチ（Ｎ−ＭＯＳＦＥＴＭ２）を制御するインターフェースとしている。前記電流制限型のモデュレーション・コントローラ２は、パソコンのパワーサプライ(PC Power Supply)としてよく使用されるＵＣ３８４２を採用し、マイクロ・コントロールユニット４はただのリンギング(Ringing)出力を備える簡易型マイクロ・コントロールユニット4である。すべてのモデュレーション・コントロール作業はトーン以上の固定周波数において行われ、最大定格電流は５０アンペア以上、効率は９５％以上に達すことが出来る。

若し、外部電圧信号を電流命令とした場合、図４において見られるように、電圧の変位量を差し引いた後、モーター３に入力される電流は殆ど等比例の方式で入力電圧に従う。
若しマイクロ・コントロールユニット４のプログラムの中に、ソフト・スタート(Soft Start)の機能を付け加えると、急激に上昇するモーター電流命令を受け取った場合、前記電流は段階式に上方へ調整されるはずであり、図５に見られるように、モーターの電流変化曲線は、予想された通り、段階式に漸増している。これによってわかるように、この電気回路の構成は確かにモーターのドライブシステムの効率及び性能を改善でき、且つ簡単な方式及びより低いコストで達成することが出来る。

更に図６は、本考案に係るもう一つの電気回路の構成図であり、三相ブラシレス直流モーター７の制御に使用され得るもので、前の例と異なるところは、ただ三相モーター７では三相電流供給の位相転換を考慮すべきことで、プログラム化されたロジック演算によって、三組の電子ゲート８２(Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ)のスイッチング時間を決定するが、上端電子ゲート８２１のスイッチング・デューティ(switching duty)は、やはり電流検出回路が電流制御器２へフィードバックした指令に従う、このようにして三相ブラシレス・モーター７の電流制御を順次完成することが出来る。
上記の詳細な説明は、本考案の実行可能な一実施例の具体的説明である、ただし前記実施例は本考案の特許請求範囲を制限するものではなく、凡そ本考案の技術精神を逸脱しない同等の効果の実施又は変更は、すべて本考案の請求の範囲内にあるものとする。

従来のモーター・トルクコントローラの電気回路構成図である。 本考案のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラの電気回路構成図である。 本考案のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラの応用実例図である。 本考案のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラのモーター入力電圧及び電流曲線図である。 本考案のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラのモーター入力電圧及び電流曲線図である。 本考案のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラのもう一つの電気回路構成図である。

符号の説明

１ フリーホイール・ダイオード
11 モーター
２ 電流制限型コントローラ
３ モーター
３１ 電流信号
４ マイクロ・コントロールユニット
４１ 電流命令
５ 電流比較器
６ フォト・カプラ
７ 三相モーター
８０ 第一電子ゲート
８１ 第二電子ゲートのスイッチ
８２ 電子ゲート
８２１ 電子ゲート

Claims (8)

1. 電流がマイクロレジスタを通過して形成された降圧によって、即時電流が電流制限点を超過したかどうかを判断し、スイッチング・コントローラの第一電子ゲートのスイッチがオンの時、モーター電流が下方のマイクロレジスタを通過し、瞬間電流に対応する電圧信号を発生させ、この処理された瞬間電圧信号を電流比較器の中に入力することを特徴とする電流制限型コントローラと、
   外部信号により制御され且つマイクロ・コントロールユニット内部に書き込まれた制御プログラムに基づいて、対応する電流命令を生じさせ、前記マイクロ・コントロールユニットがユーザーのインターフェースから送られて来た電流・トルク命令を受け取ると、内部プログラムによってパルスワイズ・モデュレーション・コントローラの周波数及びパルス幅を決定し、外部電気回路を通じて電圧型の電流命令に変換して電流比較器の中に入力することを特徴とするマイクロ・コントロールユニットと、
   モーターの即時電流信号とマイクロ・コントロールユニットの電流命令の差異を快速に比較し、スイッチング周期の期間毎に、モーター電流の即時修正を行い、大幅にトルクコントロールの精度及び効率を向上させることを特徴とする電流比較器と、
   マイクロ・コントロールユニットの制御を受ける電源スイッチを主としてモーター電流回路のスイッチとしたことを特徴とする第二電子ゲートのスイッチと、を含むことを特徴とする、
   プログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
2. 前記電流制限型コントローラには電流制御回路を内蔵したことを特徴とする、請求項１に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
3. 前記電流制限型コントローラの電流制御回路が電流の制限点を超過したことを検出した場合、直ちに第一電子ゲートスイッチの出力を切断し、この監視電圧信号より確実に高い信号をスイッチングの全閉信号(logic“0”)又はゼロ電圧を全開信号(logic“1”)とした場合、この電流制限入力ゲートを電流制限型コントローラのスイッチング動作に利用し、且つモーター加速又はトルク漸増のモードにおいて、第一電子ゲートをスイッチオンする度に最高の効率を達成可能に構成したことを特徴とする、請求項２に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
4. 前記マイクロ・コントロールユニットは、電流命令があるかどうかによって前記第二電子ゲートスイッチをオンするかどうかを決定すると共に、モーターの使用保護及びモーターの逆転トルクを釈放できることを特徴とする、請求項１に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
5. 前記第一・第二電子ゲートスイッチはN-MOSFETであってよいことを特徴とする、請求項１に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
6. 前記第二電子ゲートスイッチは、モーターの逆転トルクを釈放する問題を解決できると共に、スイッチング制御器の次のシーケンスの第一電子ゲートが故障した場合も、モーターの使用に対してさらに一歩進んだ保護を提供することができることを特徴とする、請求項１に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
7. 前記電流比較器は、ロジック”0”と”1”の信号によって、モーターの瞬間電流が電流命令を満足させているかどうかを快速且つ正確に表示することを特徴とする、請求項１に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。
8. 前記モーターが三相ブラシレス直流モーターである場合、三相電流が供給する位相転換を考慮に入れ、プログラム化されたロジック演算によって、３組の電子ゲート開閉時間を決定しなければならないが、上端電子ゲートのスイッチング時間は、やはり電流検出回路が電流制限コントローラにフィードバックする指令に従うことによって、三相ブラシレスモーターの電流制御を順次完成することができることを特徴とする、請求項１に記載のプログラマブル快速モーター・トルクコントローラ。

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