JP3775921B2 - 直流電動機の運転制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ制御による直流電動機の運転制御装置に関するものであり、特に、直流電動機の起動時において、半導体スイッチを動作させるのに必要な電源を得る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流電動機をインバータにより回転数制御を行う場合、複数の半導体スイッチをオン／オフさせながら、直流電動機に加わる電圧を変化させるのが一般的である。
【０００３】
一般に、複数の半導体スイッチをオン／オフさせるためには、それぞれの半導体スイッチに電源が必要である。
【０００４】
近年では、駆動電源には、電源回路の小型化などを目的として、ブートストラップ回路を搭載することが多くなっている。
【０００５】
ブートストラップ回路は、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの高電圧側（上アーム）の半導体スイッチを駆動するための電源を得る回路である。
【０００６】
トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチをオン状態にすることで、ブートストラップ回路に設けたコンデンサに電荷を充電し、充電により得た電圧で高圧側半導体スイッチを駆動する。
【０００７】
従来、ブートストラップ回路の駆動方法では、たとえば特開平９−２１９９７６号公報に示されているものなどがある。
【０００８】
この特長は、制御電源がオンされるとほぼ同時に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチをオンする信号（充電パルス）が下アームの駆動回路に与えられ、ブートストラップコンデンサに電荷が充電される。充電パルスはコンデンサの充電完了後も与えられ、直流電動機などを駆動させるためのＰＷＭ信号を与える直前に停止する。
【０００９】
その後、ＰＷＭ信号により直流電動機などの負荷が動作する。
ＰＷＭ信号が停止した後においても充電パルスは与えられるものであり、安定した電源を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のブートストラップ回路の駆動方法では、ＰＷＭ停止時、すなわち、直流電動機などが停止している時においても、ブートストラップ回路のコンデンサには充電が行われており、常時安定した電源を得ることはできるが、例えば直流電動機を冷蔵庫などに用いた場合、直流電動機の停止時間は長時間であり、直流電動機が停止中は半導体スイッチを駆動する必要がなく、したがって、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの高電圧側の電源は必要としない。
【００１１】
また、ブートストラップ回路のコンデンサに常時充電を行うためには、低電圧側の半導体スイッチをオン／オフさせる必要があり、半導体スイッチをオン／オフをするための駆動回路などによる損失が生じるという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、ブートストラップ回路を有したインバータ回路構成により回転数制御を行う直流電動機の運転制御方法に関するものであり、特に直流電動機が運転／停止を繰り返すような製品において、半導体スイッチを駆動する電源を得るための充電シーケンスを有した直流電動機の運転制御装置を供給することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の直流電動機の運転制御装置は、直流電動機と、交流入力を直流に変換する整流回路と、運転制御装置での制御電力を供給する電源回路と、インバータ回路と、前記インバータ回路を構成する２個１組でトーテムポール型に結線した半導体スイッチを複数組並列に結線した半導体スイッチと、各半導体スイッチを駆動する駆動回路と、トーテムポール型に結線された半導体スイッチのうちの高電圧側の各半導体スイッチを駆動する電力を得るためのブートストラップ回路と、前記半導体スイッチ群をオン／オフ制御する信号を発生するインバータ制御手段と、前記直流電動機の運転／停止を判定する運転モード判定手段と、前記直流電動機の回転子の位置を検出するとともに回転パルスを発生する位置検出手段と、前記インバータ制御手段に組み込まれ位置検出手段の出力をもとに前記インバータ回路の半導体スイッチの動作を決定する転流手段と、前記直流電動機の回転数を可変にするためのチョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号発生手段と、前記転流手段の出力と前記チョッピング信号発生手段の出力とを合成する合成手段と、前記ブートストラップ回路への充電動作を行う充電パルス発生手段とを備えたものである。
【００１４】
本発明によれば、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の全半導体スイッチの駆動回路に、一定時間半導体スイッチをオンする信号を与え、ブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【００１５】
また、一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を出力する変調パルス発生手段と、充電パルス発生手段より出力された充電パルスと前記変調パルス発生手段より出力された変調パルスを合成する第２合成手段とを備えることにより、充電パルスを複数個のパルスで構成し、充電開始時は高周波数のパルスで始め、後に徐々に低周波数に切り替えていき、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できる。
【００１６】
また、充電を行いたい相に充電を行う回路切り替え手段とを備えることにより、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチのオンさせる充電パルスを１相づつ順次与えることができ、充電時流れる電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、回路の小型化ができる。
【００１７】
また、直流電動機を起動するときに一番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチを選定し、その駆動回路にのみ接続する初期スイッチ選定手段とを備えることにより、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに事前に充電パルスを与えることができ、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源のみを得ることができ、充電時に必要な電荷量を少なくでき、充電時間の短縮化ができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の直流電動機の運転制御装置は、直流電動機と、交流入力を直流に変換する整流回路と、運転制御装置での制御電力を供給する電源回路と、インバータ回路と、前記インバータ回路を構成する２個１組でトーテムポール型に結線した複数の半導体スイッチと、各半導体スイッチを駆動する駆動回路と、トーテムポール型に結線された半導体スイッチのうちの高電圧側の各半導体スイッチを駆動する電力を得るためのブートストラップ回路と、前記半導体スイッチをオン／オフ制御する信号を発生するインバータ制御手段と、前記直流電動機の運転／停止を判定する運転モード判定手段と、前記直流電動機の回転子の位置を検出するとともに回転パルスを発生する位置検出手段と、前記インバータ制御手段に組み込まれ位置検出手段の出力をもとに前記インバータ回路の半導体スイッチの動作を決定する転流手段と、前記直流電動機の回転数を可変にするためのチョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号発生手段と、前記転流手段の出力と前記チョッピング信号発生手段の出力と前記運転モード判定手段の出力を合成する合成手段と、前記ブートストラップ回路への充電動作を行う充電パルス発生手段とを備えたものであり、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の全半導体スイッチの駆動回路に、一定時間半導体スイッチをオンする信号を与え、ブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【００１９】
本発明の請求項２に記載の発明は、変調パルス発生手段と第２合成手段を備え、充電パルスを複数個のパルスで構成し、充電開始時はＯＮ時間の短いパルスで始め、後に徐々にＯＮ時間を長くしてゆくものであり、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項３に記載の発明は、回路切り替え手段を備え、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチを１相づつ順次オン状態にすることができ、充電時に流れる電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、電源回路の小型化ができるという作用を有する。
【００２１】
本発明の請求項４に記載の発明は、初期スイッチ選定手段を備え、直流電動機を起動する前に、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに事前に充電パルスを与えることにより、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源のみを得ることができ、充電時に必要な電荷量を少なくでき、充電時間の短縮化ができるという作用を有する。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００２３】
図１において、１は交流入力であり、２は交流入力１の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路であり、ダイオード２ａ〜２ｄとコンデンサ２ｅ〜２ｆが接続された構成となっている（図１では倍電圧整流回路を例として示すが整流回路は全波整流回路でもよい）。
【００２４】
３は電源回路であり、整流回路後の直流電圧をもとに制御側に必要な主電源（例えばＤＣ＋１５Ｖ）を作り出すものである。
【００２５】
４はインバータ回路であり、半導体スイッチ４ａ〜４ｆ（例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ等）が２個１組でトーテムポール型に接続され、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相分接続されている。
【００２６】
なお、本実施の形態１では半導体スイッチにはＩＧＢＴを使用した例を示している。
【００２７】
さらに、各半導体スイッチにはそれぞれダイオード４ｇ〜４ｌが接続されている（半導体スイッチにＭＯＳ−ＦＥＴを使用する場合は不要となる）。
【００２８】
また、インバータ回路４には、半導体スイッチ４ａ〜４ｆを個別にオン／オフさせることができる駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−が接続される。
【００２９】
なお、図１において電気回路図側の駆動回路とブロック図側の駆動回路とは同一であることを意味しており、それぞれ符号を示して確認する。
【００３０】
駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−の構造の詳細な説明は割愛するが、６のインバータ制御手段からの信号に基づいて半導体スイッチ４ａ〜４ｆを個々にオン／オフできる構造となっている。
【００３１】
また、駆動回路４Ｕ＋と４Ｕ−、駆動回路４Ｖ＋と４Ｖ−、駆動回路４Ｗ＋と４Ｗ−は、それぞれの組み合わせで１組の回路をなす（図示せず）。
【００３２】
５はブートストラップ回路であり、高耐電圧（例えば６００Ｖ）のダイオード５ｄ、５ｅ、５ｆ及びダイオード５ｄ、５ｅ、５ｆに直列接続された抵抗５ａ、５ｂ、５ｃ及びコンデンサ５ｄ、５ｅ、５ｆにより構成される。
【００３３】
ブートストラップ回路５の基本的な動作を以下に述べる。
例えば、図１において、半導体スイッチ４ａ及び４ｄ、ダイオード４ｇ及び４ｊ、駆動回路４Ｕ＋及び４Ｕ−、抵抗５ａ、ダイオード５ｄ、コンデンサ５ｇにより構成された回路をＵ相回路と呼ぶこととする（同様に、半導体スイッチ４ｂ及び４ｆｅ、ダイオード４ｈ及び４ｋ、駆動回路４Ｖ＋及び４Ｖ−、抵抗５ｂ、ダイオード５ｅ、コンデンサ５ｈにより構成された回路をＶ相回路、半導体スイッチ４ｃ及び４ｆ、ダイオード４ｉ及び４ｌ、駆動回路４Ｗ＋及び４Ｗ−、抵抗５ｃ、ダイオード５ｆ、コンデンサ５ｉにより構成された回路をＷ相回路と呼ぶこととする）。
【００３４】
例えば、Ｕ相回路において、半導体スイッチ４ａがオフ状態であり、半導体スイッチ４ｄがオン状態になったとき、半導体スイッチ４ａのエミッタ側と半導体スイッチ４ｄのコレクタ側との接続点での電位はインバータ回路４におけるグランド電位付近の値となる。
【００３５】
このとき、ダイオード５ｄのアノード側の電位は、インバータ回路４におけるグランドに対して正電位（例えば電源回路３の出力電圧がＤＣ＋１５ＶであればＤＣ＋１５Ｖ）となり、抵抗５ａ及びダイオード５ｄを介してコンデンサ５ｇに電流が流れ、電荷が充電され、半導体スイッチ４ｄがオン状態である区間だけ、コンデンサ５ｇに電荷は充電され（ただし、電荷が満たされるまで）、充電電荷量に応じた電圧がコンデンサ５ｇの両端に発生するしくみとなる。
【００３６】
半導体スイッチ４ｄがオフ状態となっても、コンデンサ５ｇの電荷は徐々に放電するが、ある時間だけ維持され、放電されるまでの間は、コンデンサ５ｇでの充電電荷量に応じた電圧を駆動回路４Ｕ＋及び半導体スイッチ４ａへの供給電源に使用できる。
【００３７】
ただし、半導体スイッチ４ｄをオフ状態とし、駆動回路４Ｕ＋及び半導体スイッチ４ａを駆動し続けるとコンデンサ５ｇでの電荷量は減少してゆく。
【００３８】
つまり、ブートストラップ回路５では、２個１組でトーテムポール型に接続された半導体スイッチのうちの低電圧側の半導体スイッチ（４ｄ、４ｅ、４ｆ）がオン状態であり、高電圧側の半導体スイッチ（４ａ、４ｂ、４ｃ）がオフ状態の時、コンデンサ（５ｇ、５ｈ、５ｉ）に電荷が充電され、充電された電荷は、低電圧側の半導体スイッチ（４ｄ、４ｅ、４ｆ）がオフ状態である時、高電圧側の半導体スイッチ（４ａ、４ｂ、４ｃ）を駆動するのに使用される。
【００３９】
６は直流電動機であり、半導体スイッチ４ａ〜４ｆを個別にオン／オフ制御することにより、直流電動機６に電流が流れ、内部の回転子（図示せず）が回転するものである。
【００４０】
７はインバータ制御手段であり、転流手段８と、チョッピング信号発生手段９と、合成手段１０と、充電パルス発生手段１１により構成されている。
【００４１】
１２は位置検出手段であり、直流電動機６の回転子の回転位置を検出すると共に、回転パルスを発生し、インバータ制御手段７に出力する。
【００４２】
８の転流手段は位置検出手段６の出力からインバータ回路３の半導体スイッチ４ａ〜４ｆを転流させる転流パルスを作り出し、駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−及び合成手段８に出力する。
【００４３】
９のチョッピング信号発生手段は直流電動機６の回転数を可変にするために、一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を作り出す。
【００４４】
１０の合成手段は、転流手段８により出力された転流パルスとチョッピング信号発生手段９により出力されたチョッピング信号とを合成し、駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋へ合成信号を出力する。
【００４５】
１１の充電パルス発生手段は、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｇ、５ｈ、５ｉに電荷を充電するための充電パルスを駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−及び転流手段８に出力する。
【００４６】
１３は直流電動機６の運転／停止命令を出す運転モード判定手段であり、充電パルス発生手段１１及び合成手段１０に信号を出力する。
【００４７】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図２、図３を用いて説明する。
【００４８】
図２は実施の形態１における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャートである。
【００４９】
図３は実施の形態１における直流電動機停止時の制御パルスのタイミングチャートである。
【００５０】
まず、実施の形態１では、運転モード判定手段１３により、直流電動機６を運転するか、停止状態を保つかを判定する。
【００５１】
ある条件（例えば、温度センサなどにより、基準温度よりも高い温度を検出した直流電動機６を運転する必要が生じた時）を満たしたとき、運転モード判定手段１３は図２の運転モードに示すように、Ｔ１時にＯＮ命令が出力される。
【００５２】
Ｔ１時におけるＯＮ命令は充電パルス発生手段１１及び合成手段１０に出力される。
【００５３】
充電パルス発生手段１１では、運転モード判定手段１３のＯＮ命令を受けると同時に充電パルスを発生し、充電パルスは駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−及び転流手段８に出力される。
【００５４】
充電パルス発生手段１１は、運転モード判定手段１３のエッジ（例えば立ち上がり時０Ｖから５Ｖになった時）のみを検出し、エッジを検出後ある一定の期間（Ｔ１〜Ｔ２区間）のみパルスを発生する仕組みになっており、すなわちラッチ時間を設けた構造になっている（例えば、ワンショットパルス発生回路などを用いてもよい）。
【００５５】
なお、ラッチ時間については、ブートストラップ回路５のコンデンサ容量などにより時間をかえる必要があり、インバータ回路の用途に応じて適正化を図る必要がある。
【００５６】
充電パルスは駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−に同時に出力され、充電パルスＯＮ時は半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４ｆをオン状態にし、充電パルスがＯＦＦになると半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４ｆもオフになる。
【００５７】
図２における４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−のパルスはそれぞれ半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆのオン／オフ状態を示している。
【００５８】
したがって、充電パルスにより、半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４ｆのみがオン状態となり、ブートストラップ回路５におけるコンデンサ５ｇ、５ｈ、５ｉに電荷が充電され、充電パルスがＯＦＦになったときには、駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋及び半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃへの供給電源を得ることができる。
【００５９】
充電パルスは転流手段８にも出力され、充電パルスがＯＮ状態の時は、転流手段８は動作しない。
【００６０】
充電パルスがＯＦＦになると、転流手段８からは、直流電動機６への転流波形を出力する。
【００６１】
出力された転流波形は、合成手段１０により、駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−への信号は運転モード信号と、駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋への信号はチョッピング信号発生手段９から出力されるＰＷＭ信号と合成され、それぞれ駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗを介して半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４Ｆを駆動し、直流電動機６は回転し、以後位置検出手段１２の回転パルスをもとに転流信号が出力され回転を続ける。
【００６２】
図３において運転モードがＯＮからＯＦＦになったとき、ＯＦＦ信号は合成手段１０にも出力されている。
【００６３】
このとき、運転モード信号はＯＦＦ（例えば０Ｖ）であるので、転流信号が出力されていても、合成後の信号はＯＦＦとなる。
【００６４】
したがって、駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−への信号はＯＦＦであり、半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４Ｆはオフとなり直流電動機６は停止する。
【００６５】
なお、本実施の形態１では、説明のため、各タイミングチャートの波形は、各半導体スイッチのオン／オフ動作になるように示したが実際の回路では、この限りではない。
【００６６】
上記形態により、直流電動機の運転開始時にブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【００６７】
（実施の形態２）
図４は実施の形態２の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００６８】
なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６９】
図４において、２１は変調パルス発生手段であり、一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を作り出す。
【００７０】
２２は第２合成手段であり、充電パルスと変調パルス発生手段２１より出力された変調パルスを合成する。
【００７１】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図５を用いて説明する。
【００７２】
図５は実施の形態２の充電時における半導体スイッチ制御パルスの例を示す。
図５において充電パルスは充電パルス発生手段１１からの出力信号を、変調パルスは変調パルス発生手段２１から発生される出力信号を、４Ｕ−は、半導体スイッチ４ｄの駆動波形を示している。
【００７３】
充電パルス発生手段１１からはある一定のラッチ時間（Ｔ１からＴ５まで）を持ったパルスが出力される。
【００７４】
変調パルス発生手段２１からは、運転モードのＯＮ命令を受け、充電パルス発生手段１１がＯＮするのとほぼ同じタイミングで波形を発生してゆく。
【００７５】
変調パルス発生手段２１の発生するパルスは一定周波数ではあるが、ＯＮ状態直後はそのオン時間（デューティー）は非常に短いものであり、オン時間はパルスの出力回数が多くなると時間は長くなってゆき、最終的には１００％オン状態（デューティー１００％）となる。
【００７６】
また、変調パルスもある一定の期間のみ出力されるが総合計時間（Ｔ１からＴ６）は、充電パルスよりも長く設定する。
【００７７】
第２合成手段２２では、充電パルスと変調パルスを合成し、充電パルス及び変調パルスが共にＯＮ状態の時のみＯＮ信号を出力する。
【００７８】
合成信号は駆動回路４Ｕ−へ出力され、半導体スイッチ４ｄを駆動し、半導体スイッチ４ｄでは図５における４Ｕ−の波形となる。
【００７９】
以後、実施の形態１と同一構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。
【００８０】
上記形態により、充電開始時はＯＮ時間の短いパルスで始め、後に徐々にＯＮ時間を長くしてゆくものであり、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できる。
【００８１】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００８２】
なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８３】
図６において、３１は回路切り替え手段であり、充電を行いたい相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に充電を行えるように、駆動回路へ接続を切り替える。
【００８４】
接続の切り替えは、半導体スイッチを用いてもよいし、ＩＣ、マイコンなどをもちいてもよい。
【００８５】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図７を用いて説明する。
【００８６】
図７は実施の形態３の充電時における半導体スイッチ制御パルスの例を示す。
インバータにより、直流電動機６を回転させる場合、起動における半導体スイッチ４ａ〜４ｆを動かす順番はあらかじめ決まっていることが多い。
【００８７】
本実施の形態３では、直流電動機６を起動する時の高電圧側の半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃの駆動順は、４ｂ（図７の４Ｖ＋）、４ｃ（図７の４Ｗ＋）、４ａ（図７の４Ｕ＋）である。
【００８８】
従って、駆動すべき半導体スイッチの順番に必要とする電源を供給すればよいことになる。
【００８９】
運転モードＯＮ時において、充電パルスはＯＮ状態となり、充電を開始する。
直流電動機６を起動するときに最初にオンさせるべき半導体スイッチは４ｂであるため、充電開始当初（Ｔ１時）では、回路切り替え手段３１において、駆動回路４Ｖ−に接続し、半導体スイッチ４ｅをオン状態にし、一定時間ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｈに電荷を充電する。
【００９０】
一定時間（Ｔ１〜Ｔ８）後、回路切り替え手段３１では、駆動回路４Ｖ−との接続を止め、駆動回路４Ｗ−に接続し、半導体スイッチ４ｆをオン状態にし、一定時間（Ｔ８〜Ｔ９）、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｉに電荷を充電する。
【００９１】
さらに、一定時間（Ｔ８〜Ｔ９）後、回路切り替え手段３１では、駆動回路４Ｗ−との接続を止め、駆動回路４Ｕ−に接続し、半導体スイッチ４ｄをオン状態にし、一定時間（Ｔ９〜Ｔ１０）、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｇに電荷を充電する。
【００９２】
充電パルスがＯＦＦ（Ｔ１０以降）となれば、回路切り替え手段３１はどの駆動回路にも接続されず充電を完了する。
【００９３】
以後、実施の形態１と同一構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。
【００９４】
上記形態により、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチを１相づつ順次オン状態にすることができ、充電時に流れ込む電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、電源回路の小型化ができる。
【００９５】
（実施の形態４）
図８は実施の形態４の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００９６】
なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９７】
図８において、４１は初期スイッチ選定手段であり、直流電動機６を起動するときに一番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチを選定し、その駆動回路にのみ接続する。
【００９８】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図９を用いて説明する。
【００９９】
インバータにより、直流電動機６を回転させる場合、起動においては強制的に回転をさせることが多く、１番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチはあらかじめ決まっていることが多い。
【０１００】
また、直流電動機が回転中は、半導体スイッチのオン／オフ波形の性質から、常時高電圧側の電源は確保される。
【０１０１】
従って、直流電動機６を起動する時、１番最初に駆動する半導体スイッチの電源さえ確保すればよいこととなる。
【０１０２】
本実施の形態４では、直流電動機６を起動する時の１番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチは４ｂである。
【０１０３】
充電区間（Ｔ１〜Ｔ２）において、半導体スイッチ４ｂへの供給電源のみを確保できるように、初期スイッチ選定手段４１では駆動回路４Ｖ−に接続し、充電パルスにより、半導体スイッチ４ｅは駆動され、オン状態となり、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｈに電荷が充電され、半導体スイッチ４ｂの駆動電源が確保できる。
【０１０４】
本実施の形態４では、直流電動機６の起動時において、１番最初に駆動する半導体スイッチは決まっている例を説明したが、事前に１番最初に駆動する半導体スイッチを選定しておいて、各駆動回路に接続してもよい。
【０１０５】
以後、実施の形態１と同一構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。
【０１０６】
上記形態により、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに充電パルスを与えることにより、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、充電時間の短縮化ができる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、直流電動機の運転開始時にブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【０１０８】
さらに、充電開始時はＯＮ時間の短いパルスで始め、後に徐々にＯＮ時間を長くしてゆくものであり、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できる。
【０１０９】
さらに、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチを１相づつ順次オン状態にすることができ、充電時に流れる電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、電源回路の小型化ができる。
【０１１０】
さらに、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに充電パルスを与えることにより、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、充電時間の短縮化ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図２】本実施の形態１における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャート
【図３】本実施の形態１における直流電動機停止時の制御パルスのタイミングチャート
【図４】本実施の形態２における直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図５】本実施の形態２の充電時における半導体スイッチ制御パルスを示す図
【図６】本実施の形態３における直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図７】本実施の形態３における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャート
【図８】本実施の形態４における直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図９】本実施の形態４における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャート
【符号の説明】
２ 整流回路
３ 電源回路
４ インバータ回路
５ ブートストラップ回路
６ 直流電動機
７ インバータ制御手段
８ 転流手段
９ チョッピング信号発生手段
１０ 合成手段
１１ 充電パルス発生手段
１２ 運転モード判定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ制御による直流電動機の運転制御装置に関するものであり、特に、直流電動機の起動時において、半導体スイッチを動作させるのに必要な電源を得る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流電動機をインバータにより回転数制御を行う場合、複数の半導体スイッチをオン／オフさせながら、直流電動機に加わる電圧を変化させるのが一般的である。
【０００３】
一般に、複数の半導体スイッチをオン／オフさせるためには、それぞれの半導体スイッチに電源が必要である。
【０００４】
近年では、駆動電源には、電源回路の小型化などを目的として、ブートストラップ回路を搭載することが多くなっている。
【０００５】
ブートストラップ回路は、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの高電圧側（上アーム）の半導体スイッチを駆動するための電源を得る回路である。
【０００６】
トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチをオン状態にすることで、ブートストラップ回路に設けたコンデンサに電荷を充電し、充電により得た電圧で高圧側半導体スイッチを駆動する。
【０００７】
従来、ブートストラップ回路の駆動方法では、たとえば特開平９−２１９９７６号公報に示されているものなどがある。
【０００８】
この特長は、制御電源がオンされるとほぼ同時に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチをオンする信号（充電パルス）が下アームの駆動回路に与えられ、ブートストラップコンデンサに電荷が充電される。充電パルスはコンデンサの充電完了後も与えられ、直流電動機などを駆動させるためのＰＷＭ信号を与える直前に停止する。
【０００９】
その後、ＰＷＭ信号により直流電動機などの負荷が動作する。
ＰＷＭ信号が停止した後においても充電パルスは与えられるものであり、安定した電源を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のブートストラップ回路の駆動方法では、ＰＷＭ停止時、すなわち、直流電動機などが停止している時においても、ブートストラップ回路のコンデンサには充電が行われており、常時安定した電源を得ることはできるが、例えば直流電動機を冷蔵庫などに用いた場合、直流電動機の停止時間は長時間であり、直流電動機が停止中は半導体スイッチを駆動する必要がなく、したがって、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの高電圧側の電源は必要としない。
【００１１】
また、ブートストラップ回路のコンデンサに常時充電を行うためには、低電圧側の半導体スイッチをオン／オフさせる必要があり、半導体スイッチをオン／オフをするための駆動回路などによる損失が生じるという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、ブートストラップ回路を有したインバータ回路構成により回転数制御を行う直流電動機の運転制御方法に関するものであり、特に直流電動機が運転／停止を繰り返すような製品において、半導体スイッチを駆動する電源を得るための充電シーケンスを有した直流電動機の運転制御装置を供給することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の直流電動機の運転制御装置は、直流電動機と、交流入力を直流に変換する整流回路と、運転制御装置での制御電力を供給する電源回路と、インバータ回路と、前記インバータ回路を構成する２個１組でトーテムポール型に結線した半導体スイッチを複数組並列に結線した半導体スイッチと、各半導体スイッチを駆動する駆動回路と、トーテムポール型に結線された半導体スイッチのうちの高電圧側の各半導体スイッチを駆動する電力を得るためのブートストラップ回路と、前記半導体スイッチ群をオン／オフ制御する信号を発生するインバータ制御手段と、前記直流電動機の運転／停止を判定する運転モード判定手段と、前記直流電動機の回転子の位置を検出するとともに回転パルスを発生する位置検出手段と、前記インバータ制御手段に組み込まれ位置検出手段の出力をもとに前記インバータ回路の半導体スイッチの動作を決定する転流手段と、前記直流電動機の回転数を可変にするためのチョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号発生手段と、前記転流手段の出力と前記チョッピング信号発生手段の出力とを合成する合成手段と、前記ブートストラップ回路への充電動作を行う充電パルス発生手段とを備えたものである。
【００１４】
本発明によれば、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の全半導体スイッチの駆動回路に、一定時間半導体スイッチをオンする信号を与え、ブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【００１５】
また、一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を出力する変調パルス発生手段と、充電パルス発生手段より出力された充電パルスと前記変調パルス発生手段より出力された変調パルスを合成する第２合成手段とを備えることにより、充電パルスを複数個のパルスで構成し、充電開始時は高周波数のパルスで始め、後に徐々に低周波数に切り替えていき、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できる。
【００１６】
また、充電を行いたい相に充電を行う回路切り替え手段とを備えることにより、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチのオンさせる充電パルスを１相づつ順次与えることができ、充電時流れる電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、回路の小型化ができる。
【００１７】
また、直流電動機を起動するときに一番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチを選定し、その駆動回路にのみ接続する初期スイッチ選定手段とを備えることにより、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに事前に充電パルスを与えることができ、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源のみを得ることができ、充電時に必要な電荷量を少なくでき、充電時間の短縮化ができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の直流電動機の運転制御装置は、直流電動機と、交流入力を直流に変換する整流回路と、運転制御装置での制御電力を供給する電源回路と、インバータ回路と、前記インバータ回路を構成する２個１組でトーテムポール型に結線した複数の半導体スイッチと、各半導体スイッチを駆動する駆動回路と、トーテムポール型に結線された半導体スイッチのうちの高電圧側の各半導体スイッチを駆動する電力を得るためのブートストラップ回路と、前記半導体スイッチをオン／オフ制御する信号を発生するインバータ制御手段と、前記直流電動機の運転／停止を判定する運転モード判定手段と、前記直流電動機の回転子の位置を検出するとともに回転パルスを発生する位置検出手段と、前記インバータ制御手段に組み込まれ位置検出手段の出力をもとに前記インバータ回路の半導体スイッチの動作を決定する転流手段と、前記直流電動機の回転数を可変にするためのチョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号発生手段と、前記転流手段の出力と前記チョッピング信号発生手段の出力と前記運転モード判定手段の出力を合成する合成手段と、前記ブートストラップ回路への充電動作を行う充電パルス発生手段とを備えたものであり、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の全半導体スイッチの駆動回路に、一定時間半導体スイッチをオンする信号を与え、ブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【００１９】
本発明の請求項２に記載の発明は、変調パルス発生手段と第２合成手段を備え、充電パルスを複数個のパルスで構成し、充電開始時はＯＮ時間の短いパルスで始め、後に徐々にＯＮ時間を長くしてゆくものであり、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項３に記載の発明は、回路切り替え手段を備え、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチを１相づつ順次オン状態にすることができ、充電時に流れる電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、電源回路の小型化ができるという作用を有する。
【００２１】
本発明の請求項４に記載の発明は、初期スイッチ選定手段を備え、直流電動機を起動する前に、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに事前に充電パルスを与えることにより、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源のみを得ることができ、充電時に必要な電荷量を少なくでき、充電時間の短縮化ができるという作用を有する。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００２３】
図１において、１は交流入力であり、２は交流入力１の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路であり、ダイオード２ａ〜２ｄとコンデンサ２ｅ〜２ｆが接続された構成となっている（図１では倍電圧整流回路を例として示すが整流回路は全波整流回路でもよい）。
【００２４】
３は電源回路であり、整流回路後の直流電圧をもとに制御側に必要な主電源（例えばＤＣ＋１５Ｖ）を作り出すものである。
【００２５】
４はインバータ回路であり、半導体スイッチ４ａ〜４ｆ（例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ等）が２個１組でトーテムポール型に接続され、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相分接続されている。
【００２６】
なお、本実施の形態１では半導体スイッチにはＩＧＢＴを使用した例を示している。
【００２７】
さらに、各半導体スイッチにはそれぞれダイオード４ｇ〜４ｌが接続されている（半導体スイッチにＭＯＳ−ＦＥＴを使用する場合は不要となる）。
【００２８】
また、インバータ回路４には、半導体スイッチ４ａ〜４ｆを個別にオン／オフさせることができる駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−が接続される。
【００２９】
なお、図１において電気回路図側の駆動回路とブロック図側の駆動回路とは同一であることを意味しており、それぞれ符号を示して確認する。
【００３０】
駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−の構造の詳細な説明は割愛するが、６のインバータ制御手段からの信号に基づいて半導体スイッチ４ａ〜４ｆを個々にオン／オフできる構造となっている。
【００３１】
また、駆動回路４Ｕ＋と４Ｕ−、駆動回路４Ｖ＋と４Ｖ−、駆動回路４Ｗ＋と４Ｗ−は、それぞれの組み合わせで１組の回路をなす（図示せず）。
【００３２】
５はブートストラップ回路であり、高耐電圧（例えば６００Ｖ）のダイオード５ｄ、５ｅ、５ｆ及びダイオード５ｄ、５ｅ、５ｆに直列接続された抵抗５ａ、５ｂ、５ｃ及びコンデンサ５ｄ、５ｅ、５ｆにより構成される。
【００３３】
ブートストラップ回路５の基本的な動作を以下に述べる。
例えば、図１において、半導体スイッチ４ａ及び４ｄ、ダイオード４ｇ及び４ｊ、駆動回路４Ｕ＋及び４Ｕ−、抵抗５ａ、ダイオード５ｄ、コンデンサ５ｇにより構成された回路をＵ相回路と呼ぶこととする（同様に、半導体スイッチ４ｂ及び４ｆｅ、ダイオード４ｈ及び４ｋ、駆動回路４Ｖ＋及び４Ｖ−、抵抗５ｂ、ダイオード５ｅ、コンデンサ５ｈにより構成された回路をＶ相回路、半導体スイッチ４ｃ及び４ｆ、ダイオード４ｉ及び４ｌ、駆動回路４Ｗ＋及び４Ｗ−、抵抗５ｃ、ダイオード５ｆ、コンデンサ５ｉにより構成された回路をＷ相回路と呼ぶこととする）。
【００３４】
例えば、Ｕ相回路において、半導体スイッチ４ａがオフ状態であり、半導体スイッチ４ｄがオン状態になったとき、半導体スイッチ４ａのエミッタ側と半導体スイッチ４ｄのコレクタ側との接続点での電位はインバータ回路４におけるグランド電位付近の値となる。
【００３５】
このとき、ダイオード５ｄのアノード側の電位は、インバータ回路４におけるグランドに対して正電位（例えば電源回路３の出力電圧がＤＣ＋１５ＶであればＤＣ＋１５Ｖ）となり、抵抗５ａ及びダイオード５ｄを介してコンデンサ５ｇに電流が流れ、電荷が充電され、半導体スイッチ４ｄがオン状態である区間だけ、コンデンサ５ｇに電荷は充電され（ただし、電荷が満たされるまで）、充電電荷量に応じた電圧がコンデンサ５ｇの両端に発生するしくみとなる。
【００３６】
半導体スイッチ４ｄがオフ状態となっても、コンデンサ５ｇの電荷は徐々に放電するが、ある時間だけ維持され、放電されるまでの間は、コンデンサ５ｇでの充電電荷量に応じた電圧を駆動回路４Ｕ＋及び半導体スイッチ４ａへの供給電源に使用できる。
【００３７】
ただし、半導体スイッチ４ｄをオフ状態とし、駆動回路４Ｕ＋及び半導体スイッチ４ａを駆動し続けるとコンデンサ５ｇでの電荷量は減少してゆく。
【００３８】
つまり、ブートストラップ回路５では、２個１組でトーテムポール型に接続された半導体スイッチのうちの低電圧側の半導体スイッチ（４ｄ、４ｅ、４ｆ）がオン状態であり、高電圧側の半導体スイッチ（４ａ、４ｂ、４ｃ）がオフ状態の時、コンデンサ（５ｇ、５ｈ、５ｉ）に電荷が充電され、充電された電荷は、低電圧側の半導体スイッチ（４ｄ、４ｅ、４ｆ）がオフ状態である時、高電圧側の半導体スイッチ（４ａ、４ｂ、４ｃ）を駆動するのに使用される。
【００３９】
６は直流電動機であり、半導体スイッチ４ａ〜４ｆを個別にオン／オフ制御することにより、直流電動機６に電流が流れ、内部の回転子（図示せず）が回転するものである。
【００４０】
７はインバータ制御手段であり、転流手段８と、チョッピング信号発生手段９と、合成手段１０と、充電パルス発生手段１１により構成されている。
【００４１】
１２は位置検出手段であり、直流電動機６の回転子の回転位置を検出すると共に、回転パルスを発生し、インバータ制御手段７に出力する。
【００４２】
８の転流手段は位置検出手段６の出力からインバータ回路３の半導体スイッチ４ａ〜４ｆを転流させる転流パルスを作り出し、駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−及び合成手段８に出力する。
【００４３】
９のチョッピング信号発生手段は直流電動機６の回転数を可変にするために、一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を作り出す。
【００４４】
１０の合成手段は、転流手段８により出力された転流パルスとチョッピング信号発生手段９により出力されたチョッピング信号とを合成し、駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋へ合成信号を出力する。
【００４５】
１１の充電パルス発生手段は、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｇ、５ｈ、５ｉに電荷を充電するための充電パルスを駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−及び転流手段８に出力する。
【００４６】
１３は直流電動機６の運転／停止命令を出す運転モード判定手段であり、充電パルス発生手段１１及び合成手段１０に信号を出力する。
【００４７】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図２、図３を用いて説明する。
【００４８】
図２は実施の形態１における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャートである。
【００４９】
図３は実施の形態１における直流電動機停止時の制御パルスのタイミングチャートである。
【００５０】
まず、実施の形態１では、運転モード判定手段１３により、直流電動機６を運転するか、停止状態を保つかを判定する。
【００５１】
ある条件（例えば、温度センサなどにより、基準温度よりも高い温度を検出した直流電動機６を運転する必要が生じた時）を満たしたとき、運転モード判定手段１３は図２の運転モードに示すように、Ｔ１時にＯＮ命令が出力される。
【００５２】
Ｔ１時におけるＯＮ命令は充電パルス発生手段１１及び合成手段１０に出力される。
【００５３】
充電パルス発生手段１１では、運転モード判定手段１３のＯＮ命令を受けると同時に充電パルスを発生し、充電パルスは駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−及び転流手段８に出力される。
【００５４】
充電パルス発生手段１１は、運転モード判定手段１３のエッジ（例えば立ち上がり時０Ｖから５Ｖになった時）のみを検出し、エッジを検出後ある一定の期間（Ｔ１〜Ｔ２区間）のみパルスを発生する仕組みになっており、すなわちラッチ時間を設けた構造になっている（例えば、ワンショットパルス発生回路などを用いてもよい）。
【００５５】
なお、ラッチ時間については、ブートストラップ回路５のコンデンサ容量などにより時間をかえる必要があり、インバータ回路の用途に応じて適正化を図る必要がある。
【００５６】
充電パルスは駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−に同時に出力され、充電パルスＯＮ時は半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４ｆをオン状態にし、充電パルスがＯＦＦになると半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４ｆもオフになる。
【００５７】
図２における４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−のパルスはそれぞれ半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆのオン／オフ状態を示している。
【００５８】
したがって、充電パルスにより、半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４ｆのみがオン状態となり、ブートストラップ回路５におけるコンデンサ５ｇ、５ｈ、５ｉに電荷が充電され、充電パルスがＯＦＦになったときには、駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋及び半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃへの供給電源を得ることができる。
【００５９】
充電パルスは転流手段８にも出力され、充電パルスがＯＮ状態の時は、転流手段８は動作しない。
【００６０】
充電パルスがＯＦＦになると、転流手段８からは、直流電動機６への転流波形を出力する。
【００６１】
出力された転流波形は、合成手段１０により、駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−への信号は運転モード信号と、駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋への信号はチョッピング信号発生手段９から出力されるＰＷＭ信号と合成され、それぞれ駆動回路４Ｕ＋、４Ｖ＋、４Ｗ＋、４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗを介して半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４Ｆを駆動し、直流電動機６は回転し、以後位置検出手段１２の回転パルスをもとに転流信号が出力され回転を続ける。
【００６２】
図３において運転モードがＯＮからＯＦＦになったとき、ＯＦＦ信号は合成手段１０にも出力されている。
【００６３】
このとき、運転モード信号はＯＦＦ（例えば０Ｖ）であるので、転流信号が出力されていても、合成後の信号はＯＦＦとなる。
【００６４】
したがって、駆動回路４Ｕ−、４Ｖ−、４Ｗ−への信号はＯＦＦであり、半導体スイッチ４ｄ、４ｅ、４Ｆはオフとなり直流電動機６は停止する。
【００６５】
なお、本実施の形態１では、説明のため、各タイミングチャートの波形は、各半導体スイッチのオン／オフ動作になるように示したが実際の回路では、この限りではない。
【００６６】
上記形態により、直流電動機の運転開始時にブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【００６７】
（実施の形態２）
図４は実施の形態２の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００６８】
なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６９】
図４において、２１は変調パルス発生手段であり、一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を作り出す。
【００７０】
２２は第２合成手段であり、充電パルスと変調パルス発生手段２１より出力された変調パルスを合成する。
【００７１】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図５を用いて説明する。
【００７２】
図５は実施の形態２の充電時における半導体スイッチ制御パルスの例を示す。
図５において充電パルスは充電パルス発生手段１１からの出力信号を、変調パルスは変調パルス発生手段２１から発生される出力信号を、４Ｕ−は、半導体スイッチ４ｄの駆動波形を示している。
【００７３】
充電パルス発生手段１１からはある一定のラッチ時間（Ｔ１からＴ５まで）を持ったパルスが出力される。
【００７４】
変調パルス発生手段２１からは、運転モードのＯＮ命令を受け、充電パルス発生手段１１がＯＮするのとほぼ同じタイミングで波形を発生してゆく。
【００７５】
変調パルス発生手段２１の発生するパルスは一定周波数ではあるが、ＯＮ状態直後はそのオン時間（デューティー）は非常に短いものであり、オン時間はパルスの出力回数が多くなると時間は長くなってゆき、最終的には１００％オン状態（デューティー１００％）となる。
【００７６】
また、変調パルスもある一定の期間のみ出力されるが総合計時間（Ｔ１からＴ６）は、充電パルスよりも長く設定する。
【００７７】
第２合成手段２２では、充電パルスと変調パルスを合成し、充電パルス及び変調パルスが共にＯＮ状態の時のみＯＮ信号を出力する。
【００７８】
合成信号は駆動回路４Ｕ−へ出力され、半導体スイッチ４ｄを駆動し、半導体スイッチ４ｄでは図５における４Ｕ−の波形となる。
【００７９】
以後、実施の形態１と同一構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。
【００８０】
上記形態により、充電開始時はＯＮ時間の短いパルスで始め、後に徐々にＯＮ時間を長くしてゆくものであり、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できる。
【００８１】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００８２】
なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８３】
図６において、３１は回路切り替え手段であり、充電を行いたい相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に充電を行えるように、駆動回路へ接続を切り替える。
【００８４】
接続の切り替えは、半導体スイッチを用いてもよいし、ＩＣ、マイコンなどをもちいてもよい。
【００８５】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図７を用いて説明する。
【００８６】
図７は実施の形態３の充電時における半導体スイッチ制御パルスの例を示す。
インバータにより、直流電動機６を回転させる場合、起動における半導体スイッチ４ａ〜４ｆを動かす順番はあらかじめ決まっていることが多い。
【００８７】
本実施の形態３では、直流電動機６を起動する時の高電圧側の半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃの駆動順は、４ｂ（図７の４Ｖ＋）、４ｃ（図７の４Ｗ＋）、４ａ（図７の４Ｕ＋）である。
【００８８】
従って、駆動すべき半導体スイッチの順番に必要とする電源を供給すればよいことになる。
【００８９】
運転モードＯＮ時において、充電パルスはＯＮ状態となり、充電を開始する。
直流電動機６を起動するときに最初にオンさせるべき半導体スイッチは４ｂであるため、充電開始当初（Ｔ１時）では、回路切り替え手段３１において、駆動回路４Ｖ−に接続し、半導体スイッチ４ｅをオン状態にし、一定時間ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｈに電荷を充電する。
【００９０】
一定時間（Ｔ１〜Ｔ８）後、回路切り替え手段３１では、駆動回路４Ｖ−との接続を止め、駆動回路４Ｗ−に接続し、半導体スイッチ４ｆをオン状態にし、一定時間（Ｔ８〜Ｔ９）、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｉに電荷を充電する。
【００９１】
さらに、一定時間（Ｔ８〜Ｔ９）後、回路切り替え手段３１では、駆動回路４Ｗ−との接続を止め、駆動回路４Ｕ−に接続し、半導体スイッチ４ｄをオン状態にし、一定時間（Ｔ９〜Ｔ１０）、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｇに電荷を充電する。
【００９２】
充電パルスがＯＦＦ（Ｔ１０以降）となれば、回路切り替え手段３１はどの駆動回路にも接続されず充電を完了する。
【００９３】
以後、実施の形態１と同一構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。
【００９４】
上記形態により、直流電動機を起動する前に、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチを１相づつ順次オン状態にすることができ、充電時に流れ込む電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、電源回路の小型化ができる。
【００９５】
（実施の形態４）
図８は実施の形態４の直流電動機の運転制御装置の全体構成図である。
【００９６】
なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９７】
図８において、４１は初期スイッチ選定手段であり、直流電動機６を起動するときに一番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチを選定し、その駆動回路にのみ接続する。
【００９８】
次に、上記構成の直流電動機の運転制御装置の動作について、図９を用いて説明する。
【００９９】
インバータにより、直流電動機６を回転させる場合、起動においては強制的に回転をさせることが多く、１番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチはあらかじめ決まっていることが多い。
【０１００】
また、直流電動機が回転中は、半導体スイッチのオン／オフ波形の性質から、常時高電圧側の電源は確保される。
【０１０１】
従って、直流電動機６を起動する時、１番最初に駆動する半導体スイッチの電源さえ確保すればよいこととなる。
【０１０２】
本実施の形態４では、直流電動機６を起動する時の１番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチは４ｂである。
【０１０３】
充電区間（Ｔ１〜Ｔ２）において、半導体スイッチ４ｂへの供給電源のみを確保できるように、初期スイッチ選定手段４１では駆動回路４Ｖ−に接続し、充電パルスにより、半導体スイッチ４ｅは駆動され、オン状態となり、ブートストラップ回路５のコンデンサ５ｈに電荷が充電され、半導体スイッチ４ｂの駆動電源が確保できる。
【０１０４】
本実施の形態４では、直流電動機６の起動時において、１番最初に駆動する半導体スイッチは決まっている例を説明したが、事前に１番最初に駆動する半導体スイッチを選定しておいて、各駆動回路に接続してもよい。
【０１０５】
以後、実施の形態１と同一構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。
【０１０６】
上記形態により、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに充電パルスを与えることにより、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、充電時間の短縮化ができる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、直流電動機の運転開始時にブートストラップ回路の全コンデンサに電荷を充電することができ、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうち高電圧側（上アーム）の全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の起動時には全半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、直流電動機の停止中の省電力化を図ることができる。
【０１０８】
さらに、充電開始時はＯＮ時間の短いパルスで始め、後に徐々にＯＮ時間を長くしてゆくものであり、ブートストラップ回路の充電初期に発生する突入電流値を低減できる。
【０１０９】
さらに、トーテムポール型に結線された２つの半導体スイッチのうちの低電圧側（下アーム）の半導体スイッチを１相づつ順次オン状態にすることができ、充電時に流れる電流ピークを少なくでき、電源回路の省出力化ができ、電源回路の小型化ができる。
【０１１０】
さらに、直流電動機の起動時に、一番最初にオンさせる半導体スイッチと同相の低電圧側の半導体スイッチのみに充電パルスを与えることにより、一番最初にオンさせる高電圧側の半導体スイッチの駆動電源を得ることができ、充電時間の短縮化ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図２】本実施の形態１における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャート
【図３】本実施の形態１における直流電動機停止時の制御パルスのタイミングチャート
【図４】本実施の形態２における直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図５】本実施の形態２の充電時における半導体スイッチ制御パルスを示す図
【図６】本実施の形態３における直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図７】本実施の形態３における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャート
【図８】本実施の形態４における直流電動機の運転制御装置の全体構成図
【図９】本実施の形態４における直流電動機起動時の制御パルスのタイミングチャート
【符号の説明】
２ 整流回路
３ 電源回路
４ インバータ回路
５ ブートストラップ回路
６ 直流電動機
７ インバータ制御手段
８ 転流手段
９ チョッピング信号発生手段
１０ 合成手段
１１ 充電パルス発生手段
１２ 運転モード判定手段
Claims (4)
- 直流電動機と、交流入力を直流に変換する整流回路と、運転制御装置での制御電力を供給する電源回路と、インバータ回路と、前記インバータ回路を構成する２個１組でトーテムポール型に結線した複数の半導体スイッチと、各半導体スイッチを駆動する駆動回路と、トーテムポール型に結線された半導体スイッチのうちの高電圧側の各半導体スイッチを駆動する電力を得るためのブートストラップ回路と、前記半導体スイッチをオン／オフ制御する信号を発生するインバータ制御手段と、前記直流電動機の運転／停止を判定する運転モード判定手段と、前記直流電動機の回転子の位置を検出するとともに回転パルスを発生する位置検出手段と、前記インバータ制御手段に組み込まれ位置検出手段の出力をもとに前記インバータ回路の半導体スイッチの動作を決定する転流手段と、前記直流電動機の回転数を可変にするためのチョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号発生手段と、前記転流手段の出力と前記チョッピング信号発生手段の出力と前記運転モード判定手段の出力を合成する合成手段と、前記ブートストラップ回路への充電動作を行う充電パルス発生手段とを備えた直流電動機の運転制御装置。
- 一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を出力する変調パルス発生手段と、充電パルス発生手段より出力された充電パルスと前記変調パルス発生手段より出力された変調パルスを合成する第２合成手段とを備えた請求項１記載の直流電動機の運転制御装置。
- 充電を行いたい相に充電を行う回路切り替え手段とを備えた請求項１記載の直流電動機の運転制御装置。
- 直流電動機を起動するときに一番最初に駆動する高電圧側の半導体スイッチを選定し、その駆動回路にのみ接続する初期スイッチ選定手段とを備えた請求項１記載の直流電動機の運転制御装置。
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