JP4200351B2 - モータの制御装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ(例えばブラシレスDCモータ)をインバータ制御により駆動する技術に関し、さらに詳しく言えば、その制御装置(駆動回路)を小型化してモータに内蔵可能とする技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ブラシレスDCモータのインバータ制御装置の一般的な構成を図4に示す。これによると、モータ制御装置は、6個のトランジスタUa,Va,Wa,X,Y,Zを三相ブリッジに結線したインバータ回路1を備えている。各トランジスタUa,Va,Wa,X,Y,Zには、インバータのキャリア周波数や低モータ騒音の観点から、高速スイッチング可能なトランジスタ(例えばIGBT)が用いられる。また、インバータ回路1を駆動する各ドライブ回路2には、ブートストラップ方式が採用されている。
【0003】
各ドライブ回路2は、ブラシレスDCモータ3を制御する制御回路(マイクロコンピュータ)4からの信号(例えば、PWM波形信号を含む)のレベルを調節するシフト回路2aと、このレベルシフトされた信号によりIGBTを駆動するバッファ回路2bとを備えている。ドライブ回路2について、多くの場合、上アームのIGBTにはハイサイドゲートドライブ回路が用いられ、下アームのIGBTにはローサイドゲートドライブ回路が用いられる。
【0004】
また、ドライブ回路2の電源(例えば15V電圧)5について説明すると、ローサイドゲートドライブ回路には、その15V電圧が直接に供給されるが、ハイサイドゲートドライブ回路には、15V電圧を充電電流制限抵抗6,ブートストラップダイード7を介してブートストラップコンデンサ8に充電し、このブートストラップコンデンサ8の両端に発生した電圧が電圧源とされる。
【0005】
なお、ローサイドゲートドライブ回路のグランドは、電源5のグランドレベルであり、ハイサイドゲートドライブ回路のグランドは、上アームのトランジスタ(IGBT)のエミッタ端子レベルである。
【0006】
このブートストラップ回路によるハイサイドゲートドライブ回路にあっては、下アームのIGBTのオンにより、電源5の電流がブートストラップダイオード7→ブートストラップコンデンサ8→下アームのIGBTの経路で流れ、ブートストラップコンデンサ8の両端に電圧が発生し、この電圧を電圧源として動作する。
【0007】
例えば、図5(f)に示すように、GZ信号がオンしている場合には、トランジスタWaに供給するためのブートストラップコンデンサ8が充電される。なお、インバータ回路1には、主電源(直流電源)9によりその電源が供給される。
【0008】
このように、上記ブートストラップ回路によるハイサイドゲートドライブ回路およびローサイドゲートドライブ回路をもつトランジスタインバータ構成とすることにより、ドライブ回路にフォトカプラなどを必要とせず、ドライブ回路の簡素化が図れる。また、上アームのIGBTと下アームのIGBTのドライブ回路の電源が1つであってよく電源の簡素化が図れる。
【0009】
上記構成の制御装置において、三相のモータ3を回転する場合、制御回路4はインバータ回路1のIGBTをスイッチングして三相の矩形波電圧とし、これを三相のモータ3に印加する。また、三相のうち二相に通電を行うが、例えばU相→W相通電し、続いてV相→W相通電に切り替えるものとすると、PWM波形を生成してPWM波形を含めた信号を出力する(図5参照)。
【0010】
例えば、上記GUa信号によりトランジスタUaを所定デューティ比でオン、オフする一方(図5(a)参照)、GZ信号によりトランジスタZをオンし(図5(f)参照)、続いてGVa信号によりトランジスタVaを所定デューティ比でオン、オフする一方(図5(b)参照)、GZ信号トランジスタZをオンのままとする(図5(f)参照)。なお、他のトランジスタについてはオフ状態である(図5参照)。このようにして、三相の巻線通電を順次切り替えて回転磁界を発生することにより、モータ3には回転力が発生する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記モータ制御装置にあっては、トランジスタUa,Va,Waの動作によりブートストラップコンデンサ8の電圧が低下するが、モータ3の制御を利用してブートストラップコンデンサ8を充電し、トランジスタUa,Va,Waの動作電圧を得ている。
【0012】
したがって、ブートストラップコンデンサ8としてはある程度以上の容量を必要とする関係上、大きいブートストラップコンデンサ8を用いる必要があった。従来においては、これが駆動回路の小型化および低コスト化を図るうえでの支障となっていた。
【0013】
例えば、上記モータ3を空気調和機(エアコン)のファンモータなどに適用する場合、制御装置をモータに内蔵することが難しく、少なくともそのブートストランプコンデンサ8が外付けになってしまう。
【0014】
したがって、本発明の第1の課題は、ブートストラップコンデンサの容量を減らして駆動回路の小型化し、モータに内蔵可能とすることにある。また、本発明の第2の課題は、モータが何らかの原因で外力によって強制的に回転された場合に発生する回生エネルギーから制御装置を保護することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記第1の課題を解決するために、本発明は、直流電圧を上アームおよび下アームのスイッチング素子からなるインバータでスイッチングしてモータに印加する際、上記上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、上記下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上記上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するモータの制御装置において、上記ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を備え、上記リフレッシュ回路は、上記上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に、上記上アームと対応する上記下アームのスイッチング素子を上記PWMオフ期間よりも短い期間オンすることを特徴としている。
【0016】
この構成によれば、ブートストラップコンデンサの容量が減らせるため、制御装置全体の小型化が可能であり、したがって、制御装置自体をモータ内の組み込むことができる。
【0017】
また、上記第2の課題を解決するために、本発明は、上記モータがエアコンのファンモータであり、上記インバータの主電源(直流電圧源)には、上記リフレッシュ回路を形成しているときに、上記ファンモータが外力で強制的に回転されて生じた短絡ブレーキ電流により上記主電源に戻される回生エネルギを消費する放電抵抗を備えていることを特徴としている。なお、この場合には、上記放電抵抗を除いて当該制御装置が上記モータに内蔵されることになる。
【0018】
また、上記第1の課題を解決するために、本発明のモータの制御方法は、直流電圧を上アームおよび下アームのスイッチング素子からなるインバータでスイッチングしてモータに印加する際、上記上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、上記下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上記上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するにあたって、上記上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に、上記上アームと対応する上記下アームのスイッチング素子を上記PWMオフ期間よりも短い期間オンし、上記ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を形成することを特徴としている。
【0019】
また、上記第2の課題を解決するために、本発明のモータの制御方法は、直流電圧を上アームおよび下アームのスイッチング素子からなるインバータでスイッチングしてモータに印加する際、上記上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、上記下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上記上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するにあたって、上記インバータの主電源回路は放電抵抗を並列に有しており、上記上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に、上記上アームと対応する上記下アームのスイッチング素子を上記PWMオフ期間よりも短い期間オンし、上記ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を形成する一方、上記リフレッシュ回路を形成しているときに、上記モータが外力で強制的に回転されて生じた短絡ブレーキ電流により上記主電源に戻される回生エネルギを上記放電抵抗で消費するようにしたことを特徴としている。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図1ないし図3を参照して詳細に説明する。なお、図1中、図4と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【0021】
本発明においては、ブートストラップ方式によるドライブ回路をもつインバータトランジスタ(IGBT)のうち、上アームのトランジスタをPWM制御しているときに、そのPWMのオフ時に下アームのIGBTをオンし、ブートストラップコンデンサに一定周期ごとに充電を行うリフレッシュ回路を形成して、同ブートストラップコンデンサを定電圧源とすることにより、そのブートストラップコンデンサを従来よりも容量の小さくすることを意図している。
【0022】
そのために、図1に示すように、本発明のモータの制御装置は、図4に示すブートストラップコンデンサ8に代えて用いる小容量のブートストラップコンデンサ10と、PWM制御(所定オン、オフデューティ比の制御)を行う上アームのIGBTのオフ時に、そのIGBTと対応している下アームのIGBTをオンして電源5の電流をブートストラップダイオード7、ブートストラップコンデンサ10に流し、一定周期毎にそのブートストラップコンデンサ10を充電するリフレッシュ回路を形成して、同ブートストラップコンデンサ10の両端電圧を定電圧源とする制御回路11と、従来同様の直流電圧源、同直流電圧源の両端に並列に接続する放電抵抗12aおよびコンデンサ12bを有する主電源12とを備えている。
【0023】
上記構成の制御装置の動作を図2のタイムチャート図を参照して説明する。なお、図2(a)ないし(f)は図5(a)ないし(f)に対応している。まず、制御回路11は、従来と同様にインバータ回路1をPWM制御するために、GUa,GVa,GWa,GX,GY,GZ信号を出力して上アームおよび下アームのIGBTを所定にスイッチングし、モータ3の巻線通電を切り替える。
【0024】
このとき、例えばU相→W相の通電を行うために、上アームのトランジスタUaをPWM制御するとともに、下アームのトランジスタZをオン制御する一方、そのトランジスタUaのオフ時を利用してパルスを下アームトランジスタXのGX信号(オフ信号)に重畳する(図2(d)参照)。なお、その重畳するパルスの幅(オン幅)は当該PWM制御のオフ幅よりも狭くする。
【0025】
続いて、V相→W相の通電を行うために、上アームトランジスタVaをPWM制御するとともに、下アームのトランジスタZをオン制御する一方、そのトランジスタVaのオフ時を利用してパルスを下アームトランジスタYのGY信号(オフ信号)に重畳する(図2(e)参照)。
【0026】
以下同様にして、各相の通電が切り替えられることから、各通電毎に電源5の電流をブートストラップダイオード7、ブートストラップコンデンサ10に流すリフレッシュ回路がPWM波形に同期して一定周期で形成される。
【0027】
これにより、ブートストラップコンデンサ10には、従来例と同様の充電の他に、本発明のリフレッシュ回路の形成によっても充電が行われ、つまりそのブートストラップコンデンサ10の両端電圧は常に定電圧源に維持可能となる。
【0028】
したがって、ブートストラップコンデンサ10の容量としては従来のブートストラップコンデンサ8より小さくとも、ドライブ回路2が確実に駆動する一方、駆動回路の小型化が実現される。
【0029】
なお、上記ブートストラップコンデンサ10としては、従来のブートストラップコンデンサ8が100μFである場合1μF程度で済む。また、例えばモータ3を空気調和機のファンモータとした場合その制御装置をファンモータに内臓することができる。さらに、ブートストラップコンデンサ10の小容量化により、その制御装置の低コスト化が図られる。
【0030】
ところで、上記リフレッシュ回路が動作しているときに、何らかの外力が加わり、モータ3が強制的に回転させられると、モータ3は図3に示す等価回路を構成し、モータ3の巻線には誘起電圧が発生する。
【0031】
この誘起電圧の発生により、短絡ブレーキ電流(短絡電流)が生じ、電流が切り替わる際に主電源12に向かって回生電流が生じることになる。すなわち、例えばU相→W相通電時のPWMオフ時には下アームのトランジスタXがオンし(図2(d)参照)、またV相→W相通電時のPWMオフ時にはトランジスタYがオンするからである(図2(e)参照)。
【0032】
すると、主電源12の電圧が上昇し、最悪の場合、IGBTやコンデンサの耐圧を越えるという不具合が生じることもある。すなわち、上記電圧上昇は切り替わる前の短絡電流値に依存し、この短絡電流は強制的回転の速度に依存し、外力などが大きいほど、その電圧上昇は大きなものとなるからである。
【0033】
例えば、外力によりモータが強制的に回転され、それにより短絡電流が生じたとすると、その短絡電流の切り替えごとに次式(1)に示す回生エネルギEが主電源12に戻されることになる。
【0034】
E=L×I2/2……式(1)
同式(1)において、Lはモータ3の巻線インダクタンス、Iは切り替え時の短絡電流である。
【0035】
この回生エネルギEは、主電源12の電源と並列に接続した放電抵抗12aによって消費する。そのために、放電抵抗12aの抵抗値Rとしては、次式(2)によって決定するとよい。
【0036】
R≦(2×V2)/(L×I2×f)……式(2)
同式(2)において、VはIGBTの耐圧,fは短絡電流切替周波数である。
【0037】
このように、放電抵抗12aを主電源12に設けることにより、リフレッシュ回路を形成することによる不具合、すなわちインバータ回路1の電源電圧の上昇によるIGBTやコンデンサの耐圧オーバーなどを解消することができる。また、上述したように、当該制御装置をファンモータに内蔵する場合には、その放電抵抗12aについては外付けにするとよい。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インバータトランジスタをPWM制御してモータを回転するモータの制御装置において、上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するにあたって、ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を備えていることから、リフレッシュ回路の形成によってもブートストラップコンデンサの充電が行われるため、ブートストラップコンデンサの容量が小さくて済み、駆動回路の小型化を実現することができ、ひいては当該制御装置がモータ内蔵可能な小型化となり、また低コスト化が図れるという効果がある。
【0039】
また、本発明のモータの制御方法によれば、上記インバータの主電源回路は放電抵抗を並列に有しており、その上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に下アームのスイッチング素子をオンし、上アームを駆動するためのハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を形成する一方、リフレッシュ回路を形成している時に、モータが外力で強制的に回転して生じた短絡ブレーキ電流により主電源に戻される回生エネルギを放電抵抗で消費可能としていることから、上述同様の効果に加え、モータが外力により強制的に回転される際の不具合を解消することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるモータの制御装置の実施形態を示す概略的ブロック図。
【図2】上記実施形態の動作を説明するための概略的タイムチャート。
【図3】上記実施形態の動作を説明するためのモータの概略的等価回路図。
【図4】従来のモータの制御装置を説明するための概略的ブロック図。
【図5】上記従来の制御装置の動作を説明するための概略的タイムチャート。
【符号の説明】
1 インバータ回路
2 ドライブ回路(駆動回路)
2a シフト回路(レベル)
2b バッファ回路
3 モータ
4,11 制御回路(マイクロコンピュータ)
5 電源
6 充電電流制限抵抗
7 ブートストラップダイオード
8,10 ブートストラップコンデンサ
9,12 主電源
12a 放電抵抗
12b コンデンサ
Claims (5)
- 直流電圧を上アームおよび下アームのスイッチング素子からなるインバータでスイッチングしてモータに印加する際、上記上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、上記下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上記上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するモータの制御装置において、
上記ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を備え、
上記リフレッシュ回路は、上記上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に、上記上アームと対応する上記下アームのスイッチング素子を上記PWMオフ期間よりも短い期間オンすることを特徴とするモータの制御装置。 - 当該制御装置自体が上記モータに内蔵可能である請求項1に記載のモータの制御装置。
- 上記モータがエアコンのファンモータであり、上記インバータの主電源(直流電圧源)には、上記リフレッシュ回路を形成しているときに、上記ファンモータが外力で強制的に回転されて生じた短絡ブレーキ電流により上記主電源に戻される回生エネルギを消費する放電抵抗を備え、上記放電抵抗を除いて当該制御装置が上記モータに内蔵される請求項1に記載のモータの制御装置。
- 直流電圧を上アームおよび下アームのスイッチング素子からなるインバータでスイッチングしてモータに印加する際、上記上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、上記下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上記上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するモータの制御方法において、
上記上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に、上記上アームと対応する上記下アームのスイッチング素子を上記PWMオフ期間よりも短い期間オンし、上記ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を形成するようにしたことを特徴とするモータの制御方法。 - 直流電圧を上アームおよび下アームのスイッチング素子からなるインバータでスイッチングしてモータに印加する際、上記上アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるハイサイドゲートドライブ回路を介して制御するとともに、上記下アームのスイッチング素子をブートストラップ方式によるローサイドゲートドライブ回路を介して制御する一方、少なくとも上記上アームのスイッチング素子をPWM制御してモータを駆動するモータの制御方法において、
上記インバータの主電源回路は放電抵抗を並列に有しており、上記上アームのスイッチング素子のPWMオフ時に、上記上アームと対応する上記下アームのスイッチング素子を上記PWMオフ期間よりも短い期間オンし、上記ハイサイドゲートドライブ回路の電源回路を構成するブートストラップコンデンサを一定周期ごとに充電するリフレッシュ回路を形成する一方、上記リフレッシュ回路を形成しているときに、上記モータが外力で強制的に回転されて生じた短絡ブレーキ電流により上記主電源に戻される回生エネルギを上記放電抵抗で消費するようにしたことを特徴とするモータの制御方法。
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