JP4467023B2 - モータの駆動装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
この発明は、制御部の制御信号により、駆動部を構成する複数のスイッチング素子をスイッチングし、直流ブラシレスモータの複数の巻線への通電路を開閉制御して直流電源からの電流をモータに通流して駆動するモータの駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、バッテリを電源として3相直流ブラシレスモータを駆動する駆動装置は、例えば図4に示すように構成されている。即ち、図4に示すように、マイクロコンピュータから成る制御部COから出力される制御信号により、3相ブリッジインバータIVを構成する6個のスイッチング素子がスイッチングされ、直流電源Eから3相直流ブラシレスモータMの各巻線への通電路が複数のスイッチング素子により開閉制御されてモータMが駆動される。
【0003】
また、インバータIVと直流電源Eとの間の通電路には、FETから成る逆接続保護素子SRが挿入され、直流電源Eに対してインバータIVが逆方向に接続されたときに、制御部COにより、逆接続保護素子SRがオフされて、インバータIVの各スイッチング素子の破損が防止されるようになっている。一方、正常時には、制御部により逆接続保護素子SRがオンされ、インバータIVの各スイッチング素子及びモータMに直流電源Eからの電流が供給される。ここで、FETから成る逆接続保護素子SRに代えて、リレーを用いても構わない。
【0004】
ところで、上記した3相ブリッジインバータIVは、図5に示すように、例えば電界効果トランジスタ(以下、FETと称する)から成る2個のスイッチング素子S1、S2の直列回路により第1のアームA1が形成され、これと同様に2個のスイッチング素子S3、S4の直列回路、及び2個のスイッチング素子S5、S6の直列回路により、それぞれ第2、第3のアームA2、A3が形成され、各スイッチング素子S1〜S6にはフライホイールダイオードD1〜D6がそれぞれ逆極性に接続されている。尚、これらフライホイールダイオードD1〜D6は、FETから成る各スイッチング素子S1〜S6の寄生ダイオードにより構成されていてもよい。
【0005】
そして、インバータIVの各アームA1〜A3それぞれにおける両スイッチング素子の接続点P1、P2、P3に、モータMの固定子の星形結線された3相巻線M1、M2、M3が接続され、インバータIVの接続点P1、P2、P3の上側にある上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5の一端が上記した逆接続保護素子SRを介して直流電源Eの正端子に接続され、インバータIVの接続点P1、P2、P3の下側にある下側スイッチング素子群LTの各スイッチング素子S2、S4、S6の他端が直流電源Eの負端子に接続される。
【0006】
このとき、インバータIVの下側スイッチング素子群LTの各スイッチング素子S2、S4、S6のゲート−ソース間には、直流電源Eによる電源電圧を加えることで、これら各スイッチング素子S2、S4、S6をオンし続けることはできるが、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5のゲート−ソース間には、これよりも高い電圧を加えなければこれら各スイッチング素子S1、S3、S5をオンし続けることができない。そのため、図4に示すように、直流電源Eの電源電圧を2〜3倍に逓倍するチャージポンプ回路CPが設けられ、制御部COにより、このチャージポンプ回路CPの出力電圧が上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5のゲート−ソース間に加えられるようになっている。
【0007】
このような構成において、図6に示すように、制御部COからの120゜ずつ位相のずれた制御信号により、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5が120゜ずつずれてオンし、これと同様に制御部COからの120゜ずつ位相のずれた制御信号により、下側スイッチング素子群LTの各スイッチング素子S2、S4、S6が120゜ずつずれてオンする。
【0008】
また、図5には示されていないが、モータMの回転子の位置を検出するホール素子から成る位置検出部が設けられ、制御部COは、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5のうちオンしているスイッチング素子のアームとは異なるアームの下側スイッチング素子群LTのスイッチング素子がオンするように制御信号を出力し、かつオンすべき上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子と下側スイッチング素子群LTのスイッチング素子との組み合わせを、位置検出部による回転子の検出位置に関連して切り換えるようになっている。
【0009】
こうして、各巻線M1〜M3への電流の通流方向が切換えられ、固定子の磁極が一方向に回転して回転子の回転力が得られ、図4に示すように、モータMの回転子に接続された負荷Lが回転駆動される。
【0010】
尚、通常、制御部COからインバータIVの下側スイッチング素子群LTへの制御信号はパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)され、このPWMにおけるデューティが制御されてモータMの速度制御が行われるようになっている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、FETの場合、ゲート−ソース間電圧とオン抵抗とは相反する関係にあることから、ゲート−ソース間電圧が小さくなるに従いオン抵抗が次第に大きくなり、ある電圧値からは急激にオン抵抗が上昇する。
【0012】
その結果、上記した構成において、例えば直流電源Eの電圧変動によってチャージポンプ回路CPの出力電圧が低下し、上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子S1、S3、S5を、そのオン抵抗が急激に上昇するまでゲート−ソース間電圧が低下した状態で駆動し続けると、これらスイッチング素子S1、S3、S5が発熱して熱破壊するおそれがある。
【0013】
このような過熱によるスイッチング素子の破損を防止するために、従来、直流電源Eの電圧、或いはチャージポンプ回路CPの電源電圧を検出し、この検出電圧が予め設定された所定値以下に低下したときに、制御部COによりインバータIVの各スイッチング素子S1〜S6への制御信号を停止し、各スイッチング素子S1〜S6を強制的にオフすることが行われている。
【0014】
しかし、温度変化や部品公差や時間遅延等を考慮して、上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子S1、S3、S5が十分オンできるように、通常、チャージポンプ回路CPの出力電圧は高めに設定されるため、上記したように直流電源Eの電圧、或いはチャージポンプ回路CPの電源電圧を検出し、その検出電圧が予め設定された所定値以下に低下しても、上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子S1、S3、S5のゲート−ソース間電圧はオン抵抗が急激に上昇するまで低下していないことがある。
【0015】
そのため、従来の場合、インバータIVの上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子S1、S3、S5がまだ熱破壊するおそれのない動作状態であるにも拘わらず、各スイッチング素子S1〜S6が停止されてしまい、直流電源Eの電圧があまり低くない場合でもインバータIVが動作できないという問題があった。
【0016】
そこで、本発明は、インバータの上側スイッチング素子群のスイッチング素子を、オン抵抗が急激に上昇するぎりぎりまで動作させて直流電源の電圧が低い場合でもインバータが動作できるようにすることを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、前記下側スイッチング素子群の前記各スイッチング素子の制御端子に供給される第1の制御電圧を検出する第1電圧検出部と、前記第1の制御電圧よりも高い第2の制御電圧を前記上側スイッチング素子群の前記各スイッチング素子の制御端子に供給するチャージポンプ回路と、前記第2の制御電圧を検出する第2電圧検出部とを備え、前記制御部は、前記第2電圧検出部による前記第2の制御電圧と、前記第1電圧検出部による前記第1の制御電圧との差電圧が所定値以下に低下したときに、前記各スイッチング素子への前記制御信号を停止することを特徴としている。
【0018】
このような構成によれば、第2の制御電圧と第1の制御電圧との差電圧が所定値以下に低下したかどうかを見れば、インバータの上側スイッチング素子群における各スイッチング素子のオン抵抗が急激に上昇し始めるかどうかがわかる。
【0019】
そのため、この差電圧が所定値まで低下したときにインバータの各スイッチング素子を停止させることで、インバータの上側スイッチング素子群のスイッチング素子を、オン抵抗が急激に上昇するぎりぎりまで動作させることができる。
【0020】
このとき、適用可能な直流ブラシレスモータは、回転駆動するもののほか、リニアモータのような直線駆動するものが該当する。
【0021】
また、本発明は、前記所定値は、前記差電圧の低下時に、前記上側スイッチング素子群の前記各スイッチング素子のオン抵抗が急激に上昇し始めるときの電圧値であることを特徴としている。
【0022】
このような構成によれば、スイッチング素子のオン抵抗が急激に上昇し始めると、スイッチング素子の発熱量も急増するため、上側スイッチング素子群の各スイッチング素子の発熱が大きくなり始める前に、各スイッチング素子を停止することができる。
【0023】
また、本発明は、前記制御部は、前記各スイッチング素子への前記制御信号の停止後、前記差電圧が前記所定値よりも高い値まで上昇したときに、前記各スイッチング素子への前記制御信号の出力を再開することを特徴としている。
【0024】
このような構成によれば、各スイッチング素子が停止して次に動作を再開するまでに所謂ヒステリシスが設けられるため、上記した差電圧が所定値付近で変動することがあっても、各スイッチング素子がオン、オフを頻繁に繰り返すことを防止できる。
【0025】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態について図1ないし図3を参照して説明する。但し、図1はブロック結線図、図2及び図3は動作説明図である。
【0026】
本実施形態におけるモータの駆動装置は、例えば図1に示すように構成されている。図1に示すように、例えばマイクロコンピュータから成る制御部1から出力される制御信号により、第1駆動回路2a及び第2駆動回路2bに駆動制御信号が出力され、3相ブリッジインバータ3を構成するFETから成る6個のスイッチング素子S1〜S6が第1駆動回路2a及び第2駆動回路2bからの駆動信号によりスイッチングされ、直流電源4から永久磁石型の3相直流ブラシレスモータMの各巻線への通電路が開閉制御されてモータMが駆動され、モータMの回転子に接続された負荷Lが回転駆動される。
【0027】
この3相ブリッジインバータ3は、図5に示す3相ブリッジインバータIVと同様に構成され、制御部1からの120゜ずつ位相のずれた駆動制御信号により、上側スイッチング素子群HTを構成する各スイッチング素子S1、S3、S5(図5参照)が120゜ずつずれてオンし、これと同様に制御部1からの120゜ずつ位相のずれた駆動制御信号により、下側スイッチング素子群LTを構成する各スイッチング素子S2、S4、S6(図5参照)が120゜ずつずれてオンする。
【0028】
このとき、モータMの回転子の位置を検出するホール素子から成る位置検出部(図示せず)が設けられ、上側スイッチング素子群HTの各アームA1〜A3のスイッチング素子S1、S3、S5のうちオンしているスイッチング素子のアームとは異なるアームの下側スイッチング素子群LTのスイッチング素子がオンするように、制御部1により制御信号が出力され、かつオンすべき上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子と下側スイッチング素子群LTのスイッチング素子との組み合わせが、位置検出部により検出されるモータMの回転子の位置に関連して切り換えられる。
【0029】
尚、第2駆動回路2bからインバータ3の下側スイッチング素子群LTへはPWM制御信号が出力され、このPWMにおけるデューティサイクルが制御されてモータMの電流制御が行われる。こうして、モータMの各巻線M1〜M3への電流の通流方向が切換えられ、固定子の磁極が一方向に回転して回転子の回転力が得られる。ここで両駆動回路2a、2b及びインバータ3により駆動部が構成される。
【0030】
また、インバータ3と直流電源4との間の通電路には、図4の場合と同様に、FETから成る逆接続保護素子6が挿入され、直流電源4に対してインバータ3が逆方向に接続されたときに、制御部1により、逆接続保護素子6がオフされて、インバータ3の各スイッチング素子S1〜S6の破損が防止されるようになっている。一方、正常時には、制御部1により逆接続保護素子6がオンされ、インバータ3の各スイッチング素子S1〜S6及びモータMに直流電源4からの電流が供給される。
【0031】
ところで、図1に示すように、直流電源4の電源電圧VBを2〜3倍に逓倍するチャージポンプ回路8が設けられている。このチャージポンプ回路8を設ける理由は、従来の場合と同様、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5のゲート−ソース間に、チャージポンプ回路8の出力電圧VC(>VB)を加え、各スイッチング素子S1、S3、S5をオンし続けるためである。
【0032】
更に、図1に示すように、例えば抵抗による分圧回路から成る第1電圧検出部10a及び第2電圧検出部10bが設けられ、第1電圧検出部10aにより直流電源4の電源電圧VBが検出され、第2電圧検出部10bによりチャージポンプ回路8の出力電圧VCが検出される。このとき、下側スイッチング素子群LTの各スイッチング素子S2、S4、S6の制御端子であるゲートとソースとの間に印加される第1の制御電圧VLは、直流電源4の電源電圧VBとほぼ等しく、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5の制御端子であるゲートとソースとの間に印加される第2の制御電圧VHはチャージポンプ回路8の出力電圧VCとほぼ等しい。
【0033】
そのため、第1電圧検出部10aにより検出される電圧VBと、第2電圧検出部10bにより検出される電圧VCとの差電圧ΔV(=VC−VB)を導出すれば、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5の制御端子であるゲートとソースとの間の電圧を導出するのと同じ結果となる。
【0034】
そして、制御部1は、図2に示すように、例えば負荷変動等に伴う直流電源4の電圧変動によって、第2電圧検出部10bによる検出電圧VC(=VH)と、第1電圧検出部10aによる検出電圧VB(=VL)との差電圧ΔV(=VC−VB=VH−VL)が所定値Vt以下に低下したときに、両駆動回路2a、2bへの駆動制御信号を停止し、各スイッチング素子S1〜S6をオフさせる。
【0035】
また、制御部1は、図2に示すように、各スイッチング素子S1〜S6のオフ後、差電圧ΔVが所定値Vtよりも高い値Vr(>Vt)まで上昇したときに、両駆動回路2a、2bへの駆動制御信号を再開して、各スイッチング素子S1〜S6を再びオンさせる。
【0036】
こうすると、各スイッチング素子S1〜S6がオフして次にオンするまでに所謂ヒステリシスが設けられるため、上記した差電圧ΔVが所定値Vt付近で変動することがあっても、各スイッチング素子S1〜S6がオン、オフを頻繁に繰り返すことを防止できる。
【0037】
ここで、両駆動回路2a、2bへの駆動制御信号を停止するときの基準となる差電圧ΔVは、図3に示すように、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5のオン抵抗が急激に上昇し始めるときの値(ここでは、Vt)に設定するのが望ましい。
【0038】
従って、上記した実施形態によれば、電圧VC(=VH)と電圧VB(=VL)との差電圧ΔVが予め設定された所定値Vt以下にまで低下したかどうかを見れば、インバータ3の上側スイッチング素子群HTにおける各スイッチング素子S1、S3、S5のオン抵抗が急激に上昇し始めるかどうかを容易に知ることができる。
【0039】
そのため、この差電圧ΔVが所定値Vtまで低下したときに、制御部1から両駆動回路2a、2bへの駆動制御信号を停止してやれば、インバータ3の上側スイッチング素子群HTのスイッチング素子S1、S3、S5を、オン抵抗が急激に上昇するぎりぎりまで動作させることができ、上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5の発熱が大きくなり始める前に、各スイッチング素子S1、S3、S5を停止することができる。
【0040】
また、各スイッチング素子S1〜S6がオフして次にオンするときの基準となる差電圧ΔVを、所定値Vtよりも高いVr(>Vt)としてヒステリシスを設けたため、差電圧ΔVが所定値Vt付近で変動するようなことがあっても、各スイッチング素子S1〜S6がオン、オフを頻繁に繰り返すことを防止できる。
【0041】
なお、上記した実施形態では、本発明を回転駆動する3相直流ブラシレスモータMの駆動に適用した場合について説明しているが、直線駆動する直流ブラシレスモータであっても本発明を同様に適用することができて、上記した実施形態と同等の効果を得ることができる。
【0042】
また、上記した実施形態では、チャージポンプ回路8の出力電圧VCと直流電源4の電源電圧VBとの差電圧ΔVをモニタするようにしているが、要するに上側スイッチング素子群HTの各スイッチング素子S1、S3、S5のゲート−ソース間電圧をモニタすればよい。ここで、各スイッチング素子S1、S3、S5がFET以外のスイッチング素子から構成される場合には、その制御端子と負電位側端子との間の電圧をモニタする構成にすればよい。
【0043】
更に、上記した実施形態では、各スイッチング素子が停止して次に動作を再開するまでに所謂ヒステリシスを設けた場合について説明しているが、このようなヒステリシスは必ずしも設ける必要はない。
【0044】
また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【0045】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に記載の発明によれば、第2の制御電圧と第1の制御電圧との差電圧が所定値まで低下したときにインバータの各スイッチング素子を停止させるため、インバータの上側スイッチング素子群のスイッチング素子を、オン抵抗が急激に上昇を始めるぎりぎりまで動作させることができ、直流電源の電圧があまり高くない場合でもインバータを動作させることが可能になる。
【0046】
また、請求項2に記載の発明によれば、スイッチング素子のオン抵抗が急激に上昇し始めると、スイッチング素子の発熱量も急増するため、上側スイッチング素子群の各スイッチング素子の発熱が大きくなり始める前に、各スイッチング素子を停止することが可能になる。
【0047】
また、請求項3に記載の発明によれば、各スイッチング素子が停止して次に動作を再開するまでに所謂ヒステリシスが設けられるため、上記した差電圧が所定値付近で変動することがあっても、各スイッチング素子がオン、オフを頻繁に繰り返すことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態のブロック図である。
【図2】この発明の一実施形態の動作説明図である。
【図3】この発明の一実施形態の動作説明図である。
【図4】従来例のブロック結線図である。
【図5】従来例の一部の結線図である。
【図6】従来例の動作説明用のタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 制御部
2a、2b 第1、第2駆動回路(駆動部)
3 インバータ(駆動部)
HT 上側スイッチング素子群
LT 下側スイッチング素子群
S1〜S6 スイッチング素子
4 直流電源
8 チャージポンプ回路
10a、10b 第1、第2電圧検出部
M 3相直流ブラシレスモータ
Claims (3)
- 制御部の制御信号により、駆動部を構成する複数のスイッチング素子をスイッチングし、直流ブラシレスモータの複数の巻線への通電路を開閉制御して直流電源からの電流を前記モータに通流して駆動する装置であって、前記駆動部が、上側スイッチング素子群及び下側スイッチング素子群によるブリッジインバータから成るモータの駆動装置において、
前記下側スイッチング素子群の前記各スイッチング素子の制御端子に供給される第1の制御電圧を検出する第1電圧検出部と、
前記第1の制御電圧よりも高い第2の制御電圧を前記上側スイッチング素子群の前記各スイッチング素子の制御端子に供給するチャージポンプ回路と、
前記第2の制御電圧を検出する第2電圧検出部と
を備え、
前記制御部は、前記第2電圧検出部による前記第2の制御電圧と、前記第1電圧検出部による前記第1の制御電圧との差電圧が所定値以下に低下したときに、前記各スイッチング素子への前記制御信号を停止することを特徴とするモータの駆動装置。 - 前記所定値は、前記差電圧の低下時に、前記上側スイッチング素子群の前記各スイッチング素子のオン抵抗が急激に上昇し始めるときの電圧値であることを特徴とする請求項1に記載のモータの駆動装置。
- 前記制御部は、前記各スイッチング素子への前記制御信号の停止後、前記差電圧が前記所定値よりも高い値まで上昇したときに、前記各スイッチング素子への前記制御信号の出力を再開することを特徴とする請求項1または2に記載のモータの駆動装置。
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