JP4644462B2 - モータ駆動回路および緩衝器 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動回路および緩衝器の改良に関する。

モータを駆動するモータ駆動回路にあっては、たとえば、図３に示すように、三相ブラシレスモータとして構成されるモータの出力トルク制御を可能とするためスイッチング素子５１，５２，５３，５４，５５，５６を直列に接続したアーム６１，６２，６３を複数電源に接続して構成された回路が知られ、このスイッチング素子５１，５２，５３，５４，５５，５６を開閉制御してモータを駆動する（特許文献１、２参照）。
特開２００１−２０４１９４号公報（段落番号００１２，図１） 特開２００３−３２４９８６号公報（段落番号００３８，図４）

しかし、上述した従来のモータ駆動回路を搭載したモータをその出力トルクで減衰力を発生する緩衝器に適用する際には、問題がある。

この種モータのトルクを利用する緩衝器は、たとえば、ボール螺子ナットとボール螺子ナットに螺合する螺子軸と、螺子軸に連結されるモータとを備え、緩衝器が伸縮する際のボール螺子ナットと螺子軸との直線運動を螺子軸の回転運動に変換し、この螺子軸の回転運動がモータのロータに伝達できるように構成され、螺子軸の回転によりロータが強制駆動されるときにモータの巻線に生じる誘導起電力によって発生される螺子軸の回転を抑制するトルクで減衰力を発生することができるものである。

ここで、モータを従来のモータ駆動回路によって駆動するようにしておけば、上記巻線に流れる電流を制御することができるので、これにより、緩衝器の発生する減衰力の調整が可能であるが、異常事態が発生してモータ駆動回路への供給電源が遮断されると、従来のモータ駆動回路では、スイッチング素子５１，５２，５３，５４，５５，５６としてはその高速動作の必要性のため一般的にＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）等が使用されており、そのオン動作にはＭＯＳＦＥＴのゲート電極に電圧を印加することにより行われることから、ゲート電極に電圧印加がないときには全てのスイッチング素子がオフとなる。

かかる事態となると、従来のモータ駆動回路では、モータがトルクを発生不能な状態、すなわち、緩衝器は減衰力を全く発生できない状態となってしまうこととなる。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、異常事態が発生してモータ駆動回路への電流供給が遮断されても減衰力を発生させることが可能なモータ駆動回路および緩衝器を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明のモータ駆動回路は、スイッチング素子を直列に接続した複数のアームを電源に接続し、各アームのスイッチング素子間をモータの巻線に接続してなるモータ駆動回路において、各アームに対し並列に接続されるＭＯＳＦＥＴでなるスイッチング素子を設け、外部からの電流供給が不能となるとモータの巻線に生じる誘導起電力でゲート電極を印加してスイッチング素子をオンしてモータの巻線を短絡することを特徴とする。

また、本発明の緩衝器は、直線運動を回転運動に変換する運動変換機構と、該回転運動が伝達されるモータと、モータ駆動回路を備えた緩衝器において、モータ駆動回路は、スイッチング素子を直列に接続した複数のアームを電源に接続し、各アームのスイッチング素子間をモータの巻線に接続して構成され、該モータ駆動回路に各アームに対し並列に接続されるＭＯＳＦＥＴでなるスイッチング素子を設け、外部からの電流供給が不能となるとモータの巻線に生じる誘導起電力でゲート電極を印加してスイッチング素子をオンしてモータの巻線を短絡することを特徴とする。

本発明によれば、異常事態が発生してモータ駆動回路への電流供給が遮断されても、モータを搭載した緩衝器が減衰力を発生できなくなってしまう事態が回避され、車両の姿勢を安定させることができ、車両における乗り心地が確保される。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態における緩衝器を概念的に示した図である。図２は、モータ駆動回路の回路図である。

図１に示すように、一実施の形態における緩衝器１は、直線運動を回転運動に変換する運動変換機構２と、上記回転運動が伝達されるモータＭと、モータＭを駆動するモータ駆動回路Ｃとを備えて構成され、さらに、この実施の形態の場合、運動変換機構２は、ボール螺子ナット３と、ボール螺子ナット３に螺合される螺子軸４とで構成され、ボール螺子ナット３と螺子軸４の軸方向の相対直線運動を螺子軸４の回転運動に変換し、この螺子軸４の回転運動をモータＭのロータの一部をなす出力シャフト５に伝達することができる。

そして、この緩衝器１の場合、モータＭを駆動することで出力されるトルクを螺子軸４に作用させて上記ボール螺子ナット３と螺子軸４との直線運動を抑制もしくは助長することができるとともに、また、螺子軸４により出力シャフト５が強制的に回転駆動されることにより当該モータＭ内の巻線に誘導起電力が発生しモータＭにエネルギ回生させて電磁力を発生させ、この電磁力に起因するトルクを上記螺子軸４の回転運動を抑制してボール螺子ナット３の直線運動を抑制することができる。

すなわち、この緩衝器１は、減衰力を発生するだけでなくアクチュエータとしても機能することができ、アクティブサスペンションとしても機能することが可能である。

以下、詳細な構造について説明する。螺子軸４は、円柱状に形成され、その外周に螺旋状の螺子溝（付示せず）が形成されるとともに、螺子軸４の図１中上端は、モータＭの出力シャフト５の図１中下端となる先端にカップリング等により連結されている。

この螺子軸４に螺合されるボール螺子ナット３は、その内周には、螺子軸４の螺旋状の螺子溝に符合するように螺旋状のボール保持部（図示せず）が設けられており、前記ボール保持部に多数のボール(図示ぜず)が配在されてなり、ボール螺子ナット３の内部にはボールが循環可能なように前記ボール保持部の両端を連通する通路（図示せず）が設けられているものであって、螺子軸４に前記ボール螺子ナット１が螺合された場合に、螺子軸４の螺旋状の螺子溝にボール螺子ナット１のボールが嵌合し、螺子軸４の回転運動に伴いボール自体も螺子軸４の螺子溝との摩擦力により回転するので、ラックアンドピニオン等の機構に比べ滑らかな動作が可能である利点があるが、運動変換機構２をボール螺子ナット３と螺子軸４とで構成されるボール螺子機構に換えて上記ラックアンドピニオンや他の機構を採用するとしてもよい。

上述のように、ボール螺子ナット３には螺子軸４が螺子溝に沿って回転自在に螺合され、螺子軸４がボール螺子ナット３に対し図４中上下方向の直線運動をすると、このボール螺子ナット３は、車両の車体側部材もしくは車軸側部材の一方にブラケット７を介して連結される筒８の上端内周に固定されており、これによりボール螺子ナット３の周方向の回転が規制されるので、螺子軸４は強制的に回転駆動される。

さらに、モータＭは、詳しくは図示はしないが、ロータとステータとで構成されており、ロータの外周側には所定の磁気配置で永久磁石が装着され、他方、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回されるU，Ｖ，Wの三相巻線とで構成され、この場合モータＭは、三相ブラシレスモータとして構成されている。

なお、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線は、その一端でＹ字型に結線されているが、Δ結線とされてもよい。

また、このモータＭには、ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段が設けられており、この回転位置検出手段としては、具体的にたとえば、ロータの永久磁石の磁気を検出するホール素子等からなる磁気センサや、レゾルバ、ロータリエンコーダ等を用いることができる。

なお、モータＭのＵ，Ｖ，Ｗの各巻線に流れる電流を検出する電流センサが別途設けられており、上記回転位置検出手段と電流センサとが出力する信号は、図示しないゲートコントローラに入力される。

上記ゲートコントローラは、モータＭをＰＷＭ制御するための制御回路であるが、ゲートコントローラの構成およびＰＷＭ制御については、公知であるので詳しい説明を省略することとする。

そして、このモータＭは、図示はしないが、車両の車体側部材もしくは車軸側部材の他方に連結され、このモータＭと上記ブラケット７により本実施の形態における緩衝器１は車両の車体側部材と車軸側部材との間に介装される。

転じて、上記モータＭを駆動するモータ駆動回路Ｃは、図２に示すように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を直列に接続したアームＡ１と、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５を直列に接続したアームＡ２と、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ６直列に接続したアームＡ３と、モータＭの巻線を短絡する短絡手段Ｔとで構成され、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３を並列に接続してあり、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ３，Ｓ６間がモータＭに接続される出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とされている。

また、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３の図２中上方側の接続点は、リレーＲを介してバッテリ等の電源Ｅに接続され、図２中下方側の接続点は接地されている。

上記アームＡ１は、２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を直列に接続されて構成され、このアームＡ１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４間には、出力端子Ｐ１が設けられ、この出力端子Ｐ１は、モータＭの巻線のＵ相に接続される。

他のアームＡ２，Ａ３もアームＡ１と同様の構成であって、それぞれの出力端子Ｐ２，Ｐ３は、モータＭの巻線のＶ相、Ｗ相に接続されている。

したがって、たとえば、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ４をオンすると、モータＭの巻線のうちＵ相とＶ相に電流を流すことができ、同様にして適宜いずれか１つのアームＡ１，Ａ２，Ａ３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と他の２つのアームＡ１，Ａ２，Ａ３のうち１つのスイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオンすれば、モータＭの巻線に通電することができ、具体的には、上記ゲートコントローラによってモータＭのＵＶＷ相の巻線で回転磁界が形成されるように開閉制御される。

そして、スイッチング素子Ｓ１は、ＭＯＳＦＥＴとされており、このＭＯＳＦＥＴはソース電極とドレイン電極とを接続する寄生ダイオードＫ１を内蔵している。

他のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６についても、スイッチング素子Ｓ１と同様の構成であり、それぞれＭＯＳＦＥＴとされ、寄生ダイオードＫ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６を内蔵している。これら、寄生ダイオードＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のオフ動作時にモータＭの巻線に生じるサージを吸収するフライホイルダイオードとして機能して、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を保護することができる。

そして、これらスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、それぞれ、上述した回転位置検出手段で検出するロータの回転角および各巻線に流れる電流に基づいて上記ゲートコントローラの通電位相切換制御によりゲート電極に電圧が印加され開閉制御されることによりモータＭは駆動され、さらに、ＰＷＭ制御によりモータＭの出力トルクおよびロータ回転速度が制御される。

なお、ＰＷＭ制御以外にも、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、ＰＰＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の連続変調方式やＰＮＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路等の不連続変調方式を採用した制御を行ってもよい。

そして、このモータ駆動回路ＣにあってはＰＷＭ制御中、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、それぞれゲートコントローラの制御により所定のデューティ比を実現する所定のパルス幅期間にオンされ、他の期間にはオフされる制御が行われ、これにより、モータＭの発生トルクが制御されるようになっている。

つづいて、参考例における短絡手段Ｔについて説明すると、図示したところでは、この短絡手段Ｔは、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３に対し並列に接続されるバイパスＢとスイッチング素子１０とで構成され、このスイッチング素子１０は、Ｊ−ＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）とされ、ゲート電極に電圧が印加された状態でオフとなり、通常は、電源Ｅからゲート電極に電圧が印加される状態とされてオン状態に維持されている。

さらに、電源Ｅからモータ駆動回路Ｃへの電流供給の可不可は、上記したリレーＲによって行われるが、リレーＲについては周知であり詳しくは説明しないが、リレーＲに内蔵されるコイルが励磁されている状態では、モータ駆動回路Ｃへ電流供給可能なように設定されている。

さて、上述のように構成された緩衝器１にあっては、上記したように、モータＭを駆動し、またはエネルギ回生により、またはその両方によりボール螺子ナット３と螺子軸４との軸方向の相対直線運動を抑制することにより車両の車体と車軸との相対直線運動を減衰させることになる。

そして、緩衝器１が伸縮するときの発生減衰力の制御は、モータＭの巻線に流れる電流を制御することによって行われ、この電流の制御は、上述したモータ駆動回路Ｃとゲートコントローラにより行われ、これにより緩衝器１の発生減衰力を調節することができる。

したがって、通常時は、電源Ｅはモータ駆動回路Ｃに通電可能な状態であるので、モータ駆動回路Ｃにより緩衝器１の発生減衰力を制御可能である。

つづいて、フェールセーフ時について説明すると、異常事態が発生してモータ駆動回路Ｃへの電流供給が遮断されると、上記モータ駆動回路Ｃの各アームＡ１，Ａ２，Ａ３の各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の制御も不能となり、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、オフ状態となる。

しかしながら、短絡手段Ｔのスイッチング素子１０のゲート電極へ電圧が印加されない状態となるので、このスイッチング素子１０のみがオンされ、モータＭの巻線は、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の各寄生ダイオードＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６およびバイパスＢに設けたスイッチング素子１０によって短絡回路が形成されることとなる。

すると、このフェールセーフ時に緩衝器１が伸縮すると、螺子軸４の回転によりモータＭの出力シャフト５も回転せしめられるが、モータＭの巻線は短絡されているので、巻線に生じる誘導起電力によって巻線には電流が流れて電磁力が発生し、出力シャフト５には、螺子軸４の回転を抑制する方向のトルクが作用することとなる。

すなわち、このモータ駆動回路Ｃおよび緩衝器１にあっては、異常事態が発生してモータ駆動回路Ｃへの電流供給が遮断され、モータ駆動回路Ｃが動作不能となっても、短絡手段ＴによってモータＭの巻線が短絡されるフェールセーフモードに速やかに移行でき、これにより緩衝器１にあっては、モータＭが発電機として動作しトルク出力可能な状態に維持され減衰力を発生することができる。

したがって、フェールセーフ時にあっても、緩衝器１が減衰力を発生できなくなってしまう事態が回避され、車両の姿勢を安定させることができ、車両における乗り心地が確保されるのである。

上記参考例にあっては短絡手段ＴをＪ−ＦＥＴのスイッチング素子としていたが、本発明の短絡手段Ｔでは、スイッチング素子１０をＭＯＳＦＥＴとし、モータＭの巻線に生じる誘導起電圧をゲート電極に印加できるようにしてある。この様にすることで、フェールセーフ時にあって緩衝器１が減衰力を発揮しなくてはならない場面では、スイッチング素子１０はオンされるとことなるからモータＭの巻線を自動的に短絡することが可能となる。

なお、この場合、ツェナーダイオード等の保護を設けてゲート電極に印加される電圧が大きくなりすぎることの不都合を回避することが望ましい。

また、アームＡ１，Ａ２，Ａ３に設けた各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をＭＯＳＦＥＴに換えて他のスイッチとしてもよいが、この場合、スイッチの構成によってモータＭの巻線を短絡できなくなる場合があるので、フライホイルダイオードを別途設けておくことが必要である。

また、モータＭは、上記したブラシレスモータのみに限られず他のモータとしてもよい。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における緩衝器を概念的に示した図である。 モータ駆動回路の回路図である。 従来のモータ駆動回路の回路図である。

符号の説明

１ 緩衝器
２ 運動変換機構
３ ボール螺子ナット
４ 螺子軸
５ 出力シャフト
７ ブラケット
８ 筒
１０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６ スイッチング素子
Ａ１，Ａ２，Ａ３ アーム
Ｂ バイパス
Ｃ モータ駆動回路
Ｅ 電源
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６ 寄生ダイオード
Ｍ モータ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 出力端子
Ｒ リレー
Ｔ 短絡手段

Claims (2)

1. スイッチング素子を直列に接続した複数のアームを電源に接続し、各アームのスイッチング素子間をモータの巻線に接続してなるモータ駆動回路において、各アームに対し並列に接続されるＭＯＳＦＥＴでなるスイッチング素子を設け、外部からの電流供給が不能となるとモータの巻線に生じる誘導起電力でゲート電極を印加してスイッチング素子をオンしてモータの巻線を短絡することを特徴とするモータ駆動回路。
2. 直線運動を回転運動に変換する運動変換機構と、該回転運動が伝達されるモータと、モータ駆動回路を備えた緩衝器において、モータ駆動回路は、スイッチング素子を直列に接続した複数のアームを電源に接続し、各アームのスイッチング素子間をモータの巻線に接続して構成され、該モータ駆動回路に各アームに対し並列に接続されるＭＯＳＦＥＴでなるスイッチング素子を設け、外部からの電流供給が不能となるとモータの巻線に生じる誘導起電力でゲート電極を印加してスイッチング素子をオンしてモータの巻線を短絡することを特徴とする緩衝器。

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