JP5077348B2 - モータ駆動装置、モータ装置、および集積回路装置 - Google Patents

モータ駆動装置、モータ装置、および集積回路装置 Download PDF

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Description

本発明は、例えば空調機器、燃焼用ファンモータを搭載した給湯機、空気清浄機並びに複写機、プリンタなどの情報機器に使用されるブラシレスDCモータなどを駆動するのに好適なモータ駆動装置に関する。特に、本発明は、正弦波駆動を行う際の回生現象を抑制し、モータ駆動時のトルクリップル、振動、騒音を大幅に低減できるモータ駆動装置に関する。さらに、本発明は、このようなモータ駆動装置を含む集積回路装置、およびこのようなモータ駆動装置あるいは集積回路装置をモータに内蔵または一体化したモータ装置に関する。

例えば空調機器、給湯機、空気清浄機、複写機およびプリンタなどの電気機器に用いられる各種駆動用モータは、長寿命、高信頼性および速度制御の容易さなどの長所を活かして、ブラシレスDCモータが用いられることが多い。

このような速度制御が可能なモータにおいて、例えば、一定速度での運転状態から速度が低下するように減速した場合、モータが発電機として作用する。すなわち、本来モータに電力を供給するための電源や駆動回路に対して、逆にモータが電力を供給してしまう、いわゆる回生現象が発生する。

図10は、上述したようなブラシレスDCモータを駆動する従来のモータ駆動装置の構成を含む構成図である。図11は、このような従来のモータ駆動装置の動作説明図である。図12は、このような従来のモータ駆動装置の回生現象の様子を説明するために示した図である。また、図13は、このような従来のモータ駆動装置の回生現象による直流電源の電圧上昇を説明するために示した図である。

以下、これらの図面を用いて、正弦波状にパルス幅変調された駆動信号を利用してブラシレスDCモータを駆動する従来のモータ駆動装置の構成および動作とともに、このような従来技術において生じる回生現象について説明する。

図10において、モータ駆動装置800には、直流電源805から直流電力が供給される。モータ駆動装置800は、供給された直流電力を駆動電力に変換し、変換した駆動電力をブラシレスDCモータであるモータ810に供給する。また、モータ駆動装置800には、上位器806から指令情報としての速度指令信号Srefおよび切替信号HLが通知される。さらに、モータ810から位置検出信号CSおよび速度検出信号Nが通知される。

モータ810は、U相駆動巻線811、V相駆動巻線813およびW相駆動巻線815を有し、モータ駆動装置800は、これら各駆動巻線に対し駆動電力を供給する。

モータ駆動装置800は、インバータ820、インバータ駆動部830および速度制御部840から構成されている。速度制御部840は、指令情報や速度検出信号Nに基づき、速度制御するための駆動制御信号VSPを生成し、インバータ駆動部830に通知する。インバータ駆動部830は、駆動制御信号VSPに基づき、インバータ820を駆動制御するための駆動信号を生成し、インバータ820を駆動する。このようにして、インバータ820は、供給された直流電力を、位置検出信号CSおよび駆動制御信号VSPに応じた駆動電圧に変換し、変換した駆動電圧をモータ810に供給する。

また、インバータ820は、モータ810の駆動巻線811、813および815を正極側電源線路Vpに接続する正極側のスイッチ素子821、823および825と、負極側電源線路Vnに接続する負極側のスイッチ素子822、824および826とを備える。

また、インバータ駆動部830は、波形生成部831とパルス幅変調部832とを有している。波形生成部831は、モータ810の位置検出信号CSに応じて正弦波状の波形信号WFを生成する。パルス幅変調部832は、波形信号WFに応じてパルス幅変調(Pulse Width Modulation、以下、適宜、「PWM」と呼ぶ)された駆動信号UH、VH、WH、UL、VLおよびWLを生成する。

駆動信号UH、VHおよびWHは、互いに電気角120度の位相差をもち、また、駆動信号UL、VL、WLも、互いに電気角120度の位相差をもった信号である。このような各駆動信号が、図10に示すように、インバータ820の各スイッチ素子(以下、適宜、単に「スイッチ」と呼ぶ)にそれぞれ対応して接続され、それぞれオンまたはオフ動作させる。

次に、以上のように構成された従来のブラシレスDCモータを駆動するモータ駆動装置の動作について説明する。なお、ここでは、インバータ820の出力Uに接続されるU相駆動巻線(以下、適宜、単に「巻線」と呼ぶ)811に対する動作を中心に説明する。

まず、上位器806から、指令情報としての速度指令信号Srefおよび切替信号HLが速度制御部840に通知される。上位器806は、マイクロコンピュータやDSPなどで構成される。速度指令信号Srefは、モータ810の速度を指令する信号である。また、切替信号HLは、速度指令信号Srefによるモータ810の設定速度に応じて、適切に制御ゲインを切替えるための制御信号である。

速度指令信号Srefに応じたモータ810の速度となるように制御するため、速度制御部840は、速度指令信号Srefとモータ810からの速度検出信号Nとが同じ値となるように、駆動制御信号VSPを調整する。さらに、波形生成部831は、駆動制御信号VSPに対応した振幅の正弦波状の波形信号WFを生成する。

図11において、正弦波状の波形信号WFは、波形生成部831がこのようにして生成した信号である。また、三角波状の信号CYは、パルス幅変調部832の内部で生成したPWMキャリア信号である。波形信号WFは、パルス幅変調部832によりキャリア信号CYと比較される。その比較結果に応じてインバータ820のスイッチ821および822は相補的にオン、オフされる。その結果、図11に示す駆動電圧Uがインバータ820から出力され、巻線811に印加される。これにより、巻線811にはU相駆動電流Iuが流れるとともに、誘起電圧Uemfが生じる。なお、駆動電圧Uは、瞬時的には直流電源805の正極側電圧と負極側電圧との間を交互に変化するパルス状の電圧であるが、パルス幅変調の原理から平均値的には波形信号WFに応じた正弦波状の電圧となる。したがって、巻線811にはU相の波形信号WFと同様の正弦波状の電圧が印加されることになる。また、相補的にとは、一方のスイッチがオンしている間は他方がオフし、一方のスイッチがオフしている間は他方がオンするように動作することである。

また、図11には、正極側および負極側のスイッチが相補的にオン、オフされる詳細なタイミングを示している。図11では、スイッチ821をオン、オフする駆動信号UHと、スイッチ822をオン、オフする駆動信号ULとを示している。駆動信号UHおよびULにおいて、Hレベルの間がそれぞれのスイッチのオンを意味し、Lレベルの間がオフを意味する。図11に示すように、厳密には、双方のスイッチのオンとオフとが入替わる際に、時間tdのような一瞬の時間が設けられる。時間tdはデッドタイムあるいはオンディレィと呼ばれる時間であり、この時間tdの期間だけ双方のスイッチがともにオフする。これは、直流電源805の短絡を防止するためであり、周知の技術である。

また、V相駆動巻線813およびW相駆動巻線815に対しても、U、VおよびW相それぞれが互いに電気角120度の位相差を保ちながら、U相駆動巻線811と同様にして、インバータ820から駆動電圧Vおよび駆動電圧Wによって正弦波状の電圧が印加される。

以上のようにして、駆動制御信号VSPに対応した大きさ(波高値)の正弦波電圧が、各相の巻線811、813および815に印加される。これにより、モータ810は、速度を制御するように各巻線への駆動電力が調整されながら、正弦波駆動される。

次に、このようなモータ駆動装置800において生じる回生現象について説明する。

図12において、波形信号WFは、インバータ820が出力する駆動電圧Uに対応している。そして、この駆動電圧Uの平均値(波形信号WFに対応)が、巻線811からの誘起電圧Uemfよりも小さくなった場合の動作を示している。このように、駆動電圧が誘起電圧よりも小さくなる状態は、モータを減速しようとする際など、波形信号WFの波高値を低下させた場合に起こる。

まず、図12に示す期間aにおいては、スイッチ821がオンし、スイッチ822がオフしている。その結果、巻線811は、直流電源805の正極側電源線路Vpに接続され、駆動電圧Uの瞬時値は、正極側電源線路Vpの電圧となる。この期間aでは、駆動電圧Uが誘起電圧Uemfよりも高いため、巻線811の電流Iuは増加しながら流れていく。その増加量は、駆動電圧Uから誘起電圧Uemfを差し引いた電圧(期間aのハッチングを施した部分)に依存する。しかし、駆動電圧Uの平均値が誘起電圧Uemfよりも低い場合、その差分は小さく電流増加も僅かとなる。

次に、期間bにおいては、スイッチ821がオフし、スイッチ822がオンしている。その結果、巻線811は直流電源805の負極側電源線路Vnに接続され、駆動電圧Uの瞬時値は負極側電源線路Vnの電圧となる。この期間bでは、駆動電圧Uが誘起電圧Uemfよりも低いため、巻線811の電流Iuは減少していく。その減少量は、誘起電圧Uemfから駆動電圧Uを差し引いた電圧(期間bのハッチングを施した部分)に依存する。そして、駆動電圧Uの平均値が誘起電圧Uemfよりも低い場合、その差分は大きく電流の減少量も大きくなる。

期間bのうち期間b1では、電流Iuは、スイッチ822またはこれに逆並列接続されるダイオードを流れて巻線811に至りつつ減少する。また、電流Iuがゼロにまで減少した以後の期間b2では、電流の方向が反転する。その結果、電流Iuは、巻線811からスイッチ822を介して負極側電源線路Vnに向けて流れ出すようになる。このときの電流Iuは、誘起電圧Uemfから供給される向きとなり、本来のモータ駆動の電流方向とは逆になる。

次に、期間cにおいては、期間aのようにスイッチ821がオンし、スイッチ822がオフしている。したがって、期間aと同様、電流Iuは増加するがその増加量は僅かで、電流方向を再び反転して元の向きに戻すほどには至らない。期間cでは、電流Iuは、巻線811からスイッチ821またはこれに逆並列接続されるダイオードを介して、正極側電源線路Vpに向けて流れ出すことになる。そして、これは誘起電圧Uemfから供給される向きとなり、期間b2と同様、本来のモータ駆動の電流方向とは逆になる。

次に、期間dにおいては、期間bのようにスイッチ821がオフし、スイッチ822がオンしている。したがって、期間bと同様、電流Iuは大きく減少を続けることになる。期間dでは、電流Iuは、巻線811からスイッチ822を介して負極側電源線路Vnに向けて流れ出すことになる。このため、期間b2よりも増して大きな電流Iuが誘起電圧Uemfから供給されることになる。

本来モータを駆動するためには、巻線811の誘起電圧Uemfに向かって電流Iuを供給しなければならない。ところが、上述したように、逆に誘起電圧Uemfから電流Iuが供給される現象が生じる。このような現象が継続されると、スイッチ821がオンし、スイッチ822がオフするたびに、巻線811からスイッチ821またはこれに逆並列接続されるダイオードを介して、電流Iuが正極側電源線路Vpに向けて流れ出す。この現象は、他の巻線813、815においても同様に発生し、各巻線から流れ出した電流が正極側電源線路Vpを介して、直流電源805の正極側電極に向かうことになる。

つまり、モータが発電機として作用し、本来モータに電力を供給するための直流電源に対して、逆にモータが電力を供給してしまう、いわゆる回生が発生することになる。

図13は、上述の回生現象が発生し、直流電源805の出力電圧VDCが上昇する様子を示している。

図13において、破線にて示す速度指令信号Srefの低下、すなわち減速指令により、モータの速度は減速されるが、このとき速度制御部840は速度指令信号Srefと速度検出信号Nとの差に応じて駆動制御信号VSPを減少させる。駆動制御信号VSPの減少により、インバータ820の出力電圧つまり巻線811、813および815の駆動電圧も減少する。このとき、これら巻線に印加される駆動電圧は、同巻線に発生する誘起電圧よりも低くなる。巻線に印加される駆動電圧が誘起電圧よりも低くなると、前述した回生現象が発生し、その結果、直流電源805の出力電圧VDCが上昇することになる。なお、巻線に印加される駆動電圧と誘起電圧の大小関係は、図13における駆動制御信号VSPと速度検出信号Nとの大小関係に対応している。

以上説明したように、ブラシレスDCモータを含め一般的にモータは、このような回生現象が発生する。このため、従来、回生現象により発生した電力を電源側に戻すことにより電力の有効利用を図ったり、回生現象により発生した過電圧から駆動回路や電源回路を保護したりするような技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

図14は、従来の回生制御装置の構成図である。この従来の回生制御装置は、回生現象により発生した回生電流を電源回路に電源回生するとともに、電源回生に切替える期間において、回生現象による直流回路電圧の上昇を抑制する。これによって、この従来の回生制御装置は、回生時の直流回路過電圧からインバータ装置を保護している。

図14において、サイリスタ変換器92は、力行運転時に順変換器として作動し、交流電源91の交流電圧を直流電圧に変換するとともに、回生運転時には逆変換器として作動する。また、サイリスタ変換器92の直流側には、コンデンサ93が並列に接続されている。インバータ回路94は、サイリスタ変換器92からの直流電力を交流電力に変換して誘導電動機95を可変速制御する。速度制御回路914は、速度検出器98で検出された電動機速度Nfbkおよび速度指令Nref間の偏差をゼロにするような電流指令Irefを演算する。制御手段920は、電流指令Irefに基づいてインバータ回路94の出力電圧および周波数を制御する。

さらに、回生判定器912は、誘導電動機95の減速により力行運転から回生運転へと切替えられたとき、速度指令Nrefおよび電流指令Irefに基づいてそれを判定する。また、速度制御回路914と制御手段920との間には、電流変化率制限回路921が設けられている。電流変化率制限回路921は、回生判定器912の判定出力に従って、サイリスタ変換器92が回生変換へと切替えを行う時間のみ、電流指令Irefの時間変化率を抑制する。

このように構成された従来の回生制御装置において、速度指令Nrefを下げることで減速すると、誘導電動機95はそれまでの電動機動作から発電機動作へと移行する。すなわち、機械系のもつエネルギーが、インバータ回路94を通してコンデンサ93を充電し、電気エネルギーとなって回生されることになる。このため、従来の回生制御装置は、まず、速度指令Nrefの絶対値の時間変化率に着目し、これが負であるか、または速度制御回路914の出力である電流指令Irefが力行から回生に切替わり増加中であるかを、回生判定器912で判断する。そして、遅延回路913を用いてサイリスタ変換器92が順逆切替えを終え回生動作となるまでの一定時間、電流変化率制限回路921の回生電流変化率を下げ、電流指令の上昇率を抑える。従来の回生制御装置は、このような動作により、コンデンサ93の充電電流を抑制し、充電電圧の上昇を抑制している。また、サイリスタ変換器92が回生運転への切替えを終えると、電圧制御回路931により、直流回路電圧が所定の電圧値へと下がる。

従来の回生制御装置は、以上のような構成とすることで、回生エネルギーを消費させるための回生放電抵抗器を設けたり、回生エネルギーを蓄積するためのコンデンサ容量を増やしたりすることなく、インバータ装置を回生運転時の直流回路過電圧から保護する手段を提供している。

しかしながら、上述した従来の回生制御装置のように回生現象により発生した電力を電源側に戻すことにより効率よい電力の利用が可能となる一方、例えば従来例の順逆切替え可能なサイリスタ変換器のような回生運転のための回路部品や、回生による電力が吸収可能な電源が必要となるなど、モータの使い勝手の悪化や、周辺回路によるコスト高を招くなどの課題があった。すなわち、モータを備える空調機器や複写機などのような上位装置側からすれば、定格の電圧および電流が供給できる電源装置を、回生対応など意識せず、単にモータに接続するのみで動作可能なモータ装置であることが、利便性やコスト面の観点から好ましい。

特開2007−215282号公報

本発明のモータ駆動装置は、次のような構成を有する。

すなわち、本発明のモータ駆動装置は、可動子の速度を検出し速度検出情報として出力する速度検出器を備えたモータを駆動するモータ駆動装置であって、供給された直流電力を、モータを駆動するための駆動電力に変換し、変換した駆動電力をモータに供給するインバータと、外部から通知される指令情報および速度検出器から通知される速度検出情報に基づき速度制御信号群を生成し、生成した速度制御信号群に含まれる駆動制御信号に基づき駆動電力を調整し、モータの速度を制御する速度制御部と、指令情報および速度検出情報に基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定し、判定した結果に応じて回生現象を抑制する回生抑制処理を行うことで、回生現象を未然に防止するように機能する回生防止手段とを備えた構成である。

このような構成により、制御状態に基づいて、回生現象が発生し得る状態を判定し、その期間は常に回生現象が抑制されることになるため、モータ駆動装置や電源装置に戻る回生電力の発生を未然に防止できる。すなわち、モータからモータ駆動装置や電源装置への回生エネルギーの返還が抑制されるため、例えば直流回路の電圧が異常に上昇するような過電圧の発生などを防止できる。このため、回生現象による電圧増加を検出する回路、電源装置に回生電力を戻す回路、あるいは回生電力を吸収する電源装置などをモータ周辺に備える必要はなくなり、これによって、モータ駆動装置の高い信頼性の確保とともに、利便性を向上させることが可能となる。

さらに、本発明のモータ駆動装置は、回生防止手段が、指令情報および速度検出情報に基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定する回生発生判定部と、回生発生判定部の判定結果に応じて、回生抑制処理を行う回生抑制手段とを備え、回生抑制手段は、回生発生判定部において回生現象が発生し得る制御状態であると判定したとき回生抑制処理を開始し、回生発生判定部において回生現象が発生しない制御状態になったと判定したとき回生抑制処理を解除する構成である。

このような構成により、制御状態に基づいて、回生現象が発生し得る状態となった時点から回生現象が発生しない状態となった時点までの期間を判定するため、回生現象が発生し得る状態の期間を正確に判定でき、その期間は常に回生現象が抑制されることになるため、モータ駆動装置や電源装置に戻る回生電力の発生を未然に防止できる。

また、本発明のモータ装置は、モータと、このモータの可動子の速度を検出する速度検出器と、本発明のモータ駆動装置と、直流電力が供給される電源入力端子と、指令情報が通知される指令情報入力端子とを備えた構成である。

また、本発明の集積回路装置は、本発明のモータ駆動装置を含む構成である。

本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置を備えたモータ装置の構成を含む構成図 同モータ装置の回生防止手段の詳細を示す構成図 同モータ装置の動作説明図 同モータ装置において、位相進角信号により駆動巻線に印加される正弦波状の電圧の位相が制御される場合の動作説明図 同モータ装置において、回生現象の抑制動作の一例を示す図 同モータ装置において、回生現象の抑制動作の他の例を示す図 本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置を備えたモータ装置の構成を含む構成図 同モータ装置の動作説明図 同モータ装置において、回生現象の抑制動作の一例を示す図 従来のモータ駆動装置の構成を含む構成図 同モータ駆動装置の動作説明図 同モータ駆動装置の回生現象の様子を説明するために示した図 同モータ駆動装置の回生現象による直流電源の電圧上昇を説明するために示した図 従来の回生制御装置の構成図

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は本発明の実施の形態1におけるモータ駆動装置100を備えたモータ装置110の構成を含む構成図である。

図1に示すように、モータ装置110は、モータ10と、モータ10の可動子の速度を検出する速度検出器120と、モータ10の可動子の位置を検出する位置検出器121と、モータ10を駆動するモータ駆動装置100と、外部の直流電源105から直流電力が供給される電源入力端子115と、外部の上位器16から指令情報が通知される指令情報入力端子116とを備えている。

上位器16は、例えば、モータ装置110が搭載される機器に備えられ、マイクロコンピュータあるいはDSPなどで構成される。このような上位器16から、モータ装置110の速度などを指令制御するための指令情報がモータ装置110に通知される。本実施の形態では、指令情報として、入力端子17に速度指令信号Srefが入力され、入力端子18に切替信号HLが入力される。速度指令信号Srefは、モータ10の速度を指令する速度指令情報を示す信号である。切替信号HLは、速度指令信号Srefによるモータ10の設定速度に応じて、適切に制御ゲインを切替えるためのゲイン切替指令情報を示す信号である。

速度検出器120は、モータ10の可動子の速度を検出する手段である。例えば、速度検出器120は、フレケンシジェネレータ(Frequency Generator、周波数発電機)と呼ばれる簡易な発電機能を利用した回路を用いる方法などよりに実現される。また、位置検出器121は、モータ10の可動子の位置を検出する手段である。例えば、位置検出器121は、ホール効果を利用したホールセンサーを用いる方法や、駆動巻線に発生する誘起電圧あるいは駆動巻線電流を利用する方法などよりに実現される。位置検出器121は、検出した可動子の位置に関する情報である位置検出情報を示す位置検出信号CSをモータ駆動装置100に出力する。速度検出器120は、検出した可動子の速度に関する情報である速度検出情報を示す速度検出信号Nをモータ駆動装置100に出力する。

また、モータ10は、可動子(図示せず)とU相駆動巻線11、V相駆動巻線13およびW相駆動巻線15とを有している。各駆動巻線の一端は、モータ駆動装置100から、それぞれ駆動電圧U、VおよびWが供給され、各駆動巻線の他端は、互いに中性点で接続されている。

本実施の形態では、このように構成されたモータ装置110において、モータ10が、モータ駆動装置100により正弦波駆動されるブラシレスDCモータの一例を挙げて説明する。さらに、本モータ装置110は、モータ駆動装置100の機能の一部あるいは全部が、1つまたは複数の集積回路により実現され、モータ駆動装置100の機能を実現する回路素子がプリント基板上に実装されている。そして、本モータ装置110は、このようなプリント基板が、モータ10に内蔵または一体化されている。

また、詳細については以下で説明するが、本実施の形態のモータ駆動装置100は、回生現象を未然に防止する機能を有していることを特徴としており、これによって、直流電源105に返還される回生エネルギーも抑制される。このため、図1に示すように、モータ装置110の電源側には回生電力に対する回路素子など必要なく、また、直流電源105も返還される回生電力を考慮する必要もなく、単に、直流電源105を接続するのみでモータ装置110を動作させることができる。

次に、本実施の形態におけるモータ駆動装置100の構成について説明する。

図1に示すように、モータ駆動装置100は、直流電力を交流電力に変換するインバータ20と、モータ10の速度を制御するための速度制御部40と、回生現象を未然に防止するための回生防止手段50と、インバータ20を駆動するためのインバータ駆動部30と、インバータ駆動部30で生成される波形信号WFの位相を制御するための進角制御部60とを備える。

インバータ20は、直流電源105から供給された直流電力を、モータ10を駆動するための駆動電力に変換し、変換した駆動電力をモータ10に供給する。

速度制御部40は、上位器16からの指令情報および速度検出器120からの速度検出信号Nに基づき、第1の駆動制御信号VSP1を含め、速度を制御するための各種信号である速度制御信号群を生成する。なお、第1の駆動制御信号VSP1(以下、単に「駆動制御信号VSP1」と呼ぶ)は、モータ10への駆動電力を調整するための信号である。さらに、速度制御部40は、指令情報および速度検出信号Nを含む制御情報群INFおよび駆動制御信号VSP1を回生防止手段50に通知する。このように、速度制御部40は、速度制御信号群に含まれる駆動制御信号VSP1に基づき駆動電力を調整し、モータの速度を制御する。

回生防止手段50は、指令情報および速度検出信号Nを含む制御情報群INFに基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定する。そして、回生防止手段50は、判定した結果に応じて回生現象を抑制する回生抑制処理を行う。

本実施の形態では、回生防止手段50は、指令情報および速度検出信号Nに基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定する回生発生判定部51と、回生発生判定部51の判定結果に応じて、回生抑制処理を行う回生抑制手段52とを備えている。回生抑制手段52は、回生発生判定部51において回生現象が発生し得る制御状態であると判定したとき、回生抑制処理を開始する。また、回生抑制手段52は、回生発生判定部51において回生現象が発生しない制御状態になったと判定したとき、回生抑制処理を解除する。

さらに、本実施の形態では、回生抑制手段52が、駆動制御信号VSP1の時間変化率を抑えるような回生抑制処理を行う一例を挙げている。すなわち、速度制御部40からの駆動制御信号VSP1は、回生発生判定部51の判定結果に応じて回生抑制手段52により回生抑制処理される。そして、このように回生抑制処理された駆動制御信号である第2の駆動制御信号VSP2(以下、単に「駆動制御信号VSP2」と呼ぶ)がインバータ駆動部30に通知される。

進角制御部60は、インバータ駆動部30で生成される波形信号WFの位相を制御するための位相進角信号PSを生成し、インバータ駆動部30に通知する。

インバータ駆動部30は、回生抑制手段52からの駆動制御信号VSP2、進角制御部60からの位相進角信号PSおよび位置検出器121からの位置検出信号CSに基づき、インバータ20を駆動制御するための駆動信号を生成し、生成した駆動信号をインバータ20に出力する。

このようにして、インバータ20は、供給された直流電力を、駆動制御信号VSP2、位置検出信号CSおよび位相進角信号PSに応じた駆動電圧に変換し、変換した駆動電圧をモータ10に供給する。また、特に、インバータ20は、モータ10に対する制御状態に応じて回生抑制処理された信号である駆動制御信号VSP2に従って、駆動電圧に変換することになる。このため、これによって、直流電源105に返還される回生エネルギーも抑制される。

次に、モータ駆動装置100における各部のさらに詳細な構成について説明する。

まず、速度制御部40は、上位器16からの速度指令信号Srefと速度検出器120からの速度検出信号Nとを比較し、その差に所定の制御ゲインを乗じるような処理を行う。速度制御部40は、このような処理により生成した信号を駆動制御信号VSP1として出力する。ここで、制御ゲインは、入力端子18を介して上位器16から通知される切替信号HLに応じて切替えられ、速度制御部40の内部で設定されるように構成されている。なお、このような制御ゲインを適切に設定することで、モータ10を安定して速度制御することができる。また、このように、制御ゲインを切替え可能とすることにより、例えば、高速と低速運転とのそれぞれに適した制御ゲインを設定することができる。すなわち、切替信号HLは、例えば“H”レベルとすることでモータ10を比較的高速度領域で制御する場合に対応し、“L”レベルとすることで比較的低速度領域で制御する場合に対応させた信号である。上位器16は、速度指令信号Srefがいずれの速度領域に相当する速度指令であるかに応じて、切替信号HLのレベルを設定し、このようにして、モータ10をより安定して速度制御することができる。

次に、インバータ駆動部30は、波形生成部31と、パルス幅変調部(PWM)32とを有している。波形生成部31は、位置検出信号CS、位相進角信号PSおよび駆動制御信号VSP2に応じて正弦波状の波形信号WFを生成する。また、パルス幅変調部(PWM)32は、波形信号WFに応じてパルス幅変調された駆動信号UH、VH、WH、UL、VLおよびWLを生成する。

駆動信号UH、VHおよびWHは、互いに電気角120度の位相差をもち、また、駆動信号UL、VLおよびWLも、互いに電気角120度の位相差をもった信号である。また、UHとULとは、図11で示したような互いにほぼ相補的な関係となる信号であり、また、VHとVL、およびWHとWLも同様である。このような各駆動信号が、インバータ20の各スイッチ素子にそれぞれ対応して接続され、それぞれオンまたはオフ動作させる。

波形生成部31により生成される正弦波状の波形信号WFにおいて、その位相は、位置検出信号CSから通知される位置検出のタイミングを基準として、位相進角信号PSにより通知される位相だけ進んだ位相として設定される。また、その振幅は、駆動制御信号VSP2に応じた波高値が設定される。すなわち、波形生成部31は、速度指令信号Srefと速度検出信号Nとの差分に基づく振幅の波形信号WFを生成する。

また、パルス幅変調部32は、内部で三角波状のPWMキャリア信号を生成し、波形信号WFをこのPWMキャリア信号と比較することによりパルス幅変調する。パルス幅変調部32は、このようにして生成した駆動信号UH、VH、WH、UL、VLおよびWLをインバータ20に供給する。

次に、インバータ20は、直流電源105の正極側電源線路Vpに一方の端子が電気的に接続された正極側のスイッチ素子21、23および25と、負極側電源線路Vnに一方の端子が電気的に接続された負極側のスイッチ素子22、24および26とを備える。また、スイッチ素子21とスイッチ素子22との他方の端子どうしが接続され、この接続部からU相駆動巻線11を駆動する駆動電圧Uが出力される。また、スイッチ素子23とスイッチ素子24、およびスイッチ素子25とスイッチ素子26も同様にして、V相駆動巻線13を駆動する駆動電圧V、およびW相駆動巻線15を駆動する駆動電圧Wが出力される。さらに、正極側のスイッチ素子21、23および25は、それぞれ駆動信号UH、VHおよびWHにより、オンまたはオフに切替えるよう制御される。負極側のスイッチ素子22、24および26は、それぞれ駆動信号UL、VLおよびWLにより、オンまたはオフに切替えるよう制御される。このような構成により、インバータ20は、駆動信号に応じて、正極側電圧と負極側電圧との間を交互に変化するパルス状の駆動電圧U、VおよびWを、それぞれ駆動巻線11、13および15に供給する。

また、各駆動信号は、波形信号WFによりパルス幅変調した信号である。このため、パルス幅変調の原理から、平均値的には、波形信号WFに応じた正弦波状の電圧となる駆動電圧U、VおよびWが、それぞれ駆動巻線11、13および15に供給されることになる。

次に、回生防止手段50は、上述したように回生発生判定部51と回生抑制手段52とを備える。図2は、本実施の形態におけるモータ装置110の回生防止手段50の詳細を示す構成図である。以下、図2を参照しながら、回生防止手段50の詳細な構成について説明する。図2に示すように、回生防止手段50には、速度制御部40から制御情報群INFが通知される。制御情報群INFには、速度指令信号Sref、切替信号HLおよび速度検出信号Nが含まれる。このような制御情報群INFは、回生発生判定部51に通知される。

回生発生判定部51は、回生現象が発生し得る制御状態であると判定するため、減速検知部511、オーバーシュート検知部512、ゲイン切替検知部513および判定部519を備える。さらに、回生発生判定部51は、回生現象が発生しない制御状態になったと判定するため、速度到達検知部514を備える。

減速検知部511は、速度指令信号Srefにおいて減速の指令、すなわち、高速度指令から低速度指令への変更がなされたことを検知し、検知したことを示す第1の情報を出力する。

オーバーシュート検知部512は、速度指令信号Srefおよび速度検出信号Nにおいて、速度検出信号Nの示す速度が速度指令信号Srefの示す速度よりも高速となるようなオーバーシュートを検知する。オーバーシュート検知部512は、このようなオーバーシュートを検知すると、検知したことを示す第2の情報を出力する。

ゲイン切替検知部513は、切替信号HLにおいて、制御ゲインの切替えの指令がなされたことを検知し、検知したことを示す第3の情報を出力する。

判定部519は、回生現象が発生し得る制御状態であるかどうかを示す発生判定信号KYを生成し、出力する。判定部519は、第1の情報、第2の情報、および第3の情報の少なくともいずれかの情報において検知したことが示されたとき、回生現象が発生し得る制御状態であるとする発生判定信号KYを、回生抑制手段52に出力する。

また、速度到達検知部514は、速度指令信号Srefおよび速度検出信号Nにおいて、速度検出信号Nの示す速度が速度指令信号Srefの示す速度に到達したことを検知する。速度到達検知部514は、このようにして速度に到達したことを検知すると、検知したことを示す第4の情報を生成する。さらに、速度到達検知部514は、第4の情報に基づき、回生現象が発生しない制御状態になったかどうかを判定する。速度到達検知部514は、回生現象が発生しない制御状態になったと判定すると、判定解除信号KYeを判定部519に出力する。判定解除信号KYeは、回生現象が発生し得る制御状態であるとする発生判定信号KYを解除するような信号である。

このようにして、判定部519からは、回生現象が発生し得る制御状態の期間を示すような発生判定信号KYが、回生抑制手段52に対して出力される。

なお、回生現象が発生し得る制御状態であると判定するため、回生発生判定部51が、図2に示すように、減速検知部511、オーバーシュート検知部512およびゲイン切替検知部513を備えることが好適である。以下、本実施の形態では、このような構成の一例を挙げて説明するが、減速検知部511、オーバーシュート検知部512およびゲイン切替検知部513の少なくともいずれか1つを備えた構成であってもよい。すなわち、例えば、減速検知部511のみの構成で判定したり、減速検知部511とオーバーシュート検知部512とによる構成で判定したり、減速検知部511とゲイン切替検知部513とによる構成で判定したりするなど、適宜変更してもよい。

また、回生現象が発生し得る制御状態の期間を示すような発生判定信号KYとして、例えば、判定解除信号KYeが出力されてから、さらに所定時間を経過した時点までの期間など、回生現象の発生が懸念されるような期間として、適宜変更してもよい。

回生抑制手段52は、発生判定信号KYにおいて、回生現象が発生し得る制御状態であると通知されると、速度制御部40からの駆動制御信号VSP1の時間変化率を抑えるような回生抑制処理を開始する。逆に、回生抑制手段52は、発生判定信号KYにおいて、回生現象が発生しない制御状態になったと通知されると、時間変化率を抑えるような回生抑制処理を終了する。このように、回生抑制手段52は、回生発生判定部51の判定結果に応じて回生抑制処理した信号である駆動制御信号VSP2を出力する。

本実施の形態におけるモータ駆動装置100、およびこれを備えたモータ装置110は以上のように構成される。

このように構成された本実施の形態において、例えば、速度を上げるため、上位器16から速度指令信号Srefが増加するよう加速指令される。すると、速度制御部40において、速度指令信号Srefと速度検出信号Nとの差分に対応した駆動制御信号VSP1も増加する。また、この場合、速度指令信号Srefが増加する方向であるため、回生発生判定部51は、回生現象が発生し得る制御状態であるとは判定しない。このため、回生抑制手段52において、回生抑制処理は実行されず、インバータ駆動部30には、駆動制御信号VSP1に等しい駆動制御信号VSP2が通知される。さらに、駆動制御信号VSP2の増加に伴って、波形生成部31により生成される正弦波状の波形信号WFの振幅も増加する。その結果、各駆動巻線を駆動する波形信号WFに対応した駆動電圧も大きくなり、モータ10を加速するように動作する。また、このように加速された速度の情報が、速度検出信号Nとして速度制御部40に通知される。本モータ駆動装置100は、速度指令信号Srefと速度検出信号Nとが等しくなるように、このようなフィードバックループ制御を実行する。

また、速度を下げるため、上位器16から速度指令信号Srefが減少するよう減速指令されると、回生発生判定部51は、減速検知部511において、回生現象が発生し得る制御状態であると判定する。このため、回生抑制手段52において、回生抑制処理が実行される。そして、インバータ駆動部30には、駆動制御信号VSP1に対してその時間変化率が抑えられた信号である駆動制御信号VSP2が通知される。これにより、例えば、速度指令信号Srefにより減速指令を行った場合には、上述のような加速指令の場合と比べて、各駆動巻線を駆動する波形信号WFに対応した駆動電圧が緩やかに変化するように制御しながら、速度指令信号Srefと速度検出信号Nとが等しくなるように、フィードバックループ制御が実行される。また、本モータ駆動装置100は、このような駆動電圧を緩やかに変化するように制御することで、回生現象を未然に防止している。

以上のように構成された本実施の形態のモータ駆動装置100、およびこれを備えたモータ装置110について、次にその動作を説明する。

図3は、本実施の形態におけるモータ装置110の動作説明図である。図4は、本実施の形態におけるモータ装置110において、位相進角信号により駆動巻線に印加される正弦波状の電圧の位相が制御される場合の動作説明図である。図5は、本実施の形態におけるモータ装置110において、回生現象の抑制動作の一例を示す図である。また、図6は、本実施の形態におけるモータ装置110において、回生現象の抑制動作の他の例を示す図である。

まず、図3を参照しながら本モータ駆動装置100およびモータ装置110の動作について説明する。なお、以下、インバータ20の駆動電圧Uに接続されるU相駆動巻線11に対する動作を中心に説明する。

図3において、正弦波状の波形信号WFは、波形生成部31が生成した信号であり、三角波状の信号CYは、パルス幅変調部32の内部で生成したPWMキャリア信号である。通常、キャリア信号CYは、モータ10の回転による電気角周期よりも十分に高い周波数に設定されるが、図3においては説明の便宜上、比較的低い周波数で記している。波形信号WFは、パルス幅変調部32によりキャリア信号CYと比較される。その比較結果に応じてインバータ20のスイッチ21および22は相補的にオン、オフされる。その結果、図3に示す駆動電圧Uがインバータ20から出力され、巻線11に印加される。これにより、巻線11にはU相駆動電流Iuが流れるとともに、図3に示すような誘起電圧Uemfが生じる。なお、上述したように、駆動電圧Uは、平均値的には、パルス幅変調の原理から波形信号WFに応じた正弦波状の電圧となる。したがって、巻線11にはU相の波形信号WFと同様の正弦波状の電圧が印加されることになる。

また、V相駆動巻線13およびW相駆動巻線15に対しても、U相駆動巻線11と同様にして、それぞれインバータ20からの駆動電圧Vおよび駆動電圧Wにより正弦波状の電圧が印加される。

ここで、各巻線11、13および15に印加される各駆動電圧U、VおよびWは互いに電気角120度の位相差を有する。これは、V相の波形信号WFが、U相の波形信号WFと互いに電気角120度の位相差をもち、W相の波形信号WFが、U相およびV相の波形信号WFと互いに電気角120度ずつ位相差をもつように設定されている。そして、V相の巻線13に対しては、このようなV相の波形信号WFとキャリア信号CYとの比較結果に応じて、スイッチ23および24をオン、オフ動作することで実現される。また、W相の巻線15に対しては、このようなW相の波形信号WFとキャリア信号CYとの比較結果に応じて、スイッチ25および26をオン、オフ動作することで実現される。

以上のようにして、各巻線11、13および15に正弦波状の電圧が印加され、各巻線11、13および15は正弦波状の交番電流にて駆動される。

次に、進角制御部60による位相制御の動作について、図4を参照しながら説明する。

上述したように、進角制御部60が出力する位相進角信号PSによって、各巻線11、13および15に印加される正弦波状の電圧の位相が制御される。

進角制御部60から出力される位相進角信号PSは、インバータ駆動部30に入力され、波形生成部31に作用する。まず、波形生成部31は、位置検出信号CSに基づく位相を基準位相タイミングとし、モータ10の可動子の位置に応じた波形信号WF’を生成する。なお、位置検出信号CSは、例えば、可動子に組み込まれたマグネットの磁極位置を検出するような構成のため、駆動巻線が発生する誘起電圧との位相関係は一義的に定まる。すなわち、基準位相タイミングを、図4に示すように、巻線11に発生する誘起電圧Uemfのゼロクロスタイミングとすることができる。波形生成部31は、この基準位相タイミングに応じて生成される波形信号WF’の位相を、位相進角信号PSに応じて進める。さらに、波形生成部31は、このように位相を進めた波形信号である波形信号WFをパルス幅変調部32に対して出力する。これにより、U相の巻線11には、位相が位相進角信号PSによって制御可能な正弦波状の駆動電圧Uを印加することができる。

このような進角制御部60による位相制御により、モータ10に対する駆動効率を高めることができる。すなわち、まず、駆動巻線が有するインダクタンス成分によって発生する駆動電圧Uの平均値(波形信号WFに相当)に対して、駆動電流Iuの位相遅れを、進角制御部60の位相進角信号PSにより調整する。次に、駆動巻線の誘起電圧Uemfと駆動電流Iuとの位相差がゼロとなるように、波形信号WF’から波形信号WFへと位相を進める。このような位相制御を行うことにより、駆動効率を高めることが実現できる。このことは、U相の巻線11だけではなく、V相の巻線13およびW相の巻線15についても同様である。

一方、上述したように、速度制御部40の駆動制御信号VSP1に基づいて、各巻線11、13および15に印加される正弦波状の電圧の波高値が制御される。次に、このような各巻線に印加する波高値の制御における動作について説明する。なお、ここでも、図4を参照しながらU相に関して説明するが、V相およびW相についても同様である。

速度制御部40から出力される駆動制御信号VSP1は、回生抑制手段52を介し、駆動制御信号VSP2として、インバータ駆動部30に入力される。インバータ駆動部30において、波形生成部31が生成する正弦波状の波形信号WFの波高値は、駆動制御信号VSP1に基づく駆動制御信号VSP2に応じて加減される。パルス幅変調部32は、波高値が駆動制御信号VSP2により加減される波形信号WFによりパルス幅変調を行う。これにより、U相の巻線11には、波高値が駆動制御信号VSP2によって制御された正弦波状の駆動電圧が印加される。

また速度制御部40の駆動制御信号VSP1は、入力端子17を介して上位器16から通知される速度指令信号Srefとモータ10の速度検出信号Nとの差に対し所定の制御ゲインを乗じるような処理により生成される。

より詳細には、速度指令信号Srefに対して速度検出信号Nが高い場合は、駆動制御信号VSP1を減少させ、駆動巻線の駆動電圧を減少させる。これにより、モータ10は減速され、速度指令信号Srefが示す速度に近づく。また逆に、速度指令信号Srefに対して速度検出信号Nが低い場合は、駆動制御信号VSP1を増加させ、駆動巻線の駆動電圧を増加させる。これにより、モータ10は加速され、速度指令信号Srefが示す速度に近づく。このような動作を行うことで、結局、速度指令信号Srefと速度検出信号Nとが概略同じになるように制御される。このようにして、上位器16は、速度指令として速度指令信号Srefをモータ駆動装置100に通知することで、モータ10の速度を自在に操作することができる。

また速度制御部40が駆動制御信号VSP1を出力する際に、速度指令信号Srefと速度検出信号Nとの差に乗じる制御ゲインは、モータ10の速度制御が安定して行われるように速度制御部40の内部で設定される。また、制御ゲインは、切替信号HLによって、その設定が切替えられる。すなわち、速度制御を安定して行うための適切な制御ゲインは、モータ10の制御速度によって変化する。このため、このような制御ゲインを切替可能とすることで、モータ10の安定化を図ることを可能としている。具体的には、上位器16からの速度指令信号Srefによる速度指令が高速度領域であるか低速度領域であるかに応じて、それぞれの速度領域で制御ゲインが適切に設定されるように、上位器16は、切替信号HLをモータ駆動装置100に通知する。モータ駆動装置100は、これを速度制御部40で受け、速度制御部40は切替信号HLに応じて制御ゲインを切替え、設定を行う。

次に、本実施の形態における回生防止手段50による回生現象を抑制する動作について、図5および図6を参照しながら説明する。

回生防止手段50において、回生発生判定部51は、速度制御部40からの制御情報群INFを受け取り、回生現象が発生し得るモータの制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定する。そして、回生発生判定部51は、発生判定信号KYにより、回生現象が発生し得る制御状態であるかどうかを回生抑制手段52に通知する。また、回生抑制手段52は、発生判定信号KYにより回生現象が発生し得る制御状態であると通知されたときから、回生現象が発生しない制御状態になったと通知されるまでの期間において、駆動制御信号VSP1の時間変化率を抑えるような回生抑制処理を行う。

図5は、このような回生現象を抑制するための動作の一例を示している。特に、図5では、速度指令信号Srefにおいて減速の指令がなされたことが検知され、第1の情報が発信されたときに、回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが出力(“H”レベル)される様子を示している。そして、図5に示すように、第4の情報により判定解除信号KYeが出力されて、回生抑制処理を解除(“L”レベル)する。

図5において、時刻aのタイミングで、速度指令信号Srefによる速度指令が高速度指令から低速度指令に変化する。減速検知部511は、この高速度指令から低速度指令への変更がなされたことを検知し、第1の情報を出力する。これにより、回生発生判定部51から回生抑制手段52に、回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが出力される。これを受けて、回生抑制手段52は、回生抑制処理、すなわち、回生現象を抑制する動作に入る。

図5に示すように、速度指令信号Srefが高速度指令から低速度指令に変化することで、速度制御部40は、駆動制御信号VSP1を大きく減少させ、モータを減速させようと動作を始める。このときの駆動制御信号VSP1の減少は、インバータ20の出力、つまり駆動巻線の駆動電圧を大きく減少させ、その駆動電圧は駆動巻線に発生する誘起電圧よりも低くなる。したがって、このときの駆動制御信号VSP1により駆動巻線に駆動電圧を印加すると、図12でも示したように回生現象が発生する。

本実施の形態においては、このような回生現象が発生しないように、回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが出力されている間、回生抑制処理が行われる。

回生抑制手段52が行う回生抑制処理は、上述したように時間変化率を抑えるような処理である。すなわち、この回生抑制処理によって、駆動制御信号VSP1の大きく減少するような変化が抑えられる。具体的には、回生抑制手段52は、図5に示すように、駆動制御信号VSP1の実際の減少よりも緩やかに減少するような駆動制御信号VSP2を生成する。そして、このような駆動制御信号VSP2により制御される波形信号WFにより、駆動巻線が駆動される。このとき、駆動制御信号VSP2による駆動巻線への駆動電圧は、同駆動巻線に発生する誘起電圧よりも低くならないように設定されている。このため、駆動制御信号VSP2は、モータの減速に伴う誘起電圧の減少に応じて緩やかに減少する。このように、駆動制御信号VSP1よりも緩やかに減少する駆動制御信号VSP2により、駆動巻線が駆動されることになる。このような動作が実行されることで、駆動巻線の駆動電圧が誘起電圧より低くなることがなく、回生現象の発生は防止される。

時刻bのタイミングでモータ10の減速動作が完了すると、速度検出信号Nと速度指令信号Srefとが示す速度が等しくなる。このため、速度到達検知部514が第4の情報を出力し、これによって回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが解除される。回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが解除されることで、駆動制御信号VSP1に対して回生抑制処理した駆動制御信号VSP2による駆動電圧の制御は解除され、駆動制御信号VSP1と等しい駆動制御信号VSP2により駆動電圧が制御される通常状態に戻る。

図6は、このような回生現象を抑制するための動作の他の例を示している。図6では、特に、第3の情報、すなわち切替信号HLにおいて制御ゲインの切替えの指令がなされたことにより、回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが出力(“H”レベル)され、第4の情報により、回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが解除(“L”レベル)される様子を示している。

図6において、時刻aのタイミングで、切替信号HLが変化して制御ゲインが切替えられる。ゲイン切替検知部513は、このゲイン切替えがなされたことを検知し、第3の情報を出力する。これにより、回生発生判定部51から回生抑制手段52に、回生現象が発生し得るとする発生判定信号KYが出力される。これを受けて、回生抑制手段52は、回生抑制処理、すなわち、回生現象を抑制する動作に入る。

図6に示すように、切替信号HLが変化することで、速度制御部40の内部で設定される制御ゲインが切替えられる。このとき、制御ゲインの切替え直前と直後の駆動制御信号VSP1の出力値が異なっているなどの理由から、図6に示すように、時刻aにて駆動制御信号VSP1が大きく減少方向に変化することがある。このように駆動制御信号VSP1が大きく減少すると、図5で説明した場合と同様に、回生現象が発生する。

この回生現象の抑制は、図5で説明したのと同様に、駆動制御信号VSP1の大きく減少するような変化を抑えることで行われる。つまり、図6に示すように、駆動制御信号VSP1の実際の減少よりも緩やかに減少するような駆動制御信号VSP2を生成し、このような駆動制御信号VSP2により制御される波形信号WFにより駆動巻線を駆動する。

また、速度検出信号Nの速度が速度指令信号Srefの速度に対してオーバーシュートした場合、その速度指令に到達させるためには減速する必要がある。このため、回生発生判定部51において、オーバーシュート検知部512がこのようなオーバーシュートを検出し、回生抑制手段52により上述のような回生抑制処理が行われる。

以上説明したように、本実施の形態におけるモータ駆動装置100は、インバータと、速度制御部40と、回生防止手段50とを備える。ここで、速度制御部40は、指令情報および速度検出情報に基づき速度制御信号群を生成し、速度制御信号群に含まれる駆動制御信号VSP1に基づき駆動電力を調整し、モータの速度を制御する。また、回生防止手段50は、指令情報および速度検出情報に基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるかどうかを判定し、判定した結果に応じて回生現象を抑制する回生抑制処理を行うことで、回生現象を未然に防止する。

さらに、本モータ駆動装置100は、指令情報および速度検出情報に基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるかどうかを判定する回生発生判定部51と、回生発生判定部51の判定結果に応じて、回生抑制処理を行う回生抑制手段52とを備える。ここで、回生抑制手段52は、回生発生判定部51において回生現象が発生し得る制御状態であると判定したとき回生抑制処理を開始し、回生発生判定部51において回生現象が発生しない制御状態になったと判定したとき回生抑制処理を解除する。

このため、本実施の形態におけるモータ駆動装置100によれば、回生現象が発生し得る状態となった時点から回生現象が発生しない状態となった時点までの期間は、常に回生現象が抑制されることになる。このため、モータ駆動装置100や直流電源105に戻る回生電力の発生を未然に防止でき、モータ10からモータ駆動装置100や直流電源105への回生エネルギーの返還も抑制される。これにより、例えば直流回路の電圧が異常に上昇するような過電圧の発生などを防止できる。したがって、本モータ駆動装置100によれば、回生現象による電圧増加を検出する回路、電源装置に回生電力を戻す回路、あるいは回生電力を吸収する電源装置などをモータ周辺に備える必要はなくなる。そして、これによって、本モータ駆動装置100は、モータ駆動装置の高い信頼性の確保とともに、利便性を向上させることが可能となる。

さらに、本モータ駆動装置100は、回生発生判定部51が、速度検出信号Nの示す速度が速度指令信号Srefの示す速度に到達したことを検知し、検知したことを示す第4の情報を出力する速度到達検知部514を有している。そして、第4の情報において検知したことが示されたとき、回生発生判定部51が、回生現象が発生しない制御状態になったと判定する構成である。

この構成により、回生現象が発生し得る状態となった時点を、例えば、第1の情報と第2の情報と第3の情報との少なくともいずれかの制御情報で判定し、回生現象が発生しない状態となった時点を、第4の情報である制御情報で判定する。このため、回生現象が発生し得る状態となった時点から回生現象が発生しない状態となった時点までの期間を、精度よく判定することができる。特に、回生現象は、モータを減速させる場合だけで起こるものではなく、逆に、モータを加速したり、モータに加えられる負荷が急変した場合にも、速度の行き過ぎ量であるオーバーシュートを抑制するための制御動作(減速指令)において同様のことが起こる。本モータ駆動装置100は、このような回生現象が発生し得る各種状態を想定して回生現象が発生し得る状態となった時点を検出するとともに、実際に計測した速度検出信号Nに基づき回生現象が発生しない制御状態になったことを検出しているため、回生現象の発生の有無を精度よく判定することができる。

(実施の形態2)
図7は本発明の実施の形態2におけるモータ駆動装置100を備えたモータ装置110の構成を含む構成図である。

図1で示した実施の形態1との比較において、実施の形態2におけるモータ駆動装置100は、回生防止手段における回生抑制手段を、インバータ駆動部30のパルス幅変調部232としている。従来技術で説明したように、回生現象が発生するのはインバータ20を構成する各スイッチ素子21と22などが相補的にオン、オフすることによる。したがって、これらスイッチ素子を相補的オン、オフさせるのではなく、いずれか一方のスイッチ素子をオフさせている間、他方のスイッチ素子をオン、オフさせる動作を行うことで、回生現象の発生を防ぐことも可能である。

すなわち、実施の形態2におけるモータ駆動装置100は、回生防止手段250における回生抑制手段をパルス幅変調部232としている。そして、本モータ駆動装置100は、パルス幅変調部232からの駆動信号UH、VH、WH、UL、VLおよびWLを、実施の形態1とは異なった波形としている。本実施の形態では、このような構成とすることで、回生現象の発生を防止している。

以下、このように構成された実施の形態2におけるモータ駆動装置100について説明する。なお、図7において、実施の形態1と同一の構成要素については同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図8は、本実施の形態におけるモータ装置110の動作説明図であり、本実施の形態のモータ駆動装置100において、回生現象を抑制する処理を説明するために示した図である。図8を参照しながら、パルス幅変調部232からの駆動信号UH、VH、WH、UL、VLおよびWLにより、各スイッチ素子が制御され、これによって回生現象の発生が防止される動作について説明する。なお、以下、U相について説明するが、V相およびW相も同様である。

図8において、正弦波状の波形信号WFは、波形生成部31が生成した信号である。三角波状の信号CYは、パルス幅変調部232の内部で生成したPWMキャリア信号である。そして、波形信号WFに対応した駆動電圧Uで巻線11が駆動される。

また、図8において、パルス幅変調部232から出力される駆動信号UHおよびULの波形を示している。すなわち、このような相補的ではない波形の駆動信号がスイッチ21および22に供給される。そして、波形信号WFに対応してスイッチ21がオン、オフ動作する期間、スイッチ22はオフ状態を維持する。また、逆に、波形信号WFに対応してスイッチ22がオン、オフ動作する期間、スイッチ21はオフ状態を維持する。

図9は、本実施の形態におけるモータ装置110において、回生現象の抑制動作の一例を示す図であり、インバータ20の各スイッチ素子に対するこのような制御により、回生現象が抑制される動作を説明するために示した図である。

まず、図9に示す期間aにおいては、スイッチ21がオンしている。なお、スイッチ22はオフを維持している。その結果、巻線11は直流電源105の正極側電源線路Vpに接続され、駆動電圧Uの瞬時値は正極側電源線路Vpの電圧となる。この期間aでは、巻線11の誘起電圧Uemfに対して駆動電圧Uが高いため、巻線11の電流Iuは増加しながら流れていく。その増加量は電圧Uから電圧Uemfを差し引いた電圧(図9の期間aにおいてハッチングを施した部分)に依存するが、駆動電圧Uの平均値が誘起電圧Uemfよりも低い場合、その差分は小さく電流増加も僅かとなる。

次に、期間bにおいては、スイッチ21がオフする。なおスイッチ22はオフを維持している。スイッチ21がオフすることで、スイッチ22に逆並列接続されたダイオードが導通し、巻線11は直流電源105の負極側電源線路Vnに接続される。そして駆動電圧Uの瞬時値は負極側電源線路Vnの電圧となる。

この期間bでは、巻線11の誘起電圧Uemfに対して駆動電圧Uが低いため、巻線11の電流Iuは減少していく。その減少量は誘起電圧Uemfから駆動電圧Uを差し引いたもの(図9の期間bにおいてハッチングを施した部分)に依存し、駆動電圧Uの平均値が誘起電圧Uemfよりも低い場合、その差分は大きく電流の減少量も大きくなる。

期間bのうち期間b1では、電流Iuはスイッチ22に逆並列接続されるダイオードを流れて巻線11に至りつつ減少する。また、電流Iuがゼロにまで減少した以後の期間b2では、スイッチ22がオフ状態を維持しているため、電流Iuはゼロとなる。

したがって、図12で示したような誘起電圧Uemfから電流が供給される向きに電流Iuが流れることはない。なお、この期間b2の間は、電流Iuがゼロであるため、インバータ20の出力には巻線11の誘起電圧Uemfそのものが観測される。

期間cにおいては、期間aのようにスイッチ21がオンする。なおスイッチ22がオフ状態を維持している。したがって、期間aと同様に電流Iuは増加するがその増加量は僅かである。期間cでは、電流Iuは、正極側電源線路Vpから正極側のスイッチ21を介して巻線11に向けて流れる。

期間dにおいては、期間bのようにスイッチ21がオフする。なおスイッチ22はオフ状態を維持している。したがって、期間bと同様に期間d1までの間は、電流Iuはスイッチ22に逆並列接続されるダイオードを流れて巻線11に至りつつ減少する。電流Iuがゼロにまで減少した後の期間d2では、スイッチ22がオフ状態を維持しているため、電流Iuはゼロとなる。つまり、この期間でも、図12で示したような誘起電圧Uemfから電流が供給される向きに電流Iuが流れることはない。

したがって、駆動巻線の誘起電圧から電流が、本来とは逆方向の直流電源105に向かって流れる、いわゆる回生現象が発生することはない。また、以上のような動作は、他の巻線13および15についても同様である。

このように、いずれか一方のスイッチ素子をオフさせている間、他方のスイッチ素子をオン、オフさせる動作を行うことで、回生現象の発生を防ぐことも可能である。このような原理を利用し、パルス幅変調部232は、回生発生判定部51からの発生判定信号KYにより回生現象が発生し得る制御状態であることが示される期間、いずれか一方のスイッチ素子をオフ状態とし、他方のスイッチ素子をオン、オフさせる動作を行う。そして、パルス幅変調部232は、回生現象が発生しない期間では、一方のスイッチ素子と他方のスイッチ素子とを相補的に駆動するよう動作する。

すなわち、本実施の形態のモータ駆動装置100は、回生抑制手段としてのパルス幅変調部232が、インバータ20の各スイッチ素子のうち一方の極側のみのスイッチ素子を駆動するような回生抑制処理の制御を行うことで、回生現象を抑制している。本実施の形態のモータ駆動装置100は、このような回生現象を抑制する回生抑制手段を備えた回生防止手段250を備えており、これによっても、回生現象を未然に防止している。

以上説明したように、実施の形態1および2のモータ駆動装置100を備えたモータ装置110においては、駆動巻線11、13および15は正弦波状の交番電流で駆動される。また進角制御部60の位相進角信号PSによって駆動巻線に発生する誘起電圧とこれに流れる駆動電流との位相差が概略ゼロとなるように調整される。これにより、モータ10は低トルクリップル、低騒音、低振動な正弦波駆動でかつ高効率駆動される。

またこれに加えて、速度制御部40による駆動制御信号VSP1の加減動作がモータ駆動装置100の内部構成要素で実現される。このことで、上位器16は速度指令信号Srefによる速度指令をモータ駆動装置100に出力するだけで、正弦波駆動と高効率駆動の動作が保証されたモータの速度を自在に操作することができる。

さらに回生防止手段50あるいは回生防止手段250を備える。回生発生判定部51は、速度制御部40が検知可能なモータ10の制御情報群INFを利用して、回生現象が発生し得るモータ10の制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判別する。回生発生判定部51は、回生現象が発生し得る制御状態である場合は、発生判定信号KYを回生抑制手段52あるいはパルス幅変調部232に出力し、発生しない制御状態である場合はその出力を解除する。本モータ装置110は、このように動作することで回生現象の発生を抑制する。本モータ装置110は、これにより、直流電源の出力電圧の上昇を未然に防止し、モータ駆動装置、電源装置およびこれを搭載する機器を破損から守ることができる。したがって、本モータ装置110は、安全性と信頼性を高めるとともに、回生対応など意識せずにモータ装置を動作させることができるため、利便性を向上させることが可能となる。

また、インバータ、速度制御部および回生防止手段を含むモータ駆動装置をモータ装置に内蔵または一体化することで、これを搭載する上位機器は、低トルクリップル、低騒音、低振動を実現する正弦波駆動によるモータを容易に、かつ回生現象に気を配ることなく安全に構築することできる。また、モータ駆動装置の一部あるいは全部を集積回路装置として集積化することで、モータ駆動装置を小型化できるため、これにより、より容易に内蔵または一体化できる。その結果、上位機器の設計および制御負担を軽減でき、優れた性能を有する正弦波駆動によるモータの使用拡大、普及を促すという効果も奏する。

回生現象は、インバータを構成するスイッチ素子を相補的にオン、オフ動作させることに起因するが、このような相補的なオン、オフ動作はモータを低騒音、低振動で駆動するための正弦波駆動を行う際によく用いられる。

本発明のモータ駆動装置は、インバータと、モータを所望の速度で制御する速度制御部と、速度制御部により検知可能なモータの制御情報群を基に回生抑制を行う回生防止手段とを備え、これらをモータに内蔵または一体化し、回生現象の発生を抑制する。これによって、回生抑制機能がモータ内部で自己完結する。そしてモータおよびモータ駆動装置を搭載する上位機器は、モータの速度指令としての基準信号をモータ駆動装置に出力するのみで、自在に速度制御できる正弦波駆動モータを容易にかつ回生現象に気を配ることなく安全に構築することできる。

したがって、回生現象に気を配ることなく正弦波駆動による低振動低騒音が要求される空調機器用のファンモータや燃焼用ファンモータを搭載した給湯機、空気清浄機、冷蔵庫、洗濯機などの家電機器、あるいは、プリンタ、複写機、スキャナー、ファックス、またはこれらの複合機器、また、ハードディスク、光メディア機器などの情報機器などに使用されるモータの駆動に好適である。

10,810 モータ
11,811 U相駆動巻線
13,813 V相駆動巻線
15,815 W相駆動巻線
16,806 上位器
17,18 入力端子
20,820 インバータ
21,22,23,24,25,26,821,822,823,824,825,826 スイッチ素子
30,830 インバータ駆動部
31,831 波形生成部
32,232,832 パルス幅変調部
40,840 速度制御部
50,250 回生防止手段
51 回生発生判定部
52 回生抑制手段
60 進角制御部
91 交流電源
92 サイリスタ変換器
93 コンデンサ
94 インバータ回路
95 誘導電動機
98 速度検出器
100,800 モータ駆動装置
105,805 直流電源
110 モータ装置
115 電源入力端子
116 指令情報入力端子
120 速度検出器
121 位置検出器
511 減速検知部
512 オーバーシュート検知部
513 ゲイン切替検知部
514 速度到達検知部
519 判定部
912 回生判定器
913 遅延回路
914 速度制御回路
920 制御手段
921 電流変化率制限回路
931 電圧制御回路

Claims (11)

  1. 可動子の速度を検出し速度検出情報として出力する速度検出器を備えたモータを駆動するモータ駆動装置であって、
    供給された直流電力を、前記モータを駆動するための駆動電力に変換し、変換した前記駆動電力を前記モータに供給するインバータと、
    外部から通知される指令情報および前記速度検出器から通知される前記速度検出情報に基づき速度制御信号群を生成し、生成した前記速度制御信号群に含まれる駆動制御信号に基づき前記駆動電力を調整し、前記モータの速度を制御する速度制御部と、
    前記指令情報および前記速度検出情報に基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定し、判定した結果に応じて前記回生現象を抑制する回生抑制処理を行うことで、前記回生現象を未然に防止するように機能する回生防止手段とを備え、
    前記回生防止手段は、
    前記指令情報および前記速度検出情報に基づき、前記回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定する回生発生判定部と、
    前記回生発生判定部の判定結果に応じて、前記回生抑制処理を行う回生抑制手段とを備え、
    前記回生抑制手段は、前記回生発生判定部において回生現象が発生し得る制御状態であると判定したとき前記回生抑制処理を開始し、前記回生発生判定部において回生現象が発生しない制御状態になったと判定したとき前記回生抑制処理を解除し、
    前記指令情報は、前記モータの速度を指令する速度指令情報を含み、
    前記回生発生判定部は、
    前記速度指令情報において減速の指令がなされたことを検知し、検知したことを示す第1の情報を出力する減速検知部と、
    前記速度指令情報および前記速度検出情報において、前記速度検出情報の示す速度が前記速度指令情報の示す速度に対して高速となるようなオーバーシュートを検知し、検知したことを示す第2の情報を出力するオーバーシュート検知部とを有し、
    前記第1の情報と前記第2の情報との少なくともいずれかの情報において検知したことが示されたとき、回生現象が発生し得る制御状態であると判定することを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 可動子の速度を検出し速度検出情報として出力する速度検出器を備えたモータを駆動するモータ駆動装置であって、
    供給された直流電力を、前記モータを駆動するための駆動電力に変換し、変換した前記駆動電力を前記モータに供給するインバータと、
    外部から通知される指令情報および前記速度検出器から通知される前記速度検出情報に基づき速度制御信号群を生成し、生成した前記速度制御信号群に含まれる駆動制御信号に基づき前記駆動電力を調整し、前記モータの速度を制御する速度制御部と、
    前記指令情報および前記速度検出情報に基づき、回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定し、判定した結果に応じて前記回生現象を抑制する回生抑制処理を行うことで、前記回生現象を未然に防止するように機能する回生防止手段とを備え、
    前記回生防止手段は、
    前記指令情報および前記速度検出情報に基づき、前記回生現象が発生し得る制御状態であるか発生しない制御状態であるかを判定する回生発生判定部と、
    前記回生発生判定部の判定結果に応じて、前記回生抑制処理を行う回生抑制手段とを備え、
    前記回生抑制手段は、前記回生発生判定部において回生現象が発生し得る制御状態であると判定したとき前記回生抑制処理を開始し、前記回生発生判定部において回生現象が発生しない制御状態になったと判定したとき前記回生抑制処理を解除し、
    前記指令情報は、前記モータの速度を指令する速度指令情報と、前記速度制御部における制御ゲインを切替えるゲイン切替指令情報とを含み、
    前記回生発生判定部は、
    前記速度指令情報において減速の指令がなされたことを検知し、検知したことを示す第1の情報を出力する減速検知部と、
    前記ゲイン切替指令情報において、制御ゲインの切替えの指令がなされたことを検知し、検知したことを示す第3の情報を出力するゲイン切替検知部とを有し、
    前記第1の情報と前記第3の情報との少なくともいずれかの情報において検知したことが示されたとき、回生現象が発生し得る制御状態であると判定することを特徴とするモータ駆動装置。
  3. 前記指令情報は、さらに、前記速度制御部における制御ゲインを切替えるゲイン切替指令情報を含み、
    前記回生発生判定部は
    記ゲイン切替指令情報において、制御ゲインの切替えの指令がなされたことを検知し、検知したことを示す第3の情報を出力するゲイン切替検知部をさらに有し、
    前記第1の情報と前記第2の情報と前記第3の情報とのうちの少なくとも1つの情報において検知したことが示されたとき、回生現象が発生し得る制御状態であると判定することを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記回生発生判定部は、
    前記速度指令情報および前記速度検出情報において、前記速度検出情報が示す速度が前記速度指令情報が示す速度に到達したことを検知し、検知したことを示す第4の情報を出力する速度到達検知部を有し、
    前記第4の情報において検知したことが示されたとき、回生現象が発生しない制御状態になったと判定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記回生抑制手段は、
    前記駆動電力を調整するための前記駆動制御信号の時間変化率を抑えるような回生抑制処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ駆動装置。
  6. 前記インバータは、直流電力の正極側に接続された複数のスイッチ素子と、負極側に接続された複数のスイッチ素子とを有し、
    前記回生抑制手段は、
    各スイッチ素子のうち一方の極側のみのスイッチ素子を駆動するような回生抑制処理の制御を行うことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ駆動装置。
  7. 請求項1からまでのいずれか1項に記載のモータ駆動装置を含むことを特徴とする集積回路装置。
  8. モータと、
    前記モータの可動子の速度を検出する速度検出器と、
    請求項1からまでのいずれか1項に記載のモータ駆動装置と、
    直流電力が供給される電源入力端子と、
    指令情報が通知される指令情報入力端子とを備えたことを特徴とするモータ装置。
  9. モータと、
    前記モータの可動子の速度を検出する速度検出器と、
    請求項に記載の集積回路装置と、
    直流電力が供給される電源入力端子と、
    指令情報が通知される指令情報入力端子とを備えたことを特徴とするモータ装置。
  10. 前記モータは、可動子と3相の駆動巻線を有し、前記モータ駆動装置により正弦波駆動されるブラシレスDCモータであることを特徴とする請求項に記載のモータ装置。
  11. 前記モータは、可動子と3相の駆動巻線を有し、前記集積回路装置により正弦波駆動されるブラシレスDCモータであることを特徴とする請求項に記載のモータ装置。
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