JP5290536B2 - モータサーボ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス幅変調（ＰＷＭ）でモータをサーボ制御するための装置に関する。

モータをサーボ制御するにあたっては、ハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を有するハーフブリッジ回路を各相毎に設け、このハーフブリッジに与えるＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比のみを以てモータを制御する（Ｌｏｃｋｅｄ Ａｎｔｉ−Ｐｈａｓｅ ＰＷＭ）ことが一般的である。

スイッチ素子にはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴといった半導体スイッチを使用するが、この種の半導体スイッチを点弧するには、点弧に必要な閾値電圧を入力に与えなくてはならない。ローサイドスイッチ素子の基準電位はグランドに固定されており、ローサイドスイッチ素子の点弧はこの基準電位に対し一定の閾値電圧を入力に与えることにより点弧される。他方、ハイサイドスイッチ素子の基準電位は固定ではなく変動する。よって、変動する基準電位に対し一定の閾値電圧を入力に与えるための手段を講じる必要がある。

その手段の一つに、キャパシタを用いた回路方式（ブートストラップ駆動）がある。ブートストラップ駆動では、ハイサイドスイッチ素子の点弧に必要な電荷を蓄えるためのキャパシタを、ハイサイドスイッチ素子の基準電位と負荷駆動用電源との間に必要な個数設ける。そして、ローサイドスイッチ素子の点弧中にキャパシタを蓄電し、その蓄電電圧をハイサイドスイッチ素子の点弧時に利用する（例えば、下記特許文献を参照）。
特開２００２−０５８２８８号公報

上述のＬｏｃｋｅｄ Ａｎｔｉ−Ｐｈａｓｅ ＰＷＭ、ブートストラップ駆動方式のモータサーボ装置では通常、各相のハーフブリッジ回路を略全周期にわたってスイッチングする１８０°通電を行い、４象限動作を可能とする。これは、正逆転動作がＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比のみでサーボ制御できる、応答性がよい、モータが外部負荷により一時停止（ストール）した状態でもサーボ制御が継続される等の利点を有することによる。

１８０°通電は略全周期にわたりスイッチングするので休止相がなく、ストールを含む極めて低速な動作においてもブートストラップ回路のキャパシタを充電でき、サーボ制御を継続できる。しかしながら、１８０°通電はエンコーダやレゾルバなどの位置検出器を別途必要とし、１２０°通電で使用する安価なホールＩＣでは実現できない。また、モータに供給する電流が同じであれば、ある相を一定期間（電気角６０°の期間）休止即ち非通電にする１２０°通電に比して素子の損失が増えるきらいがある。

一方で、１２０°通電では、モータが極めて低速な動作状態になると、ある相が休止する期間が発生し、その相のハイサイドスイッチ素子に付帯するブートストラップ回路のキャパシタが充分に蓄電されず、ハイサイドスイッチ素子が点弧不能となりサーボ制御を継続できなくなるおそれがある。

以上の問題を解消するべくなされた本発明は、１８０°通電を行わずにスイッチ素子の損失を軽減しつつ、モータがストールしたとしてもサーボ制御が継続されるようにすることを目的とする。

本発明では、ブートストラップ駆動用のキャパシタに、休止期間であっても充電が可能となる手段を併設することとした。具体的には、モータを４象限動作させ得るブートストラップ駆動方式のＰＷＭ制御モータサーボ装置において、各相のハーフブリッジが有するハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を個別に点弧／消弧する駆動部が、ＤＵＴＹ制御に起因する活性相のハイサイドスイッチ素子の消弧から同じ活性相のローサイドスイッチの点弧までの間に設けるデッドタイム期間中、及び／または、ＤＵＴＹ制御に起因する活性相のローサイドスイッチ素子の消弧から同じ活性相のハイサイドスイッチの点弧までの間に設けるデッドタイム期間中に、非通電の休止期間にある休止相のローサイドスイッチ素子を一時点弧することによって当該休止相のブートストラップ駆動用のキャパシタを充電するものとし、前記駆動部が、前記デッドタイム期間中に、休止相のローサイドスイッチ素子のみを一時点弧することとした。これにより、キャパシタを確実に充電でき、ひいてはハイサイドスイッチ素子を確実に点弧することができるため、モータのストール等が発生してもサーボ制御が継続されるという、１８０°通電の利点を享受できる。上記手段は、ロジック回路で容易に構成でき、特別な要素を必要としない。

本発明によれば、１８０°通電を行わずにスイッチ素子の損失を軽減できる上、モータがストールしたとしてもサーボ制御が継続される。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態におけるモータサーボ装置の概要を、図１に示す。図示例は、多相交流電動機６の運転に用いるもので、各相毎に設けたハーフブリッジ１にて電源５電圧をスイッチングし、電動機６の各相巻線に印加するものである。

ハーフブリッジ１は、２個のスイッチ素子１１、１４／１２、１５／１３、１６をトーテムポール構成に接続してなる。スイッチ素子１１、１２、１３、１４、１５、１６には、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体パワーデバイスを使用する。ハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３のドレイン（Ｄ）は電源５に、ローサイドスイッチ素子１４、１５、１６のソース（Ｓ）はグランドに接続してある。電動機６の各相端子は、ハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３のソースとローサイドスイッチ素子１４、１５、１６のドレインとの中間に接続される。また、モータ位置検出器であるホールセンサ７の信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）がゲート駆動部４に入力される。ゲート駆動部４は、各スイッチ素子１１、１２、１３、１４、１５、１６のゲート（Ｇ）に点弧信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を出力する。

ゲート駆動部４は、図２（明確化のため、Ｖ相及びＷ相分の図示を省略している）に示すように、ハイサイドスイッチ駆動回路部（ゲートドライバ）４１と、ローサイドスイッチ駆動回路部（ゲートドライバ）４２と、ゲート駆動信号生成部４３とを主要な構成要素とする。ハイサイドスイッチ駆動回路部４１は、ゲート駆動信号生成部４３からのゲート駆動信号（Ｓ１１）に従い、ハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３を点弧／消弧する信号（Ｓ１）をハイサイドスイッチ素子１１のゲートに与える。ローサイドスイッチ駆動回路部４２は、ゲート駆動信号生成部４３からのゲート駆動信号（Ｓ１４）に従い、ハイサイドスイッチ素子１４、１５、１６を点弧／消弧する信号（Ｓ４）をハイサイドスイッチ素子１４のゲートに与える。ゲート駆動信号生成部４３は、ホールセンサ７の信号を基に活性させるべき相を図３に示す論理に従って決定し、別途入力されるＰＷＭ信号をこれらに論理的に重畳させ、各相のハイサイドスイッチ駆動回路部４１及びローサイドスイッチ駆動回路部４２に与えるゲート駆動信号をそれぞれ生成する。

負荷駆動電源７と各相のハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３のソースとの間には、ブートストラップ駆動用キャパシタ２を設けている。ブートストラップ駆動用キャパシタ２は、ローサイドスイッチ素子１４、１５、１６が点弧されている期間を利用して、ハイサイドスイッチ素子１１の点弧に必要な電荷を蓄電する。このキャパシタ２に蓄えられた電荷は、ハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３が点弧すべき期間に、ハイサイドスイッチ駆動回路部４１を経由してハイサイドスイッチ１１、１２、１３のゲートに与えられる。加えて、ハイサイドスイッチ駆動回路部４１と電源７との間には、ブートストラップ駆動用キャパシタ２に蓄電された電荷の逆流を阻むダイオード３を設ける。

電動機６を１２０°通電転流にてＰＷＭ制御運転するにあたっては、図３に示しているように、休止する相が必ず現れる。例えば、ｔ１区間ではＵ相が休止期間となり、ハイサイドスイッチ素子１１及びローサイドスイッチ素子１４に与える信号（Ｓ１及びＳ４）は出力されない。この休止期間の時間長はモータの回転数に依存し、モータ回転数が低いほど休止期間が長くなり、休止相のブートストラップ駆動用キャパシタ２に充分な電荷が蓄積されなくなる。このため、Ｕ相のハイサイドスイッチ素子１１が点弧する必要があるｔ２区間に状態が遷移したときに、Ｕ相ハイサイドスイッチ素子１１が点弧できず、サーボ制御できない状態となる。これを回避する手段として、ｔ１区間中に休止相であるＵ相のローサイドスイッチ素子１２を一時点弧することにより、休止相のブートストラップ駆動用キャパシタ２を充電する手法をとる。

活性している相、例えばｔ１区間中のＷ相、Ｖ相の各ハーフブリッジ１はそれぞれ、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比に従い、ハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３とローサイドスイッチ素子１４、１５、１６とを交互に点弧するサイクルを一定周期で反復実行する。但し、ハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３及びローサイドスイッチ素子１４、１５、１６の両方が同時に点弧するのを防ぐため、図４に示すように、所定のデッドタイム期間Ｄを間に設ける。このデッドタイム期間Ｄは、スイッチ素子の特性を考慮して駆動信号生成部４３で設定される。

その上で、本実施形態では、活性相のデッドタイム期間を利用して、休止相のブートストラップ駆動用キャパシタ２の充電を行うものである。ゲート駆動部４の駆動信号生成部４３は、活性相のデッドタイム期間Ｄ中に、休止相のローサイドスイッチ素子１４、１５、１６を一時駆動するための信号（ブートストラップ信号）を生成し、休止相のローサイド駆動回路部４２を介してローサイドスイッチ素子１４、１５、１６に与える。これを受けたローサイドスイッチ素子１４、１５、１６は一時点弧し、その結果休止相のブートストラップ駆動用キャパシタ２が充電される。

例えば、ｔ１区間では、活性相であるＷ相、Ｖ相のハーフブリッジ１の両スイッチ素子１２、１３、１５、１６が消弧しているデッドタイム期間Ｄ中に、休止相であるＵ相のハーフブリッジ１のローサイドスイッチ素子１４を一時点弧する。好ましくは、活性相のローサイドスイッチ素子１５、１６の点弧前のデッドタイム期間Ｄ、ローサイドスイッチ素子１５、１６の消弧後のデッドタイム期間Ｄの両方で休止相のローサイドスイッチ素子１４を一時点弧するが、ブートストラップ駆動用キャパシタ２を充分に充電できるのであれば何れか一方でのみローサイドスイッチ素子１４を点弧すればよい。ブートストラップ信号は、活性相のデッドタイム期間Ｄ中に休止相を一時的に活性させるものであるため、活性相がモータに与える信号のベクトルに影響を与えない。

本実施形態では、モータを４象限動作させ得る１２０°通電転流、ブートストラップ駆動方式のＰＷＭ制御モータサーボ装置において、各相のハーフブリッジ１が有するハイサイドスイッチ素子１１、１２、１３及びローサイドスイッチ素子１４、１５、１６を個別に点弧／消弧する駆動部４が、非通電の休止期間にある休止相のローサイドスイッチ素子１４、１５、１６を一時点弧するようにしたため、モータがストールしたとしてもサーボ制御が継続される。。つまり、１２０°通電の欠点を補うことができ、１２０°通電によるスイッチ素子の損失の軽減を図り得る。

その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態におけるモータドライバを示す概略回路図。 同実施形態のハーフブリッジ及び駆動部を示す概略回路図。 活性相、休止相を決定する論理パターンを説明するタイミングチャート。 活性相のスイッチング制御及びデッドタイムを説明するタイミングチャート。

符号の説明

１１、１２、１３…ハイサイドスイッチ素子
１４、１５、１６…ローサイドスイッチ素子
２…ブートストラップ駆動用キャパシタ
４…駆動部
６…モータ

Claims (1)

1. モータを４象限動作させ得るブートストラップ駆動方式のＰＷＭ制御モータサーボ装置において、
   各相のハーフブリッジが有するハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を個別に点弧／消弧する駆動部が、ＤＵＴＹ制御に起因する活性相のハイサイドスイッチ素子の消弧から同じ活性相のローサイドスイッチの点弧までの間に設けるデッドタイム期間中、または、ＤＵＴＹ制御に起因する活性相のローサイドスイッチ素子の消弧から同じ活性相のハイサイドスイッチの点弧までの間に設けるデッドタイム期間中に、非通電の休止期間にある休止相のローサイドスイッチ素子を一時点弧することによって当該休止相のブートストラップ駆動用のキャパシタを充電するものであり、
   前記駆動部が、前記デッドタイム期間中に、休止相のローサイドスイッチ素子のみを一時点弧することを特徴とするモータサーボ装置。

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