JP5391790B2 - 電動モーターの駆動制御回路、それを備える装置、及び、移動体 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石と電磁コイルとを利用した電動モーターの駆動制御技術に関する。

永久磁石と電磁コイルとを利用した電動モーターとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたブラシレスモーターが知られている。

従来から、電動モーターの逆起電力を利用して電力を回生する工夫がなされてきている。しかし、従来の技術では、電動モーターから回生可能な電力の回収効率の向上について、更に工夫の余地が残されているというのが実情であった。

特開２００１−２９８９８２号公報

本発明は、電動モーターから回生可能な電力の回収効率を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、電動モーターの駆動制御回路であって、
接地電位よりも高い電源電位を供給する電源供給部と、
前記電動モーターの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記電源供給部から前記電動モーターの電磁コイルに流れる電流を測定する電流センサーと、
前記電磁コイルから電力を回生する制御を行う回生制御部と、
を備えており、
前記回生制御部は、前記電動モーターの逆駆動時において、前記電流センサーにより測定されたコイル電流値が閾値以下の間に回生を実行する、駆動制御回路である。
この駆動制御回路によれば、電動モーターの逆駆動時において、電流センサーにより測定されたコイル電流値が閾値以下の間は、モーターの逆起電力が高く回生に適した期間である。従って、この期間において回生を実行するようにすれば、電動モーターから回生可能な電力の回収効率を向上させることが可能である。

［適用例１］
電動モーターの駆動制御回路であって、
前記電動モーターの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記駆動制御回路の電源から前記電動モーターの電磁コイルに流れる電流を測定する電流センサーと、
前記電磁コイルから電力を回生する制御を行う回生制御部と、
を備えており、
前記回生制御部は、前記電動モーターの逆駆動時において、前記電流センサーにより測定されたコイル電流値が閾値以下の間に回生を実行する、駆動制御回路。
この駆動制御回路によれば、電動モーターの逆駆動時において、電流センサーにより測定されたコイル電流値が閾値以下の間は、モーターの逆起電力が高く回生に適した期間である。従って、この期間において回生を実行するようにすれば、電動モーターから回生可能な電力の回収効率を向上させることが可能である。

［適用例２］
適用例１記載の駆動制御回路であって、
前記電動モーターの逆駆動時において前記コイル電流値が前記閾値を超えた場合には、前記回生制御部による回生を停止するとともに、前記駆動信号生成部から前記電動モーターに供給される駆動信号に従って前記電動モーターを逆駆動することにより減速させる、駆動制御回路。
この構成によれば、コイル電流値が閾値を超えた場合には回生を停止して電動モーターを逆駆動するので、電動モーターに強い制動を与えることが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モーターの駆動制御回路、駆動制御回路を実装した半導体装置、駆動制御方法、それらを用いた各種の装置等の形態で実現することができる。

本発明の着想を得るために用いた実験装置の構成を示すブロック図である。 図１の実験による各種の特性値の変化を示すタイミングチャートである。 図２の実験における各種の測定値を示す説明図である。 本発明の一実施形態としての駆動システムを示すブロック図である。 駆動制御回路の構成を示すブロック図である。 Ｈブリッジ回路と電流センサーの構成を示す回路図である。 回生制御部の内部構成を示す回路図である。 実施形態における各種の信号値の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の適用例によるモーターを利用したプロジェクタを示す説明図である。 本発明の適用例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の適用例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の適用例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．モーターの駆動実験：
B．実施形態：
C．変形例：

A．モーターの駆動実験：
図１は、本発明の着想を得るために用いた実験装置の構成を示すブロック図である。この実験装置は、２つのモーター１００ａ，１００ｂの駆動軸をカップリング１２０で互いに連結したものである。これらのモーター１００ａ，１００ｂは、それぞれの駆動制御回路４００ａ，４００ｂでＰＷＭ制御により駆動される。駆動制御回路４００ａ，４００ｂには、モーターに流れる電流を測定するための電流センサー４１０ａ，４１０ｂがそれぞれ設けられている。ここで、例えば、モーター１００ａを回転の運動体（車輪等）とし、モーター１００ｂを駆動・回生用の電動モーターとして考えることが可能である。

図２は、図１の装置を用いて行った実験における各種の特性値の変化を示すタイミングチャートである。ここでは、モーター１００ａ，１００ｂの回転数と、コイル電流値と、逆起電力とを示している。なお、回転数と逆起電力は、２つのモーター１００ａ，１００ｂに共通である。図２の前半の期間Ｔａでは、第２のモーター１００ｂについては非駆動状態（ＰＷＭデューティー０）を維持し、第１のモーター１００ａについては所定回転数まで回転数を次第に上昇させた。この期間Ｔａでは、第１のモーター１００ａのコイル電流値が回転数の増加とともに減少しており、第２のモーター１００ｂは駆動していないので、そのコイル電流値はゼロである。

図２の後半の期間Ｔｂでは、第１のモーター１００ａの駆動状態（ＰＷＭデューティー）を維持したまま、第２のモーター１００ｂのＰＷＭデューティーを０から徐々に増加させながら第１のモーター１００ａとは逆方向に駆動して、第１のモーター１００ａを停止させた。この逆駆動期間Ｔｂでは、第１のモーター１００ａのコイル電流値は回転数の減少とともに増加している。また、第２のモーター１００ｂのコイル電流値は、逆駆動期間の初期の期間Ｔ１にはゼロに維持されていたが、ＰＷＭデューティーを次第に増加させてゆくと、期間Ｔ１の経過後にコイル電流値が０を超えた。そして、電流値が０を超えた後の期間Ｔ２では、モーター１００ａ，１００ｂが釣り合って停止するまで第２のモーター１００ｂのコイル電流値も次第に増加した。第１のモーター１００ａを制動させるために、第１駆動制御回路４００ｂで第２のモーター１００ｂを逆駆動しても、回転しているモーター１００ｂのコイルからの逆誘起電力によるコイル電流（斜線のハッチング部）が流れる。そのために、第２駆動制御回路４００ｂからの電流がこのハッチング部の電流だけ少なくなり、特に、期間Ｔ２ではモーター１００ｂのコイルからの逆起電力によるコイル電流と第２駆動制御回路４００ｂからの電流が混在している。そこで、後述する実施形態では、第２駆動制御回路４００ｂからの電流が混在せずに第２のモーター１００ｂの逆起電力による電流のみが発生している期間Ｔ１において、ハッチング部の電流による電力を回生しようとするものである。

図３（Ａ）は、図２の後半の逆駆動期間Ｔｂにおける各種の測定値を示す説明図である。ここでは、第１の駆動制御回路４００ａで検出される電圧と電流と電力とが記載されている。第２の駆動制御回路４００ｂと、第２モーター１００ｂのコイルについても同様である。なお、「第２モーターのコイル」欄における値Ｖbasは、コイルに発生する逆起電力の電圧値を意味している。図３（Ｂ）は、第１の駆動制御回路４００ａと、第２の駆動制御回路４００ｂと、第２のモーター１００ｂのコイルとのそれぞれに関して、電力値と回転数との関係を示したグラフである。図３（Ａ），（Ｂ）において、回転数が１０００ｒｐｍから５００ｒｐｍに低下するまでの期間Ｔ１では、第２のモーター１００ｂのコイルで発生する逆起電力による電力が大きな値を示し、逆に、第２の駆動制御回路４００ｂの電力は０に抑えられている。この期間Ｔ１は、図２の期間Ｔ１に相当している。図３（Ａ）から解るように、この期間Ｔ１では、第２の駆動制御回路４００ｂで検出された電流値が０に維持されており、回転数が４００ｒｐｍ以下になって初めてこの電流値が０を超えた値となっている。期間Ｔ１において第２の駆動制御回路４００ｂで検出された電流値が０に維持されている理由は、第２の駆動制御回路４００ｂの電源電圧（12.3V）よりも、第２のモーター１００ｂの逆起電力Ｖbasの電圧値の方が高いからであると推定される。従って、期間Ｔ１においては、第２のモーター１００ｂに逆駆動の駆動信号を投入しても、これによる制動の機能を発揮することはできず、むしろ、コイルから電力（図３（Ｂ））を回生すれば回生電力を効率良く回収できるとともに、効率的に制動が可能であるという大きな利点がある。一方、第２の駆動制御回路４００ｂの電流値が０を超える期間Ｔ２では、第２の駆動制御回路４００ｂで第２のモーター１００ｂを逆駆動することによって、回生よりも強い制動を与えることが可能である。

上述した期間Ｔ１、Ｔ２における第２のモーター１００ｂの回生と逆駆動の切り換えは、図１において第１のモーター１００ａが負荷に変わった場合にも適用できる。以下の実施形態は、上述の実験結果の考察から得られたものである。

B．実施形態：
図４は、本発明の一実施形態としての駆動システムを示すブロック図である。この駆動システムでは、モーター１００と、負荷としてのフライホイール１３０とを有しており、これらの両者がカップリング１２０で互いに連結されている。なお、図４におけるモーター１００は図１の実験装置における第２のモーター１００ｂに対応しており、フライホイール１３０は第１のモーター１００ａに対応している。

モーター１００は、永久磁石を有するローターと、電磁コイル１２及び位置センサー４０を有するステーターとを有している。モーター１００としては、例えばブラシレスＤＣモーターを利用することができる。位置センサー４０は、電磁コイル１２に対する永久磁石（すなわちローター）の相対的な位置（位相）を検出するためのものである。駆動制御回路４００は、ＣＰＵ３００からの指令値と、位置センサー４０からの出力とに基づいて、電磁コイル１２に電流を供給してモーター１００を駆動する。駆動制御回路４００は、例えば半導体装置として実現可能である。駆動制御方式としては、例えばＰＷＭ制御を利用するが、ＰＷＭ制御以外の駆動制御方式を利用しても良い。なお、ＣＰＵ３００から駆動制御回路４００への指令値は、減速指示部３１０及び加速指示部３２０から与えられた減速指示及び加速指示に応じて作成される。減速指示部３１０と加速指示部３２０は、ユーザーがこの駆動システムの減速や加速を指示するための操作装置である。

図５は、駆動制御回路４００の構成を示すブロック図である。この駆動制御回路４００は、駆動信号生成部２００と、Ｈブリッジ回路２１０と、回生制御部２２０と、蓄電器２３０と、電流センサー２４０とを備えている。駆動信号生成部２００は、Ｈブリッジ回路２１０に供給する駆動信号を生成する。回生制御部２２０は、電磁コイル１２に対してＨブリッジ回路と並列に接続されている。

図６は、Ｈブリッジ回路２１０と電流センサー２４０の構成を示す回路図である。このＨブリッジ回路２１０は、４つのトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４と、４つのフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ４と、レベルシフター２１２とを有している。なお、レベルシフター２１２は、電源電圧ＶＳが低下したときにも上アームトランジスターＴｒ１，Ｔｒ２のゲート電圧を十分高い値に維持して、これらのトランジスターＴｒ１，Ｔｒ２を確実にオン／オフさせるための回路である。但し、レベルシフター２１２は省略してもよい。Ｈブリッジ回路２１０には、駆動信号生成部２００で生成された２つの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２が供給されており、これに応じて電磁コイル１２に電源電圧ＶＳが印加されてコイル電流が流れる。なお、図６では説明の便宜上、１相分の回路のみを説明しているが、実際にはモーターの相数に応じてＨブリッジ回路２１０の構成と駆動信号の数がそれぞれ適切に設定される。

駆動制御回路４００の電源ＶＳと、Ｈブリッジ回路２１０の電源端子２１０ｔとの間には、電流センサー２４０が設けられている。この電流センサー２４０は、電源ＶＳから電磁コイル１２に流れる電流の電流値（コイル電流値）を測定するためのセンサーである。なお、本明細書において、「電源ＶＳ」とは、接地電位よりも高い電源電位又はその電源供給部を意味している。

図７は、回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。回生制御部２２０は、複数のダイオードを含む全波整流回路３３０と、２つのゲートトランジスター３４１，３４２と、バッファー回路３５１と、インバーター回路３５２（ＮＯＴ回路）と、アンド回路３６０と、コンパレーター回路３７０とを有している。なお、図７では１相分の回路が示されているが、モーター１００の相数に応じて、各相に同じ回路が設けられる。ゲートトランジスター３４１，３４２の出力端子は、蓄電器２３０に接続されている。

コンパレーター回路３７０は、電流センサー２４０から与えられたコイル電流値ＶＡを、予め設定された閾値Ｖrefと比較し、その比較結果を示す電流比較信号Ａcompを出力する。電流比較信号Ａcompは、コイル電流値ＶＡが閾値Ｖref以下の場合にはＬレベルを示し、コイル電流値ＶＡが閾値Ｖrefを超えた場合にはＨレベルを示す。なお、閾値Ｖrefは、ゼロに近い値であり、回生によって電力を効率良く回収できる期間を設定する値として予め設定される。アンド回路３６０は、電流比較信号Ａcompの反転信号と、減速指示信号Ｓdeとの論理積を取ることによって、回生許可信号Ｓrecを生成する。なお、減速指示信号Ｓdeは、ユーザーによる減速指示に応じてＣＰＵ３００（図４）から回生制御部２２０に与えられた信号である。回生許可信号Ｓrecは、バッファー回路３５１を介して第１のゲートトランジスター３４１に供給されるとともに、インバーター回路３５２を介して第２のゲートトランジスター３４２に供給される。この結果、回生許可信号ＳrecがＨレベルの期間では、コイル１２から電力を回生して蓄電器２３０に回収することが可能である。

図８は、実施形態における各種の信号値の変化を示すタイミングチャートである。ここでは、モーター１００の回転数とコイル電流値ＶＡと逆起電力の他に、以下の信号の変化が描かれている。
（１）加速指示部３２０と減速指示部３１０からＣＰＵ３００に供給される加速指示値及び減速指示値
（２）ＣＰＵ３００から駆動制御回路４００に供給される加速指示信号及び減速指示信号Ｓde
（３）加速指示値及び減速指示値に応じて駆動信号生成部２００が生成するＰＷＭ信号のＰＷＭ値（ＰＷＭデューティー）
（４）回生制御部２２０（図７）のコンパレーター回路３７０で生成される電流比較信号Ａcomp
（５）回生制御部２２０（図７）のアンド回路３６０で生成される回生許可信号Ｓrec

図８の後半において、ユーザーから減速指示が入力されると、減速指示信号ＳdeがＣＰＵ３００から駆動制御回路４００に供給される。駆動信号生成部２００は、この減速指示信号Ｓdeに応じて、逆駆動方向のＰＷＭ信号（駆動信号）を生成してＨブリッジ回路２１０に供給する。但し、この逆駆動を開始した最初の期間Ｔ１０では、コイル電流値ＶＡが閾値Ｖref以下なので、電流比較信号ＡcompはＬレベルのままである。回生許可信号Ｓrecは、電流比較信号Ａcompを反転した信号と、減速指示信号Ｓdeとの論理積を取ったものなので、期間Ｔ１０では回生許可信号ＳrecはＨレベルとなる。従って、この期間Ｔ１０では、コイルから電力が回生されて蓄電器２３０に回収され、回生による制動が行われる。一方、コイル電流値ＶＡが閾値Ｖrefを超えると電流比較信号ＡcompはＨレベルに立ち上がり、この結果、回生許可信号ＳrecはＬレベルとなる。回生許可信号ＳrecがＬレベルの期間Ｔ２０では、逆駆動により強力な制動が実行される。

このように、本実施形態では、モーター１００の逆駆動時において、コイル電流値ＶＡが閾値Ｖref以下の期間に回生を実行するので、コイル１２の逆起電力から効率良く電力を回収しながら制動を行うことが可能である。また、コイル電流値ＶＡが閾値Ｖrefを超えたときには、モーター１００を逆駆動するので、回生よりも強力な制動を与えることが可能である。なお、後者の場合に、強力な制動の必要が無いときには、逆駆動を行わずに回生を続けるようにしてもよい。

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

C１．変形例１：
上記実施形態では、ＰＷＭ制御によってモーターを駆動するものとしたが、本発明は、ＰＷＭ制御以外の他の駆動制御方法（例えば固定デューティの矩形波による制御）にも適用可能である。また、上記実施形態では、ブラシレスＤＣモーターの駆動制御について説明したが、本願発明は、ブラシレスＤＣモーター以外の電動モーターの駆動制御にも適用可能である。

C２．変形例２：
本発明は、ファンモーター、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モーターなどの種々の装置のモーターに適用可能である。本発明をファンモーターに適用した場合には、種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモーターは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモーターとして使用することができる。本発明のモーターは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモーターとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモーターをスピンドルモーターとして使用することが可能である。また、本発明によるモーターは、移動体やロボット用のモーターとしても利用可能である。

図９は、本発明の適用例によるモーターを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ６４０Ｒ、６４０Ｇ、６４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム６５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン６７０と、プロジェクタ６００の全体を制御する制御部６８０と、を備えている。冷却ファン６７０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の適用例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図１０（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図１０（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話７００は、携帯電話７００の動作を制御するＭＰＵ７１０と、ファン７２０と、燃料電池７３０とを備えている。燃料電池７３０は、ＭＰＵ７１０やファン７２０に電源を供給する。ファン７２０は、燃料電池７３０への空気供給のために携帯電話７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池７３０で生成される水分を携帯電話７００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン７２０を図１０（Ｃ）のようにＭＰＵ７１０の上に配置して、ＭＰＵ７１０を冷却するようにしてもよい。ファン７２０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。

図１１は、本発明の適用例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車８００は、前輪にモーター８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに駆動制御回路８２０と充電池８３０とが設けられている。モーター８１０は、充電池８３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター８１０で回生された電力が充電池８３０に充電される。駆動制御回路８２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター８１０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することが可能である。

図１２は、本発明の適用例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット９００は、第１と第２のアーム９１０，９２０と、モーター９３０とを有している。このモーター９３０は、被駆動部材としての第２のアーム９２０を水平回転させる際に使用される。このモーター９３０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することが可能である。

１２…電磁コイル
４０…位置センサー
１００…モーター
１２０…カップリング
１３０…フライホイール
２００…駆動信号生成部
２１０…Ｈブリッジ回路
２１２…レベルシフター
２２０…回生制御部
２３０…蓄電器
２４０…電流センサー
３００…ＣＰＵ
３１０…減速指示部
３２０…加速指示部
３３０…全波整流回路
３４１，３４２…ゲートトランジスター
３５１…バッファー回路
３５２…インバーター回路
３６０…アンド回路
３７０…コンパレーター回路
４００…駆動制御回路
４１０ａ，４１０ｂ…電流センサー
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ，６１０Ｇ，６１０Ｂ…光源
６４０Ｒ，６４０Ｇ，６４０Ｂ…液晶ライトバルブ
６５０…クロスダイクロイックプリズム
６６０…投写レンズ系
６７０…冷却ファン
６８０…制御部
７００…携帯電話
７１０…ＭＰＵ
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…電動自転車（電動アシスト自転車）
８１０…モーター
８２０…駆動制御回路
８３０…充電池
９００…ロボット
９１０…アーム
９２０…アーム
９３０…モーター

Claims (5)

1. 電動モーターの駆動制御回路であって、
   接地電位よりも高い電源電位を供給する電源供給部と、
   前記電動モーターの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記電源供給部から前記電動モーターの電磁コイルに流れる電流を測定する電流センサーと、
   前記電磁コイルから電力を回生する制御を行う回生制御部と、
   を備えており、
   前記回生制御部は、前記電動モーターの逆駆動時において、前記電流センサーにより測定されたコイル電流値が閾値以下の間に回生を実行する、駆動制御回路。
2. 請求項１記載の駆動制御回路であって、
   前記電動モーターの逆駆動時において前記コイル電流値が前記閾値を超えた場合には、前記回生制御部による回生を停止するとともに、前記駆動信号生成部から前記電動モーターに供給される駆動信号に従って前記電動モーターを逆駆動することにより減速させる、駆動制御回路。
3. 請求項１又は２に記載の駆動制御回路であって、
   前記コイル電流値の前記閾値は、回生によって電力を効率良く回収できる期間を設定する値として予め設定された値であることを特徴とする駆動制御回路。
4. 電動モーターと、
   請求項１記載の駆動制御回路と、
   を備える装置。
5. 電動モーターと、
   請求項１記載の駆動制御回路と、
   を備える移動体。

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