JP6303128B2

JP6303128B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP6303128B2
Application number: JP2014007496A
Authority: JP
Inventors: 田中　秀尚; 秀尚田中; 義典竹岡
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: JP2015136273A

Description

本発明は、インバータ制御によるモータ駆動装置に関する。

従来、この種のモータ駆動装置は、インバータ回路の高圧側スイッチング素子駆動部はダイオードと抵抗およびコンデンサにより構成したブートストラップ電源を用い、モータの起動時には、インバータ回路の低圧側スイッチング素子をオン／オフして、ブートストラップ電源のコンデンサを安定した電位に充電するようにしている。（例えば特許文献１参照）
図４は、特許文献１に記載された従来のモータ駆動装置を示すものであり、３相モータを駆動するモータ駆動装置の１相分（Ｕ相）であり、インバータと駆動回路およびブートストラップ回路との接続関係を示している。

図４は、３相モータを駆動するインバータの１相分を示している。３相モータを駆動するインバータ１０２は、スイッチング素子とダイオードを逆並列接続した回路を６個用いて３相フルブリッジ構成している。

駆動回路１０４および１０５はそれぞれ、高圧側スイッチング素子１０２ａ、低圧側スイッチング素子１０２ｂを入力信号ＵｐおよびＵｎの状態に応じてオン／オフ制御を行う。

Ｕ相ブートストラップ回路１０６は１５Ｖ程度の直流電源１０６ａと、ダイオード１０６ｂ、抵抗１０６ｃ、コンデンサ１０６ｄの直列接続により構成され、コンデンサ１０６ｄの負電位側は駆動回路１０４の負電位側に接続され、スイッチング素子１０２ａのエミッタ端子に共通接続される。コンデンサ１０６ｄの正側端子は、駆動回路１０４の電源側端子に接続される。

モータを起動する直前に、スイッチング素子１０２ｂをオンオフデューティ５０％で断続通電することで、スイッチング素子１０２ｂのオン期間中、直流電源１０６ａよりダイオード１０６ｂ、抵抗１０６ｃを介してコンデンサ１０６ｄを初期充電する。これにより高圧側駆動回路１０４の電源が確保され、高圧側スイッチング素子は駆動可能な状態となる。

つぎに、モータを回転起動にあたり、高圧側スイッチング素子１０２ａをＰＷＭ制御する。ブートストラップ回路１０６の充電動作は、高圧側スイッチング素子１０２ａがオフしたとき、モータ５のインダクタンスの蓄積エネルギーが、低圧側ダイオード１０２ｈを介して回生電流として流れ、そのとき、ブートストラップコンデンサの負側端子はインバータ回路１０２のＧＮＤレベル近くとなり、充電されることとなる。

よって、低圧側スイッチング素子１０２ｂがオンした場合と、高圧側スイッチング素子１０２ａがオ／ンオフした時に充電されるので、ブートストラップ電位は安定した電位を持つ。

特開２０００−２３４８４号公報

しかしながら上記従来の構成では、ブートストラップ回路のダイオードには高速オン／オフが可能、かつ短時間でコンデンサに充電電荷を注入可能な比較的大きな電流定格を有する高速ダイオードと、コンデンサの充電電流をダイオード定格以下に抑えるための電流制限抵抗が必要である。さらにブートストラップ回路は３相分必要であり、異電位となる各相間は安全規制に応じた絶縁距離を保つ必要があり回路面積が大きくなってしまう。そこで近年ではブートストラップ回路ダイオードを高速スイッチング可能なＭＯＳＦＥＴに置き換え、ＭＯＳＦＥＴのゲート駆動を低圧側スイッチング素子駆動信号と同期したチャージポンプ電源の充電により行う構成として、ブートストラップ回路とインバータのスイッチング素子の駆動部とを１チップの集積回路化した素子により、回路部品点数の削減と小型化が提案されている。しかし従来の構成では、起動直後の低速駆動領域では、低圧側スイッチング素子は連続通電となり、ＭＯＳＦＥＴゲート駆動のチャージポンプ電源の電位が低下し、これによりブートストラップ電源のスイッチ部がオフ、そしてモータの起動不良が発生してしまうという課題があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、固定子と、永久磁石を有する回転子とから成るブラシレスＤＣモータと、２個のスイッチング素子を直列に接続し、前記直列接続した１対のスイッチング素子を３対並列に接続した両端に直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータと、インバータの高圧側に接続した高圧側スイッチング素子を駆動するためのコンデンサとスイッチ部で構成したブートストラップ電源と、前記ブートストラップ電源のスイッチ部を駆動するチャージポンプ電源を有し、前記チャージポンプ電源のコンデンサは、前記インバータの低圧側に接続した低圧側スイッチング素子のオフ時に充電され、前記ブラシレスＤＣモータの起動時に任意の固定子巻線を通電して、回転子磁極位置を所定の位置に固定する際に、前記インバータのオンしている低圧側に接続した低圧側スイッチング素子を任意の頻度でオフして、前記低圧側に接続した低圧側スイッチング素子のオン時間が所定の時間より長くならないようにして前記チャージポンプ電源のコンデンサを充電するようにしたものである。

これにより、モータ起動直後等の低速駆動時もブートストラップ電源のスイッチ素子を駆動するチャージポンプ電源は安定して一定以上の電位を確保できるため、ブートストラップ電源のスイッチ素子を確実かつ安定的にオンすることができるようになる。従ってインバータの高圧側スイッチング素子の駆動回路電源を安定して一定以上の電位を確保でき、高圧側スイッチング素子を確実にオン／オフ制御が可能となる。

本発明のモータ駆動装置は、確実かつ安定したモータの起動を実現できるとともに、回路の小型化と低コスト化、および部品点数を削減することが出来る。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図本発明の実施の形態１におけるモータ起動時のタイミングチャート本発明の本実施の形態１における位置決め時のタイミングチャート従来のモータ駆動装置の１相分の回路図

第１の発明は、固定子と、永久磁石を有する回転子とから成るブラシレスＤＣモータと、２個のスイッチング素子を直列に接続し、前記直列接続した１対のスイッチング素子を３対並列に接続した両端に直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータと、インバータの高圧側に接続した高圧側スイッチング素子を駆動するためのコンデンサとスイッチ部で構成したブートストラップ電源と、前記ブートストラップ電源のスイッチ部を駆動するチャージポンプ電源を有し、前記チャージポンプ電源のコンデンサは、前記インバータの低圧側に接続した低圧側スイッチング素子のオフ時に充電され、前記ブラシレスＤＣモータの起動時に任意の固定子巻線を通電して、回転子磁極位置を所定の位置に固定する際に、前記インバータのオンしている低圧側に接続した低圧側スイッチング素子を任意の頻度でオフして、前記低圧側に接続した低圧側スイッチング素子のオン時間が所定の時間より長くならないようにして前記チャージポンプ電源のコンデンサを充電するようにしたものである。これによりチャージポンプ電源コンデンサには定期的に電荷がチャージされ、チャージポンプ電源電圧は所定の電圧を安定的に保持できる。従ってブートストラップ電源のスイッチング部は確実にオンできるために、インバータの高圧側スイッチング素子を確実に駆動できるようになる。即ち、これによりブラシレスモータを安定して駆動することができる。

また、同一通電巻線を比較的長時間通電する必要がある回転子の位置決め時においても、チャージポンプ電源のコンデンサには常に電荷がチャージされ、チャージポンプ電源は所定の電圧を保持できる。従ってブートストラップ電源のスイッチ部は確実にオンできるために、インバータの高圧側スイッチング素子を確実に駆動できるようになる。即ちブラシレスモータを安定して起動することができる。

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。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものでは無い。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。
図１において、ブラシレスＤＣモータ（以降モータと記す）１は、３相巻線を有する固定子と永久磁石を有する回転子により構成されている。

インバータ２は６個のスイッチング素子を直列接続した回路を３回路並列に接続して３相フルブリッジに構成している。尚、各スイッチング素子には逆並列にダイオード（２ｈから２ｌ）が接続されている。

ブラシレスＤＣモータ１は、永久磁石を有する回転子１ａと３相巻線を有する固定子により構成され、３相巻線の各端はインバータ２のスイッチング素子の直列接続の接続点に結線されている。

ドライブ回路３は前記インバータ２のスイッチング素子の駆動回路であり、高圧側に接続した高圧側スイッチング素子２ａはＨｉｎ信号に応じて高圧側素子駆動部４により駆動され、グランド側に接続した低圧側スイッチング素子２ｂはＬｉｎ信号に応じて低圧側素子駆動部５により駆動される。

ブートストラップ電源６はダイオード６ａ、スイッチ部６ｂ、およびコンデンサ６ｃにより構成された、高圧側素子駆動部４の電源であり、スイッチ部６ｂの駆動電圧となる。なお、スイッチ部６ｂは実際には半導体素子スイッチ素子であり、ＭＯＳＦＥＴを用いている。

スイッチ駆動部は、ダイオード７ａ、コンデンサ７ｂと、駆動部７ｃによりチャージポンプ電源７として構成され、スイッチ部６ｂに電圧を供給することで、スイッチ部６ｂをオン／オフする。駆動部７ｃは、低圧側スイッチング素子２ｂの駆動信号Ｌｉｎを入力しているため、低圧側スイッチング素子と同期して駆動する。

またブートストラップ回路には、ダイオード６ａとスイッチ部６ｂの直列回路部に、高速ダイオードを使用するのが一般的であるが、本発明では高速スイッチングが可能なＭＯＳＦＥＴを用い、コンデンサの充電電荷のＶＣＣ側への逆流を阻止する向きにダイオード６ｂを直列に挿入している。

またスイッチ部６ｂをＭＯＳＦＥＴとすることで、高圧側駆動部４、低圧側駆動部５、ダイオード６ａ、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ、チャージポンプ電源７を１チップの集積回路として構成でき、ドライブ回路３の部品点数の削減、小型化および低コスト化を可能としている。

ここで、ブートストラップ電源６の動作について説明する。

図１においてブートストラップ電源のコンデンサ６ｃは、スイッチ部６ｂがオンしたときＶＣＣと接続され、ＶＣＣ電位とコンデンサ６ｃ電位との電位差がダイオード６ａの順方向電圧より大きい時、充電される。

また、コンデンサ６ｃの充電には２つの経路があり、低圧側スイッチング素子２ｂの通電時（第１の充電モード）と、高圧側スイッチング素子２ａの通電直後（オンからオフへの移行）の低圧側ダイオード２ｈへの還流時（第２の充電モード）である。

まず、第１の充電モードではスイッチング素子２ｂが導通した時、接続点Ａ（図１に図示）の電位はＧＮＤ近くまで低下することになり、電源ＶＣＣからダイオード６ａ、スイッチ部６ｂを介してコンデンサ６ｃは充電される。

次に第２の充電モードでは、高圧側スイッチング素子２ａが通電されている状態からオフ状態に変移した際、モータ巻線１ｂに蓄えられたエネルギーがダイオード２ｈを介して還流モードで放出される。従って、接続点Ａの電位はＧＮＤレベルより低下することになり、コンデンサ６ｃは電源ＶＣＣから充電される。

スイッチ駆動部であるチャージポンプ電源７の動作について説明する。Ｌｉｎ端子にロー信号が入力されている間、低圧側素子駆動部５はロー信号を出力し、低圧側スイッチング素子２ｂはオフ状態にある。同時に駆動部の駆動素子７ｃにもロー信号が入力され、ロー信号を出力する。これによりコンデンサ７ｂの駆動素子７ｃ接続側端子はＧＮＤ近くの電位となり、ダイオード７ａを介してＶＣＣから充電される。これにより、スイッチ部６ｂの駆動電圧はＶＣＣからダイオード７ａのオン電圧を引いた電圧となる。この電圧とブートストラップコンデンサ６ｃとの電位差が所定の電位差以上の時スイッチ部６ｂはオンする。即ち、コンデンサ６ｃの電圧が一定レベルより低い時スイッチ部６ｂはオンする。

次にＬｉｎ端子がローからハイ信号に変化した時、駆動素子７ｃ出力はＶＣＣとなり、コンデンサ７ｂ電位は、ＶＣＣ電圧の２倍からダイオード７ａの順方向電圧を引いた電位に上昇する。このとき、ブートストラップ電源６のコンデンサ６ｃの電位がＶＣＣ近辺の時、スイッチ部６ｂはオンする。

図２はブラシレスＤＣモータ１の起動時の各スイッチング素子の駆動信号を示している。図２において斜線部がスイッチング素子がオンするタイミングとして示している。

起動時の制御について図２を用いて説明する。ブラシレスＤＣモータ１が停止状態にあるとき、Ｌｉｎ（図２においてのＵｎ、Ｖｎ、Ｗｎ）にはロー信号が入力（区間Ａ）されており、駆動素子７ｃはＧＮＤレベルに近い出力状態にあり、コンデンサ７ｂはＶＣＣ電圧近くに充電されている。

区間Ｂはブートストラップ回路のコンデンサ６ｄの初期充電区間であり、ブラシレスＤＣモータ１の駆動指令が発生した時、３相全ての低圧側スイッチング素子の駆動信号Ｌｉｎ（Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎ）にはハイ信号が入力される。これにより低圧側スイッチング素子２ｂ、２ｄ、２ｆがオンする。この時、チャージポンプ電源７の駆動素子２ｃからはハイ信号が出力されコンデンサ電位はＶｃｃの２倍からダイオード７ａの電圧降下分低下した電位となり、ブートストラップ電源６のスイッチ部６ｂはオンする。このとき低圧側スイッチング素子はオン状態にあるため、ブートストラップ回路のコンデンサ６ｄのスイッチング素子との結線側端子はＧＮＤレベルに近い電位となっている。従って、ブートストラップ回路のコンデンサには、ＶＣＣから電荷が注入され充電されることで、高圧側素子駆動部４の電源電圧が確保され高圧側スイッチング素子の駆動可能な状態となる。

区間Ｃは区間Ｄで高圧側スイッチング素子の通電するにあたり、同一相上下のスイッチング素子（図２においてはＷ相高圧側素子２ｅとＷ相低圧側素子２ｆ）が同時通電状態にならない様に設けているデッドタイム区間であるが、ハーフブリッジ構成のゲートドライバ等により上下同時通電を論理的に禁止している素子等を用いる場合は不要である。

区間ＤはブラシレスＤＣモータ１の、固定子巻線の任意の相を通電することで、回転子の回転位置を所定の位置に固定する『位置決め制御』区間であり、高圧側スイッチング素子２ｅと低圧側スイッチング素子Ｕｎがオン状態にある。

この様にして回転子の磁極位置を所定の位置に決めることにより、区間Ｅではあらかじめ定めたスイッチング素子の駆動（即ち通電を開始する巻線）パターンを切換えていくことで安定してモータを起動する。

ブラシレスＤＣモータ１の巻線への通電が電気角１５０度以下の矩形波駆動では、上下どちらか一方のスイッチング素子を任意の周波数で任意のオン／オフ時比率でスイッチングすることで、ブラシレスＤＣモータ１への印加電圧を調整（ＰＷＭ制御）する。

高圧側スイッチング素子のオン中は、ブートストラップ電源６のコンデンサ６ｃの充電電荷の消費でコンデンサ電圧の低下が伴う。従って高圧側スイッチング素子の連続通電時間が長い場合、大容量のコンデンサ容量が必要（部品の大型化、コストアップ）となるため、本発明の実施の形態では高圧側スイッチング素子（２ａ、２ｃ、２ｅ）をＰＷＭ制御によりオン／オフする方式を用いている。

しかし低圧側スイッチング素子のオン時間が長くなれば、チャージポンプ電源７のコンデンサの非充電期間が長くなり、内部漏れ電流等による影響で電圧が低下していく。

従って、本実施の形態では、特に低圧側スイッチング素子のオン時間（即ちチャージポンプ電源７のコンデンサ７ｂの非充電期間）が長い、『固定子の位置決め制御区間』および『起動後の低速駆動区間』では、高圧側通電相のスイッチング素子とともに、低圧側通電相のスイッチング素子も所定の間隔でオン／オフするようにして、チャージポンプ電源ンおコンデンサ７ｂの充電期間を設けている。

図３は本実施の形態１における位置決め時の通電相（Ｗ相巻線からＵ相巻線に電流を流す）の当該スイッチング素子のタイミングチャートであり、ＷｐがＷ相高圧側スイッチング素子、ＵｎがＵ相低圧側スイッチング素子の駆動信号を示している。

図３において、時間ＴはＰＷＭ周期であり、区間Ｄ１はＷ相高圧側スイッチング素子のオン区間、区間Ｄ２はＵ相低圧側スイッチング素子のオフ区間である。

図３において区間Ｄ２は図１におけるＬｉｎ信号がＬとなるため、チャージポンプ電源７の駆動素子７ｃの出力信号もＬ信号が出力される。これによりコンデンサ７ｂはＶＣＣから充電されるため、位置決め制御中でも安定した電圧を確保できる。従ってブートストラップ電源のスイッチ素子の駆動電源は安定した電圧を確保でき、ブートストラップ電源
のスイッチング素子を確実にオン／オフすることができる。よって位置決め制御における高圧側スイッチング素子の確実なオン状態を確保出来ることで、起動時の位置決め制御において確実に固定子を所定の位置に固定することができる。即ち、これによりモータの安定した起動性能を確保できる。

なお、図３においてＵ相低圧側スイッチング素子のオン／オフ周期をＷ相高圧側のＰＷＭ周期と一致させているが、チャージポンプ電源のコンデンサ７ｂの電荷が放電される時間として任意に設定して構わない。

以上の様に本発明の実施の形態においては、固定子と、永久磁石を有する回転子とから成るブラシレスＤＣモータと、２個のスイッチング素子を直列に接続し、前記直列接続した１対のスイッチング素子を３対並列に接続した両端に直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータと、インバータの高圧側に接続された各スイッチング素子を駆動するためのコンデンサとスイッチ素子で構成したブートストラップ電源と、前記ブートストラップ電源のスイッチを駆動するチャージポンプ電源を有し、前記チャージポンプ電源のコンデンサは、前記インバータの低圧側に接続されたスイッチング素子のオフ時に充電され、前記低圧側に接続したスイッチング素子のオン時間が所定の時間より長くならないようにしたものである。

これにより、ブートストラップ電源のスイッチ素子を駆動するチャージポンプ電源は安定して一定以上の電位を確保できるため、ブートストラップ電源のスイッチ素子を確実かつ安定的にオンすることができるようになる。よってインバータの高圧側スイッチング素子の駆動回路電源を安定して一定以上の電位を確保できるため、高圧側スイッチング素子を確実にオン／オフ制御が可能となる。従って、ブートストラップ回路ダイオードとして高速スイッチング可能なＭＯＳＦＥＴを用い、ＭＯＳＦＥＴのゲート駆動を低圧側スイッチング素子駆動信号と同期したチャージポンプ電源の充電により行う構成として、ブートストラップ回路とインバータのスイッチング素子の駆動部とを１チップの集積回路化した素子を使用することが可能となり、回路の部品点数の削減、小型化、低コスト化を図ることができる。

また、ブラシレスＤＣモータ起動時に、任意の固定子巻線を通電して回転子の回転位置を固定する際に、インバータのオンしている低圧側スイッチング素子を任意の頻度でオフして、チャージポンプ電源のコンデンサを充電するようにしている。これにより同一通電巻線を比較的長時間通電する必要がある回転子の位置決め時においても、チャージポンプ電源のコンデンサには常に電荷がチャージされ、チャージポンプ電源は所定の電圧を保持できる。従ってブートストラップ電源のスイッチング素子は確実にオンできるために、インバータの高圧側スイッチング素子を確実に駆動できるようになる。即ち、これによりブラシレスモータを安定して起動することができる。

以上の様に本発明によるモータ駆動装置は、回路部品点数の削減、小型・低コスト化を図った上で、モータを安定して起動できるため、３相ブラシレスＤＣモータをインバータ制御により駆動する機器すべての用途に適用できる。

１ブラシレスＤＣモータ
２インバータ
６ブートストラップ電源
７チャージポンプ電源

Claims

固定子と、永久磁石を有する回転子とから成るブラシレスＤＣモータと、２個のスイッチング素子を直列に接続し、前記直列接続した１対のスイッチング素子を３対並列に接続した両端に直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータと、インバータの高圧側に接続した高圧側スイッチング素子を駆動するためのコンデンサとスイッチ部で構成したブートストラップ電源と、前記ブートストラップ電源のスイッチ部を駆動するチャージポンプ電源を有し、前記チャージポンプ電源のコンデンサは、前記インバータの低圧側に接続した低圧側スイッチング素子のオフ時に充電され、前記ブラシレスＤＣモータの起動時に任意の固定子巻線を通電して、回転子磁極位置を所定の位置に固定する際に、前記インバータのオンしている低圧側に接続した低圧側スイッチング素子を任意の頻度でオフして、前記低圧側に接続した低圧側スイッチング素子のオン時間が所定の時間より長くならないようにして前記チャージポンプ電源のコンデンサを充電するモータ駆動装置。