JP6722417B1 - モーター駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モーター駆動電圧の制御や発電電圧の昇圧を簡易な構成で実現する。【解決手段】モーター駆動のためのブリッジ回路における各スイッチング素子のオン／オフ制御を行ってエンジンと回転軸が直結されたスタータモーター兼発電機を駆動する駆動部と、この駆動部による前記スタータモーター兼発電機の駆動動作を制御する駆動コントローラとを備える。駆動部は、ブリッジ回路のスイッチング素子のオン期間を変化させることによりスタータモーター兼発電機に対するモーター駆動電圧の制御を行う。また駆動部は、所定タイミングでブリッジ回路の所定のスイッチング素子をオン制御してスタータモーター兼発電機による回生電圧を昇圧させるアクティブフリーホイール動作が実行可能とされる。駆動コントローラは、バッテリー電圧に基づいて、駆動部に対し、モーター駆動電圧の指示及びアクティブフリーホイール動作のオン／オフ指示が可能とされているものとする。【選択図】図１

Description

本発明はエンジンのスタータモーターを駆動するモーター駆動装置に関する。

一般にモーターは負荷を駆動するだけでなく発電機として回生電力を得るためにも利用されている。
例えば下記特許文献１にはエンジンのスタータと発電機を兼用したモーターの制御装置に関する技術が開示されている。

特開２００１−２７１７２９号公報

ところでエンジンに対するスタータモーターを発電機として兼用する場合、回生電力をバッテリー等に充電するために何らかの付加装置が必要となる。この付加装置として想定される電圧昇圧降圧回路やモーター増速機構は、比較的回路規模、装置規模の大きいものであり、モーター駆動装置としての装置の大型化、重量増加、コスト増加などが生じる。
本発明はこのことに鑑み、比較的回路規模、装置規模の大きな付加装置を必要とせずに、モーター兼用発電機の的確な制御を行うことのできるモーター駆動装置を提案する。

本発明に係るモーター駆動装置は、モーター駆動のためのブリッジ回路における各スイッチング素子のオン／オフ制御を行ってエンジンと回転軸が直結されたスタータモーター兼発電機を駆動する駆動部と、前記駆動部による前記スタータモーター兼発電機の駆動動作を制御する駆動コントローラと、を備え、前記駆動部は、前記ブリッジ回路のスイッチング素子のオン期間を変化させることにより前記スタータモーター兼発電機に対するモーター駆動電圧の制御を行い、また、所定タイミングで前記ブリッジ回路の所定のスイッチング素子をオン制御して前記スタータモーター兼発電機による回生電圧を昇圧させるアクティブフリーホイール動作が実行可能とされ、前記駆動コントローラは、前記回生電圧に基づく充電が行われるバッテリーのバッテリー電圧に基づいて、前記駆動部に対し、前記モーター駆動電圧の指示及び前記アクティブフリーホイール動作のオン／オフ指示が可能とされている。
即ちエンジンとスタータモーター兼発電機の回転軸が直結されている構造において、スタータモーター兼発電機を、エンジンのスタータモーター機能とバッテリーの充電のための回生電力生成機能を適切に発揮させるようにしたモーター駆動装置を構成する。このときにブリッジ回路のスイッチング素子の制御によりモーター駆動電圧の制御や回生電圧の昇圧を実行するようにする。

上記したモーター駆動装置においては、前記駆動コントローラは前記駆動部に対して、１系統のＰＷＭ信号により、前記モーター駆動電圧の指示及び前記アクティブフリーホイール動作の指示を行うことが考えられる。
例えばＰＷＭ信号のＨ期間長（“Ｈ”はパルスのＨｉｇｈレベルを示す）やＬ期間長（“Ｌ”はパルスのＬｏｗレベルを示す）などにより、制御内容を設定する。

上記したモーター駆動装置においては、前記駆動コントローラは前記駆動部に対して、前記１系統のＰＷＭ信号により、初期信号の供給及びエンジンスタートの指示も行うことが考えられる。
例えばＰＷＭ信号のＨ期間長やＬ期間長などにより、さらに初期信号やエンジンスタートの指示も行うようにする。

上記したモーター駆動装置においては、前記駆動コントローラは、エンジン回転情報又は操作情報に応じて、前記アクティブフリーホイール動作の指示が可能とされていることが考えられる。
例えばエンジン回転数が下がったときにはアクティブフリーホイール動作オフを指示したり、ユーザの操作に応じてアクティブフリーホイール動作オフを指示したりできる。

本発明によれば、スタータモーター兼発電機を駆動するモーター駆動装置として、昇圧降圧回路やモーター増速機構などの付加回路の追加を必要とせず、小型軽量でコスト負担も少ないモーター駆動装置を提供できる。

本発明の実施の形態のモーター駆動装置及び周辺構成のブロック図である。 実施の形態のＰＷＭ制御信号の説明図である。 実施の形態の駆動部の内部構成のブロック図である。 実施の形態の３相ＦＥＴブリッジの動作の説明図である。 実施の形態の３相ＦＥＴブリッジの動作の説明図である。 実施の形態の３相ＦＥＴブリッジの動作の説明図である。 実施の形態のゲート電圧波形の説明図である。 実施の形態のアクティブフリーホイール動作オン時のゲート電圧波形の説明図である。 コイルの逆起電圧の説明図である。 モーター回転数と電圧の関係の説明図である。 実施の形態の駆動コントローラ及び駆動部の処理のフローチャートである。 実施の形態の機器設定の説明図である。 実施の形態の負荷増大時の動作の説明図である。 実施の形態のエンジン回転数低下時の説明図である。 実施の形態のスロットル開操作時の説明図である。 実施の形態のハイブリッド動作領域と充電する領域の説明図である。

＜モーター駆動装置を含む駆動系の構成＞
以下実施の形態の構成及び動作を、図面を参照しながら説明する。
実施の形態のモーター駆動装置１を含む駆動系は、例えば無線操縦飛行体（無線操縦型のドローンや小型ヘリコプターその他の飛行体）や車両等の移動体に搭載することが想定される。
図１はドローン等の移動体に採用できる駆動系の構成例を示している。図１ではモーター駆動装置１、スタータモーター兼発電機４、エンジン５、バッテリー６、受信器８、送信機９を示している。

スタータモーター兼発電機４は例えばブラシレスモーターにより構成される。
エンジン５とスタータモーター兼発電機４は回転軸７が直結されている。そしてスタータモーター兼発電機４はエンジン５のスタータとして機能するためにモーター駆動力をエンジン５に伝達する。またいわゆるハイブリッド動作として、エンジン５の補助を行うためにモーター駆動力を伝達する。
一方でエンジン５による駆動力もスタータモーター兼発電機４に伝達され、回生電力の発電に用いられることになる。回生電力はバッテリー６への充電に用いられる。

バッテリー６はモーター駆動装置１に対して直流電流としての駆動電流を供給する。モーター駆動装置１はこの駆動電流を用いて３相交流のモーター駆動電流を生成し、スタータモーター兼発電機４に供給してモーター駆動を行う。
一方でスタータモーター兼発電機４での発電による発電電流はモーター駆動装置１を介して充電電流としてバッテリー６に供給される。

モーター駆動装置１はスタータ用駆動制御装置と発電用レギュレートレクチファイヤーを共用するものである。このモーター駆動装置１は駆動部２と駆動コントローラ３を有する。
駆動部２は駆動コントローラ３からの制御に従って３相交流のモーター駆動電流を生成し、スタータモーター兼発電機４を回転駆動する。駆動部２は後述するように３相のＦＥＴブリッジやそのスイッチング素子であるＦＥＴのゲートドライバなどを有し、３相交流のモーター駆動電流を生成する。
また駆動部２は３相のＦＥＴブリッジの制御により後述するアクティブフリーホイール動作も行い、回生電圧の昇圧を行うことができる。

駆動コントローラ３は例えばマイクロコンピュータにより構成され、各種入力に応じて駆動部２に対する制御を行う。
駆動コントローラ３と駆動部２の間は、電源電圧ライン（Ｖｃｃ）、グランドライン（ＧＮＤ）及びＰＷＭ制御信号ＰＳ２のラインという３つのラインで接続されている。
駆動コントローラ３はＰＷＭ制御信号ＰＳ２を用いて、駆動部２に対して初期信号、エンジンスタート信号の供給や、回転数制御、アクティブフリーホイール動作のオン／オフ制御を行う。

送信機９は、例えばドローン等の移動体の無線操縦装置であり、操縦者の操作に応じた信号（操作情報）を送信する。当該操作情報は受信器８によって受信され、駆動コントローラ３に操作内容が認識される。
受信器８と駆動コントローラ３の間は、電源電圧ライン（Ｖｃｃ）、グランドライン（ＧＮＤ）及びＰＷＭ制御信号ＰＳ１のラインという３つのラインで接続されている。
受信器８は、送信機９から送信されてきた操作情報をＰＷＭ制御信号ＰＳ１として駆動コントローラ３に伝達する。

なお送信機９を用いる操縦者は、例えばエンジンスタート操作、スロットル操作（スロットル開度の変更）、アクティブフリーホイール動作のオン／オフ操作などが可能とされている。
なお、アクティブフリーホイール動作自体は操縦者が意識するものではなく、モーター駆動装置１内で適宜行われるものである。この操作は実際には例えばパワーアップモードなどとして操縦者が認識する操作であればよい。後述もするが、アクティブフリーホイール動作はエンジン５にとっての負荷となるため、操縦者がパワーアップを要求する操作を行った場合、これを駆動コントローラ３はアクティブフリーホイール動作のオフの要求と解釈することができる。

受信器８からのＰＷＭ制御信号ＰＳ１として操作情報を取得した駆動コントローラ３は、操作情報に応じてＰＷＭ制御信号ＰＳ２を生成し、駆動部２に送信することになる。具体的には操作情報としてはエンジンスタートの指示、スロットル開度の指示、アクティブフリーホイール動作のオン／オフの指示などである。
スロットル開度の指示については、図示しないエンジン駆動系によりエンジン５のキャブレター開度の制御が行われるが、同期してモーター回転数制御も行われる。
従って、駆動コントローラ３は、上記の操作情報からは、駆動部２に対し、エンジンスタート信号の供給、回転数制御、アクティブフリーホイール動作のオン／オフ制御、加えてエンジンスタートのための初期信号の供給を行うようにする。これらを１系統のＰＷＭ制御信号ＰＳ２により実現する。

また駆動コントローラ３は、バッテリー６の端子電圧Ｖｂ（バッテリー電圧）を監視している。
また駆動コントローラ３にはエンジン５からのエンジン回転信号Ｓ１（イグナイター信号）も駆動コントローラ３に供給される。エンジン回転信号Ｓ１はホールセンサの信号であり、例えばエンジン１回転で１パルスの信号である。エンジン５がかかる前、例えばスタータモーター兼発電機４は５００ｒｐｍで回し、エンジン５がかかると約２０００ｒｐｍで回すようにしている。従って駆動コントローラ３は、エンジン回転信号Ｓ１をもとに、エンジン５が起動したか否かを判断できるし、またエンジン５の負荷の増大なども検知可能である。
駆動コントローラ３は、これらバッテリー６の端子電圧Ｖｂやエンジン回転信号Ｓ１に応じても駆動部２に対する制御を行うが、これもＰＷＭ制御信号ＰＳ２により実現する。

駆動コントローラ３が出力するＰＷＭ制御信号ＰＳ２の一例を図２に示す。
回転数制御のためにはＰＷＭパルスのＨ期間長を可変する。例えばＨ期間長を１．３ｍｓ〜２．０ｍｓの幅で可変することでモーター回転数制御を行う。
例えば送信機９では、スロットルの情報を、Ｈ時間０．８ｍｓ〜２．０ｍｓの幅で示すようにされており、最小がＨ期間長０．８ｍｓ、最大がＨ期間長２．０ｍｓなどである。駆動コントローラ３は、このうちの１．３ｍｓ〜２．０ｍｓの幅の期間をモーター駆動電圧制御に利用するものとしている。

また初期信号はＰＷＭパルスのＨ期間長を０．８ｍｓとすることで表現し、エンジンスタート信号はＰＷＭパルスのＨ期間長を１．２ｍｓとすることで表現する。これは、上記の１．３ｍｓ〜２．０ｍｓに該当しないパルス長を用いた一例である。

アクティブフリーホイール動作のオン／オフ制御については、ＰＷＭパルスのＬ期間長を用いる。例えばＬ期間長が４ｍｓのときは、アクティブフリーホイール動作オフ、２ｍｓのときはアクティブフリーホイール動作オンの指示を意味するものとする。

例えば以上の例のように駆動コントローラ３は、１系統のＰＷＭ制御信号ＰＳ２により各制御内容を駆動部２に伝達するようにしている。

駆動部２の構成を図３に示す。
駆動部２はゲート制御部２１、ゲートドライバ２２、３相ＦＥＴブリッジ２３、アクティブフリーホイール駆動部２５、モーター誘起電圧検出部２６を有する。

ゲート制御部２１はマイクロコンピュータにより形成され、駆動コントローラ３からのＰＷＭ制御信号ＰＳ２を受信して指示内容を解釈し、ゲートドライバ２２やアクティブフリーホイール駆動部２５を制御する。
またゲート制御部２１はモーター誘起電圧検出部２６からの磁石位置データＤＭも監視し、３相ＦＥＴブリッジ２３のスイッチング素子のゲート駆動タイミングを設定している。

ゲートドライバ２２は、ゲート制御部２１によるタイミング制御に基づいて、３相ＦＥＴブリッジ２３のスイッチング素子である各ＦＥＴのスイッチング駆動のためにゲート駆動信号ＰＳ３を生成し出力する。

アクティブフリーホイール駆動部２５はゲート制御部２１からのオン／オフ設定信号ＳＦＦに応じて、アクティブフリーホイール動作がオン／オフされるようにゲートドライバ２２によるゲート駆動信号ＰＳ３を制御する。

３相ＦＥＴブリッジ２３はスタータモーター兼発電機４のモーターコイル４１のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に対するモーター駆動電流を生成する。
モーター誘起電圧検出部２６は３相ＦＥＴブリッジ２３を介して得られるモーター誘起電圧を検出して磁石位置データＤＭを生成しゲート制御部２１に供給する。

図４、図５、図６に３相ＦＥＴブリッジ２３及びモーターコイル４１を示す。各図はそれぞれスイッチング素子のオンタイミング期間に合わせた電流経路を示している。
例えば図４に示すように、３相ＦＥＴブリッジ２３は、例えば電圧Ｖ１−グランド間においてそれぞれがスイッチング素子となる６つのＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いたブリッジ回路とされる。
Ｕ相に対応しては、スイッチング素子ＵＨ、ＵＬが直列接続され、その接続点がモーターコイル４１のＵ相コイルに接続されている。
Ｖ相に対応しては、スイッチング素子ＶＨ、ＶＬが直列接続され、その接続点がモーターコイル４１のＶ相コイルに接続されている。
Ｗ相に対応しては、スイッチング素子ＷＨ、ＷＬが直列接続され、その接続点がモーターコイル４１のＷ相コイルに接続されている。

スイッチング素子ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬの各ゲートには、それぞれゲートドライバ２２からのゲートパルスＵＨｇ，ＵＬｇ，ＶＨｇ，ＶＬｇ，ＷＨｇ，ＷＬｇが印加され、これにより各スイッチング素子ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬがオン／オフされる。
先に述べたゲート駆動信号ＰＳ３とは、これらゲートパルスＵＨｇ，ＵＬｇ，ＶＨｇ，ＶＬｇ，ＷＨｇ，ＷＬｇを総称したものである。

これらのゲート駆動信号ＰＳ３のタイミングチャートを図７に示す。期間ｔ１〜ｔ６で１周期の動作となる。なお、パルス幅、パルス数などは模式的に示したものである。
図７の期間ｔ１ではゲートパルスＵＨｇ、ＶＬｇにおいてＨパルスＰＧが断続的に現れることでスイッチング素子ＵＨ，ＶＬが断続的に同時にオンとされる。このとき図４の一点鎖線ｄ１に示すようにモーター駆動電流が流れる。
図７の期間ｔ２ではゲートパルスＵＨｇ、ＷＬｇにおいてＨパルスＰＧが断続的に現れることでスイッチング素子ＵＨ，ＷＬが断続的に同時にオンとされる。このとき図４の一点鎖線ｄ２に示すようにモーター駆動電流が流れる。

図７の期間ｔ３ではゲートパルスＶＨｇ、ＷＬｇにおいてＨパルスＰＧが断続的に現れることでスイッチング素子ＶＨ，ＷＬが断続的に同時にオンとされる。このとき図５の一点鎖線ｄ３に示すようにモーター駆動電流が流れる。
図７の期間ｔ４ではゲートパルスＶＨｇ、ＵＬｇにおいてＨパルスＰＧが断続的に現れることでスイッチング素子ＶＨ，ＵＬが断続的に同時にオンとされる。このとき図５の一点鎖線ｄ４に示すようにモーター駆動電流が流れる。

図７の期間ｔ５ではゲートパルスＷＨｇ、ＵＬｇにおいてＨパルスＰＧが断続的に現れることでスイッチング素子ＷＨ，ＵＬが断続的に同時にオンとされる。このとき図６の一点鎖線ｄ５に示すようにモーター駆動電流が流れる。
図７の期間ｔ６ではゲートパルスＷＨｇ、ＶＬｇにおいてＨパルスＰＧが断続的に現れることでスイッチング素子ＷＨ，ＶＬが断続的に同時にオンとされる。このとき図６の一点鎖線ｄ６に示すようにモーター駆動電流が流れる。

以上のモーター駆動電流の供給動作によりスタータモーター兼発電機４が回転駆動される。
ここでゲート駆動信号ＰＳ３としての各ゲートパルスＵＨｇ，ＵＬｇ，ＶＨｇ，ＶＬｇ，ＷＨｇ，ＷＬｇのＨ期間長（或いはパルスデューティ）により、平均電圧としてのモーター駆動電圧が変化される。ゲート制御部２１は、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２により指示された回転数に応じて各ゲートパルスＵＨｇ，ＵＬｇ，ＶＨｇ，ＶＬｇ，ＷＨｇ，ＷＬｇのＨ期間長（或いはパルスデューティ）を変化させることで、例えば操縦者のスロットル開度の操作や、後述する充電動作やハイブリッド動作などに応じたモーター駆動電圧を与え、モーター回転数制御を実現できることになる。

以上はアクティブフリーホイール動作がオフであるときのゲート駆動信号ＰＳ３であるが、アクティブフリーホイール動作をオンとするときのゲート駆動信号ＰＳ３は図８のようになる。
図８の各期間ｔ１〜ｔ６において、モーター駆動電流の経路（ｄ１〜ｄ６）を形成するＨパルスＰＧは図７と同様のタイミングである。これに加えて図示のように瞬間的なＨパルスＰＨが現れるようにされる。

図８の期間ｔ１ではゲートパルスＵＨｇ、ＶＬｇのＬ期間内に、ゲートパルスＵＬｇ，ＶＨｇとして瞬間的なＨパルスＰＨが断続的に現れることで、スイッチング素子ＵＬ，ＶＨが断続的に同時にオンとされる。このとき図４の破線ｋ１に示すように逆起電圧による電流が流れる。
図８の期間ｔ２ではゲートパルスＵＨｇ、ＷＬｇのＬ期間内に、ゲートパルスＵＬｇ，ＷＨｇとして瞬間的なＨパルスＰＨが断続的に現れることで、スイッチング素子ＵＬ，ＷＨが断続的に同時にオンとされる。このとき図４の破線ｋ２に示すように逆起電圧による電流が流れる。

図８の期間ｔ３ではゲートパルスＶＨｇ、ＷＬｇのＬ期間内に、ゲートパルスＶＬｇ，ＷＨｇとして瞬間的なＨパルスＰＨが断続的に現れることで、スイッチング素子ＶＬ，ＷＨが断続的に同時にオンとされる。このとき図５の破線ｋ３に示すように逆起電圧による電流が流れる。
図８の期間ｔ４ではゲートパルスＶＨｇ、ＵＬｇのＬ期間内に、ゲートパルスＶＬｇ，ＵＨｇとして瞬間的なＨパルスＰＨが断続的に現れることで、スイッチング素子ＶＬ，ＵＨが断続的に同時にオンとされる。このとき図５の破線ｋ４に示すように逆起電圧による電流が流れる。

図８の期間ｔ５ではゲートパルスＷＨｇ、ＵＬｇのＬ期間内に、ゲートパルスＷＬｇ，ＵＨｇとして瞬間的なＨパルスＰＨが断続的に現れることで、スイッチング素子ＷＬ，ＵＨが断続的に同時にオンとされる。このとき図６の破線ｋ５に示すように逆起電圧による電流が流れる。
図８の期間ｔ６ではゲートパルスＷＨｇ、ＶＬｇのＬ期間内に、ゲートパルスＷＬｇ，ＶＨｇとして瞬間的なＨパルスＰＨが断続的に現れることで、スイッチング素子ＷＬ，ＶＨが断続的に同時にオンとされる。このとき図６の破線ｋ６に示すように逆起電圧による電流が流れる。

即ちアクティブフリーホイール動作としては、ゲートパルスＵＨｇのチョッピング駆動がＬレベルになった時ゲートパルスＵＬｇを瞬時オンし、ゲートパルスＶＬｇのチョッピング駆動がＬレベルになった時ゲートパルスＶＨｇを瞬時オンし、ゲートパルスＷＬｇのチョッピング駆動がＬレベルになった時ゲートパルスＷＨｇを瞬時オンする動作となる。
これにより逆起電圧による電流がスイッチング素子を通して流れるようにするとともに昇圧動作を行う。

図９Ａは、モーター駆動回路の単相部分（ｔ１期間の動作）でモーター駆動電流（一点鎖線ｄ１）と逆起電圧の関係を示す。スイッチング素子ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬとモーターコイル４１のＵ相、Ｖ相を抽出したものである。
また図９Ｂは一般的なＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧回路を図９Ａに対応させて示しており、通常のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子に相当するのがスイッチング素子ＶＬであり、ダイオードに相当するのがスイッチング素子ＶＨである。また図９Ｂのコイル１０１は図９Ａのモーターコイル４１のＵ相、Ｖ相のコイルに相当する。また電源１００、負荷抵抗１０２を合わせて示している。

図９Ａにおいてコイル駆動電流はスイッチング素子ＵＨとスイッチング素子ＶＬとしてのＦＥＴによって流される。これは図９Ｂのスイッチング素子ＶＬがオンとされることで一点鎖線ｄ１’のようにコイル１０１とスイッチング素子ＶＬを経由して流れる電流と同等である。
また図９Ａにおいて逆起電圧による放電電流（破線ｋ１）はスイッチング素子ＵＬとスイッチング素子ＶＨとしてのＦＥＴによって流される。これは図９Ｂのスイッチング素子ＶＨがオンとされることで破線ｋ１’のようにコイル１０１とスイッチング素子ＶＨを経由して放電される電流と同等である。
つまり図８の制御によるアクティブフリーホイール動作は、ＤＣ／ＤＣコンバータと同様の昇圧動作を行っていることになる。
換言すればアクティブフリーホイール動作によっては、回生電圧を昇圧して取り出すことができるようになる。

ここで発電電圧のコントロールについて考える。
図１０はモーター駆動電圧（Ｖｄ）と回転数の関係を簡略的に示している。モーター起電圧ｅはｅ＝Ｋｅ×Ｎで、Ｋｅは起電力定数（Ｖｄ／ｒｐｍ）、Ｎは回転数（ｒｐｍ）である。このモーター起電圧ｅは回転数に比例する。なおモーターの巻線抵抗等は無視して考える。

Ｖｄ＞ｅの時は、電流方向は矢印ｉ１のようにモーターのプラス端子へ流れ込む方向となり、モーターは加速する。
Ｖｄ＝ｅの時は、モーターの回転は一定状態となる。
Ｖｄ＜ｅの時は、電流方向は矢印ｉ２のようにモーターのプラス端子から流れ出る方向となり、モーターは発電機となる（外力、例えばエンジンによってモーター駆動が行われていることを前提）。

つまり、あるモーター駆動電圧Ｖｄにより無負荷の状態でモーターを動作させた場合、モーターの回転数はモーター駆動電圧Ｖｄとモーター起電圧ｅが等しくなる回転数になる。
モーター駆動電圧Ｖｄが上がればモーター回転数は増加し、モーター駆動電圧Ｖｄとモーター起電圧ｅが等しくなる回転数で安定する。
即ち、モーターコイルに流れる電流はモーター駆動電圧Ｖｄとモーター起電圧ｅの差で決まることになる。

そこでモーターが外力にて(一定回転数で）回されている場合につき考察する。
（１）モーターが外力で回されていて、モーター駆動電圧Ｖｄとモーター起電圧ｅの差が小さい場合は、モーターコイルに流れる電流は少なく（回生電圧に負荷がある場合）、逆起電圧は小さくなる。
（２）モーターが外力で回されていて、モーター駆動電圧Ｖｄとモーター起電圧ｅの差が大きい場合は、モーターコイルに流れる電流は多く（回生電圧に負荷がある場合）、逆起電圧は大きくなる。
以上の（１）（２）から、モーターが外力で回されている場合、モーター駆動電圧Ｖｄを変化させることにより、モーター逆起電圧の調整が出来ることが理解される。

本実施の形態に当てはめれば、スタータモーター兼発電機４による回生電圧は、スタータモーター兼発電機４に対するモーター駆動電圧をコントロールすることで調整できることになる。これはゲートドライバ２２が３相ＦＥＴブリッジ２３に与えるゲート駆動信号ＰＳ３としての各ゲートパルスＵＨｇ，ＵＬｇ，ＶＨｇ，ＶＬｇ，ＷＨｇ，ＷＬｇのＨ期間長（或いはパルスデューティ）により、平均電圧としてのモーター駆動電圧を制御することによって、回生電圧を調整できることを意味する。
さらに遡れば、モーター駆動電圧の調整はＰＷＭ制御信号ＰＳ２により行なわれると考えることもできる。

そしてモーター逆起電圧を上述のアクティブフリーホイール動作で昇圧させることにより、スタータモーター兼発電機４を回す外力（即ちエンジン５）の回転数が低い時でも十分な電圧の回生電力を産み出すことができる。
付言すれば、アクティブフリーホイール動作がオフの時は、モーターの発電電圧は使用している電源電圧による無負荷回転数以上の回転数で電源電圧以上の電圧になる。この場合の電圧制御はモーター回転数の制御＝エンジン回転数の制御となり、細かな制御は困難となる。一方、アクティブフリーホイール動作がオンの時は、モーターの回転数が低く、発電電圧が低い時でも昇圧する事が可能な為、昇圧するレベルのコントロールで発電電圧を充電可能な電圧に上げ、細かな充電電圧の制御も可能になるということである。

＜駆動コントローラ及び駆動部の処理例＞
以上の構成を踏まえ、駆動コントローラ３と駆動部２の具体的な処理例を図１１で説明する。図１１では駆動コントローラ３の処理をステップＳ１０１からＳ１０７で示し、駆動部２のゲート制御部２１の処理をステップＳ２０１からＳ２１１により示している。

上述したように駆動コントローラ３は、受信器８からのＰＷＭ制御信号ＰＳ１が入力され、また駆動コントローラ３はエンジン回転信号Ｓ１やバッテリー６の端子電圧Ｖｂを監視する。
ステップＳ１０１は所定のトリガが検知され駆動コントローラ３が電源オンとされる場合を示している。駆動コントローラ３は電源オン処理を行い、電源電圧をチェックする。
電源オンに伴い、駆動コントローラ３はステップＳ１０２で、駆動部２に対するＰＷＭ制御信号ＰＳ２により初期信号（図２参照）を出力する。

さらにその後、駆動コントローラ３はステップＳ１０３でＰＷＭ制御信号ＰＳ２によりエンジンスタート信号（図２参照）を出力する。
また駆動コントローラ３はステップＳ１０４でＰＷＭ制御信号ＰＳ２によりアクティブフリーホイール動作オフの指示（図２参照）を出力する。

駆動部２のゲート制御部２１は、所定のトリガに応じてステップＳ２０１で電源オン処理を行い、続いてステップＳ２０２で入力信号であるＰＷＭ制御信号ＰＳ２のチェックを行う。このステップＳ２０２では、初期信号の入力を待機することになる。即ちゲート制御部２１はＰＷＭ制御信号ＰＳ２においてＨ期間長が０．８ｍｓとされることを待機する。

初期信号を確認したら、ゲート制御部２１はステップＳ２０３に進み、続いてエンジンスタート信号を確認する。即ちゲート制御部２１は入力信号であるＰＷＭ制御信号ＰＳ２においてＨ期間長が１．２ｍｓとされることを待機する。

エンジンスタート信号を確認したらゲート制御部２１はステップＳ２０４に進み、入力信号であるＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＬ期間長を確認することでアクティブフリーホイール動作の指示を確認する。
Ｌ期間長が２ｍｓであればアクティブフリーホイール動作オンの指示として、ゲート制御部２１はステップＳ２０５に進み、アクティブフリーホイール動作オンの状態で駆動制御（図８のようなゲート駆動信号ＰＳ３の出力）を行うものとする。
Ｌ期間長が４ｍｓであればアクティブフリーホイール動作オフの指示として、ゲート制御部２１はステップＳ２０６に進み、アクティブフリーホイール動作オフの状態で駆動制御（図７のようなゲート駆動信号ＰＳ３の出力）を行うものとする。
なお、この図１１の例では、駆動コントローラ３がステップＳ１０４で初期状態ではアクティブフリーホイール動作オフの指示を出すようにしているため、ステップＳ２０６の処理が行われることになる。但し初期状態から駆動コントローラ３がアクティブフリーホイール動作オンの指示を出すようにすることも考えられる。

ステップＳ２０７ではゲート制御部２１は、ゲート駆動信号ＰＳ３の出力を開始し、スタータモーター兼発電機４にモーター駆動電圧を供給し、エンジン５を起動させる。即ちスタータ動作を実行させる。
そしてゲート制御部２１はステップＳ２０８に進み、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＬ期間長を確認することでアクティブフリーホイール動作の指示を確認する。

駆動コントローラ３は、ステップＳ１０５でエンジン５の起動を待機している。即ち駆動コントローラ３はエンジン回転信号Ｓ１を監視している。
エンジン回転信号Ｓ１からエンジン５が起動したことを確認したら、駆動コントローラ３はステップＳ１０６に進み、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２によりアクティブフリーホイール動作オンの指示を出力する。

その後は、駆動コントローラ３はステップＳ１０７の制御を行う。例えば以下の処理Ｐａから処理Ｐｆを複合的に行う。
（処理Ｐａ）バッテリー６の端子電圧Ｖｂに応じての充電電圧（回生電圧）の制御、及び充電のオン／オフ
（処理Ｐｂ）バッテリー６の端子電圧Ｖｂに応じてのアクティブフリーホイール動作のオン／オフ制御
（処理Ｐｃ）エンジン回転信号Ｓ１に応じてのエンジン補助のためのモーター駆動電圧の制御
（処理Ｐｄ）エンジン回転信号Ｓ１に応じてのアクティブフリーホイール動作のオン／オフ制御
（処理Ｐｅ）受信器８からのＰＷＭ制御信号ＰＳ１に応じてのモーター駆動電圧の制御
（処理Ｐｆ）受信器８からのＰＷＭ制御信号ＰＳ１に応じてのアクティブフリーホイール動作のオン／オフ制御

駆動コントローラ３は、これらの処理に応じたＰＷＭ制御信号ＰＳ２を出力する。
駆動部２のゲート制御部２１は、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２に応じてステップＳ２０８以下の処理を行う。
即ちステップＳ２０８ではゲート制御部２１はＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＬ期間を確認し、アクティブフリーホイール動作の指示を確認する。
まず駆動コントローラ３のステップＳ１０６でアクティブフリーホイール動作オンが指示されることに応じて、ステップＳ２０７のエンジン起動後は、ゲート制御部２１は、早い時点でステップＳ２０８からＳ２０９に進むことになり、アクティブフリーホイール動作オンとしてのゲート駆動信号ＰＳ３の出力制御を行うことになる。

その後、駆動コントローラ３からアクティブフリーホイール動作オフの指示があれば、ステップＳ２０８からＳ２１０に進む状態となり、ゲート制御部２１は、アクティブフリーホイール動作オフとしてのゲート駆動信号ＰＳ３の出力制御を行うことになる。
以降も駆動コントローラ３の指示に応じて駆動部２におけるアクティブフリーホイール動作のオン／オフが切り替えられる。

またゲート制御部２１は、ステップＳ２１１でモーター駆動電圧の調整制御を行う。これはＰＷＭ制御信号ＰＳ２におけるＨ期間長が１．３ｍｓから２．０ｍｓの間で変更されることに応じて、ゲート駆動信号ＰＳ３を可変制御する処理である。即ちゲートパルスＵＨｇ，ＵＬｇ，ＶＨｇ，ＶＬｇ，ＷＨｇ，ＷＬｇのＨ期間長を可変し、平均電圧としてのモーター駆動電圧を制御する。

以上の駆動コントローラ３のステップＳ１０７及びゲート制御部２１のステップＳ２０８からＳ２１１の処理が繰り返されることで、状況や操縦者の操作に応じて、モーター駆動電圧の調整やアクティブフリーホイール動作のオン／オフが例えば以下のように実行されていく。

上記（処理Ｐａ）に関して、回生電流を用いたバッテリー６への充電について駆動コントローラ３はバッテリー６の端子電圧Ｖｂを監視し、必要な回生電圧が得られるようにＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＨ期間長を１．３ｍｓ〜２．０ｍｓの範囲で調整してモーター駆動電圧を可変制御する。さらに満充電となることに応じて充電動作がオフとされるようにモーター駆動電圧を制御する。

上記（処理Ｐｂ）に関して、駆動コントローラ３は、バッテリー６の端子電圧Ｖｂが基準電圧以上になったらアクティブフリーホイール動作をオフするように制御する。充電を行わない場合、特にアクティブフリーホイール動作により回生電圧を昇圧する必要がないためである。

上記（処理Ｐｃ）に関して、エンジン５の負荷が増してエンジン回転数が下がった場合に、スタータモーター兼発電機４によるエンジン補助の動作が行われるようにモーター駆動電圧を制御する。
なお、このエンジン補助の動作（ハイブリッド動作）については後述する。

上記（処理Ｐｄ）に関して、駆動コントローラ３はエンジン回転数が或るリミットより下がったらアクティブフリーホイール動作をオフとする。アクティブフリーホイール動作はエンジン５の負荷を増す（エンジンブレーキをかけるような）ことになるので、エンジン回転数が下がるとエンジン停止をまねく虞が生じる。そのためエンジン回転数を監視し、或るリミットより下がった場合はアクティブフリーホイール動作をやめて、充電動作をやめるようにしている。
そのリミットの回転数は、エンジン５のトルク特性、充電電流、使用環境を総合的に考慮して決めることになる。

上記（処理Ｐｅ）に関して、操縦者によるスロットル操作に応じてモーター駆動電圧が可変される。スタータモーター兼発電機４のモーター回転数としては、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＨ期間長を１．３ｍｓ〜２．０ｍｓとし、この範囲でモーター駆動電圧を可変制御することで回転数を制御する。

上記（処理Ｐｆ）に関して、操縦者がパワーが欲しいと思ったときに、アクティブフリーホイール動作をオフにする。例えば操縦者がパワーアップモード等の操作を行うことに応じて、駆動コントローラ３はアクティブフリーホイール動作をオフにする。
例えば図１１の処理では、駆動コントローラ３は、エンジン５が起動すると、基本的にアクティブフリーホイール動作をオンにして、充電を優先するように制御するものとしている。このとき、エンジンパワーの一部が充電動作に使われることになる。操縦者は、ここぞというときパワーアップモードの操作を行う。この場合、駆動コントローラ３は充電よりもパワーを優先するためにアクティブフリーホイール動作をオフにする。

＜ハイブリッド動作について＞
ハイブリッド動作について説明する。ここでのハイブリッド動作とは、スタータモーター兼発電機４によるエンジン５の補助動作を意味する。
即ちエンジン回転数が負荷等によりスロットル位置と関連付けられたある値を下回った時、スタータモーター兼発電機４が自動的に下回った回転数に比例するトルクを出してエンジン５を補助する動作である。

まず機器の設定について述べる。なお、以下のハイブリッド動作の説明ではスタータモーター兼発電機４を単に「モーター４」と表記する。
キャブレター全開時にモーター４がエンジン５の補助を開始する回転数をＲａ、モーター４に印加される電圧をＶａと設定すると、モーター４のＫＶ値（電圧１Ｖ当たりの回転数）ｋはｋ＝Ｒａ／Ｖａ となるようにモーター４を選定する必要がある。従って前提条件として、電圧Ｖａのときに、回転数Ｒａになるようなモーター４を選ぶ必要がある。つまりＲａとはモーター４が外部にトルクを発生しない回転数である。
また、キャブレター開度、駆動部２への入力信号（ＰＷＭ制御信号ＰＳ２）、モーター駆動電圧は各々連動関係がある。

今、一例としてキャブレター全閉時のモーター４への印加電圧Ｖ０＝０（Ｖ）として全開時ａとの間を直線補完するとキャブレター開度とモーター４への印加電圧は図１２のようになる。

以上の前提のうえで負荷増大時の動作について説明する。
まず、図１２の負荷増大前の運転状態でのキャブレターの開度をｂ、モーター４への印加電圧をＶｂ、回転数ＲｂをＲｂ＝ｋ＊Ｖｂであるとする。
運転状態は図１３中の点ｂにあり、発電量及びエンジン５を補助するトルクは０である。

負荷増大の第１のケースを考える。
今、負荷が増大しエンジン５の回転数が図１４の“Ｒｂ１”に落ちた時、運転状態は点ｂ１に移動する。
モーター４に印加される電圧は電圧Ｖｂのままであるがモーター４とエンジン５は連結されているため回転はΔＲ＝（Ｒｂ−Ｒｂ１）だけ下がり、モーター４の発生するトルクが増大し、エンジン５を補助する方向に働く。

負荷増大の第２のケースを考える。操縦者がスロットル操作時（開ける）の動作である。
図１２のキャブレターの開度ｂ、モーター４への印加電圧Ｖｂ、回転数Ｒｂ＝ｋ＊Ｖｂの状態からスロットルを開けてキャブレター開度を“ｃ”とした場合、モーター４に印加される電圧は“Ｖｃ”となり、運転状態は図１５の点ｃに移動する。
回転数がそのままで印加電圧が上昇するためモーター４が発生するトルクが増大し、エンジン５を補助する方向に働くことになる。

本実施の形態では、「エンジン回転数（＝モーター回転数）」と「モーター駆動電圧」の関係で、図１６の「ハイブリッド動作領域」で動くか、「充電領域」で動くかが決まる。
図１６の斜め線上で動いている場合は、充電しないし、エンジン補助もしない。
モーター駆動電圧が一定のまま、エンジン回転数が下がれば、ハイブリッド動作領域に入る（上記第１のケースの例）。
また、モーター駆動電圧を、エンジン回転数に対応する電圧より高くすれば、ハイブリッド動作領域に入る（上記第２のケースの例）。
一方、充電領域にあるときに回生電力による充電が行われる。

本実施の形態の場合、ハイブリッド動作領域と充電領域の動作は、特に制御して切り替えるものではない。
ただし、駆動コントローラ３は、基本的にアクティブフリーホイール動作をオンとし、基本は充電領域で動くこととして、状況に応じて自動的にハイブリッド領域へ移るようにする。即ち上記（処理Ｐｃ）として、エンジン回転数を監視し、必要に応じてハイブリッド動作領域の制御が行われることになる。
また上記（処理Ｐｄ）に関するが、アクティブフリーホイール動作は、エンジン５の負荷を増す（エンジンブレーキをかけるような）ことになるので、エンジン５が動き辛くなったら、アクティブフリーホイール動作を停止するように制御することとしている。

＜まとめ＞
以上の実施の形態では、モーター駆動装置１は、モーター駆動のためのブリッジ回路（３相ＦＥＴブリッジ２３）における各スイッチング素子のオン／オフ制御を行ってエンジン５と回転軸が直結されたスタータモーター兼発電機４を駆動する駆動部２と、駆動部２によるスタータモーター兼発電機４の駆動動作を制御する駆動コントローラ３を備える。駆動部２は、３相ＦＥＴブリッジ２３のスイッチング素子のオン期間を変化させることによりスタータモーター兼発電機４に対するモーター駆動電圧の制御を行う。また駆動部２は、図８のようにＨパルスＰＨにより所定タイミングで３相ＦＥＴブリッジ２３の所定のスイッチング素子をオン制御してスタータモーター兼発電機４による回生電圧を昇圧させるアクティブフリーホイール動作が実行可能とされる。駆動コントローラ３はバッテリー電圧（バッテリー６の端子電圧Ｖｂ）に基づいて、駆動部２に対し、モーター駆動電圧の指示及びアクティブフリーホイール動作のオン／オフ指示が可能とされている。
このようなモーター駆動装置１によれば、スタータモーターと充電電力の発電用のモーターとされる１つのモーター（スタータモーター兼発電機４）を適切に制御できる。即ちスタータ及びエンジン補助としてのモーター動作とバッテリー６の充電のための発電動作とが自動的に切り替わることになる。
従ってユーザ、例えば送信機９を用いた操縦者が意識することなく、エンジン補助や充電が適切に行われる。特に駆動コントローラ３は駆動部２に対してバッテリー６の端子電圧Ｖｂを監視しながらモーター駆動電圧の指示やアクティブフリーホイール動作のオン／オフ指示を行うことで、エンジン補助と充電が適切に行われることになる（図１１のＳ１０７，Ｓ２０８〜Ｓ２１１参照）。

そしてモーター駆動装置１においては、３相ＦＥＴブリッジ２３の各スイッチング素子（ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）のゲートオン／オフ制御により、モーター駆動電圧を制御し、またアクティブフリーホイール動作を実現する。
このため別途の昇圧降圧回路やモーター増速機構などを必要とせずに、モーター駆動電圧制御及びこれによる回生電圧制御、さらにはアクティブフリーホイール動作による昇圧等を行うことができる。つまり回路規模負担をもたらさずに効率的なエンジン補助及び充電動作が可能となる。

より具体的に述べれば、従来はスタータ用駆動制御装置と発電用レギュレートレクチファイヤーは個別に必要であった。そのため、小型移動体のエンジンに対して搭載するには重量的な負荷が大きかった。
本実施の形態のモーター駆動装置１は、スタータ用駆動制御装置と発電用レギュレートレクチファイヤーを共用するものであり重量の軽減ができる。
またエンジン５とスタータモーター兼発電機４は直結している為、スタータ機構や発電用駆動部が不要であるという利点もある。
また永久磁石発電機はエンジン回転数に応じた発電電圧を発生させるため、従来は耐電圧の高い半導体制御素子を使う必要があった。また回転数の低い時は充電電圧の確保の為増速が必要であった。
本実施の形態のモーター駆動装置１によれば、永久磁石発電機の発電電圧をコントロール可能な為、発電電圧が高いときは発電電圧を低下させ、発電電圧の低い時は発電電圧を上昇させる事が出来る。その為、発電電圧はバッテリー６の電圧の充電に適した電圧を広範囲な回転数で得ることができ、高耐圧の半導体素子や発電機の増速は不要となる。

またアクティブフリーホイール動作により低回転の場合でも比較的高い回生電圧を得ることができ、充電動作を効率良く行うことができる。
またアクティブフリーホイール動作を行うことで、スイッチング素子であるＦＥＴのボディダイオードを通じた回生電流経路を用いることを行わない。このためボディダイオードを用いる場合の効率低下や精度の低下をもたらすことがないという利点もある。

実施の形態では、駆動コントローラ３は駆動部２に対して、１系統のＰＷＭ信号であるＰＷＭ制御信号ＰＳ２により、モーター駆動電圧の指示及びアクティブフリーホイール動作の指示を行うようにした。
即ち上記例では、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＨ期間長を１．３ｍｓ〜２．０ｍｓとすることでモーター駆動電圧を指示し、またＬ期間長が２ｍｓか４ｍｓかでアクティブフリーホイール動作のオン／オフを指示するようにした。これにより、１系統のＰＷＭ信号でエンジン補助と充電動作がそれぞれ適切に行われるような制御が可能となる。換言すれば、従前のモーター駆動装置と同様に１系統のＰＷＭ信号による制御が可能である。
なお、図２に示した具体的な期間長等や制御内容との対応は一例に過ぎない。

また実施の形態では、駆動コントローラ３は駆動部２に対して、１系統のＰＷＭ信号であるＰＷＭ制御信号ＰＳ２により、初期信号の供給及びエンジンスタートの指示も行うようにした。
初期信号やエンジンスタート信号も、ＰＷＭ制御信号ＰＳ２のＨ期間長として設定するものとしたが、これにより駆動コントローラ３は駆動部２に対する動作制御全般を１系統のＰＷＭ信号で行うものとしている。結局、接続ラインとしては、電源ライン、グランドライン、ＰＷＭ信号ラインの３系統のみという最小限のシンプルな構成を実現できている。

実施の形態では、駆動コントローラ３は、エンジン回転信号Ｓ１又は操作情報（受信器８からのＰＷＭ制御信号ＰＳ１）に応じて、アクティブフリーホイール動作の指示が可能とされているものとした。
例えばエンジン回転数が下がったときにはアクティブフリーホイール動作オフを指示したり、ユーザの操作に応じてアクティブフリーホイール動作オフを指示したりできる。
これにより充電優先、エンジン補助優先を選択できる。またドローン等の駆動にパワーがほしいときなどにはアクティブフリーホイール動作をオフさせてエンジンの負荷を軽減することでき、事情に応じた選択が可能となる。

１ モーター駆動装置
２ 駆動部
３ 駆動コントローラ
４ スタータモーター兼発電機
５ エンジン
６ バッテリー
７ 回転軸
８ 受信器
９ 送信機
２１ ゲート制御部
２２ ゲートドライバ
２３ ３相ＦＥＴブリッジ
２５ アクティブフリーホイール駆動部
２６ モーター誘起電圧検出部
４１ モーターコイル

Claims (4)

1. モーター駆動のためのブリッジ回路における各スイッチング素子のオン／オフ制御を行ってエンジンと回転軸が直結されたスタータモーター兼発電機を駆動する駆動部と、
   前記駆動部による前記スタータモーター兼発電機の駆動動作を制御する駆動コントローラと、
   を備え、
   前記駆動部は、前記ブリッジ回路のスイッチング素子のオン期間を変化させることにより前記スタータモーター兼発電機に対するモーター駆動電圧の制御を行い、また、所定タイミングで前記ブリッジ回路の所定のスイッチング素子をオン制御して前記スタータモーター兼発電機による回生電圧を昇圧させるアクティブフリーホイール動作が実行可能とされ、
   前記駆動コントローラは、前記回生電圧に基づく充電が行われるバッテリーのバッテリー電圧に基づいて、前記駆動部に対し、前記モーター駆動電圧の指示及び前記アクティブフリーホイール動作のオン／オフ指示が可能とされている
   モーター駆動装置。
2. 前記駆動コントローラは前記駆動部に対して、１系統のＰＷＭ信号により、前記モーター駆動電圧の指示及び前記アクティブフリーホイール動作の指示を行う
   請求項１に記載のモーター駆動装置。
3. 前記駆動コントローラは前記駆動部に対して、前記１系統のＰＷＭ信号により、初期信号の供給及びエンジンスタートの指示も行う
   請求項２に記載のモーター駆動装置。
4. 前記駆動コントローラは、エンジン回転情報又は操作情報に応じて、前記アクティブフリーホイール動作の指示が可能とされている
   請求項１から請求項３のいずれかに記載のモーター駆動装置。

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