WO2015098942A1 - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)概要
図1は、本発明の第1実施形態に係るモータ駆動装置10が採用されているシステム100の全体構成と、モータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。図1において、システム100は、モータ駆動装置10とモータ51とで構成されている。
モータ51は、3相のブラシレスDCモータであって、ステータ52と、ロータ53とを備えている。ステータ52は、スター結線されたU相、V相及びW相の駆動コイルLu,Lv,Lwを含む。各駆動コイルLu,Lv,Lwの一方端は、それぞれインバータ25から延びるU相、V相及びW相の各配線の駆動コイル端子TU,TV,TWに接続されている。各駆動コイルLu,Lv,Lwの他方端は、互いに端子TNとして接続されている。これら3相の駆動コイルLu,Lv,Lwは、ロータ53が回転することによりその回転速度とロータ53の位置に応じた誘起電圧を発生させる。
モータ駆動装置10は、図1に示すように、整流部21と、平滑コンデンサ22と、電圧検出部23と、電流検出部24と、インバータ25と、ゲート駆動回路26と、制御部40とを備えている。これらは、例えば1枚のプリント基板上に実装されてもよい。
(2-1)整流部21
整流部21は、4つのダイオードD1a,D1b,D2a,D2bによってブリッジ状に構成されている。具体的には、ダイオードD1aとD1b、D2aとD2bは、それぞれ互いに直列に接続されている。ダイオードD1a,D2aの各カソード端子は、共に平滑コンデンサ22のプラス側端子に接続されており、整流部21の正側出力端子として機能する。ダイオードD1b,D2bの各アノード端子は、共に平滑コンデンサ22のマイナス側端子に接続されており、整流部21の負側出力端子として機能する。
平滑コンデンサ22は、一端が整流部21の正側出力端子に接続され、他端が整流部21の負側出力端子に接続されている。平滑コンデンサ22は、整流部21によって整流された電圧を平滑する。以下、説明の便宜上、平滑コンデンサ22による平滑後の電圧を直流電圧Vdcという。
電圧検出部23は、平滑コンデンサ22の出力側に接続されており、平滑コンデンサ22の両端電圧、即ち直流電圧Vdcの値を検出するためのものである。電圧検出部23は、例えば、互いに直列に接続された2つの抵抗が平滑コンデンサ22に並列接続され、直流電圧Vdcが分圧されるように構成される。それら2つの抵抗同士の接続点の電圧値は、制御部40に入力される。
電流検出部24は、平滑コンデンサ22及びインバータ25の間であって、かつ平滑コンデンサ22の負側出力端子側に接続されている。電流検出部24は、モータ51の起動後、モータ51に流れるモータ電流Imを三相分の電流の合計値として検出する。
インバータ25は、モータ51のU相、V相及びW相の駆動コイルLu,Lv,Lwそれぞれに対応する3つの上下アームが互いに並列に、且つ平滑コンデンサ22の出力側に接続されている。
ゲート駆動回路26は、制御部40からの指令電圧Vpwmに基づき、インバータ25の各トランジスタQ3a~Q5bのオン及びオフの状態を変化させる。具体的には、ゲート駆動回路26は、制御部40によって決定されたデューティを有するパルス状の駆動電圧SU,SV,SWがインバータ25からモータ51に出力されるように、各トランジスタQ3a~Q5bのゲートに印加するゲート制御電圧Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gzを生成する。生成されたゲート制御電圧Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gzは、それぞれのトランジスタQ3a~Q5bのゲート端子に印加される。
制御部40は、電圧検出部23、電流検出部24、及びゲート駆動回路26と接続されている。本実施形態では、制御部40は、モータ51をロータ位置センサレス方式にて駆動させている。なお、ロータ位置センサレス方式に限定されるものではないので、センサ方式で行なってもよい。
図1において、ブレーキ回路61は、3つのトランジスタ61u、61v、61wで構成されている。トランジスタ61uは、U相の駆動コイルLuと共通接続点Nとを結ぶ配線途中に接続されている。トランジスタ61vは、V相の駆動コイルLvと共通接続点Nとを結ぶ配線途中に接続されている。トランジスタ61wは、W相の駆動コイルLwと共通接続点Nとを結ぶ配線途中に接続されている。また、トランジスタ61u~61wには、それぞれ還流用のダイオードが接続されている。
以下、モータ駆動装置10の動作について説明する。図1において、制御部40は、ゲート駆動回路26への波形出力を行なうと共に、その波形出力状態を制御して、モータ51を所定回転数で駆動する。
(4-1)
モータ駆動装置10では、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子を破壊から保護することができる。
モータ駆動装置10では、モータ51のインダクタンス成分が持つエネルギー及びモータ51の回転による誘起電圧によってダイオードD3a~D5bがオンする可能性が高いが、上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフした後、モータ51に電気的ブレーキをかけて素早く停止させることによって、ダイオードD3a~D5bがオンしている時間を短くすることができる。
(1)概要
図3は、本発明の第2実施形態に係るモータ駆動装置10が採用されているシステム100の全体構成と、モータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。
(2-1)抵抗負荷71
図3において、抵抗負荷71は、3つの抵抗素子71u、71v、71wで構成されている。抵抗素子71uは、U相の駆動コイルLuと共通接続点Nとを結ぶラインの途中に接続されている。抵抗素子71vは、V相の駆動コイルLvと共通接続点Nとを結ぶラインの途中に接続されている。抵抗素子71wは、W相の駆動コイルLwと共通接続点Nとを結ぶラインの途中に接続されている。通常、上記各ラインはリレー回路73によって遮断されている。
リレー回路73は、モータ51の各相の駆動コイルLu,Lv,Lwと、それらに対応する各抵抗素子71u,71v,71wを結ぶラインを電気的に開閉するリレー接点73aと、リレー接点73aを動作させるリレーコイル73bと、リレーコイル73bへの通電と非通電とを行うトランジスタ73cとを含んでいる。リレーコイル73bの一端は、駆動用電源Vbの正極に接続され、他端はトランジスタ73cのコレクタ側に接続されている。制御部40は、トランジスタ73cのベース電流の有無を切り換えて、コレクタとエミッタ間をオンオフし、リレーコイル73bへの通電と非通電を行う。
以下、モータ駆動装置10の動作について説明する。なお、制御部40が、電圧検出部23の検出値が所定の閾値を超えたと判断したとき、上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフするところまでは、第1実施形態と同じであるので、説明を省略する。
(4-1)
モータ駆動装置10では、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子のトランジスタQ3a~Q5b及びダイオードD3a~D5bを破壊から保護することができる。
モータ駆動装置10では、モータ51のインダクタンス成分が持つエネルギー及びモータの回転による誘起電圧によってダイオードD3a~D5bがオンする可能性が高いが、上下アームの両方のトランジスタをオフした後、モータ51のインダクタンス成分がもつエネルギーを抵抗素子71u,71v,71wで短時間に消費させることによって、ダイオードD3a~D5bがオンしている時間を短くすることができる。
(1)概要
図4は、本発明の第3実施形態に係るモータ駆動装置10が採用されているシステム100の全体構成と、モータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。
ブレーキ81は、機械的ブレーキであって、電磁クラッチ83と、モータ51の回転軸に電磁クラッチ83を介して接続される負荷85とで構成されている。電磁クラッチ83は、制御部40からの駆動信号によって、モータ51の回転軸と負荷85とを連結又は解除する。
以下、モータ駆動装置10の動作について説明する。なお、制御部40が、電圧検出部23の検出値が所定の閾値を超えたと判断したとき、上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフするところまでは、第1実施形態と同じであるので、説明を省略する。
(4-1)
モータ駆動装置10では、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子のトランジスタQ3a~Q5b、及びダイオードD3a~D5bを破壊から保護することができる。
モータ駆動装置10では、モータ51のインダクタンス成分が持つエネルギー及び回転による誘起電圧によってダイオードD3a~D5bがオンする可能性が高いが、上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフした後、モータ51のインダクタンス成分がもつエネルギー及びモータ51の回転エネルギーを機械的なブレーキ81で短時間に消費させることによって、ダイオードD3a~D5bがオンしている時間を短くすることができる。
(A)
第1実施形態、第2実施形態及び第3実施形態では、電気的ブレーキ又は機械的ブレーキを設けて、モータ51のインダクタンス成分がもつエネルギーとモータ51の回転エネルギーとをモータ51にブレーキをかけることによって短時間に消費させ、スイッチング素子(ダイオードD3a~D5b)がオンしている時間を短くする、というものである。
(B-1)概要
図5は、本発明の他の実施形態に係るモータ駆動装置10が採用されているシステム100の全体構成と、モータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。
(B-2-1)リレー回路75
図5において、リレー回路75は電源ライン801を開閉する。ここで、電源ライン801を開閉するとは、電源ライン801を導通又は遮断して非導通にすることである。
電解コンデンサ77は、インバータ25と並列接続される、電解コンデンサである。ここで、リレー回路75が制御部40から信号出力を受けてから電源ライン801を遮断するまでに10msec程度の期間は、電解コンデンサ77に過電圧が印加された状態が継続する。つまり、電圧検出部23が過電圧を検出してからリレー回路75が電源ライン801を遮断するまでの間に、過電圧値が電解コンデンサ77の耐圧を超える可能性が想定される。
図7Aは、直流電圧Vdcの変化に対する制御を示すグラフである。図5及び図7Aにおいて、直流電圧Vdcが上昇し、電圧検出部23の検出値が過電圧閾値を超えたとき、制御部40はリレー回路75を介して電源ライン801を遮断する。
第3実施形態では機械的ブレーキのみを用いているが、第1実施形態や第2実施形態のようなブレーキ(電気的ブレーキ)を併用してもよい。
(D-1)チャージポンプ回路46採用時の課題
上記第1、第2及び第3実施形態では、上下アームのスイッチング素子の過電圧保護を重点に説明してきた。しかし、実使用においては、過電圧はスイッチング素子に限らず、ゲート駆動回路26の出力回路にも及ぶ。
それゆえ、上アーム側スイッチング素子の駆動用電源を作成する(変動する上下アーム接続点電位に対応してゲート電位を高める)方式としてブートストラップ方式を用いることが好ましい。
ゲート駆動回路26は、内部に、上アーム側のトランジスタQ3a,Q4a,Q5aを駆動する上アーム側駆動回路26aと、下アーム側のトランジスタQ3b,Q4b,Q5bを駆動する下アーム側駆動回路26bとを有し、外部にはVcc、Vdd、Hin、Lin、Vss、Vbo、Ho、Vs、LoおよびCOMの10個の端子を有している。
ゲート駆動回路26は、上アーム側のトランジスタQ3a,Q4a,Q5aに適切にゲート電位を入力するために、端子Vccに接続された駆動用電源Vbの正極と、トランジスタQ3a,Q4a,Q5aの各エミッタとの間に、ブートストラップ回路31が設けられている。
モータ駆動装置10では、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子を破壊から保護することができる。言い換えれば、直列接続された2つのスイッチング素子のそれぞれが素子耐圧まで耐え得るため、DC部の電圧としては、一素子耐圧の倍の電圧まで耐え得ることになる。
上記(D)では、上アーム側スイッチング素子のゲート電位を高める方式として、チャージポンプ方式に替えてブートストラップ回路31(図8参照)を推奨しているが、それに限定されるものではない。
(1)概要
図11は、本発明の第4実施形態に係るモータ駆動装置10の回路構成を示すブロック図である。図11において、全体のシステム100は、モータ駆動装置10とモータ51とで構成されている。
バランス回路33a~35bは、抵抗素子で構成されている。一対のバランス回路33a,33bは、上下アームを構成する一対のスイッチング素子(トランジスタQ3a,Q3b及びダイオードD3a,D3b)と対応する。同様に、一対のバランス回路34a,34bは、一対のスイッチング素子(トランジスタQ4a,Q4b及びダイオードD4a,D4b)と対応し、一対のバランス回路35a,35bは、一対のスイッチング素子(トランジスタQ5a,Q5b及びダイオードD5a,D5b)と対応している。
以下、モータ駆動装置10の動作について説明する。図11において、制御部40は、ゲート駆動回路26への波形出力を行なうと共に、その波形出力状態を制御して、モータ51を所定回転数で駆動する。
(4-1)
モータ駆動装置10では、制御部40が過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)を破壊から保護することができる。
バランス回路33a,33bをトランジスタQ3a,Q3b、及びダイオードD3a,D3bに、バランス回路34a,34bをトランジスタQ4a,Q4b、及びダイオードD4a,D4bに、バランス回路35a,35bをトランジスタQ5a,Q5b、及びダイオードD5a,D5bに対応するように接続するので、上アームのスイッチング素子(トランジスタQ3a、Q4a、Q5a、ダイオードD3a、D4a,D5a)の両端にかかる分圧値V1と、下アームのスイッチング素子(トランジスタQ3b、Q4b、Q5b、ダイオードD3b,D4b,D5b)の両端にかかる分圧値V2とを均等にすることができ、不均等な分圧に起因するスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b及びダイオードD3a~D5b)の破壊を防止することができる。
(1)概要
図13は、本発明の第2実施形態に係るモータ駆動装置10の回路構成を示すブロック図である。図13において、全体のシステム100は、モータ駆動装置10とモータ51とで構成されている。
(2-1)リレー回路43,44,45
リレー回路43,44,45は、ライン47u,47v,47wを開閉する。ここで、ライン47u,47v,47wを開閉するとは、接続点MUと接続点NUとの間、接続点MVと接続点NVとの間、接続点MWと接続点NWとの間を接続又は遮断することである。
以下、モータ駆動装置10の動作について説明する。なお、制御部40が、電圧検出部23の検出値が所定の閾値を超えたと判断したとき、上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフするところまでは、第1実施形態と同じであるので、説明を省略する。
(4-1)
モータ駆動装置10では、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a~Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b、ダイオードD3a~D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子のトランジスタQ3a~Q5b及びダイオードD3a~D5bを破壊から保護することができる。
制御部40は、上下アームの両方のトランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフする際に、リレー回路43,44,45を介して、バランス回路33a,33bをトランジスタQ3a,Q3b及びダイオードD3a,D3bに、バランス回路34a,34bをトランジスタQ4a,Q4b及びダイオードD4a,D4bに、バランス回路35a,35bをトランジスタQ5a,Q5b及びダイオードD5a,D5bに対応するように接続するので、上アームのスイッチング素子(トランジスタQ3a、Q4a、Q5a、ダイオードD3a、D4a,D5a)の両端にかかる分圧値V1と、下アームのスイッチング素子(トランジスタQ3b、Q4b、Q5b、ダイオードD3b,D4b,D5b)の両端にかかる分圧値V2とを均等にすることができ、不均等な分圧に起因するスイッチング素子(トランジスタQ3a~Q5b及びダイオードD3a~D5b)の破壊を防止することができる。
接続点NU,NV,NWと、それに対応する一対のバランス回路の中間点との間にスイッチを配置し、インバータのオフ時のみバランス回路を接続することで、バランス回路の消費電力を抑制することができる。
(A)
スイッチはリレーではなく、MOSFETなどの半導体スイッチを用いてもよい。その場合はより高速にバランス回路を接続することができるため、分圧が不均一となる状態を早く脱することができる。
第2実施形態より更に消費電力を低減するため、バランス回路自体を接続/遮断する第2スイッチを更に設けてもよい。
20 電源供給部
23 電圧検出部
31 ブートストラップ回路
33a バランス回路
33b バランス回路
34a バランス回路
34b バランス回路
35a バランス回路
35b バランス回路
36 絶縁電源
40 制御部
43 リレー回路(スイッチ)
44 リレー回路(スイッチ)
45 リレー回路(スイッチ)
50 過電圧保護回路
51 モータ
61 ブレーキ回路
71 抵抗負荷
73 リレー回路(抵抗負荷接続手段)
81 ブレーキ(機械的ブレーキ)
Q3a トランジスタ(スイッチング素子)
Q3b トランジスタ(スイッチング素子)
Q4a トランジスタ(スイッチング素子)
Q4b トランジスタ(スイッチング素子)
Q5a トランジスタ(スイッチング素子)
Q5b トランジスタ(スイッチング素子)
D3a ダイオード(スイッチング素子)
D3b ダイオード(スイッチング素子)
D4a ダイオード(スイッチング素子)
D4b ダイオード(スイッチング素子)
D5a ダイオード(スイッチング素子)
D5b ダイオード(スイッチング素子)
NU 接続点
NV 接続点
NW 接続点
Vdc 直流電圧
Claims (12)
- モータの複数の相それぞれに対応する複数の上下アームそれぞれが、2つのスイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b、D3a、D3b、D4a、D4b、D5a、D5b)を直列に接続することによって構成され、それによって形成された接続点(NU,NV,NW)それぞれから対応する前記相へ電圧を出力するモータ駆動装置であって、
前記上下アームに直流電圧(Vdc)を供給する電源供給部(20)と、
前記上下アームに並列に接続された電圧検出部(23)と、
前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオンオフ動作させる制御部(40)と、
を備え、
前記制御部(40)は、前記電圧検出部(23)の検出値が所定の閾値を超えたとき、前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフにする、
モータ駆動装置(10)。 - 前記モータのブレーキ回路(61)をさらに備え、
前記制御部(40)は、前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフした後、前記モータにブレーキをかける、
請求項1に記載のモータ駆動装置(10)。 - 抵抗負荷(71)と、
前記接続点(NU,NV,NW)と前記抵抗負荷(71)との間を接続又は遮断する抵抗負荷接続手段(73)と、
をさらに備え、
前記制御部(40)は、前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフした後、前記接続点(NU,NV,NW)と前記抵抗負荷(71)とを接続する、
請求項1又は請求項2に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記モータの回転軸に着脱可能な機械的ブレーキ(81)をさらに備え、
前記制御部(40)は、前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフした後、前記モータに機械的なブレーキをかける、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記制御部(40)は、前記電圧検出部(23)の検出値が前記閾値を超えたとき、全ての前記上下アームの2つの前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)のいずれか片方のアームの前記スイッチング素子全てをオンにした後、全ての前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフにする、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記制御部(40)は、前記電圧検出部(23)の検出値が前記閾値を超えたとき以外は、前記モータに前記ブレーキをかけない、
請求項2から請求項5のいずれか1項に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記上下アームの上アーム側スイッチング素子(Q3a,Q4a,Q5a)の駆動電源のために、前記スイッチング素子(Q3a,Q4a,Q5a)の低電位側よりも高い電位を生成するブートストラップ回路(31)をさらに備える、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記上下アームの上アーム側スイッチング素子(Q3a,Q4a,Q5a)の駆動に利用される絶縁電源(36)をさらに備える、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記電源供給部(20)と前記上下アームとを結ぶ一対のDCバスと前記接続点(NU,NV,NW)との間に配置されるバランス回路(33a、33b,34a、34b,35a、35b)をさらに備える、
請求項1に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記バランス回路(33a、33b,34a、34b,35a、35b)は、複数の前記上下アームの各スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)ごとに対応するように配置されている、
請求項9に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記接続点(NU,NV,NW)と、それに対応する一対の前記バランス回路(33a、33b,34a、34b,35a、35b)の中間点との間を接続又は遮断するスイッチ(43,44,45)をさらに備え、
前記制御部(40)は、前記電圧検出部(23)の検出値が所定の閾値を超えたとき、前記バランス回路(33a、33b,34a、34b,35a、35b)を接続する、
請求項9又は請求項10に記載のモータ駆動装置(10)。 - 前記バランス回路(33a、33b,34a、34b,35a、35b)は、抵抗素子で構成されている、
請求項9から請求項11のいずれか1項に記載のモータ駆動装置(10)。
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