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JP2009303338A - モータ駆動装置と制御方法 - Google Patents

モータ駆動装置と制御方法 Download PDF

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JP2009303338A
JP2009303338A JP2008153175A JP2008153175A JP2009303338A JP 2009303338 A JP2009303338 A JP 2009303338A JP 2008153175 A JP2008153175 A JP 2008153175A JP 2008153175 A JP2008153175 A JP 2008153175A JP 2009303338 A JP2009303338 A JP 2009303338A
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聡 池井
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Abstract

【課題】従来では、逆起電力吸収のため、過多な電流に耐えられる大きな回生負荷抵抗及びMOS FETが必要となり回路規模の増大を招くという問題が生じる。
【解決手段】本発明は、第1の電源端子及び第2の電源端子と、モータ巻線に接続される駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、前記駆動部と、少なくとも前記第1の電源端子もしくは前記第2の電源端子のどちらか一方の間に接続される抵抗素子とを備え、前記制御部は、前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、前記モータ巻線と前記抵抗素子とでループ回路を構成させるモータ駆動装置である。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータ駆動装置とその制御方法関するものであり、特に、ブラシレスDCモータに関する。
現在、機器の小型化が求められる洗濯機、冷蔵庫、エアコン等の民生品分野では、小型高出力の永久磁石同期モータが広く採用されている。
また、近年、MOS FET等のパワーデバイスの技術革新が進んでいる。このため、商用AC電源を一端整流してDCに変換し、再度パワーデバイスのスイッチングにより任意の駆動波形に生成しなおしたインバータ制御が可能となった。このインバータ制御は、省電力化や制御が容易である。そして、上記のような永久磁石同期モータをインバータ制御により駆動する、ブラシレスDCモータが現在広く利用されている。
図4に、一般的なブラシレスDCモータのインバータ回路1を示す。図4に示すようにインバータ回路1は、トランジスタQ1〜Q6を有している。トランジスタQ1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6がDC電源電圧VDDと接地電圧GND間にそれぞれ直列に接続されている。トランジスタQ1〜Q6は、それぞれ制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−が入力される。
この制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−の電圧動作波形の一例を図5に示す。図5に示すようなパルス波形により、トランジスタQ1〜Q6は、オンまたはオフを繰り返すスイッチング動作を行う。例えば、時刻t0〜t2では、制御信号U+及びV−が同時にハイレベルとなっているため、トランジスタQ1及びQ4が同時にオン状態となる。このため、ブラシレスDCモータ2のU相とV相のコイルに電流が流れる。同様に、時刻t2〜t4では、制御信号V+及びW−が同時にハイレベルとなり、トランジスタQ3及びQ6が同時にオン状態となる。よって、ブラシレスDCモータ2のV相とW相のコイルに電流が流れる。以下、同様に制御信号に応じてトランジスタをスイッチングし、インバータ回路1はブラシレスDCモータ2の駆動電流を生成することができる。
本例では、ブラシレスDCモータ2は3相モータである。このため、ブラシレスDCモータ2のU相、V相、W相のコイルに流れる電流が120°位相がずれて流れるようトランジスタQ1〜Q6のオン、オフが調整される。なお、制御信号U+、W+、V+に対して、それぞれ制御信号U−、V−、W−は反転した信号となっている。
更に、上記のようなスイッチングによるモータの駆動制御にパルス幅変調(Pulse Wide Modulation、以下、PWMと称す)制御が用いられる。このPWM制御はDCモータの制御方法として現在最も多く利用されている。図6(a)、(b)を用いてPWM制御の簡単な説明を行う。なお、図6(b)のグラフは、パルス幅変調された制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−の1相分、例えば制御信号U+を示している。その他の制御信号も位相がずれるが同様の波形信号もしくはその反転信号となる。
本例のPWM制御では、図6(a)に示すように、キャリアとして三角波が利用される。また、モータの回転数等を所望の値に制御するため、図6(a)に示す指令電圧信号を用いる。この指令電圧信号と三角波を比較して、図6(b)に示すような制御信号U+のパルス幅が決定される。
図6(b)に示すように、指令電圧信号の振幅電圧が高い場合、制御信号U+のパルスの幅が大きくなり、振幅電圧が低い場合、制御信号U+のパルス幅が小さくなる。パルス幅が大きい場合、トランジスタのオン状態の時間が長くなるため、モータのコイルに流れる電流が増加し、モータの回転数が高くなる。反対にパルス幅が小さい場合、トランジスタのオン状態の時間が短くなり、モータの回転数が低くなる。このようにPWM制御では、指令電圧信号をパルス幅変調し、そのパルス幅変調した制御信号U+等によりモータの回転数を制御している。
ここで、このようなブラシレスDCモータのインバータ制御において、モータが急減速またはシステム不具合等によりモータ駆動制御ができなくなった場合、負荷側慣性によりモータが回生(発電)状態となり、大きな逆起電力が発生する。このような逆起電力により、モータやインバータ回路のトランジスタ等、もしくはインバータ回路に電源を供給するコンバータ回路の平滑コンデンサが破壊されるのを防止するため、逆起電力除去用の手段が必要となる。
特許文献1に、インバータ入力側の電圧がモータの逆起電力により異常上昇した場合、回生負荷抵抗に電流を流し、逆起電力の除去を行う逆起電力除去装置3が開示されている。図7に逆起電力除去装置3の構成を示す。図7に示すように、逆起電力除去装置3は、電源供給部4と、逆起電力検出部5と、MOS FETベースドライバ6と、逆起電力除去部7と、第1表示部8と、第2表示部9とを有する。
特開平6−343291号公報
特許文献1の逆起電力除去装置3では、電源入力端子DC+及びDC−間で逆起電力により上昇される異常電圧を検出すると、逆起電力除去部7のMOS FET71をオンまたはオフ制御する。このことにより、電源入力端子DC+及びDC−間に接続されている回生負荷抵抗R72に電流I73を流して熱エネルギーとして消費し、逆起電力の除去を行っている。しかし、この方法では、瞬間的に過多な電流I73が回生負荷抵抗R72に流れる。このため、逆起電力除去部7に過多な電流に耐えられる大きな回生負荷抵抗72及びMOS FET71が必要となり回路規模の増大を招くという問題が生じる。また、MOS FET71のオン、オフ制御専用の制御回路も必要となり、やはり回路規模が増大する。
本発明の一態様は、第1の電源端子及び第2の電源端子と、モータ巻線に接続される駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、前記駆動部と、少なくとも前記第1の電源端子もしくは前記第2の電源端子のどちらか一方の間に接続される抵抗素子とを備え、前記制御部は、前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、前記モータ巻線と前記抵抗素子とでループ回路を構成させるモータ駆動装置である。
本発明の他の態様は、第1の電源端子及び第2の電源端子と、モータ巻線に接続される駆動部と、前記駆動部と、少なくとも前記第1の電源端子もしくは前記第2の電源端子のどちらか一方の間に接続される抵抗素子とを備えるモータ駆動装置の制御方法であって、前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、前記モータ巻線と前記抵抗素子とでループ回路を構成させるモータ駆動装置の制御方法である。
本発明によれば、モータが回生(発電)状態等になることで、逆起電力により第1の電源端子の電圧が所定の値に上昇した場合、モータ巻線と抵抗素子が閉ループ構成となる。このことにより、逆起電力を抵抗素子が熱エネルギーとして吸収することができる。
本発明によれば、回路規模の増大を招かずに逆起電力を吸収できる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明をモータ駆動装置に適用したものである。図1に本実施の形態にかかるモータ駆動装置100の構成の一例を示す。図1に示すように、モータ駆動装置100は、コンバータ部10と、インバータ部20と、ブラシレスDCモータ30と、制御部40とを有する。
コンバータ部10は、一般商用AC電源11からの電圧を整流してDC電圧に変換する。コンバータ部10は、入力端子T11、T12と、出力端子T13、T14と、整流ダイオードD11〜D14と、平滑コンデンサC11とを有する。また、入力端子T11、T12と、出力端子T13、T14とを有する。整流ダイオードD11は、アノードを入力端子T11、カソードを出力端子T13に接続される。整流ダイオードD12は、アノードを入力端子T12、カソードを出力端子T13に接続される。整流ダイオードD13は、アノードを出力端子T14、カソードを入力端子T11に接続される。整流ダイオードD14は、アノードを出力端子T14、カソードを入力端子T12に接続される。平滑コンデンサC11は、一方の端子を出力端子T13、他方の端子を出力端子T14に接続される。出力端子T14は、接地電圧端子GNDが接続される。
インバータ部20は、NPNトランジスタQ1〜Q6と、クランプダイオードD21〜D26と、抵抗素子R21〜R23とを有する。また、電源入力端子T21、T22と、出力端子T23〜T25とを有する。
NPNトランジスタQ1〜Q6は、後述するブラシレスDCモータ30のU相、V相、W相に流れるモータ駆動電流を制御するためのスイッチング素子である。NPNトランジスタQ1は、コレクタが入力端子T21、エミッタがノードA1に接続されている。NPNトランジスタQ2は、コレクタがノードA1、エミッタがノードA2に接続されている。NPNトランジスタQ3は、コレクタが入力端子T21、エミッタがノードB1に接続されている。NPNトランジスタQ4は、コレクタがノードB1、エミッタがノードB2に接続されている。NPNトランジスタQ5は、コレクタが入力端子T21、エミッタがノードC1に接続されている。NPNトランジスタQ6は、コレクタがノードC1、エミッタがノードC2に接続されている。NPNトランジスタQ1〜Q6のベースは、それぞれ制御部40からの制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−が入力される。ノードA1〜C1は、それぞれ出力端子T23〜T25に接続される。
クランプダイオードD21〜D26は、NPNトランジスタQ1〜Q6のそれぞれコレクタ・エミッタ間に逆並列接続されている。
抵抗素子R21〜R23は、ブラシレスDCモータ30のU相、V相、W相に流れるモータ駆動電流を検出するための抵抗である。この抵抗素子R21〜R23に流れる電流の電流量や位相を測定することで、ブラシレスDCモータ30のどの相に電流が流れているかが検出できる。また、この電流の位相を測定することで、ブラシレスDCモータ30のローターの回転位置等の情報の収得が可能となる。これら抵抗素子R21〜R23は、電流測定に用いられるためシャント抵抗で構成されることが望ましい。但し、抵抗の種類としてシャント抵抗だけに限定されない。
ブラシレスDCモータ30は、永久磁石同期モータ等で構成される。ブラシレスDCモータ30は、ステーターとしてU相、V相、W相の3相のコイルを有している。この3相のコイルにインバータ部20からの電流が流れることで、永久磁石で構成されるローターが回転する。ブラシレスDCモータ30のU相、V相、W相のコイルは、それぞれインバータ部20の出力端子T23、T24、T25に接続される。
制御部40は、制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−を生成し、インバータ部20に出力する。また、インバータ部20の入力端子T21とT22間の電圧Vinを監視する。また、ノードA2、B2、C2の電圧を監視し、抵抗素子R21〜R23に流れる電流を計測する。これは、抵抗素子R21〜R23のいずれかに過電流が流れた場合、ブラシレスDCモータ30の故障等が発生したことを察知することができる。また、抵抗素子R21〜R23に流れる電流の位相を測定することで、ブラシレスDCモータ30のローターの位置検出等を行うことができる。
制御部40は、三角波生成回路41を有する。三角波生成回路41は、PWM制御用のキャリアとして三角波を生成する。なお、三角波生成回路41は、制御部40の外部に設けられ、生成した三角波を制御部40に供給してもよい。
制御部40は、通常動作状態では図6(b)のタイミングチャートで説明したのと同様のパルス幅変調された制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−を出力する。インバータ部20のNPNトランジスタQ1〜Q6は、この制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−によりスイッチング制御される。このとき、NPNトランジスタQ1〜Q6に流れる電流がブラシレスDCモータ30の駆動電流として、出力端子T23〜T25に出力される。なお、制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−は、三角波生成回路41の生成する三角波と、指令電圧信号を用いて、パルス幅変調される。ここで、指令電圧信号は、ブラシレスDCモータ30を所望の回転数に制御するための制御信号である。この三角波と指令電圧信号と生成される制御信号U+等のパルス幅の関係は図6(a)、(b)で説明したものと同様であるため、説明は省略する。
制御部40は、インバータ部20の入力端子T21とT22間の電圧Vinが異常電圧検出電圧Ve以上の異常電圧となった場合、制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−により、強制的にNPNトランジスタQ1、Q3、Q5をオフ状態、NPNトランジスタQ2、Q4、Q6をオン状態となるよう制御する。
次に、上述したモータ駆動装置100の動作を図面を参照しながら詳細に説明する。図2(a)、(b)、(c)にモータ駆動装置100の動作タイミングを示す。図2(a)は、インバータ部20の入力端子T21、T22間の電圧である。図2(b)は、制御信号U+のパルス波形である。図2(c)は、制御信号U−のパルス波形である。なお、本例では制御信号U+、U−のみを記載する。
図2(a)に示すように、時刻t0からt1では、制御部40が検出するインバータ部20の入力端子T21とT22間の電圧Vinは、基準電圧Vrefで一定となっている。よって、制御部40がインバータ部20に出力する制御信号U+、U−も通常動作状態のパルス波形となっている。
ここで、時刻t1において、ブラシレスDCモータ30が急減速、またはシステムの不具合などによりモータの駆動制御ができなくなった等の状態となる。この場合、負荷慣性などにより、モータが回生状態(発電状態)となる。モータの逆起電力により、インバータ部20の入力側、つまり入力端子T21とT22間の電圧Vinが上昇する。
時刻t2において、制御部40が検出するインバータ部20の入力端子T21とT22間の電圧Vinが、電圧異常検出電圧Veより大きくなる(以下、異常状態と称す)。このとき、制御部40は、制御信号U+、V+、W+をロウレベル、制御信号U−、V−、W−をハイレベルに固定する。よって、NPNトランジスタQ1、Q3、Q5が強制的にオフ状態、NPNトランジスタQ2、Q4、Q6が強制的にオン状態となる。つまり、インバータ部20ハイサイド側トランジスタが全て遮断され、ローサイド側トランジスタが全て導通状態となる。ローサイド側トランジスタが全て導通状態となると、ブラシレスDCモータ30のU相、V相、W相のモータ駆動線と、抵抗素子R21〜R23とが閉ループを構成する。このため、回生状態によりモータが生成している逆起電力は、抵抗素子R21〜R23で熱エネルギーとして吸収され、入力端子T21とT22間の電圧Vinは徐々に低下する。
時刻t3では、入力端子T21とT22間の電圧Vinが、基準電圧Vrefまで低下し、異常状態が終了する。その後は、制御部40が、再び通常動作状態の制御信号U+、U−、V+、V−、W+、W−をインバータ部20に出力するようにしてもよい。また、制御部40が、システムの不具合などによりモータの駆動制御が不可能であると判断する場合、引き続き制御信号U+、V+、W+をロウレベル、制御信号U−、V−、W−をハイレベルに固定してもよい。
また、制御部40が異常状態を検出した時点で、コンバータ部10のインバータ部20への電力供給を遮断するようにしてもよい。この場合、図3に示すように時刻t3で、電圧Vinは接地電圧まで低下する。
以上のように、本実施の形態のモータ駆動装置100では、モータが回生状態により生成している逆起電力を、元来モータの駆動制御に利用しているシャント抵抗等により熱エネルギーとして吸収する。このことにより、モータ駆動装置100は、特別に逆起電力吸収用抵抗素子を新たに設ける必要がない。よって、特許文献1で必要としていた大型の回生抵抗や、制御用スイッチであるMOS FETを特に必要としない。このため、装置の回路規模の増大化を防ぎ、延いては装置の製造コスト等を削減することができる。
また、異常検出電圧Veのような所定の電圧を検出すると上述した動作を開始するため、必要以上の耐圧性能を有するトランジスタや平滑コンデンサを用いなくてすむ利点も有する。
また、抵抗素子R21〜R23としてシャント抵抗を用いる場合、以下の利点も有する。シャント抵抗は、通常電流測定に用いられるため低抵抗である。このため、モータの回生状態によって生成される逆起電力は、シャント抵抗により徐々に吸収される。これは、U相、V相、W相のモータ駆動線をスイッチ等で直接短絡した発電ブレーキにより、モータを急停止させる場合に比べ、モータにかかる機械的な負荷が低くなる。よって、モータの破損が発生する可能性を減らすことができる。また、抵抗値が低いため抵抗素子の発熱の問題も小さい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものでなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、インバータ部20を構成するNPNトランジスタをMOS FETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)としてもよい。また、ブラシレスDCモータ30を3相モータではなく、2相や、更に多相のモータで構成してもよい。また、パルス幅変調のキャリアに三角波を用いているが、のこぎり波等を用いてもよい。
また、図1のような抵抗素子R21〜R23をインバータ部20のローサイド側トランジスタ(Q2、Q4、Q6)と接地電圧(端子T22)間に接続するのではなく、ハイサイド側トランジスタ(Q1、Q3、Q5)と端子21間に接続するようにしてもよい。この場合、異常状態時にハイサイド側トランジスタがオン状態、ローサイド側トランジスタがオフ状態となるよう、制御部40が制御する。このように、異常状態時にモータと抵抗素子R21〜R23とで閉ループを構成すればよいため、抵抗素子R21〜R23の接続場所は特に制限されない。
実施の形態にかかるモータ駆動装置の構成の一例である。 実施の形態にかかるモータ駆動装置の動作タイミングチャート一例である。 実施の形態にかかるモータ駆動装置の動作タイミングチャート一例である。 従来のモータ駆動装置の構成の一例である。 従来のインバータ部の動作タイミングチャート一例である。 PWM制御を説明するためのタイミングチャート一例である。 従来の逆起電力除去装置の構成である。
符号の説明
100 モータ駆動装置
10 コンバータ部
11 商用AC電源
20 インバータ部
30 DCモータ
40 制御部
41 三角波生成回路
T11〜T25 端子
D13〜D12 整流ダイオード
D21〜D26 クランプダイオード
Q1〜Q6 トランジスタ
R21〜R23 抵抗素子
U+、U−、V+、V−、W+、W− 制御信号

Claims (8)

  1. 第1の電源端子及び第2の電源端子と、モータ巻線に接続される駆動部と、
    前記駆動部を制御する制御部と、
    前記駆動部と、少なくとも前記第1の電源端子もしくは前記第2の電源端子のどちらか一方の間に接続される抵抗素子とを備え、
    前記制御部は、前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、
    前記モータ巻線と前記抵抗素子とでループ回路を構成させる
    モータ駆動装置。
  2. 前記駆動部は、少なくとも第1と第2のインバータを有し、
    前記第1と第2のインバータの出力は前記モータ巻線に接続され、
    前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、
    前記第1と第2のインバータの出力と前記モータ巻線と前記抵抗素子とで
    ループ回路を構成する、請求項1に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記第1のインバータは第1と第2のトランジスタを有し、
    前記第2のインバータは第3と第4のトランジスタを有し、
    前記抵抗素子は、第2と第4のトランジスタと前記第2の電源端子間に接続され、
    前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、
    前記第2と第4のトランジスタがオン、前記第1と第3のトランジスタがオフになることで、前記モータ巻線と
    前記第2と第4のトランジスタと前記抵抗素子とでループ回路を構成する請求項2に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記抵抗素子は、少なくとも第1の抵抗素子と第2の抵抗素子を有し、
    前記第1の抵抗素子は、前記第2のトランジスタと前記第2の電源端子間に接続され、
    前記第2の抵抗素子は、前記第4のトランジスタと前記第2の電源端子間に接続される請求項3に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記第1の抵抗素子及び第2の抵抗素子は、シャント抵抗からなる請求項4に記載のモータ駆動装置。
  6. 第1の電源端子及び第2の電源端子と、モータ巻線に接続される駆動部と、
    前記駆動部と、少なくとも前記第1の電源端子もしくは前記第2の電源端子のどちらか一方の間に接続される抵抗素子とを備えるモータ駆動装置の制御方法であって、
    前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、前記モータ巻線と前記抵抗素子とでループ回路を構成させる
    モータ駆動装置の制御方法。
  7. 前記駆動部は、少なくとも第1と第2のインバータを有し、
    前記第1と第2のインバータの出力は前記モータ巻線に接続され、
    前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、
    前記第1と第2のインバータの出力と前記モータ巻線と前記抵抗素子とで
    ループ回路を構成する、請求項6に記載のモータ駆動装置の制御方法。
  8. 前記第1のインバータは第1と第2のトランジスタを有し、
    前記第2のインバータは第3と第4のトランジスタを有し、
    前記抵抗素子は、第2と第4のトランジスタと前記第2の電源端子間に接続され、
    前記第1の電源端子の電圧が所定の値を超えたら、
    前記第2と第4のトランジスタがオン、前記第1と第3のトランジスタがオフになることで、前記モータ巻線と
    前記第2と第4のトランジスタと前記抵抗素子とでループ回路を構成する請求項7に記載のモータ駆動装置の制御方法。
JP2008153175A 2008-06-11 2008-06-11 モータ駆動装置と制御方法 Pending JP2009303338A (ja)

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