JP5981219B2 - ３相ブラシレスモータの制動装置及び電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、３相ブラシレスモータの端子間を短絡することで制動力を発生させる３相ブラシレスモータの制動装置に関する。

従来、３相ブラシレスモータを動力源とする電気機器において、３相ブラシレスモータの回転を低下若しくは停止させる際には、３相ブラシレスモータの各端子間を短絡することで制動力を発生させる、所謂短絡ブレーキが利用されている（例えば、特許文献１参照）。

この短絡ブレーキでは、例えば、３相ブラシレスモータの各端子と直流電源の負極との間の通電経路に設けられる３つのスイッチング素子（所謂ローサイドスイッチ）をオン状態、３相ブラシレスモータの各端子と直流電源の正極との間の通電経路に設けられる３つのスイッチング素子（所謂ハイサイドスイッチ）をオフ状態とすることで、３相ブラシレスモータに制動力を発生させる。

このため、短絡ブレーキによれば、３相ブラシレスモータへの通電制御に用いられるスイッチング素子のオン・オフ状態を切り換えるだけで、３相ブラシレスモータを制動（減速若しくは停止）することができる。

特開平３−７４１９４号公報

しかし、上記従来の短絡ブレーキでは、３相ブラシレスモータの全相に電流を流し、制動力を発生させるため、制動力が大きくなりすぎ、その制動力により電気機器に加わる力が大きくなって、電気機器に不具合が生じることがあった。

例えば、３相ブラシレスモータにて回転刃を回転させる充電式草刈り機において、従来の短絡ブレーキにて、３相ブラシレスモータの回転を停止させると、制動力が強すぎて、回転刃を取り付けているネジやナットなどが緩んでしまうという問題がある。

また、例えば、３相ブラシレスモータにて丸いノコギリを高速回転させる充電式丸ノコにおいて、従来の短絡ブレーキにて制動をかけると、制動力が強すぎるため、反動が大きく、使用者による使用感を損なうという問題もある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、短絡ブレーキにより３相ブラシレスモータに制動力を発生させる制動装置において、短絡ブレーキにより発生する制動力を抑制して、３相ブラシレスモータを搭載した電気機器で不具合が発生するのを防止することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明の３相ブラシレスモータの制動装置においては、３相ブラシレスモータの回転時に、当該３相ブラシレスモータの停止指令若しくは減速指令が入力されると、制動制御手段が、スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御することで、３相ブラシレスモータに制動力を発生させる。

そして、特に本発明では、制動制御手段は、３相ブラシレスモータの各端子と直流電源の正極側若しくは負極側とを接続する３つの通電経路（正極側通電経路又は負極側通電経路）を同時に導通させる３相短絡制御を行うのではなく、その３つの通電経路の内、２つの通電経路だけを導通状態とする２相短絡制御を行う。

従って、本発明の制動装置によれば、３相短絡制御を行う従来装置に比べ、制動時に３相ブラシレスモータに発生する制動力を低減して、過大な制動力により電気機器に不具合が生じるのを防止することができる。

ところで、本発明の２相短絡制御実行時には、３相ブラシレスモータの２つの相には、３相ブラシレスモータの回転に応じて変化する電流が流れるものの、短絡制御に用いない残りの相には、電流が流れない期間が発生する。

そして、この期間内では、２つの相の電流変化が、電流：０の点（ゼロクロス点）で交差する。つまり、２相短絡制御による制動中には、３相ブラシレスモータの全ての相に流れる電流がゼロになるタイミングが発生する。

このため、２相短絡制御による３相ブラシレスモータの制動を解除するタイミング（つまり、２相短絡制御の終了タイミング）としては、３相ブラシレスモータの各相に流れる電流が零となるタイミングを設定するようにするとよい。

つまり、３相短絡制御では、制動中、３相ブラシレスモータの何れかの相に必ず電流が流れているので、３相短絡制御の終了のために、それまで導通状態にあった３つの通電経路を遮断状態に切り換えると、そのタイミングで電流が流れていた巻線の両端に高電圧が発生する。

この高電圧は、対応する端子に接続されたスイッチング素子に並列接続されるダイオード（ＦＥＴの寄生ダイオード等）を介して、直流電源側に回生エネルギとして回生されるが、この回生エネルギ（換言すれば発生電圧）が大きいと、スイッチング素子が損傷する。

特に、３相ブラシレスモータにおいて、重負荷時のモータ特性を高効率化するために、通電経路のインピーダンスやスイッチング素子のオン抵抗を低下させると、短絡ブレーキを行ったときのブレーキ電流が大きくなり、短絡ブレーキ終了時に発生する回生エネルギも大きくなる。

このため、３相ブラシレスモータを従来の３相短絡制御による短絡ブレーキにて制動させる場合、スイッチング素子には、短絡ブレーキ終了時に発生する回生エネルギ（高電圧）にて損傷することのないよう、耐圧の大きなものを使用する必要がある。

これに対し、２相短絡制御では、３相ブラシレスモータの全ての相の電流が零となるタイミングが存在することから、そのタイミングで２相短絡制御を終了するようにすれば、その終了タイミングで発生する回生エネルギを零にすることができる。

よって、このようにすれば、スイッチング素子の耐圧を小さくすることができ、延いては、制動装置のコストを低減することができる。
なお、３相ブラシレスモータの各相に流れる電流が零となるタイミングは、３相ブラシレスモータの回転状態（より詳しくは回転速度や回転位置）に応じて変化することから、２相短絡制御の終了タイミングは、３相ブラシレスモータの回転状態に基づき設定できる。

また、３相ブラシレスモータの回転状態は、３相ブラシレスモータに通常設けられる回転位置検出用の回転センサ（ホール素子やエンコーダ等）を用いて検出することができる。

また、３相ブラシレスモータの回転状態は、制動時に各相に発生する誘起電圧や、各相に流れる電流を検出することによっても、検出できる。
一方、本発明の２相短絡制御は、３相ブラシレスモータの２つの端子を短絡することで、３相ブラシレスモータの回転により発生する起電力にて各相巻線に電流を流し、制動力を発生させるものである。

このため、３相ブラシレスモータの制動時には、２つ通電経路を連続的に導通させるようにしてもよい。しかし、このようにすると、スイッチング素子に並列接続されるダイオード（ＦＥＴの寄生ダイオード等）を介して、通電経路を導通させていない他の相にも電流が流れ、制動力が発生する。

このため、２相短絡制御を実施するに当たって、正極側又は負極側の２つの通電経路を連続的に導通状態にするようにした場合には、３相短絡制御に比べて制動力を低減できるものの、その制動力を充分低減できないことが考えられる。

このため、本発明の制動装置には、３相ブラシレスモータの回転位置を検出する回転位置検出手段が設けられ、制動制御手段が、２相短絡間欠制御を実行可能に構成されている。

この２相短絡間欠制御では、回転位置検出手段にて検出される３相ブラシレスモータの回転位置に応じて、２相短絡制御を間欠的に行い、２相短絡制御の非実行時には、正極側通電経路及び負極側通電経路の全てを非導通状態にする。

そして、このようにすれば、２相短絡制御を間欠的に実行することで、導通させる２つの通電経路に対応しない相に電流が流れるのを防止したり、導通させた２つの通電経路に流れる電流を抑制したりすることができる。

つまり、２相短絡間欠制御によれば、２相短絡間欠制御により２相短絡制御を停止させる期間を調整することで、３相ブラシレスモータの制動時に発生する制動力を任意に設定することが可能となる。

次に、２相短絡間欠制御は、２相短絡制御で用いる２つの通電経路を、間欠的に導通させることで、３相ブラシレスモータに発生する制動力を低減することができるが、この２相短絡間欠制御で間欠的に導通させる通電経路を、順次切り換えるようにしてもよい。

つまり、制動制御手段は、２相短絡制御にて導通状態にする２つの通電経路を、回転位置検出手段にて検出される３相ブラシレスモータの回転位置に応じて切り換える、２相短絡切換制御を実行するように構成してもよい。

そして、このようにすれば、２相短絡制御にて導通状態に制御する２つの通電経路の組み合わせを切り換えることで、３相ブラシレスモータに発生する制動力を、２相短絡間欠制御よりも大きく、且つ、２相短絡制御を連続的に実施する場合よりも小さい制動力に設定することが可能となる。

次に、２相短絡間欠制御を実施する際には、２相短絡制御で導通状態にする２つの通電経路を、正極側通電経路及び負極側通電経路の一方を構成する３つの通電経路の中から選択し、且つ、その選択する通電経路の組み合わせを、ブラシレスモータの回転位置に応じて切り換えるようにしてもよい。

これに対し、２相短絡制御で導通状態にする２つの通電経路を、３相ブラシレスモータの回転位置に応じて、正極側通電経路を構成する３つの通電経路、及び、前記負極側通電経路を構成する３つの通電経路、の中から交互に選択するようにしてもよい。

そして、２相短絡制御１回当たりの実行期間が同じであるとすれば、上記２種類の２相短絡間欠制御の内、後者の２相短絡制御の全実行期間を、前者の２相短絡制御の全実行期間の２倍にすることができる。

従って、この場合、後者の２相短絡制御によれば、前者の２相短絡制御に比べて、３相ブラシレスモータに発生する制動力を大きくすることができる。
また、本発明の制動装置においては、２相短絡制御が間欠的に実行されることから、その２相短絡制御１回当たりの実行期間を、３相ブラシレスモータの回転状態に応じて変更するようにすれば、３相ブラシレスモータに発生する制動力を最適に制御することができる。

つまり、例えば、３相ブラシレスモータの回転速度が高い場合には、制動力を抑えて、制動時に発生する減速ショックを低減し、３相ブラシレスモータの回転速度が低い場合には、制動力を高めて、減速ショックを発生させることなく、３相ブラシレスモータを速やかに停止させる、といったことができる。

また、このように、３相ブラシレスモータの回転状態に応じて、制動力を制御する際には、制動制御手段を、従来の３相短絡制御と、本発明の２相短絡制御とを組み合わせて実行するようにしてもよい。

またこの場合、２相短絡制御についても、２相短絡間欠制御、２相短絡切換制御、といった制御方式を切り換えて実行するようにしてもよい。
そして、このようにすれば、３相ブラシレスモータを、そのときの回転状態に応じて、最適な制動力で制動することができるようになる。

実施形態のモータ駆動装置全体の構成を表すブロック図である。 全相短絡ブレーキでのホール信号、駆動信号、相電流の変化を表す説明図である。 ２相短絡ブレーキ・Ｈ／Ｌ短絡相切換制御でのホール信号、駆動信号、相電流の変化を表す説明図である。 ２相短絡ブレーキ・Ｌ側短絡相切換制御でのホール信号、駆動信号、相電流の変化を表す説明図である。 ２相短絡ブレーキ・Ｌ側ＵＶ相短絡制御でのホール信号、駆動信号、相電流の変化を表す説明図である。 図３〜図５に示す２相短絡ブレーキで用いられる制御マップを表す説明図である。 制御回路でブレーキ制御部としての機能を実現するために実行される制御処理を表すフローチャートである。 ２相短絡ブレーキ・Ｌ側短絡相切換制御の変形例を表す説明図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態は、上述した充電式草刈り機や充電式丸ノコ等の電気機器において、動力源となる３相ブラシレスモータ（以下、単にモータという）２を駆動するのに用いられるモータ駆動装置１０に、本発明を適用したものである。

図１に示すように、本実施形態のモータ駆動装置１０には、直流電源であるバッテリ４の正極側に接続される電源ラインと、バッテリ４の負極側に接続されるグランドラインとが備えられている。

そして、その正極側の電源ラインと負極側のグランドラインとの間には、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに流れる電流を制御するためのスイッチング回路１２が設けられている。
このスイッチング回路１２は、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの端子と電源ラインとの間の正極側通電経路に設けられた３つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３（詳しくは、Ｕ相ハイサイドスイッチＱ１，Ｖ相ハイサイドスイッチＱ２，Ｗ相ハイサイドスイッチＱ３）と、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの端子とグランドラインとの間の負極側通電経路に設けられた３つのスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６（詳しくは、Ｕ相ローサイドスイッチＱ４，Ｖ相ローサイドスイッチＱ５，Ｗ相ローサイドスイッチＱ６）とから構成されている。

また、スイッチング回路１２とグランドラインとの間（つまり、負極側のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６とグランドラインとの間）の負極側通電経路には、通電遮断用のスイッチング素子（通電遮断スイッチ）Ｑ７及び抵抗Ｒ１が設けられている。

そして、この抵抗Ｒ１の両端には、抵抗Ｒ１の両端電圧からモータ２に流れた電流を検出する電流検出回路１４が接続されており、通電遮断スイッチＱ７の近傍には、通電遮断スイッチＱ７の温度に応じて特性が変化する温度センサ１７が設けられている。

また、温度センサ１７には、温度センサ１７を介して通電遮断スイッチＱ７の温度を検出する温度検出回路１８が接続されており、この温度検出回路１８からの検出信号は、電流検出回路１４からの検出信号と共に、制御回路３０に入力される。

なお、上記各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ７は、本実施形態では、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴにて構成されている。
また、バッテリ４の正極側からスイッチング回路１２に至る電源ライン（正極側通電経路）とグランドラインとの間には、平滑用のコンデンサＣ１が設けられると共に、そのライン間の電圧（つまりバッテリ電圧）を検出する電圧検出回路１６が設けられている。

また、モータ駆動装置１０には、モータ２の回転位置を検出する回転位置検出回路２０、及び、この回転位置検出回路２０により検出される回転位置に基づいてモータ２の回転速度を演算する回転速度演算回路２２、も設けられている。

そして、電圧検出回路１６、回転位置検出回路２０、及び、回転速度演算回路２２からの検出信号も、制御回路３０に入力される。
なお、回転位置検出回路２０は、モータ２に設けられた回転位置検出用の３つのホールセンサ６，７，８からの検出信号（ホール信号）に基づき、モータ２の回転位置（換言すれば回転角度）を検出するものである。

すなわち、ホールセンサ６，７，８は、それぞれ、モータ２のロータの周囲に１２０度の間隔で配置されており、ロータが１８０度回転する度に増減方向が反転する、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のホール信号を出力する。

そして、回転位置検出回路２０は、各ホールセンサ６，７，８からの各相Ｕ，Ｖ，Ｗのホール信号を波形整形することで、ロータの１８０度毎に正負が反転するパルス状のホール信号（図２〜図４参照）を生成し、各ホール信号のエッジから６０度間隔でモータ２（詳しくはロータ）の回転位置を検出する。また、回転速度演算回路２２は、各ホール信号のエッジ間隔から、モータ２の回転速度を算出する。

次に、制御回路３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを中心に構成されるマイクロコンピュータ（マイコン）にて構成されており、使用者により操作される操作部２４の状態に従い、モータ２の駆動制御及び制動制御を実行する。

つまり、制御回路３０は、操作部２４が使用者により操作されると、駆動指令が入力されたと判断して、操作部２４の操作量に応じてモータ２を駆動し、使用者による操作部２４の操作が終了すると、減速指令若しくは停止指令が入力されたと判断して、モータ２にブレーキをかける。

そして、こうしたモータ２の駆動制御及び制動制御を実行するために、制御回路３０は、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムを実行し、図１に示すＰＷＭ生成部３２、進角・通電角生成部３４、過電流判定部３６、ブレーキ制御部３８、及び駆動信号生成部４０としての機能を実現する。

ここで、進角・通電角生成部３４は、電流検出回路１４により検出されるモータ２への通電電流や回転位置検出回路２０により検出されるモータ２の回転位置に基づき、予めＲＯＭ内に記憶された進角・通電角マップを参照して、モータ２の駆動時の進角・通電角を表す通電指令を生成し、駆動信号生成部４０へ出力する。

また、ＰＷＭ生成部３２は、モータ２への通電をＰＷＭ制御するための駆動デューティ比を演算し、その駆動デューティ比を表すＰＷＭ指令を生成して駆動信号生成部４０へ出力する。

そして、駆動信号生成部４０は、操作部２４が操作されて、モータ２の駆動制御を行う際に、通電遮断スイッチＱ７をオンさせ、更に、進角・通電角生成部３４からの通電指令に従って、スイッチング回路１２を構成する正極側のスイッチング素子（ハイサイドスイッチ）Ｑ１〜Ｑ３のいずれか１つ及び負極側のスイッチング素子（ローサイドスイッチ）Ｑ４〜Ｑ６のいずれか１つをオンさせる駆動信号を生成し、スイッチング回路１２へ出力する。

また、駆動信号生成部４０は、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの何れか一方に対する駆動信号を、ＰＷＭ生成部３２からのＰＷＭ指令に対応した駆動デューティ比のＰＷＭ信号とすることで、そのスイッチをデューティ駆動する。

この結果、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに、駆動デューティ比に対応した電流が流れ、モータ２は、操作部２４の操作量に対応した回転速度で回転することになる。
また、過電流判定部３６は、電流検出回路１４にて検出されたモータ２の駆動電流が過電流判定用の閾値を超えると、駆動信号生成部４０からの駆動信号の出力（換言すればモータ２の駆動）を停止させる。

また、制御回路３０は、電圧検出回路１６及び温度検出回路１８からの検出信号に基づき、バッテリ電圧及び温度を監視し、バッテリ電圧の低下時や、温度上昇時には、モータ２の駆動制御を停止する。

次に、ブレーキ制御部３８は、本発明の制動装置としての機能を実現する制御ブロックであり、モータ２の駆動制御実行時に、使用者による操作部２４の操作が終了すると、減速指令若しくは停止指令が入力されたものとして、モータ２に制動力を発生させる。

具体的には、ブレーキ制御部３８は、駆動信号生成部４０を介して、通電遮断スイッチＱ７をオフ状態にし、更に、スイッチング回路１２内のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の一部を選択的にオン状態にすることでモータ２の端子間を接続し、モータ２に制動力を発生させる。

このように、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの端子間を接続して制動力を発生させる短絡ブレーキとしては、図２に示すように、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの正極側（Ｈ側）のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をオフ状態に制御し、負極側（Ｌ側）のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６をオン状態とする全相短絡ブレーキが知られている。

しかし、この全相短絡ブレーキでは、モータ２の回転に応じて、モータ２の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに電流（所謂ブレーキ電流）が流れ、そのブレーキ電流に応じた制動力が発生するため、モータ２の回転状態（回転速度等）によっては、制動力が大きくなりすぎ、電気機器に不具合が生じることがある。

そこで、本実施形態では、ブレーキ制御部３８は、図２に示した全相短絡ブレーキ以外に、図３〜図５に示す２相短絡ブレーキの何れかを実行することで、モータ２を所望の制動力で制動できるようにされている。

すなわち、本実施形態のモータ駆動装置１０には、使用者がスイッチ操作によって、モータ２の制動時の制動力を、全相短絡ブレーキによる最大の制動力から図３〜図５に示す２相短絡ブレーキによる制動力へと、４段階に切り換えるための制動力切換スイッチ２６が設けられている。

そして、ブレーキ制御部３８は、その制動力切換スイッチ２６を介して設定された短絡ブレーキにてモータ２に制動力を発生させることで、モータ２を制動させる。
ここで、図３に示す２相短絡ブレーキは、
１）スイッチング回路１２内のスイッチング素子をオンすることで導通させる通電経路を、モータ２の６０度回転毎に、正極側（Ｈ側）側通電経路と負極側（Ｌ側）通電経路との間で交互に切り換え、
２）同時に導通させる通電経路として、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相の中から２相を選択し、
３）その選択する２相の組み合わせを、ＵＶ、ＶＷ、ＷＵと順次切り換え、
４）更に、その切換タイミング（オフタイミング）を、ホール信号のエッジ（０度、６０度、１２０度…）から、モータ２の２０度回転分遅れたタイミングに設定する、
といった手順でモータ２に制動力を発生させる、Ｈ／Ｌ短絡相切換制御である。

そして、このＨ／Ｌ短絡相切換制御では、図３に示すように、モータ２の６０度回転毎に、通電経路を介して短絡される２相が切り換えられるものの、モータ２の全回転領域で何れかの相の端子間が短絡されて、２相にブレーキ電流が流れることになる。

なお、モータ２の６０度回転毎の２相短絡制御の切換タイミングを、ホール信号のエッジ（０度、６０度、１２０度…）からモータ２の２０度回転分遅れたタイミングに設定するのは、そのタイミングで、モータ２の各相に流れる電流を充分小さくできるからである。

つまり、モータ２の各相に流れる電流が零となるタイミングは、速度（誘起電圧）、ブレーキ電流値、モータ２の巻線インダクタンス、などの条件で変化する。
従って、上記切換タイミングを、モータ２の各相に流れる電流が零になるタイミングに設定するには、これらの条件に応じて切換タイミングを設定すればよい。

しかし、上記各条件は変動するので、モータ２の各相に流れる電流が必ず零になるように、上記切換タイミングを設定するのは難しい。
そこで、本実施形態では、ある条件下で、モータ２の各相に流れる電流が零となるタイミングを求め、これを切換タイミングとして設定することで、モータ２の各相に流れる電流が零若しくは充分小さいときに、２相短絡制御の切り換えを行うようにしている。

そして、この切換タイミングの設定により、導通状態から遮断状態に切り換えられる通電経路に高電圧が発生するのを防止し、その通電経路に接続されたスイッチング素子を高電圧から保護することができる。

次に、図４に示す２相短絡ブレーキは、
１）スイッチング回路１２内のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の内、正極側（Ｈ側）側通電経路に設けられたスイッチング素子（ハイサイドスイッチ）Ｑ１〜Ｑ３をオフ状態にすることで、正極側（Ｈ側）側通電経路を遮断し、
２）負極側（Ｌ側）通電経路に設けられたスイッチング素子（ローサイドスイッチ）Ｑ４〜Ｑ６の内の２つを、モータ２の１２０度回転毎に、６０度だけオン状態にすることで、負極側（Ｌ側）通電経路の２つを導通状態にし、
３）そのオン状態にする２つのスイッチング素子の組み合わせを、ＵＶ、ＶＷ、ＷＵと順次切り換え、
４）更に、その切り換えによりオン状態からオフ状態に切り換えられるスイッチング素子のオフタイミングを、ホール信号のエッジ（０度、１２０度、２４０度…）から、モータ２の２０度回転分遅れたタイミングに設定する、
といった手順でモータ２に制動力を発生させる、Ｌ側短絡相切換制御である。

そして、このＬ側短絡相切換制御では、図４に示すように、モータ２の１２０度回転毎に、負極側（Ｌ側）通電経路を介して短絡される２相が切り換えられ、その２相の短絡期間は、モータ２が６０度回転する期間であるので、モータ２の全回転領域の１／２の領域で２相にブレーキ電流が流れる。

従って、このＬ側短絡相切換制御による２相短絡ブレーキでは、図３に示したＨ／Ｌ短絡相切換制御による２相短絡ブレーキよりも、モータ２に発生する制動力を抑制できる。
なお、モータ２の１２０度回転毎の２相短絡制御の終了タイミングを、ホール信号のエッジ（０度、１２０度、２４０度…）からモータ２の２０度回転分遅れたタイミングに設定するのは、そのタイミングで、モータ２の各相に流れる電流を充分小さくできるからである。

つまり、本実施形態では、Ｌ側短絡相切換制御での２相短絡ブレーキの切り換えタイミングについても、上述したＨ／Ｌ短絡相切換制御の場合と同様、ある条件下で、モータ２の各相に流れる電流が零となるタイミングを求め、これを切換タイミングとして設定している。

従って、このＬ側短絡相切換制御でも、図３に示したＨ／Ｌ短絡相切換制御と同様、２相短絡制御の終了タイミングの設定により、導通状態から遮断状態に切り換えられる通電経路に高電圧が発生するのを防止し、その通電経路に接続されたスイッチング素子を高電圧から保護することができる。

また次に、図５に示す２相短絡ブレーキは、
１）スイッチング回路１２内のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の内、正極側（Ｈ側）側通電経路に設けられたスイッチング素子（ハイサイドスイッチ）Ｑ１〜Ｑ３と、負極側（Ｌ側）通電経路に設けられたスイッチング素子（ローサイドスイッチ）Ｑ４〜Ｑ６の内のＷ相ローサイドスイッチＱ６とを、オフ状態にすることで、これら各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３，Ｑ６が設けられた通電経路を遮断し、
２）負極側（Ｌ側）通電経路に設けられたスイッチング素子（ローサイドスイッチ）Ｑ４〜Ｑ６の内の残りの２つ（Ｕ相ローサイドスイッチＱ４，Ｖ相ローサイドスイッチＱ５）を、モータ２の１回転当たりに１００度回転する間だけオン状態にすることで、これら各スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５が設けられた通電経路を一定期間だけ導通状態にし、
３）更に、そのスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５をオン状態からオフ状態に切り換えるオフタイミングを、ホール信号の１２０度のエッジから、モータ２の４０度回転分遅れたタイミングに設定する、
といった手順でモータ２に制動力を発生させる、Ｌ側ＵＶ相短絡制御である。

そして、このＬ側ＵＶ相短絡制御では、図５に示すように、モータ２の１回転当たりに、Ｗ相のホール信号の立下がりタイミング（モータ２の回転位置：６０度）からモータ２が１００度回転するまでの間だけ、Ｕ相ローサイドスイッチＱ４，Ｖ相ローサイドスイッチＱ５がオン状態になって、これら２つのスイッチング素子が設けられた負極側（Ｌ側）通電経路にブレーキ電流が流れる。

また、その間、Ｗ相ローサイドスイッチＱ６は、オフ状態に保持されるが、Ｗ相ローサイドスイッチＱ６を構成するＦＥＴのドレイン−ソース間には、ソースからドレインに向けて順方向となる寄生ダイオードが存在するので、ブレーキ電流の通電期間の前半部分では、そのダイオードを介して、Ｗ相の負極側通電経路にもブレーキ電流が流れる。

従って、このＬ側ＵＶ相短絡制御では、各相Ｕ，Ｖ，Ｗの負極側通電経路に流れるブレーキ電流に対応した制動力がモータ２に発生し、その制動力は、Ｗ相に流れるブレーキ電流の量により、図３、図４に示した２相短絡ブレーキとは異なる値に設定できる。

つまり、Ｌ側ＵＶ相短絡制御では、Ｗ相の負極側通電経路にブレーキ電流が流れる時間を短くすれば、制動力を小さくすることができ、Ｗ相の負極側通電経路にブレーキ電流が流れる時間を長くすれば、制動力を大きくすることができる。

従って、Ｌ側ＵＶ相短絡制御では、モータ２に発生する制動力を、図３、図４に示した２相短絡ブレーキによる制動力に比べ、小さくすることもできるし、大きくすることもできる。

なお、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５のオフタイミングを、ホール信号の１２０度のエッジから、モータ２の４０度回転分遅れたタイミングに設定するのは、そのタイミングで、モータ２の各相に流れる電流を充分小さくできるからである。

つまり、本実施形態では、Ｌ側ＵＶ相短絡制御でのスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５のオフタイミングについても、上述したＨ／Ｌ短絡相切換制御やＬ側短絡相切換制御での切換タイミングと同様、ある条件下で、モータ２の各相に流れる電流が零となるタイミングを求め、これをオフタイミングとして設定するようにしている。

従って、このＬ側ＵＶ相短絡制御でも、図３に示したＨ／Ｌ短絡相切換制御、及び、図４に示したＬ側短絡相切換制御と同様、２相短絡制御の終了タイミングの設定により、導通状態から遮断状態に切り換えられる通電経路に高電圧が発生するのを防止し、その通電経路に接続されたスイッチング素子を高電圧から保護することができる。

次に、上記３種類の２相短絡ブレーキを実現するために、制御回路３０のメモリ（ＲＯＭ若しくは不揮発性のＲＡＭ）内には、上記２相短絡ブレーキ毎に、図６に示す制御マップが記憶されている。

そして、制御回路３０（詳しくはＣＰＵ）が、２相短絡ブレーキによる制動制御を実行する際には、２相短絡ブレーキの種類に応じて、制御マップを選択し、その選択した制御マップに従い、スイッチング回路１２内のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフ状態を切り換える。

なお、上記各２相短絡ブレーキの制御マップは、図６に示すように、ホール信号のエッジに対応したモータ２の基準回転位置（０度、６０度、１２０度、…）毎に、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフ状態と、そのオン／オフ状態の切り換えタイミングを表す基準回転位置からの遅延角度とを記述することにより構成されている。

そして、制御回路３０は、ホール信号のエッジタイミングに同期して、モータ２の６０度回転毎に、図７に示すホール信号割り込み処理を実行し、更に、必要に応じて図７に示すタイマ割り込み処理を実行することで、ブレーキ制御部３８としての機能を実現する。

図７に示すように、ホール信号割り込み処理では、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、前回のホール信号割り込みからの経過時間を取得する。
また、続くＳ１２０では、各相Ｕ，Ｖ，Ｗのホール信号の信号レベルから、モータ２の回転位置（角度：０度、６０度、１２０度、…）を検出する。

そして、Ｓ１３０では、現在選択されている２相短絡ブレーキの種類に対応する制御マップから、Ｓ１２０で検出したモータ２の回転位置に対応した駆動信号パターン（スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン・オフ状態）を取得し、Ｓ１４０にて、その取得した駆動信号パターンを設定予約バッファにセットする。

次に、Ｓ１５０では、Ｓ１３０と同様の制御マップから、Ｓ１２０で検出したモータ２の回転位置に対応した遅延角度を取得し、続くＳ１６０にて、その遅延角度は、０度であるか否かを判断する。

そして、遅延角度が０度であれば、駆動信号の出力を遅延させる必要がないので、Ｓ１７０に移行し、Ｓ１４０にて設定予約バッファにセットした各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動信号を、対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに出力し、当該ホール信号割り込み処理を一旦終了する。

一方、Ｓ１６０にて、遅延角度は０度ではないと判断されると、Ｓ１８０に移行し、Ｓ１１０にて取得した前回のホール信号割り込みからの経過時間と、Ｓ１５０にて取得した遅延角度とに基づき、次の駆動信号切り換えタイミングまでの遅延時間をタイマ値として算出する。

つまり、Ｓ１８０では、前回のホール信号割り込みから今回のホール信号割り込みまでのモータ２の回転角度は６０度であるので、次の駆動信号切り換えタイミングまでの遅延時間を、「遅延時間＝経過時間・（遅延角度／６０度）」として算出し、その遅延時間を計時用のタイマ値（カウント値）に換算する。

そして、続くＳ１９０では、そのタイマ値をタイマレジスタに設定して、タイマによる計時をスタートさせ、当該ホール信号割り込み処理を一旦終了する。
次に、Ｓ２００にてタイマによる計時をスタートさせると、その後、遅延時間が経過した時点で、タイマ割り込みが発生する。

このため、制御回路３０では、このタイマ割り込みにより、Ｓ２１０の処理を実行し、Ｓ１４０にて設定予約バッファにセットした各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動信号を、対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに出力させる。

この結果、２相短絡ブレーキとして、Ｈ／Ｌ短絡相切換制御、Ｌ側短絡相切換制御、及び、Ｌ側ＵＶ相短絡制御の何れの制御が選択されていても、その制御に対応した制御パターンで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン・オフ状態が切り換えられ、モータ２には、その制御に対応した制動力が発生することになる。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１０によれば、モータ２の制動時に実行する制動制御として、全相短絡ブレーキと、３種類の２相短絡ブレーキ（Ｈ／Ｌ短絡相切換制御、Ｌ側短絡相切換制御、Ｌ側ＵＶ相短絡制御）との何れかを設定することができる。

このため、本実施形態のモータ駆動装置１０によれば、従来の３相短絡制御である全相短絡ブレーキでは、モータ２の制動時の制動力が大きすぎる場合、使用者は、制動力が所望の制動力となるよう、３種類の２相短絡ブレーキの何れかを選択することができ、過大な制動力により電気機器に不具合が生じるのを防止することができる。

また、本実施形態では、Ｈ／Ｌ短絡相切換制御、Ｌ側短絡相切換制御、及びＬ側ＵＶ相短絡制御の何れの２相短絡ブレーキでも、短絡相の切り換えのために２相短絡制御を一旦終了する際には、モータ２の各相に流れる電流が零若しくは充分小さい電流値となるよう、２相短絡制御の終了タイミングが設定される。

このため、その終了タイミングで導通状態から遮断状態に切り換えられる通電経路に高電圧が発生するのを防止し、その通電経路に接続されたスイッチング素子を高電圧（換言すれば回生エネルギ）から保護することができる。

なお、本実施形態においては、制御回路３０（詳しくは、ブレーキ制御部３８）が、本発明の制動制御手段に相当する。
また、制御回路３０による制動制御（図７のホール信号割り込み処理及びタイマ割り込み処理）にて実現される２相短絡ブレーキの内、Ｈ／Ｌ短絡相切換制御、及び、Ｌ側短絡相切換制御は、本発明の２相短絡切換制御に対応し、Ｌ側ＵＶ相短絡制御は、本発明の２相短絡間欠制御に対応する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、モータ２の制動制御として、全相短絡ブレーキと、３種類の２相短絡ブレーキ（Ｈ／Ｌ短絡相切換制御、Ｌ側短絡相切換制御、Ｌ側ＵＶ相短絡制御）との何れかを、使用者が制動力切換スイッチ２６を操作することにより選択するものとした。

しかし、この選択は、制御回路３０が、モータ２の制動時の回転速度等に基づき、自動で行うようにしてもよい。
そして、このようにすれば、モータ２の高速回転時には、制動力が低い２相短絡ブレーキ（Ｌ側ＵＶ相短絡制御）を選択して、電子機器に加わる衝撃を和らげ、モータ２の低速回転時には、制動力が高い全相短絡ブレーキを選択して、モータ２を速やかに停止させる、といったことが自動できるようになる。

また、Ｈ／Ｌ短絡相切換制御、Ｌ側短絡相切換制御、Ｌ側ＵＶ相短絡制御等の２相短絡ブレーキは、必ずしも、上記実施形態のように複数種類用意する必要はなく、所望の制動力が得られる１種類の２相短絡ブレーキだけで、モータ２の減速制御を実施するようにしてもよい。

また次に、上記実施形態では、２相短絡ブレーキを実行する際、正極側通電経路に設けられるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３若しくは負極側通電経路に設けられるスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６の中から、２つのスイッチング素子を選択して、同時にオン状態にするものとして説明した。

しかし、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を構成するＦＥＴには、寄生ダイオードが存在し、電流方向によっては、スイッチング素子をオン状態にしなくても、そのダイオードを介してブレーキ電流を流すことができる。

例えば、図８は、２相短絡ブレーキの内、図４に示したＬ側短絡相切換制御と同様にブレーキ電流を流す制御（つまりＬ側短絡相切換制御）を表している。
図８に示す制御では、図４と同様の制御タイミングで、制御対象となる２相の内の一方のスイッチング素子だけをオン状態し、他方のスイッチング素子が設けられた通電経路には、スイッチング素子に付与されたダイオードを介してブレーキ電流を流す。

このように、２相短絡制御では、モータ２の端子間を導通させる２つの通電経路の内、一方の通電経路に設けられたスイッチング素子だけをオン状態にすることによって、ブレーキ電流を流し、モータ２に制動力を発生させることができる場合があるので、本発明を実施する場合には、このような制御方法を選択してもよい。

また、上記実施形態では、２相短絡ブレーキのＬ側ＵＶ相短絡制御において、スイッチング素子のオン期間を、モータ２の１００度回転期間に設定することで、導通させたＵＶ相の負極側通電経路に加え、Ｗ相の負極側通電経路にもブレーキ電流を流すようにしている。

これは、Ｗ相にもブレーキ電流を流すことで、モータ２の制動時に発生する制動力を増加させているのであるが、制御対象ではない他の相（Ｗ相）の通電経路にはブレーキ電流が流れないように、スイッチング素子のオン期間を設定してもよい。

また次に、上記実施形態では、２相短絡制御の切換タイミングは、モータ２の回転位置を検出するホールセンサ６〜８からの検出信号（ホール信号）に基づき設定するが、この切換タイミングは、エンコーダ等、回転位置検出用の他の回転センサからの検出信号を用いて設定するようにしてもよい。また、切換タイミングは、制動時に各相に発生する誘起電圧や、各相に流れる電流の変化に基づき、設定するようにしてもよい。

２…モータ（３相ブラシレスモータ）、４…バッテリ、６〜８…ホールセンサ、１０…モータ駆動装置、１２…スイッチング回路、Ｑ１〜Ｑ３…スイッチング素子、Ｑ７…通電遮断スイッチ、１４…電流検出回路、１６…電圧検出回路、１７…温度センサ、１８…温度検出回路、２０…回転位置検出回路、２２…回転速度演算回路、２４…操作部、２６…制動力切換スイッチ、３０…制御回路（マイクロコンピュータ）、３２…ＰＷＭ生成部、３４…進角・通電角生成部、３６…過電流判定部、３８…ブレーキ制御部、４０…駆動信号生成部。

Claims (9)

1. ３相ブラシレスモータの３つの端子と直流電源の正極側及び負極側とをそれぞれ接続する正極側通電経路及び負極側通電経路に設けられて、各通電経路を導通・遮断する６つのスイッチング素子からなるスイッチング回路と、
   前記３相ブラシレスモータの回転時に、当該３相ブラシレスモータの停止指令若しくは減速指令が入力されると、前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御することで、前記３相ブラシレスモータに制動力を発生させる制動制御手段と、
   前記３相ブラシレスモータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   を備え、
   前記制動制御手段は、
   前記３相ブラシレスモータに制動力を発生させる制動制御として、前記正極側通電経路及び前記負極側通電経路の一方を構成する３つの通電経路の内、２つの通電経路が導通状態となり、他の通電経路が非導通状態となるよう、前記スイッチング回路内の各スイッチング素子のオン・オフ状態を設定する２相短絡制御、を実行可能であり、
   しかも、前記２相短絡制御として、
   前記回転位置検出手段にて検出される前記３相ブラシレスモータの回転位置に応じて、前記２相短絡制御を間欠的に行い、前記２相短絡制御の非実行時には、前記正極側通電経路及び前記負極側通電経路の全てを非導通状態にする２相短絡間欠制御と、
   前記２相短絡制御にて導通状態にする２つの通電経路を、前記回転位置検出手段にて検出される前記３相ブラシレスモータの回転位置に応じて切り換える２相短絡切換制御と、 の何れか一方を選択可能であることを特徴とする３相ブラシレスモータの制動装置。
2. 前記制動制御手段は、前記２相短絡制御を実行する際、前記２相短絡間欠制御と前記２相短絡切換制御との何れを実行するかを、前記３相ブラシレスモータの回転速度に応じて選択するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
3. 前記制動制御手段は、前記２相短絡制御の終了タイミングとして、前記３相ブラシレスモータの回転状態に基づき、前記３相ブラシレスモータの各相に流れる電流が零となるタイミングを検知し、該検知した終了タイミングにて前記２相短絡制御を終了することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
4. 前記制動制御手段は、
   前記２相短絡制御で導通状態にする２つの通電経路を、前記正極側通電経路及び前記負極側通電経路の一方を構成する３つの通電経路の中から選択し、且つ、該選択する通電経路の組み合わせを、前記ブラシレスモータの回転位置に応じて切り換えることで、前記２相短絡切換制御を実行することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
5. 前記制動制御手段は、
   前記２相短絡制御で導通状態にする２つの通電経路を、前記ブラシレスモータの回転位置に応じて、前記正極側通電経路を構成する３つの通電経路、及び、前記負極側通電経路を構成する３つの通電経路、の中から交互に選択することで、前記２相短絡切換制御を実行することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
6. 前記制動制御手段は、
   前記３相ブラシレスモータの回転状態に応じて、前記２相短絡制御の実行期間を変更することで、前記３相ブラシレスモータに発生する制動力を変化させることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
7. 前記制動制御手段は、前記制動制御として、
   前記正極側通電経路及び前記負極側通電経路の一方を構成する３つの通電経路が導通状態となり、他方を構成する３つの通電経路が非導通状態となるよう、前記スイッチング回路内の各スイッチング素子のオン・オフ状態を設定する３相短絡制御、
   を実行可能であり、前記３相ブラシレスモータの制動時には、前記３相短絡制御と前記２相短絡制御とを組み合わせて実行することにより、前記３相ブラシレスモータに発生する制動力を制御することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
8. 前記制動装置は、前記３相ブラシレスモータを備えた電気機器に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の３相ブラシレスモータの制動装置。
9. ３相ブラシレスモータと、
   前記３相ブラシレスモータの３つの端子と直流電源の正極側及び負極側とをそれぞれ接続する正極側通電経路及び負極側通電経路に設けられて、各通電経路を導通・遮断する６つのスイッチング素子からなるスイッチング回路と、
   前記３相ブラシレスモータの回転時に、当該３相ブラシレスモータの停止指令若しくは減速指令が入力されると、前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御することで、前記３相ブラシレスモータに制動力を発生させる制動制御手段と、
   前記３相ブラシレスモータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   を備え、
   前記制動制御手段は、
   前記３相ブラシレスモータに制動力を発生させる制動制御として、前記正極側通電経路及び前記負極側通電経路の一方を構成する３つの通電経路の内、２つの通電経路が導通状態となり、他の通電経路が非導通状態となるよう、前記スイッチング回路内の各スイッチング素子のオン・オフ状態を設定する２相短絡制御、を実行可能であり、
   しかも、前記２相短絡制御として、
   前記回転位置検出手段にて検出される前記３相ブラシレスモータの回転位置に応じて、前記２相短絡制御を間欠的に行い、前記２相短絡制御の非実行時には、前記正極側通電経路及び前記負極側通電経路の全てを非導通状態にする２相短絡間欠制御と、
   前記２相短絡制御にて導通状態にする２つの通電経路を、前記回転位置検出手段にて検出される前記３相ブラシレスモータの回転位置に応じて切り換える２相短絡切換制御と、 の何れか一方を選択可能であることを特徴とする電気機器。

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