JP2004064934A - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モータ駆動制御部と電源電圧の昇圧を行う昇圧回路とを備えるモータの駆動に用いられ、各種のモータに応じられるように複数のスイッチング素子を有して一体型パワーモジュールとして形成された。また、複数のスイッチング素子の一部をモータ駆動制御部によるモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を昇圧回路の駆動に用いる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、ブラシ付きモータとブラシレスモータ兼用のモータ駆動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のモータ駆動装置は、車両に搭載される電動パワーステアリング装置、4輪操舵の後輪操舵用装置、自動操舵装置、パワーウィンドウ装置等に用いられており、これらの装置のモータの駆動をバッテリの一定電圧で行い、モータに流す電流を変化させるための一手段としてPWM(パルス幅変調)駆動で行うものである。例えば、電動パワーステアリング装置は、パワーユニットにより直流モータのトルク制御をPWM信号に従って直接チョッピング制御することにより制御される装置である。
【0003】
直流モータの種類を大きく2つに分類すると、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータに分けることができる。
【0004】
ブラシ付きモータのパワーユニット1は、文献(HONDA R&D Technical ReviewVol.3,1991,p.76)に記載されているように、図13で示すH型ブリッジ回路100、プリドライブ回路101、電流検出回路102、メイン/フェールセーフリレー103,104、倍電圧回路105、5V電源106から構成されている。
【0005】
H型ブリッジ回路100は4つのFET(電界効果トランジスタ)107,108,109,110をH型に接続し、それぞれについてON/OFFを組み合わせることで、モータの正転、逆転等を、PWM制御により行うものである。プリドライブ回路101は、コントロールユニット111より送られてくるPWM信号をFETゲート信号に変換する回路である。電流検出回路102は、出力回路を流れる電流値を検出し、コントロールユニット111の読み込み可能な電圧レベルに増幅する回路である。メイン/フェールセーフリレー103,104は、コントロールユニット111によるシステム動作のセルフチェックで、正常判断時のみバッテリライン112およびモータライン113の通電を行う。倍電圧回路105は、バッテリ電圧の2倍相当の電圧を作り、電流検出回路102およびプリドライブ回路101に供給する回路である。5V電源106は、プリドライブ回路101用の電源である。
【0006】
このような構成のパワーユニットのうちのH型ブリッジ回路100と、そのH型ブリッジ回路100に接続された図示しないコンデンサとモータ114を備えたものによってモータ駆動装置が構成される。
【0007】
図14は、従来のブラシ付きモータ用のモータ駆動装置の回路図である。モータ駆動装置120は、FET107とFET108とFET109とFET110が配線されH型ブリッジ回路100を構成し、H型ブリッジ回路100の端子121と端子122によりモータ123が接続されている。また、H型ブリッジ回路100と並列にコンデンサ124が接続され、電源125が接続されている。FET107,108,109,110のゲート−ソース間にはツェナーダイオード126,127,128,129,130,131を入れてある。さらに、抵抗132,133,134,135,136,137,138を接続してある。
【0008】
FET107,108,109,110は、モータ123への印加電圧を高速にON/OFFを行うチョッピング電圧を印加するためのものであり、PWM信号をゲートにかけることにより、FET107,108,109,110を高速にON/OFFし、モータ123にチョッピング電圧を印加することが可能となる。
【0009】
モータ123は、電動パワーステアリング装置においては、操舵のアシスト力としての発生トルクを利用するために用いている。
【0010】
コンデンサ124は、PWM信号によるスイッチング制御のように変化の速い電流を電源から流そうとするときの、配線が長い場合にその間の配線によるインダクタンスにより電流がそのスイッチング時間に追随して供給することができず、それを解消するための補助電源として用いている。また、このコンデンサ124は、大電流チョッピングでの配線のインダクタンスによるサージ電圧の電圧性のスイッチングノイズとPWMによる電源ラインの電流変動による電流性のノイズを抑えるためのものである。
【0011】
ツェナーダイオード126,127,128,129,130,131は、FET107,108,109,110のゲートへの過大電圧入力に対する保護として入れられたものである。
【0012】
抵抗132,133,135,137は、ゲート回路の電流を素子仕様範囲内に抑え、スイッチング時間を短くするように定数設定がなされたものである。
【0013】
上記のように、ブラシ付きモータであれば、図15で示すようにH型ブリッジ構成の4対のソリッドステートパワー素子であるFET139,140,141,142によりモータ143が駆動され、一方、3相ブラシレスモータであれば、図16で示すように6対の素子144,145,146,147,148,149でモータ150が駆動される。この際、モータに流す電流が大きい場合、素子のサイズを大きくしたり、素子を並列接続にして数を増やしたりして対応する必要がある。また、電流が増えた分、発熱も問題となる。そのため、その発熱の対策として、ディスクリート部品で構成されていた駆動部分にベアチップを用いて、一つのパッケージに実装するモジュール化をし性能を向上させたりする場合もある。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後も、モータはブラシ付きモータとブラシレスモータの両方式が適用されていくと予想されるため、小型化や放熱性能を向上させる必要性があった場合、上記の2種類のモータのためのパワーモジュールを個別に作製する必要がある。そのため、量産時に各々数がそれほど増えず、コストダウンができない可能性がある。また、ブラシ付きモータの場合、ブラシの抵抗による電圧降下が電動パワーステアリング装置の回転性能を低下させることが知られている。
【0015】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方のモータで共用ができ、かつ、ブラシ付きモータの場合の回転性能を向上させるモータ駆動装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るモータ駆動装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【0017】
第1のモータ駆動装置(請求項1に対応)は、モータ駆動制御部と電源電圧の昇圧を行う昇圧回路とを備えるモータの駆動に用いられ、各種のモータに応じられるように複数のスイッチング素子を有して一体型パワーモジュールとして形成されたことで特徴づけられる。
【0018】
第1のモータ駆動装置によれば、モータ駆動制御部と電源電圧の昇圧を行う昇圧回路とを備えるモータの駆動に用いられ、各種のモータに応じられるように複数のスイッチング素子を有して一体型パワーモジュールとして形成されたため、各種のモータ、例えば、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方で共用できる。
【0019】
第2のモータ駆動装置(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは複数のスイッチング素子の一部をモータ駆動制御部によるモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を昇圧回路の駆動に用いることで特徴づけられる。
【0020】
第2のモータ駆動装置によれば、複数のスイッチング素子の一部をモータ駆動制御部によるモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を昇圧回路の駆動に用いるため、モータの回転性能を向上させるモータ駆動装置を得ることができる。
【0021】
第3のモータ駆動装置(請求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくはモータはブラシ付きモータであり、複数のスイッチング素子は6つのスイッチング素子で成り、6つのスイッチング素子のうちの4つによってブラシ付きモータの駆動制御を行い、残りの2つを昇圧回路に用いることで特徴づけられる。
【0022】
第3のモータ駆動装置によれば、モータはブラシ付きモータであり、複数のスイッチング素子は6つのスイッチング素子で成り、6つのスイッチング素子のうちの4つによってブラシ付きモータの駆動制御を行い、残りの2つを昇圧回路に用いるため、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方のモータで共用ができ、かつ、ブラシ付きモータの場合の回転性能を向上させるモータ駆動装置を得ることができる。
【0023】
第4のモータ駆動装置(請求項4に対応)は、上記の構成において、好ましくはモータはブラシレスモータであり、複数のスイッチング素子は8つのスイッチング素子で成り、8つのスイッチング素子のうちの6つによってブラシレスモータの駆動制御を行い、残りの2つを昇圧回路に用いることで特徴づけられる。
【0024】
第4のモータ駆動装置によれば、モータはブラシレスモータであり、複数のスイッチング素子は8つのスイッチング素子で成り、8つのスイッチング素子のうちの6つによってブラシレスモータの駆動制御を行い、残りの2つを昇圧回路に用いるため、ブラシレスモータの回転性能を向上させることができる。
【0025】
第5のモータ駆動装置(請求項5に対応)は、上記の構成において、好ましくは複数のスイッチング素子の一部をブラシ付きモータのモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を他のブラシ付きモータのモータ駆動制御に用いることで特徴づけられる。
【0026】
第5のモータ駆動装置によれば、複数のスイッチング素子の一部をブラシ付きモータのモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を他のブラシ付きモータのモータ駆動制御に用いるため、二つのモータを一つのパワーモジュールを用いて駆動することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0028】
図1は、本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動装置に用いるパワーモジュールの回路の模式図である。パワーモジュール10は、シリコンベアチップを直接実装した複合素子であり、パワー系スイッチング素子(例えばパワーMOSFET)であるFET11とFET12とFET13とFET14とFET15とFET16が配線されブリッジ回路17を構成している。パワーモジュール10には、ブリッジ回路17の端子Aと端子Bと端子Cと端子Dと端子Eの5つの端子が設けられている。また、それぞれのFETのゲートには図14で示したようなコンデンサ、抵抗、ツェナーダイオードなどの素子が接続されている。この図では、簡単のために省略してある。
【0029】
図2は、図1で示したパワーモジュール10をブラシ付きモータ18で利用したときの各素子との接続を示す図である。この実施形態では、端子Aに電解コンデンサなどのコンデンサ19を接続し、端子Bを接地し、端子Cをチョークコイル20の一端を接続し、端子D,EをDCブラシ付きモータ18に接続する。また、チョークコイル20の他端はバッテリ21に接続してある。
【0030】
この構成での回路の模式図を図3で示す。FET13,14,15,16によりH型ブリッジ回路22を構成し、FET11,12とコイル20とコンデンサ19によって昇圧回路を形成している。
【0031】
次に、この回路を説明する。FET13,14,15,16は、従来と同様、モータ18への印加電圧を高速にON/OFFを行うチョッピング電圧を印加するためのものであり、PWM信号をゲートにかけることにより、FETを高速にON/OFFし、モータ18にチョッピング電圧を印加することが可能となる。
【0032】
モータ18は、電動パワーステアリング装置においては、操舵のアシスト力としての発生トルクを利用するために用いている。
【0033】
FET11,12とコイル20とコンデンサ19によって形成される昇圧回路23では、コイル20と第1スイッチ要素である第1のFET12と、第2スイッチ要素である第2のFET11とFET12,FET11へ駆動信号S,S’をそれぞれ供給する図示しない駆動制御部と、コンデンサ19とから構成される。図でFET11,12はスイッチ通電部とダイオードの2つの素子から構成されるものとして描かれている。このダイオードはFETの寄生ダイオードである。コンデンサ19は蓄電機能と平滑機能を有する。
【0034】
コイル20の上流側(図中左端)は入力端子Vinとなっており、下流側(図中右端)はFET12のドレインおよびFET11のソースに接続されている。FET12のドレインはコイル20の下流側と接続され、ソースは接地されている。FET12のゲートには図示しない駆動制御部からの駆動信号Sが入力される。FET11は寄生ダイオードを含んで構成され、ソースをコイル20の下流側に接続し、ドレインを出力端子Voutに接続している。FET11のゲートには図示しない駆動制御部14からの駆動信号S’が入力される。FET12とFET11へ駆動信号S,S’を供給する駆動制御部は、昇圧駆動用の回路や専用ICで構成される。
【0035】
FET12がオンのときには、コイル20に電流が流れ、そのインダクタンス作用に基づきエネルギが蓄えられる。このとき、FET11はオフとなっており、出力端子Vout側へ電流は流れていない。次に駆動信号SによりFET12がオンからオフになる時、コイル20に流れる電流が遮断される。この遮断による磁束の変化を妨げるようにコイル20で起電力が生じる。この結果、コイル20の両端間に電圧が発生する。このとき、駆動信号S’によってFET11がオンになると、コイル20側から電流がFET11のスイッチ通電部を経由して出力端子Voutへ供給される。コイル20の下流側に生じる電圧は、入力端子Vinに印加されている電圧とコイル20の両端間に発生した電圧の和となっている。駆動信号S’によってFET11がオンになる直前はFET11の寄生ダイオードを経由して出力端子Vout側へ電流が流れ、出力端子Voutへ電圧が供給される。
【0036】
以上のように、出力端子VoutへFET11のスイッチ通電部および寄生ダイオードを介して、昇圧作用で生じた高電圧が与えられる。コンデンサ19は、印加された高電圧によって蓄電を行うと共に、FET12およびFET11のオン・オフの繰り返しによって発生する高電圧の変動を平滑化する。
【0037】
次に、図4は、図1で示したパワーモジュール10を三相DCブラシレスモータ24で利用したときの各素子との接続を示す図である。この実施形態では、端子Aに電解コンデンサなどのコンデンサ25とバッテリ26を接続し、端子Bを接地し、端子C,D,Eを三相DCブラシレスモータ24に接続する。
【0038】
この構成での回路の模式図を図5で示す。FET11,12,13,14,15,16により三相インバータ27を構成している。
【0039】
このように、6つのスイッチング素子から成るモータ駆動装置において、スイッチング素子のうち4つによってブラシ付きモータの駆動制御を行うと共に、スイッチング素子のうち残りの2つと、コイルと、コンデンサとによって、電源電圧の昇圧を行う昇圧回路を構成するため、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方のモータで共用ができ、かつ、ブラシ付きモータの場合の回転性能を向上させるモータ駆動装置を得ることができる。
【0040】
図6は、本発明の第2の実施形態に係るモータ駆動装置に用いるパワーモジュールの回路の模式図である。パワーモジュール30は、シリコンベアチップを直接実装した複合素子であり、パワー系スイッチング素子(例えばパワーMOSFET)であるFET31とFET32とFET33とFET34とFET35とFET36とFET37とFET38の8つのFETが配線されブリッジ回路39を構成している。ブリッジ回路39の端子Fと端子Gと端子Hと端子Iと端子Jと端子Kの6つの端子が設けられている。また、それぞれのFETのゲートにはコンデンサ、抵抗、ツェナーダイオードなどの素子が接続されている。この図では、簡単のために省略してある。
【0041】
図7は、図6で示したパワーモジュール30を三相DCブラシレスモータ40で利用したときの各素子との接続を示す図である。この実施形態では、端子Fに電解コンデンサなどのコンデンサ41を接続し、端子Gを接地し、端子Hをチョークコイル42の一端を接続し、端子I,J,Kを三相DCブラシレスモータ40に接続する。また、チョークコイル42の他端はバッテリ43に接続してある。
【0042】
この構成での回路の模式図を図8で示す。FET33,34,35,36,37,38により三相インバータ回路44を構成し、FET31,32とコイル42とコンデンサ41によって昇圧回路45を形成している。
【0043】
この回路では、FET33,34,35,36,37,38により三相インバータ44を構成している。モータ40は、電動パワーステアリング装置においては、操舵のアシスト力としての発生トルクを利用するために用いている。FET31,32とコイル42とコンデンサ41によって形成される昇圧回路の動作は、第1の実施形態でのものと同様であるので説明を省略する。
【0044】
図9は、図6で示したパワーモジュール30をブラシ付きモータ46で利用したときの各素子との接続を示す図である。この実施形態では、端子Fに電解コンデンサなどのコンデンサ47を接続し、端子Gを接地し、端子Hをチョークコイル48の一端を接続し、端子J,KをDCブラシ付きモータ46に接続する。また、チョークコイル48の他端はバッテリ49に接続してある。
【0045】
この構成での回路の模式図を図10で示す。FET35,36,37,38によりブリッジ回路50を構成し、FET31,32とコイル48とコンデンサ47によって昇圧回路51を形成している。
【0046】
この回路では、FET35,36,37,38は、従来と同様、モータへの印加電圧を高速にON/OFFを行うチョッピング電圧を印加するためのものであり、PWM信号をゲートにかけることにより、FETを高速にON/OFFし、モータにチョッピング電圧を印加することが可能となる。モータ46は、電動パワーステアリング装置においては、操舵のアシスト力としての発生トルクを利用するために用いている。FET31,32とコイル48とコンデンサ47によって形成される昇圧回路51の動作は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【0047】
次に、図11は、図6で示したパワーモジュール30を2つのDCブラシ付きモータ52,53で利用したときの各素子との接続を示す図である。この実施形態では、端子Fに電解コンデンサなどのコンデンサ54とバッテリ55を接続し、端子Gを接地し、端子H,Iに1つのDCブラシ付きモータ52を接続し、端子J、KをDCブラシ付きモータ53に接続する。
【0048】
この構成での回路の模式図を図12で示す。FET31,32,33,34により1つのDCブラシ付きモータ52を駆動するH型ブリッジ回路56を形成し、FET35,36,37,38によりもう1つのDCブラシ付きモータ53を駆動するH型ブリッジ回路57を構成している。
【0049】
このように、8つのスイッチング素子から成るモータ駆動装置において、スイッチング素子のうち6つあるいは4つによってブラシレスモータの駆動制御を行うと共に、スイッチング素子のうち残りの2つと、コイルと、コンデンサとによって、電源電圧の昇圧を行う昇圧回路を構成するため、ブラシレスモータあるいはブラシ付きモータの場合の回転性能を向上させるモータ駆動装置を得ることができ、また、2つのブラシ付きモータを1つのモータ駆動装置で駆動できるモータ駆動装置を得ることができる。
【0050】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【0051】
モータ駆動制御部と電源電圧の昇圧を行う昇圧回路とを備えるモータの駆動に用いられ、各種のモータに応じられるように複数のスイッチング素子を有して一体型パワーモジュールとして形成されたため、各種のモータ、例えば、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方で共用できる。また、複数のスイッチング素子の一部をモータ駆動制御部によるモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を昇圧回路の駆動に用いるため、モータの回転性能を向上させるモータ駆動装置を得ることができる。さらに、モータはブラシ付きモータであり、複数のスイッチング素子は6つのスイッチング素子で成り、6つのスイッチング素子のうちの4つによってブラシ付きモータの駆動制御を行い、残りの2つを昇圧回路に用いるため、ブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方のモータで共用ができ、かつ、ブラシ付きモータの場合の回転性能を向上させるモータ駆動装置を得ることができる。
【0052】
また、モータはブラシレスモータであり、複数のスイッチング素子は8つのスイッチング素子で成り、8つのスイッチング素子のうちの6つによってブラシレスモータの駆動制御を行い、残りの2つを昇圧回路に用いるため、ブラシレスモータの回転性能を向上させることができる。さらに、複数のスイッチング素子の一部をブラシ付きモータのモータ駆動制御に用い、複数のスイッチング素子の残りの部分を他のブラシ付きモータのモータ駆動制御に用いるため、二つのモータを一つのパワーモジュールを用いて駆動することができる。
【0053】
また、電動パワーステアリング装置に用いられるモータの種類によらず同じパワー・モジュールを使うことができ、部品の共通化が図れコストの削減が可能となる。さらに、内部のパワー素子を駆動する外部のプリドライブ回路を共通基板化できたり、大電流の通電ラインがいつも同じになることで、回路や通電ラインを最適化して発生ノイズ・レベルを低くできEMI(Electric Magnetic Interference)性能を常に問題のないレベルに維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動装置に用いるパワーモジュールの回路の模式図である。
【図2】パワーモジュールをブラシ付きモータで利用したときの各素子との接続を示す図である。
【図3】回路の模式図である。
【図4】パワーモジュールを三相DCブラシレスモータで利用したときの各素子との接続を示す図である。
【図5】回路の模式図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係るモータ駆動装置に用いるパワーモジュールの回路の模式図である。
【図7】パワーモジュールを三相DCブラシレスモータで利用したときの各素子との接続を示す図である。
【図8】回路の模式図である。
【図9】パワーモジュールをブラシ付きモータで利用したときの各素子との接続を示す図である。
【図10】回路の模式図である。
【図11】パワーモジュールを2つのDCブラシ付きモータで利用したときの各素子との接続を示す図である。
【図12】回路の模式図である。
【図13】パワーユニットのブロック構成図である。
【図14】従来のブラシ付きモータ用のモータ駆動装置の回路図である。
【図15】ブラシ付きモータの駆動装置に用いるパワーモジュールの回路の模式図である。
【図16】ブラシレスモータの駆動装置に用いるパワーモジュールの回路の模式図である。
【符号の説明】
10 パワーモジュール
11〜16 FET
17 ブリッジ回路
18 ブラシ付きモータ
19 コンデンサ
20 チョークコイル
A〜E 端子
Claims (5)
- モータ駆動制御部と電源電圧の昇圧を行う昇圧回路とを備えるモータの駆動に用いられ、各種の前記モータに応じられるように複数のスイッチング素子を有して一体型パワーモジュールとして形成されたことを特徴とするモータ駆動装置。
- 前記複数のスイッチング素子の一部を前記モータ駆動制御部によるモータ駆動制御に用い、前記複数のスイッチング素子の残りの部分を前記昇圧回路の駆動に用いることを特徴とする請求項1記載のモータ駆動装置。
- 前記モータはブラシ付きモータであり、前記複数のスイッチング素子は6つのスイッチング素子で成り、前記6つのスイッチング素子のうちの4つによって前記ブラシ付きモータの駆動制御を行い、残りの2つを前記昇圧回路に用いることを特徴とする請求項2記載のモータ駆動装置。
- 前記モータはブラシレスモータであり、前記複数のスイッチング素子は8つのスイッチング素子で成り、前記8つのスイッチング素子のうちの6つによって前記ブラシレスモータの駆動制御を行い、残りの2つを前記昇圧回路に用いることを特徴とする請求項2記載のモータ駆動装置。
- 前記複数のスイッチング素子の一部をブラシ付きモータのモータ駆動制御に用い、前記複数のスイッチング素子の残りの部分を他のブラシ付きモータのモータ駆動制御に用いることを特徴とする請求項1記載のモータ駆動装置。
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