JP2005204404A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】いかなる運転状態においてもスイッチング素子を安全動作領域内で動作させ、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能で加減速時間が短いモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】基準電圧ＥＣＲと指令信号ＥＣの関係により正トルク駆動を行う第１状態と逆トルク駆動を行う第２状態に分け、第１状態におけるトルク指令信号Ｖｅｃｌに対する制限値を第１制限値Ｆｌｉｍとし、第２状態における制限値を第２制限値Ｒｌｉｍとする。第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍは速度検出器４６からの速度検出信号ＶＤに応じて変更され、基準電圧ＥＣＲと指令信号ＥＣの差に応じた差動信号Ｖｅｃを第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍにより制限出力した信号をトルク指令信号Ｖｅｃｌとして出力し、モータ５を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明はパルス幅変調（ＰＷＭ）で駆動するモータ駆動装置に関する。

モータ駆動装置において、過大電流はインバータのスイッチング素子の劣化や破損の恐れがあり、また過大電流による温度上昇のため周辺回路への影響も大きくなる。したがって、インバータのスイッチング素子に定格電流以上の電流が流れないように（すなわち、安全動作領域内で動作するように）制限する必要がある。

モータの制動時には正転時と比較して逆起電力による影響のため流れる電流値は大きくなる。よって、より大きな電流が流れる制動時にインバータのスイッチング素子に定格電流以上の電流が流れないように（安全動作領域内で動作するように）制限値を設定する方法がある。しかし、制限値を制動動作時を基準に設定すると、通常の動作時において低く設定されるため、正転時にはインバータのスイッチング素子に流れる電流は定格電流よりも小さい電流値に制限されてしまう。

そこで、正転時と制動時で制限値を異なる値に設定し切り換えて駆動する。つまり、正転時に比して制動時の制限値を小さく設定して駆動する。具体的には、正転時にインバータのスイッチング素子に流れる電流が定格電流以下の値となるような第１制限値を設定し、制動時は第１制限値を同一電流指令に基づく制動時と正転時のインバータのスイッチング素子に流れる電流の比で除算した値を第２制限値と設定する。このように、制限値を切り換えて駆動することにより、運転状態によらずインバータのスイッチング素子に定格電流範囲内で最大限に電流を流すことができる（安全動作領域内での動作可能となる）。

以上のように、正転時と制動時の制限値を切り換えて駆動する方法は例えば特許文献１に開示されている。
特許第１９６４３７６号公報

しかしながら、上記従来の構成では次のような課題があった。
第１制限値と第２制限値を上記のように設定して駆動した場合、インバータのスイッチング素子に流れる電流を定格電流以下に抑えることは可能である。しかし、中速運転時から制動指令により制動する場合と、高速運転時から制動指令により制動する場合を比較すると、どちらも定格電流以上の電流は流れないが、後者に対し前者は電流が制限され、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことができない。つまり、定格電流範囲内で最大限に電流を流せる場合と比較して制動時間が長くなってしまう。特に制動時間の仕様が厳しいような用途に用いる場合、少しでも制動時間を短くするため、いかなる運転状態においても定格電流範囲内で最大限に電流を流す構成（インバータのスイッチング素子を安全動作領域内で動作させること）が求められる。

また、低速から加速指令により加速する場合と、中速から加速指令により加速する場合を比較すると、どちらも定格電流以上の電流は流れないが、後者に対し前者は電流が制限され、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことができない。つまり、定格電流範囲内で最大限に電流を流せる場合と比較して加速時間が長くなる。特に加速時間の仕様が厳しいような用途に用いる場合、少しでも加速時間を短くするため、いかなる運転状態においても定格電流範囲内で最大限に電流を流す構成（インバータのスイッチング素子を安全動作領域内で動作させること）が求められる。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、いかなる運転状態においてもスイッチング素子を安全動作領域内で動作させ、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能な、加減速時間が短いモータ駆動装置を提供することにある。

本発明の構成のモータ駆動装置は、モータに電力を供給する電力供給手段と、電力供給手段の電流を検出する電流検出手段と、トルク指令信号を出力するトルク指令手段と、トルク指令信号と電流検出手段の電流検出信号の差に応じて電力供給手段の通電を制御するスイッチング制御手段とを備える。トルク指令手段は、指令信号と基準電圧の差に応じた信号を出力する差動手段と、差動手段の出力を制限しトルク指令信号として出力する制限手段とを含む。特に、制限手段は、基準電圧に対して指令信号が小さい状態を第１状態とし、基準電圧に対して指令信号が大きい状態を第２状態とし、差動手段の出力の上限を第１状態では第１制限値で制限し、第２状態では第２制限値で制限する。さらに、制限手段は、第１制限値及び第２制限値の少なくとも一つをモータ回転速度に応じて変化させる。
このように構成することにより、速度検出信号に応動して第１制限値と第２制限値を可変にできるため、いかなる運転状態においてもスイッチング素子を安全動作領域内で動作させ、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能となる。さらに、モータがいかなる回転速度で駆動されていても定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能なため、加減速時間を短くすることが可能となる。

本発明のモータ駆動装置によれば、いかなる運転状態においてもスイッチング素子を安全動作領域内で動作させ、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能となり、加減速時間を短くすることができる。

以下、本発明のモータ駆動装置の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。

図１に本発明に係るモータ駆動装置の全体構成を示す。モータ５は永久磁石による界磁部を有するロータと、３相コイルがＹ結線されたステータとで構成される。

モータ駆動装置は、電力供給器２０と、スイッチング制御回路３０と、トルク指令器４０と、電流検出器５０とを備える。

電力供給器２０は３個の上側パワートランジスタ２１，２２，２３および３個の下側パワートランジスタ２５，２６，２７によりブリッジ構成され、直流電源１よりモータ５への電力供給を行う。また、上側パワートランジスタ２１，２２，２３にはそれぞれ逆並列に上側パワーダイオード２１ｄ、２２ｄ、２３ｄが接続され、下側パワートランジスタにもそれぞれ逆並列に下側パワーダイオード２５ｄ、２６ｄ、２７ｄが接続されている。なお、上側パワートランジスタ２１，２２，２３および下側パワートランジスタ２５，２６，２７はＮ形電界効果トランジスタを用い、上側パワーダイオード２１ｄ、２２ｄ、２３ｄおよび下側パワーダイオード２５ｄ、２６ｄ、２７ｄは寄生ダイオードを用いて構成してもよい。

電力供給器２０とＧＮＤ間には電流検出器５０が接続され、電流検出器５０は電流供給器２０に流れる電流を検出し、電流検出信号Ｖｃｓとしてスイッチング制御回路３０に出力する。

図２に電流検出器５０の基本構成図を示し、図３に電流検出器５０の各部の動作を説明するタイミング図を示す。図２より、電流検出器５０は電流検出抵抗５１と、抵抗５２および容量５３で構成されるフィルタ５５とを含んで構成され、電流検出抵抗５１により電力供給器２０に流れる電流を検出し、フィルタ５５を介して電流検出信号Ｖｃｓとして出力する。図３より、電流検出抵抗５１により検出される信号Ｒｃｓは、後述するようにＰＷＭ駆動しているためパルス状波形となる。また、電流検出信号Ｖｃｓは電力供給器２０に流れる電流のほぼ平均直流電圧となる。なお、電流検出手段は電流検出抵抗に限定されず、電流センサ等により構成してもよい。

図１に戻り、トルク指令器４０は指令信号入力端子４１と、基準電圧（ＥＣＲ）を与える電源ＥＣＲと、差動回路４２と、比較器４３と、トルク指令信号の上限を制限する制限器４４と、速度検出器４６とを含む。指令信号入力端子４１からは指令信号ＥＣが入力され、差動回路４２と比較器４３それぞれの一の入力端子に入力される。また、基準電圧ＥＣＲは差動回路４２と比較器４３それぞれの他の入力端子に入力される。

差動回路４２は指令信号ＥＣと基準電圧ＥＣＲの差動絶対値出力である差動信号Ｖｅｃ（＝Ｋ＊｜ＥＣＲ―ＥＣ｜（Ｋは一定ゲイン））を制限器４４に出力する。一方、比較器４３は指令信号ＥＣと基準電圧ＥＣＲとの比較を行い、正逆信号ＦＲを出力する。正逆信号ＦＲは、指令信号ＥＣ＜基準電圧ＥＣＲの場合、“Ｈ”レベル（以下、この状態を「第１状態」という。）になる。「第１状態」はモータ５の正トルク駆動区間となる。逆に、指令信号ＥＣ＞基準電圧ＥＣＲの場合、正逆信号ＦＲは“Ｌ”レベル（以下、この状態を「第２状態」という。）になる。「第２状態」はモータ５の逆トルク駆動区間となる。正トルク駆動区間および逆トルク駆動区間については後述する。

図４に差動回路４２と比較器４３の各部の動作を説明するためのタイミング図を示す。図４（ａ）は基準電圧ＥＣＲと指令信号ＥＣの関係を示し、図４（ｂ）は比較器４３からの正逆信号ＦＲを示し、図４（ｃ）は差動回路４２からの差動信号Ｖｅｃを示す。

基準電圧ＥＣＲに対し指令信号ＥＣが小さい領域（第１状態）では、図４（ｂ）に示すように、比較器４３の正逆信号ＦＲは“Ｈ”レベル出力し、逆に基準電圧ＥＣＲに対し指令信号ＥＣが大きい領域（第２状態）では、比較器４３の正逆信号ＦＲは“Ｌ”レベル出力する。図４（ｃ）に示す差動回路４３からの差動信号Ｖｅｃは基準電圧ＥＣＲと指令信号ＥＣの差の絶対値をＫ倍（Ｋはゲイン）した信号である。

差動回路４２からの差動信号Ｖｅｃは制限器４４に入力される。図５に制限器４４の回路構成図を示す。図６に速度検出器４６の動作特性図を示す。図６に示すように、速度検出器４６はモータ５の回転速度に応じた（例えば、比例又は略比例した）速度検出信号ＶＤを出力する。同図において、横軸は回転速度であり、Ｖ５はモータ定数で決まるモータ５の最高回転速度である。回転速度Ｖ５以上では、速度検出信号ＶＤは飽和している。

図５を参照し、制限器４４は制限出力器４７と格納器４８からなる。格納器４８は速度検出器４６からの速度検出信号ＶＤ及び正逆信号ＦＲを入力し、また、第１制限値Ｆｌｉｍ及び第２制限値Ｒｌｉｍに関する情報（近似式、テーブル等）を格納している。格納器４８は速度検出信号ＶＤに基づいて第１制限値Ｆｌｉｍ及び第２制限値Ｒｌｉｍの値を求め、正逆信号ＦＲに基づいて第１制限値Ｆｌｉｍ及び第２制限値Ｒｌｉｍのいずれかを選択して制限出力器４７に出力する。制限出力器４７は差動回路４３からの差動信号Ｖｅｃを、第１状態においては第１制限値Ｆｌｉｍで、第２状態においては第２制限値Ｒｌｉｍでそれぞれ制限してトルク指令信号Ｖｅｃｌとして出力する。制限出力したトルク指令信号Ｖｅｃｌを図７の実線で示す。

以上より、トルク指令器４０は、指令信号ＥＣと基準電圧ＥＣＲの差に基づき、第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍにより制限出力したトルク指令信号Ｖｅｃｌを出力する。なお、トルク指令器４０の詳細な動作は後述する。

トルク指令器４０の正逆信号ＦＲおよびトルク指令信号Ｖｅｃｌはスイッチング制御回路３０に入力される。スイッチング制御回路３０は、トルク指令信号Ｖｅｃｌと電流検出器５０からの電流検出信号Ｖｃｓとの差に応動した上側パワートランジスタ制御信号ＵＵ，ＶＵ，ＷＵおよび下側パワートランジスタ制御信号ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを電力供給器２０に出力する。ここで、スイッチング制御回路３０の基本構成を説明する。

図８にスイッチング制御回路３０の基本構成図を示す。スイッチング制御回路３０は差動増幅回路６０と、乗算器３１，３２，３３と、正弦波発生器３４と、三角波発生器３５と、比較器３６，３７，３８と、ゲート駆動回路３９とを備える。

差動増幅回路６０の一方の入力端子にはトルク指令器４０からのトルク指令信号Ｖｅｃｌが入力され、他方の入力端子には電流検出信号Ｖｃｓが入力される。差動増幅回路６０はトルク指令信号Ｖｅｃｌと電流検出信号Ｖｃｓの差分を増幅し、差分信号Ｖｒを乗算器３１，３２，３３に出力する。正弦波発生器３４は振幅一定で位相が電気角１２０度毎ずれた３相正弦波信号ＳＩＮ１〜ＳＩＮ３を出力する。正弦波発生器３４の３相正弦波信号ＳＩＮ１〜ＳＩＮ３は、例えばホール素子等の磁気センサから得られる信号をアナログ的に処理して作成してもよく、ディジタル的に処理して作成してもよい。また、マイコン等により外部から入力する形式としてもよい。

乗算器３１，３２，３３は３相正弦波信号ＳＩＮ１〜ＳＩＮ３と差動増幅回路６０の差分信号Ｖｒとの乗算を行い、入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎを出力する。したがって、入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎは差分信号Ｖｒの大きさに比例した振幅の３相正弦波信号となる。入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎは比較器３６，３７，３８の一方の入力端子に入力され、他方の入力端子には三角波発生器３５からの高周波三角波信号Ｖｔｒｉが入力される。三角波信号Ｖｔｒｉは可聴領域外の周波数に設定し（例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）、入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎに対して３桁程度高い周波数となる。なお、比較器３６，３７，３８に入力する三角波信号Ｖｔｒｉは三角波に限定されず鋸波等でもよい。

比較器３６，３７，３８は入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎと三角波Ｖｔｒｉを比較し、パルス幅変調を行う。パルス幅変調されたＰＷＭ信号ＰＷＭＵ，ＰＷＭＶ，ＰＷＭＷはゲート駆動回路３９に入力される。ゲート駆動回路３９はＰＷＭ信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、ＰＷＭＷに応動し、電力供給器２０の上側パワートランジスタ２１，２２，２３のゲートを制御する上側パワートランジスタ制御信号ＵＵ，ＶＵ，ＷＵを出力し、下側パワートランジスタ２５，２６，２７のゲートを制御する下側パワートランジスタ制御信号ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを出力する。

図９にゲート駆動回路３９の基本構成図（Ｕ相のみ）を示し、図１０にゲート駆動回路３９の各部の動作を説明するためのタイミング図（Ｕ相のみ）を示す。図９はＵ相のみの構成図であるが、他の２相についても同様であるためここでの説明は省略する。

図９において、ゲート駆動回路３９は遅延回路６１と、論理積ゲート６２と、論理和反転ゲート６３と、切換回路６４とを含む。ＰＷＭ信号ＰＷＭＵは、比較器３６による、入力指令信号Ｖｕｉｎと三角波Ｖｔｒｉのパルス幅変調結果である。ＰＷＭ信号ＰＷＭＵは、例えばＲＣ回路等により構成された遅延回路６１により、所定時間Ｔｄ遅延される。遅延信号ＰＷＭＵｄは論理積ゲート６２の一方の入力端子と、論理和反転ゲート６３の一方の入力端子にそれぞれ入力される。他方の入力端子にはそれぞれＰＷＭ信号ＰＷＭＵが入力される。

論理積ゲート６２はＰＷＭ信号ＰＷＭＵと遅延信号ＰＷＭＵｄとの論理積演算を行い、ＵＵｉｎ信号を切換回路６４に出力する。論理和反転ゲート６３はＰＷＭ信号ＰＷＭＵと遅延信号ＰＷＭＵｄとの論理和反転演算を行い、ＵＬｉｎ信号を切換回路６４に出力する。

切換回路６４はトルク指令器４０の正逆信号ＦＲに基づき、上側パワートランジスタ制御信号ＵＵおよび下側パワートランジスタ制御信号ＵＬを出力する。具体的には、正逆信号ＦＲが“Ｈ”レベル（第１状態）の場合、切換回路６４はＵＵｉｎ信号を上側パワートランジスタ制御信号ＵＵとして、ＵＬｉｎ信号を下側パワートランジスタ制御信号ＵＬとして出力する。この時、切換回路６４はスルー回路として動作し、モータ５は正トルクで駆動されることになる。

逆に、正逆信号ＦＲが“Ｌ”レベル（第２状態）の場合、切換回路６４はＵＬｉｎ信号を上側パワートランジスタ制御信号ＵＵとして、ＵＵｉｎ信号を下側パワートランジスタ制御信号ＵＬとして出力する。この時、切換回路６４は入力を入れ換える回路として動作する。つまり、上側パワートランジスタ制御信号と下側パワートランジスタ制御信号が入れ換えられてモータ５を駆動するため、逆トルク駆動となる。

上側パワートランジスタ制御信号ＵＵおよび下側パワートランジスタ制御信号ＵＬは電力供給器２０のＵ相上下パワートランジスタ２１，２５のゲート制御を行い、モータ５のＵ相に電力を供給する。なお、遅延回路６１による遅延時間Ｔｄは電力供給器２０の上下パワートランジスタの同時オンによる貫通防止のためのデッドタイムである。

以上より、電力供給器２０の各パワートランジスタはゲート駆動回路３９の上側パワートランジスタ制御信号ＵＵ，ＶＵ，ＷＵおよび下側パワートランジスタ制御信号ＵＬ，ＶＬ，ＷＬに応動したオンオフ動作を行い、モータ５に電力を供給し駆動する。

以上のように、トルク指令信号Ｖｅｃｌと電流検出信号Ｖｃｓの差に応動して、入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎの振幅制御を行い、三角波Ｖｔｒｉとの比較によりパルス幅変調し、モータ５を駆動する。

以下にトルク指令器４０の詳細な説明を行う。
図１１はトルク指令器４０の動作を説明するための図である。図１１の破線は差動回路４２からの差動信号Ｖｅｃであり、実線は制限器４４からのトルク指令信号Ｖｅｃｌを示す。このように、制限器４４は差動信号Ｖｅｃを第１状態（ＥＣＲ−ＥＣ＜０）においては第１制限値Ｆｌｉｍで制限し、第２状態（ＥＣＲ−ＥＣ＞０）においては第２制限値Ｒｌｉｍで制限する。なお、本実施形態では、第１状態を正トルク駆動区間とし、第２状態を逆トルク駆動区間としているため、第１制限値Ｆｌｉｍと第２制限値Ｒｌｉｍの関係は、第１制限値Ｆｌｉｍ＞第２制限値Ｒｌｉｍである。これは以下の理由による。

指令信号ＥＣが基準電圧ＥＣＲに対して過小もしくは過大であった場合、差動信号Ｖｅｃの絶対値は大きくなり、その結果、トルク指令信号Ｖｅｃｌと電流検出信号Ｖｃｓの差分信号Ｖｒも大きい値となる。このことから制限値を設定する必要がある。つまり、差分信号Ｖｒが大きい値となった場合、入力指令信号Ｖｕｉｎ，Ｖｖｉｎ，Ｖｗｉｎの振幅は差分信号Ｖｒに比例して大きくなり、モータ５のコイルに過大電流が流れる恐れがある。この時、電力供給器２０の各パワートランジスタが安全動作領域外で動作していると、素子の劣化や破損につながり、また、異常発熱の原因にもなってしまう。したがって、モータ５のコイルに流れる駆動電流の最大値は定格電流範囲内となる（電力供給器２０の各パワートランジスタが安全動作領域内で動作する）ように制限する必要がある。また、本実施形態のモータ駆動装置は、同じ回転速度かつ同じトルク指令信号Ｖｅｃｌで正トルク駆動させた場合と逆トルク駆動させた場合では、モータ５のコイルに流れる駆動電流は後者の方がより大きくなる。これは、正トルク駆動では入力指令信号に対してモータ５のコイルに誘起される逆起電圧の位相はほぼ同相であるのに対し、逆トルク駆動では入力指令信号に対してモータ５のコイルに誘起される逆起電圧の位相はほぼ逆相であるからである。以上より、第１状態（正トルク駆動区間）と第２状態（逆トルク駆動区間）とで同じ制限値に設定せず、第１制限値Ｆｌｉｍに対して第２制限値Ｒｌｉｍを小さく設定する。

駆動電流が一番大きくなる状態は、ロータが最高回転速度で回転している状態から急激にフルトルクで逆トルク駆動（減速）した場合であり、この状態においても電力供給器２０の各パワートランジスタが安全動作領域内で動作するように第２制限値Ｒｌｉｍを設定する必要がある。また、第１状態においては、起動時にフルトルクで正トルク駆動（加速）させた場合に駆動電流が一番大きくなり、この状態においても電力供給器２０の各パワートランジスタが安全動作領域内で動作するように第１制限値Ｆｌｉｍを設定する必要がある。

ここで、第１制限値Ｆｌｉｍと第２制限値Ｒｌｉｍを固定値に設定した場合、必ず電力供給器２０の各パワートランジスタは安全動作領域内での動作が保たれるが、低回転速度からの逆トルク駆動（減速）や中回転速度からの正トルク駆動（加速）等では、第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍによって制限される割合が増すため、駆動電流が小さくなってしまう。つまり、駆動トルクが小さくなり、減速時間や加速時間が長くなるという課題がある。一般に、情報機器用モータの駆動制御では、起動時間や加速時間、減速時間は出来るだけ短いことが望まれており、特にＤＶＤレコーダのように追っかけ再生（記録しながら、その直後に行う再生動作）を行う機器等においては、加減速時間の短縮はデータを蓄えておくバッファメモリを小さくすることを可能とし、機器の低コスト化にも貢献できる。したがって、上記のように制限値を固定値としてモータ５を駆動させると、駆動電流を制限してしまい加減速時間の面においては有効ではない。

そこで、本実施形態のモータ駆動装置では、トルク指令器４０の制限器４４は速度検出器４６からの速度検出信号ＶＤを入力し、速度制御信号ＶＤに応動して第１制限値Ｆｌｉｍ及び第２制限値Ｒｌｉｍを可変させている。つまり、本実施形態では、コイルに誘起される逆起電圧は回転速度に比例しているので、速度検出信号ＶＤが大きいほど（回転速度が速いほど）第１制限値Ｆｌｉｍを大きく、第２制限値Ｒｌｉｍを小さくし、逆に、速度検出信号ＶＤが小さいほど（回転速度が遅いほど）第１制限値Ｆｌｉｍを小さく、第２制限値Ｒｌｉｍを大きくするように制限値を変更する。制御時の速度と設定する制限値の関係について簡単にまとめると以下のようになる。

図１１において、実線は例えばロータの回転速度がＡ（ｒｐｍ）の場合の図であり、一点鎖点は例えばロータの回転速度がＡよりも小さいＢ（ｒｐｍ）の場合の図である。このように、回転速度がＡ（ｒｐｍ）からＢ（ｒｐｍ）に小さくなると、第１制限値はＦｌｉｍからＦｌｉｍ２に低減され、第２制限値はＲｌｉｍからＲｌｉｍ２に増加される。これは先程説明したように、回転速度が遅くなったためコイルに誘起される逆起電圧が小さくなるためである。つまり、制限値を回転速度に応じて可変にすることで定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能となる。したがって、制限値を固定値とした場合に比べ、起動時間や加速時間、また減速時間をより短くすることが可能となる。

次に、第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍの設定方法について説明する。図１２（ａ）は速度検出信号ＶＤに対する第１制限値Ｆｌｉｍの関係を示した図であり、図１２（ｂ）は速度検出信号ＶＤに対する第２制限値Ｒｌｉｍの関係を示した図である。図１２の横軸はモータ５の回転速度０〜Ｖ５（ｒｐｍ）（最高回転速度）を示し、縦軸はそれぞれ第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを示す。

図１２（ｂ）において、先に述べたように最高回転速度Ｖ５（ｒｐｍ）からフルトルクで逆トルク駆動（減速）を行った時がモータ５のコイルに流れる電流が一番大きくなるため、回転速度がＶ５（ｒｐｍ）における第２制限値Ｒｌｉｍは一番小さい値Ｒｌｉｍ５とする。また、回転速度が０ｒｐｍ（逆起電圧がない）の時は制限値を緩和させて定格電流範囲内で最大限に電流が流れるような制限値を最も大きいＲｌｉｍ０とする。この第２制限値Ｒｌｉｍ０およびＲｌｉｍ５はシミュレーションなどの数値解析や実験により求められる。この２点を直線で結んだものを速度検出信号ＶＤに対する第２制限値の関数Ｆｌｉｍｆとする。なお、上記の説明では、２つのモータ速度について制限値を求め、直線近似により、制限値を与える関数を求めたが、さらに多くのモータ速度について制限値を求め、二次関数やその他の関数で近似してもよい。また、多くのモータ速度について制限値を離散的に求め、テーブルとして格納器４８に格納してもよい。

一方、図１２（ａ）においても同様に、回転速度０（ｒｐｍ）からフルトルクで正トルク駆動（加速）を行った時がモータ５のコイルに流れる電流が一番大きくなるため、回転速度０（ｒｐｍ）における第１制限値Ｆｌｉｍは一番小さい値Ｆｌｉｍ０に設定する。また、中回転速度域（例えば、回転速度Ｖ３（ｒｐｍ））の時に、定格電流範囲内で最大限に電流が流れるような制限値をＦｌｉｍ３とする。この２点を直線で結んだものを速度検出信号ＶＤに対する第１制限値の関数Ｆｌｉｍｆとする。なお、図１２（ａ）における第１制限値Ｆｌｉｍ０と、図１２（ｂ）における第２制限値Ｒｌｉｍ０は同じ値にする。

以上のように第１制限値の関数Ｆｌｉｍｆおよび第２制限値の関数Ｒｌｉｍｆを設定し、その情報を制限器４４の格納器４８に格納する。格納器４８は関数Ｆｌｉｍｆ、Ｒｌｉｍｆの近似式の情報を格納してもよいし、関数の値を与えるテーブルを格納してもよい。格納器４８はこれらの関数にしたがい速度検出信号ＶＤに応じた制限値（第１制限値Ｆｌｉｍまたは第２制限値Ｒｌｉｍ）を出力する。例えば、回転速度Ｖ４（ｒｐｍ）で駆動している状態から逆トルク駆動させる場合、格納器４８は図１２（ｂ）によりＶ４（ｒｐｍ）に対応する第２制限値Ｒｌｉｍ４を制限出力器４７に出力する。

格納器４８は第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを、速度検出信号ＶＤに応じて連続的に可変させて出力する代わりに、図１３の関数Ｆｌｉｍｆｓ、Ｒｌｉｍｆｓに示すように階段的に変化させてもよい。すなわち、各回転速度（０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５）において、第１制限値の関数Ｆｌｉｍｆおよび第２制限値の関数Ｒｌｉｍｆで決まる制限値（Ｆｌｉｍ０〜５、Ｒｌｉｍ０〜５）を求め、関数ＦｌｉｍｆおよびＲｌｉｍｆを越えないように、制限値を階段的に設定してもよい。例えば、図１３（ｂ）において、回転速度Ｖ４（ｒｐｍ）で駆動している状態から逆トルク駆動（減速）させた場合、回転速度Ｖ３（ｒｐｍ）まで減速するまでは、第２制限値にＲｌｉｍ４の値を設定し、回転速度Ｖ３（ｒｐｍ）から回転速度Ｖ２（ｒｐｍ）まで減速する際は、第２制限値にＲｌｉｍ３を設定する。なお、この場合、設定する各回転速度（０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５）は、図６に示すように複数の閾値（Ｘ１〜Ｘ５）に対応した回転速度である。

また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、関数Ｆｌｉｍｆ、Ｒｌｉｍｆから所定速度毎に制限値の値を求め、それらの値を所定量だけ下側にシフトした値を用いて、段階的に変化する制限値Ｆｌｉｍｆｄ、Ｒｌｉｍｆｄを設定してもよい。

速度検出信号ＶＤに応動して、第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを連続的に可変出力することの利点は、常に定格電流範囲内で最大限の電流を流すことが可能となり、より短く加減速を行うことが可能となることである。例えば、図１５に示すように、回転速度ｘにおいて、階段状で制限される制限値Ｆｌｉｍ２に対して関数Ｆｌｉｍｆで設定される制限値ＦｌｉｍｘはΔｌｉｍ（＝Ｆｌｉｍｘ−Ｆｌｉｍ２）分だけ制限値が緩和され、それによる電流増加が加減速の短縮につながる。

一方、速度検出信号ＶＤに応動して、第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを階段状に変化させることの利点は、連続的に可変出力させる構成と比較して、例えば、格納器４８をマイコン等のソフトウェアで構成した場合は割り込み回数が削減できること、及び格納器４８をアナログ回路等のハードウェアで構成した場合は回路規模を小さくすることである。

以上のように、格納器４８は設定された関数ＦｌｉｍｆおよびＲｌｉｍｆにしたがい、速度検出信号ＶＤに応動した第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを出力する。

なお、本実施形態では、第１制限値の関数Ｆｌｉｍｆおよび第２制限値の関数Ｒｌｉｍｆはそれぞれ、最初に２点を求めて、それらを直線で結ぶことにより設定したが、より好ましくは各回転速度に応じた制限値を求めて関数ＦｌｉｍｆおよびＲｌｉｍｆとして設定する方がよい。その際設定する関数を求めた関数ＦｌｉｍｆおよびＲｌｉｍｆを越えないように一次式で近似したものを関数ＦｌｉｍｆおよびＲｌｉｍｆとして設定してもよい。

また、図１６に示すように格納器４８は外部入力端子４９を備えてもよい。格納器４８はその外部端子４９より速度検出信号ＶＤに応じた第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを入力し、入力した第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍをそのまま制限出力器４７に出力する。また、外部入力端子４９によりゲイン信号を入力してもよく、第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを入力したゲイン信号によりゲイン調整して出力するようにしてもよい。このように構成することにより、速度検出信号ＶＤに応じて第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを調整することが可能となる。

さらに、本実施形態では、速度検出信号ＶＤにより、第１制限値Ｆｌｉｍと第２制限値Ｒｌｉｍを共に可変させることとしたが、第１制限値Ｆｌｉｍのみを、もしくは第２制限値Ｒｌｉｍのみを可変させるようにしてもよいことは言うまでもない。

その他、本発明の趣旨を変えずして種々の変更が可能であり、そのような構成は本発明に含まれることはいうまでもない。

本発明にかかるモータ駆動装置は、いかなる運転状態においてもスイッチング素子を安全動作領域内で動作させ、定格電流範囲内で最大限に電流を流すことが可能なため、加減速時間を短くできるという効果を有し、パルス幅変調（ＰＷＭ）で駆動するモータ駆動装置等として有用である。

本発明に係るモータ駆動装置の全体構成を示す図である。 モータ駆動装置の電流検出器の回路構成図である。 電流検出器の各部の動作を説明するためのタイミング図である。 トルク指令器内の差動回路と比較器の各部の動作を説明するための図である。 制限器の回路構成図である。 速度検出器の動作特性を説明した図である。 第１状態（正トルク駆動状態）と第２状態（逆トルク駆動状態）において、トルク指令信号が制限値Flim、Rlimにより制限されている様子を説明した図である。 スイッチング制御回路の回路構成図である。 ゲート駆動回路の回路構成図である。 ゲート駆動回路の各部の動作を説明するためのタイミング図である。 トルク指令信号が、速度に応じて可変な制限値Flim、Rlimにより制限されている様子を説明した図である。 回転速度に応じて可変な第１制限値Flim及び第２制限値Rlimを直線近似により求める様子を説明した図である。 回転速度に応じて階段状に変化する第１制限値Flimfs及び第２制限値Rlimfsを説明した図である。 回転速度に応じて階段状に変化する第１制限値Flimfd及び第２制限値Rlimfdを説明した図である。 第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍを連続的に可変出力することの利点を説明するための図である。 速度検出信号に応じた第１制限値Ｆｌｉｍおよび第２制限値Ｒｌｉｍ等を入力するための外部入力端子を備えた格納器を示した図である。

符号の説明

１：直流電源
５：モータ
２０：電力供給器
３０：スイッチング制御回路
４０：トルク指令器
４２：差動回路
４３：比較器
４４：制限器
４６：速度検出器
５０：電流検出器

Claims (14)

1. モータに電力を供給する電力供給手段と、
   前記電力供給手段の電流を検出する電流検出手段と、
   トルク指令信号を出力するトルク指令手段と、
   前記トルク指令信号と前記電流検出手段の電流検出信号の差に応じて前記電力供給手段の通電を制御するスイッチング制御手段とを備え、
   前記トルク指令手段は、指令信号と基準電圧の差に応じた信号を出力する差動手段と、該差動手段の出力を制限しトルク指令信号として出力する制限手段とを含み、
   該制限手段は、前記基準電圧に対して前記指令信号が小さい状態を第１状態とし、前記基準電圧に対して前記指令信号が大きい状態を第２状態とし、前記差動手段の出力の上限を前記第１状態では第１制限値で制限し、前記第２状態では第２制限値で制限し、かつ、前記第１制限値及び第２制限値の少なくとも一つをモータ回転速度に応じて変化させる
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記第１状態で正トルク駆動を行い、前記第２状態で逆トルク駆動を行うことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記トルク指令手段は、モータ速度を検出しモータ速度に略比例した速度検出信号を出力する速度検出手段をさらに備え、該速度検出手段により検出された速度に応じて前記第１及び第２制限値の少なくとも一つを変化させることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
4. 前記トルク指令手段は、前記速度検出信号により示されるモータ速度が大きくなるにつれ前記第１制限値を大きく設定することを特徴とする請求項３記載のモータ駆動装置。
5. 前記トルク指令手段は、前記速度検出信号により示されるモータ速度が大きくなるにつれ前記第２制限値を小さく設定することを特徴とする請求項３記載のモータ駆動装置。
6. 前記トルク指令手段は、前記モータ速度に応じて前記第１制限値および第２制限値の少なくとも一つを階段状に変化させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 前記トルク指令手段は、前記モータ速度に応じて前記第１制限値および第２制限値の少なくとも一つを連続的に変化させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモータ駆動装置。
8. 前記トルク指令手段は、複数の所定のモータ速度毎に前記第１および第２制限値の少なくとも一つをそれぞれ設定することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
9. 前記トルク指令手段は、前記設定された第１および第２制限値を用いてそれぞれの近似式を求め、該近似式にしたがい、モータ速度に応じて前記第１制限値および第２制限値の少なくとも一つを連続的に変化させることを特徴とする請求項８記載のモータ駆動装置。
10. 前記近似式が一次式であることを特徴とする請求項９記載のモータ駆動装置。
11. 前記近似式により算出される制限値が前記設定された第１制限値および第２制限値の値を超えないように、前記近似式が求められることを特徴とする請求項９記載のモータ駆動装置。
12. 所定速度間隔毎に前記近似式で得られる第１制限値および第２制限値よりも低い値を用いて、前記所定速度間隔毎に階段状に変化する第１制限値および第２制限値を設定することを特徴とする請求項１１記載のモータ駆動装置。
13. 前記トルク指令手段はさらに前記近似式を格納する格納手段を含み、前記制限手段は、前記格納手段からモータ速度に応じた前記第１制限値および前記第２制限値を読み出すことを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれか１つに記載のモータ駆動装置。
14. 前記第１制限値及び第２制限値を外部より入力可能とした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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