JP2006094666A - モータ駆動装置及びモータ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのブレーキ制御または減速制御時に、電源電圧が接続素子の耐圧以上に上昇することによる素子の破壊を防止する。
【解決手段】外部トルク指令電圧と第１の電源１の２つの電圧を検出及び判定する電圧検出判定回路４により、ブレーキ制御及び高速回転から低速回転への減速制御である電圧であることを検出し、かつ第１の電源１の電圧が所定の閾値以上に上昇したことを検出し、この検出判定結果から、回生電流が第１の電源１に流れないようにパワートランジスタのシンク電流を通電させるパワートランジスタをすべてオンさせる制御、またはパワートランジスタのソース電流を通電させるパワートランジスタをすべてオンさせる制御を行うことにより、第１の電源１の電圧が過度に上昇することを防ぎ、素子の破壊を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部トルク指令電圧によるモータのブレーキ制御または高速回転から低速回転への減速制御時に、電源電圧が接続素子の耐圧以上に上昇して素子を破壊することを防止するため、パワートランジスタ部への出力段を制御する過電圧保護機能を有しＰＷＭ制御されるモータ駆動装置及びモータ駆動方法に関するものである。

従来のこの種のモータ駆動装置は、図４に示したように構成されている。図４に示すように、モータを駆動する第１の電源１と、第１の電源１の電圧より低い第２の電源２と、パワートランジスタ部５と、モータ６と、モータ６から第２の電源２に流れる電流を検出する電流検出抵抗７と、電流検出抵抗７の両端電圧を増幅する増幅器８と、外部トルク指令電圧と増幅器８の出力を比較する比較器３と、比較器３の出力からパワートランジスタ部５を制御する通電信号を作成する制御信号作成部４で構成されている。

前記従来のモータ駆動装置は、外部トルク指令電圧によりモータ６に流れる電流を制御して、モータ６の回転速度の制御が可能である。外部トルク指令電圧が外部トルク指令の基準電圧より大きいと加速制御し、これに対し、外部トルク指令電圧が加速制御とは反対に、基準電圧より小さいとブレーキ制御となる。
特開平１０−２６２３７６号公報

しかしながら、このような構成のモータ駆動装置は、外部トルク指令電圧でブレーキ制御を行った時、第１の電源の電圧が過度に上昇して、第１の電源に接続された素子の耐圧を超えてしまい、接続された素子が破壊されるという課題がある。

このブレーキ制御は、定常回転から全パワートランジスタがオフの状態後にブレーキ制御となる。全パワートランジスタがオフの状態の時、モータ回転時に必要であった電流が余る。その後、ブレーキ制御となり、ブレーキ制御にて相殺されない電流が余る。また、外部トルク指令電圧により高速回転から低速回転への減速制御を行った時、モータが高速回転時に必要であった電流の内、低速回転時に必要な電流を除いた電流が余る。前記２つの場合、余った電流が回生電流となり、フライホイールダイオードを介して第１の電源に流れ、第１の電源の電圧が過度に上昇することになる。

そこで、特許文献１に記載されるような過電圧により素子を破壊しうる電圧になる前の所定の電圧に達したことを検出した時に、電圧を急速に降下させると同時に電力供給を停止する接触器を備えた放電回路がある。従来のモータ駆動装置にこの放電回路を用いても、第１の電源の電圧のみ検出しているため、外部ノイズの影響により放電回路が誤動作するという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、外部トルク指令電圧によるモータのブレーキ制御または減速制御時に、電源電圧が接続素子の耐圧以上に上昇して素子を破壊することを防止するため、パワートランジスタ部への出力段を制御する過電圧保護機能を有するモータ駆動装置及びモータ駆動方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、モータを駆動する電源と、外部からのトルク指令電圧に応じて通電信号を作る制御信号作成部と、モータに電流を流すパワートランジスタ部と、電流検出抵抗によりモータに流れる電流を検出する電流検出部とからなるモータ駆動装置において、トルク指令電圧の電圧値と電源の電圧値を検出及び判定する電圧検出判定回路を備え、電圧検出判定回路の出力に応じて制御信号作成部を介してパワートランジスタ部を制御することを特徴とする。

また、モータ駆動方法は、モータを駆動する電源と、外部からのトルク指令電圧に応じて通電信号を生成し、通電信号にてモータに駆動電流を流し、モータに流れる電流を検出するモータ駆動方法において、トルク指令電圧の電圧値と電源の電圧値を検出し、検出の結果に応じてモータに流れる電流を制御することを特徴とする。

前記の構成及び方法によれば、外部のトルク指令電圧と電源の電圧値を検出及び判定する電圧検出判定回路の出力に応じてパワートランジスタ部を制御し、電源電圧が接続素子の耐圧以上に上昇して素子を破壊することを防止することができる。

本発明によれば、ＰＷＭ制御によるモータ駆動装置及び方法において、外部トルク指令電圧と電源の電圧を検出及び判定する電圧検出判定回路の出力に応じて、回生電流を電源に流れないようにパワートランジスタを制御し、ノイズの影響を受けることなく、電源の電圧が過度に上昇したことを検出し、素子の破壊を防ぐことができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の概略構成を示す図である。ここで、前記従来例を示す図４において説明した構成要件に対応して同等の機能を有するものには同一の符号を付す。

図１に示すように、モータを駆動する第１の電源１と、第１の電源の電圧より低い第２の電源２と、パワートランジスタ部５と、モータ６と、モータ６から第２の電源２に流れる電流を検出する電流検出抵抗７と、電流検出抵抗７の両端電圧を増幅する増幅器８と、外部トルク指令電圧と増幅器８の出力を比較する比較器３と、外部トルク指令電圧と第１の電源の電圧を検出し、判定結果を出力する電圧検出判定回路９と、比較器３の出力と電圧検出判定回路９の出力からパワートランジスタ部５を制御する信号を作成する制御信号作成部４で構成されている。

制御信号作成部４は、比較器３と電圧検出判定回路９の出力を入力とし、モータ６を駆動させるためにパワートランジスタ部５に制御信号を出力するものである。外部トルク指令電圧からモータ６のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に各相に通電させる駆動信号を作成しパワートランジスタ部５を制御する。また制御信号作成部４は、電流検出抵抗７によりモータ６に流れる電流を検出する電流検出部をなす増幅器８の検出結果によりモータ６の該当する相に外部トルク指令電圧に応じた目標電流値が流れた時、パワートランジスタ部５に通電を停止する信号を出力する。

電圧検出判定回路９は、外部トルク指令電圧にてモータ６がブレーキ制御または高速回転から低速回転への減速制御であることと、第１の電源の電圧が所定の閾値以上であることを検出し、前記外部トルク指令電圧の電圧値と第１の電源の電圧値の検出結果を出力する。

モータ６は、Ｕ相に相当するモータコイルＬ１と、Ｖ相に相当するモータコイルＬ２と、Ｗ相に相当するモータコイルＬ３で構成され、コイルＬ１とコイルＬ２とコイルＬ３の一方は３端子がすべて接続され、他方は、各相に相当するパワートランジスタ部５の出力に接続されている。

パワートランジスタ部５は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のモータコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３に対してそれぞれ対応する３つのハーフブリッジ回路で構成されている。Ｕ相のモータコイルＬ１に通電制御を行うハーフブリッジ回路は、ソース電流の通電制御を行うパワートランジスタＴｒ１とシンク電流の通電制御を行うパワートランジスタＴｒ２で構成されている。同様に、Ｖ相のモータコイルＬ２に通電制御を行うハーフブリッジ回路は、ソース電流の通電制御を行うパワートランジスタＴｒ３とシンク電流の通電制御を行うパワートランジスタＴｒ４で構成され、Ｗ相のモータコイルＬ３に通電制御を行うハーフブリッジ回路は、ソース電流の通電制御を行うパワートランジスタＴｒ５とシンク電流の通電制御を行うパワートランジスタＴｒ６で構成されている。

前記パワートランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５及びＴｒ６のソースとドレイン間には、モータ回転時にそれぞれのパワートランジスタがオフした時、コイル端子電圧が過度に上昇することを抑えるため、電流が回生するようにダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５及びＤ６がそれぞれ接続されている。

以下に、外部トルク指令電圧を加速側から基準電圧を超えて減速側の電圧としたブレーキ制御である動作について説明する。

ここで１例として、Ｕ相からＶ相及びＷ相に電流が流れている定常回転時に、外部トルク指令電圧をブレーキ制御となる電圧にして制御を行った時、発生した電流が第１の電源に流れる時の回生状態を第１の回生と定義し、この第１の回生状態となった時のモータに流れる第１の回生電流を説明する。

ブレーキ制御時は、定常回転からブレーキ状態になるまでに、パワートランジスタがすべてオフしている状態があるため、モータ６に流れる回生電流は第２の電源２から電流検出抵抗７とフライホイールダイオードであるダイオードＤ２を介しモータ６のＵ相に流れ、この回生電流はＶ相からダイオードＤ３（フライホイールダイオード）もしくはＷ相からダイオードＤ５（フライホイールダイオード）を介し第１の電源１に流れ、第１の電源１の電圧が上昇する。

また、第１の電源１から２つの相に対応するソース電流の通電制御をするパワートランジスタと、残る相のシンク電流を制御するパワートランジスタがオンしている状態から、第１の回生となった場合も、回生電流が第１の電源１に流れ、第１の電源１の電圧が過度に上昇する。

同様に、モータが回転している状態から、外部トルク指令電圧にて高速回転から低速回転への減速制御を行った状態を以下に説明する。

外部トルク指令電圧にて高速回転から低速回転に減速制御した時、低速回転に必要な電流は、モータ定常回転時にモータ６に流れていた電流と比較すると電流が余るため、第１の回生状態となる。このため、外部トルク指令電圧にて高速回転から低速回転への減速制御後、低速回転に必要な電流以外は、回生電流となりフライホイールダイオードを介して、第１の電源１に流れ、前述のブレーキ制御時と同様に第１の電源１の電圧が過度に上昇する。

本実施の形態である、外部トルク指令電圧がブレーキ制御及び高速回転から低速回転への減速制御になる電圧であり、かつ第１の電源１の電圧が所定の閾値より上昇した時の電圧を検出する電圧検出判定回路９の動作を以下に説明する。

従来の回路では回生電流が第１の電源１に流れ、第１の電源１の電圧が過度に上昇する。本実施の形態においては、外部トルク指令電圧がブレーキ制御及び高速回転から低速回転への減速制御になる電圧であることを検出し、かつ制御時に発生する回生電流が第１の電源１に流れて、第１の電源１の電圧が電圧検出判定回路９で所定の閾値以上に上昇したことを検出し、制御信号作成部４に電圧検出判定結果を出力する。この電圧検出結果により、回生電流が第１の電源１の電圧に流れないようにパワートランジスタ部５を制御する。

前述の１例として、モータ６に流れる回生電流が第２の電源２から電流検出抵抗７とフライホイールダイオード（ダイオードＤ２）を介しモータ６のＵ相に回生電流が流れ、この回生電流はＶ相からフライホイールダイオード（ダイオードＤ３）もしくはＷ相からフライホイールダイオード（ダイオードＤ５）を介し第１の電源１に流れ、第１の電源１の電圧が過度に上昇した時、パワートランジスタ部５のシンク電流の通電を行うパワートランジスタＴｒ２，Ｔｒ４及びＴｒ６をすべてオンさせ、パワートランジスタ部５のソース電流の通電を行うパワートランジスタＴｒ１，Ｔｒ３及びＴｒ５をオフさせる制御時について説明する。

ブレーキ制御及び高速回転から低速回転への減速制御にて発生した回生電流は、シンク電流の通電を行うパワートランジスタＴｒ２，Ｔｒ４及びＴｒ６がすべてオンしているため、第２の電源２から電流検出抵抗７とパワートランジスタＴｒ２を介しモータ６のＵ相に流れ、回生電流はＶ相からパワートランジスタＴｒ４及びＷ相からパワートランジスタＴｒ６を介して、パワートランジスタＴｒ２へと回生電流が戻る。

同様に、第１の電源１に回生電流が流れ、第１の電源１の電圧が上昇し、パワートランジスタ部５のシンク電流の通電を行うパワートランジスタＴｒ２，Ｔｒ４及びＴｒ６をすべてオンさせ、ソース電流の通電を行うパワートランジスタをオフさせた制御を行うと、回生電流はオンしたシンク電流の通電を行うパワートランジスタからモータ６を通り、異なる相のオンしたシンク電流の通電を行うパワートランジスタに流れた後、元のパワートランジスタに戻る。このため、第１の電源１には回生電流が流れることなく、第１の電源１の電圧も上昇しないため、素子の破壊も発生しない。

次に、電圧検出判定回路９にて外部トルク指令電圧が減速制御範囲内の電圧であることを検出し、かつ減速制御時に発生する回生電流が第１の電源１に流れ、第１の電源１の電圧が電圧検出判定回路９の所定電圧以上に上昇したことを検出し、回生電流が第１の電源１に流れないようにシンク電流の通電を行うパワートランジスタＴｒ２，Ｔｒ４及びＴｒ６がすべてオンしている状態で第１の電源１に回生電流が流れない回生状態を第２の回生と定義する。

前述の１例では、ブレーキ制御時にて第１の電源１の電圧が上昇し、電圧検出判定回路９が動作した時を述べているが、高速回転から低速回転への減速制御時でも同様の効果を得ることができる。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はブレーキ制御時の各波形を示すタイミングチャートである。図２（ａ）は外部トルク指令電圧波形（本例では、外部トルク指令電圧が基準電圧より大きい時に加速し、小さい時に減速する）、（ｂ）はモータの回転速度波形、（ｃ）は本実施の形態における高速回転からブレーキ制御を行った時の第１の電源の電圧波形、（ｄ）は従来方式にて高速回転からブレーキ制御を行った時の第１の電源の電圧波形を示している。

また、図２において、区間ａは定常（高速）回転区間、区間ｂはブレーキ制御指令開始後の全パワートランジスタがオフの区間、区間ｃは減速区間、区間ｄはモータ停止状態の区間である。さらに、１０はブレーキ制御指令の開始点、１１は外部トルク指令電圧の基準電圧、１２は本実施の形態において高速回転からブレーキ制御を行った時の第１の電源の電圧波形、１３は電圧検出判定回路の所定電圧、１４は定常回転時の第１の電源の電圧である。

ブレーキ制御時は、外部トルク指令電圧の基準電圧１１を超えて加速側から減速側に制御するため、定常回転から全パワートランジスタのオフ区間を経て、ブレーキ制御となる。図２の区間ｂにおける全パワートランジスタがオフの区間では、第１の回生状態であるため、従来方式では、第１の電源１の電圧が上昇し、第１の電源１に接続されている素子が破壊される（図２（ｄ）参照）。本実施の形態では、電圧検出判定回路９により外部トルク指令電圧がブレーキ制御であることと、第１の電源１の電圧が所定の電圧を超えたことを検出及び判定し、シンク電流を通電するパワートランジスタをすべてオンさせて、回生電流を第１の電源１に流れないように制御を行う（図２（ｃ）参照）。

また、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は高速回転から低速回転への減速制御時の各波形を示すタイミングチャートである。図３（ａ）は外部トルク指令電圧波形、（ｂ）はモータの回転速度波形、（ｃ）は本実施の形態における高速回転から低速回転への減速制御を行った時の第１の電源の電圧波形、（ｄ）は従来方式にて高速回転から低速回転への減速制御を行った時の第１の電源の電圧波形を示している。

また、図３において、区間ａは定常（高速）回転区間、区間ｂは減速区間、かつ第１の回生区間、区間ｃは減速区間、区間ｄは低速回転区間である。さらに、１１は外部トルク指令電圧の基準電圧、１３は電圧検出判定回路の所定電圧、１４は定常回転時の第１の電源の電圧、１６は低速回転制御指令の開始点である。

図３の区間ｂでは高速回転から低速回転への減速制御後のモータ回転速度が必要とする電流より回生電流の方が多く余っているため、第１の回生状態となっている。このため、前記ブレーキ制御時と同様に、従来方式では、第１の電源の電圧が過度に上昇し、第１の電源に接続されている素子が破壊される（図３（ｄ）参照）。本実施の形態では、ブレーキ制御時と同様に、電圧検出判定回路にて外部トルク指令電圧をモータの回転速度が高速回転から低速回転に相当する電圧であることと、第１の電源の電圧が所定の電圧を超えたことを検出及び判定し、シンク電流を通電するパワートランジスタをすべてオンさせ、回生電流を第１の電源に流れないようにパワートランジスタを制御し、第１の電源の電圧の上昇を抑える（図３（ｃ）参照）。

また同様に、電圧検出判定回路にて外部トルク指令電圧がブレーキ制御及び高速回転から低速回転への減速制御であることと、第１の電源の電圧が所定の電源電圧を超えたことを検出した時、ソース電流を通電制御するパワートランジスタＴｒ１，Ｔｒ３及びＴｒ５をすべてオンする制御を行っても同様の効果を得ることができる。

なお、前述した実施の形態における外部トルク指令電圧と外部トルク指令の基準電圧の大小関係と加速及び減速制御の関係は反対でもよい。

本発明に係るモータ駆動装置は、外部トルク指令電圧と第１の電源の電圧における電圧検出判定回路の判定に応じて、ノイズの影響を受けることなく、モータのブレーキ制御または減速制御時に、回生電流が第１の電源に流れないようにパワートランジスタ部を制御して、第１の電源の電圧が接続素子の耐圧以上の上昇による素子の破壊を防止し、パワートランジスタ部への出力段を制御した過電圧保護機能として有用である。

本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の概略構成を示した図 モータ駆動装置のブレーキ制御時のタイミングチャートで、（ａ）は外部トルク指令電圧波形、（ｂ）はモータの回転速度波形、（ｃ）は本実施の形態におけるブレーキ制御時の第１の電源の電圧波形、（ｄ）は従来方式にてブレーキ制御時の第１の電源の電圧波形を示す図 モータ駆動装置の高速回転から低速回転への減速制御時のタイミングチャートで、（ａ）は外部トルク指令電圧波形、（ｂ）はモータの回転速度波形、（ｃ）は本実施の形態における減速制御時の第１の電源の電圧波形、（ｄ）は従来方式にて減速制御時の第１の電源の電圧波形を示す図 従来のモータ駆動装置の概略構成を示した図

符号の説明

１ 第１の電源
２ 第２の電源
３ 比較器
４ 制御信号作成部
５ パワートランジスタ部
６ モータ
７ 電流検出抵抗
８ 増幅器
９ 電圧検出判定回路
１０ ブレーキ制御指令の開始点
１１ 外部トルク指令電圧の基準電圧
１３ 電圧検出判定回路の所定電圧
１４ 定常回転時の第１の電源の電圧
１６ 低速回転制御指令の開始点

Claims (2)

1. モータを駆動する電源と、外部からのトルク指令電圧に応じて通電信号を生成する制御信号作成部と、前記通電信号に応じた駆動電流を前記モータに流すパワートランジスタ部と、電流検出抵抗により前記モータに流れる電流を検出する電流検出部とからなるモータ駆動装置において、
   前記トルク指令電圧の電圧値と前記電源の電圧値を検出及び判定する電圧検出判定回路を備え、前記電圧検出判定回路の出力に応じて前記制御信号作成部を介して前記パワートランジスタ部を制御することを特徴とするモータ駆動装置。
2. モータを駆動する電源と、外部からのトルク指令電圧に応じて通電信号を生成し、前記通電信号にて前記モータに駆動電流を流し、前記モータに流れる電流を検出するモータ駆動方法において、
   前記トルク指令電圧の電圧値と前記電源の電圧値を検出し、前記検出の結果に応じて前記モータに流れる電流を制御することを特徴とするモータ駆動方法。

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