JP2007104884A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータの広い回転速度範囲に亘る高速応答の印加電圧制御用駆動装置を提供する。
【解決手段】 電気的に出力電圧を可変できる直流電源部と、直流電源部の出力電圧を可変してモータ駆動部に印加する電圧調節器を設け、直流電源部はスイッチング方式として回転指令によってフィードフォワード制御し、電圧調節器はフィードバック制御によってモータへの印加電圧を制御する。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、低速回転から高速回転まで、広い範囲に亘る回転速度を制御できるモータの駆動装置に関する。

モータの回転速度を制御するための従来の一般的な駆動回路の構成を図６と図７に示す。図６において、１は直流電源、３は駆動回路、４は直流ブラシ付モータ、５は回転速度検出器である。回転速度検出器５としては、回転指令が電圧で与えられる場合は一般に速度発電機（ＴＧ）が、回転指令がパルス列で与えられる場合は周波数発電機（ＦＧ）が用いられる。

図６において、回転指令が時計方向回転（ＣＷ）の電圧指令であれば制御回路３３は例えばトランジスタ３１をオンにし、指令電圧と回転速度検出器５の出力電圧が一致するように、トランジスタ３１のゲート電圧を制御する。一方、回転指令が反時計方向（ＣＣＷ）の電圧指令であれば、制御回路３３はトランジスタ３２をオンにし、指令電圧と回転速度検出器５の出力電圧が一致するように、トランジスタ３２のゲート電圧を制御する。

上記回転速度制御において、トランジスタ３１と３２は可変抵抗器として動作するので、パルス性雑音を発生することはない。しかしながら、能動領域で動作しているため消費電力が大きく、最大ではモータへの入力電力と同じ電力がトランジスタで消費される。

トランジスタを可変抵抗器としてではなく、スイッチとして動作させ、そのオン時間を変えることによってモータへの入力電力を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）方式のモータ駆動回路が、トランジスタでの消費電力を減らすために用いられている。

このＰＷＭ方式によるブラシレスモータの駆動回路の代表的な構成を図７に示す。ここでは、回転指令と実際のモータ回転速度との差をとり、その差によってＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を相選択回路を介して３相ブリッジを構成するトランジスタをオン・オフしてモータ各相に分配している。

この構成によれば、トランジスタの消費電力を小さくすることができるが、モータの回転周波数よりもはるかに高い周波数でモータ巻線の電流をオン・オフするので高周波のスパイク電圧を発生する。更に、巻線インダクタンスの小さな高速化対応サーボモータではＰＷＭに起因する電流高調波が増大し、これに伴うキャリア損失による発熱や効率低下が問題となる（例えば、参考文献１および参考文献２）。

参考文献１

小坂 卓、鹿山 透、松井 信行：「スロットレスＰＭモータのロータ部ＰＷＭキャリア損評価法」、電気学会論文誌Ｄ、１２５巻５号、５１１−５１７、２００５年。

参考文献２

田中 大佑、大石 潔：「インダクタンスの小さいＰＭモータにおける無負荷駆動の一手法」、電気学会論文誌、１２５巻９号、８８３−８８４、２００５年。

このＰＷＭによる雑音発生とモータの発熱を避けるために、印加電圧（ＶＭ）制御が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２）。ＶＭ制御ではスイッチング電源を用い、スイッチング電源のスイッチ素子をＰＷＭ信号で駆動することによってモータの回転速度に応じた直流電圧をモータに印加している。

特開平９−９３９７５ 特開２００２−１０６７２

モータのフィードバック制御ループにスイッチング電源を用いる上記ＶＭ制御では、スイッチング電源部の平滑回路の応答遅れのために急激なトルク変動には追随できない。また、スイッチング電源のスイッチとして用いられるトランジスタには立上り時間、立下り時間、遅延時間等による応答遅れがあるため、デューティ比のみによって、例えば１Ｖから１００Ｖにわたる広い電圧範囲をカバーすることは困難である。このことは、スイッチング電源のみを用いるＶＭ制御では、例えば１００ｒｐｍから１００，０００ｒｐｍの、極めて広い範囲にわたる回転速度制御は困難であることを示している。

発明が解決しようとする課題

ここまで述べてきたように、ハーフブリッジ、フルブリッジ、あるいは３相ブリッジを構成するトランジスタをアナログ制御してモータの回転制御を行う方法ではトランジスタの消費電力が大きく発熱による暴走の危険性がある。又、ブリッジを構成するトランジスタのオン・オフ時間を制御するＰＷＭ方式では雑音スパイク電圧の発生、キャリア損によるモータの発熱が問題となる。さらに、ＶＭ制御では応答が遅く極めて広い範囲にわたる回転速度の制御は困難である。

本発明はこのような従来のモータ駆動装置が抱えている問題を解決しようとしてなされたものであり、低消費電力で低雑音、しかも広い範囲にわたる回転速度制御が可能なモータ駆動装置を提供することを目的としている。

問題を解決するための手段

本発明に係るモータ駆動装置のブロック構成を図１に示す。図において、１は直流電源部、２は電圧調節器、３はモータ駆動部、４はモータ、５はモータの動作状態を監視するセンサである。モータ駆動部３は、図６及び図７に示すように、トランジスタブリッジ、励磁方向及び励磁相選択回路等で構成されている。センサ５としては、回転速度検出の場合は速度発電機（ＴＧ）あるいは周波数発電機（ＦＧ）が、トルク検出の場合は電流センサが、回転角度検出の場合はロータリエンコーダが用いられる。

本出願の請求項１に係る発明は図１に示すブロック構成のモータ駆動装置において、直流電源部１を電気的に出力電圧Ｖ_Ｄを可変とし、モータの回転指令に応じて直流電圧をフィードフォワード制御するようにしたものである。又、電圧調節器２は、モータ４の動作状態が回転指令と一致するように、その出力電圧（Ｖ_Ｍ）をフィードバック制御してモータ駆動部３の電源として入力するもので、このフィードフォワード制御とフィードバック制御の組み合わせによって電圧調節器２で過大な電力を消費することなく、広いダイナミックレンジにわたるモータ制御を可能にしたものである。

また、請求項２に係る発明は、図１のブロック構成のモータ駆動装置において、直流電源部１をスイッチング電源とし、そのスイッチとして用いられるトランジスタを駆動するパルスのデューティ比を回転指令に応じて変化させ、回転指令に応じた直流電圧を効率よく出力するようにしたものである。

また、請求項３に係る発明は、直流電源部１がモータの起動に必要な電圧を常に出力しているようにデューティ比の下限を設定するとともに、必要以上の高い電圧を出力することのないようにデューティ比の上限を設けたものであり、これによって素早い起動と過剰な電力消費を避けることができる。

また、請求項４に係る発明は、図１に示すブロック構成のモータ駆動装置において、電圧調節器２を電圧降下型直列レギュレータとし、電圧調節器２、モータ駆動部３、モータ４およびセンサ５によってフィードバック制御系を構成し、これによって低雑音、高精度、高速応答のモータ制御を可能にしたものである。

また、請求項５に係る発明は、図１に示すブロック構成のモータ駆動装置において、電圧降下型直列レギュレータ方式電圧調節器２のパストランジスタの電圧降下が一定になるよう、スイッチング方式直流電源部１のスイッチトランジスタのデュ−ティ比を制御するものであって、低電圧でパストランジスタを線型動作させることによってパストランジスタでの電力消費を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態として実施例を図２から図５に基づいて説明する。なお、図２から図５において、図中の符号は図１に対応させてあり、１は直流電源部、２は電圧調節器、３はモータ駆動部、４はモータ、５はセンサである。

図２は本発明の第一の実施例を示す構成図であって、直流電源部１にはフォワード型スイッチング電源が用いられている。この直流出力電圧Ｖ_Ｄは
Ｖ_Ｄ＝（Ｖ_ＩＮ／ｎ）Ｄ ・・・・・・・・・・（１）
で与えられる。ここで、Ｖ_ＩＮは入力直流電圧、ｎはトランスの１次と２次の巻数比、Ｄはスイッチトランジスタ１１を駆動するパルスのデューティ比である。式（１）から明らかなように、出力電圧Ｖ_Ｄはデューティ比Ｄに比例する。

デューティ比Ｄ対回転速度指令の関係を図３に示す。回転指令が入力されなくてもモータ起動に必要な電圧を出力するようにデューティ比の下限Ｄ_ＭＩＮが、また、モータに定格電圧以上の電圧が印加されないように上限Ｄ_ＭＡＸが設けられている。

図２に戻り、電圧調節器２は線型領域で動作するパストランジスタ２１とゲート制御回路２２から成り、ゲート制御回路２２は回転指令とモータの動作状態が一致するように、パストランジスタ２１のゲート電圧を制御している。本実施例では回転指令は電圧で与えられる回転速度であるので、センサ５は速度発電機（ＴＧ）を用いている。従って、ゲート制御回路２２はオペアンプを用いた差動増幅器で構成されている。

回転速度指令がパルス周波数で与えられる場合には、周波数・電圧変換機によってパルス周波数指令を電圧に変換し、この電圧とＴＧの出力電圧を比較するようにゲート制御回路２２を構成すればよい。あるいは、センサ５として周波数発電機（ＦＧ）を用い、パルス周波数指令とＦＧの出力との位相を比較する位相比較器を用いてゲート制御回路２２を構成してもよい。

図２（Ｂ）に示す直流モータ４の駆動部は、フルブリッジ接続された４つのトランジスタ３１〜３４と回転方向選択回路３５から成り、回転方向選択回路３５は回転方向指令に従って、トランジスタ３１と３３のペア、あるいはトランジスタ３２と３４のペアをオンにして電圧調節器２の出力Ｖ_Ｍをモータ４に印加してモータを指令された速度で回転させる。

図４は本発明の第２の実施例であって、直流ブラシレスモータの駆動装置の構成図である。本実施例で直流電源部１は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである。その出力電圧Ｖ_Ｄは、トランジスタ１１を駆動するパルスのデューティ比をＤ、入力電圧をＶ_ＩＮとすると
Ｖ_Ｄ＝ＤＶ_ＩＮ・・・・・・・・・・（２）
となる。回転速度指令に対するＤの関係は図３に示すように、下限と上限が設けられている。電圧調節器２は図２に示す第１の実施例と同じで、パストランジスタ２１を用いた電圧降下型直列レギュレータであり、ゲート制御回路２２も図２の実施例と同じである。図４（Ｂ）のモータ駆動部３は従来の３相トランジスタブリッジを用いた直流ブラシレスモータの駆動回路と同じ構成である。

図５は本発明の第３の実施例であって、直流ブラシ付モータ駆動装置の直流電源部１と電圧調節器２の構成図である。直流電源部１は図４に示す降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを基にしているが、電圧調節器２と帰還制御系を形成し、パストランジスタ２１の電圧降下がモータの回転に拘わらず常に一定となるように、直流電源部１のトランジスタ１１の駆動パルス幅を制御している。即ち
ＤＶ_ＩＮ−Ｖ_Ｍ＝一定・・・・・・・・・・（３）
となるよう、デューティ比Ｄを制御している。モータ駆動部は図２に示す第１の実施例と同じであり、電圧調節器２とモータ駆動部およびモータに取り付けられたセンサとで速度制御ループを形成している。本実施例によれば、過大な熱損失を伴うことなくモータの広い回転速度範囲に亘ってパストランジスタを線型動作させることができる。

発明の効果

以上述べたように、本発明によれば、極めて効率よく、広い回転速度範囲に亘るモータの印加電圧制御が可能である。特に、制御に用いる半導体素子やモータの発熱を避けることができるので、本発明はモータ駆動装置を構成する上で極めて有用である。

本発明のモータ駆動装置のブロック図 本発明の第１の実施例：直流ブラシ付モータの駆動装置の構成 回転指令対デューティ比の関係 本発明の第２の実施例：直流ブラシレスモータの駆動装置の構成 本発明の第３の実施例：パストランジスタの電圧降下を一定とする帰還系の構成 直流モータの駆動回路例 直流ブラシレスモータの駆動回路例

符号の説明

１ 直流電源部
２ 電圧調節器
３ モータ駆動部
４ モータ
５ 回転センサ

Claims (5)

1. 電気的に出力電圧を可変できる直流電源部と、該直流電源部の出力電圧を電気的に制御して出力する電圧調節器を備え、モータ駆動回路を介して該電圧調節器の出力電圧をモータに印加するモータ駆動装置であって、該直流電源部の出力電圧はモータ回転指令によってフィードフォワード制御し、該電圧調節器の出力電圧はモータの動作状態をフィードバックして制御することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記直流電源部はトランジスタをスイッチとして用いるスイッチング方式の直流電源であって、トランジスタをオン・オフするパルスのデューティ比を回転指令によって変えることによって該直流電源部の出力電圧をフィードフォワード制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 請求項２に記載の直流電源部において、スイッチを駆動するパルスのデューティ比に下限と上限を設けることを特徴とするスイッチ駆動方法。
4. 前記電圧調節器は電圧降下型直列レギュレータであり、モータ駆動部とモータとで閉ループのサーボ制御系を形成してフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 請求項４に記載の電圧降下型直列レギュレータ方式電圧調節器のパストランジスタの電圧降下が一定となるようにスイッチング方式直流電源部のデューティ比を制御することを特徴とするモータ駆動装置。

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