JP2016509464A - ブラシレスモータ用の駆動回路 - Google Patents

Abstract

交流電圧を伝達する電力線と、電力線間に並列に接続された１つまたは複数の接続部を備えるインバータと、コントローラとを備えるブラシレスモータ用の駆動回路。インバータの各接続部は、モータの巻線に接続されており、１つまたは複数の双方向スイッチを備える。次いで、コントローラは、スイッチを制御する制御信号を出力する。より具体的には、コントローラは、モータの巻線を励磁する制御信号を出力する。制御信号は、交流電圧の正の半サイクル中は１対のスイッチを一方の方向で導通させ、交流電圧の負の半サイクル中は反対の方向で導通させる。別法として、制御信号は、交流電圧の正の半サイクル中は第１の対のスイッチを導通させ、交流電圧の負の半サイクル中は第２の対のスイッチを導通させ、したがって巻線は、交流電圧の極性にかかわらず同じ方向に励磁される。

Description

本発明は、ブラシレスモータ用の駆動回路に関する。

ブラシレスモータは、概して、モータの相巻線の励磁を制御する駆動回路を含む。交流電圧によって電力供給されるとき、駆動回路は、整流器、能動力率補正（ＰＦＣ）段、およびバルクキャパシタを含むことが多い。集合的に、整流器、能動ＰＦＣ段、およびバルクキャパシタは、相巻線の励磁に使用するために、比較的安定した直流電圧を出力する。しかし、能動ＰＦＣ段は、比較的高価である。加えて、バルクキャパシタの容量は比較的大きく、したがってキャパシタは大型で高価である。

国際公開第２０１１／１２８６５９号には、相巻線の励磁を制御する新規な方法を記載されている。具体的には、相巻線は、交流電圧の各半サイクル中に変動する期間にわたって励磁される。その結果、電源から引き込まれる電流は正弦曲線の電流に近づき、能動ＰＦＣ段または大容量のバルクキャパシタを必要としない。

本発明は、交流電圧を伝達する電力線と、電力線間に並列に接続された１つまたは複数の接続部を備え、各接続部が、モータの巻線に接続され、１つまたは複数の双方向スイッチを備える、インバータと、スイッチを制御する１つまたは複数の制御信号を出力するコントローラとを備えるブラシレスモータ用の駆動回路であって、コントローラが、交流電圧の各半サイクル中に各スイッチを複数回オンおよびオフにするための制御信号を出力し、コントローラが、モータの巻線を励磁するための制御信号を出力し、これらの制御信号が、交流電圧の正の半サイクル中は１対のスイッチを第１の方向で導通させ、交流電圧の負の半サイクル中は第２の反対の方向で導通させる、駆動回路を提供する。

両方向に制御することができる双方向スイッチを用い、電力線上で伝達される交流電圧の極性に依存する方向にスイッチを導通させる制御信号を生成することによって、駆動回路は、交流電圧を使用して相巻線を励磁することが可能であり、整流器または大容量のバルクキャパシタを必要としない。その結果、より小型で場合によってはより安価な駆動回路を実現することができる。

コントローラは、交流電圧の正の半サイクル中、第１の対のスイッチをオンにして巻線を励磁し、それによって巻線を通る電流を特定の方向に駆動することができ、コントローラは、交流電圧の負の半サイクル中、第２の異なる対のスイッチをオンにして巻線を励磁し、それによって巻線を通る電流を同じ特定の方向に駆動することができる。したがって、駆動回路は、交流電圧の正と負の両方の半サイクル中、同じ方向に巻線を励磁することが可能である。

コントローラは、巻線をフリーホイールにするための制御信号を出力することができる。次いで、これらの制御信号は、交流電圧の正の半サイクル中、１対のスイッチの一方を第１の方向で導通させ、１対のスイッチの他方を第２の反対の方向で導通させ、それによって巻線を通る電流を特定の方向にフリーホイールにすることができる。さらに、制御信号は、交流電圧の負の半サイクル中、１対のスイッチの一方を第２の方向で導通させ、１対のスイッチの他方を第１の方向で導通させ、それによって巻線を通る電流を同じ特定の方向にフリーホイールにすることができる。したがって、駆動回路は、交流出力電圧の正と負の両方の半サイクル中、巻線を同じ方向にフリーホイールにすることが可能である。加えて、必要な場合、駆動回路は、交流電圧の極性にかかわらず、両方向に巻線を励磁してフリーホイールにすることが可能である。

本発明は、交流電圧を伝達する電力線と、電力線間に並列に接続された１つまたは複数の接続部を備え、各接続部が、モータの巻線に接続され、１つまたは複数の双方向スイッチを備える、インバータと、スイッチを制御する１つまたは複数の制御信号を出力するコントローラとを備えるブラシレスモータ用の駆動回路であって、コントローラが、交流電圧の各半サイクル中に各スイッチを複数回オンおよびオフにするための制御信号を出力し、コントローラが、交流電圧の正の半サイクル中、第１の対のスイッチをオンにして巻線を励磁し、それによって巻線を通る電流を特定の方向に駆動し、コントローラが、交流電圧の負の半サイクル中、第２の異なる対のスイッチをオンにして巻線を励磁し、それによって巻線を通る電流を同じ特定の方向に駆動する、駆動回路をさらに提供する。

両方向に制御することができる双方向スイッチを用いることによって、駆動回路は、交流電源を使用してモータを駆動することが可能であり、整流器または大容量のバルクキャパシタを必要としない。したがって、場合によってはより安価で、より小さく、かつ／またはより効率的な駆動回路を実現することができる。

駆動回路は、交流電圧の正の半サイクル中は第１の対のスイッチをオンにし、交流電圧の負の半サイクル中は第２の対のスイッチをオンにする。その結果、駆動回路は、交流電圧の正と負の両方の半サイクル中、巻線を同じ方向に励磁することが可能である。したがって、駆動回路は、たとえば交流電圧の正の半サイクル中は第１の対のスイッチのみがオンにされ、かつ交流電圧の負の半サイクル中は第２の対のスイッチのみがオンにされる場合、単極性の励磁に使用することができる。別法として、駆動回路は、交流電圧の各半サイクル中に第１の対のスイッチと第２の対のスイッチの両方が順次オンにされる場合、両極性の励磁に使用することができる。

コントローラは、巻線をフリーホイールにするための制御信号を出力することができる。次いで、これらの制御信号は、交流電圧の正の半サイクル中、１対のスイッチの一方を第１の方向で導通させ、１対のスイッチの他方を第２の反対の方向で導通させ、それによって巻線を通る電流を特定の方向にフリーホイールにすることができる。さらに、制御信号は、交流電圧の負の半サイクル中、１対のスイッチの一方を第２の方向で導通させ、１対のスイッチの他方を第１の方向で導通させ、それによって巻線を通る電流を同じ特定の方向にフリーホイールにすることができる。したがって、駆動回路は、交流出力電圧の正と負の両方の半サイクル中、巻線を同じ方向にフリーホイールにすることが可能である。加えて、必要な場合、駆動回路は、交流電圧の極性にかかわらず、両方向に巻線を励磁してフリーホイールにすることが可能である。

コントローラは、交流電圧の正の半サイクル中、第１の対のスイッチの少なくとも１つのスイッチを複数回オンおよびオフにすることができ、コントローラは、交流電圧の負の半サイクル中、第２の対のスイッチの少なくとも１つのスイッチを複数回オンおよびオフにすることができる。次いで、これにより、交流電圧の各半サイクル中に巻線を複数回励磁することが可能になる。したがって、巻線内の電流が閾値を超過した場合でも、各対からのスイッチの一方をオフにして励磁を中断することができる。このとき、他方のスイッチはオンのままにして、巻線内の電流がスイッチを通ってフリーホイールになることを可能にすることができる。加えて、または別法として、駆動回路が両極性の励磁に使用される場合、第１の対（または第２の対）の両方のスイッチをオフにすることができ、第２の対（または第１の対）の両方のスイッチをオンにして、巻線を整流することができる。

本発明はまた、先行する段落のいずれか１つに記載のブラシレスモータおよび駆動回路を備えるモータシステムを提供する。

本発明をより容易に理解することができるように、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら例として次に説明する。

本発明によるモータシステムのブロック図である。 モータシステムの概略図である。 モータシステムのコントローラによって発行される制御信号に応答して可能になるインバータのスイッチの状態の詳細図である。 励磁中のコントローラの制御信号に応答してインバータおよびモータの相巻線を通る電流の方向を示す図である。 フリーホイール中のコントローラの制御信号に応答してインバータおよび相巻線を通る電流の方向を示す図である。 本発明による代替モータシステムの概略図である。

図１および図２のモータシステム１は、ブラシレスモータ２および駆動回路３を備える。モータシステム１は、家庭用電源などの交流電源４によって電力供給されるものである。

モータ２は、永久磁石の回転子５と、単相巻線７を有する固定子６とを備える。

駆動回路３は、１対の電力線８、９、フィルタ１０、電圧センサ１１、インバータ１２、電流センサ１３、位置センサ１４、ゲートドライバ１５、およびコントローラ１６を備える。

電力線８、９は、交流電源４の活端子および中性端子に接続されるものとする。したがって、電力線８、９は、交流電圧を伝達する。

フィルタ１０は、キャパシタＣ１およびインダクタＬ１を備える。キャパシタＣ１は、インバータ１２の比較的高いｄｖ／ｄｔスイッチング作用を平滑にする働きをする。加えて、キャパシタＣ１は、整流中にモータ２から抽出されるエネルギーを蓄積する働きをする。キャパシタＣ１は、基本周波数の交流電圧を平滑にする必要はないことが重要である。したがって、比較的低容量のキャパシタを使用することができる。インダクタＬ１は、主にモータ整流から生じるあらゆる残留電流リップルを平滑にする働きをする。この場合も、インダクタＬ１はモータ周波数でリップルを低減させるものであるため、特にモータ２が比較的高速で動作し、または比較的多数の極を有する場合、比較的低インダクタンスのインダクタを使用することができる。

電圧センサ１１は、電力線８、９間に分圧器として配置された１対の抵抗器Ｒ１、Ｒ２を備える。電圧センサ１３は、電力線８、９間の交流電圧の測定値を縮小した値を表す信号ＡＣ＿ＶＯＬＴＳをコントローラ１６へ出力する。

インバータ１２は、電力線８、９間に並列に接続された２つの接続部１２ａ、１２ｂを備える。接続部１２ａ、１２ｂは、相巻線７の反対の端子に接続される。各接続部１２ａ、１２ｂは、直列に配置された２つのスイッチＱ１、Ｑ２およびＱ３、Ｑ４を備える。次いで、各接続部１２ａ、１２ｂは、２つのスイッチ間の接点で相巻線７に接続される。

スイッチＱ１〜Ｑ４は双方向であり、両方向に制御することができる。すなわち、各スイッチＱ１〜Ｑ４は、両方向で導通することが可能であるだけでなく、スイッチを両方向にオンおよびオフにすることもできる。したがって、スイッチＱ１〜Ｑ４は、たとえばボディダイオードまたはＴＲＩＡＣを有するＭＯＳＦＥＴとは異なる。たとえば、ボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴが両方向で導通することが可能であるのに対して、スイッチは、１つの方向のみに制御することができる。ＴＲＩＡＣは、両方向で導通することが可能であり、スイッチがオンにされる（すなわち、トリガされる）点をいずれの方向に制御してもよい。しかし、スイッチがオフにされる点を制御することは可能でない。対照的に、本実施形態のスイッチＱ１〜Ｑ４は、両方向で導通するだけでなく、スイッチＱ１〜Ｑ４がオンおよびオフにされる点を両方向に制御することができる。後述するように、これは、交流電圧の各半サイクル中にスイッチＱ１〜Ｑ４が複数回オンおよびオフになることが必要であるため、重要である。

スイッチＱ１〜Ｑ４は、２つのゲート電極を有する窒化ガリウムのスイッチである。各ゲート電極は、独立して制御可能であり、したがってスイッチをいずれの方向にオンおよびオフにしてもよい。窒化ガリウムのスイッチは、比較的高い降伏電圧を有し、したがって電源電圧で動作するのによく適している。それにもかかわらず、別法として、両方向に制御することが可能な他のタイプの双方向スイッチを使用することもできる。

電流センサ１３は、１対の分流抵抗器Ｒ３、Ｒ４を備え、各抵抗器は、インバータ１２の接続部１２ａ、１２ｂ上に位置する。分流抵抗器Ｒ３、Ｒ４の両端間の電圧は、電流感知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１およびＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２としてコントローラ１６へ出力される。これらの信号は、より詳細に後述するように、励磁中とフリーホイール中の両方で相巻線７内の電流の測定値を提供する。

位置センサ１４は、センサ１４を通る磁束の方向に応じて論理的にハイまたはローのデジタル信号ＨＡＬＬを出力するホール効果センサである。回転子５近傍に位置センサ１４を配置することによって、ＨＡＬＬ信号は、回転子５の角位置の測定値を提供する。

ゲートドライバ１５は、インバータ１２のスイッチＱ１〜Ｑ４をオンおよびオフにすることを担う。コントローラ１６によって出力される制御信号に応答して、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ１〜Ｑ４のゲートを駆動する信号を出力する。

コントローラ１６は、プロセッサ、メモリデバイス、および複数の周辺装置（たとえば、ＡＤＣ、比較器、タイマなど）を有するマイクロコントローラを備える。メモリデバイスは、プロセッサによる実行のための命令、ならびに動作中にプロセッサによって用いられる制御パラメータおよびルックアップテーブルを記憶する。コントローラ１６は、モータシステム１の動作を制御することを担う。電圧センサ１１、電流センサ１３、および位置センサ１４から受け取られる入力信号に応答して、コントローラ１６は、５つの制御信号ＤＩＲ１、ＤＩＲ２、ＤＩＲ３、ＤＩＲ４、およびＦＷを生成して出力する。これらの制御信号は、ゲートドライバ１５へ出力され、ゲートドライバ１５は、それに応答して、インバータ１２のスイッチＱ１〜Ｑ４をオンおよびオフにする。

各スイッチＱ１〜Ｑ４は双方向であり、両方向にオンおよびオフにすることができる。したがって、各スイッチは、３つの可能な状態、すなわち（１）ＯＮで第１の方向で導通する状態、（２）ＯＮで第２の方向で導通する状態、および（３）ＯＦＦで導通しない状態を有する。以下、これらの３つの状態を、それぞれＵＰ、ＤＯＷＮ、およびＯＦＦと呼ぶ。スイッチがＵＰにされたとき、スイッチは、中性線から活線の方向で導通する。逆に、スイッチがＤＯＷＮにされたとき、スイッチは、活線から中性線の方向で導通する。また、スイッチがＯＦＦにされたとき、スイッチは、いずれの方向にも導通しない。

ＤＩＲ１、ＤＩＲ２、ＤＩＲ３、およびＤＩＲ４は、インバータ１２を通り、したがって相巻線７を通る電流の方向を制御するために使用される駆動信号である。ＤＩＲ１が論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ１およびＱ４をＤＯＷＮにする。ＤＩＲ２が論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ２およびＱ３をＤＯＷＮにする。ＤＩＲ３が論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ２およびＱ３をＵＰにする。また、ＤＩＲ４が論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ１およびＱ４をＵＰにする。ＤＩＲ１およびＤＩＲ２は、活線８上の交流電圧が正のときに使用されるものとし、ＤＩＲ３およびＤＩＲ４は、活線８上の交流電圧が負のときに使用されるものとする。ＤＩＲ１がハイに引き上げられ、かつ活線８上の電圧が正のとき、またはＤＩＲ３がハイに引き上げられ、かつ活線８上の電圧が負のとき、電流は、相巻線７を通って左から右の方向に駆動される。逆に、ＤＩＲ２がハイに引き上げられ、かつ活線８上の電圧が正のとき、またはＤＩＲ４がハイに引き上げられ、かつ活線上の電圧が負のとき９、電流は、相巻線７を通って右から左の方向に駆動される。すべての駆動信号ＤＩＲ１〜ＤＩＲ４が論理的にローに引き下げられた場合、インバータ１２のすべてのスイッチＱ１〜Ｑ４はＯＦＦにされる。

ＦＷとは、相巻線７を交流電圧から切断して、相巻線７内の電流がインバータ１２のロー側ループでフリーホイールになることを可能にするために使用されるフリーホイール信号である。したがって、ＦＷが論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、両方のハイ側スイッチＱ１、Ｑ３をＯＦＦにする。次いで、ゲートドライバ１５は、ロー側スイッチＱ２、Ｑ４の一方をＵＰにし、ロー側スイッチＱ２、Ｑ４の他方をＤＯＷＮにする。ロー側スイッチは、電流が励磁中に相巻線７を通って同じ方向に流れ続けるように、ＵＰまたはＤＯＷＮにされる。したがって、ＦＷおよびＤＩＲ１またはＤＩＲ３のいずれかが論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ２をＵＰにし、スイッチＱ４をＤＯＷＮにし、したがって電流は、相巻線７を通って左から右の方向に流れ続ける。逆に、ＦＷおよびＤＩＲ２またはＤＩＲ４のいずれかが論理的にハイに引き上げられたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ２をＤＯＷＮにし、スイッチＱ４をＵＰにし、したがって電流は、相巻線７を通って右から左の方向に流れ続ける。

以下、「設定」および「クリア」という用語を使用して、信号がそれぞれ論理的にハイおよびローにされることを示す。

図３は、コントローラ１６の制御信号に応答して可能になるスイッチＱ１〜Ｑ４の状態を要約する。図４および図５は、それぞれ励磁およびフリーホイール中の異なる制御信号に応答してインバータ１２の状態および相巻線７を通る電流の方向を示す。

相巻線７を特定の方向（たとえば、左から右または右から左）に励磁するために、コントローラ１６はまず、電圧センサ１３によって出力されるＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性を感知する。感知された極性に応答して、コントローラ１６は、相巻線７を必要な方向に励磁するのに必要な駆動信号ＤＩＲ１、ＤＩＲ２、ＤＩＲ３、またはＤＩＲ４を設定する。したがって、たとえば、ＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性が正の場合、コントローラ１６は、ＤＩＲ１を設定して相巻線７を左から右へ励磁し、またはＤＩＲ２を設定して相巻線７を右から左へ励磁する。相巻線７は、相巻線７を通る電流の方向を逆にすることによって整流される。したがって、相巻線７を整流するには、コントローラ１６は、ＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性を感知し、励磁方向を逆にするように駆動信号を変化させる。したがって、たとえば、ＤＩＲ１が現在設定されており、かつＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性が正の場合、コントローラ１６は、ＤＩＲ１をクリアし、ＤＩＲ２を設定する。別法として、ＤＩＲ１が現在設定されており、かつＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性が負の場合、コントローラ１６は、ＤＩＲ１をクリアし、ＤＩＲ４を設定する。概して、整流は、活線８上の電圧が正のときはＤＩＲ１とＤＩＲ２との間のスイッチングを伴い、活線８上の電圧が負のときはＤＩＲ３とＤＩＲ４との間のスイッチングを伴う。しかし、交流電圧におけるゼロ交差では、整流は、ＤＩＲ１とＤＩＲ４との間またはＤＩＲ２とＤＩＲ３との間のスイッチングを伴うことができる。後述する理由のため、相巻線７は、整流直前にフリーホイールにすることができる。したがって、駆動信号を変化させることに加えて、コントローラ１６はまた、フリーホイール信号ＦＷをクリアして、整流時に相巻線７が確実に励磁されるようにする。

過度の電流は、駆動回路３の構成要素（たとえば、スイッチＱ１〜Ｑ４）を損傷し、かつ／または回転子５を減磁することがある。したがって、コントローラ１６は、相巻線７の励磁中、電流感知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１およびＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２を監視する。相巻線７内の電流が電流限界を超過した場合、コントローラ１６は、ＦＷを設定することによって相巻線をフリーホイールにする。フリーホイールはフリーホイール期間にわたって継続し、その間、相巻線７内の電流は、電流限界を下回るレベルまで落ちる。フリーホイール期間が終わると、コントローラ１６は、ＦＷをクリアすることによって相巻線７を再び励磁する。その結果、相巻線７内の電流は、電流限界でチョップされる。

コントローラ１６が特定の制御信号に変化を加えたとき、制御信号を変化させた時点と、関連スイッチが物理的にオンまたはオフになる時点との間には、概して短い遅延が生じる。その結果、インバータ１２の特定の接続部１２ａ、１２ｂ上の両方のスイッチ（Ｑ１、Ｑ３またはＱ２、Ｑ４）がオンにされ、同時に同じ方向で導通することが可能になる。このとき、この短絡は、インバータ１２のその特定の接続部上のスイッチを損傷するはずである。これは、シュートスルーと呼ばれることが多い。したがって、シュートスルーを防止するために、コントローラ１６は、２つの制御信号の変化間に不感時間を用いる。したがって、たとえば、ＤＩＲ１とＤＩＲ２との間のスイッチングを行って相巻線７を整流するとき、コントローラ１６はまず、ＤＩＲ１をクリアし、不感時間にわたって待機し、次いでＤＩＲ２を設定する。不感時間は、ゲートドライバ１５およびスイッチＱ１〜Ｑ４が応答するのに十分な時間を確実に有するようにしながら、性能を最適にするために、理論上可能な限り短く保たれる。

スイッチＱ１〜Ｑ４がオフにされたとき、スイッチを通る電流の突然の変化により電圧の過度現象が生じ、スイッチの定格を超過する可能性がある。したがって、インバータ１２は、過度の過度現象からスイッチＱ１〜Ｑ４を保護する手段を備えることができる。たとえば、インバータ１２は、スイッチＱ１〜Ｑ４のそれぞれと並列に接続されたスナバ（図示せず）、または巻線７と並列に接続された単一のスナバ（この場合も、図示せず）を備えることができる。

モータシステム１の動作について、次に説明する。

コントローラ１６は、回転子５の速度に応じて、３つのモードのうちの１つで動作する。第１の閾値を下回る速度では、コントローラ１６は、静止モードで動作する。第１の閾値を上回るが第２の閾値を下回る速度では、コントローラ１６は、加速モードで動作する。第２の閾値を上回る速度では、コントローラ１６は、定常モードで動作する。回転子５の速度は、ＨＡＬＬ信号の連続するエッジ間の間隔から判定される。以下、この間隔をＨＡＬＬ期間と呼ぶ。

コントローラ１６に電源投入すると、コントローラ１６は、ＨＡＬＬ信号を感知する。コントローラ１６が設定期間内でＨＡＬＬ信号内に２つのエッジを検出しなかった場合、コントローラ１６は、回転子５の速度が第１の閾値を下回ると判定し、コントローラ１６は静止モードに入る。そうでない場合、コントローラ１６は、ＨＡＬＬ信号のさらなるエッジが検出されるまで待機する。次いで、コントローラ１６は、３つのエッジ間の時間間隔を平均して、回転子速度のより正確な測定値を提供する。回転子５の速度が第２の閾値を下回る場合、コントローラ１６は加速モードに入る。そうでない場合、コントローラ１６は定常モードに入る。
静止モード
コントローラ１６は、ＨＡＬＬ信号およびＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性を感知し、正のトルクを生成する方向に相巻線７を励磁する。本議論の目的のため、正のトルクは、ＨＡＬＬ信号が論理的にハイであり、かつ電流が相巻線７を通って左から右へ駆動されるとき、およびＨＡＬＬ信号が論理的にローであり、かつ電流が相巻線７を通って右から左へ駆動されるときに生成されるものとする。次いで、コントローラ１６は、駆動信号ＤＩＲ１〜ＤＩＲ４の１つを設定し、正のトルクを生成する方向に相巻線７を励磁し、したがって回転子５を順方向へ駆動する。したがって、たとえば、ＨＡＬＬ信号が論理的にハイであり、かつＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性が正の場合、コントローラ１６は、ＤＩＲ１を設定し、相巻線７を通って左から右の方向に電流を駆動する。

相巻線７を励磁することで、回転子５が回転させられるはずである。コントローラ１６は、回転子５の極性の遷移を表すエッジがＨＡＬＬ信号に生じるかどうかを監視する。設定期間内にＨＡＬＬエッジが検出されない場合、コントローラ１６は、障害が生じたと判定し、すべての制御信号をクリアすることによってすべてのスイッチＱ１〜Ｑ４をＯＦＦにする。そうでない場合、コントローラ１６は、ＨＡＬＬエッジに応答して相巻線７を整流する。したがって、たとえば、ＤＩＲ１が現在設定されており、かつＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性が正の場合、コントローラは、ＤＩＲ１をクリアし、ＦＷをクリアし、ＤＩＲ２を設定する。相巻線７を整流した後、コントローラ１６は加速モードに入る。
加速モード
加速モード内で動作するとき、コントローラ１６は、ＨＡＬＬ信号のエッジに同期して相巻線７を整流する。各ＨＡＬＬエッジは、回転子５の極性の変化に対応し、したがって回転子５によって相巻線７内に誘導される逆起電力の極性の変化に対応する。したがって、加速モードで動作するとき、コントローラ１６は、逆起電力におけるゼロ交差に同期して相巻線７を整流する。

コントローラ１６は、電流感知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１およびＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２を監視し、相巻線７内の電流が電流限界を超過したときはいつでも、相巻線７をフリーホイールにする。したがって、コントローラ１６は、モータ２の各電気半サイクルにわたって、相巻線７を順次励磁してフリーホイールにする。

コントローラ１６は、各ＨＡＬＬエッジに同期して相巻線７を引き続き整流し、その後、ＨＡＬＬ期間の長さによって判定される回転子５の速度が、第２の閾値を超過する。この時点で、コントローラ１６は定常モードに入る。
定常モード
定常モードで動作するとき、コントローラ１６は、各ＨＡＬＬエッジに対する整流を早め、同期させ、または遅らせることができる。特定のＨＡＬＬエッジに対して相巻線７を整流するために、コントローラ１６は、先行するＨＡＬＬエッジに応答して働く。先行するＨＡＬＬエッジに応答して、コントローラ１６は、ＨＡＬＬ期間Ｔ＿ＨＡＬＬから位相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥを引いて、整流期間Ｔ＿ＣＯＭを得る。

Ｔ＿ＣＯＭ＝Ｔ＿ＨＡＬＬ−Ｔ＿ＰＨＡＳＥ
次いで、コントローラ１６は、先行するＨＡＬＬエッジの後、時間Ｔ＿ＣＯＭで相巻線７を整流する。その結果、コントローラ１６は、位相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥによって後続のＨＡＬＬエッジに対して相巻線７を整流する。位相期間が正の場合、整流はＨＡＬＬエッジの前に行われる（すなわち、整流を早める）。位相期間がゼロの場合、整流はＨＡＬＬエッジで行われる（すなわち、同期整流）。また、位相期間が負の場合、整流はＨＡＬＬエッジ後に行われる（すなわち、整流を遅らせる）。

整流を早めることは、より速い回転子速度またはより大きいシャフト電力が望ましい場合に用いることができ、整流を遅らせることは、より遅い回転子速度またはより小さいシャフト電力が望ましい場合に用いることができる。たとえば、回転子５の速度が増大するにつれて、ＨＡＬＬ期間は減少し、したがって相インダクタンスに関連する時定数（Ｌ／Ｒ）がますます重要になる。加えて、相巻線７内で誘導される逆起電力が増大し、相電流が生じる速度に影響を与える。したがって、電流、したがって電力を相巻線７内へ駆動することがますます困難になる。ＨＡＬＬエッジより先に、したがって逆起電力のゼロ交差より先に相巻線７を整流することによって、供給電圧は逆起電力によって上昇する。その結果、相巻線７を通る電流の方向は、より迅速に逆になる。加えて、相電流が逆起電力を招き、より遅い速度の電流上昇を補償するのを助ける。このとき短期間の負のトルクを生成するが、これは通常、後の正のトルクの利得によって補償されてあまりある。より遅い速度で動作するときは、必要な電流を相巻線７内へ駆動するために整流を早める必要がないことがある。さらに、整流を同期させまたは遅らせることによって、効率の改善を実現することができる。

静止および加速モードで動作するとき、コントローラ１６は、各電気半サイクルの全長にわたって相巻線７を励磁する。対照的に、定常モードで動作するとき、コントローラ１６は、各電気半サイクルの一部のみに及ぶ導通期間Ｔ＿ＣＤにわたって相巻線７を励磁する。導通期間の終わりに、コントローラ１６は、ＦＷを設定することによって相巻線７をフリーホイールにする。次いで、フリーホイールは、コントローラ１６が相巻線７を整流する時間まで、無期限に継続される。静止および加速モードと同様に、コントローラ１６は、電流感知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１およびＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２を監視し、相巻線７内の電流が電流限界を超過したときはいつでも、相巻線７をフリーホイールにする。したがって、コントローラ１６は、導通期間にわたって相巻線７を励磁するものとすることができるが、コントローラ１６は、この導通期間内に相電流を１回または複数回チョップすることができる。

位相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥは、励磁の位相（すなわち、回転子５の角位置に対して相巻線７が励磁される角度）を画定し、導通期間Ｔ＿ＣＤは、励磁の長さ（すなわち、相巻線７が励磁される角度）を画定する。コントローラ１６は、回転子５の交流電圧（瞬時値、実効値、もしくはピークピーク値とする）または速度の変化に応答して、位相期間および／または導通期間を調整することができる。たとえば、コントローラ１６は、回転子速度の変化に応答して、回転子速度の範囲にわたって一定の電力を実現するように、位相期間および／または導通期間を調整することができる。加えて、コントローラ１６は、交流電圧の瞬時電圧の変化に応答して、良好な力率を実現するように、位相期間および／または導通期間を調整することができる。具体的には、コントローラ１６は、ＷＯ２０１１／１２８６５９に記載の方法で、位相期間および／または導通期間を調整することができる。

インバータ１２は、両方向に制御することができる双方向のスイッチＱ１〜Ｑ４を備える。次いで、コントローラ１６は、電力線８、９上で伝達される交流電圧の極性に応じてスイッチＱ１〜Ｑ４の状態を制御する制御信号を生成する。具体的には、相巻線７の励磁中、コントローラ１６は、交流電圧の正の半サイクル中は各スイッチＱ１〜Ｑ４を一方の方向で導通させ、負の半サイクル中は反対の方向で導通させる制御信号を生成する。上記の具体的な例では、すべてのスイッチＱ１〜Ｑ４が、交流電圧の正の半サイクル中はＤＯＷＮにされ（すなわち、活線８から中性線９の方向で導通）、交流電圧の負の半サイクル中はＵＰにされる（すなわち、中性線９から活線８の方向で導通）。したがって、駆動回路３は、交流電圧の全サイクルにわたって相巻線７を励磁することが可能であり、整流器または大容量のバルクキャパシタを必要としない。その結果、より小型で場合によってはより安価な駆動回路３を実現することができる。駆動回路３はキャパシタＣ１を含むが、キャパシタＣ１は、インバータのスイッチングから生じる比較的高周波のリップルを平滑にするために使用される。キャパシタＣ１は、基本周波数の交流電圧を平滑にする必要はない。したがって、比較的低容量のキャパシタを使用することができる。

インバータ１２のスイッチＱ１〜Ｑ４は、双方向であるが、任意の１つの時点で一方の方向のみで導通することが可能である。したがって、各スイッチＱ１〜Ｑ４は、２つのゲート、ならびに３つの可能な状態、すなわち（１）ＯＮで第１の方向で導通する状態、（２）ＯＮで第２の方向で導通する状態、および（３）ＯＦＦで導通しない状態を有する。しかし、任意の１つの時点で両方向で導通することができる双方向スイッチが利用可能である。そのようなスイッチは、１つのゲート、ならびに２つの状態、すなわち（１）ＯＮで両方向で導通する状態、および（２）ＯＦＦでどちらの方向にも導通しない状態のみを有する。そのようなスイッチは、駆動回路３のインバータ１２内で用いることができる。実際には、そのようなスイッチには、相巻線７を励磁し、またフリーホイールにするのに必要な制御信号の数を簡略化するという利点がある。たとえば、コントローラ１６は、３つの制御信号ＤＩＲ１’、ＤＩＲ２’、およびＦＷ’だけを生成する必要がある。ＤＩＲ１’が設定されたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ１およびＱ４をＯＮにし、スイッチＱ２およびＱ３をＯＦＦにする。ＤＩＲ２’が設定されたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ２およびＱ３をＯＮにし、スイッチＱ１およびＱ４をＯＦＦにする。また、ＦＷ’が設定されたとき、ゲートドライバ１５は、スイッチＱ１およびＱ３をＯＦＦにし、スイッチＱ２およびＱ４をＯＮにする。相巻線７を左から右へ励磁するには、コントローラ１６は、ＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性を感知し、極性が正の場合はＤＩＲ１’を設定し、極性が負の場合はＤＩＲ２’を設定する。相巻線７を右から左へ励磁するには、コントローラ１６は、ＡＣ＿ＶＯＬＴＳ信号の極性を再び感知し、極性が正の場合はＤＩＲ２’を設定し、極性が負の場合はＤＩＲ１’を設定する。また、相巻線７をフリーホイールにするには、コントローラ１６は、ＦＷ’を設定し、相電流は、インバータ１２のロー側ループを循環する。

コントローラ１６は、特定の方式を用いて相巻線７内の電流の大きさを制御する。たとえば、コントローラ１６は、相電流の大きさが電流限界を超過したときはいつでも、設定期間にわたって相巻線７をフリーホイールにする。さらに、定常モードで動作するとき、コントローラ１６は、相巻線７が励磁される導通期間を用い、コントローラ１６は、回転子５の速度および／または電力線８、９にかかる電圧の変化に応答して、位相期間および導通期間を調整する。それにもかかわらず、本発明は、相巻線７の励磁中、交流電圧の正の半サイクル中は各スイッチＱ１〜Ｑ４が一方の方向で導通し、負の半サイクル中は各スイッチＱ１〜Ｑ４が反対の方向で導通するように制御される双方向スイッチの使用を前提としている。その制限内で、コントローラ１６は、代替方式を用いて相巻線７内の電流の大きさを制御することができる。たとえば、電流限界を用いるのではなく、コントローラは、ＰＷＭ信号を代わりに使用して、相電流の大きさを制御することができる。これは、たとえば、コントローラ１６内でＰＷＭモジュールを使用してＰＷＭ信号を生成することによって実施することができる。次いで、回転子が加速するにつれて各フリーホイール期間が過度に長くならないように、回転子５の速度の変化に応答して、ＰＷＭ信号の周波数および／またはデューティーサイクルを調整することができる。

上記の実施形態では、フリーホイールは、ハイ側スイッチＱ１、Ｑ３をＯＦＦにして、相巻線７内の電流がインバータ１２のロー側ループを再循環することを可能にすることを伴う。フリーホイールは、代わりに、ロー側スイッチＱ２、Ｑ４をＯＦＦにして、電流がインバータ１２のハイ側ループを再循環することを可能にすることを伴うこともできると考えることができる。したがって、より一般的には、フリーホイールは、相巻線７にゼロのボルトが印加されることを意味すると理解されるべきである。上記の特定の実施形態では、インバータ１２のロー側ループのフリーホイールには、励磁中とフリーホイール中の両方で相電流を感知することができるという利点がある。しかし、フリーホイールは、相電流が電流下限を下回るまでではなく、設定期間にわたって継続されるため、フリーホイール中に相電流を測定する必要はない。その目的で、電流センサ１３は２つの分流抵抗器Ｒ３、Ｒ４を備えるが、電流センサ１３は、励磁中のみ相電流の影響を受ける単一の分流抵抗器を備えることができると考えることができる。さらなる代替手段として、電流センサ１３は、励磁中とフリーホイール中の両方で相電流を感知することが可能な変流器または他の変換器を備えることができる。

上記の電圧センサ１１は、交流電圧の極性および大きさの測定値をコントローラ１６に提供する。極性は、インバータ１２を通り、したがって相巻線７を通る電流の方向を制御するために、コントローラ１６によって使用される。電圧の大きさは、定常モード中の励磁の位相期間および／または導通期間を調整するために、コントローラ１６によって使用することができる。交流電圧の大きさがコントローラ１６によって使用されない場合、交流電圧の極性を測定する他の手段を用いることができる。たとえば、電圧センサ１１は、交流電圧が正のときはハイになり、交流電圧が負のときはローになるデジタル信号を出力するゼロ交差検出器（たとえば、１対のクランピングダイオード）の形態をとることができる。

上記の駆動回路３は、単相の永久磁石モータ２の相巻線７を励磁するために使用される。しかし、駆動回路３は、スイッチングリラクタンスモータを含む他のタイプのモータの相巻線を励磁するために使用することもできる。例示のみを目的として、図６は、３相モータ１０２の相巻線を励磁するために使用される代替駆動回路１０３を示す。モータ１０２は、両極性の励磁を有する永久磁石モータまたは全節巻スイッチングリラクタンスモータとすることができる。駆動回路１０３のインバータ１１２は、３つの接続部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを備え、各接続部は、相巻線に接続されており、直列に接続された２つの双方向スイッチを備える。図を見やすくする目的のため、ゲートドライバ１１５とスイッチＱ１〜Ｑ６との間の接続は省略した。したがって、より一般的には、駆動回路は、電力線間に並列に接続された１つまたは複数の接続部を有するインバータを備えるものとすることができる。このとき、各接続部は、モータの相巻線に接続されており、１つまたは複数の双方向スイッチを備える。次いで、コントローラは、相巻線を励磁する制御信号を生成し、これらの制御信号は、交流電圧の正の半サイクル中は１対のスイッチを第１の方向で導通させ、交流電圧の負の半サイクル中は第２の反対の方向で導通させる。

上記の駆動回路３は両極性の励磁を提供し、すなわち駆動回路３は、相巻線７を両方向（左から右および右から左）に励磁する。しかし、駆動回路３は、単極性の励磁を提供するために等しく使用することができる。たとえば、コントローラ１６は、交流電圧の正の半サイクル中はＤＩＲ１のみをハイに引き上げることができ、交流電圧の負の半サイクル中はＤＩＲ３のみをハイに引き上げることができる。その結果、電流は、相巻線７を通って左から右の方向にのみ駆動される。駆動回路３を使用して両極性の励磁を提供するか、それとも単極性の励磁を提供するかにかかわらず、コントローラ１６は、交流電圧の正の半サイクル中は第１の対のスイッチ（たとえば、Ｑ１およびＱ４）を閉じて、相巻線を通る電流を特定の方向に駆動し、交流電圧の負の半サイクル中は第２の異なる対のスイッチ（たとえば、Ｑ２およびＱ３）を閉じて、相巻線７を通る電流を同じ特定の方向に駆動する。

Claims (7)

1. 交流電圧を伝達する電力線と、前記電力線間に並列に接続された１つまたは複数の接続部を備え、各接続部が、前記モータの巻線に接続され、１つまたは複数の双方向スイッチを備える、インバータと、前記スイッチを制御する１つまたは複数の制御信号を出力するコントローラとを備えるブラシレスモータ用の駆動回路であって、前記コントローラが、交流電圧の各半サイクル中に各スイッチを複数回オンおよびオフにするための制御信号を出力し、前記コントローラが、前記モータの巻線を励磁するための制御信号を出力し、前記制御信号が、前記交流電圧の正の半サイクル中は１対のスイッチを第１の方向で導通させ、前記交流電圧の負の半サイクル中は第２の反対の方向で導通させる、駆動回路。
2. 前記コントローラが、前記交流電圧の正の半サイクル中、第１の対のスイッチをオンにして前記巻線を励磁し、それによって前記巻線を通る電流を特定の方向に駆動し、前記コントローラが、前記交流電圧の負の半サイクル中、第２の異なる対のスイッチをオンにして前記巻線を励磁し、それによって前記巻線を通る電流を前記同じ特定の方向に駆動する、請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記コントローラが、前記巻線をフリーホイールにするための制御信号を出力し、前記制御信号が、前記交流電圧の正の半サイクル中、１対のスイッチの一方を第１の方向で導通させ、前記１対のスイッチの他方を第２の反対の方向で導通させ、それによって前記巻線を通る電流を特定の方向にフリーホイールにし、前記制御信号が、前記交流電圧の負の半サイクル中、前記１対のスイッチの一方を前記第２の方向で導通させ、前記１対のスイッチの他方を前記第１の方向で導通させ、それによって前記巻線を通る電流を前記同じ特定の方向にフリーホイールにする、請求項１または２に記載の駆動回路。
4. 交流電圧を伝達する電力線と、前記電力線間に並列に接続された１つまたは複数の接続部を備え、各接続部が、前記モータの巻線に接続され、１つまたは複数の双方向スイッチを備える、インバータと、前記スイッチを制御する１つまたは複数の制御信号を出力するコントローラとを備えるブラシレスモータ用の駆動回路であって、前記コントローラが、前記交流電圧の正の半サイクル中、第１の対のスイッチをオンにして前記モータの巻線を励磁し、それによって前記巻線を通る電流を特定の方向に駆動し、前記コントローラが、前記交流電圧の負の半サイクル中、第２の異なる対のスイッチをオンにして前記巻線を励磁し、それによって前記巻線を通る電流を前記同じ特定の方向に駆動する、駆動回路。
5. 前記コントローラが、前記巻線をフリーホイールにするための制御信号を出力し、前記制御信号が、前記交流電圧の正の半サイクル中、１対のスイッチの一方を第１の方向で導通させ、前記１対のスイッチの他方を第２の反対の方向で導通させ、それによって前記巻線を通る電流を特定の方向にフリーホイールにし、前記制御信号が、前記交流電圧の負の半サイクル中、前記１対のスイッチの一方を前記第２の方向で導通させ、前記１対のスイッチの他方を前記第１の方向で導通させ、それによって前記巻線を通る電流を前記同じ特定の方向にフリーホイールにする、請求項４に記載の駆動回路。
6. 前記コントローラが、前記交流電圧の前記正の半サイクル中、前記第１の対のスイッチの少なくとも１つのスイッチを複数回オンおよびオフにし、前記コントローラが、前記交流電圧の前記負の半サイクル中、前記第２の対のスイッチの少なくとも１つのスイッチを複数回オンおよびオフにする、請求項４または５に記載の駆動回路。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の駆動回路およびブラシレスモータを備えるモータシステム。

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