JP2022061656A - モータ駆動装置およびファン装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】モータから得られる回生エネルギーの利用効率を向上することが可能なモータ駆動装置およびファン装置を提供すること。【解決手段】モータ駆動装置40は、電源端子41と、グランド端子42と、電源端子41とグランド端子42との間に接続される平滑コンデンサ20と、電源端子41とグランド端子42との間に接続され、電源端子41に入力される電源電圧を交流電圧に変換してモータに出力するインバータ回路50と、電源電圧が電源端子41に入力されない状態において、平滑コンデンサ20の端子間電圧が所定値以上のときに、モータに発生する逆起電力によってインバータ回路50に流れる回生電流を駆動電源ノードPに供給する回生電流供給回路80と、駆動電源ノードPの電位によってインバータ回路50に含まれる下側スイッチング素子17,18の全てをオン状態にすることによりモータの電磁的な制動を行う電磁制動部70と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、モータ駆動装置およびファン装置に関する。
一般的に、モータを駆動するモータ駆動装置は、複数のスイッチング素子を含むインバータと、各スイッチング素子を制御する制御部などを備える。例えば特許文献1には、モータ駆動装置への電源電圧の供給が停止された状態において、外力によってモータが回転することに起因して発生する逆起電力を利用して特定のスイッチング素子をオン状態に制御することにより、モータに電磁的な制動力を発生させる技術が開示されている。
上記特許文献1の技術は、モータに電磁的な制動力を発生させるためのみにモータに発生する逆起電力を利用するため、モータから得られる回生エネルギーの利用効率を向上する観点から改善の余地がある。
本発明は上記事情に鑑みて、モータから得られる回生エネルギーの利用効率を向上することが可能なモータ駆動装置およびファン装置を提供することを一つの目的とする。
本発明のモータ駆動装置における一つの態様は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、電源端子と、グランド端子と、前記電源端子と前記グランド端子との間に接続される平滑コンデンサと、前記電源端子と前記グランド端子との間に接続され、前記電源端子に入力される電源電圧を交流電圧に変換して前記モータに出力するインバータ回路と、前記電源電圧が前記電源端子に入力されない状態において、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定値以上のときに、前記モータに発生する逆起電力によって前記インバータ回路に流れる回生電流を駆動電源ノードに供給する回生電流供給回路と、前記駆動電源ノードの電位によって前記インバータ回路に含まれる下側スイッチング素子の全てをオン状態にすることにより前記モータの電磁的な制動を行う電磁制動部と、を備える。
本発明のファン装置における一つの態様は、モータと、前記モータの回転軸に取り付けられる回転翼と、前記モータを駆動する上記態様のモータ駆動装置と、を備える。
本発明の上記態様によれば、モータから得られる回生エネルギーの利用効率を向上することが可能なモータ駆動装置およびファン装置を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態におけるファン装置100の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態におけるファン装置100は、モータ19と、回転翼30と、モータ駆動装置40と、を備える。
図1は、本実施形態におけるファン装置100の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態におけるファン装置100は、モータ19と、回転翼30と、モータ駆動装置40と、を備える。
モータ19は、回転翼30を回転させる動力源として用いられるモータである。モータ19は、例えばインナーロータ型のブラシレス単相DCモータである。モータ19は、回転軸であるロータシャフト19aと、単相コイル19bと、を有する。なお、図1では図示を省略するが、モータ19は、モータハウジングと、モータハウジングに収容されたロータ及びステータとを有する。ロータは、モータハウジングの内部において、軸受け部品によって回転可能に支持される回転体である。ステータは、モータハウジングの内部において、ロータの外周面を囲う状態で固定され、ロータを回転させるのに必要な電磁力を発生させる。
ロータシャフト19aは、上記のロータと同軸接合される軸状体である。単相コイル19bは、上記のステータに設けられる励磁コイルである。単相コイル19bの一端は、モータ駆動装置40の第1出力端子43と電気的に接続される。単相コイル19bの他端は、モータ駆動装置40の第2出力端子44と電気的に接続される。モータ駆動装置40から単相コイル19bに駆動電流Idが供給されることにより、ロータを回転させるのに必要な電磁力が発生する。ロータが回転することにより、ロータシャフト19aもロータに同期して回転する。
回転翼30は、モータ19のロータシャフト19aに取り付けられる羽根形状を有する部品である。回転翼30は、ロータシャフト19aの中心軸線から放射状に延びる複数枚の羽根を有する。モータ19のロータシャフト19aが回転することにより、回転翼30も回転する。回転翼30が回転することにより、風が発生する。
モータ駆動装置40は、モータ19を駆動する装置である。モータ駆動装置40は、電源端子41と、グランド端子42と、第1出力端子43と、第2出力端子44と、を備える。電源端子41には、不図示のリチウムイオンバッテリなどの二次電池からDC/DCコンバータなどの電圧変換器を介して電源電圧Vが入力される。グランド端子42は、グランド(GND)と電気的に接続される。すなわち、電源端子41とグランド端子42との間に電源電圧Vが印加される。電源電圧Vは、直流電圧である。
第1出力端子43は、単相コイル19bの一端と電気的に接続される出力端子である。第2出力端子44は、単相コイル19bの他端と電気的に接続される出力端子である。モータ駆動装置40は、第1出力端子43と第2出力端子44との間に単相交流電圧Voutを出力することにより、単相コイル19bに流れる駆動電流Idの向き及び大きさを制御する。なお、モータ駆動装置40から出力される単相交流電圧Voutの振幅値は、電源電圧Vと等しい。
図2は、本実施形態におけるモータ駆動装置40の内部回路の構成を示す図である。図2に示すように、モータ駆動装置40は、レギュレータ1と、駆動信号生成部2と、平滑コンデンサ20と、逆流防止ダイオード21と、インバータ回路50と、上側アーム駆動部60と、下側アーム駆動部70と、回生電流供給回路80と、を備える。
レギュレータ1は、電源端子41と電気的に接続される入力端子1aと、駆動信号生成部2と電気的に接続される出力端子1bと、を有する電圧調整回路である。レギュレータ1の出力端子1bは、逆流防止ダイオード21を介して駆動電源ノードPと電気的に接続される。レギュレータ1は、入力端子1aに入力される電源電圧Vから制御用電源電圧Aを生成して出力端子1bから出力する。制御用電源電圧Aは、駆動信号生成部2及び下側アーム駆動部70を動作させるのに必要な電源電圧である。このようなレギュレータ1は、電源電圧Vから制御用電源電圧Aを生成して駆動電源ノードPに出力する制御用電源電圧生成部として機能する。
平滑コンデンサ20は、電源端子41とグランド端子42との間に電気的に接続されるコンデンサである。平滑コンデンサ20は、電源電圧Vに含まれるリップルノイズを減少させることにより電源電圧Vを安定化する。
逆流防止ダイオード21は、駆動電源ノードPからレギュレータ1の出力端子1bへ電流が逆流することを防止するダイオードである。逆流防止ダイオード21は、レギュレータ1の出力端子1bと電気的に接続されるアノード端子と、駆動電源ノードPと電気的に接続されるカソード端子と、を有する。
インバータ回路50は、電源端子41とグランド端子42との間に電気的に接続され、電源端子41に入力される電源電圧Vを単相交流電圧Voutに変換してモータ19に出力する電力変換回路である。インバータ回路50は、上側アームに含まれる上側スイッチング素子として、第1上側スイッチング素子15及び第2上側スイッチング素子16を有する。また、インバータ回路50は、下側アームに含まれる下側スイッチング素子として、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18を有する。
本実施形態において、第1上側スイッチング素子15及び第2上側スイッチング素子16は、それぞれPチャネル型MOSFETであり、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18は、それぞれNチャネル型MOSFETである。
第1上側スイッチング素子15のソース端子は、電源端子41と電気的に接続される。第1上側スイッチング素子15のドレイン端子は、第1出力端子43と電気的に接続される。第1上側スイッチング素子15のゲート端子は、上側アーム駆動部60の第1上側ゲート駆動回路61と電気的に接続される。第2上側スイッチング素子16のソース端子は、電源端子41と電気的に接続される。第2上側スイッチング素子16のドレイン端子は、第2出力端子44と電気的に接続される。第2上側スイッチング素子16のゲート端子は、上側アーム駆動部60の第2上側ゲート駆動回路62と電気的に接続される。
第1下側スイッチング素子17のソース端子は、グランド端子42と電気的に接続される。第1下側スイッチング素子17のドレイン端子は、第1上側スイッチング素子15のドレイン端子及び第1出力端子43と電気的に接続される。第1下側スイッチング素子17のゲート端子は、下側アーム駆動部70の第1下側ゲート駆動回路71と電気的に接続される。第2下側スイッチング素子18のソース端子は、グランド端子42と電気的に接続される。第2下側スイッチング素子18のドレイン端子は、第2上側スイッチング素子16のドレイン端子及び第2出力端子44と電気的に接続される。第2下側スイッチング素子18のゲート端子は、下側アーム駆動部70の第2下側ゲート駆動回路72と電気的に接続される。
上記のように、本実施形態におけるインバータ回路50は、第1上側スイッチング素子15及び第2上側スイッチング素子16を含む2つの上側スイッチング素子と、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18を含む2つの下側スイッチング素子とによって構成される単相フルブリッジ回路である。
駆動信号生成部2は、レギュレータ1から入力される制御用電源電圧Aによって動作し、インバータ回路50の上側アームに含まれる上側スイッチング素子を制御する上側駆動信号を生成して上側アーム駆動部60に出力するとともに、インバータ回路50の下側アームに含まれる下側スイッチング素子を制御する下側駆動信号を生成して下側アーム駆動部70に出力する。駆動信号生成部2は、例えばMCUまたはCPUなどのマイクロプロセッサユニットであってもよい。
具体的には、駆動信号生成部2は、第1上側スイッチング素子15を制御する第1上側駆動信号Bを上側アーム駆動部60の第1上側ゲート駆動回路61に出力し、第2上側スイッチング素子16を制御する第2上側駆動信号Cを上側アーム駆動部60の第2上側ゲート駆動回路62に出力する。また、駆動信号生成部2は、第1下側スイッチング素子17を制御する第1下側駆動信号Dを下側アーム駆動部70の第1下側ゲート駆動回路71に出力し、第2下側スイッチング素子18を制御する第2下側駆動信号Eを下側アーム駆動部70の第2下側ゲート駆動回路72に出力する。
駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1を備える。電源電圧監視部2-1は、電源電圧Vが電源端子41に入力されない状態か否かを検知する回路である。具体的には、電源電圧監視部2-1は、電源端子41に入力される電源電圧Vを監視し、電源電圧Vが所定値以下である状態を、電源電圧Vが電源端子41に入力されない状態として検知する。以下では、「電源電圧Vが電源端子41に入力されない状態」を、「電源オフ状態」と呼称する。一方、電源電圧Vが所定値を超える状態、すなわち「電源電圧Vが電源端子41に入力される状態」を、「電源オン状態」と呼称する。
電源電圧監視部2-1は、電源電圧Vが所定値以下の場合に、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあることを駆動信号生成部2に通知する。一方、電源電圧監視部2-1は、電源電圧Vが所定値を超える場合に、モータ駆動装置40が電源オン状態にあることを駆動信号生成部2に通知する。
駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1によって電源オン状態が検知された場合、すなわち電源電圧監視部2-1からの通知によってモータ駆動装置40が電源オン状態にあることを認識した場合、インバータ回路50からモータ19へ駆動電流Idが供給される第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号Eを出力する。このように電源オン状態で駆動信号生成部2から出力される第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号Eは、Hレベル(ハイレベル)とLレベル(ローレベル)とが交互に現れる矩形波信号である。
駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1によって電源オフ状態が検知された場合、すなわち電源電圧監視部2-1からの通知によってモータ駆動装置40が電源オフ状態にあることを認識した場合、第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号Eの出力を停止する。具体的には、駆動信号生成部2は、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合、第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号EをHi-Z(ハイインピーダンス)状態に保持する。
上側アーム駆動部60は、駆動信号生成部2から入力される第1上側駆動信号B及び第2上側駆動信号Cに基づいて、インバータ回路50の上側アームに含まれる第1上側スイッチング素子15及び第2上側スイッチング素子16を駆動する。上側アーム駆動部60は、第1上側ゲート駆動回路61と、第2上側ゲート駆動回路62と、を有する。
第1上側ゲート駆動回路61は、駆動信号生成部2から入力される第1上側駆動信号Bに基づいて、第1上側スイッチング素子15のゲート電圧を生成する回路である。第1上側ゲート駆動回路61は、トランジスタ3と、抵抗素子5と、抵抗素子7と、を有する。本実施形態においてトランジスタ3は、NPN型バイポーラトランジスタである。
トランジスタ3のコレクタ端子は、抵抗素子5を介して第1上側スイッチング素子15のゲート端子と電気的に接続され、且つ抵抗素子5及び抵抗素子7を介して電源端子41と電気的に接続される。トランジスタ3のエミッタ端子は、グランドと電気的に接続される。トランジスタ3のベース端子は、駆動信号生成部2と電気的に接続される。トランジスタ3は、駆動信号生成部2からベース端子にHレベルの第1上側駆動信号Bが入力されるとオン状態になり、駆動信号生成部2からベース端子にLレベルまたはHi-Z状態の第1上側駆動信号Bが入力されるとオフ状態になる。
トランジスタ3がオフ状態のとき、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオフ状態となる。一方、トランジスタ3がオン状態のとき、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位はソース端子電位に対して負極性の電位(グランド電位)となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオン状態となる。
上記のように、第1上側ゲート駆動回路61は、第1上側駆動信号Bが第1状態のとき、すなわち第1上側駆動信号BがLレベルまたはHi-Z状態のときに、第1上側スイッチング素子15をオフ状態にするゲート電圧を生成する。一方、第1上側ゲート駆動回路61は、第1上側駆動信号Bが第2状態のとき、すなわち第1上側駆動信号BがHレベルのときに、第1上側スイッチング素子15をオン状態にするゲート電圧を生成する。
第2上側ゲート駆動回路62は、駆動信号生成部2から入力される第2上側駆動信号Cに基づいて、第2上側スイッチング素子16のゲート電圧を生成する回路である。第2上側ゲート駆動回路62は、トランジスタ4と、抵抗素子6と、抵抗素子8と、を有する。本実施形態においてトランジスタ4は、NPN型バイポーラトランジスタである。
トランジスタ4のコレクタ端子は、抵抗素子6を介して第2上側スイッチング素子16のゲート端子と電気的に接続され、且つ抵抗素子6及び抵抗素子8を介して電源端子41と電気的に接続される。トランジスタ4のエミッタ端子は、グランドと電気的に接続される。トランジスタ4のベース端子は、駆動信号生成部2と電気的に接続される。トランジスタ4は、駆動信号生成部2からベース端子にHレベルの第2上側駆動信号Cが入力されるとオン状態になり、駆動信号生成部2からベース端子にLレベルまたはHi-Z状態の第2上側駆動信号Cが入力されるとオフ状態になる。
トランジスタ4がオフ状態のとき、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオフ状態となる。一方、トランジスタ4がオン状態のとき、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位はソース端子電位に対して負極性の電位(グランド電位)となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオン状態となる。
上記のように、第2上側ゲート駆動回路62は、第2上側駆動信号Cが第1状態のとき、すなわち第2上側駆動信号CがLレベルまたはHi-Z状態のときに、第2上側スイッチング素子16をオフ状態にするゲート電圧を生成する。一方、第2上側ゲート駆動回路62は、第2上側駆動信号Cが第2状態のとき、すなわち第2上側駆動信号CがHレベルのときに、第2上側スイッチング素子16をオン状態にするゲート電圧を生成する。
下側アーム駆動部70は、駆動信号生成部2から入力される第1下側駆動信号D及び第2下側駆動信号Eに基づいて、インバータ回路50の下側アームに含まれる第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18を駆動する。下側アーム駆動部70は、第1下側ゲート駆動回路71と、第2下側ゲート駆動回路72と、を有する。
第1下側ゲート駆動回路71は、駆動信号生成部2から入力される第1下側駆動信号Dに基づいて、第1下側スイッチング素子17のゲート電圧を生成する回路である。第1下側ゲート駆動回路71は、トランジスタ13と、抵抗素子9と、抵抗素子10と、を有する。本実施形態においてトランジスタ13は、NPN型バイポーラトランジスタである。
トランジスタ13のコレクタ端子は、抵抗素子10を介して第1下側スイッチング素子17のゲート端子と電気的に接続され、且つ抵抗素子9を介して駆動電源ノードPと電気的に接続される。トランジスタ13のエミッタ端子は、グランドと電気的に接続される。トランジスタ13のベース端子は、駆動信号生成部2と電気的に接続される。トランジスタ13は、駆動信号生成部2からベース端子にHレベルの第1下側駆動信号Dが入力されるとオン状態になり、駆動信号生成部2からベース端子にLレベルまたはHi-Z状態の第1下側駆動信号Dが入力されるとオフ状態になる。
トランジスタ13がオン状態のとき、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位(グランド電位)となり、その結果、第1下側スイッチング素子17はオフ状態となる。一方、トランジスタ13がオフ状態のとき、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位はソース端子電位に対して正極性の電位(駆動電源ノードPの電位)となり、その結果、第1下側スイッチング素子17はオン状態となる。
上記のように、第1下側ゲート駆動回路71は、第1下側駆動信号Dが第1状態のとき、すなわち第1下側駆動信号DがLレベルまたはHi-Z状態のときに、駆動電源ノードPの電位によって第1下側スイッチング素子17をオン状態にするゲート電圧を生成する。一方、第1下側ゲート駆動回路71は、第1下側駆動信号Dが第2状態のとき、すなわち第1下側駆動信号DがHレベルのときに、グランド端子42の電位によって第1下側スイッチング素子17をオフ状態にするゲート電圧を生成する。
第2下側ゲート駆動回路72は、駆動信号生成部2から入力される第2下側駆動信号Eに基づいて、第2下側スイッチング素子18のゲート電圧を生成する回路である。第2下側ゲート駆動回路72は、トランジスタ14と、抵抗素子11と、抵抗素子12と、を有する。本実施形態においてトランジスタ14は、NPN型バイポーラトランジスタである。
トランジスタ14のコレクタ端子は、抵抗素子12を介して第2下側スイッチング素子18のゲート端子と電気的に接続され、且つ抵抗素子11を介して駆動電源ノードPと電気的に接続される。トランジスタ14のエミッタ端子は、グランドと電気的に接続される。トランジスタ14のベース端子は、駆動信号生成部2と電気的に接続される。トランジスタ14は、駆動信号生成部2からベース端子にHレベルの第2下側駆動信号Eが入力されるとオン状態になり、駆動信号生成部2からベース端子にLレベルまたはHi-Z状態の第2下側駆動信号Eが入力されるとオフ状態になる。
トランジスタ14がオン状態のとき、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位(グランド電位)となり、その結果、第2下側スイッチング素子18はオフ状態となる。一方、トランジスタ14がオフ状態のとき、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位はソース端子電位に対して正極性の電位(駆動電源ノードPの電位)となり、その結果、第2下側スイッチング素子18はオン状態となる。
上記のように、第2下側ゲート駆動回路72は、第2下側駆動信号Eが第1状態のとき、すなわち第2下側駆動信号EがLレベルまたはHi-Z状態のときに、駆動電源ノードPの電位によって第2下側スイッチング素子18をオン状態にするゲート電圧を生成する。一方、第2下側ゲート駆動回路72は、第2下側駆動信号Eが第2状態のとき、すなわち第2下側駆動信号EがHレベルのときに、グランド端子42の電位によって第2下側スイッチング素子18をオフ状態にするゲート電圧を生成する。
上記のように構成される下側アーム駆動部70は、電源オフ状態において、駆動電源ノードPの電位によってインバータ回路50に含まれる第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18の全てをオン状態にすることによりモータ19の電磁的な制動を行う電磁制動部として機能する。
回生電流供給回路80は、電源オフ状態において、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値以上のときに、モータ19に発生する逆起電力によってインバータ回路50に流れる回生電流を駆動電源ノードPに供給する回路である。回生電流供給回路80は、電流供給線LN1と、抵抗素子R1と、ダイオードD1と、ツェナーダイオードZD1と、電流バルブ素子ZD2と、を有する。
電流供給線LN1は、駆動電源ノードPと第1ノードP1とを電気的に接続する配線である。抵抗素子R1は、第1ノードP1と電気的に接続される一端を有する。ダイオードD1は、抵抗素子R1の他端と電気的に接続されるカソード端子を有する。ツェナーダイオードZD1は、第1ノードP1とグランドとの間に電気的に接続される。ツェナーダイオードZD1は、第1ノードP1と電気的に接続されるカソード端子と、グランド端子42と電気的に接続されるアノード端子とを有する。
電流バルブ素子ZD2は、電源端子41とダイオードD1のアノード端子との間に電気的に接続され、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値以上のときに、ダイオードD1の側へ回生電流を通過させる。本実施形態において電流バルブ素子ZD2は、電源端子41に接続されるカソード端子と、ダイオードD1のアノード端子に接続されるアノード端子とを有するツェナーダイオードである。電流バルブ素子ZD2であるツェナーダイオードのツェナー電圧VZD2は、平滑コンデンサ20の耐圧以下である。すなわち、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、電流バルブ素子ZD2であるツェナーダイオードのツェナー電圧VZD2以上のときに、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、その結果、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、及び電流供給線LN1を介して回生電流が駆動電源ノードPに供給される。
次に、上記のように構成されるモータ駆動装置40の動作について説明する。
まず、図3及び図4を参照しながら、電源端子41に電源電圧Vが入力される状態、すなわち電源オン状態にあるモータ駆動装置40の動作について説明する。電源オン状態にあるモータ駆動装置40は、モータ19に駆動電流Idを供給することにより、モータ19を所定速度で回転させる。
まず、図3及び図4を参照しながら、電源端子41に電源電圧Vが入力される状態、すなわち電源オン状態にあるモータ駆動装置40の動作について説明する。電源オン状態にあるモータ駆動装置40は、モータ19に駆動電流Idを供給することにより、モータ19を所定速度で回転させる。
図3は、電源電圧Vと、制御用電源電圧Aと、各駆動信号B、C、D及びEとの時間的な対応関係を示すタイミングチャートである。図3に示すように、時刻t0から時刻t7までの電源オン期間Tonにおいて電源電圧Vが電源端子41に入力され、時刻t7以降において電源電圧Vは電源端子41に入力されない。すなわち、時刻t0から時刻t7までの電源オン期間Tonにおいてモータ駆動装置40は電源オン状態にあり、時刻t7以降においてモータ駆動装置40は電源オフ状態にある。電源電圧Vは、一例として54[V]である。
図3に示すように、電源オン期間Tonにおいて、レギュレータ1の出力端子1bから出力される制御用電源電圧Aは動作電位となる。時刻t7以降において、レギュレータ1の出力端子1bから出力される制御用電源電圧Aは停止電位となる。制御用電源電圧Aの動作電位は、一例として12[V]である。制御用電源電圧Aの停止電位は、一例としてグランド電位、すなわち0[V]である。電源オン期間Tonにおいて、レギュレータ1の出力端子1bから12[V]の制御用電源電圧Aが出力されることにより、駆動信号生成部2は動作可能状態となり、駆動電源ノードPの電位は制御用電源電圧Aの動作電位である12[V]とほぼ等しくなる。
電源オン期間Tonにおいて、電源電圧監視部2-1は、モータ駆動装置40が電源オン状態にあることを駆動信号生成部2に通知する。電源オン期間Tonにおいて、駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1からの通知によってモータ駆動装置40が電源オン状態にあることを認識すると、図3に示すような矩形波信号である第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号Eを出力する。
例えば、時刻t2から時刻t3までの順方向駆動期間において、第1上側駆動信号BはHレベルであり、第2上側駆動信号CはLレベルであり、第1下側駆動信号DはHレベルであり、第2下側駆動信号EはLレベルである。
第1上側駆動信号BがHレベルのとき、第1上側ゲート駆動回路61によって、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位はソース端子電位に対して負極性の電位(グランド電位)となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオン状態となる。
第2上側駆動信号CがLレベルのとき、第2上側ゲート駆動回路62によって、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオフ状態となる。
第1下側駆動信号DがHレベルのとき、第1下側ゲート駆動回路71によって、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位(グランド電位)となり、その結果、第1下側スイッチング素子17はオフ状態となる。
第2下側駆動信号EがLレベルのとき、第2下側ゲート駆動回路72によって、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位はソース端子電位に対して正極性の電位(駆動電源ノードPの電位)となり、その結果、第2下側スイッチング素子18はオン状態となる。
第1上側駆動信号BがHレベルのとき、第1上側ゲート駆動回路61によって、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位はソース端子電位に対して負極性の電位(グランド電位)となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオン状態となる。
第2上側駆動信号CがLレベルのとき、第2上側ゲート駆動回路62によって、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオフ状態となる。
第1下側駆動信号DがHレベルのとき、第1下側ゲート駆動回路71によって、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位(グランド電位)となり、その結果、第1下側スイッチング素子17はオフ状態となる。
第2下側駆動信号EがLレベルのとき、第2下側ゲート駆動回路72によって、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位はソース端子電位に対して正極性の電位(駆動電源ノードPの電位)となり、その結果、第2下側スイッチング素子18はオン状態となる。
上記のように、時刻t2から時刻t3までの順方向駆動期間において、第1上側スイッチング素子15はオン状態となり、第2上側スイッチング素子16はオフ状態となり、第1下側スイッチング素子17はオフ状態となり、第2下側スイッチング素子18はオン状態となる。その結果、図4に示すように、順方向駆動期間では、電源端子41、第1上側スイッチング素子15、第1出力端子43、単相コイル19b、第2出力端子44、第2下側スイッチング素子18、及びグランド端子42の順で、駆動電流Id1が流れる。駆動電流Id1は、順方向に流れる駆動電流Idである。
例えば、時刻t3から時刻t4までの逆方向駆動期間において、第1上側駆動信号BはLレベルであり、第2上側駆動信号CはHレベルであり、第1下側駆動信号DはLレベルであり、第2下側駆動信号EはHレベルである。
第1上側駆動信号BがLレベルのとき、第1上側ゲート駆動回路61によって、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオフ状態となる。
第2上側駆動信号CがHレベルのとき、第2上側ゲート駆動回路62によって、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位はソース端子電位に対して負極性の電位(グランド電位)となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオン状態となる。
第1下側駆動信号DがLレベルのとき、第1下側ゲート駆動回路71によって、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位はソース端子電位に対して正極性の電位(駆動電源ノードPの電位)となり、その結果、第1下側スイッチング素子17はオン状態となる。
第2下側駆動信号EがHレベルのとき、第2下側ゲート駆動回路72によって、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位(グランド電位)となり、その結果、第2下側スイッチング素子18はオフ状態となる。
第1上側駆動信号BがLレベルのとき、第1上側ゲート駆動回路61によって、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオフ状態となる。
第2上側駆動信号CがHレベルのとき、第2上側ゲート駆動回路62によって、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位はソース端子電位に対して負極性の電位(グランド電位)となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオン状態となる。
第1下側駆動信号DがLレベルのとき、第1下側ゲート駆動回路71によって、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位はソース端子電位に対して正極性の電位(駆動電源ノードPの電位)となり、その結果、第1下側スイッチング素子17はオン状態となる。
第2下側駆動信号EがHレベルのとき、第2下側ゲート駆動回路72によって、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位(グランド電位)となり、その結果、第2下側スイッチング素子18はオフ状態となる。
上記のように、時刻t3から時刻t4までの逆方向駆動期間において、第1上側スイッチング素子15はオフ状態となり、第2上側スイッチング素子16はオン状態となり、第1下側スイッチング素子17はオン状態となり、第2下側スイッチング素子18はオフ状態となる。その結果、図4に示すように、逆方向駆動期間では、電源端子41、第2上側スイッチング素子16、第2出力端子44、単相コイル19b、第1出力端子43、第1下側スイッチング素子17、及びグランド端子42の順で、駆動電流Id2が流れる。駆動電流Id2は、逆方向に流れる駆動電流Idである。
電源オン期間Tonでは、上記のような順方向駆動期間の動作と逆方向駆動期間の動作とが交互に繰り返されることにより、単相コイル19bに流れる駆動電流Idの向き及び大きさが制御される。その結果、モータ19は所定速度で回転し、モータ19の回転に同期して回転翼30が回転することにより風が発生する。
続いて、電源端子41に電源電圧Vが入力されない状態、すなわち電源オフ状態にあるモータ駆動装置40の動作について説明する。後述するように、電源オフ状態にあるモータ駆動装置40は、風などの外力によって回転翼30が回転することに同期して回転するモータ19に対して電磁的な制動力を発生させる電磁制動動作を行う。
[電源遮断時の電磁制動動作]
図3に示すように、時刻t7において電源端子41への電源電圧Vの入力が遮断されると、レギュレータ1の出力端子1bから出力される制御用電源電圧Aは動作電位から停止電位に変化する。時刻t7以降、電源電圧監視部2-1は、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあることを駆動信号生成部2に通知する。その結果、時刻t7以降、駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1からの通知によってモータ駆動装置40が電源オフ状態にあることを認識すると、第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号EをHi-Z状態に保持する。以下、時刻t7における電磁制動動作、すなわち電源遮断時における電磁制動動作について、図5を参照しながら詳細に説明する。
図3に示すように、時刻t7において電源端子41への電源電圧Vの入力が遮断されると、レギュレータ1の出力端子1bから出力される制御用電源電圧Aは動作電位から停止電位に変化する。時刻t7以降、電源電圧監視部2-1は、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあることを駆動信号生成部2に通知する。その結果、時刻t7以降、駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1からの通知によってモータ駆動装置40が電源オフ状態にあることを認識すると、第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1下側駆動信号D、及び第2下側駆動信号EをHi-Z状態に保持する。以下、時刻t7における電磁制動動作、すなわち電源遮断時における電磁制動動作について、図5を参照しながら詳細に説明する。
図5は、電源遮断時におけるモータ駆動装置40の電磁制動動作を示すタイミングチャートである。具体的に図5のタイミングチャートは、制御用電源電圧Aと、第1下側駆動信号Dと、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2と、第1下側スイッチング素子17の状態と、第2下側駆動信号Eと、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2と、第2下側スイッチング素子18の状態との時間的な対応関係を示す。
図5に示す時刻t71において電源端子41への電源電圧Vの入力が遮断されると、制御用電源電圧Aが時刻t71から低下し、時刻t72において停止電位になる。第1下側駆動信号Dは、時刻t71においてHレベルである。第2下側駆動信号Eは、時刻t71においてLレベルである。第1下側駆動信号D及び第2下側駆動信号Eは、時刻t71以降においてHi-Z状態である。
第1下側スイッチング素子17には、ゲート端子とソース端子との間に寄生容量が存在する。第1下側駆動信号DがHi-Z状態である場合には、この寄生容量に蓄えられた電荷によって、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2はHレベルに維持される。第1下側スイッチング素子17は、ゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2を超える場合にオン状態になる。つまり、時刻t71から時刻t7Offまでの期間において、上記の寄生容量によってゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2を超える値に維持されることにより、第1下側スイッチング素子17はオン状態に維持される。
同様に、第2下側スイッチング素子18には、ゲート端子とソース端子との間に寄生容量が存在する。第2下側駆動信号EがHi-Z状態である場合には、この寄生容量に蓄えられた電荷によって、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2はHレベルに維持される。第2下側スイッチング素子18は、ゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2を超える場合にオン状態になる。つまり、時刻t71から時刻t7Offまでの期間において、上記の寄生容量によってゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2を超える値に維持されることにより、第2下側スイッチング素子18はオン状態に維持される。
逆流防止ダイオード21は、寄生容量に蓄えられた電荷がレギュレータ1及び駆動信号生成部2に電流として流れ込むことを抑止する。従って、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2と、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2とは、急速には低下せず、一定期間維持される。ゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2以下になるまで、第1下側スイッチング素子17はオン状態に維持され、ゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2以下になるまで、第2下側スイッチング素子18はオン状態に維持される。
第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18には、ドレイン端子とソース端子との間に寄生ダイオードが存在する。この寄生ダイオードは、ソース端子に接続されるアノード端子と、ドレイン端子に接続されるカソード端子と、を有する。つまり、寄生ダイオードは、グランド端子42から単相コイル19bに電流を流すことができる。この寄生ダイオードの存在と、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18がいずれもオン状態になることとにより、単相コイル19bの両端がいずれもグランドに接続された状態になる。したがって、モータ駆動装置40の電源端子41への電源電圧Vの入力が遮断されると、モータ19に電磁的な制動力が生じ、回転翼30の回転数が低減される。
[電源遮断後の電磁制動動作]
図3に示す時刻t8以降、すなわち電源遮断後においては、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18の寄生容量の電荷が減少するため、この寄生容量の電荷だけでは第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18をオン状態に維持することができない。以下では、時刻t8以降、すなわち、電源遮断後の電磁制動動作について、図6から図8を参照しながら詳細に説明する。
図3に示す時刻t8以降、すなわち電源遮断後においては、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18の寄生容量の電荷が減少するため、この寄生容量の電荷だけでは第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18をオン状態に維持することができない。以下では、時刻t8以降、すなわち、電源遮断後の電磁制動動作について、図6から図8を参照しながら詳細に説明する。
図6は、電源遮断後におけるモータ駆動装置40の電磁制動動作を示すタイミングチャートである。具体的に、図6のタイミングチャートは、制御用電源電圧Aと、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCと、駆動電源ノードPの電位VPと、第1下側駆動信号Dと、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2と、第1下側スイッチング素子17の状態と、第2下側駆動信号Eと、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2と、第2下側スイッチング素子18の状態との時間的な対応関係を示す。
図6に示すように、時刻t80において、制御用電源電圧Aは停止電位(グランド電位)であり、第1下側駆動信号D及び第2下側駆動信号EはHi-Z状態である。時刻t80以降において、制御用電源電圧A、第1下側駆動信号D及び第2下側駆動信号Eの各状態は変化しない。時刻t80において、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCは、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2よりも低い電圧値VC0を有する。時刻t80において、駆動電源ノードPの電位VPは、制御用電源電圧Aと同じく停止電位である。
第1下側駆動信号DがHi-Z状態であるとき、第1下側ゲート駆動回路71によって、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2は、駆動電源ノードPの電位VPとほぼ等しくなる。時刻t80において駆動電源ノードPの電位VPは停止電位であるので、時刻t80において第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2は、駆動電源ノードPの電位VPと同じく停止電位となる。従って、時刻t80において第1下側スイッチング素子17はオフ状態である。
同様に、第2下側駆動信号EがHi-Z状態であるとき、第2下側ゲート駆動回路72によって、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2は、駆動電源ノードPの電位VPとほぼ等しくなるため、時刻t80において第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2は、駆動電源ノードPの電位VPと同じく停止電位となる。従って、時刻t80において第2下側スイッチング素子18はオフ状態である。
なお、図6では図示を省略するが、時刻t80において、第1上側駆動信号B及び第2上側駆動信号CもHi-Z状態である。第1上側駆動信号BがHi-Z状態であるとき、第1上側ゲート駆動回路61によって、第1上側スイッチング素子15のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第1上側スイッチング素子15はオフ状態となる。同様に、第2上側駆動信号CがHi-Z状態であるとき、第2上側ゲート駆動回路62によって、第2上側スイッチング素子16のゲート端子電位とソース端子電位とが同電位となり、その結果、第2上側スイッチング素子16はオフ状態となる。つまり、時刻t80において、第1上側スイッチング素子15及び第2上側スイッチング素子16は、それぞれオフ状態である。時刻t80以降において、第1上側駆動信号B、第2上側駆動信号C、第1上側スイッチング素子15、及び第2上側スイッチング素子16の各状態は変化しない。
図6に示す時刻t80において、風などの外力によって回転翼30が回転することに同期してモータ19が回転し始めると仮定する。時刻t80においてモータ19が回転し始めると、モータ19に発生する逆起電力によってインバータ回路50に回生電流Icが流れ始める。
図7に示すように、回生電流Icには、平滑コンデンサ20を含む経路で流れる回生電流Ic1及びIc2が含まれる。回生電流Ic1は、第2下側スイッチング素子18の寄生ダイオード、第2出力端子44、単相コイル19b、第1出力端子43、第1上側スイッチング素子15の寄生ダイオード、及び平滑コンデンサ20の順で流れる。回生電流Ic2は、第1下側スイッチング素子17の寄生ダイオード、第1出力端子43、単相コイル19b、第2出力端子44、第2上側スイッチング素子16の寄生ダイオード、及び平滑コンデンサ20の順で流れる。
上記のように平滑コンデンサ20を含む経路で回生電流Ic1及びIc2が流れることにより、時刻t80以降において平滑コンデンサ20は回生電流Ic1及びIc2によって充電される。これにより、図6に示すように、時刻t80以降において平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値は、電圧値VC0から徐々に上昇する。
図6に示す時刻t81において、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に到達すると仮定する。時刻t81において、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCがツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に到達すると、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2が導通状態となる。その結果、図8に示すように、時刻t81以降において、回生電流供給回路80を含む経路で回生電流Ic1及びIc2が流れる。
具体的には、時刻t81以降において、回生電流Ic1は、第2下側スイッチング素子18の寄生ダイオード、第2出力端子44、単相コイル19b、第1出力端子43、第1上側スイッチング素子15の寄生ダイオード、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、電流供給線LN1、及び駆動電源ノードPの順で流れる。また、時刻t81以降において、回生電流Ic2は、第1下側スイッチング素子17の寄生ダイオード、第1出力端子43、単相コイル19b、第2出力端子44、第2上側スイッチング素子16の寄生ダイオード、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、電流供給線LN1、及び駆動電源ノードPの順で流れる。
図6に示すように、時刻t81以降において、回生電流供給回路80を含む経路で流れる回生電流Ic1及びIc2が駆動電源ノードPに流入することにより、駆動電源ノードPの電位VPは、停止電位から徐々に上昇する。なお、時刻t81以降、回生電流Ic1及びIc2は平滑コンデンサ20を含む経路で流れないため、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCは、電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に保持される。
第1下側駆動信号DがHi-Z状態であるとき、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2は、駆動電源ノードPの電位VPとほぼ等しくなるので、時刻t81以降において第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2は、駆動電源ノードPの電位VPと同様に停止電位から徐々に上昇する。同様に、第2下側駆動信号EがHi-Z状態であるとき、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2は、駆動電源ノードPの電位VPとほぼ等しくなるので、時刻t81以降において第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2は、駆動電源ノードPの電位VPと同様に停止電位から徐々に上昇する。
図6に示す時刻t8onにおいて、駆動電源ノードPの電位VPが、第1下側スイッチング素子17のしきい値電位VthD2および第2下側スイッチング素子18のしきい値電位VthE2に到達すると仮定する。すなわち、時刻t8onにおいて、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2に到達し、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2に到達する。
第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2に到達すると、第1下側スイッチング素子17はオン状態となる。また、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2に到達すると、第2スイッチング素子18はオン状態となる。すなわち、時刻t8onにおいて、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18は、それぞれオン状態となる。
時刻t8onにおいて、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18の両方がオン状態となると、単相コイル19bの両端がいずれもグランドに接続された状態になる。すなわち、時刻t8onから電磁制動が開始される。その結果、時刻t8on以降において、モータ19に電磁的な制動力が生じ、回転翼30の回転数が低減される。
図6に示す時刻t82において、駆動電源ノードPの電位VPが、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZD1と同じ電圧値に到達すると仮定する。ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZD1は、例えば12[V]である。時刻t82において、駆動電源ノードPの電位VPがツェナー電圧VZD1と同じ電圧値に到達すると、ツェナーダイオードZD1が導通状態となる。その結果、時刻t82以降において、回生電流Ic1及びIc2は駆動電源ノードPに供給されず、ツェナーダイオードZD1を介してグランドに流れ込む。
図6に示すように、時刻t82以降、駆動電源ノードPの電位VPは、ツェナー電圧VZD1と同じ電圧値に一定期間保持される。しかしながら、時刻t82以降、回生電流が駆動電源ノードPに供給されないため、駆動電源ノードPの電位VPは徐々に低下する。駆動電源ノードPの電位VPがツェナー電圧VZD1より低くなると、回生電流は再び駆動電源ノードPに供給され始めるが、時刻t8onから開始される電磁制動によりモータ19の回転速度が徐々に低下することに起因して、駆動電源ノードPに流入する回生電流も減少する。その結果、時刻t82以降、駆動電源ノードPの電位VPは、徐々に低下する。同様に、時刻t82以降、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2及び第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2は、ツェナー電圧VZD1と同じ電圧値に一定期間保持された後、徐々に低下する。
図6に示す時刻t8offにおいて、駆動電源ノードPの電位VPが、第1下側スイッチング素子17のしきい値電位VthD2および第2下側スイッチング素子18のしきい値電位VthE2より低くなると仮定する。すなわち、時刻t8offにおいて、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2より低くなり、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2より低くなる。
第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2がしきい値電位VthD2より低くなると、第1下側スイッチング素子17はオフ状態となる。また、第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2がしきい値電位VthE2より低くなると、第2スイッチング素子18はオフ状態となる。すなわち、時刻t8offにおいて、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18はそれぞれオフ状態となり、電磁制動は終了する。
時刻t8offにおいて電磁制動が終了した後、時刻t83にモータ19の回転が停止すると、モータ19に逆起電力が発生しなくなり、インバータ回路50に回生電流が流れなくなる。その結果、駆動電源ノードPの電位VP、第1下側スイッチング素子17のゲート端子電位D2、及び第2下側スイッチング素子18のゲート端子電位E2は、それぞれ時刻t83において停止電位となる。
上記のように、電源遮断後の電磁制動動作は、主に以下の3つの動作を含む。
(1)平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達するまで、平滑コンデンサ20を含む経路で回生電流が流れることにより、平滑コンデンサ20が充電される。
(2)平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、回生電流供給回路80を介して駆動電源ノードPに回生電流が供給される。
(3)回生電流が駆動電源ノードPに供給されることより、駆動電源ノードPの電位VPが上昇し、その結果、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18の両方がオン状態となり、モータ19に電磁的な制動力が発生する。
(1)平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達するまで、平滑コンデンサ20を含む経路で回生電流が流れることにより、平滑コンデンサ20が充電される。
(2)平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、回生電流供給回路80を介して駆動電源ノードPに回生電流が供給される。
(3)回生電流が駆動電源ノードPに供給されることより、駆動電源ノードPの電位VPが上昇し、その結果、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18の両方がオン状態となり、モータ19に電磁的な制動力が発生する。
以上のように、本実施形態においてモータ駆動装置40は、平滑コンデンサ20と、インバータ回路50と、回生電流供給回路80と、電磁制動部として機能する下側アーム駆動部70と、を備える。回生電流供給回路80は、電源電圧Vが電源端子41に入力されない状態(電源オフ状態)において、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値以上のときに、モータ19に発生する逆起電力によってインバータ回路50に流れる回生電流を駆動電源ノードPに供給する。下側アーム駆動部70は、駆動電源ノードPの電位VPによってインバータ回路50に含まれる下側スイッチング素子17及び18の全てをオン状態にすることによりモータ19の電磁的な制動を行う。
本実施形態によれば、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合に、外力によってモータ19が回転することに起因してモータ19に逆起電力が発生すると、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値に達するまで、インバータ回路50に流れる回生電流が平滑コンデンサ20を含む経路で流れることにより、回生電流によって平滑コンデンサ20が充電される。平滑コンデンサ20が充電されることにより平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値に達すると、回生電流供給回路80によって駆動電源ノードPに回生電流が供給される。回生電流が駆動電源ノードPに供給されることより、駆動電源ノードPの電位VPが上昇する。そのため、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあっても、下側アーム駆動部70は、駆動電源ノードPの電位VPによって下側スイッチング素子17及び18の全てをオン状態にすることができる。その結果、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合に、モータ19に電磁的な制動力が発生する。
上記のように本実施形態において、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあるときにモータ19に発生する逆起電力は、モータ19に電磁的な制動力を発生させるためだけでなく、平滑コンデンサ20を充電するためにも利用される。平滑コンデンサ20に蓄積された電気エネルギーは、例えばリチウムイオンバッテリなどの二次電池を充電するため、或いは他の電子機器を動作させるためなどに利用することができる。従って、本実施形態によれば、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあるときに、モータ19から得られる回生エネルギーの利用効率を向上することが可能である。
また、本実施形態では、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあるときに、外部から特別な電気信号をモータ駆動装置40に供給しなくとも、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値に応じてモータ駆動装置40のモードを充電モードから電磁制動モードへ自動的に切り替えることができる。充電モードとは、回生電流によって平滑コンデンサ20を充電するモードである。電磁制動モードとは、回生電流供給回路80によって回生電流が供給されることにより高められた駆動電源ノードPの電位VPによって下側スイッチング素子17及び18をオン状態にするモードである。
また、本実施形態では、モータ駆動装置40が電源オフ状態にあるときに、外部から特別な電気信号をモータ駆動装置40に供給しなくとも、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値に応じてモータ駆動装置40のモードを充電モードから電磁制動モードへ自動的に切り替えることができる。充電モードとは、回生電流によって平滑コンデンサ20を充電するモードである。電磁制動モードとは、回生電流供給回路80によって回生電流が供給されることにより高められた駆動電源ノードPの電位VPによって下側スイッチング素子17及び18をオン状態にするモードである。
本実施形態において、回生電流供給回路80は、電流供給線LN1と、抵抗素子R1と、ダイオードD1と、電流バルブ素子ZD2と、を有する。電流バルブ素子ZD2は、電源端子41とダイオードD1のアノード端子との間に接続され、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値以上のときに、ダイオードD1の側へ回生電流を通過させる。
このような回路構成を有する回生電流供給回路80によれば、回生電流によって平滑コンデンサ20が充電されることにより平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、及び電流供給線LN1を介して回生電流が駆動電源ノードPに供給される。
電流バルブ素子ZD2は、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCに依存して導通状態と非導通状態とが切り替わる素子であるので、外部から特別な電気信号を電流バルブ素子ZD2に供給する必要はない。このような電流バルブ素子ZD2を用いることにより、回生電流供給回路80の回路構成を非常にシンプルな構成にすることができる。
すなわち、本実施形態によれば、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値に応じてモータ駆動装置40のモードを充電モードから電磁制動モードへ自動的に切り替える機能を、シンプルな回路構成を有する回生電流供給回路80によって実現できる。
このような回路構成を有する回生電流供給回路80によれば、回生電流によって平滑コンデンサ20が充電されることにより平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが所定値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、及び電流供給線LN1を介して回生電流が駆動電源ノードPに供給される。
電流バルブ素子ZD2は、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCに依存して導通状態と非導通状態とが切り替わる素子であるので、外部から特別な電気信号を電流バルブ素子ZD2に供給する必要はない。このような電流バルブ素子ZD2を用いることにより、回生電流供給回路80の回路構成を非常にシンプルな構成にすることができる。
すなわち、本実施形態によれば、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値に応じてモータ駆動装置40のモードを充電モードから電磁制動モードへ自動的に切り替える機能を、シンプルな回路構成を有する回生電流供給回路80によって実現できる。
本実施形態において、上記の電流バルブ素子ZD2は、電源端子41に接続されるカソード端子と、ダイオードD1のアノード端子に接続されるアノード端子とを有するツェナーダイオードである。
電流バルブ素子ZD2としてツェナーダイオードを有する回生電流供給回路80によれば、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、及び電流供給線LN1を介して回生電流が駆動電源ノードPに供給される。
ツェナーダイオードは、電流バルブ素子ZD2として使用可能な素子のうち、比較的に低コストで入手可能な素子である。従って、電流バルブ素子ZD2としてツェナーダイオードを用いることにより、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値に応じてモータ駆動装置40のモードを充電モードから電磁制動モードへ自動的に切り替える機能を、低コスト且つシンプルな回路構成を有する回生電流供給回路80によって実現できる。
電流バルブ素子ZD2としてツェナーダイオードを有する回生電流供給回路80によれば、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、電流バルブ素子ZD2、ダイオードD1、抵抗素子R1、及び電流供給線LN1を介して回生電流が駆動電源ノードPに供給される。
ツェナーダイオードは、電流バルブ素子ZD2として使用可能な素子のうち、比較的に低コストで入手可能な素子である。従って、電流バルブ素子ZD2としてツェナーダイオードを用いることにより、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCの値に応じてモータ駆動装置40のモードを充電モードから電磁制動モードへ自動的に切り替える機能を、低コスト且つシンプルな回路構成を有する回生電流供給回路80によって実現できる。
本実施形態において、電流バルブ素子ZD2として用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧VZD2は、平滑コンデンサ20の耐圧以下である。
上記のように、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、駆動電源ノードPに回生電流が供給される。電流バルブ素子ZD2として用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧VZD2が、平滑コンデンサ20の耐圧以下である場合、電流バルブ素子ZD2が導通状態となった後、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCは、平滑コンデンサ20の耐圧以下に制限される。
従って、この場合、充電モード時において端子間電圧VCが耐圧を超えるまで平滑コンデンサ20が充電されることを防止できる。言い換えれば、充電モード時における過充電によって平滑コンデンサ20が破壊されるのを防止できる。
上記のように、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCが、ツェナーダイオードである電流バルブ素子ZD2のツェナー電圧VZD2と同じ電圧値に達すると、電流バルブ素子ZD2が導通状態となり、駆動電源ノードPに回生電流が供給される。電流バルブ素子ZD2として用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧VZD2が、平滑コンデンサ20の耐圧以下である場合、電流バルブ素子ZD2が導通状態となった後、平滑コンデンサ20の端子間電圧VCは、平滑コンデンサ20の耐圧以下に制限される。
従って、この場合、充電モード時において端子間電圧VCが耐圧を超えるまで平滑コンデンサ20が充電されることを防止できる。言い換えれば、充電モード時における過充電によって平滑コンデンサ20が破壊されるのを防止できる。
本実施形態において、回生電流供給回路80は、第1ノードP1に接続されるカソード端子と、グランド端子42に接続されるアノード端子とを有するツェナーダイオードZD1をさらに有する。
これにより、駆動電源ノードPの電位VPは、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZD1以下に制限されるため、駆動電源ノードPの電位VPが、下側スイッチング素子17及び18をオン状態にするのに必要な値よりも大きく上昇することを防止できる。
これにより、駆動電源ノードPの電位VPは、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZD1以下に制限されるため、駆動電源ノードPの電位VPが、下側スイッチング素子17及び18をオン状態にするのに必要な値よりも大きく上昇することを防止できる。
本実施形態においてモータ駆動装置40は、電源電圧Vから制御用電源電圧Aを生成して駆動電源ノードPに出力するレギュレータ1と、電源オフ状態か否かを検知する電源電圧監視部2-1と、制御用電源電圧Aによって動作し、下側スイッチング素子17及び18を制御する下側駆動信号D及びEを下側アーム駆動部70に出力する駆動信号生成部2と、をさらに備える。下側アーム駆動部70は、下側駆動信号D及びEが第1状態(ローレベル、またはハイインピーダンス状態)のときに、駆動電源ノードPの電位VPによって下側スイッチング素子17及び18をオン状態にするゲート電圧を生成し、下側駆動信号D及びEが第2状態(ハイレベル)のときに、グランド端子42の電位(グランド電位)によって下側スイッチング素子17及び18をオフ状態にするゲート電圧を生成する下側ゲート駆動回路71及び72を有する。駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1によって電源オフ状態が検知された場合に、下側アーム駆動部70に出力される下側駆動信号D及びEの状態を第1状態に保持する。
このような本実施形態によれば、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合には、外部から特別な電気信号をモータ駆動装置40に供給しなくとも、駆動電源ノードPの電位VPによって下側スイッチング素子17及び18の全てをオン状態にすることができる。一方、モータ駆動装置40が電源オン状態にある場合には、駆動信号生成部2から出力される下側駆動信号D及びEによって下側スイッチング素子17及び18をスイッチング制御することができる。
このような本実施形態によれば、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合には、外部から特別な電気信号をモータ駆動装置40に供給しなくとも、駆動電源ノードPの電位VPによって下側スイッチング素子17及び18の全てをオン状態にすることができる。一方、モータ駆動装置40が電源オン状態にある場合には、駆動信号生成部2から出力される下側駆動信号D及びEによって下側スイッチング素子17及び18をスイッチング制御することができる。
本実施形態においてモータ駆動装置40は、インバータ回路50に含まれる上側スイッチング素子15及び16を駆動する上側アーム駆動部60をさらに備える。駆動信号生成部2は、上側スイッチング素子15及び16を制御する上側駆動信号B及びCを上側アーム駆動部60に出力する。上側アーム駆動部60は、上側駆動信号B及びCが第1状態(ローレベル、またはハイインピーダンス状態)のときに、上側スイッチング素子15及び16をオフ状態にするゲート電圧を生成し、上側駆動信号B及びCが第2状態(ハイレベル)のときに、上側スイッチング素子15及び16をオン状態にするゲート電圧を生成する上側ゲート駆動回路61及び62を有する。駆動信号生成部2は、電源電圧監視部2-1によって電源オフ状態が検知された場合に、上側アーム駆動部60に出力される上側駆動信号B及びCの状態を第1状態に保持する。
このような本実施形態によれば、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合には、外部から特別な電気信号をモータ駆動装置40に供給しなくとも、上側スイッチング素子15及び16の全てをオフ状態にすることができる。一方、モータ駆動装置40が電源オン状態にある場合には、駆動信号生成部2から出力される上側駆動信号B及びCによって上側スイッチング素子15及び16をスイッチング制御することができる。
このような本実施形態によれば、モータ駆動装置40が電源オフ状態にある場合には、外部から特別な電気信号をモータ駆動装置40に供給しなくとも、上側スイッチング素子15及び16の全てをオフ状態にすることができる。一方、モータ駆動装置40が電源オン状態にある場合には、駆動信号生成部2から出力される上側駆動信号B及びCによって上側スイッチング素子15及び16をスイッチング制御することができる。
本実施形態においてモータ駆動装置40は、逆流防止ダイオード21をさらに備える。逆流防止ダイオード21は、レギュレータ1の出力端子1bに接続されるアノード端子と、駆動電源ノードPに接続されるカソード端子と、を有するダイオードである。
このような逆流防止ダイオード21を設けることにより、駆動電源ノードPからレギュレータ1へ電流が逆流することを防止できる。
このような逆流防止ダイオード21を設けることにより、駆動電源ノードPからレギュレータ1へ電流が逆流することを防止できる。
〔変形例〕
本発明は上記実施形態に限定されず、本明細書において説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。
上記実施形態では、電流バルブ素子ZD2としてツェナーダイオードを用いる場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、バリスタ、或いはTVSダイオードなどの他の素子を電流バルブ素子として用いてもよい。
上記実施形態では、インバータ回路50に含まれる各スイッチング素子がMOSFETである場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、各スイッチング素子がIGBTであってもよい。
上記実施形態では、ファン装置100のモータ19を駆動するモータ駆動装置40を例示したが、本発明のモータ駆動装置は、ファン装置以外の装置、設備、または車両などに搭載されるモータを駆動するモータ駆動装置として使用してもよい。
本発明は上記実施形態に限定されず、本明細書において説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。
上記実施形態では、電流バルブ素子ZD2としてツェナーダイオードを用いる場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、バリスタ、或いはTVSダイオードなどの他の素子を電流バルブ素子として用いてもよい。
上記実施形態では、インバータ回路50に含まれる各スイッチング素子がMOSFETである場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、各スイッチング素子がIGBTであってもよい。
上記実施形態では、ファン装置100のモータ19を駆動するモータ駆動装置40を例示したが、本発明のモータ駆動装置は、ファン装置以外の装置、設備、または車両などに搭載されるモータを駆動するモータ駆動装置として使用してもよい。
上記実施形態では、インバータ回路50が単相フルブリッジ回路である場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図9に示すように、モータ19が三相モータである場合には、三相フルブリッジ回路によって構成されるインバータ回路50Aをモータ駆動装置40に設けてもよい。
図9に示すインバータ回路50Aは、第1上側スイッチング素子15及び第2上側スイッチング素子16に加えて、Pチャネル型MOSFETである第3上側スイッチング素子22を有する。また、インバータ回路50Aは、第1下側スイッチング素子17及び第2下側スイッチング素子18に加えて、Nチャネル型MOSFETである第3下側スイッチング素子23を有する。
図9では図示を省略するが、第3上側スイッチング素子22のゲート端子は、第1上側ゲート駆動回路61と同じ回路構成を有する第3上側ゲート駆動回路と電気的に接続される。また、図9では、第1上側ゲート駆動回路61及び第2上側ゲート駆動回路62の図示も省略する。一方、図9に示すように、第3下側スイッチング素子23のゲート端子は、第1下側ゲート駆動回路71と同じ回路構成を有する第3下側ゲート駆動回路73と電気的に接続される。
すなわち、第3下側ゲート駆動回路73は、NPN型バイポーラトランジスタであるトランジスタ24と、抵抗素子25と、抵抗素子26と、を有する。トランジスタ15のコレクタ端子は、抵抗素子26を介して第3上側スイッチング素子23のゲート端子と電気的に接続され、且つ抵抗素子25を介して駆動電源ノードPと電気的に接続される。トランジスタ24のエミッタ端子は、グランド端子42と電気的に接続される。トランジスタ24のベース端子は、不図示の駆動信号生成部2と電気的に接続される。
1…レギュレータ(制御用電源電圧生成部)、2…駆動信号生成部、2-1…電源電圧監視部、15…第1上側スイッチング素子、16…第2上側スイッチング素子、17…第1下側スイッチング素子、18…第2下側スイッチング素子、19…モータ、20…平滑コンデンサ、21…逆流防止ダイオード、30…回転翼、40…モータ駆動装置、41…電源端子、42…グランド端子、50…インバータ回路、60…上側アーム駆動部、61…第1上側ゲート駆動回路、62…第2上側ゲート駆動回路、70…下側アーム駆動部(電磁制動部)、71…第1下側ゲート駆動回路、72…第2下側ゲート駆動回路、80…回生電流供給回路、100…ファン装置、ZD1…ツェナーダイオード、ZD2…電流バルブ素子、LN1…電流供給線、R1…抵抗素子、D1…ダイオード
Claims (9)
- モータを駆動するモータ駆動装置であって、
電源端子と、
グランド端子と、
前記電源端子と前記グランド端子との間に接続される平滑コンデンサと、
前記電源端子と前記グランド端子との間に接続され、前記電源端子に入力される電源電圧を交流電圧に変換して前記モータに出力するインバータ回路と、
前記電源電圧が前記電源端子に入力されない状態において、前記平滑コンデンサの端子間電圧が所定値以上のときに、前記モータに発生する逆起電力によって前記インバータ回路に流れる回生電流を駆動電源ノードに供給する回生電流供給回路と、
前記駆動電源ノードの電位によって前記インバータ回路に含まれる下側スイッチング素子の全てをオン状態にすることにより前記モータの電磁的な制動を行う電磁制動部と、
を備える、モータ駆動装置。 - 前記回生電流供給回路は、
前記駆動電源ノードと第1ノードとを接続する電流供給線と、
前記第1ノードに接続される一端を有する抵抗素子と、
前記抵抗素子の他端に接続されるカソード端子を有するダイオードと、
前記電源端子と前記ダイオードのアノード端子との間に接続され、前記平滑コンデンサの前記端子間電圧が前記所定値以上のときに、前記ダイオードの側へ前記回生電流を通過させる電流バルブ素子と、
を有する、請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 前記電流バルブ素子は、前記電源端子に接続されるカソード端子と、前記ダイオードの前記アノード端子に接続されるアノード端子とを有するツェナーダイオードである、請求項2に記載のモータ駆動装置。
- 前記ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記平滑コンデンサの耐圧以下である、請求項3に記載のモータ駆動装置。
- 前記回生電流供給回路は、前記第1ノードに接続されるカソード端子と、前記グランド端子に接続されるアノード端子とを有するツェナーダイオードをさらに有する、請求項2から請求項4のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記電源端子に入力される前記電源電圧から制御用電源電圧を生成して駆動電源ノードに出力する制御用電源電圧生成部と、
前記電源電圧が前記電源端子に入力されない状態か否かを検知する電源電圧監視部と、
前記制御用電源電圧生成部から出力される前記制御用電源電圧によって動作し、前記下側スイッチング素子を制御する下側駆動信号を前記電磁制動部に出力する駆動信号生成部と、
をさらに備え、
前記電磁制動部は、前記下側駆動信号が第1状態のときに、前記駆動電源ノードの電位によって前記下側スイッチング素子をオン状態にするゲート電圧を生成し、前記下側駆動信号が第2状態のときに、前記グランド端子の電位によって前記下側スイッチング素子をオフ状態にするゲート電圧を生成する下側ゲート駆動回路を有し、
前記駆動信号生成部は、前記電源電圧監視部によって前記電源電圧が前記電源端子に入力されない状態が検知された場合に、前記電磁制動部に出力される前記下側駆動信号の状態を前記第1状態に保持する、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記インバータ回路に含まれる上側スイッチング素子を駆動する上側アーム駆動部をさらに備え、
前記駆動信号生成部は、前記上側スイッチング素子を制御する上側駆動信号を前記上側アーム駆動部に出力し、
前記上側アーム駆動部は、前記上側駆動信号が第1状態のときに、前記上側スイッチング素子をオフ状態にするゲート電圧を生成し、前記上側駆動信号が第2状態のときに、前記上側スイッチング素子をオン状態にするゲート電圧を生成する上側ゲート駆動回路を有し、
前記駆動信号生成部は、前記電源電圧監視部によって前記電源電圧が前記電源端子に入力されない状態が検知された場合に、前記上側アーム駆動部に出力される前記上側駆動信号の状態を前記第1状態に保持する、
請求項6に記載のモータ駆動装置。 - 前記制御用電源電圧生成部の出力端子に接続されるアノード端子と、前記駆動電源ノードに接続されるカソード端子とを有する逆流防止ダイオードをさらに備える、請求項6または請求項7に記載のモータ駆動装置。
- モータと、
前記モータの回転軸に取り付けられる回転翼と、
前記モータを駆動する請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、
を備えるファン装置。
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CN117118273A (zh) * | 2023-08-29 | 2023-11-24 | 睿尔曼智能科技(北京)有限公司 | 电机制动装置、方法及采用该装置的机械臂制动*** |
-
2020
- 2020-10-07 JP JP2020169719A patent/JP2022061656A/ja active Pending
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CN117118273A (zh) * | 2023-08-29 | 2023-11-24 | 睿尔曼智能科技(北京)有限公司 | 电机制动装置、方法及采用该装置的机械臂制动*** |
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