JP3236318B2 - 直流電動機の運転制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直流電動機のＰＷＭ制御
を用いた回転数制御において、その切り換え時に発生す
る還流電流を除去した直流電動機の運転制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、直流電動機はその効率の高さや、
回転数制御の容易性から、その応用範囲が広がってきて
いる。

【０００３】以下に従来の直流電動機の運転制御方法に
ついて説明する。直流電動機の回転数を制御するため
に、たとえば特開昭５１−２８６１０号公報に示される
ような方法がある。これはインバータ回路の片側の半導
体スイッチを、駆動周波数より高いチョッピング周波数
でオン／オフ制御（以下ＰＷＭ制御と呼ぶ）するもので
ある。この方法ではインバータ回路の全半導体スイッチ
がオフする瞬間があり、このときの巻線のエネルギーは
還流電流として整流回路の平滑コンデンサに逆流してい
た。

【０００４】その動作について図７を用いてさらに詳し
く説明する。図７は従来の直流電動機の運転制御装置の
動作の模式図である。

【０００５】図７（ａ）は半導体スイッチのうち６ａと
６ｆがオンしており、実線と矢印に示すような経路で直
流電源Ｅから電流が供給されている。次に図７（ｂ）で
ＰＷＭ制御により６ｆがオフすると６ｃと並列に入って
いるダイオードの働きにより実線に示すような閉ループ
が構成され電流が流れ続ける。

【０００６】次に図７（ｃ）で転流動作により６ａがオ
フになると全トランジスタがオフになった状態になる。
このとき閉ループは構成されず巻線に蓄えられたエネル
ギーは実線と矢印に示すような経路で直流電源Ｅに還流
電流として逆流してしまう。

【０００７】この還流電流を防止するために、たとえば
特開昭６３−２３４８９３号公報に示されるような改善
がなされている。これは転流動作による切り換えのタイ
ミングに制限を加え、ＰＷＭ制御によって他方アームの
半導体スイッチがオンしているときにのみ切り換えるよ
うにすることにより、全半導体スイッチがオフするのを
防止し、還流電流をなくすようにしたものであった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来の構成では、次に示すような問題があった。

【０００９】従来の方法では、還流電流の影響はなくな
るが、ＰＷＭ制御のチョッピング周波数と直流電動機の
回転数により転流のズレが非常に大きくなる事があり、
電流増加・効率ダウンしてしまい、最悪の場合は脱調を
起こしてしまい、直流電動機が停止してしまう。

【００１０】たとえば、直流電動機の回転子が４極で６
０００ｒ／ｍｉｎで回転しており、ＰＷＭ制御のチョッ
ピング周波数が２ｋＨｚである場合、各相への転流範囲
において平均３．３回（２ｋＨｚ÷２００Ｈｚ÷３）の
オン／オフ制御がなされている。この場合オフになった
瞬間に切り換えがされると最大約３０度の位相遅れが生
じてしまう事になる。この位相遅れの影響により、上記
のような問題点が発生する。

【００１１】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、電流増加・効率ダウンなどの特性劣化を起こさず、
かつ還流電流を効果的に防止できる直流電動機の運転制
御装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の直流電動機の運転制御装置は、直流電動機の
回転子の位置を検出する位置検出回路の出力を元にイン
バータ回路の半導体スイッチング素子の動作を決定する
転流回路と、直流電動機の回転数を可変にするためのチ
ョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信
号発生回路と、転流回路の第１の出力とチョッピング信
号発生回路の出力とを合成しインバータ回路の片側アー
ムの半導体スイッチをオン／オフさせる第１ドライブ回
路と、転流回路の第２の出力のオンからオフにする信号
を一定時間遅延させるオフ遅延回路と、オフ遅延回路の
出力によりインバータ回路の他方アームの半導体スイッ
チをオン／オフさせる第２ドライブ回路という構成を有
している。

【００１３】

【作用】この構成によって、オフ遅延回路により他方ア
ームの半導体スイッチがオフする動作を一定時間遅延さ
せ、その間に他の半導体スイッチがオンするようにする
事により、全ての半導体スイッチがオフになる状態を回
避し、還流電流を防止するようにしたものである。また
このとき一定時間は半導体スイッチが２個同時にオンし
ているが、短時間であるために特性への影響はない。こ
のように本発明によると、その特性に影響を与える事な
く、還流電流を防止する事ができる。

【００１４】

【実施例】（実施例１）以下本発明の一実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施例における直流
電動機の運転制御装置のブロック図である。

【００１６】図１において、１は交流電源である。２は
交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路で
あり、ダイオード３ａ〜３ｄがブリッジ接続され、その
出力に平滑コンデンサ４が接続されている。

【００１７】５はインバータ回路であり、半導体スイッ
チ（本実施例ではトランジスタ）６ａ〜６ｆが３相ブリ
ッジ接続されており、かつ各々のトランジスタに並列・
逆方向でダイオード７ａ〜７ｆが接続されている。

【００１８】８は直流電動機であり、インバータ回路５
の出力により駆動される。９は直流電動機８の回転子
（図示せず）の回転位置を検出するための位置検出回路
であり、本実施例では直流電動機の逆起電圧から位置を
検出する方式としている。

【００１９】１０は位置検出回路９の出力からインバー
タ回路５の半導体スイッチ６ａ〜６ｆを転流させる信号
をつくりだす転流回路である。１１は直流電動機８の回
転数を可変にするためのＰＷＭ制御を行うための信号を
発生するチョッピング信号発生回路であり、一定周波数
でオン／オフ比率の異なる波形を作り出す。

【００２０】１２は転流回路１０の出力のうち、下アー
ムの半導体スイッチ６ｄ〜６ｆを転流する信号（第１の
出力Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚとする）とチョッピング信号発生
回路１１の出力ＳｃとのＡＮＤ条件で半導体スイッチ６
ｄ〜６ｆを動作させる第１ドライブ回路である。

【００２１】１３は転流回路１０の出力のうち、上アー
ムの半導体スイッチ６ａ〜６ｃを転流する信号（第２の
出力Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗとする）のオフ時の信号を一定時
間遅延させるオフ遅延回路である。１４はオフ遅延回路
１３の出力で半導体スイッチ６ａ〜６ｃを動作させる第
２ドライブ回路である。

【００２２】以上のように構成された直流電動機の運転
制御装置について、図２、図３を用いてその動作を説明
する。

【００２３】図２は本発明の第１の実施例の主要部にお
けるタイミングチャートである。位置検出回路９の出力
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３とチョッピング信号発生回路１１の出
力Ｓｃにより半導体スイッチ６ａ〜６ｆをオン／オフ制
御する。その論理式は次の通りである。

【００２４】 Ｓｕ＝（Ｓ１）・（／Ｓ２） Ｓｖ＝（Ｓ２）・（／Ｓ３） Ｓｗ＝（Ｓ３）・（／Ｓ１） Ｓｘ＝（／Ｓ１）・（Ｓ２）・（Ｓｃ） Ｓｙ＝（／Ｓ２）・（Ｓ３）・（Ｓｃ） Ｓｚ＝（／Ｓ３）・（Ｓ１）・（Ｓｃ） 各信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗはオフのタイミングが一定時間
（ｔｄ）遅延され、半導体スイッチ６ａ〜６ｃを制御す
る。また各信号Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚはそのまま半導体スイ
ッチ６ｄ〜６ｆを制御する。

【００２５】この図２に示すように上アームの半導体ス
イッチはオフされるときに一定時間遅延するために時間
ｔｄの区間においては３個の半導体スイッチのうち２個
が必ずオンとなっている。この区間により全ての半導体
スイッチがオフになる事を防止し、還流電流を防止でき
る。

【００２６】つぎにこの動作についてさらに詳細に説明
する。図３は本発明の第１の実施例における直流電動機
の運転制御装置の動作の模式図である。

【００２７】図３（ａ）は半導体スイッチのうち６ａと
６ｆがオンしており、実線と矢印に示すような経路で直
流電源Ｅから電流が供給されている。次に図３（ｂ）で
ＰＷＭ制御により６ｆがオフすると６ｃと並列に入って
いるダイオードの働きにより実線に示すような閉ループ
が構成され電流が流れ続ける。

【００２８】次に図３（ｃ）で転流動作により６ｂがオ
ンになるが遅延動作により６ａはまだオンしたままであ
る。このとき実線に示す電流が流れる。次に図３（ｄ）
で遅延動作が終了して６ａがオフとなるが、このときは
すでに６ｂがオンされており実線に示すような閉ループ
で電流が流れる。図３（ｅ）では、６ｆが再びオンし、
元の状態に戻る。

【００２９】この動作から明らかなように、本発明にお
いては全ての半導体スイッチがオフになった状態になる
事はなく、常に閉ループは構成されているので還流電流
は発生しない。

【００３０】以上のように本実施例において、直流電動
機８の回転子の位置を検出する位置検出回路９の出力を
元にインバータ回路５の半導体スイッチング素子６ａ〜
６ｆの動作を決定する転流回路１０と、直流電動機８の
回転数を可変にするためのチョッピングを行うための信
号を発生するチョッピング信号発生回路１１と、転流回
路１０の第１の出力Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚとチョッピング信
号発生回路１１の出力Ｓｃとを合成しインバータ回路５
の片側アームの半導体スイッチ６ｄ〜６ｆをオン／オフ
させる第１ドライブ回路１２と、転流回路１０の第２の
出力Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗのオンからオフにする信号を一定
時間遅延させるオフ遅延回路１３と、オフ遅延回路１３
の出力によりインバータ回路５の他方アームの半導体ス
イッチ６ａ〜６ｃをオン／オフさせる第２ドライブ回路
１４とを設ける事により、全ての半導体スイッチがオフ
になる状態を防止し、平滑コンデンサ４に逆流する還流
電流を防止でき、平滑コンデンサ４を小型化できるとと
もに、信頼性も向上する。また、オンするタイミングは
全くずれないために、直流電動機の特性にも全く影響を
与えない。

【００３１】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００３２】図４は本発明の第２の実施例における直流
電動機の運転制御装置のブロック図である。

【００３３】図４において、１は交流電源、２は整流回
路、３ａ〜３ｄはダイオード、４は平滑コンデンサ、７
ａ〜７ｆはダイオード、８は直流電動機、９は位置検出
回路、１０は転流回路、１１はチョッピング信号発生回
路、１２は第１ドライブ回路で、以上は図１と構成は同
じものである。

【００３４】２０はインバータ回路であり、図１とは異
なり、上アームの半導体スイッチ２１ａ〜２１ｃに低速
半導体スイッチ（実施例ではトランジスタ）を用い、下
アームの半導体スイッチ２１ｄ〜２１ｆに高速半導体ス
イッチ（実施例ではＭＯＳＦＥＴ）を用いている。

【００３５】また２２は、第３ドライブ回路で図１とは
異なり、転流回路１０の第２の出力をオフ遅延無しで動
作させている。

【００３６】図５は第３ドライブ回路の詳細な回路図で
あり、半導体スイッチ２１ａの第３ドライブ回路を示
す。

【００３７】図５において、２３はトランジスタで半導
体スイッチ２１ａのコレクタ・ベースに各々エミッタ・
コレクタが接続されている。２４は抵抗でトランジスタ
２３のエミッタ・ベース間に取り付けられている。２５
は抵抗で一端をトランジスタ２３のベースに、他端はト
ランジスタ２６のコレクタに接続されている。トランジ
スタ２６のベースに入力される信号により半導体スイッ
チ２１ａがオン／オフ制御される。

【００３８】ここで特徴的な事は、一般のこのようなド
ライブ回路においてはトランジスタの高速動作を目指す
ために、オフするときにベースの電位をマイナス側に引
くが、ここではそれは行わない。これは後で説明をする
が、トランジスタの持つ特性のうちスイッチング特性の
蓄積時間を積極的に使おうとするものである。

【００３９】他の上アームの半導体スイッチ２１ｂ、２
１ｃについても、同様の回路で構成されている。

【００４０】上記のように構成された直流電動機の運転
制御装置について、以下のその動作のついて説明する。

【００４１】位置検出回路９の出力により転流回路１０
で上アームの低速半導体スイッチ２１ａ〜２１ｃへの転
流信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成する。また同時に下アー
ムの高速半導体スイッチ２１ｄ〜２１ｆへの転流信号Ｓ
ｘ、Ｓｙ、Ｓｚを生成する。

【００４２】第１ドライブ回路１２では、第１の実施例
で説明したのと同様チョッピング信号発生回路１１の出
力Ｓｃと転流回路の第１の出力Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚとを合
成して高速半導体スイッチ２１ｄ〜２１ｆまでをオン／
オフさせる。

【００４３】第３ドライブ回路２２は転流回路１０の第
２の出力Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗをそのまま出力し、低速半導
体スイッチ２１ａ〜２１ｃをオン／オフさせる。

【００４４】次に、さらに詳細な説明を図６にて説明す
る。図６は第２の実施例におけるタイミングチャートで
ある。

【００４５】転流回路１０の出力のうちＳｕがオンから
オフになるタイミングでＳｖがオンする。ところが実際
の半導体スイッチの動作はＳｖに対応する低速半導体ス
イッチ２１ｂは直ちにオンするが、Ｓｕに対応する低速
半導体スイッチ２１ａは一定時間（ｔｓｔｇ）遅延の
後、オフする事になる。

【００４６】これは、第３ドライブ回路２２において、
前述のようにベースをマイナス側に引かないためであっ
て、低速半導体スイッチ２１ａのベースに蓄積された電
荷が放出されるまでオフしない特性を積極的に利用した
ものである。

【００４７】この様にする事により、第１の実施例で説
明した通り、全ての半導体スイッチがオフになる状態を
回避でき、平滑コンデンサ４に逆流する還流電流を防止
する事ができる。

【００４８】以上のように本発明は、６個の半導体スイ
ッチ２１ａ〜２１ｆ及びダイオード７ａ〜７ｆをブリッ
ジ結線するとともに片側アームには高速動作する高速半
導体スイッチ２１ｄ〜２１ｆ・他方アームには低速動作
する低速半導体スイッチ２１ａ〜２１ｃを用いたインバ
ータ回路２０と、位置検出回路９の出力を元にインバー
タ回路２０の半導体スイッチの動作を決定する転流回路
１０と、直流電動機８の回転数を可変にするためのチョ
ッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号
発生回路１１と、転流回路１０の第１の出力Ｓｘ、Ｓ
ｙ、Ｓｚとチョッピング信号発生回路１１の出力Ｓｃと
の合成信号によりインバータ回路２０の片側アームの高
速半導体スイッチ２１ｄ〜２１ｆをオン／オフさせる第
１ドライブ回路１２と、転流回路１０の第２の出力Ｓ
ｕ、Ｓｖ、Ｓｗによりインバータ回路２０の他方アーム
の低速半導体スイッチ２１ａ〜２１ｃをオン／オフさせ
る第３ドライブ回路２２とを設ける事により、非常に容
易な構成で半導体スイッチの特性をうまく活用し、還流
電流を防止でき、平滑コンデンサ４の小型化、信頼性の
向上が達成できる。

【００４９】また、第２の実施例においては、その構成
が非常に容易である事から回路自体が小型化でき、かつ
低コスト化が可能である。また下アームに高速半導体ス
イッチを利用しているので、チョッピング周波数を高く
する事ができ、たとえば２０ｋＨｚとする事により、人
間にはそのチョッピング時に発生する不快な音を取り除
く事ができる。このとき上アームは低速半導体スイッチ
のままでよい。すなわちコストアップを伴う事なく、低
騒音化ができる事になる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明は、直流電動機の回
転子の位置を検出する位置検出回路の出力を元にインバ
ータ回路の半導体スイッチング素子の動作を決定する転
流回路と、直流電動機の回転数を可変にするためのチョ
ッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号
発生回路と、転流回路の第１の出力とチョッピング信号
発生回路の出力とを合成しインバータ回路の片側アーム
の半導体スイッチをオン／オフさせる第１ドライブ回路
と、転流回路の第２の出力のオンからオフにする信号を
一定時間遅延させるオフ遅延回路と、オフ遅延回路の出
力によりインバータ回路の他方アームの半導体スイッチ
をオン／オフさせる第２ドライブ回路とを設ける事によ
り、オフ遅延回路により他方アームの半導体スイッチが
オフする動作を一定時間遅延させ、その間に他の半導体
スイッチがオンするようにする事により、全ての半導体
スイッチがオフになる状態を回避し、還流電流を防止す
るようにしたものである。またこのとき一定時間は半導
体スイッチが２個同時にオンしているが、短時間である
ために特性への影響はない。このように本発明による
と、その特性に影響を与える事なく、還流電流を防止す
る事ができるため、平滑コンデンサの小型化ができるば
かりでなく、信頼性が向上するができる優れた直流電動
機の運転制御装置を実現できるものである。

【００５１】また他の構成においては、複数個の半導体
スイッチ及びダイオードをブリッジ結線するとともに片
側アームには高速動作する高速半導体スイッチ・他方ア
ームには低速動作する低速半導体スイッチを用いたイン
バータ回路と、転流回路の第１の出力により前記インバ
ータ回路の片側アームの高速半導体スイッチをオン／オ
フさせる第１ドライブ回路と、前記転流回路の第２の出
力により前記インバータ回路の他方アームの低速半導体
スイッチをオン／オフさせる第３ドライブ回路とを設け
る事により、小型化・低コスト化が可能で、かつ還流電
流を防止できる直流電動機の運転制御装置が実現できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における直流電動機の運
転制御装置のブロック図

【図２】本発明の第１の実施例の主要部におけるタイミ
ングチャート

【図３】本発明の第１の実施例における直流電動機の運
転制御装置の動作の模式図 （ａ）は半導体スイッチのうち６ａと６ｆがオンした場
合の模式図 （ｂ）はＰＷＭ制御により６ｆがオフした場合の模式図 （ｃ）は転流動作により６ｂがオンになった場合の模式
図 （ｄ）は遅延動作が終了して６ａがオフとなった場合の
模式図 （ｅ）は６ｆが再びオンした場合の模式図

【図４】本発明の第２の実施例における直流電動機の運
転制御装置のブロック図

【図５】第３ドライブ回路２２の詳細な回路図

【図６】第２の実施例におけるタイミングチャート

【図７】従来の直流電動機の運転制御装置の動作の模式
図 （ａ）は半導体スイッチのうち６ａと６ｆがオンした場
合の模式図 （ｂ）でＰＷＭ制御により６ｆがオフした場合の模式図 （ｃ）で転流動作により６ａがオフした場合の模式図

【符号の説明】

２ 整流回路 ５ インバータ回路 ６ａ〜６ｆ 半導体スイッチ ８ 直流電動機 ９ 位置検出回路 １０ 転流回路 １１ チョッピング信号発生回路 １２ 第１ドライブ回路 １３ オフ遅延回路 １４ 第２ドライブ回路 ２０ インバータ回路 ２１ａ〜２１ｃ 低速半導体スイッチ ２１ｄ〜２１ｆ 高速半導体スイッチ ２２ 第３ドライブ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−195390（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−143268（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−112369（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−70475（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−89868（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 6/08 H02M 7/48 H02P 6/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流入力を直流に変換する整流回路と、６
   個の半導体スイッチ及びダイオードをブリッジ結線した
   インバータ回路と、前記インバータ回路により動作する
   ３相の直流電動機と、直流電動機の回転子の位置を検出
   する位置検出回路と、前記位置検出回路の出力を元に前
   記インバータ回路の半導体スイッチを電気角で１２０度
   ずつ通電し前記インバータ回路の上または下アームの一
   方の転流信号である第１の出力と前記インバータ回路の
   上または下アームの他方の転流信号である第２の出力を
   発生する転流回路と、前記直流電動機の回転数を可変に
   するために一定周波数でオン／オフ比率の異なる波形を
   作り出すチョッピング信号発生回路と、前記転流回路の
   第１の出力と前記チョッピング信号発生回路の出力とを
   合成し半導体スイッチをオン／オフさせる第１ドライブ
   回路と、前記転流回路の第２の出力のオンからオフにす
   る信号を一定時間遅延させるオフ遅延回路と、前記オフ
   遅延回路の出力で半導体スイッチをオン／オフさせる第
   ２ドライブ回路とを備え、前記第１ドライブ回路は前記
   インバータの上または下アームのいずれか一方の半導体
   スイッチをオン／オフさせ、前記第２ドライブ回路は前
   記インバータ回路の上または下アームのいずれか他方の
   アームの半導体スイッチをオン／オフすることにより他
   方のアームの半導体スイッチが切り替わる際に２個の半
   導体スイッチが一定時間同時にオンするようにした直流
   電動機の運転制御装置。
2. 【請求項２】交流入力を直流に変換する整流回路と、６
   個の半導体スイッチ及びダイオードをブリッジ結線する
   とともに上または下アームのいずれか一方の片側アーム
   には高速動作する高速半導体スイッチ・他方アームには
   低速動作する低速半導体スイッチを用いたインバータ回
   路と、前記インバータ回路により動作する３相の直流電
   動機と、直流電動機の回転子の位置を検出する位置検出
   回路と、前記位置検出回路の出力を元に前記インバータ
   回路の半導体スイッチを電気角で１２０度ずつ通電し前
   記インバータ回路の上または下アームの一方の転流信号
   である第１の出力と前記インバータ回路の上または下ア
   ームの他方の転流信号である第２の出力を発生する転流
   回路と、前記直流電動機の回転数を可変に一定周波数で
   オン／オフ比率の異なる波形を作り出すチョッピング信
   号発生回路と、前記転流回路の第１の出力と前記チョッ
   ピング信号発生回路の出力とを合成し半導体スイッチを
   オン／オフさせる第１ドライブ回路と、前記転流回路の
   第２の出力により半導体スイッチをオン／オフさせる第
   ３ドライブ回路とを備え、前記第１ドライブ回路は前記
   インバータの上または下アームのいずれか一方の高速半
   導体スイッチをオン／オフさせ、前記第３ドライブ回路
   は前記インバータ回路の上または下アームのいずれか他
   方のアームの低速半導体スイッチをオン／オフすること
   により低速半導体スイッチが切り替わる際に２個の低速
   半導体スイッチが一定時間同時にオンするようにした直
   流電動機の運転制御装置。