JP3800260B2

JP3800260B2 - ブラシレスモータの保護装置

Info

Publication number: JP3800260B2
Application number: JP29466196A
Authority: JP
Inventors: 紳一郎片桐
Original assignee: 日本電産シバウラ株式会社
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2016-10-17
Also published as: JPH10127084A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、インバ−タ部のスイッチング素子を回転子磁極位置に基づいて制御し、電機子巻線の電流および相を切換えるブラシレスモ−タの保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明の背景】
従来の三相ＤＣブラシレスモ−タは、図３に示す構成を持つ。この図で符号１０は直流電源、１２はトランジスタ三相ブリッジ回路からなるインバ−タ部、１４は回転子、１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）は固定子である三相電機子巻線である。回転子は永久磁石を内蔵するクロ−ポ−ル形またはくし形の塊状回転子であり、界磁となるものである。
【０００３】
インバ−タ部１２は、電源１０の＋側に接続された３個の入力側スイッチング素子としてのトランジスタＴ_r1，Ｔ_r2，Ｔ_r3と、電源１０の−側に接続された３個の出力側スイッチング素子としてのトランジスタＴ_r4，Ｔ_r5，Ｔ_r6とを持つ。各トランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6には逆並列にフライホイ−リング用のダイオ−ドＤ₁ 〜Ｄ₆ が接続されている。
【０００４】
対をなすトランジスタＴ_r1とＴ_r4、Ｔ_r2とＴ_r5、Ｔ_r3とＴ_r6の接続点は、３相電機子巻線１６ａ〜１６ｃの一端に接続されている。各巻線１６ａ〜１６ｃの他端は相互に接続され、結局スタ−接続の電機子巻線１６が形成される。
【０００５】
１８は回転子磁極位置検出器であり、回転子１４に直結された永久磁石板２０と、これを囲むように等間隔に配置された３つの磁気センサ２２と、これらセンサ２２の出力に基づいて回転子１４の磁極位置を判別する分配器２４とを有する。
【０００６】
２６は制御部であり、分配器２４が出力する回転子磁極位置を示す信号に基づいて、トランジスタＴ_r1〜Ｔ_r3を選択的にオン・オフすると共に、速度指令に基づいてトランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6を選択的にチョッピング制御する。ここに外部の機器あるいは速度指令部２８が出力する第１速度指令値Ｖ₁ と、制御部２６から速度フィードバック部３０にフィ−ドバックされる速度信号Ｖとの差（Ｖ₁ −Ｖ）＝Ｖ₂ が、第２速度指令値Ｖ₂ として制御部２６に入力される。
【０００７】
この制御部２６は、ドライバ３２、３４によって入力側トランジスタＴ_r1〜Ｔ_r3と、出力側トランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6とを別々に制御する。すなわち入力側トランジスタＴ_r1〜Ｔ_r3は、所定の回転子磁極位置の範囲内ではオンまたはオフ状態に保持されるようにオン・オフ制御される。出力側トランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6は第２速度指令値Ｖ₂ に対応したデュ−ティ−比となるように、例えばＰＷＭ（パルス幅制御）方式によりチョッピング制御される。
【０００８】
ここにオン・オフ制御あるいはチョッピング制御されるトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6は、回転子磁極位置の変化によって順番に変わるのは勿論である。この結果電機子巻線１６は回転磁界を発生させ、回転子１４を回転させるものである。
【０００９】
【従来技術の問題点】
このように構成されるモ−タにおいて、回転子１４に外力が加って強制的に逆転される場合がありうる。例えば空調機器の外部ユニットの送風ファン駆動用にこのモ−タを使用した場合には、外気の風がこのファンを逆方向に駆動してモ−タを逆転させることが起こる。この逆転によりモ−タは発電機として機能し、電機子巻線１６に逆極性の誘起電圧を発生する。
【００１０】
この時にチョッピング制御される側のトランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6が全てオフあるいはオフに近い状態であると、例えばトランジスタＴ_r1がオンの時には、誘起電圧により巻線１６ａに電流ｉ₁ が流れ、この電流ｉ₁ は巻線１６ｂと１６ｃの電流ｉ₂ 、ｉ₃ に分かれてダイオ−ドＤ₂ 、Ｄ₃ に流れるように還流する。
【００１１】
オン・オフ制御されるトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r3は、オン期間が重ならないように回転子磁極位置に同期して順番にオンとなるように制御されているからである。この誘起電圧が大きいと、ダイオ−ドＤ₁ 〜Ｄ₃ あるいはトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r3を破壊するおそれがあった。
【００１２】
また前記のような経路で電流ｉ₁ 、ｉ₂ 、ｉ₃ が流れている時にトランジスタＴ_r1がオフになると、このオフになる瞬間に巻線１６の誘導成分によりこの電流ｉ₁ に相当する電流がダイオ−ドＤ₄ を通して電源１０から流れることになり、巻線１６による回生エネルギ−がダイオ−ドＤ₄ を通して放出される。このため電池１０の両極間電圧が急上昇し、トランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6やダイオ−ドＤ₁ 〜Ｄ₆ を破損するおそれが生じ得る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、モ−タが外力により逆転された場合に、インバ−タ部のスイッチング素子等が破損されるのを防止することができるブラシレスモ−タの保護装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの目的は、スイッチング素子をブリッジ接続して構成したインバ−タ部と、回転子磁極位置検出器と、回転子磁極位置に対応して所定のスイッチング素子をチョッピングあるいはオン・オフ制御する制御部とを備え、回転子磁極位置に基づいて電機子巻線の電流および相を切換えるブラシレスモ−タにおいて、前記回転子が逆転していることを検出して逆転信号を出力すると共に逆転速度を検出する逆転検出部と、この逆転速度の変化に対応して変化する設定速度を出力する速度設定部と、速度指令値が前記設定速度以下であることを判別して速度判別信号を出力する比較部と、前記逆転信号と速度判別信号とに基づいてストップ信号を出力するストップ判別部とを備え、前記ストップ信号に基づいて前記制御部は前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフにすることを特徴とするブラシレスモ−タの保護装置、により達成される。
【００１５】
ここに設定速度を逆転速度に対応させて変化させるようにしている。例えば逆転速度が大きくなるに従ってこの設定速度も大きくする。このようにすれば、逆転速度が大きいときに発電機としての出力電圧（誘起電圧）が大きくなっても、この増加に対応して起動を開始する指令速度も大きくなるから、ダイオードやトランジスタの保護が一層確実になる。
【００１６】
【実施態様】
図１は本発明の一実施態様の構成図である。この図においては前記図３と同一部分に同一符号を付したので、その説明は繰り返さない。
【００１７】
この図で前記図２のものと異なるのは、逆転検出部（逆転速度検出部）５０と、速度設定部５２と、比較部５４と、ストップ判別部５６とを有する点である。逆転検出部５０は回転子磁極位置検出器１８の出力に基づいて回転子１４が逆転していることを検出して逆転信号ｒを出力する。
【００１８】
速度設定部５２は回転子回転速度Ｖの設定値である設定速度Ｖ₀（Ｖ₀＞０）を出力するものである。比較部５４は第１速度指令値Ｖ₁をこの設定速度Ｖ₀と比較し、Ｖ₁＜Ｖ₀であることを判別して速度判別信号Ｄを出力する。
【００１９】
ストップ判別部５６はアンド回路で形成され、逆転信号ｒとこの速度判別信号Ｄが共に入力された時にストップ信号Ｓを出力する。すなわち、このストップ信号Ｓは、回転子１４が逆転中であり、かつ回転速度の指令値Ｖ₁が設定値Ｖ₀よりも小さい時に出力される。なお比較部５４は第１速度指令値Ｖ₁に代えて、第２速度指令値Ｖ₂を用いて、設定速度Ｖ₀と比較してもよい。
【００２０】
制御部２６はこのストップ信号Ｓが出力されると、全てのトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6を同時にオフにするように各ドライバ３２、３４に信号を出力する。この結果全てのトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6は完全にオフとなり、インバ−タ部１２は保護される。
【００２１】
本発明は、回転子の逆転時には、速度指令値Ｖ₁またはＶ₂が設定速度Ｖ₀以下である時に、全てのトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6をオフにするものであり、これを入力側のトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r3のみをオフにしたのでは所期の目的は達成できない。なぜなら制御部２６が速度指令値Ｖ₂ に基づいて正転方向に回転させるように信号をドライバ３０に出力している時には、電源１０の両電極電圧が急激に増大するからである。その理由は次の通りである。
【００２２】
この時にはトランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6のいずれかがチョッピングしているから、例えばトランジスタＴ_r4がチョッピングしているとすればこれがオンの瞬間に流れた電流ｉ₁ は次のオフの瞬間にはフライホイール用ダイオードＤ₄ を通って環流することになる。この間も他の巻線１６ｂ、１６ｃの電流ｉ₂ 、ｉ₃ はダイオードＤ₅ 、Ｄ₆ を介して電源１０の負極から流出しているから、電源１０の両電極間電圧が急増することになる。このためトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6やダイオードＤ₁ 〜Ｄ₆ を破壊するおそれが生じるからである。
【００２３】
この発明では、速度設定部５２が出力する設定速度Ｖ₀を回転子１４の逆転速度Ｖ（−）によって変化させている。すなわち逆転速度Ｖ（−）が大きければ巻線１６に誘起される電圧（逆極性の誘起電圧）も高くなるから、インバータ部１２がこの誘起電圧よりも大きい電圧を発生する速度指令値Ｖ₁またはＶ₂までモータが起動するのを待たせるようにするものである。
【００２４】
このためには、逆転検出部５０は逆転速度Ｖ（−）を検出する一方、速度設定部５２はこの逆転速度Ｖ（−）の大きさに対する設定速度Ｖ₀の制御特性を予めメモリしておけばよい。この制御特性は、例えば図２に示すものが考えられる。
【００２５】
この図２の制御特性は、逆転速度Ｖ（−）が一定値（一定逆転速度）Ｖ₁（−）より大になると、設定速度Ｖ₀も一定値（一定設定速度）Ｖ₀₁から直線的に増加するようにしたものである。この特性は直線的変化をするものに代えて変化率（傾き）が漸増するもの（図２のＡ参照）や、漸減するもの（同Ｂ参照）など適宜のものが可能である。この特性は逆転速度Ｖ（−）に対する誘起電圧の変化特性や、速度指令値Ｖ₁またはＶ₂に対するインバータ部１２の出力電圧の変化特性などを考慮して決められるべきものである。
【００２６】
以上の実施態様では、出力側のトランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6をチョッピング制御することにより、電機子巻線１６の電流を制御してモ−タトルクを制御している。しかし電源１０の電圧を可変とし出力側トランジスタＴ_r4〜Ｔ_r6を入力側と同時にオン・オフ制御することも可能である。本発明はこのようなものも包含する。またスイッチング素子はトランジスタＴ_r1〜Ｔ_r6に代えて、サイリスタなど他の素子を用いてもよいのは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明は以上のように、逆転時には速度指令値（Ｖ₁、Ｖ₂）が所定の設定速度（Ｖ₀）以下の時に全てのスイッチング素子をオフにするものであるから、外力により回転子が逆転する時に電機子巻線に発生する誘起電流は電源を充電する方向に流れるだけになる。このため、逆転時の誘起電流によるスイッチング素子等の破損を防止してインバ−タ部を保護することができる。また回転子の停止中あるいは正転中にはモータを起動させ、速度指令値（Ｖ₁、Ｖ₂）に従って回転速度を忠実に制御することができる。
【００２８】
ここに設定速度（Ｖ₀）は逆転速度（Ｖ（−））に基づき変化するように制御する。例えば速度設定部に逆転速度（Ｖ（−））に対する設定速度（Ｖ₀）の制御特性をメモリしておくものである。このため逆転速度（Ｖ（−））に対する誘起電圧の増減に対応してインバータが作動開始する速度指令値（Ｖ₁、Ｖ₂）を変えることになり、適切な制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成図
【図２】逆転速度に対する設定速度の制御特性例を示す図
【図３】従来装置の構成図
【符号の説明】
１０直流電源
１２インバ−タ部
１４回転子
１６電機子巻線
１８回転子磁極位置検出器
２６制御部
５０逆転（速度）検出部
５２速度設定部
５４比較部
ｒ逆転信号
Ｄ速度判別信号
Ｓストップ信号
Ｖ₁ 第１速度指令値
Ｖ₂ 第２速度指令値
Ｖ₀ 設定速度
Ｖ（−）逆転速度

Claims

スイッチング素子をブリッジ接続して構成したインバ−タ部と、回転子磁極位置検出器と、回転子磁極位置に対応して所定のスイッチング素子をチョッピングあるいはオン・オフ制御する制御部とを備え、回転子磁極位置に基づいて電機子巻線の電流および相を切換えるブラシレスモ−タにおいて、前記回転子が逆転していることを検出して逆転信号を出力すると共に逆転速度を検出する逆転検出部と、この逆転速度の変化に対応して変化する設定速度を出力する速度設定部と、速度指令値が前記設定速度以下であることを判別して速度判別信号を出力する比較部と、前記逆転信号と速度判別信号とに基づいてストップ信号を出力するストップ判別部とを備え、前記ストップ信号に基づいて前記制御部は前記インバータ部の全てのスイッチング素子をオフにすることを特徴とするブラシレスモ−タの保護装置。
前記速度設定部はこの逆転速度が一定逆転速度より大になると設定速度が一定設定速度から増加するように設定速度を制御する、請求項１のブラシレスモータの保護装置。