JP5032184B2 - モータ制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、モータを急速停止する場合に、発電制動を利用して停止させるモータ制御回路に関する。

電力を供給してモータを回転させて、機械的な負荷を駆動し、電力供給を停止することにより、モータの回転を停止させる構成に於いて、電力供給停止時は、モータは惰性回転を継続して停止するものであり、電力供給停止と共に、急速停止を行わせる為には、機械的ブレーキや電磁ブレーキを設けて、モータの回転を停止させるか、或いは、電力供給を停止した時の残存回転エネルギによる発電能力を有するモータの場合は、その発電電力を抵抗等により消費させて、モータの回転を停止させる発電制動等が知られている。

又モータ制御回路は、例えば、図４に示す構成が知られており、単相モータを、インバータ回路により駆動する場合の構成を示し、３０はモータ（Ｍ）、３１は直流電源、３２はインバータ回路、３３は制御回路、３４−１〜３４−４はゲート駆動回路、３５は絶縁増幅器、３６は増幅器、３７は誤差増幅器、３８はＰＷＭコンパレータ、３９は三角波生成回路、４０は分周回路、Ｒ１は出力電流検出用抵抗、Ｃ１はコンデンサ、Ｌ１，Ｌ２はチョークコイル、Ｑ１〜Ｑ４はスイッチング素子としての電界効果トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ４はダイオード又は寄生ダイオードを示す。又モータ３０は、電力供給停止時には、残存回転エネルギにより発電できる構成を有するものである。

直流電源３１から電圧＋Ｖｃｃ，−Ｖｃｃをインバータ回路３２に供給し、このインバータ回路３２を構成する電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４を、制御回路３３からゲート駆動回路３４−１〜３４−４を介して制御し、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４と電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３とを交互にオン、オフ制御して、モータ３０に単相の交流電圧を供給して回転させる。その時に流れる電流を抵抗Ｒ１により検出し、モータ３０の駆動回路側の電位から制御回路側を絶縁する為の絶縁増幅器３５を介して増幅器３６により増幅して電流検出信号とし、誤差増幅器３７により指令値入力に対する誤差分を求めて、ＰＷＭコンパレータ３８に入力し、クロック信号ＣＬＫを分周回路４０により分周した信号に同期して、三角波生成回路３９から三角波信号をＰＷＭコンパレータ３８に入力し、制御回路３３に制御信号ＣＯＮＴとして入力する。

又制御回路３３は、ＯＮ／ＯＦＦとして示すＯＮ信号又はＯＦＦ信号を入力することにより、モータ３０への電力の供給開始又は供給停止を行うように、インバータ回路３２の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング動作開始又はスイッチング動作停止を制御する。スイッチング動作開始時は、指令値に対応する電流をモータ３０に供給できるように、制御回路３３により、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４をオン、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３をオフとし、又電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４をオフ、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３をオンとする制御により、モータ３０に単相の交流電圧を供給して回転させる。なお、チョークコイルＬ１，Ｌ２とコンデンサＣ１とは、インバータ回路３２の出力に含まれるスイッチング周波数成分を除去する為のものであり、又直流電源３１は、商用交流電源からの交流電圧を整流回路により整流する構成とする場合が一般的である。又モータ３０を停止させる為に、ＯＦＦ信号を制御回路３３に入力すると、制御回路３３は、例えば、ローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４を同時にオンとして、モータ３０の端子間を短絡した状態とし、発電制動を行わせることにより、急速停止を行うことができる。この急速停止時には、ハイサイド側の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ３を同時にオンとして、モータ３０の端子間を短絡した状態して、発電制動を行わせることも可能であるが、通常は、ローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４を同時にオンとする構成が一般的である。

又３相インバータ回路により３相のモータを駆動し、緊急停止時には、インバータ回路のスイッチング素子を単相又は３相の巻線対応のスイッチング素子のオン、オフを制御して、電流を監視すると共に、巻線に直流を供給して発電制動を行わせる直流制動方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。又整流回路により整流した直流を３相インバータ回路により３相交流に変換して、３相サーボモータを駆動し、この３相サーボモータを停止させる場合、整流回路の動作を停止させ、その整流回路と３相インバータ回路との間に回生抵抗を、トランジスタを介して接続し、発電制動により３相サーボモータを停止させる制御方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。又３相同期モータを３相インバータ回路により駆動し、停止時には、３相インバータ回路のスイッチング素子と並列のダイオードを介して流れる発生直流電流を抵抗に流す構成として、発電制動を行わせる同期モータ制御回路が提案されている（例えば、特許文献３参照）。又高速回転を行うスピンドルモータを停止させる場合に、機械的な構成のブレーキと、スピンドルモータの発電制動とを組み合わせた急速停止装置も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平５−３４４７７１号公報 特開平６−３１５２８８号公報 特開２００１−２０４１８４号公報 特開２００３−２８９６８４号公報

インバータ駆動のモータは、前述のように、既に各種の構成が知られており、又急速停止時には発電制動を利用した構成が一般的となっている。例えば、前述の図４に示す構成の制御回路３３の要部は、図５に示すように、アンド回路４１，４３とオア回路４２，４４と、デッドタイム生成回路４５，４６と、インバータ４７とを含む論理回路を有し、ｇａｔｅ１〜ｇａｔｅ４は、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４に対応したゲート駆動回路３４−１〜３４−４に入力するゲート信号を示す。又図４に於けるＰＷＭコンパレータ３８からの制御信号ＣＯＮＴがデッドタイム生成回路４５と、インバータ４７を介してデッドタイム生成回路４６とに入力され、又ＯＮ／ＯＦＦ信号がアンド回路４１，４３と、オア回路４２，４４の反転入力端子とに入力される。デッドタイム生成回路４５，４６は、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２及び電界効果トランジスタＱ３，Ｑ４が同時にオンとならないように、オン、オフ切替時にデッドタイムを与える為のものである。

ＯＮ／ＯＦＦ信号は、Ｈ（ハイ）レベルでオン、Ｌ（ロー）レベルでオフを示し、オン状態に於いては、制御信号ＣＯＮＴがハイレベルの時、ゲート信号ｇａｔｅ１，ｇａｔｅ４が出力されて、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４がオン、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３はオフ、制御信号ＣＯＮＴがローレベルの時、ゲート信号ｇａｔｅ２，ｇａｔｅ３が出力されて、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３がオン、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４はオフとなり、この動作が交互に行われて、モータ３０に交流電圧が供給される。

又ＯＮ／ＯＦＦ信号をローレベルとすると、オア回路４２，４４からのゲート信号ｇａｔｅ４，ｇａｔｅ２が出力されて、ローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４がオンとなる。それにより、モータ３０の端子間が、チョークコイルＬ１，Ｌ２を介して短絡された状態となり、発電制動が作用することにより、モータ３０は急速停止する。しかし、ローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４を同時にオンとした直前には、モータ３０は、設定された回転数であり、その回転数による回転エネルギによる発生電圧は比較的高いから、モータ３０の端子間を短絡した時には、過大な電流が流れることになり、それによるノイズ成分の発生の問題や、電界効果トランジスタ等の回路部品の障害発生の問題がある。

本発明は、前述の従来の問題点を解決することを目的とし、簡単な構成により、急速停止時の電流を制限可能とするものである。

本発明のモータ制御回路は、ハイサイド側とローサイド側とのスイッチング素子を有するインバータ回路を介してモータに交流電圧を供給して該モータを駆動し、前記ハイサイド側又は前記ローサイド側のスイッチング素子を同時にオンとして前記モータの端子間を短絡状態として急速停止させるモータ制御回路に於いて、前記モータの急速停止時に、前記ハイサイド側又は前記ローサイド側のスイッチング素子を同時にオン、オフ制御を繰り返し行うＤＵＴＹ調整回路を設けた構成を有するものである。

又前記ＤＵＴＹ調整回路は、外部信号により前記ハイサイド側又は前記ローサイド側のスイッチング素子を同時にオン、オフ制御する周期又はパルス幅を変更可能とする構成とすることができる。

又前記ＤＵＴＹ調整回路は、前記モータに流れる電流を検出した電流検出信号により前記ハイサイド側又は前記ローサイド側のスイッチング素子を同時にオン、オフ制御する周期又はパルス幅を変更する構成とすることができる。

インバータ回路を介してモータの駆動電圧を供給し、その駆動電圧の供給を停止して急速停止させる場合に、ＤＵＴＹ調整回路によって、インバータ回路のハイサイド側又はローサイド側のスイッチング素子を同時にオン、オフさせることにより、連続的にオンとした場合に比較して、モータに流れる電流を抑制することができ、ノイズ発生や回路部品の損傷等を回避することができる。

本発明のモータ制御回路は、ブリッジ接続したスイッチング素子をオン、オフ制御して直流電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をモータに供給して駆動し、前記ブリッジ接続したスイッチング素子のハイサイド側又はローサイド側の何れか一方を同時にオン状態としてモータの入力端子間を短絡状態とすることにより、モータを発電制動状態として急速停止させるモータ制御回路に於いて、ブリッジ接続のスイッチング素子のハイサイド側又はローサイド側のスイッチング素子を、モータの急速停止制御時に、同時にオン、オフする制御を繰り返し、且つオン、オフ制御の繰り返しパルス周期又はパルス幅を時間経過に従って変化させる制御を行うＤＵＴＹ調整回路を備えた構成を有するものである。

図１は、本発明の実施例１の要部説明図であり、１１，１２はオア回路、１３，１４はアンド回路、１５はインヒビット回路、１６，１７はデッドタイム生成回路、１８はインバータ、１９はデューティを調整するＤＵＴＹ調整回路、ｇａｔｅ１〜ｇａｔｅ４はゲート制御信号、ＣＯＮＴは制御信号、ＯＮ／ＯＦＦはオン／オフ信号、ＣＬＫはクロック信号を示し、図５の従来例と同様に、図４に示すモータ制御回路の要部を示すものである。従って、ゲート制御信号ｇａｔｅ１〜ｇａｔｅ４は、図４に於けるゲート制御回路３４−１〜３４−４を介して、インバータ回路のスイッチング素子としての電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のゲートに印加する信号に相当する。又デッドタイム生成回路１６，１７とインバータ１８との機能は、図５について説明した場合と同様に、直流電源に対して短絡状態とならないようなタイミング設定を行う構成を有する。又ＤＵＴＹ調整回路１９は、例えば、カウンタ構成を有し、クロック信号ＣＬＫをカウントして、所定数カウント毎にパルス信号を出力する分周回路構成とすることができ、分周した出力パルス信号をインヒビット回路１５に入力する。このＤＵＴＹ調整回路１９は、ゲート制御信号ｇａｔｅ２，ｇａｔｅ４のデューティを調整可能とするものであり、ゲート制御信号ｇａｔｅ２，ｇａｔｅ４の発生周期又は発生周期とパルス幅（デューティ）又はパルス幅のみを調整可能の構成とする。以下図４も参照して説明する。

ＯＮ／ＯＦＦ信号をハイレベルとすると、制御信号ＣＯＮＴがハイレベルの時、アンド回路１３とオア回路１１とからのゲート制御信号ｇａｔｅ１，ｇａｔｅ４により、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４がオン、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３はオフとなる。又制御信号ＣＯＮＴがローレベルの時、アンド回路１４とオア回路１２とからのゲート制御信号ｇａｔｅ２，ｇａｔｅ３により、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３がオン、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４はオフとなる。それにより、モータ３０に交流電圧が供給され、モータ３０は回転する。

ＯＮ／ＯＦＦ信号をローレベルとすると、アンド回路１３，１４は閉じられた状態となり、又インヒビット回路１５からＤＵＴＹ調整回路１９の出力パルス信号がオア回路１１，１２に入力され、ゲート信号ｇａｔｅ４，ｇａｔｅ２により、インバータ回路のローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４がオンとなり、この場合のオン状態は、ＤＵＴＹ調整回路１９からのパルス信号に従って繰り返される。それにより、モータ３０は、端子間を電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４により断続的に短絡されて、発電制動の状態となり、モータ３０は急速停止する。その場合、連続的に電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４がオン状態とならないので、発電制動時に過大な電流が流れることを回避できる。このＤＵＴＹ調整回路１９は、周期が一定で、オン期間を決めるパルス幅、即ち、デューティを変更可能とする構成、又は周期を変更して、単位時間内のオン期間の繰り返し回数を変更可能とする構成を適用することができる。即ち、モータ３０の容量や発電制動時の電圧等によって最適な発電制動用の電流を流すように設定することができる。

図２は、本発明の実施例２の要部説明図であり、図１と同一符号は同一名称部分を示し、２０はＤＵＴＹ調整回路を示す。このＤＵＴＹ調整回路２０は、前述の図１に於けるＤＵＴＹ調整回路１９と同様にカウンタ構成とすることができるが、外部信号によりクロック信号ＣＬＫの分周比を変更可能の構成とする。ＯＮ／ＯＦＦ信号をハイレベルとして、モータ３０を回転させる場合は、図１に示す構成と同様の機能によって、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４と電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３とを交互にオン、オフして、モータ３０に交流電圧を供給して回転させる。又ＯＮ／ＯＦＦ信号をローレベルとしてモータを停止させる場合は、ＤＵＴＹ調整回路２０の出力パルス信号に従ってゲート信号ｇａｔｅ２、ｇａｔｅ４が出力され、それに従って電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４がオン、オフを繰り返して、モータ３０の端子間を断続的に短絡し、発電制動を行わせ、急速停止させる。その場合、実施例１と同様に、モータ３０の端子間を連続的に短絡状態とするものではないから、過大な電流が流れることを回避できる。又外部信号により、ＤＵＴＹ調整回路２０からのパルス信号の周期を、最初は長く、次第に短くなるように制御することも可能であり、又は周期を一定として、オン期間を制御するパルス幅を次第に広くするように制御することも可能である。それにより、発電制動開始時に流れる電流を抑制し、回転数の低下に伴う発生電圧の低下に従って短絡電流の流れる時間を順次長くして、急速停止させることができる。

図３は、本発明の実施例３の要部説明図であり、図１及び図２と同一符号は同一名称部分を示し、２１はＤＵＴＹ調整回路、２２はＡ／Ｄ変換器を示す。ＤＵＴＹ調整回路２１は、クロック信号ＣＬＫを分周してパルス信号を出力するものであるが、電流検出信号（図４に於ける抵抗Ｒ１により検出し、絶縁増幅器３５と増幅器３６とを介した電流検出信号）をＡ／Ｄ変換器２２によりディジタル信号に変換して、ＤＵＴＹ調整回路２１の分周比制御信号とする。この場合、電流検出信号の値が大きい程、ＤＵＴＹ調整回路２１の出力パルス信号によるオン期間を示すデューティを小さくする。又はオン期間の周期を長くする。

ＯＮ／ＯＦＦ信号をハイレベルとして、モータ３０を回転させる場合は、図１及び図２に示す構成と同様の機能によって、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４と電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３とを交互にオン、オフして、モータ３０に交流電圧を供給して回転させる。又ＯＮ／ＯＦＦ信号をローレベルとしてモータを停止させる場合は、ＤＵＴＹ調整回路２１の出力パルス信号に従ってゲート信号ｇａｔｅ２、ｇａｔｅ４が出力され、それに従ってインバータ回路のローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４がオン、オフを繰り返して、モータ３０の端子間を断続的に短絡し、発電制動を行わせ、急速停止させる。この発電制動時に流れる電流を検出して、ＤＵＴＹ調整回路２１を制御することにより、過大な初期電流が流れないように、オン期間を短く又はオン期間の周期を長くし、検出電流値の低下に従って、オン期間を長く又はオン期間の周期を短くするように、自動的に制御することができる。

前述の各実施例は、急速停止時に、インバータ回路のローサイド側の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４を同時にオンとして単相のモータ３０の端子間を短絡する場合を示すが、ハイサイド側の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ３を同時にオンとし、単相のモータ３０の端子間を短絡して発電制動を行わせることも可能である。又単相モータのみでなく、３相等の多相のモータに対しても適用可能であり、その場合は、インバータ回路を多相構成とし、ローサイド側又はハイサイド側の少なくとも２個のトランジスタを同時にオンとし、少なくとも２相分を短絡状態として発電制動を行わせる構成とし、且つＤＵＴＹ調整回路等により、オン期間の周期又はオン期間の長さを制御することにより、断続的な短絡状態を形成するものであるから、急速停止時の過大な短絡電流が流れることを回避し、且つ急速停止を可能とすることができる。

本発明の実施例１の要部説明図である。 本発明の実施例２の要部説明図である。 本発明の実施例３の要部説明図である。 モータ制御回路の説明図である。 従来例の要部説明図である。

符号の説明

１１，１２ オア回路
１３，１４ アンド回路
１５ インヒビット回路
１６，１７ デッドタイム生成回路
１８ インバータ
１９，２０，２１ ＤＵＴＹ調整回路
２２ Ａ／Ｄ変換器

Claims (1)

1. ブリッジ接続したスイッチング素子をオン、オフ制御して直流電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をモータに供給して該モータを駆動し、前記ブリッジ接続したスイッチング素子のハイサイド側又はローサイド側の何れか一方を同時にオン状態として前記モータの入力端子間を短絡状態とし、前記モータを発電制動状態として急速停止させるモータ制御回路に於いて、
   前記ブリッジ接続のスイッチング素子のハイサイド側又はローサイド側のスイッチング素子を、前記モータの急速停止制御時に、同時にオン、オフする制御を繰り返し、且つ該オン、オフ制御の繰り返しパルス周期又はパルス幅を時間経過に従って変化させる制御を行うＤＵＴＹ調整回路を備えた
   ことを特徴とするモータ制御回路。

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