(57)【要約】【課題】ブラシレスモータをショートブレーキにより制動する際のショックを低減し緩やかで速やかに制動可能なモータ駆動装置を提供する。【解決手段】モータの減速カーブが指数関数ｆ１（ｔ）＝−ｅ（‐１／ａｔ）で近似されるとき、ゲート入力部４はコントローラ１からのブレーキ指令信号を、指数関数ｆ１（ｔ）とは符号が反対の指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）で与えられるブレーキ指令信号に変換してＰＷＭコンパレータ７へ入力を行ない、ＰＷＭコンパレータ７はオンデューティが漸進拡大するＰＷＭブレーキ信号を生成してスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６へゲート入力を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータコイルへ通電する励磁相を選択してスイッチング素子へゲート入力部を通じてゲート入力を行なってブラシレスモータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、
ゲート入力部にコントローラからのブレーキ指令に応じてモータコイルに接続するブリッジ回路を構成するすべてのスイッチング素子のハイ側若しくはロウ側をすべてオンにしてモータコイルを短絡したままモータに制動を加えるブレーキ制御部を備え、
モータの減速カーブが指数関数ｆ１（ｔ）＝−ｅ（‐１／ａｔ）で近似されるとき、ゲート入力部はコントローラからのブレーキ指令信号を、指数関数ｆ１（ｔ）とは符号が反対の指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）（ｂ；減速加速度又は制動時間を規定する係数）で与えられるブレーキ指令信号に変換してブレーキ制御部へ入力を行ない、ブレーキ制御部はそれを受けて制動力が漸進増大するブレーキ信号を生成してスイッチング素子へゲート入力を行うモータ駆動装置。
【請求項２】
ゲート入力部は、ブレーキ指令信号を積分して矩形波から指数関数ｆ２（ｔ）で与えられる指数関数波に変換する積分回路と、のこぎり波を発生するのこぎり波発生回路と、積分回路から入力される指数関数波とのこぎり波発生回路から入力されるのこぎり波を比較してオンデューティが漸進拡大するＰＷＭブレーキ信号を生成するＰＷＭコンパレータを備えた請求項１記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＤＣブラシレスモータのモータコイルどうしを短絡して制動するモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置において、モータが高速回転動作から任意の回転速度に速度を低下させる場合に、制動をかける必要がある。
【０００３】
例えば図６に３相ＤＣブラシレスモータを１２０°矩形波駆動する駆動回路の一例を示す。３相モータコイル５１には、駆動回路の出力段を構成する３相ブリッジ回路５２が接続されている。３相ブリッジ回路５２にはスイッチング素子（トランジスタ）Ｑ１〜Ｑ６が設けられる。尚、各スイッチング素子に並列に接続されるフライホイールダイオードや抵抗は省略してある。３相ブリッジ回路５２には、バッファ５３が接続されており、スイッチング素子（トランジスタ）Ｑ１〜Ｑ６をオンオフ制御する。
【０００４】
モータの回転速度を低減する場合に制動をかける必要があるが、いわゆるショートブレーキが用いられる。例えば図６において、モータコイル５１のすべてを短絡することで制動をかけることができる。図６においては、コントローラ５４からのブレーキ指令によりバッファ５３はトランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５がオフし、トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６がオンすることによりモータコイル５１を短絡している（特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−１４９６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータが通常の回転駆動している場合、コイルＵ、Ｖ、Ｗには逆起電力Ｖｂｅｍｆ＝Ｎ×Ｋｅ（Ｎ；モータ回転数、Ｋｅ；逆起電力定数）が発生する。制動時はモータコイル５１の抵抗Ｒａと各トランジスタのオン抵抗Ｒｏｎで短絡されるので、モータコイル５１には逆起電力に比例するブレーキ電流Ｉｂｋ＝Ｖｂｅｍｆ／（Ｒａ＋Ｒｏｎ）が流れる。このブレーキ電流Ｉｂｋは通常の駆動電流の２倍程度に達する。このため、制動力も過大となり負荷装置やモータ自身を破損するおそれがある。
【０００６】
図７はモータにブレーキをかけない場合の減速カーブを示すグラフ図である。波形ＡはＲＵＮ信号を示すものでありＨ側で停止する。波形Ｂはセンサ信号でありロータ回転に応じてＨ／Ｌを出力する。波形Ｃはセンサ信号の周波数電圧変換器により検出されるモータ回転数を示す。
【０００７】
図８はモータにショートブレーキをかけて停止するまでの減速カーブを示すグラフ図である。波形ＡはＲＵＮ信号を示すものでありＬ側で停止する。波形Ｂはセンサ信号でありロータ回転に応じてＨ／Ｌを出力する。波形Ｃはブレーキ信号で、Ｈ側でブレーキがかかる。波形Ｄはセンサ信号の周波数電圧変換器により検出されるモータ回転数を示す。図８において、ブレーキ開始（波形Ｃ参照）と共に急激にモータ回転数が低下して、低速になるにしたがって減速が緩やかであることが分かる（波形Ｄ参照）。このときの、モータ回転数の減速カーブは指数関数ｆ（ｔ）＝−ｅ（‐１／ａｔ）で表される。図７のブレーキをかけないときのモータ停止時間は５秒であるが、ショートブレーキをかけた場合のモータ停止時間は約０．２２秒と短縮される。
しかしながら、ブレーキ開始時に急激な減速に伴うショックが生じるため、緩やかな減速が求められている。
【０００８】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ブラシレスモータをショートブレーキにより制動する際のショックを低減し緩やかで速やかに制動可能なモータ駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
モータコイルへ通電する励磁相を選択してスイッチング素子へゲート入力部を通じてゲート入力を行なってブラシレスモータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、ゲート入力部にコントローラからのブレーキ指令に応じてモータコイルに接続するブリッジ回路を構成するすべてのスイッチング素子のハイ側若しくはロウ側をすべてオンにしてモータコイルを短絡したままモータに制動を加えるブレーキ制御部を備え、モータの減速カーブが指数関数ｆ１（ｔ）＝−ｅ（‐１／ａｔ）で近似されるとき、ゲート入力部はコントローラからのブレーキ指令信号を、指数関数ｆ１（ｔ）とは符号が反対の指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）（ｂ；減速加速度又は制動時間を規定する係数）で与えられるブレーキ指令信号に変換してブレーキ制御部へ入力を行ない、ブレーキ制御部はそれを受けて制動力が漸進増大するブレーキ信号を生成してスイッチング素子へゲート入力を行うことを特徴とする。
また、ゲート入力部は、ブレーキ指令信号を積分して矩形波から指数関数ｆ２（ｔ）で与えられる指数関数波に変換する積分回路と、のこぎり波を発生するのこぎり波発生回路と、積分回路から入力される指数関数波とのこぎり波発生回路から入力されるのこぎり波を比較してオンデューティが漸進拡大するＰＷＭブレーキ信号を生成するＰＷＭコンパレータを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述したモータ駆動装置を用いれば、モータの減速カーブが指数関数ｆ１（ｔ）＝−ｅ（‐１／ａｔ）で近似されるとき、ゲート入力部はコントローラからのブレーキ指令信号を、指数関数ｆ１（ｔ）とは符号が反対で指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）（ｂ；減速加速度又は制動時間を規定する係数）で与えられるブレーキ指令信号に変換してブレーキ制御部へ入力を行ない、ブレーキ制御部はそれを受けて制動力が漸進増大するブレーキ信号を生成して、モータコイルどうしを短絡するスイッチング素子へゲート入力を行う。これにより、ブレーキ開始時にはブレーキ指令信号が零のため変極点は発生せず、その後制動力は漸進的に増加して行くため、モータ回転数を急激に落とさずに緩やかで速やかなブレーキをかけることが可能となる。
特に、積分回路から入力される指数関数ｆ２（ｔ）で与えられる指数関数波とのこぎり波発生回路から入力されるのこぎり波をＰＷＭコンパレータが比較してオンデューティが漸進拡大するＰＷＭブレーキ信号を生成すると、モータの回転数はブレーキ開始時の変極点がなく減少し制動ショックが発生することがない。また、積分回路の時定数となる係数ｂを最適となるように調整することによりモータ停止時間も長くならずに緩やかで速やかなブレーキ動作を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係るモータ駆動装置の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は永久磁石ロータと固定子を備えたブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置に広く適用することができる。
【００１２】
以下では、３相ＤＣブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置について説明する。
図１においてモータ駆動装置は、３相ＤＣブラシレスモータをリニア駆動（或いはＰＷＭ駆動）するコントローラ１を備えている。コントローラ１は、３相モータコイル２へ通電する励磁相を選択して３相ブリッジ回路３を構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６へ制御シーケンスにしたがってゲート入力を行なう。
【００１３】
また、モータ駆動装置は、ブレーキ制御部（後述するＰＷＭコンパレータ７）を備えている。ブレーキ制御部は、コントローラ１からのブレーキ指令に応じてゲート入力部４を通じてモータコイル２に接続する３相ブリッジ回路３を構成するすべてのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のハイ側若しくはロウ側をすべてオン（図１ではロウ側スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６をオン）にしてモータコイル３を短絡した状態でモータに制動（ショートブレーキ）を加える。
【００１４】
前述したようにショートブレーキをかけたときの制動力はブレーキ電流Ｉｂｋに比例し、ブレーキ電流Ｉｂｋ＝Ｎ×Ｋｅ／（Ｒａ＋Ｒｏｎ）である（Ｎ；モータ回転数、Ｋｅ；逆起電力定数）。モータ回転数が減少するにしたがってブレーキ電流Ｉｂｋも減少する。このときの制動力は指数関数的に減少し減速カーブは指数関数ｆ１（ｔ）＝−ｅ（‐１／ａｔ）で表される（ａ；モータに起因する減速カーブの係数）。ブレーキ開始時は制動力ゼロから一気に制動が作用し始めるため減速カーブに変極点が発生しモータの制動ショックとして現れる。
【００１５】
このときのモータ回転数の減速カーブは、図２のようなロジスティック曲線を描き、シグモイド関数Ｐ（ｔ）＝１／（１＋ｅａｔ）に近似するものと考えられる。図２は、縦軸に回転数Ｎ、横軸に経過時間ｔをとり、原点０から制動を開始した際のモータ回転数の減速カーブを示す。仮に通常のフルブレーキ指令に対して例えばデューティ５０％の弱いブレーキ指令を矩形波入力（ステップ入力）で与えたとしても、ブレーキ開始時の制動ショックはなくならない。また、ブレーキ指令信号を一次関数によるランプ波入力（ランプ入力）により与えると、矩形波入力より制動ショックは改善されるが、変極点がなお発生し停止時間が長くなる。したがって、ブレーキ開始時に制動力と符号が反対となる指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）（ｂ；減速加速度又は制動時間を規定する係数）でブレーキ指令を与えれば、ブレーキ開始時の変極点をなくして短時間でモータを停止することが可能となる。
【００１６】
即ち、ゲート入力部４はコントローラ１からのブレーキ指令信号を、指数関数ｆ１（ｔ）とは符号が反対の指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）で与えられるブレーキ指令信号に変換して入力を行ない、ＰＷＭコンパレータ７はオンデューティが漸進拡大するＰＷＭブレーキ信号を生成して図１のロウ側のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６へゲート入力を行う。このようにブレーキ指令信号にＰＷＭ制御を用いることで、回路損失の低減と回路構成の簡素化を図ることができる。
【００１７】
ゲート入力部４の回路構成の一例を図１に示す。図１において、ゲート入力部４は、積分回路５、のこぎり波発生回路６、ＰＷＭコンパレータ７（ブレーキ制御部）を備えている。積分回路５は、コントローラ１から入力されるブレーキ指令信号を積分して矩形波から指数関数ｆ２（ｔ）で与えられる指数関数波に変換する。のこぎり波発生回路６は基準信号となるのこぎり波を発生する。ＰＷＭコンパレータ７の＋側端子には積分回路５から指数関数波が入力され、−側端子にはのこぎり波発生回路６からのこぎり波（基準信号）が入力される。ＰＷＭコンパレータ７は、これらの入力信号を比較して大小によって予め決められた２値（Ｈ／Ｌ）のいずれかを出力する。本実施例では、＋側端子に入力する信号は指数関数波を採用しているためオンデューティが漸進拡大するＰＷＭブレーキ信号が生成される。
【００１８】
このように指数関数ｆ２（ｔ）で与えられるブレーキ指令信号を与えたモータのブレーキ動作結果を図３に示す。図３は、モータにショートブレーキをかけて停止するまでの減速カーブを示すグラフ図である。波形ＡはＲＵＮ信号を示すものでありＬ側で停止する。波形Ｂはセンサ信号でありロータ回転に応じてＨ／Ｌを出力する。波形Ｃはブレーキ信号でありＨ側でブレーキがかかる。ブレーキ指令信号はブレーキ開始時からＰＷＭ制御され、ＰＷＭ制御される時間は約０．１秒である。波形Ｄはセンサ信号の周波数電圧変換器により検出されるモータ回転数を示す。
【００１９】
図３において、ブレーキ開始時にはブレーキ指令信号が零のため変極点は発生せず、その後制動力は漸進的に増加してゆき、やがてブレーキ指令信号は収束値に近づくためそれ以降はフルブレーキによる減速カーブとなる。この結果、ブレーキ開始（波形Ｃ参照）と共にモータ回転数は緩やかに減少を開始し、減速する勾配も緩やかになっており、シグモイド関数の曲線に近似した変化をたどることが分かる（波形Ｄ参照）。ブレーキ開始直後に、モータ回転数の減速カーブにブレーキ開始時の変極点は発生せず、制動ショックの発生もない。また、モータ停止時間もおよそ０．２７秒と従来に比べて（図８参照）それほど長くならずに速やかに停止できる。
【００２０】
なお、ブレーキ指令信号として入力される指数関数ｆ２（ｔ）＝ｅ（‐１／ｂｔ）の係数ｂは図１に示す積分回路５の時定数に相当する。このブレーキ指令信号の係数ｂの値は任意に調整することができる。例えば、係数ｂの値を小さくすれば制動力の増加が抑えられ、減速加速度が小さくなって停止時間は長くなる。一方係数ｂの値を大きくすれば、制動力を急激に増加させて減速加速度が大きくなり停止時間は短くなる。このように必要に応じて、ブレーキ指令信号の係数ｂを設定すれば、最適な減速加速度及び制動時間が得られる。
【００２１】
図４は、ＰＷＭ制御を行なう時間（積分回路５の時定数）を約２倍にした場合の減速カーブを示すグラフ図である。ＰＷＭ制御による時間はおよそ０．２秒である。図４においても、ブレーキ開始（波形Ｃ参照）と共にモータ回転数は緩やかに減少を開始し、減速する勾配も更に緩やかになっていることが分かる（波形Ｄ参照）。減速加速度を小さくしたため、制動指令による影響が低速域まで現れており理想的な特性が得られた。なお、モータの停止時間は０．３７２秒と図３に比べて若干長くなっている。
【００２２】
図５は図４のブレーキ開始時の拡大波形を示すグラフ図である。波形Ｃに示すブレーキ信号のＰＷＭ波形のオンデューティが漸進拡大することが分かる。また、波形Ｄのモータ回転数波形からブレーキ開始時のショックが発生していないことが分かる。
【００２３】
尚、上述した実施の態様では、ブレーキ制御部はＰＷＭ制御により制動力が漸進増大するブレーキ信号を生成してスイッチング素子へゲート入力を行うように構成したが、これに限定されるものではない。例えば、ブレーキ制御部はリニア駆動により制動力が漸進増大するリニアブレーキ信号を生成してスイッチング素子へゲート入力を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】モータ駆動装置の回路構成図である。
【図２】ブレーキ指令が近似される指数関数を示すグラフ図である。
【図３】ブレーキ動作時のモータ停止時の信号波形を示すグラフ図である。
【図４】図３の時定数を２倍にしたモータ停止時の信号波形を示すグラフ図である。
【図５】図４のブレーキ開始時の信号波形を拡大したグラフ図である。
【図６】従来のモータ駆動装置の回路構成図である。
【図７】ブレーキをかけない場合のモータ停止時の信号波形を示すグラフ図である。
【図８】ショートブレーキをかけた場合のモータ停止時の信号波形を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  コントローラ  
２  モータコイル
３  ３相ブリッジ回路  
４  ゲート入力部  
５  積分回路  
６  のこぎり波発生回路  
７  ＰＷＭコンパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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