(57)【要約】      （修正有）【課題】モータが低出力状態であっても、電源部から供給される電気エネルギーがモータドライバ内で熱として消費されにくい高効率のモータドライバ、及びモータドライバにおける電気エネルギーの回収方法を提供する。【解決手段】直流電圧を生成するための外部ＤＣ電源、またはモータドライバ内のＤＣ電源部から供給される直流電圧でモータを制御するアンプ部を含むモータドライバにおいて、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部は二次電池であり、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部が供給する電気エネルギーと前記アンプ部で必要となる電気エネルギーとの差分の電気エネルギーを前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部に戻す、電気エネルギー回収部を設ける。【選択図】図１
2008113533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を生成するための外部ＤＣ電源、またはモータドライバ内のＤＣ電源部から供給される直流電圧でモータを制御するアンプ部を含むモータドライバにおいて、
前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部は二次電池であり、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部が供給する電気エネルギーと前記アンプ部で必要となる電気エネルギーとの差分の電気エネルギーを前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部に戻す、電気エネルギー回収部を備えたことを特徴とするモータドライバ。
【請求項２】
前記電気エネルギー回収部は、電圧制御回路と、電気エネルギー回収回路と、帰還保護回路とを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のモータドライバ。
【請求項３】
前記電圧制御回路は、モータの位置あるいは速度センサーからの位置あるいは速度検出信号と速度指令値、または電流指令値とを受けて演算を行い、該演算結果に基づいて前記アンプ部に印加する電圧を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータドライバ。
【請求項４】
前記電気エネルギー回収回路は、少なくとも２つのコンデンサーを含み、
一のコンデンサーを所定の時間で充電後、他のコンデンサーに放電し、
前記他のコンデンサーは、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部の電圧と前記一のコンデンサーの充電電圧との和となる電圧が印加されるように構成され、
前記他のコンデンサーは、前記帰還保護回路を介して充電された電気エネルギーを前記二次電池に帰還するように接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータドライバ。
【請求項５】
外部ＤＣ電源、またはモータドライバ内のＤＣ電源部に接続されたアンプ部に印加する直流電圧によりモータを制御するモータドライバ内で消費される電気エネルギーの回収方法であって、
前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部を二次電池とし、前記二次電池の電圧値から前記アンプ部に印加される電圧値の差分電圧値により一のコンデンサーを充電し、
前記一のコンデンサーの放電により前記差分電圧値と前記二次電池の電圧値との和が印加電圧となるように他のコンデンサーを接続し、
前記他のコンデンサーに蓄積された電気エネルギーにより前記二次電池を充電することを特徴とするモータドライバにおける電気エネルギーの回収方法。
【請求項６】
前記アンプ部に印加される電圧値は、モータの位置あるいは速度センサーからの位置あるいは速度検出信号と速度指令値、または電流指令値とを受けて演算を行い、該演算結果に基づいて制御されることを特徴とする請求項５に記載の電気エネルギーの回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部電源、またはモータドライバ内のＤＣ電源部により印加される直流電圧でモータを制御するモータドライバに関し、特にモータが低出力であるとき、モータドライバ内で熱として消費されている電気エネルギーを回収可能なモータドライバ、及び電気エネルギーの回収方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータドライバは、図７（ａ）に示すように、通常ＤＣ電源部とアンプ部とを含んで構成されており、ＤＣ電源部からアンプ部に供給される電圧は常に一定であるが、アンプ部においてモータに印加される出力電圧を調整することによりモータを制御している。
【０００３】
このようなモータドライバのＤＣ電源部の電圧としては、例えば安定化電源装置またはＤＣ電源が使われている。
【０００４】
このため、モータＭが低出力状態にあるときは、ＤＣ電源部が供給する電気エネルギーの一部は、アンプ部において熱エネルギーとして消費されている。
【０００５】
図７（ｂ）は上述したモータドライバのブロック構成図である。モータＭが必要とする出力に応じてモータＭに印加される電圧（ＶＭ）をアンプ部により制御し、これによりモータコイルに流れる電流（ＩＭ）を調整し、モータＭを制御している。なお、図７（ｂ）は、モータドライバ内にＤＣ電源部を持たず、外部にＤＣ電源を持ったモータドライバである。
【０００６】
図７（ｃ）は、モータドライバ内にＤＣ電源部を備えたモータドライバの一例を示したものである。ＤＣ電源部はダイオードブリッジによる整流器と平滑用コンデンサーを備えて構成されている。アンプ部に印加される電圧は一定であり、同様にモータ制御信号に基づいてアンプ部でモータＭに印加する電圧を調整している。
【０００７】
このようなモータドライバ回路においては、モータが低出力でよいときにはモータ印加電圧（ＶＭ）を小さくする必要があるため、不要な電気エネルギーはアンプ部内で熱エネルギーとして消費されており、モータドライバの効率が悪いという問題がある。
【０００８】
上記問題点を解決する技術として、ＤＣ電源部とアンプ部間に電圧調整部（可変電圧電源部）を設けた技術がある（下記特許文献１）。文献１は、ＤＣ電源部とモータを制御するアンプ部との間に、モータの端子電圧に連動した直流電圧をアンプ部に供給するための可変電圧電源部を設け、この可変電圧電源部をモータの端子電圧とアンプ部の入力電圧の差が一定になるように電圧制御を行うようにしたものである。
【０００９】
即ち、文献１のモータドライバは、可変電圧電源部が、モータの端子電圧とアンプ部の入力電圧の差を一定に保つように、アンプ部の出力電圧に合わせてアンプ部の入力電圧を可変制御するようにしている。
【００１０】
かかるアンプ部の入力電圧を可変制御する回路として、増幅回路と比較アンプと電圧分配用抵抗とで構成しているが、文献１が開示する技術においても電気エネルギーが熱として消費される割合は少なくなるものの、電源部から供給される電気エネルギーの一部は、これまでと同様に熱として消費されるという問題がある。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１８９６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで本発明の課題は、モータが低出力状態であっても、電源部から供給される電気エネルギーがモータドライバ内で熱として消費されにくい高効率のモータドライバ、及びモータドライバにおける電気エネルギーの回収方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、直流電圧を生成するための外部ＤＣ電源、またはモータドライバ内のＤＣ電源部から供給される直流電圧でモータを制御するアンプ部を含むモータドライバにおいて、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部は二次電池であり、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部が供給する電気エネルギーと前記アンプ部で必要となる電気エネルギーとの差分の電気エネルギーを前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部に戻す、電気エネルギー回収部を備えたことを特徴とする。
【００１４】
ここで二次電池とは、電気エネルギーを例えば化学エネルギーに変換して蓄え、必要に応じて電気エネルギーに還元することによって電気エネルギーとして使用できる仕組みを持った電池であればどのようなものであっても良い。また、二次電池はモータドライバの外部にあってもよく、モータドライバ内に組み込んでも良い。
【００１５】
二次電池としては、例えば、（１）ニッケル金属水素化物（Ni-MH）電池、（２）リチウムイオン（Liイオン）電池、（３）リチウムポリマー（Liポリマー）電池、（４）電気二重層キャパシター等である。また、バッテリーであれば、（１）カルシウムバッテリー、 （２）ハイブリッドバッテリー 、（３）鉛バッテリー、（４）アンチモンバッテリー等である。
【００１６】
前記電気エネルギー回収部は、電圧制御回路と、電気エネルギー回収回路と、帰還保護回路とを含んで構成されることが好ましい。電圧制御回路により、モータの出力に応じた電圧がアンプ部に印加され、残りの電圧は電気エネルギー回収回路に印加され電気エネルギーとして一旦電気エネルギー回収回路内で蓄積される。電気エネルギー回収回路に蓄積された電気エネルギーは所定のタイミングにより、帰還保護回路を通して二次電池に帰還され二次電池を充電する。これによりモータに供給されないモータドライバ内の電気エネルギーは熱として消費されることなく二次電池に戻される。
【００１７】
前記電圧制御回路は、モータの位置あるいは速度センサーからの速度検出信号と速度指令値、または電流指令値とを受けて演算を行い、該演算結果に基づいて前記二次電池に印加する電圧を制御することが好適である。例えばモータがリニアモータである場合には、リニアモータの位置、あるいは速度センサーからの速度検出信号、速度指令値等により、アンプ部に印加する電圧を制御すれば良い。
【００１８】
前記電気エネルギー回収回路は、少なくとも２つのコンデンサーを含み、一のコンデンサーを所定の時間で充電後、他のコンデンサーに放電し、前記他のコンデンサーは前記ＤＣ電源部の電圧と前記一のコンデンサーの充電電圧との和となるように構成され、前記他のコンデンサーは前記帰還保護回路を介して充電された電気エネルギーを前記二次電池に帰還するように接続されていることが好ましい。
【００１９】
本発明は、外部ＤＣ電源、またはモータドライバ内のＤＣ電源部に接続されたアンプ部に印加する直流電圧によりモータを制御するモータドライバ内で消費される電気エネルギーの回収方法であって、前記外部ＤＣ電源、またはＤＣ電源部を二次電池とし、前記二次電池の電圧値から前記アンプ部に印加される電圧値の差分電圧値により一のコンデンサーを充電し、前記一のコンデンサーの放電により前記差分電圧値と前記二次電池の電圧値との和が印加電圧となるように他のコンデンサーを接続し、前記他のコンデンサーに蓄積された電気エネルギーにより前記二次電池を充電することを特徴とする。
【００２０】
前記アンプ部に印加される電圧値は、モータの位置あるいは速度センサーからの位置あるいは速度検出信号と速度指令値、または電流指令値とを受けて演算を行い、該演算結果に基づいて制御されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、モータが低出力状態であっても電源から供給される電気エネルギーがモータドライバ内で熱として消費されにくい高効率のモータドライバを提供できる。また、本発明によればモータドライバ内で熱として消費されていた電気エネルギーを効率よく回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について以下図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明のモータドライバ１のブロック構成図である。モータドライバ１は、繰り返し充電可能な二次電池である充電式ＤＣ電源部１１、充電式ＤＣ電源部１１の電圧をアンプ部１３に印加するとともに、充電式ＤＣ電源部１１が供給する電気エネルギーのうちアンプ部１３には供給されない電気エネルギーを充電式ＤＣ電源部１１にフィードバックする電気エネルギー回収部１２とから構成されている。
【００２３】
ここで、充電式ＤＣ電源部１１からの出力電圧Ｖｃ、電気エネルギー回収部１２の出力電圧Ｖｃｃ、アンプ部１３からの出力電圧（モータＭに印加される電圧）ＶＭ、モータＭに流れる電流はＩＭである。
【００２４】
図２はモータドライバ１の回路構成図である。図２において充電式ＤＣ電源部１１は、バッテリー、又は小型充電式二次電池等である。例えば、バッテリーであれば、小形制御弁式鉛蓄電池、鉛蓄電池、自動車用鉛蓄電池、据置蓄電池、電気自動車用蓄電池等のいずれでもあってもよい。また、小型充電式二次電池であれば、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、アルカリ蓄電池（焼結式アルカリ蓄電池、ポケット式アルカリ蓄電池）等のいずれであっても良い。
【００２５】
電気エネルギー回収部１２は電気エネルギー回収回路１２１、電圧制御回路１２２、及び電気エネルギー帰還保護回路１２３を含んで構成されている。
【００２６】
この電気エネルギー回収部１２による電気エネルギー回収は次のようにして行われる。モータＭの制御指令部（図２には図示していないが、リニアモータであれば位置センサー、速度検出センサー等からモータの制御信号を指令する制御指令部である）からモータＭに低電流を要求する制御信号が送られると、Ｒ２が所望の電圧値となるようにＲＶ１の抵抗値を変化させる。例えば、充電式ＤＣ電源部１１の直流電圧が５Ｖであり、アンプ部１２に１Ｖの電圧を印加したい場合には、ＲＶ１とＲ２との抵抗比が４：１となるようにＲＶ１の抵抗値を変化させる。
【００２７】
ここでＲＶ１は例えば可変抵抗器、デジタルポテンションメータが好適であるが、アンプ部１３への出力電圧が可変のものであれば、特にこれらに限定されるものではない。
【００２８】
図２において、ＲＶ１の抵抗値がモータＭの出力要求により、例えばＲＶ１に４Ｖ、Ｒ２に１Ｖを印加する場合、即ち、Ｒ２によりアンプ部１３に１Ｖの電圧を印加し、モータＭを低出力で運転する場合の電気エネルギー回収方法について説明する。
【００２９】
先ず、ＳＷ１（Ｑ１）、ＳＷ３（Ｑ３）をオフからオン状態に変化させ、ＳＷ２（Ｑ２）、ＳＷ４（Ｑ４）はオフの状態を維持する。これにより電流が電源ライン（＋側）からＳＷ１（Ｑ１）、Ｃ１そしてＳＷ３（Ｑ３）、電源ライン（−側）と電流が流れ、コンデンサーＣ１が電圧４Ｖで充電される。
【００３０】
図３はコンデンサーＣ１が充電されるときの電流の流れを示した図である。即ち、コンデンサーＣ１はＳＷ１（Ｑ１）、ＳＷ３（Ｑ３）がオンされたことにより、ＲＶ１と並列に接続されたこととなり、コンデンサーＣ１は４Ｖで充電される。
【００３１】
Ｃ１が充電されるとスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３をオフとし、同時にスイッチＳＷ２とＳＷ４とをオンにする。これによりコンデンサーＣ１はダイオードＤ１、スイッチＳＷ２（Ｑ２）を通して放電し、コンデンサーＣ２は９Ｖで充電される。
【００３２】
図４はコンデンサーＣ１の放電によりコンデンサーＣ２が充電されるときの電流の流れ、及びコンデンサーＣ２がダイオードＤ２の閾値電圧を超えて充電されたときに、充電式ＤＣ電源部１１側に放電をするときの電流の流れを示した図である。
【００３３】
スイッチＳＷ２とＳＷ４とのオンにより、コンデンサーＣ１はダイオードＤ３を通して放電し、コンデンサーＣ２が充電される。コンデンサーＣ２の負極側は充電式ＤＣ電源部１１の負極電位と同電位であるから、コンデンサーＣ２は最終的に充電式ＤＣ電源部１１の電位である５ＶとコンデンサーＣ１の電位である４Ｖとの和である９Ｖで充電される。
【００３４】
コンデンサーＣ２は９Ｖで充電されるが、ダイオードＤ２によりコンデンサーＣ１側への放電は阻止される。一方、ダイオードＤ２はコンデンサーＣ２から充電式ＤＣ電源部１１に向かって順方向で接続されていることから、ダイオードＤ２の閾値電圧（例えば５Ｖ以上に設定）を超えると、コンデンサーＣ２に充電された電荷が充電式ＤＣ電源部１１に方向に流れ、充電式ＤＣ電源部１１はこれにより充電される。
【００３５】
即ち、コンデンサーＣ２がダイオードＤ２の閾値電圧を超えて充電されると、コンデンサーＣ２に蓄電された電気エネルギーが、ダイオードＤ２と抵抗Ｒ３により構成される帰還保護回路を通して充電式ＤＣ電源部１１に回収される。
【００３６】
図５はスイッチＳＷ１からＳＷ４のスイッチング動作と、コンデンサーＣ１、Ｃ２の充放電のタイミングを示したタイミングチャート図である。
【００３７】
先ず、スイッチＳＷ１（Ｑ１）とＳＷ３（Ｑ３）とをｔ１時間オンすることにより、コンデンサーＣ１が４Ｖで充電される。Ｃ１がフル充電されるのを待って、スイッチＳＷ１とＳＷ３とをオフとし、同時にスイッチＳＷ２とＳＷ４とをオンにする。これにより、コンデンサーＣ１の放電が開始され、コンデンサーＣ２が９Ｖで充電される。
【００３８】
ここで、コンデンサーＣ２の充電時間は充電式ＤＣ電源部１１に充電する時間と比較して極めて短時間であることから、ダイオードＤ２の閾値電圧を５Ｖ以上に設定しておくことにより、コンデンサーＣ２は９Ｖに充電され、その後ｔ３時間で充電式ＤＣ電源部１１を充電すると考えて良い。即ち、充電式ＤＣ電源部１１に充電する際の電流は、数ｍＡのため、時定数で比較するとコンデンサーＣ２への充電時間が圧倒的に短く、一旦全ての電荷がコンデンサーＣ２に充電され（９Ｖまで）、その後、ダイオードＤ２を介して、充電式ＤＣ電源部１１に放電を開始すると考えられる。なお、スイッチＳＷ１からＳＷ４のオンオフ時間が極めて短い場合には、図５に示すようにコンデンサーＣ１が４Ｖ、コンデンサーＣ２が９Ｖまで充電されない間に放電を開始する場合もあり得る。しかし、かかる場合であってもコンデンサーＣ２が５Ｖを超えて充電されれば、充電式ＤＣ電源部１１に電気エネルギーは回収される。
【００３９】
図６は電気エネルギー回収のフローチャート図である。先ず、モータＭへの出力電圧（Ｖｏ）がモータＭの制御信号（本実施の形態では特にモータの種類を限定していないが、例えばリニアモータアクチュエータであれば位置制御信号等がこれに相当する）により決定される（Ｓ１）。次に、モータＭへの出力電圧（Ｖｏ）と充電式ＤＣ電源部１１の電圧Ｖｃと比較し、モータＭへの出力電圧（Ｖｏ）がＶｃよりも低いときは電気エネルギー回収フローへと進み、そうでない場合は最初に戻る（Ｓ２）。
【００４０】
次に、モータＭへの出力電圧値（Ｖｏ）に必要となるように可変抵抗ＲＶ１の値を決定する（Ｓ３）。コンデンサーＣ１、Ｃ２の充放電時間をコンデンサーの容量、配線抵抗等から決定し（Ｓ４）、そのタイミングによりスイッチＳＷ１（Ｑ１）、ＳＷ３（Ｑ３）をｔ１時間オンし、コンデンサーＣ１を充電する（Ｓ５）。次に、スイッチＳＷ２（Ｑ２）、ＳＷ４（Ｑ４）をｔ２時間オンし、コンデンサーＣ２を充電する（Ｓ６）。コンデンサーＣ２の放電により、充電式電源部１１を充電する（Ｓ７）。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のモータドライバ１のブロック構成図である。
【図２】モータドライバ１の回路構成図である。
【図３】コンデンサーＣ１が充電されるときの電流の流れを示した図である。
【図４】コンデンサーＣ１の放電によるコンデンサーＣ２の充電、及びコンデンサーＣ２の放電により充電式ＤＣ電源部１１が充電されるときの電流の流れを示した図である。
【図５】スイッチＳＷ１からＳＷ４のスイッチング動作と、コンデンサーＣ１、Ｃ２の充放電のタイミングを示したタイミングチャート図である。
【図６】電気エネルギー回収部１２が電気エネルギーを充電式ＤＣ電源部１１に回収させるときのフローチャート図である。
【図７】従来のモータドライバの一例を示した図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  モータドライバ
１１  充電式ＤＣ電源部
１２  電気エネルギー回収部
１３  アンプ部
１２１  電気エネルギー回収回路
１２２  電圧制御回路
１２３  電気エネルギー帰還保護回路
【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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