(57)【要約】【課題】ハイサイドおよびローサイドの各スイッチング素子とブートストラップ用コンデンサとを用いたモータ駆動回路におけるコンデンサへのチャージを簡単かつ確実に行う。【解決手段】モータＭを駆動／回生制御するためにハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴＦＥＴとを有するインバータ２を設け、動作パターン生成回路２７により各ＦＥＴの駆動時および回生時の各動作パターンを生成し、ＰＷＭ信号生成回路２６によりＰＷＭ制御信号を生成する。モータの駆動時にはハイサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御し、ローサイドスイッチング素子を常時オンにして、ローサイドスイッチング素子によりコンデンサをチャージする電流経路が形成され、回生時にはローサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御し、ハイサイドスイッチング素子を常時オフにして、ローサイドスイッチング素子のＰＷＭ制御によるオン時にコンデンサをチャージする電流経路が形成される。【選択図】図１
2009278804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相モータの電源側に設けられた複数のハイサイドスイッチング素子と、前記モータの接地側に設けられた複数のローサイドスイッチング素子と、電源と前記ハイサイドスイッチング素子および前記ローサイドスイッチング素子のノードとの間に設けられたブートストラップ用コンデンサと、前記各スイッチング素子を選択的にオン／オフして前記モータを駆動制御するための制御回路とを有するモータ駆動回路において、
前記制御回路が、前記モータの駆動時には前記ハイサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御すると共に前記ローサイドスイッチング素子を通電パターンにしたがってオン／オフさせる駆動時制御手段と、前記モータの回生時には前記ハイサイドスイッチング素子を常時オフにすると共に前記ローサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御する回生時制御手段とを有することを特徴とするモータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブートストラップ用コンデンサを設けたモータ駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば三相ブラシレスモータの駆動回路において、各相にハイサイドスイッチング素子としてのハイサイドＦＥＴとローサイドスイッチング素子としてのローサイドＦＥＴとをそれぞれ設け、モータ駆動制御時には各ＦＥＴをＰＷＭ制御するようにしたものがある。その場合に、ハイサイドＦＥＴのソース電位より所定電圧だけ高い電位にするためにブートストラップ用コンデンサを用いたブートストラップ回路を用いてＦＥＴを駆動するようにしたものがあった（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３４８８８０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したようなブートストラップ回路を用いたモータ駆動回路にあっては、ハイサイドＦＥＴをＰＷＭ制御とし、１２０度通電駆動を行うと、必ず１つのローサイドＦＥＴがオンするため、ブートストラップ用コンデンサへのチャージを行う電流回路ができ、ハイサイドＦＥＴをドライブすることができる。しかしながら、回生時には、ハイサイドのみスイッチングさせて回生することから、ブートストラップ用コンデンサへのチャージ用電流経路が無くなるためコンデンサへチャージすることができなくなる場合がある。その場合には、ブートストラップ用コンデンサを用いたハイサイドＦＥＴのスイッチングをすることができなくなるという問題があった。
【０００４】
なお上記特許文献１にあっては、ハイサイドＦＥＴのＰＷＭオフ時にローサイドＦＥＴをオンし、コンデンサに一定周期ごとに充電するとしているが、適切な回生を行うことはできない。
【０００５】
また、ローサイドＦＥＴをＰＷＭ制御とする場合は、その駆動時には、モータ停止時からモータを駆動する場合などモータの回転数が低い場合は、またはPWM出力のOFF周期が長い場合は、ハイサイドＦＥＴがオンしている間にブートストラップ用コンデンサのチャージ分が消費されてしまう虞があり、ローサイドFETをオンしてブートストラップ用コンデンサへのチャージ経路を作るためのチャージパターンを出力する必要がある。一方、回生時には、ローサイドＦＥＴのみのスイッチングのため、ハイサイドFETを動作させないのでブートストラップ用コンデンサのチャージを行う必要は無い。
【０００６】
このように、ハイサイドＦＥＴをＰＷＭ制御する場合であっても、ローサイドＦＥＴをＰＷＭ制御する場合であっても、いずれにおいてもブートストラップ用コンデンサのチャージにおいて上記したような問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決して、ハイサイドおよびローサイドの各スイッチング素子とブートストラップ用コンデンサとを用いたモータ駆動回路における駆動および回生時のコンデンサへのチャージを簡単かつ確実に行うことを実現するために本発明に於いては、多相モータの電源側に設けられた複数のハイサイドスイッチング素子と、前記モータの接地側に設けられた複数のローサイドスイッチング素子と、電源と前記ハイサイドスイッチング素子および前記ローサイドスイッチング素子のノードとの間に設けられたブートストラップ用コンデンサと、前記各スイッチング素子を選択的にオン／オフして前記モータを駆動制御するための駆動回路とを有するモータ駆動回路において、前記制御回路が、前記モータの駆動時には前記ハイサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御すると共に前記ローサイドスイッチング素子を通電パターンにしたがってオン／オフさせる駆動時制御手段と、前記モータの回生時には前記ハイサイドスイッチング素子を常時オフにすると共に前記ローサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御する回生時制御手段とを有するものとした。
【発明の効果】
【０００８】
このように本発明によれば、モータの駆動時にはハイサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御し、ローサイドスイッチング素子を通電パターンにしたがってオン／オフすることから、ローサイドスイッチング素子によりブートストラップ用コンデンサをチャージする電流経路が形成される。また、回生時にはローサイドスイッチング素子をＰＷＭ制御し、ハイサイドスイッチング素子を常時オフにすることから、ハイサイドＦＥＴを駆動するためのブートストラップは不要となる。また、ローサイドＦＥＴはソース側がＧＮＤ（接地ライン）と接地しているため、常にゲート電圧の方がソース電圧より大きくなることから、回生の状態によらずＦＥＴを駆動することができる。これにより、駆動時においても回生時においても、別途チャージ回路を構成することなく、ブートストラップ用コンデンサをチャージすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用されたモータのモータ制御装置のブロック回路図である。また、電動自動車の駆動源に用いられるモータＭのモータ制御装置であり、図示例ではアウタロータ型のモータを用い、そのアウタロータに車輪を取り付けたものである。なお、図示例では３相のブラシレスモータＭについて示しているが、一例であり、制御対象となるモータを限定するものではない。
【００１０】
図示例では、車載バッテリＢＴを電源とし、モータＭを制御する制御手段としての制御装置１が示されている。図に示されるように、バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成された駆動電流供給回路としてのインバータ２を介してモータＭの各相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）コイル３が接続されている。なお、特に断らない限り以下に示す各回路などは制御装置１内に設けられている。
【００１１】
バッテリＢＴとインバータ２とを接続する電源線には電流検出センサ４と電圧検出センサ５とがそれぞれ設けられており、それらにより検出された電流および電圧検出信号が対応する電流検出回路６および電圧検出回路７にそれぞれ入力するようになっている。モータＭにはステータ８に対するロータ９の回転角度を検出する回転角度センサ１１が設けられており、その回転角度信号が回転角度検出回路１２に入力し、回転角度検出回路１２ではロータ９の回転位置及び回転数（回転速度）を算出する。
【００１２】
制御装置１の外部には、車両の所定位置に図示されないアクセルが設けられており、アクセルにはアクセル操作量を検出するための例えばポテンショメータであって良いアクセルポテンショセンサ１３が設けられている。また、車両の他の所定位置には図示されない回生操作ダイヤルが設けられており、回生操作ダイヤルには回生操作量を検出するための例えばポテンショメータであって良い回生ポテンショセンサ１４が設けられている。
【００１３】
アクセルポテンショセンサ１４からのアクセル操作信号はローパスフィルタ１５ａを介してアクセル開度算出回路１６に入力し、アクセル操作信号に応じてアクセル開度算出回路１６から出力されるアクセル開度信号が目標出力値算出回路１７に入力する。
【００１４】
また、回生ポテンショセンサ１４からの回生操作信号はローパスフィルタ１５ｂを介して回生ダイヤル開度算出回路１８に入力し、回生操作信号に応じて回生ダイヤル開度算出回路１８から出力される回生ダイヤル開度信号が最大回生量算出回路１９に入力する。最大回生量算出回路１９にあっては、回生ダイヤル開度信号に応じて最大回生量が算出されると共に、外部の回生設定ダイヤル２１により、最小ダイヤル位置、最大ダイヤル位置、最大回生値の各値が設定されるようになっている。最大回生量算出回路１９からは、各設定に基づいて修正された最大回生量信号が目標出力値算出回路１７に出力される。
【００１５】
また、目標出力値算出回路１７にあっては、外部のポイント設定器２２により、アクセル開度算出値および最大回生量に対応した制御量の基準となる各値が設定されるようになっている。それら各値としては、駆動／回生の切替ポイント、最大駆動力となるポイント、最大回生力となるポイント、最大駆動力値であって良い。目標出力値算出回路１７からは、アクセル開度信号に応じて算出された駆動目標出力値が駆動出力デューティ決定回路２３に出力され、最大回生値信号に応じて算出された回生目標出力値が回生出力デューティ決定回路２４に出力される。
【００１６】
なお、目標出力値算出回路１７にアクセル開度信号と最大回生値信号とが入力された場合にはアクセル開度信号が優先される。また、駆動出力デューティ決定回路２３および回生出力デューティ決定回路２４には上記電流検出回路６および電圧検出回路７からの各検出信号値がそれぞれ対で入力している。
【００１７】
駆動出力デューティ決定回路２３にあっては、目標出力値算出回路１７からの駆動出力と上記各検出信号値とに基づいて駆動出力制御におけるデューティ比を決定し、そのデューティ比決定信号を進角制御回路２５に出力すると共にＰＷＭ信号生成回路２６に出力する。回生出力デューティ決定回路２４にあっては、目標出力値算出回路１７からの回生出力と上記各検出信号値とに基づいて回生出力制御におけるデューティ比を決定し、そのデューティ比決定信号をＰＷＭ信号生成回路２６に出力する。
【００１８】
進角制御回路２５は、ブラシレスモータに対する公知の進角制御における進角を決定し、その進角信号をＦＥＴ動作パターン生成回路２７に出力する。ＦＥＴ動作パターン生成回路２７には、駆動出力デューティ決定回路２３および回生出力デューティ決定回路２４からの各デューティ比決定信号が入力する。
【００１９】
ＦＥＴ動作パターン生成回路２７に関連する部分について、図２を併せて参照して以下に示す。ＦＥＴ動作パターン生成回路２７では、上記各入力信号に基づいて、インバータ制御回路のハイサイドスイッチング素子としてのハイサイドＦＥＴ２８ａ・２８ｂ・２８ｃおよびローサイドスイッチング素子としてのローサイドＦＥＴ２９ａ・２９ｂ・２９ｃへの動作パターンとなる駆動信号を生成し、対応する各アンド回路出力３１ａ・３１ｂへ出力する。なお、各アンド回路３１ａ・３１ｂにはＰＷＭ信号生成回路２６から出力されるＰＷＭ信号が入力する。ＰＷＭ信号にあっては、ブラシレスモータに対する公知のＰＷＭ制御におけるパルス幅変調されかつデューティ比に応じた制御信号であって良い。
【００２０】
なお、図２では、ハイサイドＦＥＴ２８ａ〜２８ｃおよびローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃの各相に対して各１つに対応するインバータドライブ回路３０を代表として示しており、他のインバータドライブ回路は図示省略している。そして、インバータドライブ回路３０の電源Ｖccと、ハイサイドＦＥＴ２８ａ〜２８ｃのノードとの間にブートストラップ用コンデンサＣbsが接続されている。なお、インバータドライブ回路３０は、図１においてはインバータ２に含む形で示している。
【００２１】
なお、各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。
【００２２】
次に、本発明に基づく駆動制御要領について図３を参照して以下に示す。ステップＳＴ１ではモードが停止状態であるか否かを判別する。例えば回転数が０ｒｐｍの場合には停止状態とする。ステップＳＴ１で停止状態であると判定された場合にはステップＳＴ２に進み、そこでドライブ指示が駆動であるか否かを判別する。例えばアクセルポテンショメータ１３からの入力信号に何らかの電圧が生じていた場合には駆動指示であるとする。ステップＳＴ２でドライブ指示が駆動であると判定された場合にはステップＳＴ３に進み、そこでモードを駆動状態に設定してステップＳＴ１に戻る。なお、本フローはサブルーチンとして処理して良く、その場合には次の処理の時にステップＳＴ１から始まるが、説明上は本フロー内での処理とする。
【００２３】
上記ステップＳＴ２でドライブ指示が駆動ではないと判定された場合にはステップＳＴ４に進み、そこでドライブ指示が回生であるか否かを判別する。例えば回生ポテンショセンサ１４からの入力信号に何らかの電圧が生じていた場合には回生指示であるとする。ステップＳＴ４でドライブ指示が回生であると判定された場合にはステップＳＴ５に進み、そこでモードを回生状態に設定してステップＳＴ１に戻る。また、ステップＳＴ４でドライブ指示が回生ではないと判定された場合にはステップＳＴ６に進み、そこで全てのＦＥＴ２８ａ〜２８ｃ・２９ａ〜２９ｃをオフにし、ステップＳＴ１に戻る。
【００２４】
上記ステップＳＴ１でモードが停止状態ではないと判定された場合にはステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７ではモードが駆動状態であるか否かを判別し、モードが駆動状態であると判定された場合にはステップＳＴ８に進み、そこでドライブ指示が駆動以外であるか否かを判別する。ドライブ指示が駆動以外であると判定された場合にはステップＳＴ９に進み、そこで全てのＦＥＴ２８ａ〜２８ｃ・２９ａ〜２９ｃをオフにし、次のステップＳＴ１０でモードを停止状態に設定してステップＳＴ１に戻る。
【００２５】
上記ステップＳＴ８でドライブ指示が駆動であると判定された場合にはステップＳＴ１１に進む。ステップＳＴ１１ではＰＷＭ信号生成回路２６によるハイサイドＦＥＴ２８ａ〜２８ｃに対するＰＷＭ出力のデューティ比を設定し、次のステップＳＴ１２ではローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃに対して常時オンとするＰＷＭ出力のデューティ比１００％を設定して、ステップＳＴ１３に進む。
【００２６】
ステップＳＴ１３では、ＦＥＴ動作パターン生成回路２７によりすべてのFET２８ａ〜２８ｃ、２９ａ〜２９ｃに対する転流パターンを出力して、ステップＳＴ１に戻る。これらステップＳＴ１１〜１３により、モータＭをＰＷＭ制御により駆動することになり、ＰＷＭ信号生成回路２６とＦＥＴ動作パターン生成回路２７と各アンド回路３１ａ・３１ｂとの組み合わせにより駆動時制御手段が構成されている。この駆動制御にあっては、図示例の三相モータの場合、１２０度通電で各ローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃがオンするため、ブートストラップ用コンデンサＣbsが何等問題なくチャージ（充電）される。
【００２７】
上記ステップＳＴ７でモードが駆動状態ではないと判定され場合にはステップＳＴ１４に進む。ステップＳＴ１４ではモードが回生状態であるか否かを判別し、回生状態であると判定された場合にはステップＳＴ１５に進む。ステップＳＴ１５ではドライブ指示が回生以外であるか否かを判別し、回生以外であると判定された場合にはステップＳＴ１６に進む。ステップＳＴ１６では全てのＦＥＴ２８ａ〜２８ｃ・２９ａ〜２９ｃをオフにし、次のステップＳＴ１７でモードを停止状態に設定してステップＳＴ１に戻る。
【００２８】
上記ステップＳＴ１５でドライブ指示が回生であると判定された場合にはステップＳＴ１８に進む。ステップＳＴ１８ではＰＷＭ信号生成回路２６によるローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃに対する回生時のＰＷＭ出力のデューティ比を設定し、次のステップＳＴ１９ではハイサイドＦＥＴ２８ａ〜２８ｃに対して常時オフとするＰＷＭ出力のデューティ比０％を設定して、ステップＳＴ２０に進む。ステップＳＴ２０では、ＦＥＴ動作パターン生成回路２７によりローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃに対するアップコンパターン（回生の転流パターン）を出力して、ステップＳＴ１に戻る。これらステップＳＴ１８〜２０にのより、モータＭをＰＷＭ制御により回生制御することになり、ＰＷＭ信号生成回路２６とＦＥＴ動作パターン生成回路２７と各アンド回路３１ａ・３１ｂとの組み合わせにより回生時制御手段が構成されている。この回生制御にあっては、回生の転流パターンで各ローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃのオンするものと、各ハイサイドＦＥＴ２８ａ〜２８ｃのオフ状態のものの寄生ダイオードとを介して電流経路が形成される。
【００２９】
なお、上記ステップＳＴ１４でモードが回生状態ではないと判定された場合にはステップＳＴ２１に進む。この場合には該当するモードが無い場合であり、ステップＳＴ２１で全てのＦＥＴ２８ａ〜２８ｃ・２９ａ〜２９ｃをオフにし、次のステップＳＴ２２でモードを停止状態に設定してステップＳＴ１に戻る。
【００３０】
このようにして、ブートストラップ用コンデンサＣbsを用いたモータ駆動回路において、駆動時のコンデンサＣbsへのチャージ（充電）にあってはローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃの通電パターンにより行うことができると共に、回生時のチャージにあってはローサイドＦＥＴ２９ａ〜２９ｃの回生の転流パターンにより行うことができ、回生時用に別途チャージ回路を設けることなく、簡単かつ確実にブートストラップ用コンデンサＣbsへチャージすることができる。そのため、回路構成が簡略化され、駆動回路のコンパクト化および軽量化が達成され、軽量化が要求されるもの、特にソーラーカーに適用することに有用である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明にかかるブートストラップ用コンデンサを用いたモータ駆動回路は、回生制御用に別途回路を追加することなくコンデンサのチャージを駆動時および回生時に行うことができ、軽量化が要求される電動自動車であって特にソーラーカーに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明が適用されたモータのモータ制御装置のブロック回路図である。
【図２】図１の回路図の要部を詳細に示す回路図である。
【図３】本発明に基づく制御要領を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  制御装置
２  インバータ
１３  アクセルポテンショセンサ
１４  回生ポテンショセンサ
１７  目標出力値算出回路
２３  駆動出力デューティ決定回路
２４  回生出力デューティ決定回路
２６  ＰＷＭ信号生成回路
２７  ＦＥＴ動作パターン生成回路
３０  インバータドライブ回路
３１ａ・３１ｂ  アンド回路
Ｃbs  ブートストラップ用コンデンサ
Ｍ  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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