(57)【要約】【課題】駆動デューティが大きくなったときでもスイッチング素子を飽和領域で使用できるようにする。【解決手段】モータ駆動装置１は、ブラシレスモータ２の回転制御をするモータドライバ回路３を有する。モータドライバ回路３は、モータ駆動回路１４のスイッチング素子のＦＥＴの開閉を切り替えるＰＷＭ信号を作成する制御回路１１が設けられている。制御回路１１は、駆動デューティが９０％以上の領域では、キャリア周波数演算部２１がマップ２２を検索してキャリア周波数を下げる。キャリア周波数が下がることで、同じ駆動デューティであっても、ＦＥＴが開閉動作するために必要な時間が確保される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の供給によってロータを回転させるモータと、
前記モータに供給する電流をスイッチング素子を開閉させることによって制御するモータ駆動回路と、
前記モータ駆動回路のスイッチング素子の開閉をパルス制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記スイッチング素子を開閉させる周期に対して前記スイッチング素子が閉じている時間の割合を示す駆動デューティが予め定められた規定値以上になったときに、前記スイッチング素子を開閉させる周期を決めるキャリア周波数を下げるキャリア周波数制御部を有することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記キャリア周波数制御部は、前記駆動デューティが前記規定値から増加するにつれて前記キャリア周波数をリニアに減少させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記キャリア周波数制御部は、前記駆動デューティが前記規定値を越えたら前記キャリア周波数を不連続に減少させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記モータは、ブラシレスモータであり、前記ブラシレスモータの回転を検出する回転センサを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に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、ＰＷＭ駆動時のキャリア周波数を変化できるモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３相のブラシレスモータの駆動を制御するために用いられるモータ駆動装置は、各相のコイルに対応して設けられたＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）などのスイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦさせて通電相の切り替え制御を行っている。コイルに流す電流の量は、スイッチング素子がＯＮになる割合、つまりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号の駆動デューティを変化させることで制御できる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３１２１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、スイッチング素子をＰＷＭ制御するときは、駆動デューティが１００％に近づくとスイッチング素子のＯＦＦ時間が短くなる。スイッチング素子にＦＥＴを使用した場合、ゲート信号が入力されてから実際にスイッチング素子がＯＮになるまでの間、及びゲート信号が入力されてから実際にスイッチング素子がＯＦＦされるまでの間に遅延時間が存在するので、ＯＦＦ時間が短くなるとスイッチング素子を完全にＯＦＦにできなくなることがあった。スイッチング素子を完全にＯＦＦにできない状態ではＦＥＴが能動領域で作動することになるので損失が大きくなる。また、スイッチング素子がＯＮになり続けることでモータに過電流が流れ、モータ駆動装置のフェールセーフ機能が働いてモータ出力が停止される可能性もある。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動デューティが大きくなったときでもスイッチング素子を飽和領域で使用できるようにすることを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、電流の供給によってロータを回転させるモータと、前記モータに供給する電流をスイッチング素子を開閉させることによって制御するモータ駆動回路と、前記モータ駆動回路のスイッチング素子の開閉をパルス制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記スイッチング素子を開閉させる周期に対して前記スイッチング素子が閉じている時間の割合を示す駆動デューティが予め定められた規定値以上になったときに、前記スイッチング素子を開閉させる周期を決めるキャリア周波数を下げるキャリア周波数制御部を有することを特徴とするモータ駆動装置とした。
このモータ駆動装置では、駆動デューティが規定値以上になったら、キャリア周波数を下げる。キャリア周波数が低くなると、スイッチング素子を開閉させる周期が長くなるので、同じ駆動デューティではスイッチング素子を閉じている時間が長くなり、スイッチング素子が完全に閉じるために必要な時間が確保される。
【０００５】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、  前記キャリア周波数制御部は、前記駆動デューティが前記規定値から増加するにつれて前記キャリア周波数をリニアに減少させることを特徴とする。
このモータ駆動装置では、キャリア周波数を徐々に減少させてスイッチング素子が完全に閉じるために必要な時間を確保する。
【０００６】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記キャリア周波数制御部は、前記駆動デューティが前記規定値を越えたら前記キャリア周波数を不連続に減少させることを特徴とする。
このモータ駆動装置では、キャリア周波数を不連続に減少させてスイッチング素子が完全に閉じるために必要な時間を確保する。
【０００７】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置において、前記モータは、ブラシレスモータであり、前記ブラシレスモータの回転を検出する回転センサを備えることを特徴とする。
このモータ駆動装置は、ブラシレスモータの回転制御を行う。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、駆動デューティが規定値以上になる領域では、キャリア周波数が下がってスイッチング素子が開閉動作するために必要な時間が確保される。したがって、高い駆動デューティにおいてもスイッチング素子の開閉制御を確実に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態において、同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、モータ駆動装置１は、３相のブラシレスモータ（ＢＬＭ）２と、ブラシレスモータ２のコイルの各相に流す電流を制御するモータドライバ回路３と、ブラシレスモータ２の回転を検出する回転センサ４とを備えている。
【００１１】
モータドライバ回路３は、外部信号が入力される制御回路１１を有する。制御回路１１は、電源回路１２を介して電源１３から電力が供給され、外部信号に応じてＰＷＭ指令信号を作成して出力するように構成されている。ＰＷＭ指令信号の出力ポートには、モータ駆動回路１４が接続されている。
モータ駆動回路１４は、ＦＥＴなどから構成されるスイッチング素子がブラシレスモータ２の各コイルに対応して配列されたブリッジ構造を有する。モータ駆動回路１４には、電源１３から電圧が印加されるようになっており、スイッチング素子を開閉することで、ブラシレスモータ２の所定のコイルに通電される。コイルを流れる電流は、モータ駆動回路１４の高電位側に設けられた電流検出回路１５でモニタされている。電流検出回路１５の出力は、過電流Ｆ／Ｓ（フェールセーフ）回路１６に接続されている。過電流Ｆ／Ｓ（フェールセーフ）回路１６は、モータ駆動回路１４に流れる電流、つまりコイルに流れる電流が予め設定されている電流値を越えたときに、制御回路１１にＰＷＭ指令信号の出力停止を指令するように構成されている。
【００１２】
さらに、モータ駆動回路１４からブラシレスモータ２のコイルに流れる電流の変動を吸収するためのコンデンサ１７が電流検出回路１５の高電位側と、モータ駆動回路１４の接地側との間に、モータ駆動回路１４と並列に接続されている。
【００１３】
ここで、制御回路１１は、キャリア周波数を制御するキャリア周波数制御部２１と、キャリア周波数を制御する際に参照するマップ２２と、外部信号によって駆動デューティを決定してＰＷＭ指令信号を作成する駆動デューティ制御部２３とに機能分割できる。
マップ２２は、図２に示すキャリア周波数マップ３１と、図３に示す駆動デューティＯＮ時間マップ３２とが設けられている。キャリア周波数マップ３１は、駆動デューティ（％）とキャリア周波数（ｋＨｚ）を対応付けた構成を有する。キャリア周波数は、駆動デューティが９０％で１６ｋＨｚ、駆動デューティが９９％で１ｋＨｚになっており、その間はキャリア周波数が駆動デューティの増加に従ってリニアに減少する。駆動デューティ９９％から１００％までは、１ｋＨｚで一定である。
図３に示す駆動デューティＯＮ時間マップ３２は、駆動デューティ（％）とスイッチング素子のＯＮ時間（μｓｅｃ）を対応付けた構成を有する。ＯＮ時間は、スイッチング素子をＯＮ（接続）する時間に相当し、駆動デューティの増加にしたがって曲線上に増加する。駆動デューティが９９％から１００％の間は、一定の値になっている。曲線上に増加する領域では、駆動デューティが増加するほど変化の割合が大きくなっている。
【００１４】
次に、モータ駆動装置１の動作について説明する。
ブラシレスモータ２の回転速度や回転方向などを指令する外部信号が入力されると、制御回路１１の駆動デューティ制御部２３が外部信号に基づいて駆動デューティを決定する。駆動デューティは、キャリア周波数で定まる周期に対し、スイッチング素子をＯＮにさせる時間の割合を規定するものである。駆動デューティを決定したら、キャリア周波数制御部２１が図４に示すようなフローチャートに従ってキャリア周波数とＰＷＭ信号のＯＮ時間を決定する。
まず、キャリア周波数制御部２１は、駆動デューティが９０％以上であるか調べる（ステップＳ１０１）。駆動デューティが９０％未満のときは（ステップＳ１０１でＮｏ）、キャリア周波数を初期設定値である１６ｋＨｚに設定する（ステップＳ１０２）。ＰＷＭ信号のＯＮ時間は、駆動デューティの値で決まる所定値に設定する（ステップＳ１０３）。
これに対して、駆動デューティが９０％以上のときは（ステップＳ１０１でＹｅｓ）、キャリア周波数マップ３１を駆動デューティで検索してキャリア周波数を決定する（ステップＳ１０２）。例えば、図２に示すキャリア周波数マップ３１では、駆動デューティが９４％であれば、キャリア周波数として約１０ｋＨｚが得られる。ＰＷＭ信号のＯＮ時間は、駆動デューティＯＮ時間マップ３２を駆動デューティで検索して決定する（ステップＳ１０４）。
【００１５】
制御回路１１は、キャリア周波数とＯＮ時間に基づいてＰＷＭ信号を作成し、回転センサ４で検出したブラシレスモータ２の回転位置に応じてモータ駆動回路１４のスイッチング素子ごとに独立して出力する。図５にＰＷＭ信号の一例を示す。ＰＷＭ信号はローレベルを基準にして、キャリア周波数で定まる周期Ｔ１にパルス信号Ｓ１が１つ形成される。パルス幅は、ＯＮ時間で定められた大きさになる。ＰＷＭ信号は、パルス信号Ｓ１がハイレベルの間、スイッチング素子がＯＮになるように指令する信号である。
モータ駆動回路１４では、ＰＷＭ信号がスイッチング素子に入力される。例えば、接地側のスイッチング素子であるＦＥＴのゲートに入力されると、図５のゲート電圧のチャートに示すように、ＰＷＭ信号のパルスに追従してゲート電圧が変動する。ＰＷＭ信号がハイレベルの間は、ゲート電圧もハイレベルになってドレイン端子に電源電圧が印加される。すなわち、このスイッチング素子に接続されているコイルに電流が流れる。これに対して、ＰＷＭ信号がローレベル、つまりＯＦＦになっている間は、ゲート電圧もローレベルになってドレイン端子の電圧がゼロになる。すなわち、このスイッチング素子に接続されているコイルには電流が流れない。このようにして、スイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦ制御をすることでブラシレスモータ２のロータを回転させる。
【００１６】
ここで、駆動デューティが９０％以上の領域におけるモータ駆動装置１におけるスイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦ制御と、従来のキャリア周波数一定のＯＮ−ＯＦＦ制御の違いについて図６を参照して説明する。
駆動デューティが９０％以上になると、図６の上段に示す従来の制御では、ＦＥＴのゲート電圧の変化がＣＰＵのＯＮ−ＯＦＦ変化に追従できなくなってしまい、すなわち、ＦＥＴのゲート電圧がローレベルに落ちきらなくなる。すなわち、ＦＥＴのゲート電圧もローレベルに落ちきらないので、ドレイン電圧が０Ｖにならなくなる。つまり、ＦＥＴを完全にＯＦＦにすることができず、本来はＯＦＦである領域でＦＥＴが能動領域で動作することになる。さらに、駆動デューティが高くなると、ＦＥＴが完全にＯＮのままになって、コイルに通電しない時間帯でもコイルに電圧が印加され、駆動デューティ１００％と同じ状態になってしまう。
【００１７】
これに対して、図６の下段に示すモータ駆動装置１では、駆動デューティが９０％以上の領域ではキャリア周波数が下がると共に、駆動デューティが得られるようにＯＮ時間が調整される。従来の制御に比べてキャリア周波数が下がることで、ＯＮとＯＦＦの割合（駆動デューティ）が同じでも、ＯＦＦ時間を長くすることができる。これによって、ＦＥＴのＯＮ−ＯＦＦを切り替えるのに必要な時間が確保でき、ＰＷＭ信号がＯＦＦになったときはＦＥＴもＯＦＦになる。
【００１８】
この実施の形態では、スイッチング素子のＦＥＴを能動領域で動作させてしまうほど駆動デューティが高くなる領域でキャリア周波数を下げると共に、ＦＥＴがＯＮになる時間を駆動デューティに応じて変化させるようにしたので、ＰＷＭ信号の１周期におけるＦＥＴの遅延時間の影響が小さくなってＦＥＴを飽和領域で駆動させることが可能になる。これによって、ＦＥＴにおける発熱を低減できる。さらに、ＦＥＴがＯＮになり続けることを防止でき、ブラシレスモータ２に非常に大きい電流（突入電流）が流れることがなくなる。特に、ブラシレスモータ２を高出力で回転させる場合には、スイッチング素子に許容電流が大きいＦＥＴが使用される。このようなＦＥＴは、ゲート容量が大きいため、開閉を切り替えるときの遅延時間が大きくなる。この実施の形態のモータ駆動装置１では、このような高出力に対応可能な構成においても高い駆動デューティでスイッチング素子の開閉制御を確実に行えるようになる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
この実施の形態に係るモータ駆動装置１は、マップ２２を有さないこと、及びキャリア周波数制御部２１の処理が第１の実施の形態と異なる。
キャリア周波数制御部２１は、図７に示すように駆動デューティが９０％未満では、キャリア周波数を１６ｋＨｚで一定にする。駆動デューティが９０％以上ではキャリア周波数を１ｋＨｚにする。
したがって、図８に示すように、駆動デューティが９０％未満のときは（ステップＳ１０１でＮｏ）、キャリア周波数を第一の設定値である１６ｋＨｚに設定する（ステップＳ１０２）。ＰＷＭ信号のＯＮ時間は、駆動デューティで定まる所定値に設定する（ステップＳ１０３）。
これに対して、駆動デューティが９０％以上のときは（ステップＳ１０１でＹｅｓ）、キャリア周波数を第二の設定値である１ｋＨｚに設定する（ステップＳ１０６）。ＰＷＭ信号のＯＮ時間は、駆動デューティで定まる所定値に設定する（ステップＳ１０７）。
【００２０】
この実施の形態では、駆動デューティが高い領域でキャリア周波数を１段階に変化させることにより、ＰＷＭ信号の１周期におけるＦＥＴの遅延時間の影響が小さくなってＦＥＴを飽和領域で駆動させることが可能になる。これによって、ＦＥＴにおける発熱を低減できる。さらに、ＦＥＴがＯＮになり続けることを防止でき、ブラシレスモータ２に非常に大きい電流（突入電流）が流れることがなくなる。
【００２１】
キャリア周波数は、２段階以上に変化させても良い。この場合、駆動デューティが増加するにつれてキャリア周波数が段階的に下げられる。
図７に示すようなマップを制御回路１１に設け、キャリア周波数制御部２１がマップ検索してキャリア周波数を決定するように構成しても良い。
【００２２】
なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、キャリア周波数が減少に転じたり、段階的に下がったりするときの駆動デューティは、９０％に限定されない。ブラシレスモータ２やモータ駆動回路１４の構成に応じて変更することが可能である。
キャリア周波数の初期値又は第１の周波数は、１６ｋＨｚに限定されない。同様に、キャリア周波数の下限値又は第２の周波数は、初期値又は第１の周波数より低く、ＦＥＴを能動領域で動作できる周波数であれば良く、１ｋＨｚに限定されない。
モータ駆動装置１が回転制御を行う対象は、ブラシレスモータ２に限定されず、その他のモータでも良い。
モータ駆動回路１４は、ＦＥＴの代わりに、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）や、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）を用いても良い。
ブリッジ回路以外の構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るモータ駆動回路のブロック図である。
【図２】キャリア周波数マップの一例を示す図である。
【図３】駆動デューティＯＮ時間マップの一例を示す図である。
【図４】キャリア周波数制御処理のフローチャートである。
【図５】制御回路の出力信号と、スイッチング素子のＦＥＴの開閉を示すタイミングチャートである。
【図６】駆動デューティが９０％以上の領域で、従来の制御と本実施の形態に係るモータ駆動回路の動作を比較するためのタイミングチャートである。
【図７】駆動デューティに対してキャリア周波数を１段階に変化させる場合を模式的に示すグラフである。
【図８】駆動デューティに対してキャリア周波数を１段階に変化させる場合のキャリア周波数制御処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１      モータ駆動装置
２      ブラシレスモータ
４      回転センサ
１１      制御回路
１４      モータ駆動回路（スイッチング素子）
２１      キャリア周波数制御部
３１      キャリア周波数マップ
３２      駆動デューティＯＮ時間マップ
【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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