4-131

平成 24 年電気学会全国大会

昇圧機能を付加した時分割四象限チョッパによる複数直流モータドライブの運転特性
川村卓也＊，野口 季彦 (静岡大学)

Operation Characteristics of Multiple DC Motor Drive Fed by Time-Sharing Four-Quadrant Chopper with Voltage Boost Function
Takuya Kawamura, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)

１．まえがき現在，モータの制御技術の発展に伴い，移動機器の電動化が急速に進んでいる。しかし，実装するモータが多くなるとそれぞれのモータを独立に駆動する回路が必要となるため，大型化や制御装置全体の機構の複雑化，高コスト化を避けることができない(1)。そこで，本稿では同時に複数台

図 1 従来の四象限 H ブリッジチョッパ
Fig. 1. Conventional four-quadrant H-bridge chopper for DC motors.の直流モータを独立して駆動できる新たなチョッパとその制御法を提案する。提案する回路は従来法よりもスイッチング素子数を大幅に低減することが可能である。ここでは，実験により種々の運転特性を確認したので報告する。

２．回路構成と動作原理
従来の四象限 H ブリッジチョッパを図 1 に示す。従来法では 1 台の直流モータを四象限運転するために 4 個のスイッチング素子を必要とする。そこで，スイッチング素子数を低減するために，図 2 に示したような時分割四象限チョッパを提案する(2)(3)。時分割四象限チョッパ回路では，それ

図 2 時分割四象限チョッパ
Fig. 2. Time-sharing four-quadrant chopper for DC motors.

ぞれの H ブリッジチョッパの一方のレグを共通としている。Qp，Qn により構成される共通レグは常に 1 kHz，50 %デューティーサイクルでオンオフを繰り返す。そして，外側の Q1，Q2，Q3，Q4 などで構成されるレグは共通レグの 10 倍の周波数である 10 kHz で動作させてモータの速度制御を行う。共通レグを 2 台のモータに対して時分割で動作させることにより，それぞれの直流モータを独立して四象限運転させることが可能となる。しかし，このとき電源の電圧利用率は半分になってしまう。そこで，図 3 に本稿で提案する昇圧機能を付加した時分割四象限チョッパを示ューティーサイクルで動作しているので，共通レグに電圧

図 3 提案する昇圧機能を付加した時分割四象限チョッパ
Fig. 3. Proposed time-sharing four-quadrant chopper for DC motors
incorporating voltage boost function.

す(4)。Qp，Qn で構成する共通レグは常に 1 kHz，50 %デ源 VB とインダクタ LB を接続することで，キャパシタ C のンオフし，キャパシタ C の充電に備える。Mode②では Q1

電圧は電圧源の倍に昇圧することができる。これにより従をオンし，モータ ML には正方向に電圧が印加され図のよ来法と同じ電圧の電源を使用することが可能となる。従来

うに電流が流れる。続いて Mode③ではモータ ML に流れは m 台の直流モータを駆動するのに 4m 個のスイッチングる電流は下側のダイオード D2 を通り還流する。Mode④に素子が必要であったが，提案法では，2m+2 個のスイッチなり，スイッチが Qp に切り換わると LB に蓄えられていたング素子数で m 台の直流モータを独立に四象限運転するこエネルギーはキャパシタ C に転送され，倍電圧に昇圧されとが可能である。図 4 に正転－逆転動作時のスイッチングる。Qp がオンの区間で Q4 をオンすると，モータ MR には波形と動作モードを示す。Mode①では，共通レグのみをオ負方向の電圧が印加され，電流も負方向に流れる。モータ

2012/3/21～23-227広島( 第 4 分冊 )©2012 IEE Japan

4-131

平成 24 年電気学会全国大会

5025Q1Q4QpQnVML (V) 0-25-505025

VMR (V) 0VML-25-5084
IML (A) 0-4-884
IMR (A) 0-4-8

VMRiMLiMR
Mode 1 2 3 2 3 2 3 2 3 4 5 4 5 4 5 4 5 4

Q2

Dp Q3
D1 Qpv
v++MR
MLii
Qn

D2

LB DB

Dp Q3
D1 Qpv
v
++
MR
MLi
i

Q1+Q2

D2Qn

LB DB

Q1

Dp Q3
D1 Qpvv+ML + + MR
ii
Qn

D2

LB DB

Dn Q4

Mode

VB

D3 C

Q1+Q2

D4

Dn Q4

D3

図5

D4Mode

VBQ2

図4

D4Mode

VBC

Dn Q4

D3 C

Dp Q3
D1 Qpvv
ML + + MRii

D2LB DB
VBQn

Dn Q4

Efficiency (%)+D3

D41009080706050403020 01009080706050403020 0Mode

Time 1 (ms/div)

正転（80 %）－逆転（50 %）負荷時の実験波形
Fig. 5. Experimental waveforms in forward (80 %)–backward (50 %) full-load operation.
Conventional H-brige chopper(Q1:10kHz,Q4:ON)
Time-sharing chopper(Q1:10kHz,Qn:5kHz,50% duty)
Time-sharing chopper incorporating voltage boost function(Q1:50kHz,Qn:5kHz,50% duty)

10

正転－逆転動作時のスイッチング波形と電流経路
Fig. 4. Operation waveforms and current paths
in forward-backward operation.

ML は Q1 をオンすることによって正の電流は Q1 と Qp を通って還流する。また，Mode⑤になるとモータ RM に流れる電流は上側スイッチのダイオード D3 を通り還流する。

203040 50
Pout (W)607080908090Conventional H-brige chopper(Q1:10kHz,Q4:ON)
Time-sharing chopper(Q1:50kHz,Qn:5kHz,50% duty)
Time-sharing chopper(Q1:10kHz,Qn:5kHz,50% duty)
Time-sharing chopper(Q1:10kHz,Qn:1kHz,50% duty)

Efficiency (%)

Q1C10203040 50
Pout (W)6070

図 6 総合効率Fig. 6. Total efficiency.

Mode⑤の後 Mode②に戻り，Mode②～Mode⑤が繰り返される。この動作を実現することで，それぞれのモータは独とが確認できた。これはモータの電流リプルは主に共通レ立して四象限運転を行うことができる。

グの周波数に依存しているため，共通レグの周波数を上げ

３．実験結果ることで電流リプルに起因した銅損や鉄損を低減できるた

図 5 に電源電圧 24 V，インダクタ L = 0.5 mH，キャパシ
タ C = 3000 μF とした実験結果を示す。使用したモータのめであると考えられる。

４．まとめ

100 %トルクとなるように実負荷試験を行った。今回は 2 台

本稿では，共通レグを設けた時分割制御に基づく新しいのモータを ML，MR と名付けてそれぞれ別々の回転方向とチョッパ回路を提案した。昇圧機能を付加することによっ速度指令でモータを駆動した。Q1 を 10 kHz，80 %デューテて従来チョッパと同じ電圧源を使用して，新たにスイッチィーサイクルで動作させると，Qn がオンの区間に ML に正ング素子を付加することなく複数のモータを四象限運転での電圧が印加され，電流も正方向に流れる。Qp がオンの区きることを実験によって確認した。

間に Q4 を 50 %デューティーでスイッチングすることでMR には負の電圧を印加することが確認できる。また，同文時に昇圧動作も行われていることがわかる。図 6 に総合効率を示す。上の図は図 1～3 に示した回路の負荷に対する総合効率であり，従来の四象限チョッパ H ブリッジチョッパと比較すると時分割四象限チョッパは効率が悪化し，昇圧機能を付加した時分割四象限チョッパは昇圧チョッパの効率の分だけ落ちてしまう。下の図は時分割四象限チョッパの駆動周波数を変化させたときの効率特性であり，共通レ献(１) 土山・手島・飴井・大路・作井：「高齢者向け屋内移動機器の開発」，
平成 17 年電気学会産業応用部門大会，Vol.2，58，p.p.325-326 (2005)(２) C. Anyapo, K. Saito and T. Noguchi：“Four-Quadrant Operation of Two DC
Motors with Three-Leg Full-Bridge Chopper Incorporated Voltage BoostFunction, ” The 2009 Annual Meeting I.E.E. Japan, pp.42-43, 2009(３) 川村・野口：「複数台直流モータの時分割四象限運転法」，平成 23 年電気学会産業応用部門大会，1-60 (2011)(４) 川村・野口：「昇圧機能を付加した複数台直流モータの時分割四象限運転法」，平成 23 年電気学会研究会，MD-11-56/LD-11-80,pp13-18 (2011)

グの周波数を上げることで軽負荷時の効率を改善できるこ

2012/3/21～23-228広島( 第 4 分冊 )©2012 IEE Japan