平成 23年電気学会産業応用部門大会

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複数台直流モータの時分割四象限運転法
学生員

川村卓也

非会員

チャン・アンヤポ

正員

野口季彦（静岡大学）

Time Sharing Four-Quadrant Operation of DC Motors
Takuya Kawamura, Student Member, Toshihiko Noguchi, Member (Shizuoka University)
Chan Anyapo, Non-Member
This paper presents a newly designed chopper circuit and its operation characteristics, which can drive many DC motors at thesame time on the basis of a time sharing operation. By employing this method, the switching device count can be reduced as
more DC motors are used. The operation characteristics of the proposed circuit are examined through some simulations andexperimental tests. As a result, it is clarified that the proposed technique achieves an independent and simultaneous drive of many
DC motors.
キーワード：チョッパ，DC モータ，四象限運転，時分割制御
Keywords：Chopper, DC motor, four-quadrant operation, time sharing control

1. はじめに
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。中でも電動車椅子に代表される障害者や高齢者を対象とした電動移動機器が普及し，障害者や高齢者の社会的自立を促している。このような電動移動機器はその応用範囲も急速に拡大しており，今後も福祉機具産業の高度化を推進する質の高い移動機器に大きな期待が寄せられている。それらの移動機器が高度な動作を実現するには複数台のモータが必要になる。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。
そこで，本稿では同時に複数台の直流モータを独立して駆動できる新たなチョッパ回路とその制御法を提案する。提図 1 従来の四象限 H ブリッジチョッパ回路
Fig. 1. Conventional four-quadrant H-bridge chopper
for two DC motors.

案する回路は複数台の直流モータを独立して四象限運転することが可能であり，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，時分割制御に基づく新しいチョッパ回路のシミュレーションと実験を通じて基本的な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 ブリッジチョッパ回路を図 1 に示す。従来法では電動車椅子のように 2 台の直流モータを四象限運転させるため，8 個のスイッチング素子を必要とする。そこ

図2

提案する時分割四象限チョッパ回路

で，スイッチング素子を低減し，より多くの直流モータにFig. 2. Proposed time sharing four-quadrant chopperも対応できる拡張性をもった回路とするために，図 2 に示

for two DC motors.

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1-60t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 t16 t17 t18
5Q105Q3(1-DS3)TS30t

5Q4

DS4TS405Q6+- M M
CdD
2- nM +nthD
CM(1-DS4)TS4t0VBt

DS3TS3

DS1TS1VO(1-DS1)TS1t

VML0t0t

VMR-VBiMLi(1-DS6)TS6DS6TS6t0t

図4

複数台の DC モータ駆動回路-iFig. 4. Main power circuit for more DC motors.
iMR

it0

図3

表1

主回路の電気的パラメータ

Table 1. Electric parameters of main power circuit.
Power supply voltage
48 V
Switching frequency (Q1，Q2，Q5，Q6，10 kHz
Q7，Q8，Q9，Q10 )Switching frequency (Q3，Q4)
1 kHz
Capacitor C
5000 μF, 100 V
Rated power of DC motors
60 W and/or 110W
Rated voltage of DC motors
24 V and/or 72V

旋回時の動作原理

Fig. 3. Operation waveforms on pivot right turn.

したような時分割四象限チョッパを提案する。提案する回路では，それぞれの H ブリッジチョッパ回路の一方のレグを共通としている。Q3，Q4 で構成される共通レグは 1 kHz表 2で常に 50 %デューティーサイクルでオンオフを繰り返す。

ML1 と MR1 の仕様

Table 2. Specifications of ML1 and MR1.
Rated Voltage
24 V
Rated Current
3A
Rated Power60 W
Maximum Speed
2100 r/min
Manufacturer
HYPONIC DRIVE

そして，外側の Q1，Q2，Q5，Q6 で構成するレグは共通レ
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 つ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表 3象限運転させることが可能となる。しかし，共通レグは常ML2 と MR2 の仕様

Table 3. Specifications of ML2 and MR2.に 50 %デューティーサイクルで動作しているので，電源のRated Voltage
Rated Current
Rated Power
Maximum Speed
Manufacturer

電圧利用率は半分になる。そのため，従来の 2 倍に相当する電圧を直流電源として使用するか，図 2 のように倍電圧昇圧回路を挿入する必要がある。
図 3 に 2 個のモータが互いに逆方向へ動作する旋回時の

72 V
2A
110 W
3000 r/min
SANYO DENKI動作波形を示す。Q3，Q4 が共通レグのスイッチング波形でッチを 2 つ加えることでモータを増設し独立駆動すること

1 kHz，50 %デューティーサイクルで動作している。Q1，Q6ができる。直流モータの台数を増やすと共通レグの電流容は外側のレグのスイッチング波形で，それぞれ 10 kHz，50 %量は増大するが，スイッチング周波数とデューティーサイデューティーサイクルで動作している場合を示している。

クルは 1 kHz，50 %のままでよい。また，外側レグのスイッ

この場合，Q4 がオンの区間で Q1 のスイッチングにより左チング周波数は 10 kHz のままで任意のデューティーサイクのモータには平均的に正の電圧が印加される。そして，Q3ルとしてよい。これにより，従来は N = 4M 個のスイッチンがオンの区間で Q6 のスイッチングにより右のモータに負グ素子が必要であったが，提案法では，N = 2M + 2 個のスの平均電圧が印加される。したがって，左のモータは正方イッチング素子数で直流モータを四象限運転させることが向に回転し，右のモータは負方向に回転する。これにより可能となる。ここで，N はスイッチング素子数であり，Mそれぞれのモータが独立して逆方向に回転する動作を実現

は直流モータの台数である。つまり，四輪駆動の電動移動している。

機器では，従来法から 6 個のスイッチング素子が低減され，

図 4 に複数台の直流モータを駆動する場合の回路を示す。
図のように共通レグにモータを接続し，外側のレグにスイ回路の簡易化，省スペース化，低コスト化を図ることができる。

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1.0Q250.5Q20.0151.0Q300.5Q30.005025VML1 (V) 0-25-5050250VML1 (V)-25-50

6IML1 (A) 30-363
IML1 (A) 0-3Time 0.5 (ms/div)

Time 0.5 (ms/div)（a）シミュレーション結果（b）実験結果
図5

LM1 のシミュレーションと実験波形

Fig. 5. Simulation and experimental waveforms of LM1.
1.0
Q5

150.5
Q50.0
Q41.0

50.5

Q40.050
25
VMR1 (V) 0-25-50
84
IMR1 (A) -40-8-120050
25VMR1 (V) 0-25-5084
IMR1 (A) -40-8-12Time 0.5 (ms/div)（a）シミュレーション結果

Time 0.5 (ms/div)（b）実験結果
図6RM1 のシミュレーションと実験波形

Fig. 6. Simulation and experimental waveforms of RM1.
1.0Q850.5

Q80.001.0Q315Q30.50.0050
VML2 (V) 250-25-5050
VML2 (V)250-25-50

1.2
IML2 (A)0.6
0.0-0.6-1.2

IML2 (A)1.2
0.6
0.0-0.6-1.2

Time 0.5 (ms/div)（a）シミュレーション結果

Time 0.5 (ms/div)（b）実験結果
図7LM2 のシミュレーションと実験波形

Fig. 7. Simulation and experimental waveforms of LM2.

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1.015Q 9 0.5

Q900.01.0Q45Q40.500.05025
VMR2 (V) 0-25-505025
VMR2 (V) 0-25-50

1.20.6
IMR2 (A)0.0-0.6-1.2-1.8

1.20.6
IMR2 (A) 0.0-0.6-1.2-1.8

Time 0.5 (ms/div)

Time 0.5 (ms/div)（a）シミュレーション結果（b）実験結果
図8

RM2 のシミュレーションと実験波形

Fig. 8. Simulation and experimental waveforms of RM2.
表4

モータの回転方向と速度指令流れ，モータも逆向きに回転する。
図 7，図 8 のモータについても表 4 に示した指令通りに，Table 4. Rotational direction and operation duty cycle of four motors.
MotorsLM1RM1LM2RM2
Switching duty cycle
30 %
60 %
80 %
70 %
Rotationforward backward forward backward

シミュレーションとよく一致した実験波形が得られた。また，いずれの波形でも電圧パルスが逆向きに発生する状態が存在する。これは Q3，Q4 のスイッチが切り換わっても電3. シミュレーションと実験結果

流は流れ続けるので，オフしているスイッチのダイオード

表 1 に示す電気的パラメータを用いてシミュレーションと実験を行った。ここでは 4 台の直流モータを運転する回路を試作し，表 2 と表 3 に示した仕様をもつ直流モータを 2台ずつ供試機として，それぞれを ML1, MR1 ならびに ML2,MR2 とよぶこととした。図 5 ～ 図 8 にシミュレーションを通じて還流する状態である。加えて，電圧が印加されていない区間ではモータの誘起電圧の影響により電流が逆向きに流れる状態も存在する。これは，共通レグのどちらかのスイッチが必ずオンしているため，逆向きの電流がそのスイッチを通り還流するからである。

4. まとめ

結果と実験結果の各部動作波形を示す。モータの回転方向と速度指令は表 4 に示すとおりである。また，Q3，Q4 は常に 1 kHz，50 %デューティーサイクルで動作させており，すべてのモータは同時に動作させている状態とした。
図 5 に LM1 のシミュレーションと実験波形を示す。同図(a)に示したように，Q2 をオンオフさせると Q3 がオンの区間で LM1 に 30 %デューティーサイクルで制御された正の電圧パルスが印加されている。共通レグは 1 kHz で動作しているので平均電圧として 7.2 V 印加され，それに応じて電流も正方向に流れて正転動作が得られる。続いて，同図(b)は同じ条件で計測した実験結果であるが，モータ電圧波形は本稿では，共通レグを設けた時分割制御に基づく新しいチョッパ回路を提案した。この回路では 2M+2 個のスイッチング素子で M 個のモータを運転することができるため，モータ台数が増えるほど従来回路と比べ素子数を大幅に低減できる。ここでは，シミュレーションと実験を通じて，従来法よりも少ないスイッチング素子数でモータを独立に運転できることを確認した。今後は提案回路の簡素な構成を犠牲にすることなく，電圧利用率の低下を克服する手法を検討していく所存である。

シミュレーションと同様の波形になっていることがわか

文る。電流波形はシミュレーションよりも小さな値となっているが相似な波形が出力されている。
図 6 に RM1 のシミュレーション波形と実験波形を示す。
RM1 は 60 %のデューティーサイクルで，負方向へ回転させるように制御した。同図(a)に示すように RM1 に負の電圧パルスを印加する場合は，Q4 がオンの期間にチョッパの上アームのスイッチ Q5 をオンオフする。RM1 の実験波形を同図(b)に示す。Q4 がオンの区間で RM1 には負の電圧パルス

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, “Development of Electric Wheelchair
Using Fuel Cell”, Niigata Branch of IEEJ, IV-6, p. 56, 2006.
(３) K. Saito, C. Anyapo, P. Kamjitjam and T. Noguchi: “Development of an
Electric Wheelchair System Using PEM Fuel Cell,” Journal of Asian ElectricVehicles, Vol. 7, No. 1, pp.1185-1190, 2009.
(４) 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が印加されるため，シミュレーション通り負方向に電流が[I - 332]