MD－11－056
LD－11－080

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
川村卓也＊

野口 季彦（静岡大学）

Time Sharing Four-Quadrant Operation of DC Motors with Boost Chopper
Takuya Kawamura＊, Toshihiko Noguchi, (Shizuoka University)
This paper presents a newly designed chopper circuit and its operation characteristics, which can drive multiple DC motors at
the same time on the basis of a time sharing operation. By employing this method, the switching device count of the chopper
can be reduced as more DC motors are used. The operation characteristics of the proposed circuit are examined through someexperimental tests as well as computer simulations. As a result, it is clarified that the proposed technique achieves anindependent and simultaneous drive of the multiple DC motors.

キーワード：チョッパ，直流モータ，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は急速に普及し，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

図 1 従来の四象限 H ブリッジチョッパ
Fig. 1. Conventional four-quadrant H-bridge chopperfor DC motors.

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とその制御法を提案する。提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を提案し，さらに昇圧機能を付加することによって従来法と同じ電源電圧で駆動することが可能となる新しい回路構成を提案する。この昇圧機能を付加した複数台直流モータの時分割四象限制御システムについて，シミュレーションと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

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

るためには 8 個のスイッチング素子を必要とする。そこで，従来の四象限 H ブリッジチョッパを図 1 に示す。従来法

スイッチング素子数を低減し，より多くの直流モータにも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す対応できる拡張性をもった回路とするために，図 2 に示し

1／6

Q1Q3
QpQn
VML
VMRiMLiMR

Switching device count

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.

4036322824201612840Mode 1 2 3 2 3 2 3 2 3

Q1

Conventional circuit
Proposed circuit

Qp

D1Cv+

MLiLBQn

D2Q2+-

Dp Q3v-+MRi
Dn Q4

DB012
図43456
DC motor count

789Q
1

D3Cv
MLi

D4Q2LB+Qn

Dn Q 4

D2D3MRi
D4Mode

DBQ
1v+

MLi

Forward-forward

Q2たような時分割四象限チョッパを提案する。時分割四象限

LBチョッパ回路では，それぞれの H ブリッジチョッパの一方

Dp Q3v

Qp

D1C

Fig. 4. Comparison of switching device count.

+

VB

10

スイッチングデバイス数の比較

Dp Q3v

Qp

D1+ModeVB

54

D2++QnDn Q 4

D3MR
i
D4DBModeVB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

Q
1

D1C+MLi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

Q2

D2

Dp Q3v

Qpv++Qn

Dn Q4Q
1

D3 C

D1+MRi

MLi
D4Q2

D2

Dp Q3v

Qpv
++Qn

Dn Q4

D3MR
i
D4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。

LB
VB

DB

Mode

LB

DB

ModeVB更に，同図のように共通レグにモータを接続し，外側のレグにスイッチを 2 つ加えることでより多くのモータを独立

図5

正転－正転動作時のスイッチング波形と電流経路駆動することができる。直流モータの台数を増やすと共通Fig. 5. Operation waveforms and current paths

レグの電流容量は増大するが，そのスイッチング周波数とin forward-forward operation.

デューティーサイクルは 1 kHz，50 %のままで良いため，パを示す。Qp，Qn で構成する共通レグは常に 1 kHz，50 %電流定格が大きな素子を余裕をもって使うことができる。

デューティーサイクルで動作しているので，共通レグに電また，外側レグのスイッチング周波数は 10 kHz のままで任意のデューティーサイクルとすることができる。しかし，共通レグは常に 50 %デューティーサイクルで動作しているので，電源の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。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

圧源 VB とインダクタ LB を接続することで，キャパシタ Cの電圧は電圧源の倍に昇圧することができる。これにより従来法と同様の電源を使用したままスイッチング素子数を増やすことなく時分割四象限運転が可能となる。図 4 に示
すように，従来は m 台の直流モータを駆動するのに 4m 個のスイッチング素子が必要であったが，提案法では，2m+2個のスイッチング素子数で m 台の直流モータを独立に四象2／6

図6

図7

正転－逆転動作時のスイッチング波形と電流経路逆転－逆転動作時のスイッチング波形と電流経路

Fig. 6. Operation waveforms and current paths

Fig. 7. Operation waveforms and current paths

in forward-backward operation.

in backward-backward operation.

限運転することが可能となる。例えば，四輪駆動の電動移Q4 は外側のレグのスイッチング波形で，それぞれ 10 kHz，動機器の場合は，従来法から 6 個のスイッチング素子を削

50 %デューティーサイクルで動作している場合を例示して減でき，回路の簡素化，省スペース化，低コスト化を図るいる。

ことができる。

3.

動作原理

〈3･1〉

正転－正転動作

図 5 に正転－正転動作時のスイッチング波形と動作モードを示す。Mode①では，共通レグの下側スイッチのみがオンし，インダクタ LB にエネル

図 5～図 7 に 2 個のモータを駆動する場合の動作波形と電ギーを蓄える。Qn がオンの区間では，Q1 と Q3 がオンに流経路を示す。Qp，Qn は共通レグのスイッチング波形で，なると Mode②に示すようにそれぞれのモータに電圧が印

1 kHz，50 %デューティーサイクルで動作している。Q1～加され，同時に図のような経路で電流が流れる。Q1，Q33／6

がオフされると Mode③となり下側スイッチの D2, D4 がオンとなり還流する。この Qn がオンの区間では同時に昇圧チ
ョッパのインダクタ LB にエネルギーを蓄えており，共通レグのスイッチが Qn から Qp に切り換わると LB に蓄えられていたエネルギーはキャパシタ C に転送されて昇圧動作が実現する。Qp がオンの区間でもモータの電流は流れ続けているので，モータ電流が還流する経路を作る必要があり，Mode④のように上側スイッチの Q1，Q3 をオンし続けることによって還流させることができる。そして，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。その場合は Mode⑤に示す経路で還流する。Mode⑤の後は Mode②に戻り，Mode②～Mode⑤が繰り返される。
〈3･2〉

正転－逆転動作

図 6 に正転－逆転動作時の

図8

実験に使用したモータ

スイッチング波形と動作モードを示す。Mode①では，共通

Fig. 8. Test motors of experimental setup.

レグの下側スイッチ Qn のみをオンし，キャパシタ C の充

表 1 主回路の電気的パラメータ
Table 1. Electric parameters of power circuit.

電に備える。Mode②では Q1 をオンし，モータ ML には正方向に電圧が印加され図のように電流が流れる。モータ MR

Power supply voltage

24 V

Switching frequency (Q 1，Q 2，Q 3，Q 4 )10 kHzは Q4 をオンすることによってモータの電流を還流させる。

Switching frequency (Q p，Q n)

1 kHz

続いて Mode③では Q1 はオフになるので，モータ ML に流Capacitor C

4000 μ F

Inductor LB

50 mH

れる電流は下側のダイオード D2 を通り還流する。共通レグ

表2のスイッチ Qn がオンの区間は昇圧チョッパのインダクタ実験に使用したモータの仕様

Table 2. Specifications of ML and MR.

LB にエネルギーを蓄えている。Mode④になり，スイッチがQp に切り換わると LB に蓄えられていたエネルギーはキャRated voltage

24 V

Rated current

5.3 A

パシタ C に転送され，倍電圧に昇圧される。Qp がオンの区

Rated power

90 W間で Q4 をオンすると，モータ MR には負方向の電圧が印

Rated speed

2750 r/min

Rated torque0.32 Nm

加され，電流も負方向に流れる。モータ ML は Q1 をオンす
表3ることによって正の電流は Q1 と Qp を通って還流する。まモータの回転方向と速度指令条件

た，Mode⑤になるとモータ RM に流れる電流は上側スイッ

Table 3. Rotational direction and operation duty cycle

チのダイオード D3 を通り還流する。Mode⑤の後 Mode②of motors.に戻り，Mode②～Mode⑤が繰り返される。
〈3･3〉 逆転－逆転動作

図 7 に逆転－逆転動作時のスイッチング波形と動作モードを示す。Mode①では共通レグ

Switching duty cycle(ML - MR)

(ML - MR)figure No.

Simulation

forward - forward

80 % - 50 %9no load

forward - backward

80 % - 50 %1011の下側スイッチの Qn のみをオンし昇圧チョッパのインダ
クタ LB にエネルギーを蓄える。Mode②で，Qn から Qp に

Motors rotation

backward - backward

80 % - 50 %Experimental ①

forward - forward

80 % - 50 %9no load

forward - backward

80 % - 50 %1011

スイッチが切り換わり，LB に蓄えられていたエネルギーに

backward - backward

80 % - 50 %よってキャパシタ C を充電する。同時に外側スイッチの Q2，

Experimental ②

forward - forward

80 % - 50 %12Q4 をオンすることでモータに負方向の電圧が印加され，逆100 % torqueforward - backward

80 % - 50 %13backward - backward

80 % - 50 %14向きに電流が流れる。Mode③では上側スイッチのダイオード D1，D3 を通り還流する。Mode④になり共通レグが Qpから Qn に切り換わると同時に Q2，Q4 をオンし続けることによって，図のようにモータ電流を還流させることができる。そして，電圧が印加されていない区間で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が存在する
場合は Mode⑤に示す経路で還流する。Mode⑤の後 Mode②に戻り，Mode②～Mode⑤が繰り返される。
共通レグを 2 つのモータに対し時分割で利用することによって，モータ ML には正方向に電圧を印加できると同時に，モータ MR には負方向に電圧を印加することが可能となる。これにより正転－逆転動作を実現することができる。

以上のような動作により，モータ台数が増えてもそれぞれのモータは同時に独立して別々の回転方向へ駆動することが可能となる。

4. シミュレーションと実験結果〈4･1〉 無負荷でのシミュレーションと実験

表 1 に示す電気的パラメータをもつ主回路についてシミュレーションと実験を行った。ここでは 2 台の直流モータを運転する回路を試作し，表 2 に示した仕様をもつ直流モータを供試機として，それぞれを ML, MR とよぶ。図 8 に示すように，

4／65025VML (V) 0-25-505025VMR (V) 0-25-5084IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-85025VML (V) 0-25-505025VMR (V) 0Time 1 (ms/div)-25-5084IML (A) 0-4-88IMR (A) 40-4-8Time 1 (ms/div)

図 9 正転（80 %）－正転（50 %）無負荷時のシミュレーション（左図）と実験波形（右図）
Fig. 9. Simulation (left) and experimental (right) waveforms in forward (80 %) –forward (50 %) no load operation.
5025VML (V) 0-25-505025VML (V) 0-25-505025VMR (V) 0-25-50
84IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-850
25
VMR (V) 0-25-50
84IML (A) 0-4-884
IMR (A) 0-4-8Time 1 (ms/div)

Time 1 (ms/div)

図 10 正転（80 %）－逆転（50 %）無負荷時のシミュレーション（左図）と実験波形（右図）
Fig. 10. Simulation (left) and experimental (right) waveforms in forward (80 %) –backward (50 %) no load operation.
5025VML (V) 0-25-505025VMR (V) 0-25-5084IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-85025VML (V) 0-25-505025VMR (V) 0Time 1 (ms/div)-25-5084IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-8Time 1 (ms/div)

図 11 逆転（80 %）－逆転（50 %）無負荷時のシミュレーション（左図）と実験波形（右図）
Fig. 11. Simulation (left) and experimental (right) waveforms in backward (80 %) –backward (50 %) no load operation.

供試モータ 2 台それぞれに負荷モータを接続し，無負荷試共通レグの Qp，Qn は常に 1 kHz，50 %デューティーサイ

験と実負荷試験を行った。表 3 に示すようにモータの回転クルで動作させており，2 台のモータは同時に動作させてい方向と速度指令（デューティーサイクル）を決めて，シミる状態とした。表 3 に示すように図 9 では，Q1 と Q3 をそュレーションと実験を行った。図 9～図 11 に無負荷時のシれぞれ 80 %と 50 %デューティーサイクルでオンオフさせミュレーションと実験結果の各部動作波形を示す。また，ると，Qn がオンの区間で ML と MR にそれぞれ 80 %と5／6加され，それに応じて電流も正方向に流れる。図 10 と図 115025も同様に表 3 に示した速度指令で無負荷運転した場合の波VML (V) 0-25-50形である。これらの図からもシミュレーションとよく一致

5025VMR (V) 0-25-5084IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-8した実験波形が得られていることがわかる。また，いずれの場合も印加されている電圧パルスの波高値は 48 V であるため，同時に良好な昇圧動作も行われていることが確認できる。このとき，キャパシタ C の電圧を 48 V に保とうとす
ると，負荷率によっては共通レグのスイッチングデューティーサイクルが数％変動するが，モータに印加する電圧は外側レグのスイッチング素子で制御することができるので問題ない。
〈4･2〉 実負荷での実験
Time 1 (ms/div)

図 12 正転（80 %）－正転（50 %）負荷時の実験波形
Fig. 12. Experimental waveforms in forward (80 %)–forward (50 %) full load operation.

図 12～図 14 にモータの定格トルク 100%負荷を接続し，表 3 に示すモータの回転方向と速度指令（デューティーサイクル）を用いた実負荷試験の各部動作波形を示す。モータ ML と MR をデューティーサ
イクル 80 %－50 %で回転数を一定にして動作させた場合，5025VML (V) 0-25-50

モータの回転方向を正転－正転，正転－逆転，逆転－逆転

5025VMR (V) 0-25-5084IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-8

負荷時には電圧を印加していない区間にモータの誘起電圧のいずれの状態でも，無負荷時と比べてトルクを出したい方向に十分に電流を流せることが確認できた。そして，無の影響で逆方向に電流が流れる状態が存在していたが，負荷時には電流が逆方向に流れる状態が存在しなくなるので，電流平均値が従来のチョッパと比肩できる値となり十分にトルクを出力できることが確認された。

5. まとめ
本稿では，共通レグを設けた時分割制御に基づく新しいTime 1 (ms/div)

図 13 正転（80 %）－逆転（50 %）負荷時の実験波形
Fig. 13. Experimental waveforms in forward (80 %)–backward (50 %) full load operation.

ング素子で m 台の直流モータを独立に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削減できる。さらに，昇圧機能を付加することによって従来チョッパと同じ電圧源を使用して，新たにスイッ5025VML (V) 0-25-505025VMR (V) 0-25-5084IML (A) 0-4-884IMR (A) 0-4-8チョッパ回路を提案した。この回路では 2m+2 個のスイッチチング素子を付加することなくモータを四象限運転できることもシミュレーションと実験によって確認した。ここで提案した手法は，今後ますます普及が期待される電動移動機器の簡素化と低コスト化だけでなく，多数のモータ駆動によるモーション制御の高度化にも寄与すると思われる。

文Time 1 (ms/div)

図 14 逆転（80 %）－逆転（50 %）負荷時の実験波形
Fig. 14. Experimental waveforms in backward (80 %)–backward (50 %) full load operation.

50 %の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る。共通レグは 1 kHz で動作しているので平均献(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(５) 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)(６) 川村・野口：「昇圧機能を付加した時分割チョッパ」，電気関係学会東海支部連合大会，K1-7 (2011)

電圧として ML には約 19.2 V，MR には約 12 V の電圧が印
6／6