JP4552811B2

JP4552811B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP4552811B2
Application number: JP2005259401A
Authority: JP
Inventors: 義一角田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-09-07
Also published as: JP2007074825A

Description

この発明は、バッテリーの直流電力を交流電力に変換してモータに供給するモータ駆動装置に関する。

例えば、ハイブリッド車や電気自動車に搭載されたブラシレスモータにおいては、該車両に搭載されたバッテリーの直流電力をインバータを用いて交流電力に変換してからモータに供給するが、モータを駆動するために必要な所定の電圧がバッテリーから出力される直流電圧よりも高い場合には、昇圧を行ってからモータに供給する必要がある。

そこで、従来のモータ駆動装置においては、バッテリーから出力される直流電圧を一旦昇圧用チョッパで必要とされる電圧まで昇圧した上で、インバータに入力して、モータを駆動するために必要な所定の電圧を有した交流電力を得るようにしていた（例えば、特許文献１）。

特開平８−２１４５９２号公報（第５〜６頁、第１図）

上記のように、特許文献１に記載の従来のモータ駆動装置は、バッテリーから出力される直流電圧を一旦昇圧した上でインバータに入力するようにしていたので、インバータに使用するスイッチ素子には、昇圧後の高い電圧が印加されることとなり、使用できるスイッチ素子が高い耐圧を有するものに限られるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するために為されたもので、耐圧の高くないスイッチ素子を用いて構成することが可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。

この発明に係るモータ駆動装置は、直流電圧を出力するバッテリーと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記直流電圧で充電されるコンデンサを有する重畳回路を備え、充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を前記交流電圧に重畳させてなるモータ駆動電圧を重畳回路から出力するようにした。

この発明によれば、インバータから出力される交流電圧に、充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を重畳させるようにしたので、バッテリーから出力される直流電圧の２倍又は３倍の電圧を有するモータ駆動電圧を得ることが可能となり、その結果、インバータや重畳回路に使用されるスイッチ素子において、昇圧後にインバータで交流電圧に変換するという従来の回路構成で使用されるスイッチ素子の耐圧に比べて、１／２又は１／３の低い耐圧しか有さないスイッチ素子を使用することができ、モータ駆動装置の小型軽量化を図れるという効果がある。

以下、この発明の実施の形態によるモータ駆動装置を、駆動するモータが３相モータであり、インバータが３相インバータである場合を例として説明する。なお、モータ駆動装置の回路に使用されているスイッチは、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体のスイッチ素子を用いる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１のモータ駆動装置の概略構成図である。

当該モータ駆動装置は、バッテリー１から出力された直流電圧が３相インバータ２によって、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相からなる交流電圧に変換されるとともに、その各相の交流電圧を入力として重畳回路３が接続される。その重畳回路からＵ’相、Ｖ’相、及びＷ’相のモータ駆動電圧が出力され、該モータ駆動電圧が３相モータ４に供給されるようになっている。

図２は、図１の概略構成図から、３相インバータ２の３相の交流電圧の内のＵ相に係る部分、及び、重畳回路３から出力されるモータ駆動電圧のＵ’相に係る部分についてのみ抜き出した、構成をより詳細に説明するためのモータ駆動装置の回路構成図である。図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。また、図１に記載のＶ相、Ｗ相、Ｖ’相、及びＷ’相についても、まったく同様の回路構成となっているので、図及びその説明は省略する。

なお、実施の形態１の重畳回路は、充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を加算的に重畳するか減算的に重畳するか切り替えるスイッチを備える加減算式重畳回路である。

さて、図２において、バッテリー１から出力される直流電圧Ｖ_Ｂは、スイッチ２−１とスイッチ２−２とからなる３相インバータ２のＵ相アームによってＵ相の交流電圧に変換される。

一方、Ｕ相の加減算式重畳回路３ａのコンデンサ３ａ−１は、バッテリー１から出力される直流電圧Ｖ_Ｂが順方向ダイオード３ａ−２と充電するかどうかを切り替えるためのスイッチ３ａ−３と充電インダクタ３ａ−４を介して印加されることによって充電される。なお、スイッチ３ａ−３をＯＦＦにした時に、充電インダクタ３ａ−４に蓄えられた電力を効率良くコンデンサ３ａ−１に還流するための還流ダイオード３ａ−５が設けられている。

また、加減算式重畳回路３ａは、コンデンサの蓄積電圧を加算的に重畳するか減算的に重畳するか切り替えるスイッチであるスイッチ３ａ−６、スイッチ３ａ−７、スイッチ３ａ−８、及びスイッチ３ａ−９により、Ｕ相アームから出力される交流電圧が正の極性の時に、コンデンサ３ａ−１に充電された蓄積電圧を極性が正の方向に加算的に重畳するように接続したり、前記交流電圧が負の極性の時に、コンデンサ３ａ−１の接続方向が逆転するようにスイッチを設定して、前記蓄積電圧が負の方向に減算的に重畳するように接続したりできるようになっており、その結果、Ｕ相の交流電圧にコンデンサ３ａ−１の蓄積電圧が重畳されて、加減算式重畳回路３ａからＵ’相のモータ駆動電圧が出力される。

次に、図１及び図２に示したモータ駆動装置の動作について説明する。図３は、３相インバータ２のＵ相アーム及び加減算式重畳回路３ａが有するスイッチの制御信号と加減算式重畳回路３ａから出力されるＵ’相のモータ駆動電圧波形（Ｖ_Ｕ’出力）との関係を説明するための動作波形図である。図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図３においては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下であり、その結果、加減算式重畳回路３ａから出力されるモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達している場合の該モータ駆動装置の動作を図３の左側に示している。また、モータを高速回転ないしは高トルクで駆動するために、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越えており、その結果、図３の左側に示す動作では加減算式重畳回路３ａから出力されるモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達することができないため、図３の左側に示す動作に代えて、該モータ駆動装置が所定の電圧を得るために行う動作を図３の右側に示している。

まずは、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合について、図２と図３の左側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

加減算式重畳回路３ａのスイッチ３ａ−６とスイッチ３ａ−７を常にＯＮとしておき、３相インバータ２のＵ相上アームであるスイッチ２−１をＯＮとすると、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂが、加減算式重畳回路３ａからＵ’相のモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。次に、スイッチ２−１をＯＦＦとし、代わりにＵ相下アームであるスイッチ２−２をＯＮとすると、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として０Ｖが出力される。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、加減算式重畳回路３ａからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）がＶ_Ｂの矩形波交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力されることとなる。

この場合は、この発明に係るモータ駆動装置は、単なる３相インバータとして、バッテリー１の直流電圧を矩形交流電圧に変換してモータ駆動電圧を出力する。なお、モータの駆動に必要な所定の電圧が前記直流電圧Ｖ_Ｂよりも低い場合は、パルス幅変調（以下、ＰＷＭと呼ぶ）方式を適用して、スイッチ２−１がＯＮの期間を短くし、その分、スイッチ２−２のＯＦＦの期間を長くすることで調整して、実質的なモータ駆動電圧が所定の電圧となるようにする。

次に、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合について、図２と図３の右側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

Ｕ相アームについては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合である図３の左側と同様に、通常の単なる矩形波交流電圧を出力するインバータとして動作させる。

一方、Ｕ相アームの出力である矩形波交流電圧がＶ_Ｂの値となっている正の極性の期間において、コンデンサ３ａ−１に充電された蓄積電圧をＵ相アームの矩形波交流電圧に極性が正の方向に加算的に重畳するために、加減算式重畳回路３ａにおいて、スイッチ３ａ−６とスイッチ３ａ−９のみをＯＮの状態にする。その結果、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’は、図３の右側に示すように、コンデンサ３ａ−１の蓄積電力の消費により徐々に減衰するが、最大で２Ｖ_Ｂの電圧となる。

次に、Ｕ相アームの出力が０Ｖの値となっている負の極性の期間においては、コンデンサ３ａ−１に充電された蓄積電圧をＵ相アームの出力に極性が負の方向に減算的に重畳するために、加減算式重畳回路３ａにおいて、スイッチ３ａ−７とスイッチ３ａ−８のみをＯＮの状態にする。その結果、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’は、図３の右側に示すように、最小で−Ｖ_Ｂの電圧となる。

なお、コンデンサ３ａ−１の蓄積電圧は、重畳させる毎に減衰するので、スイッチ２−２がＯＮで、かつ、重畳させない期間を利用して、スイッチ３ａ−３、スイッチ３ａ−６及びスイッチ３ａ−７をＯＮの状態とし、スイッチ３ａ−８とスイッチ３ａ−９をＯＦＦの状態とすることで、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂを順方向ダイオード３ａ−２、スイッチ３ａ−３及び充電インダクタ３ａ−４を介してコンデンサ３ａ−１に印加して充電すると、図３の右側のコンデンサ３ａ−１の蓄積電圧の波形に示すように、一旦減衰した蓄積電圧は充電により回復する。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、Ｕ相の加減算式重畳回路３ａからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）が３Ｖ_Ｂの交流電圧、つまり、バッテリー１から出力される直流電圧の３倍の交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力されることとなる。

なお、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリーの直流電圧Ｖ_Ｂよりも高いが、３Ｖ_Ｂより低い場合は、コンデンサ３ａ−１を充電するかどうか切り替えるスイッチ３ａ−３のＯＮの期間を短くすることで調整して、実質的なモータ駆動電圧が所定の電圧となるようにする。

以上のように、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合に、加減算式重畳回路３ａからなる重畳回路３で、充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を、３相インバータ２から出力される交流電圧に重畳させるようにしたので、バッテリー１の直流電圧の最大３倍の電圧を有するモータ駆動電圧を、高い耐圧のスイッチ素子を使用すること無しに得ることができるという効果がある。

上記においては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合には、３相インバータ２のＵ相アームの出力をそのまま当該モータ駆動装置のモータ駆動電圧として出力したが、Ｕ相アームの出力の代わりに、加減算式重畳回路３ａのコンデンサ３ａ−１の蓄積電圧を出力するようにしても良い。

図４は、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合に、加減算式重畳回路３ａのコンデンサ３ａ−１の蓄積電圧をモータ駆動電圧として出力する、この発明に係るモータ駆動装置の加減算式重畳回路３ａから出力されるＵ’相のモータ駆動電圧波形を説明するための動作波形図である。図３と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図４の左側のモータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合の動作を、以下に説明する。

Ｕ相アームのスイッチ２−１は常にＯＦＦに、スイッチ２−２は常にＯＮとしておき、加減算式重畳回路３ａのスイッチ３ａ−６とスイッチ３ａ−９をＯＮに、スイッチ３ａ−３、スイッチ３ａ−７及びスイッチ３ａ−８をＯＦＦとすると、充電されたコンデンサ３ａ−１の蓄積電圧が、加減算式重畳回路３ａからＵ’相のモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。次に、スイッチ３ａ−７をＯＮとし、スイッチ３ａ−９をＯＦＦとすると、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として０Ｖが出力される。

なお、コンデンサ３ａ−１の蓄積電圧は減衰していくので、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’に０Ｖを出力している期間を利用して、スイッチ３ａ−３をＯＮとすることで、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂを順方向ダイオード３ａ−２、スイッチ３ａ−３及び充電インダクタ３ａ−４を介してコンデンサ３ａ−１に印加して充電する。

図４の右側のモータを駆動するために必要な電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合の動作については、図３の場合と全く同じであるので説明を省略する。

次に、３相モータをより滑らかに回転させるために、高周波ＰＷＭ方式を部分的に適用した場合について、以下に説明する。

図５は、高周波ＰＷＭ方式を部分的に適用した場合の、Ｕ相アーム及び加減算式重畳回路３ａが有するスイッチの制御信号と加減算式重畳回路３ａから出力されるＵ’相のモータ駆動電圧波形（Ｖ_Ｕ’出力）との関係を説明するための動作波形図である。図３と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

まずは、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合について、図２と図５の左側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

加減算式重畳回路３ａのスイッチ３ａ−６とスイッチ３ａ−７を常にＯＮとしておき、３相インバータ２のＵ相上アームであるスイッチ２−１とスイッチ２−２に部分的に高周波ＰＷＭ方式を適用して、スイッチ２−１をＯＮとすると、バッテリー１の直流電圧Ｖ_ＢがＰＷＭ駆動された状態で、加減算式重畳回路３ａからＵ’相のモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。次に、スイッチ２−１をＯＦＦとし、代わりにＵ相下アームであるスイッチ２−２をＯＮとすると、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として０Ｖが出力される。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、加減算式重畳回路３ａからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）がＶ_Ｂで部分的にＰＷＭ駆動された矩形波交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。

次に、モータを駆動するために必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合について、図２と図５の右側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

Ｕ相アームについては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合である図５の左側と同様に、部分的にＰＷＭ駆動された矩形波交流電圧を出力するインバータとして動作させる。

一方、Ｕ相アームの部分的にＰＷＭ駆動された矩形波交流電圧がＶ_Ｂの値となっている正の極性の期間において、コンデンサ３ａ−１に充電された蓄積電圧をＵ相アームの矩形波交流電圧に極性が正の方向に部分的にＰＷＭ駆動して加算的に重畳するために、加減算式重畳回路３ａにおいて、スイッチ３ａ−６とスイッチ３ａ−７に部分的に高周波ＰＷＭ方式を適用して、スイッチ３ａ−６とスイッチ３ａ−９のみをＯＮの状態にする。その結果、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’は、図５の右側に示すように、最大で２Ｖ_Ｂの電圧のＰＷＭ駆動された波形となる。

Ｕ相アームの出力が０Ｖの値となっている負の極性の期間においては、コンデンサ３ａ−１に充電された蓄積電圧をＵ相アームの出力に極性が負の方向に減算的に重畳するために、加減算式重畳回路３ａにおいて、スイッチ３ａ−７とスイッチ３ａ−８のみをＯＮの状態にする。その結果、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’は、図５の右側に示すように、最小で−Ｖ_Ｂの電圧となる。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、加減算式重畳回路３ａからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）が３Ｖ_Ｂの部分的にＰＷＭ駆動された交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。

なお、モータの駆動に必要な所定の電圧が、バッテリーの直流電圧Ｖ_Ｂよりも高いが３Ｖ_Ｂより低い場合は、ＰＷＭ駆動でのパルス幅を調整して、実質的なモータ駆動電圧が所定の電圧となるようにする。

以上のように、実施の形態１のモータ駆動装置において、部分的に高周波ＰＷＭ方式を適用したので、高い耐圧のスイッチ素子を用いること無しに、バッテリー１の直流電圧の最大３倍の電圧を有するモータ駆動電圧を得ることができるのと同時に、部分的に高周波ＰＷＭ駆動されたモータ駆動電圧とすることで、より滑らかなモータの回転が実現できるという効果がある。

次に、加減算式重畳回路３ａから出力されたモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達しているかどうかを検出し、Ｕ相アームのスイッチ及び加減算式重畳回路３ａのスイッチを制御する回路構成例とその動作について、以下に説明する。

図６は、この発明に係るモータ駆動装置の実施の形態１のＵ相に係る部分についてのみを抜き出し、さらに、モータ駆動電圧を検出し、さらに、モータの駆動に必要な所定の電圧に達しているかどうか判定し、その判定信号に基づいてＵ相アームや加減算式重畳回路３ａのスイッチを制御するようにしたモータ駆動装置の回路構成図である。図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。また、図１に記載のＶ相、Ｗ相、Ｖ’相、及びＷ’相についても、まったく同様の回路構成となっているので、図及びその説明は省略する。

加減算式重畳回路３ａから出力されたモータ駆動電圧は、駆動電圧検出判定部５によって検出され、モータの駆動に必要な所定の電圧に達しているかどうかの判定が行われる。駆動電圧検出判定部５から出力された判定信号に基づいて、駆動電圧検知式制御部６は、Ｕ相アームのスイッチ２−１及びスイッチ２−２と、加減算式重畳回路３ａのスイッチ３ａ−３、スイッチ３ａ−６、スイッチ３ａ−７、スイッチ３ａ−８、及びスイッチ３ａ−９を制御する制御信号を出力する。この制御信号とモータ駆動電圧波形との関係については、図３、図４、及び図５を用いて、既に説明したとおりである。

上記では、加減算式重畳回路３ａから出力されるモータ駆動電圧そのものを検出するようにしたが、その代わりに、直接的にモータ自体の回転数や負荷トルク等の動作を検出判定して、その判定信号に基づいてＵ相アーム及び加減算式重畳回路３ａのスイッチを制御するようにしても良い。

実施の形態２．
実施の形態１のモータ駆動装置では、重畳回路が充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を加算的に重畳するか減算的に重畳するか切り替えるスイッチを備える加減算式重畳回路である場合について示したが、使用するスイッチ素子の数を減らして、加算的に重畳するのみの機能を持つ加算式重畳回路であっても有効である。

図７は、図１の概略構成図から、３相インバータ２の３相の交流電圧の内のＵ相に係る部分、及び、重畳回路３から出力されるモータ駆動電圧のＵ’相に係る部分についてのみ抜き出し、さらに、重畳回路３として加算的に重畳するのみの加算式重畳回路を用いたモータ駆動装置の回路構成図である。図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。また、図１に記載のＶ相、Ｗ相、Ｖ’相、及びＷ’相についても、まったく同様の回路構成となっているので、図及びその説明は省略する。

Ｕ相の加算式重畳回路３ｂのコンデンサ３ｂ−１は、バッテリー１から出力される直流電圧Ｖ_Ｂが順方向ダイオード３ｂ−２と充電インダクタ３ｂ−３を介して印加されることによって充電される。なお、スイッチ２−２をＯＦＦにした時に、充電インダクタ３ｂ−３に蓄えられた電力を効率良くコンデンサ３ｂ−１に還流するための還流ダイオード３ｂ−４が設けられている。

また、加算式重畳回路３ｂは、スイッチ３ｂ−５及びスイッチ３ｂ−６により、Ｕ相アームから出力される交流電圧が正の極性の時に、コンデンサ３ｂ−１に充電された蓄積電圧を極性が正の方向に加算的に重畳するようになっており、その結果、Ｕ相の交流電圧にコンデンサ３ｂ−１の蓄積電圧が重畳されて、加算式重畳回路３ｂからＵ’相のモータ駆動電圧が出力される。

次に、図１及び図７に示したモータ駆動装置の動作について説明する。図８は、３相インバータ２のＵ相アーム及び加算式重畳回路３ｂが有するスイッチの制御信号と加算式重畳回路３ｂから出力されるＵ’相のモータ駆動電圧波形（Ｖ_Ｕ’出力）との関係を説明するための動作波形図である。図７と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図８においては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下であり、その結果、加算式重畳回路３ｂから出力されるモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達している場合の該モータ駆動装置の動作を図８の左側に示している。また、モータを高速回転ないしは高トルクで駆動するために、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越えており、その結果、図８の左側に示す動作では加算式重畳回路３ｂから出力されるモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達することができないため、図８の左側に示す動作に代えて、該モータ駆動装置が所定の電圧を得るために行う動作を図８の右側に示している。

まずは、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合について、図７と図８の左側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

加算式重畳回路３ｂの３ｂ−５を常にＯＮとしておき、３相インバータ２のＵ相上アームであるスイッチ２−１をＯＮとすると、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂが、加算式重畳回路３ｂからＵ’相のモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。次に、スイッチ２−１をＯＦＦとし、代わりにＵ相下アームであるスイッチ２−２をＯＮとすると、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として０Ｖが出力される。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、加算式重畳回路３ｂからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）がＶ_Ｂの矩形波交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力されることとなる。

次に、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合について、図７と図８の右側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

Ｕアームについては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合である図８の左側と同様に、通常の単なる矩形波交流電圧を出力するインバータとして動作させる。

一方、Ｕ相アームの出力である矩形波交流電圧がＶ_Ｂの値となっている正の極性の期間において、コンデンサ３ｂ−１に充電された蓄積電圧をＵ相アームの矩形波交流電圧に極性が正の方向に加算的に重畳するために、加算式重畳回路３ｂにおいて、スイッチ３ｂ−６のみをＯＮの状態にする。その結果、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’は、図８の右側に示すように、コンデンサ３ｂ−１の蓄積電力の消費により徐々に減衰するが、最大で２Ｖ_Ｂの電圧となる。

なお、コンデンサ３ｂ−１の蓄積電圧は、重畳させる毎に減衰するが、スイッチ２−２がＯＮとなる期間に、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂが順方向ダイオード３ｂ−２及び充電インダクタ３ｂ−３を介してコンデンサ３ｂ−１に印加されて充電される。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、Ｕ相の加算式重畳回路３ｂからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）が２Ｖ_Ｂの交流電圧、つまり、バッテリー１から出力される直流電圧の２倍の交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力されることとなる。

以上のように、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合に、加算式重畳回路３ｂからなる重畳回路３で、充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を、３相インバータ２から出力される交流電圧に重畳させるようにしたので、バッテリー１の直流電圧の最大２倍の電圧を有するモータ駆動電圧を、高い耐圧のスイッチ素子を使用すること無しに得ることができるという効果がある。

なお、上記においては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合には、３相インバータ２のＵ相アームの出力をそのまま当該モータ駆動装置のモータ駆動電圧として出力したが、既に説明した図４の加減算式重畳回路３ａの場合と同様に、Ｕ相アームの出力の代わりに、図９に示すように、加算式重畳回路３ｂのコンデンサ３ｂ−１の蓄積電圧を出力するようにしても良い。ところで、図９において、図８と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

また、３相モータをより滑らかに回転させるために、高周波ＰＷＭ方式を部分的に適用することも可能である。

すなわち、既に説明した図５の加減算式重畳回路３ａの場合と同様に、図１０の左側に示すように、モータの駆動に必要な電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合には、Ｕ相アームの出力に部分的に高周波ＰＷＭ駆動して重畳させてやれば良い。一方、図１０の右側に示すように、モータの駆動に必要な電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合には、Ｕ相アームの出力に部分的に高周波ＰＷＭ駆動するとともに、充電されたコンデンサ３ｂ−１の蓄積電圧をＵ相アームの出力に部分的に高周波ＰＷＭ駆動して、重畳させてやれば良い。なお、図１０において、図８と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

実施の形態３．
実施の形態２のモータ駆動装置では、重畳回路が充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を加算的に重畳するのみの機能を持つ加算式重畳回路の場合を示したが、減算的に重畳するのみの機能を持つ減算式重畳回路であっても有効である。

図１１は、図１の概略構成図から、３相インバータ２の３相の交流電圧の内のＵ相に係る部分、及び、重畳回路３から出力されるモータ駆動電圧のＵ’相に係る部分についてのみ抜き出し、さらに、重畳回路３として減算的に重畳するのみの減算式重畳回路を用いたモータ駆動装置の回路構成図である。図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。また、図１に記載のＶ相、Ｗ相、Ｖ’相、及びＷ’相についても、まったく同様の回路構成となっているので、図及びその説明は省略する。

Ｕ相の減算式重畳回路３ｃのコンデンサ３ｃ−１は、バッテリー１から出力される直流電圧Ｖ_Ｂが順方向ダイオード３ｃ−２と充電インダクタ３ｃ−３を介して印加されることによって充電される。なお、スイッチ２−１をＯＦＦにした時に、充電インダクタ３ｃ−３に蓄えられた電力を効率良くコンデンサ３ｃ−１に還流するための還流ダイオード３ｃ−４が設けられている。

また、減算式重畳回路３ｃは、スイッチ３ｃ−５及びスイッチ３ｃ−６により、Ｕ相アームから出力される交流電圧が負の極性の時に、コンデンサ３ｃ−１に充電された蓄積電圧を極性が負の方向に減算的に重畳するようになっており、その結果、Ｕ相の交流電圧にコンデンサ３ｃ−１の蓄積電圧が重畳されて、減算式重畳回路３ｃからＵ’相のモータ駆動電圧が出力される。

次に、図１及び図１１に示したモータ駆動装置の動作について説明する。図１２は、３相インバータ２のＵ相アーム及び減算式重畳回路３ｃが有するスイッチの制御信号と減算式重畳回路３ｃから出力されるＵ’相のモータ駆動電圧波形（Ｖ_Ｕ’出力）との関係を説明するための動作波形図である。図１１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図１２においては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下であり、その結果、減算式重畳回路３ｃから出力されるモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達している場合の該モータ駆動装置の動作を図１２の左側に示している。また、モータを高速回転ないしは高トルクで駆動するために、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越えており、その結果、図１２の左側に示す動作では減算式重畳回路３ｃから出力されるモータ駆動電圧がモータの駆動に必要な所定の電圧に達することができないため、図１２の左側に示す動作に代えて、該モータ駆動装置が所定の電圧を得るために行う動作を図１２の右側に示している。

まずは、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合について、図１１と図１２の左側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

減算式重畳回路３ｃの３ｃ−５を常にＯＮとしておき、３相インバータ２のＵ相上アームであるスイッチ２−１をＯＮとすると、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂが、減算式重畳回路３ｃからＵ’相のモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力される。次に、スイッチ２−１をＯＦＦとし、代わりにＵ相下アームであるスイッチ２−２をＯＮとすると、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として０Ｖが出力される。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、減算式重畳回路３ｃからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）がＶ_Ｂの矩形波交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力されることとなる。

次に、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合について、図１１と図１２の右側の動作波形図を用いて、以下に説明する。

Ｕアームについては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合である図１２の左側と同様に、通常の単なる矩形波交流電圧を出力するインバータとして動作させる。

一方、Ｕ相アームの出力である矩形波交流電圧が０Ｖとなっている負の極性の期間において、コンデンサ３ｃ−１に充電された蓄積電圧をＵ相アームの矩形波交流電圧に極性が負の方向に減算的に重畳するために、減算式重畳回路３ｃにおいて、スイッチ３ｃ−６のみをＯＮの状態にする。その結果、モータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’は、図１２の右側に示すように、コンデンサ３ｃ−１の蓄積電力の消費により徐々に変動するが、最小で−Ｖ_Ｂの電圧となる。

なお、コンデンサ３ｃ−１の蓄積電圧は、重畳させる毎に減衰するが、スイッチ２−１がＯＮとなる期間に、バッテリー１の直流電圧Ｖ_Ｂが順方向ダイオード３ｃ−２及び充電インダクタ３ｃ−３を介してコンデンサ３ｃ−１に印加されて充電される。

このようなスイッチ動作が繰り返されることにより、Ｕ相の減算式重畳回路３ｃからは、最大最小振幅（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）が２Ｖ_Ｂの交流電圧、つまり、バッテリー１から出力される直流電圧の２倍の交流電圧がモータ駆動電圧Ｖ_Ｕ’として出力されることとなる。

以上のように、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合に、減算式重畳回路３ｃからなる重畳回路３で、充電されたコンデンサに蓄積された蓄積電圧を、３相インバータ２から出力される交流電圧に重畳させるようにしたので、バッテリー１の直流電圧の最大２倍の電圧を有するモータ駆動電圧を、高い耐圧のスイッチ素子を使用すること無しに得ることができるという効果がある。

なお、上記においては、モータの駆動に必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合には、３相インバータ２のＵ相アームの出力をそのまま当該モータ駆動装置のモータ駆動電圧として出力したが、既に説明した図４の加減算式重畳回路３ａや図９の加算式重畳回路３ｂの場合と極性は反対であるが同様の原理に基づいて、Ｕ相アームの出力の代わりに、図１３に示すように、減算式重畳回路３ｃのコンデンサ３ｃ−１の蓄積電圧を出力するようにしても良い。ところで、図１３において、図１２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

すなわち、既に説明した図５の加減算式重畳回路３ａや図１０の加算式重畳回路３ｂの場合と同様に、図１４の左側に示すように、モータの駆動に必要な電圧がバッテリー１の直流電圧以下の場合にはＵ相アームの出力に部分的に高周波ＰＷＭ駆動して重畳させてやれば良い。一方、図１４の右側に示すように、モータの駆動に必要な電圧がバッテリー１の直流電圧を越える場合には、Ｕ相アームの出力に部分的に高周波ＰＷＭ駆動するとともに、充電されたコンデンサ３ｃ−１の蓄積電圧をＵ相アームの出力に部分的に高周波ＰＷＭ駆動して、重畳させてやれば良い。なお、図１４において、図１２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

実施の形態４．
以上では、モータを駆動するために必要な所定の電圧がバッテリー１の直流電圧よりも高い場合に、高い耐圧のスイッチ素子を使用すること無しに、バッテリー１から出力される直流電圧の最大２倍ないしは３倍の電圧を有するモータ駆動電圧を得ることができる点についてのみ説明したが、この発明に係る実施の形態１乃至３のモータ駆動装置は、バッテリー１の使用による放電ないしはバッテリー１自体の消耗劣化により、バッテリー１から出力される直流電圧が低下した場合においても有効である。

図１５は、この発明に係るモータ駆動装置の実施の形態１を一例として、Ｕ相に係る部分についてのみを抜き出し、さらに、バッテリー１から出力される直流電圧が低下していないかどうかを検出判定し、その判定信号に基づいてＵ相アームのスイッチ及び加減算式重畳回路３ａのスイッチを制御するようにしたモータ駆動装置の回路構成図である。図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。また、図１に記載のＶ相、Ｗ相、Ｖ’相、及びＷ’相についても、まったく同様の回路構成となっているので、図及びその説明は省略する。

バッテリー１の直流電圧は、直流電圧検出判定部７で検出され、バッテリー１の使用による放電ないしはバッテリー１自体の消耗劣化による電圧低下が生じているかどうか判定される。直流電圧検出判定部７から出力された判定信号に基づいて、直流電圧検知式制御部８は、Ｕ相アームのスイッチ２−１及びスイッチ２−２と、加減算式重畳回路３ａのスイッチ３ａ−３、スイッチ３ａ−６、スイッチ３ａ−７、スイッチ３ａ−８、及びスイッチ３ａ−９を制御する制御信号を出力する。

既に実施の形態１のモータ駆動装置の動作説明において説明したとおり、バッテリー１の直流電圧が低下したとしても、バッテリー１の直流電圧の最大３倍までのモータ駆動電圧を加減算式重畳回路３ａから出力できるので、バッテリー１の直流電圧が当初の１／３に低下するまでの期間は、モータを駆動し続けることが可能となる。

以上のように、実施の形態４のモータ駆動装置においては、バッテリー１の直流電圧が低下していない時点では、高い耐圧のスイッチ素子を用いること無しに、バッテリー１の直流電圧の最大３倍の電圧を有するモータ駆動電圧を得ることができるという効果があるだけでなく、バッテリー１の直流電圧が低下してきた場合は、当初の１／３に低下するまでの期間は、モータを駆動し続けることができるという効果も兼ね備えている。

ところで、実施の形態１乃至４においては、３相インバータを備え、３相モータを駆動するモータ駆動装置を例にして説明したが、単相インバータを備え、単相モータを駆動するモータ駆動装置に対してもこの発明を適用できることは言うまでも無い。

この発明に係るモータ駆動装置の実施の形態１の概略構成図である。加減算式重畳回路を備えるモータ駆動装置の回路構成図である。加減算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。所定の電圧が直流電圧以下の場合にコンデンサの蓄積電圧をモータ駆動電圧として出力する加減算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。高周波ＰＷＭ方式を部分的に適用した場合の加減算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。駆動電圧検出判定部と駆動電圧検知式制御部を備えるモータ駆動装置の回路構成図である。この発明に係るモータ駆動装置の実施の形態２の回路構成図である。加算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。所定の電圧が直流電圧以下の場合にコンデンサの蓄積電圧をモータ駆動電圧として出力する加算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。高周波ＰＷＭ方式を部分的に適用した場合の加算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。この発明に係るモータ駆動装置の実施の形態３の回路構成図である。減算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。所定の電圧が直流電圧以下の場合にコンデンサの蓄積電圧をモータ駆動電圧として出力する減算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。高周波ＰＷＭ方式を部分的に適用した場合の減算式重畳回路でのスイッチの制御信号とモータ駆動電圧波形の関係を説明するための動作波形図である。この発明に係るモータ駆動装置の実施の形態４の回路構成図である。

符号の説明

１バッテリー
２３相インバータ
３重畳回路
３ａ−１コンデンサ
３ｂ−１コンデンサ
３ｃ−１コンデンサ
４３相モータ
５駆動電圧検出判定部

Claims

直流電圧を出力するバッテリーと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記直流電圧により充電された後、充電により蓄積された蓄積電圧を出力するコンデンサを有し、前記蓄積電圧を前記交流電圧に重畳してモータ駆動電圧を出力する重畳回路とを備えることを特徴とするモータ駆動装置。
重畳回路が、コンデンサの蓄積電圧を加算的に重畳するか減算的に重畳するか切り替えるスイッチを備え、重畳回路から出力されたモータ駆動電圧が所定の電圧に達しない場合に、インバータで変換された交流電圧の極性が正の時に前記蓄積電圧を前記交流電圧に加算的に重畳し、前記交流電圧の極性が負の時に前記蓄積電圧を前記交流電圧に減算的に重畳することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
重畳回路が、重畳回路から出力されたモータ駆動電圧が所定の電圧に達しない場合に、インバータで変換された交流電圧の極性が正の時にコンデンサの蓄積電圧を前記交流電圧に加算的に重畳することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
重畳回路が、重畳回路から出力されたモータ駆動電圧が所定の電圧に達しない場合に、インバータで変換された交流電圧の極性が負の時にコンデンサの蓄積電圧を前記交流電圧に減算的に重畳することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
インバータが、ＰＷＭ制御されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ駆動装置。
重畳回路が、ＰＷＭ制御されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のモータ駆動装置。