JP4652017B2

JP4652017B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP4652017B2
Application number: JP2004318758A
Authority: JP
Inventors: 利明鈴木; 憲久齋藤
Original assignee: IAI Corp
Current assignee: IAI Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP2006136039A

Description

本発明は、例えば、ユニポーラ型ステッピングモータ等のモータを駆動するモータ駆動装置に係り、特に、いわゆる「無効電力」を効率よく回収して有効利用することを可能にしたものに関する。

例えば、ユニポーラ型ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置は、例えば、図７に示すような構成になっている。
まず、直流２４Ｖ電源２０１があり、又、トランジスタ２０３、アバランシェダイオード２０５、コイル２０７からなる回路と、トランジスタ２０９、アバランシェダイオード２１１、コイル２１３からなる回路が夫々設けられている。上記コイル２０７とコイル２１３は、その巻き数が同じであると共に巻き線方向が逆向きになっている。又、コイル２０７とコイル２１３は相互に電磁結合されている。
尚、トランジスタ２０３とアバランシェダイオード２０５、トランジスタ２０９とアバランシェダイオード２１１は、共に１個の電界効果トランジスタに置き換えることができる。

上記構成をなすモータ駆動装置による駆動時における電圧の変化を見てみると図８に示すようなものとなる。図８（ａ）は理想的な電圧変化を示す図であり、図８（ｂ）は実際の電圧変化を示す図であり、図８（ｃ）は無効電力の変化を示す図である。まず、図８（ａ）に示す理想的な電圧変化であるが、端子Ａ又は端子Ａ｀の電流がオフしたときには、電圧は変圧器の原理で供給電源２４Ｖの２倍の４８Ｖに上昇する。したがって、図８（ａ）に示すような電圧変化となる。

これに対して、実際には磁束の漏れがあるために、コイル２０７とコイル２１３は不完全な結合状態となり、等価的にインダクタンスが接続されたことになるために、端子Ａ、Ａ｀の電圧はトランジスタ２０５、トランジスタ２１１のアバランシェ電圧まで上昇することになる。それを示すのが図８（ｂ）である。図８（ｂ）に示すように、当所の電圧が８０〜９０Ｖにまで上昇する。
尚、図８（ｂ）において、大型モータ（４Ａ）の場合を実線で示し、小型モータ（１．２Ａ）の場合を破線で示す。

又、アバランシェダイオード２０５、２１１内を電流が流れるために発熱し、その発熱量は次の式（Ｉ）に示すようなものである。
Ｐ_（Ｗ）＝Ｅ_（ＡＢ）×Ｉ_Ｍ／２×ｔ／Ｔ―――（Ｉ）
但し、
Ｅ_（ＡＢ）：アバランシェ電圧（Ｖ）
Ｉ_Ｍ：モータ電流（Ａ）
ｔ :初期の高電圧の時間
Ｔ：周期
図８（ｂ）に示す初期の高い電圧がサージ電圧であり、それによる電力が無効電力である。又、その時の大型モータ（４Ａ）の無効電流は図８（ｃ）に示すようなものである。

そこで、上記したような無効電力を処理するための回路を備えたモータ駆動装置が提案されている。その構成を図９に示す。まず、２４Ｖ電源３０１があり、又、トランジスタ３０３、３０５、整流素子３０４、３０６、整流素子３０７、コイル３０９からなる回路が設けられている。同様に、トランジスタ３１１、３１３、整流素子３１２、３１４、整流素子３１５、コイル３１７からなる回路が設けられている。又、上記両回路間にはスナバ回路３１９が介挿されている。このスナバ回路３１９はコンデンサ３２１と抵抗３２３とから構成されていて、上記両回路との間には整流素子３２５、３２７が介挿されている。

そして、上記スナバ回路３１９は、初期時におけるサージ電圧をコンデンサ３２１に蓄電すると共に抵抗３２３を介して放電するように機能するものである。それによって、前述した無効電圧の発生による不具合を解消せんとするものである。

尚、本願発明に直接関係するものではないが、関連すると思われるものとして、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５等がある。

特開平７−２５０４８６号公報特開平８−４７２７９号公報特開平９−２４７９８０号公報特開２００２−２４７８９４号公報特開２００４−８７６４５号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、抵抗３２３を介して放熱する場合に、放熱のための大型の放熱ファンが必要になってしまい、それによって、装置の大型化、高コスト化を誘発してしまうという問題があった。
又、抵抗３２３を介して放熱する場合には、無効電圧がそのまま捨てられることになり、電力を無駄に消費してしまうという問題があった。
これらの問題はモータが大型になればなる程顕著であった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、放熱のための大型のファンを要することなく、且つ、無効電圧を有効に利用することを可能にするモータ駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１によるモータ駆動装置は、電源と、上記電源に接続されアクチュエータ駆動用の２相のステッピングモータを駆動するモータ駆動回路と、上記モータ駆動回路に接続されモータ駆動回路において発生する無効電力を上記電源に回生させる回生型スナバ回路と、上記回生型スナバ回路により回生された電力をトランス及び整流素子を介して蓄電するコンデンサと、を具備し、上記回生型スナバ回路は、上記モータ駆動回路において発生したサージ電圧を蓄電するコンデンサと、上記コンデンサに蓄電されたサージ電圧による無効電力を上記電源に戻す無効電力回生コンバータ用電子部品と、から構成されていることを特徴とするものである。

以上詳述したように本願発明によるモータ駆動装置によると、電源と、上記電源に接続されモータを駆動するモータ駆動回路と、上記モータ駆動回路に接続されモータ駆動回路において発生する無効電力を上記電源に回生させる無効電力回生回路と、を具備した構成になっているので、まず、無効電力を無駄に消費することなく電源に戻して有効利用することができるようになった。又、放熱させる構成ではないので、放熱させるための大型の放熱ファンを必要とすることもなく、装置の大型化や高コスト化を防止することができる。
又、無効電力回生回路を上記モータ駆動回路において発生したサージ電圧を蓄電するコンデンサと、上記コンデンサに蓄電されたサージ電圧による無効電力を上記電源に戻す無効電力回生コンバータとから構成するようにした場合には、簡単な構成で所望の作用・効果を奏することができる。
又、モータとしては、例えば、ステッピングモータが想定され、又、ステッピングモータとしては、例えば、アクチュエータ駆動用のものが想定される。昨今、アクチュエータの大型化の要求があり、その際、無効電力を有効利用することができることは大きな効果があるものである。

以下、図１乃至図６を参照して本発明の一実施の形態を説明する。図１は本実施の形態によるモータ駆動装置の構成を示す回路図である。まず、直流２４Ｖ電源１があり、又、Ａ相側回路３、Ｂ相側回路５が設けられている。上記Ａ相側回路３は、トランジスタ７、トランジスタ９、アバランシェダイオード８、アバランシェダイオード１０、Ａ相コイル１１、整流素子１３、整流素子１５から構成されている。同様に、上記Ｂ相側回路５は、トランジスタ１７、トランジスタ１９、アバランシェダイオード１８、アバランシェダイオード２０、Ａ相コイル２１、整流素子２３、整流素子２５から構成されている。

上記Ａ相側回路３とＢ相側回路５には、無効電力回生回路としての回生型スナバ回路３１が接続されている。この回生型スナバ回路３１によって無効電力を回収して有効利用するようにしたものである。上記回生型スナバ回路３１は、サージ電圧を蓄電するコンデンサ３２と無効電力回生コンバータ用電子部品（本実施の形態では、カーレントモードＰＷＭＩＣと称される電子部品を使用している）３３を備えている。又、上記回生型スナバ回路３１にはトランス３７、整流素子４２、トランス３７から放出する電力を蓄電するコンデンサ４０が接続されている。

上記回生型スナバ回路３１の構成について図２を参照して詳細に説明する。図２は上記回生型スナバ回路３１の構成を詳細に示した回路図であり、まず、共通線３４と共通線３６との間には、抵抗４１、ツェナーダイオード４３、抵抗４５が直列接続された状態で設けられている。又、共通線３４と共通線３６との間には抵抗４７、抵抗４９が直列接続された状態で設けられている。又、バイポーラトランジスタ５１が設けられていて、このバイポーラトランジスタ５１のベース端子Ｂは上記ツェナーダイオード４３と抵抗４５の間に分岐接続されている。又、バイポーラトランジスタ５１のエミッタ端子Ｅは無効電力回生コンバータ用電子部品３３の１番端子に接続されている。又、バイポーラトランジスタ５１のコレクタ端子Ｃは上記抵抗４９に接続されていると共に無効電力回生コンバータ用電子部品３３の２番端子に接続されている。

上記無効電力回生コンバータ用電子部品３３の７番端子には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）５３が接続されている。上記電界効果トランジスタ５３のゲート端子（Ｇ）は抵抗４７と抵抗４９との間に分岐接続されている。又、電界効果トランジスタ５３のソース端子（Ｓ）は既に説明したように、無効電力コンバータ用電子部品３３の７番端子に接続されている。又、電界効果トランジスタ５３のドレイン端子（Ｄ）は共通線３４に接続されている。そして、上記電界効果トランジスタ５３と抵抗４７、抵抗４９とによって起動回路を構成している。

上記共通線３４と共通線３６との間には、コンデンサ５５、ダイオード５７、電界効果トランジスタ５９、抵抗６１が直列接続された状態で設けられている。又、上記コンデンサ５５とダイオード５７との間には抵抗６３が分岐接続されていて、この抵抗６３の他端は共通線３４に接続されている。上記電界効果トランジスタ５９のゲート端子（Ｇ）は、抵抗６４を介して無効電力回生コンバータ用電子部品３３の６番端子に接続されている。又、電界効果トランジスタ５９のソース端子（Ｓ）は抵抗６１側に接続されている。又、電界効果トランジスタ５９のドレイン端子（Ｄ）はダイオード５７側に接続されている。又、上記電界効果トランジスタ５９と抵抗６１との間には抵抗６５が分岐接続されていて、この抵抗６５は無効電力回生コンバータ用電子部品３３の３番端子に接続されている。

又、共通線３６には、コンデンサ６７、コンデンサ６９、コンデンサ７１、コンデンサ７３が接続されている。上記コンデンサ６７の他端は無効電力回生コンバータ用電子部品３３の８番端子に接続されている。又、上記コンデンサ６９の他端は無効電力回生コンバータ用電子部品３３の４番端子に接続されている。上記コンデンサ７１の他端は電界効果トランジスタ５３と無効電力回生コンバータ用電子部品３３の７番端子の間に分岐接続されている。上記コンデンサ７３の他端は抵抗６５と無効電力回生コンバータ用電子部品３３の３番端子の間に分岐接続されている。又、上記コンデンサ６７とコンデンサ６９との間には抵抗７５が設けられている。

ところで、上記構成をなすモータ駆動装置は、例えば、図３に示すようなアクチュエータに使用されているステッピングモータを駆動させるために使用される。図３は電動アクチュエータの全体の構成を示す断面図であり、まず、ハウジング１０１がある。上記ハウジング１０１にはモータカバ１０３が連結されている。上記モータカバ１０３内にはステッピングモータ１０５が収容・配置されている。このステッピングモータ１０５を既に説明したモータ駆動装置によって駆動させるものである。

上記ステッピングモータ１０５の回転軸１０５ａにはジョイント部材１０７を介してボールネジ１０９が連結されている。上記ボールネジ１０９にはボールナット１１１が螺合していて、このボールナット１１１には中空ロッド１１３が固着されている。又、上記中空ロッド１１３の先端にはロッド１１５が連結されている。上記ジョイント部材１０７は軸受部材１０８、１１０によって回転可能に支持されている。

よって、ステッピングモータ１０５が回転・駆動されることによりボールネジ１０９が回転する。このボールネジ１０９の回転によってその回転を規制されているボールナット１１１が軸方向に移動し、それによって、中空ロッド１１３ひいてはロッド１１５が軸方向に移動することになる。

以上の構成を基にその作用を説明する。
まず、基本的には直流２４Ｖ電源１からの電源がＡ相側回路３とＢ相側回路５を介してステッピングモータ１０５に供給され、それによって、ステッピングモータ１０５を駆動するものである。その際、抵抗４７、抵抗４９、電界効果トランジスタ５３から構成された起動回路は、本回路を４２Ｖで起動させると共に２７Ｖで停止させるように機能する。又、抵抗４１、ツェナーダイオード４３、抵抗４５、ハイポーラトランジスタ５１から構成された回路によって、スナバ電圧（ＶＦＬ）が基準点（ＶＭ３）に対し２７Ｖ以上６２Ｖまで電圧に比例した電流モード制御を行う。

そして、上記電流をトランス３７の一次側に蓄えると共に、二次側から整流素子４２を介して放出する。そして、これをコンデンサ４０に蓄電することにより直流２４Ｖ電源１の供給を軽減する。それによって、無効電力となった回生型スナバ回路３１の電力を動力源に回生することが可能になるものである。

上記回生型スナバ回路３１に関しては、所定の設定を施すことにより、２７Ｖから６２Ｖの３５Ｖ間は電圧に比例した電流が流れる理想的な回路として実現できる。又、抵抗６１に関しては、次の式（ＩＩ）に示す電圧時にモータの定格電流（ＭＡＸ）になるように、その値が設定されるものである。
（ＶＦＬ）−（ＶＭ３）＝６２Ｖ―――（ＩＩ）
又、無効電圧回生コンバータ用電子部品３３の３番端子が１Ｖに達したところで電界効果トランジスタ５９をオフとするように働くため、最大ピーク電流値は次の式（ＩＩＩ）に示すような値としている。
１（Ｖ）／０．６８（Ω）≒１．５（Ａ）―――（ＩＩＩ）

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、いわゆる無効電力を無駄に消費することなく直流２４Ｖ電源に戻してこれを有効利用することができる。その際、従来のように大型の放熱用ファンを必要とすることもなく、設備の大型化や高コスト化を来たすことなく所望の効果を得ることができる。
又、従来のように無効電力を抵抗を介して放熱するものではないので、ステッピングモータ１０５のモータ駆動装置の発熱を防ぐことができる。
これらの効果はステッピングモータ１０５が大型化すればするほど顕著である。特に、昨今、図３に示したアクチュエータの大型化の事例が増加していて、大型のステッピングモータの利用が必要になっている。そのような大型のステッピングモータに本実施の形態の構成を適用することにより顕著な効果を得ることができる。

以下、実際に実験して得られたデータを参照しながらその作用・効果を説明する。
まず、図４は比較例（図７に示した従来例、大型モータの場合）の場合の電圧変化を示すもので、横軸に時間をとり縦軸に電圧をとって電圧変化を示す図である。この図４から明らかなように、立ち上がり直後にサージ電圧が発生しており、それによる無効電力が生じているものである。この電力は、図７に示した出力トランジスタのアバランシェダイオード１０５、１１１の電圧（約８５Ｖ）に抑制される。

尚、上記比較例とは、上記したように、本実施の形態のような回生型スナバ回路３１を備えていない図７に示すような駆動装置の場合を意味している。

これに対して、本実施の形態の場合には、図５に示すような特性図となる。この場合には、立ち上がり直後のサージ電圧は７５Ｖに抑制され、無効電力による発熱は生じていないものである。すなわち、立ち上がり時の電圧がアバランシェダイオード８、１０、１８、２０の電圧（８５Ｖ）に達しておらず、アバランシェダイオード８、１０、１８、２０の抑制作用が機能していないものである。つまり、そのような無効電力は効果的に回生されて直流２４Ｖ電源１に戻されて有効利用されているものである。

又、図６は本実施の形態の場合と比較例の場合のモータ電流変化を示すものであり、横軸に時間をとり縦軸に電流値をとって電流変化を示す図である。この図６から明らかなように、比較例の２４Ｖ駆動源電流値は通常回路で１．９４Ａ平均となっている。これに対して、本実施の形態の場合には、１．２７５Ａ平均となっていて、略０．６６５Ａ程度低下していることがわかる（７０％負荷時）。
因みに、定格負荷時に換算すると、２．７４Ａ−１．８Ａ＝０．９４Ａの節約となる。これを無効電力による発熱に換算すると２２Ｗ以上の発熱となる。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記一実施の形態では２相のステッピングモータを例に挙げて説明しているが、その他の様々なモータの駆動装置に適用可能である。
又、無効電力回生回路の構成としては様々なものが考えられ、図示したものはあくまで一例である。

本発明は、例えば、ユニポーラ型ステッピングモータ等のモータを駆動するモータ駆動装置に係り、特に、いわゆる「無効電流」を効率よく回収して有効利用することを可能にしたものに関し、例えば、大型のアクチュエータを駆動するステッピングモータの駆動に好適である。

本発明の一実施の形態を示す図で、モータ駆動装置の構成を示す回路図である。本発明の一実施の形態を示す図で、図１の一部を詳細に示す回路図である。本発明の一実施の形態を示す図で、モータ駆動装置によって駆動されるステッピングモータと該ステッピングモータが使用されるアクチュエータの構成を示す断面図である。本発明の一実施の形態における作用・効果を説明するための図で、比較例の場合の電圧変化を示す波形図である。本発明の一実施の形態を示す図で、電圧変化を示す波形図である。本発明の一実施の形態における作用・効果を説明するための図で、本実施の形態の場合と比較例におけるモータ供給源電流の変化を示す波形図である。従来例を示す図で、モータ駆動装置の構成を示す回路図である。従来例を示す図で、図８（ａ）は理想的な電圧変化を示す特性図、図８（ｂ）は実際の電圧変化を示す特性図、図８（ｃ）は無効電流の変化を示す特性図である。従来例を示す図で、モータ駆動装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１２４Ｖ電源
３Ａ相側回路
５Ｂ相側回路
３１無効電力回生回路
４０コンデンサ
３３無効電力回生コンバータ

Claims

電源と、
上記電源に接続されアクチュエータ駆動用の２相のステッピングモータを駆動するモータ駆動回路と、
上記モータ駆動回路に接続されモータ駆動回路において発生する無効電力を上記電源に回生させる回生型スナバ回路と、上記回生型スナバ回路により回生された電力をトランス及び整流素子を介して蓄電するコンデンサと、を具備し、
上記回生型スナバ回路は、上記モータ駆動回路において発生したサージ電圧を蓄電するコンデンサと、上記コンデンサに蓄電されたサージ電圧による無効電力を上記電源に戻す無効電力回生コンバータ用電子部品と、から構成されていることを特徴とするモータ駆動装置。