モータ駆動システム
【課題】広い動作領域を有し、各動作領域で高効率運転を実現するとともに、小型化をも実現するモータ駆動システムを提供する。
【解決手段】巻線切替モータの駆動システムが、パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより、該複数の巻線の相内結線パターンを直列接続又は並列接続に切替え、且つ、相間結線パターンをスター結線又はデルタ結線に切替える巻線切替回路と、採用されるステータ巻線結線パターンに応じて該複数の半導体スイッチにオン／オフ制御信号を供給する切替制御装置と、ステータ巻線結線パターンを決定して該切替制御装置を制御するとともに、インバータを備え該ステータ巻線に多相交流電力が供給されるように該インバータを制御する駆動制御装置と、を具備する。
【解決手段】巻線切替モータの駆動システムが、パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより、該複数の巻線の相内結線パターンを直列接続又は並列接続に切替え、且つ、相間結線パターンをスター結線又はデルタ結線に切替える巻線切替回路と、採用されるステータ巻線結線パターンに応じて該複数の半導体スイッチにオン／オフ制御信号を供給する切替制御装置と、ステータ巻線結線パターンを決定して該切替制御装置を制御するとともに、インバータを備え該ステータ巻線に多相交流電力が供給されるように該インバータを制御する駆動制御装置と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータ巻線を構成する複数の巻線の結線パターンを切替えて動作可能なモータを含むモータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの従来からの製造方法においては、要求されるトルク又は回転速度、供給される電圧又は電流、等に応じて、巻線の線径、巻数、結線方法（デルタ結線又はスター結線）等が決定され、三相交流の各相の始め及び終わりの口出し線がターミナル端子等で物理的に結線される。そのため、その構造を後から変更することは困難であった。
【０００３】
これに対して、下記の特許文献１〜４は、各相の始めおよび終わりの口出し線（更には中間の口出し線）をモータ外部に取り出し、スイッチによりスター結線又はデルタ結線に切り替える構造や、各相内の複数の巻線を直列接続又は並列接続に切り替える構造を実現することによって、モータを大型化することなく、低速度域でも高速度域でも運転可能なインバータモータを提供する技術を提案している。
【０００４】
一方、ロボット等の駆動系では、広範囲の負荷条件に適用するために、より広い速度及びトルクの調整範囲が要求される。例えば、図１に示されるように、クローラ車両では、階段昇降時に低速度かつ高トルクが要求され、荒地走行時に中速度かつ中トルクが要求され、平地走行時に高速度かつ低トルクが要求される。また、歩行機械では、支持脚にあっては低速度かつ高トルクが要求され、遊脚にあっては中速度かつ中トルク又は高速度かつ低トルクが要求される。
【０００５】
従来のモータ技術のみでは、ロボット等の駆動系において必要とされるトルク及び速度の動作領域の全てをカバーすることができない状況にある。また、ロボット等の駆動系へのモータの適用にあたっては、動作領域の拡大に加え、小型化も要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１４８９９９号公報
【特許文献２】特開２００８−１８２７８３号公報
【特許文献３】特開２００８−１７８２０７号公報
【特許文献４】特開２００８−１６０９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、低速度かつ高トルク、中速度かつ中トルク、及び高速度かつ低トルクの広い動作領域を有し、各動作領域で高効率運転を実現するとともに、小型化をも実現するモータ駆動システムを提供することにある。なお、駆動系において広い速度及びトルクの調整範囲を実現するための従来技術並びに本発明の目的及び位置付けが図２に示される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、ステータ巻線を構成する複数の巻線の結線パターンを切替えて動作可能なモータを含むモータ駆動システムであって、パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより、該複数の巻線の相内結線パターンを直列接続又は並列接続に切替え、且つ、相間結線パターンをスター結線又はデルタ結線に切替える巻線切替回路と、採用されるステータ巻線結線パターンに応じて該複数の半導体スイッチにオン／オフ制御信号を供給する切替制御装置と、ステータ巻線結線パターンを決定して該切替制御装置を制御するとともに、インバータを備え該ステータ巻線に多相交流電力が供給されるように該インバータを制御する駆動制御装置と、を具備するモータ駆動システムが提供される。
【０００９】
一つの好適な態様では、該巻線切替回路を搭載する電子基板が該モータに内蔵されている。そして、該モータからは三相同期モータに対応した３本の取出し線のみが外部に出されている。
【００１０】
また、一つの好適な態様では、該駆動制御装置は、該ステータ巻線結線パターンの切替え並びに該切替えのタイミング及びシーケンスについての指令を受け付けるように構成されている。
【００１１】
また、一つの好適な態様では、該切替制御装置は、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていくことにより、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより巻線切替回路が構成されるため、巻線切替のための装置構成について大幅な小型化が実現され、モータへの内蔵が可能となる。また、半導体スイッチの採用により運転中でのステータ巻線結線パターンの切替えが可能となる。更に、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていき、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現することで、切替え時における速度及びトルクの変動を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ロボット等の駆動系で要求される速度及びトルク特性を示す図である。
【図２】駆動系において広い速度及びトルクの調整範囲を実現するための従来技術並びに本発明の目的及び位置付けを示す図である。
【図３】本発明によるモータ駆動システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３におけるステータ巻線及び巻線切替回路の回路構成をより理解しやすい形で示す回路図である。
【図５】図４において各種結線パターンを実現するための各半導体スイッチのオン又はオフ状態を示す図である。
【図６】半導体スイッチの一構成例を示す回路図である。
【図７】半導体スイッチに供給されるオン／オフ制御信号及びパルストランス二次側に誘導される電圧を示す波形図である。
【図８】モータの発電電圧特性を例示する図である。
【図９】モータの回転数特性を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明によるモータ駆動システムの一実施形態を示すブロック図である。図３に示されるように、このモータ駆動システムは、モータのステータ巻線１０、巻線切替回路２０、切替制御装置３０、及び駆動制御装置４０を含む。
【００１５】
ステータ巻線１０は、６個の単位巻線（コイル）、すなわち、Ｕ１−Ｕ２巻線、Ｕ３−Ｕ４巻線、Ｖ１−Ｖ２巻線、Ｖ３−Ｖ４巻線、Ｗ１−Ｗ２巻線、及びＷ３−Ｗ４巻線を含む。また、巻線切替回路２０は、１５個の半導体スイッチ、すなわち、ＳＵ１，ＳＵ２，…，ＳＵ５，ＳＶ１，ＳＶ２，…，ＳＶ５，ＳＷ１，ＳＷ２，…，ＳＷ５を含み、ステータ巻線１０を構成する複数の単位巻線の結線パターンを切替え可能にする。
【００１６】
図４は、ステータ巻線１０及び巻線切替回路２０の回路構成をより理解しやすい形で示す回路図であり、また、図５は、図４において各種結線パターンを実現するための各半導体スイッチのオン又はオフ状態を示す図である。例えば、Ｕ相内の結線パターンをＵ１−Ｕ２巻線とＵ３−Ｕ４巻線との直列接続とするためには、スイッチＳＵ２がオンにされ、スイッチＳＵ１及びＳＵ３がオフとされる。一方、並列接続とするためには、スイッチＳＵ１及びＳＵ３がオンとされ、スイッチＳＵ２がオフとされる。Ｖ相内の結線パターンとＷ相内の結線パターンとについても同様である。
【００１７】
また、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、及びＷ相巻線の相間結線については、スター（Ｙ）結線とする場合、Ｕ相にあってはスイッチＳＵ４がオンとされ、スイッチＳＵ５がオフとされる。Ｖ相とＷ相とについても同様である。一方、デルタ（Δ）結線とする場合、Ｕ相にあってはスイッチＳＵ５がオンとされ、スイッチＳＵ４がオフとされる。Ｖ相とＷ相とについても同様である。かくして、図５に示されるように、各半導体スイッチのオン又はオフ状態を制御することにより、スター（Ｙ）結線・直列型、デルタ（Δ）結線・直列型、スター（Ｙ）結線・並列型、及びデルタ（Δ）結線・並列型という４種のステータ巻線構造が実現されることとなる。
【００１８】
図３に戻り、切替制御装置３０は、採用されるステータ巻線結線パターンに応じて、巻線切替回路２０内の半導体スイッチＳＵ１，…，ＳＵ５，ＳＶ１，…，ＳＶ５，ＳＷ１，…，ＳＷ５の各々に対して、図５に示されるオン／オフ制御信号を供給する。
【００１９】
駆動制御装置４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）４２及びインバータ４４を含む。ＣＰＵ４２は、上位装置からの指令、運転状況等に基づいてステータ巻線１０の結線パターンを決定して切替制御装置３０へ指令を送出する。また、ＣＰＵ４２は、ステータ巻線１０に所定の三相交流電力が供給されるようにインバータ４４を制御する。インバータ４４は、その制御の下、外部の直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換し、端子Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１を介してステータ巻線１０に三相交流電力を供給する。
【００２０】
図６は、半導体スイッチＳＵ１，…，ＳＷ５の各個の構成例を示す回路図である。図６に示されるように、この半導体スイッチは、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）Ｑ２及びＱ３とパルストランスＴ１を用いたゲートドライブ回路とを備える。パルストランスＴ１の一次側巻線には、オン／オフ制御信号の入力端子２２及び２４、直流カット用のキャパシタＣ１、並びに抵抗器Ｒ１を含む回路が接続されている。
【００２１】
また、パルストランスＴ１の二次側巻線には、しきい値電圧用のツェナーダイオードＤ１及びＤ２、逆電流防止用のパワーＭＯＳＦＥＴ Ｑ１Ａ及びＱ１Ｂ、並びに双方向交流スイッチングデバイスとしてのパワーＭＯＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ３、並びに半導体スイッチの出力側端子２６及び２８を含む回路が接続されている。なお、Ｑ１Ａ、Ｑ１Ｂ、Ｑ２及びＱ３においてエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの記号に対して並列接続されるように記載されているダイオードの記号は、パワーＭＯＳＦＥＴに本質的に内在するダイオードを表している。
【００２２】
図７は、半導体スイッチに供給されるオン／オフ制御信号Ｖｉｎ及びパルストランスＴ１の二次側巻線に誘導される電圧Ｖｏｕｔを示す波形図である。半導体スイッチをオンするときには、端子２２及び２４間に数百ナノ秒〜数マイクロ秒の正パルスが供給される。Ｔ１は正相トランスであるため、Ｔ１の二次側巻線にも正パルスの電圧が誘導される。この誘導電圧により、Ｔ１の二次側巻線の一端（図６において上側の端）から、Ｄ１とＱ１Ｂの内部ダイオードとを経由して、Ｑ２及びＱ３の各ゲートへと電流が流れる。また、Ｑ２及びＱ３の各ソースから、Ｑ１Ａのドレイン・ソース間チャネルとＤ２とを経由して、Ｔ１の二次側巻線の他端（図６において下側の端）へと電流が流れる。
【００２３】
かくして、Ｑ２及びＱ３の各々のゲート・ソース間キャパシタンス（gate-to-source capacitance）に電荷が蓄積されるため、Ｑ２及びＱ３はターンオンされる。その結果、端子２６からＱ２のドレイン・ソース間チャネルとＱ３の内部ダイオードとを経由して端子２８へと電流が流れることも、また、端子２８からＱ３のドレイン・ソース間チャネルとＱ２の内部ダイオードとを経由して端子２６へと電流が流れることも許容される。すなわち、双方向スイッチのオン状態が実現される。そして、蓄積された電荷の減少を考慮し、Ｑ２及びＱ３のオン状態を維持（リフレッシュ）するために、端子２２及び２４間に数秒〜数分の周期で正パルスが繰り返し供給される。
【００２４】
一方、半導体スイッチをオフするときには、端子２２及び２４間に数百ナノ秒〜数マイクロ秒の負パルスが供給される。Ｔ１は正相トランスであるため、Ｔ１の二次側巻線にも負パルスの電圧が誘導される。この誘導電圧により、Ｑ２及びＱ３の各ゲートから、Ｑ１Ｂのドレイン・ソース間チャネルとＤ１とを経由して、Ｔ１の二次側巻線の一端（図６において上側の端）へと電流が流れる。また、Ｔ１の二次側巻線の他端（図６において下側の端）から、Ｄ２とＱ１Ａの内部ダイオードとを経由して、Ｑ２及びＱ３の各ソースへと電流が流れる。
【００２５】
かくして、Ｑ２及びＱ３の各々のゲート・ソース間キャパシタンス（gate-to-source capacitance）の電荷が放出されるため、Ｑ２及びＱ３はターンオフされる。その結果、端子２６から端子２８へと電流が流れることも、また、端子２８から端子２６へと電流が流れることも禁止される。すなわち、双方向スイッチのオフ状態が実現される。そして、Ｑ２及びＱ３のオフ状態を維持（リフレッシュ）するために、端子２２及び２４間に数秒〜数分の周期で負パルスが繰り返し供給される。
【００２６】
なお、図７に示されるように、オン／オフ制御信号Ｖｉｎの正パルスの立下り時には、パルストランスＴ１の二次側電圧Ｖｏｕｔに負の電圧−Ｖ1 が現れてしまう。また、オン／オフ制御信号Ｖｉｎの負パルスの立下り時にも、パルストランスＴ１の二次側電圧Ｖｏｕｔに正の電圧＋Ｖ1 が現れてしまう。これらの電圧による意図しないＱ２及びＱ３のターンオフ又はターンオンを防止するために、しきい値電圧用のツェナーダイオードＤ１及びＤ２が挿入されている。
【００２７】
図６に示される半導体スイッチは機械的接点を持たないため、巻線切替回路２０は大幅に小型化された巻線切替装置を実現することとなる。本実施形態においては、巻線切替回路２０を搭載する電子基板がモータに内蔵される。そして、モータからは、三相同期モータに対応した３本の取出し線Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１（図３）のみが外部に出されている。
【００２８】
また、図６に示される半導体スイッチの採用により、モータ運転中におけるステータ巻線１０の結線パターンの切替えが可能になる。ＣＰＵ４２は、ステータ巻線１０の結線パターンの切替え並びにその切替えのタイミングやシーケンスについての指令を上位装置から受け付けるように構成されている。ＣＰＵ４２は、ステータ巻線１０の結線パターンの切替えを決定すると、その旨を切替制御装置３０に伝達する。
【００２９】
それを受けて、切替制御装置３０は、インバータ４４における１２０度通電方式の下で、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていくことにより、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現する。
【００３０】
つまり、切替制御装置３０は、最初に、Ｕ相の半導体スイッチＳＵ１，…，ＳＵ５を切替え、次に、電気角にして１２０°遅れてＶ相の半導体スイッチＳＶ１，…，ＳＶ５を切替え、最後に、更に電気角にして１２０°遅れてＷ相の半導体スイッチＳＷ１，…，ＳＷ５を切替える、といったように結線パターンの順次の切替えを実現する。このような切替え手順と電流制御とにより、結線パターン切替え時における速度及びトルクの変動が最小限に抑制される。
【００３１】
図８は、本実施形態に係るモータの発電電圧特性を例示する図であり、図９は、当該モータの回転数特性を例示する図である。図８では、横軸は、ステータ巻線結線パターン、すなわち、デルタ（Δ）結線・並列型、スター（Ｙ）結線・並列型、デルタ（Δ）結線・直列型、及びスター（Ｙ）結線・直列型を示し、縦軸は、逆起電力定数を示している。また、図９では、ステータ巻線結線パターンをパラメータとして、横軸は供給電圧を示し、縦軸はモータ速度を示している。
【００３２】
一般に、モータのトルクはインバータからの供給電流に比例し、モータの速度はインバータからの供給電圧に比例するところ、本実施形態では４種のモータ特性パターンからの選択が可能であるため、インバータ出力の電圧仕様及び電流仕様が低減される。その結果、駆動制御装置４０の大幅な小型化が実現される。低速度かつ高トルク領域では、スター（Ｙ）結線・直列型を選択することにより、巻線あたりに印加される電圧は小さくなるため、電流リプルは低減し、結果的にはトルクリプルも低減する。
【００３３】
本実施形態によれば、前述のように、巻線切替装置（電子基板）の小型化によりモータへの内蔵が可能となるため、本実施形態に係るモータは、従来の同型の固定巻線モータに比べて体積の増加は小さい。また、３本の取り出し線Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１（図３）は、従来の三相同期モータの出力線に対応するため、従来の駆動装置でも駆動することができる。また、半導体スイッチ（電子スイッチ）に代えて、ジャンパー線で回路を構成することによって、従来の固定巻線モータを構成することも可能である。さらには、モータと駆動制御装置とをつなぐ配線を細くすることができ、線の取り回しが容易となる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、回転磁界発生用に三相交流が使用されているが、三相交流以外の多相交流が使用されてもよい。
【００３５】
また、図６に示される半導体スイッチにおいては、双方向交流スイッチングデバイスＱ２及びＱ３をエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴで構成しているが、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴで構成することも可能である。そのように構成すると、切替制御装置３０が機能していない場合でも、Ｑ２及びＱ３のドレイン・ソース間チャネルは通常オン状態になり、モータ巻線間は短絡状態すなわち回生ブレーキが作用する状態になる。つまり、モータ駆動システムを停止している状態では、モータを回転し難い状態にすることができる。一方、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴで構成した場合、Ｑ２及びＱ３のドレイン・ソース間チャネルは通常オフ状態になり、モータ駆動システムを停止している状態では、モータを回転自由状態にすることができる。なお、モータ駆動システムを停止しているときに、それぞれのスイッチを通常オン状態又は通常オフ状態にする場合、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチとエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチとを組み合わせることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、移動ロボットの車輪・クローラ駆動用アクチュエータ、ロボットマニピュレータ、歩行ロボットの関節駆動用アクチュエータ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ ステータ巻線
２０ 巻線切替回路
２２，２４ オン／オフ制御信号の入力端子
２６，２８ 半導体スイッチの出力側端子
３０ 切替制御装置
４０ 駆動制御装置
４２ 中央処理装置（ＣＰＵ）
４４ インバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータ巻線を構成する複数の巻線の結線パターンを切替えて動作可能なモータを含むモータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの従来からの製造方法においては、要求されるトルク又は回転速度、供給される電圧又は電流、等に応じて、巻線の線径、巻数、結線方法（デルタ結線又はスター結線）等が決定され、三相交流の各相の始め及び終わりの口出し線がターミナル端子等で物理的に結線される。そのため、その構造を後から変更することは困難であった。
【０００３】
これに対して、下記の特許文献１〜４は、各相の始めおよび終わりの口出し線（更には中間の口出し線）をモータ外部に取り出し、スイッチによりスター結線又はデルタ結線に切り替える構造や、各相内の複数の巻線を直列接続又は並列接続に切り替える構造を実現することによって、モータを大型化することなく、低速度域でも高速度域でも運転可能なインバータモータを提供する技術を提案している。
【０００４】
一方、ロボット等の駆動系では、広範囲の負荷条件に適用するために、より広い速度及びトルクの調整範囲が要求される。例えば、図１に示されるように、クローラ車両では、階段昇降時に低速度かつ高トルクが要求され、荒地走行時に中速度かつ中トルクが要求され、平地走行時に高速度かつ低トルクが要求される。また、歩行機械では、支持脚にあっては低速度かつ高トルクが要求され、遊脚にあっては中速度かつ中トルク又は高速度かつ低トルクが要求される。
【０００５】
従来のモータ技術のみでは、ロボット等の駆動系において必要とされるトルク及び速度の動作領域の全てをカバーすることができない状況にある。また、ロボット等の駆動系へのモータの適用にあたっては、動作領域の拡大に加え、小型化も要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１４８９９９号公報
【特許文献２】特開２００８−１８２７８３号公報
【特許文献３】特開２００８−１７８２０７号公報
【特許文献４】特開２００８−１６０９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、低速度かつ高トルク、中速度かつ中トルク、及び高速度かつ低トルクの広い動作領域を有し、各動作領域で高効率運転を実現するとともに、小型化をも実現するモータ駆動システムを提供することにある。なお、駆動系において広い速度及びトルクの調整範囲を実現するための従来技術並びに本発明の目的及び位置付けが図２に示される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、ステータ巻線を構成する複数の巻線の結線パターンを切替えて動作可能なモータを含むモータ駆動システムであって、パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより、該複数の巻線の相内結線パターンを直列接続又は並列接続に切替え、且つ、相間結線パターンをスター結線又はデルタ結線に切替える巻線切替回路と、採用されるステータ巻線結線パターンに応じて該複数の半導体スイッチにオン／オフ制御信号を供給する切替制御装置と、ステータ巻線結線パターンを決定して該切替制御装置を制御するとともに、インバータを備え該ステータ巻線に多相交流電力が供給されるように該インバータを制御する駆動制御装置と、を具備するモータ駆動システムが提供される。
【０００９】
一つの好適な態様では、該巻線切替回路を搭載する電子基板が該モータに内蔵されている。そして、該モータからは三相同期モータに対応した３本の取出し線のみが外部に出されている。
【００１０】
また、一つの好適な態様では、該駆動制御装置は、該ステータ巻線結線パターンの切替え並びに該切替えのタイミング及びシーケンスについての指令を受け付けるように構成されている。
【００１１】
また、一つの好適な態様では、該切替制御装置は、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていくことにより、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより巻線切替回路が構成されるため、巻線切替のための装置構成について大幅な小型化が実現され、モータへの内蔵が可能となる。また、半導体スイッチの採用により運転中でのステータ巻線結線パターンの切替えが可能となる。更に、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていき、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現することで、切替え時における速度及びトルクの変動を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ロボット等の駆動系で要求される速度及びトルク特性を示す図である。
【図２】駆動系において広い速度及びトルクの調整範囲を実現するための従来技術並びに本発明の目的及び位置付けを示す図である。
【図３】本発明によるモータ駆動システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３におけるステータ巻線及び巻線切替回路の回路構成をより理解しやすい形で示す回路図である。
【図５】図４において各種結線パターンを実現するための各半導体スイッチのオン又はオフ状態を示す図である。
【図６】半導体スイッチの一構成例を示す回路図である。
【図７】半導体スイッチに供給されるオン／オフ制御信号及びパルストランス二次側に誘導される電圧を示す波形図である。
【図８】モータの発電電圧特性を例示する図である。
【図９】モータの回転数特性を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明によるモータ駆動システムの一実施形態を示すブロック図である。図３に示されるように、このモータ駆動システムは、モータのステータ巻線１０、巻線切替回路２０、切替制御装置３０、及び駆動制御装置４０を含む。
【００１５】
ステータ巻線１０は、６個の単位巻線（コイル）、すなわち、Ｕ１−Ｕ２巻線、Ｕ３−Ｕ４巻線、Ｖ１−Ｖ２巻線、Ｖ３−Ｖ４巻線、Ｗ１−Ｗ２巻線、及びＷ３−Ｗ４巻線を含む。また、巻線切替回路２０は、１５個の半導体スイッチ、すなわち、ＳＵ１，ＳＵ２，…，ＳＵ５，ＳＶ１，ＳＶ２，…，ＳＶ５，ＳＷ１，ＳＷ２，…，ＳＷ５を含み、ステータ巻線１０を構成する複数の単位巻線の結線パターンを切替え可能にする。
【００１６】
図４は、ステータ巻線１０及び巻線切替回路２０の回路構成をより理解しやすい形で示す回路図であり、また、図５は、図４において各種結線パターンを実現するための各半導体スイッチのオン又はオフ状態を示す図である。例えば、Ｕ相内の結線パターンをＵ１−Ｕ２巻線とＵ３−Ｕ４巻線との直列接続とするためには、スイッチＳＵ２がオンにされ、スイッチＳＵ１及びＳＵ３がオフとされる。一方、並列接続とするためには、スイッチＳＵ１及びＳＵ３がオンとされ、スイッチＳＵ２がオフとされる。Ｖ相内の結線パターンとＷ相内の結線パターンとについても同様である。
【００１７】
また、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、及びＷ相巻線の相間結線については、スター（Ｙ）結線とする場合、Ｕ相にあってはスイッチＳＵ４がオンとされ、スイッチＳＵ５がオフとされる。Ｖ相とＷ相とについても同様である。一方、デルタ（Δ）結線とする場合、Ｕ相にあってはスイッチＳＵ５がオンとされ、スイッチＳＵ４がオフとされる。Ｖ相とＷ相とについても同様である。かくして、図５に示されるように、各半導体スイッチのオン又はオフ状態を制御することにより、スター（Ｙ）結線・直列型、デルタ（Δ）結線・直列型、スター（Ｙ）結線・並列型、及びデルタ（Δ）結線・並列型という４種のステータ巻線構造が実現されることとなる。
【００１８】
図３に戻り、切替制御装置３０は、採用されるステータ巻線結線パターンに応じて、巻線切替回路２０内の半導体スイッチＳＵ１，…，ＳＵ５，ＳＶ１，…，ＳＶ５，ＳＷ１，…，ＳＷ５の各々に対して、図５に示されるオン／オフ制御信号を供給する。
【００１９】
駆動制御装置４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）４２及びインバータ４４を含む。ＣＰＵ４２は、上位装置からの指令、運転状況等に基づいてステータ巻線１０の結線パターンを決定して切替制御装置３０へ指令を送出する。また、ＣＰＵ４２は、ステータ巻線１０に所定の三相交流電力が供給されるようにインバータ４４を制御する。インバータ４４は、その制御の下、外部の直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換し、端子Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１を介してステータ巻線１０に三相交流電力を供給する。
【００２０】
図６は、半導体スイッチＳＵ１，…，ＳＷ５の各個の構成例を示す回路図である。図６に示されるように、この半導体スイッチは、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）Ｑ２及びＱ３とパルストランスＴ１を用いたゲートドライブ回路とを備える。パルストランスＴ１の一次側巻線には、オン／オフ制御信号の入力端子２２及び２４、直流カット用のキャパシタＣ１、並びに抵抗器Ｒ１を含む回路が接続されている。
【００２１】
また、パルストランスＴ１の二次側巻線には、しきい値電圧用のツェナーダイオードＤ１及びＤ２、逆電流防止用のパワーＭＯＳＦＥＴ Ｑ１Ａ及びＱ１Ｂ、並びに双方向交流スイッチングデバイスとしてのパワーＭＯＳＦＥＴ Ｑ２及びＱ３、並びに半導体スイッチの出力側端子２６及び２８を含む回路が接続されている。なお、Ｑ１Ａ、Ｑ１Ｂ、Ｑ２及びＱ３においてエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの記号に対して並列接続されるように記載されているダイオードの記号は、パワーＭＯＳＦＥＴに本質的に内在するダイオードを表している。
【００２２】
図７は、半導体スイッチに供給されるオン／オフ制御信号Ｖｉｎ及びパルストランスＴ１の二次側巻線に誘導される電圧Ｖｏｕｔを示す波形図である。半導体スイッチをオンするときには、端子２２及び２４間に数百ナノ秒〜数マイクロ秒の正パルスが供給される。Ｔ１は正相トランスであるため、Ｔ１の二次側巻線にも正パルスの電圧が誘導される。この誘導電圧により、Ｔ１の二次側巻線の一端（図６において上側の端）から、Ｄ１とＱ１Ｂの内部ダイオードとを経由して、Ｑ２及びＱ３の各ゲートへと電流が流れる。また、Ｑ２及びＱ３の各ソースから、Ｑ１Ａのドレイン・ソース間チャネルとＤ２とを経由して、Ｔ１の二次側巻線の他端（図６において下側の端）へと電流が流れる。
【００２３】
かくして、Ｑ２及びＱ３の各々のゲート・ソース間キャパシタンス（gate-to-source capacitance）に電荷が蓄積されるため、Ｑ２及びＱ３はターンオンされる。その結果、端子２６からＱ２のドレイン・ソース間チャネルとＱ３の内部ダイオードとを経由して端子２８へと電流が流れることも、また、端子２８からＱ３のドレイン・ソース間チャネルとＱ２の内部ダイオードとを経由して端子２６へと電流が流れることも許容される。すなわち、双方向スイッチのオン状態が実現される。そして、蓄積された電荷の減少を考慮し、Ｑ２及びＱ３のオン状態を維持（リフレッシュ）するために、端子２２及び２４間に数秒〜数分の周期で正パルスが繰り返し供給される。
【００２４】
一方、半導体スイッチをオフするときには、端子２２及び２４間に数百ナノ秒〜数マイクロ秒の負パルスが供給される。Ｔ１は正相トランスであるため、Ｔ１の二次側巻線にも負パルスの電圧が誘導される。この誘導電圧により、Ｑ２及びＱ３の各ゲートから、Ｑ１Ｂのドレイン・ソース間チャネルとＤ１とを経由して、Ｔ１の二次側巻線の一端（図６において上側の端）へと電流が流れる。また、Ｔ１の二次側巻線の他端（図６において下側の端）から、Ｄ２とＱ１Ａの内部ダイオードとを経由して、Ｑ２及びＱ３の各ソースへと電流が流れる。
【００２５】
かくして、Ｑ２及びＱ３の各々のゲート・ソース間キャパシタンス（gate-to-source capacitance）の電荷が放出されるため、Ｑ２及びＱ３はターンオフされる。その結果、端子２６から端子２８へと電流が流れることも、また、端子２８から端子２６へと電流が流れることも禁止される。すなわち、双方向スイッチのオフ状態が実現される。そして、Ｑ２及びＱ３のオフ状態を維持（リフレッシュ）するために、端子２２及び２４間に数秒〜数分の周期で負パルスが繰り返し供給される。
【００２６】
なお、図７に示されるように、オン／オフ制御信号Ｖｉｎの正パルスの立下り時には、パルストランスＴ１の二次側電圧Ｖｏｕｔに負の電圧−Ｖ1 が現れてしまう。また、オン／オフ制御信号Ｖｉｎの負パルスの立下り時にも、パルストランスＴ１の二次側電圧Ｖｏｕｔに正の電圧＋Ｖ1 が現れてしまう。これらの電圧による意図しないＱ２及びＱ３のターンオフ又はターンオンを防止するために、しきい値電圧用のツェナーダイオードＤ１及びＤ２が挿入されている。
【００２７】
図６に示される半導体スイッチは機械的接点を持たないため、巻線切替回路２０は大幅に小型化された巻線切替装置を実現することとなる。本実施形態においては、巻線切替回路２０を搭載する電子基板がモータに内蔵される。そして、モータからは、三相同期モータに対応した３本の取出し線Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１（図３）のみが外部に出されている。
【００２８】
また、図６に示される半導体スイッチの採用により、モータ運転中におけるステータ巻線１０の結線パターンの切替えが可能になる。ＣＰＵ４２は、ステータ巻線１０の結線パターンの切替え並びにその切替えのタイミングやシーケンスについての指令を上位装置から受け付けるように構成されている。ＣＰＵ４２は、ステータ巻線１０の結線パターンの切替えを決定すると、その旨を切替制御装置３０に伝達する。
【００２９】
それを受けて、切替制御装置３０は、インバータ４４における１２０度通電方式の下で、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていくことにより、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現する。
【００３０】
つまり、切替制御装置３０は、最初に、Ｕ相の半導体スイッチＳＵ１，…，ＳＵ５を切替え、次に、電気角にして１２０°遅れてＶ相の半導体スイッチＳＶ１，…，ＳＶ５を切替え、最後に、更に電気角にして１２０°遅れてＷ相の半導体スイッチＳＷ１，…，ＳＷ５を切替える、といったように結線パターンの順次の切替えを実現する。このような切替え手順と電流制御とにより、結線パターン切替え時における速度及びトルクの変動が最小限に抑制される。
【００３１】
図８は、本実施形態に係るモータの発電電圧特性を例示する図であり、図９は、当該モータの回転数特性を例示する図である。図８では、横軸は、ステータ巻線結線パターン、すなわち、デルタ（Δ）結線・並列型、スター（Ｙ）結線・並列型、デルタ（Δ）結線・直列型、及びスター（Ｙ）結線・直列型を示し、縦軸は、逆起電力定数を示している。また、図９では、ステータ巻線結線パターンをパラメータとして、横軸は供給電圧を示し、縦軸はモータ速度を示している。
【００３２】
一般に、モータのトルクはインバータからの供給電流に比例し、モータの速度はインバータからの供給電圧に比例するところ、本実施形態では４種のモータ特性パターンからの選択が可能であるため、インバータ出力の電圧仕様及び電流仕様が低減される。その結果、駆動制御装置４０の大幅な小型化が実現される。低速度かつ高トルク領域では、スター（Ｙ）結線・直列型を選択することにより、巻線あたりに印加される電圧は小さくなるため、電流リプルは低減し、結果的にはトルクリプルも低減する。
【００３３】
本実施形態によれば、前述のように、巻線切替装置（電子基板）の小型化によりモータへの内蔵が可能となるため、本実施形態に係るモータは、従来の同型の固定巻線モータに比べて体積の増加は小さい。また、３本の取り出し線Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１（図３）は、従来の三相同期モータの出力線に対応するため、従来の駆動装置でも駆動することができる。また、半導体スイッチ（電子スイッチ）に代えて、ジャンパー線で回路を構成することによって、従来の固定巻線モータを構成することも可能である。さらには、モータと駆動制御装置とをつなぐ配線を細くすることができ、線の取り回しが容易となる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、回転磁界発生用に三相交流が使用されているが、三相交流以外の多相交流が使用されてもよい。
【００３５】
また、図６に示される半導体スイッチにおいては、双方向交流スイッチングデバイスＱ２及びＱ３をエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴで構成しているが、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴで構成することも可能である。そのように構成すると、切替制御装置３０が機能していない場合でも、Ｑ２及びＱ３のドレイン・ソース間チャネルは通常オン状態になり、モータ巻線間は短絡状態すなわち回生ブレーキが作用する状態になる。つまり、モータ駆動システムを停止している状態では、モータを回転し難い状態にすることができる。一方、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴで構成した場合、Ｑ２及びＱ３のドレイン・ソース間チャネルは通常オフ状態になり、モータ駆動システムを停止している状態では、モータを回転自由状態にすることができる。なお、モータ駆動システムを停止しているときに、それぞれのスイッチを通常オン状態又は通常オフ状態にする場合、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチとエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチとを組み合わせることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、移動ロボットの車輪・クローラ駆動用アクチュエータ、ロボットマニピュレータ、歩行ロボットの関節駆動用アクチュエータ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ ステータ巻線
２０ 巻線切替回路
２２，２４ オン／オフ制御信号の入力端子
２６，２８ 半導体スイッチの出力側端子
３０ 切替制御装置
４０ 駆動制御装置
４２ 中央処理装置（ＣＰＵ）
４４ インバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ巻線を構成する複数の巻線の結線パターンを切替えて動作可能なモータを含むモータ駆動システムであって、
パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより、該複数の巻線の相内結線パターンを直列接続又は並列接続に切替え、且つ、相間結線パターンをスター結線又はデルタ結線に切替える巻線切替回路と、
採用されるステータ巻線結線パターンに応じて該複数の半導体スイッチにオン／オフ制御信号を供給する切替制御装置と、
ステータ巻線結線パターンを決定して該切替制御装置を制御するとともに、インバータを備え該ステータ巻線に多相交流電力が供給されるように該インバータを制御する駆動制御装置と、
を具備するモータ駆動システム。
【請求項２】
該巻線切替回路を搭載する電子基板が該モータに内蔵されている、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
該モータからは三相同期モータに対応した３本の取出し線のみが外部に出されている、請求項２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
該駆動制御装置は、該ステータ巻線結線パターンの切替え並びに該切替えのタイミング及びシーケンスについての指令を受け付けるように構成されている、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
該切替制御装置は、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていくことにより、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項１】
ステータ巻線を構成する複数の巻線の結線パターンを切替えて動作可能なモータを含むモータ駆動システムであって、
パワーＭＯＳＦＥＴとパルストランスを用いたゲートドライブ回路とを夫々備えた複数の半導体スイッチにより、該複数の巻線の相内結線パターンを直列接続又は並列接続に切替え、且つ、相間結線パターンをスター結線又はデルタ結線に切替える巻線切替回路と、
採用されるステータ巻線結線パターンに応じて該複数の半導体スイッチにオン／オフ制御信号を供給する切替制御装置と、
ステータ巻線結線パターンを決定して該切替制御装置を制御するとともに、インバータを備え該ステータ巻線に多相交流電力が供給されるように該インバータを制御する駆動制御装置と、
を具備するモータ駆動システム。
【請求項２】
該巻線切替回路を搭載する電子基板が該モータに内蔵されている、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
該モータからは三相同期モータに対応した３本の取出し線のみが外部に出されている、請求項２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
該駆動制御装置は、該ステータ巻線結線パターンの切替え並びに該切替えのタイミング及びシーケンスについての指令を受け付けるように構成されている、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
該切替制御装置は、順次、電流が流れていないか又は最小限に抑えられている相に対応する半導体スイッチをターンオン又はターンオフさせていくことにより、目標とするステータ巻線結線パターンへの切替えを実現する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１９９９８４（Ｐ２０１１−１９９９８４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６２４９３（Ｐ２０１０−６２４９３）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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