[go: up one dir, main page]

JP2011199984A - Motor driving system - Google Patents

Motor driving system Download PDF

Info

Publication number
JP2011199984A
JP2011199984A JP2010062493A JP2010062493A JP2011199984A JP 2011199984 A JP2011199984 A JP 2011199984A JP 2010062493 A JP2010062493 A JP 2010062493A JP 2010062493 A JP2010062493 A JP 2010062493A JP 2011199984 A JP2011199984 A JP 2011199984A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
switching
motor
connection
stator winding
connection pattern
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010062493A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fumihiko Fukushima
文彦 福島
Yuta Watanabe
雄太 渡邉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Institute of Technology NUC filed Critical Tokyo Institute of Technology NUC
Priority to JP2010062493A priority Critical patent/JP2011199984A/en
Publication of JP2011199984A publication Critical patent/JP2011199984A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

【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。
【選択図】図3
Provided is a motor drive system having a wide operation area, realizing high-efficiency operation in each operation area, and realizing miniaturization.
A drive system of a winding switching motor includes a plurality of semiconductor switches each having a power MOSFET and a gate drive circuit using a pulse transformer, and the in-phase connection patterns of the plurality of windings are connected in series or in parallel. Switching control for switching to connection and switching the interphase connection pattern to star connection or delta connection, and switching control for supplying on / off control signals to the plurality of semiconductor switches in accordance with the stator winding connection pattern employed And a drive control device that determines the stator winding connection pattern and controls the switching control device, and includes an inverter and controls the inverter so that multiphase AC power is supplied to the stator winding. It has.
[Selection] Figure 3

Description

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。   The present invention relates to a motor drive system including a motor that can be operated by switching connection patterns of a plurality of windings constituting a stator winding.

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。   In conventional manufacturing methods for motors, the wire diameter, number of turns, connection method (delta connection or star connection), etc. are determined according to the required torque or rotational speed, supplied voltage or current, etc. The lead wires at the beginning and end of each phase of the three-phase alternating current are physically connected by terminal terminals or the like. Therefore, it was difficult to change the structure later.

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。   On the other hand, the following Patent Documents 1 to 4 take out the lead wires at the beginning and end of each phase (and intermediate lead wires) to the outside of the motor, and switch to star connection or delta connection with a switch, We propose a technology that provides an inverter motor that can be operated at both low and high speeds without increasing the size of the motor by realizing a structure that switches multiple windings in the phase to series connection or parallel connection. ing.

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。   On the other hand, a drive system such as a robot requires a wider speed and torque adjustment range in order to apply to a wide range of load conditions. For example, as shown in FIG. 1, in a crawler vehicle, low speed and high torque are required when moving up and down stairs, medium speed and medium torque are required when traveling on rough ground, and high speed and low torque are required when traveling on flat ground. . In the walking machine, the support leg requires a low speed and a high torque, and the free leg requires a medium speed and a medium torque or a high speed and a low torque.

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。   The conventional motor technology alone cannot cover the entire operating range of torque and speed required in a drive system such as a robot. In addition, in the application of a motor to a drive system such as a robot, in addition to the expansion of the operation area, downsizing is also required.

特開2006−148999号公報JP 2006-148999 A 特開2008−182783号公報JP 2008-182783 A 特開2008−178207号公報JP 2008-178207 A 特開2008−160920号公報JP 2008-160920 A

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。   The present invention has been made in view of the above-described background, and its purpose is to have a wide operating range of low speed and high torque, medium speed and medium torque, and high speed and low torque. The object is to provide a motor drive system that realizes high-efficiency operation and miniaturization. The prior art for realizing a wide speed and torque adjustment range in the drive system and the object and positioning of the present invention are shown in FIG.

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。   In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a motor drive system including a motor operable by switching a connection pattern of a plurality of windings constituting a stator winding, using a power MOSFET and a pulse transformer. Winding switching that switches the internal connection pattern of the multiple windings to series connection or parallel connection, and switches the interphase connection pattern to star connection or delta connection, using multiple semiconductor switches each equipped with a gate drive circuit. A circuit, a switching control device for supplying an on / off control signal to the plurality of semiconductor switches according to the employed stator winding connection pattern, and controlling the switching control device by determining a stator winding connection pattern A drive control device that includes an inverter and controls the inverter so that multi-phase AC power is supplied to the stator winding; A motor drive system for Bei is provided.

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。   In one preferred embodiment, an electronic board on which the winding switching circuit is mounted is built in the motor. Only three lead wires corresponding to the three-phase synchronous motor are led out from the motor.

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。   Moreover, in one suitable aspect, this drive control apparatus is comprised so that the instruction | command regarding the switching of this stator winding connection pattern and the timing and sequence of this switching may be received.

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。   Also, in one preferred aspect, the switching control device aims at a target by sequentially turning on or off a semiconductor switch corresponding to a phase in which no current flows or is minimized. Switch to the stator winding connection pattern.

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。   According to the present invention, since the winding switching circuit is configured by a plurality of semiconductor switches each having a power MOSFET and a gate drive circuit using a pulse transformer, the device configuration for switching the winding is greatly reduced in size. Can be built into the motor. In addition, the adoption of a semiconductor switch makes it possible to switch the stator winding connection pattern during operation. In addition, by sequentially turning on or off the semiconductor switch corresponding to the phase where current is not flowing or minimized, switching to the target stator winding connection pattern is realized. Variations in speed and torque over time can be minimized.

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。It is a figure which shows the speed and torque characteristic requested | required with drive systems, such as a robot. 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。It is a figure which shows the objective and positioning of the prior art for implement | achieving the adjustment range of a wide speed and torque in a drive system, and this invention. 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。It is a block diagram showing one embodiment of a motor drive system by the present invention. 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。FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of a stator winding and a winding switching circuit in FIG. 3 in a form that is easier to understand. 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。It is a figure which shows the ON or OFF state of each semiconductor switch for implement | achieving various connection patterns in FIG. 半導体スイッチの一構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one structural example of a semiconductor switch. 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。It is a wave form diagram which shows the voltage induced by the on / off control signal and pulse transformer secondary side which are supplied to a semiconductor switch. モータの発電電圧特性を例示する図である。It is a figure which illustrates the generated voltage characteristic of a motor. モータの回転数特性を例示する図である。It is a figure which illustrates the rotation speed characteristic of a motor.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of a motor drive system according to the present invention. As shown in FIG. 3, the motor drive system includes a stator winding 10 of the motor, a winding switching circuit 20, a switching control device 30, and a drive control device 40.

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。   The stator winding 10 has six unit windings (coils), namely, U1-U2 winding, U3-U4 winding, V1-V2 winding, V3-V4 winding, W1-W2 winding, and W3. -Includes W4 winding. The winding switching circuit 20 includes 15 semiconductor switches, that is, SU1, SU2,..., SU5, SV1, SV2,..., SV5, SW1, SW2,. The connection pattern of a plurality of unit windings can be switched.

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。   FIG. 4 is a circuit diagram showing the circuit configurations of the stator winding 10 and the winding switching circuit 20 in an easily understandable form, and FIG. 5 shows each semiconductor switch for realizing various connection patterns in FIG. It is a figure which shows an ON or OFF state. For example, the switch SU2 is turned on and the switches SU1 and SU3 are turned off in order to set the connection pattern in the U phase in series with the U1-U2 winding and the U3-U4 winding. On the other hand, in order to achieve parallel connection, the switches SU1 and SU3 are turned on and the switch SU2 is turned off. The same applies to the connection pattern in the V phase and the connection pattern in the W phase.

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。   Further, regarding the interphase connection of the U-phase winding, the V-phase winding, and the W-phase winding, when the star (Y) connection is used, the switch SU4 is turned on and the switch SU5 is turned off in the U phase. Is done. The same applies to the V phase and the W phase. On the other hand, in the case of delta (Δ) connection, in the U phase, the switch SU5 is turned on and the switch SU4 is turned off. The same applies to the V phase and the W phase. Thus, as shown in FIG. 5, by controlling the on / off state of each semiconductor switch, a star (Y) connection / series type, a delta (Δ) connection / series type, a star (Y) connection / parallel type , And delta (Δ) connection / parallel type four stator winding structures are realized.

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。   Returning to FIG. 3, the switching control device 30 is configured to switch the semiconductor switches SU1,..., SU5, SV1,..., SV5, SW1,. For each, the on / off control signal shown in FIG. 5 is supplied.

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。   The drive control device 40 includes a central processing unit (CPU) 42 and an inverter 44. The CPU 42 determines the connection pattern of the stator winding 10 based on the command from the host device, the operation status, etc., and sends the command to the switching control device 30. Further, the CPU 42 controls the inverter 44 so that predetermined three-phase AC power is supplied to the stator winding 10. Under the control, the inverter 44 converts DC power from an external DC power source into three-phase AC power, and supplies the three-phase AC power to the stator winding 10 via the terminals U1, V1, and W1.

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。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of each of the semiconductor switches SU1,..., SW5. As shown in FIG. 6, the semiconductor switch includes power MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) Q2 and Q3 and a gate drive circuit using a pulse transformer T1. The primary winding of the pulse transformer T1 is connected to a circuit including on / off control signal input terminals 22 and 24, a DC cut capacitor C1, and a resistor R1.

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。   The secondary winding of the pulse transformer T1 includes Zener diodes D1 and D2 for threshold voltage, power MOSFETs Q1A and Q1B for preventing reverse current, and power MOSFETs Q2 and Q3 as bidirectional AC switching devices. , And a circuit including output-side terminals 26 and 28 of the semiconductor switch. In addition, the symbol of the diode described in Q1A, Q1B, Q2, and Q3 so as to be connected in parallel to the symbol of the enhancement type N-channel MOSFET represents a diode inherently included in the power MOSFET.

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。   FIG. 7 is a waveform diagram showing the on / off control signal Vin supplied to the semiconductor switch and the voltage Vout induced in the secondary winding of the pulse transformer T1. When the semiconductor switch is turned on, a positive pulse of several hundred nanoseconds to several microseconds is supplied between the terminals 22 and 24. Since T1 is a positive phase transformer, a positive pulse voltage is also induced in the secondary winding of T1. Due to this induced voltage, current flows from one end of the secondary winding of T1 (the upper end in FIG. 6) to each gate of Q2 and Q3 via D1 and the internal diode of Q1B. Further, current flows from the sources of Q2 and Q3 to the other end of the secondary winding of T1 (the lower end in FIG. 6) via the drain-source channel of D1A and D2.

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。   Thus, since charge is stored in the gate-to-source capacitance of each of Q2 and Q3, Q2 and Q3 are turned on. As a result, current flows from the terminal 26 to the terminal 28 via the drain-source channel of Q2 and the internal diode of Q3, and also from the terminal 28 to the drain-source channel of Q3 and the internal diode of Q2. It is also allowed for current to flow to terminal 26 via. That is, the on state of the bidirectional switch is realized. Then, in consideration of a decrease in the accumulated charge, a positive pulse is repeatedly supplied between the terminals 22 and 24 with a period of several seconds to several minutes in order to maintain (refresh) the on state of Q2 and Q3.

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。   On the other hand, when the semiconductor switch is turned off, a negative pulse of several hundred nanoseconds to several microseconds is supplied between the terminals 22 and 24. Since T1 is a positive phase transformer, a negative pulse voltage is also induced in the secondary winding of T1. With this induced voltage, a current flows from the gates of Q2 and Q3 to one end (the upper end in FIG. 6) of the secondary winding of T1 via the drain-source channel of D1B and D1. . Also, current flows from the other end of the secondary winding of T1 (the lower end in FIG. 6) to each source of Q2 and Q3 via D2 and the internal diode of Q1A.

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。   Thus, since the gate-to-source capacitance of each of Q2 and Q3 is released, Q2 and Q3 are turned off. As a result, the flow of current from the terminal 26 to the terminal 28 and the flow of current from the terminal 28 to the terminal 26 are prohibited. That is, the bidirectional switch is turned off. In order to maintain (refresh) the off-states of Q2 and Q3, negative pulses are repeatedly supplied between the terminals 22 and 24 with a period of several seconds to several minutes.

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。 As shown in FIG. 7, when the positive pulse of the on / off control signal Vin falls, a negative voltage −V 1 appears in the secondary side voltage Vout of the pulse transformer T1. In addition, the positive voltage + V 1 appears in the secondary side voltage Vout of the pulse transformer T1 even when the negative pulse of the on / off control signal Vin falls. In order to prevent unintended turn-off or turn-on of Q2 and Q3 due to these voltages, threshold voltage Zener diodes D1 and D2 are inserted.

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。   Since the semiconductor switch shown in FIG. 6 does not have a mechanical contact, the winding switching circuit 20 realizes a winding switching device that is greatly reduced in size. In the present embodiment, an electronic board on which the winding switching circuit 20 is mounted is built in the motor. From the motor, only three lead lines U1, V1, and W1 (FIG. 3) corresponding to the three-phase synchronous motor are extended to the outside.

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。   Further, by adopting the semiconductor switch shown in FIG. 6, the connection pattern of the stator winding 10 can be switched during motor operation. The CPU 42 is configured to receive a command for switching the connection pattern of the stator winding 10 and the timing and sequence of the switching from the host device. When the CPU 42 determines the switching of the connection pattern of the stator winding 10, the CPU 42 notifies the switching control device 30 to that effect.

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。   In response to this, the switching control device 30 sequentially turns on or off the semiconductor switches corresponding to the phases in which the current is not flowing or minimized under the 120-degree energization method in the inverter 44. By doing so, switching to the target stator winding connection pattern is realized.

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。   That is, the switching control device 30 first switches the U-phase semiconductor switches SU1,..., SU5, then switches the V-phase semiconductor switches SV1,. Further, the wiring patterns are sequentially switched such that the W-phase semiconductor switches SW1,..., SW5 are switched with a 120 ° delay in electrical angle. By such a switching procedure and current control, fluctuations in speed and torque during connection pattern switching are suppressed to a minimum.

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。   FIG. 8 is a diagram illustrating the generated voltage characteristics of the motor according to this embodiment, and FIG. 9 is a diagram illustrating the rotational speed characteristics of the motor. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the stator winding connection pattern, that is, delta (Δ) connection / parallel type, star (Y) connection / parallel type, delta (Δ) connection / series type, and star (Y) connection / The series type is shown, and the vertical axis shows the back electromotive force constant. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the supply voltage and the vertical axis indicates the motor speed, with the stator winding connection pattern as a parameter.

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。   In general, the motor torque is proportional to the supply current from the inverter, and the motor speed is proportional to the supply voltage from the inverter. In this embodiment, it is possible to select from four types of motor characteristic patterns. The voltage specification and current specification are reduced. As a result, the drive controller 40 can be significantly reduced in size. In the low-speed and high-torque region, by selecting the star (Y) connection / series type, the voltage applied per winding is reduced, so that the current ripple is reduced and consequently the torque ripple is also reduced.

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。   According to the present embodiment, as described above, since the winding switching device (electronic substrate) can be incorporated into the motor by downsizing, the motor according to the present embodiment is a conventional fixed winding motor of the same type. The increase in volume is small compared to. Further, the three lead-out lines U1, V1, and W1 (FIG. 3) correspond to the output lines of the conventional three-phase synchronous motor, so that they can be driven by a conventional driving device. Further, instead of the semiconductor switch (electronic switch), a conventional fixed winding motor can be configured by configuring a circuit with jumper wires. Furthermore, the wiring connecting the motor and the drive control device can be made thin, and the wiring can be easily performed.

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。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, of course, this invention is not limited to this. For example, in the present embodiment, three-phase alternating current is used for generating a rotating magnetic field, but multiphase alternating current other than three-phase alternating current may be used.

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。   Further, in the semiconductor switch shown in FIG. 6, the bidirectional AC switching devices Q2 and Q3 are configured by enhancement type MOSFETs, but may be configured by depletion type MOSFETs. With such a configuration, even when the switching control device 30 is not functioning, the drain-source channels of Q2 and Q3 are normally on, and the motor windings are short-circuited, that is, the regenerative brake is applied. . That is, when the motor drive system is stopped, the motor can be made difficult to rotate. On the other hand, when the enhancement type MOSFET is used, the drain-source channels of Q2 and Q3 are normally turned off, and the motor can be freely rotated when the motor drive system is stopped. When the motor drive system is stopped, when each switch is normally turned on or normally turned off, it is possible to combine a switch constituted by a depletion type MOSFET and a switch constituted by an enhancement type MOSFET. is there.

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。   The present invention can be used for a wheel / crawler driving actuator of a mobile robot, a robot manipulator, a joint driving actuator of a walking robot, and the like.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Stator winding 20 Winding switching circuit 22, 24 Input terminal 26/28 of on / off control signal Output terminal of semiconductor switch 30 Switching control device 40 Drive control device 42 Central processing unit (CPU)
44 Inverter

Claims (5)

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。
A motor drive system including a motor operable by switching a connection pattern of a plurality of windings constituting a stator winding,
By using a plurality of semiconductor switches each having a power MOSFET and a gate drive circuit using a pulse transformer, the in-phase connection pattern of the plurality of windings is switched to serial connection or parallel connection, and the inter-phase connection pattern is changed to star connection or A winding switching circuit for switching to delta connection;
A switching control device for supplying an on / off control signal to the plurality of semiconductor switches according to a stator winding connection pattern employed;
A drive control device that determines the stator winding connection pattern and controls the switching control device, and includes an inverter and controls the inverter so that multiphase AC power is supplied to the stator winding;
A motor drive system comprising:
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。   The motor drive system according to claim 1, wherein an electronic board on which the winding switching circuit is mounted is built in the motor. 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。   The motor drive system according to claim 2, wherein only three lead wires corresponding to a three-phase synchronous motor are led out from the motor. 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。   2. The motor drive system according to claim 1, wherein the drive control device is configured to receive a command regarding switching of the stator winding connection pattern and timing and sequence of the switching. 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。   The switching controller sequentially turns on or off a semiconductor switch corresponding to a phase in which no current flows or is minimized, thereby switching to a target stator winding connection pattern. The motor drive system according to claim 1, which is realized.
JP2010062493A 2010-03-18 2010-03-18 Motor driving system Pending JP2011199984A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010062493A JP2011199984A (en) 2010-03-18 2010-03-18 Motor driving system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010062493A JP2011199984A (en) 2010-03-18 2010-03-18 Motor driving system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011199984A true JP2011199984A (en) 2011-10-06

Family

ID=44877503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010062493A Pending JP2011199984A (en) 2010-03-18 2010-03-18 Motor driving system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011199984A (en)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013115901A (en) * 2011-11-28 2013-06-10 Denso Corp Turning force generation device
JP2013192374A (en) * 2012-03-14 2013-09-26 Yaskawa Electric Corp Motor drive device and vehicle
WO2013140514A1 (en) * 2012-03-19 2013-09-26 株式会社安川電機 Task robot and robot system
JP2013207919A (en) * 2012-03-28 2013-10-07 Asmo Co Ltd Coil changeover device provided to 3-phase ac electric motor, method of detecting short circuit failures of changeover switching element of coil changeover device provided to 3-phase ac electric motor, and method of detecting open circuit failures of changeover switching element of coil changeover device provided to 3-phase ac electric motor
JP2014054177A (en) * 2012-09-10 2014-03-20 Sandvik Mining & Constr Oy Mining vehicle
JP2016086587A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 シャープ株式会社 Electric motor
JP2016085005A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 シャープ株式会社 Refrigeration cycle equipment
JP2016093132A (en) * 2014-11-14 2016-05-26 株式会社マキタ Electric working machine
WO2016163458A1 (en) * 2015-04-07 2016-10-13 株式会社デンソー Electromotive power-generator device
WO2018078843A1 (en) * 2016-10-31 2018-05-03 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
WO2019026282A1 (en) * 2017-08-04 2019-02-07 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
WO2019030836A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
US20200018534A1 (en) * 2016-10-31 2020-01-16 Mitsubishi Electric Corporation Motor driving device and air conditioner
WO2021007199A1 (en) * 2019-07-08 2021-01-14 Karma Automotive Llc Switched reluctance motor control

Cited By (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013115901A (en) * 2011-11-28 2013-06-10 Denso Corp Turning force generation device
JP2013192374A (en) * 2012-03-14 2013-09-26 Yaskawa Electric Corp Motor drive device and vehicle
WO2013140514A1 (en) * 2012-03-19 2013-09-26 株式会社安川電機 Task robot and robot system
CN104169051A (en) * 2012-03-19 2014-11-26 株式会社安川电机 Task robot and robot system
JP2013207919A (en) * 2012-03-28 2013-10-07 Asmo Co Ltd Coil changeover device provided to 3-phase ac electric motor, method of detecting short circuit failures of changeover switching element of coil changeover device provided to 3-phase ac electric motor, and method of detecting open circuit failures of changeover switching element of coil changeover device provided to 3-phase ac electric motor
JP2014054177A (en) * 2012-09-10 2014-03-20 Sandvik Mining & Constr Oy Mining vehicle
CN103684195A (en) * 2012-09-10 2014-03-26 山特维克矿山工程机械有限公司 Mining vehicle
JP2016086587A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 シャープ株式会社 Electric motor
JP2016085005A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 シャープ株式会社 Refrigeration cycle equipment
US10236739B2 (en) 2014-11-14 2019-03-19 Makita Corporation Electric working machine
JP2016093132A (en) * 2014-11-14 2016-05-26 株式会社マキタ Electric working machine
CN107534409B (en) * 2015-04-07 2020-03-03 株式会社电装 Motor generator device
JP2016201860A (en) * 2015-04-07 2016-12-01 株式会社デンソー Motor generator equipment
WO2016163458A1 (en) * 2015-04-07 2016-10-13 株式会社デンソー Electromotive power-generator device
CN107534409A (en) * 2015-04-07 2018-01-02 株式会社电装 Motor/generator unit
US20200018534A1 (en) * 2016-10-31 2020-01-16 Mitsubishi Electric Corporation Motor driving device and air conditioner
WO2018078843A1 (en) * 2016-10-31 2018-05-03 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
JPWO2018078843A1 (en) * 2016-10-31 2019-06-24 三菱電機株式会社 Motor drive device and air conditioner
CN110073591A (en) * 2016-10-31 2019-07-30 三菱电机株式会社 Motor drive and air conditioner
US11509251B2 (en) 2016-10-31 2022-11-22 Mitsubishi Electric Corporation Motor driving device and air conditioner
CN110073591B (en) * 2016-10-31 2022-08-30 三菱电机株式会社 Motor drive device and air conditioner
CN110892632A (en) * 2017-08-04 2020-03-17 三菱电机株式会社 Motor drive device and air conditioner
EP3664284A4 (en) * 2017-08-04 2020-06-10 Mitsubishi Electric Corporation Electric motor drive device and air conditioner
US11018615B2 (en) 2017-08-04 2021-05-25 Mitsubishi Electric Corporation Motor drive device and air conditioner
WO2019026282A1 (en) * 2017-08-04 2019-02-07 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
JPWO2019026282A1 (en) * 2017-08-04 2019-11-07 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
CN110892632B (en) * 2017-08-04 2023-04-07 三菱电机株式会社 Motor drive device and air conditioner
WO2019030836A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 三菱電機株式会社 Electric motor drive device and air conditioner
US10978981B2 (en) 2017-08-08 2021-04-13 Mitsubishi Electric Corporation Drive apparatus for electric motor and air conditioner
WO2021007199A1 (en) * 2019-07-08 2021-01-14 Karma Automotive Llc Switched reluctance motor control

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2011199984A (en) Motor driving system
JP5837229B2 (en) AC motor generator for vehicles
JP6091632B2 (en) Power converter
JP6272798B2 (en) Motor drive control device and motor drive control method
CN101361260A (en) Motor drive circuit, drive method, motor device, and electronic equipment using the same
JP5606506B2 (en) Drive control device and drive control method
CN101147313A (en) power conversion device
US9614471B2 (en) Motor controller and method for controlling motor
US10840899B2 (en) Motor drive device and electric power steering device
WO2014171930A1 (en) Drive unit employing gallium nitride switches
JP4903214B2 (en) Method and circuit device for controlling semiconductor switch with galvanic isolation
JP4798638B2 (en) Control device for synchronous motor
JP2017103925A (en) Motor drive device and method for controlling motor drive device
US9287807B2 (en) Apparatus and method of decreasing speed of sensorless brush less direct current (BLDC) motor
JP2006149090A (en) Motor drive device with MOS FET, MOS FET, and motor with MOS FET
JP2003348880A (en) Motor control device and control method thereof
US11522485B2 (en) Three-phase motor driving circuit and three-phase motor driving method
JP6119531B2 (en) Rotating electric machine for vehicles
JP2000299996A (en) Reluctance motor drive controller
JP2014057391A (en) Motor control device, and method of controlling the same
JP7567096B2 (en) Motor control device and motor control method
JP6393543B2 (en) Drive device
JP2002369569A (en) Brushless motor drive controller
JP2007288964A (en) Motor driving method and apparatus
JP2014045562A (en) Inverter device