JP3669049B2

JP3669049B2 - 直流電動機の駆動制御装置

Info

Publication number: JP3669049B2
Application number: JP12840096A
Authority: JP
Inventors: 浩太大年
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2016-05-23
Also published as: JPH09312904A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流電動機の駆動制御装置に係り、詳しくは、回生制動に特長を有する直流電動機の駆動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バッテリフォークリフト等のバッテリ式電気車に用いられる直流電動機では、省電力のために回生制動が採用されている。バッテリ式電気車の走行用駆動輪の駆動に用いられる直流電動機の回生制動を行う駆動制御回路として図３に示すものが提案されている（例えば、特開平７−４６７０７号公報）。
【０００３】
バッテリ３１の両端子間には、回生用コンタクタ３２、直流電動機（以下、単に電動機と称す）３３の電機子３３ａ、前進用コンタクタ３４、後進用コンタクタ３５、電動機３３の界磁コイル３３ｂ、メイントランジスタ３６が直列に接続されている。また、前進及び後進用コンタクタ３４，３５とバッテリ３１のプラス端子との間には、フライホイールダイオード３７，３８が接続されている。そして、バッテリ３１のマイナス端子は接地され、そのマイナス端子と回生用コンタクタ３２との間には回生用ダイオード３９が接続されている。さらに、バッテリ３１のプラス端子と前進及び後進用コンタクタ３４，３５との間には、予備励磁用トランジスタ４０と予備励磁用抵抗４１とが直列に接続されている。
【０００４】
各トランジスタ３６，４０のベースは制御装置４２内に設けられた各ドライブ回路４２ａ，４２ｂに接続されている。各ドライブ回路４２ａ，４２ｂは、同じく制御装置４２内に設けられたＣＰＵ４２ｃによって制御される。
【０００５】
回生用コンタクタ３２は励磁コイル３２ａと接点３２ｂとから構成され、その投入（図示実線）・離落（図示鎖線）は、制御装置４２による励磁コイル３２ａへの通電制御によりなされる。また、前進及び後進用コンタクタ３４，３５の投入・離落は、制御装置４２によって各コンタクタ３４，３５の励磁コイル（図示略）への通電制御によりなされる。そして、前進及び後進用コンタクタ３４，３５の相補的な切り換え動作に基づいて、界磁コイル３３ｂに流れる界磁電流の方向が変わって電動機３３が正逆転することにより、電気車が前後進するようになっている。
【０００６】
例えば、電気車が回生可能な所定速度以上で前進走行中にブレーキング動作が行われると、制御装置４２は回生制動を行う。回生制動時には回生用コンタクタ３２がオフ位置（図示鎖線）に、前進及び後進用コンタクタ３４，３５が後進位置（図示実線）にそれぞれ切り換えられる。即ち、界磁コイル３３ｂの配線が力行時と逆に切り換えられる。そして、先ず予備励磁用トランジスタ４０が一定時間オン状態に保持されて予備励磁が行われる。この状態では実線の矢印で示すように、バッテリ３１のプラス端子から、予備励磁用トランジスタ４０、予備励磁用抵抗４１、後進用コンタクタ３５、界磁コイル３３ｂ、前進用コンタクタ３４、メイントランジスタ３６を経由して、バッテリ３１のマイナス端子へ予備励磁電流Ｉ1 が流れ、電機子３３ａに矢印ＶA 方向に起電力ＶA が発生する。
【０００７】
起電力ＶA がある値以上になると、予備励磁電流Ｉ1 に加えて回生ダイオード３９を通る回生電流Ｉ2 （鎖線で図示）が流れはじめる。この回生電流Ｉ2 によって界磁コイル３３ｂに流れる界磁電流（予備励磁電流Ｉ1 及び回生電流Ｉ2 の和）が増加し、起電力ＶA が増加する。すると、起電力ＶA の増加に伴って回生電流Ｉ2 はさらに増加することになる。そして、回生電流Ｉ2 がある程度以上大きくなった時点で、制御装置４２は予備励磁用トランジスタ４０をオフさせる。すると、予備励磁電流Ｉ1 は流れなくなるが、回生電流Ｉ2 は流れ続けようとする。
【０００８】
この状態で、制御装置４２はメイントランジスタ３６をオフさせる。すると、界磁コイル３３ｂからメイントランジスタ３６のコレクタへ流れ込んでいた予備励磁電流Ｉ2 は、フライホイールダイオード３８へと流れだす。即ち、電機子３３ａの起電力ＶA と界磁コイル３３ｂのインダクタンスで蓄えられた磁気エネルギーとにより、電機子３３ａの前進及び後進用コンタクタ３４，３５側から、後進用コンタクタ３５、界磁コイル３３ｂ、前進用コンタクタ３４、フライホイールダイオード３８、バッテリ３１、回生用ダイオード３９を経由して、電機子３３ａの回生用コンタクタ３２側へ回生電流Ｉ3 （破線で図示）が流れる。従って、電動機３３によって発電された電力がバッテリ３１に回生されるためバッテリ３１は充電され、電動機３３にはその電力分の制動（即ち、回生制動）がかかる。
【０００９】
そして、電気車の走行速度が回生可能速度より小さくなると回生用コンタクタ３２が投入されてオンになり、プラギング制動に移行される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回生制動を行う制御回路では、回生制動に移行する際に予備励磁が必要となり、予備励磁用トランジスタ４０及び予備励磁用抵抗４１が必要となる。また、予備励磁を行うためには前進及び後進用コンタクタ３４，３５の接続を、前進用の接続状態から後進用の接続状態あるいは後進用の接続状態から前進用の接続状態に切り換えた後、予備励磁を行う必要がある。さらに、予備励磁から回生制動に移行するためには電機子３３ａを流れる回生電流Ｉ2 がある値以上になったことを確認する等、所定の手順で予備励磁用トランジスタ４０及びメイントランジスタ３６をオン、オフ制御するため回生制動の制御が複雑になるという問題がある。
【００１１】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は回生制動を行う場合に予備励磁を不要として、回路構成及び制御を簡単にすることができる直流電動機の駆動制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、直流電源からバッテリ式電気自動車の走行用電動機である直流電動機に供給される電流を制御する第１の制御手段と、前記直流電動機の界磁コイルを電機子と直列状態で直流電源に接続する第１の状態と、電機子と並列状態で直流電源に接続する第２の状態とに切り換える切換手段と、回生制動時に前記切換手段を第１の状態から第２の状態に作動させる第２の制御手段とを備えた直流電動機の駆動制御装置であって、前記界磁コイルはその励磁方向を切り換えるコンタクタを介して前記電機子に接続され、回生制動時に前記直流電動機の回転速度が回生可能な速度より低下した場合、前記第１の制御手段は前記界磁コイルの励磁方向を逆転させる状態に前記コンタクタを切り換え、前記第２の制御手段は前記切換手段を第１の状態に切り換えてプラギング制動に移行する。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、回生制動時に制動力を調整するため前記界磁コイルに流れる電流量を制御する回生時制御手段を設けた。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記回生時制御手段はスイッチング素子のチョッパ制御により前記電流量を制御する。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記スイッチング素子は前記界磁コイルと前記直流電源のマイナス端子との間に接続されるとともに第１の制御手段によっても制御可能に構成され、前記電機子と直流電源のマイナス端子との間には電機子側へのみ電流が流れるのを許容する回生用ダイオードが接続され、前記界磁コイルと直流電源のプラス端子との間には直流電源のプラス端子側へのみ電流が流れるのを許容するダイオードが接続されている。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記バッテリ式電気自動車はバッテリフォークリフトである。
【００１６】
各請求項に記載の発明では、直流電源から直流電動機に供給される電流が第１の制御手段により制御される。直流電動機の界磁コイルは、第２の制御手段により作動される切換手段により、電機子と直列状態で直流電源に接続される第１の状態と、電機子と並列状態で直流電源に接続される第２の状態とに切り換えられる。力行時には界磁コイルと電機子とが直列状態に接続されて、直巻電動機として作動する。回生制動時には界磁コイルは電機子と並列状態で直流電源に接続され、分巻電動機のように作動する。分巻電動機は一定の低速で回転しようとし、それより高速で回転している電機子の起電力との差の分が回生電力となる。即ち、回生制動が可能な速度以上での力行状態において、界磁コイルの接続状態を第１の状態から第２の状態に切り換えるだけで、予備励磁なしに回生制動が行われる。また、コンタクタの切り換えで界磁コイルの励磁方向が切り換えられ、前記電機子の回転方向が逆転される。さらに、直流電動機はバッテリ式電気自動車の走行用電動機として使用される。
【００１７】
請求項２に記載の発明では、回生時制御手段により回生制動時に界磁コイルに流れる電流量が制御され、その制動力が調整される。
請求項３に記載の発明では、回生時制御手段によりスイッチング素子がチョッパ制御され、界磁コイルに流れる電流量が制御される。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、回生制動時に直流電源のマイナス端子から回生用ダイオード、電機子、切換手段、界磁コイル、ダイオードを介して直流電源のプラス端子側へ回生電流が流れる。そして、界磁コイルと直流電源のマイナス端子との間に接続されたスイッチング素子がチョッパ制御され、制動力が調整される。スイッチング素子は力行時には第１の制御手段によってチョッパ制御され、直流電動機に供給される電流が制御される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をバッテリ式電気自動車の走行用モータに用いられる直流電動機の駆動制御回路に具体化した一実施の形態を図１及び図２に従って説明する。
【００２１】
直流電源としてのバッテリ１の両端子間には、直流電動機（以下、単に電動機と称す）２の電機子２ａ、切換手段としてのコンタクタ３、前進用（正転用）コンタクタ４、後進用（逆転用）コンタクタ５、電動機２の界磁コイル２ｂ、メイントランジスタ６が直列に接続されている。メイントランジスタ６にはＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が使用され、そのドレインが前進及び後進用コンタクタ４，５と、ソースがバッテリ１のマイナス端子とそれぞれ接続されている。
【００２２】
コンタクタ３は電機子２ａと界磁コイル２ｂとを直列状態でバッテリ１に接続する第１の状態（図１の状態）と、界磁コイル２ｂを電機子２ａと並列状態でバッテリ１に接続する第２の状態（図２の状態）とに切り換え可能となっている。前進及び後進用コンタクタ４，５とメイントランジスタ６との中間点と、バッテリ１のプラス端子との間にはフライホイールダイオード７が接続されている。また、電機子２ａと並列にフライホイールダイオード８が接続されている。バッテリ１のマイナス端子は接地され、そのマイナス端子と電機子２ａとの間には回生用ダイオード９が接続されている。
【００２３】
メイントランジスタ６のゲートは第１の制御手段、第２の制御手段及び回生時制御手段としての制御装置１０内に設けられたドライブ回路１０ａに接続されている。ドライブ回路１０ａは制御装置１０内に設けられたＣＰＵ（中央処理装置）１０ｂによって制御される。メイントランジスタ６は電動機２に供給される電流量を制御するスイッチング素子と、回生制動時に界磁コイル２ｂに流れる電流量を制御するスイッチング素子の役割を果たす。
【００２４】
コンタクタ３は図示しない励磁コイルを備え、制御装置１０によるその励磁コイルへの通電制御により、第１の状態と第２の状態とに切り換え作動される。前進及び後進用コンタクタ４，５もそれぞれ図示しない励磁コイルを備え、制御装置１０による各励磁コイルへの通電制御により、その接続状態が図１及び図２に実線で示す前進状態と、鎖線で示す後進状態とに切り換えられるようになっている。そして、前進及び後進用コンタクタ４，５の相補的な切り換え動作に基づいて、界磁コイル２ｂに流れる界磁電流の方向が変更されて電動機２の回転方向が変更されるようになっている。
【００２５】
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。電気車の走行時（電動機２の力行時）、即ち走行用レバー（図示せず）が走行位置に操作されると、コンタクタ３が図１に示す第１の状態に配置され、電機子２ａと界磁コイル２ｂとが直列に接続された状態となる。また、走行用レバーの前進操作あるいは後進操作に基づいて、前進及び後進用コンタクタ４，５が実線で示す前進位置あるいは鎖線で示す後進位置に配置される。そして、制御装置１０によりメイントランジスタ６が目標速度に対応する所定のデューティ比でチョッパ制御され、メイントランジスタ６のスイッチング動作に従ってバッテリ１から電動機２に電流が供給されて電動機２の回転速度即ち電気車の車速が制御される。
【００２６】
電気車が回生可能な速度以上で前進走行中にブレーキング動作が行われると、回生制動が行われる。回生制動時には図２に示すように、コンタクタ３が第２の状態即ち界磁コイル２ｂを電気子２ａと並列にバッテリ１に接続する状態に切り換えられる。コンタクタ３が第１の状態から第２の状態に切り換えられると、バッテリ１から電機子２ａへの電流の供給が停止され、界磁コイル２ｂにはバッテリ１のプラス端子から直接電流が供給可能な状態となる。この状態でメイントランジスタ６がオンになると、コンタクタ３から界磁コイル２ｂを経てメイントランジスタ６に電流が流れる状態となる。
【００２７】
バッテリ１から電機子２ａへの電流の供給が停止されても電機子２ａは回生可能な速度で回転しており、電機子２ａには逆起電力ＶA が図２の矢印ＶA 方向に発生する。また、コンタクタ３が第２の状態に配置された状態では界磁コイル２ｂは電機子２ａに対して分巻電動機と同様な接続状態となり、メイントランジスタ６がオンの状態では回生可能な速度より低速の一定速度で電機子２ａを回転させようとする。そして、その差の分がバッテリ１に回生され、電動機２にはその電力分の制動（即ち回生制動）がかかる。電機子２ａの起電力ＶA により生じる回生電流Ｉ3 はメイントランジスタ６がオフの状態では図２に鎖線の矢印で示すように、バッテリ１のマイナス端子→回生用ダイオード９→電機子２ａ→バッテリ１のプラスス端子と流れる。一方、界磁コイル２ｂを流れていた電流は後進用コンタクタ５→フライホイールダイオード７→コンタクタ３→前進用コンタクタ４→界磁コイル２ｂと流れる。また、メイントランジスタ６がＯＮの状態では破線で示すように、電機子２ａのバッテリ１のプラス端子側から、コンタクタ３→前進用コンタクタ４→界磁コイル２ｂ→後進用コンタクタ５→メイントランジスタ６→回生用ダイオード９→電機子２ａへと流れる。
【００２８】
メイントランジスタ６が制御装置１０によりスイッチング制御され、そのデューティ比を変更することにより制動力が調整される。電動機２の回転速度が低くなると電機子２ａの起電力ＶA が低下し、バッテリ１への回生電流（回生電力）が小さくなり、回生制動の制動トルクが小さくなる。そして、電機子２ａの起電力ＶA がバッテリ１の電圧より低くなると回生電流は流れなくなり、回生制動作用がなくなる。そこで、電動機２の回転速度が所定の速度まで低下すると、回生制動からプラギング制動に切り換えられる。
【００２９】
即ち、電動機２の回転速度が回生可能な速度より低速の所定の速度まで低下すると、制御装置１０はメイントランジスタ６をオフとし、前進及び後進用コンタクタ４，５を実線で示す前進位置から鎖線で示す後進位置に切り換える。その状態でメイントランジスタ６がオンになると、バッテリ１のプラス端子から電機子２ａ、コンタクタ３、後進用コンタクタ５、界磁コイル２ｂ、前進用コンタクタ４及びメイントランジスタ６を経てバッテリ１のマイナス端子へ電流が流れる。即ち、界磁コイル２ｂには電動機２を逆転させる方向の界磁電流が流れるため、電動機２は逆転しようとし、電動機２にはその分だけ制動（プラギング制動）がかかる。
【００３０】
この実施の形態では次の効果を有する。
（イ）回生制動に移行する場合に予備励磁が不要となり、従来装置で必要だった予備励磁用トランジスタ及び予備励磁用抵抗が不要となって制御回路の構成が簡単となる。
【００３１】
（ロ）回生制動に移行する場合に予備励磁が不要となり、コンタクタ３を力行状態（第１の状態）から回生状態（第２の状態）に切り換えることにより界磁コイルの配線を切り換えることなく直ちに回生制動に移行できる。また、予備励磁のための制御や予備励磁状態から回生状態への移行のための制御が不要となり、回生制動を行うための制御が簡単となる。
【００３２】
（ハ）回生制動時に制御装置１０（回生時制御手段）により界磁コイル２ｂに流れる電流量の制御が可能なため、回生制動の制動力を調整できる。
（ニ）制御装置１０（回生時制御手）はメイントランジスタ６（スイッチング素子）のチョッパ制御により前記電流量を制御するため、アナログ制御に比較して制御が容易となる。
【００３３】
（ホ）力行時に電動機２に流れる電流の制御に使用されるメイントランジスタ６が、回生制動時に界磁コイル２ｂに流れる電流量の制御を行うスイッチング素子として使用されるため、回生制動時用のスイッチング素子を新たに設ける必要がない。
【００３４】
（ヘ）界磁コイル２ｂはその励磁方向を切り換える前進用コンタクタ４及び後進用コンタクタ５を介して電機子２ａに接続されているため、回生制動による制動力が不十分になったとき、両コンタクタ４、５の接続状態を切り換えることによりプラギング制動に移行できる。
【００３５】
（ト）バッテリ式電気自動車に適用した場合、ブレーキング操作が行われると直ちに回生制動に移行できるため、制動フィーリングが良くなる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば次のように具体化してもよい。
【００３６】
（１）バッテリ電気自動車の走行用モータに限らず、回生制動を行う直流電動機を使用する機器に適用する。
（２）逆転が不要な機器に適用する場合は、界磁コイル２ｂの励磁方向を切り換える切換手段としての前進用及び後進用コンタクタ４、５は不要となる。この場合、プラギング制動ができなくなるため、機械的な制動装置（摩擦ブレーキ）を設け、回生制動の作用が低下した段階で摩擦ブレーキを作動させて電動機２を完全停止させる。
【００３７】
（３）回生制動中にメイントランジスタ６をチョッパ制御せずにオン状態あるいはオフ状態に保持してもよい。
（４）回生制動時に界磁コイル２ｂに流れる電流量を制御するスイッチング素子を力行時に電動機２に流れる電流を制御するメイントランジスタ６と別に設けてもよい。
【００３８】
（５）コンタクタ３を第１の状態と第２の状態とに励磁コイルの励消磁で切り換え作動される構成に代えて、制動レバー（制動操作部材）と連動して機械的に第１の状態と第２の状態とに切り換え作動される構成としてもよい。この場合、制動レバーが第２の制御手段を構成する。
【００３９】
（６）メイントランジスタ６をＭＯＳトランジスタ以外のトランジスタ、例えばＳＩＴ（静電誘導トランジスタ）やバイポーラトランジスタ、あるいはサイリスタ等の他のスイッチング素子に置き換える。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように各請求項に記載の発明によれば、回生制動を行う場合に予備励磁が不要となり、回路構成及び制御が簡単になる。また、界磁コイルはその励磁方向を切り換えるコンタクタを介して電機子に接続されているため、回生制動による制動力が不十分になったとき、コンタクタの接続状態を切り換えることによりプラギング制動に移行できる。また、機械的な制動装置がなくても電動機を早期に完全に停止させることができる。さらに、ブレーキング操作が行われると直ちに回生制動に移行できるため、制動フィーリングが良くなる。
【００４２】
請求項２に記載の発明では、回生制動時の制動力を調整できる。
請求項３に記載の発明では、アナログ制御に比較して制御が容易となる。
請求項４に記載の発明では、力行時に電動機に流れる電流の制御に使用されるスイッチング素子が、回生制動時に界磁コイルに流れる電流量の制御を行うスイッチング素子として使用されるため、回生制動時用のスイッチング素子を新たに設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の直流電動機の制御回路図。
【図２】同じく回生制動時の制御回路図。
【図３】従来例の直流電動機の制御回路図。
【符号の説明】
１…直流電源としてのバッテリ、２…直流電動機、２ａ…電機子、２ｂ…界磁コイル、３…切換手段としてのコンタクタ、４…前進用コンタクタ、５…後進用コンタクタ、６…スイッチング素子としてのメイントランジスタ、７、８…フライホイールダイオード、９…回生用ダイオード、１０…第１の制御手段，第２の制御手段及び回生時制御手段としての制御装置。

Claims

直流電源からバッテリ式電気自動車の走行用電動機である直流電動機に供給される電流を制御する第１の制御手段と、
前記直流電動機の界磁コイルを電機子と直列状態で直流電源に接続する第１の状態と、電機子と並列状態で直流電源に接続する第２の状態とに切り換える切換手段と、
回生制動時に前記切換手段を第１の状態から第２の状態に作動させる第２の制御手段とを備えた直流電動機の駆動制御装置であって、
前記界磁コイルはその励磁方向を切り換えるコンタクタを介して前記電機子に接続され、
回生制動時に前記直流電動機の回転速度が回生可能な速度より低下した場合、前記第１の制御手段は前記界磁コイルの励磁方向を逆転させる状態に前記コンタクタを切り換え、前記第２の制御手段は前記切換手段を第１の状態に切り換えてプラギング制動に移行する直流電動機の駆動制御装置。
回生制動時に制動力を調整するため前記界磁コイルに流れる電流量を制御する回生時制御手段を設けた請求項１に記載の直流電動機の駆動制御装置。
前記回生時制御手段はスイッチング素子のチョッパ制御により前記電流量を制御する請求項２に記載の直流電動機の駆動制御装置。
前記スイッチング素子は前記界磁コイルと前記直流電源のマイナス端子との間に接続されるとともに第１の制御手段によっても制御可能に構成され、前記電機子と直流電源のマイナス端子との間には電機子側へのみ電流が流れるのを許容する回生用ダイオードが接続され、前記界磁コイルと直流電源のプラス端子との間には直流電源のプラス端子側へのみ電流が流れるのを許容するダイオードが接続されている請求項３に記載の直流電動機の駆動制御装置。
前記バッテリ式電気自動車はバッテリフォークリフトである請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の直流電動機の駆動制御装置。