JP2005518776A - 複数の直流モータの制御及び電力供給のための順次パルス幅変調方法及び装置 - Google Patents

Abstract

単一の電源から複数のモータに供給される電力を個別に制御するための制御システムが記載されている。その制御システムに連結したチョッパ回路により、各モータにパルスを順次供給するためのＩＧＢＴスイッチ装置が動作し、駆動パルスが発生する。

Description

本発明は直流モータの制御の分野、より詳細には、複数の直流モータの制御及び電力供給のための順次パルス幅変調の使用方法に関するものである。

本発明は、一般に、直流［ＤＣ］モータ用の電力供給及び制御システムに関するものである。より詳細には、本発明は、正方向及び逆方向の両方向において、連続速度で、複数のＤＣモータに個別に電力を供給し、制御するためのシステムに関するものである。

機関車、船舶、トラック、バン、自動車、農機具、フォークリフト、エレベーター、クレーン、芝刈り機、トリマーの他にボート及びゴルフカートのようなレジャークラフト及び車両を含む様々な用途において、直流モータはその原動力としての役割を果たしてきた。例えば、機関車のような選択された用途において、複数の直流モータが使用されている。

従来技術において、モータと直列に繋いだサイリスタスイッチ装置を含むチョッパ回路を使用することにより、直流直巻モータの速度を制御することは周知である。これは、抵抗制御システムを使用するよりもより効率的な制御方法である。モータ速度の制御は、モータに供給する電圧パルスの幅を変化させることにより、その結果モータに供給される平均電力がモータの動作速度を規定するように達成される。サイリスタとは制御ゲートを備えたある種のダイオードであり、そのゲートがトリガーされている時、それを経て電流が流れる。サイリスタはその逆方向に加えられた電流により転流される。このように、サイリスタは一方向にのみ伝導可能であるダイオードのように有効的に作用するが、その伝導の開始点をゲートに制御パルスを加えることにより制御できる。このように、要求される出力電圧がどの程度かに依存して入力電圧のスイッチをオン、オフすることにより、チョッパ回路はモータ速度を制御する。チョッパのスイッチオンがより長い時は、より高い出力電圧となる。チョッパがスイッチオンされている時間はオンタイムとして知られており、一方、オフタイムに対するオンタイムの比は空間比又はチョッパ比と記される。

例えば、通常４又は６、時として２又は８といった複数の直流モータが機関車の動力源として一般に使用されている。過去において、複数のＤＣモータの速度を制御するのに、単一のチョッパが使用されていた。これには幾つかの欠点がある。例えば、仮にホイールの一つがスリップした際、そのチョッパは全てのモータの電力を低減するが、それには問題の更なる悪化の危険が伴っている。

複数のＤＣモータのうちの各モータを個別に、かつ独立に制御することを可能にするより有効な電力制御システムが必要とされている。

本発明は、各駆動モータ用の個別チョッパ回路を設けることを含む電源から複数の直流駆動モータへの電力供給を制御する方法を提供する。本発明の一つの態様によれば、ａ）複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定し、ｂ）その各モータに要求される電力を達成するために必要な有効電圧及びパルス幅を決定し、ｃ）各時間間隔においてその要求される電力を達成するのに必要な持続時間の間に各モータに順次電力パルスを送ることを含む直流電源から複数の直流駆動モータへの電力供給を制御する方法が提供される。

本発明は、さらに、ａ）複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための手段と、ｂ）その各モータに要求される電力を達成するために必要な電圧及びパルス幅を決定するための手段と、ｃ）各時間間隔において前記要求される電力を達成するのに必要な持続時間の間に各モータに順次電力パルスを送るための手段とを含む直流電源から複数の直流駆動モータへの電力供給を制御するための装置を提供する。

本発明のより十分な理解を提供するために、以下の説明の全範囲にわたって、詳細な具体例を説明する。しかしながら、これらの詳細の限外で本発明が実施されてもよい。他の例において、本発明を不必要に不明確にすることを避けるため、周知の要素を詳細に示すことも説明することもしなかった。従って、明細書及び図面は制限する意味というよりむしろ例示の意味とみなされるべきものである。

図１を参照すると、機関車駆動システムは、例えばバッテリーのようなＤＣ電源１０及び典型的には４又は６個である複数個のＤＣモータ１２を備えている。入力装置１４は、運転手が要求速度又は動力要求を選択するためのスロットル入力情報を供給する。その運転手はまた制御装置１６からフィードバック情報を受け取る。

プログラム可能な論理制御装置（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［ＰＬＣ］）１６は入力装置１４からその情報を受信し、その情報を電力制御システム［電力制御システムにおけるチョッパ回路１８］に送信し、次いで、その電力制御システムは複数のＤＣモータ１２を個別に制御する。

（駆動システム）
ＤＣ電源１０はバッテリー、燃料電池、例えばカテナリーもしくは“第三レール”のような外部ソース、又はエンジン駆動発電機からの出力であっても構わない。例示の目的のために、一般的な機関車の構成である４個の反転可能ＤＣモータ１２が示されている。これらのモータは一般的にどちらの方向においても等価な速度を保つことができる。

（入力装置）
スロットル入力情報は入力装置１４により供給され、機関車の運転手は、その入力装置を、モータ１２を介してレールに作用する動力の量を要求するために使用する。これは、典型的には、アイドル状態と８段階との間のスロットルノッチであり、例えば、無限変数制御又はタッチスクリーンのような電子装置でもあり得る。

電源電圧検知装置２０₁が電源１０の電圧を測定するために設けられている。これは、例えば電圧変換器のような電子装置である。電流検知装置２０₂が電源１０から流れる電流量を測定するために設けられている。これは、例えば電流変換器のような電子装置であろう。さらに、個別のモータ電流検知装置２２により、各ＤＣモータ１２に流れる電流量を測定することができ、その情報はＰＬＣ１６に提供される。これらは、典型的には、例えば電流変換器のような電子装置であろう。

任意の駆動モータ及びそれに関連した電源電子装置に対する過度の電流に付随した損傷を防止するため、その電流検知装置が個別の駆動モータ回路における電流量を検出するためにもまた使用される。監視されている電流が防御制限を超えた時、信号がバッテリーから流れる電流を瞬間的に遮断し、それゆえ、電流を制限し、過度の電流に付随した損傷の危険性を最小化する。

温度測定装置２４は、様々な電力制御素子、ＤＣモータ等の温度を測定し、その情報をＰＬＣ１６に送信する。アクスルオルタネータ２６はアクスル上に設置されており、そのアクスルの回転数を測定することができる電子装置である。速度の決定、もしくは、例えばホイールスリップのような注意及び修正を要する状況を検出するために、この情報はＰＬＣ１６に送信される。

（論理装置）
ＰＬＣ１６は以下の機能を実行するために通常の手法に従ってプログラムされている。ＰＬＣはスロットル入力要求、電源電圧を処理し、個別の駆動モータの電力要求を満たす電流制御点を決定する。それはまたディレートエバリュエーション論理機能２８、つまり、装置保護を目的として運転手の要求以下に電力要求を削減する論理を含んでいる。これには、装置がオーバーヒートの危機にある場合、もしくは装置設計制限に近づく程に電流が上昇している場合に電力を削減することが含まれるであろう。ＰＬＣはディテクションスケーリング機能３０、つまり、例えばホイールスリップのような非最適性能を決定するための論理を含んでいる。個別のモータに対する電力削減は個別のホイールスリップの場合に導入され、全体の電力は同時発生したホイールスリップの場合に削減される。

ランピング機能３２、つまり、機関車に対して合理的な比率によって要求されたスロットルレベルを傾斜する論理が設けられている。パワーディスパッチ論理機能３４、つまり、パルス幅変調モジュール３６に送信するべき適切な電力レベル及び必要に応じたいかなる個別の電力削減を決定するために、いかなる適正なディレート条件、いかなるホイールスリップ及び要求されるスロットルレベルを評価する中心論理もまた設けられる。

（電力制御システム／チョッパ回路）
チョッパ回路１８は以下の素子を備えている。クロック３８は一連のパルスを発生させる集積回路を含んでいる。シーケンサ４０は各モータに対するパルス幅領域の目的のために一定の区間にパルスを順序付ける集積回路である。パルス幅変調［ＰＷＭ］モジュール３６は、一連のパルスの生成をもたらす“切り取られた”三角波形を提供し、それは本質的にパルスに従って電力スイッチ装置のオン、オフを切り替えるのに使用される。駆動スイッチ４２は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ［ＩＧＢＴ］）であり、それは、非常に早いレートで電源から異なるモータに順序付けられたパルスを送ることができるスイッチ装置である。電力スイッチトランジスタ［ＩＧＢＴ］が十分に飽和できなかった後は、そのトランジスタへの駆動を中断するように定められた（図示されていない）ラッチ回路をまた設けることもできる。これはトランジスタがオフになることを強制し、そのトランジスタの漏電動作を防止する。

図２は、駆動スイッチ４２により電力パルスがいかに分配されるかを説明している。図２Ａ及び２ＢにおけるバーＡはＤＣモータ１２₁に供給される電力パルスを示している。図２Ａ及び２ＢにおけるバーＢはＤＣモータ１２₂に供給される電力パルスを示している。図２ＡにおけるバーＣはＤＣモータ１２₃に供給される電力パルスを示している。図２Ａ及び２ＢにおけるバーＤはＤＣモータ１２₄に供給される電力パルスを示している。バーの高さはモータに供給される瞬間電流を示している。初期条件のサンプルを例示する図２Ａにおいて、その周期の１／１６の間に各モータに電力が供給されている。その周期の１／１６という選択は例の意味でしかない。実際のパルス持続時間は各モータに瞬間的に電流を流すのに必要とされる時間間隔によって決定され、その時間間隔は電源電圧と平均チョッパ出力電圧との間の電位差に依存しており、モータの逆の起電力（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ［ＥＭＦ］）である。各セグメント列はクロック周波数の１／４であり、それは所定の用途によって調整できる。バーの高さはモータに供給される瞬間的な電流を示している。図２Ｂはモータ１２₃により駆動されるホイールがスリップしている状況を説明している。この例において、各モータ１２₁、１２₂及び１２₄はその周期の１／４の間に電力を受け、一方、モータ１２₃は全く電力を受けてない。ＥＭＦ電圧が増加し、それゆえ、バッテリーと前記モータとの間の電位差、ポテンシャルが低下しているため、瞬間電流が低下したことを示すようにバーの高さは低くなっている。ポテンシャルの差又は駆動力が低下し、そのため電流が比例して低下したため、パルス持続時間は増加した。加えて、パルス持続時間増加のさらなる原因は運転手による動力増加要求によるものであろう。図２Ｃは定常状態を説明しており、そこではモータ速度により生成される逆起電力がモータにおける電位差をさらに低下させ、その低下した電位差において、１００％の時間に全てのモータに電力が供給されている。

図３は一定電力曲線のサンプル族を示している。運転手により要求される所定の電力レベルにおいて、モータ速度が遅いときはモータにより生成される逆起電力が低いため、モータには高い初期平均電流が流れる。モータ速度が増加するにつれて、モータによる逆起電力は増加し、それによりバッテリー源とモータとの間の電位差は低下し、その結果モータに流れる電流は減少する。増加したモータ電圧に適合するように比例的に電流は減少するため、モータに対して一定電力が供給される。

動作中、ＰＬＣは、入力装置１４からの入力、ランピング３２、ディレートエバリュエーション論理２８及びディテクションスケーリング３０に基づいて、各時間間隔における各モータに対して必要とされる電力を決定する。そのような入力に基づいて、ＰＬＣ３４は各モータに必要なパルス幅を計算する。次いで、その選択されたパルス幅がスイッチ駆動部に供給され、それはＤＣモータ１２に望ましいパルス幅の電力を順次供給する。例えば、機関車が起動している時、バッテリーとモータとの間には高い電位差が存在し、そのため高い電流をモータに供給でき、指定された電力要求を達成するためには短いパルス持続時間を要求するだけでよい。これは、どちらの方向に起動する場合であっても十分な供給電圧を利用可能にする。モータ速度が増加するにつれて、逆電圧が発生し、有効電圧又はバッテリーとモータとの間の電位差が低下し、それゆえ同じ電力を得るためにはより長いパルスが必要である。仮に、ホイールスリップが検知された時は、該当するモータへの電力供給を停止するか、もしくは適切に削減することが可能である。

このように、本発明では、複数のＤＣモータの電力制御を順序付けることを提供した。電力パルスを順序付けることにより、個別の駆動モータに対する高い電流パルスは間隔をあけて分離しており、モータ速度が増加するにつれて、それに対応して電源と駆動モータとの間の電位差は減少し、その電流要求が抑制されるまでは、その間隔は重ならない。この電流パルスの分離の結果、加法的ではない個別の瞬間電流要求がもたらされる。この個別の電流要求の独立性により、入力フィルタ要求を最小にする好ましい効果が得られる。このように、容量の最小化に伴い、低いソースインピーダンスが達成され、これは駆動動作において重要である。

複数のＤＣモータへの電力供給を個別に制御することの柔軟性から得られる本発明のさらなる利点は、レール機関車に適用した際のホイールスリップを修正するための効率的かつ効果的アプローチを提供することである。その簡単化された回路は、スリップしていないホイールへの電力をスリップ前のレベルに保ちつつ、スリップしているホイールの電力供給を滑らかに除き、次いで回復させる直接的な手段を与えている。これは、ホイールスリップ事故の際に一般的に経験する電力削減を大きく減らすという利点を備えている。

このように本発明は、残りのモータの電力を一定に保ちつつ、いかなる特定のモータへの電力も個別に削減し、次いで徐々に回復させるシステムを提供している。それは、各モータにより取り出される個別の電流と同様に電源から取り出される電流も制限する制御システムを提供している。

上述の開示の観点から、本発明の実施において多数の代替例及び修正例が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることが当業者にとっては明らかであろう。従って、本発明の範囲は以下の請求項により定義される内容に則って構成されるべきである。

本発明に従った複数の直流モータを個別に制御するための電気制御システムを説明するブロック図。 進展する順次パルス幅変調の説明例を示すチャート。 パルス幅変調により達成される望ましい電力適用曲線のサンプルを説明するグラフ。

Claims (19)

1. 各駆動モータ用の個別のチョッパ回路を提供する、電源から複数の直流駆動モータへの電力供給を制御する方法。
2. ａ）複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定し、
   ｂ）各モータに要求される電力を達成するために必要な有効電圧及びパルス幅を決定し、
   ｃ）前記時間間隔において前記要求される電力を達成するのに必要な持続時間の間に各モータに順次電力パルスを送ることからなる直流電源から複数の直流駆動モータへの電力供給を制御する方法。
3. モータ速度が所定のレベルに増加するまで、前記順次電力パルスは重なり合うことがない請求項２の方法。
4. 個別のモータの駆動の損失を修正するために、第一駆動モータへの電力をカットし、次いで回復させ、一方、残りのモータへの電力は一定に保つ請求項２の方法。
5. 各個別に制御された直流モータ用の過度電流防御を備えた請求項２の方法。
6. 選択された間隔の間、一定の低減電圧で全てのモータに電力をまた供給する請求項２の方法。
7. ａ）複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための手段と、
   ｂ）各モータに要求される電力を達成するために必要な電圧及びパルス幅を決定するための手段と、
   ｃ）前記時間間隔において前記要求される電力を達成するのに必要な持続時間の間に各モータに順次電力パルスを送るための手段とを含む直流電源から複数の直流駆動モータへの電力供給を制御するための装置。
8. 各モータに順次電力パルスを送るための前記手段はパルス幅変調装置を含んでいる請求項７の装置。
9. 各モータに順次電力パルスを送るための前記手段はクロックを備えている請求項８の装置。
10. 各モータに順次電力パルスを送るための前記手段は複数の駆動スイッチを備えている請求項７の装置。
11. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための前記手段並びに各モータに要求される電力を達成するために必要な電圧及びパルス幅を決定するための前記手段がプログラム可能な論理制御装置を備えている請求項７の装置。
12. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための前記手段はスロットルを備えている請求項７の装置。
13. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいてモータに要求される電力を決定するための前記手段は、電源電流検知装置及び電源電圧検知装置を備えている請求項７の装置。
14. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための前記手段は、駆動モータ電流検知装置を備えている請求項７の装置。
15. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための前記手段は、ランピング装置を備えている請求項７の装置。
16. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための前記手段は、ディテクションスケーリング装置を備えている請求項７の装置。
17. 複数の継続的な時間間隔のそれぞれにおいて各モータに要求される電力を決定するための前記手段は、ディレートエバリュエーション論理装置を備えている請求項７の装置。
18. 前記駆動スイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタである請求項１０の装置。
19. 漏電動作を防止するために、前記駆動スイッチが十分に飽和できなかった後は、前記駆動スイッチへの駆動を中断するのに適合したラッチ回路手段をさらに備えた請求項１０の装置。

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