JP2007325355A - Motor drive system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータを利用して電気自動車等の駆動を行うモータ駆動システムに関する。 The present invention relates to a motor drive system that drives an electric vehicle or the like using a motor.
直流モータは、インバータ制御によって駆動される。具体的には、直流モータ内の回転子の位置が検出され、インバータがその位置情報に基づいて直流モータへの通電を制御する。 The DC motor is driven by inverter control. Specifically, the position of the rotor in the DC motor is detected, and the inverter controls energization to the DC motor based on the position information.
直流モータでは、一般に、回転子の磁石材は、円筒型永久磁石により構成される。一方、当該円筒型永久磁石の1つの極性(N極又はS極)に対向する固定子側のコイルは、1つ(1相)である。そして、固定子側の1つのコイルが回転子側の1つの極性に対峙する形式となっている。 In a DC motor, generally, the magnet material of the rotor is constituted by a cylindrical permanent magnet. On the other hand, the number of coils on the stator side facing one polarity (N pole or S pole) of the cylindrical permanent magnet is one (one phase). And one coil on the stator side is in a form facing one polarity on the rotor side.
このような直流モータの使用に際し、制動時に充電を行ってエネルギー効率の向上が図られる場合がある。例えば、特許文献1は、定電圧システムに基づく高速走行時の回生エネルギーを充電する充電回路、高速走行時であることを検出する回生作動検出兼比較回路等を備えるモータ駆動システムである。このモータ駆動システムでは、所定の条件を満たした場合にのみ電気二重層コンデンサに回生エネルギーが蓄えられ、又は、電気二重層コンデンサが放電する。また、特許文献2は、高速走行時の回生エネルギーをコンデンサに回収するモータ駆動システムである。
しかしながら、特許文献1及び2では、モータの回転が低速の場合、換言すれば、モータの起電力(負荷起電力)が小さい場合には、回生エネルギーを回収することができない。このため、エネルギー効率を向上させたモータ駆動システムの実用化が望まれている。
However, in
そこで、本発明は、エネルギー効率向上の実用性を高めたモータ駆動システムを提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the motor drive system which raised the practicality of energy efficiency improvement.
本発明は、電源装置と、相数分のインバータユニットを直列接続して構成されて前記電源装置からの直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、前記インバータ内のスイッチング素子の駆動を制御するスイッチング制御手段と、電機子コイルを流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムであって、前記電源装置が、直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段とを有し、前記インバータユニットが、入力端と前記モータ内の1相分の電機子コイルの一端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第1のスイッチング素子と、前記モータ内の1相分の電機子コイルの他端と出力端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第2のスイッチング素子と、前記入力端と前記モータ内の1相分の電機子コイルの他端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第3のスイッチング素子と、前記モータ内の1相分の電機子コイルの一端と出力端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第4のスイッチング素子とを有し、前記スイッチング制御手段が、駆動期間中において、前記第1及び第2のスイッチング素子と、前記第3及び第4のスイッチング素子との少なくとも一方がオンとなるように、前記第1乃至第4のスイッチング素子の駆動を制御することを特徴とする。 The present invention includes a power supply apparatus, an inverter unit configured in series for the number of phases, an inverter configured to control a direction of a direct current from the power supply apparatus to generate a rectangular wave alternating current, and a switching in the inverter A motor drive system having switching control means for controlling drive of an element and a motor for driving and braking according to a rectangular wave alternating current from the inverter flowing through an armature coil, wherein the power supply device is a DC voltage And a voltage control means for inputting a DC voltage from the DC power supply and controlling the polarity and magnitude of the output voltage in accordance with the electromotive force of the motor so that the output current becomes a DC constant current. And the inverter unit has a self-turn-off capability connected between an input end and one end of an armature coil for one phase in the motor. A switching element, a second switching element having a self-turn-off capability connected between the other end of the armature coil for one phase in the motor and the output end, the input end and 1 in the motor A third switching element having a self-turn-off capability connected between the other end of the armature coil for the phase and a first switching element connected to the output end of the armature coil for the one phase in the motor. A fourth switching element having a self-turn-off capability, wherein the switching control means includes at least one of the first and second switching elements and the third and fourth switching elements during a driving period. The driving of the first to fourth switching elements is controlled so that one of them is turned on.
この構成によれば、電源装置は、モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御することにより、インバータに対して一定の方向及び一定の大きさの直流定電流を供給しつつ、モータの駆動時には放電を行い、制動時には回生電力による充電をモータの停止時まで、換言すれば、モータの起電力がほぼゼロになるまで行うことができ、エネルギー効率を向上させることが可能となる。また、モータは、直流電流により駆動する直流モータであるため、小型化で高いトルク効率を実現することができる。更には、インバータユニットにおいて、第1乃至第4のスイッチング素子が単相ブリッジ状に接続され、対向する2つのスイッチング素子と、他の対向する2つのスイッチング素子との少なくとも一方がオンとなることによって、常時、入力端から出力端までの電流経路が形成された状態となるため、スイッチング素子に過電圧が印加されることが防止され、モータ駆動システムの実用性をより向上させることが可能となる。 According to this configuration, the power supply device controls the polarity and magnitude of the output voltage according to the electromotive force of the motor, thereby supplying a constant DC current having a certain direction and a certain magnitude to the inverter. It is possible to discharge energy when the motor is driven and charge with regenerative power during braking until the motor is stopped, in other words, until the electromotive force of the motor becomes almost zero, thereby improving energy efficiency. Become. Further, since the motor is a direct current motor driven by a direct current, it is possible to realize high torque efficiency with downsizing. Furthermore, in the inverter unit, the first to fourth switching elements are connected in a single-phase bridge shape, and at least one of the two facing switching elements and the other two facing switching elements is turned on. Since the current path from the input end to the output end is always formed, it is possible to prevent an overvoltage from being applied to the switching element and further improve the practicality of the motor drive system.
また、本発明のモータ駆動システムは、前記インバータユニットが、前記第1乃至第4のスイッチング素子のそれぞれに対して直列に接続され、前記電源装置からの直流電流の上流側をアノード、下流側をカソードとするダイオードを有するようにしてもよい。 In the motor drive system of the present invention, the inverter unit is connected in series to each of the first to fourth switching elements, and the upstream side of the direct current from the power supply device is the anode, and the downstream side is the downstream side. You may make it have the diode used as a cathode.
この構成によれば、モータの回生制動時に逆起電力が発生した場合、ダイオードによって、その逆起電力に対応し得る逆耐圧を定電流多相インバータに持たせることが可能となる。 According to this configuration, when a back electromotive force is generated during regenerative braking of the motor, it is possible to give the constant current multiphase inverter a reverse withstand voltage that can correspond to the back electromotive force by the diode.
また、本発明のモータ駆動システムは、前記インバータユニットが、前記電機子コイルに並列に接続されるコンデンサを有するようにしてもよい。 In the motor drive system of the present invention, the inverter unit may include a capacitor connected in parallel to the armature coil.
この構成によれば、電機子コイルにインダクタンスが存在する場合に、スイッチング素子の駆動による、電機子コイルにおける電流方向の変化を緩やかにして、スイッチング素子に過電圧が印加されることを防止することができる。 According to this configuration, when an inductance is present in the armature coil, the change in the current direction in the armature coil due to the driving of the switching element can be moderated to prevent an overvoltage from being applied to the switching element. it can.
また、本発明のモータ駆動システムは、前記電機子コイルと前記コンデンサとの共振周波数が、前記矩形波交流電流の周波数の10倍乃至20倍であるようにしてもよい。 In the motor drive system of the present invention, the resonance frequency of the armature coil and the capacitor may be 10 to 20 times the frequency of the rectangular wave alternating current.
この構成によれば、スイッチング素子の駆動による電機子コイルにおける電流方向の変化を緩やかにしつつ、適切な時間でその変化を完了させることが可能となる。 According to this configuration, the change in the current direction in the armature coil due to the driving of the switching element can be moderated, and the change can be completed in an appropriate time.
また、本発明のモータ駆動システムは、前記インバータユニットが、前記コンデンサに直列に接続される抵抗又はコイルを有するようにしてもよい。 In the motor drive system of the present invention, the inverter unit may have a resistor or a coil connected in series to the capacitor.
この構成によれば、スイッチング素子の駆動によって流れるコンデンサからの電流の立ち上がりを緩やかにして、スイッチング素子に過電圧が印加されることを防止することができる。 According to this configuration, it is possible to prevent the overvoltage from being applied to the switching element by slowing the rising of the current flowing from the capacitor that flows by driving the switching element.
本発明によれば、モータの制動時に充電をモータの停止時まで行うことが可能であり、更にはインバータユニット内のスイッチング素子に過電圧が印加されることを防止したり、逆起電力に対応し得る逆耐圧を定電流多相インバータに持たせることが可能となり、より実用的にエネルギー効率の向上を図ることができる。 According to the present invention, charging can be performed during braking of the motor until the motor is stopped, and further, overvoltage can be prevented from being applied to the switching element in the inverter unit, and counter-electromotive force can be supported. It is possible to give the constant current multiphase inverter the reverse breakdown voltage to be obtained, and the energy efficiency can be improved more practically.
図1は、本発明による定電流方式のモータ駆動システムを適用した電気自動車の構成を示す。図1において、電気自動車は、直流定電流電源装置1、多相定電流インバータ2、多相定電流モータ3、ディファレンシャルギヤ4、機械ブレーキ5を有する。本発明による定電流方式のモータ駆動システムは、これらのうち、直流定電流電源装置1、多相定電流インバータ2、多相定電流モータ3を中心にして構成される。なお、図1では、多相定電流モータ1は1つのみ設置されているが、各タイヤに配置して、ディファレンシャルギヤ4を省略した構成であってもよい。機械ブレーキ5は、本発明によるモータ駆動システムでは、後述するように通常の運転では不要であるが、停止後のタイヤのロック、緊急時のブレーキとしての役割を有している。
FIG. 1 shows a configuration of an electric vehicle to which a constant current motor driving system according to the present invention is applied. In FIG. 1, the electric vehicle includes a DC constant current
図2は、本発明による定電流方式の定電流多相インバータの基本構成のブロック図である。図2に示す定電流多相インバータは、直流定電流電源装置1、定電流多相インバータ2、定電流多相モータ3を有する。以下、本発明による定電流方式の定電流多相インバータの構成について詳細に説明する。
FIG. 2 is a block diagram of a basic configuration of a constant current type constant current multiphase inverter according to the present invention. The constant current multiphase inverter shown in FIG. 2 includes a DC constant current
図3及び図4は、図2における定電流多相モータ3の構成を示す。図3は軸方向断面図、図4は軸垂直方向断面図である。図3及び図4において、回転子鉄心6は、磁気抵抗の小さい純鉄で作られ、軸受8で支えられて回転軸7によって自由に回転することができるようになっている。磁石材9は、希土類磁石の強力な磁石材を用いており、該回転子鉄心6の外周部に、N極を内周側、S極を外周側とするNS対と、S極を内周側、N極を外周側とするNS対とがそれぞれ4組配置され、8極で構成されている。
3 and 4 show the configuration of the constant
固定子鉄心13は、リング状をなし、その内周面が回転子鉄心6と僅かな空隙14を介して相対するように配置されて、後述するケース16に固定されている。この固定子鉄心13は、珪素鋼板を積層することにより形成される。また、固定子鉄心13の内周面には、後述する電機子コイル17を挿入するための溝10が形成されている。この溝10は、1磁極当りの相の数だけ形成される。本実施形態では、4相構成であるため、1磁極当り4つの溝がある。従って全体では8(極)×4(溝)=32の溝がある。
The
図5は、電機子コイル17の構成を示す。図5の上段は該回転子鉄心6を特定位置に停止させ、磁極配列を特定位置に止めて直線状に展開して示したものである。点線で表示した溝10は、上述したように1磁極あたり4個あり、磁極の回転方向の順にa、b、c、dの符号が付けられている。電機子コイル17は、4相のそれぞれに対応するA相、B相コイル、C相コイル及びD相コイルである。A相コイルは、1つの磁極側の溝aと隣の磁極側の溝aとの間で巻かれており、一対の磁極に対してA相コイルの1つが対応している。本実施形態では4対(8極)であるため、1周に4つのA相コイルが同じ方向に巻かれ、これが全て直列あるいは並列に接続されて外部に1対の入出力端として取り出される。B相、C相、D相のコイルについてもA相コイルと同様である。
FIG. 5 shows the configuration of the
再び、図3及び図4に戻って説明する。遮光板11及びフォトセンサ12は、回転子鉄心6と磁石材9からなる回転子の角度位置検知を行うものである。遮光板11は、回転子を構成する磁石材9の極性に合わせて外縁部がカットされている。フォトセンサ12は、遮光板11のカット部分では光が貫通してオン信号を検出することができるようになっており、これが後述する角度位置信号となる。なお、上述した角度位置は、フォトセンサ12の代わりに磁石材9の極性に合わせて磁化した磁極板、あるいは、該回転子の磁極そのものとの組み合わせによる磁気的機構によっても検知可能であることは周知である。
Again, it returns and demonstrates to FIG.3 and FIG.4. The
図6(a)は、図2における定電流多相インバータ2の4相構成の構成を示す図である。図6(a)において、端子18−1(X)により、後述する直流定電流電源装置1からの直流定電流が流入し、端子18−2(Y)より流出する。半導体スイッチ19は、自己ターンオフ能力を有するスイッチング素子である。電機子コイル17は、図3における定電流多相モータ3の電機子コイル17に対応し、A、B、C、Dの4相で構成される。
FIG. 6A is a diagram showing the configuration of the four-phase configuration of the constant current
インバータユニットとしてのインバータユニット20乃至23は、A相乃至D相に対応するものである。A相のインバータユニット20は、4つの半導体スイッチ19(Ta、Ta、Ta´、Ta´)からなり、1相分の電機子コイル17が接続されている。半導体スイッチ19−1(Ta)は、入力端とA相電機子コイル17の一端との間に接続され、半導体スイッチ19−2(Ta)は、A相電機子コイル17の他端と出力端との間に接続される。一方、半導体スイッチ19−3(Ta´)は、入力端とA相電機子コイル17の他端との間に接続され、半導体スイッチ19−4(Ta´)は、A相電機子コイル17の一端と出力端との間に接続される。
The
B相のインバータユニット21、C相のインバータユニット22及びD相のインバータユニット23も同様の構成である。定電流多相インバータ2は、インバータユニットを相数分だけ直列接続して構成される。本実施形態では4相構成のため、定電流多相インバータ2は、4つのインバータユニット20乃至23を直列接続して構成される。
The B-
インバータユニット20乃至23の動作を、A相のインバータユニット20を例に説明する。A相の単相ブリッジを構成する4つの半導体スイッチ19(Ta、Ta、Ta´、Ta´)は、2つの半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)のオンと2つの半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)のオンとを交互に行う。電機子コイル17のA相電機子コイル17は、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオンの場合には、図6(a)におけるa→a´の方向に電流が流れ、2つの半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオンの場合には、a´→aの方向に逆向きに電流が流れる。このため、端子Xから流入する直流定電流は、振幅が等しい矩形波交流電流となって、A相電機子コイル17を流れる。
The operation of the
この場合、インバータユニット20の出口側の合流点(図6(a)のX´)における電流は、端子Xから流入する電流と全く同じ直流定電流であり、この直流定電流が後段のインバータユニット21の入力電流となる。インバータユニット21においても、インバータユニット20と同様の動作が行われ、更に後段のインバータユニット22及び23においても、インバータユニット20と同様の動作が行われる。
In this case, the current at the junction (X ′ in FIG. 6A) on the outlet side of the
図6(b)におけるインバータ制御装置24は、上述した4相分のインバータユニット20乃至23を制御するためのものである。図6(b)において、角度位置信号25(Sa、Sb、Sc、Sd)は、上述した多相定電モータ3の回転子鉄心6の角度位置に対応してフォトセンサ12から送られる。インバータ制御装置24は、この角度位置信号25に応じて、インバータユニット20乃至23内の各半導体スイッチ19を駆動させるためのドライブ信号26を出力する。制動指令信号27(So)は、定電流多相モータ3の制動時に発生するものであり、インバータ制御装置24は、この制動指令信号27がハイレベルの場合(制動指令ありの場合)、ドライブ信号26の位相を電気角180°反転させる。
The
図7は、角度位置信号25、ドライブ信号26、制動指令信号27の対応関係を示す図である。角度位置検出信号Sa乃至Sdは、ハイレベル(H)とローレベル(0)とを回転子が電気角180°に対応する角度(幾何学角45°)回転する時間ずつ交互に繰り返すものである。また、角度位置検出信号Sa乃至Sdにおけるハイレベルとローレベルとの切換タイミングは、回転子が電気角45°に対応する角度(幾何学角12.25°)回転する時間ずつずれている。
FIG. 7 is a diagram illustrating a correspondence relationship between the
制動指令信号がない(ローレベル)の場合、インバータユニット20内の2つの半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号26は、角度位置検出信号Saがハイレベルの時に同様にハイレベルとなり、角度位置検出信号Saがローレベルの時に同様にローレベルとなる。また、インバータユニット20内の2つの半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号26は、角度位置検出信号Saがハイレベルの時に反対にローレベルとなり、角度位置検出信号Saがローレベルの時に反対にハイレベルとなる。他のインバータユニット21乃至23内の半導体スイッチ19(Tb、Tb´Tc、Tc´、Td、Td´)を駆動させるためのドライブ信号も同様である。
When there is no braking command signal (low level), the
一方、制動指令信号がある(ハイレベル)の場合、インバータユニット20内の2つの半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号26は、角度位置検出信号Saがハイレベルの時に反対にローレベルとなり、角度位置検出信号Saがローレベルの時に反対にハイレベルとなる。また、インバータユニット20内の2つの半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号26は、角度位置検出信号Saがハイレベルの時に同様にハイレベルとなり、角度位置検出信号Saがローレベルの時に同様にローレベルとなる。他のインバータユニット21乃至23内の半導体スイッチ19(Tb、Tb´Tc、Tc´、Td、Td´)を駆動させるためのドライブ信号も同様である。
On the other hand, when there is a braking command signal (high level), the
より具体的には、インバータ制御装置24は、インバータユニット20内の2つの半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と2つの半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)について、駆動期間中に半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の少なくともいずれかがオンとなるように制御を行う。
More specifically, the
図8は、インバータ制御装置24の詳細な構成を示す図である。インバータ制御装置24は、遅延回路51及び52と反転回路53及び54とにより構成される。遅延回路51は、角度位置検出信号Sa及び制動指令信号Soを入力し、これらに基づいて、遅延処理を行い、反転回路53へ所定の信号を出力する。同様に、遅延回路52は、角度位置検出信号Sa及び制動指令信号Soを入力し、これらに基づいて、遅延処理を行い、反転回路54へ所定の信号を出力する。
FIG. 8 is a diagram showing a detailed configuration of the
反転回路53は、遅延回路51からの信号と制動指令信号Soを入力し、制動指令信号Soに基づいて、遅延回路51からの信号の反転処理を行い、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号Taを出力する。同様に、反転回路54は、遅延回路52からの信号と制動指令信号Soを入力し、制動指令信号Soに基づいて、遅延回路52からの信号の反転処理を行い、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号Ta´を出力する。
The
以下、インバータ制御装置24の動作を説明する。まず、制動指令信号Soがローレベル(制動指令なし)の場合について説明する。制動指令なしの場合、遅延回路51は、入力した角度位置検出信号Saの立ち上がり(ローレベルからハイレベルに切り替わる)では、当該入力した角度位置検出信号Saと同時に立ち上がる信号を出力する。また、遅延回路51は、入力した角度位置検出信号Saの立ち下がり(ハイレベルからローレベルに切り替わる)では、当該入力した角度位置検出信号Saよりも所定時間だけ立ち下がりを遅らせた信号を出力する。そして、制動指令なしの場合、反転回路53は、遅延回路51からの信号をそのまま半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号Taとして出力する。
Hereinafter, the operation of the
一方、制動指令なしの場合、遅延回路52は、入力した角度位置検出信号Saの立ち上がりでは、当該入力した角度位置検出信号Saよりも所定時間だけ立ち上がりを遅らせた信号を出力する。また、遅延回路52は、入力した角度位置検出信号Saの立ち下がりでは、当該入力した角度位置検出信号Saと同時に立ち下がる信号を出力する。そして、制動指令なしの場合、反転回路53は、遅延回路51からの信号を反転させて、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号Ta´として出力する。
On the other hand, when there is no braking command, the
このような動作によって、制動指令なしの場合には、図9(a)に示す制動指令信号Soに対して、図9(b)に示す、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号Taや、図9(c)に示す、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号Ta´が生成される。これらドライブ信号Ta及びTa´は、ドライブ信号Taのみがハイレベルの場合と、ドライブ信号Ta及びTa´の双方がハイレベルの場合とが存在し、ドライブ信号Ta及びTa´の双方がローレベルの場合は存在しない。すなわち、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の少なくとも一方はオンであり、双方がオフとなる期間は存在しない。 With this operation, when there is no braking command, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) shown in FIG. 9B are turned on in response to the braking command signal So shown in FIG. A drive signal Ta for driving and a drive signal Ta ′ for driving the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) shown in FIG. 9C are generated. These drive signals Ta and Ta ′ exist when only the drive signal Ta is at a high level and when both the drive signals Ta and Ta ′ are at a high level, and both the drive signals Ta and Ta ′ are at a low level. The case does not exist. That is, at least one of the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) and the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) is on, and there is no period during which both are off.
次に、制動指令信号Soがハイレベル(制動指令あり)の場合について説明する。制動指令ありの場合、遅延回路51は、入力した角度位置検出信号Saの立ち上がりでは、当該入力した角度位置検出信号Saよりも所定時間だけ立ち上がりを遅らせた信号を出力する。また、遅延回路51は、入力した角度位置検出信号Saの立ち上がりでは、当該入力した角度位置検出信号Saと同時に立ち上がる信号を出力する。そして、制動指令ありの場合、反転回路53は、遅延回路51からの信号を反転させて、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号Taとして出力する。
Next, a case where the braking command signal So is at a high level (with a braking command) will be described. When there is a braking command, the
一方、制動指令ありの場合、遅延回路52は、入力した角度位置検出信号Saの立ち上がりでは、当該入力した角度位置検出信号Saと同時に立ち上がる信号を出力する。また、遅延回路52は、入力した角度位置検出信号Saの立ち下がりでは、当該入力した角度位置検出信号Saよりも所定時間だけ立ち下がりを遅らせた信号を出力する。そして、制動指令ありの場合、反転回路53は、遅延回路51からの信号をそのまま半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号Ta´として出力する。
On the other hand, when there is a braking command, the
このような動作によって、制動指令ありの場合には、図9(a)に示す制動指令信号Soに対して、図9(c)に示す、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)を駆動させるためのドライブ信号Taや、図9(d)に示す、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)を駆動させるためのドライブ信号Ta´が生成される。これらドライブ信号Ta及びTa´は、ドライブ信号Ta´のみがハイレベルの場合と、ドライブ信号Ta及びTa´の双方がハイレベルの場合とが存在し、ドライブ信号Ta及びTa´の双方がローレベルの場合は存在しない。すなわち、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の少なくとも一方はオンであり、双方がオフとなる期間は存在しない。 With this operation, when there is a braking command, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) shown in FIG. 9C are turned on in response to the braking command signal So shown in FIG. A drive signal Ta for driving and a drive signal Ta ′ for driving the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) shown in FIG. 9D are generated. These drive signals Ta and Ta ′ exist when only the drive signal Ta ′ is at a high level and when both the drive signals Ta and Ta ′ are at a high level, and both the drive signals Ta and Ta ′ are at a low level. In the case of That is, at least one of the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) and the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) is on, and there is no period during which both are off.
図10は、インバータ制御装置24が、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の少なくともいずれかがオンとなるように制御を行う場合における、これら半導体スイッチ19の切り替え動作を示す図である。なお、図10においては、制動指令ありの場合であり、且つ、角度位置検出信号Saの立ち下がりの場合について説明する。
FIG. 10 shows a case where the
まず、インバータ制御装置24は、ドライブ信号Taをハイレベル、ドライブ信号Ta´をローレベルとする。これにより、図10(a)に示すように、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオン、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオフとなり、直流定電流電源装置1からの電流Iは、半導体スイッチ19−1(Ta)、A相電機子コイル17(a→a´の方向)、半導体スイッチ19−2(Ta)を流れる。
First, the
次に、角度位置検出信号Saが立ち下がりになると、インバータ制御装置24は、ドライブ信号Ta及びドライブ信号Ta´の双方をハイレベルにする。これにより、図10(b)に示すように、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の双方がオンとなり、直流定電流電源装置1からの電流Iは、半分が半導体スイッチ19−1(Ta)及び半導体スイッチ19−4(Ta´)を流れるとともに、残りの半分が半導体スイッチ19−3(Ta´)及び半導体スイッチ19−2(Ta)を流れる。
Next, when the angular position detection signal Sa falls, the
更に、所定時間経過後に、インバータ制御装置24は、ドライブ信号Taをローレベル、ドライブ信号Ta´をハイレベルとする。これにより、図10(c)に示すように、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオフ、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオンとなり、直流定電流電源装置1からの電流Iは、半導体スイッチ19−3(Ta´)、A相電機子コイル17(a´→aの方向)、半導体スイッチ19−4(Ta´)を流れる。
Further, after a predetermined time has elapsed, the
例えば、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオン、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオフの状態から半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオフ、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオンの状態に遷移する場合に、図11に示すように、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の双方がオフの状態が存在すると、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)に過電圧が印加され、破損する可能性がある。 For example, when the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) are turned on and the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) are turned off, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) are turned off. When the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) are turned on, as shown in FIG. 11, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) and the semiconductor switches 19-3 and 19-3 If both 19-4 (Ta ′) are in an off state, an overvoltage is applied to the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta), which may cause damage.
しかし、図10に示すように、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオン、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオフの状態から半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の双方がオンの状態に遷移し、所定時間経過後に、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)がオフ、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)がオンの状態に遷移するようにすることで、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)に過電圧が印加されることを防止し、実用性が向上する。但し、半導体スイッチ19−1及び19−2(Ta)と、半導体スイッチ19−3及び19−4(Ta´)の双方がオンとなる期間は、定電流多相モータ3の駆動効率及び制動効率を維持すべく、可能な限り短時間であることが望ましい。
However, as shown in FIG. 10, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) are turned on, and the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) are turned off. 2 (Ta) and the semiconductor switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) are both turned on, and after a predetermined time has elapsed, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta) are turned off. By causing the switches 19-3 and 19-4 (Ta ′) to transition to the ON state, it is possible to prevent an overvoltage from being applied to the semiconductor switches 19-1 and 19-2 (Ta), and practicality. Will improve. However, the drive efficiency and braking efficiency of the constant current
図12は、ダイオードを付加したインバータユニット20の構成を示す図である。図12に示すA相のインバータユニット20は、図6に示すA相のインバータユニット20に4つのダイオード60を付加した構成となっている。なお、B相のインバータユニット21、C相のインバータユニット22及びD相のインバータユニット23も同様の構成とすることができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of the
ダイオード60−1は、入力端子Xの側がアノード、半導体スイッチ19−1の側がカソードとなるように、半導体スイッチ19−1に直列に接続される。ダイオード60−2は、半導体スイッチ19−2の側がアノード、出力端子X´の側がカソードとなるように、半導体スイッチ19−2に直列に接続される。また、ダイオード60−3は、入力端子Xの側がアノード、半導体スイッチ19−3の側がカソードとなるように、半導体スイッチ19−3に直列に接続され、ダイオード60−4は、半導体スイッチ19−4の側がアノード、出力端子X´の側がカソードとなるように、半導体スイッチ19−4に直列に接続される。 The diode 60-1 is connected in series to the semiconductor switch 19-1 so that the input terminal X side is an anode and the semiconductor switch 19-1 side is a cathode. The diode 60-2 is connected in series to the semiconductor switch 19-2 so that the semiconductor switch 19-2 side is an anode and the output terminal X ′ side is a cathode. The diode 60-3 is connected in series to the semiconductor switch 19-3 so that the input terminal X side is the anode and the semiconductor switch 19-3 side is the cathode, and the diode 60-4 is the semiconductor switch 19-4. Are connected in series to the semiconductor switch 19-4 so that the side of the output terminal X ′ is the anode and the side of the output terminal X ′ is the cathode.
一方、図13は、従来のインバータユニットの構成を示す図である。図13に示すインバータユニット70では、ダイオード60−1は、入力端子Xの側がカソードとなるように、半導体スイッチ19−1に並列に接続される。ダイオード60−2は、出力端子X´の側がアノードとなるように、半導体スイッチ19−2に並列に接続される。また、ダイオード60−3は、入力端子Xの側がカソードとなるように、半導体スイッチ19−3に並列に接続され、ダイオード60−4は、出力端子X´の側がアノードとなるように、半導体スイッチ19−4に並列に接続される。
On the other hand, FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a conventional inverter unit. In the
図13に示すインバータユニット70では、定電流多相モータ3の回生制動時に逆起電力が発生した場合、半導体スイッチ19−1及びダイオード60−1と、電機子コイル17と、半導体スイッチ19−3及びダイオード60−3によって短絡回路が構成されて短絡電流が流れ、同様に、半導体スイッチ19−2及びダイオード60−2と、電機子コイル17と、半導体スイッチ19−4及びダイオード60−4によって短絡回路が構成されて短絡電流が流れてしまう。このため、半導体スイッチ19とダイオード60が並列に接続されて一体化された周知のIGBT、パワートランジスタ、ターンオフサイリスタ等を用いることができない。
In the
これに対し、図12に示すインバータユニット20では、半導体スイッチ19とダイオード60が直列に接続されるようにすることで、定電流多相モータ3の回生制動時に逆起電力が発生した場合、ダイオード60−1乃至60−4によって、その逆起電力に対応し得る逆耐圧をインバータユニット20に持たせることができる。
On the other hand, in the
図14は、電機子コイル17にインダクタンスが存在する場合のインバータユニット20の転流現象を示す図である。まず、半導体スイッチ19−1及び19−2がオン、半導体スイッチ19−3及び19−4がオフの状態で、図14の実線で示す電流経路となる。次に、半導体スイッチ19−1及び19−2と、半導体スイッチ19−3及び19−4の少なくともいずれかがオンとなる状態を維持しつつ、半導体スイッチ19−1及び19−2がオフ、半導体スイッチ19−3及び19−4がオンとなるように切り替え動作が行われることにより、図14の点線で示す電流経路となる。
FIG. 14 is a diagram illustrating a commutation phenomenon of the
しかし、電機子コイル17にインダクタンスが存在する場合には、当該電機子コイル17を流れる電流の方向が瞬時に切り替わると、当該電機子コイル17において電流変化による過電圧が生じる。過電圧は、電機子コイル17のインダクタンスをL、電機子コイル17を流れる電流をiL、時間をtとすると、iLをtで微分してLを乗算した、L(diL/dt)で表される。この過電圧が半導体スイッチ19に印加されると、当該半導体スイッチ19が破損する可能性がある。このため、電機子コイル17における電流変化を緩やかにする対策を講じることが望ましい。
However, when there is an inductance in the
図15は、コンデンサを付加したインバータユニット20の構成を示す図である。図15に示すA相のインバータユニット20は、図6に示すA相のインバータユニット20に接続されている電機子コイル17に、コンデンサ70を並列に接続した構成となっている。なお、B相のインバータユニット21、C相のインバータユニット22及びD相のインバータユニット23も同様の構成とすることができる。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of the
図16は、コンデンサ70の電流ic及び電機子コイル17の電流iLの時間遷移を示す図である。なお、付加起電力は0である。当初、半導体スイッチ19−1及び19−2がオン状態、半導体スイッチ19−3及び19−4がオフ状態であり、流入電流Iが半導体スイッチ19−1、電機子コイル17、半導体スイッチ19−2の経路で流れている。その後、時刻t=0で半導体スイッチ19−1及び19−2がオフ、半導体スイッチ19−3及び19−4がオンに切り替わったとする。この場合、流入電流Iが半導体スイッチ19−3、半導体スイッチ19−4を流れるが、コンデンサ70における電流icは、図16(a)に示すように、この流入電流Iと電機子コイル17からの電流Iとが重畳された2Iとなり、その後0まで減少する。一方、電機子コイル17における電流iLは、図16(b)に示すように、Iとなり、その後、コンデンサ70における電流icが0となったと同時に−Iとなる。
FIG. 16 is a diagram illustrating a time transition of the current ic of the
コンデンサ70における電流icが2Iから0まで減少する時間、及び、電機子コイル17における電流iLがIから−Iまで減少する時間(立ち下がり時間)は、電機子コイル17のインダクタンスをL、コンデンサ70のキャパシタンスをCとした場合における共振周波数fo=1/(2π√(LC))の逆数の1/2で定められる。従って、コンデンサ70のキャパシタンスCが大きくなるほど、共振周波数foが小さくなって立ち下がり時間が長くなる、換言すれば、電機子コイル17における電流変化が緩やかになって、半導体スイッチ19に印加される過電圧が小さくなる。但し、共振周波数foが矩形波交流電流の周波数(基本周波数)fよりも小さくなると、当該矩形波交流電流の形状を維持することができなくなるため、共振周波数foが基本周波数fの10倍乃至20倍程度となるように、コンデンサ70のキャパシタンスCが設定されることが望ましい。
The time for the current ic in the
また、図17(a)に示すように、コンデンサ70に対して直列に抵抗71を接続したり、図17(b)に示すように、コンデンサ70に対して直列にコイル72を接続することにより、コンデンサ70のキャパシタンスCを大きくする場合と同様に、共振周波数foを小さくして立ち下がり時間を長くする、換言すれば、電機子コイル17における電流変化を緩やかにして、半導体スイッチ19に印加される過電圧を小さくすることが可能となる。
17A, a resistor 71 is connected in series with the
なお、図16においては、時刻t=0で、半導体スイッチ19−1及び19−2がオンからオフに切り替わり、同時に半導体スイッチ19−3及び19−4がオフからオンに切り替わるものとして説明したが、時刻t=0で、半導体スイッチ19−3及び19−4がオフからオンに切り替わり、所定時間経過後に半導体スイッチ19−1及び19−2がオンからオフに切り替わるような制御がなされる場合には、より確実に半導体スイッチ19に印加される過電圧を小さくすることが可能である。
In FIG. 16, the semiconductor switches 19-1 and 19-2 are switched from on to off at the time t = 0, and the semiconductor switches 19-3 and 19-4 are switched from off to on at the same time. When the semiconductor switches 19-3 and 19-4 are switched from OFF to ON at time t = 0, and the semiconductor switches 19-1 and 19-2 are switched from ON to OFF after a predetermined time has elapsed. It is possible to reduce the overvoltage applied to the
図18は、従来の定電圧インバータの具体的な構成を示し、図19は、上述したダイオード60及びコンデンサ70を付加した定電流多相インバータ2の具体的な構成を示す。
18 shows a specific configuration of a conventional constant voltage inverter, and FIG. 19 shows a specific configuration of the constant current
図18に示す従来の定電圧インバータは、3相構成を有し、R相、S相、T層の各電機子コイルに対して、互いに120度の位相差が生じるように電圧及び電流を供給するものであり、スイッチング素子19−1、19−2及び19−3が並列に接続され、スイッチング素子19−4、19−5及び19−6が並列に接続されている。また、スイッチング素子19−1乃至19−6には、それぞれダイオード60−1乃至60−6が逆並列に接続されている。 The conventional constant voltage inverter shown in FIG. 18 has a three-phase configuration, and supplies voltage and current to each of the R-phase, S-phase, and T-layer armature coils so that a phase difference of 120 degrees occurs between them. The switching elements 19-1, 19-2 and 19-3 are connected in parallel, and the switching elements 19-4, 19-5 and 19-6 are connected in parallel. Further, diodes 60-1 to 60-6 are connected in antiparallel to the switching elements 19-1 to 19-6, respectively.
一方、図19に示す定電流多相インバータ2は、4相構成を有し、A相のインバータユニット20、B相のインバータユニット21、C相のインバータユニット22、D相のインバータユニット23を直列に接続して構成され、それぞれ1相分の電機子コイル17に互いに90度の位相差が生じるように電圧及び電流を供給するものである。インバータユニット20乃至23は、それぞれ、4つの半導体スイッチ19−1乃至19−4と、当該半導体スイッチ19−1乃至19−4に直列に接続されるダイオード60−1乃至60−4と、電機子コイル17に並列に接続されるコンデンサ70からなる。
On the other hand, the constant-current
従来の定電圧インバータと定電流多相インバータ2とが、上述したように異なる構成を有していることにより、以下のような作用の違いが存在する。すなわち、電機子コイルのインダクタンスの磁気エネルギーの処理に関しては、従来の定電圧インバータは、半導体スイッチ19に逆並列に接続されたダイオード60を通じて電源側に回収するのに対し、定電流多相インバータ2は、電機子コイル17に並列に接続されたコンデンサ70に蓄える。また、モータの回生制動時における電機子コイルに生じる負の起電力への対応に関しては、従来の定電圧インバータは、回生に無関係であり、別途設けられたAC/DC変換機と昇圧チョッパによって電源側に回生されるのに対して、定電流多相インバータ2は、モータが停止するまで回生を行うことが可能であり、回生効率を向上させることができる。
Since the conventional constant voltage inverter and the constant current
図20は、制動指令信号なしの状態での回転子の回転角と電機子コイル17の電流方向、回転力の発生について説明するための図である。図20において、回転子表面の磁石材9と遮光板11とは、一体となって右回りに回転するものとする。フォトセンサ12は、A相、B相、C相、D相それぞれの検知用として、それぞれPa、Pb、Pc、Pdがあり、遮光板11の切り込みの部分では、光信号が貫通して角度位置信号Sa、Sb、Sc、Sdが生じる。図10におけるa、a´は、図6(a)におけるa、a´と対応しており、2つの半導体スイッチ19(Ta)がオンの場合に電機子コイル17において電流がa→a´方向に流れ、2つの半導体スイッチ19(Ta´)がオンの場合に電機子コイル17において電流がa´→a方向に流れる。B、C、D相についても同様である。
FIG. 20 is a diagram for explaining the rotation angle of the rotor, the current direction of the
図20における回転子の角度位置は、図7における制動指令なしの場合の基準角度位置に対応しており、全ての溝10内の電機子コイル17を流れる電流が最大密度の磁束と鎖交して効果的な回転力を生じる。更に、回転子が図20の位置から溝10の1つ分のピッチ(電気角45°、幾何学角12.25°)だけ回転すると、電機子コイル17のA相のコイルに鎖交する磁束の極性が反転するが、これと同時にフォトセンサ19(Pa)が遮光され、角度位置信号Saがオフとなり、図6(a)におけるA相インバータユニット20の2つの半導体スイッチ19(Ta´)がオンに切り換わる。これにより、A相電機子コイル17の電流が反転して、全ての溝10内の電機子コイル17を流れる電流は効果的な回転力の発生を継続する。以後も同様であり、回転子が電気角45°に対応する角度(幾何学角12.25°)だけ回転する毎に、電機子コイル17の各相のコイル電流が順次反転し、8回の反転で一巡する。そして、回転子のどの角度位置においても、溝10内の全ての電機子コイル17の電流が回転力の発生に効果的に寄与することになる。
The rotor angular position in FIG. 20 corresponds to the reference angular position in the case of no braking command in FIG. 7, and the current flowing through the
一方、図21は、制動指令信号ありの状態での回転子の角度位置信号と電機子コイル17の電流方向を示したものであり、図20と比較すると、同じ磁界方向に対して電流方向は全て反対であり、効果的な制動力を生じる。
On the other hand, FIG. 21 shows the angular position signal of the rotor and the current direction of the
上述した制動制御が行われる場合の電気エネルギーの授受について説明する。図22は、図6(a)における定電流多相インバータ2の端子(X)と端子(Y)との間の起電力を説明するための図である。図6(a)の定電流多相インバータ2は4相構成であるが、ここでは説明を単純にするために、図22(a)に示すA相のインバータユニット20における電気エネルギーの授受を説明する。定電流多相モータ3内の回転子の回転により、磁石材9からの磁束が電機子コイル17を横切ることで、当該電機子コイル17に起電力が生じる。定電流多相モータ3の空隙14における磁束密度分布は矩形波状であるため、電機子コイル17に生じる起電力edは、図22(b)のように矩形波交流電圧となる。
Transmission and reception of electric energy when the above-described braking control is performed will be described. FIG. 22 is a diagram for explaining the electromotive force between the terminal (X) and the terminal (Y) of the constant current
図22(c)は、電機子コイル17に生じる起電力edの波形の「正」のタイミングで図22(a)のA相のインバータユニット20における半導体スイッチS1、S4がオン、起電力edの波形の「負」のタイミングで半導体スイッチS2、S3がオンとなる場合のX点−X´点間の起電力波形である。このX点−X´点間の電圧は平均値edの正の値を有する。直流定電流電源装置1からX点に直流定電流Iが流れ込めば、A相電機子コイル17には、電源側からedxIの電力が供給され、回転子には、この値に対応した回転エネルギーが生じる。なお、電機子コイル17の抵抗による電力損、回転子の機械的損失は無視するものとする。
FIG. 22 (c) shows that the semiconductor switches S1 and S4 in the
図22(d)は、電機子コイル17に生じる起電力edの波形に対する図22(a)のA相のインバータユニット20における半導体スイッチTa乃至Tdの切換動作が図22(c)の場合より電気角180°だけ遅れる場合のX点−X´点間の起電力波形である。このX点−X´点間の電圧は、平均値が−edの負の値をもつ。従って、電源側からX点に直流定電流Iが流れ込めば、A相電機子コイル17には電源側から−edxIの電力が供給される。これは、A相電機子コイル17から電源側にedxIの電力を送り返すことを意味し、回転子には制動力が加わり、制動で回収したエネルギーは直流定電流電源装置1に回収される。
FIG. 22D shows that the switching operation of the semiconductor switches Ta to Td in the
B相のインバータユニット21、C相のインバータユニット22及びD相のインバータユニット23についても基本的には同じであり、全て重畳されて作用する。
The B-
このように、本発明によるモータ駆動システムは、定電流多相インバータ2に一定方向の一定電流(直流定電流)を流すことにより、定電流多相モータ3内の回転子の回転力は、定電流多相インバータ2の位相制御のみによって駆動時及び制動時の制御がなされ、更には負荷起電力が正と負の領域で変化することにより、電力の供給、回生が速度に関わりなく自動的に行われる。
As described above, the motor drive system according to the present invention allows the rotational force of the rotor in the constant current
図23(a)は、直流定電流電源装置1の回路構成を示す図である。直流定電流電源装置1は、単に出力電流が一定に制御された電源装置とは異なり、負荷側の起電力の正負、大小に関係なく一定方向の一定電流(直流定電流)を出力するように制御され、且つ、負荷側である定電流多相モータ3から回生される電力を受け入れる機能を有することに特徴がある。
FIG. 23A is a diagram illustrating a circuit configuration of the DC constant current
直流定電流電源装置1は、非対称制御のPWM(パルス幅制御)ブリッジ(以下、「非対称PWMブリッジ」と称する)を中心に構成されている。この非対称PWMブリッジにおける半導体スイッチ31は、IGBT、サイリスタ、パワートランジスタ等が任意に選択可能である。また、非対称PWMブリッジにおける所謂交流端子にあたる部分には、直流電源29が接続され、非対称PWMブリッジの所謂直流端子にあたる部分には、定電流多相インバータ2の端子X及び端子Y(図6(a)参照)が接続される。
The DC constant current
図23(a)の直流定電流電源装置1において、非対称PWMブリッジを構成する半導体スイッチ31(S1、S2、S3、S4)は、所定の搬送周波数信号に応じてオンオフ動作し、オン期間が制御可能である。2つの半導体スイッチ31(S1、S4)の対と、2つの半導体スイッチ31(S2、S3)の対は、通常のブリッジにおけるように対称的に動作するのではなく、負荷起電力の正あるいは負に対応してそれぞれが一体で非対称に動作するようにしてある。具体的には、半導体スイッチ31(S1、S4)の対が動作すると端子X、Yの両端に正の平均値の電圧が出力され、その値は、半導体スイッチ31(S1、S4)のオン期間の長さで制御される。また、半導体スイッチ31(S2、S3)の対が動作すると、端子X、Yの両端に負の平均値の電圧が出力され、その値は、半導体スイッチ31(S2、S3)のオン期間の長さで制御される。
In the DC constant current
半導体スイッチ31(S5)は、非対称PWMブリッジの出力側に並列に接続され、リアクトル30、後段の定電流多相インバータ2を通じた循環回路を構成する、この半導体スイッチ31(S5)は、半導体スイッチ31(S1、S4)の対のオフ期間、及び、半導体スイッチ31(S2、S3)の対のオフ期間にオンとなるように動作する。これにより、半導体スイッチ31(S1、S4)の対のオフ期間、及び、半導体スイッチ31(S2、S3)の対のオフ期間においても、定電流多相インバータ2に対して直流定電流を断続させることなく供給する。
The semiconductor switch 31 (S5) is connected in parallel to the output side of the asymmetric PWM bridge and constitutes a circulation circuit through the
図23(b)は、直流定電流制御装置1内に構成される定電流電源制御装置35であり、上述した半導体スイッチ31(S1、S2、S3、S4、S5)を制御するためのものである。この定電流電源制御装置35は、出力電流、負荷起電力等の制御情報を受けて、直流定電流電源装置1の出力電流が電流設定指令信号34によって指令された定電流値になるように、半導体スイッチ31(S1乃至S5)を駆動させるためのドライブ信号32を出力する。
FIG. 23B shows a constant current power
図24は、負荷起電力が正で大小、負で大小の4条件における半導体スイッチ19(S1乃至S5)の動作とその動作時の出力電圧を示す図である。負荷起電力が正で大の場合には、半導体スイッチ31(S1、S4)の対が選択され、オン期間が長くなる。このため、端子X、Yの両端に正の大きな平均値の電圧が出力される。また、負荷起電力が正で小の場合には、半導体スイッチ31(S1、S4)の対が選択され、オン期間が短くなる。このため、端子X、Yの両端に正の小さな平均値の電圧が出力される。一方、負荷起電力が負で絶対値が大の場合には、半導体スイッチ31(S2、S3)の対が選択され、オン期間が長くなる。このため、端子X、Yの両端に負の絶対値の大きな平均値の電圧が出力される。また、負荷起電力が負で小の場合には、半導体スイッチ31(S1、S4)の対が選択され、オン期間が短くなる。このため、端子X、Yの両端に負の絶対値の小さな平均値の電圧が出力される。 FIG. 24 is a diagram showing the operation of the semiconductor switch 19 (S1 to S5) and the output voltage at the time of operation under four conditions of positive and small load electromotive force and negative and large. When the load electromotive force is positive and large, the pair of semiconductor switches 31 (S1, S4) is selected, and the on period is lengthened. For this reason, a positive large average voltage is output across the terminals X and Y. When the load electromotive force is positive and small, the pair of semiconductor switches 31 (S1, S4) is selected, and the on period is shortened. For this reason, a positive small average voltage is output across the terminals X and Y. On the other hand, when the load electromotive force is negative and the absolute value is large, the pair of semiconductor switches 31 (S2, S3) is selected, and the ON period is lengthened. For this reason, an average voltage having a large negative absolute value is output at both ends of the terminals X and Y. Further, when the load electromotive force is negative and small, the pair of semiconductor switches 31 (S1, S4) is selected, and the ON period is shortened. For this reason, an average value voltage having a small negative absolute value is output to both ends of the terminals X and Y.
図25は、定電流多相モータ3の起動加速、定速回転、回生制動及び停止の一連の動作に対応する直流定電流電源装置1の動作について示したものである。図25(a)に示すように、定電流多相モータ3の動作が行われる場合、図25(b)に示すように、直流定電流電源装置1は、定電流多相モータ3の駆動時と制動時には、定速回転時よりも大きな定電流を定電流多相インバータ2に供給する必要がある。
FIG. 25 shows the operation of the DC constant current
定電流多相インバータ2の端子Xから見た負荷起電力は、駆動状態では正、制動状態では負であり、その大きさは定電流多相モータ3の回転子の回転速度にほぼ比例する。直流定電流電源装置1は、図25(c)の点線に示すように、正負の負荷起電力に負荷回路の抵抗分による電圧降下(抵抗ドロップ)分を加算した電圧を出力することで、定電流多相インバータ2に直流定電流を供給することができる。これにより、定電流多相モータ3の制動時には、停止まで回生制動が可能となり、機械ブレーキを使用する必要がない。
The load electromotive force viewed from the terminal X of the constant current
負荷側の定電流多相モータ3が制動状態では負荷起電力は負である。この場合、直流定電流電源装置1は半導体スイッチ31(S2、S3)の対が動作して出力電圧は負になり、負荷側から回生電流が直流電源29の正端子から流れ込む。この現象はあたかもバッテリーの充電と同様の態様となっている。直流電源29は充電機能を有しており、回生電力を充電する。一方、直流電源29が燃料電池等であり充電機能を有しない場合には、エネルギー回収のために、直流電源29に並列にウルトラキャパシタを接続しておく必要がある。更には、直流電源29がリチウムイオン電池のように充電機能を有していても、回生電力が数十秒単位の急峻な変動となる際には適切に充電を行うことができない場合にも、直流電源29に並列にウルトラキャパシタを接続することが望ましい。
When the load-side constant current
以上、説明したように、本発明のモータ駆動システムでは、より実用的にエネルギー効率の向上を図ることができ、モータ駆動システムとして有用である。 As described above, the motor drive system of the present invention can improve energy efficiency more practically and is useful as a motor drive system.
1 直流定電流電源装置
2 多相定電流インバータ
3 多相定電流モータ
4 ディファレンシャルギヤ
5 機械ブレーキ
6 回転子鉄心
7 回転軸
8 軸受
9 磁石材
10 溝
11 遮光板
12 フォトセンサ
13 固定子鉄心
14 空隙
15 止め金具
16 ケース
17 電機子コイル
18−1、18−2 端子
19、31、41 半導体スイッチ
20 A相単相ブリッジユニット
21 B相単相ブリッジユニット
22 C相単相ブリッジユニット
23 D相単相ブリッジユニット
24 インバータ制御装置
25 角度位置信号
26、32 ドライブ信号
27 制動指令信号
29 直流電源
30 リアクトル
34 電流設定指令信号
35 定電流電源制御装置
51、52 遅延回路
53、54 反転回路
60 ダイオード
70 コンデンサ
71 抵抗
72 コイル
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電源装置は、
直流電圧を供給する直流電源と、
前記直流電源からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段とを有し、
前記インバータユニットは、
入力端と前記モータ内の1相分の電機子コイルの一端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第1のスイッチング素子と、
前記モータ内の1相分の電機子コイルの他端と出力端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第2のスイッチング素子と、
前記入力端と前記モータ内の1相分の電機子コイルの他端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第3のスイッチング素子と、
前記モータ内の1相分の電機子コイルの一端と出力端との間に接続される自己ターンオフ能力を有する第4のスイッチング素子とを有し、
前記スイッチング制御手段は、駆動期間中において、前記第1及び第2のスイッチング素子と、前記第3及び第4のスイッチング素子との少なくとも一方がオンとなるように、前記第1乃至第4のスイッチング素子の駆動を制御することを特徴とするモータ駆動システム。 A power supply device and an inverter unit for the number of phases connected in series to control the direction of the direct current from the power supply device to generate a rectangular wave alternating current, and drive the switching element in the inverter A motor drive system having switching control means for controlling, and a motor for driving and braking according to a rectangular wave alternating current from the inverter flowing through the armature coil,
The power supply device
A DC power supply for supplying DC voltage;
Voltage control means for inputting a DC voltage from the DC power source and controlling the polarity and magnitude of the output voltage according to the electromotive force of the motor so that the output current becomes a DC constant current;
The inverter unit is
A first switching element having a self-turnoff capability connected between an input end and one end of an armature coil for one phase in the motor;
A second switching element having a self-turn-off capability connected between the other end of the armature coil for one phase in the motor and the output end;
A third switching element having a self-turnoff capability connected between the input end and the other end of the one-phase armature coil in the motor;
A fourth switching element having a self-turn-off capability connected between one end and an output end of an armature coil for one phase in the motor;
The switching control means is configured to switch the first to fourth switching elements so that at least one of the first and second switching elements and the third and fourth switching elements is turned on during a driving period. A motor drive system for controlling driving of an element.
The motor drive system according to claim 3 or 4, wherein the inverter unit includes a resistor or a coil connected in series to the capacitor.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017526334A (en) * | 2014-08-25 | 2017-09-07 | ヴァレンティン グリゴリエヴィチ リマンスキーValentin Grigoryevich Limanskiy | Electric machine |
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2006
- 2006-05-30 JP JP2006150204A patent/JP2007325355A/en active Pending
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JP2017526334A (en) * | 2014-08-25 | 2017-09-07 | ヴァレンティン グリゴリエヴィチ リマンスキーValentin Grigoryevich Limanskiy | Electric machine |
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