JP2010529822A - Ａｃモータのためのトルク制御 - Google Patents

Abstract

多相交流（ＡＣ）誘導モータのトルクを制御するシステムは、引き金が引かれた際に前記ＡＣ誘導モータ（２８）にＡＣ電流を導くためのトリガー式双方向電子スイッチ（５０）、ＰＷＭ信号を発生させるためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号ジェネレータ（４６）、及び前記ＰＷＭ信号のパルスの間に発生するＡＣ電源装置（４４）の零交差ポイントを検出するための零交差回路（５８，６０，６２）であって、検出された各零交差ポイントにおいて前記双方向電子スイッチの引き金を引く出力パルスを発生する零交差回路、を有し、前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、ＡＣ誘導モータの平均トルクを制御するようにセットされる。

Description

本発明は、交流（ＡＣ）多相誘導モータのためのトルク制御に関するものである。

産業用途においてＡＣモータのトルク制御は、電気機械的または電子的に実施することができよう。例えば、包装産業に使用されるバンド掛け機における張力制御は、ＡＣ駆動モータによって駆動される回転可能な巻取り機に付与されるトルクを制御する電磁クラッチによってなされる。しかしながらクラッチには摩耗がつきものであるため、正確で一貫性ある張力制御のためには定期的なメンテナンスが必要である。ＡＣモータのトルク制御は、複雑な内部モデルを備えた最新式の変速駆動部を以て電子的に実施可能であるが、高価でかつ非常に非効率的な電子機器を必要とする。

米国特許第４６０５４５６号明細書 米国特許第５２９９４０７号明細書

従って、産業用途におけるＡＣ誘導モータのトルク制御、とりわけ最も多いＡＣ３相誘導モータの、ロータ位置のフィードバックがない状態でのトルク制御にあたって、シンプルでかつ低価格な電子的解決策が必要である。

本発明の１つの特徴として、多相交流（ＡＣ）誘導モータのトルクを制御するシステムを提供する。システムは引き金が引かれた際にＡＣ誘導モータに交流電流を導くトリガー式双方向電子スイッチを備えている。この他、同システムは又、ＰＷＭ信号を生成するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号ジェネレータと、ＰＷＭ信号のパルスの間に現れるＡＣ電源装置の零交差ポイントを検出するための零交差回路とを備える。零交差回路は、検出された各零交差ポイントで前記双方向電子スイッチの引き金を引くための出力パルスを発生させる。重大なことではあるが、ＰＷＭ信号のデューティサイクルがＡＣ誘導モータの平均トルクを制御するべく設定される。

双方向電子スイッチはトライアック（登録商標）の一群を有し、各トライアック（登録商標）がＡＣ電源装置の単相をＡＣ誘導モータの単相に接続させるようにしても良い。
双方向電子スイッチと零交差回路は、半導体継電器により実施しても良い。

ＰＷＭジェネレータは制御可能なＰＷＭ出力機能を持ったプログラマブル制御装置であっても良い。ＰＷＭジェネレータはプログラマブル論理制御装置であっても良い。
ＡＣ電源装置は低インピーダンスのダイレクトＡＣ主電源でなければならない。

本発明の他の特徴は、多相ＡＣ誘導モータのトルクを制御するための方法を提供することである。その方法は、ＰＷＭ信号を生成し、該ＰＷＭ信号のパルスの間に発生するＡＣ電源装置の零交差ポイントを検出し、検出された各零交差ポイントにおいて、前記ＡＣ誘導モータにＡＣ電流を供給する双方向電子スイッチの引き金を引き、そして前記ＡＣ誘導モータの平均トルクを制御するべく前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルをセットする、以上の各ステップを含んでいる。

本発明のさらに別の特徴として、上述したようなモータトルク制御システムを備え、多相ＡＣ誘導モータによって駆動される回転可能な巻取り機を有する巻付機械を提供する。１つ又はそれ以上の実施形態において、巻付機械はバンド掛け機でも良い。

本発明の更なる特徴として、可変トルク電磁クラッチを介して多相ＡＣ誘導モータによって駆動される回転可能な巻取り機を有する巻付機械において、張力を制御する方法を提供する。その方法は、前記モータのトルクをクラッチ滑りなしで前記巻取り機に直接伝達し、そして上述した方法によって前記モータへのトルクを制御することにより、前記巻取り機に据え付けられたストラップの張力を制御する、以上の各ステップを含んでいる。

本発明が、多相ＡＣ誘導モータにより可変トルク電磁クラッチを介して駆動される回転可能な巻取り機を有するバンド掛け機における張力制御の使用に適するものの、本発明は例えば圧縮やスクエアリングのための可変圧力を提供する力発生プラテンのように、数多くの他の産業プロセスに適用可能であることを理解すべきである。本発明は、短いデューティサイクルの間に拍動し変動するトルクを必要とするような多くのプロセスの使用に適する。

機械の選択された部品及び配置を示す模範的バンド掛け機の前方図である。 図１に示すバンド掛け機の一部を形成するストラップヘッドの概略図である。 図１に示すバンド掛け機の一部を形成する３相ＡＣ誘導モータのトルク制御システムの回路図である。 図３に示したシステムで異なるポイントで発生した様々な波形を示す図である。 異なったデューティサイクルでの、図３のシステムの作動を示す図である。 図３に示したシステム使用に適した標準的ＡＣモータのための模範的トルク―速度曲線を示す図である。 図３に示したシステム使用に適した標準的ＡＣモータのための模範的トルク―速度曲線を示す図である。

以下、一例として示す添付図面を参照して本発明を更に説明する。
図１を参照すると、ストラップヘッド１２を有するバンド掛け機１０が概略的に示されている。バンド掛け機１０はストラップシュート１６を支持するためのフレーム１４を備え、ストラップＳは、バンド掛け作業中、シュートの周りを進行するようになっている。１または複数のストラップディスペンサ１８によって、ストラップ材Ｓがストラップヘッド１２へ供給される。こうしたバンド掛け機の全体的な構成および作動は、例えば米国特許第４６０５４５６号や米国特許第５２９９４０７号に開示されている。

ストラップヘッド１２は機械１０の一部を構成しており、該機械は、ディスペンサ１８からストラップＳを引出したり引張ったりし、該ストラップＳをシュート１６を通して給送し、末端Ｔと接触するようにストラップＳの最先端Ｅを把持し、荷物Ｌを引き寄せるべく末端Ｔに張力を付与する。図示する実施形態では、バンド掛け機１０は、図２に略示する独立の溶接ヘッド（概略的にＷで示す）を含んでおり、該溶接ヘッドは、ストラップの重畳部分Ｅ、Ｔを互いに接合して１つのシールとする。ストラップＳは、その供給側端部（即ち、末端Ｅ）においてカッター（図示せず）により切断され、バンド掛けされた荷物Ｌが解放される。

ストラップヘッド１２は、複数のローラ２２、２４と、回転可能な巻取り機２６とを備えている。ローラ２２、２４は、シュート１６を通してストラップＳを荷物Ｌの周りに給送し、かつ、荷物Ｌ周りのストラップＳに張力を印加すべくストラップＳを牽引または巻戻す（巻取る）。図示する実施形態では、ローラ２２、２４は、被駆動ローラ２２と、被駆動ローラ２２と摩擦協働状態のみで回転するアイドラーローラ２４とから構成される。

被駆動ローラ２２に回転動作を与えるため、ローラ２２、２４は、例えばベルトドライブやダイレクトドライブのような駆動部（図示せず）に連結されている。図示する実施形態では、３相ＡＣ誘導モータ２８が直接か又はギアボックスを介して回転可能な巻取り機２６を駆動するように構成され、かつ可変トルク電磁クラッチ３０によって巻取り機２６に連結されている。このような配置構造は当業者により理解、認識されるだろう。

図３は、ＡＣ誘導モータ２８のトルクを制御するシステム４０の一実施形態を示している。そのシステム４０は、バンド掛け機１０に電源を供給するパネルに取り付けられた既成電子部品を以て実施しても良い。システム４０は、３相ＡＣ主電源装置４４と、ＡＣ誘導モータ２８との間で接続されたアランブラッドリ(Alan Bradley)156-A10BB3半導体接触器４２と、ＡＣ主電源装置４４と半導体接触器４２に接続されたアランブラッドリ(Alan Bradley)1763-L16BBBマイクロロジックス(MicroLogix)1100プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）４６とを備える。ＰＬＣ４６を駆動するべく２４ボルトの直流電源を提供するため、電源装置４８がＡＣ主電源装置４４とＰＬＣ４６との間で接続される。或いは、本システムは、零交差スイッチング機能を備えた他の市販の半導体継電器や、その他の市販のプログラマブルＰＷＭジェネレータによっても実施可能であることは理解されよう。

半導体接触器４２は、引き金が引かれた際にＡＣ主電源装置４４からＡＣ誘導モータ２８にＡＣ電流を導くトリガー式双方向電子スイッチ５０を備えている。電子スイッチ５０はトライアック（登録商標）５２、５４、５６からなる一群（そうでなければ、逆並列シリコンコントローラ整流器又はＳＣＲ）を備えている。各トライアック（登録商標）５２、５４、５６はＡＣ主電源装置４４の各単相をＡＣ誘導モータの各単相に接続する。

零交差回路５８、６０、６２がトライアック（登録商標）５２、５４、５６に夫々関連している。各零交差回路は、ゼロポイント近傍でＡＣ負荷電圧／電流を伴う作動を開始する電気回路である。各零交差回路の目的は、夫々関連するトライアック（登録商標）の導通をできるだけ早く開始して、入出力電圧と波形とをできるだけ接近させることにある。線間電圧が０ボルトである地点は零交差ポイントと呼ばれる。トライアック（登録商標）５２、５４、５６と夫々関連する零交差回路５８、６０、６２は接点６４、６６、６８を介してＡＣ主電源装置４４に接続され、これらの接点は、その役割が結局のところモータ方向を決定する位相方向を選択することにあるコイル継電器によって駆動されるようになっている。

ＰＬＣ４６は１０Ｈｚで信号PWM0、１００Ｈｚで信号PWM1のデューティサイクル、又は「ターンオン時間」を制御するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）出力機能を有する。導通のためトライアック（登録商標）が零交差回路によって選択されるように信号PWM0が制御ポイント７０に印加されることにより、ＰＷＭ信号のターンオン時間の間、ＡＣ主電源装置４４の単相とＡＣ誘導モータ２８の単相の間の各トライアック（登録商標）を導通させる。電磁クラッチ３０の従来制御を提供するためには、１００Ｈｚの信号PWM1が、ＤＣ半導体継電器コイル７２と、これに関連してＡＣ誘導モータ２８に電磁クラッチ３０を接続する半導体スイッチ（図示せず）とにより、デューティサイクルを変えた形で使用される。このことはその他の電源からクラッチに可変なる電流磁束を供給することに等しい。

以下、図４を参照して、トルク制御システム４０の作用を以下説明する。図４には、トルク制御システム４０において異なるポイントで発生する様々な波形が示されている。波形８０はＡＣ主電源装置４４からの電圧の単相のみを表している。明瞭化ため単相だけを示すが、ＡＣ誘導モータ２８に供給される３相の各々に同様な波形が存在することは理解されよう。主電圧の波形８０は、本質的には正弦波の形状と、国によって異なるが、通常、主周波数５０〜６０Ｈｚの周波数を有する。

波形８２は信号PWM0を表している。PWM0波形は既知周波数を有しており、本例では１０Ｈｚ（９〜１３Ｈｚ）となっている。単一パルスがPWM0波形の各サイクル毎に発生する。そのパルスの持続時間又は幅は、ＰＬＣ４６のプログラミングによって設定できるため、これによりPWM0波形のデューティサイクルを設定することができる。

PWM0波形のパルスの間、零交差回路５８、６０、６２は作動可能である。従って、波形８４に示すように、零交差回路５８、６０、６２は、主電圧波形８０における各零交差検出ポイントにおいてトライアック（登録商標）５２、５４、５６の引き金を引くための出力パルスを発生させる。波形８４の出力パルスは、トライアック（登録商標）５２、５４、５６をいずれの方向にも導通させ、その結果、ＡＣ誘導モータ２８に付与された出力波形８６は、トライアック（登録商標）５２、５４、５６が導通している間は主電圧波形８０に密に整合する。

図５から理解されるように、波形PWM0のデューティサイクルの変更により、トライアック（登録商標）５２、５４、５６の各々が各サイクルの間に導通する期間が変更され、これによりＡＣ誘導モータ２８に印加されるトルクが制御される。１０ＨｚのPWM0波形が電源ロックされていないため、波形PWM0のパルス内で各零交差ポイントが発生するような時間的位置は変化することになる。

本図に示した様々な波形は単なる一例に過ぎないことを理解すべきである。トルク制御システム１０の実施においては、様々な波形の形と相対的なタイミングは３つの相の相互作用で著しく影響を受ける。更に、電流ラグが負荷（即ち、ＡＣ誘導モータ２８）の誘導性によって導かれることになる。

バンド掛け機１０がバンド掛け作動における引張り段階にある時、要求された張力に対応する０％〜１００％までのデューティサイクルを調整することによって波形PWM0が必要なストラップ張力のために設定される。また時には、用途によってストラップ軌道周りやバンド掛け機１０のシュートシステム周囲でのストラップの動きの制御が必要となるかもしれないので、波形PWM0は１００％のデューティサイクルや他の所望値を提供するようにセットされる。

波形PWM0の周波数は９Ｈｚと１３Ｈｚの間が最適であり、また波形PWM0と電源周波数との間で非対称の関係が成立するように、使用する電源周波数に従って比例的に選択される。例えば、電源周波数５０Ｈｚでは１０Ｈｚの周波数が波形PWM0のために選択する一方で、電源周波数６０Ｈｚでは１２Ｈｚの周波数が波形PWM0のために選択する場合もある。１００Ｈｚの周波数での波形PWM1は、クラッチの伝達が滑りゼロで作用するか、或いは換言すればクラッチがフルパワーで伝達するのを確実にするため、引張り段階にある間は１００％のデューティサイクルに維持することができる。

３個のトライアック（登録商標）の各々と、それに関連する零交差回路とにより、変換や完全な電源半周期を伴った出力制御が提供されることが理解されるだろう。トライアック（登録商標）５２、５４、５６が導通することになる正味時間は、比例的により大きい数の完全なプラスマイナス半周期を連続して与えるように信号PWM0のデューティサイクルに従って変化し、同サイクルはトライアック（登録商標）５２、５４、５６の作動を制御する零交差回路５８、６０、６２の非同期ファイアリングによって統計的に決定される。図５に示される半周期を除くことによって発生したギャップは、要求された出力変調に寄与した。この例において、出力変調は１つの零落の元でしかない。

１０ＨｚのPWM0波形は電源ロックされず、また零交差回路５８、６０、６２によって発生する出力パルスの数は、PWM0波形にある多くのパルスと共に変化することになるため、多くの連続したPWM0パルスにわたりＡＣ誘導モータ２８の平均トルクを制御するべく、PWM0波形のデューティサイクルをセットすることができる。ＡＣ誘導モータ２８への供給電流の半周期の数は零交差回路が作動する毎に変えることができますが、時間がたつにつれて、半周期の数は平均化し、信号PWM0の選択デューティサイクルに対応した所望のトルク設定を達成することになる。

一例として、PWM0に設定された５３％のデューティサイクルは、実際には上述した例において、最初の秒で５３個の半周期がトリガーされ、次の秒で更に５３個の半周期がトリガーされ、５０Ｈｚ電源の２秒間に相当する２００個の全電源半周期の機会から合計１０６個の半周期を成すように、約１〜２秒で達成されるであろう。これは１０から２０個のPWM0パルスが１０Ｈｚで提供されることに関連している。

図６及び図７は異なった３相ＡＣ誘導モータのトルク／速度の曲線を示している。これらの曲線は、そのような３相ＡＣ誘導モータが非常に低い角速度でさえもストラップの引張りに必要な要求トルクを発生することを示している。このような誘導モータの運転に必要な高電流は、３相ＡＣ主電源装置４４からショートデューティをもって容易に調達可能である。最大で７×全荷重電流が、トライアック（登録商標）５２、５４、５６を介し定期的に要求することができ、これにより誘導モータ２８が、ロータロック状態での正常トルクよりかなり高い負荷曲線で提供されたような、０からその最大値までの全トルクレンジを提供することが可能になる。トライアック（登録商標）５２、５４、５６からの断続的電源供給により、トルクは脈動して、最終的な平均値を提供する。このトルクの脈動も又、ストラップの引張りプロセスを補助する。

ＡＣ誘導モータ２８で発生したトルクは、通常これらの図に示された三相誘導モータのトルク曲線の１つであって、特に相当なトルクが低インピーダンスの主電源から得られるような、非常に低い回転速度に対するゼロの位置において追随するだろう。

本発明の実施形態は、デューティサイクル調整ベースのＰＷＭパルス電源制御を採用した、シンプルかつ低コストのＡＣ誘導モータトルク制御を提供している。本発明の実施形態は、既成部品によって実施可能であり、また、様々な既存の産業ＡＣモータ用途にむけて改良することができる。

本発明の実施形態は、例えば正確かつ一貫したレベルの付与力が重要となるようなキャプスタンベースの引張り機械のような、巻付け及び／又は引張り機械のような精密用途に有効である。例えば、本発明の実施形態は、例えば金属、積み重なった木材、新聞、雑誌、干し草の綿の梱包などのように、荷物の周囲にストラップを配置し、これを引張りシールするといったような包装産業において使用されるバンド掛け機において正確かつ反復可能な張力制御を有効に提供することができる。

ストラップ張力の付与のため従来からのバンド掛け機で使用されるＡＣ誘導モータは、電気機械的クラッチを介し、通常、回転可能な巻取り機と係合する。このクラッチ機能は、時間と共に摩耗するため、再現性や信頼性があるものではない。モータトルクは、必要とされる応答速度のフィードバックを伴う、非常に高価なサーボモータ制御システム無くして補償することができないため、クラッチが使用される。本発明の実施形態により、滑ることが役目であるようなクラッチを使用することなくモータによる張力値の直接制御が可能となる。これは、用途において実質上ゼロからその最大定格値まで平均化され、デューティサイクルにほとんど正比例の関係となる、誘導モータによって示されたパルストルクによって可能となった。モータのトルク曲線は、本発明の電源パルス方法によって経験される可変トルクの進展に関与する。

従って、本発明の実施形態は、従来のバンド掛け機にあるようなクラッチ制御の引張りを、誘導モータの原動力をもって直接的に実行される電源パルス変調スキームに対して変更、又は変化することを可能にする。これにより、最小限のメンテナンスを伴い、正確かつ再現性のある引張りプロセスを備えた改良されたバンド掛け機が提供される。そのようなバンド掛け機は、さまざまの産業環境に使用された際、摩耗因子を除去することで経時的には実質的に変わらない単一のデジタルセットポイントを備えている。本発明のパルス電源トルク制御は、本線５０／６０Ｈｚの波形を使用し、張力に対し同等な百分率変化を供給するべく、確率が０から１００Ｔまで偏向されるような統計的な枠組みにおいて、制御された電源を提供する。その上、パルス電源トルク制御はバンド掛け機による引張りを更に向上させるような巻取り機の脈動を提供する。

本発明によるパルス電源トルク制御の実施形態は、例えばストラップ引張り、梱包圧縮、パレットスクェアリングのような一連の目的や、ＡＣ誘導モータを短いデューティサイクルで使用する制御方法において最大出力以下を必要とするような如何なる目的に対しても誘導モータに対し、短いデューティの変調電源を有効に提供する。

本発明の実施形態の他の利点としては以下のものが含まれる。
張力又は他の要求パラメータのより正確な制御。
張力や他のパラメータの制御のため電源の一貫性かつ再現性のある適用。
その適用を有利なものとするピークを有する積分プロセスであるためにパッケージのコーナー周りでより大きい張力で引くこと。
より広い範囲の産業、製品タイプへ向けて、標準的なバンド掛け機又は他の目的機を展開するための増えた機会。
新旧バンド掛け機の間のバラツキの除去。
クラッチとブレーキを使ったストラップ引張りのような制御された負荷による保守介入の減少、及び実質的な削除。
引張りをかけるクラッチ機能がデジタル的にオン／オフだけになるように変更されたことによる制御回路の簡素化。
スリップ無しで作動することによる、引張りをかけるクラッチ保守要求の削減。
バンド掛け機全体の信頼性の向上。

以上、ほんの一例としての実施形態を説明したが、開示された本発明の範囲内で変更が可能である。

１０ バンド掛け機
１２ ストラップヘッド
１４ フレーム
１６ ストラップシュート
１８ ストラップディスペンサ
２２ 被駆動ローラ
２４ アイドラーローラ
２６ 回転可能な巻取り機
２８ ＡＣ誘導モータ
３０ 可変トルク電磁クラッチ
４０ システム
４２ 半導体接触器
４４ ＡＣ主電源装置
４６ プログラマブルロジックコントローラ
４８ 電源装置
５０ トリガー式双方向電子スイッチ
５２ トライアック（登録商標）
５４ トライアック（登録商標）
５６ トライアック（登録商標）
５８ 零交差回路
６０ 零交差回路
６２ 零交差回路
６４ 接点
６６ 接点
６８ 接点
７０ 制御ポイント
７２ ＤＣ半導体継電器コイル
８０ 波形
８２ 波形
８４ 波形
８６ 波形
Ｅ ストラップ部分（最先端）
Ｌ 荷物
Ｓ ストラップ
Ｔ ストラップ部分（末端）
Ｗ 溶接ヘッド

Claims (10)

1. 多相交流（ＡＣ）誘導モータのトルクを制御するシステムであって、
   引き金が引かれた際に前記ＡＣ誘導モータにＡＣ電流を導くためのトリガー式双方向電子スイッチ、
   ＰＷＭ信号を発生させるためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号ジェネレータ、
   前記ＰＷＭ信号のパルスの間に発生するＡＣ電源装置の零交差ポイントを検出するための零交差回路であって、検出された各零交差ポイントにおいて前記双方向電子スイッチの引き金を引く出力パルスを発生する零交差回路、を有し、
   前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、ＡＣ誘導モータの平均トルクを制御するようにセットされることを特徴とするシステム。
2. 前記双方向電子スイッチはトライアック（登録商標）の一群を備え、夫々のトライアック（登録商標）は前記ＡＣ電源装置の単相を前記ＡＣ誘導モータの単相に接続することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記双方向電子スイッチと零交差回路は、半導体継電器により実施されることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記ＰＷＭジェネレータは制御可能なＰＷＭ出力機能を持ったプログラマブル制御装置であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のシステム。
5. 前記ＰＷＭジェネレータはプログラマブル論理制御装置であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のシステム。
6. 前記ＡＣ電源装置は低インピーダンスのダイレクトＡＣ主電源であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のシステム。
7. 多相交流（ＡＣ）誘導モータのトルクを制御する方法であって、
   パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、
   前記ＰＷＭ信号のパルスの間に発生するＡＣ電源装置の零交差ポイントを検出し、
   検出された各零交差ポイントにおいて、前記ＡＣ誘導モータにＡＣ電流を供給する双方向電子スイッチの引き金を引き、
   前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルが前記ＡＣ誘導モータの平均トルクを制御するようにセットされるように設定する、ことを特徴とする方法。
8. 多相交流（ＡＣ）誘導モータによって駆動される回転可能な巻取り機を有する巻付け機械であって、前記モータのトルクを制御するための請求項１〜６の何れか１項に記載のシステムを有することを特徴とする巻付機械。
9. 前記巻付機械はバンド掛け機であることを特徴とする請求項８に記載の巻付機械。
10. 可変トルク電磁クラッチを介して多相ＡＣ誘導モータによって駆動される回転可能な巻取り機を有する巻付機械の張力制御方法であって、
    前記モータのトルクをクラッチ滑りなしで前記巻取り機に直接伝達し、
    請求項１〜７に記載の方法によって前記モータへのトルクを制御することにより、前記巻取り機に据え付けられたストラップの張力を制御することを特徴とする張力制御方法。

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