JP2011004513A - 放電制御装置およびそれを用いたモータのブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回生電力を消費してブレーキをかける発電型ブレーキ装置では、スイッチング素子をオン、オフして放電対象物から引き出す電流を制御していた。このため、放電対象物の出力電圧を速度信号に充分追従させることができず、力率が低下してしまい、適正なブレーキ力を得ることができないという課題があった。本発明はこの課題を解決することを目的にする。
【解決手段】指令値（速度信号）と放電対象物の電圧が入力され、これらの差が０になるような信号を出力する調節部と、この調節部の出力信号が入力され、放電電流を無段階で制御する制御部を具備した。放電電流を無段階で制御するので、正確に放電対象物の電圧を指令値に追従させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、励磁電流を遮断した後にモータから発生する回生電力を用いた発電型ブレーキ装置に用いて好適な放電制御装置、およびそれを用いたモータのブレーキ装置に関するものである。

回生電力を用いた発電型ブレーキ装置は、ブレーキをかけるときにモータを抵抗とコンデンサの並列回路に接続し、この並列回路でモータから発生する回生電力を消費する構成のものが知られている。しかし、装置が大型になり、かつモータの速度によってブレーキの効果が変化するという課題があった。

特許文献１には、このような課題を解決した発電型ブレーキ装置の発明が記載されている。以下、図５に基づいてこの発明の概要を説明する。

図５において、１０は発電型ブレーキ装置、２０はモータ、２１はモータドライバである。モータ２０を駆動するときは、リレー１１によってモータ２０をモータドライバ２１に接続する。

ブレーキをかけるときは、リレー１１によってモータ２０をモータドライバ２１から切り離し、等価共振回路１４に接続する。等価共振回路１４は、複数のスイッチング素子で構成されるコンバータ手段１４ａ、この複数のスイッチング素子を制御するＰＷＭ制御手段１４ｂ、このＰＷＭ制御手段１４ｂを制御する積分手段１４ｃで構成される。

コンバータ手段１４ａに流入する電流は、電流センサ１２、１３で検出される。電流センサ１２、１３の出力は積分手段１４ｃに入力される。積分手段１４ｃは、入力された電流センサ１２、１３の出力を不完全積分する。

電流センサ１２の出力は、速度検出手段１５に入力される。速度検出手段１５は、入力された電流センサ１２の出力からモータ２０の速度信号Ｖｓを演算し、電圧制御手段１６に出力する。

電圧制御手段１６には、抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧されたコンバータ手段１４ａの出力電圧が入力される。電圧制御手段１６はスイッチング素子１７のオンオフを制御してコンバータ手段１４ａの放電電流を調整し、コンバータ手段１４ａの出力電圧を速度信号Ｖｓに追従させる。

発電型ブレーキ装置１０はモータ２０の回生電力を放電する放電抵抗として動作し、この放電抵抗の抵抗値を制御することにより、コンバータ手段１４ａの出力電圧を速度信号Ｖｓに追従させる。このような構成により、小型化でかつ制動距離を短縮することができるブレーキ装置を実現することができる。

特開２００７−１７４７６３号公報

しかしながら、このような発電型ブレーキ装置は、スイッチング素子１７をオンオフ制御してコンバータ手段１４ａの出力電圧を速度信号Ｖｓに追従させる構成なので、追従性が悪く、また放電の力率も低いという課題があった。図６を用いて、このことを説明する。

図６は指令電圧である速度信号、コンバータ手段１４ａの出力電圧、および放電力率の関係を表した図であり、点線２２は速度信号、実線２３はコンバータ手段１４ａの出力電圧、実線２４は放電力率の変化を表したグラフである。なお、横軸はモータ２０の速度であり、右側に行くほど速度が大きくなる。縦軸は電圧および力率であり、上に行くほど大きくなる。

図５の発電型ブレーキ装置は、スイッチング素子１７のオンオフを制御して出力電圧を速度信号に追従させるものであるため、出力電圧を完全には速度信号に追従させることができないという課題があった。

すなわち、スイッチング素子がオンになるとコンバータ手段１４ａの出力電流が増加してその出力電圧が低下し、オフになると出力電流が減少して出力電圧が増加する。このため、実線２３に示すように、コンバータ手段１４ａの出力電圧は波状に変化しながら速度信号２２に追従する。従って、実線２４に示すように、力率は理想的な力率２５（点線）より低くなってしまうという課題もあった。

本発明の目的は、放電抵抗の電圧を指令電圧に正確に追従させることができる放電制御装置およびそれを用いたモータのブレーキ装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
放電対象物の電圧を指令値に追従させながら、前記放電対象物を放電する放電制御装置において、
前記放電対象物の電圧および前記指令値が入力され、これらの値の差が０になるような信号を出力する調節部と、
前記調節部の出力信号が入力され、この入力された信号に基づいて、前記放電対象物から引き出す電流を無段階で制御する制御部と、
を具備したものである。放電対象物の電圧を正確に指令値に追従させることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記制御部は、抵抗と、この抵抗に直列に接続され、前記調節部の出力信号に基づいた信号で制御される電流制御部とを具備したものである。電力消費を抵抗と電流制御部で分担して消費できるので、安価で小型の抵抗を使用できる。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記電流制御部としてＭＯＳＦＥＴを用いたものである。電力消費を抵抗と電流制御部で分担して消費できるので、安価で小型の抵抗を使用できる。

請求項４記載の発明は、請求項２若しくは請求項３に記載の発明において、
前記電流制御部を少なくとも２個直列接続したものである。耐圧を高くすることができる。

請求項５記載の発明は、
モータの回生電力を放電して、このモータにブレーキをかけるモータのブレーキ装置において、
前記モータの回生電力を放電する、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の放電制御装置を具備したものである。モータの電圧を正確に速度信号に追従させることができるので、最適なブレーキ力を得ることができる。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、３、４、５の発明によれば、指令値と放電対象物の電圧に関連する信号が入力され、これらの差が０になるような制御信号を出力する調節部と、この調節部の出力信号が入力され、無段階で放電電流を制御する制御部を具備した。

放電電流を無段階で制御するようにしたので、放電対象物の電圧を正確に指令値に追従させることができる。そのため、指令値への追従性を高めて、力率を改善することができるという効果がある。

また、ＭＯＳＦＥＴ等で構成される電流制御部と抵抗を直列に接続し、これら電流制御部と抵抗で電力消費を分担させることにより、安価で小型の抵抗を使用することができるという効果もある。

また、電流制御部を複数直列接続することにより、耐圧が低い安価な電流制御素子を用いて高耐圧の制御部を構成することができるという効果もある。

さらに、この放電制御装置をモータのブレーキ装置に用いることにより、モータの電圧を正確に速度信号に追従させることができるので、最適なブレーキ力を得ることができるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 本発明の効果を示す特性図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 従来の発電型ブレーキ装置の構成図である。 従来の発電型ブレーキ装置の特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る放電制御装置の一実施例を示した構成図である。図１において、３０は放電制御装置であり、調節部３１、制御部３２、および検出部３３で構成される。４０は放電制御装置３０によって放電が制御される放電対象物であり、モータのブレーキ装置の場合はモータが該当する。

調整部３１には指令値と検出部３３の出力が入力される。調整部３１は、入力された指令値と検出部３３の出力の差分を演算し、この差分が０になるような制御信号を出力する。モータのブレーキ装置の場合は、指令値としてモータの速度信号を用いる。

制御部３２には調節部３１の出力が入力される。制御部３２は、調節部３１の出力信号に基づいて、放電対象物４０の放電電流を制御する。制御部３２はリニアに、すなわち無段階で放電対象物４０の放電電流を制御する。検出部３３は、例えば放電対象物４０の電圧を測定し、この出力電圧に関連する信号を出力する。

図２に、図１実施例の効果を示す。なお、図６と同様に横軸はモータの速度、縦軸は電圧と力率である。モータ速度は右に行くほど大きくなり、電圧と力率は上に行くほど大きくなる。

図２において、点線４１は指令値、実線４２は検出部３３の出力電圧である。前述したように、検出部３３の出力電圧は、放電対象物４０の電圧に関連した信号である。

前述したように、調節部３１は指令値と検出部３３の出力電圧の差分が０になるような制御信号を出力する。従って、検出部３３の出力、すなわち放電対象物４０の電圧は、指令値にほぼ一致する。また、制御部３２は無段階で放電対象物４０の電圧を制御するので、図６で見られるような波状の変化は発生しない。従って、検出部３３の出力、すなわち放電対象物の電圧は、常に指令値に正確に追従する。

点線４３は理想的な力率、実線４４は力率の測定値である。モータ速度が変化しても、力率測定値は理想的な力率にほぼ一致していることが判る。指令値と検出部３３の出力が常に一致するように制御されるので、力率の測定値４４はほぼ一定値になる。力率が最大になるように指令値を選択することにより、力率を理想的な値に近づけることができる。

図３に、制御部３２の具体例の概念図を示す。図３において、５０は制御部であり、抵抗５１およびＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)５２が直列接続された構成を有する。ＭＯＳＦＥＴ５２は電流制御部を構成する。この制御部５０は、制御部３２と同じ動作を行う。

抵抗５１の一端は放電対象物４０に接続され、他端はＭＯＳＦＥＴ５２のドレインに接続される。このＭＯＳＦＥＴ５２のソースは共通電位点に接続され、ゲートには調節部３１の出力電圧が印加される。

ＭＯＳＦＥＴ５２はリニア領域で駆動される。ＭＯＳＦＥＴ５２のゲート電圧が高くなる、すなわち指定値と放電対象物の電圧の差が大きくなるとドレイン電流が増加し、放電対象物４０からより多くの電流を引き出す。このため、放電対象物４０の出力電圧は低下する。ＭＯＳＦＥＴ５２のゲート電圧が低くなるとドレイン電流が減少し、放電対象物４０から引き出される電流は小さくなる。

ＭＯＳＦＥＴ５２をリニア領域で駆動させることにより、放電対象物４０から引き出す電流を無段階で制御できる。このため、放電対象物４０の電圧を正確に指令値に追従させることができる。モータのブレーキ装置に用いると、最適なブレーキ力を得ることができる。

また、このような構成にすることにより、放電対象物４０の電力を抵抗５１とＭＯＳＦＥＴ５２で分担して消費することができる。このため、抵抗５１の消費電力を小さくすることができるので、抵抗５１として安価で小型の抵抗器を用いることができる。

図４に、制御部３２の他の構成を示す。図４において、６０は制御部であり、抵抗６１、電流制御部６２および６３、入力部６４で構成される。抵抗６１と電流制御部６２、６３はこの順で直列接続される。入力部６４には調節部３１の出力電圧が入力され、その出力は電流制御部６３に入力される。

７０は三相モータ、７１はモータ７０の回生電力が入力される三相コンバータであり、これらは放電対象物４０に該当する。三相コンバータ７１は抵抗６１と電流制御部６２、６３の直列回路と並列に接続される。

入力部６４は、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１３、ツェナダイオードＤ１、およびＰＮＰトランジスタＴｒ１で構成される。抵抗Ｒ１０とＲ１１は直列接続され、抵抗Ｒ１０の他端には調節部３１の出力電圧が印加される。抵抗Ｒ１０とＲ１１の接続点は、ツェナダイオードＤ１のカソードおよびＰＮＰトランジスタＴｒ１のベースに接続される。

ＰＮＰトランジスタのコレクタは共通電位点に接続され、エミッタには抵抗Ｒ１２の一端が接続される。抵抗Ｒ１２の他端は抵抗Ｒ１３の一端に接続され、この抵抗Ｒ１３の他端は共通電位点に接続される。抵抗Ｒ１２とＲ１３の接続点が、入力部６４の出力端子になる。

電流制御部６２と６３は同じ構成を有しており、抵抗Ｒ１４〜Ｒ１６、ＭＯＳＦＥＴＴｒ２、およびツェナダイオードＤ２で構成される。電流制御部６２と６３は、図３のＭＯＳＦＥＴ５２と同等の動作を行う。

ＭＯＳＦＥＴＴｒ２のゲートソース間には、ゲートをカソード側としてツェナダイオードＤ２が接続され、このゲートには抵抗Ｒ１４の一端が接続される。抵抗Ｒ１５の一端はＭＯＳＦＥＴＴｒ２のソースに接続され、他端は抵抗Ｒ１６の一端に接続される。この抵抗Ｒ１６の他端はＭＯＳＦＥＴＴｒ２のドレインに接続される。

電流制御部６２および６３はＡ〜Ｄの４つの端子を有している。端子Ａは抵抗Ｒ１４の一端、端子ＢはＭＯＳＦＥＴＴｒ２のドレイン、端子ＣはＭＯＳＦＥＴＴｒ２のゲート、端子Ｄは抵抗Ｒ１５とＲ１６の接続点である。

電流制御部６２の端子ＡおよびＢは、抵抗６１の一端に接続される。電流制御部６２の端子Ｃ、Ｄは、それぞれ電流制御部６３の端子Ａ、Ｂに接続される。電流制御部６３の端子Ｃは入力部６４の出力端子に接続され、Ｄは共通電位点に接続される。

次に、この実施例の動作を説明する。調節部３１の出力が入力されないとき、または０のときは、ＰＮＰトランジスタＴｒ１はオンになる。電流制御部６２、６３内のＭＯＳＦＥＴＴｒ２のゲート電位はほぼ０になり、リニア領域の低電圧部分で動作する。このため、これらのＭＯＳＦＥＴはほとんどオフ状態になる。放電対象物である三相コンバータ７１からの放電はほとんど行われず、ブレーキは作用しない。

調節部３１の出力電圧が高くなると、トランジスタＴｒ１のエミッタ電位が上昇する。このため、ＭＯＳＦＥＴＴｒ２のゲート電圧が高くなり、リニア領域の高電圧部分で動作する。このため、ドレイン電流が流れて三相コンバータ７１から電流を引き出す。ＭＯＳＦＥＴＴｒ２は常にリニア領域で動作するようにされているので、三相コンバータ７１から引き出す電流は無段階で変化する。このため、放電対象物である三相コンバータ７１の出力電圧は、指令値にほぼ一致して変化する。

この実施例でも、図３実施例と同じように、三相コンバータ７１の電力を抵抗６１とＭＯＳＦＥＴＴｒ２の両方で消費する。このため、抵抗６１として安価な小型の抵抗器を使用することができる。

また、電流制御部６２、６３を直列接続したので、電流制御部を１つ用いる場合よりも耐圧を高くすることができる。このため、ＭＯＳＦＥＴＴｒ２として耐圧が低い安価な素子を用いることができる。

なお、図４実施例では電流制御部を２段直列に接続するようにしたが、１段としてもよいし、３段以上としてもよい。直列接続する段数を多くすると、より高圧に耐えることができるので、三相コンバータ７１の出力電圧が高い場合にも対応できる。また、単相モータなど三相以外のモータに用いることもできる。

また、図３、図４実施例では、電流を制御する素子としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＦＥＴでないトランジスタを用いることもできる。要は、流れる電流を無段階で制御できる素子であればよい。

さらに、これらの実施例では放電制御装置をブレーキ装置に適用したが、他の分野、例えば電池の放電装置に適用することもできる。

３０ 放電制御装置
３１ 調節部
３２、５０、６０ 制御部
３３ 検出部
４０ 放電対象物
５１、６１、Ｒ１０〜Ｒ１６ 抵抗
５２、Ｔｒ２ ＭＯＳＦＥＴ
６２、６３ 電流制御部
６４ 入力部
７０ 三相モータ
７１ 三相コンバータ
Ｔｒ１ ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１０〜Ｒ１６ 抵抗

Claims (5)

1. 放電対象物の電圧を指令値に追従させながら、前記放電対象物を放電する放電制御装置において、
   前記放電対象物の電圧および前記指令値が入力され、これらの値の差が０になるような信号を出力する調節部と、
   前記調節部の出力信号が入力され、この入力された信号に基づいて、前記放電対象物から引き出す電流を無段階で制御する制御部と、
   を具備したことを特徴とする放電制御装置。
2. 前記制御部は、
   抵抗と、
   この抵抗に直列に接続され、前記調節部の出力信号に基づいた信号で制御される電流制御部と、
   を具備したことを特徴とする請求項１に記載の放電制御装置。
3. 前記電流制御部としてＭＯＳＦＥＴを用いたことを特徴とする請求項２に記載の放電制御装置。
4. 前記電流制御部を少なくとも２個直列接続した構成を具備したことを特徴とする請求項２若しくは請求項３に記載の放電制御装置。
5. モータの回生電力を放電して、このモータにブレーキをかけるモータのブレーキ装置において、
   前記モータの回生電力を放電する、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の放電制御装置と、
   を具備したことを特徴とするモータのブレーキ装置。

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