JP2013240195A - 加減速制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標停止位置に短時間かつスムーズに電動機を停止させることができる加減速制御装置を得ること。
【解決手段】加減速制御装置は、電動機を加減速させる加減速制御装置であって、前記電動機を駆動する駆動部と、前記電動機を停止させる際に直流制動を行うように前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、Ｎを２以上の整数とするとき直流制動時間をＮ個の期間に分割する分割部と、前記分割されたＮ個の期間のそれぞれに対して、最終の期間の振幅が最も小さくなるように直流制動電圧を設定する設定部と、前記設定されたＮ個の期間の直流制動電圧に従って、直流制動を行うように前記駆動部を制御する制動制御部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加減速制御装置に関する。

電動機を半導体電力変換器で駆動する装置において、電動機の加速・減速制御には変換器の出力周波数、さらには出力電圧も制御することで実現する。このうち、減速制御方式としては、変換器の出力周波数を現在の周波数からゼロ周波数に向けて下げていく方式がある。

このとき、変換器の出力周波数がゼロ周波数になった場合でも、電動機とその負荷を含めた慣性が大きく減速時間が短い場合、変換器の出力周波数に電動機の実速度が追従せず、変換器の出力遮断後も電動機が停止しきれずにフリーラン状態で回転してしまう場合がある。

対策としてモータに直流電圧を印加することで、停止タイミングや制動とトルクを調節できる直流制動方式がある。

特許文献１には、モータ駆動装置において、モータの直流制動時に初期印加電圧を小さくし印加電圧を徐々に増加することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、ストップ指令が入力された直後に加速トルクが働くことがなくなり、直ちに制動トルクが働いて制動時間を短縮することができるとされている。

特開平８−１９１５８２号公報

特許文献１に記載の技術では、モータが停止する際に、モータの印加電圧が非常に大きな値からいきなりゼロに制御され、モータに振動等が起こる可能性があるので、モータ（電動機）を目標停止位置で停止させることが困難になりやすく、モータ（電動機）をスムーズに停止させることが困難になりやすい。

また、仮に、電動機をスムーズに停止させるために電動機が停止する直前までモータの印加電圧を小さな値に維持した場合、電動機を停止させるのに必要な仕事量をかせぐために、直流制動時間を非常に長くしなければならないので、電動機を短時間に停止させることが困難になりやすい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、目標停止位置に短時間かつスムーズに電動機を停止させることができる加減速制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる加減速制御装置は、電動機を加減速させる加減速制御装置であって、前記電動機を駆動する駆動部と、前記電動機を停止させる際に直流制動を行うように前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、Ｎを２以上の整数とするとき直流制動時間をＮ個の期間に分割する分割部と、前記分割されたＮ個の期間のそれぞれに対して、最終の期間の振幅が最も小さくなるように直流制動電圧を設定する設定部と、前記設定されたＮ個の期間の直流制動電圧に従って、直流制動を行うように前記駆動部を制御する制動制御部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、直流制動時間の前半で直流制動電圧を大きくでき、仕事量をかせぐことができるので、直流制動時間を短縮できる。また、直流制動時間の後半で直流制動電圧を小さくでき、電動機が停止するタイミングにおける電動機の印加電圧の変化量を低減でき、電動機を目標停止位置にスムーズに停止させることができる。すなわち、目標停止位置に短時間かつスムーズに電動機を停止させることができる。

図１は、実施の形態１にかかる加減速制御装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図３は、実施の形態１の変形例にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図４は、実施の形態１の他の変形例にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図５は、実施の形態２にかかる加減速制御装置の構成を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図７は、実施の形態２の変形例にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図８は、実施の形態２の他の変形例にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図９は、基本の形態にかかる加減速制御装置の構成を示す図である。 図１０は、基本の形態にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。 図１１は、基本の形態にかかる加減速制御装置の動作を示す図である。

以下に、本発明にかかる加減速制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
実施の形態１にかかる可変速制御装置１００について説明する前に、基本の形態にかかる可変速制御装置１について図９を用いて説明する。

可変速制御装置１は、電動機Ｍを半導体電力変換器３で駆動する。すなわち、可変速制御装置１は、制御部１４による制御のもと、直流電力を半導体電力変換器３で交流電力に変換し、変換された交流電力を電動機Ｍに供給することで、電動機Ｍを駆動する。

具体的には、可変速制御装置１は、平滑部１３、半導体電力変換器（駆動部）３、電流検出部１０、及び制御部１４を備える。

平滑部１３は、直流電源ＰＳから直流電力を受ける。平滑部１３は、例えば平滑コンデンサ１３ａを有し、平滑コンデンサ１３ａを用いて直流電力を平滑化し、平滑化された直流電力を半導体電力変換器３へ供給する。

半導体電力変換器３は、平滑化された直流電力を平滑部１３から受ける。半導体電力変換器３は、直流電力を交流電力に変換する。半導体電力変換器３は、複数のスイッチング素子１ａ〜１ｆと複数の還流ダイオード２ａ〜２ｆとを有し、複数のスイッチング素子１ａ〜１ｆのそれぞれを所定のタイミングでスイッチング動作させることで、直流電力を交流電力に変換する。複数の還流ダイオード２ａ〜２ｆは、複数のスイッチング素子１ａ〜１ｆを保護する。半導体電力変換器３は、変換された交流電力を電動機Ｍへ供給する。

電流検出部１０は、電動機Ｍに流れる相電流を検出する。電流検出部１０は、例えば複数の電流検出器１６〜１８を有し、複数の電流検出器１６〜１８を用いて各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。電流検出部１０は、検出された電流ｉｕ〜ｉｗを制御部１４へ供給する。

なお、電流検出部１０は、２相の電流を検出してもよい。この場合、他の１相の電流は、３相の電流が平衡状態にあることを考慮して、制御部１４により演算されてもよい。

制御部１４は、検出された電流ｉｕ〜ｉｗを電流検出部１０から受ける。制御部１４は、各相の電流ｉｕ〜ｉｗに応じて、半導体電力変換器３を制御する。例えば、制御部１４は、半導体電力変換器３における複数のスイッチング素子１ａ〜１ｆの制御端子に制御信号を供給することで、半導体電力変換器３に電力変換動作を行わせる。すなわち、例えば、制御部１４は、半導体電力変換器３を介して、電動機Ｍの回転子の回転速度を加速させる加速制御を行ったり、電動機Ｍの回転子の回転速度を一定速度に維持させる定速制御を行ったり、電動機Ｍの回転子の回転速度を減速させる減速制御を行ったりする。

電動機Ｍの加速・減速制御には、半導体電力変換器３の出力周波数、さらには出力電圧も制御することで実現する。このうち、減速制御の方式としては、半導体電力変換器３の出力周波数を現在の周波数からゼロ周波数に向けて下げていく方式が考えられる。

電動機Ｍの回転子を停止させることを考えた場合、この方式では、半導体電力変換器３の出力周波数がゼロ周波数になった場合でも、電動機Ｍとその負荷を含めた慣性が大きく減速時間が短いと、半導体電力変換器３の出力周波数に電動機Ｍの実速度が追従せず、半導体電力変換器３の出力遮断後も電動機Ｍが停止しきらずにフリーラン状態で回転してしまう可能性がある。

その対策として、減速制御の方式を、モータに直流電圧を印加することで停止タイミングや制動とトルクを調節できる直流制動方式にすることが考えられる。直流制動は、停止時に電動機Ｍの負荷が大きい場合や、通常の減速では停止しきらずに慣性で回転してしまう場合に、外部ブレーキを使用せず、図１０に示すように、直流制動開始タイミングｔ１以降において、半導体電力変換器３から電動機Ｍへの直流電圧の印加により、電動機Ｍの回転子を停止させる機能である。なお、図１０に示すように、各相の直流制動電圧は、相間で平衡がとれるように、互いに異なるレベルに設定されるが、以下では、説明および図示の簡略化のため、１つの相（例えば、図１０に示すＷ相）について例示的に説明する。

直流制動方式では、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、直流制動動作周波数ｆｂと直流制動時間ΔＴｂ、さらに直流制動電圧Ｖｂの３つが設定できる。直流制動では、例えば、直流制動時間ΔＴｂと直流制動電圧Ｖｂとを調整することで、直流制動開始タイミングｔ１からの停止時間調整が可能である。電動機Ｍを停止させるのに必要な仕事量をＷｂとした場合、直流制動時間ΔＴｂで停止させるためには、直流制動電圧Ｖｂを、次の数式１が成り立つような値にして制御部１４に設定しておく。
Ｗｂ＝Ｖｂ×ΔＴｂ・・・数式１

すなわち、制御部１４は、記憶部１４ａ、制動制御部１４ｂ、周波数制御部１４ｆ、及び運転制御部１４ｇを有する。記憶部１４ａは、直流制動に必要な複数の制御パラメータを記憶する。複数の制御パラメータは、例えば、直流制動動作周波数ｆｂ、直流制動時間ΔＴｂ、及び直流制動電圧Ｖｂを含む。制動制御部１４ｂは、直流制動開始タイミングｔ１になったことを認識したら、記憶部１４ａに記憶された複数の制御パラメータを取得し、複数の制御パラメータを用いて直流制動を行うように半導体電力変換器３を制御する。周波数制御部１４ｆは、直流制動開始タイミングｔ１より前の通常運転時において、周波数指令を生成して運転制御部１４ｇへ供給する。運転制御部１４ｇは、直流制動開始タイミングｔ１より前の通常運転時において、周波数制御部１４ｆから周波数指令を受け、周波数指令に応じて電圧指令を生成し、電圧指令をＰＷＭキャリアと比較することで制御信号を生成し、半導体電力変換器３における複数のスイッチング素子１ａ〜１ｆの制御端子に制御信号を供給する。

例えば、図１１（ａ）に示すように、周波数制御部１４ｆは、直流制動を行うための準備として、タイミングｔ０から、周波数指令を徐々に低下させる。運転制御部１４ｇは、記憶部１４ａを参照して直流制動動作周波数ｆｂを取得し、周波数指令と直流制動動作周波数ｆｂとを比較する。運転制御部１４ｇは、周波数指令が直流制動動作周波数ｆｂに達したことを認識したら、制御を制動制御部１４ｂに引き渡し、自身の制御（通常運転時の制御）を停止する。制動制御部１４ｂは、記憶部１４ａを参照し、複数の制御パラメータ（例えば、直流制動時間ΔＴｂ、及び直流制動電圧Ｖｂ）を用いて直流制動を行う。すなわち、図１１（ｂ）に示すように、制動制御部１４ｂは、直流制動時間ΔＴｂだけ電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｂを印加してブレーキトルクを発生させる。これにより、電動機Ｍをフリーランさせずに短時間で停止させることができるようにも考えられる。

しかし、電動機Ｍの負荷イナーシャが大きい場合で、かつ急減速停止と急加速を繰り返す用途（サイクル運転）では、直流制動を用いても電動機Ｍを目的の停止位置に短時間かつスムーズに停止させることが困難な場合があり、基本の形態における直流制動方式では、全ての負荷状態と減速時間とに対応することが困難である。

ここで、仮に、電動機Ｍを短時間で停止させるために電動機Ｍへ印加する直流制動電圧Ｖｂを非常に大きな値に維持する場合を考える。この場合、電動機Ｍが停止するタイミングｔ２（図１１（ｂ）参照）において、電動機Ｍの印加電圧が非常に大きな値（直流制動電圧Ｖｂ）からいきなりゼロに制御され、電動機Ｍに振動等が起こる可能性があるので、電動機Ｍを目標停止位置で停止させることが困難になりやすく、電動機Ｍをスムーズに停止させることが困難になりやすい。

あるいは、仮に、電動機Ｍをスムーズに停止させるために電動機Ｍへ印加する直流制動電圧Ｖｂを非常に小さな値に維持する場合を考える。この場合、電動機Ｍを停止させるのに必要な仕事量Ｗｂ（図１１（ｂ）参照）をかせぐために、直流制動時間ΔＴｂを非常に長くしなければならないので、電動機Ｍを短時間に停止させることが困難になりやすい。

そこで、本実施の形態では、可変速制御装置１００において、直流制動電圧Ｖｂを一定値に維持するのではなく、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングからの経過時間に応じて階段状に直流制動電圧を減少させることで、直流制動時間ΔＴｂの前半で直流制動電圧を大きくして仕事量をかせぎ、直流制動時間ΔＴｂの後半で直流制動電圧を小さくして停止位置の制御精度の向上を図る。すなわち、可変速制御装置１００において、直流制動時間ΔＴｂをＮ個の期間に分割し、分割されたＮ個の期間のそれぞれに対して、直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて徐々に直流制動電圧の振幅が小さくなるようにする。Ｎは、３以上の整数である。以下では、基本の形態と異なる部分を中心に説明する。

具体的には、図１に示すように、可変速制御装置１００は、制御部１４（図９参照）に代えて、制御部１１４を備える。制御部１１４は、記憶部１４ａ、制動制御部１４ｂ、周波数制御部１４ｆ、及び運転制御部１４ｇに加えて、分割部１１４ｃ及び設定部１１４ｄを有する。

分割部１１４ｃは、直流制動時間ΔＴｂをＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮに分割する。Ｎは、３以上の整数である。すなわち、次の数式２が成り立つ。

ΔＴｂ＝ΔＴ１＋ΔＴ２＋・・・＋ΔＴＮ ・・・数式２

このとき、分割部１１４ｃは、例えば、直流制動時間ΔＴｂをＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮに均等に分割してもよい。すなわち、分割部１１４ｃは、次の数式３が成り立つように直流制動時間ΔＴｂを分割してもよい。
ΔＴ１≒ΔＴ２≒・・・≒ΔＴＮ ・・・数式３

分割部１１４ｃは、分割されたＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮの情報を設定部１１４ｄへ供給する。

設定部１１４ｄは、Ｎ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮの情報を分割部１１４ｃから受ける。設定部１１４ｄは、Ｎ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮのそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１（図２（ｂ）参照）からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定する。すなわち、設定部１１４ｄは、次の数式４に示すように、Ｎ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮのうち最後の期間ΔＴＮの直流制動電圧ＶＮを、電動機Ｍの停止位置の制御精度が許容範囲に収まるように予め実験的に決定されたものに設定する。
Ｖ１＞Ｖ２＞・・・＞ＶＮ ・・・数式４

また、可変速制御装置１００は、電動機Ｍを停止させるのに必要な仕事量をＷｂとした場合、直流制動時間ΔＴｂで停止させるために、次の数式５が成り立つように、各期間ΔＴ１〜ΔＴＮの直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを求める。設定部１１４ｄは、このように求められた各期間ΔＴ１〜ΔＴＮの直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定する。

Ｗｂ＝Ｖ１×ΔＴ１＋Ｖ２×ΔＴ２＋・・・＋ＶＮ×ΔＴＮ ・・・数式５

このとき、設定部１１４ｄは、例えば、分割されたＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮのそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて直前の期間からの減少幅が徐々に小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定してもよい。すなわち、ｋ番目の期間ΔＴｋの直流制動電圧Ｖｋからのｋ＋１番目の期間ΔＴｋ＋１の期間ΔＴｋ＋１の直流制動電圧Ｖｋ＋１の減少幅をΔＶｋ，ｋ＋１とすると、可変速制御装置１００は、次の数式６が成り立つように直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを求め、設定部１１４ｄは、このように求められた各期間ΔＴ１〜ΔＴＮの直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定してもよい。

ΔＶ１，２＞ΔＶ２，３＞・・・＞ΔＶ（Ｎ−１），Ｎ ・・・数式６

設定部１１４ｄは、設定されたＮ個の直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮをＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮに関連付けた形で記憶部１４ａへ供給する。記憶部１４ａは、設定されたＮ個の直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮをＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮに関連付けた形で記憶する。

制動制御部１４ｂは、記憶部１４ａを参照し、設定されたＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮの直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮに従って、直流制動を行うように半導体電力変換器（駆動部）３を制御する。すなわち、制動制御部１４ｂは、期間ΔＴ１だけ電動機Ｍに直流制動電圧Ｖ１を印加し、次に、期間ΔＴ２だけ電動機Ｍに直流制動電圧Ｖ２を印加し、・・・次に、期間ΔＴＮだけ電動機Ｍに直流制動電圧ＶＮを印加し、ブレーキトルクを発生させる。

例えば、Ｎ＝３である場合、分割部１１４ｃは、図２（ｂ）に示すように、直流制動時間ΔＴｂを３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３に分割する。このとき、分割部１１４ｃは、数式３が成り立つように直流制動時間ΔＴｂを分割してもよい。分割部１１４ｃは、分割された３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３の情報を設定部１１４ｄへ供給する。設定部１１４ｄは、３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３の情報を分割部１１４ｃから受ける。設定部１１４ｄは、３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３のそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜Ｖ３を設定する。このとき、設定部１１４ｄは、例えば、分割された３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３のそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて直前の期間からの減少幅が徐々に小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜Ｖ３を設定してもよい。設定部１１４ｄは、設定された３個の直流制動電圧Ｖ１〜Ｖ３を３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３に関連付けた形で記憶部１４ａへ供給する。記憶部１４ａは、設定された３個の直流制動電圧Ｖ１〜Ｖ３を３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３に関連付けた形で記憶する。

そして、制御部１１４が直流制動を行うべきであると判断したら、図２（ａ）に示すように、周波数制御部１４ｆは、直流制動を行うための準備として、タイミングｔ０から、周波数指令を徐々に低下させる。運転制御部１４ｇは、記憶部１４ａを参照して直流制動動作周波数ｆｂを取得し、周波数指令と直流制動動作周波数ｆｂとを比較する。運転制御部１４ｇは、周波数指令が直流制動動作周波数ｆｂに達したことを認識したら、制御を制動制御部１４ｂに引き渡し、自身の制御（通常運転時の制御）を停止する。制動制御部１４ｂは、記憶部１４ａを参照し、複数の制御パラメータ（例えば、３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３及びそれに関連付けられた３個の直流制動電圧Ｖ１〜Ｖ３）を用いて直流制動を行う。すなわち、図２（ｂ）に示すように、制動制御部１４ｂは、期間ΔＴ１だけ電動機Ｍに直流制動電圧Ｖ１を印加し、次に、期間ΔＴ２だけ電動機Ｍに直流制動電圧Ｖ２を印加し、次に、期間ΔＴ３だけ電動機Ｍに直流制動電圧Ｖ３を印加し、ブレーキトルクを発生させる。このとき、直流制動電圧の期間ΔＴ１から期間ΔＴ２への減少幅ΔＶ１，２よりも、直流制動電圧の期間ΔＴ２から期間ΔＴ３への減少幅ΔＶ２，３を小さくする。これにより、電動機Ｍをフリーランさせずに短時間の直流制動時間ΔＴｂで目標停止位置にスムーズに停止させることができる。

以上のように、実施の形態１では、加減速制御装置１００において、分割部１１４ｃが、直流制動時間ΔＴｂをＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮに分割する。設定部１１４ｄは、分割されたＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮのそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定する。制動制御部１４ｂは、設定されたＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮの直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮに従って、直流制動を行うように半導体電力変換器３を制御する。これにより、直流制動時間ΔＴｂの前半で直流制動電圧を大きくでき、仕事量をかせぐことができるので、直流制動時間ΔＴｂを短縮できる。また、直流制動時間ΔＴｂの後半で直流制動電圧を小さくでき、電動機Ｍが停止するタイミングｔ１２（図２（ｂ）参照）における電動機Ｍの印加電圧の変化量を（例えばＶＮに）低減でき、電動機Ｍを目標停止位置にスムーズに停止させることができる。すなわち、高負荷・急減速用途を含む様々な用途において、目標停止位置に短時間かつスムーズに電動機Ｍを停止させることができる。言い換えると、直流制動時間ΔＴｂを短縮しながら、電動機Ｍの停止位置の制御精度を向上できる。

また、実施の形態１では、設定部１１４ｄが、例えば、分割されたＮ個の期間Ｔ１〜ΔＴＮのそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて直前の期間からの減少幅が徐々に小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定する。これにより、電動機Ｍが停止するタイミングｔ１２が近づくにつれて徐々に電動機Ｍへの印加電圧の変化量を低減できるので、目標停止位置にスムーズに電動機Ｍを停止させることが容易である。

また、実施の形態１では、分割部１１４ｃが、例えば、直流制動時間ΔＴｂをＮ個の期間ΔＴ１〜ΔＴＮに均等に分割する。これにより、設定部１１４ｄによる設定内容を簡略化でき、設定部１１４ｄによる設定時間を短縮できる。

なお、図１に示す半導体電力変換器３を構成するスイッチング素子およびダイオード素子は、一般に、珪素（シリコン：Ｓｉ）系半導体によって形成されるが、Ｓｉ系半導体と比較して、大きなエネルギーバンド幅を持つワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体によって形成されていることが好ましい。このＷＢＧ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンド等がある。

例えば、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだモータの小型化が可能となる。

また、耐熱性も高いため、ヒートシンクの小型化が可能であり、モータの一層の小型化が可能になる。

さらに、電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては、モータの高効率化が可能になる。

したがって、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子を用いて、モータ内部の電源回路やインバータ回路を構成することにより、モータを搭載する機器のさらなる小型化、高効率化を図ることができる。

なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることがより望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。

また、上記の実施の形態１では、分割部１１４ｃによる分割数Ｎが３以上の整数である場合について例示的に説明しているが、Ｎは２以上の整数であってもよい。

例えば、Ｎ＝２である場合、分割部１１４ｃは、図３（ｂ）に示すように、直流制動時間ΔＴｂを２個の期間ΔＴ１ｃ、ΔＴ２ｃに分割する。このとき、分割部１１４ｃは、数式３が成り立つように直流制動時間ΔＴｂを分割してもよい。分割部１１４ｃは、分割された２個の期間ΔＴ１ｃ、ΔＴ２ｃの情報を設定部１１４ｄへ供給する。設定部１１４ｄは、２個の期間ΔＴ１ｃ、ΔＴ２ｃの情報を分割部１１４ｃから受ける。設定部１１４ｄは、２個の期間ΔＴ１ｃ、ΔＴ２ｃのそれぞれに対して、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように直流制動電圧Ｖ１ｃ、Ｖ２ｃを設定する。この場合、直流制動時間ΔＴｂの前半である期間ΔＴ１ｃで直流制動電圧を大きくして仕事量をかせぎ、直流制動時間ΔＴｂの後半であるΔＴ２ｃで直流制動電圧を小さくして停止位置の制御精度の向上を図るための設定内容を簡略化でき、設定部１１４ｄの利便性を向上できる。

あるいは、上記の実施の形態１では、設定部１１４ｄが直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ１１からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように直流制動電圧Ｖ１〜ＶＮを設定しているが、設定部１１４ｄは、最終の期間の振幅が最も小さくなるようにしながら、途中の期間で一時的に振幅が大きくなるように直流制動電圧を設定してもよい。

例えば、Ｎ＝３である場合、分割部１１４ｃは、図４（ｂ）に示すように、直流制動時間ΔＴｂを３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３に分割する。このとき、分割部１１４ｃは、数式３が成り立つように直流制動時間ΔＴｂを分割してもよい。分割部１１４ｃは、分割された３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３の情報を設定部１１４ｄへ供給する。設定部１１４ｄは、３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３の情報を分割部１１４ｃから受ける。設定部１１４ｄは、３個の期間ΔＴ１〜ΔＴ３のそれぞれに対して、最終の期間の振幅が最も小さくなるようにしながら、途中の期間で一時的に振幅が大きくなるように直流制動電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ３ｄを設定する。例えば、図４（ｂ）に示す場合、Ｖ１ｄ＜Ｖ２ｄであり、Ｖ２ｄ＞Ｖ３ｄである。この場合、途中の期間で一時的に振幅が大きくなるので、直流制動時間ΔＴｂの前半で効率的に仕事量をかせぐことができ、最終の期間における直流制動電圧Ｖ３ｄを容易に小さくできる（例えば、Ｖ３ｄ＜Ｖ３にできる）ので、電動機Ｍを目標停止位置にさらにスムーズに停止させることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる加減速制御装置２００について図５を用いて説明する。図５は、加減速制御装置２００の構成を示す図である。以下では、基本の形態と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態１では、直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて例えば階段状に直流制動電圧を減少させているが、実施の形態２では、直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて関数的に直流制動電圧を減少させる。

具体的には、図５に示すように、加減速制御装置２００は、制御部１４（図９参照）に代えて、制御部２１４を備える。制御部２１４は、記憶部１４ａ、制動制御部１４ｂ、周波数制御部１４ｆ、及び運転制御部１４ｇに加えて、設定部（第１の設定部）２１４ｅ及び設定部（第２の設定部）２１４ｄを有する。

設定部２１４ｅは、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅを設定する。終了目標値Ｖｅは、電動機Ｍの停止位置の制御精度が許容範囲に収まるように予め実験的に決定されたものに設定する。設定部２１４ｅは、設定された直流制動電圧の終了目標値Ｖｅを設定部２１４ｄへ供給する。

設定部２１４ｄは、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅを設定部２１４ｅから受ける。設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ２２（図６（ｂ）参照）で終了目標値Ｖｅとなるとともに、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１（図６（ｂ）参照）からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンＣＰを設定する。例えば、加減速制御装置２００は、所定の減少関数ｆ（ｔ）を用いて、数式７、８を満たすように減少関数ｆ（ｔ）における係数を決定し、直流制動電圧の変化パターンＣＰを求める。設定部２１４ｄは、このように求められた直流制動電圧の変化パターンＣＰを設定する。数式８における積分は、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１から終了タイミングｔ２２までの時間積分を表している。また、数式８におけるＷｂは、電動機Ｍを停止させるのに必要な仕事量を表す。
Ｖｅ＝ｆ（ｔ２２） ・・・数式７
Ｗｂ＝∫ｆ（ｔ）ｄｔ ・・・数式８

なお、直流制動電圧の開始目標値Ｖｓは、次の数式９に示すように求められる。
Ｖｓ＝ｆ（ｔ２１） ・・・数式９

このとき、設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１（図６（ｂ）参照）からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなるように直流制動電圧の変化パターンＣＰを設定してもよい。すなわち、加減速制御装置２００は、時間とともに減少率が徐々に小さくなる減少関数ｆ（ｔ）を用いて、数式７、８を満たすように減少関数ｆ（ｔ）における係数を決定してもよい。

設定部２１４ｄは、設定された直流制動電圧の変化パターンＣＰを記憶部１４ａへ供給する。記憶部１４ａは、設定された直流制動電圧の変化パターンＣＰを記憶する。

制動制御部１４ｂは、記憶部１４ａを参照し、設定された直流制動電圧の変化パターンＣＰに従って、直流制動を行うように半導体電力変換器（駆動部）３を制御する。すなわち、制動制御部１４ｂは、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１において電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｓを印加し、直流制動電圧の変化パターンＣＰ（すなわち、係数が決定された減少関数ｆ（ｔ））に従って徐々に直流制動電圧を減少させていき、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ２２において電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｅを印加し、ブレーキトルクを発生させる。

例えば、所定の減少関数ｆ（ｔ）が１次遅れ特性ｆ１（ｔ）である場合、設定部２１４ｅは、図６（ｂ）に示すように、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ１を設定する。設定部２１４ｅは、設定された直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ１を設定部２１４ｄへ供給する。設定部２１４ｄは、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ１を設定部２１４ｅから受ける。設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ２２（図６（ｂ）参照）で終了目標値Ｖｅ１となるとともに、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１（図６（ｂ）参照）からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンＣＰ１を設定する。例えば、加減速制御装置２００は、１次遅れ特性ｆ１（ｔ）を用いて、数式１０、１１を満たすように１次遅れ特性ｆ１（ｔ）における係数を決定し、直流制動電圧の変化パターンＣＰ１を求める。設定部２１４ｄは、このように求められた直流制動電圧の変化パターンＣＰ２を設定する。
Ｖｅ＝ｆ１（ｔ２２） ・・・数式１０
Ｗｂ＝∫ｆ１（ｔ）ｄｔ ・・・数式１１

なお、直流制動電圧の開始目標値Ｖｓ１は、次の数式１２に示すように求められる。
Ｖｓ１＝ｆ１（ｔ２１） ・・・数式１２

このとき、設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１（図６（ｂ）参照）からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなるように直流制動電圧の変化パターンＣＰ１を設定している。すなわち、設定部２１４ｄは、時間とともに減少率が徐々に小さくなる１次遅れ特性ｆ１（ｔ）を用いて、数式１０、１１を満たすように１次遅れ特性ｆ１（ｔ）における係数を決定している。

そして、制御部２１４が直流制動を行うべきであると判断したら、図６（ａ）に示すように、周波数制御部１４ｆは、直流制動を行うための準備として、タイミングｔ０から、周波数指令を徐々に低下させる。運転制御部１４ｇは、記憶部１４ａを参照して直流制動動作周波数ｆｂを取得し、周波数指令と直流制動動作周波数ｆｂとを比較する。運転制御部１４ｇは、周波数指令が直流制動動作周波数ｆｂに達したことを認識したら、制御を制動制御部１４ｂに引き渡し、自身の制御（通常運転時の制御）を停止する。制動制御部１４ｂは、記憶部１４ａを参照し、制御パラメータ（例えば、直流制動電圧の変化パターンＣＰ１）を用いて直流制動を行う。すなわち、図６（ｂ）に示すように、制動制御部１４ｂは、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１において電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｓ１を印加し、直流制動電圧の変化パターンＣＰ１（すなわち、係数が決定された１次遅れ特性ｆ１（ｔ））に従って徐々に直流制動電圧を減少させていき、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ２２において電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｅ１を印加し、ブレーキトルクを発生させる。このとき、直流制動電圧の変化パターンＣＰ１では、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ２１からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなっている。これにより、電動機Ｍをフリーランさせずに短時間の直流制動時間ΔＴｂで目標停止位置にスムーズに停止させることができる。

以上のように、実施の形態２では、加減速制御装置２００において、設定部２１４ｅが、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅを設定する。設定部２１４ｄは、直流制動時間の終了タイミングｔ２２で終了目標値Ｖｅとなるとともに、直流制動時間の開始タイミングｔ２１からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンＣＰを設定する。制動制御部１４ｂは、設定された直流制動電圧の変化パターンＣＰに従って、直流制動を行うように半導体電力変換器３を制御する。これにより、直流制動時間ΔＴｂの前半で直流制動電圧を大きくでき、仕事量をかせぐことができるので、直流制動時間ΔＴｂを短縮できる。また、直流制動時間ΔＴｂの後半で直流制動電圧を小さくでき、電動機Ｍが停止するタイミングｔ２２（図６（ｂ）参照）における電動機Ｍの印加電圧の変化量を（例えばＶｅに）低減でき、電動機Ｍを目標停止位置にスムーズに停止させることができる。すなわち、高負荷・急減速用途を含む様々な用途において、目標停止位置に短時間かつスムーズに電動機Ｍを停止させることができる。言い換えると、直流制動時間ΔＴｂを短縮しながら、電動機Ｍの停止位置の制御精度を向上できる。

また、実施の形態２では、設定部２１４ｄが、直流制動時間の開始タイミングｔ２１からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなるように直流制動電圧の変化パターンＣＰを設定する。これにより、電動機Ｍが停止するタイミングｔ１２が近づくにつれて徐々に電動機Ｍへの印加電圧の変化量を低減できるので、目標停止位置にスムーズに電動機Ｍを停止させることが容易である。

また、実施の形態２では、設定部２１４ｄが、例えば、１次遅れ特性ｆ１（ｔ）に従って徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンＣＰ１を設定する。これにより、直流制動時間の開始タイミングｔ２１からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなるように直流制動電圧の変化パターンＣＰを設定することができる。

なお、所定の減少関数ｆ（ｔ）は、例えば、図７（ｂ）に示すような放物線特性ｆ２（ｔ）であってもよい。この場合、設定部２１４ｅは、図７（ｂ）に示すように、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ２を設定する。設定部２１４ｅは、設定された直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ２を設定部２１４ｄへ供給する。設定部２１４ｄは、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ２を設定部２１４ｅから受ける。設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ３２（図７（ｂ）参照）で終了目標値Ｖｅ２となるとともに、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ３１（図７（ｂ）参照）からの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンＣＰ２を設定する。例えば、加減速制御装置２００は、放物線特性ｆ２（ｔ）を用いて、数式１３、１４を満たすように放物線特性ｆ２（ｔ）における係数を決定し、直流制動電圧の変化パターンＣＰ２を求める。設定部２１４ｄは、このように求められた直流制動電圧の変化パターンＣＰ２を設定する。
Ｖｅ＝ｆ２（ｔ２２） ・・・数式１３
Ｗｂ＝∫ｆ２（ｔ）ｄｔ ・・・数式１４

なお、直流制動電圧の開始目標値Ｖｓ２は、次の数式１５に示すように求められる。
Ｖｓ２＝ｆ２（ｔ２１） ・・・数式１５

このとき、設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ３１（図７（ｂ）参照）からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなるように直流制動電圧の変化パターンＣＰ２を設定している。すなわち、加減速制御装置２００は、時間とともに減少率が徐々に小さくなる放物線特性ｆ２（ｔ）を用いて、数式１３、１４を満たすように放物線特性ｆ２（ｔ）における係数を決定している。

そして、制御部２１４が直流制動を行うべきであると判断したら、図７（ａ）に示すように、周波数制御部１４ｆは、直流制動を行うための準備として、タイミングｔ０から、周波数指令を徐々に低下させる。運転制御部１４ｇは、記憶部１４ａを参照して直流制動動作周波数ｆｂを取得し、周波数指令と直流制動動作周波数ｆｂとを比較する。運転制御部１４ｇは、周波数指令が直流制動動作周波数ｆｂに達したことを認識したら、制御を制動制御部１４ｂに引き渡し、自身の制御（通常運転時の制御）を停止する。制動制御部１４ｂは、記憶部１４ａを参照し、制御パラメータ（例えば、直流制動電圧の変化パターンＣＰ２）を用いて直流制動を行う。すなわち、図７（ｂ）に示すように、制動制御部１４ｂは、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ３１において電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｓ２を印加し、直流制動電圧の変化パターンＣＰ２（すなわち、係数が決定された放物線特性ｆ２（ｔ））に従って徐々に直流制動電圧を減少させていき、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ３２において電動機Ｍに直流制動電圧Ｖｅ２を印加し、ブレーキトルクを発生させる。このとき、直流制動電圧の変化パターンＣＰ２では、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ３１からの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなっている。これにより、電動機Ｍをフリーランさせずに短時間の直流制動時間ΔＴｂで目標停止位置にスムーズに停止させることができる。

あるいは、上記の実施の形態２では、加減速制御装置２００が、所定の減少関数ｆ（ｔ）を用いて、数式７、８を満たすように減少関数ｆ（ｔ）における係数を決定し、直流制動電圧の変化パターンＣＰを求めるが、最終的に減少する関数であって途中の期間で一時的に振幅が大きくなるよう所定の関数Ｆ（ｔ）を用いて、次の数式１６、１７を満たすように所定の関数Ｆ（ｔ）における係数を決定し、直流制動電圧の変化パターンＣＰを求めてもよい。
Ｖｅ＝Ｆ（ｔ３２） ・・・数式１６
Ｗｂ＝∫Ｆ（ｔ）ｄｔ ・・・数式１７

なお、直流制動電圧の開始目標値Ｖｓは、次の数式１８に示すように求められる。
Ｖｓ＝Ｆ（ｔ３１） ・・・数式１８

所定の関数Ｆ（ｔ）は、例えば、図８（ｂ）に示すような上に凸の放物線特性Ｆ３（ｔ）であってもよい。この場合、設定部２１４ｅは、図８（ｂ）に示すように、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ２ｃを設定する。設定部２１４ｅは、設定された直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ２ｃを設定部２１４ｄへ供給する。設定部２１４ｄは、直流制動電圧の終了目標値Ｖｅ２ｃを設定部２１４ｅから受ける。設定部２１４ｄは、直流制動時間ΔＴｂの終了タイミングｔ３２（図８（ｂ）参照）で終了目標値Ｖｅ２ｃとなるとともに、直流制動時間ΔＴｂの開始タイミングｔ３１（図８（ｂ）参照）からの経過時間に応じて徐々に振幅が大きくなったあとに徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンＣＰ３を設定する。例えば、加減速制御装置２００は、放物線特性Ｆ３（ｔ）を用いて、数式１９、２０を満たすように放物線特性Ｆ３（ｔ）における係数を決定し、直流制動電圧の変化パターンＣＰ３を求める。設定部２１４ｄは、このように求められた直流制動電圧の変化パターンＣＰ３を設定する。
Ｖｅ＝Ｆ３（ｔ２２） ・・・数式１９
Ｗｂ＝∫Ｆ３（ｔ）ｄｔ ・・・数式２０

なお、直流制動電圧の開始目標値Ｖｓ２ｃは、次の数式２１に示すように求められる。
Ｖｓ２＝Ｆ３（ｔ２１） ・・・数式２１

この場合、途中の期間で一時的に振幅が大きくなるので、直流制動時間ΔＴｂの前半で効率的に仕事量をかせぐことができ、最終の期間における直流制動電圧Ｖ３ｄを容易に小さくできる（例えば、Ｖｅ２ｃ＜Ｖｅ２にできる）ので、電動機Ｍを目標停止位置にさらにスムーズに停止させることができる。

以上のように、本発明にかかる加減速制御装置は、電動機の減速制御に有用である。

１ 可変速制御装置
３ 半導体電力変換器
１０ 電流検出部
１３ 平滑部
１３ａ 平滑コンデンサ
１４ 制御部
１４ａ 記憶部
１４ｂ 制動制御部
１４ｆ 周波数制御部
１４ｇ 運転制御部
１６〜１８ 電流検出器
１００ 可変速制御装置
１１４ 制御部
１１４ｃ 分割部
１１４ｄ 設定部
２００ 加減速制御装置
２１４ 制御部
２１４ｄ 設定部
２１４ｅ 設定部

Claims (9)

1. 電動機を加減速させる加減速制御装置であって、
   前記電動機を駆動する駆動部と、
   前記電動機を停止させる際に直流制動を行うように前記駆動部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   Ｎを２以上の整数とするとき直流制動時間をＮ個の期間に分割する分割部と、
   前記分割されたＮ個の期間のそれぞれに対して、最終の期間の振幅が最も小さくなるように直流制動電圧を設定する設定部と、
   前記設定されたＮ個の期間の直流制動電圧に従って、直流制動を行うように前記駆動部を制御する制動制御部と、
   を有する
   ことを特徴とする加減速制御装置。
2. 前記設定部は、前記分割されたＮ個の期間のそれぞれに対して、前記直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように直流制動電圧を設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の加減速制御装置。
3. 前記設定部は、前記分割されたＮ個の期間のそれぞれに対して、前記直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて直前の期間からの減少幅が徐々に小さくなるように直流制動電圧を設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の加減速制御装置。
4. 前記分割部は、前記直流制動時間をＮ個の期間に均等に分割する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の加減速制御装置。
5. 電動機を加減速させる加減速制御装置であって、
   前記電動機を駆動する駆動部と、
   前記電動機を停止させる際に直流制動を行うように前記駆動部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   直流制動電圧の終了目標値を設定する第１の設定部と、
   前記直流制動時間の終了タイミングで前記終了目標値となるように、直流制動電圧の変化パターンを設定する第２の設定部と、
   前記設定された直流制動電圧の変化パターンに従って、直流制動を行うように前記駆動部を制御する制動制御部と、
   を有する
   ことを特徴とする加減速制御装置。
6. 前記第２の設定部は、前記直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンを設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の加減速制御装置。
7. 前記第２の設定部は、前記直流制動時間の開始タイミングからの経過時間に応じて減少率が徐々に小さくなるように直流制動電圧の変化パターンを設定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の加減速制御装置。
8. 前記第２の設定部は、１次遅れ特性に従って徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンを設定する
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の加減速制御装置。
9. 前記第２の設定部は、放物線特性に従って徐々に振幅が小さくなるように、直流制動電圧の変化パターンを設定する
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の加減速制御装置。

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