JP2014061960A - 電磁ブレーキ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御の遅れを生じることなく、かつ、電力ロスが少ない電磁ブレーキ制御装置を提供すること。
【解決手段】交流電源１０から供給される電力により電磁ブレーキ（ブレーキコイル４０）を制御する電磁ブレーキ制御装置において、交流電源から電磁ブレーキに流れる電流を断続する半導体スイッチ（ＩＧＢＴ３４）と、交流電源の電圧波形のゼロクロス点に対応して半導体スイッチをオンの状態にして電磁ブレーキに電流を通じるとともに、電磁ブレーキに流れる電流値に応じて半導体スイッチをオフの状態にすることで、パルス幅制御によって交流電源から電磁ブレーキに流れる電流を制御する制御手段（フォトカプラ２８、コンパレータ２９、基準電源３０、および、ＳＲ−ＦＦ３１）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁ブレーキ制御装置に関するものである。

特許文献１には、電磁ブレーキ装置の電磁石に供給される励磁電流を検出し、マイコンによりサイリスタの点弧角を制御して、励磁電流をフィードバック制御する技術が開示されている。

また、特許文献２には、モータ・ブレーキ駆動用直流電源をモータ駆動用電源として用いる間、モータ・ブレーキ駆動用直流電源から受けた電圧をブレーキに印加する電圧変換回路がブレーキに印加する電圧を帰還して制御する技術が開示されている。

特開平０６−２００９６３号公報 特開２００８−１３１７５９号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、サイリスタの制御は１つ前の周期で検出された電流に基づいて行われるため１周期分だけ制御の遅れが生じる。また、サイリスタの点弧角制御では、正弦波の後半部分において通電がなされることから、その分制御の遅れが生じる。このような遅れは、即時の制御が要求される電磁ブレーキでは問題となる。

また、特許文献２に開示された技術では、ブレーキに流れる電流がＩＧＢＴによって高い周波数でスイッチングされる。ＩＧＢＴ等の半導体スイッチや、半導体スイッチを駆動するドライバ回路は、周波数が高くなると特性が低下することから、電力のロスが生じるという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を鑑みて行われたものであり、制御の遅れを生じることなく、かつ、電力ロスが少ない電磁ブレーキ制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、交流電源から供給される電力により電磁ブレーキを制御する電磁ブレーキ制御装置において、前記交流電源から前記電磁ブレーキに流れる電流を断続する半導体スイッチと、前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点に対応して前記半導体スイッチをオンの状態にして前記電磁ブレーキに電流を通じるとともに、前記電磁ブレーキに流れる電流値に応じて前記半導体スイッチをオフの状態にすることで、パルス幅制御によって前記交流電源から前記電磁ブレーキに流れる電流を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、制御の遅れを生じることなく、かつ、電力ロスが少ない電磁ブレーキ制御装置を提供することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記電磁ブレーキには、前記交流電源を半波整流して得た電力が供給され、前記制御手段は前記電磁ブレーキに電流が流れる期間のみ、前記パルス幅制御を実行することを特徴とする。
このような構成によれば、半波整流の通電しない期間において電磁ブレーキに生じた電力を回生することにより、反応速度を向上させることが可能になる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記制御手段は、前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点に同期して前記半導体スイッチをオンの状態にして前記電磁ブレーキに電流を通じるとともに、前記電磁ブレーキに流れる電流の値が所定の閾値を超えた場合に前記半導体スイッチをオフの状態にすることでパルス幅制御を実現することを特徴とする。
このような構成によれば、回路の構成を単純化することで、設計を簡略化するとともに、製造コストを低減することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記交流電源をコンデンサによって降圧し、整流して得られた直流電圧を、装置の各部に対して電源電圧として供給することを特徴とする。
このような構成によれば、電源トランスを排除することにより、装置を軽量化するとともに、安全規格に準拠するための手間を省略することができる。

本発明によれば、制御の遅れを生じることなく、かつ、電力ロスが少ない電磁ブレーキ制御装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態の構成例を示す図である。 図１に示す実施形態の各部の信号波形を模式的に示す図である。 本発明の他の実施形態の構成例を示す図である。 図３に示す実施形態の各部の信号波形を模式的に示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の構成の説明
図１は本発明の実施形態に係る電磁ブレーキ制御装置の構成例を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係る電磁ブレーキ制御装置は、コンタクタ２０、コンデンサ２１、ダイオード２２〜２５、ツェナーダイオード２６、抵抗２７、フォトカプラ２８、コンパレータ２９、基準電源３０、ＳＲ−ＦＦ（Set Reset Flip Flop）３１、トランジスタ３２，３３、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３４、ダイオード３５、抵抗３６，３７を主要な構成要素とし、交流電源１０から出力される交流電力に基づいてブレーキコイル４０に供給する電力を制御する。

ここで、交流電源１０は商用電源であり、例えば、電圧が１００Ｖ、２００Ｖ、または、４００Ｖであって、周波数が５０または６０Ｈｚの交流電源である。なお、以上の電圧および周波数は一例であって、これ以外の電圧および周波数であってもよい。

コンタクタ２０は、電磁接触器であり、図示しない操作部の操作に応じてオンまたはオフの状態となり、交流電源１０から出力される電力をブレーキコイル４０その他に供給または遮断する機能を有する。

コンデンサ２１は、例えば、フィルムコンデンサやセラミックコンデンサによって構成され、コンタクタ２０を介して供給される交流電力を降圧して出力する。ダイオード２２〜２５は、ダイオードブリッジを構成し、コンデンサ２１によって降圧された交流電力を全波整流して直流電力に変換する。

ツェナーダイオード２６は、ダイオード２２〜２５から出力される脈流成分を含む直流電圧から、電圧が一定の直流電圧を生成し、コンパレータ２９、トランジスタ３２，３３等の装置の各部に電源電力として供給する。

抵抗２７は、フォトカプラ２８に流れる電流が所望の値になるように調整するための保護抵抗である。フォトカプラ２８は、発光ダイオード２８ａとフォトダイオード２８ｂを有しており、発光ダイオード２８ａに電流が流れると、フォトダイオード２８ｂがオンの状態となって、電源から抵抗３７に電流が通じ、ＳＲ−ＦＦ３１のＳ（Set）端子がハイ（High）の状態にされる。

コンパレータ２９は、基準電源３０から出力される基準電圧と、抵抗３６に生じる電圧とを比較し、比較結果に基づいてＳＲ−ＦＦ３１のＲ（Reset）端子を制御する。基準電源３０は、基準電圧を生成してコンパレータ２９の反転入力端子に供給する。

ＳＲ−ＦＦ３１は、Ｓ端子に入力されるフォトカプラ２８の出力信号の状態と、Ｒ端子に入力されるコンパレータ２９の出力信号の状態に応じて、出力状態を変化させ、トランジスタ３２，３３を駆動する。

トランジスタ３２，３３は、ＩＧＢＴ３４を駆動するドライバ回路を構成し、例えば、バイポーラトランジスタによって構成され、ＳＲ−ＦＦ３１の出力がハイの状態である場合にはＩＧＢＴ３４をオンの状態に制御し、ＳＲ−ＦＦ３１の出力がローの状態である場合にはＩＧＢＴ３４をオフの状態に制御する。

ＩＧＢＴ３４は、トランジスタ３２，３３によって駆動され、オンの状態になると交流電源１０から出力される電力をブレーキコイル４０に供給し、オフの状態になると遮断する。ダイオード３５は、半波整流用のダイオードであり、交流電源１０から供給される交流電力を半波整流してブレーキコイル４０に供給する。抵抗３６は、ブレーキコイル４０に流れる電流を検出する検出抵抗であり、ブレーキコイル４０に流れる電流に応じた電圧を出力する。

ブレーキコイル４０は、例えば、ワイヤホイストまたはロープホイス等のホイストクレーン（巻上機）を制動するためのブレーキの一部として構成され、電流を通じることにより、例えば、図示しないブレーキディスクが電磁力によって制動される。

（Ｂ）実施形態の動作の説明
つぎに、図１に示す実施形態の動作について説明する。図示しない操作部が操作され、コンタクタ２０がオンの状態になると、交流電源１０から装置の各部に交流電力が供給される。コンデンサ２１は、交流電源１０から供給される交流電力を降圧し、例えば、１０Ｖ程度の電圧とし、ダイオード２２〜２５に供給する。ダイオード２２〜２５は、コンデンサ２１によって降圧された交流電力を全波整流して直流電力に変換し、ツェナーダイオード２６に供給する。

ツェナーダイオード２６は、ダイオード２２〜２５から出力される脈流成分を平滑化し、電圧が略一定の直流電圧として装置の各部（コンパレータ２９およびトランジスタ３２，３３等）に供給する。この結果、装置が動作可能な状態となる。

コンタクタ２０がオンの状態になると、フォトカプラ２８の発光ダイオード２８ａには抵抗２７を介して交流電源１０から交流電圧が印加される。発光ダイオード２８ａが順方向バイアスの状態になると、電流が流れて発光し、フォトダイオード２８ｂがオンの状態となる。一方、発光ダイオード２８ａが逆方向バイアスの状態となると、電流が遮断されてフォトダイオード２８ｂがオフの状態となる。

図２は、図１に示す実施形態の各部の信号波形を模式的に示す図である。前述のようにコンタクタ２０がオンの状態になると、抵抗２７を介してフォトカプラ２８の発光ダイオード２８ａに電圧が印加される。交流電源１０から発光ダイオード２８ａに印加される電圧が順方向バイアスの状態となる場合（図２（Ａ）に実線で示す場合）には、発光ダイオード２８ａが発光し、フォトダイオード２８ｂに電流が通じるので、抵抗３７の端子電圧が図２（Ｂ）に示すように、タイミングＴ１においてハイの状態となる。この結果、ＳＲ−ＦＦ３１のＳ端子がハイの状態になるので、ＳＲ−ＦＦ３１がセットされ、図２（Ｄ）に示すように、ＳＲ−ＦＦ３１の出力がタイミングＴ１においてハイの状態となる。

ＳＲ−ＦＦ３１の出力がハイの状態になると、トランジスタ３２，３３がオンの状態になるので、この結果、ＩＧＢＴ３４がオンの状態になる。このとき、ダイオード３５は順方向バイアスの状態であるので、ダイオード３５、ＩＧＢＴ３４、および、抵抗３６を介して、ブレーキコイル４０に電流が通じる（図２（Ｅ）参照）。この結果、無励磁作動型電磁ブレーキ（ブレーキコイル４０に通電するとブレーキが開放され、通電を遮断するとブレーキが作動するタイプの電磁ブレーキ）ではブレーキが開放され、励磁作動型電磁ブレーキ（ブレーキコイル４０に通電するとブレーキが作動し、通電を遮断するとブレーキが開放されるタイプの電磁ブレーキ）ではブレーキが作動する。

ＩＧＢＴ３４がオンの状態になると、図２（Ｅ）に示すように時間の経過とともに、ブレーキコイル４０に流れる電流が増加する。ブレーキコイル４０に流れる電流が増加すると、抵抗３６に生じる電圧も増加する。この結果、抵抗３６に生じる電圧が、基準電源３０から出力される電圧を上回った場合には、図２（Ｃ）に示すようにコンパレータ２９の出力がタイミングＴ２においてオンの状態となる。この結果、ＳＲ−ＦＦ３１のＲ端子がハイの状態になることから、図２（Ｄ）に示すように、ＳＲ−ＦＦ３１がリセットされ、その出力がタイミングＴ２においてローの状態となる。ＳＲ−ＦＦ３１の出力がローの状態になると、トランジスタ３２，３３がオフの状態になり、ＩＧＢＴ３４もオフの状態になるので、図２（Ｅ）に示すように、ブレーキコイル４０に流れる電流が遮断される。この結果、抵抗３６に生じる電圧が０Ｖに降下するので、図２（Ｃ）に示すように、コンパレータ２９の出力がタイミングＴ３においてローの状態になる。そして、図２（Ａ）に示すように交流電源１０の電圧が低下すると、発光ダイオード２８ａが発光停止し、フォトダイオード２８ｂがオフの状態になるので図２（Ｂ）に示すように抵抗３７の端子電圧がタイミングＴ４においてローの状態になる。

なお、ブレーキコイル４０に流れる電流の大きさは、抵抗３６の素子値と、基準電源３０の電圧によって調整することができる。例えば、基準電源３０の電圧が１Ｖで、流そうとする電流のピーク値が４Ａである場合には、抵抗３６の素子値としては０．２５Ωを選択すればよい。このように、電流のピーク値を設定することで、ブレーキコイル４０に流れる電流の平均値を制御することができる。つまり、ピーク値を設定することで、ブレーキコイル４０に流れる電流を、パルス幅（PWM）制御によって調整することができる。

交流電源１０の電圧波形が負の状態（図２（Ａ）に波形が図示されない状態）である場合には、フォトカプラ２８に電流が流れないことから、コンパレータ２９、ＳＲ−ＦＦ３１、トランジスタ３２，３３、および、ＩＧＢＴ３４は動作しないので、この期間における電力の消費を防ぐことができる。

以上に示す動作は、図２（Ａ）に示すように、交流電源１０の１周期毎に繰り返され、ブレーキコイル４０に電流が供給され、図示しないディスクブレーキが電磁力によって制動される。すなわち、本実施形態では、交流電源１０の電圧波形のゼロクロス点（交流電圧が０Ｖになる点）に対応して、半導体スイッチであるＩＧＢＴ３４がオンの状態にされて電磁ブレーキを構成するブレーキコイル４０に電流が通じる。そして、ブレーキコイル４０に流れる電流に応じてＩＧＢＴ３４をオフの状態にすることで、ブレーキコイル４０に流れる電流をパルス幅制御によって制御する。

なお、以上の例では、各周期においてブレーキコイル４０に一定の電流が流れるようにしたが、例えば、電流を供給開始してから所定の時間（例えば、０．１〜０．５秒）が経過するまでは、大きな電流を流して過励磁状態とし、その後は、励磁状態が維持されるので電流を減らすようにしてもよい。なお、そのような構成とする方法としては、例えば、カウンタを準備し、通電開始から所定の時間が経過した後は、基準電源３０の電圧を低く設定することにより実現できる。

以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、交流電源１０の制御対象となる周期よりも１つ前の周期ではなく、制御対象と同じ周期において電流を制御するようにしたので、制御の遅れが生じることを防止できる。

また、本実施形態では、交流電源１０の電圧波形のゼロクロス点に対応して（または同期して）電流の制御を行うようにしたので、図２（Ｅ）に示すように、ゼロクロス点経過後に電流波形が直ちに立ち上がることから、特許文献１に示す技術のように、電圧波形の後半部分において制御がなされる場合に比較して、制御の遅れが生じることを防止できる。

また、本実施形態では、交流電源１０の周波数と同じ周波数によりパルス幅制御を行うようにしたので、例えば、特許文献２に示す技術のように、高い周波数によるスイッチングを行わないので、高速スイッチング動作による電力の損失を抑制することができる。また、本実施形態では、ブレーキコイル４０に電流が流れる期間だけ、パルス幅制御を実行するようにしたので、電流が流れない期間に駆動回路に電流が流れることによる電力の損失を抑えることができる。また、高速スイッチングを行う場合には、電磁放射等の影響を考慮する必要が生じるが、交流電源１０の周波数と同じ周波数にすることで、このような考慮をする必要がなくなることから、設計を容易にするとともに、ノイズを抑制するための追加回路を不要とすることができる。

また、本実施形態では、前述したように、損失を減らすことにより、回路の各部に電源電力を供給する電源から電源トランスを除外し、コンデンサ２１による降圧が可能になる。これにより、回路を小型・軽量化することができる。また、電源トランスを除外することで、各国において定められるトランスに関する安全規格を考慮する必要がなくなることから、審査に要する時間とコストを短縮することができる。

また、本実施形態を巻上機に使用する場合、軽量化を図ることにより、物理的な衝撃等に対する装置の耐性を高めることができる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、交流電源１０の交流電力を半波整流してブレーキコイル４０に供給するようにしたが、全波整流して供給するようにしてもよい。その場合には、図２に示す制御を半周期毎に実行するようにすればよい。

また、以上の実施形態では、ＩＧＢＴ３４を用いるようにしたが、これ以外の半導体スイッチ（例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）やＳｉＣ（Silicon Carbide）スイッチ）を用いるようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、交流電源１０の電圧波形のゼロクロス点と略同期して電流をブレーキコイル４０に流すようにしたが、例えば、ゼロクロス点から所定時間（例えば、数ｍｓｅｃ）だけ遅延させて電流を流すようにしてもよい。このような場合も、本発明における「ゼロクロス点に対応」する動作に含まれる。

また、以上の実施形態では、コンデンサ２１によって交流電源１０の電圧を降圧するようにしたが、もちろん、用途等によってはトランスによって降圧するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、フォトカプラ２８を用いて交流電源１０からトリガを生成するようにしたが、これ以外の回路によってトリガを生成するようにしてもよい。

なお、以上の実施形態では、フォトカプラ２８の出力はエミッタ出力型としたが、コレクタ出力型としてもよい。図３は、フォトカプラ２８の出力をコレクタ出力型とした場合の構成例であり、図４は、図３に示す構成例の各部の信号波形を示す図である。図３に示す構成では、抵抗素子３７が、フォトダイオード２８ｂのコレクタ側に接続されている。抵抗素子３７とフォトダイオード２８ｂのコレクタの接続点から出力信号が取り出され、ＳＲ−ＦＦ３１のＳ端子に入力される。なお、Ｓ端子はアクティブローとなっているので、フォトダイオード２８ｂからの出力信号がローの状態の場合に、アクティブとなり、ＳＲ−ＦＦ３１がセットされる。図４では、図２と比較すると、図４（Ｂ）に示すフォトカプラ出力波形が、図２（Ｂ）の波形と反転している。それ以外の波形は、図２の場合と同様である。

図３の構成例では、コンタクタ２０がオンの状態になると、抵抗２７を介してフォトカプラ２８の発光ダイオード２８ａに電圧が印加される。交流電源１０から発光ダイオード２８ａに印加される電圧が順方向バイアスの状態となる場合（図４（Ａ）に実線で示す場合）には、発光ダイオード２８ａが発光し、フォトダイオード２８ｂに電流が通じるので、フォトダイオード２８ｂの端子電圧が図４（Ｂ）に示すように、タイミングＴ１においてハイからローの状態となる。この結果、ＳＲ−ＦＦ３１のＳ端子がローの状態になるので、ＳＲ−ＦＦ３１がセットされ、図４（Ｄ）に示すように、ＳＲ−ＦＦ３１の出力がタイミングＴ１においてハイの状態となる。ＳＲ−ＦＦ３１の出力がハイの状態になると、トランジスタ３２，３３がオンの状態になるので、この結果、ＩＧＢＴ３４がオンの状態になる。このとき、ダイオード３５は順方向バイアスの状態であるので、ダイオード３５、ＩＧＢＴ３４、および、抵抗３６を介して、ブレーキコイル４０に電流が通じる（図４（Ｅ）参照）。この結果、無励磁作動型電磁ブレーキではブレーキが開放され、励磁作動型電磁ブレーキではブレーキが作動する。

また、以上の実施形態では、ＳＲ−ＦＦ３１を用いて駆動信号を生成するようにしたが、これ以外の回路によって駆動信号を生成するようにしてもよい。また、ツェナーダイオード２６から出力される電力を各部に直接供給するのではなく、例えば、ＬＣ平滑化回路または三端子レギュレータを介して各部に供給するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、操作部の操作に応じてコンタクタ２０が動作するようにしたが、例えば、マイクロコンピュータを設け、このマイクロコンピュータからの制御信号に基づいて、コンタクタ２０が動作するようにしてもよい。

１０ 交流電源
２０ コンタクタ
２１ コンデンサ
２２〜２５ ダイオード
２６ ツェナーダイオード
２７，３６，３７ 抵抗
２８ フォトカプラ（制御手段の一部）
２９ コンパレータ（制御手段の一部）
３０ 基準電源（制御手段の一部）
３１ ＳＲ−ＦＦ（制御手段の一部）
３２，３３ トランジスタ
３４ ＩＧＢＴ（半導体スイッチ）
３５ ダイオード
４０ ブレーキコイル

Claims (4)

1. 交流電源から供給される電力により電磁ブレーキを制御する電磁ブレーキ制御装置において、
   前記交流電源から前記電磁ブレーキに流れる電流を断続する半導体スイッチと、
   前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点に対応して前記半導体スイッチをオンの状態にして前記電磁ブレーキに電流を通じるとともに、前記電磁ブレーキに流れる電流値に応じて前記半導体スイッチをオフの状態にすることで、パルス幅制御によって前記交流電源から前記電磁ブレーキに流れる電流を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする電磁ブレーキ制御装置。
2. 前記電磁ブレーキには、前記交流電源を半波整流して得た電力が供給され、前記制御手段は前記電磁ブレーキに電流が流れる期間のみ、前記パルス幅制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の電磁ブレーキ制御装置。
3. 前記制御手段は、前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点に同期して前記半導体スイッチをオンの状態にして前記電磁ブレーキに電流を通じるとともに、前記電磁ブレーキに流れる電流の値が所定の閾値を超えた場合に前記半導体スイッチをオフの状態にすることで前記パルス幅制御を実現することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁ブレーキ制御装置。
4. 前記交流電源をコンデンサによって降圧し、整流して得られた直流電圧を、装置の各部に対して電源電圧として供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁ブレーキ制御装置。

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