JP3546068B2 - 電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は電池を電源とする分捲モータの駆動回路に関し、特に複数の電池ユニットを直列接続して段階複電圧電源として使用し、かつ界磁捲線に印加する電圧の段階値を電流制御により連続的に変化せしめる直流モータの駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電池ユニットは機動性があるため、電気運搬具のような各種器具に広く使用されている。又、この電池ユニットとしては蓄電池、燃料電池、熱電池、又は太陽電池等の各種の電池が使用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
これらの電池の全ては基本電圧を持っており、負荷に必要な所要電圧及び電力を得るために直列又は直並列等の接続により所要値を得ていた。
【0004】
しかし、上述の組み合わせは何れも段階的な電圧しか求めることが出来ず、モータの連続的な駆動調節には直列抵抗を使用していた。このため限りある電池の電力を無駄に使用する結果となり、問題がある。
【0005】
本発明は上述の問題を解決して、電力の無駄がなく、かつ連続的に調節が可能な直流モータの制御回路を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、直流モータの駆動回路において、
前記直流モータの電機子捲線A101に電圧を供給する段階複電圧電源ASP101と、この段階複電圧電源ASP101により前記直流モータの界磁捲線F101の電流制御を行う磁場制御回路FVPと、前記電機子捲線A101の一端に接続されて電機子捲線A101の電流を検出する電流検出回路CT100と、この電流検出回路CT100の検出値により前記段階複電圧電源ASP101の電圧の調整と前記磁場制御回路FVPの前記界磁捲線F101の励磁電流の制御とを行う中央制御器CCUよりなり、
前記段階複電圧電源ASP101は、複数のスイッチユニットと電池ユニットU1〜U6とを交互に直列接続して構成し、
前記中央制御器CCUの指令によりスイッチユニットが切換えられ、
前記中央制御器CCUの指令により固体スイッチエレメントSSS100は、前記段階複電圧電源ASP101を線形調節電圧を持った複電圧の波形に制御して、電機子捲線A101に電圧が供給され、
前記電機子捲線A101に接続された前記電流検出回路CT100の検出信号の検出値により、前記中央制御器CCUが前記磁場制御回路FVPを制御することによって前記界磁捲線F101の電流制御を行い、
電機子の回転速度を連続的に調整可能とすることを特徴とする。
【0007】
段階複電圧電源ASP101として、双極双投スイッチSW101〜105とダイオードの組み合わせよりなるスイッチユニットと電池ユニットU1〜6とを交互に直列接続して構成したもの、又は双極双投スイッチSW101〜105のみで構成したスイッチユニットと電池ユニットU1〜6とを交互に直列接続して構成したものである。
【0008】
又、段階複電圧電源ASP101として、単極単投スイッチ又は固体スイッチSSU101〜105とダイオードの組み合わせよりなるスイッチユニットと電池ユニットU1〜6とを交互に直列接続して構成したものである。
【0009】
なお、段階複電圧電源ASP101として、単極双投及び単極単投スイッチの連動スイッチSW201〜203とダイオードの組み合わせによるスイッチユニットと電池ユニットU1〜4とを直列接続して構成したものもある。
【0010】
又、段階複電圧電源ASP101として、単極単投スイッチSW301〜303又は固体スイッチSW401〜403とダイオードの組み合わせよりなるスイッチユニットと電池ユニットU1〜4とを交互に直列接続して構成したものもある。
【0011】
【作用】
上述のように、電機子捲線A101に印加する電圧が段階複電圧電源ASP101より供給されることによる電機子電流を電流検出器CT100で検出し、その段階的電流検出値により中央制御器CCUが磁場制御回路FVPを制御して界磁捲線F101の電流制御を行い、電機子の回転速度を連続的に調整可能とする。
【0012】
【実施例】
図1は本発明の直流モータの駆動回路の接続図である。この場合の直流モータは界磁捲線F101と電機子捲線A101を持った分捲モータで、電機子捲線A101には本発明の段階複電圧電源ASP101を接続し、これら電機子捲線A101と段階複電圧電源ASP101と電流検出回路CT100とで一つの閉回路を構成している。
【0013】
又、界磁捲線F101と磁場制御回路FVPで一つの閉回路を構成している。これら二つの閉回路に対して、中央制御器CCUは電機子捲線A101の電流を検出する電流検出回路CT100の検出出力を入力し、この入力値に基づき段階複電圧電源ASP101と磁場制御回路FVPに対して制御信号を出力する。
【0014】
図2は段階複電圧電源の実施例1で、双極双投スイッチSW101〜SW105とダイオードの組み合わせよりなるスイッチユニットと電池ユニットU1〜U6とを交互に直列接続して構成したものである。このスイッチSW101〜SW105のa側のCOM端子(common端子)COM101a〜COM105aは上側の電池ユニットU1〜U5の−極とダイオードD101a〜D105aの逆方向を介してアースラインに接続され、NC接点(normal close)NC101a〜NC105aは下側に電池ユニットU2〜U6の+極に接続され、NO接点(normal open)NO101a〜NO105aは直接アースラインに接続されている。
【0015】
又、b側のNC接点NC101b〜105bは上側の電池ユニットU1〜U5の−極に接続され、COM端子COM101b〜COM105bは下側の電池ユニットU2〜U6の+極とダイオードD101b〜D105bの順方向を介して出力端子(+側で、電池ユニットU1の+側)に接続され、NO端子NO101b〜NO105bは出力端子(+側で、電池ユニットU1の+側)に接続されている。
【0016】
この段階複電圧電源に対して、中央制御器CCUの制御出力により必要とする段階のスイッチSW101〜SW105をNC接点からNO接点に切り換えることにより、そのスイッチユニット以下の電池ユニット(U6側の電池ユニット)を切り離した状態でU1側の残存電池ユニットの直列電圧として出力する。
【0017】
なお、この場合、中央制御器CCUに接続されている指令入力ユニットI100から所要値を入力することが出来るように構成されている。
【0018】
出力端子の−側とアースラインとの間には線形又は開閉形固体スイッチエレメントSSS100が接続してあり、線形固体スイッチエレメントSSS100は中央制御器CCUの指令信号により図3に示すように段階電圧に対する出力電圧の微調節を行う。
【0019】
又、開閉形固体スイッチエレメントSSS100の操作によって出力電圧を必要とする出力値よりも高く維持するように構成してあるので、若し電池ユニットの電圧段階より1単位高い電圧に調節する場合、開閉形固体スイッチエレメントSSS100が動作するように中央制御器CCUが制御信号を出力するので、熱損失は比較的少なくなるように構成されている。
【0020】
なお、ダイオードD101a〜D105a及びD101b〜D105bは各スイッチの切換時の火花防止の効果を持つものである。
【0021】
図5に示す回路は図2の回路の各ダイオードを省略したもので、詳細な説明は省略する。
【0022】
図6は段階複電圧電源の実施例2で、各スイッチとも単極単投スイッチを使用しており、各電池ユニットU1〜U5の−側と各スイッチユニットとの接続点はダイオードの逆方向接続によりアースラインと接続してあり、各電池ユニットU2〜U6の+側と各スイッチユニットとの接続点はダイオードの順方向接続により出力端子と接続されている。
【0023】
なお、この実施例では、電池ユニットU1の+側と出力端子間及びU6の−側とアースライン間にそれぞれ均圧用ダイオードD1000、D1001が接続して電池ユニットを並列接続する場合の均圧に使用されているが、絶対必要な部品ではない。
【0024】
図7は図6の回路のスイッチユニットを固体スイッチSSU101〜SSU105に変更したもので、その他は図6と同じであるのである。この回路においては、スイッチユニットの操作によって出力を必要とする出力値よりも高くし、更に中央制御器CCUによって各固体スイッチSSU101〜SSU105の駆動電流を制御し、又は互いに直列に接続している固体スイッチSSU101〜SSU105の抵抗によって線形出力電圧の調節が得られるが、図8に示すように若し1電圧段階高い電圧の調節が必要であれば、スイッチユニットの組み合わせによって達成され、熱損失は少なくなる。
【0025】
上述のように、スイッチユニットの操作によって出力を必要とする出力値よりも高くし、更に中央制御器CCUの各固体スイッチエレメントによってパルス波電流の出力を行い、又は互いに直列している電池ユニット中のより高い電圧段階の電池ユニットが直列する固体スイッチエレメントSSS100の駆動パルス幅を以て出力電圧の平均値を制御する。
【0026】
例えば、中央制御器CCUの制御によって各固体スイッチSSU101、102、104、105の全てが接続され、パルス波を以てSSU103を制御し、その出力が図9に示すような状態であるが、若し1電圧段階大きい大電圧の調節が必要であればスイッチユニットSSU103をONにして電池ユニットU3を追加することにより達成される。
【0027】
又、線形又はパルス波が制御する波幅と段階基礎電圧が各々等電圧の電池ユニットから構成されたものであるが、電力の消耗を平均にするため、中央制御器CCUによって基礎電圧の供給及び振幅変調又はパルスによって電力消耗を均一にさせる。
【0028】
更に、出力回路に電流検知装置CT100を直列に接続し、中央制御器CCUに電流検知信号を入力し、指令入力ユニットI100又はCCU内蔵の設定値によってスイッチユニットSW101〜105又は固体スイッチSSU101〜105の相対制御を行う。
【0029】
又、出力端に電圧検知装置VT100を並列接続し、中央制御器CCUに電圧検知信号を入力し、指令入力ユニットI100又はCCU内蔵の設定値によってスイッチSW101〜105又は固体スイッチSSU101〜105の相対制御を行う。なお、この回路にも標準電位が設けられているので、負荷の不安定による電圧の変動を調節出来る他、電圧不安定から起こる負荷側の電圧変動、例えば電池の蓄電量の減少に伴って電圧が降下し、このために負荷に印加する電圧を調節することが出来る。
【0030】
図10は段階複電圧電源の実施例3で、この実施例のスイッチは単極双投スイッチ(以下直列スイッチという)と単極単投スイッチ(以下並列スイッチという)との連動スイッチである。電池ユニットU1の+極は直列スイッチSW202のCOM202aと順方向に配置されたダイオードD202aとに接続されると共に、−極はアースラインに接続されている。U2の+極は直列スイッチSW201のCOM201aと順方向に配置されたダイオードD201aとD202aとに接続されると共に、−極は直列スイッチSW202のNO202aと並列スイッチSW202のNC202b及び逆方向接続のダイオードD202bとに接続されている。なお、直列スイッチSW202のCOM202bとダイオードD202bの他極はアースラインに接続されており、NC202aは出力端子に接続されている。
【0031】
U3の+極は直列スイッチSW203のCOM203aと順方向のダイオードD203aとに接続されると共に、−極は直列スイッチSW201のNO201a、並列スイッチSW201のNC201b、並列スイッチSW203のCOM203b及びダイオードD201bに接続されている。なお、並列スイッチSW201のCOM201b及びダイオードD201bの他極はアースラインに接続されており、NC201aは出力端子に接続されている。
【0032】
U4の+極は直列スイッチSW203のNC203aとダイオードD201a、D203a及び出力端子に接続されると共に、−極は直列スイッチSW203のNO203a、並列スイッチSW203のNC203b及びダイオードD203bに接続されている。
【0033】
上述の回路の制御動作は次の通りである。先ず、SW201、202、203が共に作動しない場合、電池ユニットU1〜4は全てスイッチ接点を経て並列の低圧出力で、図11の状態である。
【0034】
SW202、203が作動した場合、電池ユニットU1、2及びU3、4がそれぞれ直列となり、この直列の電池ユニットが更に並列状態となり中圧出力で、図12の状態である。
【0035】
SW201、202、203の全てが作動した場合、電池ユニットU1〜4は全て直列状態となり、高圧出力で、図13の状態である。
【0036】
この回路の各ダイオードD201a〜203a、201b〜203bは各スイッチ接点と並列状態となっており、接点が動作した時の火花防止の作用がある。
【0037】
図14は段階複電圧電源の実施例4で、図10の回路を簡略化したものである。即ち、各スイッチを単極単投スイッチSW301〜303としたものである。なお、ダイオードD301a〜303a、301b〜303bは図10のダイオードD201a〜203a、201b〜203bに相当するものである。
【0038】
又、図15は図14の単極単投スイッチSW301〜303を固体スイッチエレメントSW401〜403に変更したもので、ダイオードD401a〜403a、401b〜403bはそれぞれ図14の各ダイオードと対応するものである。
【0039】
上述の図14、15の各回路の制御動作は図10の制御動作と基本的に同じであるので、詳細説明は省略する。
【0040】
【発明の効果】
上述のように、電池ユニットの組み合わせをスイッチユニットで行うことにより、電池ユニット数の公約数として容易に組み合わせが可能であり、最も効果的に組み合わせを選択することが可能である。
【0041】
段階的に選択する電圧による電機子の回転数を界磁捲線による磁場制御を併用することにより、連続的な回転数の調整が可能である。
【0042】
各スイッチの接点間にダイオードを並列接続することにより、切換時の異常電流を防止し、接点保護の効果を持たせ、スイッチの接点寿命の延長が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の直流モータの駆動回路の接続図である。
【図2】
段階複電圧電源の実施例1の回路図である。
【図3】
線形調節電圧を持った複電圧の波形図である。
【図4】
パルス波調節電圧を持った複電圧の波形図である。
【図5】
図2の回路のダイオードを省略したものの回路図である。
【図6】
段階複電圧電源の実施例2の回路図である。
【図7】
図6のスイッチを固体スイッチに変更したものの回路図である。
【図8】
線形調節電圧を持った複電圧の波形図である。
【図9】
パルス波調節電圧を持った複電圧の波形図である。
【図10】
段階複電圧電源の実施例3の回路図である。
【図11】
図10の低電圧切換えの回路の状態図である。
【図12】
図10の中電圧切換えの回路の状態図である。
【図13】
図10の高電圧切換えの回路の状態図である。
【図14】
段階複電圧電源の実施例4の回路図である。
【図15】
図14のスイッチを固体スイッチに変更したものの回路図である。
【符号の説明】
A101 電機子捲線
ASP101 段階複電圧電源
CCU 中央制御器
CT100 電流検出回路
F101 界磁捲線
FVP 磁場制御回路
I100 指令入力ユニット
SSS100 固体スイッチエレメント
VT100 電圧検知装置
U1〜U6 電池ユニット
Claims (6)
- 直流モータの駆動回路において、
前記直流モータの電機子捲線に電圧を供給する段階複電圧電源と、この段階複電圧電源により前記直流モータの界磁捲線の電流制御を行う磁場制御回路と、前記電機子捲線の一端に接続されて電機子捲線の電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路の検出値により前記段階複電圧電源の電圧の調整と前記磁場制御回路の前記界磁捲線の励磁電流の制御とを行う中央制御器よりなり、
前記段階複電圧電源は、複数のスイッチユニットと電池ユニットとを交互に直列接続して構成し、
前記中央制御器の指令によりスイッチユニットが切換えられ、
前記中央制御器の指令により固体スイッチエレメントは、前記段階複電圧電源を線形調節電圧を持った複電圧の波形に制御して、電機子捲線に電圧が供給され、
前記電機子捲線に接続された電流検出回路の検出信号の検出値により、中央制御器が磁場制御回路を制御することによって界磁捲線の電流制御を行い、
電機子の回転速度を連続的に調整可能とすることを特徴とする電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路。 - 前記段階複電圧電源として、双極双投スイッチとダイオードの組み合わせよりなるスイッチユニットと電池ユニットとを交互に直列接続して構成したことを特徴とする請求項1記載の電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路。
- 前記段階複電圧電源として、双極双投スイッチのみで構成したスイッチユニットと電池ユニットとを交互に直列接続して構成したことを特徴とする請求項1記載の電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路。
- 前記段階複電圧電源として、単極単投スイッチとダイオードの組み合わせよりなるスイッチユニットと電池ユニットとを交互に直列接続して構成したことを特徴とする請求項1記載の電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路。
- 前記段階複電圧電源として、固体スイッチとダイオードの組み合わせによるスイッチユニットと電池ユニットとを直列接続して構成したことを特徴とする請求項1記載の電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路。
- 前記段階複電圧電源として、単極双投及び単極単投スイッチとダイオードの組み合わせによるスイッチユニットと電池ユニットとを直列接続して構成したことを特徴とする請求項1記載の電池ユニットの段階複電圧制御と磁場制御を併用した直流モータの駆動回路。
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