JP3676863B2 - 電子的に整流される電動機を制御する回路装置 - Google Patents
電子的に整流される電動機を制御する回路装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動駆動部材と、直流電源から所定相電圧かつ所定負荷角で給電可能な少なくとも１個の相コイルとを有する、電子的に整流（転流）される電動機を制御する回路装置に関するものであり、この装置は前記可動駆動部材の位置及び／または運動速度を測定する装置（以下運動センサと称する）と、前記相コイルを前記直流電源に被制御的に接続するための電流供給素子と、前記電流供給素子を、所定相電圧及び所定負荷角が得られるように制御するための制御回路とを具えており、前記電流供給素子は前記制御回路によって、前記駆動部材が減速するように制御可能であり、前記駆動部材がその運動方向と逆向きの力を受けるように制御する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許明細書第US-PS 4,271,385号は、無整流子電動機用制御システムを記載しており、このシステムでは多相電機子巻線及び界磁巻線を有する同期電動機を周波数変換器によって駆動している。この目的のために、前記同期電動機の回転位置に関する位置信号を、位置制御信号によって進み側及び遅れ側に最大180°だけ位相シフトすべく適応させて、この位相シフトした位置信号とその反転信号とを組合せることによって、周波数変換器用の点弧パルスを発生させている。こうして、位相制御信号の振幅を変化させることによって、及びその極性を反転させることによって、動作モードを、駆動動作と回生動作との間で、及び正転動作と逆転動作との間で、安定した方法で切り換えることができる。
【０００３】
米国特許明細書第US-PS 5,220,257号は、トルク制御信号に従った駆動電流によって電動機を駆動して、電動機を停止させるための停止信号を受信すると、逆方向のトルクを発生することによって電動機の回転を停止する電動機制御回路を記載している。この電動機制御回路は更に、トルク制御発生回路と駆動回路との間に配置したレベル反転回路を具えて、前記トルク制御信号のレベルを所定の基準レベルに対して反転させる。停止信号を受信すると、レベル反転したトルク制御信号を駆動回路に供給する。前記電動機制御回路は更に、電動機の基準回転速度に対応する基準信号を発生し、また前記停止信号を受信すると、この基準回転速度より低い回転速度に対応するさらなる基準信号を発生する基準信号発生回路を具えている。
【０００４】
近年、電気的に動作する小型装置において様々に使用すべく、電子的に整流される電動機が採用されている。これらの使用の多く、特に家電分野、電動車、自動化（オートメーション）、機械工具等における電気装置については、その装置が動作しなくなった際には、これらの装置を可及的速やかに停止させることが重要であり、このことは、安全性、時間節約、あるいはこうした装置での作業の正確性の理由から、望ましく且つ要求される。
【０００５】
こうした非常に短期間内の停止（短い停止時間）のためには、単に装置内の機械的摩擦によって電動機の運動エネルギーを消費することは、電動機の運動エネルギーが往々にして高過ぎるので不適切である。例えば電磁的に動作する付加的な機械制動は、実質的に磨耗するので、非常に複雑であり、かつ修理が多くなる。制動期間中に電動機の機械的運動エネルギーを電気的エネルギーにして回生する回生制動は、回生した電気的エネルギーを電源にフィードバックさせるか、あるいは追加的な消費抵抗によって熱エネルギーに変換することを必要とする。しかし、電源へのフィードバックは多くの場合、不可能であるかあるいは認められず、そして消費抵抗は構成及び回路設計をさらに複雑にする。
【０００６】
他の制動方法は、電動機の相コイルを短絡することである。この際に相電流が励磁磁界と共に制動トルクを発生する。しかし、高速では、この相電流が限界値に接近しがちであり、これにより電流制限が自然に形成される。しかし、構造原理によって決まる電流と磁界との間の不都合な幾何学的関係の結果として、電動機の速度（回転数）の割に小さい制動トルクしか得られない。速度が減少するに連れてこの制動トルクが最大値に達し、そしてさらに速度が減少するとこのトルクが零になる。速度の関数としての制動トルクの大きさ及び変動は、電動機、及び例えばインバータのような電動機の電流供給素子の値設定によって決まり、そして永久励磁の場合には、限られた程度だけ影響され得るか、あるいは全く影響されない。こうして達成可能な電動機の停止時間は、多くの使用に対して不適切である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の米国特許明細書第US-PS 5,220,257号から、電動機の回転方向と逆方向にトルクを発生することによって、電動機の回転を制動することが知られている。この目的のために、制動の場合には、トルク制御信号を所定の基準レベルに対して反転させる。しかしこの方法も、達成すべき最適な停止時間を可能にしないことは明らかである。本発明の目的は、冒頭部分に規定した種類の回路装置を構成して、複雑でない構成で最小の停止時間の達成を可能にすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、前記駆動部材を減速させるために、相電圧及び／または負荷角を、
‐ 前記駆動部材の運動速度が、前記駆動部材に働く減速力が最大許容減速力に達する速度よりも高い高速の範囲内では、最大許容相電流に応じた、少なくともほとんど速度に依存しない電力が電動機内に発生し；
‐ 前記高速の範囲の低速端に隣接し、かつ相コイルの直接短絡によって発生可能な減速力がほぼ最大に達する運動速度まで及ぶ中速の範囲内では、最大許容減速力が電導機内に発生し；
‐ 静止状態と前記中速の範囲との間に広がる低速の範囲内では、減速力が静止状態に向かって、最大許容値から零まで減少するように制御可能であるか、
あるいは、前記高速及び中速の範囲内では、減速力を、上記の条件によって決まる値と零との間の範囲の値に設定して、前記低速の範囲内では、減速力を、最大許容減速力と零との間の値に設定することができる、ということによって達成される。
【０００９】
本発明は、既知の装置及び方法では、追加的な消費素子を省略した際には、達成可能な最大減速力または最大許容減速力はまだ発生しないが、比較的単純な物理的関係によって、これらの減速力が得られて利用可能である、という認識に立っている。電動機の駆動部材の速度を実質的に３つの範囲に分割することは、比較的高速では、駆動系の部分が相電流によって最大まで負荷をかけられるという認識に基づくものである。これらの電流は、電動機の減磁も電流供給素子の損傷も発生しないように制限しなければならない。これに従って、高速範囲内の最大許容相電流が決まる。
【００１０】
第２限界速度では、前記中速範囲が前記高速範囲の低速端に隣接し、中速範囲では、最大許容相電流による減速力が発生可能であり、この減速力が、電動機及び駆動系に機械的な損傷を生じさせ得る。さらに、このことは、制動させる装置の安定性に影響し得る。従って、前記中速の範囲内では、この最大許容減速力を制御する。
【００１１】
第１限界速度と静止状態との間の前記低速範囲が、前記中速範囲に隣接する。第１限界速度は、電動機内の相コイルを直接短絡させた場合に最大減速力が発生する速度に相当するように、有利に選択する。しかし、第１限界速度は異なる値にすることもできる。実現すべき駆動系の仕様に応じて前記第１限界速度を適切に選択することによって設定することができる低速範囲内では、静止状態に向かって減速力が零まで減少することが有利である。この結果、静止状態の直近でも、力を大きく変動させることなく、すなわち少なくともほとんどジャーク（加加速度）無しに、電動機が停止する。これに加えて、このことは減速モードにおける電動機の反転も防止する。
【００１２】
本発明は、追加的な高価な部品無しに最小停止時間が達成可能であるという利点を有する。素手に入手可能な素子のみを使用し、特に、追加的な電力用（電子）デバイスまたは消費素子を必要とせず、本発明は、いずれにしても存在する制御回路を利用して電流供給素子を制御する。そして本発明による減速モードでは、運動センサの制御下で電流供給素子を適切に駆動することによって、相電圧及び／または負荷角を調節する。
【００１３】
本発明は更に、必要ならば、減速力または相電流と速度との間の他の関数関係に従って、電動機を簡単に停止することを可能にする。結果的に本発明は、最小停止時間を達成する目的のみならず、より一般的な目的に用いることができ、すなわち本発明は、要求される最大許容停止時間を最小相電流、すなわち最小減速力で達成して、これにより、電動機の負荷、及び電動機の整流用の回路装置の最小化を可能にするために用いることができる。
【００１４】
本発明の好適例では、前記制御回路が、
‐ 前記相電圧の振幅について、及び前記負荷角並びに前記駆動部材の少なくとも瞬時位置を表現する位置信号についての、所定の公称値信号に従って前記電流供給素子を制御する整流段と、
‐ 前記位置信号、及び／またはこの位置信号に含まれていなければ前記駆動部材の運動速度を表現する動き信号を受信すべく構成され、かつ前記駆動部材を減速するための速度依存性の相電圧振幅の公称値信号を、前記動き信号から導出して供給すべく適応させた相電圧測定段と、
‐ 前記位置信号、及び／またはこの位置信号に含まれていなければ前記動き信号を受信すべく構成され、かつ前記駆動部材を減速させるための速度依存性の負荷角の公称値信号を、前記動き信号から導出して供給すべく適応させた負荷角測定段と、
‐ モード制御信号によって、駆動モードと減速モードとの間で切り換え可能であり、かつ減速を目的として、前記相電圧測定段及び前記負荷角測定段を作動させることが可能な減速作動段と、
‐ 前記減速作動段によって制御可能であり、かつ前記減速モードにおいて、あるいは所望すれば前記駆動モードにおいて、前記相電圧測定段及び前記負荷角測定段からの、それぞれ前記相電圧の振幅についての公称値信号及び前記負荷角についての公称値信号に相当する所定の公称値信号を、前記整流段に供給すべく適応させた公称値信号切換段と
を具えている。
【００１５】
この本発明の好適例は、電動機の整流が直接的に影響されないという利点を有している。その代わりに、所望の動作モードに応じて必要な公称値信号を、相電圧の振幅について、及び負荷角について、電動機の駆動部材の速度に応じて発生する。この速度は単に運動センサによって導出することができる。従って本発明によれば、単に、減速モード用の公称値信号を供給するための装置を、既に駆動動作用に設けた制御回路に追加することのみが必要である。従って前記制御回路は、選択した動作モードに応じて、駆動動作用の公称値信号または減速用の公称値信号を、整流用に利用することができる。本発明による制御回路に追加すべき段は、非常に簡単かつ小型化した方法で、この制御回路と組み合わせることができる。
【００１６】
本発明の有利な変形例は、前記相電圧測定段が、
前記高速の範囲については、次式の関係：
【数７】
前記中速の範囲については、次式の関係：
【数８】
前記低速の範囲については、次式の関係：
【数９】
ここに、
ωは電動機の電気的角周波数、
Ｌは相コイルのインダクタンス、
Ｉmaxは最大許容相電流、
ψは電動機の相コイルと励磁磁界との間の磁束鎖交、
Ｒは相コイルのオーム抵抗、
ω0は前記中速の運動速度範囲と前記高速の運動速度範囲との境界における電動機の電気的角周波数ωである、
に従って、相電圧Ｕに対する公称値信号を決定する、ということによって得られる。
【００１７】
この際に最大許容相電流Ｉmaxは、前記電流供給素子を通る最大許容電流についての値か、あるいは電動機が減磁される寸前の最大許容相電流についての値かの、いずれか小さい方に依存する。できれば、電動機及び電流供給素子の適切な値設定によって、これらの値を対応させることができることが好ましい。
第２限界速度において、電気的角周波数ω0に達する。
【００１８】
相電圧Ｕについての上記の関係において、特別な場合に制御すべき電動機のパラメータが固定である場合には、電動機の速度に直接関係する電動機の電気的角周波数ωと、前記相電圧測定段において非常に簡単に変換可能な相電圧Ｕとの間には、非常に単純な関数関係が得られる。これにより、この相電圧測定段の非常に簡単な構造を得ることができる。
【００１９】
本発明の他の変形例では、前記相電圧測定段が、供給可能な前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値毎に、前記相電圧についての公称値信号の値を読み出し可能な第１記憶装置を具えている。この際に前記相電圧についての公称値信号の値は、上述した関係から好適に導出されて、前記第１記憶装置によって表として記憶される。これにより、簡単な回路装置によって非常に迅速に入手可能な公称値信号が得られる。
【００２０】
本発明の他の好適例では、前記第１記憶装置を具えた前記相電圧測定段を、前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値の全範囲を複数間隔に分割して、各間隔毎に、当該間隔のすべての速度値に共通した相電圧についての公称値信号の値を、前記第１記憶装置から読み出し可能なように構成することができ、そして前記相電圧測定段が更に、前記相電圧の振幅の公称値信号の補間値を発生する第１補間装置を具えている。この方策は、前記第１記憶装置の大きさを大幅に低減することを可能にする。この場合には前記相電圧についての公称値信号の単一の共通値を、当該間隔内のすべての速度値に割り当てる。同様に、公称値信号の１つの値を、他の各間隔のすべての速度値に割り当てる。所定の速度値に対する公称値信号を読み出すために、速度の実際値が、この速度に対応する間隔内にある位置に応じて、速度の実際値が存在する間隔についての公称値信号に関連する共通値と、隣接する間隔に対応する公称値信号の値との間の補間を実行する。公称値信号を測定するこの方法の変形例では、要求した関係に対応する公称値信号の値を、速度の所定値に割り当てることも可能である。電動機速度の実際値に対して、隣接する所定値に対する位置を特定して、速度の実際値の位置に従って、公称値信号に関連する値どうしの間の補間を実行する。
【００２１】
本発明の他の好適例は、前記負荷角測定段が、
高速の範囲については、次式の関係：
【数１０】
中速の範囲については、次式の関係：
【数１１】
低速の範囲については、次式の関係：
【数１２】
に従って、負荷角δに対する公称値信号を決定することを特徴としている。
【００２２】
こうして、負荷角δに対する公称値信号は、単に相電圧Ｕに対する公称値信号と同じパラメータ及び信号から決定することができる。結果的に、前記負荷角測定段の構成はちょうど、前記相電圧測定段の構成のような単純な構造にすることができる。
【００２３】
位置信号及び／または動き信号についての所定の限界値に基づいて、前記相電圧測定段及び／または前記負荷角測定段が、これらの信号から、速度の実際値が前記いずれの範囲内に存在するかを特定すれば有利である。この場合には、低速範囲と中速範囲との間の移行点における前記第１限界速度、及び中速範囲と高速範囲との間の移行点における前記第２限界速度を、前記限界値として用いる。速度の実際値を、これらの範囲のいずれに割り当てるかに依存して、前記相電圧測定段及び／または前記負荷角測定段用の制御パラメータが利用可能であり、これらの制御パラメータが、あり得る関係のいずれに従って、速度から前記公称値信号を導出すべきかを指示する。このことの結果として、前記相電圧測定段が前記第１記憶装置を具えている場合には、前記範囲を特定する必要が無い。
【００２４】
本発明の変形例では、前記負荷角測定段が第２記憶装置を具えて、供給可能な前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値毎に、この第２記憶装置から、負荷角に対する公称値信号の値を読み出すことができる。このことは、位置信号及び／または動き信号の値から導出可能な速度値の全範囲を複数間隔に分割して、ある間隔の全速度値に共通な、負荷角に対する公称値信号の値を、間隔毎に前記第１記憶装置から読み出して、前記負荷角測定段が更に、負荷角に対する公称値信号の補間値を発生する第２補間装置を具えている、ということによって達成することが好ましい。
【００２５】
前記相電圧測定段に対応する変形例に対して記述したことは、前記負荷角測定段に対応する変形例にも同様に当てはまる。従って特に、速度の実際値が存在する範囲を、前記負荷角測定段によって特定することはもはや必要無い。
【００２６】
本発明のさらなる好適例では、減速モードの開始中にも、許容できないほど大きな相電流及び／または減速力を回避して、こうした大きな相電流または減速力は、電動機に対する損傷、あるいは電動機の整流を行う回路装置に対する損傷を生じ得る過渡効果であり、駆動部材の減速モードへの移行中に、前記相電圧の振幅及び／または前記負荷角に対する公称値信号の値が、この移行前のモードにおける実際値から出発して、変化の最大許容速度よりも高くない速度である減速モード用の所定値まで変化することを保証するために、この変化の最大許容速度を、前記公称値信号の値の変化によって生じる過渡相電流が前記最大許容相電流に制限されるような値にする。
【００２７】
こうして、減速モードを開始する際にも、特にこの減速モードを高駆動力での駆動モードにおいて開始する際にも、静止状態に達する際と同様に、危険なジョルト（がたつき）運動あるいは過渡電流無しに、減速モードへの移行を行うことが保証される。この方法では、機械部品及び電気部品を損傷から保護することができる。
【００２８】
好適例では、所定の最大値を越えるべきでない公称値信号の値を、所定の時間ステップで変化させることができる。こうするために、前記公称値を所定のリズムで、最大許容値を越えない固定または可変の差分だけ変化させることができ、あるいは、前記公称値信号を連続的に変化させて、この変化の時間的導関数が所定値を越えないようにすることができる。
【００２９】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の好適な実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１において、参照符号１は電動機を示し、この電動機は、回転子が磁界発生用の永久磁石２及び駆動部材３を具えて、固定子が、インバータ６から電力を供給される３相コイル４を有し、この電力は、直流電圧源（図示せず）から電源端子７経由でインバータ６に供給される。インバータ６は、平滑コンデンサ８、及び相コイル４毎に２個の電流供給素子９の直列配置を具えている。前記平滑コンデンサ８及びすべての電流供給素子の直列配置を、互いに並列にして電源端子７に接続して、これは、相コイル４を電源端子７に選択的に接続するという、それ自体は既知の作用をして、これにより電動機１にエネルギーを供給する。電動機１及びインバータ６は非常に図式的に示してあり、これらは多くの方法で実現することができる。例えば、相数を変化させることができ、磁界発生を、永久磁石２の代わりに界磁巻線によって行うことができ、さらに、回転駆動部材３の代わりに線形（リニア）移動の駆動部材を使用することができる。これに加えて、インバータ６は、種々の方法で実現及び変更することができ、これらの方法自体は既知であり、ここでは詳細に説明しない。
【００３１】
図１に示した装置は更に、電流供給素子９を制御する制御回路10と、今後運動センサ11と称する、駆動部材３の位置及び運動速度を測定する装置とを具えている。運動センサ11は位置検出器12を含み、位置検出器12は、電動機１の駆動部材３の瞬時位置を検出するために、複数の部品を具えることができる。位置検出器12は位置信号を、位置信号線13を経由で処理回路14に供給して、処理回路14は運動センサ11の一部を形成する。処理回路14では、位置信号線13経由で供給された位置信号を、制御回路10内でのさらなる処理用に処理する。この処理は、電動機１の整流に適した位置信号を発生すべく作用し、そして位置検出器12が位置信号線13経由で供給した位置信号から、可動駆動部材３の速度を表現する動き信号を導出すべく作用する。
【００３２】
本実施例では、処理した位置信号を位置信号出力端子15に供給して、動き信号を、処理回路14の動き信号出力端子16に供給する。この位置信号と動き信号とを分離することは、これらの信号のさらなる処理及び分析を簡単化する。あるいはまた、位置信号が、駆動部材３の位置並びに運動速度位置についての情報を提供することができる。こうした位置信号を処理すべき際には、一般に位置情報を速度情報から分離すべきである。
【００３３】
制御回路10は、インバータ６内の電流供給素子９を制御線18経由で制御する整流段17を具えている。こうするために、整流段17は、例えば図１に非常に図式的に示すように、制御器19、及びこの制御器19によって制御される波形発生器20を具えている。整流段17は、相電圧の振幅に対する公称値信号用の公称値信号入力21、及び負荷角に対する公称値信号用の公称値信号入力22とを有する。これらの公称値信号入力21、22経由で供給される、以下に説明する公称値信号に応じて、そして処理回路14の位置信号出力15からの位置信号に応じて、制御器19は、電流供給素子９をターンオン（オン状態に切り換え）又はターンオフ（オフ状態に切り換え）する電圧波形発生器20を、制御線18経由で制御する。概して、整流段17は、電動機１を、所定振幅の相電圧（電動機１が対称な構成である場合には、これらの振幅はすべての相コイル４について同一であることが好ましく、従って、単数で相電圧振幅と称することもできる）及び所定負荷角で動作させることを可能する。しかし、整流段17の構成は本発明の範囲外であり、従って更に詳細には説明しない。
【００３４】
制御回路10は更に、動き信号24を有する相電圧測定段23を具えて、相電圧測定段23は、制御回路14の動き信号出力16から動き信号24を受信すべく構成してある。駆動部材３の減速モード用の相電圧の振幅に対する速度依存性の公称値信号は、相電圧測定段23によって公称値信号出力25に生成されて、整流段17の第１公称値信号入力21に供給することができる。
【００３５】
制御回路10は更に、処理回路14の動き信号出力16からの動き信号を供給することができる動き信号入力27、及び負荷角に対する公称値信号用の公称値出力28を有する負荷角測定段26を具えて、この公称値信号は、前記駆動部材の速度に応じたものであり、負荷角測定段26が供給すべきものである。この公称値信号は、公称値信号出力28から、整流段17の第２公称値信号入力22に供給することができる。
【００３６】
制御回路10は、モード制御信号を受信すべく構成した入力30を有する減速作動段29をも具えて、このモード制御信号によって、この段を駆動モードと減速モードとの間で切り換えることができる。減速作動段29は、２個の作動信号出力31、32、及び切換信号出力33を有する。減速作動段29が減速モードに移行する際に、作動信号を作動信号出力端子31、32経由で、それぞれ相電圧測定段23又は負荷角測定段26の、それぞれの作動信号入力34又は35に供給する。これらの作動信号が、相電圧測定段23及び負荷角測定段26を、減速モード用の動作状態にし、すなわちこれらの作動信号がこれらの段を作動させる。切換信号出力33が公称値信号切換段36に切換信号を供給して、公称値信号切換段36は制御回路10の一部も形成する。公称値信号切換段36は２個の切換スイッチ37及び38を具えて、各切換スイッチ37及び38が、それぞれ２個の入力端子39、40及び41、42と、それぞれ１個の出力端子43及び44とを有する。第１スイッチ37の第２入力端子40を相電圧測定段23の公称値信号出力端子25に接続して、第１スイッチ37の出力端子43を整流段17の第１公称値信号入力端子21に接続する。同様に、負荷角測定段26の公称値信号出力端子28を第２スイッチ38の第２入力端子42に接続して、第２スイッチ38の出力端子44を整流段17の第２公称値信号入力端子22に接続する。従ってスイッチ37、38の図１に示す位置では、公称値信号が、相電圧測定段23及び負荷角測定段26から整流段17に供給され、すなわちスイッチ37、38が減速モード用の位置にある。
【００３７】
第１スイッチ37の第１入力端子39を第１端子45に接続して、第２スイッチ38の第１入力端子41を第２端子46に接続する。端子45、46によって、それぞれ相電圧及び負荷角に対する外部公称値信号を、駆動モードにある回路装置に供給することができ、これにより駆動モードにおける電動機１の外部制御が可能になる。電動機駆動のために必要であれば、一定値を有する公称値信号を端子45、46経由で供給することも可能なことは明らかである。
【００３８】
図２に、減速力Ｋを電動機１の電気的角周波数ωに対してプロットした図を示す。この図において、符号ａは、本発明による減速過程のための減速力Ｋを電気的角周波数ωの関数として表わしたものである。なお、電気的角周波数ωは運動速度に比例し、すなわち本例では駆動部材３の速度に比例する。高速範囲では、第２限界速度ω0以上の電気的角周波数ωの値については、曲線ａは少なくともほとんど、電動機１における最大許容電力によって決まる双曲線である。（電気的角周波数の関連値ω1に相当する）第１制限速度と（ωoに相当する）第２制限速度との間の中速範囲では、減速力Ｋが一定であり、これらの範囲における減速力の最大許容値に相当する。第１制限速度以下、すなわち静止状態と値ω1との間では、減速力はその最大許容値から零まで、静止状態に向かって減少する。
【００３９】
図１と対比して、図２における曲線ｂは、電動機１の相コイル４が減速目的で単に永久短絡した場合の、減速力Ｋを角周波数ωの関数として表したものである。この結果として、実質的に小さい減速力Ｋしか得られず、この減速力は、電動機１を比較的ゆっくりと停止させることしかできない、ということがわかる。
【００４０】
電動機１を停止させるために必要な時間を図示するために、図３に、本発明による減速過程についての、時間対角周波数の線図ａを示し、曲線ｂは、電動機１の相コイル４を永久短絡して得られる減速過程を表わす。文字ｔは時間を表わす。本発明の場合には、電気的角周波数ω、及び結果的に電動機１の駆動部材３の回転数が、減速モードを開始した瞬時から零まで、比較のために示した、相コイル４を短絡した場合ｂよりも、実質的により急速に減少していることがわかる。静止状態に達する直前に減速力Ｋが減少することが、駆動部材３が運動状態から静止状態に比較的ゆるやかに移行すること、すなわち安定した停止を保証する。
【００４１】
図２及び３の曲線ｂによって表わすように、電動機１の相コイル４を短絡するために、図１に示す装置は、電子制動スイッチ48付きの制動抵抗47を具えており、これはインバータ６において、減速中に駆動部材３の運動エネルギーを回生または消費するために用いることができる。こうした制動抵抗47並びに制動スイッチ48によって取り扱うべき電気エネルギー及び熱エネルギーのために、これらの部品が実質的に大きな出費を必要とすることは別として、角周波数ωの関数として得られる減速力Ｋは、最も好適な場合には図２の曲線ｂに従う。しかし、このことの結果として、減速は図３の曲線ｂに従って進むことになり、すなわち一般に、より長い時間を必要とする。
【００４２】
従って本発明によれば、実質的により高い減速力が得られ、従って、実質的により短い停止時間が得られる。更に本発明は、駆動仕様に適合すれば、減速力Ｋを、図２の曲線ａより下の範囲内で選択することも可能にする。従って減速過程は、磨耗を最小にすべく構成することができる。
【００４３】
逆に本発明によれば、静止状態に向かう低速範囲において、減速力を最大値に保つこともできる。従ってジョルトを最小にするように停止を構成していない場合には、短い停止時間を目指すことができる。角周波数ωの関数としての減速力Ｋの、図２の曲線ａに従う変化は、低速、中速、及び高速の３つの異なる運動速度範囲についての、相電圧Ｕ及び負荷角δの公称値信号についての上述した関係に基づくものである。
【００４４】
最小のジョルトでの、駆動モードと減速モードの間の移行を保証するために、静止状態への移行についてすでに説明したように、入力30におけるモード制御信号が制御する減速作動段29によって減速モードを開始する際に、端子45、46における相電圧及び負荷角に対する公称値信号から、減速モードにおける運動速度の実際値を制御することを意図した、（相電圧測定段23及び負荷角測定段26が供給する）公称値信号に突然切り換わることが無いように、回路装置10を構成する。実際には、減速モードを開始した瞬間から、その後のすべての公称値信号を、相電圧測定段23及び負荷角測定段26からそれぞれ公称値信号入力21及び22に供給するように、公称値信号切換段36を切換信号出力33経由で作動させる。相電圧Ｕの振幅及び負荷角に対する公称値信号が、それぞれ第１端子45及び第２端子46からそれぞれ相電圧測定段23及び負荷角測定段26に、これらの段の各比較入力端子49と50とを介して与えられる。減速モードを開始する際には、相電圧測定段23及び負荷角測定段26が、減速モード用の公称値信号に対して決まる第１の速度依存性の値を、その時点まで有効であった駆動モード用の対応する公称値信号の最終的な実際値と比較する。ここでは、公称値信号出力25又は28に供給すべき公称値信号の値を駆動モードから減速モードに、１つ以上の時間間隔を以って徐々に移行するか、あるいは連続的に移行することができる。この連続的あるいは段階的な移行は、相電圧測定段23及び負荷角測定段26をアナログ回路として構成したかあるいはディジタル回路として構成したかに応じて行う。
【００４５】
本発明の簡略化した実施例では、駆動モードから減速モードへの移行、及びこの減速モードから静止状態への滑らかな移行は重要ではなく、相電圧測定段23及び負荷角測定段26のそれぞれの作動信号入力34、35、及び比較入力49、50を省略することができ、結果として、減速作動段29を大幅に簡略化するか、あるいは省略することができる。従ってモード制御信号は、入力端子30から公称値信号切換段36に直接供給することができる。
【００４６】
相電圧測定段23及び負荷角測定段26がそれぞれ第１記憶装置及び第２記憶装置を具えて、これらの記憶装置から、動き信号の受信値から導出した速度値毎に、相電圧Ｕ及び負荷角δに対する公称値信号の値を読み出し可能である場合において、これらの記憶装置に記憶する、電動機１の角周波数ωに応じた値の例を、公称値信号Ｕ及びδのそれぞれについて図４及び図５に図式的に示す。公称値信号Ｕ又はδのそれぞれの所定値が、運動速度値の各間隔に割り当てられているか、あるいは角周波数ωに対応していることがわかる。実現すべき駆動システムの仕様に応じて、図４及び図５の曲線中の段階、すなわち運動速度値あるいは角周波数ωの間隔を、より大きく、あるいはより小さくすることができる。特に速度間隔がより大きい場合には、相電圧測定段23内及び負荷角測定段26内に補間装置を設けることができ、この装置は、図４及び図５に示す間隔のうちの１つの中にある運動速度の実際値の、この間隔内の位置にもとづいて、この関連する間隔及びこれに隣接する間隔、あるいは補間による間隔の公称値信号の記憶値から、公称値信号出力25又は28に供給するべき公称値信号の値を決定する。
【００４７】
駆動モードから減速モードへの滑らかな移行を達成するために、所定の時間間隔内にある公称値信号の値を、所定最大数に限った公称値信号の記憶値の段階にわたって切り換えるべきである。このことが、本発明により大きな減速力を達成することの妨げにならないように、これらの段階及び時間間隔を選択すべきことは明らかである。
【００４８】
本発明による回路装置の特に廉価且つコンパクトな構成は、相電圧測定段23、負荷角測定段26、減速作動段29、公称値信号切換段36を、そして好適には処理回路14並びに整流段17も、マイクロプロセッサ制御回路装置内に組み込むことによって達成することができる。これにより、本発明による制御回路10用の追加部品数が特に少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による回路装置を図式的に示す図である。
【図２】 図１に示した実施例について、減速力を運動速度に対してプロットした図である。
【図３】 減速過程の一例について、速度を時間の関数として示す図である。
【図４】 速度の値に割り当てた相電圧に対する公称値信号の値の例を示す図である。
【図５】 速度の値に割り当てた負荷角に対する公称値信号の値の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電動機
２ 永久磁石
３ 駆動部材
４ ３相コイル
６ インバータ
７ 電源端子
８ 平滑コンデンサ
９ 電流供給素子
10 制御回路
11 運動センサ
12 位置検出器
13 位置信号線
14 処理回路
15 位置信号出力
16 動き信号出力
17 整流段
18 制御線
19 制御器
20 波形発生器
21 公称値信号入力
22 公称値信号入力
23 相電圧測定段
24 動き信号
25 公称値信号出力
26 負荷角測定段
27 動き信号入力
28 公称値信号出力
29 減速作動段
30 入力
31、32 作動信号出力
33 切換信号出力
34、35 作動信号入力
36 公称値信号切換段
37、38 切換スイッチ
39、40、41、42 入力端子
43、44 出力端子
45 第１端子
46 第２端子
47 制動抵抗
48 電子制動スイッチ
49、50 比較入力
Ｋ 減速力
ｔ 時間
Ｕ 相電圧
ω 電気的角周波数
ωL 第１限界速度
ωo 第２限界速度
δ 負荷角
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動駆動部材と、直流電源から所定相電圧かつ所定負荷角で給電可能な少なくとも１個の相コイルとを有する、電子的に整流（転流）される電動機を制御する回路装置に関するものであり、この装置は前記可動駆動部材の位置及び／または運動速度を測定する装置（以下運動センサと称する）と、前記相コイルを前記直流電源に被制御的に接続するための電流供給素子と、前記電流供給素子を、所定相電圧及び所定負荷角が得られるように制御するための制御回路とを具えており、前記電流供給素子は前記制御回路によって、前記駆動部材が減速するように制御可能であり、前記駆動部材がその運動方向と逆向きの力を受けるように制御する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許明細書第US-PS 4,271,385号は、無整流子電動機用制御システムを記載しており、このシステムでは多相電機子巻線及び界磁巻線を有する同期電動機を周波数変換器によって駆動している。この目的のために、前記同期電動機の回転位置に関する位置信号を、位置制御信号によって進み側及び遅れ側に最大180°だけ位相シフトすべく適応させて、この位相シフトした位置信号とその反転信号とを組合せることによって、周波数変換器用の点弧パルスを発生させている。こうして、位相制御信号の振幅を変化させることによって、及びその極性を反転させることによって、動作モードを、駆動動作と回生動作との間で、及び正転動作と逆転動作との間で、安定した方法で切り換えることができる。
【０００３】
米国特許明細書第US-PS 5,220,257号は、トルク制御信号に従った駆動電流によって電動機を駆動して、電動機を停止させるための停止信号を受信すると、逆方向のトルクを発生することによって電動機の回転を停止する電動機制御回路を記載している。この電動機制御回路は更に、トルク制御発生回路と駆動回路との間に配置したレベル反転回路を具えて、前記トルク制御信号のレベルを所定の基準レベルに対して反転させる。停止信号を受信すると、レベル反転したトルク制御信号を駆動回路に供給する。前記電動機制御回路は更に、電動機の基準回転速度に対応する基準信号を発生し、また前記停止信号を受信すると、この基準回転速度より低い回転速度に対応するさらなる基準信号を発生する基準信号発生回路を具えている。
【０００４】
近年、電気的に動作する小型装置において様々に使用すべく、電子的に整流される電動機が採用されている。これらの使用の多く、特に家電分野、電動車、自動化（オートメーション）、機械工具等における電気装置については、その装置が動作しなくなった際には、これらの装置を可及的速やかに停止させることが重要であり、このことは、安全性、時間節約、あるいはこうした装置での作業の正確性の理由から、望ましく且つ要求される。
【０００５】
こうした非常に短期間内の停止（短い停止時間）のためには、単に装置内の機械的摩擦によって電動機の運動エネルギーを消費することは、電動機の運動エネルギーが往々にして高過ぎるので不適切である。例えば電磁的に動作する付加的な機械制動は、実質的に磨耗するので、非常に複雑であり、かつ修理が多くなる。制動期間中に電動機の機械的運動エネルギーを電気的エネルギーにして回生する回生制動は、回生した電気的エネルギーを電源にフィードバックさせるか、あるいは追加的な消費抵抗によって熱エネルギーに変換することを必要とする。しかし、電源へのフィードバックは多くの場合、不可能であるかあるいは認められず、そして消費抵抗は構成及び回路設計をさらに複雑にする。
【０００６】
他の制動方法は、電動機の相コイルを短絡することである。この際に相電流が励磁磁界と共に制動トルクを発生する。しかし、高速では、この相電流が限界値に接近しがちであり、これにより電流制限が自然に形成される。しかし、構造原理によって決まる電流と磁界との間の不都合な幾何学的関係の結果として、電動機の速度（回転数）の割に小さい制動トルクしか得られない。速度が減少するに連れてこの制動トルクが最大値に達し、そしてさらに速度が減少するとこのトルクが零になる。速度の関数としての制動トルクの大きさ及び変動は、電動機、及び例えばインバータのような電動機の電流供給素子の値設定によって決まり、そして永久励磁の場合には、限られた程度だけ影響され得るか、あるいは全く影響されない。こうして達成可能な電動機の停止時間は、多くの使用に対して不適切である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の米国特許明細書第US-PS 5,220,257号から、電動機の回転方向と逆方向にトルクを発生することによって、電動機の回転を制動することが知られている。この目的のために、制動の場合には、トルク制御信号を所定の基準レベルに対して反転させる。しかしこの方法も、達成すべき最適な停止時間を可能にしないことは明らかである。本発明の目的は、冒頭部分に規定した種類の回路装置を構成して、複雑でない構成で最小の停止時間の達成を可能にすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、前記駆動部材を減速させるために、相電圧及び／または負荷角を、
‐ 前記駆動部材の運動速度が、前記駆動部材に働く減速力が最大許容減速力に達する速度よりも高い高速の範囲内では、最大許容相電流に応じた、少なくともほとんど速度に依存しない電力が電動機内に発生し；
‐ 前記高速の範囲の低速端に隣接し、かつ相コイルの直接短絡によって発生可能な減速力がほぼ最大に達する運動速度まで及ぶ中速の範囲内では、最大許容減速力が電導機内に発生し；
‐ 静止状態と前記中速の範囲との間に広がる低速の範囲内では、減速力が静止状態に向かって、最大許容値から零まで減少するように制御可能であるか、
あるいは、前記高速及び中速の範囲内では、減速力を、上記の条件によって決まる値と零との間の範囲の値に設定して、前記低速の範囲内では、減速力を、最大許容減速力と零との間の値に設定することができる、ということによって達成される。
【０００９】
本発明は、既知の装置及び方法では、追加的な消費素子を省略した際には、達成可能な最大減速力または最大許容減速力はまだ発生しないが、比較的単純な物理的関係によって、これらの減速力が得られて利用可能である、という認識に立っている。電動機の駆動部材の速度を実質的に３つの範囲に分割することは、比較的高速では、駆動系の部分が相電流によって最大まで負荷をかけられるという認識に基づくものである。これらの電流は、電動機の減磁も電流供給素子の損傷も発生しないように制限しなければならない。これに従って、高速範囲内の最大許容相電流が決まる。
【００１０】
第２限界速度では、前記中速範囲が前記高速範囲の低速端に隣接し、中速範囲では、最大許容相電流による減速力が発生可能であり、この減速力が、電動機及び駆動系に機械的な損傷を生じさせ得る。さらに、このことは、制動させる装置の安定性に影響し得る。従って、前記中速の範囲内では、この最大許容減速力を制御する。
【００１１】
第１限界速度と静止状態との間の前記低速範囲が、前記中速範囲に隣接する。第１限界速度は、電動機内の相コイルを直接短絡させた場合に最大減速力が発生する速度に相当するように、有利に選択する。しかし、第１限界速度は異なる値にすることもできる。実現すべき駆動系の仕様に応じて前記第１限界速度を適切に選択することによって設定することができる低速範囲内では、静止状態に向かって減速力が零まで減少することが有利である。この結果、静止状態の直近でも、力を大きく変動させることなく、すなわち少なくともほとんどジャーク（加加速度）無しに、電動機が停止する。これに加えて、このことは減速モードにおける電動機の反転も防止する。
【００１２】
本発明は、追加的な高価な部品無しに最小停止時間が達成可能であるという利点を有する。素手に入手可能な素子のみを使用し、特に、追加的な電力用（電子）デバイスまたは消費素子を必要とせず、本発明は、いずれにしても存在する制御回路を利用して電流供給素子を制御する。そして本発明による減速モードでは、運動センサの制御下で電流供給素子を適切に駆動することによって、相電圧及び／または負荷角を調節する。
【００１３】
本発明は更に、必要ならば、減速力または相電流と速度との間の他の関数関係に従って、電動機を簡単に停止することを可能にする。結果的に本発明は、最小停止時間を達成する目的のみならず、より一般的な目的に用いることができ、すなわち本発明は、要求される最大許容停止時間を最小相電流、すなわち最小減速力で達成して、これにより、電動機の負荷、及び電動機の整流用の回路装置の最小化を可能にするために用いることができる。
【００１４】
本発明の好適例では、前記制御回路が、
‐ 前記相電圧の振幅について、及び前記負荷角並びに前記駆動部材の少なくとも瞬時位置を表現する位置信号についての、所定の公称値信号に従って前記電流供給素子を制御する整流段と、
‐ 前記位置信号、及び／またはこの位置信号に含まれていなければ前記駆動部材の運動速度を表現する動き信号を受信すべく構成され、かつ前記駆動部材を減速するための速度依存性の相電圧振幅の公称値信号を、前記動き信号から導出して供給すべく適応させた相電圧測定段と、
‐ 前記位置信号、及び／またはこの位置信号に含まれていなければ前記動き信号を受信すべく構成され、かつ前記駆動部材を減速させるための速度依存性の負荷角の公称値信号を、前記動き信号から導出して供給すべく適応させた負荷角測定段と、
‐ モード制御信号によって、駆動モードと減速モードとの間で切り換え可能であり、かつ減速を目的として、前記相電圧測定段及び前記負荷角測定段を作動させることが可能な減速作動段と、
‐ 前記減速作動段によって制御可能であり、かつ前記減速モードにおいて、あるいは所望すれば前記駆動モードにおいて、前記相電圧測定段及び前記負荷角測定段からの、それぞれ前記相電圧の振幅についての公称値信号及び前記負荷角についての公称値信号に相当する所定の公称値信号を、前記整流段に供給すべく適応させた公称値信号切換段と
を具えている。
【００１５】
この本発明の好適例は、電動機の整流が直接的に影響されないという利点を有している。その代わりに、所望の動作モードに応じて必要な公称値信号を、相電圧の振幅について、及び負荷角について、電動機の駆動部材の速度に応じて発生する。この速度は単に運動センサによって導出することができる。従って本発明によれば、単に、減速モード用の公称値信号を供給するための装置を、既に駆動動作用に設けた制御回路に追加することのみが必要である。従って前記制御回路は、選択した動作モードに応じて、駆動動作用の公称値信号または減速用の公称値信号を、整流用に利用することができる。本発明による制御回路に追加すべき段は、非常に簡単かつ小型化した方法で、この制御回路と組み合わせることができる。
【００１６】
本発明の有利な変形例は、前記相電圧測定段が、
前記高速の範囲については、次式の関係：
【数７】
【数８】
【数９】
ωは電動機の電気的角周波数、
Ｌは相コイルのインダクタンス、
Ｉmaxは最大許容相電流、
ψは電動機の相コイルと励磁磁界との間の磁束鎖交、
Ｒは相コイルのオーム抵抗、
ω0は前記中速の運動速度範囲と前記高速の運動速度範囲との境界における電動機の電気的角周波数ωである、
に従って、相電圧Ｕに対する公称値信号を決定する、ということによって得られる。
【００１７】
この際に最大許容相電流Ｉmaxは、前記電流供給素子を通る最大許容電流についての値か、あるいは電動機が減磁される寸前の最大許容相電流についての値かの、いずれか小さい方に依存する。できれば、電動機及び電流供給素子の適切な値設定によって、これらの値を対応させることができることが好ましい。
第２限界速度において、電気的角周波数ω0に達する。
【００１８】
相電圧Ｕについての上記の関係において、特別な場合に制御すべき電動機のパラメータが固定である場合には、電動機の速度に直接関係する電動機の電気的角周波数ωと、前記相電圧測定段において非常に簡単に変換可能な相電圧Ｕとの間には、非常に単純な関数関係が得られる。これにより、この相電圧測定段の非常に簡単な構造を得ることができる。
【００１９】
本発明の他の変形例では、前記相電圧測定段が、供給可能な前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値毎に、前記相電圧についての公称値信号の値を読み出し可能な第１記憶装置を具えている。この際に前記相電圧についての公称値信号の値は、上述した関係から好適に導出されて、前記第１記憶装置によって表として記憶される。これにより、簡単な回路装置によって非常に迅速に入手可能な公称値信号が得られる。
【００２０】
本発明の他の好適例では、前記第１記憶装置を具えた前記相電圧測定段を、前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値の全範囲を複数間隔に分割して、各間隔毎に、当該間隔のすべての速度値に共通した相電圧についての公称値信号の値を、前記第１記憶装置から読み出し可能なように構成することができ、そして前記相電圧測定段が更に、前記相電圧の振幅の公称値信号の補間値を発生する第１補間装置を具えている。この方策は、前記第１記憶装置の大きさを大幅に低減することを可能にする。この場合には前記相電圧についての公称値信号の単一の共通値を、当該間隔内のすべての速度値に割り当てる。同様に、公称値信号の１つの値を、他の各間隔のすべての速度値に割り当てる。所定の速度値に対する公称値信号を読み出すために、速度の実際値が、この速度に対応する間隔内にある位置に応じて、速度の実際値が存在する間隔についての公称値信号に関連する共通値と、隣接する間隔に対応する公称値信号の値との間の補間を実行する。公称値信号を測定するこの方法の変形例では、要求した関係に対応する公称値信号の値を、速度の所定値に割り当てることも可能である。電動機速度の実際値に対して、隣接する所定値に対する位置を特定して、速度の実際値の位置に従って、公称値信号に関連する値どうしの間の補間を実行する。
【００２１】
本発明の他の好適例は、前記負荷角測定段が、
高速の範囲については、次式の関係：
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【００２２】
こうして、負荷角δに対する公称値信号は、単に相電圧Ｕに対する公称値信号と同じパラメータ及び信号から決定することができる。結果的に、前記負荷角測定段の構成はちょうど、前記相電圧測定段の構成のような単純な構造にすることができる。
【００２３】
位置信号及び／または動き信号についての所定の限界値に基づいて、前記相電圧測定段及び／または前記負荷角測定段が、これらの信号から、速度の実際値が前記いずれの範囲内に存在するかを特定すれば有利である。この場合には、低速範囲と中速範囲との間の移行点における前記第１限界速度、及び中速範囲と高速範囲との間の移行点における前記第２限界速度を、前記限界値として用いる。速度の実際値を、これらの範囲のいずれに割り当てるかに依存して、前記相電圧測定段及び／または前記負荷角測定段用の制御パラメータが利用可能であり、これらの制御パラメータが、あり得る関係のいずれに従って、速度から前記公称値信号を導出すべきかを指示する。このことの結果として、前記相電圧測定段が前記第１記憶装置を具えている場合には、前記範囲を特定する必要が無い。
【００２４】
本発明の変形例では、前記負荷角測定段が第２記憶装置を具えて、供給可能な前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値毎に、この第２記憶装置から、負荷角に対する公称値信号の値を読み出すことができる。このことは、位置信号及び／または動き信号の値から導出可能な速度値の全範囲を複数間隔に分割して、ある間隔の全速度値に共通な、負荷角に対する公称値信号の値を、間隔毎に前記第１記憶装置から読み出して、前記負荷角測定段が更に、負荷角に対する公称値信号の補間値を発生する第２補間装置を具えている、ということによって達成することが好ましい。
【００２５】
前記相電圧測定段に対応する変形例に対して記述したことは、前記負荷角測定段に対応する変形例にも同様に当てはまる。従って特に、速度の実際値が存在する範囲を、前記負荷角測定段によって特定することはもはや必要無い。
【００２６】
本発明のさらなる好適例では、減速モードの開始中にも、許容できないほど大きな相電流及び／または減速力を回避して、こうした大きな相電流または減速力は、電動機に対する損傷、あるいは電動機の整流を行う回路装置に対する損傷を生じ得る過渡効果であり、駆動部材の減速モードへの移行中に、前記相電圧の振幅及び／または前記負荷角に対する公称値信号の値が、この移行前のモードにおける実際値から出発して、変化の最大許容速度よりも高くない速度である減速モード用の所定値まで変化することを保証するために、この変化の最大許容速度を、前記公称値信号の値の変化によって生じる過渡相電流が前記最大許容相電流に制限されるような値にする。
【００２７】
こうして、減速モードを開始する際にも、特にこの減速モードを高駆動力での駆動モードにおいて開始する際にも、静止状態に達する際と同様に、危険なジョルト（がたつき）運動あるいは過渡電流無しに、減速モードへの移行を行うことが保証される。この方法では、機械部品及び電気部品を損傷から保護することができる。
【００２８】
好適例では、所定の最大値を越えるべきでない公称値信号の値を、所定の時間ステップで変化させることができる。こうするために、前記公称値を所定のリズムで、最大許容値を越えない固定または可変の差分だけ変化させることができ、あるいは、前記公称値信号を連続的に変化させて、この変化の時間的導関数が所定値を越えないようにすることができる。
【００２９】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の好適な実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１において、参照符号１は電動機を示し、この電動機は、回転子が磁界発生用の永久磁石２及び駆動部材３を具えて、固定子が、インバータ６から電力を供給される３相コイル４を有し、この電力は、直流電圧源（図示せず）から電源端子７経由でインバータ６に供給される。インバータ６は、平滑コンデンサ８、及び相コイル４毎に２個の電流供給素子９の直列配置を具えている。前記平滑コンデンサ８及びすべての電流供給素子の直列配置を、互いに並列にして電源端子７に接続して、これは、相コイル４を電源端子７に選択的に接続するという、それ自体は既知の作用をして、これにより電動機１にエネルギーを供給する。電動機１及びインバータ６は非常に図式的に示してあり、これらは多くの方法で実現することができる。例えば、相数を変化させることができ、磁界発生を、永久磁石２の代わりに界磁巻線によって行うことができ、さらに、回転駆動部材３の代わりに線形（リニア）移動の駆動部材を使用することができる。これに加えて、インバータ６は、種々の方法で実現及び変更することができ、これらの方法自体は既知であり、ここでは詳細に説明しない。
【００３１】
図１に示した装置は更に、電流供給素子９を制御する制御回路10と、今後運動センサ11と称する、駆動部材３の位置及び運動速度を測定する装置とを具えている。運動センサ11は位置検出器12を含み、位置検出器12は、電動機１の駆動部材３の瞬時位置を検出するために、複数の部品を具えることができる。位置検出器12は位置信号を、位置信号線13を経由で処理回路14に供給して、処理回路14は運動センサ11の一部を形成する。処理回路14では、位置信号線13経由で供給された位置信号を、制御回路10内でのさらなる処理用に処理する。この処理は、電動機１の整流に適した位置信号を発生すべく作用し、そして位置検出器12が位置信号線13経由で供給した位置信号から、可動駆動部材３の速度を表現する動き信号を導出すべく作用する。
【００３２】
本実施例では、処理した位置信号を位置信号出力端子15に供給して、動き信号を、処理回路14の動き信号出力端子16に供給する。この位置信号と動き信号とを分離することは、これらの信号のさらなる処理及び分析を簡単化する。あるいはまた、位置信号が、駆動部材３の位置並びに運動速度位置についての情報を提供することができる。こうした位置信号を処理すべき際には、一般に位置情報を速度情報から分離すべきである。
【００３３】
制御回路10は、インバータ６内の電流供給素子９を制御線18経由で制御する整流段17を具えている。こうするために、整流段17は、例えば図１に非常に図式的に示すように、制御器19、及びこの制御器19によって制御される波形発生器20を具えている。整流段17は、相電圧の振幅に対する公称値信号用の公称値信号入力21、及び負荷角に対する公称値信号用の公称値信号入力22とを有する。これらの公称値信号入力21、22経由で供給される、以下に説明する公称値信号に応じて、そして処理回路14の位置信号出力15からの位置信号に応じて、制御器19は、電流供給素子９をターンオン（オン状態に切り換え）又はターンオフ（オフ状態に切り換え）する電圧波形発生器20を、制御線18経由で制御する。概して、整流段17は、電動機１を、所定振幅の相電圧（電動機１が対称な構成である場合には、これらの振幅はすべての相コイル４について同一であることが好ましく、従って、単数で相電圧振幅と称することもできる）及び所定負荷角で動作させることを可能する。しかし、整流段17の構成は本発明の範囲外であり、従って更に詳細には説明しない。
【００３４】
制御回路10は更に、動き信号24を有する相電圧測定段23を具えて、相電圧測定段23は、制御回路14の動き信号出力16から動き信号24を受信すべく構成してある。駆動部材３の減速モード用の相電圧の振幅に対する速度依存性の公称値信号は、相電圧測定段23によって公称値信号出力25に生成されて、整流段17の第１公称値信号入力21に供給することができる。
【００３５】
制御回路10は更に、処理回路14の動き信号出力16からの動き信号を供給することができる動き信号入力27、及び負荷角に対する公称値信号用の公称値出力28を有する負荷角測定段26を具えて、この公称値信号は、前記駆動部材の速度に応じたものであり、負荷角測定段26が供給すべきものである。この公称値信号は、公称値信号出力28から、整流段17の第２公称値信号入力22に供給することができる。
【００３６】
制御回路10は、モード制御信号を受信すべく構成した入力30を有する減速作動段29をも具えて、このモード制御信号によって、この段を駆動モードと減速モードとの間で切り換えることができる。減速作動段29は、２個の作動信号出力31、32、及び切換信号出力33を有する。減速作動段29が減速モードに移行する際に、作動信号を作動信号出力端子31、32経由で、それぞれ相電圧測定段23又は負荷角測定段26の、それぞれの作動信号入力34又は35に供給する。これらの作動信号が、相電圧測定段23及び負荷角測定段26を、減速モード用の動作状態にし、すなわちこれらの作動信号がこれらの段を作動させる。切換信号出力33が公称値信号切換段36に切換信号を供給して、公称値信号切換段36は制御回路10の一部も形成する。公称値信号切換段36は２個の切換スイッチ37及び38を具えて、各切換スイッチ37及び38が、それぞれ２個の入力端子39、40及び41、42と、それぞれ１個の出力端子43及び44とを有する。第１スイッチ37の第２入力端子40を相電圧測定段23の公称値信号出力端子25に接続して、第１スイッチ37の出力端子43を整流段17の第１公称値信号入力端子21に接続する。同様に、負荷角測定段26の公称値信号出力端子28を第２スイッチ38の第２入力端子42に接続して、第２スイッチ38の出力端子44を整流段17の第２公称値信号入力端子22に接続する。従ってスイッチ37、38の図１に示す位置では、公称値信号が、相電圧測定段23及び負荷角測定段26から整流段17に供給され、すなわちスイッチ37、38が減速モード用の位置にある。
【００３７】
第１スイッチ37の第１入力端子39を第１端子45に接続して、第２スイッチ38の第１入力端子41を第２端子46に接続する。端子45、46によって、それぞれ相電圧及び負荷角に対する外部公称値信号を、駆動モードにある回路装置に供給することができ、これにより駆動モードにおける電動機１の外部制御が可能になる。電動機駆動のために必要であれば、一定値を有する公称値信号を端子45、46経由で供給することも可能なことは明らかである。
【００３８】
図２に、減速力Ｋを電動機１の電気的角周波数ωに対してプロットした図を示す。この図において、符号ａは、本発明による減速過程のための減速力Ｋを電気的角周波数ωの関数として表わしたものである。なお、電気的角周波数ωは運動速度に比例し、すなわち本例では駆動部材３の速度に比例する。高速範囲では、第２限界速度ω0以上の電気的角周波数ωの値については、曲線ａは少なくともほとんど、電動機１における最大許容電力によって決まる双曲線である。（電気的角周波数の関連値ω1に相当する）第１制限速度と（ωoに相当する）第２制限速度との間の中速範囲では、減速力Ｋが一定であり、これらの範囲における減速力の最大許容値に相当する。第１制限速度以下、すなわち静止状態と値ω1との間では、減速力はその最大許容値から零まで、静止状態に向かって減少する。
【００３９】
図１と対比して、図２における曲線ｂは、電動機１の相コイル４が減速目的で単に永久短絡した場合の、減速力Ｋを角周波数ωの関数として表したものである。この結果として、実質的に小さい減速力Ｋしか得られず、この減速力は、電動機１を比較的ゆっくりと停止させることしかできない、ということがわかる。
【００４０】
電動機１を停止させるために必要な時間を図示するために、図３に、本発明による減速過程についての、時間対角周波数の線図ａを示し、曲線ｂは、電動機１の相コイル４を永久短絡して得られる減速過程を表わす。文字ｔは時間を表わす。本発明の場合には、電気的角周波数ω、及び結果的に電動機１の駆動部材３の回転数が、減速モードを開始した瞬時から零まで、比較のために示した、相コイル４を短絡した場合ｂよりも、実質的により急速に減少していることがわかる。静止状態に達する直前に減速力Ｋが減少することが、駆動部材３が運動状態から静止状態に比較的ゆるやかに移行すること、すなわち安定した停止を保証する。
【００４１】
図２及び３の曲線ｂによって表わすように、電動機１の相コイル４を短絡するために、図１に示す装置は、電子制動スイッチ48付きの制動抵抗47を具えており、これはインバータ６において、減速中に駆動部材３の運動エネルギーを回生または消費するために用いることができる。こうした制動抵抗47並びに制動スイッチ48によって取り扱うべき電気エネルギー及び熱エネルギーのために、これらの部品が実質的に大きな出費を必要とすることは別として、角周波数ωの関数として得られる減速力Ｋは、最も好適な場合には図２の曲線ｂに従う。しかし、このことの結果として、減速は図３の曲線ｂに従って進むことになり、すなわち一般に、より長い時間を必要とする。
【００４２】
従って本発明によれば、実質的により高い減速力が得られ、従って、実質的により短い停止時間が得られる。更に本発明は、駆動仕様に適合すれば、減速力Ｋを、図２の曲線ａより下の範囲内で選択することも可能にする。従って減速過程は、磨耗を最小にすべく構成することができる。
【００４３】
逆に本発明によれば、静止状態に向かう低速範囲において、減速力を最大値に保つこともできる。従ってジョルトを最小にするように停止を構成していない場合には、短い停止時間を目指すことができる。角周波数ωの関数としての減速力Ｋの、図２の曲線ａに従う変化は、低速、中速、及び高速の３つの異なる運動速度範囲についての、相電圧Ｕ及び負荷角δの公称値信号についての上述した関係に基づくものである。
【００４４】
最小のジョルトでの、駆動モードと減速モードの間の移行を保証するために、静止状態への移行についてすでに説明したように、入力30におけるモード制御信号が制御する減速作動段29によって減速モードを開始する際に、端子45、46における相電圧及び負荷角に対する公称値信号から、減速モードにおける運動速度の実際値を制御することを意図した、（相電圧測定段23及び負荷角測定段26が供給する）公称値信号に突然切り換わることが無いように、回路装置10を構成する。実際には、減速モードを開始した瞬間から、その後のすべての公称値信号を、相電圧測定段23及び負荷角測定段26からそれぞれ公称値信号入力21及び22に供給するように、公称値信号切換段36を切換信号出力33経由で作動させる。相電圧Ｕの振幅及び負荷角に対する公称値信号が、それぞれ第１端子45及び第２端子46からそれぞれ相電圧測定段23及び負荷角測定段26に、これらの段の各比較入力端子49と50とを介して与えられる。減速モードを開始する際には、相電圧測定段23及び負荷角測定段26が、減速モード用の公称値信号に対して決まる第１の速度依存性の値を、その時点まで有効であった駆動モード用の対応する公称値信号の最終的な実際値と比較する。ここでは、公称値信号出力25又は28に供給すべき公称値信号の値を駆動モードから減速モードに、１つ以上の時間間隔を以って徐々に移行するか、あるいは連続的に移行することができる。この連続的あるいは段階的な移行は、相電圧測定段23及び負荷角測定段26をアナログ回路として構成したかあるいはディジタル回路として構成したかに応じて行う。
【００４５】
本発明の簡略化した実施例では、駆動モードから減速モードへの移行、及びこの減速モードから静止状態への滑らかな移行は重要ではなく、相電圧測定段23及び負荷角測定段26のそれぞれの作動信号入力34、35、及び比較入力49、50を省略することができ、結果として、減速作動段29を大幅に簡略化するか、あるいは省略することができる。従ってモード制御信号は、入力端子30から公称値信号切換段36に直接供給することができる。
【００４６】
相電圧測定段23及び負荷角測定段26がそれぞれ第１記憶装置及び第２記憶装置を具えて、これらの記憶装置から、動き信号の受信値から導出した速度値毎に、相電圧Ｕ及び負荷角δに対する公称値信号の値を読み出し可能である場合において、これらの記憶装置に記憶する、電動機１の角周波数ωに応じた値の例を、公称値信号Ｕ及びδのそれぞれについて図４及び図５に図式的に示す。公称値信号Ｕ又はδのそれぞれの所定値が、運動速度値の各間隔に割り当てられているか、あるいは角周波数ωに対応していることがわかる。実現すべき駆動システムの仕様に応じて、図４及び図５の曲線中の段階、すなわち運動速度値あるいは角周波数ωの間隔を、より大きく、あるいはより小さくすることができる。特に速度間隔がより大きい場合には、相電圧測定段23内及び負荷角測定段26内に補間装置を設けることができ、この装置は、図４及び図５に示す間隔のうちの１つの中にある運動速度の実際値の、この間隔内の位置にもとづいて、この関連する間隔及びこれに隣接する間隔、あるいは補間による間隔の公称値信号の記憶値から、公称値信号出力25又は28に供給するべき公称値信号の値を決定する。
【００４７】
駆動モードから減速モードへの滑らかな移行を達成するために、所定の時間間隔内にある公称値信号の値を、所定最大数に限った公称値信号の記憶値の段階にわたって切り換えるべきである。このことが、本発明により大きな減速力を達成することの妨げにならないように、これらの段階及び時間間隔を選択すべきことは明らかである。
【００４８】
本発明による回路装置の特に廉価且つコンパクトな構成は、相電圧測定段23、負荷角測定段26、減速作動段29、公称値信号切換段36を、そして好適には処理回路14並びに整流段17も、マイクロプロセッサ制御回路装置内に組み込むことによって達成することができる。これにより、本発明による制御回路10用の追加部品数が特に少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による回路装置を図式的に示す図である。
【図２】 図１に示した実施例について、減速力を運動速度に対してプロットした図である。
【図３】 減速過程の一例について、速度を時間の関数として示す図である。
【図４】 速度の値に割り当てた相電圧に対する公称値信号の値の例を示す図である。
【図５】 速度の値に割り当てた負荷角に対する公称値信号の値の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電動機
２ 永久磁石
３ 駆動部材
４ ３相コイル
６ インバータ
７ 電源端子
８ 平滑コンデンサ
９ 電流供給素子
10 制御回路
11 運動センサ
12 位置検出器
13 位置信号線
14 処理回路
15 位置信号出力
16 動き信号出力
17 整流段
18 制御線
19 制御器
20 波形発生器
21 公称値信号入力
22 公称値信号入力
23 相電圧測定段
24 動き信号
25 公称値信号出力
26 負荷角測定段
27 動き信号入力
28 公称値信号出力
29 減速作動段
30 入力
31、32 作動信号出力
33 切換信号出力
34、35 作動信号入力
36 公称値信号切換段
37、38 切換スイッチ
39、40、41、42 入力端子
43、44 出力端子
45 第１端子
46 第２端子
47 制動抵抗
48 電子制動スイッチ
49、50 比較入力
Ｋ 減速力
ｔ 時間
Ｕ 相電圧
ω 電気的角周波数
ωL 第１限界速度
ωo 第２限界速度
δ 負荷角
Claims (10)
- 可動駆動部材と、直流電圧源から所定の相電圧及び負荷角で給電可能な少なくとも１個の相コイルとを有する電子的に整流される電動機を制御する回路装置であって、該装置が、前記可動駆動部材の位置及び／または運動速度を測定する装置（以下運動センサと称する）と、前記相コイルを前記直流電圧源に可制御的に接続するための電流供給素子と、所定の相電圧及び負荷角が得られるように前記電流供給素子を制御する制御回路とを具えて、前記駆動部材が、その運動方向と逆向きの力を受けて減速するように、前記電流供給素子が前記制御回路によって制御可能である回路装置において、
前記駆動部材を減速するために、前記相電圧及び／または前記負荷角を、
‐ 前記駆動部材の運動速度が、前記駆動部材に働く減速力が最大減速力に達する速度よりも高い高速の範囲内では、最大許容相電流に応じた、少なくともほとんど速度に依存しない電力が電動機内に発生し；
‐ 前記高速の範囲の低速端に隣接し、かつ相コイルの直接短絡によって発生可能な減速力がほぼ最大に達する運動速度まで及ぶ中速の範囲内では、最大許容減速力が電導機内に発生し；
‐ 静止状態と前記中速の範囲との間に広がる低速の範囲内では、減速力が静止状態に向かって、最大許容値から零まで減少する
ように制御可能であるか、
あるいは、前記高速及び中速の範囲内では、減速力を、前記条件によって決まる値と零との間の範囲の値に設定して、前記低速の範囲内では、減速力を、最大許容減速力と零との間の値に設定することができることを特徴とする電動機の制御回路装置。 - 前記制御回路が、
‐ 前記相電圧の振幅について、及び前記負荷角並びに前記駆動部材の少なくとも瞬時位置を表現する位置信号についての、所定の公称値信号に従って前記電流供給素子を制御する整流段と、
‐ 前記位置信号、及び／または該位置信号に含まれていなければ前記駆動部材の運動速度を表現する動き信号を受信すべく構成され、かつ前記駆動部材を減速するための速度依存性の相電圧振幅の公称値信号を、前記動き信号から導出して供給すべく適応させた相電圧測定段と、
‐ 前記位置信号、及び／または前記位置信号に含まれていなければ前記動き信号を受信すべく構成され、かつ前記駆動部材を減速させるための速度依存性の負荷角の公称値信号を、前記動き信号から導出して供給すべく適応させた負荷角測定段と、
‐ モード制御信号によって、駆動モードと減速モードとの間で切り換え可能であり、かつ減速を目的として、前記相電圧測定段及び前記負荷角測定段を作動させることが可能な減速作動段と、
‐ 前記減速作動段によって制御可能であり、かつ前記減速モードにおいて、あるいは所望すれば前記駆動モードにおいて、前記相電圧測定段及び前記負荷角測定段からの、それぞれ前記相電圧の振幅についての公称値信号及び前記負荷角についての公称値信号に相当する所定の公称値信号を、前記整流段に供給すべく適応させた公称値信号切換段と
を具えていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。 - 前記相電圧測定段が、
前記高速の範囲については、次式の関係：
ωは電動機の電気的角周波数、
Ｌは相コイルのインダクタンス、
Ｉmaxは最大許容相電流、
ψは電動機の相コイルと励磁磁界との間の磁束鎖交、
Ｒは相コイルのオーム抵抗、
ω0は前記中速の運動速度範囲と前記高速の運動速度範囲との境界における電動機の電気的角周波数ωである、
に従って、前記相電圧Ｕに対する公称値信号を決定することを特徴とする請求項２に記載の回路装置。 - 前記相電圧測定段が、供給可能な前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値毎に、前記相電圧についての公称値信号の値を読み出し可能な第１記憶装置を具えていることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
- 前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値の全範囲を複数間隔に分割して、これらの間隔毎に、当該間隔のすべての速度値に共通した相電圧についての公称値信号の値を、前記第１記憶装置から読み出し可能であり、そして前記相電圧測定段が更に、前記相電圧の振幅の公称値信号の補間値を発生する第１補間装置を具えていることを特徴とする請求項４に記載の回路装置。
- 前記負荷角測定段が、
前記高速の範囲については、次式の関係：
- 前記相電圧測定段及び／または前記負荷角測定段が、前記位置信号及び／または前記動き信号についての所定の制限値に基づいて、これらの信号から、前記速度の実際値が前記いずれの範囲内に存在するかを特定することを特徴とする請求項２、３又は６に記載の回路装置。
- 前記負荷角測定段が第２記憶装置を具えて、供給可能な前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値毎に、前記第２記憶装置から、負荷角に対する公称値信号の値を読み出し可能であることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
- 前記位置信号及び／または前記動き信号の値から導出可能な速度値の全範囲を複数間隔に分割して、これらの間隔毎に、当該間隔のすべての速度値に共通した負荷角についての公称値信号の値を、前記第１記憶装置から読み出し可能であり、そして前記負荷角測定段が更に、前記負荷角の公称値信号の補間値を発生する第２補間装置を具えていることを特徴とする請求項８に記載の回路装置。
- 前記駆動部材の減速モードへの移行中に、前記相電圧の振幅及び／または前記負荷角に対する公称値信号の値を、前記移行前のモードにおける実際値から出発して、変化の最大許容速度よりも高くない速度である減速モード用の所定値まで変化させて、この変化の最大許容速度を、前記公称値信号の値の変化によって生じる過渡相電流が前記最大許容相電流に制限されるような値にすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の回路装置。
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