JP6984307B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明はモータ駆動装置に関する。
工作機械、産業機械、または産業用ロボット等に用いられる同期式モータは、モータ巻線間を短絡させることでダイナミックブレーキ(発電ブレーキ)を掛けることができる。
特許文献1には、モータを駆動するインバータと、モータの巻線間を短絡する切替スイッチとを備えるモータ駆動装置が開示されている。上記モータ駆動装置は、ダイナミックブレーキの動作時に、まずインバータの中の一方のアームの全ての半導体スイッチをオフにし、他方のアームの全ての半導体スイッチをオンにする。その後、上記モータ駆動装置は、切替スイッチをオンにすることでダイナミックブレーキを動作させる。
特開2013-179741号公報
しかしながら、特許文献1のモータ駆動装置では、半導体スイッチは、交流電流を生成するためにインバータの中に設けられているものである。そのため、インバータ自身が故障したとき、ダイナミックブレーキを動作させることができないという問題がある。また、該半導体スイッチを通る経路には、該経路の抵抗をできるだけ小さくするために、抵抗器等は設けられない。それゆえ、ダイナミックブレーキの動作時に他方のアームの全ての半導体スイッチをオンすると、大電流が半導体スイッチおよびモータに流れる。それゆえ、半導体スイッチまたはモータが発熱し、これが故障の原因となり得る。また半導体スイッチの故障を避けるために、大容量の半導体スイッチを用いると製造コストおよびモータ駆動装置のサイズが増大する。
一方、ダイナミックブレーキの動作時にインバータの中の半導体スイッチをオンにしない場合、ダイナミックブレーキ回路の機械式スイッチをオンに切り替えるときに、アーク放電が生じ得る。これにより、機械式スイッチの接点が消耗するという問題が生じる。
本開示の一態様は、長寿命のモータ駆動装置を実現することを目的とする。
本開示の一態様に係るモータ駆動装置は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、前記モータを駆動するために、前記モータに交流電流を供給するモータ駆動回路と、前記モータの2相間に設けられたダイナミックブレーキ回路とを備え、前記ダイナミックブレーキ回路は、前記2相間を短絡する機械式スイッチと、前記2相間を短絡し、かつ前記機械式スイッチと並列に接続された半導体スイッチと、前記半導体スイッチと直列に接続された第1インピーダンス回路とを備える構成である。
上記の構成によれば、半導体スイッチおよび第1インピーダンス回路でモータの2相間を短絡することで、ダイナミックブレーキを動作させることができる。半導体スイッチに直列な第1インピーダンス回路を設けることで、半導体スイッチにおける発熱を抑制することができる。また、機械式スイッチで2相間を短絡することで、半導体スイッチにおける発熱を抑制することができる。それゆえ、モータ駆動装置の寿命を長くすることができる。
前記第1インピーダンス回路は、前記半導体スイッチと直列に接続された抵抗器を含んでいてもよい。
前記第1インピーダンス回路は、前記抵抗器と並列に接続された容量素子を含んでいてもよい。
上記の構成によれば、モータのコイル要素を考慮して、モータおよびダイナミックブレーキ回路を含む経路のインピーダンスを適切に設定することができる。
前記モータ駆動装置は、前記半導体スイッチおよび前記機械式スイッチのオン/オフを制御する制御回路を備え、ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにした後、前記機械式スイッチをオンにする構成であってもよい。
上記の構成によれば、機械式スイッチをオンにするときのアーク放電の発生を抑制し、機械式スイッチの寿命を長くすることができる。
ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにした後、一定期間後に前記機械式スイッチをオンにする構成であってもよい。
前記モータ駆動装置は、前記モータの回転速度を測定する速度測定回路を備え、ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにした後、測定された前記回転速度が所定値以下になると、前記機械式スイッチをオンにする構成であってもよい。
上記の構成によれば、モータの回転速度に応じたタイミングで、すなわちモータ電流の周波数に応じたタイミングで、機械式スイッチをオンにすることができる。それゆえ、機械式スイッチに流れる電流の最大値を最適に制御することができる。そのため、機械式スイッチの寿命を長くすることができる。
前記速度測定回路は、前記モータに流れるモータ電流を測定するものであり、ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにしてから前記機械式スイッチをオンにするまでにおける前記モータ電流の最大値よりも、前記機械式スイッチをオンにした後における前記モータ電流の最大値が小さくなるようなタイミングで、前記機械式スイッチをオンにする構成であってもよい。
上記の構成によれば、機械式スイッチに流れる電流の最大値を最適に制御することができる。
ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記機械式スイッチをオンにした後、早くとも、前記モータに流れるモータ電流が、前記機械式スイッチをオンにした後に前記機械式スイッチを流れる電流の最大値以下になるまで、前記半導体スイッチをオンのままにし続ける構成であってもよい。
上記の構成によれば、機械式スイッチに流れる電流の最大値を小さくすることができる。
ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記機械式スイッチをオンにした後、前記モータが停止するまで、前記半導体スイッチをオンのままにし続ける構成であってもよい。
上記の構成によれば、機械式スイッチに流れる電流の最大値を小さくすることができる。
ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記機械式スイッチをオンにする直前の力率より、前記機械式スイッチをオンにした直後の力率が大きくなるようなタイミングで、前記機械式スイッチをオンにする構成であってもよい。
上記の構成によれば、モータの回転速度が低下しても、機械式スイッチをオンにすることにより、適切な制動力をモータに掛けることができる。
前記ダイナミックブレーキ回路は、前記機械式スイッチと直列に接続されている第2インピーダンス回路を備え、前記半導体スイッチおよび前記第1インピーダンス回路と、前記機械式スイッチおよび前記第2インピーダンス回路とは、互いに並列に接続されている構成であってもよい。
前記第1インピーダンス回路のインピーダンスと、前記第2インピーダンス回路のインピーダンスとは、互いに異なる構成であってもよい。
上記の構成によれば、半導体スイッチをオンにしたときのモータを含む経路のインピーダンスと、機械式スイッチをオンにしたときのモータを含む経路のインピーダンスとを互いに異ならせることができる。そのため、モータの回転速度に合わせて適切な制動力をモータに掛けることができる。
前記機械式スイッチは、前記第1インピーダンス回路と直列に接続されている構成であってもよい。
上記の構成によれば、モータ電流が流れる経路のインピーダンスは、半導体スイッチおよび機械式スイッチのオン/オフに依存しない。それゆえ、制動力の制御が容易になり、制御回路の設定が容易になる。
本開示の一態様によれば、モータ駆動装置の寿命を長くすることができる。
本開示の一態様のモータ駆動装置の構成を例示する単相回路構成図である。 本開示の一態様のモータ駆動装置の構成を例示する単相回路構成図である。 ダイナミックブレーキ動作中におけるモータおよびダイナミックブレーキ回路を含む回路の、単相の等価回路を例示する回路図である。 本開示の一態様のモータおよびモータ駆動装置における力率およびモータ電流の変化を例示するグラフである。 本開示の一態様のモータおよびモータ駆動装置における力率およびモータ電流の変化を例示するグラフである。 本開示の一態様のモータ駆動装置の構成を例示する単相回路構成図である。 本開示の一態様のモータおよびモータ駆動装置における力率およびモータ電流の変化を例示するグラフである。 本開示の一態様のモータ駆動装置の一構成を例示する三相の回路構成図である。 本開示の一態様のモータ駆動装置の一構成を例示する三相の回路構成図である。 本開示の一態様のモータ駆動装置の一構成を例示する三相の回路構成図である。 本開示の一態様のモータ駆動装置の一構成を例示する三相の回路構成図である。 本開示の一態様のモータ駆動装置の一構成を例示する三相の回路構成図である。 本開示の一態様のモータ駆動装置の一構成を例示する三相の回路構成図である。
〔実施形態1〕
(モータ駆動装置11の構成)
図1は、本実施形態のモータ駆動装置11の構成を例示する単相回路構成図である。モータ2は、例えば3相を有する同期式のモータである。図1では、簡単のために、3相(U相、V相、W相)のうちの2相間(U−V)についての回路を例示している。モータ駆動装置11は、モータ2を駆動する。モータ駆動装置11は、モータ駆動回路3と、ダイナミックブレーキ回路4と、ブレーキ制御回路5(制御回路)とを備える。
モータ駆動回路3は、例えば、交流電流を生成するインバータ回路を有する。モータ駆動回路3は、モータ2を駆動するために、交流電流をモータ2に供給する。モータ駆動回路3は、モータ2の回転を制御する制御装置として、かつ、モータ2の交流電源として機能する。モータ駆動回路3は、モータ2の各相に接続されている。
ダイナミックブレーキ回路4は、例えば非常時等に2相間(U−V)を短絡し、モータ2にダイナミックブレーキを掛ける回路である。ダイナミックブレーキ回路4は、リレー6と、第1インピーダンス回路Z1とを備える。リレー6は、半導体スイッチSW1と、機械式スイッチSW2と、第1制御回路6aと、第2制御回路6bとを備える。第1制御回路6aは、半導体スイッチSW1のオン/オフ(導通/非導通)を制御する。第2制御回路6bは、機械式スイッチSW2のオン/オフ(導通/非導通)を制御する。第1制御回路6aおよび半導体スイッチSW1は、ソリッドステートリレーを構成している。第2制御回路6bおよび機械式スイッチSW2は、機械式リレーを構成している。第1制御回路6a、および第2制御回路6bは、それぞれ、例えばタイマー回路を含み得る。半導体スイッチSW1は、例えばトランジスタ等のスイッチング素子である。機械式スイッチSW2は、有接点のスイッチである。
半導体スイッチSW1の一端はU相に接続され、半導体スイッチSW1の他端は第1インピーダンス回路Z1の一端に接続されている。機械式スイッチSW2の一端はU相に接続され、機械式スイッチSW2の他端は第1インピーダンス回路Z1の一端に接続されている。半導体スイッチSW1と、機械式スイッチSW2とは、互いに並列に接続されている。第1インピーダンス回路Z1の他端は、V相に接続されている。半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2は、オン状態において、2相間(U−V)を短絡する。
なお、V−W相間の間に、ダイナミックブレーキ回路4と同様の回路を設けてもよい。
ブレーキ制御回路5は、例えば1系統の信号線を介して、リレー6の制御端子に接続されている。ブレーキ制御回路5は、モータ駆動回路3から受信するブレーキ信号に基づいて、リレー6に制御信号を出力する。
第1インピーダンス回路Z1は、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2と直列に接続された、抵抗器および/または容量素子を含んでいてもよい。例えば、抵抗器および容量素子は、互いに並列に接続されていてもよい。
(モータ駆動装置11の動作)
モータ駆動回路3がモータ2を駆動しているとき、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2はオフ状態にあり、かつ、モータ駆動回路3からモータ2に駆動のための交流電流が供給される。
例えば非常停止ボタンがユーザに操作されたとき、または、モータ駆動回路3の一部の回路に異常が生じたとき、モータ駆動回路3はモータ2の非常停止を開始する。モータ駆動回路3は、モータ2への交流電流の供給を停止し、かつ、ブレーキ制御回路5にブレーキ信号を出力する。ブレーキ信号を受信したブレーキ制御回路5は、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2の両方をオンにする制御信号を、リレー6に出力する。
リレー6が受信した制御信号は、第1制御回路6aおよび第2制御回路6bの両方に入力される。ここでは、先に第1制御回路6aが半導体スイッチSW1をオンにしてから、所定期間後に第2制御回路6bが機械式スイッチSW2をオンにするよう、第1制御回路6aおよび第2制御回路6bのそれぞれのタイマー回路(遅延回路)が設定されている。第1制御回路6aは迅速に動作するためにタイマー回路を有しなくてもよい。このように、第1制御回路6aは、制御信号に応じて、半導体スイッチSW1をオンにする。その後、第2制御回路6bは、制御信号に応じて、機械式スイッチSW2をオンにする。
モータ駆動回路3からのモータ2への交流電流の供給が停止されても、モータ2は、ロード(負荷)の慣性によって回転し続ける。そのため、モータ2は、発電機として働き、ダイナミックブレーキ回路4を通してモータ2を流れる交流電流を発生させる。
半導体スイッチSW1がオン、かつ機械式スイッチSW2がオフの状態を考える。モータ2において発生したモータ電流Idb(交流電流)は、ダイナミックブレーキ回路4の半導体スイッチSW1および第1インピーダンス回路Z1を通り、U相からV相へ(またはその逆に)流れる。モータ電流Idbがモータ2を流れることにより、モータ2に制動力が働く。また、モータ2の回転エネルギーは、モータ電流Idbが第1インピーダンス回路Z1を流れることによりジュール熱に変換される。なお、モータ2においても、モータ2の内部インピーダンスに応じたジュール熱が発生する。ただし、第1インピーダンス回路Z1のインピーダンスは、モータ2の内部インピーダンスより大きく、回転エネルギーは主に第1インピーダンス回路Z1でジュール熱に変換される。それゆえ、モータ2が発熱することを防ぎ、かつモータ2の故障を防止することができる。
その後、半導体スイッチSW1に加えて、機械式スイッチSW2もオンになる。機械式スイッチSW2がオンになった直後、機械式スイッチSW2においてチャタリングが発生し得る。このとき、半導体スイッチSW1が導通状態にあるので、機械式スイッチSW2の接点間の電圧はほぼ0である。そのため、チャタリングが発生しても機械式スイッチSW2の接点間においてアーク放電が発生することを防止することができる。半導体スイッチSW1がオンになった後に機械式スイッチSW2がオンになるよう、第2制御回路6bのタイマー回路は設定されている。モータ2において発生したモータ電流Idbは、ダイナミックブレーキ回路4の半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2と、第1インピーダンス回路Z1とを通り、U相からV相へ(またはその逆に)流れる。
機械式スイッチSW2がオンする前後で、モータ電流Idbが流れる経路のインピーダンスは実質的に変化しない。モータ2にはモータ電流Idbに応じた制動力が働き続ける。ブレーキ制御回路5は、機械式スイッチSW2がオンになった後も、半導体スイッチSW1をオンのままにし続ける。ブレーキ制御回路5は、例えばモータ2が停止するまで、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2をオンのままにし続けてもよい。例えば、ブレーキ制御回路5は、モータ2に接続される最大ロードおよびモータ2の最大回転速度に基づいて、十分長い時間、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2をオンし続けるように設定されていればよい。または、ブレーキ制御回路5は、モータ駆動回路3から停止信号を受信し続ける間は、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2をオンし続けてもよい。このようにすることで、モータ電流Idbは、半導体スイッチSW1と機械式スイッチSW2とに分かれて流れる。それゆえ、半導体スイッチSW1を流れる電流および機械式スイッチSW2を流れる電流を小さくすることができる。
もし、半導体スイッチSW1と直列に第1インピーダンス回路Z1が設けられていなければ、半導体スイッチSW1に大電流のモータ電流Idbが流れ、それに応じて制動力がモータ2に加わってしまう。
一方、モータ駆動装置11では、半導体スイッチSW1と直列に第1インピーダンス回路Z1が接続されているため、半導体スイッチSW1のみがオンしている期間においても、モータ電流Idbの大きさを調整することができる。これにより、半導体スイッチSW1における発熱を防ぐことができる。また、モータ電流Idbの大きさに応じてモータ2に加わる制動力も調整することができる。また、半導体スイッチSW1のみがオンしている期間にも、モータ2に制動力は働く。これによりモータ2の回転速度は遅くなり、モータ電流Idbも減少する。その後、機械式スイッチSW2がオンするため、機械式スイッチSW2を流れる最大電流を小さくすることができる。
そのため、定格電流が小さい(小容量の)半導体スイッチSW1および/または定格電流が小さい機械式スイッチSW2を用いることができる。すなわち、サイズの小さい半導体スイッチSW1および/またはサイズの小さい機械式スイッチSW2を用いることができる。
モータ駆動装置11では、ダイナミックブレーキ動作時のモータ電流Idbは、インバータを含むモータ駆動回路3には流れない。モータ2の回転エネルギーは、通常のモータ駆動時には電流が流れない第1インピーダンス回路Z1で、主に消費される(ジュール熱に変換される)。そのため、ダイナミックブレーキ動作時にモータ駆動回路3およびモータ2において発熱が生じるのを防ぐことができる。それゆえ、モータを駆動させるモータ駆動回路3およびモータ2の故障を防止することができる。よって、モータ駆動装置11の寿命を長くすることができる。
(変形例)
図8は、本実施形態のモータ駆動装置11の一構成を例示する三相の回路構成図である。U相とV相との間に、リレー6と、インピーダンス回路Z1aと、インピーダンス回路Z1bとがこの順序で接続されている。別のリレー6と、インピーダンス回路Z1cとが、W相とノードN(インピーダンス回路Z1aとインピーダンス回路Z1bとの間のノード)との間に接続されている。インピーダンス回路Z1a、Z1b、Z1cのそれぞれのインピーダンスは、第1インピーダンス回路Z1のインピーダンスの半分である。リレー6と、インピーダンス回路Z1a、Z1bとが、ダイナミックブレーキ回路4に対応する。
図9は、本実施形態のモータ駆動装置11の一構成を例示する三相の回路構成図である。各相とリレー6との間にダイオードが接続されており、第1インピーダンス回路Z1と各相との間に、別のダイオードが接続されている。これらのダイオードの向きは互いに同じである。
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
(モータ駆動装置12の構成)
図2は、本実施形態のモータ駆動装置12の構成を例示する単相回路構成図である。モータ駆動装置12は、モータ2を駆動する。モータ駆動装置12は、モータ駆動回路3と、ダイナミックブレーキ回路9と、ブレーキ制御回路5(制御回路)と、速度測定回路8とを備える。
ダイナミックブレーキ回路9は、リレー7と、第1インピーダンス回路Z1と、第2インピーダンス回路Z2とを備える。リレー7は、半導体スイッチSW1と、機械式スイッチSW2と、第1制御回路6aと、第2制御回路6bとを備える。第1制御回路6aは、半導体スイッチSW1のオン/オフ(導通/非導通)を制御する。第2制御回路6bは、機械式スイッチSW2のオン/オフ(導通/非導通)を制御する。リレー7は、実施形態1のリレー6と異なり、第1制御回路6aへの制御信号の入力端子と、第2制御回路6bへの制御信号の入力端子とを別々に有する。また、リレー7は、半導体スイッチSW1に接続された外部端子と、機械式スイッチSW2に接続された外部端子とを別々に有する。
半導体スイッチSW1の一端はU相に接続され、半導体スイッチSW1の他端は第1インピーダンス回路Z1の一端に接続されている。機械式スイッチSW2の一端はU相に接続され、機械式スイッチSW2の他端は第2インピーダンス回路Z2の一端に接続されている。半導体スイッチSW1および第1インピーダンス回路Z1の組と、機械式スイッチSW2および第2インピーダンス回路Z2の組とは、互いに並列に接続されている。第1インピーダンス回路Z1の他端および第2インピーダンス回路Z2の他端は、V相に接続されている。ここでは、第1インピーダンス回路Z1のインピーダンスと、第2インピーダンス回路Z2のインピーダンスとは、互いに異なる。
なお、V−W相間の間に、ダイナミックブレーキ回路9と同様の回路を設けてもよい。
ブレーキ制御回路5は、例えば2系統の信号線を介して、リレー7の2つの制御端子に接続されている。ブレーキ制御回路5は、モータ駆動回路3から受信するブレーキ信号に基づいて、半導体スイッチSW1に関する制御信号と、機械式スイッチSW2に関する制御信号とを、個別にリレー7に出力する。
第1インピーダンス回路Z1は、半導体スイッチSW1と直列に接続された、抵抗器および/または容量素子を含んでいてもよい。第2インピーダンス回路Z2は、機械式スイッチSW2と直列に接続された、抵抗器および/または容量素子を含んでいてもよい。例えば、抵抗器および容量素子は、互いに並列に接続されていてもよい。
速度測定回路8は、モータ2の回転速度を測定するものである。速度測定回路8は、例えばモータ2を流れるモータ電流Idbを測定し、モータ電流Idbからモータ2の回転速度を測定する。速度測定回路8は、モータ電流Idbの周波数からモータ2の回転速度を求めてもよい。速度測定回路8は、モータ2を流れるモータ電流Idbが流れる経路に設けられる。ここでは、速度測定回路8は、U相とダイナミックブレーキ回路9との間に設けられているが、これに限らず、モータ駆動回路3への経路とダイナミックブレーキ回路9への経路との分岐点と、モータ2との間に設けられていてもよい。後者の場合、モータ2を通常駆動しているときの回転速度を測定することもできる。なお、速度測定回路8は、他の手段(光学的手段等)によってモータ2の回転速度を直接的に測定してもよい。速度測定回路8は、ブレーキ制御回路5(およびモータ駆動回路3)に測定したモータ2の回転速度を通知する。
(モータ駆動装置12の動作)
モータ駆動回路3がモータ2を駆動しているとき、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2はオフ状態にあり、かつ、モータ駆動回路3からモータ2に駆動のための交流電流が供給される。
例えば非常停止ボタンがユーザに操作されたとき、または、モータ駆動回路3の一部の回路に異常が生じたとき、モータ駆動回路3はモータ2の非常停止を開始する。モータ駆動回路3は、モータ2への交流電流の供給を停止し、かつ、ブレーキ制御回路5にブレーキ信号を出力する。ブレーキ制御回路5は、モータ2の回転速度に応じて、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2をオンするタイミングを個別に制御する。ブレーキ信号を受信したブレーキ制御回路5は、まず半導体スイッチSW1のみをオンにする制御信号を、リレー7に出力する。
リレー7が受信した半導体スイッチSW1に関する制御信号は、第1制御回路6aに入力される。第1制御回路6aは、制御信号を受信すると、半導体スイッチSW1をオンにする。
半導体スイッチSW1がオン、かつ機械式スイッチSW2がオフの状態を考える。モータ2において発生したモータ電流Idbは、ダイナミックブレーキ回路9の半導体スイッチSW1および第1インピーダンス回路Z1を通り、U相からV相へ(またはその逆に)流れる。モータ電流Idbがモータ2を流れることにより、モータ2に制動力が働く。また、モータ2の回転エネルギーは、モータ電流Idbが第1インピーダンス回路Z1を流れることによりジュール熱に変換される。これにより、モータ2の回転速度は低下し、モータ電流Idbも低下する。
その後、ブレーキ制御回路5は、測定されたモータ2の回転速度が所定値以下になると、機械式スイッチSW2をオンにする制御信号を、リレー7に出力する。
リレー7が受信した機械式スイッチSW2に関する制御信号は、第2制御回路6bに入力される。第2制御回路6bは、制御信号を受信すると、機械式スイッチSW2をオンにする。
半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2の両方がオンの状態を考える。機械式スイッチSW2がオンに変わるとき、半導体スイッチSW1はオンの状態である。そのため、チャタリングが発生しても機械式スイッチSW2の接点間においてアーク放電が発生することを防止することができる。モータ2において発生したモータ電流Idbは、ダイナミックブレーキ回路9の半導体スイッチSW1および第1インピーダンス回路Z1の経路と、機械式スイッチSW2および第2インピーダンス回路Z2の経路とに分かれて通り、U相からV相へ(またはその逆に)流れる。モータ電流Idbは第1インピーダンス回路Z1および第2インピーダンス回路Z2の両方を流れる。
ブレーキ制御回路5は、機械式スイッチSW2をオンにしてから所定期間が経過した後、半導体スイッチSW1をオフにする制御信号を、リレー7に出力する。これに応じて、第1制御回路6aは、半導体スイッチSW1をオフにする。上記所定期間は、機械式スイッチSW2のチャタリングが終了した後に半導体スイッチSW1がオフになるよう、あらかじめ設定される。
図3は、ダイナミックブレーキ動作中におけるモータ2およびダイナミックブレーキ回路9を含む回路の、単相の等価回路を例示する回路図である。モータ2の等価回路には、互いに直列な交流電源2aとコイル2lと抵抗2rとが含まれる。ダイナミックブレーキ回路9の等価回路には、互いに並列な抵抗9rと容量9cとが含まれる。抵抗9rおよび容量9cは、ダイナミックブレーキ回路9の合計インピーダンスを表現するものである。E(ベクトル)はモータ2の逆起電力(誘起電圧)、ωはモータ2の回転速度、Keは誘起電圧定数、Lはコイル2l(巻線)のインダクタンス(巻線のインダクタンス)、rは抵抗2rの抵抗値(巻線抵抗)、I(ベクトル)はダイナミックブレーキ回路9を流れる電流、1/jωCは容量9cのインピーダンス、Rは抵抗9rの抵抗値、jは虚数単位である。モータ2のインピーダンスはjωL+rである。ダイナミックブレーキ回路9のインピーダンスは(R/(1+ω)−jω・CR/(1+ω))である。力率はcosθであり、有効電力はE・I・cosθである。
力率cosθが大きいほど、ダイナミックブレーキ回路9は効率よくブレーキを掛けることができる。L=CR/(1+ω)のとき、力率cosθ=1となる。回転速度ωに応じて、力率が大きくなる適切なL、C、Rの関係は変わる。
(実施形態1の制御タイミング)
図4は、実施形態1のモータ2およびモータ駆動装置11における力率およびモータ電流Idbの変化の概略を例示するグラフである。図4の(a)は、実施形態1のモータ2およびモータ駆動装置11における力率の変化を例示するグラフである。図4の(b)は、実施形態1のモータ2およびモータ駆動装置11におけるモータ電流Idbの変化を例示するグラフである。
時刻t0において、半導体スイッチSW1がオンになることで、ダイナミックブレーキ動作が開始される。回転速度の低下と共に、力率およびモータ電流Idbも徐々に低下する。時刻t0から所定期間が経過した時刻t1において、機械式スイッチSW2がオンになる。モータ駆動装置11では、モータ電流Idbは常に第1インピーダンス回路Z1を流れるため、機械式スイッチSW2がオンになる前後で力率は変化しない(力率は連続的である)。なお、機械式スイッチSW2がオンになるタイミングは固定である。機械式スイッチSW2は、半導体スイッチSW1がオンになった一定期間後に、オンになる。徐々にモータ2の回転速度は低下し、時刻t2においてモータ2が停止する(モータ電流Idbが0になる)。このように、モータ駆動装置11では、半導体スイッチSW1の経路のインピーダンス回路と、機械式スイッチSW2の経路のインピーダンス回路とが共通であるため、ダイナミックブレーキ動作の開始直後に力率のピークが過ぎると、その後、力率は単調減少する。
(実施形態2の制御タイミング)
図5は、実施形態2のモータ2およびモータ駆動装置12における力率およびモータ電流Idbの変化の概略を例示するグラフである。図5の(a)は、実施形態2のモータ2およびモータ駆動装置12における力率の変化を例示するグラフである。図5の(b)は、実施形態2のモータ2およびモータ駆動装置12におけるモータ電流Idbの変化を例示するグラフである。
時刻t0において、半導体スイッチSW1がオンになることで、ダイナミックブレーキ動作が開始される。回転速度の低下と共に、力率およびモータ電流Idbも徐々に低下する。その後、モータ2の回転速度が所定値ω1以下になると、すなわちモータ電流Idb[Apeak]の値が所定値以下になると(時刻t3)、機械式スイッチSW2がオンになる。その後、チャタリングが終了した後に、半導体スイッチSW1がオフになる。ここでは簡略化のため、機械式スイッチSW2がオンになった直後に半導体スイッチSW1がオフになるとしてグラフを描いている。機械式スイッチSW2のオンおよび半導体スイッチSW1のオフにより、モータ電流Idbが流れる経路が第1インピーダンス回路Z1から第2インピーダンス回路Z2へと変化する。第2インピーダンス回路Z2のインピーダンスは、所定の回転速度ω1(またはω1以下の回転速度)に適した値になるよう設定されている。それゆえ、回転速度の低下と共に低下していた力率は、機械式スイッチSW2がオンに切り替わった後、上昇する。これに伴い、モータ電流Idb[Apeak]も増加する。これにより、モータ2に働く制動力も大きくなる。そのため、実施形態2のモータ駆動装置12は、実施形態1のモータ駆動装置11による停止時刻t2よりも早い時刻t4にモータ2を停止させることができる。
このように、実施形態2のモータ駆動装置12は、測定した回転速度に応じて、機械式スイッチSW2をオンにするタイミングを決定する。そして、モータ電流Idbが流れる経路を、ω1より高い回転速度に適したインピーダンスを有する第1インピーダンス回路Z1から、ω1以下の回転速度に適したインピーダンスを有する第2インピーダンス回路Z2に切り替える。言い換えれば、ブレーキ制御回路5は、機械式スイッチSW2をオンにする直前の力率より、機械式スイッチSW2をオンにした直後の力率が大きくなるようなタイミングで、機械式スイッチSW2をオンにする。これにより力率を改善することで、効率よくモータ2にダイナミックブレーキを掛けることができる。なお、半導体スイッチSW1がオンかつ機械式スイッチSW2がオフのときの、第1インピーダンス回路Z1を通る回路の力率が1(最大値)になる回転速度は、半導体スイッチSW1がオフかつ機械式スイッチSW2がオンのときの、第2インピーダンス回路Z2を通る回路の力率が1(最大値)になる回転速度より、大きい。
なお、ダイナミックブレーキ動作時において、ブレーキ制御回路5は、半導体スイッチSW1をオンにしてから機械式スイッチSW2をオンにするまでにおけるモータ電流Idbの最大値(ピーク)よりも、機械式スイッチSW2をオンにした後におけるモータ電流Idbの最大値(ピーク)が小さくなるようなタイミングで機械式スイッチSW2をオンにしてもよい。半導体スイッチSW1の寿命に関する重要なファクターは発熱量(積算消費電力)である。一方、機械式スイッチSW2の寿命に関する重要なファクターは最大電流である。それゆえ、半導体スイッチSW1のオン期間は短い方が好ましく、また、機械式スイッチSW2のオン期間においては、モータ2の回転速度は低い方が好ましい。このようなタイミングで制御することで、ダイナミックブレーキ動作直後(時刻t0直後)の大電流は半導体スイッチSW1に流し、機械式スイッチSW2を流れる電流の最大値を小さくすることができる。それゆえ、定格電流が小さい機械式スイッチSW2を用いることができる。すなわち、サイズの小さい機械式スイッチSW2を用いることができる。
実施形態2のモータ駆動装置12においては、モータ2の回転エネルギーは、通常のモータ駆動時には電流が流れない第1インピーダンス回路Z1および第2インピーダンス回路Z2で、主に消費される(ジュール熱に変換される)。そのため、ダイナミックブレーキ動作時にモータ駆動回路3およびモータ2において発熱が生じるのを防ぐことができる。よって、モータ駆動装置12の寿命を長くすることができる。
(変形例)
図10は、本実施形態のモータ駆動装置12の一構成を例示する三相の回路構成図である。U相とノードNとの間に、リレー7と、並列なインピーダンス回路Z1aおよびインピーダンス回路Z2aとがこの順序で接続されている。V相とノードNとの間に、別のリレー7と、並列なインピーダンス回路Z1bおよびインピーダンス回路Z2bとがこの順序で接続されている。W相とノードNとの間に、さらに別のリレー7と、並列なインピーダンス回路Z1cおよびインピーダンス回路Z2cとがこの順序で接続されている。インピーダンス回路Z1a、Z1b、Z1cのそれぞれのインピーダンスは、第1インピーダンス回路Z1のインピーダンスの半分である。インピーダンス回路Z2a、Z2b、Z2cのそれぞれのインピーダンスは、第2インピーダンス回路Z2のインピーダンスの半分である。リレー7と、インピーダンス回路Z1a、Z1b、Z2a、Z2bとが、ダイナミックブレーキ回路9に対応する。速度測定回路8は、いずれか1相または3相の電流を測定する。
図11は、本実施形態のモータ駆動装置12の一構成を例示する三相の回路構成図である。各相とリレー7との間にダイオードが接続されており、第1インピーダンス回路Z1と各相との間に、別のダイオードが接続されている。これらのダイオードの向きは互いに同じである。
〔実施形態3〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
(モータ駆動装置13の構成)
図6は、本実施形態のモータ駆動装置13の構成を例示する単相回路構成図である。モータ駆動装置13は、モータ2を駆動する。モータ駆動装置13は、モータ駆動回路3と、ダイナミックブレーキ回路15と、ブレーキ制御回路5(制御回路)と、速度測定回路8とを備える。
ダイナミックブレーキ回路15は、リレー16と、第1インピーダンス回路Z1とを備える。リレー16は、半導体スイッチSW1と、機械式スイッチSW2と、第1制御回路6aと、第2制御回路6bとを備える。第1制御回路6aは、半導体スイッチSW1のオン/オフ(導通/非導通)を制御する。第2制御回路6bは、機械式スイッチSW2のオン/オフ(導通/非導通)を制御する。リレー16は、第1制御回路6aへの制御信号の入力端子と、第2制御回路6bへの制御信号の入力端子とを別々に有する。また、リレー16は、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2に接続された共通の外部端子を有する。
半導体スイッチSW1の一端はU相に接続され、半導体スイッチSW1の他端は第1インピーダンス回路Z1の一端に接続されている。機械式スイッチSW2の一端はU相に接続され、機械式スイッチSW2の他端は第1インピーダンス回路Z1の一端に接続されている。半導体スイッチSW1と、機械式スイッチSW2とは、互いに並列に接続されている。第1インピーダンス回路Z1の他端は、V相に接続されている。
なお、V−W相間の間に、ダイナミックブレーキ回路9と同様の回路を設けてもよい。
(モータ駆動装置13の動作)
例えば非常停止ボタンがユーザに操作されたとき、または、モータ駆動回路3の一部の回路に異常が生じたとき、モータ駆動回路3はモータ2の非常停止を開始する。モータ駆動回路3は、モータ2への交流電流の供給を停止し、かつ、ブレーキ制御回路5にブレーキ信号を出力する。ブレーキ制御回路5は、モータ2の回転速度に応じて、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2をオンするタイミングを個別に制御する。ブレーキ信号を受信したブレーキ制御回路5は、まず半導体スイッチSW1のみをオンにする制御信号を、リレー16に出力する。
第1制御回路6aは、制御信号を受信すると、半導体スイッチSW1をオンにする。これにより、半導体スイッチSW1がオン、かつ機械式スイッチSW2がオフの状態になる。モータ2において発生したモータ電流Idbは、ダイナミックブレーキ回路15の半導体スイッチSW1および第1インピーダンス回路Z1を通り、U相からV相へ(またはその逆に)流れる。これにより、モータ2の回転速度は低下し、モータ電流Idbも低下する。
その後、ブレーキ制御回路5は、測定されたモータ2の回転速度が第1所定値以下になると、機械式スイッチSW2をオンにする制御信号を、リレー16に出力する。
第2制御回路6bは、制御信号を受信すると、機械式スイッチSW2をオンにする。これにより、半導体スイッチSW1および機械式スイッチSW2がオンの状態になる。モータ2において発生したモータ電流Idbは、ダイナミックブレーキ回路15の半導体スイッチSW1または機械式スイッチSW2に分かれて通り、さらに第1インピーダンス回路Z1を通り、U相からV相へ(またはその逆に)流れる。モータ電流Idbの半分が半導体スイッチSW1を通り、残り半分が機械式スイッチSW2を通る。
ブレーキ制御回路5は、測定されたモータ2の回転速度が第2所定値以下になると、半導体スイッチSW1をオフにする制御信号を、リレー16に出力する。これに応じて、第1制御回路6aは、半導体スイッチSW1をオフにする。第2所定値は第1所定値より小さい。
(実施形態3の制御タイミング)
図7は、実施形態3のモータ2およびモータ駆動装置13における力率およびモータ電流Idbの変化を例示するグラフである。図7の(a)は、実施形態3のモータ2およびモータ駆動装置13における力率の変化を例示するグラフである。図7の(b)は、実施形態3のモータ2およびモータ駆動装置13におけるモータ電流Idb(実線)および機械式スイッチSW2を流れる電流(点線)の変化を例示するグラフである。
時刻t0において、半導体スイッチSW1がオンになることで、ダイナミックブレーキ動作が開始される。回転速度の低下と共に、力率およびモータ電流Idbも徐々に低下する。その後、モータ2の回転速度が第1所定値ω1以下になると、すなわちモータ電流Idb[Apeak]の値が第3所定値以下になると(時刻t5)、機械式スイッチSW2がオンになる。機械式スイッチSW2を流れる電流(点線)は、モータ電流Idbの半分である。その後、モータ2の回転速度が第2所定値ω2以下になると、すなわちモータ電流Idb[Apeak]の値が第4所定値以下になると(時刻t6)、半導体スイッチSW1がオフになる。これにより、モータ電流Idbが全て機械式スイッチSW2に流れる。モータ電流Idbの大きさが、時刻t5における機械式スイッチSW2を流れる電流の大きさIm以下になったときに、半導体スイッチSW1がオフになるよう、第3所定値および第4所定値は設定される。すなわち、第4所定値は、第3所定値の半分以下である。ブレーキ制御回路5は、早くとも、モータ電流Idbが、機械式スイッチSW2をオンにした後に機械式スイッチSW2を流れる電流の最大値以下になるまで、半導体スイッチSW1をオンのままにし続ける。これにより、機械式スイッチSW2を流れる電流の最大値を小さくすることができる。それゆえ、定格電流が小さい機械式スイッチSW2を用いることができる。また、半導体スイッチSW1に流れる電流の時間積分を抑制することができる。それゆえ、半導体スイッチSW1の発熱を抑制することができる。
(変形例)
図12は、本実施形態のモータ駆動装置13の一構成を例示する三相の回路構成図である。U相とV相との間に、リレー16と、インピーダンス回路Z1aと、インピーダンス回路Z1bとがこの順序で接続されている。別のリレー16と、インピーダンス回路Z1cとが、W相とノードN(インピーダンス回路Z1aとインピーダンス回路Z1bとの間のノード)との間に接続されている。インピーダンス回路Z1a、Z1b、Z1cのそれぞれのインピーダンスは、第1インピーダンス回路Z1のインピーダンスの半分である。リレー16と、インピーダンス回路Z1a、Z1bとが、ダイナミックブレーキ回路15に対応する。
図13は、本実施形態のモータ駆動装置13の一構成を例示する三相の回路構成図である。各相とリレー16との間にダイオードが接続されており、第1インピーダンス回路Z1と各相との間に、別のダイオードが接続されている。これらのダイオードの向きは互いに同じである。
なお、実施形態1、3のモータ駆動装置11、13において、実施形態2のように、半導体スイッチSW1および第1インピーダンス回路Z1の組と、機械式スイッチSW2および第2インピーダンス回路Z2の組とが、互いに並列に接続されている構成としてもよい。
なお、実施形態2のモータ駆動装置12において、機械式スイッチSW2をオンにした後も半導体スイッチSW1をオンのままにしてもよく、例えば、モータ2が停止するまで半導体スイッチSW1をオンのままにしてもよい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
2 モータ
3 モータ駆動回路
4、9、15 ダイナミックブレーキ回路
5 ブレーキ制御回路(制御回路)
6、7、16 リレー
6a 第1制御回路
6b 第2制御回路
8 速度測定回路
11、12、13 モータ駆動装置
SW1 半導体スイッチ
SW2 機械式スイッチ
Z1 第1インピーダンス回路
Z2 第2インピーダンス回路

Claims (13)

  1. モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    前記モータを駆動するために、前記モータに交流電流を供給するモータ駆動回路と、
    前記モータの2相間に設けられたダイナミックブレーキ回路と、
    前記半導体スイッチおよび前記機械式スイッチのオン/オフを制御する制御回路とを備え、
    前記ダイナミックブレーキ回路は、
    前記2相間を短絡する機械式スイッチと、
    前記2相間を短絡し、かつ前記機械式スイッチと並列に接続された半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチと直列に接続された第1インピーダンス回路とを備え
    ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにした後、前記機械式スイッチをオンにすることを特徴とするモータ駆動装置。
  2. ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにした後、一定期間後に前記機械式スイッチをオンにすることを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記モータの回転速度を測定する速度測定回路を備え、
    ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにした後、測定された前記回転速度が所定値以下になると、前記機械式スイッチをオンにすることを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記速度測定回路は、前記モータに流れるモータ電流を測定するものであり、
    ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記半導体スイッチをオンにしてから前記機械式スイッチをオンにするまでにおける前記モータ電流の最大値よりも、前記機械式スイッチをオンにした後における前記モータ電流の最大値が小さくなるようなタイミングで、前記機械式スイッチをオンにすることを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  5. ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記機械式スイッチをオンにした後、
    早くとも、前記モータに流れるモータ電流が、前記機械式スイッチをオンにした後に前記機械式スイッチを流れる電流の最大値以下になるまで、前記半導体スイッチをオンのままにし続けることを特徴とする請求項からのいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  6. ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記機械式スイッチをオンにした後、前記モータが停止するまで、前記半導体スイッチをオンのままにし続けることを特徴とする請求項からのいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  7. ダイナミックブレーキ動作時において、前記制御回路は、前記機械式スイッチをオンにする直前の力率より、前記機械式スイッチをオンにした直後の力率が大きくなるようなタイミングで、前記機械式スイッチをオンにすることを特徴とする請求項からのいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  8. モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    前記モータを駆動するために、前記モータに交流電流を供給するモータ駆動回路と、
    前記モータの2相間に設けられたダイナミックブレーキ回路と、
    制御回路と、を備え、
    前記ダイナミックブレーキ回路は、
    前記2相間を短絡する機械式スイッチと、
    前記2相間を短絡し、かつ前記機械式スイッチと並列に接続された半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチと直列に接続された第1インピーダンス回路とを備え、
    前記制御回路は、
    前記半導体スイッチおよび前記機械式スイッチのオン/オフを制御する回路であって、前記半導体スイッチと前記機械式スイッチの両方をオンの状態にするダイナミックブレーキ動作を行うことを特徴とするモータ駆動装置。
  9. 前記第1インピーダンス回路は、前記半導体スイッチと直列に接続された抵抗器を含んでいることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
  10. 前記第1インピーダンス回路は、前記抵抗器と並列に接続された容量素子を含んでいることを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  11. 前記ダイナミックブレーキ回路は、前記機械式スイッチと直列に接続されている第2インピーダンス回路を備え、
    前記半導体スイッチおよび前記第1インピーダンス回路と、前記機械式スイッチおよび前記第2インピーダンス回路とは、互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  12. 前記第1インピーダンス回路のインピーダンスと、前記第2インピーダンス回路のインピーダンスとは、互いに異なることを特徴とする請求項11に記載のモータ駆動装置。
  13. 前記機械式スイッチは、前記第1インピーダンス回路と直列に接続されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
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