JPH0736643B2 - 電気車用直流直巻電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、電気車用直流直巻電動機の制御装置に関す
る。

従来技術および発明の課題 電気車用直流直巻電動機を制御する方式には、アクセル
操作量がモータの電流値に比例する電流制御方式と、ア
クセル操作量がモータの電圧値（チョッパ回路の通流
率）に比例する電圧制御方式とがある。

電流制御方式の場合、アクセル操作量は、加速量に比例
し、車速を一定に保持するように運転することは難し
い。しかしながら、滑らかな加速特性および滑らかなプ
ラッギング特性が得られるという利点がある。

電圧制御方式の場合は、アクセル操作量に比例した速度
が得られるので、車速を一定に保持するように運転する
ことは容易である。しかしながら、プランギング時に
は、アクセルに比例した制動力を得ることができないた
め、小さな制動力で停止させたい場合でも、制動力を制
御できず、衝撃があるという欠点がある。ただし、電圧
制御方式であっても最大電流を制限する電流制御回路が
設けられているので、アクセル操作量が大きい場合に
は、電流制限回路が動作し、電流制御方式と同様な特性
が得られる。

電圧制御方式において、プラッギング時の衝撃を和らげ
るために、プラッギング時のみ、チョッパ回路の通流率
を通常走行時の数分の１に減少させる方法が開発されて
いる。しかしながら、この方法では、坂道の途中で登板
発進する場合、車両が少し後退しただけで、プラッギン
グモードとなり、制動力および登板力が不足し、車両が
ずり落ちて登板できなくなるという欠点がある。また、
このようにしても、アクセル操作量に比例した制動力を
得ることはできない。

この発明は、通常走行時には電圧制御方式の特性を有
し、プラッギング時には電流制御方式の特性を有する電
気車用直流直巻付電動機の制御装置を提供することを目
的とする。

この発明を理解するために、電流制御方式の具体例と電
圧制御方式の具体例について説明する。

第３図は、本出願人が開発した電流制御方式のモータ制
御回路を示している。直巻直流モータの電機子（１）に
は、前進後進駆動回路（２）が直列に接続されており、
この直列回路が蓄電池（３）に並列に接続されている。

前進後進駆動回路（２）は、前進用界磁巻線（4f）と前
進用パワートランジスタ（5f）との直列回路からなる前
進用駆動回路と、後進用界磁巻線（4r）と後進用パワー
トランジスタ（5r）との直列回路からなる後進用駆動回
路とから構成されている。前進用駆動回路と後進用駆動
回路とは、並列に接続されている。

電機子（１）には、プラッギングダイオード（６）が並
列に接続されている。電機子（１）と前進用界磁巻線
（4f）との直列回路には、前進用フライホイールダイオ
ード（7f）が並列に接続されている。電機子（１）と後
進用界磁巻線（4r）との直列回路には、後進用フライホ
イールダイオード（7r）が並列に接続されている。

電機子回路には、電機子電流（モータ電流）検出器
（８）が設けられている。この検出器（８）は、たとえ
ば分流器からなり、分流器の抵抗に降下される電圧Vfが
検出信号として用いられる。この検出信号Vfは、差動増
幅回路（９）の反転入力端子に抵抗R3を介して送られ
る。差動増幅回路（９）は、帰還抵抗R2を介して正帰還
がかけられている。

アクセル操作に伴って分圧比ｍが制御される分圧器（1
0）の出力（アクセル電圧）Vdは、抵抗R1を介して差動
増幅回路（９）の非反転入力端子に送られる。アクセル
電圧Vdは、アクセル操作量に比例する。

差動増幅回路（９）の出力（電圧Va）は、トランジスタ
駆動回路（11）に送られる。駆動回路（11）の出力端子
は、前進用ａ接点（22a）を介して、前進用パワートラ
ンジスタ（5f）のベースに接続されているとともに、後
進用ａ接点（23a）を介して、後進用パワートランジス
タ（5r）のベースに接続されている。前進用ａ接点（22
a）は、前後進切替用操作スイッチ（21）が前進がわに
切り替えられ、前進用リレー（22）が作動されることに
よりオンとなる。後進用ａ接点（23a）は、前後進切替
用操作スイッチ（21）が後進がわに切り替えられ、後進
用リレー（23）が作動されることによりオンとなる。

パワートランジスタ（5f）または（5r）は、差動増幅回
路（９）の出力に応じて、オン、オフ制御され、これに
より、直流モータが正転または逆転駆動される。

分圧器（10）の入力電圧をVe、差動増幅回路（９）の非
反転入力端子の入力電圧をVb、電流検出器（８）の出力
電圧をVf、差動増幅回路（９）の反転入力端子の入力電
圧をVc、差動増幅回路（９）の出力電圧をVaとする。

a.Vb＜Vcのときには、以下の関係が成立する。

Vd＝ｍ・Ve Vb＝Vd Vc＝Vf Va＝０ b.Vb＞Vcのときには、以下の関係が成立する。ただし、
分圧器（10）の抵抗は、R1に比べて非常に小さいものと
する。

Vd＝ｍ・Ve Vb＝Vd＋（Va−Vd）・｛R1/（R1＋R2）｝ Vc＝Vf Va＝Vs（一定電圧） 第４図はVbおよびVfの波形を、第５図はVaの波形をそれ
ぞれ示している。第４図において、Vfの立ち上がり特性
は、直流モータのインダクタンス、負荷および電圧Vbに
よって決まる。Vfの立ち下がりカーブは、フライホイー
ルダイオード（7f）または（7r）に流れる電流を示して
いる。

第４図および第５図からわかるように、上記電流制御方
式のモータ制御回路では、アクセルを操作することによ
って、直流モータに流れる最大電流値、すなわち加速性
能が制御される。

第６図は、上記電流制御方式によって得られる直流モー
タの特性を示すものであって、回転速度Ｎと発生トルク
Ｔとの関係が表されている。曲線Ａ（a-d）は、直流モ
ータの静特性曲線を示している。トルクT1は、定常走行
時の負荷トルクを示し、速度N1はT1に対応する速度を示
している。アクセル操作量が比較的小さい操作量SLであ
るときには、直流モータの特性は、曲線g-c-dで示す特
性となる。アクセル操作量が比較的大きい操作量SHであ
るときには、直流モータの特性は、曲線e-a-dで示す特
性となる。アクセル操作量がSHとSLとの中間値SMである
ときには、直流モータの特性は、曲線f-b-dで示す特性
となる。

第６図からわかるように、上記電流制御方式では、アク
セル操作量はトルクを制御するように作用するため、加
速を制御する特性となり、車速を速度N1より小さい中間
速度に制御することは困難である。たとえば、アクセル
操作量を比較的小さい操作量SLに保持しても、加速は小
さいが車速は速度N1に達してしまう。このように、上記
電流制御方式では、車速を制御することは困難である
が、プラッギング時には、アクセル操作量に応じた制動
力が得られるので、滑らかなプラッギングを行える。

第７図は、電圧制御方式のモータ制御回路を示してい
る。第７図において、第３図と同じものには同じ符号を
付してその説明を省略する。

アクセル操作に伴って分圧比が制御される分圧器（10）
の出力は、速度指令信号として、PWM変調回路（チョッ
パ制御回路）（14）に送られる。PWM変調回路（14）か
ら出力されるPWM信号は、トランジスタ駆動回路に送ら
れる。PWM変調回路（14）の入力端子は、PWM信号遮断用
スイッチングトランジスタ（13）を介して接地されてい
る。

電機子電流検出器（８）の検出信号は、帰還抵抗R2を介
して正帰還がかけられた差動増幅回路（９）の非反転入
力端子に抵抗R1を介して送られる。差動増幅回路（９）
の反転入力端子には、電源（12）から、抵抗R3を介して
電流制限用基準電圧が送られる。差動増幅回路（９）
は、検出器（８）の出力電圧が電流制限用基準電圧を越
えたときに、トランジスタ（13）をオンにさせるトラン
ジスタ作動信号を出力する。

アクセル操作がされると、PWM変調回路（14）にアクセ
ル操作量に比例した電圧が入力し、PWM変調回路（14）
からこの電圧に比例したパルス幅のPWM信号が出力され
る。そして、前後進切替スイッチ（21）によって選択さ
れているパワートランジスタ（5f）または（5r）がPWM
信号に応じてオン、オフ制御され、これにより、直流モ
ータが駆動される。

一方、電機子電流検出器（８）から出力されるモータ電
流に比例した電圧と、電流制限用基準電圧とが差動増幅
回路（９）によって比較される。そして、検出器（８）
の出力電圧が電流制限用基準電圧を越えたときに、トラ
ンジスタ（13）がオンとされ、PWM変調回路（14）への
電圧入力が遮断される。このような高負荷時の動作は、
電流制御方式と同様となる。

第８図は、負荷電圧波形および平均負荷電圧を示してい
る。平均負荷電圧Vmは、蓄電池（３）の電源電圧をVbb
とすると、次式で表される。

Vm＝Vbb・Ton/（Ton＋Toff） 第９図は、上記電圧制御方式によって得られる直流モー
タの特性を示すものであって、回転速度Ｎと発生トルク
Ｔとの関係が表されている。曲線Ａは、直流モータの静
特性曲線を示している。トルクT1は、定常走行時の付加
トルクを示し、速度N1はT1に対応する速度を示してい
る。

曲線ALはアクセル操作量が比較的小さい操作量SLである
ときの直流モータの特性を、曲線AHはアクセル操作量が
比較的大きい操作量AHであるときの直流モータの特性
を、曲線AMはアクセル操作量がSHとSLとの中間値SMであ
るときの直流モータの特性をそれぞれ示している。高負
荷時においては、電流制限動作により、トルクが一定値
に制限される。速度NL、NMおよびNHは、アクセル操作量
がSL、SMおよびSHのときの定常走行速度を示している。

上記電圧制御方式では、モータ電流が所定の制限電流以
下の負荷範囲においては、アクセル操作量に比例したパ
ルス幅、すなわち平均モータ電圧がモータに供給され
る。アクセル操作量がSLのときには速度NL、アクセル操
作量がSMのときには速度NM、アクセル操作量がSHのとき
には速度NHというようにアクセル操作量に比例した速度
が得られる。

プラッギング時には、アクセル操作量が比較的小さな値
SLであっても、モータ電流が制限電流値まで上昇してし
まうので、アクセル操作量に比例した制動力は得られな
い。アクセル操作量が大きい場合には、電流制御式と変
わらないプランギング特性となるが、アクセル操作量が
小さいときも大きな制動力が発生するので、プラッギン
グ時に衝撃が発生する。

課題を解決するための手段 この発明による電気車用直流直巻電動機の制御装置は、
速度指令信号に基づいて電気車用直流直巻電動機をチョ
ッパ制御するためのチョッパ制御回路、電気車用直流直
巻電動機の電機子電流を検出する電流検出器、プラッキ
ング状態を検出するプラッキング検出器、電流検出器の
検出電流と制限電流とを比較し、検出電流が制限電流を
越えている間、チョッパ制御回路の動作を停止させる手
段、通常走行時は制限電流を所定の過電流保護用基準値
とし、プラッキング状態検出時には制限電流をアクセル
操作量に応じた値にする制限電流制御手段、および通常
走行時には速度指令信号をアクセル操作量に応じた値と
し、プラッキング状態検出時には速度指令信号をアクセ
ル操作量に応じた値または所定の一定値にする速度指令
信号制御手段を備えていることを特徴とする。

発明の作用 通常走行時は制限電流が所定の過電流保護用基準値にさ
れるとともに、速度指令信号がアクセル操作量に応じた
値にされ、電気車用直流直巻電動機は電圧制御方式によ
って制御される。

プラッキング状態検出時には制限電流がアクセル操作量
に応じた値にされるとともに、速度指令信号がアクセル
操作量に応じた値または所定の一定値にされ、電気車用
直流直巻電動機は電流制御方式によって制御される。

実施例 以下、第１図および第２図を参照して、この発明の実施
例について説明する。

第１図は、この発明の実施例を示している。第１図にお
いて、第７図と同じものには同じ符号を付して、その説
明を省略する。

PWM変調回路（14）の入力端子には、アクセル操作に伴
って分圧比が制御される分圧器（10）の出力端子が走行
モード用第1b接点（31b1）および抵抗R4を介して接続さ
れているとともに基準電圧発生用電源（30）がプラッギ
ングモード用第1a接点（31a1）および抵抗R4を介して接
続されている。

差動増幅回路（９）の反転入力端子には、基準電圧発生
用電源（30）が走行モード用第1a接点（31a1）および抵
抗R4を介して接続されている。

差動増幅回路（９）の反転入力端子には、基準電圧発生
用電源（30）が走行モード用第2b接点（31b2）および抵
抗R3を介して接続されているとともに分圧器（10）の出
力端子がプラッギングモード用第2a接点（31a2）および
抵抗R3を介して接続されている。

電機子回路には、プラッギング検出器（31）が並列に接
続されている。プラッキング検出器（31）は、プラッキ
ング時に電機子（１）に誘導される発電電圧の極性が反
転することに基づいてプラッキング状態を検出し、上記
各接点（31a1）、（31a2）、（31b1）、（31b2）を制御
する。

通常走行時は、走行用第1b接点（31b1）および走行用第
2b接点（31b2）はオンの状態となっている。したがっ
て、PWM変調回路（14）には、分圧器（10）の出力（ア
クセル電圧）が抵抗R4を介して入力する。また、差動増
幅回路（９）の反転入力端子には、基準電圧発生用電源
（30）の電源電圧が抵抗R3を介して入力する。この結
果、通常走行時には、このモータ制御回路の動作は、第
７図の電圧制御方式のモータ制御回路と同様な動作とな
る。このため、アクセル操作量に比例した速度が得られ
る。

つまり、アクセルが操作されると、PWM変調回路（14）
にアクセル操作量に比例した電圧が入力し、PWM変調回
路（14）からこの電圧に比例したパルス幅のPWM信号が
出力される。そして、前後進切替スイッチ（21）によっ
て選択されているパワートランジスタ（5f）または（5
r）がPWM信号に応じてオン、オフ制御され、これによ
り、直流モータが駆動される。

モータ電流検出器（８）の出力電圧が基準電圧発生用電
源（30）の電源電圧を越えたときに、トランジスタ（1
3）がオンとされ、PWM変調回路（14）への電圧入力が遮
断される。

プラッギング時には、プラッギング検出器（31）によっ
て、走行用第1b接点（31b1）および走行用第2b接点（31
b2）がオフとされ、プラッギング用第1a接点（31a1）お
よびプラッギング用第2a接点（31a2）がオンにされる。

したがって、PWM変調回路（14）には、基準電圧発生用
電源（30）の電源電圧が抵抗R4を介して入力する。ま
た、差動増幅回路（９）の反転入力端子には、分圧器
（10）の出力（アクセル電圧）が抵抗R3を介して入力す
る。すなわち、差動増幅回路（９）の反転入力端子に入
力する電圧（制限電流値）は、アクセル電圧に比例した
値となる。この結果、プラッギング時には、このモータ
制御回路の動作は、第３図の電流制御方式のモータ制御
回路と同様な動作となる。このため、プラッギング時に
は、アクセル操作量に応じた制動力が得られるので、滑
らかなプラッギングを行える。

第２図は、第１図の制御回路の主要部（第１図に符号
（40）で示す部分）の変形例を示している。アクセル操
作に伴って分圧比が制御される分圧器（10）の出力は、
PWM変調回路（14）にダイオード（41）を介して送られ
るとともにダイオード（60）および抵抗（61）を介し
て、フォトカプラ（57）の発光ダイオードにも送られ
る。このフォトカプラ（57）はアナログ動作領域で使用
されており、分圧器（10）の出力電圧に応じて、フォト
カプラ（57）におけるフォトトランジスタのコレクタ・
エミッタ間の等価抵抗が変化する。

電機子電流検出器（８）の出力電圧は、走行時電流制限
用電圧比較器（43）の非反転入力端子に入力している。
電圧比較器（43）の反転入力端子には、制限電流設定用
分圧器（42）の出力が入力している。走行時電流制限用
電圧比較器（43）の出力は、ダイオード（44）および抵
抗（45）を介して、フォトカプラ（46）の発光ダイオー
ドに送られる。フォトカプラ（46）のフォトトランジス
タのコレクタは、抵抗（47）を介して直流電源に接続さ
れている。このフォトトランジスタのエミッタは、抵抗
（48）およびダイオード（49）を介してスイッチングト
ランジスタ（13）のベースに接続されている。

電機子電流検出器（８）の検出信号電圧は、さらに、プ
ラッギング時電流制御用電圧比較器（50）の非反転入力
端子にも入力している。電圧比較器（50）の反転入力端
子は、抵抗（58）を介して直流電源VP1に接続されてい
る。電圧比較器（50）の出力は、ダイオード（51）およ
び抵抗（45）を介して、フォトカプラ（46）の発光ダイ
オードに送られる。

電圧比較器（50）の反転入力端子は、さらに、抵抗（5
9）およびフォトカプラ（57）のフォトトランジスタを
介して電圧比較器（56）の出力端子にも接続されてい
る。この電圧比較器（56）は、その非反転入力端子の入
力電圧がその反転入力端子の入力電圧より大きいとき
に、直流電源VP1の電源電圧と同レベルの電圧を出力す
る。このため、電圧比較器（50）の反転入力側はハイレ
ベルの電圧となり、電圧比較器（50）の出力側からの電
圧の発生はなく、その動作が阻止されることになる。電
圧比較器（56）の非反転入力端子の入力電圧がその反転
入力端子の入力電圧より小さいときには、その出力端は
引込動作となり、フォトカプラ（57）のフォトトランジ
スタのエミッタ側が接地される。

電圧比較器（56）の非反転入力端子には、プラッギング
検出レベル調整のための分圧器（55）の出力が入力して
いる。電圧比較器（56）の反転入力端子には、直流電源
VP2と接地間に接続された抵抗（53）、フォトカプラ（5
2）のフォトトランジスタおよび抵抗（54）からなる直
列回路の抵抗（54）の端子間電圧が入力している。フォ
トカプラ（52）の発光ダイオードには、プラッギング検
出器（31）の出力が送られる。

通常走行時は、プラッギング検出器（31）からはプラッ
ギング検出信号が出力されていず、フォトカプラ（52）
の発光ダイオードはオフであり、フォトトランジスタも
オフてある。したがって、電圧比較器（56）の反転入力
端子の入力電圧は、非反転入力端子の入力電圧より小さ
い。このため、通常走行時は、抵抗（59）には電流は流
れない。このため、プラッギング時電流制御用電圧比較
器（50）の反転入力端子の入力電圧は、直流電源VP1の
電源電圧と等しくなる。直流電源VP1の電源電圧は、制
限電流設定用分圧器（42）の出力電圧より大きく設定さ
れているので、通常走行時は、スイッチングトランジス
タ（13）は、走行時電流制限用電圧比較器（43）の出力
により制御される。したがって、モータは電圧制御方式
で制御される。

プラッギング時には、プラッギング検出器（31）からプ
ラッギング検出信号が出力されるので、フォトカプラ
（52）の発光ダイオードがオンとなり、フォトトランジ
スタもオンとなる。したがって、電圧比較器（56）の反
転入力端子の入力電圧は、非反転入力端子の入力電圧よ
り大きくなる。このため、電源VP1から、電流が抵抗（5
8）、抵抗（59）およびフォトカプラ（57）のフォトト
ランジスタを流れ、電源電圧が抵抗（58）および抵抗
（59）によって分圧されて、プラッギング時電流制御用
電圧比較器（50）の反転入力端子に送られる。

フォトカプラ（57）の発光ダイオードには、アクセル操
作量に応じた電流が流れているので、フォトカプラ（5
7）のフォトトランジスタを流れる電流もアクセル操作
量に応じた値となる。このため、プラッギング時電流制
御用電圧比較器（50）の反転入力端子の入力電圧もアク
セル操作量に応じた値となる。プラッギング時の電圧比
較器（50）の反転入力端子の入力電圧は、制限電流設定
用分圧器（42）の出力電圧より小さくなるように設定さ
れているので、プラッギング時には、スイッチングトラ
ンジスタ（13）は、プラッギング時電流制御用電圧比較
器（50）の出力により制御される。したがって、モータ
は、電流制御方式で制御される。

発明の効果 この発明による電気車用直流直巻電動機の制御装置で
は、電圧制御方式の制御となり、アクセル操作量に比例
した速度が得られる。そして、プラッギング時には、電
流制御方式の制御となり、アクセル操作量に比例して制
動力が得られ、衝撃のない滑らかなプラッギングが行え
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す電気回路図、第２図は
第１図の主要部の変形例を示す電気回路図、第３図は電
流制御方式のモータ制御回路を示す電気回路図、第４図
は第３図の差動増幅回路の両入力電圧波形を示すタイム
チャート、第５図は第３図の差動増幅回路の出力電圧波
形を示すタイムチャート、第６図は第３図のモータ制御
回路によって得られる直流モータの特性を示すものであ
って、回転速度と発生トルクとの関係を示すグラフ、第
７図は電圧制御方式のモータ制御回路を示す電気回路
図、第８図と第７図のモータ制御回路によって得られる
負荷電圧波形および平均負荷電圧を示すタイムチャー
ト、第９図は第７図のモータ制御回路によって得られる
直流モータの特性を示すものであって、回転速度と発生
トルクとの関係を示すグラフである。 （１）…直流直巻モータの電機子、（３）…蓄電池、
（4f）（4r）…界磁巻線、（5f）（5r）…パワートラン
ジスタ（チョッパ用トランジスタ）、（８）…電機子電
流検出器（モータ電流検出器）、（９）…差動増幅回
路、（10）…分圧器、（13）…スイッチングトランジス
タ、（14）…PWM変調回路（チョッパ制御回路）、（3
0）…直流電源、（31）…プラッギング検出器、（42）
…制限電流設定用分圧器、（43）…走行時電流制限用電
圧比較器、（46）（52）（57）…フォトカプラ、（50）
…プラッギング時電流制御用電圧比較器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】速度指令信号に基づいて電気車用直流直巻
   電動機をチョッパ制御するためのチョッパ制御回路、 電気車用直流直巻電動機の電機子電流を検出する電流検
   出器、 プラッキング状態を検出するプラッキング検出器、 電流検出器の検出電流と制限電流とを比較し、検出電流
   が制限電流を越えている間、チョッパ制御回路の動作を
   停止させる手段、 通常走行時は制限電流を所定の過電流保護用基準値と
   し、プラッキング状態検出時には制限電流をアクセル操
   作量に応じた値にする制限電流制御手段、および 通常走行時には速度指令信号をアクセル操作量に応じた
   値とし、プラッキング状態検出時には速度指令信号をア
   クセル操作量に応じた値または所定の一定値にする速度
   指令信号制御手段、 を備えている電気車用直流直巻電動機の制御装置。