JPS6149913B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の背景 この発明は全般的に直流電動機駆動装置、更に
具体的に云えば、電動機電流の著しいサージを招
くことなく、大トルクに対する需要に速やかに応
答し得る様に用意した状態に駆動装置をおく為
に、実質的に無負荷（トルクなし）の動作様式で
動作する高性能直流電動機を制御する方法に関す
る。 勿論、直流電動機駆動装置は非常にいろいろな
種類のものがあり、その多くは電動機に電流を供
給する為に制御整流器（例えばシリコン制御整流
器）ブリツジを使つている。電動機の両方向運転
を希望する時、この様な２つのブリツジ（これは
普通順方向及び逆方向ブリツジと呼ぶ）を逆並列
に接続して、電動機の希望する回転方向に応じて
電動機に何れの向きにも電流を供給し得る様にす
る場合が多い。 こゝで説明する様な種類の直流電動機駆動装置
に共通の別の特徴は、電動機の所望の動作レベル
を表わす指令信号と電動機の端子電圧を表わす帰
還信号とを受取る積分回路を使うことである。こ
れらの２つの信号を組合せて、その組合せの積分
出力が電動機に供給される電力を制御する信号と
して作用する。この積分は装置を安定化するのを
助けると共に、電動機電流の変化率を制限する傾
向がある。積分回路だけを使つても、全体的な意
味で、装置に安定性が得られるが、電動機の負荷
が非常に軽い時（即ち、負荷に対して殆んど或い
は全くトルクを供給していない時）、或る種の不
安定性を招く。この様な軽負荷状態で起り得る状
態として、積分回路はドリフトする傾向があり、
この為ブリツジ制御回路に対して誤つた指令信号
を供給する傾向がある。このドリフトを防止する
公知の１つの方法は、順方向及び逆方向ブリツジ
交互に電動機に非常に大きさの小さい電流を供給
する様に、ブリツジの整流器を点弧（導電させる
こと）をプログラムすることである。この様に順
方向及び逆方向ブリツジを交互に点弧すると、積
分器が適切に安定化し、性能の低い装置に対して
よく作用する。然し、電動機の運転に急速な変化
が必要な高性能の装置では、こういう問題が起り
得る。これは、どちらのブリツジを次に点弧する
かの決定を、適正な点弧角を計算することが出来
る位の時間で下さなければならない様なデイジタ
ル形装置の場合、特にそうである。ブリツジがこ
の様に交互に点弧する様式にある時に起る問題と
して、点弧回路を左右する電圧指令信号が、電動
機に更に大きいトルクを必要とする時までは、ゼ
ロ・トルク・レベルの近くにある。ブリツジの実
際の導電を制御する点弧回路が、指令信号が要請
している方向とは反対の方向にセルを点弧する行
動に出たばかりである場合、この行動の起つた方
向に別の点弧が行なわれるまで、実際の指令電圧
に応答することが出来ない。即ち、行動を起した
方向を表わすブリツジが最初に点弧してから、所
望の方向の電流を供給するブリツジが点弧を許さ
れる。 この様な中間期間の間、前に説明した積分回路
がその積分動作を続け、それに要する比較的長い
期間は、積分値が所望のブリツジの点弧によつて
過大な電流を指示する程大きくなることがある。
この結果生ずる電流が、ヒユーズを飛ばしたり或
いはブリツジのサイリスタを破壊すると云う損傷
を起す程大きくなくても、一層小さい電流を指示
する電流応答を招き、装置全体は振動状態に追い
込まれ、これは最終的には過電流による故障を招
く惧れがある。 発明の要約 従つて、この発明の目的は、改良された直流電
動機駆動装置の制御方法を提供することである。 別の目的は、高性能の両方向直流電動機駆動装
置に対する制御方法として、安定であると共に、
所要トルクが非常に低い期間の間、逆転様式で動
作する制御方法を提供することである。 別の目的は、所望トルクの小さい時に逆転する
形式の直流電動機駆動装置に、一層大きなトルク
の電動機出力への速やかな切換えが出来る様な形
で、電動機に電力を印加する方向ぎめ方法を提供
することである。 別の目的は、低トルク様式で直流電動機を制御
する方法として、大きな電流サージや故障状態を
招くことなく、大トルクの動作様式に切換えるこ
との出来る方法を提供することである。 この発明では、上記並びにその他の目的が、ブ
リツジの動作を指示する信号が方向が変化してい
て、その為に最後に点弧した変換器からの電流を
増加させる場合、ブリツジの反転方式を許さない
様な方式によつて達成される。即ち、電動機電流
が不連続様式にある時、指令信号を、ブリツジを
導電させるのに最後に使つた信号の指標と比較
し、この比較（差を求める）の結果として、比較
に基づいて、１つのブリツジを導電させることの
可否を決定する評価を下す。 この発明は特許請求の範囲に具体的に記載して
あるが、この発明は以下図面について説明する所
から、更によく理解されよう。 詳細な記載 第１図には電動機負荷１０に対する逆転形電源
が示されている。これは、線路L₁，L₂，L₃で表
わした３相交流源に対して逆並列に接続された２
つの制御整流器ブリツジ（順方向及び逆方向）で
構成される。第１図では、各々の制御整流器（以
下サイリスタと呼ぶ）が３つの記号から成る符号
で表わされる。この符号が、ブリツジに対する正
又は負の関係、源に対する接続、並びに順方向ブ
リツジに属するか逆方向ブリツジに属するかを表
わす。例えば、３つの記号から成る符号Ｎ１Ｒ
は、このサイリスタがブリツジの負の半分にあ
り、線路L₁に接続されていて、逆方向ブリツジ
に属することを意味する。同様に符号Ｐ２Ｆは、
この特定のサイリスタがブリツジの正の半分にあ
り、線路L₂に接続されていて、順方向ブリツジ
に属することを意味する。周知の様に、ブリツジ
の種々のサイリスタが点弧する（導電させられ
る）時刻を入力の交流源の位相に対して制御する
ことにより、電動機負荷１０に対する電力の大き
さ並びに方向を制御して、直流電動機を所望の速
度で何れの向きにも回転させることが出来る。こ
の種のブリツジ動作は基本的には周知であるか
ら、これ以上説明する必要はないと思われる。 第２図にはこの発明を利用し得る典型的な制御
方式が示されている。第２図に示す場合、電動機
負荷１０には両方向電力変換器１２から端子電圧
Ｅ_Dが供給される。この電力変換器は第１図に示
した２つのブリツジであつてよい。図示の様に、
変換器１２が線路L₁，L₂，L₃から交流電力を受
取ると共に、点弧回路１４によつて制御される。
後で更に詳しく説明するが、この点弧回路は適当
なマイクロプロセツサ１６（例えばインテル8748
マイクロプロセツサ）を含んでいて、これが入力
信号（後で説明する）に応答して、ゲート回路１
８に印加される適当な信号を発生し、これらの回
路から線２０に出る出力が変換器１２内にあるサ
イリスタの種々のゲート電極に印加される様にな
つている。この種の動作は周知であり、普通、位
相制御と呼ばれる。マイクロプロセツサ部分は、
入力線路L₁，L₂，L₃の電圧に対するサイリスタ
の点弧の適当な時刻を計算して、電動機に所望の
電力を供給する様にプログラムされる。第２図
で、点弧時刻を制御する信号はＶ_FCと記されてお
り、適当な積分回路２２の出力として点弧回路１
４に印加される。 積分回路２２が適当な源から指令信号を受取
る。この実施例では、この源が制御装置２４とし
て示されており、これが線２８に指令信号を発生
する。この場合、指令信号は電動機に対する所望
の電圧に比例する値を持つ電圧信号である。線２
８の信号が抵抗３０を介して演算増幅器２６の反
転入力に印加される。演算増幅器２６の出力と反
転入力の間にコンデンサ３２が接続されていると
共に、抵抗３４を介してその反転入力に第２の信
号を受取る。公知の様に、演算増幅器２６の出
力、即ち積分回路２２の出力（制御信号Ｖ_FC）
は、抵抗３０，３４を介して印加された入力の積
分である。電動機の端子電圧Ｅ_Dを表わす帰還信
号が取出され、この電圧が適当な隔離回路３６に
印加される。図示の様に、信号Ｅ_Dが２つの抵抗
３８，４０を介して演算増幅器４２の反転及び非
反転入力に印加される。非反転入力は抵抗４４を
介して大地にも接続されている。帰還抵抗４６が
演算増幅器４２の出力と反転入力の間に接続され
ている。この為、隔離回路３６の出力である線４
８には、電動機の端子電圧に比例する信号が現わ
れ、この信号が抵抗３４を介して演算増幅器２６
に印加される。 第２図に示した所から、積分回路２２が入力２
４からの指令信号を受取ることが理解されよう。
（手動で操作し得る入力を図に示したが、勿論、
この入力は他の論理回路、計算機又は調整器段の
様な任意の適当な源から取出すことが出来る。）
この指令信号が節３３で、電動機の端子電圧に比
例する帰還信号と組合され、この組合せ信号が積
分されて、制御信号Ｖ_FCとなる。信号Ｖ_FCがデイ
ジタル数に変換されて点弧回路１４のマイクロプ
ロセツサ１６に印加され、マイクロプロセツサは
この信号を任意の許容し得る公知の形式で（例え
ばバイアスつき余弦点弧方式で）利用して、ゲー
ト回路１８を制御する。このゲート回路が変換器
１２のサイリスタの点弧を製御する。 これ迄の説明から判る様に、この発明は電動機
電流が不連続である時にだけ用いられる。不連続
電流を判定する１つの方法は、変換器１２を電動
機負荷１０に接続する線の途中に何等かの電流感
知装置を入れることである。然し、この様な電流
感知装置は非常に高価である場合が多く、今の場
合の様に、感知しようとする電流が非常に小さ
く、負荷が誘導性である為に、大きな過渡電圧を
持つ傾向がある場合、特にそうである。不連続電
流を判定する別の１つの方法は、ブリツジ内の全
てのサイリスタが非導電である時を感知すること
である。この作用を遂行するのに適した１つの手
段が第３図に示されている。 第３図に示す様に、１対のサイリスタ（例えば
１対のサイリスタＮ３Ｒ及びＰ３Ｆ）の両端の電
圧が差動増幅回路５０に印加される。回路５０は
演算増幅器５２を含み、その出力及び反転入力の
間に帰還低抗５４が接続されている。２つのサイ
リスタの両端の電圧が、適当な倍率抵抗５６，５
８を介して、演算増幅器の入力に夫々印加され
る。増幅器５２の非反転入力は抵抗６０を介して
大地にも接続されている。差動増幅回路５０の出
力が絶対値回路６２に印加される。絶対値回路６
２は従来の典型的なものである。即ち、回路６２
の出力（線６３）は、差動増幅回路５０によつて
感知したサイリスタの電圧が、何れのサイリスタ
Ｎ３Ｒ及びＰ３Ｆも導電していないことを表わす
のに十分な大きさの値である時には、何時でも適
当な大きさの正の信号になる。線６３の信号が適
当な比較回路（これも演算増幅器形の差動増幅器
であつてよい）の一方の入力となる。この比較回
路は、サイリスタＮ３Ｒ及びＰ３Ｆのどちらも導
電していない時に線６３に出る信号に対応する大
きさを持つ閾値電圧を第２の入力として受取る。
この為、線６３の出力がこの閾値を越える時に
は、何時でも比較回路７４が正の出力信号を発生
して、適当なフリツプフロツプ（単安定マルチバ
イブレータ）７６のセツト入力Ｓに印加し、この
ブリツプフロツプをセツト状態にする。フリツプ
フロツプ７６のリセツト端子Ｒがマイクロプロセ
ツサ１６（第２図）からリセツト信号を受取る。
マイクロプロセツサからのリセツト信号は、変換
器１２（第２図）に対して点弧信号が供給される
度に発生される。従つて、変感器１２の何れかの
サイリスタを相次いで点弧する合間の時間に、２
つのサイリスタの両端の電圧が特定された閾値を
越えて、両方のサイリスタが同時に非導電である
ことを表わす時、フリツプフロツプ７６がセツト
され、フリツプフロツプ出力が２進０になるこ
とが判る。 変換器１２の各対のサイリスタが、第３図に示
す様な導電状態検出器を持つ。この為、マイクロ
プロセツサ１６は、この様な６個の検出器全部を
見ることにより、６つのフリツプフロツプの夫々
の出力を見ながら、所定の期間の間、全てのサ
イリスタが非導電であることを判定することが出
来る。全ての出力が２進０であれば、この期間
の間、電流が不連続であつたことになる。 この発明を用いる適当な背景を説明したので、
次に第４図及び第５図と明細書の終りに付した表
Ａとについて説明する。 最初に第４図について説明すると、上側のグラ
フは線路L₁，L₂，L₃の相間電圧の細い線で示
し、電動機の端子電圧を太い線で示す。この特定
の場合、相間電圧に対する電動機の端子電圧の位
置の為、電動機が回転していることが判る。 （電動機が動かなければ、点t₄より左側の端子
電圧はゼロ軸に沿つている。）時刻t₅より前に、
電動機からは実質的に何等トルクが供給されな
い。第４図の真中のグラフは制御電圧Ｖ_FCであ
り、下側のグラフは電動機Ｉ_Mである。t₀からt₄ま
での期間には、これ迄説明した所に従つて、電動
機に対し非常に小さな電流パルスが交互の方向に
印加されていることが判る。 各々の時判t₁に、次に述べる様な事象が起る。
最初に、マイクロプロセツサ内の割込みタイマが
セツトされて、或る経過時間の後に割込みを発生
する。この発明の特定の１実施例では、この期間
が時刻t₁から電気角で約27゜後である。この期間
は、電流が不連続になることが起るとすれば、こ
ういう電流を不連続状態にするのに十分にし、然
もマイクロプロセツサが、必要な場合、進み点弧
角を計算するのに適切な時間が得られる位に早期
に選ぶ。更に、各々の時刻t₁に、制御電圧Ｖ_FCを
適当なアナログ・デイジタル変換器（図に示して
ない）から読取り、その値を記憶位置VRROLD
（付表Ａ参照）に貯蔵する。更に、第１図の変換
器１２内の選ばれたセルをそれまでに計算した点
弧角に従つて点弧し、図示の小さな電圧パルスを
発生し、サイリスタ感知フリツプフロツプ７６
（第３図）をリセツトする。 各々の時刻t₂に、次に述べる事象が起る。先づ
サイリスタ感知フリツプフロツプを読取る。この
時電流が連続していなければ、フラグをセツトし
て不連続動作を表示する。（このフラグは単に特
定された記憶位置の特定のビツトであつてよ
い。）更にこの時、指令電圧Ｖ_FCを再びアナロ
グ・デイジタル変換器から続取つて、どのサイリ
スタを点弧するか並びに点弧時刻の計算を開始す
る。この点弧時刻情報を使つて、次の点弧用割込
み（これは時刻t₃に起る）に対して計算器に装入
する。この動作様式（一定のＶ_FC）では、時刻t₃
は時刻t₁が発生してから電気角で約60゜後に発生
する。感知フリツプフロツプを再びリセツトす
る。 t₃と記した全ての時刻に、全てのサイリスタ感
知フリツプフツプを読取る。全てのサイリスタが
オフであれば、即ち、全ての出力が２進０であ
つて、不連続フラグがセツトされていれば、この
時逆転を許す。全てのサイリスタがオフであると
表示されない場合、即ち、不連続フラグがセツト
されていない場合、電流は不連続ではなかつたの
であり、通常のサイリスタの点弧が必要である。
逆転を許す場合、次にこの発明の方向ぎめ論理を
実行する。指令信号Ｖ_FCをアナログ・デイジタル
変換器から読取つて、位置VRROLDにあるＶ_FC
の貯蔵された値と比較する。（新しい値は、プロ
グラムの次のパスで、位置VRRCLDに貯蔵され
る。）Ｖ_FCの新しい読みＶ_RRと位置VRROLDにあ
る前に貯蔵した値との間の差が信号△Ｖ_FCであ
り、次の判定を下す為にこれを評価する。 １ △Ｖ_FC＝０、逆転を許す ２ △Ｖ_FCが正であつて方向が順方向である。逆
転せず、同じ方向のセルを点弧する。方向が逆
方向であれば、逆転を行なう。 ３ △Ｖ_FCが負であつて方向が逆方向である。逆
転しない。方向が順方向であれば、逆転を行な
う。 時刻t₄より左の状態では、信号Ｖ_FCの変化がゼ
ロであり、従つて逆転を許した。時刻t₄に、信号
Ｖ_FCが正の向きに移動し始め、電動機からのトル
ク出力が必要であることを表わす。この為、時刻
t₅及びt₆に、不連続状態によつて逆転をすること
が出来るが、△Ｖ_FCが増加していて方向が順方向
であるから、方向ぎめ論理は逆転を許さないこと
が判る。時刻t₆の後、電流が連続的になり、順方
向の点弧が普通の様に行なわれる。 第４図の下側のグラフは電動機電流を示す。最
初の２回の時刻t₁の各々の時、電動機に対して反
対方向の小さい電流が供給されるが、時刻t₅より
後、電動機電流が増加し始め、時刻t₆より後には
連続的になることが判る。 第５図のチヤートは上に述べた動作を例示して
おり、上側のブロツクで、△Ｖ_FCの値が計算され
ることが判る。次に△Ｖ_FCがゼロであるかどうか
が判定され、ゼロであれば、前に述べた逆転を許
す。ゼロでなければ、相対的な極性即ち正か負か
に応じて、一方又は他方のブランチを通つて、方
向の判定ブロツクに行く。（方向とは、最後に点
弧したブリツジを指す。）これらの判定ブロツク
の出力に従つて、逆転を許し又は許さない。何れ
の場合も、Ｖ_FCの値が点弧角を決定し、順方向又
は逆方向ブリツジのどちらを使うかの判定はこの
発明に従つて下される。 付表Ａは、インテル8748マイクロプロセツサを
用いたこの発明の実施例で使われた実際のプログ
ラムを示す。このプログラムの直ぐ下に示した記
号は、プログラムに使われた用語である。 現在この発明の好ましい実施例と思われるもの
を図示し且つ説明したが、当業者にはいろいろな
変更が考えられよう。従つて、この発明がこゝに
図示し且つ説明した特定の方法に制約されるもの
ではなく、特許請求の範囲の記載に含まれるこの
発明の範囲内で、種々の変更が可能であることを
承知されたい。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は従来典型的に行なわれている様な、電
動機に電流を供給する逆並列に接続した２つの整
流器ブリツジを示す回路図、第２図はこの発明を
利用し得る様な典型的な電動機駆動装置を一部分
ブロツク図で示す回路図、第３図はこの発明に使
うことの出来る様な、不連続電流を検出する為に
利用し得る１つの方式を示す回路図、第４図はこ
の発明を説明する為のグラフ、第５図はこの発明
の好ましい実施例に使われる基体的な方法を例示
するフローチヤートである。 主な符号の説明、１０：電動機、１２：電力変
換器、１４：点弧回路、２２：差動増幅回路、２
４：制御装置、３６：隔離回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低トルク状態では電動機に対して交互に電流
   を供給する様に制御される第１及び第２の整流ブ
   リツジを介して３相交流源から電動機に対して電
   動機電流を供給する様な形式の直流電動機駆動装
   置に用いて、前記ブリツジを制御する方法に於
   て、電動機の所望の動作レベルを表わす指令信号
   を発生し、電動機の端子電圧に批例する帰還信号
   を発生し、前記指令信号及び前記帰還信号を組合
   せて組合せ信号を取出し、該組合せ信号を積分し
   て制御信号を発生し、電動機電流が不連続である
   かどうかを判定し、該電動機電流が不連続である
   場合、第２のブリツジを導電させた後に第１のブ
   リツジを次に導電させてもよいかどうかを判定
   し、該判定する工程は、最後に導電させた第２の
   整流ブリツジの指標を保ち、前記第２のブリツジ
   が最後に導電させた大体の時刻並びにその後の時
   刻に於ける前記制御信号の値の差を決定し、前記
   保持した指標並びに前記制御信号の値の差に基づ
   いて、前記第１のブリツジを次に導電させること
   の可否を評価する工程から成り、更に、前記判定
   する工程によつて可と判定された場合にだけ、前
   記第１のブリツジの導電を許す工程から成る方
   法。 ２ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、
   各々のブリツジが複数個の制御整流器を含み、電
   動機電流が不連続であるかどうかを判定する工程
   は、交流電流源の位相に対して少なくとも１つの
   所定の時刻に、該ブリツジの全ての整流器が非導
   電状態にあるかどうかを決定する工程から成る方
   法。 ３ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記第１のブリツジを導電させることの可否を評価
   する工程が、前記制御信号の値の変化の方向を決
   定し、該変化の方向がゼロであるか、又は前記第
   １のブリツジを導電させることによつて達成され
   る電動機電流の方向に対応する場合、前記第１の
   ブリツジを導電させることを可と決定することか
   ら成る方法。 ４ 特許請求の範囲１又は３に記載した方法に於
   て、前記制御信号の値の差を決定する時、前記後
   の時刻が、前記第２のブリツジを最後に導電させ
   てから電気角で約60゜後である方法。 ５ 直流電動機に順方向及び逆方向電流を選択的
   に供給する順方向及び逆方向制御整流器ブリツジ
   を含んでいて、前記電動機が実質的に小さいトル
   クを供給する動作様式にある時、前記順方向及び
   逆方向ブリツジが交互に導電させられて大きさの
   小さい電流を前記電動機に供給する様な形式の直
   流電動機駆動装置に用いて、前記逆方向ブリツジ
   を最後に導電させた後、前記順方向ブリツジを安
   全に作用させることが出来るかどうかを決定する
   方法に於て、電動機の所望の動作レベルを表わす
   指令信号を発生し、電動機の端子電圧に比例する
   帰還信号を発生し、前記指令信号及び前記帰還信
   号を組合せて組合せ信号を取出し、該組合せ信号
   を積分して制御信号を発生し、電動機電流が不連
   続であるかどうかを判定し、前記逆方向ブリツジ
   を最後に導電させた大体の時とその後の時に於け
   る制御信号の値の差を決定し、前記値の差が実質
   的にゼロであるか或いは正の値を持つ場合、前記
   順方向ブリツジを作用させることを許す工程から
   成る方法。 ６ 特許請求の範囲５に記載した方法に於て、前
   記制御信号の値の差を決定する時、前記後の時
   は、前記逆方法ブリツジを最後に導電させてから
   電気角で約60゜後にする方法。 ７ 直流電動機に対して順方向及び逆方向電流を
   選択的に供給する順方向及び逆方向制御整流器ブ
   リツジを含んでいて、前記電動機が実質的にトル
   クを供給しない動作様式にある時、前記電動機に
   対して大きさの小さい電流を供給する為に前記順
   方向及び逆方向ブリツジを交互に導電させる形式
   の直流電動機駆動装置に用いて、前記順方向ブリ
   ツジを最後に動作させた後、前記逆方向ブリツジ
   を安全に作用させることが出来るかどうかを決定
   する方法に於て、電動機の所望の動作レベルを表
   わす指令信号を発生し、電動機の端子電圧に比例
   する帰還信号を発生し、前記指令信号及び前記帰
   還信号を組合せて組合せ信号を取出し、該組合せ
   信号を積分して制御信号を発生し、電動機電流が
   不連続であるかどうかを判定し、前記順方向ブリ
   ツジを最後に導電させた大体の時とその後の時と
   の間に制御信号の値の差を決定し、前記値の差が
   実質的にゼロであるか或いは負の値を持つ場合
   に、前記逆方向ブリツジを作用させることを許す
   工程から成る方法。 ８ 特許請求の範囲７に記載した方法に於て、前
   記制御信号の値の差を決定する時、前記後の時
   は、前記順方向ブリツジを最後に導電させてから
   電気角で約60゜後にする方法。