JPS63107481A - ４象限チヨツパの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は４象限チョッパの制御方式に関し、特に直流電
動機の高速応答、高効率回転、正逆回転制御に適し、イ
ンバータにも容易に応用することができるものである。

〈発明の概要〉 本発明はトランジスタチョッパ等の直流チョッパを用い
て、直流他励電動機等の逆起電力を持つ負荷を駆動する
場合、負荷電流の連続・不連続、或いは電流正負方向に
かかわらず、負荷の端子電圧の平均値を設定値に保つこ
とができ、且つ設定値を正負にわたって連続的に変化す
る場合も自動的に且つ速やかに負荷の端子電圧の平均値
がこれに追従するいわゆる４象限チョッパの制御方式を
提供するものである。

〈従来の技術〉 第１２図乃至第１９図には、それぞれ従来の第一象限〜
第四象限単独の動作をする４種類のチョッパの回路構成
とその特性を示している。ここで負荷となっている電動
機Ｍは、第２０図のような等価回路、すなわちインダク
タンスＬａ　、抵抗Ｒａ。

逆起電力Ｅｎの直列回路で表わされるものとする。

負荷電圧はＡ端子を正とし、負荷電流はＡ端子−Ｂ端子
の方向を正とする。トランジスタは非常に速い周期でオ
ンオフし、オン期間の占める割合すなわちデユーティフ
ァクタはαで表わす。

第１２図及び第１３図は第一象限チョッパの例である。

第１２図はチョッパの構成図、第１３図はαが一定での
電圧電流特性である。トランジスタＴｒｌは、１周期の
うちαだけオンにドライブされ、夏−αの期間オフにド
ライブされる。負荷電圧は、オンの期間は直流電源電圧
Ｅ５に、オフの期間はダイオードＤ２に電流が流れるの
でＯになる。したがって平均電圧はαＥ、となる。しか
し軽負荷で逆起電力が大きくなると、電流不連続すなわ
ちオフの期間中Ｄ２に電流が流れ続けないで途中で電流
が零となり、逆起電力が端子に現われる。平均電圧はα
Ｅｓより上昇するようになり、αによる電圧制御特性は
直線にならない。第１２図のチョッパでは、αをどのよ
うに変えても、逆起電力がどのように変化しても、負荷
電圧および負荷電流は必ず正であるから、特性の存在範
囲は第１３図に示すように第一象限に限られる。

第１４図及び第１５図は第二象限チョッパの例である。

トランジスタＴｒ２がオンのとき、負荷の逆起電力によ
ってＬａ、Ｒａを流れる電流−ｉ３が増加し、Ｔｒ２が
オフの期間に一１ａはＤＩを通じて流れ、電源Ｅ５に電
力を回生ずる。逆起電力Ｅｎは電源として動作するので
、電動機Ｍは発電機として働き、回生制動となる。瞬時
電圧ｖａはＴｒ２がオンのときＯとなり、Ｔｒ２がオフ
でＤＩがオンの期間はＥ５となる。したがって平均電圧
ｖａは（１−α）Ｅ８となる。電流が不連続となると、
Ｔｒ２がオフの期間中Ｄ２に電流が流れ続けないので、
オフの間ｖａをＥ５に保つことができず、電流連続のと
きよりｖａは小さくなる。平均電流−Ｉａは（Ｅｎ−ｖ
ａ）／Ｒａ　に等しく、αにより任意の値に制御できる
。第二象限チョッパは昇圧チョッパと呼ばれ、等制電源
Ｅｎより高圧の高い等価負荷Ｅ５に電流を流すことがで
きる。

第１６図及び第１７図は第三象限チョッパの例である。

電動機ＭのＡ端子を電源負端子に接続し、Ｂ端子に第１
２図のＴｒｌ、Ｄ２と対称的配置されたＴｒｙ、Ｄ４が
同様に動作する。平均電圧、平均電流共に負の値になり
、特性は第１７図のように第三象限に現われる。Ｂ端子
の電圧が高い方が、グラフの上ではよりマイナスに描か
れる。負荷が電動機の場合は、第一象限とは逆の回転方
向に駆動されている。

第１８図及び第１９図は第四象限チョッパの例である。

トランジスタＴｒ４とダイオードＤ３は、第１４図のＴ
ｒ２とＤｌとは対称形に配置されている。負荷の逆起電
力は負で、直流電動機ならば逆方向に回転している状態
にあり、電流は正方向であるから、電動機の発生トルク
は正方向で、電動機は発電機として動作し、制動されて
いる。電源Ｅ５の電流はトランジスタＴｒ４がオフのと
きダイオードＤ３を通じて流れ、電力を回生じている。

すなわち逆回側回生制動の昇圧チョッパであり、特性は
第１９図のようにｖａが負、Ｉａが正の第四象限のみで
動作する。

１個の負荷たとえば直流他励電動機を１つの直流電源で
４象限にわたって制御する必要がある場合、スイッチン
グ素子はトランジスタＴｒｌ＝Ｔｒ４゜ダイオードＤ１
〜Ｄ４を単相ブリッジインバータ接続し、所定のトラン
ジスタをオンまたはオフまたは所定のデユーティファク
タでオン・オフすることによって、４象限のチョッパ制
御を行なうことができる。

従来、直流他励電動機をチョッパによって４象限運転す
るには、どの象限で動作すべきかを、回転速度、電流を
測定することによって判断し、第１２図乃至第１９図の
動作回路に切り換えて、デユーティファクタαによって
負荷電圧または負荷電流全制御する方法がとられて来た
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし、この方法では次のような欠点がある。

■　第一象限と第二象限または第三象限と第四象限で特
性が連続しない。それぞれの象限でαと（ｌ−α）を対
応させても、電流不連続の状態では特性が一致しない。

■　象限によって動作回路を切り換えるとき、短絡回路
を形成したり、異常に電流が増加したりしないように、
一定時間すべてのトランジスタをオフとし、電流の減衰
を持つ必要がある。

このような欠点のために、複数の象限にわたる動作をさ
せると、動作回路切り換えに時間がかかり、速い応答の
動作は望めず、また特性が連続しないので切り換え時に
衝撃があり、円滑な動作、たとえば電動機の正逆転運転
は困難で、そのうえ、回路が複雑であった。

その他の方法として、チョッパの１サイクル中に複数の
トランジスタをオンオフさせる駆動法、たとえばＴｒｌ
とＴｒ２またはＴｒ３とＴｒ４を交互にオンとする、Ｔ
ｒｌとＴｒ４またはＴｒ２とＴｒ３をそれぞれ同時にオ
ンオフする方法は、電流が不連続にはならないので直線
性のよい制御はできるがオンになるトランジスタを切り
換えるときに短時間の短絡モードが生じたり、負荷に加
わる方形波の電圧が大きかったりして、電力損失が大き
い欠点を有する。

〈発明の目的〉 本発明は、ブリッジ形４象限チョッパの駆動方法に関す
るもので、負荷電圧は象限、電流の連続・不連続に関係
なく設定値に等しくなるので、象限が変っても特性が連
続し、象限切り換え時間は非常に短く、電源短絡の危険
がなく、円滑に動作し得る駆動法を提供するものである
。

本発明は２象限チョッパを駆動する「チョッパ制御方式
」特公昭５６−２５０３号公報を発展させて４象限にわ
たる動作を可能にするものである。

〈実施例〉 第１図は４象限チコツパの構成と、発明の制御方式によ
る駆動回路の実施例を示す。

トランジスタＴｒｌ〜Ｔｒ４．ダイオードＤＩ〜Ｄ４は
ブリッジを構成し、端子Ａ、Ｈの間に負荷電動機を接続
する。

ブリッジ形４象限チョッパの通流素子 注ｌ：１周期中に２つの象限にわたる動作はしない。

注シ：電流の絶対１直が増加する状態をチョッパオンと
する。

注３：Ｅｓ：直流電源電圧 第１表 第１表は第一象限〜第四象限における通流素子を示して
いる。第一象限ではＴｒｌおよびＴｒ４が共にオンのと
きチョッパはオンとなり、瞬時電圧ｖａは＋Ｅ５に等し
く、電流ｉ、はＥ　！ｌ　−Ｔ　ｒ　Ｉ　−Ｍ　−Ｔ　
ｒ　４−　Ｅｓの経路で流れる。チョッパオフの回路は
２つ可能であって、■Ｔｒｌがオフとなり、ｉｇはＭ−
Ｔｒ４−Ｄ２−Ｍに流れるときと■Ｔｒ４がオフで、ｉ
ａはＭ−Ｄ３−ＴｒＩＭに流れるときのいずれかで、い
ずれもｖａ二〇である。Ｔｒ４をオンとし、Ｔｒｉをオ
ンオフすることで第１２図の回路が形成される。Ｔｒｉ
をオンとし、Ｔｒ４をオンオフしても同様の特性が得ら
れる。

第二象限の動作では、Ｔｒ２をオンオフすると、Ｄ４に
は常に電流が流れ、Ｔｒ２とＤＩには交互に電流が流れ
るので、第１４図のチョッパ回路が形成される。Ｔｒ４
はオンにドライブしておいても支障ない。Ｔｒ３のみを
オンオフしても同様の特性が得られる。このときはＴｒ
ｉがオンにドライブされていてもよい。

第三象限の動作は、Ｔｒ２をオンとし、Ｔｒ９をオンオ
フすることで第１６図の回路が形成される。Ｔｒ３’ｚ
オンとし、Ｔｒ２をオンオフしても同様の特性が得られ
る。

第四象限の動作は、Ｔｒ４ｉオンオフすることで第１８
図の回路が形成される。Ｔｒ２をオンにしておいてもよ
いが、電流はＤ２を流れるのでＴｒ２には流れない。Ｔ
ｒｉのみをオンオフしても同様の特性が得られる。この
ときＴｒ３はオンオフどちらでもよい。

第１図の４象限チョッパの制御回路は１個の加算積分器
によって負荷端子電圧すなわち端子Ａ。

端子Ｂの電位差と電圧設定値の差を時間積分し、その積
分出力を４つのヒステリシスコンパレータに加える。コ
ンパレータ１〜４ばそれぞれトランジスタＴｒｌ〜Ｔｒ
４　にオン・オフ信号を供給する。

４つのコンパレータはＥｒ１＝Ｅｒ４　の電圧によって
、あらかじめ入力の動点電圧が違えである。

第°２図は第一象限の動作回路を示している。図でコン
パレータ２〜４の出力は一定でＴｒ２．Ｔｒ３はオフに
Ｔｒ４はオンにドライブされている。第３図は第２図の
動作波形を示している。コンパレータｌの上限はｖｃｌ
ｌで、下限はｖｃｌｏで表わす。

コンパレータ１は入力ＶＣがＶＣ１１以上のときオンと
なり、ｖｃがＶＣ１０以下のときオフとなる。

入力ｖｃがＶ。１１とｖｃＩＯの間にあるときはコンパ
レータｌは変化しない。加算積分器の出方はＲ１の電流
とＲ２の電流の和をコンデンサＣに蓄積したものである
。式で表わすと（１）式となる。

（１）式を（２）式のように変形するとただし、■３　
は電圧設定値 Ｖａ＊＝　−””　ＥＩ Ｉ Ｖ（は負荷電圧の瞬時値ｖａと設定値ｖａ＊の誤差を時
間積分したものである。ｖｃの傾斜はｖａ＊−Ｖａに比
例する。Ｔｒｌがオンの期間はｖａは＋Ｅ５になってお
り、ｖａはｖａ　　より大きいのでｖｃは負の傾斜を持
っており、初期値はＶＣｌｌである。

Ｔｒｌがオンの期間はｖ（”　Ｖ（Ｉ　Ｏになるまで続
くので となる。（４）式の右辺は第３図ｖａ波形上の面積（力
に等しい。ｖｃがコンパレータＩの下限ｖＣ１ｏに達す
るとＴｒｉはオフにドライブされ、チョッパはオフとな
り、電流ｉ、はダイオードＤ２を通じて流れるのでｖ、
＝０となる。誤差電圧ｖａ−ｖａ＊は負となるのでｖｃ
は正の傾斜となる。ｖｃの初期値はｖｃｌｏである。ｖ
（＝ＶＣ＋１になるとコンパレータ］はオンとなりオフ
期間が終るので（５）式となる。（６）式の右辺は第３
図ＶＢ波形上の面積（イ）に等しい。第３図（ｂ）のよ
うに平均電流Ｉａがｉａ２のように小さい場合は、オフ
の期間中の途中でｉａが途切れ、ｉ　ａ＝０となると逆
起電力Ｅｎがｖａ波形上に現われ、ｖ　ａ”　Ｅ　１１
　となり、ｖｃの傾斜は−（ｖａ−ＶＢ＊）に比例して
緩やかになるが、第一象限ではＥｎ＜ｖａ＊であるから
傾斜の極性は変わらない。オフの時間は延びるが、（６
）式で表わされる面積（イ）は電流連続時と同じである
。

（４）式と（６）式を較べて判るように、誤差電圧が作
る正の面積（７）と負の面積（イ）は、コンパレータの
上限と下限の電位差で決まるので、常に等しく、ｖａの
平均値ｖａは常に設定値ｖａ＊に等しく制御され、Ｅｌ
によってｖａ＊を変化したときの応答も非常に速い。他
の象限の動作でも同じことが云える。また、０〈ｖａ＊
＜Ｅ、で且つＥｎ＜ｖａ＊である限り、ｖｃはコンパレ
ータｌの上限、下限の間を往復し、チョッパの動作は第
−象限内にとどまる。第９図は第７図の動作回路におけ
るＶ、対Ｉａの特性を図示したもので、第１図（ｂ）と
比較して、出力電圧ｖａはαで制御されるのではなく、
直接Ｖａ＊Ｉｃ制御され、αおよびチョッパ周期はｖａ
がｖａ＊に等しくなるように自動的に変化する特性は電
流の連続・不連続には無関係である。

第５図は第１図におけるコンパレータ１〜４の上限、下
限電圧の配置の例を示している。フリップフロップ１．
２は入力信号がその−ｉｔ出力しているとしておく。入
力電圧であるｖｃは縦軸にとっである。それぞれのコン
パレータの上限下限の範囲が重ならないようにし、コン
パレータ１，２゜４．３の順になっている。例えばｖｃ
が正から負の方向に変化するならば、最初ｖｃ＞ｖｃｌ
ｌではＴｒｌとＴｒ４がオン状態である。ｖｃが負に変
化するにしたがって、順に、Ｔｒｉ−オフ、　Ｔｒ２→
オン、Ｔｒ４→オフ、Ｔｒ３→オンに変化し、ｖ、くｖ
ｃ３１ではＴｒ２とＴｒ３がオンになっているｏＴｒｌ
とＴｒ２およびＴｒ３とＴｒ４が共にオンとなるｖ（は
なく、または瞬時にオン状態が入れ換わることもないの
で、電源短絡モードは生じない。ｖａ対■３の特性を第
６図に示す。図でｖａが一定になっているのはｖａ＊が
一定のときのチョッパ出力特性で、傾斜しているのはＥ
。一定のときの負荷特性 Ｖ、＝Ｅｎ　＋ＲａＩ、　　・（７） である。出力特性と負荷特性の交点が動作点となる。以
下、象限の移動の例について説明する。

動作点■ Ｅｎ＝Ｅｎｌ、ｖａ＊＝ｖａ１　とすると動作点は第一
象限の■となる。誤差積分ｖｃは第５図■のようにＶＣ
ＩＩとｖｃｌｏの間を往復し、Ｔｒ２．Ｔｒ３はオフ、
Ｔｒ４はオン、Ｔｒｌはオンオフしている。

動作点■−■ ■の動作点で動作している場合から、電圧設定値を変化
してｖａ＊＝ｖａ２に設定した場合を考える。

Ｖａ２は逆起電力Ｅｎｌより小さいので電流は減少し、
Ｔｒｌがオフの期間中にｉ、、＝ｏとなる。ｉｇ＝０で
は逆起電力Ｅｎｌが負荷端子に現われｖａ−Ｅｎｌとな
る。ｖａ−■、＊は正であるからＶＣは負の傾斜となり
、ＶＣは再びＶＣＩ　１に達することなく減少し、Ｔｒ
ｉはオフのままである。時間が経過してｖｃがコンパレ
ータの下限ｖｃ２１Ｖｃ達するとＴｒ２がオンになって
チョッパオフとなり電流ｉａはＥｎ−Ｔｒ２−Ｄ４−Ｅ
ｎに流れるようになり、ｖａ＝０となる。Ｖａ−ＶＢは
負であるからｖｃは正の傾斜で上昇する。ｖｃが■、２
０に達すると、Ｔｒ２はオフにドライブされ、チョッパ
はオフで電流はＥｎ−ＤＩ−Ｅ５−Ｄ４−Ｅｎに流れ電
源に電力を回生ずる。そのとき、ｖａ＝Ｅ５　となって
いるのでｖａ−ｖａ＊は正で、ｖｃは負の傾斜でｖｃ２
１に向って変化する。電流不連続で、チョッパオフの期
間中て１ａ＝０となり、端子に逆起電力が現われてｖ、
＝Ｅｎｌになってもｖａ−ｖａ＊が正であるからＶ、は
負の傾斜でｖｃ２１に向う。このように、ｖｃはＶ。２
０とｖ、２１の間を往復しコンパレータ２によってＴｒ
２のみがオン・オフし、負荷電圧平均値ｖａはＶａ＊（
”Ｖ　ａ　２　）に等しく制御され、動作点は■となる
。負荷電動機は正回転で回生制動されている。第二象限
の動作である。

動作点■−■ 負荷の逆起電力Ｅｎｔ／１Ｅｎ１のままで、電圧設定値
ｖ、＊をＶａ３（ただし−Ｅ５〈Ｖａ３〈Ｏ）に変えた
とする。このとき、Ｔｒ２がオフすなわちｖａ＝Ｅ、で
あっても、Ｔｒ２がオンすなわちｖ　ａ＝　０であって
も、誤差電圧ｖａ−ｖａ　は正となり、ｖｃの傾斜は負
となって、Ｖｏ３１の方に移動する。途中でコンパレー
タ４の下限ｖｃ４０を横切り、Ｔｒ４はオフにドライブ
されるが、電流はＤ４を流れているので、チョッパの動
作には関係がない。ＶＣがｖｃ３１に達するとＴｒ３が
オンになり、Ｔｒ２はすでにオンになっているので電流
ｉａはＥ、−Ｔｒ３−Ｍ−Ｔｒ２−Ｅ、に流れｙａ：＝
−Ｅｓとなる。ｖａ−ｖａ＊は負となり、ＶＣは正の傾
斜となる。ｖｃがｖ、３０に達すると、Ｔｒ３はオフと
なり、ｉｌはＭ−Ｄ４−Ｔｒ２−Ｍに流れ、ｖａ二〇と
なる。ｖａ−Ｖａ＊は正となり、ｖｃは負の傾斜となっ
てｖｃ３１に向って変化する。動作点は■となっている
。

ｖａ＜Ｏ，Ｉ３＜０であるから第三象限で逆転駆動であ
る。チョッパのオンオフはＴｒ３のオンオフと同じであ
る０端子電圧ｖａはＶａ　（”Ｖａ８　）に制御される
。

動作点■−■ Ｖａ＊＝Ｖａ３のままで、負荷の逆起電力ＥｎがＥｎ２
に変化したと考える０ ■の動作点でけＥｎｌ〉ｖａ＊で電流ｉａは負方向に流
れていたが、Ｅｎ２＜ｖａ＊ではＭの端子電圧より逆起
電力の方が小さいので、電流は正の方向に変化しようと
し、必ずＴｒ３オンオフに１ａ＝Ｑの期間を生じる。ｉ
　ａ＝０のとき、ｖａ＝Ｅｎとなるので、ｖａ−Ｖａ＊
は負であって、ｖｃは正の傾斜で変化する。ｖＣは再び
Ｖｃ３１に達することなくｖｃ４１まで変化し、Ｔｒ４
がオンとなる。電流ｉ３はＭ−Ｔｒ４−Ｄ２−Ｍの回路
でＥｎを電源として正方向に流れる。このとき、ｖａ＝
０であるからＶａ−ｖａ＊は正で、ｖｏは負の傾斜に変
わる。ｖｃがｖｃ４０に達するとＴｒ４はオフで電流は
Ｍ−Ｄ３−Ｅ、−Ｄ２−Ｍに流れ電力をＥ５に回生する
。ｖａ＝−Ｅ、で、ｖａ−ｖａ＊は負、Ｖ（の傾斜は正
となり、以下動作点は■でＶ。はｖｃ４１とｖｃ４０の
間を往復する。ｖａは負、■８は正で、逆転回生制動、
第四象限の動作となる。

動作点■−■ ■の動作点にあるとき、逆起電力Ｅｎ８はそのままで、
電圧設定値ｖａ＊をＶａ３からＶａ２（ただし０〈Ｖａ
２＜Ｅ５）に変えたとする。

Ｔｒ４がオン（ｖａ＝Ｏ）であってもオフ（ｖａ＝−Ｅ
５）であっても、Ｖ３−ＶＢ＊は負となり、■、の傾斜
は正で、ＶＣはｖｃｌｌに向って変化する。

Ｔｒ４はオン（ｖａ　＝Ｏ）となり、Ｔｒ２はオフとな
り、ｖｃが■ｃ１１に達してＴｒｌがオンとなって、ｖ
ａ−ｖａ＊が正となり、ＶＣの傾斜は負に変わる。ｖｃ
はＶＣＩＩとＶＣｌｏの間を往復し、第一象限の動作と
なる。

このように、電圧設定値と負荷の関係によって、オンオ
フ動作をするコンパレータが自動的に移り換わり、自動
的に必要なトランジスタをオンオフさせ、また、それぞ
れどの象限においても同一の加算積分器によって、電圧
設定値と負荷電圧の誤差積分を行なうので、負荷電圧の
平均値は設定値に特しく制御される。特性は完全に連続
で象限が変化するときの特性変化による衝撃はない。

第１図の構成におけるコンパレータ１〜４の上限、下限
電圧の順序を変えることによって、チョッパの動作がど
のようになるかを説明する。

第７図は、コンパレータＩ〜４の上限下限電圧を第５図
の順序とは違う構成にしたもので、それぞれの上限電圧
を接近させ、また、下限電圧も接近させている。動作点
■〜■は第５図および第６図の動作点■〜■に対応して
いる。動作点■では、まず、ｖｃがｖｃｌｌに達し、Ｔ
ｒｉがオンになるときは、コンパレータ２は必ずオフの
入力となり、Ｔｒ２は必ずオフになっている。Ｔｒｉが
オンになるとｖｃは減少し、ｖｃがｖｃｌｏに達してＴ
ｒｉがオフになる。Ｔｒｉがオフになるとｖｃは増加す
る。これを繰返してｖｃはＶ。１１とｖｃｌｏの間を往
復する。第一象限でのｖｃは、Ｔｒ２がオンとなるｖｃ
２１には達することがない。第５図の動作点■とまった
く同じである。動作点が他の象限に移動するときも、第
５図と同じ順序で動作する。

各コンパレータの動作電圧が接近しているので、動作点
が象限を移動する時間が第５図の場合よりも非常に短く
なっている。

しかし、第５図の場合よりやや信頼性が小さい欠点があ
る。例えば動作点■で、通常はＴｒｉとＴｒ２が共にオ
ンにドライブされることはないが、ＴｒｌがオンでＶＣ
がＶ　（１０＜　ｖｃ　＜　Ｖ２０　の間にあるとき、
コンパレータ２はヒステリシス領域にあるので、もしノ
イズ等で誤動作しオンに変化すると、ＴｒｌとＴｒ２が
同時にドライブされることになる。ＴｒｉとＴｒ２によ
る電源短絡は、フリップフロップ１により防止される。

フリップフロップ１はＲＳフリップフロップを構成し、
その真理値は第２表で表わされる。

第２表 正常動作では状態１．２（第一象限）または状態２，３
（第二象限）の動作であるからフリップフロップｌの出
力はコンパレータ１，２の出力に従っている。誤動作で
状態４になったときはフリップフロップ出力は変化せず
、すなわち状態１または３の出力となっているのでＴｒ
ｉ、Ｔｒ２の短絡は防止される。フリップフロップ２は
、同様に、Ｔｒ３とＴｒ４の短絡を防止し、信頼性を向
上している。

第８図は、コンパレータＩ〜４の上限下限電圧を第５図
の順序とは違う他の構成としたもので、コンパレータ４
の上限下限の中にコンパレータ１の上限下限が入ってお
り、コンパレータ３の上限下限ノ中にコンパレータ２の
上限下限が入っている。図で示した動作点■〜■は第６
図の動作点０〜■に対応している。

動作点■ 動作点■では、Ｔｒ４がオンになっていれば、ＶＣはｖ
ｃｌｌとＶ。１０の間を往復し、Ｔｒｌをオンオフする
。もし、Ｔｒ４がオフであれば、Ｔｒｉがオンになって
も負荷に電流が流れないのでＥｎが端子に現われてｖａ
＝Ｅｎｌ　となり、ｖａ−ｖａ＊は負であるからｖｃは
正の傾斜でｖｃｌｌを越えて更に上昇し、ＶＣ４１まで
達してＴｒ４をオンにする。

Ｔｒ４がオンになれば通常の第一象限の動作となる。動
作点■ではＶ、はｖ、１０より負にならないので、ＶＣ
４０に達することがなく、Ｔｒ４はオンにドライブされ
たままであるら 動作点■→■ 逆起電力がＥｎｌのままで、電圧設定値ｖａ＊をＶａ２
に変えると第５図と同様の経過で動作点は■となり第二
象限の動作をする。Ｔｒｌ、Ｔｒ４．Ｔｒ３はオフでＴ
ｒ２のみオンオフする。

動作点■→■ 第８図の時刻ｔ２Ｂで電圧設定値ｖａ＊をＶａ２からＶ
ａ３に変えたとする。第二象限では０≦ｖａ≦Ｅｓであ
り、−Ｅ５＜Ｖａ、＜０であ不から、ＶＢ−Ｖａ％正で
、Ｖ（は負の傾斜で変化し、ＶＣ３１に達する。

Ｔｒ３がオンにドライブされるので、Ｖ、はＴｒ２オン
オフＥｓ、Ｔｒ２オフで０であるからｖ　ａ−Ｖａ＊は
負、正に変化し、ｖｃはＶＣ２１，Ｖａ２０を往復し、
Ｔｒ２がオンオフする。動作点■とはＴｒ３がオフにな
っていることのみ異なる。

動作点■−■ 電圧設定値をｔ３２で再びＶａ２にもどしたとすると、
ｖｃは一度ｖｃ３０まで移動し、Ｔｒ３をオフにドライ
ブして、Ｔｒ２のオンオフを継続する。

第二象限の動作にもどる。

動作点■−■ 動作点■にあるとき（Ｔｒ２〜Ｔｒ４オフ、Ｔｒｌがオ
ンオフ）、ｔ４５で電圧設定値をＶａ２のように正の値
にすると、ｖｃは一度ｖｃ４１に達してＴｒ４をオンに
変え、その後はＴｒｌをオンオフして第一象限の動作と
なる。

このように、第８図のようにコンパレータの上限、下限
を配すると、Ｔｒ８．Ｔｒ４は象限が変わるときのみオ
ンまたはオフに変化し、同−象限内での動作中はオンオ
フの動作をしない。ＴｒｌまたはＴｒ２は、どの象限で
もオンオフしてチョッパの動作を行なう。このような動
作では、Ｔ「１゜Ｔｒ２に高速スイッチング素子を用い
れば、Ｔｒｙ。

Ｔｒ４は速度の遅い素子を用いることができる。

その他、コンパレータ１〜４の上限下限電圧を種々に設
定することによって、種々の動作モードによる４象限チ
ョッパを構成することができる。

このとき、短絡しないためにコンパレータ１〜４の上限
下限の間の必要条件は を同時に満足させることである。

第９図は発明の他の実施例で、直流電動機の４象限速度
制御を行ったものである。第９図は第１図（４象限電圧
制御回路）からの変更部分のみ示しである。電圧帰還抵
抗Ｒには直列にコンデンサＣが挿入され、端子Ａ、Ｂ間
の交流成分（方形波）がＯＰアンプの加算点に供給され
る。直流成分に関しては、電動機へ（の軸に取付けられ
た速度発電機ＴＧの出力電圧Ｖ　を抵抗Ｒを通じてＯＰ
アンプの加算点に供給する。

電動機の速度が、Ｖｊ　＝Ｖ（” Ｋなるようにチョッパが■３を変化さぞ、コンデンサＣ
２はＶ、に充電され、定常状態となる。ＶｔをＶごに保
つために必要な電圧ｖａと電流の方向によって電圧制御
の場合と同様に所定のコンパレータが動作して、自動的
に象限が移動する。

第１０図は、第１図の４象限チョッパ制御回路に電流制
限回路を追加したものである（追加部分が示しである。

）０電流ｉｇの検出値（電圧に変換されている）をヒス
テリシス幅持つコンパレータ１■〜４Ｉによって電流設
定値ＩＩ＊〜■４＊と比較し、出力を電圧制御のコンパ
レータｌ〜４（第１図のもの）とアンド回路のアンド１
〜４によって結合したものである。第１１図はその特性
を示す図でアル。コンパレータ！■〜４■は±ΔＩに相
当するヒステリシス幅を持ち、例えばコンパレータＩＩ
では上限−１１＋ΔＩと下限＝Ｉ＋＊−Δ■が設定され
る。

動作例について説明する。まず、電圧ｖａ＊＝ｖａｌに
設定され、Ｉ８は正で特性■の第一象限で動作している
ものとすると、このときコンパレータ２〜４の動作によ
ってＴｒ２．Ｔｒ３はオフ、Ｔｒ４はオン、コンパレー
タ１が動作しＴｒｉはオンオフしている。Ｉ８　がＩ１
　より小さいうちは、−＋３ハコンパレータ１１の下限
に達することがなく、コンパレータＩＩは常にＪｌでア
ンドＩの出力はコンパレータ１の出力に従う。電圧制御
が動作している。

負荷の逆起電力Ｅｎが減少し、負荷電流Ｉａが増加し、
設定値１１　に達すると、Ｔｒｌのオン期間中（コンパ
レータ１の出力が町“であるうち）にコンパレータ１１
の出力が０“になり、Ｔｒｉのオンオフはコンパレータ
１■の出力で制御されるようになる。チョッパの出力特
性は■の定電流特性の上に動作点がくる。負荷電圧Ｖａ
はｖａ＊（＝Ｖａｌ）より小さくなるので、誤差積分値
ｖｃは積分器のＯＰアンプが飽和するまで上昇し、第５
図のようにコンパレータ１，４は常に１１＃を出力する
。ＴｒｌのオンオフはコンパレータＩＩに従い、ｉｇは
１１＋ΔＩと１１−Δ■の間を往復し、ｉＨの平均値■
８は１１　に制御される。いわゆる電流瞬時値制御の動
作である。更にＥｎが小さくなると負荷特性との交点す
なわち動作点のｖａが小さくなり、Ｔｒオンの時間が短
くなる。逆起電力Ｅｎが負になり動作点のｖａがＯＫな
ったとき、Ｔｒｌのオン期間はなくなりＥｎがＤ２とＴ
ｒ４で短絡された状態である。更にＥｎが負になりＩａ
が増加すると１３はＩ４に達し、コンパレータ４■によ
ってＴｒ４がオンオフし特性は◎となる。Ｅ。

が更に負になっていくとＴｒ４のオン時間が次第に短く
なり、したがってｖａはより負となり、ｖａが−Ｅ５と
なったとき、Ｔｒ４もすべての期間オフとなる。Ｄ２と
Ｄ３によってｖａは−Ｅｓより負になることはなく、電
流制限の機能もなくなる。

逆起電力が正方向に増加して行けば、〇−〇−■の特性
上を動作点が移動し、自動的に電圧制御にもどる６　Ｅ
ｎ）　Ｖａｔで特性■の上に動作点があるとき（コンパ
レータ２が動作している）、Ｅｎが増加して、電流が負
方向に増加しＩ２に達すると、特性■、■の場合と同様
に、コンパレータ２から得られる信号のオン時間よりも
コンパレータ２！から得られる信号のオン時間の方が短
いので、アンド回路はオフ優先であるからアンド２の出
力はコンパレータ２Ｉの出力に従う。すなわちチョッパ
の出力特性は■となって電流Ｉａ　　を１２に制限する
。

以上のように、第１５図のように電流制限回路を付加す
ると、電圧設定値が正のときは［Ｆ］−■−の一■−■
−■の特性となり、電流は正、負の値で制限され、負荷
の逆起電力の大きさによって、自動的に第一、第二、第
四象限の動作を行なう。

電圧設定値がＶａ２のように負のときは、特性は■−■
−［Ｆ］−〇−■−［Ｆ］となり、正負の電流制限が行
なわれ、また、自動的に第二、第三、第四象限の動作を
行なう。

このように、電圧制御回路と電流制御回路を、それぞれ
のトランジスタのオンオフ信号の段階で論理回路で結合
することによって、２種の制御回路は、設定値と負荷の
状態によって自動的に、且つ円滑に切換わることができ
る。

〈発明の効果〉 以上説明してきたように、本発明によれば、４象限チョ
ッパの電圧制御を精度よく行う　ことができ、４象限の
動作切り換えは自動的かつ円滑に行なうことができる。

また、応答も非常に速いので、電圧設定値を正弦波とす
れば、正弦波インバータとなり、電動機の速度に容易に
応用することができ、電流制限も効果的に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の回路図、第２図は同実施例
における第一象限の動作回路図、第３図は第２図に示す
回路の波形図、第４図は第２図に示す回路の特性図、第
５図は第１図に示す実施例におけるコンパレータの上限
下限電圧配置の一例と象限切り換わり時の誤差電圧積分
波形図、第６図は同実施例の特性と動作点の説明図、第
７図は同実施例におけるコンパレータの上限下限電圧の
他の配置の例と象限切り換わり時の誤差電圧積分波形図
、第８図は同実施例におけるコンパレータの上限下限電
圧の他の配置の例と象限切り換わり時の誤差電圧積分波
形図、第９図は本発明を応用した直流電動機の４象限速
度制御の回路図、第１Ｏ図は第２の発明として第１図の
回路に付加すべき電流制御用ヒステリシスコンパレータ
と論理回路の接続および回路構成図、第１１図は第２の
発明の制御法による４象限チョッパの出力電圧電流特性
図、第１２図及び第１３図は従来一般の第一象限チョッ
パの回路図と特性図、第１４図及び第１５図は同第二象
限チョッパの回路図と特性図、第１６−図及び第１７図
は同第三象限チョッパの回路図と特性図、第１８図及び
第１９図は同第四象限チョッパの回路図と特性図、第２
０図はチョッパの負荷の等価回路図である。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）第４図 、ｇ ；ス１１１゜ しＪ 第１４　　ン１ Ｏ リ　　　　　　　　　　第　１５　間 第１６　　図 第１８　図 Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　１３〈−ｍ−’ν
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、逆並列ダイオードを持つ第１〜第４のスイッチング
   素子を単相ブリッジインバータ接続し、その負荷端子電
   圧と電圧設定信号の加算積分出力を、上限、下限電圧を
   異にする第１〜第４のヒステリシスを持つコンパレータ
   の入力に加え、この第１〜第４のコンパレータ出力論理
   に応じて、それぞれ前記第１〜第４のスイッチング素子
   をオン／オフに駆動し、前記積分出力のレベル移動によ
   って負荷電流の正負、負荷電圧の正負によってきまる第
   １〜第４象限のそれぞれにおいて、１個の繰返しオンオ
   フ動作をするコンパレータが自動的に選択され、他の３
   個のコンパレータはオンまたはオフの状態となって、前
   記第１〜第４のスイッチング素子が該当象限チョッパを
   構成して負荷電圧を制御し、正または負両方向の負荷電
   流に対して、負荷電圧の平均値を正および負の設定値に
   等しく制御することを特徴とする４象限チョッパの制御
   方式。 ２、負荷電流を検出する手段、電流設定値を与える手段
   をもち、検出された負荷電流を第１〜第４の電流設定値
   と比較するように構成された第１〜第４のヒステリシス
   を持つ電流制御用コンパレータを備え、これらコンパレ
   ータの出力を第１〜第４の電圧制御用コンパレータ出力
   に論理回路で結合し、その論理回路は出力に接続される
   スイッチング素子のオフ論理を優先するもの（アンド回
   路またはオア回路）とし、第１〜第４それぞれの電流設
   定値を、第１〜第４それぞれの電圧制御用コンパレータ
   がオンオフ動作をすべき象限における電流制限値とし、
   負荷電流が正または負に増大し、それぞれの象限の電流
   制限値に達したとき、前記論理回路の出力が自動的に電
   圧制御用コンパレータ出力から電流制御用コンパレータ
   出力に切り替わって負荷電流を制限し、電流が減少する
   ときには自動的に元の回路に復帰することを特徴とする
   ４象限チョッパの制御方式。