(57)【要約】【課題】電磁ブレーキを急制動可能なブレーキ駆動回路を提供する。【解決手段】電磁ブレーキ４の駆動回路５０は、モータ２と、交流電圧を直流電圧に変換し、一対のＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎの間に発生させるコンバータ１０と、直流電圧を交流電圧に変換してモータ２を駆動するインバータ２０と、を備える回路１に使用される。フルブリッジ回路５２は、一対のＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎに接続される一対の電源端子ＶＤＤ，ＶＳＳと、電磁ブレーキ４と接続される一対の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、交流電圧を直流電圧に変換し、一対のＤＣリンクバスの間に発生させるコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換して前記モータを駆動するインバータと、を備える回路に使用される電磁ブレーキの駆動回路であって、
前記一対のＤＣリンクバスに接続される一対の電源端子と、前記電磁ブレーキと接続される一対の出力端子と、を有するフルブリッジ回路を備えることを特徴とする駆動回路。
【請求項２】
前記フルブリッジ回路は、対角に設けられる２個のトランジスタを含む第１トランジスタペアと、対角に設けられる２個のトランジスタを含む第２トランジスタペアと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
【請求項３】
前記フルブリッジ回路は、対角に設けられる２個のトランジスタを含む第１トランジスタペアと、対角に設けられる２個のダイオードを含むダイオードペアと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
【請求項４】
前記電磁ブレーキの解放状態において、前記第１トランジスタペアのスイッチングのデューティ比は、前記電磁ブレーキに印加すべき電圧に応じて調節可能であることを特徴とする請求項２または３に記載の駆動回路。
【請求項５】
前記第１トランジスタペアは始動後の過励磁期間において、（i）固定的にオンされ、または（ii）その後の解放期間における前記第１トランジスタペアのスイッチングのデューティ比より大きいデューティ比でスイッチングすることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の駆動回路。
【請求項６】
制動期間において、前記フルブリッジ回路の前記第２トランジスタペアは、固定的にオンされることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
【請求項７】
制動期間において、前記フルブリッジ回路の前記第２トランジスタペアの２個のトランジスタのうち、少なくとも一方はスイッチングすることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転を停止させる手段として、電磁ブレーキが広く用いられる。電磁ブレーキは機械ブレーキのひとつである。無励磁作動形の電磁ブレーキにおいて、励磁コイルの無通電状態では、アーマチュアがスプリングコイルによってブレーキハブに押し付けられ、ブレーキが働いた状態（保持状態）となる。励磁コイルに電圧が印加されると、電磁石がアーマチュアを吸引し、ブレーキの解放状態となる。このような特性から、無励磁作動形の電磁ブレーキは、非常事態や停電時の安全性を優先すべき用途で多く用いられている。
【０００３】
電磁ブレーキの駆動回路として、普通制動回路と急制動回路が知られている。図１は、普通制動回路の回路図である。整流器１０は、交流電圧を整流する。インバータ２０は、整流器１０が生成した直流電圧ＶＤＣを交流電圧に変換し、モータ２を駆動する。
【０００４】
普通制動回路３０は、スイッチ３２、スイッチ３４、半波整流器３６を備える。普通制動回路３０には交流電圧が供給される。スイッチ３２，３４は解放状態においてオンされており、電磁ブレーキ４の励磁コイルには、半波整流器３６を介して、交流電圧ＶＲＴを半波整流した電圧が印加される。
【０００５】
電磁ブレーキ４を保持状態に切りかえる際に、２つのスイッチ３２，３４がオフされる。スイッチ３２、３４をオフすると、それまで電磁ブレーキ４の励磁コイルに流れていた電流（コイル電流という）は、励磁コイルとダイオードＤ２が形成するループに流れながらある時定数で減衰していく。電磁ブレーキ４は、コイル電流が吸引保持電流を下回ると保持状態となるところ、コイル電流の緩やかな減衰は、ブレーキが利くまでの遅延となる。
【０００６】
急制動回路の開放状態の動作は、普通制動回路と同様であり、励磁コイルに半波整流した電圧を印加する。急制動回路は、電磁ブレーキ４を保持状態に切りかえる際に、励磁コイルへの通電を停止した後、コイル電流が励磁コイルに還流しないように、別経路へと逃がすよう構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平４−１１１２９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３４９３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電磁ブレーキを急制動可能な新規なブレーキ駆動回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、モータと、交流電圧を直流電圧に変換し、一対のＤＣリンクバスの間に発生させるコンバータと、直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、を備える回路に使用される電磁ブレーキの駆動回路に関する。駆動回路は、一対のＤＣリンクバスに接続される一対の電源端子と、電磁ブレーキと接続される一対の出力端子と、を有するフルブリッジ回路を備える。
【００１０】
この態様によると、フルブリッジ回路を介して一対のＤＣリンクバスの直流電圧に応じた駆動電圧を印加することにより、電磁ブレーキを解放することができる。また保持状態では、フルブリッジ回路による電磁ブレーキへの駆動電圧の印加を停止し、このフルブリッジ回路を経由して電磁ブレーキの励磁コイルに流れる電流を、ＤＣリンクバスに回収することにより、急制動が可能となる。また、励磁コイルの電流を、抵抗などで消費させずにＤＣリンクバスに回収して再利用するため、省エネの観点からも優れている。
【００１１】
フルブリッジ回路は、対角に設けられる２個のトランジスタを含む第１トランジスタペアと、対角に設けられる２個のトランジスタを含む第２トランジスタペアと、を含んでもよい。
【００１２】
フルブリッジ回路は、対角に設けられる２個のトランジスタを含む第１トランジスタペアと、対角に設けられる２個のダイオードを含むダイオードペアと、を含んでもよい。
【００１３】
電磁ブレーキの解放状態において、第１トランジスタペアのスイッチングのデューティ比は、電磁ブレーキに印加すべき駆動電圧に応じて調節可能であってもよい。これにより電磁ブレーキの選択の自由度を高めることができる。
【００１４】
第１トランジスタペアは始動後の過励磁期間において、（i）固定的にオンされ、または、（ii）その後の解放期間における第１トランジスタペアのスイッチングのデューティ比より大きいデューティ比でスイッチングされてもよい。
【００１５】
制動期間において、フルブリッジ回路の第２トランジスタペアは、固定的にオンされてもよい。
【００１６】
制動期間において、フルブリッジ回路の第２トランジスタペアの２個のトランジスタのうち、少なくとも一方はスイッチングしてもよい。これにより、ＤＣリンクバスに回収される電流量を制限し、あるいは調節できる。
【００１７】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１８】
さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のある態様によれば、電磁ブレーキを急制動できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】普通制動回路の回路図である。
【図２】実施の形態に係る駆動回路を備える回路のブロック図である。
【図３】第１実施例に係る回路の回路図である。
【図４】図３の駆動回路による第１の制動動作の波形図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、解放期間および制動期間におけるフルブリッジ回路の状態を示す回路図である。
【図６】図３の駆動回路による第２の制動動作の波形図である。
【図７】第１変形例に係る駆動回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２２】
図２は、実施の形態に係る駆動回路５０を備える回路（システム）１のブロック図である。回路１は、モータ２、電磁ブレーキ４、整流器１０、インバータ２０、ＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎ、ＤＣリンクコンデンサ４０、駆動回路５０を備える。
【００２３】
整流器１０は交流電圧ＶＡＣを直流電圧（ＤＣリンク電圧と称する）ＶＤＣに変換し、一対のＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎの間に発生させる。交流電圧ＶＡＣは、単相であってもよいし三相であってもよい。本実施例では交流電圧ＶＡＣは三相４００Ｖであり、ＤＣリンク電圧ＶＤＣは６００Ｖとなる。ＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎの間には、ＤＣリンクコンデンサ４０が接続される。インバータ２０は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＵ〜ＶＷに変換してモータ２を駆動する。
【００２４】
駆動回路５０は、フルブリッジ回路（Ｈブリッジ回路）５２およびコントローラ５４を備える。フルブリッジ回路５２は、一対のＤＣリンクバス３８に接続される一対の電源端子ＶＤＤ，ＶＳＳと、電磁ブレーキ４と接続される一対の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と、を有する。フルブリッジ回路５２は、ＶＤＤとＯＵＴ１の間、ＶＤＤとＯＵＴ２の間、ＶＳＳとＯＵＴ１の間、ＶＳＳとＯＵＴ２の間の４個の素子を含む。後述のようにフルブリッジ回路５２は、スイッチ素子の組み合わせ、あるいはスイッチ素子と整流素子の組み合わせで構成される。
【００２５】
続いてコントローラ５４によるフルブリッジ回路５２の制御および駆動回路５０の動作を説明する。
【００２６】
コントローラ５４は、フルブリッジ回路５２の状態を制御することにより、電磁ブレーキ４の解放状態、保持状態を切りかえる。具体的にはコントローラ５４は、フルブリッジ回路５２をアクティブ状態とし、一対のＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎ間のＤＣリンク電圧ＶＤＣに応じた駆動電圧ＶＤＲＶをフルブリッジ回路５２の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間に発生させる。この駆動電圧ＶＤＲＶが電磁ブレーキ４に印加されると、電磁ブレーキ４が解放される。
【００２７】
また保持状態ではコントローラ５４は、フルブリッジ回路５２を非アクティブ状態とし、その出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を固定的に、あるいは時分割でハイインピーダンスとする。これにより電磁ブレーキ４への順方向の駆動電圧ＶＤＲＶの印加が停止する。電磁ブレーキ４の励磁コイルに流れる電流は、励磁コイルに還流されることなく、フルブリッジ回路５２を介してＤＣリンクバスに回収される。これにより急制動が可能となる。
【００２８】
励磁コイルの電流は、抵抗などで消費されず、ＤＣリンクバス３８Ｐ，３８Ｎ（すなわちＤＣリンクコンデンサ４０）に回収される。このエネルギーは再利用できるため、省エネの観点からも優れている。
【００２９】
本発明は、図２のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。
【００３０】
（第１実施例）
図３は、第１実施例に係る回路１Ａの回路図である。この実施例において整流器１０はダイオードブリッジ回路であり、インバータ２０は３相インバータである。
【００３１】
フルブリッジ回路５２Ａは、第１トランジスタペア６０および第２トランジスタペア６２を含む。第１トランジスタペア６０は、対角に設けられる２個のトランジスタＭ１，Ｍ４を含み、第２トランジスタペア６２は、対角に設けられる２個のトランジスタＭ２，Ｍ３を含む。トランジスタＭ１〜Ｍ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などを用いることができる。コントローラ５４Ａは、フルブリッジ回路５２Ａの４個のトランジスタＭ１〜Ｍ４を制御する。トランジスタＭ１〜Ｍ４には、ダイオードが逆並列接続されている。
【００３２】
（第１の制動動作）
図４は、図３の駆動回路５０Ａによる第１の制動動作の波形図である。図４には上から順に、駆動電圧ＶＤＲＶの時間平均、フルブリッジ回路５２Ａの各トランジスタの状態、電磁ブレーキ４の励磁コイルに流れる電流ＩＭＢが示される。
【００３３】
時刻ｔ０に駆動回路５０が動作開始する。動作開始直後の過励磁期間Ｔ０１において、フルブリッジ回路５２の第１トランジスタペア６０（Ｍ１，Ｍ４）を固定的にオンし、第２トランジスタペア６２のトランジスタＭ２，Ｍ３は固定的にオフする。このとき駆動電圧ＶＤＲＶは、ＤＣリンク電圧ＶＤＣ（≒６００Ｖ）と等しい。始動開始直後に、励磁コイルを強く励磁することにより、ブレーキを速やかに解放できる。
【００３４】
その後の解放期間Ｔ１２において、第２トランジスタペア６２のトランジスタＭ２，Ｍ３がオフを維持したまま、第１トランジスタペア６０のトランジスタＭ１，Ｍ４がスイッチングする。第１トランジスタペア６０がオフの期間、コイル電流ＩＭＢは、トランジスタＭ３、Ｍ４と並列なダイオードを介して流れる。
【００３５】
解放期間Ｔ１２における駆動電圧ＶＤＲＶ（平均）は、ＶＤＲＶ＝ＶＤＣ×ＤＵＴＹとなる。ＤＵＴＹは、第１トランジスタペア６０のトランジスタＭ１，Ｍ４のデューティ比である。この解放期間Ｔ１２において、第１トランジスタペア６０のトランジスタＭ１，Ｍ４のスイッチングのデューティ比ＤＵＴＹは、電磁ブレーキ４に印加すべき定格電圧に応じて調節可能である。デューティ比ＤＵＴＹは、電磁ブレーキ４に印加すべき駆動電圧ＶＤＲＶの定格値ＶＤＲＶ（ＳＰＥＣ）にもとづいて決めればよい。
ＤＵＴＹ＝ＶＤＲＶ（ＳＰＥＣ）／ＶＤＣ×１００％
【００３６】
なお過励磁期間Ｔ０１において、第１トランジスタペア６０（Ｍ１，Ｍ４）を、解放期間Ｔ１２におけるデューティ比ＤＵＴＹより大きいデューティ比ＤＵＴＹ’でスイッチングしてもよい。これにより、過励磁期間Ｔ０１において励磁コイルを強く励磁でき、駆動電圧ＶＤＲＶにもとづく励磁の程度を、デューティ比ＤＵＴＹ’に応じて調節できる。
ＶＤＲＶ＝ＶＤＣ×ＤＵＴＹ’
【００３７】
図５（ａ）は、解放期間Ｔ１２におけるフルブリッジ回路５２の状態を示す回路図である。コイル電流ＩＭＢは、ＤＣリンクバス３８Ｐから、トランジスタＭ１、電磁ブレーキ４の励磁コイルＬ、トランジスタＭ４を経由してＤＣリンクバス３８Ｎに流れている。
【００３８】
時刻ｔ２に、コントローラ５４にブレーキ保持の指令が入力されると制動期間Ｔ２３が開始し、第１トランジスタペア６０のトランジスタＭ１，Ｍ４が両方ターンオフし、第２トランジスタペア６２のトランジスタＭ２，Ｍ３が固定的にオンとなる。このときＯＵＴ１端子には０Ｖが、ＯＵＴ２端子にはＶＤＣが現れる。つまり励磁コイルに印加される電圧は、解放期間と逆極性の−ＶＤＣとなる。この逆極性の電圧−ＶＤＣは、コイル電流ＩＭＢを減衰させるように作用する。
【００３９】
図５（ｂ）は、制動期間Ｔ２３におけるフルブリッジ回路５２の状態を示す回路図である。コイル電流ＩＭＢは、ＤＣリンクバス３８Ｎから、トランジスタＭ３、電磁ブレーキ４の励磁コイルＬ、トランジスタＭ２を経由してＤＣリンクバス３８Ｐに還流し、ＤＣリンクコンデンサ４０に電荷として蓄えられる。コイル電流ＩＭＢが吸引保持電流を下回ると、電磁ブレーキ４が保持状態となる。
【００４０】
そしてコイル電流ＩＭＢがゼロ付近まで低下すると、トランジスタＭ１〜Ｍ４がすべてオフとなり、無励磁期間Ｔ３４となる。
【００４１】
第１の制動動作では、制動期間Ｔ２３において、コイル電流ＩＭＢは励磁コイルに還流されない。
【００４２】
（第２の制動動作）
図６は、図３の駆動回路５０Ａによる第２の制動動作の波形図である。第２の制動動作では、制動期間Ｔ２３において、第２トランジスタペア６２がスイッチングする。第２トランジスタペア６２のトランジスタＭ２，Ｍ４がオフの期間、コイル電流ＩＭＢは、トランジスタＭ２，Ｍ４と並列なダイオードに流れる。
【００４３】
この制動動作によれば、第２トランジスタペア６２のデューティ比（オンの時間比率）に応じて、制動期間Ｔ２３において励磁コイルの両端間に生ずる電圧を調節できるため、コイル電流ＩＭＢの減衰の速度を調節することができる。
【００４４】
（第３の制動動作）
図４の制動期間Ｔ２３において、第１トランジスタペア６０を固定的にオフした状態で、第２トランジスタペア６２のトランジスタＭ２，Ｍ３の一方を固定的にオンし、他方をスイッチングしてもよい。この制動動作によれば、第２トランジスタペア６２のデューティ比（オンの時間比率）に応じて、コイル電流ＩＭＢの減衰の速度を調節することができる。
【００４５】
（第４制動動作）
図４の制動期間Ｔ２３において、第１トランジスタペア６０と、第２トランジスタペア６２とを、相補的にスイッチングしてもよい。この制動動作によれば、第１トランジスタペア６０がオンである期間と、第２トランジスタペア６２がオンである期間の時間比率に応じて、コイル電流ＩＭＢの減衰の速度を調節することができる。
【００４６】
（第５制動動作）
図４の制動期間Ｔ２３において、第２トランジスタペア６２の一方のトランジスタＭ２を固定的にオンした状態で、当該一方のトランジスタＭ２を含むレッグと反対側のレッグをなすトランジスタＭ１，Ｍ３を相補的にスイッチングしてもよい。
【００４７】
この制動動作では、制動期間Ｔ２３において、（i）コイル電流ＩＭＢが、トランジスタＭ３、励磁コイルＬ、トランジスタＭ２を流れる期間と、（ii）コイル電流ＩＭＢが、トランジスタＭ１，励磁コイルＬ、トランジスタＭ２を含む上側のループに流れる期間と、を交互に繰り返す。
【００４８】
この制動動作によれば、反対側のレッグをなすトランジスタＭ１，Ｍ３（あるいはＭ２，Ｍ４）のデューティ比に応じて、コイル電流ＩＭＢの減衰の速度を調節することができる。
【００４９】
第２トランジスタペア６２の一方のトランジスタＭ３を固定的にオンした状態で、当該一方のトランジスタＭ３を含むレッグと反対側のレッグをなすトランジスタＭ２，Ｍ４を相補的にスイッチングしてもよい。この場合、制動期間Ｔ２３において、（i）コイル電流ＩＭＢが、トランジスタＭ３、励磁コイルＬ、トランジスタＭ２を流れる期間と、（ii）コイル電流ＩＭＢが、トランジスタＭ３，励磁コイルＬ、トランジスタＭ４を含む下側のループに流れる期間と、を交互に繰り返す。
【００５０】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００５１】
（第１変形例）
図７は、第１変形例に係る駆動回路５０Ｂの回路図である。駆動回路５０Ｂのフルブリッジ回路５２Ｂは、図５の第２トランジスタペア６２（Ｍ２，Ｍ３）に代えて、２個のダイオードＤ２，Ｄ３を含むダイオードペア６４を備える。制動期間Ｔ２３において、トランジスタＭ１，Ｍ４はオフされる。駆動回路５０Ｂの動作は、図４の第１制動動作と同様である。
【００５２】
（第２変形例）
図４の過励磁期間Ｔ０１は省略してもよい。あるいは、解放期間Ｔ１２において、トランジスタＭ１，Ｍ４を固定的にオン（デューティ比１００％）してもよい。
【００５３】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００５４】
１…回路、２…モータ、４…電磁ブレーキ、１０…整流器、２０…インバータ、３０…普通制動回路、３２，３４…スイッチ、３６…半波整流器、３８…ＤＣリンクバス、４０…ＤＣリンクコンデンサ、５０…駆動回路、ＶＤＤ，ＶＳＳ…電源端子、ＯＵＴ１，ＯＵＴ２…出力端子、５２…フルブリッジ回路、５４…コントローラ、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４…トランジスタ、６０…第１トランジスタペア、６２…第２トランジスタペア、６４…ダイオードペア、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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