(57)【要約】【課題】コンバータの力率を改善することができる発電型ブレーキ装置を実現する。【解決手段】モータから発生する回生電力によるモータ電流を用いて前記モータに制動をかける発電型ブレーキ装置において、前記モータ電流を利用するとともに前記回生電力により作動するコンバータと、前記モータ電流から前記モータの回転速度を示す速度信号を生成する速度検出手段と、指定された積分定数で前記モータ電流に対し積分演算を行い、前記コンバータの制御信号を生成する積分手段と、指定された電圧指令値で前記コンバータのＤＣ側電圧を制御する電圧制御手段と、前記速度信号に基づいて前記積分定数および前記電圧指令値を変化させる設定手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータから発生する回生電力によるモータ電流を用いて前記モータに制動をかける発電型ブレーキ装置において、
前記モータ電流を利用するとともに前記回生電力により作動するコンバータと、
前記モータ電流から前記モータの回転速度を示す速度信号を生成する速度検出手段と、
指定された積分定数で前記モータ電流に対し積分演算を行い、前記コンバータの制御信号を生成する積分手段と、
指定された電圧指令値で前記コンバータのＤＣ側電圧を制御する電圧制御手段と、
前記速度信号に基づいて前記積分定数および前記電圧指令値を変化させる設定手段と、
を有することを特徴とする発電型ブレーキ装置。
【請求項２】
前記設定手段は、前記コンバータの力率ｃｏｓφが、
ｃｏｓφ≒１
となるように、前記積分定数および前記電圧指令値を変化させることを特徴とする請求項１に記載の発電型ブレーキ装置。
【請求項３】
前記設定手段は、前記コンバータの力率ｃｏｓφを、前記速度信号と前記積分定数と前記ＤＣ側電圧に基づいて算出することを特徴とする請求項２に記載の発電型ブレーキ装置。
【請求項４】
前記設定手段は、前記速度信号が所定の速度帯域にある場合において、前記ＤＣ側電圧が所定値以下となるように前記積分定数および前記電圧指令値を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電型ブレーキ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータから発生する回生電力によるモータ電流を用いて前記モータに制動をかける発電型ブレーキ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
励磁電流を遮断した後にモータから発生する回生電力を用いる発電型ブレーキ装置については、特許文献１に開示されている。一般に、モータ１周の歯数の少ない交流サーボモータ等では、励磁コイルを短絡することでモータの逆起電圧とほぼ同位相のモータ電流を励磁コイルに流し、モータに強力なブレーキをかけることができる。
【０００３】
しかし、モータ１周の歯数が多いダイレクトドライブモータ（ＤＤＭ）等においては、励磁コイル短絡時に流れるモータ電流の周波数が高くなる。すると、励磁コイルのインダクタンスにより、逆起電圧により流れるモータ電流と逆起電圧との位相差が９０度近くなり、ブレーキ力は極端に小さくなる。
【０００４】
そこで、コンデンサと抵抗による共振回路を負荷とし、逆起電圧とブレーキ電流の位相を同じにすることで大きなブレーキ力を得ていたが、共振回路に大容量・高耐圧・無極性の電解コンデンサを使用するため、装置が大型化し、寿命が短い。
【０００５】
更に、共振回路を固定定数で使用する場合では、一定周波数範囲でしか共振させることができないので、ブレーキ力の速度依存性が大きい。速度により定数を切り換えるとさらに装置が大型化する。
【０００６】
このような問題の解決策として、ＰＷＭコンバータによる等価ＣＲ回路を発電型ブレーキ装置の共振回路として使用する応用が考えられる。ＰＷＭコンバータによる等価ＣＲ回路に関しては、非特許文献１にその動作原理と応用が詳細に開示されている。
【０００７】
ＰＷＭコンバータは、等価的なコンデンサＣと抵抗Ｒの直列回路で表される。このＣＲ回路の時定数を変更することで、その共振周波数を、モータの回転速度に対応するモータ電流の周波数に合わせることができる。
【０００８】
図３は、ＰＷＭコンバータを利用した従来の発電型ブレーキ装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。移動制御される面モータ等に搭載されるモータ部１は、３相の交流モータで構成されている。各相の励磁コイルを、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃで示す。モータの回転により、各相の励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃに発生する逆起電圧を、Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃで示す。
【０００９】
モータドライバ２は、ドライブモードの時に互いに１２０度位相がシフトした励磁電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを各相の励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃに供給する。このモータドライバ２は、図示されていないが、励磁電流の周波数を変更してモータの回転速度を制御するインバータ等の制御手段を備えている。
【００１０】
リレー（または電子スイッチ）３は、ブレーキ指令Ｗで作動するリレー制御手段４からの操作信号Ｍを受けると、ブレーキモードの接点を選択し、モータ部１への励磁電流を遮断する。
【００１１】
励磁電流を遮断した後に、モータの回転により各相の励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃに発生していた逆起電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを回生電力とするモータ電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを、点線のブロック５で示すコンバータに出力し、モータを逆回転する方向にブレーキ力を発生させる。
【００１２】
点線のブロック５で示すコンバータは、６個のＦＥＴによるスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ６及び転流補助コンデンサＣ１よりなる。スイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ６は、ゲートドライブ回路６を介してＰＷＭ制御手段７によりスイッチング制御される。
【００１３】
モータ電流ｉａ，ｉｂの電流値は、電流センサ８ａ，８ｂに接続される電流検出回路９で検出され、これら検出値を入力する積分手段１０により積分演算が実行される。積分手段は代表して１個を図示している。この積分手段１０の出力により、ＰＷＭ制御手段７が制御される。
【００１４】
コンバータ５のＤＣ側電圧をＶｃで示す。このＤＣ側電圧Ｖｃは、モータ部１から発生する回生電力より得られる。電圧制御手段１１は、ヒステリシス特性を有するコンパレータ手段で実現され、このＤＣ側電圧Ｖｃを、モータの回転速度に関連して最適な共振特性が得られる電圧となるように制御する。
【００１５】
速度検出手段１２は、電流検出回路９で検出されたモータ電流ｉａの検出値を入力してモータの回転速度を示す速度信号Ｖｅｌを算出し、速度信号Ｖｅｌに対して所定の関数特性を持つ設定値を電圧制御手段１１に出力する。
【００１６】
電圧制御手段１１は、ＤＣ側電圧Ｖｃを抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧した電圧Ｖｉが測定値として入力される。電圧制御手段１１は、ＤＣ側電圧の設定値との偏差に基づいてスイッチング素子Ｑ０をオンオフ制御してＤＣ側電圧Ｖｃから抵抗Ｒ３に流れる電流値を操作し、ＤＣ側電圧が設定値に追従するように制御する。
【００１７】
【特許文献１】特開昭５３−０８０５１７号公報
【００１８】
【非特許文献１】T.IEE Japan, Vol.115-D. No.3 '95 P348〜P353          「瞬時電流検出による浮上式鉄道車両誘導集電用ＰＷＭコンバータ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
図４は、速度信号Ｖｅｌに対し、コンバータのＤＣ側電圧Ｖｃおよび力率変化を示す特性図である。時刻ｔ０で励磁電流が遮断され、ブレーキ動作がスタートする。Ｘ軸は速度信号Ｖｅｌである。速度信号Ｖｅｌはブレーキ動作スタート時である時刻ｔ０において最大値となっており、時間の経過とともに低下していく。Ｙ軸は速度信号Ｖｅｌの値に対するＤＣ側電圧Ｖｃの値および力率Ｃｏｓφの値である。
【００２０】
速度信号Ｖｅｌは、時刻ｔ０において最大値をとり、その後時刻ｔ１で所定値Ｖｏに低下する。このときの最大値〜所定値Ｖｏまでの速度帯域に対応する、時刻ｔ０〜時刻ｔ１までを第１期間Ｔ１とする。この期間Ｔ１は、ＤＣ側電圧Ｖｃが回路制限された最大値Ｖｃｍａｘ近傍を維持するように一定電圧を出力する。
【００２１】
速度信号ＶｅｌがＶｏに低下する時刻ｔ１以降を第２期間Ｔ２とし、速度信号Ｖｅｌに対する設定値を所定の関数特性Ｆにより低下させ、ＤＣ側電圧Ｖｃを所定の関数特性で低下させる電圧制御を実行する。
【００２２】
モータ電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃとＤＣ側電圧Ｖｃとの位相差φによる力率はＣｏｓφで表され、Ｃｏｓφ＝１のときに無効電力がゼロとなり、ブレーキ効率を最大とすることができる。ここで、ＤＣ側電圧の値をＶｃ、速度信号をＶｅｌ、積分手段の積分定数をｋｉとするとき、
Ｃｏｓφ＝ｆ（ｋｉ，Ｖｃ，Ｖｅｌ）                                （１）
である。
【００２３】
第２期間Ｔ２において、速度信号Ｖｅｌに対するＤＣ側電圧Ｖｃを、（１）式を満足する関数特性Ｆで制御させることで、第２期間Ｔ２における力率Ｃｏｓφを１に近い値に維持することができる。
【００２４】
しかしながら、速度信号Ｖｅｌがブレーキ開始直後の最大値からＶｏに低下するまでの第１期間Ｔ１では、コンバータのスイッチング素子の耐圧条件の制約でＤＣ側電圧の値を、（１）式に従って大きくすることができず、最大値Ｖｃｍａｘ近傍に一定となるように設定しているために、（１）式を満足する関係が成立しない。
【００２５】
従って、この第１期間Ｔ１では、力率Ｃｏｓφは、最低値から速度信号がＶｏに低下するまで序々に上昇して１に近づく特性を示す。即ち、ブレーキ開始直後の高速時の力率が悪く、ブレーキの制動性能が低下し、制動距離が伸びてしまう問題がある。
【００２６】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、コンバータの力率を改善することができる発電型ブレーキ装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）モータから発生する回生電力によるモータ電流を用いて前記モータに制動をかける発電型ブレーキ装置において、
前記モータ電流を利用するとともに前記回生電力により作動するコンバータと、
前記モータ電流から前記モータの回転速度を示す速度信号を生成する速度検出手段と、
指定された積分定数で前記モータ電流に対し積分演算を行い、前記コンバータの制御信号を生成する積分手段と、
指定された電圧指令値で前記コンバータのＤＣ側電圧を制御する電圧制御手段と、
前記速度信号に基づいて前記積分定数および前記電圧指令値を変化させる設定手段と、
を有することを特徴とする発電型ブレーキ装置。
【００２８】
（２）前記設定手段は、前記コンバータの力率ｃｏｓφが、
ｃｏｓφ≒１
となるように、前記積分定数および前記電圧指令値を変化させることを特徴とする（１）に記載の発電型ブレーキ装置。
【００２９】
（３）前記設定手段は、前記コンバータの力率ｃｏｓφを、前記速度信号と前記積分定数と前記ＤＣ側電圧に基づいて算出することを特徴とする（２）に記載の発電型ブレーキ装置。
【００３０】
（４）前記設定手段は、前記速度信号が所定の速度帯域にある場合において、前記ＤＣ側電圧が所定値以下となるように前記積分定数および前記電圧指令値を設定することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の発電型ブレーキ装置。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）速度信号に基づいて積分定数および電圧指令値を変化させることにより、コンバータの力率を制御することが可能となる。
【００３２】
（２）コンバータの力率を常にｃｏｓφ≒１となるように積分定数および電圧指令値を変化させれば、モータの速度に関わらず、常に高い力率でモータに制動をかけることができる。
【００３３】
（３）ブレーキ開始直後の高速時の力率が改善されることにより、高速時のブレーキの制動性能が、低速時と同じようにＣｏｓφ≒１に維持できるので、制動距離を最短にすることで衝突等の危険回避が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した発電型ブレーキ装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図３で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図３で説明した従来装置に追加された、本発明の特徴部を形成する構成は、積分定数制御手段１００、設定手段２００である。
【００３６】
、
設定手段２００は、速度検出手段１２からの速度信号Ｖｅｌが入力され、式（１）に基づいて、力率がＣｏｓφ≒１になるように積分定数と電圧指令値の設定を行う。
【００３７】
図２は、コンバータのＤＣ側電圧Ｖｃおよび力率変化を示す特性図である。図４と同様に、時刻ｔ０でブレーキ動作がスタートしたときに最大値をとる速度信号ＶｅｌをＸ軸にとり、速度信号Ｖｅｌの値に対するＤＣ側電圧Ｖｃの値及び力率Ｃｏｓφの値をＹ軸に示す。
【００３８】
速度信号Ｖｅｌの最大値〜所定値Ｖｏまでの速度帯域に対応する、時刻ｔ０〜時刻ｔ１までを第１期間Ｔ１とする。この期間Ｔ１では、速度信号Ｖｅｌに対するＤＣ側電圧Ｖｃを所定の関数特性Ｆ１で電圧制御を実行する。
【００３９】
設定手段２００は、このときの積分手段１０の積分定数ｋｉを、式（１）に基づいて、力率Ｃｏｓφ≒１になるように制御する。これにより、ブレーキ動作のスタート時、第１期間Ｔ１での力率Ｃｏｓφを急速にＣｏｓφ≒１の近傍に立ち上げることができる。
【００４０】
なお、本実施例ではＤＣ側電圧Ｖｃの関数特性Ｆ１を先に決定し、この関数特性Ｆ１に合わせて積分定数ｋｉを決定しているが、先に積分定数ｋｉを決定し、その後積分定数ｋｉに合わせて関数特性Ｆ１を決定してもよい。
ＤＣ側電圧ＶｃがＶｃｍａｘ以下の値をとり、またＣｏｓφ≒１を満たすものであれば、電圧指令値と積分定数の設定値の組み合わせは自由である。
【００４１】
速度信号ＶｅｌがＶｏ以下の速度帯域に対応する、時刻ｔ１以降の第２期間Ｔ２は、従来装置と同一環境である。積分手段１０の積分定数が一定であり、速度信号Ｖｅｌに対するＶｃを所定の関数特性Ｆ２により低下させ、式（１）≒１を満足するようにＤＣ側電圧Ｖｃを所定の関数特性で低下させる電圧制御を実行することで、力率ＣｏｓφをＣｏｓφ≒１近傍に維持する。
【００４２】
このように、本発明では、積分手段の積分定数と電圧設定手段の関数特性を変更することにより、力率Ｃｏｓφ≒１の制御を可能とし、従来装置に比較して励磁電流遮断直後のブレーキ特性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による発電型ブレーキ装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】速度に対するコンバータのＤＣ側電圧及び力率変化を示す特性図である。
【図３】ＰＷＭコンバータを利用した従来の発電型ブレーキ装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図４】速度に対するコンバータのＤＣ側電圧及び力率変化を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  モータ部
２  モータドライバ
３  リレーまたは電子スイッチ
４  リレー制御手段
５  コンバータ
６  ゲートドライブ回路
７  ＰＷＭ制御手段
８ａ，８ｂ  電流センサ
９  電流検出回路
１０  積分手段
１１  電圧制御手段
１２  速度検出手段
１００  積分定数制御手段
２００  設定手段
【図１】
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【図２】
2008306778.tif 000004
【図３】
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【図４】
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