(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁電流を遮断した後にモータから発生する回生電力によるモータ電流を用いる発電型ブレーキ装置において、
前記モータ電流を入力し、前記回生電力から得られる主回路電源電圧により作動する、等価共振回路を形成するコンバータ手段であって、前記電流検出値を不完全積分する積分手段の出力に基づいてＰＷＭ制御手段により開閉制御されるＦＥＴによる少なくとも１対のスイッチング素子から構成されるコンバータ手段と、
前記モータ電流の大きさを検出する電流センサと、
この電流センサの電流検出値からモータの回転速度を示す速度信号を算出する速度検出手段と、
算出した速度信号に基づいて前記主回路電源電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする発電型ブレーキ装置。
【請求項２】
前記積分手段は、積分定数を変更する定数設定手段を備え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】
前記速度信号に対応して最適な主回路電源電圧の設定値を保持する複数の設定値保持手段と、
この設定値保持手段の設定値を切り換えて前記電圧制御手段に入力する切換手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２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、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。図６は、従来の発電型ブレーキ装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【０００３】
１はモータ部であり、３相の交流モータを示す。Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、各相の励磁コイル、Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃは、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である。
【０００４】
２はモータドライバであり、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。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。
【０００５】
３は発電型ブレーキ装置であり、２個のリレー手段４及び５、リレー制御手段６、速度検出手段７、電流センサ８、３組のコンデンサＣとこれらコンデンサに並列接続された抵抗Ｒよりなる共振回路を備える。
【０００６】
リレー手段４は、ブレーキ指令Ｗを入力するリレー制御手段６からの操作信号Ｍ１で切り換えられる３組の切換えスイッチよりなる。各相の励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃは、定常運転状態のドライブモードではＤ接点に接続され、モータドライバからの励磁電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを入力する。
【０００７】
リレー手段４は、リレー制御手段６からの操作信号Ｍ１を受けるとブレーキモードのＢ接点を選択し、モータ部への励磁電流を遮断する。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は、Ｂ接点よりリレー手段５に出力され、このリレー手段５を介して負荷に流れてモータを逆回転する方向にブレーキ力を発生させる。
【０００８】
リレー手段５は、２種類の負荷を切り換える。モータが高速回転しているときには、図示のＣ接点を選択し、コンデンサＣと抵抗Ｒよりなる共振回路を負荷とするコンデンサモードでブレーキをかける。回転速度が所定値より低下しているときには、操作信号Ｍ２によりＳ接点側に切り換わり、励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを短絡するショートモードでブレーキをかける。
【０００９】
リレー制御手段６は、電流センサ８で検出された励磁電流値を速度信号に変換する速度検出手段７の出力を受け、回転速度が所定値より低下したときに操作信号Ｍ２をリレー手段５に出力する。
【００１０】
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流し、モータに強力なブレーキをかけることができる。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
【特許文献１】特開昭５３−０８０５１７号公報
【００１４】
【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】
【００１５】
従来の発電型ブレーキ装置では、次のような問題点がある。
（１）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。
【００１６】
（２）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換るとさらに装置が大型化する。
【００１７】
（３）大型で多数の巻き線を組み合わせて使用する平面位置決め装置の面モータに適用する場合は、制動をかけるモータコアの個数により定数を切り換える必要から、さらに大型化する。
【００１８】
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、コンデンサを使用しない共振回路により装置を小型化し、あらゆる速度で最適なブレーキ力を発生させ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している。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
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）励磁電流を遮断した後にモータから発生する回生電力によるモータ電流を用いる発電型ブレーキ装置において、
前記モータ電流を入力し、前記回生電力から得られる主回路電源電圧により作動する、等価共振回路を形成するコンバータ手段であって、前記電流検出値を不完全積分する積分手段の出力に基づいてＰＷＭ制御手段により開閉制御されるＦＥＴによる少なくとも１対のスイッチング素子から構成されるコンバータ手段と、
前記モータ電流の大きさを検出する電流センサと、
この電流センサの電流検出値からモータの回転速度を示す速度信号を算出する速度検出手段と、
算出した速度信号に基づいて前記主回路電源電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする発電型ブレーキ装置。
【００２２】
（２）前記積分手段は、積分定数を変更する定数設定手段を備えることを特徴とする（１）に記載の発電型ブレーキ装置。
【００２３】
（３）前記速度信号に対応して最適な主回路電源電圧の設定値を保持する複数の設定値保持手段と、
この設定値保持手段の設定値を切り換えて前記電圧制御手段に入力する切換手段と、
を備えることを特徴とする（１）又は(２)に記載の発電型ブレーキ装置。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）等価共振回路を利用することで、大型の電解コンデンサが不要となり、装置の小型化と高寿命が期待できる。
【００２５】
（２）メンテナンスレスにより、サービス経費を削減することができる。
【００２６】
（３）固定定数と違い、連続して最適な共振状態を維持してブレーキ電流を流せるため、制動距離を短縮することができる。
【００２７】
（４）コンバータ手段の主回路電源は、モータよりの回生電力による電圧を利用するため、外部よりの電源供給を必要としない。外部電源の接続がないことから、誤動作によってもモータにエネルとはない（加速しない）ので、安全性が高い。これにより、セーフティーエリアを削減することで装置を小型化できる。
【００２８】
（５）等価共振回路を形成するコンバータの出力電圧指令は、モータ電流の不完全積分値と主回路電源電圧より得るため、複雑な演算装置を必要としない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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６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。以下、本発明の特徴部につき説明する。
【００３０】
図１において、点線で示すブロック１００は、本発明の特徴部を形成する等価共振回路である。この等価共振回路は、リレー手段４を介してモータ電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを入力するコンバータ手段１０１、このコンバータ手段をスイッチング制御するＰＷＭ制御手段１０２、このＰＷＭ制御手段を駆動する積分手段１０３よりなる。
【００３１】
２０１，２０２は、モータ電流ｉａ，ｉｂの電流値を検出する電流センサである。積分手段１０３は、これら電流センサで検出されたモータ電流ｉａ，ｉｂの検出値を入力して不完全積分演算を実行する。積分手段１０３は、積分定数設定手段１０４を備え、外部入力Ｕにより積分特性をチューニングすることができる。
【００３２】
コンバータ手段１０１の主回路電源電圧をＶｃで示す。この主回路電源電圧は、モータから発生する回生電力から得られる。３００は電圧制御手段であり、この主回路電源電圧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。
【００３３】
４００は速度検出手段であり、電流センサ２０１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示す速度信号Ｖｓを算出し、これを電圧制御手段３００の設定値として出力する。
【００３４】
電圧制御手段３００は、主回路電源電圧Ｖｃを抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧した電圧Ｖｉを測定値として入力し、設定値Ｖｓ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主回路電源電圧Ｖｃから抵抗Ｒ３に流れる電流値を操作し、ＶｃがＶｓに追従するように制御する。
【００３５】
図２は、コンバータ手段による等価共振回路を説明する回路図である。モータ部１の励磁コイルＬａを代表して示せば、逆起電圧Ｅａによるモータ電流ｉａが内部抵抗Ｒａを持つ励磁コイルＬａと等価共振回路１００の直列回路を流れる。
【００３６】
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。本発明は、この等価ＣＲ回路を発電型ブレーキ装置の共振回路として使用した点に特徴がある。
【００３７】
等価共振回路１００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。
【００３８】
図３は、回転速度に応じて等価共振回路の共振周波数を最適に制御した場合のモータ電流の変化を示す特性図である。速度Ｆ１では共振点Ｐ１に、速度Ｆ２では共振点Ｐ２になるように等価共振回路の共振周波数を制御する。
【００３９】
この共振周波数制御により、モータ電流回路の等価リアクタンス成分をゼロとし、逆起電圧とモータ電流の位相差をゼロとする。これにより、モータ電流は常に最大電流Ｉｍａｘを維持し、ブレーキ力を最適に制御することが可能となる。
【００４０】
本発明において、積分定数設定手段１０４による最適定数設定並びに電圧制御手段３００による主回路電源電圧Ｖｃをモータの速度信号Ｖｓに追従させる制御により、図３の共振特性をよりシャープにチューニングでき、モータ電流の増加、即ちブレーキ力の増加を図ることができる。
【００４１】
図４は、本発明主要部の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。コンバータ手段１０１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。
【００４２】
モータ電流ｉａをスイッチングする直列接続されたスイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、ＰＷＭ制御手段１０２ａで駆動されるゲートドライブ回路６００ａにより開閉制御される。モータ電流ｉｂをスイッチングする直列接続されたスイッチング素子Ｑ３及びＱ４は、ＰＷＭ制御手段１０２ｂで駆動されるゲートドライブ回路６００ｂにより開閉制御される。モータ電流ｉｃをスイッチングする直列接続されたスイッチング素子Ｑ５及びＱ６は、ＰＷＭ制御手段１０２ｃで駆動されるゲートドライブ回路６００ｃにより開閉制御される。
【００４３】
モータ電流ｉａの検出値を入力する積分手段１０３ａの不完全積分演算出力は、ＰＷＭ制御手段１０２ａに入力される。モータ電流ｉｂの検出値を入力する積分手段１０３ｂの不完全積分演算出力は、ＰＷＭ制御手段１０２ｂに入力される。５００は加算器であり、積分手段１０３ａの不完全積分演算出力と積分手段１０３ｂの不完全積分演算出力とを加算して、加算値をＰＷＭ制御手段１０２ｃに入力する。
【００４４】
電圧制御手段３００は、ヒステリシス特性を有するコンパレータ手段で実現することができる。モータの速度に基づきコンバータ手段１０１の主回路電源電圧を最適な電圧となるように制御する電圧制御手段３００の制御特性は、比例制御、テーブル化、ログアンプ使用による非線形制御等を採用することができる。
【００４５】
図５は、本発明を適用した発電型ブレーキ装置の他の実施形態を示す機能ブロック図である。図４の実施形態との相違点は、速度信号に対応して最適な主回路電源電圧の設定値を保持する複数（図では２個）の最適速度／電圧テーブル７０１及び７０２と、これらテーブル手段の設定値を切り換えて電圧制御手段３００に入力する切換手段８００を有する点である。尚、設定値の切換え手法はテーブル手段に限定されるものではない。
【００４６】
９００はモータ状態監視手段であり、励磁コイルの短絡、断線アラーム等の監視情報を取得し、最適的なブレーキ特性を得ることができる設定値を選択する指令Ｊを切換手段８００に出力する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】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２】コンバータ手段による等価共振回路を説明する回路図である。
【図３】回転速度に応じて等価共振回路の共振周波数を最適に制御した場合のモータ電流の変化を示す特性図である。
【図４】本発明主要部の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】本発明を適用した発電型ブレーキ装置の他の実施形態を示す機能ブロック図である。
【図６】従来の発電型ブレーキ装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  モータ部
２  モータドライバ
３  発電型ブレーキ装置
４  リレー手段
５  リレー制御手段
１００  等価共振回路
１０１  コンバータ手段
１０２  ＰＷＭ制御手段
１０３  積分手段
１０４  定数設定手段
２０１，２０２  電流センサ
３００  電圧制御手段
４００  速度検出手段
【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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