(57)【要約】【課題】組み合わせを変えることによって種々の仕様の誘導電動機の制御を行えること。【解決手段】多相の誘導電動機を制御する制御ユニットであって、ブリッジに接続されたスイッチング素子Ｑ１〜４と、ブリッジの入力側に直流電源を供給する２つの電源入力端子ＴＰと、ブリッジの出力側に１相の界磁捲線を接続するための２つの出力端子ＴＯと、スイッチング素子のそれぞれのゲートにオン信号またはオフ信号を与えるものであって、２つの出力端子に接続される界磁捲線に対して流す電流の方向および大きさを外部から入力される指令信号に基づいて制御するゲート制御部３１と、ゲート制御部に与える指令信号を入力するための指令入力端子ＴＣとを有し、それらが１つのユニットとして独立して形成されてなる。【選択図】      図１
2007089252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相の誘導電動機の界磁捲線に電流を流して当該誘導電動機を制御するための電動機制御ユニットであって、
ブリッジに接続されたスイッチング素子と、
前記ブリッジの入力側に直流電源を供給するための２つの電源入力端子と、
前記ブリッジの出力側に負荷である１相の界磁捲線を接続するための２つの出力端子と、
前記スイッチング素子のそれぞれのゲートにオン信号またはオフ信号を与えるものであって、前記２つの出力端子に接続される界磁捲線に対して流す電流の方向および大きさを外部から入力される指令信号に基づいて制御するゲート制御部と、
前記ゲート制御部に与える前記指令信号を入力するための指令入力端子と、
を有し、それらが１つのユニットとして独立して形成されてなる、
ことを特徴とする電動機制御ユニット。
【請求項２】
前記２つの出力端子に接続される界磁捲線に流れる電流の大きさを検出する電流検出部が設けられており、
前記ゲート制御部は、前記電流検出部により検出された電流の大きさがしきい値を越えたときに、前記界磁捲線に流す電流を零とするように制御する、
請求項１記載の電動機制御ユニット。
【請求項３】
前記信号入力端子は、電流の方向を制御するための２ビットのデータを入力するための２つの方向指令入力端子と、電流の大きさを制御するための１つの電流指令入力端子とからなる、
請求項１または２記載の電動機制御ユニット。
【請求項４】
前記電動機制御ユニットは、集積回路によって１つのチップに構成されてなる、
請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機制御ユニット。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機制御ユニットを、誘導電動機の各相の界磁捲線に対応して１つずつ接続して設け、
それぞれの前記電動機制御ユニットに対して、それぞれに接続された界磁捲線によって回転磁界が生じるようにそれぞれの指令入力端子に互いに異なる指令信号を与え、且つ、それぞれに接続された界磁捲線に同じ実効電流が流れるようにそれぞれの前記指令入力端子に指令信号を与える、
ことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項６】
前記誘導電動機のシャフトの回転速度を検出し、前記界磁捲線に生じる回転磁界が、検出されたシャフトの回転速度に設定されたすべりに相当する回転速度を加算した回転速度となるように、前記指令信号を与える、
請求項５記載の誘導電動機の制御方法。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれかに記載の複数個の電動機制御ユニットと、
それぞれの前記電動機制御ユニットに対して、それぞれに接続された界磁捲線によって回転磁界が生じるようにそれぞれの指令入力端子に互いに異なる指令信号を与え、且つ、それぞれに接続された界磁捲線に同じ実効電流が流れるようにそれぞれの前記指令入力端子に指令信号を与える制御部と、
を有することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項８】
請求項１ないし４のいずれかに記載の複数個の電動機制御ユニットと、
それぞれの前記電動機制御ユニットに対して、それぞれに接続された界磁捲線によって回転磁界が生じるようにそれぞれの指令入力端子に互いに異なる指令信号を与え、且つ、それぞれに接続された界磁捲線に同じ実効電流が流れるようにそれぞれの前記指令入力端子に指令信号を与える制御部と、が内蔵されている
ことを特徴とする誘導電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相誘導電動機などの誘導電動機の界磁捲線に電流を流して当該誘導電動機を制御するための電動機制御ユニット、およびそれによる誘導電動機の制御方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、誘導電動機の制御を行うためにインバータ方式の制御装置が用いられている。
【０００３】
図１１は従来の制御装置８０の回路の例を示すブロック図である。
【０００４】
図１１において、制御装置８０は、三相交流電源ＤＧからの電力を整流回路８１によって整流し、スイッチング回路８２によって所定の周波数および電圧（または電流）の三相交流電力として誘導電動機Ｍに供給する。
【０００５】
スイッチング回路８２には、トランジスタ、サイリスタ、双方向サイリスタ（トライアック）、ＧＴＯなどのスイッチング素子を用い、それらのゲートを制御することによって所定の周波数および電圧の三相交流電力を出力する。
【０００６】
ゲート制御回路８４は、周波数指令部８３からの周波数指令に応じて、できるだけ短時間でその周波数指令に対応する回転速度となるように、各ゲートに与える制御パルスの周波数およびパルス幅を決め、その制御パルスをスイッチング回路８２に出力する。
【０００７】
その際に、例えば、周波数指令部８３からの周波数指令（電圧）が急激に変化した場合に、それに対応して実際の周波数指令（電圧）を徐々に変化させて誘導電動機Ｍの加減速電流が過大にならないように制限する。周波数指令（電圧）をスイッチング回路８２での周波数に比例した周波数に変換し、その周期を複数に分割する。また、Ｖ／ｆが一定となるよう電圧を制御するために、周波数指令に応じた電圧指令を生成する。これらの指令および信号と、誘導電動機Ｍに出力される電流および電圧などとに基づいて、ＰＷＭ制御のための制御パルスを生成する。
【０００８】
上に述べた他に、誘導電動機の制御を行う制御装置が種々提案されている（特許文献１，２）。
【特許文献１】特開平５−３３６７７４
【特許文献２】特開平６−５４５６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上に述べたように、従来の制御装置は、誘導電動機の仕様に応じて設計され製作されていた。つまり、誘導電動機の出力、相数または極数、用途などに応じて、それに対応した専用の制御装置を設計し製作されていた。
【００１０】
そのため、誘導電動機の仕様を変更した場合にそれに対応した専用の制御装置を一から設計しなければならないという問題があった。そのため、その度ごとに誘導電動機のメーカと制御装置のメーカとが打合せを行い、仕様を決めて設計し製作しなければならず、受注や納品までに多くの時間とコストがかかっていた。例えば、同じシリーズの誘導電動機であっても、新たに例えば６極や１２極のものを追加した場合に、６極や１２極の誘導電動機の制御のための制御装置を新たに設計し直す必要があり、それに多くの時間を費やしていた。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、誘導電動機の仕様を変更した場合などにそのための制御装置を一から設計しなくても対応できるようにし、組み合わせを変えることによって種々の仕様の誘導電動機の制御を行えるようにした電動機制御ユニット、およびそれによる誘導電動機の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る電動機制御ユニットは、多相の誘導電動機の界磁捲線に電流を流して当該誘導電動機を制御するための電動機制御ユニットであって、ブリッジに接続されたスイッチング素子と、前記ブリッジの入力側に直流電源を供給するための２つの電源入力端子と、前記ブリッジの出力側に負荷である１相の界磁捲線を接続するための２つの出力端子と、前記スイッチング素子のそれぞれのゲートにオン信号またはオフ信号を与えるものであって、前記２つの出力端子に接続される界磁捲線に対して流す電流の方向および大きさを外部から入力される指令信号に基づいて制御するゲート制御部と、前記ゲート制御部に与える前記指令信号を入力するための指令入力端子と、を有し、それらが１つのユニットとして独立して形成されてなる。
【００１３】
好ましくは、前記２つの出力端子に接続される界磁捲線に流れる電流の大きさを検出する電流検出部が設けられており、前記ゲート制御部は、前記電流検出部により検出された電流の大きさがしきい値を越えたときに、前記界磁捲線に流す電流を零とするように制御する。
【００１４】
また、前記信号入力端子は、電流の方向を制御するための２ビットのデータを入力するための２つの方向指令入力端子と、電流の大きさを制御するための１つの電流指令入力端子とからなる。
【００１５】
また、前記電動機制御ユニットは、集積回路によって１つのチップに構成されてなる。
【００１６】
本発明に係る方法は、上に記載の電動機制御ユニットを、誘導電動機の各相の界磁捲線に対応して１つずつ接続して設け、それぞれの前記電動機制御ユニットに対して、それぞれに接続された界磁捲線によって回転磁界が生じるようにそれぞれの指令入力端子に互いに異なる指令信号を与え、且つ、それぞれに接続された界磁捲線に同じ実効電流が流れるようにそれぞれの前記指令入力端子に指令信号を与える。
【００１７】
好ましくは、前記誘導電動機のシャフトの回転速度を検出し、前記界磁捲線に生じる回転磁界が、検出されたシャフトの回転速度に設定されたすべりに相当する回転速度を加算した回転速度となるように、前記指令信号を与える。
【００１８】
本発明に係る制御装置は、上に記載の複数個の電動機制御ユニットと、それぞれの前記電動機制御ユニットに対して、それぞれに接続された界磁捲線によって回転磁界が生じるようにそれぞれの指令入力端子に互いに異なる指令信号を与え、且つ、それぞれに接続された界磁捲線に同じ実効電流が流れるようにそれぞれの前記指令入力端子に指令信号を与える制御部と、を有する。
【００１９】
本発明に係る誘導電動機は、上に記載の複数個の電動機制御ユニットと、それぞれの前記電動機制御ユニットに対して、それぞれに接続された界磁捲線によって回転磁界が生じるようにそれぞれの指令入力端子に互いに異なる指令信号を与え、且つ、それぞれに接続された界磁捲線に同じ実効電流が流れるようにそれぞれの前記指令入力端子に指令信号を与える制御部と、が内蔵されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、誘導電動機の仕様を変更した場合にそのための制御装置を一から設計しなくても対応することが可能となり、組み合わせを変えることによって種々の仕様の誘導電動機の制御を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係る制御ユニット３の回路を示す回路図、図２は制御ユニット３の動作を説明するための図、図３は制御ユニット３の外観の例を示す斜視図、図４は制御ユニット３の各部の信号の状態の例を示す図である。
【００２２】
図１において、制御ユニット３は、４つのスイッチング素子Ｑ１〜４、ゲート制御部３１、ゲート駆動部３２，３３、比較部３４、設定部３５、電流検出部３６、および制御用電源部３７などからなる。
【００２３】
また、制御ユニット３は、図３に示すように、集積回路によって１つの独立したパワーモジュールのチップとして構成されており、電力または制御信号の入力または出力のために、スイッチング素子Ｑ１〜４によるブリッジの入力側にメインの直流電源を供給するための電源入力端子ＴＰＰ，ＴＰＮ、制御電源用の電源入力端子ＴＢＰ，ＴＢＮ、ブリッジの出力側に負荷である１相分の界磁捲線ＫＭを接続するための出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢ、方向指令入力端子ＴＣＡ，ＴＣＢ、電流指令入力端子ＴＣＣ、および、負荷に流れる電流ＩＬをモニタするためのモニタ出力端子ＴＭＡが設けられている。
【００２４】
スイッチング素子Ｑ１〜４は、それぞれのゲートにオン信号を与えることによって導通し、オフ信号を与えることによって非導通となる。スイッチング素子Ｑ１〜４として、本実施形態では電力用ＦＥＴを用いているが、これ以外に、その他のトランジスタ、サイリスタ、双方向サイリスタ、ＧＴＯなどを用いることも可能である。上にも述べたように、４つのスイッチング素子Ｑ１〜４はブリッジに接続されている。
【００２５】
ゲート制御部３１は、スイッチング素子Ｑ１〜４のそれぞれのゲートにオン信号またはオフ信号を与えるための制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成するものである。制御信号Ｓ１，Ｓ２は、ＰＷＭ（Pulse Widths Modulation)制御されている（図４参照）。これによって、ゲート制御部３１は、２つの出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢに接続される界磁捲線ＫＭに対して、流す電流ＩＬの方向および大きさを、外部から指令入力端子ＴＣＡ〜ＴＣＣに入力される指令信号Ｓ１１〜１３に基づいて制御する。
【００２６】
すなわち、本実施形態において、ゲート制御部３１は、３つのアンド素子ＡＮＤ１〜３からなる。このうち２つのアンド素子ＡＮＤ１，２は、方向指令入力端子ＴＣＡ、ＴＣＢにそれぞれ入力される指令信号Ｓ１１，１２と、他の１つのアンド素子ＡＮＤ３の出力信号Ｓ５との論理積をとって、それぞれ信号Ｓ１，２を出力する。なお、指令信号Ｓ１１，１２は、界磁捲線ＫＭに流れる電流ＩＬの方向を制御するための２ｂｉｔのデータである。
【００２７】
アンド素子ＡＮＤ３には、比較部３４から出力される信号Ｓ４と電流指令入力端子ＴＣＣに入力されるＰＷＭ信号Ｓ１３とが入力され、アンド素子ＡＮＤ３はこれらの論理積をとって信号Ｓ５を出力する。
【００２８】
したがって、ゲート制御部３１から出力される信号Ｓ１，２は、信号Ｓ５が「１」のときつまり信号Ｓ４が「１」で且つＰＷＭ信号Ｓ１３が「１」のときであって、指令信号Ｓ１１またはＳ１２がオンのときに、オンとなる。その結果、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２に応じて、界磁捲線ＫＭに流れる電流ＩＬの有無および流れる方向が制御され、且つ、電流ＩＬの大きさがＰＷＭ制御される（図４参照）。詳細は後述する。
【００２９】
ゲート駆動部３２，３３は、ゲート制御部３１から出力される制御信号Ｓ１，Ｓ２を、電気的に絶縁してスイッチング素子Ｑ１〜４に与え、スイッチング素子Ｑ１〜４を駆動するものである。つまり、ゲート駆動部３２，３３によって入力側と出力側との間の絶縁が行われ、入力された制御信号Ｓ１，Ｓ２の論理値がそのまま出力される。ゲート駆動部３２，３３として、例えばフォトカプラなどが用いられる。
【００３０】
比較部３４は、電流検出部３６から出力される検出信号Ｓ３と設定部３５によって設定されたしきい値ＴＨ１とを比較し、検出信号Ｓ３の大きさがしきい値ＴＨ１を越えたときに「０」または「Ｌ」となる信号Ｓ４を出力する。信号Ｓ４を「０」にすることによって、制御信号Ｓ１，Ｓ２は「０」となり、スイッチング素子Ｑ１〜４は全部オフとなる。これによって界磁捲線ＫＭの過電流が防止される。
【００３１】
電流検出部３６は、２つの出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢに接続される界磁捲線ＫＭに流れる電流ＩＬの大きさを検出する。電流検出部３６として、抵抗器または磁気抵抗素子やホール素子などが用いられる。電流検出部３６からは、電流ＩＬの大きさに比例した大きさの電圧の信号Ｓ３が出力される。信号Ｓ３は、通常、サイン波に近似した波形であり、外部でモニタを行えるようにモニタ出力端子ＴＭＡに出力される。このような電流検出部３６それ自体の構成は公知である。
【００３２】
制御用電源部３７は、電源入力端子ＴＢＰ，ＴＢＮに入力される制御用の直流電源を、絶縁した上で適当な直流電圧に変換し、ゲート制御部３１、ゲート駆動部３２，３３、および比較部３４などに供給する。なお、電源入力端子ＴＰＰ，ＴＰＮに接続される電源の電圧と制御用電源部３７の入力電圧とが同一である場合には、電源入力端子ＴＢＰ，ＴＢＮを電源入力端子ＴＰＰ，ＴＰＮに接続することによって制御用電源部３７に電源を供給することができる。
【００３３】
図２には、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２とスイッチング素子Ｑ１〜４のオンオフの状態との関係が示されている。
【００３４】
すなわち、図２（Ａ）に示すように、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２が「０」「０」である場合には、全てのスイッチング素子Ｑ１〜４はオフとなる。この場合に、当然ながら、界磁捲線ＫＭには電流ＩＬが流れない。
【００３５】
図２（Ｂ）に示すように、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２が「１」「０」である場合には、スイッチング素子Ｑ１，４はオンとなり、スイッチング素子Ｑ２，３はオフとなる。この場合に、界磁捲線ＫＭには、図の右方向に電流ＩＬが流れる。
【００３６】
図２（Ｃ）に示すように、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２が「０」「１」である場合には、スイッチング素子Ｑ１，４はオフとなり、スイッチング素子Ｑ２，３はオンとなる。この場合に、界磁捲線ＫＭには、図の左方向に電流ＩＬが流れる。
【００３７】
図２（Ｄ）に示すように、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２が「１」「１」である場合には、全てのスイッチング素子Ｑ１〜４はオンとなる。この場合に、界磁捲線ＫＭには電流ＩＬが流れないが、電源入力端子ＴＰＰからＴＰＮに向かって電流が流れる。
【００３８】
なお、図２（Ａ）に示す制御状態は、複数の制御ユニット３を並列に接続した場合に生じる状態であり、図２（Ｄ）に示す制御状態は、複数の制御ユニット３を直列に接続した場合に生じる状態である。
【００３９】
本実施形態の制御ユニット３は、誘導電動機の各相の界磁捲線ＫＭに対し、１つの界磁捲線ＫＭに１つの制御ユニット３が対応するように用いられる。つまり、１相の界磁捲線ＫＭに対して１つの制御ユニット３が用いられる。したがって、例えば、三相の誘導電動機の制御には、３つの制御ユニット３が用いられる。通常、Ｎ相の誘導電動機の制御にはＮ個の制御ユニット３が用いられる。
【００４０】
次に、３つの制御ユニット３を三相の誘導電動機の制御に用いた例について説明する。
【００４１】
図５は３つの制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃを三相の誘導電動機の制御に用いた場合の制御装置１の構成の例を示すブロック図、図６は各制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃにより界磁捲線ＫＭＡ〜Ｃに印加される電圧の波形の例を示す図、図７は速度−トルク特性の例を示す図である。
【００４２】
図５において、制御装置１は、３つの制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃ、ＦＶ変換器４１、ＤＡ変換器４２、ＶＣＯ４３、およびレジスタ４４などから構成される。
【００４３】
制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、それぞれ、図１で説明した制御ユニット３と同じものであり、ここでは直列接続されている。制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれの出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢには、誘導電動機Ｍの界磁捲線ＫＭＡ，ＫＭＢ，ＫＭＣが接続されている。
【００４４】
３つの界磁捲線ＫＭＡ，ＫＭＢ，ＫＭＣは、誘導電動機Ｍの三相のそれぞれの相に対応する界磁捲線であり、これら界磁捲線ＫＭＡ，ＫＭＢ，ＫＭＣに順次電流ＩＬを流して回転磁界を発生させることにより、誘導電動機Ｍを回転駆動する。
【００４５】
誘導電動機Ｍには、回転速度を検出するために、そのシャフトにパルスジェネレータＰＧが取り付けられている。パルスジェネレータＰＧは、誘導電動機Ｍの回転速度Ｎｄに対応した個数または周波数ｆｄのパルス信号Ｄ１を出力する。
【００４６】
パルスジェネレータＰＧからのパルス信号Ｄ１は、ＦＶ変換器４１によってアナログ電圧Ｄ２に変換され、加算器４５に入力される。外部から入力されるすべり周波数ｆｓの設定信号Ｓ１５は、ＦＶ変換器４１によってアナログ電圧Ｄ３に変換され、加算器４５に入力される。加算器４５からは、アナログ電圧Ｄ２とＤ３とが加算された電圧Ｄ４（＝Ｄ２＋Ｄ３）が出力される。この電圧Ｄ４は、誘導電動機Ｍの回転速度Ｎｄに対応した周波数ｆｄとすべり周波数ｆｓとの和の周波数ｆｒ（＝ｆｄ＋ｆｓ）に対応した電圧である。
【００４７】
ＶＣＯ４３は、入力される電圧Ｄ４に応じた周波数ｆｒのパルス信号Ｄ５を出力する。
【００４８】
レジスタ４４には、回転方向を指示するための指令信号Ｓ１４が入力され、指令信号Ｓ１４とＶＣＯ４３からのパルス信号Ｄ５とに対応して、３つの制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃに対してそれぞれ指令信号Ｓ１１，Ｓ１２を出力する。
【００４９】
すなわち、レジスタ４４には、制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃにそれぞれ与えるべき指令信号Ｓ１１，Ｓ１２を生成するためのデータが記憶されており、パルス信号Ｄ５によってそれらが選択されまたは切り替えられて出力される。
【００５０】
すなわち、図６の下半分に示すように、レジスタ４４には、タイムステップ（Time Step)「１」から「６」までの６ステップについて、各制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃに出力すべき指令信号Ｓ１１，Ｓ１２に対応した２進数の６ｂｉｔのデータが、並列接続の場合と直列接続の場合とについて、それぞれ記憶されている。
【００５１】
レジスタ４４に記憶されたデータが、パルス信号Ｄ５に同期して、タイムステップ「１」から「６」の順またはその逆の順に読み出され、且つこれが繰り返されることによって、３つの制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃに対するそれぞれの指令信号Ｓ１１，Ｓ１２が出力される。  その結果、図６の上半分に示すように、各制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃの出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢには、互いに位相が１２０度ずつづれた段階状の電圧が出力され、これによって、それぞれの界磁捲線ＫＭＡ，ＫＭＢ，ＫＭＣに、サイン波に近似した３相の電流ＩＬが流れて回転磁界が発生する。
【００５２】
回転磁界の速さ、つまり誘導電動機Ｍの回転速度は、タイムステップの進む速さ、つまりパルス信号Ｄ５の周波数ｆｒに依存することになるから、パルス信号Ｄ５の周波数ｆｒによって誘導電動機Ｍの回転速度が制御される。また、タイムステップの進む方向つまり読み出し順を変えることによって、誘導電動機Ｍの回転方向が制御される。
【００５３】
なお、レジスタ４４には、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２に対応した２進数の６ｂｉｔのデータとともに、制御ユニット３Ｃの側を上位桁とし制御ユニット３Ａの側を下位桁としてそれらを２進６桁として見た場合の十進数のデータが記憶されている。したがって、この十進数のデータを読み出して、各制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃへの指令信号Ｓ１１，Ｓ１２を生成してもよい。
【００５４】
このようなレジスタ４４は、６ｂｉｔのシフトレジスタまたはリングカウンタを６個（並列接続用と直列接続用との場合は１２個）用いて同時にシフトさせるように構成することによって実現可能である。また、レジスタ４４に記憶したデータをアドレス指定して読み出すようにしてもよい。その制御のために、例えば、マイクロコンピュータやＤＳＰを用いることができる。
【００５５】
また、レジスタ４４のシフトまたは読み出しをタイムステップ１〜６を１周することによって回転磁界が１回転するので、それに対応するようにパルス信号Ｄ５の周波数ｆｒの係数または倍数を設定しておくか、またはレジスタ４４の内部でパルス信号Ｄ５に基づいて適当倍数のパルスを発生するようにしておけばよい。
【００５６】
そして、ＰＷＭ信号Ｓ１３の「１」のデューティ比を変えることによって、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２のオン時の各半周期における電流ＩＬの実効値が制御され、つまり電流ＩＬの大きさが制御され、これによって誘導電動機Ｍの出力トルクが制御される。したがって、例えば、誘導電動機Ｍの起動時にはＰＷＭ信号Ｓ１３のデューティ比を小さくして電流ＩＬを小さくすることにより、起動をソフトに行うことができる。
【００５７】
なお、図４に示す例では、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２のオン時の各半周期にわたってＰＷＭ信号Ｓ１３のデューティ比が変化しない例が示されている。通常はこれで十分であるが、各半周期間においてＰＷＭ信号Ｓ１３のデューティ比を変化させ、電流ＩＬがより一層サイン波に近くなるように制御することも可能である。
【００５８】
図７には、界磁捲線ＫＭの両端に印加される種々の電圧について、誘導電動機Ｍの速度−トルク特性の例が示されている。誘導電動機Ｍは、その出力トルクが負荷トルクと釣り合うところで回転速度が決まるが、ＰＷＭ信号Ｓ１３のデューティ比によって界磁捲線ＫＭに印加する電圧を制御できるので、結局、ＰＷＭ信号Ｓ１３のデューティ比によって回転速度を制御できることとなる。
【００５９】
なお、図５に示す制御装置１では、外部からすべり周波数ｆｓの指令を与えるのであり、パルス信号Ｄ５の周波数ｆｒは、誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｓにすべり周波数ｆｓを加算したものとなる。
【００６０】
すなわち、制御装置１は、常に、誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｓよりもすべり周波数ｆｓの分だけ高い周波数ｆｒの電流を誘導電動機Ｍに出力することとなる。つまり、誘導電動機Ｍの固定子と回転子との速度差が、すべり周波数ｆｓに相当する一定の値に維持されるよう、制御が行われることとなる。
【００６１】
そうすると、誘導電動機Ｍの回転速度またはトルクは、二次電流の二乗に比例するので、回転速度Ｎｄが０の始動時点ではトルクを大きくすることができ、大きな始動トルク（起動トルク）を得ることができる。したがって、低速の領域においても安定した運転を行うことができる。また、トルクが小さい場合、つまり負荷が軽い場合には、回転速度Ｎｄを大変大きくすることができる。これは速度制御の可能な範囲が広く、且つ安定しているということである。
【００６２】
また、次のように考えることもできる。すなわち、誘導電動機Ｍの回転速度に対応する周波数ｆｄにすべり周波数ｆｓを加算すると、すべり周波数ｆｓの分だけ高い周波数（回転速度）になろうとして界磁電流の周波数がどんどん高くなる。つまり、この状態は、誘導電動機Ｍの回転速度について正のフィードバックがかかっている状態である。その結果、誘導電動機Ｍの回転速度は上昇する。しかし、回転速度の上昇につれて発生トルクが低下するので、負荷と釣り合う点で安定する。そのときの釣合い点は、上に述べたようにＰＷＭ信号Ｓ１３のデューティ比により制御される電流に応じて異なる。
【００６３】
なお、すべり周波数ｆｓがマイナスの場合には、回生制動が行われ、誘導電動機Ｍは発電機として動作する。このような制御の詳細に関しては本発明者が先に提案した特願２００３−８０５８４を参照することができる。
【００６４】
図５に示す直流電源５は、例えば、１２ボルト、２４ボルト、１００ボルト、１４０ボルト、２００ボルト、２８０ボルトなどの直流電源であり、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、燃料電池、その他の電池、または交流電源と整流器の組み合わせなどを用いることができる。交流電源と整流器との組み合わせを用いる場合には、整流器としてサイリスタを用いて位相制御を行ってもよい。また、チョッパ回路を設けて電圧制御または電流制御を行ってもよい。
【００６５】
ところで、図５に示した回路では、誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｓに対応した周波数ｆｄとすべり周波数ｆｓとを加算して直接にＶＣＯ４３を制御しているが、その場合には、ＦＶ変換器４１やＤＡ変換器４２などの誤差や電圧変動などによって精度のよい制御を行うことにやや問題がある。これを改良したものが次に説明する制御装置１Ｂである。
【００６６】
図８は図１の実施形態の制御装置１を改良した制御装置１Ｂの改良部分を示すブロック図である。
【００６７】
図８において、ＶＣＯ４３の出力するパルス信号Ｄ５の周波数ｆｒと誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｓに対応した周波数ｆｄとの差（ｆｒ−ｆｄの絶対値）の周波数が、ビート信号検出部４６によって検出される。ビート信号検出部４６の出力する信号Ｄ１１は、検波部４７によって検波され、ロ−パスフィルタ４８によって高周波成分が除去され、位相周波数比較器４９に入力される。
【００６８】
位相周波数比較器４９は、そこに入力される信号Ｄ１３と信号Ｓ１５との周波数および位相がともに一致するまで電圧信号Ｄ１４を出力する。つまり、例えば、周波数が１Ｈｚ以内の誤差で合っていても、位相が−πから＋πまでの間でずれている場合には、その位相のずれ−π〜＋πに応じて０からフルスケールまでの電圧を出力する。完全に一致すると、電圧信号Ｄ１４は０ボルトとなる。
【００６９】
これによって、ＶＣＯ４３には、誘導電動機Ｍの実際の回転速度Ｎｓに対応した周波数ｆｄにすべり周波数ｆｓを加算した周波数ｆｒに正確に対応した電圧Ｄ４が与えられることとなり、すべり周波数ｆｓの設定に対するシステムの感度が増幅されて向上し、精度のよい制御が行われる。
【００７０】
なお、図８に示す回路は、例えばＰＬＬ（位相同期ループ）を利用して構成することが可能である。
【００７１】
上の説明では制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃを直列に接続した場合について述べたが、並列に接続して用いてもよい。図９は３つの制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃを並列に接続した例を示す図である。
【００７２】
図９において、３つの制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、それぞれの電源入力端子ＴＰＰが互いに接続され、電源入力端子ＴＰＮが互いに接続され、それぞれ直流電源５に接続されている。図示は省略したが、制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃの出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢにはそれぞれ界磁捲線ＫＭＡ，ＫＭＢ，ＫＭが接続される。
【００７３】
なお、制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃを直列接続するかまたは並列接続するかは、誘導電動機Ｍの仕様などに応じて決めればよい。例えば、定格電圧が低いとき、例えば１２ボルトまたは２４ボルトなどのときには並列接続とし、定格電圧が高いとき、例えば１４０ボルトまたは２００ボルトなどのときには直列接続とすればよい。
【００７４】
上に述べた制御装置１，１Ｂは、適当なプリント基板に組み込んで、誘導電動機Ｍの内部に一体的に実装することができる。
【００７５】
図１０は複数の制御ユニット３による制御装置を内蔵した誘導電動機Ｍ１の例を示す断面図である。
【００７６】
図１０に示すように、誘導電動機Ｍ１は、ハウジング１１、ベアリングによって回転可能に支持されたシャフト１２、シャフト１２に取り付けられた回転子１３、回転子１３に対向するように配置された固定子１４、プリント基板１５などからなる。
【００７７】
すなわち、ハウジング１１の内径よりも若干小さい外径を有する円板状のプリント基板１５を用い、中央にシャフト１２との干渉を避けるための円形の穴をあけておき、そのプリント基板１５に制御装置１，１Ｂの回路を組み込む。そして、固定子１４に巻かれた界磁捲線ＫＭに近くなるように、ハウジング１１の一部を構成する背面側のカバーの内側にプリント基板１５を配置して固定する。
【００７８】
プリント基板１５に実装された制御ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃの各出力端子ＴＯＡ，ＴＯＢに、界磁捲線ＫＭをそれぞれ接続する。シャフト１２に取り付けたパルスジェネレータＰＧの出力をプリント基板１５に配線する。またはプリント基板１５にパルスジェネレータＰＧの一部を取り付けておく。指令入力端子ＴＣＡ〜ＴＣＣ、電源入力端子ＴＰＰ，ＴＰＮ、その他の端子を外部に接続可能なように、適当な端子ボックスやコネクタなどを設けておくか、リード線を引き出しておく。特に制御用の信号は、例えばコンピュータによって直接に制御可能なように制御用のインタフェースを設けておく。
【００７９】
このように、制御装置１，１Ｂを誘導電動機Ｍ１に内蔵することによって、制御装置付きの誘導電動機Ｍ１をコンパクトに低コストで製作することができる。
【００８０】
上に述べた実施形態では、制御ユニット３を三相の誘導電動機Ｍの制御に用いた場合について説明した。しかし、制御ユニット３は、三相のみではなく、４相、６相、９相、１２相、３６相、４８相など、種々の相数または極数の誘導電動機に容易に適用することができる。
【００８１】
特に誘導電動機が大型である場合には相数を多くすることによって安定した動作と高い効率が得られる。
【００８２】
例えば、４８相の誘導電動機に適用するには、４８個の制御ユニット３を用い、それぞれの制御ユニット３に４８個の界磁捲線ＫＭをそれぞれ接続し、それらに回転磁界が生じるように順次電流ＩＬを流すように制御ユニット３を制御する。相数が多くなるほど回転磁界が滑らかになるので、各相の制御ユニット３により界磁捲線ＫＭに流れる電流ＩＬが方形波状であっても全体としてサイン波に近い回転磁界が得られ、回転が滑らかになり、例えば低速回転であっても安定した回転が得られる。
【００８３】
なお、その場合に、４８個の制御ユニット３に指令信号Ｓ１１，Ｓ１２を与えるレジスタ４４には、それぞれに対応するデータを記憶しておき、順次読みだすようにすればよい。また、種々の相数に対応するデータをレジスタ４４に記憶しておき、プログラムまたはデジスイッチで切り替えることによって目的の相数のデータを読み出して制御できるように構成しておいてもよい。
【００８４】
このように、制御ユニット３の個数や指令信号Ｓ１１，Ｓ１２の内容を適当に設定することによって、種々の仕様の誘導電動機の制御を行うことができる。
したがって、異なる仕様の誘導電動機に対して、制御装置の仕様の決定、設計、製作が容易且つ低コストで行える。制御装置を誘導電動機に組み込むことによって、種々の仕様の誘導電動機を簡単に制御することができる。
【００８５】
上に述べた実施形態において、制御ユニット３は、図３に示すような１つのチップとして構成されているが、その寸法、形状、端子の種類および個数などは、それ以外の種々のものとすることができる。制御ユニット３の回路構成、部品構成などについても種々変更することができる。制御装置１において、パルスジェネレータＰＧに代えて、アナログ電圧を発生させるタコジェネレータを用いてもよい。信号およびその処理を、アナログ、デジタル、またはこれらの組み合わによって行うことが可能である。
【００８６】
その他、制御ユニット３または制御装置の全体または各部の回路構成、定数、構造、形状、寸法、個数、および材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【００８７】
なお、本発明は、種々の方式、形式、原理の種類の誘導電動機に適用可能である。例えば同期電動機にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御ユニット３回路を示す回路図である。
【図２】制御ユニットの動作を説明するための図である。
【図３】制御ユニットの外観の例を示す斜視図である。
【図４】制御ユニットの各部の信号の状態の例を示す図である。
【図５】制御ユニットを用いた制御装置の構成の例を示すブロック図である。
【図６】制御ユニットにより界磁捲線に印加される電圧の波形の例を示す図である。
【図７】速度−トルク特性の例を示す図である。
【図８】改良された制御装置を示すブロック図である。
【図９】制御ユニットを並列に接続した例を示す図である。
【図１０】制御ユニットを内蔵した誘導電動機の例を示す断面図である。
【図１１】従来の制御装置の回路の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８９】
１，１Ｂ，１Ｃ  制御装置
３  制御ユニット（電動機制御ユニット）
３１  ゲート制御部（制御部）
３４  比較部
３５  設定部
３６  電流検出部
４４  レジスタ（制御部）
Ｑ１〜４  スイッチング素子
ＴＰＰ，ＴＰＮ  電源入力端子
ＴＢＰ，ＴＢＮ  制御電源用の電源入力端子
ＴＯＡ，ＴＯＢ  出力端子
ＴＣＡ，ＴＣＢ  方向指令入力端子（指令入力端子）
ＴＣＣ  電流指令入力端子（指令入力端子）
Ｓ１１，Ｓ１２  指令信号
Ｍ  誘導電動機
ＫＭ  界磁捲線
ＰＧ  パルスジェネレータ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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