JP4040592B2 - モーター電源供給装置 - Google Patents

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Description

本発明はモーター電源供給装置に係り、特に、ダイナミックブレーキング回路に要求されるダイオードをインバーターのダイオードと共有することにより、部品数を減少させ、製品のサイズ及び製造費も減少させるのみならず、モーターの速度に応じてブレーキング回路で要求される抵抗値を満足させうるモーター電源供給装置に関する。
３相モーターは三角形状で結線されたコイルを有するモーターである。３相モーターの電源供給装置はモーターの駆動に必要な３相電圧を得るためのものであり、図１に示したように、常用交流電源(AC110/220V)を供給するＡＣ電源供給部１０１と、ＡＣ電源供給部１０１からの交流電源を整流する整流部１０３と、整流部１０３で整流された電圧を平滑するコンデンサー１１５と、コンデンサー１１５からの直流電源を様々な周波数の交流電源に変換して３相電圧を出力するインバーター１１６とを含む。
インバーター１１６はＰＷＭ制御信号に応じてオン・オフされる多数のトランジスタと、各トランジスタと並列連結されたダイオードとから構成される。さらに、モーター電源供給装置はＰＷＭ制御信号によりトランジスタをオン・オフさせてインバーター１１６の出力を開閉(ON/OFF)し、モーター１１７の回転速度調節のためにその出力周波数を調節する機能を行うマイコン(図示せず)を備える。
さらに、前記電源供給装置は初期電源の印加時に突入電流防止用のリレー１１１がオフされて突入電流防止抵抗１０２からコンデンサー１１５への突入電流を消耗するように構成された突入電流防止回路と、コンデンサー１１５を過電圧から保護するための過電圧保護回路１３０と、３相モーター１１７の電源入力端をショートするダイナミックブレーキング回路とを含むことが一般的である。
ダイナミックブレーキング回路はモーター１１７の各電源入力端にダイナミックブレーキング抵抗１２０及びブレーキング用のリレー１２２が連結される構成を有する。一方、ダイナミックブレーキング回路は、図２に示したように、モーター２１７の各電源入力端に各一対のダイナミックブレーキングダイオード２２４が連結され、ダイナミックブレーキングダイオード２２４はダイナミックブレーキング抵抗２２０及びブレーキング用のリレー２２２に並列に連結される構成を有することもある。ここで、図２の他の構成要素は図１の一部構成要素と同じなので、その詳細説明を省略する。
ここで、ブレーキング用のリレー１２２，２２２はモーター１１７，２１７の駆動時にオフされた状態を維持し、モーター１１７，２１７の停止段階やモーター１１７，２１７の停止後にオンされてモーター１１７，２１７を急停止させるか、外部からの力によるモーター１１７，２１７の回転を拘束する。
しかし、かかる従来のダイナミックブレーキング回路においては、モーター１１７，２１７の停止段階や停止後のみにその機能を行うが、電源が印加され、コンデンサー１１５，２１５が充電された後、すなわち、正常的なモーター１１７，２１７の駆動時にはその機能が回路動作に不要なのにもかかわらず、少なくとも一部の回路と同じ部品を使用するダイナミックブレーキング回路を独立的に構成して全体回路のサイズ及び製造費用が増加するという問題点があった。
さらに、ダイナミックブレーキング抵抗１２０，２２０はモーター１１７，２１７の短絡時に流れる電流によりそのサイズが決定され、モーター１１７，２１７の短絡時に流れる電流はモーター１１７，２１７の停止命令直前のモーター１１７，２１７の速度に応じて決定される。従って、高速回転されるモーター１１７，２１７を停止させる場合は大量の電流が流れるので、ダイナミックブレーキング抵抗１２０，２２０の容量が大きくなるべきであり、モーター１１７，２１７が低速回転される場合は電流が少量流れるので、ダイナミックブレーキング抵抗１２０，２２０の抵抗値は小さくなるべきである。すなわち、モーター１１７，２１７の速度に応じてダイナミックブレーキング抵抗１２０，２２０の抵抗値が変わるべきであるが、従来ではこれを考慮した設計がなされなかった。
したがって、本発明の目的は、ダイナミックブレーキング回路に要求されるダイオードをインバーターのダイオードと共有することにより、部品の数を減少させ、製品のサイズ及び製造費を減少させるのみならず、モーターの速度に応じてブレーキング回路で要求される抵抗値を満足させうるモーター電源供給装置を提供することにある。
前記目的を達成するために本発明によるモーター電源供給装置は、一対の電源供給端を有する直流電源供給部と、一対の電源ラインを通じて前記直流電源供給部の電源供給端にそれぞれ接続される一対の接続端を備え、前記直流電源供給部により供給される直流電源を受けてモーターに交流電源を供給するインバーターとを有するモーター電源供給装置において、前記一対の接続端を相互連結する付加ライン内に配置されるブレーキング抵抗と、前記付加ライン内に前記ブレーキング抵抗と直列に配置される調節スイッチング素子と、前記接続端のうち、いずれか一つに配置されて前記該当接続端を対応する電源供給端に連結する正常位置と、前記該当接続端を前記付加ラインに連結するブレーキング位置のうち、いずれか一つにスイッチングされるブレーキングスイッチと、前記モーターの速度を検出するモーター速度検出部と、前記モーターの停止モード時、前記ブレーキングスイッチが前記ブレーキング位置にスイッチングされるように制御し、前記モーター速度検出部を通じて検出されたモーター速度に応じて前記調節スイッチング素子のオン・オフ周期が調節されるように前記調節スイッチング素子を制御する制御部とを含むことを特徴とする。
ここで、前記ブレーキング抵抗と前記調節スイッチング素子との間に一端が接続され、前記調節スイッチング素子と直列に配置されるように他端が前記接続端のうち、いずれか一つに接続される過電圧保護抵抗と、前記直流電源供給部内に備えられて前記モーターから発生された電圧が誘起されるコンデンサーと、前記コンデンサーの両端に誘起される過電圧を感知する過電圧感知部とをさらに含み、前記制御部は、前記過電圧感知部の感知結果、前記コンデンサーの両端に過電圧が感知される場合、前記ブレーキングスイッチが前記正常位置にスイッチングされるように制御し、前記調節スイッチング素子をオンさせることにより、モーター電源供給装置は過電圧保護機能を備え、前記調節スイッチング素子を過電圧保護用及びダイナミックブレーキング用として共用することが好ましい。
さらに、前記過電圧保護抵抗と並列に配置され、前記過電圧保護抵抗が接続された前記インバーターの接続端にカソードが接続されるダイオードをさらに含み、調節スイッチング素子がオフされるとき、過電圧保護抵抗を通じて流れる電流がダイオードを通じて流れるようにすることが好ましい。
前記制御部は、前記モーターの駆動時に前記ブレーキングスイッチが前記正常位置にスイッチングされるように制御することにより、ブレーキングスイッチの切換え位置に応じてモーターの制御モード、過電圧保護モード及びダイナミックブレーキングモードを具現することができる。
さらに、前記ブレーキング抵抗は前記過電圧保護抵抗より抵抗値が小さいため、ダイナミックブレーキングモード時、電流の大部分がブレーキ抵抗を通じて流れるようにすることが好ましい。
さらに、前記ブレーキングスイッチは前記正常位置にスイッチングされるための第１接点と、前記第１接点と相互切換えされ、前記ブレーキング位置にスイッチングされるための第２接点とを有するリレーであることが好ましい。
以下、添付図面に参照して本発明について詳細に説明するが、３相モーターを駆動するための電源供給装置を一例として説明する。さらに、相異なる実施例でも同じ構成要素に対しては同じ参照番号を使用し、その説明は一部省略する。
図３は本発明によるモーター電源供給装置の回路図である。示したように、本発明によるモーター電源供給装置は、ＡＣ電源供給部１０から供給される交流電源を受けて一対の電源供給端８０ａ，８０ｂを通じて直流電源を供給する直流電源供給部２０と、一対の電源供給端８０ａ，８０ｂにそれぞれ接続される一対の接続端９０ａ，９０ｂを通じて直流電源供給部２０から直流電源を受けて様々な周波数を有する交流電源に変換し、ＡＣモーター４０に３相電圧を出力するインバーター３０とを含む。
さらに、本発明によるモーター電源供給装置は、インバーター３０の一対の接続端９０ａ，９０ｂを相互連結する付加ライン内に相互直列に配置されるブレーキング抵抗５６及び調節スイッチング素子５８と、インバーター３０の接続端９０ａに配置されて該当接続端９０ａを対応する電源供給端８０ａに連結するか、付加ラインに連結するブレーキングスイッチ６０と、一端が前記インバーター３０の接続端９０ａに連結され、他端がブレーキング抵抗５６と調節スイッチング素子５８との間に接続され、調節スイッチング素子５８と直列に配置される過電圧保護抵抗５４と、過電圧保護抵抗５４と並列に配置され、過電圧保護抵抗５４が接続されたインバーター３０の接続端９０ａにカソードが接続されるダイオード５２と、モーター４０の速度を検出するモーター速度検出部(図示せず)と、調節スイッチング素子５８及びブレーキングスイッチ６０などを制御する制御部(図示せず)とを含む。
直流電源供給部２０は、ＡＣ電源供給部１０から供給される交流電源を整流する整流部２６と、整流部２６により整流された電源を平滑するコンデンサー２８とを含む。さらに、直流電源供給部２０内には初期電源の印加時、コンデンサー２８の充電のために非常に大きな突入電流が誘起されることを防止するための突入電流防止回路が備えられる。
突入電流防止回路はコンデンサー２８へ流入される過多な電流を熱エネルギーで消耗させる突入電流防止抵抗２４と、整流部２６により整流された電圧が突入電流防止抵抗２４を通じてコンデンサー２８に伝えられるようにオフされるか、整流部２６により整流された電圧が突入電流防止抵抗２４を通ることなく、コンデンサー２８に伝えられるようにオンされる突入電流防止用のリレー２２とを含む。
ＡＣ電源供給部１０から初期電源が印加されると、後述する制御部は突入電流防止用のリレー２２をオフさせて突入電流防止抵抗２４で電流を消耗させるようにすることにより、初期電源の印加時突入電流によるコンデンサー２８の破損を防止する。ここで、コンデンサー２８の両端間の電圧(ＶPN)はコンデンサー２８の充電により徐々に上昇する。
インバーター３０はトランジスタ３２ｂとダイオード３２ａが相互並列に連結されて一対をなすインバーティング素子３２が多数個配置されている。ここで、モーター４０の各電源入力端はインバーティング素子３２の間に連結されてインバーター３０から３相電圧を受ける。
調節スイッチング素子５８は、ＭＯＳトランジスタ(MOS Transistor)や電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)のようにゲートに入力される信号に応じてスイッチングが可能であり、制御部は調節スイッチング素子５８のゲートに入力される信号を調節して調節スイッチング素子５８をターンオン/ターンオフさせ、そのターンオン/ターンオフ周期を変化させる。
モーター速度検出部はモーター４０の回転角位置をコード化し、コード化された信号に基づいてモーター４０の位置と速度を算出するエンコーダであることが好ましい。エンコーダは制御部にモーター４０の速度と回転角位置情報を提供する。
ブレーキングスイッチ６０は、インバーター３０の接続端９０ａを対応する電源供給端８０ａに連結する正常位置と、該当接続端９０ａを付加ラインに連結するブレーキング位置のうち、いずれか一つにスイッチングされるように相互切換えされる第１接点(1)及び第２接点(2)を有するリレーであることが好ましい。
初期電源が印加された後、所定の時間が経過してコンデンサー２８の両端に充電が完了されて外部操作などによりモーター駆動信号が発生すると、制御部はブレーキングスイッチ６０を第１接点(1)に接続させて正常位置にスイッチングされるようにする。図４に示したように、コンデンサー２８に充電された電圧がインバーター３０に供給され、インバーター３０では印加された直流電源を３相交流電圧に変換してモーター４０に供給する。
一方、このようにモーター４０が駆動される間、モーター４０の回転によりモーター４０内に貯蔵されたエネルギーはインバーター３０を通じてコンデンサー２８に回生される。このような回生電圧はコンデンサー２８の両端間の電圧ＶＰＮを上昇させる。
コンデンサー２８の両端に誘起される電圧が過電圧感知部(図示せず)により過電圧として感知されると、制御部は第１接点(1)に接続されたブレーキングスイッチ６０の接続状態を維持し、調節スイッチング素子５８をターンオンさせる。これにより、過電圧が過電圧保護抵抗５４を通じて熱エネルギーで消耗されてコンデンサー２８の破損を防止するようになる。さらに、過電圧が検出されない場合、制御部は調節スイッチング素子５８をターンオフさせて過電圧保護抵抗５４を通じて流れる電流をダイオード５２を通じて流れるようにする(図５を参照)。
図６を参照すれば、過電圧領域がヒステリシス領域ＶH1-ＶH2である場合、コンデンサー２８の両端の電圧が過電圧上限値ＶH2に至ると、制御部はブレーキングスイッチ６０の第１接点(1)の接続状態を維持し、調節スイッチング素子５８をターンオンさせて過電圧を過電圧保護抵抗５４を通じて熱エネルギーで消耗させる。これにより、コンデンサー２８の両端間の電圧が下降する。
すなわち、制御部は調節スイッチング素子５８を制御してコンデンサー２８の両端の電圧ＶPNが過電圧領域ＶH1-ＶH2(ヒステリシス領域)で動くようにする(図６を参照)。さらに、調節スイッチング素子５８をヒステリシス領域内で動作させることにより、ノイズにより発生される調節スイッチング素子５８の誤動作を減少させる。
さらに、制御部はモーター４０の急制動時又はモーター４０に電源が印加されなくてモーター４０の駆動が停止した場合、ブレーキングスイッチ６０を第２接点(2)に接続させ、インバーター３０のトランジスタ３２ｂをターンオフさせる。さらに、モーター速度検出部を通じて検出されたモーター速度に応じて調節スイッチング素子５８のオン・オフ周期を調節する制御信号を調節スイッチング素子５８のゲートに入力する。
すると、モーター４０の巻線に流れる電流がインバーター３０のダイオード３２ａとブレーキング抵抗５６を通じてモーター４０へ流入されることにより、モーター４０の電源入力端がショートされ、流れる電流がブレーキング抵抗５６により熱で消耗される。ここで、モーター４０の巻線に流れる電流はブレーキング抵抗５６と並列に連結された過電圧保護抵抗５４にも流れるが、過電圧保護抵抗５４が一般的にブレーキング抵抗５６よりも大きな抵抗値を有するので、電流の大部分がブレーキング抵抗５６を通じて流れる。したがって、モーター４０の損傷を防止し、モーター４０を迅速に停止させることができ、外部の力によりモーター４０が強制に回転することを防止しうる。
さらに、制御部がモーター速度に応じて調節スイッチング素子５８のオン・オフ周期を変化させることにより、可変抵抗７０の配置と同じ効果を有する。
図８Ａに示したように、モーター４０の速度が高くなるほど、調節スイッチング素子５８のターンオン時間(Ton)が短く、モーター４０の速度が低くなるほど、調節スイッチング素子５８のターンオン時間(Ton)が長くなる。すなわち、モーターの速度が高くなるほど、調節スイッチング素子５８のデューティー比(D=Ton/Ts)が小さく、モーターの速度が低くなるほど、調節スイッチング素子５８のデューティー比(D=Ton/Ts)が大きくなる。
モーター４０の巻線に流れる電流はブレーキング抵抗５６、過電圧保護抵抗５４及び調節スイッチング素子５８を通じて流れるが、調節スイッチング素子５８のデューティー比がモーター４０の速度に応じて変わるので、図８Ｂに示したように、ブレーキング抵抗５６、過電圧保護抵抗５４及び調節スイッチング素子５８の構成は一つの可変抵抗７０のように動作する。
可変抵抗値はブレーキング抵抗５６と過電圧保護抵抗５４が並列連結された合成抵抗値(RD||Rov)を調節スイッチング素子５８のデューティー比(D)で割り算した値として表現することができ、ブレーキング抵抗値(RD)が過電圧保護抵抗値(Rov)に比べて相対的に小さいため、合成抵抗値(RD||Rov)はブレーキング抵抗値(RD)と類似になる。したがって、可変抵抗値はデューティー比(D)に対するブレーキング抵抗値(RD)の比と類似になり、モーター４０の速度が高くなると、デューティー比(D)を減らして抵抗値を増加させ、モーター４０の速度が低くなると、デューティー比(D)を増加させて抵抗値を減少させる。このような本発明によるモーター電源供給装置の簡略な等価モデルを図９に示した。
したがって、モーター４０の急制動時又はモーター４０に電源が印加されなくてモーター４０の駆動が停止した場合、モーター４０の速度に応じてブレーキング抵抗５６を適宜な抵抗値に設定することと同じ効果を有する。すなわち、モーター速度に応じてブレーキング回路で要求される抵抗値を満足させることができ、抵抗値を必要によって設定して製品のサイズを縮小させる。
さらに、調節スイッチング素子５８を過電圧保護用及びブレーキング用として共用することにより、回路構成を簡単にすることができる。
上述した実施例では、本発明によるモーター電源供給装置が３相モーター４０に電源を供給する場合を一例として説明したが、単相又は多相モーターに電源を供給するようにインバーター３０の構成変更が可能なのは明らかである。
このように、本発明はダイナミックブレーキング回路に要求されるダイオードをインバーターのダイオードと共有することにより、部品の数を減少させ、製品のサイズ及び製造費用を減少させるのみならず、ブレーキングモード時にモーター速度に応じて抵抗値が変わる効果によりモーター速度に応じてブレーキング回路で要求される抵抗値を満足させうる。
〔発明の効果〕
上述したように、本発明によれば、ダイナミックブレーキング回路に要求されるダイオードをインバーターのダイオードと共有することにより、部品の数を減少させ、製品のサイズ及び製造費用を減少させるのみならず、モーター速度に応じてブレーキング回路で要求される抵抗値を満足させうるモーター電源供給装置が提供される。
従来のモーター電源供給装置の回路図。 従来のモーター電源供給装置の回路図。 本発明によるモーター電源供給装置の回路図。 本発明によるモーター電源供給装置の回路図。 図３のモーターの制御モード時の電流流れを示した回路図。 図３のモーターの過電圧保護モード時の電流流れを示した回路図。 図５のモーター電源供給装置の各接点の電圧及び電流波形図。 図３のモーターのダイナミックブレーキングモード時の電流流れを示した回路図。 図３のモーター速度による調節スイッチング素子のデューティー比とダイナミックブレーキング電流ＩDBの変化図。 調節スイッチング素子のデューティー比による等価モデルを示した図。 本発明によるモーター電源供給装置の回路図。 図３の簡略等価モデルを示した図。
符号の説明
１０ ＡＣ電源供給部
２０ 直流電源供給部
２２ 突入電流防止用のリレー
２４ 突入電流防止抵抗
２６ 整流部
２８ コンデンサー
３０ インバーター
３２ａ インバーターダイオード
３２ｂ トランジスタ
４０ ＡＣモーター
５２ ダイオード
５４ 過電圧保護抵抗
５６ ブレーキング抵抗
５８ 調節スイッチング素子
６０ ブレーキングスイッチ
７０ 可変抵抗
８０ａ，８０ｂ 電源供給端
９０ａ，９０ｂ 接続端

Claims (5)

  1. 一対の電源供給端を有する直流電源供給部と、一対の電源ラインを通じて前記直流電源供給部の電源供給端にそれぞれ接続される一対の接続端を備え、前記直流電源供給部により供給される直流電源を受けてモーターに交流電源を供給するインバーターとを有するモーター電源供給装置において、
    前記一対の接続端を相互連結する付加ライン内に配置されるブレーキング抵抗と、
    前記付加ライン内に前記ブレーキング抵抗と直列に配置される調節スイッチング素子と、
    前記接続端のうち、いずれか一つに配置されて前記該当接続端を対応する電源供給端に連結する正常位置と、前記該当接続端を前記付加ラインに連結するブレーキング位置のうち、いずれか一つにスイッチングされるブレーキングスイッチと、
    前記モーターの速度を検出するモーター速度検出部と、
    前記モーターの停止モード時、前記ブレーキングスイッチが前記ブレーキング位置にスイッチングされるように制御し、前記モーター速度検出部を通じて検出されたモーター速度が高くなるほど前記調節スイッチング素子のデューティー比が小さくなり、前記モーター速度が低くなるほど前記調節スイッチング素子のデューティー比が大きくなるように前記調節スイッチング素子を制御する制御部と、
    前記ブレーキング抵抗と前記調節スイッチング素子との間に一端が接続され、前記調節スイッチング素子と直列に配置されるように他端が前記接続端のうち、いずれか一つに接続される過電圧保護抵抗と、
    前記過電圧保護抵抗と並列に配置され、前記過電圧保護抵抗が接続された前記インバーターの接続端にカソードが接続されるダイオードとを含むことを特徴とするモーター電源供給装置。
  2. 前記直流電源供給部内に備えられて前記モーターから発生された電圧が誘起されるコンデンサーと、前記コンデンサーの両端に誘起される過電圧を感知する過電圧感知部とをさらに含み、
    前記制御部は、前記過電圧感知部の感知結果、前記コンデンサーの両端に過電圧が感知される場合、前記ブレーキングスイッチが前記正常位置にスイッチングされるように制御し、前記調節スイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項１に記載のモーター電源供給装置。
  3. 前記制御部は、前記モーターの駆動時に前記ブレーキングスイッチが前記正常位置にスイッチングされるように制御することを特徴とする請求項１に記載のモーター電源供給装置。
  4. 前記ブレーキング抵抗は前記過電圧保護抵抗より抵抗値が小さいことを特徴とする請求項２に記載のモーター電源供給装置。
  5. 前記スイッチング部は前記正常位置にスイッチングされるための第１接点と、前記第１接点と相互切換えされ、前記ブレーキング位置にスイッチングされるための第２接点とを有するリレーであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち、いずれか一項に記載のモーター電源供給装置。
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