JP4826946B2 - 発電型ブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータへの励磁電流遮断後に発生する回生電力によるモータ電流を入力する負荷を持つ発電型ブレーキ装置に関するものである。

スライダをプラテン上で２次元的に位置決め制御する平面位置決め装置では、スライダが空気ベアリングにより浮上した状態で移動制御されるために摩擦が小さい。従って、異常時にスライダの速度を低下させて急速に停止操作する場合には、スライダに設けられたモータへの励磁電流遮断後に励磁コイルに発生する、逆起電圧に基づく回生電力を利用する発電型ブレーキ装置が使用される。

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５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。

モータ部１は、励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを有する３相の交流モータで形成され、各相の励磁コイルＬａ，Ｌｂ，Ｌｃには、モータの回転により、逆起電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃが発生する。

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。

ブロック３は発電型ブレーキ装置であり、２個のスイッチ手段４及び５、スイッチ制御手段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よりなる共振回路負荷を備えている。

スイッチ手段４は、ブレーキ指令Ｗを入力するスイッチ制御手段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。

スイッチ手段４は、スイッチ制御手段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１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接点よりスイッチ手段５に出力され、このスイッチ手段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。

スイッチ手段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。

スイッチ制御手段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をスイッチ手段５に出力する。

図６は、従来の発電型ブレーキ装置を備えたスライダのブレーキ操作後の移動イメージ図である。図６（Ａ）は、プラテン９上をＰ方向に移動中の実線で示すスライダ１０に、時刻ｔ０でブレーキ操作した後の移動を点線で示している。図６（Ｂ）は、ブレーキ操作後のスライダの速度Ｖの変化及び移動距離Ｌの変化特性である。

特開昭５３−０８０５１７号公報

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」

従来の発電型ブレーキ装置では、次のような問題がある。
（１）ブレーキ操作後、スライダ１０の速度がある程度に低下になると、ブレーキ力が弱くなり、スライダ１０の重心アンバランス、接続されているケーブルベア（図示せず）の外部張力等の影響で姿勢を維持しにくく、θで示すように回転する可能性がある。

（２）スライダが回転すると、プラテン９との歯が合わなくなり、閉磁路を構成できず、ブレーキ力が発生しなくなる。このため、スライダの制動距離が伸び、衝突の危険がある。

（３）更に、閉磁路を構成できないことで、自動的な再サーボ制御の起動ができなくなり、手動操作でスライダ１０の姿勢を正常位置に修正する煩雑な作業が必要となる。

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、ブレーキ操作時にスライダの姿勢を維持すると共に、制動距離を短縮できる発電型ブレーキ装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）モータへの励磁電流遮断後に発生する回生電力によるモータ電流を入力する負荷を持つ発電型ブレーキ装置において、
前記モータが所定速度以下に低下した時点で、前記モータの励磁コイルに定電流を供給するための直流電源と、
前記回生電力を蓄積する蓄電池に接続され、前記直流電源を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記負荷が接続され、前記回生電力から得られる電源電圧により作動し、前記モータ電流を入力するコンバータ手段と、
前記電源電圧が所定値以下に低下した場合に、前記直流電源の電圧を前記コンバータ手段に供給するスイッチング手段と、
前記モータの励磁コイルに供給される電流が一定となるように前記コンバータ手段を制御する定電流制御手段と、
を備えることを特徴とする発電型ブレーキ装置。

（２）前記モータ電流を共振回路負荷に供給すると共に、前記モータが所定速度以下に低下した時点で前記モータの励磁コイルに前記直流電源を接続するスイッチ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。

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）制動距離が短縮され、衝突の危険を回避できる。
（２）スライダの姿勢を維持し、回転を回避して停止させることができる。
（３）サーボ非動作時にスライダの姿勢を制御することで、自動再サーボ制御で起動させることができる。
（４）サーボ制御の起動、停止に手作業が不要で、作業安全性、システムの稼動効率アップを期待できる。

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５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。

図１の実施形態は、モータの速度に応じて等価共振回路の共振周波数をシフトさせる機能を持つコンバータ手段を介して負荷に回生電力を供給する発電型ブレーキ装置に本願発明を適用した場合の構成例である。

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。この実施形態では、この等価ＣＲ回路を発電型ブレーキ装置の等価共振回路として使用している。

等価共振回路は、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る。

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とができる。これにより、モータ電流は常に最大電流を維持し、ブレーキ力を最適に制御することが可能となる。

等価共振回路を形成するコンバータ手段１１は、スイッチ手段４を介してモータ電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを入力する。モータ電流ｉａ及びｉｂは、電流センサ１２及び１３により電流値が検出される。

積分手段１４ａ及び１４ｂ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。

コンバータ手段１１の電源電圧をＶｃで示す。この電源電圧Ｖｃは、モータから発生する回生電力から得られる。電圧制御手段１５は、この電源電圧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。

速度検出手段１６は、電流センサ１２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１５の設定値として出力する。

電圧制御手段１５は、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。

コンバータ手段１１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。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１７ａで駆動されるゲートドライブ回路１８ａ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１７ｂで駆動されるゲートドライブ回路１８ｂ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１７ｃで駆動されるゲートドライブ回路１８ｃにより開閉制御される。

モータ電流ｉａの検出値を入力する積分手段１４ａの不完全積分演算出力は、ＰＷＭ制御手段１７ａ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１４ｂの不完全積分演算出力は、ＰＷＭ制御手段１７ｂに入力される。加算手段１９は、積分手段１４ａの不完全積分演算出力と積分手段１４ｂ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１７ｃに入力する。

太線のブロック１００は、本発明により追加された停止制御手段である。この停止制御手段１００は、モータの指定された励磁コイルに定電流を供給するための直流電源１０１とスイッチングダイオード１０２を有し、直流電源１０１がスイッチングダイオード１０２を介してＰＷＭコンバータの電源電圧Ｖｃに並列接続されている。

直流電源１０１の電圧Ｖ０は、ＰＷＭコンバータの電源電圧Ｖｃよりも低い電圧値となっていて、モータの速度が速い期間ではＶ０＜Ｖｃとなり、スイッチングダイオード１０２はオフである。

モータの速度が所定速度以下となり、電源電圧Ｖｃが低下し、Ｖ０＞Ｖｃとなるとスイッチングダイオード１０２はオンとなり、直流電源１０１がＰＷＭコンバータの電源電圧Ｖ０として接続される。

更に、停止制御手段１００は、定電流制御手段１０３を備えている。この定電流制御手段１０３は、速度検出手段１６の検出値Ｖｓを入力して監視し、モータの速度が所定速度以下では定電流モードとなり、モータの指定された励磁コイルに供給される直流電流が一定となるようにゲートドライブ回路１８ａ乃至１８ｃを介してコンバータ手段１１のスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ６を制御する。

定電流制御の一例を示せば、スイッチング素子Ｑ１及びＱ４をスイッチング制御の対象とし、他のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６を強制的にオフとする。直流電源１０１からの電流Ｉ０は、スイッチング素子Ｑ１から指定された励磁コイルＬａ及びＬｂを流れ、スイッチング素子Ｑ４を経て直流電源１０１に帰る経路を流れる。

定電流制御手段１０３は、直流電流Ｉ０が一定となるようにスイッチング素子Ｑ１及びＱ４のオンオフ比を制御する。

定電流モードでモータの励磁コイルに定電流を供給することにより、スライダの歯とプラテンの歯との磁性回路による拘束力でスライダを急速停止させる。急速停止により、ブレーキ距離を短縮できると共に、姿勢を維持することができ、従来装置で発生していた回転を防止することが可能となる。

図２は、図６に対応した、本発明の発電型ブレーキ装置を備えたスライダのブレーキ操作後の移動イメージ図である。時刻ｔ０の異常発生で、モータへのドライバ出力をオフとし、発電ブレーキモードとする。

発電ブレーキモードでは、モータの運動エネルギーが回生され、抵抗等の負荷による熱エネルギーに消費し、スライダの速度を低下させる。時刻ｔ１でモータが所定の速度以下になると、発電ブレーキモードから定電流モードに切り換えられる。

これにより、モータの励磁コイルに定電流が流れ、プラテンの歯との磁性回路による拘束力でスライダは時刻ｔ１で急速停止する。この時、スライダの歯とプラテンの歯とは、相対的に回転することなく姿勢を維持して対峙している。

図３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１に比較したこの実施形態の特徴は、エネルギー蓄積型のブレーキ装置構成にある。

コンバータ手段１１を経由した回生電力は、図１に示した負荷抵抗Ｒ３により回生エネルギーが熱消費される形態ではなく、スイッチングダイオード１０４を介して蓄電池１０５に蓄積される。

この蓄電池１０５にはＤＣ／ＤＣコンバータ１０６が接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ１０６の出力電圧Ｖ０が定電流モードにおける直流電源及びコンバータ手段１１の電源電圧を供給する。

このような構成によれば、定電流モードにおける直流電源を外部から接続する必要がないので装置全体のコストダウン及び発熱する抵抗負荷がないので、温度上昇を抑える効果が期待できる。

更に、定電流制御手段１０３からの操作信号Ｖｆにより、発電ブレーキモード及び定電流モードに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６の出力電圧Ｖ０を制御することで、ブレーキ制動特性、スライダの姿勢制御特性を改善することが可能性である。

図４は、本発明を適用した発電型ブレーキ装置の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、図５に示した従来のコンデンサモード及びショートモードによる発電型ブレーキ装置に、ショートモード代えて直流電源１０１による定電流モードを導入した構成にある。

スイッチ手段５が、スイッチ制御手段６の操作信号Ｍ２でコンデンサモード（Ｃ接点）から定電流モード（Ｊ接点）に切り換えられると、直流電源１０１からの電流Ｉ０は、次のように流れる。開閉スイッチ２０が閉になると、電流Ｉ０は、励磁コイルＬａを流れた後、励磁コイルＬｂ及びＬｃに流れる。開閉スイッチ２０が開になると、電流Ｉ０は、励磁コイルＬａを流れた後、励磁コイルＬｂに流れる。
開閉スイッチ２０は、電流Ｉ０が流れるコイル相を切り替えるために設けられている。

この実施形態では、図１及び図３の実施形態で採用されている定電流制御手段を持たないので、定電流特性は若干悪くなるが、構造がシンプルなため、低コストで本発明を実施できる。

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。 本発明の発電型ブレーキ装置を備えたスライダのブレーキ操作後の移動イメージ図である。 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。 本発明を適用した発電型ブレーキ装置の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。 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。 従来の発電型ブレーキ装置を備えたスライダのブレーキ操作後の移動イメージ図である。

符号の説明

１ モータ部
２ ドライバ
４ スイッチ手段
６ スイッチ制御手段
１１ コンバータ手段
１２、１３ 電流センサ
１４ａ、１４ｂ 積分手段
１５ 電圧制御手段
１６ 速度検出手段
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ ＰＷＭ制御手段
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ ゲートドライブ回路
１９ 加算手段
１００ 停止制御手段
１０１ 直流電源
１０２ スイッチングダイオード
１０３ 定電流制御手段
１０６ ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (2)

1. モータへの励磁電流遮断後に発生する回生電力によるモータ電流を入力する負荷を持つ発電型ブレーキ装置において、
   前記モータが所定速度以下に低下した時点で、前記モータの励磁コイルに定電流を供給するための直流電源と、
   前記回生電力を蓄積する蓄電池に接続され、前記直流電源を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記負荷が接続され、前記回生電力から得られる電源電圧により作動し、前記モータ電流を入力するコンバータ手段と、
   前記電源電圧が所定値以下に低下した場合に、前記直流電源の電圧を前記コンバータ手段に供給するスイッチング手段と、
   前記モータの励磁コイルに供給される電流が一定となるように前記コンバータ手段を制御する定電流制御手段と、
   を備えることを特徴とする発電型ブレーキ装置。
2. 前記モータ電流を共振回路負荷に供給すると共に、前記モータが所定速度以下に低下した時点で前記モータの励磁コイルに前記直流電源を接続するスイッチ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。

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