JP4995944B2 - モータ制動装置、および、モータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制動装置、および、モータ制御方法に関し、特に、ダイナミックブレーキを利用したモータ制動装置、および、モータ制御方法に関する。

モータが動いているときに作用するダイナミックブレーキは、鉄道の車両等の制動に利用され、様々な改良がなされている。例えば、特許文献１には、モータを駆動する制御方法において、主回路遮断などの非常停止時モータを駆動するパワートランジスタの上側又は下側トランジスタを同時に点弧する比率を制動中に変化させ、機械に合わせた減速で停止させるダイナミックブレーキが提案されている。

特開２００７−３７３８２号公報

しかしながら、従来のダイナミックブレーキのためのダイナミックブレーキ回路やモータ制御装置においては、通常、外部のコントローラからの指令の信号により、モータに制動を加えるタイミングを得ているため、ダイナミックブレーキ装置を外付けのオプションとした場合、タイミングを教示するために専用の信号線が必要であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、制動を加えるタイミングを判断してモータに制動を加えるモータ制動装置、および、モータ制御方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、モータの端子間の端子間電圧を検出する電圧検出部と、前記端子間電圧の周波数を電圧値に変換して出力する周波数・電圧変換部と、前記周波数・電圧変換部から出力された電圧値と、所定の閾値電圧とを比較する電圧比較部と、前記電圧比較部の比較結果に基づき前記モータに制動を加える制動部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、モータの端子間の端子間電圧を検出し、端子間電圧の周波数を電圧値に変換して出力し、この出力された電圧値と、所定の閾値電圧とを比較した結果に基づきモータに制動をかけることにより、制動を加えるタイミングを判断してモータにブレーキをかけるモータ制動装置、および、モータ制御方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るモータ制御システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１のモータ制動装置の動作例を示すフローチャートである。 図１のモータの端子間の電圧の時間的変化の一例を示す線図である。 図１のモータ制動装置の動作例を示すフローチャートである。

まず、本発明の一実施形態に係るモータ制御システムの構成および概要機能について、図１を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ制御システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、モータ制御システム１は、三相交流で駆動するモータ２と、モータ２を動かすための電力を供給するモータ駆動装置３と、モータ２に制動を加えるモータ制動装置１０とを備える。

モータ２は、モータ駆動装置３から電力の供給を受ける端子２ａを有する。モータ２は、リニアモータや回転モータであり、磁気的な作用により互いに相対運動する固定子および可動子（または回転子）を有し、これらはコイルまたは永久磁石により形成される。このコイルは、端子２ａに接続されている。また、モータ２は、サーボモータであり、モータ２の状態を検出するセンサ（図示せず）を有し、このセンサはモータ駆動装置３に接続される。

モータ駆動装置３は、モータに電力を供給する出力端子３ａを有し、電源装置から供給された電力を三相交流に変換し、モータ制動装置１０を通して、モータ２に電力を供給する。出力端子３ａは、Ｕ相用、Ｖ相用、および、Ｗ相用の端子から形成される。また、モータ駆動装置３は、上位コントローラ（図示せず）により制御され、上位コントローラの指令により、モータ２をサーボＯＮの状態にしてモータ２に電力を供給したり、サーボＯＦＦの状態にして電力の供給を止めたりする。

モータ制動装置１０は、モータ駆動装置３の出力に接続させるための入力端子１１と、モータの端子に接続するための出力端子１２と、入力端子１１と出力端子１２とを接続する導線１３と、モータ２の端子２ａ間の端子間電圧を検出する電圧検出部１５と、端子間電圧の周波数を電圧値に変換して出力する周波数・電圧変換（Ｆ／Ｖ）部１６と、周波数・電圧変換部１６から出力された電圧値と、所定の閾値電圧とを比較する電圧比較部１７と、電圧比較部１７の比較結果に基づき、モータ２の制動を制御する制御部１８と、制御部１８の制御に基づきモータ２に制動をかける制動部２０と、を有する。

入力端子１１は、モータ駆動装置３の各出力端子３ａに接続され、モータ２に供給する電力を受ける。

出力端子１２は、モータ２の各端子２ａに接続され、モータ２にモータ駆動装置３からの電力を供給する。

導線１３は、Ｕ相用導線１３ｕ、Ｖ相用導線１３ｖ、および、Ｗ相用導線１３ｗを有する。Ｕ相用導線１３ｕと、Ｖ相用導線１３ｖとには、電圧検出部１５が接続される。なお、電圧検出部１５は、Ｕ相用導線１３ｕ、Ｖ相用導線１３ｖ、および、Ｗ相用導線１３ｗのいずれか２つに接続されればよい。また、Ｕ相用導線１３ｕ、Ｖ相用導線１３ｖ、および、Ｗ相用導線１３ｗには、制動部２０が接続され、ダイナミックブレーキが作動する際、モータ２に発生する逆起電力が、制動部２０において消費される。

電圧検出部１５は、導線１３間の電圧を検出し、周波数・電圧変換部１６に出力する。

周波数・電圧変換部１６は、Ｆ／Ｖコンバータを有し、電圧検出部１５により検出された電圧のパルス周波数を、パルス周波数に応じた電圧値に変換する。

電圧比較部１７は、コンパレータを有し、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値と、第１閾値および第２閾値との比較結果を出力する。

制御部１８は、第１閾値以下ならば、制動部２０のブレーキ動作のスイッチをＯＮさせる信号を出力し、第２閾値以上ならば、制動部２０のブレーキ動作のスイッチをＯＦＦさせる信号を出力する。

制動部２０は、トランジスタ素子の一例のダイナミックブレーキトランジスタ（ＤＢトランジスタ）２１と、抵抗器の一例であり、モータ２で発生した逆起電力を熱エネルギーに変換するダイナミックブレーキ抵抗器（ＤＢ抵抗器）２２と、モータ２で発生した逆起電力を整流ダイオードで整流する整流回路２３とを有する。

次に、モータ制御システム１の動作を図２から図４を用いて説明する。

図２は、モータ制動装置１０におけるダイナミックブレーキの動作例を示すフローチャートである。図３は、モータ２の端子間の電圧の時間的変化の一例を示す線図である。図４は、モータ制動装置１０のブレーキ解除の動作例を示すフローチャートである。

まず、モータ制動装置１０が、モータ２にダイナミックブレーキをかける際の動作について説明する。

図２に示すように、電圧検出部１５が、モータ２の端子間電圧を検出する（ステップＳ１）。具体的には、電圧検出部１５が、モータ２の端子２ａに接続されている導線１３間の電圧を検出し、検出した電圧を周波数・電圧変換部１６に出力する。

図３に示すように、モータ駆動装置３は、サーボＯＮの状態で、ある一定周波数の電圧パルスを出力する。この電圧パルスは、モータ２に流す電流の周波数に応じて、電圧の正負が反転する。なお、電圧パルスの周波数は、モータ２に流す電流の周波数、すなわち、モータ２の回転の周波数より高い。

次に、周波数・電圧変換部１６は、電圧検出部１５により検出された電圧の周波数を周波数に応じた電圧値に変換する（ステップＳ２）。具体的には、周波数・電圧変換部１６は、電圧パルスの周波数を、電圧パルスの周波数に応じた電圧値に変換する。周波数・電圧変換部１６は、周波数が高いほど、高い電圧値を出力する。

次に、電圧比較部１７は、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値が第１閾値電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ３）。図３に示すように、サーボＯＮの状態では、モータ駆動装置３は、高周波数の電圧パルスを出力しているので、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値が第１閾値電圧より高く（ステップＳ３；ＮＯ）、ステップＳ１に戻り、電圧検出部１５が、電圧を検出する。

一方、サーボＯＦＦの状態になると、モータ駆動装置３は、電圧パルスの出力を停止する。電圧パルスの出力を停止すると、図３に示すように、モータ２の回転に対応した逆起電力の電圧波形がモータ２の端子間に現れる。この場合、電圧パルスの周波数に比べ、回転の周波数が低いので、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値が第１閾値電圧以下になり（ステップＳ３；ＹＥＳ）、制御部１８は、制動部２０のＤＢトランジスタ２１をＯＮにする（ステップＳ４）。ＤＢトランジスタ２１がＯＮになると、モータ２の逆起電力による電流がＤＢ抵抗器２２に流れ、熱エネルギーに変換され、制動部２０は、モータ２にダイナミックブレーキをかける。

次に、モータ制動装置１０のブレーキ解除の動作について説明する。これは、モータ２を駆動させる際、または、過ってブレーキが解除されないようにするための動作である。

図４に示すように、電圧検出部１５が、モータ２の端子間電圧を検出する（ステップＳ５）。ステップＳ１と同様であるが、例えば、モータ２が止まった状態で、モータ駆動装置３から電力が供給されていない状態では、モータ２の端子間電圧は零である。

次に、周波数・電圧変換部１６は、電圧検出部１５により検出された電圧の周波数を周波数に応じた電圧値に変換して出力する（ステップＳ６）。例えば、モータ２の端子間電圧が零のときは、電圧を検出できず周波数も零であり、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値は零となる。

次に、電圧比較部１７は、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値が第２閾値電圧以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。例えば、モータ２の端子間電圧が零の場合、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値は零であり、第２閾値電圧より低く（ステップＳ３；ＮＯ）、ＤＢトランジスタ２１はＯＮのままで、ダイナミックブレーキは解除されず、ステップＳ１に戻り、電圧検出部１５が、電圧を検出する。なお、第１閾値は、第２閾値より小さい。

一方、モータ２を駆動させるため、モータ駆動装置３は、電圧パルスを出力し始めると、電圧検出部１５が、モータ駆動装置３の出力をモータ２の端子間電圧として検出し、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値が第２閾値電圧以上になり（ステップＳ７；ＹＥＳ）、制御部１８は、制動部２０のＤＢトランジスタ２１をＯＦＦにする（ステップＳ８）。ＤＢトランジスタ２１がＯＦＦになり、制動部２０がダイナミックブレーキを解除し、モータ駆動装置３からモータ２へ電力が供給される。なお、第２閾値は、第１閾値より大きいので、周波数・電圧変換部１６の電圧値が第１閾値より低くなり、ダイナミックブレーキがかかった状態で、何らかの原因で、周波数・電圧変換部１６の電圧値が第１閾値より大きくなった場合でも、第２閾値以下ならばダイナミックブレーキは解除されない。このように、第１閾値と第２閾値とが異なり、第１閾値を、第２閾値より小さくすることにより、ＤＢトランジスタ２１のＯＮ・ＯＦＦに関してヒステリシス的な機能を持たせ、ダイナミックブレーキが安定的にモータ２に作用できるようになっている。

以上、本実施形態によれば、電圧検出部１５がモータ２の端子２ａ間の端子間電圧を検出し、周波数・電圧変換部１６が端子間電圧の周波数を電圧値に変換して出力し、電圧比較部１７と制御部１８と制動部２０とが、周波数・電圧変換部１６の出力の電圧値と、所定の閾値電圧とを比較した結果に基づきモータに制動をかけることにより、モータ制動装置１０は、制動を加えるタイミングを判断してモータ２にブレーキをかけることができる。また、モータ制動装置１０は、モータ駆動装置３からのサーボＯＮ／ＯＦＦ等の機能切替のタイミングの教示の信号が無くても、簡易な構成で、自動で機能切替の判断ができる。また、モータ駆動装置３にダイナミックブレーキの回路を内蔵させる場合、スイッチング回路等が必要で、機能切替のタイムロスが発生していたが、本実施形態のモータ制動装置１０により、スイッチング回路が不要になりタイムロスの軽減を図ることができる。

また、本実施形態によれば、モータ駆動装置３と別構成にでき、モータ駆動装置３に予め専用のポートを設けたり、ノイズ等による誤動作を防ぐためにシールド線を接続したり必要がないため、モータ駆動装置３の小型化を図ることができる。

また、サーボＯＦＦの状態で電力の供給が無くなった後、電圧比較部１７の比較結果に基づき、モータ２の端子２ａ間に電気的に接続させるＤＢ抵抗器２２が、モータ２の逆起電力を熱エネルギーに変換する場合、モータ制動装置１０がモータ２にダイナミックブレーキを効果的にかけることができる。

また、制動部２０が、電圧比較部１７の比較結果に基づき、トランジスタ素子のＤＢトランジスタ２１によりＤＢ抵抗器２２を、モータ２の端子間に電気的に接続させる場合、リレー等に比べて応答速度が速くなり、素早くモータ２にダイナミックブレーキをかけることができる。

モータ制動装置１０がモータ２を駆動させるモータ駆動装置３の出力に接続させるための入力端子１１と、モータ２の端子に接続するための出力端子１２と、入力端子１１と出力端子１２とを接続する導線１３と、を備え、電圧検出部１５が、導線１３の電圧を検出する場合、モータ駆動装置３と別構成（オプション）にしてもモータ制動装置１０を、モータ２とモータ駆動装置３との間に設置ができ、モータ２を駆動するモータ駆動装置３からの教示信号を受信するための専用のポートを設けたり、ノイズ等による誤動作を防ぐためにシールド線を接続したりする必要が無くなるため、モータ制動装置１０がコンパクトになり、モータ制動装置１０のコストダウンを図ることができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

２・・・モータ、 ２ａ・・・端子、 ３・・・モータ駆動装置、 １０・・・モータ制動装置、 １１・・・入力端子、 １２・・・出力端子、 １３・・・導線、 １５・・・電圧検出部、 １６・・周波数・電圧変換部、 １７・・・電圧比較部、 ２０・・・制動部、２１・・・ＤＢ抵抗器（抵抗器） ２２・・・ＤＢトランジスタ（トランジスタ素子）

Claims (5)

1. モータの端子間の端子間電圧を検出する電圧検出部と、
   前記端子間電圧の周波数を電圧値に変換して出力する周波数・電圧変換部と、
   前記周波数・電圧変換部から出力された電圧値と、所定の閾値電圧とを比較する電圧比較部と、
   前記電圧比較部の比較結果に基づき前記モータに制動を加える制動部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制動装置。
2. 請求項１に記載のモータ制動装置において、
   前記制動部が、前記電圧比較部の比較結果に基づき、前記モータの端子間に電気的に接続される抵抗器を有することを特徴とするモータ制動装置。
3. 請求項２に記載のモータ制動装置において、
   前記制動部が、前記電圧比較部の比較結果に基づき、前記モータの端子間に前記抵抗器を電気的に接続させるトランジスタ素子を有することを特徴とするモータ制動装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ制動装置において、
   前記モータを駆動させるモータ駆動装置の出力に接続させるための入力端子と、
   前記モータの端子に接続するための出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子とを接続する導線と、を備え、
   前記電圧検出部が、前記導線の電圧を検出することを特徴とするモータ制動装置。
5. モータの端子間の端子間電圧を検出する端子間電圧検出ステップと、
   前記端子間電圧の周波数を電圧値に変換して出力する周波数・電圧変換ステップと、
   前記周波数・電圧変換部から出力された電圧値と、所定の閾値電圧とを比較する電圧比較ステップと、
   前記電圧比較ステップの比較結果に基づき、前記モータに制動を加える制動ステップと、
   を有することを特徴とするモータ制御方法。

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