JPH0457303A - インダクタンス負荷駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はソレノイドプランジャー等のインダクタンス負
荷に電流を供給するインダクタンス負荷駆動回路に係り
、特にコイル電流を減少する方向に制御する場合、コイ
ルに蓄積された電気エネルギーを効率良く消費または電
源に回生ずるインダクタンス負荷駆動回路に関する。

（従来の技術） 従来、インダクタンスを含む負荷に流れる電流を希望の
値に制御する方式として電源から負荷両端に断続的に電
圧を印加し、これによる負荷の電流の増減を監視しつつ
電圧の印加時間を制御する方式はＰＷＭ（ｐｕｌｓｅｗ
ｉｄｔｈ　　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式として良く知
られている。この場合、電源に接続された前記電圧印加
用のスイッチの開路期間中、インダクタンスに蓄積され
たエネルギーによる回路の破損を防止すると共に、目的
の平均電流値近傍における電流の微小な増減（リップル
）を低減するため、負荷を含む電流の環流路を形成して
前記電圧印加用スイッチか開路している時は該環流路に
電流を環流させる方式か採用される。

この時、当該回路への電流指令入力の値かそれまでの値
から減少すると回路は負荷に対する電圧の印加を停止す
るか回路電流は前述のインダクタンスに蓄積されたエネ
ルギーのために環流を続け、前記環流路中の抵抗成分（
一般にはコイル巻線の直流抵抗）やその他の電圧降下（
環流用ダイオードの順方向電圧等）によって熱としてそ
のエネルギーが消費されながら減少する。

従って、急峻な負荷電流の減少を必要とする用途では前
述したインダクタンスに蓄積されたエネルギーをより速
く吸収するために負荷電流の環流路に抵抗素子やツェナ
ー素子、またはＺＮＲのような電圧クランプ素子を挿入
し、熱として消費を促す方法、あるいは環流している負
荷電流を電源に回生ずる方法かとられる。

しかしなから、従来の方式では、負荷に対する電圧の印
加か行われない時は、常に負荷のエネルキー吸収か行わ
れるため、負荷に対する電圧印加用スイッチの開閉頻度
を高くしないと該スイッチの開閉による負荷電流変化か
大きくなり、また、開閉頻度を高くすれば前記電圧印加
用スイッチのスイッチングロスの増大を招く。また熱と
して蓄積エネルギーを消費する方法では更に回路の不要
な発熱を助長することになる。

第４図に上述した従来のインダクタンス負荷駆動回路の
一例を示す。

第４図において、インダクタンスしおよび直流抵抗Ｒ１
からなる、例えばソレノイドプランジャーのごとき負荷
を想定し、該負荷に流れる電流を制御するため電源ＶＢ
に接続されたスイッチｓＷ１と、該スイッチＳＷＩが開
路した時、負荷電流の環流路を構成するダイオードＦＤ
より構成されている。スイッチＳＷＩは開閉信号ＰＷＭ
により開閉されＳＷＩの閉路時は負荷電流ＩＬは［ｄｌ
Ｌ−（ＶＢ−Ｉ　Ｌ　−Ｒ１）／Ｌｌの式に示す上昇率
に従い増加し、スイッチＳＷＩの開路時には［ｄｌｌ−
−（ＶＩＦＤ＋ＩＬ−Ｒ１）／Ｌ　　コ　　（ここてＶ
ＩＦＤはダイオードＦＤの順方向電圧降下分を示す）の
式に従い減少する。

今、減少方向のＩＬの変化率を上式より大きく制御した
い時、この第４図の回路構成では原理的に不可能となる
。

（発明か解決しようとする課題） そこで、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので
、負荷電流制御の際における指令値の変化に対する負荷
電流の変化を監視し、電流の減少方向変化時、負荷回路
での電流減少率か指令値の低下に見合う場合は負荷電流
を自然環流させ、また負荷電流の自然環流による電流減
少率か指令値の低下に追いつかない場合は前述のエネル
ギー吸収用素子または回路を負荷電流の環流路に挿入し
て負荷電流の減少率を改善するインダクタンス負荷駆動
回路を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） パルス幅変調器により駆動される第１のスイッチの開閉
によって印加する電圧の印加時間を断続させ、この断続
により生じる平均電圧によりインダクタンス負荷に供給
する電流を制御するとともに、前記第１の開閉スイッチ
の開路時にインダクタンス負荷を含む電流の環流路を形
成しインダクタンス負荷に蓄積されたエネルギーにより
電流を環流させるインダクタンス負荷駆動回路において
、前記インダクタンス負荷に流れる電流を検出する電流
検出手段と、該電流検出手段の出力と前記インダクタン
ス負荷に供給する電流値指令信号との差を積分し、前記
パルス幅変調器の開閉期間の比率を制御する制御信号を
出力する積分器と、前記積分器の出力電圧と予め設定さ
れる基準電圧とを比較し、該基準電圧より高いか低いか
に応じた信号を出力する比較器と、前記インダクタンス
負荷を含む電流の環流路に直列に挿入され前記比較器の
出力信号によって開閉される第２のスイッチと、前記第
２のスイッチか開路した時、前記負荷を含む電流の環流
路に直列に挿入され、前記インダクタンス負荷に蓄積さ
れたエネルギーを消費する抵抗とを具備したことを特徴
とする。

（作用） 本発明のインダクタンス負荷駆動回路では、前記インダ
クタンス負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、
該電流検８手段の出ツノと前記インダクタンス負荷に供
給する電流値指令信号との差を積分し、前記パルス幅変
調器の開閉期間の比率を制御する制御信号を出力する積
分器と、前記積分器の出力と予め設定される基や電圧と
を比較し、該基準電圧より高いか低いかに応じた信号を
出力する比較器と、前記インダクタンス負荷を含む電流
の環流路に直列に挿入され前記比較器の出力信号によっ
て開閉される第２のスイッチと、前記第２のスイッチか
開路した時、前記負荷を含む電流の環流路に直列に挿入
され、前記インダクタンス負荷に蓄積されたエネルギー
を消費する抵抗とを具備している。このため、前記電流
値指令信号か電流の減少方向に変化した時、前記インダ
クタンス負荷に流れる環流電流と前記電流値指令信号と
の差が拡大したことを前記積分器の出力によって検出し
、前記積分器における所定の偏差の累積により前記比較
器の出力が切り替わり前記第２のスイッチを開路して前
記抵抗を負荷開路に直列に挿入する。これにより、イン
ダクタンス負荷に蓄積されたエネルギーの消費を促進し
て当該インダクタンス負荷駆動回路における環流電流を
速やかに減少させることができる。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について詳細
に説明する。

第１図に本発明のインダクタンス負荷駆動回路を適用し
た回路の一実施例を示す。

第１図の回路において、負荷としてインダクタンスしお
よび抵抗Ｒ１よりなるソレノイドプランジャーを想定す
る。

この第１図に示す回路は、該負荷に電圧を供給するスイ
ッチＳＷＩおよび負荷電流ＩＬの環流路を構成するダイ
オードＦＤのほか、負荷電流検出用シャント抵抗ＳＨ，
該シャント抵抗ＳＨからのフィードバック電圧ＶＦＢと
電流値指令信号（入力信号）Ｖｉｎの差を積分する積分
器Ｓ１、積分器Ｓ１の出力電圧ｖｅｒを所定の基準電圧
Ｅと比較する比較器ＣＯＭ、比較器ＣＯＭの出力により
駆動されるトランジスタＴ　Ｒ１、該Ｔ　Ｒ１１：より
駆動され負荷に直列に挿入されているトランジスタＴＲ
２（ここではスイッチＳＷ２に相当する）、該トランジ
スタＴＲ２がオフ（開路）した時、負荷に直列に挿入さ
れる抵抗Ｒ２を有している。

第１図において、フィードバック電圧ＶＦＢが電流値指
令信号Ｖｉｎに相当する値に満たない時、積分器Ｓ１の
出力電圧ｖｅｒは減少方向に推移する。ＰＷＭ信号生成
回路ＭＯＤは積分器ｓ１の出力が減少するとＳＷｌに対
しその閉路時間を回路時間に比して長くなるようなＰＷ
Ｍ信号を送出する。これにより負荷電流ＩＬは増加し、
最終的に電流値指令信号Ｖｉｎに見合う平均値に安定す
る。

この時、積分器Ｓ１の出力電圧Ｖｅｒは所定の基準電圧
Ｅを超えることはなく、このため比較器ＣＯＭの出力は
ＧＮＤレヘレベある。従って、トランジスタＴＲＩはＲ
６に流れるベース電流によって駆動され、これにより更
にトランジスタＴＲ２をオンさせる。

トランジスタＴＲ２かオンしている間、スイ・ノチＳＷ
Ｉの開路時間中の負荷電流はダイオードＦＤ、トランジ
スタＴＲ２により構成される環流路を流れている。

電流値指令信号Ｖｉｎが減少に転すると５１の出力Ｖｅ
ｒは増加し、このためＭＯＤによりスイッチＳＷＩの開
路時間は閉路時間に比して次第に長くなり、負荷の電流
値は減少する。

ここで電流値指令信号Ｖｉｎの減少率が大きく負荷電流
の減少がこれに追従てきないとき、Ｓｌの出力Ｖｅｒは
増加を続け、所定の基準電圧Ｅを超える。これにより比
較器ＣＯＭの出力は電源レベル側に切り替わり、トラン
ジスタＴＲＩの駆動を停止する。これに伴い、トランジ
スタＴＲ２もオフして負荷電流ＩＬの環流路に抵抗Ｒ２
が挿入される。従って、負荷のインダクタンスしに蓄積
されているエネルギーは負荷電流ＩＬの環流に伴う抵抗
Ｒ２の発熱によってその消費を促され負荷電流ＩＬの降
下率は改善される。

このように負荷電流ＩＬが効果的に減少し、積分器Ｓ１
の出力Ｖｅｒが再び所定の基準電圧Ｅを下回ると比較器
ＣＯＭの出力はＧＮＤレベルとなり、トランジスタＴＲ
２かオンすることで抵抗Ｒ２でのエネルキー消費は中止
され、インダクタンス負荷駆動回路の発熱は減少する。

上述のように、必要な時たけ、Ｒ２を負荷に挿入するこ
とで回路の不必要な発熱を抑制しつつ、所望の負荷電流
制御特性を得られる。

また第１図において、比較器ＣＯＭにヒステリシス特性
を与えトランジスタＴＲ２のスイッチング頻度を制限す
るようにすれば、回路の消費電力を更に低減できる。

また、他の実施例として、前記第１図に示すインダクタ
ンス負荷駆動回路において、前記第２のスイッチ（トラ
ンジスタＴＲ２）が開路した時、負荷を含む電流の環流
路に直列に挿入される抵抗Ｒ２を、ツェナー素子、また
は弁抵抗素子の如き電圧制限素子（例えばＺＮＲのよう
なもの）に代えた構成のものも上げられる。

また、他の実施例として、第２図に示す構成のものが上
げられる。

第２図に他の実施例を示す。

この実施例では、負荷に抵抗を挿入するためのトランジ
スタＴＲ３（ここでは第１図におけるスイッチＳＷ２に
相当する）の接続が前記第１図の回路と異なる。

第２図における電圧印加用のスイッチＳＷ１の開路時の
回路動作は前記第１図におけるスイ・ノチＳＷＩの開路
時の回路動作と同様である。

第２図において、比較器ＣＯＭの出力によりトランジス
タＴＲ３がオフされるべき積分器Ｓ１の出力時において
もスイッチＳＷＩの閉路時にはトランジスタＴＲ３をオ
ンし抵抗Ｒ２による発熱を抑制する必要がある。

この場合、スイッチＳＷＩが閉路したことを検出しトラ
ンジスタＴＲ３をオン（閉路）する手段として、トラン
ジスタＴＲ３にＰＮＰ型を用い、スイッチＳＷ］の閉路
時、トランジスタＴＲ３のエミッタから抵抗Ｒ３を介し
てＧＮＤに至るベース駆動回路を成立させるようにして
、これを行っている。

第３図に更に他の実施例を説明する。

第３図のインダクタンス負荷駆動開路では前述した負荷
のインダクタンスしに蓄積されたエネルギーを消費する
ための抵抗に代わり、該エネルギーを電源に回生ずるた
めの電子回路を採用し、比較器ＣＯＭの出力か切り替わ
った時、前記電子回路が負荷電流環流路に挿入されるよ
うになっている。

ここに、負荷電流か所定の一定値に安定している状態か
ら電流値指令信号Ｖｉｎが下降し、負荷電流ＩＬか減少
に転した時点よりのインダクタンス負荷駆動回路の動作
を説明する。

それまで、負荷に対する電圧印加用スイッチＳＷ１は閉
路しており、負荷に電源電圧ＶＢか印加されていたとす
る。負荷への印加電圧は電圧検出手段ＴＨ２により検出
され、ＴＨ２の出力は論理和手段Ｄ３を介してＳＨ２を
閉路させている。従って、負荷電流ＩＬは電源ＶＢより
ＳＷＩ、ＳＨ２、Ｒ１、Ｌ、ＳＨを通過してＧＮＤに至
る経路を通り、その値は増加方向にあったとする。

電流値指令信号Ｖｉｎか減少を始めると、電流値指令信
号Ｖｉｎと増加しつつあるフィードバック電圧ＶＦＢと
の差により積分器Ｓ１の出力は増加する。前記第１図で
述べたように積分器Ｓ１の出力の増加によりＰＷＭ信号
生成回路ＭＯＤはＳＷｌの開路時間を閉路時間に比して
長くなるようなＰＷＭ信号をＳＷＩに対し出力する。

この時、積分器Ｓ１の出力Ｖｅｒはまた所定の基準電圧
Ｅを超えていない。従って、比較器ＣＯＭはＳＨ２を閉
路させる信号を出力し続け、該信号は論理和手段Ｄ５を
介してＳＨ２を閉路させている。

前記ＰＷＭ信号によりＳＷＩか開路すると負荷電流ＩＬ
はり、ＳＨ，ＦＤ、ＳＨ２、Ｒ１を経路として環流を開
始する。

もし、電流値指令信号Ｖｉｎを急峻に減少し、前記環流
している負荷電流ＩＬか電流値指令信号Ｖｉｎに見合っ
て減少出来なかった場合、前記積分器Ｓ１の出力Ｖｅｒ
は増加を続け、やがて所定の基＄電圧Ｅを超える。これ
により比較器ＣＯＭの出力は停止する。

すてにＳＷｌは開路しており、負荷には電圧は印加され
ていないため前記電圧検出手段ＴＨ２も出力を停止して
いる。またＴＨＩはまた出力していないので論理和手段
Ｄ５を介して供給されるＣＯＭからの信号の停止により
ＳＨ２は速やかに開路する。

ＳＨ２か開路したことて、負荷電流ＩＬの環流経路はり
、ＳＨ，ＦＤ、ＤＩ、Ｃ１、Ｒ１となり、負荷のインダ
クタンスしに蓄積されたエネルギは環流電流としてＣ１
を充電する。この充電によりＣ１の両端電圧か上昇し電
源電圧ＶＢを超えて設定されている所定の限界電圧ＥＭ
に達すると、電圧検出手段ＴＨＩはこれを検出してＣ１
に蓄えられたエネルギーを電源に回生ずるために論理和
手段Ｄ４を介してＳＨ２を再投入する。これにより負荷
電流の環流路は再びＳＨ２を介すると共に電源電圧ＶＢ
を超えたことによりＣ１に蓄積された電荷はＤ２、Ｃ２
、ＦＤ、ＳＨ２の経路で一時蓄積用のコンデンサＣ２を
充電する。

電圧検出手段ＴＨＩはＣ１の両端電圧、およびＣ２の両
端電圧を監視しており、放電によりＣ１の両端電圧が前
記所定の限界電圧ＥＭを下回ってもＣ１およびＣ２の両
端電圧か等しくなる（ＣＩの放電電流がなくなる）まで
前記論理和手段Ｄ４を介してＳＨ２を閉路させるための
信号を出力し続ける。

Ｃ１の放電電流がなくなった時、Ｃ１の両端電圧は十分
に低下しており、ＴＨＩはＳＨ２への閉路信号を停止す
る。Ｃ２に蓄積された電荷はＣ２の放電用の抵抗Ｒ２０
を介して徐々に電源ＶＢに回生される。この時の回路の
状態は前記Ｃ１の充電期間のそれと同一であり、回路は
Ｃ１の充放電を繰り返しながらインダクタンスしに蓄積
されたエネルギーを０２を仲介として電源Ｖ目に回生ず
る。この回生動作によりエネルギーが吸収されて負荷の
環流電流が減少してフィードバック電圧ＶＦＢが電流値
指令信号Ｖｉｎを下回ると積分器Ｓ１の出力電圧は再び
下降を始めやがて基準電圧Ｅを下回る。これにより比較
器ＣＯＭはＳＨ２を閉路するだめの信号を出力し、該信
号は論理和手段Ｄ５を介してＳＨ２を閉路させる。

以後、上記動作を繰り返すことで負荷電流値を効率よく
所定の値に制御することができる。

［発明の効果］ 上述のように、本発明のインダクタンス負荷駆動回路に
よれば、負荷電流制御の際における電流値指令信号の変
化に対する負荷電流の変化を監視し、電流の減少方向変
化時、回路での電流減少率が指令値の低下に見合う場合
は負荷電流を自然環流させ、また負荷電流の自然環流に
よる電流減少率が電流値指令信号の低下に追いつかない
場合は前述のエネルギー吸収用素子または回路を負荷電
流の環流路に挿入して負荷電流の減少率を改善すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインダクタンス負荷駆動回路の一実施
例、第２図、第３図は他の実施例、第４図は従来のイン
ダクタンス負荷駆動回路の例である。 ＭＯＤ・・・ＰＷＭ信号生成回路、Ｌ・−インダクタン
ス負荷、Ｓｌ・・・積分器、ＣＯＭ・・・比較器、ＳＷ
ｌ　・第１のスイッチ、ＳＨ２・・・第２のスイッチ、
Ｒ２・抵抗、Ｒ２０・・・抵抗、Ｃ１、Ｃ２・コンデン
サ、Ｄｌ、Ｄ２・・・ダイオード、ＳＨ・・・シャント
抵抗、ＦＤ・・フライホイールダイオード、ＶＢ・・・
電源電圧、Ｖｉｎ・・電流値指令信号、Ｖｅｒ・・積分
器の出力、Ｅ・・基準電圧。 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）パルス幅変調器により駆動される第１のスイッチ
   の開閉によって印加する電圧の印加時間を断続させ、こ
   の断続により生じる平均電圧によりインダクタンス負荷
   に供給する電流を制御するとともに、前記第１の開閉ス
   イッチの開路時にインダクタンス負荷を含む電流の環流
   路を形成しインダクタンス負荷に蓄積されたエネルギー
   により電流を環流させるインダクタンス負荷駆動回路に
   おいて、 前記インダクタンス負荷に流れる電流を検出する電流検
   出手段と、 該電流検出手段の出力と前記インダクタンス負荷に供給
   する電流値指令信号との差を積分し、前記パルス幅変調
   器の開閉期間の比率を制御する制御信号を出力する積分
   器と、 前記積分器の出力電圧と予め設定される基準電圧とを比
   較し、該基準電圧より高いか低いかに応じた信号を出力
   する比較器と、 前記インダクタンス負荷を含む電流の環流路に直列に挿
   入され前記比較器の出力信号によって開閉される第２の
   スイッチと、 前記第２のスイッチが開路した時、前記負荷を含む電流
   の環流路に直列に挿入され、前記インダクタンス負荷に
   蓄積されたエネルギーを消費する抵抗と を具備したことを特徴とするインダクタンス負荷駆動回
   路。
2. （２）第２のスイッチが開路した時、負荷回路に挿入さ
   れる抵抗を、ツェナー素子、または弁抵抗素子の如き電
   圧制限素子に代えたことを特徴とする請求項（１）記載
   のインダクタンス負荷駆動回路。
3. （３）比較器の出力が切り替わった時、インダクタンス
   負荷に蓄積されたエネルギーを電源に回生する回路を形
   成することを特徴とする請求項（１）記載のインダクタ
   ンス負荷駆動回路。