JPH0352565A

JPH0352565A - パルス幅変調型電圧源

Info

Publication number: JPH0352565A
Application number: JP1185260A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamashita; 正行山下; Toshio Hayashi; 林　敏男; Masami Shimada; 島田　正實
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1991-03-06
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JP2797479B2

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（よ　直流電圧源と負荷との接続を断続的に制御
し、当該負荷に流れる平均的な電流波形を目標電流波形
に近似させるパルス幅変調型電圧源に関する。

（従来の技術）従来より、゛電圧値が一定である直流電源から所望の電
力を取り出すために　パルス幅変調（ＰＷＭ）型電圧源
が用いられている。

このパルス幅変調型電圧源の動作（友　直流電圧源と負
荷とを所定周期Ｔのパルス信号に基づき断続的に接続す
るのであるが、その際に当該パルス信号のパルス幅を目
標とする電流波形となるように変調して負荷への供給電
力を調整する。

かかるパルス幅変調型電圧源１社トランジスタやサイリ
スタ等の半導体スイッチング素子の発達に伴い、ＰＷＭ
変調の際の所定周波数丁を高めることが可能となり、広
範な分野で利用されている。

（発明が解決しようとする課題）従来のパルス幅変調型電圧源（友　上記のごとく必須構
成要件の１つである半導体スイッチング素子の特性のた
め、次の課題が未解決である。

負荷の時定数が小さい場合、ＰＷＭ制御された電流のリ
ップル率が大きくなり、パルス幅変調型電圧源を構成す
る半導体スイッチング素子の最大許容電流値を上回り、
素子破壊を招くことになる。

この様な現象（友　負荷の時定数が広範囲に変動する場
合、例えば負荷として可変リラクタンスモー夕やソレノ
イド・アクチュエー夕を駆動する場合、あるいは通常の
電動機の起動時にも発生する．従って、パルス幅変調型
電圧源（上　ある程度大きなインダクタンス成分を有す
る負荷用の電源として利用されるのが一般的である。

また、電動機などの制動方法として、発電制動が知られ
ているが、電動機の電源としてパルス幅変調型電圧源を
用いている場合に発電制動時を実行すると、電動機の発
生する起電力のため上記同様に半導体スイッチング素子
に瞬間的に最大許容電流値を上回る大電流が流れる可能
性がある。

上記現象による半導体スイッチング素子の破壊を避ける
ため、パルス幅変調型電圧源を製造する際には負荷に対
して余裕度の高い最大許容電流値の大きな半導体スイッ
チング素子を使用することで対処している。

しかし、半導体スイッチング素子の最大許容電流値を大
きくするためには素子自体を大型化する必要があり、こ
れを複数個使用するパルス幅変調型電圧源は相乗的に大
型｛Ｌ　　重量化してしまう。

また、最大許容電流値の大きな半導体スイッチング素子
は高価であり、そのためパルス幅変調型電圧源を内蔵す
る各種装置の価格を押し上げてしよう．本発明はパルス幅変調型電圧源に未解決である上記課題
を解決するためになされたもので、負荷に対して適正な
半導体スイッチング素子を使用しつつ当該半導体スイッ
チング素子の過電流破壊を回避して、電源部の小型イヒ
　軽量化を達成し、安価で汎用性に富むパルス幅変調型
電圧Ｂを提供することを目的としている。

発明の構成（課題を解決するための手段）上記課題を解決するために本発明の構成した手段（上目標電流波形を所定周波数の搬送波でパルス幅変調した
信号により直流電圧源と負荷との接続を断続的に制御し
、前記負荷に流れる平均的な電流波形を前記目標電流波
形に近似させるパルス幅変調型電圧源において、前記負荷に流れる電流の瞬時値を検出する瞬時値検出手
段と、該瞬時値検出手段の検出結果が所定上限値を上回るとき
、前記搬送波の所定周波数を上げる搬送周波数修正手段
と、を備えることを特徴とするパルス幅変調型電圧源をその
要旨としている．（作用）本発明の駆動装置における搬送周波数修正手段（表　瞬
時値検出手段により検出される負荷電流の瞬時値が所定
上限値を上回るとき、パルス幅変調の搬送波周波数を上
げるものである．従って、負荷の時定数が小さな場合に限定して電流の変
調度が向上し、電流のリップル率を低く抑え込む。

また、搬送周波数と高める上記搬送周波数修正手段｛上
　瞬時値検出手段の検出結果に基づき作動するため、負
荷電流のリップル率が小さな通常状態においては搬送周
波数は低く抑えられている。

以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を挙
げて説明する。

（実施例）第１図１友　本発明の一実施例であるパルス幅変調型電
圧源の電気回路図である。なお、本実施例で１上　負荷
１０の時定数が時間的に広範囲に変化するタイプのもの
、例えば可変リラクタンスモータ）を例示して説明する
。

本実施例のパルス幅変調型電圧ｙｉＩｔ．　　当該負荷
１０の所定の制御量、例えば回転トルクを目標値と一致
させるため、負荷１０へ供給する電流をＰＷＭ制御する
ものである。従って、負荷１０の現実の制御量はフィー
ドバック情報として取り出され加算点１２において目標
値との減算が実行される。

目標値と制御量との減算結果、すなわち制御偏差ρは、
制御系の応答性を高めるために適当な伝達関数に設計さ
れた比例・積分・微分（Ｐ　Ｉ　Ｄ）補正器１４を経て
ＰＷＭ信号作成回路１６に入力される。従って、このＰ
ＷＭ信号作成回路１６に入力される信号ａが、ＰＷＭ変
調される電流パターンとなる。

ＰＷＭ信号作成回路１６（上　公知のごとく上記信号ａ
と搬送波発信回路１８によって作成される所定周波数の
三角波とを比較して、信号ａをＰＷＭ変調したパルス列
信号を出力する。この関係を図解したものが、第２図で
ある。図示するようにＰＷＭ信号作成回路１６からの出
力信号ｂｌ＆　　信号ａと搬送波との単純な比較結果に
より得られるパルス列信号であり、そのパルス列信号は
信号ａをＰＷＭ変調した結果となっている。

従来のパルス幅変調型電圧源によれ｛ヱ　この様ニして
得られた信号ｂが半導体スイッチング素子であるトラン
ジスタあるいはサイリスタ等により構成されたドライブ
回路２０にスイッチング・タイミング信号として直接出
力される。そして、その半導体スイッチング素子により
負荷１０と直流電源２２との断続的な接続が実行さ札　
一定電圧の直流電源２２をして所望の電流パターンの負
荷電流を流すことができる。すなわち、第３図（Ａ）に
示すごとく、ＰＷＭ変調された信号ｂに基づいたスイッ
チング動作がドライブ回路２０によって行われるため、
負荷電流ｉｒの瞬時値は脈動しつつも、平均的には所望
の電流パターンに一致する負荷電流を得ることができる
。

なお、第３図（Ａ）において負荷電流●『の脈動が時間
経過と共に小さくなっているの（よ　負荷１０の時定数
が同図に示すごとく漸次大きくなり、電流の時間的変化
を抑える性質が上昇するものを想定して作図したことに
基づく．この様に　負荷１０の電気的性質（よ　ＰＷＭ
変調後の電流波形に大きな影響を与える。

以上は本実施例で想定している性質の負荷１０に対して
、従来のパルス幅変調型電圧源により電流を通じた場合
の説明である。このような場合には第３図（Ａ）に示す
ごとく、負荷１０の時定数が小さいときに電流のリップ
ル率が大きく、その瞬時値が過大となってドライブ回路
２０を構成する半導体スイッチング素子の最大許容電流
値１ｍを越えてドライブ回路２０を破壊する可能性があ
る。

そこで、本実施例のパルス幅変調型電圧源１上上記ＰＷ
Ｍ信号作成回路１６の出−力信号ｂをゲート回路２４を
介してドライブ回路２０に入力する構成を採用している
。このゲート回路２４のゲート信号１社　現実の負荷電
流波形を検出する電流検出コイル２６の検出値と所定基
準値との比較を行う比較器２８及び当該比較器２８の出
力信号を直接あるいは単安定発振器３０を介して入力す
るＯＲ回路３２によって作成される。

次１：．この様に構成された本実施例のパルス幅変調型
電圧源の各部信号波形を、第３図（Ｂ）に基づいて説明
する。

比較器２８に与えられる所定基準値（よ　前述したドラ
イブ回路２０を構成する半導体スイッチング素子の最大
許容電流値１ｍに相当する値に設定されている。従って
、比較器２８の出力信号Ｃ｛九電流検出コイル２６の検
出出力ｉｒが最大許容電流値ｉｍ以上となるとき（ｉｒ
≧ｉｍ）、Ｌレベルに落ちる。この信号Ｃを入力する単
安定発振器３０ｉ；（　　信号ＣがＬレベルに落ちた立
ち下がり時点をトリガ信号として短い期ｆＬ’ｌτのパ
ルス信号ｄを出力する．そして、上記信号Ｃ及び信号ｄ
を入力しているＯＲ回路３２１友　これらの信号の論理
和をゲート回路２４にゲート信号として出力する．一方
、ゲート回路２４の他方の入力信号Ｅ　　従来同様に電
流パターンをＰＷＭ変調したＰＷＭ信号作成回路１６か
らの信号ｂである．従って、従来においてはドライブ回路２ｏへ入力されて
いたＰＷＭ信号作成回路１６からの信号ｂ（上　ゲート
回路２４がゲートを閉じる期間中の出力が禁止される。

そして、このゲート回路２４の出力信号ｅ　ＩＬ　　第
３図に示す合成ＰＷＭ信号のごと（ＰＷＭ変調搬送波の
周波数が高くなったと同様の変調度の良い信号となり、
この信号がドライブ回路２０へ入力される。

すなわち、本実施例のパルス幅変調型電圧源によれ１′
；Ｌ　　負荷電流１ｒがドライブ回路２０を構成する半
導体スイッチング素子に悪影響を及ぼす程に大きな値と
なる瞬間にゲート回路２４のゲートが閉じてＰＷＭ信号
ｂの出力が短い期間τだけ中断される。これ１二よりド
ライブ回路２０ＬＬ　　負荷１０と直流電源２２との接
続を中断するために負荷電流１ｒは一転して減少し、負
荷電流１ｒが許容最大電流ｉｍを上回る現象が回避され
る。そして、その中断期間を終了した後にはゲート回路
２４のゲートがオープン状態となり、再度ＰＷＭ信号ｂ
による電流の供給が再開される。

この様なパルス幅変調型電圧源の動作により、負荷１０
１二供給される負荷電流１ｒの波形は第３図（Ｂ）に示
すごとく許容最大電流値ｉｍ以下の脈動電流となり、　
ドライブ回路２０を構成する半導体スイッチング素子の
大電流による破壊現象が回避される。

以上詳述したごとく本実施例のパルス幅変調型電圧源に
よれＩｆ，　　負荷電流１ｒの最大値が所定基準値以上
となるときには、ＰＷＭ変調が高い周波数の搬送波によ
って実行されたと同様にスイッチング速度が向上し、負
荷電流１ｒの異常上昇を阻止する効果を有する。

しかも、このようなスイッチング速度の上昇｛よ負荷電
流１ｒが異常に大きくなろうとする場合に限り限定的に
実行されるものであり、通常の状態では従来同様に一般
的なスイッチング速度１二よる電流の供給が実行される
。従って、　ドライブ回路２０を構成する半導体スイッ
チング素子として］よスイッチング速度の連続定格が一
般的値の安価な素子を使用することが可能となり、その
平均的なスイッチング損失を小さく抑えることができる
。

また、本実施例でｔｉＰＷＭ変調のための搬送波発信回
路１８を複数設けることなく、比較器２８、単安定発振
器３０及びＯＲ回路３２等の簡単な回路構成により疑似
的に搬送周波数を上昇させる構成を採用する。このため
、回路構成が簡略化さ札　小型かつ安価に上記のごとく
優れた効果を発揮するパルス幅変調型電圧源を製造する
ことが可能となる．なお、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない種々の態様により具現化され
るものである。例え｛Ｌ　上記実施例では現実に負荷に
流れる負荷電流ｉｒの瞬時値を検出して最大許容電流値
１ｍ以上となる時点を検出しているが、負荷の時定数を
検出あるいは推定してこれに代えてもよい。前述した例
に則って説明するなら｛ヱ　負荷１０の時定数は負荷で
ある可変リラクタンスモ〜タの回転角度から簡単に推定
することが可能である。従って、エンコーダの出力から
時定数が所定値以下となる場合１二のみ，ＰＷＭ搬送波
の周波数を高めるように制御すればよい。

また、上記実施例では装置の小型化　軽量化のために搬
送波発信回路］８を１つだけ備える構成とし、疑似的に
ＰＷＭ変調周波数を変更する構成を採用した　しかし、
厳密に電流パターンと負荷電流直『とを一致させるため
１′：．搬送波発信回路１８として発信周波数の異なる
複数発信回路を備える構成としてもよい。

更に、上記実施例では搬送波周波数の変更を２段階で実
行する構成であるが、３段階以上の複数段階に切り替え
る構成としてもよい。この様な構成１二よれ｛ヱ　ドラ
イブ回路２０を構成する半導体スイッチング素子の特性
及び負荷電流ｉｒの大きさに応じたより最適のスイッチ
ング速度によるＰＷＭ変調が可能となり、スイッチング
損失、スイッチング騒音及び連続運転等に対する制御精
度が向上する。

発明の効果以上実施例を挙げて詳述したごとく本発明のパルス幅変
調型電圧源｛上　負荷１二流れる電流の瞬時値が所定上
限値を上回るとき搬送波周波数を上げることで負荷電流
の最大値を減少させることができる。

従って、負荷に対して適正な半導体スイッチング素子を
使用しつつ半導体スイッチング素子の過電流破壊を回避
して、電源部の小型イし　軽量化を達成することができ
る。このため、本発明のパルス幅変調型電圧源（よ　極
めて安価に製造することが可能となり、各種産業機器に
簡単に適用できる汎用性に優れたものとなる。

この様な効果を奏する本発明のパルス幅変調型電圧源（
社　従来のパルス幅変調型電圧源を適用することが困難
あるいは不可能であった電動機の発電制動を可能とする
電源訊　インダクタンス変化の大きい可変リラクタンス
モータあるいはソレノイドアクチュエー夕等を負荷とす
る電源部に対して適しており、あらゆる産業機器のｔ源
として用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるパルス幅変調型電圧源
の電気回路ブロックは　第２図はＰＷＭ変調の説明は　
第３図（Ａ）は従来技術により負荷へ供給される負荷電
流波形の説明諷　第３図（Ｂ）は上記実施例における各
部の信号及び電流波形の説明は　を示している。１０・・・負荷　　　　　　　１２・・・加算点１４・
・・ＰＩＤ補正器　１６・・・ＰＷＭ信号作成回路８・
・・搬送波発信回路２・・・直流電源６・・・電流検出コイル０・・・単安定発振器

Claims

【特許請求の範囲】１　目標電流波形を所定周波数の搬送波でパルス幅変調
した信号により直流電圧源と負荷との接続を断続的に制
御し、前記負荷に流れる平均的な電流波形を前記目標電
流波形に近似させるパルス幅変調型電圧源において、前記負荷に流れる電流の瞬時値を検出する瞬時値検出手
段と、該瞬時値検出手段の検出結果が所定上限値を上回るとき
、前記搬送波の所定周波数を上げる搬送周波数修正手段
と、を備えることを特徴とするパルス幅変調型電圧源。