JPH0724471B2

JPH0724471B2 - ４象限チヨツパの制御装置

Info

Publication number: JPH0724471B2
Application number: JP61250071A
Authority: JP
Inventors: 寿一入江
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1986-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: JPS63107481A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は４象限チョッパの制御方式に関し、特に直流電
動機の高速応答、高効率回転、正逆回転制御に適し、イ
ンバータにも容易に応用することができるものである。

＜発明の概要＞本発明はトランジスタチョッパ等の直流チョッパを用い
て、直流他励電動機等の逆起電力を持つ負荷を駆動する
場合、負荷電流の連続・不連続、或いは電流正負方向に
かかわらず、負荷の端子電圧の平均値を設定値に保つこ
とができ、且つ設定値を正負にわたって連続的に変化す
る場合も自動的に且つ速やかに負荷の端子電圧の平均値
がこれに追従するいわゆる４象限チョッパの制御方式を
提供するものである。

＜従来の技術＞第12図乃至第19図には、それぞれ従来の第一象限〜第四
象限単独の動作をする４種類のチョッパの回路構成とそ
の特性を示している。ここで負荷となっている電動機Ｍ
は、第20図のような等価回路、すなわちインダクタンス
La,抵抗Ra,逆起電力Enの直列回路で表わされるものとす
る。負荷電圧はＡ端子を正とし、負荷電流はＡ端子→Ｂ
端子の方向を正とする。トランジスタは非常に速い周期
でオンオフし、オン期間の占める割合すなわちデューテ
ィファクタはαで表わす。

第12図及び第13図は第一象限チョッパの例である。第12
図はチョッパの構成図、第13図はαが一定での電圧電流
特性である。トランジスタTr1は、１周期のうちαだけ
オンにドライブされ、1-αの期間オフにドライブされ
る。負荷電圧は、オンの期間は直流電源電圧Ｅ_ｓに、オ
フの期間はダイオードD2に電流が流れるので０になる。
したがって平均電圧はαＥ_ｓとなる。しかし軽負荷で逆
起電力が大きくなると、電流不連続すなわちオフの期間
中D2に電流が流れ続けないで途中で電流が零となり、逆
起電力が端子に現われる。平均電圧はαＥ_ｓより上昇す
るようになり、αによる電圧制御動性は直線にならな
い。第12図のチョッパでは、αをどのように変えても、
逆起電力がどのように変化しても、負荷電圧および負荷
電流は必ず正であるから、特性の存在範囲は第13図に示
すように第一象限に限られる。

第14図及び第15図は第二象限チョッパの例である。トラ
ンジスタTr2がオンのとき、負荷の逆起電力によってLa,
Raを流れる電流‐ｉ_ａが増加し、Tr2がオフの期間に‐
ｉ_ａはD1を通じて流れ、電源Ｅ_ｓに電力を回生する。逆
起電力Ｅ_ｎは電源として動作するので、電動機Ｍは発電
機として動き、回生制動となる。瞬時電圧ｖ_ａはTr2が
オンのとき０となり、Tr2がオフでD1がオンの期間はＥ
_ｓとなる。したがって平均電圧Ｖ_ａは（1-α）Ｅ_ｓとな
る。電流が不連続となると、Tr2がオフの期間中D2に電
流が流れ続けないので、オフの間ｖ_ａをＥ_ｓに保つこと
ができず、電流連続のときよりＶ_ａは小さくなる。平均
電流‐Ｉ_ａは（Ｅ_ｎ‐Ｖ_ａ）/R_ａに等しく、αにより任
意の値に制御できる。第二象限チョッパは昇圧チョッパ
と呼ばれ、等価電源Ｅ_ｎより高圧の高い等価負荷Ｅ_Ｓに
電流を流すことができる。

第16図及び第17図は第三象限チョッパの例である。電動
機ＭのＡ端子を電源負端子に接続し、Ｂ端子に第12図の
Tr1,D2と対称的配置されたTr3,D4が同様に動作する。平
均電圧，平均電流共に負の値になり、特性は第17図のよ
うに第三象限に現われる。Ｂ端子の電圧が高い方が、グ
ラフの上ではよりマイナスに描かれる。負荷が電動機の
場合は、第一象限とは逆の回転方向に駆動されている。

第18図及び第19図は第四象限チョッパの例である。トラ
ンジスタTr4とダイオードD3は、第14図のTr2とD1とは対
称形に配置されている。負荷の逆起電力は負で、直流電
動機ならば逆方向に回転している状態にあり、電流は正
方向であるから、電動機の発生トルクは正方向で、電動
機は発電機として動作し、制動されている。電源Ｅ_ｓの
電流はトランジスタTr4がオフのときダイオードD3を通
じて流れ、電力を回生している。すなわち、逆回転回生
制動の昇圧チョッパであり、特性は第19図のようにＶ_ａ
が負、Ｉ_ａが正の第四象限のみで動作する。

１個の負荷たとえば直流他励電動機を１つの直流電源で
４象限にわたって制御する必要がある場合、スイッチン
グ素子はトランジスタTr1〜Tr4,ダイオードD1〜D4を単
相ブリッジインバータ接続し、所定のトランジスタをオ
ンまたはオフまたは所定のデューティファクタでオン・
オフすることによって、４象限のチョッパ制御を行なう
ことができる。

従来、直流他励電動機をチョッパによって４象限運転す
るには、その象限で動作すべきかを、回転速度、電流を
測定することによって判断し、第12図乃至第19図の動作
回路に切り換えて、デューティファクタαによって負荷
電圧または負荷電流を制御する方法がとられて来た。

＜発明が解決しようとする問題点＞しかし、この方法では次のような欠点がある。

第一象限と第二象限または第三象限と第四象限で特
性が連続しない。それぞれの象限でαと（1-α）を対応
させても、電流不連続の状態では特性が一致しない。

象限によって動作回路を切り換えるとき、短絡回路
を形成したり、異常に電流が増加したりしないように、
一定時間すべてのトランジスタをオフとし、電流の減衰
を持つ必要がある。

このような欠点のために、複数の象限にわたる動作をさ
せると、動作回路切り換えに時間がかかり、速い応答の
動作は望めず、また特性が連続しないので切り換え時に
衝撃があり、円滑な動作、たとえば電動機の正逆転運転
は困難で、そのうえ、回路が複雑であった。

その他の方法として、チョッパの１サイクル中に複数の
トランジスタをオンオフさせる駆動法、たとえばTr1とT
r2またはTr3とTr4を交互にオンとする。Tr1とTr4または
Tr2とTr3をそれぞれ同時にオンオフする方法は、電流が
不連続にはならないので直線性のよい制御はできるがオ
ンになるトランジスタを切り換えるときに短時間の短絡
モードが生じたり、負荷に加わる方形波の電圧が大きか
ったりして、電力損失が大きい欠点を有する。

＜発明の目的＞本発明は、ブリッジ形４象限チョッパの駆動方法に関す
るもので、負荷電圧は象限，電流の連続・不連続に関係
なく設定値に等しくなるので、象限が変っても特性が連
続し、象限切り換え時間は非常に短く、電源短絡の危険
がなく、円滑に動作し得る駆動法を提供するものであ
る。

本発明は２象限チョッパを駆動する「チョッパ制御方
式」特公昭56−2503号公報を発展させて４象限にわたる
動作を可能にするものである。

＜実施例＞第１図は４象限チョッパの構成と、発明の制御方式によ
る駆動回路の実施例を示す。

トランジスタTr1〜Tr4,ダイオードD1〜D4はブリッジを
構成し、端子A,Bの間に負荷電動機を接続する。

第１表は第一象限〜第四象限における通流素子を示して
いる。第一象限ではTr1およびTr4が共にオンのときチョ
ッパはオンとなり、瞬時電圧ｖ_ａはＥ_ｓに等しく、電流
ｉ_ａはＥ_ｓ‐Tr1-M-Tr4-E_ｓの経路で流れる。チョッパ
オフの回路は２つ可能であって、Tr1がオフとなり、
ｉ_ａはM-Tr4-D2-Mに流れるときとTr4がオフで、ｉ_ａ
はM-D3-Tr1-Mに流れるときのいずれかで、いずれもｖ_ａ
＝０である。Tr4をオンとし、Tr1をオンオフすることで
第12図の回路が形成される。Tr1をオンとし、Tr4をオン
オフしても同様の特性が得られる。

第二象限の動作では、Tr2をオンオフすると、D4には常
に電流が流れ、Tr2とD1には交互に電流が流れるので、
第14図のチョッパ回路が形成される。Tr4はオンにドラ
イブしておいても支障ない。Tr3のみをオンオフしても
同様の特性が得られる。このときはTr1がオンにドライ
ブされていてもよい。

第三象限の動作は、Tr2をオンとし、Tr3をオンオフする
ことで第16図の回路が形成される。Tr3をオンとし、Tr2
をオンオフしても同様の特性が得られる。

第四象限の動作は、Tr4をオンオフすることで第18図の
回路が形成される。Tr2をオンにしておいてもよいが、
電流はD2を流れるのでTr2には流れない。Tr1のみをオン
オフしても同様の特性が得られる。このときTr3はオン
オフどちらでもよい。

第１図の４象限チョッパの制御回路は１個の加算積分器
によって負荷端子電圧すなわち端子A,端子Ｂの電位差と
電圧設定値の差を時間積分し、その積分出力を４つのヒ
ステリシスコンパレータに加える。コンパレータ１〜４
はそれぞれトランジスタTr1〜Tr4にオン・オフ信号を供
給する。４つのコンパレータはEr1〜Er4の電圧によっ
て、あらかじめ入力の動点電圧が違えてある。

第２図は第一象限の動作回路を示している。図でコンパ
レータ２〜４の出力は一定でTr2,Tr3はオフにTr4はオン
にドライブされている。第３図は第２図の動作波形を示
している。コンパレータ１の上限はＶ_ｃ11で、下限はＶ
_ｃ10で表わす。コンパレータ１は入力ｖ_ｃがＶ_ｃ11以上
のときオンとなり、ｖ_ｃがＶ_ｃ10以下のときオフとな
る。入力ｖ_ｃがＶ_ｃ11とＶ_ｃ10の間にあるときはコンパ
レータ１は変化しない。加算積分器の出力はR₁の電流と
R₂の電流の和をコンデンサＣに蓄積したものである。式
で表わすと（１）式となる。

（１）式を（２）式のように変形するとただし、Ｖ_ａ ^＊は電圧設定値ｖ_ｃは負荷電圧の瞬時値ｖ_ａと設定値Ｖ_ａ ^＊の誤差を時
間積分したものである。ｖ_ｃの傾斜はＶ_ａ ^＊‐ｖ_ａに比
例する。Tr1がオンの期間はｖ_ａは＋Ｅ_ｓになってお
り、ｖ_ａはＶ_ａ ^＊より大きいのでｖ_ｃは負の傾斜を持っ
ており、初期値はＶ_ｃ11である。

Tr1がオンの期間はｖ_ｃ＝Ｖ_ｃ10になるまで続くので（３）式よりとなる。（４）式の右辺は第３図ｖ_ａ波形上の面積
（ア）に等しい。ｖ_ｃがコンパレータ１の下限Ｖ_ｃ10に
達するとTr1はオフにドライブされ、チョッパはオフと
なり、電流ｉ_ａはダイオードD2を通じて流れるのでｖ_ａ
＝０となる。誤差電圧ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負となるのでｖ_ｃ
は正の傾斜となる。ｖ_ｃの初期値はＶ_ｃ10である。ｖ_ｃ＝Ｖ_ｃ11になるとコンパレ
ータ１はオンとなりオフ期間が終るので（５）式よりとなる。（６）式の右辺は第３図ｖ_ａ波形上の面積
（イ）に等しい。第３図（ｂ）のように平均電流Ｉ_ａが
Ｉ_a2のように小さい場合は、オフの期間中の途中でｉ_ａ
が途切れ、ｉ_ａ＝０となると逆起電力Ｅ_ｎがｖ_ａ波形上
に現われ、ｖ_ａ＝Ｅ_ｎとなり、ｖ_ｃの傾斜は‐（ｖ_ａ‐
Ｖ_ａ ^＊）に比例して緩やかになるが、第一象限ではＥ_ｎ
＜Ｖ_ａ ^＊であるから傾斜の極性は変わらない。オフの時
間は延びるが、（６）式で表わされる面積（イ）は電流
連続時と同じである。

（４）式と（６）式を較べて判るように、誤差電圧が作
る正の面積（ア）と負の面積（イ）は、コンパレータの
上限と下限の電位差で決まるので、常に等しく、ｖ_ａの
平均値Ｖ_ａは常に設定値Ｖ_ａ ^＊に等しく制御され、E₁に
よってＶ_ａ ^＊を変化したときの応答も非常に速い。他の
象限の動作でも同じことが云える。また、０＜Ｖ_ａ ^＊＜
Ｅ_ｓで且つＥ_ｎ＜Ｖ_ａ ^＊である限り、ｖ_ｃはコンパレー
タ１の上限，下限の間を往復し、チョッパの動作は第一
象限内にとどまる。第９図は第７図の動作回路における
Ｖ_ａ対Ｉ_ａの特性を図示したもので、第１図（ｂ）と比
較して、出力電圧Ｖ_ａはαで制御されるのではなく、直
接Ｖ_ａ ^＊に制御され、αおよびチョッパ周期はＶ_ａがＶ
_ａ ^＊に等しくなるように自動的に変化する特性は電流の
連続・不連続には無関係である。

第５図は第１図におけるコンパレータ１〜４の上限・下
限電圧の配置の例を示している。フリップフロップ1,2
は入力信号がそのまま出力しているとしておく。入力電
圧であるｖ_ｃは縦軸にとってある。それぞれのコンパレ
ータの上限下限の範囲が重ならないようにし、コンパレ
ータ1,2,4,3の順になっている。例えばｖ_ｃが正から負
の方向に変化するならば、最初ｖ_ｃ＞Ｖ_ｃ11ではTr1とT
r4がオン状態である。ｖ_ｃが負に変化するにしたがっ
て、順に、Tr1→オフ,Tr2→オン,Tr4→オフ,Tr3→オン
に変化し、ｖ_ｃ＜Ｖ_ｃ31ではTr2とTr3がオンになってい
る。Tr1とTr2およびTr3とTr4が共にオンとなるｖ_ｃはな
く、または瞬時にオン状態が入れ換わることもないの
で、電源短絡モードは生じない。Ｖ_ａ対Ｉ_ａの特性を第
６図に示す。図でＶ_ａが一定になっているのはＶ_ａ ^＊が
一定のときのチョッパ出力特性で、傾斜しているのはＥ
_ｎ一定のときの負荷特性Ｖ_ａ＝Ｅ_ｎ＋Ｒ_ａＩ_ａ …（７）である。出力特性と負荷特性の交点が動作点となる。以
下、象限の移動の例について説明する。

動作点Ｅ_ｎ＝Ｅ_n1,V_ａ ^＊＝Ｖ_a1とすると動作点は第一象限の
となる。誤差積分ｖ_ｃは第５図のようにＶ_ｃ11とＶ_ｃ
10の間を往復し、Tr2,Tr3はオフ,Tr4はオン,Tr1はオン
オフしている。

動作点→ の動作点で動作している場合から、電圧設定値を変化
してＶ_ａ ^＊＝Ｖ_a2に設定した場合を考える。

Ｖ_a2は逆起電力Ｅ_n1より小さいので電流は減少し、Tr1
がオフの期間中にｉ_ａ＝０となる。ｉ_ａ＝０では逆起電
力Ｅ_n1が負荷端子に現われｖ_ａ＝Ｅ_n1となる。ｖ_ａ‐Ｖ
_ａ ^＊は正であるからｖ_ｃは負の傾斜となり、ｖ_ｃは再び
Ｖ_ｃ11に達することなく減少し、Tr1はオフのままであ
る。時間が経過してｖ_ｃがコンパレータの下限Ｖ_ｃ21に
達するとTr2がオンになってチョッパオンとなり電流ｉ
_ａはＥ_ｎ‐Tr2-D4-E_ｎに流れるようになり、ｖ_ａ＝０と
なる。ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負であるからｖ_ｃは正の傾斜で上
昇する。ｖ_ｃがＶ_ｃ20に達すると、Tr2はオフにドライ
ブされ、チョッパはオフで電流はＥ_ｎ‐D1-E_ｓ‐D4-E_ｎ
に流れ電源に電力を回生する。そのとき、ｖ_ａ＝Ｅ_ｓと
なっているのでｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は正で、ｖ_ｃは負の傾斜で
Ｖ_ｃ21に向って変化する。電流不連続で、チョッパオフ
の期間中にｉ_ａ＝０となり、端子に逆起電力が現われて
ｖ_ａ＝Ｅ_n1になってもｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊が正であるからｖ_ｃ
は負の傾斜でＶ_ｃ21に向う。このように、ｖ_ｃはＶ_ｃ20
とＶ_ｃ21間を往復しコンパレータ２によってTr2のみが
オン・オフし、負荷電圧平均値Ｖ_ａはＶ_ａ ^＊（＝Ｖ_a2）
に等しく制御され、動作点はとなる。負荷電動機は正
回転で回生制動されている。第二象限の動作である。

動作点→ 負荷の逆起電力Ｅ_ｎはＥ_n1のままで、電圧設定値Ｖ_ａ ^＊
をＶ_a3（ただし‐Ｅ_ｓ＜Ｖ_a3＜０）に変えたとする。こ
のとき、Tr2がオフすなわちｖ_ａ＝Ｅ_ｓであっても、Tr2
がオンすなわちｖ_ａ＝０であっても、誤差電圧Ｖ_ａ‐Ｖ
_ａ ^＊は正となり、ｖ_ｃの傾斜は負となって、Ｖ_ｃ31の方
に移動する。途中でコンパレータ４の下限Ｖ_ｃ40を横切
り、Tr4はオフにドライブされるが、電流はD4を流れて
いるので、チョッパの動作には関係がない。ｖ_ｃがＶ_ｃ
31に達するとTr3がオンになり、Tr2はすでにオンになっ
ているので電流ｉ_ａはＥ_ｓ‐Tr3-M-Tr2-E_ｓに流れｖ_ａ
＝‐Ｅ_ｓとなる。ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負となり、ｖ_ｃは正の
傾斜となる。ｖ_ｃがＶ_ｃ30に達すると、Tr3はオフとな
り、ｉ_ａはM-D4-Tr2-Mに流れ、ｖ_ａ＝０となる。ｖ_ａ‐
Ｖ_ａ ^＊は正となり、ｖ_ｃは負の傾斜となってＶ_ｃ31に向
って変化する。動作点はとなっている。Ｖ_ａ＜0,I_ａ
＜０であるから第三象限で逆転駆動である。チョッパの
オンオフはTr3のオンオフと同じである。端子電圧Ｖ_ａ
はＶ_ａ ^＊（＝Ｖ_a3）に制御される。

動作点→ Ｖ_ａ ^＊＝Ｖ_a3のままで、負荷の逆起電力Ｅ_ｎがＥ_n2に変
化したと考える。

の動作点ではＥ_n1＞Ｖ_ａ ^＊で電流ｉ_ａは負方向に流れ
ていたが、Ｅ_n2＜Ｖ_ａ ^＊ではＭの端子電圧より逆起電力
の方が小さいので、電流は正の方向に変化しようとし、
必ずTr3オフの間にｉ_ａ＝０の期間を生ずる。ｉ_ａ＝０
のとき、ｖ_ａ＝Ｅ_ｎとなるので、ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負であ
って、ｖ_ｃは正の傾斜で変化する。ｖ_ｃは再びＶ_ｃ31に
達することなくＶ_ｃ41まで変化し、Tr4がオンとなる。
電流ｉ_ａはM-Tr4-D2-Mの回路でＥ_ｎを電源として正方向
に流れる。このとき、ｖ_ａ＝０であるからｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊
は正で、ｖ_ｃは負の傾斜に変わる。ｖ_ｃがＶ_ｃ40に達す
るとTr4はオフで電流はM-D3-E_ｓ‐D2-Mに流れ電力をＥ
_ｓに回生する。ｖ_ａ＝‐Ｅ_ｓでｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負、ｖ_ｃ
の傾斜は正となり、以下動作点はでｖ_ｃはＶ_ｃ41とＶ
_ｃ40の間を往復する。Ｖ_ａは負、Ｉ_ａは正で、逆転回生
制動、第四象限の動作となる。

動作点→ の動作点にあるとき、逆起電力Ｅ_n3はそのままで、電
圧設定値Ｖ_ａ ^＊をＶ_a3からＶ_a2（ただし０＜Ｖ_a2＜
Ｅ_ｓ）に変えたとする。

Tr4がオン（ｖ_ａ＝０）であってもオフ（ｖ_ａ＝‐
Ｅ_ｓ）であっても、ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負となり、ｖ_ｃの傾
斜は正で、ｖ_ｃはＶ_ｃ11に向って変化する。Tr4はオン
（ｖ_ａ＝０）となり、Tr2はオフとなり、ｖ_ｃが11に達
してTr1がオンとなって、ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊が正となり、ｖ
_ｃの傾斜は負に変わる。ｖ_ｃはＶ_ｃ11とＶ_ｃ10の間を往
復し、第一象限の動作となる。

このように、電圧設定値と負荷の関係によって、オンオ
フ動作をするコンパレータが自動的に移り換わり、自動
的に必要なトランジスタをオンオフさせ、また、それぞ
れどの象限においても同一の加算積分器によって、電圧
設定値と負荷電圧の誤差積分を行なうので、負荷電圧の
平均値は設定値に特しく制御される。特性は完全に連続
で象限が変化するときの特性変化による衝撃はない。

第１図の構成におけるコンパレータ１〜４の上限，下限
電圧の順序を変えることによって、チョッパの動作がど
のようになるかを説明する。

第７図は、コンパレータ１〜４の上限下限電圧を第５図
の順序とは違う構成にしたもので、それぞれの上限電圧
を接近させ、また、下限電圧も接近させている。動作点
〜は第５図および第６図の動作点〜に対応して
いる。動作点では、まず、ｖ_ｃがＶ_ｃ11に達し、Tr1
がオンになるときは、コンパレータ２は必ずオフの入力
となり、Tr2は必ずオフになっている。Tr1がオンになる
とｖ_ｃは減少し、ｖ_ｃがＶ_ｃ10に達してTr1がオフにな
る。Tr1がオフになるとｖ_ｃは増加する。これを繰返し
てｖ_ｃはＶ_ｃ11とＶ_ｃ10の間を往復する。第一象限での
ｖ_ｃは、Tr2がオンとなるＶ_ｃ21には達することがな
い。第５図の動作点とまったく同じである。動作点が
他の象限に移動するときも、第５図と同じ順序で動作す
る。各コンパレータの動作電圧が接近しているので、動
作点が象限を移動する時間が第５図の場合よりも非常に
短くなっている。

しかし、第５図の場合よりやや信頼性が小さい欠点があ
る。例えば動作点で、通常はTr1とTr2が共にオンにド
ライブされることはないが、Tr1がオンでｖ_ｃがＶ_ｃ10
＜ｖ_ｃ＜V₂0の間にあるとき、コンパレータ２はヒステ
リシス領域にあるので、もしノイズ等で誤動作しオンに
変化すると、Tr1とTr2が同時にドライブされることにな
る。Tr1とTr2による電源短絡は、フリップフロップ１に
より防止される。フリップフロップ１はRSフリップフロ
ップを構成し、その真理値は第２表で表わされる。

正常動作では状態1,2（第一象限）または状態2,3（第二
象限）の動作であるからフリップフロップ１の出力はコ
ンパレータ1,2の出力に従っている。誤動作で状態４に
なったときはフリップフロップ出力は変化せず、すなわ
ち状態１または３の出力となっているのでTr1,Tr2短絡
は防止される。フリップフロップ２は、同様に、Tr3とT
r4の短絡を防止し、信頼性を向上している。

第８図は、コンパレータ１〜４の上限下限電圧を第５図
の順序とは違う他の構成としたもので、コンパレータ４
の上限下限の中にコンパレータ１の上限下限が入ってお
り、コンパレータ３の上限下限の中にコンパレータ２の
上限下限が入っている。図で示した動作点〜は第６
図の動作点〜に対応している。

動作点動作点では、Tr4がオンになっていれば、ｖ_ｃはＶ_ｃ1
1とＶ_ｃ10の間を往復し、Tr1をオンオフする。もし、Tr
4がオフであれば、Tr1がオンになっても負荷に電流が流
れないのでＥ_ｎが端子に現われてｖ_ａ＝Ｅ_n1となり、ｖ
_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負であるからｖ_ｃは正の傾斜でＶ_ｃ11を越
えて更に上昇し、Ｖ_ｃ41まで達してTr4をオンにする。T
r4がオンになれば通常の第一象限の動作となる。動作点
ではｖ_ｃはＶ_ｃ10より負にならないので、Ｖ_ｃ40に達
することがなく、Tr4はオンにドライブされたままであ
る。

動作点→ 逆起電力がＥ_n1のままで、電圧設定値Ｖ_ａ ^＊をＶ_a2に変
えると第５図と同様の経過で動作点はとなり第二象限
の動作をする。Tr1,Tr4,Tr3はオフでTr2のみオンオフす
る。

動作点→ 第８図の時刻t₂₃で電圧設定値Ｖ_ａ ^＊をＶ_a2からＶ_a3に
変えたとする。第二象限では０≦ｖ_ａ≦Ｅ_ｓであり、‐
Ｅ_ｓ＜Ｖ_a3＜０であるから、ｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は正で、ｖ_ｃ
は負の傾斜で変化し、Ｖ_ｃ31に達する。Tr3がオンにド
ライブされるので、ｖ_ａはTr2オンで‐Ｅ_ｓ、Tr2オフで
０であるからｖ_ａ‐Ｖ_ａ ^＊は負，正に変化し、ｖ_ｃはＶ
_ｃ21,V_ｃ20を往復し、Tr2がオンオフする。動作点と
はTr3がオフになっていることのみ異なる。

動作点→ 電圧設定値をt₃₂で再びＶ_a2にもどしたとすると、ｖ_ｃ
は一度Ｖ_ｃ30まで移動し、Tr3をオフにドライブして、T
r2のオンオフを継続する。第二象限の動作にもどる。

動作点→ 動作点にあるとき（Tr2〜Tr4オフ,Tr1がオンオフ）、
t₄₅で電圧設定値Ｖ_a2のように正の値にすると、ｖ_ｃは
一度Ｖ_ｃ41に達してTr4をオンに変え、その後はTr1をオ
ンオフして第一象限の動作となる。

このように、第８図のようにコンパレータの上限、下限
を配すると、Tr3,Tr4は象限が変わるときのみオンまた
はオフに変化し、同一象限内での動作中はオンオフの動
作をしない。Tr1またはTr2は、どの象限でもオンオフし
てチョッパの動作を行なう。このような動作では、Tr1,
Tr2に高速スイッチング素子を用いれば、Tr3,Tr4は速度
の遅い素子を用いることができる。

その他、コンパレータ１〜４の上限下限電圧を種々に設
定することによって、種々の動作モードによる４象限チ
ョッパを構成することができる。このとき、短絡しない
ためにコンパレータ１〜４の上限下限の間の必要条件はを同時に満足させることである。

第９図は発明の他の実施例で、直流電動機の４象限速度
制御を行ったものである。第９図は第１図（４象限電圧
制御回路）からの変更部分のみ示してある。電圧帰還抵
抗Ｒには直列にコンデンサＣが挿入され、端子A,B間の
交流成分（方形波）がOPアンプの加算点に供給される。
直流成分に関しては、電動機Ｍの軸に取付けられた速度
発電機TGの出力電圧Ｖを抵抗Ｒを通じてOPアンプの加算
点に供給する。

電動機の速度が、Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｔ ^＊になるようにチョッパがＶ_ａを変化させ、コンデンサC₂
はＶ_ａに充電され、定常状態となる。Ｖ_ｔをＶ_ｔ ^＊に保
つために必要な電圧Ｖ_ａと電流の方向によって電圧制御
の場合と同様に所定のコンパレータが動作して、自動的
に象限が移動する。

第10図は、第１図の４象限チョッパ制御回路に電流制限
回路を追加したものである（追加部分が示してあ
る。）。電流ｉ_ａの検出値（電圧に変換されている）を
ヒステリシスを持つコンパレータ1I〜4Iによって電流設
定値Ｉ_１ ^＊〜Ｉ_４ ^＊と比較し、出力を電圧制御のコンパ
レータ１〜４（第１図のもの）とアンド回路のアンド１
〜４によって結合したものである。第11図はその特性を
示す図である。コンパレータ1I〜4Iは±ΔＩに相当する
ヒステリシス幅を持ち、例えばコンパレータ1Iでは上限
‐Ｉ_１ ^＊＋ΔＩと下限‐Ｉ_１ ^＊‐ΔＩが設定される。

動作例について説明する。まず、電圧Ｖ_ａ ^＊＝Ｖ_a1に設
定され、Ｉ_ａは正で特性の第一象限で動作しているも
のとすると、このときコンパレータ２〜４の動作によっ
てTr2,Tr3はオフ,Tr4はオン、コンパレータ１が動作しT
r1はオンオフしている。Ｉ_ａがI₁より小さいうちは、‐
ｉ_ａはコンパレータ1Iの下限に達することがなく、コン
パレータ1Iは常に“1"でアンド１の出力はコンパレータ
１の出力に従う。電圧制御が動作している。

負荷の逆起電力Ｅ_ｎが減少し、負荷電流Ｉ_ａが増加し、
設定値I₁に達すると、Tr1のオン期間中（コンパレータ
１の出力が“1"であるうち）にコンパレータ1Iの出力が
“0"になり、Tr1のオンオフはコンパレータ1Iの出力で
制御されるようになる。チョッパの出力特性はの定電
流特性の上に動作点がくる。負荷電圧Ｖ_ａはＶ_ａ ^＊（＝
Ｖ_a1）より小さくなるので、誤差積分値ｖ_ｃは積分器の
OPアンプが飽和するまで上昇し、第５図のようにコンパ
レータ1,4は常に“1"を出力する。Tr1のオンオフはコン
パレータ1Iに従い、ｉ_ａはI₁＋ΔＩとI₁-ΔＩの間を往
復し、ｉ_ａの平均値Ｉ_ａはI₁に制御される。いわゆる電
流瞬時値制御の動作である。更にＥ_ｎが小さくなると負
荷特性との交点すなわち動作点のＶ_ａが小さくなり、Tr
オンの時間が短くなる。逆起電力Ｅ_ｎが負になり動作点
のＶ_ａが０になったとき、Tr1のオン期間はなくなりＥ
_ｎがD2とTr4で短絡された状態である。更にＥ_ｎが負に
なりＩ_ａが増加するとＩ_ａはI₄に達し、コンパレータ4I
によってTr4がオンオフし特性はとなる。このとき、T
r1が確実にオフとなっていることが必要で、そのために
I₁ ^＊＜I₄ ^＊とすればよい。Enが更に負になっていくとTr
4のオン時間が次第に短くなり、したがってＶ_ａはより
負となり、Ｖ_ａが‐Ｅ_ｓとなったとき、Tr4もすべての
期間オフとなる。D2とD3によってＶ_ａは‐Ｅ_ｓより負に
なることはなく、電流制限の機能もなくなる。逆起電力
が正方向に増加して行けば、→→の特性上を動作
点が移動し、自動的に電圧制御にもどる。Ｅ_ｎ＞Ｖ_a1で
特性の上に動作点があるとき（コンパレータ２が動作
している）、Ｅ_ｎが増加して、電流が負方向に増加しI₂
に達すると、特性，の場合と同様に、コンパレータ
２から得られる信号のオン時間よりもコンパレータ2Iか
ら得られる信号のオン時間の方が短いので、アンド回路
はオフ優先であるからアンド２の出力はコンパレータ2I
の出力に従う。すなわちチョッパの出力特性はとなっ
て電流Ｉ_ａをI₂に制限する。

以上のように、第15図のように電流制限回路を付加する
と、電圧設定値が正のときは‐‐‐‐‐の
特性となり、電流は正，負の値で制限され、負荷の逆起
電力の大きさによって、自動的に第一，第二，第４象限
の動作を行なう。電圧設定値がＶ_a2のように負のとき
は、特性は‐‐‐‐‐となり、正負の電流
制限が行なわれ、また、自動的に第二，第三，第四象限
の動作を行なう。このときＨの動作点においてTr3が確
実にオフになっていることが必要で、そのためにI₂ ^＊＞
I₃ ^＊とすればよい。

すなわち４象限の電流制限においては、同じ電流方向
（第一および第四象限、第二および第三象限）の電流制
限値は、駆動象限（第一象限、第三象限）よりも回生象
限（第四象限、第二象限）で大きな値に設定すればよ
い。

このように、電圧制御回路と電流制御回路を、それぞれ
のトランジスタのオンオフ信号の段階で論理回路で結合
することによって、２種の制御回路は、設定値と負荷の
状態によって自動的に、且つ円滑に切換わることができ
る。

＜発明の効果＞以上説明してきたように、本発明によれば、４象限チョ
ッパの電圧制御を精度よく行なうことができ、４象限の
動作切り換えは自動的かつ円滑に行なうことができる。
また、応答も非常に速いので、電圧設定値を正弦波とす
れば、正弦波インバータとなり、電動機の速度に容易に
応用することができ、電流制限も効果的に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の回路図、第２図は同実施例
における第一象限の動作回路図、第３図は第２図に示す
回路の波形図、第４図は第２図に示す回路の特性図、第
５図は第１図に示す実施例におけるコンパレータの上限
下限電圧配置の一例と象限切り換わり時の誤差電圧積分
波形図、第６図は同実施例の特性と動作点の説明図、第
７図は同実施例におけるコンパレータの上限下限電圧の
他の配置の例と象限切り換わり時の誤差電圧積分波形
図、第８図は同実施例におけるコンパレータの上限下限
電圧の他の配置の例と象限切り換わり時の誤差電圧積分
波形図、第９図は本発明を応用した直流電動機の４象限
速度制御の回路図、第10図は第２の発明として第１図の
回路に付加すべき電流制御用ヒステリシスコンパレータ
と論理回路の接続および回路構成図、第11図は第２の発
明の制御法による４象限チョッパの出力電圧電流特性
図、第12図及び第13図は従来一般の第一象限チョッパの
回路図と特性図、第14図及び第15図は同第二象限チョッ
パの回路図と特性図、第16図及び第17図は同第三象限チ
ョッパの回路図と特性図、第18図及び第19図は同第四象
限チョッパの回路図と特性図、第20図はチョッパの負荷
の等価回路図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】逆並列ダイオード（D1〜D4）を持つ第１〜
第４のスイッチング素子（Tr1〜Tr4）の単相ブリッジイ
ンバータ接続と、その負荷端子電圧（va）と電圧設定値
（Va）との差を積分する手段と、その積分出力（vc）を
入力とする第１〜第４のヒステリシスを持つコンパレー
タ（コンパレータ１〜４）と、この第１〜第４のコンパ
レータ（コンパレータ１〜４）出力論理に応じて、それ
ぞれ前記第１〜第４のスイッチング素子（Tr1〜Tr4）を
オン／オフに駆動する手段を持ち、前記第１〜第４のヒステリシスを持つコンパレータ（コ
ンパレータ１〜４）の上限電圧（Vc₁₁,Vc₂₀,Vc₃₀,V
c₄₁）、下限電圧（Vc₁₀,Vc₂₁,Vc₃₁,Vc₄₀）を、 Vc₂₁＜Vc₂₀＜Vc₁₁ Vc₂₁＜Vc₁₀＜Vc₁₁ Vc₃₁＜Vc₃₀＜Vc₄₁ Vc₃₁＜Vc₄₀＜Vc₄₁ なる関係に配置し、前記積分出力（vc）のレベル移動によって負荷電流（I
a）の正負，負荷電圧（Va）の正負できまる第１〜第４
象限のそれぞれにおいて、１個の繰返しオン／オフ論理
を出力するコンパレータ（コンパレータ１〜４）が自動
的に選択され、他の３個のコンパレータ（コンパレータ
１〜４）はオンまたはオフの状態になって前記第１〜第
４のスイッチング素子（Tr1〜Tr4）が該当象限チョッパ
を構成して負荷電圧（Va）を制御し、正負両方向の負荷電流（Ia）に対して、負荷電圧（Va）
の平均値を正および負の設定値に等しく制御することを
特徴とする４象限チョッパの制御装置。
【請求項２】逆並列ダイオード（D1〜D4）を持つ第１〜
第４のスイッチング素子（Tr1〜Tr4）の単相ブリッジイ
ンバータ接続と、負荷電流（ia）を検出する手段、第１
〜第４の電流設定値（I₁〜I₄）を与える手段を持ち、検
出された負荷電流（ia）を第１〜第４の電流設定値と比
較するように接続されたヒステリシスを持つ第１〜第４
の電流制御用コンパレータ（コンパレータ1I〜4I）を備
え、それぞれの電流制御用コンパレータ（コンパレータ1I〜
4I）は負荷電流（ia）の検出値が電流設定値より増大し
たときチョッパをオフに、減少したときチョッパをオン
にする論理信号を出力し、前記第１〜第４のスイッチング素子（Tr1〜Tr4）をオン
／オフに駆動する手段と共に第１〜第４象限において電
流制御回路を構成し、これら第１〜第４の電流制御用コンパレータ（コンパレ
ータ1I〜4I）の出力を、別に準備した電圧制御回路の第
１〜第４の電圧制御用出力に論理回路（アンド１〜４）
で結合しスイッチング素子（Tr1〜Tr4）の単相ブリッジ
インバータ接続およびスイッチング素子（Tr1〜Tr4）を
オン／オフに駆動する手段を電圧制御回路と電流制御回
路で共用し、これらの論理回路（アンド１〜４）は駆動
されるスイッチング素子（Tr1〜Tr4）のオフ論理を優先
出力する手段とし、第１〜第４の電流設定値を前記スイッチング素子（Tr1
〜Tr4）を流れる電流の電流制限値とし、負荷が増し負
荷電流が正または負に増大してそれぞれの象限の電流設
定値以上の値になろうとしたとき、電流制御用コンパレ
ータ（コンパレータ1I〜4I）出力のオン出力時間が電圧
制御用信号出力のオン時間より短くなり、電流制御用コ
ンパレータ（コンパレータ1I〜4I）出力のオフ出力時間
が電圧制御用信号出力のオフ時間より長くなって、論理
回路（アンド１〜４）で優先され、該当象限のスイッチ
ング素子（Tr1〜Tr4）が自動的に電流制御用コンパレー
タ（コンパレータ1I〜4I）出力によってオン／オフ駆動
されるようになり、電流制御回路が動作して負荷電流を
電流設定値に制御して電流制限器として動作し、負荷が減じ、負荷電圧が正または負に増大してそれぞれ
の象限の電圧設定値以上の値になろうとしたとき、電圧
制御用信号出力のオン出力時間が電流制御用コンパレー
タ（コンパレータ1I〜4I）出力のオフ時間より長くなっ
て、論理回路（アンド１〜４）で優先され、該当象限の
スイッチング素子（Tr1〜Tr4）が自動的に電圧制御用信
号出力によってオン／オフ駆動されるようになり、電圧
制御回路が動作して電圧制御を行い、回路の切り換え信号を使用することなく、負荷の増減に
よって自動的に電圧制御から電流制限へ移行し、また自
動的に電流制限から電圧制御へ復帰することを特徴とす
る４象限チョッパの制御装置。