JP2001186786A - 電動機速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＰＷＭ制御を行うことなく、電動機の低速時の
駆動電圧を高速時よりも低い値に切換えて、低速時の回
転むらをなくす電動機速度制御装置を提供する。 【解決手段】３８Ｖの電圧を出力する主電源１５と、主
電源の出力を入力として２４Ｖの電圧を出力する降圧電
源回路１６と、オン指令信号Ｖon1 が与えられた時にオ
ン状態になって主電源１５の出力電圧を電動機１に与え
るスイッチ１８Ａと、オン指令信号Ｖon2 が与えられた
時にオン状態になって降圧電源回路１６の出力電圧を電
動機に駆動電圧として与えるスイッチ１８Ｂと、電動機
の回転速度が設定値以上のときにスイッチ１８Ａにオン
指令信号Ｖon1 を与え、電動機の回転速度が設定値未満
のときにスイッチ１８Ｂにオン指令信号Ｖon2 を与える
指令信号発生手段１７とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機の回転速度
を指示速度に一致させるように制御する電動機速度制御
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動機の回転速度を指示速度に一致させ
るように制御する速度制御装置は、図３に示したよう
に、電動機１の回転速度を検出して速度検出信号を出力
するロータリエンコーダ（ＲＥ）等の速度検出器２と、
電動機１の指示速度を与える指示速度信号を発生する速
度設定部３と、速度検出信号と指示速度信号とから電動
機の実回転速度と指示速度との偏差を検出する速度偏差
検出部４と、速度偏差検出部４により検出された偏差に
比例（Ｐ）演算と積分（Ｉ）演算と微分（Ｄ）演算とを
施して比例演算出力と積分演算出力と微分演算出力とを
合成することにより、偏差を零にするために必要な電動
機１の駆動電流を演算するＰＩＤ演算部５と、演算部５
により演算された駆動電流を電動機１に供給する電動機
駆動部６とを備えている。

【０００３】図３に示した例では、電動機１をｎ相（図
示の例では３相）のブラシレス直流電動機としている。
そのため、電動機の回転子の回転角度位置を検出する位
置センサ（ＰＳ）７が設けられ、位置センサ７が出力す
る位置検出信号は、回転方向指令手段９から与えられる
回転方向指令信号とともに相パターン出力部８に与えら
れている。相パターン出力部８は、位置検出信号と回転
方向指令信号とに応じて、電動機のｎ相の電機子コイル
のいずれの相を励磁するかを指示するための励磁相パタ
ーン信号を出力する。

【０００４】電動機駆動部６は、励磁電流を流す電動機
の電機子コイルの相を励磁相パターン信号に応じて切り
替えるためにインバータ回路６Ａを備えている。このイ
ンバータ回路は、電力用のトランジスタやＦＥＴ等のス
イッチ素子Ｔｕ〜Ｔｗ及びＴｘ〜Ｔｚをブリッジ接続し
た回路からなっていて、増幅器６Ｂから与えられる駆動
信号に応じて所定のスイッチ素子をオン状態にすること
により、電動機１の所定の相の電機子コイルに駆動電流
を流す。電動機駆動部６はまた、電動機１の駆動電流の
大きさを演算部５により演算された値とするように該駆
動電流をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を出力するパ
ルス幅変調部６Ｃを備えていて、該ＰＷＭ信号が相パタ
ーン信号とともに増幅器６Ｂに与えられている。

【０００５】増幅器６Ｂは、相パターン信号に応じて励
磁すべき相の電機子コイルに駆動電流を流すべく、イン
バータ回路６Ａのブリッジの上辺を構成するスイッチ素
子Ｔｕ〜Ｔｗのうちの１つと、該ブリッジの下辺を構成
するスイッチ素子Ｔｘ〜Ｔｚのうちの１つとに駆動信号
を与える。このときブリッジの上辺を構成するスイッチ
素子Ｔｕ〜Ｔｗの１つに与える駆動信号、またはブリッ
ジの下辺を構成するスイッチ素子Ｔｘ〜Ｔｚの１つに与
える駆動信号をＰＷＭ信号により変調された波形とす
る。これにより、電動機１に与えられる駆動電流をＰＷ
Ｍ変調して該駆動電流の大きさを演算部５により演算さ
れた値とし、電動機の回転速度を指示速度に一致させ
る。

【０００６】またインバータ回路６Ａを通して電動機に
流れる駆動電流を検出するために電流検出用抵抗Ｒ1 が
設けられていて、この抵抗Ｒ1 の両端に得られる駆動電
流検出信号Ｖｉがパルス幅変調部６Ｃに与えられてい
る。パルス幅変調部６Ｃは、駆動電流が許容値を超えて
駆動電流検出信号Ｖｉが設定値を超えたときに、ＰＷＭ
信号のデューティ比を小さくして駆動電流を制限する。
これにより、電動機１に過電流が流れるのを防止する。

【０００７】図３に示した電動機速度制御装置において
は、低回転時に回転むらが生じるのを防止するため、電
動機の回転速度が設定値よりも低いときの電源電圧を、
回転速度が設定値以上あるときの電源電圧よりも低くし
て制御裕度を持たせることが行なわれている。

【０００８】そのため、図３に示した例では、電動機の
回転速度が設定値未満の時に速度偏差検出部から与えら
れる信号を受けて電圧切換指令を発生する電圧切換指令
発生手段１０と、電圧切換指令発生手段１０が電圧切換
指令を発生しているときに矩形波状のＰＷＭ信号を出力
し、電圧切換指令を発生していないときには一定の直流
信号を出力する制御信号発生手段１１と、制御信号発生
手段１１の出力に応じて電源の出力を制御して所定の駆
動電圧を出力する電源回路１２とを設けて、電動機の回
転速度が設定値未満のときと設定値以上のときとで、イ
ンバータ回６Ａに与える駆動電圧を切り換えるようにし
ている。

【０００９】従来、電源回路１２としては、図４に示し
たように、図示しない直流電源の正極側の出力端子にエ
ミッタが接続されたＰＮＰ形の電力用トランジスタＴＲ
a と、ＰＷＭ信号に応じてトランジスタＴＲa のベース
電流を制御するＮＰＮ形の制御用トランジスタＴＲb
と、コイルＬ及びコンデンサＣからなる低域通過フィル
タＦとを備えたものが用いられていた。

【００１０】図３に示した電動機速度制御装置におい
て、電動機の回転速度が設定値未満のときには、電圧切
換指令発生手段１０が電圧切換指令を発生するため、制
御信号発生手段１１が所定のデューティ比で断続する矩
形波状のＰＷＭ信号を出力する。制御信号発生手段１１
がＰＷＭ信号を出力すると、該ＰＷＭ信号により図４の
トランジスタＴＲb がオンオフさせられて、トランジス
タＴＲa のベース電流が断続させられるため、該トラン
ジスタＴＲa を通してＰＷＭ変調された電圧が出力され
る。この電圧は、電源電圧（図示の例では３８Ｖ）より
も低い平均値（図示の例では２４Ｖ）を有する電圧で、
フィルタＦを通すことにより高調波成分が除去された後
インバータ回路６Ａに駆動電圧として与えられる。

【００１１】電動機の回転速度が設定値以上になって、
電圧切換指令発生手段１０が電圧切換指令の出力を停止
すると、制御信号発生手段１１が一定の直流信号を出力
するため、トランジスタＴＲb がオン状態を保持する。
このとき、トランジスタＴＲa には一定のベース電流が
与えられるため、該トランジスタがオン状態を保持し、
電源電圧（３８Ｖ）がそのままインバータ回路６Ａに駆
動電圧として与えられる。

【００１２】図示の例では、速度設定部３、速度偏差検
出部４、ＰＩＤ演算部５、相パターン出力部８、回転方
向指令手段９、電圧切換指令発生手段１０及び制御信号
発生手段１１からなる制御演算ブロック１３がＣＰＵ
（マイクロコンピュータ）と該ＣＰＵにより実行される
プログラムとにより実現される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記の電動機速度制御
装置においては、電動機の低速回転時に電源の出力をＰ
ＷＭ制御することにより電源電圧を降圧して高速回転時
よりも低い電源電圧を得るようにしているが、ＰＷＭ制
御により降圧させられた電圧はリップルを多く含んでい
るため、フィルタＦのコイルＬ及びコンデンサＣとして
それぞれインダクタンス及びキャパシタンスが大きいも
のを用いる必要があり、コストが高くなるのを避けられ
なかった。またＣＰＵにＰＷＭ信号を発生する制御信号
発生手段１１を設ける必要があるため、ソフトウェア制
御が複雑になるという問題があった。

【００１４】本発明の目的は、高価な部品を用いること
なく、また複雑なソフトウェア制御を行なうことなく、
電動機の低速時の回転を安定させることができる電動機
速度制御装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、電動機の回転
速度を検出して速度検出信号を出力する速度検出器と、
電動機の指示速度を与える指示速度信号を発生する速度
設定部と、速度検出信号と指示速度信号とから電動機の
実回転速度と指示速度との偏差を検出する速度偏差検出
部と、速度偏差検出部により検出された偏差を零にする
ために必要な電動機の駆動電流を演算する演算部と、演
算部により演算された駆動電流を電動機に供給する電動
機駆動部とを備えた電動機速度制御装置に係わるもので
ある。

【００１６】本発明においては、第１の電圧を発生する
主電源と、該主電源の出力を入力として第１の電圧より
も低い第２の電圧を出力する降圧電源回路と、第１のオ
ン指令信号が与えられた時にオン状態になって主電源の
出力電圧を電動機に駆動電圧として与える第１のスイッ
チ及び第２のオン指令信号が与えられた時にオン状態に
なって降圧電源回路の出力電圧を電動機に駆動電圧とし
て与える第２のスイッチを備えた駆動電圧切換回路と、
電動機の回転速度が設定値以上のときに駆動電圧切換回
路に第１のオン指令信号を与え、電動機の回転速度が設
定値未満のときに駆動電圧切換回路に第２のオン指令信
号を与える指令信号発生手段とを設けた。

【００１７】上記降圧電源回路は、例えば、電力用トラ
ンジスタと、該トランジスタを通して出力される電圧を
設定値に保つように該トランジスタのベース電圧を制御
するレギュレータ（電圧安定回路）とにより構成するこ
とができる。

【００１８】上記の電動機速度制御装置においては、電
動機の回転速度が設定値以上のときにオン指令発生手段
が第１のオン指令信号を発生する。この第１のオン指令
信号が発生しているときには、第１のスイッチがオン状
態になって、主電源の出力電圧を電動機に駆動電圧とし
て与える。また電動機の回転速度が設定値未満のときに
は、オン指令発生手段が第２のオン指令信号を発生する
ため、第２のスイッチがオン状態になって、降圧電源回
路により降圧された電圧を駆動電圧として電動機に与え
る。従って、ＰＷＭ制御を行なうことなく電動機の低速
回転時の駆動電圧を低下させて低速回転時の回転むらを
なくすことができる。

【００１９】上記のように構成すると、インダクタンス
が大きいコイルとキャパシタンスが大きいコンデンサと
を備えた高価なフィルタを用いることなく、一般に使用
されている安価な降圧電源回路を用いて低速回転時に適
した低い電源電圧を得ることができる。そのため、低速
回転時に回転むらを生じさせることなく電動機を安定に
制御することができる電動機速度制御装置を、従来より
も低いコストで得ることができる。

【００２０】また上記のように構成すると、指令信号発
生手段は、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンオ
フするための信号を発生すればよく、ＰＷＭ信号のよう
な複雑な信号を発生する必要がないため、電動機の駆動
電圧を降圧するためのソフトウェア制御を簡単にするこ
とができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係わる電動機速度
制御装置の全体的な構成の一例を示したもので、この例
では、電動機１を駆動する電源として、電動機１の回転
速度が設定値以上のときの電源電圧である第１の電圧
（図示の例では３８Ｖの直流電圧）Ｖ1を発生する主電
源１５と、該主電源１５の出力を入力として第１の電圧
Ｖ1 よりも低い第２の電圧（図示の例では２４Ｖの直流
電圧）Ｖ2 を発生する降圧電源回路１６とが設けられて
いる。

【００２２】またＣＰＵにより実現される制御演算部１
３に指令信号発生手段１７が設けられ、この指令信号発
生手段１７から駆動電圧切換回路１８に第１のオン指令
信号Ｖon1 及び第２のオン指令信号Ｖon2 が与えられ
る。

【００２３】図示の駆動電圧切換回路１８は、第１のオ
ン指令信号Ｖon1 が与えられたときにオン状態になって
主電源１５の出力電圧を電動機に駆動電圧として与える
第１のスイッチ１８Ａと、第２のオン指令信号Ｖon2 が
与えられたときにオン状態になって降圧電源回路１６の
出力電圧を電動機に駆動電圧として与える第２のスイッ
チ１８Ｂとにより構成されている。

【００２４】図示の例では、主電源１５の出力電圧が第
１のスイッチ１８Ａを通してインバータ回路６に入力さ
れ、降圧電源回路１６の出力電圧が第２のスイッチ１８
Ｂを通してインバータ回路６に入力されている。

【００２５】速度偏差検出部４は、速度設定部３から与
えられる指示速度と回転検出器２から与えられる実回転
速度との偏差を検出するとともに、電動機の回転速度が
設定値未満の時に電圧切換指令を発生する。指令信号発
生手段１７は、電動機の回転速度が設定値未満で、速度
偏差検出部４から電圧切換指令が与えられていないとき
に、第１のスイッチ１８Ａに第１のオン指令信号Ｖon1
を与え、電動機１の回転速度が設定値未満になって速度
偏差検出部４が電圧切換指令を発生しているときに第２
のスイッチ１８Ｂに第２のオン指令信号Ｖon2 を与え
る。

【００２６】降圧電源回路１６の構成例及び第１及び第
２のスイッチ１８Ａ及び１８Ｂの具体的構成例を図２に
示した。図２に示した電圧調整回路１６は、エミッタが
主電源１９の正極側出力端子に接続されたＰＮＰ形のパ
ワートランジスタＴＲ1 と、トランジスタＴＲ1 のベー
ス接地間及びコレクタ接地間にそれぞれ接続されたコン
デンサＣ1 及びＣ2 と、トランジスタＴＲ1 のコレクタ
接地間の電圧を設定値（この例では２４Ｖ）に保つよう
にトランジスタＴＲ1 のベース電圧を制御するレギュレ
ータ（電圧調整器）２０と、トランジスタＴＲ1 のベー
スエミッタ間に接続された抵抗Ｒ2 とにより構成されて
いる。

【００２７】レギュレータ２０としては、電源と負荷と
の間に設けられるトランジスタ等の制御素子と、該制御
素子を通して負荷に印加される電圧を設定値に保つよう
に制御素子に制御信号を与える制御回路とにより構成さ
れるアナログ形のシリーズレギュレータを用いるのが好
ましい。

【００２８】このように、電力用トランジスタＴＲ1
と、該トランジスタを通して出力される電圧を設定値に
保つように該トランジスタのベース電圧を制御するレギ
ュレータ２０とにより降圧電源回路を構成すると、該電
源回路から電動機にレギュレータ２０の定格電流の５〜
６倍の定格電流を流すことができるため、定格電流が小
さい安価なレギュレータＩＣを用いて降圧電源回路１６
を構成することができ、電動機を通して大きな電流が流
れる起動時や制動時にも問題なく対応することができ
る。

【００２９】また上記のようにレギュレータ２０とし
て、シリーズレギュレータのようなアナログ形のレギュ
レータを用いると、ＬＣフィルタ回路を必要としないた
め、コストの低減を図ることができる。

【００３０】第１のスイッチ１８Ａは、主電源１５の正
極側出力端子にエミッタが接続され、コレクタがインバ
ータ回路６Ａの正極側の電源端子に接続されたＰＮＰト
ランジスタＴＲ2 と、該トランジスタＴＲ2 のベースに
抵抗Ｒ3 を通してコレクタが接続され、エミッタが接地
されたＮＰＮトランジスタＴＲ3 と、トランジスタＴＲ
2 のエミッタベース間に接続された抵抗Ｒ4 と、トラン
ジスタＴＲ2 のコレクタ及びエミッタにそれぞれアノー
ド及びカソードが接続されたダイオードＤ1 とからなっ
ていて、トランジスタＴＲ3 のベースに第１のオン指令
信号Ｖon1 が与えられている。

【００３１】また第２のスイッチ１８Ｂは、エミッタが
降圧電源回路１６の出力端子に接続され、コレクタがダ
イオードＤ2 を通してインバータ回路６Ａの電源端子に
接続されたＰＮＰトランジスタＴＲ2 ´と、該トランジ
スタＴＲ2 ´のベースに抵抗Ｒ3 ´を通してコレクタが
接続され、エミッタが接地されたＮＰＮトランジスタＴ
Ｒ3 ´と、トランジスタＴＲ2 ´のエミッタベース間に
接続された抵抗Ｒ4 ´と、トランジスタＴＲ2 ´のコレ
クタ及びエミッタにそれぞれアノード及びカソードが接
続されたダイオードＤ1 ´とにより、第１のスイッチ１
８Ａと同様に構成されていて、トランジスタＴＲ3 ´の
ベースに第２のオン指令信号Ｖon2 が与えられている。
またダイオードＤ2 のカソードとトランジスタＴＲ2 の
コレクタとの接続点と接地間には、アノードを接地側に
向けたダイオードＤ3 が接続されている。その他の構成
は、図３に示した従来の電動機速度制御装置と同様であ
る。

【００３２】図１及び図２に示した電動機速度制御装置
において、電動機１の回転速度が設定値以上のときに
は、指令信号発生手段１７が第１のオン指令信号Ｖon1
を発生しているため、第１のスイッチ１８Ａを構成する
トランジスタＴＲ3 がオン状態になり、トランジスタＴ
Ｒ2 がオン状態になる。この状態では、主電源１５の出
力電圧（図示の例では３８Ｖ）が第１のスイッチ１８Ａ
のトランジスタＴＲ2 のエミッタコレクタ間を通してイ
ンバータ回６Ａに与えられる。したがって、電動機の回
転速度が設定値以上のときには、主電源１５の出力電圧
を駆動電圧として電動機１が駆動される。

【００３３】電動機の回転速度が設定値よりも低くなる
と、速度偏差検出部４から指令信号発生手段１７に電圧
切換指令が与えられる。このとき指令信号発生手段１５
が第２のオン指令信号Ｖon2 を発生するため、第２のス
イッチ１８ＢのトランジスタＴＲ3 ´がオン状態にな
り、トランジスタＴＲ2 ´がオン状態になる。このとき
降圧電源回路１６の出力電圧（図示の例では２４Ｖ）が
トランジスタＴＲ2 ´を通してインバータ回路６Ａに与
えられる。したがって、電動機の回転速度が設定値より
も低い時には、降圧電源回路１６から出力される低電圧
により電動機が駆動される。

【００３４】上記の例では、ブラシレス直流電動機１を
制御する場合を例にとったが、他の直流電動機の回転速
度を制御する場合にも本発明を適用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ＰＷＭ
制御を行なうことなく、電動機の低速回転時にその駆動
電圧を低い値に切換えることができるため、高価なフィ
ルタを省略して、低速回転時の回転むらをなくすことが
できる電動機速度制御装置を安価に構成することができ
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる電動機速度制御装置の全体的な
構成の一例を示した構成図である。

【図２】図１の速度制御装置で用いる降圧電源回路及び
駆動電圧切換回路の具体的構成例を示した回路図であ
る。

【図３】従来の電動機速度制御装置の構成例を示した構
成図である。

【図４】図３の制御装置で用いられていた電源回路の構
成を示した回路図である。

【符号の説明】

１…電動機、２…回転検出器、３…速度設定部、４…速
度偏差検出部、５…ＰＩＤ演算部、６…電動機駆動部、
１５…主電源、１６…降圧電源回路、１７…指令信号発
生手段、１８…駆動電圧切換回路、１８Ａ…第１のスイ
ッチ、１８Ｂ…第２のスイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電動機の回転速度を検出して速度検出信
   号を出力する速度検出器と、前記電動機の指示速度を与
   える指示速度信号を発生する速度設定部と、前記速度検
   出信号と指示速度信号とから電動機の実回転速度と指示
   速度との偏差を検出する速度偏差検出部と、前記速度偏
   差検出部により検出された偏差を零にするために必要な
   前記電動機の駆動電流を演算する演算部と、前記演算部
   により演算された駆動電流を前記電動機に供給する電動
   機駆動部とを備えた電動機速度制御装置において、 第１の電圧を発生する主電源と、 前記主電源の出力を入力として前記第１の電圧よりも低
   い第２の電圧を出力する降圧電源回路と、 第１のオン指令信号が与えられた時にオン状態になって
   前記主電源の出力電圧を前記電動機に駆動電圧として与
   える第１のスイッチと、第２のオン指令信号が与えられ
   た時にオン状態になって前記降圧電源回路の出力電圧を
   前記電動機に駆動電圧として与える第２のスイッチとを
   備えた駆動電圧切換回路と、 前記電動機の回転速度が設定値以上のときに前記駆動電
   圧切換回路に前記第１のオン指令信号を与え、前記電動
   機の回転速度が設定値未満のときに前記駆動電圧切換回
   路に前記第２のオン指令信号を与える指令信号発生手段
   と、 を具備したことを特徴とする電動機速度制御装置。