JP2589997B2 - 直流電動機の制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は直流電動機の制御回路に関する。

〔発明の概要〕

直流電動機の端子に生じる誘導起電力を回転検出用ト
ランジスタで検出して電動機駆動用トランジスタをオン
にすると共に、拘束時には誘電起電圧が無くなることに
より、上記駆動用トランジスタをオフ（給電遮断）にす
るために、可変の時定数で定まる周期ごとにオンとなる
制御用トランジスタを設けて、上記回転検出用トランジ
スタを周期的にオフにして、所定周期ごとに回転／拘束
の監視を行い、また可変の給電デューティによる速度制
御を行うようにした電動機制御回路である。

〔従来の技術〕

例えばラジオコントロール式の電動玩具自動車におい
ては、リモートコントローラによって電動機のオン・オ
フ制御や回転速度の制御を行っている。従ってリモート
コントローラによって一旦駆動（走行）させるとスイッ
チをオフにしない限り駆動が停止しない。このため、ラ
ジオコントロール不能状態で障害物に走行を阻止された
場合、或いは駆動輪が拘束された状態で、例えば雑音等
によって回路がオンになった場合、電動機に拘束電流が
流れる。このため必要以上に電気エネルギーが消費され
て不経済である上に、電動機、その他の機構に無理な負
荷を与え、玩具自動車の寿命を短縮させたり、トラブル
の原因となった。また電動機に拘束電流が流れると、電
動機や抵抗器、バッテリー等からの発熱で火災が発生す
ることがあった。

この問題を解消するために本願出願人は、電動機が拘
束停止したときには給電を遮断する直流電動機の制御回
路を提案している（特願昭62−97082号）。この制御回
路は、直流電動機の誘導起電力でオンとなる回転検知用
トランジスタ等と、この検知用トランジスタによってオ
ンとなって駆動電圧を上記直流電動機に供給する駆動用
トランジスタとを備える。また上記直流電動機の整流子
の極性切換点では電気子巻線に発生するパルスによって
上記検知用トランジスタが瞬時オフするように、上記直
流電動機の電機子巻線に連なる端子と上記検知用トラン
ジスタとを接続してある。

電動機に外力を与えて強制回転させると、誘導起電力
が発生し、これによって回転検知用トランジスタがオン
となり、更に駆動用トランジスタがオンとなる。従って
電動機が回転を続ける。

電動機の回転に伴って、整流子の極性切換点で電機子
巻線に発生するパルスで検知用トランジスタが周期的に
強制オフさせられる。しかし回転系の慣性で電動機が誘
導起電力を発生している限りは、検知用トランジスタは
即座にオンに復帰するので、駆動用トランジスタもオン
となり、回転は維持される。上記パルスは電動機の拘束
（回転停止）を検知するためのサンプリングパルスとし
て機能している。

電動機を拘束すると、停止直前には誘導起電力は極め
て小さくなり、整流切換点で発生する上記のパルスでも
って検知用トランジスタがオフにされると、もはや検知
用トランジスタがオンとなることができない。従って駆
動用トランジスタもオフになり、電動機は停止する。

一方、速度制御に関しては、従来は電動機に印加する
電圧を変えて回転速度を制御していて、印加電圧を変え
るために電動機と直列に可変抵抗器を接続したり、或い
は複数のバッテリーを設けて電源から異なる電圧を出力
できるようにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

特願昭62−97082号で提案した制御回路は、整流子の
極性切換点で電機子巻線に発生するスパイク状パルスに
よって回転検知用トランジスタをオフさせている。この
ためパルスを発生する電動機しか拘束検出及び給電遮断
を行うことができない。従って、スパイク状パルスを発
生しないような電動機を制御する場合には、回転検知用
トランジスタを周期的にオフさせる必要がある。このた
め外部からオフ用のパルスを回転検知用トランジスタの
制御電極に与えたり、或いは検知用トランジスタを周期
的にオフさせるための発振器を組み込まなければならな
いので、制御回路の構成が複雑になっていた。

また従来の制御回路は拘束検出及び給電遮断と、電動
機の回転速度制御とを別々に行っているので、更に回路
構成が複雑になっていた。

また単一電圧の電源で速度制御を行うために可変抵抗
器を用いると電気エネルギーの損失がある上、駆動電流
が大きい場合は発熱が大きく危険である。一方複数個の
バッテリーを配設して電源の出力電圧を変えるようにす
ると、高速走行時及び低速走行時において使用されるバ
ッテリーが異なるため、個々のバッテリーの消費量に差
が出てしまう不都合がある。

本発明は上述の問題点にかんがみ、電動機からパルス
が出なくても拘束検出及び給電遮断ができると共に、回
転速度の制御ができる制御回路を得ることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の直流電動機の制御回路は、直流電動機Ｍの端
子に接続され誘動起電力でオンとなる回転検知用トラン
ジスタQ1と、この回転検知用トランジスタQ1のオン出力
によりオンとなって駆動電圧Ｅを上記直流電動機Ｍに供
給する駆動用トランジスタQ2と、上記駆動用トランジス
タQ2のオン出力によってオンとなって上記回転検知用ト
ランジスタQ1をオフにし、これにより上記駆動用トラン
ジスタQ2をオフにする制御用トランジスタQ3と、上記駆
動用トランジスタQ3のオン出力により作動して所定時間
後に上記制御用トランジスタQ3をオンにする電圧を形成
すると共に、上記駆動用トランジスタQ2がオフになった
ときに電動機Ｍの誘導パルスにより上記電圧がリセット
される時定数回路とを具備している。

上記時定数回路が、両端を順方向及び逆方向の一対の
ダイオードD1、D2を夫々介して上記直流電動機の端子に
接続した可変抵抗VRと、上記可変抵抗VRの可動端子の出
力により充放電されて上記時定数回路の出力電圧を形成
するコンデンサC1とから成っている。

〔作用〕

電動機Ｍを一旦回転させると、誘導起電力が発生し
て、これによって回転検知用トランジスタQ1がオンとな
り、更に駆動用トランジスタQ2がオンとなるので、電動
機Ｍが回転を続ける。

駆動用トランジスタのオン時点から一定時間後には時
定数回路の働きにより制御用トランジスタQ3がオンとな
り、回転検知用トランジスタQ1がオフにされ、駆動用ト
ランジスタQ2がオフにされる。このとき電動機Ｍが拘束
状態でなければ、回転検知用トランジスタQ1がオンし、
駆動用トランジスタQ2が再びオンとなる。即ち制御用ト
ランジスタQ3がオンになることにより、電動機Ｍの回転
状態がサンプリングされる。

サンプリング時点で駆動用トランジスタQ2が瞬時オフ
すると、電動機Ｍの端子に生じる誘導パルスにより、時
定数回路がリセットされて制御用トランジスタQ3がオフ
になる。しかし電動機Ｍが回転していれば上述のように
駆動用トランジスタQ2がオンとなるので、一定時間後に
は時定数回路により制御用トランジスタQ3がオンとな
る。このようにして制御用トランジスタQ3及び回転検知
用トランジスタQ1は一定周期でオン／オフを繰り返し、
回転／拘束の検出を行っている。

電動機Ｍを拘束すると、誘導起電力が無くなるので、
制御用トランジスタQ3がオンとなることにより、回転検
知用トランジスタQ1が一旦オフになると、駆動用トラン
ジスタQ2がオフとなり、給電遮断状態となる。従って外
力による拘束停止ができる。

また時定数回路の時定数を可変抵抗により適宜設定す
ることにより、制御用トランジスタQ3のオン／オフの周
期を任意に定めることができるから、駆動用トランジス
タQ2による電動機Ｍへの給電のデューティに対応して所
望の回転速度を得ることができる。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例の直流電動機用制御回路を
示す。この制御回路は例えば玩具のラジオコントロール
式電池自動車に組込まれたものである。

電動機Ｍの端子T1には、電源電圧Ｅを供給する駆動用
トランジスタQ2のエミッタ−コレクタが直列に結合さ
れ、またこのトランジスタQ2のベースに抵抗R2を介して
回転検知用トランジスタQ1のコレクタ−エミッタが直列
に直結されている。この検知用トランジスタQ1のベース
は抵抗R1を介して電動機Ｍの端子T1に接続され、またそ
のエミッタは電動機Ｍの端子T2（接地ライン）に接続さ
れ、コレクタには抵抗R3を介して電源電圧Ｅが供給され
る。

トランジスタQ1のベースと接地ラインとの間に速度制
御用トランジスタQ3のコレクターエミッタが直列に接続
され、そのベースと接地ラインとの間にコンデンサC1が
接続されている。トランジスタQ3のベースには、可変抵
抗VRの可動端子が抵抗R4を介して接続されている。可変
抵抗VRの両端は順及び逆接続のダイオードD1、D2を介し
て電動機Ｍの端子T1に接続されている。

２個のトランジスタQ1、Q2はオン状態が自己保持され
る接続になっている。即ち、一旦Q1がオンになると、そ
のコレクタ電流がQ2のベース電流となってQ2がオンす
る。従ってQ2のコレクタ電圧が上昇して電動機Ｍに駆動
電圧が供給される。このときQ2のコレクタからQ1にベー
ス電流が供給されるので、Q1のオン状態が保持される。

第１図の電動機制御回路は静止状態においてオフに保
たれている。ここで電動機Ｍを強制回転させると、端子
T1に誘導起電力E_nが発生する。誘導起電力E_nは電機子の
回転速度Ｎに比例する。

E_n＝Ａ・Ｎ（Ａは定数） E_nがトランジスタQ1のベース・エミッタ順方向電圧V
_BE1を越えると、抵抗R1を通してベース電流が流れ、Q1
がオンとなる。従ってトランジスタQ2もオンなり、正回
転が持続する。

このときダイオードD2、可変抵抗VR、抵抗R4を通って
コンデンサC1が充電され、第２図Ａに示すように所定の
時定数で端子電圧が上昇して行く。従ってQ3のベース電
圧V_B3が上記時定数で上昇し、第２図Ａに示すように時
点t₀でQ3のベース・エミッタ順方向電圧V_BE3に達する
と、第２図Ｂに示すようにQ3がオンとなる。Q3のオンに
よってQ1はベースが接地されるので、時点t₁でオフとな
る（第２図Ｃ）。従って第２図Ｄに示すようにQ2がオフ
となって電動機Ｍへの給電が遮断される（第２図Ｅ）。

電動機Ｍへの給電が遮断されると、電動機Ｍに生じる
スパイク状の誘導パルスによって端子T1が負電位とな
る。このためコンデンサC1に充電されていた電荷が抵抗
R4、可変抵抗VR、ダイオードD1を通して瞬時に放電され
てベース電圧V_B3が低下する。従ってQ3にはベース電流
が流れなくなるので、ベース領域に流入したキャリア蓄
積が無くなる一定時間ｔが経過した第２図の時点t₁にお
いてQ3がオフとなる。このとき電動機Ｍが正転を継続し
ていると、Q1のベースに誘導起電力E_nが印加されてQ1が
オンとなる。従ってQ2がオンとなり電動機Ｍに駆動電圧
Ｅが印加される。

時点t₁で給電が開始されるとコンデンサC1が再び充電
され、以後、Q3オンQ1オフ→Q2オフ→誘導パルス発生→
C1が放電→Q3オフ→C1を充電→Q3オンのサイクルで自励
発振して電動機Ｍへの給電を断続的に行い、給電遮断時
には回転状態をサンプリングする。

回転検知用トランジスタQ1がオフになったとき電動機
Ｍが拘束されていると、誘導起電力が無いので、Q1が再
びオンにならない。従って制御回路は継続的にオフにな
る。

速度制御用トランジスタQ3がオフとなっている期間、
即ち電動機Ｍに給電している期間Ｔを変化させることに
より、Q3がオンして給電遮断している期間ｔとの比を変
えて回転速度を制御できる。即ち、例えばリモート動作
する駆動機構によって可変抵抗VRの可動端子を第１図に
おいて矢印L_o方向に動かすと、コンデンサC1の充電の時
定数が短くなるので、電動機Ｍへ給電している期間Ｔが
短くなって回転速度が遅くなる。

反対に可変抵抗VRの可動端子を第１図において矢印Hi
方向に動かすと、時定数が長くなるので、電動機Ｍへ給
電している期間Ｔが長くなって回転速度が早くなる。

このようにトランジスタQ3がオフとなっている期間Ｔ
を変えて電動機Ｍの回転速度を制御するので、可変抵抗
器を用いる従来の方式と比較して電力損失を大幅に軽減
できると共に、発熱を最小限に抑えることができる。ま
た可変抵抗器を使用しない速度制御を、出力電圧の大き
さが単一の電源で行うことができる。

また実施例の回路は自励発振して電動機Ｍへの給電を
周期的に遮断し、電動機Ｍの回転状態を所定時間ごとに
サンプリングしている。従って、例えば回転検知用トラ
ンジスタQ1をオフさせるための負パルスを外部から与え
たり、或いはQ1を周期的にオフさせるための発振器を組
み込む必要がない。このため電動機の制御回路の構成を
簡略化できる。

なお必要に応じて第１図の制御回路に停止スイッチを
付加してもよい。停止スイッチは例えばトランジスタQ1
又はQ2のベース・エミッタ間を短絡するプッシュスイッ
チ或いは電動機Ｍの両端を短絡するプッシュスイッチで
あってよい。停止スイッチを設ければ、電動機Ｍの外力
による起動及び拘束による停止の外に、スイッチによる
起動／停止の制御もできるようになる。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように、電動機の誘導起電圧を検出す
る回転検知用トランジスタと、電動機に給電する駆動用
トランジスタとを正帰還結合し回転により誘導起電圧が
発生している限りは回転が持続するようにすると共に、
駆動用トランジスタがオンになってから所定時間後に上
記回転検知用トランジスタを瞬時オフにするための制御
用トランジスタ及び時定数回路を設けて、周期的に回転
検知用トランジスタをオフにし、これにより電動機の回
転／拘束を所定周期ごとに検知できるようにしたので、
簡単な回路構成で拘束検出と拘束時の給電遮断を行うこ
とができる。特に、電動機として整流子からスパイクノ
イズが発生しないようなタイプに適用しても、自励発振
で回転検知用トランジスタを周期的にオフにできるの
で、オフ用の発振器を組み込む必要が無い。

また時定数回路の時定数を適宜設定することにより、
所望のデューティでチョッパ駆動が行われるので、電動
機への給電のデューティに対応して所望の回転速度を得
ることができる。従って給電遮断制御を行う回路の部品
と、回転速度制御を行うためのチョッパ駆動回路の部品
とが共用になっているから、部品点数が少なく、回路構
成が簡単で、電力損失や発熱の少ない電動機制御回路が
得られる。

また時定数回路のコンデンサを強制放電させるため
に、コンデンサの端子をダイオードを介して電動機の端
子に接続したので、電動機Ｍへの給電が遮断されたと
き、その逆転電力でコンデンサが瞬時放電される。よっ
て時定数回路のリセットが確実に行われ、安定なデュー
ティ制御動作が得られ、確実な速度制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す直流電動機の制御回路
図、第２図は各部の動作を説明するためのタイムチャー
トである。 なお図面に用いた符号において、 Ｍ……電動機 Q1……回転検知用トランジスタ Q2……駆動用トランジスタ Q3……速度制御用トランジスタ CL……コンデンサ VR……可変抵抗 D1、D2……ダイオード である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電動機の端子に接続され誘動起電力で
   オンとなる回転検知用トランジスタと、 この回転検知用トランジスタのオン出力によりオンとな
   って駆動電圧を上記直流電動機に供給する駆動用トラン
   ジスタと、 上記駆動用トランジスタのオン出力によってオンとなっ
   て上記回転検知用トランジスタをオフにし、これにより
   上記駆動用トランジスタをオフにする制御用トランジス
   タと、 上記駆動用トランジスタのオン出力により作動して所定
   時間後に上記制御用トランジスタをオンにする電圧を形
   成すると共に、上記駆動用トランジスタがオフになった
   ときに電動機の誘導パルスにより上記電圧がリセットさ
   れる時定数回路とを具備し、上記時定数回路が、 両端を順方向及び逆方向の一対のダイオードを夫々介し
   て上記直流電動機の端子に接続した可変抵抗と、 上記可変抵抗の可動端子の出力により充放電されて上記
   時定数回路の出力電圧を形成するコンデンサとから成る
   ことを特徴とする直流電動機の制御回路。