JP2935762B2 - 直流モータの速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流モータの回転速度
をフィードバック制御してモータ速度を安定化させる速
度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】直流モータの速度を所定値にフィードバ
ック制御するためには、例えばタコジェネレータ等の速
度検出手段を付加し、この検出値に基づいてモータ駆動
電流のデューティ比を増減させる方式がとりえる。しか
るにこのような方式ではモータ速度の検出手段が付加的
に必要となる。モータ速度の検出手段を用いないでデュ
ーティ比を制御する装置として次のような制御装置が開
発されている。すなわちこの制御装置は、直流モータへ
の通電をオン・オフとして直流モータの速度をデューテ
ィ比制御するスイッチング素子、直流モータとスイッチ
ング素子間の電圧を入力して平滑化する平滑回路、スイ
ッチング素子のデューティ比の基本周期となる周期で変
動する電圧を出力する変動電圧回路、設定電圧を出力す
る設定電圧回路、前記の平滑回路と変動電圧回路と設定
電圧回路の出力を入力して比較し、前記のスイッチング
素子のオン・オフを制御する制御信号を出力する比較回
路とを備えている。その一例が図１０に示されている。

【０００３】図１０の制御装置では、直流電源Ａと直流
モータＢとスイッチング素子Ｃが直列に接続され、スイ
ッチング素子Ｃによって直流モータＢへの通電がオン・
オフされる。直流モータＢとスイッチング素子Ｃ間の電
圧Ｖ1 は平滑回路Ｄに入力されて平滑化される。一方ス
イッチング素子Ｃのデューティ比の基本周期となる周期
で変動する電圧Ｖ3 が変動電圧回路Ｅから出力される。
この他設定電圧Ｖ4 が設定電圧回路Ｆから出力される。
平滑回路Ｄの出力電圧Ｖ2 と変動電圧回路Ｅの出力電圧
Ｖ3 と設定電圧回路Ｆの出力電圧Ｖ4 は比較回路Ｇに入
力される。ここで３つの電圧を比較する態様としては各
種態様がとりえる。

【０００４】図１０の例の場合には、平滑回路電圧Ｖ2
と設定電圧Ｖ4の加算電圧が変動電圧Ｖ3 と比較され
る。その他Ｖ2 とＶ3 の加算電圧を設定電圧Ｖ4 と比較
する方式、Ｖ3 とＶ4 の加算電圧を平滑電圧Ｖ2 と比較
する方式、あるいは３種の電圧のうちの２種の差をとっ
てそれを残りの電圧と比較する方式等がとりえる。

【０００５】図１０に示す例の場合についてその作動を
説明する。今モータＢが所定速度で回転しているとす
る。スイッチング素子Ｃがオンすると図１１(a) に示す
ように電圧Ｖ1 はゼロとなる。一方スイッチング素子Ｃ
がオフしている間は図１１(a) に示すように電圧Ｖ1 は
電源電圧よりもモータの逆起電力ＣＶだけ低い電圧とな
る。ここで例えばモータに負荷が加わる等してモータの
速度が低下すると、逆起電力は小さくなるため、図１１
の(a) に示されるように、スイッチング素子Ｃがオフし
ているときの電圧Ｖ1 はモータが低速となるほど高くな
る。図１１の添字Low はモータが低速であるときに対応
している。スイッチング素子Ｃのオン・オフに伴って生
じる電圧Ｖ1 の変動は平滑回路Ｄで平滑化される。ここ
で前記したようにモータが低速となるほど逆起電力が小
さくなり、電圧Ｖ1 が大きくなるため、平滑化された電
圧Ｖ2 は図１１の(b) に例示するように、低速時の電圧
Ｖ2 Low の方が高くなる。平滑化された電圧Ｖ2 が高く
なると、図１１(b) に示すように、Ｖ2 ＋Ｖ4 も高くな
り、Ｖ2 ＋Ｖ4 ＞Ｖ3 の期間が長くなる。

【０００６】図１０の場合比較回路ＧはＶ2 ＋Ｖ4 ＞Ｖ
3 のときスイッチング素子Ｃをオンさせる。このためモ
ータが低速となるとモータへの通電時間が図１１(b) に
例示されるようにｔ1 →ｔ2 へ増大し、モータ速度は上
昇する。このようにしてモータ速度のフィードバック制
御が実施される。このようなフィードバック制御は図１
０の比較方式に限られるものでなく、前述した各種比較
態様によってもフィードバック制御を営ませることがで
きる。

【０００７】

【発明を解決するための課題】さて上記形状のフィード
バック制御装置の場合、モータが低速となるほど逆起電
力が小さくなる現象を利用してフィードバック制御を実
施する。しかるに電圧Ｖ2 はスイッチング素子Ｃのオン
期間におけるＶ1 をも含んで平滑化されたものであるた
め、スイッチング素子Ｃのオン期間が長くなるほど低く
なる傾向をあわせもっている。このためモータ逆起電力
の減少分のみによる場合には、電圧Ｖ2が図１１(b) の
Ｖ2 Low ２にまで上昇するはずのものが、デューティ比
の増大によって図１１(b) のＶ2 Low としかならない。
すなわちモータ回転数の低下に対してｔ1 →ｔ3 にデュ
ーティ比を高めるべきところが、ｔ1 →ｔ2 にしかなら
ない。このためモータの回転速度がなかなか低速状態か
ら回復せず、フィードバック制御の追従性が悪いことに
なる。そこで本発明では、デューティ比の変動によって
逆起電力の変化が相殺されてしまう傾向を打消すことの
できる新たな制御装置を開発するのである。

【０００８】

【発明が解決しようとする手段】そのために本発明で
は、図１０に例示された従来の直流モータの速度制御装
置において、設定電圧回路にモータ電流をオン・オフす
るスイッチング素子と同一デューティ比でオン・オフす
る第２スイッチング素子と、その第２スイッチング素子
でオン・オフされた設定電圧を平滑化する第２平滑回路
が付加された直流モータの速度制御装置を開発した。

【０００９】ここで比較回路に入力される態様としては
従来の技術と同様に各種態様がとり得、例えば図１に示
すように、変動電圧Ｖ3 と平滑化された設定電圧Ｖ5 の
加算電圧を平滑電圧Ｖ2 と比較する態様、図３に示すよ
うに変動電圧Ｖ3 と平滑電圧Ｖ2 の加算電圧を平滑化さ
れた設定電圧Ｖ5 と比較する態様、図５に示すように平
滑電圧Ｖ2 と平滑化された設定電圧Ｖ5 の加算電圧を変
動電圧Ｖ3 と比較する態様、その他図示はされていない
が、Ｖ2 ，Ｖ3 ，Ｖ5 のうちの２種の差を残りの一種と
比較する態様等がとりえる。

【００１０】

【作用】さてこの発明に係る速度制御装置によると、平
滑回路で平滑化された電圧Ｖ2はモータに生じる逆起電
力とデューティ比の変化に対応して変動する。一方設定
電圧が同一デューティ比でオン・オフされ、それが第２
平滑回路で平滑化された電圧Ｖ5 もデューティ比の変化
に対応して変動する。このため比較回路で電圧Ｖ2 ，Ｖ
5 と変動電圧Ｖ3 を比較する際に、デューティ比の変化
に依存する分が相殺され、逆起電力の変化に対応してデ
ューティ比がフィードバック制御されることになる。な
おここでデューティ比の変化に依存する変動分が完全に
相殺される必要はなく、部分的に相殺されるものであっ
ても相殺された分だけ追従性が向上する。

【００１１】

【実施例】次に本発明を具現化した実施例について説明
する。 ［第１実施例］この実施例は、図１に示すように、直流
モータｂ1 のマイナス側端子にスイッチング素子Ｃ1 を
接続し、モータｂ1 に対する直流電源ａ1 からの通電を
スイッチング素子Ｃ1 のオン・オフで制御する形式に本
発明を適用した一例を示している。モータｂ1 のマイナ
ス端子とスイッチング素子Ｃ1 間の電圧Ｖ1 は図２(a)
に示すようにスイッチング素子Ｃ1 がオンの間ゼロとな
り、オフの間は電源電圧から逆起電力ＣＶを減じた値と
なる。逆起電力ＣＶはモータ速度が低下すると小さくな
ることから、スイッチング素子Ｃ1 がオフのときの電圧
Ｖ1 はモータが低速となると上昇する。この電圧は平滑
回路ｄ1 に入力されて図２(b) に示すように平滑化され
る。平滑化された電圧Ｖ2 は図２(b) に示すようにモー
タが低速のときほど大きくなる。一方設定電圧回路ｆ1
には抵抗２と第２スイッチング素子ｈ1 が接続されてい
る。設定電圧回路ｆ1 は電圧値Ｖ4 が可変な直流電圧回
路で構成され、モータ速度を高速度に維持したいときに
は低い値に調整され、低速度に維持したときには高い値
に調整される。

【００１２】スイッチング素子Ｃ1 と第２スイッチング
素子ｈ1 は共通信号線４で接続されており、同一のタイ
ミングでオン・オフされる。抵抗２と第２スイッチング
素子ｈ1 間の電圧Ｖ６は第２平滑回路ｉ1 に入力され
る。該電圧Ｖ６は第２スイッチング素子ｈ1 のオンのと
きはゼロとなり、オフの間はＶ4 と等しくなる。このた
め第２平滑回路で平滑化された電圧Ｖ5 は、モータ速度
が低下してデューティ比が増大されたときには、図２
(b) に示すように低下する。ここでＶ5 Low はデューテ
ィ比の増大に対応して低下した場合を示している。

【００１３】変動電圧回路ｅ1 は図２(b) に例示される
三角波形の変動電圧Ｖ3 を出力する三角波発振回路で構
成されている。この三角波の周期Ｔは、スイッチング素
子Ｃ1 ，ｈ1 のデューティ比を制御する際の基本周期と
なる。比較回路ｇ1 には、平滑回路ｄ1 の出力電圧Ｖ2
と、第２平滑回路ｉ1 の出力電圧Ｖ5 と変動電圧回路ｅ
1 の出力電圧Ｖ3 との加算電圧が入力される。比較回路
ｇ1 はＶ2 ＞Ｖ3 ＋Ｖ5 のときスイッチング素子Ｃ1 ，
ｈ1 をオンさせる制御信号を出力する。

【００１４】今図２(b) において、モータｂ1 が所定速
度で回転しているときに、電圧Ｖ2はＶ2 に示すレベル
に、電圧Ｖ5 はＶ5 に示すレベルにあるとする。すると
加算電圧Ｖ3 ＋Ｖ5 は図示実線に示す波形となり、Ｔの
基本周期中ｔ1 の期間スイッチング素子Ｃ1 ，ｈ1 をオ
ンさせている。ここでなんらかの原因でモータ速度が低
下すると、図２(b) に示すように平滑化された電圧Ｖ2
はＶ2 Low のように上昇する。このため、仮にＶ3 ＋Ｖ
5 が変わらなければ（従来の回路では変わらない）オン
期間がｔ2 にまで伸びる。

【００１５】しかるにＶ2 →Ｖ2 Low への上昇は、逆起
電力の減少分がデューティ比の増大分によって相殺され
たものであり、もしも逆起電力の減少分のみを取り出せ
るものならばもっと上昇しているはずである。そこでこ
の実施例ではデューティ比の増大分によってＶ2 の上昇
が相殺されているのに対応し、デューティ比の増大に対
応して電圧Ｖ5 が下降するようになっている。このため
スイッチング素子Ｃ1 ，ｈ1 のオン時間はｔ3 にまで伸
ばされる。すなわちこの実施例によると、逆起電力の低
下に見合ってデューティ比が調整されることになりフィ
ードバック制御の応答性が改善されるのである。

【００１６】［第２実施例］第２実施例では、モータｂ
2 のプラス端子にスイッチング素子Ｃ2 が接続されてい
る。このためモータｂ2 とスイッチング素子Ｃ2 間の電
圧Ｖ1 は、図４の(a) に示すようにスイッチング素子Ｃ
2 がオンすると電源電圧に等しくなり、オフとなるとモ
ータに生じる逆起電力ＣＶに相当する値となる。ここで
も逆起電力ＣＶはモータの低速時ほど小さい（ＣＶLow
）。従って平滑回路ｄ2 で平滑化された電圧Ｖ2 は図
４(b) のように低速度ほど小さくなる（Ｖ2 Low ）。な
おここでデューティ比（オン時間比）が増大するとＶ1
が電源電圧に保たれている期間が増大するため、Ｖ2 は
高くなる傾向を有している。このためＶ2 Low は逆起電
力が小さくなることがデューティ比の増大によって部分
的に相殺されたものとなっている。

【００１７】一方設定電圧回路ｆ2 には第２スイッチン
グ素子ｈ2 と抵抗２２が接続されている。そして第２ス
イッチング素子ｈ2 と抵抗２２間の電圧Ｖ6 が第２平滑
回路ｉ２に入力される。ここで電圧Ｖ6 は第２スイッチ
ング素子ｈ2 がオンしているときはＶ4 に等しく、オフ
するとゼロとなる。このため平滑化された電圧Ｖ5 は、
モータが低速となりデューティ比が増大されると上昇す
るようになっている。この実施例では比較回路ｇ2 にＶ
2 とＶ3 の加算電圧とＶ5 が入力されるようになってお
り、比較回路ｇ2 はＶ5 ＞Ｖ2 ＋Ｖ3のとき信号線２４
を介してスイッチング素子Ｃ2 ，ｈ2 をオンさせる制御
信号を出力する。このため図４の(b) に示すように、モ
ータが低速となりＶ2 がＶ2 Low に低下し、Ｖ5 がＶ5
Low に上昇すると、オン時間はｔ1 からｔ3 に上昇し、
モータは高速状態に迅速に復帰する。ここで従来のよう
に設定電圧がデューティ比と無関係に一定であると、オ
ン時間はｔ2 としかならず、フィードバック制御の追従
性に不満を残す。

【００１８】［第３実施例］この実施例の場合、電圧Ｖ
1 については第１実施例と同様のものを用い、電圧Ｖ6
については第２実施例の同様のものとしている。そして
比較回路ｇ3 はＶ2＋Ｖ5 ＞Ｖ3 のときスイッチング素
子Ｃ3 ，ｈ3 をオンさせるように用いられている。この
ようにしても図６(a)(b)から明らかなように、モータが
低速となるとオン時間がｔ1 →ｔ3 に上昇し、フィード
バック制御の応答性が向上される。

【００１９】［第４実施例］この実施例は、図１に示し
た形式のものに、振幅制御回路４６とバイアス電圧４８
を付加したことを特徴としている。ここで振幅制御回路
４６は３角波発振器ｅ4 から出力される電圧Ｖ3 の振幅
を増減調整して電圧Ｖ7 に変換する。比較回路ｇ4 はＶ
2 ＞Ｖ5 ＋Ｖ8 ＋Ｖ7 のとき、スイッチング素子Ｃ4 ，
ｈ4をオンさせる。バイアス電圧４８は、デューティ比
の最大値を規制する。このため図８において、特性１を
デューティ比１００％のときの特性とすると、点線６に
示す特性を与えることができる。

【００２０】振幅制御回路４６は、デューティ比の変化
率を調整するものであり、振幅を増大するほど回転数の
変化に対するデューティ比の変化率が悪くなり（すなわ
ち追従性が悪くなり）、一方振幅が小さくなるとモータ
回転数の変化に対するデューティ比の変化率が大きくな
る（すなわち追従性が良くなる）。ここで振幅制御回路
４６の特性を調整することにより、図８中特性２に示す
ようにモータ回転速度を一定に保たせたり、あるいは特
性３〜５に示す各種特性を付与することができる。なお
振幅制御回路４６の振幅変化率は、信号線４９によって
デューティ比に依存させてもよいし、あるいは信号線４
７によって設定電圧（すなわち所定モータ速度）に依存
させてもよい。

【００２１】［第５実施例］この実施例では平滑回路ｄ
5 が抵抗Ｒ1 とコンデンサＣ1 で構成され、モータｂ5
とスイッチング素子Ｃ5 間の電圧Ｖ1 がＣＲ平滑回路で
平滑化される。設定電圧回路ｆ5 はモータと共通の直流
電源ａ5 と可変抵抗ＲＶで構成されている。設定電圧回
路ｆ5 にはスイッチング素子Ｃ5 と同一のデューティ比
でオン・オフする第２スイッチング素子ｈ5 とツェナダ
イオードＤ1 と抵抗Ｒ6 が接続されている。ツェナダイ
オードＤ1 は図７，８に関連したバイアス電圧を与え
る。第２スイッチング素子でオン・オフされた設定電圧
Ｖ6 はＣＲ平滑回路ｉ5 で平滑化される。

【００２２】変動電圧回路ｅ5 は、方形波発振器と、抵
抗Ｒ3 とコンデンサＣ3 からなる積分回路とダイオード
Ｄ2 とで構成されている。ダイオードＤ2 は方形波発振
器から出力される方形波の電圧を設定電圧Ｖ4 にクリッ
プする。クリップされた方形波電圧は抵抗Ｒ3 とコンデ
ンサＣ3 の積分回路で三角波電圧に変換される。ここで
モータの速度を低い値に維持したいときには設定電圧Ｖ
4 が高い値に調整され、変動電圧回路ｅ5 から出力され
る三角波の振幅が高く、モータ速度の変化に対するデュ
ーティ比変化率は低い。逆にモータの速度を高い値に維
持したいときには設定電圧Ｖ4 が低い値に調整され、変
動電圧回路ｅ5 から出力される三角波の振幅が低くモー
タ速度の変化に対するデューティ比変化率が高められ
る。

【００２３】さて、以上の実施例は本発明の幾つかの具
体例にすぎず、特に比較態様には各種変形がとりえる。
さらに本発明によるとモータ回転数を一定に維持するこ
とを始め、各種用途に合わせた様々な特性を付与するこ
とができる。また第２スイッチング素子は第１スイッチ
ング素子と同一位相でオン・オフするものに限られるも
のでなく、一方がオンすれば他方でオフする方式でも本
発明の原理を実施できる。

【００２４】

【発明の効果】さて本発明によると、モータに生じる逆
起電力の変化に対応してデューティ比を増減することが
できる。これに対し従来の技術ではモータに生じる逆起
電力の変化がデューティ比の変化によって修正されたも
のに基づいてデューティ比を増減している。このため従
前に比してよりよいフィードバック制御の追従性が確保
されるほか、多様な制御特性を付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の回路ブロック図

【図２】第１実施例の作用を説明する図

【図３】第２実施例の回路ブロツク図

【図４】第２実施例の作用を説明する図

【図５】第３実施例の回路ブロック図

【図６】第３実施例の作用を説明する図

【図７】第４実施例の回路ブロック図

【図８】第４実施例によって実現可能な各種特性を示す
図

【図９】第５実施例の回路を説明する図

【図１０】従来の制御装置の回路ブロック図

【図１１】従来の制御装置の作用を説明する図

【符号の説明】

Ｂ：直流モータ Ｃ：スイッチング素子 Ｄ：平滑回路 Ｅ：変動電圧回路 Ｆ：設定電圧回路 ｈ１〜ｈ５：第２スイッチング素子 ｉ１〜ｉ５：第２平滑回路 Ｇ：比較回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流モータへの通電をオン・オフとして
   該直流モータの速度をデューティ比制御するスイッチン
   グ素子、 該直流モータと該スイッチング素子間の電圧を入力して
   平滑化する平滑回路、 該スイッチング素子のデューティ比の基本周期となる周
   期で変動する電圧を出力する変動電圧回路、 設定電圧を出力する設定電圧回路、 該平滑回路と該変動電圧回路と該設定電圧回路の出力を
   入力して比較し、該スイッチング素子のオン・オフを制
   御する制御信号を出力する比較回路、 とを備えた直流モータの速度制御装置において、 該設定電圧回路に、該スイッチング素子と同一デューテ
   ィ比でオン・オフする第２スイッチング素子と、該第２
   スイッチング素子でオン・オフされた設定電圧を平滑化
   する第２平滑回路を付加したことを特徴とする直流モー
   タの速度制御装置。