JP3574298B2 - モータ駆動制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータを駆動するモータ駆動制御装置に関し、特に起動時及び定速回転時における駆動特性の改善を図るようにしたものに関する。
【0002】
【従来の技術】
モータの駆動制御は、起動時と定速回転時とで制御特性が異なっている。即ち、起動時では回転速度の加速、減速を短時間で行う必要がある。これに対し、定速回転時では、定速回転を維持するための加速、減速を極力減らして回転ムラを減少させるのが望ましい。
【0003】
このように、モータのフィードバック制御において、モータの起動時では応答性のよい時定数の小さな制御が適しており、一方の定速回転時では回転変動の少ない時定数の大きな制御が適している。そして従来、このような制御を行う駆動制御装置として、例えば特開平3−155379号公報に記載のものがあり、以下のように構成されている。
【0004】
前記公報に記載の装置の主要部を図4を用いて説明する。1は速度差信号生成部で、図外の回転速度検出部によりモータの回転速度が検出されて出力されるパルス信号のパルス間隔と、基準周波数生成部により発生されるモータの設定速度に相当する基準周波数のパルスの間隔とを比較し、2つの信号のパルス間隔の差に基づいて回転速度の速度差に対応した速度差信号を発生する。
【0005】
このとき、速度差信号の大きさは、モータの実際の回転速度と設定速度との差が大きいほど大きくなり、その極性は、モータの回転速度が設定速度より速いときには例えば負になり、またこれとは反対にモータの回転速度が設定速度より遅いときには逆極性の正になる。
【0006】
また図4において、2はフィードバック信号生成部で、演算増幅器3と、第1、第2抵抗4a、4b及び第1、第2コンデンサ4c、4dとから成る時定数設定部4と、時定数切換用のダイオード5とにより構成され、速度差信号生成部1からの速度差信号を実質的に積分してフィードバック信号を発生する。
【0007】
ここで、演算増幅器3の一方の入力端には基準電位が与えられ、時定数設定部4の第1抵抗4aの両端は演算増幅器3の他方の入力端と速度差信号生成部1の出力端とに接続され、第1コンデンサ4cの両端は演算増幅器3の他方の入力端と出力端とに接続され、第2抵抗4b及び第2コンデンサ4dの直列回路が第1コンデンサ4cに並列に接続され、ダイオード5はカソードが演算増幅器3の出力端側に接続されて、演算増幅器3の入力信号で順方向導通電圧が発生する向きに、第2コンデンサ4dに並列に設けられている。
【0008】
そして、上記した時定数設定部4で設定される時定数によってフィードバック信号生成部2の積分定数が決定され、このとき、モータの回転速度に応じダイオード5のオンオフにより時定数設定部4で設定される時定数が切換えられるのである。
【0009】
さらに図4において、6はマトリクス回路であり、フィードバック信号生成部2からのフィードバック信号をマトリクス的に合成し、図示しない駆動アンプによりこのマトリクス回路6の出力を増幅してモータの駆動コイル(図示せず)に供給するようになっている。
【0010】
そして、モータの起動時には回転速度が設定速度より遅いため、上記したように速度差信号は最も大きく、正となり、このとき、第2コンデンサ4dの両端の電位差ダイオード5の順方向導通電圧よりも高くなろうとしてダイオード5が導通状態(オン)となり、このダイオード5のオンによって第2コンデンサ4dは実質上無効になり、時定数設定部4の時定数は第2コンデンサ4dのない小さな値となり、モータが迅速に設定速度の定速回転に達する。
【0011】
一方、モータが設定速度の定速回転に達して起動時から定速回転時に移行すると、速度差信号小さくなるため、第2コンデンサ4dの両端の電位差はダイオード5の順方向導通電圧よりも低くなってダイオード5が非導通状態(オフ)となり、第2コンデンサ4dは有効に働き、時定数設定部4の時定数は起動時よりも大きな値となり、モータが安定に回転する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した構成においても、なおダイオード5が第2コンデンサ4dに常時接続されたままであるため、とくにモータの定速回転時、何らかの原因でダイオード5が順方向導通電圧でオンすると、第2抵抗4a〜第2コンデンサ4dの時定数設定部4で設定される時定数が、ダイオード5の順方向導通電圧によって制限されて小さくなることから、モータの回転がトルク変動に影響され易く、この点の改良が望まれていた。
【0013】
以上のような状況を鑑み、この発明が解決しようとする課題は、モータの起動時間の短縮を図りつつ設定速度の定速回転時にトルク変動の影響を確実に受けないようにしてモータ回転の安定化を図れるようにすることにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、 モータの回転速度を検出して速度検出信号を出力する回転速度検出部と、前記回転速度検出部による検出速度と予め設定された設定速度との差に対応した速度差信号を発生する速度差信号生成部と、時定数設定部と演算増幅器とから成り前記速度差信号を前記時定数設定部の時定数で実質的に積分してフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、前記フィードバック信号に基づいてモータへの駆動電流を供給制御する電流供給制御部とを備えて成るモータ駆動制御装置であって、前記時定数設定部が、前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間に主時定数用のコンデンサを設け、該主時定数用のコンデンサの両端間に時定数用の抵抗、副時定数用のコンデンサの直列回路を設けて形成され、前記回転速度検出部による検出速度が前記設定速度にほぼ等しい速度に達すると作動信号を発生する作動信号生成部を備え、かつ、前記副時定数用のコンデンサの両端間に、前記演算増幅器の入力信号によって順方向導通電圧が発生する向きに設けられ、前記副時定数用のコンデンサの充電を規制するダイオードと、前記作動信号の入力、非入力によってオフ、オンし、前記作動信号の入力中にオフして前記ダイオードを前記副時定数用のコンデンサから切り離すスイッチング素子との直列回路を設けたことを特徴としている。
【0015】
このような構成によれば、モータの起動時には作動信号生成部からの作動信号の出力がなく、この差動信号の非入力により、時定数設定部の副時定数用のコンデンサの両端間に設けられたダイオードとスイッチング素子との直列回路において、スイッチング素子がオンしてダイオードが副時定数用のコンデンサに並列に接続され、このとき、ダイオードの順方向導通電圧によって副時定数用のコンデンサの充電電位が抑制されてフィードバック信号生成部の積分定数を決定する時定数が小さくなり、モータが迅速に定速回転になる。そして、モータの回転速度が設定速度とほぼ等しくなると、作動信号生成部から作動信号が出力されてスイッチング素子がオフするため、副時定数用のコンデンサに並列に接続されていたダイオードが切り離され、このダイオードの順方向導通電圧による副時定数用のコンデンサの充電電位の抑制が確実に解除されてフィードバック信号生成部の積分定数を決定する時定数が大きくなり、モータが安定に回転する。
【0016】
従って、モータの起動時は、前記のスイッチング素子のオンによりフィードバック信号生成部の時定数設定部の副時定数用のコンデンサにダイオードを並列に接続し、そのコンデンサの充電電位をダイオードの順方向導通電圧により制限(規制)して時定数を小さくし、モータを応答性よく加速できる。一方、モータの回転速度が設定速度に達した後は、前記のスイッチング素子のオフによりダイオードを切り離し、ダイオードの順方向導通電圧による制限を排除して時定数を大きくするため、モータの回転が設定速度の定速回転時のトルク変動の影響を受けないようにすることが可能になり、モータが極めて安定に回転する。そのため、モータの起動時間の短縮を図りつつ設定速度の定速回転時にトルク変動の影響を確実に受けないようにしてモータ回転の安定化を図ることができる。
【0017】
そして、請求項2に記載のように、 回転速度検出部の速度検出信号と基準周波数発生部の基準周波数信号との位相差に対応した位相差信号を発生する位相差信号発生部を備え、フィードバック信号生成部により、速度差信号生成部の速度差信号と前記位相差信号発生部の前記位相差信号とを時定数設定部の時定数で実質的に積分してフィードバック信号を生成すると、フィードバック信号を速度差信号生成部の速度差信号と位相差信号発生部の位相差信号とにより形成する実用的な構成において、請求項1と同様の効果が得られる。
【0020】
【発明の実施の形態】
実施形態
この発明を直流ブラシレスモータに適用した実施形態について図1を参照して説明する。
【0021】
全体構成を示す図1において、11a、11b、11cは直流ブラシレスモータMの固定子の星形結線された三相巻線、12は例えば三相ブリッジ構成のインバータ部で、それぞれ2個のトランジスタの直列回路から成る3個のアームにより構成されている。このとき、インバータ部12の各アームにおけるトランジスタの接続点にモータMの各巻線11a〜11cがそれぞれ接続されている。
【0022】
13はモータMの回転子の位置を検出して検出位置に応じた位置検出信号を出力する3個のホール素子から成る位置検出部、14はPWM制御パルスを発生するPWM制御パルス生成部、15は相切換部、16はドライバ部であり、インバータ部12、位置検出部13、PWM制御パルス生成部14、相切換部15及びドライバ部16により、後述するフィードバック信号に基づいてモータMへの駆動電流を供給制御する電流制御部17が構成されている。
【0023】
そして、相切換部15では、例えばインバータ部12における各アームの接続点の一方側にある一方側トランジスタのオンのタイミングを120゜ずつずらすように120゜位相のずれた切換信号を発生し、これらの切換信号とPWM制御パルス生成部14からのPWM制御パルスとをAND処理した信号をドライバ部16に出力する一方、インバータ部12における各アームの接続点の他方側にある他方側トランジスタのオンのタイミングを120゜ずつずらすように120゜位相のずれた切換信号を直接ドライバ部16に出力する。
【0024】
さらに、相切換部15では、上記したインバータ部12の一方側トランジスタのうちオンしているトランジスタのアームとは異なるアームの他方側トランジスタがオンするように各切換信号を出力し、かつオンすべき一方側トランジスタと他方側トランジスタとの組み合わせを、位置検出部13により検出されるモータMの回転子の位置に関連して切換えるようになっており、このような切換信号によって、各巻線11a〜11cへの電流の通流方向が切換えられ、固定子の磁極が一方向に回転して回転子の回転力が得られるようになっている。
【0025】
また図1において、19はモータMに設けられその回転速度を検出してパルス信号である速度検出信号を出力する周波数発電機(FG)から成る回転速度検出部、20は基準周波数発生部で、水晶発振器の出力を分周して基準周波数信号を発生する。このときの基準周波数は、例えばモータMの設定速度(定格速度)と同じ周波数に設定される。
【0026】
22は速度差信号生成部で、回転速度検出部19からの速度検出信号及び基準周波数発生部20からの基準周波数信号が入力され、速度検出信号のパルス間隔と基準周波数信号のパルス間隔とのずれから、回転速度検出部19による検出速度と予め設定された設定速度との差を導出して、導出した差に対応した速度差信号Srを発生する。
【0027】
24は位相差信号生成部で、回転速度検出部19からの速度検出信号及び基準周波数発生部20からの基準周波数信号が入力され、速度検出信号と基準周波数信号との位相差を導出して、その位相差に対応した位相差信号Spを発生する。
【0028】
26は作動信号生成部で、回転速度検出部19からの速度検出信号及び基準周波数発生部20からの基準周波数信号が入力され、基準周波数パルスに対してこのパルス幅よりも大きな時間幅が予め設定され、この時間幅内に速度検出信号のパルスが入ったときに、回転速度検出部19による検出速度が設定速度に達したとしてハイレベルの作動信号LDを発生する。
【0029】
28はフィードバック信号生成部で、演算増幅器29と、第3、第4、第5抵抗30a、30b、30c及び第3、第4コンデンサ31a、31bとから成る時定数設定部32と、時定数切換用のダイオード33とコレクタがダイオード33のカソードに接続されたスイッチング素子であるPNPトランジスタ34との直列回路とにより構成され、速度差信号生成部22及び位相差信号生成部24からの速度差信号Sr及び位相差信号Spを実質的に積分してフィードバック信号を発生し、このフィードバック信号を相切換部15に出力する。なお、第3コンデンサ31aが主時定数用のコンデンサであり、第4コンデンサ31bが服時定数用のコンデンサである。
【0030】
ここで、演算増幅器29の一方の入力端(非反転入力端)には基準電源36による基準電位が与えられ、時定数設定部32の第3抵抗30aの両端は、速度差信号生成部22の出力端と演算増幅器29の他方の入力端(反転入力端)とに接続され、第4抵抗30bの両端は、位相差信号生成部24の出力端と演算増幅器29の他方の入力端とに接続されている。また第3コンデンサ31aの両端は演算増幅器29の他方の入力端と出力端とに接続され、第5抵抗30c及び第4コンデンサ31bの直列回路が第3コンデンサ31aに並列に接続されている。更にダイオード33のアノードが第5抵抗30cと第2コンデンサ4dとの接続点に接続され、トランジスタ34のエミッタが演算増幅器29の出力端に接続され、ダイオード33とトランジスタ34との直列回路が第4コンデンサ31bに並列に接続されており、トランジスタ34のベースには作動信号生成部26からの作動信号LDが入力されるようになっている。
【0031】
そして、上記した時定数設定部32で設定される時定数によってフィードバック信号生成部28の積分定数が決定される。
【0032】
即ち、モータMの起動時には回転速度が設定速度より遅いため、速度差信号Sr及び位相差信号Spの大きさは最も大きく、その極性は基準電位よりも正となる。このとき、作動信号生成部26の出力はローレベルであるためトランジスタ34はオンし、ダイオード33が第4コンデンサ31bに並列に接続され、ダイオード33の順方向導通電圧によって第4コンデンサ31bの充電電位が抑制され、時定数設定部32の時定数は実質的に第4コンデンサ31bのない小さな値となって、モータMの回転速度は応答よく上昇する。
【0033】
このとき、モータMの回転速度がほぼ設定速度に達するまで時定数が小さくなっているため、オーバオーシュートによってモータMの回転速度が設定速度を超えてしまうことが防止されるのである。更に、回転速度がほぼ設定速度に達した後、作動信号生成部26の出力がローレベルからハイレベルに反転し、このハイレベルの作動信号LDによりトランジスタ34がオフするため、第4コンデンサ31bに並列に接続されていたダイオード33が切り離され、第4コンデンサ31bの充電電位の抑制が解除される。従って、第4コンデンサ31bが有効に作用して時定数設定部32の時定数は上記した起動時よりも大きくなる。
【0034】
さらにその後は、速度差信号Sr及び位相差信号Spの大きさは小さく、しかも、作動信号生成部26からトランジスタ34のベースにハイレベルの作動信号LDが継続的に入力されてトランジスタ34がオフし続けるため、ダイオード33が第4コンデンサ31bから切り離されたままとなり、時定数設定部32の時定数は大きい値を維持して回転ムラが防止され、モータMは設定速度における定速回転を安定して維持し続ける。
【0035】
このように、モータMの起動時にはトランジスタ34がオンし、ダイオード33が第4コンデンサ31bに並列に接続されて第4コンデンサ31bの充電電位が抑制され、フィードバック信号生成部28の積分定数を決定する時定数が小さくなる。そして、モータMの回転速度が設定速度に達した後は、トランジスタ34がオフし、第4コンデンサ31bに並列に接続されていたダイオード33が切り離されて第4コンデンサ31bの充電電位の抑制が解除され、フィードバック信号生成部28の積分定数を決定する時定数が大きくなる。そして、何らかの原因で第4コンデンサ31bの充電電位がダイオード33の順方向通電電圧以上になってもトランジスタ34がオフし続けてダイオード33が切り離された状態を保持する。
【0036】
従って、の実施形態によれば、モータMの回転速度が設定速度に達した後はダイオード33を切り離してこのダイオード33の順方向導通電圧による制限を確実に排除することができ、ダイオード33が常時接続されたままの場合のような定速回転時のトルク変動の影響を受けることを防止でき、モータMの起動時間の短縮を図りつつ設定速度の定速回転時にトルク変動の影響を確実に受けないようにしてのモータ回転の安定化を図ることが可能になる。
【0037】
なお、上記した実施形態では、スイッチング素子としてPNPトランジスタ34を用いた場合について説明したが、特にこれに限定されるものではなく、スイッチング素子であって、モータMの回転速度が設定速度にほぼ等しくなったときに作動信号生成部26から出力されるハイレベルの作動信号LDの入力時及び非入力時にそれぞれオフ、オンするものであればよい。
【0038】
積分時定数切り換えの他の例
つぎに、直流ブラシレスモータの駆動制御の積分時定数切り換えの他の例について図2及び図3を参照して説明する。
【0039】
図2において、図1と同一符号は同一のもの若しくは相当するものを示し、図1と相違するのは、第4コンデンサ31bの両端にNPN型の第1トランジスタ41のコレクタ、エミッタを接続し、NPN型の第2トランジスタ42のエミッタを第1トランジスタ41のベースに接続すると同時に接地し、この第1トランジスタ41のベース及び第2トランジスタ42のコレクタに第6抵抗43を介して作動信号生成部26からの作動信号LDを供給し、第2トランジスタ42のコレクタ、ベースに第7抵抗44の両端を接続すると共に、第2トランジスタ42のベース、エミッタに第5コンデンサ45の両端を接続したことである。
【0040】
このとき、第2トランジスタ42、第7抵抗44及び第5コンデンサ45により、ハイレベルの作動信号LDの入力によってパルス信号を出力するパルス信号出力部47が構成され、このパルス信号出力部47と第1トランジスタ41とにより、短絡部48が構成されている。尚、パルス信号出力部47から出力されるパルス信号のパルス幅は、第7抵抗44及び第5コンデンサ45による時定数で定まり、所定のパルス幅tに設定されている。
【0041】
つぎに、動作について図3のタイミングチャートを参照して説明する。
【0042】
まず、図3(a)に示すように電源がオンしてモータMが起動すると、起動時にはモータMの回転速度は同図(b)に示すように設定速度よりも遅く、速度差信号Sr及び位相差信号Spの大きさは最も大きいため、速度差信号Sr及び位相差信号Spの極性は基準電位よりも正となり、フィードバック信号生成部28からのフィードバック信号によりモータMの回転数が設定速度に一致するようなフィードバック制御がなされる。
【0043】
このときモータMの起動時には、図3(c)に示すように作動信号生成部26の出力はローレベルであるため、第1トランジスタ41はオフ状態のままであり、同図(e)に示すように第5抵抗30cとの時定数で第4コンデンサ31bの電位が上昇する。
【0044】
そして、図3(b)に示すようにモータMの回転速度が設定速度に達すると、同図(c)に示すように作動信号生成部26の出力がローレベルからハイレベルに反転し、このハイレベルの作動信号LDにより、第1トランジスタ41及び第2トランジスタ42が共にオンする。更に、第7抵抗44と第5コンデンサ45とによる時定数で第5コンデンサ45の電位が上昇するのに伴い、第2トランジスタ42はオンからオフ状態に反転し、第2トランジスタ42のオフによって、第1トランジスタ41がオフする。
【0045】
このようにして、図3(d)に示すように、第2トランジスタ42のオン期間に相当するパルス幅tのパルス信号が第1トランジスタ41のベースに入力され、このパルス信号が入力される間第1トランジスタ41がオンして第4コンデンサ31bが短絡され、同図(e)に示すように第4コンデンサ31bが瞬時に放電されてオーバーシュートが防止され、オーバーシュートの防止により、モータMが起動してから設定速度で定速回転に移行するまでに要する時間が短縮されるのである。
【0046】
さらにその後は、速度差信号Sr及び位相差信号Spの大きさは小さく、作動信号生成部26からトランジスタ34のベースにハイレベルの作動信号LDが継続的に入力されるため、時定数設定部32の時定数は大きい値を維持して回転ムラが防止され、モータMは設定速度における定速回転を安定して維持し続ける。
【0047】
これに対し、第1トランジスタ41がない場合には、図3(f)に示すように第4コンデンサ31bが徐々に放電するため、この放電の間にもモータMの加速制御が行われてオーバーシュートが生じ、その後オーバーシュートが減衰して設定速度に落ち着くまでに長い時間を要することになる。
【0048】
従って、この他の例によれば、パルス信号出力部47からのパルス信号により第1トランジスタ41がオンし、これによって第4コンデンサ31bが瞬時に放電するため、オーバーシュートを防止することができ、モータMが起動してから設定速度で定速回転に移行するまでに要する時間を短縮することが可能になる。
【0049】
なお、上記した他の例において、短絡部は、フィードバック信号生成部28の第4コンデンサ31bに並列に設けられ作動信号LDの入力によりパルス的に動作して第4コンデンサ31bを短絡するものであれば、図2に示す構成に限定されるものではない。
【0050】
そして、上記実施形態では、直流ブラシレスモータに適用した場合について説明したが、ブラシレスモータ以外の、直流モータにも適用できるのはいうまでもない。
【0051】
さらに、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に記載の発明によれば、モータの起動時は時定数設定部の副時定数用のコンデンサの両端間に設けられたダイオードとスイッチング素子との直列回路において、スイッチング素子をオンして副時定数用のコンデンサにダイオードを並列に接続し、副時定数用のコンデンサの充電電位をダイオードの順方向導通電圧により制限して時定数を小さくし、モータを応答性よく加速できる一方、モータの回転速度が設定速度とほぼ等しくなった後は前記スイッチング素子をオフしてダイオードを切り離し、ダイオードの順方向導通電圧による制限を排除して時定数を確実に大きくし、モータの回転が定速回転時のトルク変動の影響を受けないようにしてモータを安定に回転することが可能になり、モータの起動時間の短縮を図りつつ設定速度の定速回転時にトルク変動の影響を確実に受けないようにしてモータ回転の安定化を図ることが可能になり、性能の優れたモータを提供することができる。
【0053】
また、請求項2に記載の発明によれば、フィードバック信号を速度差信号生成部の速度差信号と位相差信号発生部の位相差信号とにより形成する実用的な構成において、請求項1と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態のブロック図である。
【図2】 直流ブラシレスモータの駆動制御の積分時定数切り換えの他の例の結線図である。
【図3】図2の動作説明用のタイミングチャートである。
【図4】従来例の一部の結線図である。
【符号の説明】
M 直流ブラシレスモータ
12 インバータ部
13 位置検出部
14 PWM制御パルス生成部
15 相切換部
16 ドライバ部
17 電流供給制御部
19 回転速度検出部
20 基準周波数発生部
22 速度差信号生成部
26 動信号生成部
28 フィードバック信号生成部
29 演算増幅器
30c 第5抵抗
31a、31b 第3、第4コンデンサ
33 ダイオード
34 トランジスタ
41 第1トランジスタ
47 パルス信号出力部
48 短絡部
Sr 速度差信号
Sp 位相差信号
LD 作動信号
32 時定数設定部

Claims (2)

  1. モータの回転速度を検出して速度検出信号を出力する回転速度検出部と、前記回転速度検出部による検出速度と予め設定された設定速度との差に対応した速度差信号を発生する速度差信号生成部と、時定数設定部と演算増幅器とから成り前記速度差信号を前記時定数設定部の時定数で実質的に積分してフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、前記フィードバック信号に基づいてモータへの駆動電流を供給制御する電流供給制御部とを備えて成るモータ駆動制御装置であって、
    前記時定数設定部が、前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間に主時定数用のコンデンサを設け、該主時定数用のコンデンサの両端間に時定数用の抵抗、副時定数用のコンデンサの直列回路を設けて形成され、
    前記回転速度検出部による検出速度が前記設定速度にほぼ等しい速度に達すると作動信号を発生する作動信号生成部を備え、
    かつ、前記副時定数用のコンデンサの両端間に、
    前記演算増幅器の入力信号によって順方向導通電圧が発生する向きに設けられ、前記副時定数用のコンデンサの充電を規制するダイオードと、前記作動信号の入力、非入力によってオフ、オンし、前記作動信号の入力中にオフして前記ダイオードを前記副時定数用のコンデンサから切り離すスイッチング素子との直列回路を設けたことを特徴とするモータ駆動制御装置。
  2. 回転速度検出部の速度検出信号と基準周波数発生部の基準周波数信号との位相差に対応した位相差信号を発生する位相差信号発生部を備え、
    フィードバック信号生成部により、速度差信号生成部の速度差信号と前記位相差信号発生部の前記位相差信号とを時定数設定部の時定数で実質的に積分してフィードバック信号を生成するようにしたことを特徴とする請求項1記載のモータ駆動制御装置。
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