JP4252838B2 - 直流モータ及びその制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータ及びその制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流モータは、基本的に、内周面に永久磁石からなる複数個（偶数個）の界磁石が固着された筒状のヨークと、このヨークの軸中心に回転可能に保持されるモータシャフトと、このモータシャフトに固着された電機子鉄心に巻回されたコイルと、このコイルに電流を供給する端子と、コイルに供給される電流の向きを界磁石に対するコイル位置に応じて反転させるためのブラシとで構成されている（非特許文献１参照）。そして、直流モータは、用途や目的に応じて多種多様のものが商品化されている。
【０００３】
一般に、ロボットなどのアクチュエータの駆動源として用いられる産業用の直流モータは、高速応答性やトルク安定性などの高い性能が要求されるため、図１４に示すように界磁石数及び電機子鉄心の溝数が多く、ヨークや電機子鉄心の素材も高価なものが用いられる。なお、図１４に示す直流モータ１０は、円筒状のヨーク１１の内周面の互いに直交する４つの方向位置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄにそれぞれ隣接する極性が互いに異なるように４つの永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが固定され、このヨーク１１の軸中心にモータシャフト１２が回転可能に保持されている。また、モータシャフト１２の永久磁石１４ａ〜１４ｄに対向する部分に、１２個の鉄心溝１３ａが設けられた電機子鉄心１３が固着され、これらの鉄心溝１３ａに、図には示していないが、コイルが巻回されている。
【０００４】
一方、玩具、模型の駆動源や自動車の電動ミラーの駆動源として用いられる直流モータは上記産業用直流モータよりも低級で、図１５に示すように界磁石数及び電機子鉄心の溝数が少なく、簡素な構成で、ヨークや電機子鉄心の素材も安価なものが用いられ、非常に廉価に製造されている。なお、図１５に示す直流モータ２０は模型用の直流モータで、矩形の相対向する２つ辺を円弧状に湾曲してなる断面形状を有する筒状のヨーク２１の湾曲した内周面２１ａ，２１ｂにそれぞれ互いに極性の異なる２つの永久磁石２４が固定され、このヨーク２１の軸中心にモータシャフト２２が図示しない軸受によって回転可能に保持されている。また、モータシャフト２２の永久磁石２４に対向する部分に、３個の鉄心溝２３ａが設けられた電機子鉄心２３が固着され、これらの鉄心溝２３ａに、図には示していないが、コイルが巻回されている。
【０００５】
産業用の直流モータ１０は、トルク安定性や速度応答性などに優れ、高精度の駆動制御が可能であるという利点はあるものの、構造が複雑で製造が難しく、高価になるという不利がある。一方、模型用の直流モータ２０は、上記のように界磁石数と電機子鉄心の溝数がそれぞれ最小数（界磁石数２，電機子鉄心溝数３）で構成されているため、トルク安定性や速度応答性が低く、高精度の駆動制御は困難であるという性能面での不利はあるものの、構造が簡単で製造し易く、廉価であるという利点がある。
【０００６】
【非特許文献１】
電気工学ハンドブック 電気学会編（平成１１年１２月１０日第１版第１１刷発行）４９４頁〜５０７頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、直流モータは、モータ単体で高性能化を図ろうとすると、界磁石数と電機子鉄心の溝数を多くしたり、特殊な素材を用いたりしなければならないので、非常に高価なものになるという問題がある。そして、従来は、モータに要求される性能と製造コストとを考慮して、界磁石数や電機子鉄心の溝数などの構成を工夫することにより所望の直流モータをモータ単体で実現するようにしていたので、性能もしくは製造コストのいずれかを犠牲にしなければならず、十分なコストパフォーマンスを有する直流モータを得ることには限界があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数個の低級直流モータを組み合わせて１個の直流モータを構成することにより、廉価で高性能の直流モータを提供することを目的とする。また、直流モータの一部に故障が生じた場合にも継続運転が可能な直流モータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｍ（３以上の整数）個の溝が設けられ、これらの溝にコイルが巻回された電機子鉄心とｎ（２以上の整数）個の界磁石を備えたｋ（２以上の整数）個の低級直流モータと、上記ｋ個の低級直流モータの各出力が合成されて出力されるモータシャフトと、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトを上記モータシャフトに連結する歯車列を有し、この歯車列を介して上記ｋ個の直流モータからの各出力を上記モータシャフトに伝達する伝達手段とを備えた直流モータであって、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトは、各電機子鉄心の回転位置が３６０／（ｎ×ｍ×ｋ）°の角度ずつ相互にずれるように、上記歯車列によって上記モータシャフトに連結されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
なお、上記直流モータにおいて、低級直流モータの個数は偶数個にするとよい（請求項２）。また、上記直流モータにおいて、低級直流モータは３個の溝を有する電機子鉄心と２個の界磁石を有する簡易構造の直流モータにするとよい（請求項３）。
【００１１】
また、上記直流モータにおいて、上記歯車列は、上記モータシャフトに固着された１個の大歯車と上記ｋ個の直流モータの各モータシャフトに固着され、上記大歯車に噛合された同一構造のｋ個の小歯車とからなり、上記ｋ個の低級直流モータは、ケースの上記モータシャフトを回転自在に保持する側板に取り付ける構成にするとよい（請求項４）。
【００１２】
あるいは、上記歯車列は、上記モータシャフトに所定の間隔を設けて固着された同一構造の第１の大歯車と第２の大歯車と、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトに固着され、上記第１の大歯車に噛合された同一構造の（ｋ／２）個の小歯車と上記第２の大歯車に噛合された同一構造の（ｋ／２）個の小歯車とからなり、上記ｋ個の低級直流モータは、上記小歯車で上記第１の大歯車に連結された（ｋ／２）個の低級直流モータが、上記モータシャフトを回転自在に保持するケースの上記第１の大歯車に隣接した第１の側板に取り付けられ、上記小歯車で上記第２の大歯車に連結された（ｋ／２）個の低級直流モータが上記ケースの上記第２の大歯車に隣接する第２の側板に取り付ける構成にするとよい（請求項５）。
【００１３】
本発明に係る直流モータによれば、電機子鉄心の溝数ｍ、界磁石数ｎの構造の簡単なｋ個の低級直流モータの各出力が歯車列からなる伝達手段によりモータシャフトに伝達され、合成されて当該モータシャフトから出力される。
【００１４】
各低級直流モータからの出力は電機子鉄心が３６０／（ｎ×ｍ）°回転する毎にトルクが変動するが、ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトは、各電機子鉄心の回転位置が３６０／（ｎ×ｍ×ｋ）°の角度ずつ相互にずれるように、歯車列によってモータシャフトに連結されているため、各低級直流モータの出力のトルク変動が相互に補完されるように合成されてモータシャフトから出力される。従って、トルク安定性に優れた簡易構造の直流モータを実現することができる。
【００１５】
例えば電機子鉄心の溝数３、界磁石数２の４個の低級直流モータを用いた場合、各低級直流モータは電機子鉄心の回転位置が０°、１５°、３０°、４５°の位置にずれて配設されている。各低級直流モータからの出力は電機子鉄心が６０°回転する毎にトルクが大きく変動するが、モータシャフトからの出力は当該モータシャフトが１５°（＝６０°／４）回転する毎にトルクが僅かに変動したものとなり、トルク安定性が向上する。
【００１６】
請求項４記載の直流モータによれば、ｋ個の低級直流モータは、モータシャフトに固着された１個の大歯車の回りに配置され、各低級直流モータのモータシャフトが大歯車に噛合した小歯車によって連結されるため、直流モータの軸方向の長さを短くすることができ、直流モータのコンパクト化が可能になる。
【００１７】
請求項５記載の直流モータによれば、ｋ個の低級直流モータは２組に分けられ、各組の低級直流モータはモータシャフトに所定の間隔を設けて固着された第１の大歯車と第２の第歯車とにそれぞれ小歯車によって連結されるため、低級直流モータの数を増やすことができ、これにより直流モータのトルク安定性をより向上させることができ、高出力化が可能になる。
【００１８】
また、本発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の直流モータの駆動を制御する制御装置であって、複数の制御系統を形成するべく少なくとも２つの組に分けられた上記ｋ個の低級直流モータにそれぞれ直流電源を供給する出力電圧が変更可能な複数の電源供給手段と、上記直流モータの駆動を制御系統別に制御するべく上記複数の電源供給手段の出力電圧をそれぞれ制御する複数の制御手段と、いずれかの制御系統に異常が発生したことを検出する異常検出手段と、上記異常検出手段で異常が検出されると、上記複数の制御手段のうち、当該異常が発生した制御系統に対する制御手段を停止させるとともに、この制御手段以外の制御手段の制御内容を、上記モータシャフトの回転速度が所定の速度に低下するように変更する駆動制御手段とを備えたものである（請求項６）。
【００１９】
本発明に係る直流モータの制御装置によれば、複数の制御系統を形成するべく直流モータを構成するｋ個の低級直流モータが少なくとも２つの組に分けられ、組毎に複数の低級直流モータが独立して駆動制御される。いずれかの制御系統に異常が発生すると、当該異常が発生した制御系統に属する低級直流モータの駆動が停止されるが、他の制御系統の低級直流モータの駆動は継続されるため、直流モータの一部に故障などが発生しても直ちに当該直流モータの駆動が完全停止をすることがない。従って、変動の大きい負荷に適用し、過負荷などで一部が損傷する虞がある場合にも駆動制御中にモータが完全停止をすることがなく、安心して負荷を駆動させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る直流モータの一実施形態の構造を示す左側面図、図２は同直流モータの正面図である。
【００２１】
図１に示す直流モータ１は、図１４に示した模型用の直流モータ２０（以下、低級直流モータ２０という。）を４個用い、これらの低級直流モータ２０の出力を合成して出力させるように組み合わせて構成したものである。
【００２２】
直流モータ１は、２枚の長方形の側板２０１，２０２を対向配置し、これらの側板２０１，２０２の４隅をこれらの側板２０１，２０２のよりも小幅で所定の長さＬを有する長方形の連結板２０３，２０４，２０５，２０６で連結してなるケース２を備えている。ケース２の側板２０１，２０２の中央にはそれぞれ孔が設けられ、各孔には軸受３，４が取り付けられている。また、両軸受３，４を貫通してモータシャフト５が回転可能にケース２に保持され、側板２０２の外側面に突出したモータシャフト５の先端にはブラケット６を介して当該モータシャフト５の回転位置を検出するロータリ式のエンコーダ７が取り付けられている。
【００２３】
エンコーダ７は、図３、図４に示すように、周縁部に複数のスリット７１ａが当該スリット７１ａと同一幅の間隔を設けて周方向に形成された円板（以下、符号板という。）７１とスリット７１ａを検出する２対の透過型の光センサ７２，７３とで構成されている。符号板７１の中心はエンコーダ７のケース７４に貫通して回転可能に保持されたモータシャフト５の先端部に固定されている。
【００２４】
光センサ７２は、発光用のフォトダイオード７２ａと受光用のフォトセンサ７２ｂとで構成され、光センサ７３は、発光用のフォトダイオード７３ａと受光用のフォトセンサ７３ｂ（図３，図４では表れていない）とで構成されている。フォトダイオード７２ａと受光用のフォトセンサ７２ｂはケース７４の内側面に符号板７１を挟んで互いに対向するように配置されている。同様にフォトダイオード７３ａと受光用のフォトセンサ７３ｂもケース７４の内側面に符号板７１を挟んで互いに対向するように配置されている。また、光センサ７２と光センサ７３とは符号板７１の周方向に対してスリット７１ａの間隔ｄの３／４だけずらして配置されている。
【００２５】
符号板７１のスリット７１ａが光センサ７２，７３の各センサ位置を通過するとき、フォトダイオード７２ａ，７３ａからの光はフォトセンサ７２ｂ，７３ｂに到達し、スリット７１ａ以外の部分が各センサ位置を通過するとき、フォトダイオード７２ａ，７３ａからの光は遮断されるから、符号板７１が回転すると、光センサ７２，７３からは各スリット７１ａがセンサ位置を通過するごとにフォトダイオード７２ａ，７３ａからの光を受光した矩形波状の信号（以下、パルス信号という。）が出力される。
【００２６】
光センサ７２と光センサ７３とは３ｄ／４だけ位置がずれているため、光センサ７２から出力されるパルス信号と光センサ７３から出力されるパルス信号とは、図５に示すように、互いに位相が９０°ずれたものとなっている。なお、図５（ａ）は、図４において、符号板７１が時計回りに回転した場合に光センサ７２から出力されるパルス信号Ｓａと光センサ７３から出力されるパルス信号Ｓｂを示し、図５（ｂ）は、符号板７１が反時計回りに回転した場合に光センサ７２から出力されるパルス信号Ｓａと光センサ７３から出力されるパルス信号Ｓｂを示している。符号板７１が時計回りに回転しているときは、パルス信号Ｓａの位相がパルス信号Ｓｂよりも進み、符号板７１が反時計回りに回転しているときは、パルス信号Ｓｂの位相がパルス信号Ｓａよりも進むため、両パルス信号Ｓａ，Ｓｂの位相関係を判別することにより符号板７１の回転方向、すなわち、モータシャフト５の回転方向が判別される。
【００２７】
符号板７１の周縁部に形成されたスリット７１ａの数Ｎは一定（図４ではＮ＝１６）であるから、スリット数Ｎをカウントする時間ｔを計時することにより符号板７１の回転速度、すなわち、モータシャフト５の回転速度が計測される。例えばパルス信号Ｓａの立下りタイミングでスリット数をカウントするとし、０．０１秒間にカウント数ｉがＮになると、モータシャフト５は１回転したことになるから、モータシャフト５の回転速度は１００ｒｐｓとなる。
【００２８】
また、スリット数をカウントすることにより符号板７１の回転角、すなわち、モータシャフト５の回転位置が検出される。すなわち、図４の例では、各スリット７１ａの位置は、３６０°／１６＝２２．５°ずつ周方向に回転した位置を示しているから、例えば基準位置からスリット数のカウントを開始し、カウント数ｉがＭ（＜Ｎ）のとき、モータシャフト５の回転位置は、基準位置から２２．５×Ｍ°だけ回転した位置となる。
【００２９】
なお、モータシャフト５の回転方向により光センサ７２，７３から出力されるパルス信号Ｓａ，Ｓｂ間の位相関係が相違するから（図５参照）、例えばパルス信号Ｓａの立下りタイミングでパルス信号Ｓｂがハイレベルであれば（図５（ａ）の状態）、スリット数のカウントを増加し、パルス信号Ｓａの立下りタイミングでパルス信号Ｓｂがローレベルであれば（図５（ｂ）の状態）、スリット数のカウントを減少することにより、モータシャフト５が正逆いずれの方向に回転しても基準位置からの回転位置を検出できるようになっている。すなわち、モータシャフト５が基準位置（０°）から時計回りに回転し、スリット数ｋ（＜Ｎ）で停止すると、そのときのモータシャフト５の回転位置は＋２２．５×ｋ°となり、その位置から反時計回りに回転し、スリット数ｈ（＜Ｎ）で停止すると、そのときのモータシャフト５の回転位置は＋２２．５×ｋ−２２．５×ｈ＝２２．５×（ｋ−ｈ）°となる。
【００３０】
図１及び図２に戻り、側板２０１の内側面には、長手方向に平行な中心線上であって中心から所定の寸法Ｄだけ離れた位置に２個の低級直流モータ２０ａ，２０ｂが、各モータシャフト２２ａ，２２ｂを側板２０１の外側に突出させて固定されている。また、側板２０２の外側面にも同様の位置に２個の低級直流モータ２０ｃ，２０ｄが、各モータシャフト２２ｃ，２２ｄを側板２０２の内側に突出させて固定されている。これらの低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの構造は図１５に示した低級直流モータ２０と同一である。
【００３１】
モータシャフト５の側板２０１の外側と側板２０２の内側とに近接した位置に２個の平歯車からなる大歯車８，９が固着されている。大歯車８，９は同一構造をなし、側面に形成された歯の数は同一となっている。大歯車８には低級直流モータ２０ａ，２０ｂのモータシャフト２２ａ，２２ｂの先端部に固着された小歯車１０，１１が噛合され、大歯車９には低級直流モータ２０ｃ，２０ｄのモータシャフト２２ｃ，２２ｄの先端部に固着された小歯車１２，１３が噛合されている。小歯車１０〜１３は同一構造をなし、側面に形成された歯の数は同一となっている。従って、小歯車１０〜１３と大歯車８，９との減速比は同一となっている。
【００３２】
上記のように、直流モータ１は、低級直流モータ２０ａ，２０ｂの各モータ出力が小歯車１０，１１及び大歯車８を介してモータシャフト５に伝達され、低級直流モータ２０ｃ，２０ｄの各モータ出力が小歯車１２，１３及び大歯車９を介してモータシャフト５に伝達され、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの各モータ出力が合成されてモータシャフト５から出力される構成となっている。低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは簡易構造の低級直流モータ２０で構成されているため、上述したように各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄから出力されるトルクは、モータシャフト２２ａ〜２２ｄが１回転する間にも大きく変動する。
【００３３】
本実施形態に係る直流モータ１では、各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄから出力されるトルクの変動が互に補完されてモータシャフト５から出力されるように、各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの界磁石２４ａ〜２４ｄに対する電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置が調整されている。なお、直流モータ１のトルク特性については後述する。
【００３４】
図６は、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの界磁石２４ａ〜２４ｄに対する電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置関係を示すもので、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は図１のＤ−Ｄ断面図である。なお、説明の便宜上、電機子鉄心２３ａ〜２３ｄに巻回されるコイルは省略している。
【００３５】
図６において、各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの●印を付した歯の方向を各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの回転位置を示すための基準方向Ｓとし、各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの回転角を各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの上方向Ｒを基準（０°）として反時計回りに取るとすると、低級直流モータ２０ａは、基準方向ＳがＲ方向に一致するように電機子鉄心２３ａの位置が調整され、低級直流モータ２０ｂは、基準方向ＳがＲ方向に対して角度αだけ回転した位置となるように電機子鉄心２３ｂの位置が調整されている。また、低級直流モータ２０ｃは、基準方向ＳがＲ方向に対して角度２αだけ回転した位置となるように電機子鉄心２３ｃの位置が調整され、低級直流モータ２０ｄは、基準方向ＳがＲ方向に対して角度３αだけ回転した位置となるように電機子鉄心２３ｄの位置が調整されている。
【００３６】
すなわち、低級直流モータ２０ａの電機子鉄心２３ａの配置を基準にすると、低級直流モータ２０ｂ〜２０ｄは低級直流モータ２０ａに対して電機子鉄心２３ｂ〜２３ｄの位置をそれぞれ角度α，２α，３αだけずらしてケース２に取り付けられている。
【００３７】
図１５に示す低級直流モータ２０は、駆動していない状態では界磁石２４と電機子鉄心２３の配置関係からモータシャフト２２が安定して停止する位置が回転方向で所定の角度θ毎に存在する。このため、界磁石２４と電機子鉄心２３に巻回されたコイルとの間で生じるトルクによって回転する低級直流モータ２０は、駆動させると、モータシャフト２２から出力されるトルクが角度θの回転量を回転する時間に相当する周期で脈動することになる。上述の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置のずらし角αは、モータシャフト２２が安定して停止する位置が生じる所定の角度θと低級直流モータ２０の個数ｋとによって決定される角度で、α＝θ÷ｋで算出される。
【００３８】
なお、角度θは、電機子鉄心２３の溝数（歯の数）をｍ、界磁石数をｎとすると、３６０°／（ｎ×ｍ）で算出される。従って、角度αはα＝３６０°／（ｎ×ｍ×ｋ）となる。本実施形態では、低級直流モータ２０の個数が４個で、各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心溝数は３、界磁石数は２であるから、角度αは３６０°／（２×３×４）＝１５°となっている。
【００３９】
各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは、以下の方法で図６に示す電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置関係でケース２に取り付けられる。
【００４０】
まず、直流モータ１のモータシャフト５を回転しないように固定するとともに、低級直流モータ２０ｄの電機子鉄心２３ｄを図６（ａ）の状態にしてケース２に取り付け、モータシャフト２２ｄを回転しないように固定する。この状態で、モータシャフト２２ｄの先端に小歯車１３をモータシャフト５の大歯車９に噛合させて取り付け、固定する。
【００４１】
次に、低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄの固定を解除し、モータシャフト５をエンコーダ７から出力されるパルス信号Ｓａ（又はＳｂ）のパルス数をカウントすることにより低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄを角度αだけ回転させる。
【００４２】
大歯車８，９の歯数をｘ１、小歯車１０〜１３の歯数をｘ２とすると、小歯車１０〜１３が１回転する間に大歯車８，９は角度φ＝３６０×（ｘ２／ｘ１）°だけ回転する。大歯車８，９が角度φだけ回転すると、エンコーダ７からはＮ×（φ／３６０）のパルスが出力される。小歯車１０〜１３の１回転に対するエンコーダ７からの出力パルス数はＮ×（φ／３６０）（Ｎは符号板７１のスリット総数）であるから、小歯車１０〜１３の角度αの回転に対するエンコーダ７からの出力パルス数ｐはＮ×（φ／３６０）×（α／３６０）＝Ｎ×（α／３６０）×（ｘ２／ｘ１）となる。
【００４３】
従って、エンコーダ７から出力されるパルス信号Ｓａ（又はＳｂ）のパルス数をカウントしながらモータシャフト５を回転させ、パルス数のカウント値がｐになったときにモータシャフト５の回転を停止させると、低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄは角度αだけ回転させた位置で停止させることができる。
【００４４】
次に、上述した低級直流モータ２０ｄの取付方法と同様の方法で低級直流モータ２０ｃをケース２に取り付け、モータシャフト２２ｃの先端に小歯車１２をモータシャフト５の大歯車９に噛合させて取り付け、固定する。その後、低級直流モータ２０ｃのモータシャフト２２ｃの固定を解除し、モータシャフト５をエンコーダ７から出力されるパルス信号Ｓａ（又はＳｂ）のパルス数をカウントすることにより低級直流モータ２０ｃのモータシャフト２２ｃを角度αだけ回転させる。このとき、低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄは角度２αだけ回転させた位置で停止し、低級直流モータ２０ｃのモータシャフト２２ｃは角度αだけ回転した位置で停止した状態となる。
【００４５】
同様の方法で、低級直流モータ２０ｂをケース２に取り付け、低級直流モータ２０ｂのモータシャフト２２ｂを角度αだけ回転した位置で停止させた後、低級直流モータ２０ａをケース２に取り付け、この状態で、モータシャフト２２ａの先端に小歯車１０をモータシャフト５の大歯車８に噛合させて取り付け、固定すると、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの界磁石２４ａ〜２４ｄに対する位置関係が図６に示す位置関係に調整されてケース２に取り付けられることになる。
【００４６】
次に、直流モータ１のトルク特性について説明する。
【００４７】
低級直流モータ２０は、電機子鉄２３の溝数が３、界磁石２４の数が２であるから、角度θは３６０°／（２×３）＝６０°となり、図７（ａ）〜（ｆ）に示すように、電機子鉄心２３の回転位置が０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０°，３００°の位置でモータシャフト２２が安定して停止する。従って、低級直流モータ２０を駆動すると、モータシャフト２２から出力されるトルクＴは、電機子鉄心２３が図７の（ａ）〜（ｆ）の位置に回転する度に低下するように正弦波状に脈動する。図８はその様子を模式的に表したもので、モータシャフト２２が１回転する間に出力トルクＴは、６回脈動している。なお、図８の（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ電機子鉄心２３の回転位置が図７の（ａ）〜（ｆ）であることを示している。
【００４８】
上述したように、直流モータ１は低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの出力トルクＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄがモータシャフト５に合成されて出力される一方、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄのトルク変動特性は、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの回転位置が１５°ずつずれているから、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、低級直流モータ２０ａのトルク変動特性を基準にして低級直流モータ２０ｂ〜２０ｄのトルク変動特性がそれぞれ１５°，３０°，４５°だけ位相が進んだものとなっている。
【００４９】
従って、直流モータ１のモータシャフト５から出力されるトルクＴ１の特性は、図９（ａ）〜（ｄ）のトルク変動特性を合成したものとなり、図１０に示すようになる。図１０に示すトルク変動特性は、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄのトルク変動のピークが１５°のピッチで合成されたもので、１個の低級直流モータ２０では１回転中に６回、大きくトルク変動が生じるのに対し、直流モータ１では１回転中に２４回、微小のトルク変動が生じるだけで、格段にトルク変動が抑制されることがわかる。
【００５０】
従って、本発明に係る直流モータ１は、４個の低級直流モータ２０を組み合わせた構成であるが、図１４に示す高級直流モータに匹敵する高速応答性やトルク安定性が可能になっている。
【００５１】
図１１は、直流モータ１の制御回路の第１実施形態の構成を示す図である。
【００５２】
第１実施形態に係る直流モータ１の制御回路は、直流モータに適用される従来の基本的な制御回路と同一である。これは、直流モータ１が４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを用いてはいるが、１つの直流モータとして動作するようにこれらの低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを組み合わせて構成しているため、通常の直流モータの制御回路が適用できるからである。
【００５３】
直流モータ１の制御回路３０は、速度／回転位置検出器３１、指示速度演算器３２、指示電流演算器３３、ＰＷＭ制御値演算器３４、ＰＷＭ制御器３５、電源供給器３６及びモータ電流検出器３７で構成されている。
【００５４】
電源供給器３６は、直流モータ１に直流電源を供給するもので、４個のスイッチング素子の単相ブリッジ回路からなる電圧形インバータで構成されている。電源供給器３６の入力端には図略の直流電源から所定のＤＣ電圧が供給されるようになっている。直流モータ１を構成する４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは直列に接続され、その直列接続の両端は単相ブリッジ回路の出力端ｃ，ｃ’に接続されている。エンコーダ７から出力される２つのパルス信号Ｓａ，Ｓｂは速度／回転位置検出器３１に入力されるようになっている。
【００５５】
ＰＷＭ制御器３５は、電源供給器３６の４個のスイッチング素子のオン・オフ時間を制御することにより直流モータ１に供給される直流電圧の平均値を制御するパルス幅変調回路である。モータ電流検出器３７は、電源供給器３６と直流モータ１とを接続する電源供給ライン上に設けられ、直流モータ１に流れる電流を検出するものである。この検出値は指示電流演算器３３とＰＷＭ制御値演算器３４との間の減算回路に入力される。
【００５６】
速度／回転位置検出器３１は、エンコーダ７から出力される２つのパルス信号Ｓａ，Ｓｂを用いて、上述した方法で直流モータ１の回転方向、回転速度（ｒｐｍ）及びモータシャフト５の回転位置を検出するものである。指示速度演算器３２は、図略の制御部から入力されるモータシャフト５の目標位置に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の回転位置の偏差量に基づいて当該モータシャフト５を目標位置に回転させるための回転速度の指示値（以下、指示速度という。）を演算するものである。指示電流演算器３３は、指示速度演算器３２で算出された指示速度に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の速度の偏差量に基づいて当該モータシャフト５を指示速度に設定するために直流モータ１に供給すべき電流（以下、指示電流という。）を演算するものである。
【００５７】
ＰＷＭ制御値演算器３４は、指示電流演算器３３で算出された指示電流に対するモータ電流検出器３７で検出された直流モータ１に現在流れている電流の偏差量からＰＷＭ制御器３５に対するＰＷＭ制御値（ＰＷＭ変調信号）を演算するものである。ＰＷＭ制御器３５は、ＰＷＭ制御値演算器３４から入力されるＰＷＭ変調信号に基づいて電源供給器３６の４個のスイッチング素子のオン・オフの時間を制御することにより、直流モータ１を指示速度に調整して目標回転位置まで回転させる。
【００５８】
上記構成により、直流モータ１は、目標位置が外部入力されると、この目標位置の情報と現在のモータ速度、モータ電流、回転位置の情報とを用いてＰＷＭ制御方式によりサーボ制御されて目標位置に自動設定される。
【００５９】
図１２は、直流モータ１の制御回路の第２実施形態の構成を示す図である。
【００６０】
第２実施形態に係る直流モータ１の制御回路３０’は、本発明に係る直流モータ１に特有の制御回路である。直流モータ１は４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの出力をモータシャフト５に伝達し合成して出力する構成であるため、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄのうちの１個の低級直流モータ、例えば低級直流モータ２０ａが故障した場合でもその低級直流モータ２０ａを駆動系から除外することにより他の低級直流モータ２０ｂ〜２０ｄによって直流モータ１を駆動することができることから、第２実施形態に係る制御回路３０’はその利点を利用するようにしたものである。
【００６１】
同図に示す制御回路３０’は、図１１に示す制御回路３０において、直流モータ１を構成する４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを２系統に分け、各系統に対してＰＷＭ制御値演算器３４、ＰＷＭ制御器３５、電源供給器３６及びモータ電流検出器３７を設けるとともに、指示速度演算器３２及び指示電流演算器３３に代えて両系統を制御するための位置速度制御演算器３８を設けたものである。
【００６２】
すなわち、直流モータ１を構成する４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは、低級直流モータ２０ａ，２０ｃを直列接続した第１系統のモータＭ１と低級直流モータ２０ｂ，２０ｄを直列接続した第２系統のモータＭ２とに分けられ、第１系統のモータＭ１には図１１と同様の構成でＰＷＭ制御値演算器３４ａ、ＰＷＭ制御器３５ａ、電源供給器３６ａ及びモータ電流検出器３７ａが設けられ、第２系統のモータＭ２には図１１と同様の構成でＰＷＭ制御値演算器３４ｂ、ＰＷＭ制御器３５ｂ、電源供給器３６ｂ及びモータ電流検出器３７ｂが設けられている。
【００６３】
なお、ＰＷＭ制御値演算器３４ａ，３４ｂ、ＰＷＭ制御器３５ａ，３５ｂ、電源供給器３６ａ，３６ｂ及びモータ電流検出器３７ａ，３７ｂの機能は、それぞれ上述したＰＷＭ制御値演算器３４、ＰＷＭ制御器３５、電源供給器３６及びモータ電流検出器３７と同一であるから、説明は省略する。
【００６４】
位置速度制御演算器３８は、モータ電流検出器３７ａ，３７ｂから出力される第１系統及び第２系統のモータＭ１，Ｍ２にそれぞれ流れている現在の電流値と、速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の回転方向、回転速度及び回転位置とを用いて第１系統のモータＭ１と第２系統のモータＭ２に対する指示電流を演算し、それぞれＰＷＭ制御値演算器３４ａとＰＷＭ制御値演算器３４ｂとに出力するものである。
【００６５】
次に、位置速度制御演算器３８によって行われる制御処理を図１３のフローチャートを用いて説明する。
【００６６】
最初に位置速度制御演算器３８に制御データの初期化が行われる（Ｓ１）。すなわち、位置速度制御演算器３８によって算出され、図略のメモリに記憶されている第１系統のモータＭ１に対する指示電流Ｉ１（以下、第１指示電流Ｉ１という。）と第２系統のモータＭ２に対する指示電流Ｉ２（以下、第２指示電流Ｉ２という。）のデータが零にリセットされる。
【００６７】
続いて、図略の制御部から外部入力される目標位置に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の回転位置の偏差量に基づいて指示速度Ｖが演算され（Ｓ２）、更にこの指示速度Ｖに対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在速度の偏差量に基づいて指示電流Ｉが演算される（Ｓ３）。
【００６８】
続いて、第１系統のモータＭ１又は第２系統のモータＭ２に異常が発生している否かが判別される（Ｓ４〜Ｓ６）。この判別は、零でない第１，第２指示電流Ｉ１，Ｉ２がメモリに記憶され、それぞれＰＷＭ制御値演算器３４ａ，３４ｂに出力されている状態でモータ電流検出器３７ａ，３７ｂから検出されるモータ電流が０であるか否かにより行われる。そして、零でない指示電流Ｉ１，Ｉ２が出力されている状態でモータ電流の検出値が０であると、モータに異常が発生したと判断される。
【００６９】
第１系統のモータＭ１及び第２系統のモータＭ２が正常であれば（Ｓ４：ＮＯ，Ｓ５：ＮＯ）、ステップＳ３で算出された指示電流Ｉの１／２がそれぞれ第１系統のＰＷＭ制御値演算器３４ａと第２系統のＰＷＭ制御値演算器３４ｂとに出力され（Ｓ７）、更にその指示電流Ｉ／２がそれぞれ第１指示電流Ｉ１のメモリと第２指示電流Ｉ２のメモリに記憶されて（Ｓ８）、ステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ８のループにより直流モータ１のサーボ制御が行われる。
【００７０】
ステップＳ２〜Ｓ８のサーボ制御の間に第２系統のモータＭ２に異常が発生すると（Ｓ４：ＮＯ，Ｓ５：ＹＥＳ）、ステップＳ９〜Ｓ１１の処理に移行し、第１系統のモータＭ１のみによる直流モータ１の駆動が行われる。すなわち、ステップＳ２で算出された指示速度Ｖの１／２が演算され、この速度Ｖ／２に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在速度の偏差量に基づいて第１系統のモータＭ１に対する指示電流Ｉ１が演算される（Ｓ９）。この指示電流Ｉ１は第１系統のＰＷＭ制御値演算器３４ａに出力されるとともに（Ｓ１０）、第１指示電流Ｉ１のメモリに記憶される（Ｓ８）。そして、ステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ５，Ｓ９〜Ｓ１１のループにより第１系統のモータＭ１のみによる直流モータ１のサーボ制御が行われる。
【００７１】
一方、ステップＳ２〜Ｓ８のサーボ制御の間に第１系統のモータＭ１に異常が発生すると（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理に移行し、第２系統のモータＭ２のみによる直流モータ１の駆動が行われる。この駆動は、第１系統のモータＭ１のみによる直流モータ１の駆動と同様の方法で行われる。すなわち、ステップＳ２で算出された指示速度Ｖの１／２が演算され、この速度Ｖ／２に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在速度の偏差量に基づいて第２系統のモータＭ２に対する指示電流Ｉ２が演算される（Ｓ１２）。この指示電流Ｉ２は第２系統のＰＷＭ制御値演算器３４ｂに出力されるとともに（Ｓ１３）、第２指示電流Ｉ２のメモリに記憶される（Ｓ１４）。そして、ステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ４，Ｓ６，Ｓ１２〜Ｓ１４のループにより第２系統のモータＭ２のみによる直流モータ１のサーボ制御が行われる。
【００７２】
なお、第１系統のモータＭ１又は第２系統のモータＭ２のいずれかに異常が発生した場合に、ステップＳ９，Ｓ１２で指示速度を正常時の指示速度Ｖの１／２に落として制御するのは、モータシャフトから出力されるトルクＴは、一般に下記式１で示すように、速度Ｖの関数で示され、トルクＴを制限しなければならない場合、速度Ｖを制限することにより継続運転が可能になるからである。なお、負荷変動に応じて加速する必要がある場合はトルク不足が生じるが、その期間は極めて短いので、過負荷運転をすることによりモータを停止させることなく連続運転が可能である。
【００７３】
【数１】
【００７４】
上記実施形態では、異常時の指示速度Ｖを正常時の指示速度Ｖの１／２に落としているが、負荷の慣性量や粘性抵抗などによって制限されるトルクが変化するため、指示速度Ｖの制限値は適宜の値に設定することができる。例えば異常時の指示速度を正常時の指示速度Ｖの３／４や１／４に落としてもよい。
【００７５】
図１３に戻り、ステップＳ２〜Ｓ８のサーボ制御の間に第１，第２系統のモータＭ１，Ｍ２の両方に異常が発生すると（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ６：ＹＥＳ）、直流モータ１は正常に動作しないので、ステップ２に戻り、ステップＳ２〜Ｓ４，Ｓ６のループにより演算処理のみが行われる。すなわち、第１，第２系統のモータＭ１，Ｍ２のサーボ制御は停止され、このとき直流モータ１は完全に停止される。
【００７６】
上記のように、直流モータ１は、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの出力を小歯車１０〜１３及び大歯車８，９によりモータシャフト５に合成出力させるとともに、直流低級モータ２０ａ〜２０ｄからの各出力のトルク変動を互いに補完するように低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置を調整するように構成しているので、簡易な構造でトルク変動の少ない直流モータを実現することができる。また、廉価な低級直流モータを複数個組み合わせて構成しているので、同等の制御性能を有する直流モータを単体で構成した場合に比して製造コストが低く、ロボットなどの制御機器に適用した場合、当該制御機器のコスト低減に大きく寄与する。
【００７７】
また、直流モータ１を構成する低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを２つの制御系統に分割してそれぞれ独立に制御するとともに、一方の制御系統に損傷が生じた場合、制御速度を低減して他方の制御系統のみで駆動させるようにしているので、直流モータ１内に損傷が生じた場合にも直ちに駆動を停止することがなく、連続運転をさせることができる。従って、例えば障害者や患者を搬送車からベッドに移送する移載装置等のように、障害者や患者の移送中に駆動停止とならないことが要求される機器に対して好適な駆動モータを提供することができる。
【００７８】
なお、上記実施形態では、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを２個ずつの組に分け、一方の組をケース２の前側の側板２０１に取り付け、他方の組をケース２の後側の側板２０２に取り付ける構成としたが、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄをケース２の前側の側板２０１に取り付け、各モータのモータシャフト２２ａ〜２２ｄを小歯車１０〜１３と大歯車８とで直流モータ１のモータシャフト５に連結するようにしてもよい。この構成では、大歯車９が不要になるとともに、直流モータ１の軸方向の長さが短くなり、コンパクト化が可能になる利点がある。
【００７９】
また、上記実施形態では、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを用いていたが、低級直流モータ２０の数は任意に選ぶことができる。例えば図１において、ケース２の前側に更に側板を追加するとともに、２個の低級直流モータ２０と２個の小歯車と１個の大歯車を追加し、低級直流モータ２０ａ，２０ｂの取付構造と同様の構造で追加した低級直流モータ、小歯車及び大歯車をケース２の追加した側板に取り付けるようにしてもよい。この場合は、低級直流モータ２０の数ｋが６になるので、各低級直流モータ２０の電機子鉄心の相互のずれ角αは、３６０°／（２×３×６）＝１０°となる。
【００８０】
この構成では、モータシャフト５から出力されるトルクが増大するとともに、そのトルク変動がより小さくなり、直流モータ１の高出力化、高安定化が可能となる。なお、低級直流モータ２０を６個用いる場合もこれらをケース２の側板２０１に取り付ける構成にしても良いことは言うまでもない。
【００８１】
また、上記実施形態では低級直流モータとして電機子鉄心の溝数が３、界磁石数が２の直流モータを用いたが、電機子鉄心の溝数および界磁石数はこれらに限定されるものではない。例えば電機子鉄心の溝数は６であってもよく、界磁石数は４であってもよい。また、上記実施形態では低級直流モータとしてステータ側に界磁石を配置し、ロータ側に電機子鉄心とコイルを配置する構成の直流モータを用いたが、ロータ側に界磁石を配置し、ステータ側に電機子鉄心とコイルを配置する構成の直流モータを用いてもよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、直流モータ１を二系統のモータに分けていたが、三系統以上のモータに分け、いずれかの系統のモータが故障した場合、残りの系統のモータで連続運転するようにしても良い。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数個の低級直流モータを、各低級直流モータの電機子鉄心の位置が相互に所定の角度ずつずれるように配置し、これらの低級直流モータの出力を合成して出力するように構成しているので、簡易な構造でトルク変動の少なく、高精度の制御が可能な直流モータを実現することができる。
【００８４】
また、直流モータを構成する複数の低級モータを少なくとも２系統に分け、各系統を独立に制御するとともに、いずれかの系統のモータに異常が生じた場合、その系統のモータを停止させ、速度を落として他の系統のモータだけで駆動を制御するようにしたので、直流モータの一部に損傷などが生じた場合にも完全に停止させることなく連続運転をさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る直流モータの一実施形態の構造を示す左側面図である。
【図２】 本発明に係る直流モータの一実施形態の正面図である。
【図３】 エンコーダの構造を示す縦断面図である。
【図４】 符号板の構造を示す図である。
【図５】 エンコーダから出力されるパルス信号の波形を示すもので、（ａ）は符号板が時計回りに回転した場合の波形図、（ｂ）は符号板が反時計回りに回転した場合の波形図である。
【図６】 本発明に係る直流モータを構成する４個の低級直流モータの電機子鉄心の位置ずれの関係を示す図である。
【図７】 図１５に示す低級直流モータのモータシャフトが安定して停止する位置を示す図である。
【図８】 図１５に示す低級直流モータのトルク変動の波形を示す図である。
【図９】 本発明に係る直流モータを構成する４個の低級直流モータのトルク変動特性を示す図である。
【図１０】 本発明に係る直流モータのトルク変動特性を示す図である。
【図１１】 本発明に係る直流モータの制御回路の第１実施形態の構成を示す図である。
【図１２】 本発明に係る直流モータの制御回路の第２実施形態の構成を示す図である。
【図１３】 第２実施形態に係る制御回路における直流モータの制御手順を示すフローチャートである。
【図１４】 従来の直流モータの基本的な構造を示す図である。
【図１５】 従来の低級直流モータの基本的な構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 直流モータ
２ ケース
２０１，２０２ 側板
２０３〜２０６ 連結板
３，４ 軸受
５ モータシャフト
６ ブラケット
７ エンコーダ
７１ 符号板
７２，７３ 光センサ
７４ エンコーダのケース
８，９ 大歯車（伝達手段）
１０，１１，１２，１３ 小歯車（伝達手段）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 低級直流モータ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ モータシャフト
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 電機子鉄心
２４ 界磁石
３０，３０’ 制御回路（直流モータの制御装置）
３１ 速度／回転位置検出器
３２ 指示速度演算器
３３ 指示電流演算器
３４，３４ａ，３４ｂ ＰＷＭ制御値演算器（制御手段）
３５，３５ａ，３５ｂ ＰＷＭ制御器（制御手段）
３６，３６ａ，３６ｂ 電源供給器（電源供給手段）
３７，３７ａ，３７ｂ モータ電流検出器
３８ 位置速度制御演算器（異常検出手段、駆動制御手段）
Ｍ１ 第１系統のモータ
Ｍ２ 第２系統のモータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータ及びその制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流モータは、基本的に、内周面に永久磁石からなる複数個（偶数個）の界磁石が固着された筒状のヨークと、このヨークの軸中心に回転可能に保持されるモータシャフトと、このモータシャフトに固着された電機子鉄心に巻回されたコイルと、このコイルに電流を供給する端子と、コイルに供給される電流の向きを界磁石に対するコイル位置に応じて反転させるためのブラシとで構成されている（非特許文献１参照）。そして、直流モータは、用途や目的に応じて多種多様のものが商品化されている。
【０００３】
一般に、ロボットなどのアクチュエータの駆動源として用いられる産業用の直流モータは、高速応答性やトルク安定性などの高い性能が要求されるため、図１４に示すように界磁石数及び電機子鉄心の溝数が多く、ヨークや電機子鉄心の素材も高価なものが用いられる。なお、図１４に示す直流モータ１０は、円筒状のヨーク１１の内周面の互いに直交する４つの方向位置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄにそれぞれ隣接する極性が互いに異なるように４つの永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが固定され、このヨーク１１の軸中心にモータシャフト１２が回転可能に保持されている。また、モータシャフト１２の永久磁石１４ａ〜１４ｄに対向する部分に、１２個の鉄心溝１３ａが設けられた電機子鉄心１３が固着され、これらの鉄心溝１３ａに、図には示していないが、コイルが巻回されている。
【０００４】
一方、玩具、模型の駆動源や自動車の電動ミラーの駆動源として用いられる直流モータは上記産業用直流モータよりも低級で、図１５に示すように界磁石数及び電機子鉄心の溝数が少なく、簡素な構成で、ヨークや電機子鉄心の素材も安価なものが用いられ、非常に廉価に製造されている。なお、図１５に示す直流モータ２０は模型用の直流モータで、矩形の相対向する２つ辺を円弧状に湾曲してなる断面形状を有する筒状のヨーク２１の湾曲した内周面２１ａ，２１ｂにそれぞれ互いに極性の異なる２つの永久磁石２４が固定され、このヨーク２１の軸中心にモータシャフト２２が図示しない軸受によって回転可能に保持されている。また、モータシャフト２２の永久磁石２４に対向する部分に、３個の鉄心溝２３ａが設けられた電機子鉄心２３が固着され、これらの鉄心溝２３ａに、図には示していないが、コイルが巻回されている。
【０００５】
産業用の直流モータ１０は、トルク安定性や速度応答性などに優れ、高精度の駆動制御が可能であるという利点はあるものの、構造が複雑で製造が難しく、高価になるという不利がある。一方、模型用の直流モータ２０は、上記のように界磁石数と電機子鉄心の溝数がそれぞれ最小数（界磁石数２，電機子鉄心溝数３）で構成されているため、トルク安定性や速度応答性が低く、高精度の駆動制御は困難であるという性能面での不利はあるものの、構造が簡単で製造し易く、廉価であるという利点がある。
【０００６】
【非特許文献１】
電気工学ハンドブック 電気学会編（平成１１年１２月１０日第１版第１１刷発行）４９４頁〜５０７頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、直流モータは、モータ単体で高性能化を図ろうとすると、界磁石数と電機子鉄心の溝数を多くしたり、特殊な素材を用いたりしなければならないので、非常に高価なものになるという問題がある。そして、従来は、モータに要求される性能と製造コストとを考慮して、界磁石数や電機子鉄心の溝数などの構成を工夫することにより所望の直流モータをモータ単体で実現するようにしていたので、性能もしくは製造コストのいずれかを犠牲にしなければならず、十分なコストパフォーマンスを有する直流モータを得ることには限界があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数個の低級直流モータを組み合わせて１個の直流モータを構成することにより、廉価で高性能の直流モータを提供することを目的とする。また、直流モータの一部に故障が生じた場合にも継続運転が可能な直流モータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｍ（３以上の整数）個の溝が設けられ、これらの溝にコイルが巻回された電機子鉄心とｎ（２以上の整数）個の界磁石を備えたｋ（２以上の整数）個の低級直流モータと、上記ｋ個の低級直流モータの各出力が合成されて出力されるモータシャフトと、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトを上記モータシャフトに連結する歯車列を有し、この歯車列を介して上記ｋ個の直流モータからの各出力を上記モータシャフトに伝達する伝達手段とを備えた直流モータであって、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトは、各電機子鉄心の回転位置が３６０／（ｎ×ｍ×ｋ）°の角度ずつ相互にずれるように、上記歯車列によって上記モータシャフトに連結されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
なお、上記直流モータにおいて、低級直流モータの個数は偶数個にするとよい（請求項２）。また、上記直流モータにおいて、低級直流モータは３個の溝を有する電機子鉄心と２個の界磁石を有する簡易構造の直流モータにするとよい（請求項３）。
【００１１】
また、上記直流モータにおいて、上記歯車列は、上記モータシャフトに固着された１個の大歯車と上記ｋ個の直流モータの各モータシャフトに固着され、上記大歯車に噛合された同一構造のｋ個の小歯車とからなり、上記ｋ個の低級直流モータは、ケースの上記モータシャフトを回転自在に保持する側板に取り付ける構成にするとよい（請求項４）。
【００１２】
あるいは、上記歯車列は、上記モータシャフトに所定の間隔を設けて固着された同一構造の第１の大歯車と第２の大歯車と、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトに固着され、上記第１の大歯車に噛合された同一構造の（ｋ／２）個の小歯車と上記第２の大歯車に噛合された同一構造の（ｋ／２）個の小歯車とからなり、上記ｋ個の低級直流モータは、上記小歯車で上記第１の大歯車に連結された（ｋ／２）個の低級直流モータが、上記モータシャフトを回転自在に保持するケースの上記第１の大歯車に隣接した第１の側板に取り付けられ、上記小歯車で上記第２の大歯車に連結された（ｋ／２）個の低級直流モータが上記ケースの上記第２の大歯車に隣接する第２の側板に取り付ける構成にするとよい（請求項５）。
【００１３】
本発明に係る直流モータによれば、電機子鉄心の溝数ｍ、界磁石数ｎの構造の簡単なｋ個の低級直流モータの各出力が歯車列からなる伝達手段によりモータシャフトに伝達され、合成されて当該モータシャフトから出力される。
【００１４】
各低級直流モータからの出力は電機子鉄心が３６０／（ｎ×ｍ）°回転する毎にトルクが変動するが、ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトは、各電機子鉄心の回転位置が３６０／（ｎ×ｍ×ｋ）°の角度ずつ相互にずれるように、歯車列によってモータシャフトに連結されているため、各低級直流モータの出力のトルク変動が相互に補完されるように合成されてモータシャフトから出力される。従って、トルク安定性に優れた簡易構造の直流モータを実現することができる。
【００１５】
例えば電機子鉄心の溝数３、界磁石数２の４個の低級直流モータを用いた場合、各低級直流モータは電機子鉄心の回転位置が０°、１５°、３０°、４５°の位置にずれて配設されている。各低級直流モータからの出力は電機子鉄心が６０°回転する毎にトルクが大きく変動するが、モータシャフトからの出力は当該モータシャフトが１５°（＝６０°／４）回転する毎にトルクが僅かに変動したものとなり、トルク安定性が向上する。
【００１６】
請求項４記載の直流モータによれば、ｋ個の低級直流モータは、モータシャフトに固着された１個の大歯車の回りに配置され、各低級直流モータのモータシャフトが大歯車に噛合した小歯車によって連結されるため、直流モータの軸方向の長さを短くすることができ、直流モータのコンパクト化が可能になる。
【００１７】
請求項５記載の直流モータによれば、ｋ個の低級直流モータは２組に分けられ、各組の低級直流モータはモータシャフトに所定の間隔を設けて固着された第１の大歯車と第２の第歯車とにそれぞれ小歯車によって連結されるため、低級直流モータの数を増やすことができ、これにより直流モータのトルク安定性をより向上させることができ、高出力化が可能になる。
【００１８】
また、本発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の直流モータの駆動を制御する制御装置であって、複数の制御系統を形成するべく少なくとも２つの組に分けられた上記ｋ個の低級直流モータにそれぞれ直流電源を供給する出力電圧が変更可能な複数の電源供給手段と、上記直流モータの駆動を制御系統別に制御するべく上記複数の電源供給手段の出力電圧をそれぞれ制御する複数の制御手段と、いずれかの制御系統に異常が発生したことを検出する異常検出手段と、上記異常検出手段で異常が検出されると、上記複数の制御手段のうち、当該異常が発生した制御系統に対する制御手段を停止させるとともに、この制御手段以外の制御手段の制御内容を、上記モータシャフトの回転速度が所定の速度に低下するように変更する駆動制御手段とを備えたものである（請求項６）。
【００１９】
本発明に係る直流モータの制御装置によれば、複数の制御系統を形成するべく直流モータを構成するｋ個の低級直流モータが少なくとも２つの組に分けられ、組毎に複数の低級直流モータが独立して駆動制御される。いずれかの制御系統に異常が発生すると、当該異常が発生した制御系統に属する低級直流モータの駆動が停止されるが、他の制御系統の低級直流モータの駆動は継続されるため、直流モータの一部に故障などが発生しても直ちに当該直流モータの駆動が完全停止をすることがない。従って、変動の大きい負荷に適用し、過負荷などで一部が損傷する虞がある場合にも駆動制御中にモータが完全停止をすることがなく、安心して負荷を駆動させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る直流モータの一実施形態の構造を示す左側面図、図２は同直流モータの正面図である。
【００２１】
図１に示す直流モータ１は、図１４に示した模型用の直流モータ２０（以下、低級直流モータ２０という。）を４個用い、これらの低級直流モータ２０の出力を合成して出力させるように組み合わせて構成したものである。
【００２２】
直流モータ１は、２枚の長方形の側板２０１，２０２を対向配置し、これらの側板２０１，２０２の４隅をこれらの側板２０１，２０２のよりも小幅で所定の長さＬを有する長方形の連結板２０３，２０４，２０５，２０６で連結してなるケース２を備えている。ケース２の側板２０１，２０２の中央にはそれぞれ孔が設けられ、各孔には軸受３，４が取り付けられている。また、両軸受３，４を貫通してモータシャフト５が回転可能にケース２に保持され、側板２０２の外側面に突出したモータシャフト５の先端にはブラケット６を介して当該モータシャフト５の回転位置を検出するロータリ式のエンコーダ７が取り付けられている。
【００２３】
エンコーダ７は、図３、図４に示すように、周縁部に複数のスリット７１ａが当該スリット７１ａと同一幅の間隔を設けて周方向に形成された円板（以下、符号板という。）７１とスリット７１ａを検出する２対の透過型の光センサ７２，７３とで構成されている。符号板７１の中心はエンコーダ７のケース７４に貫通して回転可能に保持されたモータシャフト５の先端部に固定されている。
【００２４】
光センサ７２は、発光用のフォトダイオード７２ａと受光用のフォトセンサ７２ｂとで構成され、光センサ７３は、発光用のフォトダイオード７３ａと受光用のフォトセンサ７３ｂ（図３，図４では表れていない）とで構成されている。フォトダイオード７２ａと受光用のフォトセンサ７２ｂはケース７４の内側面に符号板７１を挟んで互いに対向するように配置されている。同様にフォトダイオード７３ａと受光用のフォトセンサ７３ｂもケース７４の内側面に符号板７１を挟んで互いに対向するように配置されている。また、光センサ７２と光センサ７３とは符号板７１の周方向に対してスリット７１ａの間隔ｄの３／４だけずらして配置されている。
【００２５】
符号板７１のスリット７１ａが光センサ７２，７３の各センサ位置を通過するとき、フォトダイオード７２ａ，７３ａからの光はフォトセンサ７２ｂ，７３ｂに到達し、スリット７１ａ以外の部分が各センサ位置を通過するとき、フォトダイオード７２ａ，７３ａからの光は遮断されるから、符号板７１が回転すると、光センサ７２，７３からは各スリット７１ａがセンサ位置を通過するごとにフォトダイオード７２ａ，７３ａからの光を受光した矩形波状の信号（以下、パルス信号という。）が出力される。
【００２６】
光センサ７２と光センサ７３とは３ｄ／４だけ位置がずれているため、光センサ７２から出力されるパルス信号と光センサ７３から出力されるパルス信号とは、図５に示すように、互いに位相が９０°ずれたものとなっている。なお、図５（ａ）は、図４において、符号板７１が時計回りに回転した場合に光センサ７２から出力されるパルス信号Ｓａと光センサ７３から出力されるパルス信号Ｓｂを示し、図５（ｂ）は、符号板７１が反時計回りに回転した場合に光センサ７２から出力されるパルス信号Ｓａと光センサ７３から出力されるパルス信号Ｓｂを示している。符号板７１が時計回りに回転しているときは、パルス信号Ｓａの位相がパルス信号Ｓｂよりも進み、符号板７１が反時計回りに回転しているときは、パルス信号Ｓｂの位相がパルス信号Ｓａよりも進むため、両パルス信号Ｓａ，Ｓｂの位相関係を判別することにより符号板７１の回転方向、すなわち、モータシャフト５の回転方向が判別される。
【００２７】
符号板７１の周縁部に形成されたスリット７１ａの数Ｎは一定（図４ではＮ＝１６）であるから、スリット数Ｎをカウントする時間ｔを計時することにより符号板７１の回転速度、すなわち、モータシャフト５の回転速度が計測される。例えばパルス信号Ｓａの立下りタイミングでスリット数をカウントするとし、０．０１秒間にカウント数ｉがＮになると、モータシャフト５は１回転したことになるから、モータシャフト５の回転速度は１００ｒｐｓとなる。
【００２８】
また、スリット数をカウントすることにより符号板７１の回転角、すなわち、モータシャフト５の回転位置が検出される。すなわち、図４の例では、各スリット７１ａの位置は、３６０°／１６＝２２．５°ずつ周方向に回転した位置を示しているから、例えば基準位置からスリット数のカウントを開始し、カウント数ｉがＭ（＜Ｎ）のとき、モータシャフト５の回転位置は、基準位置から２２．５×Ｍ°だけ回転した位置となる。
【００２９】
なお、モータシャフト５の回転方向により光センサ７２，７３から出力されるパルス信号Ｓａ，Ｓｂ間の位相関係が相違するから（図５参照）、例えばパルス信号Ｓａの立下りタイミングでパルス信号Ｓｂがハイレベルであれば（図５（ａ）の状態）、スリット数のカウントを増加し、パルス信号Ｓａの立下りタイミングでパルス信号Ｓｂがローレベルであれば（図５（ｂ）の状態）、スリット数のカウントを減少することにより、モータシャフト５が正逆いずれの方向に回転しても基準位置からの回転位置を検出できるようになっている。すなわち、モータシャフト５が基準位置（０°）から時計回りに回転し、スリット数ｋ（＜Ｎ）で停止すると、そのときのモータシャフト５の回転位置は＋２２．５×ｋ°となり、その位置から反時計回りに回転し、スリット数ｈ（＜Ｎ）で停止すると、そのときのモータシャフト５の回転位置は＋２２．５×ｋ−２２．５×ｈ＝２２．５×（ｋ−ｈ）°となる。
【００３０】
図１及び図２に戻り、側板２０１の内側面には、長手方向に平行な中心線上であって中心から所定の寸法Ｄだけ離れた位置に２個の低級直流モータ２０ａ，２０ｂが、各モータシャフト２２ａ，２２ｂを側板２０１の外側に突出させて固定されている。また、側板２０２の外側面にも同様の位置に２個の低級直流モータ２０ｃ，２０ｄが、各モータシャフト２２ｃ，２２ｄを側板２０２の内側に突出させて固定されている。これらの低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの構造は図１５に示した低級直流モータ２０と同一である。
【００３１】
モータシャフト５の側板２０１の外側と側板２０２の内側とに近接した位置に２個の平歯車からなる大歯車８，９が固着されている。大歯車８，９は同一構造をなし、側面に形成された歯の数は同一となっている。大歯車８には低級直流モータ２０ａ，２０ｂのモータシャフト２２ａ，２２ｂの先端部に固着された小歯車１０，１１が噛合され、大歯車９には低級直流モータ２０ｃ，２０ｄのモータシャフト２２ｃ，２２ｄの先端部に固着された小歯車１２，１３が噛合されている。小歯車１０〜１３は同一構造をなし、側面に形成された歯の数は同一となっている。従って、小歯車１０〜１３と大歯車８，９との減速比は同一となっている。
【００３２】
上記のように、直流モータ１は、低級直流モータ２０ａ，２０ｂの各モータ出力が小歯車１０，１１及び大歯車８を介してモータシャフト５に伝達され、低級直流モータ２０ｃ，２０ｄの各モータ出力が小歯車１２，１３及び大歯車９を介してモータシャフト５に伝達され、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの各モータ出力が合成されてモータシャフト５から出力される構成となっている。低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは簡易構造の低級直流モータ２０で構成されているため、上述したように各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄから出力されるトルクは、モータシャフト２２ａ〜２２ｄが１回転する間にも大きく変動する。
【００３３】
本実施形態に係る直流モータ１では、各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄから出力されるトルクの変動が互に補完されてモータシャフト５から出力されるように、各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの界磁石２４ａ〜２４ｄに対する電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置が調整されている。なお、直流モータ１のトルク特性については後述する。
【００３４】
図６は、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの界磁石２４ａ〜２４ｄに対する電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置関係を示すもので、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は図１のＤ−Ｄ断面図である。なお、説明の便宜上、電機子鉄心２３ａ〜２３ｄに巻回されるコイルは省略している。
【００３５】
図６において、各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの●印を付した歯の方向を各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの回転位置を示すための基準方向Ｓとし、各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの回転角を各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの上方向Ｒを基準（０°）として反時計回りに取るとすると、低級直流モータ２０ａは、基準方向ＳがＲ方向に一致するように電機子鉄心２３ａの位置が調整され、低級直流モータ２０ｂは、基準方向ＳがＲ方向に対して角度αだけ回転した位置となるように電機子鉄心２３ｂの位置が調整されている。また、低級直流モータ２０ｃは、基準方向ＳがＲ方向に対して角度２αだけ回転した位置となるように電機子鉄心２３ｃの位置が調整され、低級直流モータ２０ｄは、基準方向ＳがＲ方向に対して角度３αだけ回転した位置となるように電機子鉄心２３ｄの位置が調整されている。
【００３６】
すなわち、低級直流モータ２０ａの電機子鉄心２３ａの配置を基準にすると、低級直流モータ２０ｂ〜２０ｄは低級直流モータ２０ａに対して電機子鉄心２３ｂ〜２３ｄの位置をそれぞれ角度α，２α，３αだけずらしてケース２に取り付けられている。
【００３７】
図１５に示す低級直流モータ２０は、駆動していない状態では界磁石２４と電機子鉄心２３の配置関係からモータシャフト２２が安定して停止する位置が回転方向で所定の角度θ毎に存在する。このため、界磁石２４と電機子鉄心２３に巻回されたコイルとの間で生じるトルクによって回転する低級直流モータ２０は、駆動させると、モータシャフト２２から出力されるトルクが角度θの回転量を回転する時間に相当する周期で脈動することになる。上述の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置のずらし角αは、モータシャフト２２が安定して停止する位置が生じる所定の角度θと低級直流モータ２０の個数ｋとによって決定される角度で、α＝θ÷ｋで算出される。
【００３８】
なお、角度θは、電機子鉄心２３の溝数（歯の数）をｍ、界磁石数をｎとすると、３６０°／（ｎ×ｍ）で算出される。従って、角度αはα＝３６０°／（ｎ×ｍ×ｋ）となる。本実施形態では、低級直流モータ２０の個数が４個で、各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心溝数は３、界磁石数は２であるから、角度αは３６０°／（２×３×４）＝１５°となっている。
【００３９】
各低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは、以下の方法で図６に示す電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置関係でケース２に取り付けられる。
【００４０】
まず、直流モータ１のモータシャフト５を回転しないように固定するとともに、低級直流モータ２０ｄの電機子鉄心２３ｄを図６（ａ）の状態にしてケース２に取り付け、モータシャフト２２ｄを回転しないように固定する。この状態で、モータシャフト２２ｄの先端に小歯車１３をモータシャフト５の大歯車９に噛合させて取り付け、固定する。
【００４１】
次に、低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄの固定を解除し、モータシャフト５をエンコーダ７から出力されるパルス信号Ｓａ（又はＳｂ）のパルス数をカウントすることにより低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄを角度αだけ回転させる。
【００４２】
大歯車８，９の歯数をｘ１、小歯車１０〜１３の歯数をｘ２とすると、小歯車１０〜１３が１回転する間に大歯車８，９は角度φ＝３６０×（ｘ２／ｘ１）°だけ回転する。大歯車８，９が角度φだけ回転すると、エンコーダ７からはＮ×（φ／３６０）のパルスが出力される。小歯車１０〜１３の１回転に対するエンコーダ７からの出力パルス数はＮ×（φ／３６０）（Ｎは符号板７１のスリット総数）であるから、小歯車１０〜１３の角度αの回転に対するエンコーダ７からの出力パルス数ｐはＮ×（φ／３６０）×（α／３６０）＝Ｎ×（α／３６０）×（ｘ２／ｘ１）となる。
【００４３】
従って、エンコーダ７から出力されるパルス信号Ｓａ（又はＳｂ）のパルス数をカウントしながらモータシャフト５を回転させ、パルス数のカウント値がｐになったときにモータシャフト５の回転を停止させると、低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄは角度αだけ回転させた位置で停止させることができる。
【００４４】
次に、上述した低級直流モータ２０ｄの取付方法と同様の方法で低級直流モータ２０ｃをケース２に取り付け、モータシャフト２２ｃの先端に小歯車１２をモータシャフト５の大歯車９に噛合させて取り付け、固定する。その後、低級直流モータ２０ｃのモータシャフト２２ｃの固定を解除し、モータシャフト５をエンコーダ７から出力されるパルス信号Ｓａ（又はＳｂ）のパルス数をカウントすることにより低級直流モータ２０ｃのモータシャフト２２ｃを角度αだけ回転させる。このとき、低級直流モータ２０ｄのモータシャフト２２ｄは角度２αだけ回転させた位置で停止し、低級直流モータ２０ｃのモータシャフト２２ｃは角度αだけ回転した位置で停止した状態となる。
【００４５】
同様の方法で、低級直流モータ２０ｂをケース２に取り付け、低級直流モータ２０ｂのモータシャフト２２ｂを角度αだけ回転した位置で停止させた後、低級直流モータ２０ａをケース２に取り付け、この状態で、モータシャフト２２ａの先端に小歯車１０をモータシャフト５の大歯車８に噛合させて取り付け、固定すると、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは各電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの界磁石２４ａ〜２４ｄに対する位置関係が図６に示す位置関係に調整されてケース２に取り付けられることになる。
【００４６】
次に、直流モータ１のトルク特性について説明する。
【００４７】
低級直流モータ２０は、電機子鉄２３の溝数が３、界磁石２４の数が２であるから、角度θは３６０°／（２×３）＝６０°となり、図７（ａ）〜（ｆ）に示すように、電機子鉄心２３の回転位置が０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０°，３００°の位置でモータシャフト２２が安定して停止する。従って、低級直流モータ２０を駆動すると、モータシャフト２２から出力されるトルクＴは、電機子鉄心２３が図７の（ａ）〜（ｆ）の位置に回転する度に低下するように正弦波状に脈動する。図８はその様子を模式的に表したもので、モータシャフト２２が１回転する間に出力トルクＴは、６回脈動している。なお、図８の（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ電機子鉄心２３の回転位置が図７の（ａ）〜（ｆ）であることを示している。
【００４８】
上述したように、直流モータ１は低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの出力トルクＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄがモータシャフト５に合成されて出力される一方、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄのトルク変動特性は、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの回転位置が１５°ずつずれているから、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、低級直流モータ２０ａのトルク変動特性を基準にして低級直流モータ２０ｂ〜２０ｄのトルク変動特性がそれぞれ１５°，３０°，４５°だけ位相が進んだものとなっている。
【００４９】
従って、直流モータ１のモータシャフト５から出力されるトルクＴ１の特性は、図９（ａ）〜（ｄ）のトルク変動特性を合成したものとなり、図１０に示すようになる。図１０に示すトルク変動特性は、低級直流モータ２０ａ〜２０ｄのトルク変動のピークが１５°のピッチで合成されたもので、１個の低級直流モータ２０では１回転中に６回、大きくトルク変動が生じるのに対し、直流モータ１では１回転中に２４回、微小のトルク変動が生じるだけで、格段にトルク変動が抑制されることがわかる。
【００５０】
従って、本発明に係る直流モータ１は、４個の低級直流モータ２０を組み合わせた構成であるが、図１４に示す高級直流モータに匹敵する高速応答性やトルク安定性が可能になっている。
【００５１】
図１１は、直流モータ１の制御回路の第１実施形態の構成を示す図である。
【００５２】
第１実施形態に係る直流モータ１の制御回路は、直流モータに適用される従来の基本的な制御回路と同一である。これは、直流モータ１が４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを用いてはいるが、１つの直流モータとして動作するようにこれらの低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを組み合わせて構成しているため、通常の直流モータの制御回路が適用できるからである。
【００５３】
直流モータ１の制御回路３０は、速度／回転位置検出器３１、指示速度演算器３２、指示電流演算器３３、ＰＷＭ制御値演算器３４、ＰＷＭ制御器３５、電源供給器３６及びモータ電流検出器３７で構成されている。
【００５４】
電源供給器３６は、直流モータ１に直流電源を供給するもので、４個のスイッチング素子の単相ブリッジ回路からなる電圧形インバータで構成されている。電源供給器３６の入力端には図略の直流電源から所定のＤＣ電圧が供給されるようになっている。直流モータ１を構成する４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは直列に接続され、その直列接続の両端は単相ブリッジ回路の出力端ｃ，ｃ’に接続されている。エンコーダ７から出力される２つのパルス信号Ｓａ，Ｓｂは速度／回転位置検出器３１に入力されるようになっている。
【００５５】
ＰＷＭ制御器３５は、電源供給器３６の４個のスイッチング素子のオン・オフ時間を制御することにより直流モータ１に供給される直流電圧の平均値を制御するパルス幅変調回路である。モータ電流検出器３７は、電源供給器３６と直流モータ１とを接続する電源供給ライン上に設けられ、直流モータ１に流れる電流を検出するものである。この検出値は指示電流演算器３３とＰＷＭ制御値演算器３４との間の減算回路に入力される。
【００５６】
速度／回転位置検出器３１は、エンコーダ７から出力される２つのパルス信号Ｓａ，Ｓｂを用いて、上述した方法で直流モータ１の回転方向、回転速度（ｒｐｍ）及びモータシャフト５の回転位置を検出するものである。指示速度演算器３２は、図略の制御部から入力されるモータシャフト５の目標位置に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の回転位置の偏差量に基づいて当該モータシャフト５を目標位置に回転させるための回転速度の指示値（以下、指示速度という。）を演算するものである。指示電流演算器３３は、指示速度演算器３２で算出された指示速度に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の速度の偏差量に基づいて当該モータシャフト５を指示速度に設定するために直流モータ１に供給すべき電流（以下、指示電流という。）を演算するものである。
【００５７】
ＰＷＭ制御値演算器３４は、指示電流演算器３３で算出された指示電流に対するモータ電流検出器３７で検出された直流モータ１に現在流れている電流の偏差量からＰＷＭ制御器３５に対するＰＷＭ制御値（ＰＷＭ変調信号）を演算するものである。ＰＷＭ制御器３５は、ＰＷＭ制御値演算器３４から入力されるＰＷＭ変調信号に基づいて電源供給器３６の４個のスイッチング素子のオン・オフの時間を制御することにより、直流モータ１を指示速度に調整して目標回転位置まで回転させる。
【００５８】
上記構成により、直流モータ１は、目標位置が外部入力されると、この目標位置の情報と現在のモータ速度、モータ電流、回転位置の情報とを用いてＰＷＭ制御方式によりサーボ制御されて目標位置に自動設定される。
【００５９】
図１２は、直流モータ１の制御回路の第２実施形態の構成を示す図である。
【００６０】
第２実施形態に係る直流モータ１の制御回路３０’は、本発明に係る直流モータ１に特有の制御回路である。直流モータ１は４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの出力をモータシャフト５に伝達し合成して出力する構成であるため、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄのうちの１個の低級直流モータ、例えば低級直流モータ２０ａが故障した場合でもその低級直流モータ２０ａを駆動系から除外することにより他の低級直流モータ２０ｂ〜２０ｄによって直流モータ１を駆動することができることから、第２実施形態に係る制御回路３０’はその利点を利用するようにしたものである。
【００６１】
同図に示す制御回路３０’は、図１１に示す制御回路３０において、直流モータ１を構成する４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを２系統に分け、各系統に対してＰＷＭ制御値演算器３４、ＰＷＭ制御器３５、電源供給器３６及びモータ電流検出器３７を設けるとともに、指示速度演算器３２及び指示電流演算器３３に代えて両系統を制御するための位置速度制御演算器３８を設けたものである。
【００６２】
すなわち、直流モータ１を構成する４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄは、低級直流モータ２０ａ，２０ｃを直列接続した第１系統のモータＭ１と低級直流モータ２０ｂ，２０ｄを直列接続した第２系統のモータＭ２とに分けられ、第１系統のモータＭ１には図１１と同様の構成でＰＷＭ制御値演算器３４ａ、ＰＷＭ制御器３５ａ、電源供給器３６ａ及びモータ電流検出器３７ａが設けられ、第２系統のモータＭ２には図１１と同様の構成でＰＷＭ制御値演算器３４ｂ、ＰＷＭ制御器３５ｂ、電源供給器３６ｂ及びモータ電流検出器３７ｂが設けられている。
【００６３】
なお、ＰＷＭ制御値演算器３４ａ，３４ｂ、ＰＷＭ制御器３５ａ，３５ｂ、電源供給器３６ａ，３６ｂ及びモータ電流検出器３７ａ，３７ｂの機能は、それぞれ上述したＰＷＭ制御値演算器３４、ＰＷＭ制御器３５、電源供給器３６及びモータ電流検出器３７と同一であるから、説明は省略する。
【００６４】
位置速度制御演算器３８は、モータ電流検出器３７ａ，３７ｂから出力される第１系統及び第２系統のモータＭ１，Ｍ２にそれぞれ流れている現在の電流値と、速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の回転方向、回転速度及び回転位置とを用いて第１系統のモータＭ１と第２系統のモータＭ２に対する指示電流を演算し、それぞれＰＷＭ制御値演算器３４ａとＰＷＭ制御値演算器３４ｂとに出力するものである。
【００６５】
次に、位置速度制御演算器３８によって行われる制御処理を図１３のフローチャートを用いて説明する。
【００６６】
最初に位置速度制御演算器３８に制御データの初期化が行われる（Ｓ１）。すなわち、位置速度制御演算器３８によって算出され、図略のメモリに記憶されている第１系統のモータＭ１に対する指示電流Ｉ１（以下、第１指示電流Ｉ１という。）と第２系統のモータＭ２に対する指示電流Ｉ２（以下、第２指示電流Ｉ２という。）のデータが零にリセットされる。
【００６７】
続いて、図略の制御部から外部入力される目標位置に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在の回転位置の偏差量に基づいて指示速度Ｖが演算され（Ｓ２）、更にこの指示速度Ｖに対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在速度の偏差量に基づいて指示電流Ｉが演算される（Ｓ３）。
【００６８】
続いて、第１系統のモータＭ１又は第２系統のモータＭ２に異常が発生している否かが判別される（Ｓ４〜Ｓ６）。この判別は、零でない第１，第２指示電流Ｉ１，Ｉ２がメモリに記憶され、それぞれＰＷＭ制御値演算器３４ａ，３４ｂに出力されている状態でモータ電流検出器３７ａ，３７ｂから検出されるモータ電流が０であるか否かにより行われる。そして、零でない指示電流Ｉ１，Ｉ２が出力されている状態でモータ電流の検出値が０であると、モータに異常が発生したと判断される。
【００６９】
第１系統のモータＭ１及び第２系統のモータＭ２が正常であれば（Ｓ４：ＮＯ，Ｓ５：ＮＯ）、ステップＳ３で算出された指示電流Ｉの１／２がそれぞれ第１系統のＰＷＭ制御値演算器３４ａと第２系統のＰＷＭ制御値演算器３４ｂとに出力され（Ｓ７）、更にその指示電流Ｉ／２がそれぞれ第１指示電流Ｉ１のメモリと第２指示電流Ｉ２のメモリに記憶されて（Ｓ８）、ステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ８のループにより直流モータ１のサーボ制御が行われる。
【００７０】
ステップＳ２〜Ｓ８のサーボ制御の間に第２系統のモータＭ２に異常が発生すると（Ｓ４：ＮＯ，Ｓ５：ＹＥＳ）、ステップＳ９〜Ｓ１１の処理に移行し、第１系統のモータＭ１のみによる直流モータ１の駆動が行われる。すなわち、ステップＳ２で算出された指示速度Ｖの１／２が演算され、この速度Ｖ／２に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在速度の偏差量に基づいて第１系統のモータＭ１に対する指示電流Ｉ１が演算される（Ｓ９）。この指示電流Ｉ１は第１系統のＰＷＭ制御値演算器３４ａに出力されるとともに（Ｓ１０）、第１指示電流Ｉ１のメモリに記憶される（Ｓ８）。そして、ステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ５，Ｓ９〜Ｓ１１のループにより第１系統のモータＭ１のみによる直流モータ１のサーボ制御が行われる。
【００７１】
一方、ステップＳ２〜Ｓ８のサーボ制御の間に第１系統のモータＭ１に異常が発生すると（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理に移行し、第２系統のモータＭ２のみによる直流モータ１の駆動が行われる。この駆動は、第１系統のモータＭ１のみによる直流モータ１の駆動と同様の方法で行われる。すなわち、ステップＳ２で算出された指示速度Ｖの１／２が演算され、この速度Ｖ／２に対する速度／回転位置検出器３１から出力されるモータシャフト５の現在速度の偏差量に基づいて第２系統のモータＭ２に対する指示電流Ｉ２が演算される（Ｓ１２）。この指示電流Ｉ２は第２系統のＰＷＭ制御値演算器３４ｂに出力されるとともに（Ｓ１３）、第２指示電流Ｉ２のメモリに記憶される（Ｓ１４）。そして、ステップＳ２に戻り、上述したステップＳ２〜Ｓ４，Ｓ６，Ｓ１２〜Ｓ１４のループにより第２系統のモータＭ２のみによる直流モータ１のサーボ制御が行われる。
【００７２】
なお、第１系統のモータＭ１又は第２系統のモータＭ２のいずれかに異常が発生した場合に、ステップＳ９，Ｓ１２で指示速度を正常時の指示速度Ｖの１／２に落として制御するのは、モータシャフトから出力されるトルクＴは、一般に下記式１で示すように、速度Ｖの関数で示され、トルクＴを制限しなければならない場合、速度Ｖを制限することにより継続運転が可能になるからである。なお、負荷変動に応じて加速する必要がある場合はトルク不足が生じるが、その期間は極めて短いので、過負荷運転をすることによりモータを停止させることなく連続運転が可能である。
【００７３】
【数１】
上記実施形態では、異常時の指示速度Ｖを正常時の指示速度Ｖの１／２に落としているが、負荷の慣性量や粘性抵抗などによって制限されるトルクが変化するため、指示速度Ｖの制限値は適宜の値に設定することができる。例えば異常時の指示速度を正常時の指示速度Ｖの３／４や１／４に落としてもよい。
【００７５】
図１３に戻り、ステップＳ２〜Ｓ８のサーボ制御の間に第１，第２系統のモータＭ１，Ｍ２の両方に異常が発生すると（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ６：ＹＥＳ）、直流モータ１は正常に動作しないので、ステップ２に戻り、ステップＳ２〜Ｓ４，Ｓ６のループにより演算処理のみが行われる。すなわち、第１，第２系統のモータＭ１，Ｍ２のサーボ制御は停止され、このとき直流モータ１は完全に停止される。
【００７６】
上記のように、直流モータ１は、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの出力を小歯車１０〜１３及び大歯車８，９によりモータシャフト５に合成出力させるとともに、直流低級モータ２０ａ〜２０ｄからの各出力のトルク変動を互いに補完するように低級直流モータ２０ａ〜２０ｄの電機子鉄心２３ａ〜２３ｄの位置を調整するように構成しているので、簡易な構造でトルク変動の少ない直流モータを実現することができる。また、廉価な低級直流モータを複数個組み合わせて構成しているので、同等の制御性能を有する直流モータを単体で構成した場合に比して製造コストが低く、ロボットなどの制御機器に適用した場合、当該制御機器のコスト低減に大きく寄与する。
【００７７】
また、直流モータ１を構成する低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを２つの制御系統に分割してそれぞれ独立に制御するとともに、一方の制御系統に損傷が生じた場合、制御速度を低減して他方の制御系統のみで駆動させるようにしているので、直流モータ１内に損傷が生じた場合にも直ちに駆動を停止することがなく、連続運転をさせることができる。従って、例えば障害者や患者を搬送車からベッドに移送する移載装置等のように、障害者や患者の移送中に駆動停止とならないことが要求される機器に対して好適な駆動モータを提供することができる。
【００７８】
なお、上記実施形態では、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを２個ずつの組に分け、一方の組をケース２の前側の側板２０１に取り付け、他方の組をケース２の後側の側板２０２に取り付ける構成としたが、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄをケース２の前側の側板２０１に取り付け、各モータのモータシャフト２２ａ〜２２ｄを小歯車１０〜１３と大歯車８とで直流モータ１のモータシャフト５に連結するようにしてもよい。この構成では、大歯車９が不要になるとともに、直流モータ１の軸方向の長さが短くなり、コンパクト化が可能になる利点がある。
【００７９】
また、上記実施形態では、４個の低級直流モータ２０ａ〜２０ｄを用いていたが、低級直流モータ２０の数は任意に選ぶことができる。例えば図１において、ケース２の前側に更に側板を追加するとともに、２個の低級直流モータ２０と２個の小歯車と１個の大歯車を追加し、低級直流モータ２０ａ，２０ｂの取付構造と同様の構造で追加した低級直流モータ、小歯車及び大歯車をケース２の追加した側板に取り付けるようにしてもよい。この場合は、低級直流モータ２０の数ｋが６になるので、各低級直流モータ２０の電機子鉄心の相互のずれ角αは、３６０°／（２×３×６）＝１０°となる。
【００８０】
この構成では、モータシャフト５から出力されるトルクが増大するとともに、そのトルク変動がより小さくなり、直流モータ１の高出力化、高安定化が可能となる。なお、低級直流モータ２０を６個用いる場合もこれらをケース２の側板２０１に取り付ける構成にしても良いことは言うまでもない。
【００８１】
また、上記実施形態では低級直流モータとして電機子鉄心の溝数が３、界磁石数が２の直流モータを用いたが、電機子鉄心の溝数および界磁石数はこれらに限定されるものではない。例えば電機子鉄心の溝数は６であってもよく、界磁石数は４であってもよい。また、上記実施形態では低級直流モータとしてステータ側に界磁石を配置し、ロータ側に電機子鉄心とコイルを配置する構成の直流モータを用いたが、ロータ側に界磁石を配置し、ステータ側に電機子鉄心とコイルを配置する構成の直流モータを用いてもよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、直流モータ１を二系統のモータに分けていたが、三系統以上のモータに分け、いずれかの系統のモータが故障した場合、残りの系統のモータで連続運転するようにしても良い。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数個の低級直流モータを、各低級直流モータの電機子鉄心の位置が相互に所定の角度ずつずれるように配置し、これらの低級直流モータの出力を合成して出力するように構成しているので、簡易な構造でトルク変動の少なく、高精度の制御が可能な直流モータを実現することができる。
【００８４】
また、直流モータを構成する複数の低級モータを少なくとも２系統に分け、各系統を独立に制御するとともに、いずれかの系統のモータに異常が生じた場合、その系統のモータを停止させ、速度を落として他の系統のモータだけで駆動を制御するようにしたので、直流モータの一部に損傷などが生じた場合にも完全に停止させることなく連続運転をさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る直流モータの一実施形態の構造を示す左側面図である。
【図２】 本発明に係る直流モータの一実施形態の正面図である。
【図３】 エンコーダの構造を示す縦断面図である。
【図４】 符号板の構造を示す図である。
【図５】 エンコーダから出力されるパルス信号の波形を示すもので、（ａ）は符号板が時計回りに回転した場合の波形図、（ｂ）は符号板が反時計回りに回転した場合の波形図である。
【図６】 本発明に係る直流モータを構成する４個の低級直流モータの電機子鉄心の位置ずれの関係を示す図である。
【図７】 図１５に示す低級直流モータのモータシャフトが安定して停止する位置を示す図である。
【図８】 図１５に示す低級直流モータのトルク変動の波形を示す図である。
【図９】 本発明に係る直流モータを構成する４個の低級直流モータのトルク変動特性を示す図である。
【図１０】 本発明に係る直流モータのトルク変動特性を示す図である。
【図１１】 本発明に係る直流モータの制御回路の第１実施形態の構成を示す図である。
【図１２】 本発明に係る直流モータの制御回路の第２実施形態の構成を示す図である。
【図１３】 第２実施形態に係る制御回路における直流モータの制御手順を示すフローチャートである。
【図１４】 従来の直流モータの基本的な構造を示す図である。
【図１５】 従来の低級直流モータの基本的な構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 直流モータ
２ ケース
２０１，２０２ 側板
２０３〜２０６ 連結板
３，４ 軸受
５ モータシャフト
６ ブラケット
７ エンコーダ
７１ 符号板
７２，７３ 光センサ
７４ エンコーダのケース
８，９ 大歯車（伝達手段）
１０，１１，１２，１３ 小歯車（伝達手段）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 低級直流モータ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ モータシャフト
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 電機子鉄心
２４ 界磁石
３０，３０’ 制御回路（直流モータの制御装置）
３１ 速度／回転位置検出器
３２ 指示速度演算器
３３ 指示電流演算器
３４，３４ａ，３４ｂ ＰＷＭ制御値演算器（制御手段）
３５，３５ａ，３５ｂ ＰＷＭ制御器（制御手段）
３６，３６ａ，３６ｂ 電源供給器（電源供給手段）
３７，３７ａ，３７ｂ モータ電流検出器
３８ 位置速度制御演算器（異常検出手段、駆動制御手段）
Ｍ１ 第１系統のモータ
Ｍ２ 第２系統のモータ
Claims (6)
- ｍ（３以上の整数）個の溝が設けられ、これらの溝にコイルが巻回された電機子鉄心とｎ（２以上の整数）個の界磁石を備えたｋ（２以上の整数）個の低級直流モータと、
上記ｋ個の低級直流モータの各出力が合成されて出力されるモータシャフトと、
上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトを上記モータシャフトに連結する歯車列を有し、この歯車列を介して上記ｋ個の低級直流モータからの各出力を上記モータシャフトに伝達する伝達手段とを備えた直流モータであって、
上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトは、各電機子鉄心の回転位置が３６０／（ｎ×ｍ×ｋ）°の角度ずつ相互にずれるように、上記歯車列によって上記モータシャフトに連結されていることを特徴とする直流モータ。 - 上記低級直流モータの個数ｋは偶数であることを特徴する請求項１記載の直流モータ。
- 上記低級直流モータは、３個の溝を有する電機子鉄心と２個の界磁石を有することを特徴とする請求項１又は２記載の直流モータ。
- 上記歯車列は、上記モータシャフトに固着された１個の大歯車と上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトに固着され、上記大歯車に噛合された同一構造のｋ個の小歯車とからなり、
上記ｋ個の低級直流モータは、ケースの上記モータシャフトを回転自在に保持する側板に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直流モータ。 - 上記歯車列は、上記モータシャフトに所定の間隔を設けて固着された同一構造の第１の大歯車と第２の大歯車と、上記ｋ個の低級直流モータの各モータシャフトに固着され、上記第１の大歯車に噛合された同一構造の（ｋ／２）個の小歯車と上記第２の大歯車に噛合された同一構造の（ｋ／２）個の小歯車とからなり、上記ｋ個の低級直流モータは、上記小歯車で上記第１の大歯車に連結された（ｋ／２）個の低級直流モータが、上記モータシャフトを回転自在に保持するケースの上記第１の大歯車に隣接した第１の側板に取り付けられ、上記小歯車で上記第２の大歯車に連結された（ｋ／２）個の低級直流モータが上記ケースの上記第２の大歯車に隣接する第２の側板に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直流モータ。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の直流モータの駆動を制御する制御装置であって、
複数の制御系統を形成するべく少なくとも２つの組に分けられた上記ｋ個の低級直流モータにそれぞれ直流電源を供給する出力電圧が変更可能な複数の電源供給手段と、
上記直流モータの駆動を制御系統別に制御するべく上記複数の電源供給手段の出力電圧をそれぞれ制御する複数の制御手段と、
いずれかの制御系統に異常が発生したことを検出する異常検出手段と、
上記異常検出手段で異常が検出されると、上記複数の制御手段のうち、当該異常が発生した制御系統に対する制御手段を停止させるとともに、この制御手段以外の制御手段の制御内容を、上記モータシャフトの回転速度が所定の速度に低下するように変更する駆動制御手段と、
を備えたことを特徴とする直流モータの制御装置。
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