JPH05146190A - 直流モータの速度制御装置 - Google Patents

直流モータの速度制御装置

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JPH05146190A
JPH05146190A JP3332499A JP33249991A JPH05146190A JP H05146190 A JPH05146190 A JP H05146190A JP 3332499 A JP3332499 A JP 3332499A JP 33249991 A JP33249991 A JP 33249991A JP H05146190 A JPH05146190 A JP H05146190A
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motor
voltage
circuit
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electromotive force
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Masahiko Sako
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/29Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation
    • H02P7/2913Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation whereby the speed is regulated by measuring the motor speed and comparing it with a given physical value

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 デューティ比制御でモータ速度を制御する際
に、デューティオフの間のモータ起電力から速度に関す
る信号を得てこれでデューティ比を制御する方式があ
る。このときデューティオフの間のモータ起電力を正確
に検出したい。 【構成】 モータ電圧のうち、比較回路に入力しない期
間を、デューティオンの間のみならずその直後にも及ば
せるためにパルス幅引延回路を付加する。また比較回路
に入力する電圧を瞬時値とせず平均値とする平均電圧保
持回路を付加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はデューティ比制御によっ
て直流モータの速度を制御する回路に関する。特にこの
発明は、デューティオフの間に該直流モータに生じる起
電力に相当する電圧から直流モータの速度に関する信号
を得て、これに基づいてフィートバック制御を実行する
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】上記形式の直流モータの速度制御装置の
典型例が図9に示されている。この速度制御装置はスイ
ッチング素子Q1と制御用パルス信号出力回路S1とを
主体として構成されている。スイッチング素子Q1は直
流電源Aと直流モータMに直列に接続されており、オン
されると直流モータMに通電しオフされると通電を停止
する。スイッチング素子Q1がオンしている間はモータ
Mに電源電圧V0が印加される。スイッチング素子Q1
がオフされるとモータMには起電力に相当する電圧Vc
が発生する(図10の(a)と(b)を参照)。ここで
起電力に相当する電圧Vcは、モータMが高速で回転し
ているときほど大きな値となる。
【0003】制御用パルス信号出力回路S1にはこのモ
ータ電圧V1が入力される。モータ電圧V1はまず電圧
保持回路2に入力される。電圧保持回路2にはスイッチ
ング素子Q1のオン・オフを制御する制御用パルス信号
V6が入力されており、制御用パルス信号V6がスイッ
チング素子Q1をオンするレベルにある間は、同素子Q
1をオフしておくレベルからオンしておくレベルに切換
わったときのモータ電圧V1の値を保持しそれを出力電
圧V2とする。スイッチング素子Q1をオフするレベル
にある間は、モータ電圧V1をそのまま出力電圧V2と
する。このため出力電圧V2は図10の(c)に例示す
るように、スイッチング素子Q1がオフされているとき
に直流モータMに生じる起電力に相当する電圧Vcにほ
ぼ等しくなる。従って出力電圧V2はモータMが高速度
のときほど高電圧となる。この出力電圧V2は該定電圧
V3から減じられこの差が増幅回路4で増幅される。従
って増幅された電圧V4は、モータMが高速であるとき
ほど低く、低速であれば高電圧となる。この増幅電圧V
4は比較回路6で変動電圧V5と比較される。ここで変
動電圧V5は図10の(d)に示すように、一定の周期
(これがスイッチング素子Q1のデューティ比の基本周
期となる)で変動する電圧である。比較回路6からは、
増幅された電圧V4(これはモータMが低速のときほど
高い)が変動電圧V5以上のときに、スイッチング素子
Q1をオンさせるレベルにある制御用パルス信号V6を
出力する。図10(d)から明らかに、モータMが低速
となり、増幅電圧V4が高圧になると、V4>V5の期
間が長くなり、スイッチング素子Q1は長くオンするよ
うになる。この結果直流モータMに対するデューティ比
が増大し、モータMが低速になったことを補償して増速
する。逆にモータMが高速になればデュティー比を下げ
てモータMを減速させる。なお図9に示す制御用パルス
信号出力回路S1の回路構成は一例にすぎず、比較回路
6のマイナス入力側に電圧保持回路2の電圧V2を反転
しないでいれたり、あるいは電圧保持回路2の電圧V2
を設定電圧V3と変動電圧V5の加算電圧と比較する等
種々の変形がとりえる。すなわち制御用パルス信号出力
回路S1は、スイッチング素子Q1がオンでないときに
直流モータMに生じる起電力に直接ないしは間接的に相
当する電圧を比較回路6に入力し、その起電力が小さい
ときほど該スイッチング素子Q1をオンさせるレベルに
ある時間幅が広い制御用パルス信号V6を作りそれをス
イッチング素子Q1に出力するものであればよく、これ
によって直流モータMの速度は所定値となるようにフィ
ードバック制御される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術による
場合、電圧保持回路2の出力電圧V2が図10の(c)
に示したものであれば目的どおり作動する。しかしなが
らスイッチング素子Q1がオンからオフした瞬間に直流
モータM中の巻き線のインダクタンスに蓄えられていた
エネルギーがスパイクとして放出され、モータ電圧V1
は図10の(e)に示したように大きく変動する。通常
モータMに並列にツェナーダイオードZDを接続し、ス
パイク電圧を一定の値(図10の場合−VZ)でクリッ
プし、スイッチング素子Q1などの損傷を防止する。そ
こでこのツェナー電圧VZを小さく設定することでスパ
イク電圧を小さくすることができる。しかしながらこの
場合スパイク電圧の時間幅がそれだけ長くなることが指
摘される。保持されたモータ電圧V2は増幅回路4に入
力される。ここで増幅回路は通常積分作用を有する。そ
のため増幅回路4からの出力電圧V4は図10の(f)
に示すように、スパイクの作用を強くうけたのこぎり歯
状の波形となってしまう。ツェナー電圧VZを低くして
も、前述のようにスパイクの時間幅が広がるため、のこ
ぎり歯状の波形となってしまうことにかわりはない。比
較回路6にのこぎり歯状の波形が入力されると、その出
力電圧V6は不安定なものとなってしまう。すなわちモ
ータ速度が低下してもスイッチング素子Q1を必ずしも
長くオンさせず、時には長くオンさせ時には短くオンさ
せる制御用パルス信号を出力してしまう。増幅回路の積
分作用を強くし、増幅電圧を平滑化することでこの問題
を避けようとすると応答速度が低下してしまい、結局速
度を良好に制御することはできない。またモータに生じ
る起電力に相当する電圧Vcは図10(b)に示すよう
にブラシと整流子の接触関係によって短周期で変動し、
さらに様々なノイズを受けやすい。このため電圧保持回
路2でモータの起電力に相当する電圧Vcを保持する際
に、必ずしもモータMに平均的に生じている起電力に相
当する電圧Vcが保持されず、図10(e)の右端に示
すようにノイズが加わった値で保持されてしまうことが
ある。この場合にも比較回路6に、必ずしもモータの起
電力に相当する電圧Vcが入力されないことになる。こ
のように、図9に例示する従来の回路では、ノイズに対
して不安定で、実際上安定したフィードバック制御作用
を営ませることができない。そこで本発明ではスパイク
やノイズ等によって比較回路6にモータ起電力に相当す
る電圧とは異なる電圧が入力されてしまうことを防止
し、安定したフィードバック制御が達成されるようにす
るものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、請求項1の発明では、直流モータへの通電をオン・
オフしてその直流モータの速度をデューティ比制御する
スイッチング素子と、そのスイッチング素子がオンでな
いときにその直流モータに生じる起電力に相当する電圧
を比較回路に入力し、その起電力が小さいときほど該ス
イッチング素子をオンさせるレベルにある時間幅が広い
制御用パルス信号を該スイッチング素子に出力する制御
用パルス信号出力回路とを有する直流モータの速度制御
装置において、該制御用パルス信号出力回路から出力さ
れる制御用パルス信号を入力し、該スイッチング素子を
オンさせるレベルにある時間幅を引延ばし、オフさせる
レベルに切換わるタイミングを遅らせたパルス波を出力
するパルス幅引延回路、該直流モータと該比較回路の間
に接続され、該パルス幅引延回路から出力されるパルス
波が該スイッチング素子をオフさせるレベルにあるとき
に該直流モータに生じている起電力に相当する電圧を保
持する電圧保持回路、とが付加されたことを特徴とする
直流モータの速度制御装置を創作した。また請求項2に
係わる発明では、直流モータへの通電をオン・オフして
その直流モータの速度をデューティ比制御するスイッチ
ング素子とそのスイッチング素子がオンでないときにそ
の直流モータに生じる起電力に相当する電圧を比較回路
に入力し、その起電力が小さいときほど該スイッチング
素子をオンさせるレベルにある時間幅が広い制御用パル
ス信号を該スイッチング素子に出力する制御用パルス信
号出力回路とを有する直流モータの速度制御装置におい
て、該直流モータと該比較回路の間に接続され、該制御
用パルス信号出力回路から出力される制御用パルス信号
が該スイッチング素子をオンさせるレベルにない間に該
直流モータに生じる起電力に相当する電圧を平均して保
持する平均電圧保持回路が付加されたことを特徴とする
直流モータの速度制御装置を創作した。
【0006】
【作用】請求項1に係わる速度制御装置によると、パル
ス幅引延回路が付加されているため、電圧保持回路では
スイッチング素子がオンしているときのみならずオフし
た直後、すなわちスパイクによってモータ電圧が不安定
な間のモータ電圧も保持されない。すなわち電圧保持回
路で保持される値は、スイッチング素子がオフし、スパ
イクによる影響が消失したあとのモータ電圧となる。こ
れはスパイクの影響を受けていないモータの起電力に相
当するものである。このため請求項1の構成によると、
スパイクによる影響をうけていない、モータ起電力に相
当する電圧が比較回路に入力されるのである。請求項2
に係わる発明では、電圧保持回路が単にある瞬間の値を
保持するのではなく、平均した値を保持するものである
ことから、ブラシと整流子との接触関係やノイズ等の影
響によってモータ電圧が時間的に変動していても、保持
される値は平均した値、すなわちノイズなどの影響が除
去された値となる。このため、モータの起電力に相当す
る電圧が比較回路に入力されることになり安定したフィ
ードバック制御作用が営まれる。
【0007】
【実施例】図1は請求項1の発明と請求項2の発明を一
つの制御回路に具現化した回路構成を示している。請求
項1の発明に対応してパルス幅引延回路10が付加さ
れ、請求項2の発明に対応して電圧保持回路2が平均電
圧保持回路2Aに置換されている。この他帰還回路1
(12)と帰還回路2(14)とが付加されている。な
お、パルス幅引延回路10を付加するだけでも、あるい
は電圧保持回路2を平均電圧保持回路2Aに置換するだ
けでも図9に示した従来のものに比して安定したフィー
トバック制御作用を営ませることができる。すなわち、
この実施例は請求項1の発明と請求項2の発明を共に具
現化しているが、必ずしも両発明を共に用いる必要はな
い。まず、第3図を参照してパルス幅引延回路10の回
路構成を説明する。パルス幅引延回路10はダイオード
D1を介してスイッチング素子Q1の制御用パルス信号
V6を入力するCR回路と、そのCR回路の電圧V8を
ツェナダイオードZD1を介してスイッチング素子Q3
のベースに入力する回路と、スイッチング素子Q3のオ
ン・オフを反転させるスイッチング素子Q4を主体とし
て構成されている。コンデンサC4は小容量であり、図
3(c)に示すようにV6がハイとなると急速に充電さ
れ、ローとなると放電される。ツェナーダイオードZD
1は制御用パルス信号V6のハイレベルより低いレベル
VZ1で降状するため、スイッチング素子Q3はV6が
ハイレベルとなった直後にオンし、オフになったあとコ
ンデンサC4が放電してその電圧がVZ1以下になるま
でオンしつづける。このためスイッチング素子Q4のベ
ース電圧V9は図3(d)のように、スイッチング素子
Q1をオンさせるパルス幅が引延ばされたパルス波とな
る。スイッチング素子Q4は、スイッチング素子Q3が
オンするとオフし、オフするとオンすることから、スイ
ッチング素子Q4のコレクタ電圧V7はベース電圧V9
が反転されたものとなる。すなわちコレクタ電圧V7
は、図3(b)に示される制御用パルス信号V6に対
し、オンするタイミングはほぼ同じでオフするタイミン
グが遅らされた、換言すればスイッチング素子Q1をオ
ンさせるレベルにある時間幅が引延ばされたパルス波に
なる。この引延ばされたパルス波V7が平均電圧保持回
路2Aに入力される。平均電圧保持回路2Aは、図2に
示すように、スイッチング素子Q2と抵抗R1とコンデ
ンサC1とで構成されている。前記した引延ばされたパ
ルス波V7はスイッチング素子Q2のベースに入力され
る。このためスイッチング素子Q2はスイッチング素子
Q1がオンしている間とその直後でパルス波が引延ばさ
れた間はオフされる。すなわち図4の(a),(b),
(c)に示すように、スイッチング素子Q2はモータM
に電源電圧が印加されている間とオフされた直後でスパ
イクによる影響が発生している間はオフされる。このた
め、コンデンサC1には図4の(c)に示すモータ電圧
V1のうち、モータMに起電力に相当した電圧Vcが発
生している間(期間T)の電圧のみが印加され、スパイ
クの影響を受けない。従って平均電圧保持回路2Aから
の出力電圧V2は期間T内の平均電圧となる。前述のよ
うに、パルス幅引延回路10によってスパイクの影響が
除かれているので、本実施例のように平均した電圧を保
持しなくとも、V2はほぼ起電力に相当した電圧とな
る。しかし本実施例によると平均化した値が保持される
ので、ノイズ等の影響を受けにくく、さらに安定したフ
ィードバックが得られる。一方本実施例は、電圧保持回
路2Aが単にスイッチング素子Q1がオフからオンに転
じたときのモータ電圧V1を保持するものでないため、
仮りにパルス幅引延回路10が付加されていなくてもス
パイクの影響は平均化されることによってある程度除去
される。すなわち保持回路2を単に瞬時値を保持するだ
けのものでなく、平均した値を保持するものにしたこと
自体によっても従来技術に比して良好な結果を得ること
ができる。
【0008】また本実施例では電圧保持回路2Aが平均
処理のためのコンデンサC1と抵抗R1を有しているた
めに、図4(c)に示す期間T内のモータ電圧Vcが図
4(d)に示すように平均化され、ノイズ等の影響を除
去したモータの起電力に相当した電圧が電位V2に表わ
れるようになっている。
【0009】図2に示されるように、この実施例では変
動電圧回路8として三角波発振器が用いられ、図4
(e)に示す変動電圧V5が出力される。比較回路6の
一方の端子にはこの変動電圧V5が入力される。比較回
路6の他方の端子には増幅電圧V4が入力される。ここ
で増幅電圧V4は、設定電圧V3から平均電圧V2を減
じた電圧を増幅したものである。前述のように平均電圧
V2は、スパイクやノイズの影響を除去したものであ
り、したがって増幅電圧V4もスパイクやノイズの影響
が除去されたものとなっている。すなわち比較回路6に
は、モータの起電力に正確に対応した電圧が入力され
る。このため安定したフィートバック制御が実行され
る。
【0010】次に図2を参照して、帰還回路1について
説明する。この帰還回路1は増幅器4のゲイン調整用抵
抗R3とR2とで構成されており、抵抗R2とコンデン
サC1との間に通常挿入される高インピーダンス素子を
除したことで構成されている。このように通常必要とさ
れている高インピーダンス素子を除してしまうことによ
り、増幅電圧V4と平均電圧V2との間に帰還作用を営
ませることができる。図6(a)はそれを説明するため
の図であり、増幅電圧V4と平均電圧V2は必ずしも等
しくならない。抵抗R2,R3の抵抗値を調整すること
によりV4>V2で平衝するようにしたり、あるいはV
4<V2で平衝するように調整できる。今図6(b)に
示すようにV4>V2で平衝するように調整されている
と、図6(a)の実線に示すように電流が流れ、図7
(c)に示すように平均電圧V2はスイッチング素子Q
2がオフの間徐々に昇圧してゆく。このため、増幅電圧
V4は図7(d)に示すように(点線レベルから実線レ
ベルに示すように)下降しようとする傾向におかれる。
すなわちデューティ比を下げようとする傾向を与えるこ
とができる。このためモータ回転数を一定レベルに維持
するフィートバック制御に付加して、デューティ比を下
げようとする傾向を与えることができ、図5(b)の4
に示すような特性を与えることができる。この直流モー
タMで電動工具を駆動するような場合、通常は特性2に
示すように、工具駆動速度が一定に保たれることが好ま
しいが、工具によっては特性4の方が使い易いこともあ
り、この場合は抵抗R2とR3によってV4>V2で平
衝するようにしてやればよいのである。逆にV2>V4
で平衝させると、図6(c)ないしは(a)の点線に示
すように電流が流れ、図8(c)に示すように平均電圧
V2が減少する傾向を与えることができる。このため増
幅電圧V4は図8(d)の点線から実線に示すように上
昇する傾向から与えられ、デューティ比を大きくする傾
向が付与される。このため、図5(b)の特性3に示す
ような特性を実現することもできる。
【0011】このように本実施例では帰還回路1を付加
することにより、モータ速度を一定に維持しようとする
フィードバック制御にさらに別の制御傾向を付与するこ
とができる。
【0012】最後に帰還回路2について説明する。この
場合、帰還回路2は図2に例示されるように抵抗R4と
R5とで構成されている。すなわちこの帰還回路2は、
設定電圧回路1から出力される電圧V3(これはモータ
を高速度で回転させることを希望するときは高い電圧
に、低速度を希望するときには低い電圧に調整され
る。)に追従して比較回路V5に入力される電圧を変動
させる作用を営む。抵抗R4,R5の抵抗値を調整する
ことによって、図5に示すように設定電圧V3に対する
増幅電圧V4や比較電圧V5のレベルを調整することが
可能となり、帰還回路1による電流の出入りを制御する
ことを可能とする。すなわち増幅器4のゲインを変える
ことなく、図5(b)の3,2,4に示す特性を与える
ことができる。
【0013】なお、パルス幅引延回路の回路構成は例示
のものに限られるものでない。また平均電圧を保持する
回路の構成も当然に実施以外に種々の変形がありえる。
さらに比較回路に入力するまでの回路構成も種々の変形
がとり得、設定電圧と起電力と変動電圧のうちの任意の
2種の組合せを残りの1種と比較することにより、モー
タ速度が低下すると長期間スイッチング素子Q1をオン
させるものであればよい。
【0014】
【発明の効果】本発明のうち請求項1の発明によると、
パルス幅引延回路によって、モータがオンしている期間
のみならず、その直後に発生するスパイクによる影響で
モータ電圧が起電力に相当する電圧になっていない間の
モータ電圧が比較回路に入力されなくなる。また請求項
2の発明によると、保持回路で保持される電圧がノイズ
等によって大きく変動する瞬間値でなく、ノイズ等を除
去した平均電圧となることから、比較回路に入力させた
い起電力に相当する電圧とは異なる電圧が入力されるこ
とが防止される。すなわち、いずれの発明によっても比
較回路に入力される電圧は従来のものに比してより正確
にモータの起電力に相当する電圧となる。このため、本
発明によるとノイズ等の影響を受けにくい安定したフィ
ードバック制御が営まれることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の回路構成図
【図2】図1の回路のうち、平均電圧保持回路と帰還回
路1,2を具体的に示す図
【図3】パルス幅引延回路を具体的に示し、その作用を
説明する図
【図4】図1の回路の作動を説明する図
【図5】帰還回路2の作動と帰還回路1,2によって付
与される特性を示す図
【図6】帰還回路1の作動を説明する図
【図7】帰還回路1の作動を説明する図
【図8】帰還回路1の作動を説明する図
【図9】従来の回路を示す図
【図10】従来の回路の作動を説明する図
【符号の説明】
Q1 スイッチング素子 S1 制御用パルス信号出力回路 10 パルス幅引延回路 2A 平均電圧保持回路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流モータへの通電をオン・オフしてそ
    の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、 そのスイッチング素子がオンでないときにその直流モー
    タに生じる起電力に相当する電圧を比較回路に入力し、
    その起電力が小さいときほど該スイッチング素子をオン
    させるレベルにある時間幅が広い制御用パルス信号を該
    スイッチング素子に出力する制御用パルス信号出力回
    路、 とを有する直流モータの速度制御装置において、 該制御用パルス信号出力回路から出力される制御用パル
    ス信号を入力し、該スイッチング素子をオンさせるレベ
    ルにある時間幅を引延ばし、オフさせるレベルに切換わ
    るタイミングを遅らせたパルス波を出力するパルス幅引
    延回路、 該直流モータと該比較回路の間に接続され、該パルス幅
    引延回路から出力されるパルス波が該スイッチング素子
    をオフさせるレベルにあるときに該直流モータに生じて
    いる起電力に相当する電圧を保持する電圧保持回路、 とが付加されたことを特徴とする直流モータの速度制御
    装置。
  2. 【請求項2】 直流モータへの通電をオン・オフしてそ
    の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、 そのスイッチング素子がオンでないときにその直流モー
    タに生じる起電力に相当する電圧を比較回路に入力し、
    その起電力が小さいときほど該スイッチング素子をオン
    させるレベルにある時間幅が広い制御用パルス信号を該
    スイッチング素子に出力する制御用パルス信号出力回
    路、 とを有する直流モータの速度制御装置において、 該直流モータと該比較回路の間に接続され、該制御用パ
    ルス信号出力回路から出力される制御用パルス信号が該
    スイッチング素子をオンさせるレベルにない間に該直流
    モータに生じる起電力に相当する電圧を平均して保持す
    る平均電圧保持回路が付加されたことを特徴とする直流
    モータの速度制御装置。
JP3332499A 1991-11-20 1991-11-20 直流モータの速度制御装置 Pending JPH05146190A (ja)

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