JPH07123358B2 - 可逆直流モ−タのトルク制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、可逆直流モータの正転から逆転に至るまで
の間、その反動トルク（減速トルクや加速トルク）を一
定に保つことのできる可逆直流モータのトルク制御回路
に関するものである。

この制御回路は、人工衛星等、宇宙飛行体の姿勢制御用
アクチュエータの１つであるリアクション・ホイール用
制御回路として利用できるものである。

［従来の技術］ 直流モータの反動トルクを利用した技術は未だ少なく、
反動トルクは、一定方向に回転する慣性モーメントの大
きな直流モータを、加速または減速することによって得
ていた。

第４図及び第５図は従来の直流モータのトルク制御回路
を示し、第４図において、直流モータ（30）は、加速電
流供給回路（31）、フライホイールダイオード（32）、
チョークコイル（33）、コンデンサ（34）及び減速電流
調整回路（35）、を用いてモータ電流が制御されてい
る。モータ（30）の回転位置はセンサ（36）によって検
出されてスイッチシーケンサ（37）によりサイリスタ又
はトランジスタ（Th1）〜（Th3）を制御して直流モータ
（30）を加速又は減速させる。

この制御回路は、結果的には速度制御を行うこととなる
ため、両方向の反動トルクを得るには、あらかじめ直流
モータ（30）を一定速度で高速回転させておく必要があ
り損失が大きい、また、一定方向回転の間しか反動トル
クを利用できない非可逆なものであるため制御範囲が狭
く、長時間にわたって反動トルクを得ることができな
い。

一方、直流モータの可逆制御は、大きい起動又は減速ト
ルクを利用した精密位置決め制御に使用されているが、
精密位置決め制御では、モータを正転又は逆転させ、目
標値に達したらモータを停止させる。このため、正転か
ら逆転に至るまでの連続トルク制御機能がない。また、
直流モータ自身の慣性モーメントは小さく、制御回路は
発電制動を要しないため４個のトランジスタ・スイッチ
によるブリッジ接続が用いられている。このブリッジ接
続スイッチ型可逆制御回路が第５図に示されており、こ
の回路では、加速・正転時のモータ電流と減速・逆転時
のモータ電流方向が異なるため電流に不連続点が生じ、
正転から逆転に至る間の反動トルクを一定に保つことが
できない。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の直流モータのトルク制御回路では、直流モータを
非可逆的に制御する回路を利用しているため、制御範囲
が狭く、また、比較的高速回転の領域を使用するため、
機械的なエネルギー損失が大きかった。また、可逆制御
回路を用いた場合には、反動トルク一定に保つことがで
きない問題点があった。

この発明は、直流モータの可逆制御回路を利用してトル
クの制御範囲を拡大すると同時に、正転から逆転に至る
間、モータ電流の連続性を確保して、低速回転領域にお
いても必要な反動トルクを得ること、且つ、直流モータ
に蓄えられた機械的なエネルギーを有効利用することを
目的としている。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る可逆直流モータのトルク制御回路は、可
逆直流モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手
段と、入力端子に入力されるモータ電流指令値と上記モ
ータ電流検出手段からのモータ電流検出値との差を積分
した出力を送出する誤差増幅器と、上記モータ電流指令
値がモータ電流検出値より大きい時に上記誤差増幅器か
ら送出される出力値に応じてオン状態となり上記可逆直
流モータへの供給電流をPWM制御により定電流制御する
と共に上記モータ電流検出値がモータ電流指令値より大
きい時には上記誤差増幅器から送出される出力に基づい
て上記供給電流を停止制御する加速電流供給回路と、こ
の加速電流供給回路からの供給電流を平滑化する平滑化
手段と、この平滑化手段により平滑化された電流を上記
可逆直流モータの各相の巻線にそれぞれ供給するための
電流スイッチング素子群と、上記モータ電流指令値がモ
ータ電流検出値より大きい時に上記誤差増幅器から送出
される出力に基づいて飽和モード制御信号を出力すると
共に、上記モータ電流検出値がモータ電流指令値より大
きい時には上記誤差増幅器からの出力に応じて該出力が
大きい順に減速電流オフ制御信号及び電流制限モード制
御信号を出力する減速電流制御回路と、上記飽和モード
制御信号の入力に基づいてオン制御されると共に上記減
速電流オフ制御信号の入力に基づいてオフ制御され、か
つ上記電流制限モード制御信号の入力に基づいて内部抵
抗値を変化し、上記オン制御時にフライホイールダイオ
ードを介して上記平滑化手段と閉回路を形成する減速電
流調整回路と、逆転指令信号の発生時に、所定時間一時
的に上記誤差増幅器の入力端子に強制的にバイアス電圧
を加算して該誤差増幅器の出力を上記減速電流制御回路
から上記減速電流オフ制御信号を送出するレベル以上に
するバイアス制御手段と、上記可逆直流モータの回転位
置を計測するポジションセンサの検出信号に応じて電流
スイッチング素子群の導通制御順序を制御しつつ、逆転
指令信号の発生時は上記ポジションセンサの検出信号に
応じて上記電流スイッチング素子群の導通制御順序を正
転時とは逆の順序で導通制御するスイッチシーケンサと
を備え、上記逆転指令信号の発生時に上記減速電流調整
回路に流れる電流を一時的にオフさせ、その後、上記誤
差増幅器の出力に基づいて上記減速電流調整回路を減速
時の電流制限モードで動作させると共に、モータ電流指
令値が上記モータ電流検出手段からのモータ電流検出値
より再び大きくなった時には、上記加速電流供給回路を
起動させて不足分を補完するように動作させて、正転か
ら逆転に至る間、モータ電流の連続性を確保するように
制御を行うことを特徴とするものである。

［作用］ この発明に係る可逆直流モータのトルク制御回路におい
ては、逆転指令信号の発生時に、スイッチシーケンサに
より、可逆直流モータの回転位置を計測するポジション
センサの検出信号に応じて各相の巻線にそれぞれ供給す
る電流スイッチング素子群の導通制御順序を正転時とは
逆の順序で導通制御すると共に、バイアス制御手段によ
り、所定時間一時的に誤差増幅器の入力端子に強制的に
バイアス電圧を加算して該誤差増幅器の出力を減速電流
制御回路から減速電流オフ制御信号を送出するレベル以
上にすることにより、逆転指令信号の発生時に減速電流
調整回路に流れる電流を一時的にオフさせ、その後、誤
差増幅器の出力に基づいて減速電流調整回路を減速時の
電流制限モードで動作させると共に、モータ電流指令値
がモータ電流検出手段からのモータ電流検出値より再び
大きくなった時には、加速電流供給回路を起動させて不
足分を補完するように動作させて、正転から逆転に至る
間、モータ電流の連続性を確保するように制御を行うこ
とを可能にする。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を説明する。

制御範囲を広くするためには、直流モータを可逆制御回
路によって駆動し、特に正転から逆転に移る時、減速ト
ルクから加速トルクへ、そのトルク値を一定に保ったま
ま連続的に移行できるように工夫することである。

また、制御回路の低電力化をはかるためには、加速時に
於いて、比較的新しい技術であるPWM制御型のプログラ
ム可能な定電流回路を加速電流供給回路として使用し、
減速時に於いては、モータの機械エネルギーを有効利用
することのできる発電制動型のプログラム可能な定電流
回路を減速電流調整回路として利用することが考えられ
る。

これらの点を考慮した本発明の構成を第１図に示した可
逆直流モータのトルク制御回路の原理図に沿って説明す
る。

可逆直流モータ（30）には、各相の巻線に接続された電
流スイッチング素子群（Th1〜Th3）を介してトルク制御
回路（10）接続され、また、該モータの回転軸の近くに
は、回転位置を計測するポジションセンサ（36）が配置
されており、上記電流スイッチング素子群（Th1〜Th3）
の導通制御は、周知のごとく、スイッチシーケンサ（3
7）によりポジションセンサ（36）の検出信号に応じて
制御されるようになされている。

すなわち、モータ（30）が回転する時、回転位置により
ポジションセンサ（36）はオンオフする。このオンオフ
信号は、スイッチシーケンサ（37）に送られ、スイッチ
シーケンサ（37）は、ポジションセンサ（36）によるオ
ンオフ信号の組み合わせに応じて上記電流スイッチング
素子群（Th1〜Th3）の導通制御順序を制御して順番に各
相の巻線に電流を流すことによってモータ（30）を一定
方向に回転させる。

上記スイッチシーケンサ（37）に逆転指令信号が加えら
れると、スイッチシーケンサ（37）は、ポジションセン
サ（36）のオンオフ信号に応じて正転時とは逆の順序で
各相の巻線に電流を流すべく上記電流スイッチング素子
群（Th1〜Th3）の導通制御順序を正転時とは逆の順序で
導通制御してモータ（30）を逆回転させる。

上記トルク制御回路（10）においては、PWM制御により
定電流制御を行う加速電流供給回路（31）が可逆直流モ
ータの加速電流を制御するように設けられていると共
に、該加速電流供給回路の出力側には、その出力電流を
平滑化するチョークコイル（33）、コンデンサ（34）、
及びフライホイールダイオード（32）が接続されてお
り、フライホイールダイオード（32）と直列に減速電流
調整回路（35）が可逆直流モータの減速電流を制御する
ように設けられている。さらにはモータ電流を検出する
ための抵抗器（３）がモータ電流リターンラインに設け
られている。この検出電流信号とモータ電流指令値との
差をとって誤差増幅器（４）に入力する。この誤差増幅
器の出力は加速電流供給回路（31）に送られると共に減
速電流制御回路（６）を経由して減速電流調整回路（3
5）を制御する。

減速電流制御回路（６）は、誤差増幅器の出力に従い、
減速電流調整回路（35）を電流飽和モードと電流制限モ
ードとに切り替える。

上記の構成において、モータ電流がモータ電流指令値を
下回る時は誤差増幅器（４）の出力が大きな負電圧とな
るため加速電流供給回路（31）によるPWM制御によりモ
ータ電流を増加させて加速すると共に、減速電流制御回
路（６）の出力も大きな負電圧となり減速電流調整回路
（35）を電流飽和モードにさせてフライホイールダイオ
ード（32）の動作を助ける。モータ電流がモータ電流指
令値を上回ると誤差増幅器（４）の出力は正電圧となり
加速電流供給回路（31）を停止させ、加速電流を遮断す
ると共に減速電流制御回路（６）の出力である負電圧が
減少するため減速電流調整回路（35）は電流制限モード
となる。これにより可逆直流モータ（30）の逆起電力は
この減速電流調整回路（35）で消散され減速される。

第２図は、反動トルクを一定に保つことのできる本発明
による可逆直流モータのトルク制御回路（10）の実施例
を示す。尚、第１図と同一部分には同一符号を付す。

第２図において、第１図に示した加速電流供給回路（3
1）は、加速電流供給用トランジスタ回路（31a）と、鋸
歯状波発生回路（31b）と、トランジスタ回路（31a）を
制御するPWM用比較器（コンパレータ）（31c）とで構成
されている。この比較器（31c）の非反転入力端子には
鋸歯状波発生回路（31b）が接続されているが、反転入
力端子には誤差増幅器（４）の出力が接続されており、
この誤差増幅器（４）の入力端子（加算点）にはモータ
電流指令信号と、電流検出用差動増幅器（５）の出力が
入力されている。電流検出用差動増幅器（５）の入力端
子には直流モータ（30）のリターンラインに挿入された
抵抗器（３）が接続されている。

誤差増幅器（４）の出力は、PWM用比較器（31c）の反転
入力端子と半波整流回路（6a）の入力端子に接続され、
この半波整流回路（6a）の出力は電流増幅器（6b）を介
して減速電流調整回路（35）内の減速電流調整用トラン
ジスタ回路（35a）に接続されている。

次に動作について説明する。

直流モータ（30）の反動トルクは、モータ電流に比例す
るため、目的とする反動トルクに相当するモータ電流指
令値（電圧値）を、誤差増幅器（４）の加算点に入力す
る。他方、モータ電流は、モータ電流リターンラインに
挿入されたモータ電流検出抵抗器（３）によって電圧値
として検出され、電流検出用差動増幅器（５）を経由し
て誤差増幅器（４）の加算点に帰還されている。

即ち、誤差増幅器（４）は、モータ電流指令値と、実際
に流れているモータ電流値との差を積分する。モータ電
流指令値に比べ実際に流れているモータ電流値の方が小
さいと、誤差増幅器（４）の出力は負電圧となり、逆
に、モータ電流値の方が大きいと、誤差増幅器（４）の
出力は正電圧となり、共に時間に伴って増大する。

半波整流回路（6a）は、誤差増幅器（４）の出力が負電
圧の時、零電圧を出力し、正電圧の時は、負電圧を出力
する。

電流増幅器（6b）の入力部には、常時、減速電流調整用
トランジスタ回路（35a）を飽和状態とするための正の
バイアス電源（6c）が印加されているが、半波整流回路
（6a）の出力によって、そのバイアス電圧の深さが軽減
される。従って、電流増幅器（6b）の入力部が正電圧に
深くバイアスされると、電流増幅器（6b）の出力は負電
圧が大きくなり、減速電流調整用トランジスタ回路（35
a）を飽和状態、即ちオンにする。逆に、入力部の正電
圧が軽減されると、その出力は負電圧が小さくなり、ト
ランジスタ回路（35a）を電流制限状態にする。

一方、PWM用比較器（31c）によって、誤差増幅器（４）
の出力と鋸歯状波発生回路（31b）の出力とを比較す
る。PWM用比較器（31c）の出力（正電圧）パルス時間幅
は、誤差増幅器（４）の負電圧出力が大きくなればなる
ほど長くなるため、誤差増幅器（４）の負出力に比例す
ることになる。逆に、誤差増幅器（４）の出力が正電圧
となると、PWM用比較器（31c）の出力は零電圧となり、
パルスは出力されなくなる。すなわち、この場合、PWM
用比較器（31a）の出力は第６図に示すようになる。従
って、PWM用比較器（31c）の出力はトランジスタ回路
（31a）をオン／オフ・スイッチングするかオフにする
かのいずれかとなる。

上記の動作をまとめると、モータ電流の方がその指令値
よりも小さく、従って誤差増幅器（４）の出力が負電圧
でありPWM用比較器（31c）の出力が正電圧の間、加速電
流供給用トランジスタ回路（31a）がオン状態となり、
チョークコイル（33）を経由して可逆直流モータ（30）
にモータ電流が供給されて加速状態が得られると共に、
この時、半波整流回路（6a）の出力は零であり、従って
電流増幅器（6b）の負電圧出力が大きくなるため減速電
流調整用トランジスタ回路（35a）はオン状態となり飽
和スイッチモードとなっている。すなわち、減速電流制
御回路（６）の入出力特性は第７図に示すようになって
いる。このトランジスタ回路（35a）がオン状態になる
と、スイッチングレギュレータとしてのトランジスタ回
路（31a）を経由したパルス電流はチョークコイル（3
3）及びコンデンサ（34）により平滑化されるが、この
チョークコイル（33）に蓄積されるエネルギーはフライ
ホイールダイオード（32）及びトランジスタ回路（35
a）を介して流れるようになっている。

このようにPWM制御により定電流制御を行う加速電流供
給回路（31）の動作によって、モータ電流指令値を基準
とした電流が可逆直流モータ（30）に供給され加速され
る。

次に、逆方向にトルクを発生させる場合、逆転指令信号
をスイッチシーケンサ（37）とワンショットパルス発生
回路（８）に加える。この逆転指令信号によりスイッチ
シーケンサ（37）は、上記電流スイッチング素子群（Th
1〜Th3）の導通制御順序を正転時とは逆の順序で導通制
御して各相の巻線に流れる電流を正転時とは逆に制御す
ることによりモータ（30）を逆回転させる。また、逆転
指令信号が加えられると、誤差増幅器（４）の出力は第
８図のように変化する。すなわち、リセット用バイアス
電源（７）、ワンショット・パルス発生回路（８）及び
FET（９）でなるバイアス制御手段によって、誤差増幅
器（４）の加算点に負のリセット用バイアス電源（７）
がワンショットの時間幅だけ一時的に加算されるため、
誤差増幅器（４）の入力は負となり、その出力は強制的
に正電圧に大きく振られる。このため、比較器（31c）
の出力は負となり加速電流供給用トランジスタ回路（31
a）は一時オフ状態となり、また、半波整流回路（6a）
の出力が負になるので電流増幅器（6b）の出力は零に近
付き減速電流調整用トランジスタ回路（35a）も一時オ
フ状態となる。この状態では、モータ電流は一時的に流
れなくなるが、上記ワンショット・パルスが終了した直
後にはモータ電流が指令電流値より小さくなるので、誤
差増幅器（４）が、その出力を正電圧から零電圧に戻し
始める。

これによって、半波整流器（6a）の負出力は小さくなり
電流増幅器（6b）の出力が負となって減速電流調整用ト
ランジスタ回路（35a）のみがオフ状態を脱して電流制
限動作状態を呈する。これは、誤差増幅器（４）の出力
は正電圧から零電圧に近付いている途中であるので比較
器（31c）の出力は正にならないからである。

このようにトランジスタ回路（35a）が電流制限モード
にある時、可逆直流モータ（30）は発電機モードとなっ
ているため、モータ電流がトランジスタ回路（35a）及
びフライホイールダイオード（32）に流れ、トランジス
タ回路（35a）でモータのエネルギを消費し始めるが、
モータ電流が指令電流値より多くなってくると、誤差増
幅器（４）の出力が再び正電圧側に振られるため、電流
増幅器（6b）の負出力は大きくならずトランジスタ回路
（35a）の電流制限作用は大きくなりモータ電流が減少
する。このようにして発電制動による定電流減速が行わ
れる。

発電制動により可逆直流モータ（30）の回転速度が遅く
なると、発電機としての能力が不足するため抵抗器
（３）の検出電流値は小さくなり、減速電流調整用トラ
ンジスタ回路（35a）は電流制限モードから飽和スイッ
チモードに移行するが、それでもなおモータ電流が指令
値より小さいと、誤差増幅器（４）の出力は負電圧とな
って、トランジスタ回路（31a）を起動し、電流不足分
を補いながら定電流加速を始める。

このように逆転指令信号を与えてからは、可逆直流モー
タ（30）は、まず減速状態を呈し、その後、加速状態を
呈してから逆転することとなる。これにより反動トルク
を一定に保つ。

第３図は、この可逆直流モータ（30）のトルク制御回路
（10）によって、可逆直流モータ（30）を実際に駆動し
た時の、回転方向・速度対モータ電流値を示すものであ
り、図から分かるように、減速から回転速度が零に至る
途中においてモータ電流値が一時的に減少するが、これ
は上述した誤差増幅器（４）の積分時間を短くすること
により無くすことができる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、逆転指令信号の発生時
に、スイッチシーケンサ（37）により、ポジションセン
サ（36）のオンオフ信号に応じて正転時とは逆の順序で
各相の巻線に電流を流すべく電流スイッチング素子群
（Th1〜Th3）の導通制御順序を正転時とは逆の順序で導
通制御してモータ（30）を逆回転させると共に、バイア
ス制御手段により、所定時間一時的に誤差増幅器の入力
端子に強制的にバイアス電圧を加算して該誤差増幅器の
出力を減速電流制御回路から減速電流オフ制御信号を送
出するレベル以上にすることにより、逆転指令信号の発
生時に減速電流調整回路に流れる電流を一時的にオフさ
せ、その後、誤差増幅器の出力に基づいて減速電流調整
回路を減速時の電流制限モードで動作させると共に、モ
ータ電流指令値がモータ電流検出手段からのモータ電流
検出値より再び大きくなった時、すなわち発電制動電流
が定電流より不足した時には、加速電流供給回路を起動
させて不足分を補完するように動作させて、正転から逆
転に至る間、モータ電流の連続性を確保するよう制御を
行うようにしたので、加速時と減速時のモータ電流値を
一定に保ち、正転から逆転に移るとき、減速トルクから
加速トルクへ、その反動トルク値を一定に保ったまま連
続的に移行できるので、トルクの制御範囲を拡大でき、
また比較的低回転領域においても必要な反動トルクが得
られ、且つ直流モータに蓄えられた機械的なエネルギー
を有効利用できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明にかかる可逆直流モータのトルク制
御回路の基本概念を示す図、 第２図は、第１図に示したこの発明の基本概念の実施例
を示す回路図、 第３図は、第１図及び第２図の可逆直流モータのトルク
制御回路によって可逆直流モータを実際に駆動した時の
モータ電流値を示す図、そして 第４図及び第５図は、従来の可逆直流モータのトルク制
御回路を示す回路図、 第６図と第７図及び第８図は、それぞれ第２図のPWM用
比較器（31a）の出力特性と、減速電流制御回路（６）
の入出力特性及び誤差増幅器（４）の出力特性を示す説
明図である。 図中、（10）はトルク制御回路、（30）は可逆直流モー
タ、（31）はPWM定電流制御の加速電流供給回路、（31
a）は加速電流供給用トランジスタ回路、（31b）は鋸歯
状波発生回路、（31c）はPWM用比較器、（32）はフライ
ホイールダイオード、（33）はチョークコイル、（34）
はコンデンサ、（35）は減速電流調整回路、（35a）は
減速電流調整用トランジスタ回路、（３）は電流検出用
抵抗器、（４）は誤差増幅器、（６）は減速電流制御回
路、（6a）は半波整流回路、（6b）は電流増幅器、（6
c）はバイアス電源である。 尚、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可逆直流モータに流れる電流を検出するモ
   ータ電流検出手段と、 入力端子に入力されるモータ電流指令値と上記モータ電
   流検出手段からのモータ電流検出値との差を積分した出
   力を送出する誤差増幅器と、 上記モータ電流指令値がモータ電流検出値より大きい時
   に上記誤差増幅器から送出される出力値に応じてオン状
   態となり上記可逆直流モータへの供給電流をPWM制御に
   より定電流制御すると共に上記モータ電流検出値がモー
   タ電流指令値より大きい時には上記誤差増幅器から送出
   される出力に基づいて上記供給電流を停止制御する加速
   電流供給回路と、 この加速電流供給回路からの供給電流を平滑化する平滑
   化手段と、 この平滑化手段により平滑化された電流を上記可逆直流
   モータの各相の巻線にそれぞれ供給するための電流スイ
   ッチング素子群と、 上記モータ電流指令値がモータ電流検出値より大きい時
   に上記誤差増幅器から送出される出力に基づいて飽和モ
   ード制御信号を出力すると共に、上記モータ電流検出値
   がモータ電流指令値より大きい時には上記誤差増幅器か
   らの出力に応じて該出力が大きい順に減速電流オフ制御
   信号及び電流制限モード制御信号を出力する減速電流制
   御回路と、 上記飽和モード制御信号の入力に基づいてオン制御され
   ると共に上記減速電流オフ制御信号の入力に基づいてオ
   フ制御され、かつ上記電流制限モード制御信号の入力に
   基づいて内部抵抗値を変化し、上記オン制御時にフライ
   ホイールダイオードを介して上記平滑化手段と閉回路を
   形成する減速電流調整回路と、 逆転指令信号の発生時に、所定時間一時的に上記誤差増
   幅器の入力端子に強制的にバイアス電圧を加算して該誤
   差増幅器の出力を上記減速電流制御回路から上記減速電
   流オフ制御信号を送出するレベル以上にするバイアス制
   御手段と、 上記可逆直流モータの回転位置を計測するポジションセ
   ンサの検出信号に応じて電流スイッチング素子群の導通
   制御順序を制御しつつ、逆転指令信号の発生時は上記ポ
   ジションセンサの検出信号に応じて上記電流スイッチン
   グ素子群の導通制御順序を正転時とは逆の順序で導通制
   御するスイッチシーケンサと を備え、上記逆転指令信号の発生時に上記減速電流調整
   回路に流れる電流を一時的にオフさせ、その後、上記誤
   差増幅器の出力に基づいて上記減速電流調整回路を減速
   時の電流制限モードで動作させると共に、モータ電流指
   令値が上記モータ電流検出手段からのモータ電流検出値
   より再び大きくなった時には、上記加速電流供給回路を
   起動させて不足分を補完するように動作させて、正転か
   ら逆転に至る間、モータ電流の連続性を確保するように
   制御を行うことを特徴とする可逆直流モータのトルク制
   御回路。