JPS6011551B2 - 直流モ−タの速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転速度制御時のトルク、すなわち制御最大
トルクならびに起動トルクを大きくすることができ、し
かも、半導体集積回路化に好適な直流モータの速度制御
装置に関する。

電子ガバナと称される小型直流モータの速度制御装置は
、直流モータの回転速度に比例して駆動コイルに生じる
逆起電圧と基準電圧とを比較し、両者の差電圧によって
制御動作を実行するものであるが、モ−夕の端子間に生
じる電圧は通常逆起電圧そのものではなく、巻線抵抗な
どからなる内部抵抗による電圧降下分が含まれたもので
ある。

したがって、モータの端子間から逆起電圧のみをとり出
し正確な速度制御動作をなすためには、速度制御装置の
構成を抵抗ブリッジ構成とするのが一般的であった。な
お、抵抗ブリッジ構成の速度制御装置においては、ブリ
ッジの構成主体となる抵抗の値を所定値に正しく選定す
ることが極めて大切である。

‐ところで、近年各種の回路装置が半導体集積回路化さ
れつつあり、上記の直流モータの速度制御装置もまた半
導体集積回路化されつつあるが、抵抗の値を所定値に選
定することが重要である抵抗ブリッジ構成の速度制御装
置を半導体集積回路化しようとした場合、ブリッジ構成
用の抵抗をばらつきの大きな拡散抵抗によって形成する
ことは困難であり、このブリッジ構成用の抵抗は外付け
とされる。このため半導体集積回路の外部導出線数が増
加する不都合は避けられなかった。このような不都合を
排除することのできる速度制御装置の構成として第１図
で示す抵抗ブリッジを変形した構成が考えられる。

第１図において、点線枠内の回路部分が半導体集積回路
化される部分であり、図示する制御回路部１、基準電圧
発生回路部２、電流制限回路部３、定電流回路部４なら
びに電流分配回路部５が単一の半導体基板内へ作り込ま
れることになる。

そして、電源電圧印加端子６、出力端子７および調整抵
抗接続端子８の３つの端子が外部導出端子とされている
。さらに、出力端子７に直流モータ９か接続され、調整
抵抗１０が端子８と接地点との間に接続されている。以
上の構成からなる速度制御装置では、出力端子７と調整
抵抗接続端子８の間に直流モータの逆起電圧Ｅａに比例
する基準電圧Ｖｒｅｆを発生させ、この電圧が逆起電圧
Ｅａと等しくなるように調整抵抗１川こおける電圧降下
を変化させる回路動作が実行される。

例えば外乱により直流モータ９の内部抵抗Ｒａによる電
圧降下が変動した場合、電流分配回路５により調整抵抗
１０もこ流し込む電流を変化させて調整抵抗１川こよる
電圧降下を変化させ基準電圧Ｖｒｅｆと逆起電圧Ｅａと
を等しく保つ動作が実行され、直流モータの回転速度変
動が抑制される。しかしながら、この速度制御装置によ
り直流モータの速度制御を行った場合、大きな起動トル
クが得難くモータの回転速度が所定値となるまでにかな
りの時間を要すること、また、制御最大トルクが小さい
ことなどの問題が派生するのであつた。

本発明は以上説明してきた従来の直流モータの制御装置
における不都合に鑑みてなされたもので、半導体集積回
路化に好適な構成を具備するとともに、大きな起動トル
クと大きな最大制御トルクをうろことのできる直流モー
タの速度制御装置を提供するものである。

以下に本発明の速度制御装瞳の構成の１例を示す第２図
を参照して本発明を詳細に説明する。

図示する本発明の速度制御装置において、ＮＰＮ型トラ
ンジスタ１ １，１２，１３は同じ特性を有し、そのベ
ースはトランジスタ１４のェミッタに接続されたェミッ
タ抵抗１５の１端に接続されている。

また、これらのトランジスタのェミツタ抵抗１６，１７
，１８も同じ値に選定されており、これらの回路要素に
よって直流モータ９に流れるモータ電流ｌａのカレント
ミラー回路が形成されている。また、トランジスタ１１
のコレクタは端子１９、抵抗２０を介して電流端子２１
へ接続され、残るトランジスタ１２および１３のコレク
夕は共通接続されて端子２２へ接続され、この端子２２
と電源端子２１との間に直流モータ９が接続されている
。トランジスタ２３と２４は差動増幅器を形成するＰＮ
Ｐトランジスタであり、トランジスタ２３のベースは端
子２２へ接続されている。一方、トランジスタ２４のベ
ースは基準電圧源２５のマイナス側様子に接続されてお
り、これらのトランジスタのコレクタにはカレントミラ
ー接続されたトランジスタ２６と２７のコレクタがそれ
ぞれ接続されている。さらに基準電圧源２５のマイナス
側端子にはェミツタがトランジスタ２３のベースに、コ
レク夕がトランジスタ１１のコレク外こ接続されたトラ
ンジスタ２８のベースが接続されている。また、トラン
ジスタ２７のコレクタにはェミッタが定電流源２９を介
して端子２１に接続され、コレクタが接地端子３０に接
続されるＰＮＰ型トランジスタ３１のベースが接続され
ている。そして、カレントミラー回路を形成するトラン
ジスター１〜１３のベースがエミツタに接続されるトラ
ンジスタ１４は、そのコレクタが端子２１に、ェミッタ
が抵抗１５を介して接地され、さらにベースがトランジ
スタ３１のェミツタに接続されている。なお、図中３２
は可変抵抗、３３および３４は定電流を流すための定電
流源である。以上の構成からなる本発明の速度制御装置
によれば、直流モータの回転速度に変動が生じた場合以
下のような回路動作が実行されこの変動が抑制される。

たとえば、直流モータ９の回転速度が増す方向の変動が
生じたとすると、直流モータ９の逆起電圧Ｅａが高くな
りこのため端子２２の電位が低下する。

かかる端子２２の電位低下により差動増幅器を形成する
トランジスタ２３のベースバイアスが深くなりそのコレ
クタ電流が増加し、トランジスタ２６のコレクタ電流も
増加する。また、カレントミラーを構成するトランジス
タ２７のコレクタ電流も増加するが、このコレクタ電流
の増加によってコレクタに引き込まれる電流すなわちＰ
ＮＰ型トランジスタ３１のベース電流が増加し、またそ
のェミツタ電流も増加する。したがって、トランジスタ
１４のベース電流が減少し、そのェミッタにベースの接
続されたトランジスタ１１〜１３のコレクタ電流が減少
する。この結果、直流モータ９のモータ電流が減少して
その回転速度を低下させる方向の制御が実行される。ま
た、直流モ−夕９の回転速度が低下する方向の変動が生
じた場合には、上記の回路動作とは逆の回路動作が実行
され回転速度を高める方向の制御動作が実行される。と
ころで、かかる本発明の速度制御装置によって速度制御
のなされる直流モータの制御最大トルクと起動トルクは
極めて大きな値となる。

制御最大トルクは定格回転数を維持する最大の負荷トル
クであり、この値が最大になるのは端子２２の電圧が最
小の時となる。したがって、トランジスタ１１〜１３が
飽和すれば制御最大トルクは大きくなる。本発明の速度
制御装置ではトランジスタ１１〜１３のベース電流を供
給するトランジスタ１４のコレクタは電源端子２１へ接
続されている。

このため、トランジスタ１４はトランジスタ１１〜１３
を飽和させうるベース電流を供給することが可能であり
、このベース電流が供尊給されたときの制御最大トルク
０ｍ松は次式であらわされる。？ｍ磯：Ｋｔ．ＶＣＣ−
Ｅａ。−Ｖ。ｅ…”【１ーＲａ．十Ｒｅ。ここで、Ｋｔ
は直流モータのトルク定数、Ｖｃｃは端子２１に印加さ
れる電源電圧、Ｅａ。

は定格回転速度における逆起電圧、Ｖ技はトランジスタ
１２，１３のコレクタェミツタ間飽和電圧、Ｒｅは直流
モータの内部抵抗そしてＲ知は抵抗１７，１８の合成抵
抗値である。したがって、第２図で示す装置において、
Ｋｔが１００タ肌／Ａ、Ｖ広が４．２Ｖ、Ｖｃｅが０．
５Ｖ、Ｅａ。が２．５Ｖ、Ｒａが５０そしてＲｅ。がＩ
Ｑとすると制御最大トルクＪＭｘは第｛１１式より、？
ｍ松ニ１００×４．２一２．５一０．５ニ２０（タ弧）
５十１となる。

従来の速度制御装置では、トランジスタ１２，１３に相
当するトランジスタに対して、これを十分に飽和させう
るベース電流の供給ができず、このような状態の下では
Ｖｃｅが１．３Ｖ〜１．５Ｖ程度と大きく、Ｋｔ，Ｖｃ
ｃ，Ｅの，ＲｅａならびにＲｅａが上記の値と同一であ
るときの制御最大トルク０ｍａｘは、？ｍ松＝１００×
４．２一２．５一１．３＝６．７（タ弧）５十１となる
。

すなわち、トランジスタ１２，１３へ十分なべース電流
を供給することのできる本発明の速度制御装置における
制御最大トルクは、べ−ス電流を十分に供給することが
できない速度制御装置の制御最大トルクよりもはるかに
大きな値となる。

さらに、本発明の速度制御装置では起動トルクも大きな
値となる。すなわち直流モータ９をロックした場合、直
流モ−夕の逆起電力は零となり、端子２２の電位は上昇
する。この電位変化によってトランジスタ２３のベース
バイアスが浅くなりそのコレクタ電流が減少する。

この結果トランジスタ３１のベース電流が減少、トラン
ジスタ１４のベース電流が増加、そしてトランジスタ１
１〜１３のベース電流も増加する回路状態が成立してト
ランジスタ１１〜１３のコレクタ電流もまた増加すると
ころとなり端子２２の電位が低下する。したがって直流
モータ９には大きな電流が流れる。なお、トランジスタ
１１のェミツタ面積とトランジスタ１２，１３のヱミッ
タ面積の和との比を１：Ｋ（整数）すなわちカレントミ
ラー比をＫとすると、端子１９にはモータ電流の１／Ｋ
の電流が流れる。

したがって、抵抗２０の値を直流モ−夕９の内部抵抗Ｒ
ａのＫ倍の値に選定するならば抵抗２０と直流モータ９
の内部抵抗Ｒａによる電圧降下は等しくなり端子１９と
２２の電位は等しくなる。すなわち直流モータの内部抵
抗Ｒａによる電圧降下が補償される。ところで、この回
路状態におけるトランジスタ２３と２４のベース電位は
等しくなく、トランジスタ２４のベース電位はトランジ
スタ２３のベース電圧よりも基準電圧Ｖｒｅｆ分だけ低
くなる。このため、トランジスタ２４とベースが共通接
続されているトランジスタ２８にバイアス電圧が発生し
、トランジスタ２８にはコレクタ電流が流れる。トラン
ジスタ２８のコレクタは、図示するようにトランジスタ
１１のコレクタと共通接続されており、したがって、ト
ランジスタ１１のコレクタ電流はトランジスタ２８のコ
レクタ回路からも供給されるところとなり、電源端子２
１から抵抗２０を通してトランジスタ１１のコレクタ回
路に供給される電流は減少する。このため、抵抗２０‘
こおける電圧降下が少なくなり、トランジスタ２４のベ
ース電圧の低下ならびに基準電圧源のマイナス側電圧の
低下を抑制する効果が奏され、直流モータの起動時ある
いはロック時の電流を増大させる効果が奏される。さら
に、ダイオード３５，３６を第２図のごとく接続すれば
端子１９の電圧は低下せず、基準電圧源の負側電圧の低
下を抑制するため、トランジスタ２４のベース電圧もあ
まり低下しない。因みに、トランジスタ２８がない場合
には、トランジスタ１１のコレクタ電流は全て抵抗２０
を通して流れ、このため抵抗２０の電圧降下が増大して
端子１９の電圧が低下する。したがって、基準電圧源の
マイナス側の電位が低下し、トランジスタ２４のベース
バイアスが深くなり、トランジスタ３１にはトランジス
タ２４を介してベース電流が流れ、トランジスタ３１が
導適する。このため、トランジスタ１４のベース電流が
減少し、そのェミツ外こベースが接続されたトランジス
タ１２，１３のベース電流も減少するところとなり、直
流モータの起動時あるいはロック時の駆動電流が低下し
、大きな起動トルクを得ることが不可能となる。すなわ
ち、トランジスタ２８は上記のように直流モータの起動
時あるいは〇ツク時の起動トルクを大きくするために必
要な回路要素である。

第３図は、以上説明してきた本発明の速度制御装置と従
来の速度制御装置によって直流モータの速度制御を行な
った場合の負荷トルクに対する直流モータの回転数の関
係を示す図であり、Ａは従来の速度制御装置を用いた場
合の変化を、Ｂは本発明の速度制御装置を用いた場合の
変化を、またＣは本発明の速度制御装置からトランジス
タ２８を除いた構成の速度制御装置を用いた場合の変化
をそれぞれ示す。直流モータの起動トルクは、周知のよ
うに起動時の駆動電流に比例し、したがって、直流モー
タの起動時あるいはロック時に大きな駆動電流を流すこ
とのできる本発明の速度制御装置を用いた場合、第３図
の特性線Ｂで示すように極めて大きな起動トルクを得る
ことができる。

また、定格回転数Ｒｒからはずれる負荷トルク（制御最
大トルク）も従来の速度制御装置を用いた場合のよりも
はるかに大きくなる。かかる本発明の速度制御装置によ
り速度制御がなされるモータを、たとえばレコードプレ
ーヤのターンテーブル駆動に使用するならば、定格回転
数に達するまでの立上り時間が極めて短い敵性能なしコ
ードプレーャが実現される。

また、テープレコーダのテープ駆動用として用いるなら
ば、テープの摩擦が大きくなりモー夕の負荷が増大した
としても、このことによりモータがロックされることの
ないテープ駆動が可能になる。以上説明してきたところ
から明らかなように、本発明の構成による速度制御装置
は、モータの起動トルクならびに制御最大トルクを極め
て大きくでき、モータがロックされず、しかも回転数の
立上りの遠い高性能のモータを提供することができる。

さらに、これを半導体集積回路化する場合、第２図の点
線枠内の回路部分が単一の半導体基板内へ作り込まれる
部分であるため、外部端子数が図中１９，２２，３０な
らびに電源端子２１に繁る端子の４個でよく、半導体集
積回路化に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の直流モータの速度制御装置の構成を示す
ブロック図、第２図は本発明の直流モータの速度制御装
置の具体的な構成を示す回路図、第３図は従来の速度制
御装置、本発明の速度制御装置、ならびに本発明の速度
制御装置から１個のトランジスタを排除した速度制御装
置を用いて直流モータの速度制御を行なった場合の回転
数とトルクの関係を示す図である。 ９・・・・・・直流モータ、１１，１４・・・・・・Ｎ
ＰＮ型トランジスタ、１２，１３・・・・・・直流モー
タ駆動用のＮＰＮ型トランジスタ、１５〜１８・・・・
・・ェミツタ抵抗、１９，２２，３０・・・・・・外部
端子、２０・…・・抵抗、２１…・・・電源端子、２３
，２４・・・・・・差動増幅器用ＰＮＰ型トランジスタ
、２５・・・・・・基準電圧源、２６，２７……カレン
トミラー接続されたＮＰＮ型トランジスタ、２８，３１
・・・・・・ＰＮＰ型トランジスタ、２９，３３，３４
・・・・・・定電流源、３２……速度調整用可変抵抗。 第１図第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コレクタが抵抗を介して電源端子へ接続され、エミ
   ツタが抵抗を介して接地された第１のＮＰＮ型トランジ
   スタ、同第１のＮＰＮ型トランジスタとベースが共通接
   続されてカレントミラー回路を構成し、前記電源端子に
   一端が接続された直流モータの他端にコレクタが接続さ
   れ、エミツタが抵抗を介して接地された直流モータ駆動
   用のＮＰＮ型トランジスタ、エミツタが共通接続されて
   電流源に繁り、一方のベースが前記直流モータの他端に
   、他方のベースが前記第１のＮＰＮトランジスタのコレ
   クタにプラス側端子が接続された基準電圧源のマイナス
   側端子にそれぞれ接続された２個のＰＮＰ型トランジス
   タよりなる差動増幅器、同差動増幅器の出力がベースに
   接続されるとともにエミツタが定電流源を介して前記電
   源端子へ接続され、コレクタが接地された第１のＰＮＰ
   型トランジスタ、同第１のＰＮＰ型トランジスタのエミ
   ツタにベースが、前記電源端子にコレクタがそれぞれ接
   続され、さらにエミツタが抵抗を介して接地されるとと
   もに前記第１のＮＰＮ型トランジスタのベースに接続さ
   れる第２のＮＰＮ型トランジスタ、ベースが前記基準電
   圧源のマイナス側端子に、コレクタが前記第１のＮＰＮ
   型トランジスタのコレクタに、エミツタが前記直流モー
   タの他方の端子にそれぞれ接続された第２のＰＮＰ型ト
   ランジスタ、および前記直流モータの他方の端子と前記
   第１のＮＰＮ型トランジスタのコレクタとの間に接続さ
   れた速度調整用可変抵抗を備えてなることを特徴とする
   直流モータの速度制御装置。 ２ 直流モータ駆動用のＮＰＮ型トランジスタがエミツ
   タにそれぞれ同一値の抵抗が接続された複数個のＮＰＮ
   型トランジスタの並列接続体であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の直流モータの速度制御装置
   。 ３ 直流モータ駆動用のＮＰＮ型トランジスタのエミツ
   タ面積の総和が、第１のＮＰＮ型トランジスタのエミツ
   タ面積のＫ（整数）倍に、また、第１のＮＰＮ型トラン
   ジスタのコレクタと電源端子間に接続される抵抗の値が
   直流モータの内部抵抗のＫ倍に選定されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の直流モータの速
   度制御装置。