JPS6333390B2

JPS6333390B2 -

Info

Publication number: JPS6333390B2
Application number: JP56044510A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Oota; Isao Yoshida; Hiromitsu Nakano
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-03-25
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1988-07-05
Also published as: JPS57160381A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は広範囲に回転速度を可変でき、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。

この種の装置の原理は直流モータの逆起電圧を
利用するようにしたものである。第１図にその原
理図を示す。

図中、５は直流モータであり、等価回路として
直流モータの巻線抵抗をRa、逆起電圧をEaと表
わす。巻線抵抗Ra、抵抗器１、抵抗器２および
抵抗器３とでブリツジ回路を構成している。抵抗
器１、抵抗器２、抵抗器３の抵抗値をそれぞれ
R₁，R₂，R₃とするとブリツジの平衡条件 Ra／R₃＝R₁／R₂ ……(1) が成立しているときは、図中のブリツジ検出端子
ａ，ｂ間の電圧は、回転速度のみに依つてモータ
巻線電流には依存しない。

この電圧と基準電圧源４によつて与えられる基
準電圧Vrefとの差電圧が増幅器６で増幅される。
ブリツジ回路と電源端子８との間の給電回路に挿
入した給電制御用トランジスタ７のベースを増幅
器６の出力に接続し、前記差電圧がトランジスタ
７のベース電流を加減して直流モータ５の速度制
御が行なわれる。すなわち、直流モータ５の回転
速度が上昇した時には直流モータ５の逆起電圧
Eaが上昇することによつてａ点の電圧が下がり、
増幅器６の反転入力の電圧が下がる。この結果、
増幅器６の出力の吸込み電流は減少し、トランジ
スタ７のコレクタ電流は減少する。したがつて、
直流モータ５に流れる電流が減少するためその回
転速度は低下する。直流モータ５の回転速度が低
下した場合は、上記とは逆の動作が実行されて回
転速度を高める方向の制御がなされ、これらの制
御で直流モータの回転速度を一定に保つ速度制御
がなされる。

第２図は、第１図の原理図で示した直流モータ
速度制御回路の具体的な回路例を示す図である。
基準電圧源をダイオード４１で構成するととも
に、増幅器６を１個のトランジスタ６１を使用し
て構成している。すなわち、給電制御用トランジ
スタ７、ダイオード４１、トランジスタ６１を構
成主体として直流モータ速度制御回路を構成して
いた。なお、９は接地端子、１０はバイアス抵抗
である。

このような構成では、ダイオードの順方向電圧
の立上り特性の悪さ、１個のトランジスタで構成
される増幅器の増幅度の低さ等により、高精度な
直流モータの速度制御は困難であつた。また従来
の直流モータ速度制御回路で、直流モータの回転
速度を可変するにあたり、ブリツジ回路を構成す
る抵抗器１及び２の分割比を変える方法があつ
た。

この方法では、ブリツジの平衡条件が満たされ
なくなるため、直流モータ５の回転速度はモータ
巻線電流に依存するようになる。したがつて、直
流モータ５の負荷の変動によつて回転速度が変化
するようになる。すなわち、この方法は回転速度
を広範囲に可変するには都合が悪い。また、ダイ
オード４１で構成した基準電圧源の基準電圧を変
える方法は、１個のトランジスタ６１で構成され
る増幅器６のエミツタのインピーダンスが低いた
め困難であつた。

本発明は上記の欠点を除去したもので、高精度
に直流モータの速度制御を行うとともに、広範囲
に回転速度を可変する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。

第３図は本発明にかかる直流モータ速度制御装
置の一実施例を示す。本発明の直流モータの速度
制御装置では被制御直流モータ５を一辺に含めて
構成したブリツジ回路の検出端より、前記直流モ
ータ５の回転速度に比例した電圧を得、この電圧
と基準電圧源４によつて与えられる基準電圧
Vrefを分割した電圧とを比較し、その差電圧を
増幅器６で増幅し、その出力で上記ブリツジ回路
の給電端と電源との間に挿入した給電制御用トラ
ンジスタ７のベース電流を制御して、前記直流モ
ータ５の回転速度を制御する手段を備えると共
に、カレントミラーで構成した定電流源回路で前
記基準電圧源４へ定電流を供給し、さらに、前記
カレントミラーで構成した定電流源回路の基準と
なるトランジスタを定電流で電流を吸込むスター
ト回路１１に接続した構成となつている。なお、
スタート回路１１は電圧が加わると定電流を吸込
む動作を行う。

以上の構成からなる本発明にかかる直流モータ
の速度制御装置では、以下の動作が実行される。
電源端子８に電圧が加わると、スタート回路１１
が動作し、PNPトランジスタ１３のコレクタ電
流を定電流で吸込み、PNPトランジスタ１３に
一定のコレクタ電流が流れる。PNPトランジス
タ１３とカレントミラーを構成しているPNPト
ランジスタ１２にも同様のコレクタ電流が流れ
る。この電流値は、PNPトランジスタ１２又は
PNPトランジスタ１３のエミツタに抵抗を接続
することにより調整することができる。PNPト
ランジスタ１２にコレクタ電流が流れると基準電
圧源４に一定の基準電圧Vrefが発生する。この
電圧は分割抵抗１７により、分割されて増幅器６
の反転入力端子に加わる。増幅器６の出力が給電
制御用トランジスタ７を駆動して直流モータ５が
回転する。増幅器６の反転入力すなわち分割抵抗
１７の中点電圧とブリツジ回路を構成する抵抗１
と２の接続点ｂの電圧が等しくなるように制御回
路が動作し、モータの逆起電圧Eaが一定値とな
るように制御される。モータの逆起電圧Eaはモ
ータ回転数に比例するので、モータ回転速度が一
定になるように制御動作が行なわれる。

すなわち、直流モータ５の回転速度が所定の回
転速度よりも速くなり、逆起電圧Eaが大きくな
ると、ｂ点の電圧、すなわち、増幅器６の非反転
入力電圧が反転入力電圧より高くなる。その結
果、出力電圧は高くなつて給電制御用トランジス
タ７のベース電流の吸込み量が少なくなり、直流
モータ５に流れる電流が減少して回転速度を低下
させる制御動作が実行される。直流モータ５の回
転速度が所定の回転速度より遅くなつた場合は上
記とは逆の動作を行なつて、回転速度を増大させ
る制御動作が実行される。これらの制御動作によ
つて、直流モータ５の回転速度は一定値に保持さ
れる。

第３図に示す回路で、直流モータ５の回転速度
ｎは次式で表わされる。

ｎ＝Vref′／Ka（１＋R₁／R₂）＋Ia／Ka（R₁・R₃／R₂−
Ra） ……(2) ここでKaは直流モータ５の発電定数 Vref′はａ点と分割抵抗１７の基準電圧分割点間の電圧、 R₁は抵抗１の抵抗値、 R₂は抵抗２の抵抗値、 R₃は抵抗３の抵抗値、 Raは直流モータ５の巻線抵抗値、 Iaは直流モータ５のモータ電流、ブリツジが平衡しているときは(1)式より、 Ra／R₃＝R₁／R₂であるから、(2)式の第２項は０となり
、ｎ＝Vref′／Ka（１＋R₁／R₂） ……(3) が成立する。

(3)式から明らかなように直流モータ５の回転速
度ｎは基準電圧Vrefを分割して得た分割電圧
Vref′に比例する。したがつて基準電圧Vrefの分
割比を変えて分割電圧Vref′を変えることならば、
直流モータ５の回転速度を大幅に変えることがで
きる。また、分割抵抗１７を可変抵抗とすること
により直線的に直流モータ５の回転速度を可変さ
せることができる。基準電圧Vrefの分割比を大
きくすることにより分割電圧Vref′の電圧値を小
さくし、直流モータ５の回転速度を遅くした場
合、直流モータ５の逆起電圧Eaが小さくなり、
給電制御トランジスタ７のコレクタ電圧は低くな
るが、PNPトランジスタ１２のコレクタ電圧す
なわち基準電圧源４の正側端子電圧はほぼ一定で
あり、十分低い回転速度まで調整することができ
る。

また基準電圧源４へは定電流で電流を供給して
いるため、電源端子８の電源電圧が変化しても、
基準電圧源４へ供給される電流はほとんど変化せ
ず、したがつて基準電圧源４の電圧もほとんど変
化しない。このため、電源端子８の電源電圧が変
化しても直流モータ５の回転速度は比較的安定に
保持される。

しかしながら、さらに高精度の回転速度の制御
が必要な場合には問題になる場合もある。電源端
子８の電源電圧が変化した場合、PNPトランジ
スタ１３のエミツタ−コレクタ間電圧は変化しな
いが、PNPトランジスタ１３とカレントミラー
構成しているPNPトランジスタ１２のエミツタ
−コレクタ間電圧は変化する。この結果、PNP
トランジスタ１２のベース幅変調効果いわゆる、
アーリ効果によりPNPトランジスタ１２のコレ
クタ電流が多少変化する。この変化は基準電圧源
４への電流にわずかではあるが変化をもたらし、
基準電圧源４の電圧Vrefが変化し、直流モータ
５の回転速度が変化する。前記アーリ効果による
基準電圧Vrefの変化は小さいのでこれによる回
転速度の変化量は小さいが、高精度の回転速度の
制御が必要な場合には問題となる場合もある。

第４図は上記の問題点を改善することのできる
本発明の他の実施例を示す図である。図示する直
流モータの速度制御装置では、被制御直流モータ
５を一辺に含めて構成したブリツジ回路の検出端
より前記直流モータ５の回転速度に比例した電圧
を得、この電圧と基準電圧Vrefを分割した電圧
とを比較しその差電圧を増幅器で増幅し、その出
力で上記ブリツジ回路の給電源と電源との間に挿
入した給電制御用トランジスタ７のベース電流を
制御して、前記直流モータ５の回転速度を制御す
る手段を備えると共に、カレントミラーで構成し
たトランジスタ１２，１３を含む第１の定電流源
回路を設け、定電流の一方をダイオードを介して
直流モータ５に供給するとともに、カレントミラ
ーで構成したトランジスタ１４，１５を含む第２
の定電流源回路へもこの定電流を供給し、前記第
２の定電流源回路により得られる定電流の一方を
前記基準電圧源４へ定電流を供給し、さらに第１
および第２の定電流源回路の基準となるトランジ
スタをそれぞれ定電流で電流を吸込むスタート回
路に接続した回路構成が採られている。

上記の回路構成を具備する直流モータの速度制
御装置では以下の回路動作が実行される。電流端
子８に電圧が加わるとスタート回路１１が動作
し、スタート回路内の定電流源２１によりPNP
トランジスタ１３のコレクタ電流を定電流で吸込
む。PNPトランジスタ１２と１３はミラー構成
であるので各々のトランジスタのエミツタ面積比
に比例してコレクタ電流が流れる。PNPトラン
ジスタ１２のコレクタ電流は、ダイオード１６へ
の電流ならびにPNPトランジスタ１４および１
５のエミツタ電流として分流する。PNPトラン
ジスタ１５のコレクタ電流は、スタート回路内の
別の定電流源２２により一定電流になる。この場
合、定電流源２１の電流値は、PNPトランジス
タ１２のコレクタ電流がPNPトランジスタ１４
および１５のエミツタ電流の和より大きくなるよ
うに設定される。

ところでPNPトランジスタ１４と１５もミラ
ー構成であるのでPNPトランジスタ１２と１３
の場合と同様、各々のトランジスタのエミツタ面
積比に比例してコレクタ電流が流れる。そして
PNPトランジスタ１４のコレクタ電流により、
基準電圧源４に一定値の基準電圧が発生する。

以下の動作は第３図の場合の動作と同様であ
る。電源端子８の電源電圧が変化した場合、
PNPトランジスタ１３がダイオード接続されて
いるため、そのエミツタ−コレクタ間電圧は一定
である。一方PNPトランジスタ１２のエミツタ
−コレクタ間電圧は変化する。したがつて、第３
図の場合と同様アーリ効果により、PNPトラン
ジスタ１２のコレクタ電流はわずかに変化する。

ところで、PNPトランジスタ１２のコレクタ
にエミツタがそれぞれ接続されているPNPトラ
ンジスタ１４，１５もPNPトランジスタ１２，
１３と同様な接続であるが、両者のエミツタ電圧
がほぼ一定であるので、それぞれのコレクタ電流
は電源電圧の大きさに依存せず一定値である。

第４図の場合、ダイオード１６のアノードが
PNPトランジスタ１２のコレクタとPNPトラン
ジスタ１４，１５のエミツタとの接続点に接続さ
れ、カソードが給電制御用トランジスタ７のコレ
クタと直流モータ５の接続点に接続されている。
ダイオード１６には順方向電流が流れるように設
定されているので、PNPトランジスタ１４，１
５のエミツタ電圧はトランジスタ７のコレクタ電
圧値より、ダイオード順方向電圧分だけ高い電圧
値にクランプされる。トランジスタ７のコレクタ
電圧すなわち直流モータの正側端子の電圧は、直
流モータが一定の負荷条件で回転するときには電
源電圧に依存せずほぼ一定値であるので、PNP
トランジスタ１４，１５のエミツタ電圧は上記の
ように、電源電圧に依存せず一定値にクランプさ
れる。すなわち、電源電圧が変化してPNPトラ
ンジスタ１２のコレクタ電流がわずかに変化して
も、これをダイオード１６の順方向電流で吸収す
るため、PNPトランジスタ１４，１５のエミツ
タ電圧はほぼ一定である。PNPトランジスタ１
４のコレクタ電流は、基準電圧源４へ供給される
電流であり、その電流値が電源電圧に依存せず一
定であるので、基準電圧源４によつて得られる基
準電圧Vrefは電源端子８の電圧変動に対し一定
値を保持する。(3)式より、モータの回転速度ｎは
基準電圧Vref′にしたがつてVrefに依存し、Vref
が一定値であれば、モータの回転速度ｎは一定に
保持される。

上記の説明から明らかなように、第４図で示し
た回路構成を具備する本発明の直流モータの速度
制御装置によれば、電源電圧が変化してもこの変
化が直流モータの回転速度へ与える影響をほぼ完
全に排除することができ、したがつて、第３図で
示した構成にくらべてはるかに高い精度の直流モ
ータの速度制御を行うことが可能である。

さらに本発明の直流モータの速度制御装置のよ
うにブリツジ回路を構成するものでは、ブリツジ
回路を構成するインピーダンス（本発明の場合は
抵抗値）の比率を一定に保つことが重要である。
本発明では。(1)式Ra／R₃＝R₁／R₂及び(3)式ｎ＝Vref′／Ka（１＋R₁／R₂）を一定に保つ必要がある。直流モータ５の巻線としては通常銅線が使用
される。このため巻線抵抗Raは銅の抵抗値が温
度により変化するためこの変化に基いて変化す
る。また、直流モータ５の逆起電圧Eaは磁石の
温度特性に基く磁力線の温度変化によりやはり変
化する。したがつて温度変化に対して直流モータ
の回転速度を一定に保つためには、これらの影響
を補償する必要がある。広い温度範囲にわたつて
(1)式の関係を成立させるためには、銅の巻線によ
つて付与される巻線抵抗Raに対応させて、抵抗
３を銅線で作つた抵抗とすること、または銅と同
じ程度の温度係数を有する材料で形成した抵抗を
使用することがのぞましい。

さらに(3)式において回転速度ｎを周囲温度変化
に対し、安定にするためには直流モータの発電定
数Kaの温度特性を補償するように基準電圧
Vref′の温度特性を設定することがのぞましい。
従来の装置では、基準電圧源４に通常トランジス
タのエミツタが直結されるため、基準電圧源４の
インピーダンスを低くする必要があり、基準電圧
源４の温度特性を自由に設定することは困難であ
つた。

本発明では増幅器６の入力インピーダンスを高
く設計すれば、基準電圧源４のインピーダンスを
低くする必要はなく、回路設計によつて直流モー
タの発電定数Kaの温度特性を補償するように基
準電圧源４の温度特性を設計することが可能で、
温度特性を自由に設定することができる。

上記の説明から明らかなように本発明の直流モ
ータの速度制御装置は、電源電圧の変動に対して
きわめて安定に直流モータの回転速度を制御する
ことができるのみでなく、ブリツジ回路を構成す
るインピーダンスを温度変化に対して一定に保
ち、かつ基準電圧の温度特性とモータの発電定数
の温度特性を補償させることにより、温度変化に
対して安定に直流モータの回転速度を保つことが
できる。半導体集積回路では一般に集積化される
抵抗の値の絶対値ばらつきは大きいが、同一半導
体基板内に作り込まれる抵抗の抵抗値の比率を正
確に設計し、この比率のばらつきを小さくするこ
とは容易である。また、半導体基板内に作り込ま
れる各素子間の温度特性のばらつきも小さい。し
たがつてブリツジを構成する抵抗１，２を含めて
本発明の直流モータの速度制御装置を半導体集積
回路化するならば、きわめて安定な直流モータの
速度制御装置が実現できる。

なお、この場合に、カレントミラー構成の定電
流源回路を構成するトランジスタがPNP形であ
り、バイポーラ形半導体集積回路のプロセスが
NPN形プレーナプロセスとなるが、PNP形トラ
ンジスタを横形構造（ラテラル構造）とするなら
ば製作プロセスには大きな変更はもたらされな
い。

以上詳細に説明したように、本発明では基準電
圧を分割した電圧を直流モータの逆起電圧と比較
して直流モータの回転速度を制御することによ
り、広範囲に直線的に直流モータの回転速度を変
化させることができる効果が奏されるばかりでな
く、電源電圧の変化に対してきわめて安定した直
流モータの速度制御装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はブリツジ方式を用いた直流モータの速
度制御回路の原理図、第２図はブリツジ方式を用
いた従来の直流モータ速度制御装置の回路例を示
す図、第３図はブリツジ方式を用いた本発明の一
実施例にかかる直流モータ速度制御装置の回路例
を示す図、第４図はブリツジ方式を用いた本発明
の直流モータ速度制御装置の他の回路図を示す図
である。１，２，３……ブリツジを構成する抵抗、４…
…基準電圧源、５……直流モータ、６……増幅
器、７……給電制御用トランジスタ、８……電源
端子、９……アース端子、１０……バイアス抵
抗、１１……スタート回路、１２，１３，１４，
１５……PNPトランジスタ、１６……ダイオー
ド、１７……基準電圧分割用抵抗、Ra……直流
モータの巻線抵抗、Ea……直流モータの逆起電
圧、４１……基準電圧源形成用ダイオード、６１
……増幅器形成用トランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】１被制御直流モータを一辺に含むとともに、同
直流モータの巻線抵抗と等しい温度係数をもつ抵
抗を他の一辺に含んで構成したブリツジ回路と、
基準電圧発生手段と、同手段で発生させる基準電
圧を分割する手段と、前記被制御直流モータの回
転速度に比例して前記ブリツジ回路の検出端に生
じる電圧と前記基準電圧分割手段からの分割基準
電圧を比較し、両者の差電圧を増幅して出力する
高入力インピーダンスを有する増幅手段と、同増
幅手段の出力がベースに接続され、コレクタエミ
ツタ回路が電源端子と被制御直流モータ間に接続
されたトランジスタと、カレントミラー構成の定
電流源回路と、電源投入により定電流で電流を吸
込むスタート回路を備えるとともに、前記定電流
源回路の一方の定電流路を前記基準電圧源へ接続
し、さらに同定電流源回路の基準トランジスタの
他方の定電流路を前記スタート回路の電流吸込み
端子へ接続したことを特徴とする直流モータの速
度制御装置。２基準電圧分割手段が可変抵抗であることを特
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被制御直流モータを一辺に含むとともに、同
直流モータの巻線抵抗と等しい温度係数をもつ抵
抗を他の一辺に含んで構成したブリツジ回路と、
基準電圧発生手段と、同手段で発生させる基準電
圧を分割する手段と、前記被制御直流モータの回
転速度に比例して前記ブリツジ回路の検出端に生
じる電圧と前記基準電圧分割手段からの分割基準
電圧を比較し、両者の差電圧を増幅して出力する
高入力インピーダンスを有する増幅手段と、同増
幅手段の出力がベースに接続され、コレクタエミ
ツタ回路が電源端子と被制御直流モータ間に接続
されたトランジスタと、カレントミラー構成の第
１および第２の定電流回路と、電源投入により定
電流で電流を吸込むスタート回路を備え、前記第
１の定電流源回路の一方の定電流路をダイオード
を介して被制御直流モータの１端に接続するとと
もに前記第２の定電流源回路へ直結し、同第２の
定電流源回路の一方の定電流路を前記基準電圧源
に繋ぎ、さらに第１および第２の定電流源回路の
基準トランジスタの各他方の定電流路を前記スタ
ート回路の電流吸込み端子へ接続したことを特徴
とする直流モータの速度制御装置。４基準電圧分割手段が可変抵抗であることを特
徴とする特許請求の範囲第３項に記載の直流モー
タの速度制御装置。