JPH0239197B2

JPH0239197B2 -

Info

Publication number: JPH0239197B2
Application number: JP57082083A
Authority: JP
Inventors: Makoto Goto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1982-05-14
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1990-09-04
Also published as: JPS58198182A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は直流モータに関するものであり、特に
電源から供給される電力を効率良く利用するよう
にしたものである。

従来、たとえば直流モータに速度制御を施こす
場合などでは、出力電圧の一定な直流電流からト
ランジスタ等を用いて減圧・制御し、モータの速
度に対応した駆動電圧をコイルに供給していた。
この様な構成では、直流電源の供給電力はコイル
での有効消費電力とトランジスタのコレクタ損失
の和となる。通常の直流モータにおいては、電源
の供給電力に対する有効消費電力の比（電力効
率）は小さく、10〜80％程度であつた。特に、速
度可変範囲の広い多段速度切換えができる直流モ
ータや、駆動力の可変範囲の広い巻取用の直流モ
ータでは、低速度動作時や低駆動力動作時の効率
が著しく悪くなつていた。

そのような欠点を解決するために、本出願人は
特願昭54−17375において、可変出力の直流電圧
をとり出すことのできるスイツチング方式の電圧
変換器を使用した電力効率の良い直流モータにつ
いて、電子整流子形（ブラシレス形）の直流モー
タを例にとつて説明している。ところで、この様
な構成の直流モータにおいては、電圧変換器のス
イツチングトランジスタを介してコイルに電流を
供給している。いま、速度制御を施こす場合を考
えると、モータの起動・加速段階では、前記電圧
変換器の出力電圧が大きくなりコイルに大電流を
供給する必要があり、電圧変換器のスイツチング
トランジスタコイルも大電流を供給するためにオ
ン時のベース電流を大きくしなければならない。
一方、所定速度にて制御されている状態（定速回
転制御状態）において、電圧変換器の出力電圧は
負荷トルクと逆起電圧（モータの回転速度に比
例）に応動した所要の値となり、コイルへの供給
電流は起動・加速時と比較すればかなり小さな値
となる（一例をあげれば、起動時約2Aで定速制
御時250mAとなる）。従つて、起動時の大電流時
に必要とされるスイツチングトランジスタのベー
ス電流（オン時）に較べて、定速制御時に必要と
されているベース電流（オン時）は大幅に小さく
なる。その結果、起動時の大電流通電（起動トル
クを大きくするために必要とされる）を可能とす
るベース電流をスイツチングトランジスタに与え
るようにするならば、定速回転時の小電流電時に
おいて大幅な電力損失を生じて好ましくない。

本発明は、そのような点を考慮し、モータの速
度を検出し、その検出値に応動してスイツチング
トランジスタのオン時のベース電流を増減すこと
によつて（スイツチングトランジスタはオン・オ
フ動作）、定速回転制御時のベース電流損失を小
さくできる直流モータを提供することを目的する
ものであり、界磁手段と、複数相のコイルと、前
記コイルと直流電源との間に挿入され、オン・オ
フ動作するスイツチングトランジスタのデユーテ
イに比例もしくは略比例した出力電圧を得る電圧
変換手段と、前記電圧変換手段の出力端子から前
記コイルへの電流路を切換え制御する分配手段
と、モータ可動部の速度に対応した直流的な電圧
の速度電圧信号を得る速度検出手段を具備する直
流モータであつて、前記電圧変換手段は、所定周
波数の三角波状信号を得る三角波発生手段と、前
記三角波状信号と速度電圧信号を比較し、前記速
度電圧信号の電圧値に対応したデユーテイのパル
ス信号を得るコンパレータ手段と、前記速度電圧
信号に応じた電流と所定電流の加算電流が入力さ
れ、前記加算電流に比例もしくは略比例した電流
を出力するカレントミラー手段と、前記カレント
ミラー手段の入力側を前記コンパレータ手段のパ
ルス信号によりオン・オフすることにより、前記
カレントミラー手段の出力をパルス電流にするパ
ルス化手段と、前記パルス電流を前記スイツチン
グトランジスタのベース端子に供給する供給手段
と、前記スイツチングトランジスタのオン・オフ
動作によるパルス電圧をインダクタンス素子とコ
ンデンサとダイオードを用いて平滑する平滑手段
を有することによつて所期の目的を達成したもの
である。

以下、本発明を図示の実施例にもとづいて説明
する。第１図は本発明の一実施例を表わす電気回
路である。第１図において、１は直流電流、２は
界磁用のマグネツト、３，４，５はマグネツト２
の磁束と鎖交する３相のコイル、６はモータ可動
部（ロータ）の位置に応じてコイル３，４，５へ
の電流路を切換える分配器、７はモータ可動部の
速度を検出する速度検出器、８は直流電流１より
可変出力の直流電圧V_Mを得るスイツチング方式
の電圧変換器である。

分配器６をたとえばブラシコミユテータにて構
成すれば、モータ可動部はコイル３，４，５とな
り、速度検出器７はコイルの回転速度を検出す
る。また、分配器６をたとえばホール素子とトラ
ンジスタ群によつて構成すれば、マグネツト２が
モータ可動部となり、速度検出部７はマグネツト
２の回転速度を検出する。

速度検出部７は、たとえば周波数発電機と周
期・電圧変換器にて構成され、モータ可動部の速
度が遅い時は、その検出電圧Vdは大きく、速度
が所定速度近傍およびそれ以上になると検出電圧
Vdは速度に応動して変化し、速度が速くなると
小さくなる。

速度検出器７の出力電圧Vdは電圧変換器８に
入力され、三角波発生器１１の所定周波数（50K
Hz程度）の三角波信号とコンパレータ１２にて比
較され、速度検出信号Vdに対応したデユテイに
てトランジスタ１３をオン・オフ動作させる。ト
ランジスタ１３がオンの時にはトランジスタ１７
はオフとなり、スイツチングトランジスタ２０の
ベース電流が零となり、スイツチングトランジス
タ２０はオフとなる。トランジスタ１３がオフの
時には、定電流源１５の電流i₁および速度検出電
圧Vdに対応した電流i₂がダイオード１６、トラ
ンジスタ１７、抵抗１８，１９からなるカレント
ミラーに供給され、i₁＋i₂に対応（比例）した電
流をトランジスタ１７のコレクタ側より吸引す
る。トランジスタ１７のコレクタ電流はスイツチ
ングトランジスタ２０のベース電流となり、スイ
ツチングトランジスタ２０のオンにする。すなわ
ち、スイツチングトランジスタ２０は速度検出信
号Vdに対応したオン時間比率（デユテイ）にて
オン・オフ動作し、オン時のベース電流は速度検
出器７の信号Vdに応動して変化する。

スイツチングトランジスタ２０がオンになると
直流電源１の電圧Vs（20V）が出力され（Vi
Vs）、インダクタンス素子２２を介してコンデン
サ２３および分配器６に供給される。スイツチン
グトランジスタ２０がオフとなるとフライホイー
ルダイオード２１が導通し、インダクタンス素子
２２に蓄えられたエネルギーを負荷側に供給す
る。その結果、ダイオード２１、インダクタンス
素子２２、コンデンサ２３にて平滑され、電圧変
換器８の出力電圧V_Mはスイツチングトランジス
タ２０のオン時間比率に対応した値（速度検出信
号Vdに対応した値）となる。

電圧変換器８の出力電圧V_Mは分配器６を介し
てコイル３，４，５に供給され、コイルへの供給
電力、従つてモータの発生力を制御する。従つ
て、速度検出器７、電圧変換器８およびコイル
３，４，５によつて速度制御ループが構成され、
モータ可動部は所定の速度にて回転制御される。

第１図に示した実施例では、電圧変換器８のス
イツチングトランジスタ２０のベース電流を速度
検出器７の出力Vdに応動して変化させているた
めに、定速制御状態におけるベース電流損失が小
さくなつている。これについて説明すれば、モー
タの起動・加速段階において速度検出器７の出力
Vdは大きくなり、スイツチングトランジスタ２
０のオン時間比率が大きくなり、電圧変換器８の
出力電圧V_Mを大きくし、コイル３，４，５への
供給電流を大きくする。コイルへの電流を大きく
するためには、スイツチングトランジスタ２０の
オン時の通電電流（コレクタ電流）を大きくする
必要があり、従つて、そのベース電流を大きくす
る必要がある。いま、コイルへの供給電流を2A
とし、スイツチングトランジスタのオン時での電
流増幅度h_FEを30とすると、そのベース電流とし
て2A／3067ｍＡを供給する必要がある。

ここで、定速制御状態におけるコイルへの供給
電流が250ｍＡ（負荷トルクに対応）になるものと
すると、スイツチングトランジスタ２０のオン時
のベース電流として250／308.3ｍＡを必要とさ
れるにすぎない。このとき、起動・加速時に必要
とされるベース電流（67ｍＡ以上）をそのまま流
すものとすれば、67ｍＡ−8.3ｍＡ＝58.7ｍＡの
損失（58.7ｍＡ×20V＝1.17W程度）を常時生じ
ることになる。

本実施例では、速度検出器７の出力Vdに応じ
てスイツチングトランジスタ２０のベース電流を
変化させ、起動・加速時では十分なベース電流
（67ｍＡ以上）を供給すると共に、定速制御状態
においてはそのベース電流を小さくするようにな
している。いま、67ｍＡの半分まで小さくするも
のとすれば33.5ｍＡの損失（33.5ｍＡ×20V＝
670mW程度）の軽減となり、67ｍＡの３分の１
まで小さくするものとすれば67×２／３44.7ｍ
Ａの損失（44.7ｍＡ×20V＝893ｍＷ程度）の軽
減となる。

第２図は本発明の他の実施例を表わす電気回路
図である。本実施例では、第１図の実施例の電圧
変換器８の定電流源１５を抵抗３１で置き換え、
また、コンパレータ１２の入力端子の、を交
換し、コンパレータ１２に応動するトランジスタ
３２のコレクタ側にカレントミラー（ダイオード
１６、トランジスタ１７、抵抗１８，１９）を接
続したものである。

第３図に本発明のさらに他の実施例を表わす電
気回路図を示す。本実施例では、第１図の実施例
において分配器６を電子的な構成にし（トランジ
スタを使用）、マグネツト２が回転する構成とな
している。これについて説明すれば、マグネツト
２の磁束を検知するホール素子とその出力を整形
する回路からなる位置検出器４１と、コイル３，
４，５への電流路を切換える駆動トランジスタ４
２，４３，４４と、位置検出器４１の出力に応動
してオンとなる駆動トランジスタ４２，４３，４
４を選択する選択器４５と、選択器４５に電流を
供給する電流供給器４６によつて分配器６を構成
している。

選択器４５はエミツタ側を共通接続されたトラ
ンジスタ５９，６０，６１によつて構成され、各
トランジスタ５９，６０，６１のベース側には位
置検出器４１の出力が印加され、そのベース電圧
の最も低いトランジスタが活性となりエミツタ電
流をコレクタ側に分配する。トランジスタ５９，
６０，６１の各コレクタ電流はそれぞれ駆動トラ
ンジスタ４２，４３，４４の各ベース電流とな
り、選択器４５にて選択された（従つて位置検出
器４１の出力に対応した）駆動トランジスタがオ
ン、他の駆動トランジスタはオフとなる。マグネ
ツト２の回転に伴なつてオンとなる駆動トランジ
スタは切換えられ、コイル３，４，５への電流路
が移り変つていく。

電流供給器４６は、定電流源５２の電流i₃と速
度検出器７の出力Vdに応動する電流i₄が合成さ
れてカレントミラー（ダイオード５３、トランジ
スタ５４、抵抗５５，５６）に入力され、反転増
幅されてトランジスタ５７，５８のカレントミラ
ーを介して出力する。電流供給器４６の出力電流
は選択器４５を介して駆動トランジスタ４２，４
３，４４のベース電流となり、選択された駆動ト
ランジスタをオン（飽和）状態となす。電流供給
器４６の出力電流は速度検出器７の出力Vdに応
動して変化し、起動・加速時（Vdが大きい）に
はその出力電流を大きくし、定速回転時（Vdが
小さい）には出力電流を小さくしている。その結
果、起動・加速時の大電流動作時にも駆動トラン
ジスタ４２，４３，４４をオンさせるのに十分な
ベース電流を供給し、定速回転時には駆動トラン
ジスタ４２，４３，４４のベース電流を小さく
（起動時の1/2〜1/4）してベース電流による損失
を小さくしている（駆動トランジスタ４２，４
３，４４はオン・オフ動作する）。

なお、コイル３，４，５に並列に接続された抵
抗６２′，６４′，６６′とコンデンサ６３′，６
５′，６７′の直列回路は電流路の切換えに伴うス
パイク電圧を小さくしている。また、速度検出器
７および電圧変換器８の構成および動作は第１図
の実施例と同様であり、説明を省略する。

第４図に本発明のさらに他の実施例を表わす電
気回路図を示す。第４図において、１は直流電
源、２は界磁用のマグネツト、３，４，５は３相
のコイル、６は分配器、７は速度検出器、８は電
圧変換器、９は動作検出制御器である。本例で
は、速度検出器７の出力電圧Vdに対応した電流
を駆動トランジスタ７８，７９，８０によつてコ
イル３，４，５に供給すると共に、駆動トランジ
スタ７８，７９，８０の通電時の動作電圧を動作
検出制御器９にて検出し、その動作電圧が能動領
域内の所定の値となるように電圧変換器８の出力
電圧V_Mを変化させている。

これについて説明すれば、マグネツト２（モー
タ可動部）の速度を速度検出器７にて検出し、そ
の検出信号Vdを分配器６に入力する。検出信号
Vdはモータの速度が遅い時に大きく、速い時に
小さくなる。分配器６はレベル変換器６２と、電
流制御器６７と、位置検出器６９と選択器７４
と、駆動トランジスタ７８，７９，８０と、電流
検出器８１によつて構成されている。

レベル変換器６２は、直流電圧源６３の電圧と
速度検出器７の出力電圧Vdを比較し、その差に
応じた電流を出力する電流変換器６４と、その出
力電流に応じた電圧V₁を生じるダイオード６５
と抵抗６６の直列回路により構成されている。第
５図に電流変換器６４の具体的な構成例を示す。
検出電圧Vdと直流電源６３の電圧はそれぞれト
ランジスタ１１１と１１２のベースに印加され、
その差電圧に応じて定電流源１１５の電流をコレ
クタ側に分配している。トランジスタ１１１，１
１２のコレクタ電流はトランジスタ１１６，１１
７のカレントミラーによつて反転・比較され、ト
ランジスタ１１８およびカレントミラー（トラン
ジスタ１２１，１２２）を介して出力される。

電流検出器８１はコイル３，４，５への電流路
に直列に挿入された抵抗８２によつて構成され、
コイル３，４，５への合成供給電流に応じた電圧
降下信号を発生する。

レベル変換器６２の出力V₁と電流検出器８１
の出力は電流制御器６７に入力され、その差に応
じた電流を出力する。第６図に電流制御器６７の
具体的な構成例を示す。トランジスタ１３１のベ
ース側にレベル変換器６２の出力V₁を加え、エ
ミツタ側に電流検出器８１の出力信号を加えてい
る。トランジスタ１３１のコレクタ電流はベー
ス・エミツタ間の電圧に応じて変化し、カレント
ミラー（トランジスタ１３２，１３３）を介して
出力される。

電流制御器６７の出力電流は選択器７４の差動
トランジスタ７５，７６，７７の共通エミツタ電
流となる。トランジスタ７５，７６，７７の各ベ
ース側には、マグネツト２の磁束を感知するホー
ル素子７０，７１，７２の出力電圧（位置検出器
６９の出力）が印加され、そのベース電圧差に応
じてトランジスタ７５，７６，７７は共通エミツ
タ電流をコレクタ側に分配する。トランジスタ７
５，７６，７７の各コレクタ電流は駆動トランジ
スタ７８，７９，８０の各ベース電流となり、電
流増幅されて対応するコイル３，４，５に電流が
供給される。

コイル３，４，５への供給電流は電流検出器８
１にて検出され、電流制御器６７に入力される。
従つて、電流制御器６７、選択器７４、駆動トラ
ンジスタ７８，７９，８０および電流検出器８１
によつて第１の帰還ループ（電流帰還ループ）が
構成され、レベル変換器６２の出力V₁、従つて
速度検出器７の出力Vdに対応した電流コイル３，
４，５に供給するようになしている。これによ
り、駆動トランジスタ７８，７９，８０の電流増
幅度h_FEのバラツキの影響を低減し、位置検出器
６９の出力に応動する電流路の切換えを円滑にす
る。なお、コンデンサ６８は第１の帰還ループの
位相補償（発振防止）のためにとりつけている。

次に、動作検出制御器９および電圧変換器８の
動作について説明する。動作検出制御器９は定電
流源９１と抵抗９２とダイオード９３，９４によ
り駆動トランジスタ７８，７９，８０の共通接続
点（エミツタ側）から所定電圧V₂の基準電圧を
発生し、その基準電位点に一端（エミツタ側）を
直流的に接続され、一端（ベース側）を駆動トラ
ンジスタ７８，７９，８０の各出力端子（コレク
タ端子）に接続された検出トランジスタ９５，９
６，９７の各出力電流は合成されて（コレクタ側
が共通接続されて）、ダイオード９８、トランジ
スタ９９、抵抗１００，１０１からなるカレント
ミラーに入力され反転・増幅されて出力（電流吸
込）される。すなわち、検出トランジスタ９５，
９６，９７は駆動トランジスタ７８，７９，８０
の各動作電圧（コレクタ・エミツタ間電圧）を所
定電圧V₂−V_D（ここに、V_Dはトランジスタのエ
ミツタ・ベース間の順方向電圧降下）と比較する
ことにより、通電時の駆動トランジスタ７８，７
９，８０の動作電圧が所定電圧V₂−V_Dよりも小
さくなると検出トランジスタ９５，９６，９７は
コレクタ側に電流を出力する。従つて、駆動トラ
ンジスタ７８，７９，８０の通電時の動作電圧に
応じた電流が動作検出制御器９に吸引される。

動作検出制御器９の出力電流は電圧変換器８の
抵抗１０２によつて電圧に変えられ、三角波発生
器１１の三角波信号とコンパレータ１２によつて
比較され、その電圧に応じたデユテイにてトラン
ジスタ１３をオン・オフ制御する。従つて、スイ
ツチングトランジスタ２０がオン・オフ制御さ
れ、フライホイールダイオード２１、インダクタ
ンス素子２２、コンデンサ２３によつて平滑さ
れ、電圧変換器８の出力電圧V_Mは動作検出制御
器９の出力に応じた値となる。なお、スイツチン
グトランジスタ２０のオン時のベース電流は抵抗
３１を介する電流i₁と速度検出器７の出力Vdに
応じた電流i₂の和を反転増幅したものとなり、電
圧変換器８の出力電圧V_Mよりコイル３，４，５
に電流が供給される。

従つて、動作検出制御器９、電圧変換器８およ
びコイル３，４，５によつて第２の帰還ループが
構成され、駆動トランジスタ７８，７９，８０の
通電時の動作電圧が能動領域内の所定の小さな値
（1V〜2V程度）となるように電圧変換器８の出
力電圧V_Mを制御する。

これについて説明すれば、速度検出器７の出力
Vdが少し大きくなると、分配器６のレベル変換
器６２の出力V₁は大きくなり、第１の帰還ルー
プの動作によつてコイルへの供給電流が大きくな
る。いま、駆動トランジスタ７８が選択され、コ
イル３に電流を供給している場合を考える。コイ
ル３への供給電流の増大はその電圧降下を大きく
し、駆動トランジスタ７８の動作電圧を小さくす
る。動作電圧の減少は動作検出制御器９の検出ト
ランジスタ９５の出力電流を増加し、トランジス
タ９９のコレクタ電流を大きくする。これは電圧
変換器８の抵抗１０２の電圧降下を大きくし、ト
ランジスタ１３のオンとなるデユテイを小さく
し、スイツチングトランジスタ２０のオンとなる
デユテイ（オン時間比率）を大きくする。その結
果、電圧変換器８の出力電圧V_Mは大きくなり、
駆動トランジスタ７８の動作電圧は大きくなる
（第１の帰還ループによりコイル３への供給電流
は一定であり、その電圧降下もV_Mによつて変化
しない）。その結果、コイルへの供給電流にかか
わらず、駆動トランジスタ７８，７９，８０の通
電時の動作電圧は能動領域内の所定の小さな値に
制御されている。

従つて、駆動トランジスタ７８，７９，８０に
よりコイル３，４，５への電流は微細に精度良く
制御できると共に、そのコレクタ損失も小さくさ
れている。また、電圧変換器８のスイツチングト
ランジスタ２０のオン時のベース電流は定速回転
時に小さくされ、ベース電流損失も軽減されてい
る。

なお、前述の実施例では、３相のコイルを使用
した例を示したが、本発明はそのような場合に限
らず、一般に複数相のコイルを有する直流モータ
を構成できる。また、速度検出器７、分配器６等
は周知の各種の構成が採用できる。さらに、回転
型の直流モータに限らず、モータ可動部が直進移
動する直進型の直流モータも構成できる。その
他、本発明の主旨を変えずして種々の変形が可能
である。

以上の説明から明らかなように、本発明の直流
モータは電力効率の良い構成にすることができ
る。従つて、本発明にもとづいて、乾電池を電源
とする音響・映像機器用の直流モータを構成する
ならば消費電力の小さい電池寿命の長い機器を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表わす電気回路
図、第２図、第３図および第４図はそれぞれ本発
明の他の実施例を表わす電気回路図、第５図は電
流変換器の具体的な構成例図、第６図は電流制御
器の具体的な構成例図である。１……直流電源、２……マグネツト、３，４，
５……コイル、６……分配器、７……速度検出
器、８……電圧変換器、９……動作検出制御器、
１１……三角波発生器、１２……コンパレータ、
４１，６９……位置検出器、４２，４３，４４，
７８，７９，８０……駆動トランジスタ、４５，
７４……選択器、４６……電流供給器、６２……
レベル変換器、６４……電流変換器、６７……電
流制御器、７０，７１，７２……ホール素子、９
５，９６，９７……検出トランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

１界磁手段と、複数相のコイルと、前記コイル
と直流電源との間に挿入され、オン・オフ動作す
るスイツチングトランジスタのデユーテイに比例
もしくは略比例した出力電圧を得る電圧変換手段
と、前記電圧変換手段の出力端子から前記コイル
への電流路を切換え制御する分配手段と、モータ
可動部の速度に対応した直流的な電圧の速度電圧
信号を得る速度検出手段を具備する直流モータで
あつて、前記電圧変換手段は、所定周波数の三角
波状信号を得る三角波発生手段と、前記三角波状
信号と速度電圧信号を比較し、前記速度電圧信号
の電圧値に対応したデユーテイのパルス信号を得
るコンパレータ手段と、前記速度電圧信号に応じ
た電流と所定電流の加算電流が入力され、前記加
算電流に比例もしくは略比例した電流を出力する
カレントミラー手段と、前記カレントミラー手段
の入力側を前記コンパレータ手段のパルス信号に
よりオン・オフすることにより、前記カレントミ
ラー手段の出力をパルス電流にするパルス化手段
と、前記パルス電流を前記スイツチングトランジ
スタのベース端子に供給する供給手段と、前記ス
イツチングトランジスタのオン・オフ動作による
パルス電圧をインダクタンス素子とコンデンサと
ダイオードを用いて平滑する平滑手段を有するこ
とを特徴とする直流モータ。