JPH0591779A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】モータを高速回転から低速回転に切換えた際
に、直流モータに加わる電圧の減少分がモータドライブ
用回路に加わるのを防止する。 【構成】演算回路１１はＦＧ３からのモータ１の回転数
を示す検出信号ａとフィルタアンプ５からのモータ１の
回転数の目標値からの差を示す制御信号ＶE との演算を
行い演算結果の電圧Ｖref を作成する。電圧制御回路１
２は、この演算結果Ｖref に対応して、モータドライブ
用ＩＣ２の電源入力端子２ｂに導かれる電源電圧を制御
する。これにより、電圧制御回路１２はモータが低速回
転に切換えられた際にモータドライブ用ＩＣ２に供給さ
れる直流電圧Ｖ'cc を減少させるので、この際にモータ
１に加わる電圧の減少分がモータドライブ用ＩＣ２の回
路内に加わるのを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、モータを一定の回転数
を維持するように制御するモータ制御装置に係り、特に
モータを低速回転から高速回転までの広い範囲で制御で
きるモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、印刷機の用紙送り、電算機のテ
ープ送りの動力には、トルク効率及び制御性の良さから
直流モータを用いている。このような直流モータを制御
するモータ制御装置は、フィードバック制御系を用い
て、直流モータの回転数を一定に維持するようにしてい
る。

【０００３】図３はこのような従来の直流モータのフィ
ードバック制御を行う制御回路を示す回路図である。

【０００４】図３において、符号１は直流モータであ
り、このモータ１はモータドライブ用集積回路（以下モ
ータドライブ用ＩＣと呼ぶ）２から後述の電流ＩM が供
給されて駆動される。モータ１の周辺に配設された周波
数発生器（以下ＦＧと呼ぶ）３は、モータ１の回転を検
出し、このモータ１の回転軸の角速度に比例した周波数
を示す検出信号ａをフィードバック信号として周波数検
波器４の第１の入力端子に供給している。また、周波数
検波器４の第２の入力端子には、前記検出信号ａの周波
数の目標値ｂが導かれている。周波数検波器４は、ＦＧ
３からの前記検出信号ａの周波数と、目標値ｂとを比較
して、その周波数の差に電圧が比例した比較検出信号ｃ
をフィルタアンプ５に供給する。フィルタアンプ５は、
周波数検波器４からの比較検出信号ｃの位相補正、ゲイ
ン補正を行い制御信号ＶE としてモータドライブ用ＩＣ
２の制御入力端子２ａに供給する。モータドライブ用Ｉ
Ｃ２は、電源入力端子２ｂに電源からの直流電圧Ｖccが
導かれ、アース端子２ｃが電流検出抵抗ＲF を介して基
準電位点に接続されている。また、モータドライブ用Ｉ
Ｃ２の出力側は、正極性出力端子２ｄがモータ１の正極
端子１ａに接続され、負極性出力端子２ｅがモータ１の
負端子１ｂに接続されている。このような接続により、
モータドライブ用ＩＣ２は、制御入力端子２ａからの制
御信号ＶE に基づいて直流電圧Ｖccを分圧し、出力端子
対２ｄ，２ｅを介してモータ１に加えることにより、Ｖ
E に比例した電流ＩM をモータ１に供給する。

【０００５】モータドライブ用ＩＣ２を更に詳しく説明
すると、フィルタアンプ５からの比較検出信号ＶE が導
かれる入力端子２ａは、ミックスアンプ２１の非反転入
力端子に接続されている。ミックスアンプ２１の出力端
子は、トランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 のベースに接続され
ている。電圧Ｖccが導かれる電源入力端子２ｂは、トラ
ンジスタＴｒ1 のコレクタ・エミッタ路を介して正極性
出力端子２ｄに接続される。一方、負極性出力端子２ｅ
は、トランジスタＴｒ2 のコレクタ・エミッタ路を介し
てアース端子２ｃ及びミックスアンプ２１の反転入力端
子にに接続されている。

【０００６】モータ１の破線の内部は該モータ１の等価
回路を示している。正極性入力端子１ａは、モータ１の
内部抵抗ＲM を示す抵抗ＲM と、モータ１の逆起電力Ｖ
M を示す電源ＶM との直列接続を介して負極性出力端子
２ｄが接続されてい。

【０００７】このような従来の制御回路において、モー
タ１の回転数が目標の回転数よりも低い場合には、検出
信号ａの周波数は目標値ｂよりも小さくなり、制御信号
ＶEの電圧は正極性の＋ＡＶとなる。この場合のミック
スアンプ２１の反転入力端子の電圧は、電流検出抵抗Ｒ
F に電流が流れることによる電圧降下と同じなってお
り、ミックスアンプ２１は、電流検出抵抗ＲF による電
圧降下と、制御信号ＶEの電圧の差が縮小するように、
トランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 を制御している。即ち、モ
ータ１の電流ＩM を制御している。このことは、モータ
ドライブ用ＩＣ２は、モータ１の回転数の目標値ｂから
の低下に対応して、モータ１に流れる電流を大きくして
いることを示しており、これによりモータ１の回転数を
引上げ、目標の回転数となるように制御している。

【０００８】モータ１の回転数が目標の回転数より高い
場合には、検出信号ａの周波数は目標値ｂよりも大きく
なり、制御信号ＶE の電圧は負極性の−ＢＶとなる。こ
の場合のミックスアンプ２１の反転入力端子の電圧は、
必ず０Ｖ以上なので、ミックスアンプ２１は、トランジ
スタＴｒ1 ，Ｔｒ2 をオフ制御している。これにより、
モータ１には、電流が流れなくなり、モータ１は、軸受
け等の摩擦により、回転数が低下する。

【０００９】このように従来の制御回路は、モータ１の
回転数が目標の回転数よりも低い場合に、モータ１の回
転数を引上げ、目標の回転数となるように制御し、モー
タ１の回転数が目標の回転数よりが高い場合には、モー
タ１に電流を流れなくなし、回転数を低下させている。

【００１０】ここで上述の従来の制御回路においては、
電源電圧Ｖccは、以下の式を満たすように設定してい
る。

【００１１】 Ｖcc＞ＩM(max)・ＲM ＋ＶM(max)＋Ｖ1 ＋Ｖ2 ＋ＩM(max)・ＲF …（１） 但し、式（１）において、ＩM(max)はモータ１を流れる
最大の電流、ＶM(max)はモータ１の最大の逆起電力、Ｒ
F ，ＲM はそれぞれ抵抗ＲF ，ＲM の抵抗値、Ｖ1 ，Ｖ
2 は、それぞれトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 のコレクタ
・エミッタ間の電圧を示している。

【００１２】ここで、モータ１の最大の逆起電力ＶM(ma
x)［Ｖ］は、モータ１の誘起電圧定数をＫｅ［Ｖ／rpm
］、最大の回転数をＮ(max) ［rpm ］とすると、以下
の式に表すことができる。

【００１３】ＶM(max)＝Ｋｅ・Ｎ(max) …（２） この式（２）を式（１）に代入すると、 Ｖcc＞ＩM(max)・ＲM ＋Ｋｅ・Ｎ(max) ＋Ｖ1 ＋Ｖ2 ＋ＩM(max)・ＲF …（３） となる。

【００１４】ここで、Ｎをモータ１の実際の回転数とす
ると、モータドライブ用ＩＣ２の消費電力Ｐは、以下の
式となる。

【００１５】 Ｐ＝｛Ｖcc−（ＩM ・ＲM ＋Ｋｅ・Ｎ）−ＩM ・ＲF ｝・ＩM …（４） ここで、一般に抵抗ＲF は、抵抗値ＲF が０．２〜１Ω
ぐらいの小さな値のものが用いられているので、

【００１６】

【数１】

【００１７】となり、式（４）は、以下の式に近似でき
る。

【００１８】 Ｐ＝｛Ｖcc−（ＩM ・ＲM ＋Ｋｅ・Ｎ）｝・ＩM …（６） この式（６）より、モータ１の負荷、即ち、モータ１の
電流ＩM が常に一定であった場合、モータ１の回転数Ｎ
が小さくなると、モータ１を加わる電圧（ＩM・ＲM ＋
Ｋｅ・Ｎ）の減少分がモータドライブ用ＩＣ２の回路内
に加わるため、モータドライブ用ＩＣ２の消費電力Ｐが
大きくなる。

【００１９】ここで、このような従来の制御回路では、
高速回転に対応できるように、即ちモータ１の最大の回
転数Ｎ(max) を大きく設定するには、式（３）が成り立
つように、電圧Ｖccをできるだけ大きな値に設定となけ
ればならない。ところが、電圧Ｖccを大きな値に設定
し、モータ１を低速回転にすると、式（６）に示すよう
に、モータ１を加わる電圧の減少分がモータドライブ用
ＩＣ２の回路内に加わり、モータドライブ用ＩＣ２の消
費電力Ｐが電圧Ｖccとモータ１に流れる電流ＩMの積に
近付く。これにより、モータドライブ用ＩＣ２の消費電
力Ｐが大きくなる。このため、特にモータ１の負荷が大
きい場合、即ちモータ１で大きなトルクを発生する場
合、モータ１の電流ＩM も大きくなり、低速回転時のモ
ータドライブ用ＩＣ２の消費電力Ｐもさらに大きくなる
ため、モータ１を低速回転から高速回転までの広い範囲
の制御が困難であった。

【００２０】ここで、モータドライブ用ＩＣ２の消費電
力Ｐの許容量、即ち、消費電力Ｐの最大定格を大きくす
ることも考えられるが、通常モータドライブ用ＩＣ２
は、定電流回路、パワートランジスタ、ホール素子によ
るスイッチング回路（多相モータの場合）等のいろいろ
な回路、機能をワンチップで実現しており、小型ではあ
るが、消費電力Ｐの最大定格は、ディスクリート部品
（パワートランジスタ、電界効果トランジスタ）に比べ
て小さいため、モータ１に対して高負荷で低速回転から
高速回転までの広い範囲の制御が必要な用途には不向き
であった。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来のモータ
制御装置では、高速回転に対応できるようにするには、
モータドライブ用ＩＣの電源電圧を大きな値に設定しな
ければならないが、この状態でモータを低速回転にする
と、直流モータに加わる電圧の減少分がモータドライブ
用ＩＣの回路内に加わるため、モータドライブ用ＩＣの
消費電力が大きくなり、モータ１に対する低速回転から
高速回転までの広い範囲によって制御することが困難で
あった。

【００２２】そこで本発明は、モータを高速回転から低
速回転に切換えた際に、直流モータに加わる電圧の減少
分がモータドライブ用回路に加わるのを防止できるモー
タ制御装置の提供を目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明に
よるモータ制御装置は、モータの回転数に比例した周波
数の信号を発生する周波数発生器と、この周波数発生器
からの信号の周波数と、目標の周波数とを比較して、そ
の周波数の差を検出する周波数検波器と、この周波数検
波器の検出出力に基づき、モータに流れる電流を制御す
るモータドライブ用回路と、周波数検波器の検出出力
と、周波数発生器からの検出信号とから制御信号を作成
する制御回路と、電源からモータドライブ用回路に電圧
を供給する経路に設けられ、制御回路からの制御信号に
対応してモータドライブ用回路に供給される電圧を制御
する電圧制御回路とを具備したことを特徴とする。

【００２４】

【作用】このような構成によれば、演算回路により周波
数検波器の検出出力と周波数発生器からの前記検出信号
の周波数とを演算することにより制御信号を作成し、電
圧制御回路は、モータを高速回転から低速回転に切換え
た際に、この制御信号によりモータドライブ用ＩＣに供
給される電源からの直流電圧を減少させることができる
ので、この際にモータに加わる電圧の減少分がモータド
ライブ用回路に加わるのを防止できる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して説明する。

【００２６】図１は本発明に係るモータ制御装置の一実
施例を示す回路図であり、図３の従来例と同様の構成要
素には同一の符号を付して説明を省略している。

【００２７】図１において、本実施例で異なるのは、演
算回路１１がＦＧ３からの検出信号ａとフィルタアンプ
５からの制御信号ＶE との演算を行い演算結果の電圧Ｖ
refを作成し、電圧制御回路１２がこの演算結果Ｖrefに
対応して、モータドライブ用ＩＣ２の電源入力端子２ｂ
に導かれる電源電圧を制御するようにしたことである。

【００２８】更に詳細に説明すると、ＦＧ３は、このモ
ータ１の回転数に比例した周波数を示す検出信号ａを周
波数検波器４の第１の入力端子に供給するとともに、演
算回路１１の第１の入力端子に供給している。演算回路
１１の第２の入力端子は、フィルタアンプ５からの制御
信号ＶE が導かれている。演算回路１１は、後述する係
数で検出信号ａと制御信号ＶE の演算を行い、この演算
結果の電圧Ｖref を電圧制御回路１２の制御信号入力端
子に供給する。電圧制御回路１２は、電源入力端子に直
流電源からの電圧Ｖccの直流電圧が導かれており、この
電圧Ｖccを電圧Ｖref に比例するように制御してＶ'cc
としてモータドライブ用ＩＣ２の電源入力端子２ｂに導
く。

【００２９】ここで、演算回路１１における演算を数式
を用いて具体的に説明する。

【００３０】まず、モータドライブ用ＩＣ２の消費電力
は、従来例の式（６）のＶccをＶ'cc とすることによ
り、 Ｐ＝｛Ｖ'cc −（ＩM ・ＲM ＋Ｋｅ・Ｎ）｝・ＩM …（７） ここでモータドライブ用ＩＣ２の消費電力Ｐの最大定格
をＰ(MAX) とすると、次に示す式を満たさなくてはなら
ない。

【００３１】 Ｐ(max) ＞｛Ｖ'cc −（ＩM ・ＲM ＋Ｋｅ・Ｎ）｝・ＩM …（８） ここで、Ｖ'cc を、 Ｖ'cc ＝α＋ＩM ・ＲM ＋Ｋｅ・Ｎ …（９） と仮定する。この場合、αは次の式を満たす定数であ
る。

【００３２】α＞Ｖ' 1 ＋Ｖ' 2 …（１０） 但し、Ｖ' 1 ＋Ｖ' 2 は、それぞれモータ１に最大の電
流ＩM(max)が流れる場合のトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2
のコレクタ・エミッタ間の電圧で、トランジスタＴｒ1
，Ｔｒ2 を定電流動作させるための必要最小電圧であ
る。

【００３３】式（９）でＶ'cc を制御した場合の消費電
力Ｐは、式（７）に式（９）を代入することにより次に
示す式となる。

【００３４】Ｐ＝α・ＩM …（１１） 式（１１）より、ＩM が一定ならば、消費電力Ｐは回転
数によらず一定となる。

【００３５】ここで、モータ１に流れる最大の電流値を
ＩM(MAX)とすると、消費電力の最大定格Ｐ(MAX) の満た
すべき条件は、式（８）に式（９）を代入することによ
り以下に示す式となる。

【００３６】Ｐ(MAX) ＞α・ＩM(MAX) …（１２） このように、式（１２）を満たす範囲において、式
（９）によって電圧Ｖ'ccを制御すれば、式（１１）よ
り常にモータドライブ用ＩＣ２の消費電力を定格内に抑
えることができる。

【００３７】ここで、ＦＧ３の歯数（モータ１回転の発
生パルス数）をｎ、ＶE をＩM に変換する場合の変換係
数をｇ［Ａ／Ｖ］、ＦＧ３の検出信号の周波数をｆ［Ｈ
ｚ］とすると、

【００３８】

【数２】

【００３９】このような式（１３），（１４）を式
（９）に代入すると、次の式となる。

【００４０】

【数３】

【００４１】ここで、電圧制御回路１２は、Ｖ'cc が演
算結果Ｖref に比例するように制御しており、この比例
定数をｋとすると、対応して Ｖ'cc ＝ｋ・Ｖref …（１６） 式（１５）に式（１６）を代入すると、

【００４２】

【数４】

【００４３】式（１７）において、ｋ，α，Ｋｅ，ｎ，
ＲM ・ｇは定数であり、制御信号ＶE ，モータ１の回転
数ＮによりＶ'cc を制御できる。

【００４４】このように、本実施例はこのようにモータ
１の回転数ｎ及び制御信号ＶE に対応してモータドライ
ブ用ＩＣ２の電源電圧を制御することにより、式（１
１）に示すように、モータドライブ用ＩＣ２の消費電力
をモータの回転数ｎによらず、モータに流れる電流に比
例するように制御することができるので、モータを高速
回転から低速回転に切換えた際に、モータ１に加わる電
圧の減少分がモータドライブ用ＩＣ２の回路内に加わる
のを防止でき、低速回転時のモータドライブ用ＩＣ２の
消費電力を縮小でき、低速回転から高速回転までの広い
範囲の制御をモータ１に対して容易に行うことができ
る。

【００４５】図２は本発明に係るモータ制御装置の他の
実施例を示す回路図であり、図１の実施例と同様の構成
要素には同一の符号を付して説明を省略している。

【００４６】図２において、本実施例で異なるのは、電
流検出回路３１が電圧制御回路１２からモータドライブ
用ＩＣ２の端子２ｂへ流れる電流を検出することによ
り、モータ電流ＩM を検出し、この検出出力をＶI とし
て、演算回路３２に供給し、演算回路３２がＦＧ３から
の検出信号ａと電流検出回路３１の検出出力ＶI との演
算を行い、この演算結果の電圧Ｖref を作成し、電圧制
御回路１２がこの演算結果Ｖref に対応して、モータド
ライブ用ＩＣ２の電源入力端子２ｂに導かれる電源電圧
を制御するようにしたことである。ここで、電流検出回
路３１は、電圧制御回路１２から出力される電流値を検
出するものであって、種々の計測方法が採用されうる。
このような方法としては、例えば、電圧制御回路１２の
出力端子の電位を検出することにより電流値を検出する
方法が考えられる。

【００４７】ここで、ＶI をＩM に変換する場合の変換
係数をｇ' ［Ａ／Ｖ］とすると、以下に示す式となる。

【００４８】ＩM ＝ＶI ・ｇ' ［Ａ］…（１８） この式（１８）におけるＶI からＩM への変換は、式
（１４）におけるＶE からＩM への変換に対して変換係
数が異なるだけなので、演算回路３２は、図１の演算回
路１１における演算の変換係数ｇをｇ' に変更して、Ｖ
I に対して、図１におけるＶE と同様の演算を行えばよ
い。このように変換係数ｇをｇ' に変更し、ＶI をＶE
に変更したとしても、図１の実施例における式（１
５），（１６），（１７）の式が成立つので、本実施例
においても、モータドライブ用ＩＣ２の消費電力をモー
タの回転数ｎによらず、モータに流れる電流に比例する
ように制御することができ、図１の実施例と同様の効果
がえられる。

【００４９】ここで、図２の実施例の変形例として、電
流検出回路３１が電圧制御回路１２の出力端子の電流を
検出する代りに、電流検出抵抗ＲF のモータドライブ用
ＩＣ２側の端子、即ち、モータドライブ用ＩＣ２の端子
２ｃの電位Ｖ2cを検出することによりモータに流れる電
流を検出してもよい。この場合、以下に示す式が成立
つ。

【００５０】

【数５】

【００５１】ここで、をＩM に変換する場合の変換係数
をｇ''［Ａ／Ｖ］とすると、以下に示す式が成立つ。

【００５２】

【数６】

【００５３】この場合の変換係数ｇ''［Ａ／Ｖ］は、定
数となるので、式（１８）と同様に、以下に示す式が成
立つ。

【００５４】ＩM ＝Ｖ2c・ｇ''［Ａ］…（２１） 即ち、本変形例においては、演算回路３２における変換
係数ｇ' をｇ''に変更して、Ｖ2cに対して、図１におけ
るＶI と同様の演算を行うことにより、図２と同様の効
果が得ることができる。

【００５５】尚、図１及び図２の実施例では、従来例と
同様にミックスアンプ２１が電流検出抵抗ＲF による電
圧降下と、制御信号ＶE の電圧との差が縮小するよう
に、トランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 を制御しているが、ト
ランジスタＴｒ1 については、制御信号ＶE を所定の判
定回路で判定して単なるスイッチング動作で制御するよ
うにしてもよい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、モ
ータを高速回転から低速回転に切換えた際に、直流モー
タに加わる電圧の減少分がモータドライブ用回路に加わ
るのを防止できるので、低速回転時のモータドライブ用
回路の消費電力を縮小でき、モータを低速回転から高速
回転までの広い範囲で容易に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るモータ制御装置の一実施例を示す
回路図。

【図２】本発明に係るモータ制御装置の他の実施例を示
す回路図。

【図３】従来のモータ制御装置を示す回路図。

【符号の説明】

１ 直流モータ ２ モータドライブ用ＩＣ ３ ＦＧ ４ 周波数検波器 １１ 演算回路 １２ 電圧制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータの回転数に比例した周波数の信号を
   発生する周波数発生器と、 この周波数発生器からの信号の周波数と、目標の周波数
   とを比較して、その周波数の差を検出する周波数検波器
   と、 この周波数検波器の検出出力に基づき、モータに流れる
   電流を制御するモータドライブ用回路と、 周波数検波器の検出出力と、周波数発生器からの検出信
   号とから制御信号を作成する制御回路と、 電源からモータドライブ用回路に電圧を供給する経路に
   設けられ、制御回路からの制御信号に対応してモータド
   ライブ用回路に供給される電圧を制御する電圧制御回路
   とを具備したことを特徴とするモータ制御装置。
2. 【請求項２】モータの回転数に比例した周波数の信号を
   発生する周波数発生器と、 この周波数発生器からの信号の周波数と、目標の周波数
   とを比較して、その周波数の差を検出する周波数検波器
   と、 この周波数検波器の検出出力に基づき、モータに流れる
   電流を制御するモータドライブ用回路と、 モータに流れる電流を検出する電流検出回路と、 この電流検出回路の検出出力と、周波数発生器からの検
   出信号とから制御信号を作成する制御回路と、 電源からモータドライブ用回路に電圧を供給する経路に
   設けられ、制御回路からの制御信号に対応してモータド
   ライブ用回路に供給される電圧を制御する電圧制御回路
   とを具備したことを特徴とするモータ制御装置。