JPH10201291A - 直流電動機の速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は直流電動機の速度制御装置に係り、
特に直流電動機の界磁巻線の電流制御を行い、直流電動
機に衝撃を与えることなく回転速度を加速し、直流電動
機をスムースに最高速度に達するまで制御できる直流電
動機の速度制御装置を提供するものである。 【解決手段】 バッテリ１１から直流電動機１２に供給
する電流（Ｉｍ）を界磁巻線１４に全て流すのではな
く、界磁巻線１４に並列に接続するＭＯＳＦＥＴ１５に
も流し、制御手段から出力するゲート信号に従ってＭＯ
ＳＦＥＴ１５に流れる電流を制御し、実質的に界磁巻線
１４に流れる界磁電流を制御することで直流電動機１２
の回転速度を衝撃なく、滑らかに最高速度まで制御する
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直流電動機の速度制
御装置に係り、特に直流電動機の界磁巻線の電流制御に
関する。

【０００２】

【従来の技術】直流電動機、特に界磁巻線を電機子巻線
に対して直列に接続する回路を有する直巻電動機や和動
複巻電動機等は、負荷に対する速度制御の容易さから、
電車やクレーン車等をはじめ、トルクを必要とする各種
産業用機器に使用されている。特に、電気自動車や電動
式フォークリフトではバッテリを電源とするため、この
ような直流電動機が使用されている。

【０００３】図５はこのような用途に使用する直巻直流
電動機の回路構成を示す。同図において、１はバッテリ
であり、直流電動機２はこのバッテリ１からメインスイ
ッチ３を介して電力の供給を受ける。また、バッテリ１
から直流電動機２に供給される電流（Ｉｍ）は、メイン
スイッチ３、直流電動機２を流れた後、界磁巻線４、メ
イントランジスタ５を流れる。尚、ダイオード６と７
は、フライホイールダイオードである。

【０００４】通常、直流電動機２の駆動制御は、メイン
トランジスタ５のベース（Ｂ）に制御信号を入力し、界
磁巻線４に流れる電流を制御して行っている。また、直
流電動機２の回転速度を最高速に制御する場合、バイパ
スコンタクタ８をオンし、メイントランジスタ５の制御
を解除し、バッテリ１から直流電動機２に１００％の電
流を供給する。このとき、界磁電流が増加するとともに
モータ回転数が上昇するが、その際、電機子に起電力が
発生する。そのため、電機子巻線に流れる電流は徐々に
流れ難くなり、最高速度に達するのに時間がかかる。こ
のことを回避するため、且つ上述のように電機子巻線に
流れる電流が徐々に流れ難くなることから、以後スイッ
チ９をオンし、界磁巻線４に流れていた電流の一部を界
磁抵抗Ｒを介して流し、界磁巻線４に流れる電流を減少
させ、直流電動機２を最高速度まで制御する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図６は上述の処理の
間、直流電動機２（電機子巻線）に流れる電流（Ｉｍ）
の変化を示す図である。同図に示すように、バイパスコ
ンタクタ８をオンして直流電動機２にバッテリ１の最大
電力を供給した時、大きな電流（Ｉｍ）が流れ、以後上
述のように電流（Ｉｍ）は低下する（図６の状態ａ）。
その後、スイッチ９をオンした瞬間、同図にｂで示すよ
うに電流（Ｉｍ）は増加し、以後電流（Ｉｍ）は徐々に
低下する。そして、例えば、電流（Ｉｍ）がほぼ一定の
低い値になった時（同図の状態ｃ）、直流電動機２の回
転速度は最高速度に達する。

【０００６】しかしながら、上述の速度制御において、
スイッチ９をオンした瞬間直流電動機２に流れる電流
（Ｉｍ）は大きく上昇し（上述の同図ｂ参照）、直流電
動機２に衝撃を与える。この衝撃は、直流電動機２の破
損や寿命の低下の原因となる。また、直流電動機２の回
転速度の加速に悪影響を与える。

【０００７】本発明は上記課題を解決するため、直流電
動機に衝撃を与えることなく回転速度を加速し、直流電
動機をスムースに最高速度に達するまで制御できる直流
電動機の速度制御装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は上
記課題を解決するため、直流電動機の界磁巻線と、該界
磁巻線に並列に接続され前記直流電動機に流れる電流を
前記界磁巻線と共に分流する電流分流手段と、該電流分
流手段に流す電流量を制御する制御手段とを有する直流
電動機の速度制御装置を提供することで達成できる。

【０００９】ここで、直流電動機は電気自動車をはじ
め、各種産業用機器に使用する電動機であり、このよう
な直流電動機の界磁巻線に並列に、バイポーラトランジ
スタやＦＥＴトランジスタ等の電流分流手段を接続し、
制御手段により電流分流手段を流れる電流量を制御す
る。

【００１０】このように構成することにより、直流電動
機を流れる電流を電流分流手段に分流し、制御手段によ
ってその分流量を制御し、例えば界磁巻線に流れる電流
を徐々に減少させ、直流電動機の速度制御を衝撃なく最
高速度まで制御するものである。

【００１１】請求項２記載の発明は、前記請求項１記載
の発明をより具体化するものであり、前記直流電動機
は、例えば直流直巻電動機で構成する。すなわち、前記
界磁巻線は直流電動機の電機子巻線に直列に接続され、
界磁巻線に流れる電流が電機子巻線に直接影響し、効率
よい電動機の速度制御を行うものである。

【００１２】尚、直流電動機は上記直巻電動機に限定さ
れるものではなく、電機子巻線に直列に界磁巻線が接続
される構成であれば、差動複巻電動機でもよく、和動複
巻電動機、等の他の直流電動機であってもよい。

【００１３】請求項３記載の発明は、前記請求項１記載
の発明をより具体化するものであり、前記制御手段は、
例えば前記直流電動機に流れる電流を検出する電流検出
手段と、制御パターンを記憶する記憶手段と、前記電流
検出手段が前記直流電動機を流れる電流の減少を検出す
る時、前記記憶手段に記憶する制御パターンに従って前
記電流分流手段に流れる電流を制御する駆動制御手段と
を有する構成であってもよい。

【００１４】ここで、電流検出手段は例えば電流計であ
り、記憶手段は例えば各種制御パターンを記憶するテー
ブルであり、駆動制御手段は例えば電流分流手段に接続
するＣＰＵ等の制御手段であり、直流電動機を流れる電
流量が減少する時、テーブルに記憶する制御パターンに
従って滑らかに電流分流手段を流れる電流を増加させつ
つ、直流電動機を最高速度に制御する。

【００１５】請求項４記載の発明は、前記請求項３記載
の発明をさらに具体化するものであり、前記記憶手段に
記憶する制御パターンは、例えば時間経過に従って前記
電流分流手段に流れる電流を増加させるパターンであ
る。

【００１６】このように構成することにより、駆動制御
手段により、電流分流手段に電流を増加させながら供給
し、直流電動機に流れる電流を衝撃なく減少させ、滑ら
かに直流電動機の速度を最高速度に制御する。

【００１７】請求項５記載の発明は、前記請求項３記載
の発明をより具体化するものであり、前記駆動制御手段
は、例えば前記直流電動機に流れる電流の減少を検出す
ると共に、電源から最大電力の供給を受けていることを
検出する時、前記記憶手段に記憶する制御パターンに従
って前記電流分流手段に流れる電流を制御する構成であ
る。

【００１８】例えば駆動制御手段は、直流電動機を制御
するトランジスタの駆動を解除し、バッテリ等の電源か
ら１００％の電力供給を受けていることを、バイパスス
イッチ（バイパスコンタクタ）等から出力されるオン信
号で判断し、電源からの最大電力の供給を知る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面
を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態例を説明す
る速度制御装置の回路図である。尚、本例で説明する直
流電動機は直巻電動機の例であり、例えば電動式フォー
クリフト、又は電気自動車等の駆動用モータに使用す
る。

【００２０】同図において、バッテリ１１は、例えばニ
ッケル水素蓄電池等の二次電池で構成され、バッテリ１
１の正極はパワースイッチ１３を介して直流電動機１２
に接続されている。直流電動機１２は、例えばロータに
電機子巻線が巻装され、界磁電流を流すことによってロ
ータを回転させる。

【００２１】また、直流電動機１２の電機子巻線には、
直列に界磁巻線１４が接続され、この界磁巻線１４に流
れる電流が上述の界磁電流である。また、この界磁巻線
１４には、並列に電流分流手段としてのＭＯＳＦＥＴ１
５が接続されている。

【００２２】尚、界磁巻線１２の通常の駆動、すなわち
直流電動機１２を最高速度に制御する以外の駆動、では
ＭＯＳＦＥＴ１５のゲート（Ｇ）に制御信号を供給する
ことなく、ＭＯＳＦＥＴ１５を非駆動とし、界磁巻線１
４に流す電流によって直流電動機１２を駆動する。

【００２３】一方、メイントランジスタ１６は界磁巻線
１４（及びＭＯＳＦＥＴ１５）に直列に接続され、ベー
ス（Ｂ）に入力される制御信号によって直流電動機１２
を駆動制御する。例えば、メイントランジスタ１６に供
給される制御信号のデューティを変化させることにより
直流電動機２の回転速度や駆動トルクを制御する。ま
た、メイントランジスタ１６にはバイパスコンタクタ２
１が並列に接続され、直流電動機１２を最高速度に制御
する時、このメイントランジスタ１６の制御を解除し、
界磁巻線１４を流れた電流（及びＭＯＳＦＥＴ１５を流
れた電流）を流す。

【００２４】尚、界磁巻線１４の両端に設けられた切り
換えスイッチ１９及び２０は界磁巻線１４に流れる電流
の方向を切り換え、直流電動機１２の回転方向を逆転す
るための構成である。例えば、同図に示すコモン端子１
９ａと端子１９ｂが接続し、コモン端子２０ａと端子２
０ｃが接続する時、電流は界磁巻線１４内を矢印ｃ方向
に流れ、直流電動機１２を例えば正回転させる。また、
逆にコモン端子１９ａと端子１９ｃが接続し、コモン端
子２０ａと端子２０ｂが接続する時、電流は界磁巻線１
４内を矢印ｄ方向に流れ、直流電動機１２を逆回転させ
る。

【００２５】また、直流電動機２に対して並列に接続さ
れたダイオード２２と２３は、フライホイールダイオー
ドである。一方、図２はＭＯＳＦＥＴ１５を駆動するた
めの制御手段の構成を示す。具体的には、駆動制御手段
である制御回路２５と駆動回路２６、記憶手段である制
御パターンをテーブルとして格納するＲＯＭ２７、電流
検出手段である電流計２８で構成されている。また、上
記電流計２８は、直流電動機１２に供給する電流（Ｉ
ｍ）を検出し、この検出データを制御回路２５に出力す
る。制御回路２５は電流計２８から供給される検出デー
タと、同じく電流計２８から供給された前のデータと比
較し、直流電動機１２に流れる電流（Ｉｍ）が増加中で
あるか、又は減少中であるか判断する。例えばこの判断
は、電流計２８から出力される検出データをアナログ/
デジタル変換し、デジタルデータとして不図示のバッフ
ァ等に保持し、電流計２８から出力する次の検出データ
と比較することで判断する。

【００２６】また、制御回路２５には前述のバイパスコ
ンタクタ２１のオン/オフ情報も入力する。例えばバイ
パスコンタクタ２１がオンの時ハイ信号が入力し、バイ
パスコンタクタ２１がオフの時ロー信号が入力する。

【００２７】さらに、制御回路２５にはＲＯＭ２７が接
続され、ＲＯＭ２７は複数の制御パターンを記録してい
る。制御回路２５はＲＯＭ２７から指定する制御パター
ンを読み出し、駆動回路２６に出力する。この制御パタ
ーンは、ＭＯＳＦＥＴ１５を駆動制御するものであり、
制御回路２５はＲＯＭ２７から読み出した制御パターン
に従った制御信号を駆動回路２６に出力する。駆動回路
２６は制御回路２５から出力される制御信号に従ってゲ
ート信号をＭＯＳＦＥＴ１５に出力し、ＭＯＳＦＥＴ１
５を駆動する。

【００２８】以上の構成の直流電動機の速度制御装置に
おいて、以下にその制御処理を説明する。通常、直流電
動機１２の駆動制御は、チョッパ制御が行われる。すな
わち、バイパスコンタクタ２１をオフ状態とし、要求さ
れる回転数が低い時、例えば車両であればアクセルの踏
み角が小さいときには、ベース（Ｂ）に供給する制御信
号のデューティを低くし、界磁電流を低く保つ。また、
要求される回転数が高い時、すなわちアクセルの踏み角
が大きいときには、ベース（Ｂ）に供給する制御信号の
デューティを高くし、界磁電流を増加させて所望の回転
数を得る。

【００２９】一方、このような直流電動機１２の駆動制
御の間、直流電動機１２を最高速度に制御するためには
以下のように制御する。図３はこの時直流電動機１２に
供給する電流（Ｉｍ）の変化を示し、直流電動機１２を
最高速度に制御する過程を説明する図である。尚、界磁
巻線１４の両端の各端子１９、２０の接続状態は、前述
の図１の接続状態とする。

【００３０】先ず、バイパスコンタクタ２１をオンし、
メイントランジスタ１６の駆動制御を解除する。この処
理により、直流電動機１２に対しバッテリ１１から電流
が供給され、電流（Ｉｍ）は急激に上昇する（図３の状
態ｅ）。この時、電流計２８は直流電動機１２に供給す
る電流（Ｉｍ）を検出するが、この電流値が増加状態で
あるので、制御回路２５は駆動回路２６に対し制御信号
を出力しない。したがって、この時、ＭＯＳＦＥＴ１５
は非駆動状態であり、直流電動機１２に流れた電流（Ｉ
ｍ）は全て界磁巻線１４を流れる。

【００３１】次に、このような大きな電流（Ｉｍ）が直
流電動機１２に流れると電機子反作用により、時間の経
過と共に電機子巻線に流れる電流が低下する（図３の状
態ｆ）。この時、制御回路２５は電流計２８から供給さ
れる検出データによって電流（Ｉｍ）の電流値が低下状
態であることを知る。さらに、この時バイパスコンタク
タ２１から入力する信号により、バイパスコンタクタ２
１がオン状態であることを知る。したがって、制御回路
２５はＭＯＳＦＥＴ１５を駆動制御すべく、ＲＯＭ２７
から制御パターンを読み出し、制御パターンに従った制
御信号を駆動回路２６に出力する。

【００３２】図４はＲＯＭ２７に予め登録された制御パ
ターンを示す。本例においては、Ａ〜Ｃの３つの制御パ
ターンが予めＲＯＭ２７に登録され、例えば制御パター
ンＡは時間（ｔ）の経過と共に電圧レベル（ＶGS）の上
昇が最初に大きいゲート信号を与えるパターンである。
また、制御パターンＢは時間（ｔ）と共に電圧レベル
（ＶGS）の上昇が一定なゲート信号を与えるパターンで
あり、制御パターンＣは時間（ｔ）と共に最後に電圧レ
ベル（ＶGS）が大きく上昇するゲート信号のパターンデ
ータである。

【００３３】ここで、例えば制御回路２５が上述の制御
パターンＡを選択したとすれば、制御回路２５は以後制
御パターンＡに従った制御信号を駆動回路２６に出力す
る。すなわち、駆動回路２６は時間（ｔ）の経過と共に
最初、電圧レベル（ＶGS）が大きく上昇し、その後徐々
に上昇率が低下するゲート信号をＭＯＳＦＥＴ１５に出
力する。この結果、ＭＯＳＦＥＴ１５は、最初ドレイン
（Ｄ）-ソース（Ｓ）間の電位を大きく下げ、電流（Ｉ
ｍ）の一部をＭＯＳＦＥＴ１５に流す（図３の状態
ｆ）。その後、時間（ｔ）の経過と共に電圧レベル（Ｖ
GS）の上昇率が低下するゲート信号により、ＭＯＳＦＥ
Ｔ１５に流す電流を徐々に大きくし、直流電動機１２に
流れる電流（Ｉｍ）をスムースに減少させる（図３の状
態ｇ）。

【００３４】したがって、本例によれば直流電動機１２
に供給する電流（Ｉｍ）を衝撃なく緩やかに低下させ、
直流電動機１２の回転速度を最高速度まで制御できる。
このことは、従来例で説明した図６に示す電流（Ｉｍ）
曲線と図３の電流曲線を比較すれば容易に理解できる。

【００３５】尚、上述の例では制御パターンＡについて
説明したが、制御パターンＢ又はＣを使用してもよく、
使用する直流電動機１２の特性や、負荷の大きさ、周囲
温度等を考慮して任意の制御パターンを選択することが
できる。

【００３６】また、ＲＯＭ２７に登録する制御パターン
も上述の３種類に限らず、例えば、Ｓ字状等の各種制御
パターンを登録することができる。さらに、界磁巻線１
４の両端に設けられた端子１９、２０を切り換えること
により、上記直流電動機１２の回転とは逆回転の場合で
も適用できる。

【００３７】また、本実施形態例では直巻の直流電動機
について説明したが、他の形式の直流電動機にも適用で
きる。さらに、本実施形態例の電流分流手段はバイポー
ラトランジスタやＦＥＴトランジスタに限らず、外部か
らの制御信号により抵抗値が連続的に変化する素子であ
れば良い。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、直
流電動機の回転速度を最大速度に制御する際、衝撃なく
滑らかに制御でき、機械的衝撃による加速低下を防止で
きる。

【００３９】また、衝撃がないので直流電動機の損傷等
を防止し、直流電動機の寿命を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態例を説明する直流電動機の速度制御
装置の回路図である。

【図２】ＭＯＳＦＥＴを駆動制御するための制御部の構
成を示す図である。

【図３】直流電動機に供給する電流（Ｉｍ）の変化を示
す図である。

【図４】テーブルに予め登録された制御パターンを示す
図である。

【図５】従来例の直流電動機の回路構成を示す図であ
る。

【図６】従来例の直流電動機に供給する電流（Ｉｍ）の
変化を示す図である。

【符号の説明】

１１ バッテリ １２ 直流電動機 １３ パワースイッチ １４ 界磁巻線 １５ ＭＯＳトランジスタ １６ トランジスタ １９、２０ 切り換えスイッチ ２１ バイパスコンタクタ ２２、２３ ダイオード ２５ 制御回路 ２６ 駆動回路 ２７ ＲＯＭ ２８ 電流計

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電動機の界磁巻線と、 該界磁巻線に並列に接続され、前記直流電動機に流れる
   電流を前記界磁巻線と共に分流する電流分流手段と、 該電流分流手段に流す電流量を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする直流電動機の速度制御装置。
2. 【請求項２】 前記直流電動機は、直巻電動機であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の直流電動機の速度制御装
   置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記直流電動機に流れ
   る電流を検出する電流検出手段と、 制御パターンを記憶する記憶手段と、 前記電流検出手段が前記直流電動機に流れる電流の減少
   を検出する時、前記記憶手段に記憶する制御パターンに
   従って前記電流分流手段に流れる電流を制御する駆動制
   御手段と、 より成ることを特徴とする請求項１記載の直流電動機の
   速度制御装置。
4. 【請求項４】 前記記憶手段に記憶する制御パターン
   は、時間の経過に対して前記電流分流手段に流れる電流
   を増加させるものであることを特徴とする請求項３記載
   の直流電動機の速度制御装置。
5. 【請求項５】 前記駆動制御手段は、前記直流電動機に
   流れる電流の減少を検出すると共に、電源から最大電力
   の供給を受けていることを検出する時、前記記憶手段に
   記憶する制御パターンに従って前記電流分流手段に流れ
   る電流を制御することを特徴とする請求項３記載の直流
   電動機の速度制御装置。