JPS586392B2 - カイテンタイノカイテンソクドセイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は供給電圧の変動ｋ対しても、回転速度の安定な
回転体の回転速度制御装置を消費電流が少なく、簡単な
構成で実現するものである。

従来より、回転体に内蔵あるいは連結された、いわゆる
タコジエネレータと呼ばれる交流発電機の出力信号を利
用して回転体の回転速度を一定に制御する方法には犬別
して電圧制御方式と周波数制御方式の二通りの方法が存
在するのは、よく知られているが、前者が簡単な回路構
成で実現できる反面、回転速度の環境変化、経年変化を
おこし易く、後者がこれらの欠点が無い代わりに回路構
成が複雑になってしまうということも周知の事実である
。

いま、第１図に従来より多用されている電圧制御方式を
用いた直流モータの回転速度制御回路の一例を示し、以
下、その問題点について述べる。

第１図において、直流モータ１０に内蔵あるいは連結さ
れ、前記直流モータ１０の回転速度に応じて周波数の変
ｒｔする交流信号を発生する交流発電機９の一端はマイ
ナス側給電線路に接続され、他端は抵抗１を介してスイ
ッチングトランジスタ２０ベースに接続されている。

前記スイッチングトランジスタ２のエミックはマイナス
側給電線路に接続され、さらに、前記スイッチングトラ
ンジスタ２０ベースとマイナス側給電線路の間には抵抗
３が接続されている。

前記スイッチングトランジスタ２のコレクタハ抵抗４を
介してプラス側給電線路に接続され、前記スイッチング
トランジスタ２のコレクタとマイナス側給電線路の間に
はコンデンサ５が接続されている。

さらに前記スイッチングトランジスタ２のコレクタには
トランジスタ６０ベースが接続され、前記トランジスタ
６のコレクタは抵抗７を介してプラス側給電線路に接続
されている。

また、前記トランジスタ６のエミソタはトランジスタ８
０ベースに接続され、前記トランジスタ８のエミツタは
マイナス側給電線路に直接接続され、コレクタは前記直
流モータ１０の一方の端子に接続され、前記直流モータ
１０の他方の端子はプラス側給電線路に接続されている
。

第１図に示した直流モータの回転速度制御装置は回転体
に内蔵あるいは連結された交流発電機の出力交流信号を
トランジスタ２によるスイッチング回路に印加して矩形
波状のスイッチング信号を得、抵抗４とコンテンサ５か
らなる平滑回路によって直流モータ１０の回転速度に依
存した直流電圧に変換し、この直流電圧によってトラン
ジスタ６および８からなる駆動回路を働かせて、前記直
流モータ１０の回転速度を一定に制御するものである。

さて、第１図においてはスイッチング出力波形の平滑電
圧ＥＩとトランジスタ６ならびに８０ベース・エミッタ
間順方向電圧の和（ＥＢＥａ十ＥＥＥ８）が等しくなる
ように直流モータ１０の回転速度が制御される。

第１図において、交流発電機９の発電電圧をＥｇ（ＶＰ
一Ｐ）、出力信号サイクルなＫｆ （ｃ／ｒｅ
ｖ）、発電巻線の内部抵抗をＲＧ、抵抗１および３の抵
抗値をそれぞれ、Ｒ１、Ｒ３としたとき、ベース電流が
流れない状態でのトランジスタ２０ベース電圧ＥＢは次
式で与えられる。

たたし、Ｎ（ｒｐｍ）はモータの回転数である。

トランジスタ２０ベース電圧ＥＢがベース・エミツタ間
順方向電圧ＥＢＥ２を越えたときトランジスタ２は導通
し、その時刻をｔ１とすると、ただし、 したがって、トランジスタ２の遮断区間の幅ＴＦは次式
によって与えられる。

ただし、 一方、平滑平均電圧ＥＩは電源電圧をＥｓとすると次の
ようにして求めることができる。

（６）式において、Ｃ５はコンデンサ５の容量であり、
Ｒ４は抵抗４の抵抗値である。

ここで、ＥＩとＮの関係をよりわかりやすくするために
（６）式を次のような近似式で表わす。

（４）式を考慮して（７）式を計算すると、ここで とすると、（８）式は次のようになる。

（１０）式において、α／Ｅｇは０から１までの値をと
り、これによってｓｉｎ−１ｃα／Ｅ８〕は０からπ／
２まで変化する。

α／ＥｇがＯ附近の値をとるときにはα／Ｅ，の変化に
対してｓｉｎ−１〔α／Ｅｇ〕もまた一次的に変比する
が、α／Ｅｇが１附近の値をとるときにはα／Ｅｇの変
化に対するｓｉｎ−１Ｃａ／Ｅ，）の変化は非常に大き
くなる。

すなわち、α／Ｅ，が１に近づ《ほど回転数一直流電圧
変換ゲインが大きくなる代わりに、検出電圧の変動成分
の影響を大きく受け、制御形態も純粋の電圧制御方式に
近《なる。

さて、直流モータ１０の発電定数をＫａ、トランジスタ
６および８による直流アンプ部のゲインに平滑電圧ＥＩ
のリツプル含有率を考慮した総合ゲインをＡとすると、
通常のフィードバックループでは基準電圧ＥＲと帰還電
圧βＮが与えられたとき直流モータ１０の回転数Ｎは となり、基準電圧ＥＲが大きくなればＮはそれに比例し
て大きくなり、また帰還電圧βＮはＮに比例して変化す
る。

ところが、第１図の回路において、トランジスタ６およ
びトランジスタ８のベース・エミッタ間電圧の相を基準
電圧とみなし、さらにＡＯ式で与えられるＥＩを帰還電
圧とみなした場合、実際の動作と理論上の現象が逆にな
ってしまう。

すなわち、実際の動作を考えてみると、（１０）式より
明らかな様に帰還電圧ＥＩはＮに反比例し、さらにトラ
ンジスタ６およびトランジスタ８０ベース・エミツタ間
電圧が大きくなると、帰還電圧Ｅ■を大きくする様にフ
ィードバックループが動作するのでモータ１０の回転数
は低くなる。

これらの不合理を解消するために、ここでは便宜上、基
準電圧の代わりに逆数の１／ＥＲを与え、さらに帰還電
圧βＮ（ＥＩ）の代わりに逆数の１／βＮを与える。

また、これらの操作によって生じるティメンジョンの不
一致を解消するためにＥｕ２なる特殊な単位関数を用い
る。

第１図の回路において、トランジスタ６，８０ベース・
エミソタ間電圧をそれぞれ、ＥＢＥ６，ＥＢＥ８とする
と、１／ＥＲは（ＥＢＥ６＋ＥＢＥ８）−１に等しく、
１／βＮは１／ＥＩに等しいがらα０）式な考慮すると
、直流モータ１０の回転数Ｎは次の直に制御される。

（１１）式において、Ｅ２ｕは電圧の２乗のディメンジ
ョンを有する単位関数で、 Ｅ２ｕ＝１（Ｖ２）（１２） ところで、駆動部の総合グインＡはリップル含有率をｒ
（％）、トランジスタ６および８による直流ゲインをＡ
。

とじたとき、次式によって表わされる。

ところで、（１１）式をみると給電電圧Ｅｓが変化する
と回転数Ｎも変化することがわかる。

すなわち、Ｅｓが大きくなると回転数Ｎは上昇し、Ｅｓ
が小さくなると回転数Ｎは下降するのである。

この不都合を避けるために、従来のこの種の装置では給
電線路間の電圧を安定化したり、第２図に示すように、
抵抗１２と定電圧ダイオード１１によってコンデンザ５
の充電電圧を安定化する方法がとられてきた。

しかしながら、これらの方法は回路構成が複雑になるだ
けでなく、回路効率が悪くなるという欠点があった。

例えば、給電線路間の電圧を安定化する場合には本来の
電源電圧から給電線路間の電圧を差し引いた電圧が電圧
損失となるし、第２図の例では定電圧ダイオード１１に
流れる電流が電流損失となる。

電源電圧の変動に対して回転数がどれだけ変動するかを
示すことばとして、一般に電圧特性と云う用語が用いら
れるが、第２図に示した回路では抵抗１２の抵抗値を小
さくするほど、つまり、回路損失が大きいほど電圧特性
は良くなる。

第２図のような回路では通常、スイッチングトランジス
タ２のコレクタ電流のＩＯ倍程度の電流を定電圧ダイオ
ード１１に流す必要がある。

本発明の回転体の回転速度制御装置は以上のような問題
を解消するものである。

本発明の実施例における回転体の回転速度制御装置の一
例を第３図に示す。

第３図の中で第１図および第２図において示したものと
機能ならびに構成が全く同一のものについては第１図、
第２図と同一図番で示し、構成ならびに機能、動作の説
明は省略する。

第３図ではトランジスタ２００ベースにダイオード１３
を通して交流発電機９の出力信号が印加されている。

また、前記トランジスタ２００ベース・エミツタ間、コ
レクタ・ベース間にはそれぞれ抵抗１４、抵抗１５が接
続され、前記トランジスタ２０のコレクタとプラス側給
電線路の間には抵抗１２が接続されている。

さらに、前記トランジスタ２０のコレクタとマイナス側
給電線路の間には抵抗４とコンデンサ５からなる平滑回
路が構成されるとともに、前記抵抗４と前記コンデンサ
５の接続点にはトランジスタ６０ベースが接続されてい
る。

さて、第３図において交流発電機９の内部抵抗ＲＧが抵
抗１４および抵抗１５の抵抗値に比べて充分小さいもの
とすると、トランジスタ２０は交流発電機９の出力信号
波形の正の半サイクルの中でオン状態となる。

正の半サイクルの中でトランジスタ２０がオン状態にな
っている期間は交流発電機９の出力電圧および出力周波
数に依存するのは第１図の回路と同じである。

交流発電機９の出力信号波形の負の半サイクルと正の半
サイクルの一部の区間ではダイオード１３がオフ状態と
なるから交流発電機９からはトランジスタ２００ベース
電流が供給されなくなる。

このとき、トランジスタ２００ベース電流は抵抗１５に
よって供給され、前記トランジスタ２０は定電圧動作を
行なう。

すなわち、周知のように給電線路間の電圧が上昇したと
き、トランジスタ２０のベース電流は増加するから、コ
レクタ電流も増加してコレクタ電位を下降させるように
働き、反対に給電線路間の電圧が下降したときにはトラ
ンジスタ２０のベース電流、コレクタ電流も減少して、
コレクタ電位を上昇させるように働く。

いま、トランジスタ２０のコレクタ・エミツタ間電圧を
ＥＣ、ベース・エミツタ間順方向電圧をＥＢＥ２、抵抗
１４，１５の抵抗値をそれぞれＲ１４，Ｒ１５とすると
、トランジスタ２０のコレクタ電位はほぼ次の値に保た
れる。

Ｅｃ＝ＥＢＥ２｛’＋Ｒ１５／Ｒ１４） （１
４）ところで、トランジスタ２０のエミツタ電流をＩＥ
とし、製造プロセスや接合部の温度によって定まる飽和
電流をＩｓとし、さらに接合部の温度をＴ、ボルツマン
定数をｋ、電子の電荷をＱとすると、トランジスタ２０
０ベース・エミツタ間順方向電圧ＥＢＥ２は で与えられる。

例えば、２５℃における１ｓが３４６× １０−１７（Ａ）であるトランジスタを用いた場合、定
格電源電圧におけるＩＥＯ値が１ｍＡになるように設定
したとすると、定格電圧時のＥＢＥ２は７９６ｍＶとな
り、電源電圧が２倍に上昇してＩＥが２ｍＡとなったと
してもＥＢＥ２は８１３ｍＶまで上昇するだけである。

したがって、電源電圧が変動してもコンデンサ５０両端
の電圧は殆んどその影響を受けないからきわめて安定な
制御を行なうことができる。

本発明の大きな特徴は従来単なるスイッチングトランジ
スタとして用いられていたトランジスタに定電圧動作を
行なわせたことにあり、通常の動作に無関係な電流経路
が無いから、回路損失も少なくなるとともに回路構成も
簡単になる。

なお、電源電圧が大幅に変動する場合にはそれに伴なっ
て、スイッチングトランジスタ２０のコレクタ電位も若
干変動するが、スイッチングトランジスタ２００ベース
とプラス側給電線路の間に抵抗を挿入することにより、
これを補正することができる。

つぎに、第４図は本発明の他の実施例を示したもので、
平滑用コンテンサ５はトランジスタ８のコレクタに接続
されるとともに、トランジスタ６のコレクタも前記トラ
ンジスタ８のコレクタに接続されている。

この回路の利点はコンデンサ５とトランジスタ６および
８によって、一種のミラー積分器を構成しているので、
コンデンサ５の容量が少なくてすむこと、トランジスタ
６のコレクタをトランジスタ８のコレクタに接続してい
るので、限流用抵抗７が不要になることなどであるが、
その反面、トランジスタ８の飽和電圧が若干大きくなる
。

さらに、第５図も本発明の別の実施例を示したものであ
る。

この回路では交流発電機に直接接続されたスイッチング
トランジスタ１６と、ベースが抵抗１７を介して前記ス
イッチングトランジスタ１６のコレクタに接続されるト
ランジスタ２０を備え、前記トランジスタ２０がスイッ
チング作用と定電圧作用を行なうものである。

また、抵抗４と並列に接続されたダイオード１８はトラ
ンジスタ２０がオン状態となったとき、コンデンサ５に
充電された電荷をすばやく放電させるためのダイオード
である。

なお、本発明は第３図〜第５図に限定されるものではな
く、モータ、ガソリンエンジンを始めとする、あらゆる
回転体の回転速度制御装置に適用できるものである。

以上に示したように、本発明の回転体の回転速度制御装
置ではトランジスタにスイッチング作用だけでなく定電
圧作用をも行なわせているので、簡単な構成で、回路損
失が少なく電源電圧の変動に対して回転速度の安定な装
置を実現することができ、きわめて犬なる効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来例を示す直流モータの回転速
度制御装置の回路結線図であり、第３図、第４図、第５
図はそれぞれ本発明の実施例を示す直流モータの回転速
度制御装置の回路結線図である。 ４・・・・・・抵抗、５・・・・・・コンデンサ（平滑
回路を構成）、６，８・・・・・・トランジスタ（駆動
回路を構成）、９・・・・・・交流発電機、１０・・・
・・・直流モータ（回転体）、１２，１４，１５・・・
・・・抵抗、２０・・・・・・トランジスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転体に内蔵あるいは連結され、前記回転体の回転
   速度に応じて周波数の変化する交流信号を発生する交流
   発電機と、前記交流発電機にその出力信号の少なくとも
   正負一方の半サイクルにおいて不導通となるスイッチン
   グ手段を介してベースが接続されたトランジスタと、前
   記トランジスタのコレクタとベースの間に接続された第
   １の抵抗と、前記トランジスタのベースとエミッタの間
   に接続された第２の抵抗と、前記トランジスタのコレク
   タと一方の給電線路の間に接続された第３の抵抗と、前
   記トランジスタのコレクタ側に接続された平滑回路と、
   前記平滑回路の出力電圧によって前記回転体の回転速度
   を制御する駆動回路を備えた回転体の回転速度制御装置
   。