JP3814061B2

JP3814061B2 - モータ制御回路

Info

Publication number: JP3814061B2
Application number: JP26131697A
Authority: JP
Inventors: 英和内山; 勉乾; 則和清水
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Mitsuba Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Mitsuba Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JPH1198874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣ（Direct Current）ブラシモータの制御回路技術に関し、たとえば電動工具や電動芝刈り機などの電動モータにおいて、特に多数のブラシを有する多極ブラシモータの停止動作に係わるモータ制御回路に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、発明者が検討した技術として、ＤＣブラシモータの制御回路において、多数のブラシを用いたＤＣモータのブラシへの通電の数を選択するスイッチを設け、このスイッチの操作によりブラシモータのブラシへの通電数を切り換えることで、電機子コイルにて形成される電機子回路の電機子抵抗を変化させて段階的にモータの回転数を制御することが一般的に知られている（たとえば特開平９−２３６２７号）。
【０００３】
ところで、前記のようなモータ制御方式においては、スイッチの操作によりモータのブラシへの通電数を選択的に切り換えるために、モータの回転数は段階的に変化し、たとえば４ブラシでは３段階に、６ブラシでは５段階とその回転数には制限があり、この制御方式で自由にモータの回転数を設定することができず、任意の回転数に設定するためにはブラシの数を極端に多くしてより細かな段階の制御をすることになるが、モータのブラシを増やすことは電機子回路の増加やブラシの配置スペースの問題などにより徒にブラシを増やすことはできず、汎用性のあるモータ回転数の制御には限界がある。
【０００４】
そこで、このような問題点の改善策として、本発明者らが以前に出願した特願平９−２２６８８０号において、多数のブラシを有するモータと、この多数のブラシに接続された複数の通電回路と、この複数の通電回路の一部に設けたスイッチ手段と、モータの回転数を検出する回転数検出手段と、この回転数検出手段の結果に基づいてスイッチ手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する比較制御手段とを有し、モータの回転数を設定値に保つようにブラシの通電数を制御するモータ制御回路を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のようなモータ制御回路を電動工具や電動芝刈り機などに用いた場合に、モータの停止時には安全上速やかに停止することが望まれ、そのために一般的にモータの停止時にはモータ端子を短絡し、モータ自身の発電制動を利用しているものが多い。しかし、このときの制動はモータコイルが短絡となるので、制動力は強力かつ急激となり（急停止）、慣性マスの大きなブレードを持つモータにとって、そのときの機械的な衝撃力が大きくなるので、これに耐えるだけの支持構造が必要になる。
【０００６】
また、特願平９−２２６８８０号のモータ制御回路において、半導体素子によるスイッチ手段を用い、このスイッチ手段のＯＮ／ＯＦＦ制御によりブラシの通電数を制御するモータ制御回路の場合には、モータの停止時、モータ端子を短絡すると、瞬時に過大な短絡電流が発生し、この短絡電流により半導体素子が壊される恐れがあり、そのために半導体素子として大電流定格のものを使うなど、回路的なコストアップを招くという問題点が生じることも考えられる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、モータの停止動作において、停止時の短絡電流に対して半導体素子を保護することができるとともに、短絡時のモータ側アンペアターンが減少することで制動力を緩和でき、ソフトストップを実現することができる多極ブラシモータのモータ制御回路を提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１０】
すなわち、本発明のモータ制御回路は、ＤＣブラシモータに適用されるものであり、多数のブラシを有するモータと、この多数のブラシに接続された複数の通電回路と、この複数の通電回路の一部に設けたスイッチ手段と、前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、この回転数検出手段の結果に基づいて前記スイッチ手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する比較制御手段と、前記スイッチ手段の接地側にこのスイッチ手段から接地側へ順方向となるように接続した整流手段とを有し、前記モータの停止時の短絡電流を制御するものである。
【００１１】
よって、前記モータ制御回路によれば、多数のブラシを有する多極ブラシモータの停止動作において、スイッチ手段としてＦＥＴ、トランジスタなどの半導体素子を用いた場合に、その接地側にモータ通電時の電流方向と逆方向の電流を止めるように、たとえばダイオードなどの整流手段を直列に接続することで、モータ短絡時の電流は半導体素子に並列に接続されるダイオードを通して流れることなく、半導体素子と接地間に直列に接続した整流手段を通して接地側に流すことができる。
【００１２】
これにより、モータの回転数を一定に保つようにブラシの通電数を制御することができる回転数制御機能付きモータ制御回路において、特にモータの停止動作における短絡電流に対して半導体素子を保護することができるとともに、短絡時のモータ側アンペアターンが減少することで制動力を緩和でき、この結果、ソフトストップを実現することができる。特に、慣性マスの大きなブレードを持つモータにおいては、ソフトストップを可能とすることで、機械的な衝撃力も小さくなり、特別な支持構造を不要とすることもできる。また、比較的、低電流定格の半導体素子を使うことができるので、回路的なコストダウンも図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施の形態であるモータ制御回路を電動工具や電動芝刈り機などに用いた電動モータ制御回路の概略を示す構成図、図２は本実施の形態であるモータ制御回路を用いた電動モータ制御回路において、回転数設定回路の出力とモータの回転数との関係を示す特性図である。
【００１５】
まず、図１により本実施の形態のモータ制御回路を用いた電動モータ制御回路の概略構成を説明する。
【００１６】
本実施の形態のモータ制御回路を用いた電動モータ制御回路は、たとえば電動工具や電動芝刈り機などの電動モータの回転数を制御する制御回路とされ、４極のモータ１と、このモータ１の回転をパルスとして検出する回転数検出回路２と、モータ１の回転パルスを電圧に変換するＦ／Ｖ変換回路３と、モータ１の回転数を設定する回転数設定回路４と、回転数設定回路４とＦ／Ｖ変換回路３との出力を比較して出力を出す比較制御回路５と、比較制御回路５の出力によりモータ１の負極をＯＮ／ＯＦＦ制御する断続手段６と、この断続手段６と接地間に接続されるダイオード７とから構成されている。
【００１７】
モータ１は、永久磁石により磁界を発生させるステータと、このステータによる磁界中でトルクを発生させて回転するロータとからなり、たとえばロータのアーマチュアには４つの並列回路にコイルが重ね巻きされ、それぞれの並列回路に対してブラシが備えられ、４個のブラシを有する４極モータ構造となっており、これらのブラシには複数の通電回路が接続されており、この通電回路を介して、一方の対向する２個の正極ブラシが切り換えスイッチ８を介して直流電源９の電源電圧に接続され、他方の対向する２個の負極ブラシのうちの一方は直接、接地され、他方の負極ブラシは断続手段６、ダイオード７を通じて接地されている。
【００１８】
回転数検出回路２は、モータ１のステータによる磁界中で回転するロータの回転数を検出する回路であり、この検出方法としては、たとえばモータ１の駆動軸に回転検出用の磁石を固定し、ホール素子を用いて回転パルスを生成したり、あるいはタコジェネレータを利用して回転数を検出する方法などが用いられ、この回転数検出回路２によってモータ１の回転がパルスとして検出されるようになっている。
【００１９】
Ｆ／Ｖ変換回路３は、回転数検出回路２により検出された回転パルスを入力として、この回転パルスによる周波数を電圧に変換する回路であり、このＦ／Ｖ変換回路３によってモータ１の回転パルスが電圧に変換され、比較制御回路５に対して出力される。
【００２０】
回転数設定回路４は、たとえば電源電圧に一方が接続される４種類の抵抗１０〜１３と、これらの抵抗１０〜１３の他方がそれぞれ接続される４接点を有する切り換えスイッチ１４と、この切り換えスイッチ１４のコモンと接地間に接続される抵抗１５とからなり、切り換えスイッチ１４を切り換えることによってそれぞれの抵抗１０〜１３の抵抗値に対応して４種類の回転数に対応する電圧が発生され、この電圧が比較制御回路５に対して出力される。
【００２１】
比較制御回路５は、回転数設定回路４からの出力電圧とＦ／Ｖ変換回路３からの出力電圧とを入力として、これらの電圧を比較して制御する回路であり、たとえば回転数設定回路４における所定の回転数に対応する電圧が基準値として用いられ、この基準値に対してＦ／Ｖ変換回路３の回転数に対応する電圧が大きいときはＯＦＦ信号、小さいときはＯＮ信号が断続手段６に対して出力される。
【００２２】
断続手段６は、比較制御回路５からの出力信号を入力として、モータ１の負極をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ手段であり、たとえばＦＥＴ、トランジスタなどの半導体素子１６が用いられ、比較制御回路５からのＯＮ信号に対してはモータ１の一方の負極ブラシを接地側に接続してモータ１の並列回路による４つのブラシ回路が通電状態とされ、ＯＦＦ信号に対しては負極ブラシから接地側への接続を断って、２つのブラシ回路のみが通電状態とされる。この半導体素子１６の電圧側−接地側間には、逆起電力吸収用のダイオード１７が接続されている。
【００２３】
ダイオード７は、断続手段６を構成するＦＥＴ、トランジスタなどの半導体素子１６の接地側に、この半導体素子１６から接地側へ順方向となるように接続され、この半導体素子１６と接地間に直列に接続されたダイオード７によりモータ通電時の電流方向と逆方向の電流を止めることができるようになっている。
【００２４】
次に、本実施の形態の作用について、始めに電動モータ制御回路の作動を説明する。
【００２５】
(1).回転数設定回路４において、切り換えスイッチ１４を必要とするモータ１の回転数に対応する抵抗１０〜１３のいずれかに切り換え、この切り換えスイッチ１４のコモンから設定された回転数に相当する電圧が出力される。
【００２６】
(2).比較制御回路５は、回転数設定回路４からの出力電圧と、Ｆ／Ｖ変換回路３からのモータ１の回転数に対応する出力電圧とを比較し、たとえばモータ１の起動の際に、モータ１が停止状態のためにＦ／Ｖ変換回路３からの出力電圧が回転数設定回路４の設定電圧より小さい場合には、断続手段６をＯＮとしてモータ１の回転数を上昇させる。
【００２７】
すなわち、たとえば図２に示すような回転数設定回路４の出力とモータ１の回転数との関係において、回転数を抵抗１１に対応する回転数（Ｎ２）に設定した場合には、モータ１の起動の際には回転数はＮ２より低い状態なので、比較制御回路５は断続手段６に出力をしてＦＥＴ、トランジスタなどの半導体素子１６をＯＮして負極ブラシを通電するので、モータ１の回転数は４極のブラシの特性回転数に近づこうとして上昇する。
【００２８】
(3).モータ１の回転数が上昇して、回転数設定回路４で設定された回転数Ｎ２を越えると、比較制御回路５は断続手段６をＯＦＦとして負極ブラシの通電を断ってモータ１の回転数を減少させる。
【００２９】
すなわち、比較制御回路５からの出力は反転して断続手段６はＯＦＦとなり、モータ１の回転数は３個のブラシの特性回転数に近づこうとして減少して回転数Ｎ２に近づく。以後、この動作を繰り返す。
【００３０】
以上のようにして、回転数設定回路４からの出力電圧と、Ｆ／Ｖ変換回路３からのモータ１の回転数に対応する出力電圧との比較結果に応じて、回転数設定回路４により設定された回転数が得られるように断続手段６によりブラシの通電数を制御して、モータ１の回転数を一定に保つことができる。
【００３１】
次に、本実施の形態の特徴である電動モータ制御回路によるモータ１の停止動作について説明する。
【００３２】
一般に、モータ１の停止の際には、モータ自身の発電制動を利用するためにモータ端子を短絡する。モータ端子を短絡すると、従来のようにダイオード７が接続されていない回路においては、短絡電流により断続手段６の半導体素子１６が壊される恐れがあり、そのために半導体素子１６として大電流定格のものを使うなど、回路的なコストアップを招いていた。
【００３３】
ところが、本実施の形態においては、半導体素子１６から接地側へ順方向となるようにダイオード７を接続することで、モータ短絡時の電流は、半導体素子１６に並列に接続されたダイオード１７を通して流れることなく、モータ１の駆動電流を半導体素子１６と接地間に直列に接続したダイオード７を通して接地側に流すことができる。このとき、切り換えスイッチ８を、ＯＮ時は直流電源９の正極側、ＯＦＦ時は負極側に接続する。
【００３４】
これにより、回路的には、モータ短絡時の短絡電流が断続手段６の半導体素子１６に流れることなく、よって短絡電流に対して半導体素子１６を保護することができる。また、比較的、低電流定格の半導体素子１６を使うなど、コストダウンを図ることもできる。
【００３５】
さらに、機械的にも、短絡時のモータ側アンペアターンが減少することで制動力を緩和することができ、この結果、ソフトストップを実現することができる。特に、慣性マスの大きな工具や芝刈り機のブレードが直結された状態にあるモータ１においては、３秒程度のソフトストップを可能とすることで、回転慣性力をゆっくりと低下させることが可能となり、機械的な衝撃力も小さくなり、特別な支持構造を不要とすることもできる。
【００３６】
従って、本実施の形態のモータ制御回路を用いた電動モータ制御回路によれば、断続手段６を構成する半導体素子１６の接地側に、この半導体素子１６から接地側へ順方向となるようにダイオード７が接続されることにより、モータ１の停止動作時には、半導体素子１６に短絡電流が流れないようにして保護することができるとともに、比較的、低電流定格の半導体素子１６を使うことができるので、回路的なコストダウンも図ることができる。
【００３７】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００３８】
たとえば、前記実施の形態においては、４個のブラシを有する４極のモータである場合について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、６個、８個などの多数のブラシを有する多極ブラシモータについても広く適用可能であり、また２個以上のブラシをＯＮ／ＯＦＦ制御してもよく、モータの通電回路の一部を断続制御すればよい。
【００３９】
また、前記実施の形態においては、負極ブラシ側を通電したり、または通電を断って非通電とする場合について説明したが、逆に正極ブラシ側を通電／非通電とすることも可能であることはいうまでもない。
【００４０】
以上の説明では、主として本発明者によってなされた発明をその属する技術分野である電動工具や電動芝刈り機などに用いられるモータ制御回路に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ＤＣブラシモータを有する他の装置、機器などのモータ制御回路についても広く適用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００４２】
(1).多数のブラシを有する多極ブラシモータの停止動作において、回転数の比較結果に基づいてＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチ手段としての半導体素子の接地側に、この半導体素子から接地側へ順方向となるように整流手段を接続することで、モータ短絡時の短絡電流を整流手段によって阻止するため、半導体素子を用いたスイッチ手段に過大な短絡電流が流れることがなく、短絡電流に対して半導体素子を保護することが可能となる。
【００４３】
(2).前記(1) において、短絡時のモータ側アンペアターンが減少することで制動力を緩和することができるので、ソフトストップを実現することが可能となる。
【００４４】
(3).前記(1) において、特に、慣性マスの大きな工具や芝刈り機のブレードを持つモータにおいては、ソフトストップを可能とすることで、大きな回転慣性力をゆっくりと低下させることができ、機械的な衝撃力も小さくなり、特別な支持構造を不要とすることも可能となる。
【００４５】
(4).前記(1) において、スイッチ手段として、比較的、低電流定格の半導体素子を使うことができるので、コストダウンを図ることが可能となる。
【００４６】
(5).前記(1) 〜(4) により、モータの回転数を一定に保つようにブラシの通電数を制御することができる回転数制御機能付きモータ制御回路において、特にモータの停止動作における回路的な半導体素子の保護とコストダウンを可能とし、かつ電機的なソフトストップの実現により機械的衝撃力の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるモータ制御回路を電動工具や電動芝刈り機などに用いた電動モータ制御回路の概略を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態であるモータ制御回路を用いた電動モータ制御回路において、回転数設定回路の出力とモータの回転数との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１モータ
２回転数検出回路
３Ｆ／Ｖ変換回路
４回転数設定回路
５比較制御回路
６断続手段
７ダイオード
８切り換えスイッチ
９直流電源
１０〜１３抵抗
１４切り換えスイッチ
１５抵抗
１６半導体素子
１７ダイオード

Claims

ＤＣブラシモータの制御回路であって、
多数のブラシを有するモータと、
この多数のブラシに接続された複数の通電回路と、
この複数の通電回路の一部に設けたスイッチ手段と、
前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
この回転数検出手段の結果に基づいて前記スイッチ手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する比較制御手段と、
前記スイッチ手段の接地側にこのスイッチ手段から接地側へ順方向となるように直列に接続し前記モータの停止時の短絡電流を阻止する整流手段とを有することを特徴とするモータ制御回路。