(57)【要約】【課題】電源電圧が変動しかつ負荷が変化する構成であっても、一定または可変の目標回転速度を任意に設定でき、かつ目標回転速度に対して実際の回転速度が良く一致するように速度制御できる直流モータの速度制御装置を提供する。【解決手段】本発明の直流モータの速度制御装置は、直流モータの回転速度を検出してその回転速度に対応した検出パルスを出力する回転速度検出回路と、目標回転速度に対応した目標パルスを出力する目標回転速度設定回路と、検出パルスと目標パルスとを比較して、回転速度から目標回転速度を減算した回転速度差に対応する指令信号Ｖｒｅｆを出力する指令演算回路と、指令信号Ｖｒｅｆおよび過去の直流駆動電圧（指標電圧Ｖｍ）に基づいて昇降圧調整した直流電圧を現在の直流駆動電圧ＶＭとして出力する昇降圧電源部６とを備えた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流モータの回転速度を設定された目標回転速度に一致させるように、直流電源から印加される電源電圧を制御した直流駆動電圧を前記直流モータに印加する直流モータの速度制御装置であって、
前記直流モータの回転速度を検出してその回転速度に対応した検出パルスを出力する回転速度検出回路と、
前記目標回転速度に対応した目標パルスを出力する目標回転速度設定回路と、
前記検出パルスと前記目標パルスとを比較して、前記回転速度から前記目標回転速度を減算した回転速度差に対応する指令信号を出力する指令演算回路と、
前記指令信号および過去の直流駆動電圧に基づいて昇降圧調整した直流電圧を現在の直流駆動電圧として出力する昇降圧電源部とを備えた直流モータの速度制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記回転速度検出回路は、前記直流モータに流れるモータ電流に含まれる電流リップルを検出して前記検出パルスに変換するリップル検出回路である直流モータの速度制御装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記昇降圧電源部は、昇圧型スイッチング電源部と降圧型スイッチング電源部とが直列接続された回路、または、昇圧型スイッチング電源部とシリーズ電源部とが直列接続された回路である直流モータの速度制御装置。
【請求項４】
請求項３において、前記現在の直流駆動電圧が前記直流電源の前記電源電圧以下のときに、前記昇圧型スイッチング電源部を停止して前記電源電圧をスルーし、前記降圧型スイッチング電源部または前記シリーズ電源部により前記電源電圧を前記現在の直流駆動電圧まで降圧する直流モータの速度制御装置。
【請求項５】
請求項３において、前記現在の直流駆動電圧が前記直流電源の前記電源電圧を越えているときに、前記昇圧型スイッチング電源部により前記電源電圧を前記現在の直流駆動電圧よりもわずかに高い電圧まで昇圧し、前記降圧型スイッチング電源部または前記シリーズ電源部により前記現在の直流駆動電圧まで降圧する直流モータの速度制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、前記目標回転速度を設定するとともに、前記目標回転速度を時間積分して前記直流モータの累積回転量を演算する制御部をさらに備えた直流モータの速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モータの回転速度の制御装置に関し、より詳細には、整流ブラシを有する直流ブラシモータを主な制御対象として、回転速度を設定された目標回転速度に一致させるように制御する速度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータの一種に、回転電機子にコンミテータを備えてブラシから通電方向を切り換える方式の直流ブラシモータがあり、例えば車両用シート装置のスライド用や高さ調整用、リクライニング角度調整用などに適用されている。直流ブラシモータでは、回転電機子が回転してブラシとコンミテータの接触が切り替わることに起因して電流リップルが発生し、電機子電流に重畳する。したがって、直流の電機子電流に含まれる交流分の電流リップルを抽出して波形整形し、極大点、極小点、ゼロクロス点などの特異点を検出することにより、回転電機子の回転位相を知ることができ、回転位相センサや累積回転量センサの代わりになる。つまり、これらのセンサを別途設ける必要がなくなり、上記例では車両用シートのスライド位置やシート高さ、リクライニング角度などをセンサレスで検出できる。
【０００３】
車載の直流ブラシモータを駆動する電源には通常バッテリが用いられるが、バッテリ電圧は消耗時には低下し、充電実施中には上昇して大きく変動する。このため、バッテリと直流ブラシモータとの間に、直流駆動電圧を調整できる電源部を設けて対応する場合が多い。また、直流ブラシモータの回転速度を制御するために、回転速度の情報が電源部にフィードバックされて、直流駆動電圧が調整される。つまり、電源部は、バッテリ電圧変動の影響を解消しつつ、回転速度を調整する機能を有している。電源部には、変換効率の高いスイッチング電源が多用されている。
【０００４】
この種の直流モータの速度制御装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の回転制御装置は、一対の電極用ブラシとは別途に固定子側に設けられた回転検出用ブラシと、回転検出用ブラシで得られる電圧を微分する微分回路と、微分回路の出力変化に対応してパルスを発生するパルス発生器と、一対の電極用ブラシに直流駆動電圧を供給するモータ駆動回路と、パルスに基づいて回転速度を求めモータ駆動回路を制御するモータ制御回路とを具備している。さらに、モータ制御回路は、回転速度を求める回転検出手段と、回転速度に基づいて直流駆動電圧を求める速度―電圧換算手段と、実際にモータ駆動回路を制御する駆動電圧制御手段とを含んでいる。このような構成により、特に簡単でかつスペースを占有しない構成を用いて、ブラシ式直流モータの効果的な回転検出に基づく適切な回転制御を行える、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１０６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１では、直流モータに印加する直流駆動電圧の調整を行う出力可変電源回路には降圧型の回路が用いられている(特許文献１の図２参照)。このため、電源電圧を降圧して回転速度を低下させる制御は行えても、回転速度を増加させる制御は行えない。したがって、電源電圧が変動する直流電源を用いた構成で定速制御を行いたい場合に、回転速度の目標値、すなわち目標回転速度は最低の電源電圧でも駆動可能な値（最低速度）以下に制限されてしまう。
【０００７】
例えば、車両用シートを前後にスライド移動させる直流モータは車載のバッテリで駆動されるので、定速制御を行いたい場合に、消耗時の低下したバッテリ電圧でも駆動可能な最低速度を目標回転速度とする。このため、シートのスライド移動速度が限定され、スライド位置の調整に手間取り、乗員に不便さを感じさせる場合が生じ得る。また、目標回転速度を最低のバッテリ電圧に対応する最低速度に設定しても、負荷が重い場合（例えば、車両用シートに着座した乗員の体重が重い場合など）には最低速度さえ発生できず、定速制御が困難になることも想定される。
【０００８】
一方、目標回転速度を最低のバッテリ電圧に対応する最低速度に設定すると、バッテリ電圧が実際には高いときに電源部で大幅な電圧降下が必要になる。これにより、電源部に用いるスイッチング電源の内部損失が増加して効率が低下する。
【０００９】
また、特許文献１の回転検出用ブラシは、回転子の回転位相を検出するセンサに相当し、スペースを占有しないとは言え、装置構成を複雑化させている。
【００１０】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、電源電圧が変動しかつ負荷が変化する構成であっても、一定または可変の目標回転速度を任意に設定でき、かつ目標回転速度に対して実際の回転速度が良く一致するように速度制御できる直流モータの速度制御装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する請求項１に係る直流モータの速度制御装置の発明は、直流モータの回転速度を設定された目標回転速度に一致させるように、直流電源から印加される電源電圧を制御した直流駆動電圧を前記直流モータに印加する直流モータの速度制御装置であって、前記直流モータの回転速度を検出してその回転速度に対応した検出パルスを出力する回転速度検出回路と、前記目標回転速度に対応した目標パルスを出力する目標回転速度設定回路と、前記検出パルスと前記目標パルスとを比較して、前記回転速度から前記目標回転速度を減算した回転速度差に対応する指令信号を出力する指令演算回路と、前記指令信号および過去の直流駆動電圧に基づいて昇降圧調整した直流電圧を現在の直流駆動電圧として出力する昇降圧電源部とを備えた。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記回転速度検出回路は、前記直流モータに流れるモータ電流に含まれる電流リップルを検出して前記検出パルスに変換するリップル検出回路である。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記昇降圧電源部は、昇圧型スイッチング電源部と降圧型スイッチング電源部とが直列接続された回路、または、昇圧型スイッチング電源部とシリーズ電源部とが直列接続された回路である。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３において、前記現在の直流駆動電圧が前記直流電源の前記電源電圧以下のときに、前記昇圧型スイッチング電源部を停止して前記電源電圧をスルーし、前記降圧型スイッチング電源部または前記シリーズ電源部により前記電源電圧を前記現在の直流駆動電圧まで降圧する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項３において、前記現在の直流駆動電圧が前記直流電源の前記電源電圧を越えているときに、前記昇圧型スイッチング電源部により前記電源電圧を前記現在の直流駆動電圧よりもわずかに高い電圧まで昇圧し、前記降圧型スイッチング電源部または前記シリーズ電源部により前記現在の直流駆動電圧まで降圧する。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記目標回転速度を設定するとともに、前記目標回転速度を時間積分して前記直流モータの累積回転量を演算する制御部をさらに備えた。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る直流モータの速度制御装置の発明では、回転速度検出回路で検出された回転速度から目標回転速度設定回路で設定された目標回転速度を減算した回転速度差に対応する指令信号を指令演算回路が出力し、指令信号および過去の直流駆動電圧に基づいて昇降圧電源部が昇降圧調整した直流電圧を現在の直流駆動電圧として出力する。ここで、昇降圧電源部は降圧動作および昇圧動作のどちらも可能であるので、特許文献１に例示された降圧動作のみの従来技術と異なり、一定または可変の目標回転速度を最低速度に制限されることなく任意に設定できる。なお、最低速度とは、標準的な負荷に対して最低の電源電圧で駆動可能な回転速度の意味である。
【００１８】
また、昇降圧電源部は、電源電圧の高低および指令信号に応じて降圧動作および昇圧動作の一方を選択し、降圧量または昇圧量を調整するので、電源電圧が変動しかつ負荷が変化する構成であっても、目標回転速度に対して実際の回転速度が良く一致するように速度制御できる。なお、これらの効果は、目標回転速度が一定の定速制御時だけでなく、起動に際して回転速度を漸増させるソフトスタート時や、停止に際して回転速度を漸減させるソフトストップ時にも発生する。
【００１９】
請求項２に係る発明では、回転速度検出回路はリップル検出回路とされている。これにより、直流モータの回転子の回転位相または回転速度を検出するセンサが不要になり、装置構成が簡素化される。
【００２０】
請求項３に係る発明では、昇降圧電源部は、昇圧型スイッチング電源部と降圧型スイッチング電源部とが直列接続された回路、または、昇圧型スイッチング電源部とシリーズ電源部とが直列接続された回路とされている。これにより、降圧動作および昇圧動作のどちらも可能な昇降圧電源部を、簡易にかつ経済的に構成できる。
【００２１】
請求項４に係る発明では、現在の直流駆動電圧が直流電源の電源電圧以下のときに、昇圧型スイッチング電源部を停止して電源電圧をスルーし、降圧型スイッチング電源部またはシリーズ電源部により電源電圧を現在の直流駆動電圧まで降圧する。つまり、降圧動作が必要とされるときには昇圧型スイッチング電源部を停止でき、この部位における損失の発生を抑制して、高い効率を確保できる。
【００２２】
請求項５に係る発明では、現在の直流駆動電圧が直流電源の電源電圧を越えているときに、昇圧型スイッチング電源部により電源電圧を現在の直流駆動電圧よりもわずかに高い電圧まで昇圧し、降圧型スイッチング電源部またはシリーズ電源部により現在の直流駆動電圧まで降圧する。つまり、昇圧動作が必要とされるときには昇圧型スイッチング電源部で一旦高い中間受け渡し電圧をつくり、降圧型スイッチング電源部またはシリーズ電源部で中間受け渡し電圧をわずかに降圧して微調整する。これにより、電源電圧の変動や負荷の変化に対して即応できる良好な速度制御を行いつつ、高い効率を確保できる。なお、昇圧型スイッチング電源部で中間受け渡し電圧を過大に昇圧すると、降圧型スイッチング電源部またはシリーズ電源部の効率が大きく低下するので、好ましくない。
【００２３】
請求項６に係る発明では、制御部は、目標回転速度を設定するとともに、目標回転速度を時間積分して直流モータの累積回転量を演算する。本発明によれば、回転速度の制御性能が著しく向上するので、設定した目標回転速度を時間積分してやれば実際の累積回転量を殆ど誤差なく演算できる。これは、定速制御時だけでなくソフトスタート時およびソフトストップ時にも成り立つので、累積回転量センサを不要にできる。また、請求項２のリップル検出回路を含んだ態様では、リップル検出回路から制御部へ接続する信号線の本数あるいは伝送する信号の種類数を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第1実施形態の直流モータの速度制御装置の全体構成を示す回路ブロック図である。
【図２】制御ＣＰＵによる目標回転速度の設定方法を説明する図であり、（１）は定速制御の場合、（２）は定速制御でかつソフトスタートおよびソフトストップを併用する場合を示している。
【図３】第１実施形態の昇降圧電源部の出力段の詳細を示す回路図である。
【図４】第２実施形態の昇降圧電源部の出力段の詳細を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の第１実施形態の直流モータの速度制御装置１について、図１〜図３を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の直流モータの速度制御装置１の全体構成を示す回路ブロック図である。速度制御装置１は、図略の車両用シートの前後方向のスライド位置を調整するために設けられた直流モータ９の回転速度を制御する装置である。速度制御装置１は、リップル検出回路２、目標回転速度設定回路３、指令演算回路４、昇降圧電源部６、制御ＣＰＵ７、および極性切替部８などで構成され、バッテリ５から印加される電源電圧ＶＢを制御した直流駆動電圧ＶＭを直流モータ９に印加する。
【００２６】
制御対象となる直流モータ９は、電機子巻線および対をなしたコンミテータを有する回転子と、対をなしたブラシ９１、９２を有する固定子とを備えた直流ブラシモータである。直流モータ９は、極性切替部８からの制御で正転および逆転が切り替えられ、正転でシートを前進させ、逆転でシートを後退させる。
【００２７】
バッテリ５は、車載された直流電源であり、車載の電装品の大多数に共用で用いられる。バッテリ５の負側端子５ｎは接地点Ｅとなる車両のシャーシに接地されており、正側端子５ｐから昇降圧電源部６に電源電圧ＶＢを給電する。バッテリ５の電源電圧ＶＢは、消耗時には低下し、充電実施中は上昇する。例えば、乗用車に搭載されるバッテリ５の定格電源電圧は直流１２Ｖが一般的であり、消耗時には８Ｖ程度まで低下し、充電実施中は１５Ｖ程度まで昇圧され、大きく変動する。
【００２８】
制御ＣＰＵ７は、目標回転速度を設定する本発明の制御部に相当する。制御ＣＰＵ７は、図略のＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行し、演算結果を図略のＲＡＭに一時的に記憶する。制御ＣＰＵ７は、図略の入力インターフェースを介して操作スイッチ７１に接続されている。操作スイッチ７１は、シートに着座した乗員がシートのスライド位置を調整するために操作するスイッチである。操作スイッチ７１は、シートの前進を要求する前進指令信号Ｍｆ、およびシートの後退を要求する後退指令信号Ｍｂを別々に出力する２つの出力接点７１ａ、７１ｂを有している。２つの出力接点７１ａ、７１ｂの状態は、接続された制御ＣＰＵ７で判別されるようになっている。
【００２９】
また、制御ＣＰＵ７は、図略の出力インターフェースを介して４つの極性切替信号Ｃｐを極性切替部８に出力する。極性切替部８は、４個のスイッチング素子８１〜８４で構成されたＨ形ブリッジ部、およびプリドライバ８７からなっている。第１および第２スイッチング素子８１、８２は、昇降圧電源部６の最終出力端子６６とシャント抵抗２１の一端２２との間に直列接続され、両者８１、８２の中間点８５が直流モータ９の第１ブラシ９１に接続されている。第３および第４スイッチング素子８３、８４も、昇降圧電源部６の最終出力端子６６とシャント抵抗２１の一端２２との間に直列接続され、両者８３、８４の中間点８６が直流モータ９の第２ブラシ９２に接続されている。したがって、第１および第２スイッチング素子８１、８２と、第３および第４スイッチング素子８３、８４とは互いに並列接続になっている。
【００３０】
プリドライバ８７は、制御ＣＰＵ７から受け取った４つの極性切替信号Ｃｐを増幅して各スイッチング素子８１〜８４に伝送し、導通状態を個別に制御する。スイッチング素子８１〜８４の種類に特別な制約はなく、極性切替信号Ｃｐのオンで導通状態に制御され、オフで遮断状態に制御される方式の素子、例えばＦＥＴトランジスタを用いる。
【００３１】
制御ＣＰＵ７は、操作スイッチ７１から前進指令信号Ｍｆが入力されると、第１および第４スイッチング素子８１、８４を導通状態とし、第２および第３スイッチング素子８２、８３を遮断状態にする極性切替信号Ｃｐをプリドライバ８７に出力する。これにより、直流モータ９の第１ブラシ９１に正電圧が印加され、正転駆動される。また、制御ＣＰＵ７は、操作スイッチ７１から後退指令信号Ｍｂが入力されると、第１および第４スイッチング素子８１、８４を遮断状態とし、第２および第３スイッチング素子８２、８３を導通状態にする極性切替信号Ｃｐをプリドライバ８７に出力する。これにより、直流モータ９の第２ブラシ９２に正電圧が印加され、逆転駆動される。
【００３２】
さらに、制御ＣＰＵ７は、前進指令信号Ｍｆおよび後退指令信号Ｍｂの入力に対応して目標回転速度を設定し、具体的には、目標回転速度設定回路３に目標回転速度指令Ｃｖを出力する。目標回転速度指令Ｃｖの設定方法は多数あり、代表的な２つの実施例について説明する。図２は、制御ＣＰＵ７による目標回転速度の設定方法を説明する図であり、（１）は定速制御の場合、（２）は定速制御でかつソフトスタートおよびソフトストップを併用する場合を示している。図２の横軸は時間ｔであり、縦軸は目標回転速度指令Ｃｖ（Ｃｖ１、Ｃｖ２）の電圧レベルを示している。
【００３３】
図２の（１）の定速制御の場合、目標回転速度指令Ｃｖ１には簡易な２値信号を用いることができる。すなわち、目標回転速度指令Ｃｖ１は、前進指令信号Ｍｆおよび後退指令信号Ｍｂが入力されていない時刻ｔ１以前はローレベル（Ｌｏｗ）であり、いずれか一方が入力された時刻ｔ１でハイレベル（Ｈｉｇｈ）に変化し、入力がなくなった時刻ｔ２でローレベル（Ｌｏｗ）に戻る。
【００３４】
図２の（２）の定速制御でかつソフトスタートおよびソフトストップを併用する場合、目標回転速度指令Ｃｖ２には可変の制御信号が必要になり、例えばアナログ電圧信号を用いる。この場合に、目標回転速度指令Ｃｖ２は、前進指令信号Ｍｆおよび後退指令信号Ｍｂの一方が入力された時刻ｔ３でゼロから増加し始め、時刻ｔ４で所定レベルＣｖＮに達すると以降はこのレベルＣｖＮを保持し、入力がなくなった時刻ｔ５から減少し始め、時刻ｔ６でゼロに戻る。なお、所定レベルＣｖＮは、所望する目標回転速度に対応する電圧値である。また、回転速度の増加時（時刻ｔ３〜ｔ４）および減少時（時刻ｔ５〜ｔ６）で、速度変化率すなわち図中の傾きは異なっていてもよい。
【００３５】
また、制御ＣＰＵ７は、直流モータ９の累積回転量からシートのスライド位置を常時把握する。本実施形態において、後述するリップル検出部２の検出パルスＶｒｐｌが、信号線Ｌｓｉｇを介して制御ＣＰＵ７に伝送されている（図１参照）。したがって、制御ＣＰＵ７は、検出パルスＶｒｐｌのパルス数をカウントするとともに、自ら制御している正転駆動と逆転駆動との区別によりカウントしたパルス数に正負の符号を付し、累積回転量を演算できる。
【００３６】
なお、シートのスライド位置の把握方法は上述に限定されず、制御ＣＰＵ７は、自ら出力した目標回転速度指令Ｃｖを時間積分して直流モータ９の累積回転量を演算することもできる。この方法でも、検出パルスＶｒｐｌのパルス数をカウントする方法と比較して、殆ど誤差の生じない演算ができる。これは、本実施形態において、回転速度の制御性能が著しく向上したことにより可能になる方法である。
【００３７】
目標回転速度設定回路３は、制御ＣＰＵ７から受け取った目標回転速度指令Ｃｖに対応した目標パルスＶｏｓｃを生成し、指令演算回路４に出力する。目標パルスＶｏｓｃは、変化のタイミングを検出するために方形波信号が好ましく、そのデューティ比Ｄｏｓｃはあまり重要でない。
【００３８】
目標回転速度指令Ｃｖ１が定速制御のための２値信号とされた構成例では、目標回転速度設定回路３には、発振周波数が目標回転速度（一定値）に一致した周波数固定式の発振回路を用いることができる。この場合、発振回路は、目標回転速度指令Ｃｖ１がハイレベルの時間帯で動作し、ローレベルの時間帯で停止する。
【００３９】
また、目標回転速度指令Ｃｖ２がソフトスタートおよびソフトストップを併用するためのアナログ電圧信号とされた構成例では、目標回転速度設定回路３には、発振周波数がアナログ電圧信号で可変に制御される電圧制御形の周波数可変式の発振回路を用いることができる。この場合、発振回路から出力される目標パルスＷｏｓｃの繰り返し周波数は、目標回転速度指令Ｃｖ２の電圧レベルに対応して増減する。
【００４０】
リップル検出回路２は、本発明の回転速度検出回路に相当し、直流モータ９の回転速度に対応した検出パルスＶｒｐｌを出力する。リップル検出回路２には、シャント抵抗２１の一端２２および他端２３が接続されており、シャント抵抗２１の両端電圧Ｖｓｈが入力されている。シャント抵抗２１の一端２２は前述したように極性切替部８を介して直流モータ９に接続され、他端２３は接地点Ｅに接続されてバッテリ５の負側端子５ｎへの帰路が形成されている。したがって、シャント抵抗２１にはモータ電流Ｉｍが流れ、両端電圧Ｖｓｈの波形はモータ電流Ｉｍの波形と相似になる。
【００４１】
本第１実施形態において、リップル検出回路２は、シャント抵抗２１から出力された両端電圧Ｖｓｈの波形にフィルタ処理やリップル判定処理などを施して電流リップルを検出し、方形波の検出パルスＶｒｐｌに変換して指令演算回路４および制御ＣＰＵ７に出力する。フィルタ処理にはディジタル演算方式のバンドパスフィルタを用いることができ、モータ電流Ｉｍの直流分や高周波のノイズ分を除去してリップル波形を抽出する。また、リップル判定処理には振幅検出法を用い、リップル波形が所定の立上り振幅閾値だけ増加したタイミングで検出パルスＷｒｐｌを立ち上げ、所定の立下り振幅閾値だけ減少したタイミングで検出パルスＷｒｐｌを立ち下げる。検出パルスＷｒｐｌは、変化のタイミングを検出するために方形波信号が好ましく、そのデューティ比Ｄｒｐｌはあまり重要でない。リップル検出回路２は、上述に限定されず、公知の各種回路を用いることができる。
【００４２】
指令演算回路４は、検出パルスＶｒｐｌと目標パルスＶｏｓｃとを比較して、実際の回転速度から目標回転速度を減算した回転速度差に対応する指令信号Ｖｒｅｆをつくり、昇降圧電源部６に出力する。図１に示されるように、指令演算回路４は、位相比較部４１および位相差電圧変換部４２で構成することができる。位相比較部４１では、検出パルスＶｒｐｌおよび目標パルスＶｏｓｃの方形波エッジの発生間隔を比較して、回転速度差に相当する位相差（時間差）を検出する。位相差電圧変換部４２では、検出した位相差を電圧変換して指令信号Ｖｒｅｆとする。指令信号Ｖｒｅｆは、実際の回転速度が目標回転速度よりも遅い場合には増加し、逆の場合には減少する。
【００４３】
昇降圧電源部６は、指令信号Ｖｒｅｆおよび過去の直流駆動電圧ＶＭに基づいて昇降圧調整した直流電圧を現在の直流駆動電圧ＶＭとして出力する。図１に示されるように、昇降圧電源部６は、エラーアンプ６１、出力段６２、および抵抗分圧器６３で構成されている。また、昇降圧電源部６は、指令演算回路４から指令信号Ｖｒｅｆが入力される制御入力端子６４、バッテリ５から電源電圧ＶＢが入力される電源入力端子６５、および直流モータ９に直流駆動電圧ＶＭを出力する最終出力端子６６を備えている。
【００４４】
抵抗分圧器６３は、最終出力端子６６と接地点Ｅとの間に２つの抵抗ｒ１、ｒ２が直列接続されて構成されている。抵抗分圧器６３は、最終出力端子６６の直流駆動電圧ＶＭを所定の分圧比Ｒｒで分圧し、抵抗ｒ１、ｒ２間の中間点６３ｍに指標電圧Ｖｍを発生するものである。これにより、指標電圧Ｖｍと指令信号Ｖｒｅｆとの電圧レベルが整合して、直接的な比較が行えるようになっている。したがって、次式で求められる分圧比Ｒｒは、指令演算回路４の出力仕様に合わせて精密に設定されている。
指標電圧Ｖｍ＝（直流駆動電圧ＶＭ）×（分圧比Ｒｒ）
分圧比Ｒｒ＝ｒ２／（ｒ１＋ｒ２）
【００４５】
エラーアンプ６１は、公知の差動増幅回路で構成されており、正側入力端子６１ｐが制御入力端子６４に接続され、負側入力端子６１ｎが抵抗分圧器の中間点６３ｍに接続され、出力端子６１ｏが出力段６２に接続されている。これにより、エラーアンプ６１は、指令信号Ｖｒｅｆからフィードバックされた指標電圧Ｖｍを減算し、所定の増幅率ｋを乗じて差分電圧Δを求め、出力段６２に出力する。増幅率ｋは、出力段６２が適正に動作するように適宜定める。
【００４６】
図３は、第１実施形態の昇降圧電源部６の出力段６２の詳細を示す回路図である。図３に示されるように、出力段６２は、昇圧型スイッチング電源部６７と降圧型スイッチング電源部６８とが中間受け渡し点６Ｘで直列接続された回路になっている。また、エラーアンプ６１で求めた差分電圧Δは、パルス幅変調制御部６９（ＰＷＭ６９）に入力されている。ＰＷＭ６９は、差分電圧Δの大小に応じて、２つの電源部６７、６８をパルス幅変調制御する。
【００４７】
昇圧型スイッチング電源部６７の回路構成について詳述すると、電源入力端子６５と中間受け渡し点６Ｘとの間に、インダクタンスＬ１およびダイオードＤ１が直列接続されている。ダイオードＤ１は、電源入力端子６５から中間受け渡し点６Ｘへの通電を許容し、逆方向の通電を禁止している。インダクタンスＬ１およびダイオードＤ１を直列接続した中間点と接地点Ｅとの間に、昇圧トランジスタＱ１が接続されている。また、中間受け渡し点６Ｘと接地点Ｅとの間に、コンデンサＣ１が接続されている。
【００４８】
ＰＷＭ６９からの制御により昇圧トランジスタＱ１がスイッチング操作されると、電源入力端子６５からインダクタンスＬ１を経由して接地点Ｅに流れる電流が強制的に遮断され、インダクタンスＬ１の両端に高い電圧が発生する。コンデンサＣ１は、間欠的に発生する高い電圧を平滑して、中間受け渡し点６Ｘの電圧を安定化する。これにより、昇圧型スイッチング電源部６７は、電源入力端子６５の電源電圧ＶＢよりも高い中間受け渡し電圧ＶＳを可変に調整して中間受け渡し点６Ｘに発生することができる。また、昇圧トランジスタＱ１を常に遮断状態に維持すると、昇圧型スイッチング電源部６７は動作せず、電源入力端子６５の電源電圧ＶＢが中間受け渡し点６Ｘにスルーされる。
【００４９】
降圧型スイッチング電源部６８の回路構成について詳述すると、中間受け渡し点６Ｘと接地点Ｅの間に、降圧トランジスタＱ２およびダイオードＤ２が直列接続されている。ダイオードＤ２は、降圧トランジスタＱ２から接地点Ｅへの通電を禁止し、逆方向の通電を許容している。降圧トランジスタＱ２およびダイオードＤ２を直列接続した中間点と最終出力端子６６との間に、インダクタンスＬ２が接続されている。また、最終出力端子６６と接地点Ｅとの間に、コンデンサＣ２が接続されている。
【００５０】
ＰＷＭ６９からの制御により降圧トランジスタＱ２がスイッチング操作されると、中間受け渡し点６Ｘの中間受け渡し電圧ＶＳがスイッチング操作のデューティ比にしたがった間欠電圧波形に変換される。インダクタンスＬ２およびコンデンサＣ２は、間欠電圧波形を平滑して直流駆動電圧ＶＭを出力する。これにより、降圧型スイッチング電源部６８は、中間受け渡し電圧ＶＳよりも低い直流駆動電圧ＶＭを可変に調整して出力することができる。なお、降圧トランジスタＱ２を常に導通状態に維持すると、降圧型スイッチング電源部６８は動作せず、中間受け渡し電圧ＶＳが最終出力端子６６にスルーされる。
【００５１】
次に、上述のように構成された第１実施形態の直流モータの速度制御装置１の動作について説明する。今、直流モータ９が停止していて、乗員により操作スイッチ７１が操作され、制御ＣＰＵ７に前進指令信号Ｍｆが入力されたときに、図２の（１）の定速制御を行う場合を考える。制御ＣＰＵ７は、まず、第１および第４スイッチング素子８１、８４を導通状態とし、第２および第３スイッチング素子８２、８３を遮断状態にする極性切替信号Ｃｐをプリドライバ８７に出力する。これにより、極性切替部８は正転駆動の状態にセットされる。
【００５２】
制御ＣＰＵ７は、次に、目標回転速度設定回路３に目標回転速度指令Ｃｖ１を出力する。これにより、目標回転速度設定回路３は、目標パルスＶｏｓｃを生成して、指令演算回路４に出力する。これに対して、リップル検出回路２は、過去のモータ電流Ｉｍがゼロであるので電流リップルを検出せず、検出パルスＶｒｐｌは出力されない。つまり、リップル検出回路２は、パルスを有さない平坦な信号を検出パルスＶｒｐｌとして指令演算回路４に出力する。
【００５３】
指令演算回路４は、検出パルスＶｒｐｌが平坦な信号であるので目標パルスＶｏｓｃの１周期に相当する大きな指令信号Ｖｒｅｆを昇降圧電源部６のエラーアンプ６１の正側入力端子６１ｐに出力する。一方、過去の直流駆動電圧ＶＭがゼロであるので、指標電圧Ｖｍもゼロとなり、これがエラーアンプ６１の負側入力端子６１ｎに入力される。したがって、エラーアンプ６１から大きな差分電圧ΔＶがＰＷＭ６９に出力される。
【００５４】
ここで、ＰＷＭ６９は、バッテリ５が消耗しておらず降圧型スイッチング電源部６８のみで直流駆動電圧ＶＭを出力できる場合、換言すれば直流駆動電圧ＶＭがバッテリ５の電源電圧ＶＢ以下の場合を優先した制御を行う。すなわち、ＰＷＭ６９は、昇圧トランジスタＱ１を遮断状態に維持して電源電圧ＶＢを中間受け渡し点６Ｘにスルーし、降圧トランジスタＱ２のスイッチング操作のデューティ比を差分電圧ΔＶに合わせて制御する。これにより、最終出力端子６６から直流駆動電圧ＶＭが出力され、直流モータ９が始動する。以上で、初回の制御サイクルが終了し、以降は一定時間間隔で制御サイクルが繰返して行われる。
【００５５】
２回目以降の制御サイクルでは、直流モータ９は、直流駆動電圧ＶＭが印加されモータ電流Ｉｍが流れて回転動作するので、リップル検出部２は電流リップルを検出し、指標電圧Ｖｍも或る値になる。これにより、指令信号Ｖｒｅｆおよび差分電圧ΔＶは急速に減少し、直流モータ９の実際の回転速度が回転速度指令Ｃｖにより指令された目標回転速度に一致する。
【００５６】
しかしながら、バッテリ５が消耗しているときには、降圧型スイッチング電源部６８のみでは対応できない場合が生じる。つまり、ＰＷＭ６９が昇圧トランジスタＱ１を遮断状態に維持し、降圧トランジスタＱ２をスイッチング操作せずにデューティ比を１として、バッテリ５の電源電圧ＶＢをスルーして出力しても、必要とされる直流駆動電圧ＶＭに不足する場合が生じる。この場合、ＰＷＭ６９は昇圧トランジスタＱ１をスイッチング制御して、昇圧型スイッチング電源部６７を動作させる。これにより、中間受け渡し電圧ＶＳが電源電圧ＶＢよりも高くなるので、必要とされる直流駆動電圧ＶＭを発生でき、直流モータ９の実際の回転速度を目標回転速度に一致させることができる。
【００５７】
なお、この場合に、中間受け渡し電圧ＶＳは、必要とされる直流駆動電圧ＶＭよりもわずかに高い電圧まで昇圧することが好ましい。例えば、バッテリ５の定格電源電圧が１２Ｖの場合に、中間受け渡し電圧ＶＳを直流駆動電圧ＶＭよりも１Ｖ程度高くすれば十分である。逆に、中間受け渡し電圧ＶＳを直流駆動電圧ＶＭよりも１Ｖ以上高く過大に昇圧すると、降圧型スイッチング電源部６８の効率が大きく低下するので、好ましくない。
【００５８】
また、直流モータ９が定速回転してシートが定速で移動している途中で乗員の挙動などにより、直流モータ９の回転速度が変動する場合がある。この場合、リップル検出部２の検出パルスＶｒｐｌが変化し、指令信号Ｖｒｅｆは検出パルスＶｒｐｌの変動分を補償するように変化する。したがって、指令信号Ｖｒｅｆにしたがい、直流駆動電圧ＶＭが変更制御され、直流モータ９の回転速度およびシートの移動速度が一定に保たれる。
【００５９】
なお、図２の（２）のスロースタートおよびスローストップの制御を行う場合には、直流モータ９の起動時および停止時の目標回転速度の設定方法が異なり、すなわち、目標速度指令Ｃｖ２が時間的に連続的に変化する。これにより、直流駆動電圧ＶＭの立ち上がりおよび立ち下がりの急峻度が鈍るが、制御の流れは定速制御の場合と同様である。
【００６０】
第１実施形態の直流モータ９の速度制御装置１によれば、昇降圧電源部６は降圧動作および昇圧動作のどちらも可能であるので、特許文献１に例示された降圧動作のみの従来技術と異なり、一定または可変の目標回転速度を最低速度に制限されることなく任意に設定できる。また、昇降圧電源部６は、バッテリ５の電源電圧ＶＢの高低および指令信号Ｖｒｅｆに応じて降圧動作および昇圧動作の一方を選択し、降圧量または昇圧量を調整するので、電源電圧ＶＢが変動しかつ負荷が変化する構成であっても、目標回転速度に対して実際の回転速度が良く一致するように速度制御できる。なお、これらの効果は、目標回転速度が一定の定速制御時だけでなく、起動に際して回転速度を漸増させるソフトスタート時や、停止に際して回転速度を漸減させるソフトストップ時にも発生する。
【００６１】
また、回転速度検出回路にリップル検出回路２が用いられているので、直流モータ９の回転子の回転位相または回転速度を検出するセンサが不要になり、装置構成が簡素化される。さらに、昇降圧電源部６は、昇圧型スイッチング電源部６７と降圧型スイッチング電源部６８とが直列接続されて構成されており、簡易でかつ経済的である。また、昇圧および降圧の両方をスイッチング電源部で構成し、昇圧時には中間受け渡し電圧ＶＳを直流駆動電圧ＶＭよりもわずかに大きくするので、他の方式の電源部と比較して、高い効率を確保できる。
【００６２】
なお、制御部ＣＰＵ７が目標回転速度指令Ｃｖを時間積分して直流モータ９の累積回転量を演算し、シートの位置を把握する構成を採用すれば、リップル検出部２の検出パルスＶｒｐｌを制御部ＣＰＵ７に伝送する信号線Ｌｓｉｇが不要になる。
【００６３】
次に、昇降圧電源部６Ａの出力段６２Ａの構成が異なる第２実施形態の直流モータの速度制御装置について、図４を参考にして説明する。図４は、第２実施形態の昇降圧電源部Ａの出力段６２Ａの詳細を示す回路図である。第２実施形態において、出力段６２Ａ以外は、第１実施形態と同一の構成である。
【００６４】
図４に示されるように、出力段６２Ａは、昇圧型スイッチング電源部６７とシリーズ電源部６８Ａとが中間受け渡し点６Ｘで直列接続された回路になっている。また、エラーアンプ６１で求めた差分電圧Δはパルス幅変調制御部６９Ａ（ＰＷＭ６９Ａ）、およびシリーズ電源部６８Ａの降圧トランジスタＱ３に入力されている。ＰＷＭ６９Ａは、差分電圧Δの大小に応じて、昇圧型スイッチング電源部６７の動作を制御する。昇圧型スイッチング電源部６７の構成および動作は、第１実施形態と同様であり、説明は省略する。
【００６５】
シリーズ電源部６８Ａの回路構成について詳述すると、中間受け渡し点６Ｘと接地点Ｅの間に、降圧トランジスタＱ３およびコンデンサＣ３が直列接続されている。そして、降圧トランジスタＱ３およびコンデンサＣ３を直列接続した中間点が最終出力端子６６に接続されている。降圧トランジスタＱ３は、ＮＰＮバイポーラ形であり、増幅機能が利用される。つまり、エラーアンプ６１で求めた差分電圧Δが降圧トランジスタＱ３のベースＢにベース電圧として入力され、ベース電圧の大小に応じて、コレクタＣからエミッタＥへの流入電流が変化し、コンデンサＣ３は流入電流を電圧変換して平滑化する。これにより、降圧型スイッチング電源部６８Ａは、中間受け渡し電圧ＶＳよりも低い直流駆動電圧ＶＭを可変に調整して出力することができる。
【００６６】
第２実施形態の直流モータ９の速度制御装置における全体の動作および効果は、概ね第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６７】
なお、第１実施形態で説明した昇圧型スイッチング電源部６７および降圧型スイッチング電源部６８、第２実施形態で説明したシリーズ電源部６８Ａの回路構成は一例であって、公知の他の回路構成を採用してもよい。また、シャント抵抗２１に代えて、ホール効果を利用した電流検出部を用いることもできる。本発明は、その他にもさまざまな変形や応用が可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１：直流モータの速度制御装置
２：リップル検出回路    ２１：シャント抵抗
３：目標回転速度設定回路
４：指令演算回路    ４１：位相比較部    ４２：位相差電圧変換部
５：バッテリ（直流電源）
６、６Ａ：昇降圧電源部    ６１：エラーアンプ    ６２、６２Ａ：出力段
６３：抵抗分圧器    ６４：制御入力端子    ６５：電源入力端子
６６：最終出力端子    ６７：昇圧型スイッチング電源部
６８：降圧型スイッチング電源部    ６８Ａ：シリーズ電源部
６Ｘ：中間受け渡し点
６９、６９Ａ：パルス幅変調制御部（ＰＷＭ）
７：制御ＣＰＵ    ７１：操作スイッチ
８：極性切替部    ８１〜８４：スイッチング素子    ８７：プリドライバ
９：直流モータ    ９１、９２：第１および第２ブラシ
Ｍｆ：前進指令信号    Ｍｂ：後退指令信号    Ｃｐ：極性切替信号
Ｃｖ、Ｃｖ１、Ｃｖ２：目標回転速度指令
Ｖｒｐｌ：検出パルス    Ｖｏｓｃ：目標パルス
Ｖｒｅｆ：指令信号
ＶＢ：電源電圧    ＶＳ:中間受け渡し電圧
ＶＭ：直流駆動電圧    Ｖｍ：指標電圧    Ｉｍ：モータ電流
【図１】
2014007805.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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