(57)【要約】【課題】電力損失低減を図りつつモータや回路の保護を図る。【解決手段】主軸１４の回転速度を指定する速度設定手段１６，１８と、主軸回転速度を検出する速度検出手段４１と、検出回転速度と指定回転速度との偏差に基づいてモータの出力を算出する出力演算手段４２と、算出されたモータ出力に応じた時比率でオン−オフを行う第一スイッチング素子５５又は５７と、ミシンモータ１１の自己誘導による起電力が生ずる電流を還流させるためのダイオード５２又は５４と、ダイオードに並列に設けられた第二スイッチング素子５６又は５８と、第一スイッチング素子のオフ時にミシンモータの電磁誘導起電力によりダイオードに対して還流と逆方向に電流が流れるか否かを判定する逆流判定手段４３と、逆方向に加わらないと判定した場合に、第一スイッチング素子のオフ時に第二スイッチング素子をオンに操作する電力損失低減手段７０とを備えている。【選択図】図３
2008284216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縫い針を上下動させる主軸の回転駆動を行うミシンのモータ制御装置において、
主軸の回転速度を指定する速度設定手段と、
前記主軸の回転速度を検出する速度検出手段と、
前記検出した主軸の回転速度と指定された主軸の回転速度との偏差に基づいてモータの出力を算出する出力演算手段と、
算出されたモータ出力に応じた時比率でオン−オフを交互に行いミシンモータに電圧を与える第一スイッチング素子と、
前記ミシンモータの自己誘導による起電力が生ずる電流を還流させるためのダイオードと、
前記ダイオードに並列に設けられた第二スイッチング素子と、
前記第一スイッチング素子の前記時比率でのオン−オフの実行におけるオフ時に、前記ミシンモータの電磁誘導による起電力により、前記ダイオードに対して還流と逆方向に電流が流れるか否かを判定する逆流判定手段と、
逆方向に加わらないと判定した場合に、前記第一スイッチング素子のオフ時に、前記ダイオードの順方向電圧が低減するように第二スイッチング素子をオンに操作する電力損失低減手段とを設けたことを特徴とするミシンのモータ制御装置。
【請求項２】
前記逆流判定手段は、前記主軸の検出回転速度と前記主軸の指定回転速度に基づくモータ出力とから前記ダイオードに逆方向に電流が流れるか否かを判定することを特徴とする請求項１記載のミシンのモータ制御装置。
【請求項３】
前記ミシンモータの非作動時に前記第二スイッチング素子をオフに操作する切断制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のミシンのモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣモータを用いるミシンのモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ミシン主軸の回転駆動源となるミシンモータを制御するモータ制御装置では、モータ回転数をミシンモータの回転軸に設けたエンコーダによって検出しながら、設定した回転数になるようフィードバック制御を行っていた。
そして、ミシンモータにＤＣモータを用いる場合には、図１２に示すＭＯＳＦＥＴをオンオフするＰＷＭ（パルス幅変調）駆動によってモータへの通電量を制御していた。ここで、図１２に示すダイオード１０１はフリーホイールダイオードと呼ばれ、ＰＷＭオフの期間にモータの逆起電力による電流をモータ自身に還流させる役目を担うためのものである。かかる環流時、このダイオード１０１には０．７Ｖ程度の順方向電圧が生じる。そのためにＰＷＭオフの期間中は電流の大きさに略比例した電力が熱として失われてしまう。
【０００３】
そこで、還流させるダイオードを内蔵したＭＯＳＦＥＴのゲートに正電位を加え、ダイオードに並列に設けられたＭＯＳＦＥＴにも電流を流してダイオードの順方向電圧を低下させて損失を低減させる方法が一般的に行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、同様にフリーホイールダイオードにＭＯＳＦＥＴを併設し、電流の小さい時のみにＭＯＳＦＥＴのゲートに正電位を加えるといった方法も案出されている（例えば、特許文献２参照）。
これらの方法によれば、モータを正逆転させるＨブリッジ回路であれば新たに電力素子を追加することなく損失を低減することが可能であった。
【特許文献１】実開平６−２１３９８号公報
【特許文献２】特許第３４５８７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、モータの逆起電力と呼ばれるものには、自己誘導による起電力と電磁誘導による起電力の２種類がある。
自己誘導の起電力はレンツの法則に由来する。モータのインダクタンス（回転子巻線）成分に基づき電流の変化を妨げる性質を持つため、ＰＷＭオフの際に電流が流れ続けようとする。前述したフリーホイールダイオードはこの電流を還流させるためのものである。
電磁誘導の起電力はファラデーの法則に由来する。モータの導線（回転子巻線）に磁束の変化を妨げる方向に起電力が生じる所謂発電効果である。起電力の大きさはモータの回転数に比例し、方向は自己誘導の起電力によるものとは逆になる。
これらの起電力の発生を考慮した場合、前述した先行技術のように、損失の低減化のために「ＰＷＭオフの期間に電流を還流させるダイオードを内蔵したＭＯＳＦＥＴのゲートに正電位を加えると、
(1)モータ駆動停止中にＭＯＳＦＥＴのゲートに正電位が加えられていると、ミシンモータの出力軸に直接的又は間接的に連結されているはずみ車を手で回そうとした場合に、電磁誘導の起電力による短絡電流によって回転操作が重くなる、
(2)運転中に高速から急激に減速すると、自己誘導の起電力による電流は次第に減衰するため電磁誘導の起電力が優勢となり、最期は定格を超えた短絡電流によってモータや回路素子が壊れる、
という問題があった。
【０００５】
本発明は、電力損失低減を図りつつモータや回路の保護を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、縫い針を上下動させる主軸の回転駆動を行うミシンのモータ制御装置において、主軸の回転速度を指定する速度設定手段と、前記主軸の回転速度を検出する速度検出手段と、前記検出した主軸の回転速度と指定された主軸の回転速度との偏差に基づいてモータの出力を算出する出力演算手段と、算出されたモータ出力に応じた時比率でオン−オフを交互に行いミシンモータに電圧を与える第一スイッチング素子と、前記ミシンモータの自己誘導による起電力が生ずる電流を還流させるためのダイオードと、前記ダイオードに並列に設けられた第二スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子の前記時比率でのオン−オフの実行におけるオフ時に、前記ミシンモータの電磁誘導による起電力により、前記ダイオードに対して還流と逆方向に電流が流れるか否かを判定する逆流判定手段と、逆方向に加わらないと判定した場合に、前記第一スイッチング素子のオフ時に、前記ダイオードの順方向電圧が低減するように第二スイッチング素子をオンに操作する電力損失低減手段とを設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明と同様の構成を備えると共に、前記逆流判定手段は、前記主軸の検出回転速度と前記主軸の指定回転速度に基づくモータ出力とから前記ダイオードに逆方向に電流が流れるか否かを判定することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明と同様の構成を備えると共に、前記ミシンモータの非作動時に前記第二スイッチング素子をオフに操作する切断制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明は、検出した主軸の回転速度と指定された主軸の回転速度との偏差に基づいて求められたモータ出力に応じた時比率で第一スイッチング素子のオン−オフの切替を行ってミシンモータに電圧が与えられるいわゆるＰＷＭ制御が行われる。そして、ＰＷＭ制御における電圧のオフ期間において、ミシンモータに発生する自己誘導の起電力により生じる順方向の電流をダイオードを通じて還流させる。この時、第二スイッチング素子をオンに切り替えることで当該第二スイッチング素子にも電流が流れ、ダイオードへの順方向電圧が低減される。
そして、上記第二スイッチング素子のオンへの切替は、ダイオードに対して還流と逆方向に電流が流れないと判定されたときにのみ行われるので、例えば、ミシンモータの高速からの減速時にミシンモータの逆起電力が高くなっても、第二スイッチング素子を介して逆方向に短絡電流が流れることが阻止され、モータや回路素子の破壊を効果的に回避することが可能となる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、逆流判定手段が、主軸の検出回転速度と主軸の指定回転速度に基づくモータ出力とから逆方向に電流が流れるかを判定する。かかる逆流判定手段としては、逆方向に電流が流れる経路のいずれかの位置で電流値を監視する電流検出手段を用いることも可能だが、実際の電流検出を待つまでもなく逆流判定を行うことが可能となる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、ミシンモータの非作動時に第二スイッチング素子をオフに操作する切断制御手段を備えるので、非作動時にはずみ車が手回しされても短絡電流が流れないため、ミシンモータにつながったはずみ車を抵抗なく容易に回すことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（ミシンの全体構成）
図１は本発明の実施形態たるミシンモータ制御装置１０を搭載したミシン１００の斜視図、図２はその構成を示すブロック図である。
かかるミシン１００は三本の縫い針を有するいわゆるロックミシンであり、図２に示すように、縫い針の上下動の駆動源となるミシンモータ１１と、主軸回転速度150〜1500[rpm]の間での運針の速度を設定する速度設定手段としてのコントローラ１８と、所定の低速（65[rpm]）でのミシンモータ１１の駆動を実行させる半針スイッチ１６と、ミシンモータ１１により回転駆動される主軸１４と、主軸１４と共に回転し、外部から操作可能なはずみ車１５と、ミシンモータ１１の回転量を検出するエンコーダ１２と、主軸１４の一周における定位置（例えば上位置）を検出する主軸位置検出センサ１３と、縫いを通常と逆方向に行わせるための逆縫いスイッチ１９と、ミシンモータ１１の動作制御を行う制御回路２０を備えている。
上記ミシンモータ１１は、直流モータが使用される。
【００１３】
上記制御回路２０は、後述する各種の制御及び処理を行うための各種プログラムと各種設定データを記憶するＲＯＭ３３と、ＲＯＭ３３内の各種のプログラムを実行するＣＰＵ３２と、各種のプログラムの実行に際して作業領域となるＲＡＭ３４と、ＣＰＵ３２，ＲＯＭ３３及びＲＡＭ３４とバスを介して接続された入力インターフェイス２１及び出力インターフェイス２６と、ミシンモータ１１への電源供給により駆動を行うＨブリッジ駆動回路５０とを備えている。
【００１４】
上記入力インターフェイス２１は、半針スイッチ１６、ミシンモータ１１のコントローラ１８、エンコーダ１２及び主軸位置検出センサ１３からの入力信号をＣＰＵ３２に伝達し、出力インターフェイス２６は、Ｈブリッジ駆動回路５０に対してＣＰＵ３２の指令に従い所定の制御を行う。
【００１５】
（ミシンモータ制御装置の構成）
図３はミシンモータ制御装置１０とその制御に関連する構成を含む機能ブロック図である。
【００１６】
ミシンモータ制御装置１０は、ミシンモータ１１の回転角度を検出するエンコーダ１２と、エンコーダ１２の出力のカウント等を行う入力インターフェイス２１と、当該カウントに基づくミシンモータ１１の操作量の算出等の処理を行う処理部４０と、操作量に基づくスイッチング信号PWMの生成等を行う出力インターフェイス２６と、PWM信号に基づいてミシンモータ１１への駆動電流のスイッチング制御を行うＨブリッジ駆動回路５０とを備えている。
【００１７】
（エンコーダ）
エンコーダ１２は、図示しないミシンモータ１１の回転軸に取り付けた円盤と光学センサによって構成されている。円盤には円周に沿って等間隔にスリットが開けられており、光学センサは円盤を挟んで配置された光源と受光素子とを備えている。そして、図示しないミシン主軸が１回転すると光源からの光の透過と遮断との繰り返しにより受光素子からパルス信号が発生する。このエンコーダ１２では、主軸一回転につき光学センサが１８０パルスを発生するように設計されている。エンコーダ１２が出力するパルス信号PSは、後述する入力インターフェイス２１のパルスカウンタ２２に入力される。
【００１８】
（入力インターフェイス２１）
入力インターフェイス２１内には、エンコーダ出力のカウントを行う構成部として、パルス信号PSをカウントするパルスカウンタ２２と、パルスカウンタ２２のカウント期間を決定する基準信号SSを所定間隔（周期８[ms]）で出力する検出間隔タイマ２５と、検出間隔タイマ２５よりも微細な間隔（周期400[ns]）周期信号TSを出力する周期タイマ２４と、パルスカウンタ２２のカウント期間に周期信号TS（周期400ns）をカウントする周期カウンタ２３とを備えている。
【００１９】
図４は速度検出タイミング図である。図示のように、エンコーダ出力のカウントを行う入力インターフェイス２１は、検出間隔タイマ２５から一定の周期で出力される基準信号SS（周期８[ms]）が入力されると、パルスカウンタ２２は基準信号SSの入力後のパルス信号PSの入力タイミングでのパルス数のカウントを開始すると共に、次の基準信号SSでパルスカウント値PCを処理部４０に入力してカウントをクリアする。
また、周期カウンタ２３はパルスカウンタ２２のカウント開始からクリアまでの間、周期タイマ２４から入力される周期信号TS（周期400[ns]）をカウントし、パルスカウンタ
２２のカウンタクリアのタイミングで、周期カウント値TCを処理部４０に入力してカウンタクリアする。
【００２０】
図５は、主軸の各回転数において検出されるパルスカウント値PC及び周期カウント値TCの値を示す図表である。
基準信号SSの周期で検出されるパルスカウント値PCは、主軸回転数が一定でもパルス信号PSのタイミングによって、少ない場合（一つ少なくなる場合）と多い場合（そうでない場合）とがある。
例えば、ミシン主軸が50[rpm]で多い場合にはパルスカウント値PCが2、周期カウント値でTCが33333になり（図４）、少ない場合にはパルスカウン卜値PCが1、周期カウント値TCが16666になる。また、ミシン主軸が900[rpm]の時は、パルスカウント値PCが21又は22、周期カウン卜値TCが19444又は20370になる。
しかし、いずれの場合であっても、パルスカウント値PCを周期カウント値TCで除算することで主軸回転数に比例した数値を得ることができる。
【００２１】
（Ｈブリッジ駆動回路）
Ｈブリッジ駆動回路５０は、図６に示すように、電源のセンド端子からミシンモータ１１の＋端子までの間に設けられた第一のダイオード５１と、当該第一のダイオード５１を跨ぐように並列接続された左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）５５と、ミシンモータ１１の＋端子から電源のリターン端子までの間に設けられた第二のダイオード５２と、当該第二のダイオード５２を跨ぐように並列接続された左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６と、電源のセンド端子からミシンモータ１１の−端子までの間に設けられた第三のダイオード５３と、当該第三ダイオード５３を跨ぐように並列接続された右側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５７と、ミシンモータ１１の−端子から電源のリターン端子までの間に設けられた第四のダイオード５４と、当該第四のダイオード５４を跨ぐように並列接続された右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８と、後述する出力インターフェイス２６内の電力損失低減手段としての損失低減ロジック回路７０からの信号により各ＭＯＳＦＥＴ５５，５６の導通と不通の状態を切り替える左側ＭＯＳＦＥＴドライバ５９と、損失低減ロジック回路７０からの信号により各ＭＯＳＦＥＴ５７，５８の導通と不通の状態を切り替える右側ＭＯＳＦＥＴドライバ６０とを備えている。
【００２２】
第一のダイオード５１は、電源のセンド端子からミシンモータ１１の＋端子に向かう方向に大きく抵抗を生じる向きに設けられ、第二のダイオード５２は、ミシンモータ１１の＋端子から電源のリターン端子に向かう方向に大きく抵抗を生じる向きに設けられ、第三のダイオード５３は、電源のセンド端子からミシンモータ１１の−端子に向かう方向に大きく抵抗を生じる向きに設けられ、第四のダイオード５４は、ミシンモータ１１の−端子から電源のリターン端子に向かう方向に大きく抵抗を生じる向きに設けられている。
【００２３】
そして、ミシンモータ１１の正回転時には、右側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５７がオフ（不通状態）のままとされ、右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８はオン（導通状態）のままとされる。さらに、左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５がＰＷＭ制御に従って所定間隔でオン−オフが切り替えられ、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６は、平常時には、左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５がオフ期間の際にオンにされる。
これにより、左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５がオンの際には、電源のセンド端子（＋24Ｖ）から左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５、ミシンモータ１１の＋端子、ミシンモータ１１の−端子、右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８を通過して電源のリターン端子まで電流が流れる。
また、左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５がオフの際には、ミシンモータ１１の自己誘導起電力により生じる電流が、ミシンモータ１１の−端子から右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６及び第二のダイオード５２を通過して、ミシンモータ１１の＋端子まで流れ、還流が行われる。そして、その際に左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６に還流電流を流すことで第二のダイオード５２に流れる電流を低減するようになっている。
また、ミシンモータ１１の逆回転時には、左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５及び左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６と右側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５７及び右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８とが全く逆の動作が行われる。
【００２４】
（処理部）
処理部４０は、図３に示すように、パルスカウント値PCと周期カウント値TCから主軸の検出速度SVを算出する速度検出手段としての回転数検出手段４１と、この検出速度SVとコントローラ１８又は半針スイッチ１６により設定された指令速度CVとの偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、モータ出力である必要トルクＴを求めると共に当該必要トルクＴに応じたＰＷＭ制御の時比率DRを求める出力演算手段としてのＰＩＤ演算手段４２と、主軸１４の検出速度SV（検出回転速度）と主軸１４の指令速度CV（指定回転速度）に基づく必要トルクＴとからＨブリッジ駆動回路５０のダイオード５２又は５４に逆方向に電流が流れるか否かを判定する逆流判定手段４３と、逆縫いスイッチ１９の入力の有無からミシンモータ１１の正逆の回転方向を判定する方向指定手段４４とを備えている。そして、これら処理部４０の各構成は、実際には、制御回路２０のＣＰＵ３２がＲＯＭ３３内の所定のプログラムを実行することで実現される。
【００２５】
上記回転数検出手段４１では、パルスカウント値PCと周期カウント値TCが伝達されると、次式(1)により検出速度SV[rpm]を演算して求める。
SV＝Ｋ×PC／TC    …(1)
ここで、係数Ｋ＝分当たりの秒数／（ミシン主軸１回転のパルス数×周期タイマ）、であり、具体的にはＫ＝833333.3333である。尚、処理部４０で扱うデータ形式は整数データと固定小数データである。
そして、回転数検出手段４１で算出した検出速度SVはＰＩＤ演算手段４２と逆流判定手段４３とに送られる。
【００２６】
ＰＩＤ演算手段４２は、半針スイッチ１６又はコントローラ１８から主軸１４の指令速度CVが入力される。半針スイッチ１６からは指令速度CVが固定値65[rpm]で入力され、コントローラ１８からは主軸回転速度150〜1500[rpm]の間での任意の指令速度CVが入力される。
ＰＩＤ演算手段４２では、指令速度CVと検出速度SVとの偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、必要トルクＴに応じたＰＷＭ制御の時比率DRを算出する。
ＰＩＤ演算手段４２では、一般的な、比例Ｐ、積分Ｉ、微分Ｄ演算、つまり、所定の比例要素のゲインを乗じた偏差と、所定の積分要素のゲインを乗じた偏差の積分値と、所定の微分要素のゲインを乗じた偏差の微分値との合計から差分トルク△Ｔ（前回までのＰＩＤ演算結果からの差）を算出する。そして、必要トルクＴに差分トルクΔＴを加算して現在の回転数を目標回転数にするためのトルクを求める。
【００２７】
次に、必要トルクＴからＰＷＭ制御に要する時比率DRを算出する。
まず、ＰＩＤ演算手段４２から入力された必要トルクＴの正負を判断し、負の値であれば制御可能範囲を下回っているのでトルク出力は不要であるため時比率を０に設定する。
また、求められた必要トルクＴに対して予め定められたトルクＴの最大値で除算した値を時比率DRとする。算出された時比率DRは出力インターフェイス２６のスイッチング信号PWMを生成する出力インターフェイス２６に入力される。
【００２８】
方向指定手段４４は、逆縫いスイッチ１９の入力がない限りは方向信号DSをＬで出力し、逆縫いスイッチ１９の入力があった場合には方向信号DSをHで出力する。方向指定手段４４は、方向信号DSをＬで出力する場合にはミシンモータ１１の正回転駆動を指令し、方向信号DSをＨで出力する場合にはミシンモータ１１の逆回転駆動を指令する。
【００２９】
逆流判定手段４３は、検出速度SVに応じた逆流閾値を求める。
ここで逆流閾値について説明する。ミシンモータ１１はＤＣモータであり、永久磁石を界磁としているので回転数に比例した逆起電力（電磁誘導による起電力）が発生する。このとき、ミシンモータ１１の入力電圧Ｖは次式(2)で求めることができる。
Ｖ  ＝Ｒａ×Ｉ＋Ｋｅ×ω        ・・(2)
但し、Ｒａ：電機子巻線抵抗（Ω）（定数であり本例では０．１６Ω）
Ｉ：モータ電流（Ａ）
Ｋｅ：逆起電力定数（Ｖｓ／ｒａｄ）
ω：モータの角速度（ｒａｄ／ｓ）
である。
そして、Ｈブリッジ駆動回路５０は電源電圧を信号「ＰＷＭ」でスイッチングして降圧するので、モータの入力電圧Ｖは次式(3)で求めることができる。
Ｖ  ＝  Ｖｅ  ×  Ｄｕｔｙ・・・・(3)
但し、Ｖｅ：電源電圧（Ｖ）（定数であり本例では２４Ｖ）
Ｄｕｔｙ：時比率
となる。
逆流閾値は、還流電流の逆流を生じる境界の時比率の値であり、その瞬間には通電電流は0となるため、式(2)において、Ｉ＝0、ωに検出速度SVを代入したときのＶの値が式(3)のＶに等しくなる時比率から求められる。
【００３０】
制御回路２０では、主軸１４の回転数を50[rpm]毎に区切り、デッドタイム500[ns]分の補正を加えたＰＷＭ設定用の値を上述の演算により予め算出し、逆流閾値としてテーブル形式でＲＯＭ３３に格納している。図７は主軸１４の回転数50[rpm]毎の逆流閾値の計算例である。
なお、デッドタイムとは、信号ＰＷＭがＬからＨと、ＨからＬに変化する時に左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５と左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６（又は右側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５７と右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８）とが同時にオンしないように後述する遅延用ＣＲ７９によって、信号ＰＷＭのタイミングに設けられた５００[ns]の遅れのことである。
【００３１】
つまり、逆流判定手段４３は、主軸１４の検出速度SVと算出された時比率DRとが得られると、逆流閾値のテーブルを参照し、検出速度SVにおける逆流閾値を求め、算出された時比率DRが逆流閾値と比較し、逆流閾値より大きければ逆流なしと判定し、逆流閾値以下であれば逆流ありと判定する。
逆流判定手段４３は、その判定結果を低損失信号GSとして損失低減ロジック回路７０に出力する。逆流なしであれば低損失信号GSをＨで出力し、逆流ありであれば低損失信号GSをＬで出力する。
【００３２】
（出力インターフェイス）
出力インターフェイス２６は、時比率DRの値に応じたスイッチング信号PWMを発生させるPWM信号発生回路２７と、PWM基準信号SGを出力するPWMタイマ２８と、スイッチング信号PWMと方向信号DSと低損失信号GSとから各ＭＯＳＦＥＴ５５〜５８のオンオフ指令LH,LL,RH,RLをＨブリッジ駆動回路５０に出力する損失低減ロジック回路７０とを備えている。
【００３３】
上記PWM信号発生回路２７は、ＰＩＤ演算手段４２から出力される時比率DRの値に応じたスイッチング信号PWMを発生させる。
スイッチング信号PWMのオン期間Tonは、繰り返し周期ごとのPWM基準信号の合計数Ｔcycleと時比率DRとから次式(4)により求められる。なお、Ｔcycleの値は600に設定されている。
Ton＝Ｔcycle×DR    …(4)
【００３４】
PWMタイマ２８はPWM基準信号SGを周期50[ns]でPWM信号発生回路２７に入力し、PWM信号発生回路２７は、Ｔcycle×SG（30[μs]）を繰り返し周期、周波数を33[kHz]として、オン期間Ｔonでオン信号（High）、残り期間をオフ信号（Low）とするスイッチング信号PWMを損失低減ロジック回路７０に入力する。
【００３５】
（損失低減ロジック回路７０）
図８は損失低減ロジック回路７０の回路図である。かかる損失低減ロジック回路７０は、スイッチング信号PWMを反転して反転スイッチング信号を生成する。
そして、損失低減ロジック回路７０には、反転スイッチング信号が入力される第１のＮＯＴ回路７１と、第１のＮＯＴ回路７１の出力が遅延用ＣＲ７９を介して入力される第２のＮＯＴ回路７２と、方向信号が入力される第３のＮＯＴ回路７３と、遅延用ＣＲ７９を介した第１のＮＯＴ回路７１の出力と反転スイッチング信号と低損失信号GSとが入力される第１のＡＮＤ回路７４と、第１のＮＯＴ回路７１の出力と第２のＮＯＴ回路７２の出力と第３のＮＯＴ回路７３の出力とが入力される第２のＡＮＤ回路７５と、第１のＮＯＴ回路７１の出力と第２のＮＯＴ回路７２の出力と方向信号DSとが入力される第３のＡＮＤ回路７６と、方向信号DSと第１のＡＮＤ回路７４の出力とが入力される第１のＯＲ回路７７と、第３のＮＯＴ回路７３の出力と第１のＡＮＤ回路７４の出力とが入力される第２のＯＲ回路７８とを備えている。
【００３６】
そして、第２のＡＮＤ回路７５と第１のＯＲ回路７７とは、それぞれ左側ＭＯＳＦＥＴドライバ５９に各ＭＯＳＦＥＴ５５，５６のオンオフを決定する左側ハイサイド信号LHと左側ローサイド信号LLとを出力し、第３のＡＮＤ回路７６と第２のＯＲ回路７８とは、それぞれ右側ＭＯＳＦＥＴドライバ６０に各ＭＯＳＦＥＴ５７，５８のオンオフを決定する右側ハイサイド信号RHと右側ローサイド信号RLとを出力する。
【００３７】
図９は反転スイッチング信号、方向信号DS、低損失信号GSがＨ又はＬで入力された場合に損失低減ロジック回路７０が、左側ハイサイド信号LH、右側ハイサイド信号RH、左側ローサイド信号LL、右側ローサイド信号RLをＨ又はＬのいずれで出力するかを示した一例である。
反転スイッチング信号が所定周期でＬ−Ｈを切り替えて繰り返し入力され、方向信号DSが正回転であるＬレベルで入力され、低損失信号GSが途中からＬレベルからＨレベルに切り替わった場合には、左側ハイサイド信号LHは反転スイッチング信号を反転した状態でＬ−Ｈで繰り返し出力し、右側ハイサイド信号RHはＬレベルを維持する。
さらに、左側ローサイド信号LLは低損失信号GSと共にＬレベルを維持し、低損失信号GSがＨレベルになると反転スイッチング信号と同期してＬ−Ｈで繰り返し出力し、右側ローサイド信号RLはＨレベルを維持する。
また、図９に図示はしないが、方向信号DSが逆回転であるＨレベルで入力される場合には、正回転の場合に対して左側ハイサイド信号LHと右側ハイサイド信号RHの出力が入れ替わり、左側ローサイド信号LLと右側ローサイド信号RLの出力が入れ替わる。
つまり、逆流判定はいずれの場合であっても、スイッチング信号PWMがＨの時には、電源のセンド端子からミシンモータ１１の＋端子（−端子）、−端子（＋端子）を通ってリターン端子に電流が流れ、ミシンモータ１１が駆動トルクを生じる（カッコ書きは逆回転時の場合を示す。以下、この段落において同じ）。
一方、逆流判定が逆流なしの場合であって、スイッチング信号PWMがＬの時には、ミシンモータ１１の−端子（＋端子）からＭＯＳＦＥＴ５８，５６の位置を通って＋端子（−端子）に電流が還流する。そして、このとき、ＭＯＳＦＥＴ５６（５８）がオンになっているので、還流電流はダイオード５２（５４）とＭＯＳＦＥＴ５６（５８）とに流れ、ダイオード５２（５４）に流れる電流が低減されて熱損失が低減される。
そして、逆流判定が逆流ありの場合であって、スイッチング信号PWMがＬの時には、ミシンモータ１１の＋端子（−端子）が−端子（＋端子）よりも高電位となるが、ＭＯＳＦＥＴ５６（５８）がオフとなっているので、ＭＯＳＦＥＴ５６，５８に対して逆方向に電流は流れない。
【００３８】
（ミシンの動作制御）
図１０はミシンモータ制御装置１０によるミシンモータ制御のフローチャートである。
なお、低損失信号GSは電源投入時にはＬに設定されている。
まず、方向指定手段４４は逆縫いスイッチ１９の入力の有無を読み、入力がなければ、方向信号DSをＬ（正回転）に設定する（ステップＳ１）。
【００３９】
次いで、コントローラ１８が踏み込まれると、スイッチング信号ＰＷＭの出力を開始する（ステップＳ２）。損失低減ロジック回路７０により、左側ハイサイド信号LHが信号ＰＷＭに応じてＬ−Ｈを繰り返し、ＭＯＳＦＥＴ５５がオンオフで繰り返す。また、右側ハイサイド信号RHはＬレベルで出力されてＭＯＳＦＥＴ５７はオフとなり、右側ローサイド信号RLはＨレベルで出力されてＭＯＳＦＥＴ５８はオンとなる。
これによりミシンモータ１１には正電位が印加され、主軸１４はＣＣＷ（反時計方向）に回る設定となる。
そして、損失低減ロジック７０により、図９に示すように、反転スイッチング信号がＬで左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５がオンし、Ｈでオフする。左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６は、反転スイッチング信号がＨの期間に低損失信号GSがＨであればオンし、信号低損失信号GSがＬであればオフのままを維持する。
【００４０】
これらの信号により、反転スイッチング信号がＬの時は＋２４Ｖのセンド端子から、左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５５、モータ＋端子、ミシンモータ１１、モータ−端子、右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８を経由してリターン端子に電流が流れる。
一方、反転スイッチング信号がＨの時はモータの逆起電力（自己誘導による起電力）によって、ミシンモータ１１のモータ（−）端子から、右側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５８、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６とダイオード５２、モータ（＋）端子を経由してミシンモータ１１に電流が還流する。
【００４１】
次いで、回転数検出手段４１により、エンコーダ１２のパルス信号に基づいて主軸１４の回転数ＳＶを検出する（ステップＳ３）。
次に、ＰＩＤ演算手段４２がコントローラ１８の踏込み量に応じた指令速度CV（１５０〜１５００）と検出した検出速度SV（０〜１７００）との偏差に基づいて時比率DRを算出する（ステップＳ４）。
【００４２】
次に、逆流判定手段４３が、検出速度SVに応じた逆流閾値をテーブルを参照して求める（ステップＳ５）。
そして、時比率DRと求めた逆流閾値を比較して判定を行う（ステップＳ６）。時比率DRが逆流閾値以下であれば逆流ありとして低損失信号をＬにする（ステップＳ７）。これにより、損失低減ロジック回路７０は、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６をオフのままとする。そして、ステップＳ９に処理が進められる。
一方、ステップＳ６で時比率DRが逆流閾値を超えていると判定されれば逆流なしとして低損失信号をＨにする。これにより、損失低減ロジック回路７０は、スイッチング信号PWMがＬの時（反転スイッチング信号はＨ）に左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６のゲートに１２Ｖの正電位を加え、ＶＤＳ（ドレイン−ソース間電圧）を低下させる。そして、ステップＳ９に処理が進められる。
【００４３】
ステップＳ９では、ＰＩＤ演算手段４２が時比率DRをＰＷＭ信号発生回路２７に入力する。ＰＷＭ信号発生回路２７では時比率DRの値に応じたスイッチング信号ＰＷＭを発生させる。
ついで、コントローラ１８が継続して踏み込まれているかが確認される（ステップＳ１０）。踏み込まれていれば回転継続としてステップＳ３に戻る。尚、このＳ３からＳ１０の処理は検出間隔タイマ２５により8[ms]毎に繰り返し実行される。
【００４４】
また、コントローラ１８が継続して踏み込まれていなければ、回転終りとして、主軸位置検出センサ１３の出力によって、停止する主軸の位置（例えば上死点）を検出する（ステップＳ１１）。停止する位置を検出すると、ＰＷＭ出力を停止し、スイッチング信号ＰＷＭをＬのまま一定（反転スイッチング信号はＨ）とする（ステップ１２）。
次に、低損失信号GSをＬにして、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６のゲート電位を０Ｖに設定して起動処理を終える（ステップＳ１３）。
尚、縫いの種類によっては布を取り出し易くするために、停止した後に方向信号DSをＨにして再度起動し、主軸を逆転させて止める場合もある。逆転時は右側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ５７からモータ（−）端子、ミシンモータ１１、モータ（＋）端子、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６の順に電流が流れる。また、この時も信号低損失信号GSをＬとして起動処理を終える。これにより、はずみ車１５が手で回転操作され、ミシンモータ１１に電磁誘導により起電力が発生する場合でも、左側ローサイドＭＯＳＦＥＴ５６を電流が流れないので、電磁誘導による負荷がはずみ車に生じないようにすることができ、はずみ車を容易に操作することが可能となる。
【００４５】
（ミシンモータ制御装置の作用効果）
上記ミシン１００のモータ制御装置１０によれば、ＰＷＭ制御における電圧のオフ期間において、ミシンモータ１１に発生する自己誘導の起電力により生じる順方向の電流をダイオード５２又は５４を通じて還流させる。この時、第二スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ５６又は５８をオンに切り替えることで当該ＭＯＳＦＥＴ５６又は５８にも電流が流れ、ダイオード５２又は５４への順方向電圧が低減される。
ここで最も損失が低減できる条件での効果を図１１の例により説明する。図１１はＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧ＶＤＳ（横軸）とダイオードに流れる電流値（縦軸）との関係を示す線図であり、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を0，1，3，5，10[V]とした場合のそれぞれの特性を示している。
本例での最大モータ電流は、厚布に対して３本針で停止状態から起動して貫通させる時に流れ、時比率は０．２３で電流値は３４Ａになる。図１１の特性図より、ゲート電圧が１２Ｖなのでこの時のＶＤＳは０．１５Ｖで、ダイオード５２での電力損失は、電圧×電流×オフ時比率により３．９Ｗ＝０．１５×３４×（１−０．２３）である。また、ゲートに正電位を加えない場合のＶＤＳは０．８３Ｖで、電力損失は２１．７Ｗ＝０．８３×３４×（１−０．２３）である。よって、最大１７．８Ｗの損失低減効果が得られることが分かる。
【００４６】
さらに、モータ制御装置１０では、上記ＭＯＳＦＥＴ５６又は５８のオンへの切替は、ダイオード５２又は５４に対して還流と逆方向に電流が流れないと判定されたときにのみ行われるので、例えば、ミシンモータ１１の高速からの減速時にミシンモータ１１の逆起電力が高くなっても、ＭＯＳＦＥＴ５６，５８を介して逆方向に短絡電流が流れることが阻止され、モータ１１や各回路素子に対する定格を超えた逆方向の通電による破壊を効果的に回避することが可能となる。
【００４７】
（その他）
なお、上記ミシンモータ制御装置１０では、処理部４０の各構成について、ソフトウェアにより実現しているが、これらはいずれも数値演算ＩＣで実現してもよいし、アナログ回路により実現してもよい。
【００４８】
上記実施形態ではモータ制御装置１０をロックミシンに搭載した場合を例示したが、ミシンモータにＰＷＭ制御を行うミシンであればミシンの種類について限定はない。
【００４９】
なお、上記モータ制御装置１０では、逆流判定手段４３を用いて電流の逆流の発生を演算により予測しているが、実際の逆流を電流検出手段などにより監視し、ＰＷＭ制御における電圧のオフ期間において実際に逆流を検出したときに、第二スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ５６又は５８をオフに切り替える他の逆流判定手段を設けても良い。その場合は、例えば、ミシンモータの＋端子から各ＭＯＳＦＥＴ５６，５８を通過して−端子に至る還流の経路の還流とは逆方向となる電流を検出すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態たるミシンモータ制御装置を搭載したミシンの斜視図である。
【図２】モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】ミシンモータ制御装置とその制御に関連する構成を含む機能ブロック図である。
【図４】入力インターフェイスと回転数検出手段における速度検出タイミング図である。
【図５】主軸の各回転数において検出されるパルスカウント値及び周期カウント値の値を示す図表である。
【図６】Ｈブリッジ駆動回路の回路図である。
【図７】主軸の回転数50[rpm]毎の逆流閾値の計算例である。
【図８】損失低減ロジック回路の回路図である。
【図９】反転スイッチング信号、方向信号、低損失信号がＨ又はＬで入力された場合に損失低減ロジック回路が、左側ハイサイド信号、右側ハイサイド信号、左側ローサイド信号、右側ローサイド信号をＨ又はＬのいずれで出力するかを示した一例である。
【図１０】ミシンモータ制御装置によるミシンモータ制御のフローチャートである。
【図１１】ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧ＶＤＳとダイオードに流れる電流値との関係を示す線図である。
【図１２】従来のモータ制御装置を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  ミシンモータ制御装置
１１  ミシンモータ
１２  エンコーダ
１６  半針スイッチ（速度設定手段）
１８  コントローラ（速度設定手段）
４１  回転数検出手段（速度検出手段）
４２  ＰＩＤ演算手段（出力演算手段）
４３  逆流判定手段
５０  Ｈブリッジ駆動回路（制御手段）
５２，５４  ダイオード
５５  左側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ（第一スイッチング素子）
５７  右側ハイサイドＭＯＳＦＥＴ（第一スイッチング素子）
７０  損失低減ロジック回路（電力損失低減手段）
１００  ミシン
CV  指令速度（指定された主軸回転速度）
SV  検出速度（検出した主軸の回転速度）
DR  時比率
【図１】
2008284216.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008284216.tif 000010
【図９】
2008284216.tif 000011
【図１０】
2008284216.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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