JP2007516440A - 直流モーターの回転速度を決定するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は直流モーターの回転速度を決定するための方法と装置に関する。アナログ／デジタルコンバータ（５）がモーター（１）の給電端子に接続されている。アナログ／デジタルコンバータ（５）の出力に接続されている二つのアベレージャー（６１，６２）が、異なる数の検出値に関連する平均値を生成する。コンパレータ（６３）が平均値の比較の数学的符号を決定する。モーター（１）の回転数は、数学的符号の変化間のサンプル数によって、計算機（６４）で決定される。

Description

本発明は、直流モーターの回転速度を決定するための方法と、直流モーターの回転速度を決定するための装置と、そのような装置の送風機やポンプへの使用に関する。

モーターの回転速度を決定する方法はいろいろある。ここでは、原理上、例えば、ホール素子やライトバリアを用いた、回転速度に比例する信号を作り出す追加のセンサや送信器が用いられた方法と、回転速度に比例する信号を作り出すためにモーター電流やモーター電圧が評価される方法が区別されている。

一例として、独国出願公開第１６７３３６４号明細書では、回転速度は、一つの整流子の積層板から次への電流の変化によって生じたモーター電流の時間的な変化を、パルスの形をした期間と、例えば、回転しているコイル機器の様な測定機器を用いて評価することで決定される。

独国出願公開第２５４２５４号明細書では、同様に、電圧制御された高域追加フィルター、低域通過フィルター、狭帯域通過フィルターが信号評価のために提供された、直流整流子モーターの回転速度に比例する信号の生成のための回路装置を開示する。

独国出願公開第１９９１５８７５号明細書と独国出願公開第１９９１５８７７号明細書では、回転速度の評価がそれぞれ、周波数解析と時刻同期を用いて実施される直流整流子モーターの回転速度の計測方法と装置を開示する。

独国出願公開第１９７２９２３８号明細書では、モーターと同時に動作する電気機械のモーター方程式とモーターモデルが、モーター電圧またはモーター電流からの推定瞬間回転速度の状態推定を外挿するために使用された。

上記の方法と装置は、すべて、回転速度を決定するために追加のセンサや送信器を必要としない、その代わり、回転速度が有利にモーター電圧やモーター電流から決定される、という共通の特徴を持つ。比較的複雑な装置、及び／もしくは、演算が集約的な処理の方法がこの目的に用いられる。さらに、いくつかの方法と装置は特定のモーター型のみ用に設計されていて、それらのみに適している。上記の方法のいくつかは、加えて、モーターパラメタの時間的な変化を追跡することには適していない。

本発明の一つの目的は、モーターの回転速度の連続的な測定を可能にし、同時に、わずかな複雑さで施行できる、直流モーターの回転速度を決定する装置と方法を明記することにある。

本発明によると、直流モーター回転速度決定装置によって、目的が達成される。装置は、
直流モーターのモーター電圧またはモーター電流から生成された信号を提供するための信号入力部と、
入力が信号入力部に繋がっていて、検出値の数列の生成のための出力部を持つ、アナログ／デジタルコンバータと、
アナログ／デジタルコンバータの出力部に繋がった、検出値の数列のための、第１の平均値計算機器（アベレージャー）と、
アナログ／デジタルコンバータの出力部に繋がった、検出値の数列のための、第２のアベレージャーとを有し、第１のアベレージャーの処理過程と第２のアベレージャーの処理過程は、それぞれ、異なった数の検出値に対して行われる、
第１のアベレージャーと第２のアベレージャーに繋がっていて、出力に比較の結果に応じて数学的符号を生成するコンパレータと、
数学的符号の変化の間の検出値の数の関数として直流モーターの回転速度を決定するためのコンパレータに繋がった計算機、
とを有する。

装置の有利な発達は従属項に見つけられる。

従って、好ましくは、第１のアベレージャーと、第２のアベレージャーと、コンパレータと、計算機、から成るデジタル信号処理機（デジタル・シグナル・プロセッサ）が提供される。

電流測定抵抗が、さらに、好ましくは、提供されていて、装置の入力部を形成する。

モーターと直列につながれた抵抗も、好ましくは、提供される。この場合、モーターは、有利にも、回転速度計測中に電源から切断される必要がない。モーターは回転速度計測を遂行するために、発電機モードに切り換えられる必要がない。

電流測定抵抗は、モーターと直列に、任意の希望する場所に接続される、つまり、一例として、モーターの正極または負極である。

信号入力部を、アナログ／デジタルコンバータの入力部につなぐ、ＤＣ電圧増幅器を提供することも可能である。

電流測定抵抗を横断したＤＣ電圧差は、好ましくは、入力段が好ましくは浮いているＤＣ電圧増幅器で増幅されて、時間的に連続した、接地と関連のある信号として、増幅器の出力部に形成されることが望ましい。

直流モーターは、好ましくは、直流整流子モーターである。

ブラシのあるモーターの場合、電流測定抵抗を横断した電圧差は、また、モーターに動力を供給する直流成分に加えて、時間的に変化する電流成分を持つ。これらの時間的に変化する電流成分は、とりわけ、モーターの一つの構成単位から次へ、という、滑り接触での電流の流れによってもたらされ、従って回転速度に比例する。

二つのアベレージャーは、検出値の数列によって連続的に更新される二つの平均値を生成する。二つの異なる平均値を生成する検出値の数のそれぞれは、事前に、モーター型に応じてや、簡単な方法での数回の初期試行によって決められる。

平均値を連続比較した結果の二つの数学的符号変化の間のサンプル数は各サンプル間の時間間隔と乗算される。この時間間隔は、アナログ／デジタルコンバータの抽出率によって既定される。一例として、乗算によって、電気的接触の変化の周期、の半分の長さ、が計算される。これから、モーターの瞬間的回転速度は、順繰りに、簡単な方法で決定される。

回転速度を計算するために、（時間的に）隣り合った二つの数学的符号の変化の間のサンプル数が決定され、これが各サンプル間の時間間隔と乗算される。もう一つの方法として、しかしながら、例えば、同じように、これらの連続比較の結果の数学的符号の変化の間のサンプル数を各サンプル間の時間間隔と乗じることで、数学的符号の変化の間に過ぎた時間を計算することも可能である。そして、それを回転速度の計算に用いることも可能である。数学的符号の変化の間の時間間隔に加えて、モーターの実際の回転速度は、一回のモーター回転の間におきる、電気的な接触の変化や整流動作の回数にも依存する。

ここで提案されている原理では、モーター電圧やモーター電流の時間的な変化が記録されている。この目的のために、追加のセンサは必要としない。実際、この原理は、好ましくは集積回路をもちいて、わずかな複雑さで施行できる。たった一つのアナログ／デジタルコンバータと、平均値を形成して、比較と回転速度計算処理を行うマイクロコントローラ、またはデジタル信号処理の他の手段が提供されている。

この方法に関しては、直流モーターの回転速度を決定する方法は、
モーター電圧やモーター電流、もしくは、直流モーターのモーター電圧やモーター電流から生成された信号を検出する手段、
信号のサンプリングと検出値の数列を生成する手段、
第１の数の検出値の第１の平均値を生成する手段、
第２の数の検出値の第２の平均値を生成する手段、
第１の平均値と第２の平均値を比較する手段、及び、結果の数学的符号を生成する手段、
数学的符号の変化の間の検出値の数に応じて回転速度を計算する手段、
とを有する。

回転速度は、好ましくは、連続比較した結果の数学的符号の変化の間のサンプル数を、信号がサンプリングされる抽出率（サンプリングレート）から既知である各サンプル間の時間間隔と乗算すること、によって計算される。

この場合、周期の長さと、回転速度と、一回のモーター回転の間におきる電気的な接触の変化の回数との、既知の関係を考慮することができる。

上述の方法の好ましい開発は従属請求で特定されている。

従って、検出値の第１の数は、検出値の第２の数より大きいことが好ましい。

第１の平均値と第２の平均値は好ましくは、着信してくる検出値を用いて、連続的に更新されることが望ましい。

常に更新されている平均値が、好ましくは、連続してお互いに較べられる。

平均値連続比較した結果の、二つの数学的符号変化の間のサンプル数のそれぞれの数が、好ましくは計算機のなかで、各検出値間の時間間隔と乗算されて、従って、電気的接触の変化の周期、の半分の長さ、が計算されて、そこから、順繰りに、モーターの回転速度が計算される。

回転速度は、好ましくは、整流子の積層板と滑り接触または接触ブラシとの間の、二つの電気的接触の変化、の間に経った時間の関数として、決定される。

回転速度は、好ましくは、ここで提案されている方法を用いて、連続的に計測される。この場合の一つの有利性は、モーター動作を発電機モードに切り換える必要がないことである。

較正の過程では、信号の有用な干渉スペクトルに関しての基本的な情報を得るために、通常のモーター動作の間に、大規模な一連の測定が、有利に記録され、そして、信号の調整が統計的信号解析を用いて行われる。それから、動作に応じておきる干渉スペクトルに合った信号モデルが、モーターそのものから生じるＡＣ電圧の信号の形で決定される。この場合、信号の時間的な形、及び／もしくは、信号周波数に対して設定可能な有用なスペクトルを持った信号モデルが、特定のモーター動作状態に対して適応される。

この方法の追加の利点は、上述された方法が、電流の形、信号のダイナミック・レンジ、回転速度、負荷条件、パルス幅調整制御の干渉スペクトル、その他、といったモーターの動作状態に重要な変化があった場合に使える所にある。しかしながら、この方法は、モーター型、運転特性、モーター特性の経年劣化に依存する変化、その他、といったモーター固有の特性において重要な差異がある場合にも適している。この場合、有利に、典型的な特性変数が、複雑な信号変形、つまり、高速フーリエ変換などを行わずに入手できる。

ここで提案されている方法のまた別の利点は、機能性が完全にソフトウェアで、特に簡単なマイクロコントローラの中に、提供できる、従って、異なる用途に柔軟に適合させられる、ことである。追加のハードウェアが一切必要ないので、この方法はとても費用効率が高いシステム解決法となる。

本発明は以下の文章に、ひとつの典型的な実施形態と図への参照を用いて、より詳しく説明されている。

図は直流モーター１の回転速度を決定する装置を示す。直流モーター１は電気の供給のための電源２に接続されている。電源２は接続されたり切断されたりできるように、そして可変信号を生成できるように、設計されている。直列抵抗３が電源２に、直流モーター１と直列に接続されている。直列抵抗３は、測定抵抗、つまり、シャント抵抗である。測定抵抗３の二つの接続部はＤＣ増幅器４の入力部に接続されている。増幅器４はＤＣ電圧増幅器の形で、入力段は浮いている。ＤＣ電圧増幅器４の出力では、接地と関連のある信号が生成され、アナログ／デジタルコンバータ５の入力部に接続されている。アナログ／デジタルコンバータ５は検出値の数列を出力部で発行するように設計されている。アナログ／デジタルコンバータ５の出力はマイクロコントローラ６の入力部に接続されている。マイクロコントローラ６は第１のアベレージャー６１と第２のアベレージャー６２から成り、これらの両方の入力部はアナログ／デジタルコンバータ５の出力部に接続されている。二つのアベレージャー６１と６２の出力はコンパレータ６３に接続されていて、その出力は順に計算機６４に接続されている。計算機６４は回転速度に比例する信号を出力で生成する。計算機６４の追加的な入力がアナログ／デジタルコンバータ５の出力に接続されていて、アナログ／デジタルコンバータ５の抽出率を供給するための接続部に接続されている。計算機６４は、二つの数学的符号の変化の間に抽出された各々の検出値の数を、各々のサンプリング処理間の時間と乗じる様に設計されている。この値は、モーター１の電気的接触の変化の周期の半分に相当する。この目的のために、コンパレータ６３は、その都度、第１のアベレージャー６１と第２のアベレージャー６２の平均値を比較した結果の数学的符号を生成する。

ここで提案された連続的に周期を計測する方法によると、回転している整流子モーター１の、各整流子の積層板と滑り接触との間の電気的接触の変化、の間に経過した時間が計測される。これは、結果として生じたモーター１の物理的特性の電気的変化であって、特に抵抗３を横断して、電気的接続点に存在するものを、アナログ／デジタルコンバータ５に、アナログ物理量として提供することによって達成される。アナログ／デジタルコンバータ５はこれらの変化を、既定の時間パターンを用いて、既定の時間ウィンドウ内でサンプルし、サンプルされた瞬間値をデジタル数値の数列として発行する。第１の平均値は第１のアベレージャー６１で比較的多数の検出値のデジタル数値から計算される。そして、この平均値は入力されてくる数値を用いて連続的に更新される。さらに、第２の平均化処理が、デジタル検出値から、第１の平均値に較べて少ない数の、個々の値の平均値を計算することで達成される。第２の平均値もまた、追加的に入力してくる数値によって連続的に更新される。コンパレータ６３は、繰り返して、第１の平均値と第２の平均値を比較する。この処理中に、比較結果の数学的符号が生成される。繰り返される比較結果における数学的符号の変化間の検出値の数が、個々の検出値間の時間間隔と乗ぜられる。この時間間隔はアナログ／デジタルコンバータ５の抽出率によって規定されている。モーター１の電気的接触の変化の周期の半分の時間がこの乗算によって計算される。

回転速度を計算するために、（時間的に）隣り合った二つの数学的符号の変化の間のサンプル数が決定され、これが各サンプル間の時間間隔と乗算される。もう一つの方法として、しかしながら、例えば、同じように、連続比較した結果の数学的符号の変化の間のサンプル数を各サンプル間の時間間隔と乗じることで、数学的符号の変化の間に過ぎた時間を計算することも可能である。そして、それを回転速度の計算に用いることも可能である。モーターの実際の回転速度は、数学的符号の変化、の間の時間のみならず、一回のモーター回転の間におきる、電気的な接触の変化や整流動作の回数にも依存する。

ここで提案された原理によると、追加的な装置なしで、結果的に低費用で、モーターの回転速度が計測できる、特に費用効率が高いシステム解決法が提供されている。

特に、得られたモーター回転速度は、モーター回転速度のレギュレーションに使うことができる。

ＤＣ増幅器４，アナログ／デジタルコンバータ５、そして、マイクロコントローラ６といった必要な装置は、いかなるモーター制御システムでも、必然的に、回転速度計測、そして／または、回転速度のレギュレーションが実行されない場合でも、提供されている。この回転速度計測の方法は、従って、特にわずかな複雑さで、費用効率が高く、施行できる。

この場合、モーター１に直列にされた抵抗３を横断する時間的に連続なＤＣ電圧が、回転速度計測で評価される信号として用いられる。モーター１は常に通常の動作モードで動作する、また、回転速度計測中に、電源から切断される必要や、発電機モードに切り換えられる必要がない。

この場合、計測抵抗３はモーターの、いわゆる、低い側と呼ばれる、負極に配置されている、しかし、代わりに、いわゆる、高い側と呼ばれる、正極に配置されることも可能である。

モーター電流、従って、電流測定抵抗３を横断した電圧も、モーターに動力を供給する直流成分に加えて、時間的に変化する電流成分を持つことが可能である。例えば、ブラシのあるモーターの場合、時間的に変化する電流成分は、モーターの一つの構成単位から次へ、という、例えばカーボン・ブラシの様な滑り接触間の電流の流れによってもたらされ、従って回転速度に比例する。

電流測定抵抗３を横断したＤＣ電圧差は、入力段が好ましくは浮いているＤＣ電圧増幅器４で増幅され、時間的に連続した、接地と関連のある信号として、増幅器４の出力部に形成される。このようにして生成されたＤＣ電圧はアナログ／デジタルコンバータ５の入力部へと供給され、十分に高い抽出率でデジタル測定値の数列に変換される。デジタル検出値から、モーターの回転速度を、デジタル・シグナル・プロセッサで決定するために、本方法が用いられる。この場合、本方法は、最少の計算力と特に少量のメモリが必要となる様に設計されている。特に上述された方法は、８ビットマイクロプロセッサを用いて単純な形で実践できる。

較正の過程では、信号の有用な干渉スペクトルに関しての基本的な情報を得るために、通常のモーター動作の間に、大規模な一連の測定が、有利に、記録され、そして、信号の調整が統計的信号解析を用いて行われる。それから、動作に応じておきる干渉スペクトルに合った信号モデルが、モーターそのものから生じるＡＣ電圧の信号の形で決定される。この場合、信号の時間的な形、及び／もしくは、信号周波数に対して設定可能な有用なスペクトルを持った信号モデルが、特定のモーター動作状態に対して適応される。

この方法の追加の利点は、上述された方法が、電流の形、信号のダイナミック・レンジ、回転速度、負荷条件、パルス幅調整制御の干渉スペクトル、その他、といったモーターの動作状態に重要な変化があった場合に使える所にある。しかしながら、この方法は、モーター型、運転特性、モーター特性の経年劣化に依存する変化、その他、といったモーター固有の特性において重要な差異がある場合にも適している。この場合、有利に、典型的な特性変量が、複雑な信号変形、つまり、高速フーリエ変換などを行わずに入手できる。

ここで提案されている方法のまた別の利点は、機能性が完全にソフトウェアで、特に簡単なマイクロコントローラ６の中に、提供できる、従って、異なる用途に柔軟に適合させられる、ことである。追加のハードウェアが一切必要ないので、この方法はとても費用効率が高いシステム解決法となる。

図は提案された原理の、ひとつの典型的な実施形態をブロック図の形で示したものである。

符号の説明

１ モーター
２ 電源
３ 測定抵抗
４ ＤＣ電圧増幅器
５ アナログ／デジタルコンバータ
６ マイクロコントローラ
６１ アベレージャー
６２ アベレージャー
６３ コンパレータ
６４ 計算機

Claims (13)

1. 直流モーター（１）の回転速度を決定する方法であって、
   モーター電圧やモーター電流、もしくは、直流モーターのモーター電圧やモーター電流から生成された信号を検出する手段、と、
   信号のサンプリングと検出値の数列を生成する手段、と、
   第１の数の検出値の第１の平均値を生成する手段、と、
   第２の数の検出値の第２の平均値を生成する手段、と、
   第１の平均値と第２の平均値を比較するする手段、及び、結果の数学的符号を生成するする手段、と、
   処理中に、連続比較した結果の数学的符号の変化の間のサンプル数を、信号がサンプリングされる抽出率（サンプリングレート）から既知である各サンプル間の時間間隔と乗算することを遂行しながら、数学的符号の変化の間の検出値の数の関数として回転速度を計算する手段、
   を有することを特徴とする方法。
2. 検出値の第１の数が、検出値の第２の数より大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１の平均値と第２の平均値が連続的に更新される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 回転速度が、各整流子の積層板と滑り接触の間の電気的接触の変化の間に経った時間の関数として、計算されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 回転速度が連続的に計測される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載される方法を実施するための装置であって、 直流モーター（１）のモーター電圧またはモーター電流から生成された信号を提供するための信号入力部（３）と、
   入力が信号入力部（３）に繋がっていて、検出値の数列の生成のための出力部を持つ、アナログ／デジタルコンバータ（５）と、
   アナログ／デジタルコンバータ（５）の出力部に繋がった、検出値の数列のための第１のアベレージャー（６１）と、
   アナログ／デジタルコンバータ（５）の出力部に繋がった、検出値の数列のための第２のアベレージャー（６２）と、
   第１のアベレージャー（６１）と第２のアベレージャー（６２）に繋がっているコンパレータ（６３）と、
   回転速度に依存する信号を出力するための、コンパレータ（６３）に繋がった計算機（６４）、
   から成ることを特徴とする装置。
7. 第１のアベレージャー（６１）と第２のアベレージャー（６２）とコンパレータ（６３）と計算機（６４）から成るデジタル・シグナル・プロセッサ（６）を備える、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 電流計測抵抗（３）が提供され、装置の入力部を形成する、ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の装置。
9. 電流計測抵抗（３）が直流モーター（１）と直列に接続された、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 信号入力部（３）をアナログ／デジタルコンバータ（５）の入力部に接続するＤＣ電圧増幅器（４）を備える、ことを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の装置。
11. 直流モーター（１）が直流整流子モーターである、ことを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 請求項６乃至請求項１１のいずれか１項に記載された装置を、送風機を駆動する直流モーターへ使用する方法。
13. 請求項６乃至請求項１１のいずれか１項に記載された装置を、ポンプを駆動する直流モーターへ使用する方法。

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