JP2018074662A

JP2018074662A - モータ制御装置及び直流モータの電流リップル検出方法

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Publication number: JP2018074662A
Application number: JP2016209080A
Authority: JP
Inventors: 雄一柳田; Yuichi Yanagida
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: EP3534528A4; US20200044588A1; US10693399B2; WO2018079128A1; EP3534528A1; JP6665070B2

Abstract

【課題】電流リップルの増加等の操作を行うことなく、通常のモータ電流から電流リップルを検出し、検出ホールＩＣ等を用いずにモータ回転数や回転方向等を検出する。【解決手段】リップル検出装置１０は、電機子電流の変化を電圧変化信号として出力する電流検出部１１と、電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出して第１平滑信号Ｓ１を出力する第１平滑回路ブロック１２と、第１平滑信号Ｓ１の振幅を調整して調整信号ＶＣＡを出力する利得調整部１３と、調整信号ＶＣＡの歪みを矯正して第２平滑信号Ｓ２を出力する第２平滑回路ブロック１４と、第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出してリップル成分信号Ｓ０を出力するリップル検出部１５と、リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するデジタル信号変換部１６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は直流（ＤＣ）モータの制御技術に関し、特に、ホールＩＣ等のセンシング素子や、ロータリーエンコーダ、タコジェネレータなどの回転検出部材を使用することなく、モータ回転数や回転方向等の検出が可能なモータ制御装置に関する。

従来より、ブラシ付きＤＣモータの動作制御に際し、その回転数や回転角度を検出する手法として、ブラシと整流子片の接触が切り替わる際に生じる電流リップルを利用した所謂センサレスポジショニングが知られている。一般に、ブラシ付きＤＣモータのモータ電流（電機子電流）は、ブラシと接触する整流子片が切り替わると、モータ巻線のインダクタンスに応じた傾きで立ち上がり、その後、電源電圧と逆起電圧との差に応じて変化する。すなわち、モータ電流は一定の値ではなく、モータ回転位置に対応した脈動（リップル）を伴っている。

このような電流リップルは、モータ電流に重畳された状態となっている。そこで、モータ電流から電流リップルを抽出し、その中から特徴的な波形を検知したり、それをパルス状の波形に整形してゼロクロス点などを検出したりすることにより、ホールＩＣ等の回転検出部材を設けることなく、モータ回転数や回転方向等を検出する手法が種々提案されている。例えば、特許文献１には、ブラシが隣接する次の整流子片に切り替わる際に、モータ電流中に生じるスパイク状のパルス出力を検出してモータ回転数を検出する構成が記載されている。また、特許文献２には、モータ電流に含まれる電流リップルを検出してモータ回転数を検出する際、電流リップルを増加させることにより、回転検出精度を向上させる構成が示されている。

特開２００９−１５９６７４号公報特開２０１６−７７１３０号公報

一方、ブラシ付きＤＣモータにおける電流リップル波形のレベルは、モータ電流と比例関係で増減する。ところが、モータ電流は、モータの負荷状態により大きく変化するため、負荷変化と共にリップル波形も大きく変動する。また、モータ電流には、モータから発生するブラシノイズも重畳されている。このため、これらの不安定要素を含むモータ電流から電流リップルのみを抽出し、それをパルス波形等に整形するには、特許文献２のように、リップル発生量をある程度大きくする必要がある。

しかしながら、電流リップルを増大させるためには、スタータ側の磁極ピッチを不均等化するなどの変更が必要であり、トルクリップルが増大するなど、モータ本来の性能や特性に影響を及ぼすおそれがある上、モータ音や発熱を増加させてしまう懸念がある。また、変化の大きい電流リップルから波形整形を行うためには、フィルタの精緻化が必要となり、カットオフ設定によっては、設定を外れた場合、パルスの不出力や遅れ等が発生する懸念があるという問題があった。

本発明の目的は、ホールＩＣ等の回転検出部材を用いずにモータ回転数や回転方向等の検出を行う所謂センサレスポジショニングにおいて、電流リップルを増加させるなどの操作を行うことなく、通常のモータ電流そのものからモータ回転数等の検出が可能なモータ制御装置を提供することにある。

本発明のモータ制御装置は、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力するリップル検出装置を有するモータ制御装置であって、前記リップル検出装置は、前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力する電流検出部と、前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力する第１平滑部と、前記第１平滑信号Ｓ１からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出し、リップル成分信号Ｓ０を出力するリップル検出部と、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するデジタル信号変換部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の他のモータ制御装置は、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力するリップル検出装置を有するモータ制御装置であって、前記リップル検出装置は、前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力する電流検出部と、前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力する第１平滑部と、前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を調整し、振幅が均一化された状態の調整信号ＶＣＡを出力する利得調整部と、前記調整信号ＶＣＡの歪みを矯正し、一定の中心値を有する均一振幅の第２平滑信号Ｓ２を出力する第２平滑部と、前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出し、リップル成分信号Ｓ０を出力するリップル検出部と、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するデジタル信号変換部と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、モータ制御装置に、電流検出部、第１平滑部、リップル検出部、デジタル信号変換部の各部を設けたり、それらに加えて、利得調整部、第２平滑部を設けたりすることにより、モータ電流中から電流リップルをデジタル信号化して抽出する。このため、磁極ピッチなどの変更等によって電流リップルを増大させる必要がなく、従来のモータ構成そのままで電流リップルを取り出すことができ、モータの性能や特性を損なうことなく、また、モータ音や発熱を増加させることなく、リップルセンシングが可能となる。従って、ホールＩＣ等の回転検出部材を用いることなく、ＤＣモータの回転数等を検出することが可能となる。

前記モータ制御装置において、前記第１平滑部に、前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出し、第１制御電圧ＣＶ１として出力する第１制御電圧発生回路と、前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成する第１変動成分平滑回路と、を設けても良い。

また、前記第１平滑部に、前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出し、第１制御電圧ＣＶ１として出力する第１制御電圧発生回路と、前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成する第１変動成分平滑回路と、を設けると共に、前記利得調整部に、前記第１制御電圧ＣＶ１の波形を反転させて反転第１制御電圧ＣＶ１’を出力する制御電圧反転回路と、前記反転第１制御電圧ＣＶ１’を用いて前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を均一化する利得調整回路と、を設けても良い。

前記第２平滑部に、前記調整信号ＶＣＡの中心値を抽出し、第２制御電圧ＣＶ２として出力する第２制御電圧発生回路と、前記調整信号ＶＣＡと前記第２制御電圧ＣＶ２の差分を取ることにより、前記調整信号ＶＣＡから前記調整信号ＶＣＡの変化成分を取り除き、前記第２平滑信号Ｓ２を形成する第２変動成分平滑回路と、を設けても良い。

前記リップル検出部に、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を抽出するハイパスフィルタと、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２と、前記ハイパスフィルタにて抽出された前記ノイズ成分の波形を反転させた信号が入力され、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２から電流リップル成分のみを抽出して前記リップル成分信号Ｓ０を出力する差動増幅回路と、を設けても良い。

前記デジタル信号変換部に、前記リップル成分信号Ｓ０の位相を微小にずらしたシフト信号Ｓ０’を作成する位相シフト部と、前記シフト信号Ｓ０’と前記リップル成分信号Ｓ０が入力され、前記両信号Ｓ０’,ＳＯの大小関係に基づいて、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するコンパレータと、を設けても良い。

一方、本発明の直流モータの電流リップル検出方法は、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力する直流モータの電流リップル検出方法であって、前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力し（電流検出ステップ）、前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力し（第１平滑化ステップ）、前記第１平滑信号Ｓ１からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出してリップル成分信号Ｓ０を出力し（リップル検出ステップ）、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換する（デジタル信号化ステップ）ことを特徴とする。

また、本発明の他の直流モータの電流リップル検出方法は、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力する直流モータの電流リップル検出方法であって、前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力し、前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力し、前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を調整し、振幅が均一化された状態の調整信号ＶＣＡを出力し（利得調整ステップ）、前記調整信号ＶＣＡの歪みを矯正し、一定の中心値を有する均一振幅の第２平滑信号Ｓ２を出力し（第２平滑化ステップ）、前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出してリップル成分信号Ｓ０を出力し（リップル検出ステップ）、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換する（デジタル信号化ステップ）ことを特徴とする。

本発明にあっては、電流検出ステップ、第１平滑化ステップ、リップル検出ステップ、デジタル信号化ステップの各ステップを実施したり、それらのステップに加えて、利得調整ステップ、第２平滑化ステップを実施したりすることにより、モータ電流中から電流リップルをデジタル信号化して抽出する。このため、磁極ピッチなどの変更等によって電流リップルを増大させる必要がなく、従来のモータ構成そのままで電流リップルを取り出すことができ、モータの性能や特性を損なうことなく、また、モータ音や発熱を増加させることなく、リップルセンシングが可能となる。

前記電流リップル検出方法において、前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出して第１制御電圧ＣＶ１として出力し（第１制御電圧発生ステップ）、前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成する（第１変動成分平滑化ステップ）ようにしても良い。

また、前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出して第１制御電圧ＣＶ１として出力し、前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成すると共に、前記第１制御電圧ＣＶ１の波形を反転させて反転第１制御電圧ＣＶ１’を出力し（制御電圧反転ステップ）、前記反転第１制御電圧ＣＶ１’を用いて前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を均一化する（利得調整ステップ）ようにしても良い。

前記調整信号ＶＣＡの中心値を抽出して第２制御電圧ＣＶ２として出力し（第２制御電圧発生ステップ）、前記調整信号ＶＣＡと前記第２制御電圧ＣＶ２の差分を取ることにより、前記調整信号ＶＣＡから前記調整信号ＶＣＡの変化成分を取り除き、前記第２平滑信号Ｓ２を形成する（第２変動成分平滑化ステップ）ようにしても良い。

ハイパスフィルタにより、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を抽出し（ノイズ成分抽出ステップ）、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２と、前記ハイパスフィルタによって抽出された前記ノイズ成分の波形を反転させた信号とを合成することにより、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２から電流リップル成分のみを抽出して前記リップル成分信号Ｓ０を出力する（電流リップル成分抽出ステップ）ようにしても良い。

前記リップル成分信号Ｓ０の位相を微小にずらしたシフト信号Ｓ０’を作成し（位相シフト信号作成ステップ）、前記シフト信号Ｓ０’と前記リップル成分信号Ｓ０の大小関係に基づいて、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換する（デジタル変換ステップ）ようにしても良い。

本発明のモータ制御装置によれば、モータ電流中から電流リップルをデジタル信号化して抽出することが可能となる。このため、磁極ピッチなどの変更等によって電流リップルを増大させる必要がなく、従来のモータ構成そのままで電流リップルを取り出すことができ、モータの性能や特性を損なうことなく、また、モータ音や発熱を増加させることなく、リップルセンシングが可能となる。従って、ホールＩＣ等の回転検出部材を用いることなく、ＤＣモータの回転数や回転方向等を検出することが可能となる。

本発明の直流モータの電流リップル検出方法によれば、モータ電流中から電流リップルをデジタル信号化して抽出することが可能となる。このため、磁極ピッチなどの変更等によって電流リップルを増大させる必要がなく、従来のモータ構成そのままで電流リップルを取り出すことが、モータの性能や特性を損なうことなく、また、モータ音や発熱を増加させることなく、リップルセンシングが可能となる。

本発明の一実施形態であるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。電流検出部からの出力信号の一例である。第１制御電圧発生回路における処理を示す説明図である。第１変動成分平滑回路における処理を示す説明図である。ＣＶ反転回路おける処理を示す説明図である。自動利得調整回路における処理を示す説明図である。第２平滑回路ブロックにおける処理を示す説明図である。リップル検出部における処理を示す説明図である。デジタル信号変換部における処理を示す説明図である。

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。図１は、本発明の一実施形態であるモータ制御装置１の構成を示すブロック図である。モータ制御装置１は、例えば、車両のパワーウインド用モータの動作制御に適用され、モータ電流（電機子電流）に含まれる電流リップルを、ホールＩＣ等を用いることなく抽出し、矩形波の形で出力し、モータの回転数や回転方向等を算出する。モータ制御装置１にはリップル検出装置１０が設けられており、本発明の電流リップル検出方法は、このリップル検出装置１０によって実施される。リップル検出装置１０は、電源２からブラシ付きＤＣモータ３（以下、モータ３と略記する）に電力を供給する電源ライン４上に配置される。電源ライン４にはシャント抵抗５が設けられており、リップル検出装置１０は、シャント抵抗５の前後（電源２側とモータ３側）に接続される。

図１に示すように、リップル検出装置１０は、シャント抵抗５側から順に、電流検出部１１、第１平滑回路ブロック（第１平滑部）１２、利得調整部１３、第２平滑回路ブロック（第２平滑部）１４、リップル検出部１５、及び、デジタル信号変換部１６の各機能ブロックから構成されている。リップル検出装置１０においては、電流検出部１１は、シャント抵抗５の前後の電圧差（電圧降下）を検出してモータ駆動電流を検知する一方、その変化を電圧変化信号として出力する。この電圧変化信号は、第１平滑回路ブロック１２以下の各機能ブロックに送られ（利得調整部１３→第２平滑回路ブロック１４→リップル検出部１５）、電圧変化信号から電流リップル成分のみが抽出される。そして、抽出された電流リップル成分は、デジタル信号変換部１６によって、エンコーダ出力相当のパルス信号に変換されて出力され、このパルス信号に基づいてモータ３の回転数が検出される。

以下、リップル検出装置１０における各機能ブロックでの処理について順を追って説明する。前述のように、電流検出部１１では、シャント抵抗５の前後の電圧差を捉え、それを電圧変化信号として出力する（電流検出ステップ)。図２は、電流検出部１１からの出力信号の一例である。電流検出部１１では、電源電圧に基づくバイアス電圧Ｖoff1を基準として、シャント抵抗５の前後の電圧差が差動増幅された形で出力される。図２に示すように、電圧変化信号には、ノイズ成分と電流リップル成分が含まれた状態となっており、電流検出部１１からはこの状態の電圧信号が出力され、第１平滑回路ブロック１２に送られる。

第１平滑回路ブロック１２には、第１制御電圧（ＣＶ：Control Voltage）発生回路２１と、第１変動成分平滑回路２２が設けられており、図２の電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出する（第１平滑化ステップ)。図３は第１制御電圧発生回路２１における処理を示す説明図、図４は第１変動成分平滑回路２２における処理を示す説明図である。第１制御電圧発生回路２１は、ローパスフィルタ２３を用いることにより、電流検出部１１より入力された電圧変化信号（図２）から、電流リップル成分の中心値をモータ駆動電流の変化成分として抽出し（図３のｆｖ(t)）、第１制御電圧ＣＶ１として出力する（第１制御電圧発生ステップ）。

この場合、リップル波形の傾きは、モータのインダクタンスと、ブラシが整流子片を跨ぐときの電流変化との関係で決まる。このため、ｆｖ(t)を抽出するためのローパスフィルタ２３のカットオフ周波数ｆc1は、モータインダクタンスによる周波数成分とモータロック時のリップル周波数成分との間で、モータ仕様や設置条件等を勘案して適宜決定される。第１制御電圧発生回路２１にて抽出された第１制御電圧ＣＶ１は、第１変動成分平滑回路２２や利得調整部１３に出力される。

第１変動成分平滑回路２２では、電流検出部１１で得られた電圧変化信号から、第１制御電圧発生回路２１にて求めた第１制御電圧ＣＶ１を用いて電流リップル成分（＋ノイズ成分）を抽出する。すなわち、図２の電圧変化信号（図４（ａ））と、第１制御電圧ＣＶ１（図４（ｃ））の差分を取ることにより、電圧変化信号からモータ駆動電流の変動分（変化成分）を取り除き、電流リップル成分（＋ノイズ成分）を抽出する（図４（ｅ））。その際、図４（ｂ）,（ｄ）に示すように、バイアス電圧Ｖref1,Ｖref2を用いて、電圧変化信号と第１制御電圧ＣＶ１との電圧レベル（波形の高さ）が合わされる。これにより、電流リップル成分とノイズ成分のみが抽出され、図４（ｅ）のような第１平滑信号Ｓ１が出力される（第１変動成分平滑化ステップ）。図４（ｅ）に示すように、第１平滑信号Ｓ１は、波形の中心レベルが一定化されているため、その後の波形成形処理が容易となり、その確実性も向上する。

図４（ｅ）に示すように、第１変動成分平滑回路２２によって得られた信号は、モータ電流の変化による振幅変化を伴っている。そこで、次に、利得調整部１３により、図４（ｅ）の信号を均一の振れ幅の信号に波形成形する（利得調整ステップ)。利得調整部１３には、ＣＶ反転回路（制御電圧反転回路)２４と、自動利得調整回路２５が設けられており、図５はＣＶ反転回路２４おける処理を示す説明図、図６は自動利得調整回路２５における処理を示す説明図である。利得調整部１３では、ＣＶ反転回路２４によって反転された逆位相の反転第１制御電圧ＣＶ１’と、第１変動成分平滑回路２２からの第１平滑信号Ｓ１により図６（ｃ）のような調整信号ＶＣＡが作成される。

図５に示すように、ＣＶ反転回路２４では、第１制御電圧発生回路２１から入力された第１制御電圧ＣＶ１の上下が反転され、反転第１制御電圧ＣＶ１’が出力される（制御電圧反転ステップ）。自動利得調整回路２５は、第１平滑信号Ｓ１に対し、反転第１制御電圧ＣＶ１’を掛け合わせることにより、第１平滑信号Ｓ１の振幅を均一化する。すなわち、第１平滑信号Ｓ１と、第１制御電圧ＣＶ１とは波形が上下反対の反転第１制御電圧ＣＶ１’とを掛け合わせることにより、振れ幅の大きい部位には小さな電圧、小さい部位には大きな電圧がそれぞれ掛けられ、図６（ｃ）のように振幅が均一化された調整信号ＶＣＡが出力される（利得調整ステップ）。これにより、電流リップル成分のレベルが均一化され、波形処理の確実性が向上する。

利得調整部１３にて得られた調整信号ＶＣＡは、第２平滑回路ブロック１４に送られ再び平滑化される（第２平滑化ステップ）。図６（ｃ）に示すように、調整信号ＶＣＡは、振幅は均一化されているものの、今度は、反転第１制御電圧ＣＶ１’の変化に沿って全体が曲がった形となっている。このため、それを一定の中心値を有する直線的な信号に矯正すべく、第２平滑回路ブロック１４にて平滑化処理を行う。第２平滑回路ブロック１４には、第２制御電圧発生回路２６と、第２変動成分平滑回路２７が設けられており、第１平滑回路ブロック１２と同様の処理が実行される。

図７は、第２平滑回路ブロック１４における処理を示す説明図である。図７（ｂ）に示すように、第２平滑回路ブロック１４においても、第２制御電圧発生回路２６にて調整信号ＶＣＡから第２制御電圧ＣＶ２が作成される（第２制御電圧発生ステップ）。そして、第２変動成分平滑回路２７により、この第２制御電圧ＣＶ２と、利得調整部１３より入力された調整信号ＶＣＡから、図７（ｃ）の第２平滑信号Ｓ２が作成される。つまり、図７（ａ）の波形から、一点鎖線にて示した第２制御電圧ＣＶ２（図７（ｂ））を引く形で、図７（ｃ）のような第２平滑信号Ｓ２が形成される（第２変動成分平滑化ステップ）。

一方、第２平滑信号Ｓ２には、図７（ｃ）に示すように、電流リップル成分とノイズ成分が混在している。そこで、リップル検出部１５では、第２平滑信号Ｓ２から電流リップル成分のみを抽出する（リップル検出ステップ）。図８は、リップル検出部１５における処理を示す説明図である。この場合、ノイズ成分は電流リップル成分に比べて周波数が高いことから、ハイパスフィルタ２８を用いて、第２平滑信号Ｓ２（図８（ａ））からまずノイズ成分のみを取り出す（ノイズ成分抽出ステップ）（図８（ｂ））。この際、ハイパスフィルタ２８のカットオフ周波数ｆc2は、モータインダクタンスによる電流リップル成分の立ち上がり、立ち下がり時間の周波数成分と、ノイズ成分周波数成分との間で、システム仕様に合わせて適宜検証の上設定する。

第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分のみを取り出した後、それを反転させて第２平滑信号Ｓ２と合成する。すなわち、差動増幅回路２９に、第２平滑信号Ｓ２と、そのノイズ成分の逆位相信号を入力することにより、第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去して増幅し、電流リップル成分のみを顕在化させたリップル成分信号Ｓ０を形成し、出力する（図８（ｃ））。これにより、図２に示した電圧変化信号から、図８（ｃ）のような電流リップル成分のみの信号が抽出される（電流リップル成分抽出ステップ）。このような形で第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去すると、モータ電流から、電流リップルの波形を鈍らせることなく、電流リップル成分のみを抽出することができる。

このようにして電流リップル成分のみを抽出した後、それをデジタル信号変換部１６に送りデジタル信号化する（デジタル信号化ステップ）。図９は、デジタル信号変換部１６における処理を示す説明図である。デジタル信号変換部１６では、リップル検出部１５から送られて来たリップル成分信号Ｓ０（図９（ａ））を位相シフト部３１によって若干位相をずらす（位相シフト信号作成ステップ）。そして、コンパレータ３２において、オリジナルのリップル成分信号Ｓ０と、それを微小に位相がずれた信号Ｓ０’とを比較し、図９（ｄ）のようなパルス信号化する。

この場合、コンパレータ３２は、信号Ｓ０と信号Ｓ０’のうち、例えば、信号Ｓ０が大きい場合はＨ、信号Ｓ０’が大きい場合はＬという形で信号が出力される。従って、図９（ｃ）に示すように、区間ＰにおいてはＳ０＞Ｓ０’のため「Ｈ」、区間ＱにおいてはＳ０＜Ｓ０’のため「Ｌ」がそれぞれ出力され、リップル成分信号Ｓ０の変化に対応した矩形波状のパルス信号が形成され、出力される（デジタル変換ステップ）。

このようにして形成された矩形波状のパルス信号は、各パルスが、ブラシと整流子片との接触の切り替わりに対応している。ブラシと整流子片の数はモータごとに予め定まっているため、このパルスをカウントすることにより、モータ３の回転数を算出することができる。すなわち、モータ電流中の電流リップルから、ホールＩＣ等の回転検出部材を用いることなく、モータ３の回転数を検出することが可能となる。その際、本発明の装置・方法にあっては、磁極ピッチなどの変更等によって電流リップルを増大させる必要がなく、従来のモータ構成そのままでリップル抽出が可能である。このため、モータの性能や特性を損なうことなく、また、モータ音や発熱を増加させることなく、リップルセンシングが可能となる。さらに、精緻なフィルタや微妙なカットオフ設定も不要となり、パルスの不出力や遅れなどの問題も防止することが可能となる。

本発明は前記実施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言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、第１平滑回路ブロック１２から、利得調整部１３、第２平滑回路ブロック１４を経た上で第２平滑信号Ｓ２をリップル検出部１５に入力しているが、電流リップル成分が少ない信号（例えば、モータ電流の増減が少ない電流波形等）では、利得調整部１３と第２平滑回路ブロック１４の処理を割愛し、図１に破線にて示したように、第１平滑回路ブロック１２の第１平滑信号Ｓ１をリップル検出部１５に直接入力しても良い。電流リップル成分が少ない信号では、利得調整部１３にてリップル成分の均一化を図らなくとも、リップル検出部１５での処理が可能な場合があり、その場合には、利得調整部１３と、それとセットで用いられる第２平滑回路ブロック１４（利得調整により発生する波形の増減を補正）を省くことが可能である。

また、前述の実施形態では、リップル検出部１５にて、第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分のみを取り出した後、それを反転させて第２平滑信号Ｓ２に加算しているが、第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分（非反転）を減算しても良い。

本発明によるモータ制御装置・電流リップル検出方法は、パワーウインド用モータの動作制御のみならず、ワイパやパワーシート等の他の車載電動装置や、ブラシ付きモータを用いた家庭用電気製品等に広く適用可能である。

１モータ制御装置
２電源
３ブラシ付きＤＣモータ
４電源ライン
５シャント抵抗
１０リップル検出装置
１１電流検出部
１２第１平滑回路ブロック（第１平滑部）
１３利得調整部
１４第２平滑回路ブロック（第２平滑部）
１５リップル検出部
１６デジタル信号変換部
２１第１制御電圧発生回路
２２第１変動成分平滑回路
２３ローパスフィルタ
２４ＣＶ反転回路
２５自動利得調整回路
２６第２制御電圧発生回路
２７第２変動成分平滑回路
２８ハイパスフィルタ
２９差動増幅回路
３１位相シフト部
３２コンパレータ
ＣＶ１第１制御電圧
ＣＶ１’反転第１制御電圧
ＣＶ２第２制御電圧
Ｓ０リップル成分信号
Ｓ０’ シフト信号
Ｓ１第１平滑信号
Ｓ２第２平滑信号
ＶＣＡ調整信号
Ｖoff1 バイアス電圧
Ｖref1 バイアス電圧
Ｖref2 バイアス電圧
ｆc1 カットオフ周波数
ｆc2 カットオフ周波数

Claims

直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力するリップル検出装置を有するモータ制御装置であって、
前記リップル検出装置は、
前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力する電流検出部と、
前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力する第１平滑部と、
前記第１平滑信号Ｓ１からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出し、リップル成分信号Ｓ０を出力するリップル検出部と、
前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するデジタル信号変換部と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力するリップル検出装置を有するモータ制御装置であって、
前記リップル検出装置は、
前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力する電流検出部と、
前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力する第１平滑部と、
前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を調整し、振幅が均一化された状態の調整信号ＶＣＡを出力する利得調整部と、
前記調整信号ＶＣＡの歪みを矯正し、一定の中心値を有する均一振幅の第２平滑信号Ｓ２を出力する第２平滑部と、
前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出し、リップル成分信号Ｓ０を出力するリップル検出部と、
前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するデジタル信号変換部と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１又は２記載のモータ制御装置において、
前記第１平滑部は、
前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出し、第１制御電圧ＣＶ１として出力する第１制御電圧発生回路と、
前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成する第１変動成分平滑回路と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
請求項２記載のモータ制御装置において、
前記第１平滑部は、
前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出し、第１制御電圧ＣＶ１として出力する第１制御電圧発生回路と、
前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成する第１変動成分平滑回路と、を有し、
前記利得調整部は、
前記第１制御電圧ＣＶ１の波形を反転させて反転第１制御電圧ＣＶ１’を出力する制御電圧反転回路と、
前記反転第１制御電圧ＣＶ１’を用いて前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を均一化する利得調整回路と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
請求項２又は４記載のモータ制御装置において、
前記第２平滑部は、
前記調整信号ＶＣＡの中心値を抽出し、第２制御電圧ＣＶ２として出力する第２制御電圧発生回路と、
前記調整信号ＶＣＡと前記第２制御電圧ＣＶ２の差分を取ることにより、前記調整信号ＶＣＡから前記調整信号ＶＣＡの変化成分を取り除き、前記第２平滑信号Ｓ２を形成する第２変動成分平滑回路と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載のモータ制御装置において、
前記リップル検出部は、
前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を抽出するハイパスフィルタと、
前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２と、前記ハイパスフィルタにて抽出された前記ノイズ成分の波形を反転させた信号が入力され、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２から電流リップル成分のみを抽出して前記リップル成分信号Ｓ０を出力する差動増幅回路と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１〜６の何れか１項に記載のモータ制御装置において、
前記デジタル信号変換部は、
前記リップル成分信号Ｓ０の位相を微小にずらしたシフト信号Ｓ０’を作成する位相シフト部と、
前記シフト信号Ｓ０’と前記リップル成分信号Ｓ０が入力され、前記両信号Ｓ０’,ＳＯの大小関係に基づいて、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換するコンパレータと、を有することを特徴とするモータ制御装置。
直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力する直流モータの電流リップル検出方法であって、
前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力し、
前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力し、
前記第１平滑信号Ｓ１からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出してリップル成分信号Ｓ０を出力し、
前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。
直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルを矩形波信号として出力する直流モータの電流リップル検出方法であって、
前記電機子電流を検知し、その変化を電圧変化信号として出力し、
前記電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、電流リップル成分とノイズ成分からなる第１平滑信号Ｓ１を出力し、
前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を調整し、振幅が均一化された状態の調整信号ＶＣＡを出力し、
前記調整信号ＶＣＡの歪みを矯正し、一定の中心値を有する均一振幅の第２平滑信号Ｓ２を出力し、
前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を除去し電流リップル成分のみを抽出してリップル成分信号Ｓ０を出力し、
前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。
請求項８又は９記載の電流リップル検出方法において、
前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出して第１制御電圧ＣＶ１として出力し、
前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。
請求項９記載の電流リップル検出方法において、
前記電圧変化信号から、電流リップル成分の中心値を前記電機子電流の変化成分として抽出して第１制御電圧ＣＶ１として出力し、
前記電圧変化信号と前記第１制御電圧ＣＶ１の差分を取ることにより、前記電圧変化信号から前記電機子電流の変化成分を取り除き、電流リップル成分とノイズ成分を抽出して前記第１平滑信号Ｓ１を形成し、
前記第１制御電圧ＣＶ１の波形を反転させて反転第１制御電圧ＣＶ１’を出力し、
前記反転第１制御電圧ＣＶ１’を用いて前記第１平滑信号Ｓ１の振幅を均一化することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。
請求項９又は１１記載の電流リップル検出方法において、
前記調整信号ＶＣＡの中心値を抽出して第２制御電圧ＣＶ２として出力し、
前記調整信号ＶＣＡと前記第２制御電圧ＣＶ２の差分を取ることにより、前記調整信号ＶＣＡから前記調整信号ＶＣＡの変化成分を取り除き、前記第２平滑信号Ｓ２を形成することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。
請求項８〜１２の何れか１項に記載の電流リップル検出方法において、
ハイパスフィルタにより、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２からノイズ成分を抽出し、
前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２と、前記ハイパスフィルタによって抽出された前記ノイズ成分の波形を反転させた信号とを合成することにより、前記第１平滑信号Ｓ１又は前記第２平滑信号Ｓ２から電流リップル成分のみを抽出して前記リップル成分信号Ｓ０を出力することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。
請求項８〜１３の何れか１項に記載の電流リップル検出方法において、
前記リップル成分信号Ｓ０の位相を微小にずらしたシフト信号Ｓ０’を作成し、
前記シフト信号Ｓ０’と前記リップル成分信号Ｓ０の大小関係に基づいて、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換することを特徴とする直流モータの電流リップル検出方法。