JP2021191098A - モータ制御システム及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流リップル成分の検出遅れを招来することなく、モータ逆転時においてもリップル検出を正確に行う。【解決手段】リップルパルス変換部１０は、直流モータ３の電機子電流に含まれる電流リップルを検出してパルス信号として出力する。リップルパルス変換部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、カットオフ周波数fc1を有するローパスフィルタ２３を有し電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分からなる平滑信号Ｓ１を出力する信号平滑部２１と、カットオフ周波数fc1を調整するカットオフ周波数調整部４１とを有する。カットオフ周波数調整部２１は、スイッチ６がオフ状態のとき、電機子電流が検出され、かつ、パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、カットオフ周波数fc1を、スイッチオン状態のときの周波数ｆｎよりも低いｆｒに変更する。【選択図】図５

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を行うモータ制御システム及びモータ制御方法に関する。

電動モータの駆動制御に際し、従来より、ホールＩＣ等のセンシング素子を用いてモータの回転方向や回転数、回転角度などを検出することが広く行われている。これに対し、近年、コスト低減やモータ軽量化等の観点から、センシング素子を使用することなく、モータの回転方向等を検出するいわゆるセンシング素子レスのモータも増加している。たとえば、特許文献１には、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てモータの回転数を検出する直流モータが記載されている。また、特許文献２には、通常のモータ電流そのものから電流リップル成分を抽出してモータ回転数等の検出が可能なモータ制御装置が記載されている

特開２０１６−７７１３０号公報 特開２０１８−７４６６２号公報

一方、自動車等の車両のパワーウインドや電動サンルーフなどの開閉体を駆動するモータでは、全閉時や全開時に装置が停止したとき、開閉体が停止する反動により、オフ状態のモータが若干逆転する場合がある。その場合、逆転時に検出される電流リップルは、定常回転時よりもモータ回転数が遅いため、定常回転時のリップル周波数よりも低い周波数となる。例えば、定常時のリップル周波数が1700Hz程度である場合、逆転時の周波数はその約1/6以下の100〜300Hz程度となる。

ここで、特許文献２の制御装置では、図１２（ａ）のように、モータ駆動電流に基づく電圧変化信号から、ローパスフィルタによって電流リップル成分とノイズ成分を取り除く処理が行われ、その次段にて、成分除去処理後の信号と原波形との差を取る処理が行われている。ところが、開閉体が停止しモータが逆転した場合、逆転時の電流リップル成分は周波数が低いため、ローパスフィルタではそれをカットできず残存してしまう（図１２（ｂ））。すると、次段の処理において、原波形の電流リップル成分が残存リップル成分によって相殺され、電流リップル成分自体が減衰してしまう。このため、逆転時の電流リップル成分が検出できなくなり、モータ回転位置（回転角度）の認識にずれが生じてしまうおそれがあった。

これに対し、逆転時の電流リップル成分もカットし得るように、ローパスフィルタのカットオフ周波数を低くする、という方策も考え得る、しかしながら、ローパスフィルタのカットオフ周波数を小さく設定すると、フィルタの時定数の影響により、モータ起動時における電流リップル成分の中心値信号の立ち上がりに遅れが生じる（図１２（ｃ））。電流リップル成分の検出遅れは、制御用のリップルパルスの出力遅れにつながり、それにより、システム制御に影響が出てしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、電流リップル成分の検出遅れを招来することなく、モータ逆転時においてもリップル検出を正確に行うことが可能なモータ制御システム及びモータ制御方法を提供することにある。

本発明のモータ制御システムは、電機子を備える直流モータと、前記直流モータに電力を供給する電源ライン上に設けられたスイッチと、前記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パルス変換部を備えるモータ制御装置と、を有するモータ制御システムであって、前記リップルパルス変換部は、前記電機子電流を検出し、その変化を電圧変化信号として出力する電流検出部と、所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルタを有し、該ローパスフィルタを用いることにより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平滑信号Ｓ１を出力する信号平滑部と、前記カットオフ周波数を調整するカットオフ周波数調整部と、前記平滑信号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しパルス信号を出力するデジタル信号変換部と、を有し、前記カットオフ周波数調整部は、前記スイッチが非接続状態のとき、前記電機子電流が検出され、かつ、該電機子電流によって形成される前記パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定することを特徴とする。

本発明にあっては、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを矩形波信号として出力するリップルパルス変換部に、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と、ローパスフィルタを用いることにより電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分からなる平滑信号Ｓ１を出力する信号平滑部と、ローパスフィルタのカットオフ周波数を調整するカットオフ周波数調整部を設け、スイッチが非接続状態のとき、電機子電流が検出され、かつ、パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、カットオフ周波数をスイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定する。これにより、例えば、スイッチオフ時にモータが逆転した場合においても、逆転時に生じる低周波数の電流リップル成分をローパスフィルタによってカットし、信号平滑部にて電流リップル成分を確実に抽出することが可能となる。

前記モータ制御システムにおいて、前記ローパスフィルタに、前記カットオフ周波数として、第１周波数と、該第１周波数より低い第２周波数を設け、前記カットオフ周波数調整部は、前記スイッチが非接続状態のとき、前記電機子電流が検出され、かつ、該電機子電流によって形成される前記パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、前記カットオフ周波数を、前記第１周波数から前記第２周波数に変更するようにしても良い。

また、前記カットオフ周波数調整部は、前記スイッチが非接続状態となり、前記直流モータが、前記スイッチが接続状態のときとは逆方向に回転した場合に、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定するようにしても良い。

さらに、前記直流モータは、車両に設置された開閉体の駆動源として使用されるモータであり、前記カットオフ周波数調整部は、前記開閉体が全開時又は全閉時に前記スイッチが非接続状態となり、前記直流モータが逆転したとき、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定するようにしても良い。

一方、本発明のモータ制御方法は、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、前記電流リップルから生成したパルス信号に基づいて前記直流モータの動作制御を行うモータ制御方法であって、前記電機子電流を検出し、該電機子電流の変化に基づいて電圧変化信号を形成し、所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルタを用いることにより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平滑信号Ｓ１を形成し、前記平滑信号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を形成し、前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換しパルス信号を生成し、前記直流モータに電力を供給する電源ライン上に設けられたスイッチが非接続状態のとき、前記電機子電流が検出され、かつ、該電機子電流によって形成される前記パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定することを特徴とする。

本発明にあっては、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルから生成したパルス信号に基づいて直流モータの動作制御を行うモータ制御方法にて、電機子電流の変化に基づいて電圧変化信号を形成し、ローパスフィルタを用いることにより電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分からなる平滑信号Ｓ１を形成し、スイッチが非接続状態のとき、電機子電流が検出され、かつ、パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、カットオフ周波数をスイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定する。これにより、例えば、スイッチオフ時にモータが逆転した場合においても、逆転時に生じる低周波数の電流リップル成分をローパスフィルタによってカットし、電機子電流の電流リップル成分を確実に抽出することが可能となる。

本発明のモータ制御システムによれば、電機子を備える直流モータと、直流モータに電力を供給する電源ライン上に設けられたスイッチと、電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、電流リップルを矩形波信号として出力するリップルパルス変換部を備えるモータ制御装置と、を有するモータ制御システムにおいて、リップルパルス変換部に、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と、ローパスフィルタを用いることにより電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分からなる平滑信号Ｓ１を出力する信号平滑部と、ローパスフィルタのカットオフ周波数を調整するカットオフ周波数調整部を設け、スイッチが非接続状態のとき、電機子電流が検出され、かつ、パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、カットオフ周波数をスイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定するようにしたので、例えば、スイッチオフ時にモータが逆転した場合においても、逆転時に生じる低周波数の電流リップル成分をローパスフィルタによってカットし、信号平滑部にて電流リップル成分を確実に抽出できるようになり、リップル検出精度の向上を図ることが可能となる。

また、本発明のモータ制御方法によれば、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルから生成したパルス信号に基づいて直流モータの動作制御を行うモータ制御方法にて、電機子電流の変化に基づいて電圧変化信号を形成し、ローパスフィルタを用いることにより電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分からなる平滑信号Ｓ１を形成し、スイッチが非接続状態のとき、電機子電流が検出され、かつ、パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、カットオフ周波数をスイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定するようにしたので、例えば、スイッチオフ時にモータが逆転した場合においても、逆転時に生じる低周波数の電流リップル成分をローパスフィルタによってカットして電流リップル成分を確実に抽出できるようになり、リップル検出精度の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態であるモータ制御システム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。 カットオフ周波数調整部の構成を示すブロック図である。 図１のモータ制御装置に配設されるカットオフ周波数調整部における処理に関する真理値表である。 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。 ローパスフィルタによる電圧変化信号の処理を示す説明図であり、（ａ）は定常回転時における処理、（ｂ）は逆転時における処理、（ｃ）はローパスフィルタのカットオフ周波数を小さくした場合の処理をそれぞれ示している。

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システム１の構成を示すブロック図である。モータ制御システム１は、例えば、自動車のパワーウインド（開閉体）の駆動源として用いられる直流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。

モータ制御システム１にはリップルパルス変換部１０が設けられており、本発明の電流リップル検出方法は、このリップルパルス変換部１０によって実施される。リップルパルス変換部１０は、電源２からブラシ付きＤＣ（直流）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、リップルパルス変換部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。電源ライン４上にはスイッチ６が設けられており、スイッチ６をオンさせることにより、モータ３に電機子電流が流れモータ３が作動する。

図１に示すように、リップルパルス変換部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：信号平滑部）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。リップルパルス変換部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、リップルパルス変換部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））。

ここで、パワーウインド用のような開閉体を駆動するモータにおいては、前述のように、開閉体停止の反動によりモータが逆方向に回転する場合があり、逆転時の電流リップル成分が検出できない場合があるという課題があった。そこで、このような逆転時の電流リップルを確実に検出すべく、当該実施の形態のモータ制御システム１では、第１制御電圧発生回路２１におけるローパスフィルタ２３のカットオフ周波数ｆc1を可変とし、モータの動作状態に合わせてカットオフ周波数ｆc1を変更する。

モータ制御システム１では、カットオフ周波数ｆc1として、通常動作時用（ｆｎ：第１周波数）と逆転時用（ｆｒ：第２周波数）の２種の値が設定されている。逆転時用のカットオフ周波数ｆｒは通常動作時用のカットオフ周波数ｆｎよりも低い値となっており（例えば、ｆｒ＝350Hz、ｆｒ＝100Hzなどの所定値）、スイッチオフ時に逆転を検出したときは逆転時用のカットオフ周波数ｆｒを使用する。これにより、第１制御電圧発生回路２１にて逆転時の低周波数の電流リップル成分をカットでき、逆転時においても、第１変動成分平滑回路２２にて電流リップル成分を確実に抽出することが可能となる。

そこで、モータ制御システム１には、ローパスフィルタ２３のカットオフ周波数ｆc1を変更するため、リップルパルス変換部１０にカットオフ周波数調整部４１がさらに設けられている（図１参照）。図５は、このカットオフ周波数調整部４１の構成を示すブロック図である。図５に示すように、カットオフ周波数調整部４１は、リップルパルス出力周波数判断部４２と、モータ端子電圧判断部４３、カットオフ周波数変更指示部４４を備えた構成となっている。

リップルパルス出力周波数判断部４２は、リップルパルス変換部１０のデジタル信号変換部１６から出力されるリップルパルス信号を取得し、リップルパルスの存否からモータ３の作動状態（回転しているか、停止しているか）を判定する。モータ端子電圧判断部４３は、誘起電圧に伴うモータ３前後の点の電圧（ＶＡ,ＶＢ）を検出し、モータ３に対する通電状態（通電の有無）を判定する。カットオフ周波数変更指示部４４は、リップルパルス出力周波数判断部４２とモータ端子電圧判断部４３からの出力に基づき、ローパスフィルタ２３のカットオフ周波数変更の要否を決定する。

リップルパルス出力周波数判断部４２は、リップルパルス変換部１０から出力されるリップルパルスをＤＣ成分（直流成分）とパルス信号に分別するリップルパルス検出部４５と、リップルパルス検出部４５にて分別されたパルス信号をＤＣ成分のみに変換するリップルパルス平滑部４６と、リップルパルス平滑部にてＤＣ成分に変換されたパルス信号の電圧値が、所定の基準電圧（Bias電圧：Ｖoff）を超えている場合に信号を出力する差動増幅部４７とを備えている。

図６は、カットオフ周波数調整部４１における処理に関する真理値表であり、カットオフ周波数調整部４１は次のような処理により、ローパスフィルタ２３のカットオフ周波数ｆc1を変更する。
（１）モータ通電・定常回転の場合
モータ通電・定常回転の場合、第１制御電圧発生回路２１では、通常動作時用のカットオフ周波数ｆｎにて電流リップル成分の中心値ｆｖ(t)を抽出する処理が行われる。モータ３が通電状態で定常回転しているときは、スイッチ６は接続状態（オン）となっており、モータ３の端子電圧ＶＡ,ＶＢの何れかは「Ｈ（Ｈｉ）」となる。ここでは、ＣＷ回転のとき「ＶＡ：Ｈ，ＶＢ：Ｌ（Ｌｏｗ）」、ＣＣＷ回転のとき「ＶＡ：Ｌ，ＶＢ：Ｈ」に設定されている。したがって、通電・定常回転の場合、出力Ｄ（ダイオード５１ａ,５１ｂ後段の出力）は、ＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｈ」となる。これにより、トランジスタ５２がオンとなり、モータ３に通電されている場合、モータ端子電圧判断部４３からの出力は「Ｌ」となる。

一方、リップルパルス出力周波数判断部４２には、リップルパルス変換部１０からリップルパルス（以下、ＲＰと略記する）が入力されている。リップルパルス出力周波数判断部４２では、ＲＰ未発生時にＲＰ出力が「Ｈ」固定となる場合もあるため、まず、微分回路を用いたリップルパルス検出部４５にて、リップルパルスをＤＣ成分とパルス信号に分別する。次に、リップルパルス検出部４５で得たパルス信号をリップルパルス平滑部４６にてＤＣ成分に変換する。リップルパルス平滑部４６の出力Ａは、差動増幅部４７に入力され、所定のBias電圧（Ｖoff）との関係に基づいて出力Ｂが生じる。

この場合、Bias電圧は、パルス信号が連続して数十パルス以上（例えば、２０パルス以上）発生しており（外乱との分別）、かつ、所定周波数（例えば、350Hz：通常作動時、惰走時との区別のための逆転判別周波数）よりも高い場合は、出力ＡがＶoffより大きく（Ｖoff＜Ａ）なるように設定されている。したがって、通電・定常回転では、ＲＰが数十パルス以上連続して出力されており、かつ、パルス周波数も高いため、リップルパルス平滑部４６の出力ＡはBias電圧よりも大きくなり、差動増幅部４７の出力Ｂは「Ｈ」となる。したがって、このとき、ＮＯＴ４８の後段の出力Ｃ、すなわち、リップルパルス出力周波数判断部４２の出力は、「Ｌ」となる。

カットオフ周波数変更指示部４４には、モータ端子電圧判断部４３からの出力Ｅ：「Ｌ」、リップルパルス出力周波数判断部４２の出力Ｃ：「Ｌ」が入力され、ＡＮＤ５３の入力Ｅ,Ｃは、「Ｌ」,「Ｌ」となる。したがって、ＡＮＤ５３の出力Ｆは「Ｌ」となり、その結果、カットオフ周波数調整部４１によるローパスフィルタ２３のカットオフ周波数変更は行われず、第１制御電圧発生回路２１では、通常動作時用のカットオフ周波数ｆc1（＝ｆｎ）にて電流リップル成分の中心値ｆｖ(t)を抽出する処理が行われる。

（２）モータ非通電・惰走回転の場合
例えば、窓を開閉途中で停止させたり、少しだけ上下させたりした場合など、モータ３が通電されていない状態であるが惰走回転している場合も、通常動作時用のカットオフ周波数ｆｎにてリップル成分中心値ｆｖ(t)の抽出処理が行われる。この場合は、スイッチ６は非接続状態（オフ）となっているが、厳密にはモータ３に誘起電圧が生じており、モニタされている端子電圧ＶＡ,ＶＢの何れかは「Ｈ」となる。しかし、その際の誘起電圧は通電・定常回転時と比べると非常に小さい。このため、カットオフ周波数調整部４１では、ＶＡ,ＶＢが所定電圧未満の場合には「Ｌ」とする。したがって、モータ端子電圧判断部４３におけるダイオード５１ａ,５１ｂ後段の出力Ｄは、ＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｌ」となる。その結果、トランジスタ５２はオフ状態となり、モータ端子電圧判断部４３の出力Ｅも回転方向に関わらず「Ｈ」となる。

一方、惰走回転時には、リップルパルス出力周波数判断部４２に対し、停止時とは異なり、ある程度連続した数十パルス以上のＲＰが入力される。また、パルス周波数も、逆転判別周波数よりも高くなる。したがって、非通電・惰走回転の場合、出力ＡはBias電圧よりも大きくなり、差動増幅部４７の出力Ｂは「Ｈ」となる。したがって、このとき、ＮＯＴ４８の後段の出力Ｃ（リップルパルス出力周波数判断部４２の出力）は「Ｌ」となる。

カットオフ周波数変更指示部４４には、モータ端子電圧判断部４３からの出力Ｅ：「Ｈ」、リップルパルス出力周波数判断部４２の出力Ｃ：「Ｌ」が入力され、ＡＮＤ５３の入力Ｅ,Ｃは、「Ｈ」,「Ｌ」となる。したがって、ＡＮＤ５３の出力Ｆは「Ｌ」となり、その結果、カットオフ周波数調整部４１によるローパスフィルタ２３のカットオフ周波数変更は行われず、第１制御電圧発生回路２１では、通常動作時用のカットオフ周波数ｆc1（＝ｆｎ）にて電流リップル成分の中心値ｆｖ(t)を抽出する処理が行われる。

（３）モータ非通電・逆転の場合
前述のように、全閉・全開時などでは、通電オフ時にモータ機構の反作用等によってモータ３が逆転する場合があり、その際、逆転時の電流リップル成分が検出できない場合がある。本発明によるモータ制御システム１では、モータ非通電・逆転の場合、逆転時用のカットオフ周波数ｆｒにてリップル成分中心値ｆｖ(t)の抽出処理が行われる。

この場合、スイッチ６は非接続状態（オフ）であるが、非通電・惰走のときと同様、モータ逆転に伴う誘起電圧により、端子電圧ＶＡ,ＶＢの何れかは「Ｈ」となる。ただし、前述同様、その際の誘起電圧は定常回転時と比べると微小であるため、カットオフ周波数調整部４１では、ＶＡ,ＶＢを「Ｌ」として取り扱う。したがって、モータ端子電圧判断部４３におけるダイオード５１ａ,５１ｂ後段の出力Ｄは、ＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｌ」となる。その結果、トランジスタ５２はオフ状態となり、モータ端子電圧判断部４３の出力Ｅも回転方向に関わらず「Ｈ」となる。

また、逆転時も、リップルパルス出力周波数判断部４２には、ある程度連続した数十パルス以上のＲＰが入力される。しかしながら、この場合は、パルス周波数が逆転判別周波数よりも低くなるため、リップルパルス平滑部４６の出力ＡはBias電圧よりも小さくなり、差動増幅部４７の出力Ｂは「Ｌ」となる。したがって、このとき、ＮＯＴ４８の後段の出力Ｃ（リップルパルス出力周波数判断部４２の出力）は「Ｈ」となる。

カットオフ周波数変更指示部４４には、モータ端子電圧判断部４３からの出力Ｅ：「Ｈ」、リップルパルス出力周波数判断部４２の出力Ｃ：「Ｈ」が入力され、ＡＮＤ５３の入力Ｅ,Ｃは共に「Ｈ」,「Ｈ」となる。したがって、ＡＮＤ５３の出力Ｆは「Ｈ」となり、その結果、カットオフ周波数調整部４１によるローパスフィルタ２３のカットオフ周波数が変更される。すなわち、第１制御電圧発生回路２１では、逆転時用のカットオフ周波数ｆc1（＝ｆｒ）にて電流リップル成分の中心値ｆｖ(t)を抽出する処理が行われる。前述ように、逆転時用のカットオフ周波数ｆｒは通常動作時用のカットオフ周波数ｆｎよりも低い値となっている。したがって、第１制御電圧発生回路２１では、逆転時における低周波数の電流リップル成分がカットされ、逆転時においても、第１変動成分平滑回路２２にて電流リップル成分が抽出される。

（４）モータ非通電・停止の場合
モータ３が通電されていない状態で停止しているときは、スイッチ６は非接続状態（オフ）であり、ＶＡ,ＶＢは「Ｌ」となる。このため、モータ端子電圧判断部４３の出力Ｄは、ＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｌ」となる。したがって、トランジスタ５２はオフ状態となり、モータ端子電圧判断部４３の出力Ｅも回転方向に関わらず「Ｈ」となる。一方、モータ停止によりリップルパルスは発生せず、リップルパルス出力周波数判断部４２にはＲＰは入力されない。また、パルス周波数も逆転判別周波数よりも当然に低くなる。このため、リップルパルス平滑部４６の出力ＡはBias電圧よりも小さくなり、差動増幅部４７の出力Ｂは「Ｌ」となる。したがって、このとき、ＮＯＴ４８の後段の出力Ｃ（リップルパルス出力周波数判断部４２の出力）は「Ｈ」となる。

カットオフ周波数変更指示部４４には、モータ端子電圧判断部４３からの出力Ｅ：「Ｈ」、リップルパルス出力周波数判断部４２の出力Ｃ：「Ｈ」が入力され、ＡＮＤ５３の入力Ｅ,Ｃは共に「Ｈ」,「Ｈ」となる。したがって、ＡＮＤ５３の出力Ｆは「Ｈ」となり、その結果、カットオフ周波数調整部４１によるローパスフィルタ２３のカットオフ周波数が変更される。すなわち、第１制御電圧発生回路２１では、逆転時用のカットオフ周波数ｆｒにて電流リップル成分の中心値ｆｖ(t)を抽出する処理が行われるが、この場合はモータ停止のため、カットオフ周波数の変更はリップル成分抽出処理には特に関係はない。

このように、モータ制御システム１では、カットオフ周波数ｆc1として、通常動作時用のもの（ｆｎ）と、それよりも低い値の逆転時用（ｆｒ）のものを設定する。そして、スイッチオフ時に逆転を検出したときは逆転時用のカットオフ周波数ｆｒを使用する。これにより、逆転時においても、第１制御電圧発生回路２１にて逆転時に生じる低周波数の電流リップル成分をカットでき、第１変動成分平滑回路２２にて電流リップル成分を確実に抽出することが可能となる。したがって、モータ制御システム１におけるモータ回転位置（回転角度）の認識にずれが生じるのを防止でき、パルスカウントのズレによる窓位置の誤検知を防止できる。その結果、パワーウインドの制御精度の向上が図られ、窓の動作速度や挟み込み検知などの制御精度も向上する。

また、第１変動成分平滑回路２２では、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７はＣＶ反転回路２４おける処理を示す説明図、図８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８（ｃ）のような調整信号ＶＣＡが作成される。

図７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８（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８（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９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９（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９（ｃ）の第２平滑信号Ｓ２が作成される。つまり、図９（ａ）の波形から、一点鎖線にて示した第２制御電圧ＣＶ２（図９（ｂ））を引く形で、図９（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９（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１０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１０（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１０（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１０（ｃ））。これにより、図２に示した電圧変化信号から、図１０（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１１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１１（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１１（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。したがって、図１１（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）。

このようにして生成された矩形波信号は、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、前述のモータ制御システムにおけるモータ制御機能は、リップルパルス変換部１０やカットオフ周波数調整部４１などのハードウエア的な構成ではなく、ソフトウエア上にてこれらの機能を代替・実現することも可能である。また、前述のカットオフ周波数や、定常時や逆転時のリップル周波数等の値は一例であり、本発明は前述の値には限定されない。

本発明によるモータ制御システム及びモータ制御方法は、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、モータ駆動電流からパルスを検出する技術を用いた機器に広く適用可能である。

１ モータ制御システム
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
６ スイッチ
１０ リップルパルス変換部
１１ 電流検出部
１２ 第１平滑回路ブロック
１３ 利得調整部
１４ 第２平滑回路ブロック
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
２４ ＣＶ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
４１ カットオフ周波数調整部
４２ リップルパルス出力周波数判断部
４３ モータ端子電圧判断部
４４ カットオフ周波数変更指示部
４５ リップルパルス検出部
４６ リップルパルス平滑部
４７ 差動増幅部
４８ ＮＯＴ
５１ａ,５１ｂ ダイオード
５２ トランジスタ
５３ ＡＮＤ
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
ｆｎ 通常動作時用カットオフ周波数（第１周波数）
ｆｒ 逆転時用カットオフ周波数（第２周波数）

Claims (5)

1. 電機子を備える直流モータと、
   前記直流モータに電力を供給する電源ライン上に設けられたスイッチと、
   前記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パルス変換部を備えるモータ制御装置と、を有するモータ制御システムであって、
   前記リップルパルス変換部は、
   前記電機子電流を検出し、その変化を電圧変化信号として出力する電流検出部と、
   所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルタを有し、該ローパスフィルタを用いることにより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平滑信号Ｓ１を出力する信号平滑部と、
   前記カットオフ周波数を調整するカットオフ周波数調整部と、
   前記平滑信号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しパルス信号を出力するデジタル信号変換部と、を有し、
   前記カットオフ周波数調整部は、
   前記スイッチが非接続状態のとき、前記電機子電流が検出され、かつ、該電機子電流によって形成される前記パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定することを特徴とするモータ制御システム。
2. 請求項１記載のモータ制御システムにおいて、
   前記ローパスフィルタは、前記カットオフ周波数として、第１周波数と、該第１周波数より低い第２周波数を有し、
   前記カットオフ周波数調整部は、前記スイッチが非接続状態のとき、前記電機子電流が検出され、かつ、該電機子電流によって形成される前記パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、前記カットオフ周波数を、前記第１周波数から前記第２周波数に変更することを特徴とするモータ制御システム。
3. 請求項１又は２記載のモータ制御システムにおいて、
   前記カットオフ周波数調整部は、前記スイッチが非接続状態となり、前記直流モータが、前記スイッチが接続状態のときとは逆方向に回転した場合に、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定することを特徴とするモータ制御システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ制御システムにおいて、
   前記直流モータは、車両に設置された開閉体の駆動源として使用されるモータであり、
   前記カットオフ周波数調整部は、前記開閉体が全開時又は全閉時に前記スイッチが非接続状態となり、前記直流モータが逆転したとき、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定することを特徴とするモータ制御システム。
5. 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、前記電流リップルから生成したパルス信号に基づいて前記直流モータの動作制御を行うモータ制御方法であって、
   前記電機子電流を検出し、該電機子電流の変化に基づいて電圧変化信号を形成し、
   所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルタを用いることにより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平滑信号Ｓ１を形成し、
   前記平滑信号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を形成し、
   前記リップル成分信号Ｓ０をデジタル信号に変換しパルス信号を生成し、
   前記直流モータに電力を供給する電源ライン上に設けられたスイッチが非接続状態のとき、前記電機子電流が検出され、かつ、該電機子電流によって形成される前記パルス信号の周波数が所定値よりも低い場合、前記カットオフ周波数を、前記スイッチが接続状態である場合よりも低い値に設定することを特徴とするモータ制御方法。

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