JP5854677B2 - モータ速度検出装置およびモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、周波数発電コイルからの出力を用いてモータの回転速度を検出するモータ速度検出装置に関する。

ブラシレスモータの回転速度（回転数）を測定して該モータのフィードバック制御を行う方法として、周波数発電コイル（以下、ＦＧコイルという）を用いる方法がある。すなわち、モータの回転により相対的に移動するＦＧコイルとマグネットを設け、ＦＧコイルから得られる交流信号をサンプリングすることによって該モータの回転速度を検出（算出）する。

このようなフィードバック制御方法では、ＦＧコイル出力のサンプリング周波数が高いほど、モータの回転速度の変動を忠実にフィードバックすることができ、モータの良好なフィードバック制御が可能となる。

特許文献１には、ＦＧコイル出力のサンプリング周波数を高くするための方法の１つとしてＦＧコイル出力を逓倍する方法が開示されている。この方法では、ＦＧコイル出力のゼロクロスを検出し、その検出ごとにワンショットモノマルチバイブレータを用いてＦＧコイル１周期あたりに２つのパルス出力を得ることで、もとのＦＧコイル出力の周波数に対して２逓倍されたサンプリング周波数が得られる。さらに、サンプリング周波数を上げるために、もとのＦＧコイル出力を微分することによって位相をずらした新たなＦＧコイル出力を生成し、これら２つのＦＧコイル出力をそれぞれ２逓倍にして組み合わせることによって、もとのＦＧコイル出力の周波数に対して４逓倍されたサンプリング周波数が得られる。

特開平０８−００９６７０号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された方法を用いても、もとのＦＧコイル出力の周波数に対して４逓倍以上のサンプリング周波数を得ることはできない。より高いサンプリング周波数を得たい場合には、もとのＦＧコイル出力の周波数自体を上げる必要があるが、ＦＧコイルやマグネットにおける物理的な制約により、もとのＦＧコイル出力の周波数を上げることは困難である。

本発明は、物理的な制約を受けずに、ＦＧコイル出力のサンプリング周波数を任意に設定できるようにしたモータ速度検出装置およびこれを用いたモータ制御装置を提供する。

本発明の一側面としてのモータ速度検出装置は、モータの回転により相対的に移動する周波数発電コイルおよびマグネットを有し、周波数発電コイルから得られる交流信号をサンプリングすることによって該モータの回転速度を検出する。該装置は、周波数発電コイルから得られる交流信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段により得られたデジタル信号を時間積分する積分手段と、該積分手段により得られた積分値が複数の閾値範囲のうちいずれの閾値範囲に入っているかを判定する第１の判定手段と、第１の判定手段によりいずれの閾値範囲に入っているかが判定された積分値の変化が増加か減少かを判定する第２の判定手段と、第１および第２の判定手段のそれぞれの判定結果の論理積を示す２値化信号を生成する論理積演算手段とを有する。そして、該２値化信号の生成周期から回転速度を算出することを特徴とする。

なお、上記モータ速度検出装置により算出された回転速度に基づいてモータを制御するモータ制御装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、周波数発電コイル（ＦＧコイル）からの交流信号の１周期分の信号を分割することで、サンプリング周波数を増加させることができる。このため、物理的な制約を受けることなく、任意のサンプリング周波数を設定することができ、モータの回転速度を高精度に検出（算出）することができる。そして、この高精度に検出された回転速度を用いてモータを制御することで、安定したモータの速度制御が可能になる。

本発明の実施例であるモータ速度検出装置を含むモータ制御装置の構成を示すブロック図。 実施例のモータ速度検出装置に含まれる積分値演算部の構成を示すブロック図。 実施例のモータ速度検出装置に含まれる分割部の構成を示すブロック図。 上記分割部における積分値分割を示す図。 誘起電圧と角速度の関係 実施例のモータ速度検出装置に含まれるＦＧコイルの出力電圧と上記積分値演算部により得られる積分値との関係を示す図。 速度検出誤差について説明する図。 実施例のモータ速度検出装置に含まれるＦＧコイルとマグネットを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例であるモータ速度検出装置を含むモータ制御装置の構成を示す。図１において、２１は周波数発電コイル（以下、ＦＧコイルという）である。

図８には、ＦＧコイル２１とＦＧマグネット２２を示している。ＦＧコイル２１は、複数の発電素子２１ａを接続線で直列に接続して構成されている。ＦＧマグネット２２は、Ｎ極とＳ極が交互に配置されたリング状のマグネットであり、ＦＧコイル２１に対向して配置されている。ＦＧマグネット２２は、図１に示すモータ２０の不図示の出力軸に結合されている。このため、モータ２０が回転することで、ＦＧコイル２１に対してＦＧマグネット２２が回転する（すなわち、ＦＧコイル２１とＦＧマグネット２２が相対的に移動する）。

そして、ＦＧマグネット２２が回転すると、各発電素子２１ａに交流電圧（交流信号）が発生する。発電素子２１ａの配置ピッチとＦＧマグネット２２の着磁ピッチとが同じであるため、全ての発電素子２１ａで発生した電圧は同位相となり、これら電圧がＦＧコイル２１の全周にわたって加算されて出力される。

ＦＧコイル２１の出力は、図１に示すＡＤＣ部（Ａ／Ｄ変換手段）１に入力され、ここで所定のＡＤサンプリング周波数（例えば、１０ＭＨｚ）の１周期ごとに検出されてデジタル信号に変換される。ＡＤＣ部１からのデジタル信号は、積分値演算部（積分手段）２に入力されて時間積分される。これにより、下限が０で上限が１の積分値が生成される。

積分値演算部２からの積分値は、分割部（第１の判定手段、第２の判定手段および論理積演算手段）３に入力される。分割部３は、積分値が予め設定された「複数の閾値範囲のうちいずれの閾値範囲に入っているか」の判定と、「積分値の変化が増加か減少か」の判定を行い、これらの判定結果の論理積を示すＨｉｇｈ−Ｌｏｗの２値化信号（矩形波信号）を生成する。本実施例では、「複数の閾値範囲」を１０設け、もとのＦＧコイル２１の出力の周波数（ＡＤサンプリング周波数）の１０倍のサンプリング周波数を得る。そして、コントローラ３０は、分割部３から出力された２値化信号の生成周期から、モータ２０の回転速度を算出し、該回転速度に応じてモータ２０のフィードバック制御を行う。

図２には、図１に示した積分値演算部２の構成を示している。前述したようにＡＤＣ部１でデジタル信号化されたＦＧコイル２１からの出力（以下、単にＦＧコイル出力という）は積分器４に入力される。積分器４は、ＦＧコイル出力を時間積分して、積分値を出力する。また、ＦＧコイル出力は、別ラインを介して矩形波化システム部５に入力され、ここで矩形波信号化される。積分器４と矩形波化システム部５の出力は、ピークホールド部６に入力され、ここでＦＧコイル出力の１周期ごとの積分値の最大値が出力される。さらに、積分器４とピークホールド部６の出力は、ゲインオフセット調整部７に入力され、ここで下限が０で上限が１の積分値が生成されて出力される。

本実施例では、上述した時間積分により得られる積分値の信号に含まれる電気的ノイズを緩和するために、ＦＧコイルから出力される交流信号の１周期ごとに積分値のピークホールドを行い、ノイズ補正を行う。

図３には、図１に示した分割部３の構成を示す。積分値演算部２から出力された積分値は、変化量演算部（第２の判定手段）８に入力される。変化量演算部８は、積分値の変化が増加か減少かを判定し、その判定結果をＨｉｇｈ−Ｌｏｗの２値化された信号として出力する。変化量演算部８の上段の部分では、変化量が増加の場合にＨｉｇｈの信号が出力され、下段の部分では変化量が減少の場合にＬｏｗの信号を出力する。

積分値演算部２から出力された積分値は、別ラインで閾値判定部（第１の判定手段）９にも入力される。閾値判定部９は、積分値が予め設定された閾値範囲に入っているか否かを判定し、その判定結果をＨｉｇｈ−Ｌｏｗの２値化された信号として出力する。具体的には、閾値範囲に入っている場合にＨｉｇｈの信号を出力し、閾値範囲に入っていない場合はＬｏｗの信号を出力する。本実施例では、互いに異なる複数の閾値範囲として１０個の閾値範囲を設けており、閾値判定部９は、積分値がそれぞれの閾値範囲に入っているか否かを判定して各閾値範囲に対する判定結果に応じた２値化信号を出力する。

変化量判定部８での判定結果に応じた２値化信号と閾値判定部９でのそれぞれの閾値範囲に対する判定結果に応じた２値化信号は、閾値範囲ごとに設けられた論理演算部（論理演算手段）１０に入力される。各論理演算部１０は、変化量判定部８からの２値化信号と対応する閾値判定部９からの２値化信号の論理積の結果をＨｉｇｈ−Ｌｏｗの２値化信号として出力する。そして、それぞれの論理演算部１０からの２値化信号は、加算器１１に入力される。加算器１１は、すべての論理演算部１０からの２値化信号を加算した結果であるＨｉｇｈ−Ｌｏｗの２値化信号を、最終的な速度検出に用いる速度検出信号として出力する。

コントローラ３０は、速度検出信号（２値化信号）の生成周期、すなわちパルス周期からモータ２０の回転速度を検出（算出）する。

図４には、分割部３での処理をグラフ化して示している。縦軸は積分値と１０個の閾値範囲ａ〜ｊを示している。横軸は時間軸を示しており、グラフの下には、速度検出信号（２値化信号としてのパルス信号）を示している。

例えば、閾値範囲ｆに注目すると、速度検出信号の３パルス目の部分では積分値の変化は「増加」であるため、変化量演算部８の出力はＨｉｇｈとなり、さらに積分値が閾値範囲ｆ内にあるときは閾値判定部９における積分値が閾値範囲ｆに入っているか否かを判定している部分の出力もＨｉｇｈとなる。このとき、論理演算部１０の出力はＨｉｇｈになり、この結果、加算器１１からの速度検出信号もＨｉｇｈとなる。

一方、速度検出信号の８パルス目の部分では積分値の変化は「減少」であるため、変化量演算部８の出力はＬｏｗとなり、さらに積分値が閾値範囲ｆ内にあるときは閾値判定部９における積分値が閾値範囲ｆに入っているか否かを判定している部分の出力はＨｉｇｈとなる。このとき、論理演算部１０の出力はＬｏｗになり、この結果、加算器１１からの速度検出信号もＬｏｗとなる。このようにして、速度検出信号が生成される。

次に、本実施例において、速度検出信号の生成にＦＧコイル出力の積分値を用いる理由について説明する。ＦＧコイル出力（ここでは、ＡＤＣ部１でのＡ／Ｄ変換前の信号）は、モータ２０の回転により周波数発電コイルとマグネットが相対的に回転（移動）することによって周波数発電コイルから得られる交流信号である。そして、周波数発電コイルとマグネットとの相対的な角速度と周波数発電コイルに発生する誘起電圧との関係は、一般に図５に示すような比例関係となる。すなわち、モータの回転速度に比例して、交流信号の振幅が変化する。

仮にこの交流信号を図１に示した分割部３にそのまま入力すると、モータ１回転あたりに出力される速度検出信号のパルス数が均一でなくなったり速度検出信号が表すモータ回転速度の誤差が大きくなったりして、図７に示すような速度検出信号の波形が得られてしまう。このような速度検出信号を、モータ２０の制御に使用するのは困難である。

しかし、図６の上側のグラフに示すＦＧコイル出力におけるＡで示した部分の面積とＢで示した部分の面積は、図５に示した比例関係によって等価になる。すなわち、速度の変化によってＦＧコイル出力の振幅が変化しても、図６の下側のグラフに示すように、ＦＧコイル出力の積分値は変化しない。この特性を利用して、安定した速度検出信号を得るため、本実施例ではＦＧコイル出力の時間積分を行う。なお、図２に示したピークホールド部６は、ＦＧコイル出力の積分値の振幅を検出するために設けられている。

以上説明したように、本実施例では、ＦＧコイル２１からの交流信号の１周期分の信号を分割することで、サンプリング周波数を増加させる。このため、物理的な制約を受けることなく、任意のサンプリング周波数を設定することができ、モータ２０の回転速度を高精度に検出することができる。そして、この高精度に検出された回転速度を用いてモータ２０を制御することで、安定したモータ２０の速度制御が可能になる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

周波数発電コイルを利用した高精度のモータの回転速度検出が行え、良好なモータ制御が可能となる。

１ ＡＤＣ部
２ 積分値演算部
３ 分割部
４ 積分器
５ 矩形波化システム部
６ ピークホールド部
７ ゲインオフセット調整部
８ 変化量演算部
９ 閾値判定部
１０ 論理演算部
１１ 加算器

Claims (3)

1. モータの回転により相対的に移動する周波数発電コイルおよびマグネットを有し、周波数発電コイルから得られる交流信号をサンプリングすることによって該モータの回転速度を検出するモータ速度検出装置であって、
   前記周波数発電コイルから得られる前記交流信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段により得られたデジタル信号を時間積分する積分手段と、
   該積分手段により得られた積分値が複数の閾値範囲のうちいずれの閾値範囲に入っているかを判定する第１の判定手段と、
   前記第１の判定手段によりいずれの閾値範囲に入っているかが判定された前記積分値の変化が増加か減少かを判定する第２の判定手段と、
   前記第１および第２の判定手段のそれぞれの判定結果の論理積を示す２値化信号を生成する論理積演算手段とを有し、
   前記２値化信号の生成周期から前記回転速度を算出することを特徴とするモータ速度検出装置。
2. 前記積分手段は、前記周波数発電コイルから得られる前記交流信号の１周期ごとに前記積分値のピークホールドを行うことを特徴とする請求項１に記載のモータ速度検出装置。
3. 請求項１又は２に記載のモータ速度検出装置を備え、
   該モータ速度検出装置により算出された前記回転速度に基づいて前記モータを制御することを特徴とするモータ制御装置。