JP2020031454A - 直流整流子電動機の回転に関する情報を取得する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧がＰＷＭ制御される直流整流子電動機の端子間の電圧に基づいてその回転に関する情報を取得できる装置を提供すること。【解決手段】整流子を備えた電動機１０の回転に関する情報を取得する装置１００は、駆動電圧がＰＷＭ制御される電動機１０の端子間の電圧Ｖから得られる正味電圧と電動機１０を流れる電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転角速度ωを算出する回転角速度算出部３１を含む。正味電圧の信号波形は、電圧Ｖの信号波形を脈流化し或いは平滑化することで生成される。正味電圧は、電圧Ｖにデューティ比を乗じて算出されてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、直流整流子電動機の回転に関する情報を取得する装置及び方法に関する。

従来、駆動電圧がＰＷＭ制御される電動機の回転数計測装置が知られている（特許文献１参照。）。この装置は、ＰＷＭ制御されている駆動電圧がオン状態のときに周波数カウンタが所期の回転パルスを計測できるようにＰＷＭ周期を設定する。この構成によって、電動機の駆動電圧をＰＷＭ制御しながら電動機の回転数を正確に計測できるようにしている。

特開２００５−２０４４４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置は周波数カウンタを必要とする。そのため、周波数カウンタを用いずに、駆動電圧がＰＷＭ制御される電動機の端子間電圧に基づいてその回転量を取得することはできない。

上述の点に鑑み、駆動電圧がＰＷＭ制御される直流整流子電動機の端子間電圧に基づいてその回転に関する情報を取得できる装置を提供することが望まれる。

本発明の実施例に従った装置は、整流子を備えた電動機の回転に関する情報を取得する装置であって、駆動電圧がＰＷＭ制御される前記電動機の端子間の電圧から得られる正味電圧と前記電動機を流れる電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出する算出部を含む。

上述の手段により、駆動電圧がＰＷＭ制御される直流整流子電動機の端子間電圧に基づいてその回転に関する情報を取得できる装置を提供できる。

本発明の実施例に係る装置の構成例を示す概略図である。 整流子の概略図である。 第１信号生成部が第１パルス信号を生成するタイミングの一例を示す図である。 第２信号生成部が第２パルス信号を生成するタイミングの一例を示す図である。 回転量算出処理のフローチャートである。 合成パルス信号及びホールパルス信号のそれぞれの推移を示す図である。 本発明の実施例に係る装置の別の構成例の一部を示す概略図である。 電圧フィルタ部の構成例を示す概略図である。 複数の電圧信号の波形を示す図である。

以下、図を参照し、本発明の実施例に係る装置１００について説明する。図１は、本発明の実施例に係る装置１００の構成例を示す概略図である。

装置１００は、電動機１０の回転に関する情報（以下、「回転情報」とする。）を取得する装置である。図１の例では、装置１００は、電動機１０の端子間の電圧Ｖと電動機１０を流れる電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転情報を取得する。装置１００は、例えば、ホールセンサ等の回転センサを用いずに、取得した回転情報に基づいて電動機１０の回転軸の回転位置を制御してもよい。

電動機１０は、整流子を備えた直流整流子電動機である。電動機１０は、例えば、自動車のウィンドウの昇降、ドアミラーの角度の調整、空調装置における送風量の調整、ヘッドライトの光軸の調整等で使用される。

図２は整流子２０の概略図である。図２に示すように、整流子２０は、スリット２０ｓによって互いに隔てられた８つの整流子片２０ａで構成されている。各整流子片２０ａの円弧の中心角であるスリット間角度θｃは約４５度である。

電動機１０は、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を介して電源に接続されている。そして、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３とが閉状態となったときに時計回りに順回転し、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４とが閉状態となったときに反時計回りに逆回転するように構成されている。電源に接続されている図１の例では、順回転する電動機１０を流れる電流が正値を有し、逆回転する電動機１０を流れる電流が負値を有する。惰性回転中は、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３とが閉状態となり、順回転する電動機１０を流れる電流は負値を有し、逆回転する電動機１０を流れる電流は正値を有する。

電圧検出部１０ａは、電動機１０の端子間の電圧Ｖを検出する。電流検出部１０ｂは、電動機１０を流れる電流Ｉｍを検出する。

装置１００は、主に、電圧フィルタ部３０、回転角速度算出部３１、回転角度算出部３２、電流フィルタ部３３、第１信号生成部３４、第２信号生成部３５、回転情報算出部３６等の機能要素を含む。各機能要素は、電気回路で構成されていてもよく、ソフトウェアで構成されていてもよい。

電圧フィルタ部３０は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖを調整する機能要素である。電圧フィルタ部３０は、例えば、回転角速度算出部３１が電動機１０の回転角速度を適切に算出できるように電圧Ｖを調整する。図１の例では、電圧フィルタ部３０は、ローパスフィルタであり、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖの波形のうちの高周波成分をノイズとして除去する。

回転角速度算出部３１は、電動機１０の端子間の電圧Ｖと電動機１０を流れる電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転角速度を算出する機能要素である。図１の例では、回転角速度算出部３１は、式（１）に基づいて回転角速度ωを算出する。

Ｋｅは逆起電圧定数であり、Ｒｍは電動機１０の内部抵抗であり、Ｌｍは電動機１０のインダクタンスであり、ｄＩｍ／ｄｔは電流Ｉｍの一回微分である。電流Ｉｍの一回微分は、例えば、前回の電流Ｉｍの値と今回の電流Ｉｍの値との差である。

回転角速度算出部３１は、例えば、所定の制御周期毎に電動機１０の回転角速度ωを算出し、算出した回転角速度ωを回転角度算出部３２に対して出力する。

回転角度算出部３２は、電動機１０の回転角度θを算出する機能要素である。図１の例では、回転角度算出部３２は、式（２）に基づいて回転角度θを算出する。

回転角度算出部３２は、例えば、回転角速度算出部３１が所定の制御周期毎に出力する回転角速度ωを積算して回転角度θを算出し、算出した回転角度θを第２信号生成部３５に対して出力する。

また、回転角度算出部３２は、第２信号生成部３５からの同期指令に応じて回転角度θをゼロにリセットする。

電流フィルタ部３３は、電流検出部１０ｂが出力する電流Ｉｍを調整する機能要素である。電流フィルタ部３３は、例えば、第１信号生成部３４が電流Ｉｍのリップル成分Ｉｒを適切に検出できるように電流Ｉｍを調整する。図１の例では、電流フィルタ部３３は、バンドパスフィルタであり、電流検出部１０ｂが出力する電流Ｉｍの波形のうちのリップル成分Ｉｒ以外の成分を除去する。リップル成分Ｉｒは、電流Ｉｍに含まれる周期的な成分であり、主に、整流子片２０ａとブラシとの接触・分離に起因して生成される。そのため、リップル成分Ｉｒの１周期の間に電動機１０が回転する角度はスリット間角度θｃに等しい。

第１信号生成部３４は、電動機１０が所定角度だけ回転したことを表す信号を生成する機能要素である。第１信号生成部３４は、例えば、電流フィルタ部３３が出力するリップル成分Ｉｒの波形に基づいてリップル検出信号（第１パルス信号Ｐａ）を生成する。

図３は、第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａを生成するタイミングの一例を示す図である。第１信号生成部３４は、例えば、リップル成分Ｉｒが基準電流値Ｉｂを超える度に第１パルス信号Ｐａを生成する。図３の例では、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・、ｔｎ等で第１パルス信号Ｐａを生成している。Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ等は、リップル成分の周期を示し、θ１、θ２、θ３、・・・、θｎ等は、第１信号生成部３４が第１パルス信号を生成したときの回転角度θを示す。回転角度θは、回転角度算出部３２が算出した値である。このように、第１信号生成部３４は、典型的には、回転角度θの大きさが所定角度（例えばスリット間角度θｃ）にほぼ等しくなったときに第１パルス信号Ｐａを生成する。

但し、第１信号生成部３４は、例えば、電動機１０の電源オフ後の惰性回転期間において電流Ｉｍ及びそのリップル成分Ｉｒが小さくなった場合、リップル成分Ｉｒの波形に基づいて第１パルス信号Ｐａを生成できないことがある。また、第１信号生成部３４は、例えば、電動機１０の電源オン直後に突入電流が発生した場合、その突入電流に応じて第１パルス信号Ｐａを誤って生成してしまうことがある。このような第１パルス信号Ｐａの生成漏れ又は誤生成は、装置１００が出力する電動機１０の回転情報の信頼性を低下させてしまう。

そこで、装置１００は、第２信号生成部３５により、電動機１０が所定角度だけ回転したことを表す信号をより高精度に生成できるようにしている。

第２信号生成部３５は、電動機１０が所定角度だけ回転したことを表す信号を生成する機能要素である。第２信号生成部３５は、例えば、回転角度算出部３２が出力する回転角度θと第１信号生成部３４が出力する第１パルス信号Ｐａとに基づいて疑似リップル信号（第２パルス信号Ｐｂ）を生成する。

図４は、第２信号生成部３５が第２パルス信号Ｐｂを生成するタイミングの一例を示す図である。

第２信号生成部３５は、回転角度θの大きさが所定角度に達したときに第２パルス信号Ｐｂを生成する。所定角度は、例えば、スリット間角度θｃである。図４の例では、時刻ｔ３、ｔ７、ｔ９において回転角度θ３、７、９の絶対値がスリット間角度θｃに達したときに第２パルス信号Ｐｂ３、Ｐｂ５、Ｐｂ６を生成している。第２パルス信号Ｐｂを生成すると、第２信号生成部３５は、回転角度算出部３２に対して同期指令を出力する。回転角度算出部３２は、同期指令を受けると回転角度θをゼロにリセットする。

すなわち、第２信号生成部３５は、例えば、時刻ｔ２において、第２パルス信号Ｐｂ２を生成した後で第１パルス信号Ｐａを受け取ることがない状態のまま、回転角度θ３の絶対値がスリット間角度θｃに達したときに第２パルス信号Ｐｂ３を生成する。

このように、第２信号生成部３５は、何らかの理由で第１パルス信号Ｐａが生成されなかった場合であっても、回転角度算出部３２によって算出された回転角度θの絶対値がスリット間角度θｃに達しさえすれば、第２パルス信号Ｐｂを生成する。そのため、第１パルス信号Ｐａの生成漏れを確実に防止できる。

また、第２信号生成部３５は、第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａを生成したときの回転角度θが第１閾値θｕ以上で且つスリット間角度θｃ未満の場合に第２パルス信号Ｐｂを生成する。第１閾値θｕは、予め設定される値であってもよく、動的に設定される値であってもよい。図４の例では、第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａ１、Ｐａ２、Ｐａ４を生成したときの回転角度θ１、θ２、θ５が第１閾値θｕ以上で且つスリット間角度θｃ未満である。すなわち、回転角度θ１、θ２、θ５のそれぞれがスリット間角度θｃに達するまでの残りの角度が角度α未満である。この場合、第２信号生成部３５は、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ５において第１信号生成部３４が生成した第１パルス信号Ｐａ１、Ｐａ２、Ｐａ５がノイズでないと判定できる。そのため、第２信号生成部３５は、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ５において第２パルス信号Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ４を生成する。第２パルス信号Ｐｂを生成すると、第２信号生成部３５は、回転角度算出部３２に対して同期指令を出力する。

一方、第２信号生成部３５は、第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａを生成したときの回転角度θが第２閾値θｄ未満の場合、第２パルス信号Ｐｂを生成しない。第２閾値θｄは、予め設定される値であってもよく、動的に設定される値であってもよい。このような状況は、典型的には、回転角度θの大きさが所定角度に達したことで第２パルス信号Ｐｂが生成された後に発生する。図４の例では、時刻ｔ３で回転角度θ３の絶対値がスリット間角度θｃに達したことで第２パルス信号Ｐｂ３が生成された後の時刻ｔ４において、第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａ３を生成している。このときの回転角度θ４は、第２閾値θｄ未満である。すなわち、時刻ｔ３でリセットされた後に積算された回転角度θ４は未だ角度β未満である。この場合、第２信号生成部３５は、時刻ｔ４で第１信号生成部３４が生成した第１パルス信号Ｐａ３を、時刻ｔ３で生成した第２パルス信号Ｐｂ３に統合可能と判定できる。具体的には、第２信号生成部３５は、第１パルス信号Ｐａ３が生成されたときに第２パルス信号Ｐｂ３を生成するはずであった。しかし、第１パルス信号Ｐａ３が生成される前に回転角度θの絶対値がスリット間角度θｃに達したために、パルス信号の生成漏れを確実に防止すべく、第１パルス信号Ｐａ３が生成される前に第２パルス信号Ｐｂ３を生成した。そのため、第２信号生成部３５は、第２パルス信号Ｐｂ３を生成した直後に生成された第１パルス信号Ｐａ３を、第２パルス信号Ｐｂ３と同時に生成されるはずであった第１パルス信号Ｐａと見なすことができる。この場合、第２信号生成部３５は、時刻ｔ４では第２パルス信号Ｐｂを生成せずに、回転角度算出部３２に対して同期指令を出力する。図４の「×」に向かう破線矢印は、第１パルス信号Ｐａ３に基づいて第２パルス信号Ｐｂが生成されなかったことを表す。他の「×」に向かう破線矢印についても同様である。

また、第２信号生成部３５は、第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａを生成したときの回転角度θが第２閾値θｄ以上で且つ第１閾値θｕ未満の場合、第２パルス信号Ｐｂを生成することはなく、回転角度算出部３２に対して同期指令を出力することもない。図４の例では、時刻ｔ６において第１信号生成部３４が第１パルス信号Ｐａ５を生成したときの回転角度θ６は、第２閾値θｄ以上で且つ第１閾値θｕ未満である。すなわち、回転角度θ６がスリット間角度θｃに達するまでの残りの角度が角度αより大きく、時刻ｔ５でリセットされた後に積算された回転角度θ６が角度β以上である。この場合、第２信号生成部３５は、第１パルス信号Ｐａ５がノイズに基づくものと判定できる。そのため、第２信号生成部３５は、時刻ｔ６では第２パルス信号Ｐｂを生成することはなく、回転角度算出部３２に対して同期指令を出力することもない。すなわち、ノイズに基づく第１パルス信号Ｐａ５による影響を完全に排除できる。

以上の構成により、第２信号生成部３５は、例えば、電動機１０の電源オフ後の惰性回転期間において電流Ｉｍ及びそのリップル成分Ｉｒが小さくなり、第１信号生成部３４がリップル成分Ｉｒの波形に基づいて第１パルス信号Ｐａを生成できない場合であっても、第２パルス信号Ｐｂを生成できる。

また、第２信号生成部３５は、例えば、電動機１０の電源オン直後に突入電流が発生し、第１信号生成部３４がその突入電流に応じて第１パルス信号Ｐａを誤って生成してしまった場合であっても、その第１パルス信号Ｐａに対応する第２パルス信号Ｐｂを生成しない。すなわち、その第１パルス信号Ｐａによる影響を完全に排除できる。

そのため、装置１００は、第１パルス信号Ｐａではなく第２パルス信号Ｐｂに基づいて電動機１０の回転情報を算出することで、電動機１０の回転情報の信頼性を向上させることができる。

また、第２信号生成部３５は、電動機１０の回転方向を表す方向信号を出力する。例えば、第２信号生成部３５は、回転角度θが正値であれば順回転方向を表す信号を出力し、回転角度θが負値であれば逆回転方向を表す信号を出力する。回転速度θは、電動機１０を流れる電流が正値のときに正値を有し、電動機１０を流れる電流が負値のときに負値を有する。但し、惰性回転中は、回転角度θは、電動機１０を流れる電流が負値のときに正値を有し、電動機１０を流れる電流が正値のときに負値を有する。

回転情報算出部３６は、電動機１０の回転情報を算出する機能要素である。電動機１０の回転情報は、例えば、基準回転位置からの回転量（回転角度）、基準回転位置からの回転数等を含む。電動機１０が自動車のウィンドウの昇降に使用される場合には、電動機１０の回転情報は、基準位置に対するウィンドウの上縁の相対位置、ウィンドウの開き量等を含んでいてもよい。また、ある期間における回転角速度ωの平均値、最大値、最小値、中間値等の統計値を含んでいてもよい。図１の例では、回転情報算出部３６は、第２信号生成部３５の出力に基づいて電動機１０の回転情報を算出する。例えば、電動機１０の回転が開始した後に生成された第２パルス信号Ｐｂの数にスリット間角度θｃを乗ずることで、電動機１０の回転が開始した後の回転量を算出する。その際、回転情報算出部３６は、第２信号生成部３５が第２パルス信号Ｐｂと共に出力する方向信号に基づいて第２パルス信号Ｐｂの数をインクリメントするかデクリメントするかを決定する。或いは、回転情報算出部３６は、順回転方向を表す方向信号と共に受けた第２パルス信号Ｐｂの数と、逆回転方向を表す方向信号と共に受けた第２パルス信号Ｐｂの数とを別々に計数し、それらの差に基づいて電動機１０の回転量を算出してもよい。

次に、図５を参照し、装置１００が電動機の回転量を算出する処理（以下、「回転量算出処理」とする。）の流れについて説明する。図５は、回転量算出処理のフローチャートである。装置１００は、電動機１０の駆動中にこの回転量算出処理を実行する。

最初に、装置１００は、電圧Ｖ及び電流Ｉｍを取得する（ステップＳＴ１）。図１の例では、装置１００は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖ、及び、電流検出部１０ｂが出力する電流Ｉｍを所定の制御周期毎に取得する。

その後、装置１００は、回転角速度ω及び回転角度θを算出する（ステップＳＴ２）。図１の例では、装置１００の回転角速度算出部３１は、電圧Ｖと電流Ｉｍを式（１）に代入して回転角速度ωを所定の制御周期毎に算出する。そして、装置１００の回転角度算出部３２は、制御周期毎に算出される回転角速度ωを積算して回転角度θを算出する。

その後、装置１００は、回転角度θが所定角度未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ３）。図１の例では、装置１００の第２信号生成部３５は、回転角度θがスリット間角度θｃ未満であるか否かを判定する。

回転角度θがスリット間角度θｃ以上であると判定した場合（ステップＳＴ３のＮＯ）、第２信号生成部３５は、所期のタイミングで第１パルス信号Ｐａが生成されなかったと判定する。そして、第２パルス信号Ｐｂを生成し（ステップＳＴ１０）、且つ、回転角度θをリセットする（ステップＳＴ１１）。これは、第１パルス信号Ｐａが生成される前に回転角度θがスリット間角度θｃに達した場合であり、図４の例において時刻ｔ３、ｔ７、ｔ９で回転角度θの絶対値が回転角度θ３、θ７、θ９に達した場合に対応する。

一方、回転角度θがスリット間角度θｃ未満であると判定した場合（ステップＳＴ３のＹＥＳ）、第２信号生成部３５は、第１パルス信号Ｐａが生成されたか否かを判定する（ステップＳＴ４）。図１の例では、第１信号生成部３４によって第１パルス信号Ｐａが生成されたか否かを判定する。

回転角度θがスリット間角度θｃ未満の段階で第１パルス信号Ｐａが未だ生成されていないと判定した場合（ステップＳＴ４のＮＯ）、第２信号生成部３５は、第２パルス信号Ｐｂを生成することはなく、回転角度θをリセットすることもない。そして、回転情報算出部３６は、第２信号生成部３５の出力に基づいて電動機１０の回転量を算出する。この場合、算出される回転量に変化はない。これは、図４の例において時刻ｔ０で回転角度θが回転角度θ０になっている場合に対応する。

第１パルス信号Ｐａが生成されたと判定した場合（ステップＳＴ４のＹＥＳ）、第２信号生成部３５は、回転角度θが第１閾値θｕ未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ５）。
所期のタイミングより早期に生成された第１パルス信号Ｐａがノイズに基づくものであるか否かを判定するためである。

回転角度θが第１閾値θｕ以上であると判定した場合（ステップＳＴ５のＮＯ）、第２信号生成部３５は、あたかも所期のタイミングで第１パルス信号Ｐａが生成されたときと同様に動作する。すなわち、第２パルス信号Ｐｂを生成し（ステップＳＴ１０）、且つ、回転角度θをリセットする（ステップＳＴ１１）。所期のタイミングより早期に生成された第１パルス信号Ｐａがノイズに基づくものではないと判定できるためである。これは、図４の例において時刻ｔ１、ｔ２、ｔ５で第１パルス信号Ｐａ１、Ｐａ２、Ｐａ４が生成された場合に対応する。

回転角度θが第１閾値θｕ未満であると判定した場合（ステップＳＴ５のＹＥＳ）、第２信号生成部３５は、現時点では、第１パルス信号Ｐａがノイズに基づくものでないとは判定できない。この第１パルス信号Ｐａは、所期のタイミングより早期に生成されたものではなく、所期のタイミングより遅れて生成された可能性があるためである。そこで、第２信号生成部３５は、回転角度θが第２閾値θｄ未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ６）。所期のタイミングより遅れて生成された第１パルス信号Ｐａがノイズに基づくものであるか否かを判定するためである。

回転角度θが第２閾値θｄ未満であると判定した場合（ステップＳＴ６のＹＥＳ）、第２信号生成部３５は、第２パルス信号Ｐｂを生成することなく、回転角度θをゼロにリセットする（ステップＳＴ１１）。所期のタイミングより遅れて生成された第１パルス信号Ｐａがノイズに基づくものではないと判定できるためである。すなわち、所期のタイミングより遅れて生成された第１パルス信号Ｐａが、直前に生成した第２パルス信号Ｐｂに対応すると判定できるためである。これは、図４の例において時刻ｔ４、ｔ８で第１パルス信号Ｐａ３、Ｐａ６が生成された場合に対応する。すなわち、第１パルス信号Ｐａ３、Ｐａ６が第２パルス信号Ｐｂ３、Ｐｂ５に対応すると判定できる。

回転角度θが第２閾値θｄ以上であると判定した場合（ステップＳＴ６のＮＯ）、第２信号生成部３５は、その第１パルス信号Ｐａがノイズに基づくものであると判定する。この場合、第２信号生成部３５は、第２パルス信号Ｐｂを生成することはなく、回転角度θをリセットすることもない。そして、回転情報算出部３６は、第２パルス信号Ｐｂを生成しない第２信号生成部３５の出力に基づいて電動機１０の回転量を算出する。これは、図４の例において時刻ｔ６で第１パルス信号Ｐａ５が生成されたときに対応する。すなわち、第２信号生成部３５は、第１パルス信号Ｐａ５をノイズに基づくものと判定している。

その後、装置１００は、電動機１０の回転量を算出する（ステップＳＴ７）。図１の例では、装置１００の回転情報算出部３６は、電動機１０の回転が開始した後に生成された第２パルス信号Ｐｂの数にスリット間角度θｃを乗ずることで、電動機１０の回転が開始した後の回転量を算出する。

次に、図６を参照し、装置１００が算出した電動機１０の回転量の信頼性に関する実験結果について説明する。図６は、合成パルス信号及びホールパルス信号のそれぞれの推移を示す図である。

合成パルス信号は、第２パルス信号Ｐｂの複数パルスを１パルスに合成することで得られる信号である。図６の例では、スリット間角度θｃは９０度である。第１パルス信号Ｐａ及び第２パルス信号Ｐｂは、基本的に、電動機１０の回転軸が９０度回転する度に生成されている。そして、合成パルス信号は、第２パルス信号Ｐｂの２パルスを１パルスに合成して生成されている。すなわち、装置１００は、電動機１０の回転軸が１８０度回転する度に合成パルス信号を１つ生成するように構成されている。

ホールパルス信号は、ホールセンサが出力したパルス信号である。ホールセンサは、第２パルス信号Ｐｂとホールパルス信号との比較のために電動機１０の回転軸に取り付けられた磁石が作る磁束を検出する。図６の例では、装置１００は、電動機１０の回転軸が１８０度回転する度にホールパルス信号を１つ生成するように構成されている。

図６の「×」に向かう破線矢印は、第１パルス信号Ｐａに基づいて第２パルス信号Ｐｂが生成されなかったことを表す。すなわち、第１パルス信号Ｐａがノイズとして無視されたことを表す。また、図６の８つの実線矢印は、第１パルス信号Ｐａの生成漏れの際に第２パルス信号Ｐｂが追加されたことを表す。

図６の例では、電動機１０の順回転を開始させてからその順回転を停止させるまでの期間に生成された合成パルス信号及びホールパルス信号のそれぞれの数が等しいことが確認された。すなわち、第２パルス信号Ｐｂに基づいて算出される電動機１０の回転量が、ホールセンサによって検出される電動機１０の回転量に等しいことが確認された。

上述の通り、整流子２０を備えた電動機１０の回転情報を取得する装置１００は、電圧Ｖと電流Ｉｍとに基づいて回転角度θを算出する回転角度算出部３２と、電流Ｉｍに含まれるリップル成分Ｉｒに基づいて第１パルス信号Ｐａを生成する第１信号生成部３４と、第１パルス信号Ｐａと回転角度θとに基づいて電動機１０が所定角度だけ回転したことを表す第２パルス信号Ｐｂを生成する第２信号生成部３５と、第２信号生成部３５の出力に基づいて回転情報を算出する回転情報算出部３６とを含む。そのため、電動機１０の回転情報を従来よりも高い信頼性で取得できる。また、ホールセンサ等の回転センサを省略できる。これは、センサインタフェース回路、ハーネス等の回転センサを利用するために必要な部品を省略できることを意味する。そのため、軽量化、低コスト化、小型化等を実現できる。

また、装置１００は、電流Ｉｍのリップル成分Ｉｒに基づいて生成される第１パルス信号Ｐａと、電圧Ｖ及び電流Ｉｍに基づいて算出される回転角度θとを用いて第２パルス信号Ｐｂを生成する。すなわち、別々の方法で導き出される２つのパラメータである第１パルス信号Ｐａと回転角度θとを用いて第２パルス信号Ｐｂを生成する。そのため、一方のパラメータが適切に導出されなかった場合であっても他方のパラメータでその不具合を補うことができる。その結果、電動機１０の回転情報をより高い信頼性で取得できる。

回転角度算出部３２は、例えば、電圧Ｖと電流Ｉｍとに基づいて算出される電動機１０の回転角速度ωを積算して回転角度θを算出するように構成される。そのため、回転角度算出部３２は、電動機１０の起動直後の期間、惰性回転期間等を含めた全期間に亘って回転角度θを安定的且つ継続的に算出できる。そして、第２信号生成部３５は、例えば、回転角度θが所定角度に達したときに、第２パルス信号Ｐｂを即時に生成するように構成される。そのため、第２信号生成部３５は、第１パルス信号Ｐａの生成漏れが発生した場合であっても、安定的且つ継続的に算出される回転角度θに基づき、所定角度だけ回転したことを表す第２パルス信号Ｐｂをリアルタイムに生成できる。そのため、装置１００は、電動機１０の回転情報を遅延なく算出できる。

第２信号生成部３５は、例えば、回転角度θが所定角度に達したときに、回転角度θをゼロにリセットする指令を回転角度算出部３２に出力するように構成される。そのため、装置１００は、回転角度算出部３２が算出する回転角度θの累積誤差の最大値が所定角度を超えて増大してしまうのを回避できる。

所定角度は、例えば、整流子片２０ａの円弧の中心角、すなわちスリット間角度θｃである。そのため、装置１００は、回転角度算出部３２が算出する回転角度θの累積誤差の最大値をスリット間角度θｃとすることができる。

第２信号生成部３５は、例えば、第１パルス信号Ｐａを受けたときに、回転角度θが第１閾値θｕ以上であれば、第２パルス信号Ｐｂを生成するように構成される。第１閾値θｕは、例えば、所定角度（スリット間角度θｃ）より小さい値として予め設定されている。この構成により、第２信号生成部３５は、所期のタイミングより早期に生成された第１パルス信号Ｐａをノイズに基づくものではないと判定できる。そして、第１パルス信号Ｐａの生成漏れの発生に先立って第２パルス信号Ｐｂを生成できる。そのため、第１パルス信号Ｐａの生成漏れによる回転情報の算出結果への影響を早期に且つ確実に排除できる。

また、第２信号生成部３５は、例えば、第１パルス信号Ｐａを受けたときに、回転角度θが第１閾値θｕ未満であれば、第２パルス信号Ｐｂを生成しないように構成される。この構成により、第２信号生成部３５は、所期のタイミングからずれたタイミングで生成された第１パルス信号Ｐａをノイズに基づくものであると判定できる。そして、ノイズに基づいて生成された第１パルス信号Ｐａに対応する第２パルス信号Ｐｂが生成されてしまうのを防止できる。そのため、ノイズに基づいて生成された第１パルス信号Ｐａによる回転情報の算出結果への影響を早期に且つ確実に排除できる。

また、第２信号生成部３５は、例えば、第１パルス信号Ｐａを受けたときに、回転角度θが第２閾値θｄより小さければ、回転角度θをゼロにリセットする指令を回転角度算出部３２に出力するように構成される。第２閾値θｄは、例えば、第１閾値θｕより小さい値として予め設定されている。この構成により、第２信号生成部３５は、第１パルス信号Ｐａの生成漏れの発生に先立って第２パルス信号Ｐｂを生成した直後に第１パルス信号Ｐａを受けた場合、その第１パルス信号Ｐａをノイズに基づくものではないと判定できる。そして、その第１パルス信号Ｐａを、直前に生成した第２パルス信号Ｐｂに対応付けることができる。そのため、第１パルス信号Ｐａの生成タイミングのずれによる回転情報の算出結果への影響を早期に且つ確実に排除できる。

次に、図７を参照し、電圧フィルタ部３０の詳細について説明する。図７は、装置１００の別の構成例の一部の概略図である。図７は、図１の構成と共通する部分、すなわち、装置１００における電圧フィルタ部３０以外の他の機能要素の図示を省略している。

図７の電動機１０は、図１の電動機１０と同様に、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を介して電源に接続されている。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、例えば、Ｈブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子である。図７の例では、ＭＯＳＦＥＴが採用されている。そして、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３とが閉状態となったときに時計回りに順回転し、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４とが閉状態となったときに反時計回りに逆回転するように構成されている。

図７の例では、電動機１０の駆動電圧はＰＷＭ制御される。そのため、電圧検出部１０ａは、電動機１０の端子間の電圧Ｖとして、ハイレベル（例えば１３［Ｖ］）及びローレベル（例えば［０Ｖ］）の何れかを出力する。

電圧フィルタ部３０の後段にある回転角速度算出部３１（図１参照。）は、電圧Ｖと電流Ｉｍを式（１）に代入して回転角速度ωを所定の制御周期毎に算出する。そのため、電圧フィルタ部３０が電圧検出部１０ａの出力をそのまま回転角速度算出部３１に出力した場合、回転角速度算出部３１は、電動機１０の回転角速度ωを正確に算出できない。

回転角速度算出部３１は、ＰＷＭ制御のデューティ比に応じて変化する回転角速度ωを算出すべきであるが、ローレベルの電圧Ｖをサンプリングした場合、デューティ比にかかわらず、回転角速度ωの値としてゼロを算出してしまうためである。また、ハイレベルの電圧Ｖをサンプリングした場合、デューティ比にかかわらず、回転角速度ωの値として最大角速度を算出してしまうためである。

そこで、電圧フィルタ部３０は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖを適切に調整することで、ＰＷＭ制御のデューティ比に応じて変化する回転角速度ωを回転角速度算出部３１が適切に算出できるようにする。

例えば、電圧フィルタ部３０は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖの減衰、脈流化、平滑化等によって電圧Ｖを正味電圧に近づける。回転角速度算出部３１が正味電圧に基づいて回転角速度ωを算出できるようにするためである。

「正味電圧」は、ＰＷＭ制御される電動機１０の回転角速度ωと同じ回転角速度ωを印加電圧制御方式で実現するために必要な電圧を意味する。印加電圧制御方式は、印加電圧の大きさを変化させて電動機１０の回転角速度ωを変化させる方式である。この方式では、電動機１０の回転角速度ωは、印加電圧が大きいほど大きくなる。

図７の例では、電圧フィルタ部３０は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖを減衰させ、且つ、脈流化或いは平滑化して電圧Ｖ'を出力する。そのため、電圧フィルタ部３０は、主に、減衰部３０ａ及びフィルタ部３０ｂを有する。

減衰部３０ａは、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖをマイクロコンピュータ等の他の電子機器での利用に適したレベルに減衰させる機能要素である。図７の例では、減衰部３０ａは、抵抗のみで構成された減衰器である。但し、減衰部３０ａは省略されてもよい。

フィルタ部３０ｂは、減衰部３０ａが出力する電圧信号を脈流化し或いは平滑化する機能要素である。フィルタ部３０ｂは、例えば、１又は複数のフィルタ回路で構成される。フィルタ部３０ｂは、ソフトウェアで構成されていてもよい。図７の例では、フィルタ部３０ｂは、直列に接続された複数段のフィルタ回路で構成されている。直列に接続された複数段のフィルタ回路では、フィルタ回路の段数が多いほど電圧Ｖの波形の平滑化が進む。すなわち、回転角速度算出部３１によってサンプリングされる電圧Ｖ'の値のばらつきが小さくなり、サンプリングされる電圧Ｖ'の値は正味電圧の値に近づく。

或いは、電圧フィルタ部３０は、減衰部３０ａ及びフィルタ部３０ｂを用いずに、電圧Ｖにデューティ比を乗じて正味電圧を算出し、その正味電圧を電圧Ｖ'として出力してもよい。正味電圧は、デューティ比が大きいほど大きくなるように算出される。例えば、デューティ比が８０％、端子間の電圧Ｖが１０［Ｖ］であれば、算出される正味電圧は８［Ｖ］である。この場合、減衰部３０ａ及びフィルタ部３０ｂは省略されてもよい。

以上の構成により、電圧フィルタ部３０は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖから得られる電圧Ｖ'を正味電圧として出力することで、ＰＷＭ制御のデューティ比に応じて変化する回転角速度ωを回転角速度算出部３１が適切に算出できるようにする。

次に、図８を参照し、電圧フィルタ部３０の別の構成例について説明する。図８は、電圧フィルタ部３０の別の構成例を示す概略図である。図８の電圧フィルタ部３０は、主に、信号選択部３０ｃを備える点で、図７の電圧フィルタ部３０と相違するが、その他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳細に説明する。

図７の例では、フィルタ部３０ｂは、直列に接続された複数段のフィルタ回路で構成されている。直列に接続された複数段のフィルタ回路では、各フィルタ回路が出力する電圧の波形は、フィルタ回路の位置が下流になるほど平滑化が進む。しかしながら、各フィルタ回路の出力タイミングは、フィルタ回路の位置が下流になるほど遅くなる。

これに対し、回転角速度算出部３１は、電圧Ｖ'の波形の平滑化が進んでいるほど、ＰＷＭ制御のデューティ比に応じて変化する回転角速度ωを適切に算出できる。サンプリングされる電圧Ｖ'が正味電圧に近づくためである。しかしながら、例えば電圧Ｖ'のサンプリング間隔を短くする必要がある場合には、フィルタ回路の出力タイミングが遅いと電圧Ｖ'を適切にサンプリングできないおそれがある。

そこで、図８の電圧フィルタ部３０は、信号選択部３０ｃによって、減衰部３０ａ及び複数段のフィルタ回路のそれぞれが出力する電圧のうちの１つを電圧Ｖ'として選択できるようにしている。

信号選択部３０ｃは、入力された複数の信号のうちの１つを選択して出力する機能要素である。信号選択部３０ｃは、電気回路で構成されていてもよく、ソフトウェアで構成されていてもよい。図８の例では、信号選択部３０ｃはアナログスイッチである。アナログスイッチの出力は、マイクロコンピュータで構成される回転角速度算出部３１のＡＤ入力ポートに接続されている。そして、回転角速度算出部３１からの選択信号に応じ、入力された複数の信号のうちの１つを選択して出力する。具体的には、信号選択部３０ｃは、減衰部３０ａが出力する電圧信号、及び、直列に接続された複数段のフィルタ回路３０ｂ１、３０ｂ２、・・・、３０ｂｎのそれぞれが出力する電圧信号のうちの１つを電圧Ｖ'の電圧信号として出力する。回転角速度算出部３１は、信号選択部３０ｃから電圧Ｖ'の電圧信号のみを受信するように構成されている。

但し、回転角速度算出部３１は、減衰部３０ａが出力する電圧信号、及び、直列に接続された複数段のフィルタ回路３０ｂ１、３０ｂ２、・・・、３０ｂｎのそれぞれが出力する電圧信号の全てを受信するように構成されてもよい。この場合、信号選択部３０ｃは省略される。回転角速度算出部３１は、受信した複数の電圧信号のうちの１つを電圧Ｖ'の電圧信号として選択できるためである。

図９は、複数の電圧信号の波形を示す図である。図９（Ａ）は、電圧検出部１０ａが出力する電圧Ｖの波形を示す。図９（Ｂ）は、減衰部３０ａが出力する電圧信号ＳＧ（０）の波形を示す。図９（Ｃ）は、第１フィルタ回路３０ｂ１が出力する電圧信号ＳＧ（１）の波形を示す。図９（Ｄ）は、第ｎフィルタ回路３０ｂｎが出力する電圧信号ＳＧ（ｎ）の波形を示す。

図９の例では、電動機１０の端子間の電圧Ｖのハイレベルである約１３［Ｖ］が減衰部３０ａによって約３．４［Ｖ］まで減衰されている。そのため、回転角速度算出部３１は、３．４［Ｖ］の値をサンプリングした場合、式（１）における電圧Ｖには３．４［Ｖ］ではなく１３［Ｖ］を代入して回転角速度ωを算出する。

信号選択部３０ｃは、例えば、ＰＷＭ制御のデューティ比に応じてどの電圧信号を電圧Ｖ'の電圧信号として選択するかを決定する。例えば、デューティ比が小さいほど、すなわち、電動機１０の回転角速度ωが小さいほど、下流側にあるフィルタ回路が出力する電圧信号を選択する。具体的には、デューティ比が比較的大きい場合、すなわち、電動機１０の回転角速度ωが比較的大きい場合、信号選択部３０ｃは、第１フィルタ回路３０ｂ１が出力する電圧信号ＳＧ（１）を電圧Ｖ'の電圧信号として選択する。また、デューティ比が比較的小さい場合、すなわち、電動機１０の回転角速度ωが比較的小さい場合、信号選択部３０ｃは、第ｎフィルタ回路３０ｂｎが出力する電圧信号ＳＧ（ｎ）を電圧Ｖ'の電圧信号として選択する。

第１フィルタ回路３０ｂ１が出力する電圧信号ＳＧ（１）が信号選択部３０ｃによって選択された場合、電圧フィルタ部３０が出力する電圧Ｖ'は、図９（Ｃ）に示すように約１．０［Ｖ］〜約２．０［Ｖ］の範囲内を変動する。しかしながら、電圧フィルタ部３０は、第ｎフィルタ回路３０ｂｎが出力する電圧信号ＳＧ（ｎ）を選択した場合よりも短い遅延で電圧Ｖ'を出力できる。そのため、回転角速度算出部３１は、サンプリング間隔が短い場合であっても出力電圧を遅延なくサンプリングできる。

一方、第ｎフィルタ回路３０ｂｎが出力する電圧信号ＳＧ（ｎ）が信号選択部３０ｃによって選択された場合、電圧フィルタ部３０が出力する電圧Ｖ'は、図９（Ｄ）に示すように約１．５［Ｖ］でほとんど変動しない。そのため、回転角速度算出部３１は、正味電圧に近い出力電圧をサンプリングできる。

また、電圧フィルタ部３０は、デューティ比に基づく電圧Ｖ'の算出と、信号選択部３０ｃによる電圧信号の選択とを組み合わせてもよい。例えば、電圧フィルタ部３０は、デューティ比が所定値以上の場合、電圧Ｖにデューティ比を乗じて算出した電圧Ｖ'の電圧信号を出力し、デューティ比が所定値未満の場合、信号選択部３０ｃが選択した電圧信号を電圧Ｖ'の電圧信号として出力してもよい。この構成により、回転角速度算出部３１は、電動機１０の回転角速度ωが大きくサンプリング間隔を短くする必要がある場合であっても電圧Ｖ'を適切にサンプリングできる。すなわち、正味電圧に近い電圧Ｖ'を遅延なくサンプリングできる。また、電動機１０の回転角速度ωが小さくサンプリング間隔を比較的大きくできる場合には正味電圧にほぼ等しい電圧Ｖ'を遅延なくサンプリングできる。

また、電圧フィルタ部３０は、電動機１０の温度、内部抵抗等を各種センサで検出し、電動機１０の温度、内部抵抗等に基づき、デューティ比に基づく電圧Ｖ'の算出と、信号選択部３０ｃによる電圧信号の選択とを切り替えてもよい。また、信号選択部３０ｃは、電動機１０の温度、内部抵抗等に基づき、入力された複数の電圧信号のうちのどの電圧信号を電圧Ｖ'の電圧信号として出力するかを決定してもよい。

上述の構成により、装置１００は、電動機１０の駆動電圧がＰＷＭ制御される場合であっても、算出部を用いて電動機１０の回転情報を適切に算出できる。具体的には、算出部としての回転角速度算出部３１、回転角度算出部３２、回転情報算出部３６等により、電圧Ｖから得られる正味電圧としての電圧Ｖ'と電流Ｉｍとに基づいて回転角速度ω、回転角度θ、回転量等を算出できる。

電圧Ｖの信号波形は、例えば、１又は複数のフィルタで構成されるフィルタ部３０ｂを通じて脈流化され或いは平滑化される。そして、算出部は、脈流化され或いは平滑化された信号波形を有する正味電圧としての電圧Ｖ'と電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転情報を算出する。この構成により、算出部は、バラツキが小さい状態で正味電圧としての電圧Ｖ'をサンプリングすることができ、電動機１０の回転情報を高精度に算出できる。

また、算出部は、複数のフィルタのそれぞれが出力する信号波形から選択される１つの信号波形を有する正味電圧としての電圧Ｖ'と電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転情報を算出してもよい。この構成により、算出部は、できるだけバラツキが小さい状態で正味電圧としての電圧Ｖ'を遅延なくサンプリングすることができる。例えば、サンプリング間隔が小さい場合には、比較的上流にあるフィルタが出力する信号波形を電圧Ｖ'の信号波形として選択することで、信号生成の遅延に起因する不適切な電圧Ｖ'の取得を防止できる。一方で、サンプリング間隔が大きい場合には、比較的下流にあるフィルタが出力する信号波形を電圧Ｖ'の信号波形として選択することで、バラツキ（脈流化或いは平滑化が十分でない電圧信号）に起因する不適切な電圧Ｖ'の取得を防止できる。

また、算出部は、電圧Ｖにデューティ比を乗じて算出される正味電圧と電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転情報を算出してもよい。この構成により、算出部は、正味電圧を遅延なくサンプリングすることができる。また、フィルタによる信号生成の遅延に起因する不適切な正味電圧の取得を防止できる。

また、算出部は、１又は複数のフィルタを通じて電圧Ｖの信号波形を脈流化し或いは平滑化することで生成される信号波形を有する正味電圧、及び、電圧Ｖにデューティ比を乗じて算出される正味電圧のうちの一方を選択し、選択した正味電圧と電流Ｉｍとに基づいて電動機１０の回転情報を算出してもよい。この構成により、算出部は、フィルタを用いて生成される信号波形を有する正味電圧と、電圧Ｖにデューティ比を乗じて算出される正味電圧とを、必要に応じて使い分けることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０・・・電動機 １０ａ・・・電圧検出部 １０ｂ・・・電流検出部 ２０・・・整流子 ２０ａ・・・整流子片 ２０ｓ・・・スリット ３０・・・電圧フィルタ部 ３０ａ・・・減衰部 ３０ｂ・・・フィルタ部 ３０ｂ１・・・第１フィルタ回路 ３０ｂ２・・・第２フィルタ回路 ３０ｂｎ・・・第ｎフィルタ回路 ３０ｃ・・・信号選択部 ３１・・・回転角速度算出部 ３２・・・回転角度算出部 ３３・・・電流フィルタ部 ３４・・・第１信号生成部 ３５・・・第２信号生成部 ３６・・・回転情報算出部 １００・・・装置 ＳＷ１〜ＳＷ４・・・スイッチ

Claims (6)

1. 整流子を備えた電動機の回転に関する情報を取得する装置であって、
   駆動電圧がＰＷＭ制御される前記電動機の端子間の電圧から得られる正味電圧と前記電動機を流れる電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出する算出部を含む、
   装置。
2. 前記算出部は、１又は複数のフィルタを通じて前記電圧の信号波形を脈流化し或いは平滑化することで生成される信号波形を有する正味電圧と前記電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記算出部は、前記複数のフィルタのそれぞれが出力する信号波形から選択される１つの信号波形を有する正味電圧と前記電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出するように構成されている、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記算出部は、前記電圧にデューティ比を乗じて算出される正味電圧と前記電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記算出部は、１又は複数のフィルタを通じて前記電圧の信号波形を脈流化し或いは平滑化することで生成される信号波形を有する正味電圧、及び、前記電圧にデューティ比を乗じて算出される正味電圧のうちの一方を選択し、選択した正味電圧と前記電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
6. 整流子を備えた電動機の回転に関する情報を取得する方法であって、
   駆動電圧がＰＷＭ制御される前記電動機の端子間の電圧から正味電圧を取得する工程と、
   前記正味電圧と前記電動機を流れる電流とに基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出する工程と、を含む、
   方法。

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