(57)【要約】【課題】ＰＷＭ駆動下において適切に電力を測定する。【解決手段】ＰＷＭ駆動によって負荷で消費される電力を計測する計測装置であって、前記ＰＷＭ駆動のデューティ比ＤＰを取得するデューティ比取得部３３０と、前記負荷の平均電流Ｉａｖｅを取得する電流取得部３１０と、前記負荷の平均電圧Ｖａｖｅを取得する電圧取得部３２０と、前記負荷で消費される電力Ｐの算出において、Ｐ＝Ｖａｖｅ×Ｉａｖｅ／ＤＰ、の演算を少なくとも含む演算部３４０と、を備える電力計測装置。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ駆動によって負荷で消費される電力を計測する計測装置であって、
前記ＰＷＭ駆動のデューティ比ＤＰを取得するデューティ比取得部と、
前記負荷の平均電流Ｉａｖｅを取得する電流取得部と、
前記負荷の平均電圧Ｖａｖｅを取得する電圧取得部と、
前記負荷で消費される電力Ｐの算出において、
Ｐ＝Ｖａｖｅ×Ｉａｖｅ／ＤＰ、の演算を少なくとも含む演算部と、
を備える電力計測装置。
【請求項２】
ＰＷＭ駆動によって負荷で消費される電力を計測する計測方法であって、
（ａ）前記ＰＷＭ駆動のデューティ比Ｄｐを取得する工程と、
（ｂ）前記負荷の平均電流Ｉａｖｅを取得する工程と、
（ｃ）前記負荷の平均電圧Ｖａｖｅを取得する工程と、
（ｄ）負荷で消費される電力Ｐの算出において、
Ｐ＝Ｖａｖｅ×Ｉａｖｅ／ＤＰ、の演算を少なくとも実行する工程と、
を備える、計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭ制御を用いたシステムにおける電力の計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械装置の一種として、ブラシレスモーターが利用されている。ブラシレスモーターの回転数制御を行う場合、たとえば、ＰＷＭで駆動制御することが行われている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−８０８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＰＷＭ駆動において、ＰＷＭ波形を有する二次側の平均電圧、平均電流を測定して、二次側の電力を求めると、電源供給側である一次側の電圧、電流、及びＰＷＭ駆動のデューティ比を用いて求めた二次側の電力と一致しない場合があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、ＰＷＭ駆動下において適切に電力を測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
ＰＷＭ駆動によって負荷で消費される電力を計測する計測装置であって、前記ＰＷＭ駆動のデューティ比ＤＰを取得するデューティ比取得部と、前記負荷の平均電流Ｉａｖｅを取得する電流取得部と、前記負荷の平均電圧Ｖａｖｅを取得する電圧取得部と、前記負荷で消費される電力Ｐに、Ｐ＝Ｖａｖｅ×Ｉａｖｅ／ＤＰ、の算出を少なくとも含む演算部と、を備える電力計測装置。
この適用例によれば、ＰＷＭ制御下において適切に電力を測定することが可能となる。
【０００８】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、計測装置の他、ＰＷＭ駆動における電力測定方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＰＷＭ駆動を行わないときの電力測定に用いた回路を示す説明図である。
【図２】ＰＷＭ駆動を行わないときの負荷への印可電圧と電流消費電力及び負荷の温度Ｔｅｍｐの測定結果を示す説明図である。
【図３】ＰＷＭ駆動を行うときの電力測定で用いた回路を示す説明図である。
【図４】ＰＷＭ駆動における電圧電流の波形を示す説明図である。
【図５】図３に示す回路における負荷への印可電圧と電流消費電力及び負荷の温度の測定結果を示す説明図である。
【図６】適正な印可電力計算結果及び負荷の温度を示す説明図である。
【図７】本実施例に係る計測装置を模式的に示す説明図である。
【図８】測定器３００の構成を示す説明図である。
【図９】本実施例における各信号の波形の一例を示す説明図である。
【図１０】本実施例において信号Ｓｐが正弦波を模擬するＰＷＭ信号である場合の各信号の波形を示す説明図である。
【図１１】本発明の変形例によるモーターを利用したプロジェクタを示す説明図である。
【図１２】本発明の変形例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。
【図１３】本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。
【図１４】本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【図１５】本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、ＰＷＭ駆動を行わないときの電力測定に用いた回路を示す説明図である。この電力測定系は、直流電源１００と、電流計１１０と、電圧計１１５と、負荷１２０と、温度計１４０と、を備える。温度計１４０は、負荷１２０の温度を測定するためのものである。
【００１１】
図２は、ＰＷＭ駆動を行わないときの負荷への印可電圧と、電流、消費電力及び負荷の温度Ｔｅｍｐの測定結果を示す説明図である。まず、直流電源１００（図１）の電圧Ｅｓを１０Ｖ、負荷１２０の抵抗Ｒを１０Ωとして、負荷１２０における消費電力、及び負荷１２０の温度Ｔｅｍｐを取得した。負荷に印可する電圧Ｅｓを１０Ｖ（Ｅｓｍａｘ）としたとき、負荷１２０の消費電力は、１０（Ｖ）×１（Ａ）＝１０（Ｗ）であり、負荷１２０の温度Ｔｅｍｐは１５７．０℃であった。次に、この時の電力を１００％として、電力がＤ％（Ｄ％＝８０％、６０％、４０％、２０％）となるように、印可電圧Ｅｓを調整し、それぞれ電流Ｉｓと負荷の温度を取得した。
【００１２】
図３は、ＰＷＭ駆動を行うときの電力測定で用いた回路を示す説明図である。この電力測定系は、図１に示す構成に加え、スイッチＳＷｐと第２の電流計２２０と、第２の電圧計２２５と、を備える。スイッチＳＷｐは、電流計１１０と負荷１２０の間に設けられ、第２の電流計２２０は、スイッチＳＷｐと負荷の間に設けられている。第２の電圧計２２５は、負荷１２０の両端に接続され、負荷１２０にかかる電圧を測定する。この測定系では、スイッチＳＷｐをオン、オフすることにより、負荷１２０にＰＷＭ信号を与え、ＰＷＭ駆動することが可能である。ここで、スイッチＳＷｐを境として、スイッチＳＷｐより直流電源１００側を一次側、負荷１２０側を二次側と呼ぶ。電流計１１０と電圧計１１５は、一次側の電流と電圧を測定し、第２の電流計２２０と第２の電圧計２２５は、二次側の電流と電圧を測定するためのものである。
【００１３】
図４は、ＰＷＭ駆動における電圧、電流の波形を示す説明図である。ここでは、先に述べた条件、すなわち、直流電源１００の電圧Ｅｓの値として１０Ｖを用い、負荷１２０の値として１０Ωを用いている。直流電源１００の電圧Ｅｓは１０Ｖであり、一次側の電圧Ｅｓの示す波形は値が１０Ｖ（＝Ｅｓｍａｘ）一定の直線である。これに対し、二次側の負荷１２０の両端間の電圧Ｅｐは、スイッチＳＷｐがオンのとき１０Ｖ（＝Ｅｐｍａｘ＝Ｅｓｍａｘ）であり、オフの時は０Ｖである。また、電流計１１０の計測値Ｉｓ、第２の電流計２２０の計測値Ｉｐは、スイッチＳＷｐがオンのとき１Ａ（＝Ｉｐｍａｘ＝Ｉｓｍａｘ）であり、オフのとき０Ａであり、一次側も二次側も同じである。
【００１４】
一般に、電流計１１０、２２０が測定する電流の大きさは平均値で測定される。この平均電流Ｉｓａｖｅ、Ｉｐａｖｅの大きさは、
Ｉｓａｖｅ＝１．０×Ｄｐ＝Ｉｓｍａｘ×Ｄｐ  …（１）
Ｉｐａｖｅ＝１．０×Ｄｐ＝Ｉｐｍａｘ×Ｄｐ  …（２）
で表される。なお、ＤＰは、（ＳＷｐオンの期間）／（ＳＷｐオンの期間＋Ｓｗｐオフの期間）であり、デューティ比と呼ぶことにする。ここで、Ｉｓｍａｘは、スイッチＳＷｐをオンオフしないとき（ＰＷＭ駆動しないとき）の電流値である。そして、電圧Ｅｓ、負荷１２０の大きさを定めたときの電流Ｉｓの最大値である。Ｉｐｍａｘについても同様に、スイッチＳＷｐをオンオフしないときの電流値である。そして、電圧Ｅｓ、負荷１２０の大きさを定めたときの電流Ｉｐの最大値である。である。
【００１５】
同様に、電圧計２２５が測定する負荷１２０にかかる電圧も平均値Ｅｐａｖｅで測定され、
Ｅｐａｖｅ＝１０×Ｄｐ＝Ｅｐｍａｘ×Ｄｐ  …（３）
で表される。
【００１６】
図５は、図３に示す回路における負荷への印可電圧と、電流、消費電力及び負荷の温度の測定結果を示す説明図である。なお、図２に示す場合と同様に、直流電源１００（図１）の電圧Ｅｓとして１０Ｖ、負荷１２０の抵抗として１０Ωを用いている。ここでは、デューティ比を１００％から２０％まで、２０％間隔で変えて、電圧Ｅｐａｖｅ、電流Ｉｓａｖｅ、Ｉｐａｖｅ、負荷の温度Ｔｅｍｐを取得し、その結果を表示している。
【００１７】
図２に示した結果（非ＰＷＭ駆動）と、図５に示した結果（ＰＷＭ駆動）で、負荷１２０の温度は、ほぼ同じ値であった。一般に、負荷１２０の温度Ｔｅｍｐがほぼ同じであれば、負荷１２０における消費電力は同じであると考えられる。しかし、図５において、二次側の電圧、電流の測定値から計算した電力は、図２の電力とは全く異なる値を示している。図２の電力は正しいと考えられるので、図５における二次側の電力計算値は、誤りであることが理解できる。このように、ＰＷＭ駆動の場合には、単に二次側の平均電圧、平均電流を掛けて電力を計算すると、正しい結果が得られないと思われる。
【００１８】
図６は、適正な印可電力計算結果及び負荷の温度を示す説明図である。ここでは、二次側の電力として以下の式を用いて計算を行っている。
Ｐ＝Ｅｐａｖｅ×Ｉｐａｖｅ／Ｄｐ  …（４）
Ｐ＝Ｒ×（Ｉｐａｖｅ／√Ｄｐ）２＝Ｒ×Ｉｐａｖｅ２／Ｄｐ  …（５）
Ｐ＝（Ｅｐａｖｅ／√Ｄｐ）２／Ｒ＝（Ｅｐａｖｅ２／Ｄｐ）／Ｒ…（６）
【００１９】
図６の二次側の電力の計算結果は、図２に示す結果と一致する。このように、ＰＷＭ駆動の場合、第２の電流計２２０、電圧計２２５で計測された平均電流Ｉｐａｖｅ、平均電圧Ｅｐａｖｅを用いて電力を求める場合には、上記式（４）〜（６）のいずれかを用いて求めてもよい。
【００２０】
図７は、本実施例に係る計測装置を模式的に示す説明図である。計測装置は、直流電源１００と、電流計１１０と、電圧計１１５と、ＰＷＭ制御部２００と、測定器３００を備える。図３に示す等価回路と比較すると、スイッチＳＷｐの代わりにＰＷＭ制御部２００を備えている。ＰＷＭ制御部は、負荷１２０に対してＰＷＭ駆動を実行する。また、ＰＷＭ制御部２００から測定器３００には、２つの信号ＳＰ、ＳＰＰが入力されている。信号ＳＰはＰＷＭ信号であり、負荷１２０の駆動がオンの時に１又はＨとなり、オフの時に０又はＬとなる信号である。信号ＳＰＰは、ＰＷＭ周期信号である。なお、電流計１１０と、電圧計１１５とは、省略可能である。
【００２１】
図８は、測定器３００の構成を示す説明図である。測定器３００は、電流計測部３１０と、電圧計測部３２０と、時間計測部３３０と、電力演算部３４０と、計測選択部３５０と、出力部３６０と、を備える。電流計測部３１０は、電流端子３１５を有しており、負荷１２０（図７）と直列に接続される。電流計測部３１０は、図３に示す電流計２２０に相当するものであり、負荷１２０に流れる平均電流Ｉｐａｖｅを測定することが可能である。電圧計測部３２０は、電圧端子３２５を有しており、負荷１２０と並列に接続される。電圧計測部３２０は、図３に示す第２の電圧計２２５に相当するものであり、負荷１２０にかかる平均電圧Ｅｐａｖｅを測定することが可能である。
【００２２】
時間計測部３３０は、Ｓｐ端子３３２と、Ｓｐｐ端子３３４を備える。Ｓｐ端子３３２には、信号Ｓｐが入力され、Ｓｐｐ端子３３４には信号Ｓｐｐが入力される。時間計測部３３０は、Ｓｐ信号及びＳｐｐ信号を用いて、デューティ比Ｄｐを取得する。時間計測部３３０は、例えばクロックＣｌｋの発生器とカウンタとを備え、Ｓｐｐ信号の立ち下がりをリセット信号として、２つのＳｐｐ信号の立ち下がりの間のクロック数Ｃ１を取得することができる。また、２つのＳｐｐ信号の立ち下がりの間のクロック数であって、Ｓｐ信号がＨの期間のクロック数Ｃ２を同様に取得することができる。時間計測部３３０は、デューティ比を、Ｃ２／Ｃ１で求めることが可能である。電力演算部３４０は、平均電流Ｉｐａｖｅと、平均電圧Ｅｐａｖｅと、デューティ比Ｄｐとを用いて、電力Ｐを取得する。計測選択部３５０は、操作パネル部３５５を有しており、利用者に、演算方法や、出力部３６０の出力内容を選択させる。出力部３６０は、演算結果を表示する。
【００２３】
図９は、本実施例における各信号の波形の一例を示す説明図である。信号Ｓｐｐの立ち下がりから次ぎの立ち下がりまでがＰＷＭ駆動の一周期Ｔである。一周期Ｔには、信号Ｓｐに複数のＨ期間があるように、ＰＷＭの一周期の間には、複数回、駆動がオンオフされる。なお、図９に示す例では、信号Ｓｐは、周期が同じ矩形波である。Ｄｐは、クロック信号Ｃｌｋ、信号Ｓｐ、Ｓｐｐから得られるデューティ比である。
【００２４】
図９の下半分は、一周期Ｔの一部を拡大し、電流Ｉｓ、Ｉｐ、電圧Ｅｐ、及び信号Ｓｐを示したものである。Ｅｐａｖｅ、Ｉｐａｖｅが、実際に測定器３００で測定される電圧（平均電圧）、電流（平均電流）である。Ｄｘｐは、信号Ｓｐの周期毎に、信号ＳｐがＨになる期間を表したもの（ＰＷＭ比）である。
【００２５】
図１０は、本実施例において、信号Ｓｐが正弦波を模擬するＰＷＭ信号である場合の各信号の波形を示す説明図である。このように信号Ｓｐは、正弦波を模擬するＰＷＭ信号であってもよく、他の様々な形状の信号波形を採用することが可能である。
【００２６】
以上、本実施例によれば、ＰＷＭ駆動における平均電流、平均電圧及びデューティ比を用いて、適切な電力測定を行うことが可能となる。
【００２７】
応用例：
本発明は、各種の装置に適用可能である。例えば、本発明は、ファンモーター、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モーターなどの種々の装置のモーターに適用可能である。本発明をファンモーターに適用した場合には、例えば、種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）を奏させることが可能となる。このようなファンモーターは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモーターとして使用することができる。本発明のモーターは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモーターとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモーターをスピンドルモーターとして使用することが可能である。また、本発明によるモーターは、移動体やロボット用のモーターとしても利用可能である。
【００２８】
図１１は、本発明の変形例によるモーターを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ３１００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源３１１０Ｒ、３１１０Ｇ、３１１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ３１４０Ｒ、３１４０Ｇ、３１４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム３１５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系３１６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン３１７０と、プロジェクタ３１００の全体を制御する制御部３１８０と、を備えている。冷却ファン３１７０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。
【００２９】
図１２は、本発明の変形例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図１２（Ａ）は携帯電話３２００の外観を示しており、図１２（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話３２００は、携帯電話３２００の動作を制御するＭＰＵ３２１０と、ファン３２２０と、燃料電池３２３０とを備えている。燃料電池３２３０は、ＭＰＵ３２１０やファン３２２０に電源を供給する。ファン３２２０は、燃料電池３２３０への空気供給のために携帯電話３２００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池３２３０で生成される水分を携帯電話３２００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン３２２０を図１２（Ｃ）のようにＭＰＵ３２１０の上に配置して、ＭＰＵ３２１０を冷却するようにしてもよい。ファン３２２０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。
【００３０】
図１３は、本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することが可能である。
【００３１】
図１４は、本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することが可能である。
【００３２】
図１５は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモーター３５１０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。
【００３３】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３４】
１００…直流電源
１１０…電流計
１１５…電圧計
１２０…負荷
１４０…温度計
２２０…電流計
２２５…電圧計
３００…測定器
３１０…電流計測部
３１５…電流端子
３２０…電圧計測部
３２５…電圧端子
３３０…時間計測部
３４０…電力演算部
３５０…計測選択部
３５５…操作パネル部
３６０…出力部
３１００…プロジェクタ
３１１０Ｒ…光源
３１４０Ｒ…液晶ライトバルブ
３１５０…クロスダイクロイックプリズム
３１６０…投写レンズ系
３１７０…冷却ファン
３１８０…制御部
３２００…携帯電話
３２２０…ファン
３２３０…燃料電池
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第２のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…モーター
３５２０…車輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011107007.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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