(57)【要約】    【課題】  回転体の高速回転時の検出可能回転数を大きくすることができる回転速度計測装置を提供する。    【解決手段】  回転体２の電気角を整数値で出力する回転角検出手段６と、整数値から電気角を数値化し所定時間差分間の回転角の変化量から回転体２の回転速度を算出する回転速度演算手段５とを有する回転速度計測装置１であって、回転速度演算手段６は、回転体が回転センサ３の電気角の１８０°を回転するために要する時間が時間差分より長い低回転速度の時に、時間差分間の電気角の変化を整数値を用いて数値化し、当該数値化された電気角の変化値の正負から回転方向を決定し、高回転速度となった時に、従前の回転方向の判定結果を維持しつつ、時間差分前後の整数値を回転方向への変化として処理することにより電気角の変化量を算出し、当該変化量から前記回転体の回転速度を算出するようにした。【選択図】    図１
2008164335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転位置を電気角で検出し、前記電気角の０°から３６０°に連続的に対応するように割り当てられた０から所定の最大値に至る連続する整数値で表される回転角信号を出力する回転角検出手段と、
前記回転角検出手段により出力される前記回転角信号である前記整数値によって数値化される前記電気角の所定時間差分間の変化量から前記回転体の回転速度を算出する回転速度演算手段とを有する回転速度計測装置であって、
前記回転速度演算手段は、
前記回転体が前記回転センサの電気角の１８０°を回転するために要する時間が前記時間差分より長い低回転速度の時に、前記時間差分間の前記電気角の変化を前記整数値を用いて数値化し、当該数値化された前記電気角の変化値の正負から回転方向を決定し、前記時間差分前後の前記整数値を前記回転方向への変化として処理することにより前記電気角の変化量を算出し、当該変化量から前記回転体の回転速度を算出し、
前記時間差分が、前記回転体が前記回転センサの電気角の１８０°を回転するために要する時間より長く、前記回転センサの電気角の３６０°を回転するために要する時間より短い高回転速度の時に、そのような条件が出現する直前の前記低回転速度の時に決定された前記回転方向の判定結果を維持しつつ、前記時間差分前後の前記整数値を前記回転方向への変化として処理することにより前記電気角の変化量を算出し、当該変化量から前記回転体の回転速度を算出することを特徴とする回転速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転速度計測装置に関するものであり、特に回転体が低速回転を行っている時に回転方向を決定することにより、回転速度計測範囲を拡大することができる回転速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転体の回転速度計測装置として、光学的手段を用いたロータリエンコーダや、磁気的手段を用いたレゾルバ等がある。それらの装置の内、アブソリュート方式では、回転体の絶対的な位置（回転角度）を検出し、時間差分毎の位置変化を求めることにより回転体の回転速度を算出する。このような回転速度計測装置は、回転角度は２ｎのコードで絶対的な数値として表される。
【０００３】
このような従来の装置は通常、回転センサと、回転センサが検出したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、回転速度演算回路とから構成される。このような装置で特定ビット数のＡ／Ｄ変換器を使用する場合では、高速回転での測定を可能とするためには、電気角の周期を長くして、回転センサの１周（３６０°）に亘って回転角度を計測するようにする方法があるが、計測精度は低下する。このような課題に対しての発明が例えば特許文献１に報告されている。
【特許文献１】特開平９−２６９２４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の回転速度計測装置のように電気角の周期を長くする方法は、機械角の周期（回転センサの１周）よりも長くすることはできないという制限がある。
【０００５】
図２に回転位置カウント信号の時間推移を示す。従来の回転速度計測装置では、回転体の回転が低速であって、回転角度を出力する一定の時間差分より電気角の１８０°を回転するために要する時間（半周期）が長い場合のみ回転速度の計測をすることが可能である。例えば、図２のように前回時間ＯＬＤから今回時間ＮＯＷ１までに経過した時間差分が電気角の半周期内に収まるような場合である。この場合には、ある時間の回転角度と、それから一定時間差分後の回転角度とによって、回転体の回転方向及び回転速度を算出することができる。
【０００６】
しかし、回転体の回転が高速となり、電気角の１８０°を回転するために要する時間が時間差分より短くなると、一定時間差分後のある回転角度は回転体の正転又は逆転による２通りにより到達することができるため、回転角度の変化量を確定することができず、回転体の回転方向及び回転速度を算出することができなくなる。例えば、図２のように前回時間ＯＬＤから今回時間ＮＯＷ２までに経過した時間差分が電気角の半周期を越えるような場合であって、この場合には、ＮＯＷ３で表される位置も今回時間ＮＯＷ２と同様の回転位置を示すため、回転体が時計回りに回転を行いＮＯＷ２に到達したのか、又は回転体が反時計回りを行いＮＯＷ３に到達したのかの区別をおこなうことができず時間差分後の回転位置を一義的に決定することができない。このことにより、高速回転では回転速度検出ができないという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に対してなされたものであり、低速回転時に予め回転方向を計測しておくことにより、高速回転時の検出可能回転数を大きくすることができる回転速度計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、回転体の回転位置を電気角で検出し、前記電気角の０°から３６０°に連続的に対応するように割り当てられた０から所定の最大値に至る連続する整数値で表される回転角信号を出力する回転角検出手段と、前記回転角検出手段により出力される前記回転角信号である前記整数値によって数値化される前記電気角の所定時間差分間の変化量から前記回転体の回転速度を算出する回転速度演算手段とを有する回転速度計測装置であって、前記回転速度演算手段は、前記回転体が前記回転センサの電気角の１８０°を回転するために要する時間が前記時間差分より長い低回転速度の時に、前記時間差分間の前記電気角の変化を前記整数値を用いて数値化し、当該数値化された前記電気角の変化値の正負から回転方向を決定し、前記時間差分前後の前記整数値を前記回転方向への変化として処理することにより前記電気角の変化量を算出し、当該変化量から前記回転体の回転速度を算出し、前記時間差分が、前記回転体が前記回転センサの電気角の１８０°を回転するために要する時間より長く、前記回転センサの電気角の３６０°を回転するために要する時間より短い高回転速度の時に、そのような条件が出現する直前の前記低回転速度の時に決定された前記回転方向の判定結果を維持しつつ、前記時間差分前後の前記整数値を前記回転方向への変化として処理することにより前記電気角の変化量を算出し、当該変化量から前記回転体の回転速度を算出するようにした。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成とすることで、低速回転時に回転体の回転方向を予め決定するため、回転方向とは異なる他方向への回転を考慮する必要がなくなる。そのため、ある回転角度から電気角の半周期を越える所定の時間差分が経過しても回転角度を一義的に検出することができ、その間の変化量を決定することができるようになる。そのため、検出範囲の制限は電気角の半周期から１周期へと拡大することができ、高速回転時の検出限界速度が２倍に向上する。図２に示すように、前回時間ＯＬＤからの検出範囲は電気角において時計回りに半周期と反時計回りに半周期出会ったのに対して、本発明では、例えば回転方向を時計回りと決定した場合には、前回時間ＯＬＤからの検出範囲は時計回りに１周期となり、一方の回転方向について検出範囲が２倍となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る回転速度計測装置の構成を示す概略ブロック図である。回転速度計測装置１は、モータ２と、モータ２の回転軸に設けられる回転センサ３及びＡ／Ｄ変換器４から構成される回転角検出手段６と、回転数演算回路５とを有する。回転角検出手段６は時間差分毎の回転角度を数値として出力するアブソリュート形の回転センサであって、光学式のロータリエンコーダや磁気レゾルバであって良い。Ａ／Ｄ変換器４は、回転センサ３から出力されるアナログ信号の回転角信号をデジタル信号に変換し回転数演算回路５に送る。回転速度演算回路５は、所定の時間毎にデジタル信号化された回転角情報の変化量から電気角の変化を算出してモータ２の回転方向及び回転速度を算出し、回転速度や回転位置情報を後続する回路や表示装置に送る。
【００１２】
図２は、回転速度演算回路５で行われる回転方向及び回転速度の算出方法を示すフローである。モータ２の回転が開始すると図２のスタートより進み、ステップＳＴ１でモータの回転位置カウントＣｎを取得する。回転位置カウントＣｎはある時間ｎに取得された値を表し、ある時間ｎの一定時間差分（Δｔ）前に取得された回転位置カウンをトＣｎ−１、ある時間ｎの一定時間差分（Δｔ）後に取得された回転位置カウンをトＣｎ＋１とし、制御の開始時にはＣ１より開始される。回転位置カウントは電気角の１周期内で０°から３６０°へと連続的に増加するように割り振られた値である。例えば、回転位置カウントが１１ビットで表される場合、電気角３６０°は２０４８分割され、値が割り振られる。電気角が０°のときに回転位置カウントは０であり、そこから直線上に増加して３６０°になる直前の最も大きい角度に回転位置カウントは２０４７となる。本実施形態では、回転位置カウントは１１ビットとするが、他のビット数で表しても良く、ビット数が大きくなるほど回転位置の分解能が高くなり、回転速度の検出分解能が高くなる。
【００１３】
また、本実施形態では電気角の周期は機械角の周期の４分の１（９０°）とするが、電気角の周期は機械角の周期の整数分の１であれば良い。回転位置カウント数が一定であるとすると、電気角の周期を長くして機械角の周期と同一にすると検出可能な回転速度の範囲が広くなり、電気角の周期を機械角の周期に比べて小さくすると回転速度の分解能が向上する。
【００１４】
ステップＳＴ１で回転位置カウントを取得した後は、ステップＳＴ２へと進む。ステップＳＴ２では、制御の開始時に使用するＣ０の値の設定を行う。制御の開始時に、ステップＳＴ１で取得した回転位置カウントＣ１の値をＣ０に代入する。その後、ステップＳＴ３に進む。
【００１５】
ステップＳＴ３では、一定の時間差分（Δｔ）前後の回転位置カウントの変化量を求める。変化量は以下に示す式１により求める。
【数１】
2008164335.tif 000003
ここで、ΔＣｎは一定の時間差分Δｔの回転位置カウントの変化量を表し、前回回転位置カウント値から今回位置カウント位置を減算することにより求める。その後、ステップＳＴ４へと進む。
【００１６】
ステップＳＴ４では、ΔＣｎの値が０であるか判定を行う。ΔＣｎの値が０となるのは、モータが回転を行っていない場合と制御の開始時のｎが１となる場合のみである。本実施形態では、回転方向が１方向であって、電気角の１周期が時間差分Δｔより長い範囲内で回転速度の計測を行うため、前回及び今回回転位置カウントの値が同一となることはないため、モータの回転状態ではΔＣｎは制御開始を除いては常に０以外の値を取る。ΔＣｎが０であれば、ステップＳＴ１に進み再度、回転位置カウントの取得を行う。ΔＣｎが０でなければ、ステップＳＴ５へと進む。
【００１７】
ステップＳＴ５からステップＳＴ１１でモータの回転方向の決定を行う。モータの回転方向はモータから突出した駆動軸側からモータ本体を見て、時計回りを負、反時計回りを正とする。ステップＳＴ５ではモータが起動直後であるか判定を行う。起動直後であるかはモータ回転の開始時からの経過時間で判定する。モータが起動直後であれば、ステップＳＴ５へ進み、モータが起動直後でなければステップＳＴ１１へと進む。
【００１８】
ステップＳＴ６では、ΔＣｎの大きさに応じて場合分けを行う。回転位置カウントは電気角０°から３６０°へと連続して増加する値であるが、前回回転位置カウントから今回回転位置カウントへと変化する間に電気角０°又は３６０°を通過すると値が連続しなくなる。そのため、回転位置カウント値の変化が連続して増減する場合と連続して増減しない場合のそれぞれに応じて回転位置カウントの変化量を算出する必要がある。低速回転時には、時間差分Δｔは電気角の半周期より短いため、回転位置カウントが連続して増加又は減少した場合には、回転位置カウントの変化量ΔＣｎの絶対値は回転位置カウントの最大値（Ｃｍａｘ）の半分の値より大きくなることはない。ステップＳＴ６では、以下の式２により判定を行う。
【数２】
2008164335.tif 000004
式２を満たす場合には、ステップＳＴ７へと進み、満たさない場合にはステップＳＴ８へと進む。
【００１９】
ステップＳＴ７では、モータの回転方向の決定を行う。式２を満たすことより、前回回転位置カウントＣｎ−１と今回回転位置カウントＣｎの間に電気角０°（回転位置カウント０）を通過し、実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’は（ΔＣｎ−Ｃｍａｘ）で表される。ここで、回転方向ＲＤｎにΔＣｎ’を代入する。この回転方向ＲＤｎの値の正負は回転方向を表す。ΔＣｎはＣｍａｘより大きくなることは無いため、値は負となり、時計周りの回転であると決定する。その後ステップＳＴ１２へと進む。
【００２０】
ステップＳＴ８では、以下の式３により判定を行う。
【数３】
2008164335.tif 000005
式３を満たす場合には、ステップＳＴ９へと進み、満たさない場合にはステップＳＴ１０へと進む。
【００２１】
ステップＳＴ９では、モータの回転方向の決定を行う。式３を満たすことより、前回回転位置カウントＣｎ−１と今回回転位置カウントＣｎの間に電気角０°（回転位置カウント０）を通過し、実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’は（ΔＣｎ＋Ｃｍａｘ）で表される。ここで、回転方向ＲＤｎにΔＣｎ’を代入する。ΔＣｎの絶対値はＣｍａｘより大きくなることは無いため、値は正となり、反時計周りの回転であると決定する。その後ステップＳＴ１２へと進む。
【００２２】
ステップＳＴ１０では、モータの回転方向の決定を行う。回転位置カウントの変化量は式２及び式３を共に満たさないため、前回回転位置カウントＣｎ−１と今回回転位置カウントＣｎの間に電気角０°（回転位置カウント０）を通過せず、回転位置カウントは連続的に変化する。そのため回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’はΔＣｎと等しくなり、回転方向ＲＤｎにΔＣｎ’を代入する。回転方向ＲＤｎはΔＣｎの値の符号より判断する。ΔＣｎの値が正の時は回転方向は反時計回りであり、ΔＣｎの値が負の時は回転方向は時計回りである。その後、ステップＳＴ１２へと進む。
【００２３】
ステップＳＴ１１では、モータの回転方向の決定を行う。モータは起動直後ではないため前回の回転を継続している。そのため今回回転方向ＲＤｎは、時間差分Δｔ前の前回回転方向ＲＤｎ−１と同じとする。
【００２４】
ステップＳＴ１２では、回転方向ＲＤｎの値の正負により回転方向の判定を行う。ＲＤｎの値が正の時には回転方向は反時計回りでありステップＳＴ１３へと進み、ＲＤｎの値が負の時には回転方向は時計回りでありステップＳＴ１６へと進む。
【００２５】
ステップ１３では、ΔＣｎの値が０以下であるかの判定を行う。前回回転位置カウントＣｎ−１と今回回転位置カウントＣｎの間に電気角０°（回転位置カウント０）を通過したかにより場合分けを行うためである。ΔＣｎの値が０以下である場合にはステップＳＴ１４に進み、ΔＣｎの値が０以上である場合にはステップＳＴ１５へと進む。上記したようにΔＣｎの値は０にならない。
【００２６】
ステップＳＴ１４では、実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’を算出する。ステップＳＴ１４で算出する場合には、モータの回転方向は反時計回りであり、前回回転位置カウント検出時から今回回転位置カウント検出時の間に、電気角０°を通過している。そのため実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’は（ΔＣｎ＋Ｃｍａｘ）で表される。その後ステップ１９へと進む。
【００２７】
ステップＳＴ１５では、実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’を算出する。ステップＳＴ１５で算出する場合には、モータの回転方向は反時計回りであり、前回回転位置カウント検出時から今回回転位置カウント検出時の間に、電気角０°を通過していない。そのため実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’はΔＣｎと同じ値である。その後ステップ１９へと進む。
【００２８】
ステップ１６では、ΔＣｎの値が０以上であるかの判定を行う。前回回転位置カウントＣｎ−１と今回回転位置カウントＣｎの間に電気角０°を通過したかにより場合分けを行うためである。ΔＣｎの値が０以上である場合にはステップＳＴ１７に進み、ΔＣｎの値が０以下である場合にはステップＳＴ１８へと進む。上記したようにΔＣｎの値は０にならない。
【００２９】
ステップＳＴ１７では、実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’を算出する。ステップＳＴ１７で算出する場合には、モータの回転方向は時計回りであり、前回回転位置カウント検出時から今回回転位置カウント検出時の間に、電気角０°を通過している。そのため実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’は（ΔＣｎ−Ｃｍａｘ）で表される。その後ステップ１９へと進む。
【００３０】
ステップＳＴ１８では、実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’を算出する。ステップＳＴ１８で算出する場合には、モータの回転方向は時計回りであり、前回回転位置カウント検出時から今回回転位置カウント検出時の間に、電気角０°を通過していない。そのため実際の回転位置カウントの変化量ΔＣｎ’はΔＣｎと同じ値である。その後ステップ１９へと進む。
【００３１】
ステップＳＴ１９では、モータの回転速度を算出する。回転速度はラジアンで表すと以下のように表すことができる。
【数４】
2008164335.tif 000006
ここで、Ｖは回転速度（ｒａｄ／ｓ）であり、ΔＣｎ’は実際の回転位置カウント変化量、ｍは機械角の周期／電気角の周期で表される整数値であり、Δｔは回転位置カウントの検出を行う時間差分である。回転速度は反時計回りが正の値である。本実施形態では、Ｃｍａｘは上記したように１１ビットで表される値であるため２０４７であり、電気角の周期は機械角の周期の４分の１であるためｍは４であり、Δｔは装置の初期設定により固定されているため、ΔＣｎ’が求まることにより回転速度が算出される。その後、リターンへと進む。
【００３２】
以上のように制御することによって、モータの回転速度の検出限界値を２倍にすることができる。回転方向を決定しない場合には、ある時間の回転角度からの変化は正転及び逆転の２通りがあり、ある時間から一定の時間差分後の回転角度の位置を一義的に確定するためには、時間差分を電気角の半周期内に収めなければならないという制限がある。なぜならば、時間差分が電気角の半周期よりも長くなると、ある回転角度は正転又は逆転に到達した可能性が生じ、回転角度の変化量を確定できなくなるためである。しかし、本実施形態のように低速回転時に回転角度を予め決定しておくことで、他方の回転を考慮する必要が無くなるため、ある時間の回転角度からの変化後の回転角度は電気角の１周期の範囲内において一義的に確定することができるようになる。そのため検出範囲は２倍になり、その結果、回転速度の検出限界値は２倍となる。
【００３３】
本発明は、モータの回転方向検出のために、付加的な装置を設けずに制御処理のみによって達成できるため、コスト面や装置の簡潔性において有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る回転速度計測装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】回転位置カウント信号の時間推移を示す図である。
【図３】回転速度演算回路で行われる回転方向及び回転速度の算出方法を示すフローである。
【符号の説明】
【００３５】
１    回転速度計測装置
２    モータ
３    回転センサ
４    Ａ／Ｄ変換器
５    回転速度演算回路
６    回転角検出手段
【図１】
2008164335.tif 000007
【図２】
2008164335.tif 000008
【図３】
2008164335.tif 000009