(57)【要約】      （修正有）【課題】直流モータの負荷状態の変動によりモータ電流が変動しても直流モータの回転数を正確に検出できるようにする。【解決手段】本発明のリプル抽出装置では、可変利得増幅部３０は、電流電圧変換部２０から出力された第１電圧信号Ｖ１の直流成分が大きいほど、より低い利得で第１電圧信号を増幅する。本発明のリプル抽出装置１では、可変利得増幅部３０から出力された第２電圧信号Ｖ２を濾波する可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数は、電流電圧変換部２０から出力された第１電圧信号Ｖ１の直流成分が小さいほど、より高い周波数に制御される。【選択図】図２
2016226128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流モータの電流信号に含まれるリプル成分を抽出するリプル抽出装置であって、
前記電流信号を第１電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力された前記第１電圧信号が入力される可変利得増幅部と、
前記可変利得増幅部から出力された第２電圧信号を濾波する可変ハイパスフィルタ部と、
前記可変ハイパスフィルタ部から出力された第３電圧信号を入力してパルス信号を出力する信号整形部と、を備えており、
前記可変利得増幅部は、前記第１電圧信号の直流成分が大きいほど、より低い利得で前記第１電圧信号を増幅し、
前記可変ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、前記第１電圧信号の直流成分が小さいほど、より高く制御されていることを特徴とする直流モータのリプル抽出装置。
【請求項２】
前記可変利得増幅部から出力された前記第２電圧信号の直流成分は、略一定になるように制御されていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータのリプル抽出装置。
【請求項３】
前記可変ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、前記リプル成分を減衰させない範囲で制御されていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータのリプル抽出装置。
【請求項４】
前記可変利得増幅部の利得と前記可変ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、前記第１電圧信号に基づいて生成された同一の制御信号によって制御されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流モータのリプル抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モータの電流信号に含まれるリプル成分を用いて直流モータの回転数を検出するリプル抽出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機器や装置などの駆動源として、直流モータが使用されている。このような直流モータの回転数を検出するリプル抽出装置として、例えば、特許文献１には、直流モータの電流信号を第１電圧信号に変換する電流電圧変換部と、第１電圧信号を濾波してリプル成分を減衰させるフィルタと、第１電圧信号とフィルタの出力信号との差分を取る差動増幅部と、差動増幅部の出力であるリプル成分を含む第２電圧信号が入力される信号整形部を備えたものが記載されている。このリプル抽出装置では、直流モータの回転に同期するリプル成分を検出して直流モータの回転数を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１９１８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のような構成では、モータの負荷状態が変動するとリプル成分の振幅が変動してしまうため、差動増幅部の出力であるリプル成分を含む第２電圧信号の振幅が変動してしまう。そのため、第２電圧信号が入力される信号整形部で検出誤差が生じやすく、モータの回転数を正確に検出できない恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、直流モータの負荷状態の変動によりモータ電流が変動しても直流モータの回転数をより正確に検出できるリプル抽出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成すべく成された本発明は、直流モータの電流信号に含まれるリプル成分を抽出するリプル抽出装置であって、
前記電流信号を第１電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力された前記第１電圧信号が入力される可変利得増幅部と、
前記可変利得増幅部から出力された第２電圧信号を濾波する可変ハイパスフィルタ部と、
前記可変ハイパスフィルタ部から出力された第３電圧信号を入力してパルス信号を出力する信号整形部と、を備えており、
前記可変利得増幅部は、前記第１電圧信号の直流成分が大きいほど、より低い利得で前記第１電圧信号を増幅し、
前記可変ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、前記第１電圧信号の直流成分が小さいほど、より高く制御されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、更なる特徴として、
「前記可変利得増幅部から出力された前記第２電圧信号の直流成分は、略一定になるように制御されていること」、
「前記可変ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、前記リプル成分を減衰させない範囲で制御されていること」、
「前記可変利得増幅部の利得と前記可変ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、前記第１電圧信号に基づいて生成された同一の制御信号によって制御されていること」、
を含むものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のリプル抽出装置によれば、負荷状態の変動によりモータ電流が変動しても、可変ハイパスフィルタ部から出力される第３電圧信号に含まれるリプル成分はほぼ一定のレベル（振幅）に制御されるため、信号整形部によってリプル成分をより正確に抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態例に係るリプル抽出装置を適用したモータ制御装置のブロック図である。
【図２】図１のモータ制御装置において、可変利得増幅部と可変ハイパスフィルタ部の構成を具体的に示した図である。
【図３】定常負荷状態における各電圧信号を説明するための図である。
【図４】高負荷状態における各電圧信号を説明するための図である。
【図５】可変ハイパスフィルタ部の特性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態例を説明する。
【００１１】
本発明の実施形態例に係るリプル抽出装置１を適用したモータ制御装置を、図１から図５を参照して説明する。本例のモータ制御装置は、リプル抽出装置１によって直流モータ１０の電流信号を抵抗で電圧に変換した電圧信号Ｖ１から抽出された交流信号であるリプル成分Ｖａｃｒをパルス化したパルス信号Ｖ４に基づき、直流モータ１０の回転数制御を行うものである。
【００１２】
本例のモータ制御装置は、直流モータ１０、リプル抽出装置１、コンピュータ７０、モータドライバ８０を備える。
【００１３】
直流モータ１０は、ケース１１の内壁面に取り付けられた永久磁石１２と、永久磁石１２の内側に所定の間隙を介して配されたロータ（電機子）１３を有する。
ロータ１３と一体に回転するコンミテータ１６には３つのスリットが設けられており、ケース１１に取り付けられた２本のブラシ１７はコンミテータ１６に摺接している。
【００１４】
直流モータ１０にはモータドライバ８０が接続されており、ブラシ１７及びコンミテータ１６を介してロータ１３に駆動電流が流れると、ロータ１３が回転し、ブラシ１７がコンミテータ１６間のスリットを乗り越えるたびにロータ１３に流れる電流が切替えられる。
【００１５】
リプル抽出装置１は、電流電圧変換部２０、可変利得増幅部３０、可変ハイパスフィルタ部５０及び信号整形部６０を備えている。
電流電圧変換部２０は、入力された直流モータ１０の電流信号Ｉを電圧信号に変換するものである。具体的には、電流電圧変換部２０は、グランドＧＮＤと直流モータ１０の間に接続された固定抵抗２１を有しており、直流モータ１０の電流信号Ｉが固定抵抗２１と直流モータ１０の間における第１電圧信号Ｖ１に変換される。
【００１６】
電流電圧変換部２０から出力された第１電圧信号Ｖ１は、可変利得増幅部３０に入力される。
本例の可変利得増幅部３０は、差動増幅部３１と調整部４０によって構成されており、入力される電圧信号をフィードバック制御によって所定のレベルに制御するものである。
【００１７】
差動増幅部３１は、差動増幅器３２とローパスフィルタ３３を含んでいる。
差動増幅器３２の一方の入力には、ローパスフィルタ３３が接続されている。このローパスフィルタ３３は、入力された電圧信号の内、ほぼ直流成分Ｖ２ｄｃだけを通過させる。差動増幅器３２の他方の入力には、所定の基準電圧値Ｖｓを有する基準電源３４が接続されている。なお、基準電圧値Ｖｓは任意に設定することができるが、特性が既知のモータに対しては定常負荷状態の値を基準にするのが好ましい。
そして、差動増幅器３２は、直流成分Ｖ２ｄｃと、基準電圧値Ｖｓとの差分に基づく制御信号Ｖ２ｄを出力する。
【００１８】
調整部４０は、制御信号Ｖ２ｄによって第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが概ね基準電圧値Ｖｓに等しくなるように調整するものである。
本例の調整部４０は、固定抵抗４１と可変抵抗４２によって構成された分圧回路からなり、可変抵抗４２には第１ＬＥＤと第１ＣｄＳ光センサで構成された第１アナログフォトカプラが用いられている。
この可変抵抗４２は、第１ＬＥＤに制御信号Ｖ２ｄに応じた電流が流れると、第１ＬＥＤの光度に応じて第１ＣｄＳ光センサの抵抗値が連続的に変化する。つまり、制御信号Ｖ２ｄに応じた電流の大きさによって可変抵抗４２の抵抗値が連続的に変化し、固定抵抗４１と可変抵抗４２によって構成されている分圧回路によって第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが基準電圧値Ｖｓに近づくように調整される。
より具体的には、直流成分Ｖ２ｄｃと基準電圧値Ｖｓとの差が大きいほど、制御信号Ｖ２ｄによる電流が大きくなり、第１ＬＥＤの光度が増す。第１ＬＥＤの光度が増すほど、第１ＣｄＳ光センサの抵抗値（可変抵抗４２の抵抗値）が小さくなり、固定抵抗４１と可変抵抗４２によって構成されている分圧回路の利得Ｇが小さくなって、第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが基準電圧値Ｖｓに近づくようにフィードバック制御される。その結果、可変利得増幅部３０から出力される第２電圧信号Ｖ２の直流成分Ｖ２ｄｃは基準電圧値Ｖｓとほぼ同一になる。
【００１９】
このように、可変利得増幅部３０は、直流モータ１０の負荷状態が変動して第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが変動した際、その直流成分Ｖ１ｄｃに応じて利得Ｇが変化するように構成されており、第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが大きいほど、より低い利得で第１電圧信号Ｖ１が増幅されるようになっている。
【００２０】
可変利得増幅部３０から出力された第２電圧信号Ｖ２は、可変ハイパスフィルタ部５０に入力され、直流成分や低周波成分が濾波される。
この可変ハイパスフィルタ部５０は、第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃに応じてカットオフ周波数Ｆｃが変動する自動周波数制御回路となっている。
【００２１】
本例の可変ハイパスフィルタ部５０は、コンデンサ５１と可変抵抗５２からなる微分回路で構成されている。可変抵抗５２には第２ＬＥＤと第２ＣｄＳ光センサで構成された第２アナログフォトカプラが用いられている。この可変抵抗５２は、可変利得増幅部３０の差動増幅器３２から出力される制御信号Ｖ２ｄに応じた電流が第２ＬＥＤに流れると、第２ＬＥＤの光度に応じて第２ＣｄＳ光センサの抵抗値が連続的に変化する。つまり、制御信号Ｖ２ｄに応じた電流の大きさによって可変抵抗５２の抵抗値が連続的に変化する。ただし、可変抵抗５２は、可変抵抗４２とは逆の特性となるように構成されており、制御信号Ｖ２ｄに応じた電流が大きくなるほど抵抗値が大きくなるように構成されている。
【００２２】
可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃは、コンデンサ５１の容量Ｃと可変抵抗５２の抵抗値Ｒによって、以下のように表される。
Ｆｃ＝１／（２・π・Ｃ・Ｒ）
つまり、カットオフ周波数Ｆｃは、可変抵抗５２の抵抗値Ｒを制御している制御信号Ｖ２ｄによって制御され、直流モータ１０の負荷状態が変動して第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが変動した際、その直流成分Ｖ１ｄｃに応じてカットオフ周波数Ｆｃが変化する。
【００２３】
可変ハイパスフィルタ部５０から出力された第３電圧信号Ｖ３は、信号整形部６０に入力されて矩形波に整形される。具体的には、信号整形部６０は不図示のコンパレータを有し、このコンパレータが、可変ハイパスフィルタ部５０の第３電圧信号Ｖ３を所定の直流電圧値と比較することによって、第３電圧信号Ｖ３をパルス信号Ｖ４に変換する。このパルス信号Ｖ４は、コンピュータ７０に入力される。
【００２４】
コンピュータ７０は、カウンタを有し、パルス信号Ｖ４のパルス数を計測して、モータの単位時間当たりの回転数を算出して、モータドライバ８０にモータの回転数に応じた信号を出力する。
【００２５】
モータドライバ８０は、コンピュータ７０の出力信号に基づき、予め設定されたモータの回転数との差分をなくすように直流モータ１０に電圧を印加する。
【００２６】
次に、本例のモータ制御装置の各部における電圧信号について具体的に説明する。
図３は定常負荷状態における電圧信号を示し、図４は高負荷状態における電圧信号を示している。図３と図４において、（ａ）は第１電圧信号Ｖ１、（ｂ）は第２電圧信号Ｖ２、（ｃ）は第３電圧信号Ｖ３、（ｄ）はパルス信号Ｖ４、を示している。
【００２７】
電流電圧変換部２０から出力された第１電圧信号Ｖ１には、直流成分Ｖ１ｄｃと、脈流信号である低周波成分Ｖａｃｌとリプル成分Ｖａｃｒが含まれている。
低周波成分Ｖａｃｌは、永久磁石１２とロータ１３に主に依存して発生するものであり、低周波成分の周波数Ｆａｃｌは、直流モータ１０の回転周波数Ｆｍと同一である。ここで、回転周波数Ｆｍとは、モータの１秒あたりの回転数を意味する。
リプル成分Ｖａｃｒは、第１電圧信号Ｖ１においてコンミテータ１６のスリット間で変化した成分であり、ロータ１３が１回転すると、６つの脈流信号（＝スリット個数とブラシ本数の積）が生じる。このリプル成分Ｖａｃｒの周波数Ｆａｃｒは、低周波成分Ｖａｃｌの周波数Ｆａｃｌよりも遥かに高いものである。
【００２８】
図３（ａ）と図４（ａ）を比較すると、モータの回転数が低い高負荷状態では、第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃ、低周波成分Ｖａｃｌ及びリプル成分Ｖａｃｒのレベルは、いずれも定常負荷状態よりも大きい。また、低周波成分Ｖａｃｌ及びリプル成分Ｖａｃｒの振幅は、直流成分Ｖ１ｄｃが大きいほど大きくなる。
【００２９】
負荷状態が変化して第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが変化すると、可変利得増幅部３０の差動増幅器３２から出力される制御信号Ｖ２ｄが変化し、調整部４０によって利得Ｇが変化する。
具体的には、定常負荷状態から高負荷状態に変化すると、すなわち第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが大きくなると、制御信号Ｖ２ｄの変化に伴って、調整部４０の利得Ｇが低下する。
一方、高負荷状態から定常負荷状態に変化すると、すなわち第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが小さくなると、制御信号Ｖ２ｄの変化に伴って、調整部４０の利得Ｇが増大する。
これにより、可変利得増幅部３０から出力される第２電圧信号Ｖ２の直流成分Ｖ２ｄｃは、負荷状態に関わらず略一定になるように制御される。それに加え、直流成分の大きさに概ね比例するリプル成分Ｖａｃｒの振幅も、負荷状態に関わらず略一定になるように制御される。
なお、本例では図３（ｂ）と図４（ｂ）に示すように、負荷状態に関わらず定常負荷状態のレベルに近づくように制御される。
【００３０】
第２電圧信号Ｖ２が入力される可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃは、負荷状態が変化してモータの回転数が変化すると変化する。
具体的には、カットオフ周波数Ｆｃは、負荷が減少しモータの回転数が増大して第１電圧信号Ｖ１の直流成分が小さくなると、制御信号Ｖ２ｄによる電流が小さくなり、その結果、第２ＣｄＳ光センサの抵抗値（可変抵抗５２の抵抗値）が小さくなり、カットオフ周波数Ｆｃが高くなるように制御される。また、カットオフ周波数Ｆｃは、負荷が増大しモータの回転数が減少して第１電圧信号Ｖ１の直流成分が大きくなると、制御信号Ｖ２ｄによる電流が大きくなり、その結果、第２ＣｄＳ光センサの抵抗値（可変抵抗５２の抵抗値）が大きくなり、カットオフ周波数Ｆｃが低くなるように制御される。
【００３１】
本例では、既知の直流モータ１０の特性（定常負荷状態や高負荷状態等における、低周波成分Ｖａｃｌとリプル成分Ｖａｃｒの関係や、モータの回転周波数Ｆｍとリプル成分Ｖａｃｒの周波数との関係等）に基づいて可変ハイパスフィルタ部５０の設計を行うことにより、リプル成分を減衰させない範囲で、可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃを制御している。
これにより、可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃは、図５に示すように、負荷状態が変化してモータの回転数が変化しても、電圧信号の低周波成分の周波数Ｆａｃｌより大きく、リプル成分の周波数Ｆａｃｒより小さくなるように設定される。
【００３２】
よって、図３（ｃ）と図４（ｃ）に示すように、可変ハイパスフィルタ部５０から出力される第３電圧信号Ｖ３では、負荷状態に関わらず直流成分と低周波成分が除去されている。このため、第３電圧信号Ｖ３の複数のリプル成分はほぼ同じレベルに揃えられている。
【００３３】
信号整形部６０に入力される第３電圧信号Ｖ３は、上記のように負荷状態に関わらず複数のリプル成分はほぼ同じレベルに揃えられているため、図３（ｄ）と図４（ｄ）に示すように、信号整形部６０によってリプル成分をより正確に抽出することができる。
このため、コンピュータ７０によってモータの回転数をより正確に算出することができ、モータドライバ８０によって予め設定されたモータの回転数との差分をなくすようにより正確にモータの回転数を制御することができる。
【００３４】
このように、本例のリプル抽出装置１では、可変利得増幅部３０は、電流電圧変換部２０から出力された第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが大きいほど、より低い利得で第１電圧信号を増幅する。このため、直流成分の大きさに概ね比例するリプル成分Ｖａｃｒの振幅を、負荷状態に関わらず略一定になるように第２電圧信号Ｖ２を制御することができる。
また、本例のリプル抽出装置１では、可変利得増幅部３０から出力された第２電圧信号Ｖ２を濾波する可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数は、電流電圧変換部２０から出力された第１電圧信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃが小さいほど、より高い周波数に制御される。すなわち、可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数は、モータの回転数が高いほど、より高い周波数に制御される。このため、直流モータの回転周波数Ｆｍに依存する低周波成分Ｖａｃｌを効率良く濾波することができ、可変ハイパスフィルタ部５０から出力される第３電圧信号Ｖ３の複数のリプル成分を、負荷状態に関わらずほぼ同じレベルに揃えることができる。
よって、本例のリプル抽出装置１によれば、信号整形部６０によってリプル成分をより正確に抽出することができる。
【００３５】
また、本例のリプル抽出装置１では、可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃは、リプル成分を減衰させない範囲で、すなわちリプル成分の周波数よりも低い周波数の範囲内で制御されている。このため、抽出すべきリプル成分の減衰を招くことがなく、信号整形部６０によってリプル成分をより一層正確に抽出することができる。
【００３６】
また、本例のリプル抽出装置１では、可変利得増幅部３０の利得と可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃを、第１電圧信号Ｖ１に基づいて生成された同一の制御信号Ｖ２ｄによって制御しているため、より簡易な回路構成でリプル抽出装置を実現することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて任意に変更できることは言うまでもない。
例えば、可変利得増幅部３０や可変ハイパスフィルタ部５０について、同様の制御を行えるものであれば具体的な回路構成は限定されない。
また、例えば可変利得増幅部３０における基準電圧値Ｖｓは、定常負荷状態に限らず高負荷状態や無負荷状態における第１電圧信号の直流成分等を基準にすることも可能である。
また、第１電圧信号Ｖ１の低周波成分Ｖａｃｌがリプル成分Ｖａｃｒに比べて非常に小さいモータであれば、可変ハイパスフィルタ部５０のカットオフ周波数Ｆｃは、第１電圧信号の直流成分が小さいほど、より高く制御されるならば、必ずしも低周波成分Ｖａｃｌの周波数Ｆａｃｌよりも高く設定しなくてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１        直流モータのリプル抽出装置
１０      直流モータ
１１      ケース
１２      永久磁石
１３      ロータ
１６      コンミテータ
１７      ブラシ
２０      電流電圧変換部
２１      固定抵抗
３０      可変利得増幅部
３１      差動増幅部
３２      差動増幅器
３３      ローパスフィルタ
３４      基準電源
４０      調整部
４１      固定抵抗
４２      可変抵抗
５０      可変ハイパスフィルタ部
５１      コンデンサ
５２      可変抵抗
６０      信号整形部
７０      コンピュータ
８０      モータドライバ
Ｖ１      第１電圧信号
Ｖ２      第２電圧信号
Ｖ３      第３電圧信号
Ｖ４      パルス信号
【図１】
2016226128.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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