JPH09222433A - 直流ブラシ付きモータの回転数検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、低回転から高回転までの広い範囲に
渡って、モータ回転数を正確に検出できる直流ブラシ付
きモータの回転数検出装置を提供することを目的とす
る。 【構成】直流ブラシ付きモータに流れる電流を電圧検出
する電流検出手段と、前記電流検出手段から出力される
電圧波形のノイズ成分を除去するノイズ除去手段と、前
記ノイズを除去された電圧波形を増幅する増幅手段と、
前記増幅された電圧波形の交流成分を除去して比較電圧
波形を生成する比較電圧波形生成手段と、前記電圧波形
と前記比較電圧波形とを比較してパルス波形を生成する
比較手段と、前記パルス波形の単位時間当たりのパルス
数をカウントし、前記直流ブラシ付きモータの回転数を
算出する回転数算出手段と、前記パルス波形の周波数に
応じて前記比較電圧波形生成手段の回路定数を切り換え
る回路定数切替手段とを備える

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は、直流ブラシ付きモー
タの回転数検出装置に関し、詳しくは直流ブラシ付きモ
ータの電流波形からパルスを生成し回転数を検出する直
流ブラシ付きモータの回転数検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来、エンコーダやタコジェネレータ
等を用いずに直流ブラシ付きモータの回転数を検出する
装置として、前記直流ブラシ付きモータに流れる電流の
波形から前記直流ブラシ付きモータの回転数を検出する
装置が知られている。前記電流は、ロータの回転に伴う
ブラシと整流子片との接触面積の変化による交流成分を
含んでおり、その波形は前記ロータの回転数に比例した
周波数の振動波形となる。そして、前記電流を抵抗器あ
るいはホール素子などを用いて検出すると、その出力は
前記電流波形に相当する電圧波形となる。

【０００３】以下、前記電圧波形によるモータ回転数の
検出を原理的に説明する。モータの回転数の検出は、図
４上段に実線Ａで示す、フィルタによりノイズ成分を除
去した電圧波形と、該電圧波形の電圧値の極大値と極小
値との間の値をとる比較電圧（図４上段に実線Ｂで示
す。）とからパルスを生成し、該パルスをカウントする
ことにより行う。すなわち、前記電圧波形と前記比較電
圧を比較器に入力し、前記電圧波形の電圧値が前記比較
電圧の電圧値よりも大きいときは、前記比較器が例えば
５Ｖの電圧を出力し、前記電圧波形の電圧値が前記比較
電圧の電圧値よりも小さいときは、前記比較器が例えば
０Ｖの電圧を出力するように構成する。このような構成
とすることで、図４下段に実線Ｃで示すように、前記比
較器は前記電圧波形すなわち前記電流波形の１周期につ
き１つのパルスを出力（以下、１周期１パルス変換とい
う。）することとなる。なお、図４において、縦軸、横
軸はそれぞれ電圧値、時間である。そして、１秒間当た
りのパルス数をＰ，整流子片の数をＳとすると、モータ
の回転数Ｒ（ｒｐｍ）は次式により求められる。

【０００４】

【数１】

【０００５】なお、前記比較電圧は、前記電圧波形を、
ローパスフィルタまたは積分回路等の比較電圧波形生成
手段を通して、交流成分を除去することにより生成され
る。しかし、実際には前記交流成分を完全に除去するこ
とは困難なため、前記比較電圧の波形（以下、比較電圧
波形という。）は若干の交流成分を含んでいる。そし
て、正確な１周期１パルス変換を行うには、前記比較電
圧波形は、前記電圧波形に比べて交流成分が充分少な
い、すなわち平滑な波形であることが望まれる。

【０００６】図７は、上述した従来技術に基づく直流ブ
ラシ付きモータの回転数検出装置の一例を示すブロック
図である。図において、１１は直流ブラシ付きモータ、
１２は直流電源、Ｒは電圧検出を行うための抵抗器であ
り、符号２’で示すものは電圧波形のノイズ成分を除去
するためのフィルタであり、符号３’で示すものは電圧
波形の交流成分を増幅する増幅回路であり、符号４’で
示すものは比較電圧波形を生成するローパスフィルタで
あり、符号５’で示すものは比較器であり、符号６’で
示すものは比較器５’により生成されたパルス波形の単
位時間当たりのパルス数をカウントするカウンタであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】 前記ローパスフィル
タにより前記比較電圧波形を生成する際、前記ローパス
フィルタのカットオフ周波数を、前記電圧波形の周波数
よりも低く設定するほど比較電圧波形は平滑となる。し
かし、前記カットオフ周波数を極端に低く設定すると、
前記電圧波形に対する前記比較電圧波形の位相遅れが大
きくなるので、例えば図５に示すように、負荷変動など
による急激な電圧波形Ａの直流成分の変動に比較電圧Ｂ
が追従できなくなり、正確な１周期１パルス変換ができ
なくなる。なお、図５において実線Ｃで示すものは、比
較器により生成されたパルス波形である。

【０００８】一方、前記カットオフ周波数と前記電圧波
形の周波数とが接近した場合、ローパスフィルタがほと
んど効かなくなるので、平滑な比較電圧波形が生成でき
なくなり、正確な１周期１パルス変換が困難になる。さ
らに、前記カットオフ周波数が前記電圧波形の周波数よ
りも高く設定されると、ローパスフィルタが全く効かな
くなるので、１周期１パルス変換ができなくなる。つま
り、図７に示す直流ブラシ付きモータの回転数検出回路
は、ローパスフィルタ１０３のカットオフ周波数の設定
値により、正確な１周期１パルス変換が行われる周波数
帯域が限られている。すなわち、正確に検出できるモー
タ回転数の範囲が限られてしまうという問題があった。
同様に、前記比較電圧波形生成手段として積分回路を用
いた場合にも、前記積分回路の時定数の設定値により、
正確な１周期１パルス変換が行われる周波数帯域が限ら
れてしまい、正確に検出できるモータ回転数の範囲が限
られてしまうという問題があった。

【０００９】そこで、本発明は、低回転から高回転まで
の広い範囲に渡って、モータ回転数を正確に検出できる
直流ブラシ付きモータの回転数検出装置を提供すること
を目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 上述事情に鑑み、本発
明による直流ブラシ付きモータの回転数検出装置は、直
流ブラシ付きモータに流れる電流を電圧検出する電流検
出手段と、前記電流検出手段から出力される電圧波形の
ノイズ成分を除去するノイズ除去手段と、前記ノイズを
除去された電圧波形を増幅する増幅手段と、前記増幅さ
れた電圧波形の交流成分を除去して比較電圧波形を生成
する比較電圧波形生成手段と、前記電圧波形と前記比較
電圧波形とを比較してパルス波形を生成する比較手段
と、前記パルス波形の単位時間当たりのパルス数をカウ
ントし、前記直流ブラシ付きモータの回転数を算出する
回転数算出手段と、前記パルス波形の周波数に応じて前
記比較電圧波形生成手段の回路定数を切り換える回路定
数切替手段とを備えることを特徴とする。

【００１１】なお、本明細書において、回路定数とは、
ローパスフィルタのカットオフ周波数および積分回路の
時定数を総称したものであり、カットオフ周波数が低い
あるいは時定数が大きいことを回路定数が大きいとい
い、カットオフ周波数が高いあるいは時定数が小さいこ
とを回路定数が小さいということとする。

【００１２】

【作用】 本発明においては、直流ブラシ付きモータの
回転数の変動に対応して変動する電圧波形から比較電圧
波形を生成するに際し、比較電圧波形生成手段の回路定
数を、前記電圧波形に対応するパルス波形の周波数に応
じて自動的に切り換える。すなわち、モータの回転数の
変動により、前記電圧波形の周波数が変化しても、前記
比較電圧波形生成手段の回路定数を、前記周波数に適し
た値に切り換えるので、前記比較電圧波形生成手段で確
実に比較電圧波形を生成させるとともに、極力位相遅れ
を小さく抑えて前記電圧波形の変動に対する前記比較電
圧波形の追従性を向上させ、確実に１周期１パルス変換
を行わせる。

【００１３】

【実施例】 以下、本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明による直流ブラシ付きモータ（以下、単
にモータという。）の回転数検出装置を示すブロック図
である。電流検出手段１は、モータに流れる電流を検出
し、該電流の波形に相当する電圧波形を出力する。前記
電流検出手段１から出力された電圧波形は、ノイズ除去
手段２により重畳するノイズ成分を除去された後、増幅
手段３により増幅され、比較電圧波形生成手段４および
比較手段５にそれそれ入力される。前記比較手段５に
は、前記増幅手段３からの電圧波形と、前記比較電圧生
成手段４で生成された比較電圧波形とが入力され、前記
電圧波形と前記比較電圧波形との比較に基づき、パルス
波形を出力する。そして、前記比較手段５から出力され
たパルス波形は、回転数検出手段６および回路定数切替
手段７に入力される。前記回転数算出手段６は、単位時
間当たりのパルス波形のパルス数をカウントすることに
より前記モータの回転数を算出する。一方、前記回路定
数切替手段７は、前記パルス波形の周波数すなわちモー
タの回転数に応じて、前記比較電圧波形生成手段４の回
路定数を適切な値に切り換える。

【００１４】図２は、本発明によるモータの回転数検出
装置の第１の実施例を示す回路図である。本実施例にお
いては、比較電圧波形生成手段としてローパスフイルタ
を用いている。図２において、符号１１，１２で示すも
のはそれそれモータ，直流電源である。符号１０１は電
流センサであり、前記モータ１１と前記直流電源１２と
をつなぐ導線の周りに発生する磁界から該導線に流れる
電流を検出するものであり、該電流の大小を電圧の高低
として出力する。すなわち、前記電流センサ１０１から
出力される電圧波形は、前記モータ１１の電流波形に相
当する。前記電圧波形には前記モータ１１のブラシと整
流子との摺動によるノイズ成分が重畳しているので、該
ノイズ成分をバンドパスフィルタ１０２により除去した
後、増幅回路１０３により増幅する。

【００１５】前記増幅回路１０３により増幅された電圧
波形はそれぞれローパスフィルタ１０４および比較器１
０５に入力される。前記ローパスフィルタ１０４は、互
いに並列接続される複数の抵抗器Ｒ１〜Ｒ５，コンデン
サＣおよびオペアンプ４０１で構成されている。前記複
数の抵抗器のうち抵抗器Ｒ１は常に前記コンデンサＣ，
オペアンプ４０１とともにローパスフィルタを構成して
おり、抵抗器Ｒ２〜Ｒ５は、後に詳述する回路定数切替
回路１０７によって、前記抵抗器Ｒ１に対して順次接断
される。すなわち、ローパスフィルタ１０４は、回路定
数切替回路１０７が抵抗器Ｒ１に並列接続される抵抗器
の数を増減させることにより抵抗器の合成抵抗値が変化
し、カットオフ周波数が切り換えられることになる。

【００１６】ローパスフイルタ１０４に入力された前記
電圧波形は、その交流成分を除去あるいは減衰されて比
較電圧波形となる。該比較電圧波形は比較器１０５に入
力され、前記電圧波形からパルス波形を生成する際の比
較基準となる。前記比較器１０５においては、入力され
た前記電圧波形と前記比較電圧波形とを比較し、例え
ば、前記電圧波形の電圧値が前記比較電圧波形の電圧値
よりも大きいときは５Ｖの電圧を出力し、前記電圧波形
の電圧値が前記比較電圧波形の電圧値よりも小さいとき
は０Ｖの電圧を出力することによって前記電圧波形に相
当するパルス波形を出力する。

【００１７】なお、前記電圧波形に、前記バンドパスフ
ィルタ１０２で除去しきれないノイズ成分が重畳してい
た場合、図６に実線Ｃ’で示すように、誤ったパルス波
形が出力される恐れがある。このような場合には、前記
比較器１０５にヒステリシスを持たせることにより、実
線Ｃで示す正しいパルス波形を得ることができる。

【００１８】前記比較器１０５から出力されたパルス波
形は、それぞれカウンタ１０６および回路定数切替回路
１０７に入力される。前記カウンタ１０６は、入力され
たパルス波形のパルス数をカウントし、単位時間当たり
のパルス数とあらかじめ入力されているモータ１１の整
流子片の数とからモータ１１の回転数を算出する。な
お、モータの回転数Ｒ（ｒｐｍ）は、１秒間当たりのパ
ルス数をＰ，整流子片の数をＳとすると次式より求めら
れる。

【００１９】

【数２】

【００２０】一方、回路定数切替回路１０７では、入力
された前記パルス波形を周波数−電圧変換器７０１によ
り前記パルス波形の周波数に応じた電圧に変換し、該電
圧をそれぞれ４つの比較器７０２，７０３，７０４，７
０５に入力する。また、該比較器７０２，７０３，７０
４，７０５はそれそれ異なる基準電圧を持っており、入
力された電圧が該基準電圧よりも低い場合は０Ｖの電圧
を出力し、入力された電圧が該基準電圧よりも高い場合
は５Ｖの電圧を出力する。本実施例においては比較器７
０２，７０３，７０４，７０５の基準電圧をそれそれ基
準電圧１，基準電圧２，基準電圧３，基準電圧４とし、
基準電圧１，基準電圧２，基準電圧３，基準電圧４の順
でその電圧値が大きくなっている。

【００２１】また、回路定数切替回路１０７は、半導体
スイッチ７０６を備えている。該半導体スイッチ７０６
は４つのスイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４
を備えており、それそれのスイッチ回路は前記比較器７
０２，７０３，７０４，７０５からの信号によりＯＮ／
ＯＦＦ制御される。前記スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２，
ＳＷ３，ＳＷ４の一方の端子は前記ローパスフィルタ１
０４の抵抗器Ｒ１に接続されており、他方の端子はそれ
ぞれ抵抗器Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５に接続されている。

【００２２】次に、回路定数切替回路１０７の動作につ
いて説明する。周波数−電圧変換器７０１は、入力され
るパルス波形の周波数に応じた電圧を出力する。すなわ
ち、前記パルス波形の周波数が低いときは出力される電
圧値も低く、前記パルス波形の周波数が高くなるに従っ
て出力される電圧値も高くなる。そして、周波数−電圧
変換器７０１から出力される電圧はそれぞれ比較器７０
２，７０３，７０４，７０５に入力されて、それそれ基
準電圧１，基準電圧２，基準電圧３，基準電圧４と比較
される。例えば、前記パルス波形の周波数が低く、出力
される電圧値が基準電圧１よりも低い場合は、前記比較
器７０２，７０３，７０４，７０５は０Ｖの電圧を出力
し、半導体スイッチ７０６のスイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ
２，ＳＷ３，ＳＷ４は全て開状態となる。よって、前記
ローパスフィルタの抵抗器はＲ１のみが接続された状態
となるので、抵抗器の合成抵抗値は最も大きくなり、ロ
ーパスフィルタ１０４のカットオフ周波数は最も低い値
に設定される。

【００２３】次に、前記パルス波形の周波数が上昇し、
周波数−電圧変換器７０１から出力される電圧値が基準
電圧１よりも高く、基準電圧２よりも低い状態になった
場合には、比較器７０２のみ５Ｖの電圧を出力し、他の
比較器は０Ｖの電圧を出力する。よって、スイッチ回路
ＳＷ１のみ閉状態となり、抵抗器Ｒ１に抵抗器Ｒ２が並
列に接続される。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とが互いに並
列に接続されることにより、抵抗器の合成抵抗値が小さ
くなり、ローパスフィルタ１０４のカットオフ周波数が
１段高い値に設定される。

【００２４】また、前記パルス波形の周波数が更に上昇
し、周波数−電圧変換器７０１から出力される電圧値が
基準電圧２よりも高く、基準電圧３よりも低い状態にな
った場合には、比較器７０２，７０３が５Ｖの電圧を出
力し、他の比較器は０Ｖの電圧を出力するので、スイッ
チ回路ＳＷ１とＳＷ２が閉状態となり、抵抗器Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３が互いに並列に接続され、抵抗器の合成抵抗値
が更に小さくなり、ローパスフィルタ１０４のカットオ
フ周波数が更に１段高い値に設定される。

【００２５】同様に、前記パルス波形の周波数が更に上
昇し、周波数−電圧変換器７０１から出力される電圧値
が順次基準電圧３，基準電圧４よりも高くなっていく
と、比較器７０４，７０５が順次５Ｖの電圧を出力して
スイッチ回路ＳＷ３，ＳＷ４が順次閉状態となる。よっ
て、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に抵抗器Ｒ４，Ｒ５が順次
並列に接続されるので、抵抗器の合成抵抗値が順次小さ
くなり、ローパスフィルタ１０４のカットオフ周波数が
順次高い値に設定される。逆に、前記パルス波形の周波
数が低下し、周波数−電圧変換器７０１から出力される
電圧値が順次低くなっていく場合には、上述した場合と
は逆に、抵抗器Ｒ１に対して抵抗器Ｒ５，Ｒ４，Ｒ３，
Ｒ２の接続が順次断たれていき、ローパスフィルタ１０
４のカットオフ周波数が順次低い値に設定される。

【００２６】図３は、比較電圧波形生成手段として積分
回路を用いた本発明の第２の実施例を示す回路図であ
る。なお、図３において、図２と同符号のものは図２と
同一のものを示している。積分回路１１４は、互いに並
列接続される複数の抵抗器Ｒ１〜Ｒ５およびコンデンサ
Ｃで構成されている。前記複数の抵抗器のうち抵抗器Ｒ
１は常に前記コンデンサＣとともに積分回路を構成して
おり、抵抗器Ｒ２〜Ｒ５は、回路定数切替回路１０７に
よって、前記抵抗器Ｒ１に対して順次接断される。すな
わち、前述した第１の実施例と同様に、積分回路１１４
は、回路定数切替回路１０７が抵抗器Ｒ１に並列接続さ
れる抵抗器の数を増減させることにより抵抗器の合成抵
抗値が変化し、時定数が切り換えられることになる。

【００２７】つまり、積分回路１１４は、回路定数切替
回路１０７に入力されるパルス波形の周波数が低いとき
は、抵抗器の合成抵抗値が大きく、時定数が大きな値に
設定され、前記パルス波形の周波数が高くなるに従っ
て、抵抗器の合成抵抗値が小さくなり、時定数が順次小
さな値に設定される。なお、第２の実施例における回路
定数切替回路１０７の構成および動作は、第１の実施例
の場合と全く同じであるので、冗長を避けるため詳しい
説明は省く。

【００２８】なお、上述した第１の実施例および第２の
実施例の回路定数切替回路１０７においては、４つの比
較器を用いて、回路定数を５段階に切り換える構成とし
ているが、比較器の数とそれに応じた基準電圧、スイッ
チ回路および抵抗器の数を増やすことによって、より幅
広い範囲のパルス波形の周波数に対応させたり、よりき
め細かな回路定数の切り換えを行うことができる。ま
た、上述した第１の実施例および第２の実施例において
は、電流検出手段として電流センサを用いているが、こ
れに換えて、図７に示すような抵抗器Ｒを用いた電流検
出を行ってもよい。また、本発明は上述した実施例に限
定されるものではなく、種々の変形が可能であり、それ
らを本発明の範囲から排除するものではない。

【００２９】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明による直
流ブラシ付きモータの回転数検出装置においては、モー
タの回転数が低く比較手段から出力されるパルス波形の
周波数が低い場合には、回路定数切替手段により比較電
圧波形生成手段の回路定数を大きく設定し、モータの回
転数が高く比較手段から出力されるパルス波形の周波数
が高い場合には、回路定数切替手段により比較電圧波形
生成手段の回路定数を小さく設定するので、常に最適な
比較電圧波形を生成することができ、低回転域から高回
転域までの広い範囲に渡って正確な１周期１パルス変換
が行える、すなわち、モータの回転数を正確に検出する
ことができる。更に、比較手段をヒステリシス付きの比
較器とすることによって、ノイズ除去手段で除去しきれ
ないノイズ成分による誤ったパルス波形の生成を防止す
ることができ、より一層正確にモータの回転数を検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による直流ブラシ付きモータの回転数
検出装置のブロック図である。

【図２】 本発明による直流ブラシ付きモータの回転数
検出装置の第１の実施例を示す回路図である。

【図３】 本発明による直流ブラシ付きモータの回転数
検出装置の第２の実施例を示す回路図である。

【図４】 電圧波形、比較電圧波形、パルス波形のタイ
ムチャートである。

【図５】 電圧波形、比較電圧波形、パルス波形のタイ
ムチャートである。

【図６】 電圧波形、比較電圧波形、パルス波形のタイ
ムチャートである。

【図７】 従来技術による直流ブラシ付きモータの回転
数検出装置のブロック図である。

【符号の説明】

１ 電流検出手段 ２ ノイズ除去手段 ３ 増幅手段 ４ 比較電圧生成手段 ５ 比較手段 ６ 回転数算出手段 ７ 回路定数切替手段 １１ 直流ブラシ付きモータ １２ 直流電源 １０１ 電流センサ １０２ バンドパスフイルタ １０３ 増幅回路 １０４ ローパスフィルタ １０５ 比較器 １０６ カウンタ １０７ 回路定数切替回路 １１４ 積分回路 ４０１ オペアンプ ７０１ 周波数−電圧変換器 ７０２，７０３，７０４，７０５ 比較器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流ブラシ付きモータに流れる電流を電圧
   検出する電流検出手段と、 前記電流検出手段から出力される電圧波形のノイズ成分
   を除去するノイズ除去手段と、 前記ノイズを除去された電圧波形を増幅する増幅手段
   と、 前記増幅された電圧波形の交流成分を除去して比較電圧
   波形を生成する比較電圧波形生成手段と、 前記電圧波形と前記比較電圧波形とを比較してパルス波
   形を生成する比較手段と、 前記パルス波形の単位時間当たりのパルス数をカウント
   し、前記直流ブラシ付きモータの回転数を算出する回転
   数算出手段と、 前記パルス波形の周波数に応じて前記比較電圧波形生成
   手段の回路定数を切り換える回路定数切替手段と、 を備えることを特徴とする直流ブラシ付きモータの回転
   数検出装置。
2. 【請求項２】前記比較手段は、ヒステリシス付きの比較
   器であることを特徴とする請求項１に記載の直流ブラシ
   付きモータの回転数検出装置。
3. 【請求項３】前記比較電圧波形生成手段は、抵抗器と、
   コンデンサと、オペアンプとからなるローパスフィルタ
   である請求項１に記載の直流ブラシ付きモータの回転数
   検出装置。
4. 【請求項４】前記比較電圧波形生成手段は、抵抗器と、
   コンデンサとからなる積分回路である請求項１に記載の
   直流ブラシ付きモータの回転数検出装置。
5. 【請求項５】前記回路定数切替手段は、 前記比較手段から出力されるパルス波形の周波数を電圧
   に変換する周波数−電圧変換器と、 それそれ異なる基準電圧を入力され、該基準電圧と前記
   周波数−電圧変換器の出力電圧とを比較する少なくとも
   ２個の比較器と、 前記それぞれの比較器に対応し、該比較器からの出力に
   よりＯＮ／ＯＦＦ制御される複数の半導体スイッチと、 該それぞれの半導体スイッチに対応して接続され、該半
   導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦにより互いに並列に接断さ
   れ、前記比較電圧波形生成手段の一部を構成する複数の
   抵抗器と、 からなることを特徴とする請求項１に記載の直流ブラシ
   付きモータの回転数検出装置。