JP7572002B2 - 回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置、に関する。

従来より、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、前記電動機の端子間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角度を算出する回転角度算出部と、前記電動機を流れる電流に含まれるリップル成分に基づいて第１信号を生成する第１信号生成部と、前記第１信号と前記回転角度とに基づいて前記電動機が所定角度だけ回転したことを表す第２信号として疑似リップル信号を生成する第２信号生成部と、前記第２信号生成部の出力に基づいて前記電動機の回転に関する情報を算出する回転情報算出部と、を含む装置がある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１８－１２３４５３号

ところで、従来の装置では、電動機への電源供給を停止した後の惰性回転を行う期間においては、電流の減衰に伴ってリップル成分を検出できなくなるため、角度誤差が大きくなる傾向がある。

そこで、電動機が惰性回転を行っているときに高精度に電動機の回転角度を求めることができる回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置、を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の電動機に流れる電流を測定する電流測定処理と、前記電流測定処理によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の回転角度を求める回転角度検出処理とを含む回転角度検出方法であって、前記回転角度検出処理では、前記電動機が惰性回転を行っているときに前記電流測定処理によって測定される逆方向電流の電流値の極性が反転して絶対値がピーク値を取った時点の所定時間経過後から、前記電流測定処理によって測定される電流値がゼロになるまでに前記電流測定処理によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の電流の減衰の時定数を求め、当該求めた時定数に基づいて前記惰性回転における前記回転角度を求める。

電動機が惰性回転を行っているときに高精度に電動機の回転角度を求めることができる回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置、を提供することができる。

実施形態の回転角度検出装置１００を示す図である。 ＤＣモータ１０と駆動回路２０の接続状態を示す図である。 ＤＣモータ１０をオフにする前後の電流ｉと角速度ωの時間変化を示す図である。 ＤＣモータ１０が惰性回転を行う期間におけるＤＣモータ１０の角速度ωと電流ｉを示す図である。 回転角度検出部１３３Ｂが回転角度を検出する処理を表すフローチャートを示す図である。

以下、本発明の回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置を適用した実施形態について説明する。

＜実施形態＞
図１は、実施形態の回転角度検出装置１００を示す図である。回転角度検出装置１００が回転角度を検出する電動機は、車両のパワーウィンドウを駆動する電動機に限られないが、ここでは、一例として、実施形態の回転角度検出装置１００をパワーウィンドウの電動機の回転角度検出装置として用いる形態について説明する。

図１には、回転角度検出装置１００の他に、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータ１０、抵抗器１５、駆動回路２０、直流電源３０、パワーウィンドウ５０、及び駆動機構５１を示す。

ＤＣモータ１０は、端子１１、１２を有し、端子１１、１２に接続される駆動回路２０によって駆動される。抵抗器１５は、ＤＣモータ１０の端子１２に接続されており、ＤＣモータ１０の電流を検出するために用いられる。駆動回路２０は、直流電源３０から供給される直流電力でＤＣモータ１０を駆動する。駆動回路２０は、図示しない駆動制御部によって制御されることによってＤＣモータ１０を駆動するが、ここでは駆動制御部を省略する。

パワーウィンドウ５０は、車両のパワーウィンドウであり、ＤＣモータ１０のロータ（回転子）から駆動機構５１を介して伝達される駆動力によって開閉される。駆動機構５１は、車両のドアパネルの内部等に設けられ、ＤＣモータ１０のロータの回転力をパワーウィンドウ５０の上下方向の駆動力に変換するレギュレータ等の機械的な機構である。

回転角度検出装置１００は、フィルタ回路１１０、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップ１２０、及び、マイクロコンピュータ１３０を含む。

フィルタ回路１１０は、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１１１、１１２を有する。ＬＰＦ１１１にはＤＣモータ１０の端子１１、１２の間の電圧が入力され、電圧に含まれる周波数の高いノイズ等を除去してマイクロコンピュータ１３０に出力する。ＬＰＦ１１２には抵抗器１５の両端間の電圧がＤＣモータ１０の電流を表す電圧として入力され、電圧に含まれる周波数の高いノイズ等を除去してマイクロコンピュータ１３０に出力する。

ＩＣチップ１２０は、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１２１とリップル検出部１２２を有する。ＢＰＦ１２１には抵抗器１５の両端間の電圧がＤＣモータ１０の電流を表す電圧として入力され、電圧に含まれる周波数の高いノイズと周波数の低いノイズ等を除去してリップル検出部１２２に出力する。リップル検出部１２２は、ＢＰＦ１２１から入力される電流を表すデータに含まれるリップルを検出し、パルスに変換してマイクロコンピュータ１３０に出力する。

マイクロコンピュータ１３０は、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ１３１、１３２、及び処理部１３３を有する。マイクロコンピュータ１３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、入出力インターフェース、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。Ａ／Ｄコンバータ１３１、１３２と処理部１３３は、マイクロコンピュータ１３０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。

Ａ／Ｄコンバータ１３１は、ＬＰＦ１１１の出力をデジタル信号に変換して処理部１３３に出力する。ＬＰＦ１１１の出力は、ＤＣモータ１０の電圧を表すため、Ａ／Ｄコンバータ１３１の出力は、ＤＣモータ１０の電圧値を表すデジタルデータである。

Ａ／Ｄコンバータ１３２は、ＬＰＦ１１２の出力をデジタル信号に変換して処理部１３３に出力する。ＬＰＦ１１２の出力は、ＤＣモータ１０の電流を表す信号であるため、Ａ／Ｄコンバータ１３２の出力は、ＤＣモータ１０の電流値を表すデジタルデータである。

処理部１３３は、電流測定部１３３Ａ、回転角度検出部１３３Ｂ、及びメモリ１３３Ｃを有する。電流測定部１３３Ａ、回転角度検出部１３３Ｂは、マイクロコンピュータ１３０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１３３Ｃは、マイクロコンピュータ１３０のメモリを機能ブロックとして表したものである。

電流測定部１３３Ａは、Ａ／Ｄコンバータ１３２の出力に基づき、ＤＣモータ１０に流れる電流を測定する電流測定処理を行う。電流測定部１３３Ａは、測定した電流値を表すデータを回転角度検出部１３３Ｂに出力する。

回転角度検出部１３３Ｂは、Ａ／Ｄコンバータ１３１の出力（電圧値）と、電流測定部１３３Ａの出力（電流値）と、リップル検出部１２２から入力されるパルスとに基づいて、ＤＣモータ１０の惰性回転の期間における回転角度を求める回転角度検出処理を行う。ＤＣモータ１０の惰性回転とは、駆動回路２０からＤＣモータ１０に電圧が印加されてＤＣモータ１０が駆動されている状態（ＤＣモータ１０がオンの状態）から、電圧の印加が遮断されて（ＤＣモータ１０がオフにされて）、ＤＣモータ１０のロータがイナーシャによって惰性で回転することをいう。ＤＣモータ１０が惰性回転を行うのは、図示しない駆動制御部が駆動回路２０を制御して、駆動回路２０からＤＣモータ１０に印加される電圧が遮断されたときである。

回転角度検出部１３３Ｂは、ＤＣモータ１０の惰性回転の期間におけるＤＣモータ１０のロータの回転角度を求める。ＤＣモータ１０のロータの回転角度は、ＤＣモータ１０の回転角度と同義である。なお、具体的な回転角度の求め方については、図２乃至図５を用いて後述する。

メモリ１３３Ｃは、電流測定部１３３Ａ及び回転角度検出部１３３Ｂが処理を実行する際に利用するプログラム及びデータ、Ａ／Ｄコンバータ１３１の出力（電圧値）、電流測定部１３３Ａの出力（電流値）、及び、リップル検出部１２２から入力されるパルスのデータ等を格納する。

次に、図２を用いて、ＤＣモータ１０と駆動回路２０の接続状態について説明する。図２は、ＤＣモータ１０と駆動回路２０の接続状態を示す図である。駆動回路２０は、２つのスイッチ２１、２２を有する。図２（Ａ）にはＤＣモータ１０をオンにする駆動回路２０の接続状態を示す。

ＤＣモータ１０をオンにするには、スイッチ２１、２２を切り替えてＤＣモータ１０を直流電源３０に接続すればよい。また、図２（Ｂ）にはＤＣモータ１０をオフにする駆動回路２０の接続状態を示す。ＤＣモータ１０をオフにするには、スイッチ２１、２２を切り替えてＤＣモータ１０を直流電源３０から切り離せばよい。一例として、ＤＣモータ１０をオフにする状態では、ＤＣモータ１０の両端子はともに直流電源３０の負端子に接続される。これは、ＤＣモータ１０がショート（短絡）された状態である。

次に、直流モータの理論によってＤＣモータ１０について成立する回路方程式について説明する。ＤＣモータ１０について直流モータの理論より、次の式（１）、（２）が成立する。ＬはＤＣモータ１０のインダクタンス、ＲはＤＣモータ１０の抵抗、ＪはＤＣモータ１０のロータのイナーシャ、ＫｅはＤＣモータ１０の逆起電力定数、ＫｔはＤＣモータ１０のトルク定数、ＫｖはＤＣモータ１０の粘性摩擦係数、ＦはＤＣモータ１０の負荷、ｕは駆動回路２０からＤＣモータ１０に印加される駆動電圧、ｉは図１の電流測定部１３３Ａで測定されるＤＣモータ１０に流れる電流である。電流ｉは、電流測定部１３３ＡがＡ／Ｄコンバータ１３２の出力を測定して得る電流値であり、時系列的に並べると電流波形を表す。

ＤＣモータ１０をオフにすると、図２（Ｂ）に示すようにＤＣモータ１０の端子１１、１２がショートされるため、ＤＣモータ１０の駆動電圧ｕ（ｔ）＝０になり、ＤＣモータ１０は惰性回転を開始する。また、インダクタンスＬのエネルギ放電の完了時に電流ｉの変化分（ｄｉ／ｄｔ）がゼロであるとすると、式（１）より電流ｉとＤＣモータ１０の角速度ωとの間に式（３）で表される比例的な関係が成立する。角速度ωはＤＣモータ１０の回転子（ロータ）の角速度である。

式（３）を式（２）に代入し、ＤＣモータ１０の端子１１、１２がショートされた状態における負荷Ｆをゼロと仮定して微分方程式を解くと、角速度は次式（４）で表すことができる。ここで、ω０はＤＣモータ１０が惰性回転を開始したときの角速度であり、τはＤＣモータ１０の角速度ωの減衰の時定数である。

また、ＤＣモータ１０の角速度ωの減衰の時定数τは、次式（５）で表すことができる。

式（５）から分かるように、時定数τは多くのパラメータの変動の影響を受ける。ところで、式（３）と式（４）から分かるように、ＤＣモータ１０の惰性回転の角速度ωは指数カーブで減衰し、電流ｉも同じ指数カーブで減衰することになる。すなわち、ＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数は、ＤＣモータ１０の角速度の減衰の時定数τと等しい。

図３は、ＤＣモータ１０をオフにする前後の電流ｉと角速度ωの時間変化を示す図である。図３（Ａ）には、ＤＣモータ１０をオフにする前後の電流ｉと角速度ωの時間変化をそのまま示す。ＤＣモータ１０をオフにするとＤＣモータ１０は惰性で回転し、角速度ωは指数カーブで減衰し、一定期間経過後に電流ｉも同じ指数カーブで減衰する。電流ｉが角速度ωに対して遅れるのは、逆起電力による電流として流れるからである。逆起電力による電流は、ＤＣモータ１０がオンのときに流れる電流とは逆方向に流れる逆方向電流である。

ここで、図３（Ａ）における電流ｉの波形を－Ｋ倍して角速度ωに重ねると、図３（Ｂ）に示すように、惰性回転の期間では電流ｉが角速度ωに重なる。ＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数は、ＤＣモータ１０の角速度の減衰の時定数τと等しいからである。このため、回転角度検出装置１００では、ＤＣモータ１０の角速度の減衰の時定数τの代わりにＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数τを利用して、電流ｉから角速度ωを求め、求めた角速度ωに基づいてＤＣモータ１０の惰性回転の期間における回転角度を検出する。すなわち、回転角度検出装置１００は、ＤＣモータ１０の惰性回転の期間における電流ｉに基づいて求まる電流ｉの減衰の時定数τをＤＣモータ１０の惰性回転の期間における角速度の減衰の時定数τとして推定して用いることで、ＤＣモータ１０の惰性回転の期間における回転角度を検出する。

次に、図４を用いてＤＣモータ１０の電流ｉに基づいて角速度ωを検出する方法について説明する。図４は、ＤＣモータ１０が惰性回転を行う期間におけるＤＣモータ１０の角速度ωと電流ｉを示す図である。図４には図３（Ｂ）における惰性回転の期間を拡大して示す。すなわち、図４に示す電流ｉは、図３（Ａ）における電流ｉの波形を－Ｋ倍した波形で表されている。

以下では、図４に示すように角速度ωの波形と重ねるために－Ｋ倍した電流ｉの波形を用いて電流積分値等を計算する方法について説明するが、実際の計算では電流ｉを－Ｋ倍しなくてよい。このため、計算方法を説明するにあたっては、電流ｉをそのまま用いて説明する。

図４において、時点ｔ０は、ＤＣモータ１０をオフ（電源をオフ）にした時点であり、ＤＣモータ１０が惰性回転を始める時点である。時点ｔ０における角速度ω０は、電源オフ直前のＤＣモータ１０の角速度である。角速度ω０は、リップル検出部１２２から入力されるパルスに基づいて算出可能である。なお、ＤＣモータ１０の電源がオフにされると、駆動回路２０は図２（Ｂ）の接続状態になる。

ここでは、ＤＣモータ１０が惰性回転を始める時点ｔ０から、ＤＣモータ１０の電流ｉがゼロになる時点ｔｅｎｄまでの期間を用いて説明する。電流ｉがゼロになるときは、ＤＣモータ１０の回転が止まるときであると考えられるため、時点ｔｅｎｄにおけるＤＣモータ１０の角速度ωｅｎｄはゼロになると考えられる。

時点ｔ１は、電流ｉの極性が反転する時点である。時点ｔ１は、図４に示す－Ｋ倍した電流－Ｋｉの値が負から正に反転する（極性が反転する）時点であり、実際の電流ｉの値が正から負に反転する（極性が反転する）時点である。このため、時点ｔ１における電流値ｉ１はゼロである。

ＤＣモータ１０をオフにすると、逆起電力によってＤＣモータ１０がオンのときとは逆方向の電流が流れる。時点ｔ１は、逆起電力による逆方向の電流によって電流ｉの極性が反転する時点である。また、時点ｔ１における角速度ω１は、角速度ω０と等しいものとして取り扱う。ＤＣモータ１０がオフにされてから、逆起電力によって電流ｉの極性が反転する時点ｔ１までは、ＤＣモータ１０のロータに逆起電力によって発生する逆方向の電流ｉに起因したブレーキが殆どかからないからである。

時点ｔ２は、電流－Ｋｉが最大値を取る（電流ｉがピーク値を取る）時点である。すなわち、時点ｔ２は、実際の電流ｉの絶対値がピーク値を取る時点である。さらに換言すれば、時点ｔ２は、実際の電流ｉが最小値を取る時点である。時点ｔ２における電流値ｉ２は、実際の電流ｉの最小値であり、絶対値のピーク値である。電流ｉは変動があるため、電流測定部１３３Ａによって測定される電流ｉが所定範囲に入ったときに、回転角度検出部１３３Ｂは電流ｉの絶対値がピーク値を取ったと判定すればよい。時点ｔ２における角速度ω２は、時点ｔ１における角速度ω１よりも減衰している。逆方向の電流ｉに起因したブレーキがかかっているからである。

時点ｔ３は、時点ｔ２から所定時間ΔＴが経過後（所定時間経過後）の時点である。所定時間ΔＴは、電流－Ｋｉが最大値を取ってから、電流－Ｋｉの値の振れ幅がある程度落ち着くまでに要すると考えられる時間（期間）である。実際の電流ｉで言えば、所定時間ΔＴは、電流ｉの絶対値がピーク値を取ってから、電流ｉの値の振れ幅がある程度落ち着くまでに要すると考えられる時間（期間）である。所定時間ΔＴは、一例として、時点ｔ２から、電流ｉがゼロになる時点ｔｅｎｄまでの所要時間の１／１０程度である。所定時間ΔＴを表すデータは、予めメモリ１３３Ｃに格納しておけばよい。

前述したように惰性回転の開始から一定期間経過後、電流ｉが角速度ωと同じ指数カーブで減衰することから式（４）より、時点ｔ３以降における電流ｉは、時点ｔ３における電流値ｉ３を用いて次式（６）で表すことができる。

また、図４における時点ｔ３と、電流ｉがゼロになる時点ｔｅｎｄとの間のある時点をｔ４とする。また、時点ｔ３から時点ｔ４までの電流ｉの電流積分値をＳｉ３、時点ｔ４から時点ｔｅｎｄまでの電流ｉの電流積分値をＳｉ４とする。

回転角度検出部１３３Ｂは、時点ｔ３から時点ｔ４を経て時点ｔｅｎｄに至るまでの電流ｉの電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４と、時点ｔ４から時点ｔｅｎｄまでの電流ｉの電流積分値Ｓｉ４とを求める。電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４は、第１電流積分値の一例であり、電流積分値Ｓｉ４は、第２電流積分値の一例である。

電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４と電流積分値Ｓｉ４は、それぞれ次式（７）、（８）で求めることができる。

式（７）及び式（８）によって実現される電流ｉの積分処理は、フィルタ処理に相当するフィルタ効果を奏するため、電流ｉに含まれるリップル成分を除去する効果がある。

時点ｔ４は、次式（９）で表すことができる。式（９）のＫｒは、１未満（Ｋｒ＜１）の調整係数である。

時点ｔ４は、時点ｔ３と時点ｔｅｎｄとの間であれば、どのような時点であってもよいが、後述する電流積分値Ｓｉ３、Ｓｉ４を利用した計算の都合上、電流積分値Ｓｉ４が小さくなりすぎないようにするために時点ｔｅｎｄまでにある程度の期間があり、また、電流積分値Ｓｉ３と電流積分値Ｓｉ４とが等しくならないように設定されることが好ましい。

ＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数τは、式（７）及び式（８）より、次式（１０）のように求めることができる。ＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数τは、ＤＣモータ１０の角速度の減衰の時定数と等しいため、ＤＣモータ１０の角速度の減衰の時定数の代わりに求められる。

式（１０）における自然対数は、（Ｓｉ３＋Ｓｉ４）／Ｓｉ４という割り算処理を含むため、抵抗１５、ＬＰＦ１１２及びＡ／Ｄコンバータ１３２等の回路に含まれるものに由来する、Ａ／Ｄコンバータ１３２等の電流の測定誤差を低減する効果が得られる。

また、ＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数τは、式（１０）の代わりに、式（７）から直接的に次式（１１）のように求めてもよい。

式（１１）を用いて時定数τを計算すると、式（１０）を用いて時定数τを計算する場合よりも計算回数が少なく簡単で済むが、電流ｉ３を利用するため、式（１０）を用いて計算する時定数τよりもリップル成分や測定誤差の影響を受けやすい。このため、式（１０）と式（１１）のどちらを用いるかは、回転角度検出装置１００の用途等によって決めればよい。

時点ｔ０でＤＣモータ１０の電源をオフにした後に、駆動回路２０のスイッチ２１、２２の接点の切り替えが完了するまでの時間が短いが、時点ｔ１で電流ｉが反転するまでの間は、上述のようにＤＣモータ１０がオンのときの同じ速度で回転していると仮定すると、ＤＣモータ１０の回転角度を次のように求めることができる。

ここでは、電源をオフにする時点ｔ０から時点ｔｅｎｄまでの期間を期間（１）、（２）に分けて計算する。期間（１）は、時点ｔ０から時点ｔ１までの期間である。期間（２）は、時点ｔ１から時点ｔｅｎｄまでの期間である。

期間（１）では、ＤＣモータ１０のロータに逆起電力によって発生する電流ｉに起因したブレーキが殆どかからない。このため、期間（１）におけるＤＣモータ１０の角速度ωの平均は電源をオフにする直前の角速度ω０と同等であり、ＤＣモータ１０は等速回転していると考えることができる。角速度ω０は、電源をオフにする直前にリップル検出部１２２から入力されるパルスに基づいて算出することができる。期間（１）においてＤＣモータ１０が回転する回転角度θ１は、次式（１２）によって求めることができる。

また、期間（２）では、ＤＣモータ１０の角速度は減衰するが、期間（２）の始点である時点ｔ１での角速度ω１は、時点ｔ１の直前までの角速度ω０と等しいと考えることができる。このため、期間（２）においてＤＣモータ１０が回転する回転角度θ２は、式（４）より次式（１３）によって求めることができる。

以上より、ＤＣモータ１０の電源をオフにした時点ｔ０から電流ｉがゼロになる時点ｔｅｎｄまでの期間におけるＤＣモータ１０の回転角度θは、期間（１）における回転角度θ１と期間（２）における回転角度θ２との合計の角度として、次式（１４）で求めることができる。

このように、回転角度検出装置１００は、ＤＣモータ１０が惰性回転を行う期間における回転角度θを求めることができる。ここで、図５を用いて、回転角度検出部１３３Ｂが回転角度を検出する処理について説明する。図５は、回転角度検出部１３３Ｂが回転角度を検出する処理を表すフローチャートを示す図である。図５に示す処理は、実施形態の回転角度検出プログラムを処理部１３３が実行することによって実現される処理であり、実施形態の回転角度検出方法によって実現される処理である。より具体的には、前提として電流測定部１３３ＡがＤＣモータ１０の電流ｉを測定する電流測定処理を実行し、回転角度検出部１３３Ｂが以下に示す回転角度検出処理を実行する。

回転角度検出部１３３Ｂは、処理がスタートすると、ＤＣモータ１０の電源がオフにされたかどうかを判定する（ステップＳ１）。具体的な一例として、回路角度検出部１３３Ｂは、図示しない駆動制御部が駆動回路２０に出力する電源オフの制御指令を検出することにより、ＤＣモータ１０の電源オフを検出し、この時点をｔ０とする。なお、回転角度検出部１３３Ｂは、一例として、Ａ／Ｄコンバータ１３１から入力されるＤＣモータ１０の電圧値がゼロ（又はゼロに近い所定値以下）になった場合に、ＤＣモータ１０の電源がオフにされたと判定してもよい。

回転角度検出部１３３Ｂは、ＤＣモータ１０の電源がオフになる直前にリップル検出部１２２によって変換されたパルスに基づいて、ＤＣモータ１０の電源がオフになる直前の角速度ω０を算出する（ステップＳ２）。

回転角度検出部１３３Ｂは、時点ｔ０から電流ｉがゼロになるまで（時点ｔｅｎｄまで）、電流測定部１３３Ａによって測定される電流ｉと時刻（時点）をメモリ１３３Ｃに記録する（ステップＳ３）。具体的な一例として、回転角度検出部１３３Ｂは、周期タスク（マイクロコンピュータ１３０のタイマ等を利用して一定周期毎に起動されるタスク）の動作毎に、時点ｔ０からの経過時間と、その時点の電流値とをペアでメモリ１３３Ｃに順次記録する。ステップＳ３では、電流ｉの極性が反転する時点ｔ１、電流ｉがピークになる時点ｔ２も記録される。具体的な一例として、回転角度検出部１３３Ｂは、メモリ１３３Ｃに記録した経過時間と電流値とのペアデータを時点ｔ０から順次チェックし、電流値がゼロ又は電流値の極性が反転した時点の経過時間をｔ１としてメモリ１３３Ｃに記録する。また、回転角度検出部１３３Ｂは、全データの電流値のうち、最小の電流値に対応する経過時間をｔ２としてメモリ１３３Ｃに記録する。

回転角度検出部１３３Ｂは、式（９）で時点ｔ４を算出するとともに、電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４と電流積分値Ｓｉ４をそれぞれ次式（７）、（８）に基づいて求める（ステップＳ４）。なお、時点ｔ３は、時点ｔ２に所定時間ΔＴを加算することで求まる。回転角度検出部１３３Ｂは、時点ｔ３、時点ｔ４、電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４、電流積分値Ｓｉ４をメモリ１３３Ｃに格納する。

回転角度検出部１３３Ｂは、式（１０）に基づいてＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数τを求める（ステップＳ５）。また、回転角度検出部１３３Ｂは、式（１１）を使用して時点数τを求めてもよい。また、回転角度検出部１３３Ｂは、式（１１）で使用する電流ｉ３は、時点ｔ３のときの電流値をメモリ１３３Ｃから電流ｉ３として取り出せばよい。

回転角度検出部１３３Ｂは、式（１４）に基づいて、ＤＣモータ１０の電源をオフにした時点ｔ０から電流ｉがゼロになる時点ｔｅｎｄまでの期間におけるＤＣモータ１０の回転角度θを求める（ステップＳ６）。以上で一連の処理が終了する（エンド）。

以上のように、ＤＣモータ１０が惰性回転を行う期間における回転角度θを非常に簡単に求めることができる。また、時定数τは、式（１０）によって惰性回転の期間にリアルタイムで求めることができるため、従来手法におけるパラメータ誤差の問題や、角度累積誤差の問題を解消することができ、非常に高い精度で回転角度を検出することができる。また、例えば、パワーウィンドウ５０を含むシステムにおける回転角度の精度を大きく向上させることができ、個体差、環境変化、経年変化への対応能力を大幅に改善することができる。

したがって、ＤＣモータ１０が惰性回転を行っているときに高精度にＤＣモータ１０の回転角度を求めることができる回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置１００を提供することができる。

回転角度検出装置１００は、ＤＣモータ１０の惰性回転の期間における電流に基づいて電流ｉの減衰の時定数τを求め、求めた時定数τをＤＣモータ１０の惰性回転の期間における角速度の減衰の時定数τとして推定して、ＤＣモータ１０の回転角度を求めるので、電流ｉに基づいて簡単にＤＣモータ１０の回転角度検出することができる。

また、回転角度検出装置１００が検出する回転角度θに基づいてパワーウィンドウ５０の開閉量を算出することができる。例えば、パワーウィンドウ５０を全開と全閉との間の位置で止めた場合に、パワーウィンドウ５０の開閉量を高精度に求めることができる。パワーウィンドウ５０は、挟み込み防止機構を備えることが義務づけられており、パワーウィンドウ５０を全開と全閉との間の位置で止めてから次に開閉させる際には、パワーウィンドウ５０が止まっていた位置を正確に検出する必要がある。

また、回転角度検出装置１００は、ホールＩＣ等の高額な装置を用いてパワーウィンドウ５０の開閉量を検出することなく、ＤＣモータ１０の回転角度を非常に高精度に検出できるため、製造コストを大幅に低減することができる。

また、時点ｔ３、時点ｔ４、時点ｔｅｎｄ、電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４、及び、電流積分値Ｓｉ４に基づいて電流ｉの減衰の時定数τが求められる。よって、電流ｉの時間的な変化に基づいて、角速度ωの減衰の時定数τの代わりに利用可能な電流ｉの減衰の時定数τを簡単に求めることができる。また、電流積分値を求めるための積分処理はフィルタ処理に相当するため、電流ｉに含まれるリップル成分を除去できる効果があり、ＤＣモータ１０の回転角度を非常に高精度に検出することができる。

また、式（１０）に基づいて電流ｉの減衰の時定数τを求めることができるので、処理部１３３が実行するプログラムに式（１０）を組み込むことによって、角速度ωの減衰の時定数τの代わりに利用可能な電流ｉの減衰の時定数τを簡単に求めることができる。また、積分処理のフィルタ効果を利用して、処理部１３３が実行するプログラムに従って電流ｉに含まれるリップル成分を除去して、ＤＣモータ１０の回転角度を非常に高精度に検出することができる。また、式（１０）における自然対数は電流積分値の割り算処理を含むため、抵抗１５、ＬＰＦ１１２及びＡ／Ｄコンバータ１３２等の回路に含まれるものに由来する、Ａ／Ｄコンバータ１３２等の電流の測定誤差を低減して、ＤＣモータ１０の回転角度を非常に高精度に検出することができる。

また、時点ｔ３と、時点ｔ３から時点ｔｅｎｄまでに電流測定部１３３Ａによって測定される電流値の電流積分値Ｓｉ３＋Ｓｉ４とに基づいて、電流ｉの減衰の時定数τを求めるので、角速度ωの減衰の時定数τの代わりに利用可能な電流ｉの減衰の時定数τを少ない計算回数でより簡単に求めることができる。また、電流積分値を求めるための積分処理はフィルタ処理に相当するため、電流ｉに含まれるリップル成分を除去できる効果があり、ＤＣモータ１０の回転角度を高精度に検出することができる。

また、式（１１）に基づいて、電流ｉの減衰の時定数τを求めることができるので、処理部１３３が実行するプログラムに式（１１）を組み込むことによって、角速度ωの減衰の時定数τの代わりに利用可能な電流ｉの減衰の時定数τを簡単に求めることができる。

また、ＤＣモータ１０の駆動がオフにされる時点ｔ０の直前の角速度ω０、時点ｔ１、及び、ＤＣモータ１０の電流ｉの減衰の時定数τに基づいてＤＣモータ１０の惰性回転における回転角度を求めるので、角速度ωの減衰の時定数τの代わりに利用可能な電流ｉの減衰の時定数τを用いて、ＤＣモータ１０の惰性回転における回転角度を求めることができる。

また、式（１４）に基づいて、ＤＣモータ１０の惰性回転における回転角度を求めるので、処理部１３３が実行するプログラムに式（１４）を組み込むことによって、角速度ωの減衰の時定数τの代わりに利用可能な電流ｉの減衰の時定数τを用いて、ＤＣモータ１０の惰性回転における回転角度を求めることができる。

以上、本発明の例示的な実施形態の回転角度検出方法、回転角度検出プログラム、及び、回転角度検出装置、について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１０ ＤＣモータ
１１、１２ 端子
１５ 抵抗器
２０ 駆動回路
３０ 直流電源
５０ パワーウィンドウ
５１ 駆動機構
１００ 回転角度検出装置
１１０ フィルタ回路
１１１、１１２ ＬＰＦ
１２０ ＩＣチップ
１２１ ＢＰＦ
１２２ リップル検出部
１３０ マイクロコンピュータ
１３１、１３２ Ａ／Ｄコンバータ
１３３ 処理部
１３３Ａ 電流測定部
１３３Ｂ 回転角度検出部
１３３Ｃ メモリ

Claims (10)

1. 電動機に流れる電流を測定する電流測定処理と、
   前記電流測定処理によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の回転角度を求める回転角度検出処理と
   を含む回転角度検出方法であって、
   前記回転角度検出処理では、前記電動機が惰性回転を行っているときに前記電流測定処理によって測定される逆方向電流の電流値の極性が反転して絶対値がピーク値を取った時点の所定時間経過後から、前記電流測定処理によって測定される電流値がゼロになるまでに前記電流測定処理によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の電流の減衰の時定数を求め、当該求めた時定数に基づいて前記惰性回転における前記回転角度を求める、回転角度検出方法。
2. 前記回転角度検出処理では、前記所定時間経過後の時点ｔ３、前記電流測定処理によって測定される電流値がゼロになる時点ｔｅｎｄ、前記時点ｔ３と前記時点ｔｅｎｄとの間のある時点ｔ４、前記時点ｔ３から前記時点ｔｅｎｄまでに前記電流測定処理によって測定される電流値の第１電流積分値、及び、前記時点ｔ４から前記時点ｔｅｎｄまでに前記電流測定処理によって測定される電流値の第２電流積分値に基づいて、前記電流の減衰の時定数τを求める、請求項１に記載の回転角度検出方法。
3. 前記回転角度検出処理では、前記第１電流積分値をＳｉ３＋Ｓｉ４、前記第２電流積分値をＳｉ４とするとき、次式（１）に基づいて前記電流の減衰の時定数τを求める、請求項２に記載の回転角度検出方法。
   

   
4. 前記回転角度検出処理では、前記所定時間経過後の時点ｔ３において前記電流測定処理によって測定される電流値ｉ３と、前記時点ｔ３から前記電流測定処理によって測定される電流値がゼロになる時点ｔｅｎｄまでに前記電流測定処理によって測定される電流値の第１電流積分値とに基づいて、前記電流の減衰の時定数τを求める、請求項１に記載の回転角度検出方法。
5. 前記回転角度検出処理では、前記第１電流積分値をＳｉ３＋Ｓｉ４とするとき、次式（２）に基づいて、前記電流の減衰の時定数τを求める、請求項４に記載の回転角度検出方法。
   

   
6. 前記回転角度検出処理では、前記電動機の駆動がオフにされる時点ｔ０の直前の角速度ω０、前記電動機の駆動が前記時点ｔ０でオフにされてから前記電流測定処理によって測定される電流値の極性が反転する時点ｔ１、及び、前記電流の減衰の時定数τに基づいて前記惰性回転における前記回転角度を求める、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転角度検出方法。
7. 前記回転角度検出処理では、次式（３）に基づいて、前記電動機の前記惰性回転における前記回転角度を求める、請求項６に記載の回転角度検出方法。
   

   
8. 電動機に流れる電流を測定する電流測定処理と、
   前記電流測定処理によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の回転角度を求める回転角度検出処理と
   を含む処理をコンピュータに実行させる回転角度検出プログラムであって、
   前記回転角度検出処理では、前記電動機が惰性回転を行っているときに前記電流測定処理によって測定される逆方向電流の電流値の極性が反転して絶対値がピーク値を取った時点の所定時間経過後から、前記電流測定処理によって測定される電流値がゼロになるまでに前記電流測定処理によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の電流の減衰の時定数を求め、当該求めた時定数に基づいて前記惰性回転における前記回転角度を求める、回転角度検出プログラム。
9. 電動機に流れる電流を測定する電流測定部と、
   前記電流測定部によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の回転角度を求める回転角度検出部と
   を含み、
   前記回転角度検出部は、前記電動機が惰性回転を行っているときに前記電流測定部によって測定される逆方向電流の電流値の極性が反転して絶対値がピーク値を取った時点の所定時間経過後から、前記電流測定部によって測定される電流値がゼロになるまでに前記電流測定部によって測定される電流値に基づいて、前記電動機の電流の減衰の時定数を求め、当該求めた時定数に基づいて前記惰性回転における前記回転角度を求める、回転角度検出装置。
10. 前記電動機は、パワーウィンドウの駆動機構を駆動する電動機である、請求項９に記載の回転角度検出装置。

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