CN115280665A - 状态检测装置和马达单元 - Google Patents

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CN115280665A
CN115280665A CN202080098567.0A CN202080098567A CN115280665A CN 115280665 A CN115280665 A CN 115280665A CN 202080098567 A CN202080098567 A CN 202080098567A CN 115280665 A CN115280665 A CN 115280665A
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明的一个方式为状态检测装置，其具有：至少三个检测部，其沿着转子的旋转方向设置，具有在马达的转子的轴向上与永磁铁对置的第1磁传感器和在轴向上与马达的定子对置的第2磁传感器；计算部，其根据从第1磁传感器得到的表示磁通检测结果的第1检测信号和从第2磁传感器得到的表示磁通检测结果的第2检测信号，按照每个检测部计算转子磁通成分和定子磁通成分；以及推断部，其根据从计算部得到的转子磁通成分和定子磁通成分，推断转子的旋转位置、在线圈中流动的线圈电流以及马达的扭矩作为马达的状态量。在各个检测部中，第1磁传感器和第2磁传感器沿着转子的径向配置。

Description

状态检测装置和马达单元
技术领域
本发明涉及状态检测装置和马达单元。
背景技术
通常的马达单元具有马达、检测马达的旋转位置的位置检测装置以及根据从位置检测装置得到的旋转位置的检测结果来控制马达的控制装置。在下述专利文献1中公开了一种传感器磁铁搭载型的位置检测装置，其具有：传感器磁铁，其是安装于马达的旋转轴的圆板状的磁铁；以及磁传感器，其在旋转轴的轴向上设置于与传感器磁铁对置的位置。
要想控制马达，不仅需要旋转位置的信息，还需要在马达的线圈中流动的线圈电流的信息和马达的扭矩的信息。因此，控制装置具有通过分流电阻器等电流传感器来检测线圈电流的功能以及根据线圈电流的检测值和电压指令值等来推断扭矩的功能(参照专利文献2至4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-133376号公报
专利文献2：日本特开2015-12770号公报
专利文献3：日本特开2009-33876号公报
专利文献4：日本特许第6135713号公报
发明内容
发明要解决的课题
近年来，要求开发具有检测马达控制所需的信息即马达的状态量(旋转位置、线圈电流以及扭矩)的全部的功能的全合一类型(All-in-one type)的小型传感器。但是，如专利文献2至4所记载的那样，扭矩的推断需要内置在控制装置中的电流传感器，另外，如专利文献1所记载的那样，在旋转位置的检测中也存在需要会导致传感器的大型化的专用的传感器磁铁的情况。
因此，要想得到全合一类型的小型传感器作为独立于控制装置的传感器，需要一种能够无电流传感器地进行线圈电流的检测以及扭矩的推断，并且能够无专用的传感器磁铁地检测旋转位置的技术。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的之一在于提供能够作为独立于控制装置的全合一类型的小型传感器来使用的状态检测装置和具有该状态检测装置的马达单元。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式为状态检测装置，其检测具有定子和转子的马达的状态量，该定子具有线圈，该转子具有永磁铁。本方式的状态检测装置具有：至少三个检测部，其沿着所述转子的旋转方向设置，具有在所述转子的轴向上与所述永磁铁对置的第1磁传感器和在所述轴向上与所述定子对置的第2磁传感器；计算部，其根据从所述第1磁传感器得到的表示磁通检测结果的第1检测信号和从所述第2磁传感器得到的表示磁通检测结果的第2检测信号，按照每个所述检测部计算转子磁通成分和定子磁通成分；以及推断部，其根据从所述计算部得到的所述转子磁通成分和所述定子磁通成分，推断所述转子的旋转位置、在所述线圈中流动的线圈电流以及所述马达的扭矩作为所述状态量。在各个所述检测部中，所述第1磁传感器和所述第2磁传感器沿着所述转子的径向配置。
本发明的一个方式为马达单元，其具有：马达，其具有定子和转子，该定子具有线圈，该转子具有永磁铁；上述方式的状态检测装置，其检测所述马达的状态量；以及控制装置，其根据从所述状态检测装置得到的所述状态量的检测结果来控制所述马达。
发明效果
根据本发明的上述方式，能够提供能够作为独立于控制装置的全合一类型的小型传感器来使用的状态检测装置和具有该状态检测装置的马达单元。
附图说明
图1是示出本实施方式中的马达单元的结构的框图。
图2是示出本实施方式中的、第1磁传感器和第2磁传感器相对于马达的配置的图。
图3是示出本实施方式中的第1磁传感器与第2磁传感器的位置关系的图。
图4是示出本实施方式中的状态检测装置所具有的计算部的详细结构的图。
图5是示出本实施方式中的状态检测装置所具有的计算部的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式进行详细地说明。
图1是示出本实施方式的马达单元1的结构的框图。如图1所示，本实施方式的马达单元1具有马达10、状态检测装置20以及控制装置30。马达单元1在汽车、机器人、家电设备、工业设备以及医疗设备等各种领域中被用作产生旋转力的装置。
如图2所示，本实施方式中的马达10例如是内转子型的三相无刷DC马达。马达10具有转子(rotor)100和定子(stator)200。虽然省略了图示，但马达10还具有在内部收纳转子100和定子200的马达壳、球轴承等轴承部件等。另外，图2的左侧的图是从转子100的中心轴线CA的一端侧观察马达10的图。图2的右侧的图是从图示的箭头方向观察马达10的截面中的沿着IV-IV线的截面的图。
转子100是在马达壳的内部被轴承部件支承为能够以中心轴线CA为中心进行旋转的旋转体。在本实施方式中，将与转子100的中心轴线CA平行的方向定义为轴向，将与中心轴线CA垂直的方向定义为径向。另外，在径向上，将远离中心轴线CA的朝向定义为径向外侧，将靠近中心轴线CA的朝向定义为径向内侧。转子100具有转子铁芯110、转子轴120以及10个转子磁铁130。
转子铁芯110是具有规定的轴向长度的圆环状的铁芯部件。转子铁芯110是通过沿轴向层叠具有相同形状的多个薄的电磁钢板而构成的。转子轴120是具有比转子铁芯110长的轴向长度的圆柱状的轴部件。转子轴120在沿轴向贯穿转子铁芯110的径向内侧的状态下与转子铁芯110同轴接合。转子铁芯110和转子轴120的中心轴线是转子100的中心轴线CA。转子100的构成部件中的转子轴120被轴承部件支承为能够以中心轴线CA为中心进行旋转。
转子磁铁130是具有与转子铁芯110大致相同的轴向长度的板状的永磁铁。转子磁铁130具有从轴向观察时为圆弧状的截面。在转子铁芯110的外周面，沿着转子100的旋转方向以36°间隔设置有向径向内侧凹陷且沿轴向延伸的10个槽部(磁铁槽)。通过将一个转子磁铁130插入到一个磁铁槽中，在转子铁芯110的外周面上，总共10个转子磁铁130沿着旋转方向以36°间隔配置。另外，在本实施方式中，例示了转子100具有10个转子磁铁130的情况，但转子磁铁130的个数并不限定于10个。转子磁铁130的个数根据马达10所要求的性能而适当决定。另外，在本实施方式中，例示了马达10具有IPM型(埋入磁铁型)的转子100的情况，但也可以是马达10具有SPM型(表面磁铁型)的转子。
定子200在马达壳的内部以包围转子100的外周面的状态被固定，产生用于使转子100旋转的电磁力。定子200具有定子铁芯210和线圈220。另外，虽然省略了图示，但定子200具有用于将定子铁芯210与线圈220电绝缘的绝缘件。
定子铁芯210是具有轭211和12个齿212的铁芯部件。轭211是具有与转子铁芯110大致相同的轴向长度的圆环状的部位。轭211的中心轴线与转子100的中心轴线CA一致。齿212是从轭211的内周面向径向内侧突出的部位。在轭211的内周面，12个齿212沿着旋转方向以30°间隔设置。即，本实施方式中的定子200具有沿着旋转方向以30°间隔设置的12个槽。在各齿212的径向内侧的前端部设置有从轴向观察时为圆弧状的前端面。各齿212的前端面在径向上与各转子磁铁130对置。以上的定子铁芯210是通过沿轴向层叠具有相同形状的多个薄的电磁钢板而构成的。
线圈220是被控制装置30提供三相驱动电流的线圈。线圈220具有U相线圈221、V相线圈222以及W相线圈223。U相线圈221是被控制装置30提供U相驱动电流Iu的线圈。V相线圈222是被控制装置30提供V相驱动电流Iv的线圈。W相线圈223是被控制装置30提供W相驱动电流Iw的线圈。以下，在不需要区分U相驱动电流Iu、V相驱动电流Iv、W相驱动电流Iw的情况下，将这些电流统称为线圈电流I。
U相线圈221通过分布卷绕方式卷绕在12个齿212中的在旋转方向上以90°间隔分离的4个齿212上。V相线圈222通过分布卷绕方式卷绕在12个齿212中的与卷绕有U相线圈221的齿212相邻且在旋转方向上以90°间隔分离的4个齿212上。W相线圈223通过分布卷绕方式卷绕在12个齿212中的与卷绕有V相线圈222的齿212相邻且在旋转方向上以90°间隔分离的4个齿212上。
如图1所示，状态检测装置20检测马达10的状态量，并将表示状态量的检测结果的信号输出给控制装置30。马达10的状态量包含有马达10的旋转位置、即转子100的旋转角度θR、在线圈220中流动的线圈电流I(Iu、Iv和Iw)以及马达10的扭矩T。即，状态检测装置20检测旋转角度θR、线圈电流I(Iu、Iv以及Iw)以及扭矩T作为马达10的状态量，并将表示这些状态量的检测结果的信号输出给控制装置30。
状态检测装置20具有U相检测部21u、V相检测部21v、W相检测部21w、计算部22以及状态推断部23。以下，在不需要区分U相检测部21u、V相检测部21v、W相检测部21w的情况下，将这三个构成要素统称为检测部21。即，本实施方式中的状态检测装置20具有至少三个检测部21。
U相检测部21u具有U相第1磁传感器HAu和U相第2磁传感器HBu。V相检测部21v具有V相第1磁传感器HAv和V相第2磁传感器HBv。W相检测部21w具有W相第1磁传感器HAw和W相第2磁传感器HBw。以下，在不需要区分U相第1磁传感器HAu、V相第1磁传感器HAv、W相第1磁传感器HAw的情况下，将这三个磁传感器统称为第1磁传感器HA。同样地，在不需要区分U相第2磁传感器HBu、V相第2磁传感器HBv、W相第2磁传感器HBw的情况下，将这三个磁传感器统称为第2磁传感器HB。即，在本实施方式中，三个检测部21分别具有第1磁传感器HA和第2磁传感器HB。
如图2的右侧的图所示那样，状态检测装置20具有圆板状的电路板24。电路板24具有轴插入孔24a，该轴插入孔24a是沿板厚方向贯通的孔。电路板24在马达壳内以电路板24的板厚方向与转子100的轴向一致且转子轴120插入到轴插入孔24a中的状态被固定。三个检测部21设置于电路板24的板面中的朝向马达10这一侧的板面24b。即，三个检测部21各自所具有的第1磁传感器HA和第2磁传感器HB安装在电路板24的板面24b上。另外，电路板24也可以是转子轴120不贯通的电路板。在该情况下，不需要在电路板24上设置轴插入孔24a。
如图2的右侧的图所示那样，在三个检测部21的每一个中，第1磁传感器HA在轴向上与转子磁铁130对置，第2磁传感器HB在轴向上与定子200对置。在本实施方式中，第1磁传感器HA和第2磁传感器HB是芯片类型的霍尔传感器。一般而言，芯片类型的霍尔传感器具有被标记的平坦的面作为检测面。芯片类型的霍尔传感器输出与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号。第1磁传感器HA以其检测面在轴向上与转子磁铁130对置的状态安装于电路板24的板面24b。另外，第2磁传感器HB以其检测面在轴向上与定子200对置的状态安装于电路板24的板面24b。
另外，在图2中，例示了第1磁传感器HA的检测面的全部与转子磁铁130对置、第2磁传感器HB的检测面的全部与定子200对置的情况。然而，图2只不过是示意性的图，因此实际的第1磁传感器HA和第2磁传感器HB的芯片尺寸有时与图2所示的尺寸不同。在该情况下，只要第1磁传感器HA的检测面的至少一部分在轴向上与转子磁铁130对置即可。另外，只要第2磁传感器HB的检测面的至少一部分在轴向上与定子200对置即可。
如图2的左侧的图所示那样，在本实施方式中，从轴向观察时，三个检测部21沿着转子100的旋转方向以60°间隔设置。即，从轴向观察时，三个第1磁传感器HA沿着转子100的旋转方向以60°间隔设置。另外，从轴向观察时，三个第2磁传感器HB沿着转子100的旋转方向以60°间隔设置。另外，三个检测部21也可以沿着转子100的旋转方向以120°间隔设置。
如图2的左侧的图所示那样，在三个检测部21的每一个中，从轴向观察时，第1磁传感器HA和第2磁传感器HB沿着转子100的径向配置。例如，如图3所示，在从轴向观察一个检测部21的情况下，将穿过第2磁传感器HB的中心P2和转子100的中心轴线CA的直线定义为基准线L。第1磁传感器HA的中心P1在与基准线L垂直的方向上位于以基准线L为中心而延伸±2mm的范围内。这样，在三个检测部21的每一个中，第1磁传感器HA的中心P1和第2磁传感器HB的中心P2双方不一定需要位于沿径向延伸的同一直线上。即，在本实施方式中，“第1磁传感器HA和第2磁传感器HB沿着转子100的径向配置”包括允许第1磁传感器HA与第2磁传感器HB的相对的位置偏移的意思。
如图1所示，U相检测部21u的U相第1磁传感器HAu将与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号作为表示磁通检测结果的U相第1检测信号VHAu而输出给计算部22。U相检测部21u的U相第2磁传感器HBu将与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号作为表示磁通检测结果的U相第2检测信号VHBu而输出给计算部22。
V相检测部21v的V相第1磁传感器HAv将与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号作为表示磁通检测结果的V相第1检测信号VHAv而输出给计算部22。V相检测部21v的V相第2磁传感器HBv将与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号作为表示磁通检测结果的V相第2检测信号VHBv而输出给计算部22。
W相检测部21w的W相第1磁传感器HAw将与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号作为表示磁通检测结果的W相第1检测信号VHAw而输出给计算部22。W相检测部21w的W相第2磁传感器HBw将与相对于该检测面交链的磁通的磁通密度成比例的模拟电压信号作为表示磁通检测结果的W相第2检测信号VHBw而输出给计算部22。
U相第1检测信号VHAu、V相第1检测信号VHAv以及W相第1检测信号VHAw相互具有电角度为120°的相位差。同样地，U相第2检测信号VHBu、V相第2检测信号VHBv以及W相第2检测信号VHBw相互具有电角度为120°的相位差。以下，在不需要区分U相第1检测信号VHAu、V相第1检测信号VHAv、W相第1检测信号VHAw的情况下，将这三个检测信号统称为第1检测信号VHA。同样地，在不需要区分U相第2检测信号VHBu、V相第2检测信号VHBv、W相第2检测信号VHBw的情况下，将这三个检测信号统称为第2检测信号VHB。
在本实施方式中，三个第1磁传感器HA沿着转子100的旋转方向以60°间隔设置，因此为了得到相互具有电角度为120°的相位差的三个第1检测信号VHA，将使从V相第1磁传感器HAv输出的模拟电压信号的正负的值反转而得到的信号用作V相第1检测信号VHAv。同样地，三个第2磁传感器HB也沿着转子100的旋转方向以60°间隔设置，因此为了得到相互具有电角度为120°的相位差的三个第2检测信号VHB，将使从V相第2磁传感器HBv输出的模拟电压信号的正负的值反转而得到的信号用作V相第2检测信号VHBv。另外，在三个第1磁传感器HA沿着转子100的旋转方向以120°间隔设置的情况下，只要将从V相第1磁传感器HAv输出的模拟电压信号直接用作V相第1检测信号VHAv即可。同样地，在三个第2磁传感器HB沿着转子100的旋转方向以120°间隔设置的情况下，只要将从V相第2磁传感器HBv输出的模拟电压信号直接用作V相第2检测信号VHBv即可。
计算部22根据从第1磁传感器HA得到的表示磁通检测结果的第1检测信号VHA和从第2磁传感器HB得到的表示磁通检测结果的第2检测信号VHB，按照每个检测部21计算转子100的磁通成分
Figure BDA00038466704100000820
(转子磁通成分)和定子200的磁通成分
Figure BDA0003846670410000081
(定子磁通成分)。以下，对基于第1检测信号VHA和第2检测信号VHB的磁通成分
Figure BDA0003846670410000082
和
Figure BDA0003846670410000083
的计算原理进行说明。
第1检测信号VHA能够作为电角度θ的函数而由以下的式(1)表示。另外，第2检测信号VHB能够作为电角度θ的函数而由以下的式(2)表示。在式(1)和式(2)中，
Figure BDA0003846670410000084
是转子100的磁通成分，
Figure BDA0003846670410000085
是定子200的磁通成分。“x”、“y”、“j”以及“k”是取决于马达10的构造以及第1磁传感器HA和第2磁传感器HB的配置的系数。以下，将转子100的磁通成分称为转子磁通成分，将定子200的磁通成分称为定子磁通成分。
Figure BDA0003846670410000086
Figure BDA0003846670410000087
如式(1)和式(2)所示，第1检测信号VHA和第2检测信号VHB包含转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000088
和定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000089
作为磁通成分。转子磁通成分
Figure BDA00038466704100000810
由电角度θ的周期函数表示。本实施方式中的马达10的极对数为“5”，因此在转子100旋转一周的期间得到的第1检测信号VHA和第2检测信号VHB包含有5周期量的周期波作为转子磁通成分
Figure BDA00038466704100000811
换言之，转子磁通成分
Figure BDA00038466704100000812
是以机械角度(旋转角度θR)为72°作为一个周期的周期波。另外，周期波是指由电角度θ的周期函数表示的、具有周期性的波。
定子磁通成分
Figure BDA00038466704100000813
由电角度θ和线圈电流I的函数表示。定子磁通成分
Figure BDA00038466704100000814
Figure BDA00038466704100000815
是因电流在马达10的线圈220中流动而产生的漏磁通(干扰磁通)。例如，U相第1检测信号VHAu和U相第2检测信号VHBu所包含的定子磁通成分
Figure BDA00038466704100000816
成为U相驱动电流Iu的函数。V相第1检测信号VHAv和V相第2检测信号VHBv所包含的定子磁通成分
Figure BDA00038466704100000817
成为V相驱动电流Iv的函数。W相第1检测信号VHAw和W相第2检测信号VHBw所包含的定子磁通成分
Figure BDA00038466704100000818
成为W相驱动电流Iw的函数。
另外，U相驱动电流Iu是在U相线圈221与V相线圈222之间流动的电流。V相驱动电流Iv是在V相线圈222与W相线圈223之间流动的电流。另外，W相驱动电流Iw是在W相线圈223与U相线圈221之间流动的电流。
“x”是表示第1检测信号VHA所包含的转子磁通成分
Figure BDA00038466704100000819
的振幅值的系数，例如是与第1磁传感器HA与转子磁铁130之间的距离对应的系数。“j”是表示第1检测信号VHA所包含的定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000091
的振幅值的系数，例如是与第1磁传感器HA与定子200之间的距离对应的系数。
“y”是表示第2检测信号VHB所包含的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000092
的振幅值的系数，例如是与第2磁传感器HB与转子磁铁130之间的距离对应的系数。“k”是表示第2检测信号VHB所包含的定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000093
的振幅值的系数，例如是与第2磁传感器HB与定子200之间的距离对应的系数。
本申请发明人发现，在第1磁传感器HA与第2磁传感器HB的位置关系满足以下的两个条件时，能够使用式(1)和式(2)来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000094
和定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000095
(条件1)在三个检测部21的每一个中，第1磁传感器HA在轴向上与转子磁铁130对置，第2磁传感器HB在轴向上与定子200对置。
(条件2)在三个检测部21的每一个中，第1磁传感器HA和第2磁传感器HB沿着转子100的径向配置。
具体而言，如以下的式(3)所示那样，首先，通过第1检测信号VHA乘以第1常数C，得到式(3)的右边所示的运算结果。第1常数C是通过将系数k除以系数j而得到的值。而且，如以下的式(4)所示那样，当从第1检测信号VHA乘以第1常数C而得到的运算结果中减去第2检测信号VHB时，定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000096
被消除，仅残留有转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000097
Figure BDA0003846670410000098
Figure BDA0003846670410000099
另外，如以下的式(5)所示那样，首先，通过第1检测信号VHA乘以第3常数D，得到式(5)的右边所示的运算结果。第3常数D是通过将系数y除以系数x而得到的值。而且，如以下的式(6)所示那样，当从第2检测信号VHB中减去第1检测信号VHA乘以第3常数D而得到的运算结果时，转子磁通成分
Figure BDA00038466704100000910
被消除，仅残留有定子磁通成分
Figure BDA00038466704100000911
Figure BDA0003846670410000101
Figure BDA0003846670410000102
如上所述，如果通过实验或模拟预先求出第1常数C(＝k/j)，则能够通过从第1检测信号VHA乘以第1常数C而得到的运算结果中减去第2检测信号VHB来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000103
同样地，如果通过实验或模拟预先求出第3常数D(＝y/x)，则能够通过从第2检测信号VHB中减去第1检测信号VHA乘以第3常数D而得到的运算结果来计算定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000104
以上是基于第1检测信号VHA和第2检测信号VHB的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000105
和定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000106
的计算原理。
本实施方式中的计算部22基于上述的计算原理，通过从第1检测信号VHA乘以第1常数C而得到的运算结果中减去第2检测信号VHB来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000107
另外，计算部22基于上述的计算原理，通过从第2检测信号VHB中减去第1检测信号VHA乘以第3常数D而得到的运算结果来计算定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000108
具体而言，如图1所示，计算部22具有U相磁通计算部22u、V相磁通计算部22v以及W相磁通计算部22w。计算部22设置在电路板24上。
如图1和图4所示，U相磁通计算部22u被输入从U相第1磁传感器HAu得到的U相第1检测信号VHAu和从U相第2磁传感器HBu得到的U相第2检测信号VHBu。如图4所示，U相磁通计算部22u具有第1乘法器22ua、第1减法器22ub、第2乘法器22uc以及第2减法器22ud。
第1乘法器22ua将具有与第1常数C对应的模拟电压值的电压VC与U相第1检测信号VHAu相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第1减法器22ub。第1减法器22ub通过从由第1乘法器22ua输入的信号中减去U相第2检测信号VHBu来计算U相的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000109
并将表示该计算结果的作为周期波信号的U相转子磁通信号
Figure BDA00038466704100001010
输出给状态推断部23。
第2乘法器22uc将具有与第3常数D对应的模拟电压值的电压VD与U相第1检测信号VHAu相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第2减法器22ud。第2减法器22ud通过从U相第2检测信号VHBu中减去从第2乘法器22uc输入的信号来计算U相的定子磁通成分
Figure BDA00038466704100001011
并将表示该计算结果的U相定子磁通信号
Figure BDA00038466704100001012
输出给状态推断部23。
如图1和图4所示，V相磁通计算部22v被输入从V相第1磁传感器HAv得到的V相第1检测信号VHAv和从V相第2磁传感器HBv得到的V相第2检测信号VHBv。如图4所示，V相磁通计算部22v具有第1乘法器22va、第1减法器22vb、第2乘法器22vc以及第2减法器22vd。
第1乘法器22va将具有与第1常数C对应的模拟电压值的电压VC与V相第1检测信号VHAv相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第1减法器22vb。第1减法器22vb通过从由第1乘法器22va输入的信号中减去V相第2检测信号VHBv来计算V相的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000111
并将表示该计算结果的作为周期波信号的V相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000112
输出给状态推断部23。
第2乘法器22vc将具有与第3常数D对应的模拟电压值的电压VD与V相第1检测信号VHAv相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第2减法器22vd。第2减法器22vd通过从V相第2检测信号VHBv中减去从第2乘法器22vc输入的信号来计算V相的定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000113
并将表示该计算结果的V相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000114
输出给状态推断部23。
如图1和图4所示，W相磁通计算部22w被输入从W相第1磁传感器HAw得到的W相第1检测信号VHAw和从W相第2磁传感器HBw得到的W相第2检测信号VHBw。如图4所示，W相磁通计算部22w具有第1乘法器22wa、第1减法器22wb、第2乘法器22wc以及第2减法器22wd。
第1乘法器22wa将具有与第1常数C对应的模拟电压值的电压VC与W相第1检测信号VHAw相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第1减法器22wb。第1减法器22wb通过从由第1乘法器22wa输入的信号中减去W相第2检测信号VHBw来计算W相的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000117
并将表示该计算结果的作为周期波信号的W相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000118
输出给状态推断部23。
第2乘法器22wc将具有与第3常数D对应的模拟电压值的电压VD与W相第1检测信号VHAw相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第2减法器22wd。第2减法器22wd通过从W相第2检测信号VHBw中减去从第2乘法器22wc输入的信号来计算W相的定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000115
并将表示该计算结果的W相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000116
输出给状态推断部23。
以下，在不需要区分U相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000121
V相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000122
W相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000123
的情况下，将这些信号统称为转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000124
另外，在不需要区分U相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000125
V相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000126
W相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000127
的情况下，将这些信号统称为定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000128
第1乘法器22ua、22va、22wa以及第2乘法器22uc、22vc、22wc可以是上述那样的模拟乘法器，或者也可以是数字乘法器。同样地，第1减法器22ub、22vb、22wb以及第2减法器22ud、22vd、22wd可以是上述那样的模拟减法器，或者也可以是数字减法器。在使用数字乘法器和数字减法器的情况下，只要设置将三个第1检测信号VHA和三个第2检测信号VHB分别转换为数字信号的A/D转换器即可。另外，在使用数字乘法器的情况下，只要将与第1常数C和第3常数D对应的数字信号输入到数字乘法器即可。
为了将与转子100的旋转角度θR对应的三个转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000129
以及三个定子磁通信号
Figure BDA00038466704100001210
以最小限度的延迟时间传递给状态推断部23，优选如上述那样由硬件(特别是模拟电路)构成计算部22。然而，也可以根据需要，通过软件来实现计算部22的功能。即，也可以在电路板24上设置MCU(Microcontroller Unit：微控制器单元)等处理器，通过处理器执行基于上述的计算原理的程序来实现计算部22的功能。
如图1所示，状态推断部23根据从计算部22输入的三个转子磁通信号
Figure BDA00038466704100001211
(
Figure BDA00038466704100001212
Figure BDA00038466704100001213
以及
Figure BDA00038466704100001214
)和三个定子磁通信号
Figure BDA00038466704100001215
(
Figure BDA00038466704100001216
以及
Figure BDA00038466704100001217
)，推断转子100的旋转角度θR、线圈电流I(Iu、Iv以及Iw)以及扭矩T作为马达10的状态量，并将该推断结果作为状态量的检测结果而输出给控制装置30。状态推断部23是设置在电路板24上的MCU等处理器。状态推断部23是与本发明的推断部对应的构成要素。状态推断部23具有角度推断部23a、电流推断部23b以及扭矩推断部23c。
角度推断部23a被输入从计算部22得到的三个转子磁通信号
Figure BDA00038466704100001218
(
Figure BDA00038466704100001219
以及
Figure BDA00038466704100001220
)。角度推断部23a根据三个转子磁通信号
Figure BDA00038466704100001221
(
Figure BDA00038466704100001222
以及
Figure BDA00038466704100001223
)来推断(计算)转子100的旋转角度θR，并将该推断结果作为旋转角度θR的检测结果而输出给控制装置30。角度推断部23是与本发明的位置推断部对应的构成要素。作为用于推断转子100的旋转角度θR的位置推断算法，例如能够使用国际公开第2016/104378号所公开的位置推断算法。因此，在本说明书中省略关于位置推断算法的说明。
另外，用于旋转角度θR的推断的算法并不限定于国际公开第2016/104378号所公开的位置推断算法。只要是以能够获取具有规定的相位差的三个周期波状的磁通检测信号为前提而构建的位置推断算法，则也可以将其他算法用于旋转角度θR的推断。
电流推断部23b被输入从计算部22得到的三个定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000131
(
Figure BDA0003846670410000132
以及
Figure BDA0003846670410000133
)。电流推断部23b根据三个定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000134
(
Figure BDA0003846670410000135
以及
Figure BDA0003846670410000136
)以及预先确定为常数的马达10的自感和互感来推断线圈电流I(Iu、Iv以及Iw)，并将该推断结果作为线圈电流I的检测结果而输出给控制装置30。
具体而言，电流推断部23b根据以下的式(7)，计算U相驱动电流Iu、V相驱动电流Iv以及W相驱动电流Iw作为线圈电流I。另外，在式(7)中，“Lu”是U相线圈221的自感。“Lv”是V相线圈222的自感。“Lw”是W相线圈223的自感。“Muv”是U相线圈221与V相线圈222的互感。“Muw”是U相线圈221与W相线圈223的互感。“Mvu”是V相线圈222与U相线圈221的互感。“Mvw”是V相线圈222与W相线圈223的互感。“Mwu”是W相线圈223与U相线圈221的互感。“Mwv”是W相线圈223与V相线圈222的互感。
Figure BDA0003846670410000137
扭矩推断部23c被输入从计算部22得到的三个转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000138
(
Figure BDA0003846670410000139
以及
Figure BDA00038466704100001310
)和从电流推断部23b得到的线圈电流I(Iu、Iv以及Iw)的推断结果。扭矩推断部23c根据三个转子磁通信号
Figure BDA00038466704100001311
(
Figure BDA00038466704100001312
以及
Figure BDA00038466704100001313
)、线圈电流I(Iu、Iv以及Iw)的推断结果以及预先确定为常数的转子磁铁130的极对数Np来推断扭矩T，并将该推断结果作为扭矩T的检测结果而输出给控制装置30。
具体而言，扭矩推断部23c根据以下的式(8)来计算扭矩T。另外，本实施方式中的马达10具有10个转子磁铁130，因此极对数Np为“5”。
Figure BDA00038466704100001314
控制装置30根据从状态检测装置20得到的状态量(旋转角度θR、U相驱动电流Iu、V相驱动电流Iv、W相驱动电流Iw以及扭矩T)的检测结果来控制马达10。控制装置30可以设置于马达10的马达壳的内侧，或者也可以安装于马达壳的外侧。控制装置30根据状态量的检测结果，对提供给马达10的U相驱动电流Iu、V相驱动电流Iv以及W相驱动电流Iw进行矢量控制，由此使转子100旋转。矢量控制一般是作为马达10的控制方式而被知晓的，该马达10是三相无刷DC马达，因此在本说明书中省略矢量控制的详细说明。
如上所述，本实施方式中的状态检测装置20具有至少三个检测部21，该至少三个检测部21沿着转子100的旋转方向设置，具有在转子100的轴向上与转子磁铁130对置的第1磁传感器HA和在轴向上与定子200对置的第2磁传感器HB。在各个检测部21中，第1磁传感器HA和第2磁传感器HB沿着转子100的径向配置。另外，状态检测装置20具有计算部22，该计算部22根据从第1磁传感器HA得到的第1检测信号VHA和从第2磁传感器HB得到的第2检测信号VHB，按照每个检测部21计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000144
和定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000141
并且，状态检测装置20具有状态推断部23，该状态推断部23根据从计算部22得到的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000142
和定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000143
推断转子100的旋转角度θR、线圈电流I(Iu、Iv以及Iw)以及马达10的扭矩T作为状态量。
根据如上述那样构成的状态检测装置20，能够无分流电阻器等电流传感器地进行线圈电流I的检测以及扭矩T的推断，并且能够无专用的传感器磁铁地检测旋转角度θR。因此，根据本实施方式，能够提供能够作为独立于控制装置30的全合一类型的小型传感器来使用的状态检测装置20。
另外，在本实施方式中，计算部22通过从第1检测信号VHA乘以第1常数C而得到的运算结果中减去第2检测信号VHB来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000145
由此，能够通过乘法器与减法器的组合而简单且准确地计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000146
另外，如在上述实施方式中说明的那样，乘法器和减法器能够通过模拟电路或者数字电路等廉价的硬件来实现。
另外，在本实施方式中，计算部22通过从第2检测信号VHB中减去第1检测信号VHA乘以第3常数D而得到的运算结果来计算定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000147
由此，能够通过乘法器与减法器的组合而简单且准确地计算定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000148
另外，与上述同样地，乘法器和减法器能够通过模拟电路或者数字电路等廉价的硬件来实现。
另外，在本实施方式中，状态推断部23具有角度推断部23a、电流推断部23b以及扭矩推断部23c。角度推断部23a根据从计算部22得到的三个转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000153
来推断旋转角度θR。电流推断部23b根据从计算部22得到的三个定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000154
以及预先确定为常数的马达10的自感和互感来推断线圈电流I。扭矩推断部23c根据从计算部22得到的三个转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000155
线圈电流I的推断结果以及预先确定为常数的转子磁铁130的极对数Np，来推断扭矩T。
由此，能够简单且准确地推断作为马达10的状态量的旋转角度θR、线圈电流I以及扭矩T。
(变形例)
本发明并不限定于上述实施方式，在本说明书中说明的各结构能够在相互不矛盾的范围内适当组合。
例如，也可以代替在上述实施方式中说明的计算部22，而将图5所示的变形例中的计算部25设置于状态检测装置20。变形例中的计算部25通过从第2检测信号VHB乘以第2常数E而得到的运算结果中减去第1检测信号VHA来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000157
另外，计算部25通过从第1检测信号VHA中减去第2检测信号VHB乘以第4常数F而得到的运算结果来计算定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000156
如以下的式(9)所示那样，首先，通过第2检测信号VHB乘以第2常数E，得到式(9)的右边所示的运算结果。第2常数E是通过将系数j除以系数k而得到的值。而且，如以下的式(10)所示那样，当从第2检测信号VHB乘以第2常数E而得到的运算结果中减去第1检测信号VHA时，定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000159
被消除，仅残留有转子磁通成分
Figure BDA00038466704100001510
Figure BDA0003846670410000151
Figure BDA0003846670410000152
另外，如以下的式(11)所示那样，首先，通过第2检测信号VHB乘以第4常数F，得到式(11)的右边所示的运算结果。第4常数F是通过将系数x除以系数y而得到的值。而且，如以下的式(12)所示那样，当从第1检测信号VHA中减去第2检测信号VHB乘以第4常数F而得到的运算结果时，转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000158
被消除，仅残留有定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000163
Figure BDA0003846670410000161
Figure BDA0003846670410000162
如上所述，如果通过实验或模拟预先求出第2常数E(＝j/k)，则能够通过从第2检测信号VHB乘以第2常数E而得到的运算结果中减去第1检测信号VHA来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000164
同样地，如果通过实验或模拟预先求出第4常数F(＝x/y)，则能够通过从第1检测信号VHA中减去第2检测信号VHB乘以第4常数F而得到的运算结果来计算定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000165
如图5所示，变形例中的计算部25具有U相磁通计算部25u、V相磁通计算部25v以及W相磁通计算部25w。
U相磁通计算部25u被输入从U相第1磁传感器HAu得到的U相第1检测信号VHAu和从U相第2磁传感器HBu得到的U相第2检测信号VHBu。U相磁通计算部25u具有第1乘法器25ua、第1减法器25ub、第2乘法器25uc以及第2减法器25ud。
第1乘法器25ua将具有与第2常数E对应的模拟电压值的电压VE与U相第2检测信号VHBu相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第1减法器25ub。第1减法器25ub通过从由第1乘法器25ua输入的信号中减去U相第1检测信号VHAu来计算U相的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000166
并将表示该计算结果的作为周期波信号的U相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000169
输出给状态推断部23。
第2乘法器25uc将具有与第4常数F对应的模拟电压值的电压VF与U相第2检测信号VHBu相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第2减法器25ud。第2减法器25ud通过从U相第1检测信号VHAu中减去从第2乘法器25uc输入的信号来计算U相的定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000167
并将表示该计算结果的U相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000168
输出给状态推断部23。
V相磁通计算部25v被输入从V相第1磁传感器HAv得到的V相第1检测信号VHAv和从V相第2磁传感器HBv得到的V相第2检测信号VHBv。V相磁通计算部25v具有第1乘法器25va、第1减法器25vb、第2乘法器25vc以及第2减法器25vd。
第1乘法器25va将具有与第2常数E对应的模拟电压值的电压VE与V相第2检测信号VHBv相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第1减法器25vb。第1减法器25vb通过从由第1乘法器25va输入的信号中减去V相第1检测信号VHAv来计算V相的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000172
并将表示该计算结果的作为周期波信号的V相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000171
输出给状态推断部23。
第2乘法器25vc将具有与第4常数F对应的模拟电压值的电压VF与V相第2检测信号VHv相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第2减法器25vd。第2减法器25vd通过从V相第1检测信号VHAv中减去从第2乘法器25vc输入的信号来计算V相的定子磁通成分
Figure BDA00038466704100001711
并将表示该计算结果的V相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000174
输出给状态推断部23。
W相磁通计算部25w被输入从W相第1磁传感器HAw得到的W相第1检测信号VHAw和从W相第2磁传感器HBw得到的W相第2检测信号VHBw。W相磁通计算部25w具有第1乘法器25wa、第1减法器25wb、第2乘法器25wc以及第2减法器25wd。
第1乘法器25wa将具有与第2常数E对应的模拟电压值的电压VE与W相第2检测信号VHBw相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第1减法器25wb。第1减法器25wb通过从由第1乘法器25wa输入的信号中减去W相第1检测信号VHAw来计算W相的转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000178
并将表示该计算结果的作为周期波信号的W相转子磁通信号
Figure BDA0003846670410000177
输出给状态推断部23。
第2乘法器25wc将具有与第4常数F对应的模拟电压值的电压VF与W相第2检测信号VHBw相乘，并将表示该运算结果的信号输出给第2减法器25wd。第2减法器25wd通过从W相第1检测信号VHAw中减去从第2乘法器25wc输入的信号来计算W相的定子磁通成分
Figure BDA0003846670410000175
并将表示该计算结果的W相定子磁通信号
Figure BDA0003846670410000176
输出给状态推断部23。
在具有以上那样的计算部25的变形例的状态检测装置20中，也能够根据从第1磁传感器HA得到的第1检测信号VHA和从第2磁传感器HB得到的第2检测信号VHB，来计算转子磁通成分
Figure BDA0003846670410000179
和定子磁通成分
Figure BDA00038466704100001710
标号说明
1：马达单元；10：马达；20：状态检测装置；21：检测部；21u：U相检测部；21v：V相检测部；21w：W相检测部；22、25：计算部；22u、25u：U相磁通计算部；22v、25v：V相磁通计算部；22w、25w：W相磁通计算部；22ua、22va、22wa、25ua、25va、25wa：第1乘法器；22ub、22vb、22wb、25ub、25vb、25wb：第1减法器；22uc、22vc、22wc、25uc、25vc、25wc：第2乘法器；22ud、22vd、22wd、25ud、25vd、25wd：第2减法器；23：状态推断部(推断部)；23a：角度推断部(位置推断部)；23b：电流推断部；23c：扭矩推断部；24：电路板；24a：轴插入孔；24b：电路板的板面；30：控制装置；100：转子(rotor)；110：转子铁芯；120：转子轴；130：转子磁铁(永磁铁)；200：定子(stator)；210：定子铁芯；211：轭；212：齿；220：线圈；221：U相线圈；222：V相线圈；223：W相线圈；220：线圈；HA：第1磁传感器；HAu：U相第1磁传感器；HAv：V相第1磁传感器；HAw：W相第1磁传感器；HB：第2磁传感器；HBu：U相第2磁传感器；HBv：V相第2磁传感器；HBw：W相第2磁传感器。

Claims (7)

1.一种状态检测装置，其检测具有定子和转子的马达的状态量，该定子具有线圈，该转子具有永磁铁，其中，
该状态检测装置具有：
至少三个检测部，其沿着所述转子的旋转方向设置，具有在所述转子的轴向上与所述永磁铁对置的第1磁传感器和在所述轴向上与所述定子对置的第2磁传感器；
计算部，其根据从所述第1磁传感器得到的表示磁通检测结果的第1检测信号和从所述第2磁传感器得到的表示磁通检测结果的第2检测信号，按照每个所述检测部计算转子磁通成分和定子磁通成分；以及
推断部，其根据从所述计算部得到的所述转子磁通成分和所述定子磁通成分，推断所述转子的旋转位置、在所述线圈中流动的线圈电流以及所述马达的扭矩作为所述状态量，
在各个所述检测部中，所述第1磁传感器和所述第2磁传感器沿着所述转子的径向配置。
2.根据权利要求1所述的状态检测装置，其中，
所述计算部通过从所述第1检测信号乘以第1常数而得到的运算结果中减去所述第2检测信号，来计算所述转子磁通成分。
3.根据权利要求1所述的状态检测装置，其中，
所述计算部通过从所述第2检测信号乘以第2常数而得到的运算结果中减去所述第1检测信号，来计算所述转子磁通成分。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的状态检测装置，其中，
所述计算部通过从所述第2检测信号中减去所述第1检测信号乘以第3常数而得到的运算结果，来计算所述定子磁通成分。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的状态检测装置，其中，
所述计算部通过从所述第1检测信号中减去所述第2检测信号乘以第4常数而得到的运算结果，来计算所述定子磁通成分。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的状态检测装置，其中，
所述推断部具有：
位置推断部，其根据从所述计算部得到的所述转子磁通成分来推断所述旋转位置；
电流推断部，其根据从所述计算部得到的所述定子磁通成分以及预先确定为常数的所述马达的自感和互感，来推断所述线圈电流；以及
扭矩推断部，其根据从所述计算部得到的所述转子磁通成分、从所述电流推断部得到的所述线圈电流的推断结果以及预先确定为常数的所述永磁铁的极对数，来推断所述扭矩。
7.一种马达单元，其具有：
马达，其具有定子和转子，该定子具有线圈，该转子具有永磁铁；
权利要求1至6中的任意一项所述的状态检测装置，其检测所述马达的状态量；以及
控制装置，其根据从所述状态检测装置得到的所述状态量的检测结果来控制所述马达。
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