DE102020213097A1

DE102020213097A1 - Verfahren zum erfassen eines magnetfeldortes in einem elektromotor

Info

Publication number: DE102020213097A1
Application number: DE102020213097.3A
Authority: DE
Inventors: Kazuki Suzuki
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-04-29
Also published as: JP7349321B2; US11201574B2; US20210126564A1; JP2021072653A; CN112747662B; CN112747662A

Abstract

Eine MPU (51) wählt aufeinanderfolgend eines aus sechs Speisungsmustern aus, legt Rechteckpulse konstanter Spannung an Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) für eine vorgegebene Erfassungsspeisungszeit an, schaltet mindestens den niederseitigen Arm einer Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung (53) ein, um einen induzierten Strom zwischen einem Schaltelement und den Wicklungen zurückfließen zu lassen und denselben abzuschwächen, misst Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisung mittels einer A/D-Wandlerschaltung (56) und speichert die Spitzenwicklungsstromwerte als Messdaten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes in einem Elektromotor, beispielsweise einem sensorlosen Motor, einem linearen Aktuator bzw. einem linearen Stellglied, und Ähnlichem.
Stand der Technik
Bisher wurden DC-Motoren mit Bürsten als kleine DC-Motoren verwendet, aber diese weisen das Problem von Bürstenrauschen, elektrischem Rauschen, einer geringen Festigkeit usw. auf, so dass bürstenlose DC-Motoren entwickelt wurden, um diese Probleme zu lösen. In jüngster Zeit haben sensorlose Motoren, die keine Ortssensoren bzw. Ortungssensoren aufweisen, als kompakte, leichte, robuste Motoren mit niedrigen Kosten Aufmerksamkeit erzielt, und diese wurden als erstes in Vorrichtungen der Informationstechnologie, beispielsweise Festplattenlaufwerkseinheiten, verwendet und dann aufgrund des Fortschritts der Vektorsteuerungstechnologie in elektrischen Heimanwendungen, in Fahrzeugvorrichtungen usw. verwendet.
Ein bürstenloser Dreiphasen-Gleichstrommotor (DC-Motor) ist in 8 als ein Beispiel eines sensorlosen Motors gezeigt, der keinen Ortungssensor aufweist. Ein Rotor 2 kann um eine Rotorwelle 1 drehen und weist einen Permanentmagneten 3 mit zwei Magnetpolen, d.h. einen S-Pol bzw. Südpol und einen N-Pol bzw. Nordpol, auf. Die Art der Magnetpolstruktur (IPM: implantierter Permanentmagnet, SPM: Oberflächenpermanentmagnet) und die Anzahl der Magnetpole kann optional ausgewählt werden. In einem Stator 4 sind Ankerwicklungen (Wicklungen bzw. Spulen) U, V und W auf Polzähnen ausgebildet, die eine Phasendifferenz von 120° zueinander aufweisen, und diese sind in einer Sternkonfiguration über einen neutralen Punkt (gemeinsamen Punkt) C verbunden.
Ein Beispiel eines Blockdiagramms einer herkömmlichen sensorlosen Ansteuerschaltung ist in 11 gezeigt. Dort steht „MOTOR“ für einen sensorlosen Dreiphasen-motor. MPU (Mikroprozessor) 51 ist ein Mikrocontroller (Steuerungseinrichtung). INV 53 ist eine Inverterschaltung (Ausgabeeinrichtung), die eine Dreiphasen-Halbbrückenstruktur aufweist. RS steht für elektrischer Stromsensor 54. ADC steht für einen A/D-Wandler 55 zum Umwandeln eines elektrischen Stromwertes in einen digitalen Wert. Man beachte, dass die tatsächliche Schaltung außerdem eine elektrische Quelle, einen Nulldurchgangskomparator, einen Gemeinsam-Dummy-Erzeugungsteil, einen Host-Schnittstellenteil usw. enthält, diese aber zum einfacheren Verständnis weggelassen sind.
Ein Zeitdiagramm eines typischen Beispiels einer 120°-Speisung bzw. 120°-Bestromung zum Ansteuern des bürstenlosen Dreiphasen-DC-Motors ist in 12 gezeigt. In einem Intervall 1 wird eine Rechteckwellenspeisung von der U-Phase zu der V-Phase durchgeführt; in einem Intervall 2 wird eine Rechteckwellenspeisung von der U-Phase zu der W-Phase durchgeführt; in einem Intervall 3 wird eine Rechteckwellenspeisung von der V-Phase zu der W-Phase durchgeführt; in einem Intervall 4 wird eine Rechteckwellenspeisung von der V-Phase zu der U-Phase durchgeführt; in einem Intervall 5 wird eine Rechteckwellenspeisung von der W-Phase zu der U-Phase durchgeführt; und in einem Intervall 6 wird eine Rechteckwellenspeisung von der W-Phase zu der V-Phase durchgeführt. Die gestrichelten Linien sind Wellenformen bzw. Funktionen von induzierten Spannungen. HU bis HW sind Wellenformen bzw. Funktionen von Ausgängen von Hall-Sensoren, die in dem Motor angeordnet sind, und es wird ein Schalten der Speisung in dem herkömmlichen bürstenlosen DC-Motor, der keinen Ortungssensor aufweist, entsprechend diesen Signalen durchgeführt.
Bei der sensorlosen Ansteuerung werden Orte des Rotors anhand der induzierten Spannungen erfasst, aber der Rotor kann nicht initiiert werden, wenn die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl gleich null ist, da in einem stationären Zustand keine Spannungen induziert werden und der Ort des Rotors nicht erfasst werden kann. Um den Ort des Rotors in dem stationären Zustand zu erfassen, wurde ein Erfassungsverfahren vorgeschlagen, bei dem eine elektrische Stromerfassungsschaltung, die den Stromsensor 54 und die Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 enthält, verwendet wird und bei dem sinusförmige Wicklungsströme durch Wicklungen mittels PWM-Ansteuerung fließen, um den Rotorort anhand der Stromreaktion zu schätzen.
Bei der Verwendung einer Hochfrequenzwelle bzw. -funktion, bei der Erfassungspulse, beispielsweise große Stromsinuswellen, verwendet werden, um einen Rotorort anhand von Wicklungsstromprofilen zu schätzen, werden drei Stromsensoren 54 und ein Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler 56 benötigt, die in der Lage sind, gleichzeitig drei Phasen abzutasten, um die Stromprofile zu erstellen. Außerdem wird ein Differenzverstärker und Ähnliches zur präzisen Messung benötigt, so dass die Erfassungsschaltung komplex ist. Um eine Berechnung zum Schätzen des Rotorortes durchzuführen, wird ein mathematisches Modell verwendet, so dass eine sehr leistungsfähige MPU 51 benötigt wird. Daher sind die Produktionskosten einer Vorrichtung zum Durchführen dieser Art von Verfahren hoch. Außerdem gibt es Probleme hinsichtlich eines großen Erfassungsstromes, einer langen Ortserfassungszeit von beispielsweise mehreren Dutzend Millisekunden und Ähnliches.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wurde ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes in einem Elektromotor vorgeschlagen, bei dem ein kostengünstiger Motor mit einer einfachen Hardware und Software verwendet wird und der Permanentmagnetfeldort schnell erfasst werden kann. In einem stationären Zustand des Motors werden Dreiphasen-Erfassungspulse (Rechteckwellenpulse konstanter Spannung) an die Dreiphasen-Wicklungen angelegt, und es wird eine Speisungszeit einer jeweiligen Wicklung als eine Objektphase wiederholt gemessen, und der Permanentmagnetfeldort wird anhand von Magnetfeldortsinformationen, die einem Speisungsmuster entsprechen, dessen Messdaten der Speisungszeit unter den Messdaten von sechs Speisungsmustern minimal ist, identifiziert (siehe JP 2018 - 78 695 A ).
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In der JP 2018 - 78 695 A wird der Rotorort in Einheiten eines elektrischen Winkels von 60° erfasst, aber es wird ein großer elektrischer Strom angelegt, so dass eine Änderung einer in dem Rotor erzeugten Leistung auftritt, die durch eine schnelle Änderung des elektrischen Stromes verursacht wird, und es tritt Rauschen auf.
13 ist ein Wellenformdiagramm bzw. Funktionsdiagramm, das eine Stromfunktion bei Anlegung einer Pulsspannung (eines Ansteuersignals) an optionale zwei Wicklungen der Dreiphasen-Wicklungen durch 120°-Rechteckwellenspeisung und eine Rauschfunktion, die durch ein Mikrofon aufgenommen wird, zeigt. 14 ist ein Wellenformdiagramm bzw. Funktionsdiagramm, das eine Mikrofonfunktion bzw. Mikrofonwellenform zeigt, bei der die Rauschfunktion, die in 13 gezeigt ist, einer FFT-Behandlung (schnelle Fouriertransformation) unterzogen wurde. In 14 gibt die vertikale Achse die Stärke des Rauschens an, und die horizontale Achse ist die Zeitachse. In 12 wird das Rauschen unmittelbar nach dem Anlegen der Pulsspannung erzeugt.
In der in 15 gezeigten Motoransteuerschaltung zeigt ein Pfeil mit durchgezogener Linie einen Fluss eines elektrischen Stromes, der durch optionale zwei Wicklungen (beispielsweise U-Phase und V-Phase) der Dreiphasen-Wicklungen (U, V und W) fließt, wenn eine Pulsspannung an die beiden Wicklungen angelegt wird, und ein Pfeil mit einer gestrichelten Linie zeigt einen Fluss eines induzierten Stromes, der nach der Speisung erzeugt wird. Entsprechend des Pfeiles mit gestrichelter Linie wird elektrische Leistung durch vorhandene Rückflussdioden und Widerstände verbraucht, die in dem Fließpfad des induzierten Stromes parallel zu den FETs geschaltet sind, so dass die Abschwächung des elektrischen Stromes schnell fortschreitet und Rauschen erzeugt wird.
Lösung für das Problem
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen lösen die oben beschriebenen Probleme, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes in einem Elektromotor zu schaffen, das in der Lage ist, eine schnelle Änderung eines induzierten Stromes in Wicklungen zu verhindern bzw. einzuschränken, um Rauschen zu verringern, wenn der Magnetfeldort des Elektromotors erfasst wird.
Um die Aufgabe zu lösen, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung in der Lage, einen Magnetfeldort in einem Elektromotor zu erfassen, wobei der Elektromotor aufweist: einen Rotor, der ein Permanentmagnetfeld aufweist; und einen Stator, der Dreiphasen-Wicklungen aufweist und durch eine 120°-Rechteckwellenspeisung einer elektrischen Konstantspannungs-DC-Quelle initiiert wird,
wobei die Elektromotoransteuerschaltung außerdem aufweist:

eine Steuerungseinrichtung zum Speichern von sechs Speisungsmustern, die Speisungen bzw. Energieversorgungen bzw. Bestromungen in einer Vorwärtsrichtung und Speisungen bzw. Energieversorgungen bzw. Bestromungen in einer Rückwärtsrichtung für die Dreiphasen-Wicklungen sind, und Feldortsinformationen, die Erregungs- bzw. Anregungswechselintervalle einer 120°-Speisung entsprechend den Speisungsmustern angeben, wobei die Steuerungseinrichtung eine PWM-Steuerungsschaltung zum Erzeugen von PWM-Speisungssignalen für die Dreiphasen-Wicklungen entsprechend einem Drehbefehl von einer übergeordneten Steuerung enthält;
eine Ausgabeeinrichtung zum Speisen von optionalen zwei Wicklungen der Dreiphasen-Wicklungen über eine Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung durch die PWM-Steuerungsschaltung;
eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen von Wicklungsströmen, wobei die Stromerfassungseinrichtung mit einem masseseitigen Anschluss der Ausgabeeinrichtung verbunden ist; und
eine A/D-Wandlerschaltung zum Messen von Wicklungsstromwerten von Ausgängen der Stromerfassungseinrichtung,
wobei die PWM-Steuerungsschaltung jedes Paar aus einem hochseitigem Arm und einem niederseitigem Arm der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung für jede Phase steuert und eine PWM-Steuerung in einem komplementären Modus, bei dem ein Arm einer entgegengesetzten Seite in Bezug auf eine Speisungszeit innerhalb eines PWM-Zyklus eingeschaltet ist, während PWM-Aus-Zyklen durchführt,
wobei die Steuerungseinrichtung die folgenden Schritte wiederholt:
- einen Speisungs-Aus-Schritt, bei dem die Steuerungseinrichtung sämtliche Ausgänge der Ausgabeeinrichtung unmittelbar vor einem Erfassen einer Speisung der Dreiphasen-Wicklungen blockiert und Energien, die in sämtlichen Wicklungen gespeichert sind, freigibt, um einen Wicklungsstrom-Nullzustand zu erzeugen;
einen Messschritt, bei dem die Steuerungseinrichtung aufeinanderfolgend eines aus den sechs Speisungsmustern als eine zu messende Objektphase, die aus den Dreiphasen-Wicklungen ausgewählt wird und in der eine Einphasen-Speisung durchgeführt wird und kein Zweig an einem neutralen Punkt ausgebildet wird, auswählt, Rechteckpulse konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen für eine vorgegebene Erfassungsspeisungszeit anlegt, mindestens den niederseitigen Arm der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung einschaltet, um einen induzierten Strom zwischen einem Schaltelement und der Wicklung zurückfließen zu lassen und denselben abzuschwächen, Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisung durch die A/D-Wandlerschaltung misst, und die gemessenen Spitzenwicklungsstromwerte als Messdaten speichert;
einen Speicherschritt, bei dem die Steuerungseinrichtung ein Rückwärtsrichtungs-speisungsmuster nach einem Vorwärtsrichtungsspeisungsmuster für die Objektphase auswählt, dann ein Vorwärtsrichtungsspeisungsmuster und ein Rückwärtsrichtungsspeisungsmuster für die restlichen beiden Phasen auswählt, ein Messen von Spitzenwicklungsstromwerten wiederholt, die durch Speisungs-Aus-Aktionen und Erfassungsspeisungen für die sechs Speisungsmuster erzeugt werden, Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisungen misst, und die Messdaten speichert, und
wobei die Steuerungseinrichtung ein Speisungsmuster, dessen Spitzenwicklungsstromwert unter den Messdaten der sechs Speisungsmuster maximal ist, auswählt und einen Permanentmagnetfeldort aus den dem maximalen Speisungsmuster entsprechenden Feldortsinformationen identifiziert.

In dem oben beschriebenen Verfahren kann der stationäre Ort des Permanentmagnetfeldes schnell durch aufeinanderfolgendes Anlegen von Dreiphasen-Erfassungspulsen (Rechteckwellenpulsen konstanter Spannung) an die Dreiphasen-Wicklungen und Messen des Spitzenwicklungsstromes der zu messenden Objektphase identifiziert werden. Insbesondere wird in dem Messschritt, bei dem die Erfassungsspeisung durch Anlegen von Rechteckwellenpulsen konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen durchgeführt wird, mindestens der niederseitige Arm der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung für einen Rückfluss eingeschaltet, um einen induzierten Strom zwischen einem Schaltelement (beispielsweise einem Feldeffekttransistor) und der Wicklung zurückfließen zu lassen und den induzierten Strom abzuschwächen, so dass eine schnelle Änderung des Motorstroms und das Erzeugen von Rauschen eingeschränkt bzw. verhindert werden können.
Vorzugsweise legt die Steuerungseinrichtung in dem Messschritt Rechteckpulse konstanter Spannung, die durch die PWM-Steuerungsschaltung unterteilt wurden, an die zu messende Objektphase an, wenn sie aufeinanderfolgend ein Speisungsmuster aus den sechs Speisungsmustern auswählt und Rechteckpulse konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen während der vorgegebenen Erfassungsspeisungszeit anlegt, und misst mittels der A/D-Wandlerschaltung Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor einer Beendigung der Erfassungsspeisungen und speichert die gemessenen Spitzenwicklungsstromwerte als Messdaten.
Mit diesem Verfahren können eine schnelle Änderung des Motorstroms und die Erzeugung von Rauschen weiter eingeschränkt werden.
Vorzugsweise halbiert die Steuerungseinrichtung Feldortsinformationen eines elektrischen Winkels von 60°, der aus dem maximalen Speisungsmuster identifiziert wird, durch Vergleich der Größen der Messdaten der Speisungsmuster, die benachbart zu dem Speisungsmuster sind, dessen Spitzenwicklungsstromwert maximal ist, um den Permanentmagnetfeldort in Einheiten eines elektrischen Winkels von 30° zu identifizieren.
Mit diesem Verfahren ist ein Kreuzungspunkt von Speisungszeiten von zwei Wicklungen in einer Mitte eines Intervalls der Permanentmagnetfeldortsinformationen vorhanden, die durch einen elektrischen Winkel von 60° definiert werden, und eine Größenbeziehung ist invertiert bzw. umgekehrt, so dass durch Vergleich der Größen der Messdaten beider Speisungsmuster, die benachbart zueinander sind, der Rotorort mit einem Versatz bzw. Abstand eines elektrischen Winkels von 30° präzise identifiziert werden kann.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Durch Verwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Erzeugung von Rauschen, dass erzeugt wird, wenn der Magnetfeldort des Elektromotors erfasst wird, eingeschränkt werden, so dass ein leises Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes (Drehzustand) in einem Elektromotor realisiert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine Grafik eines Speisungsmusters.
2 ist eine Grafik, die Stromfunktionen zeigt, wenn sechs Speisungsmuster gemessen werden.
3 ist ein Blockdiagramm einer Motoransteuerschaltung.
4 ist eine tatsächliche Grafik von elektrischen Stromwerten, die durch Dreiphasen-Wicklungen (Wicklungen von drei Phasen) fließen.
5 ist eine Grafik, die eine Funktion eines Wicklungsstromes und eine Funktion eines Schallsammelmikrofons zeigt, wenn ein Puls eines Ansteuersignals (Rechteckpuls) an die in 3 gezeigte Motoransteuerschaltung angelegt wird.
6 ist eine Grafik, die eine Funktion des Schallsammelmikrofons nach einer FFT (schnelle Fouriertransformation) zeigt.
7 ist eine Ansicht zur Erläuterung von Flüssen eines Speisungsstromes und eines induzierten Stromes in der in 3 gezeigten Motoransteuerschaltung.
8 zeigt einen Aufbau eines bürstenlosen Dreiphasen-DC-Motors, bei dem die Wicklungen im Stern geschaltet sind.
9 ist eine Grafik, die eine Funktion eines Wicklungsstroms und eine Funktion eines Schallsammelmikrofons zeigt, wenn ein Puls des Ansteuersignals (Rechteckpuls) an die in 3 gezeigte Motoransteuerschaltung angelegt wird.
10 ist eine Grafik, die eine Funktion des Schallsammelmikrofons der 9 zeigt, die einer FFT unterzogen wurde.
11 ist ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Motoransteuerschaltung.
12 ist ein Zeitdiagramm einer 120°-Speisung.
13 ist eine Grafik, die die Funktion des Wicklungsstroms und die Funktion des Schallsammelmikrofons zeigt, wenn ein Puls des Ansteuersignals (Rechteckpuls) an die herkömmliche Motoransteuerschaltung angelegt wird.
14 ist eine Grafik, die die in 13 gezeigte Funktion des Schallsammelmikrofons nach Durchführung einer FFT zeigt.
15 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Flüsse des Speisungsstroms und des induzierten Stroms in der herkömmlichen Motoransteuerschaltung.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen des Verfahrens zum Erfassen von Magnetfeldorten eines Elektromotors der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird ein sensorloser Motor als ein Beispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors beschrieben, der aufweist: einen Rotor mit einem Permanentmagnetfeld; und einen Stator mit Wicklungen in Sternschaltung, die mit einer Phasendifferenz von 120° angeordnet sind und in denen Phasenenden bzw. Wicklungsenden der jeweiligen Phasen mit einer Motoransteuerschaltung verbunden sind. Man beachte, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung für einen linearen Aktuator bzw. ein lineares Stellglied verwendet werden kann, bei dem ein bewegliches Element durch einen Elektromotor hin und her bewegt wird.
In der folgenden Beschreibung wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Erfassen eines Permanentmagnetfeldortes in einem sensorlosen Motor, beispielsweise einem bürstenlosen Dreiphasen-Motor, mit Bezug auf einen Aufbau einer Ansteuereinheit eines sensorlosen Motors erläutert.
Ein Beispiel des bürstenlosen Dreiphasen-DC-Motors der vorliegenden Erfindung ist in 8 gezeigt. Der bürstenlose Dreiphasen-DC-Motor weist beispielsweise einen Permanentmagnetrotor 3 mit zwei Polen und einen Stator 4 mit drei Schlitzen auf. Der Motor kann einen Innenrotor oder einen Außenrotor aufweisen. Außerdem kann das Permanentmagnetfeld ein Typ mit implantiertem Permanentmagnet (IPM) oder ein Typ mit Oberflächenpermanentmagnet (SPM) zu sein.
In 8 ist eine Rotorwelle 1 in den Rotor 2 integriert, und ein zweipoliger Permanentmagnet 3 ist an diesem als (zur Ausbildung) Magnetfeld angeordnet. Der Stator 4 weist Polzähne 4a, 4b und 4c auf, die dem Permanentmagneten 3 zugewandt sind und mit einer Phasendifferenz von 120° zueinander angeordnet sind. Wicklungen U, V und W sind jeweils an den Polzähnen 4a, 4b und 4c des Stators 4 ausgebildet, wobei die (Wicklungen der) Phasen mit einem gemeinsamen Punkt C in Sternform verbunden sind, und diese sind mit der Motoransteuerschaltung, die später beschrieben wird, als bürstenloser Dreiphasen-DC-Motor verbunden. Man beachte, dass keine gemeinsame Leitung notwendig ist, so dass diese in der Zeichnung weggelassen ist.
Im Folgenden wird ein Beispiel einer Motoransteuerschaltung des bürstenlosen Dreiphasen-DC-Motors mit Bezug auf 3 beschrieben.
Eine Initiierungsart des Motors ist eine Art einer bipolaren Rechteckwellenanregung mit 120°-Speisung.
„Motor“ in der Figur steht für den sensorlosen Dreiphasen-Motor. Die MPU 51 ist ein Mikrocontroller (Steuerungseinrichtung). Die MPU 51 speichert sechs Speisungsmuster für die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W und Magnetfeldortsinformationen zum Zuweisen von Anregungs- bzw. Erregungsschaltintervallen (Intervall 1 bis Intervall 6) der 120°-Speisung, die jeweils den Speisungsmustern entsprechen, und weist eine PWM-Steuerungsschaltung 52 zur Erzeugung von PWM-Speisungssignalen für die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W entsprechend Drehbefehlen auf, die von einer übergeordneten Steuerung gesendet werden.
Wie oben gesagt weist die MPU 51 die PWM-Steuerungsschaltung 52 auf. Die PWM-Steuerungsschaltung 52 sendet die PWM-Speisungssignale (Gate-Signale) aus und steuert ein Schalten einer Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung (INV: Ausgabeeinrichtung) 53, um optionale zwei Phasen-Wicklungen der drei Dreiphasen-Wicklungen U, V und W zu erregen. Die Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 enthält sechs Gatter-Schaltungen, in der jeweils eine Rückflussdiode mit einem Schaltelement (Feldeffekttransistor FET) parallelgeschaltet ist, für die drei Phasen. In dem Schaltelement jeder Phase ist ein hochseitiger Arm (beispielsweise FETU_H) mit einer positiven Quellenleitung (Stromleitung) verbunden, und ein niederseitiger Arm (beispielsweise FETU_L) ist mit einer Masseleitung verbunden.
Die PWM-Steuerungsschaltung 52 steuert jedes Paar aus dem hochseitigem Arm (beispielsweise FTU_H) der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 und dem niederseitigen Arm (beispielsweise FETU_L) derselben für jede Phase. Die PWM-Steuerung wird beispielsweise in einem komplementären Modus durchgeführt, bei dem der Arm, der ein Arm der entgegengesetzten Seite zu dem Arm ist, der während einer PWM-Ein-Zyklusspeisungsperiode eingeschaltet ist, während einer PWM-Aus-Zyklusperiode eingeschaltet ist; und die PWM-Steuerung wird in einem HL-Speisungsmodus und einem LH-Speisungsmodus durchgeführt. D.h., der hochseitige Arm wird während der PWM-Ein-Zyklusperiode eingeschaltet (H), und der niederseitige Arm wird während der PWM-Aus-Zyklusperiode (HL-Speisung) eingeschaltet (L); und der niederseitige Arm wird während der PWM-Ein-Zyklusperiode eingeschaltet (L), und der hochseitige Arm wird während der PWM-Aus-Zyklusperiode (LH-Speisung) eingeschaltet (H).
Ein elektrischer Stromsensor (RS: Stromerfassungseinrichtung) 54 ist in Serie zu einem gemeinsamen Masseanschluss der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 geschaltet. Der Stromsensor 54 ist mit einem Eingangsanschluss eines Komparators (COMP) 55 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Shunt r als Stromsensor 54 verwendet. Der Ausgang des Stromsensors (Stromerfassungseinrichtung) 54 wird an einen A/D-Wandler (ADC: Analog-nach-Digital-Wandlungsschaltung) 56 geschickt. Der A/D-Wandler 56 misst Wicklungsstromwerte von einem Ausgang des Stromsensors 54. Ein Verstreichen einer vorgegebenen Speisungszeit eines Erfassungspulses wird von einem eingebauten Zeitnehmer (Timer) der MPU 51 gemessen. Es wird kein hochleistungsfähiger A/D-Wandler benötigt, so dass ein kostengünstiger A/D-Wandler in der MPU 51 ausreicht. Es ist beispielsweise ein 12 Bit-A/D-Wandler, dessen Datenbeschaffungszeit 1 µs beträgt und dessen Wandlungszeit etwa 20 µs beträgt, in einer allgemeinen MPU-Mikroprozessoreinheit enthalten, und dieser ist in der vorliegenden Erfindung ausreichend. Unter Verwendung der oben beschriebenen Struktur werden Spitzenwicklungsstromwerte für sechs Speisungsmuster der Dreiphasen-Speisung gemessen, das maximale Muster wird anhand der maximalen Messdaten erfasst, und es wird ein Rotorort (Drehzustand) anhand der dem maximalen Muster entsprechenden Feldortsinformationen identifiziert, die im Voraus in der MPU 51 gespeichert wurden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Speisung der Dreiphasen-Wicklungen zum Erfassen des Rotorortes gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, um Spitzenströme zu erfassen. Somit ist der Stromsensor 54, der durch einen Shunt r ausgebildet wird, zwischen dem gemeinsamen Masseanschluss der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 und der Masse wie in 3 gezeigt angeordnet, anstatt der Stromsensoren der herkömmlichen Motoransteuerschaltung, die jeweils seriell zu den Wicklungen wie in 11 gezeigt geschaltet sind. Es wird nur eine niedrige Spannung von beispielsweise mehreren Volt eines Spannungsabfalls an den Shunt r angelegt, so dass diese in einer Hochspannungsansteuerschaltung verwendet werden kann, deren an die Wicklung angelegte Spannung beispielsweise mehrere hundert Volt beträgt.
Der Komparator 55 vergleicht eine erfasste Spannung, die einem Wicklungsstrom entspricht, der durch den Stromsensor 54 erfasst wird, mit einer Bezugsspannung, die einem Stromschwellenwert entspricht, und erfasst, ob der Wicklungsstrom den Stromschwellenwert erreicht oder nicht. Spitzenstromwerte werden durch den A/D-Wandler 56 erfasst. Die erfasste Spannung, die von dem Stromsensor 54 ausgegeben wird, wird in einen Eingangsanschluss des Komparators 55 eingegeben. Die Bezugsspannung, deren Wert äquivalent zu dem Stromschwellenwert ist, mit dem eine Änderung eines Magnetwiderstands, der durch eine Feldpolarität verursacht wird, erfassbar ist, wird in einen Bezugsanschluss eingegeben. Der Ausgang des A/D-Wandlers 56 wird in die MPU 51 eingegeben und ändert sich von dem L-Pegel in den H-Pegel, wenn er den Stromschwellenwert überschreitet.
Die MPU 51 misst die Spitzenstromwerte unter Verwendung des A/D-Wandlers 56, speichert Messdaten einer betreffenden zu messenden Wicklung für jede Phase und erfasst den Permanentmagnetfeldort. Genauer gesagt wird eine betreffende zu messende Phase (Objektphase), in der eine Einphasen-Speisung durch einen neutralen Punkt durchgeführt wird, aus den Dreiphasen-Wicklungen ausgewählt, es werden eine Vorwärtsrichtungsspeisung und eine Rückwärtsrichtungsspeisung für die Objektphase in dieser Reihenfolge durchgeführt, und es werden dieselben Speisungsmuster für die restlichen beiden Phasen wiederholt, so dass die sechs Speisungsmuster durchgeführt werden. Dann wird das maximale Speisungsmuster, dessen Messdaten maximal sind, anhand der Messdaten erfasst, und es wird der Rotorort anhand der gespeicherten, dem maximalen Speisungsmuster entsprechenden Permanentfeldortsinformationen identifiziert.
Die Theorie zum Erfassen des Permanentfeldortes wird im Folgenden erläutert.
Wenn Pulse konstanter Spannung an eine Wicklung angelegt werden, erhöht sich der Wicklungsstrom entsprechend der folgenden Formel: $I (t) = (L / R) * (1 - e^{(- t * R / L)})$
wobei I ein Wicklungsstromwert ist, L ein Spuleninduktivitätswert ist und R ein Wicklungswiderstandswert ist.
Eine Stromwellenform bzw. Stromfunktion eines Falles, in dem ein Rechteckpuls konstanter Spannung an eine Wicklung angelegt wird, ist in 1 gezeigt.
R ist konstant. Wenn eine Pulszeit t ein vorgegebener Wert ist, reflektiert der Spitzenstromwert I(t) die Induktivität L.
Es sind in der folgenden Tabelle 1 sechs Dreiphasen-Speisungsmuster, die an den Dreiphasen-Motor angelegt werden, gezeigt. Tabelle 1

Musternummer mit positiver Seite von Stromquelle verbundene Phase mit Masseseite verbundene Phase

1 U V, W

2 V, W U

3 V W, U

4 W, U V

5 W U,V

6 U,V W
Ausgangs-Aus-Perioden werden für die jeweiligen Dreiphasen-Wicklungen festgelegt, um für diese einen Wicklungsstrom-Nullzustand zu erzeugen. In dem Wicklungsstrom-Nullzustand ist die Stromfunktion bzw. der Stromverlauf wie in 2 gezeigt, wenn die sechs Speisungsmuster aufeinanderfolgend ausgewählt werden und ein Rechteckwellenpulse konstanter Spannung mit hoher Frequenz aufeinanderfolgend angelegt werden. Auf die oben beschriebene Weise wird der Rotorort durch Erfassungspulse erfasst, und die Spitzenstromwerte werden unter der Bedingung gemessen, bei der die Pulszeit t ein vorgegebener konstanter Wert ist.
Die Art des Messens von Spitzenstromwerten, bei der die Pulszeit t der vorgegebene konstante Wert ist, wird im Folgenden erläutert. Eine Stromerhöhungsrate ist an einem Ort groß, bei dem die Induktivität klein ist; eine Stromerhöhungsrate ist an einem Ort klein, bei dem die Induktivität groß ist. Daher ist eine dem Rotorort entsprechende Stromänderung entgegengesetzt zu einer Pulszeitänderung, wenn der Spitzenstrom konstant ist. Wenn Kurzzeitpulse angelegt werden, werden Spitzenstromwerte 11-16 entsprechend den Magnetfeldorten aufgrund des Einflusses der Reluktanz geändert. Die Spitzenstromänderung in Bezug auf den Magnetfeldort weist eine zweifache Periodizität auf, und diejenige für eine Phase entspricht näherungsweise der folgenden Formel: $Δ Ia = cos 2 θ, cos (2 θ + π)$
wobei θ der Magnetfeldort ist.
Die Spitzenstromänderungen der beiden übrigen Phasen können durch Addieren von 120° zu θ und Subtrahieren von 120° von θ erhalten werden.
Wenn Langzeitpulse (Pulse langer Dauer) angelegt werden, wird der Magnetwiderstand durch eine Magnetfeldpolarität geändert, so dass die Spitzenströme 11-16 entsprechend den Magnetfeldorten geändert werden. Die Stromänderung in Bezug auf die Magnetfeldorte weist eine einfache Periodizität auf, und diejenige für eine Phase entspricht näherungsweise der folgenden Formel: $Δ Ib = cos 2 θ, cos (2 θ + π)$
wobei θ der Magnetfeldort ist und Δlb = 1, wenn θ von 0 bis π/2 und von 3π/2 bis 2π gilt.
Die Spitzenstromänderungen der übrigen beiden Phasen können durch Addieren von 120° zu θ und Subtrahieren von 120° von θ erhalten werden.
Es wird angenommen, dass die Reluktanzänderung und die Magnetwiderstandsänderung den Wicklungsstrom reflektieren, wenn Langzeitpulse angelegt werden, so dass die Stromänderung ΔI = ΔIa + ΔIb approximiert.
Tatsächliche Wellenformen bzw. Funktionen bzw. Verläufe der Stromänderungen, wenn Langzeitpulse angelegt werden, sind in 4 gezeigt. Pulse mit der vorgegebenen Zeit werden an die jeweiligen sechs Speisungsmuster angelegt, und die Spitzenstromwerte werden jedes 1° gemessen, so dass 2160 Datenteile aufgezeichnet werden. Der verwendete Motor ist ein Spindelmotor zur Ansteuerung einer Festplatte. Man beachte, dass in 4 beispielsweise W eine Vorwärtsrichtungsspeisung angibt und W eine Rückwärtsrichtungsspeisung angibt.
Wie es deutlich in 4 zu sehen ist, wird das Speisungsmuster, dessen Spitzenstromwert maximal ist, in einem 60°-Versatz bzw. -Abstand entsprechend einem Anregungs- bzw. Erregungsintervall der 120°-Speisung gewechselt. Wenn das Speisungsmuster, dessen Spitzenstromwert maximal ist, erfasst wird, kann daher der Rotorort einzigartig bestimmt werden, so dass der Motor durch die 120°-Speisung initiiert werden kann.

In der folgenden Tabelle 2 sind Beziehungen zwischen den maximalen Speisungsmustern und den Magnetfeldortsinformationen gezeigt. Das maximale Speisungsmuster „W-UV“ gibt beispielsweise an, dass die W-Phase mit der positiven Seite der Stromquelle verbunden ist und dass die U-Phase und die V-Phase mit der Masseseite (negative Seite) verbunden sind. Entsprechende Anregungs- bzw. Erregungsmuster der 120°-Speisung sind als Bezug hinzugefügt. Der Rotor wird durch Speisung von zwei Phasen mit dem geschriebenen Anregungsmuster gedreht, und der Motor wird in der Rückwärtsrichtung durch umgekehrte Speisung gedreht. Tabelle 2

Maximales Erregungsmuster	Magnetfeldortsinformationen (elektr. Winkel)	120°-Erregungsmuster
W-UV	30° ~90°	U - V (Intervall 1)
UW-V	90° ~ 150°	U - W (Intervall 2)
U-VW	150°~ 210°	V - W (Intervall 3)
VU - W	210° ~ 270°	V - U (Intervall 4)
V-WU	270° ~ 330°	W - U (Intervall 5)
WV - U	330° ~ 30°	W - V (Intervall 6)

Ein konkrete Weise zum Identifizieren des Permanentmagnetfeldortes (Rotorort) wird mit Bezug auf die Tabelle 2 erläutert.
In einem stationären Zustand werden für die sechs Dreiphasen-Speisungsmuster jeweilige Speisungen während einer konstanten Zeit durchgeführt, und es werden die Spitzenstromwerte gemessen. Die Reihenfolge der Speisungsmuster folgt der Tabelle 1.
Wenn der Spitzenstromwert der U-VW-Speisung maximal ist, wird der Magnetfeldort anhand der Tabelle 2 als in einem Intervall zwischen 150° und 210° liegend identifiziert. Mittels Durchführung der V-W-Anregung, bei der die V-Phase mit einer Plus-Seite einer Stromquelle verbunden ist und die W-Phase mit einer Masseseite verbunden ist, wird bei der 120°-Speisung der Motor initiiert, um sich in der Vorwärtsrichtung zu drehen; mittels Durchführung der entgegengesetzten Anregung bzw. Erregung, d.h. der W-V-Erregung, wird der Motor in der Rückwärtsrichtung bzw. umgekehrten Richtung gedreht. Durch Verwendung dieses Verfahrens kann der Permanentmagnetfeldort (Rotorort) sehr leicht identifiziert werden.
Außerdem kann der Rotorort mit einem Versatz bzw. in einem Abstand eines elektrischen Winkels von 30° präzise identifiziert werden.
Durch den Vergleich der Größen der Messdaten der Speisungsmuster, die benachbart zu dem maximalen Speisungsmuster sind, dessen Spitzenwicklungsstromwert maximal ist, kann der Permanentmagnetfeldort in Einheiten eines elektrischen Winkels von 30° durch Teilen der Feldortsinformationen eines elektrischen Winkels von 60°, der anhand des maximalen Speisungsmusters identifiziert wird, identifiziert werden. Durch Identifizieren des Magnetfeldortes kann das maximale Speisungsmuster in dem benachbarten Intervall anhand der Tabelle 2 identifiziert werden. In dem Fall beispielsweise, in dem das W-UV-Muster maximal ist, befindet sich der Rotorort in dem Intervall 1 (30°-90°), so dass das maximale Speisungsmuster in einem Vorwärtsintervall (330°-30°) das Muster WV-U ist und das maximale Speisungsmuster in einem Rückwärtsintervall (90°-150°) das Muster UW-V ist.
Daher existiert ein Kreuzungspunkt von Speisungszeiten von zwei Phasenwicklungen in einer Mitte eines Intervalls des Permanentmagnetfeldortes, der mit einem elektrischen Winkel von 60° identifiziert wird, und die Größenbeziehung ist bzw. wird umgekehrt, so dass der Rotorort in Einheiten eines elektrischen Winkels von 30° durch einen Vergleich der Größen der Messdaten beider zueinander benachbarten maximalen Speisungsmuster präzise identifiziert werden kann. Benötigte Daten wurden bereits erhalten, so dass eine neue Messung nicht notwendig ist.
In dem oben beschriebenen Verfahren kann der Magnetfeldort nicht nur in dem stationären Zustand, sondern auch in einem Zustand eines Drehens mit niedriger Geschwindigkeit identifiziert werden. Wenn sich der Rotor dreht, wurde der Rotorort bereits identifiziert, so dass die Erfassung für die sechs Muster nicht durchgeführt werden muss, und die Drehung kann durch alleiniges Erfassen eines nächsten Anregungs- bzw. Erregungswechselpunktes fortgesetzt werden. Die derzeitige Speisung wird fortgesetzt, bis der nächste Anregungswechselpunkt erfasst wird, und eine Anregungssequenz kann vorauseilen, wenn der Anregungswechselpunkt erfasst wird.
Profile der Messdaten kreuzen sich an einem Anregungswechselpunkt. Daher kann der Anregungswechselpunkt durch periodisches Durchführen des Erfassens in zwei Speisungsmustern des derzeitigen Intervalls und eines benachbarten Intervalls in der Drehrichtung und eines Vergleichs der Größen der erhaltenen beiden Messdaten erfasst werden. In einem Fall beispielsweise, in dem der Rotor in dem Intervall 1 (30°-60°) angeordnet ist, wird das Speisungsmuster des derzeitigen Intervalls anhand der Tabelle 2 als W-UV-Speisung identifiziert. Wenn der Rotor sich in der Vorwärtsrichtung dreht, wird das Speisungsmuster des benachbarten Intervalls 2 in der Drehrichtung als UW-V-Speisung identifiziert. Mittels Durchführung der Erfassung in diesen beiden Mustern kehrt sich die Größenbeziehung der Messdaten um, wenn der Rotorort 90° überschreitet. Daher wird erfasst, dass der Rotor das Intervall 2 erreicht, so dass das Anregungsmuster zu diesem Zeitpunkt fortschreitet bzw. vorauseilt. Der Motor kann nahtlos initiiert werden, es kann eine Drehung mit niedriger Geschwindigkeit fortgesetzt werden, oder es kann ein Stillstandsmoment kontinuierlich durch ähnliches Fortsetzen einer Erfassung der Anregungswechselpunkte und Fortschreiten bzw. Vorauseilen der Anregungsmuster erzeugt werden.
Die Erfassungszeit muss so kurz wie möglich sein, aber die sechs Speisungsmuster werden in dem stationären Zustand zu zwei Speisungsmustern, und die Messzeit kann durch Verwenden der oben beschriebenen Erfassungsweise auf 1/3 verkürzt werden. Die Messzeit wird entsprechend den Bedingungen des Motors und der Ansteuerschaltung geändert und beträgt etwa 300 µs.
Mittels Durchführung der Messung für drei Speisungsmuster kann außerdem die Drehrichtung des Rotors identifiziert werden. Die Erfassung wird periodisch mit drei Speisungsmustern entsprechend dem derzeitigen Intervall, dem benachbarten Intervall in der Vorwärtsdrehrichtung und dem benachbarten Intervall in der Rückwärtsdrehrichtung durchgeführt, und der Vergleich der Größen wird zwischen den Messdaten durchgeführt, um einen nächsten Grenzpunkt zwischen den Anregungsintervallen in der Vorwärtsdrehrichtung oder der Rückwärtsdrehrichtung zu erfassen, so dass die Drehrichtung anhand des zuerst erfassten Grenzpunktes identifiziert werden kann.
Wenn der Rotor gemäß der Tabelle 2 beispielsweise in dem Intervall 1 (30°-90°) angeordnet ist, liegt der Anregungsgrenzpunkt in der Vorwärtsrichtung bei 90°, und dieser ist der Kreuzungspunkt des W-UV-Speisungsmusters und des UW-V-Speisungsmusters. Auf ähnliche Weise liegt der Anregungsgrenzpunkt in der Rückwärtsrichtung bei 30°, und dieser ist der Kreuzungspunkt des W-UV-Speisungsmusters und des WV-U-Speisungsmusters. Wenn der Vorwärts-Kreuzungspunkt (90°) früher als der Rückwärts-Kreuzungspunkt (30°) erfasst wird, wird erfasst, dass sich der Rotor in der Vorwärtsrichtung dreht. Wenn im Gegensatz dazu der Rückwärts-Kreuzungspunkt (30°) früher als der Vorwärts-Kreuzungspunkt (90°) erfasst wird, wird erfasst, dass sich der Rotor in der Rückwärtsrichtung dreht. Daher können durch periodisches Durchführen des Erfassens mit den drei Speisungsmustern für das derzeitige Intervall, das benachbarte Intervall auf der Vorwärtsrichtungsseite und das benachbarte Intervall auf der Rückwärtsrichtungsseite die Anregungsgrenzpunkte zwischen den Anregungsintervallen und die Drehrichtung identifiziert werden.
Auf die obige Weise gibt es keine Beschränkung hinsichtlich der Drehrichtung, so dass der Rotor in der Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung gedreht werden kann. In dem Fall, in dem der Rotor durch eine externe Kraft gedreht wird, kann der Rotorort erfasst werden, und es kann ein Drehmoment in einer optionalen Richtung erzeugt werden. Man beachte, dass durch Verwenden der oben beschriebenen Erfassungsweise die sechs Speisungsmuster in dem stationären Zustand zu drei Speisungsmustern werden und die Messzeit auf die Hälfte verkürzt werden kann.
Im Folgenden wird ein Beispiel des Prozesses zum Erfassen des Rotorortes, der von der MPU 51 durchgeführt wird, mit Bezug auf das Blockdiagramm der Motoransteuerschaltung der 3 und das Stromverlaufsdiagramm der 2 erläutert.
Die sechs Dreiphasen-Speisungsmuster und die Permanentmagnetfeldortsinformationen wurden zuvor in einem Speicher gespeichert. Eine Bezugsspannung, die einem vorgegebenen Stromschwellenwert entspricht, wurde an einen Bezugsanschluss des A/D-Wandlers 56 angelegt. Die MPU 51 ist in der Lage, die Erfassung des Rotorortes mittels Durchführung der zweiphasigen 120°-Rechteckwellenspeisung für die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W durch die Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 entsprechend einem Drehbefehl von einer übergeordneten Steuerung 50 zu initiieren. Die Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53 wählt zwei Phasen aus den Dreiphasen-Wicklungen U, V und W aus und erregt die beiden Phasen, um den Rotor in der Drehrichtung vorzuspannen. Die Erfassung des Rotorortes wird durch den Drehbefehl von der übergeordneten Steuerung 50 initiiert. Wenn die Erfassung des Rotorortes initiiert wird, schaltet die MPU 51 die Speisungen sämtlicher Dreiphasen-Wicklungen aus und wartet, bis die Wicklungsströme Null erreichen. Auf diese Weise wird der Wicklungsstrom-Nullzustand erzeugt (Speisung-Aus-Schritt).
Anschließend wird aufeinanderfolgend ein Speisungsmuster aus den sechs Speisungsmustern auf der Grundlage der Tabelle 1 ausgewählt, es werden Rechteckpulse konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W angelegt, um die Erfassungsspeisung zu initiieren, und die MPU 51 wartet eine vorgegebene Zeit unter Verwendung des eingebauten Zeitnehmers. Wenn die vorgegebene Zeit verstrichen ist, misst die MPU 51 die Spulenspitzenstromwerte anhand der Ausgänge des Stromsensors 54 unter Verwendung des A/D-Wandlers 56 und speichert die Messdaten (Messschritt). Dann schaltet die MPU 51 die Speisungen sämtlicher Dreiphasen-Wicklungen erneut aus und wartet, bis die Wicklungsströme Null erreichen.
Die MPU 51 wählt die Vorwärtsrichtungs-Speisung und die Rückwärtsrichtungs-Speisung für die zu messende Objektphase in dieser Reihenfolge aus und wählt die Vorwärtsrichtungs-Speisung und die Rückwärtsrichtungs-Speisung für die übrigen beiden Phasen in dieser Reihenfolge aus, und dann misst die MPU 51 wiederholt die Spitzenwicklungsstromwerte durch Ausschalten der Speisung und Durchführung der Erfassungsspeisung für die sechs Speisungsmuster, die in Tabelle 1 gezeigt sind, und speichert die Messdaten. Die MPU 51 wählt das maximale Speisungsmuster, dessen Messdaten maximal sind, aus den gemessenen sechs Datenteilen bzw. -Sätzen aus. Dann wählt die MPU 51 die Magnetfeldortsinformationen, die dem maximalen Speisungsmuster entsprechen, anhand der Tabelle 2 aus, und dann wird der Permanentmagnetfeldort anhand der ausgewählten Magnetfeldortsinformationen identifiziert. Dann ist die Erfassung des Rotorortes beendet.
Insbesondere wird in dem Messschritt, in dem die Erfassungsspeisung durch Anlegen von Rechteckpulsen konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W durchgeführt wird, mindestens ein niederseitiger Arm der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung 53, in dem ein Rückfluss bewirkt wird, eingeschaltet, so dass ein induzierter Strom zwischen einem Feldeffekttransistor und der Wicklung zurückfließt, um den induzierten Strom abzuschwächen, so dass eine schnelle Änderung des Motorstroms und das Erzeugen von Rauschen eingeschränkt werden können.
Die oben beschriebene Weise wird nun konkret erläutert. 5 ist eine Grafik, das eine Wellenform bzw. Funktion bzw. einen Verlauf eines Wicklungsstroms und eine Wellenform bzw. Funktion bzw. einen Verlauf von Rauschen zeigt, das durch ein Schallsammelmikrofon gesammelt wird, wenn eine Spannung eines einzelnen Pulses (ein Ansteuersignal) an zwei optionale Phasenwicklungen (beispielsweise U und V) der Dreiphasen-Wicklungen U, V und W angelegt wird. 6 ist ein Mikrofonverlaufsdiagramm, das eine Funktion des Rauschens nach Durchführung einer FFT zeigt. In 6 gibt die vertikale Achse die Größe bzw. Stärke des Rauschens an, und die horizontale Achse ist die Zeitachse.
In der Motoransteuerschaltung, die in 7 gezeigt ist, zeigt ein Pfeil mit durchgezogener Linie einen Fluss eines elektrischen Stromes, der durch optionale zwei Wicklungen (beispielsweise U und V) der Dreiphasen-Wicklungen U, V und W fließt, wenn eine Pulsspannung an die beiden Wicklungen angelegt wird, und der Pfeil mit gestrichelter Linie zeigt ein Fluss eines induzierten Stromes, der nach der Speisung erzeugt wird.
Der Wicklungsstrom, der durch den Pfeil mit der durchgezogenen Linie gezeigt ist, fließt von FETU_H (hochseitiger Arm vom FET der U-Phase) zu FETV_L (niederseitiger Arm des V-Phasen-FET) über die U-Phasenwicklung und die V-Phasenwicklung; der induzierte Strom, der durch den Pfeil mit der gestrichelten Linie gezeigt ist, fließt zu FETU_L (niederseitiger Arm des U-Phasen-FET) und FETV_L (niederseitiger Arm des V-Phasen-FET) über die V-Phasenwicklung und die U-Phasenwicklung in einem Zustand zurück, in dem mindestens die niederseitigen Arme für einen Rückfluss eingeschaltet sind. Man beachte, dass der FETW_L (niederseitige Arm des W-Phasen-FET) ein- oder ausgeschaltet sein kann. Da der induzierte Strom ohne Durchfließen einer Rückflussdiode und eines Widerstands zurückfließt, werden Änderungen der Ströme, die durch die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W fließen, gering, so dass ein Spitzenwert (Peak) des Rauschens, das in 6 gezeigt ist, niedriger als in 14 ist. Man beachte, dass die 6, 10 und 14 die Mikrofongrafen nach einer FFT-Behandlung zeigen. In den Diagrammen sind die Einheiten weggelassen, und die Skalen der horizontalen Achsen (Zeitachsen) und der vertikalen Achsen (Rauschpegelachsen) sind gleich.
Wenn in dem Messschritt aufeinanderfolgend eines aus den sechs Speisungsmustern ausgewählt wird und Rechteckpulse konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen während der vorgegebenen Erfassungsspeisungszeit angelegt werden, kann die MPU 51 geteilte Rechteckpulse bzw. Teilrechteckpulse konstanter Spannung, die gemäß einer Chopper-Steuerung, die von der PWM-Steuerungsschaltung 52 durchgeführt wird, aufgeteilt werden, anlegen, Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisungen, die von dem A/D-Wandler 56 durchgeführt werden, messen und die Messdaten speichern.
9 ist eine Grafik, die eine Funktion eines Wicklungsstromes und eine Funktion von Rauschen zeigt, das von einem Schallsammelmikrofon gesammelt wird, wenn eine Spannung eines unterteilten einzelnen Pulses (das Ansteuersignal) an optionale Zwei Phasen-Wicklungen (beispielsweise U und V) der Dreiphasen-Wicklungen U, V und W durch die 120°-Rechteckwellenspeisung angelegt wird. Die PWM-Steuerungsschaltung 53 unterteilt die Einpulsspannung, die in 5 gezeigt ist, fein und legt diese als geteilte Pulsspannung an. 10 ist ein Mikrofonfunktionsdiagramm, das eine Funktion von Rauschen nach einer FFT-Behandlung zeigt. In 10 gibt die vertikale Achse den Rauschpegel an und die horizontale Achse ist die Zeitachse. Es wird bestätigt, dass ein Spitzenwert des Rauschens, das in 10 gezeigt ist, niedriger als derjenige in 6 ist. Durch Anlegen von Pulsspannungen an die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W mit einem vorgegebenen Zeitintervall ist denkbar, dass Änderungen der Ströme, die durch die Dreiphasen-Wicklungen U, V und W fließen, gering werden und dass eine Amplitude der Mikrofonfunktion (Grafen) verringert wird. Daher kann eine schnelle Änderung der Motorströme weiter eingeschränkt werden, und es kann das Rauschen weiter verringert werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Wicklungen des Stators in einem Stern geschaltet, aber es kann ein Stator verwendet werden, dessen Wicklungen in einem Dreieck geschaltet sind. Außerdem können verschiedene Arten von Motoransteuerschaltungen und Steuerungsprogrammen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und Modifikationen von Schaltungsstrukturen und Programmen, die für einen Fachmann offensichtlich sind (beispielsweise einen Ingenieur für elektronische Schaltkreise, einen Programmierer), sind in dem Bereich der vorliegenden Erfindung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018078695 A [0008, 0009]

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes in einem Elektromotor, wobei der Elektromotor aufweist: einen Rotor (2) mit einem Permanentmagnetfeld (4); und einen Stator (4) mit Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W), der durch eine 120°-Rechteckwellenspeisung einer elektrischen DC-Quelle konstanter Spannung initiiert wird, wobei die Elektromotoransteuerschaltung außerdem aufweist: eine Steuerungseinrichtung (51) zum Speichern von sechs Speisungsmustern, die Vorwärtsrichtungs-Speisungen und Rückwärtsrichtungs-Speisungen für die Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) sind, und von Feldortsinformationen, die Anregungswechselintervalle einer 120°-Speisung entsprechend den Speisungsmustern angeben, wobei die Steuerungseinrichtung (51) eine PWM-Steuerungsschaltung (52) zum Erzeugen von PWM-Speisungssignalen für die Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) entsprechend einem Drehbefehl von einer übergeordneten Steuerung (50) enthält; eine Ausgabeeinrichtung (53) zum Speisen von optionalen zwei Wicklungen aus den Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) durch eine Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung (53) mittels der PWM-Steuerungsschaltung (52); eine Stromerfassungseinrichtung (54) zum Erfassen von Wicklungsströmen, wobei die Stromerfassungseinrichtung mit einem masseseitigen Anschluss der Ausgabeeinrichtung (53) verbunden ist; und eine A/D-Wandlerschaltung (56) zum Messen von Wicklungsstromwerten anhand von Ausgängen der Stromerfassungseinrichtung (54), wobei die PWM-Steuerungsschaltung (52) jedes Paar aus einem hochseitigem Arm und einem niederseitigem Arm der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung (53) für jede Phase steuert und eine PWM-Steuerung in einem komplementären Modus durchführt, bei dem während PWM-Aus-Zyklen ein in Bezug auf eine Speisungszeit innerhalb eines PWM-Zyklus entgegengesetzter Arm eingeschaltet wird, wobei die Steuerungseinrichtung (51) folgende Schritte wiederholt: einen Speisungs-Aus-Schritt, bei dem Steuerungseinrichtung (51) sämtliche Ausgänge der Ausgabeeinrichtung (53) unmittelbar vor einer Erfassungsspeisung der Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) blockiert und Energien, die in sämtlichen Wicklungen gespeichert sind, freigibt, um einen Wicklungsstromnullzustand zu erzeugen; einen Messschritt, bei dem die Steuerungseinrichtung (51) aufeinanderfolgend eines aus sechs Speisungsmustern als eine zu messende Objektphase auswählt, die aus den Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) ausgewählt wird und in der eine Einphasen-Speisung durchgeführt wird und kein Zweig an einem neutralen Punkt ausgebildet wird, Rechteckpulse konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) für eine vorgegebene Erfassungsspeisungszeit anlegt, mindestens den niederseitigen Arm der Dreiphasen-Halbbrücken-Inverterschaltung (53) einschaltet, um einen induzierten Strom zwischen einem Schaltelement und der Wicklung zurückfließen zu lassen und denselben abzuschwächen, Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisung mittels der A/D-Wandlerschaltung (56) misst und die gemessenen Spitzenwicklungsstromwerte als Messdaten speichert; einen Speicherschritt, bei dem die Steuerungseinrichtung (51) ein Rückwärtsrichtungs-Speisungsmuster nach einem Vorwärtsrichtungs-Speisungsmuster für die Objektphase auswählt, dann ein Vorwärtsrichtungs-Speisungsmuster und ein Rückwärtsrichtungs-Speisungsmuster für die übrigen beiden Phasen auswählt, ein Messen der Spitzenwicklungsstromwerte, die durch Speisungs-Aus-Aktionen und Erfassungsspeisungen für die sechs Speisungsmuster erzeugt werden, wiederholt, Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisungen misst, und die Messdaten speichert, und wobei die Steuerungseinrichtung (51) ein Speisungsmuster, dessen Spitzenwicklungsstromwert unter den Messdaten der sechs Speisungsmustern maximal ist, auswählt und einen Permanentmagnetfeldort aus den Feldortsinformationen, die dem maximalen Speisungsmuster entsprechen, identifiziert.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes in einem Elektromotor nach Anspruch 1, wobei in dem Messschritt die Steuerungseinrichtung (51) Rechteckpulse konstanter Spannung, die durch die PWM-Steuerungsschaltung (52) unterteilt werden, an die zu messende Objektphase anlegt, wenn sie aufeinanderfolgend ein Speisungsmuster aus den sechs Speisungsmustern auswählt und Rechteckpulse konstanter Spannung an die Dreiphasen-Wicklungen (U, V, W) für die vorgegebene Erfassungsspeisungszeit anlegt, und die Spitzenwicklungsstromwerte unmittelbar vor Beendigung der Erfassungsspeisungen mittels der A/D-Wandlerschaltung (56) misst und die gemessenen Spitzenwicklungsstromwerte als die Messdaten speichert.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldortes in einem Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungseinrichtung (51) Feldortsinformationen eines elektrischen Winkels von 60°, der aus dem maximalen Speisungsmuster identifiziert wird, durch einen Größenvergleich der Messdaten der zu dem Speisungsmuster, dessen Spitzenwicklungsstromwert maximal ist, benachbarten Muster halbiert, um den Permanentmagnetfeldort in Einheiten eines elektrischen Winkels von 30° zu identifizieren.