JP2003517258A - 多相電動機の永久磁石回転子の角度位置を測定する方法 - Google Patents
多相電動機の永久磁石回転子の角度位置を測定する方法Info
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- H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation
Abstract
Description
子の角度位置を測定する方法に関する。特にロボット工学の分野、および歯科治
療およびマイクロ外科で使用されているような回転器具を備えた装置に対しては
、電動機の回転子の角度位置を正確に測定することが望ましく、あるいは必要と
さえするものがある。
に3つの正弦波曲線を与える、120°オフセットされた3つのホール・センサ
の配列が知られている。また、回転子の角度位置の測定精度を上げるために、回
転子の軸に位置エンコーダを配置することも可能である。これらの配列にはセン
サを追加する必要があり、そのために装置がよりかさばったものになり、マイク
ロモータを統合した寸法の小さい装置の大きな欠点になっている。
知られている。したがって3相永久磁石回転子の場合、回転子の位置および/ま
たは速度を測定する誘導電圧データを引き出すために、電動機の電源を短い間隔
で周期的に停止させることができる。回転子の角度位置を測定するためのこの後
者の方法には、回転子が特定の速度、例えば約1,000回転/分で回転してい
る時にしかデータが得られない、という大きな欠点がある。したがって低速度す
なわち比較的小さい角度の回転に対しては、電動機コイル内の誘導電圧に基づい
てデータを予測することができない。
経路に無関係に回転子の角度位置を検出するための方法を提供することにより、
前述の従来技術の欠点を克服することである。
つ、少なくとも第1の測定信号が前記コイルの第2の端部に出力される、本明細
書の特許請求の範囲の請求項1による方法によって達成される。
効インダクタンスの周期的変化に関連する、永久磁石回転子、詳細には2極永久
磁石回転子の角度位置に応じたデータを上記測定信号が含んでいることに気が付
いていた。
る。
に関係なく、さらには回転子が停止中であっても、回転子の角度位置を高レベル
の精度で測定することができる。この方法の結果、高レベルの精度の比較的短い
経路とするように電動機を制御することができる。
て行った、本発明による方法の実施形態および本発明による方法を実施するため
の手段についての以下の説明を読むことにより、より良く理解されるであろう。
3が2極永久磁石4を備えた電動機のコイル2a、2b、2cによって決められ
る。図1の回路は、詳細には図2に概略を示すように、回転子の位置の関数とし
て2.8MHzと3MHzの間での変化しながら発振を継続させる。この変化は
、回転子の回転速度すなわち電動機に供給される供給電流の値に実質的に無関係
であることが分かる。したがって電動機のコイルの実効インダクタンスに、本質
的に回転子の位置を関数とする周期的変化が観測される。当分野の技術者は、回
転子の角度位置に関連するデータを予測するために、図1に示すタイプの発振器
の周波数を測定するための電子回路を設計することができるであろう。本発明者
による国際特許出願第WO00/04631号では、固定子コイルに結合された
2つの発振器の周波数変化の測定値が使用されている。図1の電子回路に関する
より詳細な説明については、その優先権が主張されている欧州特許出願第EP9
9125017.6号を参照されたい。この欧州特許出願は、図3および4に示
す、回転子の角度位置に応じたコイルの実効インダクタンスの周期的変化を増や
すための実施形態と同様の回転子の実施形態についても開示している。
え付けられる回転子3Aおよび3Bの2つの代替実施形態を示したものである。
本出願人は、回転子の永久磁石の表面に金属、詳細には非磁性金属を部分的に配
置することにより、固定子コイルの実効インダクタンスの周期的変化が増加する
ことに気が付いた。回転子3Aは、180°オフセットされた2つの金属条片5
を有しており、図3にはそのうちの一方のみが示されている。回転子3Bは、永
久磁石4を取り囲む金属製円筒6を有し、その円筒には軸方向に配列された、や
はり180°オフセットされた2列の孔7が設けられている。制限されることの
ない例として示すこの変形態様では、N−S磁軸は、孔7の半径方向に整列して
いる。より詳細な説明については、前述の欧州特許出願を参照されたい。
法を実施するためのシステムについて説明する。
ル2a、2b、2cのうちの1つの第1の端部に選択的に供給される、所定の周
波数を有する交流信号を提供している。次に、測定信号が、これらのコイルのう
ちの、交流信号が供給されるコイルの第2の端部に接続された他のコイルを介し
て出力される。この測定信号は、入力部に抵抗Rが設けられた増幅器18を含む
電子処理手段に供給される。増幅器18の入力インピーダンスが極めて高い場合
、その増幅器の入力部のインピーダンスを小さくし、測定信号に対する妨害が生
じないよう、抵抗値の小さい抵抗Rが使用される。しかし、抵抗Rの抵抗値は、
トランジスタ18の入力部で測定信号を形成する電圧信号が、3つの固定子コイ
ルの中間点20における、交流信号の周波数を有する信号の電圧に実質的に対応
するように、コイルの抵抗値よりはるかに大きいことに留意されたい。
22を通過する。バンドパス・フィルタ22の出力部に交流信号が観測される。
その交流信号の包絡線は、回転子の角度位置の関数の変調である。この角度位置
に関連したデータを引き出すために、測定された信号は、従来の方法で、前述の
包絡線に対応した電気信号を得るために整流器24を通過する。回転子が回転し
ている間、交流信号が電動機の3つの相A、B、Cに周期的に連続して送られて
くる場合、ウィンドウ26に示すように、120°オフセットした、すなわち位
相が120°シフトした実質的に正弦波形の3つの曲線となる3つの測定信号が
得られる。しかし、3つの固定子コイルが必ずしも同一ではない場合、得られる
3つの測定曲線が異なるオフセットおよび振幅を有することが分かっている。し
たがって、各曲線のオフセットおよび振幅を修正するための手段が設けられてい
る。これらの手段は加算演算増幅器28を備え、その一方の入力に測定された信
号が供給され、また、その第2の入力に、3つの相A、B、Cの各々に対する特
定のオフセット信号が、ディジタル/アナログ変換器30を介して供給されてい
る。測定する3つの相に対する特定のオフセットは、レジスタ32に格納されて
いる。最後に、測定された信号は、3つの相の各々に対する乗算係数CMがレジ
スタ36から特別に選択される乗算ディジタル/アナログ変換器34に供給され
る。アナログ・スイッチ16の起動と、乗算器CMのオフセットおよび係数の選
択は、電子制御回路38を用いて周期的に同時に実行される。
線を使用して、この角度位置を正確に測定することができる。曲線が実質的に正
弦波である場合、ディジタル的に容易に測定することができる。曲線が実質的に
正弦波でない場合における回転子の角度位置を有効に測定する方法について、以
下、本発明の好ましい実施形態に照らして説明する。
度の考察は、システムに特定の欠点があることを示している。第1に、同一オフ
セットおよび同一振幅を有する3つの測定曲線を得るための電子回路が比較的複
雑である。次に、システムの環境、詳細には電動機に結合される電気ケーブルに
よって、その場その場で、測定された振幅変調および測定曲線のオフセットが変
更されてしまう。したがって、以下、本発明の第2の好ましい実施態様およびそ
の実施態様に結合される、位相変調を用いた電子システムの実施形態について説
明する。
電動機の第1の相すなわち固定子コイルの第1の入力に第1の信号SFAが供給
され、同時に、第2の相すなわち第2のコイルの第1の端部に、同じ周波数FO
の第2の交流信号SFBが供給されている。信号SFBは、移相回路42によっ
て、信号SFAに対してオフセットされている。この2つの交流信号の間の移相
は、予め定められている。この信号SFAおよびSFBは、上で説明した第1の
実施形態と同様、2つのバンドパス回路12、13、および増幅器14、15を
介して、2つのコイルの第1の端部に供給されている。
れ、周期的なインダクタンスの変化による回転子の角度位置に応じたデータを引
き出すために、電子処理手段、詳細には変換器に供給される。測定信号SMCは
、3つの固定子コイルの間の電気接続点20で受け取る信号を混合することによ
って形成される。したがって、第1および第2の交流信号SFAおよびSFBに
応じて電圧測定信号が得られ、その周波数は、この信号SFAおよびSFBの周
波数FOに対応している。信号SMCは、トリガ46へ供給される前に、周波数
FOに増幅され、かつ、フィルタされる。トリガ46は、測定信号SMCのイメ
ージである、ディジタル化された信号SDCを供給している。
に増幅される測定信号SMCの包絡線を示す。したがって、交流信号SFAに対
する信号SMCの位相は、最大移相Δθである2つの極限値の間を、回転子の角
度位置αの関数として変化することが分かる。信号SMCの実質的に正弦波の曲
線をディジタル化することにより、トリガ46は、図7に略図で示すように、供
給された信号SFAと測定信号SMCの間の移相変化の測定を可能にしている。
交流信号SFAの時間周期はTPであり、その前縁は、初期基準時間T0である
。ディジタル化された測定信号SDCは、初期時間T0から可変時間間隔TV後
に生じる前縁50を有している。
いる。このデータを最も有効に利用するために、図8Aに示すように2つの測定
値が提供されている。第1に、比率TV/TPに比例した電圧を供給するための
RC回路54が設けられている。電圧信号URCCの変化を大きくするために3
状態ゲート56が導入され、時間ウィンドウT内における前縁50の位置変化を
封じ込めている。Tの値は、最大TV変化よりも若干長くなっている。したがっ
て信号URCCの変化は、低い値とURCmaxに近い値の間で実質的に変化す
る。時間ウィンドウは、所定の遅延時間Tret後に生じる。3状態ゲート56
は、「単発」回路58を介して遅延回路60によって供給される制御信号FTに
よって起動される。回路58および60は、当分野の技術者には知られている回
路である。図8Bは、位相変化を測定するための測定信号処理時に発生する様々
な信号を示したものである。したがって電子処理手段は位相検波器であり、その
変化が測定信号SMCの位相変化に対応する電圧信号を供給している。図9に示
すように、信号URCCは演算増幅器62にも供給され、増幅器の出力部におけ
る測定信号のインピーダンスを小さくしている。したがって、回転子の角度位置
の関数として変化することができ、かつ、その周期がその回転子の半回転に対応
する信号URCCが得られる。したがって、測定され、かつ、処理された信号に
より、周期的に変化し、かつ、正弦波曲線に似た波形の曲線を得ることができる
。
、140°と160°の間であることが好ましい値を有していることに留意され
たい。この範囲の値は、測定信号の最適位相変化とその電圧の間の折れ合いに対
応している。
めには、互いにオフセットした関係にある少なくとも2つの測定曲線を持つこと
が必要である。そのためには、図5で既に説明した第1の実施形態と同様の方法
を実施し、3つの固定子コイルのうちの2つに、第1および第2の交流信号を周
期的かつ連続的に供給することにより、展開が、回転子の位置の関数として、互
いに120°オフセットしたそれぞれ3つの測定曲線となる3つの測定信号を得
ることができる。この場合、測定信号は、2つのオフセット交流信号を他の2つ
の相に供給することにより、3つの相A、B、Cの各々に連続的に出力される。
電動機の3つの相を形成する3つの固定子コイルの第2の端部に3つの測定信号
を、比較的短い間隔で周期的かつ連続的に出力するための回路の製作方法につい
ては、当分野の技術者には知られている。このような回路を製作するために、詳
細には3状態高インピーダンス出力を備えた演算増幅器、例えばNationa
l社製CLC430タイプを使用することができる。このタイプの一組のスイッ
チは、Xilinx社製XC4008タイプの「FBPA」スイッチング回路に
よって制御することができる。
連続的に測定することにより、回転子が回転することによって、電動機の3つの
コイルにおけるこれらの測定信号の位相変調、すなわち移相の変化によって生成
される、回転子の永久磁石の角度位置に応じた3つの周期測定曲線が決められる
。
測定曲線のオフセットおよび振幅が同じになるよう、測定信号が修正される(図
10参照)。そのためには、3つの相の各々によって供給される信号UMPが変
換器66に供給される。変換器66は、前述のFPGA回路をスイッチングする
ことによって制御される。動的修正は、3つの相の各々に対する修正測定値SP
Cを供給するマイクロプロセッサを使用して実行される。したがって120°オ
フセットした3つの曲線SPCA、SPCB、およびSPCCが得られる。
が意図されている。その方法について、以下、図11から14に照らして説明す
る。傾斜が比較的緩やかである場合、測定曲線のピーク領域では、測定精度が悪
くなることが分かっている。これらの領域を排除するために、本発明によれば、
回転子の所与の位置に対する測定信号の値は、他の2つの測定信号の値の間に置
かれるか、あるいはこれらの2つの他の測定値のうちの一方の値に等しい値が、
これら3つの測定信号から選択されている。このことは、所与の角度位置に対し
て、単一の測定値が図11の太線で示されているジグザグ曲線70のセグメント
上で選択されることを意味している。
0のセグメントを選択するアルゴリズムを用いて一義的に決められる。実際に、
測定された相に属する曲線セグメント70の1つによって与えられる測定値につ
いては、この値は、半回転にわたって、2つの角度位置にのみ対応しうる。この
2つの角度位置に対して、他の2つの測定信号の1つが取る2つの値は、一方は
曲線70の前記値より小さく、また、もう一方は前記値より大きくなっている。
図12に定義されているアルゴリズムによって与えられる、回転子の完全な1回
転にわたるジグザグ曲線70のセグメントのランクを決定するための最後の4つ
の条件では、時間にわたる測定信号の展開が考慮されている。つまり、時間t−
1でレジスタ72に置かれた値REGがメモリに格納され、ビットz3の論理状
態に応じて、連続する2つの半回転の区別を可能にする、時間tにおける値RE
Gの展開が観察される。したがって、回転子の1回転にわたって、曲線70の各
セグメントに異なるランクを与えることにより、ランクが決定されている曲線7
0の1つのセグメント上で選択された測定値に対して、図11の曲線74で示す
ように、完全な1回転にわたる回転子の角度位置を一義的に測定することができ
る。
るために、2つの変形態様が提供されている。第1の変形態様は、図13に略図
で示す分析手法である。所与の電動機または特定のタイプの電動機に対して、曲
線70に対応する基準ジグザグ曲線が決められる。この基準曲線は、分析数式を
使用することによって与えられる。
形セグメントで形成され、対応する実際の曲線の近似である。したがって基準曲
線の中では、曲線70のセグメントは線形セグメントに関連しており、そのセグ
メントのパラメータは、例えば、当該電動機のタイプの電動機に対して得られた
実際の測定曲線に対する、線形回帰を使用して決められる。ランクNの各線形セ
グメントSGMNに対して、極限点(PIPN;PIAN)および(PIPN+ 1 ;PIAN+1)、および傾きTGSNが予め定められ、電子処理手段に導入
されている。ランクNが決定されているセグメントに対して、測定値AN(t)
に応じた角度位置αN(t)が、次の分析数式
子の少なくとも半回転にわたる基準曲線を決める複数の基準値が、対応表76に
導入されている。また、表76には、各基準値に対応する所定の回転子角度位置
の値が格納されている。曲線70のセグメントが決定すると、選択された測定値
に最も近い基準値を決定することによって角度位置が得られる。
8を使用することができ、また、変換器80によってそれらをディジタル化する
ことにより、各相に対する曲線UMPが得られる。
れた電動機を参照して説明したが、この方法は、三角接続の固定子コイルにも適
用される。
ンダクタンス変化を示す図である。
ンダクタンス変化を示す図である。
を部分的に示す図である。
れる、本発明による検出システムの第2の実施形態を示す図である。
れる、本発明による検出システムの第2の実施形態を示す図である。
れる、本発明による検出システムの第2の実施形態を示す図である。
れる、本発明による検出システムの第2の実施形態を示す図である。
。
示す図である。
示す図である。
形態様を示す図である。
形態様を実施するための手段の略図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 少なくとも2つの固定子コイルを備えた多相電動機の永久磁
石回転子の角度位置を測定する方法であって、 第1の所定周波数を有する第1の交流信号が、少なくとも第1の前記コイルの
第1の端部に供給され、 測定信号が前記少なくとも第1のコイルの第2の端部に接続された導体手段を
介して出力され、回転子の前記角度位置に応じた前記少なくとも第1のコイルの
実効インダクタンスの周期的変化に関連するデータを前記測定信号から引き出す
ようになされた電子処理手段に供給されることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記回転子が多重極タイプの回転子であり、また、前記実効
インダクタンスの変化の周期が、前記回転子の磁極数の逆関数であることを特徴
とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記回転子の永久磁石が、前記実効インダクタンスの前記変
化を増やすように配列された金属で部分的に覆われることを特徴とする請求項1
または2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記電子処理手段が、前記実効インダクタンスの前記周期的
変化の関数である、前記測定信号の振幅変調を測定するようになされることを特
徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。 - 【請求項5】 前記第1の周波数を有する第2のオフセット交流信号が、前
記第1の交流信号と同時に第2の前記コイルの第1の端部に供給され、その第2
の端部が前記電子処理手段に電気接続され、前記電子処理手段が、第1および第
2の交流信号の一方と、供給される第1および第2の交流信号に応じて前記第1
および第2のコイルの第2の端部で受け取る信号を混合することによって形成さ
れる前記測定信号との間の移相を測定するようになされ、前記移相が前記実効イ
ンダクタンスの前記周期的変化の関数であることを特徴とする請求項1から3の
いずれかに記載の方法。 - 【請求項6】 前記電動機が三相電動機であり、それぞれ3つの相に結合さ
れた3つのコイルを備え、回転子の位置に応じたその展開がそれぞれ互いに12
0°オフセットした正弦波曲線に類似した3つの測定曲線を決める3つの測定信
号を得るために、前記第1および第2の交流信号が、3つのコイルのうちの2つ
に周期的かつ連続的に供給されることを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 前記電子処理手段が、同じ振幅値および同じ平均値を中心と
する3つの修正測定曲線を得るために、各測定曲線の振幅およびオフセットを修
正するようになされることを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 【請求項8】 前記電子処理手段が、 回転子の所与の位置に対して、その値または修正値が他の2つの測定信号の値
または修正値の間にあるか、あるいはこれらの2つの他の測定値のうちの一方の
値または修正値に等しい値の測定信号を、前記3つの測定信号から選択し、前記
選択された信号の前記値または修正値が測定値を決め、 回転子の完全な1回転に対応する周期にわたって選択することができる、すべ
ての測定値に対応するジグザグ曲線を形成している複数のセグメントから曲線セ
グメントのランクを決定し、 選択された測定値および決定されたランクのセグメントに対して、前記角度位
置の値を一義的に測定することを特徴とする請求項6または7に記載の方法。 - 【請求項9】 前記電子処理手段が、基準ジグザグ曲線を決める分析数式の
定義済みパラメータをメモリ内に備え、前記角度位置の前記測定が、前記測定値
を前記分析数式に導入することによって計算アルゴリズムで実行されることを特
徴とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 前記基準ジグザグ曲線が、連続する線形セグメントによっ
て形成されることを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 前記電子処理手段が対応表を備え、その中に複数の所定の
基準値が導入され、各基準値に対する所定の角度位置の値が前記対応表に導入さ
れ、前記測定値に最も近い基準値を決定することによって前記角度位置が得られ
ることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項12】 前記電子処理手段が、回転子の角度位置を360°の範囲
にわたって一義的に提供するために、回転子の回転の展開に従うようになされる
ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。 - 【請求項13】 少なくとも2つの固定子コイルを備えた多相電動機の永久
磁石回転子の角度位置を検出するシステムであって、 第1の周波数を有する交流信号を、少なくとも第1の前記コイルの第1の端部
に供給する手段と、 前記少なくとも第1の前記コイルの第2の端部に接続された導体手段によって
供給される測定信号を処理する電子手段とを備え、前記電子処理手段が、前記少
なくとも第1のコイルの実効インダクタンスの周期的変化に関連する、回転子の
前記角度位置に応じたデータを前記測定信号から引き出すようになされているこ
とを特徴とするシステム。 - 【請求項14】 請求項13に記載の、回転子の角度位置を検出するための
システムを備えることを特徴とする多相電動機を備えた装置。
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