JP2004173485A - センサ装置の調整方法及び調整システム並びに整流モータ - Google Patents

センサ装置の調整方法及び調整システム並びに整流モータ Download PDF

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Abstract

【課題】 簡単で殆ど誤差のない、整流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整方法を提供する。
【解決手段】 ロータとステータとを有する整流モータ40のロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の本発明にかかる調整方法では、センサ装置が定められた位置にロータに対して相対的に組み付けられ、ロータの回転中にセンサ装置が発生するインクリメントが把握され、回転中のロータの角度位置が把握され、該把握された角度位置は、センサ装置のインクリメントと相関をとられ、角度位置とセンサ装置のインクリメントとの相関が記憶される。
【選択図】 図2

Description

本発明は、整流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整方法及び調整システム並びに整流モータに関する。
本発明は、ブラシレスの整流直流モータに好適に使用される。しかしながら、この発明は、他の電気モータにも使用可能である。
このようなモータは、種々の分野で、例えば、ブレーキシステムの操縦支援装置用の、若しくは、ポンプ及びブロワー(送風機)用の自動車技術において、使用可能になっている。単に、若干の例を挙げると、他の分野は、例えば、配管網の通風機、若しくは、データ処理装置のディスク記憶装置のスピンドルモータである。
整流ブラシレス直流モータは、原理的には、シャフトと、該シャフトに配置された1つの若しくは複数の永久磁石を有するロータ部品と、ステータ本体及び位相コイルを含むステータ部品と、を有する。ロータ部品とステータ部品とを相対して互いに軸支するために、2つの軸受が軸方向に距離をおいて、シャフトに配置される。
図3は、典型的な3相直流モータ用制御電子部品の模式的な回路図を示す。直流モータは、3つの位相コイルU12,V14,W16を有し、これらのコイルは、図3において、スター回路10に模式的に図示されている。3つの位相コイル12,14,16は、正の電圧供給端子18及び負の電圧供給端子20の間に接続されている。正の電圧供給端子18は、ポテンシャル電位+UBATを供給し、負の電圧供給端子20は、ポテンシャル電位−UBATを供給する。位相コイル12,14,16は、6つの出力回路部品T1;22,T2;24、T3;26、T4;28、T5;30、T6;32を介して、制御信号に応じて、電圧供給端子18,20に切り換え可能に接続される。この出力回路部品22乃至32は、好ましくは、出力トランジスタである。これらの出力回路部品は、図3においてG1からG6で示される制御端子を有する。これらの制御端子は、詳細には、出力トランジスタのゲートに対応する。受けた制御信号に基づいて、出力トランジスタのゲートにて、該出力トランジスタを制御するために、直流モータの位相コイル12乃至16が通電される。これに関して、ブラシレスの整流直流モータの制御方法が、例えば、下記の特許文献1及び特許文献2に、記載されている。
独国特許第10033561A1号公報 米国特許第6400109B1号公報
直流モータ、特に、産業的に使用され、且つ、自動車技術で使用されるような3相直流モータでは、モータの位相の「ブロック状」の通電と「正弦状」の通電とが区別される。「ブロック状」の通電とは、位相コイルに供給される電流が、矩形状の走査を有するという意味である。電流は、ある時点まで、与えられた値で流され、別の時点まで、遮断される。このようなモータは、通常、台形状の誘導電圧を有する。図4は、「ブロック状」に通電された、若しくは、「ブロック状に整流された」モータの誘導電圧を模式的に示す。運転中に、常時、2つの誘導電圧が交差する場合には、回転モーメントの変化を最小にするために、位相電流の切り換えが発生する。このため、正確な時点で位相電流を切り換えるために、常時、ロータ位置に関する情報が必要とされる。
電流がオン・オフされず、さらに、ロータ位置に応じて制御される場合には、ロータ位置に関する詳細な情報が必要である。下式によれば、電流i(ψ)の好適な調整により、回転モーメントT(ψ)の形成が影響され得るので、電流i(ψ)を制御することは、合理的である。
[数1]
T(ψ)=K(ψ)*i(ψ)
例えば、以下の方程式に基づいて、
[数2]
sin(ψ)+sin(ψ−π/2)=1
若しくは、
[数3]
sin(ψ)+sin(ψ−2π/3)+sin(ψ−4π/3)=1
以下の場合には、一定の回転モーメントが達成され得る。すなわち、誘導電圧Uind(ψ)と、それによるK(ψ)若しくはK(ψ)と、電流i(ψ)とは、正弦状の走査を有し、電圧及び電流は、位相を有し、モータの各相が、例えば、2相モータでは略90°(電気角)、3相モータでは略120°、互いにずれて配置される場合である。
なお、K(ψ)は、モータのトルク値である。この値はトルク定数ともいわれるが、厳密にはモータの回転角ψに依存する。K(ψ)についても同様である。すなわち、以下の関係が成立する。
[数4]
ind(ψ)=K(ψ)×ω
ここで、ωは角速度、Uind(ψ)は誘起電圧を表す。
図5は、正弦状に切り換えられ若しくは整流される3相モータの誘導電圧の一例を示す。ここで、誘導電圧は、u,v若しくはwから成る3相を示す。なお、図5においては、切り換え位相が360°の電気サイクルが図示されている。直流モータの位相の切り換えは、例えば、図6に示されるように、行われるべきである。誘導電圧は、1電気サイクル中に6つの部分から構成される。当該部分は、u,v,w,−u,−v,−wで示される。図示された曲線u,v,w,−u,−v,−wは、電流に対応し、該電流は、トランジスタT1;22乃至T6;32を介して、図3ではコイルU12,V14及びW16に接続される。
ロータ位置、及び、これによる誘導電圧に応じて正弦状の電流を発生させるために、ロータの正確な位置が知られなければならない。従来技術では、ロータ位置を把握するために、例えば、エンコーダ若しくは変換器が使用される。これは、定められた分解能NINCを有して機能し、下式で表される角度分解能ψINCを用いてロータの角度位置を提供することができるロータ位置測定器である。
[数5]
ψINC=360°/NINC
ロータ位置測定器の分解能に応じて、モータ位相を切り換えるために、電流i(ψ)は、対応する複数のステップで制御され得る。
変換器は、通常、1つの一次コイル及び2つの二次コイルを有する変圧器のように構成されている。一次コイルと二次コイルとの巻線比率及び極性は、シャフトの角度位置に応じて変化する。この変換器は、90°の角度で互いに配列された2つの二次コイルを有し、当該二次コイルは、静止(固定)して組み立てられている(ステータ)。一次コイルは、変換器のシャフトに配置され、ロータとして説明される。一定の周波数を有する交流電圧が一次コイルに誘導されるときには、ステータの出力信号は、同一の周波数を有するが、略90°ずれている。そのため、正弦信号と余弦信号とが発生する。変換器のピーク電圧は、シャフトの回転に伴って変化する。
コイルの出力信号は、AD変成器を介して変換され、ここで、変成器出力信号の2つの最大値ビットが、どの4分円にシャフトが存在するかを指示し、残りのビットは、常時、シャフトの角度を4分円の開始位置にするように指示する。それぞれの場合において、AD変成器の出力信号は、二進数になる。
インクリメンタル型エンコーダとして説明されるエンコーダは、例えば、一様に食刻されたガラス円板の使用の下で、2つの出力信号を発生させる。この円板の一方の側には、光源が配置され、他方の側には、2つの光検出器が配置される。この円板は、シャフトに装着され、光源及び光検出器は、静止(固定)して配置される。円板が回転すると、検出器は、円板による光線の遮断/通過を検出する。明から暗への移行数により、シャフトの相対的な回転が判別され得る。回転方向も把握される必要がある場合には、2つの検出器が使用される。記載された分野のエンコーダは、単に、インクリメンタルなシャフトの回転のみを把握する。絶対的なシャフト位置は、周知の零インデックス若しくは零基準トラックの助けを借りて、第3のセンサにより把握される。
ロータ位置測定器は、電流を制御するために必要な情報を提供する。その際、組立時におけるロータに対するロータ位置測定器の角度位置が一番最初にはわからないという問題が存在する。そのため、従来技術では、ロータに対して相対的にロータ位置測定器を機械的に調整することが行われ、ロータの定められた既知の角度位置を用いた、ロータ位置測定器の零インデックスは、この機械的に調整された位置に一致する。特に、零インデックスは、定められた既知の整流位置に対して相対的に調整される必要がある。この機械的な調整は、相対的に、時間消費が大きく、且つ、誤差を内蔵している。
そのため、本発明の課題は、簡単で殆ど誤差のない、整流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整方法等を提供することである。
この課題は、請求項1に従う方法により解決される。本発明は、請求項12に従うセンサ装置の調整システムも含む。
本発明の方法では、センサ装置は、ロータに相対して、定められた位置に組み付けられ、ロータの回転中にセンサ装置が発生する増分(インクリメント)が把握される。さらに、ロータ回転中のロータの角度位置が把握され、ここで、この角度位置は、絶対値で、あるいは、1つの若しくは複数の整流角度に関して決定可能である。最終的に、把握された角度位置は、センサ装置のインクリメントと相関をとられ、角度とセンサ装置のインクリメントとの相関は、記憶される。そのため、本発明の方法では、モータの組立時に、センサ装置は、機械的には位置調整されず、センサ装置の零インデックスが、各整流位置に対して相対的に、インクリメントを計測して把握される。次いで、異なる位置のインクリメントが、回転位置測定電子部品の不揮発性メモリに記憶可能である。
本発明は、種々のモータの異なる極分割に対して、センサ装置の機械的な調整が追加的に実行可能であるという利点だけでなく、各位相遷移ごとに、インクリメントが別々に決定され、記憶されるという利点も有する。
本発明の方法では、少なくとも、零インデックスを基準とするセンサ装置のインクリメントに対応するそれぞれの整流角度が、対応付けされる必要がある。好ましくは、センサ装置の各インクリメントは、センサの定められた1つの角度位置に対応付けられる。
本発明の好ましい実施形態において、センサ装置のインクリメント数は、常時、零インデックスから整流角度までカウントされて記憶される。これにより、センサ装置が変更される必要なくして、同一のセンサ装置は、異なる極数比率、そのため、異なる整流角度を有する異なるモータに対して、位置調整される。整流角度若しくは他の測定されたモータの角度位置が、センサ装置の2つのインクリメントの間に存在する限り、測定された角度位置は、補間により、さらに正確に求められる。
センサ装置の調整に関して、必要な整流角度のようなロータシャフトの絶対位置を求めるために、調整されるべきモータは、外部で駆動され、誘導電圧が把握される。この誘導電圧を把握するためには、例えば、逆起電力(electromotive force)が測定可能である。好ましい実施形態では、さらに、把握された角度位置を整流位置として特徴的に示し、且つ、センサ装置の実際の絶対位置、すなわち、現時点のインクリメント数を記憶するために、それまでに測定された整流角度が見出される各時点において、報知信号が形成される。上述したように、モータの極数比率に応じて、異なる整流角度が導出される。
本発明は、また、ロータと、ステータと、該ロータに相対して、定められた位置に組み付けられ、ロータの回転位置を把握するためのセンサ装置と、ロータの角度位置とセンサ装置のインクリメントとの相関を記憶するための記憶装置と、センサ装置の出力信号及び記憶された相関に応じてモータを制御するための制御装置と、を有する整流モータを含む。
最後に、本発明は、また、請求項12乃至14に従うセンサ装置の調整システムを含む。
本発明によれば、簡単で殆ど誤差のない、整流直流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整方法を提供することができる。
また、本発明によれば、簡単で殆ど誤差のない、整流直流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整システムを提供することができる。
さらに、本発明によれば、簡単で殆ど誤差のないように調整可能でロータの回転位置を決定するためのセンサ装置を有する整流モータを提供することができる。
本発明の実施の形態にかかる整流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整方法及び調整システムについて、以下図面を参照して説明する。
本発明において、センサ装置若しくはロータ位置測定器を調整するために、ロータの1回転中に該センサ装置が発生するインクリメントが把握され、同時に、回転中のロータの角度位置が把握され、把握された角度位置がセンサ装置のインクリメントと相関をとられ、角度位置とセンサ装置のインクリメントとの相関が記憶される。特に、零インデックスと各整流角度との間に存在するセンサ装置のインクリメント数は、把握され且つ記憶される必要がある。
図1は、図6と類似する図を示し、ここで、図1では、直流モータの半周期若しくは半回転に亘る、すなわち、180°(電気角)に亘る電流の走査のみが図示される。電流は、図6に対応して、u,v,w,−u,−v,−wを用いて示されている。測定された整流角度は、これらの図では、例示的に3箇所にて、矢印により特徴的に示される。
さらに、図1において、本発明の方法により調整されたロータ位置測定器の出力信号が模式的に示され、電流と共に示される。図1に示されたロータ位置測定器の分解能は、1電気サイクルごとに、24だけインクリメントしたものであり、ここで、当業者は、この分解能は、一例としてのみ機能し、実際には、実質的にさらに高いセンサ装置の分解能が選択されるであろうことを理解するであろう。例えば、センサ装置の分解能は、512インクリメントと32768インクリメントとの間であり得る。上記の例では、さらに、直流モータが4つの対極を有することも仮定している。
切り換え時点は、図1において矢印により特徴的に示される。この切り換え時点は、各整流角度に対応し、本実施形態では、零インデックスを基準とするセンサ装置の有する各インクリメントと相関をとられ、記憶される。上記の実施形態では、ロータ位置測定器のインクリメントは、常には、切り換え時点と正確には対応しない。何故なら、このことが必要な場合には、本実施形態において、切り換え時点の再検出のために、ロータ位置測定器の2つのインクリメントの間で補間可能であるためである。
図2は、本発明に基づくセンサ装置の調整システムのブロック図を示す。図2では、ブラシレスの整流直流モータが、40として図示されている。この整流モータ40には、測定用駆動部42が配置され、当該駆動部は、センサ装置の調整用に使用される。位相測定システム44及び位置算出器46が整流モータ40に接続されている。位置算出器46には、測定の妥当性を検査するために、監視部48が接続され、当該監視部は、出力信号を報知部50に供給する。この報知部50は、位置データの記憶のトリガーとなる報知パルスを発生する。整流モータ40には、ロータ回転位置測定器が備えられ、当該ロータ回転位置測定器は、インクリメント中のロータシャフトの絶対的な角度位置を提供する基準信号を発生する。このロータ回転位置測定器は、それ自体で、高い分解能を有する参照センサ若しくはセンサ装置であり得る。データ受信時の報知パルスが、整流モータ40に供給され、ここで、整流モータ40は、センサ装置及び付属するメモリを有し、当該メモリ中に、シャフトのインクリメント中の現時点の絶対的な角度位置が、整流位置として記憶可能である。
本実施形態では、モータは、測定用駆動部42を介して、外部から駆動される。その際、モータの位相コイルに、図1または図4に示すような電圧が誘導される。各整流角度のようなロータシャフトの絶対位置を求めるために、誘導電圧が、逆起電力の測定により把握される。このために、位相測定システム44及び位置算出器46が提供される。監視部48は、調整されるべき整流モータ40用に測定された値が妥当であるか否かを検査する。そして、報知部50は、各整流角度ごとに、少なくとも1つの信号を発生し、当該信号は、位置の記憶を実行させ、データ受信時の報知パルスを整流モータ40に出力する。
整流モータ40は、センサ装置及びメモリを有し、報知パルスの受信時に、現時点の絶対的な角度位置が整流位置として記憶されるように、動作する。本発明の特別な実施形態では、センサ装置の調整用に、追加的に、高い分解能の位置測定器が、回転位置測定器(ロータ回転位置測定器)に提供され、当該位置測定器は、既知の零インデックスを有し、整流角度を正確に決定するために、高い分解能の基準インクリメントを出力する。モータ(「ブロック状に通電される」)の極数に応じて、異なる複数の整流位置が、固定して保持される。そのため、システムは、センサ装置を変更する必要なくして、異なる極数比率にも自動的に適応することができる。
零インデックスの正確な位置は、逆起電力刻み点に対するインクリメントの固定された差に基づいて、計算により求められ、回転位置測定器に記憶される。モータの運転時には、次いで、正確な時点まで、零インデックス信号が、モータ用制御電子部品に、さらに提供される。
モータの回転位置測定器に記憶された情報は、インクリメント−角度の相関を利用して、絶対的な位置情報を示すために利用可能であり、モータの運転時のデジタルな刻みを介して、制御電子部品に、さらに提供される。当該刻みは、直列的に若しくは並列的に実行可能である。
センサ装置の調整用の高分解能の位置測定器を使用する際には、センサ装置の各インクリメントの間にある整流位置が決定可能である。そこで、整流位置をさらに正確に決定するために、本発明の特別な実施形態では、追加的に、センサ装置の各インクリメントの間を補間する補間装置が提供される。
センサ装置のインクリメント数は、センサ装置の零インデックスが既知であることを前提にする。このインクリメント数は、例えば、高分解能の基準位置測定器の助けを借りて、決定され得る。この高分解能の基準位置測定器を使用する際には、各整流位置に至るまでのセンサ装置のインクリメントは、整数若しくは分数として、算出され得る。
データを記憶可能であるということは、また、本発明に係るモータにおいて、モータに追加的な情報を記憶し、任意の時に利用可能に保持することを可能にする。このため、基本データを把握し、モータに関するキーデータ及び更なる情報を入力するために、例えば、製造番号、製造データ及び他のモータデータを入力するために、中継装置52が提供可能であり、これらのデータは、モータ制御用に有用であり得る。
本発明に係る方法及びシステムを用いて、機械的な調整なしに、整流直流モータのセンサ装置は、調整可能であり、ここで、本発明における調整は、学習方式の技術に従って行われる。本発明に係る方法を用いて、従来技術に基づく機械的な調整によるよりも実質的に正確にセンサ装置を調整することが可能である。従来技術では、センサ装置の機械的な調整の際には、通常、各整流位置から±2°のずれがあった一方で、本発明の方法の許容差は、センサ装置の分解能に応じて、略2桁まで低くなる。例えば、センサ装置として1024ビットの分解能を有するエンコーダを使用する場合には、1インクリメントの刻み幅は、360°/1024=0.35°となる。これから、非常に僅かな許容差内に、センサ装置を調整することが可能となる。
上記の記載、クレーム及び図面に開示された特徴は、単独でも、任意に組み合わせても、本発明の意義を実現するために存在し得る。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で、その応用及び変形等は任意である。
例えば、本発明は、ブラシレスの整流直流モータに好適に使用されるが、他の電気モータにも使用可能である。
半電気サイクル中の3相直流モータの切り換え及び本発明にかかるロータ位置測定器の対応する信号を示す。 本発明にかかるセンサ装置の調整システムのブロック図である。 3相直流モータ用の制御電子部品の回路図である。 ブロック状に切り換えられた3相直流モータの誘導電圧の走査である。 正弦状に切り換えられた3相直流モータの誘導電圧の走査である。 1電気サイクル中の3相直流モータの切り換えを示す。
符号の説明
10 スター回路
12 位相コイル
14 位相コイル
16 位相コイル
18 正の電圧供給端子
20 負の電圧供給端子
22 出力回路部品(出力トランジスタ)
24 出力回路部品(出力トランジスタ)
26 出力回路部品(出力トランジスタ)
28 出力回路部品(出力トランジスタ)
30 出力回路部品(出力トランジスタ)
32 出力回路部品(出力トランジスタ)
40 整流モータ
42 測定用駆動部
44 位相測定システム
46 位置算出器
48 監視部
50 報知部
52 中継装置

Claims (14)

  1. センサ装置を定められた位置にロータに相対して組み付けるステップと、
    前記ロータの回転中に前記センサ装置が発生するインクリメントを把握するステップと、
    回転中の前記ロータの角度位置を把握するステップと、
    把握された前記角度位置と前記センサ装置の前記インクリメントとの相関をとるステップと、
    得られた前記角度位置と前記センサ装置のインクリメントとの相関を記憶するステップと、
    を備えることを特徴とするロータ及びステータを有する整流モータのロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整方法。
  2. 前記センサ装置の各インクリメントを前記ロータの定められた角度位置に配置するステップをさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置の調整方法。
  3. 前記センサ装置は、零インデックスを発生し、
    発生した前記零インデックスとモータの1つの切り換え角度との間に存在する前記センサ装置のインクリメント数をカウントするステップをさらに備える、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサ装置の調整方法。
  4. 前記カウントステップにて、発生した前記零インデックスと前記モータの各切り換え角度との間に存在する、前記センサ装置のインクリメント数をカウントする、ことを特徴とする請求項3に記載のセンサの調整方法。
  5. 前記零インデックスから前記モータの切り換え角度までの前記センサ装置のインクリメント数を記憶するステップをさらに備える、ことを特徴とする請求項3又は4に記載のセンサ装置の調整方法。
  6. 前記角度位置把握ステップにて、前記センサ装置を調整するために、位置測定器を用いて、前記ロータの角度位置を測定し、
    当該位置測定器の分解能は、前記センサ装置の分解能と同一若しくはこれより高い、
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のセンサ装置の調整方法。
  7. 前記センサ装置の2つのインクリメントの間に存在する前記ロータの角度位置を補間するステップをさらに備える、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のセンサ装置の調整方法。
  8. 前記モータを駆動して前記モータによる誘導電圧を把握するステップをさらに備え、
    前記誘導電圧把握ステップにて、前記誘導電圧から、前記ロータの角度位置及び求める整流角度を導出する、ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のセンサ装置の調整方法。
  9. 求める前記整流角度を導出する際、前記把握された角度位置を整流位置として特徴的に示すために、報知信号を発生させる、ことを特徴とする請求項8に記載のセンサ装置の調整方法。
  10. 前記モータの極数比率に応じて、複数の整流角度を導出する、ことを特徴とする請求項8又は9に記載のセンサ装置の調整方法。
  11. ロータと、
    ステータと、
    前記ロータの回転位置を把握するためのセンサ装置と、
    前記ロータの前記回転位置と前記センサ装置のインクリメントとの相関を記憶する記憶装置と、
    前記センサ装置の出力信号と前記記憶された相関とに基づいてモータを制御するための制御装置と、
    を備え、
    前記センサ装置は、定められた位置にロータに相対して組み付けられる、
    ことを特徴とする整流モータ。
  12. モータ(40)の回転時に、当該モータによる誘導電圧を測定する位相測定装置と、
    前記誘導電圧に基づいて、整流時点を算出する整流算出装置(46)と、
    前記整流算出装置(46)の入力信号を取得し、それぞれの前記整流時点において報知パルスを発生し、該報知パルスを前記モータ(40)に出力する報知パルス発生装置(50)と、
    前記整流時点とセンサ装置のインクリメントとの相関を記憶する記憶装置と、
    を備えることを特徴とするロータとステータとセンサ装置とを有する整流モータ(40)のロータの回転位置を決定するためのセンサ装置の調整システム。
  13. 前記モータに配置される調整用の基準位置測定器をさらに備える、ことを特徴とする請求項12に記載のセンサ装置の調整システム。
  14. 前記基準位置測定器は、前記センサ装置よりも高い分解能を有し、
    当該基準位置測定器のインクリメントと前記センサ装置とが相関をとられる、
    ことを特徴とする請求項13に記載のセンサ装置の調整システム。
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