JP2004271504A - 角度的に配分された特異部を備える電子スイッチング・モータを制御する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 本発明は、主多極トラック（２ａ）及び所謂「回転ピップ」多極トラック（２ｂ）を有するエンコーダ（２）を備えた、電子スイッチング・モータを制御する装置に関し、前記トラックの各々は、前記トラックの全円周にわたってそれぞれ角度的に配分されたＮ個の同一のセクタ（２ｃ）を備え、回転ピップ・トラック（２ｂ）のセクタ（２ｃ）の各々はＭ個の角度的に配分された特異部（２ｂ１）を備え、信号Ａ及びＢを組合わせて、セクタ（２ｃ）のものよりも小さく、かつセクタ（２ｃ）上におけるエンコーダ（２）の絶対的な角度位置を示す角度長の２進数列を決定すべく回転ピップ信号（Ｃ）が生成されるようにＭ個の特異部（２ｂ１）は角度的に配分されている。また、本発明は、そのような装置を備えた軸受及びモータ、同じくそのようなモータを制御する方法にも関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｎ対の極とＰ相とを備える電子スイッチング型電気モータを制御するための装置、そのような装置を備えた軸受及びモータ、同じくそのようなモータを制御するための方法に関する。

それらの高いパワーにより、電子スイッチング・モータあるいはブラシレス・モータは、多数の用途で、機械的要素の回転を制御するために利用可能である。
具体的には、このような用途の一例は、電気式の補助ステアリング・システムを用いた自動車のステアリングの支援である。

その適用面において最適なトルクを得るために、これらのモータの相における電流の切替を正確に制御する必要がある。
Ｎ対の極を備えたエンコーダに対向して配置されたＰ個の検出素子が設けられたセンサを備える制御装置の使用方法は既知であり、前記エンコーダはモータにより回転される。

三相直流ブラシレス・モータの場合では、電気的に１２０°位相がずれた３つの電気的スイッチング信号の供給を可能とする機械的な角度によって互いに位相がずれた３つの検出素子を設けることによって、モータの相間の切替を制御可能である。

しかしながら、この種の解決方法は、相中の電流のスイッチング時間の決定において、精度が制限される。
この理由は、既知の制御装置において、スイッチング信号の精度は、磁気エンコーダの製造及び磁化並びに支持材上の検出素子の位置決めにおける許容誤差の関数であり、これら２つの因子は非ゼロ許容誤差のみを伴って得られるからである。

従って、これらの許容誤差により、スイッチング信号の間の位相差の精度は電気的に正確な１２０°ではなく、このことによりモータから供給されるトルクの不要な変調が引き起こされる。

この問題を解決するため、制御装置は、モータ制御の精度を向上させるために、回転子の絶対位置を検知可能な「レゾルバ」型の第２センサを備えることが提案されていた。
しかしながら、この種の解決方法は、「レゾルバ」型センサの寸法に起因して機械的一体化の制限を生じさせるという点において満足のいくものではない。加えて、レゾルバから発信されるアナログ信号を、回転子の絶対位置を計算する復調器へ伝達することに関する別の困難が存在する。

特にこの欠点を克服するために、本発明は、モータの相巻線における電流のスイッチングを制御するために、回転子の絶対位置に関する信号を利用する制御装置を提案する。前記絶対位置は、単一の、センサ／エンコーダ・アセンブリにより得られる。加えて、運転が開始されたとき、本発明に従う制御装置は、回転子がモータの一対の極の角度幅よりも小さな角度だけ回転した場合、回転子の絶対的な角度位置が得られる。

この目的を達成するために、第１の態様に従って、本発明は、Ｎ対の極及びＰ相を備えた電子スイッチング型電気モータを制御するための装置であって、
モータの回転子と共同して回転するエンコーダであって、同心状の主多極トラック及び所謂「回転ピップ」多極トラックを備え、前記トラックの各々は、前記トラックの全円周にわたってそれぞれ角度的に配分されたＮ個の同一のセクタを備え、回転ピップ・トラックのセクタの各々はＭ個の角度的に配分された特異部を備える、エンコーダと、
エンコーダと対向し、かつ、エンコーダから空隙距離を離間して配置された固定センサであって、その少なくとも２つは、２つの直角位相の周期的電気信号Ｓ１，Ｓ２を供給するように主トラックと対向して配置され、その少なくとも１つは、電気信号Ｓ３を供給するように回転ピップ・トラックと対向して配置された少なくとも３つの検出素子と、信号Ｓ１，Ｓ２及びＳ３に基づいて、回転子の角度位置を表す２つの直角位相の方形デジタル位置信号Ａ，Ｂ及びエンコーダの１回転当たりのＮ×Ｍパルスの形態で回転ピップ信号Ｃを供給可能な電子回路とを備え、信号Ａ及びＢを組合わせて、セクタのものよりも小さく、かつセクタ上におけるエンコーダの絶対的な角度位置を示す角度長の２進数列を形成すべく回転ピップ信号Ｃが生成されるようにＭ個の特異部が角度的に配分されている固定センサと、
２×Ｐ×Ｎ個のスイッチを備えるモータの相巻線における電流のスイッチングを行うための回路と、
回転ピップ信号Ｃの２進数列が読み取られたとき前記２進数列と関連する絶対的な角度位置に対応する相巻線における電流のスイッチング論理の状態を決定し、検出された位置信号Ａ，Ｂに基づいて回転子の角度位置に適合するスイッチング論理の状態を連続的に決定し、回転ピップ信号Ｃ又は位置信号Ａ，Ｂに基づいて決定された論理の状態に対応する切替のためのスイッチング信号を供給することが可能な、スイッチング回路を制御するための回路と、を備える装置である。

第２の態様に従って、本発明は、固定部材と結合される固定レースと、回転レースであって、電気モータの回転子と前記レース間に配置された回転体とによって回転される回転レースとを備え、そのような制御装置のエンコーダが回転レースと結合されているタイプの軸受を提案する。

第３の態様に従って、本発明は、そのような制御装置を備え、そのような軸受により回転するモータを備えるタイプのものであり、センサが固定レースと結合されている、電子スイッチング・モータを提案する。

変形例では、制御装置のセンサはモータの固定片と結合される。
別の実施形態に従って、制御装置のエンコーダはモータの回転子と結合される。
第４の態様に従って、本発明は、そのようなモータを制御するための方法を提案する。この方法は、次の一連のステップを含む。

回転子の回転及びエンコーダの回転を可能とするように、回転子にトクルを供給するステップと、
最初の２進数列を検出するステップと、
前記２進数列と関連する絶対的な角度位置に対応するスイッチング論理の状態を決定するステップと、
決定された状態に対応するスイッチング信号をスイッチング回路へ送信するステップと、
位置信号Ａ，Ｂに基づいてスイッチング論理のその後の状態を反復的に決定するステップと、
決定された状態に対応するスイッチング信号をスイッチング回路へ送信するステップとである。

本発明の他の目的及び利点は、添付の図面を参照した以下の説明で明確となる。

本発明は、Ｎ対の極及びＰ相を備えた電子スイッチング・モータ又はブラシレス・モータを制御するための装置に関する。
この種のモータは、Ｎ対のＮ／Ｓ磁極を有する回転子１と、相巻線によりそれぞれ形成された複数のＰコイルを有する固定子とを備えており、回転子１は、Ｐ相巻線における電力供給を制御することにより、既知の様式で回転される。

制御装置は、例えば、図１に示すようなエンコーダ２を備える。そのエンコーダ２は、主多極トラック２ａと、所謂「回転ピップ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｉｐ）」多極トラック２ｂとを備え、それらは同心状に配置されている。トラックは、前記トラックの全円周にわたって、それぞれ角度的に配分されたＮ個の同一のセクタ２ｃを備え、回転ピップ・トラック２ｂのセクタの各々は、Ｍ個の角度的に配分された特異部２ｂ１を備える。エンコーダ２は、回転子1と共同して、その回転軸まわりに複数回、回転される。

一実施形態では、エンコーダ２は多極磁気リングから形成されており、そのリング上には、主トラック２ａ及び回転ピップ・トラック２ｂが形成されるように、一定の角度幅で等配分された磁気を有する複数のＮ及びＳの極２ｃが設けられている。回転ピップ・トラック２ｂの磁気特異部２ｂ１は、他とは異なる磁気転移を有する２つの隣接した極により形成される。

図１に示す実施形態（Ｐ＝３，Ｎ＝４）に従って、リング２の内側に配置された主トラック２ａ、及びリング２の外側に配置された回転ピップ・トラック２ｂは、１０対の極を各々持つ４つのセクタ２ｃに配分された４０対の極２ｄを備える。回転ピップ・トラック２ｂの一対の極２ｄは、主トラック２ａの一対の極２ｄに対して値φだけ位相がずれている。

回転ピップ・トラック２ｂの各セクタ２ｃは、それらの間が異なる距離となるように角度的に配分された３つの磁気特異部２ｂ１を備える。各特異部２ｂ１は対の極２ｄから形成され、極の幅は、主トラック２ａの対応する極に対してある極の位相が−φだけずれるように配置されている。従って、信号Ｃのあらゆるパルスは主トラック２ａと回転ピップ・トラック２ｂとの間の位相差の逆転を検出することに相当する。

制御装置は、エンコーダ２と対向し、エンコーダ２から空隙距離だけ離間して配置された固定センサ３も備える。
センサは少なくとも３つの検出素子を備え、それらのうちの少なくとも２つは主トラック２ａと対向して配置され、それらのうちの少なくとも１つは回転ピップ・トラック２ｂと対向して配置される。

一実施形態では、検出素子は、ホール効果センサ、磁気抵抗器及び巨大磁気抵抗器からなるグループから選択される。
使用されるセンサ３は、主トラック２ａと対向して配置された検出素子を使用して２つの直角位相の周期的電気信号Ｓ１，Ｓ２を供給し、回転ピップ・トラック２ｂと対向して配置された検出素子を使用して、電気信号Ｓ３を供給することができる。

複数の配列された検出素子から信号Ｓ１及びＳ２が得られる原理は、例えば、本出願人によるフランス国特許第２７９２４０３号に記載されている。
しかしながら、信号Ｓ１及びＳ２を供給可能な２つの検出素子を備えたセンサ３も既知である。

センサ３は、信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３に基づき、直角位相の方形位置デジタル信号Ａ，Ｂと、エンコーダ２の１回転毎にＭ×Ｎ電気パルスの形式で回転ピップ信号Ｃとを供給する電子回路も備える。

デジタル信号Ａ，Ｂ及びＣを取得する原理と、磁気特異部２ｂ１の多種の実施形態とは、フランス国特許第２７６９０８８号及び欧州特許第０８７１０１４号に記載されている。

一実施形態に従って、センサ３は、例えば、本出願人によるフランス国特許第２７５４０６３号に記載されたタイプの、出力信号の分解能を向上させる補間回路も備える。
センサ３は、特定の用途にカスタマイズされた集積回路、必要に応じて部分的に又は全面的に設計された集積回路を参照するためにＡＳＩＣにより設計される回路が形成されるべく、シリコン基板、又は例えばＡｓＧａのような同等物の上に集積され得る。

エンコーダ／磁気センサ・アセンブリに関して説明しているが、本発明を、光学技術の利用した類似の態様で本発明を具体化することも可能である。例えば、エンコーダ２を金属又はガラスからなるターゲットにより形成可能であり、この場合は、主トラック２ａ及び回転ピップ・トラック２ｂは、上記の多極磁気パターンと類似の光学パターンを形成するようにエッチングされ、検出素子は光学検出器から形成される。

図１に示す実施形態では、回転ピップ・トラック２ｂの３つの特異部の角度的な配分は、セクタ２ｃに沿う回転中の信号Ｃ並びに信号Ａ及びＢを利用して得られる２進パターン０００００１００１１により表現することができる。数字１は信号Ｃにおける特異部の検出に対応し、数字０はその逆の現象に対応する。数字０及び１は、信号Ａ及びＢを利用して識別される一対の極にそれぞれ割り当てられる。

セクタ２ｃ上におけるエンコーダ２の絶対位置を明確に決定するために、読み取られるべき状態０又は状態１の数を、この２進パターンを用い、エンコーダ２の初期の位置及び回転方向に基づいて、確立することができる。明細書中では、セクタ２ｃ上におけるエンコーダ２の絶対位置の決定を可能とするこの０又は１の連続を２進数列と呼ぶことにする。

例えば、２進数列の最初の０の位置から始まるときは、セクタ２ｃ上におけるエンコーダ２の絶対位置を明確に検知するために、
右に回転した場合は、２進数列００００１を読み取り、
左に回転した場合は、２進数列１１０を読み取り、
左に回転してから右に回転した場合は、２進数列１１０００を読み取ることが必要である。

全ての可能な初期位置に対してこの分析を実行することにより、２進数列の最大長と、セクタ２ｃ上におけるエンコーダ２の絶対位置を検知するために行われるべきものである最大回転とが決定される。図１の例では、最悪の場合、セクタ２ｃ上におけるエンコーダ２の絶対位置を明確に検知するためにエンコーダの５対の極、即ち機械的な４５°の回転が必要である。

本発明では、２進数列の角度長がセクタ２ｃのものよりも小さい場合は、回転子１が、モータの一対の極の角度幅よりも小さな角度だけ回転した直後、エンコーダ２の絶対位置と、関連する回転子１の絶対位置とを検知できる。

各実施形態の特有の要求に従って、特異部を回転ピップ・トラック２ｂ上に異なるように配置して、２進数列の最大長を増加させるか、あるいは減少させることができる。加えて、セクタ２ｃ当たりのエンコーダの極の対の数を変更し、より長い、又はより短い２進数列を得ることができ、かつ／あるいはエンコーダ２の寸法を変更することができる。

制御装置はモータの相巻線における電流のスイッチングを行う回路も備える。
スイッチング回路は２×Ｐ×Ｎ個のスイッチを備えており、例えば、各スイッチは、２０ｋＨｚで動作するＭＯＳＦＥＴ型の電界効果トランジスタにより形成されており、それらは、適切な方法で相巻線を提供するようにブリッジ内に配置される。

２×Ｐ×Ｎ個のスイッチは、２×Ｐ×Ｎ個の可能な状態を提供するスイッチング論理に従って、対で作動される。
スイッチング装置の制御、即ち、切替の選択的作動は、
２進数列が読み取られたとき、前記２進数列と関連する絶対的な角度位置に対応する相巻線における電流のスイッチング論理の状態を決定し、
検出された位置信号Ａ，Ｂに従って、回転子１の角度位置に適合するスイッチング論理の状態を連続的に決定し、
回転ピップ信号Ｃ又は位置信号Ａ，Ｂにより決定される論理の状態に対応するスイッチのスイッチング信号を供給すること、が可能な制御回路により実行される。

制御回路は、少なくとも１つの、多種のスイッチの開／閉の連続を決定するスイッチング回路のスイッチング論理が集積されたマイクロプロセッサという形で形成可能である。
制御装置の機能を以下に記載する。

最初、即ち、装置が運転を開始したときは、回転子１にトルクが加えられ、回転子１及びエンコーダ２が回転を開始する。
特に、自動車用の電子的補助ステアリングの制御装置を使用する場合は、トルクは、補助トルクが供給されずに、ステアリング・ホイールにより加えられる。

この理由は、この実施形態において図１に示すエンコーダを用いると、補助なしの偏位角度は、電子的補助ステアリングが全体に受け入れられる１５の低減比を有すると仮定すると、最大３度となるからである。

変形例では、モータには最初、所定の制御順序に基づいて電流が供給され、回転子１の回転及びエンコーダ２の回転の開始が可能となる。
最初の２進数列の検出直後、制御回路は、前記２進数列と関連する角度位置に対応する相巻線における電流のスイッチング論理の状態を決定し、対応するスイッチング信号をスイッチング回路に送信する。

次に、位置信号Ａ，Ｂは回転子１の絶対位置、即ち、前記検出された２進数列と関連する位置に対する位置を検知し、適合するスイッチング論理の状態を連続的に決定することができる。この理由は、回転子１の各位置で、信号Ａ，Ｂが最適なモータ・トルクを得ることが可能なスイッチング論理の状態に対応するからである。従って、制御回路は、決定された論理の状態に対応するスイッチに対するスイッチング信号をスイッチング回路に供給可能である。

変形例では、モータの相中の電動力のゼロ合わせに関係した回転ピップ・パルスの角度の指標付け、即ち、モータの一対の極の角度位置に対する特異部２ｂ１の角度位置の指標付けをする前ステップを提供可能である。このステップは、製造ラインから離れた専用の作業台上で実行可能であり、スイッチング時間を電子的に再調整することが可能となるように、位相差の値を制御回路のＥＥＰＲＯＭ又はフラッシュ型のメモリに格納可能である。この回転ピップ・パルスの角度位置の記憶により、面倒で費用のかかるエンコーダの機械的な指標付けを省略することが可能となる。

本発明では、スイッチング時間の決定の精度は回転子１の角度位置の測定精度のみに起因して制限される。
加えて、エンコーダ２が、特異部２ｂ１の分布に従って変調される角度まで回転した直後に、モータは最適な形式で制御される。

図２に示すような、固定部材と結合される固定外側レース４と、電気モータの回転子１により回転される回転内側レース５と、前記レース間に配置された回転体６とを備える軸受について記載する。

本実施形態では、エンコーダ２は、電機子７の環状円筒状表面上に成形され、その電機子７は、例えば、縮化（ｓｈｒｉｎｋｉｎｇ）工程により内側レース５の面と結合される。

エンコーダ２は回転レース５と結合され、前記エンコーダの外側の面は、固定レース４の側面の平面Ｐ内及び／又は回転レース５の側面の平面Ｐ’内に実質的に含まれる。本出願人による欧州特許第０６０７７１９号で詳細に開示されているこの特徴では、軸受内部のエンコーダ２を保護することが可能となり、又、空隙の制御を保った状態でセンサ３を軸受から分離ことが可能となる。

図３に示すように、電子スイッチング・モータは軸受によって回転する回転子１を備える。軸受の外側レース４はモータのケーシング８と結合されており、内側レース５は、例えば縮化工程により前記モータの回転子１と結合される。センサ３は、ケーシング８内の枠８ａ内に配置され、ねじ９によりケーシング８と結合される。変形例では、センサ３を軸受の外側レース４に結合させてもよい。

加えて、エンコーダ２は回転子１と結合されている。電機子７は、例えば、回転子１の外周面に縮化により統合される。

主多極トラック及び回転ピップ多極トラックを備えるエンコーダの正面図。 図１示すエンコーダを備える軸受の縦断面図。 本発明に従うモータの部分縦断面図。

Claims (12)

1. Ｎ対の極及びＰ相を備える電子スイッチング型電気モータを制御する装置であって、
   モータの回転子（１）と共同して回転するエンコーダ（２）であって、同心状の主多極トラック（２ａ）及び所謂「回転ピップ」多極トラック（２ｂ）を備え、前記トラックの各々は、前記トラックの全円周にわたってそれぞれ角度的に配分されたＮ個の同一のセクタ（２ｃ）を備え、回転ピップ・トラック（２ｂ）のセクタ（２ｃ）の各々はＭ個の角度的に配分された特異部（２ｂ１）を備えるエンコーダと、
   前記エンコーダと対向し、かつ、エンコーダから空隙距離を離間して配置された固定センサ（３）であって、その少なくとも２つは、２つの直角位相の周期的電気信号Ｓ１，Ｓ２を供給するように主トラック（２ａ）と対向して配置され、その少なくとも１つは、電気信号Ｓ３を供給するように回転ピップ・トラック（２ｂ）と対向して配置された少なくとも３つの検出素子と、信号Ｓ１，Ｓ２及びＳ３に基づいて、回転子（１）の角度位置を表す２つの直角位相の方形デジタル位置信号（Ａ，Ｂ）及びエンコーダ（２）の１回転当たりのＮ×Ｍパルスの形態で回転ピップ信号（Ｃ）を供給可能な電子回路とを備え、信号Ａ及びＢを組合わせて、セクタ（２ｃ）のものよりも小さく、かつセクタ（２ｃ）上におけるエンコーダ（２）の絶対的な角度位置を示す角度長の２進数列を決定すべく回転ピップ信号（Ｃ）が生成されるようにＭ個の特異部（２ｂ１）が角度的に配分されている固定センサ（３）と、
   ２×Ｐ×Ｎ個のスイッチを備えるモータの相巻線における電流のスイッチングを行うための回路と、
   ２進数列が読み取られたとき前記２進数列と関連する絶対的な角度位置に対応する相巻線における電流のスイッチング論理の状態を決定し、検出された位置信号（Ａ，Ｂ）に基づいて前記回転子（１）の角度位置に適合するスイッチング論理の状態を連続的に決定し、回転ピップ信号（Ｃ）又は位置信号（Ａ，Ｂ）に基づいて決定された論理の状態に対応する切替のためのスイッチング信号を供給することが可能な、スイッチング回路を制御するための回路と、を備える装置。
2. 前記Ｍ個の特異部（２ｂ１）の各々を分離する角度距離は互いに異なる、請求項１に記載の装置。
3. 前記各多極トラック（２ａ，２ｂ）は、一定の角度幅で等配分されたＮ及びＳの磁極（２ｄ）が存在する磁気リングから形成され、回転ピップ・トラック（２ｂ）の磁気特異部（２ｂ１）は、磁気転移が他とは異なる２つの隣接した極（２ｄ）から形成される、請求項１又は２に記載の装置。
4. 固定部材と結合される固定レース（４）と、電気モータの回転子（１）により回転される回転レース（５）と、前記レース間に配置された回転体（６）とを備える軸受であって、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の制御装置のエンコーダ（２）が回転レース（５）と結合されている軸受。
5. 前記エンコーダの外面が固定レース（４）の側面の平面Ｐ内に実質的に含まれるように、前記エンコーダ（２）が回転レース（５）と結合している、請求項４に記載の軸受。
6. 前記エンコーダ（２）が、結合電機子（７）により搭載されている、請求項４又は５に記載の軸受。
7. 制御装置のセンサ（３）が、軸受の固定レース（４）と結合されている、請求項４〜６のうちいずれか１項に記載の軸受。
8. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の制御装置を備え、請求項７に記載の軸受による回転のために搭載された回転子（１）を備える、電子スイッチング・モータ。
9. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の制御装置を備え、請求項４〜６のうちいずれか１項に記載の軸受による回転のために搭載された回転子（１）を備え、センサ（３）がモータの固定片（８）と結合している、電子スイッチング・モータ。
10. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の制御装置を備え、回転子（１）及び固定片（８）を備えた電子スイッチング・モータであって、エンコーダ（２）が回転子（１）と結合し、かつセンサ（３）が固定片（８）と結合している、電子スイッチング・モータ。
11. 請求項８〜１０のうちいずれか１項に記載のモータを制御するための方法であって、
    前記回転子（１）の回転及び前記エンコーダ（２）の回転を可能とするように、回転子（１）にトクルを供給するステップと、
    最初の２進数列を検出するステップと、
    前記２進数列と関連する絶対的な角度位置に対応するスイッチング論理の状態を決定するステップと、
    決定された状態に対応するスイッチング信号をスイッチング回路へ送信するステップと、
    位置信号（Ａ，Ｂ）に基づいてスイッチング論理のその後の状態を反復的に決定するステップと、
    決定された状態に対応するスイッチング信号をスイッチング回路へ送信するステップと、を備える方法。
12. 前記モータの位相中の電動力のゼロ合わせに関係して、回転ピップ・パルスの角度の指標付けをする前ステップを備える、請求項１１に記載の方法。

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