JP2004527996A - 整流する直流電動機の駆動軸の回転位置測定を補正する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電機子電流信号中に含まれているエラーリプル又は二重リプルの発生時の電流リプルを評価することによって整流する直流電動機の駆動軸の回転位置測定を補正する方法に関する。
この課題は、−電機子電流信号のスペクトル分析が、最初のステップでこの電機子電流信号中に含まれている周波数成分に関して実行され、−引き続き電機子電流信号中に含まれている電流リプルの直流電動機の運転時に発生するスペクトル分析から得られた実際の周波数が、この周波数のステップ状の変化を考慮して監視され、−電流リプルの計数結果が、実際の電流リプルの周波数のこのステップ状の変化の検出時に補正されることによって解決される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電機子電流信号中に含まれているエラーリプル又は二重リプルの発生時の電流リプルを評価することによって整流する直流電動機の駆動軸の回転位置測定を補正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
整流する直流電動機の電機子は、直流成分及びこの直流成分に重畳する交流成分を有する。磁石（磁場），直流電動機の電機子巻き線及び整流子が原因で、交流成分が直流電動機の運転時に発生する。このことは、誘導電圧の短期間の変化中に現れる。電機子電流信号のリプルが、そこから発生する。電機子電流信号中に含まれる電流ピーク−以下では電流リプルと呼ぶ−は、電機子の回転時に整流子片(Kollektorlamellen) の数に一致する頻度で発生する。例えば電機子が10個の整流子片を有する場合、それに応じて10個の電流リプルを電機子電流信号中で確認することができる。したがって電流リプルを計数することは、直流電動機の電機子の実際の回転位置と稼働要素の所定の移動区間内のこれらの稼働要素とに関する情報を与え得る。この目的のため、電機子電流のアナログ信号がデジタル化されて、対応する計数を実行できるようにする。
【０００３】
可能な限り誤りのない電流リプルの検出を実施できるようにするため、電機子電流のアナログ信号が、寄生誘導を抑えるためにそのデジタル化の前及び場合によっては後にも適切に評価される。電機子電流信号を評価するため、フィルタリングが実行される。これらのフィルタリングは、ローパスフィルタリングとして及び／又は周波数フィルタリングとして構成されている。このような信号評価方法は、例えばドイツ連邦共和国特許発明第195 11 307号明細書中に記されている。このような信号評価方法の意図と目的は、電機子電流信号がそこに含まれている電流リプルを考慮して評価され得るように、この評価された正確な電機子電流信号を可能な限り寄生誘導なしに供給することである。計数結果が直流電動機の駆動軸又は電機子の実際の回転位置に関する直接の情報を与えるので、リプルが位置を測定するために計数される。電機子電流信号中に含まれる電流リプルを計数するため、最小値測定アルゴリズム又は最大値測定アルゴリズム又は零通過を測定するアルゴリズムが通常使用される。
【０００４】
しかしながらこの公知の信号評価方法及び補正方法では、電機子電流信号中に含まれている電流リプルが電機子電流信号中に単純に存在するときにしか、この電機子電流信号中に含まれている寄生誘導（Stoereinfluess）が十分に確認されないか又は最小限にされない。この理由から、電機子電流信号中に含まれている電流リプルによってセンサなしに位置を測定するためには、高価な整流子片（Kollektoren ）を有しそれに応じて正確に製造されたか又は加工された直流電動機しか使用されない。それ故に、歪んだ交流成分を電機子電流信号中に有する安価な直流電動機によるセンサなしの位置の測定は実施不可能である。
【０００５】
しかしながら、エラーリプル及び／又は二重リプルが電機子電流信号中に発生することがある。基本的に、電流リプルの計数結果が、これらのエラーリプル及び／又は二重リプルによって不正確になる。エラーリプル及び／又は二重リプルの発生時に電流リプルの計数結果を適切に補正するため、補正方法が、信号評価方法及び評価方法の後に通常追加されている。引き続き電流リプルの計数結果を望ましく補正できるようにするため、最初にエラーリプル及び／又は二重リプルの発生が、この補正方法によって認識されなければならない。このエラーは整流子又はその他の重畳する寄生誘導、例えば電気系統の脈流によって引き起こされ、したがって電機子電流信号を評価することによって容易に除去され得ないので、このような方法の使用は必要である。このような補正手段は、例えばドイツ連邦共和国特許発明第197 29 238号明細書から公知である。この方法の場合、次に予測される電流リプルの検出の時点が、１回の電流リプルの検出の時点中に電動機電流データと電動機特性データとから実際に算出された回転数に基づいて算定される。この時点は、この時点の大きさに関して一定にプリセットされている許容範囲の一部である。したがってこの明細書から公知のこの方法の場合、起こりそうな次の整流点（電流リプル）の算定された時点が、プリセットされている許容範囲の大きさだけ拡張される。こうして、１つの電流リプルがその許容範囲内でも検出されなかったときにだけ、発生しなかった電流リプルが、算定された時点中に又は算定された時点の前にエラーリプルとして認識される。しかしながらこの方法は、コンピュータに拘束されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、この従来の技術を基礎として冒頭で述べた種類の方法を改良することにある。この方法では、エラーリプル及び二重リプルの確実な検出が公知の従来の技術に比べて少ない計算経費で可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、本発明により、
−電機子電流信号のスペクトル分析が、最初のステップでこの電機子電流信号中 に含まれている周波数成分に関して実行され、
−引き続き電機子電流信号中に含まれている電流リプルの直流電動機の運転時に 発生するスペクトル分析から得られた実際の周波数が、この周波数のステップ 状の変化を考慮して監視され、
−電流リプルの計数結果が、実際の電流リプルの周波数のこのステップ状の変化 の検出時に補正されることによって解決される。
【０００８】
本発明の方法の場合、電機子電流信号が、スペクトル分析の最初のステップで電機子電流信号中に含まれている周波数成分に関して検査される。電流リプルは、特定の周波数と特定の振幅を有する。電流リプルの周波数は、直流電動機の実際の回転数に比例する。電機子電流信号中に含まれている電流リプルの直流電動機の運転時に発生する周波数又はいろいろな回転数で発生する周波数が、これらのいろいろな回転数で既知であり、希望する場合には実際の電動機電流特性データ及び電動機特性データから計算することによって必要に応じて検査され得る。例えば特定の周波数がスペクトル分析中に非常に僅かな振幅に基づいて又は直流電動機によって実現不可能な回転数に基づいて除去され、同時にさらなる観察中に利用されないことによって、直流電動機の運転に対して発生する電流リプル周波数は、いろいろな方法で算出され得る。電機子電流信号中に含まれている電流リプルのこの方法で直流電動機の運転時に特定された実際の周波数は、この直流電動機の実際の回転数の直接の目安である。このとき、駆動軸の回転角度測定及び位置測定をこの実際の回転数によって計算することができる。
【０００９】
直流電動機の運転状況が変化すると、電機電流中に含まれている電流リプルの周波数が変化する。したがって電流リプルの周波数の変化は、この直流電動機の回転数の変化が原因である。
【００１０】
スペクトル分析を実行するため、電機子電流のアナログ信号が、まずデジタル化され、引き続き高速フーリエ変換を用いてその周波数範囲に変換され得る。これらの方法ステップは、ほとんどコンピュータに拘束されずに構成され得る。このことは、これらの計算が電機子電流のアナログ信号のデジタル走査の各時点で容易に実行できることを伴う。その結果、直流電動機の駆動軸又は電機子軸の回転角度が測定できる。したがってこの方法は、直流電動機の実際の回転数が必要になる補正方法に対して利用できるようにするために必要になる。特にこの方法では、これらの方法ステップをデジタル走査のサイクルで実行するときに、運転状況の変化がほぼリアルタイムで検出され得、同時に実際の回転角度測定でも考慮され得る。
【００１１】
本発明の方法の場合、電機子電流信号中に含まれている電流リプルの動作周波数をこの電流リプルの周波数のステップ状の変化を考慮して監視することが提唱されている。エラーリプル及び／又は二重リプルが発生した場合、実際の電流リプルの周波数がステップ状に変化する。その結果、実際の電流リプルの周波数のこのようなステップ状の変化が検出された場合、電流リプルの計数結果が引き続き補正される。同時に、実際の位置が測定され得る。この方法で電流リプルによって誘導されなかった周波数の補間を阻止するため、実際の電流リプルの周波数のこのようなステップ状の変化の検出が、例えば周波数の変化の期間にわたって又は周波数のシフトにわたって妥当性チェックに託され得る。したがってこの補正方法によって、エラーリプル及び／又は二重リプルを検出するために経費がかかりかつコンピュータに拘束されるアルゴリズムを実行する必要なしに、発生するエラーリプル及び／又は二重リプルを補正することが簡単に可能である。
【００１２】
公知の従来の技術と比較すると、この使用される方法の場合、周波数が濾波されるのではなくて、寄生誘導、場合によっては電機子電流信号として重畳する周波数成分を弱めつつ電流リプルの周波数を直接算出する。この目的に対して予め固有の電流リプルの検出又は特別な信号の評価が基本的に必要になることなしに、電流リプル周波数のこの観察は、この方法では直接評価される。それ故にこの方法は、特性に関してあまり要求されない整流する直流電動機のセンサなしの位置測定を電機子電流中に含まれている電流リプルの利用下で実施できるようにするのにも特に適している。
【００１３】
以下に、本発明をさらに図面に基づいて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１ａは、運転時の整流する直流電動機の電機子電流のアナログ信号を示す。電機子電流信号の脈動的な変化が、明らかに認識可能である。電流リプルが、この脈動的な変化によって形成されている。電機子電流信号中の電流リプルの周波数が、直流電動機の回転数に比例する。この場合、回転数が上昇するにつれ、電流リプルの周波数が上がり、回転数が降下するにつれて、電流リプルの周波数が下がる。
【００１５】
図１ａ中に示された電機子電流信号がデジタル走査された後、図１ａの電機子電流信号中に含まれている周波数成分を表示できるようにするため、この電機子電流信号は高速フーリエ変換される。図１ａの電機子電流信号中に含まれている周波数成分は図１ｂ中に表示されている。このグラフでは、周波数の振幅がｙ軸線上にプロットされていて、周波数がｘ軸線上にｋＨｚでプロットされている。この図１ａの電機子電流信号では、このスペクトル分析は３つの重畳する周波数を示す。例えば1.2kHzと1.8kHzで存在する高い両成分は、それらの振幅のために電流リプルとみなされない。むしろこの両周波数は、図１ａ中でも確認可能な変動を示す。電流リプルの周波数は、0.2kHzで存在し、図１ｂ中で簡潔な振幅で確認可能である。1.2kHzと1.8kHzの周波数が電流リプル周波数でないことから、電機子電流信号を図１ａ中に示す直流電動機が、1.2 と1.8kHzの周波数を導く回転数を実現できないことが明らかである。
【００１６】
図２ａ，２ｂは、対応するグラフを示す。しかしながらこの場合、別の整流する直流電動機の電機子電流信号が図２ａ中に示されている。この電機子電流信号中には寄生誘導がこの電機子電流信号中に存在する電流リプルに重畳していることが確認可能である。この電機子電流信号をデジタル化し、そして周波数の領域に変換した後、周波数スペクトルが図２ｂ中に表示される。この周波数スペクトルは、多数の異なる周波数を有する。これらの周波数は、図２ａ中に示された電機子電流信号の実現に関与している。例えばシステムの校正時に電流リプル周波数をの事前に規定することによって、図２ａ，２ｂ中に示された回転速度の場合、電流リプルが例えば0.15kHz であることが既知である。駆動軸の位置を測定するために変化する回転数に関して周波数スペクトルを評価する場合、以下では専らこの周波数だけが考慮される。その他の周波数は、さらなる評価で利用されない。
【００１７】
直流電動機の運転による回転数の変化を現す電流リプルの周波数の変化は、この電流リプルの周波数の徐々の変化の形で示される。電流リプルの周波数に重畳している寄生誘導は、このような変化から無視されている。整流によって引き起こされているこのような寄生誘導は、回転数が変化するにつれてその周波数も変化する。その結果、これらの寄生誘導も、基本的に観察され得る。
【００１８】
エラーリプル又は二重リプルが発生した場合、電流リプルの周波数がステップ状に変化する。その結果、これらのエラーリプル又は二重リプルは、説明した方法によって容易に検出可能である。エラーリプル又は二重リプルは、短期間だけ確認され、例えばノイズ周波数スペクトル中のこの特性に基づいて認識され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】整流する直流電動機の電機子電流信号中の電流リプル周波数を示すグラフである。
【図１ｂ】整流する直流電動機の電機子電流信号中の電流リプル周波数を示すグラフである。
【図２ａ】電機子電流信号中に含まれている寄生誘導を伴う整流する直流電送機の電機子電流信号中の電流リプル周波数を示すグラフである。
【図２ｂ】電機子電流信号中に含まれている寄生誘導を伴う整流する直流電送機の電機子電流信号中の電流リプル周波数を示すグラフである。

Claims (5)

1. 電機子電流信号中に含まれているエラーリプル又は二重リプルの発生時の電流リプルを評価することによって整流する直流電動機の駆動軸の回転位置測定を補正する方法において、
   −電機子電流信号のスペクトル分析が、最初のステップでこの電機子電流信号中に含まれている周波数成分に関して実行され、
   −引き続き電機子電流信号中に含まれている電流リプルの直流電動機の運転時に発生するスペクトル分析から得られた実際の周波数が、この周波数のステップ状の変化を考慮して監視され、
   −電流リプルの計数結果が、実際の電流リプルの周波数のこのステップ状の変化の検出時に補正されることを特徴とする方法。
2. 電機子電流のアナログ信号が、スペクトル分析の実行前にデジタル化されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. デジタル化された電機子電流信号は、スペクトル分析を実行するために高速フーリエ変換によってこの電機子電流信号の周波数領域に変換されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 方法ステップが、電機子電流のアナログ信号のデジタル走査の時点ごとに実行されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 直流電動機の運転時に発生するこの直流電動機の電流リプルは、この周波数の運転で引き起こされた変化を考慮して監視され、予め算出された１つ又は多数の電流リプル周波数に対する差を観察することによってさらに評価されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。

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