JP2006187193A - ローラーブラインド用の駆動電動機のシャフトの位置を判定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機のシャフトの位置及び／又は回転速度を判定する。
【解決手段】ブラシとバー整流子を介して電力が供給され、ローラーブラインドを駆動するべく設計された電機子を含む直流電動機のシャフトの位置を判定する方法は、整流のカウントが有効である場合に、ブラシと整流子バーの間に発生する整流を検出及びカウントして電動機のシャフトの位置を判定するフェーズと、整流のカウントが有効ではない場合に、電動機の逆起電力を計測して電動機のシャフトの位置を判定するフェーズと、を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシとバー整流子を介して電力が供給され、建物の可動要素を駆動するべく設計された電機子を含む直流電動機のシャフトの位置及び／又は速度を判定する方法に関するものである。又、これは、この方法を実装するアクチュエータにも関係している。

建物の内部のドア、ゲート、シャッタ、ブラインド、映写スクリーン、換気シャッタなどの可動要素を操作するアクチュエータの中には、電機子に電力を供給するブラシを有する直流電動機を含むものが存在する。

これらの可動要素の動作を制御するには、要素の動作の終了時点において電動機の電源を切断しなければならない時、又は、要素が中間位置にある時を判定するために、その位置を知ることが有益である。

特許文献１には、電機子上にブラシを有する直流電動機に対して適用されるカウント動作によってブラインドの配備位置を判定する方法が開示されている。この場合には、電動機のエンドストップによって収納位置を検出している。位置は、電動機のブラシ上の整流子バーの整流をカウントすることによって算出される。しかしながら、このようなカウント法は、特に、電動機が低速で或いは、無負荷状態で動作している場合には、信頼性が乏しい。

特許文献２には、このような方法から生じる問題点を部分的に解決する補正手順が開示されている。

信頼性の欠如は、例えば、２３０Ｖ、５０Ｈｚなどの商用交流電力網から電力供給されているコンバータから電動機の電源電圧を供給しているアプリケーションにおいて、更に顕著である。実際に、廉価なコンバータは、少なくとも交流電力網の２倍の周波数を有する高強度の成分を放射する。放射されるこれらの干渉信号の周波数がブラシの整流周波数に接近している場合には、これらを弁別するのが、非常に困難であり、場合によっては、不可能である。

可動要素が停止位置に近づいた際に電動機の速度又はパワーを低減するチョッパ装置も、干渉信号源を代表するものである。

更には、特許文献３には、電動機の逆起電力の計測値から直流電動機の速度を計測する方法が開示されている。しかしながら、電動機の逆起電力と回転周波数間の比例性を反映する逆起電力係数ＫＥＭＦは、特に、誘導磁石によって生成される磁束に依存しており、この磁束は、温度に伴って大幅に低下するため、逆起電力係数ＫＥＭＦは、電動機間において一定してはおらず、更には、１つの同一の電動機においても、一定ではない。最近の家屋の入口やガレージのドアのアプリケーションにおいては、電動機の温度は、冬季に、−１５℃〜＋８０℃の範囲で、いくつかの動作サイクルにおいて変化する可能性がある。

米国特許第５，０３８，０８７号明細書 欧州特許出願公開第１３３３１５０号明細書 米国特許第６，２３６，１７５号明細書

本発明の目的は、電動機のシャフトの位置及び／又は回転速度を判定する方法を提供することにより、前述の欠点を軽減すると共に、従来技術において周知の方法を上回る機能強化を提供することである。特に、本発明による方法を使用すれば、カウント動作より、電動機の位置及び／又は回転速度を正確に算出可能である。又、本発明の目的は、この方法を実装するアクチュエータを提供することにもある。

本発明による方法は、整流のカウントが有効である場合に、ブラシと整流子バー間において発生する整流を検出及びカウントして電動機のシャフトの位置及び／又は速度を判定するフェーズと；整流のカウントが有効ではない場合に、電動機の逆起電力を計測して電動機のシャフトの位置及び／又は速度を判定するフェーズと；を含むことを特徴としている。

本方法を実行する様々な方法は、従属請求項２〜８に定義されている。

本発明によるアクチュエータは、建物の可動要素を操作するために使用される。これは、ブラシとバー整流子を介して電力が供給される電機子を有する直流電動機と；ブラシと整流子バー間における整流をカウントする手段と；を有している。これは、電動機の逆起電力を計測する手段と；整流カウント手段の使用又は電動機の逆起電力計測手段の使用を禁止することによって電動機のシャフトの位置及び／又は速度を算出する手段と；を含むことを特徴としている。

添付の図面は、一例として、本発明による判定方法を実行する方法と本発明によるアクチュエータの実施例を示している。

図１に示されているアクチュエータＡＣＴは、建物に具備されている可動要素ＬＤの駆動を目的としている。これは、整流子とブラシを有する巻線型回転子タイプの直流電動機ＭＯＴを有している。誘導子は、好ましくは、固定子上の永久磁石から構成されている。この電動機は、負荷による駆動を防止するために、電動機に電力が供給されていない場合に電動機のシャフトを固定するべく使用されるリリースブレーキＢＲＫを介して可動要素に動作可能にリンクされている。この電動機の負荷に対するリンクには、減速歯車ＧＥＲも介在している。

電動機ＭＯＴは、電池又はコンバーター（図示されてはいない）から供給される直流電圧ＵＤＣから電力を供給されている。この電圧ＵＤＣは、第１方向又は第２方向に電動機を回転させるべく整流手段（図示されてはいない）を制御するマイクロコントローラＣＰＵを含む電源制御手段を使用して電動機の端子に印加されている。マイクロコントローラは、ユーザーが実行する動作に基づいて、又は論理制御装置が検出するイベントに基づいて、送信される命令を検出する命令受信機（図示されてはいない）にリンクされている。

制御手段の機能の１つは、例えば、可動要素ＬＤの予め定義されている中間位置又は動作終了位置に対応する特定の位置に電動機のシャフトが到達した場合に、電動機に対する電源を切断することである。

電動機のシャフトの位置、従って駆動対象の可動要素の位置は、カウントすることによって計測される。又、障害が検出された場合には、制御手段が、電動機の電源を切断すると共に、恐らくは、短時間の逆電源状態を発生させることにより、可動要素の逆運動を可能にする。この障害検出は、例えば、電動機の異常な減速の検出に基づいたものであってよい。従って、制御手段は、可動要素の位置と速度を可能な限り正確に算出できるものでなければならない。

マイクロコントローラは、電動機と直接接続された制御対象のスイッチＴＲＵの周波数又はデューティサイクルを制御する出力Ｏ１を具備している。この制御対象のスイッチは、例えば、ＭＯＳトランジスタであり、このゲートが、マイクロコントローラの出力Ｏ１に直接接続されている。この出力は、例えば、ＰＷＭタイプの出力である。スイッチの動作は、ステップダウンチョッパタイプであり、電動機の電機子に印加される電機子電圧ＵＭは、電源電圧ＵＤＣと比べて、小さな平均値を具備している。従って、低減された電圧における動作フェーズを実行する共に、電圧上昇又は電圧降下傾斜を生成することにより、緩やかな電動機の加速又は減速フェーズを実装可能である。

電機子電流ＩＭは、小さな値のシャント抵抗器ＲＳを使用して計測され、この抵抗器の１つの端子は、電動機の第１電機子端子と、電気的接地ＧＮＤと、にリンクされている。従って、シャントの端子における計測電圧ＵＲＳは、電動機の電源電圧ＵＤＣと比べて、低い。

計測装置は、電機子電流がブラシ上を通過する際に整流子バーの整流によって発生する電機子電流ＩＭの変動を、２つのレベルの論理信号（ＨＩＧＨ及びＬＯＷ）に変換する少なくとも１つの比較器ＣＭＰを有している。

比較器ＣＭＰの出力Ｃ３は、マイクロコントローラの第１入力Ｉ１に接続されている。この入力は、デジタルタイプであり、論理パルスは、整流子の整流に対応している。これらのパルスは、カウンタＣＮＴ内において代数的に合計され（電動機が第１方向に回転している際には、加算され、電動機が第２方向に回転している際には、減算される）、このカウンタは、結果的に可動要素の位置のイメージを付与する。パルスの周波数も算出される。この周波数は、電動機の瞬間的な速度であり、従って、可動要素の瞬間的な速度のイメージである。この周波数は、マイクロコントローラのメモリＦＲＱ内に保存される。

マイクロコントローラの第２入力Ｉ２は、アナログタイプである。これは、例えば、マイクロコントローラ内に内蔵されているアナログ／デジタルコンバータの入力であってよい。第２入力Ｉ２は、電動機の第２電機子端子にリンクされている。回路の接地が電動機の第１電機子端子にリンクされているため、アナログ／デジタルコンバータによって計測される電圧は、電動機の電機子電圧ＵＭである。

この電圧は、電機子電流ＩＭがゼロの場合には（即ち、制御対象のスイッチＴＲＵが、十分な時間にわたって開路状態にある場合には）、逆起電力に厳密に等しいことが知られている。従って、制御対象のスイッチＴＲＵを周期的に開路させることによって電動機の逆起電力を正確に計測し、この値をＥＭＦという参照符号を有するメモリ内に保存する。

図２は、比較器ＣＭＰの出力Ｃ３におけるパルスの計測結果の有効領域を図式的に示している。

信号／雑音比が小さ過ぎるため、又は、電動機が負荷によってわずかに駆動され、ゼロ電流を吸収するため（この後者の場合には、整流の計測は不可能である）、電動機のシャフトの位置及び／又は速度を算出するのに出力Ｃ３からの信号が有効であると見なすことができない少なくとも１つの領域が存在している。この領域の限度ＬＩＭは、垂直の破線によって象徴されているように、正確には判定されない。

電動機シャフトの位置の判定は、シャフトの速度（従って、整流周波数ＶＦＲＱ）が第１閾値ＴＲ１を上回っている場合には、カウントすることによって行われる。負荷の速度がこの閾値を下回った場合に使用されるのは、逆起電力であり、速度は、逆起電力の値を判定し、これを係数ＶＫＥＭＦによって除算することによって取得される。この速度の積分が、電動機シャフトの位置（即ち、可動要素の位置）を付与する。

概略的には、一定の時間ステップを取得して代数的な合計Σを算出することにより、カウンタＣＮＴ内に保存される値ＶＣＮＴは、次のとおりである。

ＶＣＮＴ＝Σ（ＶＥＭＦ／ＶＫＥＭＦ）

従って、可動要素の位置を反映するカウンタＣＮＴは、電動機のシャフトの速度が閾値速度ＴＲ１を上回っている場合には、比較器の出力Ｃ３からのパルスであり、電動機シャフトの速度が閾値速度ＴＲ１を下回っている場合には、逆起電力から算出された速度の積分という２つの増分及び減分のソースを具備している。

係数ＶＫＥＭＦは、電動機のシャフトが速度ＴＲ２（これは、好ましくは、速度閾値ＴＲ１を上回っている）に到達した場合に算出され、従って、係数ＶＫＥＭＦを算出する際には、比較器の出力Ｃ３からの信号が、ブラシと整流子バー間において発生する整流の周波数に等しい周波数を具備しているという保証が存在している。

係数ＶＫＥＭＦは、次のとおりである。

ＶＫＥＭＦ＝ＶＥＭＦ／ＶＦＲＱ

ここで、ＶＥＭＦは、メモリＥＭＦ内に保存されている逆起電力値であり、ＶＦＲＱは、メモリＦＲＱ内に保存されている出力Ｃ３からの信号の周波数の値である。

次いで、ＶＫＥＭＦがメモリＫＥＭＦ内に記録される。従って、この逆起電力係数の値は、計測時点における電動機の温度に関係しており、加熱効果は瞬間的なものではないために、これは、次の時間インターバルにおける実質的に正確な値に対応している。

図３を参照し、本発明によるアクチュエータを動作させる手順について説明する。

第１段階１０においては、ユーザーが命令送信機を操作し、アクチュエータが、この操作を、可動要素を操作して可動要素をターゲット位置に到達せしめるための命令として解釈することを前提としている。

この命令を受信した後に、段階２０において、アクチュエータの電動機に電力が供給される。

試験段階３０において、メモリＦＲＱ内に保存されている値ＶＦＲＱを試験する。

メモリＦＲＱ内に保存されている値ＶＦＲＱが速度閾値ＴＲ１を下回っている場合には、段階５０に進み、ここで、電動機の回転方向に応じて、電動機の逆起電力の計測値を使用してカウンタＣＮＴを増分又は減分する。特に、電動機への電源供給を開始した直後には、電動機の回転子、可動要素を駆動する動的チェーン、及び可動要素の慣性に起因し、ＶＦＲＱは、速度閾値ＴＲ１を下回っている。

試験段階６０において、カウンタＣＮＴの現在値ＶＣＮＴを試験する。

値ＶＣＮＴが、可動要素のターゲット位置に対応する値Ｖｔａｒｇｅｔに等しい場合には、段階７０において、電動機の電源を切断する。

さもなければ、手順は、試験段階３０にループする。

メモリＦＲＱ内に保存されている値ＶＦＲＱが速度閾値ＴＲ１を上回っている場合には、段階４０に進み、ここで、電動機の回転の方向に応じて、比較器ＣＭＰの出力Ｃ３から供給される信号を使用し、カウンタＣＮＴを増分又は減分する。この段階の後に、手順は、前述の段階６０に継続する。

本方法は、いくつかの変形を有している。

例えば、電動機の回転子の速度が速度閾値ＴＲ１に到達した瞬間に、逆起電力係数の計算を実行可能である。

超過すると、電圧計測が電動機のシャフトの位置の算出にとって無効となり、超過しなければ、電圧計測が電動機のシャフトの位置の算出にとって有効である閾値は、逆起電力の閾値であってよい。実際には、速度値の関数として逆起電力値を付与するアプリケーションは、少なくとも速度閾値ＴＲ１を含む速度値のレンジにわたって、全単射（ｂｉｊｅｃｔｉｖｅ）である。従って、逆起電力値は、単一の対応する回転子の速度値を具備している。

閾値と交差する際に、整流検出装置の感度を低減する動作を実行可能である（具体的には、例えば、制御対象のスイッチに「チョッパ」動作モードを選択する）。この場合には、制御対象のスイッチの「チョッパ」動作モードを起動する前に、回転子の位置を算出するべく、起電力係数ＶＫＥＭＦの計測を起動し、逆起電力値の使用を可能にする。

閾値は、電動機の電機子の内部を流れる電流強度の閾値であってもよい。特定のフィルタリング済みの電流値未満においては、整流を検出すると共に比較器ＣＭＰの出力Ｃ３からの信号の有効性を保証するために、フィルタリングされていない電流リップルの振幅が不十分なものになることは明らかである。この場合には、第２比較器を使用する。低域通過フィルタによってフィルタリングされた電圧ＵＲＳを、この入力の第１のものに印加し、電圧ＵＲＦを上回る基準電圧を、この第２の入力に印加する。そして、この第２比較器からの出力をマイクロコントローラの第３入力に印加する。

一般に、本発明による方法は、好ましくは、パルスのカウントが有効である場合に、パルスのカウントを使用する段階と、そうでない場合に、逆起電力を使用する段階と、を有している。カウントの有効期間を活用して起電力係数の値を更新することにより、電動機の温度に十分な注意を払うことが可能である。

電動機の速度に関する（又は、等価的に、その逆起電力に関する）閾値を使用する以外にも、整流に対応する比較器ＣＭＰからのパルスのカウントの有効性を、これらのパルスの時間的な規則性を分析することにより、直接的に検出可能である。実際に、可動アセンブリの機械的な慣性が付与されている場合に、整流の検出誤りが発生しない限り、３つの連続したパルスを分離する２つの時間インターバルが、所与の時間閾値を上回る持続時間だけ、相違することは不可能である。

この第３閾値は、速度に関係する第１閾値や逆起電力に関係する第２閾値と同様に予め決定される。変形実施例においては、これは、例えば、相対的な値として算出される。従って、第１又は第２閾値は、学習フェーズにおいて計測された最大値未満の値であり、第３閾値は、学習フェーズにおいて計測された最小値未満の値である。このような計算は、それぞれのタイプの電動機及び／又は負荷に対して閾値を適合可能であることを意味している。

時間指向の試験によってパルスのカウント動作の有効性を直接試験することにより、干渉信号が多数存在することになる状況（例えば、ステップダウンチョッパの動作に起因するもの）に対して即座に適合可能である。但し、チョッパが起動された際にカウント動作が有効ではないと宣言することにより、時間指向の試験の実行を回避することも可能である。

例えば、チョッパ起動フェーズが必要な場合には、本方法を実行する方法は、起電力係数を計測し、この値ＶＫＥＭＦをメモリ内に保存する段階と；逆起電力を計測することによって電動機のシャフトの速度及び／又は変位を計測するモードに切り換える段階と；チョッパを起動する段階と；を有している。

以上においては、説明を簡単にするために、計算値をいくつかのメモリ内に保存する段階について説明した。当業者であれば、２つの更新間において、メモリ内に保存することを要するのは、電動機の起電力係数の値のみであることが明らかであろう。周波数ＶＦＲＱなどのその他の値は、中間計算において使用される範囲内においてのみ保存されている。

本方法によれば、コンポーネントを追加することなしに、電動機の温度ＴＥＴＡを計測可能であることを理解されたい。前述のように、係数ＶＫＥＭＦは、磁石の温度に直接リンクされており、温度が上昇すると、係数ＶＫＥＭＦは減少する。従って、数学関数ＴＥＴＡ（ＶＫＥＭＦ）又はテーブルの読み取りを使用して係数ＶＫＥＭＦの算出値における温度ＴＥＴＡの値を取得する。

或いは、この代わりに、（ＵＭ−ＥＭＦ）を電流ＩＭによって除算することによって算出される電機子抵抗ＲＡの値から温度の尺度を導出する。

本発明によるアクチュエータの実施例の図である。 本発明による判定方法の原理を示す図である。 本発明による判定方法を実行する方法のフローチャートである。

Claims (11)

1. ブラシとバー整流子を介して電力が供給され、建物の可動要素（ＬＤ）を駆動するべく設計された電機子を含む直流電動機（ＭＯＴ）のシャフトの位置及び／又は速度を判定する方法において、
   整流のカウントが有効である場合に、前記電動機のシャフトの前記位置及び／又は前記速度を判定するために、前記ブラシと前記整流子バーの間において発生する前記整流を検出及びカウントする段階と、
   前記整流のカウントが有効ではない場合に、前記電動機のシャフトの前記位置及び／又は前記速度を判定するために、前記電動機（ＭＯＴ）の前記逆起電力を計測する段階と、
   を含んでいる方法。
2. 前記整流のカウントは、前記シャフトの前記速度が第１閾値を上回っている場合に、有効である請求項１記載の方法。
3. 前記整流のカウントは、前記電動機の前記逆起電力が第２閾値を上回っている場合に、有効である請求項１記載の方法。
4. 前記整流のカウントは、前記電動機の前記電機子の電流の振幅が第３閾値を上回っている場合に、有効である請求項１記載の方法。
5. 前記整流のカウントは、３つの連続する検出された整流間において計測された２つの時間インターバル間の時間差が第４閾値を下回っている場合に、有効である請求項１記載の方法。
6. 前記閾値は、予め決定される請求項２から４のいずれか一項記載の方法。
7. 前記閾値は、計算から結果的に得られる請求項２から４のいずれか一項記載の方法。
8. 前記整流のカウントが有効である場合に、前記起電力と前記回転子の前記速度をリンクしている前記電動機の逆起電力係数（ＶＫＥＭＦ）を算出し、メモリ（ＫＥＭＦ）内に保存する請求項１から７の中のいずれか一項記載の方法。
9. 前記逆起電力を使用して前記電動機の温度を判定する請求項１から８のいずれか一項記載の方法。
10. 前記電動機の前記温度は、前記逆起電力係数（ＶＫＥＭＦ）の値から導出される請求項８記載の方法。
11. 建物の可動要素（ＬＤ）を操作するアクチュエータ（ＡＣＴ）であって、
    ブラシとバー整流子を介して電力が供給される電機子を有する直流電動機（ＭＯＴ）と、
    前記ブラシと前記整流子のバーの間における整流をカウントする手段と、
    を含むアクチュエータにおいて、
    前記電動機の逆起電力を計測する手段と、
    前記整流カウント手段の使用又は前記電動機の前記逆起電力計測手段の使用を禁止することにより、前記電動機のシャフトの位置及び／又は速度を算出する手段と、
    を含むアクチュエータ。

Images