JP2009506750A - ブラシレスｄｃモータを操作する方法 - Google Patents

Abstract

ブラシレスＤＣモータ操作のための方法および装置。方法には、先に検知したホール効果センサ遷移を用いて将来のホール効果遷移を予測するステップと、直近のホール効果センサ遷移と予測されたホール効果センサ遷移との間の時間を時間増分に分割するステップと、が含まれる。複数の時間増分を選択して位相進みを目的とした時間オフセットを生成することによって位相進みを達成するために、時間増分を用いてもよい。時間増分はまた、仮想エンコーダとして用いてもよい。同様の方法を実行するためにコントローラおよび制御回路を組み込んだ装置がまた論じられている。

Description

本発明は、電気モータの分野に関する。特に、本発明は、ブラシレスＤＣモータに関する。

ブラシ付きＤＣモータにおいて、ブラシは、電機子に固定された整流子に固定された電気接点セットとの機械的接触を行い、ＤＣ電源と電機子上のコイル巻線との間の電気回路を形成する。電機子が軸を中心に回転するので、固定ブラシは、回転している整流子の異なるセクションと接触する。整流子およびブラシ系が、電気スイッチのセットを形成するが、これらの電気スイッチは、電力が、固定子に最も近い電機子コイルを通って流れるように順々に動作し、この固定子は、回転を生じるコイル巻線に関係する力を生成する固定磁石を収容している。

ブラシレスＤＣモータは制御回路を用いて、ブラシと整流子上の電気接点との組み合わせに取って代わるスイッチを動作する。制御回路は、ブラシレスＤＣモータの費用を追加するが、ブラシおよび整流子を除去は、関連するブラシの摩耗がないためにメンテナンスを減少し、整流子がブラシを通過するときに生じる、モータのアーク作用を防止する。いくつかの例において、複数のホール効果センサおよび磁石が、回転子および電機子に配置され、ホール効果センサの出力が、電流スイッチングを制御するために用いられる。

ブラシレスＤＣモータの例が、図１Ａ〜１Ｂに示される。断面で示されるモータ１０は、回転子１４に配置された磁石１６、１７を備えた、電機子１２および回転子１４を含む。ホール効果検知素子１８が、電機子１２に配置されて、磁石１６、１７の位置を検知する。制御回路２０には、ホール割込み検出ブロック２２が含み、このブロック２２は、ホール効果センサ１８に結合され、そしてホール効果センサ１８のうちの１つが遷移した時はいつも割込みまたは他の信号を発生させて、磁石１６、１７の回転を示す。検出ブロック２２は、トリガされる時に、整流子状態回路２４と相互作用して、出力スイッチ２６の状態の変化を制御する。制御回路２０は、出力スイッチ２６を用いて、典型的には逓降変圧器３０を通過する（必ずしも通過しないが）、電線電力２８からのエネルギをモータ１０に結合することができる。

図１Ｂは、モータ１０の異なる断面を示し、磁石１６、１７が回転子１４上にあり、３つのコイル巻線３２、３４、３６が電機子１２上にある。通常、動作中に、第３のコイル巻線３６は接地される間に、コイル巻線３２、３４の２つが作動される。図２は、操作のタイミングを示す。図２では、３つの電機子コイル巻線がＡ、ＢおよびＣとして示され、その状態が、「＋」（電圧Ｖによって駆動されている）、「−」（接地されている）または「０」（開回路）によって示されている。代替として、二重電源アプローチは、「＋」を第１の極性の信号とし、「−」を第２の極性の信号とし、巻線が接地されていることを「０」で指示するであろう。各ホール効果センサ割込み３８において、整流子の状態が変化され、コイル巻線の２つを通る電流フローが変化する。さらに図３に操作が示され、これは、動作状態中の操作を示す。制御回路は、４０に示すようにホール効果センサ割込みまたはトリガを待ち、４２で示すようにホール効果センサのうちの１つの出力の遷移を検出し、４４に示すように整流子の状態を変化させる。次に、制御回路は、４０へ戻る。また、他のタスクを実行してもよいが、基本ステップが示されている。このプロセスを改善して、効率および出力動作を向上させることが望ましい。

第１の例示的な実施形態において、本発明には、電機子に関して回転子位置を検知するための複数の検知素子を有するブラシレスＤＣモータを動作する方法が含み、回転子位置は変化して検知イベントを引き起こし、ＤＣモータは、一連の整流状態を経て進行することによって動作する。例示的な方法には、第１および第２の直近の検知イベントを用いて第３の検知イベントのための時間を推定するステップと、直近の検知イベントと第３の検知イベントのための時間との間で複数の時間増分を補間するステップと、を含んでもよい。いくつかの実施形態において、推定および補間のステップによって、回転子位置を示す仮想エンコーダのためのデータが供給される。いくつかの実施形態において、本方法には、時間オフセットを選択するステップを含み、この時間オフセットは、多数の時間増分である。時間オフセットは、ブラシレスＤＣモータにおいて位相進みを提供するために用いてもよい。

別の例示的な実施形態は、ブラシレスＤＣモータを含み、このブラシレスＤＣモータは、電機子に関連して配置された電気コイルを備えた電機子と、電機子に関連して配置され、電気コイルへ配電された電気信号の整流シーケンスに応答して、電機子に関連して回転するように適合された回転子と、電機子に関連して選択された角度位置に回転子がある時を検知するために、回転子および電機子に関連して置かれる複数の位置センサと、複数の位置センサからの信号を捕捉し、かつ整流シーケンスを選択的に制御するように適合された制御回路と、を含む。制御回路は、少なくとも１つの位置センサが回転子位置の変化を示す第１の時間および少なくとも１つの位置センサが回転子位置の次の変化を示す第２の時間を決定し、回転子位置の次の変化のための第３の時間を推定し、そして第３の時間と第２の時間との間の複数の時間増分を補間するように適合してもよい。制御回路は、推定された第３の時間および複数の時間増分を用いて、回転子位置を示す仮想エンコーダとして動作してもよい。制御回路は、さらに、時間オフセットを選択または画定するように適合してもよいが、時間オフセットには、多数の時間増分が含まれる。いくつかの実施形態において、時間オフセットを用いて、整流シーケンスで用いるための位相進みを提供してもよい。

次の詳細な説明は、図面と関連して読まれるべきであろう。図面は、必ずしも正確な縮尺ではないが、例示的な実施形態を示しており、本発明の範囲を限定することを意図してはいない。

図１〜３に関連して先に説明されているように、典型的なブラシレスＤＣモータは、電機子に配置された複数の巻線を用いて、回転子を回転させる磁気力を発生させる。図４に示すように、このような巻線への信号の適用は、理想的ではない。具体的には、図４は、モータの巻線に供給された場合、電圧に遅れる電流を示す信号グラフである。巻線が誘導性であるので、電流５２は電圧信号５０に遅れ、このため第１の時間５４に印加された電圧は、後の時間５６まで電流フローの所望のレベルを生じない。磁気力がその最大値に達する時間は遅延され、回転子および電機子の理想的な物理的並置時には達成されない。特に、より高速では、効率が低減されて、出力電力における低減を引き起こす。

このジレンマに対する１つの解決策は、印加される電圧における位相進みを導入することである。より早い時間に電圧を印加することによって、電機子コイルと回転子磁石との間の磁気力が、それぞれの理想により近い物理的位置と一致するように、電流が導入されてもよい。位相進みを適用するための様々なシステムは、単純なものから非常に複雑なものにまで及ぶ。

いくつかのより複雑な（かつしばしば高価な）モータでは、エンコーダを読み取るための光学素子と共に、エンコーダがシャフトに結合される。エンコーダの使用によって、回転子位置をいつでも計算することができる。次に、エンコーダの使用によって、図２および４に関連して説明した単純なブロック信号の代わりに、正弦波駆動信号を供給することが可能になる。

図５は、本発明の例示的な方法のブロック図である。この例示的な方法は、７０に示すように、整流子の状態の変化で始まる。整流子の状態が７０で変化された後、７２に示すように、タイマがリセットされる。その後、次のホール効果センサの状態変化の時間が推定される。たとえば、２つ（または３つ以上）の直近のホール効果センサ状態変化の間に経過した第１の時間が与えられると、時には第１の時間に等しい第２の時間が、次のホール効果センサ状態変化の前に経過することが推定され得る。

次に、７６に示すように、複数の時間増分が生成される。時間増分は、直近のホール効果センサの状態変化と、次のホール効果センサの変化のための推定時間との間の時間を分割する。いくつかの実施形態において、時間増分は、等しい大きさにしてもよいが、これは要求されてはいない。例示的な例では、８つの時間増分が生成される。他の例では、４〜４８の時間増分を画定してもよいが、システムタイマ能力および所望の分解能などの様々な要因に依存して、他の数の時間増分を画定してもよい。

次に、７８に示すように、位相進みが選択される。例示的な実施形態において、位相進みは、整数の時間増分として選択されるが、これは要求されてはいない。位相進みは、モータの速度に依存して、振幅が異なってもよく、モータが回転している方向に依存して、符号が異なってもよい。たとえば、下記は、８つの時間増分が画定されたシステムの実例である。
角速度（ＡＶ）＜−１５００ｒｐｍに対して、位相進み＝−８。
−１５００＜＝ＡＶ＜−９００ｒｐｍに対して、位相進み＝−６。
−９００＜＝ＡＶ＜−６００ｒｐｍに対して、位相進み＝−５。
−６００＜＝ＡＶ＜−３００ｒｐｍに対して、位相進み＝−４。
−３００＜＝ＡＶ＜−１５０ｒｐｍに対して、位相進み＝−２。
−１５０＜＝ＡＶ＜１５０ｒｐｍに対して、位相進み＝０。
１５０＜＝ＡＶ＜３００ｒｐｍに対して、位相進み＝２。
３００＜＝ＡＶ＜６００ｒｐｍに対して、位相進み＝４。
６００＜＝ＡＶ＜９００ｒｐｍに対して、位相進み＝５。
９００＜＝ＡＶ＜１５００ｒｐｍに対して、位相進み＝６。
１５００＜＝ＡＶに対して、位相進み＝８。

これらのスケールは、特定の装置サイズ、構造および性能に依存して変化してもよい。位相進みが選択された後で、本方法は、８０に示すように、位相進みから計算された時間オフセットを引いた推定変化時間を待つ。時間オフセットを引いた変化時間に達すると、本方法は、７０に示すように、整流子の状態を変化させることによって、再循環する。代替として、本方法は、８２に示すように、ホール効果センサの変化がある場合には、割込みするステップを含んでもよい。これは、たとえば、印加電圧における増加によりモータが加速している場合に、生じる可能性がある。

図６Ａは、ＤＣブラシレスモータにおける将来の位置変化の例示的な推定方法を示すタイミング図である。ホール効果センサＡ、Ｂ、Ｃのための出力が示されているが、チャートは、現在時間ｔ１を考慮し、また過去時間ｔ２を示す。時間ｔ１およびｔ２が画定されるのは、ホール効果センサＡおよびＣが、それぞれ、これらの時間に出力を変化させたからである。次のホール効果センサ遷移のための推定時間ｔｅがまた示されている。予測または推定時間ｔｅは、継続期間Ｘ、即ちこの例示的な例ではｔ１とｔ２との間の継続時間に等しい、の後に現われるように示されている。モータが加速または減速している場合、これは、継続時間Ｘを調節することによって、Ｘを低減する（加速している場合）ことによりまたはＸを増加させる（減速している場合）ことにより対処してもよい。

図６Ｂは、例示的な方法における、将来の位置変化の推定後に時間増分の補間を示すタイミング図である。理解されるように、図６Ａの継続時間Ｘは、多数の時間増分１０２に分割されている。時間増分１０２は等しい継続時間であってもよいが、これは要求されてはいない。図６Ｂには、１２の時間増分１０２が示されているが、任意の他の適切な数の時間増分を画定してもよい。

図６Ｃは、例示的な方法における、位相進みおよび推定の修正の効果を示すタイミング図である。１０４に多数の時間増分が示され、次のホール効果センサ遷移の推定時間ｔｅまで導く。多数の時間増分１０６が、位相進みを提供するための時間オフセットとして選択された。関連する電気モータで用いられる１つまたは複数のコイルに印加される電圧が、選択された時間増分１０６だけｔｅに先行する時間に変化されることが、電圧信号１１０から理解される。その結果は、ライン１１２によって示され、このライン１１２は、電圧１１０に遅れる電流フローを概略的に表わす。位相進みのために、電流１１２は、ほぼｔｅでその最大レベルに達する。

ｔｅは次のホール効果センサ遷移の推定時間であったが、この遷移の実際の時間は、１０８に見ることができる。遷移の推定時間を用いることによって、ある誤差を誘導する可能性がある。しかしながら、図５の例示的な方法において上記で示すように、誤差は、先に検知した遷移に基づき、次のホール効果センサ遷移の新しい推定時間を用いて最初からやり直すことによって、整流シーケンスの各ステップ後にゼロにリセットしてもよい。

推定および補間の利用は、仮想エンコーダを可能にするように働く。具体的には、回転子位置は、単に６つの整流サイクル位置ではなく、多数の位置で「知られる」かまたは推定され得る。次に、この追加データは、エンコーダおよび光学または他のエンコーダリーダを追加する費用および機械的問題を要求することなく、正弦波駆動信号を提供するために使用されてもよい。

当業者は、本明細書に記載し熟考した特定の実施形態以外の様々な形態で、本発明を明らかにし得ることを理解されよう。したがって、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、形態および詳細における発展をもたらすことが可能である。

典型的なブラシレスＤＣモータの様々な部分を示す。 磁気駆動素子を含む、ブラシレスＤＣモータの回転子／電機子の部分を断面で示す。 ブラシレスＤＣモータのためのタイミング図である。 ブラシレスＤＣモータを動作する方法をブロック形式で示す。 モータ巻線に印加される時、電圧に遅れる電流を示す信号グラフである。 例示的な方法の実施形態のためのブロック図である。 ＤＣブラシレスモータにおける将来の位置変化を推定する例示的な方法を示すタイミング図である。 例示的な方法における、将来の位置変化の推定後における時間増分の補間を示すタイミング図である。 例示的な方法における、位相進みおよび推定の修正の効果を示すタイミング図である。

Claims (20)

1. 回転子位置が変化して検知イベントを引き起こし、ブラシレスＤＣモータは一連の整流状態を通過することによって動作する、電機子に関する回転子位置を検知するための複数の検知素子を有する前記ブラシレスＤＣモータを動作する方法であって、
   第１および第２の直近の検知イベントを用いて、第３の検知イベントのための時間を推定するステップと、
   前記直近の検知イベントと前記第３の検知イベントのための時間の間の複数の時間増分を補間するステップと、
   を含む方法。
2. 前記回転子に配置された第１の磁気素子が、前記電機子に配置された第１のコイルに前記第１の磁気素子が隣接している第１の位置から、前記第１の磁気素子および前記第１のコイルがもはや互いに隣接して配置されていない第２の位置へ通過するときに、検知イベントが生じる、請求項１に記載の方法。
3. 複数の時間増分を選択することによって時間オフセットを選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 整流状態のシーケンスを通して進行する間に位相進みを実行するために前記時間オフセットを使用するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 時間オフセットを選択するステップは、より速いモータ速度では、より大きな時間オフセットが選択されるように実行される、請求項３に記載の方法。
6. 仮想エンコーダとして動作するために前記補間された時間増分を用いるステップと、正弦波駆動信号を前記ブラシレスＤＣモータに供給するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 回転子の位置を検知するために複数のセンサを設けるステップと、前記センサは、前記センサと１つまたは複数の検知された要素との間の相対的運動を検知し、前記複数のセンサまたは前記１つもしくは複数の検知される要素のうちの１つが、前記回転子に関係して配置され、他は前記電機子に関係して配置され、
   前記複数のセンサの少なくとも１つの変化している出力によって示される、前記電機子に関係する位置に、前記回転子が存在する第１の時間を観測するステップと、
   前記第１の時間の後に、前記複数のセンサの少なくとも１つの変化している出力によって示される、前記電機子に対する位置に、前記回転子が存在する第２の時間を観測するステップと、
   前記第１の時間および前記第２の時間における前記回転子の位置から、第３の時間における前記回転子の見込み位置を推定するステップと、
   前記第３の時間と前記第２の時間との間に、複数の時間増分を画定するステップと、回転子位置は、前記複数の時間増分を参照することによって、前記第２の時間と前記第３の時間との間で推定される、
   を含む、電機子および回転子を有するブラシレスＤＣモータの回転要素の位置を推定する方法。
8. 前記モータは整流シーケンスを用いて動作し、そして前記回転子の前記見込み位置が前記整流シーケンスに関係して変化が生じる位置であるように、前記第３の時間は計算される、請求項７に記載の方法。
9. 前記第３の時間に前記整流シーケンスにおけるステップを実行するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 時間オフセットを選択するステップをさらに含み、前記時間オフセットは複数の時間増分である、請求項７に記載の方法。
11. 位相進み機能を提供するために、前記時間オフセットを用いて前記整流シーケンスにおけるステップを実行するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記回転子がより小さい角速度を有する時より大きい角速度を有する時に、前記時間オフセットはより多数の時間増分を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 仮想エンコーダとして回転子位置を推定するために、前記複数の時間増分を用いることによって正弦波駆動電圧を供給するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
14. 電機子に関連して配置された電気コイルを有する前記電機子と、
    前記電機子に関連して配置され、前記電気コイルへ配電された電気信号の整流シーケンスに応答して前記電機子に関係して回転するように適合された回転子と、
    前記回転子が前記電機子に関係して選択された角度位置にある時を検知するために、前記回転子および前記電機子に関係して配置された複数の位置センサと、
    前記複数の位置センサからの信号を捕捉し、かつ前記整流シーケンスを選択的に制御するように適合された制御回路と、
    を含み、
    前記制御回路は、
    少なくとも１つの位置センサは回転子位置の変化を示す第１の時間と、少なくとも１つの位置センサが回転子位置の次の変化を示す第２の時間とを決定し、
    回転子位置の次の変化のための第３の時間を推定し、そして
    前記第３の時間と前記第２の時間との間の複数の時間増分を補間するように
    適合されている、
    ブラシレスＤＣモータ。
15. 前記制御回路はまた、複数の前記時間増分を含む時間オフセットを選択するように適合されている、請求項１４に記載のモータ。
16. 前記回転子がより小さい角速度で動作している時よりさらに大きな角速度で動作している時に、前記時間オフセットはより多数の前記時間増分を含む、請求項１５に記載のモータ。
17. 前記制御回路は、前記タイマオフセットだけ前記第３の時間から隔てられた時間に、前記整流シーケンスを進めるステップを実行する、請求項１６に記載のモータ。
18. 前記制御回路は、前記タイマオフセットを用いて位相進み機能を実行するステップを実行する、請求項１６に記載のモータ。
19. 前記制御回路は、前記タイマオフセットだけ前記第３の時間から隔てられた時間に、前記整流シーケンスを進めるステップを実行する、請求項１５に記載のモータ。
20. 前記制御回路は、前記画定された時間増分を用いて、回転子位置の仮想エンコーディングを実行し、かつ正弦波駆動信号を供給するように適合されている、請求項１４に記載のモータ。

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