JP2010511370A

JP2010511370A - 検出回路

Info

Publication number: JP2010511370A
Application number: JP2009538660A
Authority: JP
Inventors: クラウトヴォルフガング; クネヒトゲアハルト
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2010-04-08
Also published as: WO2008064951A1; DE502007004963D1; US20100052586A1; ATE480038T1; EP2100369B1; DE102006056852A1; EP2100369A1

Abstract

本発明は基準電位に対する端子（Ａ）における電圧の変化を検出する検出回路（１）に関する。検出回路は電子スイッチを含んでおり、電子スイッチはスイッチの切り替わりが生じる予め決められたスイッチング電位を有する制御端子と検出信号（ＤＳ）を出力するための検出信号出力側とを備えており、検出回路はさらに予め決められた一定の電位分だけ変化した前記端子の電位に相当する制御電位を前記スイッチの制御端子に供給する電圧整合回路を含んでおり、予め決められた一定の電位分は、前記端子に基準電圧が印加されたときに前記制御電位が前記スイッチング電位に一致する、またはほぼ一致するように選ばれており、検出すべき電圧変化が前記電子スイッチのスイッチング電位のオーバーシュートまたはアンダーシュートを生じさせる。

Description

本発明は、とりわけ電気モータの駆動コイルのコイル巻線における電圧変化を検出するための、検出回路に関する。

センサレス整流付きＥＣモータでは、個々のコイル巻線における電圧を監視し、駆動されていないコイル巻線における電圧変化に基づいて、このコイル巻線を通り過ぎる磁極が電圧を誘導する時点を確定することにより、ロータ位置が検出される。

通常、コイル巻線の第１の端子は、電気モータのコイル巻線のＭ回路の場合にそうであるように、第１の供給電位に固定的に接続されている。コイル巻線の第２の端子は駆動可能なトランジスタを介して第２の供給電位に接続されている。駆動されていない状態では、第２の端子はコイル巻線を介してのみ供給電位と接続されている。しかし、コイル巻線が磁極を通過して移動するとすぐに、供給電位に対する電圧変化を生じさせる電圧が誘導される。この電圧変化は検出され、ロータ位置の決定に使用する検出信号が生成される。電気モータの整流は求められたロータ位置に依存して行われる。

通常、コイル巻線での電圧変化を検出するために、コイル巻線の第２の端子における電位は分圧器により低下させられ、例えば別の分圧器を介して、例えば微分増幅器、コンパレータなどを用いて供給電圧から生成された閾電圧と比較され、モータ巻線における検出すべき電圧変化の時点が検出される。

分圧器の使用は不可欠である。というのも、図示された例では、電圧変化は通常は微分増幅器のコモンモード除去領域外にある供給電位の範囲内で生じるからである。しかし、分圧器を使用した場合、分圧器に使用される抵抗器の許容差が、特に分圧比が大きい場合に、生成される基準電圧に大きな影響を有する。このため、電気モータの零交差または磁極変化の時点を求める正確度が低下し、それにより整流の効率が損なわれる。

本発明の課題は、構成部材の許容差に関する検出回路の感度を低くすることにより、電圧変化の時点がより正確に検出され、この検出回路をモータ制御システムで使用した場合に、センサレス整流付き電気モータの駆動効率が高められるようにすることである。

この課題は、請求項１に係る検出回路と、独立請求項に係るモータ制御システムおよび電気モータシステムにより解決される。

本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に示されている。

第１の側面は、基準電位に対する端子における電圧変化を検出するための検出回路である。検出回路は電子スイッチを含んでおり、この電子スイッチはスイッチの切り替わりが生じる予め決められたスイッチング電位を有する制御端子と検出信号を出力するための検出信号出力側とを備えている。さらに、予め決められた一定の電位分だけ変化した端子の電位に相当する制御電位をスイッチの制御端子に供給する電圧整合回路が設けられている。この予め決められた一定の電位分は、端子に基準電圧が印加されたときに制御電位がスイッチング電位に一致するように、またはほぼ一致するように選ばれているため、検出すべき電圧変化は、電子スイッチのスイッチング電位のオーバーシュートまたはアンダーシュートを生じさせる。

検出回路は、検出回路の供給電圧の範囲外の電位に置かれうる端子における電圧変化を検出し、検出信号のエッジとして出力できるようにする。さらに、検出すべき電圧を電子スイッチのスイッチング閾まで一定の（実質的に絶対的な）電位分だけ変化させる電圧整合回路の使用により、抵抗器の許容差の影響は低減される。

さらに、電圧整合回路は、前記端子と電子スイッチの制御端子とに直接接続されたダイオードを備えていてもよい。この場合、予め決められた電圧分はダイオードを通して降下するダイオード電圧またはダイオードの降伏電圧に相当する。

別の実施形態によれば、電子スイッチは第１のトランジスタを有するトランジスタ回路として実施されている。ここで、第１のトランジスタのベース端子は制御端子に相当し、端子に基準電圧が印加されたときにベースエミッタ間電圧は第１のトランジスタのベースエミッタ接合のダイオード電圧に設定されるので、第１のトランジスタはまだ辛うじて導通する。また、電圧整合回路は検出すべき電圧変化が生じるとベースエミッタ間電圧がダイオード電圧よりも低くなるように形成されているため、第１のトランジスタは阻止状態に移行する。

さらに、基準電圧が供給電位に等しく、第１のトランジスタのエミッタ端子が供給電位に直接接続されているようにしてもよい。これにより、スイッチング電位はベースエミッタ接合のダイオード電圧の分だけ変化した供給電位として定められる。

電圧整合回路が第２のトランジスタを含み、この第２のトランジスタのコレクタ端子とベース端子が短絡しており、スイッチの制御端子と接続されているようにしてもよい。これにより、第２のトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子の間に、第２のトランジスタのベースエミッタ接合のダイオード電圧が生じる。

有利には、第１および第２のトランジスタは全く同じトランジスタとして形成されている。ここで、第２のトランジスタのエミッタ端子はタップ抵抗を介して前記の端子と接続されており、第２のトランジスタのコレクタ端子は別の抵抗を介して別の供給電位に接続されている。なお、タップ抵抗と別の抵抗の間の抵抗比は１：５０である。

とりわけ、第１および第２のトランジスタは二重トランジスタとして一体的に形成されている。
別の側面によれば、駆動信号を用いて電気モータを駆動するモータ駆動部が考案される。モータ駆動部は、電気モータのコイル巻線の誘導電圧変化を示す検出信号を出力する検出回路と、電気モータのコイル巻線を検出信号に依存して整流する整流回路とを含んでいる。

別の側面によれば、モータ制御部と少なくとも１つのコイル巻線を備えた電気モータとを有する電気モータシステムが考案される。ここで、コイル巻線は第１の端子によって供給電位に固定的に接続されており、検出回路の端子は、モータ動作時にコイル巻線内に誘導される電圧を検出するために、コイル巻線の第２の端子と接続されている。

本発明の第１の実施形態による検出回路を備えたモータ制御回路の回路図を示す。本発明の別の実施形態による検出回路を備えたモータ制御回路の回路図を示す。

以下では、添付の図面を参照しながら本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。

図１には、本発明の第１の実施形態による検出回路を備えたモータ制御回路の回路図が示されている。検出回路１は、電位を読み取るために、電気モータ（図示せず）の駆動コイル５のコイル巻線２に接続されている。見易さのために、電気モータの駆動コイルだけを図示した。この駆動コイルは、互いに逆向きに巻回された２つのコイル巻線によりバイファイラとして形成されている。各コイル巻線２は適切なスイッチングトランジスタ３を介して駆動される。スイッチングトランジスタ３は、コイル巻線２と直列接続されており、モータを駆動するために、整流回路４によりその時その時の駆動信号を用いて、例えばパルス幅変調された駆動信号を用いて駆動される。この整流、すなわち、電気モータの駆動コイルのコイル巻線２のスイッチオンおよびスイッチオフは、電気モータのロータ位置、回転数、および他のパラメータに依存して行われる。

センサレス電気モータでは、ロータ位置の確認はコイル巻線のうちの少なくとも１つにおける電圧変化の検出により行われる。なお、この電圧変化はコイル巻線と磁極との間の相対運動のために誘導により生じる。前に示したモータトポロジーでは、Ｍ回路に従って、すべてのコイル巻線２がそれぞれの第１の端子によって高供給電位Ｖ_Hに接続されている。誘導された電圧は、該当するコイル巻線２が整流回路４により相応するスイッチングトランジスタを介して駆動されていない場合には、コイル巻線２の第２の端子における電位変化として検出することができる。「電位」という表現はここではノードにおける電圧電位を意味しており、一方、「電圧」は２つのノードの間の電位差を表す。

検出回路１は、トランジスタ７とコレクタ抵抗１２および１３とがエミッタ回路の形態で配線されたトランジスタ回路である。詳しく言えば、ｐｎｐトランジスタとして形成されたトランジスタ７のエミッタが高供給電位Ｖ_Hに接続されており、トランジスタ７のコレクタがコレクタ抵抗１２および１３の直列回路を介して低供給電位Ｖ_Lに接続されているということである。

エミッタ回路はトランジスタ７のベース端子を介して制御される電子スイッチとして動作する。コイル巻線２に電圧が誘導されない非誘導の場合、トランジスタ７のベース端子には、トランジスタ７をスイッチング閾においてまたはスイッチング閾をちょうど超えたところで動作させる制御電位が印加される。つまり、非誘導の場合、トランジスタ７は辛うじて導通状態であるか、または低抵抗、もしくは阻止状態よりも明らかに低抵抗である。

制御電位は、コイル巻線２の第２の端子に相当するノードＡとダイオード６における電位から形成される。ダイオード６はノードＡと低供給電位Ｖ_Lとの間の別の抵抗１４に直列接続されている。この別の抵抗１４は、ダイオード６を介してダイオード電圧分の電圧降下が生じることができるようにする。制御電位はダイオード６のカソードにおいて、つまり、ダイオード６と上記別の抵抗１４との間のノードにおいて読み取られる。ダイオード６は、制御電位として、トランジスタ７がまだ辛うじてスイッチオンする、つまり、導通状態となる電位が生じるように、選定されている。ノードＡにおける電位を上げる電圧がコイル巻線２内に誘導されると、トランジスタ７のベース端子における制御電位も上昇する。というのも、制御電位は実質的にダイオード６のダイオード電圧の分だけ低下したコイル巻線２の第２の端子の電位であるからである。しかし、トランジスタ７の制御電位の最小の上昇でさえすでに、トランジスタ７の低抵抗状態から阻止状態への移行をもたらす。従来のダイオード６に代わって、端子Ａにおける電位を降伏電圧の分だけ低下させるために、阻止動作のツェナーダイオードを設けてもよい。こうすることによって、制御電位をできるだけ正確にスイッチング閾に合わせることができる。

すでに上で述べたように、トランジスタ７のコレクタ端子は２つのコレクタ抵抗１２および１３の直列回路を介して低供給電位Ｖ_Lに接続されている。検出信号ＤＳは２つのコレクタ抵抗１２，１３の間のノードＢにおいて検出回路の出力として読み取られる。誘導の場合、電圧降下が検出されるが、検出信号ＤＳは、上記のように、誘導によるコイル巻線２内の電圧上昇の発生を検出するものである。ノードＡにおける電圧が上昇すると、検出信号ＤＳとして、ノードＢにおける立ち下がりエッジが発生する。

検出信号ＤＳは、エッジ急峻度をさらに高め、例えば駆動信号のクロストークによる妨害信号の検出信号ＤＳに対する影響を抑えるために、シュミットトリガ９の入力側または代替的にコンパレータ等の入力側に印加してもよい。さらに、線間電圧の脈動による妨害作用を整流回路４により除去するために、シュミットトリガ９の出力側をフィルタ回路１０に接続してもよい。フィルタ１０はローパスフィルタとして形成されている。というのも、コイル巻線内の電圧誘導の周波数は整流回路４による線間電圧の制御の周波数よりも明らかに低いからである。

コレクタ抵抗１２および１３を設けることにより、エミッタ回路の出力電圧をシュミットトリガ９が敏感になる電位範囲までもってくることができる。例示的な実施形態では、電気モータの供給電圧（Ｖ_H−Ｖ_L）を１２ボルトとし、シュミットトリガ９として、例えば５ボルトの供給電圧を要する標準的な素子を使用してもよい。したがって、シュミットトリガ９は０〜５ボルトの電圧範囲内においてのみ（例えば約２．５ボルトにおいて）感度があるので、コレクタ抵抗１２および１２によってエミッタ回路の出力電圧をシュミットトリガ９の動作範囲内にもってくることができる。

例えば、電気モータと電圧検出回路全体の供給電圧がシュミットトリガ９の供給電圧と一致する場合には、例えば、コレクタ抵抗１２および１３の代わりに、トランジスタ７のコレクタ端子と低供給電位Ｖ_Lの間にただ１つのコレクタ抵抗だけを使用するようにしてもよい。この場合、エミッタ回路の出力はトランジスタ７のコレクタにおいて直接読み取ることができる。

任意選択的に、検出回路１を保護するため、コイル巻線２の２つの端子と高供給電位Ｖ_Hとの間に設けられた２つの互いに逆向きに並列接続されたフリーホイーリングダイオード８を設けてもよい。こうすることによってさらに、ダイオード電圧よりも高いコイル巻線２内の誘導電圧をそれぞれのフリーホイーリングダイオード８によって高供給電位Ｖ_Hに対して正の方向にも負の方向にも制限することができる。

図２には、本発明の別の実施形態が示されている。図中、同じ参照記号は同一または類似した機能をもつ構成素子に対応している。

実際上は、例えば離散的な構成素子を使用している場合には、トランジスタ７がスイッチング閾近傍でまたは直接スイッチング閾上で動作するようにダイオード６を選定することは難しいので、ダイオード６の代わりに、トランジスタ７と同一の別のトランジスタ１１を設けてもよい。このような場合、同一の別のトランジスタ１１はダイオードとして接続される、すなわち、ベース端子が直接、有利には介在物なしに、コレクタ端子と接続されている。したがって、ダイオードとして接続された別のトランジスタ１１のダイオード電圧とトランジスタ７のスイッチング閾の電圧はほぼ同じである。

トランジスタ７を非誘導の場合に導通状態または低抵抗状態で動作させるために、タップ抵抗１５と別の抵抗１４が設けられている。タップ抵抗１５は、有利には介在物なしに、ノードＡと、すなわちコイル巻線２の第２の端子と別のトランジスタ１１のエミッタ端子の間に、別の抵抗１４は別のトランジスタ１１のコレクタ端子と低供給電位Ｖ_Lの間に配置されている。ノードＡからタップ抵抗１５、別のトランジスタ１１および別の抵抗１４を介して低供給電位Ｖ_Lまでの電流の流れはタップ抵抗１５において電圧降下を生じさせるので、トランジスタ７のベース端子に印加される制御電位は、トランジスタ７が接続状態となる程度まで低下する。非誘導の場合の制御電位をトランジスタ７の本来のスイッチング電位から大きく離すことによって電圧検出回路１の感度が損なわれないようにするため、タップ抵抗１５と別の抵抗１４との比は有利には非常に小さい、すなわち、１：５０以下、とりわけ１：１００である。好ましい値は、例えばタップ抵抗１５の場合であれば、１ｋΩ〜１０ｋΩの範囲内、別の抵抗Ｒ２の場合であれば、１００ｋΩ〜５００ｋΩの範囲内である。

コレクタ抵抗１２および１３から成る分圧器は後置されたコンパレータないしシュミットトリガ９の低測定範囲を適合させる。しかし、コレクタ抵抗１２，１３の全抵抗は有利には大きく選定されている。というのも、そうすることでトランジスタ７により形成されたエミッタ回路の増幅が高められるからである。

トランジスタ７および１１のベースエミッタ接合のダイオード電圧をできるだけ同じくするために、検出回路１のためのトランジスタは有利には二重トランジスタとして実施されている。２つのトランジスタ７，１１は一体的に形成されているため、実質的に同構造のものであり、一体形成によって熱作用が広い範囲で補償される。

実施形態では、別のトランジスタ１１のエミッタ端子と高供給電位Ｖ_Hとの間にフリーホイーリングダイオード８が接続されている。

検出回路は、逆にｎｐｎトランジスタ回路を用い、高供給電位と低供給電位を交換して形成することにより、同じ様に低供給電位に関して電圧低下を検出するように形成してもよい。端子Ａにおける電位を適合させる電圧整合回路として、例えばバッテリなどの形態の直流電圧源を使用してもよい。

検出回路１は任意選択的にシュミットトリガ９とローパスフィルタ１０によりフィルタリングした検出信号ＤＳを整流回路４に供給し、整流回路４は、検出信号を評価し、検出信号からロータ位置、モータ回転数および関連する他の量を求めることができる。

Claims

基準電位に対する端子（Ａ）における電圧の変化を検出する検出回路（１）において、
該検出回路は電子スイッチを含んでおり、該電子スイッチは該スイッチの切り替わりが生じる予め決められたスイッチング電位を有する制御端子と検出信号を出力するための検出信号出力側とを備えており、
該検出回路はさらに予め決められた一定の電位分だけ変化した前記端子の電位に相当する制御電位を前記スイッチの制御端子に供給する電圧整合回路を含んでおり、
前記の予め決められた一定の電位分は、前記端子に基準電圧が印加されたときに前記制御電位が前記スイッチング電位に一致する、またはほぼ一致するように選ばれており、検出すべき電圧変化が前記電子スイッチのスイッチング電位のオーバーシュートまたはアンダーシュートを生じさせる、ことを特徴とする検出回路（１）。
前記電圧整合回路は、前記端子（Ａ）と前記電子スイッチの制御端子とに直接接続されたダイオード（６）を備えており、前記予め決められた電圧分は前記ダイオード（６）を通して降下するダイオード電圧または前記ダイオード（６）の降伏電圧に相当する、請求項１記載の検出回路（１）。
前記電子スイッチは第１のトランジスタ（７）を有するトランジスタ回路として実施されており、第１のトランジスタ（７）のベース端子は制御端子に相当し、第１のトランジスタ（７）のベースエミッタ間電圧は前記端子に前記基準電圧が印加されたときには第１のトランジスタ（７）のベースエミッタ接合のダイオード電圧に設定されるため、第１のトランジスタ（７）はまだ辛うじて導通し、前記電圧整合回路は検出すべき電圧変化が生じると前記ベースエミッタ間電圧が前記ダイオード電圧よりも低くなるように形成されているため、第１のトランジスタ（７）は阻止状態に移行する、請求項１記載の検出回路（１）。
前記基準電圧は供給電位に等しく、第１のトランジスタ（７）のエミッタ端子は前記供給電位に直接接続されており、これにより、前記スイッチング電位は前記ベースエミッタ接合のダイオード電圧の分だけ変化した供給電位として定められる、請求項２記載の検出回路（１）。
前記電圧整合回路は第２のトランジスタ（１１）を含んでおり、第２のトランジスタ（１１）のコレクタ端子とベース端子は短絡しており、さらに第１のトランジスタ（７）のベース端子と接続されており、このため第２のトランジスタ（１１）のエミッタ端子とコレクタ端子の間に第２のトランジスタ（１１）のベースエミッタ接合のダイオード電圧が生じる、請求項３または４記載の検出回路（１）。
第１のトランジスタ（７）と第２のトランジスタ（１１）は同一のトランジスタとして形成されており、第２のトランジスタ（１１）のエミッタ端子はタップ抵抗（１５）を介して前記端子と接続されており、第２のトランジスタ（１１）のコレクタ端子は別の抵抗（１４）を介して別の供給電位に接続されており、前記タップ抵抗（１５）と前記別の抵抗（１４）の間の抵抗比が最大で１：５０である、請求項５記載の検出回路（１）。
第１のトランジスタ（７）と第２のトランジスタ（１１）は二重トランジスタとして一体的に形成されている、請求項６記載の検出回路（１）。
駆動信号により電気モータを駆動するモータ制御装置であって、
前記電気モータのコイル巻線（２）の誘導電圧の変化を示す検出信号を出力する請求項１から７のいずれか１項記載の検出回路（１）と、
前記電気モータのコイル巻線（２）を前記検出信号（ＤＳ）に依存して整流する整流回路（４）
を有することを特徴とするモータ制御装置。
検出信号を受信し、検出信号から妨害を除去するシュミットトリガ（９）と、
前記整流回路によって生成された駆動信号の周波数において検出信号に現れる妨害信号を除去するローパスフィルタ（１０）
の少なくとも一方が設けられている、請求項８記載のモータ制御装置。
電気モータシステムであって、
請求項８または９記載のモータ制御装置と、
少なくとも１つのコイル巻線（２）を有する電気モータを有しており、
前記コイル巻線が第１の端子（Ａ）によって供給電位に固定的に接続されており、前記検出回路（１）の端子が、モータ動作時に前記コイル巻線（２）内に誘導される電圧を検出するために、前記コイル巻線（２）の第２の端子に接続されている、
ことを特徴とする電気モータシステム。