JP2012501157A - 電動機のロータ位置を検出するための方法ならびに装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、後続の機能にて使用するために、電動機（２）、とりわけ同期機のロータのロータ位置に関する情報を供給する方法において、
・前記同期機のステータ巻線の少なくとも１つの電気的動作量、とりわけ相電流（ｉ_１）および／または相電圧（Ｕ_２）を決定するステップ、
・前記電気的動作量に依存してロータ位置を算出するステップ、
・前記電動機（２）の回転数が回転数閾値（ＳＷ）を上回る場合に、前記電気的動作量に依存して算出されたロータ位置に関する情報を後続の機能に供給するステップ、
を有することを特徴とする方法に関する。

Description

技術分野
本発明は概して、とりわけ検出されたロータ位置を用いて電気モータを電子整流するための、ロータ位置の検出に関する。

先行技術
電動機を電子整流するためにはロータの絶対的な角度位置、すなわちロータ位置を把握する必要がある。ロータ位置は例えばインクリメンタルに分析する回転センサ、すなわちホールセンサ等のような適当なセンサを用いて検出することができる。択一的に位置センサを使用せずとも、例えばステータ巻線の相巻線の相電流または相電圧を評価して適当な方法でロータ位置を計算することよって位置検出を実施することができる。例えばこのような方法の場合には、ロータ位置は、相電流または相電圧の推移の第３高調波を「逆起電力方法」等を用いて評価することによって決定することができる。

しかしながら相電流または相電圧の評価に基づいたロータ位置の検出方法は、以下のような欠点がある。すなわちロータ位置は、回転数が低い場合および／または回転数が非常に高い場合ないし負荷時には、精確に検出できないか、または不充分な精度を以てしか検出できず、低回転時における検出されたロータ位置に基づく電子整流を確実に実施することはできないということである。例えば第３高調波の評価によってロータ位置を決定する場合には、この第３高調波に飽和作用および差によって誤差が生じ、これによって第３高調波を評価することができなくなる。回転数が高い場合には「逆起電力方法」はもはや使用不可能となる。なぜならこの場合には無電流の時間領域がもはや存在しないからである。

本発明の課題は、ロータ位置をセンサレスに決定するための方法および装置であって、ロータ位置に関する不精確な情報に基づく、例えば電子整流のような後続の機能の機能エラーを回避することができるような方法および装置を提供することである。

発明の概要
この課題は、請求項１記載の方法ならびに独立請求項に記載のモータシステムによって解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に示されている。

第１の発明によれば、後続の機能にて使用するために、電動機、とりわけ同期機のロータのロータ位置に関する情報を供給する方法が実施される。この方法は、以下のステップを有する：
・電動機のステータ巻線の少なくとも１つの電気的動作量、とりわけ相電流および／または相電圧を決定するステップ;
・前記電気的動作量に依存してロータ位置を算出するステップ;
・前記電動機の回転数が回転数閾値を上回る場合に、前記電気的動作量に依存して算出されたロータ位置に関する情報を後続の機能に供給するステップ。

本発明の技術思想は、相電流および／または相電圧の評価によって算出されたロータ位置を、回転数が回転数閾値を上回る場合にのみ供給することにある。このようにすれば、ロータ位置が充分精確であるかまたは充分に信頼できる場合にのみロータ位置を供給して、電動機を電子整流することが可能となる。

後続の機能として、電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して同期機の電子整流を実施することができる。

さらに電動機の回転数が回転数閾値を上回らない場合には、ロータ位置を決定しないようにすることができる。とりわけロータ位置に関するデータが供給不可能であるということを示す情報を供給することができる。

したがって回転数閾値より下ではロータ位置情報は供給されず、とりわけ適当な方法で、ロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報が通信される。これによって後続の機能として、ロータ位置に関する情報なしに実施できる機能、例えば電気モータのステップ動作の実施を行うことが可能となる。

とりわけ後続の機能として、電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して電動機の電子整流を実施することができ、この際電動機の回転数が回転数閾値を上回らない場合には、電動機のロータを、制御された加速によって、とりわけ例えばステップ動作のための上昇周波数の制御信号によって、ロータ位置に関する情報の供給に依存せずに作動させるか、またはロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報を供給する。

さらに本発明の方法は、さらなるステップを有することができる：
・ステータ巻線の１つのインダクタンスを決定するステップ；
・前記決定されたインダクタンスに依存してロータ位置を算出するステップ；
・電動機の回転数が回転数閾値を上回らない場合に、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置を後続の機能に供給するステップ。

これによって、ロータ位置を検出するための方法によって算出されたロータ位置に関する情報が供給される。この方法は、回転数が低い場合または静止状態において、すなわち回転数が回転数閾値を下回る場合においてロータ位置を検出するために適当である。

１つの実施形態によれば、電動機の回転数が回転数閾値を上回る場合には、後続の機能として、電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して電動機の電子整流を実施することができ、電動機の回転数が回転数閾値を上回らない場合には、後続の機能として、決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置に依存して電動機の電子整流を実施する。

別の１つの発明によれば、後続の機能にて使用するための、電動機のロータのロータ位置に関する情報を供給する装置が設けられる。本発明の装置は、以下のものを含む：
・電動機のステータ巻線の少なくとも１つの電気的動作量、とりわけ相電流および／または相電圧を決定するための計算ユニット；
・前記電気的動作量に依存してロータ位置を算出するための変換ユニット；
・前記電気機械の回転数が回転数閾値を上回る場合に、前記電気的動作量に依存して算出されたロータ位置に関する情報を後続の機能に供給するように、選択ユニットを制御する制御ユニット。

さらに本発明の装置は、ロータ位置に関するデータを供給できないことを示す情報を供給するよう構成されている代替運転ユニットを有することができる。ここでは前記制御ユニットは、電動機の回転数が回転数閾値を上回る場合に、ロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報が供給されるように前記選択ユニットを制御するよう構成されている。

別の１つの本発明によれば、上述の装置と同期モータを制御するためのインバータとを備えるモータシステムが設けられており、前記インバータは、
・前記インバータが電気的動作量を用いて算出されたロータ位置を受信すると、電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して同期機の電子整流を実施し、
・前記インバータがロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報を受信すると、電動機のロータを、制御された加速によって、とりわけ上昇する周波数の制御信号によって、ロータ位置に関する情報の供給に依存せずに作動させる、
ように構成されている。

択一的に、本発明の装置に代替運転ユニットを設けることができ、該代替運転ユニットは、ステータ巻線の１つのインダクタンスを決定し、該決定されたインダクタンスからロータ位置を算出し、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置に関する情報を供給するように構成されており、ここでは制御ユニットは、電動機の回転数が回転数閾値を上回らない場合に、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置を、評価ユニットを介してインバータに供給する。

択一的にモータシステムには上述の装置と電動機を制御するためのインバータとを設けることができ、この際インバータは後続の機能として、供給されたロータ位置に関する情報に依存して電動機の電子整流を実施するように構成されている。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施携帯について詳しく説明する。

図１は、電動機を作動させるための装置を備えるモータシステムの概略ブロック図である。 図２は、図１のモータシステムにおける、ロータ位置算出の概略ブロック図である。

実施例の説明
図１は、電動機として同期モータ２を備えるモータシステムの概略ブロック図を示す。同期モータ２は３つの相巻線（図示しない）を有しており、これらの相巻線は相応の相線３を介してインバータ４によって制御される。インバータ４は、同期モータのトルクを知らせるために使用される制御量Ｓを外部から受信する。さらにインバータは、制御回転数（目標回転数）に関するデータも受信する。さらにインバータ４は、信号線路５を介して同期モータ２を作動するための制御信号を受信する。

さらに制御装置６が設けられており、該制御装置６が信号線路５を介してインバータ４に制御信号を供給する。制御装置６は、磁極磁束を計算するための計算ユニット７を含む。このために計算ユニット７は、例えば測定抵抗（シャント）を有する電流検出器８から相電流を受信し、さらに該相電流が検出されたのと同じ位相における相電圧Ｕ_１を算出する。相電圧は直接測定することも、パルス幅変調された制御信号から例えば相応のデューティ比によって導出することも可能である。相電圧Ｕ_１および相電流ｉ_１が計算ユニット７に供給され、計算ユニット７は以下の式に相応して磁極磁束を算出する。

式（２）は、他の電圧要素に対するオーム性の電圧降下を無視した永久磁石励磁式の機器の相巻線の電圧式（式（１）による）に相当している。式（１）を積分することより機器における鎖交磁束を得ることができ（式（３））、これは数学的な機械モデルの換算式である。主磁束Φ_１（ｔ）は相電圧Ｕ_１（ｔ）による積分である。例えばインバータのＰＷＭクロックによって引き起こされる端子電圧における高周波成分は、積分の後には格段に小さい成分を有する。電圧の高周波成分は、全体鎖交磁束Φ１（ｔ）のうち周波数に応じて低くなった成分を有する。したがって磁極磁束Φ_Ｐ（ｔ）は、巻線インダクタンスＬの係数によって乗算された相電流ｉ_１（ｔ）において、積分された相電圧Ｕ_１（ｔ）から計算される。

このようにして算出された磁極磁束Φ_Ｐ（ｔ）に、ロータ位置を割り当てることができる。ロータ位置への磁極磁束の変換は、変換ユニット９において実施される。磁極磁束によるロータ位置の算出は、とりわけ相電流が不連続でない場合、すなわち同期モータの相巻線が持続的に通電されている場合（例えば正弦波通電）に適している。

図２は、計算ユニット７ならびに変換ユニット９の概略ブロック図を示す。計算ユニット７は、受信した電圧信号および電流信号をそれぞれ信号調整ユニット２１において調整し、調整した電圧信号Ｕ_１’を積分ブロック２２にて積分し、調整された電流信号ｉ_１’を増幅ブロック２３において増幅する。積分ブロック２２および増幅ブロック２３の出力値は、加算ブロック２４において合計される。変換ユニット９において、合計ブロック２４の出力値にロータ位置が割り当てられる。

さらに、制御ユニット１０によって制御されるスイッチ１１（選択ユニット）が設けられている。スイッチ１１は、同期モータ２の回転数が所定の回転数閾値ＳＷを上回る場合に、変換ユニット９によって算出されたロータ位置が信号線路５を介してインバータ４に伝送されるように切り換えられる。インバータ４はこの場合、伝送されたロータ位置に基づいて同期モータの電子整流を実施する。

回転数は検出された相電流から算出され、この相電流は正弦波形である。周期は、同期モータ２の回転数に比例している。

回転数閾値ＳＷは有利には、相電流および／または相電圧に基づいたロータ位置の算出が充分に信頼できる値を供給でき、かつ可能な限り低い回転数を示すように選択される。

制御ユニット１０により、同期モータ２の回転数が回転数閾値ＳＷを上回っていないことが確認されると、スイッチ１１は、信号線路５が代替運転ユニット１２に接続されるように切り換えられる。代替運転ユニット１２は、例えば同期モータ２の始動段階時のように同期モータ２の回転数が回転数閾値ＳＷを下回る場合に、まず同期モータ２の制御された加速が生じるようにすることができる。このために代替運転ユニット１２には、低回転数時に同期モータ２を作動させるための制御回路、例えばランプ回路を設けることができ、この回路は信号線路５を介してインバータ４に一定周波数または上昇周波数の周波数制御信号を供給する。この周波数制御信号は上昇周波数の場合には、回転数が、信号線路５を介して伝送された周波数制御信号によって示される所定の回転数を下回るまで、同期モータ２を始動させるのに適当である。一定周波数を有する周波数制御信号は、同期モータを周波数に相応した回転数において、例えばステップ動作において作動させるのに適当である。

代替運転ユニット１２のランプ回路が、回転数閾値ＳＷに相当するかまたはこれを上回る同期モータ２の回転数を形成する周波数に達すると、制御ユニット１０はスイッチ１１を切り換え、これにより変換ユニット９によって算出および出力されたロータ位置が、周波数制御信号の代わりに信号線路５を介してインバータ４に送信されるようになる。インバータ４は、信号線路５を介して伝送された信号の形式に基づいて、代替運転ユニット１２の周波数制御信号であるか、変換ユニット９のロータ位置情報であるかを識別する。この識別は例えばインバータにおいて、例えば相応の識別ユニット（図示しない）において以下のようにして実施することができる。すなわちロータ位置情報がデジタル形式で提供される場合であれば、受信した信号がアナログの周波数制御信号であるのか、デジタルのロータ位置情報であるのかを識別することによって識別することができる。

インバータ４が周波数制御信号を受信すると、インバータ４は３つの相線に対して、同期モータ２の制御のために位相シフトされた周波数信号を生成する。その代わりにインバータ４がロータ位置情報を受信すると、インバータ４はロータ位置情報に基づき、かつ制御量Ｓに依存して、電子整流を実施する。択一的に、信号線路を介して伝送される情報の形式をインバータ４に示すために、スイッチ１１の切り換え位置に関する情報またはその他の信号を使用することが可能である。別の実施形態によれば、インバータ４を予設定に基づき信号線路５を介してクロック作動させることも可能であり、この場合クロックは、変換ユニット９または代替運転ユニット１２によって予め設定しておくことができる。

択一的実施形態においては、代替運転ユニット１２も同様にロータ位置情報を使用することが可能であり、この場合ロータ位置は他のセンサレスの方法によって算出される。例えば代替運転ユニット１２は、割り当てによってロータ位置を決定するために非同期性を検出および使用するテストパルス方法を用いて、ロータ位置を算出することができる。このテストパルス方法においては、ステータコイル（ステータ巻線）のインダクタンスがロータの位置に依存して変化する。ロータはその構造に基づき横方向および縦方向に異なるインダクタンスを有しているので、ステータコイルのインダクタンス推移はロータの回転に亘って特徴付けられている。したがって以前に学習ないし供給されたインダクタンス分布と比較することによって、ロータ位置を検出することができる。しかしながらこのテストパルス方法は、ロータが静止状態にある場合またはロータの回転数が低い場合にロータ位置を検出するのに適当である。したがってテストパルス方法は、相電流および／または相電圧の測定値の推移に基づいたロータ位置の決定方法、ひいては比較的高い回転数において使用することができるロータ位置の決定方法を良好に補完するものである。

択一的に同期モータ２の制御された加速の機能を、完全にインバータ４にて実施することも可能である。この場合、代替運転ユニット１２は所定の信号を出力するだけであり、この信号はインバータ４によって信号線路５を介して受信される。この所定の信号によりインバータ４に対して、制御された加速を今作動させるべきであるとシグナリングすることができる。そうして制御ユニット１０は、スイッチ１１の切り換えを時間制御して実施することができる。この場合、代替運転ユニット１２が前記所定の信号をインバータ４に印加している間の時間は、同期モータが所要の回転数に到達した時間に依存して選択されている。この所要の時間は、計算ユニット７および変換ユニット９によって算出されたロータ位置に基づいて電子整流を実施するのに必要な時間である。

Claims (12)

1. 後続の機能にて使用するために、電動機（２）、とりわけ同期機のロータのロータ位置に関する情報を供給する方法において、
   ・前記同期機のステータ巻線の少なくとも１つの電気的動作量、とりわけ相電流（ｉ_１）および／または相電圧（Ｕ_２）を決定するステップ、
   ・前記電気的動作量に依存してロータ位置を算出するステップ、
   ・前記電動機（２）の回転数が回転数閾値（ＳＷ）を上回る場合に、前記電気的動作量に依存して算出されたロータ位置に関する情報を後続の機能に供給するステップ、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記後続の機能として、前記電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して前記電動機（２）の電子整流を実施する、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記電動機の回転数が回転数閾値（ＳＷ）を上回らない場合には、ロータ位置は決定されない、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. ロータ位置に関するデータが供給不可能であるということを示す情報を供給する、
   ことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記後続の機能として、前記電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して前記電動機（２）の電子整流を実施し、
   この際、前記電動機（２）の回転数が回転数閾値（ＳＷ）を上回らない場合には、
   前記電動機（２）のロータを、制御された加速によって、とりわけ上昇周波数の制御信号によって、ロータ位置に関する情報の供給に依存せずに作動させるか、
   または、
   ロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報を供給する、
   ことを特徴とする請求項３または４記載の方法。
6. ・ステータ巻線の１つのインダクタンスを決定するステップ、
   ・前記決定されたインダクタンスに依存してロータ位置を算出するステップ、
   ・前記電動機（２）の回転数が前記回転数閾値（ＳＷ）を上回らない場合に、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置を後続の機能に供給するステップ、
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記電動機（２）の回転数が前記回転数閾値（ＳＷ）を上回る場合には、前記後続の機能として、前記電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して前記電動機（２）の電子整流を実施し、
   前記電動機（２）の回転数が前記回転数閾値（ＳＷ）を上回らない場合には、前記後続の機能として、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置に依存して前記電動機（２）の整流を実施する、
   ことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 後続の機能にて使用するための、同期機のロータのロータ位置に関する情報を供給する装置（６）において、
   ・電動機（２）のステータ巻線（２）の少なくとも１つの電気的動作量、とりわけ相電流および／または相電圧を決定するための計算ユニット（７）、
   ・前記電気的動作量に依存してロータ位置を算出するための変換ユニット（９）、
   ・前記電動機（２）の回転数が回転数閾値（ＳＷ）を上回る場合に、前記電気的動作量に依存して算出されたロータ位置に関する情報を後続の機能に供給するように、選択ユニット（１１）を制御するための制御ユニット（１０）
   を有することを特徴とする装置。
9. ロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報を供給するよう構成されている代替運転ユニット（１２）を有しており、
   前記制御ユニット（１０）は、前記電動機（２）の回転数が前記回転数閾値（ＳＷ）を上回る場合に、前記ロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報が供給されるように前記選択ユニットを制御するよう構成されている、
   ことを特徴とする請求項８記載の装置（６）。
10. 請求項９記載の装置（６）と、電動機（２）を制御するためのインバータ（４）とを備えるモータシステム（１）において、
    前記インバータ（４）は、
    ・前記インバータ（４）が前記電気的動作量を用いて算出されたロータ位置を受信すると、前記電気的動作量を用いて算出されたロータ位置に依存して前記電動機（２）の電子整流を実施し、
    ・前記インバータ（４）がロータ位置に関するデータが供給不可能であることを示す情報を受信すると、前記電動機（２）のロータを、制御された加速によって、とりわけ上昇信号の制御信号によって、前記ロータ位置に関する情報の供給に依存せずに作動させる、
    ように構成されていることを特徴とするモータシステム。
11. 代替運転ユニット（１２）を備えており、
    該代替運転ユニット（１２）は、ステータ巻線の１つのインダクタンスを決定し、該決定されたインダクタンスからロータ位置を算出し、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置に関する情報を供給するように構成されており、
    前記制御ユニット（１０）は、前記電動機（２）の回転数が前記回転数閾値（ＳＷ）を上回らない場合に、前記決定されたインダクタンスを用いて算出されたロータ位置を、前記評価ユニット（１１）を介して前記インバータ（４）に供給する、
    ことを特徴とする請求項８記載の装置（６）。
12. 請求項１１記載の装置（６）と、電動機（２）を制御するためのインバータ（４）とを備えるモータシステムにおいて、
    前記インバータ（４）は、前記後続の機能として、前記供給されたロータ位置に関する情報に依存して前記電動機（２）の電子整流を実施するように構成されている、
    ことを特徴とするモータシステム。

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