JP2013532936A - 電子整流電動機を、センサを用いずに位置識別する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転多相電子整流電動機（１）の回転子位置を求める方法に関する。ここで前記電動機（１）は複数の相巻線（４）を有しており、当該複数の相巻線は相コネクタを介して通電される。当該方法は、前記電動機（１）の相コネクタでの相電圧と相電流を求めるステップと、前記求められた相電圧と相電流とから、前記電動機（１）の相コネクタでの誘導電圧を求めるステップと、前記誘導電圧によって決まる、前記誘導電圧の電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関連づけて提供するステップと、前記回転子位置を、前記固定子固定デカルト座標系に関連付けて提供された、前記誘導電圧の電圧指標の空間指標角度として求めるステップとを有している。

Description

本発明は、電子整流電動機に関し、殊に電動機の回転子の位置を、センサを用いずに検出する方法に関する。

従来技術
ブラシレス電動機を電子整流するために、目下の回転子位置に関する情報が必要である。この回転子位置を用いて電子整流が行われる。これは、回転子位置に応じて、相電圧を電動機に印加すること、ないしは、ジェネレーターとしての動作時には、ここで相電圧を検出することによって行われる。

回転子の位置を求める種々の方法が知られている。ある電動機グループでは、回転子位置が組み込まれた位置センサまたは別個の位置センサによって検出され、電子整流を行う制御ユニットにこれが供給される。別の電動機グループでは、回転子位置が、センサを用いずに、モーター電圧および／またはモーター電流から求められる。

センサを用いずに、回転子位置を検出する既知の方法はいわゆるＢａｃｋ−ＥＭＦ（逆起電力）方法である。この方法では、電動機の相より線内の誘導電圧の経過から、回転子位置が導出される。誘導電圧を測定するために、相応する相コネクタを無電流でスイッチングすることが必要であるので、Ｂａｃｋ−ＥＭＦ方法を使用するために、電子流のための適切な通電パターンの選択において制限されてしまう。

さらに、Ｂａｃｋ−ＥＭＦ方法を用いた回転子位置決定は通常、誘導電圧が正弦状の経過を描き、相電圧がインバータを介して設定されない電動機において可能である。なぜなら、このような電動機では相コネクタは、無電流にスイッチングされないからである。例えば、騒音特性に有利な（垂直帰線区間の無い）継続的な電圧設定は、Ｂａｃｋ−ＥＭＦ方法では不可能である。例えばセンサを用いないベクトル制御の場合に、正弦状機械をセンサを用いずに動作させるための公知の方法の良さは、誘導電圧の経過が正弦状経過特性から離れるほど、低減してしまう。

従って、本発明の課題は、誘導電圧が正弦状ではなく、整流様式に依存せずに使用される場合にも使用可能である、回転子位置をセンサを用いずに検出するための改善された方法を提供することである。

発明の開示
上述の課題は、請求項１に記載されている、電動機の回転子の位置を求める方法、並びに、並列する請求項に記載されている装置およびモーターシステムによって解決される。

さらなる有利な構成は従属請求項に記載されている。

第１の観点では、回転多相電子整流電動機の回転子位置を求める方法が提示される。電動機は複数の相巻線を有する。これらの相巻線は相コネクタを介して通電可能である。この方法は以下のステップを含む：
・電動機の相コネクタでの相電圧および相電流を求める；
・この求められた相電圧および相電流から、電動機の相コネクタでの誘導電圧を求める；
・固定子固定のデカルト座標系に関して、誘導電圧の、誘導電圧によって決められる電圧指標を提供する；
・固定子固定のデカルト座標系に関して供給された、誘導電圧の電圧指標の空間指標角度として回転子位置を求める。

上述した方法の着想は、多相電動機において、誘導電圧を相巻線において求め、固定子固定の座標系の電圧指標として提供する、ということである。従って、誘導電圧の空間指標角度は回転子位置に関する情報を示す、またはこの情報に直接的に割り当てられる。これによって特に容易に、回転子位置を、誘導電圧から導出することが可能になる。

殊に、誘導電圧によって決められる、誘導電圧の電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関して提供することが行われる。これは、求められた誘導電圧が固定子固定のデカルト座標系に変換されることによって、または、電動機の相コネクタでの、求められた相電圧および相電流が固定子固定のデカルト座標系に変換されることによって行われる。これは、電動機の相コネクタでの、求められた相電圧および相電流から、誘導電圧が求められる前に行われる。

さらに、誘導電圧の変換された電圧指標には修正角度が加えられる。ここでこの修正角度は、電圧指標角度に依存する。誘導電圧が正弦状でない場合にも、回転子位置を誘導電圧から求めるために、修正角度を用いて、回転子位置検出時の正弦状ではない誘導電圧のエラーが修正される。

ある実施形態では、修正角度は、電圧指標角度を用いておよび／または回転子の回転数を用いて求められる。

修正角度は、ルックアップテーブルを用いて、電圧指標角度および／または回転数の設定によって決められる。

別の実施形態では、電動機の相コネクタでの相電圧および相電流は、相電圧および相電流が測定されることによって、または相電圧が、提供された中間回路電圧および相コネクタが駆動制御されるパルス幅変調のデューティ比から求められることによって、求められる。

別の観点では、回転多相電子整流電動機の回転子位置を求める装置が提示される。電動機は複数の相巻線を有している。これらの相巻線は相コネクタを介して通電可能である。この装置は、
・電動機の相コネクタでの相電圧および相電流を求めるための装置と、
・制御ユニットとを有しており、この制御ユニットは、
電動機の相コネクタでの誘導電圧を求めるために；
固定子固定のデカルト座標系に関して、誘導電圧によって決められる、誘導電圧の電圧指標を提供するために；および
誘導電圧の、固定子固定のデカルト座標系に関して供給された電圧指標の電圧指標角度として回転子位置を求めるために、構成されている。

別の観点では、回転多相電子整流電動機および上述の装置を備えたモーターシステムが提示される。

別の観点では、コンピュータープログラム製品が提示される。このコンピュータープログラム製品はプログラムコードを含んでおり、このプログラムコードは、データ処理装置上で実行される際に、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法において、以下のステップを実行する：
・電動機の相コネクタでの相電圧および相電流に関する情報を受信する；
・この受信された相電圧および相電流から電動機の相コネクタでの誘導電圧を求める；
・誘導電圧の、誘導電圧によって決められる電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関して提供する
・固定子固定のデカルト座標系に関して提供された、誘導電圧の電圧指標の電圧指標角度として回転子位置を求める
本発明の有利な実施形態を以下で、添付された図面に基づいてより詳細に説明する。

電子整流電動機の例としての、同期機械の概略図 固定子固定のデカルト座標系への、誘導電圧の電圧指標の変換を示す補助的な図面 誘起相電圧から回転子位置を求める方法を示すためのフローチャート

図１には、内側回転子機器としての、三相式電子整流電動機１の概略図が示されている。１２０°ずらして相互に配置された、３つの固定子歯３を備えた、固定子２が見てとれる。実際には、固定子２での固定子歯３の数は通常はより多く、例えば、３の倍数、９、１２または１８等に相当する。

固定子歯３にはそれぞれ、１つの相巻線４が設けられており、相応の通電時に、固定子磁界の成分を供給する。固定子巻線４は従来では、三角回路または星型回路に相互に接続されている。固定子巻線４の各々は、電動機１の相応する相コネクタ（図示されていない）を介して通電される。

固定子の内側には、回転運動する回転子５が、電動機１の回転子として取り付けられている。この回転子は、図１ａの簡易図では、２つの回転子極６を有している。これらは相互に対向して配置されている。実際には、同期機械は２つよりも多くの回転子極、例えば４つまたは８つの回転子極を有している。

制御ユニット１０が設けられている。この制御ユニットは、例えば、ドライバー回路１１を用いて固定子巻線４を駆動制御する。この駆動制御は、電子整流を用いて行われる。従って各相巻線４には、回転子５の位置に依存して、相電圧が印加される。この制御ユニット１０によって、種々の整流様式が設定される。これらは例えばブロック整流または台形整流等である。電子整流に対して付加的に、特定の相電圧が、印加する中間回路電圧ないしは供給電圧のパルス幅変調によって形成される。

誘導電圧を検出するために、これまでは、電動機１の相コネクタを無電流にスイッチングし、相コネクタに印加されている、これに接続されている位相角度で誘導電圧を求め、評価することが必要であった。これは通常は、電動機１の駆動制御に及ぼされる影響をできるだけ少なくするために、その持続時間が制限されている固定された垂直帰線区間内で行われる。

択一的に、誘導電圧を、相コネクタでの相電圧

および相電流

を求めることで、求めることもできる。相電圧

および相電流

は、例えば測定によって求められる。相電圧

および相電流

の測定は、適切な測定装置１２によって行われる。この測定装置は、ドライバー回路１１内または制御ユニット１０内に設けられ得る。測定装置１２は、例えば、測定抵抗（シャント）、アナログ・デジタル変換器等を有することができる。択一的に、相電圧

および相電流

を、ドライバー回路１１に印加されている中間回路電圧（供給電圧）の測定または知識、および該当する相巻線が駆動制御されるパルス幅変調のデューティ比から、求めることができる。

相電圧

および相電流

から、相応に、誘導電圧

が求められる。ベクトル書式では：

が当てはまる。

誘導電圧

を、固定子固定の座標系、殊にデカルト座標系の循環する電圧指標として、示すことが特に有利であることが判明している。これは、概略的に図１ｂに示されている。ここで代わりの画像として、固定子２は、相互に９０°ずらされた、２つの固定子巻線４を有している。相互に９０°ずらして配置されて固定子２に配置されている２つの代わりの固定子巻線４を用いて、例として図１ａに示されているような固定子巻線４が多相の電動機において、常に固定子固定の座標系でも表示可能であることが示されている。すなわち、９０°相互にずらされた固定子巻線を有する電動機で示される。上述の例では、誘導電圧Ｕ_ｉｎｄ１、Ｕ_ｉｎｄ２、Ｕ_ｉｎｄ３の情報から、三相システムにおいて、固定子固定のデカルト座標の誘導電圧が、極表示において、以下のように求められる：

上述の式に従って求められた誘導電圧の空間指標角度φはここでは直接的に、回転子５の回転子位置をあらわす。

これに対する前提条件は、誘導電圧

が正弦形状の経過を有する、ということである。誘導電圧

は、電動機の構造に大きく依存しており、殊に、回転子極６と固定子歯３との間のエアギャップの形状に依存している。従って、実際の回転子位置φ‘を求めるために、誘導電圧が正弦状ではない場合には、修正が行われなければならない。このために、例えば、空間指標角度に依存する修正角度Ｋ（φ）が設定され、これが、正弦状ではない誘導電圧

の空間指標角度に加えられ、これによって回転子位置に対して修正が行われる。この修正の結果、正弦形状ではない電圧の空間指標角度φにも、位置に依存して、修正角度Ｋ（φ）が加えられる。

空間指標角度φに対して付加的に、電動機の回転数ｎが考慮される。なぜなら誘導電圧

、殊にその経過特性は同様に、回転数ｎに依存しているからである。修正角度Ｋ（φ，ｎ）の供給は、通常は、ルックアップテーブルによって行われる。これは、電動機１の製造後に、モーター個々に学習される、またはモータータイプに依存して設定される。

回転数ｎを、様々な方法で求めることができる。第１の方法では、回転数ｎは、回転子位置φ’の派生として求められる。しかしここで一般的に欠点が生じる。これは、再結合の計算時に生じ、φ’＝φ＋Ｋ（φ，ｎ）が生じる、というものである。これは場合によっては、回転数ｎの情報の変動を生じさせる。

択一的に、回転数ｎは商

として求められる。ここでＫｍは、位置角度に依存するモーター定数に相応する。

別の改善形態では、回転数ｎは以下のように求められる：

ここでＫｍ‘は、フィルタリングされたＫｍ（φ’またはφ）に相応する。Ｋｍ（φ’またはφ）にはさらに、同じフィルタが用いられる。Ｕ_ｉｎｄにも、その検出によってこれが加えられる。Ｕ_ｉｎｄに用いられたフィルタは、例えば、測定の種類（例えばデジタルスキャン）およびＵ_ｉｎｄの検出から得られる。ｄｔに従って相電流を導出することによって、例えば、最終的なｄｔによって、ローパスフィルタリングが作用する。

学習は例えば、特定の回転子位置φ‘および回転数ｎに対して、無電流の場合における、すなわち相電圧が印加されていない場合における位相ポテンシャルが求められ、これによって、誘導電圧

の経過特性が、回転子位置φ’および回転数ｎに依存して検出されることによって行われる。修正角度Ｋ（φ，ｎ）は、回転子位置φ‘messと、特定の回転子位置φ‘messと特定の回転数ｎ_ｍｅｓｓおいて求められた誘導電圧

の空間指標角度との差から得られる。

図２には、電動機１の回転子位置を求める方法を表すフローチャートが示されている。ステップＳ１では、まずは、それを介して相巻線４が通電される相コネクタでの誘導電圧が、求められる。このために、印加された相電圧および相応の相電流が検出され、誘導電圧が上述の式に従って求められる。ここから、相応する相コネクタでの誘導電圧が求められる。

ステップＳ２では、各相に対する、このようにして求められた電圧が固定子固定のデカルト座標系に換算され、誘導電圧の値を得て、目下の回転子位置に対する誘導電圧の値および空間指標角度を得る。

ステップＳ３では、誘導電圧

の空間指標角度φに、相応する修正角度Ｋ（φ，ｎ）が加えられる（加算される）。この修正角度は、ルックアップテーブルからまたは相応する所定の関数から求められる。

修正された空間指標角度φ‘

が、ステップＳ４で計算される。修正された空間指標角度φ‘は回転子位置に相応する、ないしは、回転子位置はここから、簡易なオフセットを伴って導出される。

Claims (9)

1. 回転多相電子整流電動機（１）の回転子位置を求める方法であって、
   前記電動機（１）は複数の相巻線（４）を有しており、当該複数の相巻線は相コネクタを介して通電され、当該方法は、
   ・前記電動機（１）の相コネクタでの相電圧および相電流を求めるステップと、
   ・前記求められた相電圧と相電流から、前記電動機（１）の相コネクタでの誘導電圧を求めるステップと、
   ・前記誘導電圧によって決まる、前記誘導電圧の電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関連付けて提供するステップと、
   ・前記回転子位置を、前記固定子の固定デカルト座標系に関連付けて提供された、前記誘導電圧の電圧指標の空間指標角度として求めるステップと
   を有している、
   ことを特徴する、回転多相電子整流電動機（１）の回転子位置を求める方法。
2. 前記誘導電圧によって決まる、前記誘導電圧の電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関連づけて提供するステップを、
   前記求められた誘導電圧を固定子固定のデカルト座標系に変換することによって行う、または、
   前記電動機（１）の相コネクタでの、求められた相電圧および相電流から誘導電圧を求める前に、当該電動機（１）の相コネクタでの、求められた相電圧および相電流を固定子固定のデカルト座標系に変換することによって行う、請求項１記載の方法。
3. 前記誘導電圧の、変換された電圧指標の空間指標角度に修正角度を加え、当該修正角度は前記空間指標角度に依存している、請求項１または２記載の方法。
4. 前記修正角度を、前記電圧指標角度を用いておよび／または前記回転子の回転数を用いて求める、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記修正角度を、ルックアップテーブルを用いて、前記電圧指標角度および／または前記回転数の設定によって求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記電動機（１）の相コネクタでの相電圧および相電流を求めるステップを、
   前記相電圧および相電流を測定することによって、または、
   前記相電圧を、提供された中間回路電圧と、前記相コネクタを駆動制御するパルス幅変調のデューティ比とから求めることによって行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 回転多相電子整流電動機（１）の回転子位置を求める装置であって、
   前記電動機（１）は複数の相巻線（４）を有しており、当該複数の相巻線は相コネクタを介して通電され、当該装置は、
   ・前記電動機（１）の相コネクタでの相電圧および相電流を求めるための装置と、
   ・制御ユニットとを有しており、当該制御ユニットは、
   前記電動機（１）の相コネクタでの誘導電圧を求めるために、
   前記誘導電圧によって決まる、前記誘導電圧の電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関連付けて提供するために、および
   前記回転子位置を、前記固定子固定デカルト座標系に関して提供された、前記誘導電圧の電圧指標の空間指標角度として求めるために、
   構成されている、
   ことを特徴する、回転多相電子整流電動機（１）の回転子位置を求める装置。
8. 回転多相電子整流電動機（１）と、請求項７記載の装置とを有しているモーターシステム。
9. プログラムコードを含んでいるコンピュータープログラム製品であって、前記プログラムコードは、データ処理ユニット上で実行される場合に、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法において、
   ・前記電動機（１）の相コネクタでの相電圧および相電流に関する情報を受信するステップと、
   ・前記求められた相電圧と相電流から、前記電動機（１）の相コネクタでの誘導電圧を求めるステップと、
   ・前記誘導電圧によって決まる、前記誘導電圧の電圧指標を、固定子固定のデカルト座標系に関連付けて提供するステップと、
   ・前記回転子位置を、前記誘導電圧の変換された電圧指標の空間指標角度として求めるステップとを実行する、
   ことを特徴とするコンピュータープログラム製品。

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