JP2017161515A

JP2017161515A - モータ速度の推定のためのセンサミスアライメント学習の方法

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Publication number: JP2017161515A
Application number: JP2017036988A
Authority: JP
Inventors: バンジンケルヨハネス; Van Ginkel Johannes
Original assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: DE102017203175B4; JP6362188B2; DE102017203175A1

Abstract

【課題】電気モータ速度を推定する方法を提供する。【解決手段】電気モータのシーケンスサイクルが生じたかどうかを決定する方法２００は、ステップ２０６でそれぞれのホール状態に関する補正係数を算出する。ステップ２０８で電気モータのシーケンスサイクルが生じた場合、シーケンスサイクルの補正係数に関する更新品質係数も算出する。ステップ２１０で更新品質係数を利用して補正係数を更新する。ステップ２１２で更新された補正係数を利用して電気モータの速度信号を更新する。【選択図】図７

Description

［関連出願の相互参照］本願は、２０１６年２月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／３０１，５６６号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、モータ速度の推定に関する。ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータ及び電気モータは概して、いくつかのカスケード接続された閉ループコントローラを用いて、多くの場合制御される。それらのループのうちの１つは、モータ速度を制御し、且つ、速度設定値を電気モータの実際の速度と比較する。電気モータの実際の速度は直接的に測定されないので、電気モータの実際の速度は、モータ位置のような情報を利用して推定され得る。本明細書で開示されている主題は、ホール効果センサの情報から電気モータ速度を推定し、ホール効果センサ部分、及び、環状磁石の不規則性におけるミスアライメントを考慮する方法を説明する。

従来のＢＬＤＣモータは、典型的には、巻線をその上に持ち電磁極を有するステータと、永久磁石の磁極の対を生み出す永久磁石を備えるロータとを含む。ステータ及びロータは、電流がステータ巻線内を流れる場合に、磁気的に相互作用する。ステータ巻線のそれぞれを流れる電流の相転流は、適切なときに実行され、連続的に回転する磁界を形成する。それは、ロータ位置が、正しく認識される場合に達成され得る。

ＢＬＤＣモータは、最も一般には、ホール効果センサがモータに埋め込まれた３相構造を利用し、それぞれの相に関して転流位置を規定する。従来の３相ＢＬＤＣモータは、複数の磁極を有するロータを含み、典型的には２つから８つの対の磁極を含む。図１に示されているように、３相ＢＬＤＣモータは、転流の６つの状態を有する（本明細書において、ホール状態とも称される）。転流シーケンスにおける６つの状態全てが実行されている場合に、シーケンスは、回転を続けるべく繰り返される。環状磁石の磁極の対の数は、機械的回転毎の電気的回転の数を決定する。例えば、２つの対の磁極を持つロータを有するＢＬＤＣは、モータを１回スピンさせるべく２回の電気的回転を必要とする。換言すると、２回の電気的回転が、１回の機械的回転を生成する。

ＢＬＤＣモータにおけるホール効果センサは、典型的には、ロータの環状磁石の極位置の感知に用いられ、ホール効果センサ信号の変化に基づいて、モータを転流する。換言すると、ホール効果センサは、ステータ巻線において電流を制御するべく利用され、それにより、ＢＬＤＣモータのトルクを制御する。ホール効果センサは、コスト効率の良い位置センサであるという理由で利用される。

従来のＢＬＤＣモータは、モータの非駆動端においてステータ内に埋め込まれる３つのホール効果センサを有する。ロータの磁極がホール効果センサの近傍を通る場合に、ホール効果センサは、Ｎ磁極又はＳ磁極がホール効果センサの近傍を通ることを示す高信号又は低信号（すなわち、パルス）をもたらす。３つのホール効果センサの組み合わせに基づいて、転流の正確なシーケンスが決定され得る。ホール状態は、１又は複数のホール効果センサに対するロータの所定の位置によって、又は、ロータの所定の位置の連続的なセットによって定義される。

典型的なＢＬＤＣモータの動作において、ＢＬＤＣモータの３相のうちの２つが、電流を導通し、一方で第３の相は、モータが回転するべくゼロ電流（すなわち、無効な相）を有する。従来の３相ＢＬＤＣモータは、ホール効果センサを用いる。それぞれのホール状態は、３相のうちのどの２つが有効（すなわち、無効ではない）であるかを示す。ホール状態は、ロータの位相と電圧が加えられる必要がある方向との１対１の関係を生み出すべく用いられ得る。ここで６つの可能なホールの位相の組み合わせがあり、これが、ちょうど１回の電気的回転をカバーする。従って、３相ホール効果センサを用いた位置分解能は、電気的回転のうちの６分の１に限定される。

モータ速度を推定する従来の方法は、完全なホール効果パルスに基づいており、ホール効果信号の上昇端上でトリガする段階、及び、対応する機械的度数を最後のホール周期（すなわち、第１のパルスと第２のパルスとの間の周期）の持続時間で除算する段階を含む。しかしながら、図４で示されているように、従来の方法で集められた情報は、モータの完全な電気的回転の1回分遅延する。従って、異なる方法を通じて、速度推定をより速い応答で取得することが望まれる。

図４に示されているように、本明細書において説明される方法は、個々のホール状態の持続時間に着目することによって、モータ速度をより速い応答で推定する。この速度を推定する技法は、推定されるモータ速度により多くのノイズをもたらし得る。従って、本方法は、モータの特性を学習することによって、推定されるモータ速度におけるノイズの影響を減少させる。本方法は、従来の平均的な方法によって生成される更なる遅延をもたらすことなく、ＢＬＤＣモータ速度の推定においてノイズを減少させる。

本開示は、電気モータ速度を推定する方法を提供する。方法は、電気モータのシーケンスサイクルが生じたかどうかを決定する。方法は、それぞれのホール状態に関する補正係数を算出する。電気モータのシーケンスサイクルが生じた場合、方法は、シーケンスサイクルの補正係数のセットに関する更新品質係数も算出する。加えて、方法は、更新品質係数を利用して補正係数を更新する。方法は、更新された補正係数で、電気モータの速度信号を更新する。

添付の図面は、明細書の一部として、本明細書に組み込まれる。本明細書において説明されている図面は、ここで開示されている主題の実施形態を示し、本開示の選択された原則及び教示の例示である。しかしながら、図面は、ここで開示されている主題の可能な実装の全てを示してはおらず、本開示の範囲を何ら限定することを意図しない。

ここで開示されている主題の実施形態に係る、１回の電気的回転の間のホール効果信号の概略図である。

ここで開示されている主題の実施形態に係る、速度信号における可能性のあるノイズの発生源としてのホール効果センサのミスアライメントのグラフィック図である。

ここで開示されている主題の実施形態に係る、速度信号における可能性のあるノイズの発生源としての環状磁石の不規則性のグラフィック図である。

ホール効果センサのモータ速度の推定の従来の方法を利用する時間遅延結果のグラフィック図であって、ここで開示されている主題の実施形態に係る、モータ速度の推定のためのホール効果センサのミスアライメント学習の方法と比較される。

ホール効果センサのモータ速度の推定の従来の方法を利用する周波数領域結果のグラフィック図であって、ここで開示されている主題のモータ速度の推定のためのホール効果センサのミスアライメント学習の本方法と比較される。

モータ速度の推定のためのホール効果センサのミスアライメント学習の方法の第２の実装を利用する速度信号のノイズ削減結果のグラフィック図であって、未補正の結果、ホール効果センサのミスアライメントを補正した結果、並びに、ホール効果センサのミスアライメント及び環状磁石の不規則性を補正した結果を比較している。

ここで開示されている主題の実施形態に係る、ホール効果センサのモータ速度の推定の方法を示すフローチャートである。

ここで開示されている主題の別の実施形態に係る、ホール効果センサのモータ速度の推定の方法を示すフローチャートである。

本発明は、明示的にそうでないと特定されている場合を除き、様々な代替的な適応及びステップのシーケンスを想定してよいことが理解されるべきである。添付の図面に示され、以下の明細書において説明されている特定の装置、アセンブリ、システム、及び工程は、本明細書で定義される発明の概念の単なる例示的な実施形態であることも、理解されるべきである。従って、開示されている実施形態に関する特定の寸法、方向、又は他の物理的な特性は、明示的にそうでないと述べられていない限り、限定的なものと見なされるべきではない。また、そうでない場合もあるが、本明細書で説明されている様々な実施形態における同様の要素は、本願のこのセクション内における同様の参照番号で一般に称され得る。

ＢＬＤＣモータは、自動車、航空宇宙、消費財、医療、工業用自動化設備、計装アプリケーションを含む多くの産業にわたる用途において利用されている。本明細書で開示されている主題は、全輪駆動車の接続／遮断システムの動作において利用され得る。しかしながら、当業者は、本明細書で開示されている主題が、電気モータ及びホール効果センサを利用するあらゆる用途に適用され得ることを認識するであろう。

実施形態において、本方法２００、３００は、複数のホール効果センサのうちのいずれか１つが状態を変化させる場合に、ＢＬＤＣモータ速度の信号を更新する。図２及び図３に示されているように、本方法２００、３００を利用することは、ホール効果センサオフセット及び環状磁石の不規則性によって生み出される信号においてノイズを生成し得る。従って、信号においてノイズの影響を最小化するべく、方法２００、３００は、個別のホール状態の期間をシーケンスサイクル全体の期間と比較する。シーケンスサイクル全体は、方法２００においてのように、ホール効果センサのオフセット補正を実行する場合には電気的回転であり、方法３００においてのように、環状磁石の不規則性の補正を実行する場合には機械的回転である。方法の第１ステップ２０４、３０４は、シーケンスサイクル全体が生じたかどうかを決定する。２０４Ａ、３０４Ａにおいて、シーケンスサイクル全体が生じていないと決定される場合、方法２００、３００は、（図内で説明される）第５ステップ２１２、３１２において、先のシーケンスサイクル全体において算出された補正係数を利用して電気モータ速度を算出する。２０４Ｂ、３０４Ｂにおいて、シーケンスサイクル全体が生じたと決定される場合、方法２００、３００は、図内で説明される第２ステップ２０６、３０６に続く。方法２００、３００は、反復過程であり得、方法は、モータ速度が第５ステップ２１２、３１２において算出された後に、第１ステップ２０４、３０４で再開される。

図７及び図８に示されているように、方法２００、３００の第２ステップ２０６、３０６は、新たな補正係数を算出する段階を含む。方法２００においてのようなホール効果センサのオフセット補正の場合（図７参照）、それぞれのホール状態に関して１つの補正係数がある。３つのホール効果センサの組み合わせがある例において、ｎ＝６の補正係数がある。方法３００において、３つのホール効果センサの組み合わせを有する例において、環状磁石の不規則性も、補正される（図８を参照）。方法３００において、ｎ＝６＊ｐの補正係数があり、ここで、ｐは、環状磁石上の磁極の数である。ここで図１を参照すると、１つの対の磁極（すなわち２つの磁極）を有する環状磁石１００が、６つのホール状態のそれぞれにおいて図示され、それぞれのホール状態の変化は、点１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２で示される。

図６及び図７に示されているように、ここで、ホール効果センサのオフセット補正を対象とする方法２００を参照する。最初のホール状態に関わらず、完全な電気的回転が生じた場合に、モータの方向が完全な電気的回転の間変化しないように、新たな補正係数が算出され得る。ＢＬＤＣモータが一方向における電気的回転を完了するように、ホール状態が同じ方向に進むような態様で（例えば、｜１２３４５６｜１２３４５６｜）ＢＬＤＣモータが動いている場合、方法は、新たな補正係数を算出するために進む。換言すると、方法は、先の電気的回転が、最初のホール状態に関わらず、単一の方向に動いていた場合に、ホール状態の変化１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２のそれぞれの後で、新たな補正係数を算出する第２ステップ２０６、３０６に進む。例えば、以下のシーケンスは、一方向における完全な電気的回転（すなわち、６つのホール状態）を図示し、最初のホール状態が無関係であることを示す。単一の方向において動いている１回の電気的回転における６つのホール状態は、下線で示されている。
１｜２３４５６１｜２３４５６；１２｜３４５６１２｜３４５６；１２３｜４５６１２３｜４５６等。ＢＬＤＣモータ速度は、ホール状態の変化１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２のそれぞれの後で算出される。しかしながら、第２ステップ２０６、３０６で説明されるホール状態に関する補正係数は、ＢＬＤＣモータが、最後の完全なシーケンスサイクルにおいて単一の方向に動いていた場合のみ更新され得る。

ｔに関して上に説明されているように、シーケンスサイクル全体が生じていない場合、以下に説明される方法２００、３００の第３ステップ２０８、３０８及び第４ステップ２１０、３１０は省略され、方法２００、３００は、先のシーケンスサイクルの補正ベクトルを利用してモータ速度を算出する（第５ステップ２１２、３１２を参照）。

それぞれのホール状態ｉに関する補正係数ｃ_ｉは、

を利用して算出され得る。

ここで、ｎは補正係数の数、ｔ_ｉは、１つのホール状態において費やされる時間、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、シーケンスサイクル全体において費やされる時間である。ホール効果センサの補正のみの場合、３つのホール効果センサオフセット及び６つの補正係数がある。結果として生じる補正係数は、物理的なホール効果センサのオフセットを直接的に記述しない。物理的なホール効果センサのオフセットは、補正係数から導き出されてよいが、ホール効果センサオフセットの導出は、本明細書において更には説明されていない。しかしながら、図内で説明されるように、補正係数と物理的なホール効果センサのオフセットとの間の関係性は、シーケンスサイクル全体からの新たな補正係数のセットの品質を評価するべく利用され得る。

方法２００、３００の第３ステップ２０８、３０８は、シーケンスサイクル全体からの補正係数の現在のセットの品質を決定するべく更新品質係数を算出する段階、及び、０と１との間の値において品質に関する情報を取り込む段階を含む。現在の補正係数の品質は、当該補正係数が算出されたシーケンスサイクル全体の間の加速度効果に部分的に依存する。従って、速さが略一定に保たれる場合、方法は、ホール効果センサオフセット及び環状磁石の不規則性の正確な推定を取得し、速さが増加する場合、加速度効果が、ホール効果センサオフセット及び環状磁石の不規則性の推定を歪める。電気的回転は、機械的回転より短いので、ホール効果センサの補正の間に好適な条件を取得する可能性は、環状磁石の不規則性の補正の間に好適な条件を取得する可能性より高い。

ホール効果センサの補正係数の現在のセットに関する品質係数を算出するための手順は、以下の３つの手順を含むが、これらに限定されなない。第１の手順は、取得された補正ベクトル（すなわち、シーケンスサイクルに関する補正係数のセット）が物理的に実行可能であるかどうかを、取得された補正ベクトルをホール効果センサ位置の物理的な制約と比較することによって確認する段階を含む。第１の手順において、ＢＬＤＣモータの加速度は、それらの所定の位置とは異なるホール効果センサ位置を示すホール効果センサ信号を提供する。例えば、ホール効果センサのうちの１つが、特定の係数によってオフセットされた場合、完全な電気的回転の６つのホール状態に対する影響は、以下の形式をとる。
［１＋ε，１，１−ε，１＋ε，１，１−ε］

第２の手順は、モータのデューティ比のような外部信号を用いる段階であって、実際のＢＬＤＣモータ速度を決定し、且つ加速度を検出するための二次的な情報源を提供する段階を含む。モータの転流の間、デューティ比は、転流相における電圧を制御する。０％のデューティ比は、３相インバータスイッチが常に閉じていることを示し、１００％のデューティ比は、３相インバータスイッチが常に開いていることを示す。０％から１００％の間でデューティ比を設定することは、電気モータの転流相が、パルス幅変調信号を用いて、ゼロと最大電圧との間の所望の電圧に制御されることを意味する。

ホール効果センサの補正係数に関する品質係数を取得する第３の手順は、補正係数自体を用いて加速度の傾向を検出する段階を含む。前の補正係数の全てが、明らかに増加又は減少している場合、ＢＬＤＣモータは加速した。それぞれの手順において、加速度レベルがより高いと、その更新の品質係数がより低くなる。０と１との間の所定の値は、ＢＬＤＣモータの加速度の範囲に割り当てられる。

方法２００、３００の第４ステップ２１０、３１０は、方法２００、３００の第３ステップ２０８、３０８で算出される品質係数を利用して補正係数を更新する段階を含む。補正係数のベクトルは、以下のような品質係数を利用して更新され得る。

ここで、ｃ_{ｕｐｄａｔｅｄ}は、更新された補正ベクトル、ｃ_ｎｅｗは、新たな補正ベクトル、ｗ_ｎｅｗは、品質係数、ｃ_ｏｌｄは、最後のシーケンスサイクルから先に算出された補正ベクトル、ｗ_{ｔｏｔａｌ}は、先の品質係数の和、である。第４ステップ２１０、３１０において、補正係数は、忘却係数の形式を組み込むことを含むがこれに限定されない、他の方法を利用して更新され得る。

方法２００、３００の第５ステップ２１２、３１２は、以下のような更新された補正係数を利用してＢＬＤＣモータ速度を算出する段階を含む。

ここで、

は、１秒あたりの度（度／秒）のモータ速度、ｃ_ｉは、先のホール状態に関する補正係数、αは、ホール状態毎の機械的度数、ｔ_ｐｒｅｖは、先のホール状態において費やされる時間、である。方法２００、３００は、最低モータ速度の実装のため、方向反転の場合のｔ_ｐｒｅｖの外れ値の確認のため、及び／又は、現在のタイマと比較して予測的な手法で減速を検出するため、の更なるステップも含み得る。例えば、第１のホール状態において費やされる時間が１ｍｓで、且つ、モータが、現在第２のホール状態である場合、方法２００、３００は、第１のホール状態においてモータが費やした時間を利用して、通常、モータ速度を算出する。しかしながら、第２のホール状態において費やされる時間が、第１のホール状態の持続時間（すなわち、この例においては１ｍｓ）より長いことが明らかで、且つ、モータが、まだ第３のホール状態ではない場合、方法２００、３００は、第２のホール状態を利用してモータ速度を算出し得る。それは、電気モータ速度が減少していることが明らかであるからである。

方法２００、３００は、複数の手法で実施され得る。第１の実施形態において、方法２００、３００は、エンドオブラインテストにおいてのような制御された条件下で実施され、個々のＢＬＤＣモータの特性をマッピングする。この実装は、ホール効果センサのミスアライメント及び環状磁石の不規則性が、モータの寿命にわたって変化しないことを前提とする。しかしながら、環状磁石補正の場合、モータは、モータが初期化される度に、環状磁石の位置を再度学習する。

第２の実施形態において、方法２００、３００は、それと関連したシステム（例えば、自動車）の動作の間にオンラインで実施される。この第２の実装は、モータ内のアライメントがモータの寿命にわたって変化し得る厳しい環境下で価値を提供し得る。

ここで開示されている主題の様々な実施形態が上述された一方で、それらは、例示を目的として提示されており、限定するものではないことが理解されるべきである。開示されている主題は、その趣旨又は本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形式で具現化され得ることが、当業者に対して明らかであろう。上述された実施形態は、従って、すべでの点において例示的であり、限定的ではないと見なされる。

Claims

電気モータ速度を推定する方法であって、
それと結合される少なくとも１つのホール効果センサを有するステータ、及び、少なくとも１つの磁極の対を有するロータを含む電気モータを設ける段階と、
前記電気モータのそれぞれのホール状態に関する補正係数を算出する段階と、
前記電気モータのシーケンスサイクルが生じたかどうかを決定する段階と、
前記電気モータが前記シーケンスサイクルを経たときの、更新品質係数を算出する段階と、
シーケンス全体が生じたときの、前記更新品質係数を利用して前記補正係数を更新する段階と、
前記補正係数を利用して前記電気モータの速度信号を算出する段階と、を備える方法。
第２のシーケンスサイクルが生じていないときの、先のシーケンスサイクルからの補正ベクトルを利用して前記電気モータ速度を算出する段階を更に備える、請求項１に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記シーケンスサイクルは、１回の電気的回転である、請求項１又は２に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記ホール状態のうちの１つに関する補正係数を算出する段階は、
前記シーケンスサイクルにおけるホール状態の数を決定する段階と、
それぞれの前記ホール状態の持続時間を決定する段階と、
前記シーケンスサイクルの持続時間を決定する段階と、
前記シーケンスサイクルにおける前記ホール状態の数を前記ホール状態のうちの１つの前記持続時間で乗算し、第１の積を生成する、段階と、
前記第１の積を前記シーケンスサイクルの前記持続時間で除算する段階と、を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
更新品質係数を算出する段階は、
前記シーケンスサイクルの前記補正係数を前記少なくとも１つのホール効果センサの物理的な制約と比較し、前記補正係数の精度を決定する、段階と、
前記精度から値を決定する段階と、を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
更新品質係数を算出する段階は、
前記電気モータのデューティ比から前記電気モータの速度を決定する段階と、
前記デューティ比から前記電気モータの加速度を決定する段階と、
前記電気モータの加速度から値を決定する段階と、を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
更新品質係数を算出する段階は、
前記シーケンスサイクルのそれぞれの前記補正係数を比較し、前記電気モータの加速度を決定する、段階と、
前記電気モータの加速度から値を決定する段階と、を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記更新品質係数を利用して前記補正係数を更新する段階は、
新たな補正ベクトルを新たな更新品質係数で乗算し、第１の積を生成する、段階と、
先に算出された補正ベクトルを前記更新品質係数の和で乗算し、第２の積を生成する、段階と、
前記第１の積を前記第２の積に加算し、第１の和を生成する、段階と、
前記新たな更新品質係数を前記更新品質係数の前記和に加算し、第２の和を生成する、段階と、
前記第１の和を前記第２の和で除算する段階と、を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記更新された補正係数を利用して前記電気モータの速度信号を算出する段階は、
前記補正係数のうちの１つを、前記補正係数に関連する前記ホール状態の間に前記ロータによって移動された機械的度数で乗算し、第１の積を生成する、段階と、
前記第１の積を前記ホール状態より先のホール状態の持続時間で除算する段階と、を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記シーケンスサイクルは、１回の機械的回転である、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記電気モータは、カスケード接続された閉ループコントローラによって制御される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記補正係数を更新する段階は、忘却係数を組み込む段階を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
エンドオブラインテストの間に、前記電気モータの特性をマッピングする段階を更に備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。
前記電気モータは、自動車の全輪駆動遮断装置に結合される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電気モータ速度を推定する方法。