JP2017192298A - ブラシレス直流モータ、および、ブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置センシングの分解能が改善されたＢＬＤＣモータを提供する。
【解決手段】ＢＬＤＣモータ１０は、制御システム３０と、表面に複数の互い違いの磁極を有するモータ磁石２０を含むロータ１４と、ステータ１２と、環状磁石と、を有する。環状磁石は、モータ磁石に軸方向に隣接してロータ上に取り付けられる。環状磁石上の極数がモータ磁石上の極数の整数倍である。また、ＢＬＤＣモータを制御するための方法が提供され、モータに電流を供給する段階と、モータによって生成されたトルクが正または負の方向にあるかを決定する段階と、トルクの方向に基づいて乗数を決定する段階と、供給電流に乗数を掛ける段階と、電流をモータに提供すべく転流シーケンスを実行する段階と、複数の巻線のそれぞれの電流を測定する段階と、測定した電流に基づいて、モータに提供される電流を調整する段階と、を含む。
【選択図】図１

Description

［関連出願］
本出願は、２０１６年４月１３日に出願された米国仮出願第６２／３２１，８７１号の優先権を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、環状磁石を有し、環状磁石上の極数がモータ磁石上の極数の倍数であるＢＬＤＣモータと、当該モータの位置を決定するための方法および制御システムとに向けたものである。

ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータは、自動車、航空宇宙、消費者、医療、産業オートメーション機器および計測用途を含む、多くの産業にわたる用途に利用される。ＢＬＤＣモータは、巻線が巻かれた電磁石の磁極を有するステータと、磁石が表面に取り付けられて永久磁石の極を形成するロータとを備える。ステータおよびロータは、電流が巻線を流れるときに磁気的に互いに影響し合う。ＢＬＤＣモータは、ロータ位置に同期される転流された電流の巻線への供給を必要とする。それぞれの巻線を通って流れる電流の相転流は、連続回転磁界を形成するのに適切な時点で実行される。これは、ロータ位置が正しく認識されるときに達成され得る。

ＢＬＤＣモータは、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）ごとの転流位置を画定すべく、モータに埋め込まれたホール効果センサ付きの３相構成を最も一般的に使用する。従来の３相ＢＬＤＣモータは、複数の磁極を有するロータと、Ｕ、ＶおよびＷ相の巻線を含むステータと、を備える。３相ＢＬＤＣモータは、６つの状態の転流を有する。転流シーケンスにおける６つの状態のすべてが実行されると、回転を継続すべく、当該シーケンスが繰り返される。

ＢＬＤＣモータの中にあるホール効果センサは、ホールセンサ信号の変化に基づいて当該モータを転流するのに使用され、且つ、位置センシング用である。ホール効果センサによって感知された磁界は、典型的に、モータのロータ上にある磁石によって、または、追加の環状磁石によって、生成される。ホール効果センサは、位置を感知する費用効果的な解決策として使用される。

一般に、ＢＬＤＣモータは、モータの非駆動端上にあるステータに組み込まれた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くを通過するとき、センサは、Ｎ極またはＳ極がセンサの近くを通過しているかどうかを示す高信号または低信号を提供する。３つのホール効果センサの組み合わせに基づいて、転流の的確なシーケンスが決定され得る。

典型的なＢＬＤＣの動作において、モータを回転させるべく、ＢＬＤＣモータの３相のうちの２相が電流を流し、その一方で、他の１相がゼロ電流、すなわち、デッドフェーズを有する。典型的な３相ＢＬＤＣモータは、３相のうちのどの２相がアクティブ（すなわち、死んでいない）であるかを示すホール効果センサを有する。ホール状態（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）は、ロータ相と１対１の関係を作り、電圧をかけられる必要のある方向を作るのに使用され得る。１つの電気的周期をちょうどカバーする６つのホール相の組み合わせを考えることができ、従って、３相ホール効果センサを用いた位置分解能は、１つの電気的周期の６分の１に制限される。

上記の欠点を考慮すると、位置センシングの分解能が改善されたものを提供すべく、ホール効果センサおよび環状磁石を使用するＢＬＤＣモータを有することが有益となるであろう。

本明細書で提供されるものは、制御システムと、ロータと、ステータと、環状磁石と、を有するＢＬＤＣモータである。ロータは、半径方向内面および半径方向外面を有するロータコアと、ロータコアに駆動接続されたシャフトと、半径方向外面、半径方向内面、およびそれらの上の複数の互い違いの磁極を有するモータ磁石と、を備える。モータ磁石は、ロータコアの半径方向外面上に配置される。ステータは、開口を画定する中央環状部と、外側環状部と、半径方向に巻線が巻かれた複数のポールアームと、制御システムと電気通信するセンサのセットと、を有する。ポールアームは、中央環状部から外側環状部に延在し、センサは、中央環状部から外側環状部に延在する。環状磁石は、モータ磁石に軸方向に隣接してロータ上に取り付けられ、複数の互い違いの磁極を有する。環状磁石上の極数は、モータ磁石上の極数の整数倍である。

本明細書で提供されるのは、ブラシレス直流モータにおけるロータの位置を制御する方法である。この方法は、ロータと、ステータと、表面に多数の磁極を有し、ロータに取り付けられたモータ磁石と、モータ磁石に軸方向に隣接してロータ上に取り付けられ、表面に多数の磁極を有する環状磁石と、を含むブラシレス直流モータを提供する段階を備える。ステータは、複数の巻線および複数のセンサを含み、環状磁石上の極数は、モータ磁石上の極数の２倍である。当該方法は、モータに電流を供給する段階と、モータによって生成されたトルクが正の方向にあるか負の方向にあるかを決定する段階と、トルクの方向に基づいて乗数を決定する段階と、供給電流に乗数を掛ける段階と、電流をモータに提供すべく転流シーケンスを実行する段階と、複数の巻線のそれぞれにおける電流を測定する段階と、を備える。

複数の添付の図面を考慮しつつ以下の詳細な説明が考慮されれば、複数の本実施形態の上記の、並びにその他複数の利点が、当業者には容易に明らかになるであろう。

図１は、ＢＬＤＣモータの好ましい実施形態における上面概略図である。 図２は、環状磁石の好ましい実施形態における概略斜視図である。 図３は、図２における環状磁石の概略側面図である。 図４は、環状磁石およびＢＬＤＣモータのモータ磁石の好ましい実施形態における概略斜視図である。 図５は、ＢＬＤＣモータおよびＢＬＤＣモータの先行技術の好ましい実施形態におけるホール状態および相電圧との間の関係を示すグラフである。 図６は、ＢＬＤＣモータの制御システムの好ましい実施形態におけるブロック図である。 図７は、１電気的周期中における、図４の環状磁石およびモータ磁石の環状周期を示すグラフである。 図８は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、ＢＬＤＣモータへの電流を制御する方法の好ましい実施形態におけるブロック図である。 図９は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、ＢＬＤＣモータへの電流を制御する方法の他の好ましい実施形態におけるブロック図である。 図１０は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、トルクの方向を決定する方法の好ましい実施形態におけるブロック図である。 図１１は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、乗数の値を決定する方法の好ましい実施形態におけるブロック図である。 図１２は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、トルクの方向の変化を検出する方法の好ましい実施形態におけるブロック図である。 図１３は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、トルクの方向の変化を検出する方法の他の好ましい実施形態におけるブロック図である。 図１４は、制御システムの好ましい実施形態によって実施される、トルクの方向の変化を検出する方法の他の好ましい実施形態におけるブロック図である。

好ましい複数の実施形態は、そうではないと明示的に特定している場合を除き、様々な代替的方向性および段階シーケンスを想定してもよいことが理解されるべきである。また、添付された図面に示され、以下の明細書で説明される特定のデバイスおよびプロセスは、本明細書で定義される発明概念の単なる例示的実施形態であることも理解されるべきである。したがって、開示される複数の実施形態に関する具体的な寸法、方向、または、その他の物理的特性は、限定するものとみなしてはならない。

当業者であれば、本明細書に記載される制御システムを含めて又は制御システムに関連して、本明細書で開示される複数の実施形態と共に説明される、例えば、様々な実例の論理ブロック、モジュール、回路、方法、スキーム、及び、アルゴリズム段階は、電子ハードウェアとして、コンピュータ可読媒体上に格納されてプロセッサによって実行可能であるソフトウェアとして、またはその両方の組み合わせとして、任意に実装されることを認識するであろう。

このハードウェアとソフトウェアとの互換性を明確に説明すべく、様々な例示的コンポーネント、ブロック、モジュール、回路、方法、スキーム、及び、段階が、それらの機能性の面から上記で概略的に説明された。そのような機能性がハードウェアとして実装されるかソフトウェアとして実装されるかは、その特定の用途、および、システム全体に課される設計的制約次第である。当業者であれば、その説明される機能性を、それぞれの特定の用途のために異なる方法で実施できるであろう。しかしながら、そのような実施決定は、本実施形態の範囲からの離脱を引き起こすものと解釈されるべきではない。例えば、本明細書で開示される複数の実施形態と共に記載される、様々な実例の論理ブロック、モジュール、方法、スキーム、及び、回路は、本明細書に記載される複数の機能を実行すべく設計される、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または他のプログラマブル論理デバイス、離散ゲート、またはトランジスタ論理、離散ハードウェアコンポーネント、またはそれらの任意の組み合わせで任意に実施されるか、または実行される。汎用プロセッサは、任意にマイクロプロセッサであるが、代替的には、プロセッサは任意に従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンである。プロセッサは、また、複数のコンピューティングデバイスの組み合わせとして、例えば、ＤＳＰと、１つのマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと関連する１または複数のマイクロプロセッサ、又は、任意の他のそのような構成との組み合わせとして、任意に実装される。

そのようなモジュールと関連するソフトウェアは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ‐ＲＯＭまたは当技術分野で公知である任意の他の適切な形態の記憶媒体に任意に存在する。例示的な記憶媒体はプロセッサに結合され、これにより、プロセッサは、記憶媒体からの情報を読み取り、且つ記憶媒体に情報を書き込むことができる。代替的には、記憶媒体は、任意にプロセッサと一体化である。プロセッサおよび記憶媒体は、任意にＡＳＩＣに存在する。例えば、１つの実施形態において、モータの制御用のコントローラは、プロセッサ（図示せず）を含む。

ある実施形態において、本明細書中の制御システムは、デジタル処理デバイスを含み、または、当該システムの機能を実行する１または複数のハードウェア中央処理装置（ＣＰＵ）を含んでいる同デバイスの使用を含む。また、さらなる実施形態において、デジタル処理デバイスは、実行可能な命令を実行することを構成するオペレーティングシステムをさらに含む。ある実施形態において、デジタル処理デバイスは、コンピュータネットワークに任意に接続されている。さらなる実施形態において、デジタル処理デバイスは、インターネット、クラウドコンピューティングインフラストラクチャ、イントラネット、またはデータストレージデバイスに任意に接続される。

本明細書における説明によれば、適切なデジタル処理デバイスは、非限定的な例として、サーバコンピュータと、デスクトップコンピュータと、ラップトップコンピュータと、ノートパソコンと、ハンドヘルドコンピュータと、インターネットアプライアンスと、モバイルスマートフォンと、タブレットコンピュータと、を含む。ある実施形態において、デジタル処理デバイスは、実行可能な命令を実行するように構成されたオペレーティングシステムを含む。オペレーティングシステムは、例えば、プログラムおよびデータを含むソフトウェアであり、デバイスのハードウェアを管理し、アプリケーションの実行のためのサービスの提供をする。

ある実施形態において、デバイスは、ストレージおよび／またはメモリデバイスを含む。ストレージおよび／またはメモリデバイスは、データまたはプログラムを一時的または永久的なベース上に格納するのに使用される１または複数の物理的装置である。ある実施形態において、デバイスは、揮発性メモリであり、格納された情報を保持すべく電力を必要とする。ある実施形態において、デバイスは、不揮発性である。他の実施形態において、デバイスは、ストレージデバイスであり、非限定的な例として、ＣＤ−ＲＯＭと、ＤＶＤと、フラッシュメモリデバイスと、磁気ディスクドライブと、磁気テープドライブと、光ディスクドライブと、クラウドコンピューティングベースのストレージと、を含む。さらなる実施形態において、ストレージおよび／またはメモリデバイスは、本明細書に開示されるデバイスなどの、複数のデバイスの組み合わせである。

ある実施形態において、本明細書に開示されるモータのための制御システムは、少なくとも１つのコンピュータプログラムまたは、同プログラムの使用を含む。コンピュータプログラムは、特定のタスクを実行するように書き込まれたデジタル処理デバイスのＣＰＵにおいて実行可能である、複数の命令のシーケンスを含む。コンピュータ可読命令は、特定のタスクを実行する、または、特定の抽象データ型を実施する、機能、オブジェクト、アプリケーションプログラミングインタフェース（ＡＰＩ）、データ構造などのプログラムモジュールとして任意に実装される。本明細書において提供される開示を考慮すると、当業者であれば、コンピュータプログラムが様々な言語の様々なバージョンで任意に書かれることを認識するであろう。

コンピュータ可読命令の機能性は、様々な環境で所望されるように、任意に結合または分配される。ある実施形態において、コンピュータプログラムは、複数の命令の１シーケンスを含む。ある実施形態において、コンピュータプログラムは、複数の命令の複数のシーケンスを含む。ある実施形態において、コンピュータプログラムは、１つの位置から提供される。他の実施形態において、コンピュータプログラムは、複数の位置から提供される。様々な実施形態において、コンピュータプログラムは、１または複数のソフトウェアモジュールを含む。

ある実施形態において、デジタル処理デバイスは、実行可能な命令を実行するように構成されたオペレーティングシステムを含む。オペレーティングシステムは、例えば、プログラムおよびデータを含むソフトウェアであり、デバイスのハードウェアを管理し、アプリケーションの実行のためのサービスを提供する。

図１に図示するように、１つの好ましい実施形態において、ＢＬＤＣモータ１０は、ステータ１２と、電力を機械動力に転換すべく、ステータ１２に関して回転可能なロータ１４とを有する。ロータ１４は、シャフト１６と、ロータコア１８と、モータ磁石２０と、を含む。ロータコア１８は、半径方向内面１８ａおよび半径方向外面１８ｂを有する。ロータコア１８は、内面１８ａ上のシャフト１６に接続される。シャフト１６は、回転シャフトである。ある実施形態において、シャフト１６は、モータ１０の駆動シャフト（図示せず）に結合されている。モータ磁石２０は、一般に、環状形であり、ロータコア１８の外面１８ｂ上に配置されている。モータ磁石２０は、ロータ１４がステータ１２との誘導を有し得るように、ステータ１２の内面に面している半径方向外面２０ｂを有する。したがって、モータ磁石２０は、ステータ１２の内側で回転する。ある実施形態において、モータ磁石２０は、互い違いに配置された複数の磁極、すなわちＮ極およびＳ極を形成する、複数の永久磁石２２のセットを含む。磁石２２は、ロータコア１８の周りに、円周方向に均一に離間される。１つの実施形態において、図１に示されるように、モータ磁石２０は、２つの磁極Ｎ、Ｓから構成されているが、モータ１０の用途に応じて極数は変化し得る。

ある実施形態において、ステータ１２は、ロータ１４が内側に嵌る中央開口１２ｂを画定する、中央環状部１２ａを含む。放射状巻線２６で巻かれた複数のポールアーム２４は、中央環状部１２ａから外側環状部１２ｃに向かって延在する。巻線２６は、制御システム３０によって、ロータ１８の瞬時位置と必ず同期されるシーケンスに従って、切り替え自在に駆動される。ある実施形態において、制御システム３０は、コントローラ（図示せず）を含む。１つの好ましい実施形態において、ポールアーム２４は、環状部１２ａの周囲にて円周方向に互いに等距離に配置される。ある実施形態において、図１に図示されるように、モータ１０は、その中に配置されている３つのポールアーム２４を有するが、モータ１０の用途に応じてポールアーム２４の他の数が考えられる。

ある実施形態において、図１に示されるように、ステータ１２は、円周方向に互いに等距離に配置されたセンサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃのセットを有する。これらのセンサは、中央環状部１２ａから外側環状部１２ｃに向かって延在している。１つの好ましい実施形態において、センサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、機械的角度１２０度で互いに等距離に配置され、それぞれセンサは、２つのポールアーム２４の間において、２つのポールアーム２４から等距離に配置される。センサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、磁気センサ、例えば、ホール効果センサまたはコイルであり得るが、これに限定されない。センサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、制御システム３０と電気通信する。ホール効果センサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、ステータ１２に対するロータ１４の位置を示すべく、モータ１０の状態を示す離散信号を制御システム３０に提供する。制御システム３０は、また、電圧源（図示せず）と通信する。モータ１０の速度は、制御システム３０がモータ１０への電圧供給を変化させることによって調整できる。

ある実施形態において、制御システム３０は、モータ転流プロセスと、モータ１０のステータ１２に供給される電流とを制御し、これによって、ステータ１２に関するロータ１８の位置を制御する。制御システム３０は、電圧を含むがこれに限定されない、モータ１０の他のパラメータを変化させることができる。ステータ巻線２６における電流は、磁界を発生させ、その磁界は、モータ磁石２０上の永久磁石２２との相互作用によって、ロータ１８を押し動かして新たな位置へシャフト１６の周りで回転させるトルクを生成する。

ある実施形態において、モータ１０は、図２および図３に示されるように、半径方向内面１２０ａおよび半径方向外面１２０ｂを有する略円柱状環状磁石１２０を含む。環状磁石１２０は、モータ磁石２０上の極数の整数（Ｎ）倍である極数を有する。好ましい実施形態において、環状磁石１２０は、ロータ１４上に取り付けられる。環状磁石１２０の内面１２０ａは、図４に示されるように、軸方向にモータ磁石２０に接しているロータコア１８の外面上に配置される。

それぞれの環状磁石１２０は、Ｎｏｒｔｈ（Ｎ）極からＳｏｕｔｈ（Ｓ）極を交互に繰り返す複数の磁極１２２を有する。ある実施形態において、それぞれの極１２２は、寸法および形が等しい。１つの実施形態において、例えば、環状磁石１２０は、２０の磁極を有し、モータ磁石１０は、１０の磁極を有することになるであろう。しかしながら、環状磁石１２０は、モータ磁石２０上の極数の任意の整数（Ｎ）倍を有することができる（すなわち、環状磁石の極数＝Ｎ×モータの極数、但しＮが１よりも大きい整数であるとする）ことが理解される。

モータ磁石２０と比べて環状磁石１２０上の極数１２２を増大させることで、ホール状態（すなわち、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）および相電圧との間には、もはや１対１の関係は存在しない。例えば、モータ磁石２０の２倍の極数を有する環状磁石１２０には、図５に示されるように、１つのホール状態が２つの可能な相の組み合わせと対応することができる。従って、モータ１０の位置を決定すべく、制御システム３０は、モータがどの環状周期にあるかを考慮しなくてはならない。

１つの実施形態において、制御システム３０は、図６に示されるように、モータに電流を供給する段階２０２と、モータ１０によって生成されるトルクが正または負の方向であるか決定する段階２０４と、トルクの方向に基づく乗数を決定する段階２０６と、供給電流に乗数を掛ける段階２０８と、電流をモータに提供すべく転流シーケンスを実行する段階２１０と、複数の巻線のそれぞれの電流を測定する段階２１２と、を含むモータ２００の位置を制御するための方法を実行する。ある実施形態において、制御システム３０は、モータの位置を制御すべく、モータ１０に供給される電流を調整する段階２１４をさらに実施する。

ロータ１８の位置を制御すべく、制御システム３０は、モータ１０がどの環状周期にあるかを考慮しなくてはならない。このように、ホール状態および相電圧との間に１対１の関係を築く。環状磁石がモータ磁石の有する極数と同じ極数を有する場合、１電気的周期中に１環状周期がある。環状磁石１２０上の極数１２２を増大させることで、電気的周期毎の環状周期の数は増大する。例えば、環状磁石１２０がモータ磁石２０の２倍の極数を有していることが、図７に示されるように、１電気的周期において２環状周期という結果となる。１つの実施形態において、モータ１０がどの環状周期にあるかを考慮することで、制御システム３０は、正電流設定ポイントをモータ１０に提供し、その結果、モータ１０の全電気的周期にわたりトルクが正となる。相応して、負電流設定ポイントを提供し、その結果、モータ１０の全電気的周期にわたりトルクが負となる。他の実施形態において、制御システム３０は、モータ１０の電圧を含むがこれに限定されない様々なパラメータを制御できる。

モータ３００の電流を制御するための一方法が、図８に図示される。この実施形態において、モータ１０の環状周期は、乗算モジュール３０６において使用される乗数の符合（すなわち、負または正）を決定する。制御システム３０がモータ１０にセット電流ｉ_ｓｅｔを供給すると、制御システム３０は、フィードバックモジュール３０４を使用して、ホール効果センサｉ_ｍｅａｓから受信した信号に基づいてモータ１０に供給された電流を調整する。次に、乗算モジュール３０６が、モータ１０がある環状周期に応じて、乗数をフィードバックモジュール３０４の出力に掛ける。１つの実施形態において、第１環状周期のための乗数を１とし、第２環状周期のための乗数を‐１とする。乗算モジュール３０６は、転流モジュール３０８に対して、所望の正または負の方向に電流信号を提供する。例えば、モータ１０が、モータ磁石２０の２倍の極数の環状磁石１２０を有しているならば、モータ１０に正のトルクを達成すべく、環状磁石１２０の第２環状周期は負の電流測定を有する必要があり、第１環状周期は正の電流測定を有する必要があり、または、逆もまた同様である。転流モジュール３０８は、次に、モータ１０を制御すべく、正確に転流されたシーケンスおよび方向において、電流をモータ１０に提供する。制御システム３０は、次に、ホール効果センサから電流測定値３１０の信号を受信し、第２乗算モジュール３１２では、乗数３１２および電流測定値ｉ_ｍｅａｓ３１０を使用して、調整された電流測定をフィードバックモジュール３０８に提供し、モータ１０に供給された電流を制御する。

別の実施形態において、図９に図示された制御システム３０は、モータ４００の電流を制御する方法を実施する。この方法において、制御システム３０は、電流ｉ_ｓｅｔ４０２を乗算モジュール４０４に供給する。乗算モジュール４０４は、モータ１０がある環状周期に応じて、乗数をセット電流ｉ_ｓｅｔに掛ける。乗算モジュール４０４は、モータがある環状周期に応じて、所望の正または負の方向を有するフィードバックモジュール４０６に電流信号を提供する。フィードバックモジュール４０６は、フィードバック制御を使用し、ホール効果センサｉ_ｍｅａｓから受信した信号に基づいて、モータ１０に供給された電流を調整する。転流モジュール４０８は、次に、モータ１０を制御すべく、正確に転流されたシーケンスおよび方向において、電流をモータ１０に提供する。制御システム１０は、次に、ホール効果センサから電流測定値４１０の信号を受信する。制御システム３０は、次に、電流測定値ｉ_ｍｅａｓに基づいて、モータ１０の位置の制御および調整をすべく、フィードバックモジュール４０４に電流測定値４１０を戻して入力する。１つの実施形態において、第１環状周期のための乗数を１とし、第２環状周期のための乗数を‐１とする。

ある実施形態において、上述したように、制御システム３０は、フィードバックモジュール３０４、４０６を含む。フィードバックモジュール３０４、４０６は、電流測定値ｉ_ｍｅａｓに基づいて、モータ１０に供給された電流を設定および調整する。フィードバックモジュール３０４、４０６の非限定例は、出力比例積分（ＰＩ）コントローラを含む。他のフィードバックモジュールは、モデル予測制御と、ヒステリシス制御と、比例積分微分制御と、を含むがこれらに限定されない他の制御方法を使用できる。比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラは、典型的に、プロセスを調整する補正アクションを決定することによって、測定プロセス変数と所望の設定ポイントとの間の違い（例えば、エラー）を正確に最小化すべく、モータ１０の１または複数のパラメータ（例えば、電流、電圧など）を反復して調整する。

ある実施形態において、制御システム３０は、モータがどの環状周期にあるかを決定すべく、モータ２０４のトルクの方向を決定する。トルクが正であるか負であるかを決定する段階２０４は、環状周期の数を決定する段階５０２と、環状磁石上の極数とモータ磁石上の極数との比を決定する段階５０４とを含む。トルクが正であるか負であるかを決定する一方法２０４が、図１０に図示される。制御システム３０は、周知の環状周期の数を用いる段階５０２、及び、それを環状磁石上の極数とモータ磁石上の極数との比で割る段階５０４、または、剰余関数を実行する段階５０６によって、方法２０４を実施する。環状周期が一度決定されると５０６、制御システム３０は、モータ３００、４００に供給される電流を制御すべく、それぞれの環状周期５０８、５１０と関連する乗数を使用する。例えば、１つの実施形態において、第１環状周期のための乗数を１とし、第２環状周期のための乗数を‐１とする。

制御システム３０およびモータ１０が初期化されると、モータ１０が何の環状周期にあるかは不明である。従って、乗算モジュール３０６、４０４における環状周期用に、乗数（すなわち１または‐１）がどんな値に出されるべきか不明であり、その結果、モータ１０に電流が初めて供給される場合にはトルクの方向が不明になる。例えば、環状磁石１２０がモータ磁石２０の２倍の極数を有する場合、正電流は、正のトルクと負のトルクの両方となり得る。従って、制御システム３０は、モータ１０および制御システム３０の始動中に、制御システム３０のゲイン（すなわち乗数）の符号を識別する検出アルゴリズムを実行する。

検出アルゴリズム６００は、セット電流ｉ_ｓｅｔによって生成されるトルクが正の方向にあるか負の方向にあるかを識別し、したがって、制御システム３０のゲインの符合を識別する、様々な方法に依拠できる。そうすべく、初期化するときに、制御システム３０は、モータにセット電流ｉ_ｓｅｔを供給し６０２、モータのトルクの方向の初期変化が検出される６０４。モータ１０のトルクの方向が変化するときの電流は、図１１に図示されるように、モータ１０が他の環状周期に入るときと同等になる６０６。トルクの方向の変化は、様々な方法を用いて検出することができる。

１つの実施形態において、制御システム３０は、図１２に図示されるように、加速検出方法７００を用いて、トルクの方向の変化を検出する。加速検出方法７００は、検出した加速と生成したトルクの方向との間に直接的関係を提供する迅速な方法である。加速検出方法７００は、モータ１０または制御システム３０によって定常状態が達成されるまで待つ必要のない、瞬間的検出を提供する。これらに限定されないが、カルマンフィルタアルゴリズム、微分、曲線回帰（curve fits）などを含めて、いくつかのアルゴリズムがモータ１０の加速を検出するのに使用できる。ある実施形態において、ホール効果センサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、モータ７０２の位置を感知するのに使用され、センサ７０４によって提供された位置情報に基づいて加速度が推定される。ある実施形態において、エンコーダ（図示せず）が、モータ１０の位置を決定するのに使用され、また、加速度を推定するのに使用される。制御システム３０は、限られた数のモータ位置のサンプルを用いて、トルクの方向の変化を検出する。モータ速度の測定は、次に、微分７０６によって取得される。線形曲線回帰（liner curve fit）が速度推定において実行され、これにより、この線形回帰（liner fit）の傾きは、モータ加速度を決定することになり７０８、システムは、加速度における変化をトルクの方向に相関させる７１０。

１つの実施形態において、制御システム３０は、図１３に図示されるように、モータ速度検出方法８００を用いて、トルクの方向の変化を検出する。モータ速度検出方法８００は、ゆっくりであるがロバストな方法である。モータ速度検出方法８００は、モータ１０が反転方向に回転するときを検出する。ある実施形態において、ホール効果センサは、モータの位置を感知するのに使用される８０２。ある実施形態において、エンコーダ（図示せず）は、モータ１０の位置を決定するのに使用される。モータ速度の測定は、次に、微分によって取得される８０４。逆回転が一度検出されると８０６、制御システム３０は、ゲインの符号もまた反転されたと判断し８０８、したがって、モータが新たな環状周期に入ったと判断する。モータ速度検出方法８００は、モータ１０が反転方向に回転を始める前に、モータ１０に対して、ある程度の時間稼働することを要求する。

ある実施形態において、制御システム３０は、図１４に図示されるモータ位置監視方法９００を用いて、トルクの方向の変化を検出する。モータ位置監視方法９００は、モータの回転を開始させ９０２、モータが逆に回転しようとすると９０４、モータの位置は検出されることができる９０６。制御システム３０は、ゲインの符号が反転したときの位置を決定する９０８。ある実施形態において、ホール効果センサ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、モータ１０の位置を感知するのに使用される。ある実施形態において、エンコーダ（図示せず）は、モータ１０の位置を決定するのに使用される。

上述した方法７００、８００、９００によって、ゲインの反転した符号が一度検出されると、制御システム３０は、それに応じて、乗数の符合を変化させることができる。

制御システム３０が、モータ１０がどの環状周期にあるかを一度決定すると、すなわち、使用する乗数を一度決定すると、制御システム３０は、電流または他のモータパラメータを用いてロータ１８の位置を制御すべく、上述した方法３００、４００を使用することができる。

特許法の複数の規定に従い、本発明は、その好ましい複数の実施形態を表していると考えられるものにおいて説明された。しかしながら、本発明は、その趣旨または範囲から逸脱することなく、具体的に図示および記載されたもの以外の方法で実施できることに留意すべきである。

Claims (14)

1. 制御システムと、
   ロータと、
   ステータと、
   環状磁石と
   を備え、
   前記ロータは、
   半径方向内面および半径方向外面を有するロータコアと、
   前記ロータコアに駆動接続されたシャフトと、
   半径方向外面、半径方向内面、およびそれらの上の互い違いの複数の磁極を有し、ロータコアの半径方向外面上に配置されるモータ磁石と、
   を有し、
   前記ステータは、
   開口を画定する中央環状部と、
   外側環状部と、
   半径方向に巻線が巻かれ、前記中央環状部から前記外側環状部に延在する、複数のポールアームと、
   前記制御システムと電気通信し、前記中央環状部から前記外側環状部に延在する複数のセンサのセットと、
   を有し、
   前記環状磁石は、
   前記モータ磁石の軸方向に隣接して前記ロータ上に取り付けられ、互い違いの複数の磁極を有し、
   前記環状磁石上の前記複数の磁極の数は、前記モータ磁石上の前記複数の磁極の数の整数倍である、ブラシレス直流モータ。
2. 前記複数のセンサが複数のホール効果センサである、
   請求項１に記載のブラシレス直流モータ。
3. 前記整数が２である、
   請求項１または２に記載のブラシレス直流モータ。
4. 前記複数のホール効果センサが円周方向に互いに等距離に離間され、前記複数のホール効果センサのそれぞれが、２つのポールアーム間において、円周方向に前記２つのポールアームから等距離に離間される、
   請求項２に記載のブラシレス直流モータ。
5. ブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法であって、
   ロータと、
   複数の巻線および複数のセンサを含むステータと、
   表面に複数の磁極を有し、前記ロータに取り付けられるモータ磁石と、
   前記モータ磁石に軸方向に隣接して前記ロータ上に取り付けられ、表面に複数の磁極を有する環状磁石と
   を有し、
   前記環状磁石上の前記複数の磁極の数が前記モータ磁石上の前記複数の磁極の数の２倍である、
   ブラシレス直流モータを提供する段階と、
   前記ブラシレス直流モータに初期電流を供給する段階と、
   前記ブラシレス直流モータによって生成されたトルクが正の方向にあるか負の方向にあるかを決定する段階と、
   前記トルクの方向に基づいて乗数を決定する段階と、
   前記初期電流に前記乗数を掛ける段階と、
   電流を前記ブラシレス直流モータに提供すべく、転流シーケンスを実行する段階と、
   前記複数の巻線のそれぞれにおける前記電流を測定する段階と、
   を備える方法。
6. 前記複数の巻線のそれぞれにおいて測定された前記電流に基づいて、前記ブラシレス直流モータに供給される前記電流を調整する段階をさらに備える、
   請求項５に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
7. 生成された前記トルクが正の方向にあるか負の方向にあるかを決定する前記段階は、前記ブラシレス直流モータがどの環状周期にあるかを決定する段階を含む、
   請求項５または６に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
8. 前記ブラシレス直流モータに供給される前記電流を調整する段階は、比例積分制御を用いて前記電流を調整する段階を含む、
   請求項６に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
9. 測定された前記電流および前記乗数に基づいて前記ロータの前記位置を決定する段階をさらに備える、
   請求項５から８の何れか一項に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
10. 前記乗数が１または‐１のいずれかの値を有する、
    請求項５から９の何れか一項に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
11. 前記ブラシレス直流モータがどの環状周期にあるかを決定する段階は、前記ブラシレス直流モータによって生成される前記トルクの前記方向の変化を、新たな環状周期に入る前記ブラシレス直流モータに相関させる段階を含む、
    請求項７に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
12. 前記ブラシレス直流モータによって生成される前記トルクの前記方向の変化を、新たな環状周期に入る前記ブラシレス直流モータに相関させる段階は、加速度検出を用いる段階を含む、
    請求項１１に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
13. 前記ブラシレス直流モータによって生成される前記トルクの前記方向の変化を、新たな環状周期に入る前記ブラシレス直流モータに相関させる段階は、モータ速度検出を用いる段階を含む、
    請求項１１または１２に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。
14. 前記ブラシレス直流モータによって生成される前記トルクの前記方向の変化を、新たな環状周期に入る前記ブラシレス直流モータに相関させる段階は、モータ位置監視を用いる段階を含む、
    請求項１１から１３の何れか一項に記載のブラシレス直流モータのロータの位置を制御する方法。

Images