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

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 Download PDF

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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iset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imeas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imeas310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iset402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iset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imeas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imeas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imeas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iset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iset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。
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