JP2018537942A - リニアホールデバイスベースのベクトル制御（ｆｏｃ）モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

説明される例において、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）のためのモータ制御システム（８００）が、１セットのロータ（８２０）磁石によって生成される第１の磁界成分の強度を示す第１の信号を生成するため、及び、ロータ（８２０）磁石によって生成され、第１の磁界成分にほぼ直交する第２の磁界成分の強度を示す第２の信号を同時に生成するために、２つのリニアホールデバイス（８０１、８０２）を用いる。ロータ（８２０）の角度位置及び角速度が、第１の信号及び第２の信号に基づいて計算される（８０７）。計算された角度位置及び角速度に基づいて、複数の位相信号（８０９ａ〜８０９ｃ）が生成される。モータの複数の界磁巻線における電流が、複数の位相信号（８０９ａ〜８０９ｃ）を用いて制御される。

Description

本願は、概してモータ駆動システムに関し、より特定していえば、直交配列されるリニアホールデバイスを用いるモータ駆動システムに関する。

電子整流式モータ（ＥＣＭモータ、ＥＣモータ）としても知られているブラシレスＤＣ（直流）電気モータ（ＢＬＤＣモータ、ＢＬモータ）は、ＡＣ（交流）電気信号を生成してモータを駆動する集積化インバータ／スイッチング電源を介してＤＣ電源から電力供給される同期モータである。この文脈において、ＡＣは正弦波波形のみを示唆せず、波形に関する制限がない双方向電流を示唆する。ＤＣバス使用／効率及び周波数（即ち、ロータスピード）を制御するために、付加的なセンサ及び電子部品がインバータ出力振幅及び波形を制御し得る。

デジタルモータ制御は、当初は、従来のアナログシステムが有していた、ドリフト、構成要素の経時変化、及び温度によって生じる変動を扱う際の課題を克服するために導入された。フレキシブルなソフトウェアアルゴリズムにより、構成要素に関する許容誤差問題がなくなり、開発者が経時的な環境状態の変動を動的に調整することが可能となった。例えば、ファンモータを単に完全にオンオフさせ得るのではなく、今ではファンスピードがシステム温度に基づいてデジタル的な実装を用いて調節され得る。また、システムはそれ自体を較正し得、そのため、定期的な手動による保守をスケジューリングする必要がなくなる。

ホールセンサは、低コストであり、小面積であり、集積化しやすいため、中感度の磁気センサとして業界で選択されている。しかし、半導体ホールセンサは、不整合、ドーピング変動、及び望ましくないピエゾ効果などの非理想性によりオフセットを生じてしまう可能性がある。オフセットを低減するために「スピニング電流」と称する手法が用いられ得る。

いわゆる「ホール効果」は、磁界が電流に直交しているとき生じる。この磁界は、磁界の方向及び電流の流れる方向の両方に直交する方向に、導体の両端間にホール電圧と呼ばれる電圧差を発生する。ホール電圧を測定することによって、磁界の大きさを判定することができる。典型的なホールセンサは、通常、導電性材料のストリップ又はプレートを含み、電流がプレートを介して流れる。プレートが、磁界の或る成分がプレートに直交するように磁界中に置かれるとき、プレート内で、磁界の方向及び電流の流れる方向の両方に直交する方向にホール電圧が発生される。

現在の手法を用いて製造される半導体ホール効果センサは、典型的に、シリコンから製造される感知要素を含む。こういったデバイスの磁気感度は、感知要素を構築するために用いられる材料の電子移動度μに正比例する。シリコンの電子移動度は典型的に約１５００ｃｍ^２／（Ｖｓ）である。

説明される例において、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）のためのモータ制御システムが、１セットのロータ磁石によって生成される第１の磁界成分の強度を示す第１の信号を生成するため、及び、ロータ磁石によって生成され、第１の磁界成分にほぼ直交する第２の磁界成分の強度を示す第２の信号を同時に生成するために、２つのリニアホールデバイスを用いる。第１の信号及び第２の信号に基づいて、ロータの角度位置及び角速度が計算される。計算された角度位置及び角速度に基づいて、複数の位相信号が生成される。複数の位相信号を用いて、モータの複数の界磁巻線における電流が制御される。

例示の永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の図である。 例示の永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）の図である。

従来の水平ホール効果デバイスの動作を図示する。 従来の水平ホール効果デバイスの動作を図示する。 従来の水平ホール効果デバイスの動作を図示する。

垂直ホール効果デバイスの動作を図示する。 垂直ホール効果デバイスの動作を図示する。 垂直ホール効果デバイスの動作を図示する。

例示のＰＭＳＭにおける垂直及び水平ホールデバイスによって提供される信号の処理結果を図示する。 例示のＰＭＳＭにおける垂直及び水平ホールデバイスによって提供される信号の処理結果を図示する。 例示のＰＭＳＭにおける垂直及び水平ホールデバイスによって提供される信号の処理結果を図示する。 例示のＰＭＳＭにおける垂直及び水平ホールデバイスによって提供される信号の処理結果を図示する。

直交リニアホールセンサを用いるモータ制御システム全体のブロック図である

例示のＰＭＳＭにおける２Ｄリニアホールセンサの配設図である。

ホールデバイスの電気的等価物を図示する概略図である。

リニアホールデバイスに基づくベクトル制御（ＦＯＣ）モータ駆動システムの動作を図示するフローチャートである。

非線形観測器を用いてスピード及び角度を計算するためのプロセスを図示する。

様々の図における同様の要素は、一貫性を保つため同様の参照数字によって示される。

永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）は、ＡＣ誘導モータ（ＡＣＩＭ）とブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）の折衷とみることができる。ＰＭＳＭは、永久磁石を含むＢＬＤＣモータのロータ構造に類似するロータ構造を有する。しかし、ＰＭＳＭのステータ構造は、巻線が、モータの空隙において正弦波磁束密度を生成するように構築されるＡＣＩＭに類するもののステータ構造に似ている。ＰＭＳＭモータは、ＢＬＤＣモータの巻線構造と同じ巻線構造を有するが、ロータ構造における永久磁石を整形することによって実現される正弦波逆起電力波形を有する。

しかし、ＡＣＩＭの相対物と異なり、ＰＭＳＭモータはオープンループスカラーＶ／Ｈｚ制御では性能が悪い。これは、遷移状態において機械的ダンピングを提供するロータコイルが存在しないからである。ベクトル制御（ＦＯＣ：Field Oriented Control）は、ＰＭＳＭとともに用いられる最も一般的な制御手法である。その結果、トルクリップルを、ＡＣＩＭと同等に、極めて小さくし得る。しかし、ＰＭＳＭモータは、ＡＣＩＭと比較して、モータサイズの割には動力密度が高い。この恩恵は、誘導モータでは、ロータ磁束を生成するためにステータ電流の一部がロータ電流を「誘導」する必要があるからである。これらの付加的な電流はモータ内に熱を発生させる。しかし、ロータ磁束はＰＭＳＭにおいてロータ上の永久磁石によって既に確立されている。

ベクトルモータ駆動システムは、幾つかの既知の利点を有する。例えば、アンペア当たりのモータトルクが最大になること、モータダイナミクスが改善及び簡素化されること、及び、台形駆動より滑らかなトルクを生成することなどである。ベクトルモータ駆動システムは、センサ付きシステム及びセンサレスシステムの２つの範疇に分類される。「センサレス」駆動システムは、電流及び電圧の測定、及び、モータパラメータ及び動的モデルの把握によって、ロータの電気角を推定する。「センサ付き」駆動システムは、シャフト角を直接測定するために光学エンコーダ又はリゾルバなどの角度センサに依存する。

センサレスＦＯＣ駆動システムは、コンパクトな解決策を提供するが、起動及び低速の問題を有し得る。初期位置検出が必要なことがあり、これは南北の極の区別が難しいからである。したがって、かなりの処理が必要となり得る。

センサ付きＦＯＣ駆動システムは、起動信頼性が高く、低速で良好なトルク生成を提供する。定格速度に対して低速でのより良好な速度制御が可能である。しかし、角度センサが必要となる。これまで、角度センサは、壊れやすく、高価であった。例えば、光学エンコーダのコストは５０ドルを超え得る。角度エンコーダを備えるセンサ付きＦＯＣシステムは、センサレスシステムより大きなスペースを必要とし得、より多くのワイヤ及び構成要素を必要とし得る。

デジタルモータ制御の一般的な概念は既知であり、例えば、２００９年６月のBrett Novakらの「高性能で電力効率のよいモータ制御システムの設計」を参照されたく、この文献は、参照により本明細書に組み込まれている。
"Designing High-Performance and Power-Efficient Motor Control Systems", Brett Novak et al., June 2009

集積モータコントローラの一般的な概念は既知であり、例えば、２０１２年１１月のPatrick Carnerの「モータ制御システムのための、高集積化、改善された特徴セット、及び新規ソフトウェア：Ｃ２０００（商標）Ｐｉｃｃｏｌｏ（商標）Ｆ２８０５ｘマイクロコントローラ」を参照されたく、この文献は、参照により本明細書に組み込まれている。
"Increased integration, improved feature sets and new software for motor control systems: C2000TM Piccolo TM F2805x microcontrollers", Patrick Carner, November 2012

例示の実施形態は、これ以降でより詳細に説明するように、スペース及びコストが最小化される集積化センサ付きＦＯＣシステムを提供し得る。

図１Ａは、例示の永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）１００の図である。この例では、ロータ１２０が、ステータ１１０内でシャフト１２４を回転させるように構成される。ステータ１１０は、１１１で示すようなコイルのセットを含む。ロータ１２０は、南（Ｓ）極性磁石１２１及び北（Ｎ）極性磁石１２２などの永久磁石のセットを含む。

ほとんどのＰＭＳＭは、磁石１２１、１２２などの永久磁石を用い、これらの磁石はロータの表面上に搭載される。この構成によりモータが磁気的に「丸く」見え、モータトルクは、ロータ上の磁石とコイル１１１によって形成されるステータの電磁石との間の反力の結果である。この構成により最適トルク角が９０度になる。この最適トルク角は、例示のＦＯＣ応用例においてｄ軸電流をゼロにレギュレートすることによって得られ得る。

図１Ｂは、ロータ１２０のロータ磁石１２１、１２２によって生成され得る例示の磁界を図示する。接線磁界（tangential field）は、１３５で図示されるように、磁石間で最も強く、各磁石の中心で最も弱くなる。放射磁界は、１３４で図示されるように、各磁石の中心で最も強く、磁石間で最も弱くなる。軸方向磁界成分（図示せず）は、ロータの回転軸に平行に延在し得る。

基本的に、２種類のホール効果センサが存在する。一方のタイプは「リニア」デバイスであり、これは電圧の出力が磁束密度に線形に依存することを意味する。他方のタイプは「閾値」デバイス又は「デジタル」デバイスと称し、これは閾値磁束密度において出力電圧が急激に減少することを意味する。本明細書において未確定磁束に比例する信号を生成するためにリニアホールセンサが用いられる。

リニアホールデバイス１３１、１３２は、ロータ１２０上の永久磁石によって生成される放射及び接線磁界を感知するため、互いに隣接して同一場所に配置される。幾つかの実施形態において、ホールデバイス１３１、１３２は、それぞれ個別のモジュールにパッケージされ得る。この場合、ホールデバイスは、信号解釈を容易にするため、ほぼ同じ場所の接線磁界強度及び放射磁界強度を感知するように互いに近接して配置されるべきである。また、ホールデバイスは、接線磁束及び放射磁束を正確に感知するために互いに直交して配設されるべきである。２つの直交配置されるホールデバイスのこの構成を、本明細書では「２次元」（２Ｄ）と称する。

幾つかの実施形態において、両方のホールデバイスが、同じ集積回路ダイ上に製造され得る。これにより、ホールデバイスは同じダイ上で共に近接して位置する。これら２つのホールデバイス間に直交関係が得られるように、水平ホールデバイス及び垂直ホールデバイスが形成され得る。

別の実施形態において、２つのホールデバイスは、一方のホールデバイスが放射磁束に感度があり、他方のホールデバイスが軸方向磁束、即ち、ロータ１２０の軸にほぼ平行な磁束、に感度があるように構成され得る。

図２は、例示の水平ホールセンサ（ＨＳ）デバイス２００の図である。図３は、ＨＳ２００の等角図である。ホールセンサの一般的な概念は既知であり、本明細書では詳細に説明しない。前述したように、「ホール効果」は、磁界が電流に直交しているとき生じる。この磁界は、磁界の方向及び電流の流れる方向の両方に直交する方向で、導体の両端間にホール電圧と呼ばれる電圧差を生成する。ホール電圧を測定することによって、磁界の大きさを判定することができる。

この例において、ホールセンサ要素２０２は、既知の又は将来開発される製造手法を用いて基板２２０上に製造され得る。ホール効果センサの感度を決定する主要因は高電子移動度である。下記の材料、即ち、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、及びグラフェンはホール効果センサに特に適している。

ホール要素層を介してバイアス電流２１０を提供するため、及び、得られるホール効果電圧２１２を感知するために、要素層２０２と接触してコンタクト領域２０４、２０６が形成される。

ホール要素２０２は、図１に図示されるように、従来の十字形状にパターン化され得る。他の実施形態において、八角形又は実質的に八角形状、三角形又は実質的に三角形状、四つ葉形又は実質的に四つ葉形状、円形又は実質的に円形状など、他の要素形状がパターン化され得る。同様に、要素層２０２の幾何形状に応じて、コンタクトパッド２０４、２０６及び対応するワイヤの数が、所与の応用例に合うように変更され得る。

この例において、ホール電圧２１２は式（１）によって表され得る。
Ｖ_Ｈａｌｌ＝Ｉ_ｂｉａｓＢ_Ｚ／ｎｔｅ （１）
ここで、Ｉ_ｂｉａｓは要素形状にわたる電流、Ｂ_Ｚは要素形状に垂直な磁界、ｎは電荷キャリア密度、ｔはホール要素の厚さ、ｅは電気素量を表す。

この設計では、約３００Ｖ／ＡＴ（ボルト／アンペア×テスラ）の感度となる。例えば、１ｍＴの磁界において、約３０μＶのホール電圧が１００μＡのバイアス電流で生成される。チャネル抵抗は約５．７ｋΩとなり得る。

図３は、例示の感知構成におけるホール要素２０２の上に置かれる磁石２０３を図示する。バイアス電流２１０の流れに直交又はやや直交してホール要素２０２を貫通する磁石２３０からの磁束線２３２が、コンタクト２０６の両端間に形成されるホール効果電圧２１２を生成する。

図４は、基板４４０上に搭載される例示の表面実装パッケージにパッケージされる水平ホールデバイス２００の図である。例えば、基板４４０は、剛性又は可撓性印刷回路基板とし得る。この基板は、電子システム及びパッケージのために用いられる任意の通常用いられる又は将来開発される材料、例えば、シリコン、セラミック、プレキシガラス、グラスファイバ、プラスチック、及び金属とし得る。ホールデバイス２００は、ホール要素が基板４４０に平行に置かれているので「水平」デバイスと称する。この向きにより、ホールデバイス２００は、基板４４０に直交する方向（４３４）に移動する磁石２３０からの磁束２３２に感度を有する。

図５Ａ及び図５Ｂは、ｐ型半導体基板５２０に形成される例示の垂直ホールデバイス５００の断面図である。深いｎウェル（ｄｎウェル）５２２が、既知の拡散手法を用いて基板５２０に形成され得る。浅いｐウェル（ｓｐウェル）５２４が、既知の拡散手法を用いて絶縁のためｄｎウェルの周りに形成され得る。ｄｎウェル５２２において拡散によりコンタクト５０４、５０５、５０６が形成され得る。バイアス電流５１０が、コンタクト５０４を介してｄｎウェル５２２に注入され得、戻りバイアス電流５１１がコンタクト５０５を介して収集され得る。ｄｎウェル５２２に印加される磁界に応答して、ホール電圧５１２が、コンタクト５０６の両端間に形成され得る。

図５Ｂは、バイアス電流５１０がｄｎウェル５２２を介してどのように流れるかを図示する。垂直ホールデバイス５００は、ｄｎウェル５２２に直交し、従って基板５２０の面にある磁束５３２に最も感度がある。

図６は、基板６４０上に搭載される例示の表面実装パッケージにパッケージされる垂直ホールデバイス５００の図である。例えば、基板６４０は、剛性又は可撓性印刷回路基板とし得る。この基板は、電子システム及びパッケージのために用いられる任意の通常用いられる又は将来開発される材料、例えば、シリコン、セラミック、プレキシガラス、グラスファイバ、プラスチック、及び金属とし得る。ホールデバイス５００は、ホール要素５２２が基板６４０に直交しているので「垂直」デバイスと称する。ホールデバイス５００は、基板６４０に平行な方向（６３４）で移動する磁石６３０からの磁束６３２に感度を有する。

図７Ａ〜図７Ｄは、ＰＭＳＭ１００などの例示のＰＭＳＭにおける、垂直ホールデバイス５００などの垂直ホールデバイス及び水平ホールデバイス２００などの水平ホールデバイスによって提供される信号の処理結果を図示する。概して、垂直ホールデバイスは、水平ホールデバイスより感度が低い。垂直ホールデバイスは、水平ホールデバイスと比較して残ったオフセットが高い。

図７Ａを参照すると、グラフ７５０は、図１Ａを再度参照してロータ磁石１２０のロータ磁石１２１、１２２によって生成される放射磁束に感度があるように整合されるリニア水平ホールデバイスからの未処理のローパスフィルタリングされたセンサデータを図示する。同様に、グラフ７５１は、ロータ１２０のロータ磁石１２１、１２２によって生成される接線磁束に感度があるように整合されるリニア垂直ホールデバイスからの未処理のフィルタリングされたセンサデータを図示する。いずれの場合も、これらのグラフは、ロータ１２０が数電気サイクルにわたって回転する場合の時間に対する磁束強度をミリテスラ（ｍＴ）で表す。この例では、互いに対して９０°に向けられる２つの水平ホールセンサが用いられる。これらのセンサは同じ感度（Ｖ／ｍＴ）を有する。これらのグラフは、接線磁界がより弱いことを示している。

２Ｄホールセンサが用いられる別の例において、垂直ホールセンサが放射磁界を拾い上げ、水平ホールセンサが接線磁界を拾い上げるように、２Ｄホールセンサを整合させることが適切となり得る。これは、水平ホールセンサが、通常、垂直ホールセンサより感度が高いからである。

図７Ｂは、利得調節放射グラフ７５２の振幅を、利得調節接線グラフ７５３の振幅に等しくするために、放射磁界のグラフ７５０に利得を印加し、接線磁界のグラフ７５１に利得を印加した結果を図示する。

図７Ｃは、グラフ７５４によって示すように、利得調節ホールセンサデータを用いて、ロータ１２０の所与の回転スピードについて、時間に対する角度位置（位相）を算出した結果を図示する。同様に、グラフ７５５は、光学エンコーダから得られるデータを用いて、ロータ１２０の角度位置を計算した結果を図示する。角度位置は、既知の又は将来開発されるアルゴリズムを用いてセンサデータから算出され得る。例えば、角度は、４つの象限逆正接を直接計算すること、又は間接的に角度を算出するために非線形観測器を用いることによって、２つの磁界強度信号に基づいて決定され得る。４象限逆正接を用いる直接的な電気角の算出は、式（２）によって示される。
θ_ｅ＝ａｒｃｔａｎ（Ｈｒ，Ｈｔ） （２）
ここで、Ｈｒは放射磁界強度であり、Ｈｔは接線磁界強度である。

図１２は、非線形観測器を用いてスピード及び角度を計算するためのプロセスを図示する。４象限逆正接法は、感知される放射及び接線磁気信号におけるノイズ測定及び高調波に対してより感度が高い。非線形観測器プロセスは、フィルタとして働く積分器を含む。この例において、放射磁界強度信号１２０１は余弦関数１２１１の出力によってスケーリングされ、接線磁界強度信号１２０２は、正弦関数１２１０の出力によってスケーリングされ、その後、加算器１２０５において結合される。関数１２０６は、スケーリングされた入力と、入力のスケーリングされた積分とを加算し、スケーリングされた入力は比例利得Ｋｐによって乗算されており、入力のスケーリングされた積分の入力は積分利得Ｋｉによって積分され乗算されている。関数１２０８は、入力を積分して角速度から角度位置に変える。

図７Ｃを再度参照すると、低コストホールセンサの結果と高価な光学センサの結果の間に本質的に差はない。

図７Ｄは、経時的な位相誤差を図示する。ＦＯＣ制御システムにおいて、トルク「ロス」は１−ｃｏｓ（θ＿ｅｒｒ）に比例する。ここで、θ＿ｅｒｒは角度測定誤差である。ＤＣ誤差が補正され得ると仮定すると（ＤＣ誤差は機械的な不整合による）、この誤差は１％未満のトルクロスと等価である。

図８は、２つのリニアホールセンサ８０１、８０２を用いるモータ制御システム８００全体のブロック図である。界磁巻線を備えるステータ８１０と複数の永久磁石を有するロータ８２０とを有するＰＭＳＭが、モータ制御システム８００によって制御され得る。

より詳細に上述したように、１つのリニアホールセンサ８０１は、ロータ８２０のロータ磁石によって生成される放射磁界を検出するようにロータ８２０に近傍に置かれ得る。同様に、第２のリニアホールセンサ８０２は、ロータ８２０のロータ磁石によって生成される軸方向又は接線磁界を検出するため、ホールデバイス８０１に近接して配設され得る。より詳細に上述したように、これらの２つのリニアホールセンサは、ロータ８２０が回転するとき又は静止している間ロータ８２０のロータ磁石によって生成される磁界の２つの直交成分を感知するために、互いに直交して同一場所に配置され得る。

２つのホールデバイスからセンサデータを受け取り、バッファリングするように、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）８０３、８０４が接続される。バッファリングされたセンサデータは、アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）８０５、８０６に提供されて、直交磁界成分の強度を表すサンプルデジタルストリームが生成される。

その後、角度及びスピード計算ロジック８０７が、既知の又は将来開発されるアルゴリズムを用いて、角度位置の変化に基づいて、デジタルストリームを処理して瞬間角度位置及び瞬間回転速度を計算する。例えば、角度は、より詳細に上述したように、４象限逆正接を直接計算すること又は非線形観測器を用いて角度を間接的に算出することによって、２つの磁界強度信号に基づいて求められ得る。

その後、モータコントローラ及び駆動ロジック８０８が、ステータ８１０の界磁巻線のため位相信号８０９ａ〜８０９ｃを生成し得る。これらの位相信号は、既知の又は将来開発される手法を用いて生成され得る。例えば、既知のクラーク及びパーク変換（Clarke and Park transforms）を用い得る。クラーク変換を用いることによって、直接（Ｉｄ）及び４象限（Ｉｑ）電流が識別され得る。パーク変換は、静止基準フレームから移動基準フレームへのＩｄ及びＩｑ電流の変換を実現し、ステータベクトル電流とロータ磁束ベクトルの空間関係を制御するために用いられ得る。パーク及びクラーク変換の動作は、１９９７年のＢＰＲＡ０４８、テキサス・インスツルメンツの「ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘｘに対するクラーク及びパーク変換」に詳細に記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれている。
"Clarke & Park Transforms on the TMS320C2xx," Texas Instruments, BPRA048, 1997

幾つかの実施形態において、リニアホールデバイス８０１、８０２は個別のパッケージにパッケージされ得る。ＡＦＥ８０３、８０４、ＡＤＣ８０５、８０６、角度ロジック８０７、及び制御ロジック８０８は、すべて、テキサス・インスツルメンツから入手可能なＣ２０００（商標）Ｐｉｃｃｏｌｏ（商標）Ｆ２８０５ｘマイクロコントローラデバイスなどの単一集積回路において提供され得る。

別の実施形態において、リニアホールデバイス８０１、８０２、ＡＦＥ８０３、８０４、ＡＤＣ８０５、８０６、角度ロジック８０７、及び制御ロジック８０８は、ＦＯＣモータ制御及び駆動システム全体が単一集積回路で提供されるように、すべて単一集積回路において提供され得る。

図９は、例示のＰＭＳＭ９００における２Ｄアレイの２つのリニアホールセンサ９０１、９０２の配設図である。モータハウジング９１１が、界磁巻線９１２を含むステータを囲む。ロータ９２０が、ハウジング９１１内で回転するように構成される。エンドキャップ９１４が、モータハウジング９１１と結合するように構成される。エンドキャップ９１４は、ロータベアリング９１３と結合するベアリング支持体を含む。

印刷回路基板９４０がエンドキャップ９１４上に搭載される。モータコントローラ９０１が基板９４０上に搭載され、モータコントローラ９０１は、図８を参照してより詳細に説明したバッファ、ＡＤＣ、角度／スピードロジック、及び制御／駆動ロジックを含む。リニアホールデバイス９０１、９０２は、基板９４０上の、ＰＭＳＭ９００の通常動作の間ロータ９２０に近くなる位置に搭載される。リニアホールデバイス９０１は、ロータ９２０のロータ磁石によって生成される放射磁束に感度があるように置かれ得、リニアホールデバイス９０２は、ロータ９２０のロータ磁石によって生成される接線磁束に感度があるようにホールデバイス９０１に直交して置かれ得る。

別の実施形態において、リニアホールデバイス９０１及び９０２は、ＰＭＳＭ９００を制御するために必要とされる制御及び駆動ロジック９０１をすべて含む同じ集積回路内に製造され得る。このように、単一集積化マイクロコントローラを用いて、ロータ９２０のロータ磁石によって生成される磁束を感知して、ロータスピード及び位置を正確に求め得、ＰＭＳＭ９００の界磁巻線９１２に提供される位相信号を生成し得る。

別の実施形態において、放射及び接線磁界を測定するのではなく、直交配置される一対のホールセンサを用いて、ロータの端部における軸方向及び接線端部磁界を測定し得る。アッセンブリの観点から、この構成はより好都合であり得る。両方のホールセンサを含む表面実装パッケージが用いられる場合、前述したように、水平及び垂直センサが必要とされ得る。

図１０は、水平ホールデバイス２００又は垂直ホールデバイス５００などのホールデバイスの電気的等価物を図示する概略図である。このモデルにおいて、バイアス電流がポートＮに注入されポートＳで取り除かれると仮定すると、ポートＷ及びポートＥの間でホール電圧が測定される。バイアス電流に対する実効チャネル抵抗Ｒ１及びホール電圧経路におけるチャネル抵抗Ｒ０がある。また、抵抗器Ｒ２〜Ｒ５によってホイートストンブリッジ抵抗効果が表される。通常、最新のリソグラフィ及び製造プロセスを用いても、（ホイートストンブリッジ型電気モデルにおける抵抗不整合による）大きなオフセットが不可避である。これらの抵抗効果はそれぞれどれも経時的及び温度変化に対して変動し得、そのため、オフセット電圧ドリフトが生じ得る。

「スピニング電流」と称するバイアス電流補償手法を用いて、少なくとも部分的にこのオフセットを緩和し得る。この手法において、バイアス電流は、ホール要素のコンタクトＮ、Ｓ、Ｅ、Ｗの少なくとも２つの異なる対に順次提供される。供給される電流を重ね合わせると、ホールデバイスにおいて連続的にスピンする電流ベクトルが得られる。対応する端子間の電圧を同時に測定することによって、ホール電圧及び周期的オフセット電圧を含む信号が分離され得る。このオフセット電圧は、少なくとも１周期にわたって信号を平均することによって取り除かれ得る。

図１１は、リニアホールデバイスに基づくベクトル（field oriented control）制御モータ駆動システムの動作を図示するフローチャートである。図１を再度参照すると、ＰＭＳＭ１００などのＰＭＳＭのロータ磁石は、基準のサンプリング点に応じて、放射、軸方向、及び接線成分を有する磁界を生成し得る。ＰＭＳＭ１００の動作の間、ＰＭＳＭ１００のロータによって生成される直交磁界成分を示す少なくとも２つの信号が、２つ又はそれ以上の直交リニアホールデバイスを用いて生成される（１１０２）。例えば、第１のリニアホールデバイスが、電気モータ１００のロータ内に含まれるロータ磁石によって生成される第１の磁界成分の強度を示す第１の信号を生成し得、第２のリニアホールデバイスが、ロータ磁石によって生成され、第１の磁界成分にほぼ直交する第２の磁界成分の強度を示す第２の信号を同時に生成し得る。例えば、これらの磁界成分の一方が放射成分であり得、２つ目の磁界成分が接線又は軸方向成分であり得る。

ロータの角度位置及び角速度が、リニアホールデバイスからの信号に基づいて、既知の又は将来開発されるアルゴリズムを用いて計算され得る（１１０４）。

計算された角度位置及び角速度に基づいて、既知の又は将来開発されるアルゴリズムを用いて、複数の位相信号が生成され得る（１１０６）。

既知の又は将来開発されるアルゴリズムを用いて複数の位相信号を用いて、モータの複数の界磁巻線における電流が制御され得る（１１０８）。例えば、クラーク及びパーク変換を用いて１セットのパルス幅変調信号を生成し得、これらの信号が組み合わされて正弦波、台形などの界磁巻線のための位相信号が形成され得る。

このように、正確で低コストのベクトル制御モータ駆動システムが、いかなる付加的なセンサデバイスや補助感知磁石も必要としない単一集積回路パッケージにおいて提供され得る。

本明細書では十字形状のデバイスを例示したが、八角形又は実質的に八角形状、三角形又は実質的に三角形状、四つ葉形又は実質的に四つ葉形状、円形又は実質的に円形状など、他の要素形状がパターン化され得る。同様に、ホール要素層の幾何形状に応じて、コンタクトパッド及び対応するワイヤの数が、所与の応用例に適合するように変更され得る。

幾つかの実施形態において、リニアホールデバイスが別々のパッケージにパッケージされ得る。幾つかの実施形態において、リニアホールデバイス、並びにバッファリング及び処理ロジックがすべて、単一集積回路にパッケージされ得る。

本明細書では２つの直交ホールデバイスの２次元アレイを説明したが、他の実施形態が、２つ以上のホールデバイスを含み得る。例えば、接線、放射、及び軸方向磁束成分を感知するために、３つのホールデバイスが用いられ得る。

本明細書では例示のＰＭＳＭを説明したが、本開示の他の実施形態を用いて、ロータが界磁巻線を囲むものなど、他のモータ構成を制御し得る。他の実施形態を用いて「パンケーキ」型モータなどを制御し得る。

本開示において説明した手法は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組合せにおいて実装され得る。例えば、角度位置及びスピード判定プロセスはソフトウェアにおいて実施され得る。同様に、モータ制御処理はソフトウェアにおいて実施され得る。ソフトウェアにおいて実装される場合、ソフトウェアは、マイクロプロセッサ、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）、又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などの１つ又は複数のプロセッサにおいて実行され得る。これらの手法を実行するソフトウェアは、コンパクトディスク（ＣＤ）、ディスケット、テープ、ファイル、メモリ、又は任意の他のコンピュータ可読記憶デバイスなどのコンピュータ可読媒体に初期的に記憶され得、プロセッサにロードされ実行され得る。場合によっては、ソフトウェアは、コンピュータ可読媒体及びコンピュータ可読媒体のためのパッケージング材料を含む、コンピュータプログラム製品として販売され得る。場合によっては、ソフトウェア命令が、リムーバブルコンピュータ可読媒体（例えば、フロッピーディスク、光ディスク、フラッシュメモリ、ＵＳＢキー）を介して、別のデジタルシステムなどの上のコンピュータ可読媒体から伝送経路を介して配信され得る。

「結合する」という用語及びその派生語は、間接的、直接的、光学的、及び／又はワイヤレスな電気的接続を意味することを意図している。例えば、第１のデバイスが第２のデバイスに結合される場合、その接続は、直接的電気接続を介するもの、他のデバイス及び接続を介した間接的電気接続を介するもの、光学的電気接続を介するもの、及び／又はワイヤレスな電気接続を介するものとし得る。

本明細書では、方法ステップが順次提示され説明される場合があるが、図示され説明されるステップの１つ又は複数が、省略され得、繰り返され得、同時実行され得、及び／又は、図示され及び／又は本明細書に記載された順とは異なる順で実施され得る。したがって、例示の実施形態は、図示され及び／又は本明細書に記載されたステップの特定の順に限定されない。

特許請求の範囲内で、説明した実施形態に改変がなされ得、他の実施形態も可能である。

Claims (18)

1. 電気モータを制御するための方法であって、
   第１のリニアホールデバイスを用いて前記電気モータのロータ内に含まれる１セットのロータ磁石によって生成される第１の磁界成分の強度を示す第１の信号を生成すること、
   第２のリニアホールデバイスを用いて前記第１の磁界成分にほぼ直交する前記ロータ磁石によって生成される第２の磁界成分の強度を示す第２の信号を同時に生成すること、
   前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、前記ロータの角度位置及び角速度を計算すること、
   前記計算された角度位置及び角速度に基づいて、複数の位相信号を生成すること、及び
   前記複数の位相信号を用いて、前記モータの複数の界磁巻線における電流を制御すること、
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記第１のリニアホールデバイスが前記ロータの近傍に置かれ、前記第２のリニアホールデバイスが前記第１のリニアホールデバイスに直交して置かれる、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記角度位置を計算する前に、前記第１の信号及び前記第２の信号を正規化することをさらに含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記第１のリニアホールデバイスに及び前記第２のリニアホールデバイスにバイアス補償を提供することによって、前記第１の信号及び前記第２の信号からオフセットを取り除くことをさらに含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記第１のホールデバイス及び前記第２のホールデバイスが同じ集積回路に形成される、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記第１の磁界成分が放射成分であり、前記第２の磁界成分が接線又は軸方向成分である、方法。
7. モータ駆動システムであって、
   少なくとも第１のリニアホールデバイス及び第２のリニアホールデバイスの多次元アレイ、
   前記第１のホールデバイス及び前記第２のリニアホールデバイスの各々から磁界強度を示す信号を受け取るように結合される角速度計算ロジック、及び
   前記角速度計算ロジックから角速度情報を受け取るように結合され、モータを制御するために複数の位相信号を提供するための複数の出力を備える、モータコントローラ及び駆動ロジック、
   を含む、モータ駆動システム。
8. 請求項７に記載のモータ駆動システムであって、前記第２のリニアホールデバイスが、前記第１のリニアホールデバイスに直交して置かれる、モータ駆動システム。
9. 請求項７に記載のモータ駆動システムであって、前記第１のリニアホールデバイス及び第２のホールデバイスの多次元アレイ、前記角速度計算ロジック、並びに、前記モータコントローラ及び駆動ロジックがすべて、単一集積回路（ＩＣ）上に形成される、モータ駆動システム。
10. 請求項９に記載のモータ駆動システムであって、前記第１のリニアホールデバイスが前記ＩＣの基板に対して水平に形成され、前記第２のリニアホールデバイスが、前記基板に対して水平に及び前記第１のリニアホールデバイスに直交して形成される、モータ駆動システム。
11. 請求項９に記載のモータ駆動システムであって、前記第１のリニアホールデバイスが前記ＩＣの基板に対して水平に形成され、前記第２のリニアホールデバイスが前記基板に対して垂直に形成される、モータ駆動システム。
12. 請求項９に記載のモータ駆動システムであって、ロータ及び複数の界磁巻線を有するモータをさらに含み、前記複数の位相信号が前記界磁巻線に結合され、前記ロータが複数のロータ磁石を含む、モータ駆動システム。
13. 請求項１２に記載のモータ駆動システムであって、前記少なくとも２つのリニアホールデバイスが、前記複数のロータ磁石によって生成される変化する磁界強度の少なくとも２つの直交成分を感知するように動作し得るように、前記ＩＣが前記ロータの近傍に搭載される、モータ駆動システム。
14. 永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）であって、
    複数の界磁巻線を有するステータであって、複数の位相信号が前記界磁巻線に結合されるステータ、
    前記ステータを基準にして回転するように構成され、複数のロータ磁石を有する、ロータ、及び
    前記ロータ磁石によって生成される磁界内にあるように置かれるモータ駆動システムであって、互いに直交して置かれる第１のリニアホールデバイス及び第２のリニアホールデバイスを含む、前記モータ駆動システム、
    を含む、ＰＭＳＭ。
15. 請求項１４に記載のＰＭＳＭであって、前記モータ駆動システムがさらに、
    前記第１のリニアホールデバイス及び第２のリニアホールデバイスの各々から磁界強度を示す信号を受け取るように結合される角速度計算ロジック、及び
    前記角速度計算ロジックから角速度情報を受け取るように結合され、前記ステータの前記界磁巻線に結合される複数の位相信号を提供するための複数の出力を備える、モータコントローラ及び駆動ロジック、
    を含む、ＰＭＳＭ。
16. 請求項１５に記載のＰＭＳＭであって、前記第１のリニアホールデバイス、前記第２のリニアホールデバイス、前記角速度計算ロジック、並びに、前記モータコントローラ及び駆動ロジックがすべて、単一集積回路（ＩＣ）上に形成される、ＰＭＳＭ。
17. 請求項１６に記載のＰＭＳＭであって、前記第１のリニアホールデバイスが前記ＩＣの基板に水平に対して形成され、前記第２のリニアホールデバイスが、前記基板に対して水平に及び前記第１のリニアホールデバイスに直交して形成される、ＰＭＳＭ。
18. 請求項１６に記載のＰＭＳＭであって、前記第１のリニアホールデバイスが前記ＩＣの基板に対して水平に形成され、前記第２のリニアホールデバイスが前記基板に対して垂直に形成される、ＰＭＳＭ。

Images