JP4034264B2 - 整流する直流電動機の駆動軸の回転位置を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電動機の電機子電流中に含まれかつデジタル化された電流リプルを評価することによって整流する直流電動機の駆動軸の角度を測定する方法に関する。

整流する直流電動機の電機子電流信号は、直流成分及びこの直流成分に重畳する交流成分を有する。磁石（磁場），直流電動機の電機子巻き線及び整流子が原因で、交流成分が直流電動機の運転時に発生する。このことは、誘導電圧の短期間の変化中に現れる。電機子電流信号のリプルが、そこから発生する。電機子電流信号中に含まれる電流ピーク−以下では電流リプルと呼ぶ−は、電機子の回転時に整流子片(Kollektorlamellen) の数に一致する頻度で発生する。例えば電機子が10個の整流子片を有する場合、それに応じて10個の電流リプルを電機子電流信号中で確認することができる。したがって電流リプルを計数することは、直流電動機の電機子の実際の回転位置と稼働要素の所定の移動区間内のこれらの稼働要素とに関する情報を与え得る。この目的のため、電機子電流のアナログ信号がデジタル化されて、対応する計数を実行できるようにする。

可能な限り誤りのない電流リプルの検出を実施できるようにするため、電機子電流のアナログ信号が、ノイズの影響を抑えるためにそのデジタル化の前及び場合によっては後にも適切に評価される。電機子電流信号を評価するため、フィルタリングが実行される。これらのフィルタリングは、ローパスフィルタリングとして及び／又は周波数フィルタリングとして構成されている。このような信号評価方法は、例えばドイツ連邦共和国特許発明第195 11 307号明細書中に記されている。このような信号評価方法の意図と目的は、電機子電流信号がそこに含まれている電流リプルを考慮して評価され得るように、この評価された正確な電機子電流信号を可能な限りノイズの影響なしに供給することである。計数結果が直流電動機の駆動軸又は電機子の実際の回転位置に関する直接の情報を与えるので、リプルが位置を測定するために計数される。電機子電流信号中に含まれる電流リプルを計数するため、最小値測定アルゴリズム又は最大値測定アルゴリズム又は零通過を測定するアルゴリズムが通常使用される。

しかしながら、エラーリプル及び／又は二重リプルが電機子電流信号中に発生することがある。基本的に、電流リプルの計数結果が、これらのエラーリプル及び／又は二重リプルによって不正確になる。エラーリプルとは、直流電動機の駆動軸の回転運動が実際に起きているにもかかわらず電機子電流信号中で検出不可能な電流リプルを言う。二重リプルは、電機子電流信号中に個々の電流リプルの二重ピークとして出現する。その結果、最大値の計数の場合、電流リプルの計数結果が両最大値を計数することによって不正確になる。エラーリプル及び／又は二重リプルの発生時に電流リプルの計数結果を適切に補正するため、補正方法が、信号評価方法及び評価方法の後に通常追加されている。引き続き電流リプルの計数結果を望ましく補正できるようにするため、最初にエラーリプル及び／又は二重リプルの発生が、この補正方法によって認識されなければならない。このエラーは特に整流子によって引き起こされ、したがって電機子電流信号を評価することによって容易に除去され得ないので、このような方法の使用は必要である。このような補正手段は、例えばドイツ連邦共和国特許発明第197 29 238号明細書から公知である。この方法の場合、次に予測される電流リプルの検出の時点が、１回の電流リプルの検出の時点中に電動機電流データと電動機特性データとから実際に算出された回転数に基づいて算定される。この時点は、この時点の大きさに関して一定にプリセットされている許容範囲の一部である。したがってこの明細書から公知のこの方法の場合、起こりそうな次の整流点（電流リプル）の算定された時点が、プリセットされている許容範囲の大きさだけ拡張される。こうして、１つの電流リプルがその許容範囲内でも検出されなかったときにだけ、発生しなかった電流リプルが、算定された時点中に又は算定された時点の前にエラーリプルとして認識される。しかしながらこの方法は、コンピュータに拘束されている。

本発明の課題は、この従来の技術を基礎として冒頭で述べた種類の方法を改良することにある。二重リプルの除去が、本発明によって電流リプルの検出時に既に可能である。

この課題は、本発明により、
−実際にデジタル式に走査された電機子電流値が、記憶器内に連続して記憶され、
−１つの実際の値を記憶器内に記憶したときに、この実際の値と予め記憶された特定数の値とが、これらの値の記憶の時系列順にこれらの値に関して比較され、
−観察した値にわたって全体的に上昇するか又は全体的に下降する傾向が存在する場合、１つの電流リプルの１つの立ち上がりエッジ又は１つの立ち下がりエッジを示す１つのエッジ認識信号が生成されることによって解決される。

本発明の方法の場合、実際にデジタル式に走査された電機子電流値が、記憶器内に記憶される。記憶器の容量は、可変に又は一定に設定され得る。後者の場合、記憶器レジスタ、例えば所定の数の記憶領域を有するリング記憶器を使用することが好ましい。電機子電流値を例えばリング記憶器内に記憶した場合、リング記憶器内に含まれている各値が、例えば直前に記憶された値と比較して大きいか又は小さいかどうか、この実際の値とこのリング記憶器内に時間的に予め記憶された所定の数の値とが、例えばこれらの値の記憶順にこれらの値の大きさに関して全体的に互いに比較される。このとき、１つの実際の電機子電流値を記憶するごとに、全体的に上昇する傾向又は下降する傾向が、観察された予め記憶された値にわたって存在するかどうかが確認される。全体的に上昇する傾向か又は全体的に下降する傾向が確認された場合、この傾向を示す１つの電流リプルの１つの立ち上がりエッジ又は１つの立ち下がりエッジを示す１つのエッジ認識信号が生成される。この説明で使用される概念“全体的に上昇する又は全体的に下降する”は、値にに相当する傾向に関する観察された値の傾向に関連する。この場合、この傾向は、一本調子とは限らない。それ故にこの説明の範囲内では、全体的に上昇するか又は全体的に下降する傾向を説明する。この傾向の場合、この傾向は事実に一致する。しかしながら詳細には、その他の個々の傾向も観察した値の対の範囲内で存在し得る。

電流リプルは、エッジを検出することによって検出される。この場合、１つの電流リプルのその都度の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジも、検出基準として利用され得る。このエッジの観察は、可能な検出時間間隔が−公知の従来の技術のときのような最大値、最小値又は零通過による検出と比較して−非常に長いことを十分に高いデジタル走査速度で可能にする。それ故に、１つの電流リプルの測定が−例えば最大値／最小値の検出のときのように−個々の値に左右されるのではなくて、１つの電流リプルが多数のデジタル走査値を考慮に入れて検出できる。１つの走査時点で予め算出された所定の数の値のそれぞれの観察の程度（Betrachtungstiefe ）によって、さもなければ例えば二重リプルとして認識されたノイズによるエラーが、容易に確認されて除去され得る。

全体的に一本調子に不変な傾向−上昇する傾向又は下降する傾向−が確認できた場合、ノイズのない電流リプル信号エッジ又は電流リプル信号エッジの一部が、使用される方法にしたがって検出される。それ故に、このような全体的に一本調子で不変な傾向が存在する場合、１つの対応するエッジ検出信号が生成される。

観察された値にわたって確かに全体的に不変であるものの、アウトライア（Ausreisser）のために一本調子に不変でないとみなされた傾向が存在する場合に対しては、これらの値も同様にエッジの検出に使用され得る。このような結果が存在する場合、観察された値の第２の利用可能性検査が実行される。この第２の利用可能性検査は、例えば観察すべき値の下位走査（Unterabtasutung ）として実行できる。この場合、１つ又は多数の値が、比較観察時に考慮されない。このような第２の利用性検査の場合、例えば後続する各２番目又は各３番目の値だけが考慮され得る。しかしながらこの第２の利用可能性検査は、統計学的な評価方法の種類にしたがっても説明され得る。この場合、時間的に隣接した値がそれぞれ、値の正の差又は負の差を考慮してこれらの値の大きさに関して検査される。引き続き、それぞれ観察された時間的に隣接した値と値の間の大きさの正の差又は負の差の検出された頻度に応じて、これらの観察された値の全体的に上昇する傾向又は下降する傾向が推測され得る。しかしながらこの方法の場合、一方の値の頻度が他方の値の頻度の何倍にも達するときにだけ、利用可能な傾向が推測されるように、閾値を設定することが好ましい。

多数の走査時点にわたって延在する１つの電流リプルのエッジを信号検出のために使用することは、多数の同一のエッジ検出信号が生成されたときに初めて、１つの電流リプルの計数が実行されることを同様に可能にする。この場合、このような評価のときも同様に、既に説明した統計学的な評価可能性が利用できる。

動作の信頼性を向上させるため、１つのエッジ認識信号が妥当性チェックによって確認されたときに初めて、基本的に電流リプルの計数に使用されるこのエッジ認識信号が電流リプルの計数に利用されることが好ましい。この妥当性チェックは、例えば所定の期間内の次の同様なエッジを検出することでもよい。しかしながらこの妥当性チェックに対しては、上昇又は下降しうる１つの電流リプルの１つのエッジを示す最初のエッジ認識信号が、それに応じて下降又は上昇しなければならないこの電流リプルの補完的なエッジを示す２番目のエッジ認識信号によって確認されてもよい。このときに初めて、この最初のエッジ認識信号が、電流リプリの計数に利用される。この補完的なエッジ認識信号によって、電機子電流信号の１つの最大値又は最小値がこれらの両エッジ間に実際に存在することが保証される。エッジの検出が特定の期間にわたって実行されるので、二重リプルが後続する評価に影響しないことがこうして同様に保証される。さらに、妥当性チェックに加えて補完的なエッジ認識信号によって、この追加の制御機構を例えば比較する時間観察に従属させてもよい。

以下に、本発明を添付した図面に関連する実施の形態に基づいて説明する。

図１中に示されたグラフでは、電動機電流がｙ軸上にプロットされ、時間がｘ軸線上にプロットされている。直流電動機の電機子電流のアナログ信号中に含まれている１つの電流リプルが示されている。この電機子電流のアナログ信号は、プリセットされている周期に応じてデジタル式に走査され量子化される。引き続き、デジタル信号がローパスフィルタで濾波されて、このデジタル信号の高周波寄生振動を除去する。このデジタル信号は、次のステップで細分される。引き続き、このデジタル信号は、ローパスフィルタでもう１回濾波されて平滑される。この信号評価ステップは、電機子電流のアナログ信号のデジタル走査以外は図中に示されていない。

電機子電流のアナログ信号中に含まれている電流リプルを検出するため、個々にデジタル化され適切に評価された値が、リング記憶器内に記憶される。このリング記憶器は、この示された実施の形態では７個の記憶領域を任意に使用できる。７番目の走査時点が、直流電動機の始動後にリング記憶器に格納される。その他の各走査値は、この示された実施の形態ではｘ（ｎ）で示された記憶領域内に書き込まれる。その一方で、全ての先行する値が１つの値だけシフトして、最後の記憶領域ｘ（ｎ−６）内に最初に存在する値が消去される。１つの実際の走査値を記憶領域ｘ（ｎ）内に記憶することによって、１つの値が、まだリング記憶器内に存在する先行する全ての値ｘ（ｎ−１）…ｘ（ｎ−６）と比較される。この値の比較は、１つの記憶領域から次の記憶領域までごとに実施される。すなわちこの値の比較は、時間的により若い値が時間的により早い時点にリング記憶器内に記憶された値よりも大きいか又は小さいかどうかを時間的により古い値と実施される。全てのより古い値がそれぞれ一本調子に小さくなっていることが走査値を記憶領域ｘ（ｎ）内に記憶したときに確認された場合、１つの電流リプルの立ち上がりエッジを表すエッジ認識信号が生成される。基本的にこのエッジ認識信号は、電流リプルを計数するために利用され得る。

しかしながら実際には、このエッジ認識信号が１つの補完的なエッジ認識信号によって確認されたときに初めて、このエッジ認識信号は電流リプルの計数に利用される。既に説明した立ち上がりエッジ認識信号に対するこの補完的なエッジ認識信号は、立ち下がりエッジ認識信号である。この立ち下がりエッジ認識信号の場合、リング記憶器内に実際に記憶された記憶領域ｘ（ｎ）内の走査値は、このリング記憶器内に記憶された最小値である。そして全てのより古い値が、一本調子に上昇しかつより大きい。このことは、記憶領域ｘ（ｎ）を割り当てる時点での電流リプルの立ち下がりエッジを示す。複数の補完的なエッジ認識信号を互いにラッチするこの手段によって、１つの電流リプルが実際に検出されたときにだけ、１つのエッジ認識信号が電流リプルの計数に利用されることが保証されている。この示された実施の形態では、立ち下がりエッジ認識信号によって確認された立ち上がりエッジ認識信号だけが電流リプルの計数で利用される。

図２ａ，２ｂ中には、整流する直流電動機の電機子電流信号の進行中に複数の補完的なエッジ認識信号を互いにラッチすることが、さらに明瞭にするために示されている。両図中ではそれぞれ、上の曲線が電機子電流のアナログ信号を示す。この電機子電流のアナログ信号曲線の下に形成された曲線は、デジタル化された電機子電流信号を示す。この場合、これらの個々のデジタル値は互いにつながっている。引き続きこれらのデジタル化された走査値はローパスフィルタで濾波され走査されそしてさらにローパスフィルタで濾波される。デジタル走査速度が、この評価された電機子電流曲線の下の一番下のラインに沿って表示されている。複数の時点が、デジタル走査を現す曲線にわたって示されている。立ち上がりエッジが、これらの時点で評価された電機子電流の信号曲線から検出される。この曲線は、図２ａ，２ｂ中ではＤ−で示されている。これらの複数の時点は、検出された電流リプルの立ち上がりエッジを現すこの曲線Ｄ＋の上にある。最初のエッジ認識信号がもう１つの補完的なエッジ認識信号によって確認されることなしに、立ち上がりエッジを認識する曲線Ｄ＋と立ち下がりエッジを認識する曲線Ｄ−の双方が、互いに依存せずにプロットされている。この図中では、デジタル化され評価された電機子電流信号の曲線の変化が原因で、これらの電機子電流信号が幾つかのエッジで何回も立ち上がったとして又は立ち下がったとして検出されたことが分かる。このことは、電機子電流信号の不規則な変化を理由として説明できる。または、エッジの長さが電流リプルのエッジの時間的な長さによって何回も検出される程度に長いことを理由として説明できる。デジタル化され評価された電機子電流信号の個々の電流リプルの一部が、２つの最大値を有する二重ピークを示す。その結果、基本的に多数の立ち上がりエッジが検出されている。

図２ｂは、対応する信号を示す。しかしながらこの場合、立ち上がりエッジ検出信号と立ち下りエッジ検出信号とが交互に互いにラッチされている。その結果、例えばこのような立ち上がりエッジ認識信号だけが、有効な立ち上がりエッジ認識信号とみなされる。引き続きこの立ち上がり認識信号は、１つの補完的なエッジ認識信号（ここでは：１つの立ち下りエッジ認識信号）によって確認される。それ故に、立ち下りエッジ認識信号に直に続いて隣接する立ち上がりエッジ認識信号だけが電流リプルの計数に利用される。その他の立ち上がりエッジ認識信号を時間的に見れば立ち下がりエッジ認識信号が確認されなかったので、これらのその他の立ち上がりエッジ認識信号は考慮されないままである。

したがってこの評価方法では、二重リプル又は高周波ノイズの影響が容易に除去される。

図３は、説明した方法ステップがさらに示されている流れ図である。最初のエッジ認識信号を最終的に生成させる図１で説明したエッジ検出に対する捕捉では、リング記憶器内に記憶された値が、最初に記憶された値から最後に記憶された値まで全体的に総じて一本調子に上昇して生成されるので、リング記憶器内に記憶された７つの値のうちの１つの値がこの基準を満たさなかったときには、エッジ認識信号が生成されない。しかしながらこのようなアウトライア（Ausreisser）はノイズによって生じうるので、このような僅かな数のアウトライアを有するこのような全体的に上昇するか又は全体的に下降する一連の値も、不正確な結果なしに１つのエッジ認識信号を生成するために利用され得る。この目的のため、全体的に一本調子に上昇するか又は下降する一連の値の基準が満たされていないことが確認された場合、これらの値が第２の利用可能性検査に託される。この示された実施の形態の場合、下位走査（Unterabtastung）が、この第２の利用可能性検査で実行される。この下位走査の場合、リング記憶器内に記憶された各２番目の値だけが、最後に記憶された値ｘ（ｎ）に基づいて既に説明した基準に関して検査される。これらのこのとき観察された値が全体的に一本調子に上昇又は下降する基準を満たすことが確認された場合、１つのエッジ認識信号が、この理由から生成される。

対応する一連の値がリング記憶器内に存在しない場合、エッジ認識信号がそれに応じて生成されない。このことは、特に電機子電流信号の最大値と最小値の範囲内で起こる。

最初のエッジ認識信号が電流リプルの計数に利用される前に、このエッジ認識信号が、ラッチされ、エッジ認識後のその次のに生成されたエッジ認識信号の傾向と比較される。この次に生成されたエッジ認識信号の傾向がラッチされたエッジ認識信号の傾向と同一である場合、この最初のエッジ認識信号が、電流リプルの計数に利用されず、再び処理されない。次いで、後続するエッジ認識信号がラッチされる。特定の傾向を有する１つのラッチされたエッジ認識信号が、補完的な傾向を有する後続する１つのエッジ認識信号によって確認されたときに初めて、電機子電流信号の１つの最大値又は１つの最小値、すなわち１つの電流リプルが検出されたことがこのことから推測され得る。次いで、これらの両エッジ認識信号の一方のエッジ認識信号が電流リプルの計数に利用されるか、又は、１つの固有の電流リプル信号が生成される。

電流リプルを計数する１つの信号が、電機子電流信号の１つの最大値又は最小値の検出後に生成される前に、その認識された最大値の妥当性チェックを１つの電流リプルの存在の理論的な可能性を考慮して実行してもよい。このことは、例えば最後に検出された電流リプルに基づき、直流電動機の回転数を知って、例えば電動機の電流データと電動機の特性データから算出し、次に予測される整流過程として算出する例えば時間観察でもよい。

短時間のノイズの影響がエッジ検出時に考慮された時間的な長さによって容易に除去され得ることが、本発明のこの説明から明らかである。この方法の場合、二重リプルの誤った補間も容易に回避され得る。

整流する直流電動機の電機子電流のアナログ信号を示すグラフ，直流電動機の走査及びリング記憶器内の走査されたデジタル値の記憶を示す。 整流する直流電動機の電機子電流のアナログ信号及びこのアナログ信号から導き出されたエッジ検出のための曲線を有するグラフである。 整流する直流電動機の電機子電流のアナログ信号及びこのアナログ信号から導き出されたエッジ検出のための曲線を有するグラフである。 エッジ検出を用いて電流リプルを検出する方法ステップを示した流れ図である。

Claims (4)

1. 直流電動機の電機子電流中に含まれかつデジタル化された電流リプルを評価することによって整流する直流電動機の駆動軸の角度を測定する方法において、
   −実際にデジタル式に走査された電機子電流値が、記憶器内に連続して記憶され、
   −１つの実際の値であるｘ（ｎ）を記憶器内に記憶したときに、この実際の値と予め記憶された特定数の値であるｘ（ｎ−１）．．．ｘ（ｎ−６）とが、これらの値の記憶の時系列順にこれらの値に関して比較され、
   −これらの観察した値であるｘ（ｎ）．．．ｘ（ｎ−６）にわたって全体的に上昇するか又は全体的に下降する傾向が存在する場合、１つの電流リプルの１つの立ち上がりエッジ又は１つの立ち下がりエッジを示す１つのエッジ認識信号が生成されることを特徴とする方法。
2. １つのエッジ検出信号が、観察された値の全体的に一本調子で不変な傾向時に生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 観察すべき値の下位走査が、これらの観察される値の第２の利用可能性検査として実行され、この場合、１つ又は多数の値が、この比較観察時に考慮されないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 第２の利用可能性検査は、統計学的な評価方法として規定されていて、この場合、それぞれ隣接した値が、１つの上昇する傾向又は下降する傾向に関して検査され、引き続き観察された値の全体的に一本調子に上昇するか又は下降する傾向が、確認された傾向の頻度に応じて推測されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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