JP4436974B2 - 電動機用制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、少なくとも３つの固定子コイルを含む電動機の分野に関し、特に、回転子の瞬間的角位置を検出するための検出手段を含むそのような電動機の制御装置に関する。
【０００２】
「ブラシレス電動機 (brushless motor)」或いは「整流子無しの電動機(motor with no commutator)」が、この明細書中では、永久磁石が提供された可動部分（または「回転子」）および少なくとも３つの固定した２極コイルを備えた固定部分（または「固定子」）を含む直流電動機として定義されている。電動機が３つの固定子コイルを含む場合、これらは、互いに１２０°だけずれるように配置される。このタイプの電動機は、滅菌中 (sterilization)にブラシが分解してしまうブラシ付き電動機とは異なり、例えば、高圧滅菌器（オートクレーブ：autoclave)内で滅菌可能であるという利点を有する。従って、滅菌の問題は、特に、医療器具の分野といったような最適な衛生的清潔性が必要とされる利用分野で根本的な関心事となっている。
【０００３】
図１は、３つの固定子コイル２〜４を備えたブラシレス電動機１を概略的に示している。ここで、電動機は、従来の電圧発生装置５によって制御されている。この目的で、コイル２〜４の各々は、接続端子を含んでいる。参照符号２ａ，３ａおよび４ａは、それぞれコイル２，３および４の接続端子を表わす。電圧発生装置５は、それぞれ端子２ａ，３ａおよび４ａに接続された３つの接続端子５ａ，５ｂおよび５ｃを含み、これは、電動機１の制御を達成するために３つのそれぞれのコイル２〜４に対して３つのそれぞれの電圧Ｕａ〜Ｕｃを端子５ａ〜５ｃを介して提供できるように配置されている。
【０００４】
図２は、図１の電動機が制御されているときの電圧Ｕａ〜Ｕｃの３つのタイミング波形１０〜１２を示している。これら３つの電圧の組が方形周期信号で形成された３つの位相系を構成し、これらの信号がＡと呼称される同じ振幅とＴと呼称される同じ周期をもち、相互の関係においてＴ／３だけ位相がシフトされている。
【０００５】
図２の電圧Ｕａ〜Ｕｃが図１のそれぞれのコイル２〜４に印加された時点で、コイルは６つの異なる状態に従って逐次的に（シーケンシャルに）分極され得る。第１の状態は、電圧Ｕａ，ＵｂおよびＵｃがそれぞれ値Ａ，０およびＡをもつ瞬間ｔ０とｔ０＋Ｔ／６の間に含まれる時間的間隔に対応する。第２の状態は、瞬間ｔ０＋Ｔ／６とｔ０＋２Ｔ／６の間に含まれる時間的間隔に対応し、その他の状態も同様に続く。この分極の結果として、回転子を回転させることのできる回転磁界が生成される。ここで、回転子の永久磁石は、コイル２〜４の極く近くに配置されている。また、回転速度が電圧Ｕａ〜Ｕｃの振幅に左右されることに改めて留意されたい。一例を挙げると、振幅Ａが０〜２４Ｖの間で変動する場合、回転子の回転速度は、０〜４００００回転／分の間で変動し、周期Ｔに対応する周波数Ｆ０は、１〜６６７Ｈz の間に含まれる。
【０００６】
このタイプの制御で遭遇する１つの問題点は、回転子の瞬間的角位置を検出することが必要であるということである。回転子を望まれる角位置まで回転させるためには、回転子の角位置は、固定子コイルに制御電圧が印加された瞬間において検出され、印加された電圧の値が検出された角位置から望ましい角位置まで回転子を回転させることのできる磁界をエアギャップ（空隙：air gap)内に作り出すことができるようにしなければならない。
【０００７】
回転子角位置を検出する問題に対する第１の従来の解決法は、回転子にリンクされ固定子コイルに印加された電圧の切り換えを制御する符号化装置をこのような電動機に取り付けることである。例えば、無接点電子センサが回転子の角位置を検出するために一般に使用されており、この符号化装置は、回転子と共に回転する磁石、および、この磁石の磁界内に位置付けされ磁界の反転があった時点で切り換えるべく固定子に固定された複数のセルつまりホール効果センサーを含んでいる。ホール効果センサが、隣接する磁界の変動を検出することができるように配置されているということに改めて留意されたい。
【０００８】
このタイプの解決法にはさまざまな欠点がある。特に、ホール効果セルは比較的高価なものであり、また、それを電動機の近くに取りつけることは、その所要スペースを増大させることにもなる。その上、電動機の３本の給電線に加えて、ホール効果セルに対して給電するための２本の電線並びにそれにより提供されるデータを収集するための３本の電線を使用することが必要となる。当然のことながら、８本の電線を伴う計器の配置は、取り扱い能力、滅菌、重量、堅牢性およびコストに関する制約条件に反するものであり、これらの制約条件は業界、特に医療計器の分野では一般的なものである。
【０００９】
回転子の角位置を検出する問題に対する第２の従来の解決法は、回転子の回転速度に正比例し、従って、その運動ひいては回転子の速度に関係するデータを提供することのできる逆起電力を測定することである。
この解決法の１つの欠点は、それによって回転子の角位置を直接検出できるようにはならないという事実にある。
【００１０】
この解決法のもう１つの欠点は、力が回転子の回転速度と共に減少し、このため測定を困難にするという事実にある。
さらに、この解決法のもう１つの欠点は、回転子の瞬間的位置の検出が電動機の正常な作動を妨害するという事実にある。逆起電力の測定は、電動機制御電圧の供給と同時に実施され得ない。従って、電動機の作動は、各々の逆起電力の測定の時点で中断される。
【００１１】
このように、上述の問題に応える当該技術分野の現状において提案された解決法は、全て、一方では回転子の瞬間的角位置を検出するため、および、他方では例えば歯科用器具内のブラシレス電動機を制御するためといった特定の利用分野に属する制約条件または関心事に応えるために充分なものではなかった。同様に、一例を挙げると、ロボット工学に対する応用の範囲内で、従来の解決法は、予め定められた角度からの回転子の回転を充分な精度でかつ少数のリード線で制御することを可能にするものではない。
【００１２】
本発明の１つの目的は、ブラシレス電動機に接続させることができ、前記の欠点を克服し、しかも、特に電動機の回転子の瞬間的角位置を検出することのできる制御装置を提供することにある。本発明のもう１つの目的は、業界、特に医療器具の分野において、一般的なものである取り扱い能力、重量およびコストに関する制約条件に応えるべく、最小限の接続用電線で接続され得る制御装置を提供することにある。
【００１３】
本発明のもう１つの目的は、回転子が停止した場合でも、回転子の回転速度とは無関係に回転子の瞬間的角位置を検出することのできる制御装置を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、電動機の正常な作動を妨げることなく回転子の瞬間的角位置を検出することのできる制御装置を提供することにある。
【００１４】
本発明のもう１つの目的は、特に医療器具の分野における応用のため、滅菌および堅牢性に関する制約条件に応える制御装置を提供することにある。
これらの目的は、その他の目的に加えて、請求項１に記載の制御装置によって達成される。
本発明によれば、第１，第２および第３の接続端子に接続された少なくとも第１，第２および第３の固定子コイルに磁気的に結合された永久磁石が取り付けられた回転子が提供された電動機を制御するための装置において、第１，第２および第３の出力端子を介して第１，第２および第３のそれぞれの制御信号を前記電動機の前記第１，第２および第３の接続端子にそれぞれ提供するための手段であって、該制御信号が制御周波数で周期的になっている手段と、前記回転子の角位置を検出するための検出手段とを含む装置であって、該検出手段は、第１の端子グループ，第２の端子グループおよび制御端子を備える切り換え回路を含み、前記第１の端子グループは、それぞれ前記第１，第２および第３の接続端子に接続され、前記切り換え回路は、前記制御端子を介して制御信号を受信し、並びに、前記第１の端子グループである一方の接続端子を前記第２の端子グループである他方の接続端子に接続することができるように配置され、前記第１，第２および第３の固定子コイルと、それぞれ第１および第２の全く異なる電気構成をもつ少なくとも第１および第２の振動回路を形成するようになっており、それにより第１および第２の振動回路は、各々それ自体回転子の完全な一回転を永久磁石の磁極数で除したものに対応する周期で、前記回転子の角位置の周期関数である第１および第２のそれぞれの周波数での第１および第２の周期的測定信号を提供することができるようになっている測定手段、および、前記第１および第２の測定信号を受信し、当該信号の第１および第２の周波数により形成された対から前記角位置を計算し、この値を提供するように配置された計算手段を含むことを特徴とする電動機用制御装置が提供される。
本発明に係る装置は、回転子の角位置を一緒に表わすそれぞれの周波数での少なくとも２つの測定信号を提供することおよびこれらの信号の供給が電動機の正常な作動特に給電手段による電動機の制御とは独立したものであることといった利点をもつ検出手段を含んでいる。
【００１５】
これらの検出手段のもう１つの利点は、電動機と検出手段の間の付加的な接続が回転子の角位置を検出できることを必要とすることなく、これらの手段が給電手段に電動機を接続する給電用電線に接続されるという事実にある。その結果、捕捉装置が取り付けられた電動機は、業界特に歯科器具の分野において一般的である取り扱い能力、堅牢性および重量に関する関心事に応えるものとなる。
【００１６】
本発明に係る装置は、さらに、給電手段の出力端子を横切って測定信号をフィルタリングし、これらの信号の供給が給電手段による電動機の制御を妨害しないことを確実にするという利点を有するフィルタ手段を含んでいる。
本発明に係る装置は、周波数が制御信号の周波数よりも高く振幅が前記制御信号よりも低く、そのため電動機が制御された時点で制御信号と干渉しなくなっている測定信号を提供し、制御信号の供給が給電手段を介しての電動機の制御を妨害しないことを保証にするという利点をもつ測定手段をさらに含んでいる。
【００１７】
検出手段のもう１つの利点は、それらが廉価で複雑ではなく、コンパクトな電子部品を含むことにあり、このことは、価格、合理化およびコンパクト性に関する通常の業界の関心事に応えるものである。
本発明に係る制御装置のもう１つの利点は、それが、特に回転子が停止した時に、電動機のエアギャップ内に存在する回転磁界の誘導分布にいかなる影響も及ぼすことなく回転子の瞬間的角位置が検出され得るようにするという事実にある。当業者であれば、そのそれぞれの周波数における測定信号が、回転子の回転速度のいずれの値についても、特に、回転子が停止した時でも提供され得るという点に気づくであろう。これは、角位置の検出が、給電手段による電動機の制御とは独立して提供される測定周波数の測定から導出されるからである。
【００１８】
本発明に係る制御装置のもう１つの利点は、業界、特にロボット工学および歯科インプラント学の分野において一般的である精度に対する要求に応えるもので、およそ１度の精度での回転子の瞬間的角位置の検出を可能にするという点にある。
本発明に係る装置は、さらに、角位置の推移を経時的に監視できるようにするもので、比較値と計算上の角位置の比較という利点をもつ処理手段を含んでいる。
【００１９】
これらの処理手段のもう１つの利点は、回転速度および加速度と同様に回転子が行なう回転の数を計算することをも可能にし、これらのパラメータの推移を経時的に監視することが可能になるという事実にある。
本発明のこれらの目的、特長および利点は、その他のものに加えて、添付図面に関連して単なる一例として与えられた本発明の２つの好ましい実施例の詳細な記述を読むことによって、さらに明らかになるであろう。
【００２０】
図３は、参照符号２０により表された本発明に係る制御装置のブロック図を示す。この装置は、図１の電動機１に類似した電動機を制御するように配置され、この電動機に接続されている。図３を見ると、図１に関連して記述されたものと同じである制御装置２０の要素が、同じ参照符号で呼称されていることがわかる。
【００２１】
電動機１は、３つの固定子コイル２〜４に電磁結合された永久磁石７が取り付けられている回転子６を含んでいる。当業者であれば、本発明に係る装置は、同様に、３つより多い数の固定子コイルを有する電動機を制御するようにも配置され得るということがわかるであろう。図３（並びに、図４、５、６および１１）では、電動機１が、星形回路の形で示されていることがわかる。しかしながら、当然、本発明に係る装置は同様に、デルタ結線回路の形で接続された３つの固定子コイルを含む電動機をも制御することができる。
【００２２】
電動機１は、図１の発生装置５に類似した供給手段を形成する給電手段に接続される。電圧発生装置５は、図２のタイミング図に示されるように、コイル２〜４に対して電圧Ｕａ，ＵｂおよびＵｃを提供すべく、図示されていない電源に対して連続的にコイル２〜４を接続するように配置されているという点に、改めて留意されたい。電圧発生装置５の接続は、電圧発生装置５の適正な作動と適合性ある信号Ｕ０に応答して達成され、この信号の供給については以下で記述されている。
【００２３】
制御装置２０は、回転子の角位置θを検出するための手段２２を含んでいる。検出手段２２は、２つの全く異なる周波数Ｆ１およびＦ２を測定することを目的とし、２つのそれぞれの周波数Ｆ１およびＦ２で２つの信号Ｕ１およびＵ２を供給する測定手段２４を含んでいる。検出手段２２は、さらに、２つの信号Ｕ１およびＵ２から角位置θを計算し、この位置を信号Ｕ０の形で提供するための手段２６を含んでいる。
【００２４】
図４は、装置２０の第１の実施例、特に、測定手段２４を示している。
測定手段２４は、第１の端子グループ３４ａ〜３４ｃ，第２の端子グループ３４ｄ〜３４ｆおよび制御端子３４ｇを含む切り換え回路３４を含んでいる。切り換え回路３４は、端子３４ｇを介して制御信号Ｕ３を受信し、それに応えて図５および６に関連して以下で記述される２つの電気的構成Ｙ１およびＹ２に従って一方の端子３４ａ〜３４ｃを、他方の端子３４ｄ〜３４ｆに接続することができるように配置されている。信号Ｕ３の供給については、図１０に関連して以下でさらに詳述されているということを指摘しておきたい。切り換え回路３４は、好ましくは、構成Ｙ１およびＹ２の接続を実施する既知の電子部品によって形成されたスイッチを用いて製造される。
【００２５】
測定手段２４は、切り換え手段３４が各構成Ｙ１およびＹ２であるとき、それぞれ周波数Ｆ１およびＦ２で周期信号Ｕ１およびＵ２を提供するように意図された増幅回路３５をさらに含んでいる。図４の例においては、増幅回路３５は、コンデンサ３７を介して端子３４ｄにその出力端が接続された演算増幅器３６を含んでいる。演算増幅器３６の非反転入力端（すなわち、「＋」端子）は、一方ではコンデンサ３８を介して端子３４ｅに接続され、また、他方では抵抗器３９を介して装置のアースに接続されている。演算増幅器３６の反転入力端（すなわち、「−」端子）は、一方ではコンデンサ４０を介して端子３４ｆに接続され、また、他方では抵抗器４１を介して装置のアースに接続されている。
【００２６】
ここで、切り換え回路３４の２つの構成Ｙ１およびＹ２が述べられる。図５および６は、それぞれ構成Ｙ１およびＹ２に従った図４の測定手段２４の電気図を示す。以下の記述において、参照符号Ｙ１およびＹ２は、同様に、その２つのそれぞれの構成Ｙ１およびＹ２に従って、切り換え回路３４を介して電動機１に接続された測定手段２４の電気図をも呼称するものとする。図５および６において、図４に関連して記述されたものと同じ制御装置２０の要素は、同じ参照符号で呼称されていることがわかるであろう。
【００２７】
図５に示されているような構成Ｙにおいて、切り換え回路３４は、端子３４ａ〜３４ｃがそれぞれ端子３４ｄ〜３４ｆに接続されるような形で配置されている。換言すると、構成Ｙ１においては、演算増幅器３６の出力はコンデンサ３７を介して電動機１の端子２ａに接続され、増幅器の非反転および反転入力端はぞれぞれ端子３ａおよび４ａに接続される。これにより、構成Ｙ１では、測定手段２４（すなわち、切り換え回路３４および増幅回路３５）は、第１の振動回路を形成し、この回路の中では、演算増幅器３６の出力端は、コンデンサ３７を介して信号Ｕ１をコイル２および計算手段２６に供給する。
【００２８】
当業者であれば、信号Ｕ１が、演算増幅器３６の「＋」および「−」端子から見たインピーダンスに特に左右される周波数Ｆ１において周期的であることがわかるであろう。このインピーダンスは、直接コイル２〜４のインダクタンスによって左右される。さらに、巻線またはコイルのインダクタンスがその構造のみならず、その中を通る磁界の強度によっても左右されるということが知られている。従って、電動機１の場合、コイル２〜４は、回転子の永久磁石に電磁結合され、関連するコイルとの関係における磁石の角位置θによって左右される磁石が生成する磁界の一部分は、コイル２〜４の各々の中を通過する。換言すると、周波数Ｆ１は、回転子の角位置θによって左右される。
【００２９】
純粋に例示を目的として、図７は、回転子がそれぞれ第１の角位置θ０または基準位置にある時および基準位置とは異なる第２の角位置θ１にある時の、信号Ｕ１の時間的推移を例示する２つの曲線５０および５１を示す。図７の曲線５０および５１は、角位置θの関数としての周波数Ｆ１の感度を実証する目的で、実験的に測定されたものである。それにより、周波数Ｆ１（θ１）は１. ４３ＭＨz に等しいものとして、又周波数Ｆ１（θ１）は１. ３ＭＨz に等しいものとして測定された。すなわち、角位置θ０とθ１の間の周波数の差は、１３０ＭＨz に等しい。
【００３０】
当業者であれば同様にわかるように、周波数Ｆ１は、回転子の３６０°の回転を回転子の磁極数で除したものに対応する周期で、角位置θで周期的に変動する。この場合、この磁極数は２であることから、周波数Ｆ１の変動周期に従って回転子の１８０°の回転に対応する。
純粋に例示を目的として、図８は、角位置θの一関数として周波数Ｆ１の変動を例示する曲線６１を示す。参照符号Ｆmin およびＦmax は、それぞれ、周波数Ｆ１の最小値および最大値を表わす。
【００３１】
図６に示されるように、構成Ｙ２においては、切り換え回路３４は、端子３４ａ〜３４ｃが、前記構成Ｙ２を形成する端子３４ｅ，３４ｄおよび３４ｆにそれぞれ接続されるような形で配置されている。換言すると、演算増幅器３６の出力端は、コンデンサ３７を介して電動機１の端子３ａに接続され、増幅器の非反転および反転入力端はそれぞれ端子２ａおよび４ａに接続される。それにより、構成Ｙ２では、測定手段２４（すなわち、切り換え回路３４および増幅回路３５）およびコイル２〜４は、第２の振動回路を形成し、この回路の中で、演算増幅器３６の出力端は、コンデンサ３７を介して信号Ｕ２をコイル３および計算手段２６に提供する。
【００３２】
図８は、同様に、角位置θの関数としての周波数Ｆ２の変動を例示する曲線６２を示す。この図が示すように、周波数Ｆ１と同様、周波数Ｆ２は、回転子の１８０°の回転に対応する周期で、最小値と最大値の間で周期的に変動する。当然のことながら、周波数Ｆ２の最小値と最大値は、コイル２〜４が対称である限りにおいて周波数Ｆ１のものとそれぞれ等しく、同じ巻き数および同じインダクタンスを有する。さらに、図８を見ると、周波数Ｆ１に関連付けられた曲線６１は周波数Ｆ２に関連付けられた曲線６２との関係において１２０°だけ位相がシフトされているということがわかるであろう。当業者であれば、この位相シフトが電動機１のコイル２〜４の配置およびこの例では回転子の２極磁石から導かれるものであることが容易にわかるであろう。
【００３３】
当業者であれば、それぞれの周波数Ｆ１およびＦ２における信号Ｕ１およびＵ２の供給が、電動機１の正常な運転すなわち電圧発生装置５による電動機の制御を混乱させてはならないということに気づくことだろう。
この目的で、信号Ｕ１およびＵ２の振幅が実質的に電圧Ｕａ〜Ｕｃのものよりも低くなり、周波数Ｆ１およびＦ２の最小値が電圧Ｕａ〜Ｕｃの周波数Ｆ０の最大値よりも実質的に高くなるような形で、増幅回路３５が配置されている。さらに、増幅回路３５は、周波数Ｆ１およびＦ２の最大値が、特に歯科器具の分野で一般に実践されている電磁適合性試験中に使用された信号の周波数の値よりも実質的に低くなるような形で配置されており、ここで、電磁適合性試験中に使用される最小周波数は、約３０ＭＨz である。
【００３４】
一例を挙げると、電圧Ｕａ〜Ｕｃの振幅が０〜２４Ｖまで変動し、電圧の周波数Ｆ０が１〜６６７Ｈz の間に含まれている場合、信号Ｕ１とＵ２の振幅は約２Ｖであり、周波数Ｆ１およびＦ２はおよそ数ＭＨz である。
同様に、制御電圧Ｕａ〜Ｕｃの供給を混乱させないようにするため、すなわち、電動機１の正常な動作を確保するためには、電圧Ｕａ〜Ｕｃを修正することなくその周波数がおよそ数ＭＨz までである測定にリンクされた信号（特に、信号Ｕ１およびＵ２）をフィルタリングする電圧発生装置５の出力端子５ａ〜５ｃにそれぞれ３つのフィルタ（図示せず）が接続され得る。好ましくは、前記フィルタは、各々コイルおよびそのコイルと並列に接続されたコンデンサを含む３つのバンド・ストップ・フィルタ（帯域遮断フィルタ：band stop filter) を用いて作られており、これらのフィルタは、バンド・ストップ・フィルタによって遮断された周波数範囲に属するそれぞれの周波数Ｆ１およびＦ２を有する信号Ｕ１およびＵ２を遮断する。変形例として、前記フィルタは、それぞれ出力端５ａ，５ｂおよび５ｃとそれぞれの接続端子２ａ，３ａおよび４ａの間に直列に接続された３つのそれぞれのコイルおよびそれぞれの出力端子５ａ，５ｂおよび５ｃと装置のアースの間に並列に接続された３つのそれぞれのコンデンサを含む３つのロー・パス・フィルタ（低域フィルタ：low-pass filter)を用いて作ることもできる。
【００３５】
計算手段２６に関しては、これらの手段が、２つの信号Ｕ１およびＵ２から角位置を計算するように配置されているということが想起されるであろう。
図９は、図４の制御装置２０における計算手段２６の一実施例を示している。図９では、先行する図に関連して記述されたものと同じ制御装置２０の要素が同じ参照符号によって呼称されていることがわかるであろう。
【００３６】
図９が示すように、計算手段２６は、周波数−電圧変換器７１および処理回路７２を含んでいる。
周波数―電圧変換器７１は、図４の演算増幅器３６の出力端に接続された入力端子７１ａおよび処理回路７２に接続された出力端子７１ｂを含んでいる。変換器７１は、端子７１ａを介して信号Ｕ１（または、Ｕ２）を受信し、この信号を、処理回路７２の作動と適合性ある電圧Ｘ１（または、Ｘ２）に変換するように配置されており、ここで、この電圧の振幅は、周波数Ｆ１（または、Ｆ２）とかかる周波数の既知の値（例えば、図８のＦmax またはＦmin 値）の間の差に正比例している。変換器７１は、同様に、端子７１ｂを介して電圧Ｘ１（またはＸ２）を供給するように配置されている。好ましくは、周波数―電圧変換器７１は、既知の周波数弁別器により形成される。
【００３７】
処理回路７２は、変換器７１の出力端子７１ｂに接続された入力端子７２ａおよび図３の例では電圧発生装置５に接続された出力端子７２ｂを含んでいる。さらに、処理回路７２は、端子７２ａを介して電圧Ｘ１およびＸ２を受信し、電圧Ｘ１およびＸ２により表わされる周波数Ｆ１，Ｆ２の対｛Ｆ１，Ｆ２｝に対応する角位置θの単一値を決定できるようにする動作を実行するように配置されている。
【００３８】
処理回路７２により実行される動作をより良く理解するため、ここで、再び図８が参照される。これにより、瞬間的測定電圧Ｘ１mes は、定義上、図８に参照符号Ｘ１mes により表わされ、Ｆmax とＦmin の間に含まれる周波数Ｆ１の値に対応する。この図が示すように、電圧Ｘ１mes は、曲線６１上で０°と１８０°の間に含まれた２つの角度値θ２とθ３に対応している。同様に、瞬間的測定電圧Ｘ２mes は、曲線６２上で、２つの角度値θ４とθ５に対応している。ここで、値θ２〜θ５の間の２つの値（本件の場合、θ３およびθ４）は、１８０°を基準として一致し、これが、０°と１８０°の間に含まれた単一の値の存在を定義付けることがわかるであろう。換言すれば、それは、曲線６１に関連付けられた値θ３に等しいか或いは曲線６２に関連付けられた値θ４に等しい単一の値である対｛Ｘ１mes ，Ｘ２mes ｝に対応し、この単一値は望まれる角位置θである。
【００３９】
実際には、図８の曲線６１および６２は、１２０°に近いオフセットで互いに同一であることから、処理回路７２は、電圧Ｘ１またはＸ２と角度値θとの間の単一の対応表を含むようにプログラミングされており、この表は、値Ａrcsin(θ）と対応する角度値θとの間の従来の三角法表 (trigonometric table)に類似している。処理回路７２は、以下の連続的な動作を実行するようにプログラミングされている。第１の動作は、前記表から、端子７２ａにより受信された電圧Ｘ１に対応する角度値θ６およびθ７の第１の対、並びに、電圧Ｘ２に対応する角度値θ８およびθ９の第２の対を決定する。さらに、第２の動作は、値θ６〜θ９の中から、その差が１２０°である２つの値を決定し、これら２つの値の中で曲線６１に対応する値を決定する。ここで、この値は望まれる角位置θとみなされる。
【００４０】
前記第２の動作の中に導入される１２０°の値は、図８の曲線６１と６２の１２０°のオフセットに対応し、このオフセットについてはすでに言及したということに留意されたい。従って、電圧Ｘ１mes およびＸ２mes に対応する角度値が（図８の曲線６１および６２からではなく）前記表から決定される場合には、このオフセットの存在は、値θ６〜θ９の間の差を計算することによって数学的に導入されなくてはならず、そのうちの２つは間に１２０°の隔たりを有する。
【００４１】
対応表の使用には、装置の部品により左右される電圧Ｘ１およびＸ２のピーク値から電圧Ｘ１mes およびＸ２mes を正規化する付加的な初期動作が必要とされ得るということにも留意されたい。
当然のことながら、処理回路７２により実行される動作の結果は、正確な値ではなく近似値を提供するものである。改良として、例えば、第３の構成Ｙ３中に、これらの計算中に得られる角位置θの正確度を増大させることのできる第３の測定周波数Ｆ３が提供され得る。
【００４２】
好ましくは、処理回路７２は、従来の３２ビットのマイクロプロセッサを用いて作られる。このマイクロプロセッサは、特に、前述のプログラムを実行するためにプログラミングされる。
図４および図９を組み合わせて示されるように、処理回路７２は、端子７２ｃを介して制御信号Ｕ３を切り換え手段３４により提供し、３段階に分割された測定サイクルを規定し、それにより、第１および第２段階の間、測定手段２４が各計算手段２６にそれぞれの信号Ｕ１およびＵ２を提供すべく構成Ｙ１およびＹ２を有し、さらに、第３段階の間計算手段２６が望ましい角位置を決定するように、プログラミングされることもできる。
【００４３】
純粋に例示を目的として、図１０は、信号Ｕ３のタイミング９１を示す。参照符号ｔ０は、測定サイクルの第１段階が開始する初期の瞬間を表わし、参照符号ｔ１は、この第１段階が終わり同じサイクルの第２段階が開始する瞬間を表わし、参照符号ｔ２は、この第２段階が終わり同じサイクルの第３段階が開始する瞬間を表わし、そして、参照符号ｔ３は、この第３段階が終わり新しい測定サイクルが開始する瞬間を表わす。信号Ｕ３は、第１段階の間、値「０」を有し、後続する段階の間、「１」という値を有する。例示を目的として、瞬間ｔ０とｔ１の間の時間的間隔並びに瞬間ｔ１とｔ２の間の時間的間隔が５０〜１００μｓの間に含まれること、および、瞬間ｔ２とｔ３の間の時間的間隔が４００〜６００μｓの間に含まれることに留意されたい。
【００４４】
当業者にとっては、当然のことながら、上述の詳細な記述は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正、他の実施例、或いは、改良を受けることができる。
変形として、本発明に係る装置は、３つ以上の数の固定子コイルを含む電動機を制御するように配置することができる。この場合、電動機と給電手段の間の接続並びに電動機と測定手段の間の接続は、電動機の固定子コイルの数に適合するように配置される。
【００４５】
また、変形として、この装置の測定手段は、処理回路によって制御されないものの独立した制御手段に接続される切り換え回路を含むことができる。
また、変形として、測定手段は、上述のように測定サイクル中に逐次的に周波数Ｆ１およびＦ２が測定される図４の測定手段とは異なり、これらの周波数を同時に測定するように配置することができる。図１１は、上述のような測定手段１０１および計算手段１０４を備えた検出手段１００を含む参照符号９９で表わされた本発明に係る制御装置の第２の実施例を示している。図１１において、先行する図に関連して記述されたのと同一である制御装置９９の要素が同じ参照符号によって表わされていることがわかるであろう。測定手段１０１は、図４の増幅回路３５と同じ２つの増幅回路１０２および１０３を含む。測定手段１０４は、図９の周波数―電圧変換器７１と同じ２つの周波数―電圧変換器１０５および１０６、並びに、同じく図９の処理回路７２と類似した処理回路１０７を含む。基本的に、増幅回路１０２が接続されて図５の構成Ｙ１を形成し、増幅回路１０３が接続されて図６の構成Ｙ２を形成し、それにより、計算手段１０４で同時に信号Ｕ１およびＵ２が提供されるということがわかるであろう。
【００４６】
当業者であればわかるように、周波数Ｆ１およびＦ２が計算手段に対し同時に提供された場合、２つの増幅回路１０２および１０３の各々の演算増幅器３６は、図４の装置と同様に、コンデンサ３７，３８および４０を介して電動機１に接続され得ない。実際、これに該当した場合、測定信号Ｕ１およびＵ２は、２つの回路１０２および１０３の演算増幅器３６の端子に同時に存在することになり、このことは、２つの周波数Ｆ１およびＦ２が弁別され得ないことを意味する。この目的で、３つのコイル３７ａ，３８ａおよび４０ａは、それぞれ、コンデンサ３７，３８および４０と直列接続されて予め定められた周波数に同調された３つの帯域フィルタを形成し、その結果、増幅回路１０２のフィルタは回路１０２により提供された信号Ｕ１の周波数Ｆ１に同調され、増幅器回路１０３のフィルタは回路１０３によって提供された信号Ｕ２の周波数Ｆ２に同調されることになる。
【００４７】
改良として、処理回路は、同じ測定サイクル中に、この処理回路による回転子角位置の検出中の正確度を増大させるべく第３の周波数を提供するように、切り換え回路の少なくとも１つの付加的構成を指令することができる。
同じく、改良として、連続的に決定された角位置の値から、回転子が行なった回転の数並びに回転子の速度および加速度を計算し、これらの異なるパラメータの経時的推移を監視できるように、処理回路をプログラミングすることもできる。
【００４８】
ここで、回転子が行なう回転数の計算について考える。処理回路７２，１０７は、第１の測定サイクルの終わりで決定された角位置（すなわち、第１の値）および後続測定サイクル（すなわち、第２のサイクル）の終りで決定された角位置（すなわち、第１の値）を記憶し、第２のサイクル中に回転子が行なった運動の値、すなわち、望ましい回転数を提供する第２の値と第１の値との間の差を計算するようにプログラミングされてもよい。
【００４９】
また、回転子の回転速度の計算について考える。処理回路は、以上で記述されているように、第１および第２の連続する測定サイクルの終りで測定された２つの角位置の間の差を計算し、測定サイクルの周期全体にわたりこの差の比率を計算するようにプログラミングされ得る。ここで、この比率は、前記第２のサイクル中の回転子の速度の値を提供する。
【００５０】
同様にして、回転子加速度を計算するために、上述のように第１および第２の連続する測定サイクルの終りで測定された回転子の２つの速度間の差を計算し、前記第２のサイクル中の回転子の加速度値を提供する、測定サイクル全体にわたるこの差の比率を計算するように、処理回路をプログラミングすることもできる。
【００５１】
ここで、異なるパラメータの監視について考える。処理回路は、予め定められた比較値で回転子の速度または加速度、行なわれた回転数、角位置θを比較するようにプログラミングされ得る。
一例を挙げると、角位置θは、理想的な同期状態を表わす理論値θと比較することができる。この点において、回転子の回転速度が回転磁界の回転速度に等しい場合に、電動機の固定子と回転子との間の伝達が「同期的」であると呼ばれることを喚起しておきたい。同様に、このような伝達において、回転子に印加される抵抗性トルクの増大が、回転子の磁気的位置と回転磁界の磁気的位置の間の角度的オフセットの増大を引き起こすということも喚起しておきたい。
【００５２】
同様に、一例を挙げると、角位置θの比較値は、同期値θとの関係における角位置オフセットに対応することができ、この角度的オフセットは、回転子が予め定められた負荷を駆動するのに充分な電動機トルクを発生させることができるものである。
同様に、一例を挙げると、このオフセットが同期外し値θｄよりも小さいか否かを検査するために、すなわち、電動機が同期外れしたか否かを検査するために、角位置θを同期外れ値θｄと比較することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の電圧発生装置により制御される従来のブラシレス電動機を概略的に示す図である。
【図２】 図１の電動機の制御電圧の３つのタイミングを示す図である。
【図３】 図１の電動機に接続された本発明に係る制御装置のブロック図である。
【図４】 図３の装置の第１の実施例を示す図である。
【図５】 図４の装置の一つの電気的構成を示す図である。
【図６】 図４の装置の他の電気的構成を示す図である。
【図７】 回転子が２つのそれぞれの角位置にあるときの、図５の構成に関連付けられた測定信号の時間的推移を例示する２つの曲線を示す図である。
【図８】 図５および６の構成に関連付けられた２つの測定周波数と回転子角位置の間の関係を例示する２つの曲線を示す図である。
【図９】 図４の装置に関連付けられた計算手段をさらに詳しく示す図である。
【図１０】 図５および６の構成を制御するために、図９の計算手段により提供される信号のタイミングを示す図である。
【図１１】 図３の装置の第２の実施例を示す図である。

Claims (24)

1. 第１，第２および第３の接続端子（２ａ，３ａ，４ａ）に接続された少なくとも第１，第２および第３（２，３，４）の固定子コイルに磁気的に結合された永久磁石（７）が取り付けられた回転子（６）が提供された電動機（１）を制御するための装置（２０；９９）において、
   第１，第２および第３の出力端子（５ａ，５ｂ，５ｃ）を介して第１，第２および第３のそれぞれの制御信号（Ｕａ，Ｕｂ，Ｕｃ）を前記電動機の前記第１，第２および第３の接続端子にそれぞれ提供するための手段（５）であって、該制御信号が制御周波数（Ｆ０）で周期的になっている手段と、
   前記回転子の角位置（θ）を検出するための検出手段とを含む装置であって、該検出手段（２２；１００）は、
   第１の端子グループ（３４ａ〜３４ｃ），第２の端子グループ（３４ｄ〜３４ｆ）および制御端子（３４ｇ）を備える切り換え回路（３４）を含み、前記第１の端子グループ（３４ａ〜３４ｃ）は、それぞれ前記第１，第２および第３の接続端子（２ａ，３ａ，４ａ）に接続され、前記切り換え回路（３４）は、前記制御端子（３４ｇ）を介して制御信号（Ｕ３）を受信し、並びに、前記第１の端子グループである一方の接続端子（３４ａ〜３４ｃ）を前記第２の端子グループである他方の接続端子（３４ｄ〜３４ｆ）に接続することができるように配置され、前記第１，第２および第３の固定子コイルと、それぞれ第１および第２の全く異なる電気構成（Ｙ１，Ｙ２）をもつ少なくとも第１および第２の振動回路を形成するようになっており、それにより第１および第２の振動回路は、各々それ自体回転子の完全な一回転を永久磁石の磁極数で除したものに対応する周期で、前記回転子の角位置（θ）の周期関数である第１および第２のそれぞれの周波数（Ｆ１，Ｆ２）での第１および第２の周期的測定信号（Ｕ１，Ｕ２）を提供することができるようになっている測定手段（２４；１０１）、および、
   前記第１および第２の測定信号（Ｕ１，Ｕ２）を受信し、当該信号の第１および第２の周波数により形成された対から前記角位置を計算し、この値を提供するように配置された計算手段（２６；１０４）を含むことを特徴とする電動機用制御装置。
2. 前記第１および第２の測定信号（Ｕ１，Ｕ２）の前記第１および第２の周波数（Ｆ１，Ｆ２）が、実質的に前記制御周波数（Ｆ０）よりも高いこと、および、前記信号の振幅が前記制御信号の振幅よりも実質的に低いことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 一方ではそれぞれ前記第１，第２および第３の出力端子（５ａ，５ｂ，５ｃ）と、また、他方ではそれぞれ前記第１，第２および第３の接続端子（２ａ，３ａ，４ａ）の間に接続された少なくとも第１，第２および第３のフィルタ手段をさらに含み、それにより第１および第２の測定信号（Ｕ１，Ｕ２）は電動機の正常な作動を妨害しないようになっていることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 前記フィルタ手段の各々が、バンド・ストップ・フィルタを含むことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記フィルタ手段の各々がロー・パス・フィルタを含むことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
6. 前記測定手段（２４）は、
   制御信号（Ｕ３）を受信し、当該信号に応答して、前記第１および第２の電気構成（Ｙ１，Ｙ２）に従って前記接続端子（２ａ，３ａ，４ａ）に対する前記測定手段の接続を逐次的に形成するように配置された切り換え回路（３４）、および、
   前記切り換え回路がそれぞれ前記第１および第２の電気構成を形成するとき、前記第１および第２のそれぞれの周波数で前記第１および第２の測定信号（Ｕ１，Ｕ２）を提供するように配置される増幅回路（３５）を含むことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
7. 前記増幅回路（３５）は、第１のコンデンサ（３７）を介して前記第１，第２および第３の接続端子（２ａ，３ａ，４ａ）および前記計算手段（２６）に接続されるように意図された出力端子を有する演算増幅器（３６）を含み、該増幅器の非反転（「＋」）入力端子は第２のコンデンサ（３８）を介して２つの残りの前記接続端子のうちの１つに接続されるように意図されており、前記演算増幅器（３６）の反転（「−」）入力端子は、第３のコンデンサ（４０）を介して、前記残りの接続端子のうちのもう１方のものに接続されるように意図されていることを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
8. 前記切り換え回路（３４）は前記第１の構成（Ｙ１）を形成し、それにより前記演算増幅器（３６）の出力端子が前記第１のコンデンサ（３７）を介して前記第１の接続端子（２ａ）に接続されていること、前記増幅器の非反転（「＋」）入力端子が前記第２のコンデンサ（３８）を介して前記第２の接続端子（３ａ）に接続されていること、および、前記増幅器の反転（「−」）入力端子が前記第３のコンデンサ（４０）を介して前記第３の接続端子（４ａ）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
9. 前記切り換え回路（３４）は前記第２の構成（Ｙ２）を形成し、それにより前記演算増幅器（３６）の出力端子は前記第１のコンデンサ（３７）を介して前記第２の接続端子（３ａ）に接続されていること、前記増幅器の非反転入力端子が前記第２のコンデンサ（３８）を介して前記第１の接続端子（２ａ）に接続されていること、および、前記増幅器の反転入力端子が前記第３のコンデンサ（４０）を介して前記第３の接続端子（４ａ）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
10. 前記計算手段（２６）は、
    前記第１および第２の測定信号（Ｕ１，Ｕ２）を受信し、当該信号をそれぞれ前記第１および第２の周波数（Ｆ１，Ｆ２）を表わす第１および第２の電圧（Ｘ１，Ｘ２）に変換し、これらの電圧を提供するように配置された周波数−電圧変換器（７１）、および、
    前記第１および第２の電圧（Ｘ１，Ｘ２）を受信し、それぞれ前記第１および第２の電圧（Ｘ１，Ｘ２）内に含まれる前記第１および第２の周波数（Ｆ１，Ｆ２）によって形成された対に対応する単一の値が決定されるように演算を実行し、この単一の値を前記望まれる角位置（θ）であるものとして供給するように配置された処理回路（７２）を含むことを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
11. 前記処理回路は、その第１段階中に前記測定手段（２４）が前記第１の構成（Ｙ１）を有し、その第２段階中に前記測定手段（２４）が前記第２の構成（Ｙ２）を有する測定サイクルを定義するために、前記切り換え回路（３４）に対して前記制御信号（Ｕ３）を供給するように配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の制御装置。
12. 前記測定手段（１１０）は、
    第１のコンデンサ（３７）および当該コンデンサと並列に接続された第１のコイル（３７ａ）を介して前記第１の接続端子（２ａ）および計算手段（１０４）に接続された出力端子を有し、その非反転（「＋」）入力端子が第２のコンデンサ（３８）および当該コンデンサと並列に接続された第２のコイル（３８ａ）を介して前記第２の接続端子（３ａ）に接続されている演算増幅器（３６）を含み、該増幅器（３６）の反転（「−」）入力端子は第３のコンデンサ（４０）および当該コンデンサと並列に接続された第３のコイル（４０ａ）を介して前記第３の接続端子（４ａ）に接続されている第１の増幅回路（１０２）、および、
    第１のコンデンサ（３７）および当該コンデンサと並列に接続された第１のコイルを介して前記第２の接続端子（３ａ）および計算手段（１０４）に接続された出力端子を有し、その非反転（「＋」）入力端子が第２のコンデンサ（３８）および当該コンデンサと並列に接続された第２のコイルを介して前記第１の接続端子（２ａ）に接続されている演算増幅器（３６）を含み、該増幅器（３６）の反転（「−」）入力端子は第３のコンデンサ（４０）および当該コンデンサと並列に接続された第３のコイル（４０ａ）を介して前記第３の接続端子（４ａ）に接続されている第２の増幅回路（１０３）を含むことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
13. 前記計算手段（１０４）は、
    前記第１の測定信号（Ｕ１）を受信し、当該信号を前記第１の周波数（Ｆ１）を表わす第１の電圧（Ｘ１）に変換し、この電圧を供給するように配置された第１の周波数−電圧変換器（１０５）、
    前記第２の測定信号（Ｕ２）を受信し、当該信号を前記第２の周波数（Ｆ２）を表わす第２の電圧（Ｘ２）に変換し、この電圧を供給するように配置された第２の周波数−電圧変換器（１０６）、および、
    前記第１および第２の電圧（Ｘ１，Ｘ２）を前記第１および第２の周波数−電圧変換器（１０５，１０６）から受信し、それぞれ前記第１および第２の電圧（Ｘ１，Ｘ２）内に含まれる前記第１および第２の周波数（Ｆ１，Ｆ２）によって形成された対に対応する単一の値が決定されるように演算を実行し、この単一の値を前記望まれる角位置（θ）であるものとして供給するように配置された処理回路（１０７）を含むことを特徴とする請求項１２に記載の制御装置。
14. 前記処理回路（７２；１０７）は、第１の複数の周波数値と第２の複数の角位置の値の間の対応表を含むようにプログラミングされており、前記第１および第２の複数の値が、前記回転子の完全な一回転を前記永久磁石の磁極数で除したものに対応する前記周期に対する前記周期関数の１つに従って互いにリンクされていることを特徴とする請求項１０または１３に記載の制御装置。
15. 前記処理回路（７２；１０７）の前記演算は、測定サイクル中、前記対応表から、前記第１の電圧（Ｘ１）の中に含まれる前記第１の周波数（Ｆ１）に対応する第１および第２の角位置の値（θ２，θ３）および前記第２の電圧（Ｘ２）内に含まれる前記第２の周波数（Ｆ２）に対応する第３および第４の角位置の値（θ４，θ５）を決定すること、前記第１および第２の値のうちの１つおよび前記第３および第４の値のうちの１つによって形成される単一の対をこれら２つの値の間の差が前記電動機の２つの連続するコイルの間の角度オフセットに等しくなるような形で決定すること、および、前記単一の値であるものとして、この単一の対の前記第１および第２の値のうちの１つを供給することを有することを特徴とする請求項１４に記載の制御装置。
16. 前記処理回路（７２；１０７）は、前記演算の終りにおいて得られた前記角位置（θ）を予め定められた比較値と比較し、前記回転子の角位置の経時的推移を監視するようにプログラミングされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
17. 前記比較値は、理想的同期状態を表わす値に等しいことを特徴とする請求項１６に記載の制御装置。
18. 前記比較値は、前記回転子に適用された負荷を駆動させるのに充分な電動機トルクを発生させることができる値に等しいことを特徴とする請求項１６に記載の制御装置。
19. 前記比較値は、前記電動機の同期外れを表わす値であることを特徴とする請求項１６に記載の制御装置。
20. 前記処理回路（７２；１０７）は、第１の位置として第１の測定サイクルの終りにおいて計算された角位置または基準角位置を記憶し、第２の位置として後続するつまり第２の測定サイクルの終わりで計算された角位置を記憶し、前記第２のサイクル中の前記回転子の角変位値を供給する前記第２の位置と前記第１の位置の間の差を計算し、この変位を予め定められた比較値と比較し、そして、前記回転子により行なわれる回転の数の経時的推移を監視するようにプログラミングされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
21. 前記処理回路（７２；１０７）は、第１の位置として第１の測定サイクルの終りにおいて計算された角位置または基準角位置を記憶し、第２の位置として後続するつまり第２の測定サイクルの終わりで計算された角位置を記憶し、前記第２のサイクル中の前記回転子の回転速度の値を供給する測定サイクル全体にわたる前記第２の位置と第１の位置の間の前記差の比率を計算し、この速度を予め定められた比較値と比較し、そして、前記回転子の回転速度の経時的推移を監視するようにプログラミングされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
22. 前記処理回路（７２；１０７）は、第１の速度として前記第２の測定サイクルの終りにおいて計算された前記回転子の回転速度を記憶し、第２の速度として後続する測定サイクルつまり第３のサイクルの終わりで計算された速度を記憶し、前記第３のサイクル中の回転子の加速度値を提供する測定サイクル周期全体にわたる前記第２の速度と前記第１の速度の間の差の比率を計算し、この加速度を予め定められた比較値と比較し、そして、前記回転子の加速度の経時的推移を監視するようにプログラミングされていることを特徴とする請求項２１に記載の制御装置。
23. 各々の周波数−電圧変換器（７１；１０５，１０６）は、周波数弁別器を含むことを特徴とする請求項１０または１３に記載の制御装置。
24. 処理回路（７２；１０７）は、３２ビットのマイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項１０または１３に記載の制御装置。

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