JP5333912B2

JP5333912B2 - 電気機械の回転位置を求める装置及び方法

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Publication number: JP5333912B2
Application number: JP2008548939A
Authority: JP
Inventors: ロルフシユトロートマン，
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-09
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: EP1961107B1; JP2009519702A; DE102006046638A1; WO2007073853A1; US20090278485A1; EP1961107A1; US8222847B2

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の星形接続される磁極相巻線を持つ電気機械の回転子の回転位置を求める装置、及び請求項５の上位概念に記載の回転子の回転位置を求める方法に関する。

このような装置及び方法は欧州特許第１００５７１６号明細書からわかる。特に多極電気機械の相巻線にパルスを印加することにより、電気機械の作動中に回転子の回転位置を求める可能性は、半磁気周期の相巻線のインダクタンスが、前記の欧州特許第１００５７１６号明細書からわかるように、回転子の回転角φの一価関数であることに基いている。従って測定電圧パスルは中性点に電位信号を発生でき、この電位信号は相巻線のそのつどの誘導に関係し、従って半磁気周期内における回転子の位置の尺度とすることができる。

本発明の基礎となっている課題は、回転子の回転位置を簡単に正確に求めることができる新しい装置及び新しい方法を提供することである。

この課題は、請求項１に示されている特徴によって解決される。

本発明によれば、測定電圧パルスが時間をずらされて異なる相巻線に印加され、電圧パルスにより発生される中性点電位の少なくとも１つの差が形成される。

電位自体のように差も、回転角φと共に変化する相巻線のインダクタンスの差、従って半磁気周期内における回転子の位置に関係し、それに応じて回転子の回転位置の尺度とすることができる。差の形成により、異なる相巻線に同じ程度に影響を及ぼす背景信号の変動が有利に消去される。

相巻線に、他の電圧パルスに対してそれぞれ時間をずらされて、測定電圧パルスが印加され、異なる値を持つ中性点電位のできるだけ多数の差が形成され、差の符号が求められ、差が互いに比較される。半磁気周期内に、差及び中性点電位自体が、回転角φのほぼ正弦波状周期関数を形成する。３相では、これらの関数は互いに１２０°だけ位相がずれている。半磁気周期内に１２個の区間（ｉ）が生じ、その中で差が異なる符号を持ちかつ異なる大きさであることによって、これらの区間が区別可能である。差の符号を求めかつ差を互いに比較するだけで、回転子がちょうど位置する回転角区間（ｉ）内で回転子の回転位置の一層正確な検出は、逆正弦関数又は逆正接関数により行うことができる。

本発明の好ましい実施形態では、電気機械がパルス幅変調で作動せしめられ、測定電圧パルスが時間をずらされて始まる動作電圧パルスであるか、又は動作電圧パルスとは別個の測定電圧パルスであってもよい。

回転位置を求めるための基礎になっているすべての電圧パルスは、ただ１つの変調周期内で発生されるのがよい。しかし複数の変調周期に分布して測定電圧パルスを印加することも可能である。

実施例及びこれらの実施例に関する図面に基いて、本発明が以下に詳細に説明される。

図１は、その他の点では図示されてない３相電気機械の磁極巻線回路の相巻線１〜３を示している。考察されている実施例では、電気機械は、３６０°より著しく小さく例えば１２°の回転角Δφに相当する多数の磁気周期を持っている。

中性点４で互いに接続される相巻線１〜３は、その中性点から離れた端部で、給電回路５にそれぞれ接続され、この給電回路により電気機械がパルス幅変調法により作動せしめられる。

中性点４は、中性点４の電位又は電圧Ｕを検出する装置６に接続され、装置６は制御装置７に接続され、制御装置７は更に回路５により電気機械の給電を制御する。

中性点電位の検出に用いられる装置６は、出力側を装置８に接続され、この装置８は装置７により制御されて、電圧検出装置６が出力値として供給する電圧値Ｕの差Ｍを形成する。

差形成装置８により求められる電圧差値は比較兼分類装置９へ供給され、この装置９が、電圧差値Ｍから、電気機械の回転子の回転位置の基準となる回転角区間（ｉ）を、半磁気周期Δφ／２内で求める。

装置８及び９に接続される計算装置１０が、半磁気周期内の回転子の正確な回転位置を決定する。

装置７〜１０がコンピュータソフトウエアにより好都合により動作せしめられることは明らかである。しかし特に装置６及び８に対しては、図４について後述される非常に簡単な固定配線付き回路も考慮される。

図２によれば、パルス幅変調の範囲内で、電池電圧ＵＢの動作電圧パルス１１〜１３が、各変調サイクル（又は選ばれた変調サイクル）において、Δｔだけ時間遅れてそれぞれの相巻線１〜３へ印加される。時間Δｔ中に回路５により印加されかつ動作電圧パルス１１〜１３から分離された測定電圧パルス１４〜１６は、互いに時間をずらされている。

測定電圧パルス１４〜１６は、中性点４に適当に時間のずれた電圧信号Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を発生し、制御装置７により測定電圧パルス１４〜１６の発生と同時に動作せしめられる装置６が、これらの電圧信号Ｕ１，Ｕ２及びＵ３を検出する。

相巻線１〜３のインダクタンスと半磁気周期Δφ／２内の回転角φとの関係に応じて、半磁気周期内の回転角φに関係して、電圧信号Ｕ１，Ｕ２及びＵ３に対してそれぞれ１つのほぼ正弦波状の周期的推移が生じ、その際電圧信号は互いに１２０°だけ位相がずれている。

電圧信号Ｕ１，Ｕ２及びＵ３から、装置８が差Ｍ１＝Ｕ１−Ｕ２，Ｍ２＝Ｕ２−Ｕ３及びＭ３＝Ｕ３−Ｕ１を形成する。それ以外の可能な差は、これらの差とは符号においてのみ相違している。

これらの差Ｍと回転角φとの関係が図３に示されている。

図３に示されるほぼ正弦波状の周期的曲線Ｍ１（φ），Ｍ２（φ）及びＭ３（φ）も、１２０°だけ互いに位相がずれている。これらの曲線の全周期はそれぞれ１つの半磁気周期に相当している。

図３から更にわかるように、曲線Ｍ１の全周期内に１２個の間隔ｉ＝１〜１２が生じ、これらに対して次のことが成立する。
ｉ＝１：Ｍ１正，Ｍ２負，Ｍ３正，Ｍ１＜Ｍ３
ｉ＝２：Ｍ１正，Ｍ２負，Ｍ３正，Ｍ１＞Ｍ３
ｉ＝３：Ｍ１正，Ｍ２負，Ｍ３負，Ｍ２＜Ｍ３
ｉ＝４：Ｍ１正，Ｍ２負，Ｍ３負，Ｍ２＞Ｍ３
ｉ＝５：Ｍ１正，Ｍ２正，Ｍ３負，Ｍ１＞Ｍ２
ｉ＝６：Ｍ１正，Ｍ２正，Ｍ３負，Ｍ１＜Ｍ２
ｉ＝７：Ｍ１負，Ｍ２正，Ｍ３負，Ｍ１＞Ｍ３
ｉ＝８：Ｍ１負，Ｍ２正，Ｍ３負，Ｍ１＜Ｍ３
ｉ＝９：Ｍ１負，Ｍ２正，Ｍ３正，Ｍ１＞Ｍ３
ｉ＝１０：Ｍ１負，Ｍ２正，Ｍ３正，Ｍ１＜Ｍ３
ｉ＝１１：Ｍ１負，Ｍ２負，Ｍ３正，Ｍ１＜Ｍ２
ｉ＝１２：Ｍ１負，Ｍ２負，Ｍ３正，Ｍ１＞Ｍ２

求められた３つの差Ｍ１，Ｍ２及びＭ３の符号を決定しかつこれらの値を互いに比較することによって、比較兼分類装置９が、回転子のちょうど存在する回転角区間（ｉ）を求めることができる。

装置１０による区間（ｉ）内の回転位置の正確な計算は、なるべく電位推移の差に適用される逆正弦関数又は／及び逆正接関数により行われる。位相変化従って区間の進行は、通常の有効給電においても起こるか又は僅かな変更（時間のずれた付勢及び消勢）によって生じる切換え状態の観察によって確認される。

装置６及び８は図４に示す回路を持つことができ、この回路は中性点の電位を検出するか又は差を形成するためのコンデンサＣ１〜Ｃ９を用いている。電圧Ｕ１，Ｕ２及びＵ３はコンデンサＣ１，Ｃ２及びＣ３にかかっている。コンデンサＣ４，Ｃ５及びＣ６を介して差形成が行われるので、差信号Ｍ１，Ｍ２及びＭ３がコンデンサＣ７，Ｃ８及びＣ９にかかる。

全回転角φを求めるため計数装置が設けられて、連続する半磁気周期を回転方向に応じて加算又は減算する。

初期回転位置を求めるため、回転子が位置する半磁気周期が北極に関するものであるか南極に関するものであるかが区別される。これは、電流増大が相巻線インダクタンスを増大させるか又は減少させるかを確認することによって、（トルクを発生することなく）電気機械の適当な給電によって行うことができる。

図２に示す実施例とは異なり、分離されたパルスの時間のずれた開閉の代わりに、破線１７〜１９で示すように、動作電圧パルス１１〜１３を異なる時点に使用することもできる。

図５は、３つの順次に続く変調周期Ｔにおいて、それぞれ１つの相巻線１〜３のために動作電圧パルス１１ａ，１２ａおよび１３ａを早期に開始させる可能性を示している。

こうしてパルスを早期に開始させるだけでなく時間遅れをもって開始させることにより、回転数検出のために利用可能な６つの切換え状態が形成可能である。

パルスを時間的に適当に重畳することによって、全部で６つの切換え状態が、時間Δｔ（図２）中に印加される分離した測定電圧パルスによっても生じる。

相巻線１〜３の磁極巻線のインダクタンスの上述した変化は、相巻線の磁極巻線を貫通する回転子の磁界Ｈと鉄を含む磁極巻線に生じる誘導磁界Ｂとの図６（ａ）に示す関係に基いている。半磁気周期内における回転子の回転位置に応じて、永久磁石のＨ磁界により相巻線の磁極巻線に生じるＢ磁界が変化する。Ｂ磁界の変化と共に、相巻線のインダクタンスに比例する勾配ｄＢ／ｄＨも変化する。図６（ｂ）は、Ｈ磁界に関係して生じるインダクタンスＬを示している。

中性点において、相巻線１〜３のそれぞれ印加されるパルス電圧ＵＢが分割され、回転子の回転位置に応じて異なる分割割合、従って中性点における異なる電位が生じる。分割割合の基準となるのは、電圧ＵＢをそれぞれ印加される相巻線の誘導リアクタンス及び他の両方の相巻線の並列回路の誘導リアクタンスである。しかしＬ軸に関する曲線Ｌ（Ｈ）の対称性のため、回転子の回転位置が求められた半磁気周期が北極により形成されているか又は南極により形成されているかは、区別できない。

半磁気周期が北極に関するものであるか又は南極に関するものであるかを確認するため、ここに説明した実施例では、半磁気周期内における回転位置の確認から始まって、パルス幅変調による電気機械の給電が行われて、相巻線電流から生じて全体の磁極巻線により発生される磁界ベクトルＨ又はＢが、回転子磁界の２つの極の中間へ正確に向けられる第１の成分と、回転子磁界の１つの極へ正確に向けられる第２の成分から形成されるようにしている。回転子磁界の磁気周期に関して、両方の成分は９０°の位相角をなしている。こうして第１の成分のみがトルクを発生し、無効電流を示す第２の成分は電気機械のトルクには寄与しない。

しかしこの付加的な無効電流は、相巻線の磁極巻線のＨ磁界従ってＢ磁界を変化する。回転子の選ばれた相巻線の磁極巻線が北極の前にあるものと仮定すれば、例えば磁極巻線を貫通するＨ磁界が弱められ、この仮定が正しい場合、これらの磁極巻線のインダクタンスＬが適当に増大するように、第２の電流成分を発生することができる。その場合「動作点」は、図６（ｂ）の曲線Ｌ（Ｈ）の正の部分において左方へ移動する。この仮定が誤りであり、磁極巻線が実際に南極の前にあると、これにより磁極巻線を貫通する磁界の値が増大する。その場合「動作点」は、曲線Ｌ（Ｈ）の負の部分において左方へ移動する。インダクタンスＬは減少する。

インダクタンスの減少又は増大により、信号Ｍ１〜Ｍ３から生じて角φで回転するベクトルは、その縦方向に増大又は減少する。この長さ変化から北極又は南極が推論される。

長さを変化するベクトルの観察は、通常の作動給電の範囲内でも、別個の測定電圧パルス１４〜１６なしにパルス幅変調によって行われた。

本発明による回転子の回転位置を求める装置を持つ電気機械の概略図を示す。電気機械の相巻線への測定電圧パルスの印加を説明する図を示す。回転子の回転位置の検出を説明する図を示す。中性点電位を検出しかつ検出される中性点電位差を形成するために使用可能な回路を示す。相巻線への測定電圧パルスの印加を説明する図を示す。電気機械の磁極巻線を貫通する磁界Ｈｔｏ磁極巻線の誘導Ｂ又は磁極巻線のインダクタンスＬとの関係を示す。

Claims

磁極巻線の星形接続される相巻線（１〜３）を持つ電気機械の回転子の回転位置を求める装置であって、時間をずらして複数の測定電圧パルス（１４〜１６；１１ａ〜１３ａ）を個々の相巻線（１〜３）に印加する第１の装置（５，７）、及び測定電圧パルス（１４〜１６；１１ａ〜１３ａ）に応じて時間をずらされて中性点（４）に発生される電圧信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）を検出する第２の装置（６，８，９）を有し、電圧信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）から第２の装置（６，８，９）が、電圧信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）の差（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を形成しながら、半磁気周期（Δφ／２）内における回転子の回転位置を求めるものにおいて、第２の装置（６，８，９）が、電圧信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）から絶対値において相違する最大数の差（Ｍ１＝Ｕ１−Ｕ２，Ｍ２＝Ｕ２−Ｕ３，Ｍ３＝Ｕ３−Ｕ１）を形成するために設けられ、かつ比較兼分類装置（９）を含み、比較兼分類装置（９）が、形成される差（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を、その符号及び大きさ比較により、半磁気周期（Δφ／２）内にあって回転子がちょうど入る回転角区間（ｉ）における差に対応させることを特徴とする装置。
それぞれの回転角区間（ｉ）内の回転子の回転位置の正確な計算のための装置（１０）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
別の装置が設けられて、電気機械の選ばれた相巻線が北極の前にあるか又は南極の前にあるかについての情報を得るため、相巻線の通電の結果相巻線のインダクタンスの変化により影響される測定信号を評価することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
相巻線（１〜３）のインダクタンスを変化する電流が、電気機械の通常の給電の範囲内で流れる電流又は前記別の装置により発生される別の電流であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
電流を発生する装置が、この電流により電気機械のトルクが影響されないように設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
電流が合成電流ベクトルの成分であり、この成分が、この電流ベクトルのトルクを発生する成分と、磁気周期に関して、９０°の位相角をなしていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
測定信号が、相巻線（１〜３）のインダクタンスの状態の変化により影響されることを特徴とする、請求項３〜６の１つに記載の装置。
第１の装置（５，７）が、電気機械の電動機運転においてパルス幅変調により測定電圧パルス（１４〜１６；１１ａ〜１３ａ）を印加するために設けられ、測定電圧パルス（１４〜１６；１１ａ〜１３ａ）が、１つ又は複数のパルス幅変調期間内に付加的に発生される電圧パルス（１４〜１６）又は動作電圧パルス自体（１１ａ〜１３ａ）であることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の装置。