JP5479459B2 - 同期機のオフセット角度の検出方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気機械の角度を検出するための方法に関する。ロータがステータの回転する磁界と同じ回転周波数を有している位相同期式の電気機械は、ロータとステータの回転する磁界が成す角度に非常に依存するトルクを形成する。さらには電気機械に関して多くの用途が存在し、それらの用途においては、例えば、トルクが加えられるクランクシャフトを備えた内燃機関のためのステータとして使用される場合、電気機械の駆動軸の角度位置が被動側と同期していなければならない。クランクシャフトの角度位置は正常な始動のために厳密に考慮されなければならない。

角度を検出するための角度センサが多数公知であるが、そのような角度センサは電気機械とは別個に製造され、電気機械が完成した後に漸くその電気機械に取り付けられる。これは殊にハイブリッド駆動装置の場合である。ハイブリッド駆動装置では、角度センサがトラクションモジュールの組み立ての際に初めて電気機械と接続される(1回目のペアリング)か、電気機械もしくは角度センサの交換(例えば修理の際の部品交換)時に電気機械と接続される。ハイブリッド駆動装置においては、通常は同期機である電気機械には製造後に既にステータとケーシングが設けられており、したがって軸にしか接触することができないので、ロータの角度位置、殊にステータ巻線との関係においてロータの角度位置を求めることは困難である。トラクションモジュールの構造が小型であることから、マーキングを用いて角度センサを正確な角度で同期機に取り付けることもさらに煩雑で困難である。したがって、最初のペアリングの際、また部品交換の際に、センサを電気機械の軸に高い精度で取り付けることは困難である。

刊行物DE 10 2005 056 207 A1には、種々の軸直径に適合させることができ、また相互にずらされた複数のセンサ素子を備えたセンサ系が開示されている。しかしながら、センサ素子は角速度を検出するために相対角度しか検出できず、オフセット角度を考慮した絶対角度の検出は考慮されていない。

したがって、角度センサおよび電気機械が完成した後にそれら2つの構成要素のペアリングが行われることによって、オフセット角度とも称される角度誤差が生じ、そのような角度誤差によって、正確な位相で行われるべき電気機械の制御が不正確になる。同期モータのように位相同期式の電気機械では、オフセット角度に起因して、実際のトルクの制御は非常に不正確になる。

したがって本発明の課題は、そのような欠点を克服し、角度センサと電気機械との間の角度誤差を低減することができるメカニズムを提供することである。

発明の概要
上記の課題は、特許請求の範囲に記載されている方法が実施されることにより解決される。さらに上記課題は、特許請求の範囲に記載されている角度検出装置によって解決される。

本発明が基礎とする着想は、位置誤差は差し当たり甘受して、すなわちオフセット角度を伴ってセンサを電気機械にペアリングすることである。続いて、機械的な較正を必要とせずに、オフセット角度が簡単な制御によって求められる。オフセット角度が既知になった後に、角度発生器ないし角度センサによって検出された角度信号からオフセット角度が差し引かれ、ステータに対するロータの角度配向を算出することができる。本発明によれば、ペアリングの後、すなわち角度センサないし角度発生器が取り付けられた後に、既知の磁界角度が生じるように、もしくは、角度センサに依存しない手段によって磁界角度を検出できるように電気機械が制御される。磁界角度はロータの配向とステータと配向が成す角度を表し、また本発明によれば、ステータによって形成されてロータに作用する磁界とロータ磁界とが成す角度を指す。磁界角度とはロータの磁界方向の配向ないしステータの磁界方向の配向によって生じる。そのようにして設定または検出された磁界角度を、角度センサないし角度発生器から信号として出力される、所属のセンサ角度と関連付けることができる。角度発生器は電気機械の軸と接続されており、また軸の位置を検出する。軸は相対回動不能にロータと接続されているので、センサ角度はオフセット角度を考慮した磁界角度を表す。したがって本発明によれば、標準として既知の磁界角度が調整されるか、検出できる磁界角度が調整されることによって角度較正が実施される。所属のセンサ角度が測定され、既知の磁界角度もしくは検出された磁界角度と測定されたセンサ角度との対応付けが得られる。これによって、角度測定の際に将来においては考慮されるオフセット角度を検出することができ、センサ角度が(既知となった)オフセット角度について例えば計算により修正され、磁界角度が得られる。

したがって本発明によれば、電気機械の制御によってステータが既知の位置に移動されることにより、検出されたセンサ角度と磁界角度の対応付けが達成される。換言すれば、既知の精度でもって電気機械を駆動制御するだけで磁界角度が得られるように、ロータはステータに対してある磁界角度で配置される。

本発明は既知の磁界角度にロータを配置するために2つの方式を予定しており、これらの方式を個別に適用することができ、また順次連続して適用することができ、さらには精度を高めるために組み合わせて適用することができる。第1の方式においては、ステータが所定の(すなわち既知の)磁界方向を設定し、その方向にロータが配向されるようにステータが制御される。配向を保証するために、ロータには負荷が無負荷で作動される。すなわち、別の負荷源からは機械的に切り離されている。ステータは定常磁界または(緩慢な)回転磁界を形成し、またステータからロータに力がもはや作用しなくなるまで、ロータの配向が行われる。ロータがステータ磁界に配向されると、ロータとステータ磁界が成す角度は0°(または、該当するステータ巻線に対するロータの配向が考察される場合には+90°ないし−90°)になる。ステータの配向、ステータ巻線の配向、またそれと共にステータによって形成される磁界も既知であるので、磁界角度も既知である。ロータが力の作用しない位置についた後に、磁界角度に対応付けられているセンサ角度が角度センサによって検出される。所定の磁界角度にロータが配置されるのと同時にセンサ角度を検出することができる。もしくは、所定の磁界角度にロータが配置された後に、磁界角度が変化しない期間にセンサ角度を検出することができる。定常ステータ磁界が発生される場合、ステータ巻線に電流が流れ、これによりステータ磁界の配向が規定される。同様に、複数のステータ巻線に電流を流すことができ、その場合には、生じたステータ磁界の配向は種々のステータ巻線の個々の(重み付けされた)成分から明らかになる。さらには、定常ステータ磁界の代わりに回転ステータ磁界を使用することができ、有利には緩慢な回転ステータ磁界、すなわち毎分100回転、毎分50回転、毎分10回転、毎分5回転、毎分2回転または毎分1回転よりも低い回転数を有する回転ステータ磁界を使用することができる。有利には、回転ステータ磁界が使用される場合、所定の磁界角度にロータが配置されるのと同時にセンサ角度が測定される。択一的に、所定の磁界角度にロータが配置された後の既知の期間に、センサ角度を角度センサにより測定することができ、回転数および期間の長さから実際の所属の実際のセンサ角度を推定することができる。このセンサ角度はロータが所定の磁界角度に配置された時点に生じたものである。この第1の方式において説明した、ロータをある磁界角度に配置するための構成は、基本的に、ステータが所定の磁界配向を設定し、この磁界配向にロータが配向されることを基礎としている。したがって磁界角度はステータの制御によって直接的に検出される。その静止点の近傍では(すなわち、ステータ磁界がロータに力を作用させることなく、ステータ磁界配向にロータが正確に配向されている場合には)、ロータに作用する力が非常に小さいので(≒sin(0±δ))、例えばロータ軸受けによって通常は存在している摩擦力が補正角度を生じさせ、この角度においては摩擦がロータの完全に正確な配向を阻止する。この種の摩擦作用は機械の構造に依存しており、またこの摩擦作用を例えば推定することができるか、経験的に求めることができるか、タイプに応じて事前に記憶することができる。したがって、補正角度がオフセット角度の算出時に一緒に考慮されることによって、オフセット角度をより正確に検出することができる。センサ角度の検出前の回転方向に応じて、補正角度の負の符号または正の符号も考慮される。つまりオフセット角度は、補正角度と、磁界角度とセンサ角度の差との和から得られる。上述のように、補正角度は摩擦力に起因して生じる角度誤差位置に相当する。したがって、角度誤差位置によって生じる補正角度は、ロータが完全にステータ磁界に配向され、それによりロータに力がもはや作用しない論理的な静止位置と、ロータが取る実際の角度とが成す角度として規定される。この際に、確かにステータからロータに力は作用するが、この力は摩擦によって完全に補償されるので、ロータは論理的な静止位置へとさらに移動することはない。上述のように、ステータの制御によってロータが直接的に所定の磁界角度に配置される場合、上述のように定常ステータ磁界または回転ステータ磁界を使用することができる。回転ステータ磁界が使用される場合には、ロータは加速することなく、有利には少なくとも緩和期間にわたり一定の回転数で回転する。定常ステータ磁界でも回転ステータ磁界でも、センサ系は既に動き始めており、したがって始動効果(殊に加速効果)、すなわち緩和プロセスが既に弱まっている場合には、センサ角度が検出される。

本発明によれば、ステータに対してロータを配置するためのメカニズムとしての第2の方式が設けられ、この第2の方式においては、磁界角度がステータの制御から直接的に既知になるのではなく(すなわち、直接的に制御されない)、磁界角度自体が「磁界センサ系」を介して検出される。磁界センサ系は、電気機械の軸において角度を測定する角度センサに依存しない。本発明では、磁界センサ系としてステータないしステータ巻線が使用され、ロータは自身の回転によってステータないしステータ巻線に電圧を誘導し、この電圧は直接的に磁界角度に関連付けられている。ステータ巻線において誘導された電圧(以下では誘導電圧と称する)を検出できるようにするために、この電圧を有利には遮断することができる。この関係において遮断とは、ロータへの反作用を回避するために、電流源または電圧源から電流がステータ巻線に供給されない、もしくはステータ内に流れる電流が実質的に0であることを意味する。したがって有利には、巻線端子が相互に絶縁されているか、もしくは非常に高い抵抗で相互に接続されていることが考慮されなければならない。これによって、1つまたは複数のステータ巻線に電流が流れることは回避されるので、ステータ巻線が(著しい)力をロータに作用させることはない。つまり反作用効果が回避される。誘導電圧を測定するために、有利には電圧測定装置が使用される。この電圧測定装置は高い内部抵抗を有するので、ステータ巻線内の電流を誘導電圧の検出時に可能な限り小さくすることができる。誘導電圧の測定は有利には、1つまたは複数のステータ巻線を、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ、10MΩまたは20MΩよりも高い内部抵抗を有する電圧測定装置に接続することによって実施される。磁界角度が誘導電圧を介して検出される前に、本発明によれば、回転ステータ磁界が印加されることによってロータが回転される。ロータの慣性に基づき、印加されたステータ磁界が消えたあとでもロータは回転状態に留まる。有利には、回転ステータ磁界が印加される期間の終了直後に、複数のステータ巻線または全てのステータ巻線が遮断されるので、誘導電圧を測定することができ、他方ではロータが依然として実質的に減速せずに回転している。摩擦効果によるある程度の制動も磁界角度の測定の精度を低減させることはない。何故ならば、磁界角度測定は軸が完全に1回転する内に(有利には、実質的に誘導電圧の半波に対応する回転角度内に)終了しているからである。磁界が印加されている期間中にステータ磁界が回転することによって、ロータは比較的高い回転数でもって加速され、殊に回転ステータ磁界の回転数よりも高い回転数でもって加速される。この回転ステータ磁界は、第1の方式に基づき上記において説明したように、ロータが別個のステータ磁界の印加によって直接的にステータ磁界に応じて配置される場合に使用される。

有利には、ロータは第2の方式において、回転ステータ磁界に基づいて、少なくとも毎分200回転、少なくとも毎分500回転、少なくとも毎分1000回転、少なくとも毎分1500回転の回転数またはそれ以上の回転数で回転される。回転数の選択は、一方では誘導電圧の高さに応じて、したがって電圧検出の可能な精度(振幅は回転数に比例する)および誘導電圧の検出速度もしくは角度センサによるセンサ角度の検出速度に応じて行われ、誘導電圧/磁界角度の検出時の遅延作用によって生じるエラーまたはジッタが可能な限り低く維持される。したがって回転数は、誘導電圧の検出速度、角度センサによる検出速度、誘導電圧の測定時の感度および誘導電圧の検出時の信号/雑音比に依存する。磁界角度を検出するために、1つまたは複数のステータ巻線における誘導電圧を検出することができ、殊に、相互に位相がずらされている2つのステータ巻線が使用される場合には、2つのステータ巻線における誘導電圧が等しい時点を検出することができる。さらに、誘導電圧のそれぞれの最小値または最大値、もしくはゼロ通過を測定時点として使用することができる。この時点に一致する磁界角度は中間角度(使用されるステータ巻線の角度配向の幾何学的中心または算術的中心)に対応する。したって本発明によれば、比較器または演算増幅器を用いて2つのステータ巻線の誘導電圧が同一であるとき(符号を含めて)が検出され、それと同時に、所属のセンサ角度を検出するために角度センサに対して問い合わせが行われる。この場合、センサ角度は関与するステータ巻線の中心角度と一致する磁界角度に対応付けられる。すなわち、2つのステータ巻線の2つの配向が等距離であり、それと同時に、2つのステータ巻線の配向の最小差角度を成す角度配向にセンサ角度は対応付けられる。巻線端部の誘導電圧の瞬時振幅が電圧の絶対値および符号を考慮してサンプリングされる。誘導電圧が等しい時点に所属のセンサ角度を検出する代わりに、そのような時点の後の所定の期間の経過後にセンサ角度を検出することもでき、その場合には回転速度および期間から、誘導電圧が同一である時点に生じていたセンサ角度を推定することができる。換言すれば、誘導電圧が同一になった後でもロータを回転させるために角度が考慮される場合には、そのような誘導電圧が同一であった時点の後であっても測定を行うことができる。

上述の方式のうちの一方に従いオフセット角度が検出されると、実際の磁界角度をセンサ角度から算出することができ、次式が当てはまる:オフセット角度=磁界角度−センサ角度、すなわち、磁界角度=センサ角度+オフセット角度。したがって、先ず較正を目的として、角度センサを電気機械とペアリングした後に、オフセット角度が上述の方式のうちの一方に従うか、それらの方式を組み合わせることによって求められ、オフセット角度がメモリに記憶され、それ以降では、センサ角度から磁界角度を算出する際に単独で考慮される。オフセット角度が検出されると、角度センサに対して問い合わせが行われ、それにより得られたセンサ角度がオフセット角度と加算され、実際の磁界角度が検出されることにより、磁界角度が測定される。磁界角度は有利には主制御部、例えばベクトル制御部(FOC)に転送される。

上述の方式は複数の電気機械、殊に同期機、例えば永久励起式の同期機に適している。しかしながら同期機は外部励起式または自己励起式のものであってもよい。殊に、ハイブリッド駆動装置のトラクションモジュールに使用される同期機のオフセット角度を検出するために本方法を使用する場合には、同期モータを内燃機関のスタータとしても、車両の前進運動のための駆動モジュールとしても使用するために、本願発明により得られる正確な磁界指向を用いることができる。本方法は殊に電気機械のためのオフセット角度検出ないし磁界角度検出に適しており、この場合にはロータがステータ磁界の回転周波数でもって回転し、ステータとロータとの間ではバネオフセットのみが生じており、スリップは存在しない。

さらに本発明は、ロータをステータに対して所定の磁界角度で配置するために、ステータを駆動制御するための端子を有する角度検出装置に関する。角度検出装置はさらに、センサ角度に対応する信号を記録するための端子、すなわち、角度センサと接続するための端子を有する。角度検出装置がステータ巻線における誘導電圧に基づいた磁界角度の検出にも適しているべき場合、角度検出装置は有利には、ステータ内で形成される少なくとも1つの誘導電圧のための入力側と、ステータ巻線を電気的なエネルギ源から切り離すことができる制御端子とを有する。例えば、角度検出装置は、ステータを制御する電力用半導体を制御するための出力側を有するか、ステータ巻線を遮断する分離スイッチを有している。

角度検出装置はさらにデータ処理装置、例えばマイクロプロセッサまたはCPUを有する。このデータ処理装置を用いて本発明による方法の複数のステップが実施され、また本発明による方法の各ステップは部分的にソフトウェアにより実現され、また必要に応じて、部分的にハードウェアにより実現される。さらに角度検出装置は、有利には1つの比較器を有し、この比較器は誘導電圧の一致を検出することができ、また相応の信号、有利には信号の上昇エッジないし下降エッジを相応の時点に出力するか、その時点を表すタイムマークを出力する。角度センサとしてディジタル形式またはアナログ形式の装置を使用することができ、有利には相互に120°ずらされている3つのセンサ素子から構成されているディジタルセンサが使用される。センサ素子は有利には2つのレベルの信号を出力する。すなわち、180°の間隔内にある角度が検出されると第1のレベルを出力し、この間隔外の角度が検出されると第2のレベルの信号を出力する。それぞれのセンサ素子のこの間隔の開始と終了は上述のように相互に120°ずらされている。したがって、60°で区切られているセクタのどのセクタに検出された角度が位置しているかを検出することができる3桁バイナリ信号が得られる。相互に接している60°のセクタの所属のビットワードは1つの桁しか異なっておらず、さらには、全ての桁が同一のレベルを有しているビットワードは許容されない。これによって、センサエラーないし伝送エラーを簡単に識別することができる。有利には、角度センサから出力される角度信号はグレイコードで表される。60°のセクタを表す3桁ディジタル信号から正確な角度を推定できるようにするために、ディジタル信号のエッジおよび所属の時点が検出される。つまり一連のエッジの速度によって回転数を推定することができ、これによってエッジが切り替わる時点および検出された回転速度から外挿された正確な角度を推定することができる。有利には、センサ素子の信号の上昇エッジが基準として使用され、これは0°から180°の絶対角度に相当する。すなわち、基本位置からずらされていない。

本発明による方法の殊に有利には実施形態においては、まず本発明による方法の第1の方式が実施され、続いて本発明による方法の第2の方式が実施される。先ず、緩慢な合成回転磁界が形成される。この際に、電気機械の軸には負荷が加えられていない。すなわち分離されている。緩慢な合成回転磁界は極端な場合にはほぼ定常磁界になるまで減速されるので、以下の記載ではこの緩慢な合成回転磁界に定常磁界も含まれるものとする。ロータはステータ磁界に配向され、これによって、発生したセンサ角度をロータの配向によって生じる磁界角度に対応付けることができる。これによって最初のオフセット角度、すなわち一時的なオフセット角度が生じ、このオフセット角度には摩擦に起因する補正角度が場合によっては加えられている。しかしながら一時的なオフセット角度は、誤った制御によって電気機械が損傷する危険が生じることなく、電気機械を高い回転数で運転させるには正確で十分である。したがって、一時的なオフセット角度を利用して電気機械が較正され、またオフセット角度を考慮して制御され、高い回転数、例えば、毎分1000回転を達成することができる。これに続いて、ステータはフリーホイールになる。すなわち、全ての電気的なエネルギ源がステータ巻線から切り離され、実質的に0のステータ電流が達成される。続いて、正確なオフセット角度がフリーホイールにある誘導電圧から検出される。フリーホイールにある誘導電圧からオフセット角度を検出している間に、有利にはロータに負荷が加えられていない。すなわち、ロータは系に起因する軸受け摩擦ないし空気摩擦を除いて機械的な負荷には接続されていない。別のステータ巻線および(誘導電圧から)所属の磁界角度からオフセット角度が検出された後に、したがってより精確なオフセット角度が得られた後に、このオフセット角度が中間記憶され、電気機械が制動される。有利には、一時的なオフセット角度が中間記憶されるか、例えば一時的なオフセット角度が算出された直後にメモリに記憶される。緩慢な回転磁界または定常磁界の発生、一時的なオフセット角度の算出および記憶、求められたオフセット角度に応じた角度センサ測定の更新、毎分1000回転への電気機械の加速、誘導電圧からのより正確な第2のオフセット角度の検出、また、電気機械の制動は有利には短時間、例えば5秒よりも短い時間、殊に2秒よりも短い時間に順次連続して実施される。緩慢な回転磁界ないし定常磁界の発生、また電気機械を毎分1000回転に加速させる回転磁界の発生は、有利には電力電子機構、例えばベクトル制御部(FOC)によって制御されるパルスインバータによって行われる。本発明による角度検出装置は有利にはベクトル制御部(FOC)と接続されている。管理制御部として有利には車両管理部(VMU:vehicle managment unit)が使用され、この制御部はベクトル制御部および電力制御部と直接的または間接的に接続されており、また本発明による方法を実施ないし制御する。最初にオフセット角度を測定する前の軸の機械的な切り離しを車両管理部または他の制御装置によって制御することができる。

以下では、車両のハイブリッド駆動装置における内燃機関VMと共に使用されている電気機械に関して停止状態からオフセットを較正するための本発明の一実施例を説明する。差し当たり、電気機械EMを制御するパルス幅制御部PWCはスタンバイ状態にあり、電気機械の回転数は0であり(停止状態)、内燃機関と電気機械は接続するクラッチは開かれているので電気機械は自由に回転することができる。ハイブリッド駆動装置の伝動装置はアイドリング状態、すなわち状態パーキング「P」にある。先ず、パルス幅制御部によってメモリ、例えばEEPROMに、「初期オフセット較正が必要である」という情報が記憶されているか否かが検される。この場合、パルス幅制御部によって診断ビットがセットされる。車両管理部が内燃機関と電気機械の間のクラッチを開く。ここで車両管理部によって、伝動装置は状態「P」にあることが確認される。車両管理部はパルス幅制御部にオフセット較正を要求する。この要求に応じて、パルス幅制御部からEEPROMに情報「初期オフセット較正が必要である」が書き込まれる。パルス幅制御部は診断ビットをセットする。つまり、EEPROMに記憶されているオフセット較正の状態がパルス幅制御部によって「依然として実施すべき」にセットされる。パルス幅制御部は、ステータ磁界が設定され、その磁界にロータが配向されることによって、所定の大きさに磁界角度をセットすることによって初期オフセットを検出する。パルス幅制御部は、有利には電気機械の制御時に初期オフセットを考慮して、電気機械を毎分1000回転に加速させる。加速後にパルス幅制御によって正確なオフセット較正が実施され、この較正時に磁界角度が誘導電圧の位相位置に基づいて求められる。較正が成功すると、パルス幅制御部はEEPROMに情報「オフセット較正必要無し/較正実施」が書き込まれ、パルス幅制御部は「スタンバイ状態」に移行し、電気機械はステータ巻線の能動的な短絡によって制動される。一般的に、上述の第2の方式に従いオフセット角度が検出された後に、電気機械をステータ巻線端子との低抵抗接続によって制動することができるか、ロータとステータの相互作用によってロータを制動するステータ内の他の電流によって制動することができる。上述の実施例によれば、ロータの制動後にオフセット較正が車両管理部によって終了され、また車両管理部は任意の状態を要求する。択一的に、車両管理部はモータとのクラッチも閉じ、それによって始動を開始することができる。車両管理部は、電気機械が制動されていることを必ずしも待機する必要はない。

以下では、車両のハイブリッド駆動装置における内燃機関VMと共に使用されている電気機械に関してオフセットを較正するための本発明の一実施例を説明する。パルス幅制御部PWRが電気機械EMを制御する。内燃機関は作動しており、電気機械の回転数は(例えば要求に応じた)通常モード期間内にあり、電気機械を駆動させるバッテリの電圧はステータに印加される誘導電圧よりも大きい。車両管理部(VMU;vehicle management unit)は、例えば相応のビットまたは信号をパルス幅制御部に伝送することによって、オフセット較正を要求する。択一的に、パルス幅制御部も(信号の出力またはビットのセットによって)オフセット較正を要求する。EEPROMに記憶されているオフセット較正の状態がパルス幅制御部によって「依然として実施すべき」にセットされる。パルス幅制御部が誘導電圧に基づき正確なオフセット較正が実施され、電気機械の回転が誘導電圧の形成に使用される。電気機械が既に作動しているので(最小回転数と最大回転数との間の回転数)、付加的なステップでロータを事前に加速させることなく、ロータの回転を使用することができる。有利には、電気機械の目下の回転数が誘導電圧を用いた磁界角度測定に適しているか否かのみが検査される。適している場合には、電気機械は較正の前に加速もされなければ、制動もされない。較正に適している回転数期間外の回転数では、電気機械が相応に加速されるか制動され、適切な回転数が得られる。有利には、(例えばクラッチを開くことによって)電気機械が負荷から解放され、ステータに流れる電流が実質的に0になり、ロータへの機械的なフィードバックが低減される。較正が成功した後に、パルス幅制御部は情報「オフセット較正必要無し/較正実施」がEEPROMに書き込まれる。パルス幅制御部は、ドライバ設定/車両管理部に応じて取ることができる走行モード状態に移行される。

本発明による方法は殊に車両ハイブリッド駆動装置の電気機械に適しており、電気機械が車両を牽引するための運動エネルギを形成する。さらに、電気機械は同様に内燃機関のためのスタータとして使用される。スタータは電気機械と共にハイブリッド駆動装置において駆動ユニットとして作動する。さらに駆動装置は制御可能な伝動装置およびクラッチを有する。電気機械は有利には、例えばロータ内の永久磁石を用いることにより、および/または、ロータ巻線を永続的に制御することにより永久励起式である同期機である。ハイブリッド駆動装置はシリアル型またはパラレル型のマイルドハイブリッド、マクロハイブリッド、フルハイブリッドまたはパワーハイブリッドでよく、そのようは駆動装置においては電気機械と内燃機関を一緒に、または個別に車両駆動装置として使用することができる。電気機械は充電可能なバッテリから給電される。

ステータおよびロータの配向を説明するための電気機械の断面図を示す。 ロータおよびステータの例示的な配向ならびに検出されたセンサ角方向を示す。 三相誘導電圧の時間経過のチャートを示す。

図1には、ステータ巻線10とロータ20とを備えた電気機械が示されている。ステータ巻線10を流れる電流は、左側に示されている巻線区間において紙面から出る方向に流れ、また右側に示されている巻線区間において紙面に向かう方向へと流れる。これにより形成される磁界は実線で示した矢印Aの方向を有する。分かり易くするために、ここではステータ巻線は1つしか示していないが、通常の場合ステータ巻線はステータの周囲全体に沿って均等に配置されている。ロータ20は(例えば、図示していない永久磁石またはロータ巻線によって)励起され、矢印Bによって表されているようなロータの長手方向に配向されている磁界を有する。ロータとステータとの間の力はsin(α)に比例する。ここでαはステータによって形成される磁界とロータの磁界とが成す角度に相当する。したがってステータ巻線に電流が印加され、それによりステータ磁界が発生されると、方向Bと方向Aが一致するまでロータはこの磁界に応じて配向される。つまり、ステータ巻線10に電流が流れ、ロータが全ての機械的な負荷から遮断されると、ロータはロータ巻線10の配向に対応する所定の磁界角度に自動的に配置される。これによってロータを所定の磁界角度に配置し、また所属のセンサ角度を検出することができ、それによって相応のオフセット角度が得られる。

図2には、ステータ磁界Aの配向およびロータの配向Bが示されており、これら2つの配向は図1に示したものと一致する。上述したように、ロータはまだステータ磁界に応じた配向を有していない。ロータは軸を介して角度センサと接続されており、この角度センサは配向Cに相応する角度値を出力する。ロータがステータ磁界に配向されると角度αは0になり、またロータに関しては、ロータに作用するステータ巻線の既知の配向が生じる。角度センサの位置誤差、すなわちオフセット角度は、ステータ磁界の配向が0°の絶対角度に一致している限り、βによって表される。

以下では、磁界角度が誘導電圧の経過の測定により検出され、且つ、ロータが回転している場合に得られる角度の配向を考察する。この場合、位相を検出することによって、ロータと、誘導電圧を形成するステータ巻線とが成す磁界角度の誘導電圧が得られる。

図2を参照すると、この実施例では、配向Aがステータ巻線の絶対配向を示し、また配向Bは誘導電圧の位相から求められるロータの配向を示す。ロータの配向Bと関連付けられている所属のセンサ角度は矢印Cにより表されている。したがって、誘導電圧に基づき、ステータ巻線の配向Aとロータの配向Bとが成す角度αが生じ、他方では、所属の検出されたセンサ角度は、配向Bに対して角度βだけずらされている配向Cに相当する。それ以降においては、そのようにして検出されたオフセット角度βを検出されたセンサ角度から簡単に取り除くことができ、それによりロータの所属の角度配向Bが得られる。

第1の方式(ステータ磁界の印加、ステータ磁界に応じたロータの配向)に従い磁界角度が生じている際にロータがステータ磁界に平行に配向されると、誘導電圧がステータ巻線における磁界の導関数として発生するので、ロータがステータ巻線に平行になり、この配向を通過するときに極大値が生じ、またロータがステータ巻線に対して垂直になり、この配向を通過するときにゼロ通過が生じる。基準点および選択された方式に応じて、このことは磁界角度の検出時に考慮される。ステータ巻線が位置する平面と、ステータ巻線によって形成されるステータ磁界の配向とが成す角度値は90°となる。

図3はステータ巻線の三相誘導電圧を示し、各位相は相互に120°ずらされている。位相電圧U、VおよびWは図3のチャートの上部に正弦波の形で示されており、所属の3桁ディジタル角度信号B0,B1およびB2は図3のチャートの下部に示されている。2つのステータ巻線に印加されている2つの誘導電圧が等しくなる位置には円が付されている。例えば30°の角度φにおいて電圧Uの位相と電圧Vの位相は一致するので、この時点においてはロータが位相Uのステータ巻線と位相Vのステータ巻線との間の中間角度に位置していることは明らかである。これによって磁界角度が磁界センサ系によって検出される。この磁界センサ系はステータ巻線および所属の電圧検出部によって形成される。それと同時に、センサ角度は信号B0,B1およびB2を介して検出され、殊にセンサ角度信号のそれぞれの遷移エッジを介して検出される。センサ角度信号B0が0°の角度φにおいて上昇エッジを有していないことが見て取れる。角度センサが正確に磁界に配向されており、且つ、オフセット角度が0°である場合には、この角度において上昇エッジが生じる。その代わりに、斜線が付された領域はオフセット角度を示し、この領域付近においてセンサ角度信号が実際の磁界角度に遅れて生じる。磁界角度、すなわちロータ位置はステータ磁界の配向角度の中心を通るように与えられており、これは図3においてaおよびa’の間隔によって表されている。これによって、交点UV+に属する位相が所属のセンサ角度、すなわちB0+のエッジの位相もしくは別のセンサ成分信号B1およびB2と比較されることによりオフセット角度を検出することができる。図3から見て取れるように、交点UV+は30°の磁界角度に一致しているが、B0+のエッジは斜線が付された領域の付近で低下している角度を示している。換言すれば、エッジB0+は0°の角度φにおいて既に現れていなければならないが、オフセット角度(斜線が付された領域)によってこの遅延が発生している。したがって本発明によれば、信号B0,B1およびB2を評価することによって、(誘導電圧によって検出される)角度φが30°である時点では角度センサがオフセット角度の付近において低減されたセンサ角度を表すことが求められる。オフセット角度が0であれば、B0+30°のエッジが交点UV+の手前で発生しなければならない。つまり磁界角度を将来において算出するために、センサ角度(コイル電圧U,V,W;交点を参照されたい)を使用することができ、オフセット角度が図3のケースではセンサ角度値に加算されるようにこのオフセット角度が考慮される。

配向角度の幾何学的な中心点を算出するために、図3においては位相電圧UおよびVのピーク値を使用した。その代わりに、図3からはっきりと見て取れるように、UおよびVのゼロ通過(0°ないし60°)も使用することができる。しかしながら、隣り合う2つのピーク値(SV,SU)は空間内のステータ巻線の実際の配置構成を表し、これらは三相系であることから相互に120°ずらされている。間隔aないし間隔a’は120°の半分、すなわち60°に相当する。位相UおよびVは例示的に選択されたもの過ぎないので、位相ペアV,WおよびU,Wの誘導電圧も同様に相互に比較することができる。それぞれの交点には位相を表す相応の符号U,V,Wが付されており、またそれぞれの正のピーク値(最大値)が基準点として使用される場合には+の記号が付されており、隣接する負のピーク値(最小値)が基準点として選択される場合には−の符号が付されている。一例として交点VW−を使用する。この交点においては、位相VおよびWが同一の電圧を有し、且つ、位相VおよびWの隣接する負のピーク値の間、すなわちそれら2つのピーク値の間の幾何学的な中心点に交点がVW−が付されている。中心点VW−は有利には算術的に計算される。すなわち30°(位相Wの負のピーク値)+150°(位相Vの負のピーク値)=180°;180/2(合計の基準化による平均値形成)=90°。そのようにして計算された90°の角度(角度値の和形成、使用される角度値の数による和の除算)は交点VW−によって表されており、また位相VおよびWによって形成されるステータ回転磁界の配向の中心点に一致する。択一的に、巻線の位相も考慮することができ、その場合には、位相の最大値が求められ(例えばU、ピーク値SUを参照されたい)、所属の磁界角度が他の2つの位相の配向の中心点に対応付けられる。図3においては一例として、交点VW−の位置に一致しており、位相VおよびWの配向の中心点に対応付けることができるピーク値SUが示されている。ピーク値を検出するために、誘導電圧の一致を検出する際に比較器の代わりに例えば微分器が使用され、その符号の変化がピーク値の位置を表す。微分器として慣用のRC素子を使用することができ、有利には演算増幅器と組み合わせて使用することができる。同様に、ステータ巻線の誘導電圧のゼロ通過を検出するためにゼロ通過検出器を使用することができ、このゼロ通過の位置ではステータ巻線がロータに垂直に位置している。符号変化の方向は有利には、ロータがステータ巻線に対して+90°または−90°傾斜しているか否かを求めるために使用される。

Claims (4)

  1. ステータ(10)と、ロータ(20)と、該ロータ(20)に接続されている軸とを有する、同期機、外部励起式の同期機、自己励起式の同期機、永久励起式の同期機、ハイブリッド駆動装置の電気的なトラクションモジュールとして構成されている同期機、または、直流電動機である電気機械のオフセット角度を検出する方法において、
    前記ロータを実質的に負荷のない状態に切り替えるステップと、
    前記ステータ(10)によって形成されるステータ磁界(A)の配向に関して、前記ロータ(20)によって形成されるロータ磁界(B)の配向に対応する磁界角度で、前記ステータ(10)に対して前記ロータ(20)を配置するステップであって、ステータ巻線に電流を流し、それにより、前記磁界角度に対応する回転ステータ磁界(A)及び前記ロータ(20)を回転させるステップと、
    前記軸と接続されており、且つ、3つのセンサ素子を備えたディジタルセンサとして実施されている角度センサを用いた測定により、前記磁界角度に対応付けられているセンサ角度を検出するステップであって、前記センサ素子のディジタル信号のエッジおよび所属の時点を検出し、一連のエッジの速度から回転速度を検出し、エッジが切り替わる前記時点および前記回転速度から前記センサ角度を外挿するステップと、
    前記磁界角度と前記センサ角度との差に応じた第1のオフセット角度を検出するステップ
    前記第1のオフセット角度を考慮して、回転ステータ磁界(A)を発生させることにより、前記第1のオフセット角度の検出時に使用される回転数よりも高い回転数に前記電気機械を加速させるステップと、
    ステータの全てのステータ巻線を遮断し、その間に、前記ロータ(20)の慣性に基づき回転を維持し、該ロータ(20)の回転によって前記電気機械内に誘導される誘導電圧の経過の測定により前記磁界角度を検出するステップと、
    2つのステータ巻線の誘導電圧が等しくなり、且つ、磁界角度に対応する角度を有する時点を検出するステップと、
    前記誘導電圧が等しい時点に所属のセンサ角度を検出するステップと、
    磁界角度とセンサ角度との差を形成することにより第2のオフセット角度を検出するステップとを有する、
    とを特徴とする、電気機械のオフセット角度を検出する方法。
  2. 緩慢な回転ステータ磁界(A)を発生させることによって前記ロータ(20)を配置し、前記緩慢な回転ステータ磁界(A)は、空気抵抗、軸摩擦および軸の回転を減速させる別の負荷を無視できる回転数を有し、
    ステータ磁界(A)を形成するステータ巻線(10)の配向に対応する角度、または、前記ロータ(20)に作用する力に応じて重み付けされている全てのステータ巻線の角度の中心に対応する角度として前記磁界角度を設定する、請求項1記載の方法。
  3. 磁界角度とセンサ角度との間の差として前記オフセット角度が設定されるか、
    磁界角度とセンサ角度との間の差と、補正角度との和として前記オフセット角度が設定され、
    前記補正角度は、前記ロータ(20)に力が作用しない0位置角度と前記ロータ(20)に作用する摩擦力に等しい力が前記ロータ(20)に作用する角度との間の角度誤差に対応する、請求項1または2記載の方法。
  4. 回転ステータ磁界を発生させ、前記磁界角度と前記センサ角度を同時に検出する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法
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