JP5479592B2 - ロータ位置予測が行われる電子整流式電動機、および方法 - Google Patents

Description

先行技術
本発明は、電子整流式電動機に関する。電子整流式電動機は、ステータと、とりわけ永久磁石型のロータとを有する。このような電動機は制御ユニットも備えており、該制御ユニットは前記ステータと有効接続され、該ステータがロータを回転運動させるための回転磁界を生成するように該ステータの転流を行うための制御信号を生成するように構成されている。この電動機はまた、少なくとも１つのロータ位置センサも備えており、該ロータ位置センサは、ロータのロータ位置、とりわけ角度位置を検出し、該ロータ位置を表すロータ位置信号を生成するように構成されている。前記制御ユニットは、前記ロータ位置信号に依存して制御信号を生成するように構成されている。

ＤＥ１０３５７５０４Ａ１から、センサと、該センサの出力信号に基づいて同期される振動器とによってロータのロータ位置が検出される電動機が公知である。この電動機では、出力信号の複数の検出位置間のロータ位置が、前記振動器の振動を用いて導出される。

高速で回転する電子整流式電動機の場合、該電動機の動作中、ロータの１回転中に転流パターンを高頻度で切り換えなければならない場合、ロータ位置検出を高い検出周波数で行わなければならないという問題が生じ、こうするためには、電動機の制御ユニットは相応に高い計算能力を有さなければならない。

発明の概要
本発明では、冒頭に述べた形式の電子整流式電動機の制御ユニットは、ロータ位置信号をサンプリングおよび量子化し、デジタルの予測ロータ位置信号を生成するように構成される。このデジタル予測ロータ位置信号は時間的なデータストリームを形成する。この時間的なデータストリームは、サンプリングおよび量子化されたロータ位置信号に相当し、該ロータ位置信号より時間的に後の将来の少なくとも１つまたは複数のロータ位置値を含む。このように形成された予測ロータ位置信号により、有利には現在のロータ位置が得られるか、または電動機の転流を行うための将来のロータ位置が得られる。さらに有利には、たとえばアナログのロータ位置信号がデジタルロータ位置信号に変換された後に前記ロータ位置センサ、とりわけ角度センサがこの変換後のロータ位置信号をさらなる信号処理へ供給する前に、上述のように予測されたロータ位置を電動機の転流に使用できるようにすることができる。

前記ロータ位置センサは、有利には角度センサである。前記角度センサはたとえば、巨大磁気抵抗センサ（ＧＭＲセンサ）または異方性磁気抵抗センサ（ＡＭＲセンサ）である。別の実施形態では、前記電動機はたとえば複数のホールセンサを備えており、該複数のホールセンサはそれぞれ、アナログのロータ位置信号を生成するように構成されている。有利には、とりわけＧＭＲセンサまたはＡＭＲセンサである前記角度センサは、時間的に連続的なアナログのロータ位置信号を生成するように構成されている。その際には前記角度センサの角度分解能は、アナログロータ位置信号をアナログ‐デジタル変換するアナログデジタル変換器のサンプリングレートによって決定される。

有利な実施形態では、前記制御ユニットは、前記ロータ位置センサによって検出された別のロータ位置に依存して、とりわけデジタル信号である前記予測ロータ位置信号を、とりわけＦＩＦＯ方式（ＦＩＦＯ＝First-ln-First-out）で補正するように構成されている。こうするためには、前記予測ロータ位置信号をたとえば、予め決定された数のロータ位置値によって構成することができ、新たなロータ位置値が角度センサによって検出されるごとに、前記予め決定された数のロータ位置値は、‐さらに有利にはアナログ‐デジタル変換器によってさらに変換された‐該新たなロータ位置値によってＦＩＦＯ方式で更新される。このようにして有利には、非定常的な運動パターンによって前記電動機の転流を行うことができる。たとえば前記制御ユニットは、ロータの１回転中に、相互に異なる多数の転流パターンをステータに与えることができる。

有利な実施形態では前記制御ユニットは、近似すべき元の関数である前記ロータ位置信号に依存して、近似関数を用いて、前記デジタル予測ロータ位置信号を生成するように構成されている。このことにより有利には、前記ロータ位置センサによって生成され将来のロータ位置に応じたロータ位置信号を、有利には推定することができる。

有利には前記近似関数は多項式であり、とりわけ少なくとも２次の多項式、または２次の多項式、または３次の多項式である。近似関数の別の有利な実施例は、スプライン関数または指数関数である。

有利な実施形態では、前記制御ユニットはタイミングジェネレータを有し、該制御ユニットは、該タイミングジェネレータによって生成されたタイミング信号と前記予測ロータ位置信号とに依存して、とりわけ転流パターンを用いて前記ステータの転流を行うように構成されている。この構成によって有利には、前記タイミングジェネレータによって生成されたタイミング信号の経過後、たとえばこのようにして形成された時間間隔の経過後に、前記近似関数によって求められた時点で前記ステータの転流を行うことができる。

有利には前記制御ユニットは、前記予測ロータ位置信号のとりわけ相互に連続する有利には将来の２つのロータ位置値間の線形補間を行うことにより、転流時点を求めるように構成されている。

本発明はさらに、電子整流式電動機の動作方法にも関し、とりわけ上述の電子整流式電動機の動作方法に関する。本発明の電子整流式電動機の動作方法では、ロータ位置センサによってロータ位置を検出し、該ロータ位置に相当するロータ位置信号を生成する。本発明の方法ではさらに、有利にはロータ位置信号をサンプリングおよび量子化し、時間的なデータストリームを成す予測ロータ位置信号を生成する。この予測ロータ位置信号は、とりわけデジタル信号である。前記予測ロータ位置信号は、サンプリングおよび量子化されたロータ位置信号を表し、前記ロータ位置信号より時間的に後の少なくとも１つまたは複数の将来のロータ位置値を含む。

本発明の方法の有利な実施形態では、前記ロータ位置センサによって検出された別のロータ位置に依存して前記デジタル予測ロータ位置信号を補正する。

本発明の方法の有利な実施形態では、前記ロータ位置信号を元の関数としての該ロータ位置信号に依存して近似関数を形成することにより、前記デジタル予測ロータ位置信号を生成する。この元の関数は、前記近似関数を生成するための節点を形成することができる、近似すべき関数である。このことにより、前記節点によってたとえばロータ位置信号によって形成されるかまたは該ロータ位置信号から生成された領域より後の予測ロータ位置信号を外挿することもできる。前記近似関数は有利には、２次または３次の多項式関数である。

本発明の方法の有利な実施形態では、前記予測ロータ位置信号に依存して、ある時間間隔の経過後にステータの転流を行う。このある時間間隔が終了する時点は、予め決定された転流時点に相当する。有利には、少なくとも１つの転流パターンを用いて前記転流を行う。この少なくとも１つの転流パターンは、有利には予め決定された転流パターンである。このことによって有利には、前記ロータ位置センサによって生成されたロータ位置値が得られる前にすでに、前記転流を行うことができる。

本発明の方法では有利には、前記予測ロータ位置信号の２つのロータ位置値間の線形補間を行うことにより、前記時間間隔の終了時点を求める。このことにより、将来のロータ位置値を有利には高速に求めることができる。この実施形態では、前記制御ユニットは上述の線形補間を行うために、計算演算子として加算子のみを有する。また、前記近似関数に依存して将来のロータ位置値を求めることもできる。そのために必要な乗算は、有利には、適切な高速の速度の計算ユニットによって行われる。

前記制御ユニットはたとえば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたはＦＰＧＡ（ＦＰＧＡ＝Field-Programmable-Gate-Array）またはＡＳＩＣ（Application-Specific-Integrated-Circuit）とすることができる。前記制御ユニットはたとえば、データ担体に記憶された制御プログラムによって制御され、該制御プログラムは該データ担体とともに、コンピュータプログラム製品を構成する。

本発明はまた、冒頭に述べた形式の電動機を制御するための上述の構成の制御ユニットにも関する。前記制御ユニットは、ロータもステータも含まず、電動機のステータに接続されるように構成されている。

以下、図面および他の実施例に基づき、本発明を説明する。上述の構成と、図面の説明に記載された構成と、従属請求項に記載された構成とから、他の有利な実施形態を導き出すことができる。

本発明の制御ユニットを備えた電子整流式電動機の実施例を示す。 図１に示された電動機の動作方法を示す。 図１に示された電動機の動作と、図２に示された方法とを表すグラフである。

図１に、電子整流式電動機１の実施例を‐概略的に‐示す。電動機１は、３つのステータコイルを有するステータ１０を有する。これら３つのステータコイルはすなわち、ステータコイル１２と、ステータコイル１４と、ステータコイル１６である。前記ステータ１０は角度センサも備えており、該角度センサはたとえば、アナログのロータ位置信号を生成することができる角度センサである。前記角度センサ１８は、前記電動機１のロータ１１のロータ位置を検出するように構成されている。前記角度センサ１８は接続部５０によって、前記電動機１の制御ユニット３０に接続されている。前記制御ユニット３０はアナログ‐デジタル変換器２７を有し、該アナログ‐デジタル変換器２７の入力側は前記接続部５０に接続されており、この接続によって前記角度センサ１８に接続されている。ロータ位置信号がアナログ信号であり、とりわけ時間的に連続するように形成された信号である場合、前記角度センサの角度分解能は前記アナログ‐デジタル変換器のサンプリングレートによって決定される。前記アナログ‐デジタル変換器２７の出力側は、接続線路５４を介して多項式生成器２９に接続されている。

前記アナログ‐デジタル変換器２７は、前記接続部５０を介して入力側で受け取ったロータ位置信号をサンプリングし、それぞれ該ロータ位置信号の振幅値を表す複数のサンプリング値の時系列を生成するように構成されている。前記アナログ‐デジタル変換器２７の出力側は、接続線路５４を介して多項式生成器２９に接続されている。前記多項式生成器２９は、前記接続線路５４を介して受け取った‐前記ロータ１１のロータ位置を表す‐前記サンプリング値に依存して近似関数を生成するように構成されている。この近似関数は、局所的に前記サンプリング値によって表現される曲線を、少なくとも近似的に表す。

前記多項式生成器は有利には、前記近似関数を最小２乗誤差法によって生成するように構成されている。

前記近似関数は有利には多項式であり、とりわけ２次または３次の多項式関数である。また、‐とりわけ多項式生成器の所要計算時間に依存して‐３次より高次の多項式を実現することもできる。

前記多項式生成器２９は、求められた近似関数の多項式係数、とりわけ前記多項式の多項式係数を求め、出力側で接続線路５６を介して該多項式係数を係数メモリ３２へ出力するように構成されている。こうするために、前記多項式生成器２９はたとえば各多項式係数ごとにＦＩＲフィルタを有する。この実施例では多項式生成器２９は、一例として図示された３つのＦＩＲフィルタ３６，３８および３９を有する。前記係数メモリ３２は、前記多項式生成器２９によって生成された多項式係数が常に使用可能であるように該多項式係数を蓄積しておくように構成されている。前記係数メモリ３２の出力側は、接続線路５８を介して予測器３４に接続されている。前記予測器３４は、前記接続線路５８を介して、前記係数メモリ３２に記憶された係数を読み出し、時間的に相互に連続する複数のロータ位置値を表すデータストリームを生成し、出力側において前記接続線路６０を介して該データストリームを制御ユニット４２へ出力するように構成されている。前記データストリームは、時間的に相互に連続する複数の将来のロータ位置値を含み、‐この実施例では点線で表されており‐該複数の将来のロータ位置値はそれぞれ、前記角度センサ１８によって未だ検出されていない将来のロータ位置を表す。この実施例では前記データストリームは、既に述べた予測ロータ位置信号を形成する。

とりわけ多項式である前記近似関数は、たとえば下記のように形成することができる：

上記式において、
ｙ_ｅ，ｎ（Δｎ）は、前記近似関数である予測器多項式であり、
ｎはサンプリング値であり、整数または１未満の数であり、
Ｔ_ａはサンプリング期間であり、
ｇは前記多項式の次数であり、
ａは多項式係数である。

前記制御ユニット４２はタイミングジェネレータ４０に接続されており、少なくとも、前記接続線路６０を介して受け取った予測ロータ位置信号に依存して、前記ステータ１０の転流を行うように構成されている。

前記制御ユニット４２の出力側は接続部５３を介して、前記電動機１のパワー出力段２５に接続されている。前記制御ユニット４２は、前記ステータコイル１２，１４および１６によって回転磁界を生成するように前記パワー出力段２５を制御するように構成されている。こうするために、前記パワー出力段２５の出力側は接続部５２を介してステータ１０に接続されており、該ステータ１０において前記ステータコイル１２，１４および１６に接続されている。前記制御ユニット４２は、前記タイミングジェネレータ４０から受け取ったとりわけ高分解能のタイミング信号に依存して、前記ステータ１０の転流を行う転流時点を正確に求めるように構成されている。

前記多項式生成器２９は有利には、前記係数メモリ３２に蓄積された各多項式係数ごとにＦＩＲフィルタ（ＦＩＲ＝Finite-Impulse-Response）を有する。

また、前記制御ユニット４２の入力側は前記接続線路５４を介してアナログ‐デジタル変換器２７に接続されており、該アナログ‐デジタル変換器から、デジタル変換された前記ロータ位置信号を受け取ることができる。

前記制御ユニット４２は、相互に連続する２つの予測値間の線形補間を行うことにより、前記予測器３４によって計算されたロータ位置値を、前記ステータコイルの転流を行う転流時点を求め、該転流時点に応じて該ステータコイルの転流を行うように前記パワー出力段３５を制御するように構成されている。

別の実施形態では、前記多項式生成器２９と前記予測器３４とをまとめて複数のＦＩＲフィルタによって構成する。この実施形態では、とりわけ将来のロータ位置値である各ロータ位置値ごとに１つのＦＩＲフィルタが設けられており、たとえば、２つの将来のロータ位置値に対して２つのＦＩＲフィルタが設けられる。この実施形態では、前記係数メモリ３２を省略することができる。

図２に、電子整流式電動機の転流方法の実施例を示す。この方法では、ステップ７０において前記電子整流式電動機のロータのロータ位置を、とりわけ角度センサによって検出し、該ロータの少なくとも１つのロータ位置を表すロータ位置信号を生成する。ステップ７２において前記ロータ位置信号をアナログ‐デジタル変換器によってデジタル変換し、デジタルロータ位置信号を生成する。ステップ７４において、前記デジタルロータ位置信号に依存して、該デジタルロータ位置値を少なくとも近似的に近似する多項式を生成する。ステップ７６において、上述の形成された多項式を表す多項式係数を一時記憶する。ステップ７８において、予測器を用いて、上述の生成された多項式係数に依存して多項式を形成し、該多項式に依存してデータストリームを生成する。このデータストリームは、前記角度センサによって検出されたロータ位置値が含まれる時間領域内の複数のロータ位置値と、さらに、該角度センサによって未だ検出されていない将来のロータ位置値および／または前記アナログ‐デジタル変換器２４によって生成された信号によって未だ表されない将来のロータ位置値とを含む。ステップ８０において、前記データストリームに依存して‐たとえば蓄積された複数の転流パターンから‐いずれかの転流パターンを選択し、ステップ８２において該転流パターンによって前記ステータの通電を行う。

図３にグラフ９０を示す。このグラフ９０は、時間軸９１と振幅軸９２とを有する。

前記グラフ９０は、サンプリング値１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０および１１２を相互に繋ぐ曲線９５を示す。前記曲線９５は、ロータ位置特性を表す多項式に相当し、この多項式はたとえば、図１に示された多項式生成器２９によって生成された多項式である。この実施例では、前記多項式９５は３次の多項式である。

同図には、ロータ位置値１０１，１０３，１０５，１０７，１０９，１１１および１１３も示している。

ロータ位置値１０１は角度センサによって検出されたものである。したがって、ロータ位置値１０１はたとえば、図１に示された角度センサ１８によって検出されたものである。

また図中には、時間間隔９６および時間間隔９８も示す。前記時間間隔９６は、アナログ‐デジタル変換器のサンプリング期間であり、たとえば、図１に示されたアナログ‐デジタル変換器２７のサンプリング期間である。

前記ロータ位置値１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０および１１２はそれぞれ、先行および後続のロータ位置値から時間間隔９６だけ離れた位置にある。

ロータ位置値１００の後、時間間隔９８の経過後にロータ位置値１０１が続き、ロータ位置値１０２の後、時間間隔９８の経過後にロータ位置値１０３が続く。ここでは時間間隔９８は、アナログデジタル変換器が、前記角度センサから送信されたロータ位置信号のデジタル変換を行うのに必要とする演算時間である。

したがって、さらに信号処理を行って転流時点を制御するために、‐たとえば図１に示された制御ユニット３０である‐制御ユニットに、前記角度センサによって検出されたデジタル形式のロータ位置信号が、該角度センサによって検出された時点より後で‐この実施例では時間間隔９８だけ遅延されて‐供給される。図中には転流時点１１５および１１７が示されている。転流時点１１５はロータ位置値１０２から時間間隔９９だけ離れている。前記時間間隔９９は時間間隔９８より短いので、前記転流時点１１５は、‐ロータ位置値１０２のロータ位置に相当する‐デジタルロータ位置値１０３の後に来る。

前記予測多項式を生成して、角度センサによって未だ検出されていない将来のロータ位置値を予測することにより、有利には、ロータのロータ位置を検出するサンプリング周波数を、該予測器多項式を用いる予測が行われない場合より低くすることができる。

たとえば前記ロータ位置値１００，１０２，１０４および１０６が角度センサによって検出された場合、ロータ位置値１０８，ロータ位置値１１０およびロータ位置値１１２をすでに、前記予測多項式によって生成完了した状態にすることができる。

電動機の転流方法のさらに後の段階で、たとえば図１中の制御ユニット４２である制御ユニットは、前記予測器によって生成されたロータ位置値１０８，１１０および１１２と、前記角度センサによって検出されたロータ位置値１０９，１１１ないしは１１３とを比較し、予測器多項式の別の多項式特性経過を形成するのに使用することができる。

Claims (5)

1. ステータ（１０）と、ロータ（１１）と、制御ユニット（３０）とを備えた、電子整流式の電動機（１）であって、
   前記制御ユニット（３０）は前記ステータに有効接続されており、
   前記制御ユニット（３０）は、前記ステータ（１０，１２，１４，１６）が前記ロータ（１１）を回転運動させるための回転磁界を生成するように、該ステータ（１０，１２，１４，１６）の転流を行うための制御信号を生成するように構成されており、
   前記電動機（１）は、少なくとも１つのロータ位置センサ（１８）を有し、
   前記ロータ位置センサ（１８）は前記ロータ（１１）のロータ位置を検出し、該ロータ位置を表すロータ位置信号を生成するように構成されており、
   前記制御ユニット（３０）は、前記制御信号を前記ロータ位置信号に依存して生成するように構成されており、
   前記制御ユニット（３０）は、前記ロータ位置信号をサンプリングおよび量子化して（２７）、時間的なデータストリームを形成するデジタル予測ロータ位置信号（９５，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２）を生成するように構成されており、
   前記データストリームは、前記サンプリングおよび量子化されたロータ位置信号より形成され、前記ロータ位置信号より時間的に後の少なくとも１つまたは複数の将来のロータ位置値（１０８，１１０，１１２）を含み、
   前記制御ユニット（３０）は、元の関数としての前記ロータ位置信号（１００，１０２，１０４，１０６）に依存して、近似関数を用いて、前記デジタル予測ロータ位置信号（９５，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２）を生成するように構成されており、
   前記近似関数は多項式であり、
   前記制御ユニット（３０）は、前記デジタル予測ロータ位置信号の、相互に連続する２つの将来のロータ位置値間の線形補間を行うことにより、転流時点を求めるように構成されている
   ことを特徴とする、電動機。
2. 前記制御ユニット（３０）は、前記ロータ位置センサ（１８）によって検出された別のロータ位置に依存して、前記デジタル予測ロータ位置信号（９５，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２）を補正するように構成されている、
   請求項１記載の電動機。
3. 前記制御ユニット（３０）はタイミングジェネレータ（４０）を有し、
   前記制御ユニット（３０）は、前記タイミングジェネレータ（４０）によって生成されたタイミング信号と、前記デジタル予測ロータ位置信号（９５）とに依存して、前記ステータの転流を行う（１１５，１１７）ように構成されている、
   請求項１または２記載の電動機。
4. ロータを有する電子整流式の電動機の動作方法であって、
   ロータ位置センサ（１８）を用いて前記ロータ（１１）のロータ位置を検出して、該ロータ位置に相当するロータ位置信号を生成し、
   前記ロータ位置信号をサンプリングおよび量子化して、時間的なデータストリームを形成するデジタル予測ロータ位置信号（９５，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２）を生成し、
   前記デジタル予測ロータ位置信号は、前記サンプリングおよび量子化されたロータ位置信号より形成され、該ロータ位置信号より時間的に後の少なくとも１つまたは複数の将来のロータ位置信号を含み、
   多項式である近似関数を形成することにより、元の関数としての前記ロータ位置信号に依存して、前記デジタル予測ロータ位置信号を生成し、前記デジタル予測ロータ信号に基づき前記電動機を動作させ、
   前記デジタル予測ロータ位置信号の、相互に連続する２つの将来のロータ位置値間の線形補間を行うことにより、転流時点を求める
   ことを特徴とする、動作方法。
5. 前記ロータ（１１）の新たなロータ位置値を検出するごとに、前記デジタル予測ロータ位置信号（９５，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２）のロータ位置値を当該新たなロータ位置値に更新する、
   請求項４記載の動作方法。

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