JP5844365B2 - 測定回路 - Google Patents

Description

本発明は電気モータに用いるための測定装置に関し、および電気モータの角度位置を確定するのに測定装置を用いる電気モータ用の駆動装置に関する。これは特に電動パワーステアリングシステムに用途がある。

電気モータは、広い範囲の状況において用途が見出されている。最近の２０年間において使用が見出された１つの具体的な領域は、電動パワーステアリングシステムである。このようなシステムでは電気モータは、運転者に補助トルクをもたらすために用いられる。モータはステアリングシステムに接続され、運転者によってステアリングシステムに印加されるトルクに応じたトルクを印加する。これは通常は、ステアリングコラムに接続されたトルクセンサを用いて測定される。

モータを制御するためには、モータの位置を知ることがしばしば必要となる。この測定はまたステアリングコラムの位置、したがってロードホイールおよびステアリングホイールの角度を求めるためにステアリングシステムにおいて用いることができる。モータ角度とステアリングホイールの間に一定の関係があることを条件として、一方の位置が分かれば他方の位置を計算することができる。この測定は通常は角度位置センサを用いて行われる。

別個の位置センサを設けずにモータ位置を測定できれば有利であることが認識されている。これはセンサレス制御が可能になり、システムのコストと複雑さの両方が低減される可能性がある。

国際公開第２００４／０２３６３９号には、モータ相のインダクタンスを測定し、測定されたインダクタンスから位置を確定する、位置検出のためのアルゴリズムを用いた３相ブラシレスモータ用の駆動システムが開示されている。音響ノイズを低減するためにインダクタンスは、各ＰＷＭ期間のＰＷＭパターンに追加された導電状態であるテスト期間の間に測定される。テスト期間の正味の電圧はゼロであり、したがってモータの出力には影響を及ぼさないが、インダクタンスの測定、および電流検出のための単一の電流センサの使用が可能になるように十分に長い。

電気油圧式パワーステアリングシステムのための簡単な位置測定回路は、国際公開第２００４／０２３６３９号に提案されており、これは相の電流の変化率ｄｉ／ｄｔを測定しそれから相インダクタンス、次いで位置を求めるために、接地線内のシャント抵抗器６２０の両端に接続された差動増幅器６１０を含むものである。増幅器は、抵抗器の両端の電圧降下を増幅し、テストパルスの開始時の電圧の大きな変化およびテストパルス内の電圧の小さな変化に対応するために、高いダイナミックレンジをもたなければならない。高精度増幅器、高ダイナミックレンジ増幅器が必要であることからコストが増加し、出願人の現在の認識では、これは望ましくない。これは添付図面の図１から理解することができる。出願人の後の出願である国際公開第２００８／１３９７１８号では、ＤＣオフセットを除去するためにサンプルホールド回路が使用されるが、このような解決策も必然的に複雑となる。

第１の態様によれば電気モータのモータ制御方式に用いるための信号を発生するように構成されたモータ回路内の測定回路を提供し、測定回路は、
モータの諸相を接地または共通正電源に接続するｄｉ／ｄｔ経路を流れる電流を示す出力信号を生成する第１の電流検出手段を備える、測定回路において、
接地線を流れる電流の変化率を示す出力信号を生成する第２の電流検出手段であって、ロゴスキーコイルを備える、第２の電流検出手段をさらに備えることを特徴とする。

出願人は、従来技術において存在する問題点は、必要な電流および変化率の情報を供給するために、ｄｉ／ｄｔ経路内（すべての相を接地または正共通電源に接続する共通線）に、第１の電流検出手段およびロゴスキーコイルの両方を一緒に用いることによって改善されることを認識した。これまではこの情報を導出するすべての試みは、単一の検出デバイスを用いることによるすなわち電流シャント抵抗器を用いることによるものであった。２つのデバイスを使用できることを認識することにより出願人は、それらの１つが、２つのセンサを用いることが経済的に実行可能な解決策となるロゴスキーコイルであれば、必要な処理回路が結果として簡単になることを認識した。

ロゴスキーコイルを設けることにより、第１の検出手段からの信号の複雑な処理を必要とせずに、電流の変化率の簡単で直接測定値を得ることができる。電流測定値は第１の電流検出手段から得られるため、次いで電流測定値を得るためにロゴスキーコイルの出力を積分する必要がないので、変化率の値の予想される範囲にわたって出力の大きなスイングが得られるように最適化することができる。

第１の電流検出手段および第２の検出手段の出力は、モータ制御回路のそれぞれの入力に供給することができる。

第１の電流検出手段は、接地線に直列に接続された電流シャント抵抗器と、シャント抵抗器の両端の電圧降下を示す信号を生成して出力する回路とを備えることができる。

第１および第２の電流検出手段は、接地経路内に直列に構成することができる。

接地線を流れる電流を示す別の信号を供給するために、ロゴスキーコイルからの出力信号を積分する積分器を設けることができる。これを第１の検出手段からのＡＣ電流測定と比較するための比較手段を設けることができ、それらが顕著な大きさだけ異なる場合にエラーのフラグを立てるための手段を設けることができる。それにより、コイルの出力を用いて第１の検出手段の出力の完全性をチェックすることができる。これは第１および第２の検出手段が互いに直列であるときに特に好都合である。

ロゴスキーコイルは、経路の周りを囲む導電性線材の螺旋コイルを備えることができ、コイルの一端はコイルの中心を通ってループして他端へ戻り、コイルの出力はコイルの両端で測定された電圧である。もちろん他の形とすることもできる。たとえばコイルは、経路を取り囲む巻枠の上に巻くことができ、またはプリント回路基板（ＰＣＢ）上のトラックとして配置することもできる。

ロゴスキーコイルの出力電圧Ｖｏｕｔは次式によって表される。

Ｖｏｕｔ＝ＡＮｄｉ／ｄｔ
ここでＡはコイルのサイズおよび形状、ならびにコイルが自由空間にあるかどうかに依存する定数であり、Ｎはターン数、ｄｉ／ｄｔはコイルを貫通する接地線の電流の変化率である。コイルはたとえば空芯の環状巻枠上に２５０から１００のターン数を有する。巻枠は、モータの１回転にわたってほぼ５０ｍＶのフルスケール出力電圧を生じることを目的として一体型または分割コア型とすることができる。

本発明の第２の態様によれば、モータの使用時に接地線の電流の変化率を示す出力信号を生じる、多相電気モータの接地線に配置されたロゴスキーコイルが提供され、出力信号はモータコントローラに供給される。

モータコントローラは、ロゴスキーコイルからの出力信号からモータのインダクタンスを推定し、インダクタンスの推定値からモータの位置を推定するように適合することができる。

本発明は多種多様なモータ制御方式に用いることができるが、参照により本明細書に組み込まれている国際公開第２００４／０２３６３９号の教示によりモータを制御するのに用いられるときに特に有利である。したがって制御方式は、モータの諸相のインダクタンスを測定し、測定されたインダクタンスから位置を確定する位置検出のためのアルゴリズムを用いた３相ブラシレスモータ用の駆動システムの一部となることができる。音響ノイズを低減するためにインダクタンスは、各ＰＷＭ期間のＰＷＭパターンに追加された導電状態であるテスト期間の間に測定することができる。テスト期間の正味の電圧はゼロであり、したがってモータの出力に影響を及ぼさないが、インダクタンスの測定、および共通接地線からの測定値の取得を可能にするのに十分に長い。

次に添付の図面を参照し、添付図面に示される本発明の一実施形態について例示として説明する。

電気モータおよびそれに関連する、本発明による電流測定回路を含む駆動および制御回路の全体的な概略図である。 図１のモータ用のモータ制御および駆動回路のより詳細な概略図である。 モータの極を示すモータの図である。 どのようにモータインダクタンスがモータ位置と共に変化するかを示す図である。 モータの動作時に時間と共にＰＷＭモータを流れる典型的な電流を示す図である。 モータの電流の測定での潜在的なエラーのフラグを立てるのに用いることができる部分回路の概略図である。

本発明は多種多様な用途においてモータと共に用いることができるが、本明細書で以下では、ステアリングシステムに用いられるモータの実施例について述べる。ステアリングシステムは、車両の前輪の角度を制御するために左右に動くように構成されたステアリングラックを備える。ラックは、ラックを動かすように運転者によって回転することができるステアリングホイールに、ステアリングシャフトを通じて接続される。運転者がホイールを回転するのを補助するために、電気モータがギアボックスを通じてシャフト（またはラック）に接続される。これは一般に電動補助システムと呼ばれる。あるいは動力補助は、知られているやり方で油圧回路内の両面ピストンと可動シリンダをラックに接続することによって油圧的にもたらすことができる。作動油は、モータによって駆動されるポンプを用いて知られているやり方で油圧回路を循環される。したがってやはりモータが補助のための原動力となる。これは電気油圧力補助ステアリングシステムとして知られる。

図３を参照するとモータは３相の電気的切り換え式正弦波ＡＣブラシレス永久磁石同期モータを備え、モータはたとえば、この場合はモータの周りにＮ極とＳ極とで交互となる６つの極を生じるように構成された、６個の磁石がそれに搭載された回転子を備える。固定子はこの例では、歯の各グループがそれぞれの相を形成する共通巻線を有する、３つの歯の３つのグループを有する、９スロットの銅線が巻かれた素子を備える。したがってモータは回転子の１回転ごとに３つの完結した電気的サイクルを通過する。

モータ１０は、第１の部分はモータ位置を確定し、第２の部分はモータのために適切なＰＷＭ信号を発生する、３つの部分からなる制御ユニット１００によって制御される。モータと、それに関連する様々な回路構成要素との関係は、図面の図１に示される。

制御ユニット１００は、車両速度と共に変化する車両速度センサ（図示せず）からの入力信号と、ステアリング速度と共に変化するステアリング速度センサからの信号とを受け取る。制御ユニット１００は追加としてまたは代替として、運転者によって要求されるトルクと共に変化する入力信号を受け取ることができ、これはステアリングシャフトに関連付けられたトルクセンサから取得することができる。油圧システムの場合は一般にモータの速度は、ステアリング速度と共に増加し、車両速度と共に減少するように構成される。油圧なしでモータがステアリングコラムまたはラックに直接接続される場合は、制御ユニットはその速度ではなくモータによって出力されるトルクを制御する。

モータ駆動回路３０は添付図面の図２に、より詳細に示される。全体的にＡ、Ｂ、およびＣとして示される３つのモータ巻線は、スター結線にて接続される。デルタ結線を用いることもできる。各相巻線の一端はそれぞれの端子３１、３２、３３に接続され、３つの巻線の他端は一緒に接続されてスター中点となる。３相ブリッジを備える駆動回路３０が設けられる。ブリッジの各相は、上側スイッチングトランジスタ（Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５）を含む上側枝路と、下側スイッチングトランジスタ（Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６）を含む下側枝路とを備える。上側および下側枝路は、それぞれの相巻線の一端に接続され、各上側枝路の他端は、典型的には１２ボルトである電源レールに一緒に接続される。下側枝路の他端は、接地に接続された接地線に一緒に接続される。それによりブリッジの各相は上側および下側スイッチを備え、２つのスイッチの間で相巻線が取り出される。

スイッチは、ＰＷＭ制御段６０から供給される信号に従って、駆動回路により、制御されたパターンにてターンオンおよびターンオフされて、巻線のそれぞれに印加される電位差のパルス幅変調（ＰＷＭ）をもたらし、したがってモータを通って流れる電流を生じる。これは磁界の強さと方向を制御し、したがってモータのトルクおよび速度を制御する。各相のスイッチオン時には、実際にＰＷＭ状態の各変化時に、その所与のＰＷＭ構成に対する３つの相電流の代数和に従って、電流がＤＣリンク内で急速に上昇する（いずれの時点にもそれを通って電流が流れるｄｉ／ｄｔ経路は、モータを通って流れるすべての電流の和に等しい値を有する）。実際には、モータが回転するのに従う相インダクタンスの変化により、ＤＣレベルの小さな変化が生じるようになる。

オプションとしてＰＷＭパターン内で、モータにテストパルスを印加することができる。このテストパルスの目的は、既知の電流がモータの１つの相を流れる（他の相には電流は印加されない）期間をもたらすことである。次いでこれはモータ位置を確定するのに用いるために、測定することができ、より正確にはその電流の変化率を測定することができる。このテストパルスは、モータの１回転内で多くのこのような短いテストパルスを印加し得るように、できるだけ短く保つべきである。実際には、実際のテストパルスを印加する必要はなく、システムは単に、ＰＷＭパターンがテストパルスのために必要なパターンに対応するときに、適切なウィンドウ時間の間にテストを行うように構成されるだけであり、ＰＷＭ方式は、これらのテストウィンドウがＰＷＭ方式の一部として本来的に生じるように選ばれる。

制御ユニットは、ＰＷＭ制御段６０によって正しいＰＷＭパターンが生成されるのを確実にするために、モータ位置を知る必要がある。これはモータに関連付けられた位置センサから確定することもできるが、この実施例では任意の所与の時点でのモータのインダクタンスを推定することによって確定される。これはモータ位置と共に変わるので、位置センサを設ける必要なしに位置の推定値を与えるように用いることができる。具体的にはこの実施例ではインダクタンス測定は、接地線を流れる電流の変化率を求めることによって得ることができる。この制御の方法は、たとえば電気油圧式（ＥＰＨＳ）システム用に国際公開第２００４／０２３６３９号に教示されているが、本発明は完全に電気的なシステム（ＥＰＡＳ）にも等しく応用することができる。

図３から、固定子鉄心と回転子バック鉄心の間の空隙が位置と共に変化するので、回転子２のインダクタンスは電気的位置と共に変化し、結果として回転子位置と共に固定子磁束磁気抵抗の変化を生じることが理解されよう。３つの相Ａ、Ｂ、Ｃのうちの１つのインダクタンスの変化は２回転にわたって図４に示され、インダクタンス値の周期的な性質をはっきり示している。他の相は、それ自体の一意の変化を示すことになる。制御ユニット１００は、モータインダクタンスの推定値から位置の推定値が導出されるようにこれを利用し、モータインダクタンス自体はＰＷＭパターン内の適当なテストウィンドウの中でのモータ内の電流の測定から導出される。

モータ内を流れる電流の絶対値も制御ユニットによって必要になり、これはモータの接地線３５内に直列に設けられた電流シャント抵抗器を備える第１の電流検出手段２００から取得される。この抵抗器の両端の電圧降下は電流と共に変化するのに従って測定され、抵抗器の値が既知であれば電流は全く容易に確定することができる。巻線のそれぞれの電流を測定するためには、巻線の各端子に印加される電圧（したがって特定の相の導通状態）が既知である、ＰＷＭ期間内の正確な時点で総電流をサンプルしなければならない。

電流シャント抵抗器と直列に、第２の電流検出手段３００がある。これはロゴスキーコイルを形成するようにコイルの一端がコイルを通って戻るように接地線の周りに巻かれた線材の螺旋コイルを備える。知られているようにコイルの両端で測定された出力信号は、周りにコイルが巻かれた接地線の電流の変化率の測定値をもたらす。この線の電流は、モータのｄｉ／ｄｔ経路を通って全体として流れる電流を示すことになる。２つの線は増幅器３１０に供給される。第２のセンサ３００は相のインダクタンスを測定するために用いられる。やはり国際公開第２００４／０２３６３９号は、インダクタンスを求めるためにどのようにｄｉ／ｄｔ信号を用いるかについての教示を示している。この実施例では変化率信号は比較段７０に供給され、比較段７０はこれを記憶されたインダクタンス情報４０と比較して推定位置信号５０を導出する。

またロゴスキーコイルの出力を積分し、その出力として接地線を流れる電流を示す信号を生じる積分器４００を設けることができる。これは図面の図６に示される。この導出された電流信号は、比較器５００を用いて、シャント抵抗器回路から出力される信号と比較される。積分器からの推定の電流の流れと電流シャント回路からのものとが異なる場合は、比較器の出力はエラーフラグ６００を立たせる。
本発明は、以下の技術的思想を少なくとも含む。
［形態１］
電気モータのモータ制御方式に用いるための信号を発生するように構成されたモータ回路内の測定回路であって、
前記モータの諸相を接地線または共通正電源電圧に接続するｄｉ／ｄｔ経路を流れる電流を示す出力信号を生成する第１の電流検出手段を備える、測定回路において、
前記ｄｉ／ｄｔ経路を流れる電流の変化率を示す出力信号を生成する第２の電流検出手段であって、ロゴスキーコイルを備える、第２の電流検出手段
をさらに備えることを特徴とする、測定回路。
［形態２］
形態１に記載の測定回路において、前記第１の電流検出手段および前記第２の検出手段の出力が、モータ制御回路のそれぞれの入力に供給される、測定回路。
［形態３］
形態１または形態２に記載の測定回路において、前記第１の電流検出手段が、前記接地線に直列に接続された電流シャント抵抗器と、前記シャント抵抗器の両端の電圧降下を示す出力信号を生成する回路とを備える、測定回路。
［形態４］
形態１から３のいずれかに記載の測定回路において、前記第１および第２の電流検出手段が、前記ｄｉ／ｄｔ経路内に直列に配置された、測定回路。
［形態５］
形態１から４のいずれかに記載の測定回路において、前記ロゴスキーコイルからの出力信号を積分して前記ｄｉ／ｄｔ経路を流れる電流を示す別の信号を生成する積分器と、
これを前記第１の検出手段からの電流測定値と比較し、それらが顕著な大きさだけ異なる場合にエラーのフラグを立てるように構成された比較手段とをさらに含む、測定回路。 ［形態６］
形態１から５のいずれかに記載の測定回路において、前記ロゴスキーコイルが、前記ｄｉ／ｄｔ経路の周りを囲む導電性線材の螺旋コイルを備え、前記コイルの一端は前記コイルの中心を通ってループして他端へ戻り、前記コイルの出力は前記コイルの両端で測定された電圧である、測定回路。
［形態７］
モータの使用時にｄｉ／ｄｔ経路の電流の変化率を示す出力信号を生じる、多相電気モータの前記ｄｉ／ｄｔ経路に配置されたロゴスキーコイルであって、前記出力信号がモータコントローラに供給される、ロゴスキーコイル。
［形態８］
電気モータのモータ制御方式に用いるための信号を発生するように構成されたモータ回路内の測定回路であって、
前記モータの諸相を接地または共通正電源電圧に接続するｄｉ／ｄｔ経路を流れる電流を示す出力信号を生成する第１の電流検出手段を備える、測定回路において、
前記接地線を流れる電流の変化率を示す出力信号を生成する第２の電流検出手段であって、ロゴスキーコイルを備える、第２の電流検出手段
をさらに備えることを特徴とする、測定回路。
［形態９］
形態１に記載の測定回路において、前記第１の電流検出手段および前記第２の検出手段の出力が、モータ制御回路のそれぞれの入力に供給される、測定回路。
［形態１０］
形態１または形態２に記載の測定回路において、前記第１の電流検出手段が、前記
接地線に直列に接続された電流シャント抵抗器と、前記シャント抵抗器の両端の電圧降下を示す出力信号を生成する回路とを備える、測定回路。
［形態１１］
形態１から３のいずれかに記載の測定回路において、前記第１および第２の電流検出手段が、前記ｄｉ／ｄｔ経路内に、たとえば前記接地線内に直列に配置された、測定回路。
［形態１２］
形態１から４のいずれかに記載の測定回路において、前記ロゴスキーコイルからの出力信号を積分して前記接地線を流れる電流を示す別の信号を生成する積分器と、これを前記第１の検出手段からの電流測定値と比較し、それらが顕著な大きさだけ異なる場合にエラーのフラグを立てるように構成された比較手段とをさらに含む、測定回路。
［形態１３］
形態１から５のいずれかに記載の測定回路において、前記ロゴスキーコイルが、前記経路の周りを囲む導電性線材の螺旋コイルを備え、前記コイルの一端は前記コイルの中心を通ってループして他端へ戻り、前記コイルの出力は前記コイルの両端で測定された電圧である、測定回路。
［形態１４］
モータの使用時にｄｉ／ｄｔ経路の電流の変化率を示す出力信号を生じる、多相電気モータの前記ｄｉ／ｄｔ経路に配置されたロゴスキーコイルであって、前記出力信号がモータコントローラに供給される、ロゴスキーコイル。
［形態１５］
添付の図面を参照し、添付図面に示される、実質的に本明細書に述べられるような測定回路。

Claims (2)

1. ステアリングシステムにおいて位置センサを使用せずにモータ制御を実行する種類のモータ回路内の測定回路であり、電気モータ（１０）のモータ制御方式に用いるための信号を発生するように構成された前記測定回路であって、
   前記モータの諸相を接地供給線（３５）または共通正電源電圧に接続する経路を流れる電流を示す出力信号を生成するシャント抵抗器を有する第１の電流検出手段（２００）と、
   前記経路を流れる電流の変化率を示す出力信号を生成する第２の電流検出手段であって、ロゴスキーコイルを備える、第２の電流検出手段（３００）と、を備え、
   前記第１の電流検出手段（２００）および前記第２の電流検出手段（３００）の出力が、モータ制御回路のそれぞれの入力に供給され、
   前記第１および第２の電流検出手段が、前記経路内に直列に配置され、
   前記ロゴスキーコイル（３００）からの出力信号を積分して前記経路を流れる電流を示す別の信号を生成する積分器（４００）と、これを前記第１の電流検出手段（２００）からの電流測定値と比較し、それらが顕著な大きさだけ異なる場合にエラーのフラグを立てるように構成された比較手段とをさらに含む、
   測定回路。
2. 請求項１に記載の測定回路において、前記ロゴスキーコイル（３００）が、前記経路の周りを囲む導電性線材の螺旋コイルを備え、前記コイルの一端は前記コイルの中心を通ってループして他端へ戻り、前記コイルの出力は前記コイルの両端で測定された電圧である、測定回路。

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