JP2005526982A - 回転数を求める方法および回転数を求める装置 - Google Patents

Abstract

位置信号が生じないときにも回転数を正確に表すことのできる方法および装置を提供する。カウンタの計数状態を評価し、位置信号が到来するたびにこれをゼロへセットする。予測される位置信号が長い時間にわたって生じない場合には、回転数はカウンタの計数状態に基づいて推定される。これにより迅速に回転数の変化を検出して補償することができる。

Description

本発明は請求項１の上位概念記載の回転数を求める方法および請求項５の上位概念記載の回転数を求める装置に関する。

多くの技術分野においてモータの正確な回転数または正確な回転位置を求めることが要求される。例えば直流モータでは回転数を検出することが周知である。このとき種々の手法が利用される。低コストなバリエーションの１つにホールセンサを用いて回転数を計算する手法があり、その場合にはホールセンサがロータ位置を検出して制御装置へ送出する。ホールセンサは磁性材料から成る回転するロータの磁界に応答する。回転数を計算するためにホール信号の２つのエッジのあいだの時間が測定され、そこから回転数が計算される。

本発明の課題は、迅速に回転数を求めることのできる方法およびこの方法を実行する装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する回転数を求める方法および請求項５の特徴を有する回転数を求める装置により解決される。

本発明の方法の利点は、受信すべき位置センサの信号が遅延した場合にも回転数推定がを行われるということである。回転数が低下すればもちろん新たな位置信号の到来が遅延する。有利には最後の位置信号が得られてから次の位置信号が到来するまでに経過した時間が測定され、最後に測定された回転数に基づく時間と比較される。最後に位置信号が得られてから経過した時間が回転数に基づいて予測される時間よりも大きい場合には、最後の位置信号が得られてから経過した時間に基づいて回転数が求められる。

このようにして回転数が正確かつ迅速に求められる。

本発明の有利な実施形態では、回転数推定を行う時間範囲を先行の２つの位置信号の差に依存して定める。位置信号を使用することにより煩雑な換算は不要となる。したがって本発明の方法は迅速に実行され、わずかな計算能力しか要さない。

本発明の別の有利な実施形態では、定められた時間間隔で回転数を計算する。したがって連続的に新たな回転数情報が送出される。

有利には、経過時間を計算するために、所定の時間間隔で計数状態（計数値）を所定の値だけ高めるカウンタを使用する。したがってカウンタの計数状態は最後に位置信号が得られてから経過した時間に比例する。カウンタを使用することにより簡単かつ低コストに本発明の方法を実行することができる。

本発明の別の有利な実施形態では、最後に位置信号が得られてから経過した時間のほうが最後に測定された回転数に基づく時間よりも長い場合には電気モータの回転数制御部へ介入する。このとき回転数は最後に位置信号が得られてから経過した時間に基づいて推定される。こうして迅速かつ正確な電気モータの制御が達成される。特にこの手段は低回転数の直流モータで有利であり、一定の回転数制御を確実に達成することができる。低速で動作する直流モータでは、トルク変動からモータ動作が不安定となったり、モータが振動し始めたりすることがある。モータが発振すると例えばモータが停止してしまうことさえある。しかし本発明の方法によればこうした障害的な効果が回避される。

本発明を以下に図に即して詳細に説明する。図１にはモータを備えた本発明の装置が示されている。図２には３相電流に依存するホール信号のグラフが示されている。図３には本発明の方法の概略的なブロック図が示されている。

本発明を以下に直流モータ１の実施例に則して詳細に説明する。ただし本発明はあらゆるタイプのモータに適用可能である。有利にはこの直流モータは車両用の電気液圧式パワーステアリングのポンプモータに対して使用される。モータ１を用いて他のタイプの装置、特に車両内の各種の装置を駆動することができる。

図１には直流電流で駆動される整流子モータ１が概略的に示されている。モータ１は回転可能に支承されたロータ１０を有しており、図示の実施例では相互に１２０°ずつ懸隔された磁極３０，３１，３２を有している。ロータ１０の周囲には磁気コイル１３，１４，１５を有するステータ１１が配置されている。ステータ１１は給電線路を介して出力段１２に接続されている。出力段１２は第１〜第３の磁気コイル１３，１４，１５を駆動するために直流電圧源１６に接続されている。出力段１２は制御線路を介して制御装置５に接続されている。さらにモータ１には第１〜第３のホールセンサ２，３，４が配置されている。第１〜第３のホールセンサ２，３，４はモータ１の周囲に等角度間隔で配置されている。これらのホールセンサ２，３，４はロータ１０の位置検出に用いられる。ロータ１０の磁極３０，３１，３２が運動してホールセンサ２，３，４のわきを通過すると、ロータ１０の磁界によりホールセンサ内にホール電圧が形成される。ホール電圧は信号線路７を介して制御装置５へ供給される。ここで第１〜第３のホールセンサ２，３，４の角度位置はロータ１０の回転に対応しているので、制御装置５はロータ１０の空間的位置を識別することができる。制御装置５はさらにリセット線路８および第２の信号線路９を介してカウンタ６に接続されている。

ロータ１０の位置に依存して制御装置５はステータ１１の磁気コイル１３，１４，１５への電流供給を制御する。磁気コイルによって生じる磁界とロータ１０の磁界との交番作用によりロータ１０は所望の回転数で回転する。

図２のグラフには第１〜第３の磁気コイル１３，１４，１５の電圧特性がホールセンサ２，３，４のホール信号として示されている。図２には第１の磁気コイル１３の電圧特性Ｕｉ＿１，第２の磁気コイル１４の電圧特性Ｕｉ＿２，第３の磁気コイル１５の電圧特性Ｕｉ＿３が示されている。これらの電圧特性はわかりやすくするために正弦波状に表されている。所望の磁界に依存して、第１〜第３の磁気コイル１３，１４，１５にはスイッチングトランジスタＴ１〜Ｔ６のうち２つずつを介して正負の極性の電流が給電される。図示の実施例では、簡単化のために、磁気コイル１３，１４，１５がブロック波電流（図２のハッチング領域）で駆動されるブロック波整流が示されている。ただし他の駆動制御、例えば正弦波整流なども使用可能である。正弦波整流では磁気コイル１３，１４，１５にはクロック制御されたほぼ正弦波状の電流信号が供給される。

磁気コイル１３，１４，１５の電流供給と時間的に並行して、図２のグラフには、第１のホールセンサ２の第１のホール信号ＨＳ１，第２のホールセンサ３の第２のホール信号ＨＳ２，第３のホールセンサ４の第３のホール信号ＨＳ３が示されている。これらのホールセンサ２〜４のホール信号ＨＳ１〜ＨＳ３は制御装置５へ送出される。ホール信号ＨＳ１〜ＨＳ３は矩形信号の形態で交番的にローレベルとハイレベルとを繰り返している。ローレベルまたはハイレベルは、ロータ１０のＮ極またはＳ極がホールセンサ２〜４に作用するときこれらのセンサによって検出される。ホール信号を評価する回路によりこのローレベルまたはハイレベルがＮ極またはＳ極のいずれに対応するかが求められる。例えば第１のホールセンサのホール信号は時点ｔ１でローレベルからハイレベルへ跳躍的に変化し、時点ｔ４でハイレベルからローレベルへ跳躍的に変化している。時点は電気角度に依存して示されており、電気角度１０８０°がロータ１０の１回転に相応する。

通常、制御装置５はホール信号ＨＳ１〜ＨＳ３を用いてロータ１０の回転数を計算する。このとき制御装置５は例えばホール信号ＨＳ１〜ＨＳ３の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを使用する。制御装置は３つのホールセンサ２〜４がモータ１の周囲に配置されていること、またロータ１０の１回転当たり３つのホール信号が各ホールセンサ２〜４で形成されることを知っている。したがって１つのホールセンサのホール信号の立ち上がりエッジは１２０°ずつの時間間隔を有しており、３つ分の３６０°がロータ１０の１回転に相応する。

ロータ１０が磁気コイル１３〜１５への相応の電流供給によって回転する場合、時点ｔ１ではロータの所定の磁極が第１のホールセンサ２のわきを通過する。このとき第１のホールセンサ２において時点ｔ１でホール信号の立ち上がりエッジが形成される。この立ち上がりエッジが制御装置５へ供給される。時点ｔ２で制御装置５は第２のホールセンサ３の立ち上がりエッジを受け取る。時点ｔ３で制御装置５は第３のホールセンサ４の立ち上がりエッジを受け取る。時点ｔ７で新たに第１のホールセンサ２の立ち上がりエッジが形成され、時点ｔ８で新たに第２のホールセンサ３の立ち上がりエッジが形成される。

図３には本発明の方法を説明するためのフローチャートが示されている。ホールセンサ２〜４は前述のようにホール信号ＨＳ１〜ＨＳ３の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを制御装置５へ送出する。この制御装置５は内部のタイマ３３を用いてホールセンサ２〜４のいずれかのホール信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが検出されてから次に同じホールセンサのホール信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが生じるまでの時間を測定する。このとき制御装置５はキャプチャ機能により内部のタイマ３３の計数状態を同じホール信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジごとに読み出し、その差からロータの回転数を計算する。

内部のタイマ３３が２μｓごとに１ずつ計数状態を高めるタイプのものであり、計数状態として例えば同じホール信号の２つの立ち上がりエッジのあいだの差８０００が得られた場合、第１のホール信号ＨＳ１の２つの立ち上がりエッジのあいだに１６０００μｓの時間が経過していることになる。ロータ１０の１回転中にホールセンサにおいては３つの立ち上がりエッジが形成される。測定時間は１回転の１／３である。したがって制御装置は回転数Ｕを式
Ｕ＝１／（３・０．０１６ｓ）＝２０．８３３ｓ^−１＝１２５０ｍｉｎ^−１
にしたがって計算する。

立ち上がりエッジでの回転数計算に代えて、ホール信号ＨＳ１〜ＨＳ３の立ち下がりエッジを使用することもできる。図示の実施例では制御装置５は時点ｔ４で第１のホール信号ＨＳ１の立ち下がりエッジを受け取り、時点ｔ５で第２のホール信号ＨＳ２の立ち下がりエッジを受け取り、時点ｔ６で第３のホール信号ＨＳ３の立ち下がりエッジを受け取る。相応に制御装置５は立ち上がりエッジを使用する場合に即して説明したのと同様にモータ１の回転数を計算する。

並行してカウンタ６はホール信号が到来するたびにリセットされる。制御装置５は時点ｔ１で第１のホール信号ＨＳ１の立ち上がりエッジが受信されるとカウンタ６をスタートさせる。カウンタ６は定められた時間のきざみで内部のタイマを高める。制御装置５が時点ｔ２で第２のホール信号ＨＳ２の立ち上がりエッジを受け取ると、制御装置５はカウンタ６をストップさせ、計数状態を読み出し、この計数状態をゼロへセットしてカウンタ６を新たにスタートさせる。カウンタ６により、キャプチャ機能部および内部のタイマ３３には依存せずに、ホール信号の最後のエッジから経過した時間が検出される。ホール信号は時間的にずれながら発生するので、カウンタ６の計数状態はホール信号の２つの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのあいだの時間よりも係数６だけ小さい。

ホール信号の新たな立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが生じない場合には、制御装置５は最後に計算された回転数に基づく時間と最後の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが到来してから経過した時間とを比較する。経過した時間のほうが最後に計算された回転数に基づく時間よりも長い場合には、回転数計算はカウンタ６の計数状態に基づいて行われる。この推定過程はホール信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが検出されるか、またはモータのロックの可能性を表すタイムアウト信号が形成されるまで反復される。

図３には本発明の方法の動作が示されており、制御装置５は第１〜第３のホール信号のいずれかの新たなエッジが生じるごとにリセット線路８を介してカウンタ６へリセット信号を送出する。続いて制御装置５はカウンタ６の計数状態が１つのホール信号の最後の２つの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのあいだの時間間隔よりも大きいか否かを比較する。

比較の結果、計数状態のほうが時間間隔よりも大きい場合には、回転数はカウンタ６の計数状態から計算される。カウンタ６は有利には内部のタイマ３３よりも大きい時間クロックを有する。有利には時間クロックは１ｍｓの領域であり、この時間クロックの後カウンタ６は計数状態を高める。

比較の結果、計数状態のほうが最後の２つの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのあいだの時間間隔よりも大きい場合には、以下の方法が実行される。

計数状態が１つのホール信号の最後の２つの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのあいだの時間間隔に相応する設定された計数時間を上回る場合には、回転数はカウンタ６の計数状態に基づいて式
Ｕ＝１／（３・計数状態・ｎ）
にしたがって推定される。ここでｎはホールセンサの数であり、係数３はロータが３つの磁極３０，３１，３２を有することから導出された数である。

例えば計数状態が０．０１７ｓである場合、回転数
１／（３・０．０１７ｓ）＝１９．６０８ｓ^−１＝１１７６ｍｉｎ^−１
が得られる。

このようにして推定回転数が得られるが、同じホール信号のエッジ信号はまだ検出されていない。

有利には回転数の推定は固定の時間間隔で、例えば１ｍｓごとに行われる。図示の実施例では０．０１８ｓの時間間隔で新たな回転数Ｕが
Ｕ＝１／（３・０．０１８ｓ）＝１８．５１９ｓ^−１＝１１１１ｍｉｎ^−１
として計算される。

相応に１ｍｓごとに、ホール信号のエッジに対する新たなキャプチャ値が検出されるまで、またはタイムアウト信号が発生するまで回転数の推定が行われる。有利には制御装置５は最後の位置信号が得られてからの時間と最後に測定された回転数に基づく時間とを比較する。比較の結果、最後の位置信号が得られてからの時間のほうが最後に求められた回転数に基づいて導出された時間よりも大きい場合には、回転数は最後の位置信号が得られてからの時間に基づいて推定される。このようにして回転数変動または回転数の低下に迅速に応答することができる。

ホールセンサ２〜４に代えて他のタイプの位置センサを使用してもよい。

モータを備えた本発明の装置を示す図である。

３相電流に依存するホール信号のグラフである。

本発明の方法の概略的なブロック図である。

Claims (5)

1. 駆動機構（１）の回転に関連した所定の角度位置に配置された位置センサ（２，３，４）が設けられており、
   駆動機構が所定の角度位置に来たときに位置センサが位置信号を制御装置（５）へ送出する、
   駆動機構の回転数を求める方法、例えば電気モータの回転数を求める方法において、
   制御装置（５）は位置信号の時間間隔から駆動機構（１）の回転数を計算し、その際に位置信号によって定められる時間範囲内で新たな位置信号が生じることを予測しており、
   制御装置（５）は最後の位置信号が生じてからの時間を時間カウンタ（６）により測定し、位置信号が生じない場合には時間カウンタ（６）の計数状態に基づいて駆動機構（１）の回転数を求める
   ことを特徴とする駆動機構の回転数を求める方法。
2. 新たな位置信号が生じると予測される時間範囲を先行の２つの位置信号の時間間隔に依存して定める、請求項１記載の方法。
3. 新たな位置信号が得られるまで定められた時間間隔でカウンタの計数状態から回転数を計算する、請求項１または２記載の方法。
4. 計算された回転数を最小回転数と比較し、計算された回転数が最小回転数を下回る場合には駆動機構（１）の制御部へ介入する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 位置センサ（２，３，４）とロータ（１０）と位置センサに接続された制御装置（５）とを有しており、
   位置センサはロータが所定の位置に来たときに位置信号を制御装置へ送出する
   駆動機構の回転数を求める装置において、
   制御装置（５）が計数状態を所定の時間間隔で高めるカウンタ（６）に接続されており、制御装置（５）により位置信号が取得されたときにカウンタ（６）の計数状態が値０へセットされ、
   制御装置（５）は位置信号の入力を監視しており、位置信号が最後の位置信号が生じてから所定の時間範囲内に生じなかった場合、カウンタ（６）の計数状態に基づいて回転数を計算する
   ことを特徴とする駆動機構の回転数を求める装置。

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