JP2019536052A - モータ電流感知 - Google Patents

Abstract

モータの駆動電流を感知するための回路であって、多相モータの各フェーズ用の駆動電流を生成するように構成されているドライバで、すべての駆動電流の瞬間合計がゼロになるドライバと、多相モータの各フェーズ用の電流センサであり、各々が各フェーズの駆動電流を測定するように構成されている電流センサで、測定すべき駆動電流の外部の磁界が原因である、各電子センサ素子の駆動電流の系統的な誤差の大きさが同じになるように相対配置されている複数の電流センサ素子を含む電流センサと、多相モータの各フェーズについて、該フェーズの測定駆動電流から全フェーズの測定駆動電流の合計の１／ｎを引いたものとなるように該フェーズの駆動電流の推定値を生成するように構成されたコントローラで、ｎが多相モータのフェーズ数であるコントローラと、を含んで構成されている。【選択図】図１

Description

モータによって制御されるシステムでは、モータを通して駆動されている電流を正確に検知することが望ましい。典型的には、いくつかの他のパラメータと共に電流が監視され、モータの動作を改善するフィードバック制御ループに入力される。例えば、ＤＣモータでは、回転するモータの電流、シャフト位置、速度および方向をすべて測定することができ、それらの測定値は、モータの動作を調整するためにドライバへの制御入力を形成するモータ制御回路に入力される。

モータの駆動電流を測定するために電流検出抵抗器を使用することができる。シャント抵抗器は、それがモータの前に駆動電流を受け取るようにモータ駆動ラインに配置される。抵抗器の両端の電圧降下は、例えば差動増幅器によって測定され、それによって駆動電流が得られる。電流検出抵抗器は、周囲の熱変化や外部の電磁界に対する耐性がある。

ただし、電力はシャント抵抗器で消費されるため、電流検出抵抗器は侵入型の電流検出メカニズムである。つまり、電流検出抵抗器からモータへの電流出力は、それへの入力よりも小さくなる。シャント抵抗器で消費される電力は、抵抗が増加するにつれて二次的に増加する。モータの駆動に通常使用される大電流では、電流検出抵抗器によって発生する廃熱が、モータおよび／または周囲の回路構成要素をさらしても安全な温度しきい値を超える可能性がある。さらに、モータとその周囲の回路構成要素は通常、電力制限の影響を受けるが、これは大電流時に電流検出抵抗器によって超えられる。

電力制限を満たし、センサの侵入性を軽減するために、抵抗器を小型化することができる。ただし、電流検出抵抗器の出力信号は抵抗とともに直線的に増加するため、抵抗を小さくすると、電流検出抵抗器の感度が低下する。非常に小さい電流は非常に小さい電圧降下を引き起こし、それは背景雑音レベルを超えて検出できないかもしれない。したがって、低抵抗の電流検出抵抗器は、低い信号対雑音比を有する出力信号を有する。抵抗器が小さくなるほど不正確になり、出力信号の誤差が大きくなる。加えて、モータは通常、高周波電流で駆動される。低抵抗では、抵抗器のインピーダンスは抵抗ではなくインダクタンスによって支配される。そのため、駆動電流を上記のように直接的に導出することはできない。

電流検出抵抗器に代わるセンサはホールセンサである。ホールセンサは、それに作用する外部磁界によって作動する磁流センサである。したがって、電流によって発生した磁界を検出することによって、モータを介して駆動されている電流の非侵入的測定を提供することができる。ホールセンサは、周囲の磁界密度の関数として変化する出力電圧を生成する。したがって、ドライバ出力の経路に非常に近接して配置されたホールセンサの出力電圧を測定することによって、モータの駆動電流が決定される。測定された駆動電流は、ホールセンサによって消費されない。したがって、ホールセンサは、電流検出抵抗器の廃熱および電力問題の影響を受けない。

周囲温度や外部電磁界の変化に影響されにくい大型ホールセンサがある。ただし、これらは小型で軽量のものへの使用には適していない。そのような用途では、電流センサの設置面積をできるだけ小さくし、電流センサの重量を最小にすることが望ましい。小型ＩＣに収納できる小型ホールセンサが入手可能である。しかしながら、これらのホールセンサは、それらの動作がそれらの熱環境および外部の電磁界、例えばモータ内の磁石からの電磁界に非常に敏感であるという問題を抱えている。モータが駆動されると、モータおよびホールセンサが配置されている回路基板は、ホールセンサが正確な電流測定を提供する狭い温度ウィンドウの外側のレベルまで温度が上昇する。

したがって、小型で軽量のものへの使用に適した、モータの駆動電流を正確に測定するための非侵入型電流センサを提供する必要がある。

本発明の一態様は、モータの駆動電流を感知するための回路であって、前記回路は、多相モータの各フェーズ用の駆動電流を生成するように構成されているドライバで、すべての駆動電流の瞬間合計がゼロになるドライバと、多相モータの各フェーズ用の電流センサであり、各々が各フェーズの駆動電流を測定するように構成されている電流センサで、多相モータの各フェーズについて、該フェーズの測定駆動電流から全フェーズの測定駆動電流の合計の１／ｎを引いたものとなるように該フェーズの駆動電流の推定値を生成するように構成されたコントローラで、ｎが多相モータのフェーズ数であるコントローラと、を含んで構成されている。

前記ドライバは、制御入力に応答して前記多相モータの各フェーズの後続の駆動電流を生成するように構成されて、前記制御入力が各フェーズの前記駆動電流の推定値を含んでもよい。

前記コントローラは、すべてのフェーズの測定駆動電流の合計の１／ｎに等しくなるように各測定駆動電流の誤差の推定値を生成するように構成されてもよい。

多相モータは３つのフェーズを有してもよい。

各電流センサが複数の電流センサ素子を含み、各電流センサ素子がフェーズの駆動電流を測定して駆動電流読取値を生成するように構成されていて、該フェーズの測定駆動電流が複数の電流センサ素子の駆動電流読取値の組み合わせになるようにされていてもよい。

測定すべき駆動電流の外部の磁界が原因である、各電子センサ素子の駆動電流の系統的な誤差の大きさが同じになるように、各電流センサの複数の電流センサ素子が相対配置されてもよい。

各電流センサの前記複数の電流センサ素子は、反対向きに配置された２つの電流センサ素子を含んでもよい。

前記コントローラは、前記２つの電流センサ素子の前記駆動電流読取値の合計の半分になるように前記フェーズの前記測定駆動電流を計算するように構成されていてもよい。

各電流センサの前記複数の電流センサ素子が、同じ向きに配置され、かつ反対に直列に配線された２つの電流素子を含んでもよい。

前記コントローラは、前記２つの電流センサ素子の前記駆動電流読取値の差の半分となるように前記フェーズの前記測定駆動電流を計算するように構成されていてもよい。

各電流センサの前記複数の電流センサ素子が、反対向きに配置され、かつ並列に配線された２つの電流素子を含んでいてもよい。

前記コントローラが、前記２つの電流センサ素子の前記駆動電流読取値の合計となるように、前記フェーズの前記測定駆動電流を計算するように構成されていてもよい。

各電流センサ素子が、ホール電圧を出力するように構成されたホールセンサであり、前記駆動電流読取値が前記ホール電圧の関数であってもよい。

回路は、回路温度を測定し、測定した回路温度を前記コントローラに出力するように構成された温度センサをさらに備えてもよい。

前記コントローラが、回路切断時に同時に測定された、前記温度センサからの第１の較正温度測定値および前記多相モータのフェーズの電流センサ素子からの第１の較正ホール電圧を受信し、回線接続時に同時に測定された、温度センサからの第２の較正温度測定値および前記電流センサ素子からの第２の較正ホール電圧を受信し、受信した第１および第２の較正温度測定値から前記電流センサ素子のホール電圧の熱較正プロファイルを導出するように構成されていてもよい。

前記コントローラが、フェーズの駆動電流の推定値を生成する前に、該フェーズの測定駆動電流を較正するように構成されていてもよい。

前記熱較正プロファイルが線形であり、前記電流センサ素子の熱較正プロファイルに従って、前記フェーズの前記電流センサ素子の各駆動電流読取値から線形オフセットを差し引くことによってフェーズの測定駆動電流を較正するように前記コントローラが構成されていてもよい。

前記コントローラが、起動時の回路切断中に測定された前記第１の較正温度測定値および前記第１の較正ホール電圧を受信するように構成されていてもよい。

前記コントローラが、使用中のモータ切断期間中に測定された前記第１の較正温度測定値および前記第１の較正ホール電圧を受信するように構成されていてもよい。

前記コントローラが、フェーズの駆動電流がゼロより高かった期間の後に、前記フェーズの駆動電流がドライバによって瞬間的にゼロにされた回路接続中に測定された前記第２の較正温度測定値および前記第２の較正ホール電圧を受信するように構成されていてもよい。

回路は、すべての前記電流センサを包囲する磁気シールドをさらに備えていてもよい。

前記磁気シールドは、前記電流センサの両側に配置された２つのシールド層を含んでいてもよい。

磁気シールドは、モータと電流センサとの間に配置されたさらなるシールド要素を含み得る。

磁気シールドは、ミューメタルで構成されてもよい。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

モータ制御回路を示す図。 Ｙ巻線構成の三相モータを示す図。 ホール電圧と温度との間の関係を示す図。 差動ホールセンサ素子の配置を示す図。 差動ホールセンサ素子の別の配置を示す図。 差動ホールセンサ素子のさらに別の配置を示す図。

モータを通じて駆動される電流は用途により異なる。例えば、モータが駆動するコンポーネントによって異なる。多くの用途では、駆動電流は大きさがかなり変動し、非常に大きい場合がある。例えば、電流は最大で５０Ａとなる場合がある。駆動電流はまた、広い周波数帯域幅を有していたり、非常に高い周波数を有していたりする場合もある。例えば、帯域幅が約５０ｋＨｚである場合がある。したがって、電流を検知するために使用される回路構成要素は、広い周波数帯域幅にわたって敏感で、大電流を正確に検出できるものが便利である。また、回路構成要素は、設置面積が小さくて、非侵入的な方法で電流測定値を生成できるものが便利である。ホールセンサは設置面積が小さく、非侵入的な方法で高周波大電流を測定することができる。ホールセンサはリアルタイムの電流測定値を生成する。駆動電流が変化すると、駆動電流が生成する磁界が変化し、ホールセンサによって出力される電圧が変化する。従って、ホールセンサから得られる電流測定値は駆動電流の周波数で更新される。この電流測定は、高い信号対雑音比を有するためほとんどフィルタリングを受けず、ゆえに高帯域幅でも低帯域幅でも正確である。したがって、ホールセンサは、高速および低速の電流信号を正確に測定する。

しかしながら、上述したように、ホールセンサは熱安定性が低い。そのため、周囲温度が、ホールセンサの性能が安定している小さな温度ウィンドウから外れると、電流測定値に大きな系統的な誤差が生じる。また、ホールセンサは外部の電磁界にも非常に敏感である。モータ内の磁石などの近くの回路構成要素から発生する磁界や、地球の磁界さえも、駆動電流からの磁界と共にホールセンサによって検出され、電流測定に誤差が生じる。

以下で、小型ホールセンサ（すなわち、ＩＣに統合することができるもの）の熱的および／または電磁的感度軽減に利用され、ホールセンサを使用したモータの駆動電流の正確な測定を可能にするモータ制御回路の回路構成要素について説明する。

図１は例示的なモータ制御回路１００を示す。ドライバ１０２は、コントローラ１０６の制御下でモータ１０４を駆動する。図示のモータ１０４は、ｎ個のモータフェーズ１０８を有する多相モータであり、ｎは正数である。例えば、モータはブラシレスＤＣモータであってもよい。また、例えばＹまたはデルタ巻線構成の三相モータであってもよいし、モータフェーズは３個より多くても、少なくてもよい。図１では、各モータフェーズは、ドライバ１０２のそれぞれの駆動素子１１０によって個別に駆動される。したがって、ドライバ１０２からモータ１０４へ延びるｎ本のモータ駆動ラインがあり、ｎ個のモータフェーズ１０８のそれぞれに１本ずつ対応している。モータ１０４は、ｎ個あるモータフェーズ１０８のそれぞれに１本ずつ対応する、ｎ本のモータ出力ライン１１２を有する。

さらに、モータ制御回路は、ドライバとモータとの間の各モータ駆動ラインに１個ずつ、ｎ個の電流センサ１１４を備える。各駆動素子１１０によって出力された駆動電流は、各モータフェーズ１０８に入力される前に、電流センサ１１４のうちの１つによって測定される。好適には、各電流センサ１１４はホールセンサである。各電流センサは、その駆動電流測定値をコントローラ１０６に出力する。コントローラ１０６は、電流センサ１１４から受信した測定値に応じて制御入力１１６をドライバ１０２に出力する。ドライバは、制御信号１１６に応じて、各モータフェーズ用の駆動電流を生成する。ドライバはモータ駆動ラインを独立して駆動できる。この場合、制御信号１１６は各駆動素子１１０に対する制御入力を含む。したがって、特定のモータフェーズ用の駆動電流は、感知されたそのモータフェーズ用の駆動電流のみに応じて、駆動素子によって生成される。あるいは、ドライバは、感知された駆動電流のうちの複数またはすべてについて、感知された駆動電流に応じてモータ駆動ラインを駆動してもよい。この場合、制御信号１１６は、すべての駆動素子１１０に対するただ１つの制御入力を含むことができる。

ドライバは、電流だけでなく他の感知されたパラメータに応じて、モータを駆動するための電流を選択してもよい。例えば、回転するモータのシャフト位置、速度、トルク、および方向のうちの１つ以上も測定して、それらの測定値がコントローラ１０６にフィードバックされて、ドライバに送るモータ動作調整用制御信号が生成されるようにしてもよい。

ドライバは、フィードバックループで感知され受信されたもの以外の入力に応じてモータを駆動するための電流を選択することができる。例えば、モータの方向、速度またはトルクのうちの１つ以上を変更するための外部入力は、コントローラ１０６によって受信され得る。そして、コントローラはこれらの入力に応じて、モータ動作調整用制御信号を生成してドライバに送信する。

例示的な実施形態では、多相モータは、任意の時点で、ｎ個のモータフェーズの駆動電流の合計がゼロになるように構成されている。

このとき、Iは電流である。

図２は、Ｙ巻線構成の三相モータを示す。３つすべての巻線２０２、２０４、２０６が接続されている。図２において、以下のようになっている。

各ホールセンサ１１４によって得られる駆動電流測定値は、上述のホールセンサの熱的感度および電磁的感度による誤差の影響を受ける。

このとき、Ｉ^mは測定された電流であり、e^mは誤差である。

誤差の結果として、すべてのセンサの測定された駆動電流の合計はゼロではない。

代わりに、すべてのセンサの測定された駆動電流の合計は、以下のように表される。

したがって、以下の通りとなる。

図２の例では、すべてのセンサの測定された駆動電流の合計Ｉ^SUMは、以下のようになる。

したがって、以下の通りとなる。

各ホールセンサは同じ誤差の影響を受けると考えることができる。したがって、以下のようになる。

ＩＣに統合されたモータ制御回路では、ホールセンサ１１４は互いに極めて接近している。例えば、それらは約６ｍｍ未満の距離で離隔していてもよい。好適には、ホールセンサ１１４は、それらが取り付けられている回路基板に対して同じ方向を向いている。したがって、各ホールセンサが受ける外部電磁界は実質的に同じである。したがって、ホールセンサが同じ誤差を受けるという推定は妥当である。

したがって、測定された各駆動電流の誤差は以下のように考えることができる。

図２の例では、以下のようになる。

したがって、各モータフェーズの駆動電流は以下のように推定することができる。

このとき、I_n ^ESTは第ｎモータフェーズの推定駆動電流である。

図２の例では、以下のようになる。

コントローラ１０６は、ｎ個のホールセンサ１１４から、ｎ個のモータフェーズの測定された駆動電流I₁ ^m、I₂ ^m、．．．I_n ^mを受信する。コントローラ１０６の誤差補正装置１２６は、n個のモータフェーズのそれぞれについて、推定駆動電流I₁ ^EST、I₂ ^EST、．．．I_n ^ESTを生成する。誤差補正装置１２６はさらに、測定された各駆動電流の誤差の推定値e₁ ^m、e₂ ^m、．．．e_n ^mを生成することができる。コントローラはドライバ１０２に制御信号１１６を出力する。この制御信号は、ｎ個のモータフェーズのそれぞれに対する推定駆動電流を含む。ドライバは、制御信号に応答して各モータフェーズの駆動電流を生成する。例えば、モータフェーズの推定駆動電流が所望の値を下回る場合、ドライバ１０２はモータのそのフェーズへの電流入力を増加させることによって反応することができる。同様に、推定駆動電流が所望の値を上回る場合、ドライバ１０２はモータのそのフェーズへの電流入力を減少させることによって反応することができる。

上記のように、ホールセンサは周囲の熱環境に敏感である。ホールセンサの出力電圧は温度オフセットの影響を受ける。オフセットはホールセンサの周囲温度と共に変化する。ホールセンサの周囲温度は、通常、モータが駆動されている回路基板の動作温度である。回路基板の温度範囲は用途によって異なる。回路基板の温度は、−４０℃〜１２５℃の範囲で変化し得る。回路基板の温度は１５℃〜６０℃の範囲で変化し得る。回路基板の動作温度範囲における温度に対するホールセンサ出力電圧のドリフトは、図３に示すように線形の関係になると推測できる。図３は、同じモータ駆動電流について、ホールセンサによって測定されたホール電圧が温度に対してプロットされているグラフである。図３に示すように、同じ磁界密度にさらされると、ホール電圧は温度とともに直線的に増加する。

各ホールセンサ１１４によって測定された駆動電流は、そのホールセンサのホール電圧の関数である。好適には、各ホールセンサはそのホール電圧をコントローラ１０６に出力する。次に、コントローラ１０６は、熱ドリフトに対してホール電圧の読取値を補正するように、熱較正プロファイルに従って各ホールセンサのホール電圧を較正する。次に、コントローラは、熱較正されたホール電圧の読取値を利用して、そのホールセンサによって感知されたモータフェーズの駆動電流の推定値を決定する。

モータ制御回路は温度センサ１１８を含み得る。温度センサ１１８は回路温度を測定し、測定した回路温度１２０をコントローラ１０６に出力する。温度センサ１１８は、継続的にまたは定期的に温度を測定し、それをコントローラ１０６に出力することができる。あるいは、温度センサ１１８は、コントローラ１０６からの制御信号１２２に応答して回路温度を測定して出力してもよい。

コントローラは、ホールセンサの熱較正プロファイルを導出するために、較正を実行する。２組の較正測定値（図３でＡとＢの印が付いている）が取得され、コントローラに出力される。較正測定値の各組は、温度センサ１１８によって行われた温度測定値と、ホールセンサ１１４からのホール電圧とを含む。温度とホール電圧はそれぞれのセンサによって同時に測定される。ホールセンサ１１４は、コントローラ１０６から制御入力１２４を受信することを契機にホール電圧を取得して出力することができる。温度センサ１１８は、コントローラ１０６から制御入力１２２を受け取ることを契機に温度測定値を取得して出力することができる。

モータフェーズの駆動電流は、両方の組の較正測定の間同じである。例えば、モータフェーズの駆動電流は、両方の組の較正測定中にゼロであってもよい。ホールセンサがさらされる温度は、較正組Ａよりも較正組Ｂの測定時において高い。較正測定の第１の組Ａは回路の切断期間に測定されてもよい。この期間中、モータフェーズの駆動電流はゼロである。例えば、較正測定の第１の組Ａは、回路の動作前の回路起動中に測定されてもよい。このとき、回路基板の温度は回路基板の周囲の温度（すなわち室温）と同じである。あるいは、較正測定の第１の組Ａは、モータが動作している間に、モータの短い切断中に測定されてもよい。モータの誘導時定数は非常に短いため、モータで発生した熱エネルギーは急速に消散し、回路基板の温度は回路基板の周囲の温度に戻る。したがって、約１μｓのモータ切断の後、較正測定の第１の組Ａを測定することができる。

較正測定の第２の組Ｂは、モータ回路の動作で回路基板の温度が上昇した回路接続時に、同時に行われる。モータフェーズの駆動電流は、較正測定の第２の組Ｂの測定時において、較正測定の第１の組Ａの測定時と同じである。したがって、モータフェーズの駆動電流が較正測定の第１の組Ａの間ゼロだったなら、モータフェーズの駆動電流は較正測定の第２の組Ｂの間においてもゼロである。第２の組の較正測定値Ｂを測定するために、コントローラはドライバに制御信号を出力し、そのモータフェーズの駆動電流を瞬間的にゼロにできる。この時点より前には、モータフェーズの駆動電流はより高かった。そのモータフェーズの駆動電流がゼロだった時に同時に取得された、ホールセンサからのホール電圧読取値および温度センサからの温度測定値を、コントローラが受信する。コントローラは、ホールセンサと温度センサの両方に制御信号を送って、それらを刺激して第２の組の較正測定値Ｂを測定して出力させることができる。

コントローラ１０６の較正装置１２８は、二組の較正測定値ＡおよびＢを受信する。較正装置は、較正測定値ＡおよびＢからホールセンサのホール電圧の熱較正プロファイルを導出する。ホール電圧と温度との間の関係は、図３の線３００で示すような線形と推定される。実際には、ホール電圧と温度の関係は正確な線形関係から逸脱するだろう。しかし、モータ回路内でホールセンサがさらされるであろう温度範囲では、線形関係が適切な近似値である。したがって、熱較正プロファイルは線形である。ホールセンサが検出したモータフェーズの駆動電流が、較正測定値ＡとＢで同じであったので、一度熱ドリフトに対して補正されれば、ホール電圧読取値は同じとなるはずである。ホールセンサは測定Ａの温度では正確であるが、測定Ｂのより高い温度では正確ではない。したがって、図３の線３０２は、熱ドリフトの影響を受けていなければその温度範囲にわたって測定されたであろうホール電圧を示す。線３０２はホール電圧較正測定値Ａと交差する。ホール電圧測定値Ｂはホール電圧測定値Ａと同じであるはずだということが知られているので、ホール電圧測定値Ｂとホール電圧測定値Ａとの間の線形オフセットは既知である。この線形オフセットは、図３の３０４によって示されている。これから、そのホールセンサの熱較正関数が導き出される。熱較正関数は、温度によって異なる線形オフセットである。

その後の動作中、温度センサ１１８は定期的な温度測定値を取り、それをコントローラに出力する。較正装置は、ホールセンサによって測定されたホール電圧を受信する。較正装置は、受信された直近の温度測定値を使用して線形オフセットを決定する。次に、ホール電圧の読取値から線形オフセットを差し引くことにより、ホール電圧の読取値を熱ドリフトに対して較正する。これを行った後、コントローラは、モータフェーズの駆動電流の推定値を生成するために、本明細書に記載のさらなる誤差補正方法を適用することができる。

好適には、コントローラは、モータ制御回路内の各ホールセンサについて個別に較正を実行し、それによって各ホールセンサについての熱較正プロファイルを導出する。次に、コントローラは、そのホールセンサの熱較正プロファイルを使用して各ホールセンサの出力電圧を較正する。他の手法では、コントローラは、モータ制御回路内のただ１つのホールセンサに較正を実行し、次にその較正済みホールセンサの熱較正プロファイルを使用してモータ制御回路内の各ホールセンサからのホール電圧を較正することができる。あるいは、コントローラは、各ホールセンサから較正温度測定値を受信し、それらを平均することによって、モータ制御回路内のすべてのホールセンサについての平均熱較正プロファイルを導出してもよい。次に、コントローラは平均熱較正プロファイルを使用して各ホールセンサのホール電圧を較正する。後者の２つの手法は、モータ制御回路の熱較正を実行するために必要な保存スペースおよび電力を最小にする。

各ホールセンサ１１４は単一のホールセンサ素子を含んでもよい。あるいは、各ホールセンサ１１４は、複数のホールセンサ素子を含んでもよい。ホールセンサ１１４の複数のホールセンサ素子の各々は、独立してモータフェーズの駆動電流を測定して駆動電流の読取値を形成する。ホールセンサ１１４によって測定された駆動電流は、そのホールセンサの個々のホールセンサ素子の駆動電流の読取値の組み合わせである。ホールセンサは、任意の数のホールセンサ素子を含み得る。好適には、ホールセンサ素子の数は、モータ制御回路が敏感ではない調波の数となるように選択される。

次の例では、ホールセンサは２つのホールセンサ素子で構成されている。２つのホールセンサ素子は、それらが電流を測定しているモータ駆動ラインと同じ平面に取り付けることができる。２つのホールセンサ素子は、差動対のホールセンサを形成する。２つのホールセンサ素子は、各ホールセンサ素子が測定される駆動電流の外部の磁界が原因でホール電圧において同じ大きさの系統的な誤差を有するように互いに対して配置される。これは、ホールセンサ素子の相対位置および／またはそれらがそれぞれ配線される方法によって達成される。２つのホールセンサ素子の駆動電流の読取値は、この系統的な誤差を排除するように組み合わされ、その結果得られるホールセンサ１１４全体の駆動電流測定値は、この系統的な誤差の影響を受けない。

図４、５および６は、ホールセンサ１１４の２つのホールセンサ素子の例示的配置を示す。＋と−の図形は、センサの向きを示す。＋と＋のマークが付いたセンサは同じ向きである。＋と−のマークが付いたセンサは逆向きである。

図４では、ホールセンサ素子は回路基板上に背中合わせに配置されている。両方のホールセンサ素子４０２および４０４は、正の電流Ｉを測定する。しかしながら、ホールセンサ素子は反対の向きにある。したがって、ホールセンサ素子４０２によって測定された外部磁界による系統的な誤差は、ホールセンサ素子４０４によって測定された外部磁界による系統的な誤差とは反対である。ホールセンサ素子４０２からの電流測定値は以下の通りである。

このとき、Ｉ^mは測定された電流であり、Ｉは実際の電流であり、e_mは外部の磁界による誤差であり、そしてe’は誤差の他の要因（熱ドリフトによって起こる誤差など）である。

ホールセンサ素子４０４からの電流測定値は以下の通りである。

これらのホールセンサ素子からこれらの電流測定読取値を受信すると、コントローラは、電流測定読取値を加算し、その結果を半分にすることによって、ホールセンサ全体の電流測定値を決定する。

それにより、外部磁界による誤差e_mはホールセンサの電流測定値Ｉ^mから排除される。

図５では、ホールセンサ素子は回路基板上に並んで配置されている。ホールセンサ素子は直列に配線されている。一方のホールセンサ素子５０２が正の電流Ｉを測定し、他方のホールセンサ素子５０４が負の電流−Ｉを測定するように、ホールセンサ素子は反対方向に配線されている。両方のホールセンサ素子は同じ方向を向いている。したがって、両方のホールセンサ素子によって測定された外部磁界による系統的な誤差は同じである。ホールセンサ素子５０２からの電流測定値は以下の通りである。

このとき、Ｉ^mは測定された電流であり、Ｉは実際の電流であり、e_mは外部の磁界による誤差であり、そしてe’は誤差の他の要因（熱ドリフトによって起こる誤差など）である。

ホールセンサ素子５０４からの電流測定値は以下の通りである。

これらのホールセンサ素子からこれらの電流測定読取値を受信すると、コントローラは、電流測定読取値間の差を計算し、次に結果を半分にすることによって、ホールセンサ全体の電流測定値を決定する。

それにより、外部磁界による誤差e_mはホールセンサの電流測定値Ｉ^mから排除される。

図６では、ホールセンサ素子は回路基板上に並んで配置されている。ホールセンサ素子は並列に配線されている。両方のホールセンサ素子６０２および６０４は、正の電流Ｉ／２を測定する。ホールセンサ素子は反対方向を向いている。したがって、ホールセンサ素子６０２によって測定された外部磁界による系統的な誤差は、ホールセンサ素子６０４によって測定された外部磁界による系統的な誤差とは反対である。ホールセンサ素子６０２からの電流測定値は以下の通りである。

このとき、Ｉ^mは測定された電流であり、Ｉは実際の電流であり、e_mは外部の磁界による誤差であり、そしてe’は誤差の他の要因（熱ドリフトによって起こる誤差など）である。

ホールセンサ素子６０４からの電流測定値は以下の通りである。

これらのホールセンサ素子からこれらの電流測定読取値を受け取ると、コントローラは、電流測定読取値を一緒に加算することによってホールセンサ全体の電流測定値を決定する。

これにより、外部磁界による誤差e_mがホールセンサの電流測定値Ｉ^mから排除される。

ホールセンサ素子は互いに干渉する可能性がある。一方のホールセンサ素子内のワイヤを流れる電流は、他方のホールセンサ素子による測定を妨げる可能性がある磁界を作り出す。図４のセンサ配置は、図５および図６の配置よりもこの干渉に対してより影響を受けやすい。しかしながら、外部磁界による誤差e_mは、図５や図６のセンサ素子対よりも図４のセンサ素子対の方がより匹敵している。一方のホールセンサ素子の磁界に起因する、他方のホールセンサ素子の測定における誤差は約４％であると測定された。コントローラ１０６は、この誤差に関してホールセンサ素子から受け取るホール電圧を補正するように構成することができる。

例示的な実施形態では、ホールセンサの各ホールセンサ素子は、本明細書に記載の方法を用いてその温度依存性について個別に較正される。

ホールセンサは、外部磁界によって引き起こされるホールセンサ測定値の誤差を減らすために、磁気的に遮蔽されてもよい。この遮蔽は、ホールセンサ全体に外部磁界を均一に分布させるように作用し得る。したがって、各ホールセンサは外部磁界から同じ干渉を受ける。シールドは、ホールセンサが取り付けられている回路基板に対してホールセンサとは反対側にある単層とすることができる。この層は回路基板と平行であり得る。シールドは、ホールセンサが取り付けられている回路基板の両側に１つずつ配された、２つの層とすることができる。これら２つの層は回路基板と平行であり得る。シールドは、ホールセンサ１１４とモータ１０４との間に配置されたさらなるシールド要素を含み得る。

シールドは、ミューメタルで構成することができる。ミューメタルは、保護する領域よりもそれ自体に磁力線を引き寄せる高い透磁率を有する。よって、ミューメタルシールドは、それ自体がホールセンサの磁気干渉の原因となる。従って、ミューメタルシールドは、電流測定を妨げないようにホールセンサから十分に離れて配置されている。さらに、ミューメタルシールドは飽和するものである。したがって、ミューメタルシールドは、モータ制御回路がさらされることが予想される外部磁界を飽和前に吸収するのに十分な大きさである。

ホールセンサの熱的および／または電磁的感度を軽減するための上記の回路構成要素のうちの任意の１つまたは複数をモータ制御回路内で組み合わせて使用することができる。

モータ制御回路１００は、コンピューティングベースのデバイス内に適切に組み込まれる。コンピューティングベースのデバイスは電子デバイスであってもよい。好適には、コンピューティングベースのデバイスは、本明細書に記載の方法を実施するために、デバイス動作制御のコンピュータ実行可能命令を処理するための１つ以上のプロセッサを備える。コンピュータ実行可能命令は、メモリなどの任意のコンピュータ可読媒体を使用して提供することができる。本明細書に記載の方法は、有形記憶媒体上の機械可読形式のソフトウェアによって実行することができる。本明細書に記載の方法を実施するために、コンピューティングベースのデバイスにソフトウェアを提供することができる。例えば、コントローラの誤差補正装置は、ホールセンサから受信した電流センサの読取値を補正するための誤差補正ロジックを含むことができる。コントローラの較正装置は、本明細書に記載の較正を実行するための較正ロジックを含み得る。

モータ制御回路１００によって制御されるモータ１０４は、ロボットの肢を接続するジョイントの動きを駆動するために使用され得る。例えば、モータは外科用ロボットアームのジョイントを駆動するために使用されてもよい。手術用ロボットアームをできるだけコンパクトにすることが望ましい。外科用ロボットアームのジョイントの作動を始動するためのモータは、ジョイントの近位に配置されるのが好ましい。したがって、電流センサ１１４を含むモータ制御回路１００は、できるだけ小さいことが好ましい。外科用ロボットは最大電力制限および温度制限の影響を受ける。本明細書に記載の回路構成要素および方法を利用すると、小型のホールセンサを使った正確で温度安定性のある非侵入型の電流測定が可能になるので、外科用ロボットのモータ制御回路への組み込みに適している。

出願人はこれによって、ここに記載の各個別の特徴および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを別々に開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示している。なお、そのような特徴または特徴の組み合わせが本明細書に開示される問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。

Claims (20)

1. モータの駆動電流を感知するための回路であって、
   多相モータの各フェーズ用の駆動電流を生成するように構成されているドライバで、すべての前記駆動電流の瞬間合計がゼロになるドライバと、
   前記多相モータの各フェーズ用の電流センサであり、各々が各フェーズの前記駆動電流を測定するように構成されている電流センサで、各電流センサが複数の電流センサ素子を含み、各電流センサ素子が該フェーズの該駆動電流を測定して駆動電流読取値を生成するように構成されており、該フェーズの測定駆動電流が前記複数の電流センサ素子の前記駆動電流読取値の組み合わせであり、測定すべき該駆動電流の外部の磁界が原因である、各電子センサ素子の該駆動電流の系統的な誤差の大きさが同じになるように、各電流センサの該複数の電流センサ素子が相対配置されている電流センサと、
   前記多相モータの各フェーズについて、該フェーズの前記測定駆動電流からすべての前記フェーズの測定駆動電流の合計の１／ｎを引いたものとなるように該フェーズの該駆動電流の推定値を生成するように構成されたコントローラで、ｎが該多相モータのフェーズ数であるコントローラと、
   を含んで構成されている回路。
2. 前記ドライバが、制御入力に応答して前記多相モータの各フェーズの後続の駆動電流を生成するように構成されており、前記制御入力が各フェーズの前記駆動電流の推定値を含む、請求項１に記載の回路。
3. 前記コントローラが、すべての前記フェーズの前記測定駆動電流の合計の１／ｎに等しくなるように各測定駆動電流の誤差の推定値を生成するように構成される、請求項１または２に記載の回路。
4. 各電流センサの前記複数の電流センサ素子が、反対向きに配置された２つの電流センサ素子を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の回路。
5. 前記コントローラが、前記２つの電流センサ素子の前記駆動電流読取値の合計の半分になるように前記フェーズの前記測定駆動電流を計算するように構成されている、請求項４に記載の回路。
6. 各電流センサの前記複数の電流センサ素子が、同じ向きに配置され、かつ反対に直列に配線された２つの電流素子を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の回路。
7. 前記コントローラは、前記２つの電流センサ素子の前記駆動電流読取値の差の半分となるように前記フェーズの前記測定駆動電流を計算するように構成されている、請求項６に記載の回路。
8. 各電流センサの前記複数の電流センサ素子が、反対向きに配置され、かつ並列に配線された２つの電流素子を含む、請求項７に記載の回路。
9. 前記コントローラが、前記２つの電流センサ素子の前記駆動電流読取値の合計となるように、前記フェーズの前記測定駆動電流を計算するように構成されている、請求項８に記載の回路。
10. 各電流センサ素子が、ホール電圧を出力するように構成されたホールセンサであり、前記駆動電流読取値が前記ホール電圧の関数である、請求項１〜９の何れか１項に記載の回路。
11. 回路温度を測定し、測定した回路温度を前記コントローラに出力するように構成された温度センサをさらに備える、請求項１０に記載の回路。
12. 前記コントローラが、
    回路切断時に同時に測定された、前記温度センサからの第１の較正温度測定値および前記多相モータの前記フェーズの前記電流センサ素子からの第１の較正ホール電圧を受信し、
    回線接続時に同時に測定された、前記温度センサからの第２の較正温度測定値および前記電流センサ素子からの第２の較正ホール電圧を受信し、
    受信した前記第１および第２の較正温度測定値から前記電流センサ素子の前記ホール電圧の熱較正プロファイルを導出する
    ように構成されている、請求項１１に記載の回路。
13. 前記コントローラが、前記フェーズの前記駆動電流の前記推定値を生成する前に、該フェーズの前記測定駆動電流を較正するように構成されている、請求項１２に記載の回路。
14. 前記熱較正プロファイルが線形であり、前記電流センサ素子の該熱較正プロファイルに従って、前記フェーズの前記電流センサ素子の各駆動電流読取値から線形オフセットを差し引くことによって該フェーズの前記測定駆動電流を較正するように前記コントローラが構成される、請求項１３に記載の回路。
15. 前記コントローラが、起動時の回路切断中に測定された前記第１の較正温度測定値および前記第１の較正ホール電圧を受信するように構成されている、請求項１２〜１４の何れか１項に記載の回路。
16. 前記コントローラが、使用中のモータ切断期間中に測定された前記第１の較正温度測定値および前記第１の較正ホール電圧を受信するように構成されている、請求項１２〜１４の何れか１項に記載の回路。
17. 前記コントローラが、前記フェーズの前記駆動電流がゼロより高かった期間の後に、前記フェーズの該駆動電流が前記ドライバによって瞬間的にゼロにされた回路接続中に測定された前記第２の較正温度測定値および前記第２の較正ホール電圧を受信するように構成される、請求項１２〜１４の何れか１項に記載の回路。
18. すべての前記電流センサを包囲する磁気シールドをさらに備える、請求項１〜１７の何れか１項に記載の回路。
19. 前記磁気シールドが、前記電流センサの両側に配置された２つのシールド層を含む、請求項１８に記載の回路。
20. 前記磁気シールドが、前記モータと前記電流センサとの間に配置されたさらなるシールド要素を備える、請求項１８または１９に記載の回路。

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