JP6918234B2 - 電子整流モータ及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子整流モータ及びその制御方法に関する。

このようなモータは、少なくとも１つの固定子コイルを有する固定子と、回転軸を中心として固定子に対して回転可能な着磁回転子と、励磁界を生成する少なくとも２つの対向する磁極と、励磁界を検出して矩形のセンサ信号を発生する静磁界センサと、を備えている。センサ信号は、信号エッジＥａｓ、信号周期Ｐ、並びに、更にＮ極及びＳ極信号レベルの半波長さＬＮ及びＬＳをそれぞれ有することを特徴とする。又、モータは、少なくとも１つの固定子コイルを駆動するモータ通電装置を備え、このモータ通電装置は、回転固定子界磁を生成するトリガ信号によって起動される。更に、モータは、パラメータ値を保存するためのメモリユニットと、トリガ信号を生成する評価ユニットとを備える。

電子整流モータは、磁化回転子により固定子コイルに発生する逆起電力（ＣＥＭＦ）に基づいて回転子の回転位置を検出したり、回転子の回転位置を決定したりするセンサを備えている。回転固定子界磁を生成させるために、モータの固定子コイルは、検出された回転位置信号に依存するトリガ信号によって励起されて通電される。通常、一連の全てのモータは、検出された回転位置信号と固定子コイルに通電するためのトリガ信号との間に、同一の所定の関係がプログラムされている。

特許文献１は、電子整流モータの回転子の回転位置を判定する位相検出器を開示する。この位相検出器には複数のモータ位置センサが設けられ、これにより、高い精度で回転位置を検出することができる。

特許文献２は、異なる回転速度及びトルクに対するトリガ角度パラメータを含む特性トリガマップを含む制御ユニットを備えた電子整流モータを開示する。固定子コイルを駆動する制御信号は、この特性トリガマップに基づいて、すなわち、現在の回転速度及びトルクに応じて生成される。これにより、様々な基準、例えば、効率、ノイズ及び電磁放射に関する動作中の動作挙動を最適化し得るモータが提供される。

欧州特許出願公開第２９１６１０８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１５１０８６１７号明細書

これらのモータは、回転位置信号、特に磁界センサによって検出される場合、に非対称性を生じるという欠点を有する。これは、例えば、センサの個々の測定誤差及び／又は着磁された回転子の個々の非対称な半径方向磁化によって生じる位置信号の非対称性が、固定子コイルに通電するためのトリガ信号の非対称性に直接反映されることに起因する。その結果、トルク脈動を引き起こし、モータの効率や堅牢性を低下させ、騒音や振動を誘発し得る。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、センサにより制御されるモータのトルク脈動を個別に低減することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する電子整流モータ、又は請求項３に記載の特徴を有する電子整流モータの制御方法によって達成される。

本発明に係る電子整流モータは、少なくとも１つの固定子コイルを有する固定子を備えている。好ましくは、固定子は、複数の固定子コイルを有することで、より均一な固定子界磁を生成し、従って、トルク脈動をより低減する。

又、本発明に係る電子整流モータは、回転軸を中心として固定子に対して回転可能な着磁回転子を備えている。回転子は、回転する回転子励磁場を生成する少なくとも２つの対向する磁極を備える。

又、本発明に係る電子整流モータは、励磁界を検出し、信号エッジＥａｓ、信号周期Ｐ並びに、Ｎ極信号レベル及びＳ極信号レベルのそれぞれに対する半波長さＬＮ及びＬＳを有する矩形のセンサ信号を生成する、静磁界センサを備えている。全波信号周期Ｐは、半波長さＬＮとＬＳの和である。この文脈における「半波」という用語は、定義された信号レベル（Ｎ又はＳのいずれでも）の信号区間を意味し、信号区間の長さに関するいかなる情報も意味しない。又、「半波」という用語は、Ｎ極信号レベルの区間とＳ極信号レベルの区間とが同じ長さを有することを意味するものではない。磁界センサは、モータ回転子に対して半径方向又は軸方向に配置することができる。磁界センサは、固定子によって生成される空中磁界が当該磁界センサの位置で比較的弱くなるように、前記少なくとも１つの固定子コイルからできるだけ離れた位置に配置されることが好ましい。

又、本発明に係る電子整流モータは、少なくとも１つの固定子コイルを駆動するモータ通電装置を備えている。モータ通電装置は、回転固定子界磁を生成するトリガ信号により励起される。モータ通電装置は、少なくとも１つの固定子コイルを駆動する電気エネルギーを整流させるいくつかのパワー半導体を備える。

又、本発明による電子整流モータには、パラメータ値を保存するメモリユニットが設けられている。例えば、受信されたセンサ信号又は較正パラメータを、パラメータ値として保存することができる。

本発明に係る電子整流モータは、トリガ信号を生成する評価ユニットを備えている。評価ユニットは、センサ信号の信号エッジＥａｓの非対称シフトをシフト補償して対称なトリガ信号を生成する。シフト補償は、センサ信号の、最後の受信信号エッジＥａｓ，ｎの位置、信号周期Ｐ、並びに、半波長さＬＮ及びＬＳに基づいて計算される。

その結果、少なくとも１つの固定子コイルは、理想的な対称トリガ信号に基づいて駆動される。この理想的な対称トリガ信号は、信号半波長さＬＮとＬＳとが同じ長さを持つ等間隔信号エッジＥｃｓによって特徴づけられる。このことは、個々の電子整流モータのトルク脈動を著しく減少させ、モータの効率及び堅牢性の向上のみならず、騒音の低減及びモータの振動の低減にもつながる。

一般に、着磁モータ回転子は、異なる方法で実現可能である。例えば、モータ回転子には、ブラシ接点を介して常時電気的に通電される電磁コイルを設けることができる。本発明の好ましい実施形態によれば、着磁モータ回転子は永久磁化されている。回転子は、別個の永久磁石の複数個を有する強磁性回転子体として実現し得るが、代替的に、１個の単一の永久磁化回転子体として提供することもできる。これにより、回転可能なモータ回転子又は摩耗しやすいブラシ接点のための励磁電子機器を全く必要としない、モータ回転子の簡略で信頼性の高い実施形態が可能になる。

この励磁界を検出する磁界センサは、ホールセンサであることが好ましい。通常、ホールセンサには矩形の出力信号を生成する一次評価ユニットが設けられている。

本発明の電子整流モータ（１０）を制御方法は、
・磁界センサからセンサ信号を受信するステップと、
・メモリユニットに受信されたセンサ信号を保存するステップと、
・受信されたセンサ信号の各信号エッジＥａｓを決定するステップと、
・センサ信号の、全波信号周期Ｐ及び更にそれぞれの半波長さＬＮ、ＬＳを決定するステップと、
・センサ信号の、最後に受信されたセンサ信号エッジＥａｓ，ｎの位置、全波信号周期Ｐ、及び、半波長さＬＮ、ＬＳ及を用いて、そのセンサ信号と同一の全波信号周期Ｐを有する、対応する対称信号の複数の信号エッジＥｃｓ、を算出するステップと、
・前記計算された信号エッジＥｃｓを有する対称なトリガ信号を生成するステップと、
・この生成された対称なトリガ信号用いて、少なくとも１つの固定子コイルに通電するステップと、を備える。

好ましくは、センサ信号の、最後に受信されたセンサ信号エッジＥａｓ，ｎの位置、全波信号周期Ｐ、及び、半波長さＬＮ、ＬＳ及を用いた、前記対応する対称信号の信号エッジＥｃｓの計算は、プリコミュテーション（pre-commutation）φを実現するために調整される。

好ましくは、センサ信号の信号周期Ｐ及び半波長さＬＮ及びＬＳは、最後に完全に受信された、磁界センサから受信されるセンサ信号の信号周期を解析して決定される。このように、補償機構は、モータの動作中にセンサ信号の変化に合わせて自動的に適応する。これらの変化は、例えば、モータの回転速度又はモータの負荷の変化により生じ得る。

あるいは、計算量を軽減するために、センサ信号の信号周期Ｐ及び半波長さＬＮ及びＬＳは一度に決定され、そして、較正パラメータとしてメモリユニットに保存される。較正は、モータの製造直後に一度実行することにでき、又は、例えば、評価ユニットの電力がなくなった後に行い、あるいは規定された時間スパンの後に周期的に繰り返すことができる。

メモリユニットは、モータの異なる動作モード、例えば回転速度、に対する較正パラメータを含むことが好ましい。

図１は、本発明による電子整流モータの概略図である。 図２は、信号エッジＥａｓを有する典型的な非対称センサ信号と、信号エッジＥｃｓを有し、非対称センサ信号と同じ信号周期Ｐの対応する対称信号を示す。 図３は、本発明による電子整流モータを制御する方法のフローチャートを示す。

図１は、モータ固定子２０と、永久磁石モータ回転子３０と、静磁界センサ４０と、モータ通電装置５０と、メモリユニット６０と、評価ユニット７０と、エンジン制御ユニット８０とを備える電子整流モータ１０を示す。

固定子２０は、モータ通電装置５０に電気的に接続された３つの固定子コイル２１、２２、２３を有する。

永久磁石回転子３０は、励磁界を発生させる２つの対向する磁極Ｎ、Ｓを備えており、回転軸線３１を中心として固定子２０に対して回転可能である。

静磁界センサ４０は、回転可能な永久磁石回転子３０によって生成される励磁界を検出し、信号エッジＥａｓ、信号周期Ｐ、並びに、Ｎ極信号レベル及びＳ極信号レベルのそれぞれに対する半波長さＬＮ及びＬＳを有する矩形センサ信号を生成する。静磁界センサ４０は、評価ユニット７０に電気的に接続されている。

モータ通電装置５０は、固定子コイル２１，２２，２３、評価ユニット７０及びエンジン制御ユニット８０に電気的に接続されている。モータ通電装置５０は、モータの動作モード（例えば、オン／オフ及び／又は目標回転速度）を指定するエンジン制御ユニット８０からの制御信号を受け取る。受信された動作モードパラメータにより、モータ通電装置５０は、トリガ信号に基づいて固定子コイル２１、２２、２３を駆動し、回転軸線３１を中心として回転する固定子界磁を生成する。

メモリユニット６０は、パラメータ値を保存することができ、評価ユニット７０に電気的に接続されている。

評価ユニット７０には、静磁界センサ４０、モータ通電装置５０及びメモリユニット６０が電気的に接続されている。評価ユニット７０は、磁界センサ４０からセンサ信号を受信し、メモリユニット６０にセンサ信号を保存し、受信したセンサ信号を解析して信号エッジＥａｓを検出する。以下に詳細に説明するように、評価ユニット７０は、センサ信号の信号エッジＥａｓの非対称シフトを補償し、信号エッジＥｃｓを有する対称なトリガ信号を生成する。固定子コイル２１、２２、２３を駆動するモータ通電装置５０は、この対称トリガ信号を受信し、回転固定子界磁を生成する。

センサ信号の信号エッジＥａｓの非対称シフトを補償するために、評価ユニット７０は、センサ信号の信号周期と同じ信号周期Ｐ有する、対応する対称信号の信号エッジＥｃｓを算出する。

図２は、信号エッジＥａｓを有する典型的な非対称センサ信号と、信号エッジＥｃｓを有し、磁界センサ４０から受信される信号と同じ信号周期Ｐを有する、対応する対称信号とを示す。破線は、非対称センサ信号及び対応する対称信号に対して、Ｎ極信号レベル又はＳ極信号レベルにそれぞれ対応する両半波の暫定的中間点を示すが、これらの暫定的中間点は、非対称センサ信号とこれに対応する対称信号とについて同一である。Ｔ０は評価点を示す。

対称信号Ｅｃｓ，ｎ＋１の次の信号エッジを決定するために、センサ信号Ｅａｓ，ｎの最後の受信信号エッジが、メモリユニット６０に保存される受信センサ信号を解析して決定される。

Ｅａｓ，ｎから始めて、現在の半波の暫定的中間点が、現在の信号レベルの半波長さＩ（それぞれＬＮ又はＬＳ）の半分、ここではＬＮ／２を加算することによって計算される。半波の暫定的中間点だけではなく信号周期Ｐは、非対称センサ信号及び対応する対称信号について同一であるので、対称信号Ｅｃｓ，ｎ＋１の次の信号エッジは、周期Ｐの４分の１を加算することによって計算される。

その結果、最後に受信したセンサ信号エッジＥａｓ，ｎ、信号周期Ｐ、並びに、Ｎ極センサ信号レベル及びＳ極センサ信号レベルのそれぞれに対する半波長さＬＮ及びＬＳが与えられると、対応する対称信号Ｅｃｓ，ｎ＋１の次の信号エッジは、次の式により計算することができる。
Ｅｃｓ，ｎ＋１＝Ｅａｓ，ｎ ＋ Ｉ／２ ＋ Ｐ／４

評価ユニット７０は、算出された信号エッジＥｃｓに基づいて対称のトリガ信号を生成し、固定子コイル２１，２２，２３を駆動するモータ通電装置５０に転送する。

このように、固定子コイル２１、２２、２３は、非対称な制御信号の代わりに対称な制御信号に基づいて駆動され、トルク脈動は著しく減少される。

図３は、本発明による電子整流モータ１０を制御方法のフローチャートを示す。

本発明方法の第１の実施形態では、受信センサ信号を解析することによって、本信号レベルの信号周期Ｐだけではなく半波長さＩも決定される。信号周期Ｐは、最後の信号エッジＥａｓ，ｎと、２つ前の信号エッジＥａｓ，ｎ−２との減算によって決定される。現在の半波長さＩは、１つ前の信号エッジＥａｓ，ｎ−１と２つ前の信号エッジＥａｓ，ｎ−２の減算によって決定される。
Ｐ＝Ｅａｓ，ｎ − Ｅａｓ，ｎ−２
Ｉ＝Ｅａｓ，ｎ−１ − Ｅａｓ，ｎ−２

本発明の方法の第２の実施形態では、信号周期Ｐだけではなく、Ｎ極信号レベル及びＳ極信号レベルの半波長さＬＮ及びＬＳも、それぞれ、較正パラメータとしてメモリユニット６０に保存されている。評価ユニット７０は、センサ信号を分析して、最後の信号エッジＥａｓ，ｎ及び現在の信号レベル（Ｎ又はＳ）を決定する。信号周期Ｐ及び現在の半波長さＩは、メモリユニット６０から対応するパラメータを読み出すことによって決定される。

本発明の方法の第３の実施の形態では、モータ１０の評価ユニット７０は、下式に従って次の信号エッジＥｃｓ，ｎ＋１を計算して、プリコミュテーションφを実現するように調整される。
Ｅｃｓ，ｎ＋１＝Ｅａｓ，ｎ ＋ Ｉ／２ ＋ Ｐ／４ − Ｐ・φ／３６０°

Claims (7)

1. 少なくとも１つの固定子コイル（２１、２２、２３）を有する固定子（２０）と、
   回転軸（３１）を中心に回転可能であり、励磁界を発生させる少なくとも２つの対向する磁極（Ｎ、Ｓ）を有する着磁回転子（３０）と、
   前記励磁界を検出し、信号エッジ（Ｅａｓ）、全波信号周期（Ｐ）、並びに、Ｎ極及びＳ極信号レベルのそれぞれに対する半波長さ（ＬＮ、ＬＳ）を有する矩形のセンサ信号を生成する、静磁界センサ（４０）と、
   前記少なくとも１つの固定子コイル（２１、２２、２３）を駆動するモータ通電装置（５０）であって、回転固定子界磁を生成するトリガ信号により起動されるモータ通電装置（５０）と、
   センサ信号または較正パラメータを保存する、メモリユニット（６０）と、
   前記トリガ信号を生成する評価ユニット（７０）と、を備え、
   前記評価ユニット（７０）は、受信された前記センサ信号の信号エッジ（Ｅａｓ，ｎ）の位置、前記全波信号周期（Ｐ）、及び前記センサ信号の前記それぞれの半波長さ（ＬＮ、ＬＳ）から、前記トリガ信号は前記センサ信号の前記全波信号周期（Ｐ）に対応する全波信号周期を有し、前記トリガ信号のＮ極信号レベルおよびＳ極信号レベルが同じ半波長さを有するように、前記トリガ信号の信号エッジ（Ｅａｓ）を計算するように構成される、電子整流モータ（１０）。
2. 前記着磁回転子（３０）は永久磁化されている、請求項１に記載の電子整流モータ（１０）。
3. 前記磁界センサ（４０）はホールセンサである、請求項１に記載の電子整流モータ（１０）。
4. 請求項１に記載の構造的特徴を有する電子整流モータ（１０）を制御方法であって、
   前記静磁界センサ（４０）から前記センサ信号を受信するステップと、
   前記メモリユニット（６０）に前記受信されたセンサ信号を保存するステップと、
   前記受信されたセンサ信号の各信号エッジ（Ｅａｓ）を決定するステップと、
   前記センサ信号の、前記全波信号周期（Ｐ）並びにＮ極及びＳ極信号レベルの半波長さ（ＬＮ、ＬＳ）を決定するステップと、
   前記センサ信号の、前記受信されたセンサ信号エッジ（Ｅａｓ，ｎ）の前記位置、前記全波信号周期（Ｐ）、及び、前記それぞれの波長さ（ＬＮ、ＬＳ）を用いて、前記センサ信号の全波信号周期と同一の全波信号周期（Ｐ）を有する、対称トリガ信号の各々の信号エッジ（Ｅｃｓ）、を計算するステップと、
   前記計算された信号エッジ（Ｅｃｓ）を有する前記対称トリガ信号を生成するステップと、
   前記生成された前記対称トリガ信号用いて、前記少なくとも１つの固定子コイル（２１、２２、２３）に通電するステップと、を備える電子整流モータ（１０）の制御方法。
5. 前記センサ信号の、前記受信されたセンサ信号エッジ（Ｅａｓ，ｎ）の前記位置、前記全波信号周期（Ｐ）、及び、前記それぞれの半波長さ（ＬＮ、ＬＳ）を用いて、対称トリガ信号の前記信号エッジ（Ｅｃｓ）を計算するステップは、プリコミュテーション（φ）を使用することをさらに含む、請求項４に記載の電子整流モータ（１０）の制御方法。
6. 前記センサ信号の前記全波信号周期（Ｐ）及び前記それぞれの半波長さ（ＬＮ、ＬＳ）は、前記静磁界センサ（４０）から受信される前記センサ信号の、最後に受信された前記センサ信号エッジ（Ｅａｓ，ｎ）を含む信号周期を解析して決定される、請求項４または５に記載の電子整流モータ（１０）の制御方法。
7. 前記センサ信号の、前記全波信号周期（Ｐ）及び前記それぞれの半波長さ（ＬＮ、ＬＳ）は一度に決定され、そして、前記メモリユニット（６０）に較正パラメータとして保存される、請求項４または５に記載の電子整流モータ（１０）の制御方法。

Images