JPH11166943A - 電動機において可動に支持された部分の位置及び運動方向を認識する方法 - Google Patents

電動機において可動に支持された部分の位置及び運動方向を認識する方法

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JPH11166943A
JPH11166943A JP10242431A JP24243198A JPH11166943A JP H11166943 A JPH11166943 A JP H11166943A JP 10242431 A JP10242431 A JP 10242431A JP 24243198 A JP24243198 A JP 24243198A JP H11166943 A JPH11166943 A JP H11166943A
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Wolfgang Dr Schulter
ヴオルフガング・シユルテル
Dieter Driendl
デイーテル・ドリエンドル
Erwin Kessler
エルヴイン・ケスレル
Stephan Kimpfler
シユテフアン・キンプフレル
Kurt Kleiner
クルト・クライネル
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • H02P7/03Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for controlling the direction of rotation of DC motors

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 自動的に電動機の現在の状態に整合する電動
機において可動に支持された部分の位置及び運動方向を
認識する方法を提供する。 【解決手段】 1チャネルセンサHSの他に、電動機電
流IM又は整流された電動機電流Iaのための測定装置
も考慮し、それにより電動機電流IMは、遅くとも運動
方向を反転するためのスイッチ手段S1,S2を制御し
た以後に活性化される。測定装置1は、電動機電流IM
の時間経過から、電動機電流最大値の時点を確定し、こ
れを評価論理部2に転送する。電動機電流最大値の時点
から運動方向の実際の反転の時点が導ぎ出されゼロ交差
点における低下前の電流が、基準電流値として検出され
る。電動機状態モデルをシミュレートする計算ユニット
によって、電動機電流IM、電動機電圧UM及び電動機
回転速度の測定された値に基付いて、運動方向の反転の
時点TR及び電流閾値SIは、計算によって検出でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、とくに自動車にお
ける閉鎖部分の外部力操作される調節の際に、例えば挟
み付け防止部を有する電気駆動される窓巻き上げ器にお
いて利用できる、可動に支持された部分の位置及び運動
方向を認識する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】位置及び回転方向を認識する周知の装置
は、2チャネルセンサシステムを利用し、これらのセン
サシステムの信号は、位相シフトされており、かつ電子
ユニットにおいて評価される。利用されるセンサは、お
おいに異なった物理的方式(例えば:電気、磁気、誘
導、光学)にしたがって動作することができる。
【0003】このようにしてヨーロッパ特許出願公開第
0359853号明細書による電動機駆動装置は、互い
に角度的にずらされた2つのホールセンサを利用し、こ
れらのホールセンサは、電機子軸に取付けられたリング
磁石に対応している。電機子軸の回転の際に、ホールセ
ンサによって発生される相応して位相シフトされた2つ
の信号が生じ、これらの信号は、電子ユニット内におい
てデジタル化の後に評価され、かつ回転方向認識のため
に排他的な基礎を形成する。それぞれの回転方向に対す
る相応する信号パターンは特徴的(異なっている)なの
で、計数パルスは、同様に一義的に回転方向に対応付け
ることができる。
【0004】しかしながら周知の技術的な解決策は、2
よりも少ないセンサチャネルでは十分ではないので、こ
の解決策は、構成部分及び導線において相応して多くの
費用をかけてしか実現することができない。そのために
空けるべき構造空間も、不利に作用することがあり、し
かもとくに統合された電子装置を有する小さな駆動ユニ
ットを利用する際に不利に作用することがある。
【0005】特開昭63−304307号公報によれ
ば、電動機駆動装置のための速度制御が公知であり、こ
こでは当該の速度制御パルスとレーザ長さ測定装置の増
加パルスとの間の位相差が、連続的に検出される。さら
に利用される制御回路は、パルス変換器、及び電動機の
回転運動を直線運動に変換する機構を有する。直線運動
の測定により、変換器においてアップ又はダウン信号が
発生され、しかも操作命令の方向に依存して発生され
る。
【0006】前記の解決策は、物体の移動速度のきわめ
て正確な制御を可能にするが、この解決策は、同時にそ
の位置をも確定することには不適当である。そのために
別の処置が設けられる。
【0007】ドイツ連邦共和国特許第4315637号
明細書によれば、その他に位置と運動方向を認識する方
法が公知であり、ここではデジタル化されたセンサ信号
の信号エッジの他に、運動方向の反転の場合に、基本的
に経験的に検出すべき又は数学的に計算すべき時間閾値
によって制限される追従時間に依存して、信号エッジを
対応付けることによって、駆動装置の状態が考慮され
る。おおいに変化するシステム条件への整合は、不可能
である。なぜなら運動方向反転の際に電動機電流の時間
的な経過は、さらに大きな程度だけ変化するからであ
る。このようにしてとくに固定の閾値による制御は、常
に打勝つべき質量慣性モーメントによって基準として決
められる所定の負荷の場合だけに制限される。しかし例
えば窓ガラスの凍結又は挟み込みによって生じる増加
は、偏差に通じる。自動車において動作給電電圧は、一
方においてバッテリーが空であり、かつ追加的になお別
の負荷要素が動かされるとき、まったくかなりの程度ま
で低下することがある。電動機が、例えば工業的な工作
機械のサーボ駆動装置におけるように、きわめて頻繁に
利用されるとき、加熱に基付いて電動機の電気的なパラ
メータも変化する。これらすべての場合がなおこれによ
り検出される程度に、時間閾値が互いに離される場合、
とくに容易にアクセスされる操作装置は、これが閾値に
よって認識される前に、すでに反対の方向に多くの回転
を実行する。
【0008】ヨーロッパ特許出願公開第0603506
号明細書から、電動機によって2つの方向に駆動される
位置信号発生器を有する自動車の部分の位置を判定する
方法が取り出され、ここでは方向交代は、位置信号発生
器の2つのパルスの間の休止の期間に依存して認識する
ようにする。急速な方向交代、及び不均一なかつ1つの
ステップ内に行なわれない段階状の部分の運動によっ
て、このような方法において誤りに至ることがある。
【0009】さらに電動機の式に基付いて電磁的な電動
機状態モデルによって直流電動機の挙動を記述すること
ができることは周知である。発電機式とも称する電動機
式、Uq(t)=c2・Φ・n(t)、及び電動機式、
Mm(t)=c1・Φ・IM(t)、及び電気的な関
係、Uq(t)=UM(t)−IM(t)・Ra−L・
∂IM(t)/∂tは、同様に文献、例えばリントナー
他:ナッハシュラーゲヴェルク−エレクトロニーク、ラ
イプチッヒ、第2版、1983、第199頁以後、から
取り出すことができる。記号は、個別的に次のような意
味を有する。すなわちUqは誘導された電圧;c1,c
2は電動機定数;Φは磁束;nは回転速度;MLは負荷
モーメント;Mmは電動機モーメント;かつMBはそれ
により得られる加速度モーメント;IMは電動機電流;
UMは電動機端子電圧;Raは電機子抵抗;Rk外部端
子抵抗;Lは電動機巻線のインダクタンス;かつJは動
かすべき部分、例えば窓も含めた回転装置全体の質量慣
性モーメントを表わす。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、自動
的に電動機の現在の状態に整合する電動機において可動
に支持された部分の位置及び運動方向を認識する方法を
提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この課題は、特許請求の
範囲第1項の特徴によって次のようにして解決される。
すなわち1チャネルセンサを使用し、このセンサのデジ
タル信号が、計算ユニットの評価論理部において評価さ
れ、その際、デジタル信号の信号エッジが、評価の基礎
にされ、かつその際、古い運動方向から反対の新しい運
動方向へ、電動機電圧の切換えによって強制されかつ電
動機電流の符号交代に結び付いた可動に支持された部分
の運動方向の反転の場合に、運動方向に対するデジタル
信号の信号エッジの対応付けが行なわれ、このことが次
のようにして行なわれ、すなわちa)遅くとも電動機電
圧を切換える命令の時点に、評価論理部に接続された測
定装置によって検出され、b)それから方向反転の時点
が検出され、かつc)方向反転の検出された時点の前の
信号エッジが、まだ古い運動方向に、かつ方向反転の検
出された時点の後に生じる信号エッジが、新しい運動方
向に対応付けられる。本発明の有利な変形は、特許請求
の範囲従属請求項から明らかである。遅くとも電動機電
圧を一方の運動方向から反対の運動方向に切換えるスイ
ッチ手段を制御するとともに、測定装置(図1)によっ
て電動機電流が検出される。電動機電流の最大値の時点
T+ΔtSは、ほぼ方向反転の時点T+ΔtRに相当
し、かつ信号エッジは、評価論理部によって相応して現
在の位置に加えられ、又は引算される。その際、重要な
ことは、ほぼ振幅値があらかじめ固定的に与えられるこ
とではなく、なるべく最大値判定が行なわれることであ
る。
【0012】なるべく電動機電流最大値は、それぞれ隣
接する2つのサンプル値を比較することによって得られ
る。さらに電流閾値があらかじめ与えられ、この電流閾
値の下に例えば電流によって生じる電流尖頭値は無視さ
れ、かつ電流閾値を上回った電動機電流最大値だけが、
評価ユニットに通知される。
【0013】さらに符号交代における電動機電流の低下
の直前における基準電流値Ia0によって、電流閾値
は、現在にかつ電動機のその都度の負荷状態に整合して
決めることができる。符号交代の後に電流最大値の低下
の時点T+ΔtSを検出するために、電流閾値を越えた
とき、それぞれ電動機電流の隣接する2つのサンプル値
の差が、あらかじめ与えられた差値と比較される。
【0014】電流閾値を正確に検出するために、基準電
流値Ia0、現在の回転速度及び電動機電圧、及び電動
機のモデルパラメータを利用することができる。
【0015】なるべくそのために計算ユニットは、専門
家にとって電動機式から変形によって得られるような電
動機状態モデルをシミュレートする。その際、運動方向
の反転の際に電流閾値を判定するために、負荷モーメン
トがゼロ交差の期間にわたってたいしたことがない程度
にしか変化しないことを仮定する。
【0016】なるべくサーボモータの組込み後にもはや
変化しない電動機状態モデルの物理的な量は、これにあ
らかじめ固定的に与えられ、例えば組込みの際にプログ
ラミングされる。さらにまだ静摩擦に打勝つ前の始動の
時点における電動機電流及び電圧を測定することによっ
て、電動機のオーム性抵抗は、まさしく良好な近似で判
定することができる。なぜならこの時まだ電圧は誘起さ
れないからである。
【0017】専門家は、回転速度がゼロになる時点にお
ける電動機電流を検出するために、回転速度の電圧応答
を特徴付ける2次の微分方程式の代わりに、個々の磁極
の時定数と振幅をその大きさの比に関してテストし、か
つ場合によっては結果に小さい方の影響を及ぼす磁極を
無視することによって、電動機式によって定義される物
理的理論的な電動機状態モデルの代わりに、これも簡単
化することができる。さらに微分方程式の代わりに、差
の方程式による反復法によって、回転速度のゼロ点は、
段階的に近似することができる。それにより計算ユニッ
トのための計算の費用はかなり減少する。
【0018】測定装置が、電動機電流の代わりに整流さ
れた電動機電流を検出することによって、運動方向の反
転の様式の考慮を中止することができ、かつ両方の場合
のために測定装置を同一に利用することができる。その
ために基準電位(アース)の方向にスイッチ手段の後
に、抵抗が配置される。
【0019】
【発明の実施の形態】次に本発明を実施例及び図面によ
って詳細に説明する。
【0020】図1は、電動機M及び電動機制御部の回路
装置の概略的な表示を示している。電動機Mは、2つの
スイッチS1、S2を介して、一方において動作電圧源
UBにかつ他方において基準電位(アース)に向かって
抵抗Rに接続されており、その際、それぞれ正確に常に
一方のスイッチ(図1においてこれはS2)は、動作電
圧源UBの方向に、他方のスイッチ(S1)は、基準電
位(アース)の方向に切換えられている。電動機Mを遮
断するために、両方のスイッチS1、S2は、基準電位
(アース)に配置されるので、電動機Mにわたって電動
機電圧UMはゼロである。電動機Mは、磁石輪及び所属
のホールセンサHSを有し、このホールセンサは、直接
評価論理部2及び測定装置1にデジタル信号Sを供給す
る。測定装置は、同様に評価論理部2に接続されてい
る。測定装置1は、電動機電圧UM及び整流された電動
機電流Iaを検出し、この電動機電流内において、抵抗
Rにわたって生じる電圧降下は、増幅器Cによって増幅
される。電動機電流のタップとしての抵抗Rは、スイッ
チS1、S2の後に基準電位(アース)に配置されてい
るので、抵抗Rによって検出された電動機電流Iaは、
スイッチS1とS2の間に流れる電動機電流IMに対し
て整流されている。それにより後続の測定装置1は、運
動方向の反転の様式に関係なく依存している。抵抗R
は、この回路において測定又は分路抵抗として作用し、
かつ電力損失を最小にするために、きわめて低オーム性
に選択される。したがって整流された電動機電流Iaに
比例する抵抗Rにわたる電圧は、測定装置1において処
理するために適当に増幅しなければならない。
【0021】図1に関連して本発明にとって重要な方向
反転によって、装置の動作を説明する。
【0022】図2は、回転方向反転の間の電動機電圧U
M、整流された電動機電流Ia、回転速度nM及びホー
ルセンサの信号Sの時間経過を示している。回転速度n
Mは、第1に追従時間ΔtRを伴って時点TRにゼロ点
に到達する。ホールセンサの信号Sは、その信号エッジ
によって磁石輪の、したがって可動に支持された部分の
それぞれ1つの回転を表示する。
【0023】時点t0に、スイッチS1、S2に運動方
向を反転する命令が行なわれ、それから有効電動機電圧
UMは、所定の遅延(破線で暗示する)を伴って反応す
る。時点t2に、両方のスイッチは、それぞれ反対の切
換え点に到達する。それにより時点t1に、符号交代に
おける又は整流された電動機電流Iaの際にゼロ交差に
おける電動機電流IMの低下に至る。なぜなら測定装置
1によって整流された電動機電流Iaが検出されるから
である。Iaの低下は、測定装置1によって認識され、
かつ時点t1における基準電流値Ia0は、低下前の最
後のサンプル値と判定される。測定装置1は、遅くとも
運動方向の反転の命令(t0)以後、すでに整流された
電動機電流Iaを検出する。もちろんこのことがその他
の用途にとって有意義と思われるならば、電動機電流I
M又は整流された電動機電流Iaの永久的な検出を考え
てもよい。
【0024】電流閾値SIは、障害によって引起こされ
る早期の電流最大値を排除するために使われ、かつもっ
とも簡単な場合、あらかじめ固定的に与えることができ
るが、電動機Mの負荷状態への一層良好な整合を可能に
するために、なるべく基準電流値Ia0から導き出され
る。このようにして運動方向の反転の時点TRを判定す
ることができ、この時点に、計算ユニットは、電動機状
態モデルをシミュレートし、かつゼロになる回転速度を
生じる時点が判定される。その際、電動機状態モデル
は、2次の微分方程式の形の物理的理論的な電動機状態
モデルを含むことができ、この電動機状態モデルに対し
て、回転速度及び電動機電圧の相応する現在の値におい
て+/−2UBだけの電圧ジャンプにおける回転速度の
ゼロ点の時点が判定される。しかしその際、反転の期間
にわたって負荷モーメントが全く又はたいしたことがな
い程度にしか変わらないという判定が重要である。そう
でない場合、計算のためになお負荷モーメントも判定し
なければならない。なぜならこの負荷モーメントは、過
渡範囲における電動機電流及び電圧の挙動から検出する
ことができないからである。電動機状態モデルのための
計算の費用は、定数及び差方程式を利用することによっ
て、かつ小さな振幅及びゆっくりした時定数を有する項
を無視して、さらに簡単化することができる。
【0025】もっとも広範囲に及ぶ簡単化において、電
流閾値SIは、基準電流値Ia0から直接得られ、この
基準電流値は、それぞれ符号交代における低下の直前に
電動機電流IMから判定されるので、検出された基準電
流値Ia0は、電動機Mの負荷状態への一層良好な整合
を可能にするために、次の電動機電流最大値Iasを選
択するための電流閾値SIを表わしている。
【0026】電動機電流IMの符号交代の後、又は整流
された電動機電流Iaのゼロ点の後に、常に電動機電流
最大値Iasの時点t4が判定される。その際、なるべ
く電動機電流の隣接する2つのサンプル値の比較が使用
される。障害によって引起こされる誤り、例えば図2に
暗示された時点t3における小さな局所的な最小値を排
除するために、なるべく電流閾値SIより上にある電流
最大値だけが、評価論理部2に転送される。この時、本
発明の基本思想は、電動機電流最大値Iasの時点t4
に依存して、運動方向の反転の時点TRを判定すること
にある。このことは、例えばあらかじめ与えられたテー
ブルによって行なわれ、このテーブルにおいて、運動方
向変化を行なう命令の時点t0と電動機電流最大値Ia
sの時点との間の期間Δtsに、それぞれ運動方向変化
を行なう命令の時点t0と運動方向を反転する時点TR
との間の期間ΔtRが対応している。
【図面の簡単な説明】
【図1】電動機及び電動機制御部の回路装置を示す略図
である。
【図2】もっとも重要なシステム量を示すタイムチャー
トである。
【符号の説明】
1 測定装置 2 評価論理部 HS センサ Ia 整流された電動機電流 Ia0 基準電流値 Ias 電動機電流最大値 IM 電動機電流 nM(t) 回転速度 S 信号 S1 スイッチ手段 S2 スイッチ手段 SI 電流閾値 t 時点 TR 方向反転の時点 UM 電動機電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイーテル・ドリエンドル ドイツ連邦共和国デツゲンハウゼルタル・ アム・デユレンバツハ12 (72)発明者 エルヴイン・ケスレル ドイツ連邦共和国ザウルガウ−ボルスタイ ン・イム・ハーゼネシユレ8 (72)発明者 シユテフアン・キンプフレル ドイツ連邦共和国オーベルトイリンゲン・ オイゲン−ボルツ−シユトラーセ30 (72)発明者 クルト・クライネル ドイツ連邦共和国メルスキルヒ・グーテン ベルクシユトラーセ6

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1チャネルセンサ(HS)を使用し、こ
    のセンサのデジタル信号(S)が、計算ユニットの評価
    論理部(2)において評価され、その際、デジタル信号
    (S)の信号エッジが、評価の基礎にされ、かつその
    際、古い運動方向から反対の新しい運動方向へ、電動機
    電圧(UM)の切換えによって強制されかつ電動機電流
    (IM)の符号交代に結び付いた可動に支持された部分
    の運動方向の反転の場合に、運動方向に対するデジタル
    信号(S)の信号エッジの対応付けが行なわれ、このこ
    とが次のようにして行なわれ、 a)遅くとも電動機電圧(UM)を切換える命令の時点
    (t0)に、評価論理部(2)に接続された測定装置
    (1)によって検出され、 b)それから方向反転の時点(TR)が検出され、かつ c)方向反転の検出された時点(TR)の前の信号エッ
    ジが、まだ古い運動方向に、かつ方向反転の検出された
    時点(TR)の後に生じる信号エッジが、新しい運動方
    向に対応付けられることを特徴とする、電動機において
    可動に支持された部分の、とくに電動機−又は変速機軸
    の位置及び運動方向を認識する方法。
  2. 【請求項2】 測定装置(1)が、整流された電動機電
    流(Ia)をサンプリングし、かつ電動機電流(Ia)
    の符号交代の後に、電動機電流(Ia)の低下が始まる
    まで、それぞれ少なくとも2つの直接連続して続く電動
    機電流(Ia)のサンプル値を互いに比較するすること
    によって、電動機電流最大値(Ias)が判定されるこ
    とを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 電動機電流最大値(Ias)が、所定の
    電流閾値(SI)を上回ったときにだけ、評価論理部
    (2)に通知されることを特徴とする、請求項2記載の
    方法。
  4. 【請求項4】 −基準電流値(Ia0)が、符号交代中
    における整流された電動機電流(Ia)の低下の直前に
    あるサンプリング値と決められ、かつ−運動方向のそれ
    ぞれの反転の際に、電流閾値(SI)が、それぞれ現在
    の基準電流値(Ia0)から新たに導き出されることを
    特徴とする、請求項3記載の方法。
  5. 【請求項5】 符号交代中における整流された電動機電
    流(Ia)の低下の直前に、直接続くサンプル値が、所
    定の差値だけ先行するサンプル値よりも小さいときに、
    基準電流値(Ia0)が存在することを特徴とする、請
    求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 電流閾値(SI)が、それぞれ現在の基
    準電流値(Ia0)に等しくされることを特徴とする、
    請求項4又は5記載の方法。
  7. 【請求項7】 電動機電流(IM)の他に電動機電圧
    (UM)も、電動機電流(IM)の符号交代の前にすで
    に検出されることによって、電流閾値(SI)が導き出
    され、その際、 a)計算ユニットに、1チャネルセンサ(HS)のデジ
    タル信号も供給され、かつこの計算ユニットが、連続す
    る2つの信号エッジの時間間隔から現在の電動機回転速
    度(nM(t))を判定し、 b)かつ符号交代における低下の直前に、電動機回転速
    度、電動機電圧及び電動機電流(IM)から電流閾値
    (SI)が判定されることを特徴とする、請求項3記載
    の方法。
  8. 【請求項8】 a)計算ユニットが、電動機状態モデル
    をシミュレートし、 b)電動機電流(IM)の符号交代の後に負荷モーメン
    トがたいしたことがない程度にしか変化しないことが仮
    定され、 c)符号交代における低下の直前に、回転速度(nM
    (t))、電動機電圧(UM)及び電動機電流(IM)
    の現在の値から、電流値が検出され、この電流値に対し
    て、一定と仮定した負荷モーメント及び電動機電圧の極
    性反転の際に、ゼロになる回転速度が得られ、かつ d)この電流値から電流閾値(SI)が導き出されるこ
    とを特徴とする、請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 計算ユニットが、少なくとも物理的な量
    2πJ及びCΦをあらかじめ固定的に与え、その際、J
    が回転する装置全体の質量慣性モーメントに対して用い
    られ、その際、Cが電動機定数に対して用いられ、かつ
    Φが磁束に対して用いられることを特徴とする、請求項
    8記載の方法。
  10. 【請求項10】 計算ユニットが、測定装置(1)に関
    連して、まだ静摩擦に打勝つ前の状態から電動機(M)
    をそれぞれ始動する際に、電動機電流(IM)によって
    割った電動機電圧(UM)から電動機(M)のオーム性
    抵抗を近似的に判定することを特徴とする、請求項9記
    載の方法。
  11. 【請求項11】 整流された電動機電流(Ia)が、抵
    抗(R)にわたって得られ、そのために抵抗(R)が、
    一方において基準電位(アース)に、かつ他方において
    スイッチ手段(S1,S2)に接続されており、かつ電
    動機電流(IM)の符号交代の時点(t2)に、整流さ
    れた電動機電流(Ia)のゼロ点が、測定装置(1)に
    よって検出されることを特徴とする、請求項2ないし1
    0の1つに記載の方法。
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