(57)【要約】      （修正有）【課題】ＰＭＳＭモータの位置センサフリー制御装置において、最小速度時などの位置決定のための方法を提供する。【解決手段】以下の３ステップを含み、回転速度に応じて、連続信号挿入によるロータ位置決定および逆起電力によるロータ位置決定の間で切り替えが行われる。ａ．静止状態から低回転速度までの範囲間の離散信号挿入によってロータ位置およびロータ極性を決定するステップと、ｂ．第１転換速度より低い回転速度における連続信号挿入によってロータ位置を決定するステップと、ｃ．第１転換速度より高い回転速度における逆起電力によってロータ位置を決定するステップ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＭＳＭモータの位置の、適応可能なセンサフリー決定の為の方法であって、前記方法は、
ａ．静止状態から低回転速度までの範囲間の離散信号挿入によってロータ位置およびロータ極性を決定するステップと、
ｂ．第１転換速度より低い回転速度における連続信号挿入によって前記ロータ位置を決定するステップと、
ｃ．前記第１転換速度より高い回転速度における逆起電力によって前記ロータ位置を決定するステップと、
を含み、
モータ制御システムによって、前記回転速度に応じて、連続信号挿入によるロータ位置決定および逆起電力によるロータ位置決定の間で切り替えが行われ、前記ロータの移動中、前記ロータ極性および／または前記ロータ位置は、監視され、先の時点における前記ロータ極性および／または前記ロータ位置を使用することによって一定時点で調整される、方法。
【請求項２】
前記ロータ位置決定の前に、較正ステップが実行され、前記較正ステップにおいて、前記モータのインピーダンスに依存するパラメータの較正曲線は、前記ロータの磁界から本質的に影響されず、ステータ磁場の角度位置の関数として生成され、前記位置決定中に決定されたパラメータ曲線は、前記較正曲線によって補正されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記較正曲線は、モータ制御ユニットの不揮発性データメモリ、好ましくはフラッシュメモリ内のルックアップテーブルに保存されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
離散信号挿入および／または連続信号挿入によって前記ロータ位置および／またはロータ極性決定において決定された測定値は、前記較正ステップからの前記データを使用して修正され、前記差異は、離散および／または連続信号挿入による前記ロータ位置決定中に決定される前記パラメータ曲線および前記較正曲線の間で生成されることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
サンプル期間は、連続信号挿入によってロータ位置決定に使用され、ロータ位置決定は、各々のサンプル期間に実行され、決定されたロータ位置は、以前のサンプル期間からの前記ロータ位置と比較され、必要に応じて修正されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記サンプル期間の前記長さは、前記ロータ角度が前記サンプル期間中、９０°を超えて変更されないように選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１転換速度は、前記モータの前記定格回転速度の５％未満であり、好ましくは、０．１％〜３％であり、特に好ましくは、０．２％〜３％であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記連続信号挿入の前記頻度は、本質的に、前記モータ制御システムのパルス幅変調周波数に対応し、あるいは、前記パルス幅変調周波数の２分の１に対応することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法による動作の為のＰＭＳＭモータであって、
離散信号挿入および／または連続信号挿入および／または逆起電力によるロータ位置決定の間で切り替える為のモータ制御システムと、
ロータ位置および／またはロータ極性データ、および／または較正曲線を形成する為の較正データを保存し、読み出す為の不揮発性データメモリと、
前記測定されたパラメータ曲線および前記較正曲線の間の差を生成する為の処理ユニットと、
を備える、ＰＭＳＭモータ。
【請求項１０】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法に従って較正される、請求項９に記載のＰＭＳＭモータ。
【請求項１１】
前記ＰＭＳＭモータは、無鉄巻線を有することを特徴とする、請求項９または１０に記載のＰＭＳＭモータ。
【請求項１２】
前記ＰＭＳＭモータは、表面実装型永久磁石を有するＳ−ＰＭＳＭモータであることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一項に記載のＰＭＳＭモータ。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、電子整流モータを制御する分野を対象とする。本発明は、永久磁石同期機（ＰＭＳＭ）モータのセンサフリー制御の為の方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
【０００３】
ＰＭＳＭモータは、しばしば、例えば、モータのダイナミクスが重要な役割を果たす医療分野の応用に使用される。モータの信頼性の良い制御には、ロータ位置の正確な情報が必要であり、そのため、位置センサ（例えば、ホールセンサ、光学センサ）が従来の応用で使用される。しかしながら、センサの使用は、配線やモータの為の費用および複雑性を高め、駆動装置の信頼性および頑丈さに悪影響を有する。
【０００４】
これらのため、近年、ＰＭＳＭモータのセンサフリー制御の為の様々な方法が開発されており、これらは、主として、２つのカテゴリに分けられ、モータ形式および／またはモータのダイナミクスに関して異なる利点および欠点を有する。
【０００５】
第１のカテゴリにおいて、ロータ位置は、逆起電力（ＥＭＦ）を経て永久磁石を回転させることによって決定される。逆起電力に基づく方法は、静止状態および低速に対する適合性が小さいか全く無いのは、これらの範囲において、逆起電力の信号は消滅するか小さく、十分な信号ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を確保することができないからである。
【０００６】
第２のカテゴリは、モータの異方性を利用する方法を含む。異方性は、例えば、スタータの鉄芯における磁気的異方性効果またはロータの磁気的突極性を含めることができる。これらの方法が与える利点は、静止状態または低速であっても、位置決定ができることである。しかしながら、これらの方法は、十分な信号ノイズ比が達せられるように十分な固有の磁気的異方性を必要とする。磁気的突極性(Lq > Ld)は、たとえば、埋め込まれた永久磁石を有するＰＭＳＭモータ内の非対称ロータに対して利用されてもよい。対照的に、表面実装型永久磁石を有するＰＭＳＭモータは、異方性が非常に小さいので、飽和効果が一般的に使用されなければならない。無鉄（ironless）モータのために、飽和効果は一般的に利用できない。
【０００７】
モータの異方性に基づくロータ位置の決定のとき、モータの基本的周波数より著しく高い周波数を有する検査信号をＰＭＳＭモータに印加することが一般的であるが、これは、一般的に、信号挿入と呼ばれる。信号挿入のため、周期的に印加される（離散）検査信号および連続して印加される検査信号の間で、通常、区別されている。
【０００８】
周期的挿入、離散検査信号によるロータ位置の決定の一例は、オンラインリアクタンス測定（ＩＮＦＯＲＭ）法による間接的磁束検出であり、これは、Ｍ．Ｓｃｈｒｏｅｄｌによって開発され、ＥＴＥＰ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１，１９９１年１月／２月、第４７−５３頁に記載され、静止状態および低回転速度に適している。ＩＮＦＯＲＭ法において、その位相における電流増加は、様々な空間ベクトル方向における複素ステータインダクタンスを決定するため、特定検査電圧ベクトルに基づき評価される。ロータ位置は、その後、ステータインダクタンスから決定される。この方法の一つの欠点は、電圧ベクトルが印加されるときに生じる高電流であり、これが、電流の歪みや、それに伴う振動トルクを生じさせる。
【０００９】
連続して印加される検査信号は、とりわけ、回転検査信号および交互検査信号を含む。回転検査信号では、高周波搬送信号が、基本振動の上に重ねられる回転複素空間ベクトルとしてステータ座標系に印加される。ロータ位置に関する情報は、位相変調応答信号から得ることができる。交互検査信号では、高周波搬送信号が、予測されるロータ座標系のｄ軸またはｑ軸に沿って印加され、直交軸に沿ったロータの予測位置および瞬間位置の間の誤差のため位置依存応答信号が測定される。応答信号の大きさは、機械の異方性に依存するが、機械の異方性は、表面実装型ＰＭＳＭモータにとって、一般的には好ましくない。
【００１０】
そのため、従来技術からの位置決定の為の既知の方法は、異方性や一定状態（最小速度など）のようなモータの一定の特性が必要である。これらの特性や状態の一つが存在しない場合、位置決定は、一般的に行うことができず、あるいは、貧弱な信号ノイズ比のため信頼性の無い結果を与える。
【発明の概要】
【００１１】
したがって、本発明は、少なくとも部分的に従来技術を改善する、ＰＭＳＭモータの位置のセンサフリー決定の為の方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
この目的は、独立形式請求項１および９の特徴によって達成される。本発明の好ましい実施形態は、本願開示の従属形式請求項に記載されている。
【００１３】
本発明は、ＰＭＳＭモータの位置を適合可能なセンサフリーで決定する為の方法に関し、以下のステップを含む。
【００１４】
ａ．静止状態から低回転速度までの範囲間の離散信号挿入によってロータ位置およびロータ極性を決定するステップ；
【００１５】
ｂ．第１転換速度より低い回転速度における連続信号挿入によってロータ位置を決定するステップ；
【００１６】
ｃ．第１転換速度より高い回転速度における逆起電力によってロータ位置を決定するステップ；
【００１７】
ここで、モータ制御システムによって、回転速度に応じて、連続信号挿入によるロータ位置決定および逆起電力によるロータ位置決定の間で切り替えが行われ、ロータの移動中、ロータ極性および／またはロータ位置は、監視され、先の時点におけるロータ極性および／またはロータ位置を使用することによって一定時点で調整される。
【００１８】
本発明の範囲内で、明確に言及されていない場合、センサフリーの位置決定は、ロータ角度の決定とロータ極性の決定を意味すると理解される。
【００１９】
本発明に従う方法が提供する利点は、位置決定の為の様々な方法の適応可能な組合せのため、信頼性良く柔軟な位置決定がＰＭＳＭモータの全回転速度範囲で提供されることである。特に、静止状態から非常に低速までの動作において、本発明に従う方法が提供する利点は、この位相において、モータの使用可能な電流および電流コントローラが、他の要因の中で、作動不要なので、ロータ位置および／またはロータ極性の正確な値が、離散信号挿入によって決定されることである。そのため、最初に離散信号挿入によって決定されるロータ位置および／またはロータ極性は、その後、連続信号挿入による位置決定の為に使用されてもよい。ロータ極性および／またはロータ位置が一定の修正閾値以下である場合、好ましくはゼロ調整（すなわち、修正なし）が与えられる。ロータ位置および／またはロータ極性は、最初に離散信号挿入によって決定可能であり、全パルス幅変調期間は、モータが始動されるとき、トルク発生の為に都合よく利用される。離散信号挿入は、好ましくは、連続信号挿入による位置決定が始まるとすぐに中断される。位置決定が連続信号挿入から逆起電力による決定に切り換える第１の転換速度は、一般的に、モータの型式に依存するが、好ましくは、磁極数、巻線形状、巻線径、巻線抵抗、磁石型式のようなモータ特性の関数として、モータ制御システムによって設定されてもよい。
【００２０】
任意に、モータ制御システムの使用によって、第２の転換速度で、離散信号挿入による位置決定と連続信号挿入による位置決定との間で切り換えが行われ、離散信号挿入が、静止状態で、または、第２の転換速度以下の回転速度で使用され、連続信号挿入が、第２の転換速度を超える回転速度で使用される。第２の転換速度は、モータの型式に、または、モータ特性に依存させてもよい。
【００２１】
あるいは、ロータ位置および／またはロータ極性が最初に決定されるとすぐに、離散信号挿入による位置決定は中断されるが、連続信号挿入を使用して位置決定が続けられる。
【００２２】
当該方法の一つの好ましい実施形態において、ロータ位置決定の前に、較正ステップが実行され、そこで、モータインピーダンスに本質的に依存する較正曲線は、ロータ磁界に本質的に依存し、ステータ磁界の角度位置の関数として生成され、そこでは、位置決定中に決定されるパラメータ曲線が較正曲線によって補償される。
【００２３】
較正ステップは、離散信号挿入によるロータ位置決定の前に、さらに／または、連続信号挿入によるロータ位置決定の前に、実行されるのが好ましい。実質的にロータ磁界に影響されない較正曲線の形成が与える利点は、とりわけ、較正曲線が所定ロータ角度の測定曲線で使用されてもよいことである。ロータ磁界から較正曲線が影響されない程度は、当業者に知られた許容誤差範囲内であると理解される。較正曲線は、ステータ磁界の角度位置の関数として、モータインピーダンスに依存するパラメータによって形成されることから、離散および／または連続信号挿入で決定されるモータインピーダンスは、ステータ磁界の角度位置の関数として、較正曲線によって、較正または補償可能である。その結果、ロータ磁界に実質的に影響されないオフセットのような値が補償可能であり、これが、信号挿入によって測定される位置の値の信号対ノイズ比を都合良く高める。角度位置は、絶対角度位置でもよく、あるいは、相対角度位置でもよい。
【００２４】
当該方法の一実施形態において、較正曲線は、モータ制御ユニットの不揮発性データメモリ、好ましくは、フラッシュメモリ内のルックアップテーブルに保存される。
【００２５】
ＰＭＳＭモータのモータ制御ユニットは、較正曲線が保存されてもよいメモリセグメントを一般的に既に有する。そのため、較正曲線を保存するために、ＰＭＳＭモータに追加ユニットが追加されなくてもよいという利点がある。モータ制御ユニットの不揮発性データメモリに保存される較正曲線は、必要に応じて、データメモリから読み出されてもよい。
【００２６】
当該方法の一つの好ましい実施形態において、離散信号挿入および／または連続信号挿入によるロータ位置および／またはロータ極性決定で決定された測定値は、較正ステップからのデータによって修正され、離散および／または連続信号挿入によるロータ位置決定中に決定されるパラメータ曲線および較正曲線の間で差異が生成される。
【００２７】
較正曲線は、本質的にロータ磁界から影響されないことから、差異の生成は、基本的にはフィルタリングを実行するように使用され、ここで、離散および／または連続信号挿入中に決定されるロータ磁界に影響されないパラメータ曲線の成分が除外される。差異の生成から生じる差異曲線は、特定角度位置に対し、（決定されたパラメータ曲線および較正曲線の間の）最大の差を一般的に有し、これに基づき、ローラ角度が推論されてもよい。差異の生成が与える利点は、信号ノイズ比が高められることである。そのため、離散および／または連続信号挿入のみに対して信号ノイズ比が低すぎる状況では、信頼性の高い位置決定を確実にするため、ロータ角度も決定されてもよい。他の有利な点は、較正曲線を使用した差異の生成は、離散信号挿入中のロータ極性決定に適用されてもよいことである。
【００２８】
一実施形態において、サンプル期間は、連続信号挿入によるロータ位置決定に使用され、ロータ位置決定は、各サンプル期間で実行され、決定されたロータ位置は、先のサンプル期間からのロータ位置と比較され、必要に応じて修正される。
【００２９】
サンプル期間は、一般的に、パルス幅変調周波数によって制限される。位置決定の精度は、一般的に、同一パルス幅変調周波数において、より長いサンプル期間の間、増加する。
【００３０】
サンプル期間の長さは、ロータ角度が、サンプル期間中、９０°を越えて変わらないように選択されるのが好ましい。
【００３１】
そのため、都合良く確実であることは、先のサンプル期間からのロータ極性およびロータ位置が、ロータ極性の監視および／または修正の為に使用可能なことである。
【００３２】
位置決定は、サンプル期間を短縮し、これによって、急速位置決定を可能にするため、任意で、オブザーバと組み合わされてもよい。
【００３３】
当該方法の一実施形態において、第１の転換速度は、モータの定格回転速度の５％未満であり、好ましくは、モータの定格回転速度の０．１％〜３％、特に好ましくは、０．２％〜３％である。
【００３４】
当該方法の一つの実施形態において、連続信号挿入の周波数は、モータ制御システムのパルス幅変調周波数と本質的に対応し、代替で、そのパルス幅変調周波数の半分である。
【００３５】
連続信号挿入の周波数は、好ましくは、５０−２００ｋＨｚの範囲である。
【００３６】
本発明は、本発明に従う方法の動作の為のＰＭＳＭモータに関し、離散および／または連続信号挿入によるロータ位置決定および／または逆起電力によるロータ位置決定の間の切り換えの為のモータ制御システムと、ロータ位置および／またはロータ極性データ、および／または較正曲線を生成する為の較正データを保存し読み出す為の不揮発性メモリと、測定されたパラメータ曲線および較正曲線の間の差異を生成する為の処理ユニットと、を備える。
【００３７】
一つの好ましい実施形態において、ＰＭＳＭモータは、本願説明に従う方法によって較正される。
【００３８】
一つの実施形態において、ＰＭＳＭモータは、無鉄巻線を有する。
【００３９】
無鉄またはスロットの無い巻線を備えたＰＭＳＭモータは、鉄芯を備えた巻線に対して、磁気ディテントトルクを持たないこと、高効率であること、低インダクタンスのような様々な利点を有する。しかしながら、これらのモータの特性のため、モータを制御する為の代替方法が一般的に必要である。たとえば、位置決定に関し、これらのモータの異方性が低く、飽和効果に基づき既知の方法は、ほとんど又は全く役に立たない。離散および／または連続信号挿入による位置決定の為の方法は、飽和効果に基づくため、一般的に、無鉄またはスロットの無いＰＭＳＭモータに対して信号ノイズ比が小さいので、信頼性の高い位置決定は、しばしば、確実ではない。特に、較正曲線の使用が与える利点は、ロータ位置および／またはロータ極性が信頼性良く決定されるように無鉄ＰＭＳＭモータにおいて信号ノイズ比も高められることである。
【００４０】
一実施形態において、ＰＭＳＭモータは、表面実装型永久磁石を有するＳ−ＰＭＳＭモータである。
【００４１】
Ｓ−ＰＭＳＭモータにとって、異方性に基づき位置決定は、一般的に可能ではなく、大きな労力が伴う。特に、較正曲線の使用が本願で与える利点は、たとえＳ−ＭＰＳＭモータであっても信号ノイズ比が増加し、ロータ一および／またはロータ極性が信頼性良く決定可能であることである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
以下、図および関連説明と共に、例示的実施形態を参照し、詳細に本発明を説明する。
【図１】図１は、本発明に従う方法の例示的実施形態の概略図を示す。
【図２】図２は、較正曲線および測定されたパラメータ曲線の図を示す。
【図３】図３は、異なる曲線の図を示す。
【例示的実施形態の説明】
【００４３】
図１は、フローチャート形式で、ＰＭＳＭモータの位置を決定する為の本発明に従う方法の一例の実施形態の概略図を示す。システムパラメータは、第１の初期化ステップで決定される。示された例示的実施例において、較正曲線は、初期化ステップで決定される。較正曲線は、モータまたはモータ制御ユニットの不揮発性データメモリ内に保存される。モータが静止状態にあるとき、次のステップで、初期ロータ位置および初期ロータ極性が離散信号挿入によって決定される。たとえば、ＩＮＦＯＲＭ方法を使用して、様々な方向に適切な検査信号を印加することによって達成されるのが好ましい。離散信号挿入によって決定される値は、不揮発性データメモリに保存された較正曲線を使用して処理され、これに基づいて、ロータ位置およびロータ極性が決定される。離散信号挿入は、静止状態に対し、モータの定格回転速度の、好ましくは０．１−１％の範囲で、非常に低い回転速度で使用されてもよい。初期ロータ位置およびロータ極性が既知である場合、離散信号挿入は中断され、位置結滞は連続信号挿入によって実行される。連続信号挿入は、たとえば、回転空間ベクトルを用いて実行されてもよい。位置決定の間、先の時点における位置を考慮し、一時的な位置が決定され、あるいは、調整される。サンプル期間は、このために導入されてもよいので、所定のサンプル期間において、位置決定は、先のサンプル期間からの値を使用する。較正曲線は、連続信号挿入によって決定される値を処理し、それに基づいて、回転位置を決定するため、連続信号挿入の為にも使用されてもよい。ロータの回転速度が第１の転換速度に達するとすぐに、逆起電力による位置決定への切り換えが行われるが、ここで、第１の転換速度は、逆起電力の信号が、信頼性良く位置決定を可能にする信号ノイズ比を確実にするのに十分な回転速度である。二重矢印によって示されるように、必要に応じて、様々な位置決定方法の間で、例えば回転速度の関数として、切り換えが行われてもよい。
【００４４】
較正曲線Ａは、図２に示されている。図２も同様に、測定されたパラメータ曲線Ｂを示す。パラメータ曲線Ｂは、たとえば、離散信号挿入の間、あるいは、連続信号挿入の間、ずっと記録されてもよい。ロータ位置は、パラメータ曲線Ｂの測定中、知られていない。図２の２つの曲線に基づいて明らかであることは、較正曲線Ａとの比較において、パラメータ曲線Ｂが、およそ２５°〜およそ９５°の間のロータ磁界に対する強い依存状態を示すことである。
【００４５】
パラメータＢおよび較正曲線Ａの間の差異ｄを形成することによって明らかにされる。結果としての差異曲線が図３に示されている。ロータ磁界に対する依存状態は、差異ｄが最大になる角度（矢印Ｃを参照）で最大である。したがって、この角度で、ロータ磁界の影響状態が最も強いことから、この角度がロータ角度である。
【図１】
2018033302.tif 000003
【図２】
2018033302.tif 000004
【図３】
2018033302.tif 000005
【外国語明細書】
2018033302000001.pdf