(57)【要約】  本発明による整流子付き電気駆動装置には、センサ装置（１）を備えた電気モータが設けられており、このセンサ装置は、電気モータの軸（１０）上に設けられた永久磁石（５）と、この永久磁石（５）に対向して電気モータのステータに位置固定されたアナログホールセンサ（１１，１２，１４，１６）を有している。さらに本発明によれば、電気モータの巻線を制御する制御装置が設けられており、この制御装置は、軸の回転に関してホールセンサにより測定された、永久磁石（５）の磁界を表す較正ホール信号を記憶する記憶装置を有している。制御装置は、ホールセンサ（１１，１２，１４，１６）により測定された、永久磁石（５）の実際の磁界を表す実際のホール信号を、較正ホール信号と比較する装置を有している。これにより温度や経年変化の作用を識別し、ロータポジションの特定にあたり考慮することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ装置（１，２，３，４）を有する電気モータと、該電気モータの巻線を制御する制御装置とを備えた整流子付き電気駆動装置において、
前記センサ装置（１，２，３，４）は、前記電気モータの軸（１０）上に設けられた磁界発生器（５）と、該磁界発生器（５）に対向して前記電気モータのステータに位置固定されたアナログホールセンサ（１１，１２，１４，１６）とを有しており、
前記制御装置は、軸の回転に関して予め定められた周囲条件のもとで前記ホールセンサにより測定された、前記磁界発生器（５）の磁界を表す較正ホール信号を記憶するための記憶装置を有しており、
前記制御装置は、前記ホールセンサ（１１，１２，１４，１６）により測定された、前記磁界発生器（５）の実際の磁界を表す実際のホール信号を前記較正ホール信号と比較する装置を有することを特徴とする、
整流子付き電気駆動装置。
【請求項２】
前記磁界発生器（５）は永久磁石である、請求項１記載の整流子付き電気駆動装置。
【請求項３】
前記軸の中心（９）に対し対称に配置された多極の永久磁石（５）と、該軸の中心（９）の側方に配置されたリニアホールセンサ（１１）が設けられている、請求項２記載の整流子付き電気駆動装置。
【請求項４】
前記軸の中心（９）に対し対称に配置された多極の永久磁石（５）と、該軸の中心（９）上に配置されたプレーナホールセンサ（１２）が設けられている、請求項２記載の整流子付き電気駆動装置。
【請求項５】
前記軸の中心（９）に対し対称に配置された多極の永久磁石（５）と、該軸の中心（９）上に配置されたＡＭＲセンサと、該軸の中心（９）の側方に配置されたリニアホールセンサが設けられている、請求項２記載の整流子付き電気駆動装置。
【請求項６】
前記軸の中心（９）に対し対称に配置された多極の永久磁石（５）と、該軸の中心（９）上に配置されたＡＭＲセンサと、該ＡＭＲセンサの側方に配置されたプレーナホールセンサが設けられている、請求項２記載の整流子付き電気駆動装置。
【請求項７】
前記磁界発生器（５）は軟磁性の薄板であり、前記電気モータのステータに位置固定されて永久磁石が配置されており、該永久磁石の配置により前記磁界発生器（５）は、該位置固定された永久磁石の磁界に対する妨害を形成する、請求項１記載の整流子付き電気駆動装置。
【請求項８】
電気モータの軸上に設けられた磁界発生器と、該磁界発生器に対向して前記電気モータのステータに位置固定されたアナログホールセンサとを有するセンサ装置を備えた整流子付き電気モータの制御方法において、
ａ）軸の回転に関して予め定められた周囲条件のもとでホールセンサにより測定された、磁界発生器の磁界を表す較正ホール信号を捕捉して記憶することにより、前記センサ装置を較正するステップと、
ｂ）磁界発生器の実際の磁界を表す実際のホール信号を前記ホールセンサによって生成するステップと、
ｃ）前記ホール信号を較正ホール信号と比較するステップと、
ｄ）前記磁界発生器による実際の磁界と、予め定められた周囲条件のもとにおける磁界との偏差を求めるステップと、
ｅ）前記ホール信号と、実際の磁界について求められた偏差とから、前記電気モータの角度ポジションを求めるステップと、
ｆ）求められた角度ポジションのデータに基づき前記整流子付き電気モータを制御するステップ
を有することを特徴とする、整流子付き電気モータの制御方法。
【請求項９】
前記磁界発生器（５）は永久磁石である、請求項８記載の制御方法。
【請求項１０】
前記磁界発生器（５）は軟磁性の薄板であり、前記電気モータのステータに位置固定されて永久磁石が配置されており、該永久磁石の配置により前記磁界発生器（５）は、該位置固定された永久磁石の磁界に対する妨害を形成する、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
求められた偏差から永久磁石の減磁を検出する、請求項９または１０記載の方法。
【請求項１２】
永久磁石の測定された磁界強度が小さすぎたときに識別信号を発生する、請求項９から１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
ＡＭＲセンサを有する電気モータにおいて、３６０度の一義性を得るために該ＡＭＲセンサの信号を用いる、請求項９から１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
較正時および／または実際のホール信号発生時、前記電気モータの巻線を流れる既知の電流と、前記永久磁石磁界の既知の磁界強度を考慮することにより、ホールセンサの位置における妨害磁界を補償する、請求項９から１３のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の整流子付き電気駆動装置および整流子付き電気モータの制御方法に関する。
【０００２】
背景技術
高電流の整流子付き電気駆動装置は今日の自動車において、たとえばパワーステアリングやベルト駆動型スタータなど数多くの用途に利用されている。整流ないしは転流を制御するためには、ステータ磁界とロータ磁界との相対的な位置を把握する必要がある。今日のシステムは角度位置を求めるために、ＡＭＲとディジタルホールセンサとの組み合わせを利用している。DE 102006060808 A1には、回転軸を中心に回転可能な部材の回転角度を捕捉するための角度センサについて開示されており、この角度センサは、回転可能な部材と同軸で結合することのできる発信器磁石と、この磁石の磁界の領域内に固定的に配置された磁気抵抗型センサ素子とディジタルホールセンサを備えている。磁気抵抗型センサ素子のアナログ信号とディジタル信号との組み合わせに基づき、３６０度の角度範囲の角度信号を発生させることができる。この種のシステムは、発信器磁石の磁界の方向を捕捉することはできるが、振幅を捕捉することはできない。発信器磁界の温度依存性および経年変化により、ディジタルホールセンサの大きなヒステリシスに起因して、角度センサにおける３６０度の測定一義性が損なわれる。
【０００３】
発明の概要
これに対し、本発明による整流子付き電気駆動装置は多くの利点を有している。本発明によれば駆動装置は、磁界発生器たとえば電気モータの軸上に設けられた永久磁石と、この磁界発生器に対向して位置固定されたアナログホールセンサとを有している。本発明による制御装置は記憶装置を有しており、この記憶装置には、１回転全体に関するホールセンサの較正データが記憶される。駆動装置の動作中、ホールセンサの目下の測定信号が較正データと比較される。これにより、較正条件とは隔たった実際の周囲環境の影響ならびに磁界発生器の磁界の経年変化を識別して考慮することができる。アナログホールセンサは、ディジタルホールセンサとは異なる別の利点として、著しく小さいヒステリシスを有しており、したがっていっそう良好な角度分解能を実現できる。
【０００４】
磁界発生器は有利には永久磁石である。ただし、磁界発生器を軟磁性の薄板すなわち軟磁性材料から成る薄片とし、電気モータのステータに対し位置固定して永久磁石を配置する実施形態も可能である。永久磁石のこのような配置によって、磁界発生器として回転する薄板は、位置固定された永久磁石の磁界に対する妨害を成し、いわゆる妨害磁界を形成する。本発明による装置について一般的に説明する有利な実施形態では、磁界発生器として永久磁石を用いるものとする。１つの有利な実施形態によれば、軸の中心に対し対称にこの軸の端面上に多極の永久磁石が設けられており、この軸中心の側方にリニアホールセンサが配置されている。別の有利な配置構成によれば、軸中心に対し対称に多極の永久磁石が配置され、軸中心上にプレーナホールセンサが配置される。プレーナホールセンサも同様に、磁界の磁界強度に比例するアナログ信号を供給し、このようなプレーナホールセンサによって付加的な設計オプションを実現できる。
【０００５】
本発明の別の有利な実施形態によれば、軸中心に対し対称に配置された多極の永久磁石と、軸中心上に配置されたＡＭＲセンサと、軸中心の側方に配置されたリニアホールセンサが設けられている。ＡＭＲセンサを用いることによって、電気モータのロータポジションに関して３６０度の一義性を達成することができる。プレーナホールセンサを備えた相応の設計オプションによれば、軸中心に対し対称に配置された多極の永久磁石と、軸中心上に配置されたＡＭＲセンサと、このＡＭＲセンサの隣りで軸線方向または側方に配置されたプレーナホールセンサが設けられている。
【０００６】
求められたロータ角度ポジションに基づき電気モータにおける個々の巻線の電流を制御することは当業者に知られており、この点についてはここでは論じない。ここでは、本発明によってさらに得られる可能性についてのみ説明する。本発明による整流子付き電気モータの制御方法は、以下のステップを有する。
ａ）軸の回転に関して予め定められた周囲条件のもとでホールセンサにより測定された、磁界発生器の磁界を表す較正ホール信号を捕捉して記憶することにより、センサ装置を較正するステップ。このステップは、有利には駆動装置の製造中に実施される。この較正ホール信号は、その後の動作中に繰り返し測定される信号に対する基準として用いられる。本発明による方法の以下のステップは、動作中に繰り返し実施される。
ｂ）磁界発生器の目下の磁界を表す目下のホール信号をホールセンサによって生成するステップ。この測定は動作中に行われ、つまりは実際の周囲条件のもとで行われる。
ｃ）ホール信号を較正ホール信号と比較するステップ。
ｄ）磁界発生器による目下の磁界と、予め定められた周囲条件のもとにおける磁界との偏差を求めるステップ。このような磁界の相違は、較正時の周囲条件と動作中の周囲条件が異なること、ならびに磁石磁界の経年変化によって生じる。このことは、永久磁石が軸上に配置されているにせよ、ステータに対し位置固定されて配置されているにせよ、あらゆる配置についてあてはまる。
ｅ）ホール信号と、目下の磁界について求められた偏差とから、電気モータの角度ポジションを求めるステップ。求められた偏差によって、ホール信号から得られた角度ポジションを補正することができる。
ｆ）求められた角度ポジションのデータに基づき整流子付き電気モータを制御するステップ。
【０００７】
本発明の有利な実施形態によれば、求められた偏差から永久磁石の減磁ないしは磁性の低下が検出される。有利には、測定された永久磁石の磁界強度が小さすぎたとき、識別信号が発せられる。有利には、電気モータはＡＭＲセンサを有しており、３６０度の一義性を得るためにＡＭＲセンサの信号が利用される。較正時と目下のホール信号発生時において、電気モータの巻線を流れる既知の電流と、永久磁石の既知の磁界強度とを考慮することにより、ホールセンサの位置における妨害磁界を補償することができる。
次に本発明の実施例を、図面を参照しながら詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明によるセンサ装置を示す図
【図２】本発明によるセンサ装置の第２の実施形態を示す図
【図３】本発明によるセンサ装置の第３の実施形態を示す図
【図４】本発明によるセンサ装置の第４の実施形態を示す図
【図５】本発明による方法のフローチャートを示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
センサ装置を有する電気モータを備えた本発明による整流子付き電気駆動装置は、電気モータの軸上に磁界発生器たとえば永久磁石を有している。マグネットセンサは、軸とともに回転する磁界発生器に対し、モータのステータと関連づけられて位置固定されている。図１〜図４には、本発明によるセンサ装置１，２，３，４のそれぞれ異なる実施形態が、モータ軸の端面から見た側面図としてそれぞれ描かれている。この場合、磁界発生器は永久磁石であり、まずは各実施形態に共通する部材について説明する。極分割ライン８によって区別される極６および７を備えた永久磁石５は、モータ軸１０の軸中心９に対し対称に位置している。これに関して、種々の磁気センサの形式と位置が描かれている。
【００１０】
図１には、第１の実施形態による本発明のセンサ装置１が示されている。この場合、２極の永久磁石５が軸中心９に対し対称に位置している。センサ装置１は、軸中心９の側方にリニアホールセンサ１１を有しており、このセンサは、永久磁石５の磁界中心の方向で極分割ライン８に対し垂直に、軸中心９からずらされている。
【００１１】
図２には、第２の実施形態による本発明のセンサ装置２が示されており、この場合、やはり軸中心９に対し対称に位置する２極の永久磁石５のほかに、プレーナホールセンサ１２が軸中心９上に配置されている。
【００１２】
図３には、第３の実施形態による本発明のセンサ装置３が示されている。この場合も、２極の永久磁石５が軸中心９に対し対称に位置している。軸中心９上にはＡＭＲセンサ１３が配置されている。さらに軸中心９の側方には、極分割ライン８に対し４５度の角度で軸中心９からずらされて、リニアホールセンサ１４が配置されている。
【００１３】
図４には、第４の実施形態による本発明のセンサ装置４が示されている。この場合も、２極の永久磁石５がやはり軸中心９に対し対称に位置している。さらに軸中心９にはＡＭＲセンサ１５が配置されており、このＡＲＭセンサ１５の横には、軸中心９から極分割ライン８に対し垂直の方向に、プレーナホールセンサ１６が配置されている。
【００１４】
本発明による駆動装置はさらに、電気モータの巻線を制御するための制御装置を有している。この制御装置は、軸の回転に関して予め定められた周囲条件のもとで永久磁石５の磁界についてホールセンサ１１，１２，１４，１６により測定された較正ホール信号を記憶するための記憶装置と、ホールセンサにより測定された実際の永久磁石磁界による実際のホール信号を較正ホール信号と比較するための装置を有している。
【００１５】
図５には、上述の整流子付き電気モータを制御するための本発明による方法のフローチャートが示されている。この方法はステップａ）から始まり、ステップａ）において、軸の回転に関して予め定められた周囲条件のもとで磁界発生器の磁界についてホールセンサにより測定された較正ホール信号を捕捉して記憶することにより、センサ装置の較正が行われる。この方法は駆動装置の製造中に実施される。本発明による方法の以下のステップは、動作中に繰り返し実施される。ステップｂ）がこれに続き、このステップにおいて、磁界発生器による目下のすなわち実際の磁界を表す目下のすなわち実際のホール信号がホールセンサによって生成される。この測定は動作中に行われ、つまりは実際の周囲条件のもとで行われる。続くステップｃ）において、ホール信号が較正ホール信号と比較される。ついでステップｄ）において、磁界発生器による目下の磁界と、予め定められた周囲条件のもとにおける磁界との偏差が求められる。このような磁界の相違は、較正時の周囲条件と動作中の周囲条件が異なること、ならびに磁石の磁界の経年変化によって生じる。ステップｅ）において、ホール信号と、目下の磁界について求められた偏差とから、電気モータの角度ポジションが求められる。この場合、たとえば極端な温度や減磁に起因するセンサの著しい経年変化などが生じたときなどに、ホール信号から得られた角度ポジションを、求められた偏差によって補正することができる。ステップｆ）において、求められた角度ポジションのデータに基づき整流子付き電気モータの駆動制御が行われる。
【００１６】
制御装置は、求められた偏差から永久磁石の減磁ないしは磁性の低下が検出される。ここでもう一度述べておくと、永久磁石の経年変化もしくは減磁を本発明に従って考慮することは、軸上に永久磁石が配置されているにせよ、回転する軟磁性薄板の場合にステータに位置固定されて永久磁石が配置されているにせよ、永久磁石のあらゆる配置について適用される。制御装置は、測定された永久磁石の磁界強度が小さすぎたとき、識別信号を発生する。さらに制御装置は、較正時と目下のホール信号発生時において、電気モータの巻線を流れる既知の電流と、永久磁石磁界の既知の磁界強度とを考慮することにより、ホールセンサの位置における妨害磁界を補償する。
【００１７】
さらにＡＭＲセンサ１３，１５を有する電気モータであれば制御装置は、３６０度の一義性を得るために、ＡＭＲセンサの信号を利用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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