(57)【要約】  複数のステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する電気機器（９）のロータ（１１）の位置を検出する方法において、該電気機器（９）はたとえばＥＣモータ（１０）であり、該ロータには、異なる透磁度を有する複数の磁気軸（ｄ，ｑ）が所属する形式の方法において、該ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に電圧を交番的に印加して、得られた電流を測定し、測定された該電流を評価することによって、少なくとも１つのステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と少なくとも１つの磁気軸（ｄ、ｑ）との対応関係を求めることを特徴とする方法。さらに本発明は、相応の装置（１）にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する電気機器（９）のロータ（１１）の位置を検出する方法において、
該電気機器（９）は、たとえばＥＣモータ（１０）であり、
該ロータ（１１）は、異なる透磁度を有する複数の磁気軸（ｄ，ｑ）を有する形式の方法において、
該ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に電圧を交番的に印加して、得られた電流を測定し、
測定された該電流を評価することによって、少なくとも１つのステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と少なくとも１つの磁気軸（ｄ、ｑ）との対応関係を求めることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を交番的な極性で駆動制御する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を、複数回交番する極性で駆動制御する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電流の評価に、測定された該電流の最大を検出することも含まれる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と前記ロータ（１１）の磁気的なｄ軸（ｄ）との対応関係を求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記電圧の印加をパルス幅変調によって行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記電流の測定を少なくとも１つの分路抵抗（ＲＳＨ）によって実施し、
該分路抵抗（ＲＳＨ）はたとえば総和電流分岐（１２）に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に電圧を印加し、電流測定によって、ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を流れる電流の飽和作用を求めて、前記ロータ（１１）の磁気的方向を検出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の共通の中性点（Ｍ）と該ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の入力端に形成された加算点（Ｎ）との間の電圧差（ＵＤ）を測定することによって飽和度を検出する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記電圧差（ＵＤ）から、時間的な積分によって積分信号を生成する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記積分信号の曲線波形を評価する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記積分信号の平坦さおよび／または過上昇を検査する、請求項１０または１１記載の方法。
【請求項１３】
複数のステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する電気機器（９）のロータ（１１）の位置を検出するための装置（１）において、
該電気機器（９）は、たとえばＥＣモータ（１０）であり、
該ロータ（１１）は、異なる透磁度を有する複数の磁気軸（ｄ，ｑ）を有する形式の装置において、
該ステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に電圧を交番的に印加する駆動制御装置（１６）と、
発生した電流を測定する電流測定装置（１４）と、
測定された該電流から、少なくとも１つのステータ素線束（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と少なくとも１つの磁気軸（ｄ、ｑ）との対応関係を求める評価装置（２０）
とを有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、複数のステータ素線束を有する電気機器のロータの位置を検出する方法と、請求項１３の上位概念に記載された、電気機器のロータの位置を検出するための装置とに関する。前記ロータは、異なる透磁度を有する複数の磁気軸を有する。
【０００２】
従来技術
電気機器のロータ（可動子）の位置を検出するための数多くの方法が公知である。電子整流式のモータ、いわゆるＥＣモータないしはブラシレスＤＣモータでは、センサレスで行われるロータ位置検出に大きな関心が向けられている。このようなロータ位置検出において、大量の個数で製造される小型ＥＣモータでは、低コストの製造でもロータ位置検出で十分な精度を実現するために低コストかつ高効率の方法を提供するのが重要である。絶対的なロータ位置が十分に精確に分かれば、モータが最大トルクで動作するようにステータ素線束（固定子素線束）を通電することができる。さらに、モータが所望の回転方向に動作することを保証することができる。しかし従来技術では、簡単かつ低コストで実施できる手法は通常、ロータがすでに回転していて初めて高信頼性になる。というのもこのような方法は、回転によって誘導された電圧の評価を基礎としているからである。（慣用されている手法の概略に関しては、Xie,J による刊行物『Entwicklung eines Scherwellengenerators fuer den Einsatz in tiefen Bohrloechern』（ＶＤＩ出版社、デュッセルドルフ、１９９３年）を参照されたい。）静止状態のロータの絶対的位置を検出できる手法も確かに公知であるが、このような手法の実施は通常、回路上の大きな手間を伴い、製造コストを高くする。
【０００３】
発明の利点
複数のステータ素線束を有する電気機器のロータ、とりわけＥＣモータのロータの位置を検出する次のような方法、すなわち、ロータに複数の磁気軸が所属する方法において本発明では、ステータ素線束に電圧を交番的に印加し、得られた電流を測定し、測定された電流を評価することによって、少なくとも１つのステータ素線束と少なくとも１つの磁気軸との対応関係を求める。このような方法が基礎とする認識は、電圧刺激から得られた電流はロータの磁気軸とステータ素線束との間の鎖交に依存することである。すなわち、ステータ素線束に電圧が交番的に印加されると、各ステータ素線束がロータないしはロータの磁気軸に対してどのように方向づけされているかに応じて、各ステータ素線束ごとに異なる電流が発生する。
【０００４】
有利には、ステータ素線束を交番的な極性で駆動制御する。このようにして、得られるトルクの発生は低減ないしは阻止され、とりわけ無視できない程度のトルクによるモータの回転開始が行われることはない。
【０００５】
有利にはステータ素線束を、複数回交番する極性で駆動制御する。このようにして、非常に短時間ではあるものの、電流測定を簡単な手段によって実施できる準静止状態が実現される。このことにより、本方法の低コストの変形形態が実現される。もちろん基本的には、高速な測定機器によって電流を、このような複数回の交番なしで流すこともできる。
【０００６】
測定された最大電流を検出することも評価に含まれると有利である。このことにより、最大鎖交を簡単に推定することができる。
【０００７】
本発明の１つの発展形態では、ステータ素線束とロータの磁気的なｄ軸との対応関係を求める。ｄ軸との間に最大鎖交を有するのは、刺激された時に最大電流が流れるステータ素線束である。このことにより、対応付けを簡単に行うことができる。
【０００８】
有利には、電圧印加はパルス幅変調によって行われる。このようにして、給電電圧が一定であることが前提とされる場合には、ステータ素線束に対して有効に作用する電圧を低減することができる。
【０００９】
有利には電流測定は、とりわけ総和電流分岐に配置された少なくとも１つの分路抵抗によって実施される。
【００１０】
有利な実施形態では、ステータ素線束に電圧を印加し、電流測定を行うことによって、ステータ素線束を流れる電流の少なくとも１つの飽和作用を求め、ロータの磁気方向を検出する。ステータ素線束とロータの磁気軸との間の対応関係が求められた場合、とりわけｄ軸に対応するステータ素線束に、電圧を再び印加する。その際には、インダクタンスの低下および電流上昇の急速化でも現れるステータ素線束の飽和作用が生じるように、駆動制御を選択する。このことは、ロータ磁石の等価起磁力および通電状態のステータ素線束の起磁力が同一方向に重なり合う場合に当てはまる。逆の場合、すなわちこれらの起磁力が逆方向に重なり合う場合には、電流は比較的小さくなるので、ロータの同一方向と逆方向との区別が可能になる。
【００１１】
有利には飽和度は、ステータ素線束の共通の中性点と該ステータ素線束の入力端で形成された加算点との間の電圧差を測定することによって検出される。このように信号経過を評価することにより、ロータの方向を推定することができる。
【００１２】
有利には前記電圧差から、時間的な積分によって積分信号を生成する。
【００１３】
有利には、前記積分信号の曲線波形を評価する。この曲線波形は、刺激が実質的に方形波であることを前提とすると、ほぼ３角波の信号である。このような信号の波形により、ロータの方向を識別することができる。
【００１４】
本発明の有利な発展形態では、前記積分信号の平坦さおよび／または過上昇を検査する。飽和作用に起因して、積分信号は理想的な波形と異なってくる。このことは、上記で言及したほぼ３角波の信号の場合、両ピークのうち１つは平坦であるのに対し、他方のピークは過上昇している。このような平坦さないしは過上昇が３角波信号の下ピークに現れるかまたは上ピークに現れるかに応じて、ロータの方向は同一方向であるかないしは逆方向である。
【００１５】
本発明はさらに、複数のステータ素線束を有する電気機器のロータ、とりわけＥＣモータのロータの位置を検出するための次のような装置、すなわち、ロータに複数の磁気軸が所属している装置に関する。本装置は、前記ステータ素線束に電圧を交番的に印加する駆動制御装置と、得られた電流を測定する電流測定装置と、測定された該電流から少なくとも１つのステータ素線束と少なくとも１つの磁気軸との対応関係を求める評価回路とを有する。
【００１６】
図面
ここで本発明を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１  電気機器のロータの位置を検出するための装置の実施例を示す。
【００１８】
図２  ４極ロータおよび２極ロータの実施例を磁気軸とともに示す。
【００１９】
実施例の説明
図１は装置１の有利な構成を示しており、これに基づいて、本発明による方法を例として説明する。まず、ステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗと中性点Ｍとロータ１１とを有する電気機器９が概略的に示されており、ブリッジ回路を構成するためのトランジスタＴ１〜Ｔ６が示されている。この電気機器９は、ここではＥＣモータ１０である。このＥＣモータ１０には、並列接続されたコンデンサＣを備えた直流電圧源ＵＢによって給電することができる。総和電流分岐１２に分路抵抗ＲＳＨが配置されており、ここで電圧ＵＳＨは降下する。電圧ＵＳＨは電流測定装置１４によって電流値に変換される。トランジスタＴ１〜Ｔ６は駆動制御装置１６によって駆動制御される。このことは、駆動制御装置１６から出発する破線によって示されている。ステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗの入力端に、抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ１ｃを介して加算点Ｎが形成されており、この加算点Ｎの電位は積分器１８の第１の入力端１７へ供給される。積分器１８の第２の入力端１９には、抵抗Ｒ２を介して中性点Ｍの電位が供給される。破線によって、電圧差ＵＤが積分器１８に有効に供給されるのが示されている。積分器１８の出力端２２は評価装置２０に接続されており、この評価装置２０には電流測定装置１４および駆動制御装置１６も接続されている。
【００２０】
ここでロータ位置を求めるために、この実施形態では２つのステップを実施する。
第１のステップでは、どのステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗがロータ１１の磁気的なｄ軸に関連づけられているかを求める。その後に第２のステップでは、ロータ１１が、その時点で求められたステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗに対してどの方向を有するかを検出する。これら両ステップを、ここで説明する。
【００２１】
どのステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗがロータ１１の磁気的なｄ軸と磁気的に結合されているかを検出するためには、まずステータ素線束Ｕに正で通電する。こうするために、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ６を閉成する。所定のサイクル時間の半分が経過した後、ステータ素線束Ｕに負で通電する。すなわち、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ６を開放し、トランジスタＴ３，Ｔ４，Ｔ５を閉成する。ここで電流測定装置１４によって、得られた電流を測定するか、または択一的に、前記サイクルを数回繰り返して、準静止状態で電流測定を実施することができる。このサイクル時間は、過度に短く選択してはならない。というのもこのようにすると、鉄中の渦電流が測定の品質を低下するからである。また、このサイクル時間を過度に長く選択してもいけない。というのもこのようにすると、電流が半波ごとにさらに上昇するからである。このようなサイクルの他に択一的に、パルス幅変調による駆動制御を実施することもできる。こうするためには、第１の半サイクル中に第１の時間セグメントにわたって、たとえば半サイクルの期間の６０％にわたってステータ素線束Ｕに正で通電し、その後、半サイクルの残りの期間（第２の時間セグメント）にわたって、たとえば４０％にわたって負で通電する。第２の半サイクル中には、第２の時間セグメントの期間すなわち半サイクルの期間の４０％にわたってステータ素線束Ｕに正で通電し、その後、半サイクルの残りの時間にわたって、ここではたとえば半サイクルの期間の６０％にわたって、該ステータ素線束Ｕに負で通電する。このようにして、ステータ素線束Ｕに有効に印加される電圧が低減される。
【００２２】
選択された刺激の種類に関係なく、このような電流測定は残りのステータ素線束Ｖ，Ｗでも行われる。これらの値によって、前記３つのステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗのうちどのステータ素線束にロータ１１のｄ軸が鎖交しているかを検出することができる。ｄシャフトとの間に最大鎖交を有するのは、刺激された時に最大電流が流れるステータ素線束Ｕ，Ｖ，Ｗである。以下の実施形態では、ステータ素線束Ｕがｄ軸に鎖交していることが検出されたと仮定する。
【００２３】
ここで第２のステップが続き、ロータ１１がＮ‐Ｓ方向にステータ素線束Ｕに結合されているか、またはＳ‐Ｎ方向にステータ素線束Ｕに結合されているかを検査する。こうするためには、求められたステータ素線束Ｕに再び、上記の刺激信号を印加する。本明細書全般で述べたように、飽和作用を実現しなければならないので、電流は通常、第１のステップより大きく選択される。パルス幅変調による駆動制御を選択した場合、電流上昇ないしはその基礎となる電圧上昇を、デューティ比の変化によって調整することができる。たとえば第１の半サイクルで、デューティ比を８０％から２０％に設定し、第２の半サイクルではデューティ比を２０％から８０％に設定する。（必要な場合にはもちろん、単純な駆動制御で、第１の半サイクルに正の通電を選択し、第２の半サイクルに負の通電を選択することもできる。）すでに述べたように、加算点Ｎと抵抗Ｒ２を介して供給された中性点Ｍの電位との間の電圧差ＵＤが得られる。この電圧差ＵＤの信号は、とりわけパルス幅変調による駆動制御を使用する際には妨害を含む可能性があるので、電圧差ＵＤの信号を平滑化するのが有利である。ここでは、積分器１８として接続されたオペアンプを使用したが、もちろん数多くの択一的手段も考えられ、その中でもとりわけＲＣローパスフィルタが考えられる。ステータ素線束Ｕに、すでに述べた刺激信号が印加されると、積分器１８の出力端２２には、ほぼ３角波の信号が観察される。この所与のケースでは、ロータ１１のｄ軸は、励起されたステータ素線束Ｕの軸に相応するので、ステータ電流の所定の値から、ＥＣモータ１０の鉄磁路の飽和作用が識別できる。（このような飽和作用を実現するためには、既述のように電流を十分な大きさにしなければならない。）このことにより、装置１およびＥＣモータ１０の特定の構成ではたとえば、積分器信号が非対称になり、ほぼ３角波の信号の両ピークのうち１つが平坦になる。別の構成では、この作用は異なって現れることもあるが、ロータ１１の方向の識別は常に可能である。この識別はたとえば、アナログデジタル変換および評価装置２０における評価によって行われる。このような構成により、総じてロータ位置は十分に精確に把握され、ＥＣモータ１０を精確な目標で回転開始することができる。
【００２４】
図２の左側のイメージは例として、機械的に対称的な構成を有する４極ロータ１１を示す。ロータ１１は、４つの切欠部２６を有する積層薄片２４を有する。これら切欠部２６にはそれぞれ、磁石薄板２８が挿入されている。ロータ１１の磁気軸ｄ，ｑは、ｄ（ｄ軸）およびｑ（ｑ軸）によって示されている。図２の右側のイメージには、機械的に非対称的な構成を有する２極ロータ１１が示されている。ここでも、ロータ１１の磁気軸ｄ，ｑが示されている。ここでは、ｄ軸ｄの透磁度は低減されており、ｑ軸ｑの透磁度は上昇されている。
【００２５】
本方法は特に低コストで実現できる。その理由はとりわけ、別の方法と良好に組み合わせることができることにもある。この別の方法はたとえば、Reutlinger, Kurtによる『Mechatroniksystem fuer Einzelspindelantriebe in Textilmaschinen』（Shaker出版社、アーヘン、１９９７年）およびBosch, Volkerによる『Elektronisch kommutiertes Einzelspindelantriebssystem』（Shaker出版社、アーヘン、２００１年）に記載された方法である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電気機器のロータの位置を検出するための装置の実施例を示す。
【図２】４極ロータおよび２極ロータの実施例を磁気軸とともに示す。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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