(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界切替式モータにおける回転子角度測定手段と磁界との相対関係を荷重下において初期化する方法であって、
第１の向きおよび第１の大きさを有する第１の電圧を、回転子および固定子のいずれか一方に印加するステップと、
前記の第１の電圧を印加したことにより得られる第１の回転子角度を測定するステップと、
前記の第１の電圧の印加中に前記モータに加えられた荷重とほぼ等しい荷重がモータに加えられている状態で、前記回転子および前記固定子のいずれか一方に、前記の第１の向きとほぼ等しい向きおよび前記の第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する第２の電圧を印加するステップと、
前記の第２の電圧を印加したことにより得られる第２の回転子角度を測定するステップと、
前記相対関係の初期化のために、少なくとも前記の第１の回転子角度および前記の第２の回転子角度の関数として誤差角度を求めるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記の第１の回転子角度を求めるステップおよび前記の第２の回転子角度を求めるステップの少なくとも一方のステップにおいて、回転子角度を検出するためのエンコーダによって回転子角度を測定することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記の第１の電圧を印加するステップおよび前記の第２の電圧を印加するステップでは、前記の第１の電圧および前記の第２の電圧を固定子のコイルに印加することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記の第１の電圧を印加するステップおよび前記の第２の電圧を印加するステップでは、前記の第１の電圧および前記の第２の電圧を回転子のコイルに印加することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記の第２の電圧を印加するステップに、前記の第１の電圧の大きさよりも小さい大きさを有する第２の電圧を印加するステップが含まれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記の第１の電圧および前記の第２の電圧にそれぞれ対応する第１の電流および第２の電流のいずれか一方の大きさを求めるステップを含み、前記の誤差角度を求めるステップでは、少なくとも、前記の第１の回転子角度と、前記の第２の回転子角度と、前記の第１の電流および第２の電流のいずれか一方の大きさと、の関数として、前記誤差角度を求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記の第１の電流および第２の電流のいずれか一方の大きさを求めるステップでは、前記の第１の電圧および前記の第２の電圧のいずれか一方と、前記固定子および前記回転子のいずれか一方の抵抗値を知ることと、から前記の第１の電流および第２の電流のいずれか一方の大きさを求めることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記の第１の電流および前記の第２の電流の少なくとも一方を求めるステップでは、電流検出器を備え、前記の第１の電流および前記の第２の電流の少なくとも一方を測定することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記の第１の電圧および前記の第２の電圧にそれぞれ対応する第１の電流および第２の電流を求めるステップを含み、前記の誤差角度を求めるステップでは、以下の式が満たされるように前記誤差角度を求め、
【数１】
0004480930.tif 000003
前記式において、Δξ＝誤差角度、ξ２*＝第２の回転子角度、ξ１*＝第１の回転子角度、Ｉ1＝第１の電流（第１の電圧に対応）、Ｉ2＝第２の電流（第２の電圧に対応）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
第３の回転子角度を測定するステップと、
前記の第３の回転子角度および前記誤差角度から初期化された回転子角度を求めるステップと、
前記モータを回転させて前記装置を運転するために前記モータに電力を供給する際に前記の初期化された回転子角度を用いるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
回転子（２０）および固定子（１６）を備えるとともに、回転子角度を測定するためのセンサ（２２）を備えた磁界切替式モータ（１０）において、前記センサ（２２）と磁界との相対関係を荷重下において初期化するための装置であって、
前記回転子（２０）および前記固定子（１６）の少なくとも一方に電力を供給するためのモータ用電源（１２）と、
前記センサ（２２）および前記電源（１６）に電気的に接続されている処理装置（２６）と、を備えており、前記処理装置（２６）は、
第１の向きおよび第１の大きさを有する第１の電圧を、前記回転子（２０）および前記固定子（１６）のいずれか一方に印加する手段と、
前記センサ（２２）に応答して、前記の第１の電圧を印加することにより得られる第１の回転子角度を測定する手段と、
前記回転子（２０）および前記固定子（１６）のいずれか一方に、前記の第１の向きとほぼ等しい向きおよび前記の第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する第２の電圧を印加する手段と、
前記の第２の電圧を印加することにより得られる第２の回転子角度を測定する手段と、
前記相対関係の初期化のために誤差角度を求める手段と、を備えており、前記の誤差角度を求める手段は、少なくとも、前記の第１の回転子角度と、前記の第２の回転子角度と、前記の第１の電圧およびこれに対応する電流のいずれか一方と、前記の第２の電圧およびこれに対応する電流のいずれか一方と、の関数として、前記誤差角度を求めるものであることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記電源（１２）によって前記の前記固定子（１６）および前記回転子（２０）のうちの少なくとも一方に電力を供給して前記回転子（２０）を初期化することが可能となるように、前記の第３の回転子角度および前記誤差角度から初期化された回転子角度を求める手段を備えていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、磁界切替式モータおよびこのようなモータを備えた装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
図１には、電源１２から電力が供給されかつ固定子１６および回転子２０を備えた磁界切替式モータ１０が示されている。固定子は、励磁コイル１７（Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’およびＤ−Ｄ’）を備えており、これらは、磁石（Ｎ極およびＳ極を有する）として機能するように順に励磁され、これによって、回転子２０に取り付けられた永久磁石２１に力が加わり、回転子２０が回転する。所望のトルク、回転子２０の速度および回転方向を得るのに適した順序およびタイミングでコイルを励磁するには、コイル１７に対する回転子磁石２１の位置を知ることが必要である。一般的に、センサ２２からは、「センサ」の（つまり未較正の）座標系における、回転子の角度位置を示す未処理のデータが得られる。しかし、このようなデータを、コイル１７に対する磁石２１の位置を求めるために利用する必要がある。本願では、モータの初期化とは、コイルに対する磁石２１の関係を未処理のつまり未較正の角度データから求めることが可能となるように、未較正の座標系と励磁コイル１７に対して既知の関係にある座標系との関係を求めることを意味する。未処理のデータは初期化され、このように初期化されたデータは、コイル１７を励磁する順序およびタイミングを決定するために利用される。
【０００３】
モータ１０にアクセス可能でありかつモータ１０が無負荷である場合には、モータ１０の初期化を直接的に行うことができる。既知の向きの試験電圧によって固定子１６を励磁すると、荷重角度が零であるために回転子２０の角度位置は既知となる。センサ２２からの未処理のデータは、未較正座標系における角度を示すものであり、この未処理のデータは、未較正座標系と回転子座標系との間の「誤差角度」が求められるように、ｑ−ｄ回転子座標系（ｄは磁石２１の軸線で、かつｑはこれと直交する軸線）に関連付けることができる。ｑ−ｄ回転子座標系と励磁コイル１７との関係が求まると、続いて、モータの運転中に誤差角度を用いてコイル１７を適切に励磁し、これによって、モータ１０の所望の性能を得る。従って、初期化は、モータの工場で行う場合には、不必要に困難な問題ではない。
【０００４】
しかし、上述したような初期化を行うためには、工場から搬送されるモータにセンサ２２を備え、さらに、センサ２２と回転子２０との間の物理的関係を乱さないように慎重に扱わなければならない。このようなモータは、多くの場合、複雑な装置（例えばエレベータ）に、この装置が設置される場所で取り付けられる。取り付け工程は、初期化が乱されるもう１つの要因である。取付後のモータを初期化、つまり再び初期化するには、多くの時間を要する。通常、モータ１０には荷重が加わっているため、上述した初期化工程を可能とするために、このような荷重（例えばエレベータ）を手作業により（例えばケーブルを調整することにより）取り除く必要がある。このような操作には、多くの時間がかかるとともに、作業者がさらに必要となる。故障したセンサ２２を現場で交換する場合にも、同様に、荷重を取り除くか、もしくは、新たなセンサ２２を備えた新たなモータを初期化して取り付ける必要がある。より簡単でかつより効果的な初期化工程を実現することができれば、従来技術を大きく改善することができる。
従来技術の参考例「停止状態での永久磁石同期式モータの回転子の位置の測定」（ＥＴＥＰ  Ｖｏｌ．９  Ｎｏ．１  １９９９年１月（１９９９−０１）〜１９９９年２月（１９９９−０２）、４３〜４７ページ、ＸＰ０００９５６２１４、Ｍ  ステイブラン等）によると、第１試験電圧パルスをモータの巻線端子Ｕと巻線端子Ｖとの間に印加することにより、停止状態での回転子および固定子の相対位置を求めることは周知である。端子Ｗと端子Ｕとの間の電圧応答を測定する。第２試験電圧を巻線端子Ｖと巻線端子Ｗとの間に印加する。端子Ｕと端子Ｖとの間の電圧応答を測定する。このようにして、回転子の初期位置が求められる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、従来技術の上述した１つもしくは複数の欠点に対処することである。
【０００６】
他の目的は、一部は、以下の説明から明らかとなり、一部は、当業者であれば、本発明の記載から理解することができる。
【０００７】
【発明の開示】
本発明は、磁界切替式モータ１０に零以外の荷重がかかっている状態でこのモータを較正するための方法および装置を提供することによって、上述した目的を達成するものである。従って、モータの荷重を取り除く必要がなくなり、これによって、モータが組み込まれる装置（例えばエレベータ）の操作に費やされる時間および労力を削減することができる。
【０００８】
本発明の１つの形態の方法には、第１の向きおよび第１の大きさを有する第１の電圧を、回転子および固定子のいずれか一方に印加するステップと、前記の第１の電圧を印加したことにより得られる第１の回転子の角度を測定するステップが含まれる。さらに前記方法には、前記回転子および前記固定子のいずれか一方に第２の電圧を印加するステップが含まれ、前記の第２の電圧は、前記の第１の向きとほぼ等しい向きおよび前記の第１の大きさとは異なる第２の大きさを有し、前記の第２の電圧の印加中に前記モータに加わる荷重は、第１の電圧の印加中とほぼ同じにする。さらに、前記方法には、前記の第２の電圧を印加したことにより得られる第２の回転子の角度を測定するステップと、前記モータの較正を可能とするために少なくとも前記の第１の回転子角度および前記の第２の回転子角度の関数として誤差角度を求めるステップと、が含まれる。第１の電圧および第２の電圧、もしくはこれらの電圧にそれぞれ対応する電流の１方もしくは両方を用いて、誤差角度を求める。当業者であれば理解できるように、本発明の開示から、固定子の抵抗値によって、固定子の電流と電圧とを互いに関連付けることも可能である。
【０００９】
本発明の他の形態によると、本願に開示された方法に従って磁界切替式モータの初期化および運転を行うための装置が開示されている。この装置には、処理装置、回転子の角度位置を測定するためのセンサ、および電源を備えることができる。処理装置は、センサおよび電源と電気的に接続されており、上述した初期化を実行しかつモータを運転するための装置（例えば、ハードウェア構成、もしくはソフトウェアによる適切なプログラム）を有する。本願では、処理装置として、モータを初期化して誤差角度を求めるための専用の処理装置、もしくは、モータを較正するだけでなくモータが導入される装置の利用のためにモータを運転する一般的な処理装置を用いることが可能である。
【００１０】
本発明の以上の特徴もしくは他の特徴は、以下で詳細に記載される。
【００１１】
【発明を実施するための最良の形態】
図１および図２には、磁界切替式モータ（field-commutated motor）１０が示されている。図１は、モータ１０の斜視図である図２のＺ−Ｚ軸線に沿ってモータ１０を示した図である。磁界切替式モータ１０は、コイル１７（Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’およびＤ−Ｄ’として示されている）を備えた固定子１６および永久磁石２１を備えた回転子２０を有する。電源１２によって、コイル１７を励磁するための電力が、矢印３２によって示されているようにＺ軸線を中心に所望の方向および所望の速度もしくはトルクで回転子２０を回転させるのに適した順序およびタイミングで供給される。コイル１７を適切な順序およびタイミングで励磁することが可能となるように、センサ２２（回転子２０に設けられた印２４と協働する固定された構成要素２３からなるものとすることができる）によって、回転子２０の角度位置に関する情報が得られるようになっている。センサ２２として従来技術で周知かもしくは適した１つのセンサは、正弦余弦符号器と称されるものである。電源１２は、通常、パルス幅変調（PWM）電源である。固定子座標系における、回転子２０の角度ξを求めることが望まれる。
【００１２】
図２を参照すると、モータ１０に加わる荷重が、回転子２０に巻き付けられたケーブル３０に取り付けられた重量２８として概略的に示されている。重量２８によって発生する下方の力２９によって、回転子２０に加わるトルクが発生する。モータがエレベータのような装置に利用される場合に、モータ１０に加わる荷重を重量２８として示すことができる。電源１２、センサ２２、および励磁コイル１７に供給される電流および／または電圧を測定するための１つ（もしくは複数）のセンサ３４には、処理装置２６が電気的に接続されている。処理装置２６は、所望のトルク、速度、回転方向、回転数などが得られるように、センサ２２から受信したデータに応じて電源１２を制御することによりモータ１０を動作させる構成を有する。使用者用入力要素３５をさらに備えることによって、使用者がモータを動作させるために処理装置２６に命令を与えられるようにすることもできる。好適な使用者入力素子としては、様々なタイプのものが周知である。使用者入力素子３５として、例えば、キーパッド、モデム、もしくはポインティング・選択デバイス（例えばマウス）を使用することができる。さらに、本発明では、処理装置２６と電気的に接続された使用者出力素子（図示せず）、例えばビデオディスプレイ、を用いて、ポインティング・選択デバイスを利用し易くしたり、使用者に情報を提供することも可能である。
【００１３】
ここで、本発明によるモータ１０の初期化について、図３および図４を参照しながら説明する。図３には、回転子座標系（軸ｑ，軸ｄを有する）およびセンサ２２の未較正座標系（軸ｑ*，軸ｄ*を有する）が示されている。これらの２つの座標系は、誤差角度Δξにより関連付けられており、従って、コイル１７に対する磁石２１の位置を測定できるように、センサ２２からの未処理のデータを回転子座標系ｑ−ｄに関連付けるためには、Δξを知る必要がある。
【００１４】
図３および図４を参照すると、以下のように、モータの荷重（例えば、重量２８により概略的に示される荷重）が零でない状態でも、誤差角度Δξを測定することができる。
【００１５】
図４の参照符号５２により示されるように、第１の向きおよび第１の大きさを有する電圧Ｖ1を固定子コイル１７に加える。この電圧の向きは、固定子コイル１７のうちの少なくとも１つに電圧を加えた場合にこれに流れる電流Ｉ1によって生じる磁界の向きを示している。Ｖ1およびＩ1は、電圧が加えられる１つもしくは複数のコイルの抵抗値により互いに関連付けられる。回転子は、図３の参照符号４３により示されるように、角度ξ１*まで回転する（ξ１*は、センサ２２から得られる未処理の角度であり、未較正座標系における回転子２０の角度を示している）。図４の参照符号５６，５８により示されるように、電流Ｉ1および角度ξ１*を求める。電流および電圧を、例えば図２の電圧／電流センサ３４によって直接に測定することも可能であり、もしくは、電流を、電圧および１つもしくは複数の対応するコイル１７の抵抗値を知ることにより求めることも可能である。使用者の入力もしくは処理装置２６からの命令に応答して、選択された電圧もしくは電流が電源１０から発生されるため、このような命令を知ることによって電圧もしくは電流を求めることも可能である。
【００１６】
続いて、図４の参照符号６０により示されるように、電圧Ｖ1とは大きさが異なるが向きがほぼ同じである第２の電圧を、固定子コイルに加える。Ｖ2に対応する第２の電流Ｉ2が発生し、図３の参照符号４０により示されるように第２の角度ξ２*まで回転子が回転する。図４の参照符号６２，６４により示されるように、続いてξ２*およびＩ2を求める。図３のベクトルＩ1，Ｉ2の、ｑ軸に沿った成分が互いに等しいと仮定することができるように、ξ２*の測定中にモータ１０の回転子２０に加わる荷重の大きさを、ξ１*の測定中に回転子２０に加わる荷重の大きさと実質的に等しくすべきである。
【００１７】
ξ１*，ξ２*およびＩ1，Ｉ2（代わりの実施例として、Ｖ1，Ｖ2および適切なコイル１７の抵抗値）が求められれば、以下の式（以下、式１とする）に従って誤差角度Δξを求めることができる。
【００１８】
【数１】
0004480930.tif 000002
【００１９】
ここで、Δξ＝誤差角度、ξ２*＝第２の回転子角度、ξ１*＝第１の回転子角度、Ｉ1＝第１の電流（第１の電圧に対応する）、Ｉ2＝第２の電流（第２の電圧に対応する）、である。
【００２０】
オームの法則によりＩ1，１2は対応する電圧Ｖ1，Ｖ2に関連する。Ｒを、１つもしくは複数の対応するコイルの抵抗値とすると、
Ｖ1＝Ｉ1／Ｒ
Ｖ2＝Ｉ2／Ｒ
Δξが求められると、回転子２０の初期化された角度ξ（すなわち、回転子座標系における、回転子の角度）を以下の式に従って求めることができる。
【００２１】
ξ＝ξ*−Δξ
ここで、ξ*は、センサ２２からの未処理のデータにより得られた、未較正座標系における付加的な回転子角度であり、通常は、モータ１０の動作中の回転子の瞬時的位置を示している。Δξは、以上で決定された誤差角度である。角度ξは、固定子に取り付けられたコイル１７（Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’）を適切な順序およびタイミングで励磁して、モータ１０もしくはモータ１０を備えた装置を所望どおりに運転するのに、利用される。図２に示されたコイルの数は、単に、例示的なものである。
【００２２】
当業者であれば理解することができるように、本願に開示されたものにおいては、処理装置２６が、例えば処理装置のハードウェアに設定されているかもしくはソフトウェアを用いて処理装置の揮発性メモリや不揮発性メモリにプログラムされている命令に従って、上述した初期化を自動的に行うものとすることも可能である。このような命令は、図４に示されたステップを含み、かつ、処理装置２６と、センサ２２、電源１２、および電流および／または電圧センサ３４（任意で）とを適切に通信させるものとすることができる。処理装置２６としては、専用の処理装置、もしくは適切に構成またはプログラムされたパーソナルコンピュータを用いることが可能である。さらに、処理装置２６および電源１２は、それぞれ独立したユニットとして図２に示されているが、当業者であれば、本願の開示から、電源１２と処理装置２６とを結合させて単一ユニットとすることも可能であることは理解できるだろう。処理装置は、使用者の入力および／またはソフトウェアのプログラムもしくはハードウェアの構成により設定された命令に従って、モータ１０、もしくはモータ１０を備えた装置を運転するものとすることも可能である。例えば、モータ１０がエレベータに導入されている場合は、処理装置２６として、従来技術で周知のように使用者の入力に応答して建物のフロア間で乗員や積荷を搬送するエレベータ用コントローラを利用することができる。
【００２３】
センサ２２が、角度の変位を相対的に示すのみであれば、必要に応じて（例えば処理装置２６が起動されるたびに）、もしくは、適切な時期にもしくは適切な間隔を開けて、上述した初期化ルーチンを実行することができる。
【００２４】
上述した目的および上述した内容から明らかな目的を公的に達成することができることは、明らかである。本発明の範囲から逸脱することなく、上述した構成にある変更を加えることができることから、以上の記載および付随の図面の内容は、全て、例示的なものであり、本発明を制限するものではない。例えば、付随の図面では、回転子２０が永久磁石２１を備え、固定子１６がコイル１７を備えている。当業者であれば、本願の記載から、固定子１６に磁石を備え、回転子にコイルを備えることも可能であり、本発明の方法および装置をこのようなモータにも適用できることは、理解できるだろう。
【００２５】
さらに、回転子の角度位置に関するデータは、符号器といったセンサ２２を介して得る必要はない。当該技術分野において、このようなデータを、モータ１０に配置されたコイルの逆起電力（back emf）を監視するにより得られることは周知である。このようなデータもまた、未較正であるため、モータを初期化して、永久磁石の位置を励磁コイルに関連付ける必要がある。
【００２６】
以下の請求項が、本願に記載された発明の全ての形態を含むものであり、本発明の範囲を示す記載は全てこれらの請求項に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  磁界切替式モータおよびこれに電力を供給する電源を示す概略図。
【図２】  図１のモータを初期化するための装置を示す概略図であり、図１のモータの斜視図を含んでいる。
【図３】  図１および図２のモータの未較正座標系およびｑ−ｄ座標系において、これらの座標系に関する誤差角度、および本願の初期化工程の一部で固定子に試験電圧を印加することにより得られる回転子角度を示す図。
【図４】  モータを初期化して誤差角度を求めるための例示的な初期化工程のステップを示すフロー図。
【図１】
0004480930.tif 000004
【図２】
0004480930.tif 000005
【図３】
0004480930.tif 000006
【図４】
0004480930.tif 000007