(57)【要約】電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための装置及び方法が提案され、この装置及び方法では、電気モータ（１０）にほぼ正弦波状の電圧が印加される。次いで、所属の生ずる電流経過（ｉ）が検出される。電気モータ（１０）にほぼ正弦波状の電圧を改めて印加した後で、これに所属の更に別の電流経過（ｉ）が改めて検出される。次いで、基本波（Ｉ１）の大きさと第２高調波（Ｉ２）の大きさとの比が電流経過（ｉ）から電気的スターティング・ロータ角度の尺度としてもとめられる。
2004514394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法において、
電気モータ（１０）に周期的電圧（Ｕ）を印加するステップ、
所属の第１の電流経過（ｉ）を検出するステップ、
前記電気モータ（１０）に周期的電圧（Ｕ）を改めて印加するステップ、
所属の第２の電流経過（ｉ）を改めて検出するステップ、
基本波（Ｉ１）の大きさと第２高調波（Ｉ２）の大きさとの比を前記第１の電流経過（ｉ）及び前記第２の電流経過（ｉ）のスペクトルから電気的スターティング・ロータ角度（δ）の大きさとしてもとめるステップを有する、電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法
【請求項２】
電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法において、
電気モータ（１０）に周期的な電気的な量を印加し、第１の測定量の所属の経過（ｉ）を検出するステップ、
基本波（Ｉ１）の大きさと第２高調波（Ｉ２）の大きさとの比（Ｐ１、Ｐ２）を前記測定量の経過（ｉ）のスペクトルから電気的スターティング・ロータ角度（δ）を決定するためにもとめるステップを有する、電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法。
【請求項３】
電気的スターティング・ロータ角度（δ）を決定するために第２高調波（Ｉ２）を基本波（Ｉ１）の三乗で割ることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
電気モータ（１０）に印加される電気的な量（Ｕ）は少なくとも１つのモーター固有の特性量（ＩＮ、Ｌ、ｒ）に依存して形成されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の方法。
【請求項５】
【外１】2004514394.tif 000009
請求項１〜４のうちの１項記載の方法。
【請求項６】
電気モータ（１０）には所定のタイムスパンの間に周期的な電気的な量（Ｕ）が印加され、測定量（ｉ）は制御時間に比べて小さい測定インターバル（ｔｍ）において検出されることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の方法。
【請求項７】
電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための装置であって、信号検出部（１８）を有し、該信号検出部（１８）はインバータ（２０）に対する制御信号を発生し、前記信号検出部（１８）には少なくとも１つのセンサ（１４、１６）の少なくとも１つの出力信号（３２、３４）が供給され、前記信号検出部（１８）は検出された測定量（ｉ）から電気的スターティング・ロータ角度（δ）を決定するために少なくとも第２高調波（Ｉ２）をもとめる、電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための装置において、
スターティング・ロータ角度（δ）を決定するために前記評価ユニット（１８）が前記測定量（ｉ）の基本波（Ｉ１）ももとめることを特徴とする、電気モータの電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための装置。
【請求項８】
【外２】2004514394.tif 000010
請求項７記載の装置。
【請求項９】
評価ユニット（１８）は、電気的スターティング・ロータ角度（δ）を決定する際のモータ（１０）の途中の運動を考慮するために、インクリメンタルエンコーダ信号（３０）を評価することを特徴とする、請求項７又は８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来技術
本発明は独立請求項の上位概念記載の電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための装置及び方法に関する。論文 ”ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｒｏｔｏｒ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａ ｐｍｓｍ ａｔ ｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ” ，Ｃ． Ｂｒｕｎｏｔｔｅ， Ｗ． Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ， ＥＰＥ／９７， ｐａｇｅ １２５０ ｔｏ １２５３ には電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法が記述されている。ここでは永久磁石励磁式同期モータに５００Ｈｚの正弦波状電流が印加される。発生する電流から電気的ロータ角度の決定のためにスペクトルがもとめられる。飽和効果及びこの飽和効果から結果的に生じる電流経過の非対称性に基づいて、永久磁石を備えたロータに対するコイルを備えた同期モータのステータの位置がもとめられる。例えば、高速フーリエ変換に基づいて、測定された電流経過からスペクトルの第２高調波の係数が算定される。第２高調波のこの係数は電気的ロータ角度の尺度である。
【０００２】
本発明の課題は、電気的スターティング・ロータ角度決定のための冒頭に記述された方法を精度に関してさらに改良することである。この課題は独立請求項の特徴部分記載の構成によって解決される。
【０００３】
本発明の利点
本発明の方法及び本発明の装置は次のことによって優れている。すなわち、測定量のスペクトルから基本波（ｅｒｓｔｅ Ｈａｒｍｏｎｉｓｃｈｅ）も第２高調波（ｚｗｅｉｔｅ Ｈａｒｍｏｎｉｓｃｈｅ）ももとめられ、電気モータ、有利には同期モータのスターティング・ロータ角度に対する尺度として互いに比をとる。この場合、スターティング・ロータ角度の決定のために第２高調波を基本波の三乗によって除算することがとりわけ適切であるとわかった。これによって、とりわけモータの構造に起因する非対称性が比較的良好に考慮され得る。これはスターティング・ロータ角度決定の精度に対してポジティブに作用し、このことは後に示される測定曲線に基づいて裏付けられる。
【０００４】
代替実施形態では、電気モータに正弦波状の電圧を印加する。従って、電気モータを制御するインバータは電圧ジェネレータとして機能する。供給される電圧の振幅及びスタート位相角度は容易に各モータに適合される。この電圧は一方で比較的容易な測定値検出のために大きい電流が流れるように選択されるが、他方でこのモータは不明確な始動過程を避けるためにまだ運動しない。電圧の振幅は有利にはモータの定格電流、モータインダクタンス乃至はモータインダクタンスのリアクタンスに依存する。印加される電圧は印加される電流よりも評価のための明らかに良好な有効信号をもたらす。
【０００５】
有利な改良実施形態では、電気モータには所定のタイムスパンの間に正弦波状の電圧が印加されるが、測定量を同時に給電過程の最初にではなく有利には最後あたりに後続処理のために検出する。電気モータに例えば５００Ｈｚの８つの正弦波振動を供給する場合、結果的に生じる電流の最後の３つの振動期間だけがスペクトル分析のために評価され、これに対して５つの初期振動は評価されない。過渡過程を意図的に無視することによって、測定の品質がさらに改善される。
【０００６】
有利な改良実施形態では、基本波及び第２高調波の振幅を決定するために少なくとも２回は測定量を検出する。第２の検出過程では電気モータに第１の制御とは異なる電気角が加えられる。少なくとも２回の測定は、明確にスターティング・ロータ角度を計算により決定するために必要である。
【０００７】
有利な改良実施形態では、少なくとも３つの測定量からスペクトル情報を得る。この場合、少なくとも１つの測定量はスターティング・ロータ角度決定のためにどうしても必要ではないので、これらの測定値は例えば最小二乗法によってフィルタリングされる。角度決定の品質はさらに改善される。
【０００８】
有利な改良実施形態では、インクリメンタルエンコーダが設けられ、このインクリメンタルエンコーダはモータの運動を検出する。インクリメンタルエンコーダの信号は、少なくとも２つの測定の間に検出され、電気的スターティング・ロータ角度の決定のために考慮される。電気的スターティング・ロータ角度はこれによって測定の間に運動する電気モータの場合でも比較的高い精度でもとめられる。
【０００９】
更に別の有利な改良実施形態は更に別の従属請求項及び記述から得られる。
【００１０】
図面
実施例は図面に図示されており、次のように記述される。
【００１１】
図１は電気的スターティング・ロータ角度検出のための装置のブロック回路図を示し、図２は従来技術による電気的ロータ角度と電流の第２高調波Ｉ２の経過との関係を、図３は実施例による電気的ロータ角度と基本振動の三乗により除算された第２高調波の経過との関係を、それぞれ基準正弦波曲線に対比して示し、図４ａは印加される電圧の時間に依存する経過を示し、図４ｂは時間に依存して示された検出される電流経過を示し、図５は電気的ロータ角度に依存する第２高調波の基本波の三乗に対する比をより精確に示し、図６は電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法のフローチャートを示す。
【００１２】
実施例の記述
電気モータ１０の回転をインクリメンタルエンコーダ１２が検出し、このインクリメンタルエンコーダ１２のインクリメンタルエンコーダ信号３０は評価ユニット１８に到達する。インバータ２０は給電モジュール２２から供給される直流電圧中間回路の直流電圧からほぼ正弦波状の電圧乃至は電流を発生し、これらの正弦波状の電圧乃至は電流が電気モータ１０の第１、第２及び第３の相２４、２６及び２８に印加される。第１の相２４を流れる電流は第１の電流センサ１４によって、第２の相２６を流れる電流は第２の電流センサ１６によって検出され、これらは第１の電流値３２及び第２の電流値３４として評価ユニット１８に供給される。評価ユニット１８にはメモリ１９が設けられている。評価ユニット１８はインバータ２０を制御する。
【００１３】
電気モータ１０としてとりわけ永久磁石励磁式同期モータが使用される。電気的スターティング・ロータ角度の決定は、所望される始動方向における運動を得るために、モータ１０の所期の制御にとって必要不可欠である。この実施例ではとりわけ絶対値発生器を放棄することができる。
【００１４】
【外３】
2004514394.tif 000003
【００１５】
【数１】
2004514394.tif 000004
【００１６】
ただしωは例えばｆ＝５００Ｈｚの振動における角周波数２πｆである。
【００１７】
スタート位相角度αは次式に従ってもとめられる：
【００１８】
【数２】
2004514394.tif 000005
【００１９】
【外４】
2004514394.tif 000006
【００２０】
【外５】
2004514394.tif 000007
【００２１】
図４ｂに示された印加された電圧Ｕにより喚起された電流経過ｉは例えば第１の電流センサ１４によって、場合によってはサンプリングされ、検出され、評価ユニット１８に転送される。さらに、評価ユニット１８は対応するスタート値β１を有するインクリメンタルエンコーダ信号３０を検出する。これはとりわけ場合によっては２つの測定（ステップ１０７、ステップ１１１）の間に運動するかもしれないモータ１０を考慮するのに使用される。評価ユニット１８は、例えば図４ｂに示されているように、検出される電流経過ｉからスペクトルを、とりわけ電流の所属のスペクトルの基本波Ｉ１の振幅ならびに第２高調波Ｉ２の振幅を決定する。基本波とは印加される電圧Ｕの励磁周波数、例えば５００Ｈｚであると理解し、第２高調波とは励磁周波数の２倍（２・５００Ｈｚ）であると理解する。これは、例えば周知の高速フーリエ変換によって又は従来技術に記述されたアルゴリズムによって行われる。ここから次式を使用すれば第１の値Ｐ１が得られる：
Ｉ＝Ｉ２：（Ｉ１）３
ただしここでＩ１は電流経過ｉの基本波、Ｉ２は電流経過ｉの第２高調波である。
【００２２】
図５の正弦波曲線の一義的な決定においてさらに第２の測定が必要であり、この第２の測定の評価から第２の地点ｐ２が得られる。
【００２３】
【外６】
2004514394.tif 000008
【００２４】
ステップ１１３における次の評価では、電気的スターティング・ロータ角度δをもとめなければならない。既知なのはただ第１の測定（ステップ１０７）から第１の地点Ｐ１ならびに第１のインクリメンタルエンコーダ角度β１、ならびに第２の測定（ステップ１１１）から第２の地点Ｐ２ならびに第２のインクリメンタルエンコーダ角度β２である。さらにほぼ既知なのは、電気的ロータ角度９が正弦波状の曲線経過となることである。これは例えば図３に示されている。ここでは基本波Ｉ１の三乗により除算された第２高調波Ｉ２の様々な比が電気的ロータ角度φとの関係において示されている。従来技術（図２）による計算方法よりも明らかに良好な正弦波状の曲線経過が見て取れる。この従来技術では、たんに第２高調波Ｉ２が電気角φに対する尺度として使用されている。電気的スターティング・ロータ角度δは数的には次の連立方程式に基づいてもとめられる：
δ＝ａｒｃｔａｎ（ｂ／ａ）
Ｐ１＝ａ・ｓｉｎβ１＋ｂ・ｃｏｓβ１
Ｐ２＝ａ・ｓｉｎ（β２−１２０°）＋ ｂ・ｃｏｓ（β２−１２０°）
ただしここでＰ１＝（Ｉ２１）：（Ｉ１１）３、
Ｐ２＝（Ｉ２２）：（Ｉ１２）３であり、
ここでＩ１１は第１の測定（ステップ１０７）の電流経過ｉの基本波であり、Ｉ２１は第１の測定（ステップ１０７）の電流経過ｉの第２高調波であり、Ｉ１２は第２の測定（ステップ１１１）の電流経過ｉの基本波であり、Ｉ２２は第２の測定（ステップ１１１）の電流経過ｉの第２高調波である。
【００２５】
３つの未知数及び３つの方程式を有する上記の連立方程式は一義的に解かれる。今や既知の電気的スターティング・ロータ角度δによって所望の始動方向を向いたモータ１０の所期の制御が可能である。
【００２６】
代替的な実施形態では、ステップ１０５、１０７；１０９、１１１の制御及び測定に加えて、さらに所属の検出を有する第３の制御を実施する。この第３の制御では、モータ１０が更に１２０°だけずらして制御され、つまり第３の相２８に図４ａに示された正弦波状電圧が印加され、これに対して第１及び第２の相２４、２６にはこれに対して反転された電圧が印加される。次いで第３の相２８で生じる電流経過ならびにインクリメンタルエンコーダ１２の出力信号β３が検出される。同じやり方で第３の地点Ｐ３が基本波Ｉ１の三乗により除算された第２高調波Ｉ２の比から形成される。よって、今や３つの地点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が使用でき、これら３つの地点はほぼ正弦波曲線上にあるはずである。この正弦波曲線はこれら３つの地点ならびに３つのインクリメンタルエンコーダ信号β１、β２、β３を使用して例えば最小二乗法によってもとめられる。これからスターティング・ロータ角度δが決定される。
【００２７】
励磁電圧の曲線経過は必ずしも正弦波状である必要はなく、検出された測定量の基本波及び第２の高調波をもとめるために周期的な振動で十分である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための装置のブロック回路図を示す。
【図２】
従来技術による電気的ロータ角度と第２高調波Ｉ２の経過との関係を基準正弦波曲線に対比して示す。
【図３】
実施例による電気的ロータ角度と基本振動の三乗により除算された第２高調波の経過との関係を基準正弦波曲線に対比して示す。
【図４】
図４ａは印加される電圧の時間に依存する経過を示し、図４ｂは時間に依存して示された検出される電流経過を示す。
【図５】
電気的ロータ角度に依存する第２高調波の基本波の三乗に対する比をより精確に示す。
【図６】
電気的スターティング・ロータ角度をもとめるための方法のフローチャートを示す。
【符号の説明】
１０　電気モータ
１２　インクリメンタルエンコーダ
１４　第１の電流センサ
１６　第２の電流センサ
１８　評価ユニット
１９　メモリ
２０　インバータ
２２　給電モジュール
２４　第１の相
２６　第２の相
２８　第３の相
３０　インクリメンタルエンコーダ信号
３２　第１の電流値
３４　第２の電流値
【図２】
2004514394.tif 000011
【図３】
2004514394.tif 000012
【図６】
2004514394.tif 000013
【国際公開パンフレット】
2004514394.tif 000014
2004514394.tif 000015
2004514394.tif 000016
2004514394.tif 000017
2004514394.tif 000018
2004514394.tif 000019
2004514394.tif 000020
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2004514394.tif 000031
2004514394.tif 000032
2004514394.tif 000033
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004514394.tif 000035
【国際調査報告】
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2004514394.tif 000037
2004514394.tif 000038
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