(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの固定子コイルを備えた多相電動機の永久磁石回転子の角度位置を測定する方法であって、
第１の所定周波数を有する第１の交流信号が、少なくとも第１の前記コイルの第１の端部に供給され、
測定信号が前記少なくとも第１のコイルの第２の端部に接続された導体手段を介して出力され、前記少なくとも第１のコイルの実効インダクタンスの周期的変化に関連する、回転子の前記角度位置に応じたデータを前記測定信号から引き出すように形成された電子処理手段に供給され、
前記第１の交流信号が前記コイルの少なくとも２つのコイルのそれぞれの第１の端部に連続的かつ周期的に供給され、前記電子処理手段が前記角度位置を測定するために使用するオフセット測定信号を、前記少なくとも２つのコイルのそれぞれの第２の端部から、出力し、
前記第１の周波数を有する第２のオフセット交流信号が、前記第１の交流信号と同時に第２の前記コイルの第１の端部に供給され、その第２の端部が前記電子処理手段に電気接続され、前記電子処理手段が、第１および第２の交流信号の一方と、供給される第１および第２の交流信号に応じて前記第１および第２のコイルの第２の端部で受け取る信号を混合することによって形成される前記測定信号との間の移相を測定するようになされ、前記移相が前記実効インダクタンスの前記周期的変化の関数である、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の信号を供給するために、スイッチング回路、詳細には「ＦＰＧＡ」タイプのスイッチング回路によって制御される一組のスイッチが設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電動機が三相電動機であり、それぞれ３つの相に結合された３つのコイルを備え、回転子の位置に応じたその展開がそれぞれ互いに１２０°オフセットした正弦波曲線に類似した３つの測定曲線を決める３つの測定信号を得るために、前記第１および第２の交流信号が、３つのコイルのうちの２つに周期的かつ連続的に供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電子処理手段が、同じ振幅値および同じ平均値を中心とする３つの修正測定曲線を得るために、各測定曲線の振幅およびオフセットを修正するようになされることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電子処理手段が、
回転子の所与の位置に対して、その値または修正値が他の２つの測定信号の値または修正値の間にあるか、あるいはこれらの２つの他の測定値のうちの一方の値または修正値に等しい値の測定信号を、前記３つの測定信号から選択し、前記選択された信号の前記値または修正値が測定値を決め、
回転子の完全な１回転に対応する周期にわたって選択することができる、すべての測定値に対応するジグザグ曲線を形成している複数のセグメントから曲線セグメントのランクを決定し、
選択された測定値および決定されたランクのセグメントに対して、前記角度位置の値を一義的に測定することを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記電子処理手段が、基準ジグザグ曲線を決める分析数式の定義済みパラメータをメモリ内に備え、前記角度位置の前記測定が、前記測定値を前記分析数式に導入することによって計算アルゴリズムで実行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】
前記基準ジグザグ曲線が、連続する線形セグメントによって形成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電子処理手段が対応表を備え、その中に複数の所定の基準値が導入され、各基準値に対する所定の角度位置の値が前記対応表に導入され、前記測定値に最も近い基準値を決定することによって前記角度位置が得られることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記電子処理手段が、回転子の角度位置を３６０°の範囲にわたって一義的に提供するために、回転子の回転の展開に従うようになされることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの固定子コイルを備えた多相電動機の永久磁石回転子の角度位置を測定する方法に関する。特にロボット工学の分野、および歯科治療およびマイクロ外科で使用されているような回転器具を備えた装置に対しては、電動機の回転子の角度位置を正確に測定することが望ましく、あるいは必要とさえするものがある。
【０００２】
永久磁石回転子の角度位置を測定するための、１２０°オフセットした実質的に３つの正弦波曲線を与える、１２０°オフセットされた３つのホール・センサの配列が知られている。また、回転子の角度位置の測定精度を上げるために、回転子の軸に位置エンコーダを配置することも可能である。これらの配列にはセンサを追加する必要があり、そのために装置がよりかさばったものになり、マイクロモータを統合した寸法の小さい装置の大きな欠点になっている。
【０００３】
また、大きさが回転子の回転速度に比例した誘導電圧信号を出力する発電機が知られている。したがって３相永久磁石回転子の場合、回転子の位置および／または速度を測定する誘導電圧データを引き出すために、電動機の電源を短い間隔で周期的に停止させることができる。回転子の角度位置を測定するためのこの後者の方法には、回転子が特定の速度、例えば約１，０００回転／分で回転している時にしかデータが得られない、という大きな欠点がある。したがって低速度すなわち比較的小さい角度の回転に対しては、電動機コイル内の誘導電圧に基づいてデータを予測することができない。
【０００４】
本発明の目的は、かさばる角度位置検出装置を避け、回転速度および移動角度経路に無関係に回転子の角度位置を検出するための方法を提供することにより、前述の従来技術の欠点を克服することである。
【０００５】
この目的は、少なくとも第１の交流信号がコイルの第１の端部に供給され、かつ、少なくとも第１の測定信号が前記コイルの第２の端部に出力される、本明細書の特許請求の範囲の請求項１による方法によって達成される。
【０００６】
本発明を導いた開発の段階で、本発明者は、交流信号が供給されるコイルの実効インダクタンスの周期的変化に関連する、永久磁石回転子、詳細には２極永久磁石回転子の角度位置に応じたデータを上記測定信号が含んでいることに気が付いていた。
【０００７】
さらに、本発明は、本発明による方法を実施するための電子システムにも関する。
【０００８】
本発明による方法により、測定信号の適切な処理を通して、回転子の回転速度に関係なく、さらには回転子が停止中であっても、回転子の角度位置を高レベルの精度で測定することができる。この方法の結果、高レベルの精度の比較的短い経路とするように電動機を制御することができる。
【０００９】
本発明については、制限されることのない例として示した添付の図面に照らして行った、本発明による方法の実施形態および本発明による方法を実施するための手段についての以下の説明を読むことにより、より良く理解されるであろう。
【００１０】
図１に示す電子回路はＬＣ発振器を形成しており、インダクタンスは、回転子３が２極永久磁石４を備えた電動機のコイル２ａ、２ｂ、２ｃによって決められる。図１の回路は、詳細には図２に概略を示すように、回転子の位置の関数として２．８ＭＨｚと３ＭＨｚの間での変化しながら発振を継続させる。この変化は、回転子の回転速度すなわち電動機に供給される供給電流の値に実質的に無関係であることが分かる。したがって電動機のコイルの実効インダクタンスに、本質的に回転子の位置を関数とする周期的変化が観測される。当分野の技術者は、回転子の角度位置に関連するデータを予測するために、図１に示すタイプの発振器の周波数を測定するための電子回路を設計することができるであろう。本発明者による国際特許出願第ＷＯ００／０４６３１号では、固定子コイルに結合された２つの発振器の周波数変化の測定値が使用されている。図１の電子回路に関するより詳細な説明については、その優先権が主張されている欧州特許出願第ＥＰ９９１２５０１７．６号を参照されたい。この欧州特許出願は、図３および４に示す、回転子の角度位置に応じたコイルの実効インダクタンスの周期的変化を増やすための実施形態と同様の回転子の実施形態についても開示している。
【００１１】
図３および４は、本発明による角度位置検出システムに結合される電動機に備え付けられる回転子３Ａおよび３Ｂの２つの代替実施形態を示したものである。本出願人は、回転子の永久磁石の表面に金属、詳細には非磁性金属を部分的に配置することにより、固定子コイルの実効インダクタンスの周期的変化が増加することに気が付いた。回転子３Ａは、１８０°オフセットされた２つの金属条片５を有しており、図３にはそのうちの一方のみが示されている。回転子３Ｂは、永久磁石４を取り囲む金属製円筒６を有し、その円筒には軸方向に配列された、やはり１８０°オフセットされた２列の孔７が設けられている。制限されることのない例として示すこの変形態様では、Ｎ−Ｓ磁軸は、孔７の半径方向に整列している。より詳細な説明については、前述の欧州特許出願を参照されたい。
【００１２】
図５を参照しながら、以下、本発明による方法の第１の実施態様および前記方法を実施するためのシステムについて説明する。
【００１３】
周波数発生器１０は、バンドパス・フィルタ１２を介して、３つの固定子コイル２ａ、２ｂ、２ｃのうちの１つの第１の端部に選択的に供給される、所定の周波数を有する交流信号を提供している。次に、測定信号が、これらのコイルのうちの、交流信号が供給されるコイルの第２の端部に接続された他のコイルを介して出力される。この測定信号は、入力部に抵抗Ｒが設けられた増幅器１８を含む電子処理手段に供給される。増幅器１８の入力インピーダンスが極めて高い場合、その増幅器の入力部のインピーダンスを小さくし、測定信号に対する妨害が生じないよう、抵抗値の小さい抵抗Ｒが使用される。しかし、抵抗Ｒの抵抗値は、トランジスタ１８の入力部で測定信号を形成する電圧信号が、３つの固定子コイルの中間点２０における、交流信号の周波数を有する信号の電圧に実質的に対応するように、コイルの抵抗値よりはるかに大きいことに留意されたい。
【００１４】
可能な最もきれいな測定信号を得るために、測定信号はバンドパス・フィルタ２２を通過する。バンドパス・フィルタ２２の出力部に交流信号が観測される。その交流信号の包絡線は、回転子の角度位置の関数の変調である。この角度位置に関連したデータを引き出すために、測定された信号は、従来の方法で、前述の包絡線に対応した電気信号を得るために整流器２４を通過する。回転子が回転している間、交流信号が電動機の３つの相Ａ、Ｂ、Ｃに周期的に連続して送られてくる場合、ウィンドウ２６に示すように、１２０°オフセットした、すなわち位相が１２０°シフトした実質的に正弦波形の３つの曲線となる３つの測定信号が得られる。しかし、３つの固定子コイルが必ずしも同一ではない場合、得られる３つの測定曲線が異なるオフセットおよび振幅を有することが分かっている。したがって、各曲線のオフセットおよび振幅を修正するための手段が設けられている。これらの手段は加算演算増幅器２８を備え、その一方の入力に測定された信号が供給され、また、その第２の入力に、３つの相Ａ、Ｂ、Ｃの各々に対する特定のオフセット信号が、ディジタル／アナログ変換器３０を介して供給されている。測定する３つの相に対する特定のオフセットは、レジスタ３２に格納されている。最後に、測定された信号は、３つの相の各々に対する乗算係数ＣＭがレジスタ３６から特別に選択される乗算ディジタル／アナログ変換器３４に供給される。アナログ・スイッチ１６の起動と、乗算器ＣＭのオフセットおよび係数の選択は、電子制御回路３８を用いて周期的に同時に実行される。
【００１５】
したがって、回転子の各角度位置に対する３つの測定値を決める３つの測定曲線を使用して、この角度位置を正確に測定することができる。曲線が実質的に正弦波である場合、ディジタル的に容易に測定することができる。曲線が実質的に正弦波でない場合における回転子の角度位置を有効に測定する方法について、以下、本発明の好ましい実施形態に照らして説明する。
【００１６】
上で説明した、本発明による角度位置検出方法を実施するためのシステムの感度の考察は、システムに特定の欠点があることを示している。第１に、同一オフセットおよび同一振幅を有する３つの測定曲線を得るための電子回路が比較的複雑である。次に、システムの環境、詳細には電動機に結合される電気ケーブルによって、その場その場で、測定された振幅変調および測定曲線のオフセットが変更されてしまう。したがって、以下、本発明の第２の好ましい実施態様およびその実施態様に結合される、位相変調を用いた電子システムの実施形態について説明する。
【００１７】
以下、図６から１０に照らして説明する本発明の好ましい実施態様によれば、電動機の第１の相すなわち固定子コイルの第１の入力に第１の信号ＳＦＡが供給され、同時に、第２の相すなわち第２のコイルの第１の端部に、同じ周波数ＦＯの第２の交流信号ＳＦＢが供給されている。信号ＳＦＢは、移相回路４２によって、信号ＳＦＡに対してオフセットされている。この２つの交流信号の間の移相は、予め定められている。この信号ＳＦＡおよびＳＦＢは、上で説明した第１の実施形態と同様、２つのバンドパス回路１２、１３、および増幅器１４、１５を介して、２つのコイルの第１の端部に供給されている。
【００１８】
測定信号ＳＭＣは、電動機の第３の相に結合された第３のコイルを介して得られ、周期的なインダクタンスの変化による回転子の角度位置に応じたデータを引き出すために、電子処理手段、詳細には変換器に供給される。測定信号ＳＭＣは、３つの固定子コイルの間の電気接続点２０で受け取る信号を混合することによって形成される。したがって、第１および第２の交流信号ＳＦＡおよびＳＦＢに応じて電圧測定信号が得られ、その周波数は、この信号ＳＦＡおよびＳＦＢの周波数ＦＯに対応している。信号ＳＭＣは、トリガ４６へ供給される前に、周波数ＦＯに増幅され、かつ、フィルタされる。トリガ４６は、測定信号ＳＭＣのイメージである、ディジタル化された信号ＳＤＣを供給している。
【００１９】
ウィンドウ４８に、供給される信号ＳＦＡと回転子３の２極磁石４の半回転毎に増幅される測定信号ＳＭＣの包絡線を示す。したがって、交流信号ＳＦＡに対する信号ＳＭＣの位相は、最大移相Δθである２つの極限値の間を、回転子の角度位置αの関数として変化することが分かる。信号ＳＭＣの実質的に正弦波の曲線をディジタル化することにより、トリガ４６は、図７に略図で示すように、供給された信号ＳＦＡと測定信号ＳＭＣの間の移相変化の測定を可能にしている。交流信号ＳＦＡの時間周期はＴＰであり、その前縁は、初期基準時間Ｔ０である。ディジタル化された測定信号ＳＤＣは、初期時間Ｔ０から可変時間間隔ＴＶ後に生じる前縁５０を有している。
【００２０】
間隔ＴＶの変化の中に、実効インダクタンス変化に関連するデータが含まれている。このデータを最も有効に利用するために、図８Ａに示すように２つの測定値が提供されている。第１に、比率ＴＶ／ＴＰに比例した電圧を供給するためのＲＣ回路５４が設けられている。電圧信号ＵＲＣＣの変化を大きくするために３状態ゲート５６が導入され、時間ウィンドウＴ内における前縁５０の位置変化を封じ込めている。Ｔの値は、最大ＴＶ変化よりも若干長くなっている。したがって信号ＵＲＣＣの変化は、低い値とＵＲＣｍａｘに近い値の間で実質的に変化する。時間ウィンドウは、所定の遅延時間Ｔｒｅｔ後に生じる。３状態ゲート５６は、「単発」回路５８を介して遅延回路６０によって供給される制御信号ＦＴによって起動される。回路５８および６０は、当分野の技術者には知られている回路である。図８Ｂは、位相変化を測定するための測定信号処理時に発生する様々な信号を示したものである。したがって電子処理手段は位相検波器であり、その変化が測定信号ＳＭＣの位相変化に対応する電圧信号を供給している。図９に示すように、信号ＵＲＣＣは演算増幅器６２にも供給され、増幅器の出力部における測定信号のインピーダンスを小さくしている。したがって、回転子の角度位置の関数として変化することができ、かつ、その周期がその回転子の半回転に対応する信号ＵＲＣＣが得られる。したがって、測定され、かつ、処理された信号により、周期的に変化し、かつ、正弦波曲線に似た波形の曲線を得ることができる。
【００２１】
回路４２によって導入される、測定のために供給される２つの信号間の移相は、１４０°と１６０°の間であることが好ましい値を有していることに留意されたい。この範囲の値は、測定信号の最適位相変化とその電圧の間の折れ合いに対応している。
【００２２】
回転子の角度位置を有効に測定し、また、特に回転子の回転方向を測定するためには、互いにオフセットした関係にある少なくとも２つの測定曲線を持つことが必要である。そのためには、図５で既に説明した第１の実施形態と同様の方法を実施し、３つの固定子コイルのうちの２つに、第１および第２の交流信号を周期的かつ連続的に供給することにより、展開が、回転子の位置の関数として、互いに１２０°オフセットしたそれぞれ３つの測定曲線となる３つの測定信号を得ることができる。この場合、測定信号は、２つのオフセット交流信号を他の２つの相に供給することにより、３つの相Ａ、Ｂ、Ｃの各々に連続的に出力される。電動機の３つの相を形成する３つの固定子コイルの第２の端部に３つの測定信号を、比較的短い間隔で周期的かつ連続的に出力するための回路の製作方法については、当分野の技術者には知られている。このような回路を製作するために、詳細には３状態高インピーダンス出力を備えた演算増幅器、例えばＮａｔｉｏｎａｌ社製ＣＬＣ４３０タイプを使用することができる。このタイプの一組のスイッチは、Ｘｉｌｉｎｘ社製ＸＣ４００８タイプの「ＦＢＰＡ」スイッチング回路によって制御することができる。
【００２３】
したがって回転子の各角度位置に対して３つの測定信号を得ることができる。連続的に測定することにより、回転子が回転することによって、電動機の３つのコイルにおけるこれらの測定信号の位相変調、すなわち移相の変化によって生成される、回転子の永久磁石の角度位置に応じた３つの周期測定曲線が決められる。
【００２４】
３つの相の間の対象性が若干欠ける場合、動的修正器を使用して、生成された測定曲線のオフセットおよび振幅が同じになるよう、測定信号が修正される（図１０参照）。そのためには、３つの相の各々によって供給される信号ＵＭＰが変換器６６に供給される。変換器６６は、前述のＦＰＧＡ回路をスイッチングすることによって制御される。動的修正は、３つの相の各々に対する修正測定値ＳＰＣを供給するマイクロプロセッサを使用して実行される。したがって１２０°オフセットした３つの曲線ＳＰＣＡ、ＳＰＣＢ、およびＳＰＣＣが得られる。
【００２５】
本発明の範囲内において、回転子の位置を測定するための正確かつ有効な方法が意図されている。その方法について、以下、図１１から１４に照らして説明する。傾斜が比較的緩やかである場合、測定曲線のピーク領域では、測定精度が悪くなることが分かっている。これらの領域を排除するために、本発明によれば、回転子の所与の位置に対する測定信号の値は、他の２つの測定信号の値の間に置かれるか、あるいはこれらの２つの他の測定値のうちの一方の値に等しい値が、これら３つの測定信号から選択されている。このことは、所与の角度位置に対して、単一の測定値が図１１の太線で示されているジグザグ曲線７０のセグメント上で選択されることを意味している。
【００２６】
角度位置は、回転子の半回転にわたって、図１２の最初の３行に示す、曲線７０のセグメントを選択するアルゴリズムを用いて一義的に決められる。実際に、測定された相に属する曲線セグメント７０の１つによって与えられる測定値については、この値は、半回転にわたって、２つの角度位置にのみ対応しうる。この２つの角度位置に対して、他の２つの測定信号の１つが取る２つの値は、一方は曲線７０の前記値より小さく、また、もう一方は前記値より大きくなっている。図１２に定義されているアルゴリズムによって与えられる、回転子の完全な１回転にわたるジグザグ曲線７０のセグメントのランクを決定するための最後の４つの条件では、時間にわたる測定信号の展開が考慮されている。つまり、時間ｔ−１でレジスタ７２に置かれた値ＲＥＧがメモリに格納され、ビットｚ３の論理状態に応じて、連続する２つの半回転の区別を可能にする、時間ｔにおける値ＲＥＧの展開が観察される。したがって、回転子の１回転にわたって、曲線７０の各セグメントに異なるランクを与えることにより、ランクが決定されている曲線７０の１つのセグメント上で選択された測定値に対して、図１１の曲線７４で示すように、完全な１回転にわたる回転子の角度位置を一義的に測定することができる。
【００２７】
角度位置の値を、ジグザグ曲線７０上で選択された測定値の関数として測定するために、２つの変形態様が提供されている。第１の変形態様は、図１３に略図で示す分析手法である。所与の電動機または特定のタイプの電動機に対して、曲線７０に対応する基準ジグザグ曲線が決められる。この基準曲線は、分析数式を使用することによって与えられる。
【００２８】
図１３に提供されている変形態様では、基準ジグザグ曲線７４は、連続する線形セグメントで形成され、対応する実際の曲線の近似である。したがって基準曲線の中では、曲線７０のセグメントは線形セグメントに関連しており、そのセグメントのパラメータは、例えば、当該電動機のタイプの電動機に対して得られた実際の測定曲線に対する、線形回帰を使用して決められる。ランクＮの各線形セグメントＳＧＭＮに対して、極限点（ＰＩＰＮ；ＰＩＡＮ）および（ＰＩＰＮ＋１；ＰＩＡＮ＋１）、および傾きＴＧＳＮが予め定められ、電子処理手段に導入されている。ランクＮが決定されているセグメントに対して、測定値ＡＮ（ｔ）に応じた角度位置αＮ（ｔ）が、次の分析数式
【数１】
0004202648.tif 000002
によって与えられる。
【００２９】
角度位置を測定するための第２の変形態様は、比較手法からなっている。回転子の少なくとも半回転にわたる基準曲線を決める複数の基準値が、対応表７６に導入されている。また、表７６には、各基準値に対応する所定の回転子角度位置の値が格納されている。曲線７０のセグメントが決定すると、選択された測定値に最も近い基準値を決定することによって角度位置が得られる。
【００３０】
前述の基準値を決めるために、図１４に略図で示すように、位置エンコーダ７８を使用することができ、また、変換器８０によってそれらをディジタル化することにより、各相に対する曲線ＵＭＰが得られる。
【００３１】
最後に、本発明による方法の実施態様について、固定子コイルが星形に配列された電動機を参照して説明したが、この方法は、三角接続の固定子コイルにも適用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  固定子コイルに結合されたＬＣ発振器の周波数変化を介した固定子コイルのインダクタンス変化を示す図である。
【図２】  固定子コイルに結合されたＬＣ発振器の周波数変化を介した固定子コイルのインダクタンス変化を示す図である。
【図３】  本発明の範囲内で使用される回転子の２つの実施形態を示す図である。
【図４】  本発明の範囲内で使用される回転子の２つの実施形態を示す図である。
【図５】  本発明による、回転子の角度位置を検出するためのシステムの第１の実施形態を部分的に示す図である。
【図６】  本発明による回転子位置検出方法の好ましい実施形態を説明するために使用される、本発明による検出システムの第２の実施形態を示す図である。
【図７】  本発明による回転子位置検出方法の好ましい実施形態を説明するために使用される、本発明による検出システムの第２の実施形態を示す図である。
【図８】  本発明による回転子位置検出方法の好ましい実施形態を説明するために使用される、本発明による検出システムの第２の実施形態を示す図である。
【図９】  本発明による回転子位置検出方法の好ましい実施形態を説明するために使用される、本発明による検出システムの第２の実施形態を示す図である。
【図１０】  本発明による方法に使用される、測定曲線を修正するための回路の略図である。
【図１１】  得られた３つの測定信号の中から測定値を選択するための本発明による方法を示す図である。
【図１２】  得られた３つの測定信号の中から測定値を選択するための本発明による方法を示す図である。
【図１３】  回転子の角度位置を、選択された測定値の関数として測定するための第１の変形態様を示す図である。
【図１４】  回転子の角度位置を、選択された測定値の関数として測定するための第２の変形態様を実施するための手段の略図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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