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【発明の名称】 機械的に整流される直流電動機における回転速度を検出する方法
【発明者】 【氏名】エルヴイン・ケスレル

【氏名】ヴオルフガング・シユルテル
【要約】 【課題】補償の費用を減少し、かつ障害安全性を維持し、又は改善できるように、機械的に整流される直流電動機における回転速度を検出する方法を発展させる。

【解決手段】電動機Ｍから電動機電圧ＵＭ（ｔ）が、かつ測定抵抗を介して電動機電流Ｉａ（ｔ）が検出される。電動機電流Ｉａ（ｔ）は、一方においてリプル検出器１に、すなわち電動機電流Ｉａ（ｔ）のリプルから整流を認識する装置に供給され、他方において電動機状態モデル２にも供給され、この電動機状態モデルは、その上さらになお電動機電圧ＵＭ（ｔ）を検出する。リプル検出器１及び電動機状態モデル２は、それぞれ評価ユニット３に接続されており、この評価ユニットは、電動磯状態モデルにおいて補外された回転速度及び目標時間範囲を、電動機電流Ｉａ（ｔ）から検出された回転速度と比較し、かつ相応してそれぞれさらにありそうな量から初期値、回転速度及び回転角を準備する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ａ）電動機電流（Ｉａ（ｔ））のリプルの時間経過が検出され、整流の時点（ＴＫ）が判定され、かつそれから評価ユニット（３）内において、回転速度（ｎ）及び／又は回転角（φ）が導き出されることによって、電動機電流（Ｉａ（ｔ））の整流の際に生じる波型（リプル）の時間経過から、機械的に整流される直流電動機における回転速度（ｎ）及び／又は回転角（φ）を検出する方法において、ｂ）電機機械的な電動機方程式が基礎とする電動機状態モデルの電動機電流（Ｉａ（ｔ））のリプルの検出と並行して、電動機電流（Ｉａ（ｔ））及び電動機電圧（ＵＭ（ｔ））から、許容される目標時間範囲（Ｔ（ｍ）＋／−ΔＴ）が判定され、ｃ）整流の時点（ＴＫ（ｍ））が、許容される目標時間範囲（Ｔ（ｍ）＋／−ΔＴ）内にあるときにだけ、評価ユニット（３）によって考慮され、かつｄ）許容される目標時間範囲（Ｔ（ｍ）＋／−ΔＴ）内においてリプルが整流に対応付けることができない場合、評価ユニット（３）が、電動機状態モデルからこの目標時間範囲（Ｔ（ｍ）＋／−ΔＴ）に対する推定の整流時点（Ｔ（ｍ））を補外することを特徴とする、機械的に整流される直流電動機における回転速度（ｎ）及び／又は回転角（φ）を検出する方法。
【請求項２】 静摩擦に打勝つ前に少なくとも一度、電動機電流（Ｉａ）と電動機電圧（ＵＭ）を判定することによって、始動時点における電動機インピーダンスのオーム性成分が判定されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】 静摩擦に打勝つ前に、電動機電流及び電動機電圧が複数回検出され、かつ電動機電流及び電動機電圧の測定値から、なるべく電動機インピーダンスの値であるが、少なくともそのオーム性成分（Ｒ）が、適応に整合されることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】 ａ）電動機電流又は電動機電圧の上昇とともに、まだ静摩擦に打勝たないうちに、電動機電流（Ｉａ（ｔ））及び電動機電圧（ＵＭ（ｔ））が複数回検出され、かつなるべく電動機インピーダンスの値であるが、少なくともそのオーム性成分（Ｒ）が適応に整合され、ｂ）電動機電流（Ｉａ（ｔ））及び電動機電圧（ＵＭ（ｔ））が、なるべく連続的であるが、少なくとも整流時点の近くにおいて検出され、ｃ）電動機状態モデルにおいて簡単化された電動機方程式、Ｕｑ＝ＵＭ（ｔ）−Ｉａ（ｔ）・Ｒ−Ｌ・（∂Ｉａ（ｔ）／∂ｔ）にしたがって、誘起された電機子電圧（Ｕｑ（ｔ））が、回転速度に比例する量として判定され、かつ式、Ｕｑ≒ｃ・ｎＭ（ｔ）にしたがって、推定の回転速度（ｎＭ（ｔ））が補外され、その際ｃが、電動機に固有の量であり、この量が、ｃ１）今までに整流から検出された現在の回転速度（ｎ（ｔ））及び電動機電流（Ｉａ（ｔ））及び電動機電圧（ＵＭ）から式、ｃ（ｔ）＝（ＵＭ（ｔ）−Ｉａ（ｔ）・Ｒ−Ｌ・（∂Ｉａ（ｔ）／∂ｔ）にしたがって整合され、その際、Ｌが、電動機巻線のインダクタンスであり、ｃ２）又はなるべく電動機スタートのためだけに固定的にあらかじめ与えられ、ｄ）推定の回転速度（ｎＭ（ｔ））から、式、Ｔ（ｍ＋１）＝ＴＫ（ｍ）＋１／ｎＭ（ｔ）にしたがって次の整流（ＴＫ（ｍ＋１））の目標時間範囲（Ｔ（Ｍ＋１）＋／−ΔＴ）があらかじめ与えられ、その際、ΔＴが、あらかじめ与えられる公差の大きさ、かつＴ（ｍ＋１）が、推定の次の整流時点であり、ｅ）目標時間範囲（Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ）において、電動機電流（Ｉａ（ｔ））のリプルの時間経過が観察され、かつｅ１）この時間間隔内に生じたリプルが、許容差得る整流過程（ＴＫ（ｍ＋１））と認識され、それから現在の回転速度（ｎ（ｔ）＝ｎ（ＴＫ（ｍ＋１））＝１／（ＴＫ（ｍ＋１）−ＴＫ（ｍ）））及び回転角の増分（φ（Ｔ）＝φ（ＴＫ（ｍ＋１））＝φ（ＴＫ（ｍ））＋１＝ｍ＋１）が、評価ユニットから転送され、かつ電動機に固有の量ｃが、（ｃ（ＴＫ（ｍ＋１）））としてステップｃ１）にしたがって（ｎ（ｔ））に基付いて整合され、又はｅ２）目標時間範囲（Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ）において、許容される整流過程（ＴＫ（ｍ＋１））が認識されない場合に、補外された推定の回転速度（ｎＭ（Ｔ（ｍ＋１）））が、かつ推定の時点（Ｔ（ｍ＋１）＝１／ｎＭ（Ｔ（ｍ＋１））＋ＴＫ（ｍ））に回転角（φ（Ｔ）＝φ（ＴＫ（ｍ））＋１＝ｍ＋１）の増分が、評価ユニットにより転送され、かつｆ）目標時間範囲（Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ）の外に生じるすべてのリプルが無視され、かつ方法ステップｂ）ないしｅ）が繰返される：ステップを特徴とする、請求項１記載の方法【請求項５】 とくに第１の不動作位置に対応するゼロ値からの回転角の増大によって電動機により駆動される部分における位置検出及び制御のため、とくに同時にまだ到達していない第２の不動作位置における締付けの認識のための、請求項１ないし４の１つに記載の方法の利用。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電動機電流のリプルの時間経過が検出され、整流の時点が判定され、かつそれから評価ユニット内において、回転速度及び／又は回転角が導き出されることによって、電動機電流の整流の際に生じる波型（リプル）の時間経過から、機械的に整流される直流電動機における回転速度及び／又は回転角を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】このような方法は、例えばヨーロッパ特許出願公開第０６８９０５４号明細書、ヨーロッパ特許出間公開第０７３０１５６号明細書、及びドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３５５８５号明細書から明らかである。
【０００３】直流電動機の電流の交流成分、波型又は英語の概念によればリプルと称するものを、電動機の回転速度のための尺度として検出し、評価し、かつ利用することは、一般に周知である。ドイツ連邦共和国特許出顎公開第３５２７９０６号明細書に、例えばいわゆるゼロ交差法が記載され、ここでは直流成分を除去した後に、電流のゼロ交差が検出される。
【０００４】さらに図４ａ及び４ｂに示したように、電機機械的な電動機状態モデルにより電動機方程式に基付いて直流電動機の特性を記述できることは、周知である。発電機方程式とも称する電動機方程式、Ｕｑ（ｔ）＝ｃ・Φ・ｎ（ｔ）、電動機方程式、Ｍｍ（ｔ）＝ｃ１・Φ・Ｉａ（ｔ）、及び電気的な関係、Ｕｑ＝ＵＭ（ｔ）−Ｉａ（ｔ）・Ｒａ−Ｌ・（∂Ｉａ（ｔ）／ａｔ）は、同様に文献、例えばリントナ他著：ナーハシュラーゲヴェルク・エレクトテクニーク−エレクトニーク、ライプツィッヒ、第２版、１９８３、第１９９頁以後、から引出すことができる。参照符号（図４ａ、ｂ及び式も参照）は、相応して同様に選ばれており、個々にＵｑは、誘起された電機子電圧、ｃ、ｃ１、ｃ２は、電動機定数とも称する電動機に固有の量、Φは、磁束、ｎは、回転速度、ＭＬは、負荷モーメント、Ｍｍは、電動機モーメント、かつＭＢは、それにより得られる加速度モーメント、Ｉａは、電動機又は電機子電流、ＵＭは、電動機端子電圧、Ｒａは、電機子抵抗、ＲＫは、外部端子抵抗、Ｌは、電動機巻線のインダクタンス、かつＪは、動くべき部分、例えば窓も含めた回転装置全体の質量完成モーメントを表わしている。
【０００５】ヨーロッパ特許出願公開第０６８９０５４号明細書の類概念を形成する方法において、電流リプルの発生された信号が、位相シフトされ、かつ位相シフトされたものが、位相シフトされないものに加算され、又は引算され、それによりとくに二重整流現象を含まない信号が得られる。
【０００６】いわゆるリプルカウント法も、この文献から明らかである。ビルク著の論文、“ウンコンベンツィオネレ・ドレーツァールメッスング・ウント・−レーゲルング・バイ・グライヒシュトロームモトーレン”、エレクトロニーク２５、１９８４、１２、１４、第７１頁以後から、同様に電機子電流の整流リプルから回転速度を増分判定することが引出される。
【０００７】前記の文献から、電流リプルの認識及び判定における基本的な問題も引出され、とくに電源電圧の障害及び二重整流に対する故障しやすさが引出される。回路技術上の手間は、あらゆる補償法においてかなりのものであり、かつ障害は、最終的に排除することができない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、補償の費用を減少し、かつ障害安全性を維持し、又は改善することができるように、特許請求の範囲第１項の上位概念に記載の方法をさらに発展させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】課題は、特許請求の範囲第１項の特徴部分の特徴によって、次のようにして解決されている。すなわち電機機械的な電動機方程式が基礎とする電動機状態モデルの電動機電流のリプルの検出と並行して、電動機電流及び電動機電圧から、許容される目標時間範囲が判定され、整流の時点が、許容される目標時間範囲内にあるときにだけ、評価ユニットによって考慮され、かつ許容される目標時間範囲内においてリプルが整流に対応付けることができない場合、評価ユニットが、電動機状態モデルからこの目標時間範囲に対する推定の整流時点を補外する。本発明の有利な変形は、特許請求の範囲従属請求項から明らかである。
【００１０】基本思想は、電動機状態モデルにより許容される目標時間範囲を判定し、かつこれに対して並列に行なわれる電動機電流のリプルの時間経過の解析の結果を、これが目標時間範囲内にあるときにだけ、評価ユニットにおいて考慮することにある。電動機電流及び電動機電圧の他に電動機状態モデルのために必要な量は、固定的にあらかじめ与えられるか、しかし又は電動機電流及び電動機電圧の経過から導き出され、かつ相応して整合される。電動機インピーダンスは、まだ静摩擦に打勝つ前に、すでに始動時点において判定される。なぜならこの場合、回転速度はまだゼロであり、誘起される電機子電圧Ｕｑは存在しないからである。電動機電流及び電動機電圧の複数回の検出によって、電動機インピーダンスの値は、適応に整合することができ、かつ誤りは、このようにしてかなりの程度まで排除することができる。さらに温度及び負荷に依存した電動機固有の量ｃは、それぞれの整流過程の後に改めて判定することができかつこのようにして次の補外のために温度及び負荷の影響を考慮することができる。電動機の動作期間を比較的短くしたい場合、電動機に固有の量ｃは、動作期間全体にわたって固定的にあらかじめ与えられた値に維持することもできる。なぜならとくに温度の影響は、それに対してきわめておおいにゆっくとかつ弱く経過するからである。
【００１１】特許請求の範囲第４項に記載の方法ステップは、本発明による方法のとくに簡単な置き換えを示している。その際、それぞれまず次の整流時点は、電動機状態モデルによって補外され、目標時間範囲が確定され、かつこの目標時間範囲内において電流リプルの時間経過が観察される。
【００１２】発明の構想の利点は、障害に基付いて整流過程が認識できないときに明らかになる。すなわちこの時なお、評価ユニットに、次の整流時点の補外された推定の値が得られる。
【００１３】許容される目標時間範囲内において整流過程を認識した後に、この認識から現在の回転速度及び回転角増分の他に、必要な場合には正確な値によって電動機に固有の量も更新される。少なくとも電動機スタートのためにあらかじめ与えられる電動機に固有の量のようなあらかじめ与えるべき量は、この時、場合によっては適応に整合され、かつ推定の次の整流時点Ｔ（ｍ＋１）の回りの許容される目標時間範囲を判定する公差の大きさΔＴは、特別の手間をかけることなく、電動機制御部を製造する際に一緒に記憶することができ、又はそれぞれの用途に対して定義することができる。
【００１４】本発明による方法は、電流リプル評価を行なう周知の方法を補充し、その障害安全性を高め、かつとくにさもなければ位置判定の役割のためにしばしば必要な高価なホールセンサなしでも十分である。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に本発明を実施例及び図面により詳細に説明する。
【００１６】図１は、本方法を実施する装置を概略的なブロック回路図で示している。電動機Ｍから電動機電圧ＵＭ（ｔ）が、かつ測定抵抗を介して電動機電流Ｉａ（ｔ）が検出される。電動機電流Ｉａ（ｔ）は、一方においていわゆるリプル検出器１に、すなわち電動機電流Ｉａ（ｔ）のリプルから整流を認識する装置に供給され、他方において電動機状態モデル２にも供給され、この電動機状態モデルは、その上さらになお電動機電圧ＵＭ（ｔ）を検出する。リプル検出器１及び電動機状態モデル２は、互いに相互に接続されており、かつ一方において補外された、他方において電動機電流Ｉａ（ｔ）から実際に検出された結果を交換する。このようにして電動機状態モデル２は、リプル検出器１に、それぞれ次の整流過程ＴＫ（ｍ＋１）に対する目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴをあらかじめ与える。その際、回転速度ｍを介してそれぞれ１つの回転が検出される。この整流過程ＴＫ（ｍ＋１）が許容され、かつ目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ内に検出されると、偏差に基付いて必要ならば、この時点ＴＫ（ｍ＋１）に相応して、これから導き出すことができる現在の回転速度ｎ（ｔ）、及び電動機に固有の量ｃが整合される。
【００１７】さらにリプル検出器１及び電動機状態モデル２は、それぞれ評価ユニット３に接続されており、この評価ユニットは、電動磯状態モデルにおいて補外された回転速度ｎＭ（ｔ）及び目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴを、電動機電流Ｉａ（ｔ）から検出された回転速度ｎ（ｔ）と比較し、かつ相応してそれぞれさらにありそうな量から初期値、回転速度ｎ及び回転角φを準備する。
【００１８】図２においてフローチャートによって方法の経過が視覚化されている。給電電圧への接続によって、経過は自動的にスタートし、かつ電動機電流が存在するかどうかをテストする。その際、電動機電流は、まず電動機の活性化を認識するために使われる。
【００１９】電動機が投入され、かつそれにより電動機電流が流れると、まず電流の上昇は、まだ静摩擦に打勝たないうちに測定され、かつ電動機インピーダンスが判定されるが、少なくとも反転点の近くにおいて式、Ｒ＝ＵＭ／Ｉａにしたがってオーム性成分が判定される。なぜなら静摩擦に打勝つ前に、実際に電機子電圧Ｕｑは誘起されず、かつ誘導成分は、Ｒに対して無視できるほど小さいからである。この電流上昇評価は、図２においてブロック１によって示される。
【００２０】静摩擦モーメントに打勝つことにより、この時に回転する電機子により電圧が誘起され、この電圧は、式、Ｕｑ＝ＵＭ（ｔ）−Ｉａ（ｔ）・Ｒ−Ｌ・（∂Ｉａ（ｔ）／∂ｔ）にしたがって電動機電流Ｉａ（ｔ）及び電動機電圧ＵＭ（ｔ）から永久的に導き出すことができ、かつこの電圧は、インダクタンスＬが無視できる際になおさらに簡単化される。それにより、Ｕｑ≒ｃ・ｎＭ（ｔ）にしたがって、まず推定の回転速度ｎｍが見積もられる。この時、推定の回転速度ｎＭ（ｔ）から、次の整流ＴＫ（ｍ＋１）の目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴが導き出される。このことは、図２のブロック２において行なわれる。電動機に固有の量ｃとして、第１の整流過程に対してあらかじめ与えられた値が利用されるが、この値は、第１の整流の認識の後に、それぞれ現実化される。
【００２１】さらに回転速度ｎに相当する回転角増分がなお生じることがあるか、又はすでに前進行程の最後を越えたかどうかがテストされる。この場合、電動機は遮断される。
【００２２】次に電動機電流Ｉａ（ｔ）は、リプル検出器１（図１参照）によって監視される。その際、図１による評価ユニット３は、リプル検出器１がすでに次の整流ＴＫ（ｍ＋１）の目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴの外において電流尖頭値を検出するかどうかを監視し、かつこれらの電流尖頭値を無視する。なぜならこれら電流尖頭値は、例えば給電網への別の負荷の追加接続によって電動機電流の外部障害に帰するからである。
【００２３】目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ内に、検出可能な電流リプルが生じると、これは、次の整流過程ＴＫ（ｍ＋１）として認識される。図２におけるブロック３によって暗示しようとするように、この時、一方においてまず回転速度が具体的に検出され、かつ回転角増分は、この時点に対する位置計数にセットされる。さらに検出された整流過程及び現在の回転速度に基付いて、電動機に固有の量ｃが改めて検出でき、かつ次の計算のために整合できる。それにより方法は、変化する電動機条件、きわめて異なった前進速度、及び動作の間の負荷変化又は加熱に整合することができる。
【００２４】しかしながら例えば障害に基付いて、電流リプルが検出されない場合、その代わりに、推定の回転速度ｎｍ、及びそれから導き出された推定の整流時点Ｔ（ｍ＋１）が仮定される。回転速度及び回転増分は、相応して整合され、かつ次の検出可能な電流リプルが生じた際に現実化される。
【００２５】再び電流及び電圧から、推定の回転速度、及び次の整流過程が導き出され、かつ過程は、前進行程の最後に到達するまで繰返される。
【００２６】それにより本方法によって、評価ユニットが位置及び回転速度を確実に転送し、かつ二重整流等を限定することができることを保証することができる。
【００２７】図３は、この時、周期Ｐ１において、どのようにしてきれいに検出可能な電流リプルから整流時点ＴＫ（ｍ）が判定されるかを示している。このようにしてとくに第１の整流時点も判定され、それに基付いで次に電動機に固有の量ｃが現在判定され、かつ次の推定の整流時点Ｔ（ｍ＋１）が補外される。
【００２８】この時、周期Ｐ２において、電流リプルが又はきれいに検出可能な電流リプル（点線の関数経過によって暗示）が、目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ内に認識されない場合が示される。この時、推定の整流時点Ｔ（ｍ＋１）が利用される（図３参照：時間軸上における点マークは、受継がれた整流時点を表わしている）。
【００２９】周期Ｐ３に示すように、電流リプルが、目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴの外に生じると、これは無視される（時間軸上に点が示されていない）。
【００３０】目標時間範囲Ｔ（ｍ＋１）＋／−ΔＴ内に生じる電流リプルは、周期Ｐ４に示すように、補外された推定のＴ（ｍ＋２）とは相違するときにも、次の整流時点ＴＫ（ｍ＋２）として認識される。検出された整流時点ＴＫ（ｍ＋２）は、次の補外のために利用される。
【出願人】 【識別番号】３９１０００８３０
【氏名又は名称】テミツク テレフンケン マイクロエレクトロニツク ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＴＥＭＩＣ ＴＥＬＥＦＵＮＫＥＮ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＧｍｂＨ
【出願日】 平成１０年（１９９８）７月３日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】中平 治
【公開番号】 特開平１１−１６０３３７
【公開日】 平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】 特願平１０−２２３５２０