JP2009507455A - 機械的に整流される電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

電動機が整流する場合、上記電動機の出力の回転アングルが、逆起電力の変化の検出によって決定され、上記電動機への電源が、所定の回数の整流が検出された後に停止される機械的に整流される電動機を制御する方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機を、該電動機への電源を制御するマイクロプロセッサによって制御する方法に関する。より具体的には、本発明は、直流電動機または交直両用電動機のような機械的に整流される電動機を制御する方法、及び、マイクロプロセッサによって制御されるＤＣ電源に関する。

機械的に整流される電動機、即ち、ブラシ及び整流子のアレンジが、電機子の回転時に固定子によって生成される磁界の内で、電機子巻き線の中の電流の極性を変更する電動機が、当技術分野では周知である。そのようなモータ中の磁界は永久磁石または電磁石を利用して生成されることができる。磁界が電磁石によって提供される場合、固定子の磁界を生成する巻線の電流が、別個の磁化電流によって提供され得、または、電機子巻き線を通る電流と同一の電流によって提供され得る。後者は一般に交直両用電動機と呼ばれる。それは、ＡＣ周波数が高すぎない限り、後者がＡＣに関しても結構ふさわしいためである。そのような交直両用電動機が、１６ ２／３Ｈｚ、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚのような最も一般に用いられているＡＣ周波数では非常によく機能できる。

機械的整流の永久磁石直流電動機が小型及び中型の電気電子装置用に最も一般的に用いられている電動機である。その結果、そのような電動機は大量に生産され、従って非常に安価になっている。

ＰＷＭあるいはスイッチ・モード制御の電動機が、当技術分野では周知であり、１つ以上の機械的整流の直流電動機を含む様々な電気駆動アプリケーションで使用されている。本発明の関係する代表的なアプリケーションは、家庭、オフィス、または医療用、並びにロボット・デバイスの動作制御などのために、テーブルの上面、椅子および他の静止する家具のような高さ調整可能な家具の構成部品を上げ、または下げるための駆動装置を含む。

そのようなアプリケーションでは、いくつかの電動機、例えば、テーブルの上面の両端にそれぞれ一つで二つの電動機を使用することが望ましい。２つの電動機が使用される場合、それらは、しばしば異なる負荷にさらされ、また、テーブルの上面を水平に維持するために両方の動作を同期させなければならない。

上記のような背景を鑑みて、本発明は、特に第１および第２の電動機が同期して作動することを可能にするように機械的整流の電動機を制御する方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面によれば、上記の目的は、機械的に整流される電動機を制御する方法によって達成される。この方法では、機械的に整流される電動機が整流する場合、上記電動機の出力の回転アングルが逆起電力の変化の検出によって決定され、上記電動機への電源が、所定の回数の整流が検出された後に停止される。

発明者は、この検出、及び必要な場合は常に上記電動機への全体的な電流源を停止することを行うことにより、通常の機械的に整流される電動機をステッパー電動機として動作させることができることを認識した。これは主な利点である。それは、そのような通常の機械的に整流される電動機はステッパー電動機よりはるかにコストがかからないためである。

本発明の好ましい一実施の形態によれば、整流が検出された上記所定の回数が１である。これは、１回転当たりの整流の回数に対応するステップの数を備えたステッパー電動機のように、離散的なステップで電動機が動作することを可能にする。

更なる好ましい一実施の形態によれば、上記逆起電力の変化が、電源線で上記電動機と直列に接続される誘導子及び／又は抵抗器上の電圧の測定によって検出される。これは、検出が電動機への電源線で直接に行われることを可能にし、また、次には、電動機への電源において直接に行われる測定によって回転アングルが検出されることを可能にする。従って、追加の回転速度計あるいはエンコーダ、並びにそれらへの別個のラインの必要性も無くなる。

また、本発明の別の実施の形態によれば、機械的に整流される上記電動機が、少なくとも１つの界磁コイルを含む交直両用電動機または直巻電動機であり、少なくとも１つの上記界磁コイルが、その上に上記電圧が測定される上記誘導子を含む。界磁コイルの利用は、供給回路中の追加の誘導子の使用を回避し、それにより、必要な回路類を少なくする。

特に好ましい実施の形態によれば、機械的に整流される上記電動機が、マイクロプロセッサによってパルス幅変調を用いて制御される。これは、電動機への供給電流の良好な制御を可能にし、そして、所望の回数の整流が検出される度に電動機が停止されることを可能にする。

また、更なる好ましい実施の形態によれば、整流が検出されたが、上記所定の回数にはまだ達していない場合、整流中に供給電流が減少させられる。これは、整流中のアーク発生を低減し、結果的に、電動機のより少ない損傷、また、腐食性ガスの生成の減少をもたらす。

更なる特に好ましい実施の形態によれば、上記の方法は、少なくとも１つの機械的に整流される更なる電動機を、上記第１の電動機および該更なる電動機への電源を制御するマイクロプロセッサによって制御するように適応される。なお、この方法は、上記第１及び上記機械的に整流される更なる電動機が整流する場合、逆起電力の変化の検出によって、上記第１の電動機および上記更なる電動機の出力の回転アングルを決定するステップと、上記第１の電動機あるいは上記更なる電動機のうちの一方が上記所定のアングルに到達した場合、到達した該電動機への電流源を不能にするステップと、上記第１の電動機および上記更なる電動機のうちの他方が上記所定のアングルに到達した場合、上記一方の電動機への電流源を再び可能にするステップとを含む。

この方法により、所定の回転角に達した第１の電動機が他の電動機のために停止して待つような離散的なステップの動作で、通常の機械的整流の電動機を動作させることが可能である。したがって、適切に選択されたステップにより、電動機の全体的な動作は同期的となる。

本発明の第２の側面によれば、上記の方法は家具の中のモータの制御に使用される。

以下、非限定的で典型的な実施の形態に基づいて添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

本発明の背後の根本的な発想は、通常の機械的に整流される電動機の整流が逆の電磁力の変化の測定によって容易に検知されることができるのを発明者が認識したという事実に帰する。これは、特に機械的に整流される電動機へパルス幅変調の電流源が使用される場合に当てはまる。その場合においては、発明者は、逆起電力によって生成された電圧がパルス幅変調されているパルス間で容易に検知されることができるということを認識した。

逆起電力とマイクロプロセッサ制御による供給電流のパルス幅変調との組み合わせによる整流の検出は、電動機への供給電流を停止させることを可能にする。このため、電動機が、機械的整流の電動機の１回転当たりの整流の最大回数に対応する分解能を有するステッパー電動機として有効に作動することができる。

この回数はステッパー電動機の分解能よりは通常小さいが、機械的に整流される電動機がはるかに安価であるという事実が、ステップ動作は望まれ又は必要とされるが、より高い分解能は必要とされない場合のいかなるアプリケーションよりも本発明を魅力的にする。

そのような１つのアプリケーションは、例えばテーブルの上面などを上げる電動機の同期である。

図１のフローチャートは、本発明に係る方法の好ましい実施の形態を示している。この実施の形態では、マイクロプロセッサ２０（図２参照）を利用して機械的整流の直流電動機２２、２４を制御することを実施している。当業者は交直両用電動機または直巻電動機のような別のタイプの機械的に整流される電動機が代わりに使用され得ることを理解するであろう。

本方法はステップ１００からスタートし、ステップ１０１の決定へ進む。ステップ１０１において、電動機２２の整流が検出されない場合、マイクロプロセッサ２０はステップ１０４へ進み、電動機２２に少なくとも１つのパルス幅変調の電流パルスを供給する。他方では、整流がステップ１０１で検出された場合、マイクロプロセッサは、ステップ１０２でカウンタＮ１をインクリメントし、検出フラグＦＬＡＧ１をセットする。その後、ステップ１０３において、マイクロプロセッサ２０は、カウンタＮ１が所定の値Ｍに達したかどうかをチェックする。Ｎ１がまだ所定の値Ｍに達していない場合には、マイクロプロセッサ２０はステップ１０４に進み、少なくとも１つのパルス幅変調の電流パルスを電動機２２へ提供する。もしＮ１が所定の値Ｍに達していた、または超過した場合には、マイクロプロセッサはステップ１０５に進み、第２の電動機２４における整流が検出されたかどうかをチェックする。

ステップ１０５〜１０８は本質的にステップ１０１〜１０４に対応している。したがって、ステップ１０５において、電動機２４の整流が検出されなかった場合には、マイクロプロセッサ２０はステップ１０８に進み、電動機２４に少なくとも１つのパルス幅変調の電流パルスを供給する。他方では、もし整流がステップ１０５で検出された場合、マイクロプロセッサはステップ１０６においてカウンタＮ２をインクリメントし、検出フラグＦＬＡＧ２をセットする。その後、ステップ１０７において、マイクロプロセッサ２０は、カウンタＮ２が所定の値Ｍに達したかどうかをチェックする。Ｎ２がまだ所定の値Ｍに達していない場合には、マイクロプロセッサ２０はステップ１０８に進み、電動機２４へ少なくとも１つのパルス幅変調の電流パルスを提供し、それでマイクロプロセッサはステップ１０１に戻り、このプロセスを繰り返す。もしＮ２が所定の値Ｍに達していた、または超過した場合には、マイクロプロセッサ２０はステップ１０９に進み、Ｎ１およびＮ２が両方とも所定の値Ｍに達した、又はそれを超過したかどうかをチェックする。もし両方とも達した、又は超過した場合、ステップ１１０において、Ｎ１及びＮ２は０にセットされ、検出フラグＦＬＡＧ１及びＦＬＡＧ２はクリアーされる。そして、マイクロプロセッサはステップ１０１に戻り、プロセスを繰り返す。

フラグＦＬＡＧ１及びＦＬＡＧ２の使用の理由は、所定の回数の整流の検出の後、電動機への電流源がマイクロプロセッサによって止められているので、ステップ１０１あるいは１０５での直接検出が不可能になるためである。

ここで、言及されるべきことがある。即ち、たとえ上記の説明が２つの電動機を制御する方法に関していても、当業者は、同じ原理を使用して、つまり、適切な変数Ｎ３〜Ｎｎ及びフラグＦＬＡＧ３〜ＦＬＡＧｎを加え、さらなる電動機の個々のためにステップ１０１〜１０４を繰り返すことによって、さらなる電動機を制御することが可能であることを理解するであろう。

所定の値Ｍは、２つ以上の電動機の同期運転が望まれる実際のアプリケーションに依存しうる。特に、Ｍは１の値を有することができるので、直流電動機２２、２４の各々をステッパー電動機に有効に変えることができる。これはさらに、如何なる同期も必要としない単独の電動機の場合にも言える。

理解されているように、本発明に係る方法は、速い方の電動機が所定のアングルの後に停止し、そして、残りの電動機がこの所定のアングルに達するのを待つようなやり方で電動機２２、２４の各々をステップ的に動作させる。このアングルは、上に示されているように１つの整流に対応することが可能である。但し、原理的には、例えば、電動機の１回以上の完全回転に対応する任意の複合的な整流にも対応することができる。

同期に関しては、所定のアングルに到着するために特定の電動機が一貫して別個の電動機より遅い場合、マイクロプロセッサ２０は、更にパルス幅変調を調節して該特定の電動機に供給する電流を増大させることが可能であることに注目されるべきである。明らかに、代替案として、より速い電動機への電流を低減することもできる。

明らかに、電動機２２、２４の各々はそれ自体の個別のマイクロプロセッサ２０によって制御されることもできる。しかしながら、いくつかの電動機２２、２４の制御のために一つの単独のマイクロプロセッサ２０を使用することが好まれる。それは、マイクロプロセッサ２０の処理速度がそうするのに完全に十分であるためである。

図２は、本発明に係る方法を実行するのに適切な、マイクロプロセッサ制御のＤＣ電源を示す図である。

電源は、好ましくは、ＤＣ／ＤＣ電源である。また、電源は、正端子１および負端子２間の整流されている電動機のようなＤＣによって供給される。分圧器３が正端子１と負端子２との間に提供されている。好ましい実施の形態では、分圧器３は２つのキャパシタ４、５および２つの抵抗器６、７を含む。好ましくは、２つのキャパシタ４、５は同じキャパシタンスを有し、また２つの抵抗器６、７は同じ抵抗を有する。よって、分圧器３の中心タブ８では中間の電位がある。説明目的のために、中間の電位は０とマークされている。しかし、明らかに、中間の電位は、固定基準電位への外部接続によって安定させられていない限り、浮動し、且つ、分圧器３から取り出された電流に依存する変動に従う。

電流は、第１の端１０および第２の端１１を有する一次巻線９を備えたトランスフォーマーによって分圧器３から断続的に取り出される。トランスフォーマーはまた、共通の端子１４と、第１の端子１５及び第２の端子１６とを有する２つの二次巻線１２、１３を備えている。２つの二次巻線１２、１３は、好ましくは、同一の巻数と方向を有する。一次巻線対二次巻線の比率は、説明されたアプリケーションに関しては、好ましくは２０：４／４であるが、明らかに、実際のアプリケーションに関してはそのアプリケーションに依存して、上記の比率とは異なることが可能である。明瞭さのために、たとえトランスフォーマーが言及されても、それは、通常のＡＣトランスフォーマーとしてではなく、単に誘導エネルギー保存手段として動作することに留意されるべきである。

トランスフォーマーが分圧器３から断続的に電流を取り出すことを可能にするために、ＤＣ／ＤＣ電源は２つの制御スイッチ１８、１９を含む。第１の制御スイッチ１８は、トランスフォーマーの一次巻線９の第１の端１０と正端子１との間に接続される。第２の制御スイッチ１９は、トランスフォーマーの一次巻線９の第１の端１０と負端子２との間に接続される。好ましくは、制御スイッチ１８、１９はマイクロプロセッサ２０によって制御される半導体スイッチである。トランスフォーマーの一次巻線９及び二次巻線１２間に電気的な絶縁（Galvanic Separation)が望まれる場合、制御スイッチ１８、１９への制御線は光カプラ（図示せず）を含んでもよい。

制御スイッチ１８、１９は両方とも、上に言及されたように、例えばパルス幅変調スキームに従ってマイクロプロセッサ２０によって断続的に操作されることができる。

マイクロプロセッサ２０は、制御スイッチ１８、１９が同時に活性的ではないことを保証する。しかし、そうではない場合、マイクロプロセッサは制御スイッチ１８、１９を互いに独立に動作させる。

第１の制御スイッチが活性的である場合、電流は、正端子１から一次巻線９を通って分圧器３の中心タブ８へ流れ、トランスフォーマー中の第１の方向のフラックスを生じさせる。それは、次には二次巻線中の電流を生じさせる。電流は、第１の二次巻線１２中を流れ、第１の端子１５に接続されている第１のダイオード２１を通って第１の電動機２２へ流れ、そして、共通の端子１４へ戻る。第２のダイオード２３は、第２の二次巻線１３中で如何なる電流も流れないようにする。

第２の制御スイッチが活性的である場合、電流は、負端子２から一次巻線９を通って分圧器３の中心タブ８へ流れて、トランスフォーマー中で第２の方向のフラックスを生じさせる。それは、次には二次巻線中の電流を生じさせる。この場合、電流は、第２の二次巻線１３中を流れ、第２の端子１６に接続される第２のダイオード２３を通って第２の電動機２４へ流れ、そして共通の端子１４へ戻る。ここで、第１のダイオード２１は、第１の二次巻線１２中で如何なる電流も流れないようにする。

制御スイッチ１８、１９が互いに独立に制御され得るので、たった１つのトランスフォーマーを使用して２つの電動機２２、２４への電源を互いに独立に制御することが可能である。特に、変調と負荷サイクルの適切な選択により、第１の制御スイッチ１８が負荷サイクルの活性的部分に置かれ、第２の制御スイッチ１９が負荷サイクルの活性的ではない部分に置かれ、または、これらとは逆の状態に２つの制御スイッチが置かれるような交互するやり方で２つの制御スイッチ１８、１９を制御することができる。しかしながら、第２の制御スイッチ１９が全く活性的にされずに、第１の制御スイッチ１８だけが多くの負荷サイクルを実行すること、または、これらとは逆の状態にされることも全く同じく可能である。

本発明によれば、上記電源は、特に機械的整流の直流電動機２２および２４のそれぞれの制御に適応されている。

上に言及したテーブルの上面のような多くのアプリケーションでは電動機の回転方向を逆にすることが必要なので、電動機２２、２４への電源線の極性を逆にする切換スイッチ２５、２６は電動機２２、２４への電源線に導入された。切換スイッチが好ましくはマイクロプロセッサ２０によって制御された固体スイッチである。マイクロプロセッサ２０は、好ましくは、不必要なストレスを回避するためにのみ無電流の状況で切換スイッチ２５、２６を動作させるように適応される。従って、切換スイッチ２５、２６はどんな負荷しゃ断容量をも有する必要はない。さらに、マイクロプロセッサは、２つの切換スイッチ２５、２６が、二次巻線１２、１３が短絡する状況になるのを防ぐ。

本発明の背景を考慮すると、すなわち、２つの電動機が使用され、異なる負荷にさらされた時さえ、テーブルの上面を水平に維持するためにそれらの２つの電動機の動作が同期させられなければならない高さ調整可能なテーブルの上面の場合、電源は、さらに、第１の電動機２２および第２の電動機２４とそれぞれ直列に配置された２つの誘導子及び／又は抵抗器２７、２８を含む。これらの誘導子及び／又は抵抗器２７、２８はそれぞれ、機械的整流の直流電動機２２、２４からの逆起電力を測定するための手段として役立つ。本発明の発明者は、電動機からの逆起電力が容易に検出可能であり、よって、電動機２２、２４の１回転当たりの整流の回数が既知であるという条件下で直流電動機の電機子の角度位置を決定する手段として使用され得ることを認識した。整流は、恐らく適切な付加的な回路類（図示せず）を使用して、誘導子及び／又は抵抗器２７、２８上に測定された電圧を利用してマイクロプロセッサ２０によって検出される。この点において、現在抵抗器よりも誘導子を使用することが好まれることに留意されるべきである。しかしながら、例えば配線からの抵抗性の成分をも持たない理想的な誘導子が多かれ少なかれ理論的であるため、誘導子の使用さえ通常ある種類の抵抗との組み合わせを伴う。

１つの電動機が他方より小さな負荷にさらされ、その結果、より速く回転すれば、マイクロプロセッサ２０は、各整流のそれぞれで、 あるいは所定回数の整流の後にその電動機への電源を止める。そして、マイクロプロセッサ２０は、該第１の電動機に電源を再び供給する前にもう一方の電動機が整流するのを待つ。したがって、整流しようとする第１の電動機は、別の電動機が整流するまで単に待たされ、また、全体的な回転角が考慮される限り、第１の電動機２２および第２の電動機２４は有効に同期稼動する。

上に明示されているように、本方法のステップ１０５〜１０８は、本質的にステップ１０１〜１０４に対応する。当業者は、逆起電力の変化の検出による整流の決定が２つ以上の機械的に整流される電動機のオペレーションに制限されないことを理解するであろう。もっと正確に言えば、整流を決定するこの方法は、ステッパー電動機として動作することを可能にするように任意の個別の機械的に整流される電動機を制御するためにも利用されることができる。

言及されたように、電動機がステップ的に動作するという事実は、電動機の負荷サイクル比率が所定のスキームに従って減少され、または増大させられることを排除しない。この所定のスキームに従う減少または増大は、アプリケーションに依存し、本発明の一部を構成しない。負荷サイクル比率は、スイッチ手段が活性的な時間対活性的−非活性的サイクルの全体時間の比率として理解されている。

本発明に係る方法の好ましい実施の形態のフローチャートである。 本発明に係る方法を実行することに適応された電源のダイアグラムである。

Claims (9)

1. 機械的に整流される第１の電動機が整流する場合、前記第１の電動機の出力の回転アングルが、逆起電力の変化の検出によって決定され、
   前記第１の電動機への電源が、所定の回数の整流が検出された後に停止される、
   機械的に整流される電動機を制御する方法。
2. 前記所定の回数が、１である請求項１に記載の方法。
3. 前記逆起電力の変化が、電源線で前記電動機と直列に接続される誘導子及び／又は抵抗器上の電圧の測定によって検出される請求項２に記載の方法。
4. 機械的に整流される前記第１の電動機が、少なくとも１つの界磁コイルを含む交直両用電動機または直巻電動機であり、
   少なくとも１つの前記界磁コイルが、その上に前記電圧が測定される前記誘導子を含む請求項３に記載の方法。
5. 機械的に整流される前記第１の電動機が、マイクロプロセッサによってパルス幅変調を用いて制御されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 整流が検出されたが、前記所定の回数にはまだ達していない場合、整流中に供給電流が減少させられる請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 少なくとも１つの機械的に整流される更なる電動機を、前記第１の電動機および該更なる電動機への電源を制御するマイクロプロセッサによって制御するように適応され、
   前記第１及び機械的に整流される前記更なる電動機が整流する場合、逆起電力の変化の検出によって、前記第１の電動機および前記更なる電動機の出力の回転アングルを決定するステップａと、
   前記第１の電動機あるいは前記更なる電動機のうちの一方が前記所定のアングルに到達した場合、到達した該電動機への電流源を不能にするステップｂと、
   前記第１の電動機および前記更なる電動機のうちの他方が前記所定のアングルに到達した場合、前記一方の電動機への電流源を再び可能にするステップｃとを含む請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記第１の電動機および前記更なる電動機が、同一の１つのマイクロプロセッサによって制御される請求項７に記載の方法。
9. 家具における、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法の使用。

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