JPH0331722A - 指示装置の指針の絶対位置の検出方法及び指示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、請求項１に記載の上位概念に記載の指針が３
相交流電動機の回転子により伝動装置を介して動かされ
る指示装置の指針の回転を誘起信号の検出方法と請求項
６に記載の上位概念に記載の伝動装置を介して回転磁界
の回転子により各コイルに対して信号を発生する制御装
置と電気接続する指示装置とに関する。

従来の技術 例えば交差コイル形回転磁石装置のように指針が直接に
コイル装置の中の回転子により制御される指示装置とは
異なり、指針を伝動装置を介して３相交流電動機により
駆動するといくつかの利用分野では有利である。伝動装
置の変換比に依存して回転子はこの場合に、指針を特定
の角度領域だけ動かすために、より大きな又はより小さ
な数の回転を行わなければならない。

制御システムには、回転子の回転の必要数が既知である
。この場合にしかし、電動機の中の回転子の角度位置と
指針の位置との間の直接の関係がもはや存在しないこと
は欠点である。即ち電動機の中の回転子の各角度位置に
は多数の指針位置が対応する。従ってもはや指針の回転
を誘起信号は電動機データのみからは求めることができ
ない。これは特に制御システムのエネルギー供給が何ら
かの理由から中断され、制御システムが実際の指示位置
に関する情報を失った場合には欠点である。これは特Ｉ
こ、冒頭に記載の指示装置を自動車の中に用いる場合に
当嵌る。その場合には例えば電気装置における修理の際
にバッテリーへの電気接続を安全の理由から完全に中断
しなければならない。例えば誘導形近接スイッチ、機械
的リミットスイッチ、ライトバリヤ（光電スイッチ）等
の外部センサの使用は指示装置のコストを高める。更に
、構成部品の増加は重量の増加を意味し、これは特に自
動車又は航空機技術における利用の際に望ましくない。

更にしばしば、外部センサを取付ける場所が無い。

発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、外部センサを使用せずに制御システム
と指針位置との間の絶対基準を形成することが可能な方
法及び指示装置を提供することにある。

課題を解決するための手段 上記課題は冒頭に記載の形式の方法において請求項１に
記載の特徴部分に記載の特徴により、指針を３相交流電
動機の回転磁界により所定の回転磁界方向でストッパに
向かって動かし、回転磁界を回転磁界方向に更に回転し
、回転子の運動により回転磁界方向に抗して３相交流電
動機の磁界形成部分の中に誘起された信号を検出し、誘
起された信号の発生の際の回転磁界の角度位置から回転
子の、指針がストッパに当接している角度位置を求める
ことにより解決される。

本発明は次の原理に基づく：３相交流電動機の回転子が
、例えば伝動装置の出力側にある指針がストッパに当接
し、制御する磁界が更に動くので回転子の出力側がロッ
クされているので３相交流電動機の回転子がもはや更に
回転することができない場合回転子は、通常は磁石によ
り形成される回転子軸線と、磁界主軸線との間の角度差
が１８０°より大きくなると、磁界の本来の回転方向に
抗して回転する。この場合に回転子は、正確に１８０°
の角度差の場合に発生する“不安定な平衡状態”から、
角度差がθ°である安定な平衡状態へ“移行”する。回
転子と回転磁界との２つの主軸線は再び重なる、回転子
の運動により、回転磁界を発生するコイル装置において
信号が誘起される。この信号は例えば、この信号を発生
する電圧とは反対の極性を有する電圧として発生するこ
ともある。

この信号はこの場合には評価することができる。信号が
発生する時点における回転磁界の角度位置は既知である
ので、指針のストッパ位Ｒはこの角度位置から１８０°
減算することにより計算することができる。

この場合に回転磁界は連続的に回転することができる。

より高い分解能のためにはしかし、回転磁界をステツブ
毎に回転すると有利である。逆回転する回転子により誘
起される信号はこの場合に必然的に所定のステップに後
に現れる。指針により行われた角度インクリメントは各
ステップに対して既知であるので、１８０°の減算は、
所定の数のステップを逆算することにより非常に簡単に
行うことができる。

分解能を高めるために、各ステップの間に所定の長さの
休止期間を設けると有利である。回転子はその特性から
して、逆回転のためにはある程度の時間を必要とする。

この時間は主に、回転子がその回転に抗する慣性により
決まる。

各ステップの後に休止期間が挿入される場合には回転子
は、逆回転し磁界とアライメントするために十分な時間
を有する。休止を十分に大きくとった場合には、回転子
の逆回転を指示する信号が、回転磁界が余りにも大きく
、即ち１８０°より大きい角度で回転した後に初めて発
生することはありえない。

有利には、回転磁界の回転を誘起信号の発生後に継続し
、第２又は後続の誘起信号を初めて指針の回転を誘起信
号の検出に用いる。このシステムが任意の状態からスタ
ートする場合には、回転子の角度位置に対する磁界の基
準が定められていない。角度のこの強制的設定は、例え
ば回転子の角度位置が磁界の角度位置と一致していない
場合には、コイル装置の中に出力信号を発生することが
ある。間違ってこの信号が指針のストッパ状態の検出の
ために用いられることがないことを保証するために本発
明においては、回転子がストッパに当接しているかどう
かを検出するために第２又はそれよりも後の信号を用い
る。回転子の角度位置が偶然にも回転磁界の、設定され
た角度位置と一致した場合でも、提案する方法は損では
ない。回転子はこの場合には確かにストッパに向かって
動かされるが、１８０″より僅かに大きい角度だけ磁界
が回転した後に、論理的には指針のストッパ位置の検出
に用いることの可能な第１の信号を発生する。回転子は
このようにして更に回転し、指針のストツバ位置は、第
２の回転において初めて検出される、何故ならば第２の
パルスが初めて“有効パであるからである。指針の僅か
な機械的負荷は問題とならない。

最後に述べた効果のため、指針が検出動作に始めに２度
短時間にわたり動かされることがある。この２度の運動
は使用者又は観察者には目障りである。この欠点を除去
するために本発明においては学習フェーズにおいて、信
号が誘起される回転磁界の角度位置を求め非揮発性に記
憶し、検出７エーズの始めに回転磁界のこの角度位置を
設定する。学習フェーズにおいて、指針が２度緩慢にス
トッパに向かって動かされ、実際の零点即ち指針がスト
ッパに当接している回転磁界の角度位置が計算され、こ
の値が例えばＥＥＰＲＯｌｌｉこ格納される。例えば完
全な停電の後にシステムをスタートする場合には磁界は
、格納されている値に設定される。この値の設定の後に
信号が回転子の回転により発生されると、この信号は誤
り信号であり無視してよいことが保証される。

冒頭に記載の形式の指示装置においては、上記課題は制
御装置の出力側における信号を対応のコイルの入力側に
おける信号と比較する評価装置を設けることにより解決
される。

制御装置の出力側における信号（出力信号）は各コイル
の中に磁界を発生する。各コイルの磁界の重畳により、
結果の合成磁界が生ずる。

個々のコイルの電流状態を変化することにより合成磁界
の方向を変化することができる。例えば回転磁界は、制
御装置が各コイルに対して正弦状の出力信号を発生し、
出力信号が電気的にコイル装置の個々のコイルの間の空
間角度に相応する角度だけ互いに位相がずれていること
により発生することができる。正弦波信号は、３相交流
電動機の回転子がステップ毎に運動する場合には階段状
に構成することが可能であることは当然である。評価装
置は、それぞれのコイルの入力側における信号経過（入
力信号）が制御装置の出力信号と一致するかどうかを調
べる。これは基本的に常にそうである。但し回転子が、
磁界とアライメントするために戻り回転する場合は除く
。この場合にはすなわち制御装置の出力信号はもはや、
対応のコイルの入力信号と一致しない。評価回路はこの
場合には、この非一致を指示する信号を発生する。

これに関連して有利には、評価回路が各コイルに対して
減算器を有し、減算器はコイルを介する電圧と、制御装
置の対応の出力側における電圧との間の差を形成する。

この差は通常の場合には所定の規則性に追従する。双方
の電圧が、異なる一幅を有する正弦形状を有する場合に
は差電圧は同様に正弦状であり、一幅は一幅差に相応す
る。この規則性はしかし、回転子が逆回転し、付加的電
圧がコイルの中に誘起されると乱される。

有利にはこの場合に、各減算器の両方の入力電圧の一幅
の大きさを等しくするスケーリング装置を設ける。減算
器が形成する差はこの場合には通常の場合は零である。

回転子が逆回転し電圧を誘起した場合にのみ、減算器の
出力側に零とは異なる電圧が現れる。

有利にはこの場合に各スケーリング装置は２つの分圧器
を有する。これらの分圧器によりスケーリング装置は簡
単な方法で実現できる。

この場合に、２つの分圧器のうちの一方が対応のコイル
と抵抗とを有し、他方が２つの抵抗を有することもある
。抵抗形又は抵抗−誘導形分圧器をｍいての分圧は、タ
ップにより取出された電圧をスケーリングする簡単な方
法である有利な実施例においては、少なくとも１つの減
算器出力側の信号が所定の値を越えると出力信号を発生
する論理回路と減算器の出力側を接続する。前述のよう
に、減算器の出力側は通常は零である。回転子が逆回転
したことにより信号が発生した場合にのみ、コイルを介
しての電圧は制御装置の出力側における電圧からずれる
この場合には減算器は出力信号を発生する。

３相交流電動機のように多くのコイルが存在する場合に
はしかし、コイルのうちの１つにおいては信号がまった
く発生されないか、又は非常に小さく測定不能な信号が
発生される。評価装置が確実に信号を検出することを保
証するために、１つのコイルにおいてのみしか信号が誘
起されない場合に直ちに応動する論理回路が設けられて
いる。

有利には、制御装置が、デジタルで動作する信号発生器
を有する。制御装置は従って非常に容易に、階段状の出
力信号を発生することができる。

実施例 次に本発明を実施例に基づき図を用いて説明する。３相
交流電動機ｌは、磁石３を支持している回転子２を有す
る。磁石３は通常は永久磁石であるが、しかし電磁石と
して形成することもできる。３相交流電動機の回転子２
は軸３２を介して伝動装置３１と接続されている。伝動
装置の出力側には指針３３が配置され、指針３３は目盛
３４を介して可動である。目盛３４の一端にはストッパ
２４が位置し、ストッパ２４は指針３３の零点又はその
他の特別の位置をマーキングしている。指針３３がスト
ッパ２４に向かって動かされると、伝動装置３１と軸３
２を介して回転子２の、同一方向への各運動はロックさ
れる。更に、電動機ｌは２つのコイル４５を有し、コイ
ル４．５のコイル軸線は空間的に９０°互いにずれてい
る。制御装置６は各コイル４．５に対して、コイル４に
導線対７を介して、コイル５に導線対８を介して供給さ
れる電圧を発生する。これに関連して、制御装置６は信
号発生器９を有し、信号発生器９の信号は増幅器ｌＯで
駆動段ｌｌにより増幅される。

信号発生器９はデジタル信号発生器である、即ちこの信
号発生器は各コイルに対して一連の所定の電圧段階を発
生する。段から段への電圧差は変化させることができる
。この場合に例えば、正弦状の電圧変化を得ることを努
力することが可能である。信号発生器９の出力信号は低
域フィルタ１８でろ波される。制御装置６の出力側から
従っである程度正弦状の電圧が取出される。制御装置ｔ
６は制御論理回路１２を有し、制御論理回路１２は信号
発生器９を制御する。制御論理回路１２は例えばマイク
ロプロセッサを用いて実現することもできる。

３相交流電動機ｌは、コイル４，５に種々の電流を流す
ことにより回転磁界を形成する。この磁界は、コイル４
により発生された磁界と、コイル５により発生された磁
界との重畳により得られる。磁界の方向は実質的に、こ
れら２つのコイル４，５を流れる電流の比によって決ま
る。互いに９０°電気的にずれている２つの正弦状の信
号による制御により３相電動機ｌの中に、第２図に示さ
れているように例えば時計の針の回転方向とは反対の回
転方向で回転する磁界を形成することができる。３相交
流電動機ｌの始動の際に任意に電流比ひいては磁界の方
向が設定される。例えばコイル４のみに電流を流し、コ
イル５には電流を流さない。この結果の磁界が矢印１９
により示されている。磁石３と回転子２０の角度位置は
これにより通常は一致しない。従って回転子２は矢印２
０の方向に回転し、従って磁石３の主方向即ち南−北一
軸線は磁界の主方向即ち矢印１９と一致する。磁界は次
いで更に矢印２１の方向に回転し、その際に磁石３は矢
印２１’の方向に走行する。説明をわかりやすくするた
めに、伝動装置３１による負荷により磁界１９と磁石３
との間に角度差が発生することは図示されていない（第
２図Ｃ）。指針３３の初期位置と伝動装置３１の変換比
とにより決まる回転数で回転子２が回転した後で指針３
３はストッパ２４に向かって走行しこのようにして回転
子２の運動の続行が阻止される。これは第２図ｄに示さ
れている。磁界１９はしかし矢印２２の方向に更に回転
する。

磁界が１８０°の角度で更に回転した後に、磁界１９と
磁石３との極性は互いに正反対となる。磁石３は不安定
な平衡状態にある。磁界１９が小さい角変更に元の方向
に回転されると、磁石３は“傾倒“し、磁界即ち矢印１
９の回転方向と反対の方向に戻り回転して、再び磁界１
９とアライメントされる（第２図ｅ）。この運動により
磁石３は双方のコイル４．５の中に、給電電圧と極性が
反対に設定される電圧を誘起する。第３図において、給
電電圧２５として制御装置６の出力電圧が示されている
。コイル５を介して電圧２６は取出される。磁石３が通
常の磁界方向に対して逆の方向に戻り回転した瞬間に磁
石３は信号２７を誘起する。

この信号２７は評価装置１４で評価される。

評価装置１４は各コイル４．５に対して減算器１５．１
６を有し、減算器１５．１６の出力側はＯＲ回路１７と
接続されている。減算器１５１６の入力側はそれぞれ、
減算８１５．１６の双方の入力側に供給される振動の一
幅の最大値が等しいようにスケーリング装置１３を介し
てスケーリングされた電圧が供給される。スケーリング
装置は各コイル４．５に対して、対角点対の一方の接続
点を共有する２つのブリッジアームはそれぞれ２つの抵
抗４１．４２又は４４．４５を有する分圧器を有し、他
方の接続点を共有する２つのブリッジアームはそれぞれ
コイル４と抵抗４３又はコイル５と抵抗４６とから成る
抵抗−誘導層分圧器を有するブリッジ回路を有する。回
転磁界が回転する動作周波数は既知であるので、分圧器
ひいてはブリッジ回路は、通常の状態即ち磁石３が磁界
１６に自由に追従する状態ではコイル４を介して、抵抗
４２を介するのと同一の電圧が降下する又はフィル５を
介して、抵抗４５を介するのと同一の電圧が降下するよ
うに回路定数を決めることができる。従って減算器１５
．１６の出力側は一般に近似的に零である。これは第４
図に、減算器１４の出力信号を示す曲線２８により示さ
れている。磁界が１８０’進んだ後に回転子２が戻り回
転する場合にのみ、コイル４，５の中に、コイル４，５
を介しての電圧が抵抗４１．４４を介しての電圧からず
れるように作用する電圧が誘起される。このようにして
電圧パルス２９が発生する。この電圧パルス２９は所定
の閾値３５より大きい。減算器１５．１６のうちの少な
くとも１つがその出力側において、閾値３５を越える信
号を発生すると、論理回路１７はその出力側に常に信号
を発生する。これにより、回転子２の各運動が、好まし
くない幾何学的状態により２つのコイルのうちの１つの
中においてのみしか十分に大きい電圧が誘起されない場
合でも検出されることが保証される。このために実質的
にＯＲ回路として構成されている論理回路１７は出力信
号を制御論理回路１２に供給する。制御論理回路１２が
マイクロプロセッサを用いて実現されている場合には、
論理回路１７の出力信号は例えばマイクロプロセッサの
割込み入力側に供給することができる。

第４図に基づいて指示装置の動作を説明する。信号発生
器９は各コイル４．５に対して、階段状になっているこ
とを度外視すれば実質的に正弦状である段階状の出力信
号２５を発生する。各電圧変化の後に小休止期間がある
。２つのコイル４．５に対する電圧は、相互に９０６位
相がずらされている。特定の時点、即ち指針３３がスト
ッパ２４に到達した時点で、回転子２はもはや引続き回
転することはできなくなる。

コイル４．５により発生される磁界はしかし引続き回転
する。磁界が更に１８０°回転すると回転子２は磁界回
転方向に対して逆の方向で戻り回転する。その磁石３は
電圧を誘起する。

従って２つの減算器！５．１．６のうちの１つが出力信
号２９を発生する。しかしこの出力信号が、回転子２が
ストッパ到達後にｉｇｏ’回転した（第２図ｅ）ことに
起因するのか、又は回転子２が、本装置の投入接続の際
に発生することがあるようにただ磁界にアライメントし
たにすぎない（第２図ｂ）のかが確かでないので、確認
するために磁界の引続きの回転が行われる。指針はこの
ようにして再びストッパに向かって走行し、回転子２の
引続さの回転をロックする。磁界が更に１８０’回転し
た後に初めて回転子は戻り回転し、別のパルス３０を発
生する。従って１８０’後に電圧変化曲線２５において
、指針３３がストッパ２４に当接する正確な時点が得ら
れる。

ストッパ２４における回転子２の２度の運動を回避する
Ｉ；めに、パルス発生の際に確実にこのパルスが、指針
当接位置と電動機の中の回転子の回転を誘起信号との間
の絶対的関連性を求めるために用いることができるかど
うかを言えるために、いわゆる学習フェーズが設けられ
ている。

これに関連して、学習７エーズにおいて回転子が、指針
が２度緩慢にストッパに向かって走行するように動かさ
れる。実際の零点、即ち指針３３がストッパ２４に到達
する、給電電圧変化における時点即ち電気的角度で計算
され、この零点は非揮発性メモリ、例えばＥＥＦＲＯＭ
に格納される。回転子２は任意の位置で伝動装置軸３２
の上に装着されているので、即ち回転子装置と指針運動
との間に正確な関連性が無いので、零点は各指示装置に
対して異なる。零点が一度求められると、始動の際に何
時でも正確な零点を用いることができる。始動の際に、
零点に対応するものとして求められた電流に正確に設定
される。回転子が運動すると、信号が誤信号であり無視
することができることが分かる。この誤信号は、第５図
に信号２９として図示されている。実際の信号３０が発
生すると初めて、指針がストッパ位置にあることが分か
る。制御論理回路１２は、信号発生器９の新たな制御に
より実際の指示を始動する前に、所定の時間待機する。

第４図から、制御装置６の制御電圧２５が段階状に構成
され、その際に各段の間で、コイル４．５を流れる電流
の比が変わらない所定の時間が経過する。この時間は、
指針３３がストッパ２４に到達した時点から磁界が１８
０°より大きく回転した場合に回転子２に対して戻り回
転を可能にするために経過する。制御装置６は３相交流
電動［１をすなわち新しい角度に設定し、所定の時間待
機する。その後に減算器１５１６を用いて、電圧パルス
２９．３０が発生したかどうかが検査される。そうでな
い場合には、新しい角度が設定される。そうである場合
には、電動機ｌはストッパ２４に位置する。バックフェ
ーズはこれにより終了する。絶対的な基準点が形成され
、所望の位置に走行することが可能である。指示装置は
その通常の活動を行うことが可能である。

発明の効果 本発明によれば外部センサを使用することなく指針形指
示装置の回転を誘起信号を確実に形成できると云う効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は指示装置のブロック回路図、第２図は磁界を基
準とした回転子の種々の位置を示す図、第３図は誘起さ
れた信号の２つの電圧変化曲線図、第４図は一方の電圧
曲線が減算器の出力信号を示す２つの電圧特性曲線図、
第５図は指針を制御するための完全な電圧変化曲線図で
ある。 ｌ・・・３相交流電動機、２・・・回転子、３・・・磁
石４．５・・・コイル、６・・・制御装置、７．８・・
・導線対、９・・・信号発生器、１０・・・増幅器、１
１・・・駆動段、１２・・・制御論理回路、１３・・・
スケーリング装置、１４・・・評価装置、１５．１６・
・・減算器、１７・・・ＯＲ・・・回路、１８・・・低
減フィルタ、１９・・・磁界の方向を示す矢印、２０・
・・回転子の回転方向を示す矢印、２１・・・磁界の回
転方向を示す矢印、２４・・・ストッパ、２６・・・コ
イル５を介して取出される電圧、２７・・・信号、２８
・・・出力信号、３１・・・伝動装置、３２・・・軸、
３３・・・指針、３４・・・目盛、３５・・・閾値、４
１，４２．４３．４４．４５．４６・・・抵抗 −ノ、−−唯一・１ ト會　・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、指針が３相交流電動機の回転子により伝動装置を介
   して動かされる指示装置の指針の絶対位置の検出方法に
   おいて、 指針を３相交流電動機の回転磁界により所定の回転磁界
   方向でストッパに向かって動かし、回転磁界を回転磁界
   方向に更に回転し、回転子の運動により回転磁界方向に
   抗して３相交流電動機の磁界形成部分の中に誘起された
   信号を検出し、誘起信号の発生の際の回転磁界の角度位
   置から回転子の、指針がストッパに当接している角度位
   置を求めることを特徴とする指示装置の指針の絶対位置
   の検出方法。 ２、回転磁界をステップ毎に回転することを特徴とする
   請求項１に記載の指示装置の指針の絶対位置の検出方法
   。 ３、各ステップの間に所定の長さの休止期間を設けるこ
   とを特徴とする請求項２に記載の指示装置の指針の絶対
   位置の検出方法。 ４、回転磁界の回転を誘起信号の発生後に継続し、第２
   又は後続の誘起信号を初めて指針の絶対位置の検出に用
   いることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれ
   か１項に記載の指示装置の指針の絶対位置の検出方法。 ５、信号が誘起される回転磁界の角度位置を学習フェー
   ズにおいて求め非揮発性に記憶し、検出フェーズの始め
   に回転磁界のこの角度位置を設定調整することを特徴と
   する請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の指
   示装置の指針の絶対位置の検出方法。 ６、伝動装置を介して回転磁界の回転子により動かされ
   る指針と、指針のためのストッパとを備え、３相交流電
   動機は少なくとも２つの励磁コイルを有し、これらの励
   磁コイルを、出力側に各コイルに対して信号を発生する
   制御装置と電気接続する指示装置において、制御装置（
   ６）の出力側における信号（２５）を対応のコイル（４
   、５）の入力側における信号（２６）と比較する評価装
   置（１４）を設けることを特徴とする指示装置。 ７、評価装置（１４）が各コイル（４、５）に対して減
   算器（１５、１６）を有し、減算器（１５、１６）はコ
   イル（４、５）を介する電圧（２６）と、制御装置（６
   ）の対応する出力側における電圧（２５）との間の差を
   形成することを特徴とする請求項６に記載の指示装置。 ８、各減算器（１５、１６）の両方の入力電圧の一幅の
   大きさを等しくするスケーリング装置（１３）を設ける
   ことを特徴とする請求項７に記載の指示装置。 ９、スケーリング装置（１３）が各対応のコイル（４、
   ５）に対する２つの分圧器（４１、４２、４３、４；４
   ４、４５、４６、５）を有することを特徴とする請求項
   ８に記載の指示装置。 １０、２つの分圧器のうちの一方が対応のコイル（４、
   ５）と抵抗（４３、４６）とを有し、他方が２つの抵抗
   （４１、４２、：４４、４５）を有することを特徴とす
   る請求項９に記載の指示装置。 １１、少なくとも１つの減算器出力側の信号が所定の値
   （３５）を越えると出力信号を発生する論理回路（１７
   ）と減算器（１５、１６）の出力側を接続することを特
   徴とする請求項８ないし１０のうちのいずれか１項に記
   載の指示装置。 １２、制御装置（６）が、デジタルで動作する信号発生
   器（９）を有することを特徴とする請求項６ないし１１
   のうちのいずれか１項に記載の指示装置。