DE10320126A1

DE10320126A1 - Kontrollvorrichtung und Kontrollverfahren für einen Energiewandler

Info

Publication number: DE10320126A1
Application number: DE10320126A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kusaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2003-12-18
Also published as: FR2841064A1; FR2841064B1; US20030210006A1; US6806670B2; JP3765287B2; JP2003333884A

Abstract

Eine Menge an Strom, die keine elektrische Leistungserzeugung verursacht, wird an eine Feldwicklung (r) geliefert und eine induzierte Spannung wird gemessen. Eine Position eines beweglichen Elementes (R) wird anhand der gemessenen induzierten Spannung bestimmt. Zusätzlich zu der solcherart bestimmten Position des beweglichen Elements (R) wird eine Position des beweglichen Elements (R), die auf einer unterschiedlichen Grundlage gemessen wird, verwendet, um einen Fehler, betreffend der Position des beweglichen Elements (R), zu messen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren eines Energiewandlers wie etwa elektrischen Motors, der elektrische Energie in kinetische Energie umwandelt, einschließlich Drehmotoren, deren bewegliches Element ein Rotor ist, der eine Drehbewegung durchführt, und Linearmotoren, deren bewegliches Element ein Schlitten ist, der eine lineare Bewegung durchführt, oder eines Generators, der kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, in dem ein bewegliches Element rotiert oder bewegt wird. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kontrollverfahren hierfür. Dabei bezeichnet Kontrollieren ein Regeln bzw. Steuern.
Fig. 10 zeigt das Prinzip eines zweipoligen Wechselstrommotors (Synchronmotor). Die Zeichnung zeigt schematisch einen Motor vom Typ mit Drehfeld, in dem eine Ankerwinklung auf einem stationären Element (Stator) und eine Feldwicklung auf einem beweglichen Element (Rotor) angeordnet ist. Ein elektrischer Motor, der diese Struktur aufweist, wird als Drehfeldmotor bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird ein elektrischer Motor, der eine Struktur aufweist, in der eine Feldwicklung auf dem stationären Element und eine Ankerwicklung auf der Rotorseite angeordnet ist, als Drehankermotor bezeichnet. Im allgemeinen sind die Drehfeldmotoren einfacher im Aufbau als die Drehankermotoren, und die Drehfeldmotoren erfordern eine geringere Feldspannung und einen geringeren Feldstrom als die Drehankermotoren. Daher werden die Drehfeldmotoren öfters eingesetzt. Wenn die Feldwicklung, die auf dem Rotor angeordnet ist, erregt wird, wird der Rotor ein elektrischer Magnet und rotiert synchron mit sich drehenden magnetischen Feldern, die durch dreiphasigen Wechselstrom erzeugt werden, der an der Seite des stationären Elementes anliegt.
Ein dreiphasiger Motor ohne Bürsten, der ein Synchronmotor mit permanentem Magnet ist, ist in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 9-47066 beschrieben.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm eines bürstenlosen Motors 4 ähnlich zum bürstenlosen Motor, der in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 9-47066 beschrieben ist. Ein Wechselstromsignalspannungsausgang von einem Wechselstromoszillator 1 wird durch einen Wechselstrom-/ Gleichstromkonvertierungsbereich 2 in eine Gleichstromvorspannung konvertiert und an eine Umrichterschaltung 3 geliefert. Die Umrichterschaltung 3 wird durch einen Kontrollsignalausgang bzw. ein Kontrollsignal von einem Steuerkreis 7 derart gesteuert, daß sie aus der Gleichstromvorspannung eine dreiphasige Wechselstromspannung erzeugt.

Die Umrichterschaltung 3 umfaßt drei Transistoranordnungen, die parallel zwischen Gleichstromvorspannungen angeordnet sind. Eine erste Transistoranordnung umfaßt einen Transistor Ua, und einen Transistor X, die in Serie geschaltet sind. Eine zweite Transistoranordnung umfaßt einen Transistor Va und einen Transistor Y, die in Serie geschaltet sind. Eine dritte Transistoranordnung umfaßt einen Transistor Wa und einen Transistor Z, die in Serie geschaltet sind. Eine Diode ist zwischen dem Emitter und dem Kollektor jedes Transistors angeordnet, die somit ein Fließen von Strom nur in eine Richtung zuläßt. Falls die Transistoren Feldeffekttransistoren sind, ist eine Diode zwischen der Quelle und der Senke jedes Transistors angeordnet.

Falls man einen Strom fließen läßt, indem der stromabwärts gelegene Transistor einer Anordnung eingeschaltet wird, während der stromaufwärts gelegene Transistor ausgeschaltet bleibt, fällt das elektrische Potential an einem Grenzknoten zwischen dem stromaufwärts und dem stromabwärts gelegenen Transistor. Im Fall des umgekehrten Ein-Ausstatuses steigt das Potential. Auf diese Weise kann das Potential am Grenzknoten in einer Transistoranordnung erhöht oder abgesenkt werden, indem die Transistoren über eine Steuerschaltung 7 umgeschaltet werden. Durch die Verschiebungen der Wechselströme, die durch Variationen der Potentiale der Grenzknoten verursacht werden, die bei der ersten, zweiten und dritten Transistoranordnung auftreten, <um 120° in Phase> kann ein dreiphasiger Wechselstrom erzeugt werden. Ein Kommando für die Umschaltung der Transistoren zum Zwecke der Erzeugung des dreiphasigen Wechselstromes wird von einer Kontrollschaltung 6 ausgegeben.

Falls dreiphasiger Wechselstrom zufällig bzw. ungeordnet an die Ankerwicklungen U, V, W angelegt wird, gerät der Motor aus der Synchronisation. Daher wird der dreiphasige Wechselstrom synchron mit der momentanen Position eines beweglichen Elementes des Motors angelegt. Falls die Phase des dreiphasigen Wechselstromes angepaßt wird, indem die Position des beweglichen Elementes erfaßt wird, kann eine Rückkopplungsregelung realisiert werden, indem die Position des beweglichen Elementes erfaßt wird und die Phase des dreiphasigen Wechselstromes basierend auf dieser erfaßten Position angepaßt wird. Falls die Phase des dreiphasigen Wechselstromes auf Basis der Position des beweglichen Elementes angepaßt wird, die bei Anlegen des dreiphasigen Wechselstromes erwartet wird, kann eine Kontrolle mit einem offenen Regelkreis ("openloop control") durchgeführt werden. Um die Regelung mit offenem Regelkreis durchzuführen, ist es notwendig, die Phase des dreiphasigen Wechselstromes zu erfassen. In dem in Fig. 11 gezeigten Beispiel ist hierfür eine Positionserfassungsschaltung 5 mit den drei Ankerwicklungen verbunden.

In Verbindung mit einer Kontrollvorrichtung, die in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 9-47066 offenbart ist, ist ein Verfahren zur Erfassung des Montagefehlers eines Positionssensors für einen magnetischen Pol offenbart, um präzise die Position des beweglichen Elementes zu bestimmen. Bei diesem Verfahren ist die Umrichterschaltung geöffnet und eine induzierte Spannung wird gemessen. Dann wird ein Montagefehler erfaßt, indem die induzierte Spannung mit einer Ausgabe des Positionssensors für den magnetischen Pol verglichen wird. Da ein solcher Fehler eine Reduzierung der Betriebseffizienz verschuldet, ist es vorteilhaft, diesen Fehler zu minimieren.

Jedoch besteht bei der oben beschriebenen Kontrollvorrichtung das Problem, daß keine ausreichende Erfassung des Fehlers erzielt werden kann, so lange nicht viele spezielle Schaltungen verwendet werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontrollvorrichtung und ein Kontrollverfahren für einen Energiewandler zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, einen Fehler zu messen, der die Position eines beweglichen Elementes betrifft, wobei nur ein simpler Aufbau verwendet wird.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung für einen Energiewandler zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element, welches eine Feldwicklung umfasst, und ein stationäres Element aufweist, welches eine Ankerwicklung aufweist, und der in der Lage ist, das bewegliche Element zu bewegen, indem ein Wechselstrom an die Ankerwicklung angelegt wird, während ein Strom an die Feldwicklung angelegt ist. Während eines Zustandes, in dem die Lieferung des Wechselstromes an die Ankerwicklung verschoben bzw. unterbrochen ist, bewegt die Kontrollvorrichtung für den Energiewandler das bewegliche Element, während die Feldwicklung mit einem Strom versorgt wird, der höchstens einen vorbestimmten Wert aufweist, und mißt eine induzierte Spannung, die in der Ankerwicklung induziert wird. Da die induzierte Spannung mit der Position des beweglichen Elementes korrespondiert, ist es möglich, die Position des beweglichen Elementes aus der induzierten Spannung zu bestimmen.

Falls der Strom, der an die Feldwicklung angelegt wird, einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird eine große Leistung erzeugt. Daher ist es bei der Kontrollvorrichtung gemäß des ersten Aspektes bevorzugt, einen Strom als einen vorbestimmten Wert festzusetzen, der keine Leistungserzeugung verursacht, und einen Strom an die Feldwicklung anzulegen, der kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist. In diesem Fall ist der Strom nicht Null und daher kann eine induzierte Spannung gemessen werden.

Zusätzlich zu der derart bestimmten Position des beweglichen Elementes kann eine Position des beweglichen Elementes auch auf einer anderen Grundlage gemessen werden. Die Verwendung der derart erhaltenen Positionen des beweglichen Elementes gestattet das Messen eines Fehlers bezüglich der Position des beweglichen Elementes.

Die Kontrollvorrichtung kann darüber hinaus eine Nulldurchgangsschaltung aufweisen, die als eine Position des beweglichen Elementes eine Durchgangszeit erfaßt, zu der die induzierte Spannung, die gemessen wird, ein Referenzspannungsniveau schneidet. In diesem Fall zeigt die Durchgangszeit die Position des beweglichen Elementes. Daher erlaubt die Verwendung der Nulldurchgangsschaltung eine einfache Messung der Position des beweglichen Elementes.

Die Nulldurchgangsschaltung in einem engeren Sinne bezieht sich auf eine Schaltung, die den Durchgang eines Wechselstromsignals bezüglich 0 V erfaßt. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch umfaßt die Nulldurchgangsschaltung eine Schaltung, die eine Durchgangszeit erfaßt, zu der ein Wechselstromsignal ein Referenzspannungsniveau schneidet, das ungleich 0 V ist.

Die Kontrollvorrichtung kann weiters ein Positionsdetektor für ein bewegliches Element umfassen, der eine Position des beweglichen Elementes mittels einer Technik erfaßt, die sich von der Technik zur Erfassung mittels der Nulldurchgangsschaltung unterscheidet. In diesem Fall kann eine Differenz zwischen den zwei erfaßten Positionen des beweglichen Elementes als ein Positionsfehler bestimmt werden. Somit ist es möglich, eine der Positionen des beweglichen Elementes entsprechend der anderen Position des beweglichen Elementes zu korrigieren.

D. h., die Kontrollvorrichtung erfaßt mittels eines Computers oder dergleichen oder einer Differenzschaltung eine Differenz zwischen der Position des beweglichen Elementes, wie sie durch die Nulldurchgangsschaltung erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elementes, wie sie durch den Positionsdetektor für das bewegliche Element zu der Zeit erfaßt wird, zu der die induzierte Spannung gemessen wird. Somit ist die Kontrollvorrichtung in der Lage, eine Differenz in den Positionen des beweglichen Elementes zu bestimmen.

Die Kontrollvorrichtung kann eine Phase des Wechselstromes, der an die Ankerwicklung geliefert wird, basierend auf der erfaßten Differenz anpassen. In diesem Fall ist es möglich, die Phase des Wechselstroms zu einer gewünschten Phase zu verschieben, um so die Position des beweglichen Elementes in Übereinstimmung mit einer gewünschten Position zu bringen.

Darüber hinaus ist eine Umrichterschaltung in der Lage, die Phase und Frequenz des erzeugten Wechselstromes durch das Kontrollieren der Umschaltzeiten zu ändern. Daher kann die Kontrollvorrichtung eine Anpassung der Phase des Wechselstromes mittels Anpassen der Umschaltzeiten einer Umrichterschaltung, die den Wechselstrom an die Ankerwicklung liefert, zu erzielen.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung für einen Energiewandler zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element und ein stationäres Element umfaßt, welches eine Mehrzahl von Ankerwicklungen aufweist, und der in der Lage ist, das bewegliche Element zu bewegen, indem ein mehrphasiger Wechselstrom an die Ankerwicklungen angelegt wird. Die Vorrichtung liefert einen Strom an die Ankerwicklungen, so daß der Strom durch die Ankerwicklungen zu Null wird, während das bewegliche Element sich bewegt, und mißt eine Spannung der Ankerwicklungen.

In diesem Fall ändert sich die Spannung der Ankerwicklungen entsprechend der Position des beweglichen Elementes. Da die Spannung der Ankerwicklungen mit der Position des beweglichen Elementes korrespondiert, ist es möglich, die Position des beweglichen Elementes aus der Spannung der Ankerwicklungen zu bestimmen.

Falls der Strom, der an die Feldwicklung geliefert wird, einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird eine große Leistung erzeugt. Daher ist es in der Kontrollvorrichtung gemäß des ersten Aspektes bevorzugt, einen Strom als einen vorbestimmten Wert festzulegen, der keine Leistungserzeugung verursacht, und einen Strom zur Feldwicklung zu liefern, der kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist. In diesem Fall ist der Strom ungleich Null und daher kann eine induzierte Spannung gemessen werden.

Zusätzlich zu der derartig bestimmten Position des beweglichen Elementes kann eine Position des beweglichen Elementes auf einer anderen Grundlage gemessen werden. Die Verwendung dieser Positionen des beweglichen Elementes gestattet eine Messung eines Fehlers bezüglich der Position des beweglichen Elementes.

Die Kontrollvorrichtung kann darüber hinaus eine Nulldurchgangsschaltung umfassen, die als eine Position des beweglichen Elementes eine Durchgangszeit erfaßt, zu der die Spannung der Ankerwicklungen ein Referenzspannungsniveau schneidet. In diesem Fall zeigt die Durchgangszeit die Position des beweglichen Elementes. Daher gestattet die Verwendung der Nulldurchgangsschaltung eine einfache Messung der Position des beweglichen Elementes.

Die Kontrollvorrichtung kann darüber hinaus einen Positionsdetektor für das bewegliche Element umfassen, der eine Position des beweglichen Elementes mittels einer Technik erfaßt, die sich von der Technik zur Erfassung anhand der Nulldurchgangsschaltung unterscheidet. In diesem Fall kann eine Position des beweglichen Elementes auf einer anderen Grundlage wie oben erläutert gemessen werden.

Das heißt, die Kontrollvorrichtung erfaßt mittels eines Computers oder einer Differenzschaltung eine Differenz zwischen der Position des beweglichen Elementes, die durch die Nulldurchgangsschaltung erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elementes, die durch den Positionsdetektor zu der Zeit der Messung der Spannung der Ankerwicklungen erfaßt wird.

Somit ist die Kontrollvorrichtung in der Lage, eine Differenz in der Position des beweglichen Elementes zu bestimmen.

Darüber hinaus kann die Kontrollvorrichtung eine Phase des Wechselstromes, der an die Ankerwicklungen geliefert wird, basierend auf der erfaßten Differenz anpassen. In diesem Fall kann die Phase des Wechselstromes zu einer gewünschten Positionsphase verschoben werden, so daß die Position des beweglichen Elementes mit einer gewünschten Position in Übereinstimmung gebracht wird.

Darüber hinaus ist eine Umrichterschaltung in der Lage, die Phase und Frequenz des erzeugten Wechselstromes zu ändern, indem die Umschaltzeit kontrolliert wird. Daher kann die Kontrollvorrichtung eine Anpassung der Phase des Wechselstromes durch ein Anpassen der Umschaltzeiten einer Umrichterschaltung ausüben, die den Wechselstrom an die Ankerwicklung liefert.

Sowohl bei einer Kontrollvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung als auch bei einer Kontrollvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Kontrollvorrichtung die Differenz für eine Zahl speichern, die mit einer Zahl von magnetischen Polen korrespondiert, die auf dem stationären Element ausgebildet sind, und kann die Umschaltzeit der Umrichterschaltung separat für jeden magnetischen Pol basierend auf der gespeicherten Differenz für jeden magnetischen Pol anpassen. In diesem Fall kann, da der Betrag der Phasenabweichung für jeden magnetischen Pol als eine Größe der Differenz gespeichert ist, eine präzisere Anpassung der Phasen des Wechselstromes erzielt werden. Daher steigt die Effizienz während des Betriebes als elektrischer Motor.

Darüber hinaus kann, wenn der Energiewandler als ein elektrischer Motor fungiert, die Vorrichtung eine Phase des Wechselstromes, der an die Ankerwicklung geliefert wird, entsprechend einer Differenz zwischen einem Referenzstrom und einem Strom anpassen, der zu einer Zeit einer Bewegung des beweglichen Elementes durch die Ankerwicklung fließt.

Falls der Referenzstrom zu der Zeit einer Übereinstimmung zwischen der räumlichen Phase des beweglichen Elementes und der elektrischen Phase, die an die Ankerwicklungen geliefert wird, festgelegt ist, entspricht die Differenz zwischen dem Referenzstrom und dem Strom, der durch die Ankerwicklungen zur Zeit der Bewegungen des beweglichen Elementes fließt, einem Fehler in der Phase. Daher minimiert die Verwendung der oben erläuterten Differenz den Fehler.

Der Referenzstrom kann ein Durchschnittswert von Strömen sein, die von den Ankerwicklungen kommen. In diesem Fall ist es, falls der momentane elektrische Strom vom Durchschnittswert abweicht, zweckmäßig, die Phase des gelieferten Stromes entsprechend der Größe der Abweichung voreilen zu lassen oder zu verzögern.

Das bewegliche Element kann ein Rotor sein, der relativ zum stationären Element rotiert. In diesem Fall kann der Energiewandler als ein elektrischer Drehmotor oder ein Drehgenerator fungieren. In diesem Fall kann ein solcher elektrischer Motor oder Generator beispielsweise als Quelle der Antriebsleistung für ein Fahrzeug verwendet werden. Somit ist die oben beschriebene Kontrollvorrichtung in der Lage, einen Energiewandler zu kontrollieren wie etwa einen elektrischen Motor einschließlich Drehmotoren, deren bewegliches Element ein Rotor ist, der sich dreht, und Linearmotoren, deren bewegliches Element ein Schlitten ist, der sich linear bewegt, oder einen Generator, der elektrische Leistung erzeugt, indem ein bewegliches Element rotiert.

Die Spannung der Ankerwicklungen kann eine Spannung von einer der Ankerwicklungen oder eine Spannung zwischen den Ankerwicklungen sein. Unabhängig davon, welche der beschriebenen Spannungen verwendet wird, kann die Position des beweglichen Elementes erfaßt werden.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element, welches eine Feldwicklung aufweist, und ein stationäres Element umfaßt, welches eine Ankerwicklung aufweist. Das Verfahren umfaßt die Schritte von: Beliefern der Feldwicklung mit einem Strom, der höchstens einem vorbestimmten Wert entspricht und in der Lage ist, das bewegliche Element während eines Zustandes zu bewegen, währenddem die Versorgung der Ankerwicklung mit dem Wechselstrom verschoben bzw. unterbrochen ist; und Messen einer induzierten Spannung, die in der Ankerwicklung induziert wird, während der Strom an die Feldwicklung geliefert wird.

Bei diesem Verfahren wird als ein Strom, der höchstens einen vorbestimmten Wert aufweist und der in der Lage ist, das bewegliche Element zu bewegen, ein Stromwert an die Feldwicklung geliefert, der keine Leistung erzeugt. Zu dieser Zeit wird eine induzierte Spannung, die in der Ankerwicklung induziert wird, gemessen. Wie bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Position des beweglichen Elementes anhand der gemessenen induzierten Spannung zu bestimmen.

Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element und ein stationäres Element umfaßt, welches eine Mehrzahl von Ankerwicklungen aufweist. Das Verfahren umfaßt die Schritte von: Liefern eines Stromes an die Ankerwicklungen derart, daß der Strom durch die Ankerwicklungen während eines Zustandes Null wird, in dem sich das bewegliche Element bewegt; und Messen einer Spannung der Ankerwicklungen, während die Ankerwicklungen mit dem Strom versorgt werden.

Da die Spannung der Ankerwicklungen sich entsprechend der Position des beweglichen Elementes ändert, gestattet es dieses Verfahren, die Position des beweglichen Elementes anhand der gemessenen Spannung der Ankerwicklungen wie bei dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu messen.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgend anhand der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Drehmotors und einer Kontrollvorrichtung für einen Drehmotor entsprechend einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 ein Flußdiagramm ist, das eine Kontrolle illustriert, die durch die Kontrollvorrichtung durchgeführt wird, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 ein Zeitverlauf zur Erläuterung des Prinzips der Fehlererfassung ist;
Fig. 4 ein Graph ist, der Beziehungen zwischen dem optimalen magnetisierbaren Strom If* und der Größe der Leistungserzeugung Pg zu der Bewegungsgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) Nm eines beweglichen Elementes zeigt;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Drehmotors und einer Kontrollvorrichtung für einen Drehmotor entsprechend einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 6 ein Zeitablauf zur Erläuterung des Prinzips der Fehlererfassung ist;
Fig. 7 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen dem U-Phasenstrom und dem Phasenfehler zeigt, der zu der Zeit eines Betriebs der Leistungserzeugung erfaßt wird;
Fig. 8 ein Flußdiagramm ist, das ein Programm erläutert, welches innerhalb einer elektronischen Kontrolleinheit ECU zum Zwecke des Erfassens eines Phasenfehlers ausgeführt wird;
Fig. 9 ein Zeitablauf zur Erläuterung des Prinzips der Fehlererfassung entsprechend einer Modifikation der zweiten Ausführung ist;
Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips eines zweipoligen elektrischen Wechselstrommotors (Synchronmotor) ist; und
Fig. 11 ein Blockdiagramm eines bürstenlosen Motors 4 ähnlich dem bürstenlosen Motor ist, der in der japanischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 9-47066 beschrieben ist.
Nachfolgend wird eine Kontrollvorrichtung für einen Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung anhand verschiedener bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Darin bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten, die nicht erneut beschrieben werden.

Erste Ausführung

Ein Energiewandler ist bei dieser Ausführung eine Vorrichtung, die elektrische Energie in kinetische Energie oder kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie stellt damit einen elektrischen Motor bzw. einen Generator dar. Insbesondere bedeutet "Energiewandler" einen elektrischen Motor wie etwa einen Drehmotor, dessen bewegliches Element ein Rotor ist, der rotiert, ein Linearmotor, dessen bewegliches Element ein Schlitten ist, der sich linear bewegt, etc., oder einen Generator, der elektrische Leistung erzeugt, indem ein bewegliches Element rotiert. Aufgrund der Umkehrbarkeit bei der Umwandlung der Energie weisen elektrische Motoren und Generatoren im wesentlichen dieselbe Struktur auf. Daher erfolgt die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit einem Fall, in dem der Energiewandler ein Drehmotor ist.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Drehmotors und einer Kontrollvorrichtung für einen Drehmotor entsprechend der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Ein Drehmotor 4 in Fig. 1 ist ein bürstenloser dreiphasiger Motor mit Drehfeld und weist eine Struktur auf, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist. Das heißt, der Motor 4 weist ein bewegliches Element R auf, welches einen Kern C, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist, und eine Feldwicklung r umfaßt sowie ein stationäres Element S. welches Ankerwicklungen U, V, W aufweist. Das bewegliche Element R kann bewegt (rotiert) werden, indem Wechselstrom an die Ankerwicklungen U, V, W mittels einer Umrichterschaltung 3 geliefert wird, während Strom von einer Feldstromkontrollschaltung 30 entsprechend einem Kommando von einer elektronischen Kontrolleinheit ECU an die Feldwicklung r geliefert wird.
Der Motor 4 ist mit peripheren Schaltungen versehen, die im wesentlichen denen entsprechen, die in Fig. 11 gezeigt sind. Eine Gleichstromspannungsausgabe von einem Wechselstrom-/Gleichstromumrichterbereich wird an die Umrichterschaltung 3 geliefert. Auf der Basis einer Zeitsignalausgabe von der elektronischen Kontrolleinheit ECU (Kontrollvorrichtung) erzeugt die Umrichterschaltung 3 dreiphasigen Strom und beliefert die Ankerwicklungen U, V, W mit Wechselstrom der entsprechenden Phasen. Zwischen der elektronischen Kontrolleinheit ECU und der Umrichterschaltung 3 ist ein geeigneter Steuerkreis 7 angeordnet, der eine Zeitsteuerung zur Erzeugung des dreiphasigen Wechselstromes aus einer Ausgabezeitsteuerung der elektronischen Kontrolleinheit ECU erzeugt.
Die Dreh- bzw. Winkelposition des beweglichen Elements R (in Fig. 1 nicht dargestellt, vergleiche Fig. 10) kann mittels eines Positionsdetektors (Hallsensor) H erfaßt werden. Eine Ausgabe des Positionsdetektors H wird in die elektronische Kontrolleinheit ECU eingegeben.
Die Spannung (Potential) von jeder Ankerwicklungen U, V, W, die durch Voltmeter 11 erfaßt werden, und die entsprechenden Werte der Ströme durch sie, die durch Stromsensoren 12 erfaßt werden, werden in die elektronische Kontrolleinheit ECU eingegeben. Die elektronische Kontrolleinheit ECU liefert, während sie die Versorgung mit Wechselstromspannung von der Umrichterschaltung 3 an die Ankerwicklungen U, V, W unterdrückt, einen Strom an die Feldwicklung r, der kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert If* ist, um so das bewegliche Element zu bewegen (rotieren), und mißt dann die induzierten Spannungen (Potentiale), die in den Ankerwicklungen U, V, W induziert werden. Da die induzierten Spannungen mit den Dreh- bzw. Winkelpositionen des beweglichen Elementes korrespondieren, gestattet die oben beschriebene Messung die Erfassung der Position des beweglichen Elements.
Da die induzierten Spannungen der Dreh- bzw. Winkelposition des beweglichen Elements R entsprechen, ist es möglich, die Position des beweglichen Elementes anhand der induzierten Spannungen zu bestimmen. Unter Verwendung der Position des beweglichen Elementes, die durch den Positionsdetektor H zusätzlich zu der Position des beweglichen Elements gemessen wird, die aus den induzierten Spannungen bestimmt wird, kann ein Fehler der Position des beweglichen Elementes gemessen werden.
Das heißt, die elektronische Kontrolleinheit ECU berechnet einen Fehler zwischen der Position des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor H erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements, wie sie anhand der induzierten Spannungen erfaßt wird, und korrigiert den Referenzpunkt der Position des beweglichen Elements für den Positionsdetektor H und paßt die Zeitsteuerung einer Ausgabe eines Schaltsignals an die Umrichterschaltung 3 derart an, daß der oben beschriebene Fehler eliminiert wird, wenn der Energiewandler als ein elektrischer Motor fungiert.
Falls das Zeitsignal zur Erzeugung des dreiphasigen Wechselstroms bezüglich der Position des beweglichen Elements erzeugt werden soll, wie sie durch den Positionsdetektor H erfaßt wird, ist es sinnvoll, die Position des beweglichen Elements auf Basis des gemessenen Fehlers zu korrigieren. Auch im Falle eines Generators kann eine ähnliche Anpassung der Zeitsteuerung durchgeführt werden, falls die Umrichterschaltung 3 betrieben wird.
Der oben beschriebene vorbestimmte Wert If* ist eine Menge an Strom, die keine Leistung erzeugt. Das heißt, eine große Leistung wird erzeugt, falls der Strom, der an die Feldwicklung r geliefert wird, größer als ein vorbestimmter Wert wird. Daher ist bei dieser Vorrichtung ein Strom, der keine Leistung erzeugt, als ein vorbestimmter Wert If* definiert, und ein Strom, der kleiner oder gleich dem Wert If* ist, wird an die Feldwicklung r geliefert. In diesem Fall kann ebenfalls eine induzierte Spannung gemessen werden, da der Strom nicht gleich 0 ist.
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Beschreibung der oben erläuterten Kontrolle. Zunächst bestimmt in Schritt S1 die elektronische Kontrolleinheit ECU, ob eine vorbestimmte Operationsbedingung erfüllt ist. Die vorbestimmte Operationsbedingung ist beispielsweise in dem Fall eines hybriden Fahrzeugs eine Bedingung, daß das bewegliche Element R beginnt, sich aufgrund einer äußeren Kraft zu bewegen, beispielsweise eine Bedingung, daß, nachdem eine Brennkraftmaschine mittels eines Selbststartmotors gestartet worden ist, der Energiewandler beginnt, als Generator zu arbeiten. In dem Fall eines Fahrzeugs kann die vorbestimmte Operationsbedingung eine Bedingung sein, in der der Drehmotor 4 als ein Motor betrieben wird oder in der eine Erzeugung oder Regenerierung von Leistung unterbrochen werden kann. Falls die vorbestimmte Operationsbedingung nicht erfüllt ist, beendet die elektronische Kontrolleinheit ECU die Kontrolle, ohne in einen Modus zur Erfassung eines Fehlers einzutreten.
Falls die vorbestimmte Operationskontrolle erfüllt ist, tritt die elektronische Kontrolleinheit ECU in den Modus zur Erfassung eines Fehlers ein. Während des Modus zur Erfassung eines Fehlers stoppt die elektronische Kontrolleinheit ECU in Schritt S2 zunächst die Umrichterschaltung 3 und startet die Zweiweggleichrichterleistungserzeugung (Gleichrichtergenerierung). Anschließend bestimmt in Schritt S3 die elektronische Kontrolleinheit ECU eine Menge an Strom (vorbestimmter Wert If*), die eine optimale Erregung gestattet, auf Basis der Geschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) des beweglichen Elements. Das heißt, der Strom, der größer als der vorbestimmte Wert If* ist, verursacht eine Leistungserzeugung. Falls der Strom kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert If* ist, wird keine Leistung erzeugt, sondern die induzierte Spannung reduziert. Daher können, falls der Strom kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert If* ist, bestimmte Effekte erwartet werden. Jedoch ist es im Hinblick auf die Optimierung sinnvoll, den Strom, der an die Feldwicklung r geliefert wird, auf den vorbestimmten Wert If* zu setzen. Es ist ebenfalls sinnvoll, daß eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des beweglichen Elements und dem vorbestimmten Wert If* im vorhinein in Gestalt einer Karte bzw. Tabelle gespeichert wird.
Anschließend erfaßt in Schritt S4 die elektronische Kontrolleinheit ECU einen Fehler zwischen der Position des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor H erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements, wie sie anhand der induzierten Spannung bestimmt wird, die während der Versorgung der Feldwicklung r mit Strom gemessen werden, und speichert den erfaßten Fehler in einem Speicher, der innerhalb der elektronischen Kontrolleinheit ECU vorhanden ist.
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Prinzips der oben erläuterten Erfassung des Fehlers. Die räumliche Dreh- bzw. Winkelposition des beweglichen Elements R wird durch die Signalspannung vom Hallsensor angezeigt, der als der Positionsdetektor H in der Nähe der Ankerwickung U angeordnet ist. Die Ausgabespannung von den Voltmetern 11 wird als eine induzierte Spannung (U-Phasenhallsensorsignal) erfaßt, wie oben beschrieben. Daher wird der Zeitpunkt des Nulldurchgangs der induzierten Spannung erfaßt.
Das heißt, die elektronische Kontrolleinheit ECU weist eine Schaltung 8 für einen Nulldurchgang (Nulldurchgangsschaltung) auf, die als eine Position des beweglichen Elements den Zeitpunkt erfaßt, zu dem die gemessene induzierte Spannung ein Referenzspannungsniveau schneidet. Da dieser Zeitpunkt des Schneidens die Position (Drehposition, d. h. Phase) des beweglichen Elements R anzeigt, kann die Position des beweglichen Elements R unter Verwendung der Schaltung 8 für den Nulldurchgang einfach gemessen werden.
Die Schaltung für den Nulldurchgang ist im engeren Sinne eine Schaltung, die das Schneiden eines Wechselstromsignals bezüglich 0 V erfaßt. Jedoch kann bei dieser Erfindung die Schaltung für den Nulldurchgang auch eine Schaltung umfassen, die das Schneiden eines Wechselstromsignals bezüglich eines Referenzspannungsniveaus erfaßt, das ungleich 0 V ist. Die Schaltung für den Nulldurchgang erfaßt bei dieser Ausführung den Durchgang eines Wechselstromsignals bezüglich 0 V.
Die Schaltung 8 für den Nulldurchgang gibt eine induzierte Spannung (Nulldurchgangserfassungssignal) aus, die in eine Rechteckwelle konvertiert worden ist. Die Rechteckwelle, die eine Pulsweite aufweist, welche äquivalent zu einer Differenz zwischen der Position des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor H erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements ist, wie sie anhand der induzierten Spannung bestimmt wird, die während der Versorgung der Feldwicklung r mit Strom gemessen wird, kann aus einem logischen Produkt der Rechteckwellen des U-Phasenhallsensorsignals und des Nulldurchgangserfassungssignals bestimmt werden.
Da die elektronische Kontrolleinheit ECU den Positionsdetektor H für das bewegliche Element aufweist, der zu dem Zeitpunkt der Messung der induzierten Spannungen mittels der Schaltung 8 für den Nulldurchgang die Position des beweglichen Elements R mittels einer Technik erfaßt, die sich von der der Schaltung 8 für den Nulldurchgang unterscheidet, ist die elektronische Kontrolleinheit ECU in der Lage, als einen Phasenfehler die Differenz zwischen der Position des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor H zur Zeit der Messung der induzierten Spannungen erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements, wie sie durch die Schaltung 8 für den Nulldurchgang erfaßt wird, zu bestimmen. Daher ist es möglich, eine der erfaßten Positionen entsprechend der anderen erfaßten Position zu korrigieren. Bei dieser Ausführung wird die Ausgabe des Positionsdetektors H anhand der Größe des Fehlers korrigiert.
Fig. 4 ist ein Graph, der Beziehungen des optimalen magnetisierbaren bzw. magnetisierenden Stroms If* und der Größe der erzeugten Leistung Pg über der Geschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) Nm des beweglichen Elements zeigt. Falls der Strom If gleich If1, If2 ist, nimmt die Menge an erzeugter Leistung Pg Werte an, die größer oder gleich Null sind, vorausgesetzt, daß die Drehgeschwindigkeit Nm größer oder gleich N1, N2 ist. Daher ist, falls die Drehgeschwindigkeit Nm kleiner oder gleich N0 ist, der optimale Stromwert, d. h. der vorbestimmte Wert If*, konstant. Wenn die Drehgeschwindigkeit Nm von N0 anwächst, sinkt der vorbestimmte Wert If*.
Falls die Phase des Wechselstroms, mit der die Ankerwicklungen U, V W versorgt werden, auf Basis der oben beschriebenen erfaßten Differenz angepaßt wird, ist die elektronische Kontrolleinheit ECU in der Lage, die Phase des Wechselstroms auf eine gewünschte Phase zu verschieben, so daß die Position des beweglichen Elements einer gewünschten Position entspricht. Das heißt, es wird eine Übereinstimmung zwischen der räumlichen Phase der Position des beweglichen Elements und der elektrischen Phase benötigt, um eine maximale Effizienz der elektrischen Leistung zu erzielen, wenn der Motor 4 als ein elektrischer Motor betrieben wird oder wenn Leistung erzeugt wird, wobei die Umrichterschaltung 3 betrieben wird. Falls die Abgleichung der Phase des dreiphasigen Wechselstroms auf Basis nur des Signals vom Positionsdetektor H ausgeführt wird, kann im Falle des Auftretens eines Fehlers die maximale Effizienz der elektrischen Leistung nicht erzielt werden. Darüber hinaus kann in diesem Fall ein Verlust an Synchronisierung auftreten.
Daher wird die Position des beweglichen Elements, die durch den Positionsdetektor erfaßt wird, korrigiert, indem beispielsweise der Referenzpunkt für die Position korrigiert wird, um so den Fehler zu reduzieren. Auf Basis der korrigierten Position des beweglichen Elements wird dreiphasiger Wechselstrom erzeugt, um die Abgleichung der Phase zu erreichen, wenn der Drehmotor 4 als ein elektrischer Motor betrieben wird oder wenn der Drehmotor 4 als ein Generator betrieben wird, wobei die Umrichterschaltung betrieben wird.
Die Phase, Periode und Frequenz des dreiphasigen Wechselstroms kann durch das Zeitsteuersignal von der elektronischen Kontrolleinheit ECU frei geändert werden, d. h. bei der Zeitsteuerung zur Umschaltung der Transistoren der Umrichterschaltung 3. Somit paßt die elektronische Kontrolleinheit ECU die Phase des dreiphasigen Wechselstroms an, indem die Zeitsteuerung der Umschaltung, die durch die Umrichterschaltung 3 durchgeführt wird, welche den dreiphasigen Wechselstrom an die Ankerwicklungen U, V, W liefert, angepaßt wird.

Zweite Ausführung

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Drehmotors und einer Kontrollvorrichtung für diesen Drehmotor entsprechend einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Ein Drehmotor 4 ist ein bürstenloser dreiphasiger Motor, der ein bewegliches Element aufweist, das durch einen Permanentmagneten gebildet wird, d. h. ein dreiphasiger bürstenloser Motor, den man erhält, indem man den Elektromagneten, der aus der Feldwicklung r und dem Kern C, welcher aus magnetischem Material hergestellt ist (vergleiche Fig. 10), wie in Fig. 1 gezeigt, durch einen Permanentmagneten ersetzt.
Das heißt, der Motor 4 weist ein bewegliches Element R und ein stationäres Element 5 auf, welches Ankerwicklungen U, V, W umfaßt. Das bewegliche Element R kann bewegt (rotiert) werden, indem Wechselstrom an die Ankerwicklungen U, V, W angelegt wird, um so eine gewünschte Anziehung bzw. Anstoßung des Permanentmagneten bezüglich des Magnetfeldes zu verursachen. Das heißt, der Motor 4 umfaßt das bewegliche Element R und das stationäre Element S. das eine Mehrzahl von Ankerwicklungen U, V, W aufweist, und ist in der Lage, das bewegliche Element R zu bewegen, indem mehrphasiger Wechselstrom an die Ankerwicklungen U, V, W angelegt wird.
Eine elektronische Kontrolleinheit ECU, d. h. eine Kontrollvorrichtung des Motors 4, versorgt die Ankerwicklungen U, V, W mit Strom, so daß der Strom durch jede der Ankerwicklungen U, V, W gleich Null wird, während das bewegliche Element R sich bewegt (rotiert), und mißt die Spannungen zwischen den Ankerwicklungen U, V, W.
Die Spannungen zwischen den Ankerwicklungen U, V, W, beispielsweise die U-V Spannung, ändert sich entsprechend der Position des beweglichen Elements R. Da die Spannungen zwischen den Ankerwicklungen U, V, W mit der Position des beweglichen Elements R korrespondieren, kann die Position des beweglichen Elements (räumliche Phase während der Drehung) anhand der Spannungen zwischen den Ankerwicklungen U, V, W bestimmt werden. Zusätzlich zu der solcherart bestimmten Position des beweglichen Elements mißt die Vorrichtung bei dieser Ausführung eine Position des beweglichen Elements auf einer unterschiedlichen Grundlage, indem ein Positionsdetektor H wie etwa ein Hallsensor oder dergleichen verwendet wird, der in der Vorrichtung vorhanden ist. Somit ist die Vorrichtung in der Lage, einen Fehler bezüglich der Position des beweglichen Elements zu messen.
Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Prinzips der Erfassung des Fehlers. Die räumliche Position des beweglichen Elements R wird durch eine Signalspannung vom Hallsensor angezeigt, der als der Positionsdetektor H vorhanden ist. Die elektronische Kontrolleinheit ECU erfaßt eine Spannung zwischen Wicklungen, beispielsweise die U-V Spannung, anstelle der Spannung von jeder Phase. Es ist auch möglich, einen Aufbau zu verwenden, in dem die V-W Spannung oder die W-U Spannung erfaßt wird. Die Spannung zwischen Wicklungen muß keine tatsächliche Spannung sein, sondern kann bei einem vereinfachten Aufbau eine von der elektronischen Kontrolleinheit ECU angewiesene bzw. verursachte Spannung sein.
Die elektronische Kontrolleinheit ECU umfaßt eine Schaltung 8 für den Nulldurchgang, die als eine Position des beweglichen Elements den Zeitpunkt erfaßt, zu dem die Spannung zwischen den Ankerwicklungen U, V, W ein Referenzspannungsniveau schneidet. Da diese Zeit, zu der die Spannung das Niveau kreuzt, die Position des beweglichen Elements anzeigt, gestattet die Verwendung der Schaltung für den Nulldurchgang eine einfache Messung der Position des beweglichen Elements R.
Die Schaltung 8 für den Nulldurchgang gibt eine Rechteckwelle aus. Die Pulsbreite einer Rechteckwelle, die eine Differenz (Positionsfehler) zwischen einer Rechteckwelle (U-Phasenhallsensorsignal), die die Position des beweglichen Elements anzeigt, die durch den Positionsdetektor H erfaßt wird, und der Rechteckwelle (Nulldurchgangserfassungssignal), die die Position des beweglichen Elements anzeigt, die durch die Schaltung für den Nulldurchgang erfaßt wird, anzeigt, kann von einem logischen Produkt der zwei Rechteckwellen des U-Phasenhallsensorsignals und des Nulldurchgangserfassungssignals bestimmt werden.
Wie oben beschrieben, erfaßt die elektronische Kontrolleinheit ECU eine Differenz zwischen der Position des beweglichen Elements, wie sie durch die Schaltung für den Nulldurchgang erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor H zu der Zeit der Messung der Spannung zwischen den Ankerwicklungen U, H, W gemessen wird, mittels eines Computers oder einer Differenzschaltung. Somit ist die elektronische Kontrolleinheit ECU in der Lage, eine Differenz in den Positionen des beweglichen Elements zu bestimmen.
Falls die Phase des Wechselstroms, mit dem die Ankerwicklung von U, V, W versorgt werden, auf Basis der wie oben beschrieben erfaßten Differenz angepaßt werden, paßt die Elektronische Kontrolleinheit ECU die Phase eines Wechselstroms an die gewünschte Phase derart an, daß die Position des beweglichen Elements an eine gewünschte Position angeglichen wird.
Das heißt, die elektronische Kontrolleinheit ECU ist in der Lage, die Phase des Wechselstroms, mit dem die Ankerwicklungen U, V, W versorgt werden, anzupassen, indem die Zeitsteuerung des Umschaltens, das durch die Umrichterschaltung 3 durchgeführt wird, die die Ankerwicklungen U, V, W mit dem Wechselstrom versorgt, angepaßt wird. Dies beruht darauf, daß die Umrichterschaltung in der Lage ist, die Phase und Frequenz des erzeugten Wechselstromes zu ändern, indem sie die Zeitsteuerung der Umschaltungen kontrolliert.
Fig. 7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem U-Phasenstrom und dem Phasenfehler anzeigt, der zur Zeit einer Leistungserzeugung erfaßt wird. Das heißt, abhängig von dem Vorauseilen/ Verzögern der Phase ändert sich die Amplitude des U-Phasenstromes. Die Änderung in der Amplitude tritt bei jedem der magnetischen Pole auf, die bei dem stationären Element S vorhanden sind. Daher speichert bei jedem der Ausführungsformen die elektronische Kontrolleinheit ECU eine Anzahl von Werten der oben erläuterten Differenz, die mit der Anzahl der magnetischen Pole korrespondiert, die auf dem stationären Element S vorhanden sind, und ist in der Lage, die Zeitsteuerung des Umschaltens der Umrichterschaltung 3 separat für die individuellen magnetischen Pole auf Basis der gespeicherten Werte der Differenz für die individuellen magnetischen Pole anzupassen. In dem Fall des Hallsensors ist es wahrscheinlich, daß die Magnetisierung der magnetischen Pole variiert. In einem gewöhnlichen Fall, in dem eine Pulsbreitenmodulations (PWM)-Umschaltung auf Basis des Hallsensors durchgeführt wird, ist es wahrscheinlich, daß eine Welligkeit des Stromes (Stromrippel) und eine Welligkeit des Drehmoments (Drehmomentrippel) auftreten. Falls eine Korrektur separat für jeden magnetischen Pol durchgeführt wird, wird ein glatter Betrieb möglich.
Das heißt, der Nullpunkt der Position des beweglichen Elements, der als eine Referenz für die Kontrolle dient, wird separat für jeden magnetischen Pol korrigiert, so daß der Fehler reduziert wird. Da die oben erläuterte Differenz als der Betrag der Phasenabweichung für jeden magnetischen Pol gespeichert wird, kann eine präzisere Anpassung der Wechselstromphase durchgeführt werden. Daher steigt die Effizienz während des Betriebs als elektrischer Motor oder die Leistungserzeugung, wobei der Umrichter betrieben wird. Das Durchführen dieser Korrektur für jeden magnetischen Pol ist ideal. Jedoch kann die Korrektur auch durchgeführt werden, indem ein Durchschnittswert unter den Differenzen für jeden magnetischen Pol während einer einzigen Umdrehung verwendet wird. Darüber hinaus kann, wenn man den Durchgang durch die CPU in Betracht zieht, die Korrektur durchgeführt werden, indem ein Durchschnitt unter den Differenzen für einen magnetischen Pol während einer einzigen Umdrehung verwendet wird.
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das ein Programm illustriert, welches innerhalb der elektronischen Kontrolleinheit ECU zum Zwecke der Erfassung eines Phasenfehlers ausgeführt wird. Zunächst wird in Schritt S10 bestimmt, ob eine vorbestimmte Operationsbedingung erfüllt ist. Falls die Operationsbedingung erfüllt ist, wird in einen Modus zur Speicherung eines Fehlers eingetreten. Falls die Operationsbedingung nicht erfüllt ist, endet die Kontrolle. Beispiele für eine solche vorbestimmte Operationsbedingung, beispielsweise für den Fall eines Hybridenfahrzeug, das einen elektrischen Motor und eine Brennkraftmaschine beinhaltet, umfassen eine Bedingung, daß, nachdem die Brennkraftmaschine mittels Betreibens eines Selbststartmotors gestartet worden ist, der elektrische Motor in einen Modus zur Leistungserzeugung eintritt, oder dergleichen.
Nachfolgend wird in Schritt S11 ein Durchschnitt der Ströme Iu, Iv, Iw durch die U-Phasenwicklung, die V- Phasenwicklung und die W-Phasenwicklung entsprechend der folgenden Gleichung zur Berechnung einer Stromamplitude berechnet.

I = (Iu² + Iv² + Iw²)^1/2.
Nachfolgend wird in Schritt S12 eine Durchschnittszeit Iave der derart bestimmten Stromamplitude für jede Rotation des beweglichen Elements R berechnet. In Schritt S13 wird eine Differenz zwischen der Durchschnittszeit Iave und der momentanen Stromamplitude I als ein Positionsfehler(Phasenfehler) erfaßt und in dem Speicher gespeichert. Falls eine momentane Stromamplitude I für jeden magnetischen Pol gesetzt ist, wird eine Korrektur durch die Umrichterschaltung 3 für jeden magnetischen Pol durchgeführt. Das heißt, falls die Amplitude I größer als der Durchschnittswert Iave ist, wird bestimmt, daß ein Phasenverzögerung vorliegt. Dann wird eine Kontrolle zur Verschiebung nach vorne durchgeführt. Falls die Amplitude I kleiner als der Durchschnittswert Iave ist, wird eine Kontrolle in umgekehrter Art und Weise durchgeführt. Obwohl der durchschnittliche Wert Iave bei dieser Ausführung als eine Referenz verwendet wird, ist es auch möglich, anstelle des durchschnittlichen Wertes Iave, einen Referenzwert zu verwenden, der mit einer spezifischen Operationsbedingung korrespondiert. Durch die oben beschriebene Kontrolle kann die Stromwelligkeit und die Welligkeit des Drehmoments beträchtlich reduziert werden.
In jeder der Kontrollen der ersten und zweiten Ausführung ist der Phasenfehler keine Information, die konstant upgedatet werden muß und es ist sinnvoll, daß der Phasenfehler in einem nicht flüchtigen Speicher oder dergleichen gespeichert wird und upgedatet wird, wenn es notwendig ist.
Daher erlaubt, falls ein Fehler in der Präzision des Positionsdetektors H selber oder dessen Montagepräzision vorliegt, die oben beschriebene Kontrolle eine stabile Drehmomentleistung, ein maximales Drehmoment (das Drehmoment der Kurbelwelle, das durch einen Energiewandler eines Fahrzeugs erzeugt wird oder dergleichen) und eine optimale Effizienzkontrolle.
In jeder der oben beschriebenen Kontrollen kann die Phase des Wechselstroms, mit dem die Ankerwicklungen U, V, W versorgt werden, zu der Zeit, zu der der Energiewandler als ein elektrischer Motor betrieben wird, entsprechend der Differenz zwischen dem Referenzstrom und dem Strom, der durch die Ankerwicklungen U, V, W zu der Zeit der Bewegung (Rotation) des beweglichen Elements R fließt, angepaßt werden.
Falls dieser Referenzstrom zu der Zeit der Übereinstimmung beziehungsweise der Abgleichung zwischen der räumlichen Phase des beweglichen Elements R und der elektrischen Phase gesetzt ist, mit der die Ankerwicklungen U, V, W versorgt werden, entspricht die Differenz zwischen dem Referenzstrom und dem Strom, der zu der Zeit der Bewegung des beweglichen Elements durch die Ankerwicklungen U, V, W fließt, einem Fehler in der Phase. Daher minimiert die Verwendung der oben beschriebenen Differenz den Fehler.
Der Referenzstrom kann ein Durchschnittswert von Stromausgaben von den Ankerwicklungen U, V, W sein. Falls der momentane elektrische Strom von dem Durchschnittswert abweicht, ist es sinnvoll, die Phase des gelieferten Stromes entsprechend der Größe der Abweichung nach vorne oder nach hinten zu verschieben.
Falls das bewegliche Element R ein Rotor ist, der relativ zum stationären Element S rotiert, kann der Energiewandler dazu gebracht werden, als ein elektrischer Drehmotor oder ein Drehgenerator zu fungieren. In diesem Fall kann der elektrische Motor oder Generator beispielsweise als Quelle der Antriebsleistung für ein Fahreug eingesetzt werden. Somit ist die oben beschriebene elektronische Kontrolleinheit ECU in der Lage, einen Energiewandler wie etwa elektrische Motoren einschließlich Drehmotoren, deren bewegliches Element R ein Rotor ist, der sich dreht, und Linearmotoren, deren bewegliches Element R ein Schlitten ist, der sich linear bewegt, oder wie Generatoren zu kontrollieren, die eine elektrische Leistung erzeugen, indem ein bewegliches Element rotiert.
Bei der zweiten Ausführung kann die oben erläuterte Spannung zwischen den Ankerwicklungen U und V zu einer Spannung über eine einzelne Ankerwicklung geändert werden. In diesem Fall kann ebenfalls die Position des beweglichen Elements erfaßt werden. Das heißt, bei dieser Modifikation der zweiten Ausführung wird, während sich das bewegliche Element R bewegt, die Ankerwicklung U mit Strom versorgt, so daß der Strom durch die Ankerwicklung U Null wird und die Spannung der Ankerwicklung U alleine wird gemessen.
Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Prinzips einer Erfassung eines Fehlers bei dem oben erläuterten Aufbau.
Die räumliche Dreh- bzw. Winkelposition des beweglichen Elements R wird durch eine Signalspannung von einem Hallsensor angezeigt, der als der Positionsdetektor H in der Nähe der Ankerwicklung U vorhanden ist. Die Ausgabespannung des Positionsdetektors H wird als eine Spannung der Ankerwicklung allein (eine Referenz ist eine untere Seite einer Gleichstromspannung) durch das Filtern mittels eines Tiefpaßfilters erfaßt. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs der gefilterten Spannung wird erfaßt. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs wird erfaßt, indem eine fundamentale Wellenkomponente der Spannung der Ankerwicklung allein, von der eine Trägerkomponente mittels des Tiefpaßfilters entfernt worden ist, mit einer Referenzspannung Vb/2 verglichen wird (Vb ist eine Gleichstromspannung).
Das heißt, die elektronische Kontrolleinheit ECU umfaßt bei der Modifikation der zweiten Ausführung eine Schaltung für einen Nulldurchgang, die als eine Position des beweglichen Elements den Zeitpunkt erfaßt, zu der die oben erläuterte gemessene Spannung ein Referenzspannungsniveau schneidet bzw. durchschreitet. Da der Zeitpunkt des Schneidens bzw. Kreuzens die Position (Drehposition, Phase) des beweglichen Elements R anzeigt, gestattet die Verwendung der Schaltung für den Nulldurchgang eine einfache Messung der Position des beweglichen Elements R.
Die Schaltung für den Nulldurchgang gibt die oben erläuterte Spannung aus, umgewandelt in eine Rechteckwelle. Die Rechteckwelle, die eine Pulsweite aufweist, die äquivalent zu einer Differenz zwischen der Postion des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor H erfaßt wird, und der Postion des beweglichen Elements, wie sie von der oben erläuterten Spannung der Ankerwicklung alleine bestimmt wird, ist, kann von einem logischen Produkt der Rechteckwellen von der Schaltung für den Nulldurchgang und dem Positionsdetektor H bestimmt werden.
Da die elektronische Kontrolleinheit ECU den Positionsdetektor H für das bewegliche Element umfaßt, der zu dem Zeitpunkt der Messung der Spannung der Ankerwicklung allein die Position des beweglichen Elements R mittels einer Technik erfaßt, die sich von der Messung der Spannung der Ankerwicklung unterscheidet, ist die elektronische Kontrolleinheit ECU in der Lage, als einen Phasenfehler die Differenz zwischen der Position des beweglichen Elements, wie sie durch den Positionsdetektor für das bewegliche Element zu der Zeit der Messung der Spannung erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements zu bestimmen, wie sie durch die Schaltung für den Nulldurchgang bestimmt wird. Daher ist es möglich, eine der erfaßten Positionen entsprechend der anderen erfaßten Position zu korrigieren, In diesem Beispiel wird die Ausgabe des Positionsdetektors H anhand der Größe des Fehlers korrigiert.
Die Kontrollen gemäß der ersten Ausführung, der zweiten Ausführung und deren Modifikation können auch bei einem parallel hybriden Fahrzeug verwendet werden, dessen Räder durch eine Brennkraftmaschine und einen elektrischen Motor angetrieben werden, der mit elektrischer Leistung von einer Batterie versorgt wird, wobei die zwei Quellen der Antriebsleistung wahlweise entsprechend der jeweiligen Situation verwendet werden können und die Leistung von der Brennkraftmaschine verwendet werden kann, um einen Generator anzutreiben, um so die Batterie des Fahrzeugs aufzuladen, während das Fahrzeug fährt. Die oben beschriebenen Kontrollen können auch bei einem seriell hybriden Fahrzeug verwendet werden, bei dem eine Brennkraftmaschine verwendet wird, um einen Generator anzutreiben, so daß eine elektrische Leistung erzeugt wird, und die elektrische Leistung zu einem elektrischen Motor zum Antrieb des Fahrzeugs geliefert wird.
Obwohl in der ersten Ausführungsform, der zweiten Ausführung und deren Modifikation der Positionsdetektor H ein Hallsensor ist, ist es auch möglich, einen Resolver oder einen Fotokoppler als einen Positionsdetektor zu verwenden.
Gemäß der Kontrollvorrichtungen für einen Energiewandler gemäß der ersten Ausführung, der zweiten Ausführung und deren Modifikation ist es möglich, einen Fehler betreffend der Position des beweglichen Elements zu messen, wobei ein simpler Aufbau verwendet wird.
Während die Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung sich nicht auf die hier erläuterten Ausführungen oder Konstruktionen beschränkt. Im Gegenteil umfaßt die vorliegende Erfindung verschiedene Modifikationen und äquivalente Aufbauten. Zusätzlich sind, während verschiedene Elemente der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen beschrieben wurden, diese nur exemplarisch und andere Kombinationen und Konfigurationen sind ebenso möglich.

Claims

1. Kontrollvorrichtung für einen Energiewandler zum Kontrollieren eines Energiewandlers (4), der ein bewegliches Element (R), welches eine Feldwicklung (r) aufweist, und ein stationäres Element, welches eine Ankerwicklung (U, V, W) aufweist, umfaßt und der in der Lage ist, das bewegliche Element (R) zu bewegen, indem er die Ankerwicklung (U, V, W) mit einem Wechselstrom versorgt, während er die Feldwicklung (r) mit einem Strom versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Zustandes, in dem die Versorgung der Ankerwicklung (U, V, W) mit dem Wechselstrom unterbrochen ist, das bewegliche Element (R) bewegt wird, während die Feldwicklung (r) mit einem Strom versorgt wird, der höchstens einen vorbestimmten Wert hat, und eine induzierte Spannung, die in der Ankerwicklung (U, V, W) induziert wird, gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schaltung für einen Nulldurchgang erfaßt, die als eine Position des beweglichen Elements (R) einen Kreuzungszeitpunkt erfaßt, zu dem die gemessene induzierte Spannung ein Referenzspannungsniveau schneidet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiters einen Positionsdetektor (H) für das bewegliche Element umfaßt, der eine Position des beweglichen Elements (R) erfaßt und sich von der Schaltung für den Nulldurchgang unterscheidet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Differenz zwischen der Position des beweglichen Elements (R), die durch die Schaltung für den Nulldruckgang erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements (R), die durch den Positionsdetektor (H) für das bewegliche Element zu einer Zeit der Messung der induzierten Spannung erfaßt wird, erfaßt.

5. Kontrollvorrichtung für einen Energiewandler zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element (R) und ein stationäres Element umfaßt, welches eine Mehrzahl von Ankerwicklungen (U, V, W) aufweist und der in der Lage ist, das bewegliche Element (R) zu bewegen, indem er die Ankerwicklungen (U, V, W) mit einem mehrphasigen Wechselstrom versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Ankerwicklung (U, V, W) so mit einem Strom versorgt, daß der Strom durch die Ankerwicklung (U, V, W) gleich Null wird, während das bewegliche Element (R) sich bewegt und eine Spannung der Ankerwicklung (U, V, W) mißt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schaltung für einen Nulldurchgang umfaßt, die als eine Position des beweglichen Elements (R) einen Kreuzungszeitpunkt erfaßt, zu dem die Spannung der Ankerwicklungen (U, V, W) ein Referenzspannungsniveau schneidet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiters einen Positionsdetektor (H) für das bewegliche Element umfaßt, der eine Position des beweglichen Elements (R) mittels einer Technik erfaßt, die sich von einer Technik zum Erfassen mittels der Schaltung für den Nulldurchgang unterscheidet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Differenz zwischen der Position des beweglichen Elements (R), die mittels der Schaltung für den Nulldurchgang erfaßt wird, und der Position des beweglichen Elements (R) erfaßt, die durch den Positionsdetektor (H) für das bewegliche Element zu einer Zeit der Messung der Spannung der Ankerwicklungen (U, V, W) gemessen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Phase des wechselstromes, mit dem die Ankerwicklungen (U, V, W) versorgt werden, basierend auf der erfassten Differenz anpaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Phase des Wechselstromes dadurch erfolgt, daß eine Zeitsteuerung des Schaltens einer Umrichterschaltung (3) angepaßt wird, die die Ankerwicklungen (U, V, W) mit dem Wechselstrom vesorgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Differenz für eine Anzahl speichert, die mit einer Anzahl von magnetischen Polen korrespondiert, die auf dem stationären Element ausgebildet sind, und die Zeitsteuerung des Schaltens der Umrichterschaltung (3) separat für jeden magnetischen Pol basierend auf der gespeicherten Differenz für jeden magnetischen Pol anpaßt.

12. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Energiewandler (4) als ein elektrischer Motor fungiert, die Vorrichtung eine Phase des Wechselstromes mit der die Ankerwicklung (U, V, W versorgt wird, entsprechend einer Differenz zwischen einem Referenzstrom und einem Strom, der zu einer Zeit, zu der sich das bewegliche Element (R) bewegt, durch die Ankerwicklung (U, V, W) fließt, anpaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrom einen Durchschnittswert der Stromausgaben von den Ankerwicklungen (U, V, W) ist.

14. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (R) ein Rotor ist, der relativ zum stationären Element rotiert.

15. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Ankerwicklungen (U, V, W) eine Spannung von einer der Ankerwicklungen (U, V, W) oder eine Spannung zwischen den Ankerwicklungen (U, V, W) ist.

16. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom, der höchstens den vorbestimmten Wert hat, eine Menge von Strom ist, die in dem Energiewandler keine Leistungserzeugung verursacht.

17. Verfahren zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element, welches eine Feldwicklung aufweist, und ein stationäres Element umfaßt, welches eine Ankerwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Versorgen der Feldwicklung mit einem Strom, der höchstens einen vorbestimmten Wert hat und der in der Lage ist, das bewegliche Element während eines Zustandes zu bewegen, in dem die Versorgung der Ankerwicklung mit dem Wechselstrom unterbrochen ist; und
Messen einer induzierten Spannung, die in der Ankerwicklung induziert wird, während die Feldwicklung mit dem Strom versorgt wird.

18. Verfahren zum Kontrollieren eines Energiewandlers, der ein bewegliches Element und ein stationäres Element umfaßt, welches eine Mehrzahl von Ankerwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Versorgen der Ankerwicklungen mit Strom so, daß der Strom durch die Ankerwicklungen während eines Zustandes gleich Null wird, in dem sich das bewegliche Element bewegt; und
Messen einer Spannung der Ankerwicklungen, während die Ankerwicklungen mit dem Strom versorgt werden.