DE112012006220T5

DE112012006220T5 - Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE112012006220T5
Application number: DE112012006220.5T
Authority: DE
Inventors: c/o Hitachi Ltd. Iwaji Yoshitaka; c/o Hitachi Ltd. Takahata Ryoichi; c/o Hitachi Ltd. Suzuki Takahiro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2015-01-15
Also published as: JP5853096B2; US20150155805A1; CN104221273A; CN104221273B; JPWO2013153656A1; WO2013153656A1; US9325264B2

Abstract

Ansteuerungsvorrichtung 1000 für einen Elektromotor, die aufweist: einen Inverter 3, der einen Motor 4 ansteuert, einen Spannungsteilerschaltkreis 2, der als Sternpunktpotential-Erfassungseinheit dient, die ein Sternpunktpotential einer Statorwicklung des Motors 4 erfasst; und eine Steuerung 1, die eine Läuferposition des Motors 4 auf Basis des erfassten Sternpunktpotentials schätzt und die den Inverter 3 auf Basis des Schätzergebnisses steuert. Ein Massepotential der Steuerung 1 ist auf das negative Potential oder das negative Potential einer Gleichspannung gesetzt, die den Inverter 3 versorgt. Der Spannungsteilerschaltkreis 2 erfasst das Sternpunktpotential in Bezug auf das negative Potential oder das positive Potential. Die Steuerung 1 schätzt die Läuferposition auf Basis einer Differenz zwischen einem ersten Sternpunktpotential, das während des EIN/AUS-Vorgangs des Inverters 3 erfasst wurde, und einem ersten feststehenden Referenzpotential (2/3) Emax, sowie auf Basis einer Differenz zwischen einem zweiten Sternpunktpotential, das während des EIN/AUS-Vorgangs erfasst wurde, und einem zweiten feststehenden Referenzpotential (1/3) Emax.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor, die einen Synchronmotor antreibt und steuert, der zum Steuern der Umdrehungsgeschwindigkeit beispielsweise eines Lüfters, einer Pumpe, eines Kompressors, eines Spindelmotors und dergleichen oder zum Steuern des Drehmoments in einer Positionsbestimmungsvorrichtung für eine Fördereinrichtung oder eine Werkzeugmaschine, einem elektrischen Assistenzsystem oder dergleichen eingesetzt wird, und sie bezieht sich ferner auf ein Elektromotorsystem vom integrierten Typ, ein Pumpensystem, ein Kompressorsystem und ein Positionsbestimmungssystem, die alle eine solche Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor umfassen.
STAND DER TECHNIK
Dauermagnetmotoren (d. h. Synchronmotoren) sind kompakt und sie weisen einen hohen Wirkungsgrad auf; solche Motoren werden auf verschiedenen Gebieten stark genutzt, wie in Industrie, Unterhaltungselektronik, Kraftfahrzeugen und dergleichen. Zum Antreiben eines Dauermagnetmotors ist jedoch eine Information über die Position des Läufers des Motors erforderlich, sodass bislang ein Positionssensor notwendig war.
In letzter Zeit wurde der Positionssensor häufig weggelassen und es ist gängige Praxis geworden, eine sensorlose Steuerung für die Drehzahlsteuerung oder Drehmomentsteuerung eines Dauermagnetmotors zu verwenden. Durch Umsetzung einer sensorlosen Steuerung ist es möglich, die mit dem Lagesensor verbundenen Kosten einzusparen (d. h. die Kosten für den Sensor selbst, die Kosten, die durch die Verdrahtung für den Sensor anfallen, etc.) und das ganze System kompakter zu gestalten. Zudem ist es vorteilhaft, dass das System durch die Einsparung des Sensors in einer Umgebung niedriger Qualität verwendet werden kann, etc.. In der gegenwärtigen Praxis wird für die sensorlose Steuerung eines Dauermagnetmotors entweder ein Verfahren zum Antrieb des Dauermagnetmotors durchgeführt, bei dem eine induzierte Spannung (d. h. eine auf die Geschwindigkeit zurückzuführende Spannung) direkt erfasst wird, die durch Drehung des Läufers des Dauermagnetmotors erzeugt wird, und bei dem diese Positionsinformation über den Läufer verwendet wird, oder es wird eine Methode zur Positionsschätzung verwendet, bei der eine Schätzung der Läuferposition anhand eines numerischen Modells des jeweiligen Motors berechnet wird, und dergleichen.
Es bestehen jedoch auch schwerwiegende Probleme bei diesen Verfahren der sensorlosen Steuerung. Sie treten bei den Positionserfassungsverfahren bei niedrigen Drehzahlen auf. Die meisten Verfahren der sensorlosen Steuerung, die derzeit in der Praxis eingesetzt werden, sind Verfahren, die auf der induzierten Spannung basieren, die von dem Dauermagnetmotor erzeugt wird. Die Empfindlichkeit nimmt daher in unerwünschter Weise ab, wenn der Motor angehalten wird, oder in einem Bereich niedriger Drehzahl, in dem die induzierte Spannung niedrig ist, und es besteht die Gefahr, dass die Positionsinformation im Rauschen untergeht. Es wurden verschiedene Strategien entwickelt, um dieses Problem zu lösen.
Bei der in Patentdokument #1 beschriebenen Erfindung wird die Positionsinformation erhalten, indem das ”Sternpunktpotential” gemessen wird, d. h. das Potential am Verbindungspunkt der Statorwicklungen der drei Phasen. Durch Erfassen des Sternpunktpotentials synchron mit den Impulsspannungen, die dem Motor vom Inverter zugeführt werden, ist es möglich, die Spannung zu erfassen, die aufgrund des Ungleichgewichts der Induktivitäten induziert wird, und es ist möglich, die Potentialänderung in Abhängigkeit von der Läuferposition zu erhalten. Die oben genannte Erfindung unterscheidet sich demnach durch eine Positionsinformation, die während der normalen Sinusmodulation der dem Motor zugeführten Spannungen durch PWM (Pulsweitenmodulation) erhalten wird. Hier bedeutet die Läuferposition die Position des Permanentmagneten, der an dem Rotor angebracht ist.
27 ist eine Figur, die ein Beispiel eines herkömmlichen elektrischen Synchronmotorantriebssystems zeigt, bei dem die sensorlose Motorsteuerung durch Erfassen des Sternpunktpotentials des Dauermagnetmotors erfolgt. Eine Steuerung 1K erzeugt PWM-Signale zur Steuerung eines Dauermagnetmotors 4 auf Basis des erfassten Wertes des Sternpunktpotentials. Die PWM-Signale werden einem Inverter 3 zugeführt, der den Dauermagnetmotor auf Basis der PWM-Signale steuert.
Eine virtuelle Sternpunktschaltung 100 ist parallel zum Dauermagnetmotor 4 geschaltet. Zum Erfassen des Sternpunktpotentials des Dauermagnetmotors 4 wird der virtuellen Sternpunktschaltung 100 ein virtuelles Sternpunktpotential Vnn entnommen. Eine Spannungsteilerschaltung 2 ist vorgesehen, um das Sternpunktpotential Vn des Dauermagnetmotors 4 festzustellen, wobei das virtuelle Sternpunktpotential Vnn als Referenz verwendet wird. Das spannungsgeteilte Potential Vin, das durch die Spannungsteilerschaltung 2 erzeugt wird, wird einem A/D-Wandler der Steuerung 1K über einen Trennverstärker 101 zugeführt.
28(a) ist eine Figur, in der die Ausgangskurvenverläufe für verschiedene Phasen dargestellt sind, so wie sie gegenüber der Masseleitung (Ni) des Inverters 3 erhalten werden. Während einem normalen PWM-Betrieb ändern sich die Ausgangspotentiale der drei Phasen auf diese Weise sequentiell. Und zu diesem Zeitpunkt ändern sich das Sternpunktpotential Vn und das virtuelle Sternpunktpotential Vnn des Dauermagnetmotors 4 wie in 28(b) dargestellt. Da die Impedanzen Z3 der virtuellen Sternpunktschaltung 100 gleich sind, kann Vnn demnach in Abhängigkeit von dem Schaltzustand einen der vier Werte VDC, (2/3) VDC, (1/3) VDC und 0 annehmen. Hier bedeutet VDC den Gleichspannungswert der Gleichspannungsversorgung 31 des Inverters.
Andererseits ändert sich Vn im Wesentlichen in ähnlicher Weise wie Vnn, da die Impedanzen der drei Wicklungen für die drei Phasen gleich sind. Der magnetische Fluss der Magnete des Dauermagnetmotors 4 hat jedoch einen Einfluss und die Induktivitätswerte der drei Phasen ändern sich dadurch etwas. Folglich sind die Induktivitätswerte der drei Phasen ungleichmäßig und hängen davon ab, in welcher Phase (Lagewinkel) sich der Läufer befindet, sodass sich der Wert von Vn ändert. Der Unterschied zwischen Vn und Vnn stellt als solcher eine Information über die Position des Rotors dar, wodurch eine Positionsbestimmung ohne Sensor möglich ist. Es ist demnach erforderlich, die Unterschiede zwischen den Signalen Vn und Vnn in die Steuerung 1K einzugeben. Zur Umsetzung wird das Sternpunktpotential gemessen, wobei der virtuelle Sternpunkt Vnn als Referenz verwendet wird.
LISTE DER ZITATE
PATENTLITERATUR

Patentdokument #1: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2010-74898

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Da sich das Referenzpotential jedoch in Abhängigkeit von dem Schaltungszustand des Inverters nach oben und unten stark ändert, ist es dementsprechend wesentlich, dass das Potential wie oben beschrieben in die Steuerung wie z. B. einem Mikrocomputer oder dergleichen über einen Trennverstärker eingegeben wird. Gewöhnlich beträgt das Spannungsniveau am Eingang eines A/D-Wandler einer Steuerung wie einem Mikrocomputer oder dergleichen ungefähr einige Volt, und es muss ferner sichergestellt sein, dass zumindest die Masse des Steuerschaltkreises konstant ist. Für eine Verwendung bei einem Motor, bei dem eine vergleichsweise hohe Spannung wie beispielsweise 100 V und darüber eingesetzt wird, ist es unerlässlich, dass ein Trennverstärker verwendet wird.
Ein Trennverstärker ist eine Komponente, die vergleichsweise teuer ist, sodass die Kosten erhöht werden. Da die Zeitspanne zum Erfassen des Sternpunktpotentials zudem ein Intervall von extrem kurzer Impulsform ist, ist für den Trennverstärker selbst eine hohe Ansprechempfindlichkeit erforderlich. Es ist jedoch nicht möglich, einen Hochleistungstrennverstärker zu einem niedrigen Preis zu beziehen, sodass es schwierig ist, das oben beschriebene Verfahren ohne jegliche Modifikation für eine Anwendung auf ein elektrisches Verbrauchsgut wie eine Waschmaschine oder einen Kühlschrank oder dergleichen oder auch für eine Anwendung bei einem typischen industriellen Gebrauch zu gestalten.
LÖSUNG DER AUFGABE
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor auf: einen Inverter, der bewirkt, dass mehrere Schaltelemente einen EIN/AUS-Vorgang ausführen, und der eine Gleichspannung aus einer Gleichspannungsversorgung für die Ansteuerung eines Drehstromsynchronmotors in eine Wechselspannung umwandelt; eine Sternpunktpotential-Erfassungseinheit, die ein Sternpunktpotential einer Statorwicklung des Drehstromsynchronmotors erfasst; und eine Steuereinheit, die eine Läuferposition des Drehstromsynchronmotors auf Basis des erfassten Sternpunktpotentials schätzt und die den Inverter auf Basis des Schätzergebnisses steuert; wobei: ein Massepotential der Steuereinheit auf das negative Potential oder das positive Potential der Gleichspannung gesetzt wird, mit der der Inverter versorgt wird; die Sternpunktpotential-Erfassungseinheit das Sternpunktpotential in Bezug auf das negative Potential oder das positive Potential erfasst; und die Steuereinheit die Läuferposition auf Basis einer Differenz zwischen einem ersten Sternpunktpotential, das mittels der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit während des EIN/AUS-Vorgangs erfasst wird, und einem ersten festen Referenzpotential sowie auf Basis einer Differenz zwischen einem zweiten Sternpunktpotential, das mittels der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit während des EIN/AUS-Vorgangs erfasst wird, und einem zweiten festen Referenzpotential schätzt.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinheit in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der ersten Ausgestaltung vorzugsweise auf: einen ersten Differenzverstärker, der ein Differenzsignal für die Differenz zwischen dem ersten Sternpunktpotential und dem ersten Referenzpotential erzeugt und der dieses Differenzsignal verstärkt und ausgibt; einen zweiten Differenzverstärker, der ein Differenzsignal für die Differenz zwischen dem zweiten Sternpunktpotential und dem zweiten Referenzpotential erzeugt und der dieses Differenzsignal verstärkt und ausgibt; einen ersten A/D-Wandler, der eine Analog-Digital-Umwandlung eines Ausgangssignals des ersten Differenzverstärkers vornimmt; und einen zweiten A/D-Wandler, der eine Analog-Digital-Umwandlung eines Ausgangssignals des zweiten Differenzverstärkers vornimmt; und wobei die Läuferposition auf Basis der Ausgaben des ersten und zweiten A/D-Wandlers geschätzt wird.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinheit in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der ersten Ausgestaltung vorzugsweise auf: eine Auswahleinheit, die das erste Referenzpotential oder das zweite Referenzpotential in Verbindung mit dem EIN/AUS-Vorgang der mehreren Schaltelemente auswählt; einen Differenzverstärker, in den der Reihe nach das von der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit erfasste erste und zweite Sternpunktpotential als erstes Eingangssignal und ein von der Auswahleinheit ausgewähltes Referenzpotential als zweites Eingangssignal eingegeben werden und der die Differenz zwischen dem ersten Eingangssignal und dem zweiten Eingangssignal verstärkt und ausgibt; und einen A/D-Wandler, der eine Analog-Digital-Wandlung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers vornimmt; wobei die Läuferposition auf Basis einer Ausgabe des A/D-Wandlers geschätzt wird.
Gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinheit in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der zweiten und dritten Ausgestaltung vorzugsweise eine Referenzpotentialerzeugungseinheit auf, die das erste und zweite Referenzpotential erzeugt.
Gemäß einer fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der vierten Ausgestaltung vorzugsweise enthalten: eine Gleichspannungsteilerschaltung, die ein spannungsgeteiltes Potential durch Teilen der Spannung der Spannungsversorgung erzeugt; wobei die Referenzpotentialerzeugungseinheit das erste und zweite Referenzpotential auf Basis des spannungsgeteilten Potentials erzeugt.
Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der vierten Ausgestaltung vorzugsweise enthalten: eine Gleichspannungsteilerschaltung, die ein spannungsgeteiltes Potential durch Teilen der Spannung der Spannungsversorgung erzeugt; wobei die Steuereinheit das analog-digital-gewandelte Differenzsignal auf Basis des spannungsgeteilten Potentials so korrigiert, dass der Einfluss von Schwankungen der Spannungsversorgung auf das Differenzsignal vermindert wird, und die Läuferposition auf Basis des korrigierten Differenzsignals schätzt.
Gemäß einer siebten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der zweiten oder dritten Ausgestaltung vorzugsweise enthalten: eine Gleichspannungsteilerschaltung, die ein erstes und zweites spannungsgeteiltes Potential als erstes und zweites Referenzpotential durch Teilen der Spannung der Gleichspannungsversorgung erzeugt.
Gemäß einer achten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Trennverstärker in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der ersten bis siebten Ausgestaltung zwischen dem Differenzverstärker und dem A/D-Wandler vorgesehen und ein von dem Differenzverstärker ausgegebenes Signal wird über den Trennverstärker in den A/D-Wandler eingegeben.
Gemäß einer neunten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinheit in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer der ersten bis achten Ausgestaltungen vorzugsweise eine Offset-Korrektureinheit auf, die vor dem Starten des Drehstromsynchronmotors eine in dem Sternpunktpotential enthaltene Offset-Komponente korrigiert.
Gemäß einer zehnten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bringt die Offset-Korrektureinheit in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der neunten Ausgestaltung den Läufer vorzugsweise der Reihe nach in mehrere Läuferpositionen und erfasst die entsprechenden Sternpunktpotentiale, wobei sie die Offset-Komponente auf Basis von mehreren erfassten Sternpunktpotentialen korrigiert.
Gemäß einer elften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Offset-Korrektureinheit in der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der neunten Ausgestaltung vorzugsweise eine Spannungsanweisungsausgabeeinheit auf, die der Reihe nach mehrere Spannungsanweisungen ausgibt und die Offset-Komponente beim Ausgeben einer jeden Spannungsanweisung auf Basis des von der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit erfassten Sternpunktpotentials korrigiert.
Ein Elektromotorsystem vom integrierten Typ weist nach einer zwölften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aufgenommen in einem gemeinsamen Gehäuse eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer der ersten bis elften Ausgestaltungen und einen Läufer und einen Stator eines Drehstromsynchronmotors auf, der von der Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird.
Gemäß einer dreizehnten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Pumpensystem auf: eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer der ersten bis elften Ausgestaltungen; einen Drehstromsynchronmotor, der von der Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird; und eine von dem Drehstromsynchronmotor angetriebene Pumpe für Flüssigkeiten.
Gemäß einer vierzehnten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Kompressorsystem auf: eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer der ersten bis elften Ausgestaltungen; einen Drehstromsynchronmotor, der von der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird; und einen von dem Drehstromsynchronmotor angetriebenen Kompressor.
Gemäß einer fünfzehnten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Positionserfassungssystem auf: eine Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer der ersten bis elften Ausgestaltungen; einen Drehstromsynchronmotor, der von der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird; und eine Positionserfassungseinrichtung, die durch Vorwärtsdrehung oder Rückwärtsdrehung des Drehstromsynchronmotors gleitend oder drehend angetrieben wird.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Sternpunktpotential eines Drehstromsynchronmotors ohne Verwendung eines Trennverstärkers mit hoher Genauigkeit zu erfassen, und es kann eine sensorlose Steuerung bei sinusförmigen Wechselströmen schon ab dem Bereich sehr niedriger Drehzahl in der Gegend von Null realisiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild, das Einzelheiten einer in 1 gezeigten Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 zeigt;
3 ist eine Figur zur Erläuterung eines Spannungsvektors;
4 ist eine Figur, die die Beziehung zwischen dem Spannungsvektor und einer tatsächlich von einem Inverter 3 ausgegebenen PWM-Kurvenform zeigt;
5 ist eine Figur, die die Änderung eines Sternpunktpotentials zeigt;
6 ist ein Kurvenformen-Diagramm, das die Arbeitsweise verschiedener Einheiten veranschaulicht;
7 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Figur zur Erläuterung eines Signals Vin2 (Sternpunktpotential), das durch Umschalten eines Analogschalters 6 erhalten wird;
9 ist eine Figur, die ein Beispiel eines Analogverstärkers 5a zeigt;
10 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine Figur, in der das Blockschaltbild einer internen Verarbeitung durch eine digitale Steuerung 10F dargestellt ist;
15 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist ein Flussdiagramm, das die Vorgehensweise zur Berechnung eines Offset-Betrags erläutert;
18 ist eine Figur, in der eine Kurvenform während einer Offset-Anpassung dargestellt ist;
19 ist ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
20 ist ein Flussdiagramm, das ein in der neunten Ausführungsform durchgeführtes Offset-Anpassungsverfahren zeigt;
21 ist eine Figur, die Spannungsanweisungen Vu*, Vv* und Vw* während einer Offset-Anpassung zeigt;
22 ist eine Figur, die ein Elektromotorsystem 41 vom integrierten Typ gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
23 ist eine Figur, in der ein Pumpensystem gemäß einer elften Ausführungsform gezeigt ist;
24 ist eine Figur, in der ein Kompressorsystem gemäß einer zwölften Ausführungsform gezeigt ist;
25 ist eine Figur, in der ein Positionsbestimmungssystem gemäß einer dreizehnten Ausführungsform gezeigt ist;
26 ist eine Figur, in der das positive Potential einer Gleichspannung (das positive Potential einer Gleichspannungsversorgung 31) als Masse Ni verwendet wird;
27 ist eine Figur, die ein Beispiel eines herkömmlichen Synchronmotorantriebssystems zeigt; und
28 ist eine Figur, die die Ansteuerkurvenform dieses herkömmlichen Synchronmotorantriebssystems zeigt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Drehzahlsteuerung eines Lüfters, einer Pumpe (einer Hydraulikpumpe oder Wasserpumpe), eines Kompressors, einer Waschmaschine, eines Spindelmotors, eines Plattenlaufwerks oder dergleichen, für eine Positionsbestimmungseinrichtung einer Fördereinrichtung oder einer Werkzeugmaschine, oder für eine Anwendung, bei der ein Drehmoment gesteuert wird, beispielsweise ein elektrisches Assistenzsystem, oder dergleichen eingesetzt wird.
– Erste Ausführungsform –
1 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei der Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor handelt es sich um eine Vorrichtung, die für die Ansteuerung eines Dauermagnetmotors 4 (wobei dieser ein Drehstromsynchronmotor ist) dienen soll. Die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 dieser Ausführungsform (wobei dies auch für die weiteren Ausführungsformen gilt) umfasst eine Steuerung 1, eine Spannungsteilerschaltung 2 und einen Inverterhauptschaltkreis 32 und eine Ausgangsvorsteuerung 33, die an einem Inverter 3 vorgesehen sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor auch eine Gleichspannungsversorgung 31 umfassen kann. Es kann auch in Betracht gezogen werden, dass der Inverter 3 die Gleichspannungsversorgung 31 umfasst.
Die Gleichspannungsversorgung 31 ist eine Spannungsversorgung, die den Inverterhauptschaltkreis 32 mit einer Gleichspannung versorgt. Der Inverterhauptschaltkreis 32 ist eine Inverterschaltung, die sechs Schaltelemente Sup bis Swn umfasst. Es werden MOSFETs oder IGBTs oder dergleichen für die Schaltelemente Sup bis Swn eingesetzt. Die Ausgangsvorsteuerung 33 ist eine Ansteuerung, die den Inverterhauptschaltkreis 32 direkt ansteuert.
Vin ist der spannungsgeteilte Wert des Sternpunktpotentials des Dauermagnetmotors 4 (im Folgenden als ”Motor” bezeichnet), wobei Vin in die Steuerung 1 eingegeben wird. Die Steuerung 1 berechnet einen Schätzwert für die Position des Läufers des Motors 4, indem das Signal Vin im Inneren der Steuerung 1 verarbeitet wird, und erzeugt PWM-Signale zum Betreiben des Dauermagnetmotors 4 auf einer gewünschten Drehzahl oder einem gewünschten Drehmoment. Diese Abschätzung der Läuferposition und Erzeugung von PWM-Signalen wird von einer Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 durchgeführt. Neben der Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 umfasst die Steuerung 1 ferner einen A/D-Wandler 12, einen Subtrahierer 13, eine Signalwechseleinrichtung 14 und Referenzspannungsgeneratoren 15a und 15b.
Der Inverter 3 verstärkt die PWM-Signale der Steuerung 1 mit Hilfe der Ausgangsvorsteuerung 33 und steuert die Schaltelemente Sup bis Swn des Inverterhauptschaltkreises 32. Die Ausgänge des Inverters 3 werden den Drehstromstatorwicklungen (Statorspulen) des Motors 4 zugeführt; dadurch wird der Motor 4 gesteuert.
Das Sternpunktpotential Vn der Statorwicklung des Motors 4 wird durch die Spannungsteilerschaltung 2 auf den Wert Vin des Eingangsniveaus der Steuerung 1 erniedrigt. Das Sternpunktpotential Vin wird der Steuerung 1 zugeführt. Für diese Verbindung wird der Eingabebereich der Steuerung als 0 bis Emax angenommen. Es wird darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform die Masse Nm der Spannungsteilerschaltung 2, die Masse Nc der Steuerung 1 und die Masse Ni des Inverters 3 alle miteinander verbunden sind.
Das Sternpunktpotential Vin, das der Steuerung 1 zugeführt wird, wird durch den im Innern der Steuerung 1 vorgesehenen A/D-Wandler 12 diskretisiert. Der im Innern der Steuerung 1 vorgesehene Referenzspannungsgenerator 15a erzeugt eine Referenzspannung von (2/3) Emax, der Referenzspannungsgenerator 15b erzeugt eine Referenzspannung von (1/3) Emax. Die Referenzspannungen (2/3) Emax und (1/3) Emax werden dem Subtrahierer 13 über die Signalwechseleinrichtung 14 zugeführt und mit Hilfe des Subtrahierers 13 von den Ausgaben des A/D-Wandlers 12 subtrahiert. Das Ergebnis dieser Subtraktion, d. h. Vin2, wird der Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 zugeführt. In Abhängigkeit vom Schaltungszustand der PWM-Signale, die von der Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 ausgegeben werden, führt die Signalwechseleinrichtung 14 dann die Umschaltung aus.
(Das Sternpunktpotential einsetzende sensorlose Steuerung)
2 ist ein Blockschaltbild, das Einzelheiten der in 1 gezeigten Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 zeigt, wobei der Hauptteil des sensorlosen Steuerblocks dargestellt ist, bei dem das Sternpunktpotential verwendet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass Phasenstromsensoren 30a und 30b zum Erfassen der Motorströme vorgesehen sind, auch wenn diese Einrichtung in 1 nicht dargestellt ist. In dem in 2 dargestellten Beispiel werden die Motorströme zwar von den Phasenstromsensoren 30a und 30b erfasst, es wäre jedoch auch möglich, es so einzurichten, dass der Strom an der Gleichstromsammelschiene (d. h. der Strom an der Gleichstromversorgungsleitung) erfasst wird.
Die von den Phasenstromsensoren 30a und 30b erfassten Werte werden in die A/D-Wandler 12c und 12d eingegeben, die in der Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 vorgesehen sind. Die A/D-Wandler 12c und 12d diskretisieren die erfassten Werte der Phasenströme Iu und Iw des Motors 4 und geben sie in die Steuerung ein. Die diskretisierten Werte Iuc und Iwc der Phasenströme Iu und Iw werden durch den Koordinatenwandler 16 in Id- und Iq-Werte der d–q-Koordinaten konvertiert, die Rotationskoordinatenachsen darstellen.
Diese d–q-Koordinatenumwandlung stellt per se eine herkömmliche Art der Umwandlung dar, die bei einer Vektorsteuerung eines Wechselstrommotors verwendet wird, wobei die Richtung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten durch die d-Achse gegeben ist, während die Richtung des Drehmomentstroms, die orthogonal zur d-Achse verläuft, die q-Achse ist. Der bei dieser Koordinatenumwandlung verwendete Phasenwinkel θdc wird durch eine Positionsschätzeinrichtung 17 geliefert. Die Positionsschätzeinrichtung 17 ist eine Vorrichtung, die einen Schätzwert der Läuferphase auf Basis der Änderung des Sternpunktpotentials berechnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Berechnung eines Schätzwertes für die Läuferphase durch Anwenden eines wie in dem Patentdokument #1 beschriebenen Verfahrens oder dergleichen erfolgen kann.
Die Unterschiede zwischen den Anweisungswerten Id* und Iq* für die Stromwerte Id und Iq und den tatsächlichen Stromwerten Id und Iq werden mit Hilfe der Subtrahierer 18a und 18b berechnet. Die Stromsteuerungen 21 und 22 berechnen zur Durchführung der Steuerung Spannungsanweisungen Vd* und Vq*, sodass die von den Subtrahierern 18a und 18b berechneten Differenzen oder in anderen Worten die Abweichung der tatsächlichen Stromwerte Id und Iq von deren Anweisungswerten Id* und Iq* Null werden. Die von den Stromsteuerungen 21 und 22 ausgegebenen Spannungsanweisungen Vd* und Vq* werden durch einen inversen d–q-Konverter 23 in Drehstromwerte umgewandelt und dann durch einen PWM-Generator 24 in pulsweitenmodulierte Signale umgewandelt.
Es wird darauf hingewiesen, dass Id* und Iq*, d. h. die Anweisungswerte für Id und Iq, von einem Id*-Generator 20 bzw. einem Iq*-Generator 19 ausgegeben werden. Während der Id*-Generator 20 bei einem Motor vom Typ einer schenkellosen Maschine üblicherweise ”Null” ausgibt, wird er, wenn der Motor eine Schenkelpolmaschine ist, auf einen negativen Wert gesteuert, der von der Last abhängt. Der Iq*-Generator 19 ist zwar eine Vorrichtung, die indirekt eine Drehmomentanweisung ausgibt und in 2 als von der Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 umfasst beschrieben ist, er könnte jedoch auch von einer höherrangigen Steuereinheit bereitgestellt werden, wie beispielsweise einer Drehzahlsteuerung oder einer Positionssteuerung oder dergleichen.
Als nächstes wird eine Übersicht über einen sensorlosen Positionsalgorithmus angegeben, der das Sternpunktpotential eines Dauermagnetmotors verwendet. Insgesamt können von dem Inverter 3 acht Spannungen (d. h. Schaltmuster) ausgegeben werden. Wenn beispielsweise der Zustand des Zweigs für jede Phase des Inverterhauptschaltkreises 32 als ”1” dargestellt wird, wenn das obere Schaltelement AN und das untere Schaltelement AUS ist, und als ”0” dargestellt wird, wenn das obere Schaltelement AUS und das untere Schaltelement AN ist, erhält man wie in 3(a) gezeigte Darstellungen, bei denen alle Phasen zu einem Vektor zusammengefasst werden.
V(1, 0, 0) und so weiter in 3(a) geben die Schaltzustände der Schaltelemente des Inverters 3 an: V(1, 0, 0) bedeutet, dass für die Phasen in der Reihenfolge U, V und W das obere Element AN, das untere Element AN und das untere Element AN ist. Die beiden Nullvektoren V(0, 0, 0) und V(1, 1, 1) eingeschlossen kann der Inverter 3 insgesamt acht Spannungsmuster ausgeben. Diese Art der Vektordarstellung wird durch Konvertieren der Schaltzustände in α–β-Koordinaten erhalten. Der Zusammenhang zwischen diesen Vektordarstellungen und den Koordinatenachsen des Dauermagnetmotors 4 ist in 3(b) gezeigt. Die d–q-Koordinate dreht sich im Gegensatz zu den Ausgabespannungsvektoren, die sich in einem festen Koordinatensystem befinden, gegen den Uhrzeigersinn, da es sich bei den d–q-Koordinaten um rotierende Koordinaten handelt.
4 ist eine Figur, die die Beziehung zwischen diesen Vektoren (die auch als ”Spannungsvektoren” bezeichnet werden) und den von dem Inverter 3 tatsächlich ausgegebenen PWM-Kurvenformen zeigt. 4(a) zeigt den Zusammenhang zwischen den Dreiphasenspannungsanweisungen (den Ausgaben des inversen d–q-Konverters 23) und einer dreieckförmigen Trägerwelle. In 4(b) sind die ausgegebenen PWM-Impulse PVu, PVv und PVw dargestellt. Desweiteren zeigt 4(c) die erzeugten Spannungsvektoren. In der 4(d) ist schließlich das sich ändernde Potential dargestellt, das am Sternpunkt des Motors 4 erzeugt wird, wenn diese Spannungsvektoren eingesetzt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kurvenformen in 4 bis zu einem gewissen Grad schematisch dargestellt sind und die Spannungsanweisungen für die drei Phasen Vu*, Vv* und Vw* Gleichspannungswerte darstellen. Auch wenn diese tatsächlich Wechselspannungswerte sind, die sich sinusförmig ändern, können sie, wenn die Frequenzen ihrer Grundwellen niedrig sind und die Trägerfrequenz ausreichend hoch ist, in der angegebenen Weise als Gleichspannung behandelt werden.
Die von dem Inverter 3 ausgegebenen Spannungsvektoren umfassen wie in 4(c) dargestellt vier Arten von Vektoren, einschließlich zweier Nullvektoren. Wie in 4(d) gezeigt ist, werden ferner Änderungen des Sternpunktpotentials, die der Läuferstellung entsprechen, in den Intervallen zwischen den Nicht-Null-Vektoren V(1, 0, 0) und V(1, 1, 0) ausgegeben. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen auf dem Einfluss des magnetischen Flusses auf die Permanentmagneten des Läufer beruht, und dass das Sternpunktpotential Vn0, da zwischen den Induktivitäten der verschiedenen Phasenwicklungen Unterschiede bestehen, aufgrund dieser Unterschiede in den Induktivitäten variiert. Es wird darauf hingewiesen, dass hier der Betrag der Änderung des Sternpunktpotentials, der erzeugt wird, wenn V(1, 0, 0) anliegt, als VnA bezeichnet wird, wohingegen der Betrag der Änderung des Sternpunktpotentials, der erzeugt wird, wenn V(1, 1, 0) anliegt, VnB genannt wird.
5 zeigt die tatsächlich gemessenen Werte der Änderungen VnA und VnB in Abhängigkeit von der Läuferphase θd. Bei dem in 5 dargestellten Fall ist der Erfassungsschaltkreis so ausgelegt, dass er einen Eingangsbereich von 10 Bit (1024) mit einem Mittenwert von 512 aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Abhängigkeit von dem elektrischen Winkel bestätigt und die Positionsschätzung durchgeführt werden kann. Die oben beschriebene Positionsschätzeinrichtung 17 berechnet einen Schätzwert für die Läuferphase auf Basis der Änderungswerte des Sternpunktpotentials.
Der Schätzwert θdc für die Läuferphase kann beispielsweise durch die nachfolgende Berechnung erhalten werden. Die sich wie in 5 ändernden Sternpunktpotentiale VnA und VnB werden hierbei wie in der folgenden Gleichung (1) als zwei von drei Wechselspannungsphasen Xu, Xv und Xw angenommen und VnC (= Xw) wird als Sternpunktpotential der verbleibenden Phase erachtet. Xw (VnC) kann hier aus der Beziehung Xu + Xv + Xw = 0 hergeleitet werden. Xu = VnA, Xv = –VnB, Xw = VnC (1)
Dann werden Xa und Xb erhalten, indem an den drei Wechselspannungswerten Xu, Xv und Xw eine Umwandlung von drei Phasen in zwei Phasen (eine α-β-Umwandlung) gemäß der folgenden Gleichung (2) durchgeführt wird. Unter Verwendung der Ergebnisse kann der abgeschätzte Wert θdc der Läuferstellung θd gemäß der folgenden Gleichung (3) erhalten werden. Es wird darauf hingewiesen, dass ”arctan” in Gleichung (3) den Arcustangens bedeutet. Xa = (2/3)·{Xu – (1/2)·Xv – (1/2)·Xw} Xb = (2/3)·{(√(3)/2)·Xv – (√(3)/2)·Xw} (2) θdc = (1/2)arctan(Xb/Xa) (3)
Nun wird das Verfahren zur Erzeugung des Sternpunktpotentials Vin erläutert. Wie oben beschrieben wurde, wird der Motor durch den Inverter 3 PWM-gesteuert, wobei Beispiele für Kurvenformen in 6(a) dargestellt sind. Wenn die Dreiphasenausgangsanschlüsse des Inverters 3 vom Massepotential Ni des Inverters 3 betrachtet werden, nehmen die betrachteten Kurvenformen entweder den Wert Null oder den Wert VDC (den Gleichspannungswert des Inverters 3) an. VDC ist der eingangsseitige Spannungswert des Inverters 3. Wenn das Sternpunktpotential Vn des Motors 4 vom Massepotential Ni aus betrachtet wird, oder mit anderen Worten, wenn das Potential Ni als Referenz genommen wird, ändert sich dieses Potential zwischen 0 und VDC.
Durch die Spannungsteilerschaltung 2 wird ein Spannungsteilungsverhältnis (Z1/(Z1 + Z2)) so gesetzt, dass eine Änderung des Sternpunktpotentials Vn (0 bis VDC) in den Bereich von 0 bis Emax fällt. Der Bereich des Sternpunktpotentials (0 bis Emax) und der Eingangsbereich des A/D-Wandlers 12 stimmen vorzugsweise im Wesentlichen überein. Dadurch erhält das Sternpunktpotential Vin dann die in 6(b) gezeigte Kurvenform. Auch wenn das Sternpunktpotential Vin grundsätzlich an vier Punkten die Werte 0, (1/3) Emax, (2/3) Emax und Emax annehmen sollte, werden tatsächlich wie oben beschrieben bestimmte Abweichungsbeträge in Abhängigkeit von der Position (d. h. Phase) des Läufers aufgrund des Einflusses des magnetischen Flusses im Innern des Dauermagnetmotors 4 beobachtet.
Das Sternpunktpotential Vin wird durch den A/D-Wandler 12 diskretisiert und die Referenzspannung (2/3) Emax oder (1/3) Emax wird durch den Subtrahierer 13 davon abgezogen. Welche dieser beiden Referenzspannungen (2/3) Emax oder (1/3) Emax gewählt wird, wird durch die PWM-Signale festgelegt.
Das Signal SW1 der 6(c) ist das Schaltsignal, das von der Steuerung 1 in die Signalwechseleinrichtung 14 eingegeben wird. Beträgt das Schaltsignal SW1 1, dann schaltet die Signalwechseleinrichtung 14 auf ihre Position ”1”, beträgt das Schaltsignal SW1 0, dann wechselt der Schalter der Signalwechseleinrichtung über auf seine Position ”0”. Falls von den drei Phasen, die von dem Inverter 3 ausgegeben werden, zwei oder mehr gleich VDC sind, dann wird der Schalter der Signalwechseleinrichtung 14 auf seine Position ”1” gesetzt und es wird die Referenzspannung (2/3) Emax des Referenzspannungsgenerators 15a ausgewählt. In allen anderen Fällen, oder anders ausgedrückt, wenn die Anzahl der Phasen, die gleich VDC sind, eins oder weniger beträgt, wird der Schalter auf die Position ”0” gesetzt und es wird die Referenzspannung (1/3) Emax des Referenzspannungsgenerators 15b ausgewählt.
Infolgedessen kann wie in 6(d) gezeigt der Änderungsbetrag Vin2 des Sternpunktpotentials Vin des Motors 4 aus dem Potential (2/3) Emax oder dem Potential (1/3) Emax erhalten werden. Der Änderungsbetrag Vin2 des Sternpunktpotentials Vin entspricht dem Ausgang des in 27 gezeigten Trennverstärkers 101, wodurch eine Schätzung der Läuferposition und die Motorsteuerung auf Basis des Sternpunktpotentials ermöglicht wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass, auch wenn in dem in 1 gezeigten Aufbau das negative Potential der dem Inverter 3 zugeführten Gleichspannung (d. h. das negative Potential der Gleichspannungsversorgung 31) als Masse Ni des Inverters 3 verwendet wird, es alternativ, wie in 26 gezeigt ist, ebenfalls möglich wäre, das positive Potential der Gleichspannung (d. h. das positive Potential der Gleichspannungsversorgung 31) als Masse Ni zu verwenden.
Bei dieser Ausführungsform ist wie oben erläutert die Spannungsteilerschaltung 2, die als Sternpunktpotentialerfassungseinheit zum Erfassen des Sternpunktpotentials dient, mit umfasst, das Massepotential der Steuerung 1 ist auf das negative oder positive Potential der dem Inverter 3 zugeführten Gleichspannung gesetzt und es ist vorgesehen, das Sternpunktpotential unter Verwendung des Massepotentials als Referenz zu erfassen. Das feststehende erste Referenzpotential und das feststehende zweite Referenzpotential, die keinem Einfluss durch den AN/AUS-Vorgang des Inverters 3 unterliegen, werden wie in 1 gezeigt innerhalb der Steuerung 1 erzeugt, wobei vorgesehen ist, die Läuferposition auf Basis der Differenz zwischen dem ersten Sternpunktpotential und dem feststehenden ersten Referenzpotential und auf Basis der Differenz zwischen dem zweiten Sternpunktpotential und dem feststehenden zweiten Referenzpotential zu schätzen. Auf diese Weise ändern sich die Standardpotentiale (d. h. die Referenzpotentiale) in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Inverters weder stark nach oben noch stark nach unten, wie es bei herkömmlichen Einrichtungen der Fall ist, bei denen das Sternpunktpotential unter Verwendung eines virtuellen Sternpunkts als Referenz ermittelt wird.
Dadurch ist es möglich, das erfasste Sternpunktpotential in die Steuerung 1 wie einen Mikrocomputer oder dergleichen ohne Zwischenschaltung eines Trennverstärkers einzugeben. Da man ferner ohne Verwendung eines Trennverstärkers auskommen kann, der in Bezug auf das Ansprechvermögen eine gewisse Instabilität besitzt, ist demgemäß die Erfassung des Sternpunktpotentials eines Drehstromsynchronmotors mit hoher Genauigkeit möglich, und die sensorlose Ansteuerung kann mit Strömen, die eine sinusförmige Kurvenform haben, in geeigneter Weise bei einem sehr niedrigen Drehzahlbereich Nahe der Drehzahl Null erfolgen.
– Zweite Ausführungsform –
7 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor hat viele Komponenten mit der in 1 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der ersten Ausführungsform gemeinsam. Konkret weisen die Spannungsteilerschaltung 2 und der Inverter 3 den gleichen Aufbau auf, wie er in 1 gezeigt ist, während sich der Aufbau der Steuerung 1B von dem der Steuerung 1 unterscheidet. Es wird darauf hingewiesen, dass auf die Beschreibung der internen strukturellen Komponenten des Inverters 3 und des Motors 4 verzichtet wird.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das von der Spannungsteilerschaltung 2 erhaltene Sternpunktpotential Vin unverändert an den in der Steuerung 1 befindlichen A/D-Wandler 12 eingegeben wird und man die Differenz zwischen seinem Wert nach der Diskretisierung und einer Referenzspannung erhält. Im Falle eines solchen Aufbaus kann, falls das Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers 12 nicht ausreichend hoch ist, die erforderliche Erfassungsgenauigkeit aus den folgenden Gründen nicht sichergestellt werden.
Der Betrag, um den sich das Sternpunktpotential ändert, hängt von der Position des Läufers ab und beträgt lediglich einige Prozent der Spannung VDC der Spannungsversorgung für den Inverter 3. Beispielsweise kann mit einem A/D-Wandler von etwa 10 Bit lediglich eine Information über Änderungen mit einer Genauigkeit von nur 10 Stellen erhalten werden. Auch wenn die Genauigkeit verbessert wird, wenn das Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers 12 erhöht wird, besteht ein Nachteil darin, dass hierdurch die Kosten erhöht werden. Wenn ein sehr schneller A/D-Wandler mit hohem Auflösungsvermögen verwendet wird, besteht zudem das Problem, dass die von dem A/D-Wandler 12 selbst verbrauchte elektrische Leistung in unerwünschter Weise zunimmt. Daher ist in dieser Ausführungsform ein Aufbau vorgesehen, der eine Verbesserung des Auflösungsvermögens für die Erfassung ohne Änderung der Genauigkeit des A/D-Wandlers 12 ermöglicht.
Die Steuerung 1B von 7 weist einen Analogverstärker 5a, Referenzspannungsgeneratoren 7a und 7b, einen Analogschalter 6 und eine Digitalsteuerung 10B auf. Die Digitalsteuerung 10B ist eine Digitalsteuerung, die intern mit einem A/D-Wandler ausgestattet ist und den A/D-Wandler 12 und die Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11 der ersten Ausführungsform umfasst.
Das Signal Vin (d. h. das Sternpunktpotential), das von der Spannungsteilerschaltung 2 in die Steuerung 1B eingegeben wird, wird als Eingangssignal In1 in den Eingang ”+” des Analogverstärkers 5a eingegeben. Demgegenüber wird der Ausgangswert des Referenzgenerators 7a (die Referenzspannung (2/3) Emax) oder der Ausgangswert des Referenzgenerators 7b (die Referenzspannung (1/3) Emax) über den Analogschalter 6 an den Eingang ”–” des Analogverstärkers 5a angelegt. Der Analogverstärker 5a ist eine Vorrichtung zum Verstärken der Differenz zwischen dem Signal In1, das an seinem Eingang ”+” anliegt, und dem Signal In2, das an seinem Eingang ”–” anliegt, wobei das Ergebnis als Signal Vin0 ausgegeben wird. Das von dem Analogverstärker 5a ausgegebene Signal Vin0 wird in die Digitalsteuerung 10B eingegeben.
Es wird darauf hingewiesen, dass als Analogverstärker 5a beispielsweise ein wie in 9 gezeigter Differenzverstärker verwendet werden kann. Der in 9 gezeigte Differenzverstärker weist drei Operationsverstärker 50a, 50b und 50c sowie Widerstände 51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b und 54 auf.
Ein Umschalten des Analogschalter 6 wird mittels eines von der Steuerung 1B eingegebenen Umschaltsignals SW1 bewirkt. Das Umschaltsignal SW1 entspricht dem in 6(b) gezeigten Signal. Wenn das an den Analogschalter 6 eingegebene SW1 = 1, wird die Referenzspannung (2/3) Emax an den Analogverstärker 5a angelegt. Wenn dagegen ein SW1 = 0 in den Analogschalter 6 eingegeben wird, liegt an dem Analogverstärker 5a die Referenzspannung (1/3) Emax an.
8 zeigt eine Kurvenform ähnlich der in 6 zur Erläuterung des Signals Vin2 (d. h. des Sternpunktpotentials) gezeigten, das durch Umschalten des Analogschalters 6 erhalten wird. Vin, bei dem es sich um das an den Eingang ”+” des Analogverstärkers 5a eingegebene Eingangssignal In1 handelt, ändert sich wie in 8(a) dargestellt. Es handelt sich um das in 6(b) gezeigte Potential. Wenn das in 8(b) gezeigte Umschaltsignal SW1 in den Analogschalter 6 eingegeben wird, wird der Ausgang des Analogschalters 6, mit anderen Worten das Signal In2 am Eingang ”–” des Analogverstärkers 5a, so wie in 8(c) gezeigt. Dies führt zu einem wie in 8(d) gezeigten Ausgang Vin0 des Analogverstärkers 5a.
Der Ausgang Vin0 des Analogverstärkers 5a muss mit dem Eingangsbereich (0 bis VADmax) des A/D-Wandlers der Digitalsteuerung 10B kompatibel sein. Es ist daher erforderlich, dass die Mitte der Eingangsspannung, die von dem Analogverstärker 5a an den A/D-Wandler angelegt wird, so versetzt wird, dass sie an den mittleren Spannungspunkt des A/D-Wandlereingangsbereich angepasst ist. Dieser Offset kann durch Setzen des Potentials am Verbindungspunkt des Widerstands 51a (R4) auf VADmax/2 realisiert werden. Die Verstärkung des Analogverstärkers 5a sollte darüberhinaus so eingestellt werden, dass der Umfang der Änderung des Sternpunktpotentials nach der Verstärkung innerhalb des Eingabebereichs des A/D-Wandlers gehalten wird. Auch wenn der Umfang der Änderung des Sternpunktpotentials stark von den Charakteristika des magnetischen Kreises des Motors 4 abhängt, wird angenommen, dass eine Verstärkung von etwa 5 bis 50 geeignet ist.
Wie oben beschrieben können mit dieser zweiten Ausführungsform ähnlich vorteilhafte Betriebseigenschaften wie im Falle der ersten Ausführungsform erhalten werden. Zudem ist bei dieser zweiten Ausführungsform vorgesehen, den Analogverstärker 5a, bei dem es sich um einen Differenzverstärker handelt, zu verwenden und die Signale, die der Differenz zwischen dem Sternpunktpotential und den beiden Referenzpotentialen entsprechen, mit dem A/D-Wandler der Digitalsteuerung 10B nach der Verstärkung zu diskretisieren. Daher kann eine Änderung des Sternpunktpotentials selbst mit einem A/D-Wandler der Digitalsteuerung 10B, dessen Genauigkeit nicht besonders hoch ist, mit hoher Genauigkeit erfasst werden, wodurch es möglich ist, auch ohne Positionssensor eine Ansteuerung bei niedrigen Drehzahlen in geeigneter Weise zu realisieren. Bei einer herkömmlichen Vorrichtung ist eine solche Realisierung schwierig.
– Dritte Ausführungsform –
10 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor der dritten Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 7 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der zweiten Ausführungsform gemeinsam. In 10 entsprechen die Spannungsteilerschaltung 2 und der Inverter 3 den in den 1 und 7 gezeigten, wohingegen die Steuerung 1B von 7 durch die Steuerung 1C ersetzt ist.
In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform wird der Differenzwert des Sternpunktpotentials Vin durch Umschalten der Referenzspannung des Analogverstärkers 5a mit dem Analogschalter 6 erhalten; in dieser dritten Ausführungsform werden jedoch außerhalb der Digitalsteuerung 10C zwei Analogverstärker 5a und 5b vorgesehen.
Anstatt den Analogschalter 6 vorzusehen, wird die Zahl der Analogverstärker erhöht, wodurch in einigen Fällen die Schaltungsanordnung einfacher wird. Da es beispielsweise in einer Digitalsteuerung, die einen Mikrocomputer oder dergleichen aufweist, nicht ungewöhnlich ist, einen internen A/D-Wandler mit mehreren Eingangskanälen zu versehen, ist dies der Grund, dass diese Alternative der Signalerzeugung zum Umschalten eines Signals als mühevoller angesehen wird. Da es im Rahmen von Analogverstärkerschaltkreisen zudem einzelne Gehäuse gibt, in denen mehrere Trennverstärker aufgenommen sind, ist die Umsetzung dementsprechend einfach und leicht.
Durch Hinzufügen des Analogverstärkers 5b funktioniert bei der in 10 gezeigten Steuerung 1C der Analogverstärker 5a als Differenzverstärker, der als Referenz (2/3) Emax verwendet, wohingegen der Analogverstärker 5b als Differenzverstärker arbeitet, der als Referenz (1/3) Emax verwendet. Die Ausgabe des Analogverstärkers 5a wird in den Eingangskanal ch0 des A/D-Wandlers der Digitalsteuerung 10C eingegeben, die Ausgabe des Analogverstärkers 5b wird dagegen an den Eingangskanal ch1 des A/D-Wandlers eingegeben. In Abhängigkeit von dem Schaltungszustand der PWM-Signale wird bestimmt, welches der Signale an Kanal ch0 und Kanal ch1 von der Digitalsteuerung 10C gewählt und A/D-gewandelt wird. Dadurch ist es möglich, eine Kurvenform, die zu der in 4 für die zweite Ausführungsform gezeigten vollkommen äquivalent ist, in die Digitalsteuerung 10C einzulesen.
Wie oben erläutert kann diese dritte Ausführungsform ähnlich günstige Betriebsergebnisse bereitstellen wie die oben beschriebene erste und zweite Ausführungsform. Zudem ist es bei der dritten Ausführungsform möglich, den in 7 gezeigten Analogschalter 6 wegzulassen und die Änderung des Sternpunktpotentials in ähnlicher Weise wie im Falle der zweiten Ausführungsform mit hoher Genauigkeit zu erfassen, sodass es möglich ist, die Motorsteuerung bei sehr niedrigen Drehzahlen in geeigneter Weise ohne Positionssensor zu realisieren. Bei einer herkömmlichen Vorrichtung ist eine solche Realisierung schwierig.
Bei einer Digitalsteuerung, die einen Mikrocomputer oder dergleichen aufweist, ist es nicht ungewöhnlich, einen internen A/D-Wandler mit mehreren Eingangskanälen zu versehen; zudem gibt es Analogverstärkerschaltkreise, bei denen mehrere einzelne Verstärker in einem einzigen Gehäuse aufgenommen sind. Dadurch ist es möglich, in einfacher Weise einen günstigeren Schaltkreis mit einem Aufbau zu realisieren, bei dem zwei Differenzverstärker (d. h. Analogverstärker 5a und 5b) enthalten sind, was zwei Referenzpotentialen entspricht.
– Vierte Ausführungsform –
11 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor der vierten Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 10 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der dritten Ausführungsform gemeinsam. Die Spannungsteilerschaltung 2, die Analogverstärker 5a und 5b der Steuerung 1D und die Digitalsteuerung 10C entsprechen den in 10 gezeigten Elementen. In dieser Ausführungsform ist wie in 11 dargestellt eine Gleichspannungsteilerschaltung 34 in einem Inverter 3 vorhanden, und ein Pufferverstärker 8 und eine Pufferspannungsteilerschaltung 9 sind im Inneren der Steuerung 1D vorgesehen.
Bei den oben beschriebenen Ansteuervorrichtungen für einen Elektromotor der ersten bis dritten Ausführungsform werden jeweils Referenzspannungen für das Sternpunktpotential des Motors 4 unabhängig voneinander bereitgestellt, und die Änderungsbeträge des Sternpunktpotentials werden mit hoher Genauigkeit erfasst. Bei diesen Verfahren besteht jedoch ein gemeinsames Problem darin, dass der Spannungswert VDC der Gleichspannungsversorgung 31 für den Inverter 3 aufgrund einer Veränderung der Last des Motors 4 oder dergleichen in einem ziemlich erheblichen Umfang variiert. Da die Gleichspannungsversorgung 31 durch Anpassung einer herkömmlichen Spannungsversorgung erhalten wird, ändert sich der Gleichspannungswert bei einem Inverter zur industriellen Verwendung oder einem Inverter für ein Unterhaltungselektronikgerät vom so genannten Typ der ”weißen Waren” wie Kühlschränke, Waschmaschinen, wenn die Spannung der herkömmlichen Spannungsversorgung schwankt, damit verbunden ebenfalls.
Wenn wie bei den Ansteuervorrichtungen für einen Elektromotor der ersten bis dritten Ausführungsform Referenzspannungen verwendet werden, die keinen Bezug zu der Versorgungsspannung für den Inverter haben, spiegelt sich der Einfluss von Variationen der Spannung der Spannungsversorgung nicht in den Referenzspannungen wider. Da die Beträge der Änderung des Sternpunktpotentials wie oben beschrieben zudem sehr klein sind, kann demgemäß eine Änderung des Sternpunktpotentials aufgrund einer Änderung der Versorgungsspannung leicht mit einer Änderung aufgrund der Position des Läufers verwechselt werden, wobei dies einen Einfluss auf die Schätzung der Läuferposition hat.
Um dieses Problem zu lösen, ist die Gleichspannungsteilerschaltung 34 in dieser vierten Ausführungsform zum Erfassen von Schwankungen der Gleichspannungsversorgung des Inverters ausgebildet und es ist vorgesehen, die Gleichspannungsinformation für die DC-Sammelleitung für den Inverter 3 (im Folgenden als ”VDC-Information bezeichnet) in die Steuerung 1D einzugeben. Wie in 11 dargestellt ist, ist die Gleichspannungsteilerschaltung 34, die an der DC-Sammelleitung vorgesehen ist, parallel mit der Gleichspannungsversorgung 31 geschaltet. Die Spannung VDC der Gleichspannungsversorgung 31 wird durch die Gleichspannungsteilerschaltung 34 geteilt und eine Spannung (ein Potential, bei dem die Masse Ni als Referenz verwendet wird), die durch das Spannungsteilungsverhältnis (Z4/(Z3 + Z4)) bestimmt ist, wird in den Pufferverstärker 8 der Steuerung 1D als VDC-Information eingegeben.
Die Spannung, die als VDC-Information dient, wird von dem Pufferverstärker 8 verstärkt und von der Pufferspannungsteilerschaltung 9 in die Referenzspannung (2/3) Emax und die Referenzspannung (1/3) Emax geteilt. Die Referenzspannungen (2/3) Emax und (1/3) Emax werden in die Analogverstärker 5a und 5b eingegeben, die den in 10 dargestellten ähneln, und es wird eine ähnliche Differenzverstärkung durchgeführt.
Da bei der vierten Ausführungsform die Referenzspannungen (2/3) Emax und (1/3) Emax auf diese Weise auf Basis der Gleichspannung an der Gleichspannungssammelleitung des Inverters 3 erzeugt werden, nehmen die Referenzspannungen, wenn beispielsweise die Versorgungsspannung abfällt, entsprechend ebenfalls ab. Da zudem der spannungsgeteile Wert Vin des Sternpunktpotentials in Übereinstimmung mit dem Absinken der Versorgungsspannung ebenfalls abnimmt, ist es dementsprechend möglich, die Ausgabe der Differenzverstärker (d. h. der Differenzverstärker 5a und 5b) dennoch als ”Differenz” zu erfassen. Dadurch ist es möglich, den Einfluss auf die Positionsschätzung durch Schwankungen der Versorgungsspannung zu reduzieren.
In dieser vierten Ausführungsform wird, wie oben erläutert wurde, die Gleichspannungsteilerschaltung 34 vorgesehen, die ein spannungsgeteiltes Potential durch Teilen der Spannung der Gleichspannungsversorgung 31 erzeugt, und die beiden Referenzpotentiale (die Referenzpotentiale (2/3) Emax und (1/3) Emax) werden auf Basis des oben genannten spannungsgeteilten Potentials durch die Pufferspannungsteilerschaltung 9 erzeugt. Dadurch ist es möglich, Änderungen des Sternpunktpotentials eines Elektromotors mit hoher Genauigkeit zu erfassen, ohne dass ein einzelner Verstärker oder ein A/D-Wandler oder ein Analogschalter mit hohem Auflösungsvermögen verwendet wird, und ohne Fehler, die aufgrund einer Schwankung der Spannungsversorgung des Inverters auftreten, sodass es möglich ist, in geeigneter Weise eine Steuerung bei sehr niedriger Geschwindigkeit zu realisieren, ohne dass ein Positionssensor vorgesehen ist, was in einer herkömmlichen Vorrichtung nur schwer zu verwirklichen ist.
– Fünfte Ausführungsform –
12 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 12 dargestellte Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor der fünften Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 11 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der vierten Ausführungsform gemeinsam: Die Spannungsteilerschaltung 2, die Analogverstärker 5a und 5b und die Digitalsteuerung 10C entsprechen den in 11 gezeigten Elementen. In dieser Ausführungsform ist anstelle der Gleichspannungsteilerschaltung 34 eine Gleichspannungsteilerschaltung 34E an dem Inverter 3 vorgesehen, wohingegen der Pufferverstärker 8 und die Pufferspannungsteilerschaltung 9, die im Aufbau der 11 verwendet werden, weggelassen wurden.
Für die Realisierung eines Ansteuersystems für einen Elektromotor ist es wünschenswert, den Schaltungsaufbau so einfach wie möglich zu gestalten, und dementsprechend kann durch Vorsehen eines Aufbaus, wie er oben beschrieben wurde, ein Schaltungsaufbau geschaffen werden, der noch einfacher als die Schaltungsstruktur der vierten Ausführungsform ist.
Bei der in 12 dargestellten Gleichspannungsteilerschaltung 34E werden durch Verwendung von drei Widerständen an zwei Punkten Spannungsteilungspunkte erzeugt. Die Spannungsteilungsverhältnisse sind so festgelegt, dass die spannungsgeteilten Werte (2/3) Emax und (1/3) Emax sind. In dieser Ausführungsform sollen die auf diese Weise durch Spannungsteilung erzeugten beiden Spannungsinformationen als Referenzspannungen von den Analogverstärkern 5a und 5b verwendet werden, die in der Steuerung 1E vorhanden sind.
Dadurch ist genau die gleiche Arbeitsweise wie bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform möglich. Während in Falle der vierten Ausführungsform ein Pufferverstärker erforderlich ist, ist bei dieser Ausführungsform kein Pufferverstärker nötig. Es wird darauf hingewiesen, dass es, auch wenn die Verdrahtung auf Grund der Verbindungen von den Spannungsteilerwiderständen komplizierter ist, kein großes Problem darstellt, wenn die vorliegende Ausführungsform auf ein ”Elektromotorsystem mit integriertem Generator” angewandt wird, bei dem der Motor 4 und die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 integral aufgebaut sind. Ein wichtigerer Gesichtspunkt ist, dass diese Ausführungsform vom Gesichtspunkt der Umsetzung vorzuziehen ist, da die Anzahl der Komponenten reduziert werden kann.
Wie oben erläutert wurde, wird gemäß dieser fünften Ausführungsform eine Gleichspannungsteilerschaltung 34E bereitgestellt, die die Spannung der Gleichspannungsversorgung 31 teilt und zwei spannungsgeteilte Potentiale als die beiden Referenzspannungen (2/3) Emax und (1/3) Emax erzeugt. Dadurch ist es möglich, eine Änderung des Sternpunktpotentials eines Synchronmotors mit Hilfe einer einfachen Erfassungsschaltung mit hoher Genauigkeit zu erfassen, ohne dass ein einzelner Verstärker oder ein A/D-Wandler oder ein Analogschalter mit hohem Auflösungsvermögen verwendet wird, und ohne Fehler, die aufgrund einer Schwankung der Spannungsversorgung des Inverters auftreten, sodass es möglich ist, in geeigneter Weise eine Steuerung bei sehr niedriger Geschwindigkeit zu realisieren, ohne dass ein Positionssensor vorgesehen ist, was in einer herkömmlichen Vorrichtung nur schwer zu verwirklichen ist.
– Sechste Ausführungsform –
13 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der sechsten Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 10 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der dritten Ausführungsform gemeinsam: Die in 11 dargestellte Spannungsteilerschaltung 34 wird dem Aufbau von 10 hinzugefügt, und die VDC-Information aus der Spannungsteilerschaltung 34 wird an die Digitalsteuerung 10F der Steuerung 1F angelegt.
Die Digitalsteuerung 10F ist mit drei A/D-Wandlereingangskanälen ch0 bis ch2 versehen. Die Ausgänge der Analogverstärker 5a und 5b werden in ähnlicher Weise wie im Falle der 10 in die Eingangskanäle ch0 und ch1 eingegeben und die VDC-Information aus der Spannungsteilerschaltung 34 wird an den Eingangskanal ch2 angelegt.
14 zeigt das Blockschaltbild der internen Verarbeitung der Digitalsteuerung 10F. Die Digitalsteuerung 10F umfasst eine Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11F, A/D-Wandler 12a bis 12c, Addierer 13a und 13b, einen Gleichspannungsreferenzwertgenerator 121, einen Multiplizierer-Dividierer 122, einen ”1”-Generator 123, einen Subtrahierer 124, einen Verstärker G125 und Verstärkungskoeffizienten 126 und 127. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Blockschaltbild in der Praxis abgesehen von dem A/D-Wandlern 12a bis 12c die Bestandteile voraussichtlich in Form von Software realisiert werden.
Bevor das Blockschaltbild der 14 erläutert wird, wird der Einfluss der oben beschriebenen Spannungsschwankungen der Gleichspannungsversorgung detailliert beschrieben. Die Ausgabewerte der Analogverstärker 5a und 5b können wie in Gleichung (4) unten angegeben ausgedrückt werden. In Gleichung (4) bedeutet Vn0 die Ausgabe des Verstärkers, G die Verstärkung des Verstärkers, Vin den spannungsgeteilten Wert des Sternpunktpotentials des Motors 4, Vinb die Referenzspannung und Eb den Vorspannungswert während der A/D-Wandlereingabe. Vn0 = G(Vin – Vinb) + Eb (4)
Im Falle der in 11 und 12 gezeigten Strukturen wird der Einfluss der Spannungsschwankungen der Gleichspannungsversorgung auch an den Referenzpotentialen festgestellt. Wenn der Referenzwert der Gleichspannung als VDC0 und die tatsächliche Gleichspannung als VDC bezeichnet wird und der Änderungsbetrag der Spannung betrachtet wird, hat demnach die oben beschriebene Spannung Vn0 den durch die nachstehende Formel (5) gegebenen Wert Vn1. Wenn die Gleichung (4) und die Gleichung (5) verglichen werden, stellt es kein Problem dar, wenn die Verstärkung in gewissem Umfang variiert. Vn1 = G{(VDC/VDC0)Vin – (VDC/VDC0)Vinb} + Eb = G(VDC/VDCO){Vin – Vinb} + Eb (5)
Wenn die Referenzspannungen jedoch festgelegt sind und wie die von den Referenzspannungsgeneratoren 7a und 7b der 10 ausgegebenen Referenzspannungen keinen Bezug zur Gleichspannung haben, werden die Ausgabewerte der Analogverstärker 5a und 5b wie durch die nachfolgende Gleichung (6) gegeben zu Vn2: Vn2 = G{(VDC/VDC0)Vin – Vinb} + Eb(6) und der Fehler Ve in Bezug auf Vn1 der Gleichung (2) ist durch die Gleichung (7) gegeben: Ve = Vn1 – Vn2 = G·Vinb – G·(VDC/VDC0)Vinb = G·{1 – (VDC/VDC0)}Vinb (7)
Demnach kann der richtige Wert von Vn1 durch Korrektur von Vn2 erhalten werden, da Vn1 durch die nachfolgende Gleichung (8) gegeben ist. Vn1 = Vn2 + Ve (8) Da in den oben angegebenen Gleichungen Vinb die beiden Referenzspannungen (2/3) Emax und (1/3) Emax bedeutet, sollte jede von diesen gemäß Gleichung (7) korrigiert werden.
Wenn die Gleichungen (7) und (8) als Blockschaltbild wiedergegeben werden, ergibt sich 14.
Mit anderen Worten wird der Wert der Gleichspannung VDC durch den A/D-Wandler 12c A/D-gewandelt und quantisiert und als VDC der Gleichung (5) in den Multiplizierer-Dividierer 122 eingegeben. Der Referenzwert VDC0 wird von dem Gleichspannungsreferenzwertgenerator 121 ebenfalls in den Multiplizierer-Dividierer 122 eingegeben und VDC/VDC0 wird von dem Multiplizierer-Dividierer 122 berechnet. Dann wird VDC/VDC0 von dem Subtrahierer 124 von dem Wert 1, der von dem ”1”-Generator 123 eingegeben wird, abgezogen und das Ergebnis wird an den Verstärker G125 gegeben. Von dem Verstärker G125 wird demgemäß G·{1 – (VDC/VDC0)} ausgegeben und die durch die Gleichung (7) oben gegebenen Fehler Ve werden von den Verstärkerkoeffizienten 126 und 127 ausgegeben. Die Fehler Ve werden durch die Addierer 13a und 13b zu den Ausgaben der A/D-Wandler 12a und 12b (d. h. zu Vin2 aus Gleichung (6)) addiert. Dadurch werden Sternpunktpotentiale Vin1 und Vin2, bei denen der Einfluss der Spannungsschwankungen korrigiert wurde, in die Positionsschätzeinrichtung/Motorsteuerung 11F eingegeben.
Bei dieser sechsten Ausführungsform wird wie oben erläutert eine Gleichspannungsteilerschaltung 34 vorgesehen, die ein spannungsgeteiltes Potential erzeugt, indem die Spannung der Gleichspannungsversorgung 31 geteilt wird, und es ist vorgesehen, ein Differenzsignal auf Basis dieses spannungsgeteilten Potentials, das A/D-gewandelt wurde, zu korrigieren, sodass der Einfluss der Änderung der Versorgungsspannung reduziert wird, und die Position des Läufers auf Basis dieses korrigierten Differenzsignals zu schätzen. Es ist dadurch möglich, Änderungen des Sternpunktpotentials des Elektromotors mit hoher Genauigkeit mit einem einfachen Erfassungsschaltkreis zu korrigieren, sodass selbst im Falle einer Schwankung der Versorgungsspannung an dem Inverter 3 kein Fehler auftritt. Dadurch ist es möglich, in geeigneter Weise eine Motorsteuerung bei sehr niedriger Drehzahl zu realisieren, ohne dass ein Positionssensor vorgesehen ist, was in einer herkömmlichen Vorrichtung nur schwer zu verwirklichen ist.
– Siebte Ausführungsform –
15 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der siebten Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 12 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der fünften Ausführungsform gemeinsam, wobei dem Aufbau von 12 Trennverstärker 101a und 101b hinzugefügt werden. Es ist mit anderen Worten vorgesehen, die Ausgänge der Analogverstärker 5a und 5b in die Digitalsteuerung 10C über die Trennverstärker 101a und 101b einzugeben.
Im Falle des in 27 gezeigten Aufbaus, bei dem das Sternpunktpotential des Dauermagnetmotors erfasst wird, indem ein virtuelles Sternpunktpotential als Referenz verwendet wird, ist ein Trennverstärker wesentlich, da sich das virtuelle Sternpunktpotential über den Bereich der Versorgungsspannung stark ändert. Da das Referenzpotential des virtuellen Sternpunktpotentials (d. h. das virtuelle Sternpunktpotential) stark schwankt, ist es demgemäß erforderlich, Gegenmaßnahmen in Bezug auf Störsignale zu realisieren, indem der Realisierung des Schaltkreises eine ausreichende Aufmerksamkeit gewidmet wird, damit der Trennverstärker in stabiler Weise arbeiten kann.
In dieser Ausführungsform ist das Referenzpotential extrem stabil, da ein festgelegter Wert, der nicht vom Schaltungszustand des Inverters 3 abhängt, anstelle des virtuellen Sternpunktpotentials als Referenzpotential verwendet wird. Aus diesem Grund und weil wie in 15 dargestellt die Trennverstärker 101a und 101b verwendet werden, sind die Gegenmaßnahmen gegen Störungen, die zu realisieren sind, extrem einfach, und das Ergebnis ist ein Erfassungsschaltkreis, der gegenüber Störungen widerstandsfähig ist. Auch wenn es nicht möglich ist, eine Erhöhung der Kosten zu vermeiden, da diese Trennverstärker vorgesehen werden, ist es dadurch möglich, eine Trennung von der Digitalsteuerung 1G zu realisieren, sodass der Vorteil vom Gesichtspunkt der Sicherheit groß ist.
Wie oben erläutert wurde, ist es gemäß der siebten Ausführungsform möglich, das Sternpunktpotential ohne Verwendung eines A/D-Wandlers zu erfassen, der ein hohes Auflösungsvermögen aufweist oder einen Analogschalter umfasst; zudem ist ein Einfluss aufgrund der Änderung der Spannungsversorgung an dem Inverter oder aufgrund von Rauschen kaum zu bemerken, sodass es möglich ist, in geeigneter Weise eine Motorsteuerung bei sehr niedriger Drehzahl zu realisieren, ohne dass ein Positionssensor vorgesehen ist, was in einer herkömmlichen Vorrichtung nur schwer zu verwirklichen ist.
– Achte Ausführungsform –
16 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der achten Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 12 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der fünften Ausführungsform gemeinsam. Sie ergibt sich, indem Phasenstromsensoren 30a und 30b hinzugefügt werden, die die Phasenströme des Motors 4 erfassen. In dieser Ausführungsform ist das Unterscheidungsmerkmal der Aufbau der Digitalsteuerung 10H, wobei diese Blöcke, abgesehen von den A/D-Wandlern und den Teilen, die die PWM-Signale erzeugen, hauptsächlich in Form von Software realisiert werden.
Das Problem, das in der Praxis in Bezug auf die Schaltung zum Erfassen des Sternpunktpotentials des Motors 4 auftritt, besteht in der Fehlererfassungscharakteristik von Analogschaltungen. Es ist insbesondere erforderlich, den Offset-Wert zu korrigieren, und es ist unmöglich, einen genauen Schätzwert der Läuferposition auf Basis des Sternpunktpotentials zu berechnen, wenn diese Korrektur nicht durchgeführt wird. Wie im Folgenden erläutert wird, unterscheidet sich diese Ausführungsform durch einen Aufbau, der sich auf eine Offset-Anpassung bezieht.
Zunächst wird der Aufbau der Steuerung 1H erklärt. Wie im Zusammenhang mit der fünften Ausführungsform erläutert wurde, sind die A/D-Wandler 12a und 12b Vorrichtungen, die den Änderungsbetrag des Sternpunktpotentials diskretisieren. Zudem sind die A/D-Wandler 12c und 12d in die Steuerung integriert und diskretisieren die erfassten Werte von Iu und Iw des Motors 4. In dieser Ausführungsform wurden ferner ein Offset-Korrektor 25, ein θds-Generator 26, ein Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27, ein Stromanweisungsgenerator 28 zur Positionserfassung, ein Null-Generator 29 und Umschalter 14a bis 14d hinzugefügt, die die sehr wichtige Funktion einer Offset-Anpassung während der sensorlosen Läuferpositionserfassung verwirklichen.
Der Änderungsbetrag des Sternpunktpotentials ändert sich wie oben erläutert in Bezug auf die Läuferphase θd, wie in 5 dargestellt. Die Erfassungsschaltung ist zwar so konzipiert, dass für die Kurvenform der 5 der Mittenwert der Änderungskomponente mit einem Eingabebereich von 10 Bit (d. h. 1024) 512 ist, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass tatsächlich ein Offset-Betrag vorhanden ist. Wenn der Offset-Betrag nicht korrigiert wird, ergibt sich das Problem, dass ein Schätzfehler auftritt, wenn ein Schätzwert für die Läuferposition berechnet wird. In dieser Ausführungsform wird daher automatisch eine Offset-Korrektur ausgeführt.
Vor dem tatsächlichen Betrieb des Magnetmotors 4 wird zunächst ein Schritt der Offset-Kompensation ausgeführt. Nun werden die in 16 gezeigten Umschalter 14a, 14b und 14c auf ihre ”1”-Position umgeschaltet. Während des normalen Betriebs stehen die Umschalter 14a, 14b und 14c auf der ”0”-Position. Nur der Umschalter 14d bleibt auf seiner ”0”-Position.
Wenn die Umschalter 14a bis 14d in diesen Zustand gebracht wurden, wird eine Phasenanweisung, die den Läufer fixiert hält, von dem θds-Generator 26 ausgegeben. Indem die Umschalter 14b und 14c ihre ”1”-Position umgelegt werden, werden die von dem Stromanweisungsgenerator 28 zur Positionsbestimmung erzeugte Anweisung Is und ein von dem Null-Generator 29 erzeugtes Nullsignal in die Addierer 18a und 18b eingegeben. Anders ausgedrückt werden die Eingaben Iq* und Id* an die Addierer 18a und 18b zu Iq* = 0 und Id* = Is. Dadurch fließt nur der Strom Id durch den Motor, und der Läufer wird zu der Phase gezogen, bei der der Strom Id fließt, und stoppt hier. Hierbei wird die so genannte ”DC-Positionsbestimmung” ausgeführt.
Nach Durchführung der Positionsbestimmung wird der Umschalter 14d auf seine ”1”-Position umgelegt und es wird eine Anweisung (eine Spannungsanweisung) von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27 so ausgegeben, dass die Spannungsvektoren V(1, 0, 0) und V(1, 1, 0) abwechselnd angelegt werden. Es werden anders ausgedrückt Spannungsanweisungen Vu*, Vv* und Vw*, wie die in 4(a) dargestellten, von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27 in den PWM-Generator 24 eingegeben. Dadurch ist es möglich, den Änderungsbetrag der Sternpunktspannung zu erhalten, wenn der Läufer bei θd positioniert ist. Das Sternpunktpotential wird erfasst, während die von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27 ausgegebene Spannungsanweisung verändert wird und die Position des Läufers immer ein wenig verändert wird, wobei eine Kurvenform erhalten wird, wie sie in 5 dargestellt ist. Es ist schließlich möglich, aus dem Mittelwert der in 5 dargestellten Kurvenform den Offset-Betrag zu erhalten.
17 ist ein Flussdiagramm, in dem die Berechnung des Offset-Betrags dargestellt ist. 18 zeigt die Kurvenform der Offset-Anpassung. In 17 wird in Schritt S01 θds = 0 von dem θds-Generator 26 ausgegeben, es fließt der Strom Id = Is und der Läufer wird bewegt, wodurch die Läuferposition auf die Position θd = 0 gesetzt wird. Dann werden in Schritt S02 durch Umschalten des Umschalters 14d auf seine ”1”-Position zwei Spannungsvektoren (beispielsweise die in 4 gezeigten Spannungsvektoren V(1, 0, 0) und V(1, 1, 0)) angelegt und der Änderungsbetrag des Sternpunktpotentials wird zu diesem Zeitpunkt, d. h. bei θd = 0, aufgenommen.
Als nächstes wird in Schritt S03 eine Verstellbreite θds zum Variieren des Wertes von θds festgelegt. Je kleiner der Wert für diese Verstellbreite θds ist, desto besser ist die Genauigkeit bei der Berechnung des Offset-Betrags; andererseits wird die für die Aufnahme des Offset-Betrags erforderliche Zeitspanne umso länger, je kleiner die Verschiebebetrag gewählt wird. Daher beträgt die Verstellbreite vorzugsweise etwa 10° bis 30° des elektrischen Winkels.
Nun wird in Schritt S04 die Verstellbreite δθ zu dem vorherigen Wert θds(k – 1) von θds addiert und die Position des Läufers wird auf θds(k) gesetzt. Dann wird in Schritt S05 der Umschalter 14d auf seine ”1”-Position umgeschaltet und die beiden Spannungsvektoren werden angelegt und der Änderungsbetrag des Sternpunktpotentials bei θds(k) wird aufgenommen. Der aufgenommene Änderungsbetrag des Sternpunktpotentials wird in einem von der Digitalsteuerung bereitgestellten Speicher gespeichert.
In Schritt S06 wird eine Entscheidung getroffen, ob θds < 2π ist oder nicht. In Bezug auf θds wird in Schritt S01 θds auf 0 (θds = 0) gesetzt und die Verstellbreite δθ wird jedes Mal addiert, wenn der Schritt S04 ausgeführt wird.
Im Falle θds < 2π wird eine positive Entscheidung in Schritt S06 getroffen und die Schritte S04 und S05 werden wiederholt. Wenn dagegen θds ≥ 2π ist, wird in Schritt S06 eine negative Entscheidung getroffen und die Steuerung schreitet zu Schritt S07 vor. Da die Schritte S04 und S05 immer wieder wiederholt werden, werden in dem Speicher die Änderungsbetrage VnA und VnB für mehrere Läuferpositionen im Bereich von 0 < θds < 2π gespeichert.
In S07 wird aus den mehreren Änderungsbeträgen VnA, die aufgenommen wurden, der Mittelwert der mehreren Änderungsbeträge VnA berechnet, wobei dieser als Offset-Betrag verwendet wird. Dann wird in Schritt S08 in ähnlicher Weise der zu den Änderungsbeträgen VnB gehörende Mittelwert berechnet und als Offset-Betrag verwendet. Die Bestimmung der Offset-Beträge wird durch die in 17 dargestellten Verfahrensschritte abgeschlossen.
18 zeigt die Zustände SWa bis SWc der Umschalter 14a bis 14c (18(a)), den Zustand SWd des Umschalters 14d (18(b)) und die Änderung der Phase θd des Läufers (18(c)) während der Bestimmung der Offset-Beträge. Während des Intervalls der Offset-Anpassung sind die Umschalter 14a bis 14c immer in ihrer Position ”1”; der d-Achsen-Strom Id fließt kontinuierlich. Der Läufer des Motors rotiert schrittweise in Übereinstimmung mit dem von dem θds-Generator 26 erzeugten Wert θds. An dem Zeitpunkt, an dem die Läuferposition fix ist, wird der Umschalter 14d auf seine Position ”1” umgeschaltet, und es werden VnA und VnB aufgenommen, bei denen es sich um die Änderungsbeträge des Sternpunktpotentials handelt. Nach Beendigung der Offset-Anpassung geht das System zur normalen Steuerung über, wobei die Umschalter 14a bis 14d in ihre normale ”0”-Position umgeschaltet werden.
Gemäß der achten Ausführungsform wird wie oben erläutert ein Offset-Korrektor 25 vorgesehen, der vor dem Starten des Motors 4 zusammen mit der Erfassung des Sternpunktpotentials auch die Offset-Komponente des Sternpunktpotentials korrigiert. Da die entsprechenden Sternpunktpotentiale erfasst werden, während der Läufer der Reihe nach in mehrere Drehstellungen gebracht wird, und die Offset-Komponente auf Basis dieser mehreren Sternpunktpotentiale, die erfasst wurden, korrigiert wird, ist es dementsprechend möglich, die Offset-Komponente zu korrigieren und eine Motorsteuerung ohne Positionssensor mit hoher Genauigkeit bei niedriger Drehzahl zu realisieren.
– Neunte Ausführungsform –
Es wird nun eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die in 19 dargestellte Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der neunten Ausführungsform hat viele Komponenten mit der in 16 gezeigten Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß der achten Ausführungsform gemeinsam. Die in 19 gezeigte Digitalsteuerung 10J erhält man, indem bei der in 16 gezeigten Digitalsteuerung 10H die Umschalter 14a bis 14c, der θs-Generator 26, der Stromanweisungsgenerator 28 zur Positionsbestimmung und der Null-Generator 29 weggelassen werden. Anstelle des Offset-Anpassungsanweisungsgenerators 27 der 16 wird zudem ein Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27J vorgesehen, der anders arbeitet.
Bei der oben beschriebenen neunten Ausführungsform wird eine Sternpunkt-Offset-Anpassung durchgeführt, indem der Läufer vor dem eigentlichen Betrieb des Motors 4 in mehrere Positionen gebracht wird. Hierzu muss es sich um ein System handeln, bei dem der Läufer des Motors frei beweglich ist. Infolgedessen kann das im Zusammenhang mit der neunten Ausführungsform erläuterte Verfahren nicht auf den Fall eines Systems, bei dem sich der Motor nicht frei bewegen kann, wie beispielsweise eines Förderbands oder eines Roboterarms, angewandt werden.
Bei dieser Ausführungsform ist es dagegen möglich, die Erfassung und Anpassung des Offsets der Sternpunktpotentialerfassungsschaltung durchzuführen, ohne dass der Läufer des Motors 4 bewegt wird. Im Falle des in 19 gezeigten Aufbaus wird bei der Offset-Anpassung der Umschalter 14d auf seine ”1”-Position umgeschaltet, sodass die Dreiphasenspannungsanweisungen von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27J an den PWM-Generator 24 geliefert werden. Die Anwendung der Spannungsanweisungen und die Aufnahme der Änderung des Sternpunktpotentials erfolgt gemäß dem in 20 gezeigten Flussdiagramm.
In Schritt S11 gibt der Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27J Spannungsanweisungen Vu*, Vv* und Vw* aus, sodass die Spannungsvektoren V(1, 0, 0) und V(1, 1, 0) wie in 4(c) angelegt werden. Die Änderungsbeträge VnA und VnB des zu diesem Zeitpunkt erzeugten Sternpunktpotentials werden erfasst und in dem Speicher gespeichert. Es wird in Bezug auf die Spannungsanweisungen Vu*, Vv* und Vw* darauf hingewiesen, dass Einstellungen in 4(a) Vu* = –Vw* und Vv* = 0 gewählt werden, da durch den Motor 4 in unerwünschter Weise in gewissen Umfang ein Drehmoment erzeugt wird, wenn keine Spannungen angelegt werden, deren Mittelwert Null ist.
In Schritt S12 werden dann von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27J Spannungsanweisungen Vu*, Vv* und Vw* ausgegeben, sodass Spannungsvektoren V(1, 0, 0) und V(1, 0, 0) wie in 21(a) dargestellt angelegt werden. Dann werden die zu diesem Zeitpunkt erzeugten Änderungsbeträge (VnC und VnD) des Sternpunktpotentials erfasst und in dem Speicher gespeichert. Anschließend werden in Schritt S13 von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27J Spannungsanweisungen Vu*, Vv* und Vw* ausgegeben, sodass Spannungsvektoren V(1, 0, 0) und V(1, 0, 0) wie in 21(b) dargestellt angelegt werden. Dann werden die zu diesem Zeitpunkt erzeugten Änderungsbeträge (VnE und VnF) des Sternpunktpotentials erfasst und in dem Speicher gespeichert. Schließlich wird in Schritt S14 der Mittelwert der Änderungsbeträge VnA bis VnF der erfassten Änderungsbeträge des Sternpunktpotentials berechnet und das Ergebnis wird als Offset-Betrag gespeichert.
Hierdurch ist es möglich, einen alternativen Wert für den Offset-Betrag zu erhalten. Auch wenn die erfassten Werte VnA bis VnF eine Information bei einer groben Auflösung von 60° darstellen, ist es möglich, mit einem derartigen Verfahren einen Offset-Wert zu erhalten. Da der Läufer bei dem oben beschriebenen Verfahren nicht bewegt wird, kann das Verfahren zudem dementsprechend bei einem Elektromotor durchgeführt werden, der in einem System verwendet wird, das durch die oben beschriebene Bedingung beschränkt ist.
Wie oben erläutert wurde wird gemäß der neunten Ausführungsform ein Offset-Korrektor 25 bereitgestellt, der vor dem Start des Motors 4 die Offset-Komponente des Sternpunktpotentials korrigiert, die erzeugt wird, wenn das Sternpunktpotential erfasst wird. Es ist vorgesehen, mehrere Spannungsanweisungen von dem Offset-Anpassungsanweisungsgenerator 27J, bei dem es sich um die Einheit zur Ausgabe einer Spannungsanweisung handelt, der Reihe nach auszugeben, und die Offset-Komponente auf Basis der Sternpunktpotentiale zu korrigieren, die während der Ausgabe dieser Spannungsanweisungen erfasst werden. Dadurch ist es möglich, die Offset-Komponente auch für ein System zu erhalten, bei dem es nicht möglich ist, den Läufer zu bewegen, wodurch eine Motorsteuerung ohne Positionssensor mit höherer Genauigkeit bei niedriger Drehzahl erhalten werden kann.
– Zehnte Ausführungsform –
22 dient zur Erläuterung einer zehnten Ausführungsform und zeigt den allgemeinen Aufbau eines Elektromotorsystems 41 vom integrierten Typ, bei dem die Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 gemäß einer der oben beschriebenen ersten bis achten Ausführungsformen und der Motor 4 in integrierter Bauweise ausgeführt sind. 22(a) ist eine perspektivische Außenansicht des Elektromotorsystems 41 vom integrierten Typ, wohingegen 22(b) den Aufbau des Elektromotorsystems 41 vom integrierten Typ darstellt. Das Elektromotorsystem 41 vom integrierten Typ ist eine Vorrichtung, bei der der Motor 4 und die oben beschriebene Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 in einem Gehäuse 410 integriert sind. Das Gehäuse 410 kann auch als Motorgehäuse für den Motor 4 dienen; es ist alternativ auch möglich, das Motorgehäuse und das Gehäuse 410 getrennt voneinander vorzusehen.
Wie in 22(b) dargestellt ist die Digitalsteuerung 10C als einzelner integrierter Schaltkreis realisiert und der Inverter 3 wird durch die daraus ausgegebenen PWM-Impulskurvenformen gesteuert. Der Inverter 3 und die Digitalsteuerung 10C werden auf einer Leiterplatte realisiert, die Verdrahtung zum Zuführen der U-, V- und W-Phasenströme und die Verdrahtung zum Erfassen des Sternpunktpotentials sind zwischen der Leiterplatte und dem Motor 4 ausgebildet. Durch diese Integration kann die Verdrahtung in dem Gehäuse 410 untergebracht werden. Aufgrund dieses Aufbaus sind die einzigen Anschlüsse, die sich von dem Gehäuse 410 nach außen erstrecken, die Stromzuführung 411 an den Inverter und die Übertragungsleitung 412, die für die Drehzahlanweisung und das Zurückkommen in den Betriebszustand und dergleichen verwendet werden.
Es ist zwar auch bei der vorliegenden Erfindung erforderlich, das Sternpunktpotential des Motors 4 herauszuführen, die Verdrahtung für das Sternpunktpotential wird jedoch einfach, wenn der Motor und die Ansteuerschaltung auf diese Weise integriert sind. Da eine sensorlose Positionsbestimmung durchgeführt werden kann, ist des demgemäß zudem möglich, ein integriertes System anzugeben, das insgesamt außerordentlich kompakt ist, und dieses System noch kompakter zu gestalten.
– Elfte Ausführungsform –
23 ist eine zur Erläuterung einer elften Ausführungsform dienende Figur, die ein Pumpensystem zeigt, das mit einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 gemäß der oben beschriebenen ersten bis achten Ausführungsform und einem Motor 4 ausgestattet ist. Das in 23 gezeigte Pumpensystem ist ein Hydrauliksystem, das eine Hydraulikpumpe 74 umfasst und in einem Hydraulikgetriebe oder einem hydraulischen Bremssystem eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ansteuervorrichtung 100 und der Motor 4 getrennt voneinander ausgebildet sein können, auch wenn das Pumpensystem in 23 unter Verwendung des in der zehnten Ausführungsform gezeigten Elektromotorsystems 41 vom integrierten Typ realisiert ist.
In dem in 23 dargestellten Hydrauliksystem ist die Hydraulikpumpe 74 an dem Motor 4 angebracht. Der hydraulische Druck wird in dem Hydraulikkreis 60 von der Hydraulikpumpe 74 gesteuert. Der Hydraulikkreis 60 umfasst einen Tank 61, in dem Hydrauliköl gespeichert ist, ein Entlastungsventil 62, das den Hydraulikdruck auf einem festgelegten Wert oder unter diesem Wert hält, ein Magnetventil 63, das den Hydraulikkreis umschaltet, und einen Zylinder 64, der als hydraulischer Antrieb dient.
Die Hydraulikpumpe 74 erzeugt den hydraulischen Druck durch den Betrieb des Elektromotorsystems 41 vom integrierten Typ und steuert den Zylinder 64, bei dem es sich um einen hydraulischen Antrieb handelt. Da der Hydraulikkreis durch das Magnetventil 63 umgeschaltet wird, ändert sich die Last an der Hydraulikpumpe 74, wodurch die Last an dem Elektromotorsystem 41 vom integrierten Typ gestört wird. An dem Hydraulikkreis liegt zudem bisweilen eine Last an, die das mehrfache des Drucks im stationären Zustand oder mehr beträgt, und in manchen Fällen stoppt der Motor, was unerwünscht ist. Aus diesem Grund ist vorgesehen, dass ein übermäßig hoher Hydraulikdruck, der an dem Motor eine hohe Last verursachen würde, durch das Entlastungsventil 62 entlastet wird.
– Zwölfte Ausführungsform –
24 zeigt eine zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 24 ist eine Figur, in der ein Außengerät dargestellt ist, bei dem es sich um ein Kompressorsystem handelt, das in einer Klimaanlage eines Raumklimageräts oder einer Klimageräteeinheit verwendet wird. Das Außengerät 80 der Klimaanlage umfasst die oben beschriebene Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 und Komponenten wie einen Motor 4, einen Kompressor 81, einen Lüfter usw.. Von diesen bildet der Motor 4 das Antriebsaggregat für den Kompressor 81, wobei dieser im Innern des Kompressors angebracht ist.
– Dreizehnte Ausführungsform –
25 stellt eine dreizehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 25 ist eine Figur, die die gesamte Blockstruktur eines Positionsbestimmungssystems zeigt, das den Motor 4 umfasst, der eine Positionsbestimmungseinrichtung 90 steuert. In 25 ist die Positionsbestimmungseinrichtung 90 mit dem Motor als Last verbunden. Ein Drehzahlregler 91 ist mit der Steuerung 1 verbunden und hat die Funktion eines höherwertigen Anweisungsgenerators. Die tatsächliche Drehzahl ωr wird durch den Subtrahierer 93b von einer Drehzahlanweisung ωr* subtrahiert, die von einer Positionssteuerung 92 ausgegeben wird. Die Positionssteuerung 92 berechnet Iq*, sodass der Wert der Differenz (d. h. die Abweichung) Null wird.
Die Positionsbestimmungseinrichtung 90 ist eine Vorrichtung, bei der beispielsweise ein Kugelgewindetrieb oder dergleichen verwendet wird und die durch die Positionssteuerung 92 so angepasst wird, dass die Position auf eine vorgegebene Position θ* gesteuert wird. An der Positionsbestimmungseinrichtung 90 ist kein Positionssensor angebracht, der von der Steuerung 1 abgeschätzte Positionswert θdc wird stattdessen unverändert verwendet. Hierdurch ist es möglich, eine Positionssteuerung auszuführen, bei der es nicht erforderlich ist, die Positionsbestimmungseinrichtung mit einem Positionssensor auszurüsten.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können einzeln oder in Kombination verwirklicht werden. Der Grund hierfür ist, dass die vorteilhaften Wirkungen jeder Ausführungsform entweder durch sie selbst oder in einer synergistischen Kombination mit anderen Ausführungsformen erzielt werden kann. Es wäre beispielsweise möglich, den Aufbau der 11 oder 13, die eine VDC-Information verwenden, oder einen Aufbau wie in 12, bei dem die Versorgungsspannung zur Erzeugung von zwei Referenzspannungen geteilt wird, auf einen Aufbau wie in 7 gezeigt anzuwenden, bei dem der Analogschalter 6 verwendet wird. Die in 16 oder 19 gezeigte Struktur, die sich auf eine Offset-Korrektur bezieht, kann ebenfalls auf eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 angewandt werden, die in einer von den 16 und 19 verschiedenen Figur dargestellt ist. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass ein Aufbau wie in 15, bei dem die Trennverstärker eingesetzt werden, auch in einer Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor 1000 verwendet werden kann, die in einer von 15 verschiedenen Figur dargestellt ist. Da in diesem Fall ähnlich wie im Falle der 15 kein Hochleistungstrennverstärker erforderlich ist, ist es demnach möglich, die Kostensteigerung zu vermeiden, sowie die Unsicherheit in Bezug auf die Leistung aufgrund der Verwendung eines Trennverstärkers. Vorausgesetzt, dass die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung verwirklicht sind, ist die vorliegende Erfindung zudem nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.

Claims

Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor, die aufweist: einen Inverter, der bewirkt, dass mehrere Schaltelemente einen EIN/AUS-Vorgang ausführen, und der eine Gleichspannung aus einer Gleichspannungsversorgung in eine Wechselspannung für die Ansteuerung eines Drehstromsynchronmotors umwandelt; eine Sternpunktpotential-Erfassungseinheit, die ein Sternpunktpotential einer Statorwicklung des Drehstromsynchronmotors erfasst; und eine Steuereinheit, die eine Läuferposition des Drehstromsynchronmotors auf Basis des erfassten Sternpunktpotentials schätzt und die den Inverter auf Basis des Schätzergebnisses steuert; wobei: ein Massepotential der Steuereinheit auf das negative Potential oder das positive Potential der Gleichspannung gesetzt wird, mit der der Inverter versorgt wird; die Sternpunktpotential-Erfassungseinheit das Sternpunktpotential in Bezug auf das negative Potential oder das positive Potential erfasst; und die Steuereinheit die Läuferposition auf Basis einer Differenz zwischen einem ersten Sternpunktpotential, das mittels der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit während des EIN/AUS-Vorgangs erfasst wird, und einem ersten festen Referenzpotential sowie auf Basis einer Differenz zwischen einem zweiten Sternpunktpotential, das mittels der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit während des EIN/AUS-Vorgangs erfasst wird, und einem zweiten festen Referenzpotential schätzt.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 1, worin die Steuereinheit aufweist: einen ersten Differenzverstärker, der ein Differenzsignal für die Differenz zwischen dem ersten Sternpunktpotential und dem ersten Referenzpotential erzeugt und der dieses Differenzsignal verstärkt und ausgibt; einen zweiten Differenzverstärker, der ein Differenzsignal für die Differenz zwischen dem zweiten Sternpunktpotential und dem zweiten Referenzpotential erzeugt und der dieses Differenzsignal verstärkt und ausgibt; einen ersten A/D-Wandler, der eine Analog-Digital-Umwandlung eines Ausgangssignals des ersten Differenzverstärkers vornimmt; und einen zweiten A/D-Wandler, der eine Analog-Digital-Umwandlung eines Ausgangssignals des zweiten Differenzverstärkers vornimmt; und wobei die Läuferposition auf Basis der Ausgaben des ersten und zweiten A/D-Wandlers geschätzt wird.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 1, worin die Steuereinheit aufweist: eine Auswahleinheit, die das erste Referenzpotential oder das zweite Referenzpotential in Verbindung mit dem EIN/AUS-Vorgang der mehreren Schaltelemente auswählt; einen Differenzverstärker, in den der Reihe nach das von der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit erfasste erste und zweite Sternpunktpotential als erstes Eingangssignal und ein von der Auswahleinheit ausgewähltes Referenzpotential als zweites Eingangssignal eingegeben werden und der die Differenz zwischen dem ersten Eingangssignal und dem zweiten Eingangssignal verstärkt und ausgibt; und einen A/D-Wandler, der eine Analog-Digital-Wandlung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers vornimmt; wobei die Läuferposition auf Basis einer Ausgabe des A/D-Wandlers geschätzt wird.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin: die Steuereinheit eine Referenzpotentialerzeugungseinheit umfasst, die das erste und zweite Referenzpotential erzeugt.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 4, die ferner aufweist: eine Gleichspannungsteilerschaltung, die ein spannungsgeteiltes Potential durch Teilen der Spannung der Spannungsversorgung erzeugt; wobei die Referenzpotentialerzeugungseinheit das erste und zweite Referenzpotential auf Basis des spannungsgeteilten Potentials erzeugt.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 4, die ferner aufweist: eine Gleichspannungsteilerschaltung, die ein spannungsgeteiltes Potential durch Teilen der Spannung der Spannungsversorgung erzeugt; wobei die Steuereinheit das analog-digital-gewandelte Differenzsignal auf Basis des spannungsgeteilten Potentials so korrigiert, dass der Einfluss von Schwankungen der Spannungsversorgung auf das Differenzsignal vermindert wird, und die Läuferposition auf Basis des korrigierten Differenzsignals schätzt.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, die ferner aufweist: eine Gleichspannungsteilerschaltung, die ein erstes und zweites spannungsgeteiltes Potential als erstes und zweites Referenzpotential durch Teilen der Spannung der Gleichspannungsversorgung erzeugt.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin: zwischen dem Differenzverstärker und dem A/D-Wandler ein Trennverstärker vorgesehen ist; und ein von dem Differenzverstärker ausgegebenes Signal über den Trennverstärker in den A/D-Wandler eingegeben wird.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin: die Steuereinheit eine Offset-Korrektureinheit aufweist, die vor dem Starten des Drehstromsynchronmotors eine in dem Sternpunktpotential enthaltene Offset-Komponente korrigiert.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 9, worin: die Offset-Korrektureinheit den Läufer der Reihe nach in mehrere Läuferpositionen bringt und die entsprechenden Sternpunktpotentiale erfasst, wobei sie die Offset-Komponente auf Basis von mehreren erfassten Sternpunktpotentialen korrigiert.
Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 9, worin: die Offset-Korrektureinheit eine Spannungsanweisungsausgabeeinheit aufweist, die der Reihe nach mehrere Spannungsanweisungen ausgibt und die Offset-Komponente beim Ausgeben einer jeden Spannungsanweisung auf Basis des von der Sternpunktpotential-Erfassungseinheit erfassten Sternpunktpotentials korrigiert.
Elektromotorsystem vom integrierten Typ, das aufgenommen in einem gemeinsamen Gehäuse eine Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einen Läufer und einen Stator eines Drehstromsynchronmotors aufweist, der von der Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird.
Pumpensystem, das aufweist: eine Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11; einen Drehstromsynchronmotor, der von der Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird; und eine von dem Drehstromsynchronmotor angetriebene Pumpe für Flüssigkeiten.
Kompressorsystem, das aufweist: eine Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11; einen Drehstromsynchronmotor, der von der Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird; und einen von dem Drehstromsynchronmotor angetriebenen Kompressor.
Positionserfassungssystem, das aufweist: eine Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11; einen Drehstromsynchronmotor, der von der Ansteuerungsvorrichtung für einen Elektromotor angetrieben und gesteuert wird; und eine Positionserfassungseinrichtung, die durch Vorwärtsdrehung oder Rückwärtsdrehung des Drehstromsynchronmotors gleitend oder drehend angetrieben wird.