DE112017001119T5

DE112017001119T5 - Motoransteuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017001119T5
Application number: DE112017001119.1T
Authority: DE
Inventors: Hikaru OTSUKA
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-11-15
Also published as: JP2017158369A; JP6634891B2; US20190089285A1; US10574169B2; CN109314485A; WO2017150689A1; CN109314485B

Abstract

Eine PI-Betriebsberechnungseinheit eines Mikrocomputers, die eine Steuerung in einer vorbestimmten Steuerungsperiode durchführt, berechnet ein Betriebsverhältnis von einer an eine Spule eines Motors angelegten Spannung einer Soll-Drehzahl, und einer von einer Drehzahl-Informationseinheit berechneten Ist-Drehzahl. Die PI-Betriebsberechnungseinheit erzeugt ein Rechtecksignal, das eine Periode gemäß einer Frequenz aufweist, die aus der Vielzahl aus vorbestimmten Frequenzen zusammen mit dem Beginn einer Steuerungsperiode ausgewählt wird, und das berechnete Betriebsverhältnis anzeigt, und gibt das Rechtecksignal an eine PWM-Betriebsberechnungseinheit aus. Die PWM-Betriebsberechnungseinheit erzeugt ein PWM-Signal zur Steuerung einer Inverterschaltung, basierend auf dem von der PI-Betriebsberechnungseinheit ausgegebenen Rechtecksignal und den von einer elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit berechneten Positionsinformationen eines Rotors des Motors.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motoransteuerungsvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Eine Steuerungsvorrichtung eines bürstenlosen DC-Motors (nachfolgend als „Motor“ abgekürzt), der als ein Gebläsemotor oder dergleichen einer Fahrzeugklimaanlage verwendet wird, bewirkt, dass eine Inverterschaltung eine Spannung erzeugt, die ein Betriebsverhältnis gemäß einer Soll-Drehzahl aufweist, und legt die erzeugte Spannung an eine Spule des Motors an.
Eine Inverterschaltung 40 enthält ein Schaltelement. Die Inverterschaltung 40 erzeugt eine an die Spule des Motors anzulegende Spannung durch Pulsweitenmodulation (PWM), die eine Spannung durch Ein- und Ausschalten des Schaltelements anpasst, um eine DC-Spannung einer Energieversorgung in eine gepulste Wellenform zu modulieren. Jedoch kann gemäß der PWM-Steuerung durch den Motor Rauschen erzeugt werden.
Um das durch die PWM verursachte Rauschen zu unterdrücken, ist eine Frequenzspreizung bzw. ein Spreizspektrum, das sequentiell einen Zyklus der Wellenform der von der PWM erzeugten Spannung ändert, wirkungsvoll. Um einen Zyklus der Wellenform der Spannung zu ändern, wird eine die Erzeugung des PWM-Signals zum Ein- und Ausschalten des Schaltelements betreffende Trägerfrequenz geändert. Durch Ändern der Trägerfrequenz ändert sich das durch PWM verursachte Rauschen des Motors jeweils für eine kurze Zeit und teilt sich gleichmäßig auf, so dass das Rauschen des Motors reduziert wird.
Selbst wenn sich ein Zyklus der Wellenform der Spannung ändert, ändert sich ein effektiver Wert der an die Spule des Motors anzulegenden Spannung theoretisch nicht, wenn ein Betriebsverhältnis, das ein Verhältnis der Dauer eines durch das Anschalten des Schaltelements erzeugten Pulses zu einem Zyklus der Wellenform der Spannung ist, gleich ist. 8A zeigt einen Fall einer langen PWM-Periode und 8B zeigt den Fall einer kurzen PWM-Periode. Da jedoch die Betriebsverhältnisse alle X% betragen, ist der effektive Wert der an die Spule des Motors angelegten Spannung theoretisch gleich.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2013-62933 offenbart eine Erfindung eines elektrischen Kompressors, bei dem bei einer Erzeugung eines aus einer Signalwelle und einer Trägerwelle erzeugten PWM-Signals eine Trägerfrequenz des PWM-Signals durch Frequenzspreizung zufällig gewechselt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Jedoch ist gemäß der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2013 - 62933 beschriebenen Technik eine zweckbestimmte integrierte Schaltung für die Frequenzspreizung erforderlich, und die Anzahl der anzubringenden Komponenten steigt. Folglich gibt es ein Problem der steigenden Herstellungskosten. Darüber hinaus ist es notwendig, eine Schaltung einer Motoransteuerungsvorrichtung zu ändern, um die für die Frequenzspreizung zweckbestimmte integrierte Schaltung anzubringen, und folglich besteht ein Problem, dass dies Zeit und Aufwand zur Änderung der Schaltung bedarf.
Ausführungsformen der Erfindung wurden in Anbetracht des vorstehenden Umstands ersonnen, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Motoransteuerungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, eine Trägerfrequenz einer PWM sequentiell zu ändern, ohne dass es einer Modifikation einer bestehenden Schaltung bedarf.
Lösung der Aufgabe
Um das vorstehende Problem zu lösen, beschreibt die vorliegende Offenbarung: eine Ansteuerungseinheit, die eine Vielzahl von Schaltelementen enthält, die jeweils durch ein Pulsweitenmodulationssignal gesteuert an oder aus sind, und die einen Motor mit einer Ansteuerungsspannung gemäß einem Ein- oder Auszustand der Vielzahl von Schaltelementen ansteuert; und eine Steuerungseinheit, die wiederholt in einem vorbestimmten Zyklus arbeitet, die ein Pulsweitenmodulationssignal erzeugt, basierend auf einem Befehlssignal und einem aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalen ausgewählten Signal, die verschiedene Frequenzen zu Beginn des Betriebs aufweisen, und die den Ein- und Auszustand der Vielzahl von Schaltelementen der Ansteuerungseinheit unter Verwendung des erzeugten Pulsweitenmodulationssignals steuert.
Diese Motoransteuerungsvorrichtung erzeugt das Pulsweitenmodulationssignal basierend auf dem Befehlssignal zu einem Zyklus gemäß einer Frequenz, die aus Signalen mit einer Vielzahl vorbestimmter Frequenzen ausgewählt wurde. Da der Auswahlvorgang des Signals einer Frequenz aus den vorbestimmten Frequenzen durch eine Änderung eines Programms der Steuerungseinheit durchgeführt werden kann, ist es möglich, die Trägerfrequenz der PWM sequentiell zu ändern, ohne dass es einer Modifikation der bestehenden Schaltung bedarf.
Zusätzlich wählt die Steuerungseinheit sequentiell ein unterschiedliches Signal aus der Vielzahl vorbestimmter Signale aus, und wiederholt nach der Auswahl eines letzten der Vielzahl von vorbestimmten Signalen, den Vorgang, um sequentiell ein unterschiedliches Signal auszuwählen.
Der Auswahlvorgang eines Signals durch Vermeidung der Überlappung von Frequenzen einer Vielzahl von Signalen ist durch Ändern des Programms der Steuerungseinheit möglich. Daher ist es, gemäß der Motoransteuerungsvorrichtung möglich, sequentiell die Trägerfrequenz der PWM zu ändern, ohne dass es einer Modifikation der bestehenden Schaltung bedarf.
Zusätzlich wählt die Steuerungseinheit ein Signal aus der Vielzahl von vorbestimmten Signalen zufällig aus.
Der Vorgang eines zufälligen Auswählens eines Signals aus einer Vielzahl von Signalen ist durch Ändern des Programms der Steuerungseinheit möglich. Daher ist es, gemäß der Motoransteuerungsvorrichtung möglich, sequentiell die Trägerfrequenz der PWM zu ändern, ohne dass es einer Modifikation der bestehenden Schaltung bedarf.
Zusätzlich bestimmt die Steuerungseinheit eines der Vielzahl von vorbestimmten Signalen als ein Referenzsignal, und korrigiert ein Pulsweitenmodulationssignal, das basierend auf einem von dem Referenzsignal verschiedenen Signal erzeugt ist, so dass eine Ansteuerungsspannung, die unter Verwendung des Pulsweitenmodulationssignals erzeugt wurde, das auf dem von dem Referenzsignal verschiedenen Signal basiert, gleich einer Ansteuerungsspannung wird, die unter Verwendung eines Pulsweitenmodulationssignals erzeugt wurde, das auf dem Referenzsignal basiert.
Selbst wenn sich der effektive Wert der an den Motor angelegten Spannung aufgrund der Änderung der Trägerfrequenz der PWM ändert, kann gemäß der Motoransteuerungsvorrichtung, die gleiche Spannung wie die PWM durch die Referenzfrequenz an den Motor angelegt werden, und daher kann die Drehung des Motors problemlos gesteuert werden.
Zusätzlich korrigiert die Steuerungseinheit das auf dem von dem Referenzsignal verschiedenen Signal basierende Pulsweitenmodulationssignal, so dass substantielle Werte gleich werden, wobei die substantiellen Werte das auf dem Referenzsignal basierende Pulsweitenmodulationssignal und das auf dem vom Referenzsignal verschiedenen Signal basierende Pulsweitenmodulationssignal sind, wobei für jedes davon ein Einfluss der Totzeit ausgeschlossen ist.
Selbst wenn sich der effektive Wert der an den Motor angelegten Spannung, wenn sich die Trägerfrequenz der PWM aufgrund des Einflusses der Totzeit ändert, kann gemäß der Motoransteuerungsvorrichtung, die gleiche Spannung wie die PWM durch die Referenzfrequenz an den Motor angelegt werden, und daher kann die Drehung des Motors problemlos gesteuert werden.
Zusätzlich enthält die Motoransteuerungsvorrichtung eine Drehzahldetektionseinheit, die eine Drehzahl des Motors detektiert, und die Steuerungseinheit berechnet eine Ansteuerungsspannung des Motors, um eine Abweichung zwischen einer durch das Befehlssignal angegebenen Soll-Drehzahl und einer durch die Drehzahldetektionseinheit detektierten Ist-Drehzahl des Motors zu eliminieren.
Gemäß der Motoransteuerungsvorrichtung wird die Ansteuerungsspannung durch eine Proportionalintegral (PI) Steuerung berechnet, die die Abweichung zwischen der durch das Befehlssignal angegebenen Drehzahl und der Ist-Drehzahl des Motors eliminiert, und daher ist es möglich, die Drehzahl des Motors unter Berücksichtigung der Ist-Drehzahl des Motors zu steuern.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration einer Motoreinheit zeigt, die eine Motoransteuerungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nutzt.
2 ist ein Blockschaltbild, das die Motoransteuerungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel schematisch zeigt.
3 ist eine Funktionsblockdarstellung der Motoransteuerungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines PI-Betriebsberechnungsprozesses in einer PI-Betriebsberechnungseinheit der Motoransteuerungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
5A ist eine erklärende Darstellung, die ein PWM-Signal zeigt, falls eine Trägerfrequenz f₁ kHz entspricht.
5B ist eine erklärende Darstellung, die ein PWM-Signal zeigt, falls eine Trägerfrequenz f₃ kHz entspricht.
6 ist eine Funktionsblockdarstellung der Motoransteuerungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Korrektur eines PWM-Signals zeigt, falls die Trägerfrequenz f₁ kHz in dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht.
8A ist eine erklärende Darstellung, die den Fall einer langen PWM-Periode zeigt.
8B ist eine erklärende Darstellung, die den Fall einer kurzen PWM-Periode zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
[Erstes Ausführungsbeispiel]
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration einer Motoreinheit 10 zeigt, die eine Motoransteuerungsvorrichtung 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nutzt. Die Motoreinheit 10 in 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Einheit eines sogenannten Gebläsemotors, der zum Beispiel für das Blasen von Luft in einer fahrzeuginternen Klimaanlage verwendet wird.
Die Motoreinheit 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel betrifft einen Dreiphasenmotor einer äußeren Rotorstruktur, in der ein Rotor 12 außerhalb eines Stators 14 angeordnet ist. Der Stator 14 ist ein Elektromagnet, bei dem ein leitfähiger Draht um ein Kernelement gewickelt ist, und die drei Phasen U-Phase, V-Phase, und W-Phase umfasst. Jede der U-Phase, der V-Phase, und der W-Phase des Stators 14 erzeugt ein sogenanntes drehendes Magnetfeld, indem die Polarität des durch den Elektromagneten erzeugten Magnetfelds durch Steuerung der nachstehend beschriebenen Motoransteuerungsvorrichtung 20 geschaltet wird.
Ein Rotormagnet ist an der (nicht gezeigten) Innenseite des Rotors 12 angeordnet, und der Rotormagnet dreht den Rotor 12 aufgrund des von dem Stator 14 erzeugten drehenden Magnetfelds. Eine Welle 16 ist im Rotor 12 angeordnet und dreht sich gemeinsam mit dem Rotor 12. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Mehrschaufelventilator, wie beispielsweise ein sogenannter Sirocco-Ventilator, an der Welle 16 angeordnet, und der Mehrschaufelventilator dreht sich zusammen mit der Welle 16, sodass Luft in die fahrzeuginterne Klimaanlage geblasen werden kann.
Der Stator 14 ist an der Motoransteuerungsvorrichtung 20 durch ein oberes Gehäuseteil 18 befestigt. Die Motoransteuerungsvorrichtung 20 enthält ein Substrat 22 der Motoransteuerungsvorrichtung 20 und einen Kühlkörper 24, der die von den Komponenten auf dem Substrat erzeugte Wärme abführt. Ein unteres Gehäuseteil 60 ist an der Motoreinheit 10 befestigt, die den Rotor 12, den Stator 14, und die Motoransteuerungsvorrichtung 20 enthält.
2 ist ein Blockschaltbild, das die Motoransteuerungsvorrichtung 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel schematisch zeigt. Die Inverterschaltung 40 führt eine Umschaltung der Spannung durch, die einer Spule eines Stators 14 eines Motors 52 zuzuführen ist. Zum Beispiel führen Inverter FETs 44A und 44D Umschalten der Spannung, die eine U-Phase Spule 14U versorgt, durch, Inverter FETs 44B und 44E Umschalten der Spannung, die eine V-Phase Spule 14V versorgt, durch, und Inverter FETS 44C und 44F Umschalten der Spannung, die eine W-Phase Spule 14W versorgt, durch.
Senken bzw. Drainanschlüsse der Inverter FETs 44A, 44B, und 44C sind mit einer positiven Elektrode einer fahrzeuginternen Batterie 80 über eine Rauschentfernungsdrosselspule 46 verbunden. Zusätzlich sind Quellen bzw. Sourceanschlüsse der Inverter FETs 44D, 44E, und 44F mit einer negativen Elektrode der Batterie 80 über einen Umkehrverbindungsschutz-FET 48 verbunden.
Gemäß dem vorliegendem Ausführungsbeispiel detektiert eine Hall-Sonde 12B ein Magnetfeld eines Rotormagneten 12A oder eines Sensormagneten, der koaxial zu der Welle 16 angeordnet ist. Ein Mikrocomputer 32 detektiert eine Drehzahl und eine Position (Drehposition) des Rotors 12, basierend auf dem von der Hall-Sonde 12B detektierten Magnetfeld und steuert das Schalten der Inverterschaltung 40 gemäß der Drehzahl und der Drehposition des Rotors 12.
Ein Mikrocomputer 32 nimmt als Eingang ein Befehlssignal entgegen. Das Befehlssignal enthält einen Drehzahlbefehlswert, der sich auf eine Drehzahl des Rotors 12 einer Klimaanlagen-ECU 82 bezieht, die die Klimaanlage gemäß dem Schaltvorgang der Klimaanlage steuert. Zusätzlich ist der Mikrocomputer 32 mit einer Spannungsaufteilungsschaltung 54 verbunden, die einen Thermistor 54A und einen Widerstand 54B enthält, und eine Stromdetektionseinheit 56 ist zwischen der Inverterschaltung 40 und der negativen Elektrode der Batterie 80 angeordnet.
Da sich ein Widerstandswert des Thermistors 54A, der die Spannungsaufteilungsschaltung 54 ausmacht, gemäß der Temperatur des Substrats 22 der Schaltung ändert, ändert sich eine Spannung eines Signals, das von der Spannungsaufteilungsschaltung 54 ausgegeben wird, gemäß der Temperatur des Substrats 22. Der Mikrocomputer 32 berechnet die Temperatur des Substrats 22, basierend auf der Änderung der Spannung des von der Spannungsaufteilungsschaltung 54 ausgegebenen Signals.
Die Stromdetektionseinheit 56 enthält einen Shunt-Widerstand 56A, der einen Widerstand von ca. 0.2mΩ bis einigen Ω aufweist, und einen Verstärker 56B, der eine Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Shunt-Widerstands 56A verstärkt und einen Spannungswert als ein Signal proportional zu einem Strom des Shunt-Widerstands 56A ausgibt. Das von dem Verstärker 56B ausgegebene Signal wird einer Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 des Mikrocomputers 32 zugeführt. Die Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 berechnet den Strom der Inverterschaltung 40, basierend auf dem von dem Verstärker 56B ausgegebenen Signal.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden das Signal der Spannungsaufteilungsschaltung 54, die den Thermistor 54A enthält, das von der Stromdetektionseinheit 56 ausgegebene Signal, und das von der Hall-Sonde 12B ausgegebene Signal der Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 des Mikrocomputers 32 zugeführt. Die Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 berechnet die Temperatur der Komponente des Substrats 22, den Strom der Inverterschaltung 40, und dergleichen, basierend auf den Eingangssignalen. Zusätzlich ist die Batterie, die eine Energiequelle ist, mit der Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 verbunden, und die Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 detektiert die Spannung der Batterie 80 als einen Energieversorgungsspannungswert.
Ein SI-Signal, das das Befehlssignal von der Klimaanlagen-ECU 82 ist, wird einer Drehzahl-Informationseinheit 72 des Mikrocomputers 32 zugeführt, und es wird eine Soll-Drehzahl basierend auf dem SI-Signal berechnet. Das von der Hall-Sonde 12B ausgegebene Signal wird ebenfalls der Drehzahl-Informationseinheit 72 zugeführt, und es wird eine Ist-Drehzahl des Rotors 12 berechnet. Die Drehzahl-Informationseinheit 72 gibt Informationen über die berechnete Soll-Drehzahl und die Ist-Drehzahl an eine PI-Betriebsberechnungseinheit 74 aus.
Die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 berechnet durch eine sogenannte PI-Steuerung, das Betriebsverhältnis der an die Spule des Stators 14 angelegten Spannung ausgehend von der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl, die von der Drehzahl-Informationseinheit 72 berechnet werden, wenn die Ist-Drehzahl zu der Soll-Drehzahl geändert wird. Die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 berechnet das Betriebsverhältnis der Spannung bei der Soll-Drehzahl, basierend auf dem proportionalen Zusammenhang zwischen der Abweichung von der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl und der Abweichung zwischen der Spannung bei der Soll-Drehzahl und der Spannung bei der Ist-Drehzahl. Zusätzlich, falls nur mit dem proportionalen Zusammenhang wie vorstehend beschrieben eine verbleibende Abweichung auftritt, eliminiert die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 eine solche verbleibende Abweichung durch Abweichungsintegration. Die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 erzeugt ein Rechtecksignal, das das berechnete Betriebsverhältnis anzeigt und gibt das Rechtecksignal an eine PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 aus.
Das von der Hall-Sonde 12B ausgegebene Signal wird ebenfalls einer elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit 76 zugeführt, und die Position des Rotors 12 wird berechnet. Positionsinformationen des Rotors 12, berechnet durch die elektrische Winkel-Positionsinformationseinheit 76 werden an die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 ausgegeben.
Die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 erzeugt das PWM-Signal, basierend auf dem von der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 erzeugten Rechtecksignal und den von der elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit 76 berechneten Positionsinformationen des Rotors 12. Im Speziellen wird die Phase des von der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 erzeugten Rechtecksignal mit den von der elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit 76 berechneten Positionsinformationen des Rotors 12 synchronisiert. Die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 gibt das erzeugte PWM-Signal an eine Treibervorstufe 78 aus. Die Treibervorstufe 78 verstärkt das Eingangs-PWM-Signal um ein FET-Gate-Signal zu erzeugen, und legt das FET-Gate-Signal an die Gatter bzw. Gateanschlüsse der Inverter FETs 44A bis 44F der Inverterschaltung 40 an.
Das durch die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 berechnete PWM-Signal wird der Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 zugeführt. Die Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 bestimmt, ob das durch die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 berechnete Betriebsverhältnis des PWM-Signals zutreffend ist oder nicht, basierend auf der Temperatur der Komponente des Substrats 22, der Drehzahl des Rotors 12, und der Lasten des Motors 52 und der Schaltung der Motoransteuerungsvorrichtung 20. Falls das von der PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 berechnete Betriebsverhältnis des PWM-Signals überhöht ist, korrigiert die Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 das Betriebsverhältnis des PWM-Signals und speist das korrigierte Betriebsverhältnis zurück in die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 ein. Die Lasten des Motors und der Schaltung sind zum Beispiel der Strom oder die Energieversorgungsspannung der Inverterschaltung 40.
Zusätzlich ist ein Speicher 68, der eine Speichereinrichtung ist, mit der Temperaturschutz-Steuerungseinheit 62 verbunden. Der Speicher 68 speichert einen Grenzwert oder dergleichen zur Begrenzung des Betriebsverhältnisses, falls der Motor 52 und die Schaltung überlastet sind.
3 ist eine Funktionsblockdarstellung der Motoransteuerungsvorrichtung 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Obwohl dies nicht gezeigt ist, wird ein SI-Signal, das ein Befehlssignal der Drehzahl ist, von der Klimaanlagen-ECU 82 zur Drehzahl-Informationseinheit 72 zugeführt. Die Soll-Drehzahl Berechnungseinheit 64A berechnet die Soll-Drehzahl des Motors 52 aus dem Eingangs-SI-Signal.
Die Ist-Drehzahl, die die Ist-Drehzahl des Motors 52 ist, wird von der Drehzahl-Informationseinheit 72 aus dem von der Hall-Sonde 12B detektierten Magnetfeld des Sensormagneten oder des Rotormagneten 12A entsprechenden Signals berechnet. Die von der Drehzahl-Informationseinheit 72 berechnete Ist-Drehzahl wird der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 zusammen mit der von der Drehzahl-Informationseinheit 72 berechneten Soll-Drehzahl zugeführt.
Die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 berechnet das Betriebsverhältnis der an die Spule des Stators 14 angelegten Spannung durch die PI-Steuerung, so dass die von der Drehzahl-Informationseinheit 72 berechnete Abweichung zwischen der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl eliminiert wird. Zusätzlich erzeugt die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 das Rechtecksignal, das die Periode gemäß der Trägerfrequenz aufweist und das von der PI-Steuerung berechnete Betriebsverhältnis anzeigt.
Die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 ändert die auf die Erzeugung des Rechtecksignals bezogene Trägerfrequenz für jede Steuerungsperiode des Mikrocomputers 32. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Trägerfrequenz des PWM-Signals beispielsweise in fünf Schritten f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz geändert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Signale einer Frequenz sequentiell aus f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz ausgewählt, so dass die Frequenzen sich nicht überlappen. Nach Auswahl der letzten Frequenz aus f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz, wird die sequentielle Auswahl der Signale einer Frequenz so wiederholt, so dass das Signal der ersten ausgewählten Frequenz nicht überlappt wird.
Beispielweise wird in jeder Steuerungsperiode des Mikrocomputers 32 der Frequenzänderungsmodus ausgewählt und in der Reihenfolge von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz geändert, so dass f₁ kHz → f₂ kHz → f₃ kHz → f₄ kHz → f₅ kHz gilt. Die niedrigste Frequenz f₁ kHz wird in der Steuerungsperiode ausgewählt, die der Steuerungsperiode in der die höchste Frequenz f₅ kHz ausgewählt ist, folgt, und dann wird die Frequenz wieder von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz geändert.
Der Frequenzänderungsmodus kann geändert werden, indem die Frequenz in der Reihenfolge von einer hohen Frequenz zu einer niedrigen Frequenz ausgewählt wird, so dass f₅ kHz → f₄ kHz → f₃ kHz → f₂ kHz → f₁ kHz gilt. Die höchste Frequenz f₅ kHz wird in der Steuerungsperiode ausgewählt, die der Steuerungsperiode in der die niedrigste Frequenz f₁ kHz ausgewählt ist, folgt, und dann wird die Frequenz wieder von einer hohen Frequenz zu einer niedrigen Frequenz geändert.
Alternativ wird in der Steuerungsperiode, die der Steuerungsperiode, in der die höchste Frequenz f₅ kHz ausgewählt ist, folgt, eine Frequenz ausgewählt in der Reihenfolge von f₄ kHz, welche die zweithöchste Frequenz nach f₅ kHz ist, bis zu einer niedrigsten Frequenz, und in der Steuerungsperiode, die der Steuerungsperiode in der die niedrigste Frequenz f₁ kHz ausgewählt ist, folgt, eine Frequenz ausgewählt in der Reihenfolge von einer Frequenz, die die nächstniedrigste Frequenz nach f₁ kHz ist bis zu einer hohen Frequenz.
Darüber hinaus kann die Frequenz durch willkürliches Auswählen einer Frequenz aus f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz für jede Steuerungsperiode des Mikrocomputers 32 geändert werden.
In 3 wählt die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 eine Frequenz f₄ kHz aus und erzeugt ein Rechtecksignal, das das von der PI-Steuerung berechnete Betriebsverhältnis anzeigt. Das von der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 erzeugte Rechtecksignal wird an die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 ausgegeben.
Die Erzeugung des Rechtecksignals, die das von der PI-Steuerung durch die PI-Betriebsberechnungseinheit 74 berechnete Betriebsverhältnis anzeigt, basiert auf einem bekannten Verfahren, und ein Signal einer Trägerwelle, deren Wellenform ein Dreieckssignal ist, und ein Signal, das ein von der PI-Steuerung berechnetes Betriebsverhältnis anzeigt, werden unter Verwendung einer Schaltung, wie einem Komparator, verglichen. Beispielsweise, ein Hochpegelsignal, falls das Signal, das das Betriebsverhältnis hinsichtlich des Signals der Trägerwelle anzeigt, klein ist, und ein Niedrigpegelsignal, falls das Signal, das das Betriebsverhältnis hinsichtlich des Signals der Trägerwelle anzeigt, groß ist, werden von einer Schaltung, wie einem Komparator ausgegeben, wobei dabei das Rechtecksignal erzeugt wird, das die Periode gemäß der Trägerfrequenz aufweist und das von der PI-Steuerung berechnete Betriebsverhältnis anzeigt.
Wie vorstehend beschrieben, wird das von der Hall-Sonde 12B ausgegebene Signal ebenfalls der elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit 76 zugeführt, und die Position des Rotors 12 wird berechnet. Positionsinformationen des Rotors 12, die von der elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit 76 berechnet werden, werden an die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 ausgegeben.
Die PWM-Betriebsberechnungseinheit 66 erzeugt das PWM-Signal zur Steuerung der Inverterschaltung 40, basierend auf dem von der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 erzeugten Rechtecksignal und den von der elektrischen Winkel-Positionsinformationseinheit 76 berechneten Positionsinformationen des Rotors 12, und gibt das PWM-Signal an die Treibervorstufe 78 aus. Die Treibervorstufe 78 verstärkt das Eingangs PWM-Signal, erzeugt ein FET-Gate-Signal zum Schalten jedes Inverter FETs 44A bis 44F, und legt das FET-Gate-Signal an das Gate jedes Inverter FETs 44A bis 44F an.
Die Inverterschaltung 40, die ein Dreiphasen-Inverter ist, schaltet die Inverter FETs 44A bis 44F gemäß dem FET-Gate-Signal, das von der Treibervorstufe 78 ausgegeben wird, und erzeugt die an die Spule des Motors 52 anzulegende Spannung aus der von der Batterie 80 zugeführten Energie.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines PI-Betriebsberechnungsprozesses in der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 der Motoransteuerungsvorrichtung 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Der Prozess in 4 wird gestartet, wenn der Mikrocomputer 32 in eine neue Steuerungsperiode schaltet, und kehrt mit dem Ende der Steuerungsperiode zurück.
In Schritt 400 werden eine Soll-Drehzahl und eine von der Drehzahl-Informationseinheit 72 berechnete Ist-Drehzahl erlangt, und in Schritt 402 wird eine Trägerfrequenz geändert. Wie vorstehend beschrieben, kann ein Modus zur Änderung der Trägerfrequenz von einer Frequenz in einer direkt vorherigen Steuerungsperiode sich schrittweise von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz ändern, oder kann sich schrittweise von einer hohen Frequenz zu einer niedrigen Frequenz ändern. Darüber hinaus kann diese willkürlich für jede Steuerungsperiode ausgewählt werden.
In Schritt 404 wird das Betriebsverhältnis der an die Spule des Stators 14 angelegten Spannung durch die PI-Steuerung berechnet, so dass die Abweichung zwischen der Soll-Drehzahl und der von der Drehzahl-Informationseinheit 72 berechneten Ist-Drehzahl ausgeglichen wird. In Schritt 406, wird ein auf PWM bezogenes Rechtecksignal erzeugt, basierend auf dem Trägersignal der Frequenz, die in Schritt 402 geändert wurde, und dem in Schritt 404 berechneten Betriebsverhältnis, und der Prozess kehrt danach zurück.
Wie vorstehend beschrieben, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wird die Trägerfrequenz, die sich auf die Erzeugung des das Betriebsverhältnis anzeigenden Rechtecksignals bezieht, für jede Steuerungsperiode des Mikrocomputers 32 geändert, sodass es möglich ist, das mit der PWM-Steuerung einhergehende Rauschen zu reduzieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Frequenz durch Auswahl einer Frequenz aus einer Vielzahl von vorbestimmten Frequenzen geändert.
In der generellen Frequenzspreizung werden die Frequenzen willkürlich aus dem Frequenzbereich in dem der obere Grenzwert, der mittlere Wert, und der untere Grenzwert eingestellt sind, eingestellt, aber in einer solchen Steuerung ist eine integrierte Schaltung, die für Frequenzspreizung bestimmt ist, essenziell. Um die integrierte Schaltung in die existierende Motoransteuerungsvorrichtung einzubauen, ist es notwendig, die Schaltungskonfiguration der Motoransteuerungsvorrichtung zu ändern, was Kosten, Zeit, und Aufwand zur praktischen Umsetzung erfordert.
Jedoch wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Frequenz aus einer Auswahl von einer endlichen Anzahl von Frequenzen ausgewählt, und dies kann durch Ändern eines Programms für den Betrieb des Mikrocomputers 32 gehandhabt werden. Infolgedessen ist die integrierte Schaltung, die für Frequenzspreizung bestimmt ist, unnötig, und die Kosten, Zeit, und der Aufwand zum Einbauen der integrierten Schaltung in die existierende Motoransteuerungsvorrichtung sind nicht erforderlich.
Zusätzlich kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Situation, in der die Frequenz vor der Änderung und die Frequenz nach der Änderung fast gleich sind, vermieden werden, indem ein Intervall zwischen den angrenzenden Frequenzen breit eingestellt wird, zum Beispiel f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz. Wenn die Frequenz vor der Änderung und die Frequenz nach der Änderung fast gleich sind, überlappen sich Seitenbandfrequenzen, die mit jeder Frequenz vor der Änderung und jeder Frequenz nach der Änderung einhergehen, und das Rauschen kann sich verschlechtern. Jedoch ist es wie vorstehend beschrieben möglich, die gegenseitige Überlappung der Seitenbandfrequenzen zu vermeiden, indem das Intervall zwischen den angrenzenden Frequenzen breit eingestellt wird.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist nachfolgend beschrieben. Im ersten Ausführungsbeispiel wird das von dem Motor 52 erzeugte Rauschen durch Änderung der auf die Erzeugung des PWM-Signals bezogenen Trägerfrequenz für jede Steuerungsperiode des Mikrocomputers 32 reduziert. Jedoch kann sich, wenn die auf die Erzeugung des PWM-Signals bezogene Trägerfrequenz geändert wird, das Betriebsverhältnis der an den Motor 52 angelegten Spannung ändern, und Rauschen kann durch den Motor 52 erzeugt werden. Um ein solches Rauschen zu unterdrücken, wird beispielsweise eine Referenzfrequenz von f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz bestimmt, und die auf dem PWM-Signal basierende, gemäß der von der Referenzfrequenz verschiedenen Frequenz erzeugte Spannung wird gleich der Spannung gesetzt, die basierend auf dem PWM-Signal der Periode gemäß der Referenzfrequenz erzeugt wird.
Um im Mikrocomputer einen Durchgangsstrom durch die in Reihe geschalteten FETs, wie der Inverter-FET 44A und der Inverter-FET 44D zu vermeiden, wird für die Motorsteuerung notwendigerweise eine Totzeit, die den FET nicht aktiviert, für die Rechteckwelle des PWM-Signals bereitgestellt. Aufgrund der Totzeit ändert sich, falls die Periode des PWM-Signals unterschiedlich ist, der substantielle Wert des Betriebsverhältnisses, der sich auf die Drehung des Motors 52 auswirkt.
5A zeigt ein PWM-Signal, falls eine Trägerfrequenz f₁ kHz entspricht und 5B zeigt ein PWM-Signal, falls eine Trägerfrequenz f₃ kHz entspricht. Für einen Fall, dass die Trägerfrequenz f₁ kHz entspricht, wird ein Wert, falls ein Befehls-PWM-Betriebsverhältnis X% entspricht, durch Subtraktion einer Totzeit D_f1 von einem Befehls-PWM-Betrieb und Division des Ergebnisses durch eine Periode P_f1 erlangt, wie in der folgenden Gleichung (1) gezeigt, erhält man als Ergebnis ein substantielles PWM-Betriebsverhältnis D_rf1 bei der Frequenz f₁ kHz. $D_{rf1} = (P_{f1} \cdot X - D_{f1}) / P_{f1}$
Für einen Fall, dass die Trägerfrequenz f₃ kHz entspricht, wird ein Wert, falls ein Befehls-PWM-Betriebsverhältnis X% entspricht, durch Subtraktion einer Totzeit D_f3 von einem Befehls-PWM-Betrieb und Division des Ergebnisses durch eine Periode P_f3 erlangt, wie in der folgenden Gleichung (2) gezeigt, erhält man als Ergebnis ein substantielles PWM-Betriebsverhältnis D_rf3 bei der Frequenz f₃ kHz. $D_{rf3} = (P_{f3} \cdot X - D_{f3}) / P_{f3}$
Wie in 5 gezeigt, wird die Periode der Rechteckwelle mit steigender Trägerfrequenz kleiner. Daher wird der Einfluss der Totzeit auf den substantiellen PWM-Betrieb erkennbar. Durch Ändern der Totzeit für jede Frequenz, kann der Einfluss der Totzeit auf den substantiellen PWM-Betrieb unterdrückt werden. Jedoch ist es notwendig die Spezifikation des Mikrocomputers 32 zu ändern, damit der Mikrocomputer 32 eine solche Steuerung durchführt.
6 ist eine Funktionsblockdarstellung der Motoransteuerungsvorrichtung 120 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Motoransteuerungsvorrichtung 120 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur in der PWM-Betriebsberechnungseinheit 166 und, die restliche Konfiguration entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels. Daher wird eine detaillierte Beschreibung der Konfiguration, die nicht der PWM-Betriebsberechnungseinheit 166 entspricht, weggelassen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird aufgrund der Tatsache, dass die Totzeit ein fester Wert ist, ein Korrekturwert zur Unterdrückung des Einflusses auf den substantiellen PWM-Betrieb für jede Frequenz berechnet, und das von der PI-Betriebsberechnungseinheit 74 berechnete Betriebsverhältnis wird mit dem Korrekturwert korrigiert.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Korrektur eines PWM-Signals zeigt, falls eine Trägerfrequenz f₁ kHz entspricht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine der Frequenzen f₁ kHz, f₂ kHz, f₃ kHz, f₄ kHz, und f₅ kHz als die Referenzfrequenz eingestellt, das PWM-Signal an der Referenzfrequenz wird mit einem Referenzwert 0 angenommen, und das PWM-Signal an anderen Frequenzen berechnet an den Korrekturwert für jede Frequenz, ausgehend davon welche Differenz von dem substantiellen PWM-Betrieb der Referenzfrequenz erzeugt wird.
Zum Beispiel, für einen Fall in dem die Referenzfrequenz f₃ kHz beträgt und die Frequenz für die Berechnung des Korrekturwerts f₁ kHz beträgt, wird, falls das Befehls-PWM-Betriebsverhältnis X% beträgt, der substantielle PWM-Betrieb an der Frequenz f₁ kHz mit der vorstehenden Gleichung (1) ausgedrückt, und der substantielle PWM-Betrieb bei der Frequenz f₃ kHz wird mit der vorstehenden Gleichung (2) ausgedrückt. Unter der Annahme, dass die Referenzfrequenz f₃ kHz beträgt, wird berücksichtigt, dass der substantielle PWM-Betrieb D_rf1 an der Frequenz f₁ kHz eine Differenz zwischen dem substantiellen PWM-Betrieb D_rf3 an der Frequenz f₃ kHz und dem in 7 gezeigten Korrekturwert K_f1 aufweist. Daher wird die folgende Gleichung (3) erlangt. $(P_{f1} \cdot X - D_{f1}) / P_{f1} + K_{f1} = (P_{f3} \cdot X - D_{f3}) / P_{f3}$
Gemäß vorstehender Gleichung (3), wird der Korrekturwert K_f1 durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt. $\begin{matrix} K_{f1} = (P_{f3} \cdot X - D_{f3}) / P_{f3} - (P_{f1} \cdot X - D_{f1}) / P_{f1} \\ = (D_{f1} / P_{f1}) - (D_{f3} / P_{f3}) \end{matrix}$
Ausgehend von der vorstehenden Herleitung, wird der substantielle PWM-Betrieb D_rf1 an der Frequenz f₁ kHz durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt. $D_{rf1} = [(P_{f1} \cdot X + {(D_{f1} / P_{f 1}) - (D_{f 3} / P_{f3})} - D_{f1}) / P_{f1}]$
Falls das Steuerungsprogramm des Mikrocomputers 32 eingestellt ist, den in 7 gezeigten Wert als den Korrekturwert K_f1 zu eliminieren, kann der substantielle PWM-Betrieb D_rf1 an der Frequenz f₁ kHz zu dem gleichen Wert wie der substantielle Betrieb D_rf3 an der Frequenz f₃ kHz korrigiert werden. Zusätzlich kann der substantielle PWM-Betrieb bei jeder Frequenz, durch Änderung von D_f1 und P_f1 in den Gleichungen (4) und (5), in Werte an anderen Frequenzen, berechnet werden. Daher ist es möglich, den substantiellen PWM-Betrieb bei jeder Frequenz auszugleichen, ohne Änderung der Hardware des Mikrocomputers 32 oder dergleichen.
In den vorstehenden Gleichungen (4) und (5) wird die Tatsache beachtet, dass die Totzeit an jeder Frequenz nicht notwendigerweise gleich ist, das heißt D_f1 ≠ D_f3. Jedoch kann für einen Fall in dem sichergestellt ist, dass die Totzeit bei jeder Frequenz konstant ist, die Berechnung weiter vereinfacht werden, indem D_f1 = D_f3 gilt.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, die Trägerfrequenz der PWM sequentiell zu ändern, ohne dass es einer Modifikation der bestehenden Schaltung bedarf, und selbst wenn die Trägerfrequenz geändert wird, wird die Änderung der an den Motor 52 angelegten Spannung unterdrückt und es ist möglich, die Drehzahlsteuerung des Motors 52 stabil durchzuführen.
Zusätzlich ist die Erfindung nicht auf das Vorstehende beschränkt und es versteht sich von selbst, dass verschiede Modifikationen innerhalb des Bereichs, der nicht von den vorstehend genannten Punkten abweicht, vorgenommen werden können.
Die Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016 - 041398 , eingereicht am 3. März 2016, wird hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013062933 [0006]
JP 2013 [0007]
JP 62933 [0007]
JP 2016 [0073]
JP 041398 [0073]

Claims

Motoransteuerungsvorrichtung mit: einer Ansteuerungseinheit, die eine Vielzahl von Schaltelementen enthält, die jeweils durch ein Pulsweitenmodulationssignal gesteuert an oder aus sind, und die einen Motor mit einer Ansteuerungsspannung gemäß einem Ein- oder Auszustand der Vielzahl von Schaltelementen ansteuert, und einer Steuerungseinheit, die wiederholt in einem vorbestimmten Zyklus arbeitet, die ein Pulsweitenmodulationssignal erzeugt, basierend auf einem Befehlssignal und einem aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalen ausgewählten Signal, die verschiedene Frequenzen zu Beginn des Betriebs aufweisen, und die den Ein- und Auszustand der Vielzahl von Schaltelementen der Ansteuerungseinheit unter Verwendung des erzeugten Pulsweitenmodulationssignals steuert.
Motoransteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit sequentiell ein unterschiedliches Signal aus der Vielzahl vorbestimmter Signale auswählt, und nach der Auswahl des letzten der Vielzahl von vorbestimmten Signalen, den Vorgang wiederholt, um sequentiell ein unterschiedliches Signal auszuwählen.
Motoransteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit ein Signal aus der Vielzahl von vorbestimmten Signalen zufällig auswählt.
Motoransteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit eines der Vielzahl von vorbestimmten Signalen als ein Referenzsignal bestimmt, und ein Pulsweitenmodulationssignal korrigiert, das basierend auf einem vom Referenzsignal verschiedenen Signal erzeugt ist, so dass eine Ansteuerungsspannung, die unter Verwendung des Pulsweitenmodulationssignals erzeugt wurde, das auf dem von dem Referenzsignal verschiedenen Signal basiert, gleich einer Ansteuerungsspannung wird, die unter Verwendung eines Pulsweitenmodulationssignals erzeugt wurde, das auf dem Referenzsignal basiert.
Motoransteuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinheit das auf dem von dem Referenzsignal verschiedenen Signal basierende Pulsweitenmodulationssignal korrigiert, so dass substantielle Werte gleich werden, wobei die substantiellen Werte das auf dem Referenzsignal basierende Pulsweitenmodulationssignal und das auf einem vom Referenzsignal verschiedenen Signal basierende Pulsweitenmodulationssignal sind, wobei für jedes davon ein Einfluss der Totzeit ausgeschlossen ist.
Motoransteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfasst zusätzlich: eine Drehzahldetektionseinheit, die eine Drehzahl des Motors detektiert, und wobei die Steuerungseinheit eine Ansteuerungsspannung des Motors berechnet, um eine Abweichung zwischen einer durch das Befehlssignal angegebenen Soll-Drehzahl und einer durch die Drehzahldetektionseinheit detektierten Ist-Drehzahl des Motors zu eliminieren.