DE69524032T2

DE69524032T2 - Regelungsverfahren zum antrieb eines bürstenlosen gleichstrommotors, vorrichtung dafür und elektrische maschine, die diese vorrichtung verwendet

Info

Publication number: DE69524032T2
Application number: DE69524032T
Authority: DE
Inventors: Taizou Kimura; Kazunobu Ooyama; Hiroyuki Yamai
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2015-03-31
Also published as: CN1128090A; EP0707378A1; MY129463A; TW297963B; EP0707378B1; EP0707378A4; WO1995027328A1; ES2171185T3; CN1068999C; KR100371965B1; DE69524032D1; US5804939A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebs- und Steuerverfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors und ein Gerät dafür und eine elektrische Vorrichtung. Genauer, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebs- und Steuerverfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors und ein Gerät dafür, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor unter Benutzung von spannungsgespeisten Invertern treiben, und auf eine elektrische Ausrüstung, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor als eine Antriebsquelle verwendet, der durch das Antriebs- und Steuergerät des bürstenlosen Gleichstrommotors angetrieben und gesteuert wird.

Hintergrundtechnik

Ein bürstenloser Gleichstrommotor ist als ein Motor mit höherer Effektivität im Vergleich mit einem Wechselstrommotor bekannt. Der bürstenlose Gleichstrommotor verwendet Permanentmagnete anstelle von Rotorwicklungen, wobei die Magnete in einem Rotor ausgerüstet sind. Und es werden die Sekundärkupferverluste, die durch Ströme verursacht werden, die in den Rotorwicklungen fließen, zu null gemacht. Es ist bekannt, dass ein bürstenloser Gleichstrommotor einen bemerkenswerten Effektivitätsverbesserungseffekt im Vergleich mit einem Wechselstrommotor aufweist, wenn der bürstenlose Gleichstrommotor eine mittlere oder kleine Kapazität aufweist, die gleich oder kleiner als mehrere 10 kW ist.
Bei einem Antriebssystem eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit solch einer Kapazität werden spannungsgespeiste Inverter oder Inverter vom Stromsteuertyp als Inverter zum Treiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors verwendet. Worin der Inverter vom Stromsteuertyp einer Hauptschaltungsanordnung aufweist, die die gleiche wie die der spannungsgespeisten Inverter ist, und den Inverter so steuert, dass ein Motorstrom auf einen gewünschten Wert bestimmt wird.
Ein System, das einen bürstenlosen Gleichstrommotor unter Benutzung der spannungsgespeisten Inverter treibt, ist hauptsächlich in einer Vorrichtung ausgestattet, die eine Verbesserung der Ersparnis des Leistungsverbrauches verlangt (Verbesserung in der Effektivität), und die in großen Mengen hergestellt wird, wie Klimaanlagen, Staubsauger, elektrische Waschmaschinen und andere. Daher wird eine Wellenform eines leitenden Intervalls, das 120º im elektrischen Winkel beträgt, als eine Wellenformsteuerung in Invertern von dem Gesichtspunkt der Leichtigkeit der Steuerung verwendet. Und es wird ein System verwendet, das einen einfachen Aufbau aufweist und das billig ist. (Siehe "Microcomputer-Controlled Brushless Motor Without a Shift-Mounted Position Sensor", T. Endo u. a., IPEC- Tokyo'83, S. 1477-1488, 1983; "Controlling Apparatus of a Brushless D. C. Motor", Nagata u. a., Japanisches Patent Offenlegungsblatt Tokuganhei 5-72197; "P. M. Brushless Motor Drives: A self-Commutating System without Rotor-Position Sensors"; P. Ferraris u. a., Ninth Annual Symposium-Incremental Motion Control Systems and Devices, S. 305-312, 1980). Weiterhin wird eine Magnetpolpositionserfassung durch Erfassen von induzierter Spannung eines Motors oder eines Magnetpolpositionserfassungssensors mit einer einfachen Anordnung, die Hall- Elemente und ähnliches verwendet, als eine Anordnung zum Erfassen der Magnetpolposition eines bürstenlosen Gleichstrommotors verwendet. Ein Rotationspositionssensor, der teuer ist, wie ein Rotationsencoder und ähnliches, wird nicht von dem Gesichtspunkt der Kostenreduktion verwendet.
Ein System, das einen bürstenlosen Gleichstrommotor unter Benutzung der Inverter vom Stromsteuertyp treibt, wird für eine Werkzeugmaschine, einen Servomotor für einen industriellen Roboter und anderes angewendet, die den größten Wert auf eine schnelle Drehmomentreaktion und die niedrige Drehmomentschwankung als benötigte Leistungen legen.
Bei diesem System wird eine Anordnung einer geschlossenen Schleife verwendet, bei der eine Steuerschaltung Ausgangsspannungen von Invertern so bestimmt (betreibt), dass Stomwellenformen gewünschte Wellenformen werden, indem die Aufmerksamkeit darauf gelenkt wird, dass Ströme und ein Drehmoment eines bürstenlosen Gleichstrommotors Funktionen der Rotationsposition sind und in einer Proportionalbeziehung stehen. Daher weist das System eine teuere Systemanordnung auf, die einen Präzisionseensor zum Erfassen der Rotationsposition eines Motors, Stromdetektoren zum genauen Steuern der Motorströme und eine Steuerung, die eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung ausführen kann, verwendet. Weiterhin variieren Ausgangsspannungen von Invertern kontinuierlich, da die Inverter unmittelbar in Beziehung zu einer Bedingung eines Motors gesteuert werden.
In dem System, in dem ein bürstenloser Gleichstrommotor unter Benutzung eines herkömmlichen spannungsgespeisten Inverters getrieben wird, wird ein Schalter für jede Phase von Invertern nur während eines elektrischen Winkels von 120º eingeschaltet, obwohl der positive bzw. der negative elektrische Winkel 180º beträgt. Daher ist der Inhalt des elektrischen Restwinkels von 60º (der Inhalt des elektrischen Winkels von 120º für einen Zyklus) in einem nicht gesteuerten Zustand.
Folglich können die Inverter nicht die gewünschten Spannungen während des Inhaltes des nicht gesteuerten Zustandes ausgeben, so dass die zu Verfügung stehende Rate der Gleichspannung in den Invertern niedrig ist. Und die Anschlussspannungen des bürstenlosen Gleichstrommotors werden klein, und ein Betriebsbereich wird schmaler (eine maximale Zahl von Umdrehungen wird kleiner) aufgrund der niedrigen zur Verfügung stehenden Rate der Gleichspannung.
Weiterhin sollten die Motorströme vergrößert werden zum Erzielen einer Ausgabe, die die gleiche wie die eines Motors ist, der mit nicht abgesenkten Anschlussspannungen beliefert wird, da die Anschlussspannungen abgesenkt sind. Als Resultat nehmen Joule'sche Verluste, die durch den Widerstand der Motorwicklungen verursacht werden, zu, so dass die Effektivität eines bürstenlosen Gleichstrommotors nicht zu einem erwarteten Grad verbessert werden kann.
Obwohl Permanentmagnete in einem Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors so eingebaut sind, dass jeder Permanentmagnet dem elektrischen Winkel von 180º entspricht, können Ströme in gewünschte Richtungen nur während eines elektrischen Winkels von 120º fließen, so dass die verfügbare Rate des magnetischen Flusses klein ist. Mit anderen Worten, Motorströme sollten vergrößert werden zum Erzielen eines Drehmomentes, das das gleiche ist wie das eines Motors, der nicht in der verfügbaren Rate des Magnetflusses, abgesenkt ist. Als Resultat nehmen Joule'sche Verluste, die durch Widerstände von Motorwicklungen verursacht werden, zu, so dass die Effektivität eines bürstenlosen Gleichstrommotors nicht zu einem erwarteten Grad verbessert werden kann.
Ein Verfahren und ein Gerät gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 7 ist bekannt. Gemäß dem bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor ist ein fester innerer Stator und ein drehender äußerer Rotor vorgesehen. Die Magneten für den Motor sind auf der Innenoberfläche des Rotors vorgesehen.
Das US-Patent 4 641 066 offenbart die Anordnung von natürlichen Punkten und Widerständen zum Liefern von Spannung zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
Die Druckschrift IEEE Transactions on Industry applications Bd. 24 (1988) Nov./Dez., Nr. 6; B. K. Bose: High-Performance Inverter-Fed Drive System of an Interior Permanent Magnet Synchronous Machine, S. 987-997 offenbart ein Gerät und ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und 7, bei dem ein leitendes Intervall von 180º durch Klemmen des Wertes des Sinussignales des Stromes auf einen vorbestimmten Wert erzielt wird (quasi- Rechteckwellensignal von Fig. 12).
Obwohl es von dem beanspruchten Schutz ausgeschlossen ist, sind im Folgenden leitende Intervalle von 180º offenbart. Das Ausschließen dieser Ausführungsformen ist für die Klarheit der Beschreibung nicht angemessen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme gemacht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebs- und Steuerverfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors und Gerät dafür zu liefern, die die verfügbaren Raten der Spannung von spannungsgespeisten Invertern und Motorfluss verbessern, unter Benutzung einer einfachen und billigen Steuerung, und die eine höhere Effektivität und eine Vergrößerung des Betriebsbereiches eines bürstenlosen Gleichstrommotors erzielen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Ausrüstung zu liefern, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor als eine Antriebsquelle verwendet, wobei der Motor durch das Antriebs- und Steuergerät des bürstenlosen Gleichstrommotors angetrieben und gesteuert wird.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Antriebs- und Steuerverfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach Anspruch 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
Die Aufgaben werden auch gelöst durch ein Antriebs- und Steuergerät eines bürstenlosen Gleichstrommotors, wie es in Anspruch 7 angegeben ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Gerätes sind in den abhängigen Ansprüchen 8 bis 13 angegeben.
Bezüglich des Antriebs- und Steuerverfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors nach Anspruch 1 bestimmt das Verfahren ein leitendes Intervall von spannungsgespeisten Invertern, dass es ein vorbestimmtes Intervall ist, das mehr als 120º oder weniger als 180º im elektrischen Winkel ist, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter angetrieben wird. Daher bestimmt das Verfahren den nicht gesteuerten Inhalt als kleiner als 60º im elektrischen Winkel. Als Resultat vergrößert das Verfahren die Motoranschlussspannungen und dehnt einen Betriebsbereich aus. Weiter wird eine Quantität der Zunahme des Motorstromes so unterdrückt, dass eine Zunahme von Joule'schen Verlusten aufgrund der Motorwicklungen unterdrückt werden und die Effektivität des bürstenlosen Gleichstrommotors verbessert wird, da die Motoranschlussspannungen vergrößert werden können. Weiterhin kann ein Strom zwangsweise in eine gewünschte Richtung entsprechend einem Ausmaß von Permanentmagneten fließen, der in dem Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors eingebaut ist, wobei das Ausmaß größer als 120º im elektrischen Winkel ist. Daher wird das Absenken der verfügbaren Rate des Magnetflusses unterdrückt, und die Effektivität des bürstenlosen Gleichstrommotors wird verbessert.
Bezüglich des Antriebs- und Steuerverfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß Anspruch 2 moduliert das Verfahren Ausgaben von spannungsgespeisten Invertern so, dass sie Pulssignale ausgeben, wobei jedes Pulssignal eine konstante Pulsbreite innerhalb des gesamten leitenden Intervalls aufweist. Daher ist eine Magnetpolpositionserfassung mit hoher Genauigkeit nicht notwendig. Und die Steuerung wird vereinfacht. Das Verfahren verbessert auch die Effektivität und vergrößert eine Amplitude einer Fundamentalwelle im Vergleich mit einem Fall, in dem eine variable Pulsbreitenmodulation durchgeführt wird. Die variable Pulsbreitenmodulation variiert Pulsbreiten der Pulssignale. Folglich wird eine Maximalumdrehungszahl des bürstenlosen Gleichstrommotors vergrößert.
Bezüglich des Verfahrens wieder nach Anspruch 1, das Verfahren verwendet einen Rotor, der Permanentmagnete im Inneren des Rotors enthält, als einen Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Daher erzeugt das Verfahren nicht nur ein Drehmoment, das durch Magnete verursacht wird, sondern auch ein Drehmoment, das durch Reluktanz so verursacht wird, dass das erzeugte Drehmoment als Ganzes zunimmt ohne Zunahme von Motorströmen. Weiter ist die Induktanz von Motorwindungen extrem vergrößert im Vergleich zu dem eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors angebracht sind, so dass der Betrieb mit höherer Geschwindigkeit im Vergleich mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor erzielt werden kann, bei dem Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotors eingebaut sind. Weiter vermindert das Verfahren eine Stromwelligkeit aufgrund einer niedrigen Ordnung höherer harmonischer Komponenten von Invertern, da die Induktanz von Motorwicklungen groß ist. Daher vermindert das Verfahren eine Stromwelligkeit.
Bezüglich des Verfahrens zu Anspruch 3, das Verfahren steuert spannungsgespeiste Inverter so, dass eine Phase der Inverterausgangsspannung einer Phase einer induzierten Spannung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorausläuft, wobei die letztere Phase eine Phase ist, die bewirkt, dass ein Strom des bürstenlosen Gleichstrommotors und die induzierte Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors in der Phase einander gleich sind. Daher wird der Einfluss der Induktanz in einer Richtung, die um 180º elektrisch von einer Richtung des Magnetflusses verschoben ist, der durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, effektiv und praktisch benutzt. Als Resultat wird eine Stromwelle einer Sinuswelle angenähert. Folglich wird die Drehmomentwelligkeit weiter verringert und die Motoreffektivität weiter verbessert. Weiterhin werden Reluktanz, Drehmoment- und Feldabschwächungseffekt wirksamer und praktisch benutzt.
Bezüglich des Verfahrens nach Anspruch 4, das Verfahren erzielt eine erste Spannung an einem Neutralpunkt durch Verbinden eines Endes von Widerständen, wobei das andere eines jeden Widerstandes mit jedem Ausgangsanschluss von spannungsgespeisten Invertern verbunden ist, sie erzielt eine zweite Spannung an einem Neutralpunkt durch Verbinden des einen Endes von Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors und erfasst eine Magnetpolposition eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors auf der Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung. Daher wird die Magnetpolposition des Rotors trotz der Drehzahl, des Leitungswinkels und der Amplitude des Motorstromes ohne spezielles Vorsehen eines Sensors zum Erfassen der Magnetpolposition des Rotors erfasst.
Bezüglich des Verfahrens nach Anspruch 5. das Verfahren bestimmt ein leitendes Intervall von spannungsgespeisten Invertern in einem vorbestimmten Intervall, das mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist. Daher wird das Differenzsignal zwischen den Spannungen oder ein integriertes Signal, welche Signale zum Erfassen der Magnetpolposition des Motorrotors benutzt werden, stabilisiert, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Bezüglich des Verfahrens nach Anspruch 6, das Verfahren bestimmt ein leitendes Intervall von spannungsgespeisten Invertern in einem vorbestimmten Intervall, das gleich oder größer als 140º und gleich oder weniger als 170º im elektrischen Winkel ist. Daher wird die Motoreffektivität und der Betriebsbereich kaum beeinträchtigt. Und das Differenzsignal zwischen den Spannungen oder ein integriertes Signal wird weiter so stabilisiert, dass die Zuverlässigkeit weiter verbessert wird.
Bezüglich des Antriebs- und Steuergerätes des bürstenlosen Gleichstrommotors nach Anspruch 7, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter betrieben wird, bestimmt das Bestimmungsmittel des leitenden Intervalls ein leitendes Intervall von spannungsgespeisten Invertern, so dass es in einem vorbestimmten Intervall ist, das mehr als 120º oder weniger als 180º im elektrischen Winkel ist. Daher bestimmt das Gerät einen nicht gesteuerten Inhalt von weniger als 60º im elektrischen Winkel. Als Resultat vergrößert das Gerät die Motoranschlussspannungen und dehnt einen Betriebsbereich aus. Weiterhin wird eine Quantität der Zunahme der Motorströme so unterdrückt, dass eine Zunahme der Joule'schen Verluste aufgrund der Motorwicklungen unterdrückt wird und die Effektivität des bürstenlosen Gleichstrommotors verbessert wird, da die Motoranschlussspannungen vergrößert werden können. Weiterhin kann ein Strom zwangsweise in eine gewünschte Richtung in Entsprechung zu einem Ausmaß von Permanentmagneten fließen, der an dem Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors angebracht ist, wobei das Ausmaß größer als 120º im elektrischen Winkel ist. Daher wird das Absenken der verfügbaren Rate des Magnetflusses unterdrückt und die Effektivität des bürstenlosen Gleichstrommotors wird verbessert.
Bezüglich des Gerätes nach Anspruch 8, das Modulationsmittel moduliert Ausgaben von spannungsgespeisten Invertern so, dass sie Pulssignale ausgeben, wobei jedes Pulssignal eine konstante Pulsbreite innerhalb eines gesamten leitenden Intervalles aufweist. Daher ist eine Magnetpolpositionserfassung mit hoher Genauigkeit nicht notwendig, und die Steuerung ist vereinfacht. Das Gerät verbessert ebenfalls die Effektivität und die Zunahmen der Amplitude einer Fundamentalwelle im Vergleich mit einem Fall, in dem eine variable Pulsbreitenmodulation durchgeführt wird. Die variable Pulsbreitenmodulation variiert Pulsbreiten des Pulssignales. Folglich wird die Maximaldrehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors vergrößert.
Bezüglich wieder des Gerätes nach Anspruch 7, das Gerät verwendet einen Rotor, der Permanentmagnete in dem Inneren des Rotors verwendet, als ein Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Daher erzeugt das Gerät nicht nur ein Drehmoment, das durch den Magnet verursacht wird, sondern auch ein Drehmoment, das durch Reluktanz so verursacht wird, dass das erzeugte Drehmoment als Ganzes vergrößert wird ohne Vergrößerung der Motorströme. Weiterhin wird die Induktanz der Motorwicklungen extrem vergrößert im Vergleich mit der eines bürstenlosen Gleichstrommotors, in dem Permanentmagneten auf einer Oberfläche eines Rotors angebracht sind, so dass eine höhere Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden kann im Vergleich mit der des bürstenlosen Gleichstrommotors, in dem Permanentmagneten auf der Oberfläche des Rotors eingebaut sind. Weiter verringert das Gerät eine Stromwelligkeit aufgrund niedriger Ordnung höhere harmonischer Komponenten der Inverter, da die Induktanz der Motorwicklung groß ist. Daher verringert das Gerät eine Drehmomentwelligkeit.
Bezüglich des Gerätes nach Anspruch 9, das Phasensteuermittel steuert spannungsgespeiste Inverter so, dass eine Phase der Inverterausgangsspannung von einer Phase einer induzierten Spannung eines bürstenlosen Gleichstrommotors voranläuft, wobei die letztere Phase eine Phase ist, die bewirkt, dass der Strom eines bürstenlosen Gleichstrommotors und die induzierte Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors die gleiche Phase zueinander sind. Daher wird der Einfluss der Induktanz in der Richtung, die um 90º elektrisch von einer Richtung des durch einen Permanentmagneten erzeugten Magnetflusses verschoben ist, effektiv und praktisch benutzt. Als Resultat wird eine Sinuswelle durch eine Stromwellenform angenähert. Folglich wird die Drehmomentwelligkeit weiter verringert und die Motoreffektivität weiter verbessert. Weiterhin wird der Reluktanzdrehmoment- und Feldabschwächungseffekt wirksam und praktisch benutzt.
Bezüglich des Gerätes nach Anspruch 10, das Gerät erzielt eine erste Spannung an einem Neutralpunkt durch Vorsehen von Widerständen, die an ihrem einen Ende miteinander verbunden sind und an ihren anderen Enden mit jedem Ausgangsanschluss von spannungsgespeisten Invertern verbunden sind, und es erzielt eine zweite Spannung an einem Neutralpunkt, der erhalten wird an den verbundenen Enden von Statorwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, welche Windungen miteinander verbunden sind, und das Differenzspannungsausgabemittel gibt eine Differenzspannung zwischen der ersten Spannung der zweiten Spannung aus, und das Rotorpositionserfassungsmittel erfasst eine Magnetpolposition eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors auf der Grundlage der Differenzspannung. Daher wird die Magnetpolposition des Rotors trotz der Drehzahl, des leitenden Winkels und der Amplitude des Motorstromes ohne spezielles Vorsehen eines Sensors zum Erfassen der Magnetpolposition des Rotors erfasst.
Bezüglich des Gerätes nach Ansprüch 11, das Gerät verwendet ein Bestimmungsmittel des leitenden Intervalles zum Bestimmen eines leitenden Intervalles von spannungsgespeisten Invertern in einem vorbestimmten Intervall, das mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist. Daher ist das Differenzsignal zwischen den Spannungen oder ein integriertes Signal, welche Signale benutzt werden zum Erfassen der Magnetpolposition eines Motorrotors benutzt werden, stabilisiert, so dass die Zuverlässigkeit verbessert ist.
Bezüglich des Gerätes nach Anspruch 12, das Gerät verwendet ein Bestimmungsmittel eines leitenden Intervalls zum Bestimmen eines leitenden Intervalls von spannungsgespeisten Invertern, dass es ein vorbestimmtes Intervall ist, das gleich oder mehr als 140º und gleich oder weniger als 170º im elektrischen Winkel ist. Daher wird die Motoreffektivität und der Betriebsbereich kaum beeinträchtigt. Und das Differenzsignal zwischen den Spannungen oder ein integriertes Signal wird weiter stabilisiert, so dass die Zuverlässigkeit weiter verbessert ist.
Bezüglich der elektrischen Ausrüstung nach Anspruch 13, die Ausrüstung verwendet einen bürstenlosen Gleichstrommotor als Antriebsquelle, welcher Motor durch das Antriebs- und Steuergerät des bürstenlosen Gleichstrommotors nach Ansprüchen 9 bis 16 angetrieben und gesteuert wird. Daher wird die Verringerung des Leistungsverbrauches aufgrund der Verbesserung der höheren Effektivität eines bürstenlosen Gleichstrommotors durchgeführt, der die Antriebsquelle ist.
Die vorliegende Erfindung wird im größeren Detail beschrieben.
Wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter betrieben wird, der einleitendes Intervall von 120º im elektrischen Winkel aufweist, sind ideale Stromwellenformen und ideal erzeugtes Drehmoment in Fig. 1(A) bis 1(D) dargestellt. Ein bürstenloser Gleichstrommotor ist ein Motor, der mechanische Kommutatoren eines Gleichstrommotors durch Inverter ersetzt. Wenn daher die Inverter so gesteuert werden, dass jeder Strom von drei Phasen (U, V, W) an jeweils 120º so verbunden wird, dass der Motorstrom ein Gleichstrom wird, wird ein erzeugtes Drehmoment ähnlich zu dem eines Gleichstrommotors, wie in Fig. 1(D) dargestellt ist.
Ein Simulationsresultat ist in Fig. 2(A) und 2(B) dargestellt, welche Simulation für eine Stromwellenform und ein erzeugtes Drehmoment ausgeführt wird, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird, welcher ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel aufweist. In diesem Fall werden Abschnitte erzeugt, in denen ein Strom einer jeden Phase miteinander so überlappt, dass der bürstenlose Gleichstrommotor einen Betrieb ausführt, der sich von dem eines Gleichstrommotors unterscheidet, da Ströme für eine 180º-Dauer fließen. Als Resultat wird die Welligkeit in dem erzeugten Drehmoment groß {siehe Fig. 2(B)}.
Von dem obigen Gesichtspunkt wurde herkömmlicher Weise gedacht, dass spannungsgespeiste Inverter, die ein leitendes Intervall von 120º im elektrischen Winkel aufweisen, ideal zum Treiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist. Daher ist nur ein Verfahren, das ein leitendes Intervall von 120º im elektrischen Winkel verwendet, vorgeschlagen und steht als Antriebsverfahren für einen bürstenlosen Gleichstrommotor zur Verfügung, welches Antriebsverfahren eine Magnetpolpositionserfassung auf der Grundlage der Erfassung induzierter Spannungen eines Motors benutzt. Wenn jedoch die Erfinder einen bürstenlosen Gleichstrommotor treiben unter Benutzung von spannungsgespeisten Invertern, der ein leitendes Intervall von 120º im elektrischen Winkel aufweist, haben die Erfinder gefunden, dass die in Fig. 1 dargestellten idealen Wellenformen nicht erzielt werden, und dass die in Fig. 3(A) und 3(B) gezeigten Wellenformen erhalten werden, und dass die in Fig. 3(A) und 3(B) dargestellten Wellenformen ähnlich zu den in Fig. 2(A) und 2(B) dargestellten Wellenformen sind. Wenn Fig. 2(B) und Fig. 3(B) miteinander verglichen werden, ist zu verstehen, dass die Amplituden beider Drehmomentwelligkeiten nahezu den gleichen Grad zueinander aufweisen. Es scheint der Grund zu sein, dass der Motorstrom nicht in einer gewünschten Weise gesteuert werden kann (gesteuert in eine Rechteckwellenform), wenn spannungsgespeiste Inverter, der eine einfache Steuerung verwendet, verwendet werden. Daher wird es klär, dass das Absinken in der Effektivität und die Abnahme im Betriebsbereich nicht realisiert werden, das Absenken und die Abnahme werden Begriffen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel betrieben wird. Es wird statt dessen klar, dass die Effektivität eines bürstenlosen Gleichstrommotors durch Unterdrücken der Zunahme in den Joule'schen Verlusten und Unterdrücken eines Absenkens in der verfügbaren Rate des Flusses verbessert wird.
Wenn weiter spannungsgespeiste Inverter, der ein leitendes Intervall aufweist, das 120º überschreitet (aber nicht 180º), werden Abschnitte unausweichlich erzeugt, in denen ein Strom einer jeden Phase mit einem anderen so überlappt, dass eine Eigenschaft scheinbar erzielt wird, welche Eigenschaft nämlich zu spannungsgespeisten Invertern mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel ist.
Weiterhin wird bei den spannungsgespeisten Invertern mit einem leitenden Intervall von 120º im elektrischen Winkel die Eigenschaft verbessert durch Approximieren einer Rechteckwelle durch jede Stromwellenform, wie in Fig. 1(A) bis 1(C) dargestellt ist. Dagegen scheint bei den spannungsgespeisten Invertern mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel die Eigenschaft durch Glätten einer jeden Stromwellenform verbessert zu sein, da jeder Strom in dem gesamten Intervall fließt.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der obigen Ergebnisse gemacht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 sind Diagramme, die ideale Stromwellenformen und erzeugtes Drehmoment unter einer Bedingung darstellen, dass ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter mit einem leitenden Intervall von 120º im elektrischen Winkel getrieben wird;
Fig. 2 sind Diagramme, die Simulationsresultate einer Stromwellenform und eines erzeugten Drehmomentes unter einer Bedingung darstellen, dass ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel getrieben wird;
Fig. 3 sind Diagramme, die eine Stromwellenform und ein erzeugtes Drehmoment unter einer Bedingung darstellen, dass ein bürstenloser Gleichstrommotor durch spannungsgespeiste Inverter mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel getrieben wird;
Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine Ausführungsform eines Antriebs- und Steuergerätes eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind;
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind;
Fig. 7 sind Diagramme, die Effektivität- Drehzahleigenschaften und Lastdrehmoment-Drehzahleigenschaften darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer in Fig. 5 dargestellten Anordnung durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird, und ein leitendes Intervall ist zu 120º bzw. 180º im elektrischen Winkel bestimmt;
Fig. 8 sind Diagramme, die Effektivität- Drehzahleigenschaften und Lastdrehmoment-Drehzahleigenschaften darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer in Fig. 6 dargestellten Anordnung durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird, und ein leitendes Intervall zu 120º, 150º bzw. 180º bestimmt ist;
Fig. 9 sind Diagramme, die Effektivität- Drehzahleigenschaften und Lastdrehmoment-Drehzahleigenschaften darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer in Fig. 6 dargestellten Anordnung durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird, und der Inverter wird auf eine Weise konstanter Pulsbreite bzw. variabler Pulsbreite durch eine Steuerschaltung moduliert;
Fig. 10 sind Diagramme, die eine konstante Pulsbreitenmodulation und eine variable Pulsbreitenmodulation darstellen;
Fig. 11 sind Diagramme, die eine Spannungswellenform und eine Stromwellenform darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor, in dem Permanentmagneten auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind, durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel, und eine Wellenform konstanter Pulsbreitenmodulation ausgegeben wird;
Fig. 12 sind Diagramme, die eine Spannungswellenform und eine Stromwellenform darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel, und eine Wellenform konstanter Pulsbreitenmodulation ausgegeben wird;
Fig. 13 sind Diagramme, die eine Spannungswellenform und eine Stromwellenform darstellen, wenn ein bürstenlose r Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, mit Inverterausgangsspannungen beliefert wird, die in der Phase voranläuft von einer Phase, die eine Phase eines bürstenlosen Gleichstrommotors Strom und eine Phase einer induzierten Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors gleich zueinander macht;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das schematisch ein Antriebs- und Steuergerät eines bürstenlosen Gleichstrommotors darstellt, der ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel erzielt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das eine innere Anordnung eines Mikroprozessors darstellt, der in Fig. 14 dargestellt ist;
Fig. 16 ist ein Flussdiagramm, das Verarbeitungsinhalte einer Interrupt-Behandlung 1 im Einzelnen erläutert;
Fig. 17 ist ein Flussdiagramm, das Verarbeitungsinhalte einer Interrupt-Behandlung 2 im Einzelnen erläutert;
Fig. 18 sind Diagramme, die Signalwellenformen und Verarbeitungsinhalte eines jeden Abschnittes des Antriebs- und Steuergerätes des bürstenlosen Gleichstrommotors darstellen, das in Fig. 14 dargestellt ist;
Fig. 19 ist ein Blockschaltbild, das eine innere Anordnung eines Mikroprozessors darstellt, der in einem Antriebs- und Steuergerät eines bürstenlosen Gleichstrommotors enthalten ist, der ein leitendes Intervall von 150º im elektrischen Winkel erzielt;
Fig. 20 ist ein Flussdiagramm, das Verarbeitungsinhalte einer Interrupt-Behandlung 2' im Einzelnen erläutert;
Fig. 21 ist ein Flussdiagramm, das Verarbeitungsinhalte einer Interrupt-Behandlung 3 im Einzelnen erläutert;
Fig. 22 sind Diagramme, die Signalwellenformen und Verarbeitungsinhalte eines jeden Abschnittes des Antriebs- und Steuergerätes des bürstenlosen Gleichstrommotors darstellen, das in Fig. 19 dargestellt ist;
Fig. 23 sind Diagramme, die Signalwellenformen eines jeden Abschnittes des Antriebs- und Steuergerätes des bürstenlosen Gleichstrommotors darstellen, das in Fig. 14 dargestellt ist, wobei die Diagramme nützlich bei dem Verständnis der Positionserfassungstätigkeit durch einen Verstärker, einen Integrator und einen Nulldurchgangskomparator sind;
Fig. 24 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 25 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 120º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 26 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 130º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 27 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 140º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 28 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 150º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 29 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 160º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 30 sind Diagramme, die einen Motorstrom und ein Integrationssignal eines Positionsdetektors darstellen, wenn ein leitendes Intervall von 170º im elektrischen Winkel verwendet wird;
Fig. 31 ist ein Diagramm, das Betriebsbereiche eines bürstenlosen Gleichstrommotors darstellt, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, das 120º, 130º, 140º, 150º bzw. 180º im elektrischen Winkel ist, und Eingangsströme sind so bestimmt, dass sie gleich zueinander sind;
und Fig. 32 ist ein Diagramm, das die Motoreffektivität eines bürstenlosen Gleichstrommotors darstellt, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, das 120º, 130º, 140º, 150º bzw. 180º im elektrischen Winkel ist, und Eingangsströme sind so bestimmt, dass sie gleich zueinander sind.

Beste Arten zum Verwirklichen der Erfindung

Hier im Folgenden erläutern wir die vorliegende Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine Ausführungsform eines Antriebs- und Steuergerätes eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Ausgangsspannungen von Invertern 2 werden an einen bürstenlosen Gleichstrommotor 3 geliefert. Eine zweite Spannung an einem Neutralpunkt wird durch Y-Verbinden induzierter Spannungen des bürstenlosen Gleichstrommotors 3 oder durch Y- Verbinden von Statorwicklungen einer jeden Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors 3 erhalten. Eine erste Spannung an einem Neutralpunkt wird durch Y-Verbinden von Widerständen zwischen Ausgangsanschlüssen einer jeden Phase der Inverter 2 erhalten. Eine Motorpositionserfassungsschaltung 4 empfängt eine Differenzspannung zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung. Ein Ausgangssignal von der Motorpositionserfassungsschaltung 4 wird an eine Steuerschaltung 5 geliefert. Die Steuerschaltung 5 erzeugt einen Steuerbefehl zum Bestimmen eines leitenden Intervalls, so dass es mehr als 120º und gleich oder weniger als 180º im elektrischen Winkel ist und liefert den Steuerbefehl an die Inverter 2. Wenn die Steuerschaltung 5 einen Steuerbefehl zum Bestimmen des leitenden Intervalles gleich 180º im elektrischen Winkel erzeugt und den Steuerbefehl an die Inverter 2 liefert, sollte die Differenzspannung zu der Motorpositionserfassungsschaltung 4 geliefert werden, aber wenn die Steuerschaltung 5 einen Steuerbefehl zum Bestimmen des leitenden Intervalls kleiner als 180º im elektrischen Winkel erzeugt und den Steuerbefehl an die Inverter 2 liefert, können die induzierten Spannungen oder die Differenzspannung an die Motorpositionserfassungsschaltung 4 geliefert werden.
Daher wird ein Erfassungssignal entsprechend zu einer Magnetpolposition eines Motorrotors durch die Motorpositionserfassungsschaltung 4 auf der Grundlage der induzierten Spannungen des bürstenlosen Gleichstrommotors 3 oder der Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten Spannung erhalten. Die Steuerschaltung 5 erzeugt den Steuerbefehl auf der Grundlage des Magnetpolpositionserfassungssignales. Der Steuerbefehl steuert Schalter (nicht dargestellt) der Inverter 2 so, dass das leitende Intervall so bestimmt ist, dass es mehr als 1200 im elektrischen Winkel oder weniger als 180º im elektrischen Winkel ist.
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind. Permanentmagnete 3b sind an einer vorbestimmten Position auf einer Oberfläche eines Rotors 3a eingebaut. Ein Stator 3c enthält eine Mehrzahl von Schlitzen 3d, in denen Statorwicklungen (nicht dargestellt) gewickelt sind. Eine d-Achse, die durch einen Pfeil in Fig. 5 bezeichnet ist, ist eine Achse, die eine Richtung eines magnetischen Flusses bezeichnet, der durch den Permanentmagnet 3b erzeugt ist. Eine q-Achse ist eine Achse, die um 90º elektrisch in bezug auf die d-Achse verschoben ist.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind. Permanentmagnete 3f sind in einem Zustand eingebaut, dass die Permanentmagnete 3f nicht von einem Rotor 3e offenliegen. Nichtmagnetische Körper 3g sind zwischen benachbarten Permanentmagneten 3f so eingebaut, dass ein magnetischer Kurzschluss zwischen benachbarten Permanentmagneten 3f am Auftreten gehindert wird. Eine Anordnung eines Stators 3c ist ähnlich zu dem in Fig. 5 dargestellten bürstenlosen Gleichstrommotors, daher wird die Beschreibung weggelassen.
Fig. 7(A) und 7(B) sind Diagramme, die Effektivität- Drehzahleigenschaften und Lastdrehmoment-Drehzahleigenschaften darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer in Fig. 5 dargestellten Anordnung durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird und ein leitendes Intervall so bestimmt ist, dass es 120º bzw. 180º im elektrischen Winkel ist. In Fig. 7(A) werden die Eigenschaften unter einer Bedingung erhalten, dass das Lastdrehmoment zu 20 kg·cm bestimmt ist. Auch in den Figuren stellt a Eigenschaften dar, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, dass es 120º im elektrischen Winkel ist, und b stellt Eigenschaften dar, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, dass es 180º im elektrischen Winkel ist.
Wie aus diesen Eigenschaftsfiguren zu sehen ist, wird die Effektivität verbessert, eine maximale Drehzahl wird angehoben und ein Lastdrehmoment in dem hohen Drehzahlbereich wird vergrößert, indem das leitende Intervall zu 180º im elektrischen Winkel bestimmt wird.
Fig. 8(A) und 8(B) sind Diagramme, die Effektivität- Drehzahleigenschaften und Lastdrehmoment-Drehzahleigenschaften darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer in Fig. 6 dargestellten Anordnung durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird und ein leitendes Intervall bestimmt ist, sodass es 120º, 150º bzw. 180º im elektrischen Winkel ist.
In Fig. 8(A) sind die Eigenschaften erhalten unter einer Bedingung, dass das Lastdrehmoment zu 20 kg·cm bestimmt ist. Auch in den Figuren stellt a Eigenschaften dar, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, so dass es 120º im elektrischen Winkel beträgt, b stellt Eigenschaften dar, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, so dass es 150º im elektrischen Winkel ist, und c stellt Eigenschaften dar, wenn ein leitendes Intervall bestimmt ist, dass es 180º im elektrischen Winkel beträgt.
Wie aus diesen Eigenschaftsfiguren ersichtlich ist, wird die Effektivität verbessert, eine maximale Drehzahl wird angehoben und ein Lastdrehmoment in einem hohen Drehzahlbereich wird vergrößert, indem der leitende Winkel groß bestimmt, wird.
Fig. 9(A) und 9(B) sind Diagramme, die Effektivität- Drehzahleigenschaften und Lastdrehmoment-Drehzahleigenschaften darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer in Fig. 6 dargestellten Anordnung durch spannungsgespeiste Inverter getrieben wird, und die Inverter werden auf eine Weise einer konstanten Pulsbreite bzw. einer variablen Pulsbreite durch eine Steuerschaltung moduliert. In Fig. 9 (A) sind die Eigenschaften erhalten unter einer Bedingung, dass das Lastdrehmoment zu 20 kg·cm bestimmt ist, und ein leitendes Intervall ist so bestimmt, dass es 180º im elektrischen Winkel ist. Auch in den Figuren stellt a Eigenschaften dar, wenn eine variable Pulsbreitenmodulation durchgeführt wird, und b stellt Eigenschaften dar, wenn eine konstante Pulsbreitenmodulation durchgeführt wird.
Die variable Pulsbreitenmodulation ist ein Verfahren zum Erhalten einer Spannungswellenform, die einer Sinuswelle und ähnlichem äquivalent ist, indem Pulsbreiten variiert werden, wie in Fig. 10(A) dargestellt ist. Die konstante Pulsbreitenmodulation ist ein Verfahren, bei dem die Pulsbreiten überhaupt nicht variiert werden, wie in Fig. 10(B) dargestellt ist.
Wie aus diesen Eigenschaftsfiguren ersichtlich ist, ist die Effektivität verbessert, eine maximale Drehzahl ist angehoben, und ein Lastdrehmoment in einem hohen Drehzahlbereich ist erhöht, indem die konstante Pulsbreitenmodulation verwendet wird.
Im Folgenden wird die Beschreibung im größeren Detail gegeben.
Ein Pulsbreitenmodulationsverfahren, das variable Pulsbreiten wie eine Sinuswellenmodulation verwendet, wird im Allgemeinen als ein anderes Antriebs- und Steuerverfahren eines Motors und ähnlichem verwendet, da gedacht wird, dass höhere harmonische Wellen niedriger Ordnung eine Zunahme in Verlusten und Vibration verursachen (siehe "Frequency Dependency of Induction Motor Parameters and Their Measuring Method", K. Kawagishi u. a., IPEC-Tokyo'83, S. 202-213, 1983). Wenn das Verfahren auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor angewendet wird, wird ein Magnetpolerfassungsmittel mit hoher Genauigkeit benötigt, und die Steuerung wird kompliziert, so dass die Kosten als Ganzes zunehmen, da eine Modulationssignalwellenform und ein Rotor zueinander synchronisiert sein sollten. Die konstante Pulsbreitenmodulation weist jedoch nicht solche Nachteile auf, und sie weist eine Amplitude einer Fundamentalwelle auf, die höher als die einer Fundamentalwelle der variablen Pulsbreitenmodulation ist. Wie weiter aus den Fig. 9 ersichtlich ist, die die Kenntnisse der Erfinder darstellen, wurde eine Absenkung in der Effektivität, die allgemein betroffen ist, nicht erkannt, statt dessen wurde die Effektivität verbessert. Weiterhin war die Vibration eine Vibration, die praktisch nicht ins Gewicht fällt, wenn das Verfahren in einer Klimaanlage o. ä. genommen wurde.
Als nächstes werden ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind, und ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, im Einzelnen beschrieben (siehe Fig. 5 und 6).
Der bürstenlose Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete auf der Oberfläche eines Rotors eingebaut sind, wobei der Motor in Fig. 5 dargestellt ist, enthält Permanentmagnete 3b, die auf einer Oberfläche von Siliziumstahlplatten des Rotors 3a vorgesehen sind. Daher ist ein Luftspalt (ein Abstand zwischen Siliziumstahlplatten des Rotors und Siliziumstahlplatten eines Stators) groß, so dass die Induktanz der Statorwicklungen vergleichsweise klein wird. Dagegen enthält der bürstenlose Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren des Rotors eingebaut sind, wobei der Motor in Fig. 6 dargestellt ist, Permanentmagnete 3b, die im Inneren von Siliziumstahlplatten des Rotors 3a vorgesehen sind. Daher ist ein Luftspalt klein, so dass die Induktanz der Statorwindungen im Vergleich mit der des bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotors eingebaut sind, extrem groß wird, da die Permanentmagnete im Inneren des Rotors 3e eingebaut sind.
Fig. 11 und 12 sind Diagramme, die eine Spannungswellenform und eine Stromwellenform darstellen, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind, und ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, angetrieben wird durch spannungsgespeiste Inverter mit einem leitenden Intervall von 180º im elektrischen Winkel, wobei eine konstante Pulsbreitenmodulationswellenform ausgegeben wird. In beiden Figuren sind die Spannungswellenformen in oberen Abschnitten dargestellt, während Stromwellenformen in unteren Abschnitten dargestellt sind.
Wie aus beiden Figuren ersichtlich ist, wird aufgrund der Effekte der Induktanz von Statorwicklungen ein Motorstrom ähnlich zu einer Sinuswelle, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, verwendet wird, so dass Verluste, die durch höhere harmonische Ströme verursacht werden, verringert werden, und die Effektivität wird verbessert. Weiter wird die Drehmomentwelligkeit verringert.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind, und ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, wird weiter im Einzelnen beschrieben.
Der bürstenlose Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind, wobei der Motor in Fig. 5 dargestellt ist, weist zylindrisch geformte Siliziumstahlplatten auf, die einen Rotor 3a darstellen. Daher wird die Induktanz der Statorwicklungen konstant gehalten, unabhängig von der Rotationsposition des Rotors 3a. Dagegen weist der bürstenlose Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors 3e eingebaut sind, wobei der Motor in Figur dargestellt ist, Siliziumstahlplatten, die Magnetkörper. sind, und nichtmagnetische Körper 3g auf, wobei die Siliziumstahlplatten und die nichtmagnetischen Körper 3g abwechselnd in einem Abschnitt des Rotors 3e vorgesehen sind, wobei der Abschnitt nahe zu einem äußeren Umfang des Rotors 3e ist. Daher variiert die Induktanz der Statorwicklungen in Abhängigkeit der Rotationsposition des Rotors 3e. Genauer, wenn der bürstenlose Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotors eingebaut sind, und der bürstenlose Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren des Rotors eingebaut sind, unter Nominalbedingungen betrieben werden, beträgt die d-Achseninduktanz und die q-Achseninduktanz des ersteren bürstenlosen Gleichstrommotors 3,2 mH, während die d-Achseninduktanz und die klein q-Achseninduktanz des letzteren bürstenlosen Gleichstrommotors 7,7 mH bzw. 22,8 mH beträgt.
Ein Verfahren zum Ausgeben von Inverterspannungen in einem Zustand des Anpassens an eine Phase, wobei die Phase eine d- Achsenspannung (induzierte Spannung des Motors) maximiert, das heißt zum Ausgeben von Inverterspannungen derart, dass eine Phase eines Motorstromes und eine Phase der induzierten Spannung des Motors gleich zueinander sind, wird allgemein als ein Antriebs- und Steuerverfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors verwendet, da der Magnetfluss der Permanentmagnete an seinem Maximum zur Verfügung stehen soll. In Fig. 11 läuft eine Phase der Inverterspannung um 29º in bezug auf eine Phase der induzierten Spannung eines Motors voraus, wobei der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, bei dem Permanentmagnete auf einer Oberfläche eines Rotors eingebaut sind. Fig. 11 sind erhalten unter einer Bedingung, dass die Drehzahl 2858 Upm beträgt, das Lastdrehmoment 20 kg·cm beträgt, eine Motorspannung 114,0 V beträgt und ein Motorstrom 7,20 A beträgt. In Fig. 11 sind die Unterteilungen 200 V/Teilstrich für die Spannung, 10 A/Teilstrich für den Strom und 2 msec/Teilstrich für die horizontale Achse. Weiter variiert der Vorlaufwinkel in Abhängigkeit von Motorkonstanten.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, weist jedoch eine Induktanz der Statorwindungen auf, die etwas größer ist als die des vorherigen. Gleichstrommotors. Daher wird eine Stromwellenform eine Wellenform, die in Fig. 12 dargestellt ist. Fig. 12 sind erhalten unter einer Bedingung, dass eine Drehzahl 2858 Upm beträgt, das Lastdrehmoment 20 kg·cm beträgt, eine Motorspannung 126,5 V beträgt und ein Motorstrom 5,76 A beträgt. In Fig. 12 sind die Unterteilungen 200 V/Teilstrich für die Spannung, 10 A/Teilstrich für den Strom und 2 msec/Teilstrich für die horizontale Achse. Eine Phase der Inverterspannung läuft um 70º im Bezug auf eine Phase einer induzierten Spannung des Motors in dem Fall voraus, der in Fig. 12 dargestellt ist. Der Vorlaufwinkel variiert in Abhängigkeit von Motorkonstanten. Wenn eine Phase der Inverterspannung weiter in bezug auf die obige Phase der Inverterspannung (Vorlaufwinkel beträgt 73º) vorläuft und die Inverterspannung an den bürstenlosen Gleichstrommotor angelegt wird, wird eine Stromwellenform erhalten, wie sie in dem unteren Abschnitt von Fig. 13 dargestellt ist. Fig. 13 sind erhalten unter einer Bedingung, dass eine Drehzahl 2858 Upm beträgt, das Lastdrehmoment 20 kg·cm beträgt, eine Motorspannung 89,6 V beträgt und ein Motorstrom 6,92 A beträgt. In Fig. 13 sind die Unterteilungen 200 V/Teilstrich für die Spannung, 10 A/Teilstrich für den Strom und 2 msec/Teilstrich für die horizontale Achse. Eine Spannungswellenform ist in dem oberen Abschnitt von Fig. 13 dargestellt.
Wenn die Fig. 12 und 13 miteinander verglichen werden, ist zu verstehen, dass die Stromwellenform einer Sinuswelle recht ähnlich ist aufgrund des Effektes der q-Achseninduktanz. Daher sind der Effekt des Verringerns der Drehmomentwelligkeit und der Effekt der Verbesserung der Effektivität weiter verbessert. Weiterhin werden "Reluktanz-Drehmoment" und "Feldabschwächungseffekt", die andere Eigenschaften eines bürstenlosen Gleichstrommotors sind, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, wirksam benutzt.
Fig. 14 ist ein Diagramm, das schematisch ein Antriebs- und Steuergerät eines bürstenlosen Gleichstrommotors darstellt, das ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel erzielt, während Fig. 15 ein Diagramm ist, das eine innere Anordnung eines Mikroprozessors darstellt, der in Fig. 14 dargestellt. Drei Paare von Schalttransistoren 12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2 sind entsprechend seriell zwischen Anschlüssen einer Gleichstromquelle 11 so geschaltet, dass Inverter 12 dargestellt werden. Eine Spannung an jedem Verbindungspunkt eines jeden Paares von Schalttransistoren wird an jede von drei Statorwicklungen 13u, 13v, 13w eines bürstenlosen Gleichstrommotors 13 geliefert, wobei die Statorwicklungen 13u, 13v, 13w Y-verbunden sind und jede der Statorwicklungen 13u, 13v, 13w einer jeden Phase entspricht. Auch eine Spannung an jedem Verbindungspunkt eines jeden Paares von Schalttransistoren wird an jeden von 3 Widerständen 14u, 14v, 14w geliefert, die Y-verbunden sind. Weiter sind Dioden 12u1d, 12u2d, 12v1d, 12v2d, 12w1d, 12w2d zum Schutz zwischen Kollektor- Emitter-Anschlüssen der Schalttransistoren 12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2 entsprechend geschaltet. Weiter stellt 13e einen Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors 13 dar. Die Suffixe von u, v, w entsprechen der u-Phase, der v-Phase, bzw. der w-Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors 13. Eine zweite Spannung eines Neutralpunktes 13d der Y-verbundenen Statorwicklungen 13u, 13v, 13w wird zu einem umkehrenden Eingangsanschluss eines Verstärkers 15 durch einen Widerstand 15a geliefert. Eine erste Spannung eines Neutralpunktes 14d der Y- verbundenen Widerstände 14u, 14v, 14w wird wie sie ist an einen nicht umkehrenden Eingangsanschluss des Verstärkers 15 geliefert. Ein Widerstand 15b ist zwischen einen Ausgangsanschluss und den umkehrenden Eingangsanschluss des Verstärkers 15 so geschaltet, dass der Verstärker 15 als ein Differentialverstärker tätig ist.
Ein Ausgangssignal, das von dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 15 ausgegeben wird, wird an einen Integrator 16 geliefert, der durch serielles Verbinden eines Widerstandes 16a und eines Kondensators 16b dargestellt wird.
Ein Ausgangssignal von dem Integrator 16 (eine Spannung an einem Verbindungspunkt des Widerstandes 16a und des Kondensators 16b) wird an einen nicht umkehrenden Eingangsanschluss eines Nulldurchgangskomparators 17 geliefert, der mit der zweiten Spannung an dem Neutralpunkt 13d an seinem umkehrenden Eingangsanschluss beliefert wird.
Daher wird ein Magnetpolpositionserfassungssignal von einem Ausgangsanschluss des Nulldurchgangskomparators 17 ausgegeben. Mit anderen Worten, ein Positionsdetektor wird durch den Differentialverstärker, den Integrator 16 und den Nulldurchgangskomparator 17 dargestellt. Ein Positionsdetektor, der durch einen Rotationsenkoder und ähnliches dargestellt wird, kann anstelle des Positionsdetektors mit der obigen Anordnung verwendet werden.
Das Magnetpolpositionserfassungssignal, das von dem Positionsdetektor ausgegeben wird, wird an einen externen Unterbrechungsanschluss eines Mikroprozessors 18 geliefert. In dem Mikroprozessor 18 wird eine Interrupt-Behandlung (siehe die Interrupt-Behandlung 1 in Fig. 15) für eine Phasenkorrekturzeitgeber 18a und einen Periodenmesszeitgeber 18b aufgrund des Magnetpolpositionserfassungssignals ausgeführt, das an den externen Unterbrechungsanschluss geliefert wird. Der Phasenkorrekturzeitgeber 18a bestimmt seinen Zeitwert durch einen Zeitwertbetriebsabschnitt 19a, der später beschrieben wird. Der Periodenmesszeitgeber 18b liefert seinen Zeitwert an einen Positionssignalperiodenbetriebsabschnitt 19b, der in einer CPU 19 enthalten ist. Der Positionssignalperiodenbetriebsabschnitt 19b berechnet einen Zeitwert pro einem Zyklus im elektrischen Winkel auf der Grundlage eines Zeitwertes entsprechend zu 60º im elektrischen Winkel zum Beispiel. Der Phasenkorrekturzeitgeber 18a liefert ein Überzählsignal an einen Invertermodusauswahlabschnitt 19c für ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel so, dass eine Interrupt-Behandlung (siehe eine Interrupt-Behandlung 2 in Fig. 2) ausgeführt wird. Der Invertermodusauswahlabschnitt 19c für ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel liest ein entsprechendes Spannungsmuster aus einem Speicher 18c aus und gibt es davon aus. In der CPU 19 führt der Positionssignalperiodenbetriebsabschnitt 19b eine Tätigkeit aufgrund des Zählerwertes durch und gibt ein Positionssignalperiodensigal aus, das zu einem Zeitwertbetriebsabschnitt 19a und einen Geschwindigkeitbetriebsabschnitt 19e geliefert wird. Der Zeitwertbetriebsabschnitt 19a wird auch mit einem Phasenwinkelbefehl beliefert. Der Zeitwertbetriebsabschnitt 19a berechnet einen Zeitwert, der in dem Phasenkorrekturzeitgeber 18a bestimmt ist, auf der Grundlage des Phasenwinkelbefehles und des Positionssignalperiodensignals von dem Positionssignalperiodenbetriebsabschnitt 19b. Der Geschwindigkeitsbetriebsabschnitt 19e berechnet eine Geschwindigkeit zu der gegenwärtigen Zeit auf der Grundlage des Positionssignalperiodensignals von dem Positionssignalperiodenbetriebsabschnitt 19b und liefert die berechnete Geschwindigkeit an einen Geschwindigkeitssteuerabschnitt 19f. Der Geschwindigkeitssteuerabschnitt 19f wird auch mit einem Geschwindigkeitsbefehl beliefert. Der Geschwindigkeitssteuerabschnitt 19f gibt einen Spannungsbefehl auf der Grundlage des Geschwindigkeitsbefehles und der Geschwindigkeit zu der gegenwärtigen Zeit von dem Geschwindigkeitsbetriebsabschnitt 19e aus. Das von dem Invertermodusauswahlabschnitt 19c für ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel ausgegebene Spannungsmuster und der von dem Geschwindigkeitssteuerabschnitt 19f ausgegebene Spannungsbefehl werden an einen PWM- (Pulsbreitenmodulation)Modulationsabschnitt 18d geliefert. Der PWM-Modulationsabschnitt 18d gibt PWM-Modulationssignäle für drei Phasen aus. Die PWM-Modulationssignale werden an eine Basistreiberschaltung 20 geliefert. Die Basistreiberschaltung 20 gibt Steuersignale zum Beliefern der Basisanschlüsse der Schalttransistoren 12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2 aus. Jeder in der CPU 19 enthaltene Abschnitt stellt einen Funktionalabschnitt zum Ausführen einer entsprechenden Funktion dar. Diese Abschnitte existieren in der CPU 19 nicht in einem erkennbaren Zustand.
Die Spannungsmuster entsprechend den Invertermodi sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Spannungsmuster werden durch EIN/AUS- Zustände der Schalttransistoren 12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2 dargestellt. "1" entspricht einem EIN-Zustand, während "0" einem AUS-Zustand entspricht. Tabelle 1
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die in Fig. 18 dargestellten Wellenformdiagramme der Betrieb des Antriebs = und Steuergerätes des bürstenlosen Gleichstrommotors, der in Fig. 14 dargestellt ist, beschrieben.
Die durch die u-Phase, v-Phase und w-Phase induzierten Spannungen Eu, Ev, Ew des bürstenlosen Gleichstrommotors variieren unter einem Zustand, dass die drei induzierten Spannungen sequentiell in ihrer Phase um 180º verschoben werden, wie in Fig. 18(A); 18(B) und 18(C) dargestellt ist. Das von dem Verstärker 15 ausgegebene Signal Vnm variiert, wie in Fig. 18(D) dargestellt ist. Eine Integrationswellenform {Formel (1)}, die durch Ausführender Integration des Signals Vnm durch den Integrator 16 erhalten wird, variiert, wie in Fig. 18(E) dargestellt ist.
Vnmdt ... (1)
Die Integrationswellenform wird an den Nulldurchgangskomparator 17 geliefert, und der Nulldurchgangskomparator 17 gibt ein Anregungsänderungssignal aus, das steigt oder fällt an den Nullpunkten des Integrationssignals, wie in Fig. 18(F) gezeigt ist. Die Interrupt-Behandlung 1 wird aufgrund des Steigens und Fallens des Anregungsänderungssignals so ausgeführt, dass der Phasenkorrekturzeitgeber 18a startet {siehe die Startpunkte der in Fig. 18(G) dargestellten Pfeile}. Der Phasenkorrekturzeitgeber 18a führt die Zeitzähltätigkeit für den bestimmten. Zeitwert durch, und Überzählen wird erzeugt {siehe die Endpunkte der in Fig. 18(G) dargestellten Pfeile}, da der Zeitwert des Phasenkorrekturzeitgebers 18a durch den Zeitwertbetriebsabschnitt 19b bestimmt ist. Die Interrupt- Behandlung 2 wird bei jeder Erzeugung des Überzählens des Phasenkorrekturzeitgebers 18a durchgeführt, und der Invertermodusauswahlabschnitt 19c für ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel. schiebt den Invertermodus um einen Schritt vor. Das heißt, der Invertermodus wird in der Reihenfolge von "1", "2", "3", "4", "5", "0", "1", "2" ..., ausgewählt, wie in Fig. 18(N) dargestellt ist. Der Invertermodus wird um einen Schritt aufgrund des Überzählens des Phasenkorrekturzeitgebere 18a vorgeschoben, so dass die Schalttransistoren 12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2 in ihren EIN/AUS-Zuständen entsprechend einem jeden Invertermodus gesteuert werden, wie in Fig. 18(H) bis 18(M) dargestellt ist. Als Resultat wird das Treiben des bürstenlosen Gleichstrommotors 13 unter einem Zustand durchgeführt, dass die leitende Zeit bestimmt wird zu 180º im elektrischen Winkel, und die Phase der Inverterspannung ist so bestimmt, dass sie eine vorlaufende Phase in bezug auf die induzierte Spannung des Motors ist. Worin ein Vorlaufwinkel der Phase der Inverterspannung durch den Phasenkorrekturzeitgeber 18a gesteuert wird.
Fig. 16 ist ein Flussdiagramm, das die Inhalte der Bearbeitung der Interrupt-Behandlung 1 im Einzelnen erläutert. Eine externe Unterbrechungsanforderung wird an einer steigenden Flanke bzw. fallenden Flanke eines Magnetpolpositionserfassungssignals (wobei das Signal einem Anregungsänderungssignal entspricht) des Positionsdetektors angenommen. In Schritt SP1 wird ein Zeitwert des Phasenkorrekturzeitgebers 18a auf der Grundlage eines extern angelegten Phasenwinkel- (Phasenkorrekturwinkel)Befehles und des Positionssignalperiodensignals, das durch den Positionssignalperiodenbetriebsabschnitt 19b erzielt ist, berechnet. In Schritt SP2 wird in dem Phasenkorrekturzeitgeber 18a ein Korrekturzeitwert (Zeitwert zur Korrektur) gesetzt. In Schritt SP3 wird der Phasenkorrekturzeitgeber 18a gestartet. In Schritt SP4 wird der Periodenmesszeitgeber 18b gestoppt, der bei der vorherigen Interrupt- Behandlung 1 gestartet wurde. In Schritt SP5 wird der Zeitwert des Periodenmesszeitgebers 18b eingelesen (wird gespeichert). Diese Verarbeitungen in den Schritten SP4 und S5 sind Verarbeiten zum Erfassen einer Periode einer Kante des Anregungsänderungssignals. Daher wird der Periodenmesszeitgeber 18b zurückgesetzt und unmittelbar nach dem Lesen des Zeitwertes des Periodenmesszeitgebers 18b für die nächste Periodenmessung gestartet. In Schritt SP6 wird eine Tätigkeit der gespeicherten Positionssignalperiode (z. B.. Berechnung einer Zählzahl pro 1º im elektrischen Winkel) durchgeführt. In Schritt SP7 wird die Drehzahl zu der gegenwärtigen Zeit des bürstenlosen Gleichstrommotors 13 auf der Grundlage des Positionssignalperiodenbetriebsresultates berechnet. In Schritt SPB wird die Geschwindigkeitssteuerung so durchgeführt, dass dem extern gelieferten Geschwindigkeitsbefehl gefolgt wird, und der Spannungsbefehl wird ausgegeben. Danach kehrt die Verarbeitung zu der vorherigen Verarbeitung zurück.
Wenn insbesondere der Zählwert entsprechend dem Intervall des Magnetpolpositionserfassungssignals 360 beträgt, der durch die tatsächliche Messung durch den Periodenmesszeitgeber 18w erhalten wird, wird der Zählwert pro einer Periode der Inverterausgangsspannung 360·6 = 2160, da die Zahl der Invertermodi 6 beträgt. Und der Zählwert für 1º wird 2160/360 = 6, da der Zählwert von 2160 gerade 360º entspricht. Wenn der Phasenwinkelbefehl 60º ist, wird der Zählwert (Zeitwert) entsprechend dem Phasenwinkelbefehl 6·60 = 360. Daher wird der Wert von 360 in den Phasenkorrekturzeitgeber 18a als der Zeitwert für die Korrektur eingesetzt, und der Phasenkorrekturzeitgeber 18a wird gestartet.
Fig. 17 ist ein Flussdiagramm, das die Inhalte der Bearbeitung der Interrupt-Behandlung 2 im Einzelnen erläutert. Die Interrupt-Behandlung 2 wird angenommen, wenn der Phasenkorrekturzeitgeber 18a einen Überzählzustand annimmt, wobei der Zeitgeber in der Interrupt-Behandlung 1 gestartet wurde. In Schritt SP1 wird der Invertermodus um 1 Schritt vorgeschoben, wobei der Invertermodus zuvor in dem Speicher 18c bestimmt wurde. In Schritt SP2 wird das Spannungsmuster entsprechend dem vorgeschobenen Invertermodus ausgegeben. Danach kehrt die Verarbeitung zu der vorherigen Verarbeitung zurück.
Daher wird eine Zahl von Zeitgebern um 1 verringert und die Interrupt-Behandlung wird um 1 verringert, wenn die obige Steuerung unter Benutzung eines Mikrocomputers realisiert wird, wobei die Vorteile durch Vergleichen der obigen Ausführungsform mit einem Vergleichsbeispiel ersichtlich sind, das unten beschrieben wird. Wenn weiterhin die obige Steuerung unter Benutzung einer Hardware realisiert wird, wird die Zahl von Zählern um 1 verringert.

Vergleichsbeispiel

Fig. 19 ist ein Bild, das eine innere Anordnung des Mikroprozessors 18 darstellt, der in einem Antriebs- und Steuergerät eines bürstenlosen Gleichstrommotors enthalten ist, zum Realisieren eines leitenden Intervalles von 150º im elektrischen Winkel. Der Mikroprozessor 18 realisiert das leitende Intervall von 150º im elektrischen Winkel. Die innere Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 15 dargestellten inneren Anordnung dadurch, dass ein Invertermodusauswahlabschnitt 19c' für ein leitendes Intervall von 150º im elektrischen Winkel verwendet wird anstelle des Invertermodusauswahlabschnitts 19c für ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel, ein zweiter Phasenkorrekturzeitgeber 18e ist weiter vorgesehen, und die Inhalte der Interrupt-Behandlung 2' und eine Zahl von Invertermodi sind vergrößert. Der zweite Phasenkorrekturzeitgeber 18e wird bei der Interrupt-Behandlung 2' gestartet, was durch den Phasenkorrekturzeitgeber 18a' bewirkt wird, und er liefert sein Überzählsignal an den Invertermodusauswahlabschnitt 19c' für ein leitendes Intervall von 150º im elektrischen Winkel, wobei der Abschnitt in der CPU 19' so enthalten ist, dass eine Interrupt-Behandlung (siehe die Interrupt- Behandlung 3 in Fig. 19) ausgeführt wird. Bei diesem Vergleichsbeispiel sind an den Komponentenabschnitten entsprechend den Komponentenabschnitten, die in Fig. 15 dargestellt sind, Bezugszeichen angebracht, bei denen "'" hinzugefügt wurde. Weiter sind die Anordnungen und die Verbindungen der Inverterschaltung, des bürstenlosen Gleichstrommotors, der Y- verbundenen Widerstände, der Positionsdetektor, die Basistreiberschaltung, die gleichen wie die Anordnungen und Verbindungen, wie sie in Fig. 14 dargestellt sind, daher wird die Darstellung und Beschreibung weggelassen.
Der zweite Phasenkorrekturzeitgeber 18e wird in seinem Zeitwert durch den Zeitwertbetriebsabschnitt 19a' bestimmt.
Die Spannungsmuster, die den Invertermodi entsprechen, sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Spannungsmuster sind EIN/AUS- Zuständen der Schalttransistoren 12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2 dargestellt. "1" entspricht dem EIN-Zustand, während "0" dem AUS-Zustand entspricht.
Fig. 22 sind Wellenformdiagramme von Komponentenabschnitten, wobei die Wellenformen den Betrieb dieses Vergleichsbeispiels darstellen. Die in Fig. 22(A) bis 22(G) sind die gleichen wie jene von Fig. 18(A) bis 18(G). Die Spannungsmuster entsprechend den Invertermodi, die den geraden Zahlen entsprechen, werden durch die Interrupt-Behandlung 2' ausgegeben, und die Spannungsmuster, die den Invertermodi entsprechen, die ungeraden Zahlen entsprechen, werden durch die Interrupt-Behandlung 2 ausgegeben, aufgrund des Hinzufügens der Fig. 22(G), so dass der Antrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter einer Bedingung, dass der leitende Inhalt, zu 150º im elektrischen Winkel bestimmt ist, durchgeführt wird. Tabelle 2
Fig. 20 ist ein Flussdiagramm, dass die Inhalte der Verarbeitung der Interrupt-Behandlung 2' im Einzelnen erläutert. Die Interrupt-Behandlung 2' wird angenommen, wenn der Phasenkorrekturzeitgeber 18a' den Überzählzustand annimmt, wobei der Zeitgeber in der Interrupt-Behandlung 1' gestartet wird. In Schritt SP1 wird ein Invertermodus um einen Schritt vorgeschoben, wobei der Invertermodus zuvor in dem Speicher 18c' bestimmt worden ist. In Schritt SP2 wird ein Spannungsmuster entsprechend dem vorgeschobenen Invertermodus ausgegeben. In Schritt SP3 wird ein Zeitwert (ein Wert entsprechend zu 30º) für den zweiten Phasenkorrekturzeitgeber 18e auf der Grundlage des Phasenkorrekturwertes berechnet. In Schritt SP4 wird der Zeitwert für die Korrektur in den zweiten Phasenkorrekturzeitgeber 18e gesetzt. In Schritt SP5 wird der zweite Phasenkorrekturzeitgeber 18e gestartet. Danach kehrt die Verarbeitung zu der vorherigen Verarbeitung zurück.
Fig. 21 ist ein Flussdiagramm, dass Inhalte der Verarbeitung der Interrupt-Behandlung 3 im Einzelnen erläutert. Die Interrupt-Behandlung 3 wird angenommen, wenn der zweite Phasenkorrekturzeitgeber 18e in den Überzählzustand kommt, wobei der Zeitgeber in der Interrupt-Behandlung 2' gestartet wird. In Schritt SP1 wird ein Invertermodus im einen Schritt vorgeschoben, wobei der Invertermodus zuvor in dem Speicher 18c' bestimmt worden ist. In Schritt SP2 wird ein Spannungsmuster entsprechend dem vorgeschobenen Invertermodus ausgegeben. Danach kehrt die Verarbeitung zurück zu der vorherigen Verarbeitung.
Die Magnetpolpositionserfassung durch den Verstärker 15, den Integrator 16 und den Nulldurchgangskomparator 17, die in Fig. 14 dargestellt sind, wird im größeren Detail beschrieben.
Bei der Magnetpolpositionserfassung, die durch Erfassen von Motorspannungen erreicht wird, wird ein Magnetpolpositonserfassungsverfahren in einer elektrischen Ausrüstung wie eine Klimaanlage oder ähnlichem verwendet, wobei das Verfahren induzierte Spannungen benutzt, die sowohl in dem oberen als auch im unteren Arm des AUS-Inhaltes des leitenden Intervalls von 120º im elektrischen Winkel erscheinen. Das Verfahren wird unmöglich zum Erfassen der induzierten Spannungen, wenn eine höhe Last verwendet wird und die Ströme so vergrößert sind, dass die Magnetpolpositionserfassung unmöglich erreicht werden kann.
Wenn angenommen wird, dass die Zeitdauer, bis der Stromfluss, der in den Statorwicklungen fließt, abgeschnitten wird, gleich t ist, wird der leitende Winkel der Inverter in dem Inhalt von 180º im elektrischen Winkel zu α (rad) bestimmt, und eine Ausgangsfrequenz ist f, eine Zustandsformel für die Bestimmung der Möglichkeit und der Unmöglichkeit der induzierten Spannungserfassung ist wie folgt
t < (π - α)/(4πf)
Wie aus der Zustandsformel zu sehen ist, ist zu verstehen, dass die Erfassung der induzierten Spannung grundsätzlich unmöglich ist, wenn ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel verwendet wird. Wenn ein größeres Drehmoment verlangt wird, sollte eine Amplitude eines Stromes vergrößert werden. Wenn eine Amplitude eines Stromes vergrößert wird, wird der Reststrom aufgrund der Motorinduktanz größer. In dem schlimmsten Fall wird ein Strom, der in einer Statorwicklung fließt, nicht während einer 180º-Dauer (eine Dauer entsprechend zu 180º im elektrischen Winkel) abgeschnitten. Daher sollte eine Amplitude eines Stromes so begrenzt werden, dass ein in einer Statorwicklung fließender Strom sicher während des 180º-Terms abgeschnitten wird. Folglich kann eine Amplitude eines Stromes nicht zu sehr erhöht werden, wenn hohe Drehzahlen ausgeführt werden und/oder die leitende Periode verlängert wird. Wenn die in Fig. 14 dargestellte Anordnung verwendet wird, wird die Spannung EN-0 an dem neutralen Punkt 13d der Y-verbundenen Statorwicklungen 13u, 13v, 13w die folgende Gleichung:
EN-0 = (1/3){(Vu-0 - Eu-0) + (Vv-0 - Ev-0) + (Vw-0 - Ew-0)
Mit anderen Worten, die Spannung EN o wird eine Summe {siehe Fig. 23(G)} von 3n-ter Ordnung höherer harmonischer Komponenten (worin n eine ganze Zahl ist), die in den Inverterausgangswellenformen enthalten sind {siehe Fig. 23(A), 23(B) und 23(C)} und den induzierten Spannungswellenformen {siehe Fig. 23(D), 23(E) und 23(F)} eines Motors.
Weiterhin wird die Spannung VM-0 an dem Neutralpunkt 14d der Y- verbundenen Widerstände 14u, 14v, 14w die folgende Gleichung siehe Fig. 23(H)}:
VM-0 (1/3)(Vu-0 + Vv-0 + Vw-0).
Daher wird die 3n-te Ordnung höher harmonischer Komponente rausgenommen, in dem eine Differenz EN-0 - Vm-0 {siehe Fig. 23 (E)} zwischen den beiden Spannungen En-0 und VM-0 genommen wird. Die in Fig. 14 dargestellte Anordnung ist nicht durch die Zustandsformel begrenzt und anwendbar auf eine leitende Dauer mit einem beliebigen Winkel, da beide Gleichungen unabhängig von dem Strom sind. Das heißt, die Magnetpolpositionserfassung wird erzielt ohne Benutzung eines Magnetpolpositionssensors, insbesondere wenn hoher Drehzahlbetrieb durchgeführt wird und/oder wenn die leitende Periode verlängert wird und wenn eine Amplitude des Stromes vergrößert wird. Ebenfalls wird die Magnetpolpositionserfassung erzielt ohne Benutzung eines Magnetpolpositionssensors, insbesondere wenn ein leitendes Intervall von 180º im elektrischen Winkel verwendet wird.
In dem Vorangehenden ist das Antreiben und Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors nur unter einer Bedingung beschrieben, das der bürstenlose Gleichstrommotor in einem konstanten Betrieb ist. Das obige Antreiben und Steuern kann jedoch nicht erzielt werden, wenn der bürstenlose Gleichstrommotor gestoppt ist, da keine induzierten Spannungen erzeugt werden. Wenn daher das Antreiben des bürstenlosen Gleichstrommotors gestartet wird, wird eine Dreiphasen-Wechselspannung extern und zwangsweise an den bürstenlosen Gleichstrommotor so angelegt, dass der Rotor durch synchronisierte Tätigkeit rotiert wird. Wenn der Rotor seine Drehung beginnt, wird eine induzierte Spannung so erzeugt, dass das obige Antreiben und Steuern des bürstenlosen Gleichstrommotors erzielt wird.
Wenn weiter das leitende Intervall von 180º im elektrischen Winkel verwendet wird und wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor, bei dem Permanentmagnete im Inneren eines Rotors eingebaut sind, wobei der Motor eine spezielle Anwendung aufweist, wird er unter einem Zustand einer hohen Drehzahl und großer Last betrieben, der Motorstrom und das Integrationssignal des Positionsdetektors variieren, wie in Fig. 24(A) und 24(B) dargestellt ist. Es ist zu verstehen, dass das Integrationssignal stark aus der Reihenfolge ist, wenn das leitende Intervall von 180º im elektrischen Winkel verwendet wird, indem der Motorstrom und das Integrationssignal mit dem Motorstrom und dem Integrationssignal {siehe Fig. 25(A) und 25(B)}, die erzielt werden, wenn das leitende Intervall von 120º im elektrischen Winkel verwendet wird, verglichen werden. Natürlich ist ein Differenzsignal zwischen Spannungen aus der Reihenfolge. Wenn daher eine kleine Variation in der Last, Resonanz und ähnliches in dem Treibersystem der Inverter und des bürstenlosen Gleichstrommotors erzeugt werden, erscheint ein Punkt, an dem das Integrationssignal nicht durch Null geht, aufgrund der fehlenden Reihenfolge, so dass das Positionssignal nicht erhalten wird und der bürstenlose Gleichstrommotor aus dem Schritt kommt. Der in Fig. 24(A) dargestellte Motorstrom unterscheidet sich von den in Fig. 2(A), 12(B) und 13(B) dargestellten Stromwellenformen. Die Differenz wird durch eine Differenz der Anwendung verursacht. Das in Betracht gezogen, wird solch ein Nachteil kaum erzeugt.
Zum Lösen solch eines Nachteils, der unter einer speziellen Bedingung erzeugt wird, so dass die Zuverlässigkeit des Gerätes zum Treiben und Steuern des bürstenlosen Gleichstrommotors verbessert wird, sollte das leitende Intervall so bestimmt sein, dass es mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist. Fig. 26 bis 30 stellen Motorströme und Integrationssignale dar, die den Fällen entsprechen, dass das leitende Intervall so bestimmt ist, dass es %30º, 140º, 150º, 160º bzw. 170º im elektrischen Winkel ist. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, ist die fehlende Reihenfolge der Integrationssignale ausgeschlossen. Weiter sind Betriebsbereiche eines Kompressors (ein Kompressor, der einen bürstenlosen Gleichstrommotor als Antriebsquelle verwendet) und Motoreffektivitäten des bürstenlosen Gleichstrommotors in Fig. 31 und 32 dargestellt, die den Fällen entsprechen, dass das leitende Intervall bestimmt ist zu 130º, 140º, 150º bzw. 180º im elektrischen Winkel, und dass die Eingangsströme so bestimmt sind, dass sie zueinander die gleichen sind. Wie aus Fig. 31 ersichtlich ist, variieren die Betriebsbereiche kaum, wenn das leitende Intervall zu 140º bis 170º im elektrischen Winkel bestimmt ist. Wie auch aus Fig. 32 ersichtlich ist, ist das Absenken der Motoreffektivität geringer als 1%, wenn das leitende Intervall zu 140º bis 170º im elektrischen Winkel bestimmt ist. Daher ist es bevorzugt, dass das leitende Intervall zu 140º bis 170º im elektrischen Winkel bestimmt ist. In diesem Fall wird der obige Nachteil sicher am Auftreten gehindert, wobei kaum der Betriebsbereich verringert wird und kaum die Motoreffektivität gesenkt wird, so dass die Zuverlässigkeit deutlich verbessert wird.
Weiter kann eine Anordnung anstelle der Positionserfassungsschaltung, die den Verstärker 15, den Integrator 16 und den Nulldurchgangskomparator 17 enthält, verwendet werden. Die in Fig. 33(A) dargestellte Anordnung weist einen Verstärker 115 auf, der mit der Spannung an dem Neutralpunkt 13d (siehe Fig. 14) an einem nicht umkehrenden Eingangsanschluss durch einen Widerstand 115a beliefert wird, mit der Spannung an dem Neutralpunkt 14d (siehe Fig. 14) an einem umkehrenden Eingangsanschluss beliefert wird. Ein Widerstand 115b und ein Kondensator 116b sind parallel zwischen einem Ausgangsanschluss und dem umkehrenden Eingangsanschluss des Verstärkers 115 geschaltet. Weiter kann eine Anordnung, die in Fig. 33(b) dargestellt ist, verwendet werden. Die Anordnung wird erhalten, indem ein Verstärker 117 zu der in Fig. 33(A) dargestellten Anordnung hinzugefügt wird, wobei der Verstärker 117 einen Widerstand aufweist, der zwischen einen Ausgangsanschluss und einen umkehrenden Eingangsanschluss geschaltet ist. Bei dieser Anordnung wird ein Ausgangssignal von dem Verstärker 115 zu dem umkehrenden Eingangsanschluss des Verstärkers 117 durch einen Widerstand geliefert. Weiter kann eine Anordnung, die in Fig. 33(C) dargestellt ist, verwendet werden. Die Anordnung wird erhalten, indem die Verstärker 115 und 117 durcheinander ersetzt werden, wobei die Verstärker in Fig. 33(B) erscheinen. Wenn die in Fig. 33(C) dargestellte Anordnung verwendet wird, kann die Spannung an dem Neutralpunkt 13d an den umkehrenden Eingangsanschluss des Verstärkers 117 durch einen Widerstand angelegt werden, und die Spannung an einem Neutralpunkt 14d kann direkt an einen nicht umkehrenden Eingangsanschluss des Verstärkers 117 angelegt werden. Wenn eine dieser Anordnungen verwendet wird, ist der Betrieb ähnlich zu dem eines entsprechenden Abschnittes erreicht, der in Fig. 14 dargestellt ist.
Weiterhin wird eine Verringerung des Leistungsverbrauches für eine elektrische Ausrüstung verlangt, wie eine Klimaanlage, ein Staubsauger, eine elektrische Waschmaschine und ähnliches, und ein bürstenloser Gleichstrommotor und ein Inverter, die die Aufmerksamkeit in den vergangenen Jahren auf sich gezogen haben, darin verwendet werden. Wenn das Gerät zum Antreiben uns Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß der vorliegenden Erfindung bei solchen elektrischen Ausrüstungen angewendet wird, wird der Leistungsverbrauch weiter im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Ausrüstungen verringert, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor und Inverter verwenden.

Möglichkeit der industriellen Benutzung

Die vorliegende Erfindung führt eine Verbesserung der Effektivität und Vergrößerung des Betriebsbereiches eines bürstenlosen Gleichstrommotors durch, der als Antriebsquelle in verschiedenen Anwendungen verwendet wird.

Claims

1. Antriebs- und Steuerverfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors, das einen bürstenlosen Gleichstrommotor (3, 13) antreibt, wobei spannungsgespeiste Inverter (2, 5, 12, 20) benutzt werden, wobei ein leitendes Intervall der spannungsgespeisten Inverter bestimmt ist, ein vorbestimmtes Intervall zu sein, das mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (3e), der Permamentmagneten (3f) in dem Inneren des Rotors (3e) enthält, als Rotor (3e) des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausgäben der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) so moduliert sind, dass sie Pulssignale ausgeben, wobei jedes Pulssignal eine konstante Pulsbreite innerhalb des gesamten leitenden Intervalls aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem die spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) so gesteuert sind, dass die Phase der Inverterausgangsspannung gegenüber der Phase einer induzierten Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors voreilt, wobei die letztere Phase eine Phase ist, die bewirkt, dass ein bürstenloser Gleichstrommotorstrom und die induzierte Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors die gleiche Phase zueinander haben.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren eine erste Spannung an einem neutralen Punkt (14d) erzielt durch Verbinden von jeweils einem Ende von Widerständen (14u, 14v, 14w), wobei das jeweilige andere Ende eines jeden Widerstandes (14u, 14v, 14w) mit jedem Ausgangsanschluss der spannungsgespeisten Inverter (2, S. 12, 20) verbunden ist, eine zweite Spannung an einem neutralen Punkt (13d) erzielt durch Verbinden von jeweils einem Ende von Statorwindungen (13u, 13v, 13w) des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13), und eine Magnetpolposition des Rotors (3e) des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) auf der Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung erfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das leitende Intervall der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) ein vorbestimmtes Intervall ist, das mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das leitende Intervall der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) ein Vorbestimmtes Intervall ist, das gleich oder mehr als 140º und gleich oder weniger als 170º im elektrischen Winkel ist.

7. Antriebs- und Steuergerät eines bürstenlosen Gleichstrommotors, das einen bürstenlosen Gleichstrommotor (3, 13) antreibt, wobei spannungsgespeiste Inverter (2, 5, 12, 20) benutzt werden, wobei das Gerät aufweist:

Ein Bestimmungsmittel eines leitenden Intervalls (18, 19) zum Bestimmen eines leitenden Intervalls von spannungsgespeisten Invertern (2, 5, 12, 20) zu einem vorbestimmten Intervall, das mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist,

wobei das Gerät einen Rotor (3e), der Permanentmagneten (3f) in dem Inneren des Rotors (3e) enthält, als Rotor (3e) des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) verwendet.

8. Gerät nach Anspruch 7, weiter mit einem Modulationsmittel (18d, 18d') zum Modulieren der Ausgaben der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) so, dass Pulssignale ausgegeben werden, wobei jedes Pulssignal eine konstante Pulsbreite innerhalb eines gesamten leitenden Intervalls aufweist.

9. Gerät nach Anspruch 7, weiter mit einem Phasensteuermittel (18a, 18a', 18e) zum Steuern der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) so, dass die Phase der Inverterausgangsspannung gegenüber der Phase einer induzierten Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) voreilt, wobei die letztere Phase eine Phase ist, die bewirkt, dass ein bürstenloser Gleichstrommotorstrom und die induzierte Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) die gleiche Phase zueinander aufweisen.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiter mit Widerständen (14u, 14v, 14w), von denen jeder mit einem Ende mit jedem Ausgangsanschluss entsprechend jeder Phase der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 15) verbunden ist, und wobei Widerstände (14u, 14v, 14w) mit ihren anderen Ende miteinander verbunden sind,

ein Differenzspannungsausgabemittel (15) zum Empfangen einer ersten Spannung an einem neutralen Punkt (14d), wobei die Spannung durch Verbinden der anderen Enden der Widerstände (15u, 14v, 14w) erhalten wird, zum Empfangen einer zweiten Spannung an einem neutralen Punkt (13d), wobei die Spannung analem neutralen Punkt (13d) erhalten wird, an dem Statorwindungen (13u, 13v, 13w) des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) miteinander verbunden sind, und zum Ausgeben einer Differenzspannung zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung, und

ein Rotorpositionserfassungsmittel (16, 17) zum Erfassen einer Magnetpolposition des Rotors (3a, 3e) des bürstenlosen Gleichstrommotors (3, 13) auf der Grundlage der Differenzspannung.

11. Gerät nach Anspruch (10), bei dem das Bestimmungsmittel des leitenden Intervalls (18, 19) ein leitendes Intervall der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) zu einem vorbestimmten Intervall bestimmt, das mehr als 120º und weniger als 180º im elektrischen Winkel ist.

12. Gerät nach Anspruch 10, bei dem das Bestimmungsmittel des leitenden Intervalls (18, 19) ein leitendes Intervall der spannungsgespeisten Inverter (2, 5, 12, 20) zu einem vorbestimmten Intervall bestimmt, das gleich oder mehr als 140º und gleich oder weniger als 170º im elektrischen Winkel ist.

13. Eine elektrische Ausrüstung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrüstung einen bürstenlosen Gleichstrommotor (3, 13) als Antriebsquelle verwendet, wobei der Motor durch das Antriebs- und Steuergerät des bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 7 bis 12 angetrieben wird.