JP2001505400A - 電気モータ式駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、出力段を介して制御可能な電気モータを備え、前記出力段には、マイクロプロセッサを有する制御回路が対応付けされ、該制御回路を用いてパルス幅変調方式の出力段制御が行われ、前記制御回路は過負荷段を含んでおり、該過負荷段は電気モータの温度から電気モータの過負荷を検出する、電気モータ式駆動装置に関する。本発明によれば、電気モータの温度が制御回路のパルス幅変調信号から得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 電気モータ式駆動装置 従来の技術 本発明は、出力段を介して制御可能な電気モータを備えた、電気モータ式駆動 装置に関する。 請求項１の上位概念に記載されたような形式の電気モータ式駆動装置は公知で ある。この駆動装置は例えば自動車においてサーボモータとして用いられる。こ の場合このモータは車両バッテリから供給される給電電圧で駆動される。直流モ ータとして構成されるこの電気モータは特に自動車の場合、熱的な臨界領域、例 えば内燃機関の直ぐ近くにおいて用いられることがある。また電気モータを突発 的に生じた問題による回復不能な熱的損傷から保護するための過負荷保護機能を 備えた電気モータ式駆動装置を設けることも公知である。 電気モータを熱的な過負荷から保護するために、温度センサ又はバイメタルを 介して直流モータのケーシング温度及び/又は電機子巻線温度を検出することも 公知である。電気モータは、許容温度の上回りに依存して電流遮断されるように 切換られる。 さらに電気的な負荷、例えば自動車の直流モータのためのモータ出力段を、パ ルス幅変調された信号で制 御することも公知である。この場合は電気的な負荷が、パルス幅変調された信号 のデューティー比に応じて、電源に接続されたり電源から切り離されたりする。 WO 94/27349明細書からは、モータ出力段に制御回路が接続され、この制御回 路が電気モータの温度に依存して過負荷信号を発生する、電気モータ式駆動装置 が公知である。この場合電気モータの温度は、損失出力ないしはこれに比例する 特性量から、電気モータのスイッチオン期間中に測定されたモータデータに基づ いて算出され、積分される。この積分値は、過負荷信号の伝送のために所定の閾 値と比較される。この装置での欠点は、電気モータのスイッチオン中のモータ測 定データを必要とするためそれに基づく測定コストがかかり、さらにこれにはエ ラーが伴い得るので正確な過負荷信号を求めることが困難となることである。 発明の利点 それに対して請求項１の特徴部分に記載の本発明による電気モータ式駆動装置 は、電気モータ式駆動装置の遮断のための正確な過負荷信号が、比較的簡単な形 式で形成できることである。電気モータのモータ温度を制御回路のパルス幅変調 された信号から得ることによって、電気モータ作動中のモータデータの測定を省 くことができる。それに伴い回路は著しく簡単化され回路コストが大幅に低減さ れる。作動中のモータデータの測定に伴うエラー要因も避けられるため、より精 度の高い信号が形成可能である。モータ温度の算出は専ら既存の信号、詳細には 電気モータの制御のためのパルス幅変調された信号からなされる。この場合モー タの作動パラメータ（例えば電流ないしは温度）に関する何らかの付加的な直接 の測定は必要とされない。 本発明のさらなる別の有利な実施例は従属請求項に記載される。 図面 次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。この場合図面は、 本発明の電気モータ式駆動装置のブロック回路図である。 実施例の説明 図１には電気式駆動装置のブロック回路図が示されている。この装置は直流モ ータ１０を含んでおり、これは例えば自動車のサーボモータとして作用する。こ の直流モータ１０は、出力段１２に接続されている。この出力段１２は、直流モ ータ１０をエネルギ源１４に接続させるスイッチング手段を有している。自動車 においてはこのエネルギ源は例えば車両バッテリである。切換段１２には制御信 号１６が供給される。この制御信号は制御回路１８から供給される。この制御回 路１８を用いて切換段１２のパルス幅変調方式の制御が行われ、それによって直 流モータ１０のクロック制御された作動が公知の形式で可能となる。 直流モータ１０の所定の使用中には、この直流モー タ１０によって可動な調節部材の調節経路における困難な問題ないしは障害物の 存在などにより機械的な熱的過負荷が生じ得る。そのため直流モータ１０の温度 監視は、過負荷信号の適時形成のために必要となる。このために前記制御回路１ ８には過負荷段２０が集積化されている。 直流モータ１０の温度の算出は、温度モデルに基づいて以下のように行われる 。 直流モータ１０の温度は公知のように、供給された電力と送出された出力に依 存している。これについては以下の式が成り立つ。 Ｐ_T＝Ｐ_zu−Ｐ_ab この場合前記Ｐ_Tは直流モータの温度出力、Ｐ_zuは供給された電力、Ｐ_abは送出 された出力である。送出される出力Ｐ_abは、直流モータの既知の構造のもとで、 例えば耐久テストなどに基づいて求められ、定数的に導入される。 供給された電力は以下の関係式から得られる。 Ｐ_zu＝Ｕ・Ｉ＝Ｕ²/Ｒ この場合前記Ｕは制御回路１８を介して設定されるパルス幅変調された電圧信号 １６、前記Ｉはモータ電流、前記Ｒはこのモータの電機子抵抗に相応する。この 抵抗Ｒは、温度依存性を無視して定数的に導入可能である。本発明によれば、直 流モータ１０の電機子抵抗Ｒは例えば−４０°〜＋８５°の温度範囲のもとで約 ５０％変動する。 直流モータ１０の温度を求めるにあたっては、２つの作動状況の間で区別する 必要がある。第１の作動状況（熱の出入りがある場合）では直流モータ１０の電 機子が稼動しており、そのため炭素ブラシを介して電機子の整流子の全周から熱 が放散される。第２の状況（熱の出入りがない場合）は直流モータの１０の電機 子が静止しているか又は極わずかだけ回転している場合に生じる。この場合は炭 素ブラシを介して整流子からの熱放散は著しく制限される。そのため電機子及び 炭素ブラシの迅速な加熱が行われ得る。 以下では制御回路１８のパルス幅変調された信号１６からの直流モータ１０の 温度の算出を説明する。この場合この温度は、モデル計算に基づいて求められる 。つまり温度センサ等を介した直接の温度測定は行わない。この温度の算出は所 定の時間間隔をおいて行われてもよい。その際には例えば目下の温度出力Ｐ_Tの 計算毎の時間間隔として、デジタルのパルス幅変調信号のタイムパターンが選択 されてもよい。例えばこのデジタル信号のオフからオン及び/又はオンからオフ への移行部の各エッジ毎に計算を実施してもよい。しかしながら有利には、この 計算は、各ｎ番目のエッジのみが考慮される時間間隔で実施される。この場合は フィルタを用いることによって、ｎ番目の考慮すべき値を求めることができる。 目下の出力Ｐ_momは、目下のデジタルパルス幅変調信号１６（ＰＷＭ_mom）の２ 乗から得られる。これは切換段１２へのパルス幅変調信号１６の目下の送出に相 応する。すなわち以下の関係が当てはまる。 Ｐ_mom＝ＰＷＭ_mom・ＰＷＭ_mom 直流モータ１０において回転数の上昇と共に生じる逆電圧は、この場合考慮さ れないのではなく、関連するパラメータ化によって考慮可能な比例係数として手 段に受入れられる。 引き続き、算出された出力Ｐ_momから、個々の直流モータ１０に依存する最大 許容出力Ｐ_grenzが減算される。それにより差分出力Ｐ_diffが以下のように得ら れる。 Ｐ_diff＝Ｐ_mom−Ｐ_grenz 目下の出力の算出に用いられる各時間間隔（ｎ番目の信号エッジ１６）毎に差 分出力Ｐ_diffが順方向積分される。この場合以下の式が成り立つ。 Ｐ_neu＝Ｐ_alt＋Ｐ_diff そのように順方向積分された出力Ｐ_neuが、直流モータに対して設定される警 戒出力Ｐ_warnに達した場合には、制御回路１８を介して、切換段１２に対してパ ルス幅変調される信号１６が次のように変更される。すなわち比較的僅かな出力 強化制御が行われるように変更される。これによって直流モータ１０の温度負荷 が低減される。差分出力Ｐ_diffのさらなる順方向積分に よって、設定可能な遮断閾値Ｐ_maxが達成される。この遮断閾値において直流モ ータ１０は遮断される。同時さらなる計算の実行のもとで設定可能な時間間隔毎 に積分値Ｐ_neuの低減が限界出力Ｐ_grenz周辺で線形に行われる。直流モータ１０ のスイッチオンは、積分値Ｐ_neuが定められた限界値Ｐ_minに達した場合に実施し 得る。パルス幅変調された信号１６を介した実際の直流モータ１０のスイッチオ ンと共に前述した経過に相応する出力Ｐ_neuに対する順方向積分が開始される。 実際の直流モータ１０とその具体的な使用条件に合わせて特徴付けられた継続 実行プログラムによって最大許容継続負荷がシミュレートされる。この場合例え ば外気温や空気中の湿度に関する最悪条件は、場合によっては強制空冷の考慮の もとで代表的な、すなわち平均的に見込まれる負荷モーメントと関連して考慮さ れる。最大許容継続負荷は、次のようにして求められる。すなわち外気温と場合 によっては空気湿度が最悪の見込値に設定されるように求められる。引き続き継 続稼動サイクル及び/又は負荷モーメントは、直流モータ１０が許容できるぎり ぎりの温度に達するまで段階的に高められる。既存の時定数に基づいて許容継続 負荷の算出に対しては、求められた許容値よりもごくわずかだけ下方にある値が 算出されなければならない。このようにして選択された負荷パラメータのもとで 直流モータ１０は継続負荷動作される。この場合安定し た条件は、直流モータ１０の熱的システム時定数の３倍〜５倍に相応する時間の 経過後に現われる。これらの条件に相応するパルス幅変調信号１６は、制御回路 １８によって求められ記憶されて後の温度検出の際に使用条件のもとで利用され る。 限界出力Ｐ_grenzは、積分値Ｐ_neuの時間的な引き上げから求められる。これは まずＰ_grenz＝０でもって算出され、それに伴って単調に引き上げられる。その ようにして求められた限界出力Ｐ_grenzの値の考慮は次のようなことに作用する 。すなわち直流モータ１０の最大許容負荷のもとで積分値Ｐ_neuが不変のまま維 持されることに作用する。警戒出力Ｐ_warnの決定は、遮断出力Ｐ_maxの下方で行 われる。 前述したような熱の出入りなしの場合（この場合には炭素ブラシを介した熱放 散が欠けるために極端な加熱が生じる）を考慮し得るために、目下の出力Ｐ_mom がフィルタ出力Ｐ_filterによってフイルタリングされる。このフィルタ出力はこ の場合以下の式によって得られる。 この場合前記Ｋは増幅係数、前記Ｔ_aはサンプリング時間、前記Ｔはタウ値（T au-wert）である。 フィルタ出力Ｐ_filterが警戒出力Ｐ_warn’を越えると、直流モータ１０の制御 に対して熱的負荷が僅かな制御ストラテジへの切換が行われる。遮断出力Ｐ_max ’を越えた場合には、直流モータ１０は遮断される。フィルタ出力Ｐ_filterは時 定数と共に最小出力Ｐ_min’に達するまで低減される。この時点でフィルタ出力 Ｐ_filterは一定に維持され、直流モータ１０は新たにスイッチオン可能となる。 フィルタの時定数は、直流モータ１０が最大限可能な負荷によってその作動温 度から臨界的な温度まで加熱されるようなオーダにある。パラメータ化は臨界的 温度と共に短時間の最大許容負荷の分析によって行われる。この短時間の負荷は 、時定数の約３倍の値に相応するオーダにある。最大許容負荷は例えば最も不利 とみなされる周辺温度のもとでの直流モータの最大負荷のもとでの加速によって なされてもよい。フィルタ出力Ｐ_filterは最初は遮断出力Ｐ_max’なしで実施さ れ、そのため最大負荷のもとに達したフィルタ出力Ｐ_filter最大値が求められる 。その後で遮断出力Ｐ_max’は前記到達した、フィルタ出力Ｐ_filterの最大値よ りも極く僅かだけ大きくなるように選択される。警戒出力Ｐ_warn’も遮断出力Ｐ_max ’よりも下方に選択される。 前述した２つの作動状況（すなわち熱の出入りのある場合と熱の出入りのない 場合）は、直流モータ１０の所定の使用のもとで組み合わせても行われる。その 限りでは前述のように求められた値の結合も必要となる。この場合は熱の出入り のあるケースでの警戒出力 Ｐ_warnと熱の出入りなしのケースでの警戒出力Ｐ_warn’とのＯＲ結合が行われる 。直流モータ１０の遮断も、熱の出入りのあるケースでの遮断出力Ｐ_maxと熱の 出入りなしのケースでの遮断出力Ｐ_max’とのＯＲ結合によって行われる。直流 モータ１０の再スイッチオンは、前述した２つのケースのもとで再投入が許容さ れる場合にのみ可能である。つまり熱の出入りありと熱の出入りなしの場合の各 最小出力Ｐ_minがＡＮＤ結合によって結合される。 それによって総体的にいえることは、過負荷段２０を備えた評価回路１８の簡 単な構成ないし設計仕様によって、直流モータ１０の制御のためのパルス幅変調 信号１６の制御が可能となることである。この場合の付加的な温度測定や電流測 定は必要とされない。過負荷段２０には初期温度のみが供給されるだけでよい。 これは直流モータ１０の最悪作動条件に相応する初期値の合成的なプリセッテイ ングであってもよい。さらに、その他の例えば車両に配設されている温度センサ などから供給された外気温を直流モータ１０の遮断時間に結合して初期値を生成 することも考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 出力段を介して制御可能な電気モータを備えた電気モータ式駆動装置であ って、 前記出力段には、マイクロプロセッサを有する制御回路が対応付けされており 、該制御回路を用いてパルス幅変調方式の出力段制御が行われ、前記制御回路は 過負荷段を含んでおり、該過負荷段は電気モータの温度から電気モータの過負荷 を検出する形式のものにおいて、 電気モータの温度が、制御回路（１８）のパルス幅変調信号（１６）から得ら れることを特徴とする電気モータ式駆動装置。 2. 前記パルス幅変調信号（１６）は、選択可能な時間間隔で評価される、請 求項１記載の電気モータ式駆動装置。 3. 前記パルス幅変調信号（１６）は、各ｎ番目のエッジでもって評価される 、請求項２記載の電気モータ式駆動装置。 4. 前記パルス幅変調信号（１６）から得られる目下の出力（Ｐ_mom）と装置 固有に定められた限界出力（Ｐ_grenz）とから生じる差分出力（Ｐ_diff）が、各 時間間隔毎に順方向積分される、請求項１〜３いずれか１項記載の電気モータ式 駆動装置。 5. 装置固有に定められた警戒出力（Ｐ_warn）に達 した場合に、電気モータ（１０）の制御のために、パルス幅変調信号（１６）の 順方向積分された出力（Ｐ_neu）による変更が行われる、請求項１〜４いずれか １項記載の電気モータ式駆動装置。 6. 装置固有に定められた遮断出力（Ｐ_max）に達した場合に、パルス幅変調 信号（１６）の順方向積分された出力（Ｐ_neu）によって電気モータ（１０）の 遮断が行われる、請求項１〜５いずれか１項記載の電気モータ式駆動装置。 7. 引き続き固定的な時間間隔の中で求められ順方向積分された出力（Ｐ_neu ）が装置固有に設定可能な出力（Ｐ_min）に達するかないしは下回った場合に、 電気モータ（１０）の再スイッチオンが行われる、請求項１〜６いずれか１項記 載の電気モータ式駆動装置。 8. パルス幅変調信号（１６）から得られる目下の出力（Ｐ_mom）がフィルタ 出力（Ｐ_filter）でフィルタリングされる、請求項１〜７いずれか１項記載の電 気モータ式駆動装置。 9. 装置固有に定められた警戒出力（Ｐ_warn’）に達した場合に、前記フィル タ出力（Ｐ_filter）によって、パルス幅変調信号（１６）が電気モータ（１０） の制御のために変更される、請求項８いずれか１項記載の電気モータ式駆動装置 。 10． 装置固有に定められた遮断出力（Ｐ_max’）に達した場合に、前記フィ ルタ出力（Ｐ_filter）によっ て、電気モータ（１０）が遮断される、請求項８又は９記載の電気モータ式駆動 装置。 11． 前記フィルタ出力（Ｐ_filter）が装置固有に設定された出力（Ｐ_min） まで低減している場合に、電気モータ（１０）の再スイッチオンが行われる、請 求項８〜１０いずれか１項記載の電気モータ式駆動装置。 12． 前記フィルタ出力（Ｐ_filter）は、装置固有に設定可能な時定数で低減 される、請求項１１記載の電気モータ式駆動装置。 13．警戒出力（Ｐ_warn）又は警戒出力（Ｐ_warn’）に達した場合に、パルス幅 変調信号（１６）の変更が行われる、請求項１〜１２いずれか１項記載の電気モ ータ式駆動装置。 14． 遮断出力（Ｐ_max）又は遮断出力（Ｐ_max’）に達した場合に、電気モー タ（１０）の遮断が行われる、請求項１〜１３いずれか１項記載の電気モータ式 駆動装置。 15． 出力（Ｐmin）又は出力（Ｐmin’）に達した場合に、電気モータ（１０ ）の再スイッチオンが行われる、請求項１〜１４いずれか１項記載の電気モータ 式駆動装置。