JP2003506002A - トルクの不規則性を低減するために電子的に整流される直流モータを備えた電気的ドライブ装置 - Google Patents

トルクの不規則性を低減するために電子的に整流される直流モータを備えた電気的ドライブ装置

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JP2003506002A
JP2003506002A JP2001510971A JP2001510971A JP2003506002A JP 2003506002 A JP2003506002 A JP 2003506002A JP 2001510971 A JP2001510971 A JP 2001510971A JP 2001510971 A JP2001510971 A JP 2001510971A JP 2003506002 A JP2003506002 A JP 2003506002A
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control
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JP2001510971A
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ラインホルド エルフェリッヒ
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Koninklijke Philips NV
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Philips Electronics NV
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P6/08Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Rotational Drive Of Disk (AREA)

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電子整流子3を有する制御回路を持つ直流モータ2を備えた電気的ドライブ装置に関する。本発明は、この装置が、測定装置により検出される実測誘導モータ電圧E_sampleと、直流モータの速度を調整するために用いられる基準値V_I_avとから生じる調節信号V_i_refに関して規定することを特徴としている。本発明は、また、導き出された調節信号V_i_refが、モータ電流ia,ib,icにより調節される直流モータ2について、実質的に一定のトルクを生成するために用いられることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子整流子を有する制御回路を持つ直流モータを備えた電気的ドラ
イブ装置に係り、特に、永久磁気的に(permanent-magnetically)励起される空
気芯コイルモータを備えた電気的ドライブ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子的に整流され、永久磁気的に励起される、低インダクタンスの小型直流モ
ータ(例えば、空気芯コイルモータ)は、静かに実行させることに関して高い要
求を満足させる。この特性は、コンピュータドライブユニットにおけるスピンド
ルドライブに関してますます重要になっている。これは、達成可能な記録密度が
増大するからである。スピンドルドライブでは、空気芯コイルモータは、支障を
及ぼす回転止めトルク及び半径方向力を生じないため特に適している。
【0003】 既知のスピンドルドライブには、スロット付きコアの鉄製アーマチュアが専ら
取り付けられている。例えば、米国特許第5,714,828号公報に記載され
ているように、内部回転子を有する空気芯コイルモータ(フォイルモータ)を備
えたハードディスクドライブに関して提案がなされている。ハードディスクドラ
イブ用モータの電子整流(commutation)の分野における新しい開発は、「相電
流整形」である。相電流の特定(例えば、おおよそ正弦波)の勾配を実現する目
的で、上記公報では3つの別個の位相において相電流が変調される。この場合に
は、通常、モータ電圧はパルス幅変調(PWM)される。さもなければ、スイッ
チング損失が非常に大きくなってしまうからである。PWMのデューティサイク
ルは、制御変数の役割を果たす。この方法は、基本的には、フェーズロックルー
プ(PLL)がサポートしている整流の制御を必要とする。これは、誘導電圧の
ゼロ通過を認識することが難しいからである。また、このような相電流整形は、
調節せずに(例えば、フォイル巻線を備えた)空気芯コイルモータに伝送するこ
とが不可能である。空気芯コイルモータは、鉄製アーマチュアタイプと比較して
かなり小さい(すなわち、約1/10の)電気的時定数を有しており、それに応
じてより高いPWMのパルス周波数を必要とする。これは、別途費用によっての
み実現され得る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
欧州特許第0773624号公報には、好ましくはセンサレスの整流(EMF
整流)によって通常の120度の方形波整流を保持する一方で、中間回路におい
てのみ電流を調節することによりトルクリップルを低減する他の方法が記載され
ている。この公報では、各整流モーメントの後にモータ電圧が上昇し、幾分より
均一な中間回路電流がもたらされると共に、動作及びインダクタンスにより生じ
るスイッチング後のトルクのトラブルが回避される。このための信号は、RC素
子の放電プロセスから得られる。トルクリップルは、確かにこのようにして低減
され得るが、電流と磁束鎖交変化との積が常に一定に保たれるべきであるので、
ある程度までしか低減されない。しかしながら、これは、電流の連続的な追従を
必要とする。この方法は、非常に小さな電気的時定数を有するモータに関してあ
まり適切ではない。
【0005】 本発明の目的は、空気芯コイルを有する永久磁気的に励起されるモータの、整
流に依存するトルクの変動を低減することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、制御信号が、測定装置により検出される誘導モータ電圧と、
直流モータの速度を調整する役割を果たす基準値とから導き出され、モータ電流
(ia,ib,ic)を調節することにより、導き出された制御信号が直流モー
タの実質的に一定のトルクをもたらす役割を果たすことにより、上記目的が達成
される。このモータ制御は、低インダクタンスの小型直流モータの、整流に依存
するトルクリップルを低減する。このために、ゼロ通過検出を伴う120度の方
形波の整流が保持され、中間回路電流のみが変調される。その結果、相電流の調
節が省略され、センサレスの整流(EMF整流)など通常の整流方法が用いられ
得る。このために必要な信号は、簡単な方法で誘導電圧から得られる。そのため
、他の方法と比較して明らかに回路の費用が低減する。
【0007】 請求項2記載のような態様では、モータトルクが一定であるモータ電流の基準
値の決定が簡単に行われることを可能にする。請求項3記載の態様では、モータ
の速度が一定ではない場合であっても、モータトルクが一定であるモータ電流に
関する基準値の決定が簡単に行われることを可能にする。
【0008】 請求項4の態様では、制御信号を用いて、軸方向の制御部及び制御素子により
中間回路電流を簡単に調節することを可能にする。
【0009】 請求項5の態様では、整流子に帰属するインバータが制御ユニットによって直
接制御されるために、制御素子が省略され得る。
【0010】 本発明は、複数の図面を参照して以下により詳細に説明されるであろう。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1のブロック図は、ドライブ全体を表している。このドライブは、インバー
タ1、直流モータ2、EMF整流子3、基準信号を得るブロック4、及び調整ス
テップによって中間回路電流の基準値に変換するブロック5を有している。EM
F整流子3は、方形波モードにおいて120゜の位相シフトを伴い、またゼロ通
過検出を伴って動作する。ここで、EMF(electro-motive-forceの略称)はセ
ンサレスの整流を意味する。このEMF整流子3は、3つの位相Ea,Eb,E
cの各々電流が流れていない状態における誘導モータ電圧を測定する。しかしな
がら、低インダクタンスのモータ2、特に空気芯コイルモータの場合には、EM
F整流子3の単独使用はトルクリップルの問題を招いてしまう。このことが、新
しい回路を有するブロック4が追加される理由である。
【0012】 図2は、基準値を形成するブロック4の構成を詳細に表すものである。ブロッ
クの入力量は、図4bに示した整流信号V_FG及び図4aに示した測定された
誘導電圧E−sampleである。図4a及び図4bにおいて、φはモータ2の
電気的な回転角度を意味する。これら2つの入力量は、EMF整流子により与え
られる。また、制御回路(図示せず)によって制御信号V_i_avが供給され
、この制御信号により、モータ2の回転速度が設定され得る。
【0013】 信号V_i_avは、より高いオーダーの速度制御において生じる時間に関し
て平均されたモータ電流値に関する基準値である。2つの信号V_FG,E−s
ampleはいずれにしてもEMF整流子3において入手可能であるので、モー
タ2のトルクリップルを最小化するためには、ただ1つの新しい追加のブロック
4があればよい。図2に示したように、瞬間モータ電流に関する基準値がブロッ
ク4において得られ、ブロック4では、まずE−sampleが1整流サイクル
おきに反転され、そののち、生成された信号E−sample2が積分され、信
号dFluxとなる。信号E−sample2から存在し得る直流成分をフィル
タアウトするために、図2に示したように、反転ステップと積分ステップとの間
にフィルタが接続されていてもよい。図4dには、dFluxの勾配が示されて
いる。信号dFluxは、ブロック6に伝えられる。ブロック6の動作について
は後述する。
【0014】 モータ電流の瞬時値に関する基準値V_i_refは、一定のモータトルクを
もたらし、図3aに示した関係により信号dFluxから得ることができる。図
4eの信号Fluxは、1+c1dFluxの関係により得られる。このため
、信号Fluxの最大値と最小値との比が、整流された誘導電圧の最大値と最小
値との比に対応する結果となるように、標準化信号c1が設定されている。理想
的な3相モータの場合には、この比は、係数
【数1】 と等しい。
【0015】 実際には、図3aの関係は、図3bに示したような回路6により、以下に述べ
る非常に簡単な方法でおおよその評価をすることができる。すなわち、信号dF
luxが、設定されるべき定数の係数c2によって増幅された後、モータ電流の
瞬間平均値に関する基準信号V_i_avから差し引かれることにより行われる
。ここでは、この基準信号は一定であるとみなされるべきである。これは、例え
ば一定の速度で動作するハードディスクユニット用のドライブなどの狭い範囲の
速度のみをカバーする必要のあるモータ2に対して十分満足に機能する。ここで
は、回転速度が係数c1と同様に一定であるため、基準信号V_i_avが一定
であるからである。図4gには、このようにしてもたらされる信号V_i_re
fが示されている。可変速度で動作するドライブの場合には、係数c1を瞬間回
転速度に合わせて変えなければならないが、これは、速度に依存する信号V_F
Gを用いる数値演算ユニットにより実現可能となる。
【0016】 図2及び図3において説明したアルゴリズムは、アナログ信号処理ユニット又
はデジタル信号処理ユニットにより実現され得る。
【0017】 信号V_i_refは、目標値と制御要素5による次の制御動作に応じた実際
の値とを比較することにより調整され得る中間回路制御部8の電流i_dcに関
する制御量である。これは、例えば軸方向の制御部8により実現され得る。中間
回路電流i_dcは、インバータ1によって3相に整流される。
【0018】 一方、制御部8の出力は、図1に破線で示したように、インバータトランジス
タ1のためのジョイント調節動作に関する制御量として利用されてもよい。この
場合には、供給電圧v_batと中間回路電圧v_dcとが等しい。これは、本
実施態様では制御要素5が存在しないからである。これに対して、インバータ1
の制御部は、整流を行うだけではなく、トルクリップルの制御も行わなければな
らず、そのために1つの電気回路7において2つの処理の連係が必要であるので
、ここではより複雑である。図4hは、例として、最少のトルクリップルでの位
相Eaにおけるモータ電流iaを表している。このとき、他のモータ電流はそれ
ぞれ120度の位相シフトを持つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電気的ドライブ装置の回路を表すブロック図である
【図2】 ブロック4におけるモータ電流に関する基準値の決定の機構を詳
細に表す図である。
【図3a】 ブロック6において行われる信号処理の原理を表す図である。
【図3b】 ブロック6において行われる信号処理の実際の方法を表す図で
ある。
【図4a】 モータ制御における信号の勾配を表す図である。
【図4b】 モータ制御における信号の勾配を表す他の図である。
【図4c】 モータ制御における信号の勾配を表す更に他の図である。
【図4d】 モータ制御における信号の勾配を表す更に他の図である。
【図4e】 モータ制御における信号の勾配を表す更に他の図である。
【図4f】 モータ制御における信号の勾配を表す更に他の図である。
【図4g】 モータ制御における信号の勾配を表す更に他の図である。
【図4h】 モータ制御における信号の勾配を表す更に他の図である。
【符号の説明】
1…インバータ、2…直流モータ、3…EMF整流子、4,5,6…ブロック、
7…電気回路、8…制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5D109 KA20 5H560 AA04 BB04 BB07 BB12 DC13 EB01 EC02 GG04 RR01 SS02 TT11 TT15 UA02 XA01 XA11

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子整流子を有する制御回路を持つ直流モータを備えた電気
    的ドライブ装置であって、 制御信号が、測定装置により検出される誘導モータ電圧と、前記直流モータの
    速度を調整する役割を果たす基準値とから導き出され、モータ電流を調節するこ
    とにより、導き出された前記制御信号が前記直流モータの実質的に一定のトルク
    をもたらす役割を果たす電気的ドライブ装置。
  2. 【請求項2】 前記整流子の測定された前記誘導電圧が1整流サイクルおき
    に反転され、次いで、積分されることにより信号が導き出され、更に、この信号
    が増幅され、前記基準値から差し引かれたのち、前記制御信号として利用可能で
    あることを特徴とする請求項1記載の電気的ドライブ装置。
  3. 【請求項3】 前記整流子の測定された前記誘導電圧が1整流サイクルおき
    において反転され、次いで、積分されることにより信号が導き出され、この信号
    に係数を乗算し、1を加算することにより他の信号が生じ、前記他の信号により
    前記基準値を除算する結果として前記制御信号が得られ、 前記係数は、前記他の信号の最小値と最大値との比が整流された前記誘導電圧
    の最小値と最大値との比に対応するように、数値演算ユニットにより利用される ことを特徴とする請求項1記載の電気的ドライブ装置。
  4. 【請求項4】 前記導き出された制御信号が制御器をトリガするために与え
    られ、前記制御器が制御素子により中間回路電流を制御するために与えられてい
    ることを特徴とする請求項1記載の電気的ドライブ装置。
  5. 【請求項5】 前記導き出された制御信号が、前記整流子に帰属するインバ
    ータに関して制御動作を行う制御器をトリガするために与えられることを特徴と
    する請求項1記載の電気的ドライブ装置。
JP2001510971A 1999-07-20 2000-07-17 トルクの不規則性を低減するために電子的に整流される直流モータを備えた電気的ドライブ装置 Withdrawn JP2003506002A (ja)

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DE19933156.1 1999-07-20
PCT/EP2000/006809 WO2001006633A1 (de) 1999-07-20 2000-07-17 Elektrische antriebsanordnung mit einem elektronisch kommutierten gleichstrommotor zur verminderung der drehmomentwelligkeit

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EP (1) EP1112614A1 (ja)
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