JP2007166892A - 電気機械の回転速度の決定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電動機の回転速度制御の精度を改善し、同時に回転速度変動を低減させる、直流電動機の回転速度（ω）の決定方法を提供する。
【解決手段】遮断位相（５）において測定されたアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）から回転速度（ω）が決定される、ＰＷＭ運転で操作される電気機械（１）、特に直流電動機の回転速度の決定方法において、電気機械（１）が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ位相（ＰＷＭ）と、電気機械（１）が遮断され且つアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）が測定される測定位相（Ｍ）と、を有する制御信号（６′）により、電気機械（１）が操作される。回転速度（ω）は測定位相（Ｍ）内において測定され且つＰＷＭ位相（ＰＷＭ）内においてはモデルに基づいて計算される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械、特に直流電動機の回転速度の決定方法および対応の装置に関するものである。

例えば、自動車ブレーキ装置内の油圧ポンプのためのポンプ駆動装置として使用されるような直流電動機は、その運転において直流電動機が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ運転（ＰＷＭ：パルス幅変調）で操作されることが多い。デューティ・レシオの適切な選択により、モータの回転速度が希望どおりに設定ないしは制御可能である。この場合、デューティ・レシオ（投入時間／周期長さＴにより定義される）は、直流電動機の回転速度を決定し且つ基本的に０％（完全に遮断されている）と１００％（連続的に投入されている）との間で選択可能である。

図１は直流電動機１の典型的な回転速度制御装置を示す。この装置は、制御されるべき直流電動機１と、それに接続されている、切換最終段を有する電子装置２と、電子装置２に接続されている制御装置（ＥＣＵ）３とを含む。直流電動機１にかかっている端子電圧はＵ_ｋで表わされ、モータ内を流れる電流はＩ_ｍｏｔで表わされる。

制御装置３は、制御偏差の関数としてＰＷＭ信号６（図２参照）を発生する制御アルゴリズム（制御手段）７を含み、ＰＷＭ信号６により、電子装置２の切換最終段は周期的に投入且つ遮断される。制御手段７は、通常、ＰＷＭ信号６の基本周波数より高い基本周波数で作動する。

図２は、直流電動機（モータ）１を操作するための典型的なＰＷＭ信号６を示す。投入位相４の間においては切換最終段のスイッチは閉鎖され、遮断位相５の間においては開放されている。これにより、直流電動機１は、デューティ・レシオに対応して周期的に供給電圧Ｕ_ｂａｔｔと結合され、ないしは供給電圧Ｕ_ｂａｔｔから切り離される。したがって、個々の位相の期間はｔ_ｅｉｎないしはｔ_ａｕｓで表わされている。デューティ・レシオは、Ｖ＝ｔ_ｅｉｎ／Ｔとして得られる（但し、Ｔは基本周期）。

入力変数として制御アルゴリズム７に入力される、直流電動機１の現在の実際回転速度ωは、通常、いわゆるアフタ・ランニング電圧から計算される。この場合、アフタ・ランニング電圧は、ＰＷＭ信号の遮断位相５において測定される、直流電動機１の発電端子電圧Ｕ_ｋである。回転速度ωに対して、ω＝ｆ（Ｕ_ｋ）が成立する。ポンプ・モータのアフタ・ランニング電圧からの回転速度の決定は、例えばドイツ特許公開第１９９１４４０４号から既知である。

実際回転速度ωは、その位相内において直流電動機１が発電電圧Ｕ_ｋを発生する遮断位相５の間に（間接的に）測定可能である。これに対して、投入位相４の間においては、回転速度の測定は可能ではない。制御アルゴリズム７は、一般に、より高い基本周波数で作動し且つ投入位相４の間においても回転速度値を必要とするので、この位相４において回転速度が評価される。このために、遮断位相５において、例えば平均回転速度が計算され且つこの回転速度が投入位相４においても通用するものと仮定される。しかしながら、直流電動機１は、投入位相４において著しく加速され且つ遮断位相５の間においては負荷および機械摩擦により制動されるので、既知の評価方法は比較的不正確である。これにより、回転速度制御の精度は著しく低下される。

従来のＰＷＭ運転の他の問題点は、約５０Ｈｚの比較的低い周波数のＰＷＭ信号が使用されることから発生する。長い投入および遮断位相４、５のために、直流電動機１の回転速度ωは目標値の周りで比較的大きく変動する。例えば、２０％の小さいデューティ・レシオの場合には、短い投入位相４および比較的長い遮断位相５のために回転速度変動はきわめて大きくなる。このことは、一方で、直流電動機１により駆動される装置に対して負の影響を与えることになる。

したがって、直流電動機の回転速度制御の精度を改善し、且つ同時に回転速度変動を低減させることが本発明の課題である。

本発明によれば、遮断位相において測定されたアフタ・ランニング電圧から回転速度が決定される、ＰＷＭ運転で操作される電気機械、特に直流電動機の回転速度の決定方法において、電気機械が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ位相と、電気機械が遮断され且つアフタ・ランニング電圧が測定される測定位相と、を有する制御信号により、電気機械が操作される。

また本発明によれば、ＰＷＭ運転で操作される電気機械、特に直流電動機の回転速度の決定装置は、アフタ・ランニング電圧を測定するための電圧センサと、測定されたアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）から回転速度（ω）を決定するための電子装置（２、３）とを含む。電気機械は、電気機械が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ位相と、電気機械が発電運転に切り換えられ且つアフタ・ランニング電圧が測定される測定位相と、を有する制御信号により、操作される。

本発明の本質的な観点は、電気機械を、連続的なＰＷＭ信号で操作する代りに、ＰＷＭ位相および測定位相を交互に有する制御信号で操作することにある。ＰＷＭ位相においては、電気機械が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断され、測定位相においては、連続的に遮断される。この場合、ＰＷＭ位相および測定位相は交互に切り換わる。これは、ＰＷＭ位相の基本周波数を、電気機械が目標回転速度の周りにきわめて僅か変動するにすぎないように高く選択可能であるという本質的な利点を有している。ＰＷＭ位相の基本周波数は、ｋＨｚの範囲内に、ないしは基本周期がμｓ（マイクロ秒）の範囲内にあることが好ましい。しかしながら、この高い基本周波数はＰＷＭ信号の遮断時間の間に回転速度測定が実行可能ではないという問題点をもたらし、その理由は、この期間が一般に、測定のためには短すぎるからである。したがって、規則的間隔で上記の測定位相が挿入され、この測定位相内において電気機械は遮断され且つ回転速度測定が実行可能である。この場合、測定位相は、アフタ・ランニング電圧が１回または複数回走査可能なように選択されている。

測定位相の期間は数ｍｓ（ミリ秒）の値であることが好ましい。これに対して、ＰＷＭ位相の間における基本周期の長さはμｓ（マイクロ秒）の範囲内にあることが好ましい。
全ＰＷＭ位相の期間は、合計で、測定位相の期間よりも本質的に長いことが好ましい。この比率は少なくとも５：１、特に約１０：１の値であることが好ましい。この比率が高ければ高いほどそれだけ、直流電動機に、より多くの電気エネルギーを伝達可能である。全ＰＷＭ位相の期間は、１０−１００ｍｓの間の値、特に約５０ｍｓの値であることが好ましい。

回転速度制御装置は、ＰＷＭ位相の間において常に新たな回転速度実際値を必要とするが、この回転速度実際値は測定可能ではないので、ＰＷＭ位相内における回転速度値を数学モデルにより計算することが提案される。このために、他の変数から回転速度変化が決定され且つ実際回転速度が初期値および回転速度変化から評価されることが好ましい。回転速度変化は、供給電圧Ｕ_ｂａｔｔおよび直流電動機に作用する負荷の関数であることが好ましい。

回転速度変化ω^・は、次の方程式により計算されることが好ましい。

ここで、電圧Ｕ_ｋはＵ_ｋ＝ＰＷＭ Ｕ_ｂａｔｔである。負荷トルクＭ_ｌａｓｔは、例えば種々の他のセンサ変数から決定されてもよい。摩擦トルクＭ_ｒｅｉｂは、モータ定数ｋ、オーム抵抗Ｒおよび質量慣性モーメントＪと同様に既知である。

実際回転速度の計算は、対応のアルゴリズムを含む制御装置において実行されることが好ましい。このとき、回転速度制御装置は、評価値からそれぞれ新たなデューティ・レシオを計算する。

以下に本発明を添付図面により例として詳細に説明する。

図１および図２の説明に関しては明細書の冒頭部分が参照される。
図３は、修正ＰＷＭ信号６′を示し、修正ＰＷＭ信号６′により、図１の直流電動機１ないしは関連の切換最終段２が操作される。

修正ＰＷＭ信号６′は、直流電動機１が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ位相ＰＷＭと、直流電動機１が遮断され、ないしは発電運転に切り換えられている測定位相Ｍとを含む。この場合、ＰＷＭ位相ＰＷＭおよび測定位相Ｍは、交互に切り換わる。

測定位相Ｍの間において、直流電動機１の回転速度（ないしは電気角周波数）は発電端子電圧Ｕ_ｋを介して間接的に測定される。このために、対応の電圧センサが（ブロック２内に）設けられている。ＰＷＭ位相ＰＷＭにおいて、回転速度ωはモデルに基づいて計算され且つ制御手段７に入力変数として供給される。（この場合、実際回転速度の計算は、電子装置２または制御装置３により実行されてもよい。）
ＰＷＭ位相ＰＷＭの間における基本周波数は、例えば２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚの間の値であってもよく、したがって、図２の信号においてよりも約１０００倍高くなっている。ＰＷＭ位相ＰＷＭの全期間は、例えば１０ｍｓ−５０ｍｓの間の値である。これに対して、測定位相Ｍは、例えば２または３ｍｓのような数ｍｓの間持続するにすぎない。この場合、ＰＷＭ位相ＰＷＭの全期間は、測定位相Ｍの期間よりも約１０倍長い。したがって、直流電動機１に十分な量の電気エネルギーを伝達可能である。

回転速度の計算は、周期的に（例えば、５ｍｓごとに）ｔ_１−ｔ_４の時点に実行される。このとき、制御アルゴリズム７は、評価値からそれぞれＰＷＭ信号に対する新たなデューティ・レシオを決定する。

実際回転速度ωは、ここでは、初期値ω_０および回転速度変化から評価される。回転速度変化ω^・に対しては次式が成立する。

有限時間間隔Δｔに対して、次の差分方程式が得られる。

したがって、評価実際回転速度ω_ｉは次式により帰納的に得られる。

ここで、ω_ｉ−１は初期値であり、Δωは、それに続く制御サイクル［ｔ_ｉ−１、ｔ_ｉ］の間における回転速度の変化である。
図４は、測定回転速度８および評価回転速度９を時間ｔに対して示している。図から理解されるように、評価はきわめて良好に実際回転速度８と一致している。測定点１０において、評価回転速度９は測定回転速度８により置き換えられ、且つそれに続くＰＷＭ位相において回転速度の計算が新たに初期化される。即ち、次のＰＷＭ位相においては、計算は最後に測定された回転速度値ωからスタートする。

回転速度変化ω^・に対する上記の方程式は、図５の等価回路図を考慮して簡単に導くことができる。図５において、Ｕ_ｒは、電機子抵抗Ｒにおいて降下する電圧を表わし、この場合、Ｕ_ｒ＝ＩＲである。Ｕ_ｉｎｄは、電機子インダクタンスＬにおいて誘導された電圧を表わし、この場合、Ｕ_ｉｎｄ＝Ｌｄｉ／ｄｔが成立する。Ｕ_ｇｅｎは発電電圧であり、発電電圧はモータ定数ｋおよびモータの角周波数ωの関数である。この場合、Ｕ_ｇｅｎ＝ｋωが成立する。

電気機械の端子電圧Ｕ_ｋに対して、次式が成立する。

機械的モーメント釣合いは、次のとおりである。

この場合、Ｍ_ｒｅｉｂは摩擦トルクであり、Ｍ_ｌａｓｔは負荷トルクであり、Ｊは質量慣性モーメントである。方程式（１）をｋ／Ｒによって拡張することにより、次式が得られる。

方程式（２）および（３）から、次式が得られる。

方程式（４）の変換により、次式が得られる。

回転速度制御を有する直流電動機の略図である。 従来技術による典型的なＰＷＭ信号線図である。 本発明の一実施形態による修正ＰＷＭ信号線図である。 評価回転速度および測定回転速度の時間線図である。 電動機の略等価回路図である。

符号の説明

１ 電気機械（直流電動機）
２ 電子装置（切換最終段）
３ 制御装置
４ 投入位相
５ 遮断位相
６ ＰＷＭ信号
６′ 修正ＰＷＭ信号（制御信号）
７ 制御アルゴリズム（制御器）
８ 測定回転速度（実際回転速度）
９ 評価回転速度
１０ 測定点
Ｉ_ｍｏｔ モータ電流
Ｌ 電機子インダクタンス
Ｍ 測定位相
ＰＷＭ ＰＷＭ位相
Ｒ 電機子抵抗
Ｔ、Ｔ′ 基本周期
ｔ 時間
ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４ 時点
ｔ_ａｕｓ 遮断位相期間
ｔ_ｅｉｎ 投入位相期間
Ｕ_ｂａｔｔ 供給電圧
Ｕ_ｇｅｎ 発電電圧
Ｕ_ｉｎｄ 電機子インダクタンス誘導電圧
Ｕ_ｋ アフタ・ランニング電圧
Ｕ_ｒ 電機子抵抗降下電圧
ω 回転速度（角周波数）

Claims (10)

1. 遮断位相（５）において測定されたアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）から回転速度（ω）が決定される、ＰＷＭ運転で操作される電気機械（１）、特に直流電動機の回転速度の決定方法において、
   電気機械（１）が、電気機械（１）が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ位相（ＰＷＭ）と、電気機械（１）が遮断され且つアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）が測定される測定位相（Ｍ）と、を有する制御信号（６′）により、操作されること、
   を特徴とする電気機械の回転速度の決定方法。
2. 測定位相（Ｍ）の期間が、ＰＷＭ位相（ＰＷＭ）内における制御信号（６′）の基本周期（Ｔ′）より大きいことを特徴とする請求項１に記載の決定方法。
3. 測定位相（Ｍ）の期間が、ｍｓ（ミリ秒）の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の決定方法。
4. ＰＷＭ位相（ＰＷＭ）内における制御信号（６′）の基本周期（Ｔ′）の長さがμｓ（マイクロ秒）の範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の決定方法。
5. 測定位相（Ｍ）の期間が、１ｍｓ（ミリ秒）と５ｍｓ（ミリ秒）の間の値であることを特徴とする請求項３に記載の決定方法。
6. ＰＷＭ位相（ＰＷＭ）の期間が、１０ｍｓ（ミリ秒）−１００ｍｓ（ミリ秒）の間の値であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の決定方法。
7. ＰＷＭ位相（ＰＷＭ）の期間が、測定位相（Ｍ）の期間より実質的に長いことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の決定方法。
8. ＰＷＭ位相（ＰＷＭ）内における回転速度（ω）が、数学モデルにより評価されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の決定方法。
9. ＰＷＭ位相（ＰＷＭ）内における回転速度（ω）が、帰納的関数
   

   

   により決定されることを特徴とする請求項８に記載の決定方法。
10. アフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）を測定するための電圧センサ（２）と、測定されたアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）から回転速度（ω）を決定するための電子装置（２、３）とを含む、ＰＷＭ運転で操作される電気機械（１）、特に直流電動機の回転速度（ω）の決定装置において、
    電気機械（１）が、電気機械（１）が所定のデューティ・レシオで周期的に投入且つ遮断されるＰＷＭ位相（ＰＷＭ）と、電気機械（１）が発電運転に切り換えられ且つアフタ・ランニング電圧（Ｕ_ｋ）が測定される測定位相（Ｍ）と、を有する制御信号（６′）により、操作されること、
    を特徴とする電気機械の回転速度の決定装置。

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