JP2008538492A - 電動機用電流供給装置および電動機の駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば車両のアクチュエータのためのノーマル動作モードおよび／または非常動作モードで駆動可能な電動機に対する、電動機用電流供給装置および電動機の駆動方法に関する。本発明によれば、ノーマル動作モードで電動機に３相電流が供給され、非常動作モード、例えばエラー状況で電動機に直流電流が供給される。

Description

本発明は、例えば車両のアクチュエータのためのノーマル動作モードおよび／または非常動作モードで駆動可能な電動機に対する、電動機用電流供給装置および電動機の駆動方法に関する。

車両の調整可能要素はアクチュエータを介して所定の位置へ運動され、システムの制御および／またはシステム状態の形成が行われることが公知である。例えば内燃機関のカムシャフトはカムシャフト調節装置によって、燃料噴射装置の噴射弁は噴射弁調節装置によって制御される。このような車両アクチュエータは、周知のように、電動機（サーボモータ）、例えば３相交流電動機（３相交流同期電動機または３相交流非同期電動機）を介して、要素の運動に作用する。

３相交流非同期電動機（以下では非同期機と略する）は３相電流によって駆動される電動機である。電気的に見ると、非同期機は、２次巻線（回転子）が回転可能に支承された短絡型３相電流トランスである。固定子巻線に印加される駆動電圧により、非同期機の内部には回転磁界が形成され、この回転磁界が短絡された内部巻線（電機子）に電流を誘導する。この電流はさらに回転子の周囲に磁界を形成する。２つの磁界が交番的に作用し、最終的にトルクが形成される。

３相交流同期電動機（以下では同期機と略する）も同様に３相電流によって駆動される電動機である。同期機は回転磁界を形成する巻線を外側に有する。回転子は磁界形成のために永久磁石または励磁巻線を担持している。励磁された回転子は追従して同期機に回転磁界を形成する。同期機は非同期機とは異なり、回転子に電圧が誘導されないので、スリップが生じない。したがって剛性の電源網で駆動される際には一定の回転数を維持することができる。

こんにちのアクチュエータでは電動機はたいてい電子制御装置を用いて電子的に駆動制御されている。ここで制御すべき電動機および／または運動すべきアクチュエータによって制御されるシステムの駆動状態すなわちシステム状態が監視される。監視される駆動状態が設定される限界範囲内にある場合には、システムはノーマルステータスと称される状態で作業していることになる。

ここで、ノーマルステータスの限界範囲を外れる駆動状態、例えばシステムエラー状態（これを以下にシステムエラーと略する）が検出されると、制御装置は一般に、制御すべきシステムの損傷を回避するために非常動作モードでの制御を行う。

このような非常動作モードでは例えばアクチュエータによって運動される要素が安全位置すなわちフェイルセーフ位置へ移動される。この場合、例えば車両内燃機関のカムシャフトについて、エラーが発生すると電動機がコントローラから分離され、カムシャフトが維持すべき移動速度でフェイルセーフ位置へ移動され、内燃機関が少なくとも非常動作特性で駆動されるという電子制御が公知である。

フェイルセーフ位置への移動は例えばアクチュエータの戻しばねによって行われる。ただし戻しばねにはアクチュエータシステムの寸法を大きくするという欠点がある。また、電動機のノーマル動作モードにおいて、高い負荷が生じたり作業コストがかさんだりするため、ばね力の使用は回避すべきである。

また、フェイルセーフ位置への移動は例えば並列接続された第２の電動機によって行うこともできる。ただしこれは技術コストおよび費用が大きくなるという欠点を有する。

さらに、フェイルセーフ位置への移動は例えば電動機を短絡して制動することによって行うこともできる。こうした制動方式は電動機の誘電電圧に基づいているため、制動力は回転数に依存する。回転数が小さいと、アクチュエータをそもそもフェイルセーフ位置へ移動できず、もちろんアクチュエータをフェイルセーフ位置に保持する制動トルクも得られない。本出願人は、上述したフェイルセーフ位置を達成することによるセーフティコンセプトを対象とする出願を本願発明から分割して提出している。

したがって本発明の課題は、電動機の駆動の非常動作コンセプトまたはフェイルセーフ位置への移動を簡単確実かつ低コストに実現できるようにすることである。

この課題は、独立請求項の特徴部分に記載された構成を有するノーマル動作モードおよび／または非常動作モードで駆動可能な電動機に対する電動機用電流供給装置および電動機の駆動方法により解決される。

例えば車両のアクチュエータのためのノーマル動作モードおよび／または非常動作モードで駆動可能な電動機に対する、本発明の電動機用電流供給装置には、ノーマル動作モードで電動機に３相電流を供給する電流供給ユニットと、非常動作モードで電動機に直流電流を供給する非常動作電流供給ユニットとが設けられている。

また、例えば車両のアクチュエータのためのノーマル動作モードおよび／または非常動作モードで駆動可能な電動機に対する、本発明の電動機の駆動方法では、ノーマル動作モードで電動機に３相電流が供給され、非常動作モード、例えばエラー状況で電動機に直流電流が供給される。

本発明の有利な実施形態および実施態様は従属請求項の対象となっている。つまり従属請求項は、ノーマル動作モードおよび／または非常動作モードで駆動可能な電動機に対する本発明の電動機用電流供給装置と本発明の電動機の駆動方法とに関連する。

ここで説明するユニットおよび／または装置は、もちろん物理的なユニット、装置および／またはハードウェアとして実現できるが、純粋に機能的な仮想のユニット、装置および／またはソフトウェアとして実現することもできることに注意されたい。

電動機、特に３相交流電動機（３相交流非同期機または３相交流同期機）に対する電流供給ユニットは、有利には、ノーマル動作モードにおいて電動機のステータに３相電流を供給するように構成されている。

電動機に対する非常動作電流供給ユニットは、有利には、非常動作モードにおいて電動機のステータ、例えばステータの少なくとも２つまたは３つの相に直流電流を供給するように構成されている。このとき、直流電流を供給されるステータは、非常動作モード中、非回転磁界および／または静止磁界を形成する。

非回転磁界および／または静止磁界により例えば電動機のロータを制動するかまたは設定位置に保持する制動トルクが形成され、電動機のロータが回転数から独立して制動されるかおよび／または静止状態へ制動される。

特に有利には、電動機の制動時に車両アクチュエータが安全位置、例えば非常動作位置またはフェイルセーフ位置へ移動される。したがって制動トルクひいては移動速度はその時点の相に流れる電流に直接に依存する。

また、特に有利には、非回転磁界および／または静止磁界および／または制動トルクにより車両アクチュエータが安全位置に保持される。車両アクチュエータを最小の電流消費量で所定の時間にわたって安全位置に保持すれば、エネルギ消費量が最小化され、最適な制動トルクで電動機をオーバーヒートから保護することができる。

有利には、電流消費量、すなわち直流電流、電動機を制動する際の制動トルクおよび／または車両アクチュエータを安全位置へ移動させる際の移動速度が調整される。

このために、少なくとも１つまたは複数のリレーおよび／または１つまたは複数の制限抵抗が設けられる。また、少なくとも１つまたは複数のトランジスタ、例えばＦＥＴまたはローサイドＦＥＴなどの制御可能なトランジスタを設けてもよい。これらのトランジスタは例えば２０ｋＨｚでパルス幅変調されて駆動される。

さらに有利には、１つまたは複数の制御可能なトランジスタは非常動作モードにおいて例えば電動機および／または車両アクチュエータの出力終段でも使用可能である。

有利には、電流供給ユニットは、交流電源または直流電源、例えば車両搭載電源に対するバッテリと、出力終段、例えばインバータなどのオープンＤＣ‐ＡＣ終段とを有している。

また有利には、電動機は３相交流電動機、例えばパラレルシフトギアボックスＰＳＧまたはカムシャフト調節装置などの車両アクチュエータのための非同期機または同期機である。

特に有利には、非常動作電流供給ユニットは直流電源、例えば車両搭載電源に対する車両バッテリである。ここで、電流供給ユニットおよび非常動作電流供給ユニットが同じ直流電源を利用するように構成することもできる。

また有利には、例えばパラレルシフトギアボックスＰＳＧまたはカムシャフト調節装置などの電動機を含む技術的システム、例えば車両アクチュエータの設定されたシステム状態において、例えば電動機の短絡によりノーマル動作モードから非常動作モードへの切り換えが行われ、システム全体が安全状態へ移される。

さらに、本発明の装置には、システム状態を監視しおよび／または設定されたシステム状態、例えばエラーステータスを識別する状態監視ユニットが設けられている。

本発明の方法およびその実施形態は、特に有利には、非常動作コンセプトとして、車両アクチュエータを安全位置へ移動させるために、および／または、車両アクチュエータを安全位置に保持するために用いられる。

非常動作モードでは、直流電流により、ステータ内に非回転磁界が形成される。これにより、電動機内に回転数から独立した制動トルクが形成され、電動機のロータが静止状態へ制動される。

電動機の制動時には車両アクチュエータが安全位置すなわちフェイルセーフ位置へ移動されるか、電動機内の制動トルクによって安全位置に保持される。これにより、見かけのうえでは、非常動作時またはフェイルセーフ位置において、車両アクチュエータの電動機は直流電流ブレーキとして用いられる。

またこの場合に、車両アクチュエータを含むシステム全体の設定可能な状況が識別され、設定された状況が識別されると、短絡によって、電動機がノーマル動作モードから非常動作電流供給ユニットへ切り換えられる。

以下に図示の実施例に即して本発明を説明する。図１には本発明の車両アクチュエータに対する非常動作コンセプトの第１の実施例であるリレーを用いた手段が示されている。図２には本発明の車両アクチュエータに対する非常動作コンセプトの第２の実施例であるＦＥＴを用いた手段が示されている。図３には種々の非常動作コンセプトに対するモータ回転数とモータ制動電流との関係を表す曲線図が示されている。図４には種々の非常動作コンセプトに対するモータ回転数とモータ制動トルクとの関係を表す曲線図が示されている。

図１にはノーマル動作モードまたは非常動作モードで駆動可能な車両アクチュエータ用電動機の制動プロセスまたは非常動作コンセプトの第１の実施例であるリレーを用いた手段が示されている。図１にはノーマル動作モードまたは非常動作モードで駆動可能な車両アクチュエータ用電動機に対する回路１００が示されている。車両アクチュエータは例えば電子的なカムシャフト調節装置である。

図１に示されている回路１００では、ノーマル動作モード１０１において、３相交流電動機、この実施例では非同期機１１０にバッテリ、この実施例では車両用搭載電源バッテリ１２０から、出力終段、この実施例ではオープンＤＣ‐ＡＣ段１３０を介して、３相電流が供給される。図１にはノーマル動作モード１０１に対して非同期機１１０の各相１３１，１３２，１３３が相応に接続される様子が示されている。

当該の回路１００ではさらに、相応の接続をともなう非常動作モード１０２として、エラーが生じたとき、非同期機１１０が図示されていないコントローラから分離され、車両アクチュエータがフェイルセーフ位置へ移動される。非常動作モード１０２および相応の接続のために、回路１００はエラーが生じたときに出力終段１３０を短絡する短絡回路１５０を有している。

図１には非同期機１１０の２つの相１３１，１３２を短絡する短絡回路１５０が示されている。この短絡回路は相応に非同期機１１０の３つの相の短絡も行うことができる。ここでは、当該の短絡回路１５０は切り換え可能なリレー１６０，１６１および設定可能な制限抵抗１７０，１７１を備えた２つの線路１５１，１５２を有している。

短絡回路１５０により非同期機１１０のステータには非常動作モードにおいて電源１２０の電源電圧Ｕ＿Ｂａｔｔｅｒｉｅから制動電流１８０として図１の直流電流Ｉｄｃ＿Ｂｒｅｍｓｅが供給され、非回転磁界が形成される。この静止磁界は非同期機１１０の回転しているロータを静止状態へ制動し、車両アクチュエータをフェイルセーフ位置に保持する。制動トルクひいては移動速度および制動時間はその時点の相に流れる電流に直接に依存する。

車両アクチュエータを所定の時間にわたってフェイルセーフ位置に保持することは、リレー１６０，１６１および制限抵抗１７０，１７１を介して調整された最小の電流消費量によって保証される。これによりエネルギ消費量が最小化され、最適な制動トルクで非同期機１１０をオーバーヒートから保護することができる。

図２にはノーマル動作モードまたは非常動作モードで駆動可能な車両アクチュエータ用電動機の制動プロセスまたは非常動作コンセプトの第２の実施例であるＦＥＴを用いた手段が示されている。図２には、図１の回路１００に相応する機能を有する回路２００が示されている。この回路はノーマル動作モード１０１および非常動作モード１０２で駆動可能な非同期機１１０に対して、制御可能なトランジスタ（この実施例ではローサイドＦＥＴ）２１０を介してノーマル動作モードで使用される出力終段に由来する電流消費量を調整する。

ＦＥＴ２１０の駆動は２０ｋＨｚのパルス幅変調により行われ、終段１３０に対する終段スイッチへ作用する。それ以外では、回路２００は回路１００に相応する。

図３には非常動作コンセプトにおけるモータ回転数に依存した制動電流の特性が、図４には非常動作コンセプトにおけるモータ回転数に依存した制動トルクの特性が示されている。ここでは、制限抵抗の接続されない場合が曲線ａ）、リレーを介して小さい制限抵抗に接続されている場合が曲線ｂ）、リレーを介して大きい制限抵抗に接続されている場合が曲線ｃ）、回転数依存性の非常動作コンセプトがモータの誘導逆電圧に基づく場合が曲線ｄ）で示されている。

本発明の非常動作コンセプトの第１の実施例であるリレーを用いた手段を示す図である。 本発明の非常動作コンセプトの第２の実施例であるＦＥＴを用いた手段を示す図である。 種々の非常動作コンセプトに対するモータ回転数と制動電流との関係を示すグラフである。 種々の非常動作コンセプトに対するモータ回転数と制動トルクとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１００，２００ 回路、 １０１ 回路のノーマル動作モード、 １０２ 回路の非常動作モード、 １１０ 非同期機、 １２０ バッテリ、 １３０ 出力終段、 １３１，１３２，１３３ 非同期機の相、 １５０ 短絡回路、 １５１，１５２ 線路、 １６０，１６１ リレー、 １７０，１７１ 制限抵抗、 １８０ 制動電流、 ２１０ ローサイドＦＥＴ

Claims (29)

1. 例えば車両のアクチュエータのためのノーマル動作モード（１０１）および／または非常動作モード（１０２）で駆動可能な電動機に対する
   電動機用電流供給装置において、
   ノーマル動作モード（１０１）で電動機に３相電流を供給する電流供給ユニットと、非常動作モード（１０２）で電動機に直流電流を供給する非常動作電流供給ユニットとが設けられている
   ことを特徴とする電動機用電流供給装置。
2. 電流供給ユニットはノーマル動作モード（１０１）で電動機のステータに３相電流を供給するように構成されており、および／または、非常動作電流供給ユニットは非常動作モード（１０２）で電動機のステータ、例えばステータの少なくとも２つまたは３つの相に直流電流を供給するように構成されている、請求項１記載の装置。
3. 非常動作モード（１０２）で直流電流を供給されるステータは非常動作モード（１０）中は非回転磁界および／または静止磁界を形成する、請求項１または２記載の装置。
4. 非回転磁界および／または静止磁界により例えば電動機のロータを制動するかまたは設定位置に保持する制動トルクが形成され、および／または、電動機が例えば回転数から独立して制動されるかおよび／または静止状態へ制動される、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 電動機の制動時に車両アクチュエータが安全位置、例えば非常動作位置またはフェイルセーフ位置へ移動される、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 非回転磁界および／または静止磁界および／または制動トルクにより車両アクチュエータが安全位置に保持される、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 非常動作モード（１０２）で電動機が短絡されるように構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 非常動作電流供給ユニットは、直流電流および／または制動トルクによって電動機を制動し、および／または、車両アクチュエータを安全位置へ移動させる際の移動速度を調整する調整ユニットを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 調整ユニットは少なくとも１つまたは複数のリレー（１６０，１６１）および／または１つまたは複数の制限抵抗（１７０，１７１）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 調整ユニットは少なくとも１つまたは複数のトランジスタ、例えば制御可能なトランジスタを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. １つまたは複数の制御可能なトランジスタはＦＥＴであり、該ＦＥＴは非常動作モード（１０１）において例えば電動機および／または車両アクチュエータにおける出力終段（１３０）でも使用可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 電流供給ユニットは、交流電源または直流電源、例えばバッテリと、出力終段（１３０）、例えばオープンＤＣ‐ＡＣ終段とを有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 電動機は３相交流電動機、例えばパラレルシフトギアボックス（ＰＳＧ）またはカムシャフト調節装置などの車両アクチュエータ用の非同期機（１１０）または同期機である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 非常動作電流供給ユニットは直流電源、例えばバッテリ（１２０）である、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. バッテリ（１２０）は例えば車両搭載電源に対する車両バッテリである、請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 例えば電動機を含む技術的システム、例えば車両アクチュエータの設定されたシステム状態において、例えば電動機の短絡によりノーマル動作モード（１０１）から非常動作モード（１０２）への切り換えを行ってシステム全体を安全状態へ移すスイッチングユニットが設けられている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. システム状態を監視しおよび／または設定されたシステム状態、例えばエラーステータスを識別する状態監視ユニットが設けられている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. システム全体とはパラレルシフトギアボックス（ＰＳＧ）またはカムシャフト調節装置である、請求項１から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. 例えば車両のアクチュエータのためのノーマル動作モード（１０１）および／または非常動作モード（１０２）で駆動可能な電動機に対する
    電動機の駆動方法において、
    ノーマル動作モード（１０１）で電動機に３相電流を供給し、非常動作モード（１０２）、例えばエラー状況で電動機に直流電流を供給する
    ことを特徴とする電動機の駆動方法。
20. ノーマル動作モード（１０１）では電動機のステータに３相電流を供給し、および／または、非常動作モード（１０２）では電動機のステータ、例えばステータの少なくとも２つまたは３つの相に直流電流を供給する、請求項１９記載の方法。
21. 非常動作モード（１０２）ではステータが非回転磁界および／または静止磁界を形成するかおよび／または制動トルクを形成し、および／または、電動機を例えば回転数から独立して制動するかおよび／または静止状態へ制動する、請求項１９または２０記載の方法。
22. 電動機の制動時に車両アクチュエータを安全位置へ移動させる、請求項１９から２１までのいずれか１項記載の方法。
23. 非回転磁界および／または静止磁界により車両アクチュエータを安全位置に保持する、請求項１９から２２までのいずれか１項記載の方法。
24. 非常動作モード（１０２）では電動機を短絡する、請求項１９から２３までのいずれか１項記載の方法。
25. 直流電流および／または制動トルクにより電動機を制動するかおよび／または車両アクチュエータを安全位置へ移動させる際の移動速度を調整して、電動機の電流消費量および／またはエネルギ消費量を最小化するかおよび／または電動機のオーバーヒートを阻止する、請求項１９から２４までのいずれか１項記載の方法。
26. 例えば電動機を含む技術的システム、例えば電気的カムシャフト調節装置の設定されたシステム状態において、ノーマル動作モード（１０１）から非常動作モード（１０２）への切り換えを行うかおよび／またはシステム全体を安全状態へ移す、請求項１９から２５までのいずれか１項の方法。
27. システム全体のシステム状態を監視するかおよび／または設定されたシステム状態、例えばエラーステータスを識別する、請求項１９から２６までのいずれか１項記載の方法。
28. 車両アクチュエータを安全位置へ移動させるために、および／または、車両アクチュエータを安全位置に保持するために、非常動作モード（１０２）において、電動機に制動トルクを形成して該電動機を制動し、電動機の制動時に車両アクチュエータを安全位置へ移動させるかまたは電動機の制動トルクによって車両アクチュエータを安全位置に保持する、請求項１９から２７までのいずれか１項記載の方法。
29. 車両アクチュエータを安全位置へ移動させるために、および／または、車両アクチュエータを安全位置に保持するために、車両アクチュエータによって調整されるシステム全体の状況を識別し、設定状況が識別された場合に、電動機を短絡してノーマル動作モード（１０１）から非常動作モード（１０２）への切り換えを行い、非常動作モード（１０２）で電動機に制動トルクを形成して該電動機を例えば静止状態へ制動し、制動時に車両アクチュエータを安全位置へ移動させるかまたは電動機の制動トルクによって車両アクチュエータを安全位置に保持する、請求項１９から２８までのいずれか１項記載の方法。

Images