JP2009535001A - 電動機用の制御システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、永久磁石電動機(1)用の制御システムとそれに対応する方法とに関する。機能コンピュータ(3)及び/又は監視コンピュータ(4)が制御システムの故障を認識した場合、電動機(1)がスイッチオフされる。本発明の目的は、スイッチオフされてなお回転している電動機(1)の制動トルクを低減することである。本発明によれば、上記目的は、回転速度D1が、規定可能な閾値GR1よりも小さくなかった場合、又は出力部(2)の電圧U_DCが閾値Umaxを超えた場合、電動機(1)をスイッチオフするように出力部(2)の三相短絡が行われるか、さもなければ、回転速度D1が、規定可能な閾値GR1よりも小さく、出力部(2)の電圧U_DCが閾値Umaxを超えなかった場合、電動機(1)をスイッチオフするように出力部(2)のすべてのブレーカ(2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3)が開放されることによって達成される。

Description

本発明は、請求項1に記載の永久磁石電動機用制御システムと、請求項4に記載の永久磁石電動機を制御するための方法とに関する。
特許文献1は、永久磁石機械を制御するための方法及び制御システムを開示しており、電動機の各位相は、中間回路を介して電力を供給するための第1及び第2の切換要素を有する関連するハーフブリッジ構造を有する。制御システムの動作状態が監視され、閾値と比較される。閾値を超えた場合、故障状態が検出され、電動機の位相の間に短絡が生じる。
永久磁石電動機は、例えば、ハイブリッド駆動システムの場合にエネルギー供給手段から電気エネルギーを受け取る車両駆動モータとして使用される。例えば、エネルギーは、コンバータと中間回路とを介して接続されるバッテリによって供給され、完全に電気的に動作される車両の場合、エネルギーは、いわゆる牽引バッテリによって、又は内燃機関で駆動されるジェネレータによって供給される。
上記構造の故に、永久磁石電動機は、動作中にアーマチュア巻線と永久磁石との間の相対移動により、界磁起電力として知られている逆起電力がアーマチュア巻線で発生されるという基本的な問題を有する。この誘導電圧は、回転速度が増加するにつれて大きくなり、電動機の供給電圧の大きさに達し、それを超えることがある。永久磁石電動機を有する上記駆動系の場合、故障、例えば、界磁弱化をもたらす電子制御装置の誤動作、又は巻線間の短絡が生じたならば、このことにより、電気エネルギーが電動機からエネルギー供給手段にフィードバックされる。結果として、制動トルクを発生させることがあり、このことは、車両の電動機の動作には望ましくない。さらに、低い回転速度においても、例えば、認識された故障によって開始される三相短絡により、上記制動トルクを発生させることがある。
独国特許出願公開第10205963A1号明細書
本発明の目的は、スイッチオフされてなお回転している電動機の制動トルクを低減することである。
本発明によれば、この目的は、回転速度D1が、規定可能な限界値GR1未満に低下しなかった、又は出力部の電圧U_DCが限界値Umaxを超えた場合、電動機をスイッチオフするために、3つの上部回路ブレーカ又は3つの下部回路ブレーカを短絡することによって、出力部に三相短絡を与えることができる電動機用の制御システムによって達成される。
この場合、出力部の切換要素は回路ブレーカと呼ばれる。
本発明による解決策の利点は、干渉制動トルクが発生できない境界条件下でのみ、三相短絡が行われることである。永久磁石電動機の三相短絡の場合、比較的高い回転速度では(毎分数百回転よりも高い領域では)、認識可能な制動トルクが発生されない。さらに、バッテリ、コンバータ及びその半導体構成要素のような構成要素に対する損傷が回避される。
本発明の一実施形態では、回転速度D1が限界値GRよりも小さく、出力部の電圧U_DCが限界値Umax未満に低下した場合、電動機をスイッチオフするために、出力部のすべての回路ブレーカを開放できる。
永久磁石電動機の三相短絡の場合、非常に低い回転速度で(毎分数百回転よりも低い領域で)、干渉制動トルクが発生される。しかし、比較的低い回転速度では、出力部のすべての回路ブレーカを開放することによって、干渉制動トルクなしに電動機をスイッチオフできる。このことは、小さい制動トルクで三相短絡を行うための境界条件が存在していない場合にも、干渉制動トルクなしに電動機をスイッチオフできるという利点を有する。
本発明の別の有利な改良形態は、従属請求項において及び図面を参照して理解することができる。
図1は、本発明による制御システムの実施形態を有する電動機1を示している。
電動機1は出力部2に接続される。出力部2はインバータ又はコンバータの形態であり得る。図示した出力部2は3つの上部切換要素2o1、2o2、2o3と3つの下部切換要素2u1、2u2、2u3とを有する。切換要素は典型的に回路ブレーカの形態である。これらの切換要素は3つのハーフブリッジ構造を形成し、これらのハーフブリッジ構造の各々は、切換要素2o1、2u1;2o2、2u2及び2o3、2u3の2つから形成され、電動機1の3つの位相の1つを制御する。
出力部2は、主接触器(図1に図示していない)を介して、電動機1の供給装置(例えばバッテリ)(同様に図示していない)に接続される。供給装置は供給電圧U_DCを出力部2に供給する。主接触器によって、供給装置をスイッチオン及びスイッチオフできる。
出力部2は、論理モジュール5に接続され、これによって制御される。さらに、出力部2は、供給電圧U_DCに関する情報と三相短絡の正確な実行に関する情報とを論理モジュール5に送信する。同様に、切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2又は2u3の開放の正確な実行あるいは切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2又は2u3の電圧U_CEに関する情報を論理モジュール5に送信できる。
論理モジュール5は、機能コンピュータ3と監視コンピュータ4とに接続され、これらのコンピュータからデータを受信する。同様に、機能コンピュータ3及び監視コンピュータ4は互いに接続され、データを相互に交換する。この場合、監視コンピュータ4は機能コンピュータ3の故障のない動作を監視する。
機能コンピュータ3は、電動機1の回転速度D1を好ましくは検出する回転速度センサ6から情報を受信する。
さらに、1つ以上の回転速度D2を検出するための1つ以上の別の回転速度センサ7が設けられる。例えば、電動機1の回転速度を回転速度D2として検出することもできる。同様に、電動機1に接続される歯車機構の回転速度、車両の車輪の車輪回転速度又は他の関連する回転速度を検出できる。電子安定プログラムの車両の車輪の車輪回転速度センサは回転速度センサ7として設けられることが好ましい。
図1では、回転速度センサ7は機能コンピュータ3に接続される。機能コンピュータ3は、この接続を介して、検出された回転速度D2に関する情報を回転速度センサ7から受信する。
機能コンピュータ3は領域8を有する。この領域8は双面監視システム又は3面監視システムで第1の面と呼ばれる。この場合、第1の面は第2の面あるいは第3の面によって監視される。電動機1を制御するための実際の制御信号は機能コンピュータ3の領域8で計算される。これらの制御信号は機能コンピュータ3の領域8から論理モジュール5のスイッチ10に送信される。
論理モジュール5のスイッチ10は、制御線を介して制御信号を論理モジュール5のスイッチ14に送信する。論理モジュール5のスイッチ14は、制御線を介して制御信号を論理モジュール5のスイッチ16に送信する。論理モジュール5のスイッチ16は、制御線を介して制御信号を出力部2に送信する。出力部2は、制御信号に従って前記出力部の切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を調節し、制御信号に応じて電動機1を制御する。
機能コンピュータ3はスイッチオフ経路を介して論理モジュール5の要素9に接続される。この場合、イネーブル信号又はスイッチオフ信号を選択的に送信できる接続はスイッチオフ経路と呼ばれる。
同様に、監視コンピュータ4はスイッチオフ経路を介して論理モジュール5の要素9に接続される。
好ましい一実施形態では、スイッチオフ信号は無電力のデフォルト状態として供給される。故障により、信号が機能コンピュータ3から又は監視コンピュータ4から論理モジュール5に送信されなかった場合、論理モジュール5はこのことをスイッチオフ信号として解釈する。
図1に示した実施形態の要素9は「論理AND」の形態である。論理モジュール5のすべての要素と同様に、要素9は、電子コンポーネントとして、論理モジュール内の構造として又はソフトウェアとして表すことができる。「論理AND」9が機能コンピュータ3及び監視コンピュータ4の両方からイネーブル信号を受信した場合、前記「論理AND」はイネーブル信号をスイッチ10に送信するか、さもなければ前記「論理AND」はスイッチオフ信号を送信する。
代替実施形態では、要素9は「論理OR」等の形態である。この場合、要素9が機能コンピュータ3から又は監視コンピュータ4からあるいは前記コンピュータの両方からスイッチオフ信号を受信した場合、前記要素はスイッチオフ信号をスイッチ10に送信する。
スイッチ10が要素9からスイッチオフ信号を受信した場合、前記スイッチが切り換わり、このようにして、機能コンピュータ3の領域8によって計算された制御信号を送信するプロセスを中断する。次に、領域8からの制御信号の代わりに、論理モジュール5の要素11からの制御信号が送信される。この場合、要素11は、典型的に、三相短絡用の制御信号が永久的に記憶される不揮発性メモリである。
要素11からの制御信号は、スイッチ10を介して制御線に供給され、スイッチ14とスイッチ16とを介して出力部2に送信される。
出力部2は、三相短絡用の制御信号に従って前記出力部の切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を調節し、このようにして、電動機1の三相短絡を生じさせる。
この場合、制御信号は、切換要素2o1、2o2、2o3又は切換要素2u1、2u2、2u3の三相短絡を提供できる。切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3の動作状態に関する情報により、選択された三相短絡を故障なしに行うことができないか又は行われなかったという結論を出すことが可能になった場合、三相短絡のそれぞれ他の別形態に変更するように意図することも可能である。
スイッチ14は要素19に接続される。要素19は、規定された入力データが存在している場合にスイッチオフ信号をスイッチ14に送信する論理部である。この場合、スイッチオフ信号により、スイッチ14が切換状態に切り換えられ、この切換状態において、電動機1をスイッチオフするために、前記スイッチが、出力部2のすべての切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を開放するための関連する制御信号を送信できる。
要素19は要素20を介して回転速度センサ6に接続される。要素20は、回転速度センサ6によって検出された回転速度D1に関する情報を回転速度センサ6から受信する。回転速度D1は電動機1の回転速度であることが好ましい。要素20は、回転速度D1が限界値GR1よりも小さいかどうかをチェックする。一実施形態では、上記のことが当てはまった場合に、要素20は信号を要素19に送信する。
この実施形態の一発展形態では、回転速度センサ6とD1の値の信号送信手段とが故障なしに動作しているかどうかに関するチェックが行われる。図1では、このチェックは要素18で行われる。この場合、回転速度センサ6、及びD1の値の信号送信手段が故障なしに動作していることを要素18が要素19にさらに信号で伝えた場合にのみ、要素19は、要素20によって供給された、センサ6からの回転速度D1に関する情報を評価する。このことが当てはまらなかった場合、一発展形態では、永久的に記憶された回転速度値を置換値として用いることができる。
図1に示した実施形態では、要素19は要素17を介して機能コンピュータ3に接続される。要素17は、追加のセンサ7からの回転速度情報D2を機能コンピュータ3から受信する。この場合、図1に示した実施形態の代わりに、要素17を機能コンピュータ3内に配置することもできる。
一発展形態では、回転速度情報D2が限界値GR2未満に低下した場合にのみ、要素17は信号を要素19に送信する。簡略化された一代替実施形態では、このことが当てはまった場合、要素19は信号を要素14に送信する。
この代替実施形態の発展形態では、機能コンピュータ3が回転速度センサ7の又はそのデータ送信手段の故障を認識した場合、追加の回転速度センサ7によって機能コンピュータ3に供給された回転速度情報D2は、回転速度センサ6によって機能コンピュータ3に供給された回転速度情報D1に置き換えられる。この場合、好ましい発展形態によれば、機能コンピュータ3で検出された回転速度情報D1が限界値GR1未満に低下した場合にのみ、要素17は信号を要素19に送信する。
好ましい実施形態では、限界値がアンダーシュートされ、その限界値未満に低下した信号の誤検出又は誤送信に関する情報が存在していないことを要素17と20の各々が認識した場合、要素19は信号を要素14に送信する。
スイッチ10により制御線を介してスイッチ14に送信される制御信号は要素12にも送信される。要素12は、スイッチ10からの制御信号を用いて、三相短絡を開始すべきであるかどうかを認識する。要素12は、この情報を機能コンピュータ3に及び論理モジュール5の要素19に送信する。
さらに、要素12は、出力部2に接続され、その動作状態又はその切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3の動作状態に関する情報を前記出力部から受信する。この場合、上記要素は、典型的に、切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3の電圧U_CEが許容値をとったかどうかに関する情報を送信する。要素12は、出力部2からの情報を用いて、出力部2が電動機1の三相短絡を生じさせているかどうかを認識する。三相短絡が正確に行われた場合、要素12はこの情報を機能コンピュータ3に及び論理モジュール5の要素19に送信する。
三相短絡が不正確に行われた場合、一実施形態により、三相短絡の別形態を切換要素2o1、2o2、2o3の短絡から切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3の短絡に変更すること又はその逆のことが意図される。
図1に示した実施形態では、機能コンピュータ3が要素17を介して、回転速度D2又はD1に関連する限界値GR2又はGR1未満の前記回転速度を認識しており、要素12が出力部2の三相短絡と要素9からスイッチ10へのスイッチオフ信号の欠如とを認識したという情報を要素19が受信した場合、要素19はスイッチオフ信号をスイッチ14に送信する。この場合、要素19に印加された信号に基づいて、機能コンピュータ3が故障なしに動作していることが推定される。このようにして、要素17を介して送信された信号を信頼でき、D2又はD1が限界値GR2又はGR1未満に低下した場合、スイッチオフ信号をスイッチ14に送信することによって、開放した切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3への切り換えを開始できる。外部制御装置によって供給され、機能コンピュータ3の又は監視コンピュータ4の故障認識に基づかないスイッチオフコマンドを本方法で組み込むように、上記挙動を用いることができる。このようにして、回転速度に基づいて及び/又は電圧U_DCに基づいて、三相短絡を開始すること、あるいは外部スイッチオフコマンド用のすべての切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を開放することにより電動機のスイッチオフを開始することも可能である。
図1に示した実施形態では、回転速度D1がそれに関連する限界値GR1よりも小さいことを要素20が認識しており、要素12が出力部2の三相短絡と要素9からスイッチ10へのスイッチオフ信号の印加とを認識したという情報を要素19が受信した場合、要素19はスイッチオフ信号をスイッチ14に送信する。スイッチオフ信号が要素9によってスイッチ10に印加された場合、機能コンピュータ3からの及び監視コンピュータ4からのデータはもはや信頼できない。したがって、この場合、機能コンピュータ3から要素17に送信された回転速度信号を用いず、センサ6から論理モジュール5に直接送信された回転速度信号D1を信頼することが好都合である。
さらに、最後に説明した例では、図1に示した実施形態において、要素18は、センサ6が故障なしに動作していることを要素19に信号で伝えなければならない。このことが当てはまらなかった場合、代わりに、永久的に記憶された回転速度値をとることができる。このことは、要素17が代わりに回転速度D1に切り換えられ、要素18がセンサ6の故障を認識した場合にも適用される。
スイッチ14が要素19からスイッチオフ信号を受信した場合、前記スイッチが切り換わり、このようにして、要素10から来る制御信号を送信するプロセスを中断する。次に、上記制御信号の代わりに、論理モジュール5の要素13からの情報が送信される。この場合、要素13は、典型的に、出力部2のすべての切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を開放するための制御信号が永久的に記憶される不揮発性メモリである。要素13からの上記制御信号は、スイッチ14を介して制御線に供給され、スイッチ16を介して出力部2に送信される。出力部2は、それに供給された制御信号の動作パラメータに従って、前記出力部の切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を開放し、このようにして電動機1を制御する。
スイッチ14により制御線を介してスイッチ16に送信される情報は要素21にも送信される。要素21はスイッチ14からの情報を用いて、すべての切換要素2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3を開放すべきであるかどうかを認識する。要素21はこの情報を機能コンピュータ3に送信する。
出力部2は、それに印加された電圧U_CEに関する情報を要素22に送信する。要素22は、電圧U_CE用の供給された値と値Umaxとを比較し、U_CEがUmaxよりも大きかった場合にスイッチオフ信号をスイッチ16に送信する比較器である。
スイッチ16が要素22からスイッチオフ信号を受信した場合、前記スイッチは切り換わり、このようにして、要素14から来る制御信号を送信するプロセスを中断する。次に、上記制御信号の代わりに、論理モジュール5の要素15からの制御信号が送信される。この場合、要素15は、典型的に、出力部2の三相短絡用の制御信号が永久的に記憶される不揮発性メモリである。
図2は、一例として、制動トルクにおける、本発明による回転速度に依存する故障反応の効果を示している。
図2は、電圧供給手段と出力部2との間に配置される主接触器が閉鎖され、すなわち、出力部2には定電圧U_DCが供給される本発明による装置の動作電圧U_DC、誘導電圧U_ind及び誘導制動トルクM_indのプロファイルを概略的に示している。このことから理解できるように、誘導電圧U_indは、この場合、回転速度に比例して上昇する。
図2に示した実施例では、回転速度D1の検出が正確に動作しており、すなわち、三相短絡による限界回転速度を起点として、回転速度限界値GR1未満において、すべての回路ブレーカを開放することにより、電動機1がスイッチオフされる。三相短絡は、比較的高い回転速度(>GR1)で、小さな制動トルクのみを発生させる。
低い回転速度では、三相短絡の場合、一点破線で示したように、大きな制動トルクが発生される。このようになる理由は電動機1の短絡電流によるものである。
比較的低い回転速度(<GR1)において、開放した回路ブレーカにより電動機がスイッチオフされた場合、制動トルクが低下する。この領域では、誘導電圧は供給電圧U_DCよりも小さい。したがって、認識可能な制動トルクM_indを発生させ得るU_indからU_DCへの電流が存在しない。結果として、限界値GR1(それに応じて限界値GR2)は、U_indがU_DCよりも小さい回転速度範囲に好都合である。
さらに、電圧限界値Umaxが提供され、それを超えた場合、電動機1のスイッチオフがその都度三相短絡に切り換えられる。このことは、過度に高い供給電圧U_DCに対する電動機の保護となる。したがって、電動機1及び出力部2は、回転速度の誤認識に関係なく電圧供給手段がスイッチオフされた場合におそらく誘導により発生される過度に高い供給電圧から保護される。
永久磁石電動機に関連する本発明による制御システムの概略回路図である。 回転速度に依存する故障反応及びそれに関連する制動トルクの典型的な図面である。

Claims (13)

  1. 永久磁石電動機(1)用の制御システムであって、
    機能コンピュータ(3)と、監視コンピュータ(4)と、プログラム可能な論理モジュール(5)と、前記電動機(1)の回転速度(D1)を検出するための回転速度センサ(6)と、3つの上部回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3)と3つの下部回路ブレーカ(2u1、2u2、2u3)を有するスイッチオフできる出力部(2)と、を有し、
    前記機能コンピュータ(3)又は前記監視コンピュータ(4)が故障を認識した場合、前記電動機(1)をスイッチオフすることが可能であり、
    前記回転速度(D1)が、規定可能な限界値(GR1)未満に低下しなかった、又は前記出力部(2)の電圧(U_DC)が限界値(Umax)を超えた場合、前記電動機(1)をスイッチオフするために、前記3つの上部回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3)又は前記3つの下部回路ブレーカ(2u1、2u2、2u3)を短絡することによって、前記出力部(2)に三相短絡を与えることができることを特徴とする制御システム。
  2. 前記回転速度(D1)が前記限界値(GR1)よりも小さく、前記出力部(2)の電圧(U_DC)が限界値(Umax)を超えなかった場合、前記電動機(1)をスイッチオフするために、前記出力部(2)のすべての前記回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3)を開放できることを特徴とする請求項1に記載の制御システム。
  3. 回転速度(D2)を検出するための少なくとも1つの追加の回転速度センサ(7)が設けられることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の制御システム。
  4. 永久磁石電動機(1)を制御するための方法であって、
    機能コンピュータ(3)が前記機能コンピュータ(3)の故障を認識した、又は監視コンピュータ(4)が前記機能コンピュータ(3)もしくは前記監視コンピュータ(4)の故障を認識した場合、前記電動機(1)がスイッチオフされ、
    前記電動機(1)の回転速度(D1)が、別個の論理部(5)によって監視され、限界値(GR1)と比較され、
    前記回転速度(D1)が前記限界値(GR1)よりも小さくなかった場合、前記回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3)又は前記回路ブレーカ(2u1、2u2及び2u3)の三相短絡が開始されることを特徴とする方法。
  5. 前記回転速度センサ(6)の前記回転速度(D1)が前記限界値(GR1)未満に低下した場合、前記出力部(2)が三相短絡から、開放した回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3)に切り換えられることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 永久磁石電動機(1)を制御するための方法であって、
    機能コンピュータ(3)が、前記機能コンピュータ(3)で発生したものではない故障を認識した場合、前記電動機(1)がスイッチオフされ、
    回転速度センサ(7)によって検出される回転速度(D2)が前記機能コンピュータ(3)によって監視され、
    前記回転速度(D2)が前記限界値(GR2)よりも小さくなかった場合、前記出力部(2)の前記回路ブレーカの(2o1、2o2、2o3)又は前記回路ブレーカ(2u1、2u2及び2u3)の三相短絡が開始されることを特徴とする方法。
  7. 前記回転速度センサ(7)の前記回転速度(D2)が前記限界値(GR2)未満に低下した場合、前記出力部(2)が三相短絡から、開放した回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3)に切り換えられることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記回転速度信号(D2)を評価することが不可能であった場合、
    前記機能コンピュータ(3)における前記回転速度センサ(6)の前記回転速度(D1)の評価により、前記限界値(GR1)が達成されたことが認識された場合、
    前記出力部(2)が三相短絡から、開放した回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3)に切り換えられることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  9. 前記出力部(2)の電圧(U_DC)が値(U_max)を超えた場合、前記出力部(2)が三相短絡に切り換えられることを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記出力部(2)の前記電圧(U_DC)が再び値(U_max)未満に低下し、スイッチオフが不要となっている場合、前記出力部(2)のスイッチオフが終了することを特徴とする請求項4〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記出力部(2)の前記回路ブレーカ(2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3)の切換状態が前記論理モジュール(5)から前記機能コンピュータ(3)に伝達されることを特徴とする請求項4〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 三相短絡が必要であり、行われているかどうかに関する応答が、前記論理モジュール(5)の要素(12)から前記機能コンピュータ(3)に送信されることを特徴とする請求項4〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記電動機(1)が始動された場合、正確なスイッチオフとスイッチオフ経路の変更とが、異なる回転速度で試験される前記スイッチオフ経路の試験が行われることを特徴とする請求項4〜12のいずれか一項に記載の方法。
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