JP2013523078A - ブラシレスモータを運転する方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】
この発明は、ブラシレスモータを運転するための方法に関し、その巻線は、６個のスイッチの助けによるインバータによって作動される。欠陥のあるスイッチを識別するため識別ユニット、インバータの出力で電圧を測定するためのユニット、さらには、スイッチを制御し、かつ巻線用のパルス幅変調電源を生成するためのマイクロコントローラが、設けられる。短絡されたスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を検出した後、モータトルクが発生し、全体として正であるように作動される。この目的のために、モータ（１）の期間は、複数のセクタ（Ｓ１からＳ１２まで）に細分され、欠陥のあるスイッチ（例えば１６）にしたがって、個別のセクタ（Ｓ1、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２）は、入れられたスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が識別された後に、巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、平均で正であるモータモーメントが生成されるように規定する。
この目的のために、モータ（１）の作動周期は、複数のセクタ（Ｓ１からＳ１２）に細分され、欠陥のあるスイッチ（例えば、Ｓ１６）にしたがって、個別のセクタ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２）は、他のセクタ（Ｓ３からＳ８）が巻線（Ｖ、Ｗ）を作動するために使用されている間に、巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の作動のために不作動化される。
【選択図】図３

Description

この発明は、ブラシレスモータを運転する方法に関し、その巻線は、６個のスイッチによるインバータによって作動され、識別ユニットは、欠陥のあるスイッチを識別するために設けられてなり、ユニットが、インバータの出力での電圧測定のために設けられ、そして、マイクロコントローラが、スイッチを制御するために、さらに巻線用のパルス幅変調された電源を生成するために設けられる。

ドイツ特許 ＤＥ １０ ２０１０ ０００ ８５２ A１は、欠陥のあるスイッチを見つけ出し、さらに、その欠陥の性質を決定する方法を開示している。以前に知られている方法は、欠陥のあるスイッチが、不完全にスイッチが入れられるか、または、切られるかどうかを検知する。

ブラシレスモータを作動させるためのインバータは、一般に６個のスイッチからなる。欠陥のある、それぞれのスイッチは、原則として、２つの異なる特性：スイッチが切られて、すなわち、開放スイッチ位置にブロックされ、または、スイッチが入れられて、すなわち、閉塞スイッチ位置にブロックされる特性を有することができる。不完全にスイッチが入れられたスイッチは、また、一般に短絡と呼ばれる。不完全にスイッチが入れられたスイッチは、モータの運転の方向に反するモータのトルクを生じさせる。特に、安全性関連要請において、そのときに、非常モードにおいてモータを運転し続けることは、重要である。

この発明によって取り組まれた問題は、したがって、欠陥のあるスイッチの影響が、少なくとも部分的に補償される、ブラシレスモータを運転する方法を提供することである。

この問題は、特許の請求項１の特徴をなす特徴を有する方法によって解決される。この点に関して、不完全にスイッチが入れられたスイッチが、識別された後に、巻線が、平均して正のモータモーメントが生成されるように作動されることが用意される。

この発明による方法の開発にしたがって、モータの動作周期は、複数のセクタに細分され、そこで、欠陥のあるスイッチによって、他のセクタが、巻線を作動させるために使用される間に、巻線を作動させるための個々のセクタは、非動作化される。特定の実施例においては、作動周期は１２のセクタに細分され、そこでは各セクタは、それぞれ３０°に相当する。

さらなる有利な開発は、不完全にスイッチが入ったスイッチが、またノーマルモードにおいて閉塞しているセクタにおいて、巻線が作動することを用意する。

さらに、欠陥のあるスイッチの影響を打ち消す電圧値は、作動用に使用されるセクタにおける巻線に印加されることが用意される。

スイッチは、スイッチペアに組み合わされ、さらに、スイッチペアは、スイッチペアのスイッチが不完全に入れられる場合には、もはや作動しないことが規定される。

以下の方法ステップは、その方法によって提供される：以下の方法ステップによって：
・欠陥のあるスイッチを識別する；
・欠陥のあるスイッチが、不完全にスイッチが入れられるか、または、切られるかを分析する；そして、
セクタ毎に巻線を作動させること。

モータは、予め規定された時限の後に、または、安全な外部状態が存在すると、スイッチが切られる。

この発明は、添付図と関連する１つの代表的な実施例に関連して以下の本文に、より詳細に説明される：

この発明による方法が実行することができる、ブラシレスモータおよびインバータの巻線の概要のアウトライン例証を示す； 不完全にスイッチが入れられたスイッチの影響を明確にするための測定値を備えたグラフを示す； モータの動作周期の概要図を示す； この方法を考慮に入れて、図２に対応するグラフを示す； ハンドル角度、およびこの方法が使用される電気機械のステアリングシステムのステアリングモーメントの実例ａ）およびｂ）を示す； 図５に対応して、別のステアリング操作の場合におけるグラフａ）およびｂ）を示す。

図１は、電気機械的ステアリング装置のブラシレスモータ１を概略的に示し、このモータの巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは、インバータ２によって作動する。この目的のために、インバータ２は、６個のスイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６を有しており、図１における上部のスイッチ１１、１２、１３は、正の電源電圧と協働するとともに、図１における下部のスイッチ１４、１５、１６は、負電源電圧と協働する。例として、スイッチ１１および１４は、したがって、巻線Ｖに適切な供給電圧を供給する。巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは、マイクロコントローラＣによって予め規定される、パルス幅変調された電圧値ＰＷＭ_Ｕ、ＰＷＭ_Ｖ、ＰＷＭ_Ｗによって作動する。また、図１から分かるように、正の電源電圧と協働するスイッチ１１、１２、１３と、負の電源電圧と協働するスイッチ１４、１５、１６との間のタップポイント１７、１８、１９があり、そのタップポイントで、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを横切る電圧は、タップオフされ、さらに電圧測定用のユニットＢに供給される。電圧測定用のユニットＢからの測定結果は、一方では、スイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６を制御するマイクロコントローラＣに供給され、そして、他方では、電圧測定ユニットＢによって生成された情報を評価する。さらに、識別ユニットＡは、欠陥のあるスイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６を識別するために設けられる。識別ユニットＡによって生成された情報は、評価のために、同様にマイクロコントローラＣに供給される。

１つの実施例においては、実際上、スイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６は、半導体スイッチ、より正確には、トランジスタ、またはＭＯＳＦＥＴから形成される。実際上、識別ユニットＡは、ブリッジドライバとして形成され、さらに、トランジスタとして形成され、スイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６を横切って電圧を加え、さらにトランジスタのスイッチ位置が変更するかどうかをチェックする。実際上、タップポイント１７、１８、１９の電圧測定用のユニットＢは、分圧器として形成され、かつ、パルス幅変調された電圧の負荷サイクルを決定する。この場合、負荷サイクルは、パルス幅と周期持続との比率に相当する。

各スイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６は、原則としては２つの異なるタイプの欠陥を有することができる、すなわち、欠陥の後、それは、原則として以下に記述された２つの状態のうちの１つである。スイッチが不完全に切られ、すなわち、開スイッチ位置にブロックされるか、または、スイッチが不完全に入れられ、すなわち、閉じたスイッチ位置にブロックされる。不完全にスイッチが入れられたスイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６は、また、一般に短絡と呼ばれる。不完全にスイッチが入れられたスイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６は、電気機械的ステアリング装置の動作に対して本質的に重大であるので、この欠点の出来事は、次の本文において想定される。図１にしたがうこの代表的な実施例において、スイッチ１６が巻線Ｕと協働し、不完全にスイッチが入れられるように例証されている。

電気機械的ステアリング装置におけるように、安全性関連要請において、特に、非常モードにモータ１を転移するために非常に速く反応することは、重要である。車両運転者が、欠点の場合には、ジェネレータモードにおいてモータ１を動かし、かつ、ハンドルでステアリングする移動を直接打ち消す電流を誘導するので、不完全にスイッチが入れられたスイッチの欠陥の出来事は、増加されたステアリングモーメントに導く。車両運転者によって回転運動の方向を打ち消すこのモーメントは、次の本文においてブレーキモーメントとして引用される。回転速度に依存するブレーキモーメントは、インバータ２における短絡による永久に励起され同期機において生成される。不完全にスイッチが入れられたスイッチ１６、およびスイッチ１４、１５のボディダイオードによって、電力接続が、モータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを介して誘導によって生じる。

図２は、測定値を備えたグラフを示し、それは、不完全にスイッチを入れられたスイッチ１６を有するモータ１で記録された。正弦曲線は、回転するモータ１の異なるモータ位相を示す。１つの動作周期は、２Πまたは３６０°である。図２のグラフの下側部は、３つのモータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗにおいて誘導された誘導電流Ｉ_誘導を示す。上側半分は、モータ１のトルクＭ_モータを示す。誘導電流Ｉは、モータモーメントＭ_モータに、ほぼ１８０°の角度範囲で値Ｍ_ブレーキに達せさせる。同時に、角度範囲におけるモータモーメントＭ_モータは、電流が誘導されず、０Nｍまで落ちないで、むしろそれは、残余のレベル、Ｍ_摩擦を保持することが、また理解することができる。誘導電流Ｉ_誘導は、ほぼ１８０°の制限された角度範囲において流れる。残りの角度範囲においては、モータ１は電源を切られ、さらに、ブレーキをかけるモーメント作動を妨害しない。

モータ１の動作が止められたとしても、その問題は、電気機械的ステアリング装置の場合には解決されない：すなわち、ハンドルの回転によって、車両運転者は、絶えず、彼のハンドルの回転を打ち消す新しい電流Ｉ_誘導を誘導する。モータ１の動作のスイッチを切ることは、したがって得策ではない。しかしながら、この欠陥が生じるときに、ノーマルモードのモータ１の連続の動作は、システムにおける破壊のさらなる段階に導くことができる、非常に高いモータ電流を生成することができる。

不完全にスイッチが入れられるスイッチ１６にもかかわらず、ノーマルモードの継続的な動作を回避することはしたがって避けられない。スイッチを入れられた状態でブロックされたスイッチ１６によって引き起こされた短絡を除去するために、不完全にスイッチを入れられるスイッチ１６の場合に、セーフティスイッチを開く解決は、先行技術から知られている。そのようなセーフティスイッチは、例えば、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのスターポイント３で配列され、かつ、またスターポイント中継と呼ばれる。セーフティスイッチを開くことによって、車両運転者の側の増加したステアリング力は、減少される。

しかしながら、車両運転者は、なお、モータ１からより多くのステアリング支援を受けない。

対照的に、ここで記述された方法は、スターポイント３の開放が非常モードで実行され、かつ、モータ１が非常モードにおいて作動し続けることを、規定する。この目的のために、不完全にスイッチが入れられるスイッチ１６が識別された後、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは、平均で正であるモータモーメントが生成されるように作動する。このために、図３に示されるように、モータ１の動作周期は、各場合において３０°の１２個のセクタＳ１からＳ１２に細分される。スイッチ１１、１２、１３、１４、１５、１６が、不完全にスイッチが入れられることによって、他のセクタが巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを作動させるために使用されている間に、個々のセクタは、非作動化される。ここで記述した場合において、巻線Ｕの下方のスイッチ１６は、不完全にスイッチが入れられ、そして、他の８つのセクタＳ３からＳ１０の線Ｕ、Ｖ、Ｗを作動させるために使用される一方、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを作動させるための４つのセクタＳ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２は、非作動化される。これらのセクタにおける巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを作動させることは、モータ１の運転の意図した方向と反対方向に作用する、ブレーキモーメントのブレーキ効果をさらに増加するので、受動のセクタＳ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２は、動作には使用されない。原則として、欠陥のあるスイッチが、またスイッチを入れられた、すなわち、閉じられたこれらのセクタは、モータ１のノーマルモードにおいて、作動する。ここで記述された代表的な実施例において、それらは、左半分の平面におけるセクタＳ３からＳ１０である。このことは、第１桁が巻線Ｕを表わし、かつ、０が、下方のスイッチ１６がスイッチを入れられる、すなわち、閉じていることを意味する場合に、ラベル０１０、０１１、および００１における初期ゼロから理解できる。さらに、各場合において直接隣接する２つのセクタＳ１０およびＳ３が、巻線を作動させるために使用される。

原則として、欠陥を備えたスイッチペアの２個のスイッチ１３および１６は、もはや作動しない。スイッチペア１１、１４、と１２、１５の残りの４個のスイッチ１１、１２、１４、１５は、予め規定した概要（scheme）による８個の作動するセクタＳ３からＳ１０において作動する。作動概要は、モータ１の回転運動の方向に依存する。この場合、動作概要は、システムの動作状態、例えば車速、ハンドル角度、車両駆動モータ回転速度、および搭載の電源電圧に依存して変更することができる。作動的なセクタＳ３からＳ１０の内では、規定された電圧値は、インバータ２のスイッチ経由で巻線ＶおよびＷを横切って印加される。

図４は、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのセクタ毎のこの動作の効果を示す。再び、正弦曲線が、モータの回転を示している。負のモータモーメントＭ_ブレーキは、付加的な支援するモータモーメントＭ_付加であって、それは、Ｓ３からＳ１０の作動的なセクタＳ３からＳ１０における動作によって得られるものによってモータのモーメントＭ_モータが、全体として正である程度に補償される。説明の目的で、図４のグラフにおいて示される正の平均モータモーメントＭ_モータが、負の値によってこの場合示されることは注目される。自動車両が安全な状態へ転移されるとすぐに、モータ１が非作動化される。

上記方法は、図５のａ）、ｂ）および図６のａ）、ｂ）に関して、スターポイント３を開く先行技術に示された解決と比較される。図５のａ）と図６のａ）は、各場合において、ハンドル角度を示す、図５のｂ）および図６のｂ）がステアリングモーメントを示している間に、車両運転者によってハンドルに適用される。すべての図において、時間はＸ軸の上で示される。実線が上記方法にしたがって同じ値を示す間に、スターポイント３が開いている場合、破線はハンドル角度またはステアリングモーメントを示す。欠陥として、巻線Ｕの下方のスイッチ１６は、再びスイッチが不完全に入れられると仮定される。

図５のａ）、ｂ）に示されるステアリングする実行は、１０ｋｍ／ｈの車速および半径２０ｍで循環的なトラック上でステアリングすることに相当する。両方の場合では、ほぼ循環的なトラック上の同じ速度で車両運転者が操縦することは、図５のａ）から理解することができる。図５のｂ）は、ハンドルに車両運転者によって経験されたステアリングモーメントを示す。ここで、破線は、開放したスターポイント３の場合には、ステアリングモーメントである。実線によって示され、それはここで記述された方法にしたがって実現されるステアリングモーメントが、モータ１からの重要な支援を経験することが、はっきり理解することができる。内部のブレーキモーメントにもかかわらず、正のモータモーメントは、記述された制御によって達成される。

図６のａ）、ｂ）は、自動車両のスラローム移動の場合におけるハンドル角度およびステアリングモーメントを示す。図６のａ）で理解することができるように、車両運転者は、このスラローム移動の間にハンドルを左にほぼ１００°回し、さらに右にほぼ１００°回す。スターポイントが開放している場合、破線（赤）を備えた図６ｂにおいて示される、ステアリングモーメントは、ここで記述された方法の場合の車両運転者によって経験された、ステアリングモーメントより規則的である。両方のステアリングモーメントは、大きさにおいてほぼ等しい。予め既定された時限の後に、または、安全な外部状態が存在するときに、モータ１のスイッチは切られる。

図５のａ）、ｂ）および図６のａ）、ｂ）から明白になったように、スターポイント３で中継を省くことは可能である。また、不完全にスイッチが入れられるスイッチの欠陥は、純粋に、動作手段で補償することができる。このことは、スターポイント中継のような電子部品を省くことが可能であることを意味する。

Claims (8)

1. 識別ユニット（Ａ）は、欠陥のあるスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を識別するために設けられ、ユニット（Ｂ）は、インバータ（２）の出力（１７、１８、１９）で電圧測定のために設けられ、さらに、マイクロコントローラ（Ｃ）は、スイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を制御するために、かつ、その巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）用のパルス幅変調された電源（PWM_U、PWM_V、PWM_W）を発生するために設けられ、不完全にスイッチが入れられたスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が識別された後に、巻線（U、Ｖ、Ｗ）が、平均で正であるモータモーメントが生じるように作動することを特徴とする６個のスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）によるインバータ（２）によって作動されるブラシレスモータ（１）を運転する方法。
2. モータ（１）の動作周期が、複数のセクタ（Ｓ１からＳ１２）に細分され、他のセクタ（Ｓ３からＳ１０）が、巻線（Ｖ）を作動させるために使用されている間に、欠陥のあるスイッチ（例えば１６）によって、巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を作動させるための個別のセクタ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２）が、不動作化されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 動作周期が１２のセクタ（Ｓ１からＳ１２）に細分され、各セクタ（Ｓ１からＳ１２）は、それぞれ３０°に相当することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 不完全にスイッチが入れられたスイッチ（例えば１６）は、またノーマルモードにおいて閉じているセクタ（Ｓ３からＳ１０）で巻線（Ｖ、Ｗ）を作動することを特徴とする請求項２または３記載の方法。
5. 欠陥のあるスイッチ（１６）の影響を打ち消す電圧値（ＰＷＭ_Ｖ、ＰＷＭ_Ｗ）が、動作のために使用されるセクタ（Ｓ３からＳ１０）における巻線（Ｖ、Ｗ）に印加されることを特徴とする請求項２から４のうちの１項記載の方法。
6. スイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が、スイッチペア（１１と１４；１２と１５；１３と１６）に組み合わされ、かつ、スイッチペア（１１と１４；１２と１５；１３と１６）のスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が、不完全にスイッチを入れられたときに、スイッチペア（１１と１４；１２と１５；１３と１６）は、もはや作動しないことを特徴とする請求項２から４のうちの１項記載の方法。
7. 下記方法ステップによることを特徴とする請求項２から６のうちの１項記載の方法：
   欠陥のあるスイッチ（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を識別すること；
   欠陥のあるスイッチ（１６）が不完全にスイッチを入れられるか、それとも、スイッチを切られるかを分析すること；
   さらには、巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）をセクタ毎に作動させること。
8. モータ（１）は、予め規定された時限の後か、または、安全な外部状態が存在するときに、スイッチが切られることを特徴とする請求項７記載の方法。

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