JP2013531464A - 多相電子転流式電気機械を駆動制御するための方法および装置ならびに電動機システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電子転流式電気機械を動作させる方法に関しており、
転流のために電気機械（２）の相巻線に、交番する相電圧電位を印加し、相電圧レベルをパルス幅変調によって形成して、印加される相電圧レベルの大きさをパルス幅変調のデューティ比（ＴＶ）によって決定し、
１つの相巻線に誘導される電圧のゼロ点通過時点を求めるために、相応する相巻線に相電圧レベルが印加されない時間窓である空白化期間（ＡＴ）を設け、
空白化期間（ＡＴ）の前および／または後に第１の移行時間（UET1）を設け、この移行時間の間、上記の相電圧レベルの経過が、制限された第１の傾きを有するようにする。

Description

本発明は、電子転流式電気機械に関しており、ここではこの電気機械を駆動するため、この電気機械に相電圧が印加される。さらに本発明は、上記の電気機械のロータ位置をセンサレスで検出する方法に関する。

従来の技術
多相電子転流式電気機械、殊に同期モータは、例えば、ロータによって準備される励起磁場を前進させるステータ磁場を供給することによって駆動することができる。このステータ磁場、殊にその方向および強度は、電気機械のステータの相巻線に相電圧を印加することによって形成される。

ステータ磁場の前進に決定的な影響を及ぼすことができるようにするためには、電気機械のロータのロータ位置が既知であることが必要である。このような電気機械では、位置センサを節約するためにセンサなしにロータ位置を求めることが多い。考えられる方法は、相巻線に誘導される逆起電圧を測定してそのゼロ通過時点を測定することである。この誘導される逆起電圧のゼロ通過の時点は、上記のロータ位置を求めるのに使用可能である（逆EMF方式）。

この誘導逆起電圧を測定するためには、各相巻線に外部の電圧が印加されていないことを保証しなければならない。しかしながらブロック転流を用いて上記の電気機械を駆動制御する際には一般的に各時点に、相応する相巻線は、駆動制御を行なう相電圧に専有されるため、ブロック転流であっても上記の誘導逆起電圧を測定するためには、上記のセンサレス方式が適用できないかまたは別の手段が必要になるのである。

したがって一般的にブロック転流を適用する際には、電気機械を駆動制御するために相電圧を形成する駆動回路を駆動制御して、上記の誘導逆起電圧を測定しようとする時間窓において、各相巻線に外部電圧が印加されないか、ないしはこれらの相巻線用の相応する相端子が自由に浮遊するように接続されて、上記の誘導逆起電圧が測定できるようにするのである。各相巻線に電圧ないしは相電圧が印加されないこの時間窓は、空白化期間と称され、かつ、上記の誘導逆起電圧のゼロ通過が検出されるように選択される。この誘導逆起電圧のゼロ通過時点は、所定のロータ位置に一意に対応付けることができ、電気機械の相巻線に相電圧を印加するための駆動パターン間での切換時点を求めるのに使用可能である。

ポンプまたはブロアなどのように連続運転の場合には、動的な要求が限られるため、１つの相巻線の誘導逆起電圧のゼロ通過だけを検出するので十分なことが多い。したがって全体的にみれば、このようなポンプおよびブロアをセンサレスで動作させるための、コスト的に有利な選択肢が存在するのである。

しかしながら上記の変形ブロック転流と、空白化期間を設けることとは、急峻な転流／切換によって生じる大きなノイズ発生に結びついてしまうのである。この転流は、比較的に急峻なエッジ状の相電流変化を生じさせる。これによって発生するトルクリップルおよび励起される向心力は、はっきり知覚可能なノイズに結びつくのである。

このような電気機械を電気車両に使用する際には、ノイズ放出に注意することが重要である。それは電気車両では、もはや比較的音の大きい内燃機関によって紛らわされることがないため、このような電気機械に備え付けられる装置のノイズが格段に意識され易いからである。

したがって本発明の課題は、センサレスで動作させることができかつ発生するノイズの少ない電子転流式電気機械を提供することである。

発明の開示
この課題は、請求項１に記載した電子転流式多相電気機械を駆動制御する方法により、また、別の主請求項に記載された上記の装置および電動機システムによって解決される。

別の有利な利点は、従属請求項に記載されている。

第１の様相によれば、電子転流式電気機械を動作させる方法が得られる。転流に対し、この電気機械の複数の相巻線に交番に相電圧レベルを印加する。ここでこの相電圧レベルは、パルス幅変調によって形成されるため、印加されるこの相電圧レベルの大きさは、このパルス幅変調のデューティ比によって決まる。１つの相巻線に誘導される電圧のゼロ通過時点を求めるため、相応する相巻線に相電圧レベルが設定されない時間窓である空白化期間が設けられ、この空白化期間の前および／または後には、第１の移行時間が設けられ、この第１の移行時間中には、上記の設定される相電圧レベルの経過が、限定された第１の傾きを有するようにする。

本発明のアイデアは、１つの空白化期間において、１つの相巻線に誘導される電圧のゼロ通過時点を測定するため、通流パターン間で跳躍的ではなくかつ制限された第１の傾きで行われる、相電圧レベルの変化に対する転流移行部を設けてこの空白化期間を実現することにある。このような「ソフトな」転流移行部により、これによって動作される電気転流式電気機械の発生するノイズが格段に小さくなる。それはトルクリップルおよび向心力の励起が低減されるからである。

さらに上記の相電圧レベルは上記の移行領域において線形に経過する。

１つの実施形態によれば、上記の相電圧レベルは、ブロック転流によって印加され、第２の移行時間中の相電圧レベル間の各交番時に上記の印加される相電圧レベルの経過は、制限された第２の傾きを有する。

しかしながら上記のような転流移行部を有するブロック転流では、上記の誘導される逆起電圧を測定するための、（漂うないしは浮遊する）相電圧レベルが各相巻線に印加される時間窓は存在してないため、上記の空白化期間を転流移行部に設けるのである。

上記のソフトな転流移行部により、複数の相電圧レベル間の転流移行部の間にも、空白化期間に対しても、上記の制御された相電流は、さほどの傾斜を有しておらず、比較的平坦に経過し、ほぼ正弦波状の経過を有する。

これによって一方では電子転流式電気機械のノイズ低減と、他方ではセンサレス電動機駆動器を実現するためのBEMF方式の使用とを組み合わせることができる。

ここでは、上記の相電圧レベルの第２の傾きの絶対値は、この相電圧レベルの第１の傾きの絶対値よりも小さくすることが可能である。

第１の移行時間中、相電圧レベルの上記の経過は、中間電圧レベルから開始されるかまたはこの中間電圧電位で終了することができ、この中間電圧レベルは、上記の移行時間を有する空白化期間の前後の相電圧レベルの中間値として求められる。

別の様相によれば、制御ユニットを有する電子転流式電気機械を動作させる装置が設けられており、この制御ユニットはつぎのように構成されている。すなわち、
− 整流のため、交番する相電圧レベルを上記の電気機械の相巻線に印加するため、
− 上記の相電圧レベルをパルス幅変調によって形成し、印加される上記の相電圧レベルの大きさをこのパルス幅変調のデューティ比によって決定するため、
− １つの相巻線に誘導される電圧のゼロ点通過時間を求めるため、相応の上記の相巻線に相電圧レベルが印加されない時間窓である空白化期間を設けるため、
− この空白化期間（ＡＴ）の前および／または後に、印加される相電圧レベルの経過が、制限された第１の傾きを有する第１の移行時間を有するようにするために構成されている。

別の様相によれば、電子転流式電気機械および上記の装置を有する電動機システムが提供される。

別の様相によれば、コンピュータプログラム製品が提供され、このコンピュータプログラム製品は、プログラムコードを含んでおり、このプログラムコードがデータ処理装置上で実行される場合に上記の方法が実行される。

多相電子転流式電気機械を動作させる電動機システムを略示する図である。 従来技術にしたがい、電気機械を駆動制御するブロック転流における転流パターンを略示する線図である。 空白化時間窓を有する本発明の実施形態による転流を略示する線図である。

図面の簡単な説明
以下では、添付の図面に基づき、本発明の有利な実施形態を詳しく説明する。ここで
実施形態の説明
図１には電気機械２を有する電動機システム１が示されている。電気機械２は電子式に転流される。すなわち、電気機械２のロータを駆動するため、相巻線には、例えば、１つずつまたは複数のコイル巻線を有する図示しないステータには、交番に相電圧が印加される。電気機械２は、例えば、同期モータ、非同期モータの形態で構成されているまたはその他の相応する仕方で構成されている。図示した実施例において電気機械２は、スター型回路に接続されるコイル巻線をステータ歯の周囲に有する３つの相巻線を有する同期モータである。

同期モータ２は、ドライバ回路３によって駆動制御される。ドライバ回路３にはこのために３つの相端子Ｋ_U，Ｋ_V，Ｋ_Wが設けられており、これらの相端子に各相電圧レベルが設定される。上記の相端子Ｋ_U，Ｋ_V，Ｋ_Wにおける相電圧レベルは、各インバータ回路３１によって設定される。

各インバータ回路３１は、直列接続されたハイサイドパワースイッチ３２およびローサイドパワースイッチ３３を有する。パワースイッチ３２，３３は、パワーMOSFET，サイリスタ，IGBT，IGCTなどの形態で構成することができる。２つのパワースイッチ３２，３３間には各相端子Ｋ_U，Ｋ_V，Ｋ_Wが配置されている。パワースイッチ３２，３３は制御信号Ｔ₁ないしＴ₆によって駆動制御される。

詳しくいうと、第１のインバータ回路３１ａの第１のハイサイドパワースイッチ３２ａは、第１の制御信号Ｔ₁によって駆動制御され、第１のハイサイドパワースイッチ３２ａに直列接続されている、第１のインバータ回路３１ａの第１のローサイドパワースイッチ３３ａは第２の制御信号Ｔ₂によって駆動制御される。これに相応して第２のインバータ回路３１ｂの第２のハイサイドパワースイッチ３２ｂは、第３の制御信号Ｔ₃によって駆動制御され、第２のインバータ回路３１ｂの第２のローサイドパワースイッチ３３ｂは、第４の制御信号Ｔ₄によって駆動制御される。これに相応して第３のインバータ回路３１ｃの第３のハイサイドパワースイッチ３２ｃは、第５の駆動制御信号Ｔ₅によって駆動制御され、第３のローサイドパワースイッチ３２ｃは第６の制御信号Ｔ₆によって駆動制御される。これらのパワースイッチの駆動制御は、関連する制御信号Ｔ₁ないしＴ₆のレベルに応じてこれらのパワースイッチがスイッチオンまたはスイッチオフされる、すなわち道通状態にされるか非導通状態にされるように行われるのである。

ドライバ回路３は、制御ユニット４によって駆動制御されて、この制御ユニットが制御信号Ｔ₁ないしＴ₆を供給させる。さらに１つまたは複数の相端子Ｋ_U，Ｋ_V，Ｋ_Wにおける電圧を測定するために制御ユニット４に電圧検出器４１が設けられている。この実施例では電圧検出器４１は、相端子Ｋ_Uにおける相電圧レベルを測定する。

図２には制御ユニット４によって変更されるブロック転流のパターンが示されている。制御ユニット４は、相応する制御信号Ｔ₁ないしＴ₆を設定することによってインバータ回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃを駆動制御して、電気機械２の電気的なロータ位置に依存して、関連する相端子に正の電圧レベル、負の電圧レベルまたは浮遊レベルが出力されるようにする。

出力される相電圧の大きさは、パルス幅変調を行なうことによって得られ、正の相電圧レベルは、５０％よりも大きいパルス幅変調のデューティ比により、また負の相電圧レベルは、５０％よりも小さいパルス幅変調のデューティ比ＴＶによって表すことができる。このパルス幅変調では、あらかじめ設定したサイクル時間でインバータ回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃのパワースイッチ３２，３３がサイクリックに駆動制御される。上記のデューティ比は、あらかじめ設定したサイクル時間に対する、ハイサイドパワースイッチのスイッチオン時間の比に相応する。

上記のブロック転流では、正の相電圧レベルから負の相電圧レベルへの切り換えが１８０°の位相の変化時に行われるようにする。３つのインバータ回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、互いに１２０°の相のずれで駆動制御されるため、１周する電圧ベクトルが得られる。

図２の線図からわかるように、転流は、電気的なロータ位置を基準にしてそれぞれ６０°の相で行わなければならない。これができるようにするためには、目下のロータ位置が既知でなければならない。同期モータ２を動作させるセンサレスの方法では、目下のロータ位置についての情報は、電気的な量から求めなければならない。

ロータ位置を検出するために考えられ得る方法の１つは、誘導逆起電圧の経過のゼロ通過を求めることである。しかしながら１つの相端子におけるこの誘導逆起電圧は、この相端子に外部の電位が印加されていない場合にのみ求めることができる。したがって一般的にはこの相端子における電圧レベルを測定するため、所定の時間だけ、また予定した転流の後の所定の時間だけ、測定を行おうとするインバータ回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃの相応するハイサイドパワースイッチ３２ａ，３２ｂ，３３ｃも、相応するローサイドパワースイッチ３３ａ，３３ｂ，３３ｃも共に非活動状態にして、相端子に結果的に得られる電圧レベルを求めるのである。

このようにして設定した空白化期間ＡＴ内で求めた上記の誘導逆起電圧により、この誘導逆起電圧のゼロ通過時点を求めることができ、これを所定の電気的なロータ位置に対応づけることができる。このゼロ通過時点は一般的に上記の転流の適当な時点を定めるかないしはこの時点に依存している。図２では例示的に第１のインバータ回路３１ａの空白化期間ＡＴを設定する様子が破線で示されている。

同期モータ２を駆動制御するためのブロック転流処理は、相端子Ｋ_U，Ｋ_V，Ｋ_Wにおける相電圧レベルの跳躍的な変化に起因して大きなノイズ発生に結び付くことがある。したがって、例えば図３に示したように上記の移行を比較小さな傾きで行なうようにすることが考えられる。図３には台形状転流の駆動制御パターンが示されており、ここでは第２の移行時間UET2中に上記の複数の相端子のうちの１つの相端子において、正の相電圧レベルを加える設定から負の相電圧レベルを加える設定への移行およびその逆の移行が、線形に成形されている。このような線形の移行は一般的に空白化期間ＡＴと組み合わせることはできない。それは、空白化期間ＡＴは、正の相電圧レベルと負の相電圧レベルとの間の移行の領域をカバーし得るからである。

したがって、上記の複数の転流過程の少なくとも１つに対して１つの空白化期間ＡＴを設けるようにし、また第１の移行時間UET1中、あらかじめ設定した傾き境界値に制限した傾き（傾斜）を有する上記の印加すべき相電圧レベルを、ゼロないしは浮遊電位にして、空白化期間ＡＴが得られるようにするのである。これは、例えば、ただ１つのゼロ通過を検出するためだけに使用可能である。それは、これが一般的に、残りの転流時点を求めるために、動的な要求の少ない応用、例えばポンプおよびブロアでは十分だからである。

本発明の図３で示した実施例には、上記の誘導逆起電圧のゼロ通過時点を求めるため、相端子Ｋ_Uの負のゼロ通過だけを使用する線図が示されている。ここでは、例えば、電気的なロータ位置の幅６０°の空白化期間ＡＴが設けられており、ここではこの空白化期間ＡＴの前の電気的なロータ位置の幅１５°の移行時間（UET1）の第１の領域内で、高い相電圧レベル（デューティ比ＴＶ＞５０％）（ＴＶ：デューティ比）から、それぞれ印加すべき相電圧レベルに対する中間的な相電圧レベル（デューティ比ＴＶ＝５０％）への、制限された傾きを有する線形の移行が設けられている。これに類似して空白化期間ＡＴの後の電気的なロータ位置の第１の移行時点UET1の幅１５°の第２の領域内では、中間的な相電圧レベル（デューティ比ＴＶ＝５０％）から低い相電圧レベル（デューティ比ＴＶ＜５０°）に至る、傾きの制限された直線状の移行が設けられている。第１の移行時間UET1の第１および第２の領域は合わせて３０°の電気的なロータ位置になる。

別のインバータ回路３１および正のゼロ点通過の正の相電圧レベルと負の電圧レベルとの間の残りの移行は、例えば、電気的なロータ位置の幅６０°の第２の移行時間UET2中に行われる。直線状に移行する際、デューティ比ＴＶの変化の傾きは、
(ＴＶ_前−ＴＶ_後)／(UET2)
に等しい。

第２の移行時間は、幅６０°の電気的なロータ位置に等しくなる必要はなく、別の位置差分に等しくすることも可能である。

上記の正の相電圧レベルと負の電圧レベルとの間の移行は、上記の実施形態においてそれぞれあらかじめ設定した所定の傾き（直線状の移行）で行われるが、可変の傾きを有する移行によって行なうことも可能である。しかしながらこの傾きの絶対値は、あらかじめ設定した所定の傾き閾値を上回らないようにする。

上記の誘導逆起電圧のゼロ点通過の算出はふつう３６０°の電気的なロータ位置の後毎に行われるが、この算出は、３６０°の数倍の電気的なロータ位置の後毎に行なうことも可能であるため、電気的なロータ位置の各回転において上記のような時間窓を設ける必要はない。

例えば幅３０°の電気的なロータ位置の移行時間UET1の必要な総和から、制御装置４は、デューティ比変化（デューティ比の傾き）dTV/dtを求め、移行時間UET1にわたる線形の増大および減少にこの変化を利用する。

dTV/dt = (TV_前- TV_後) / (UET1)
連続するサイクル周期におけるデューティ比の変化に対し、
ΔPWM = dTV/dt/(パルス幅変調のサイクル時間)
が得られる。

一般的にはパルス幅変調のサイクル時間が経過した後毎にデューティ比ＴＶの適合化ないしは変更が行われる。しかしながら制御ユニットとして設けられるマイクロコントローラの負荷を低減するため、上記のサイクル時間の数倍で十分であることもあり得る。これにより、線形の転流移行部を実現するためにマイクロコントローラを使用することができる。

図３に示した実施形態には、符号の異なる２つの相電圧レベル間の線形の移行が設けられており、ここでは空白化期間ＡＴを設ける場合、浮遊電位に至る相電圧レベルの移行は、２倍の傾きで行われる。したがって図１に示したようなドライバ回路３の構造を使用する際には、正の相電圧レベルのデューティ比は、５０％のデューティ比まであらかじめ設定した傾きで減少するのである。この場合、空白化期間ＡＴを実現するためにハイサイドパワースイッチ３２ａおよびローサイドスイッチ３３ａは、導通状態に切り換えられない。空白化期間ＡＴの終わりには５０％のデューティ比からはじまり、上記のあらかじめ設定した傾きにしたがって上記のデューティ比がさらに低減され、これは、所望の負の相電圧レベルが関連する相端子に印加されるデューティ比ＴＶになるまで続けられる。

上で説明したように上記のパルス幅変調のデューティ比は、５０％のデューティ比を基準にして正および負の方向に変化させられる。しかしながらこの場合にデューティ比が極めて小さいと、パルス幅変調のクロックが発生するため、ローサイドパワースイッチ３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、比較的長い時間の間アースに接続されないことになる。これにより、例えば、出力が大きい場合にハイサイドパワースイッチに対するチャージポンプは充分に再充電されない。このような場合のため、全体として上記のパルス幅変調の発生し得る最低デューティ比をオフセットとして減算し、これによって上記のローサイドパワースイッチが、上記の負の通流フェーズにおいて持続的にアースに接続されるようにする。これによって上記のチャージポンプの再充電が格段に改善される。したがって上記の相電圧レベルにおいて、上記のチャージポンプの再充電が行われる十分な時間が得られるのである。

Claims (8)

1. 電子転流式電気機械（２）を動作させる方法において、
   転流のために前記電気機械（２）の相巻線に、交番する相電圧レベルを印加し、
   当該相電圧レベルをパルス幅変調によって形成して、印加される前記相電圧レベルの大きさを前記パルス幅変調のデューティ比（ＴＶ）によって決定し、
   １つの相巻線に誘導される電圧のゼロ点通過時点を求めるために、相応する相巻線に相電圧レベルが印加されない時間窓である空白化期間（ＡＴ）を設け、
   当該空白化期間（ＡＴ）の前および／または後に第１の移行時間（UET1）を設け、当該移行時間の間、印加される前記相電圧レベルの経過が、制限された第１の傾きを有する、
   ことを特徴とする、電子転流式電気機械（２）を動作させる方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記相電圧レベルは、前記移行時間（UET2）の間、線形に経過する、
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   前記相電圧レベルをブロック転流にしたがって印加し、
   第２の移行時間（UET2）中の相電圧レベル間での各交番時に、印加される前記相電圧レベルの前記経過は、制限された第２の傾きを有する、
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   前記相電圧レベルの前記第２の傾きの絶対値は、前記相電圧レベルの前記第１の傾きの絶対値より小さい、
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記第１の移行時間（UET1）中、前記相電圧レベルの前記経過は、中間電圧レベルから開始されるかまたは該中間電圧レベルで終了し、
   該中間電圧レベルを、前記移行時間を有する前記空白化期間（ＡＴ）の前後の前記相電圧レベルの中間値とする、
   ことを特徴とする方法。
6. 制御ユニット（４）を有する電子転流式電気機械（２）を動作させる装置において、
   該制御ユニットは、
   − 転流のため、交番する相電圧レベルを前記電気機械（２）の相巻線に印加するため、
   − 該相電圧レベルをパルス幅変調によって形成し、印加される前記相電圧レベルの大きさを当該パルス幅変調のデューティ比（ＴＶ）によって決定するため、
   − １つの相巻線に誘導される電圧のゼロ点通過時間を求めるため、相応の前記相巻線に相電圧レベルが印加されない時間窓である空白化期間（ＡＴ）を設けるため、
   − 当該空白化期間（ＡＴ）の前および／または後に、印加される前記相電圧レベルの経過が、制限された第１の傾きを有する第１の移行時間（UET1）を有するようにするために構成されている、
   ことを特徴とする装置。
7. 電子転流式電気機械（２）および請求項６に記載した装置を有することを特徴とする電動機システム。
8. コンピュータプログラム製品において、
   該コンピュータプログラム製品は、プログラムコードを含んでおり、当該プログラムコードがデータ処理装置上で実行される場合に請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法を実行する、
   ことを特徴とするコンピュータプログラム製品。

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