JP2014515592A - 電子整流型の電気機械を動作させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、所定の転流方式に従って多相の電気機械（２）の相巻線に印加すべき駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）を出力する、多相の電気機械（２）の動作方法に関し、前記相巻線のうちいずれかが無通電状態に切り替えられている状態から、前記駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）が該当の相巻線に印加される状態への、前記所定の転流方式により決定される急峻な状態切換が検出された場合、・直後に、供給された中間電圧（Ｕ_Ｚ）を印加するステップと、・前記中間電圧（Ｕ_Ｚ）から該当の相巻線の駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）までの所定の連続的な時間的推移により決定される電圧波形を、前記印加すべき駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）に達するまで印加するステップと、を実施することを特徴とする。

Description

本発明は電気機械に関し、とりわけ、電子整流型の電気機械を動作させるための駆動制御方法に関する。本発明はさらに、電子整流型の電気機械の整流方法にも関する。

従来技術
電子整流型の電気機械はしばしば、当該電気機械の相端子に駆動制御電圧を印加することにより当該電気機械のステータ巻線に通電することによって動作することが多い。この駆動制御電圧は時間と共に変化することにより交流電圧となり、この交流電圧が、交番磁界に相当するステータ磁界を生成する。回転機の場合には、このステータ磁界は回転磁界に相当する。

ステータ磁界は、電気機械の可動子によって生成された励磁界と相互作用することにより、この可動子を駆動するための駆動力ないしは駆動トルクを発生させる。この駆動力ないしは駆動トルクは、駆動制御電圧を印加することにより生成されたステータ磁界と励磁界との相対位置に依存する。よって、電気機器を動作させるためには、発生するステータ磁界の方向が励磁界に対して進角するように、可動子の可動子位置に依存して駆動制御電圧を印加する。

印加すべき駆動制御電圧を生成するための転流方式は種々存在する。駆動制御電圧の転流は、いわゆるブロック転流により低コストで実現することができる。このブロック転流は、可動子の移動速度により決定される期間中一定である駆動制御電圧を電気機械の相端子に印加し、この期間の経過後には、複数の駆動制御電圧の適切な異なる組み合わせを印加するものである。

ブロック転流を低コストで実現できるのは、駆動制御電圧を印加するためのスイッチングパターンを準備するためには、簡単なマイクロコントローラのみを使用すればよいからである。しかし、ブロック転流では通常、各駆動制御電圧の切り替えは急激に行われるので、電気機械に発生する動作ノイズは大きい。

電気機械のノイズ特性を改善するためには、台形転流と称される別の転流方式が公知である。この台形転流では、複数の相端子への駆動制御電圧の印加は同様に行うが、駆動制御電圧を切り替えることにより生じる電圧エッジの勾配の大きさを制限することにより、電圧‐時間グラフで見たときに駆動制御電圧の信号波形が台形状になる。このことにより、ステータ磁界が変化するときの移行をよりソフトにすることができ、このことによって動作ノイズが低減する。

駆動制御電圧のブロックを台形状にして電気機械を動作させる場合、特定の動作状態になると、可動子の動きによって電圧誘導が引き起こされることにより、所望の電流の方向とは逆方向に電流が流れてしまうことがある。このこともまた、ノイズ発生に関して非常に重大な欠点を有し、この種の電気機械の効率および制御品質が阻害されてしまう。

それゆえ本発明の課題は、簡単に実現可能であり、かつ、とりわけ電圧誘導によって、印加された駆動制御電圧に対して相対的に負の方向に電流が流れることに起因するノイズ発生を低減できる、電子整流型の電気機械の駆動制御方法および駆動制御装置を実現することである。

発明の開示
前記課題は、請求項１に記載の電子整流型の電気機械の駆動制御方法と、独立請求項に記載の装置、駆動システムおよびコンピュータプログラム製品とによって解決される。

従属請求項に、本発明の他の有利な実施形態が記載されている。

本発明の第１の対象は、多相電気機械の動作方法であり、この動作方法では、所定の転流方式にしたがって、電気機械の複数の相巻線に印加される駆動制御電圧を出力する。前記相巻線のうちいずれかが無通電状態にある状態から、当該相巻線に前記駆動制御電圧が印加される状態への、前記所定の転流方式によって決まる急激な状態切り替えが検出された場合、以下のステップを行う：
・供給された中間電圧を直ちに印加するステップ。
・印加すべき駆動制御電圧に達するまで、前記中間電圧から当該の相巻線の駆動制御電圧までの連続的な所定の時間的推移から求められる電圧波形を印加するステップ。

本発明はさらに、所定の転流方式にしたがって、電気機械の複数の相巻線に印加される駆動制御電圧を出力する、多相電気機械の動作方法も対象とする。前記複数の駆動制御電圧のうちいずれかが、該当する相巻線に印加される状態から、前記該当する相巻線が無通電状態に切り替えられる状態への、前記所定の転流方式によって決まる急激な状態切り替えが検出された場合、以下のステップを行う：
・該当する相巻線の中間電圧に達するまで、駆動制御電圧から当該中間電圧までの所定の連続的な時間的推移から求められる電圧波形を印加するステップ。
・前記電圧が前記中間電圧に達すると直ちに、前記相巻線を無通電状態に切り替えるステップ。

本発明はさらに、上記動作方法の各ステップにより多相電気機械を動作する方法にも関する。

上記方法の思想は、無通電状態からの切替時に、供給された中間電圧が急峻な波形で印加されるように、または、無通電状態への切替時に、供給される中間電圧がこの無通電状態になるように、状態切替時に生じるエッジを成形することである。印加される駆動制御電圧から中間電圧までの電圧推移、ないしは、中間電圧から印加制御電圧までの電圧推移は、勾配が制限された予め定められた時間的推移にしたがって設定される。

このようにして、ブロック転流の利点と台形転流の利点とが同時に実現され、これにより、電気機械の動作ノイズの低減が実現される。それと同時に、電圧方向と逆方向にモータ電流が流れることにより生じる、効率および制御品質に関する欠点を小さくすることもできる。

さらに、どの時点においても、電圧変化の勾配の絶対値が最大勾配を超えることなく、時間的推移を設定することもできる。

とりわけ、前記時間的推移は線形推移とすることができる。

前記中間電圧は、印加された駆動制御電圧または印加される駆動制御電圧の所定の割合に相当することが可能である。とりわけ、前記中間電圧を最小中間電圧値および／または最大中間電圧値に制限することができる。

別の実施形態では、前記転流方式はブロック転流に相当することができる。

さらに、前記転流方式は正弦波転流に相当することもできる。その際には、該当する相巻線における誘導電圧を測定するための空白区間を形成するため、無通電状態からの状態切換、または、無通電状態への状態切換が行われる。

本発明はさらに、上記方法のうちいずれかを実施するように構成された、多相電気機械を動作させるための装置も対象とする。

本発明はまた、コンピュータプログラム製品も対象としており、当該コンピュータプログラム製品は、データ処理装置上で実行されるときに上述の方法を実施するプログラムコードを含む。

以下、添付の図面に基づいて本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。

電子整流型の電気機械を備えた駆動システムの概略図である。 図１の駆動システムで電気機械を動作させるための駆動制御方法を示すフローチャートである。 図２の方法により電気機械を動作させるときの駆動制御電圧の推移を示す。

実施形態の説明
図１は、電気機械２を備えた駆動システム１を示す。この実施例ではこの電気機械２は、電子整流型の３相機として構成されている。この電気機械２は、当該電気機械２に駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを印加するための３つの相端子３を有する。

前記駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃはドライバ回路４から出力され、この駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃの出力は制御ユニット５により制御される。制御ユニット５は、駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃの特定のパターンを電気機械２に印加するためにドライバ回路４を駆動制御する基準となる転流方式を決定する。

前記ドライバ回路４はたとえば、いわゆるＢ６回路により構成することができ、このＢ６回路は、それぞれ２つのパワー半導体スイッチを有する３つの直列接続体を相互に並列接続したものを使用する回路である。前記パワー半導体スイッチは、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴまたはＩＧＣＴ等を含むことができる。前記直列接続体の２つの直列接続されたパワー半導体スイッチ相互間の各接続点において各駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを取り出せるように構成されており、ないしは、これら各ノードを、前記電気機械２の相端子３のうち各対応する相端子に接続されていることにより、各駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃが印加される。

制御ユニット５によるドライバ回路４のパワー半導体スイッチの駆動制御に応じて、各相端子３にはそれぞれ、供給された高い給電電位Ｕ_Ｖが印加されるか、または供給された低い給電電位ＧＮＤが印加されるか、または、該当する相端子３が無通電状態に切り替えられる。制御ユニット５によるドライバ回路４の駆動制御は、トルク指令値Ｖの設定に従って行われる。このトルク指令値Ｖの設定は、電気機械２が出力すべきトルク値を制御ユニット５に対して設定するためのものである。制御ユニット５は、制御線路６を介してドライバ回路４に印加される適切なスイッチングパターンに前記トルク指令値Ｖを変換する。このスイッチングパターンが、前記ドライバ回路３により出力および印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを決定する。

制御ユニット５は、前記トルク指令値Ｖと、電気機械２の可動子の位置とに応じて、前記スイッチングパターンを求める。とりわけ可動子位置に依存して、ドライバ回路４のスイッチングパターンを変える転流時点を求める。可動子位置は、位置センサ７を用いて検出するか、または、従来技術から公知であるセンサレス位置検出手法によって検出することも可能であり、このセンサレス位置検出手法はたとえば、電気機械２の無通電状態に切り替えられた相端子３における端子電圧の測定結果に基づいて位置検出を行うことができる。

前記制御ユニット５はさらに、高い給電電位Ｕ_Ｖと低い給電電位ＧＮＤとの間の電圧値によって前記駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを設定するように構成することもできる。こうするためには、制御ユニットはパルス幅変調を用いて各電圧値を決定することができる。その際にはトルク指令値Ｖは、パルス幅変調のデューティ比を求め、スイッチングパターンに従って、パルス幅変調された前記駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを電気機械２の各駆動制御端子に印加したり印加しなかったりするために用いられる。

制御ユニット５が電気機械２の台形波形のブロック転流を行う場合には、さらに、スイッチングパターンの切換後の期間の開始時に、すなわち、相端子３に印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃの切換を行うべき時点において、連続的なデューティ比（の大きさ）を所定の時間的推移で時間的に増大させることにより、前記切換時点で開始する有効駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを設定するように構成することもできる。前記所定の時間的推移は、勾配の絶対値がどの時点においても最大値を上回らないように設定される。デューティ比の大きさは、トルク指令値Ｖにより求められる目標駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを生成するデューティ比に相当するようになるまで増大される。少なくとも１つの相端子３に印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃの新たな切換が行われようとする、当該の期間の終了時には、この切換により生じる、各駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃのエッジを、所定の時間的推移でのデューティ比（の大きさ）の連続的な低減により、適切に成形することができる。このようにして、ステータ磁界の磁界方向の切換をよりソフトに行うことができ、このことにより、ノイズ発生をより小さくすることができる。

しかし冒頭に述べたように、台形波形のブロック転流を行うと、ステータ磁界内において可動子が動いたり回転することに起因する電圧誘導により、相巻線に誘導電圧が生成されてしまい、この誘導電圧により、対応するステータ巻線において、前記相巻線に印加された駆動制御電圧ないしは印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃに対して電流方向が逆である電流が流れてしまう。これは、発生ノイズを増大させる原因となり、さらには、上述のような駆動システムの効率および制御品質が低下することにもなる。

上述の欠点を回避するため、本発明では、駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃと逆方向の電流が電気機械２の相巻線に流れるのを十分に回避できる転流方法を開示する。

この駆動制御電圧出力方法を、図２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

この方法は、相端子３における駆動制御電圧に電圧ジャンプが生じる転流手法を用いて電気機械を動作させる状況を前提とする。

ステップＳ１において、選択された転流手法に応じて、該当する駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃを急峻に変化させる駆動制御電圧値Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃが印加されることを検出した場合（選択肢：はい）、この急峻な切替の時点において（ステップＳ１における検出時点）、適切なデューティ比の設定により、絶対値が目標駆動制御電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃより小さい中間電圧を印加する（ステップＳ２）。ステップＳ１ではとりわけ、既に無通電状態に切り替えられている相端子３に、該当する駆動制御電圧が印加される状態切換が検出される。「無通電状態」とは、相端子３が、高い給電電位Ｕ_Ｖにも低い給電電位ＧＮＤにも接続されていない状態を意味する。中間電圧Ｕ_Ｚの大きさを求めることができる手法は種々存在する。

１．中間電圧Ｕ_Ｚは、印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２の一部ｆとして求められる。この一部ｆの割合はたとえば、印加される駆動制御電圧の４０〜６０％の間とすることができ、とりわけ、印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２の５０％とすることができる。その際には、相Ａの相巻線に対して以下の数式が成り立つ：
Ｕ_Ｚ＝Ｕ_Ａ２×ｆ
２．目標印加駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２の絶対値が、固定的に設定された中間電圧Ｕ_Ｚｆｉｘより大きい場合、前記中間電圧Ｕ_Ｚはこの固定的に設定された中間電圧Ｕ_Ｚｆｉｘから求められ、中間電圧Ｕ_Ｚは前記固定的に設定された中間電圧Ｕ_Ｚｆｉｘ（最大中間電圧値）に相当し、印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２が前記設定中間電圧Ｕ_Ｚより小さい場合、前記中間電圧Ｕ_Ｚは、印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２の一部ｆに相当する。その際には、相Ａの相巻線に対して以下の数式が成り立つ：
｜Ｕ_Ａ２｜＞｜Ｕ_Ｚ｜の場合、Ｕ_Ｚ＝Ｕ_Ａ２×ｆ
｜Ｕ_Ａ２｜＜｜Ｕ_Ｚ｜の場合、Ｕ_Ｚ＝Ｕ_Ｚｆｉｘ
３．中間電圧Ｕ_Ｚは、予め定められた中間電圧Ｕ_Ｚｆｉｘに相当し、印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２が前記予め設定された中間電圧Ｕ_Ｚｆｉｘより小さい場合、前記中間電圧Ｕ_Ｚはこの印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２に相当する。

中間電圧Ｕ_Ｚはデューティ比で設定される。ステップＳ３では、このデューティ比を中間電圧Ｕ_Ｚのデューティ比から、予め設定された時間的推移にしたがって、印加される駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２のデューティ比まで連続的に上昇させる。その際にはこの上昇の勾配の絶対値は、予め設定された最大勾配に制限される。とりわけ、デューティ比の上昇は線形に行うことができる。このようにすると、印加すべき駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２を印加する、ブロック転流により定まる期間の所定の時間にわたって、デューティ比が維持される。

ステップＳ４において、目標駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２を印加するための期間が終了したことを検出した場合（選択肢：はい）、またはこの印加期間の終了が目前である場合、まず最初に、デューティ比を低減することにより、印加されている駆動制御電圧Ｕ_Ａ１，Ｕ_Ｂ１，Ｕ_Ｃ１（ステップＳ３のＵ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２に相当）の大きさを、印加すべき駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２から、上記の計算規則のうちいずれかに従って求められた中間電圧Ｕ_Ｚにまで低減させ（ステップＳ５）、その後直ちに、該当する相端子３を無通電状態に切り替える（ステップＳ６）。ステップＳ４ではとりわけ、該当の駆動制御電圧が印加されている相端子を無通電状態に切り替えるべき状態切換が検出される。

このようにして、各相端子３の駆動制御ブロックにおいて電気機械２の相端子３に印加すべき駆動制御電圧Ｕ_Ａ２，Ｕ_Ｂ２，Ｕ_Ｃ２を印加する方法は終了する。上記方法は、電気機械２の１つまたは複数またはすべての相端子３に適用することができる。また上記方法は、大きさが上昇していくエッジ（期間の開始点）のみに適用することも、また、下降エッジ（期間の終了点）のみに適用することも可能である。

図３は、ブロック転流方法による相Ａの駆動制御電圧の推移を一例として示す電圧‐時間グラフである。まず最初に、転流時点において、相Ａの相端子を無通電状態から、駆動制御電圧Ｕ_Ａが印加される状態にするときに急峻な変化が生じるのが見て取れる。中間電圧Ｕ_Ｚまで急峻に上昇した後、勾配を最大勾配に制限してさらに（より平坦に）上昇させる。

さらに、転流時点において、相Ａの相端子を、駆動制御電圧Ｕ_Ａが印加されている状態から無通電状態にする場合の変化を見て取れる。最初に、絶対値が制限された勾配で駆動制御電圧が降下し、中間電圧Ｕ_Ｚに達すると無通電状態に切り替えられる。

また、当該方法は、ブロック転流を用いた駆動制御方法にのみ使用できるだけでなく、他の転流手法でも使用することができ、たとえば、無通電状態で誘導電圧を測定するための空白区間が設けられている場合に駆動制御電圧が急峻に変化する場合に、当該方法を使用することも可能である。相巻線における急峻な電圧変化に起因するノイズ発生や他の不所望の作用を回避するため、とりわけ、目標駆動制御電圧に対して負の電流が生じるのを回避するためにも、目標駆動制御電圧に応じてデューティ比を、まず最初に中間電圧Ｕ_Ｚまで上昇および下降させ、その後、印加される駆動制御電圧の変化の勾配を、予め設定された最大勾配に制限することができる。

Claims (11)

1. 所定の転流方式に従って多相の電気機械（２）の相巻線に印加すべき駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）を出力する、多相の電気機械（２）の動作方法であって、
   前記相巻線のうちいずれかが無通電状態に切り替えられている状態から、前記駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）が該当の相巻線に印加される状態への、前記所定の転流方式により決定される急峻な状態切換が検出された場合、
   ・直後に、供給された中間電圧（Ｕ_Ｚ）を印加するステップと、
   ・前記中間電圧（Ｕ_Ｚ）から該当の相巻線の駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）までの所定の連続的な時間的推移により決定される電圧波形を、前記印加すべき駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）に達するまで印加するステップと
   を実施することを特徴とする動作方法。
2. 所定の転流方式に従って多相の電気機械の相巻線に印加すべき駆動制御電圧を出力する、電気機械（２）の動作方法であって、
   前記駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）のうちいずれかが該当の相巻線に印加されている状態から、該当の相巻線が無通電状態に切り替えられた状態への、前記所定の転流方式により決定される急峻な状態切換が検出された場合、
   ・前記駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）から該当の相巻線の中間電圧（Ｕ_Ｚ）までの所定の連続的な時間的推移により決定される電圧波形を、前記中間電圧（Ｕ_Ｚ）に達するまで印加するステップと、
   ・前記電圧が前記中間電圧に達すると直ちに、前記相巻線を無通電状態に切り替えるステップと
   を実施することを特徴とする動作方法。
3. 請求項１に記載の動作方法のステップと請求項２に記載の動作方法のステップとを含むことを特徴とする、多相の電気機械（２）の動作方法。
4. 前記時間的推移は、前記電圧の変化の勾配の絶対値がどの時点においても最大勾配を超えないように設定されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の動作方法。
5. 前記時間的推移は線形波形として設定されている、
   請求項４記載の動作方法。
6. 前記中間電圧（Ｕ_Ｚ）は、印加されている前記駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）または前記印加すべき駆動制御電圧（Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂ，Ｕ_Ｃ）の、所定量の一部に相当する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の動作方法。
7. 前記中間電圧（Ｕ_Ｚ）は最小中間電圧値および／または最大中間電圧値に制限される、
   請求項６記載の動作方法。
8. 前記転流方式はブロック転流に相当する、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の動作方法。
9. 前記転流方式は正弦波転流に相当し、
   該当の相巻線における誘導電圧を測定するための空白区間を形成するため、無通電状態からの状態切換、または、無通電状態への状態切換が行われる、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の動作方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の動作方法を実施するように構成されていることを特徴とする、多相の電気機械（２）を動作させるための装置。
11. データ処理ユニット上で実行されるときに請求項１から９までのいずれか１項記載の動作方法を実施するプログラムコードを有するコンピュータプログラム製品。

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