JP2015533468A - 電子整流式電動機の動作方法及び装置 - Google Patents

Abstract

電子整流式電動機（２）の動作方法において、・パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングによって整流スキーマに基づいて駆動回路（３）を駆動するステップと、・前記パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングにパルス幅変調を適用するステップと、・前記パルス幅変調のデューティ比（Ｔ）をデューティ比閾値（Ｔｔｈ）まで制限するステップと、を有することを特徴とする方法。

Description

本発明は、電子整流式電動機に関し、特に、電子整流式電動機を過負荷から保護するため、特に高過ぎる相電流乃至相巻線電流から保護するための手段に関する。

電子整流式電動機は、インバータを用いて動作されることが多い。インバータは、整流パターンを予め設定しておくことによって、この整流パターンが、電子整流式電動機の相端子を当該電動機のロータ位置に依存して通電状態又は電流遮断状態へとスイッチングするように駆動される。さらにインバータにおいて、印加すべき相電圧をパルス幅変調によって変化させることができ、これによって電動機を可変に駆動するための出力制御を実施することができる。

インバータは、モータトルク乃至負荷トルクを可変に調整するために、デューティ比を予め設定しておくことによりパルス幅変調によって調整される。パルス幅変調によって、２つの該当する相端子を介して印加すべき相電圧が変調され、有効に印加された相電圧がデューティ比に応じて低減される。このために周期的な駆動パターンが設けられている。ここでのデューティ比は、予め定められた周期に対する、電動機の相端子に供給電圧が印加されている期間の比率を表している。

許容できないほど高い電流による損傷から電動機及びインバータを保護するために、通常は、電流制限又は過電流遮断が実施されている。相電流が電流閾値を上回る場合における有害な影響は１つの相にしか発生しないが、コスト上の理由から個々の相電流が監視されるわけではなく、個々の相電流の和としてＤＣリンク電流が監視される。

さらに電流測定は、ＥＭＣ設計に基づいて実質的に平均値形成を実施するので、特にパルス幅変調のデューティ比が小さい場合には、電動機の目下通電中の相を流れる実際の電流よりも格段に小さいＤＣリンク電流が測定される。従って、いくつかのケースにおいて、特にデューティ比が小さい場合には、相電流が停滞又はブロッキングの場合に既に許容できないほど高くなっているにも拘わらず、電流制限乃至過電流遮断が介入しないことがある。

電流制限にとって重要な電流閾値にパルス幅変調のデューティ比を単純に適用することは、制御装置及び／又はインバータのハードウェアの性能に基づき不可能であることが多い。特に電流制限装置は、ブリッジ回路で使用されている構成素子のために、これらの構成素子が概して固定的な電流閾値を有するように構成されており、この電流閾値を上回った場合には遮断がトリガされる。従って電流閾値は、簡単には操作できない。

本発明の課題は、電動機の改善された動作方法を提供することにより、デューティ比が小さい場合にも、電動機の相乃至相巻線における過電流の発生を回避できるようにすることである。

この課題は、請求項１に記載の電子整流式電動機の動作方法、並びに、後続の独立請求項に記載の装置、システム、コンピュータプログラム製品によって解決される。

本発明のさらなる有利な構成は、従属請求項に記載されている。

第１の側面によれば、電子整流式電動機の動作方法において、
当該方法は、
・パワー半導体スイッチのスイッチングによって整流スキーマに応じて駆動回路を駆動するステップと、
・前記パワー半導体スイッチのスイッチングにパルス幅変調を適用するステップと、
・前記パルス幅変調のデューティ比をデューティ比閾値まで制限するステップと、
を含む。

さらにデューティ比閾値は、電動機の現在の回転数に依存して決定することができる。

上記の方法の着想は、調整すべきデューティ比を予め定められた制限値まで制限することにある。特にデューティ比は、電動機の回転数に依存した所定の制限値まで制限することができる。このことは特に、回転数に伴ってトルク要求が格段に増加する負荷特性、特に回転数に関連してトルク要求が線形又は二次的に増加する負荷特性によって駆動される場合に意義深く、この際には相電圧の制限、すなわち電動機の相端子に有効に印加される電圧の制限が実施される。このようにして、予め定められたデューティ比の大きさに実質的に依存することなく確実な電流制限を実現することができ、この際にはモータ電流ではなく、印加される相電圧が、電動機の現在の回転数に依存して制限される。

こうすることにより、電流測定装置によって電動機を流れる電流の平均値又は平滑値のみが供給されるせいで、デューティ比が小さい場合に、高過ぎるモータ電流が電流制限又は過電流遮断によって識別されない、というケースを排除することができる。

特にデューティ比閾値は、予め定められたデューティ比閾値特性マップ、又は、予め定められたデューティ比閾値関数に基づいて決定することができる。

別の１つの実施形態によれば、電動機の各相端子における相電流の電流バランスに起因するモータ電流を制限することができるか、又は、モータ電流が最大電流を上回った場合に過電流遮断を実施することができる。

パルス幅変調のデューティ比は、予め定められた制御関数に基づいて目標設定値に依存して決定することができる。

別の１つの側面によれば、電子整流式電動機を動作させるための装置、特に制御ユニットが設けられており、当該装置は、
・パワー半導体スイッチのスイッチングによって整流スキーマに応じて駆動回路を駆動し、
・前記パワー半導体スイッチのスイッチングにパルス幅変調を適用し、
・前記パルス幅変調のデューティ比をデューティ比閾値まで制限する、
ように構成されている。

別の１つの側面によれば、システムが設けられており、当該システムは、
・電子整流式電動機と、
・パワー半導体スイッチのスイッチングによって前記電動機を駆動するための、パワー半導体スイッチを有する駆動回路と、
・整流スキーマに応じて前記パワー半導体スイッチを駆動し、
・前記パワー半導体スイッチのスイッチングにパルス幅変調を適用し、
・前記パルス幅変調のデューティ比をデューティ比閾値まで制限する、
ように構成されている制御ユニットと、
を含む。

別の１つの側面によれば、データ処理装置上で実行された場合に上記の方法を実施するプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品が設けられている。

本発明の好ましい実施形態を、以下、添付図面に基づいて詳細に説明する。

駆動回路と３相電動機とを有するモータシステムの概略図である。 電動機の動作領域を図示する線図である。 電動機の動作方法を説明するためのフローチャートである。

図１は、モータシステム１の図として、電動機２と駆動回路３と制御ユニット４とを有する電気回路図を図示している。

電動機２は電子整流式電動機として、特に３相電動機として設けられている。特に電動機２は、同期機又は非同期機として構成することができる。電動機２には、電動機２のロータ位置を検出して相応の情報を制御ユニット４へと供給するための位置センサ２１が設けられている。択一的に、ロータ位置に関する情報を、相電流の推移を評価することによってセンサレスに求めることも可能である。

電動機２のステータ装置は、複数のステータコイル２２又はステータコイル装置を有しており、これらはスター結線において共通の１つの中性点Ｓを介して接続されている。各ステータコイル２２の各々異なる端子２３は、電動機２へのエネルギの流れ、又は、電動機２からのエネルギの流れを保証するための、電動機２の相端子２３である。択一的な実施形態では、各ステータコイル２２をデルタ結線で接続させることも可能である。

駆動回路３は、３相の電動機２の場合、実質的にこれに相応する数（３つ）のインバータ回路３１を有しており、これらのインバータ回路３１は、電動機２の相端子２３における相応の位相制御を提供する。各インバータ回路３１は、それぞれ１つの第１パワー半導体スイッチ３２（プルアップ分岐）と、それぞれ１つの第２パワー半導体スイッチ３３（プルダウン分岐）とを有する。第１パワー半導体スイッチ３２と第２パワー半導体スイッチ３３とは、互いに直列に接続されている。各インバータ回路３１の第１パワー半導体スイッチ３２と第２パワー半導体スイッチ３３とからなる直列回路の両端には、相応の供給電圧線路５を介して供給電圧Ｕ_Ｖｅｒｓが印加されている。

パワー半導体スイッチ３２，３３は、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ等のような半導体素子として構成することができる。パワー半導体スイッチ３２，３３は、誘導電圧によって発生した負の電流を転じさせるための、それぞれ１つの逆並列に接続されたフリーホイールダイオード３４を有する。

各インバータ回路３１の第１パワー半導体スイッチ３２と第２パワー半導体スイッチ３３との間には、各相端子２３のためのタップが設けられている。各パワー半導体スイッチ３２，３３は、各自の制御端子Ｇによって別個に駆動することができ、このために制御ユニット４に接続されている。

上記の駆動回路３は通常、６パルス整流回路と呼ばれる。択一的に、例えばＨブリッジ回路等のような別の構成の駆動回路も可能である。

制御ユニット４は、いつの時点にどの相端子２３において電動機２に電流を流すべきか、及び、いつの時点にどの相端子２３から電動機２からの電流を流すべきかを定めている整流スキーマに基づいて、パワー半導体スイッチ３２，３３を駆動する。このような整流は、複数のパワー半導体スイッチのうち１つの第１パワー半導体スイッチ３２を、複数のインバータ回路３１のうちの１つに接続し、また、複数のパワー半導体スイッチのうちの１つの第２パワー半導体スイッチ３３を、複数のインバータ回路３１のうちの別の１つに接続し、但しこのとき、これらのパワー半導体スイッチが閉成されて低オーム性の電流路を形成するように、かつその一方で、残りの全てのパワー半導体スイッチ３２，３３が開放されて高オーム性となるように接続することによって実施することができる。第１及び第２パワー半導体スイッチ３２，３３を、位置検出器２１によって又はセンサレスに検出されたロータ位置に依存してスイッチングすることにより、推進トルクを形成するための、ロータの励磁磁界に先行する、回転するステータ磁界を形成することができる。

電動機２によって供給される駆動トルクを調整できるようにするために、整流スキーマに加えてさらに、相応の整流フェーズ中に相端子２３に有効に印加すべき相電圧が、パルス幅変調によって調整される。このために、閉成されるべきパワー半導体スイッチ３２，３３は、デューティ比を予め設定しておくことによってパルス幅変調された状態で駆動され、これにより相端子２３には低減された電圧だけが有効に印加される。デューティ比は、予め定められた周期に対する、該当するパワー半導体スイッチ３２，３３のスイッチオン期間の比率を表している。換言するとデューティ比は、周期全体におけるスイッチオン期間の割合を表している。これによって、相端子２３に有効に印加される電圧を、デューティ比に依存して線形に調整することができる。

駆動回路３には、供給電圧線路５を介して供給電圧Ｕ_Ｖｅｒｓが印加され、供給電圧線路５には、駆動回路３に供給される全てのモータ電流を検出する電流検出器６が設けられている。電流検出器６は、自身のＥＭＣ設計に基づき、測定された電流値を平滑化するので、常に平滑化乃至平均化されたモータ電流に関するデータが供給される。

しかしながら特にパルス幅変調のデューティ比が小さい場合、デューティ比と予め定められた周期との積に相当する期間を有するスイッチオン時間範囲の間では、調整された電流により、２つの相端子２３を介して完全な供給電圧Ｕ_Ｖｅｒｓが印加される。その一方で、当該周期の残りの期間においては、該当するパワー半導体スイッチ３２，３３がスイッチオフされているので電圧は印加されず、従って電流は流れない。しかしながらこのことは、相応の相端子２３に電圧が印加されている、当該周期のスイッチオン時間範囲において高過ぎる電流をもたらす可能性があり、この電流は、場合によっては許容される相電流よりも高くなることがある。

従来のモータシステムの場合には、駆動回路３又は電動機２の損傷を回避するために、適当な手段によってモータ電流が制限される。例えば供給電圧線路５にさらに遮断素子８を設けることにより、電流制限又は過電流遮断を実施することができる。モータ電流Ｉ_ｍｏｔの電流値が予め定められた電流閾値Ｉ_ｍａｘを超えることが識別されると、制御ユニット４による制御によって遮断素子８を開放し、これによりモータシステム１を遮断することができる。

しかしながら、供給電圧線路５における電流測定しか実施されない場合には、電動機２の各相巻線において発生した電流値が、該当する相巻線に対する電流制限値を上回っていることを確認することができない。

特に例えばデューティ比に起因して、測定されたモータ電流Ｉ_ｍｏｔが実際に電動機２を流れる相電流よりも格段に小さいような動作ケースにおいては、制御ユニット４において、相電流が予め定められた相電流閾値を上回らないよう保証する別の１つの手段が実施されている。このために、制御ユニット４において電圧制限が実施されている。

図２には、選択された適用例における例示的なモータシステムの挙動が線図に基づいて示されており、通常の動作条件におけるデューティ比Ｔが回転数ｎに亘ってプロットされている。曲線Ｋ１は、通常の動作条件における到達すべき回転数に依存したデューティ比Ｔの推移を示す。ブロッキング、停滞、又は、過負荷の場合には、制御ユニット４が、曲線Ｋ１によって予め定められたデューティ比よりも大きいデューティ比Ｔを選択する。通常の動作条件よりも負荷が小さい場合には、曲線Ｋ１の下側の領域Ｂ１から印加すべきデューティ比が選択される。

参照符号Ｂ２で示された領域は、曲線Ｋ１により所定の回転数に関して予め定められたデューティ比Ｔよりも大きいデューティ比を含み、このデューティ比においてはまだ、電動機２の相巻線において危険な電流は発生しない。

領域Ｂ２の上限は、曲線Ｋ２によって画定されている。曲線Ｋ２は、領域Ｂ３との境界線を表している。領域Ｂ３においては、デューティ比Ｔは回転数ｎに関連して、危険な相電流が生じる可能性があるほど高くなっているが、電流制限及び過電流遮断は、電流検出器６の平滑化挙動に基づき、この危険な相電流を検出することはできない。領域Ｂ４は、曲線Ｋ３の上側の領域を表している。領域Ｂ４においては、電流検出器６による電流測定により過電流が識別され、これに応じて、スイッチング素子８のスイッチングによるモータシステム１の遮断が行われる。図２の線図は、モータシステム１を動作させることができる例示的な１つの適用例を示している。択一的な適用例において、図２に図示された曲線Ｋ１及びＫ２の線形の曲線推移が、非線形の別の推移を有することも可能である。

図３には、モータシステム１の動作方法を説明するためのフローチャートが図示されている。

ステップＳ１においてはまず、電動機２の現在の回転数が、特に位置検出器２１を用いて又はセンサレスに検出される。

特に回転数ｎは、検出されたロータ位置の変化を時間的に評価することによって求めることができる。

後続のステップＳ２においては、制御ユニット４により、予め定められたアルゴリズムに基づいてデューティ比Ｔが求められる。デューティ比Ｔは適用例に応じて、現在の回転数ｎ又はその他の外部設定及び条件から形成されている。

ステップＳ３においては、現在の回転数ｎに対応付けられているデューティ比閾値Ｔ_ｔｈが、例えばデューティ比閾値関数又は相応の特性マップから求められる。曲線Ｋ２は、該当する適用例に対するデューティ比閾値Ｔ_ｔｈの推移を予め定めるものである。デューティ比閾値Ｔ_ｔｈはデューティ比の最大値を表しており、この最大値を上回ってはならない。さもなければ、許容できないほど高い相電流が発生する可能性があるからである。

ステップＳ４においては、ステップＳ２で求められたデューティ比が、ステップＳ３で求められたデューティ比閾値Ｔ_ｔｈを上回るか否かがチェックされる。上回る場合（選択肢：はい）には、方法はステップＳ５に進む。そうでない場合（選択肢：いいえ）には、方法は直接ステップＳ６に進む。

ステップＳ５においては、ステップＳ２で求められたデューティ比Ｔがデューティ比閾値Ｔ_ｔｈまで制限され、これにより電動機２は、デューティ比閾値Ｔ_ｔｈに相当するデューティ比よりも大きいデューティ比Ｔによっては駆動されないよう保証される。

後続のステップＳ６においては、電動機が、デューティ比Ｔ乃至制限されたデューティ比に基づいて駆動される。

相端子２３に印加される相電圧の制限に相当する、デューティ比Ｔの制限に加えて、デューティ比が高い場合にも、許容されないほど高いモータ電流が発生し得る不所望な動作ケースに対する保護を保証するために、上述した電流制限乃至過電流遮断を実施することができる。

Claims (10)

1. 電子整流式電動機（２）の動作方法において、
   ・パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングによって整流スキーマに基づいて駆動回路（３）を駆動するステップと、
   ・前記パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングにパルス幅変調を適用するステップと、
   ・前記パルス幅変調のデューティ比（Ｔ）をデューティ比閾値（Ｔ_ｔｈ）まで制限するステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記デューティ比閾値（Ｔ_ｔｈ）を、前記電動機（２）の現在の回転数に依存して決定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記デューティ比閾値（Ｔ_ｔｈ）を、予め定められたデューディ比閾値特性マップ、又は、予め定められたデューティ比閾値関数に基づいて決定する、
   ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記電動機（２）の各相端子における相電流の電流バランスに起因するモータ電流を制限し、又は、前記モータ電流が最大電流を上回る場合に過電流遮断を実施する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記パルス幅変調の前記デューティ比（Ｔ）を、予め定められた制御関数に基づいて目標設定値に依存して決定する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 電子整流式電動機（２）を動作させるための装置、特に制御ユニット（４）において、
   当該装置は、
   ・パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングによって整流スキーマに基づいて駆動回路（３）を駆動し、
   ・前記パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングにパルス幅変調を適用し、
   ・前記パルス幅変調のデューティ比をデューティ比閾値（Ｔ_ｔｈ）まで制限する、
   ように構成されていることを特徴とする装置。
7. システムにおいて、
   当該システムは、
   ・電子整流式電動機（２）と、
   ・パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングによって前記電動機（３）を駆動するための、パワー半導体スイッチ（３２，３３）を有する駆動回路（３）と、
   ・制御ユニット（４）と、
   を含み、
   前記制御ユニット（４）は、
   ・前記パワー半導体スイッチ（３２，３３）を整流スキーマに基づいて駆動し、
   ・前記パワー半導体スイッチ（３２，３３）のスイッチングにパルス幅変調を適用し、
   ・前記パルス幅変調のデューティ比をデューティ比閾値（Ｔ_ｔｈ）まで制限する、
   よう構成されている、
   ことを特徴とするシステム。
8. 請求項１から５のいずれか一項記載の方法の全てのステップを実施するために構成されている、コンピュータプログラム。
9. 請求項８に記載のコンピュータプログラムが保存されている、電子メモリ媒体。
10. 請求項９に記載の電子メモリ媒体を有する、電子制御装置。

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