JP4408571B2 - 電子コミュテーション式モータ - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、永久磁石ロータとステータとを有する電子コミュテーション式モータに関する。
【0002】
【技術的背景】
この種の電子コミュテーション式モータは多種多様に公知である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、新規の電子コミュテーション式モータを提供することである。
【0004】
【解決手段】
本発明によればこの課題は、ロータとステータとを有する電子コミュテーション式モータであって、
固定子巻線装置と、コミュテーション装置とを有し、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電可能であり、
前記フルブリッジ回路は各ブリッジ分岐路に、1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
前記コミュテーション装置は、前記トランジスタをコミュテーションし、
かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路ではPWM信号によって制御されて、上側トランジスタおよび下側トランジスタが交互にスイッチオンされるように構成されており、
さらに、少なくとも1つのモータ量に依存して、所定の値を上回る制動電流がブリッジ回路に発生するとき、前記PWM信号のデューティ比を変化させて、モータにより発電的に形成される電流が低減されるように構成された装置が設けられている電子コミュテーション式モータにより解決される。
【0005】
この種の電子コミュテーション式モータは、外部の影響により所望の回転数を上回ることがあり得るような動作タスクに非常に適する。これによりこの形式のモータはブリッジ回路により制動動作へ自動的に移行し、この制動動作においては所定のモータ限界値を上回らない、または実質的に上回らないことが保証される。
【0006】
前記課題の別の解決手段は、ロータとステータとを備える電子コミュテーション式モータであって、
固定子巻線装置を有し、
該固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電され、
前記フルブリッジ回路は、各ブリッジ分岐路に1つの上側NMOSトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側NMOSトランジスタは前記直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは前記直流源の負の線路と接続されており、
ブリッジ分岐路の上側トランジスタにはそれぞれ蓄積コンデンサが配属されており、
該蓄積コンデンサは前記ブリッジ分岐路の下側トランジスタを介して充電可能であり、かつ前記上側トランジスタに制御電圧を供給するために用いられ、
さらに前記トランジスタをコミュテーションするためのコミュテーション装置を有し、
該コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路では上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されており、
モータ回転数が監視され、所定の回転数値を下回る際、所定の時間の経過後、フルブリッジ回路の上側トランジスタが短時間阻止され、該フルブリッジ回路の下側トランジスタが短時間スイッチオンされ、
これにより上側トランジスタの蓄積コンデンサが充電され、このことにより該上側トランジスタの確実な制御が、回転数が低い場合またはモータが静止状態にある場合でも保証される電子コミュテーション式モータにより得られる。
【0007】
従ってNMOSトランジスタによるこの種のフルブリッジ回路を有するモータにおいて、回転数が非常に低くなる場合、またはゼロに低下するような場合でも駆動能力が保証される。
【0008】
前記課題の解決手段は、永久磁石ロータと、ステータと、固定子巻線装置と、コミュテーション装置と、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ、以下、マイクロプロセッサと称する、とを有する電子コミュテーション式モータの駆動方法であって、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電可能であり、
前記フルブリッジ回路は複数のブリッジ分岐路を有し、各ブリッジ分岐路に1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
前記コミュテーション装置は前記トランジスタをコミュテーションし、
かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路ではPWM信号により制御されて、上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されている形式のモータの駆動方法において、
マイクロプロセッサにて、モータの合成的(synthetisch)モデルに基づき、該モータに供給される直流電圧がモータで誘導される電圧と所定の関係にあるか否かを監視し、
前記関係が維持されない場合、該関係を補正するためにPWM信号のデューティ比を相応に変化し、
該PWM信号により第2のブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされ、
前記デューティ比の変化によって、前記所定の関係の逸脱に対抗的に作用する、電子コミュテーション式モータの駆動方法によっても得られる。
【0009】
このようにしてソフトウエアを相応に構成することにより、すなわちモータの合成的(場合により単純化された)モデルにより、モータが過負荷により脅かされない領域で動作するようになる。例えば高い固有電力を有する多くのモータでは、過度に高い駆動電流または制動電流によってステータに強い磁界が形成され、永久磁石ロータが減磁されることがある。このことは本発明の方法により簡単に阻止され、これにより動作確実性が格段に向上する。
【0010】
前記課題の別の解決手段は、ロータとステータとを有する電子コミュテーション式モータであって、
前記ステータには固定子巻線装置が配置されており、
該固定子巻線装置には、並列に接続された複数のブリッジ分岐路を備えるフルブリッジ回路が配属されており、
前記ブリッジ分岐路の各々は1つの上側トランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側トランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
ブリッジ分岐路の前記2つのトランジスタにはそれぞれ1つの制御回路が配属されており、
該制御回路は、第1の入力信号に依存してアクティブまたは非アクティブにされ、かつ当該非アクティブ状態では配属されたブリッジ分岐路の2つのトランジスタを阻止し、
かつ前記制御回路は第2の入力信号に依存して、第1の入力信号によりアクティブ化された状態では、上側トランジスタまたは下側トランジスタのいずれかが導通制御されるように切替可能であり、
さらにマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ、以下マイクロプロセッサと称する、を有し、
該マイクロプロセッサは、第1の入力信号を第1の出力端に形成し、第2の入力信号を第2の出力端に形成し、
そして制御可能なデューティ比を備えるPWM信号の形態の第3の入力信号を有し、
該第3の入力信号は、制御回路に第2の入力信号とは並列にPWM信号源から供給可能であり、かつマイクロプロセッサの第2の出力端が所定のスイッチ状態に切り替えられるときだけ作用する電子コミュテーション式モータにより得られる。
【0011】
このことにより、PWM信号が制御回路の直前で初めて導入することに成功する。このことは回路を非常に簡単にするが、マイクロプロセッサはそれにもかかわらず制御回路を完全にコントロールする。これによりマイクロプロセッサは、PWM信号に依存せずに、配属されたブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタを制御することができる(例えばチャージポンプとして使用した場合)。しかし他方では、マイクロプロセッサの第2の出力を所定の回路状態に切り替えた後、このブリッジ分岐路をPWM信号により、例えばモータパラメータを調整するために制御することができる。
【0012】
本発明のさらなる詳細および有利な実施形態は、以下の説明および図面に示された実施例並びに従属請求項から明らかとなる。しかし実施例は本発明の限定として理解すべきものではない。従って、特許請求の範囲に付した図面参照符号(及び図番)も専ら発明の理解を助けるためのものに過ぎず、本発明を図示の態様に限定することを意図していない。ここに、本発明の好ましい実施の形態を示す:
(形態1) 本発明の第1の視点の、ロータとステータとを有する電子コミュテーション式モータは、
固定子巻線装置と、コミュテーション装置とを有し、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電可能であり、
前記フルブリッジ回路は各ブリッジ分岐路に、1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
前記コミュテーション装置は、前記トランジスタをコミュテーションし、かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路では上側トランジスタおよび下側トランジスタが交互にスイッチオンされるように構成され、
前記第2のブリッジ分岐路の前記上側トランジスタおよび前記下側トランジスタを所定のデューティ比で交互にスイッチオンするよう作動するPWM信号を生成するための発生器が設けられ、
さらに、少なくとも1つのモータ量に依存して、所定の値を上回る制動電流がフルブリッジ回路に発生するとき、前記PWM信号のデューティ比を変化させて、モータにより発電的に形成される電流が低減されるように構成された装置が設けられていることを特徴とする(第1基本構成)。
(形態2) 上記形態1の電子コミュテーション式モータにおいて、直流源における電圧を監視するための装置を有し、
該装置は、所定の上側限界値を前記電圧が上回るとき、フルブリッジ回路の全てのトランジスタを阻止することが好ましい。
(形態3) 上記形態2の電子コミュテーション式モータにおいて、モータ制御に用いるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下マイクロプロセッサと称する)を有し、
該マイクロプロセッサはA/D変換器を有し、
該A/D変換器は直流源の電圧をデジタル値に、マイクロプロセッサでのデジタル後続処理のために変換することが好ましい。
(形態4) 上記形態1〜3の何れかの電子コミュテーション式モータにおいて、モータ制御に用いるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下マイクロプロセッサと称する)を有し、
該マイクロプロセッサは動作時に、出力信号をフルブリッジ回路を制御するために送出し、
各ブリッジ分岐路にはコミュテーション構成素子が、当該ブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとを交互にスイッチオンするために配属されており、
該コミュテーション構成素子は少なくとも2つの信号入力端を有し、
該信号入力端はマイクロプロセッサの別個の信号出力によって制御可能であり、
PWM信号が前記信号入力端の1つに供給可能であり、
該信号入力端に配属された、マイクロプロセッサの信号出力端は高抵抗状態に切替可能であり、
これにより前記マイクロプロセッサから、前記ブリッジ分岐路のトランジスタの交互スイッチオンがPWM信号によってアクティブにされることが好ましい。
(形態5) 上記形態1〜4の何れかの電子コミュテーション式モータにおいて、モータ制御に用いるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下マイクロプロセッサと称する)を有し、
該マイクロプロセッサはモータの回転数制御に用いられ、かつ少なくとも1つの出力端にプロセッサPWM信号をモータの回転数制御のために出力し、
さらに、前記プロセッサPWM信号のデューティ比を回転数に依存する値に制限するための装置を有することが好ましい。
(形態6) 上記形態5の電子コミュテーション式モータにおいて、前記デューティ比は制動過程時には、モータの回転数の減少と共に減少する最小値に制限されることが好ましい。
(形態7) 上記形態5又は6の電子コミュテーション式モータにおいて、プロセッサPWM信号は、そのデューティ比によって第1のコンデンサの充電状態を制御し、
第2のコンデンサが設けられており、
該第2のコンデンサは抵抗装置を介して前記第1のコンデンサと接続されており、
フルブリッジ回路に供給されるPWM信号のデューティ比は実質的に、前記2つのコンデンサの一方の電圧によって制御されることが好ましい。
(形態8) 上記形態7の電子コミュテーション式モータにおいて、前記第2のコンデンサは第1のコンデンサよりも小さい容量を有することが好ましい。
(形態9) 上記形態7又は8の電子コミュテーション式モータにおいて、電流制限装置がモータに対して設けられており、
該電流制限装置は、所定の限界値を駆動電流が上回るとき、前記第2のコンデンサの電荷を所定の方向に変化させ、
かつ前記電流制限装置は、所定の限界値を制動電流が上回るとき、前記第2のコンデンサの電荷を前記所定の方向とは反対の方向に変化させることが好ましい。
(形態10) 本発明の第2の視点の、ロータとステータとを備える電子コミュテーション式モータは、
固定子巻線装置を有し、
該固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電され、
前記フルブリッジ回路は、各ブリッジ分岐路に1つの上側NMOSトランジスタと、1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側NMOSトランジスタは前記直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは前記直流源の負の線路と接続されており、
ブリッジ分岐路の上側トランジスタにはそれぞれ蓄積コンデンサが配属されており、
該蓄積コンデンサは前記ブリッジ分岐路の下側トランジスタを介して充電可能であり、かつ前記上側トランジスタに制御電圧を供給するために用いられ、
さらに前記トランジスタをコミュテーションするためのコミュテーション装置を有し、
該コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路では上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されており、
モータ回転数が監視され、所定の回転数値を下回る際、所定の時間の経過後、フルブリッジ回路の上側トランジスタが短時間阻止され、該フルブリッジ回路の下側トランジスタが短時間スイッチオンされ、
これにより上側トランジスタの蓄積コンデンサが充電され、このことにより該上側トランジスタの確実な制御が、回転数が低い場合またはモータが静止状態にある場合でも保証されることを特徴とする(第2基本構成)。
(形態11) 本発明の第3の視点の、永久磁石ロータとステータとを有する電子コミュテーション式モータの駆動方法であって、
前記モータはさらに固定子巻線装置と、コミュテーション装置と、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下、マイクロプロセッサと称する)とを有し、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電可能であり、
該フルブリッジ回路は、各ブリッジ分岐路に1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
前記コミュテーション装置は前記トランジスタをコミュテーションし、
かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路ではPWM信号によって制御されて、上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されている形式のモータの駆動方法において、
前記マイクロプロセッサにてモータの合成的モデルと、該マイクロプロセッサに供給されるモータ回転数に対する値とに基づき、該モータに供給される直流電圧がモータに誘導される電圧と所定の関係にあるか否かを連続的に監視し、
モータが発電的に駆動され、かつモータに印加される直流電圧が所定の関係外にあるとき、マイクロプロセッサによりPWM信号のデューティ比を相応に変化し、
当該PWM信号によって、第2のブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとを交互にスイッチオンし、これにより前記変化によって制動電流を制限することを特徴とする(第3基本構成)。
(形態12) 本発明の第4の視点の、永久磁石ロータと、ステータと、固定子巻線装置と、コミュテーション装置と、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下、マイクロプロセッサと称する)とを有する電子コミュテーション式モータの駆動方法であって、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路を介して電流が直流源から給電可能であり、
前記フルブリッジ回路は複数のブリッジ分岐路を有し、各ブリッジ分岐路に1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
前記コミュテーション装置は前記トランジスタをコミュテーションし、
かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路ではPWM信号により制御されて、上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されている形式のモータの駆動方法において、
マイクロプロセッサにて、モータの合成的モデルに基づき、該モータに供給される直流電圧がモータで誘導される電圧と所定の関係にあるか否かを監視し、
前記関係が維持されない場合、該関係を補正するためにPWM信号のデューティ比を相応に変化し、
該PWM信号により第2のブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされ、
前記デューティ比の変化によって、前記所定の関係の逸脱に対抗的に作用する、
ことを特徴とする(第4基本構成)。
(形態13) 本発明の第5の視点の、ロータとステータとを有する電子コミュテーション式モータは、
前記ステータには固定子巻線装置が配置されており、
該固定子巻線装置には、並列に接続された複数のブリッジ分岐路を備えるフルブリッジ回路が配属されており、
前記ブリッジ分岐路の各々は1つの上側トランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側トランジスタは直流源の正の線路と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路と接続されており、
ブリッジ分岐路の前記2つのトランジスタにはそれぞれ1つの制御回路が配属されており、
該制御回路は、第1の入力信号に依存してアクティブまたは非アクティブにされ、かつ当該非アクティブ状態では配属されたブリッジ分岐路の2つのトランジスタを阻止し、
かつ前記制御回路は第2の入力信号に依存して、第1の入力信号によりアクティブ化された状態では、上側トランジスタまたは下側トランジスタのいずれかが導通制御されるように切替可能であり、
さらにマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下、マイクロプロセッサと称する)を有し、
該マイクロプロセッサは、第1の入力信号を第1の出力端に形成し、第2の入力信号を第2の出力端に形成し、
そして制御可能なデューティ比を備えるPWM信号の形態の第3の入力信号を有し、
該第3の入力信号は、制御回路に第2の入力信号とは並列にPWM信号源から供給可能であり、かつマイクロプロセッサの第2の出力端が所定のスイッチ状態に切り替えられるときだけ作用することを特徴とする(第5基本構成)。
(形態14) 上記形態13の電子コミュテーション式モータにおいて、マイクロプロセッサの第2の出力端の前記所定のスイッチ状態は、高抵抗状態であることが好ましい。
(形態15) 上記形態13又は14の電子コミュテーション式モータにおいて、第3の入力信号は制御回路にダイオードを介して供給可能であることが好ましい。
(形態16) 上記形態13〜15の何れかの電子コミュテーション式モータにおいて、第3の入力信号の振幅は、例えばツェナーダイオードによって制限されることが好ましい。
(形態17) 上記形態13〜16の何れかの電子コミュテーション式モータにおいて、制御回路は入力端を有し、
該入力端には抵抗が接続されており、
該抵抗の大きさはデッドタイムの大きさを、配属されたブリッジ分岐路のトランジスタ間で切り替わる際に調整し、
前記抵抗は制御可能なスイッチ素子によって少なくとも部分的に橋絡可能であり、
前記スイッチ素子は第1の入力信号によって制御可能であることが好ましい。
(形態18) 上記形態17の電子コミュテーション式モータにおいて、前記制御可能なスイッチ素子は、マイクロプロセッサの第1の出力端が高抵抗状態を取るとき制御され、これにより配属されたブリッジ分岐路が阻止されることが好ましい。
(形態19) 上記形態13〜18の何れかの電子コミュテーション式モータにおいて、PWM信号源のデューティ比はコンデンサの電圧によって制御可能であり、
該電圧は、過度に大きな駆動電流が固定子巻線装置を流れるとき、第1の電流制限装置によって所定の方向に変化可能であり、
これにより前記駆動電流はデューティ比の相応の変化によって低下され、
前記電圧は、過度に大きな制動電流が固定子巻線装置を流れるとき、第2の電流制限装置によって前記所定の方向とは反対の方向に変化可能であり、
これにより前記制動電流はデューティ比の相応の変化によって低下されることが好ましい。
(形態20) 上記形態19の電子コミュテーション式モータにおいて、デューティ比に対する制限装置が設けられており、
これによりデューティ比が極値を取るとき、ブリッジ分岐路の下側トランジスタが常時開放されかつ上側トランジスタが常時閉成される状態になることが阻止されることが好ましい。
(形態21) 上記形態13〜20の何れかの電子コミュテーション式モータにおいて、少なくとも3相に構成されており、かつ少なくとも3つの制御回路をブリッジ分岐路に対して有し、
コミュテーションの際に、制御回路の第1の入力信号の中断を、当該制御回路がコミュテーションの前後でアクティブでなければならない場合に阻止する装置を有することが好ましい。
【0013】
【説明の実施の形態】
モータ
図1は、3相電子コミュテーション式モータ(ECM)32を示し、このモータは巻線端子L1,L2,L3と、3つのブリッジ分岐路を備えるフルブリッジとして構成された出力段78とを有する。
【0014】
交流電圧源70からの交流電圧は整流器72で整流され、直流中間回路(線路)73,74(DCリンク)に供給される。コンデンサ75は中間回路73,74の直流電圧UBを平滑化し、この直流電圧はフルブリッジ回路78の個々のブリッジ分岐路に供給される。この直流電圧は端子76で測定することができる。電力スイッチとして実施例では、上側電力スイッチ80,82,84と下側電力スイッチ81,83,85に対してNチャネルMOSFETが使用される。電力スイッチ80〜85にはフリーホイールダイオード90,91,92,93,94,95が逆並列に接続されている。フリーホイールダイオード90〜95は通常は所属のNチャネルMOSFETに組み込まれている。中間回路73,74での直流電圧UBは負荷77、例えばモータ32の電子構成素子にも供給される。
【0015】
上側電力スイッチ80,82,84を介してそれぞれの巻線端子L1,L2ないしL3をプラス線路73と接続することができ、下側電力スイッチ81,83,85を介してそれぞれの巻線端子L1,L2ないしL3を負の線路74と接続することができる。
【0016】
モータ32は中央制御ユニット34を有する。この中央制御ユニットは上側および下側電力スイッチ80〜85を切り替える。
【0017】
測定抵抗87は、下側ブリッジトランジスタ81,83,85を流れる電流i2を、点88とアースとの間の電圧を基準にして測定し、中央制御ユニット34の電流制限部に供給するために用いる。この回路ではこの電流i2が両方向に流れる:図示の方向には、モータ32が電力を消費するときに流れ、反対方向にはモータが発電機として動作し、電力を出力するときに流れる。この場合この電力はコンデンサ75へと流れる。
【0018】
モータ32は永久磁石ロータ110,ステータ114および3つの電流磁気効果型ロータ位置センサ111,112,113を有する。電流磁気効果型ロータ位置センサとして例えばホールセンサが使用できる。
【0019】
ロータ110は4極アウタロータとして図示されている。
【0020】
3つの電流磁気効果型ロータ位置センサ111,112,113はそれぞれ120゜elの角度間隔を以てロータ110の周囲に配置されており、ロータの位置検出に用いられる。従ってロータ位置センサ111は0゜el(機械的0゜)ロータ位置センサ112は120゜el(機械的60゜)、そしてロータ位置センサ113は240゜el(機械的120゜)に配置されている。
【0021】
電気的角度phielと機械的角度phimechとの一般的関係はロータの極数PZにより
phiel=phimech*PZ/2 (1)
によって与えられる。
【0022】
ロータ位置センサ111はホール信号HS1を、ロータ位置センサ112はホール信号HS2を、ロータ位置センサ113はホール信号HS3を送出する。図2参照。ホール信号HS1,HS2,HS3は中央制御装置34に供給され、この装置はそこからロータの位置とその回転数nを検出することができる。
【0023】
ステータは3つの固定子巻線115,116および117を有し、これらの巻線は本実施例で三角(デルタ)接続されている。固定子巻線には出力段78により巻線端子L1,L2およびL3を介して通電される。
【0024】
制御ロジック
図2は、上側電力スイッチ80,82,84の通電(欄704)と、下側電力スイッチ81,83,85の通電(欄702)とを、ロータ位置センサ111,112,113のホール信号HS1,HS2,HS3(欄700)に依存してモータの回転方向で示す表である。これに加えて同様に電気的角度phielの角度領域も示されている。電力スイッチ80〜85の列にある値はクロッキング(Taktung)なし(欄706)、すなわち信号PWM2のないモータに対して当てはまる。欄EN1,EN2,EN3およびIN1,IN2,IN3は交互にクロッキングされる(欄708)モータ32に対して当てはまる。これは図3に基づいて説明される。
【0025】
例えばホール信号は、領域0゜〜60゜elのロータ110の1つの位置で値HS1=1,HS2=0そしてHS3=1を有する。そこから電力スイッチ80〜85に対する制御が得られる。クロッキングなしの制御の場合、巻線端子L1は電力スイッチ80を介してプラス線路73(図2のスイッチ80では1)に接続され、巻線端子L2は電力スイッチ83を介してマイナス線路(図2のスイッチ83では1)に接続され、巻線端子L3では2つの電力スイッチ84と85は開放しており(それぞれ図2のスイッチ84と85では0)、電力スイッチ81と82も同様である。
【0026】
単純な(パルス制御)クロッキング(図3参照)の場合、"1"は下側電力スイッチ81,83,85の1つでこれがPWM信号によりクロッキングされ、従って所定のデューティ比でスイッチオン・オフされることを意味する。
【0027】
交互(パルス制御)クロッキング(図3参照)の場合、1は下側電力スイッチの1つでこれがPWM信号(図4C)によりクロッキングされ、所属の上側電力スイッチが反転PWM信号(図4B)により同様にクロッキングされることを意味する。
【0028】
単純クロッキングおよび交互クロッキングについての詳細は図3に示されている。
【0029】
列EN1,EN2,EN3およびIN1,IN2,IN3はドライバ構成素子200(図11)の制御を定める。このドライバ構成素子はそこから交互クロッキングを形成する。ここで例えばEN1=0の意味するのは、L1に対するブリッジ分岐路のためのドライバ構成素子がアクティブであることであり、EN1=1の意味するのは、このドライバ構成素子がアクティブではないこと、すなわちトランジスタ80と81が阻止されることである。IN1=1の意味するのは、ドライバ構成素子200がアクティブであるとき上側電力スイッチ80は閉成されることであり、IN1=TRISTATE(TRI)の意味するのは、ドライバ構成素子200がアクティブであるときPWM信号PWM2がドライバ構成素子200の上側ドライバ210または下側ドライバ212を交互にアクティブにし、これによりトランジスタ80が導通し、トランジスタ81が阻止されるか、または逆にトランジスタ80が阻止され、トランジスタ81が導通することである。この切り替えは例えば20kHzの周波数により行われ、この切り替えの際に電荷がコンデンサ230に常時ポンピングされ、これにより常に充電された状態に留まる。ドライバ構成素子が遮断されているとき(例えばEN1=1)IN1の値は何の作用も及ぼさない。しかしこの場合通常は1にセットされる。このことは図2に示されている。
【0030】
ロータ110が0゜〜60゜elの領域にある上記例に対してこのことは、ドライバ構成素子が巻線端子L1とL2のブリッジ分岐路に対してはスイッチオンされているが(EN1=0かつEN2=0)、巻線端子L3に対するブリッジ分岐路は遮断されている(EN3=1)ことを意味する。L1に対するブリッジ分岐路では上側電力スイッチ80が閉成されており(IN1=1)、L2に対するブリッジ分岐路ではPWM信号PWM2により電力スイッチ83と82との間で交互に切り替えられる。これについては上に説明した。
【0031】
ロータ110のいずれの位置でも制御ロジックに従い、巻線端子L1,L2,L3のうちのちょうど1つにはまったく通電されず、第2の端子には動作電圧UBが印加され、第3の端子は正と負の動作電圧の間を交互に切り替えられる。従って等価回路では、通電されない巻線端子を省略することができ、ステータ114を2極と見なすことができる。このことにより以下、1つの巻線だけを考察すれば良く、他の巻線は同様に作用する。
【0032】
交互クロッキング(パルス制御)
図3は、0゜〜60゜elの領域のロータ位置に対してアクティブな回路部分による等価回路を示す。図1と同じ部材は同じ参照符号を有しており、再度説明しない。電力スイッチ80,81,82は象徴的にスイッチの形で示されている。
【0033】
L1とL2の間に接続された固定子巻線116(この巻線には、図1に示すように直列に接続された固定子巻線115と117が並列に接続されている)は巻線インダクタンス120、巻線抵抗121およびロータ110の回転時に巻線116に誘導される電圧Uiに対する電圧源122として示されている。この電圧は
Ui=n*ke (2)
に従いモータの回転数およびモータ定数keに比例する。
【0034】
巻線116を流れる巻線電流はi3により示されている。中間回路直流i1は中間回路73,74からの平滑化された電流であり、i2はクロッキングされた出力段の電流である。
【0035】
上側電力スイッチ82は領域0゜〜60゜elの領域のロータ位置では閉成される。
【0036】
単純クロッキングの場合、下側電力スイッチ81はPWM信号228(パルス幅変調された信号)により閉成および開放され、上側電力スイッチ80は開放されたままに留まる。PWM信号228のいわゆるデューティ比tON/T(図10)によりモータ回転数が制御される。スイッチ81が閉成されているとき、巻線電流i3はプラス線路73から電力スイッチ82,巻線抵抗121および巻線120を介して電力スイッチ81へ流れ、電流i3は電流i2と同じである。
【0037】
電力スイッチ81が開成されると、巻線(インダクタンス)120は、電流i3を維持するように作用する。ダイオード91は、電流i3を阻止するので、電流i3はフリーホイールダイオード90を経ると共に閉成したスイッチ82を経て流れる。クロッキング(パルス)制御された電流i2の算術手段は、この際中間回路直流i1に相当する。
【0038】
出力段がここで有利に使用されるように交互にクロッキング(パルス切換制御)される場合、電力スイッチ81は単純クロッキングの場合のようにPWM信号228によりスイッチオン・オフされる。電力スイッチ81が閉成されているとき同時に電力スイッチ80はPWM信号227により付加的に開放される。またその反対も真である。従ってPWM信号227は、場合により存在するデッドタイムを無視すれば反転されたPWM信号228に相当する。これについての詳細は図4で説明する。
【0039】
交互クロッキングにより一方では、フリーホイールダイオード90が橋絡される。このフリーホイールダイオードに、単純クロッキングの場合は損失電力の大部分が発生する。ここでMOSFETでは電流が両方向に流れることのできることを利用する。他方では、交互クロッキングにより巻線電流i3は両方向に流れることができる。単純クロッキングの場合、巻線電流i3はダイオード90を通って、1方向、すなわちモータを駆動する方向にしか流れることができない。巻線電流i3は反対方向に流れるときモータの制動に作用する。
【0040】
図4Aから図4Fは、交互クロッキング時に図3に発生する電圧、電流、および電力の線図である。
【0041】
図4AはPWM信号PWM2 180を示す。この信号は例えば周波数が20kHzであり、図8と図9で詳細に説明する。この信号によって、ドライバ構成素子200(図11)の電力スイッチ80(図3)を制御するための信号227と、電力スイッチ81(図3)を制御するための信号228が発生される。信号227と228は実質的に鏡像的に相互に経過する。すなわち信号227がハイであるとき信号228はローであり、信号227がローであるとき信号228はハイである。これらの信号227,228はデッドタイムΔt(例えば1μs)により相互に分離され、その間2つのトランジスタ80,81は導通しない。このデッドタイムの間、それぞれ電流i90(図4D)はダイオード90を通って流れる。
【0042】
図4Bは電流i80を概略的に示す。この電流はPWM信号227に依存して、トランジスタ80が導通し、トランジスタ81が開放されるときこのトランジスタ80を流れる。最大電流i_maxは例えば値4Aを有する。
【0043】
図4Cは、電流i81を模式的に示し、i81は、PWM信号に依存して、トランジスタ81が導通しトランジスタ80が開成のとき、トランジスタ81に流れる。その最大電流i_maxは、4Aである。
【0044】
図4Dは電流i90を示す。この電流は各デッドタイムΔtでダイオード90を流れる。最大電流i_maxは値4Aを有する。デッドタイムΔtを維持しなければならないのは、トランジスタ80と81が同時に導通すると短絡が発生することがあり、これがフルブリッジ回路を破壊することになるからである。
【0045】
図4Eはトランジスタ80に発生する損失電力P80と、ダイオード90により発生する損失電力P90を示す。トランジスタ80の最大損失電力P80_maxは例えば1Wであり、ダイオード90の最大損失電力P90_maxは例えば6Wである。従って交互クロッキングにより、損失電力はトランジスタ81が開放している時間の間、デッドタイムを除いて6Wから1Wに低減される。なぜなら時間T80(図4E)の間、トランジスタ80はその低い内部抵抗(例えば60mΩ)によりダイオード90を橋絡するからである。
【0046】
図4Fはトランジスタ81の損失電力P81を示す。トランジスタ81の最大損失電力P81_maxは例えば1Wである。
【0047】
従ってトランジスタ80と81の「交互クロッキング」によって、単純クロッキングの場合はダイオード90で発生する損失電力の大部分が回避される。同じことが図1のダイオード92と94に対しても当てはまる。ダイオード90,92,94での損失電力を低減すれば、回路構成部材が強く加熱されることがなくなり、小型の構造が可能となる。
【0048】
ハードウエア−電流制限部
図5は、抵抗87を流れる電流i2に対する電流制限部131を示す。この電流制限部は、電流i2が図示の方向を有するときだけ作用する。従って「正」の電流制限部と称される。抵抗134および136から形成される分圧器(NTC抵抗136’については下記参照)は、コンパレータ137の非反転入力端138に電位を印加する。この電位は、最大許容電流i2において点140の電位に相当する電位である。
【0049】
i2が最大許容正電流よりも小さければ、小さな電圧u2が抵抗87で降下し、コンパレータ137の反転入力端140に印加される電圧はコンパレータ138の非反転入力端138に印加される電圧よりも低い。従ってコンパレータ137の出力は高抵抗であり、調整コンデンサ148に影響を及ぼさず、ひいては点157での電流制限される調整値に影響を及ぼさない。抵抗130とコンデンサ132からなるRC素子はローパスフィルタとして抵抗87に発生する電圧ピークに対して使用される。
【0050】
しかし電流i2が大きくなり、反転入力端140の電位がコンパレータ137の非反転入力端138の電位より大きくなると、コンパレータ137の出力端142はアースに切り替わり、コンデンサ148から放電電流が抵抗144を介して流れ、これによりコンデンサ148の電圧は減少し、同様に点156の調整値も低下する。
【0051】
抵抗150は、制御器調整値が点154から点156へ到達するために通る抵抗152より小さいから、点146の電位が優先し、かくて点156の調整値は低下する。
【0052】
抵抗144は抵抗152より小さいから、コンデンサ148を充電する電流制限部131は制御器の調整値(点154)よりも優先される。
【0053】
NTC抵抗136’はオプションであり、正の電流制限部131を温度に依存させる。NTC抵抗136’での温度が上昇すると、その抵抗が低下し、点138の電位は下方へアースに引き込まれる。このことにより正の電流制限部131は温度が高くなると比較的早期に応答し、巻線に発生する熱が少なくなる。
【0054】
図6は、「負」の電流制限部161を示す。同じ部材または同じに作用する部材は図5と同じ参照符号を有しており、再度説明しない。
【0055】
負の電流制限部は制動電流i2’を制限する。抵抗164と166(NTC抵抗164’については下記参照)により形成される分圧器はコンパレータ167の非反転入力端168に正の電位を設定する。この電位は、最大許容制動電流i2’の際に点170の電位に相当する電位である。抵抗160と162は、点88の電位と+Vccとの間で分圧器を形成する。この分圧器はコンパレータ167の点170に正の電位を形成する。
【0056】
点88の電位が、負の電流制限を使用すべき電位PHI_minより正(高)であれば、回路によってコンパレータ167の反転入力端170の電位は非反転入力端168の電位よりも高く、コンパレータ167の出力端は低抵抗である。ダイオード176は調整コンデンサ148の放電を阻止し、点156の調整値は不変のままである。
【0057】
制動電流i2’が大きくなると、点88の電位が比較的に負(低)になる。点88の電位が負であり、コンパレータ167の反転入力端170に印加される電位が非反転入力端168に印加される電位よりも小さくなると、コンパレータ167の出力端172は高抵抗になる。
【0058】
プルアップ抵抗174とダイオード176を介して今度は電流が+Vccからコンデンサ148へ流れ、これによりコンデンサ148の電圧が上昇し、点156の調整値も上昇する。この調整値の上昇によって、PWM信号PWM2のデューティ比が高まる。このデューティ比をもって、図3の電力スイッチ80と81が切り替わる。すなわち電力スイッチ80は割合として比較的に長く閉成され、電力スイッチ81は割合として比較的に長く開放される。このことにより制動電流i2’は相応に減少する。
【0059】
抵抗174は抵抗152より小さい。従ってコンデンサ148を放電する電流制限部161は点154での制御器の調整値より優先する。
【0060】
以下例を挙げる。
電流制限部の投入時にデューティ比が50%であれば、すなわち時間の一方の50%でスイッチ81が閉成し、スイッチ80が開放し、他方の50%の間にスイッチ80が閉成し、スイッチ81が開放する。ここではデッドタイムを考慮しない。電流制限部を使用することにより、デューティ比が例えば60%に上昇するとする。この場合、時間の60%の間スイッチ81が閉成し、スイッチ80は開放し、時間の40%の間にスイッチ81は開放し、スイッチ80は閉成する。このことにより制動電流が相応に低下する。
【0061】
NTC抵抗164’はオプションであり、負の電流制限部161を温度に依存させる。NTC抵抗164’での温度が高まると、その抵抗は低下し、点138の電位は情報へ+Vccの方向に引き上げられる。このことにより負の電流制限部161はすでに制動電流i2’が比較的に低いときに応答し、モータ巻線に発生する熱が少なくなる。
【0062】
「負」のハードウエア電流制限部では、最小のデューティ比SW_MIN_CONSTを例えば15%に維持しなければならない。なぜならこの値より下では測定抵抗87を流れる電流パルスが短くなり、測定が不可能になるからである。このことによりモータの回転数領域は下側で制限される。図22には、回転数範囲のこの制限を、ソフトウエアの相応の構成により回避する手段が示されている。
【0063】
「正」のハードウエア電流制限部(図5)ではこの問題は発生しない。なぜなら、デューティ比が非常に小さくても低い駆動電流i2が発生するだけだからである。しかしデューティ比が小さく、モータ32の回転数nが過度に高い場合には、大きな制動電流i2’が発生し得る。
【0064】
図7は、「正」の電流制限部131(図5)と「負」の電流制限部161(図6)との組合せを示す。測定抵抗87は図5と図6のように接続される。点(ノード)88の電位は、正の電流制限部131にも負の電流制限部161にも供給される。電流制限部131と161の出力端は両方ともコンデンサ148に接続されている。従って正の電流制限部131はモータ電流i2が過度に高くなるとコンデンサ148を放電することができ、負の電流制限部は制動電流i2’が過度に高くなるとコンデンサ148を充電することができる。コンデンサ148の電圧は抵抗150を介して点(端子)156の調整値を定める。
【0065】
概略(図8)
図8は、本発明の電子コミュテーション式モータ32に有利な実施例についての概略を示す。
【0066】
電気モータ32はマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ23(以下μC23と称する。例えばPIC16C72A型マイクロチップ)を有する。
【0067】
アナログ入力端48を介してμC23はアナログ目標回転数設定を受け取る。このアナログ目標回転数設定は、分圧器として接続されたポテンシオメータ47により定められ、μC23のA/D変換器によりデジタル化され、目標回転数n_sに変換される。目標回転数設定は電気モータ32に、例えば周波数またはデジタル値によって通知することができる。
【0068】
モータ32の動作電圧UBは点(ノード)76(図1)で取り出され、2つの(分圧)抵抗66,67を介してμC23のアナログ入力端68に供給される。ここからこの値はμC23のA/D変換器によりデジタル化される。抵抗66と67は点76の動作電圧UBを、μC23のA/D変換器に対して適する範囲に変換する。μC23を介して動作電圧監視が実現される。すなわちコンデンサ75(図1)の電圧が監視され、μC23でモータ32を相応に制御するため評価される。
【0069】
ロータ110(図1)の位置は、これに近接して設けられ、直列に接続された3つのロータ位置センサ111,112,113により検出される。これらロータ位置センサは抵抗64を介して+12Vと、抵抗65を介してアース(GND)と接続されている。ロータ位置センサ111,112,113の信号はロータ位置信号処理部61,62,63で処理され、μC23にホール信号HS1,HS2,HS3として供給される。これらは図12に示されている。
【0070】
μC23は出力端EN1とIN1を介して出力段制御部50を制御し、出力端EN2とIN2を介して出力段制御部52を、出力端EN3とIN3を介して出力段制御部54を制御する。
【0071】
出力段制御部50,52,54は、巻線端子L1,L2,L3に対する出力段78においてブリッジ分岐路を制御する。これらの巻線端子を介してモータ32のモータ巻線が通電される。モータの回転数は、出力段制御部50,52,54に供給されるPWM信号PWM2 180のデューティ比を介して制御される。信号PWM2 180はPWM発生器182で、アナログ調整値、すなわち点(ノード)156の電位から定められたデューティ比により形成される。ツェナーダイオード186は信号PWM2 180の電圧制限に作用し、抵抗184はPWM発生器182のオープンコレクタ出力端に対するプルアップ抵抗として用いられる。
【0072】
PWM発生器182のアナログ調整値、すなわち点156の電位は、μC23の回転数制御部24によっても、電流制限部131と161によっても定められ、後者が優先される。
【0073】
μC23の回転数制御部24は、μC23の内部PWM発生器25に引き渡されるデジタル調整値SWを計算する。この内部PWM発生器25はここからμC23の出力端157に、調整値SWに依存するデューティ比PWM1を有するPWM信号を形成する。抵抗158とコンデンサ159からなるRC素子は信号PWM1を平滑化し、アナログの実質的に一定の信号SWA1をコンデンサ159に形成する。μC23の制御器24は従って、μC23のPWM発生器とRC素子158,159によってアナログ調整値SWA1を出力する。
【0074】
電流制限器131または161による電流制限が行われなければ、点156での電位を定める小さなコンデンサ148が抵抗152と150を介して点(ノード)154の電位に充電される。電流制限器131または161がアクティブでないとき、点156の電位は制御器24によってのみ定められる。
【0075】
しかし正の電流制限部131(図5)ないし負の電流制限部161(図6)がアクティブになると、コンデンサ148(例えば330pF)がすでに述べたように充電ないし放電される。抵抗150は非常に小さくすることができ、有利には値0Ωを有することもできる。
【0076】
コンデンサ148の充電ないし放電の際に、ハードウエア電流制限部は回転数制御より優先される。なぜならコンデンサ148(図5)を放電するための抵抗144(例えば3.9kΩ)とコンデンサ148(図6)を充電するためのプルアップ抵抗174(例えば10kΩ)は抵抗152(例えば220kΩ)より格段に小さいからである。
【0077】
電流制限過程が終了した後、比較的に小さなコンデンサ148は再び点154の電位に充電される。コンデンサ159は例えば10pFの値を有する。
【0078】
PWM信号発生器
図9はPWM発生器182に対する有利な回路を示す。同じ部材または同じに作用する部材には先行図面と同じ参照符号が付してあり、通常は再度説明しない。
【0079】
コンパレータ188の非反転入力端には電流制限された調整値156’が、点(ノード)156(図8)の電位の形態で印加される。コンパレータ188の反転入力端には、三角波発振器(鋸歯発振器)183により形成された三角信号198が印加される(図9)。
【0080】
三角波発振器183はコンパレータ190を有する。コンパレータ190の出力端P3からは正帰還抵抗192がその非反転入力端(+)に接続され、同様に負帰還抵抗191がコンパレータ190の出力端P3からコンパレータ190の反転入力端(+)に接続されている。コンデンサ195がコンパレータ190の反転入力端とアースとの間に接続されている。コンパレータ190の出力端P3はさらに抵抗193を介して+Vccと接続されている。コンパレータ190の非反転入力端(+,P2)は2つの抵抗194と196を介して+Vccないしアースと接続されている。
【0081】
三角波発生器183の作用の説明についてはDE19836882.8(intern:D216)を参照されたい。
【0082】
三角信号198の電位がコンパレータ188の反転入力端(−)において、コンパレータ188の非反転入力端(+)における電流制限された調整値156’より下にあると、コンパレータ188の出力端は高抵抗であり、プルアップ抵抗184は線路PWM2をHIGHに引き上げる。三角信号198の電圧が基準信号156’の電圧より上にあれば、コンパレータ188の出力端は低抵抗となり、PWM信号PWM2 180はLOWである。ツェナーダイオード186はPWM信号PWM2 180の電圧を制限する。
【0083】
反転したPWM信号が必要な場合には、コンパレータ188での反転入力端と非反転入力端とを入れ替える。
【0084】
図10Aは、点156での三角信号198と調整値156’を示し、図10Bは図10Aから得られたPWM信号PWM2 180を示す。
【0085】
三角波発生器183からの三角信号は理想的に図示されている。実際には完全な三角形ではないが、しかし図9のPWM発生器182の機能に変化はない。三角信号198は電圧0Vからのオフセット199を有する。調整値156’はまずこれがオフセット199より上にあるときゼロより大きなデューティ比を発生させる。
【0086】
信号PWM2のデューティ比TVは、、三角信号がHIGHである期間中のPWM信号PWM2 180の(パルス立上り)持続時間tONと、三角信号198の全体期間っとの比である。図10B参照。
TV=tON/T (3)
が成り立つ。
【0087】
デューティ比TVは0%から100%の間を取ることができる。モータ回転数が例えば過度に高ければ、点156の電位は低下され、これによりデューティ比TVの縮小される。これは図10Aに示されている。全体がパルス幅変調(PWM)として図示されている。デューティ比は分かり易くするためPWM1とPWM2により示されている。
【0088】
出力段制御部
図11は巻線端子L1に対する出力段制御部50を示す。他の出力段制御部52と54も同じ構造である。
【0089】
出力段制御部50は、信号EN1、IN1に基づき、PWM信号PWM2 180と関連して上側電力スイッチ80と下側電力スイッチ81を切り替える。
【0090】
この実施例ではSGS−Thomson社のL6384型のドライバ構成素子200が使用される。
【0091】
ドライバ構成素子200は、デッドタイム発生器202,イネーブルロジック204,ロジック206,ダイオード208,上側ドライバ210,下側ドライバ212並びに端子221〜228を有する。
【0092】
端子EN1およびIN1にはμC23または例えば単純な論理回路が接続されている。図8参照。
【0093】
線路EN1がHIGHまたはTRISTATEであれば、トランジスタ250はスイッチオンし、低抵抗になる。抵抗252は下で説明するようにデッドタイムを定める。抵抗252はこれにより橋絡され、入力端223は低抵抗となる。このことにより上側ドライバ210および下側ドライバ212およびひいては電力スイッチ80,81を有するブリッジ分岐路が遮断される。信号IN1はドライバ構成素子200に何の影響も与えない。μC23はトランジスタ250を介してドライバ構成素子200についてのコントロール、ひいては巻線端子L1についての制御(信号)を受け取る。
【0094】
線路EN1がLOWにセットされると、トランジスタ250は阻止され、高抵抗状態となる。ドライバ構成素子200からの定電流は抵抗252(例えば150kΩ)を介してアースへ流れる。このとき抵抗252で、入力端223に印加される電圧が降下する。この電圧が例えば0.5V以上であれば、ドライバ構成素子200はアクティブになる。これに対しトランジスタ250が導通すると、この電圧は実質的にゼロに降下する。そしてドライバ構成素子200は非アクティブになる。入力端223の電圧は同時にデッドタイムの調整に用いられる。
【0095】
μC23でのリセット過程時にはμC23の全ての入出力端が高抵抗である。すなわちIN1とEN1も高抵抗である。この場合、抵抗242と244を介してトランジスタ250はスイッチオンされ、これによりドライバ構成素子200は遮断される。これは付加的な安全性をもたらす。
【0096】
トランジスタ250および抵抗242,244,248のない回路も理論的には可能である。この場合、信号EN1は、ドライバ構成素子200をスイッチオンするためにはTRISTATEにセットされねばならず、遮断するためにはLOWにセットされなければならない。しかしμC23のリセット時には上に述べたようにμC23の入出力端は高抵抗であり、ひいてはドライバ構成素子200とそれぞれのブリッジ分岐路もスイッチオンされる。しかしこのことは制御不能な回路状態につながる虞があり、不所望のものである。
【0097】
ドライバ構成素子200がアクティブであるとき(EN1=LOW)、入力端221を介して、上側電力スイッチ80または下側電力スイッチ81を導通させるか否かを調整(制御)することができる。
【0098】
入力端221がLOWであれば、下側ドライバ212がスイッチオンされ、電力スイッチ81が閉成され、上側電力スイッチ80が開放される。
【0099】
これに対して入力端221がHIGHであればちょうど逆である。上側電力スイッチ80は閉成され、下側スイッチ81は開放される。
【0100】
信号がドライバ構成素子200の入力端221で変化する際には、デッドタイム発生器202によりデッドタイムが維持される。このデッドタイムの間、両方のドライバ210と212がスイッチオフされ、従って個々のブリッジ分岐路で短絡の発生することはない。デッドタイムは抵抗252の大きさを介して調整することができ、例えば1μsである。
【0101】
出力端IN1は、ドライバ構成素子がアクティブであるとき(EN1=0)、3つの異なる形式に使用することができる。
【0102】
IN1=TRISTATE(トライステート)であれば、PWM信号180はダイオード260を介して優先的に通過され、この信号は図示のブリッジ分岐路80,81をPWM信号180のデューティ比PWM2により交互にクロッキングする。抵抗262は、PWM信号がLOWであるとき、入力端221の電圧を0Vにする。なぜならこのことはダイオード260を介しては不可能だからである。IN1=TRISTATEのとき、PWM信号180もμC23の出力端IN1に対して優先する。
【0103】
IN1=HIGHにセットすることにより、μC23はドライバ構成素子200の上側ドライバ210をスイッチオンする。出力端IN1の信号は、IN1=1であるとき、PWM信号より優先される。すなわちこの場合PWM信号180は何の影響も与えない。
【0104】
IN1をLOWにセットすることにより、μC23はドライバ構成素子200の下側ドライバ212をスイッチオンする。出力端IN1の信号はここでもPWM信号より優先される。すなわちこの信号は何の影響も与えない。信号IN1は次の場合だけゼロにセットされる。すなわちポンピングがμC23を介して行われるとき、すなわちブリッジトランジスタが電荷ポンプとして用いられるようドライバ構成素子200が制御できるときだけゼロにセットされる。
【0105】
PWM信号PWM2 180がダイオード260を介して通過することにより、抵抗262と共働してμC23は、信号PWM2 180がドライバ構成素子200の入力端221の制御のために優先権を有するべきか否かを決定できる。信号PWM2 180が優先権を有すべき場合には、μC23はIN1をTRISTATEにセットする。しかしμC23は、これがIN1をHIGHまたはLOWにセットするとき優先権を有する。
【0106】
この回路の特異性は、PWM信号PWM2 180がドライバ構成素子200の直前で初めて導入(引込)されるが、それにもかかわらずμC23がドライバ構成素子についてのコントロールを維持することである。コミュテーションのロジックがまず計算され、出力され、それに基づいて初めてPWM信号PWM2 180が導入される。
【0107】
コンデンサ230と、ドライバ構成素子200に組み込まれたダイオード208はBOOTSTRAP回路となる。BOOTSTRAP回路は、上側電力スイッチ80に対してNチャネルMOSFETが使用される場合に必要である。なぜならMOSFETは、切り替えるべき電圧より高い制御電圧を必要とし、ここではUBより高い制御電圧が必要だからである。
【0108】
電力スイッチ81が閉成されると、巻線端子L1はアースに接続され、コンデンサ230はダイオード208を介して+12Vに充電される。これは図11に示されている。電力スイッチ81がスイッチオフされ、電力スイッチ80がスイッチオンされると、上側ドライバで入力端228を介して12Vの電圧が使用される。この電圧は巻線端子L1の電圧よりも高い。従って上側ドライバ210は、コンデンサ230が充電されている限り、上側電力スイッチ80をスイッチオンすることができる。
【0109】
従ってコンデンサ230は規則的な間隔で充電されねばならない。このことはポンプと称される。この原理は当業者には充電ポンプとして公知である。ポンプはμC23により監視され、制御される。
【0110】
2つの抵抗232と234はトランジスタ80,81に対する最大駆動電流を制限し、コンデンサ236はドライバ構成素子200に対して必要な短時間の大電流を送出する。
【0111】
ポンプ
図11の回路において下側ドライバ212が比較的に長時間スイッチオンされないと、コンデンサ230が放電し、上側ドライバ210は上側電力スイッチ80を閉成できなくなる。
【0112】
モータ32の通常動作では、所定の方向で図3に従いブリッジ分岐路が常に交互にクロッキングされる。このことは、十分なポンピングが保証され、コンデンサ230が常に十分に充電される程度に頻繁に行われる。
【0113】
しかしモータ32が非常に緩慢になるか、または停止すると、十分なポンピングが保証されなくなる。この場合、ホール時間t_HALL(図12)に基づいて、すなわちホール信号HSの2つの順次連続する変化の間の時間に基づいて、検査することができる。ホール時間が例えば10msを超えると、新たにポンピングしなければならない。
【0114】
ホール変化は生じるが十分なポンピングが保証されないような別の場合は、モータが静止位置を中心にして振動している場合である。なぜならロータ110が例えばブロックされているからである。このようなことは、交互クロッキングが巻線端子L1ないしL2でだけ行われるような2つの領域間をロータ110が常に往復運動する場合である。この場合はL3をポンピングしなければならない。
【0115】
十分なポンピングはこの第2の場合で次のようにして保証される。すなわちモータ32の各方向変化の際にポンピングするのである。方向変化はコミュテーションルーチンにおいてロータ位置センサ111,112,113を介して検知することができる。方向変化の際にはフラグFCT_PUMP(図13のS206,図25のS602)が1にセットされる。このことによりμC23のメインプログラムに、ポンピングすべきことが通知される(図25)。その後、図13ではS210へジャンプする。
【0116】
FCT_PUMP=1であれば、機能マネージャ600(図25)によりポンプ機能S604(図25)が呼び出される。ポンプ機能S604ではμC23の全ての線路EN1,IN1,EN2,IN2,EN3,IN3が約15から20μsの間、LOWにセットされる。このことにより下側電力スイッチ81,83,85がスイッチオンされ、上側電力スイッチ80,82,84はスイッチオフされ、従って全ての出力段制御部50,52,54がポンピングされる。ポンピングの後、出力段制御部は再び、記憶されたホール信号HS1,HS2,HS3に相応してアクティブにされる。これは図1と図2に基づいて説明した。
【0117】
図12は、ロータ位置センサ111,112,113のホール信号HS1,HS2,HS3からの和および排他的ORとしてのホール信号HS265の形成を示す。ホール信号HS265は、ホール信号HS1,HS2ないしHS3が、HIGHからLOWないしLOWからHIGHに各変化する際に変化し、従ってホール信号HS265は各60゜el毎(30゜mech)に変化する。
【0118】
2つのホール変化間のホール時間t_HALL(図12D)に基づき、ロータ110の回転数nを測定することができる。
【0119】
電気的1回転(360゜el)はこの実施例では6つのホール変化に相当するから、機械的1回転毎に12のホール変化が生じる。実際回転数nに対して
n=1/(12×t_HALL) (4)
が成り立つ。
【0120】
図13は割込ルーチンTIMER0_ROUTのフローチャートを示す。この割込ルーチンでは、ロータ110の回転数が過度に低いときポンピングが要求される。
【0121】
割込ルーチンTIMER0_ROUTはタイマ割込により呼び出される。このタイマ割込はμC23に組み込まれたタイマTIMER0により規則的間隔で形成される。タイマTIMER0は例えば1バイト(256ビット)の大きさであり、プロセッサ周波数が10MHzで、8のプレスケールの場合、タイマは256×8×0.4μs=820μs毎に値0に達し、タイマ割込が行われる。この0.4μsは、プロセッサ周波数が10MHzの際に1クロックが0.1μsを必要とし、プロセッサは各命令に対して4クロックを必要とする、すなわち0.4μsを必要とすることから生じる。これには同様にタイマTIMER0も同様に拘束される。
【0122】
S200は、割込ルーチンTIMER0_ROUTで実行される他の全てのステップに対する代理である。タイマTIMER0によって例えばリングカウンタCNT_HLも同様に増分される。このリングカウンタはホール時間t_HALLを計算するために使用される。
【0123】
S201では動作電圧UB(図23)の監視が、変数FCT_UBTを1にセットすることにより要求される。
【0124】
S202ではカウンタCNT_Pが1だけ減分される。
【0125】
S204ではCNT_Pが検査される。CNT_P>0の場合にはS210へ移行し、それ以外はS206へ移行する。
【0126】
S206では値FCT_PUMPが1にセットされる。このことによりメインプログラムにμC23(図25)で、ポンプ機能S604(図25)を呼び出すべきであることが通知される。その後、S210へ移行する。
【0127】
S210では割込ルーチンTIMER0_ROUTを去る。
【0128】
図14Aと図14Bは、タイマ割込ルーチンTIMER0_ROUT(図13)によって実行されるポンプ監視を示す。ホール信号HS256が上の線図では時間tに関してプロットされており、下の線図ではポンプカウンタCNT_Pの値266が時間tに関してプロットされている。ホール信号HSの各変化の際にポンプカウンタCNT_Pは値CNT_P_MAX(例えばCNT_P_MAX=11)にセットされる。その後、このカウンタは割込ルーチンTIMER0_ROUTでカウンタダウンされる。
【0129】
カウンタCNT_Pがゼロに達しなければ、モータ回転数は十分に高速であり、ポンプが保証される。
【0130】
しかしカウンタCNT_Pが例えば点267で値ゼロに達すると、割込ルーチンTIMER0_ROUTにより、μC23によりポンピングが要求される。初期値CNT_P_MAX=11の場合、カウンタCNT_Pは11×820μs=9ms後にゼロに達する。従ってポンピングは少なくとも11×820μs=9ms毎に行われる。
【0131】
制御器
図15は、μC23における制御器24のPI制御器としての実施例を示す。点270で瞬時の制御偏差(n_s−n)が、目標回転数n_sと実際回転数nとの差から計算される。
【0132】
点(ノード)280では3つの重み付けされた値が加算される。これは第1に、K1(例えばK1=30.38)により重み付けされた瞬時の制御偏差である。
【0133】
第2にこれはK2(例えばK2=―0.62)により276で評価された古い制御偏差である。ここで274のZ-1は、270からの先行の値を使用すべきであることを意味する。
【0134】
第3に古い調整値が284を介して280で加算される。このことによりいわゆるアンチ・ウインドアップが達成され、これは制御器24の改善のためにμC23で供給される。
【0135】
加算素子280からの結果は282で制限され、続いて286に調整値として出力される。
【0136】
K1とK2に対してはこの実施例では
K1=P+I=31 (5)
K2=−P=−30.38 (6)
が適用され、ここでPはPI制御器24のP成分、IはI成分である。従ってP=30.38(98%に相当する)、I=0.62(2%に相当する)である。
【0137】
図16は、図15の制御器24の実施形態のフローチャートを示す。
【0138】
S100で制御偏差RGLDIFFが目標値n_sと実際値nとの差から形成される。
【0139】
S102で古い制御偏差RGLDIFF_Oが評価される。この評価は、値RGL_I(例えば0×F9=249)との乗算と、引き続き256(0×0100)による除算によって行われる。RGLDIFF_Oは制御ルーチンで前もってすでに−1により乗算されている(S112)。結果は変数TEMP1に記憶される。
【0140】
S104では瞬時の制御偏差RGLDIFFと評価された古い制御偏差TEMP1とが加算され、値TEMP2に記憶される。TEMP2の符号は値VZ_TEMP2に確保される。TEMP2の絶対値は値RGL_VERSTと乗算され、TEMP3に記憶される。乗算によりP成分とI成分とが増幅される。この乗算の際にオーバフローが発生すると、S106からS107へジャンプする。
【0141】
S107ではVZ_TEMP2が検査される。VZ_TEMP2=1であれば、TEMP3がS109で最大値TEMP3_MAX(例えば全てのバイト0×FF)にセットされる。それ以外の場合、TEMP3はS108で0にセットされる。
【0142】
S110では新たな調整値SW(図15の個所280の値)がTEMP3と古い調整値SWとの加算により形成される。ここでオーバフローが発生すれば、調整値SWはSW_ABS_MAX(例えば全てのバイト0×FF)にセットされ、アンダーフローの場合は値SWがSW_ABS_MIN(例えば全てのバイト0×00)にセットされる。
【0143】
S112では瞬時制御偏差RGLDIFFがRGLDIFF_Oに制御器24の次のルーチン実行のために確保される。ここでは同時にRGLDIFFの符号が変化される。
【0144】
S112の後、制御器ステップ282で調整値制限が実行される(S114からS122)。
【0145】
S114では最小調整値SW_MINと最大調整値SW_MAXが計算される(CACL)。これら極大、極小の調整値については図20,22および図28で詳細に説明する。最大調整値にはオフセットOFFSET1が加算される。このオフセットは三角波発生器183(図9)の三角信号が電圧0Vのオフセット199を有する(図10A)ことから生じる。このオフセットは調整値SWにすでに含まれているが、計算された極大、極小の調整値SW_MINとSW_MAXには含まれていない。図30による変形実施例ではこのオフセットが省略される。これについては別個に説明する。
【0146】
S116では、調整値SWがSW_MIN’より小さいか否かが検査される。小さい場合にはSWがS118でSW_MIN’にセットされる。
【0147】
S120では、SWがSW_MAX’より大きいか否かが検査される。これが大きい場合にはSWはS122でSW_MAX’にセットされる。
【0148】
値SW_MIN’とSW_MAX’はS114に従い計算される。
【0149】
S124では、制限された調整値SWがPWM発生器25に引き渡される(PWMGEN1)。PWM発生器25は10ビットの分解能を有する。従ってSWのハイバイトの8ビットとローバイトの最高位2ビットが引き渡される(×により示されている)。残りのビットは使用されない(0により示されている)。
【0150】
この制御器24は非常に高い精度を有し、例えば10000回転/分の回転数において偏差は±1回転である。
【0151】
制御器24はそれぞれのモータ形式に、増幅係数RGL_I(S102)、RGL_VERST(S104)の変更によって適合しなければならず、変数の大きさを適切に選択しなければならない。それぞれの計算演算の際にオーバフロートとアンダーフローについて検査される。
【0152】
ソフトウエアによる電流制限
図17は、図3の別の簡単な等価回路を示し、図18は、例としてPWM信号PWM2を示す。この信号には参照符号180が付してある。同じ部材には先行図面と同じ参照符号が付してある。
【0153】
供給電圧UBは信号PWM2 180(図8)によりそのデューティ比tON/T(図18)に比例して低減される。生じた低減された電圧はUEとして示されている。近似的に
UE=UB*PWM2=UB*tON/T (7)
が成り立つ。
【0154】
固定子巻線116(図3)で永久磁石ロータ110の回転により誘導された電圧Uiは122の付された電圧源Mにより示されている。式(7)に従って誘導された代替電圧UEがこの誘導電圧Uiより大きければ、正の巻線電流i3が生ずる。Uiとi3の積は同様に正である。すなわちモータ32はエネルギーを消費して駆動される。
【0155】
しかし誘導された電圧Uiが代替電圧UEより大きければ、負の巻線電流i3が生じ、モータ32は制動される。なぜならモータは今度は発電機として動作するからである。図17に示された電流i3の方向は反転する。
【0156】
誘導された電圧Uiはしばしば、このようなモータの逆起電力(counter EMF)とも称される。その大きさは式(2)から得られる。
【0157】
図3と同じように図17には巻線抵抗Riが121により、巻線インダクタンスLが120により示されている。
【0158】
図19は、誘導された電圧Ui(図3)を回転数nについて曲線122として示す線図である。式(2)に従い
Ui=n*ke
が成り立つ。
【0159】
さらに2つの破線294,296がプロットされており、これらは最大および最小許容代替電圧UE,maxとUE,minを示す。これらの代替電圧は式(7)に従いデューティ比PWM2と電圧UBから生じる。nrevはリバース回転数であり、この回転数から、正の電流制限が存在する場合には、リバース、すなわち反対の回転方向に対するコミュテーションが可能である。
【0160】
以下詳細に、どのように制限曲線294と296が実現され、どのような意味を有するかを説明する。
【0161】
出力段78(図3)による巻線電流i3は、図17に従い抵抗121の電圧URiと抵抗121の値Riとから次式(18)に従って計算される。
i3=URi/Ri (8)
【0162】
比較的に長く通電した後、インダクタンスL120はもはや影響を及ぼさなくなり、抵抗121の電圧URiは
URi=UE−UI=UB*tON/T−n*ke=i3*Ri (9)
から得られる。
【0163】
ここから巻線電流i3に対して
i3=(UB*tON/T−n*ke)/Ri (10)
代替電圧UEに対しては
UE=n*ke+i3*Ri (11)
が成立つ。
【0164】
モータ32の固定子巻線116を流れる電流i3は出力段78を通電する際、すなわちこの出力段のトランジスタが制御される際にはクリティカルな量である。i3が過度に大きくなると、固定子巻線に大きな熱が発生し、最悪の場合、ロータ110(図1)の永久磁石がステータ114に生じた強い磁界により減磁されてしまい、このことによりもはやモータ32が機能しなくなる。従ってこの状態は阻止しなければならない。
【0165】
固定子巻線の最大電流Imaxはモータ動作の場合、通常はデータシートに記載されており、制動動作の際にこの許容電流は通常−Imaxである。
【0166】
ここから最大代替電圧UEmaxに対して
UEmax=n*ke+Imax*Ri (12)
同様に最小代替電圧UEminに対して
UEmin=n*ke−Imax*Ri (13)
が得られる。
【0167】
例えばモータ32が回転数0/分の際に、−Imax*Riと+Imax*Riとの間にある電圧UEにより駆動されると、電流i3はImaxより小さい。
【0168】
従ってモータ32に供給される代替電圧UEが曲線296と294の間の領域295(図19)にあれば、モータ32は安全な動作領域で動作する。すなわちロータ110は減磁されず、モータの固定子巻線は過度に加熱されない。
【0169】
安全動作領域295の大きさ、すなわちUEminとUEmaxとの間の間隔は巻線抵抗121の値Riに強く依存する。この値が大きければ、モータ32は大きな安全動作領域195を有する。このようなモータはインピーダンス保護されたモータと称することができる。これとは反対に図19のモータはインピーダンス保護されないモータである。なぜなら安全動作領域295が非常に狭く、従ってこのモータが常にこの安全動作領域295で動作するように気を付けなければならない。
【0170】
図16の制御器では、本発明により調整値制限部282によって確実なソフトウエア的電流制限が実現される。この電流制限はモータ32をこの安全領域295に留める。
【0171】
このためにS114(図16)で値SW_MAXとSW_MINを瞬時回転数nの関数として次のように計算する:
SW_MAX:=UEmax(n) (14)
SW_MIN:=UEmin(n) (15)
【0172】
要求される精度に応じて、式(14)と(15)によるこの関数は大きく異なる構造を有することがある。以下簡単な実施例で、SW_MINとSW_MAXに対する近似値を計算する場合を説明する。SW_MAXとSW_MINに対する正確な値は図5から図7の構成を用いたアナログ電流制限部により設定される。ここでは電流i2が実際に測定される。
【0173】
しかし図19の構成は、電流i2を測定せずに実現することができる。なぜなら式(12)と(13)に従って特性曲線294と296はモータ32の回転数nの関数であり(電流i2の関数ではない)、この回転数nはμC23でホール信号HS1,HS2,HS3から既知だからである。式(4)を参照してμC23は各モータ回転数nに対して許容値UEmaxとUEminを計算する。この種の解決手段が図30に示されている。
【0174】
許容値UEmaxを上回ると、このことはデューティ比PWMがμC23(図30)の出力側で高すぎることを意味し、このデューティ比は制御器のソフトウエアにより相応に低減される。許容値UEminを下回ると、デューティ比PWMは出力端157(図30)でμC23により相応に高められる。なぜなら回転数が過度に低いからである。このことによりモータ32の電流i2は制限され、モータ32は常に限界内で回転する。この限界は図19で領域295によって設定される。
【0175】
大きな利点はこの場合、図8から図10のアナログ電流制限部を省略できることである。すなわちμC23はモータ32のいわゆる合成的(Synthetisch)モデル(モータ定数ke、許容電流Imax(駆動)ないし−Imax(制動)、および巻線抵抗Riにより合成的にモデル化したもの)を含み、これらの値と常時測定される回転数nに基づいてμC23はモータ32に対する調整値、例えば図30でのデューティ比PWMを計算する。この調整値は次にモータ32の制御に直接用いることができ、デューティ比として図11の入力端180に直接供給される。このことにより図30では、図8から図10のアナログ電流制限装置が省略される。
【0176】
モータ32のこのような合成的モデルはさらに別の変数を考慮することができる。これは例えばモータ32の熱容量である。すなわち図19の領域295を、ロータ110の減磁の危険が存在しない限り短時間去ることもでき、このことにより例えばモータ32の急速な起動が可能となる。
【0177】
モータ定数ke、駆動時の最大許容電流Imaxおよび制動時の最大許容電流−Imax、並びに巻線抵抗121の値Riは、μC23のプログラムに定数として記憶するか、または外部から制御器に入力することができ、これは例えば図示しないEEPROMで相応の値を変更することにより行う。これについては1998年6月13日出願のドイツ特許出願(公開)19826454.5を参照されたい。
【0178】
図20は図16の制御器のステップS114の可能な実施例を示す。SW_MINとSW_MAXを計算するために式(13)、(15)ないし(12)、(14)を使用する。
【0179】
ソフトウエアにより支援された電流制限
図21は、図19と同様に線図を示す。ここでは誘導された電圧Ui122が回転数nについてプロットされている。ラインUE,min296とUE,max294は図19のそれらに相応し、従ってUiを中心とする領域295を画定する。この領域内ではモータ32が確実に動作することができる。
【0180】
モータ32の両方の回転方向に対しては、回転数nの絶対値による1つの線図が必要なだけである。なぜなら例えば3相モータの場合、他方の回転方向に対する相違はコミュテーションの形式が別であるだけだからである。回転数nをホール時間t_HALLから計算すること(図12)は回転方向に依存しない。
【0181】
図20でのSW_MINとSW_MAXの計算は乗算および場合により除算を含む。これらは使用されるμC23で高い計算工数、ひいては時間を必要とする。
【0182】
図16の調整値制限部282dでの計算工数を低減するために例えば、調整値をまず最初に下方についてだけ制限し、次に簡単な計算を使用することができる。
【0183】
図21は直線298を含む。この直線は座標系の原点を通る。直線298は最大アイドリング回転数n_maxの際に例えば最大誘導電圧の半分Umax/2に達する。この直線は調整値SW_MINの限界を表し、モータ32が制動するとき、すなわち発電機として動作するときに作用する。すなわち制動動作時には調整値はこの値を下回ることはできず、これにより制動電流が制限される。
【0184】
図22は、調整値制限282’のフローチャートである。この調整値制限は、図16の調整値制限282とは反対に調整値SWを下方の方向SW_MIN’についてだけ制限する。従って図16のステップS120からS122は省略される。
【0185】
最小調整値SW_MINのS114”での計算は図21の直線298に従い、次式ににより行われる。
SW_MIN:=(1/2*n/n_max)UNenn/UB (16)
【0186】
UNennはモータの公称電圧であり、n_maxは公称電圧UNennにおける最大アイドリング回転数である。
【0187】
従って下方への簡単な調整値制限が得られ、この制限は図7のようなハードウエア電流制限部を支援する。
【0188】
ハードウエア電流制限とソフトウエア電流制限との組合せは別の利点を有する。ソフトウエア電流制限により最大制動電流i2’を、これが最大許容電流よりやや(僅かに)上になるように調整することができる。ハードウエア電流制限部はこの過度に大きな電流i2’を検知し、これをさらに制限する。従ってモータ32が最大出力に達することが保証され、同時にモータの公差が捕捉される。このようにして非常に高速な制御過程が得られる。
【0189】
負の電流制限に対しては図6で説明したように、最小デューティ比SW_MIN_CONSTを維持しなければならない。これは制動電流i2’の測定を可能にするためである。図21,22では回転数に依存する最小調整値SW_MIN(n)が維持されるから(直線298参照)、図6で説明した一定の最小調整値SW_MIN_CONSTは省略される。これによりモータ32の制御領域が拡大される。
【0190】
SW_MINとSW_MAXの計算を簡単にする別の手段は、調整値SW_MINとSW_MAXを回転数nに依存してテーブルに記憶することであり、場合によりテーブル値間を補間することである。
【0191】
SW_MINとSW_MAXの計算を簡単にするためのさらなる手段では、値UNenn/UBを一定の係数、例えば値1と見なす。この簡素化は、値UBがUNennから大きな偏差を有しないときに可能である。このことにより除算ひいては計算時間が節約される。
【0192】
さらなる計算時間は次のことにより節約される。すなわち乗算をシフト演算により置換するのである。変数を1桁だけ左にそれぞれシフトすることにより2による乗算が達成され、1桁だけ右にシフトすることにより2による除算が達成される。
【0193】
動作電圧の監視
図23はサブプログラムUB_TESTを示す。このサブプログラムは、図1の端子76で測定することのできる動作電圧UBを監視するのに使用される。UBが許容領域外にあれば、フルブリッジ回路78が相応に制御され、これにより中間回路73,74に接続された構成部材、例えば電力トランジスタ80〜85,フリーホイールダイオード90〜95、コンデンサ75および構成部材77(図1)は破壊されることがない。
【0194】
サブプログラムUB_TESTは機能マネージャ603(図25)により、変数FCT_UBTが1にセットされるときに呼び出される。サブプログラムUB_TESTの要求はS201(図13)の割込ルーチンTIMER0_ROUTで行われる。
【0195】
S302では変数FCT_UBTが再び0にリセットされる。
【0196】
S304では、A/D変換器(μC23内の)を介して、μC23の入力端63の電圧の高さが問い合わされ、デジタル値として変数U_ADに記憶される。
【0197】
図24は、例としてデジタル量U_ADの時間経過を示す。このデジタル量はアナログ量UB(=モータ32の動作電圧)に相当する。値U_ADは非常に小さくなることがある。なぜなら例えば電気自動車では蓄電池が放電されるからである。次に動作電圧が下側限界値U_MIN_OFFより低下すると、モータ32は自動的に遮断されなければならない。この電圧が比較的に高い下側限界値U_MIN_ONを超えると、モータ32を再び投入接続することができる。これにより下側切り替えヒステリシスが得られる。
【0198】
制動時に、例えばモータ32が発電エネルギーをコンデンサ75にフィードバックすることにより量U_ADが過度に大きくなると、その結果、そこで電圧UBが上昇する。なぜならこのエネルギーは負荷77により消費することができないからである。電圧UBが過度に上昇することは阻止しなければならない。なぜならそのようにしないと、構成部材77が破壊されてしまうからである。
【0199】
図24の340には、モータ32の制動過程により発生した、量U_ADの上昇が示されている。342では上側閾値U_MAX_OFFを上回り、モータ32の全てのトランジスタ80〜85が阻止される。このことにより344で値U_ADが低下し、346で比較的に低い閾値U_MAX_ONに達する。この閾値ではトランジスタ80〜85のコミュテーションが再び通常のように投入される。その結果348で量U_ADは再び上昇する。350ではトランジスタ80〜85が新たに阻止される。その結果352で値U_ADは新たに低下し、352で閾値U_MAX_ONに再び達する。ここで再びモータ32のコミュテーションが投入される。この例では制動過程が今や終了する、なぜならモータがその目標回転数n_sに達するからである。そして値U_ADはさらにU_ADの「通常」値354まで低下する。この通常値は「安全領域」356にある。
【0200】
図24では360により過度に低い動作電圧UBによる「禁止領域」が示されており、362により過度に高い動作電圧UBによる禁止領域が示されている。この領域は通常では制動時に発生し得る。
【0201】
図23のプログラムは上に述べたプログラム経過の実現に用いる。ステップS306からS308で、量U_ADがU_MIN_OFFとU_MAX_OFFとの間にある許容領域から外れたか否かが検査される。外れていればS310へジャンプし、それ以外ではS320へジャンプする。
【0202】
S310では変数U_OFFに基づいて、出力段78がすでに遮断されているか否かが検査される。遮断されていれば、すなわちU_OFF=1であれば、直ちにS330の終了へジャンプする。それ以外の場合、S312でU_OFFが1にセットされ、全ての信号EN1,EN2,EN3(図8)がHIGHにセットされる。これにより全てのブリッジトランジスタ80〜85(図1)は非導通に制御される。巻線115,116,117に誘導された電圧78は電力スイッチ80〜85が開放しているときコンデンサ75の電圧UBより下にあるから、全てのフリーホイールダイオード90〜95は阻止されており、電流ひいては電力がモータ32から中間回路73,74へ流れることはない。モータ32は従って「自由切り替え」状態に(freigeschaltet)される。すなわちモータは電力を消費することも、出力することもしない。
【0203】
S320からS322では、U_ADが許容領域356内にあるか否かが検査される。ステップS306とS308で定義された非許容領域よりも小さいこの許容領域356によって電流制限のヒステリシスが得られる。このことはモータの動作特性を改善する。ヒステリシスが必要なければ、S324をS308の選択肢「N」に直接続けさせ、ステップS320,S322を省略することができる。
【0204】
U_ADが許容領域356内にあれば、S320ないしS322からS324へジャンプし、それ以外の場合はサブプログラムUB_TESTをS330で終了する。
【0205】
S324では、U_OFFがすでに0であるか否か、すなわち出力段78がすでに通常にコミュテーションされているか否かが検査される。U_OFF=0であれば、終了S330へジャンプし、それ以外の場合はS326で変数U_OFFが0にセットされ、COMMUTで出力段78は図2のテーブルに従い通常のようにホール信号HS1,HS2,HS3に依存してコミュテーションされる。このことは以下、図29で説明する。ここではコミュテーションの開始を回転数の上昇と共に進み方向にずらすこともできる。これについてはDE19700479A1を参照されたい。
【0206】
このようにしてモータ32は制動時に、すなわちモータが回転数制御器により設定された所望の回転数n_sを上回るときにエネルギーを自動的にコンデンサ75(図1)にフィードバックし、このときにコンデンサの電圧UBが非許容値を取ることはない。
【0207】
同じように、モータの動作電圧UBが許容値U_MIN_OFFを下回るときにはモータ32の遮断が保証される。このことによりモータ32の誤機能が回避される。このことはとりわけこのようなモータが図示しない蓄電池により駆動される場合に重要である。蓄電池は図1の整流器72の個所にあると考えることができ、当業者には自明である。
【0208】
サブプログラムCOMMUT(図29)では、さらなる障害が存在しない場合、出力段78がホール信号HS1,HS2,HS3に依存してコミュテーションされる。一般的にコミュテーションにも用いられるサブプログラムCOMMUTはコミュテーションの際にU_OFFの値を考慮する。U_OFFが値1を有していれば、全ての信号EN1,EN2,EN3(図8)はHIGHに留まる。図29のS330を参照。
【0209】
機能マネージャ
図25は、μC23で実行される、いわゆる機能マネージャの形態のメインプログラムの可能な実施例のフローチャートを示す。
【0210】
メインプログラムのタスクは、例えばロータ位置信号HS1,HS2,HS3の1つの変化などのイベントに応答し、さらに必要な場合に各機能にリソース、とりわけ計算時間を提供し、リソースの設定の際に優先度に注意を払うことである。
【0211】
モータ32のスイッチオンの後、μC23で内部リセットがトリガされる。S600でμC23の初期化が行われる。場合により時間的にクリティカルな他のプログラム経過が実行される。これはS601で示されている。
【0212】
その後、機能マネージャ603へジャンプされ、この機能マネージャはS602でスタートする。機能マネージャ603は個々のサブプログラムの経過を制御し、それらの優先度を決定する。
【0213】
図26は、例としての機能マネージャ605を示す。ここではサブプログラムS604,S610,S614,S618およびS622の各々に対して1ビットがリザーブされている。
【0214】
この実施例では機能レジスタ605は1バイトの大きさであり、低位ビット(LSB)から始まって次の要求ビットを下で説明する要求可能な機能に対して定義する:
・Bit1:目標回転数n_sをμC23の入力端48におけるアナログ電圧値から計算するためのFCT_n_S、
・Bit2:任意の形式の制御ルーチンに対するFCT_RGL、
・Bit3:実際回転数nを計算するためのFCT_n、
・Bit4:ホール時間t_HALL(図12参照)を計算するためのFCT_HL、
・Bit5:μC23によるポンプ(図23参照)のためのFCT_PUMP、
・Bit6:動作電圧UBの監視のためのFCT_UBT。
【0215】
残りのビットは付加的に要求可能な機能のためにリザーブされている。これらの機能は必要に応じて機能マネージャ603に挿入することができる。
【0216】
所定の要求可能な機能を、他の機能または割込ルーチンにより要求すべき場合、要求される機能のビットが1にセットされる。例えばFCB_UBT:=1となる。機能マネージャ603が、この要求に続くプログラムルーチンでそれより高い優先度を有する他の要求可能な機能を発見しなければ、この場合は動作電圧の監視に対する機能が実行される。これは図23に示されている。
【0217】
要求された機能が処理されると、この機能はそのビットを機能マネージャ603で再び0にセットする。例えば図23のS302でのFCT_UBT:=0である。
【0218】
図25ではS602の後に所定の順序(最重要な要求可能機能から始まって)で、それらの要求ビットがセットされているか否かが検査される。1つの機能でセットされていれば、これが実行され、これに基づき再びステップS601へジャンプする。機能マネージャ605での検査順序は要求可能な機能の優先度を設定する。機能が機能マネージャ603で比較的に高い位置にあれば、その機能の優先度は高い。
【0219】
S602で、ポンプに対する要求ビットFCT_PUMPがセットされているか否か、すなわち値1を有するか否かが検査される。セットされていれば、S604へジャンプし、ポンプ機能(図15の説明)が実行される。終了の前にポンプ機能はその要求ビットFCT_PUMPを再びゼロにリセットする。その後、ステップS601へジャンプする。
【0220】
S602でFCT_PUMPがセットされていなければ、S608でFCT_UBTがセットされているか否かが検査される。セットされていれば、機能S610(図23,24)で動作電圧UBの監視が呼び出される。
【0221】
同じようにしてFCT_nがセットされている場合には、S612から実際回転数n(図12)の計算機能S614が呼び出される。FCT_RGLがセットされている場合には(S616)制御機能D618(図16)が呼び出され、FCT_n_sがセットされている場合には(S620)目標回転数n_sの計算機能(図8)が呼び出される。
【0222】
S602からS620で検査されるいずれのビットもセットされていなければ、S620から再びS601へジャンプする。すなわちS601は各ループの経過の際に実行される。
【0223】
図25は624に象徴的にホール割込を示す。このホール割込は最高の優先度(レベル1)を有する。ホール割込がこの高い優先度を有するのは、ホール信号の正確な検出がモータ39の静粛な回転に対して非常に重要だからである。ホール割込は機能マネージャ603の全てのプロセスを中断する。これは矢印626により象徴的に示されている。
【0224】
ホール割込624の下にはタイマTIMER0のTIMER0割込が示されている。この割込は次に低い優先度L2を有しており、その下にある全てのプロセスを中断する。これは矢印630により示されている。
【0225】
次に低い優先度はポンプ機能S604が有する。なぜならポンピングはモータの確実なコミュテーションに対して重要だからである。
【0226】
次に低い優先度L4は電圧監視機能S610が有する。この電圧監視機能は、過度に高い動作電圧によるモータ32の破壊を阻止する。
【0227】
次に低い優先度L5は、実際回転数nの計算機能S614が有する。実際回転数nは目標回転数n_sよりも頻繁に変化する。
【0228】
次に低い優先度L6は制御機能S618が有し、最低位の優先度は目標回転数n_sの計算機能S622が有する。
【0229】
しかし場合によりステップS602〜S620の順序、およびそれらの優先度を入れ替えることもできる。
【0230】
例えばモータ32と(図示しない)デスクトップコンピュータとの間の通信を制御する機能S601が存在する場合には、これはL2とL3の間の優先度を有する。
【0231】
このようにしてモータ32の種々異なる「必要性」を所定の階層に配列し、μC23のリソースをモータの動作に対して最適に使用することができる。
【0232】
図27は、図19および21のような線図を示す。ここでは誘導された電圧Ui122が回転数nに対してプロットされている。ラインUE,min296とUE,max294は図19のそれに相応し、従ってUiの周囲の領域295を制限する。この領域内ではモータ32の確実な動作が可能である。
【0233】
図20でのSW_MINとSW_MAXの計算は乗算および場合により除算を含む。これらは使用されるμC23で高い計算ステップ数および長い時間を必要とする。
【0234】
図16の閾値制限S113での計算ステップ数を低減するために、簡単な計算が使用される。上側限界線299と下側限界線298は直線として示されており、それぞれオフセットc_minないしc_maxをn=0回転/分の個所で有する。この例ではc_min=0である。
【0235】
直線298は図21のように最大アイドル回転数の際に例えば最大誘導電圧の半分Umax/2に達する。この直線298は調整値SW_MINの限界を表す。直線299は、例えば最大回転数の半分n_max/2で最大電圧Umaxに達する。この直線は調整値SW_MAXの限界を表す。
【0236】
図28は、図16の制御器のステップS144の可能な実施S114'''を示す。これは図27の直線に対するものである。一般的な直線式が選択される。
SW_MIN:=m_min*n+c_min
SW_MAX:=m_max*n+c_max
【0237】
m_minは直線298の勾配であり、m_maxは直線299の勾配である。c_minは直線298の縦軸交点(この例ではc_min=0)であり、c_maxは直線299の縦軸交点である。
【0238】
定数c_max,c_min,m_max,m_minを任意の選択することにより、例えば記憶された値を変更することにより、モータの特性を簡単に変更することができる。
【0239】
c_minは負に選択することもできる。c_maxは小さく選択することができ、これによりモータ32を緩慢に起動させることができる。このようにすると、目標回転数n_sに達する際の過励振(モータ回転数の回転振動)が回避される。同じように直線299を、直線294と直線122との間の領域におくことができる。これにより非常に確実な電流制限が得られる。
【0240】
図29はサブプログラムCOMMUTを示す。このサブプログラムは出力段78(図1)のコミュテーションを、図2のコミュテーションテーブルに従い、制御回路50,52,54(図8)によって実行する。点火角シフトを行わないモータではこのサブプログラムは例えばホール割込ルーチンによって呼び出される。
【0241】
S302では電圧監視UB_TEST(図23)に基づいて、出力段が遮断されたか否かが(U_OFF=1)検査される。遮断されていることは、中間回路73,74における電圧が過度に高いかまたは低いことを意味する。
【0242】
この場合S330へジャンプする。S330では、全てのドライバ構成素子200が非アクティブにされる。このことは出力端EN1,EN2,EN3を1にセットすることにより行われる。
【0243】
S332では、信号IN1,IN2,IN3が1にセットされる。このことはドライバ構成素子200が非アクティブである際には何の影響も及ぼさないが、記憶されたままの信号IN1,IN2,IN3の状態がこのことにより後続の過程に対して定義される。
【0244】
これに基づいて終了S340へジャンプする。
【0245】
S302でU_OFF=0であれば、すなわち中間回路73,74の電圧が正常であれば、通常のコミュテーションが図2のコミュテーションテーブルに従って行われる。
【0246】
S304で、図13でポンプ監視に使用されるカウンタCNT_PがCNT_P_MAXにセットされる。なぜなら以降、コミュテーションされるからである。
【0247】
S306では、信号EN1〜EN3に対する目標値EN1_S,EN2_S,EN3_Sが、ホール信号HS1,HS2,HS3の組合せHL_COMBに相応して図2のテーブルからロードされる。図2からのテーブル値にはTEN1,TEN2,TEN3が付してある。例えばロータ110が角度位置0゜...60゜elにあるとき、ホール信号の組合せHL_COMBは(HS1=1,HS2=0,HS3=1)であり、次の値がロードされる:EN1_S=0、EN2_S=0,EN3_S=1。
【0248】
同じようにS308で信号IN1〜IN3に対する目標値IN1_S,IN2_S,IN3_Sが、ホール信号HS1,HS2,HS3の組合せHL_COMBに相応して図2のテーブルからロードされる。IN値に対するテーブルにはTIN1,TIN2,TIN3が付してある。S306からの例に対しては、IN1_S=1,IN2_S=TRISTATE、IN3_S=1が角度位置0゜...60゜elに対して得られる。
【0249】
コミュテーションの前には、ドライバ構成素子の2つがアクティブであり、1つが非アクティブであった。例えば図8のコミュテーションの前には、構成素子52と54がアクティブであり、構成素子50が非アクティブであった。コミュテーション後には、例えば構成素子54が非アクティブであり、構成素子50と52がアクティブになる。
【0250】
ステップS310からS320は、コミュテーション前にアクティブであったドライバ構成素子の遮断に用いる。この構成素子はコミュテーション後には非アクティブにすべきであり、上記の例では構成素子54である。コミュテーションの前後でアクティブである構成素子は常時、アクティブされたままである。このことによりモータ32での電力損失が回避される。
【0251】
図2では行EN1,EN2,EN3のそれぞれのフィールドにフレーム740が設けてある。ここではそれぞれのドライバ構成素子が順次連続する2つの角度領域でアクティブである。
【0252】
従ってS310で、信号EN1に対する目標値EN1_Sが1であるか否か、すなわちEN1をコミュテーション後に遮断すべきか否かが検査される。そのような場合には、EN1がS312で1にセットされ、巻線端子L1のブリッジ分岐路のドライバ構成素子が非アクティブにされる。EN1がコミュテーションの前に非アクティブであったとき、新たな非アクティブ化は何の作用も及ぼさない。
【0253】
S314からS320で、巻線端子L2とL3のブリッジ分岐路に対して同じことが行われる。
【0254】
S322では信号IN1,IN2,IN3が目標値IN1_S、IN2_S、IN3_Sにセットされる。
【0255】
S324では信号EN1,EN2,EN3が目標値EN1_S、EN2_S、EN3_Sにセットされる。コミュテーション後に非アクティブにすべきドライバ構成素子はすでにS310からS320で非アクティブにされているから、S324は以前に遮断されていたドライバ構成素子のスイッチオンに作用する。コミュテーションの前でも後でもスイッチオンされている他のドライバ構成素子はS310からS320で遮断されない。これは電流中断の際に発生することとなるモータ32での電力損失を回避するためである。
【0256】
S340でサブプログラムCOMMUTは終了する。
【0257】
モータ32を場合により両方向で回転させるためには、第2のコミュテーションテーブルを他方の方向に対して図2と同様に入力しなければならない。しかし多くの場合、例えばラジアルファンでは1回転方向の動作しか要求されない。反対の方向に対するコミュテーションテーブルによる動作は当業者には問題なしに可能であり、従って詳細には説明しない。
【0258】
図30は本発明の電子コミュテーション式モータ32の別の実施例の概観を示す。このモータは図8に類似する。同じ部材または同じに作用する部材には同じ参照符号が付してあり、通常は再度説明しない。
【0259】
図30では電流制限器131および161によるハードウエア電流制限部が省略される。これらはμC23で実行されるプログラムによって引き継がれる。このことは199により象徴的に示されている。ここでは例えば図16と同様の制御が使用される。この制御ではSW_MINとSW_MAXの計算が図27および28と同様に実行され、このとき直線298と299は直線UEmin296とUEmax294に夫々重なる。図28のオフセットOFFSET1はここでは0である。なぜならPWM発生器182が省略されているからである。
【0260】
交互の(パルス立上り)クロッキングに必要なPWM信号PWM181は、ハードウエア電流制限部131,161が使用されないから、μC23の出力端157から直接、制御回路50,52,54に供給され、所要の電流制限を行う。従ってモータ32は安全領域295でだけ駆動することができる。モータ電流の測定はここでは省略される。非常に有利には、電流の値を回転数に依存して制限することができる。これにより例えば穏やかな起動が得られる。
【0261】
図31は図3の別の電気的等価回路を示す。この回路は図1のフルブリッジ回路78の一部だけを示す。同じ部材または同じに作用する部材には同じ参照符号が付してあり、通常は再度説明しない。
【0262】
図31では、図3で閉じていた上側電流スイッチ82の代わりに、下側電力スイッチ83が閉じている。さらにクロッキングされる制御信号228が上側電力スイッチ80に、クロッキングされる制御信号227が下側電力スイッチ81に印加される。
【0263】
出力段78のこの形式の通電での主たる相違は、ロータ110の所定の角度領域に対してスイッチオンされる電力スイッチが図31では下側電力スイッチ83であり、図3では上側電力スイッチ82であることである。相応にして、クロッキングされる電力スイッチ80と81の制御も入れ替わり、適合したテーブル(図2)を制御論理回路に使用しなければならない。
【0264】
信号227,228を形成するためにここでは変更は行われない。従って本発明のモータの前記特徴は全て同じようにこの実施例に適用される。
【0265】
信号IN1,IN2,IN3の必要な変更は図32に示されている。
【0266】
この回路の利点は、下側電力スイッチ83を使用することによってL2のブリッジ分岐路もポンピングされることである。その他の機能は同じであり、電流i3は(図3参照)は反対方向に流れる。
【0267】
図32は図8の変形実施例を示す。図32の回路は図31の変形実施例の制御に使用される。示されているのは図8からの変更部分である。他の全ての部分は図8の部分に相当し、図示されていない。
【0268】
図8のツェナーダイオード186は除去されており、図8のダイオード260は反対に極性付けられており、参照符号260’を有する。図8の抵抗262はアースに接続されているのに対し、抵抗262’は+Vccに接続されている。
【0269】
図32により、下側電力スイッチを次のことによって調整することができる。すなわち、IN1,IN2またはIN3をゼロにセットすることによって調整することができる。図8の回路では、信号IN1,IN2またはIN3のセットにより信号PWM2 180がそれぞれダイオード(260)を介してアースに引き込まれる。
【0270】
従って図32ではダイオード260’が使用され、これにより線路IN1はダイオード260’によってアースに対して(gegen)引き込まれる。
【0271】
これによりμC23は、IN1(IN2,IN3)をゼロにセットすることによりそれぞれ下側電力スイッチをスイッチオンし、IN1(IN2,IN3)をTRISTATEにセットすることによりPWM信号PWM2 180を導入することができる。PWM信号はこのためにPWM発生器182’で反転される。
【0272】
もちろん本発明の枠内で多種多様の変更および変形が可能である。
【0273】
ある電子コミュテーション式モータでは駆動電流(i2)も制動電流(i2’)と同じように監視される。駆動電流が過度に大きい場合には、モータの電流を制御するデューティ比が低減される。そして制動電流が過度に大きい場合にはこのデューティ比が高められる。このために2つの電流制限素子(131,161)を備えるアナログ回路があり、同様にこの機能をマイクロコントローラのソフトウエアにより実現し、従って電流測定を省略することのできる回路を有する。さらに2つの手段を組み合わせることもできる。ここではハードウエア電流制限とソフトウエア電流制限とが共働で作用する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の電子コミュテーション式モータの第1実施例の概略的回路図である。
【図2】 図2は、ロータ位置センサの出力信号と、これに依存する図1のフルブリッジ回路78の制御を示す図である。
【図3】 図3は、本発明をよりよく説明するため、図1のフルブリッジ回路78の一部だけを示す等価回路である。
【図4】 図4Aから4Fは、図3に発生する電圧、電流および電力を交互クロッキングにおいて概略的に示す線図である。
【図5】 図5は、図1のモータでの駆動電流を制限するための電流制限装置である。
【図6】 図6は、図1のモータでの制動電流を制限するための電流制限装置である。
【図7】 図7は、図1のモータでの駆動電流と制動電流とを制限するための組み合わされた電流制限装置である。
【図8】 図8は、本発明のモータの有利な実施例を説明するための概略的回路図である。
【図9】 図9は、図8のモータに有利に適用することのできるアナログPWM発生器を説明するための概略図である。
【図10】 図10Aと10Bは、図9を説明するための線図である。
【図11】 図11は、図8の装置でのブリッジ分岐路の制御を説明するための詳細図である。
【図12】 図12は、図1のロータ位置センサ111,112,113の出力信号及び、組み合わされたロータ位置信号を示す図である。
【図13】 図13は、本発明のモータにおけるいわゆるポンピング経過を示すフローチャートである。
【図14】 図14Aと14Bは、図13の作用を説明するための線図である。
【図15】 図15は、デジタル回転数調整(制御)装置の作用を、これが本発明でどのように有利に使用できるかについて説明する基本図である。
【図16】 図16は、図15の調整装置を実現するためのフローチャートである。
【図17】 図17は、図16のフローチャートを説明するための極端に簡素化された装置の図である。
【図18】 図18は、PWM信号およびここで発生する信号形状と時間を示す線図である。
【図19】 図19は、先行図面の電子コミュテーション式モータを説明するためのモータ線図である。
【図20】 図20は、図16の調整装置の変形として使用することのできるフローチャートの1ステップを示す図である。
【図21】 図21は、簡素化された電流制限を説明するためのモータ線図である。
【図22】 図22は、図16の調整装置で変形として使用することができ、図21の実現のために用いられるフローチャートの一部である。
【図23】 図23は、モータの駆動電圧UBの制限を説明するためのフローチャートであり、この駆動電圧はモータに直流中間回路を介して供給される。
【図24】 図24は、図23のフローチャートを説明するための概略図である。
【図25】 図25は、有利には本発明のモータで使用することのできる機能マネージャである。
【図26】 図26は、8ビットの制御ワードであり、これは機能マネージャ(図25)で本発明のモータでのプログラム経過の実行に対して優先度を設定するのに使用される。
【図27】 図27は、電流制限の非常に有利な変形を説明するためのモータ線図である。
【図28】 図28は、図16の調整装置で変形として使用することができ、図27の変形を実現するために用いられるフローチャートの1ステップを示す図である。
【図29】 図29は、出力段78の転流に使用されるコミュテーション機能に対するフローチャートである。
【図30】 図30は、合成的モータモデルにより動作する図1の構成の有利な変形実施例を示す図である。
【図31】 図31は、図1のフルブリッジ回路78の一部だけを示す図3のような電気的等価回路であり、ブリッジの制御の他の形式の係るものである。
【図32】 図32は、図8の変形実施例であり、これは図31の変形実施例を制御するために必要である。
Claims (21)
- ロータ(110)とステータ(114)とを有する電子コミュテーション式モータであって、
固定子巻線装置(115,116,117)と、コミュテーション装置とを有し、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路(78)を介して電流が直流源(73,74)から給電可能であり、
前記フルブリッジ回路は各ブリッジ分岐路に、1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路(73)と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路(74)と接続されており、
前記コミュテーション装置は、前記トランジスタをコミュテーションし、かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ(110)位置に依存して第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路では上側トランジスタおよび下側トランジスタが交互にスイッチオンされるように構成され、
前記第2のブリッジ分岐路の前記上側トランジスタ(図3、図31:80)および前記下側トランジスタ(図3、図31:81)を所定のデューティ比で交互にスイッチオンするよう作動するPWM信号(図3、図31:227、228)を生成するためのPWM発生器(図8、図9:182)が設けられ、
さらに、少なくとも1つのモータ量に依存して、所定の値を上回る制動電流(i2’)がフルブリッジ回路に発生するとき、前記PWM信号のデューティ比(PWM2)を変化させて、モータ(32)により発電的に形成される電流が低減されるように構成された装置が設けられていること
を特徴とする電子コミュテーション式モータ。 - 直流源(73,74)における電圧(UB)を監視するための装置を有し、
該装置は、所定の上側限界値(U_MAX_OFF)を前記電圧(UB)が上回るとき、フルブリッジ回路(78)の全てのトランジスタを阻止する、請求項1記載のモータ。 - モータ制御に用いるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下マイクロプロセッサ(23)と称する)を有し、
該マイクロプロセッサはA/D変換器を有し、
該A/D変換器は直流源の電圧(UB)をデジタル値(U_AD)に、マイクロプロセッサ(23)でのデジタル後続処理のために変換する、請求項2記載のモータ。 - モータ制御に用いるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(23)(以下マイクロプロセッサと称する)を有し、
該マイクロプロセッサは動作時に、出力信号をフルブリッジ回路(78)を制御するために送出し、
各ブリッジ分岐路にはコミュテーション構成素子(50,52,54)が、当該ブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとを交互にスイッチオンするために配属されており、
該コミュテーション構成素子は少なくとも2つの信号入力端(例えばIN1,EN1)を有し、
該信号入力端はマイクロプロセッサ(23)の別個の信号出力によって制御可能であり、
PWM信号(PWM2)が前記信号入力端(IN1、IN2,IN3)の1つに供給可能であり、
該信号入力端に配属された、マイクロプロセッサ(23)の信号出力端(IN1,IN2,IN3)は高抵抗状態に切替可能であり、
これにより前記マイクロプロセッサから、前記ブリッジ分岐路のトランジスタの交互スイッチオンがPWM信号(PWM2)によってアクティブにされる、請求項1から3までのいずれか1項記載のモータ。 - モータ制御に用いるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下マイクロプロセッサ(23)と称する)を有し、
該マイクロプロセッサはモータの回転数制御に用いられ、かつ少なくとも1つの出力端にプロセッサPWM信号(PWM1)をモータの回転数制御のために出力し、
さらに、前記プロセッサPWM信号のデューティ比を回転数に依存する値に制限するための装置を有する、請求項1から4までのいずれか1項記載のモータ。 - 前記デューティ比(PWM1)は制動過程時には、モータ(32)の回転数(n)の減少と共に減少する最小値に制限される、請求項5記載のモータ。
- プロセッサPWM信号は、そのデューティ比(PWM1)によって第1のコンデンサ(159)の充電状態を制御し、
第2のコンデンサ(148)が設けられており、
該第2のコンデンサは抵抗装置(150,152)を介して前記第1のコンデンサ(159)と接続されており、
フルブリッジ回路(78)に供給されるPWM信号のデューティ比(PWM2)は実質的に、前記2つのコンデンサ(148,159)の一方の電圧によって制御される、請求項5または6記載のモータ。 - 前記第2のコンデンサ(148)は第1のコンデンサ(159)よりも小さい容量を有する、請求項7記載のモータ。
- 電流制限装置(131,161)がモータに対して設けられており、
該電流制限装置は、所定の限界値を駆動電流(i2)が上回るとき、前記第2のコンデンサ(148)の電荷を所定の方向に変化させ、
かつ前記電流制限装置は、所定の限界値を制動電流(i2’)が上回るとき、前記第2のコンデンサ(148)の電荷を前記所定の方向とは反対の方向に変化させる、請求項7または8記載のモータ。 - ロータ(10)とステータ(114)とを備える電子コミュテーション式モータであって、
固定子巻線装置(115,116,117)を有し、
該固定子巻線装置には、フルブリッジ回路(78)を介して電流が直流源(73,74)から給電され、
前記フルブリッジ回路(78)は、各ブリッジ分岐路に1つの上側NMOSトランジスタと、1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側NMOSトランジスタは前記直流源の正の線路(73)と接続されており、
前記下側トランジスタは前記直流源の負の線路(74)と接続されており、
ブリッジ分岐路の上側トランジスタにはそれぞれ蓄積コンデンサ(230)が配属されており、
該蓄積コンデンサは前記ブリッジ分岐路の下側トランジスタを介して充電可能であり、かつ前記上側トランジスタに制御電圧を供給するために用いられ、
さらに前記トランジスタをコミュテーションするためのコミュテーション装置を有し、
該コミュテーション装置は、少なくともロータ(110)位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路では上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されており、
モータ回転数(n)が監視され、所定の回転数値を下回る際、所定の時間(図14B:CNT_P_MAX)の経過後、フルブリッジ回路の上側トランジスタが短時間阻止され、該フルブリッジ回路の下側トランジスタが短時間スイッチオンされ、
これにより上側トランジスタの蓄積コンデンサ(230)が充電され、このことにより該上側トランジスタの確実な制御が、回転数が低い場合またはモータが静止状態にある場合でも保証される、
ことを特徴とする電子コミュテーション式モータ。 - 永久磁石ロータ(110)とステータ(114)とを有する電子コミュテーション式モータの駆動方法であって、
前記モータはさらに固定子巻線装置(115,116,117)と、コミュテーション装置と、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下、マイクロプロセッサ(23)と称する)とを有し、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路(78)を介して電流が直流源(73,74)から給電可能であり、
該フルブリッジ回路(78)は、各ブリッジ分岐路に1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路(73)と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路(74)と接続されており、
前記コミュテーション装置は前記トランジスタをコミュテーションし、
かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ(110)位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路ではPWM信号によって制御されて、上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されている形式のモータの駆動方法において、
前記マイクロプロセッサ(23)にてモータ(32)の合成的モデルと、該マイクロプロセッサに供給されるモータ回転数に対する値とに基づき、該モータに供給される直流電圧(UE)がモータに誘導される電圧(Ui)と所定の関係にあるか否かを連続的に監視し、
モータが発電的に駆動され、かつモータに印加される直流電圧(UE)が所定の関係外にあるとき、マイクロプロセッサ(23)によりPWM信号のデューティ比を相応に変化し、
当該PWM信号によって、第2のブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとを交互にスイッチオンし、これにより前記変化によって制動電流(i2’)を制限する、
ことを特徴とする駆動方法。 - 永久磁石ロータ(110)と、ステータ(114)と、固定子巻線装置(115,116,117)と、コミュテーション装置と、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下、マイクロプロセッサ(23)と称する)とを有する電子コミュテーション式モータの駆動方法であって、
前記固定子巻線装置には、フルブリッジ回路(78)を介して電流が直流源(73,74)から給電可能であり、
前記フルブリッジ回路(78)は複数のブリッジ分岐路を有し、各ブリッジ分岐路に1つの上側MOSFETトランジスタと1つの下側トランジスタとを有し、
前記上側MOSFETトランジスタは直流源の正の線路(73)と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路(74)と接続されており、
前記コミュテーション装置は前記トランジスタをコミュテーションし、
かつ前記コミュテーション装置は、少なくともロータ(110)位置に依存して、第1のブリッジ分岐路では1つのトランジスタだけがスイッチオンされ、第2のブリッジ分岐路ではPWM信号により制御されて、上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされるように構成されている形式のモータの駆動方法において、
マイクロプロセッサ(23)にて、モータ(32)の合成的モデルに基づき、該モータに供給される直流電圧(UE)がモータで誘導される電圧(Ui)と所定の関係にあるか否かを監視し、
前記関係が維持されない場合、該関係を補正するためにPWM信号のデューティ比を相応に変化し、
該PWM信号により第2のブリッジ分岐路の上側トランジスタと下側トランジスタとが交互にスイッチオンされ、
前記デューティ比の変化によって、前記所定の関係の逸脱に対抗的に作用する、
ことを特徴とする電子コミュテーション式モータの駆動方法。 - ロータ(110)とステータ(114)とを有する電子コミュテーション式モータであって、
前記ステータには固定子巻線装置(115,116,117)が配置されており、
該固定子巻線装置には、並列に接続された複数のブリッジ分岐路を備えるフルブリッジ回路(78)が配属されており、
前記ブリッジ分岐路の各々は1つの上側トランジスタ(80)と1つの下側トランジスタ(81)とを有し、
前記上側トランジスタは直流源の正の線路(73)と接続されており、
前記下側トランジスタは直流源の負の線路(74)と接続されており、
ブリッジ分岐路の前記2つのトランジスタ(80,81)にはそれぞれ1つの制御回路(50,52,54)が配属されており、
該制御回路は、第1の入力信号(EN1)に依存してアクティブまたは非アクティブにされ、かつ当該非アクティブ状態では配属されたブリッジ分岐路の2つのトランジスタ(80,81)を阻止し、
かつ前記制御回路は第2の入力信号(IN1)に依存して、第1の入力信号(EN1)によりアクティブ化された状態では、上側トランジスタ(80)または下側トランジスタ(81)のいずれかが導通制御されるように切替可能であり、
さらにマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(以下、マイクロプロセッサ(23)と称する)を有し、
該マイクロプロセッサは、第1の入力信号を第1の出力端(EN1)に形成し、第2の入力信号を第2の出力端(IN1)に形成し、
そして制御可能なデューティ比(PWM;PWM2)を備えるPWM信号の形態の第3の入力信号(180)を有し、
該第3の入力信号は、制御回路(50)に第2の入力信号(IN1)とは並列にPWM信号源(182)から供給可能であり、かつマイクロプロセッサ(23)の第2の出力端(IN1)が所定のスイッチ状態に切り替えられるときだけ作用する、
ことを特徴とする電子コミュテーション式モータ。 - マイクロプロセッサ(23)の第2の出力端(IN1)の前記所定のスイッチ状態は、高抵抗状態(TRISTATE)である、請求項13記載のモータ。
- 第3の入力信号(180)は制御回路(50,52,54)にダイオード(260)を介して供給可能である、請求項13または14記載のモータ。
- 第3の入力信号(180)の振幅は、例えばツェナーダイオード(186)によって制限される、請求項13から15までのいずれか1項記載のモータ。
- 制御回路は入力端(223)を有し、
該入力端には抵抗(252)が接続されており、
該抵抗の大きさはデッドタイム(Δt)の大きさを、配属されたブリッジ分岐路のトランジスタ(80,81)間で切り替わる際に調整し、
前記抵抗(252)は制御可能なスイッチ素子(250)によって少なくとも部分的に橋絡可能であり、
前記スイッチ素子は第1の入力信号(EN1)によって制御可能である、請求項13から16までのいずれか1項記載のモータ。 - 前記制御可能なスイッチ素子(250)は、マイクロプロセッサ(23)の第1の出力端(EN1)が高抵抗状態を取るとき制御され、これにより配属されたブリッジ分岐路(80,81)が阻止される、請求項17記載のモータ。
- PWM信号源(182)のデューティ比(PWM2)はコンデンサ(148)の電圧によって制御可能であり、
該電圧は、過度に大きな駆動電流が固定子巻線装置を流れるとき、第1の電流制限装置(131)によって所定の方向に変化可能であり、
これにより前記駆動電流はデューティ比(PWM2)の相応の変化によって低下され、
前記電圧は、過度に大きな制動電流が固定子巻線装置を流れるとき、第2の電流制限装置(161)によって前記所定の方向とは反対の方向に変化可能であり、
これにより前記制動電流はデューティ比(PWM2)の相応の変化によって低下される、請求項13から18までのいずれか1項記載のモータ。 - デューティ比(PWM2)に対する制限装置が設けられており、
これによりデューティ比(PWM2)が極値を取るとき、ブリッジ分岐路の下側トランジスタ(81)が常時開放されかつ上側トランジスタ(80)が常時閉成される状態になることが阻止される、請求項19記載のモータ。 - 少なくとも3相に構成されており、かつ少なくとも3つの制御回路(50,52,54)をブリッジ分岐路(21,22,23)に対して有し、
コミュテーションの際に、制御回路の第1の入力信号(EN1)の中断を、当該制御回路がコミュテーションの前後でアクティブでなければならない場合に阻止する装置を有する、請求項13から20までのいずれか1項記載のモータ。
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