JP4587261B2 - 電子的にコミュテーション可能なモータ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、界磁巻線が半導体出力段を介してコミュテーション周波数を有する制御信号を用いて順次制御されかつ給電直流電圧に接続されかつ該給電直流電圧から遮断される、電子的にコミュテーション可能なモータの制御方法であって、順次連続する制御信号はオーバラップしておりかつ該オーバラップ領域において前記制御信号の少なくとも１つがパルス幅変調されてタイミングをとられて、界磁巻線を流れる電流が上昇側縁において増加しかつ下降側縁において低下しかつ前記制御信号はモータの回転数または出力の前以て決めることができる目標値に依存して変化されるという形式の方法にに関する。
【０００２】
この形式のモータの制御方法はＤＥ３９４０５６９Ｃ２およびＵＳ−Ａ５７１２５３９号から公知である。その際連続的に上昇するないし下降する、前以て決められている経過の特性曲線を有する相電流のコミュニケーション側縁が少ない損失で実現される。更にこの形式の界磁巻線の制御法には、オーバラップ領域において制御信号のタイミングをとることによりスイッチング損失が僅かであってその上さらに、騒音低減が実現されるという利点がある。しかし本来のコミュテーションフェーズにおいてフェーズを持続的に制御することで（上昇および下降側縁を除いて）、比較的大きな回転数または出力領域に対してモータの利用効率という点で著しい難点が生じる。
【０００３】
ＤＥ１９５００９００Ａ１号に示されているように、コミュテーション時点において、コミュテーション方向において後続する巻線ストランドに通電するために付加的に、コミュテーション方向において先行する巻線ストランドの電流強度が低下するように制御しながら引き続いて通電することも公知である。これにより、巻線ストランドの総電流の急激な低下がコミュテーション時点におけるトルクの急激な低下ともなることを回避しようというものである。しかしコミュテーション方向において先行する巻線ストランドは低減するパルス幅比でパルス幅変調されて通電される。後続する巻線ストランドの通電および先行する巻線ストランドの通電の低下の形式および手法を別の作動量に依存して行うことについては何も記載されていない。
【０００４】
ＵＳ５８６９９４６号に記載の電子的にコミュテーション可能なモータの制御方法では、コミュテーション時点の間、付加的にＰＷＭ信号が生成されかつしかもそれはすべての相において行われる。これにより、相電流の台形の形状、ひいては一定の総出力が実現される。
【０００５】
ＤＥ３１０７６２３Ａ１号、ＵＳ５７６７６４１号およびＵＳ５７８０９８６号から、ブラシレス直流モータの巻線を流れる電流を上昇および下降側縁においてモータの存在している負荷に依存して変化させることが公知である。
【０００６】
ＥＰ０８３１５８０Ａ２号には、巻線に対する制御信号がパルス幅変調される信号として実現され、その際パルス幅比は正弦波状経過に従っているという、電子的にコミュテーション可能なモータが示されている。その際騒音の発生が低減されるようにしている。しかしこの場合にはモータの出力が低減されてしまうことになる。
【０００７】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の電子的にコミュテーション可能なモータの制御方法を、簡単なパルス変調される制御信号によってコミュテーション領域全体および回転数または出力領域全体にわたって騒音発生が阻止されるかまたは少なくとも著しく低減されるように実現することである。
【０００８】
この課題は本発明によれば、制御信号として、前以て決められた目標値に依存している作動値を有するパルス幅変調される信号を使用し、制御信号の上昇側縁において、パルス幅比を目標値または実際値に依存している数ｍの段において低い初期値から前記作動値に増加するように実現しかつ制御信号の下降側縁において、パルス幅比制御を前記作動値から出発してｎ段において、パルス幅比が値零に戻される前に低減するように行い、ここで該段数ｎも前記目標値または実際値に依存して形成されるようにしたことによって解決される。
【０００９】
制御信号の上昇側縁および下降側縁において制御信号をモータの回転数または出力の前以て決められている目標値または存在している実際値に付加的に整合することによって、モータの全体の回転数または出力領域にわたって、制御コストを過度に高めることなしに、騒音の著しい低減が実現される。
【００１０】
上昇および／または下降側縁におけるパルス幅比は一定に保持されずに、回転数または出力の目標値および／または実際値に依存して変化されるので、電流のスムーズなスイッチオンおよびスイッチオフがモータの全体の動作領域において実現される。スタータの極および界磁巻線に対する強い力作用はもはや発生しないので、騒音レベルは常に著しく低い。パルス幅比の変化はモータの回転数または出力の実際値にも依存しているので、このことはモータの回転数領域全体に対して当てはまりかつ騒音低減は通電のスイッチオンに対してスイッチオフに対しても実現される。
【００１１】
実施形態によれば、制御信号の上昇側縁および／または下降側縁におけるｍおよびｎ段のパルス幅比は少なくとも、ＰＷＭ信号のクロック周波数の周期にわたって維持されるようになっている。制御信号の上昇および／または下降側縁は、ＰＷＭ信号の、その都度比較的大きな数の周期にわたって延在している、ｍおよびｎ段の変化するパルス幅比を有しているようにすることもできる。
【００１２】
前以て決められたまたは前以て決めることができる、モータの回転数または出力領域に種々異なっている数ｍおよびｎ段のパルス幅比が割り当てられておりかつモータの回転数または出力の実際値に相応して、割り当てられた数ｍおよびｎ段のパルス幅比が制御信号の上昇側縁および／または下降側縁で作用するようになっている実施形態であれば、モータの回転数または出力の検出された実際値によって直ちに、制御信号の上昇および／または下降側縁におけるこの段数ｍおよびｎを割り当てることができる。
【００１３】
その際種々異なった段数ｍおよびｎを４，８，１６など、基数２で整数のべき数１，２，３などによって表して、モータの制御ユニットにおけるコストが小さく抑えられるようにすると有利である。
【００１４】
パルス幅比の変化はある実施の形態によれば次のようにして行うことができる：制御信号の上昇側縁においてパルス幅比は初期値によって始まり、該初期値は上昇側縁におけるパルス幅比の段数ｍによって除算される、目標値に割り当てられている作動値によって決められている、並びに制御信号の下降側縁においてパルス幅比は、パルス幅比が値零をとる前に、遮断終値によって終了し、該終値は下降側縁におけるパルス幅比の段数ｎによって除算される、目標値に割り当てられている作動値によって決められている。
【００１５】
パルス幅比の段階的な変化に対して、制御信号の上昇側縁のｍ個の段においてパルス幅比が段毎に初期値だけ増加し、並びに制御信号の下降側縁のｎ個の段においてパルス幅比が段毎に遮断終値だけ低下するように設定することができる。
【００１６】
これとは異なって、パルス幅比の開始値および／または遮断終値が零であるようにすることもできる。
【００１７】
パルス幅変調された制御信号が半導体出力段を完全に導通制御するように設定されているのであれば、半導体出力段における損失電力は小さく抑えられる。
【００１８】
半導体出力段に対する制御信号の下降側縁が次の半導体出力段の制御信号の上昇側縁と少なくとも部分的にオーバラップしかつ制御信号のオーバラップ領域においても半導体出力段に対する制御信号は個別でありかつ独立している。
【００１９】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。その際：
図１は、電気的にコミュテーション可能なモータとその機能ユニットとのブロック線図を示し、
図２は、界磁巻線における電流の特性を時間について示し、
図３は、制御信号のスイッチオン時点およびスイッチオフ時点を表しているコミュテーション信号の特性を時間について示し、
図４は、下降側縁の間の半導体出力段の制御信号の特性を電圧−時間ダイヤグラムとして示している。
【００２０】
図１には概略的なブロック線図において２つの界磁巻線Ｌ１およびＬ２を有する電子的にコミュテーション可能なモータの構成が示されている。これら巻線は相とも表される。半導体出力段Ｔ１およびＴ２は完全に導通制御されると界磁巻線を給電直流電圧Ｕ_ｂａｔｔに接続する。半導体出力段Ｔ１およびＴ２が制御されないと、界磁巻線Ｌ１およびＬ２は給電直流電圧Ｕ_ｂａｔｔから遮断されている。というのは、半導体出力段Ｔ１およびＴ２は高抵抗であり、すなわち導通していないからである。半導体出力段Ｔ１およびＴ２は電子的な制御ユニットＳＴＥによって制御される。これはマイクロ計算機によって実現されておりかつ複数の出力側１，２を有している。その数は半導体出力段Ｔ１およびＴ２の数に相応している。界磁巻線Ｌ１およびＬ２において発生する電流ｌ１およびｌ２の基本形状は図２から分かるとおりである。ｌ１およびｌ２を流れる電流の上昇側縁Ｔｅおよび下降側縁Ｔａは扁平化されておりかつ有限な時間区間にわたって延在している。
【００２１】
その際コミュテーション周波数を有する制御信号ＳＫ１およびＳＫ２が半導体出力段Ｔ１およびＴ２の繰り返される制御のために順次使用される、
半導体出力段の数および制御ユニットＳＴＥの制御出力側の数はモータの構造形式に依存しておりかつ２つより大きくても構わない。
【００２２】
制御ユニットＳＴＥにはコミュテーション装置ＫＥおよびＰＷＭ発生器ＰＷＭ−Ｇが配属されている。これらは図１には別個の機能ユニットとして図示されているが、制御ユニットＳＴＥと一緒に電子的なモータ制御部にまとめられている。モータ制御部の機能の仕方をよりよく説明するためにこのように図示したものである。
【００２３】
ＰＷＭ発生器ＰＷＭ−Ｇに図示されているように、モータの回転数または出力に対する目標値Ｎ_ｓｏｌｌを前以て決めておくまたは前以て決めることができかつクロック予設定装置ＴＶを介して、回転数または出力の実際値Ｎ_ｉｓｔに依存して界磁巻線Ｌ１およびＬ２に流れる電流ｌ１およびｌ２の上昇および下降側縁ＴｅおよびＴａに対する複数の段が前以て決められる。その際有利には、回転数領域が定められ、これら回転数領域に所定数の段が割り当てられる。上昇側縁Ｔｅはｍ段に分割されておりかつ下降側縁Ｔａはｎ段に分割されている。この数ｍおよびｎは異なって選択することもできるし、同じに選択されていてもよいが、それはクロック予設定装置ＴＶの信号に依存して変化する。勿論クロック予設定装置ＴＶの信号は実際値Ｎ_ｉｓｔおよびクロック予設定装置ＴＶにおいてこれに配属されている回転数または出力領域に依存している。
【００２４】
コミュテーション装置ＫＥは図３に示されているコミュテーション信号ＳＫＥを送出する。これらは制御パルスｓｋａおよびｓｋｅとともに電流ｌ１およびｌ２の始めおよび制御信号の遮断過程の開始をマーキングするものである。
【００２５】
拡大して示されている図４に基づいて、下降側縁Ｔａの期間の半導体出力段の制御信号について説明する。
【００２６】
更にＰＷＭ発生器ＰＷＭ−Ｇに対する目標値Ｎ_ｓｏｌｌは次のように作用するものであることを述べておかなければならない：ＰＷＭ信号が相応に割り当てられるパルス幅比ＰＷＶ_ｓｏｌｌを有するようにし、この比が電流ｌ１およびｌ２の一定の経過期間中に生じておりかつこれら電流をＰＷＭ発生器ＰＷＭ−Ｇのクロック周波数のリズムでタイミング制御する。
【００２７】
遮断過程の開始時にパルス幅比ＰＷＶ_ｓｏｌｌが例えば図４に示されているように０．８でありかつクロック予設定装置ＴＶが実際値Ｎ_ｉｓｔにおいてｎ＝４の段数を割り当てたのならば、下降側縁Ｔａの４つの段においてパルス幅比（デューティサイクル）は存在している値ＰＷＶ_ｓｏｌｌ＝０．８から出発して、数ｎ＝４によって除算されたＰＷＶ_ｓｏｌｌによって決められている段（ステップ）数において低減される。その際パルス幅比のこの低減は、図４の半導体出力段Ｔ１に対する電圧Ｕの制御パルスＵ１ａ，Ｕ２ａ，Ｕ３ａ，Ｕ４ａが示しているように、続くステップが０．６．０．４および０．２のパルス幅比を有するように行われる。その際ＰＷＶｅ＝０．２を有する最後の段で終わることができる。パルス幅比ＰＷＶｅ＝０．２は下降側縁Ｔａの最後の段を特徴付けており、それはＰＷＶｅ＝０によって終了するようにしてもよい。それから下降側縁Ｔａの後パルス幅比ＰＷＶｅはどんな場合にも「０」である。パルス幅比ＰＷＶの段数ｎおよび各段におけるパルス幅比は制御ユニットＳＴＥが、図１のコミュテーション装置ＫＥの信号、図３のコミュテーション信号ＳＫＥの信号およびクロック予設定装置ＴＶによる予設定と組み合わせて決定するのである。
【００２８】
同じ手法において制御信号の上昇側縁Ｔｅをタイミング制御することができ、その際前以て決められている目標値Ｎ_ｓｏｌｌが、上昇側縁Ｔｅの終了時に実現されるべきである、ＰＷＭ発生器ＰＷＭ−Ｇに対する実現すべき作動値ＰＷＶ_ｓｏｌｌを前以て決める。この作動値に相応して、クロック予設定装置ＴＶは上昇側縁Ｔｅにおけるパルス幅比ＰＷＶに対する段数ｍを定める。制御パルスは上昇側縁Ｔｅにおいて減らされず、図４とは逆の順序で相応に増加し、ついには制御パルスＵ１ａが作動値ＰＷＶ_ｓｏｌｌに相応するまでになる。上昇側縁Ｔｅにおいても段数ｍは目標値Ｎ_ｓｏｌｌおよび実際値Ｎ_ｉｓｔに依存して変わるようにすることができる。数ｍおよびｎは有利には、種々異なっている２のべき数、例えば２^２，２^３および２^４によって選択される。というのはこうすればクロック予設定装置ＴＶおよび制御ユニットＳＴＥにおけるコストは最小ですむからである。
【００２９】
もう一度指摘しておくが、タイミング制御される制御信号がその制御パルスによって半導体出力段Ｔ１およびＴ２を常時完全に導通制御して、その損失電力ができるだけ小さく保持されるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電気的にコミュテーション可能なモータとその機能ユニットとのブロック線図である。
【図２】 界磁巻線における電流の特性の時間ダイヤグラムである。
【図３】 制御信号のスイッチオン時点およびスイッチオフ時点を表しているコミュテーション信号の特性の時間ダイヤグラムである。
【図４】 下降側縁の間の半導体出力段の制御信号の特性の電圧−時間ダイヤグラムである。

Claims (6)

1. 界磁巻線（Ｌ１，Ｌ２）が半導体出力段（Ｔ１，Ｔ２）を介してコミュテーション周波数を有する制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）を用いて順次制御されかつ給電直流電圧（Ｕ _ｂａｔｔ ）に接続されかつ該給電直流電圧（Ｕ _ｂａｔｔ ）から遮断される、電子的にコミュテーション可能なモータの制御方法であって、
   順次連続する制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）はオーバラップしておりかつ該オーバラップ領域において前記制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）の少なくとも１つがパルス幅変調されてタイミングをとられて、界磁巻線（Ｌ１，Ｌ２）を流れる電流（Ｉ１，Ｉ２）が上昇側縁（Ｔｅ）において増加しかつ下降側縁（Ｔａ）において低下しかつ前記制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）はモータの回転数または出力の前以て決めることができる目標値（Ｎ _ｓｏｌｌ ）に依存して変化され、
   前記制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）として、前以て決められた目標値（Ｎ _ｓｏｌｌ ）に依存している作動値（ＰＷＶ _ｓｏｌｌ ）を有するパルス幅変調される信号を使用し、
   制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）の上昇側縁（Ｔｅ）において、パルス幅比（ＰＷＶ）を目標値（Ｎ _ｓｏｌｌ ）または実際値（Ｎ _ｉｓｔ ）に依存している段数ｍで低い初期値（ＰＷＶ _０ ）から前記作動値（ＰＷＶ _ｓｏｌｌ ）に増加するように形成しかつ
   制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）の下降側縁（Ｔａ）において、パルス幅比（ＰＷＶ）制御を前記作動値（ＰＷＶ _ｓｏｌｌ ）から出発して段数ｎで、パルス幅比（ＰＷＶ）が値零に戻される前に遮断終値（ＰＷＶ _ｅ ）まで低減するように行い、ここで該段数ｎも前記目標値（Ｎ _ｓｏｌｌ ）または実際値（Ｎ _ｉｓｔ ）に依存して形成される
   電子的にコミュテーション可能なモータの制御方法において、
   初期値（ＰＷＶ _０ ）は上昇側縁（Ｔｅ）におけるパルス幅比の段数ｍによって除算される、目標値（Ｎ _ｓｏｌｌ ）に割り当てられている作動値（ＰＷＶ _ｓｏｌｌ ）によって前以て決められ、
   遮断終値（ＰＷＶ _ｅ ）は下降側縁（Ｔａ）におけるパルス幅比（ＰＷＶ）の段数ｎによって除算される、目標値（Ｎ _ｓｏｌｌ ）に割り当てられている作動値（ＰＷＶ _ｓｏｌｌ ）によって前以て決められる
   ことを特徴とする電子的にコミュテーション可能なモータの制御方法。
2. 上昇側縁（Ｔｅ）および下降側縁（Ｔａ）における段数ｍおよびｎを等しく選択する
   請求項１記載の方法。
3. 制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）の上昇側縁（Ｔｅ）および／または下降側縁（Ｔａ）におけるパルス幅比（ＰＷＶ）のｍおよびｎ個の段を少なくともＰＷＭ信号のクロック周波数（ｆｔ）の周期にわたって維持する
   請求項１または２記載の方法。
4. モータの前以て決められたまたは前以て決めることができる回転数または出力領域に、種々異なった数ｍおよびｎ（ｍ＝ｎ＝４ないし８ないし１６）の段のパルス幅比（ＰＷＶ）を割り当てかつ
   モータの回転数または出力の実際値（Ｎ _ｉｓｔ ）に相応して、割り当てられている数ｍおよびｎの段（４または８または１６）のパルス幅比（ＰＷＶ）が制御信号の上昇側縁（Ｔｅ）および／または下降側縁（Ｔａ）において作用するようにする
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）の上昇側縁（Ｔｅ）のｍ段においてパルス幅比（ＰＷＶ）を段毎に初期値（ＰＷＶ _０ ）づつ増加するように選択する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 制御信号（ＳＫ１，ＳＫ２）の下降側縁（Ｔａ）の段においてパルス幅比（ＰＷＶ）を段毎に遮断終値（ＰＷＶ _ｅ ）づつ低下するように選択する
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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