JP5404810B2 - ブラシレス直流モータの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレス直流モータの動作方法に関する。このブラシレス直流モータは、少なくとも１つの受動フリーホイール電流を有する少なくとも２つのフルブリッジを介してパルス幅変調駆動制御信号によって駆動制御される。

冒頭で述べた形式の方法は公知である。求められる必要条件によっては、例えば車内におけるファンのように、とりわけ装置のノイズの少ない電気的駆動がしばしば要求される。このために、正弦波駆動制御される３相同期機の形態のブラシレス直流モータがしばしば用いられる。ここで、ノイズ最適化のために、正弦波駆動制御は、パルス幅変調信号によって駆動制御されるインバータによって通常行われる。ここで、３つの（又はより多くの）ハーフブリッジは、パルス幅変調によってハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを交互に切り換える。これによって、結果として形成される出力電圧は、いつも一義的に決定され、所望の正弦波電圧を生成することができる。直流モータのコイルインダクタンスは通常パルス幅変調の矩形波電圧を平滑化して、許容できる小さな電流リップルを有する平均電流を形成する。この電流リップルは、直流電流に重畳する交流電流である。このコイルインダクタンスは、電流と電圧とを互いにずらしてしまうせいで、電圧に電流が追随するようになる。これは、直流発電機の回転子の位置をセンサレスで検出する方法において不利である。

これに対して、コイルインダクタンスの小さな直流モータは、このような位置を検出する方法にとっては有利である。というのは、この場合電流は電圧波形に非常に迅速に追随するためである。非常に小さなインダクタンスのブラシレス直流モータの場合には、上述したＰＷＭインバータによる標準的な方法において、極めて大きなリップル電流が生じる。このリップル電流は、小さな回転数の場合に本来必要なコイル電流より著しく大きい。これにより生じる無効電流は、所望しない効率の低下並びに有利でない電磁放射を引き起こす。さらに、上述した方法に必要な標準インバータを駆動制御するのは、極端にタイムクリティカルである。

ブリッジのうちの少なくとも１つに受動フリーホイールが用いられる解決策は、回路技術的にいっそう簡単でタイムクリティカルでもないため、低コストである。この場合、相応のスイッチング素子が開いた後でフリーホイールダイオードを介してコイルインダクタンスが引き続いて流すことができる。これによって、コイル電流がパルス幅変調周期の間ゼロまで減少するインダクタンスの小さな直流モータの場合に、受動フリーホイールにより所望の電圧波形に歪みが生じる。それ故に、とりわけノイズに敏感なケースでは、受動フリーホイールは今まで用いられなかった。

発明の開示
本発明による方法は、パルス幅変調駆動制御信号が受動フリーホイールを流れるフリーホイール電流の波形に依存して求められることによって特徴付けられる。すなわち換言すると、パルス幅変調駆動制御信号を計算する際に、受動フリーホイールを流れるフリーホイール電流の波形が検出され、パルス幅変調駆動制御信号を求める際に考慮されるということである。これによって、パルス幅変調駆動制御信号を求めるないしは計算する際に、各適用ケースに応じて、直流モータの異なる動作状態に依存してパルス幅変調駆動制御信号を求めることができるのである。

有利には、フリーホイール電流がゼロになるか、又はゼロでないままであるかが区別される。小さな目標電流の場合には、フリーホイールを流れる相電流がゼロまで減少する、つまりフリーホイール電流がゼロまで減少する。これに対して、より大きなモータ電流の場合には、回転を止めるための時間が不十分にしか用意されないので、フリーホイール電流が絶え間なく流れ、ゼロにならない。直流モータの動作中、フリーホイール電流の波形の種々の状態を考慮することによって、簡単に最適なパルス幅変調駆動制御信号を求めることができる。

合理的には、フリーホイール電流の波形は計算によって近似的に求められる。すなわち、どのような状況においてどのようにフリーホイール電流が振る舞うのかが近似的に計算されるのである。すなわち、受動フリーホイールを流れるコイル電流のゼロクロス点が近似的に計算されるのである。したがって、パルス幅変調駆動制御信号をとりわけ迅速に最適化することができる。

本発明の１つの発展形態によれば、パルス幅変調駆動制御信号は、少なくともパルス幅変調周波数、コイルインダクタンス、コイル内部抵抗、直流モータの動作電圧及び／又は回転数によって求められる。前述した値は、簡単に検出又は求めることができ、パルス幅変調駆動制御信号ないしはいわゆるデューティサイクルを求めるために用いることができる。

有利には、フリーホイール電流の波形がゼロを通過する場合、すなわち受動フリーホイールを流れるコイル電流がゼロまで減少する場合には、直流モータのコイル内部抵抗は、パルス幅変調駆動制御信号を求める際に考慮されない。ここで有利には、平均的な全電流が設定され、パルス幅変調駆動制御信号を求めるために用いられる。有利には、フリーホイール電流がゼロまで減少する場合には、フリーホイール電流がゼロの時間が駆動制御信号を求める際に考慮される。

さらに、フリーホイール電流が常にゼロにならない場合、すなわち受動フリーホイールを流れるコイル電流がゼロまで減少しない場合には、コイルインダクタンスがパルス幅変調駆動制御信号を求める際に考慮されない。ここで有利には、コイル抵抗によって平均的な電流が設定され、パルス幅変調駆動制御信号を求めるために用いられる。

本発明の１つの有利な発展形態によれば、目標コイル電流及び／又は目標コイル電圧の波形は、ノイズの発生及び／又は回転数の変動に関して最適になるように所定のパルス幅変調駆動制御信号によって決定される。すなわち、フリーホイール電流の波形、例えばフリーホイール電流の波形の前述した２つの異なる状態に依存して、ノイズの発生及び／又はトルクの変動に関して最適なパルス幅変調駆動制御信号が求められるないしは決定される。

最後に、目標コイル電流及び／又は目標コイル電圧の波形は、少なくとも２つの相について値のテーブルによって設定される。したがって、パルス幅変調駆動制御信号は、毎回新しく計算されるか、又はただ推定によって求められるのではなく、例えば試行によって予め求められた、テーブルに登録された値によって決定することができるのである。したがって、総括すると、この有利な方法は、最適なパルス幅変調駆動制御信号を迅速に設定し、雑音に敏感な状況においても簡単且つ低コストでブラシレス直流モータを用いることができるのである。

次に、本発明を幾つかの図面に基づき詳細に説明する。

受動フリーホイールを有するパルス幅変調制御されるフルブリッジを流れる電流を示した図 フリーホイール電流の電流波形を概略的に示した図 フリーホイール電流の別の電流波形を概略的に示した図 有利な方法の概略的なブロック回路図 １つの相に亘ってノイズの少ない動作に必要な電流フローを例示した図

図１には、低インダクタンスの２相直流モータないしは同期モータを駆動制御する２Ｈ出力段１が概略的に示されている。ここで、直流モータの各相のためにフルブリッジが設けられており、図１では唯１つのフルブリッジ２が示されている。このフルブリッジ２は、それぞれＭＯＳＦＥＴとして構成された４つのスイッチング素子３，４，５，６を備えている。その代わりに、境界条件に応じてバイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴ（絶縁ゲート電極を備えたバイポーラトランジスタ）も使用してもよい。ここで、スイッチング素子４，５にそれぞれ１つのフリーホイールダイオード８，９が対応して設けられている。有利には、従来のｎチャネルＭＯＳＦＥＴがスイッチング装置として使用されるので、フリーホイールダイオード８，９は基板ダイオードとして、付加的な回路コスト無しで既にＭＯＳＦＥＴ素子の中に備わっている。この実施例では、フルブリッジ２は、直流モータのコイル１０（相）における、ローサイドのみの半波での電流／電圧波形を形成するためにクロック制御される。すなわち、駆動制御するために、矢印１１で示したように、パルス幅変調駆動制御信号がローサイドスイッチング素子３又は６に与えられるということである。上述した半波の間、スイッチング素子４は永続的にオフ状態にあり、反対側のもう１つのハイサイドスイッチング素子５は永続的にオン状態にあり、ローサイドスイッチング素子６はオフ状態にある。

原理的には、（ハイサイド）スイッチング素子４，５はクロック制御されて、（ローサイド）スイッチング素子３，６は静止状態に保持されてもよい。しかしながら、このためには、スイッチング素子３，４，５，６を駆動制御するための電子的コストが全体的に大きくなる。

スイッチング素子３がパルス幅変調駆動制御信号１１によってスイッチオンされると、直流モータのコイルを流れる電流が増加する。続いてこのスイッチング素子３が再び開かれると、破線の矢印１２で示したように、コイルインダクタンスに起因し低下していく電流が、フリーホイールダイオード８と閉じているスイッチング素子５とによってオンないしはイネーブルされる受動フリーホイールを介して引き続いて流れる。スイッチング素子３は、所望の平均モータ電流に応じて、より短くでも長くでも閉じることができる。

図２には、時間ｔに亘って所望の平均コイル電流Ｉ_ａに依存した、コイル１０における電流波形ｉ_Ｐがグラフで概略的に示されている。この図２には、小さいないしは低い目標モータ電流Ｉ_ａの場合の適用ケースが示されている。この目標モータ電流Ｉ_ａの場合には、相電流ないしはコイル電流ｉ_Ｐは、フリーホイールつまり図１に示したケースにおいてゼロまで減少する。ここでは、パルス幅変調駆動制御信号１１によるスイッチング素子３のオン時間にはｔ_１が付されている。スイッチング素子３が開かれているないしはオフにされているｔ_２の間、コイル電流ｉ_Ｐはゼロまで減少し、スイッチング素子３が再びオン状態になりコイル電流ｉ_Ｐが再び上昇する前に、いわゆるゼロクロス点を通過する。

図３には、所望のモータ電流Ｉ_ａが大きいないしは高い場合についてであるが、同様の状況が示されている。この場合、上述した実施例より、スイッチング素子３のオン時間ｔ_１は長くオフ時間は短くなっている。この場合には、相電流ないしはコイル電流ｉ_Ｐはゼロまでは減少せず、フリーホイールの場合でも絶え間なく流れ続ける。電流フローｉ_Ｐの積分値は、所望の予め定めた平均モータ電流Ｉ_ａに一致していなければならない。

とりわけ、コイル電流ｉ_Ｐがパルス幅変調周期（ｔ_１＋ｔ_２）の間ゼロまで減少する小さなインダクタンスの直流モータの場合には、受動フリーホイールにより所望の電圧波形に歪みが生じる。これによって、不所望なノイズの発生及び／又はトルクの変動が生じてしまう。

有利には、パルス幅変調駆動制御信号１１を求める場合に、今やフリーホイール電流が考慮される。有利には、図２と図３との適用ケースが区別される。したがって、パルス幅変調駆動制御信号を計算ないしは求める際には、フリーホイール電流がゼロまで減少する場合と、フリーホイール電流がゼロまで減少しない、つまり絶え間なく流れる場合とで異なる処理が行われるのであります。

図４には、直流モータを駆動制御する有利な方法がブロック回路図で示されている。第１ステップ１３では、まず、フリーホイール電流ｉ_ｆがゼロに等しいのか、ゼロに等しくないのか、又はゼロまで減少するのかが求められる。ここで、フリーホイール電流（の波形）ｉ_ｆは、時間区間ｔ_２のコイル電流ｉ_Ｐに相応する。このために、平均目標モータ電流Ｉ_ａ、動作ないしは供給電圧Ｖ_ｓｕｐ、回転数ｎ並びにコイルインダクタンスＬ_ｓが検出され、検出ないしは求められた値に応じてフリーホイール電流ｉ_ｆが計算されるないしは近似的に計算される。フリーホイール電流ｉ_ｆ（図２参照）がゼロまで減少するという計算結果が得られた場合には、パルス幅変調駆動制御信号（デューティサイクル）１５を計算ないしは求めるためにアルゴリズム１４が用いられる。フリーホイール電流ｉ_ｆがゼロに等しくなく、ないしは絶え間なく流れる場合には、代わりにアルゴリズム１６が用いられる。アルゴリズム１４と１６とは、次の点で実質的に区別される。すなわち、フリーホイール電流ｉ_ｆがゼロまで減少する場合には、モータの内部抵抗Ｒ_ｉが考慮されず、平均全体電流が予め定められる（アルゴリズム１４）のに対して、フリーホイール電流ｉ_ｆがゼロに等しくない場合には、コイルインダクタンスＬ_ｓが考慮されず、平均電流がパルス幅変調駆動制御信号１５を求めるための基礎として予め定められる（アルゴリズム１６）点で区別される。ここで、さらに、上述したケース双方においてパルス幅変調周波数ｆが考慮される。その上、パルス幅変調駆動制御信号を求めるために、予め例えば試行によって求められた値を呼び出すことができる値のテーブルが用いられる。

図５で１つの相に亘って示したように、全体的にノイズの少ない動作に必要な電流フローＩが形成される。フリーホイール電流ｉ_ｆがゼロまで減少する小さな電流の場合には、アルゴリズム１４が、その他ではアルゴリズム１６がパルス幅変調駆動制御信号１５を求めるために用いられる。

有利な方法によって、受動フリーホイール（８）を用いて簡単且つ低コストで低インダクタンスの直流モータないしは同期モータのノイズの少ない動作が可能になる。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの受動フリーホイールを有する２つのフルブリッジ（２）を介してパルス幅変調駆動制御信号によって駆動制御されるブラシレス直流モータの動作方法において、
   前記受動フリーホイールを流れるフリーホイール電流（ｉ _ｆ ）がゼロまで減少する場合には、前記ブラシレス直流モータのコイル内部抵抗（Ｒ _ｉ ）を考慮せずに平均全体電流を予め定め、前記フリーホイール電流（ｉ _ｆ ）がゼロに等しくない場合には、コイルインダクタンス（Ｌ _ｓ ）を考慮せずに平均電流を予め定め、前記平均全体電流又は前記平均電流を基礎として前記パルス幅変調駆動制御信号を求める
   ことを特徴とする、ブラシレス直流モータの動作方法。
2. 前記フリーホイール電流（ｉ_ｆ）の波形を、計算によって近似的に求める、請求項１記載の方法。
3. 前記パルス幅変調駆動制御信号を、パルス幅変調周波数（ｆ）、前記コイルインダクタンス（Ｌ_ｓ）、前記コイル内部抵抗（Ｒ_ｉ）、前記直流モータの動作電圧（Ｖ_ｓｕｐ）及び回転数（ｎ）のうちの少なくとも一つによって求める、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記フリーホイール電流（ｉ_ｆ）がゼロまで減少する場合には、該フリーホイール電流がゼロの時間を、前記パルス幅変調駆動制御信号を計算するときに考慮する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記フリーホイール電流（ｉ_ｆ）が常にゼロにならない場合には、前記コイル内部抵抗（Ｒ_ｉ）によって平均電流を設定する、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 目標コイル電流（Ｉ_ａ）及び／又は目標コイル電圧の波形を、ノイズの発生及び／又はトルクの変動に関して最適になるように前記パルス幅変調駆動制御信号によって決定する、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 少なくとも２つの相に関する前記目標コイル電流（Ｉ_ａ）及び／又は目標コイル電圧の波形を、値のテーブルによって決定する、請求項６記載の方法。

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