JPH04222490A - ブラシなし直流電動機の転流時のピーク電流抑圧方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシなし直流電動機
の相巻線に直流電源−中間回路−変換器を介して矩形波
電流が供給され、電流現在値の検出をもっぱら直流電源
−中間回路での単電流測定で行う場合に、転流時に相巻
線に発生するピーク電流を抑圧する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子的に転流される直流電動機で、電流
制御に対して現在値として用いられる電動機電流の測定
方法としては、下記の２つがある。ａ）直流電源−中間
回路における単電流測定。この場合、中間回路に流れる
交流は電動機電流と等しい。ｂ）実際に相巻線に流れる
電流が電動機給電線で測定される多重電流測定電流測定
に適した装置が西独公開特許公報第３７０８８９２号に
記載されている。直流電動機の電動機電流の測定は、無
接触で作動する電流センサと、その出力側に接続された
測定電流に比例する出力信号を発生する解析装置とによ
り、絶縁回路で行われる。測定値の精度を高めるために
、電流センサもしくは解析装置のゼロ点ドリフトは制御
回路を介して補償される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】単電流測定および多重
電流測定はいずれも短所がある。多重電流測定は単電流
測定におけるような唯一つの測定装置の代わりに、各相
巻線に１つの測定装置を設けなければならないためにコ
ストがかかる。（この場合も、出力部のトランジスタに
欠陥があれば短絡電流を直ぐ検出し、出力部を遮断でき
るように、追加測定装置によって直流電源−中間回路の
電流を測定しなければならない。）しかしながら、コス
トはかかるが多重電流測定においては、測定された電流
現在値が常に電動機電流と等しいことが保証される。

【０００４】これは、直流電源−中間回路の単電流測定
には該当しない。転流時に電動機にピーク電流が生じる
。このピーク電流は、転流時の相巻線における電流の立
ち上がり時間と消失時間が異なるために生じるものであ
る。転流される相巻線における電流の立ち上がりは、電
動機運転モードにおける高い回転数領域を除き、必ず、
転流を行う相巻線における電流消失よりはるかに早いた
めに、転流時に直流電動機のすべての相巻線に電流が流
れる。電動機におけるこの過剰電流は直流中間回路にお
ける単電流測定によって検出されない。それゆえ、転流
時に、誤った電流現在値にもとづいて電流制御が行われ
ることになる。

【０００５】ピーク電流の大きさは、電流の瞬間値、回
転数、電流制御器のその都度の状態（オン／オフ）およ
び電動機の運転モード（電動／発電）に依存しており、
電動機に最大で定格電流の２倍の電流が流れる。この場
合の短所は、パワーエレクトロニクス装置および電動機
を定格電流の２倍の電流に合わせて設計しなければなら
ず、これが駆動装置の過大設計、したがって、同様にコ
スト増につながる点である。

【０００６】本発明の課題は、前記の公知技術に鑑みて
、一方では電動機電流を直流中間回路における単電流測
定により安価に検出し、他方では転流時に電動機に発生
するピーク電流を抑圧する方法を提案することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、相巻線
において電流の立ち上がりを電流の消失に対して時間ｔ
ｖ　だけ遅らせることにより解決される。

【０００８】本発明による解決方法は、下記２つの別形
式の方法により有利に構成される。ピーク電流は転流の
、より正確には転流時の相巻線における電流立ち上がり
時間と電流消失時間とが異なることによる直接の帰結で
あるから、回転子位置センサーから出力される転流信号
の到来時点が、電流立ち上がりと電流消失との間に時間
的シフトを設けるための基準時点として利用される。

【０００９】本発明による第１の方法としては、電流消
失が回転子位置センサーの転流信号の到来をもって開始
され、電流立ち上がりが時間ｔＶ　だけ遅れて開始され
ることを提案する。

【００１０】第２の方法は反対の場合で、電流消失が回
転子位置センサーの転流信号の到来前に開始され、電流
立ち上がりが時間ｔＶ　だけ遅れて転流信号の到来をも
って開始される。

【００１１】本発明による方法は、時間ｔＶ　の間、電
流制御器（１４）をオフとすることにより有利に構成さ
れる。したがって、この時間ｔＶはまた、電流制御器の
ブロッキング時間ｔＳ　に相当する。電流制御器を転流
時点に遮断するか（第１の方法）、または、転流信号が
到来する前の時点−ｔＶ　に遮断すること（第２の方法
）によって、スイッチ動作可能なすべての半導体弁がオ
フとされる。この方法により、電流消失が直ちに開始さ
れ、さらに逆電圧がより大きいために一層加速されるこ
とが確実となる。

【００１２】さらに、電流制御器のブロッキング時間ｔ
Ｓ　が、電流制御に重疊された電子制御装置によって設
定される点が有利である。計算されたブロッキング時間
ｔＳ　の間、電子制御装置が電流制御器にブロッキング
信号を送る。ブロッキング時間ｔＳ　が経過すると、電
流制御器は付勢段階にある変換器制御ロジックの制御信
号により、再びオンとされる。この構成による有利な点
は、ブロッキング時間を最適化できることである。

【００１３】本発明による方法の他の有利な構成は、ブ
ロッキング時間ｔＳ　の最適化に関連している。このた
めに、遮断時間ｔＳ　を電流立ち上がり曲線および電流
消失曲線に基づき、電流立ち上がりと電流消失とがほぼ
同時に終了するように選択することを提案する。

【００１４】電流の立ち上がり曲線および消失曲線は、
回転数および運転モード（電動／発電）にしたがって電
子制御装置に記憶されている。電子制御装置は、パラメ
ータ（回転数、運転モード）が知られている場合には、
転流される相巻線における電流の立ち上がり（Ｉ＝電動
機電流）が終了する時間と、転流を行う相巻線における
電流の消失（Ｉ＝０）が終了する時間とを計算する。計
算された電流立ち上がり時間と電流消失時間との差は、
電流制御器のブロッキング時間ｔＳ　に相当する。した
がって、ブロッキング時間ｔＳ　は回転数、運転モード
および電動機電流に応じて可変である。

【００１５】この方法により、ピーク電流の発生が完全
に抑圧されるため、ブロッキング時間を最適化すること
が可能となる。他方では、転流遅延が最小限に押さえら
れ、このことは、電動機電流の低下が最小限になるため
、トルクの安定に有利に影響する。

【００１６】簡単に実現できる本発明の実施例において
は、ブロッキング時間ｔＳ　は一定である。この場合も
ブロッキング時間はプログラム制御を用いて電流制御器
と重疊された電子制御装置によって設定できる。しかし
、これはまた、ハードウェアによっても少ないコストで
実現できる。

【００１７】本発明の他の構成においては、電流制御器
が回転子位置センサーの転流信号の到来をもってブロッ
クされ、電動機電流が最小値Ｉｍｉｎ　に達すると、は
じめて転流が開始されることが提案されている。二点動
作制御器の場合は、電流が電流制御器のヒステリシス帯
の上限値もしくは下限値に到達するたびに、中間回路に
おいて電流方向が変化する。電流設定値（ヒステリシス
平均値）に対する許容偏差量は可変であり、電流制御器
で調節できる。転流を時間ｔＶ　後、つまり転流信号の
到来後に電動機電流がヒステリシス下限に到達した時点
で開始するのが有利である。この方法によっても、電流
消失が電流立ち上がり前に開始することが保証される。

【００１８】本発明による方法の他の構成では、設定さ
れた回転数以上の電動機モードにおいては、電流制御器
がブロッキングされず、電流立ち上がりと電流消失が通
常のように転流時点で始められることを提案する。この
方策は、高い回転数範囲では電流消失は電流立ち上がり
より早く終了することを考慮している。この場合、電流
消失が電流の立ち上がりより早く開始されれば、電動機
電流の低下、したがってトルクリップルの増大を来すで
あろう。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００２０】図１ａおよび１ｂは、三相ブラシなし直流
電動機１の変換器２の機械側出力部を示す。Ｌ１、Ｌ２
、Ｌ３は三相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのインダクタンス、また、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は抵抗である。相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは公
知の方法で、スイッチ動作可能な半導体弁（例：パワー
トランジスタＴ１〜Ｔ６）を有する電子的に制御可能な
変換器２と接続されている。半導体弁Ｔ１〜Ｔ６には還
流ダイオードＶ１〜Ｖ６が逆並列に接続されている。図
１に図示しない電源側変換器および中間回路コンデンサ
は、単純化して直流電源３に含めて代替されているもの
とする。

【００２１】電動機電流Ｉｉ　（ｉ＝１、２、３）の検
出は電流測定装置４によって行う。電流測定装置４は、
変換器２の図示されていない整流器モジュール８と、変
換器２の制御可能な機械側の出力段７との間の直流中間
回路５に配置されている。上述したように、直流中間回
路５における電流の値は電動機電流Ｉｉ　に相当する。 しかし、この条件は転流時には該当しない。

【００２２】図１ａは転流前の電動機電流Ｉｉ　を示す
。 電流Ｉ１　＝Ｉ２　はオンとされたトランジスタＴ１お
よびＴ４を介して流れる。測定された電流と電動機電流
は一致する。したがって、電流制御のために正確な電流
現在値が与えられる。

【００２３】相巻線ＶからＷへ転流する間、図１ｂに従
い、パワートランジスタＴ４はオフとされ、パワートラ
ンジスタＴ６が通電状態に置かれる。相巻線Ｖのインダ
クタンスＬ２は自然な電流変化を阻害し、電流Ｉ２　＊
は還流ダイオードＶ３およびさらにオンとされているパ
ワートランジスタＴ１を介して相巻線Ｕに流れ、直流中
間回路５において電流測定装置４によっては検出されな
い。もちろん、インダクタンスＬ３も転流される相巻線
Ｗの自然な電流の立ち上がりを阻害するが、広い回転数
範囲において電流の立ち上がりは転流を行う相巻線Ｖに
おける電流消失より速く行われる。したがって、転流時
には３つの相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのすべてに電流が流れるが
、まさに転流を行っている回路の電流Ｉ２　＊は測定さ
れない。電流制御のために誤った電流現在値Ｉ３　が用
いられることになる。

【００２４】図２は、ブラシなし直流電動機１の転流後
の相巻線における、回転数および運転モードに依存した
電流立ち上がりおよび消失曲線（電流の経時変化）を示
す。電流の立ち上がりおよび消失は、指数関数的に経過
する。時定数Ｔｉ　＝Ｌｉ　／Ｒｉ　（Ｌｉ　：インダ
クタンス、Ｒｉ　：相巻線抵抗）は２つの転流の間の時
間ｔよりはるかに大きいために、電流の立ち上がり曲線
および消失曲線は、第一近似において互いに逆方向の傾
きをもつ直線である。特性曲線の傾き（電流勾配）は運
転モード（電動／発電）および直流電動機１の回転数に
依存している。図２に、発電機運転を例に、電流立ち上
がり曲線と電流消失曲線とが示されている。回転数ｎが
増大すると（ｎ２＞ｎ１）、電流立ち上がり曲線の傾き
は大きくなり、電流消失曲線の傾きは小さくなる。それ
ゆえ、対象とする全回転数範囲にわたり、電流の立ち上
がりは電流消失より早く終了する。その結果、電動機内
に直流中間回路における単電流測定によっては把握され
ないピーク電流が生じる。

【００２５】さらに、図２には、回転数ｎ１　における
電流立ち上がり曲線および消失曲線に基づき、本発明に
よる方法の実施例による、制御されない運転に対する電
流制御器１４の遮断時間ｔＳ　を決定する方法が略示さ
れている。電流立ち上がりと電流消失が転流信号の到来
をもって同時に開始されると、転流される相巻線におけ
る電流の立ち上がり（Ａ点における電動機電流への到達
）は、転流を行う相巻線における電流消失（Ｂ点におけ
る電流値Ｉ＝Ｏへの到達）より早く終了する。しかしな
がら、本発明による１つの方法にみられるように、電流
立ち上がりを電流消失に対して電流立ち上がり時間と電
流消失時間の差（ｔ（Ｂ）−ｔ（Ａ）＝ｔＶ　＝ｔＳ　
）だけ遅らせると、電流立ち上がりはＢ点で電流消失と
ほぼ同時に終了する。転流時に単電流測定により生じる
ピーク電流は完全に除去される。電動機電流の中断によ
りトルク平均値はやや小さくなるが、より大きい電流目
標値を設定することによって容易に補償できる。

【００２６】ピーク電流によって永久磁石回転子が減磁
される危険はもはやなくなる。スイッチ動作可能な半導
体弁にかかる負担も小さくなる。その他の長所として、
過電流防止装置を定格電流の２倍の電流ではなく、単に
定格電流に合わせるだけでよくて、それによって直流電
動機１は過電流に対してより効果的に保護される。

【００２７】第３図に、本発明による方法を実施するた
めの直流駆動装置のブロック線図を示す。また、永久磁
石回転子および三相巻線を有するブラシなし直流電動機
１の等価回路が示されている。直流電動機１には公知の
方法で、転流時点を決定する転流信号を出力する回転子
位置センサー６が付けられている。直流電動機１の直流
中間回路−変換器２は、電源側整流器モジュール８と機
械側出力段７とからなる。出力段７は、図１ａおよび１
ｂに示す逆並列還流ダイオード（Ｖ１−Ｖ６）付きのパ
ワートランジスタ（Ｔ１−Ｔ６）を有する三相交流ブリ
ッジとして構成されている。直流電圧ＵＺＫが印加され
た直流中間回路５において、電流測定装置４により直流
中間回路５の電流が、無接触で測定される（直流中間回
路５における単電流測定）。

【００２８】回転子位置センサーのディジタル信号は回
転数現在値として用いられ、回転数現在値処理部（Ｄ／
Ａ変換器）９によりアナログ電圧に変換される。回転数
現在値を検出するための外部回転速度計が不要なため、
これは非常に安価な解決法である。回転数目標値は目標
値設定部１０によって任意に設定される。回転数制御は
、回転数調節部１１（通常はＰＩ調節器）、電流制限部
１２および絶対値生成部１３により公知の方法によって
行われる。回転数調節により、回転数調節の基礎となる
電流制御のための電動機電流の目標値が与えられる。

【００２９】上述したように、電動機電流の現在値は直
流中間回路５で電流測定装置４によって測定される。電
流制御器１４は二位置電流制御器である。電流現在値が
電流制御器ヒステリシス帯の上限に到達すると、制御論
理部１５と回転方向切替部１６の信号に応じて制御され
る出力段７のパワートランジスタはオフとされ、電流制
御器ヒステリシス帯の下限を下回ると再びオンに転じる
。電流制御器１４のクロック周波数は固定されたもので
はなくて、電流制御器１４に設定されたヒステリシス、
電動機インダクタンスＬｉ　および巻線抵抗Ｒｉ　に依
存している。

【００３０】電流制御には絶対値生成部１３のためたえ
ず正の出力電圧が供給されるので、極性識別部１９を介
して回転方向切替部１６に極性交換信号が送られる。そ
こで、回転方向切替部１６はパワートランジスタＴ１−
Ｔ６を他の運転モードに適宜切り替える。回転方向切替
部１６と出力段７との結合は、駆動制御段１７を介して
行われる。

【００３１】電子制御装置１８は入力信号として回転子
位置センサー６から転流信号、目標値設定部１０から回
転数目標値および極性識別部１９から運転モードに関す
る情報を受け取る。電子制御装置１８では、これらの情
報ならびにメモリー内の電流立ち上がり曲線および電流
消失曲線により、上述したようなやり方で電流制御器１
４のブロッキング時間ｔＳ　が決定される。ブロッキン
グ部２０はブロッキング時間ｔＳ　の長さに対応するブ
ロッキング信号によって作動する。ブロッキング部２０
の作動により電流制御器１４はブロッキングされ、すべ
てのパワートランジスタＴ１−Ｔ６はオフとされる。

【００３２】図４ａにブロッキング部２０を制御するた
めの電子制御装置１８のプログラムのフローチャートを
示す。ステップ２１で回転子位置センサーから転流信号
が到来するとプログラムが開始する。ステップ２２では
、ブロッキング部が作動し、同時に内部タイマがスター
トする。ステップ２３では、極性識別部１９の信号によ
り直流電動機１の回転方向が検出される。ステップ２４
で、電動機運転か否か質問する。電動機運転の場合には
、ステップ２５で回転数ｎが設定された回転数ｎｍａｘ
　より大きいか否か質問する。この条件が満たされた場
合には、ステップ２５ａで新しいブロッキング時間ｔＳ
　＝０が設定される。ステップ２５で前記の条件が満た
されない場合には、ステップ２６で電動機運転に対する
ブロッキング時間ｔＳ　が計算される。ステップ２４で
発電機運転の場合には、ステップ２７で発電機運転に対
するブロッキング時間ｔＳ　が計算される。次いでステ
ップ２８で、このブロッキング時間が記憶される。

【００３３】プログラムされたブロッキング時間が経過
すると、タイマは割込みを作動させる。図４ｂにタイマ
の割込み処理を示す。ブロッキング時間が終了すると、
ステップ３０でブロッキングが解消される。ステップ３
１でタイマがリセットされ、ステップ３２でタイマに新
しく計算されたブロッキング時間が設定される。次いで
、ステップ３３で主プログラムが続行される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は変換器の機械側出力部における転流前
の電流経路の説明図、（ｂ）は変換器の機械側出力部に
おける転流時の電流経路の説明図である。

【図２】回転数ｎ１のときのブロッキング時間ｔＳ　の
指定のための略図を記入した、発電機運転モードにおけ
る回転数および運転モードに依存する電流立ち上がりお
よび消失曲線の概念図である。

【図３】本発明の方法による直流機のブロック線図であ
る。

【図４】（ａ）はブロッキングを制御する電子制御装置
のプログラムのフローチャート、（ｂ）はタイマーの割
込処理のブロック線図である。

【符号の説明】

１　　　　　　直流電動機 ２　　　　　　変換器 ３　　　　　　直流電源 ４　　　　　　電流測定装置 ５　　　　　　直流電源一中間回路 ６　　　　　　回転子位置センサー ７　　　　　　出力段 ８　　　　　　整流器モジュール ９　　　　　　回転数現在値処理部（Ｄ／Ａ変換器）１
０　　　　　　目標値設定部 １１　　　　　　回転数調節部 １２　　　　　　電流制限部 １３　　　　　　絶対値生成部 １４　　　　　　電流制御器 １５　　　　　　制御論理部 １６　　　　　　回転方向切替部 １７　　　　　　駆動制御段 １８　　　　　　電子制御装置 １９　　　　　　極性識別部 ２０　　　　　　ブロッキング部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ブラシなし直流電動機の相巻線に直流
   電源−中間回路−変換器（変換器）を介して矩形波電流
   を供給し、電流現在値の検出をもっぱら直流電源−中間
   回路での単電流測定で行う場合に、転流時に相巻線に発
   生するピーク電流を抑圧する方法において、相巻線での
   電流の立ち上がりを電流の消失に対して時間ｔｖ　だけ
   遅らせることを特徴とするピーク電流抑圧方法。
2. 【請求項２】　　電流の消失が回転子位置センサー（６
   ）の転流信号の到来をもって開始され、電流の立ち上が
   り時間ｔＶ　だけ遅れて開始される請求項１記載の方法
   。
3. 【請求項３】　　電流の消失が回転子位置センサー（６
   ）の転流信号の到来前に開始され、電流の立ち上がりが
   時間ｔＶ　だけ遅れて転流信号の到来をもって開始され
   る請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　　ブロッキング時間ｔＳ　である時間ｔ
   Ｖ　の間、電流制御器（１４）がブロッキングされる請
   求項１および２または１および３記載の装置。
5. 【請求項５】　　ブロッキング時間ｔＳ　が電子制御装
   置（１８）によって設定される請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】　　ブロッキング時間ｔＳ　が電流の立ち
   上がり曲線および消失曲線に基づき、電流の立ち上がり
   と消失とがほぼ同時に終了するように選定されている請
   求項５記載の方法。
7. 【請求項７】　　ブロッキング時間ｔＳ　が一定である
   請求項４または５記載の方法。
8. 【請求項８】　　変換器（２）が転流信号の到来をもっ
   てブロッキングされ、電動機電流が最小値Ｉｍｉｎ　に
   達すると転流が開始される請求項１または２記載の方法
   。
9. 【請求項９】　　電動機運転モードでは、設定された回
   転数以上で電流制御器（１４）がブロッキングされない
   請求項７または８記載の装置。