(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標デューティ・レシオと、時間的に変化するパルス幅およびパルス間隔とを有する操作パルスにより電動機を操作するパルス幅変調による電動機の操作方法において、
前記電動機の負荷の関数として、前記パルス幅変調による操作の最小周期および最大周期を決定するステップと、
前記電動機を操作することによって発生されたアコースティック・エミッション・スペクトルが、周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルに近づくように、決定された前記最小周期および最大周期と前記目標デューティ・レシオに応じて、前記操作パルスの操作周波数を決定するステップと、
を含むこと特徴とする電動機の操作方法。
【請求項２】
目標デューティ・レシオと、時間的に変化するパルス幅およびパルス間隔とを有する操作パルスにより電動機を操作するパルス幅変調による電動機の操作方法において、
前記電動機のモータ操作ユニットの熱負荷の関数として、前記パルス幅変調による操作の最小周期および最大周期を決定するステップと、
前記電動機を操作することによって発生されたアコースティック・エミッション・スペクトルが、周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルに近づくように、決定された前記最小周期および最大周期と前記目標デューティ・レシオに応じて、前記操作パルスの操作周波数を決定するステップと、
を含むこと特徴とする電動機の操作方法。
【請求項３】
前記最小周期および前記最大周期は、前記電動機の負荷の上昇とともに、上昇するように決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記最小周期および前記最大周期は、前記モータ操作ユニットの熱負荷の上昇とともに、上昇するように決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記パルス幅変調とは無関係に、前記デューティ・レシオが一定のままである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルを得るために、周囲騒音の音響周波数解析を実行するステップであって、前記パルス幅およびパルス間隔の変化が、前記周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルの関数として行われる、前記周囲騒音の音響周波数解析を実行するステップをさらに含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
目標デューティ・レシオと、時間的に変化するパルス幅およびパルス間隔とを有する操作パルスにより電動機を操作するパルス幅変調による電動機の操作装置において、
前記電動機の負荷の関数として、前記パルス幅変調による操作の最小周期および最大周期を決定する装置と、
前記電動機を操作することによって発生されたアコースティック・エミッション・スペクトルが、周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルに近づくように、決定された前記最小周期および最大周期と前記目標デューティ・レシオに応じて、前記操作パルスの操作周波数を決定する装置と、
を備えたこと特徴とする電動機の操作装置。
【請求項８】
目標デューティ・レシオと、時間的に変化するパルス幅およびパルス間隔とを有する操作パルスにより電動機を操作するパルス幅変調による電動機の操作装置において、
前記電動機のモータ操作ユニットの熱負荷の関数として、前記パルス幅変調による操作の最小周期および最大周期を決定する装置と、
前記電動機を操作することによって発生されたアコースティック・エミッション・スペクトルが、周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルに近づくように、決定された前記最小周期および最大周期と前記目標デューティ・レシオに応じて、前記操作パルスの操作周波数を決定する装置と、
を備えたこと特徴とする電動機の操作装置。
【請求項９】
前記最小周期および前記最大周期は、前記電動機の負荷の上昇とともに、上昇するように決定される、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記最小周期および前記最大周期は、前記モータ操作ユニットの熱負荷の上昇とともに、上昇するように決定される、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記パルス幅変調とは無関係に、前記デューティ・レシオが一定のままである、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１２】
前記周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルを得るために、周囲騒音の音響周波数解析を実行するための音響周波数解析装置であって、前記パルス幅およびパルス間隔の変化が、前記周囲のアコースティック・エミッション・スペクトルの関数として行われる、前記周囲騒音の音響周波数解析を実行するための音響周波数解析装置をさらに備えた、請求項７ないし１１のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス幅変調による電動機の操作方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このようなパルス幅変調操作は低周波であってもよく、これは、１００Ｈｚ以下において比較的安価な方法を提供する。パルス幅変調周波数が２０ｋＨｚを超える非可聴の高周波の超音波帯域内に設定された場合、これは高いコストを伴い、しかも、このとき考慮されるべきＥＭＶ（電磁的適合性）要求を満たすことは困難であるので、この方法は従来ほとんど使用されていない。
【０００３】
通常よく使用されるコスト的に有利な操作方法は、この方法によるパルス幅変調の低周波操作によって電気機械的騒音エミッションを発生する。この場合に発生される騒音エミッションはエネルギーが高く且つ狭帯域を有している。狭帯域および高エネルギーにより、騒音エミッションは人の聴覚により明確に知覚可能である。特に周囲騒音が小さいとき、妨害となる狭帯域の電動機騒音は、パルス幅変調操作に基づいて周囲騒音より大きい音を出すので、実際にはこの妨害騒音を無視することはできない。
【０００４】
特開２００６−１９１７５６号公報は直流モータの制御方法を記載し、この場合、騒音を抑制するために、ＰＷＭ周波数のスペクトル拡散変調が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１９１７５６号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明により、請求項１に記載のパルス幅変調操作信号による電動機の操作方法並びに請求項８に記載の対応する装置が提供される。
本発明により、モータの出力要求およびその構成要素ないしはその操作ユニットの熱負荷の少なくともいずれかの関数として、パルス間隔の変調が行われる。電動機の操作における物理的データは、たいていの場合、騒音および制御性の観点から、より高い操作周波数を有する操作が望ましく、このことは、一般に、より高い動力損失を導く。したがって、モータ系の熱的設計においてコスト的に最適化可能にするために、特定の状況においてのみ、ないしは制限された期間の間においてのみ騒音最適化操作が実行されるように妥協が行われる。特に、熱負荷が低い状況においては、熱負荷が高い状況においてよりも良好な騒音性能が達成可能である。
【０００７】
好ましい一実施形態により、電動機およびその操作装置の少なくともいずれかの負荷および熱負荷の少なくともいずれかの関数として、最小および最大周期が決定される。
最小および最大周期は、それが、電動機およびその操作装置の少なくともいずれかの負荷および熱負荷の少なくともいずれかの上昇と共に上昇するように決定されることが好ましい。
【０００８】
好ましい変更態様がそれぞれの従属請求項に記載されている。
電動機は、例えば、直流モータであっても、整流子付交流モータであっても、または整流子なし交流モータであってもよい。さらに、電動機は、回転モータであってもまたはリニアモータであってもよい。
【０００９】
この場合、操作パルスの時間的間隔の変化により、即ちパルス幅変調周波数の変化により、電動機のアコースティック・エミッション・スペクトルの、特に周囲騒音のアコースティック・エミッション・スペクトルの方向へのシフトが達成可能である。
【００１０】
本発明によるパルス幅変調周波数の変化により、電動機の騒音エミッションが実際に周囲騒音から区別できないように、したがって、パルス幅変調周波数の変化により操作された電動機が狭帯域の高エネルギー騒音レベルもまた発生しないように、電動機のアコースティック・エミッション・スペクトルが周囲騒音のアコースティック・エミッション・スペクトルに有利に適合させることが可能であり、これにより、音響負荷は低減される。
【００１１】
固定されたパルス幅変調周波数のときに可聴帯域内において発生するような、操作された電動機の狭帯域騒音エミッションは、周囲の音響周波数発生への適合により補償されることが好ましく、これにより、電動機のアコースティック・エミッション・スペクトルはほぼ完全に周囲騒音によって遮蔽される。したがって、本発明は、パルス幅変調における操作によって発生された騒音エミッションが周囲騒音内により良好に遮蔽可能なようにモータ操作を行う。
【００１２】
さらに、予め行われた周囲騒音の音響周波数解析によってモータ操作が実行可能であり、モータ操作の騒音エミッションは、直接周囲の騒音スペクトルに適合され、これにより、周囲騒音によってマスキングされるのみならず、人の耳ではこの周囲騒音からもはや区別可能ではない。したがって、本発明は、少なくとも一時的に固定のパルス幅変調周波数に基づく通常のモータ操作の考え方とは異なり、この場合、操作の変調は、パルス幅変調デューティ・レシオ（ＰＷＭデューティ）の設定を介して行われる。
【００１３】
したがって、本発明は、一方でパルス幅変調デューティ・レシオの設定を介しての操作の変調に基づき、さらに、パルス幅変調周波数は、操作により得られる、電磁的に発生された騒音エミッションおよび好ましくはＥＭＶエミッションが、希望のスペクトル特性およびアコースティック・エミッション・スペクトルを有するように変調される。
【００１４】
このようにして、予測可能且つ適合可能なエミッション特性が達成可能である。特に、自動車の範囲内においては、車両の周囲は、例えばディーゼル車、ガソリン車または電気自動車のように、明らかに相互に異なり、これにより、本発明による方法の適合性は、有利な機能性を可能にする。即ち、さらに、出力要求が上昇したとき、および熱負荷が上昇したとき、使用される最小パルス幅を上昇することにより、動力損失のみならず電動機の温度もまた低下可能である。
【００１５】
さらに、電動機における出力要求および熱負荷が低下したとき、使用される最小パルス幅を低減することにより、搭載電源負荷および電動機の制御性が最適化可能である。
以下に本発明が添付図面により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、例としてのモータ操作ユニットの略ブロック回路図を示す。
【図２】図２は、モータ操作信号の略比較線図を示す。
【図３】図３は、操作信号の周波数解析の略比較線図を示す。
【図４】図４は、操作信号の周波数解析の他の略比較線図を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態によるモータ操作ユニットの略ブロック線図を示す。
【図６ａ】図６ａは、半導体スイッチの温度の関数としての最小および最大周期を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、モータ負荷の関数としての最小および最大周期を示す。
【図７】図７は、本発明の他の実施形態によるモータ操作方法を説明するための流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、例としての電動機のモータ操作ユニット３の略ブロック回路図を示す。
はじめに、回路ブロック１において、目標操作エミッション・スペクトルが提供され、目標操作エミッション・スペクトルは、例えば、周囲騒音の音響解析により得られる。代替態様または追加態様として、例えば内燃機関または車両の走行騒音、転がり騒音の種々のアコースティック・エミッション・スペクトルが目標操作エミッション・スペクトルとして表の形式で記憶されていてもよい。この場合、メモリが設けられていてもよく、メモリ内に種々のアコースティック・エミッション・スペクトルが記憶されている。例えばディーゼル・エンジン、電動機またはガソリン・エンジンのような種々のモータ／エンジン・タイプに対して、対応するアコースティック・エミッション・スペクトルが記憶されていてもよく、アコースティック・エミッション・スペクトルは、パルス幅変調周波数の選択において考慮される。さらに、車両の運転状態、特にモータ回転速度、速度または道路状態がパルス幅変調周波数の選択において考慮されてもよい。回路ブロック１に、モータ出力の変調のために、「デューティ」とも呼ばれる目標デューティ・レシオが供給される。目標デューティ・レシオと、表の形式で記憶されているか、および表を介して乱数発生器と協働して設定されているかの少なくともいずれかである希望の目標操作エミッション・スペクトルとの関数として、パルス幅変調周波数の変化が、デューティ・レシオの対応値と組み合わされて回路ブロック２に供給される。
【００１８】
回路ブロック２において、パルス幅およびパルス間隔の変化が発生され、それに続いて、パルス幅変調周波数列ないしはパルス幅変調周波数シーケンスが、電動機を操作するためのモータ・スイッチに供給される。
【００１９】
パルス幅およびパルス間隔の変化の基準は、設定されたパルス幅変調周波数Ｓｐｅｃ（ｆｐｗｍ（ｉ））のスペクトルの総和からなる希望のスペクトル特性ＳｐｅｃＧｅｓａｍｔの構成に基づくものであり、ここで、αｉは重みである。
（１）ＳｐｅｃＧｅｓａｍｔ＝（Σαｉ×Ｓｐｅｃ（ｆｐｗｍ（ｉ）））
放射されたスペクトルが個々のパルス幅変調周波数としてまとめられた場合、Ｓｐｅｃ（ｆｐｗｍ（ｉ））は、例えば測定により決定可能である。さらに、個々の伝達関数がモデル化可能であり且つパルス幅変調周波数Ｓｐｅｃ（ｆｐｗｍ（ｉ））はモデルを使って計算可能である。重みαｉの決定は、次式（２）により、希望のスペクトルからの逆算として行われてもよい。
（２）ＳｐｅｃＧｅｓａｍｔ＝（Σαｉ×Ｓｐｅｃ（ｆｐｗｍ（ｉ）））＝ＳｐｅｃＳｏｌｌ
＝Σβｊ×Ｓｐｅｃ（ｆ（ｊ））
式（２）による重みαｉの詳細な構成およびそれに続くある時間帯内におけるパルス幅変調操作周波数の均等分配は、サイズに合わせたアコースティック・エミッション・スペクトルを有するシステムに導くことが可能であり、このシステムは、次に、表によるか、および表と乱数発生器とによるかの少なくともいずれかにより形成可能である。
【００２０】
ここで、最も簡単な場合、均等に分配された重みαｉが選択可能である。得られたアコースティック・エミッション・スペクトルは、この場合、一般に白色ではなく、むしろ、パルス幅変調周波数Ｓｐｅｃ（ｆｐｗｍ（ｉ））が実際の全システム内に折り込まれている。特定の場合、均等に分配された重みαｉを有する式で十分であることがある。パルス幅変調周波数の変化により、目標デューティ・レシオおよび希望の目標操作エミッション・スペクトルの関数として、周波数値およびデューティ・レシオ値が、回路ブロック２において、モータ操作のパルス幅変調のために発生され、且つモータ・スイッチに伝送される。
【００２１】
可変パルス幅変調周波数を有するモータ操作において、能動的騒音適合が可能であり、これにより、アコースティック・エミッション・スペクトル内に少ない狭帯域部分が得られる。電動機騒音は、それを通常の走行騒音から区別することがむずかしいので、主観的にそれほど妨害として感じられない。
【００２２】
図２は、電動機操作の略比較線図を示す。ここで、図２Ａは、４００Ｈｚの固定パルス幅変調周波数を有するモータ操作を示す。このオシログラムにおいて、横座標に時間ｔがミリ秒で目盛られ、縦座標に電圧Ｕが目盛られている。４００Ｈｚの固定パルス幅変調周波数は、時間的に相互に連続する全く同じ形のパルスとして検出可能である。この場合、ここでは例として５０％のデューティ・レシオが保持される。５０％のこのデューティ・レシオは図２Ｂにおいても示されているが、ここでは、パルス幅変調周波数は可変であり、このことは、個々のパルス列の異なる時間間隔として検出可能である。図２Ａに示す操作信号で操作されたモータは明らかな狭帯域騒音エミッションを発生する一方で、図２Ｂに示す信号で操作されたモータは、周囲騒音により遮蔽された騒音を発生する。これは、次の図によってさらに明らかに示される。
【００２３】
図３は、操作信号の周波数解析の略比較線図を示す。ここで、図３Ａは、２００Ｈｚの固定パルス幅変調周波数による操作を示す。横座標に周波数がＨｚで目盛られ、一方、縦座標は操作信号としての電圧を与えている。操作信号に対して２００Ｈｚを有する図３Ａにおいては、３０ｄＢの振幅を有する明らかなピーク、したがって、はっきり聞き取れるピークが検出される一方で、図３Ｂが示すように、パルス幅変調周波数の変化により、走行する車両の通常のアコースティック・エミッション・スペクトルにほぼ対応するスペクトルが得られ、この場合、最大振幅は１８ｄＢの値にすぎない。
【００２４】
図４は、操作信号の周波数解析の他の略比較線図を示す。図４Ａにおいて、４００Ｈｚの固定パルス幅変調周波数を有する操作およびこれに伴う操作信号の電圧および周波数が示され、この場合、同様に、４００Ｈｚに対する特性設定においては約３０ｄＢの振幅が明らかに検出可能であり、この振幅は、基準値から、したがって周囲アコースティック・エミッションから突出している。それに対して、図３Ｂにおいて既に示されているのと同様な図４Ｂは、この場合には、パルス幅変調周波数の変化による本発明の教示が有利に使用されているので、狭帯域の特性ピークのない操作信号の電圧スペクトルを示している。例えば、パルス幅変調に対する周波数は、１ｋＨｚ−６ｋＨｚの間の範囲内で使用可能である。
【００２５】
上記のパルス幅変調周波数の変化により、３００Ｈｚより小さい周波数帯域を有する電動機による音響信号の発生は回避される。パルス幅変調周波数の変化による電動機の操作においては、２００Ｈｚより小さい周波数帯域を有する電動機の音響信号が回避されることが好ましい。
【００２６】
他の変更態様において、パルス幅変調周波数の変化により電動機を運転するとき、１０Ｈｚより小さい周波数帯域を有する音響信号の発生が回避される。
図５は、本発明の第４の実施形態によるモータ操作ユニットの略ブロック回路図を示す。
【００２７】
第４の実施形態においては、目標デューティ・レシオ３０と、時間的に可変のパルス幅およびパルス間隔とを有する操作パルスが、測定された周囲騒音レベルに応じて変調される。
【００２８】
このために、対応する周囲騒音レベル測定装置３１、例えばマイクロホンを介して、周囲騒音レベル３２が測定され、且つ周囲騒音スペクトルを決定するために決定装置３３に伝送される。
【００２９】
決定された周囲騒音スペクトル３４および目標デューティ・レシオ３０は、対応する操作スペクトルを選択するために、データ・メモリ３５ｓから、対応する選択装置３５に伝送される。選択された操作スペクトル３６は、対応する操作周波数を決定するために、決定装置３７に伝送される。操作周波数３８は、決定装置３７から、モータ・リレーに伝送される。
【００３０】
代替態様として、選択装置３５は、操作スペクトル３６の計算を実行してもよい。
操作スペクトル３６の選択は、記載のように、さらに、電動機の負荷パラメータ４１（例えば電流×電圧）およびモータ系内の温度の少なくともいずれか一方の応じておこなわれる。このために、負荷状況の測定または計算装置４０がモータ内に設けられている。モータ系内の熱的状態を決定するために、温度を測定し且つ対応する信号４３を出力するための温度測定装置４２が設けられている。
【００３１】
一般に、パルス幅およびパルス間隔は、熱負荷が高いときまたは機械的負荷が高いとき、動力損失の発生がより低くなるように変化され、特に操作周波数が低下される。
しかしながら、これにより、低い熱負荷または低い機械的負荷の状況においては、高い熱負荷または高い機械的負荷の状況においてよりもより良好な騒音適合が達成可能である。
【００３２】
特に、この実施形態においては、測定された負荷および温度の少なくともいずれかに基づき、ＰＷＭ操作の最小および最大周期が決定され、それに応じて操作スペクトルが選択ないしは計算される。
【００３３】
図６ａは、半導体スイッチの温度の関数としての最小および最大周期を示す。
このために、ｙ軸上にモータ操作の周期Ｔが目盛られ、ｘ軸上に半導体スイッチの温度ｔが目盛られている。温度ｔ＊以降、温度の上昇と共に、最小周期Ｔｍｉｎのみならず最大周期Ｔｍａｘもまた、動力損失したがって半導体スイッチの温度の最適化のために、半導体スイッチの最大許容温度ｔｍａｘまで上昇する。
【００３４】
逆に、騒音、ＥＭＶ放射、搭載電源負荷および制御性の最適化のために、温度ｔが低ければ低いほどそれだけ、最小周期Ｔｍｉｎのみならず最大周期Ｔｍａｘもまたより小さくなる。
【００３５】
最小周期Ｔｍｉｎと最大周期Ｔｍａｘとの間に周期の許容帯域が存在する。
図６ｂは、モータ負荷の関数としての最小および最大周期を示す。
このために、ｙ軸上にモータ操作の周期Ｔが目盛られ、ｘ軸上にモータの負荷Ｌが目盛られている。動力損失したがって温度を最適化するために、負荷の上昇と共に、最小周期Ｔｍｉｎのみならず最大周期Ｔｍａｘもまた上昇する。
【００３６】
逆に、モータ系内の負荷Ｌが低ければ低いほどそれだけ、最小周期Ｔｍｉｎのみならず最大周期Ｔｍａｘもまたより小さくてもよい。したがって、騒音、ＥＭＶ放射、搭載電源負荷および制御性の最適化が可能である。
【００３７】
最小周期Ｔｍｉｎと最大周期Ｔｍａｘとの間に周期の許容帯域が存在する。
図７は、本発明の他の実施態様によるモータ操作方法を説明するための流れ図を示す。
ステップＳ１において、周囲騒音レベル測定装置３１、例えばマイクロホンを介して周囲騒音レベル３２が測定され、且つ周囲騒音スペクトルを決定するために、決定装置３３に伝送される。
【００３８】
ステップＳ２において、モータ内の負荷４１およびモータ系内の熱的状態４３が測定される。
決定された周囲騒音スペクトル３４、目標デューティ・レシオ３０およびモータ内の負荷４１およびモータ系内の熱的状態４３は、対応する操作スペクトルを選択するために、データ・メモリ３５ｓから選択装置３５に、ステップＳ３において伝送される。
【００３９】
この場合、選択装置３５は、はじめに、モータ内の負荷４１およびモータ系内の熱的状態４３から、最小周期Ｔｍｉｎと最大周期Ｔｍａｘとの間の周期の許容帯域を決定し、且つそれに続いて、ステップＳ４において、対応する操作スペクトルを選択する。
【００４０】
選択された操作スペクトル３６は、対応する操作周波数を決定するために、ステップＳ５において決定装置３７に伝送される。操作周波数３８は、決定装置３７からモータ・リレーに、ステップＳ６において伝送される。
【００４１】
自動車における上記の実施形態の好ましい用途は、例えば、ウインドウ昇降機、真空ポンプ、ウインドウ・ワイパ、ガソリン・ポンプ、ファン・モータ、レベル制御、電気暖房、ハイブリッド制御等である。
【符号の説明】
【００４２】
１  回路ブロック（目標操作エミッション・スペクトルの提供）
２  回路ブロック（パルス幅およびパルス間隔の変化の発生）
３  モータ操作ユニット
３０  目標デューティ・レシオ
３１  周囲騒音レベル測定装置
３２  周囲騒音レベル
３３、３７  決定装置
３４  周囲騒音スペクトル
３５  選択装置
３５ｓ  データ・メモリ
３６  操作スペクトル
３８  操作周波数
４０  負荷状況の測定または計算装置
４１  負荷
４２  温度測定装置
４３  熱的状態
Ｌ  負荷
Ｔ  周期
Ｔｍａｘ  最大周期
Ｔｍｉｎ  最小周期
ｔ  時間（図２Ａ、２Ｂ）
ｔ、ｔ＊、ｔｍａｘ  温度（図６ａ）
Ｕ  電圧
【図１】
0005986353.tif 000002
【図２Ａ】
0005986353.tif 000003
【図２Ｂ】
0005986353.tif 000004
【図３Ａ】
0005986353.tif 000005
【図３Ｂ】
0005986353.tif 000006
【図４Ａ】
0005986353.tif 000007
【図４Ｂ】
0005986353.tif 000008
【図５】
0005986353.tif 000009
【図６ａ】
0005986353.tif 000010
【図６ｂ】
0005986353.tif 000011
【図７】
0005986353.tif 000012