(57)【要約】  半導体出力最終段（２８）を介して電子的に整流される直流電流モータ（１６）の電流供給方法を提供する。この直流電流モータ（１６）は有利には３相の直流電流モータであり、制御ユニット（２２）によってブロックごとにロータ位置信号発生器（２０）の信号に相応して通電される。モータ（１６）の通電は段階的に可変に行われ、電流ブロックのレベルおよび／または長さおよび／または誘導電圧の経過に対する点火角度を回転数および／または負荷に依存して変化する。
2009509494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体出力最終段を介して電子的に整流される直流電流モータの電流供給方法であって、
該直流電流モータは有利には３相直流電流モータであり、
該直流電流モータを、制御ユニットによってブロックごとに、ロータ位置信号発生器の信号に相応して通電する方法において、
該直流電流モータ（１６）の通電を段階的に可変に行い、電流ブロック（Ｉ；図２）のレベルおよび／または長さおよび／または誘導電圧（Ｅ）の経過に対する点火角度を回転数および／または負荷に依存して変化することを特徴とする、電流供給方法。
【請求項２】
前記電流ブロック（Ｉ）を、１２０°ｅｌ〜１８０°ｅｌの間で設定されたブロック長に設定する、請求項１記載の電流供給方法。
【請求項３】
前記電流ブロック（Ｉ）を、１２０°ｅｌのブロック長と１５０°ｅｌのブロック長と１８０°ｅｌのブロック長とに設定する、請求項１または２記載の電流供給方法。
【請求項４】
前記電流（Ｉ）のレベルを１つのブロック内で、前記直流電流モータ（１６）のトルクリプルを低減するように変化する、請求項１から３までのいずれか１項記載の電流供給方法。
【請求項５】
１つのブロック内で前記電流（Ｉ）のレベルを部分的に引き上げる、請求項４記載の電流供給方法。
【請求項６】
前記電流ブロック（Ｉ）の点火角度を回転数に依存して、前記誘導電圧（Ｅ）のゼロ交差を基準として＋１５°ｅｌ〜−７５°ｅｌの間で変化する、請求項１から５までのいずれか１項記載の電流供給方法。
【請求項７】
前記電流ブロック（Ｉ）の大きさおよび／または位置をセンサ装置（２０）によって設定する、請求項１から６までのいずれか１項記載の電流供給方法。
【請求項８】
前記電流ブロック（Ｉ）の大きさおよび／または位置をデジタル式のホールセンサによって設定する、請求項７記載の電流供給方法。
【請求項９】
３相直流電流モータ（１６）を下方の回転数領域（Ｉ）では、前記誘導電圧（Ｅ）のゼロ交差に対して１５０°ｅｌのブロック長と０〜３０°ｅｌの点火角度、有利には＋１５°ｅｌの点火角度とで通電する、請求項１から８までのいずれか１項記載の電流供給方法。
【請求項１０】
３相直流電流モータ（１６）を中間の回転数領域（II）では、前記誘導電圧（Ｅ）に対して１８０°ｅｌのブロック長と−３０〜０°ｅｌの点火角度、有利には−１５°ｅｌの点火角度とで通電する、請求項１から９までのいずれか１項記載の電流供給方法。
【請求項１１】
３相直流電流モータ（１６）を上方の回転数領域（III）では、前記誘導電圧（Ｅ）のゼロ交差に対して１８０°ｅｌのブロック長と−３０〜−６０°ｅｌの点火角度、有利には−４５°ｅｌの点火角度とで通電する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電流供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、半導体出力最終段を介して電子的に整流される直流電流モータの電流供給方法に関する。この電流供給方法は、たとえばＤＥ１０２４７９００Ａ１に記載されており、前記直流電流モータは有利には３相直流電流モータである。この文献は、モータのストランド電流を制御するための制御部を有する電子整流式の直流電流モータの電流給電方法を開示しており、この制御部は制御信号としてとりわけ、出力最終段の半導体スイッチの共通の給電線路における電流センサの信号を受け取り、また、ロータ位置を検出するためのセンサ装置の信号も受け取る。このようなモータの電流供給は、それぞれ１２０°ｅｌの電流ブロックを有するブロック通電の形態で行われるか、または択一的に、１８０°ｅｌの半波期間を有する正弦波形の電流印加によって行われる。その際には、１２０°ブロック通電を適用することによって、簡単かつ低コストの制御回路を使用できるが、モータの活用率は低くなる。正弦波形の通電を行うためには、各スイッチング時点および電流レベルの面倒な計算と、ロータ位置を正確に検出するための非常に面倒なセンサ系とが必要である。
【０００２】
本発明の課題は、電流整流式の直流電流モータの電流供給方法、とりわけ、３相直流電流モータの電流供給方法において、回路上かつ計算上の小さい手間で、ブロック通電される電子整流式のモータの出力密度の上昇と同時にトルクリプルの低減を実現する電流供給方法を提案することである。ここでは整流時点は、制御回路による整流時点の面倒な計算なしで、簡単なセンサシステムによって直接トリガしなければならない。この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成では、モータの通電を段階的に可変に構成することによって解決される。こうすることにより、単純な１２０°ブロック通電に対して小さい付加的な手間で、事前整流なしで、モータ活用率を格段に改善することと、トルクリプルを低減するためのよりフレキシブルな駆動制御とが実現される。
【０００３】
特に目的に適っているのは、モータが、異なる回転数領域で負荷依存的かつ回転数依存的に異なる通電パターンで、センサ信号の評価だけで整流時点の計算を必要とせずに動作することであることが判明している。約２０Ａ〜２００Ａの間の消費電力を有する中間サイズの３相モータは、たとえば多数の個数で調整モータまたはファンモータとして自動車で使用され、このような３相モータの場合には、次のようにすることが特に有利である。すなわち、下方の回転数領域では、１５０°ｅｌの長さと０°〜３０°ｅｌの点火角度、有利には＋１５°ｅｌの点火角度とを有する電流ブロックを使用し、中間の回転数領域では、１８０°ｅｌのブロック長と−３０°〜０°ｅｌの点火角度、有利には−１５°ｅｌの点火角度とを有する電流ブロックを使用し、上方の回転数領域では、１８０°ｅｌのブロック長と−３０°〜−６０°ｅｌの点火角度、有利には−４５°ｅｌの点火角度とを有する電流ブロックとを使用することが特に有利である。これらはそれぞれ、誘導電圧Ｅのゼロ交差に対する。
【０００４】
ここでは、位置信号発生器として有利には、デジタル式のホールセンサが使用される。このようなホールセンサは比較的廉価であり、十分に高精度の位置信号を供給する。トルクリプルを低減するためには、３相電流が流れる領域では付加的に、異なる高さの電流ブロックで２相ないしは３相の通電モードで、得られるトルクの最大値がほぼ等しく調整されるように、電流ブロック内で電流レベルを変化するのが目的に適っている。
【０００５】
従属請求項と実施例の説明とに、本発明の方法の別の特長および有利な実施形態が記載されている。
【０００６】
図面
図１  電子整流式の電動機の本発明の電流供給の基本回路図である。
【０００７】
図２  異なるブロック長およびブロック形状と、誘導電圧Ｅに対する異なった点火角度とを有する電子整流式の３相電動機の１つの相に対する異なった通電パターンの例を示す。
【０００８】
図３  異なる回転数領域で異なる通電パターンが３相モータに印加される場合の異なるトルクの特性経過例を示す。
【０００９】
図４  一定に維持される電流レベルを有する１５０°電流ブロックの印加時と、交番する電流レベルを有する１５０°電流ブロックの印加時との、電子整流式の３相直流電流モータのトルクの特性経過例を示す。
【００１０】
図１において１０，１２および１４は、電子整流式の３相直流電流モータ１６のスター結線された巻線が示されており、これらの巻線は、永久磁石ロータ１８と共働する。ロータのその時点の位置はセンサ装置２０によって監視され、このセンサ装置２０はロータ位置に関する信号を、マイクロコントローラとして構成された制御ユニット２２へ供給する。このセンサ装置は公知のように、相ごとに少なくとも１つのホール素子を有するように構成され、相ごとに少なくとも２つのロータ位置信号を、ロータが電気的に回転するごとに供給する。ホールセンサは、動作磁石の磁界を評価するか、または等しい極数の別個のセンサ磁石の磁界を評価し、次のように配置されている。すなわち、３相モータの場合には３つの信号（３ビット）から６つの異なるロータ位置を一義的に導出できるように配置されている。１２０°ｅｌずれて配置されるのが目的に適っている。
【００１１】
モータ１６および制御ユニット２２に対する給電電圧は、正極２４および負極２６を有する直流電圧網によって供給され、この直流電圧網には、モータ巻線がインバータ２８を介して接続できる。インバータ２８は、公知のようにハーフブリッジ回路（Ｂ６回路）で、直流電圧網の正極側に半導体スイッチ３０，３２および３４を有し、負極側に半導体スイッチ３６，３８および４０を有するように構成されており、すべてのスイッチはそれぞれ、詳細には図示されていないフライホイールダイオードによってブリッジされている。巻線１０に対する給電電流Ｉ１はスイッチ３０と３６との間で取り出され、巻線１２に対する給電電流Ｉ２はスイッチ３２と３８との間で取り出され、巻線１４に対する給電電流Ｉ３はスイッチ３４と４０との間で取り出される。制御ユニット２２によるインバータ２８の駆動制御が、制御ユニットの出力端４２からインバータの制御入力端４４への矢印として概略的に図示されている。モータ制御は全体的に、制御ユニット２２の入力端４８における目標値信号４６によって設定され、この制御ユニット２２もまた、給電電圧を直流電圧網２４，２６から受け取る。電磁両立性を改善するため、直流電圧源はさらに、中間回路コンデンサ５０によってブリッジされている。
【００１２】
モータ１６全体の給電電流Ｉの測定は分流器５２を使用して行われ、この分流器５２は、直流電圧網の負極２６までの接続線路に介挿接続されており、制御に必要な電流信号を公知のように、たとえば増幅器およびＡ／Ｄ変換器を介して、制御ユニット２２の入力端５４へ供給する。中間回路電流Ｉは適切に、制御ユニット２２によって設定された目標値に調整される。このような中間回路電流Ｉの調整はたとえば、最大電流の制限によって行われる。電流限界に達した場合には、適切な半導体スイッチがスイッチオフされ、その時点のクロックの終了時に再びスイッチオンされる。
【００１３】
センサ装置２０によって生成されたロータ位置信号は、制御ユニット２２の入力端５６に印加される。モータ１６の電流供給のための駆動制御方法の詳細は、以下の図に示されたダイヤグラムに基づいて詳細に説明する。これは、回転数に依存して可変の修正されたブロック通電であり、このブロック通電は、１２０°ｅｌの固定的なブロック長による公知のブロック通電に対して小さい付加的な手間で、モータ出力の格段な上昇と同時にトルクリプルの低減とを実現する。このような付加的な手間はとりわけ、角度分解能の２倍化のために別のセンサを必要とするセンサ系で生じる。すなわち、必要な位置が６つである場合に必要とされるセンサは３つ（３ビット）のみであるのに対し、必要とされる位置が１２個の場合には４つのセンサ（４ビット）を必要とする。
【００１４】
図２において概観性を改善するために、１つの相のみの異なる通電パターンが示されている。
【００１５】
図２ａは、１２０°ｅｌのブロック長と＋３０°ｅｌの点火角度とによる従来のブロック通電を示し、図２ｂは、下方の回転数領域で有利な本発明のブロック通電を示す。このブロック通電は、１５０°ｅｌのブロック長と＋１５°ｅｌの点火角度とによって行われ、３０°ｅｌが経過するごとに２相通電と３相通電との間で切り換えられる。
【００１６】
図２ｃは、図２ｂに相応する本発明の通電パターンを示すが、ブロックの中間の３相領域で、トルクリプルを低減するために通電レベルが付加的に引き上げられる。このような電流上昇の効果は、図４に示されたダイヤグラムに基づいて詳細に説明される。
【００１７】
図２ｄには、１８０°ｅｌ電流ブロックによる本発明の通電パターンが示されている。この電流ブロックは、誘導電圧Ｅのゼロ交差に対して−１５°ｅｌの点火角度を有する。このような通電方式は、モータの中間の回転数領域において出力上昇のために適用され、それに対して、図２ｂまたは２ｃに相応する通電パターンは下方の回転数領域において有利である。このことは、図３に基づいて詳細に説明される。
【００１８】
図２ｅの通電パターンは、モータの上方の回転数領域で適用される。これは、誘導電圧Ｅのゼロ交差に対して−４５°ｅｌの点火角度によって行われる１８０°ｅｌブロック通電であり、これによって、回転数を格段に上昇することができる。
【００１９】
図３は、回転数に依存してモータのトルクの異なる特性経過を示す。ここでは曲線Ｉ，II および III は、上記の異なる通電パターンを基礎とする。曲線セグメントＩの領域における通電は図２ｂまたは図２ｃに相応し、曲線セグメント II の通電は図２ｄ中のイメージに相応し、曲線セグメント III の通電は図２ｅ中のイメージに相応する。これらの異なる曲線から、異なる回転数領域において異なる通電パターンを使用することにより、顕著なトルク上昇と回転数上昇とを実現できることが明確に認識できる。その原因は、回転数が上昇するにつれてモータの無効抵抗が上昇し、これに相応してモータ電流が位相位置で電圧に追従することにある。このことは、前整流の形態で電流をより早期に投入することによって補償することができ、こうすることによってモータの出力が上昇する。さらに、前整流によってモータ電流をより迅速に形成することができる。というのも、この電流のスイッチオン時点の対抗する誘導電圧は比較的小さいからである。さらに、モータ電流をブロック終了でより迅速に消失することもできる。というのもこの時点では、対抗する誘導電圧は比較的大きく、電流減少を加速化するからである。こうすることによって全体的に、使用可能な電流‐時間面、ひいてはモータの出力は拡大される。
【００２０】
図３に示されたトルク特性経過に寄与する本発明による通電の別の有利な効果は、通電ブロックによって、モータ１６のロータ１８における永久磁石の磁界に部分的に対抗する磁界が生成されることによって得られる。このような効果は高い回転数において、対抗する誘導電圧が高くてもモータをなお動作できるようにするために、有利に利用することができる。
【００２１】
図４に、図３のトルク曲線Ｉに相応する１５°ｅｌの点火角度による１５０°ｅｌ通電の使用を、正規化された表示で例として示す。ここでは、１２パルスのトルク特性経過が得られ、これによってトルクリプルが下方の回転数領域で低減される。合成された１２パルスのトルクは、太い実線で示されている。ここでは、２相ないしは３相がそれぞれ３０°ｅｌごとに交番的に通電される。調整すべき電流は常に、３相で通電されるセグメントで２相に分割されている完全な中間回路電流であり、この電流は、これらの２相でそれぞれ半分のレベルで流れている。このように電流を２相に分割することにより、３相領域において合成された最大トルクは、完全な相電流が２相を流れるセグメントより幾らか低い。しかし、３相動作で電流強度を引き上げることにより、３相動作における最大トルクを２相動作におけるトルクのレベルまで引き上げることができる。このことは図４において、トルク特性曲線の破線の経過によって示されている。こうすることによってトルクリプルはさらに低減される。３相動作では、２相の半導体スイッチが並列接続され、出力が等しい場合、これらのスイッチの消費電流および加熱は低減される。このことは、本発明による方法の別の利点である。
【００２２】
図４に示された１２パルスのトルク特性経過、すなわち、選択的に交番する電流レベルによる１５０°ｅｌブロック通電が行われる下方の回転数領域のトルク特性経過に相応して同様に、中間の回転数領域において−１５°ｅｌの点火角度による１８０°ｅｌブロック通電が行われる場合のトルク特性経過と、上方の回転数領域において−４５°ｅｌの点火角度による１８０°ｅｌブロック通電が行われる場合のトルク特性経過とが、図３の曲線 II と III とに相応して得られる。したがって、これらのトルク特性経過を別個に図示するのを省略する。ブロック通電を使用するための点火角度はそのつど、誘導電圧Ｅの正のゼロ交差を基準として電流Ｉの正のエッジとの角度差から得られる。この角度は、電流エッジが時間的に電圧ゼロ交差に追従する場合に正となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】電子整流式の電動機の本発明の電流供給の基本回路図である。
【図２】異なるブロック長およびブロック形状と、誘導電圧Ｅに対する異なった点火角度とを有する電子整流式の３相電動機の１つの相に対する異なった通電パターンの例を示す。
【図３】異なる回転数領域で異なる通電パターンが３相モータに印加される場合の異なるトルクの特性経過例を示す。
【図４】一定に維持される電流レベルを有する１５０°電流ブロックの印加時と、交番する電流レベルを有する１５０°電流ブロックの印加時との、電子整流式の３相直流電流モータのトルクの特性経過例を示す。
【図１】
2009509494.tif 000003
【図２ａ】
2009509494.tif 000004
【図２ｂ】
2009509494.tif 000005
【図２ｃ】
2009509494.tif 000006
【図２ｄ】
2009509494.tif 000007
【図２ｅ】
2009509494.tif 000008
【図３】
2009509494.tif 000009
【図４】
2009509494.tif 000010
【国際調査報告】
2009509494.tif 000011
2009509494.tif 000012
2009509494.tif 000013
2009509494.tif 000014
2009509494.tif 000015
2009509494.tif 000016