(57)【要約】  本発明は、直流電圧電源網から給電される電動機の制御方法、特に、電動機電流回路の調整素子を介して車両の搭載電源に接続されそこから振幅変調電圧を給電されるファンモータの制御方法に関する。本発明によれば、電動機（１０）への給電電圧（ＵＭ）は直流電圧電源網の給電電圧（ＵＢ）の変動からほぼ独立に、設定された特性曲線に相応に時間制御される。
2008543251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧電源網から給電される電動機の制御方法、例えば、電動機電流回路の調整素子を介して車両の搭載電源に接続されそこから振幅変調電圧を給電されるファンモータの制御方法において、
電動機（１０）の給電電圧（ＵＭ）を、直流電圧電源網（１４，２０）の給電電圧（ＵＢ）の変動からほぼ独立に、設定された特性曲線に相応に時間制御する
ことを特徴とする直流電圧電源網から給電される電動機の制御方法。
【請求項２】
電動機の給電電圧（ＵＭ）を、電動機の始動時に短い第１の時間範囲（０〜ｔ１）にわたって一定の第１の設定値（Ｕ１）に維持する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
電動機の給電電圧（ＵＭ）を、電動機の始動から第２の時間範囲（ｔ１〜ｔ２）にわたって、電動機の給電電圧（ＵＭ）の駆動値（Ｕ３）より小さく選定された第２の設定値（Ｕ２）に達するまで、有利には線形に上昇させる、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
電動機の給電電圧（ＵＭ）を、該電動機の給電電圧が第２の設定値（Ｕ２）に達した後、先行の時間範囲での上昇の傾きよりも小さな傾きで電動機の給電電圧の駆動値（Ｕ３）に達するまで有利には線形に上昇させ、続いて一定に保持する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
電動機の給電電圧（ＵＭ）の特性曲線を制御ユニット（２４）内に格納し、直流電圧電源網（１４，２０）の電源電圧（ＵＢ）のレベルを監視し、特性曲線（ＵＭ＝ｆ（ｔ））に相応に、電動機電流回路の調整素子（１８）に対する制御電圧（３４）を補正およびパルス幅振幅変調して送出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
電動機電流回路の調整素子（１８）としてセンスＦＥＴを用いる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
電動機の給電電圧（ＵＭ）の特性曲線の各セクションにおける傾きおよび持続時間を、電動機の駆動電圧の設定値および／または駆動回転数の設定値が設定された時間範囲内に達成されるように選定する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
電動機の給電電圧（ＵＭ）のパルス幅変調のオンオフ比の制御をソフトウェアによって行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
電動機の給電電圧（ＵＭ）の変化グラジエントを電源電圧（ＵＢ）のレベルから独立に固定の最大値へ向かって調整する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
設定された時点で電動機電流（Ｉ）を測定し、該電動機電流の測定値に相応に電動機の給電電圧（ＵＭ）の変化グラジエントの適合化を行う、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧電源網から給電される電動機の制御方法、特に、電動機電流回路の調整素子を介して車両の搭載電源に接続されそこから振幅変調電圧を給電されるファンモータの制御方法に関する。
【０００２】
こうした制御方法では、通常、半導体切換装置として構成されている電動機電流回路の調整素子を過負荷から保護することが知られている。このために、例えば独国特許第３４３３５３８号明細書には、過負荷から保護すべき素子のほか、パワートランジスタの損失電力を制限するために負荷電流回路にシャントを配置し、さらに、許容不能な高電流が生じた場合に主電極を通る電流を低減するためにパワートランジスタの制御区間を橋絡する切換素子を設けた回路装置が記載されている。ただしこの種の回路装置は、シャント（電流測定抵抗）よりも高価なプレシジョン抵抗を用いているので、煩雑でコストも高い。
【０００３】
また、車両分野では、車両の搭載電源から給電される直流電流電動機の電力消費を、有利には約２０ｋＨｚより高い不可聴域の周波数領域での給電電圧の時間制御により制限することが知られている。これは、電動機の給電電圧のパルス幅比を変更し、この給電電圧の端子電圧を制限することによって行われる。所定の電動機のノーマルモードでの電力消費量は既知であるので、直流電流電動機を静止状態から始動して最大回転数へいたらせるため、出力オンオフ比の傾きの時間制御が行われる。電動機の始動を保証するには、出力オンオフ比が直流電圧電源網の瞬時の電圧レベルから独立に、固定に設定されたオンオフ比から開始されなければならない。この固定のオンオフ比は、電動機の所望の加速に相応するよう、１００％のオンオフ比が達成されるまで、また付加的にそこから電動機の最大回転数に達するまで、所定の傾きによって上昇する。しかし、こうした電動機制御では、電源電圧が低いときには電動機の確実な始動が保証されないし、電源電圧が高いときには回路装置の電気素子（特に電動機電流回路の終段）に過負荷の危険が生じる。
【０００４】
こうした従来技術から出発して、本発明の基礎とする課題は、回路コストをできるだけ小さく保ちつつ、一方では電動機の確実な始動を保証し、他方では電動機の最大回転数までの高速回転を最適化して必要な高速回転時間および種々の直流電圧電源網の給電電圧のレベルにおいて生じる損失電力を低減することである。
【０００５】
この課題は本発明の請求項１に記載された特徴を有する制御方法により解決される。
【０００６】
本発明によれば、まず、ほぼ固定に設定された始動電圧のレベルでは電動機データが既知でありかつ電力消費量が既知であることにより、特に負荷電流回路の終段の過負荷を回避して、電動機の確実な始動を達成することができる。また、電源電圧のレベルから独立に、パルス幅変調のオンオフ比の特性曲線を設定し、電動機の給電電圧を時間制御することにより、当該の駆動フェーズにおいて、電動機の最適な加速が達成される。このとき、直流電圧電源網における給電電圧が高くても、過負荷は阻止される。
【０００７】
始動後、電動機の給電電圧が、最初は強くついで幾分緩やかに、最大回転数に達するまで上昇するように制御されることにより、損失電力が低減され、電動機の加速フェーズが改善される。電動機は迅速に高回転数に達し、その後は給電電圧の上昇ひいては電流消費の上昇が緩慢となって、全損失電力が低減される。電動機の給電電圧を制御するための特性曲線は、制御ユニット、特にマイクロコントローラに格納されている。マイクロコントローラは付加的に直流電圧電源網の電源電圧のレベルの測定を担当し、設定された特性曲線にしたがって、電動機の給電電圧を時間制御により適合化し、電動機電流回路の調整素子に対する制御電圧として補正されたパルス幅変調電圧を送出する。
【０００８】
以下に、本発明の方法の特徴および利点を、図示の実施例すなわち直流電流電動機の給電電圧を時間制御する回路装置およびこの回路装置を用いて得られる電圧特性および電流特性に則して説明する。
【０００９】
図１には、設定された特性曲線に相応に直流電流電動機の給電電圧を電源電圧に依存して時間制御する回路装置が示されている。図２には、本発明にしたがって制御される直流電流電動機の給電電圧の特性図が示されている。図３には、図２の給電電圧によって生じる電動機電流の時間特性図が示されている。
【００１０】
図１には、ファンに結合された電動機１０が示されており、これは例えば車両内の冷却ファンに対して用いられる。電動機１０の第１の端子は給電線路１２を介して直流電圧電源網の正極、ここでは車両の搭載電源の正極１４に接続されている。電動機１０の第２の端子は調整素子１８および給電線路１６を介して直流電圧電源網のアース２０へ接続されている。調整素子１８はこの実施例ではセンスＦＥＴの形態に構成されている。また、電動機１０は、給電電流回路における電流遮断時に電動機電流を引き受け、電圧ピークを抑圧するフリーホイーリングダイオード２２により橋絡されている。ここでは電動機に印加される給電電圧はＵＭ、電動機電流はＩで示されている。
【００１１】
電動機１０の制御はマイクロコントローラとして構成された制御ユニット２４により行われる。図１では、当該の制御ユニットのうち、Ａ／Ｄ変換器２６、特性曲線メモリ２８およびクロック周波数発生器を集積したパルス幅変調器３０のみが示されている。制御ユニット２４は直流電圧電源網の正極１４とアース２０とのあいだに接続され、電源直流電圧ＵＢのレベルを監視している。制御ユニット２４は制御入力側３２を介して電動機を始動させるための始動信号３３を受け取り、制御出力側３４にパルス幅変調器３０で形成された調整素子１８に対する制御信号を送出する。この実施例では調整素子１８は付加的な測定電極を備えたセンスＦＥＴとして構成されており、これにより電動機電流Ｉのレベルが検出され、制御ユニット２４の入力側３６へ供給される。こうした電動機電流の監視装置は特に電動機の遮断や回転渋滞に対して用いられるが、そのことは独国公開第１０３２６７８５明細書にも記載されているので、ここでこれ以上詳細には説明しない。
【００１２】
図１には本発明の方法を実行する回路装置のブロック図が示されている。
【００１３】
端子１４，２０に例えば車両の搭載電源で形成された可変の直流電圧ＵＢが印加される。定格電圧１２Ｖの搭載電源の電圧は、接続されたバッテリの充放電状態に応じて、またその他の駆動条件および周囲条件にしたがって、９Ｖ〜１６Ｖの範囲で変動する。当該の電圧変動は本発明により補償される。このために２つの端子３８，４０間の電源直流電圧ＵＢが制御ユニット２４により取り出され、Ａ／Ｄ変換器２６でディジタル信号へ変換される。電動機１０の始動は制御ユニットの制御入力側３２に供給される始動信号３３により開始される。この始動信号により、制御ユニット２４の制御出力側３４に、第１の短い時間範囲０〜ｔ１にわたって、固定に設定された電動機の始動電圧が送出される。始動電圧のレベルおよび調整素子１８に対する制御電圧のレベルはパルス幅変調器３０のオンオフ比により定められる。ここから調整素子１８のオン時間および電動機電流Ｉの大きさも定められる。特性曲線の時間特性については図２，図３に則して後述する。
【００１４】
短い第１の時間範囲０〜ｔ１にわたって電動機１０の給電電圧は一定であり、この第１の時間範囲が終了した後、制御電圧のオンオフ比は線形に増大される。ここで増大の傾きは、測定された電源直流電圧ＵＢの大きさに依存して、第２の時間範囲ｔ１〜ｔ２後に電動機１０の駆動電圧Ｕ３よりも低い電動機の給電電圧の設定レベルＵ２が達成されるように選定される。
【００１５】
第３の時間範囲ｔ２〜ｔ３においても調整素子１８に対する制御電圧のオンオフ比は線形に増大されるが、ここでの傾きは先行の第２の時間範囲での傾きに比べて緩やかに選定され、電動機１０の駆動電圧Ｕ３にいたる。持続動作における電動機の駆動電圧の大きさは調整素子に対する制御電圧のオンオフ比を選定することにより有利には固定値に制限され、例えば車両の１２Ｖ搭載電源においては１４Ｖである。電源電圧ＵＢが低くて当該の値が達成されない場合、オンオフ比１００％として電動機の給電電圧のレベルが定められる。これに代えて、電動機の大きな出力が所望されており、充分な大きさの電源電圧が存在する場合には、電動機の高電圧での持続動作が許容され、駆動電圧を例えば１６Ｖとすることもできる。
【００１６】
本発明の直流電流電動機の電圧変動の時間制御方法では、上述したように、給電電圧の上昇の傾きを電動機電流のレベルに合わせて調整するのみで電圧変動が補償される。ここでは電動機が遮断されたり回転渋滞が発生したりした場合の許容不能に大きな電流上昇は考慮されていない。ただしこの大きな電流上昇の問題は基本的に良く知られており、例えば独国公開第１０３２６７８５号明細書に記載されているように、回路装置において調整素子としてセンスＦＥＴを用い、電動機電流の上昇の傾きおよび電動機電流の絶対値を監視し、必要に応じて制限することができる。こうした電流制限を本発明の制御方法に付加的に利用してもよい。センスＦＥＴによって達成される測定精度は少なくとも過負荷または遮断が発生した場合の電動機電流の監視に対しては充分である。さらに、前述した電動機のノーマルモードでは給電電圧の変化グラジエントが設定されており、設定時点ｔ１，ｔ２，ｔ３で所定の電圧値Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が達成されるように制御されているが、これに代えて、本発明の方法において、センスＦＥＴを調整素子１８として用い、電動機電流を測定することにより、給電電圧の変化グラジエントを測定された電動機電流に依存して所定の時点でまたは持続的に適合化することもできる。
【００１７】
図２には、電動機１０に印加される給電電圧ＵＭの時間特性が示されている。この電動機電圧は制御ユニット２４の特性曲線メモリ２８に格納されている調整素子１８に対する制御電圧の特性曲線に相応する。図２のグラフには車両の１２Ｖ電源からファンモータへの給電を行う場合の特性曲線が示されている。ここで、給電電圧ＵＭは、時点ｔ１まで持続時間０．２５ｓにわたって一定の値Ｕ１＝２．６Ｖに維持されている。その後、給電電圧ＵＭは、時点ｔ２（４ｓ後）まで第１の傾きで線形に値Ｕ２＝１０Ｖへ向かって増大し、時点ｔ２から時点ｔ３（１０ｓ後）まで低減された第２の傾きで線形に値Ｕ３＝１４Ｖへ向かって増大している。時点ｔ３後、給電電圧ＵＭは一定に維持されている。
【００１８】
図３には、図２の給電電圧ＵＭによって生じる電動機電流Ｉの時間特性が示されている。この図からわかるように、電動機電流Ｉは、静止状態での値Ｉ０＝約２８Ａから出発して、給電電圧一定の始動フェーズにおいて時点ｔ１までに値Ｉ１＝約２２Ａへ低下し、その後、時点ｔ２の値Ｉ２＝約３６Ａへ向かって指数的に増大する。続いて、電動機電流Ｉは、電動機に蓄積された力学的エネルギに基づいて、給電電圧の傾きの低減にともなって、いったんいくらか低下するものの、時点ｔ３までに値Ｉ３＝約４８Ａへ達する。加速フェーズが終了した後、持続動作における電動機電流は値Ｉ３より幾分低いＩｎ＝約４５Ａの値をとる。こうした車両用ファンモータの定格回転数約３０００Ｕ／ｍｉｎ〜４０００Ｕ／ｍｉｎは、始動から１０ｓ後、定格電圧１４Ｖで達成される。ここで、図２のような折れ曲がった傾きの給電電圧が印加される場合の電動機の全損失電力は始動電圧Ｕ１から駆動電圧Ｕ３まで一定の傾きを有する給電電圧が印加される場合の電動機の全損失電力よりも低い。なぜなら高電流および高電圧の領域の損失が低減されるからである。
【００１９】
図１に示されている、直流電圧電源網から変動する電圧ＵＢを給電される電動機１０を制御するための回路装置においては、他の付加的な素子、例えばノイズ除去のためのチョークコイルまたはコンデンサまたは直流電圧電源網への誤接続防止のためのスイッチング手段などは省略されている。また電動機の遮断または回転渋滞などに対する周知の保護手段や、パルス幅変調器３０に対するクロック周波数発生器（共振器）などの制御ユニット２４の素子群も、図を見やすくするために示されていない。
【００２０】
一般に用いられている電動機は定められた最小電圧が得られてから回転を開始するので、周知の手法では、始動時にただちに当該の最小電圧が電動機へ印加されている。しかし、本発明の方法では、電動機の確実な始動に必要な最小電圧は瞬時の電源電圧から独立に定義される。本発明の最小電圧は設定された時間にわたって一定に保持され、その後、有利には線形の傾きを有する時間制御された少なくとも１つの給電電圧ＵＭが、直流電圧電源網の給電電圧ＵＢの瞬時レベルに依存するオンオフ比を有する制御電圧に相応に印加される。こうした電動機の給電電圧ＵＭは、マイクロコントローラである制御ユニット２４から、ソフトウェアによってオンオフ比を変更することにより低コストで実現される。
【００２１】
したがって電源電圧ＵＢを測定し、この電源電圧に依存する調整素子に対する制御電圧のオンオフ比を調整することにより、時間範囲０〜ｔ１にわたって一定のレベルの始動電圧が形成される。遮断を識別するために、始動電圧の増大の行われない当該の時間範囲において、エラーの識別およびエラーへの対処のための応答時間が得られる。場合により発生する、調整素子の終段に対する許容値を超えない既知のレベルの遮断電流は無視してもよい。他方で、給電電圧の設定レベルＵ１および設定時間により電動機の始動時に発生する摩擦力は確実に克服されなければならない。さらに、電源電圧が小さいときには、迅速に電動機の高速回転を実現することができる。これにより電動機の給電電圧が大きいときに電動機電流ひいては終段の負荷が設定された高速回転時間において過度に大きくなることが回避される。
【００２２】
給電電圧ＵＭについて、時間領域ｔ１〜ｔ２の第１の傾きとこの傾きよりも小さい時間領域ｔ２〜ｔ３の第２の傾きとを形成することにより、電動機電流は小さな変動および線形の傾きからの小さな偏差しか有さなくなる。こうして、特に電流曲線が高電流および高電圧の領域で大きな傾きを有することが回避され、全体的な損失電力が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】直流電流電動機の給電電圧を時間制御する回路装置を示す図である。
【図２】直流電流電動機の給電電圧の特性図である。
【図３】図２の給電電圧によって生じる電動機電流の時間特性図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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