(57)【要約】  本発明は、上部に永久磁石（１２ａ）を備えたロータ（１２）および巻線を備えたステータを有するブラシレスＤＣモータの制御装置に関する。本発明によれば、巻線温度（Ｔ＿Ｗ）が求められ、第１の監視回路（２８）により巻線温度に依存して永久磁石の推定温度（Ｔ＿Ｍ）が求められ、この永久磁石の推定温度に依存してＤＣモータを制御するための制御信号が求められる。
2008543270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に永久磁石（１２ａ）を備えたロータ（１２）および巻線を備えたステータを有するブラシレスＤＣモータの制御装置において、
巻線温度（Ｔ＿Ｗ）が求められ、
第１の監視回路（２８）により該巻線温度に依存して永久磁石の推定温度（Ｔ＿Ｍ）が求められ、該永久磁石の推定温度に依存してＤＣモータを制御するための少なくとも１つの制御信号が求められる
ことを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項２】
前記第１の監視回路（２８）はＰＴ１素子（２９）を含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ＰＴ１素子（２９）の少なくとも１つのパラメータはＤＣモータ（１）の少なくとも１つの負荷パラメータ（ＬＧ）に依存して定められる、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの負荷パラメータ（ＬＧ）は回転数および／または巻線を通る電流の値である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
さらに、第２の監視回路（２７）により、ＤＣモータ（１）のスイッチオン時の永久磁石の推定初期温度（Ｔ＿Ｓ）が当該のＤＣモータ（１）の最後のスイッチオフからの時間に依存して求められる、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記巻線温度（Ｔ＿Ｗ）が当該の巻線を通る電流の値に依存して求められる、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
上部に永久磁石（１２ａ）を備えたロータ（１２）および巻線を備えたステータを有するブラシレスＤＣモータの制御方法において、
巻線温度（Ｔ＿Ｗ）を求め、
第１の監視回路（２８）により該巻線温度に依存して永久磁石の推定温度（Ｔ＿Ｍ）を求め、該永久磁石の推定温度に依存してＤＣモータを制御するための少なくとも１つの制御信号を求める
ことを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はブラシレスＤＣモータの制御装置およびブラシレスＤＣモータの制御方法に関する。
【０００２】
ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣモータ）はロータ内に永久磁石を有する電動機である。ブラシレスＤＣモータではロータが励磁磁界を形成し、ステータの３相巻線がインバータから給電され３相電流を供給する。ブラシレスＤＣモータは自己制御型の電動機であり、駆動に回転角センサを要する。電機子電流は永久磁石の磁界とともに時間的にできるかぎり一定のトルクを形成する。ステータ磁界の切り換えはインバータによりロータ位置または極性プレート位置に依存してステータの３相電流の発生位置とロータ磁界とのあいだに一定の電気的角度π／２が生じるように行われる。極性プレート位置は有利にはセンサを介して検出されるか、または、端子電圧および／または端子電流から導出される。ブラシレスＤＣモータの駆動特性はＤＣモータの駆動特性に相応する。ブラシレスＤＣモータはきわめて良好なダイナミクスを有しており、簡単に制御可能である。ブラシレスＤＣモータには摩耗がなくメンテナンスフリーだからである。
【０００３】
ブラシレスＤＣモータは特に車両のパワーステアリングに用いられている。パワーステアリングとはドライバーの操舵力を増幅するように構成された装置である。当該の操舵力の増幅はブラシレスＤＣモータを介して電気機械的に行われる。パワーステアリング部はトルクセンサを含み、このトルクセンサによりドライバーがステアリングホイールへ伝えたトルクの実際値が検出され、このトルクの実際値が車両の種々の駆動パラメータに依存する増幅度係数によって増幅され、続いてブラシレスＤＣモータが相応に駆動される。ブラシレスＤＣモータは有利には伝達装置を介して車両のステアリング装置へ結合されている。ブラシレスＤＣモータから送出されるトルクが均等ではないと、ドライバーはその不均等をステアリングホイールの引っかかりとして認識してしまう。トルクの均等性は快適な運転にとって重要である。こうしたトルクの不均等性をトルク変動と称する。
【０００４】
独国公開第１９９３８６７８号明細書から、ブロック整流（Blockkommutierung）の電圧によって駆動されるブラシレスＤＣモータの制御方法および制御装置が公知である。ＤＣモータは、ブロック整流電圧がモータ回転数およびその電流消費量に依存して変化するように駆動される。このためにテーブルが設けられており、このテーブルから、ＤＣモータの巻線の切り換え時に回転数Ｎおよび電流値に依存して変更すべきパルス幅が読み出され、相応に制御される。
【０００５】
また、独国公開第１０１２６４７０号明細書から、操舵力を増幅する装置を備えたステアリング装置が公知である。操舵力を増幅する装置は電子整流子電動機、特にＢＬＤＣモータである。ＢＬＤＣモータは電流によって駆動制御される。発生する電圧は電流目標値、回転数目標値およびモータ温度に依存して求められる。
【０００６】
本発明の課題は、ブラシレスＤＣモータの正確な制御を行える制御装置および制御方法を提供することである。
【０００７】
この課題は本発明の独立請求項に記載された特徴を有する制御装置および制御方法により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明は、ロータ上部に永久磁石を備えたロータおよび巻線を備えたステータを有するブラシレスＤＣモータの制御装置および制御方法に関しており、本発明によれば、巻線温度が求められ、第１の監視回路により巻線温度に依存して永久磁石の推定温度が求められ、この永久磁石の推定温度に依存してＤＣモータを制御するための少なくとも１つの制御信号が求められる。
【０００９】
本発明は、永久磁石の特性がその温度に依存して変化し、永久磁石の温度を考慮しないとＤＣモータの制御のための制御信号が一定であっても温度によって種々のトルクが生じてしまうという知識を基礎としている。ここで、永久磁石の温度は簡単に検出可能な巻線温度から求めることができる。したがって、付加的なセンサを設けなくても、発生するトルクをきわめて正確に調整できる。
【００１０】
本発明はさらに、ブラシレスＤＣモータの短時間動作においてステータとロータとのあいだに大きな温度差が発生するという知識を基礎としている。この温度差はトルク特性に影響を与えるので、トルク（モーメント）の振幅および特性が変化する。永久磁石の温度が形成されるトルクに与える影響は巻線温度が形成されるトルクに与える影響よりも格段に大きい。
【００１１】
本発明の有利な実施形態によれば、第１の監視回路はＰＴ１素子を含む。このようにすれば永久磁石の推定温度を特に簡単かつ正確に求めることができる。
【００１２】
この点について、有利には、ＰＴ１素子の少なくとも１つのパラメータがＤＣモータの少なくとも１つの負荷パラメータに依存して定められるようにする。このようにしてＤＣモータの負荷領域のほぼ全体にわたって、永久磁石の温度変動に依存しないきわめて正確な制御が保証される。
【００１３】
特に有利には、負荷パラメータはＤＣモータの回転数または巻線を通る電流の値である。これらは簡単に求めることができ、しかもＤＣモータの負荷に依存する特性をきわめて良好に表す。
【００１４】
本発明の別の有利な実施形態によれば、ＤＣモータのスイッチオン時の永久磁石の推定初期温度を最後のスイッチオフからの時間に依存して求める第２の監視回路が設けられる。永久磁石の推定初期温度は、特にＤＣモータの最後のスイッチオフから新たなスイッチオンまでの時間が短い場合、ＤＣモータの新たなスイッチオンの直後に高い品質で求められるため、トルクの迅速かつ正確な調整が保証される。
【００１５】
本発明の別の有利な実施形態によれば、巻線温度は巻線を通る電流の値に依存して求められる。これにより有利には付加的なセンサを用いなくても巻線温度を求めることができる。
【００１６】
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。図１にはブラシレスＤＣモータおよびその制御装置が示されている。図２には図１のブラシレスＤＣモータを制御するプログラムのフローチャートが示されている。
【００１７】
図１，図２を通して同じ構造および同じ機能を有する素子には同じ参照番号を付してある。
【００１８】
ブラシレスＤＣモータ１は持続的に励磁されるロータ１２と３つのストランド１３〜１５を備えたステータとを有する。ここでステータの各ストランドにかかる負荷はそれぞれインダクタンス１７および抵抗１８によって表されている。３つのストランド１３〜１５は有利には星形に接続されている。ロータ１２には１つまたは複数の永久磁石１２ａが配置されている。
【００１９】
ブラシレスＤＣモータの制御装置２は決定ユニット２１、３つの制御ユニット２２〜２４およびパルス幅変調発生器２５を有する。
【００２０】
決定ユニット２１は、供給される駆動パラメータ、例えばブラシレスＤＣモータの駆動回転数ＮまたはブラシレスＤＣモータの送出するトルクＴＱに依存して、いずれの制御モードＣＴＲＬでブラシレスＤＣモータを駆動すべきかを決定する。制御装置２には、ブラシレスＤＣモータの組み込まれた車両のドライバーがステアリングホイールに結合されたロッドに形成したトルクを検出するトルクセンサ７が配属されている。当該のトルクおよび場合により別の駆動パラメータに依存してブラシレスＤＣモータにより形成されるトルクＴＱが求められる。
【００２１】
ブラシレスＤＣモータの制御装置２にはさらに、ロータ１２の角度位置を検出する位置センサ３が配属されている。検出された角度位置の時間特性に依存して回転数Ｎが求められる。位置センサ３はホールセンサ、磁気抵抗センサ、光学センサまたはいわゆるレゾルバとして形成することができる。
【００２２】
決定ユニット２１はいずれの制御ユニット２２〜２４がパルス幅変調発生器２５に対して制御信号を形成するかを決定する。この決定は制御モードＣＴＲＬに依存して行われる。制御モードＣＴＲＬとして、正弦波電流または矩形波電流が印加されるモードＳＩＮＴＲＡＰでは第１の制御ユニット２２が制御信号を形成し、移行が行われるモードＴＲＡＮＳでは第２の制御ユニット２３が制御信号を形成し、さらにブロック整流が行われるモードＢＬＯＣＫでは第３の制御ユニット２４が制御信号を形成する。
【００２３】
パルス幅変調発生器２５は自身に配属されているブリッジ回路を介してブラシレスＤＣモータ１の各ストランド１３〜１５へ電圧信号を印加する。
【００２４】
また各ストランド１３〜１５の電流を検出する２つの電流センサ６，８を設けてもよい。
【００２５】
ブラシレスＤＣモータの制御装置２はさらに、各ストランド１３〜１５の巻線温度Ｔ＿Ｗを求める巻線温度計算ユニット２６を有する。このために有利には各巻線または少なくとも１つの巻線に温度センサ、特にＮＴＣ抵抗が熱結合されている。これに代えて、各ストランド１３〜１５を通る電流を検出して巻線温度Ｔ＿Ｗを求めることもできる。ここで有利には、抵抗を介した電圧降下が良好にモデル化されており、巻線のオーミック抵抗の既知の温度依存性に基づいて簡単に巻線温度Ｔ＿Ｗを求めることができるという知識が利用されている。巻線温度Ｔ＿Ｗは巻線の誘導性の電圧降下を無視することのできる駆動フェーズにおいて特に簡単に求めることができる。
【００２６】
ブラシレスＤＣモータの制御装置２にはさらに、ＤＣモータのスイッチオン時に最後のスイッチオフ時点ｔ＿ｏｆｆおよび新たなスイッチオン時点ｔ＿ｏｎに依存して永久磁石１２ａの推定初期温度Ｔ＿Ｓを求める監視回路２７が設けられている。監視回路２７は有利にはＤＣモータのスイッチオフ後の永久磁石の冷却特性を表すフィルタを含む。当該のフィルタのパラメータは試行により経験的に求められ、有利にはブラシレスＤＣモータの制御装置２のデータメモリ内に格納される。フィルタは例えばＰＴ１フィルタであるが、他の適切なフィルタであってもよい。
【００２７】
また、ブラシレスＤＣモータの制御装置２には、巻線温度Ｔ＿Ｗに依存して永久磁石１２ａの推定温度Ｔ＿Ｍを求める別の監視回路２８が設けられている。監視回路２８は有利にはフィルタを含む。当該のフィルタのパラメータは簡単な実施例では固定に設定されるが、有利にはブラシレスＤＣモータの少なくとも１つの負荷パラメータＬＧに依存して求められる。負荷パラメータからのフィルタパラメータの取得は有利には少なくとも１つの特性量に依存する特性曲線または特性マップ２９を用いて行われる。特性曲線または特性マップ２９は有利には試行またはシミュレーションにより予め求められており、ブラシレスＤＣモータの制御装置２のデータメモリ内に格納されている。
【００２８】
第１の監視回路２８のフィルタは有利には比例パラメータＰおよび遅延パラメータＴ１を有するＰＴ１フィルタ（ＰＴ１素子）である。負荷パラメータＬＧは有利にはブラシレスＤＣモータのロータ１２の回転数および／または巻線を通る電流であるが、ブラシレスＤＣモータの他の任意の負荷パラメータであってもよい。
【００２９】
監視回路２８のフィルタは巻線温度Ｔ＿Ｗをフィルタリングし、永久磁石１２ａの推定温度Ｔ＿Ｍを求めるように構成されている。特にブラシレスＤＣモータの短時間の遮断後であって永久磁石１２ａの温度が巻線温度と異なっている場合には、永久磁石の初期温度Ｔ＿Ｓが永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍを求める際に考慮される。有利には監視回路２８のフィルタには短時間の遮断後の初期値としてさしあたり巻線温度Ｔ＿Ｗに代えて永久磁石の初期温度Ｔ＿Ｓが供給される。
【００３０】
ブラシレスＤＣモータの制御プログラムはブラシレスＤＣモータの制御装置に記憶されており、ブラシレスＤＣモータの駆動の際に処理される。図２には本発明のプログラムのフローチャートが示されている。このプログラムは種々の変数を初期化するステップＳ１で開始される。
【００３１】
ステップＳ２ではブラシレスＤＣモータの駆動回転数Ｎが第１の閾値ＳＷ１より大きいか否かが検査される。第１の閾値ＳＷ１は有利にはブラシレスＤＣモータのフリーホイーリング回転数の約１／３に相応するように選定されている。ステップＳ２の条件が満足されない場合、ステップＳ３で正弦波電流または矩形波電流を印加する制御モードＳＩＮＴＲＡＰが行われる。
【００３２】
ついでステップＳ７でパルス幅変調発生器２５に対する制御信号ＰＷＭが形成される。この制御信号は各ストランド１３〜１５の電流目標値Ｉ＿ＳＰおよび永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍに依存して行われる。これに代えて、電流目標値Ｉ＿ＳＰを永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍに依存して求めてもよい。電流目標値Ｉ＿ＳＰはブラシレスＤＣモータから送出されるトルクＴＱおよび場合によりブラシレスＤＣモータの駆動回転数Ｎに依存して求められる。有利にはブラシレスＤＣモータのモデルが設けられ、これを用いて電流目標値Ｉ＿ＳＰまたは電流の正弦波特性または矩形波特性に依存して制御信号ＰＷＭが求められる。モデルは有利にはブラシレスＤＣモータでの試行またはシミュレーションにより求められ、ブラシレスＤＣモータの制御装置２内に固定に格納される。
【００３３】
各ストランド１３〜１５に正弦波電流または矩形波電流を印加することにより、低回転数領域において、つまり第１の閾値ＳＷ１よりも低い回転数の領域において、特に均等なトルクがブラシレスＤＣモータによって形成される。
【００３４】
これに代えてまたはこれに加えて、相応の電流センサ６，８を設けて電流を制御することもできる。この場合、パルス幅変調発生器２５に対する制御信号ＰＷＭは電流目標値Ｉ＿ＳＰと電流実際値Ｉ＿ＡＶとの差に依存して求められる。電流センサによって電流実際値Ｉ＿ＡＶが正確に検出されれば、各ストランド１３〜１５における電流特性をいっそう正確に調整することができる。
【００３５】
ステップＳ２の条件が満足される場合、すなわち、ブラシレスＤＣモータの駆動回転数Ｎが第１の閾値ＳＷ１よりも大きい場合、ステップＳ４においてブラシレスＤＣモータの駆動回転数Ｎが第２の閾値ＳＷ２よりも大きいか否かが検査される。
【００３６】
ステップＳ４の条件が満足される場合、ステップＳ６においてブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫにより電圧が設定される。
【００３７】
この場合、ステップＳ９において、パルス幅変調発生器２５に対する制御信号ＰＷＭは、回転数Ｎおよび永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍに依存してまたはブラシレスＤＣモータの送出するトルクＴＱおよび永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍに依存して形成される。ここではブロック整流電圧が印加される。つまり、ブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫでは、各ストランド１３〜１５に対して１２０゜の電圧ブロックおよび６０゜のギャップまたは１８０゜の電圧ブロックが印加される。これは永久磁石の推定温度Ｔ＿ＭおよびブラシレスＤＣモータの駆動回転数Ｎに依存してまたはブラシレスＤＣモータの送出するトルクＴＱおよび永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍに依存して行われる。
【００３８】
個々のストランド１３〜１５にブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫで印加される電圧レベルはパルス幅変調発生器２５により回転数Ｎおよび／またはブラシレスＤＣモータの形成するトルクＴＱに依存して調整される。
【００３９】
ブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫでは、ブラシレスＤＣモータ１は正弦波電流または矩形波電流を印加する制御モードＳＩＮＴＲＡＰよりも約２５％高い効率で駆動される。コンパクトに構成されるブラシレスＤＣモータは高い回転数Ｎおよび高いトルクＴＱで駆動される。ブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫは回転数ＮがブラシレスＤＣモータのフリーホイーリング回転数の２／３に相応する第２の閾値ＳＷ２よりも大きいときにのみ導入され、これにより、ブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫのあいだトルクの不均一性がきわめて小さくなることが保証される。
【００４０】
その後ステップＳ１０でプログラムが終了する。図２のプログラムは有利には設定時間の経過後に新たに処理される。
【００４１】
ステップＳ４の条件が満足されない場合、移行の制御モードＴＲＡＮＳが制御される。
【００４２】
ステップＳ８では、パルス幅変調発生器２５に対する制御信号ＰＷＭは、永久磁石の推定温度Ｔ＿Ｍ、ブラシレスＤＣモータの駆動回転数Ｎ、ブラシレスＤＣモータの形成するトルクＴＱ、各ストランドを通る電流の目標値Ｉ＿ＳＰおよび実際値Ｉ＿ＡＶに依存して調整される。回転数が上昇するにつれて、正弦波電流および矩形波電流を印加する制御モードＳＩＮＴＲＡＰからブロック整流の制御モードＢＬＯＣＫへの滑らかな移行が行われる。移行領域における駆動制御は、試行によって予め求められ格納された情報に依存して行われる。
【００４３】
ブラシレスＤＣモータの制御装置の特に簡単な構成によれば、制御モードとして、正弦波電流の閉ループ制御またはブロック整流の制御が導入される。どちらの制御モードを行うかはフリーホイーリング回転数の約１／２に相応する回転数閾値に依存して決定される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ブラシレスＤＣモータおよびその制御装置の概略図である。
【図２】ブラシレスＤＣモータを制御するプログラムのフローチャートである。
【図１】
2008543270.tif 000003
【図２】
2008543270.tif 000004
【国際調査報告】
2008543270.tif 000005
2008543270.tif 000006
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2008543270.tif 000008
2008543270.tif 000009
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