(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子的にスイッチされるモーターであって、
３相駆動巻線（１２）を備えた固定子−回転子アセンブリ（１０、１２）を有し、さらに、該巻線に電力を供給するための直列のスイッチ（２０、２２）と、参照速度（Ｖc）でモーターの速度を調節するのに適した制御手段（２６、２８、３２）とを有し、
該制御手段（２６、２８、３２）は、
固定子（１２）と回転子（１０）の相対速度をモニタリングするための手段（１８、２６、２８）と、
反復されるシーケンスに従って各スイッチ（２０、２２）をオンとオフにスイッチさせる手段とを含み、
該シーケンスは、該速度モニタリング手段（１８、２６、２８）によって供給される信号（Ｖc、Ｖm）の関数として駆動巻線へ電力供給するように選択されており、該シーケンスは、該速度モニタリングの関数であるデューティ比を持つオン／オフパルスの連続を含んでおり、
該制御手段が、該モニタリング手段（１８、２６、２８）によって発せられる信号に応答してスイッチ（２０、２２）を制御する２つのモードを発生させるのに適しており、
第一のモードが、
スイッチ制御シーケンスの１／３の間継続するアクティベーション期間の間、各スイッチがオンであるか、または各スイッチがオンパルスの連続によって制御されるというモードであり、かつ、
第二のモードが、
該シーケンスの１／３の前記期間とシーケンスの１／３の該期間より早い期間とを加えたものを含むアクティベーション期間の間、各スイッチ（２０、２２）がオンであるか、または各スイッチがオンパルスの連続によって制御されるというモードであり、
第二のスイッチ制御モードのシーケンスが、スイッチオン状態を持っており、該スイッチオン状態が、第一のモードの最終稼動のシーケンスにおけるスイッチのオン状態を含んでおり、かつ、前記オン状態のうちの１つによって直接的に延長された、位相の早いオンパルスの連続、またはオン状態を含み、
第一のモードから第二のモードへの切り替わりにおいて、第二モードの第一稼動のシーケンスのオン／オフのシーケンスでは、第一モードの最後の稼動のシーケンスと同じデューティ比を含み、かつ、非ゼロ時間の区間の間、前記オン状態のうちの１つによって直接的に延長され位相の早いオンパルスの連続、またはオン状態を含み、
前記切り替わりにおいて、早い方の期間は２０％〜６０％の範囲にあるデューティ比のパルスの区間であることを特徴とする前記モーター。
【請求項２】
第一のモードから第二のモードへの移り変わりにおいて、スイッチのオン／オフのシーケンスが、第一のモードと第二のモードの両方において同一であることを特徴とする、請求項１に記載のモーター。
【請求項３】
制御手段が、速度モニタリング手段によって発せられる信号の関数として位相の早いオンパルスの連続を、またはオン状態の継続時間を、変化させるのに適していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモーター。
【請求項４】
第一のモードが、各スイッチのアクティベーション期間の１／３が一連のパルスで構成され、それに続く前記期間の２／３がスイッチ（２０、２２）の連続オン状態で構成されているモードであることを特徴とする、請求項１に記載のモーター。
【請求項５】
上記の早い方の期間が、シーケンスの１／６の間継続することを特徴とする、請求項４に記載のモーター。
【請求項６】
第一のモードから第二のモードへの切り替わりにおいて、早い方の期間が、２０％〜６０％の範囲にあるデューティ比を持つオンパルスを有する時間区間であることを特徴とする、請求項３と合わせた請求項５に記載のモーター。
【請求項７】
第一のモードから第二のモードへの切り替わりにおいて、早い方の期間が、約４０％のデューティ比を持つオンパルスを有する時間区間であることを特徴とする、請求項６に記載のモーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、高効率および低コストが同時に必要とされる用途のための、「ブラシレス」モーターとしても公知の、電子的にスイッチされるモーターに関する。本発明は、非常に変化する流量における圧力下での作動液体でアクチュエータまたはサーボモーター送りポンプを駆動するために、自動車産業で主に適用されるが、これに制限されない。
【０００２】
図１は、従来の電子的にスイッチされるモーターの例を示す。図によると、モーターは永久磁石の回転子１０と固定子とを含み、この固定子は３つの巻線１２と位置センサ１８とを有する。スイッチのブリッジを形成する３方ブランチ制御モジュールは、直流（ＤＣ）電源１６から巻線１２に電力を供給するよう働く。各ブランチは２つの直列に接続されたスイッチ２０および２２を有し、電圧源１６と接地との間には種々のブランチが接続されている。各スイッチ自体はフリーホイールダイオード２４と並列に接続されている。
【０００３】
図１の回路は、減算器２６をさらに有し、この減算器は、速度参照値を与えるデジタル信号ＶCを受ける一方の入力と、回転子１０の速度を表すデジタル信号を受けるデジタル信号Ｖmを受ける他方の入力とを有する。該信号Ｖmは、位置センサ１８からの出力信号を受ける計算器２８によって発せられる。
【０００４】
計算器２８は、デジタル信号をその出力３０に発するように設計され、このデジタル信号はオープニングのデューティ比を表すか、または連続したアクティベーション（activation；活化、作動）の期間中に巻線１２へと供給される周期的な電圧パルスのＲＣＯを表す。この信号は、減算器２６によって供給された制御偏差信号εvに基づいて発生される。電力供給スイッチ２０および２２を制御する回路３２は、ＲＣＯの値に基づいて、ならびに回転子の位置を特定するセンサ１８によって発せられる信号に基づいて、さらにまた周波数制御および同期信号３４に基づいて、スイッチ閉鎖信号を発生させる。
【０００５】
このような回路を制御する幾つかの方法、特に、いわゆる１２０°モード、およびいわゆる１８０°モードが既に公知である。
【０００６】
１２０°タイプモードでは、このモジュールは、デューティ比（これは速度を調節するように変化する）を呈する周期的な電圧パルスをモーターの各位相に連続して供給するが、種々の位相に電力が供給される期間には、時間のオーバラップは全く無く、ある方向そしてその反対方向に同じ位相が供給される連続的な期間があり、これらの期間は、前記位相が電力を受けない間の期間で分断されている。
【０００７】
電力供給モードは、高効率を与えるという利点を示す。しかしながら、高いトルクは低速でしかを得ることができない。おおよそ一定であるトルクを与える、速度の関数としてのトルクの稼動特性を、１２０°タイプの制御は備えるが、一定の電力での稼動に近づく特性を有することが望ましいだろう。
【０００８】
デューティ比が１００％に達すると、電流を増加させることでしかトルクの増加を得ることができず、電流自体をモーターベアリングの強度に合致した値に制限しなければならない。
【０００９】
高速回転で非常に高いトルク値を必要とする用途では、いわゆる「１８０°タイプモード」制御が用いられる。そのモードでは、各スイッチがアクティベート（activate；活化、作動）されている期間は、３つの位相の全てに電力が同時に供給される期間であり、一方向にまたは他の方向に各位相へ電力が連続的に供給される期間である。このために、いわゆる１８０°タイプモードは、１２０°タイプモードの電力供給に存在する、電力が供給されていない期間を埋める。
【００１０】
しかし、モーターに軽く負荷がかかっている場合、１８０°タイプモードは減少した効率を示し、これは、特に、ジュール効果損失を増大させる大きな無効成分が存在することに起因する。
【００１１】
本発明の目的は、高速回転で高トルクを示し、低速で低損失を示すような様式で制御される同期電気モーターを提案することである。
【００１２】
本発明の第二の目的は、制御手段が２つのモード間のスイッチング時に突発的なトルク変化または速度変化をいずれも生じないモーターを提案することと、複雑な電子制御手段を必要とすることなくこれを達成することである。
【００１３】
本発明によれば、本発明の目的は電子的にスイッチされるモーターによって達成され、該モーターは、３相駆動巻線を備えた固定子−回転子アセンブリを有し、さらに、該巻線に電力を供給するための直列のスイッチと、参照速度でモーターの速度を調節するのに適した制御手段とを有し、該制御手段は、固定子と回転子の相対速度をモニタリングするための手段と、反復されるシーケンスに従って各スイッチをオンとオフにスイッチさせる手段とを含み、該シーケンスは、該速度モニタリング手段によって供給される信号の関数として駆動巻線へ電力供給するように選択されており、該シーケンスは、該速度モニタリングの関数であるデューティ比を持つオン／オフパルスの連続を含んでおり、当該モーターの特徴は、該制御手段が、該モニタリング手段によって発せられる信号に応答してスイッチを制御する２つのモードを発生させるのに適しており、第二のスイッチ制御モードのシーケンスが、スイッチオン状態を持っており、該スイッチオン状態が、第一のモードの最終稼動におけるスイッチのオフ状態を含んでおり、かつ、前記オン状態のうちの１つによって直接的に延長され位相の進んだオンパルス（オンのパルス）の連続、またはオン状態を含んでいることである。
【００１４】
このようなモーターは、モード間の移り変わりを円滑にするための集中的な計算を必要としないので特に有利である。
【００１５】
本発明の他の特徴、目的および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで明らかとなるだろう。
・図１は、従来の構造のスイッチング制御手段を備えたモーターの電気回路図である。
・図２は、本発明のモーターの種々の位相に１２０°モードで電力を供給する、一連の期間を示す、タイミング図である。
・図３ａ〜３ｄは、それぞれ互いに時間の一致したタイミング図であって、当該モーターの位相において単一電圧がどのように変化するのか、当該モーターの位相において複合電圧がどのように変化するのかを示し、ホール効果センサによって発せられる、回転子の位置を検出する信号、および１２０°モードでの稼動時に本発明のモーターの６つのスイッチに印加されるコントロール電圧を示している。
・図４は、１８０°モードで稼動する本発明のモーターの種々の位相に対する連続した電力供給期間を示すタイミング図である。
・図５は、本発明のモーターの制御回路のブロック図である。
・図６は、１２０°モードにおいて１つの位相の電流がどのように変化するのかを示す。
・図７は、１８０°タイプモードにおいて１つの位相の電流がどのように変化するのかを示す。
・図８は、１８０°タイプモード、１００％で稼動する場合に、１つの位相での電流がどのように変化するのかを示す。
【００１６】
上記装置の全体的な構造は、図１の構造と同様である。
【００１７】
当該装置の制御手段は、また、２つのスイッチングモード、１２０°タイプモードおよび１８０°タイプモードの一方または他方を実施するように設計される。
【００１８】
１２０°タイプモードでは、図２および３ａ〜３ｄに示されるように実施される。
【００１９】
３つのホールセンサ１８の各々は、１ターンの半分（１８０°）にわたる高レベルと、残りの半ターンにわたる低レベルとを有する方形波信号を発する。
【００２０】
図３ｃおよび３ｄに示すように、任意の所定の位相における「トップ」スイッチ（スイッチ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は、該位相に関連する検出信号の正の部分の最後の１２０°にわたってアクティベートされ、対して同一の所定の位相の「ボトム」スイッチ（スイッチ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）は、検出信号のゼロ部分の最後１２０°にわたってアクティベートされる。
【００２１】
１２０°モードでは、所定のスイッチがアクティベートされる各期間は、２つの６０°の区間（インターバル）にさらに分割される。すなわち、選択されるデューティ比（パルス幅変調（ＰＷＭ）信号という）でチョッパ信号が付与される第一の区間、およびスイッチを閉じたまま（すなわち導通しているように）しておくために一定の電圧が導入される第二の区間である。
【００２２】
第一の区間では、選択されたＰＷＭにおいて、所望の回転速度に対して回転子が有するいかなる遅延をも取り戻すために、より大きなトルクまたはより小さなトルクが得られるように、当該の位相に導入される駆動電力が決定される。
【００２３】
この区間においてデューティ比が１００％に達し、かつ測定速度と参照速度との間の差分εvが依然として負であると、このとき、本発明の装置は以下に述べるように１８０°制御モードにスイッチされる。
【００２４】
この第二のモードでは、当該のスイッチは１８０°の期間にわたってアクティベートされる。この期間は、上記１２０°期間に対して前に延長される。
【００２５】
さらに正確には、１８０°アクティベーション期間は、上記の１２０°期間だけでなく、該１２０°期間の開始の直前の６０°の区間をもカバーする。
【００２６】
この６０°先行区間は、測定速度を参照速度に到達させるように選択されるデューティ比のＰＷＭ信号で占有される。
【００２７】
これに対して、先のモードの１２０°期間に対応するこの期間の一部は、１８０°タイプモードにスイッチングする直前と同一のオン/オフ・シーケンスを保つ。従って、この１２０°期間の第一の区間は、デューティ比が１００％のＰＷＭ（すなわち、連続的な信号）を有し、そしてこの１２０°期間の第二の区間はその連続的な電位のままである。
【００２８】
この１８０°モードでは、０％稼動点（operating point）は、従って、１２０°モードの１００％稼動点で得られる信号と同じ制御信号に一致する。
【００２９】
１２０°期間の前にアクティベーション期間を加えることによる位相進みの基本思想に基づいて、この、１８０°タイプの稼動の第二のモードは、高速で伸びるトルクを増加させる利点を示す。
【００３０】
この特定の１８０°モード（これは、１２０°モードの最大値に存在した制御波形を保存している）を選択することで、トルクまたは速度にいかなる不連続もない２つのモード間の移り変わりが得られ、もはや、デューティ比に必要な移り変わり（transition）の計算は必要ではない。
【００３１】
必要なトルクを発するのに１２０°モードの稼動が十分である間、即ち、単に１２０°モードでのデューティ比を変化させることでＶcが達成され得る限り、当該装置はこのモードのままである。１００％のデューティ比に達すると、装置は、このような必要性の判断をいずれも要求することなく、自動的に１８０°タイプモードへとスイッチする。必要とされるのは、整合（マッチング）を全く必要としないモード間の直接の切り替えのみである。
【００３２】
同様に、１８０°タイプのモードが０％のデューティ比に達すると、複雑な判断手段を必要とすることなく、１２０°モードへの切り換えが自動的に進行する。電子的な判断手段を必要としないという事実によって、バッテリー電圧に依存するような手段に関連した欠点を回避することが可能となる。このような装置はまた、速度を計算する際の誤差、さらにモーターの電子部品の不整合（ミスマッチ）に起因する悪影響を回避することを可能とする。
【００３３】
さらに（最大トルクを得るために）、始動時に１２０°モードに切り換えるためのいかなる用意も必要ではない。なぜなら、切り換えは、この場合は、自動的であるからである。
【００３４】
別の態様では、１２０°ゾーンがその最大のデューティ比に達すると、該１２０°期間に先立つ正の制御信号の始まりを前進的に進めることによって位相の進みが生じるようにしたものが提供される。
【００３５】
この場合、可変の位相の進みは、必要に応じてデューティ比を変化させることで得られるが、しかし、１２０°ゾーンにおいて最大デューティ比の点に達した後だけであって、この１２０°期間における突然の変化は全く含まない。
【００３６】
これは、その終点が０および２００％である調節器（レギュレータ）を提供し、そしてこの調節器は、それぞれが０〜１００％の範囲にわたって変化し得る２つの標準的なＰＷＭ調節器として細分される。
【００３７】
図５に示されるように、本発明のモーターの好ましい制御回路は、計算器６０（追いつくべき速度差分を指し示す）へ制御信号を発するために、減算器２６の利用を継続し、該減算器は速度差分信号εvを発し、続いて調節器５１を介してフィルタリングし、バッテリー電圧Ｕbatの関数としてスケーリングする。計算器６０の前のこの第一のブランチを参照番号１００で示す。計算器６０は、適用されるデューティ比ならびに制御モードを決定する。
【００３８】
図６〜８は、バッテリーによって発せられる位相電流がこの回路によってどのように変化するのかを示す。
【００３９】
デューティ比が１００％でない場合、１８０°モードにおけるバッテリーからの位相電流はより高く、そして低い値へと向かう急峻な状態になっていくことが見受けられるだろう。
【００４０】
別の態様では、１２０°モードでのデューティ比が１００％に達すると、該回路は、ＰＷＭゾーンにおける０％よりも大きな最初のデューティ比を伴う上記の１８０°タイプモードへと切り替わるように形成される。有利なものとして、デューティ比が２０％〜６０％までの範囲に存在し、好ましくは約４０％であるようにしたものが形成される。
【００４１】
従って、調節器からの、わずかに１００％を超える出力参照（output reference）は、１８０°タイプモードにおいて０％のデューティ比を与えるのではなく、例えば、４０％のデューティ比へと直接的に進むことが推定される。
【００４２】
本発明の１８０°タイプモードのデューティ比を０〜４０％の範囲にわたって変化させることは、概しては、モーターの挙動に殆ど影響を与えないことが分かった。この範囲では、位相進みにおいて印加されるさらなる電圧は無視できる。発生した電流が非常に低く（数アンペア）、断続的であることが位相電流で見受けられ得る。
【００４３】
本発明の装置によって、低トルクのゾーンおよび高速のゾーンにおける効率までも改善され、そしてモード間をスイッチングするときに良好な安定性が達成され、しかも、このことは、バッテリー電圧、ならびにモーターおよびエレクトロニクスの物理的なパラメータとは無関係である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の構造のスイッチング制御手段を備えたモーターの電気回路図である。
【図２】図２は、本発明のモーターの種々の位相に１２０°モードで電力を供給する一連の期間を示す、タイミング図である。
【図３】図３ａ〜３ｄは、それぞれ互いに時間の一致したタイミング図であって、当該モーターの位相において単一電圧がどのように変化するのか、当該モーターの位相において複合電圧がどのように変化するのかを示し、ホール効果センサによって発せられる、回転子の位置を検出する信号、および１２０°モードでの稼動時に本発明のモーターの６つのスイッチに印加されるコントロール電圧を示している。
【図４】図４は、１８０°モードで稼動する本発明のモーターの種々の位相に対する連続した電力供給期間を示すタイミング図である。
【図５】図５は、本発明のモーターの制御回路のブロック図である。
【図６】図６は、１２０°モードにおいて１つの位相の電流がどのように変化するのかを示す。
【図７】図７は、１８０°タイプモードにおいて１つの位相の電流がどのように変化するのかを示す。
【図８】図８は、１８０°タイプモード、１００％で稼動する場合に、１つの位相での電流がどのように変化するのかを示す。
【図１】
0005129908.tif 000002
【図２】
0005129908.tif 000003
【図３】
0005129908.tif 000004
【図４】
0005129908.tif 000005
【図５】
0005129908.tif 000006
【図６】
0005129908.tif 000007
【図７】
0005129908.tif 000008
【図８】
0005129908.tif 000009