JP2013220019A - 三相ブラシレス直流モータのためのコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】モータにより与えられるトルクの変動を制限する役割を果たすことができる改善されたコントローラを提供する。
【解決手段】三相ブラシレス直流モータのためのコントローラが、フルブリッジ回路と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）とを有する。フルブリッジ回路は、各々がモータ巻線に接続されたスイッチをもつ３つの分岐を有する。スイッチは、ＥＣＵからの信号により駆動される。駆動信号は、３つの信号の２つの組に構成される。この２つの組は、１８０電気角度だけオフセットされる。各組の駆動信号は１２０電気角度だけオフセットされ、各々が、非アクティブ部分と交互するアクティブ部分を有する。アクティブ部分は、パルス・アクティブ化の初期間隔と、連続アクティブ化の中間間隔と、パルス・アクティブ化の最終間隔とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気モータのためのコントローラ、具体的には、三相ブラシレス直流モータのためのコントローラに関する。

より具体的には、本発明は、直流電圧供給源の２つの極の間に接続され、各々が互いに接続され且つそれぞれ供給源の正極及び負極に接続された上部電子スイッチ及び下部電子スイッチを含む、３つの回路分岐を含み、モータの巻線又は相の各々がブリッジ回路の対応する分岐の２つのスイッチの間の中間点に接続されたフルブリッジ回路と、約１８０電気角度だけ互いからオフセットされ、且つ、各々が互いから約１２０電気角度だけオフセットされた３つの駆動信号と、非アクティブすなわち遮断部分と交互するアクティブすなわち導電部分とを含む、３つの駆動信号のそれぞれの組によって、定常状態で、ブリッジ回路の上部スイッチ及び下部スイッチを駆動するように構成された電子制御ユニットとを備え、電子制御ユニットは、各駆動信号の各アクティブ部分がパルス・アクティブ化の初期間隔、連続アクティブ化の中間間隔及びパルス・アクティブ化の最終間隔を含むように配置され、連続アクティブ化の中間間隔は、パルス・アクティブ化の各間隔のものより大きい電気角度の期間を有する、三相ブラシレス・モータのためのコントローラを提案する。

このタイプのコントローラは、特許文献１に説明される。
しかしながら、このタイプのコントローラは、モータにより供給されるトルクに望ましくない変動を発生させる傾向がある。

欧州特許第１８４５６０９ Ａ２号

従って、モータにより与えられるトルクの変動を制限する役割を果たすことができる、このタイプの改善されたコントローラに対する要望がある。
改善されたコントローラは、比較的単純且つ低価格のデバイスを用いて作製できることが好ましい。

このことは、本発明においては、スイッチのパルス・アクティブ化の各初期間隔が以前に作動されたスイッチのパルス・アクティブ化の最終間隔と少なくとも部分的に重なるように、アクティブすなわち導電部分が１２０より大きい電子角度にわたって延びる駆動信号により、定常状態でスイッチを駆動するように、上述の電子制御ユニットが設計された、上記に特定されたタイプのコントローラを用いて達成される。

従って、一態様において、本発明は、直流電圧供給源の２つの極の間に接続され、各々が互いに接続され且つそれぞれ供給源の正極及び負極に接続された上部電子スイッチ及び下部電子スイッチを含む、３つの回路分岐を含み、モータの巻線又は相の各々がブリッジ回路の対応する分岐の２つのスイッチの間の中間点に接続されたフルブリッジ回路と、約１８０電気角度だけ互いからオフセットされ、且つ、各々が互いから約１２０電気角度だけオフセットされた３つの駆動信号と、非アクティブすなわち遮断部分と交互するアクティブすなわち導電部分とを含む、３つの駆動信号のそれぞれの組によって、定常状態で、ブリッジ回路の上部スイッチ及び下部スイッチを駆動するように構成された電子制御ユニットとを備え、電子制御ユニットは、各駆動信号の各アクティブ部分がパルス・アクティブ化の初期間隔、連続アクティブ化の中間間隔及びパルス・アクティブ化の最終間隔を含むように構成され、連続アクティブ化の中間間隔は、パルス・アクティブ化の各間隔のものより大きい電気角度の期間を有し、且つ、スイッチのパルス・アクティブ化の各初期間隔が以前に作動されたスイッチのパルス・アクティブ化の最終間隔と少なくとも部分的に重なるように、アクティブすなわち導電部分が１２０より大きい電子角度にわたって延びる駆動信号により、定常状態でスイッチを駆動するよう構成された、三相ブラシレス直流モータのためのコントローラを提供する。

電子制御ユニットは、アクティブすなわち導電部分が少なくとも約１４０電気角度にわたって延びる駆動信号により、定常状態でスイッチを駆動するように構成されることが好ましい。

電子制御ユニットは、トルクリップルが減少されるように、アクティブすなわち導電部分がモータの速度及び／又はモータにより流される電流の関数として可変である駆動信号により、定常状態でスイッチを駆動するように配置されることが好ましい。

電子制御ユニットは、漸増平均値により変調された幅（期間）を有するパルスによるパルス・アクティブ化の初期間隔と、漸減平均値により変調された幅（期間）を有するパルスによるパルス・アクティブ化の最終間隔とを含む駆動信号により、定常状態でスイッチを駆動するように構成されることが好ましい。

初期間隔及び最終間隔の幅又は期間は、トルクリップルを減少させるように、所定の時間プロファイルに応じて変動することが好ましい。

初期間隔及び最終間隔の幅又は期間は、モータの速度及び／又はモータにより流される電流の関数として可変であることが好ましい。

各駆動信号の各アクティブすなわち導電部分は、対応する逆起電力の直前のゼロクロス点に対して所定の遅延で始まることが好ましい。
遅延は、モータの回転の速度及び／又はモータにより流される電流の関数として一定又は可変であり得る。
電子制御ユニットは、８ビット・マイクロコントローラにより形成されることが好ましい。

従って、本発明によるコントローラは、比較的単純且つ低価格の擬似正弦波電流システムを提供するために用いることができる。

ここで、本発明の好ましい実施形態が、添付図面の図を参照して、単なる例として説明される。図において、１つより多い図に現れる同一の構造体、要素又は部品は、現れる全ての図において全体的に同じ参照記号で表記される。図に示される構成部品及び特徴の寸法は、便宜上及び提示を明確にするために、一般的に選択されたものであり、必ずしも縮尺通りに示されていない。図を以下に列挙する。

三相ブラシレス直流モータのためのコントローラの概略的な回路図である。 図１のブリッジ回路の上部及び下部電子スイッチのための、本発明による駆動信号の変動の例を示す。 本発明によるコントローラの動作を説明する部分的な回路図である。 本発明によるコントローラの動作を説明する部分的な回路図である。 本発明によるコントローラの動作を説明する部分的な回路図である。 本発明によるコントローラを用いて提供することができるモータの相における電流の変動モードを示す図である。

図１は、本発明による三相ブラシレス直流モータのためのコントローラの一般的構造を示す。このコントローラは、Ｂ１、Ｂ２及びＢ３で示された３つの回路分岐を含むフルブリッジ回路１を含む。これらの回路分岐は、直流電圧供給源２の２つの極の間に接続され、示される例示的な実施形態においては、負極が接地導体ＧＮＤに接続される。

ブリッジ回路１の分岐Ｂ１、Ｂ２及びＢ３は、それぞれの上部電子スイッチＭ１、Ｍ２及びＭ３と、順番に相互接続され、且つ、それぞれ、供給源２の正極及び負極に接続された下部電子スイッチＭ４、Ｍ５及びＭ６とを含む。
これらの電子スイッチは、ＭＯＳＦＥＴタイプのトランジスタであることが好ましい。

ブリッジ回路１は、図示される実施形態においては星形構成で相互接続されるが、代替的にデルタ構成で相互接続することもできる、三相すなわち巻線Ｗ１、Ｗ２及びＷ３を有するブラシレス・モータＭに接続される。巻線Ｗ１、Ｗ２及びＷ３の各々は、ブリッジ回路１の対応する分岐の２つの電子スイッチの間の中間点に接続される。

周知の方法で、各々の電子スイッチＭ１−Ｍ３、Ｍ４−Ｍ６は、それと並列接続されたそれぞれの再循環ダイオードＤ１−Ｄ３、Ｄ４−Ｄ６を有する。付加的に、コンデンサＣ１が、同じく周知の方法で、ブリッジ回路１と並列接続される。分流抵抗器Ｒｓは、モータＭに流れる電流の水準の検知のために、下部スイッチＭ４、Ｍ５及びＭ６と接地ＧＮＤとの間に配置することができる。

ブリッジ回路１のスイッチの制御（ゲート）入力は、全体をＥＣＵで示す電子制御ユニットの対応する出力に接続される。このユニットは、８ビット・マイクロコントローラを用いて簡単な方法で形成することができ、結果として、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）の使用は不要である。
ユニットＥＣＵは、ブリッジ回路１の電子スイッチを、外部から印加することができる信号の関数として及び必要に応じてユニット内で生成される信号の関数として、所定のモードで駆動するように設計される。
制御ユニットＥＣＵは、例えば、モータＭの回転子の瞬間位置を検知するために、これに接続されたホール効果センサ又は他のセンサ等、３つの位置センサを有することができる。

代替的に、モータＭの回転子の瞬間位置は、モータＭの巻線すなわち相Ｗ１、Ｗ２及びＷ３において生じた逆起電力の分析から、周知の方法で推定することができる。図２において、これらの逆起電力は、Ａ、Ｂ及びＣで示される。
特に、制御ユニットＥＣＵは、約１８０電気角度だけ互いからオフセットされ、各々が互いから約１２０電気角度だけオフセットされた３つの駆動信号と、非アクティブすなわち遮断部分と交互するアクティブすなわち導電部分とを含む、３つの駆動信号のそれぞれの組により、定常状態で、ブリッジ回路１の上部スイッチＭ１、Ｍ２及びＭ３、並びに、下部スイッチＭ４、Ｍ５及びＭ６を駆動するように設計される。

ブリッジ回路１の電子スイッチに与えられる駆動信号は、例えば、例示的な変動が図２の中間部及び下部に定性的に表されるものとすることができる。
この図において、ブリッジ回路の一般的なｉ番目（ｉ＝１、２．．．６）の電子スイッチＭｉに与えられる駆動信号は、Ｇｉで表される。

特に、ユニットＥＣＵは、各駆動信号Ｇ１−Ｇ３、Ｇ４−Ｇ６（図２）の各アクティブ部分が、例えば漸増プロファイルなどの所定のプロファイルに応じて変化する平均値をもつ変調された幅（期間）のパルスによるパルス・アクティブ化の初期間隔ＰＷＭＲと、連続アクティブ化の中間間隔ＯＮと、例えば漸減する平均値をもつ変調された幅（期間）のパルスによるパルス・アクティブ化の最終間隔ＰＷＭＦとを有するように、駆動信号を生成するように設計することができる。

各駆動信号Ｇｉについて、各アクティブ部分は、対応する逆起電力（Ａ又はＢ又はＣ）の直前のゼロクロス点に対して、一定又は可変とすることができる、所定の遅延（電気角度での）から始まる。図２の例示的な図において、この遅延は、２０電気角度である。

あらゆる駆動信号Ｇｉの各アクティブ部分の初期間隔ＰＷＭＲにおいて、パルスのデューティ・サイクルは、一定又は可変とすることができる所定の法則又はプロファイルに応じて変化し得る。

上述の初期遅延及びデューティ・サイクルの変動の法則又はプロファイルは、トルクリップルを減少させるように決定することができる。可変遅延期間を選択した場合には、デューティ・サイクルの変動のプロファイルを一定にすることができ、その逆もまた同様である。

初期遅延又はデューティ・サイクルの変動のプロファイルが一定でない場合、モータの回転の測定速度又は推定速度及び／又はモータにより流される電流の水準の所定の関数に応じて、好都合に変更することができる。

連続アクティブ化の各中間間隔ＯＮは、パルス・アクティブ化の各間隔ＰＷＭＲ又はＰＷＭＦのものより大きい電気角度の期間を有することが好ましい。

全体で、図２の中間部及び下部の図に明確に示されるように、各駆動信号の各アクティブ部分は、１２０電気角度より大きい期間を有する。従って、スイッチのパルス・アクティブ化の初期間隔ＰＷＭＲは、各相変化における直前に作動されたスイッチのパルス・アクティブ化の最終間隔ＰＷＭＦと、少なくとも部分的に重なる。

好都合なことに、各駆動信号のアクティブすなわち導電部分（ＰＷＭＲ＋ＯＮ＋ＰＷＭＦ）の合計期間は、１４０電気角度以上に等しい。一般に、駆動信号のアクティブすなわち導電部分の期間は、モータの速度及び／又はモータにより流される電流の関数として、特にトルクリップルを減少させるように、可変にすることができる。モータの速度は、センサにより検知することができ、又は、例えば逆起電力Ａ、Ｂ及びＣ（図２）の変動から推定することができる。

好都合なことに、図２のグラフに示されるように、ブリッジ回路１のスイッチのゲートに与えられる駆動信号のアクティブすなわち導電部分のパルス・アクティブ化の初期間隔ＰＷＭＲ及び最終間隔ＰＷＭＦと併せて、それぞれ信号ＰＷＭＲ及びＰＷＭＦを補完するパルス・アクティブ化信号ＰＷＭＲＣ及びＰＷＭＦＣを、このブリッジ回路の同じ分岐に属するスイッチのゲートに与えることができる。

図３ａ乃至図３ｃは、図２のＫで示される破線の矩形に含まれる駆動信号Ｇ１−Ｇ６の変動に対応する、図２内のａ、ｂ及びｃで示される間隔における、図１のコントローラの動作を示す。
間隔ａにおいて、スイッチＭ２は、（僅かに）漸減する平均値で変調された幅（期間）を有するパルスにより信号Ｇ２で駆動され、スイッチＭ４は、連続導電において信号Ｇ４で駆動される。
これに対応して、図３ａに示すように、この図でＩ１及びＩ２で示される電流は、それぞれ、モータＭの巻線すなわち相Ｗ１及びＷ２に流れる。これらの電流Ｉ１及びＩ２の対応する変動は、水平軸上に示される電気角度での位置の関数として、図４の左側部分に示される。

次の間隔ｂにおいて、スイッチＭ２及びＭ３は、信号Ｇ２及びＧ３により、変調された幅（期間）のパルスにより駆動される。さらに、スイッチＭ２は、実質的に漸減する平均値を有するパルスにより駆動され、スイッチＭ３は、実施的に漸増する平均値を有するパルスにより駆動される。
同時に、スイッチＭ４は、連続導電において信号Ｇ４により駆動される。

従って、図３ｂに示すように、電流Ｉ１、Ｉ２及びＩ３は、それぞれ、図４の中間部分に定性的な方法で示される変動で、モータＭの巻線すなわち相Ｗ１、Ｗ２及びＷ３に流れる。

次の間隔ｃにおいて、スイッチＭ３は、僅かに漸増する幅（期間）を有するパルスにより信号Ｇ３で駆動され、スイッチＭ４は、信号Ｇ４により連続導電において駆動され続ける。従って、図３ｃに示すように、電流Ｉ１及びＩ３は、それぞれ、モータＭの巻線Ｗ１及びＷ３に流れ、この電流の変動は、図４の右側部分に定性的な方法で示される。

前述の説明から理解されるように、本発明によるコントローラを用いて、比較的簡単な方法で擬似正弦波駆動を提供し、これによりトルクリップル及び切り換えノイズを実質的に低減させることができる。
前述のように、電子制御ユニットＥＣＵは、より高価なＤＳＰを必要とせずに、単純な８ビット・マイクロコントローラを用いて実装することができる。

明らかに、本発明の原則が保持される限り、適用の形態及び実施形態の詳細は、添付の特許請求の範囲により定められる本発明の保護の範囲から逸脱することなく、単に限定されない例として説明され示されたものとは様々に異なり得る。
本出願の説明及び特許請求の範囲において、動詞「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」及び「有する（ｈａｖｅ）」の各々、並びにその変形は、包括的意味で用いられ、記載された項目の存在を特定するが、付加的な項目の存在を排除するものではない。

Ｍ：モータ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６：スイッチ
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３：電流
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６：信号
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３：巻線

Claims (10)

1. 三相ブラシレス直流モータのためのコントローラであって、
   直流電圧供給源の２つの極の間に接続され、各々が互いに接続され且つそれぞれ前記供給源の正極及び負極に接続された上部電子スイッチ及び下部電子スイッチを含む、３つの回路分岐を含み、前記モータの巻線又は相の各々がブリッジ回路の対応する分岐の２つのスイッチの間の中間点に接続されたフルブリッジ回路と、
   約１８０電気角度だけ互いからオフセットされ、且つ、各々が互いから約１２０電気角度だけオフセットされた３つの駆動信号と、非アクティブすなわち遮断部分と交互するアクティブすなわち導電部分とを含む、３つの駆動信号のそれぞれの組によって、定常状態で、前記ブリッジ回路の前記上部スイッチ及び前記下部スイッチを駆動するように構成された電子制御ユニットと、
   を備え、
   前記電子制御ユニットは、各駆動信号の各アクティブ部分がパルス・アクティブ化の初期間隔、連続アクティブ化の中間間隔及びパルス・アクティブ化の最終間隔を含むように構成され、連続アクティブ化の前記中間間隔は、パルス・アクティブ化の各間隔のものより大きい電気角度の期間を有し、且つ、
   スイッチのパルス・アクティブ化の各初期間隔が以前に作動された前記スイッチのパルス・アクティブ化の前記最終間隔と少なくとも部分的に重なるように、アクティブすなわち導電部分が１２０より大きい電子角度にわたって延びる駆動信号により、定常状態で前記スイッチを駆動するよう構成されることを特徴とするコントローラ。
2. 前記電子制御ユニットは、アクティブすなわち導電部分が少なくとも約１４０電気角度にわたって延びる駆動信号により、定常状態で前記スイッチを駆動するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のコントローラ。
3. 前記電子制御ユニットは、トルクリップルが減少されるように、アクティブすなわち導電部分が前記モータの前記速度及び／又は前記モータにより流される前記電流の関数として可変である駆動信号により、定常状態で前記スイッチを駆動するように設計されることを特徴とする、請求項１〜請求項２のいずれかに記載のコントローラ。
4. 前記電子制御ユニットは、漸増平均値で変調された幅（期間）を有するパルスによるパルス・アクティブ化の初期間隔と、漸減平均値で変調された幅（期間）を有するパルスによるパルス・アクティブ化の最終間隔とを有する駆動信号により、定常状態で前記スイッチを駆動するように構成されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコントローラ。
5. 前記初期間隔及び前記最終間隔の前記パルスの前記幅又は期間は、前記トルクリップルが低減されるように、所定の時間プロファイルに応じて変化することを特徴とする、請求項４に記載のコントローラ。
6. 前記初期間隔及び前記最終間隔の前記パルスの前記幅又は期間は、前記モータの前記速度及び／又は前記モータにより流される前記電流の関数として可変であることを特徴とする、請求項５に記載のコントローラ。
7. 各駆動信号の各アクティブすなわち導電部分は、対応する逆起電力の直前のゼロクロス点に対して所定の遅延で始まることを特徴とする、請求項４〜請求項６のいずれかに記載のコントローラ。
8. 前記遅延は一定であることを特徴とする、請求項７に記載のコントローラ。
9. 前記遅延は、前記モータの前記回転速度及び／又は前記モータにより流される前記電流の関数として可変であることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
10. 前記電子コントローラは、８ビット・マイクロコントローラにより形成されることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれかに記載のコントローラ。

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