電子整流電気機器のセンサレス動作方法

专利摘要:
本発明は、少なくとも２相（Ａ／Ｂ）を有する電子整流電子機器のセンサレス動作方法に関し、同方法は以下のステップを実施する：前記電気機器（５）の少なくとも１つの第１相（Ａ）を所定の第１の時間（Ｔ１）にわたって通電することにより該電気機器（５）を電気的に駆動制御することによって、前記電気機器（５）のロータ（２）を所定の回転角度位置（９）（固定位置）に位置決めするステップと、次に、前記第１相（Ａ）を通電せずに前記電気機器（５）の第２相（Ｂ）を所定の第２の時間（Ｔ２）にわたって通電することにより、前記ロータ（２）を回転運動させるステップ。
公开号:JP2011507475A
申请号:JP2010538519
申请日:2008-11-06
公开日:2011-03-03
发明作者:クラウト ヴォルフガング；ドル テオ
申请人:ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ；
IPC主号:H02P6-18

专利说明:

[0001] 本発明は、少なくとも２相を有する電子整流電子機器のセンサレス動作方法に関する。]
[0002] 先行技術
コスト削減、軽量化ならびに構成所要スペースの最適化を実現するために、電子整流電気機器では、相応のセンサを使用して行われる該電気機器のロータの回転角度位置の検出を省略することが知られている。電気機器のこのようなセンサレス動作では通常、正弦／余弦始動方式が使用される。ここでは、所定の回転磁界により電気機器のロータが制御されて一緒に牽引される。予め決定されたロータ回転数を超えると、センサレスの転流ロジックに切り換えられる。しかし、電気機器のこのような始動では始動ノイズが増大し、電気機器を駆動制御するパワー半導体にかかる熱負荷が増大してしまう。]
[0003] 発明の開示
少なくとも２相を有する電子整流電気機器の本発明のセンサレス動作方法は、以下のステップを実施する：
所定の第１の時間にわたって電気機器の少なくとも第１相を通電して該電気機器を電気的に駆動制御することにより、該電気機器のロータを所定の回転角度位置（固定位置）に位置決めするステップ。
次に、所定の第２の時間にわたって第１相を通電せずに第２相を通電することにより、前記ロータの回転運動を開始するステップ。本発明では電気機器の相とは、電気機器のロータ巻線および／またはステータ巻線の複数の異なる相巻線であって、それぞれ１つの相を形成する複数の異なる相巻線を指す。したがって、まずは電気機器のロータを所定／設定可能な回転角度位置に位置決めする。有利にはこの回転角度位置は、電気機器をその後で始動させるのに有利な位置にあるロータの回転角度位置である。ここでは、予め決定される第１の時間にわたって電気機器の第１相を通電することにより、ロータを位置決めする。特に有利には、第１相の通電は緩慢に上昇するように行われる。第２相を通電せずに第１相を通電することにより、ロータは振り子運動を開始し、ロータが所定の回転角度位置に位置決めされるかないしは固定されるまで、この振り子運動は時間の経過とともに減少していく。次に、第１相を通電せずに第２相を所定の第２の時間にわたって通電することにより、ロータの回転運動を開始する。ロータが所定の回転位置に固定されることにより、第２相の通電によって、ロータを所望の回転方向に確実に回転運動させることができる。すなわち、このような有利な方法により、電子的な転流ロジックに切り換えられる前に、相応のセンサを使用することなく電気機器のロータを所望の回転方向に簡単に始動させることができる。さらに、このような有利な方法では始動ノイズが小さい。さらには、従来の手法と比較して電気機器の駆動制御電子回路の熱負荷が低減される。というのも、加速に最適なトルク領域において相を通電できるからである。]
[0004] 本発明の１つの実施形態では、ロータが所定の回転角度位置に位置決めされる第１の時間の間、電気機器の第２相を短絡する。ロータの振り子運動により第２相に電圧が誘導され、この電圧によって第２相に流れる電流がこの振り子運動に対して制動作用を及ぼす。第１の時間中に第２相をこのように短絡することにより、ロータはより迅速に固定されるか、ないしは固定位置により迅速に静止するようになる。このように振り子運動時間が短縮されることにより、電気機器の始動が特に迅速になる。]
[0005] 有利には第２の時間は、ロータの質量慣性および／または該ロータによって駆動される要素または組立体の質量慣性に依存して選択される。始動時には、第２相を第２の時間にわたって通電する際にロータが十分な距離を回転するのを保証しなければならない。このことはまず第一にロータの質量慣性に依存し、さらには、ロータによって駆動される要素、たとえばファンホイールまたは組立体にも依存する。]
[0006] 有利には、転流時間を検出するために、少なくとも１つの相に誘導された誘導電圧のゼロ交差を求める。こうするために好適なのは、このようなゼロ交差が期待される測定窓を設定することである。このような測定窓を設定することにより、所定の時間領域でのみ誘導電圧のゼロ交差の発生を検査して電気機器の誤駆動制御を排除することができる。]
[0007] 本発明の有利な実施形態では、電気機器を駆動制御するための電子的制御要素として、少なくとも２つのパワー半導体（出力段）を使用し、特に有利には、少なくとも２つのＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用する。]
[0008] さらに別の実施形態では、このような電子的制御要素として、少なくとも１つの２Ｈ回路、３Ｈ回路、４Ｈ回路またはＢ６回路を使用する。]
[0009] 最後に１つの実施形態では、前記電気機器としてファンモータを使用し、とりわけ自動車のファンモータを使用する。]
[0010] 以下で、幾つかの図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。]
図面の簡単な説明

[0011] 電気機器の始動過程を概略的に示す。
電気機器の通電を概略的に示す。
電気機器の２Ｈ回路を示す。
２Ｈ回路の第１のスイッチング状態を示す。
２Ｈ回路の第２のスイッチング状態を示す。
２Ｈ回路の第３のスイッチング状態を示す。]
[0012] 本発明の実施形態
図１に、少なくとも２相を有し電子整流する電気機器をセンサレスで動作させるための有利な実施例の方法を概略的に示す。図１に、ロータ２の円周を円で示している。このロータは、この紙面に対して垂直な軸３を中心として回転するように支承されている。ロータ２の複数の異なる回転角度位置を、前記軸３から半径方向に延びている複数の矢印４によって示しており、これらの矢印のうち一部は破線で示されている。‐同図では詳細に示していない‐ロータ２を有する電気機器５の巻線は、２相（ないしは２つの巻線相）ＡおよびＢを有する。矢印６は例として、始動過程時の電気機器５のロータ２の運動の流れを示す。まず、ロータ２は任意／適当な位置７での運動状態から静止状態になることを前提とする。このことは矢印４のうちの矢印７′によって示されている。したがって位置７は、電気機器５を始動させる際の開始位置である。このような電気機器の通常のセンサレス始動では通常、正弦／余弦始動方式が使用される。この始動方式では、ロータ２を所定の回転磁界によって制御して一緒に牽引し、ロータ２の回転数が設定回転数を超えるとセンサレス転流ロジックに切り換える。しかし、このような始動手法によって始動ノイズが大きくなり、電気機器５の制御要素として使用されるパワー半導体の熱負荷が高くなる。このような欠点を回避するため、以下の方法を提案する：
まず、図２に示しているように、相Ａを所定の第１の時間Ｔ１にわたって通電する。図２では、有利な実施例の方法の電気機器５の通電フローを概略的に示す。図２のこの通電フローでは、相Ａの通電、相Ｂの通電、相１に誘導された電圧ＵＡ、相Ｂに誘導された電圧Ｂ、該相Ａに誘導された電圧ＵＡのゼロ交差を監視する測定窓ＭＡ、該相Ｂに誘導された電圧ＵＢのゼロ交差を監視する測定窓ＭＢ、ならびに転流パルスＰの各時間的経過を示す。] 図１ 図２
[0013] 図３に、電気機器５を駆動制御するための制御要素ないしは制御装置として相応の２Ｈ回路を示す。この２Ｈ回路では、電気的スイッチはＭＯＳＦＥＴトランジスタとして形成されている。この２Ｈ回路８は相ＡおよびＢを制御し、電圧源ＵＢＡＴＴに接続されている。この電圧源ＵＢＡＴＴは、たとえばバッテリーとして構成されている。回路８は、電気機器５を駆動／駆動制御しない状態で示されており、すべてのスイッチが開放されている。] 図３
[0014] 図４〜６に、異なるスイッチング状態にある回路８の相ＡおよびＢの出力段を示す。相Ａを図２に示されているように第１の時間Ｔ１にわたって通電するためには、回路８を図４に示されているようにスイッチングする。その際に有利なのは、相Ａの通電を緩慢に上昇させることである。それによって得られるトルクにより、ロータ２は図１に示されているように、時計回りに回転運動を開始する。相Ａを図２に示されているように通電することにより、ロータ２は回転角度位置９に、いわゆる固定位置に引きつけられる（固定される）。この回転角度位置９は、相Ａの配置によって設定することができる。その際のロータの位置は、固定位置にある矢印９′によって示している。ロータ２の質量慣性により、該ロータ２はまず、この設定可能な回転角度位置９を超えて振り子運動点１０（矢印１０′によって示されている）まで回転し、この振り子運動点１０から反時計回りに戻って、矢印１１′によって示された位置１１へ振り子運動し、この位置１１からロータ２は再び固定位置９を超えて、時計回りに振り子運動して位置１２（矢印１２′によって示されている）に達し、その後に、所定の回転角度位置９（固定位置）で静止するか、ないしは引きつけられて固定される。] 図１ 図２ 図４ 図５ 図６
[0015] ロータ２のこのような振り子運動を減衰して、該ロータが回転角度位置９で引きつけられて固定されるのに必要な時間を短縮するために有利なのは、第１の時間Ｔ１中に相Ｂ（のコイル／相巻線）をローサイドスイッチによって短絡する。図４にこのことを示す。ロータ２の振り子運動によって電圧が誘導され、この電圧から生成される電流が、この振り子運動に制動作用を及ぼす。それゆえ、時間Ｔ１は好適には、ロータの回転運動に関与する質量慣性に依存して、該ロータが時間Ｔ１以内で固定位置で静止するように選択される。] 図４
[0016] 次に相Ｂを通電することにより、ロータは所望の方向に加速する。相Ｂを通電する時間Ｔ２は、ロータおよび／またはファンホイールの質量慣性に基づいて調整しなければならない。第２の時間Ｔ２の間、相Ａには通電しない。次に、相Ａを逆に通電する（−Ａ）。図６にこのことを示している。フェードアウト時間が経過した後、誘導電圧に基づいて転流識別を行うことができる（BackEMF）。図２に示されているように、測定窓ＭＢ＿１の間に、コイルＢに誘導された電圧ＵＢのゼロ交差が来ることが予測される。誘導電圧ＵＢのゼロ交差が識別されると、相Ｂの投入時点からこのゼロ交差が識別された時点までの時間が転流時間Ｘ１となる。相Ａが遮断されて相Ｂが逆に通電される（−Ｂ）まで、相Ａは未だＸ１／８逆に通電される。] 図２ 図６
[0017] 次に転流過程がフェードアウトされる。その際に初めて、測定窓ＭＡ＿１中に誘導電圧ＵＡのゼロ交差が来ることが予測される。両転流パルスＰ１およびＰ２間の時間が転流時間Ｘ２となる。相Ｂが遮断されて相Ａが通電される（正）まで、相Ｂは未だＸ２／４逆に通電される。]
[0018] 次に、転流過程がフェードアウトされる。その際に初めて、別の測定窓ＭＢ＿１中に誘導電圧ＵＢのゼロ交差が来ることが予測される。両転流パルスＰ２およびＰ３間の時間が転流時間Ｘ３となる。相Ａが遮断されて相Ｂが投入されるかないしは通電されるまで、相Ａは未だＸ３／４通電される。]
[0019] 次に切換過程／転流過程がフェードアウトされる。その際に初めて、別の測定窓ＭＡ＿２中に誘導電圧ＵＡのゼロ交差が来ることが予測される。両転流パルスＰ３およびＰ４間の時間が転流時間Ｘ４となる。相Ｂが遮断されて相Ａが逆に通電／投入される（−Ａ）まで、相Ｂは未だＸ４／４投入／通電される。]
[0020] ここから、このフローは連続的に繰り返される。]
[0021] したがって、本発明のこの有利な方法は全体的に、相Ａおよび相Ｂのパワー半導体ないしは出力段に高い熱負荷をかけることなく、電気機器５を特に迅速かつ低ノイズで始動させることができ、本発明のこの有利な方法は、インナロータモータにもアウタロータモータにも同様に適用することができる。したがって、このような巻線は電気機器のロータおよび／またはステータに配置することができる。]

权利要求:

請求項1
少なくとも２相（Ａ／Ｂ）を有する電子整流式の電気機器（５）をセンサレスで動作させる方法において、・前記電気機器（５）の少なくとも１つの第１相（Ａ）を所定の第１の時間（Ｔ１）にわたって通電することにより該電気機器（５）を電気的に駆動制御することによって、前記電気機器（５）のロータ（２）を所定の回転角度位置（９）（固定位置）に位置決めするステップと、・次に、前記第１相（Ａ）を通電せずに前記電気機器（５）の第２相（Ｂ）を所定の第２の時間（Ｔ２）にわたって通電することにより、前記ロータ（２）を回転運動させるステップとを有することを特徴とする方法。
請求項2
前記電気機器（５）の第２相（Ｂ）を前記第１の時間（Ｔ１）中に短絡させる、請求項１記載の方法。
請求項3
前記第２の時間（Ｔ２）を、前記ロータ（２）の質量慣性および／または該ロータによって駆動されるエレメントの質量慣性に依存して選択する、請求項１または２記載の方法。
請求項4
前記電気機器（５）の転流時間（Ｘ）を検出するために、前記第１相（Ａ）および前記第２相（Ｂ）のうち少なくとも１相における誘導電圧（ＵＡ，ＵＢ）のゼロ交差を検出する、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
前記電気機器を駆動制御するための電子的制御要素として、少なくとも１つのパワー半導体を使用し、とりわけＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用する、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
前記電気機器を駆動制御するための電子的制御要素として、少なくとも１つの２Ｈ回路（８）、または３Ｈ回路、または４Ｈ回路、またはＢ６回路を使用する、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
前記電気機器（５）としてファンモータを使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。