DE102021134211A1

DE102021134211A1 - Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102021134211A1
Application number: DE102021134211.2A
Authority: DE
Inventors: Naoki Kobayashi
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US11646688B2; CN114759839A; US20220209698A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Phasenwinkeldetektionseinheit (23), die eine Drehung eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors (2) erfasst und ein Phasenwinkelsignal erzeugt, das zu einem Zeitpunkt geschaltet wird, zu dem ein mit der Drehung des Rotors erzeugtes Rastmoment nahezu einen Spitzenwert auf einer negativen Seite erreicht, der die Drehung des Rotors behindert, eine Wechselrichterschaltung (15), die Spulen (16U, 16v, 16w) der jeweiligen Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors durch Schaltelemente UH, UL, VH, VL, WHund WLentsprechend einer Eingabe eines Ansteuersignals erregt, eine Erregungsperiode-Berechnungseinheit (24), die eine Erregungsperiode Tw berechnet, indem sie eine für den bürstenlosen Gleichstrommotor eingestellte Zieldrehzahl in Zeit umwandelt, und eine Antriebssteuereinheit (25), die die Spulen sequentiell erregt, indem sie das Antriebssignal an die jeweiligen Schaltelemente für jede Erregungsperiode ausgibt, ein Tastverhältnis der Antriebssignale an die Schaltelemente zu Beginn jeder Erregungsperiode allmählich erhöht und das Tastverhältnis verringert, nachdem das Phasenwinkelsignal umgeschaltet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
Beschreibung der verwandten Kunst
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentschrift Nr. 2015-231242 eine Steuervorrichtung zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der mit einem Rotor mit einem Permanentmagneten und einem Stator versehen ist, um den eine Spule jeder der Phasen U, V und W gewickelt ist. Ein Hallsensor, der jeder der Phasen entspricht, ist in einem Intervall von 120 Grad in dem bürstenlosen Gleichstrommotor angeordnet, und ein Phasenwinkel in einem Intervall von 60 Grad wird basierend auf einer Kombination von Erfassungssignalen bestimmt, die von jedem Sensor ausgegeben werden. Eine Gleichstromversorgung ist mit der Spule jeder der Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors über eine Wechselrichterschaltung verbunden, und die Wechselrichterschaltung erregt die Spule jeder der Phasen in einem Rechteckwellenantrieb von 120 Grad. Mit anderen Worten, eine Vielzahl von Erregungsmustern zum selektiven Umschalten zwischen den Schaltelementen der jeweiligen Phasen der Wechselrichterschaltung ist voreingestellt, und diese Erregungsmuster werden sequentiell bei jedem Phasenwinkel von 60 Grad geschaltet. Dabei wird die Spule jeder der Phasen nacheinander erregt, wobei die Phase um 120 Grad phasenverschoben wird, während eine EIN-Periode von 120 Grad und eine AUS-Periode von 60 Grad wiederholt wird. Dadurch erhält der Rotor eine Drehkraft, die den bürstenlosen Gleichstrommotor antreibt.
Nun wird der bürstenlose Gleichstrommotor je nach Anwendung in verschiedenen Drehzahlbereichen eingesetzt, und der Betrieb im niedrigen Drehzahlbereich von etwa 10 bis 60 U/min kann für einen bürstenlosen Gleichstrommotor erforderlich sein, der zum Beispiel eine Ölpumpe antreibt. Da Öl bei niedrigen Temperaturen eine hohe Viskosität hat, entsteht beim Antrieb einer Ölpumpe, wie z. B. einer Trochoidpumpe, in einem normalen Drehzahlbereich ein Hohlraum auf der Saugseite oder es wird Luft aus der Öldichtung angesaugt. Dadurch wird eine normale Ölversorgung erschwert. Als Gegenmaßnahme kann die obere Grenze der Drehzahl der Pumpe begrenzt werden, wenn die Öltemperatur niedrig ist. In diesem Fall muss der bürstenlose Gleichstrommotor, der als Antriebsquelle dient, im niedrigen Drehzahlbereich arbeiten.
Ein im bürstenlosen Gleichstrommotor erzeugtes Rastmoment ist jedoch ein Faktor, der seinen Betrieb im unteren Drehzahlbereich behindert. Da insbesondere ein so genannter IPM-Motor, bei dem ein Permanentmagnet in einem Rotor eingebettet ist, ein großes Drehmoment aufweist, ist dieser Effekt von Bedeutung. Es wird angenommen, dass das Rastmoment die folgenden Auswirkungen hat. Wenn eine vorbestimmte zweiphasige Spule nach einem bestimmten Erregungsmuster im Rechteckwellenantrieb von 120 Grad erregt wird, wird das Antriebsdrehmoment, das einem Drehmoment pro Erregungsphase entspricht, über die Erregungsperiode auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten, der der Antriebsleistung entspricht. Andererseits schwankt das Rastmoment je nach Phasenwinkel auf der positiven Seite in der gleichen Richtung wie das Antriebsmoment und auf der negativen Seite in der entgegengesetzten Richtung wie das Antriebsmoment.
Wenn der durch die Spule jeder der Phasen fließende Antriebsstrom allmählich erhöht wird, indem die Antriebsleistung erhöht wird, um den bürstenlosen Gleichstrommotor beispielsweise in einem Stoppzustand zu starten, kann der Phasenwinkel des Rotors eine Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments nicht überwinden, es sei denn, das Antriebsdrehmoment überschreitet einen absoluten Wert der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments. Wenn das Antriebsdrehmoment mit dem Antriebsstrom zur Spule ansteigt und den absoluten Wert der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments übersteigt, überwindet der Phasenwinkel des Rotors die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments und der Rotor beginnt plötzlich, sich mit einer dem Antriebsstrom entsprechenden Geschwindigkeit zu drehen. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu diesem Zeitpunkt kann als untere Grenze des Rotationsbereichs eines realisierbaren bürstenlosen Gleichstrommotors angesehen werden. Diese untere Grenze des Drehzahlbereichs des bürstenlosen Gleichstrommotors liegt auf einer höheren Drehzahlseite als z. B. der Drehzahlbereich, der erforderlich ist, wenn die Temperatur der Ölpumpe wie oben beschrieben niedrig ist. Dies hat zur Folge, dass die Ölpumpe nicht in dem geforderten niedrigen Drehzahlbereich angetrieben werden kann. Konventionell hat man sich eine radikale Maßnahme dagegen gewünscht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um ein solches Problem zu lösen, und die Aufgabe ist es, eine Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen, die in der Lage ist, den bürstenlosen Gleichstrommotor in einem niedrigen Drehzahlbereich zu betreiben, ohne durch ein Rastmoment beeinträchtigt zu werden.
Um das obige Ziel zu erreichen, besteht eine Steuervorrichtung eines bürstenlosen Gleichstrommotors der vorliegenden Erfindung aus einem Rotor, der einen Permanentmagneten enthält, und einem Stator, um den eine Spule jeder der Phasen U, V und W gewickelt ist, wobei die Steuervorrichtung eines bürstenlosen Gleichstrommotors eine Phasenwinkeldetektionseinheit enthält, die eine Drehung des Rotors detektiert und ein Phasenwinkelsignal erzeugt, das zu einem Zeitpunkt geschaltet wird, zu dem ein mit der Drehung des Rotors erzeugtes Rastmoment nahezu einen Spitzenwert auf einer negativen Seite erreicht, der die Drehung des Rotors behindert, eine Wechselrichterschaltung, die zwischen der Spule jeder der Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors und einer Gleichstromversorgung vorgesehen ist und die Spule jeder der Phasen durch Schalten einer Vielzahl von Schaltelementen entsprechend einer Eingabe eines Ansteuersignals erregt, eine Erregungsperioden-Berechnungseinheit, die eine Erregungsperiode berechnet, indem sie eine für den bürstenlosen Gleichstrommotor eingestellte Zieldrehzahl in Zeit umwandelt, und eine Antriebssteuereinheit, die die Spule jeder der Phasen gemäß einer voreingestellten Vielzahl von Erregungsmustern sequentiell auf einer positiven Seite und einer negativen Seite erregt, indem sie das Antriebssignal für jede von der Erregungsperioden-Berechnungseinheit berechnete Erregungsperiode selektiv an das jeweilige Schaltelement der Wechselrichterschaltung ausgibt, Erhöhen eines Tastverhältnisses des Ansteuersignals zu dem Schaltelement, das der zu erregenden Spule entspricht, nach einem Start der jeweiligen Erregungsperiode, und Ausführen eines Modus mit geringer Rotation, in dem das Tastverhältnis des Ansteuersignals in abnehmender Weise gesteuert wird, nachdem das von der Phasenwinkel-Erfassungseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal umgeschaltet wird.
Alternativ kann eine Spezifikation so festgelegt werden, dass ein durch Erregung der Spule jeder der Phasen erzeugtes Antriebsdrehmoment einen Spitzenwert zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem das Rastmoment auf der negativen Seite nahezu den Spitzenwert erreicht.
Alternativ kann die Phasenwinkeldetektionseinheit das alle 60 Grad geänderte Phasenwinkelsignal auf der Grundlage einer Kombination von Signalen von 360 Grad, die alle 180 Grad invertiert werden, erzeugen, die von drei Hall-Sensoren in Übereinstimmung mit der Rotation des Rotors ausgegeben werden.
Alternativ können die drei Hall-Sensoren jeweils in einem Phasenwinkel angeordnet werden, bei dem eine Kombination der Signale jedes Mal geändert wird, wenn das Rastmoment auf der negativen Seite den Spitzenwert erreicht.
Alternativ kann die Antriebssteuerungseinheit den Niedrigdrehzahlmodus ausführen, wenn die Zieldrehzahl niedriger ist als ein voreingestellter Drehzahlbestimmungswert.
Alternativ kann die Antriebssteuereinheit einen normalen Modus durch Rechteckwellenantrieb von 120 Grad ausführen, um die Spule jeder der Phasen auf der positiven Seite und der negativen Seite gemäß der Vielzahl von Erregungsmustern sequentiell zu erregen, indem sie selektiv ein Ansteuersignal einer Rechteckwelle an jedes Schaltelement der Wechselrichterschaltung zu jedem Schaltzeitpunkt des Phasenwinkelsignals ausgibt, das von der Phasenwinkeldetektionseinheit erzeugt wird, wenn die Zieldrehzahl ein voreingestellter Rotationsbestimmungswert oder höher ist, während sie den Niedrigrotationsmodus ausführt, wenn die Zieldrehzahl niedriger als der Rotationsbestimmungswert ist.
Alternativ kann die Antriebssteuereinheit die Erhöhung des Tastverhältnisses des Ansteuersignals stoppen, wenn das von der Phasenwinkeldetektionseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal während der Ausführung des Niedrigdrehzahlmodus umgeschaltet wird, und das Tastverhältnis zu diesem Zeitpunkt über eine voreingestellte Wartezeit beibehalten.
Alternativ kann die Antriebssteuerungseinheit das Tastverhältnis des Antriebssignals schrittweise auf einen voreingestellten Reduktionswert verringern, nachdem das von der Phasenwinkeldetektionseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal während der Ausführung des Niedrigdrehungsmodus umgeschaltet wurde.
Alternativ kann die Antriebssteuereinheit das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf 0 % verringern, nachdem das von der Phasenwinkeldetektionseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal während der Ausführung des Niedrigdrehungsmodus umgeschaltet wurde.
Alternativ kann die Antriebssteuereinheit bis zum Ende der Erregungsperiode das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf den Reduktionswert absenken und das Tastverhältnis des Ansteuersignals zu Beginn einer nachfolgenden Erregungsperiode schrittweise von dem Reduktionswert erhöhen, wenn die Erregung in der nachfolgenden Erregungsperiode fortgesetzt wird.
Alternativ kann die Antriebssteuerungseinheit während der Ausführung des Modus mit niedriger Drehzahl eine Erhöhungsrate verringern, die angewandt wird, wenn die Einschaltdauer des Antriebssignals im Verhältnis zu einer von der Erregungsdauerberechnungseinheit berechneten Länge der Erregungsperiode erhöht wird.
Alternativ kann der bürstenlose Gleichstrommotor auch ein IPM-Motor sein, der einen in den Rotor eingebetteten Permanentmagneten enthält.
Alternativ kann der bürstenlose Gleichstrommotor auch eine Ölpumpe antreiben, die Öl ansaugt und abgibt.
Gemäß der Steuervorrichtung des bürstenlosen Gleichstrommotors der vorliegenden Erfindung kann der bürstenlose Gleichstrommotor in einem niedrigen Drehzahlbereich betrieben werden, ohne durch das Rastmoment beeinträchtigt zu werden.
Figurenliste

1 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das ein Kühlsystem zeigt, an dem eine Steuervorrichtung eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer ersten Ausführungsform angebracht ist;
2 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Konfiguration eines Mikrocomputers eines Motorsteuergerätszeigt;
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Rastmoment, einem Phasenwinkelsignal und einem Antriebsmoment in einem Modus mit niedriger Drehzahl zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm, das eine von einer Antriebssteuerungseinheit sausgeführte Routine zur Kontrolle niedriger Drehzahlen zeigt;
5 ist ein Diagramm, das den Schaltzeitpunkt eines Phasenwinkelsignals auf der Grundlage eines Sensorausgangs jeder Phase und einen Steuerzustand eines Antriebsstroms zeigt, der durch eine Spule jeder der Phasen fließt;
6 ist eine detaillierte Zeichnung, die einen Steuerzustand des Antriebsstroms in einer Einschaltperiode Tw₁ einer U-Phase zeigt, die in 5 von A umgeben ist;
7 ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand des bürstenlosen Gleichstrommotors in der Betriebsart mit niedriger Drehzahl seit seiner Inbetriebnahme zeigt;
8 ist eine detaillierte Zeichnung, die einen Steuerzustand des Antriebsstroms in einer Einschaltperiode Tw₁ einer U-Phase einer zweiten Ausführungsform zeigt;
9 ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand des bürstenlosen Gleichstrommotors im Modus niedriger Drehzahl seit seiner Inbetriebnahme zeigt;
10 ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand des bürstenlosen Gleichstrommotors während des Dauerbetriebs im Modus mit niedriger Drehzahl zeigt;
11 ist eine Detailzeichnung, die 6 entspricht und ein weiteres Beispiel für den Steuerzustand des Antriebsstroms zeigt, der durch die Spule jeder der Phasen fließt;
12 ist ein Zeitdiagramm, das 7 entspricht und ein weiteres Beispiel zeigt, bei dem das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf 0 % verringert wird, nachdem eine Wartezeit t verstrichen ist,
13 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zur Steuerung einer niedrigen Drehzahl zeigt, die von einer Antriebssteuereinheit einer dritten Ausführungsform ausgeführt wird;
14 ist ein Flussdiagramm, das eine ΔEinstellungsroutine auf die gleiche Weise zeigt; und
15 ist ein Diagramm, das einen Steuerzustand des Antriebsstroms bei einer unteren Grenzdrehzahl des Niedrigdrehzahlmodus zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform beschrieben, bei der die vorliegende Erfindung als Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor in einem Kühlsystem ausgeführt ist.
Wie im Gesamtkonfigurationsdiagramm von 1 dargestellt, kühlt ein bürstenloser Gleichstrommotor 2 der vorliegenden Ausführungsform ein gekühltes Gerät 4, wie z. B. einen Elektromotor oder einen Generator, indem er eine Ölpumpe 3 eines Kühlsystems 1 antreibt, um Kühlöl umzuwälzen.
Der bürstenlose Gleichstrommotor 2 ist ein Motor vom Typ IPM mit 6 Polen und 9 Nuten. Nachfolgend werden alle Beschreibungen eines Phasenwinkels durch einen elektrischen Winkel ausgedrückt, sofern nicht anders angegeben. Bekanntlich enthält der bürstenlose Gleichstrommotor 2 des IPM-Typs einen in seinen Rotor eingebetteten Permanentmagneten und ist ein Motor, bei dem der Wirkungsgrad durch Verwendung eines Reluktanzmoments durch Magnetflussinduktion von einer Statorwicklung zusätzlich zu einem Magnetmoment durch einen Permanentmagneten verbessert wird. Der bürstenlose Gleichstrommotor 2 der vorliegenden Ausführungsform arbeitet, indem er in Abhängigkeit von seinem Drehbereich zwischen einem normalen Modus mit einem allgemeinen Rechteckwellenantrieb von 120 Grad und einem Modus mit niedriger Drehzahl umschaltet, der für die vorliegende Erfindung einzigartig ist. In der Low-Rotation-Modus, Spulen von drei Phasen von U, V und W sind auf der Grundlage einer Rastmoment in der bürstenlosen Gleichstrommotor 2 erzeugt gesteuert, und die Details davon werden im Folgenden beschrieben.
Zunächst wird die Gesamtkonfiguration des Kühlsystems 1 anhand von 1 beschrieben. Die Trochoid-Ölpumpe 3 ist mit einer Ausgangswelle 2a des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 verbunden, und die gekühlte Ausrüstung 4 ist mit einer Auslassseite der Ölpumpe 3 durch eine Leitung 6 verbunden, durch die ein Ölkühler 5 platziert ist. Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor 2 angetrieben wird, um die Ölpumpe 3 zu drehen, wird das Kühlöl, das in einer Ölwanne 7 gespeichert ist, angesaugt, durch die gekühlte Anlage 4 über die Leitung 6 und den Ölkühler 5 geleitet und anschließend in die Ölwanne 7 zurückgeführt. Auf diese Weise zirkuliert das Öl zwischen dem Ölkühler 5 und dem gekühlten Gerät 4, die Wärme des Öls wird abgeführt, um die Temperatur im Ölkühler 5 zu senken, und das gekühlte Gerät 4 wird beim Einströmen des Öls gekühlt.
Das Kühlsystem 1 arbeitet durch koordinierte Steuerung eines Host-Controllers 8 und eines Motor-Controllers 9. Die eigentliche Antriebssteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 wird von der Motorsteuerung 9 ausgeführt, und die für die Steuerung erforderlichen Informationen, z. B. eine Zieldrehzahl und dergleichen des bürstenlosen Gleichstrommotors 2, werden von der Host-Steuerung 8 eingestellt.
Der Host-Controller 8 besteht aus einem Mikrocomputer 10 und einer Kommunikationsschaltung 11, und der Mikrocomputer 10 enthält eine Speichervorrichtung (ein ROM, ein RAM oder ähnliches), die eine Vielzahl von Steuerprogrammen, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Zeitzähler und ähnliches enthält. Ein Öltemperatursensor 12, der an der Ölwanne 7 vorgesehen ist, ist mit dem Mikrocomputer 10 verbunden, und eine Temperatur des Öls in der Ölwanne 7, die von dem Öltemperatursensor 12 erfasst wird, wird in den Mikrocomputer 10 eingegeben.
Die Motorsteuerung 9 besteht aus einem Mikrocomputer 13, einer Kommunikationsschaltung 14 und einer Umrichterschaltung 15, und der Mikrocomputer 13 enthält eine Speichervorrichtung (ein ROM, ein RAM oder ähnliches), die eine Vielzahl von Steuerprogrammen, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Zeitzähler und ähnliches enthält.
Der bürstenlose Gleichstrommotor 2 besteht aus einem nicht dargestellten Rotor mit einem Permanentmagneten und einem nicht dargestellten Stator, um den Spulen 16_U, 16_V und 16_W der jeweiligen Phasen U, V und W gewickelt sind, und eine Wechselrichterschaltung 15 ist zwischen den Spulen 16_U, 16_V und 16_W der jeweiligen Phasen und einer Gleichstromversorgung 17 vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 15 ist durch eine dreiphasige Brückenschaltung von Schaltelementen U_H, V_H und W_H der jeweiligen Phasen auf der High-Seite und Schaltelementen U_L, V_L und W_L der jeweiligen Phasen auf der Low-Seite zwischen einem Gleichstrombus 18 auf der positiven Seite und einem Gleichstrombus 19 auf der negativen Seite konfiguriert.
Die Anschlusspunkte der Schaltelemente U_H, U_L, V_H, V_L, W_H, und W_L der jeweiligen Phasen sind jeweils mit einem Ende der Spulen 16_U, 16_V, und 16_W der entsprechenden Phasen verbunden, und die anderen Enden der Spulen 16_U, 16v, und 16w der jeweiligen Phasen sind miteinander verbunden, um einen gemeinsamen Sternpunkt 20 zu bilden. Da der Gleichstrombus 18 auf der positiven Seite mit der Gleichstromversorgung 17 verbunden ist und der Gleichstrombus 19 auf der negativen Seite geerdet ist, wird eine Gleichspannung an die jeweiligen Schaltelemente U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L angelegt. Die jeweiligen Schaltelemente U _H, U_L, V_H, V_L, W_L und W_H sind mit dem Mikrocomputer 13 verbunden, und das jeweilige Schaltelement U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_Lwird entsprechend einem vom Mikrocomputer 13 ausgegebenen Steuersignal geschaltet, so dass die Spulen 16_U, 16v und 16w der jeweiligen Phasen erregt werden.
Die Hallsensoren 21_U, 21_V und 21_W der jeweiligen Phasen U, V und W sind auf dem bürstenlosen Gleichstrommotor 2 in einem Intervall eines Phasenwinkels von 120 Grad angeordnet. Ein Signal von 360 Grad, das alle 180 Grad invertiert wird, wird in den Mikrocomputer 13 der Motorsteuerung 9 von jedem Hallsensor 21_U, 21vund 21_W entsprechend einer magnetischen Poländerung eingegeben, und ein Phasenwinkelsignal von 60 Grad wird durch eine Kombination der jeweiligen Signale erzeugt.
Die Mikrocomputer 10 und 13 des Host-Controllers 8 und des Motorcontrollers 9 tauschen über die jeweiligen Kommunikationsschaltungen 11 und 14 Informationen untereinander aus. Zum Beispiel gibt der Mikrocomputer 13 des Motorcontrollers 9 einen Betriebszustand (normal oder abnormal) des Motors an die Seite des Hostcontrollers 8 aus. Der Mikrocomputer 10 des Host-Controllers 8 berechnet eine Soll-Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors 2, die für die Kühlung der aktuell gekühlten Ausrüstung 4 vorteilhaft ist, basierend auf einem Zustand der gekühlten Ausrüstung 4 und der Öltemperatur, die durch den Öltemperatursensor 12 erfasst wird, und gibt die Soll-Drehzahl an die Seite des Motor-Controllers 9 aus. Wenn beispielsweise die Öltemperatur niedrig ist, wird die Obergrenze der Solldrehzahl begrenzt, um ein Problem wie die Bildung eines Hohlraums auf der Ansaugseite oder das Ansaugen von Luft aus einer Öldichtung zu verhindern, und die Solldrehzahl, die niedriger ist als die des normalen Temperaturbereichs, wird berechnet und an die Seite des Motorcontrollers 9 ausgegeben.
Der Mikrocomputer 13 des Motorcontrollers 9, in den die Zieldrehzahl von der Seite des Hostcontrollers 8 eingegeben wird, schaltet einen Steuermodus für den Antrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 zwischen dem Normalmodus und dem Modus mit niedriger Drehzahl auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses zwischen einem voreingestellten Drehzahlbestimmungswert und der Zieldrehzahl um.
Der normale Modus, der gewählt wird, wenn die Solldrehzahl einen Rotationsbestimmungswert oder mehr beträgt, wird durch einen Rechteckwellenantrieb von 120 Grad ausgeführt. Da es sich bei diesem 120-Grad-Rechteckwellenantrieb um ein bekanntes Antriebsverfahren handelt, wird es hier nur kurz erläutert. Sechs Arten von Erregungsmustern, bei denen eine Phase auf der hohen Seite, eine andere Phase auf der niedrigen Seite und die verbleibende Phase auf beiden Seiten der jeweiligen Schaltelemente U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L eingeschaltet ist, werden entsprechend der Kombination der Signale von den jeweiligen Hall-Sensoren 21_U, 21_V und 21_W voreingestellt. Dann wird durch sequentielles Umschalten des Erregungsmusters für jede Erregungsperiode von 60 Grad, die aus dem Phasenwinkelsignal erhalten wird, das Ansteuersignal der Rechteckwelle selektiv an das jeweilige Schaltelement U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L ausgegeben, die dann eingeschaltet werden. Dadurch werden die Spulen 16_U, 16_V, und 16_W der jeweiligen Phasen nacheinander erregt, wobei sich eine EIN-Periode von 120 Grad und eine AUS-Periode von 60 Grad auf der positiven oder negativen Seite wiederholt, wobei die Phase um 120 Grad phasenverschoben wird. Dies verleiht dem Rotor eine Drehkraft, um den bürstenlosen Gleichstrommotor 2 zu betreiben.
Parallel dazu berechnet der Mikrocomputer 13 des Motorcontrollers 9 ein Tastverhältnis des Antriebssignals, mit dem die Zieldrehzahl erreicht werden kann, steuert die den jeweiligen Schaltelementen U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L zuzuführenden Antriebssignale auf der Grundlage dieses Tastverhältnisses und regelt die durch die Spulen 16_U, 16vund 16w der jeweiligen Phasen fließenden Antriebsströme. Dadurch wird der bürstenlose Gleichstrommotor 2 auf der Zieldrehzahl gehalten, während sein Antriebsmoment geregelt wird.
Wie bereits beschrieben, wird beim Rechteckwellenantrieb von 120 Grad, wenn die Spulen 16_U, 16_V und 16_W der vorbestimmten zwei Phasen nach einem bestimmten Erregungsmuster erregt werden, ein Antriebsdrehmoment, das einem Drehmoment pro Erregungsphase entspricht, über die Erregungsperiode auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten. Um die Drehung des Rotors gegen ein Rastmoment fortzusetzen, muss daher ein teilweise großer Antriebsstrom an die Spulen 16_U, 16vund 16w angelegt werden. Dies führt zu dem Problem, dass der bürstenlose Gleichstrommotor 2 nicht in einem niedrigen Drehzahlbereich betrieben werden kann.
Der Low Rotation Mode löst einen solchen Mangel des Rechteckwellenantriebs von 120 Grad auf und ermöglicht den Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 im niedrigen Drehzahlbereich. Der Rotationsbestimmungswert wird auf einer Umdrehungsseite eingestellt, die geringfügig höher ist als eine untere Grenze des Rotationsbereichs, in dem der Betrieb durch den Rechteckwellenantrieb von 120 Grad möglich ist, zum Beispiel bei 200 U/min. Der bürstenlose Gleichstrommotor 2 arbeitet im Niedrigdrehzahlmodus in dem Drehzahlbereich, der unter dem Drehzahlbestimmungswert liegt. Wenn die Öltemperatur niedrig ist, um eine Störung der Ölpumpe 3 zu verhindern, wird die Zieldrehzahl, die niedriger als der Rotationsbestimmungswert ist, vom Mikrocomputer 10 des Host-Controllers 8 berechnet. Daher arbeitet der bürstenlose Gleichstrommotor 2 zu diesem Zeitpunkt im Modus mit niedriger Drehzahl.
Um den Modus mit niedriger Drehzahl auszuführen, besteht der Mikrocomputer 13 der Motorsteuerung 9 aus einer Phasenwinkel-Erfassungseinheit 23, einer ErregungszeitBerechnungseinheit 24 und einer Antriebssteuerungseinheit 25, wie in 2 gezeigt.
Die Phasenwinkeldetektionseinheit 23 arbeitet als Phasenwinkeldetektionseinheit der vorliegenden Erfindung mit den Hallsensoren 21u, 21v und 21_W der jeweiligen Phasen und erzeugt ein Phasenwinkelsignal von 60 Grad auf der Grundlage einer Kombination von Signalen von 360 Grad, die alle 180 Grad invertiert werden, von den jeweiligen Hallsensoren 21_U, 21_V und 21_W.
Die Berechnungseinheit für die Einschaltdauer 24 berechnet eine Einschaltdauer Tw, indem sie die vom Host-Controller 8 eingegebene Soll-Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 in Zeit umrechnet. Hier ist die Erregungsperiode Tw eine Erregungsperiode für eine 60-Grad-Drehung.
Die Ansteuerungseinheit 25 gibt das Ansteuersignal selektiv an die jeweiligen Schaltelemente U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L der Wechselrichterschaltung 15 entsprechend dem von der Erregungsperiodenberechnungseinheit 24 berechneten Erregungsmuster für jede Erregungsperiode Tw aus, wodurch die Schaltelemente eingeschaltet werden. Dadurch werden die Spulen 16_U, 16_V und 16_W der jeweiligen Phasen nacheinander auf der positiven und negativen Seite erregt. Das Erregungsmuster im Modus mit geringer Umdrehung wird entsprechend einer Kombination von Signalen von den jeweiligen Hall-Sensoren 21_U, 21_V, und 21_W in der gleichen Weise ausgewählt wie die Rechteckwellenansteuerung von 120 Grad des normalen Modus. Obwohl der Rechteckwellenantrieb von 120 Grad ein konstantes Tastverhältnis beibehält, das der Zieldrehzahl während des Erregungsmusters entspricht, wird das Tastverhältnis des Antriebssignals im Modus mit niedriger Drehzahl auf der Grundlage eines Schwankungszustands des Rastmoments gesteuert, um den Rotor zu drehen, während die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwunden wird, die in der Erregungsperiode Tw vorhanden ist.
Zur Durchführung dieser Betriebssteuerung muss die Antriebssteuerungseinheit 25 des Mikrocomputers 13 die Spitze des mit der Drehung des Rotors erzeugten Rastmoments erkennen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Ausführungsform das Phasenwinkelsignal verwendet. Im bürstenlosen Gleichstrommotor 2 schwankt das Rastmoment mit dem Phasenwinkel von 60 Grad als ein Zyklus, wie in 3 gezeigt, und sechs Spitzen werden pro einer Umdrehung des Rotors auf der positiven Seite in der gleichen Richtung des Antriebsmoments bzw. auf der negativen Seite in der entgegengesetzten Richtung des Antriebsmoments erzeugt. Dann wird der Rotor zur Drehung angetrieben, wenn er ein Rastmoment der positiven Seite erhält, und an der Drehung gehindert, wenn er ein Rastmoment der negativen Seite erhält.
Durch solche Wirkungen der Rastmomente werden bei einem Phasenwinkel von -30 Grad und einem Phasenwinkel von 30 Grad, bei dem das Rastmoment von der positiven Seite zur negativen Seite wechselt, wie in 3 gezeigt, beispielsweise ein Stabilitätspunkt 1 und ein Stabilitätspunkt 2 gebildet, die eine Wirkung des Ziehens des Rotors und des Haltens des Rotors an den Phasenwinkeln zeigen. Ferner wird bei einem Phasenwinkel von 0 Grad, bei dem das Rastmoment von der negativen Seite zur positiven Seite wechselt, ein Abstoßungspunkt gebildet, der eine Wirkung des Abstoßens des Rotors zeigt und den Rotor von dem Phasenwinkel fernhält, der dem Stabilitätspunkt entgegengesetzt ist. Infolgedessen wird der Phasenwinkel des Rotors, wenn das Antriebsdrehmoment nicht empfangen wird, von dem Abstoßungspunkt ferngehalten, zum Beispiel zu einem der Stabilitätspunkte 1 und 2 gezogen und dort beibehalten.
Ausgehend von diesen Rastmomenten werden die Phasenwinkel der Hallsensoren 21_U, 21_V, und 21_W der jeweiligen Phasen eingestellt. Mit anderen Worten, durch die oben beschriebene Kombination der Signale der jeweiligen Hall-Sensoren 21_U, 21v und 21_W wird das Phasenwinkelsignal alle 60 Grad umgeschaltet, was dem gleichen Zyklus wie das Rastmoment entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Phasenwinkel, bei denen der jeweilige Hall-Sensor 21_U, 21_V und 21_W angeordnet sind, jeweils so voreingestellt, dass der Schaltzeitpunkt des Phasenwinkelsignals mit der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments übereinstimmt. Daher wird die Kombination der Signale der jeweiligen Hallsensoren 21_U, 21vund 21_W alle 60 Grad geändert, wenn das Rastmoment die Spitze auf der negativen Seite erreicht, was dann das Phasenwinkelsignal schaltet.
Es ist zu beachten, dass die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments und der Schaltzeitpunkt des Phasenwinkelsignals nicht vollständig aufeinander abgestimmt sein müssen. Solange das Phasenwinkelsignal konstant in einem bestimmten Verhältnis zu der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments geschaltet wird, spielt es keine Rolle, wenn eine gewisse Abweichung verursacht wird, und die vorliegende Erfindung soll auch eine solche Ausführungsform umfassen.
Andererseits ist das Antriebsmoment beim bürstenlosen Gleichstrommotor der vorliegenden Ausführungsform mit dem schwankenden Rastmoment synchronisiert, wie oben beschrieben, was im Folgenden erläutert wird.
Wie allgemein bekannt, wird im bürstenlosen Gleichstrommotor 2 des IPM-Typs ein kombiniertes Drehmoment erzeugt, bei dem ein Magnetmoment und ein Reluktanzmoment addiert werden. In der Betriebsart mit niedriger Drehzahl der vorliegenden Ausführungsform, deren Erregungsmuster sich nicht von dem des Rechteckwellenantriebs mit 120 Grad unterscheidet, wirkt ein Antriebsdrehmoment, das der Summe der kombinierten Drehmomente von zwei erregten Phasen entspricht, als Drehkraft auf den Rotor. Hier liegt die Spitze des Reluktanzmoments bei einem um 45 Grad phasenverschobenen Winkel gegenüber der Spitze des Magnetmoments. Andererseits steigt oder sinkt der Spitzenwert des Reluktanzmoments auch bei gleichem Magnetmoment in Abhängigkeit von der Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors 2, wie z. B. der Form des Rotors und dergleichen. Dementsprechend ändert sich der Phasenwinkel, bei dem das kombinierte Drehmoment den Spitzenwert erreicht, und folglich auch der Phasenwinkel, bei dem das Antriebsmoment den Spitzenwert erreicht. Dies bedeutet, dass der Phasenwinkel der Spitze des Antriebsdrehmoments innerhalb eines vorgegebenen Bereichs beliebig verändert werden kann, indem die Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 entsprechend geändert wird.
Durch die Fokussierung auf solche Eigenschaften wird in der vorliegenden Ausführungsform die Spitze des Antriebsdrehmoments mit der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments übereinstimmen. Mit anderen Worten, gemäß der Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, erreicht das Rastmoment den Spitzenwert auf der negativen Seite bei dem Phasenwinkel, der um 15 Grad gegenüber dem Phasenwinkel von 0 Grad, der dem Spitzenwert des Magnetmoments entspricht, verzögert ist, mit anderen Worten, bei -15 Grad, das ist der Phasenwinkel auf der Seite in der Gegendrehrichtung. Somit wird das Antriebsmoment auch so eingestellt, dass es die Spitze beim Phasenwinkel von -15 Grad erreicht, indem die Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 entsprechend geändert wird.
Der Spitzenwert auf der negativen Seite des Rastmoments und der Spitzenwert des Antriebsmoments müssen jedoch nicht übereinstimmen, und die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Ausführungsform, bei der die Spitzenwerte der beiden nicht übereinstimmen, um eine Abweichung zu verursachen.
Damit der Phasenwinkel des Rotors die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments in jeder Erregungsperiode Tw überwinden kann, muss das Antriebsmoment den Absolutwert der Spitze auf der negativen Seite zu dem Zeitpunkt überschreiten, an dem das Rastmoment die Spitze auf der negativen Seite erreicht hat. Daher wird eine Einschaltdauer festgelegt, die ein Antriebsdrehmoment erzeugt, das den absoluten Wert der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments übersteigt. Das Gleiche gilt, wenn der Spitzenwert des Antriebsmoments nicht mit dem Spitzenwert auf der negativen Seite des Rastmoments übereinstimmt. In diesem Fall wird bei dem Phasenwinkel von -15 Grad, bei dem das Rastmoment die Spitze auf der negativen Seite erreicht, eine Kennlinie so eingestellt, dass ein Antriebsmoment, das dem Tastverhältnis = 100 % entspricht, den Absolutwert der Spitze ausreichend übersteigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerroutine für niedrige Rotation zeigt, die im Modus für niedrige Rotation von der Antriebssteuereinheit 25 ausgeführt wird, und die Routine wird jedes Mal wiederholt ausgeführt, wenn die Erregungsperiode Tw auf der Grundlage der Zieldrehzahl berechnet und gestartet wird. Ferner ist 5 ein Diagramm, das die Schaltzeitpunkte der Phasenwinkelsignale auf der Grundlage von Sensorausgängen der jeweiligen Phasen und einen Steuerzustand der durch die Spulen 16_U, 16v und 16w der jeweiligen Phasen fließenden Antriebsströme zeigt, und 6 ist eine detaillierte Zeichnung, die einen Steuerzustand des Antriebsstroms in einer Erregungsperiode T_W1 der in 6 als A eingekreisten U-Phase zeigt. Die Antriebsströme in den jeweiligen Phasen in 5 und 6 können als die Aufgaben der Antriebssignale betrachtet werden, die den Schaltelementen U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L zugeführt werden, oder als die vom bürstenlosen Gleichstrommotor 2 erzeugten Antriebsmomente. Nachfolgend kann auf der Grundlage von 5 und 6 anstelle des Antriebsstroms der Steuerzustand der Aufgabe des Antriebssignals und des Antriebsmoments beschrieben werden.
Wenn die Zieldrehzahl von der übergeordneten Steuerung 8 eingegeben wird, wird die auf der Grundlage der Zieldrehzahl berechnete Erregungsperiode Tw gestartet, womit die Routine von 4 begonnen wird. In Schritt 1 wird das Tastverhältnis des an jedes Schaltelement U_H, U_L, V_H und V_L gelieferten Ansteuersignals vorübergehend auf 0 % geregelt. Dann wird in Schritt 2 ein Sollwert Δ zum Tastverhältnis des Ansteuersignals für die Schaltelemente U_H, U_L, V_H und V_L addiert, die den Spulen 16_U , 16_V und 16w der Phase entsprechen, in der die positive Seite oder die negative Seite auf der Grundlage des Erregungsmusters erregt werden soll. Im anschließenden Schritt 3 wird festgestellt, ob das Phasenwinkelsignal geschaltet wurde oder nicht, und das Verfahren kehrt zu Schritt 2 zurück, wenn es Nein (negativ) ist.
Das in den 5 und 6 gezeigte Beispiel veranschaulicht einen Fall, in dem die Erregungsperiode T_W1 auf der Grundlage der Zieldrehzahl zum Starten des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 berechnet wird. In der Erregungsperiode T_W1 werden die Schaltelemente U_H, U_L, V_H und V_L auf der hohen Seite der U-Phase und der niedrigen Seite der V-Phase eingeschaltet, und ein Tastverhältnis jedes Ansteuersignals beginnt mit einer vorbestimmten Steigerungsrate von 0 % durch die Verarbeitung von Schritt 2 für jedes Steuerintervall der Antriebssteuereinheit 25 (Punkt a in 6) anzusteigen, wobei das Antriebsdrehmoment auch allmählich mit den Antriebsströmen der U-Phase und der V-Phase zunimmt.
Wenn in Schritt 3 von 4 auf der Grundlage des Umschaltens des Phasenwinkelsignals die Entscheidung Ja (positiv) getroffen wird, wird das Tastverhältnis des Ansteuersignals zu diesem Zeitpunkt in Schritt 4 beibehalten (Punkt b in 6). Im anschließenden Schritt 5 wird festgestellt, ob die voreingestellte Wartezeit t verstrichen ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, kehrt der Prozess zu Schritt 4 zurück, und der Prozess geht zu Schritt 6 über, wenn in Schritt 5 ein Ja festgestellt wird. Daher wird das Tastverhältnis des Ansteuersignals über die Wartezeit t beibehalten, wie in den 5 und 6 gezeigt, und die Ansteuerströme der U-Phase und der V-Phase werden auf den Werten der Zeit, zu der der Phasenwinkel geschaltet wird, und auf dem Steuerdrehmoment, das dem Ansteuerstrom zu dieser Zeit entspricht, gehalten.
Wenn die Wartezeit t verstrichen ist (Punkt c in 6), wird zu Schritt 6 übergegangen und das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf einen voreingestellten Reduktionswert Duty L_o verringert (Punkt d in 6). Im anschließenden Schritt 7 wird festgestellt, ob die Einschaltdauer Tw abgelaufen ist oder nicht. Der Prozess kehrt zu Schritt 6 zurück, wenn die Bestimmung Nein ist, und die Routine wird vorübergehend beendet, wenn die Bestimmung von Schritt 7 Ja ist (Punkt e in 6).
Nun wird die Verarbeitung der Erregungsperiode T_W1 beendet, um eine nachfolgende Erregungsperiode Tw zu beginnen₂, die auf einer neuen Solldrehzahl basiert, die von der übergeordneten Steuerung 8 eingegeben wird. Obwohl die Beschreibung der Überlappung weggelassen wird, wird in dieser Erregungsperiode T_W2 die Verarbeitung der Routine von 4 auf der U-Phase und der W-Phase gemäß dem Erregungsmuster in der gleichen Weise wie oben beschrieben ausgeführt, und in einer nachfolgenden Erregungsperiode T_W3 und danach wird die gleiche Verarbeitung auch ausgeführt, während eine zu erregende Phase gemäß dem Erregungsmuster sequentiell geändert wird.
Der Betriebszustand des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 im Niedrigdrehzahlmodus, der von der oben beschriebenen Antriebssteuereinheit 25 ausgeführt wird, wird anhand von 3 und 7 beschrieben. Beachten Sie, dass das Zeitdiagramm in 7 einen Fall zeigt, in dem 0,5 Sekunden als die Erregungsperiode Tw basierend auf der Zieldrehzahl berechnet wird.
Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor 2 gestoppt wird, wird das Antriebssignal bei einem Tastverhältnis von 0 % gehalten (Punkt a in 7) und der Rotor wird am Stabilitätspunkt 1 des Rastmoments gestoppt, der z. B. durch den Phasenwinkel von -30 Grad in 3 und 7 dargestellt ist. Wenn die Zieldrehzahl von der übergeordneten Steuerung 8 eingegeben wird, um den bürstenlosen Gleichstrommotor 2 zu starten, wird die Einschaltdauer Tw gestartet. Den Schaltelementen U_H, U_L, V_H und V_L der zu erregenden Phasen wird ein Ansteuersignal zugeführt, und die Einschaltdauer steigt allmählich von 0 % an (Pfeil ab in 7). Mit dieser Erhöhung des Tastverhältnisses steigen auch der Antriebsstrom zu den Spulen 16_U und 16_V und das Antriebsmoment allmählich an. Daher beginnt sich der Rotor vom Stabilitätspunkt 1 aus zu drehen, während er dem Rastmoment widersteht, wodurch sich sein Phasenwinkel allmählich der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments nähert.
Wenn das Phasenwinkelsignal umgeschaltet wird, wird der Anstieg des Tastverhältnisses des Ansteuersignals gestoppt, um die Wartezeit t zu beginnen (Punkt b in 7), und das Tastverhältnis zu diesem Zeitpunkt wird über die Wartezeit t beibehalten, um die Drehung des Rotors fortzusetzen (Pfeil bc in 7). Wie in 3 dargestellt, hat das Rastmoment den Spitzenwert auf der negativen Seite erreicht, wenn das Phasenwinkelsignal geschaltet wird. Daher bedeutet das Schalten des Phasenwinkelsignals, dass sich der Rotor dreht, mit anderen Worten, es wird ein Antriebsdrehmoment erzeugt, das die Spitze auf der negativen Seite überwinden kann. Eine weitere Erhöhung der Einschaltdauer des Antriebsmoments, d. h. die Erhöhung des Antriebsmoments, kann somit als unnötig angesehen werden.
Wie in 3 gezeigt, sinkt der absolute Wert des Rastmoments zwar durch die Spitze auf der negativen Seite zum Zeitpunkt des Umschaltens des Phasenwinkelsignals, doch wirkt dies immer noch in Richtung einer Behinderung der Rotordrehung. Wenn also das Antriebsmoment zu diesem Zeitpunkt verschwindet, kann der Rotor zurückdrehen, ohne die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments vollständig zu überwinden. Da das Antriebsmoment zu dem Zeitpunkt, an dem die Erhöhung der Einschaltdauer aufgehoben wird, über die Wartezeit t aufrechterhalten wird, dreht sich der Rotor weiter, während er dem Rastmoment widersteht, überwindet zuverlässig die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments und passiert den Rückstoßpunkt des Phasenwinkels von 0 Grad. Wie aus dieser Beschreibung ersichtlich ist, wird die Wartezeit t als eine Zeit festgelegt, die so lang ist, dass der Phasenwinkel des Rotors den Abstoßungspunkt des Rastmoments passieren kann.
Der Prozess, bei dem der Rotor die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments, wie oben beschrieben, überwindet, wird im Folgenden näher beschrieben. Das Tastverhältnis des Antriebssignals nimmt mit dem Beginn der Erregungsperiode Tw allmählich zu, und wenn das Rastmoment den Spitzenwert auf der negativen Seite erreicht, erreicht auch das Antriebsdrehmoment der aktuellen Phase den Spitzenwert, wie in 3 dargestellt. Da, wie oben beschrieben, die Einschaltdauer, die das Antriebsdrehmoment erzeugt, so eingestellt ist, dass der absolute Wert der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwunden wird, ermöglicht die Erhöhung der Einschaltdauer dem Phasenwinkel des Rotors, die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments zuverlässig zu überwinden.
Unter der Annahme, dass die Spitze des Antriebsmoments in Bezug auf die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments auf die Vorderseite oder die Nachlaufseite verschoben ist, wird ein niedrigeres, von der Spitze verschobenes Antriebsmoment verwendet, um dem Rastmoment zu widerstehen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, eine Kennlinie des Antriebsmoments auf der Anstiegsseite zurückzusetzen, damit der Phasenwinkel des Rotors die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwinden kann. In diesem Fall tritt ein Problem auf, wie z.B. die Vergrößerung des bürstenlosen Gleichstrommotors 2. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Effekt erzielt, dass ein solches Problem verhindert werden kann.
Andererseits, wenn die Wartezeit t nach solchen Vorgängen verstrichen ist (Punkt c in 7), sinkt die Einschaltdauer des Antriebssignals schrittweise auf den Reduktionswert DutyL_o (Punkt d in 7), womit auch das Antriebsdrehmoment verringert wird. Bei einer Technik, die in der japanischen Patentschrift Nr. 2015-231242 offengelegt ist, beginnt der bürstenlose Gleichstrommotor 2 zu rotieren, was jedoch durch eine schrittweise Verringerung des Tastverhältnisses verhindert wird. Darüber hinaus ist die vorliegende Ausführungsform in Bezug auf den Stromverbrauch überlegen, da eine verschwenderische Energiezufuhr, nachdem der Rotor die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwunden hat, durch die Verringerung des Tastverhältnisses des Ansteuersignals auf den Reduktionswert DutyL_o verhindert wird.
Obwohl das auf den Rotor wirkende Antriebsdrehmoment mit der Verringerung der Einschaltdauer ebenfalls schrittweise abnimmt, bleibt das Antriebsdrehmoment, das dem Verringerungswert Duty L_o entspricht, bestehen. Da das Rastmoment zu diesem Zeitpunkt von der negativen zur positiven Seite wechselt, nachdem es den Abstoßungspunkt (ein Pfeil de in 7) passiert hat, wirkt das Rastmoment in der Richtung, die den Rotor zum Drehen antreibt. Daher dreht sich der Rotor weiter, nachdem die Wartezeit t verstrichen ist, und wird bei einem Phasenwinkel gehalten, der etwas näher an der Vorschubseite liegt als der Stabilitätspunkt 2 des Phasenwinkels von 30 Grad, mit anderen Worten, bei einem Phasenwinkel auf der Seite in Drehrichtung (Punkt e in 7). Dann wird die aktuelle Erregungsperiode Tw beendet. Wenn eine nachfolgende Erregungsperiode Tw gestartet wird, sinkt das Tastverhältnis des Antriebssignals vorübergehend auf 0 %, und der Rotor dreht sich leicht zurück zum Stabilitätspunkt 2 des Phasenwinkels von 30 Grad, wenn das Antriebsmoment verschwindet (Punkt f in 7). Daher wird in der Erregungsperiode Tw unmittelbar zuvor der Phasenwinkel des Rotors im Wesentlichen um 60 Grad geändert.
Danach wird ab dem Punkt a in 7 ein ähnlicher Vorgang wie oben beschrieben ausgeführt, entsprechend dem in der nachfolgenden Erregungsperiode Tw eingestellten Erregungsmuster. Diese Betriebssteuerung wird für jede Erregungsperiode Tw wiederholt, und der Rotor dreht sich weiter, während er die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwindet.
Es ist zu beachten, dass eine Rotationsschwankung des Rotors, die während der Erregungsperiode Tw auftritt, von einer Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 oder von verschiedenen Einstellungen desselben abhängt, wie z. B. der Steigerungsrate der Einschaltdauer, der Wartezeit t und dem Untersetzungswert DutyL_o , wonach der Rotor an einem Stabilitätspunkt des Rastmoments, z. B. den Stabilitätspunkten 1 und 2 in den oben beschriebenen Beispielen, vorübergehend zu drehen aufhören kann oder nicht. In jedem Fall dreht sich der Rotor jedoch schrittweise weiter, wobei die Drehung synchron mit der Erregungsperiode Tw schwankt.
Dann wird, wie oben beschrieben, das Phasenwinkelsignal als Index verwendet, um das Erregungsmuster im Normalmodus alle 60 Grad sequenziell umzuschalten, während das Phasenwinkelsignal verwendet wird, um das Antriebssignal synchron mit der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments alle 60 Grad im Modus mit niedriger Drehzahl zu steuern.
Mit anderen Worten: Unabhängig vom Schaltzeitpunkt des Phasenwinkelsignals wird die Zieldrehzahl in Zeit umgerechnet, um die Erregungsperiode Tw zu erhalten, und das Erregungsmuster wird sequenziell synchron mit dieser Erregungsperiode Tw geschaltet. In jeder Erregungsperiode Tw gibt es eine Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments, das die Drehung des Rotors behindert, und das Tastverhältnis des Antriebssignals, das mit dem Beginn der Erregungsperiode Tw erhöht wird, wird sequenziell gesteuert, indem als Auslöser der Schaltzeitpunkt des Phasenwinkelsignals verwendet wird, der mit der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments übereinstimmt. Infolgedessen kann die Erhöhung der Einschaltdauer zu einem geeigneten Zeitpunkt, der der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments entspricht, aufgehoben werden, und eine Reihe von nachfolgenden Einschaltsteuerungen, bestehend aus der Beibehaltung eines konstanten Werts über die Wartezeit t, der Reduzierung auf den Reduzierungswert DutyL_o und der Beibehaltung des Reduzierungswerts DutyL_o, kann ebenfalls zu einem geeigneten Zeitpunkt ausgeführt werden.
Durch die oben beschriebene Einschaltdauerregelung des Ansteuersignals überwindet der Rotor zuverlässig die in der aktuellen Erregungsperiode Tw vorhandene Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments. Darüber hinaus wird verhindert, dass der Rotor auch in der nachfolgenden Einschaltperiode Tw die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwindet, und der Rotor wird z.B. im oben beschriebenen Stabilitätspunkt 2 gehalten. Infolgedessen ändert der Rotor in jeder Erregungsperiode Tw den Phasenwinkel um 60 Grad vom Stabilitätspunkt 1 zum Stabilitätspunkt 2, während er sich schrittweise dreht. Da das Arbeitspensum des Antriebsstroms proaktiv so gesteuert wird, dass der Rotor eine Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments, wie oben beschrieben, überwindet, wird selbst bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor 2 des IPM-Typs, der ein großes Rastmoment aufweist, die oben beschriebene Phasenwinkeländerung des Rotors erreicht.
Da andererseits die Einschaltdauer Tw ein Wert ist, der sich aus der Umrechnung der Zieldrehzahl in Zeit ergibt, kann die Einschaltdauer Tw als die Zeit angesehen werden, die der Rotor benötigt, um sich unabhängig von der Steigung der Zieldrehzahl um 60 Grad zu drehen. Daher wird die Zieldrehzahl erreicht, wenn sich der Rotor bei jeder Einschaltdauer Tw um 60 Grad dreht. Infolgedessen kann die beabsichtigte Phasenwinkeländerung des Rotors innerhalb der Erregungsperiode Tw realisiert werden, ohne durch das Rastmoment beeinträchtigt zu werden, wodurch der bürstenlose Gleichstrommotor 2 im Niedrigdrehzahlbereich betrieben werden kann.
Wenn die Öltemperatur niedrig ist, wird, um eine Störung der Ölpumpe 3 zu verhindern, eine Zieldrehzahl, die niedriger ist als der Rotationsbestimmungswert, vom Host-Controller 8 an die Motorsteuerung 9 ausgegeben. Da der bürstenlose Gleichstrommotor 2 zu diesem Zeitpunkt im Niedrigdrehzahlmodus arbeitet, um die Zieldrehzahl zu erreichen, kann der ursprüngliche Zweck des Kühlsystems 1, nämlich die Kühlung der gekühlten Ausrüstung 4, erreicht werden, während die Störung der Ölpumpe 3 bei niedriger Öltemperatur verhindert wird.
Es ist zu beachten, dass der Rotor, wie oben beschrieben, je nach Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 nicht unbedingt am Stabilitätspunkt 1 oder 2 aufhört zu drehen. In diesem Fall ist die Änderung des Phasenwinkels des Rotors, die innerhalb der Erregungsperiode Tw auftritt, nicht genau 60 Grad. Wenn jedoch die Änderung des Phasenwinkels des Rotors innerhalb der aktuellen Erregungsperiode Tw weniger als 60 Grad beträgt, vergrößert sich beispielsweise die Änderung des Phasenwinkels in der nachfolgenden Erregungsperiode Tw um den fehlenden Betrag. Selbst wenn es Unterschiede in der Änderung des Phasenwinkels zwischen den einzelnen Erregungsperioden Tw gibt, beträgt die Änderung daher 60 Grad, wenn der Mittelwert gebildet wird. Dadurch kann die Ziel-Drehzahl erreicht werden. Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine solche Ausführungsform.
Nun wird die Einschaltdauer des Antriebssignals mit einer vorbestimmten Steigerungsrate zu Beginn der Erregungsperiode Tw erhöht, um die Erhöhung der Einschaltdauer zu einem geeigneten Zeitpunkt innerhalb der Erregungsperiode Tw aufzuheben und die zu verfolgende Reihe der Einschaltdauerregelung angemessen und zuverlässig durchzuführen. Wenn beispielsweise die Einschaltdauer langsam erhöht wird, übersteigt das Antriebsdrehmoment nicht den absoluten Wert der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments innerhalb der Einschaltdauer Tw, oder der Zeitpunkt für das Überschreiten des absoluten Wertes ist verzögert. Dies führt dazu, dass nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, um die nachfolgende Laststeuerung innerhalb der Einschaltdauer Tw durchzuführen. Im Gegensatz dazu kann bei einer schnellen Erhöhung der Einschaltdauer der Zeitpunkt für die Aufhebung der Erhöhung nicht nachgeholt werden, und eine übermäßige Einschaltdauer, die den erwarteten Wert übersteigt, wird z. B. während der Wartezeit t beibehalten. In beiden Fällen kann die beabsichtigte Phasenwinkeländerung des Rotors innerhalb der Einschaltdauer Tw nicht realisiert werden.
In Anbetracht der obigen Ausführungen wird ein geeigneter Sollwert Δvoreingestellt, und die Einschaltdauer des Ansteuersignals wird mit einer auf diesem Sollwert basierenden Steigerungsrate erhöhtΔ. Dadurch kann die Leistungssteuerung des Antriebssignals innerhalb der Erregungsperiode Tw angemessen ausgeführt werden. Dadurch kann der Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 im unteren Drehzahlbereich zuverlässig realisiert werden, indem der Rotor mit dem vorgesehenen Phasenwinkel innerhalb der Erregungsperiode Tw verändert wird.
Obwohl das Tastverhältnis des Antriebssignals nach Ablauf der Wartezeit t schrittweise verringert wird, wird das Tastverhältnis auf dem Reduktionswert DutyL gehalten_o, ohne auf 0 % verringert zu werden. Daher bleibt das Antriebsdrehmoment nach Ablauf der Wartezeit t auf dem Betrag, der dem Reduktionswert Duty L_o entspricht, und der Rotor bleibt an einem Stabilitätspunkt gegen ein Reibungsmoment stehen. Auf diese Weise kann die Drehung des Rotors in der folgenden Einschaltperiode Tw sanft beginnen.
[Zweite Ausführungsform]
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben, bei der die vorliegende Erfindung als Steuervorrichtung für einen anderen bürstenlosen Gleichstrommotor 2 ausgeführt ist. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform ist, dass, wenn die Erregungsperiode Tw gestartet wird, das Tastverhältnis des Ansteuersignals auf dem Reduktionswert DutyL_o gehalten wird, ohne auf 0 % verringert zu werden. Daher wird das Tastverhältnis des Antriebssignals in Schritt 1 des Flussdiagramms von 4 auf den Reduktionswert DutyL_o geregelt, obwohl dies nicht dargestellt ist. Da die anderen Merkmale mit denen der ersten Ausführungsform identisch sind, werden sich überschneidende Beschreibungen für die gemeinsamen Merkmale weggelassen und die Beschreibung wird sich auf die Unterschiede konzentrieren.
8 ist eine Detailzeichnung, die einen Steuerzustand des Antriebsstroms entsprechend 6 der ersten Ausführungsform zeigt, und zeigt den Steuerzustand des Antriebsstroms der U-Phase, wenn der bürstenlose Gleichstrommotor 2 am Punkt a der Einschaltperiode Tw gestartet wird₁. Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, sinkt das Tastverhältnis schrittweise auf den Reduktionswert DutyL_o (Punkt d in 8), nachdem das Tastverhältnis des Ansteuersignals erhöht, seine Erhöhung aufgehoben (Punkt b in 8) und über die Wartezeit t auf einem konstanten Wert gehalten wurde. Dann wird das Tastverhältnis auf dem reduzierten Wert Duty L_o gehalten, um die aktuelle Erregungsperiode Tw zu beenden. In einer nachfolgenden Erregungsperiode T_W2 wird die Spule der U-Phase weiterhin gemäß dem Erregungsmuster erregt. Anders als bei der ersten Ausführungsform sinkt das Tastverhältnis des Ansteuersignals für die U-Phase zu diesem Zeitpunkt nicht auf 0 % zu Beginn der nachfolgenden Erregungsperiode T_W2. Der Reduktionswert DutyL_o wird durch die Verarbeitung von Schritt 1 von 4 beibehalten, und das Tastverhältnis beginnt, ausgehend vom Reduktionswert DutyL_o, durch die nachfolgende Verarbeitung von Schritt 2 (Punkt e in 8) zu steigen. Man beachte, dass für die Phasen, die in der nachfolgenden Einschaltperiode Tw nicht eingeschaltet sind₂ die Einschaltdauer wie üblich bei 0 % gehalten wird.
9 ist ein Zeitdiagramm seit dem Start entsprechend 7 der ersten Ausführungsform, und der Betriebszustand innerhalb der aktuellen Erregungsperiode T_W1 ist inhaltlich derselbe, aber der Unterschied liegt darin, dass das Tastverhältnis des Ansteuersignals auf dem Reduktionswert Duty L_o gehalten wird, ohne auf 0% zu sinken, wenn die nachfolgende Erregungsperiode T_W2 gestartet wird (Punkt a' in 9). Wenn die nachfolgende Erregungsperiode T_W2 gestartet wird, beginnt das Tastverhältnis des Ansteuersignals ab dem Reduktionswert Duty L_o zu steigen, wie in 10 gezeigt (Punkt a' in 10). Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform beginnt sich der Rotor dann sofort zu drehen, ohne zum Stabilitätspunkt 2 zurückzukehren (Punkt e in 10).
In der ersten Ausführungsform dreht sich der Rotor bei jeder Erregungsperiode Tw, wenn auch nur leicht, zum Stabilitätspunkt 2 zurück, und das Antriebsmoment verschwindet wegen der Einschaltdauer = 0 % vorübergehend am Stabilitätspunkt 2. Dies führt dazu, dass die Drehung des Rotors nicht gleichmäßig ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein solches Zurückdrehen des Rotors verhindert, und das dem Reduktionswert Duty L_o entsprechende Antriebsmoment wirkt weiterhin auf den Rotor. Daher beginnt sich der Rotor gleichmäßig zu drehen, wenn die nachfolgende Erregungsperiode Tw gestartet wird und das Tastverhältnis des Antriebssignals steigt. Diese Faktoren ermöglichen dem bürstenlosen Gleichstrommotor 2 einen noch gleichmäßigeren Betrieb im unteren Drehzahlbereich.
[Dritte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform beschrieben, bei der die vorliegende Erfindung als Steuervorrichtung eines anderen bürstenlosen Gleichstrommotors 2 ausgeführt ist. Der Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsform besteht darin, dass eine Zeitspanne von der Erhöhung der Einschaltdauer des Ansteuersignals von 0 % bis zur Aufhebung der Erhöhung variabel entsprechend der Zielerregungszeit Tw gesteuert wird. Nachfolgend wird der Einfachheit halber der Zeitraum, in dem die Einschaltdauer erhöht wird, als Einschaltdauer Ti bezeichnet, und in Bezug auf die Wartezeit t, in der die Einschaltdauer nach der Erhöhung beibehalten wird, wird ein Zeitraum, in dem die Einschaltdauer anschließend auf dem Reduktionswert Duty L_o beibehalten wird, als Reduktionszeitraum t1 bezeichnet. Ferner wird ein Wert, bei dem diese addiert werden, als tatsächliche Einschaltdauer Ta bezeichnet. Darüber hinaus wird die Reduktionsperiode t1 in gleicher Weise wie die Wartezeit t als fester Wert vorgegeben.
Da bei der ersten und zweiten Ausführungsform der zur Erhöhung der Einschaltdauer verwendeteΔ Sollwert ein fester Wert ist, ist auch die Steigerungsrate der Einschaltdauer zwangsläufig ein fester Wert. Somit ist die Länge der Einschaltdauer Ti immer fest, unabhängig von der Länge der Soll-Energiedauer Tw. Andererseits wird beispielsweise in dem Drehzahlbereich, in dem der Modus für niedrige Drehzahlen ausgeführt wird (z. B. 20 bis 200 U/min), die auf der Grundlage der Zieldrehzahl eingestellte Zielerregungsperiode Tw stark ansteigen und abfallen, und das Verhältnis der Betriebserhöhungsperiode Ti zur Zielerregungsperiode Tw wird zwangsläufig ebenfalls stark ansteigen und abfallen.
Die angestrebte Einschaltdauer Tw ist bei der oberen Grenzdrehzahl (z. B. 200 U/min) des Niedrigdrehzahlmodus am kürzesten. Auch in diesem Fall sind jedoch die Steigerungsrate des Tastverhältnisses des Antriebssignals und auch der Sollwert Δso eingestellt, dass ein Antriebsmoment erzeugt wird, das die Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments überwinden kann. Wenn dieser Sollwert jedoch Δeingestellt ist, wird die Erhöhung des Tastverhältnisses in der sehr frühen Phase der langen Zielerregungsperiode Tw bei der unteren Grenzdrehzahl (z. B. 20 U/min) des Niedrigdrehzahlmodus abgeschlossen, und das Tastverhältnis wird während des größten Teils der verbleibenden Periode auf dem Reduktionswert Duty L_o gehalten. Mit anderen Worten, da das Antriebsdrehmoment in der sehr frühen Phase der Zielerregungsperiode Tw schnell ansteigt, ist die Drehschwankung innerhalb der Zielerregungsperiode Tw groß. Dadurch wird die Rotation des Rotors leicht instabil.
Um ein solches Phänomen zu verbessern, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Einschaltdauer Ti variabel gesteuert, wofür die Antriebssteuereinheit 25 des Mikrocomputers 13 die in den 13 und 14 gezeigten Flussdiagramme ausführt. Da die anderen Merkmale mit denen der ersten und zweiten Ausführungsform identisch sind, werden sich überschneidende Beschreibungen für die gemeinsamen Merkmale weggelassen und die Beschreibung wird sich auf die Unterschiede konzentrieren.
13 ist ein Flussdiagramm, das eine von der Antriebssteuereinheit 25 ausgeführte Steuerroutine für niedrige Drehzahlen zeigt, 14 ist ein Flussdiagramm, das eine Einstellroutine derselben zeigtΔ, und 15 ist ein Diagramm, das einen Steuerzustand des Antriebsstroms bei der unteren Grenzdrehzahl des Niedrigdrehzahlmodus zeigt.
Nachdem das Tastverhältnis des Ansteuersignals in Schritt 1 von 13 zeitlich auf 0 % gesteuert wurde, wird in Schritt 11 die Einstellung eines Sollwerts Δausgeführt. Wenn die Verarbeitung von Schritt 11 gestartet ist, geht der Prozess zu Schritt 22 von 14 über.
In Schritt 22 wird die Ist-Energiedauer Ta, die als vorheriger Wert Ta-1 in der unmittelbar vorhergehenden Energiedauer gespeichert ist, gelesen. Im anschließenden Schritt 23 wird eine Abweichung Td zwischen der Soll-Energiedauer Tw und dem Vorwert Ta-1 der Ist-Energiedauer berechnet. Anschließend wird in Schritt 24 ermittelt, ob der Absolutwert |Td| der Abweichung Td eine vorgegebene Totzone überschreitet oder nicht. Wenn die Bestimmung Nein lautet, geht das Verfahren zu Schritt 25 über, um die Routine zu beenden, nachdem der in der unmittelbar vorhergehenden Erregungsperiode angewendete Wert als Sollwert Δfür diese Zeit bestimmt wurde, und das Verfahren geht zu Schritt 2 von 13 über.
Wenn die Bestimmung in Schritt 24 „Ja“ lautet, geht das Verfahren zu Schritt 26 über, um zu bestimmen, ob die Abweichung Td 0 oder höher ist. Wenn die Bestimmung Ja ist, geht das Verfahren zu Schritt 27 über, in dem der SollwertΔ, der in der Erregungsperiode unmittelbar zuvor angewendet wurde, korrigiert wird, um auf der Grundlage eines voreingestellten Korrekturwerts zu steigen, um den Sollwert Δfür diese Zeit zu erhalten. Wenn die Bestimmung in Schritt 26 „Nein“ lautet, geht das Verfahren zu Schritt 28 über, in dem der Δin der unmittelbar vorhergehenden Erregungsperiode angewendete Sollwert auf der Grundlage des voreingestellten Korrekturwerts so korrigiert wird, dass er abnimmt, um den Sollwert Δ für diesen Zeitpunkt zu erhalten.
Auf der Grundlage des auf diese Weise eingestellten Sollwerts Δwird das Tastverhältnis des Ansteuersignals in den Schritten 2 und 3 für jedes Steuerintervall nacheinander erhöht. Wenn dann auf der Grundlage des Umschaltens des Phasenwinkelsignals in Schritt 3 eine Bestimmung von Ja gegeben ist, geht der Prozess zu Schritt 4 über. In den darauffolgenden Schritten 4 bis 7 wird eine Reihe von Duty Controls, bestehend aus der Beibehaltung eines konstanten Wertes über die Wartezeit t, der Reduzierung auf den Reduktionswert DutyL_o und der Beibehaltung des Reduktionswertes DutyL_o, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, durchgeführt. Schließlich wird in Schritt 12 die tatsächliche Einschaltdauer Ta in dieser Einschaltdauer als der vorherige Wert Ta-1 gespeichert. In der nächsten Erregungsperiode wird dieser vorherige Wert Ta-1 in Schritt 23 gelesen, um mit der Soll-Erregungsperiode Tw verglichen zu werden.
Bei der obigen Verarbeitung wird, wenn sich die Zielerregungsperiode Tw in die ansteigende Richtung ändert, der Sollwert Δso korrigiert, dass er ansteigt, so dass der Anstieg der Einschaltdauer schnell ist, und wenn sich die Zielerregungsperiode Tw in die abfallende Richtung ändert, wird der Sollwert Δso korrigiert, dass er abfällt, so dass der Anstieg der Einschaltdauer langsam ist. Je länger die Zielerregungszeit Tw ist, desto mehr nimmt die Steigerungsrate der Einschaltdauer ab. Da die Erhöhungsrate der Einschaltdauer in Übereinstimmung mit der Erhöhung oder Verringerung der Ziel-Energiedauer Tw reguliert wird, wird die tatsächliche Erregungsdauer Ta im Wesentlichen auf dem gleichen Wert in Bezug auf die Ziel-Energiedauer Tw gehalten.
Daher steigt bei der unteren Grenzdrehzahl des in 15 gezeigten Niedrigdrehungsmodus, während die Einschaltdauer in der sehr frühen Phase der Erregungsperiode Tw schnell ansteigt, wie durch eine zweipunktige Kettenlinie in der ersten und zweiten Ausführungsform gezeigt, die Einschaltdauer in der vorliegenden Ausführungsform allmählich während des größten Teils der tatsächlichen Erregungsperiode Ta (≠Zielerregungsperiode Tw) an, wie durch eine durchgezogene Linie gezeigt. Infolgedessen wird die Rotationsschwankung innerhalb der tatsächlichen Erregungsperiode Ta (≠ Zielerregungsperiode Tw) unterdrückt, wodurch eine gleichmäßigere Rotation des Rotors erreicht wird.
Damit ist die Beschreibung der Ausführungsbeispiele abgeschlossen, aber der Aspekt der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Zum Beispiel wird in jeder oben beschriebenen Ausführungsform die vorliegende Erfindung als die Steuervorrichtung des bürstenlosen Gleichstrommotors 2, der die Ölpumpe 3 antreibt, die für das Kühlsystem 1 vorgesehen ist, verkörpert, aber die Anwendung davon ist nicht darauf beschränkt und Änderungen können beliebig vorgenommen werden.
Ferner wird in jeder oben beschriebenen Ausführungsform der bürstenlose Gleichstrommotor 2 mit 6 Polen und 9 Nuten verkörpert, aber solange die Bedingung von 2n Polen und 3n Nuten (n 1≥) erfüllt ist, können beliebige Änderungen vorgenommen werden. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung auf den bürstenlosen Gleichstrommotor mit 2 Polen und 3 Nuten oder 8 Polen und 12 Nuten anwendbar.
Ferner wird in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen das Tastverhältnis des Ansteuersignals wie in 6 oder 8 gezeigt gesteuert, aber der Inhalt der Steuerung ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Tastverhältnis gemäß den in 11 dargestellten Merkmalen gesteuert werden. In diesem anderen Beispiel wird beim Starten des bürstenlosen Gleichstrommotors 2 und dem Beginn der Erregungsperiode Tw (Punkt a1 in 11) das Tastverhältnis des Antriebssignals schrittweise erhöht (Punkt a2 in 11) und dann mit einer vorgegebenen Steigerungsrate erhöht. Wenn das Phasenwinkelsignal umgeschaltet wird (Punkt b in 11), wird die Erhöhungsrate verringert und die Erhöhung des Tastverhältnisses über die Wartezeit t fortgesetzt. Nachdem die Wartezeit t verstrichen ist (Punkt c in 11), wird das Tastverhältnis allmählich mit einer vorbestimmten Verringerungsrate verringert (Punkt d in 11), und die Verringerung des Tastverhältnisses wird fortgesetzt, nachdem die Verringerungsrate verringert wurde (Punkt e1 in 11). Anschließend wird die Einschaltdauer auf dem Reduktionswert Duty L_o gehalten, und die Einschaltdauer wird vom Reduktionswert Duty L_o aus erhöht, wenn die nachfolgende Erregungsperiode Tw gestartet wird (Punkt e2 in 11).
Auch mit einer solchen Steuerung können verschiedene, in der obigen ersten Ausführungsform beschriebene Effekte erzielt werden, und der Effekt der zweiten Ausführungsform kann ebenfalls erreicht werden, da die Einschaltdauer vom Reduktionswert DutyL_o in der nachfolgenden Einschaltperiode Tw erhöht wird.
Ferner wird in jeder oben beschriebenen Ausführungsform das Tastverhältnis des Ansteuersignals nach Ablauf der Wartezeit t schrittweise auf den Reduktionswert Duty L_o verringert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Tastverhältnis schrittweise auf 0 % verringert werden, wie in 12 gezeigt. Verglichen mit der ersten Ausführungsform von 6 und der zweiten Ausführungsform von 8 ist ein weiteres Beispiel von 12, bei dem die Einschaltdauer auf 0 % verringert wird, in Bezug auf den Energieverbrauch am besten geeignet, da eine verschwenderische Energiezufuhr nach Überwindung der Spitze auf der negativen Seite des Rastmoments durch den Rotor vollständig blockiert werden kann. Allerdings verschwindet das Antriebsmoment bei einer Einschaltdauer von 0 %, und aufgrund des auf den Rotor wirkenden Reibungsmoments ist die Halteposition des Rotors ungewiss, und die Drehung des Rotors neigt dazu, nicht gleichmäßig zu sein.
Wenn das Tastverhältnis des Ansteuersignals auf dem Reduktionswert DutyL_o gehalten wird, ohne dass es nach Ablauf der Wartezeit t auf 0 % reduziert wird, wie in der ersten Ausführungsform, bleibt der Rotor an einem Stabilitätspunkt gegen ein Reibungsmoment stehen. Dadurch wird der Beginn der Drehung in der nachfolgenden Erregungsperiode Tw im Vergleich zu einem anderen Beispiel von 12 sanfter. Wenn das Tastverhältnis vom Reduktionswert Duty L_o erhöht wird, ohne das Tastverhältnis des Steuersignals auf 0 % zu verringern, wie in der zweiten Ausführungsform, beginnt der Rotor in einem Zustand zu rotieren, in dem das Antriebsmoment wie oben beschrieben wirkt. Dadurch kann eine noch gleichmäßigere Drehung erreicht werden. Daher ist die zweite Ausführungsform für die gleichmäßige Drehung des Rotors am besten geeignet, gefolgt von der ersten Ausführungsform und einem weiteren Beispiel aus 12 in dieser Reihenfolge. Bei der Leistungsaufnahme ist die Reihenfolge umgedreht.
Bezugszeichenliste

2: Bürstenloser DC-Motor
3: Ölpumpe
15: Wechselrichterschaltung
16U, 16V, 16W: Spulen
17: DC-Stromversorgung
21U, 21V, 21W: Hallsensoren (Phasenwinkelerfassungsgeräte)
23: Phasenwinkelerfassungseinheit
24: Berechnungseinheit für die Einschaltdauer
25: Antriebssteuergerät
UH, UL, VH, VL, WH, WL: Schaltelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015231242 [0002, 0062]

Claims

Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen Stator enthält, um den eine Spule jeder der Phasen U, V und W gewickelt ist, umfassend: eine Phasenwinkeldetektionseinheit, die eine Drehung des Rotors detektiert und ein Phasenwinkelsignal erzeugt, das zu einem Zeitpunkt geschaltet wird, zu dem ein mit der Drehung des Rotors erzeugtes Rastmoment fast einen Spitzenwert auf einer negativen Seite erreicht, der die Drehung des Rotors behindert; eine Wechselrichterschaltung, die zwischen der Spule jeder der Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors und einer Gleichstromversorgung vorgesehen ist, und Erregen der Spule jeder der Phasen durch Schalten einer Vielzahl von Schaltelementen entsprechend einer Eingabe eines Ansteuersignals; eine Erregungszeitberechnungseinheit, die eine Erregungszeit berechnet, indem sie eine für den bürstenlosen Gleichstrommotor eingestellte Solldrehzahl in Zeit umwandelt; und eine Antriebssteuereinheit, die die Spule jeder der Phasen sequentiell auf einer positiven Seite und einer negativen Seite gemäß einer voreingestellten Vielzahl von Erregungsmustern erregt, indem sie selektiv das Ansteuersignal an jedes Schaltelement der Wechselrichterschaltung für die jeweilige Erregungsperiode ausgibt, die von der Erregungsperioden-Berechnungseinheit berechnet wird, Erhöhen eines Tastverhältnisses des Ansteuersignals zu dem Schaltelement, das der zu erregenden Spule entspricht, nach einem Start der jeweiligen Erregungsperiode, und Ausführen eines Modus mit geringer Drehung, in dem das Tastverhältnis des Ansteuersignals in abnehmender Weise gesteuert wird, nachdem das von der Phasenwinkel-Erfassungseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal umgeschaltet wird.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 1, bei der eine Spezifikation so eingestellt ist, dass ein durch Erregung der Spule jeder der Phasen erzeugtes Antriebsdrehmoment einen Spitzenwert zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem das Rastmoment auf der negativen Seite nahezu den Spitzenwert erreicht.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Phasenwinkeldetektionseinheit das alle 60 Grad geänderte Phasenwinkelsignal auf der Grundlage einer Kombination von Signalen von 360 Grad, die alle 180 Grad invertiert werden, erzeugt, die von drei Hall-Sensoren in Übereinstimmung mit der Rotation des Rotors ausgegeben werden.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 3, bei der die drei Hall-Sensoren jeweils in einem Phasenwinkel angeordnet sind, in dem eine Kombination ihrer Signale jedes Mal geändert wird, wenn das Rastmoment auf der negativen Seite den Spitzenwert erreicht.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Antriebssteuerungseinheit den Niedrigdrehzahlmodus ausführt, wenn die Zieldrehzahl niedriger ist als ein voreingestellter Drehzahlbestimmungswert.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Antriebssteuereinheit einen Normalmodus durch Rechteckwellenantrieb von 120 Grad ausführt, um die Spule jeder der Phasen nacheinander an die positive Seite und die negative Seite gemäß der Vielzahl von Erregungsmustern zu erregen, indem sie selektiv ein Ansteuersignal einer Rechteckwelle an jedes Schaltelement der Wechselrichterschaltung zu jedem Schaltzeitpunkt des von der Phasenwinkeldetektionseinheit erzeugten Phasenwinkelsignals ausgibt, wenn die Zieldrehzahl ein voreingestellter Drehbestimmungswert oder höher ist, während der Modus der niedrigen Rotation ausgeführt wird, wenn die Zieldrehzahl niedriger als der Rotationsbestimmungswert ist.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Antriebssteuerungseinheit die Erhöhung der Einschaltdauer des Ansteuersignals stoppt, wenn das von der Phasenwinkelerfassungseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal während der Ausführung des Niedrigdrehzahlmodus umgeschaltet wird, und die Einschaltdauer zu diesem Zeitpunkt über eine voreingestellte Wartezeit beibehält.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Antriebssteuereinheit das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf einen voreingestellten Reduktionswert verringert, nachdem das von der Phasenwinkelerfassungseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal während der Ausführung des Niedrigdrehzahlmodus umgeschaltet wird.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Antriebssteuereinheit das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf 0 % verringert, nachdem das von der Phasenwinkelerfassungseinheit erzeugte Phasenwinkelsignal während der Ausführung des Niedrigdrehzahlmodus umgeschaltet wurde.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 8, bei der die Antriebssteuereinheit bis zum Ende der Erregungsperiode das Tastverhältnis des Ansteuersignals schrittweise auf den Reduktionswert verringert beibehält und das Tastverhältnis des Ansteuersignals zu Beginn einer nachfolgenden Erregungsperiode schrittweise vom Reduktionswert erhöht, wenn die Erregung in der nachfolgenden Erregungsperiode fortgesetzt wird.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Antriebssteuereinheit während der Ausführung des Niedrigdrehzahlmodus eine Erhöhungsrate, die angewendet wird, wenn die Einschaltdauer des Antriebssignals erhöht wird, im Verhältnis zu einer Länge der Erregungsperiode, die von der Erregungsperiodenberechnungseinheit berechnet wird, verringert.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der bürstenlose Gleichstrommotor ein IPM-Motor ist, der einen im Rotor eingebetteten Permanentmagneten enthält.
Steuervorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der bürstenlose Gleichstrommotor eine Ölpumpe antreibt, die Öl ansaugt und abgibt.