JP2013519347A - 回路装置およびこの回路装置を動作するための方法および装置 - Google Patents

回路装置およびこの回路装置を動作するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

【解決手段】
この発明は、複数のステータ巻線(ST1、ST2、ST3)を有する、電気機器(EM)用の回路装置(CA)に関し、各ステータ巻線(ST1、ST2、ST3)は、少なくとも1つの第1相巻線(L1、L3、L5)および第2相巻線(L2、L4、L6)を有する。この回路装置(CA)は、常に、複数の半ブリッジ(HB1_1−HB1_3、H2_1−H2_3)の少なくとも1つのあらかじめ定められた第1の、およびあらかじめ定められた第2の選択を有する。第1の選択のそれぞれの半ブリッジ(HB1_1、HB1_2、HB1_3)の2つのスイッチング素子(T1_1−T1_4、T1_2−T1_5、T1_3−T1_6)の共通の接続は、常に、関連するステータ巻線(ST1、ST2、ST3)の第1相巻線(L1、L3、L5)の接続に電気的に結合することができる。第2の選択のそれぞれの半ブリッジ(HB2_1、HB2_2、HB2_3)の2つの回路素子(T2_1−T2_4、T2_2−T2_5、T2_3−T2_6)の共通の接続は、その関連された相巻線(ST1、ST2、ST3)の第2の相巻線(L2、L4、L6)の接続に、電気的に結合することができる。
【選択図】図1

Description

この発明は、電気機器用の回路装置に、およびこの回路装置を動作するための方法、および装置に関する。
電気機器、例えば、電動機は、例えば、それらがあらかじめ特定されたステアリング動作を支援するためにステアリングシステム内において利用される分野、または自動車工学において、例えば、使用される。この種の電気機器は、例えば、永久磁石のブラシレス同期機として、設計することができる。
この発明が基礎を置く目的は、電気機器が信頼性あるやり方で動作されることを可能にする回路装置と方法および対応する装置を提供することである。
この目的は、その独立特許請求項の特徴によって達成される。この発明の有利な改良は、従属請求項で識別される。
第1の態様によれば、この発明は、複数のステータ巻線を有する電気機器用の回路装置によって識別される。各ステータ巻線は、少なくとも第1の巻線位相および第2の巻線位相を有する。回路装置は、常に、複数の半ブリッジ(half-bridge)の少なくともあらかじめ特定された第1、および、あらかじめ特定された第2の選択を有する。各半ブリッジは、第1のスイッチング素子、および、この第1のスイッチング素子に電気的に直列に結合される第2のスイッチング素子を有する。第1の選択のそれぞれの半ブリッジの2つのスイッチング素子の共通の接続は、常に、それぞれの関連するステータ巻線の第1の巻線位相の接続に電気的に結合することができる。常に、異なるステータ巻線は、第1の選択の半ブリッジと関連している。第2の選択のそれぞれの半ブリッジの2つのスイッチング素子の共通の接続は、常に、それぞれの関連するステータ巻線の第2の巻線位相の接続に電気的に結合することができる。常に、異なるステータ巻線は、第2の選択の半ブリッジと関連している。この種の回路装置は、信頼性ある動作、および電気機器の比較的高い有益性を考慮に入れる。特に、追加の部品は、もはや、典型的に、電気機器、例えば、欠陥がある場合に提供されるスターポイント中継においては、必要ではない。このことは、単純で、かつコスト効率のよい電気機器を考慮に入れる。
この電気機器は、例えば、永久磁石同期機として設計されている。相巻線の接続であって、その接続が、半ブリッジからそれているものは、好ましくは、共通の電気的スターポイントで相互に電気的に結合される。さらに、電気的に並列に配置されるフリーホイーリングダイオードは、代表的に半ブリッジの各スイッチング素子と関連付けられる。半ブリッジの数は、好ましくは、その選択に依存するステータ巻線の数と関連している。異なるステータ巻線は、好ましくは、それぞれの選択の各半ブリッジと関連付けられる。
第2および第3の態様によれば、この発明は、第1の態様による回路装置を動作するための方法および対応する装置によって識別され、その方法において、少なくとも1つのあらかじめ特定された特性変数が記録され、そして、第1または第2の選択のいずれか一方のスイッチング素子の誤り(error)は、少なくとも1つの記録された特性変数(characteristic variable)の関数(function)として検出される。ブレーキトルクは、少なくとも電気機器の回転子の回転の間に、誤りから回転子に生じる。それぞれ誤りなしの選択の少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子は、あらかじめ指定された補償電流が、これが、ブレーキトルクを打ち消す関連する反対トルクに帰着するのと同じ方法で、それぞれ関連する巻線位相に供給されるのと同じ方法における誤りの検出の関数として駆動される。誤りがあるときは、このことは、電気機器の回転子の回転のブロッキングを防ぐことができる。特に、誤りは、発電機として動作されている電気機器に導くことができ、その結果、ブレーキトルクに帰着する電流が、代表的に提供される。特性変数は、例えば、回路装置の動作変数によって表わすことができる。それぞれのスイッチング素子の駆動は、好ましくは、このスイッチング素子のスイッチ入れを表わす。
第2および第3の態様の有利な改良においては、電気機器の少なくとも1つの動作変数が、決定される。少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子は、少なくとも1つの決定された動作変数の関数として駆動される。このことは、電気機器の電流動作状態に一致される補償電流を考慮する。駆動されるべき多くの誤りなしのスイッチング素子、およびまたは、少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子のスイッチ入れ時間は、例えば、少なくとも1つの決定された動作変数の関数としてあらかじめ特定されることができる。
第2および第3の態様の有利な改良において、現在の回動速度、およびまたは、回転子の現在の角度位置、およびまたは、回転子の回転の方向は、電気機器の少なくとも1つの動作変数として決定される。これらの動作変数の決定によって、少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子の駆動を決定することは、特に、有利に可能である。
第2および第3の態様の有利な改良において、欠陥のあるスイッチング素子を有する選択の残りのスイッチング素子は、すべて、検知されている誤りの関数として高インピーダンススイッチング状態に調整される。このことは、ブレーキトルクの展開に関するこの選択のさらなる影響を減少することができる。
第2と第3の態様の有利な改良において、永久の低インピーダンススイッチング状態は、スイッチング素子における誤りとして検出される。この誤りは、好ましくは、ブレーキトルクの展開に寄与する。この誤りの検出、およびこの関数としての反対トルクの供与は、回転子のブロッキングを防ぐことができる。
第2と第3の態様の有利な改良において、半ブリッジ電圧は、回路装置のあらかじめ特定された特性変数として記録される。半ブリッジ電圧は、常に、1つの半ブリッジと関連付けられ、さらに、それぞれの半ブリッジの2つのスイッチング素子の共通の接続と関連している電圧を表わす。このことは、信頼性あるやり方で決定されるように、欠陥のある、特に、スイッチング素子の永久の低インピーダンススイッチング状態を考慮する。
第2および第3の態様の有利な改良においては、補償電流は、反対トルクがブレーキトルクと等しいように、あらかじめ特定される。このことは、回転子が回転し続けることを考慮する。
この発明の代表的な実施例は、その概略図に関して以下に続く本文においてより大幅に詳細に説明される:
回路装置を示す、そして フローチャートを示す。
同一設計または機能を備えた部品は、図の全体にわたって同一引用符号を備えている。
電気機器EMのための回路装置CA(図1)は、常に電気機器EMを駆動するためにB6ブリッジを有する第1および第2のドライバーステージDU1、DU2を有している。回路装置CAは、例として、自動車両のステアリングシステム、例えば、パワーステアリングシステムと関連付けることができる。
各ドライバーステージDU1、DU2は、常に、3つの半ブリッジHB1_1−HB1_3、H2_1−H2_3を有する。各半ブリッジHB1_1−HB1_3、H2_1−H2_3は、順番に、常に、1つの第1スイッチング素子T1_1、T1_2、T1_3、および第2スイッチング素子T1_4、T1_5、T1_6を有し、これらのスイッチング素子は、電気的に直列に接続され、かつ、常に、共通の接続を有する。第1のドライバーステージDU1は、また、複数の半ブリッジの第1選択と呼ぶことができ、かつ、第2のドライバーステージDU2は、また、複数の半ブリッジの第2の選択と呼ぶことができる。各半ブリッジは、供給電位U、例えば、12Vと、例えば、自動車両の大きさの形状内にある基準電位GNDとの間に電気的に結合される。
半ブリッジHB1_1−HB1_3、H2_1−H2_3のそれぞれのスイッチング素子T1_1−T1_6、T2_1−T2_6は、例として、パワートランジスタとして、例えば、パワー電界効果トランジスターとして設計することができ、さらに、常に、それぞれのスイッチング素子の非制御接続に電気的に並列に結合されるフリーホイーリングダイオードを有する。
電気機器EMは、例えば、3つのステータ巻線ST1、ST2、ST3を有する、例えば、永久磁石のブラシレス同期機として設計されている。各ステータ巻線ST1、ST2、ST3は、第1の巻線位相L1、L3、L5、および第2の巻線位相L2、L4、L6を有する。巻線位相L1−L6はすべて、常に、2つの接続を有しており、すなわち、巻線位相L1−L6はすべて、スターポイントSPにおけるそれらの2つの接続のうちの1つを経由して、相互に電気的に結合されている。
第1のドライバーステージDU1のそれぞれの半ブリッジHB1_1、HB1_2、HB1_3の2つのスイッチング素子の共通の接続は、それぞれの関連するステータ巻線ST1、ST2、ST3の第1の巻線位相L1、L3、L5に電気的に結合することができる。第2のドライバーステージDU2のそれぞれの半ブリッジHB2_1、HB2_2、HB2_3の2つのスイッチング素子の共通の接続は、それぞれの関連するステータ巻線ST1、ST2、ST3の第2の巻線位相L2、L4、L6に電気的に結合することができる。この場合において、第1のドライバーステージDU1の各半ブリッジHB1_1−HB1_3は、異なるステータ巻線ST1−St3と関連付けられ、さらに、第2のドライバーステージDU2の各半ブリッジHB2_1−HB2_3は、異なるステータ巻線ST1−St3と関連付けられる。
さらに、回路装置CAは、複数の入力接続および複数の出力接続を有するドライバユニットGDUを有する。各出力接続は、スイッチング素子の制御入力と関連している。誤りなしの状態(error-free state)において、第1のスイッチング素子T1_1−T1_3、T2_1−T2_3であって、同一のステータ巻線ST1、ST2、ST3と関連するものは、好ましくは、時間に関して並列に駆動される。
例えば、第1の半ブリッジHB1_1の第1のスイッチング素子T1_1は、第1のドライバーステージDU1における第1のステータ巻線ST1と関連し、そして、第1の半ブリッジH2_1の第1のスイッチング素子T2_1は、第2のドライバーステージDU2における第1のステータ巻線ST1と関連し、さらに、したがって、前記スイッチング素子は、時間に関して並列に駆動される。しかしながら、誤りがある場合は、例えば、それぞれに相互に関連する第1のスイッチング素子は、また、異なるように駆動することができる。同一のことは、第2のスイッチング素子に当てはまる。
ドライバユニットGDUは、入力接続による制御ユニットCUのパルス幅変調ユニットPWMに電気的に結合される。制御ユニットCUは、パルス幅変調ユニットPWMによるドライバユニットGDUに複数のあらかじめ特定されたパルス幅変調制御信号を供給するように設計されている。スイッチング素子用の制御信号は、あらかじめ特定されたパルス幅変調制御信号の関数としてドライバユニットGDUによって提供される。トルク、回動速度n、および電気機器EMの回転子の回転運動の方向は、例えば、あらかじめ特定されたパルス幅変調制御信号をあらかじめ特定することによってあらかじめ特定することができる。その結果、例えば、自動車両のドライバーのあらかじめ特定されたステアリング動作は、支援されることができる。この場合、ドライバユニットGDUは、例えば、入力端で供給されるパルス幅変調制御信号を増幅するために、およびまたは、それぞれの半ブリッジのスイッチング素子によって供給電位Uと基準電位GNDの間の低インピーダンス結合を防止するためにむだ時間を加えるために、設計されている。
回路装置CAは、また、制御ユニットCUと関連する、さらには、常に、ドライバーステージDU1、DU2のうちの1つに電気的に結合される記録ユニットM1、M2を有する。それぞれの記録ユニットM1、M2は、それと関連している各半ブリッジの半ブリッジ電圧U1_1−U1_3、U2_1−U2_3を記録するために設計されている。それぞれの半ブリッジ電圧U1_1−U1_3、U2_1−U2_3は、常に、関連する半ブリッジおよび基準電位GNDのスイッチング素子の共通接続間の電圧を表わす。
回路装置CAを動作するために、例えば制御ユニットCUによって実行されるプログラムは、フローチャート(図2)に関連して記述される。制御ユニットCUは、また、回路装置CAを動作するための装置と呼ぶことができる。
プログラムは、ステップS0において開始される。半ブリッジ電圧U1_1−U1_3、U2_1−U2_3は、ステップS2における記録ユニットM1、M2による回路装置CAの特性変数として記録される。ステップS4において、誤りERRが、記録された半ブリッジ電圧U1_1−U1_3、U2_1−U2_3の関数として、第1のドライバーステージDU1のスイッチング素子、または第2のドライバーステージDU2のスイッチング素子のいずれかにあるかどうかが決定される。このことは、あらかじめ特定された電圧と比較されて、記録された半ブリッジ電圧U1_1−U1_3、U2_1−U2_3、および欠陥のあるスイッチング素子が、時間にわたる電圧における偏差の関数として決定されている誤りERRの源としてある可能性によって、例えば実行することができる。この場合において、欠陥のあるスイッチング素子の永久の低インピーダンススイッチング状態は、好ましくは、ステップS6において課される。
ドライバーによるステアリング動作の場合には、誤りERRが、回転子の現在位置と回動速度nの関数として電気機器EMの発電機動作に導くことができ、このことは、ドライバーのステアリング動作と関連付けられるステアリングトルクを打ち消すブレーキトルクに帰着し、さらに、恐らくは、自動車両のステアリングのブロッキングに導く。この場合には、回転子が速く回転するほど、ブレーキトルクは、典型的に、より大きい。この場合には、回転子は、ドライバーによる対応するステアリング動作、および、ドライバーによって動作されるハンドルに対する電気機器EMの機械的結合を与えられた、例えば、毎秒30°の回動速度に達することができる。
例えば、スイッチング素子T2_3が、永久の低インピーダンススイッチング状態にある場合に、電圧は、例えば、ステータ巻線ST3における電気機器EMの現在位置、回動速度n、および回転運動の方向の関数として発電機運転の間に誘導することができ、例えば、順方向に動作されているスイッチング素子T1_3のフリーホイーリングダイオードに結びつくことが、この電圧にとって可能であり、そして、したがって、電流は、この電流に再度起因するステアリングトルクを打ち消すブレーキトルクを生じる。好ましくは、欠陥のあるスイッチング素子を有するドライバーステージの残りのスイッチング素子はすべて、ステップS8における高インピーダンススイッチング状態に調節され、ステアリング支援は、この結果として、非作動化される。このことは、例えば制御ユニットCUによるドライバユニットGDUの対応する駆動によって実行することができる。
電気機器EMの少なくとも1つの動作変数、例えば、現在の回動速度n、およびまたは、回転子の現在位置、およびまたは、電気機器EMの回転子の回転運動の方向は、ステップS10において決定される。補償電流Iの値、特には、補償電流Iの振幅の値は、ステップS12における決定された少なくとも1つの動作変数の関数として決定される。この目的のために、欠陥のあるスイッチング素子を有していないドライバーステージの少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子は、ステップS12において、補償電流Iの決定された値の関数として駆動される。この少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子を駆動することによって、補償電流Iは、少なくとも部分的にブレーキトルクを打ち消す補償トルクが起因するような方法で、電気機器EMの少なくとも1つのステータ巻線に供給される。この補償電流Iは、好ましくは、それの振幅が、誤りの場合には電気機器EMの発電機運転に起因する電流の振幅と等しい大きさであるように決定され、かつ、したがって、生じる補償トルクは、ブレーキトルクと等しい。このことは、例えば、電気機器EMの界磁弱め動作の一部として、実行することができる。このプログラムは、ステップS14において終了する。代案として、前記プログラムは、また、ステップS2から再度実行することができる。
補償トルクの提供のために、自動車両は、通常は、誤りERRが存在する場合には、ステアリング支援がない場合でさえ、なお、操縦することができる。
CA: 回路装置
CU: 制御ユニット
DU1、DU2: ドライバーステージ
EM: 電気機器
ERR: 誤り(error)
GDU: ドライバユニット
GND: 基準電位
H1_1−H1_3、H2_1−H2_3: 半ブリッジ
I: 補償電流
L1−L6: 巻線位相
M1、M2: 記録ユニット
n: 回転速度
PWM: パルス幅変調ユニット
SP: スターポイント
ST1、ST2、ST3: ステータ巻線
T1_1−T1_6、T2_1−T2_6: スイッチング素子
U: 供給電位
U1_1−U1_3、U2_1−T2_3: 半ブリッジ電圧

Claims (9)

  1. 複数のステータ巻線(ST1、ST2、ST3)を有し、さらに、各ステータ巻線(ST1、ST2、ST3)は、少なくとも第1の巻線位相(L1、L3、L5)および第2の巻線位相(L2、L4、L6)を有し、さらに、回路装置(CA)は、常に、複数の半ブリッジ(HB1_1−HB1_3、H2_1−H2_3)の、少なくともあらかじめ特定された第1の、および、あらかじめ特定された第2の選択を有し、さらに、各半ブリッジは、前記第1スイッチング素子に電気的に直列に結合される第1のスイッチング素子(T1_1−T1_3、T2_1−T2_3)および第2のスイッチング素子(T1_4−T1_6、T2_4−T2_6)を有し、
    − それは、常に、それぞれの関連付けられたステータ巻線(ST1、ST2、ST3)の第1の巻線位相(L1、L3、L5)の接続に電気的に結合される第1の選択のそれぞれの半ブリッジ(HB1_1、HB1_2、HB1_3)の2つのスイッチング素子(T1_1−T1_4、T1_2−T1_5、T1_3−T1_6)の共通の接続にとって可能であり、さらに、常に、異なるステータ巻線(ST1、ST2、ST3)は、第1の選択の半ブリッジ(HB1_1、HB1_2、HB1_3)と関連し、
    − それは、常に、それぞれの関連付けられたステータ巻線(ST1、ST2、ST3)の第2の巻線位相(L2、L4、L6)の接続に電気的に結合される第2の選択のそれぞれの半ブリッジ(HB2_1、HB2_2、HB2_3)の2つのスイッチング素子(T2_1−T2_4、T2_2−T2_5、T2_3−T2_6)の共通の接続にとって可能であり、さらに、常に、異なるステータ巻線(ST1、ST2、ST3)は、第2の選択の半ブリッジ(HB2_1、HB2_2、HB2_3)と関連している電気機器(EM)用の回路装置(CA)。
  2. 請求項1記載の回路装置(CA)を動作するための方法であって、その方法は、
    − 回路装置(CA)の少なくとも1つのあらかじめ特定された特性変数が、記録され、
    − 第1または第2の選択のいずれか一方のスイッチング素子(T1_1−T1_3、T2_1−T2_3)の誤り(ERR)が、少なくとも1つの記録された特性変数の関数として検出され、さらに、ブレーキトルクが、少なくとも電気機器(EM)の回転子の回転の間に前記誤りから回転子に生じ、
    − これが、ブレーキトルクを打ち消す関連する反トルクに帰着するような方法で、あらかじめ特定された補償電流(I)が、それぞれに関連する巻線位相(L1−L6)に供給されるような方法で、それぞれに誤りなしの選択の少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子が、誤り(ERR)の検出の関数として駆動される。
  3. 請求項2記載の方法であって、その方法は、
    − 電気機器(EM)の少なくとも1つの動作変数が決定され、
    − 少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子が、少なくとも1つの決定された動作変数の関数として駆動される。
  4. 請求項3記載の方法であって、その方法は、現在の回動速度(n)、およびまたは、回転子の現在の角度位置、およびまたは、回転子の回転運動の方向が、電気機器(EM)の少なくとも1つの動作変数として決定される。
  5. 請求項2〜4のうちのいずれか1項記載の方法であって、その方法は、欠陥のあるスイッチング素子を有する選択の、残りのスイッチング素子はすべて、検知されている誤り(ERR)の関数として高インピーダンススイッチング状態に調節される。
  6. 請求項2〜5のうちのいずれか1項記載の方法であって、その方法は、永久の低インピーダンススイッチング状態が、スイッチング素子における誤り(ERR)として検出される。
  7. 請求項2〜6のうちのいずれか1項記載の方法であって、その方法は、
    − 半ブリッジ電圧(U1_1−U1_3、U2_1−U2_3)は、回路装置(CA)のあらかじめ特定された特性変数として記録され、さらに半ブリッジ(HB1_1−HB1_3、HB2_1−HB2_3)は、常に、(1つの半ブリッジ電圧(U1_1−U1_3、U2_1−U2_3)と関係付けられ、かつ、それぞれの半ブリッジ(HB1_1−HB1_3、HB2_1−HB2_3)の2つのスイッチング素子(T1_1−T1_4、T1_2−T1_5、T1_3−T1_6(T2_1−T2_4、T2_2−T2_5、T2_3−T2_6)の共通の接続と関係付けられる電圧を表わす。
  8. 請求項2〜7のうちのいずれか1項記載の方法であって、その方法は、補償電流(I)は、反トルクがブレーキトルクと等しいようなやり方で、あらかじめ特定される。
  9. 請求項1記載の回路装置(CA)を動作するための装置であって、その装置は以下のとおり設計されている:
    − 第1または第2の選択のいずれかのスイッチング素子(T1_1−T1_3、T2_1−T2_3)における誤り(ERR)を検出し、ブレーキトルクが少なくとも電気機器(EM)の回転子の回転の間に、前記誤りから回転子に生じるように、
    − このことが、ブレーキトルクを打ち消す関連する反トルクに帰着するように、あらかじめ特定された補償電流(I)が、少なくとも関連する巻線位相(L1−L6)に供給されるのと同様の方法において、誤り(ERR)の検出の関数としてそれぞれに誤りなしの選択の、少なくとも1つの誤りなしのスイッチング素子を駆動するように。
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