JP4624621B2 - 電気モータの制御及び保護方法、電気モータ制御システム及び電気モータシステム - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の開示）
本発明は、電気モータ、特に、３相インバータブリッジ(inverting bridge)を含む制御システムであって、その制御システムによって駆動(actuation)を正確に制御するために、駆動軸に物理的に取り付けられた位置検出器を使用することによって、あるいは磁石によってコイルに誘起される電圧(tension)から回転子の位置を監視することが要求される制御システムによって電子的に駆動される永久磁石モータを制御し保護するための方法を対象にしている。本発明はまた電気モータを制御するためのシステム及び電気モータシステムをも対象にしている。
【０００２】
本発明の目的は、上記の３相インバータブリッジの１つあるいはそれ以上のスイッチが不適切な時に作動させられ、それによって電流検出器によって検出することができない高電流が発生することになり、この電流が回転子磁石の自己消磁(auto-demagnetization)を生じさせ、更に上記のインバータブリッジのスイッチに損傷を生じさせる場合があるのを防止することである。
【０００３】
（技術の現状の説明）
回転子位置の検出は永久磁石モータの駆動のために必要とされる。
【０００４】
本発明の先行技術によれば、このような検出は、ブラジル特許出願 PI 8805485に述べられているように、回転子に物理的に結合されたセンサ（「ホール」、光学式など）を介して、あるいはモータコイル自身に誘起される電圧を観測することによって、制御がモータのどの相が駆動されるであろうということをそのたび毎に正確に選択することができるような方法で成し遂げられ得る。
【０００５】
以下に詳細に述べられるように、制御ユニットは、正常に運転しているときは、位置検出器及び電流保護検出器(current protection detector)の入力を分析し、したがって予め定められたテーブルにしたがってそれぞれの出力を作動させる。しかしながら、もし位置検出器に故障があると、おそらく３相インバータブリッジの１つあるいはそれ以上のスイッチの作動が不都合なり、その結果、電流検出器によって検出されない大きな電流の発生となる可能性があり、従ってモータの磁石の自己消磁及び３相インバータブリッジのスイッチの損傷を生じる結果となることになる。
【０００６】
周知のように、磁石の消磁はモータの始動を困難にし、出力を低減させ、モータを過熱させ、その何れの場合も許容されない。
【０００７】
更にこの発明の先行技術によれば、モータ磁石の自己消磁を防止するために次の方法が採用されている。すなわち、磁石の厚さを増大させたもっとロバストな(robust)モータの設計にする方法があるが、これは特に磁石が大きくなる点からコストを著しく増大させることになろうし、また、モータの全てのスイッチあるいは全ての相に電流検出器を設置する方法は検出器と分析のための制御用信号の数が多くなりコストを増大させるだけでなくシステムの複雑さも増大させるであろうし、あるいはまた自己消磁に対する保護を単に除去する方法は、したがってモータの保全(integrity)を故障の発生の統計的な可能性に任せることになり、これはシステムに対してのみならず製造者のイメージに対しても重大なリスクになる。
【０００８】
（本発明の簡単な説明と目的）
多くの調査から、正常に運転していて同じ回転方向が続くときは、回転子の位置がセンサ内で更新される順序(sequence)は常に同じであることが明らかにされた。したがって、このような順序は予め決めることができ、それによってモータを制御するためのシステムの制御ユニットは回転子の位置が変わるであろう順序を予測することが可能であろう。モータが回転している速度を知ることによって、回転子の位置が変化するであろう時間を予測することが可能である。
【０００９】
これらの情報を用いて、制御ユニットはモータが駆動されるときの故障を防止することができ、したがって、回転子磁石とインバータブリッジのスイッチの保全を確保にすることができる。
【００１０】
本発明の教示によって、制御ユニットは該当する回転方向に対して予測される位置のみを有効として、常に現在の速度に対して予想される時間のとおりに、受入れることになろう。
【００１１】
好ましくは、この時間を決定するときは、その間に位置の変化が生ずるべきであるという最小時間と最大時間を規定する許容範囲(tolerance range)が考慮されるべきである。
【００１２】
本発明は先行技術と比較して回転子磁石を特に大きくする必要は何もないこと、モータのコストや複雑さが低減されること、および電流保護検出器が簡単化されること、更にシステムに対してより大きな信頼性を与えることといった利点を有する。
【００１３】
このような利点は、回転子を備える電気モータ、特に３相インバータブリッジを含む制御システムによって電子的に駆動される永久磁石モータを制御し保護するための方法において、第１の時間期間であって、その間に上記回転子がある最初の位置とその次の位置の間にあるべきである第１の時間期間をカウントするステップと、上記第１の時間期間に続く第２の時間期間であって、その間に上記回転子が上記次の位置を通過するべきである第２の時間期間をカウントするステップと、を含むことを特徴とする方法によって達成される。
【００１４】
本発明はまた、回転子を備える電気モータ、特に永久磁石モータを制御するための、３相インバータブリッジを含むシステムとしても表され、かつ、上記回転子の位置を時間の関数として分析することができるマイクロコントローラを追加して含み、このマイクロコントローラは、第１の時間期間であって、その間に上記回転子がある最初の位置とその次の位置との間にあるべきである第１の時間期間をカウントするステップと、上記第１の時間期間に続く第２の時間期間であって、その間に上記回転子が上記次の位置を通過するべきである第２の時間期間をカウントするステップとを実行することができるカウンタに関連することを特徴とし、同じく制御システムを含む電気モータシステム、その制御システムによって電子的に駆動される電気モータにも関連し、そして、上記回転子の位置を時間の関数として分析することできるマイクロコントローラを追加して含み、このマイクロコントローラは、第１の時間期間であって、その間に上記回転子がある最初の位置とその次の位置の間にあるべきである第１の時間期間をカウントするステップと、上記第１の時間間隔に続く第２の時間期間であって、その間に上記回転子が上記次の位置を通過するべきである第２の時間期間をカウントするステップとを実行することができるカウンタに関連することを特徴とする。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
本発明は以下で添付の図面を参照してより詳細に説明される。
【００１６】
図１及び２において、電気モータシステム１は、基本的には整流ブリッジ３と、容量性フィルタ４、３相インバータブリッジ５、永久磁石回転子を備えた３相モータ１０、制御ユニット１１、位置検出器ＳＡ，ＳＢ及びＳＣ、及び電流保護検出器ＰＩを含む制御システム２によって電子的に駆動される。
【００１７】
現状技術で周知のように、制御ユニット１１は、位置検出器ＳＡ、ＳＢ及びＳＣと電流保護検出器ＰＩを、それぞれの出力によって、図３に示されたテーブルにしたがって適当な時間に３相インバータブリッジ５のスイッチＴ１からＴ６を点弧するために、監視することに対しての責務を負っている。
【００１８】
従って、制御ユニット１１の指令に応答して３相インバータブリッジ５も適正な時間にモータ１０のコイルに電流を供給することになる。
【００１９】
既に述べたように、位置検出器ＳＡ、ＳＢ及びＳＣに何らかの故障がある場合には、３相インバータブリッジ５の１つあるいはそれ以上のスイッチＴ１からＴ６は適切には作動されない可能性があり、そのことが電流保護検出器ＰＩによって検出されない高電流を発生させる可能性があり、その結果モータの自己消滋と３相インバータブリッジ５のスイッチＴ１からＴ６に対する損傷を生じさせることになる。
【００２０】
本発明の教示によって、制御システム２はまた回転子の位置を時間の関数として分析することができるマイクロコントローラ（図示なし）も含み、これは時間をカウントする連続せるステップを実行することができるカウンタに関連する。技術的に周知のように、このようなカウンタは上記のマイクロコントローラの内部の構成要素であっても良い。
【００２１】
上記のカウンタは電気モータ１０の回転子の位置の変化がある毎にゼロにセットされ、第１の時間期間のカウントが開始され、その期間中は回転子はある１つの位置ともう１つの位置の間にあるべきである。その後に第２の時間期間のカウントが開始され、その時間中に回転子はその次の位置を通過するべきである。
【００２２】
２極を有する３相モータでは図３に示されるように回転子の６つの基本的な位置Ｐ１からＰ６があり、その各位置はそれぞれの第２の時間期間中に回転子によって逐次到達されるべきである。
【００２３】
もし回転子が上記第１の時間期間中に上記位置の１つを通過するなら、そのことは早すぎるであろう、あるいは上記第２の時間期間が経過した後に上記位置の１つを通過するならそれは遅すぎるであろうということになり、それは何らかのエラーがあったことを意味し、そのとき上記マイクロコントローラは更なる損傷を防止するために制御システム２をオフにし、したがって回転子磁石及び３相インバータブリッジのスイッチの保全を維持する。
【００２４】
もし回転子が上記第２の時間期間中に正しい位置を通過するなら、マイクロコントローラは出力更新信号(output updating signal)を出し、カウンタを再スタートさせ、上記の第１及び回転子が通過すべき次の位置に相当する第２の時間期間をカウントするための同様なものを準備することになる。
【００２５】
もちろん、もし回転子が上記第２の時間期間中に正しい位置でない位置を通過するならば、これもまた何らかのエラーを有していることを意味し、そのときは上記マイクロコントローラはエラー信号によって制御システム２をオフにする。
【００２６】
図４は本願発明を例示するための電気モータを制御し保護するための方法の包括的フローチャート（generic flowchart）を示す。
このフローチャートから分かるように、回転子をスタートさせた後、上記システムは位置検出器を読む段階を実行し、もし同じ位置で費やされた時間（前述の第２の時間期間とよぶ期間での時間）が予想される最大時間より長い場合は上記システムはオフされることになり、上記の位置検出器を読む段階は、同じ位置において費やされる時間が上記の最大予想時間より長くなければ、回転子の位置の変化が感知されるまで継続的に繰り返されることになる。
次の段階は、上記システムが、回転子の位置が変化したことを検出した後、回転子が正しい位置に到達したかどうかを評価して、もしそうでなければ、上記システムはオフされ、またもし回転子が正しい位置にある場合は、次に上記システムはモータの次の相を駆動することになる。
この段階の後、上記システムは回転子が完全に１回転したかどうかを計算し、そしてもしその場合になったら、上記システムはモータの速度を読み、回転子の位置の変化で生じるべきである前述の最小時間および最大時間に対する新しい値を計算する。上記のカウンタはその後リセットされることになる。
もし回転子が完全な１回転に達しない場合は、そのとき上記システムは位置検出器を読み、もし回転子の位置が変化した場合は上記制御システムをオフにし；また、回転子の位置が変化しなかった場合は上記システムはその同じ位置で費やされる時間（前述の第１の時間期間とよぶ期間での時間）が最小予想時間より短いかどうかを測定し、もしこの場合であれば、上記システムは、上記の同じ位置において費やされる時間が上記の最小予想時間より長くなるまでか、あるいは回転子の位置の変化が感知されるまで、位置検出器を読むことを継続的に繰り返すことになる。もし上記の同じ位置において費やされる時間が上記の最小予想時間より長い場合は、そのとき上記システムは、上記の位置検出器を読む段階に戻り、回転子が、上記の最大予想時間より長い時間期間の間、同じ位置において時間を費やしたかどうかを監視することになる（第２の時間期間）。
【００２７】
この発明の特定の教示によれば、上記第２の時間期間は回転子が所定の位置を通過する時間に対する許容範囲(tolerance)を含むべきである。例として、３，０００ｒｐｍで回転する２極を有する３相モータにおいては、回転子は１回転を終了するのに２０ｍｓかかり、従ってそれが各位置を通過する間に３．３ｍｓを費やすことになる。
【００２８】
上記許容範囲を提供するためには、上記カウンタによって測定される上記第２の時間期間は１．６５ｍｓ（ｘ／２）の第１の頭部の範囲(head range)と正規の３．３ｍｓを超える６．６ｍｓ（２ｘ）の第２の後部の範囲(tail range)を含むべきであり、これはｘ−５０％とｘ+１００％の許容範囲を表す。
【００２９】
実現のための好適実施例を述べたが、本発明の適用範囲は他の可能な変形を包含するものであり、可能な等価なものを含む特許請求の範囲によってのみ限定されるものであることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 制御システムによって電子的に駆動される電気モータシステムのブロック図を示す。
【図２】 ３相インバータブリッジの略図を示す。
【図３】 ３相インバータブリッジの作動テーブルを示す。
【図４】 この発明の教示を具体化する電気モータを制御し保護するための方法の包括的フローチャートを示す。

Claims (8)

1. 回転子を備えた電気モータ（１０）であって、特に制御システム（２）によって電子的に駆動される永久磁石モータの制御保護方法において、前記電気モータ（１０）は、磁極を含み、前記制御システム（２）は、前記モータの磁極に対する前記回転子の位置を検出する位置検出器を含み、前記方法は、
   前記モータの回転子の位置の変化があるときにカウントが開始される最小予想時間が経過するか、あるいは前記回転子の位置の変化が前記位置検出器によって検出される場合に前記制御システム（２）をオフするまで、前記位置検出器を読む第１のステップを継続的に繰り返すステップと、
   前記最小予想時間が経過した後、前記回転子の位置の変化が感知されるか、あるいは前記最小予想時間が経過した後に引き続いてカウントされる最大予想時間が経過した場合に前記制御システム（２）をオフするまで、前記位置検出器を読む第２のステップを継続的に繰り返すステップと、
   もし位置変化が前記最大予想時間内に検出される場合は、もし前記回転子によって到達した位置が事前に予測された正しい位置であれば前記回転子の位置を測定して、前記モータの次の相を駆動するか、あるいはもし前記回転子によって到達した位置が前記事前に予測された正しい位置でない場合は、前記制御システムをオフにするステップと、
   完全に１回転に到達したかどうかを検出するために前記回転子の位置を測定するステップであって、
   もし前記回転子の１回転が完了していたら、前記回転子の回転速度を読んで、前記最大および最小予想時間の補正値を計算し、その後前記最小予想時間が経過するまで前記位置検出器を読む第１のステップを継続的に繰り返すステップからのステップを繰り返すか、あるいは
   もし前記回転子の１回転が完了していなかったら、前記最小予想時間が経過するまで前記位置検出器を読む第１のステップを継続的に繰り返すステップからのステップを繰り返す、前記回転子の位置を測定するステップと、
   を含むことを特徴とするモータの制御保護方法。
2. もし前記最小予想時間が経過する前に、前記回転子の位置の変化が前記位置検出器によって検出された場合、およびもし前記最大予想時間が経過しても前記位置検出器によって位置の変化が検出されない場合は、エラー信号を発生するステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記最大予想時間は、隣接する位置の変化の間の正規の時間の半分の第１の頭部の範囲と前記正規の時間の２倍の第２の後部の範囲の裕度を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記回転子が事前に予測された正しい位置ではない位置に到達した場合にエラー信号を発生することを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記制御システム（２）は前記エラー信号によってオフされることを特徴とする請求項２または４に記載の方法。
6. 電気モータ（１０）、特に磁極と回転子を備える永久磁石モータ用制御システム（２）であって、該制御システム（２）は、３相インバータブリッジ（５）と前記モータの前記磁極に対する前記回転子の位置を検出するために適した位置検出器とを含み、
   前記制御システム（２）は、前記位置検出器と、更にカウンタとに付属するマイクロコントローラを含み、
   前記制御システム（２）は、最小予想時間が経過するまで、前記位置検出器を読むステップを継続的に繰り返すようにされ、前記最小予想時間は前記カウンタによってカウントされ、前記最小予想時間は前記モータの回転子の位置の変化があるときにカウントが開始され、かつ前記制御システム（２）は前記最小予想時間内に前記位置検出器によって前記回転子の位置変化が感知された場合にオフされ、
   前記制御システム（２）は、前記回転子の位置の変化が感知されるか、あるいは最大予想時間が経過した場合に前記制御システム（２）をオフにするまで前記位置検出器を読むステップを継続的に繰り返すようにされ、前記最大予想時間は前記カウンタによってカウントされ、かつ前記最小予想時間が経過した後引き続きカウントされ、かつ
   前記制御システム（２）は、前記回転子の位置変化を事前に予測した正しい位置と比較するようにされ、かつ前記制御システム（２）は、前記回転子が到達した位置が事前に予測した正しい位置でない場合はオフされ、前記制御システム（２）は、前記回転子の回転速度を読むために前記回転子の位置を監視し、前記回転子の１回転の完了後に前記最小および最大予想時間の補正値を計算する、ことを特徴とする制御システム。
7. 前記マイクロコントローラは前記回転子が正しい予測された位置を通過した後前記カウンタを再スタートさせるために出力更新信号を発生することを特徴とする請求項６に記載の制御システム。
8. 前記マイクロコンピュータは前記制御システム（２）をオフするためのエラー信号を発生することを特徴とする請求項７に記載の制御システム。

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