JP4133054B2 - 電子式整流子電気モータの制動制御方法および回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子式整流子電気モータの制動制御方法および回路に関し、特には手工具装置の駆動装置として用いられる、スイッチング動作を行うリラクタンスモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子式整流子電気モータは、高性能の小型駆動装置として手工具装置に用いられる。この電気モータは、使用者がスイッチを切ると直ちに停止させる必要がある。
【０００３】
このような電子式整流子電気モータは、例えば、ブラシレス直流モータ、永久磁石同期モータ、非同期モータおよびスイッチドリラクタンス（ＳＲ）モータを含む。そして、このような電気モータは、永久磁石材料または軟磁材料製の複数の磁極を有する回転可能なロータ、複数の磁極片を有するステータ、および磁束を貫通させるコイルを有するステータからなり、インバータからの電圧供給により回転ロータが駆動される通電時間の間、ロータ角度の検出に好適なセンサーに接続した、小型コントローラの制御・制限電子回路により設定値を調整する。
【０００４】
位相時間の間の電流方向および開始位置または停止位置に応じて、通電時間が駆動トルクまたは制動トルクのいずれかを発生する。駆動動作モードおよび発電動作モードの両方において、コイルに電流が流れるので、ＳＲモータには、通常インバータがハーフブリッジとして設けられている。しばしば、配電側の整流器と負荷側のインバータとの間に中間回路を配置し、中間回路のコンデンサーにより短時間のエネルギ貯蔵を行う。
【０００５】
ロータの制動のために、通常、短絡モードまたは惰力モードにおいては、回転エネルギはロータまたはステータでジュール熱に転換され、発電モードにおいては、回転エネルギは中間回路または主電源に戻されるか、または別体の制動抵抗でジュール熱に転換される。急制動をするには、必要な回路遮断機および制御電子回路を制動抵抗に加えた形態の部品を追加する必要があり、かつステータのコイルの短絡電流またはロータの磁界強度等の運転パラメータが不当に高くなるという欠点がある。
【０００６】
ドイツ国特許公開第１９９４９８０４号明細書には、永久磁石ロータ、３個の角度を付けた音響センサー、３個のコイルおよび３個のブリッジ回路用の並列フリーホイールダイオードを有するフルブリッジとして、中間回路コンデンサーと電流抵抗器とを有する電圧中間回路の整流器の間に設けられたインバータを有するブラシレス直流モータが記載されている。小型コントローラ内に収容した合成モータモデルを可変荷重および回転数で制御するので、電気モータに供給する直流電圧は電気モータ中に誘導された電圧に対する所定の関係にあり、したがって電気モータは好適な動作モードで運転される。制動に用いられる発電動作モードにより、インバータまたは電気モータの故障を招く不当に高い中間回路電圧が発生するおそれがあり、このためさらなる制御回路が制限される。この解決手段では、発電動作モードの電流および電圧を制限するため、制動トルクが小さくなるという欠点がある。
【０００７】
ドイツ国特許公開第４３１１５３３号明細書には、ブラシレス直流モータの制御方法が記載されている。このモータは、発電運転中に、異なる優先順位で部分的に組み合わせるたモータ機能、すなわち整流子、変速されたサイクル、チョッパー、切換装置で動く。この解決手段では、短絡運転中の急制動により、不当に高い伝送損失が起こり、インバータまたは電気モータの故障を招くおそれがあるという欠点がある。
【０００８】
欧州特許第５３４７６１号明細書には、電子式整流子ＳＲモータの運転方法が記載されている。この方法は、一定電流動作モードでの高回転数により、通電時間に対する切換時点を位相時間の半分に延長し、複数の位相時間を制御する。
【０００９】
ドイツ国特許第３７２１４７７号明細書には、電子式整流子電気モータによるテープ記録装置の回転速度を正確に制御することが記載されている。モータ運転中のコイルおよび同時に発電運転中の別のコイルを運転することにより、これら２つの磁界が重なり合う。急制動するには、この解決方法は不適当である。
【００１０】
ドイツ国特許第１９５１８９９１号明細書には、電子式整流子電気モータを位相時間内に、短絡制動（一方のブリッジ回路を正確に開または閉にして）および発電動作（両方のブリッジ回路を開にして）を迅速に変更する運転方法が記載されている。これにより、一方では中間回路に電圧を供給し、他方では制動電流または中間回路電圧を最大許容量に制御する。この解決方法は、発電動作モードの電流および電圧を制限するため、制動トルクが小さくなるという欠点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ブレーキ装置をさらに付加することや運転パラメータを不当に高くすることなく、電子式整流子電気モータを的確に制動する方法および回路を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、独立請求項の特徴により基本的に解決される。有利な実施態様は従属請求項に述べる通りである。
【００１３】
本発明によれば、インバータの位相時間内に電子式整流子電気モータを制動する方法は、非零である通電時間を有する駆動動作モードおよび発電動作モードの両方で、少なくとも一つのコイルを順次に励磁することにより、通電時間に割り当てられた駆動トルクまたは制動トルクを位相時間にわたって平均して得られる制動トルクを発生する。
【００１４】
インバータ内のジュール熱、およびコイルのジュール熱による電気モータ内のジュール熱により、ならびにロータ内の空間に配分され、したがって分散したヒステリシス損失により、両方の動作モードにおいて、インバータとステータのコイルとの両方を流れる電流が発生する。この電流を、できるだけ迅速に電気モータを制動するために、運転パラメータの許容電流制限値内で最大にする。
【００１５】
特に、小型コントローラおよびこれに接続したインバータにより電気モータの制動を制御する方法は、
制動モードへ変更したこと、好ましくは使用者がスイッチを切ったことを検出する第一ステップと、
好ましくは回転数制御および／またはトルク制御を用いて、通常の駆動モードを終了して制動モードに変更する第二ステップと、
さらに、制動トルクを伴う第一通電時間および駆動トルクを伴う時間的に経過した第二通電時間を発生することにより、これらを位相周期にわたって平均して得られる制動トルクを発生することを周期的に繰り返す第三ステップとからなる。
【００１６】
通常方法において、通電時間を中断することにより、電流制限値に向かって電流を制限して、制動モード中の優先度の高い制御ループ内で通電時間内にコイルを流れる位相遅れを伴う電流強度を制限することが好ましい。これにより、インバータまたは電気モータを故障させる不当に高い電流を防止する。
【００１７】
モータ通電時間および発電通電時間内に、異なる電流制限値を電流制限に用いることが好ましい。これにより、位相時間にわたり平均して得られるトルクが、到達すべき電流制限値を変更することにより、パラメータとして独立に制御可能となる。さらに、モータ通電時間に到達すべきことが好ましい、量的に小さい電流制限値のみをパラメータとして用いることが好ましい。これにより最大許容制動トルクが常に発生し、かつ制御自体が単純となる。
【００１８】
発電通電時間内に制御パラメータとして用いる到達すべき電流制限値に向かって電流を制御し、さらに好ましくは連続的に電圧調整器により中間回路電圧を制限することにより、制動モードの間の電流制限優先制御ループ内の中間回路により、インダクションによる位相遅れを伴って増加する中間回路電圧を許容電圧制限値に向かって制限することが好ましい。これにより、インバータまたは電気モータを故障させる不当に高い中間回路電圧を防止する。
【００１９】
中間回路電圧用の電圧調整器を用いて、位相時間にわたって平均して得られる制動トルクを制御することが好ましい。なぜなら、中間回路コンデンサ内の位相時間にわたり平均した中間回路電圧の変化は、取り出したエネルギと再供給されたエネルギとのエネルギが平衡する量だからである。これにより、得られる制動トルクを電流制限値の高さにより単純に制御することができる。最大制動トルクは、回路の開閉を行う２つの電流制限値の差が最大となるときに得られる。
【００２０】
モータ通電時間および発電通電時間が時間的に完全に互いに連続することにより、制動モードの回転数が高い間、電気モータを、個々の通電時間を有する一定電流運転状態で、位相時間の半分にわたり動作させることが好ましい。これにより、この制動方法を回転数の高い場合にも適用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施態様をより詳細に説明する。
図１は、電流の連続的な供給下での時計回りの循環サイクルの位相時間Ｔの間、コイルを流れる電流Ｉにより発生する磁束Ψに対するＳＲモータの動作サイクルを示す。この動作サイクルは、モータ通電時間ｔ_１−ｔ_２および発電通電時間ｔ_３−ｔ_４を有し、このサイクルによって囲まれた面積Ｗ_ｃは制動エネルギ量を表す。小型コントローラにより、通電時間のオンおよびオフ時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４を、測定されたロータ角度に応じて制御可能に割り当てる。まず、コイルを流れる最大許容電流値Ｉに関して、発電通電時間ｔ_３−ｔ_４中に電流を遮断することによって電流制限値Ｉ_ｍａｘを制限する。次に、モータ通電時間ｔ_１−ｔ_２中に電流を遮断することによって、パラメータとして変動する下限電流制限値Ｉ_ｍｉｎを制限する。
【００２２】
図２は、コイルを流れる電流Ｉに対する電流−時間線図を示す。モータ通電時間ｔ_１−ｔ_２から発電通電時間ｔ_３−ｔ_４へは、時間的に完全に互いに連続的な移行である。この結果、発電通電時間ｔ_３−ｔ_４中には最大許容電流制限値Ｉ_ｍａｘにより、およびモータ通電時間ｔ_１−ｔ_２中には変動する下限電流制限値Ｉ_ｍｉｎにより電流Ｉが制限される。
【００２３】
図３は、電子式整流子電気モータ４を有する駆動システムの原理的な配線図を示す。このシステムは、インバータ７により動いており、このインバータ７は、小型コントローラの一部である論理回路３から制御命令ｚ_ｉを受信する。論理回路３は、上位のシステム制御手段６および電流制御／制限器２から受信した制御命令を再処理する。電流制御器２は、コイルを流れる電流Ｉを入力電流とし、この電流Ｉと、システム制御手段６により決められた電流制限値Ｉ_ｍｉｎ、Ｉ_ｍａｘおよび必要に応じて電流設定値Ｉ_ｓｏｌｌとを比較する。そして、実行制御アルゴリズムに照らして、適当な制御命令ｙ_ｉを導き出す。カスケード接続された回転数制御器１により電流設定値を任意に設定する。また、回転数制御器１は、回転数または角度位置送信器５から回転数実測値ｎを、および例えばシステム制御手段６から回転数設定値Ｎを受信する。上位のシステム制御手段６は、特にここでは詳細に示さないシステムのパラメータである、電気モータのロータ角度αおよび／または回転数実測値ｎならびに中間回路電圧Ｕを入力とする。したがって、ロータ角度αを、回転数実測値ｎおよび時間から非常に精度良く算出することができ、そしてその逆に算出することもできる。この通常の原理配線図は、さらに、中間回路電圧Ｕを制限するための電圧制御回路のコイルを流れる電流Ｉに対する上限第一電流制限値Ｉ_ｍａｘを示している。電圧制御回路は、電圧制御器８からなる。電圧制御器８は、固定値として設定された最大許容電圧Ｕ_ｍａｘを中間回路電圧Ｕと比較し、それに依存して第二下限電流制限値_Ｉｍｉｎを発生する。中間回路電圧Ｕが最大値Ｕ_ｍａｘより大きくなった場合には、第二下限電流制限値Ｉ_ｍｉｎを大きくし、同様に上限第一電流制限値Ｉ_ｍａｘを大きくする。二つの電流制限値Ｉ_ｍｉｎおよびＩ_ｍａｘを切換ブロック９に導き、システム制御手段６の初期値に依存して、前述のアルゴリズムに従って、二つの電流制限値Ｉ_ｍｉｎ、Ｉ_ｍａｘのいずれかを交互に電流制御器２に転送する。図示した制動の間、回転数制限器１を運転せず、したがって定常駆動動作において電流制御器２の設定値入力に接続する設定値Ｉ_ｓｏｌｌを使用しない。
【００２４】
前記の実施例はＳＲモータに関するものであるが、当業者であれば、本発明の方法を、原則的におよび若干の変更を施すことにより、他の電子式整流子モータに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う動作サイクル線図である。
【図２】 本発明に従う電流−時間線図である。
【図３】 本発明に従う制御および制限回路の実施例の概略図である。
【符号の説明】
１ 回転数制限器
２ 電流制御／制限器
３ 論理回路
４ 電気モータ
５ 回転数送信器
６ システム制御手段
７ インバータ
８ 電圧制御器
９ 切換ブロック

Claims (10)

1. 小型コントローラにより制御されたインバータ（７）を具えた電子式整流子電気モータの制動を制御する方法において、インバータ（７）の位相周期（Ｔ）内に、それぞれ非零である通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）を有する駆動動作モードと発電機動作モードの両方で、少なくとも一つのコイルを順次に励磁することにより、通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）に割り当てられた駆動トルクまたは制動トルクを位相周期（Ｔ）にわたって平均して得られる制動トルクを発生することを特徴とする制御方法。
2. 小型コントローラおよびこれに接続したインバータ（７）により電気モータ（４）を制動するにあたり、
   制動モードへ変更したこと、および随意に使用者がスイッチを切ったことを検出する第一ステップと、
   随意に回転数制御および／またはトルク制御を用いて、通常の駆動モードを終了して制動モードに変更する第二ステップと、
   さらに、制動トルクを伴う第一通電時間（ｔ_１−ｔ_２）および駆動トルクを伴う第二通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）を発生することにより、これらを位相周期（Ｔ）にわたって平均して得られる制動トルクを発生することを繰り返す第三ステップと、を含む請求項１記載の制御方法。
3. 通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）内に、通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）を中断して、電流制限値（Ｉ_ｍｉｎ、Ｉ_ｍａｘ）に向かって電流を制限することによって、制動モード中の優先度の高い制御ループ内でコイルを流れる位相遅れを伴う電流強度（Ｉ）を制限する請求項１または２記載の制御方法。
4. モータ通電時間（ｔ_１−ｔ_２）および発電通電時間（ｔ_３−ｔ_４）内に、異なる電流制限値（Ｉ_ｍｉｎ、Ｉ_ｍａｘ）を電流制限に用い、随意に到達すべき最小電流制限値（Ｉ_ｍｉｎ）をパラメータとして制御に用いる、請求項１〜３のいずれか一項記載の制御方法。
5. 発電通電時間（ｔ_３−ｔ_４）内に制御パラメータとして用いる到達すべき最小電流制限値（Ｉ_ｍｉｎ）に向かって電流を制御し、随意に連続的に電圧調整器（８）により中間回路電圧（Ｕ）を制限することにより、制動モードの間の電流制限優先制御ループ内の中間回路により、インダクションによる位相遅れを伴って増加する中間回路電圧（Ｕ）を許容電圧制限値（Ｕ_ｍａｘ）に向かって制限する、請求項１〜４のいずれか一項記載の制御方法。
6. 中間回路電圧（Ｕ）用の電圧調整器（８）を用いて、位相時間（Ｔ）にわたって平均して得られる制動トルクを制御する、請求項５記載の方法。
7. モータ通電時間および発電通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）が時間的に互いに連続することにより、制動モードの回転数が高い間、電気モータ（４）を、個々の通電時間（ｔ_１−ｔ_２、ｔ_３−ｔ_４）を有する一定電流運転状態で、位相時間（Ｔ）の半分にわたり動作させる、請求項１〜６のいずれか一項記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項記載の電子式整流子電気モータ（４）の制動を制御する方法を実現する制御回路において、二つの電流制限値（Ｉ_ｍｉｎ、Ｉ_ｍａｘ）用の切換ブロック（９）を有し、これにシステム制御手段（６）および電流制御器（２）が接続されていることを特徴とする制御回路。
9. 中間電圧（Ｕ）および電流制限値（Ｉ_ｍｉｎ）に対する入力を有する電圧制御器（８）が切換ブロック（９）に接続されている、請求項８記載の制御回路。
10. 請求項１〜７の制御方法および／または請求項８もしくは９の制御回路により制御される手工具装置。

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