JP5524925B2 - 電気機械の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械の制御に関する。

電気機械は通常、相巻線の励起を制御する制御システムにより駆動される。制御システムは、出力を最大限に且つトルクリップルを最小限にするために、電気機械の速度の変化に応答してターンオン角度及びターンオフ角度を調整することができる。しかしながら、一般的に、電気機械の効率に対してあまり注意が払われていない。

第１の態様において、本発明は、電気機械を制御する方法を提供し、本方法は、電気機械の相巻線を供給電圧によって励起する段階と、相巻線の電流を検知する段階と、相巻線の電流が閾値を上回ったときに相巻線をフリーホイールする段階と、供給電圧及び／又は電気機械の速度のうちの少なくとも１つの変化に応答して閾値を調整する段階と、を含む。

供給電圧又は電気機械の速度に伴って変化する過電流閾値を利用することによって、電気機械の効率を改善することができる。詳細には、過電流閾値は、相電流波形内の調波が低減されるように調整することができる。加えて、供給電圧及び／又は速度と共に変化する過電流閾値を利用することによって、電気機械の起動トルクを低減することができる。これは、電気機械の機械的構成要素に加わる応力を低減させ、従って、電気機械の耐用年数を延ばすことができる。

本方法は、供給電圧の減少及び電気機械の速度の増加のうちの少なくとも１つに応答して閾値を増大させる段階を含む。相巻線の電流が上昇する変化率は、とりわけ、供給電圧に依存する。供給電圧の減少に応答して過電流閾値を増大させることにより、供給電圧の変化に関係なく、特定の加速プロファイル及び／又は電力プロファイルを維持することができる。速度の増加に応答して過電流閾値を増大させることにより、電気機械のトルクは、始動中に漸次的に増大することができる。加えて、永久磁石電気機械において、相巻線に置いて誘起される逆起電力は速度と共に増大する。速度の増加に応答して過電流閾値を増大させることにより、異なるロータ速度の範囲にわたって特定の電力プロファイルを達成することができる。

相巻線は、フリーホイール期間の間フリーホイールすることができ、その後、再度励起される。フリーホイール期間は、各電気的ハーフサイクルにわたって固定することができる。これにより電気機械の制御が簡素化される。必要な場合、フリーホイール期間は、各電気的ハーフサイクルの終わりにおいて、例えば供給電圧又は速度の変化に応じて、調整することができる。あるいは、制御を更に簡素化するために、フリーホイール期間は、特定の速度範囲にわたって、例えば、初期加速中に固定することができる。

本方法は、各電気的ハーフサイクルにおいてターンオン角とターンオフ角との間に定められる期間にわたって相巻線を順次的に励起しフリーホイールする段階を含むことができる。次いで、本方法は、供給電圧及び／又は電気機械の速度の変化に応答してターンオン角及びターンオフ角のうちの少なくとも１つを調整する段階を含む。過電流閾値、ターンオン角、及び／又はターンオフ角を調整することによって、異なるロータ速度の範囲にわたって特定の電力プロファイルを達成することができる。詳細には、電圧及び／又は速度範囲にわたって一定の入力又は出力パワーを達成することができる。その上、過電流閾値、ターンオン角、及び／又はターンオフ角は、電気機械の効率が電力プロファイルにわたって最適化されるように調整することができる。

本方法は、各電気的ハーフサイクルにおいて通電期間にわたって相巻線を順次的に励起しフリーホイールする段階と、供給電圧及び／又は電気機械の速度の変化に応答して通電期間の長さを調整する段階と、を含む。供給電圧及び／又は速度の変化に応答して過電流閾値及び／又は通電期間の長さの両方を調整することにより、電圧及び／又は速度のある範囲にわたる電気機械の効率の改善が達成される。効率の更なる改善は、相巻線が転流されるポイントを更に調整することによって可能にすることができる。従って、本方法は更に、ロータ位置信号のエッジに対して相巻線を転流する段階と、電気機械の供給電圧及び／又は速度の変化に応答して、各転流とロータ位置信号の各エッジとの間の期間を調整する段階を含むことができる。

本方法は、フリーホイール期間にわたって相巻線をフリーホイールする段階と、電気機械の供給電圧及び／又は速度の変化に応答して、フリーホイール期間を調整する段階とを含むことができる。従って、電気機械の効率の更なる改善を実現することができる。

本方法は、デューティサイクルを有するパルス信号を生成する段階と、パルス信号を平滑化して閾値電圧を生成する段階と、電気機械の構成要素にわたる電圧を検知する段階と、検知電圧を閾値電圧と比較する段階と、検知電圧が閾値電圧を上回ったときに相巻線をフリーホイールする段階と、電気機械の供給電圧及び／又は速度の変化に応答してデューティサイクルを調整する段階と、を含むことができる。これは、供給電圧及び／又は速度の変化に応答して調整できる過電流閾値を生成する比較的簡単な手法を示す。詳細には、過電流閾値は、デジタルアナログコンバータを必要とすることなく生成することができる。従って、比較的簡素でひいては安価な回路及び／又はマイクロコントローラを用いて本方法を実施することができる。

本方法は、複数の電圧及び／又は速度の各々についてのデューティサイクルを含むルックアップテーブルを格納する段階を含むことができる。次いで、本方法は、電気機械の供給電圧及び／又は速度に対応するデューティサイクルをルックアップテーブルから選択し、該選択したデューティサイクルを用いてパルス信号を生成する段階を含むことができる。ルックアップテーブルを用いることにより、電気機械の制御が簡素化される。結果として、比較的簡素でひいては安価なマイクロコントローラを用いることができる。

第２の態様において、本発明は、上記段落の何れかにおいて説明した方法を実施する、電気機械用制御システムを提供する。

制御システムは、好ましくは、相巻線に結合されたインバータと、相巻線の電流を検知する電流センサと、インバータを制御する１つ又はそれ以上の制御信号を生成するコントローラとを備える。インバータは、コントローラからの第１の制御信号に応答して供給電圧を用いて相巻線を励起し、コントローラからの第２の制御信号に応答して巻線をフリーホイールする。次いで、コントローラは、第１の制御信号を生成し、その後、相巻線の電流が閾値を上回ったときに第２の制御信号を生成する。

電流センサは、好ましくは、相巻線の電流を感知する電圧を有する信号を出力し、制御システムは、供給電圧及び電気機械の速度のうちの少なくとも１つに依存する電圧を有する信号を生成する閾値発生器を備える。次いで、コントローラは、電流センサによって出力された信号の電圧が、閾値発生器によって出力される信号の電圧を上回ったときに、第２の制御信号を生成する。より好ましくは、閾値発生器は、ＰＷＭモジュール及び平滑フィルタを含み、ＰＷＭモジュールのデューティサイクルが供給電圧及び電気機械の速度のうちの少なくとも１つに依存する。ＰＷＭモジュールは、供給電圧及び／又は速度の変化に応答して調整できる（すなわち、デューティサイクルを用いて）電圧を有する信号を生成するコスト効果のある手段を提供する。

第３の態様において、本発明は、上述の段落の何れかによる、永久磁石モータ及び制御システムを備えたモータシステムを提供する。

本発明を十分に理解できるようにするために、本発明の実施形態を例証として添付図面を参照しながら説明する。

本発明によるモータシステムのブロック図である。 モータシステムの概略図である。 モータシステムのモータの断面図である。 モータシステムのコントローラによって送出される制御信号に応答したインバータの許容状態の詳細図である。 モータシステムの電流制限器の概略図である。 加速度モードで動作しているときのモータシステムの種々の波形を示す図である。 定常モードで動作しているときのモータシステムの種々の波形を示す図である。 比較的高い過電流閾値を利用したときのモータシステムの種々の波形を示す図である。 比較的低い過電流閾値を利用したときのモータシステムの種々の波形を示す図である。

図１から図３のモータシステム１は、ＡＣ電源２によって給電され、ブラシレスモータ３及び制御システム４を含む。

モータ３は、ステータ６に対して回転する４極永久磁石ロータ５を備える。ステータ６は、４つのステータ極を定めるＣ形コアのペアを含む。コアの周りに導線が巻かれ、共に結合されて単一の相巻線を形成する。

制御システム４は、整流器８、ＤＣリンクフィルタ９、インバータ１０、ゲートドライバモジュール１１、電流センサ１２、ロータ位置センサ１３、及びコントローラ１４を備える。

整流器８は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４の全波ブリッジを含み、ＡＣ電源２の出力を整流してＤＣ電圧を提供する。

ＤＣリンクフィルタ９は、キャパシタＣ１を含み、インバータ１０のスイッチングから生じる比較的高周波のリップルを平滑化する。必要であれば、ＤＣリンクフィルタ９は、基本周波数の整流されたＤＣ電圧を更に平滑化することができる。

インバータ１０は、ＤＣリンク電圧を相巻線７に結合する４つのパワースイッチＱ１〜Ｑ４の全波ブリッジを含む。スイッチＱ１〜Ｑ４の各々は、フリーホイールダイオードを含み、インバータのスイッチング中に発生する電圧スパイクからスイッチを保護する。

ゲートドライバモジュール１１は、コントローラ１４から受け取った制御信号に応答して、スイッチＱ１〜Ｑ４の開閉を駆動する。

電流センサ１２は、シャント抵抗Ｒ１、Ｒ２のペアを含み、各抵抗はインバータ１０の下側アーム上に位置付けられる。各抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端の電圧は、電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１及びＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２としてコントローラ１４に出力される。第１の電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１は、インバータ１０が右から左に駆動されたとき（以下で詳細に説明するように）の相巻線７の電流の尺度を提供する。第２の電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿２は、インバータ１０が左から右に駆動されたときの相巻線７の電流の尺度を提供する。抵抗Ｒ１、Ｒ２をインバータ１０の下側アーム上に位置付ける場合、相巻線７の電流はフリーホイール（同様に、以下でより詳細に説明される）中に連続して検知される。

ロータ位置センサ１３は、デジタル信号ＨＡＬＬを出力するホール効果センサを含み、ＨＡＬＬは、センサ１３を通過する磁束の方向に応じて論理的ｈｉｇｈ又はｌｏｗである。センサ１３をロータ５に隣接して位置付けることにより、ＨＡＬＬ信号は、ロータ５の角度位置の尺度を提供する。より詳細には、ＨＡＬＬ信号の各エッジは、ロータ５の極性の変化を示している。回転時には、永久磁石ロータ５が相巻線７において逆起電力（バックＥＭＦ）を誘起する。この結果として、ＨＡＬＬ信号の各エッジは更に、相巻線７の逆起電力の極性を示す。

コントローラ１４は、プロセッサ１５を有するマイクロコントローラ、メモリデバイス１６、複数の周辺装置１７（例えば、コンパレータ、タイマー、その他）、及び複数の入出力ピン１８を含む。好適な候補は、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＩｎｃによるＰＩＣ１６Ｆ６９０マイクロコントローラである。メモリデバイス１６は、プロセッサ１５によって実行するソフトウェア命令を格納する。メモリデバイス１６はまた、モータシステム１の作動中にプロセッサ１５によりインデックスが付与された複数のルックアップテーブルを格納する。

コントローラ１４は、モータシステム１の作動を制御する役割を担う。４つの入力信号：Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１、Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿２、ＨＡＬＬ、及びＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨに応答して、コントローラ１４は、３つの制御信号：ＤＩＲ１、ＤＩＲ２、及びＦＷ＃を出力する。制御信号は、ゲートドライバモジュール１１に出力され、これに応答してインバータ１０のスイッチＱ１〜Ｑ４の開閉を駆動する。

Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１及びＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２は、電流センサ１２により出力される信号であり、ＨＡＬＬは、ロータ位置センサ１３により出力される信号である。ＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨは、分圧器Ｒ３、Ｒ４及び平滑キャパシタＣ２によって得られる、ＤＣリンク電圧の平滑尺度である。

ＤＩＲ１及びＤＩＲ２は、インバータ１０及びひいては相巻線７を通過する電流方向を制御する。ＤＩＲ１が論理的ｈｉｇｈにプルされ、ＤＩＲ２が論理的ｌｏｗにプルされると、ゲートドライバモジュール１１は、スイッチＱ１及びＱ４を閉止してスイッチＱ２及びＱ３を開放し、これにより相巻線７を通って左から右に電流を駆動する。反対に、ＤＩＲ２が論理的ｈｉｇｈにプルされ、ＤＩＲ１が論理的ｌｏｗにプルされると、ゲートドライバモジュール１１は、スイッチＱ２及びＱ３を閉止してスイッチＱ１及びＱ４を開放し、これにより相巻線７を通って右から左に電流を駆動する。従って、相巻線７の電流は、ＤＩＲ１とＤＩＲ２を反対にすることによって転流される。ＤＩＲ１及びＤＩＲ２の両方が論理的ｌｏｗにプルされた場合、ゲートドライバモジュール１１は全てのスイッチＱ１〜Ｑ４を開放する。

ＦＷ＃は、ＤＣリンク電圧から相巻線７を切断するのに使用され、相巻線７の電流がインバータ１０のｌｏｗ側ループの周りをフリーホイールすることを可能にする。従って、論理的ｌｏｗにプルされたＦＷ＃信号に応答して、ゲートドライバモジュール１１は、ｈｉｇｈ側スイッチＱ１、Ｑ２を開放させる。その結果、電流は、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２によって定められる方向でインバータ１０のｌｏｗ側ループの周りをフリーホイールする。

図４は、コントローラ１４の制御信号に応答して、スイッチＱ１〜Ｑ４の許容状態を要約している。以下において、用語「セット」及び「クリア」は、信号がそれぞれ論理的ｈｉｇｈ及び論理的ｌｏｗにプルされたことを示すのに用いる。

コントローラ１４は、電流制限器２０として構成された幾つかの周辺装置１７を含む。電流制限器２０は、相巻線７の電流を監視し、電流が閾値を超えた場合に過電流信号を生成する役割を担う。

図５に示すように、電流制限器２０は、ＰＷＭモジュール２１、平滑フィルタ２２、マルチプレクサ２３、及びコンパレータ２４を含む。ＰＷＭモジュール２１、マルチプレクサ２３、及びコンパレータ２４は、コントローラ１４の周辺装置１７の一部を形成する。他方、平滑フィルタ２２は、コントローラ１４の外部に位置付けられる。

ＰＷＭモジュール２１及び平滑フィルタ２２は、全体として閾値発生器２５とみなすことができ、これは、特定の電圧を有する閾値信号を生成する。ＰＷＭモジュール２１は、パルス電圧信号を発生し、コントローラ１４によって出力される。平滑フィルタ２２は、パルス電圧信号を平滑して閾値信号を生成し、次いで、これがコントローラ１４に入力される。ＰＷＭモジュール２１は、一定の時間期間、及びプロセッサ１５によりセットされる可変デューティサイクルを利用する。従って、閾値信号の電圧は、プロセッサ１５によってセットされたデューティサイクルによって決まる。

マルチプレクサ２３は、２つの電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１及びＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２のうちの１つを選択するための２つの入力を有する。マルチプレクサ２３により行われる選択は、相巻線７を通過する電流の方向に応答して、プロセッサ１５により制御される。その結果として、ＤＩＲ１がセットされると、マルチプレクサ２３はＩ＿ＳＥＮＳＥ＿１を選択し、ＤＩＲ２がセットされると、マルチプレクサ２３はＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２を選択する。マルチプレクサ２３の出力は、コンパレータ２４に供給される。

コンパレータ２４は、電流検知信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥ＿１又はＩ＿ＳＥＮＳＥ＿２の電圧を閾値信号の電圧と比較する。電流検知信号の電圧が閾値信号の電圧を上回ると、コンパレータ２４は、論理的ｌｏｗにプルされた過電流信号を出力する。そうでない場合、コンパレータ２４は、論理的ｈｉｇｈにプルされた過電流信号を出力する。

従って、電流制限器２０は、電流検知信号の電圧が閾値信号の電圧を上回るときに、過電流信号を切り替える。電流検知信号の電圧は、相巻線７の電流に正比例するので、電流制限器２０は、相巻線７の電流が過電流閾値を上回るときに過電流信号の切り替えを行う。過電流閾値は、ＰＷＭモジュール２１のデューティサイクルによって定められ、該デューティサイクルはコントローラ１４のプロセッサ１５によってセットされる。従って、以下で説明するように、コントローラ１４は、電源２の電圧及び／又はモータ３の速度に応じて異なる過電流閾値を利用することができる。

コントローラ１４は、ロータ５の速度に応じて２つのモードのうちの一方で動作する。所定の速度閾値を下回る速度では、コントローラ１４は、加速モードで動作する。速度閾値又はそれを上回る速度では、コントローラ１４は定常モードで動作する。ロータ５の速度は、ＨＡＬＬ信号の２つの連続するエッジ間の期間Ｔ＿ＨＡＬＬから求められる。この時間期間は、以下ではＨＡＬＬ期間と呼ぶことにする。

（加速モード）
速度閾値を下回る速度では、コントローラ１４は、ＨＡＬＬ信号のエッジと同期して相巻線７を転流する。各ＨＡＬＬエッジは、相巻線７における逆起電力の極性の変化を表している。その結果として、コントローラ１４は、逆起電力のゼロ交差と同期して相巻線７を転流する。

転流は、相巻線７を通過する電流の方向が反転するようにＤＩＲ１及びＤＩＲ２の反転（すなわち、ＤＩＲ１のクリアとＤＩＲ２のセット、或いは、ＤＩＲ２のクリアとＤＩＲ１のセット）を伴う。相巻線７は、転流点にてフリーホイールすることができる。従って、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２の反転に加えて、コントローラ１４は、インバータ１０が駆動状態に確実に戻るようにＦＷ＃をセットする。

相巻線７の電流が過電流閾値に達すると、電流制限器２０は過電流信号をクリアする。過電流信号の変化に応答して、コントローラ１４は、ＦＷ＃をクリアすることによって相巻線７をフリーホイールする。フリーホイールは、フリーホイール期間Ｔ＿ＦＷの間継続し、その間、相巻線７の電流は、過電流閾値を下回るレベルまで減衰すると予想される。相巻線７の電流が継続して過電流閾値を上回る（すなわち、過電流信号が継続してクリアになった場合）場合、コントローラ１４は再度、フリーホイール期間Ｔ＿ＦＷの間相巻線７をフリーホイールする。他方、相巻線７の電流が過電流閾値を下回る（すなわち、過電流信号がセットされた）場合、コントローラ１４は、ＦＷ＃をセットすることによって相巻線７を励起する。その結果として、コントローラ１４は、相巻線７を順次的に励起及びフリーホイールする。

図６は、加速モードで動作しているときの数ＨＡＬＬ期間にわたるＨＡＬＬ信号、制御信号、及び相電流の波形を示す。

コントローラ１４は、固定フリーホイール期間Ｔ＿ＦＷを利用することができる。しかしながら、固定フリーホイール期間では、対応する電気角度はロータ速度と共に増大する。その結果として、電流及びひいてはパワーが相巻線７に駆動される残りの電気角度は減少する。加えて、ロータ速度が増大するにつれて相巻線７に誘起される逆起電力が増大する。結果として、相電流は、フリーホイール中により迅速な変化率で減衰する。従って、コントローラ１４は、固定のフリーホイール期間を利用するのではなく、代わりにロータ速度に伴って変化するフリーホイール期間を利用する。より詳細には、コントローラ１４は、増大するロータ速度に伴って減少するフリーホイール期間を利用する。加えて、以下で説明する理由のため、コントローラ１４は、電源２の電圧に伴って変化するフリーホイール期間を利用する。従って、コントローラ１４は、複数の供給電圧及びロータ速度の各々に対するフリーホイール期間Ｔ＿ＦＷを格納するフリーホイールルックアップテーブルを含む。次いで、コントローラ１４は、電源２の現在の電圧（ＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨから求められる）及びロータ５の現在速度（Ｔ＿ＨＡＬＬから求められる）を用いてフリーホイールルックアップテーブルのインデックスを作成することにより、フリーホイール期間を定期的に更新する。

電流制限器２０によって利用される過電流閾値は、固定されず、代わりに電源２の電圧及びロータ５の速度の変化に応じて変化する。これは、ＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨ及びＴ＿ＨＡＬＬの変化に応答してＰＷＭモジュール２１のデューティサイクルを変化させることにより達成される。従って、コントローラ１４は、複数の供給電圧及びロータ速度の各々に対するデューティサイクルを格納するデューティサイクルルックアップテーブルを含む。次いで、コントローラ１４は、電源２の現在の電圧（ＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨから求められる）及び現在ロータ速度（Ｔ＿ＨＡＬＬから求められる）を用いてデューティサイクルルックアップテーブルのインデックスを作成することにより、ＰＷＭモジュール２１のデューティサイクルを定期的に更新する。

初期始動及び加速中のモータの起動トルクは、負荷により要求されるトルクよりも何桁も大きい可能性がある。その結果、正味加速トルクは、モータの機械的構成要素に相当な応力を及ぼす。従って、コントローラ１４は、ロータ速度と共に増大する過電流閾値を利用する。その結果として、起動トルク及び正味加速トルクが低減される。次いで、これによりモータ３の機械的構成要素に加わる応力が低減され、従って、モータ３の耐用年数を延ばすことができる。

相巻線７において電流が上昇する変化率は、とりわけ、電源２の電圧に依存する。その結果として、供給電圧に関係なく同じ過電流閾値が使用される場合、モータシステム１の入力及び出力パワーは、供給電圧に応じて異なる可能性がある。その結果、このことは、モータシステム１の加速に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、コントローラ１４は、減少する供給電圧に伴って増大する過電流閾値を利用する。結果として、電源２の電圧に関係なく同じ又は類似の加速プロファイルを達成することができる。

パワースイッチＱ１〜Ｑ４が通電しなければならない電流の大きさ並びに比較的高いスイッチング周波数に起因して、パワースイッチＱ１〜Ｑ４は、動作中に極めて高温になる可能性がある。熱損傷を防ぐために、モータ３は、モータシステム１を通って冷却空気を吸い込んでパワースイッチＱ１〜Ｑ４を冷却するようにする、ロータに装着されたファン又はインペラを含むことができる。その結果、これによりパワースイッチＱ１〜Ｑ４がそうでない場合に実施できるであろう電流よりも高い電流を通電できるようになる。初期始動及び加速中、ロータ速度は比較的低く、従って、極めて少ない冷却空気がモータシステム１を通じて吸い込まれる。ロータ速度と共に増大する過電流閾値を利用することによって、パワースイッチＱ１〜Ｑ４により通電される電流を低いロータ速度にて比較的低く保持することができる。これにより、冷却空気がほとんど存在しないときにパワースイッチＱ１〜Ｑ４が過熱するのが阻止される。

（定常モード）
速度閾値又はこれを上回る速度では、コントローラ１４は、ＨＡＬＬエッジよりも前で、従って、逆起電力のゼロ交差よりも前で転流している。この場合も同様に、転流は、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２の反転並びにＦＷ＃のセットを伴う。

コントローラ１４は、進み期間Ｔ＿ＡＤＶだけ各ＨＡＬＬエッジよりも前で相巻線７を転流する。特定のＨＡＬＬエッジよりも前に相巻線７を転流するために、コントローラ１４は、先行するＨＡＬＬエッジに応答して作用する。先行するＨＡＬＬエッジに応答して、コントローラ１４は、進み期間Ｔ＿ＡＤＶをＨＡＬＬ期間Ｔ＿ＨＡＬＬから差し引き、転流期間Ｔ＿ＣＯＭを得る。すなわち、
Ｔ＿ＣＯＭ＝Ｔ＿ＨＡＬＬ−Ｔ＿ＡＤＶ
である。

次いで、コントローラ１４は、先行するＨＡＬＬエッジの後の時間Ｔ＿ＣＯＭにおいて相巻線７を転流する。その結果として、コントローラ１４は、後続のＨＡＬＬエッジの前に相巻線７を転流する。

加速モードと同様にして、コントローラ１４は、相巻線７の電流が過電流閾値を上回るときは常に、相巻線７をフリーホイールする。フリーホイールは、フリーホイール期間Ｔ＿ＦＷの間継続し、その間、相巻線７の電流は、過電流閾値を下回るレベルまで減衰すると予想される。相巻線７の電流が継続して過電流閾値を上回る場合、コントローラ１４は再度、相巻線７をフリーホイールする。そうでない場合、コントローラ１４は、相巻線７を励起する。その結果として、加速モードと同様にして、コントローラ１４は、相巻線７を順次的に励起及びフリーホイールする。

加速モードで動作しているときには、コントローラ１４は、各電気的ハーフサイクルの全長にわたって相巻線７を順次的に励起及びフリーホイールする。対照的に、定常状態で動作しているときには、コントローラ１４は、通常は各電気的ハーフサイクルの一部だけに及ぶ通電期間Ｔ＿ＣＤにわたって相巻線７を励起する。通電期間の終わりにおいて、コントローラ１４は、ＦＷ＃をクリアすることによって巻線をフリーホイールする。次いで、フリーホイールは、コントローラ１４がモータ３を転流するまで制限なく継続する。

図７は、定常モードで動作しているときの数ＨＡＬＬ期間にわたるＨＡＬＬ信号、制御信号、及び相電流の波形を示す。

コントローラ１４は、電源２の電圧及びロータ５の速度の変化に応答して、進み期間Ｔ＿ＡＤＶ、通電期間Ｔ＿ＣＤ、フリーホイール期間Ｔ＿ＦＷ、及び過電流閾値（すなわち、ＰＷＭモジュール２１のデューティサイクル）を調整する。従って、コントローラ１４は、フリーホイール及びデューティサイクルルックアップテーブルに加えて、進みルックアップテーブル及び通電ルックアップテーブルを格納する。進みルックアップテーブルは、複数の電源電圧及びロータ速度の各々に対する進み期間Ｔ＿ＡＤＶを格納する。同様に、通電ルックアップテーブルは、複数の電源電圧及びロータ速度の各々に対する通電期間Ｔ＿ＣＤを格納する。

コントローラ１４は、電源２の電圧（ＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨから求められる）及びロータ速度（Ｔ＿ＨＡＬＬから求められる）の変化に応答して、進み期間、通電期間、フリーホイール期間、及びデューティサイクルを定期的に更新する。例えば、コントローラ１４は、各ＨＡＬＬエッジ又はｎ番目のＨＡＬＬエッジごとに応答して種々の制御パラメータを更新することができる。或いは、コントローラ１４は、固定の時間期間後、又は電源２の電圧のゼロ交差に応答して制御パラメータを更新することができる。

ルックアップテーブルは、各電圧及び速度ポイントにおける特定の入力又は出力パワーを達成する値を格納する。更に、この値は、各電圧及び速度ポイントにおけるモータシステム１の効率が特定の入力又は出力パワーに対して最適化されるように選ばれる。すなわち、進み期間、通電期間、フリーホイール期間、及びデューティサイクルに対する値の種々のセットが同じ所望の入力又は出力パワーをもたらすことができるということである。しかしながら、これらの値の種々のセットから、最適効率をもたらす単一のセットが選択される。

モータシステムの効率は、相電流の波形が逆起電力の波形と同じ形状及び位相を有するときに最大になる。これは、相電流波形の調波が、比較的有用でない出力パワーの出力損失を生じることに起因する。ここで立証するように、供給電圧及びロータ速度と共に変化する過電流閾値を利用することにより、調波の少ない相電流波形が得られる。

モータシステム１は固定の過電流閾値を利用すると仮定する。更に、過電流閾値は、比較的高く設定され、過剰電流が制御システム４の電気的構成要素に損傷を及ぼすのを防ぐことだけを目的としていると仮定する。比較的低速度で動作しているときには、相巻線７に誘起される逆起電力は比較的小さい。結果として、励起されると、電流が相巻線７に比較的迅速に上昇する。電流が比較的迅速に上昇し、過電流閾値が比較的高いので、コントローラ１４は、特定の入力又は出力パワーを得るために短い通電期間を利用することだけを必要とする。図８は、数ＨＡＬＬ期間にわたる逆起電力及び相電流の波形を示している。相電流の波形が比較的高い調波成分を有することが理解できる。

ここで、モータシステム１がより低い過電流閾値を利用すると仮定する。モータシステム１は、同じ比較的低い速度で動作しており、従って、電流は、この場合も同様に比較的迅速に上昇する。しかしながら、過電流閾値はここでは低いので、コントローラ１４は、同じ入力又は出力パワーを得るためにより長い通電期間を利用しなければならない。図９は、数ＨＡＬＬ期間にわたる逆起電力及び相電流の波形を示している。図８に示したものと比べて、相電流の波形は、逆起電力の波形により密接に似ている。従って、相電流は、より小さな調波成分を有し、従って、モータシステム１の効率が改善される。加えて、相電流が低い閾値に制限されるので、銅損が低減され、これにより効率が更に向上する。

過電流閾値、通電期間、進み期間、及びフリーホイール期間は全て、相電流波形の形状に影響を及ぼす。相電流波形内に最小の調波をもたらす特定値は、とりわけ、相電流が励起中に上昇し且つフリーホイール中に減衰する変化率に依存することになる。相電流が上昇する変化率は、主として、相巻線７のインダクタンス、電源２の電圧、及び相巻線７の逆起電力に依存し、該逆起電力はロータ５の速度によって決まる。この理由から、コントローラ１４は、供給電圧及びロータ速度両方の変化に応答して、過電流閾値、通電期間、及び進み期間を調整する。フリーホイール中に相巻線７の電流が減衰する変化率は、主として、インダクタンス及び逆起電力に依存する。その結果として、減衰率は、ロータ速度に依存するが、供給電圧には依存しない。それでも尚、電源２の電圧は、最適効率をもたらすフリーホイール期間に影響を及ぼす可能性がある。例えば、電源２の電圧が減少すると、相電流は、励起中により緩慢な変化率で上昇することになる。これを補償するために、フリーホイール中の相電流減衰が低減されるようにより短いフリーホイール期間を利用することができる。反対に、電源２の電圧が増大する場合、通電期間にわたるインバータスイッチングの周波数を低減するようにより長いフリーホイール期間を利用することができる。その結果、スイッチング損失を低減することができる。従って、コントローラ１４はまた、供給電圧及びロータ速度の変化に応答してフリーホイール期間を調整する。

電圧及び／又はロータ速度に伴って変化する過電流閾値を利用することによって、固定の過電流閾値を利用するモータシステムに比べて、５％から１０％の効率改善が認められた。

コントローラ１４は、加速モード及び定常モードの両方において動作するときに電圧及び／又はロータ速度の変化に応答して過電流閾値を調整するが、これを行う理由は、２つの動作モードによって大きく異なる。加速モードでは、コントローラ１４は、起動トルクの低減、及び／又はパワースイッチＱ１〜Ｑ４の過熱防止のために過電流閾値を調整する。定常モードでは、コントローラ１４は、モータシステム１の効率改善のために過電流閾値を調整している。

上述の実施形態において、コントローラ１４は、定常モードで動作しているときに、各ＨＡＬＬエッジよりも前で相巻線７を転流する。この理由は、ロータ速度が増大するにつれ、ＨＡＬＬ期間が減少し、従って、相巻線インダクタンスに関連する時定数（Ｌ／Ｒ）が次第に重要になることによる。各ＨＡＬＬエッジよりも前で相巻線７を転流することにより、逆起電力によって供給電圧が引き上げられる。結果として、相巻線７を通る電流の方向がより迅速に反転することができる。加えて、ロータ速度が増大するにつれて、相巻線７に誘起される逆起電力も増大し、相電流が増大する変化率に影響を及ぼす。各ＨＡＬＬエッジよりも前で相巻線７を転流することにより、逆起電力をもたらすような相電流を引き起こすことができ、これはより緩慢な上昇を補償する一助となる。このことは、短い負トルク期間を発生させるが、これは通常、後続の正トルクのゲインによって相殺されるものよりも大きい。更に、逆起電力をもたらす相電流波形を有することは、効率の観点から理想的ではないが、特定の入力又は出力パワーを達成するために必要な場合がある。従って、コントローラ１４は、関係する比較的高いロータ速度により、定常モードで動作しているときに転流を先進させる。しかしながら、モータシステム１が定常モード内で低速度で動作する場合には、必ずしも転流を先進させる必要はない場合がある。更に、モータシステム１の最適効率は、次のＨＡＬＬエッジの後まで転流を遅延させることにより達成することができる。これに応じて、コントローラ１４は、定常モードで動作しているときに、ＨＡＬＬエッジに対して転流を先進、同期、又は遅延することができる。従って、より一般的な意味では、コントローラ１４は、供給電圧３０及びロータ速度の変化に応答して転流期間を調整すると考えることができる。

代替として、コントローラ１４は、進み期間のルックアップテーブルを格納するのではなく、転流期間のルックアップテーブルを格納してもよい。その結果、これによりＨＡＬＬエッジの前（すなわち先進）、ＨＡＬＬエッジ時（同期）、又はＨＡＬＬエッジの後（遅延）に転流を行うことが可能になる。例えば、４０ｋｒｐｍでのＨＡＬＬ期間は３７５μｓである。よって、コントローラ１４は、次のＨＡＬＬエッジよりも前に相巻線７を転流させるために３５０μｓの進み期間を格納し、又は次のＨＡＬＬエッジと同期して相巻線７を転流させるために３７５μｓの進み期間を格納し、或いは、次のＨＡＬＬエッジの後まで転流を遅延させるために３９０μｓの進み期間を格納することができる。加えて、進み期間ではなく転流期間を格納することにより、コントローラ１４はもはや、転流期間Ｔ＿ＣＯＭを得るために、ＨＡＬＬ期間Ｔ＿ＨＡＬＬから進み期間Ｔ＿ＡＤＶを差し引く必要はない。結果として、より簡素で、且つ場合によってはより安価なマイクロコントローラを用いることができる。

進み／転流期間及び通電期間は、位相励起の開始及び終了の電気角を定める。従って、より一般的な意味では、コントローラ１４は、ターンオン角とターンオフ角との間に定められる期間にわたって相巻線を順次的に励起しフリーホイールすると考えることができる。コントローラ１４は、供給電圧及びロータ速度の変化に応答して、過電流閾値、ターンオン角、及び／又はターンオフ角を調整する。

各ルックアップテーブルは、コントローラ１４のタイマーに直接ロードすることができる値を格納する。これにより、コントローラ１４によって実行される命令が簡素化され、従って、比較的簡単且つ安価なマイクロコントローラを用いることができる。しかしながら、コントローラ１４は、相巻線７の励起及びフリーホイールを制御する代替の値を格納することができる。例えば、ルックアップテーブルは、電気角（例えば、ターンオン角、ターンオフ角、及びフリーホイール角）を格納することができる。或いは、供給電圧及びロータ速度を有する各制御パラメータの挙動を数式で表現することもできる。次いで、コントローラ１４は、現在の供給電圧及びロータ速度を用いて数式を解き、制御パラメータの値を得る。

上述の実施形態において、コントローラ１４は、供給電圧及びロータ速度の変化に応答して種々の制御パラメータ（すなわち、進み期間、通電期間、フリーホイール期間、及びデューティサイクル）を調整する。しかしながら、電源２の電圧が比較的規則的である場合、或いは、供給電圧の分散が重要ではないとみなされる場合、種々の制御パラメータは、ロータ速度だけについて調整すればよい。これによりコントローラ１４のメモリ要件が低減される。従って、場合によっては安価なマイクロコントローラを用いることもできる。或いは、利用できる追加のメモリを用いて、ルックアップテーブルに対してより微細な分解能を利用することができる。

上述の実施形態において、モータシステム１は、ＡＣ電源２により駆動される。次いで、種々の制御パラメータは、電源のＲＭＳ電圧（ＤＣ＿ＳＭＯＯＴＨから求められる）の変化に応答して更新される。しかしながら、制御パラメータの１つ又はそれ以上は、代替として、ＤＣリンク電圧の変化に応答して、すなわちあらゆる平滑化なしで更新することができる。次いで、制御パラメータは、ＡＣ電源２のサイクルにわたってＤＣリンク電圧が変化するときに更新される。ＡＣ電源ではなく、モータシステム１はまた、バッテリなどのＤＣ電源によって駆動されてもよい。供給電圧の変化に応答して制御パラメータを調整することにより、バッテリが放電するときに特定の電力プロファイルを維持することができる。その上、モータシステム１の効率は、バッテリ寿命が増大するように、各電圧ポイントにおいて最適化することができる。

コントローラ１４は、供給電圧及びロータ速度の変化に応答してフリーホイール期間を調整する。固定のフリーホイール期間では、対応する電気角はロータ速度と共に増大する。従って、固定のフリーホイール期間を用いる実用性は、モータシステム１の速度範囲及び相巻線７のインダクタンスによって決まることになる。例えば、速度範囲が比較的小さい場合、固定のフリーホイール期間のフリーホイール角は、速度範囲の各端点にてほぼ同じになる。或いは、相巻線７のインダクタンスが比較的高い場合、相電流は、フリーホイール中に比較的低速な変化率で減衰することになる。その結果として、固定のフリーホイール期間が、速度範囲の両側の端点にて極めて異なるフリーホイール角をもたらす場合、フリーホイール中に結果として生じる相電流の減衰は、問題とならない場合がある。固定のフリーホイール期間を利用することにより、追加のメモリが、相電流波形の成形において一般により重要である他の制御パラメータに利用可能となる。

論理的ｌｏｗにプルされたＦＷ＃信号に応答して、ゲートドライバモジュール１１は、ｈｉｇｈ側スイッチＱ１、Ｑ２を開放させる。その結果、相巻線７の電流は、ＤＩＲ１及びＤＩＲ２によって定められる方向でインバータ１０のｌｏｗ側ループの周りをフリーホイールする。パワースイッチの特定のタイプは、双方向に導通させることが可能である。従って、ｈｉｇｈ側スイッチＱ１、Ｑ２の両方を開放することに加えて、ゲートドライバモジュール１１は、ｌｏｗ側スイッチＱ３、Ｑ４の両方を閉止することができる。これにより、相巻線７の電流は、低効率のフリーホイールダイオードを通過するのではなく、ｌｏｗ側スイッチＱ３、Ｑ４の両方を通ってフリーホイールすることが可能になる。更に、ゲートドライバモジュール１１は、インバータ１０のｌｏｗ側ループの周りをフリーホイールするのではなく、代わりに、相電流がｈｉｇｈ側ループの周りをフリーホイールするようにスイッチＱ１〜Ｑ４を制御することができる。

インバータ１０の下側アーム上に位置付けられたシャント抵抗Ｒ１、Ｒ２のペアを有することにより、電流センサ１２が、励起及びフリーホイール中に相巻線７の電流を検知することができる。しかしながら、コントローラ１４は、所定の時間期間の間相巻線７をフリーホイールするので、フリーホイール中に相電流を監視することは必須ではない。従って、電流センサ１２は、単一のシャント抵抗を備えてもよい。そのため、フリーホイール中に電流を検知することはできないが、単一のシャント抵抗の使用により、構成要素のコスト及び電流センサ１２の電力損が低減される。電力損の低減は小さくすることができるが、それでも尚、このことは、特定の用途（例えば、低出力低電圧のモータシステム）において重要であることを証明することができる。

上述の実施形態において、電流制限器２０は、主として、コントローラ１４の周辺装置１７から形成される。これは、可能であればコントローラ１４の利用可能な周辺装置１７を活用することによって、モータシステム１の全体コストが低減される。しかしながら、電流制限器２０は、過電流信号をコントローラ１４に出力する別個の回路として同様に設けることができる。

上述の実施形態において、閾値信号の生成を担う閾値生成器２５は、ＰＷＭモジュール２１及び平滑フィルタ２２を含む。これは、コントローラ１４の既存の周辺装置１７を利用する。しかしながら、閾値信号を生成する代替手段を同様に用いることもできる。例証として、コントローラ１４の周辺装置１７は、デジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）を含むことができる。しかしながら、一般に、ＰＷＭモジュールを有するマイクロコントローラがＤＡＣを有するマイクロコントローラよりも安価である。従って、ＰＷＭモジュールの使用は、供給電圧及びロータ速度の変化に応答して調整できる閾値信号を生成するコスト効果のある解決策を提供する。

以上、永久磁石モータ３を有するモータシステム１について参照してきたが、ロータ速度と共に変化する過電流閾値の使用は、モータ及び発電機の両方を含む、電気機械の他のタイプの相巻線の電流を制限するのにも同様に利用することができる。電気機械は、１つよりも多い相巻線を含むことができる。加えて、電気機械の特定のタイプにおいて、相巻線を通過する電流の方向は、単一方向であってもよい。その結果として、転流は、必ずしも、相巻線を通過する電流の方向を反転させることを伴うものではない。

１ モータシステム
２ 電源
４ 制御システム
５ ロータ
７ 相巻線
１４ コントローラ
２１ ＰＷＭモジュール

Claims (11)

1. ブラシレスモータを制御する方法であって、
   前記ブラシレスモータの相巻線を供給電圧によって励起する段階と、
   前記相巻線の電流が閾値を上回ったときに前記相巻線をフリーホイールする段階と、
   前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つの変化に応答して前記閾値を調整する段階と、
   を含み、
   前記方法が、前記供給電圧の減少及び前記ブラシレスモータの速度の増加のうちの少なくとも１つに応答して前記閾値を増大させる段階を含む、方法。
2. フリーホイール期間の間、前記相巻線をフリーホイールし、前記フリーホイール期間の終わりにおいて前記相巻線を励起する段階を含み、前記フリーホイール期間が前記モータの電気サイクルの各半分にわたって固定されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法が、
   ターンオン角とターンオフ角との間に定められた前記モータの電気サイクルの各半分のうちの一部にわたって前記相巻線を順次的に励起及びフリーホイールする段階と、
   前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つの変化に応答して前記ターンオン角及び前記ターンオフ角のうちの少なくとも１つを調整する段階と、
   を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記方法が、
   前記モータの電気サイクルの各半分において通電期間にわたって前記相巻線を順次的に励起及びフリーホイールする段階と、
   前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つの変化に応答して前記通電期間の長さを調整する段階と、
   を含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記方法が、
   フリーホイール期間において前記相巻線をフリーホイールする段階と、
   前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つの変化に応答して前記フリーホイール期間を調整する段階と、
   を含む、請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記方法が、
   デューティサイクルを有するパルス信号を生成する段階と、
   前記パルス信号を平滑化し閾値電圧を生成する段階と、
   前記ブラシレスモータの構成要素の両端電圧を検知する段階と、
   前記検知された電圧を前記閾値電圧と比較する段階と、
   前記検知電圧が前記閾値電圧を上回ったときに前記相巻線をフリーホイールする段階と、
   前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つの変化に応答して前記デューティサイクルを調整する段階と、
   を含む、請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記方法が、
   複数の電圧又は速度の各々についてのデューティサイクルを含むルックアップテーブルを格納し、前記ルックアップテーブルから前記供給電圧又は前記ブラシレスモータの速度に対応するデューティサイクルを選択し、該選択したデューティサイクルを使用して前記パルス信号を生成する段階を含む、請求項６に記載の方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法を実施するブラシレスモータ用制御システム。
9. 前記制御システムが、
   前記相巻線に結合されたインバータと、
   前記相巻線の電流を検知する電流センサと、
   前記インバータを制御する１つ又はそれ以上の制御信号を生成するコントローラと、
   を備え、
   前記インバータが、第１の制御信号に応答して前記供給電圧により前記相巻線を励起し、第２の制御信号に応答して前記巻線をフリーホイールし、前記相巻線の電流が前記閾値を上回ったときに、前記コントローラが、前記第１の制御信号を生成し、その後、前記第２の制御信号を生成する、請求項８に記載の制御システム。
10. 前記電流センサが、前記相巻線の電流を感知する電圧を有する信号を出力し、前記制御システムが、前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つに依存する電圧を有する信号を生成する閾値発生器を備え、前記コントローラが、前記電流センサによって出力された信号の電圧が、前記閾値発生器によって出力される信号の電圧を上回ったときに、前記第２の制御信号を生成する、請求項９に記載の制御システム。
11. 前記閾値発生器が、ＰＷＭモジュール及び平滑フィルタを含み、前記ＰＷＭモジュールのデューティサイクルが前記供給電圧及び前記ブラシレスモータの速度のうちの少なくとも１つに依存する、請求項１０に記載の制御システム。

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