JP2004364498A - スイッチトリラクタンス駆動装置の回転子位置検出 - Google Patents

Abstract

【課題】 物理的な回転子位置検出器を用いることなくスイッチトリラクタンス駆動装置を制御する。
【解決手段】 制御方法は、位相に関連する定常磁束鎖交を計算し、この概算値を用いて次の回転子位置の計算を改善する。本方法は、電流が連続であるか不連続であるかにかかわらず、確実にうまく動作する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、リラクタンス機械、特に、スイッチトリラクタンス機械におけるセンサレス回転子位置の監視に関する。

スイッチトリラクタンス機械の制御および動作については、非特許文献１に概ね記載されている。この非特許文献１は、参照によって本明細書に組込まれる。非特許文献１には、低速および高速のそれぞれにおける動作のためのスイッチトリラクタンス機械の通電の「チョッピング」モードおよび「シングルパルス」モードが記載されている。

典型的な先行技術の駆動装置が図１に大略的に示される。これは、バッテリまたは整流濾波されたＡＣ主電源であってもよいＤＣ電源１１を含む。電源１１によって供給されたＤＣ電圧は、電子制御ユニット１４の制御の下、電力変換器１３によってモータ１２の相巻線１６間にわたって切換えられる。多くの公知の変換器トポロジの１つが図２に示される。図２において、機械の相巻線１６が母線２６，２７間にわたって２つのスイッチング素子２１，２２と直列に接続される。母線２６，２７は、総称して、変換器の「ＤＣリンク」と記載される。エネルギリカバリダイオード２３，２４は、巻線と接続されて、スイッチ２１，２２が開いているとき、巻線電流をＤＣリンクに戻すことができる。「ＤＣリンクコンデンサ」として知られるコンデンサ２５は、ＤＣリンク間にわたって接続されて、電源から引き出しまたは電源に戻すことができない、いかなるＤＣリンク電流の交流成分（すなわち、いわゆる「リップル電流」）をソースまたはシンクする。実際には、コンデンサ２５は、直列および／または並列に接続された複数のコンデンサを含んでいてもよく、並列接続が用いられた場合、いくつかの要素は、変換器の全体にわたって分布されてもよい。抵抗２８は下側のスイッチ２２と直列に接続されて電流フィードバック信号を与える。多相システムは、並列に接続された図２の「位相レッグ」、すなわち図２に示される回路を典型的に複数用いて、電気機械の位相を通電する。

スイッチトリラクタンス機械の性能は、一つには、回転子位置に対する位相通電の正確なタイミングに依存する。回転子位置の検出は、従来、固定子に装着される光学または磁気または他のセンサと協働する、機械の回転子に装着される歯付き回転ディスクなどの図１に大略的に示されるトランスデューサ１５を用いることによって達成される。固定子に対する回転子位置を示す信号、たとえばパルス列がセンサによって発生して制御回路に供給され、正確な位相通電を可能にする。このシステムは単純であり、多くの用途でよく使われる。しかしながら、回転子位置トランスデューサは組み立ての総費用が高く、機械に余分な電気的接続を追加するので、信頼性の欠如の原因となる可能性がある。

回転子位置トランスデューサを不要にする様々な方法が提案されてきている。そのいくつかが非特許文献２において検討されている。この非特許文献２は参照によって本明細書に組込まれる。

回転子位置推定のために提案されたこれらの方法の多くは、１以上の位相における位相磁束鎖交（phase flux-linkage）（すなわち、時間に対する印加電圧の積分値）および電流の測定を用いる。位置は、機械のインダクタンスの変化が角度と電流との関数であるという知識を用いて計算される。この特性は、磁束鎖交／角度／電流テーブルとして記憶されてもよく、図３に図的に示される。このデータの記憶は、大きなメモリアレイの使用および／または記憶された点間のデータの補間のための追加のシステム経費を必要とするので不利になる。

「チョッピング」電流制御が発達したトルクを変化させるための支配的な制御方法である場合、いくつかの方法は低速におけるこのデータを用いる。チョッピング制御は、図４（ａ）に図的に示される。図４（ａ）において、電流・インダクタンス波形が位相インダクタンス期間にわたって示されている。なお、インダクタンスの変化は理想化された形で示されていることに注意されたい。これらの方法は、通常、トルクを生成しない位相に診断用パルスを必要とする。低速動作に適合した方法として、非特許文献３に提案されたものがある。この非特許文献３は、参照によって本明細書に組込まれる。

他の方法は、より高い速度における通電の「シングルパルス」モードで稼動する。このモードは図４（ｂ）に示される。図４（ｂ）において、電流・インダクタンス波形は、位相インダクタンス期間にわたって示されている。これらの方法は、正常な動作に支障をきたすことなく、動作中の位相の動作電圧および電流を監視する。典型的なより高い速度での方法は、特許文献１に記載されている。この特許文献１は、参照によって本明細書に組込まれる。

位置センサなしで動作するために機械データの二次元アレイを記憶しなければならないことは、自明な不利な点である。代替の方法が提案されており、該方法は、多数の角度に関して参照される情報の必要性を回避し、代わりに１つの角度におけるデータだけを記憶する。このような方法の１つが、特許文献２に記載されている。この特許文献２は、参照によって本明細書に組込まれる。この方法は、所望の位置からの計算された偏差に基づいて、診断位置を調整することによって、予め定められた角度における位相磁束鎖交および電流を検知することを目的としている。磁束鎖交は、位相に印加される電圧の大きさを（時間に関して）積分することによって推定される。２つの一次元テーブルが好ましい実施形態において記憶され、一方は基準回転子角度における磁束鎖交対電流であり、他方は回転子角度に対する磁束鎖交の微分対電流である。相電圧および相電流を監視することによって、予測される基準角度からの偏差が参照テーブルを用いて算定でき、したがって、システムの動作を調整できる。位置検出アルゴリズムによって必要とされるときはいつでも、磁束鎖交が十分正確に測定できる場合には、この方法は、信頼するに足ることを示す。磁束鎖交積分器ドリフト（システムにおける不所望なノイズおよび積分器における不完全性による）を回避するために、電流が０に降下し、相巻線がもはやいかなる磁束とも鎖交しない場合、各導通角の終わりにおいて０に設定される。この方法はpredictor・corrector法であり、該方法において、まず、いつ回転子が基準位置にあるであろうかを予測し、基準位置に到達したと確信するときに機械のパラメータを測定し、これらのパラメータの結果を用いて予測との誤差を検出し、その後次の基準位置に対する新たな予測を採用することによって修正処理をおこなう。

スイッチトリラクタンス機械の特別な動作モードは、特許文献３に記載されるように、連続電流モードである。特許文献３は、本明細書に参照によって組込まれる。このモードにおいて、磁束および電流がエネルギリターン期間の終わりにおいてゼロに戻る前に、相巻線は電源に再び接続される。したがって、相巻線は、そこを連続的に流れる電流で動作し、磁束によって常に鎖交される。これは、高いレベルの過負荷出力をその運転サイクルのいくつかの時点において生成する必要があるシステムにとって重要なモードである。このモードでは駆動装置の効率は低下してしまうが、より大きな機械でなければできないような仕様を達成することができる。しかしながら、このモードでは、位相サイクルにおいて、磁束および電流がゼロになるいくつかの周知の時点において、積分器をリセットする機会がなかった。なぜならこのような時点が存在しないからである。したがって、特許文献２に開示されている方法で実施することはできない。

国際特許出願第９１／０２４０１号パンフレット 欧州特許出願公開第０５７３１９８号明細書 米国特許第５４６９０３９号明細書 ジェイ・エム・スティーブンソン（J M Stephenson），アール・ジェイ・ブレーク（R J Blake），「スイッチトリラクタンスモータおよび駆動装置の特性、設計および用途（The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors and Drives）」，ＰＣＩＭ’９３会議・展示会論文，独国，１９９３年６月 ダブリュー・エフ・レイ（W F Ray），アイ・エイチ・アルバハドリー（I H Al-Bahadly），「スイッチトリラクタンスモータの回転子位置を求めるためのセンサレス法（Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors）」，欧州パワーエレクトロニクス会議会報，英国，１９９３年９月，第６巻，ｐ．７−１３ エヌ・エム・ムビュンギ（N M Mvungi），ジェイ・エム・スティーブンソン（J M Stephenson），「ＳＲモータにおける正確なセンサレス回転子位置検出（Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S R Motor）」，欧州パワーエレクトロニクス会議会報、伊国、１９９１年、第１巻，ｐ．３９０−３９３

この問題に対する解決手段を見つける試みは、制御システムが位置を再計算することが不可欠であると判断し、このとき連続電流モードが終了され、位置が計算され、駆動装置が連続電流に復帰する場合を除いて、駆動装置を連続電流モードで動作させる方法を含んでいた。特に、これは、連続電流が支配的ではあるが、予め定める時間間隔で不連続電流に戻して位置情報を取得させるモードで、前記機械を運転することによってなされ得る。この技術は、速度が実質的に一定であることに依存するが、このことは、より高い速度（この速度においては、通常、連続電流が用いられる）においては、ほぼ正しいであろう。それにもかかわらず、トルクの損失は、連続電流でなくなることに関連する。別の方法は、所定の数、たとえば１０のサイクルの間、連続電流で各位相を動作させ、次いで電流が完全にゼロになるように、その次のサイクルで短期間位相を励磁することであり、この方法は積分器をリセットさせて磁束鎖交の正確な計算を行わせる。この「短い」サイクルを連続電流で動作する他の位相間に差し挟むことによって、トルクの損失の悪影響は緩和される。

しかしながら、これらの方法は十分なものがなく、トルクの損失は機械の動作を不安定にするので、電流が連続電流モードで所定の期間にわたって増加するためには、再び安定にする前にいくつかのサイクルを必要とする。
連続電流モードにおいて作動可能な回転子位置の検出のセンサレス方法が必要である。

本発明の１つの局面は、添付の方法および装置の独立請求項に定義される。いくつかの好適な特徴が、従属請求項に記載される。

本発明は、回転子位置に関して周期的であるインダクタンスを有する少なくとも１つの相巻線を有するリラクタンス機械の回転子位置を検出する方法であって、
第１の予め定める時点における前記機械の少なくとも１つの相巻線に関連する磁束鎖交の値を導出し、
磁束鎖交を示すパラメータの値を追跡し、
相巻線に正の電圧が印加されている第２の時点へ回転子を進め、
回転子の次の第３の時点において、相電流とパラメータとの値を導出し、
第３の時点での磁束鎖交を求め、
回転子位置を相電流と磁束鎖交の値とから導出することを特徴とする方法である。

本発明において、前記追跡が相電圧を表す電圧を積分するために第１の時点から始まる積分過程を含み、磁束鎖交の値が第３の時点におけるパラメータの値に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする。

本発明において、前記積分過程が第１の時点でゼロに設定され、第３の時点における磁束鎖交の値が第３の時点のパラメータから導出された磁束鎖交の値と第１の時点における導出された磁束鎖交の値との組合せに基づくことを特徴とする。

本発明において、パラメータの値が、第１の時点における磁束鎖交の導出された値を表す値に設定され、第３の時点における値が第３の時点におけるパラメータの値から導出されることを特徴とする。

本発明において、第１の予め定める時点が、最小または最大値またはその近傍になる相巻線のインダクタンスと一致することを特徴とする。

本発明において、回転子位置が、相電流と磁束鎖交との座標を有する記憶されたパラメータから導出されることを特徴とする。

本発明において、回転子位置は、多相機械の各位相に関連する値から導出されることを特徴とする。

本発明において、回転子位置は、多相機械の１つの位相に関連する値から導出されることを特徴とする。

本発明において、回転子が次の第１の時点に到達するときのパラメータ値と、前の第１の時点でのパラメータ値を比較し、比較によって誤差係数を形成することをさらに含むことを特徴とする。

本発明において、前記誤差係数が、磁束鎖交を決定するために用いられる相巻線の抵抗値を調整するために用いられることを特徴とする。

本発明において、前記積分過程が、相電圧としての供給電圧を積分するために設けられることを特徴とする。

本発明は、少なくとも１つの相巻線を有するリラクタンス機械のための回転子位置検出器であって、
第１の予め定める時点における前記機械の少なくとも１つの位相に関連する磁束鎖交の値を導出し、
磁束鎖交を示すパラメータの値を追跡し、
位相に正の電圧が印加されている第２の時点へ回転子を進め、
回転子の次の第３の時点において、相電流とパラメータとの値を導出し、
回転子位置を相電流と第３の時点での磁束鎖交の値とから導出するようにプログラムされた装置を含むことを特徴とする回転子位置検出器である。

本発明において、前記装置が第１の時点における相電圧を表す電圧の積分を開始することによって追跡し、磁束鎖交の値が第３の時点におけるパラメータの値に少なくとも部分的に基づくようにプログラムされていることを特徴とする。

本発明において、第１の時点では積分器はゼロに設定され、前記装置が第３の時点におけるパラメータから導出される磁束鎖交の値と第１の時点における導出された磁束鎖交の値との組合わせによる磁束鎖交を基にするようにプログラムされていることを特徴とする。

本発明において、パラメータの値が第１の時点における磁束鎖交の導出された値を表す値に設定され、磁束鎖交の値が第３の時点における積分の値から導出されることを特徴とする。

本発明において、前記装置がインダクタンスサイクル中の相巻線の最小または最大インダクタンスと一致するように第１の予め定める時点を確立するようにプログラムされていることを特徴とする。

本発明において、相電流と磁束鎖交との座標を有するパラメータを記憶し、前記装置が記憶されたパラメータから回転子位置を導出するようにプログラムされていることを特徴とする。

本発明において、記憶されたパラメータが多相機械の１つ以上の位相に関連することを特徴とする。

本発明において、前記装置が、回転子が次の第１の時点に到達したときの積分器の出力値と、前の第１の時点における積分器の出力値を比較するようにプログラムされ、比較によって誤差係数を形成するようにさらにプログラムされていることを特徴とする。

本発明において、前記装置が、磁束鎖交を決定するために用いられる相巻線の抵抗値を調整するようにプログラムされていることを特徴とする。

本発明において、積分器が相電圧としての供給電圧を積分するために設けられることを特徴とする。

実施形態は、角度誤差が比較的少ないインダクタンスサイクルの時点での磁束鎖交の値を導出し、次いで磁束鎖交を示すパラメータ（たとえば相電圧など）を追跡し、正の電圧を印加し、次の時点での磁束鎖交の値を導出し、相電流と磁束鎖交との関連値を用いて回転子位置を導出することによって、ローバストな回転子位置検出を提供する。

本発明の実施の一形態に従えば、リラクタンス機械の回転子位置を検出する方法であって、回転子が予測した第１の時点に到達した時に、相電圧を表すパラメータの積分を開始する方法が提供される。その時点では、積分器はゼロに設定されているか、その時点での磁束鎖交の値を表す値に設定されていてもよい。第１の時点における前記機械の少なくとも１つの位相に関連する磁束鎖交の値が導出される。回転子の次の第３の時点における位相磁束鎖交の値が導出され、導出された磁束鎖交の値が組合わされて第３の時点における磁束鎖交の値を与える。次いで、回転子位置が相電流と総磁束鎖交値から導出される。

位相に正の電圧が印加されるとき、その瞬間における電流は、実質的にゼロであってもよく非ゼロであってもよい。好ましくは、位相に正の電圧が印加される瞬間における磁束鎖交の値は、前記瞬間における電流から導出される。たとえば、前記瞬間における磁束鎖交は、該電流と、電流座標に対するインダクタンスの記憶された値とから導出される。

前記方法はスイッチトリラクタンス機械の動作の不連続または連続電流モードの両方において有用である。第１の時点における相電流の値は、磁束鎖交の値から導出するために用いることができる。該電流が不連続であるとき、電流の値がゼロならば磁束鎖交の値もゼロである。該電流が連続であるとき、電流は非ゼロである磁束鎖交の値を導出するために用いることができる。

好ましくは、第３の時点における磁束鎖交は、第１の時点から相電圧を積分することによって導出される。

１つの特定の実施形態に従えば、磁束測定積分器をオンにする前に、磁束測定積分器をゼロに設定し、相電圧積分モードにする。次いで、相巻線のターンオン時における電流を測定し、この電流値を用いてインダクタンスのテーブルに索引を付ける。次いで、このテーブルによって与えられるインダクタンスの値に電流が乗算され、該位相における磁束鎖交の概算値と、積分器の出力量に関するオフセット値とを与える。予め定める次の時点において、積分器によって与えられる磁束鎖交の値が計算されたオフセット値に加算され、その合計が回転子位置を決定するために用いられる。

磁束測定積分器は、好ましくは、位相をオンにする前に初期化されるので、他の場合のようにインダクタンスが角度を伴って急速に変化しない位置にシステムがあるときに、磁束鎖交の計算が始まる。したがって、積分器を初期化するときの小さな誤差は、導出された磁束鎖交に重大な誤差を導かない。またこの技術は、位置を推測する波形上のノイズに強い。

また本発明に従えば、回転子位置が多相機械の各位相に関連する値から導出される方法が提供される。

本発明は、連続電流の有無にかかわらず、シングルパルスモードにおいて回転子位置トランスデューサなしで動作可能な、回転子位置を監視するローバストで費用効率の高い方法を提供する。

本発明は、様々な手法で実現可能であり、そのいくつかが一例として、添付の図面を参照して記載される。

スイッチトリラクタンス機械の相インダクタンスサイクルは、たとえば固定子極と、その関連する各回転子極とが完全に一直線上に並ぶときの最大値間の、各位相毎のインダクタンス変化の周期である。記載されるべき説明するための実施形態は電動モードにおける２相スイッチトリラクタンス駆動装置を用いているが、電動モードまたは発電モードのいずれかにおける駆動装置を用いて、１以上の位相数が使用可能である。

図５は、本発明で実施される方法を実現するためのシステムを示す。図６は、図５のシステムに対する連続電流波形を図的に示す。このシステムにおいて、電力変換器１３は、図１に示される電力変換器と典型的に同一であり、適切な場合には、同様の参照符が用いられる。変換器１３は、上述と同様に、スイッチトリラクタンス機械を制御する。変換器１３は、それ自体制御装置４２によって制御され、該制御装置４２は、本実施形態において、デジタル信号プロセッサ、たとえばＡｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ２１９ｘファミリの中の１つに基づく。他の実施形態は、当該技術分野において周知であるような、マイクロプロセッサまたは他の形式のプログラマブル装置に使用できる。図示される２相機械は、固定子３０と回転子３２とを有する。固定子は４つの極５０を有し、該極には相巻線３４，３６が巻回される。回転子は、回転子極５２を有し、機械を始動しやすくするために、固定子極の表面と階段状の空隙を規定する極面５４を有する。本発明は特定の機械トポロジをなんら特定していないので、異なる位相数または極の組合せを有する機械が使用可能であることを、当業者は理解するであろう。同様に、本発明は、特定のタイプの制御技術に限定されず、適切にプログラム可能である限り、任意の制御装置または変換器が使用可能である。

相電流は、相巻線の１つに関連して設けられた各電流トランスデューサ３８によって検知される。各位相における電流を示す出力信号は、制御装置４２に供給される。また回転子角度に対する相インダクタンスを記憶する１つ以上の参照テーブル４６は、制御装置４２とも接続される。各位相毎の電流トランスデューサが示されているが、１つのまたは選択された位相を、本発明に従って相電流に対して監視可能である。他の実施形態は、個々の相電流を推定するために、ＤＣリンクにおける電流トランスデューサと電力変換器に存在するスイッチ状態を知ることを用いている。

制御装置４２内に示される積分器４０は、各位相に関連する電圧トランスデューサ４３によって与えられる巻線両端間の相電圧Ｖを積分することによって磁束の大きさを導出するために用いられる。積分器は個別素子４０として示されているが、プロセッサ４４で動作するソフトウェアで実施されることが好ましい。以下に述べるように、より高い精度のために、巻線両端間の電圧降下（ｉＲ）を積分値から取出すことが可能である。

他の実施形態は、以下に述べるように、相電圧に近いＤＣリンク電圧を検知する単一の電圧トランスデューサを用いる。

本実施形態に従う方法は、以下のように行う。機械は連続電流で動作しており、回転子位置は巻線を通電させるために充分に既知であると仮定する。図６は電流波形の典型的な形を示し、図４の理想化したインダクタンスプロフィールに重ねている。図７は相巻線に関連する磁束を示す。図７においては、Ψａが実際の値を示し、Ψｉは積分器によって記録された値を示す。また、図６の定常電流に関連する定常磁束Ψｓは、図７に表される。実際は巻線におけるｉＲ降下と電源のインピーダンスとによって導入される非線形性を幾分か有するけれども、わかりやすくするために、磁束波形を直線で示す。

インダクタンスの最小値（Ｌ_ｍｉｎ）またはその近傍において、たとえば時点θ_ｉにおいて、電流は測定されて、記録され、磁束測定積分器４０は積分するために始動されて設定される。その角度における位相のインダクタンスは既に知られており、参照テーブル４６に記憶されているので、電流を知ることによって該角度における実際の磁束鎖交を計算することができる。この値Ψｃは修正係数として記憶される。この値Ψｃは、真の磁束鎖交の値と積分器によって出力された磁束鎖交の値との間の、オフセット係数を表す。注目すべきは、この計算が直ちにまたプロセッサにおけるバックグラウンドタスクとして行われることである。磁束測定積分器４０は、位相をオンにする前に起動するので、磁束鎖交の計算は、インダクタンスが急速に変化しない位置に回転子があるときに、有利に始められる。したがって、磁束鎖交を計算する時点での小さな誤差（すなわちθ_ｉ±数％）は磁束鎖交の計算において重大な誤差を導かない。

回転子がＬ_ｍｉｎ点から移動する際、磁束は下降する（なぜなら位相を与えるスイッチが開き、ダイオードの動作が位相にわたって逆電圧を印加するようなものであるからである）ので、積分器の出力は負になる。回転子はスイッチオン時点θ_ｏｎに到達するまで移動しつづける。その時点では磁束鎖交は方向を変える。なぜなら正の電圧が印加されるからである。

回転子がスイッチオフ時点θ_ｏｆｆへ向かって移動する際、積分器は、正の傾斜を示して積分し続け、それは相巻線と交差する正の磁束に一致する。θ_ｏｆｆにおいて、印加電圧は負になり、実際および計算の磁束鎖交は下降を始める。下降は、予め定める基準位置θ_ｒｅｆに到達したと推定されるまで続け、その位置で電流および積分器の出力値が記録される。実際の磁束は、積分器の出力値に対するオフセットとして、Ψｃを加算することによって計算できる。詳細は以下に説明するように、この値および測定された電流値は、基準位置での記憶された値および算定した真の時点と比較される。

上記過程を実行し、同じ結果を得る、異なる方法があることが理解されるであろう。たとえば、θ_ｉにおける磁束鎖交は直ちに計算でき、電流値は利用でき、その値は積分器に先行読み込みされる。この場合、積分器の出力値は、実際の曲線Ψａをたどり、基準位置θ_ｒｅｆにおけるオフセット値を追加する必要はないであろう。本実施形態は、上述の２象限動作させる方法とは異なり、積分器を１象限動作させるだけで良い。磁束鎖交の値を導出するために、相電圧（または相電圧を代表する１つの信号）の積分が用いられると同時に、インダクタンス期間において磁束を追跡する直接磁束鎖交検知を含む他の手法を用いることも可能である。直接的に磁束鎖交を追跡するために用いられる典型的な装置は、磁束無効センサおよびホール効果センサである。その他の変形例は、当業者にとって明らかであろう。

予測される回転子位置θ_ｍと基準回転子位置θ_ｒｅｆとの角度差Δθは次式のようにプロセッサ４４によって計算可能である。

予測される位置（磁束および電流の測定がなされる位置）と基準位置との角度差を求めるために、相電流ｉの値の組に対する偏導関数∂θ／∂Ψ（またはその逆偏導関数∂Ψ／∂θ）の値を、基準位置のためのプロセッサに記憶することもまた本実施形態の特徴である。

基準回転子位置θ_ｒｅｆは既知であるので、その予測される瞬間における真の回転子位置は、次式としてΔθから計算され得る。
θ_ｍ＝θ_ｒｅｆ＋Δθ （２）

次いで、次の回転子位置までの期待時間が、電動機速度の既知の値を用いて計算される。加速条件または減速条件の下では、概算値に修正を行う必要があってもよい。

１つの相だけが測定のために用いられる場合、次の回転子基準位置は（３６０／ｐ）°−Δθの回転後にあり、この角度を速度で除算することによって、この位置に到達するために要する時間が計算可能である。

すべての位相が測定のために用いられた場合、次の回転子基準位置は位相２（またはその順序で次の位相であるものすべて）に対する回転子基準位置である。ｐ個の回転子極を有するｎ相電動機に対して、この位置に対する回転角度は（３６０／ｎｐ）°−Δθであり、この角度を速度で除算することによって、この次の位置に到達するために要する時間が計算可能である。

次いで、次の基準位置までの予測される時間は、既知の手段による高周波クロック（図示せず）を用いて計数され、このような時間が経過した瞬間において、磁束Ψ_ｍおよび電流Ｉ_ｍのさらなる測定が対応する位相に対してなされる。速度の変化と、記憶されるデータおよび計算の許容誤差とによって、予測される位置θ_ｍは、基準位置θ_ｒｅｆと一致しないであろう。角度差θ_ｒｅｆ−θ_ｍは、式（１）および式（２）を用いて上述に説明された手順で、再び計算可能である。

制御装置４４によって実行されるような、本発明の実施形態を説明するフローチャートが、図９に示される。ステップ９１において、回転子位置の概算値が監視され、ステップ９２において、たとえば角度位置を表す増分カウンタを監視することによって、回転子がＬ_ｍｉｎに到達するかどうかを決定するための試験が行われる。Ｌ_ｍｉｎに到達していなければ、制御はステップ９０に戻る。Ｌ_ｍｉｎに到達していれば、制御はステップ９３に移り、積分器が始動し、相電圧を表す１つの信号の積分の開始における相電流が記録され、磁束鎖交オフセット値Ψ_ｃが、参照テーブルの電流とインダクタンスの値とから計算され、記憶される。ステップ９４において、回転子位置は回転子が基準角度の概算値に到達するまで監視される。この角度に到達したと算定されるとき、ステップ９５において該相に対するトランスデューサ３８からの電流と積分器４０の出力値とが記録される。ステップ９６において、上述されたような、積分器の出力値と記憶されたオフセット値とを用いて総磁束鎖交が計算される。ステップ９７において、回転子位置が、測定された電流と新たに計算された総磁束鎖交値とによって概算される。この回転子位置は最も良い電流概算値として用いられ、制御は別の位相のインダクタンスサイクルのための準備が整っている処理手順の始まりまで戻る。

上記過程が１つの位相のみに関する量とこれに対するスイッチング角度とを監視することによって実行することができ、他の位相は次いで補間可能できるということは、当業者によって理解されるであろう。同様の過程が各位相に対して並列に実行されるか、情報が利用できる割合を増加させるために、いくつかの位相からの前記量は単一の過程において交互配置（インターリーブ）される。

位相毎に回転子位置を予測し、各測定時において真の回転子位置を測定する方法は繰返されて、既存の光学式または電磁式回転子位置センサの直接の代替物として、回転子位置の増分表示を提供する。発電状態の下でのシングルパルス動作の場合に対する手順は、∂θ／∂Ψの値が、対応する典型的な基準回転子位置に対して（正よりもむしろ）負であることを除いて、上述の手順と同様である。

磁束の値を得るための様々な構成が、用いられてもよい。その値は、任意の周知の形式の磁束トランスジューサ、たとえばホール効果素子、によって測定可能である。しかしながら、相巻線における抵抗電圧降下を補償する手段とともに、リセット可能なアナログまたはデジタル電子式積分器（時間ｔに関して相電圧を積分する）を用いて値を概算することが好ましい。
積分器は次式を実行する。

ここで、ｖは相電圧であり、ｉは相電流であり、Ｒは相抵抗であり、ｔ_ｍは測定の瞬間である。

積分器開始時間ｔ_０は、Ｌ_ｍｉｎにおけるまたは近傍での時点θ_ｉに設けられるか、下記のその他の適した時点に設けられる。デジタルプロセッサは、制御インターフェース（図示せず）を用いる電子制御装置によって、この時点の通知を受ける。積分器は、積分が始まる前に直ちにデジタルプロセッサによってリセットされる。

直流電源電圧Ｖが電力変換器における半導体スイッチ間の電圧降下と比べて相対的に大きい場合において、個々の相電圧の代わりに、直流電源電圧が測定され、積分されてもよい。このことは、ただ１つの電圧しか測定する必要がないという利点があり、電圧トランスデューサの絶縁費用が重大な高電圧システムに対する好ましい方法である。
次いで、磁束は、次式のように測定される。

別個の電子式積分器を用いることに代えて、直流供給（または相）電圧に時間を、ステップバイステップ法で乗算することによって、デジタルプロセッサが用いられてもよい。このことは、デジタルプロセッサが実質的に使用中となるという点で不都合であり、別のユニットであることを必要としてもよいのに反して、１つ以上のハードウェア積分器を必要としない。

しかしながら、供給電圧が実質的に一定であり、抵抗電圧ｉＲと比べて大きい場合、様々な近似がなされてもよい。たとえば、
Ψ_ｍ＝（Ｖ−ｋｉ_ｍＲ）（ｔ_ｍ−ｔ_０） （５）

ここで、ｋは定数であり、典型的にはｋ＝０．５であり、

である。

さらなる実施形態として、供給電圧Ｖが抵抗電圧ｉＲと比べて相対的に大きい場合、抵抗電圧降下を補償する必要性は、記憶されたデータにおける磁束の修正値を用いて、またはｉＲ全体を無視することによって回避することができる。

この場合、デジタルプロセッサに記憶される特定の電流Ｉに対する相磁束鎖交Ψの値と特定の回転子位置θの値とは、回転子位置θに対する相電流Ｉを生成するために必要な、次式によって与えられる電圧−秒積分Ψ’の値に置換される。
Ψ’＝∫ｖｄｔ

Ψ’の値と∂θ／∂Ψ’の値とのテーブルを確立するために機械を試験するとき、ｖは便宜上一定に保持されてもよく（ｖが相対的に大きい場合）、供給電圧に等しいことが好ましい。回転子位置の測定手順は、測定磁束Ψｍと期待磁束Ψｅと導関数（∂θ／∂Ψ）とが、Ψ_ｍ’とΨ_ｅ’と（∂θ／∂Ψ’）とにそれぞれ置換されることを除いて、本願において既に記載された手順と同様である。ここで、Ψ_ｅ’と（∂θ／∂Ψ’）とは図５に示される記憶されたデータから記載されるように得られ、磁束Ψ_ｍ’は次式のように測定される。
Ψ_ｍ’＝Ｖ（ｔ_ｍ−ｔ_０） （６）

式（３）、式（４）、式（５）および式（６）は、回転子位置を特定する目的で、相磁束鎖交を求める異なる方法を示し、これらは該技術の異なる実施を示す。

上述の様々な実施形態は、すべて、予測される回転子位置における磁束Ψ_ｍおよび電流Ｉ_ｍの測定と、基準回転子位置に対応する測定された電流ｉ_ｍに対する期待磁束Ψ_ｅの参照と、次式に従う基準回転子位置および予測される回転子位置間の差Δθとに基づく。

本発明の実施形態は、相電流が不連続である、すなわち従来のシングルパルスモードにあるときに、同様にうまく動作するという点で特に有利である。このことは、図８に図的に示される。積分器は単に不連続磁束波形の形をたどり、同一のプログラムコードが不連続電流および連続電流の両方に対して制御装置４２において使用可能であるようにする。上述の方法は、連続電流運転とセンサレス位置検出とを組合せた、機械性能の不所望な低下のない、簡単で、有効な方法を提供する。

基準位置の選択はいかなる特定のシステムのデザイナに対しても委ねられるが、３相システムに対しては、電動に対する立下りインダクタンス曲線上および発電に対する立上がりインダクタンス曲線上の、Ｌ_ｍａｘから離れた電気的サイクルの６分の１としてとられることが都合がよい。これらの位置は前の位相に対するＬ_ｍｉｎと一致する。

マイクロプロセッサに基づく実行において、時間は実際に正確に知られているので、印加電圧を平均化し、この値を上記方程式に用いるのに都合がよいであろう。これは、積分サイクルの間に変化する量よりもむしろ定数が使用できることによって、制御システムにおける省力化に役立つであろう。したがって積分過程は単に定数を経過時間に乗算することに簡素化され得る。本実施形態において、磁束鎖交が増加しているか減少しているかどうかを決定するためにスイッチの状態を考慮に入れる必要があり、適切な符号が被積分関数に与えられ得る。

以上の説明では、相巻線の最小インダクタンス値に近い位置の最初の測定位置がとられた。なぜなら、多くの機械が、相対的に広い領域のゆっくりと変化するインダクタンスをそこで有するからである。

しかしながら、機械の形状が、狭いＬ_ｍｉｎを有するインダクタンスプロフィールを生じるような場合、積分をＬ_ｍａｘから始めた方がより都合がよいであろう。いずれにしても、回転子位置に対するインダクタンスの相対的非感受性が活用され、磁束鎖交のより正確な算定を可能にする。

本発明のさらなる実施形態は、式（３）によって示される積分において用いられる相巻線の抵抗値を修正するために用いることができる。積分器が、基準位置θ_ｒｅｆを過ぎて次の回転子位置θ_ｉまで積分し続けることができる場合、磁束鎖交に対する２つの値が利用できる。１つは測定電流と参照テーブル４６とによって得られた値であり、もう１つの値は積分器４０の出力値（オフセットが必要とされる場合、修正される）によって得られた値である。これらの値が予め定める許容誤差の範囲になければ、誤差は相巻線の抵抗Ｒの実際値の変動に原因があるかもしれない。適切な修正が、当該技術において知られた多くの修正アルゴリズムのいずれかによってなされ、修正値Ｒは次の積分において用いられる。

このように、回転子位置を検出するための物理的なトランスデューサを用いることなくスイッチトリラクタンス駆動装置が制御される。本方法は、電流が連続であるか不連続であるかにかかわらず、確実にうまく動作する。

開示された構成の変形例が、本発明から逸脱することなく、特に制御装置のアルゴリズムの実施の詳細においてなしうることを当業者は理解するであろう。また、回転子位置検出の基礎となる診断は、多相機械のただ１つの位相において実行可能である。したがって、上述の記載の複数の実施形態は、一例としてなされ、限定を目的とするものではない。上述の動作への重大な変更なく軽微な変更が駆動装置になされ得ることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、前記方法は回転機械だけでなくリニア機械にも適用できるであろう。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図している。

典型的な先行技術のスイッチトリラクタンス駆動装置を示す。 図１の変換器の１つの位相の公知のトポロジを示す。 パラメータとして回転子位置を伴う、典型的な磁束鎖交−相電流曲線を示す。 図４（ａ）はチョッピング制御における典型的な電動電流波形を示し、図４（ｂ）はシングルパルス制御における典型的な電動電流波形を示す。 本発明の実施形態であるスイッチトリラクタンス駆動装置を大略的な形で示す。 図５の駆動装置に対する連続電流波形を示す。 連続電流モードにおける図５の駆動装置の磁束鎖交波形を示す。 不連続電流モードにおける図５の駆動装置の磁束鎖交波形を示す。 図５の実施形態のフローチャートである。

符号の説明

１１ 電源
１２ モータ
１３ 電力変換器
３０ 固定子
３２ 回転子
３４，３６ 相巻線
３８ 電流トランスデューサ
４０ 積分器
４２ 制御装置
４３ 電圧トランスデューサ
４４ プロセッサ
４６ 参照テーブル
５０ 固定子極
５２ 回転子極

Claims (21)

1. 回転子位置に関して周期的であるインダクタンスを有する少なくとも１つの相巻線を有するリラクタンス機械の回転子位置を検出する方法であって、
   第１の予め定める時点における前記機械の少なくとも１つの相巻線に関連する磁束鎖交の値を導出し、
   磁束鎖交を示すパラメータの値を追跡し、
   相巻線に正の電圧が印加されている第２の時点へ回転子を進め、
   回転子の次の第３の時点において、相電流とパラメータとの値を導出し、
   第３の時点での磁束鎖交を求め、
   回転子位置を相電流と磁束鎖交の値とから導出することを特徴とする方法。
2. 前記追跡が相電圧を表す電圧を積分するために第１の時点から始まる積分過程を含み、磁束鎖交の値が第３の時点におけるパラメータの値に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記積分過程が第１の時点でゼロに設定され、第３の時点における磁束鎖交の値が第３の時点のパラメータから導出された磁束鎖交の値と第１の時点における導出された磁束鎖交の値との組合せに基づくことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. パラメータの値が、第１の時点における磁束鎖交の導出された値を表す値に設定され、第３の時点における値が第３の時点におけるパラメータの値から導出されることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 第１の予め定める時点が、最小または最大値またはその近傍になる相巻線のインダクタンスと一致することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の方法。
6. 回転子位置が、相電流と磁束鎖交との座標を有する記憶されたパラメータから導出されることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法。
7. 回転子位置は、多相機械の各位相に関連する値から導出されることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の方法。
8. 回転子位置は、多相機械の１つの位相に関連する値から導出されることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の方法。
9. 回転子が次の第１の時点に到達するときのパラメータ値と、前の第１の時点でのパラメータ値を比較し、比較によって誤差係数を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記誤差係数が、磁束鎖交を決定するために用いられる相巻線の抵抗値を調整するために用いられることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記積分過程が、相電圧としての供給電圧を積分するために設けられることを特徴とする請求項２〜５、９または１０のうちのいずれか１項に記載の方法。
12. 少なくとも１つの相巻線を有するリラクタンス機械のための回転子位置検出器であって、
    第１の予め定める時点における前記機械の少なくとも１つの位相に関連する磁束鎖交の値を導出し、
    磁束鎖交を示すパラメータの値を追跡し、
    位相に正の電圧が印加されている第２の時点へ回転子を進め、
    回転子の次の第３の時点において、相電流とパラメータとの値を導出し、
    回転子位置を相電流と第３の時点での磁束鎖交の値とから導出するようにプログラムされた装置を含むことを特徴とする回転子位置検出器。
13. 前記装置が第１の時点における相電圧を表す電圧の積分を開始することによって追跡し、磁束鎖交の値が第３の時点におけるパラメータの値に少なくとも部分的に基づくようにプログラムされていることを特徴とする請求項１２記載の検出器。
14. 第１の時点では積分器はゼロに設定され、前記装置が第３の時点におけるパラメータから導出される磁束鎖交の値と第１の時点における導出された磁束鎖交の値との組合わせによる磁束鎖交を基にするようにプログラムされていることを特徴とする請求項１３記載の検出器。
15. パラメータの値が第１の時点における磁束鎖交の導出された値を表す値に設定され、磁束鎖交の値が第３の時点における積分の値から導出されることを特徴とする請求項１３記載の検出器。
16. 前記装置がインダクタンスサイクル中の相巻線の最小または最大インダクタンスと一致するように第１の予め定める時点を確立するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１３〜１５のうちのいずれか１項に記載の検出器。
17. 相電流と磁束鎖交との座標を有するパラメータを記憶し、前記装置が記憶されたパラメータから回転子位置を導出するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１３〜１６のうちのいずれか１項に記載の検出器。
18. 記憶されたパラメータが多相機械の１つ以上の位相に関連することを特徴とする請求項１７記載の検出器。
19. 前記装置が、回転子が次の第１の時点に到達したときの積分器の出力値と、前の第１の時点における積分器の出力値を比較するようにプログラムされ、比較によって誤差係数を形成するようにさらにプログラムされていることを特徴とする請求項１２〜１８のうちのいずれか１項に記載の検出器。
20. 前記装置が、磁束鎖交を決定するために用いられる相巻線の抵抗値を調整するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１９記載の検出器。
21. 積分器が相電圧としての供給電圧を積分するために設けられることを特徴とする請求項１３〜２０のうちのいずれか１項に記載の検出器。

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