JP2014500704A - 切替型リラクタンス発電機の初期ロータ位置推定 - Google Patents

Abstract

ロータ（１１０）およびステータ（１１２）を有する発電機（１０６）のロータ速度を推定する方法を提供する。本方法は、電源電流をステータ（１１２）に供給し、ロータ速度センサ（１３０）によって提供されたセンサ信号に基づいて相対ロータ速度を決定し、相対ロータ速度に対応する相対ロータ位置を決定し、センサ信号および相電流に基づいて絶対ロータ位置を決定し、相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間のオフセットに基づいてセンサ信号を較正し得る。

Description

本開示は、一般に電気駆動アセンブリ、ならびに、より詳細には電気機械の制御を較正するためのシステムおよび方法に関する。

電気機械は一般に、エネルギーの一形式を別の形式に変換するために使用され、モータ、発電機または、回転出力部あるいはソースを有する任意の他の電気機械を含み得る。例えば、モータは電力を機械動力または回転動力に変換するために使用してもよく、一方、発電機は機械動力または回転動力を電力に変換するために使用してもよい。さらに具体的には、発電システム、発電セットなどの電気駆動アセンブリの発電機が、典型的に、内燃機関などの一次動力源から受け取った機械動力を、１つまたは複数の電気負荷に供給可能な電力に変換するために使用される。そのような発電機はまた、電気駆動の共通バスまたは貯蔵装置内に貯蔵された電力を機械動力に変換するためのモータとして機能し得る。電気駆動アセンブリを併用する用途に利用可能な様々な種類の発電機の中で、切替型リラクタンス発電機は、頑丈でコスト効率が良いために非常に脚光を浴びている。切替型リラクタンス発電機などの電気機械を制御するための現在既存のシステムおよび方法は十分な制御を提供するが、改良の余地がまだある。

注目に値する電気駆動制御の一態様は、発電機のロータ位置の初期の検出または推定に関する。さらに、効率的に機械の電気駆動を操作するために、電気駆動に関連付けられた発電機のロータの現在位置を正確に検出または監視することが重要である。例えば、切替型リラクタンス発電機用の現在既存の電気駆動は、使用中にロータ位置を追跡するために、機械的に整列した速度ホイールに依存し得る。しかしながら、そのような制御機構は、例えば初期ロータ位置の検出段階中に誤差が生じやすく、さらに、実質的な効率損失を受けやすくなる。例えば、歪曲センサ、速度ホイールの機械的なずれなどによって生じた、切替型リラクタンス発電機の検出された機械的ロータ位置における２度の誤差は、全負荷時の電気駆動アセンブリの効率が０．５％減少することに相当し得る。

したがって、発電機のロータ位置を決定するためのより正確で頑丈な手段を提供すること、ひいては電気駆動アセンブリの全体効率を改善することが重要である。

開示するシステムおよび方法は、上述した１つまたは複数のニーズに対応することに関する。

本開示の一態様では、ロータおよびステータを有する発電機のロータ速度を推定する方法を提供する。本方法は電源電流をステータに供給し、ロータ速度センサによって提供されたセンサ信号に基づいて相対ロータ速度を決定し、相対ロータ速度に対応する相対ロータ位置を決定し、センサ信号および相電流に基づいて絶対ロータ位置を決定し、相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間のオフセットに基づいてセンサ信号を較正する。

本開示の別の態様では、ロータおよびステータを有する発電機用のロータ速度推定システムを提供する。ロータ速度推定システムは、ステータに対するロータの速度に対応するセンサ信号を生成するように構成された速度センサと、速度センサおよびステータと電気的に通信している制御装置とを含む。制御装置は、センサ信号および相電流に基づいて相対ロータ位置を決定し、センサ信号に基づいて絶対ロータ位置を決定し、相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間のオフセットに基づいてセンサ信号を較正するように構成されている。

本開示のさらなる別の態様では、電気駆動アセンブリを提供する。電気駆動アセンブリは、ステータおよびロータを有する発電機と、少なくとも１つの速度センサと、変換回路と、制御装置とを含む。ロータは一次動力源に連結し、ステータに近接して回転可能に配置する。速度センサは、ステータに対するロータの速度に対応するセンサ信号を生成するように構成されている。変換回路は、共通バスを介してステータおよび少なくとも１つの負荷と電気的に通信するように構成されている。制御装置は、速度センサおよび変換回路と電気的に通信している。制御装置はさらに、センサ信号および相電流に基づいて相対ロータ位置を決定し、センサ信号に基づいて絶対ロータ位置を決定し、相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間のオフセットに基づいてセンサ信号を較正するように構成されている。

典型的な電気駆動に適用するようなロータ速度推定システムの例示的実施形態についての概略図である。 電気駆動用発電機のロータ速度を推定する方法のフローチャートである。 速度センサおよび電流センサの出力についてのグラフである。 ロータ位置の関数としてのインダクタンスについてのグラフである。 発電機中のインダクタンスおよび対応する相電流についてのグラフである。 発電機の絶対ロータ位置および対応する相電流についてのグラフである。 発電機のステータにおける一相電流についてのグラフである。 発電機のステータにおける三相電流についてのグラフである。 位相同期ループを用いて、２つの直流（ＤＣ）信号に変換した図８の三相電流についてのグラフである。 図９の２つのＤＣ信号を変換するために用いた位相同期ループから出力した位相角についてのグラフである。 電気駆動のロータ速度を推定する一例示的方法のフローチャートである。

ここで具体的な実施形態または特徴を詳細に参照し、それらの例を添付図面に示す。一般に、同じまたは対応する部分を参照するために、対応する参照番号を図面全体にわたって使用する。

図１は、一次動力源１０２と１つまたは複数の電気負荷１０４との間で動力を伝達するために使用し得る例示的電気駆動１００を概略的に示す。一次動力源１０２は例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、または動力を生成するために一般的に使用する任意の他の種類の回転ソースを含んでもよい。負荷１０４は、電力を消費する１つまたは複数の装置または構成要素を含んでもよい。例えば、産業作業機械または移動作業車両に関して、負荷１０４は、機械の道具を操作するための１つまたは複数のモータ、および／または車両を動かすための１つまたは複数の牽引モータを含んでもよい。一次動力源１０２はまた、軸回転駆動シャフトなどの連結器１０８を介して、動力を電気駆動１００の電気機械１０６に機械的に伝達するように構成してもよい。電気機械１０６は、外部から供給される回転入力に応答して電力を発生するように構成された任意の適切な機械を含んでもよい。

図１の具体的な実施形態では、電気機械１０６は、一次動力源、すなわちエンジン１０２からの回転入力に応答して電力を発生するように構成している切替型リラクタンス発電機の形式を取り得る。本技術分野において周知であるように、発電機１０６は固定ステータ１１２内に回転可能に配置したロータ１１０を含み得る。発電機１０６のロータ１１０は、連結器１０８を介して、または他の実施形態では、直接クランクシャフト、歯車列、油圧回路などを介して、エンジン１０２の出力部に回転可能に連結し得る。発電機１０６のステータ１１２は、変換回路１１６を介して電気駆動１００の共通バス１１４に電気的に接続し得る。操作における発電モード中、エンジン１０２によって発電機１０６のロータ１１０をステータ１１２内で回転させると、ステータ１１２内で電流が誘導され、変換回路１１６に供給され得る。変換回路１１６は、次に共通バス１１４を介して、電気負荷１０４および／または任意の他の装置へ分配するために、電気信号を適切な直流ＤＣ電圧に変換し得る。共通バス１１４が電気駆動アセンブリ１００の１つまたは複数の電気的に並列の装置間に共通ＤＣバス電圧を伝達し得る、正ライン１１８および、負または接地ライン１２０を共通バス１１４が提供し得る。負荷１０４は、変換回路１１６によって供給されるＤＣ電圧を、電気駆動１００に関連付けられた任意の１つまたは複数の装置を操作するための適切な電気信号に変換するための回路類を含んでもよい。発電機１０６はさらに、例えば、操作における運転モード、または電気負荷１０４が電力源になる時に、共通バス１１４からのステータ１１２に提供される電気信号に応答して、ロータ１１０を回転させることが可能であってもよい。

変換回路１１６は、発電機１０６の１つまたは複数の相巻線を選択的に有効にするための一連のトランジスタまたはゲートスイッチ１２２およびダイオード１２４を含んでもよい。例えば、三相切替型リラクタンス発電機１０６は、発電機１０６の三相各々を選択的に有効または無効にするための６つのスイッチ１２２および６つのダイオード１２４を備えた変換回路１１６を用いて駆動し得る。さらに、外部または二次動力源１２６が共通バス１１４の正および負のライン１１８、１２０にわたって動力を提供し、それぞれ有効なスイッチ１２２およびダイオード１２４に電流が流れるが、スイッチ１２２の各々は、ゲート信号によって有効または無効になり得る。このように、変換回路１１６および発電機１０６への初期の動力は、例えばバッテリ、共通バス１１４のコンデンサに貯蔵された残留電圧または任意の他の適切なＤＣ電源の形式を取る二次動力源１２６によって供給してもよい。

さらに図１を参照して、電気駆動１００はまたは、電気機械１０６の回転数に基づいて電気駆動１００を較正するように構成された例示的ロータ速度推定システム１２８を備えてもよい。ロータ速度推定システム１２８は、１つまたは複数の速度センサ１３０および関連した制御装置１３２を含んでもよい。さらに、速度センサ１３０は、ホール効果センサ、可変リラクタンスセンサ、異方性磁気抵抗センサ、またはステータ１１２に対するロータ１１０の回転数に対応する速度センサ信号を生成するのに適し得る任意の他の適切なセンサを含んでもよい。さらに速度センサ１３０は、ロータ１１０に近接して配置させ、ステータ１１２に対してロータ１１０の回転数を決定するように構成してもよい。速度センサ１３０は、連結器１０８またはエンジン１０２の任意の他の回転出力部に近接して任意に配置して、その結果、ロータ１１０とロータ１１０に強固に連結した連結器１０８との既知の機械的関係に基づいて、ロータ１１０の回転数に対応するフィードバックを間接的に行うようにしてもよい。参照としての速度センサ１３０の初期の読み取りを指定することによって、および、その参照からロータ１１０の速度センサ信号または回転数を追跡することによって、ステータ１１２に対するロータ１１０の位置を導き出すことが可能になり得る。速度センサ１３０によって生成された速度センサ信号は、さらに処理するために制御装置１３２の入力部に送信してもよい。

速度センサ信号に応答し、かつ、発電機１０６の相電流の解析に基づいて、図１の制御装置１３２は、関連した発電機１０６をより効率的に制御するために、適切なゲート信号を変換回路１１６に提供してもよい。さらに具体的には、制御装置１３２は、電流センサまたは、発電機１０６の相電流を検出するための任意の他の適切な手段を使用してもよい。検出した相電流および、その相電流の検出した周波数および／または位相に基づいて、ならびに、閉ループ回路またはアルゴリズムを使用して、制御装置１３２は、最小相電流を発電機１０６に供給するように構成してもよい。それに対応して、発電機１０６内のロータ１１０の回転によって生じたインダクタンスは、電流を変化させ、さらに実質的に正弦であるカウンタまたは逆起電力ＢＥＭＦを生成し得る。ＢＥＭＦ波形を解析することによって、制御装置１３２は、発電機１０６内のロータ１１０の絶対位置と同様に速度をさらに決定でき得る。制御装置１３２は、１つまたは複数のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電子制御モジュールＥＣＭ、電子制御装置ＥＣＵ、またはロータ速度推定システム１２８の機能性を電子的に制御するための任意の他の適切な手段を用いて実行してもよい。制御装置１３２は、ロータ１１０の速度または位置、および電気駆動アセンブリ１００の全体的な動作条件に基づいて、所定のアルゴリズムまたは、電気駆動１００を操作するための一連の命令によって動作するように構成してもよい。そのようなアルゴリズムまたは一連の命令は、予めプログラムしてもよく、または本技術分野で一般に用いるような制御装置１３２のメモリへ組み込んでもよい。

次に図２を参照し、周期的に、または例えば関連した電気駆動１００の起動中に、制御装置１３２によって選択的に行ってもよい複数のステップを有する、ロータ速度を推定する例示的方法を提供する。最初のステップでは、ロータ１１０が回転している間、制御装置１３２は、ＤＣ電源電流を一次動力源１０２から発電機１０６に供給し、回転機インダクタンスが発電機１０６の各位相で周期的な波形または相電流を生成することを可能にし得る。ロータ１１０がステータ１１２に対して回転する際、制御装置１３２はさらに、ステータ１１２に対する相対ロータ速度または、ロータ１１０の相対位置を決定するために、速度センサ１３０によって提供される速度センサ信号を監視してもよい。さらに具体的には、速度センサ信号は、不動のステータ１１２に対してロータ１１０の変位に応答し、例えば図３に示すように矩形波形を示してもよい。矩形波形はロータ１１０の速度または周波数を示し得る一方、速度センサ信号の対応する位相は、ステータ１１２に対するロータ１１０の相対位置を示し得る。したがって、速度センサ１３０によって提供されるフィードバックに基づいて相対ロータ位置を導き出すことが可能であり得る。

前に述べたように、ロータ１１０がステータ１１２に対して回転すると、相電流と同様にインダクタンス、ひいては発電機１０６のＢＥＭＦが変化し得る。図４の０°および３６０°に示すように、例えば、ステータ１１２のコイル状の歯１３４がロータ１１０のポール１３６のうちの１つと直接一直線である場合、インダクタンスは最大になり得る。それに対応して、ステータ１１２のコイル状の歯１３４がロータ１１０のポール１３６と完全にずれている場合、発電機１０６によって生成されるインダクタンスは最小になり得る。図５のグラフに示すように、より小さいＤＣ電流をステータ１１２に印加すると、次にインダクタンスの変化が実質的に正弦の相電流またはＢＥＭＦが誘導され得る。インダクタンスおよび生じた相電流の更なる解析に基づいて、例えば図６に示すように、かつ、以下でより具体的に述べるように、絶対ロータ位置を示す波形を決定可能にし得る。

図２に戻って参照すると、絶対ロータ位置、すなわち、ステータ１１２に対するロータ１１０の絶対位置を決定するために、制御装置１３２は発電機１０６の相電流および／またはインダクタンスを監視し、前に導き出した相対ロータ位置を使用し得る。具体的には、制御装置１３２は、相電流の実質的に正弦の波に基づいて、ピーク検出、最大微分係数検出および／または同様のものを使用することにより絶対ロータ位置を決定してもよい。例えば図７に示すように、制御装置１３２は、ロータ１１０の絶対回転位置および／またはタイミングを、最大ピーク検出および／または変化最大微分係数の最大変化率を有する相電流波形の選択点と関連付けてもよい。制御装置１３２はまた、位相同期ループ解析に基づいて絶対ロータ位置を決定してもよい。図８に示すように、例えば制御装置１３２は最初に発電機１０６から３つの交流相電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃを得てもよい。適切なフィルタを用いて、制御装置１３２は、図９に示すように３つの実質的に正弦の相電流を２つのＤＣ位相信号Ｉ_α、Ｉ_βに変換可能であってもよい。さらに例えば、古典的な比例積分ＰＩ制御を用いて、制御装置１３２は、２つのＤＣ位相信号Ｉ_α、Ｉ_βのうちの１つを０に制御可能であってもよい。２つのＤＣ位相信号Ｉ_α、Ｉ_βは、例えば以下の式を用いることにより導き出してもよい。

実質的に正規化されたＤＣ位相信号Ｉ_α、Ｉ_βから、制御装置１３２はさらに、図１０に示すように適用されたオフセットθから絶対ロータ位置を決定するように構成してもよい。

相対および絶対ロータ位置を決定したため、制御装置１３２は、任意の誤差またはオフセットについて２つのロータ位置を比較し得る。相電流および速度センサ信号によって提供される相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間にオフセットが存在する場合、制御装置１３２は速度センサ信号を調整または較正して、絶対ロータ位置を合わせ、かつ実質的にオフセットを排除し得る。さらに速度センサ信号は、例えば、相対ロータ位置が絶対ロータ位置と直接一致するような速度センサ信号のタイミングまたは位相を調整することによって、制御装置１３２で調整し得る。一旦ロータ位置を絶対ロータ位置に較正すると、制御装置１３２は、較正された速度センサ信号に基づいて動的にオペレータに発電機１０６を制御可能とさせ、発電機１０６の効率的な性能を確実にし得る。さらに、制御装置１３２は、次の較正要求まで、または電気駆動１００の次の起動まで、さらなる相電流解析を任意に終了してもよい。

ここで図１１を参照して、電気駆動１００に適用するような発電機１０６のロータ速度を推定する別の例示的方法を提供する。示すように、電気駆動１００の制御装置１３２は最初に、例えばオペレータによって有効にすべき機械の鍵、ボタンなどを監視し得る。起動時に、二次動力源１２６と同様、一次動力源すなわちエンジン１０２を始動させ、有効にし得る。一旦、動力が有効になったら、速度タイミングホイールなどの解析に基づいて相対ロータ速度または相対ロータ位置を決定し得る。制御装置１３２は、エンジン１０２が一定のアイドル速度に達し、電気駆動１００が既定の最小定常ＤＣ電圧を確立するまで、スタンバイおよび待機し得る。定常状態では、制御装置１３２は続けて、発電機１０６の各相巻線に対して相電流を誘導するために発電機１０６にＤＣ電圧または電源電流を供給し得る。図２の方法に類似した方法で、制御装置１３２は、前に導き出した相対ロータ位置と、発電機１０６によって示された誘導相電流波形の解析とに基づいてロータ１１０の絶対位置を導き出してもよい。次いで、制御装置１３２は、速度センサ１３０によって提供された速度センサ信号波形を較正または調整して、前に導き出した絶対ロータ位置に直接対応させてもよい。一旦較正が完了し、相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間に実質的なオフセットが存在しなければ、制御装置１３２は電気駆動アセンブリ１００を完全にオペレータによって制御可能とさせ得る。

一般に、先述の開示は電力生成に関係する様々な用途に有用である。さらに具体的には、開示したシステムおよび方法は、産業用作業車両、移動機械などの電気駆動アセンブリと同様に、発電機械の電気駆動アセンブリに関連付けて典型的に使用する発電機をより効率的に制御するために用い得る。さらに、開示したロータ位置推定機構は、切替型リラクタンス発電機を有する電気駆動アセンブリに適用してもよい。さらに、本明細書で開示したシステムおよび方法は、関連した電気駆動アセンブリの効率および堅牢さを最適化するために、所望されるたびに再度較正するように構成してもよい。

説明のために特定の実施形態のみを述べてきたが、上記説明から代替物および修正は当業者にとって明白であろうと先述から理解される。これらおよび他の代替物は等価物であり、本開示および添付の特許請求の範囲の精神ならびに範囲の内にあると考えられる。

Claims (10)

1. ロータ（１１０）およびステータ（１１２）を有する発電機（１０６）のロータ速度を推定する方法であって、
   ステータ（１１２）に電源電流を供給するステップと、
   ロータ速度センサ（１３０）によって提供されたセンサ信号に基づいて相対ロータ速度を決定するステップと、
   相対ロータ速度に対応する相対ロータ位置を決定するステップと、
   センサ信号および相電流に基づいて絶対ロータ位置を決定するステップと、
   相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間のオフセットに基づいてセンサ信号を較正するステップと
   を含む方法。
2. 電源電流が、発電機（１０６）に関連付けられた共通バス（１１４）中の残留電圧によって少なくとも部分的に供給される、請求項１に記載の方法。
3. 電源電流が、直流ＤＣ電力供給装置（１２６）によって少なくとも部分的に供給される、請求項１に記載の方法。
4. 較正されたセンサ信号に基づいて、発電機（１０６）を動的に制御可能にするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. ステータ（１１２）の相電流が、電源電流に無効であり、ロータ（１１０）とステータ（１１２）との間の誘導電気である、請求項１に記載の方法。
6. 位相同期ループをステータ（１１２）の１つまたは複数の相電流に印加するステップと、相電流を２つの直流ＤＣ信号に変換するステップと、２つのＤＣ信号のうちの１つを０に制御するステップと、ＤＣ信号の位相に少なくとも部分的に基づいて絶対ロータ位置を決定するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. ロータ（１１０）およびステータ（１１２）を有する発電機（１０６）のためのロータ速度推定システム（１２８）であって、
   ステータ（１１２）に対するロータ（１１０）の速度に対応するセンサ信号を生成するように構成された速度センサ（１３０）と、
   速度センサ（１３０）およびステータ（１１２）と電気的に通信している制御装置（１３２）であり、センサ信号に基づいて相対ロータ位置を決定し、センサ信号および相電流に基づいて絶対ロータ位置を決定し、相対ロータ位置と絶対ロータ位置との間のオフセットに基づいてセンサ信号を較正するように構成されている制御装置（１３２）と
   を含む、ロータ速度推定システム（１２８）。
8. 制御装置（１３２）が、電源電流をステータ（１１２）に選択的に伝えるように構成され、ステータ（１１２）の１つまたは複数の相電流が電源電流に無効であり、ロータ（１１０）とステータ（１１２）との間の誘導電気である、請求項７に記載のシステム（１２８）。
9. 制御装置（１３２）が変換回路（１１６）を介してステータ（１１２）と通信している、請求項７に記載のシステム（１２８）。
10. 制御装置（１３２）が相電流を２つの直流ＤＣ信号に変換する、請求項７に記載のシステム（１２８）。

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