JP2014522224A - 電気モータ・クランピング・システム - Google Patents

Abstract

電源と、電源に接続された電気モータと、可動域及びこの可動域内の実質的中立位置を有する、モータによって駆動される対象物と、電源からの電力を検知するように構成された電力センサと、可動域の少なくとも一部分において対象物の位置を検知するように構成された位置センサと、エネルギー蓄積器と、電源及びエネルギー蓄積器に接続された制御装置とを有し、制御装置が、位置センサ、中立位置、及び電力センサに応じて、モータを制動するように構成された、電気モータ・システム。

Description

本技術分野は、発電式及び回生式の電気モータ制動システムに関し、より詳細には、改良された電気モータ制動システムに関する。

幾つかの電気機械式制動システムが知られている。例えば、米国特許出願公開第２００６／０１０８８６７号は、航空機の制動システムに使用されうる、電気エネルギー・バックアップ手段及び回生エネルギー回収手段を有する電気機械式制動装置を対象としている。この公開によれば、電源電圧が蓄積エネルギー・ポテンシャルより下がったとき、制御装置のためにエネルギーを蓄積するようにコンデンサが使用され、蓄積エネルギー源のためのアクチュエータから、回生エネルギーが回収されうる。

米国特許第３，９７５，６６８号は、３相モータでの発電制動の使用法を教示しており、ここでは、モータのコイルが６巻線デルタ構成に接続され、直流制動電流がこの構成の２つの中央タップ間に印加される。

米国特許第４，８３１，４６９号は、電力を蓄積するためのコンデンサを有し、電力損失に応じてモータを後退させ制動する、ディスク・ドライブ・ヘッドのための制動方法を対象としている。

米国特許出願公開第２００６／０１０８８６７号 米国特許第３，９７５，６６８号 米国特許第４，８３１，４６９号

単に例示の目的のためにすぎず、限定することを目的としたものではないが、開示された実施例の対応する部品、部分、又は表面に対して括弧付き参照を付すと、電気モータ・システム（１１０、２１０、３１０）が提供され、この電気モータ・システムは、電源（１１２、２１２）と、電源に接続された電気モータ（１１１、２１１、３１１）と、可動域及びこの可動域内の実質的中立位置（１３４）を有する、モータによって駆動される対象物（１１６、２１６、３１６）と、電源からの電力を検知するように構成された電力センサ（１１４）と、少なくとも対象物の可動域の一部において対象物の位置を検知するように構成された位置センサ（１１５）と、エネルギー蓄積器（１２３、２２３）と、電源及びエネルギー蓄積器に接続された制御装置（１２２、２２２）とを含み、制御装置は、位置センサ、中立位置、及び電力センサに応じて、モータを制動するように構成され配置されている。

制御装置は、モータを発電制動するように構成することができる。システムは、散逸抵抗器（Ｒ２）と直列に存在する散逸スイッチ（ＳＷ２）をさらに含むことができ、制御装置は、モータからのエネルギーが散逸抵抗器で散逸されるように散逸スイッチを動作させるように構成されている。

制御装置は、モータを回生制動するように構成することができる。電気モータ・システムは、スイッチング回路網（２１９）をさらに含むことができ、制御装置は、エネルギー蓄積器が完全に充電されていないときには、モータからのエネルギーがエネルギー蓄積器を充電するために使用されるように、スイッチング回路網を動作させるように構成されている。スイッチング回路網は、Ｈブリッジ構成内に６つのスイッチ素子を含むことができる。スイッチング回路網内のスイッチ素子は、ＩＧＢＴ、又はＭＯＳＦＥＴを含むことができる。エネルギー蓄積器は、コンデンサ（Ｃ１）、又はバッテリとすることができる。

制御装置は、モータを能動制動するように構成することができる。制御装置は、独立した制動装置アクチュエータ（２２９）をさらに含むことができる。電気モータ・システムは、スイッチング回路網をさらに含むことができる。スイッチング回路網は、Ｈブリッジ構成内に６つのスイッチ素子を含むことができる。スイッチング回路網内のスイッチ素子は、ＩＧＢＴ、又はＭＯＳＦＥＴを含むことができる。

制御装置は、モータを選択的に能動制動、発電制動、又は回生制動するように構成することができる。電気モータ・システムは、スイッチング回路網、及び散逸抵抗器をさらに含むことができ、ここでは、制御装置は、モータからのエネルギーが、選択的に散逸抵抗器によって散逸されるか、又はエネルギー蓄積器が完全に充電されていないときにはエネルギー蓄積器を充電するために使用されるように、スイッチング回路網を動作させるように構成されている。スイッチング回路網は、Ｈブリッジ構成内に配置された６つのスイッチ素子を含むことができる。スイッチ素子は、ＩＧＢＴ、又はＭＯＳＦＥＴを含むことができる。

電気モータ・システムは、電力整流器（２１８）をさらに含むことができる。電力整流器は、全波ダイオード整流器を含むことができる。

被駆動対象物は、航空機翼（２６５）上の航空機スポイラ・パネル（２１６）を含むことができる。中立位置（２３４）は、スポイラ・パネル（２１６）が翼面（２２７）から約４度にある位置とすることができる。被駆動対象物は、発電タービン（３１０）上のピッチ軸（３９６）の周りで駆動されるタービン・ブレード（３１６）を含むことができる。モータは、タービン・ブレード・ピッチ制御モータを含むことができる。中立位置は、タービン・ブレード・フェザー位置とすることができる。

位置センサは、エンコーダ、レゾルバ、又はＬＶＤＴを含むことができる。電力センサは、電圧センサ、又はＦＰＧＡ妥当性センサを含むことができる。電源は、３相ＡＣ電源を含むことができる。

電気モータ・システムは、出力フィルタ（２７２）をさらに含むことができる。出力フィルタは、コモン・モード・フィルタ（２７３）、又はディファレンシャル・モード・フィルタ（２７４）を含むことができる。電気モータ・システムは、入力フィルタ（２５２）をさらに含むことができる。入力フィルタは、コモン・モード・フィルタ（２５３）、又はディファレンシャル・モード・フィルタ（２５４）を含むことができる。電気モータ・システムは、ソフト・スタート・スイッチ（ＳＷ１）をさらに含むことができる。

別の観点では、電気モータ・インターフェイスの駆動方法が提供され、この方法は、外部電源入力を設けるステップと、位置センサ信号入力を設けるステップと、スイッチ・ゲートを有するスイッチング回路網を設けるステップと、電気モータに接続するための電気モータ・インターフェイスを設けるステップと、制御装置を設けるステップと、エネルギー蓄積器インターフェイスを設けるステップと、外部電源入力を監視するステップと、位置センサ入力及び外部電源入力に応じて、電気モータ・インターフェイスから電力を吸収するようにスイッチ・ゲートを動作させるステップとを含む。

スイッチ・ゲートを動作させるステップは、電源入力が電圧閾値よりも下がり、かつ位置センサ信号入力が位置閾値を下回るときに、電気モータ・インターフェイスから電力（ｐｏｗｅｒ）を吸収するように、スイッチ・ゲートを動作させることを含むことができる。

方法は、散逸抵抗器インターフェイスを設けるステップをさらに含むことができる。方法は、エネルギー蓄積器インターフェイスが完全に充電されているかどうかに応じて、吸収電力をエネルギー蓄積器インターフェイスか又は散逸抵抗器インターフェイスに選択的に送るステップをさらに含むことができる。

方法は、位置センサ入力及び外部電源入力に応じて、エネルギー蓄積器インターフェイスからの電力を使用して電気モータを能動制動するステップをさらに含むことができる。エネルギー蓄積器インターフェイスからの電力を使用して電気モータを能動制動するステップは、位置センサ入力信号の変化率が速度閾値を下回り、電源入力が電圧閾値よりも下がり、位置センサ信号入力が位置閾値を下回るときに、電気モータを能動制動することを含むことができる。前述のスイッチ・ゲートを動作させるステップは、位置センサ入力信号の変化率が速度閾値を上回り、電源入力が電圧閾値よりも下がり、位置センサ信号入力が位置閾値を下回るときに、電気モータ・インターフェイスから電力を吸収するようにスイッチ・ゲートを動作させることを含むことができる。方法は、散逸抵抗器インターフェイスを設けるステップをさらに含むことができる。方法は、エネルギー蓄積器インターフェイスが完全に充電されているかどうかに応じて、吸収電力をエネルギー蓄積器インターフェイスか又は散逸抵抗器インターフェイスに選択的に送るステップをさらに含むことができる。

ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスは、コンデンサ又はバッテリに接続するように構成することができる。方法は、電力整流器を設けるステップと、電源上のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するステップとをさらに含むことができる。電力整流器は、全波ダイオード整流器とすることができる。方法は、ソフト・スタート・スイッチを設けるステップをさらに含むことができる。位置センサ信号入力は、エンコーダ、レゾルバ、又はＬＶＤＴに接続するように構成することができる。

電気モータ・インターフェイスは、航空機翼スポイラ・アクチュエータに接続するように構成することができる。電気モータ・インターフェイスは、風力タービン・ピッチ制御モータに接続するように構成することができる。

外部電源入力は、３相ＡＣ電源用に構成することができる。方法は、外部電源入力において入って来る信号をフィルタリングするステップ、又は電気モータ・インターフェイスにおいて出て行く信号をフィルタリングするステップをさらに含むことができる。方法は、制動装置アクチュエータ・インターフェイスを設けるステップをさらに含むことができる。

別の観点では、電気モータのためのドライバが提供され、このドライバは、外部電源入力と、出力を有し外部電源入力を監視するように構成された電力センサと、出力を有する位置センサと、ＡＣ／ＤＣ電力整流器と、スイッチ・ゲートを有するスイッチング回路網と、電気モータに接続するための電気モータ・インターフェイスと、電力センサ出力及び位置センサ出力を監視するように構成され、スイッチ・ゲートを動作させるように構成された、制御部と、一時的に電力を供給するためのローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスとを含み、制御部は、電力センサ出力及び位置センサ出力に応じて、電気モータ・インターフェイスから回収電力が引き出されるように、スイッチ・ゲートを動作させるように構成されている。

ドライバは、散逸抵抗器インターフェイスをさらに含むことができる。制御部は、電気モータ・インターフェイスからの電力を散逸抵抗器インターフェイスに向けるように構成することができる。制御部は、モータ・インターフェイスからのエネルギーが、散逸抵抗器インターフェイスへ、又はローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスに接続されたローカル・エネルギー蓄積器が完全に充電されていないときにはローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスへ選択的に向けられるように、スイッチング回路網を動作させるように構成することができる。

制御部は、電気モータ・インターフェイスからの電力をローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスに向けるように構成することができる。ドライバは、制動装置アクチュエータ・インターフェイスをさらに含むことができる。制御部は、ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスからのエネルギーが制動装置アクチュエータ・インターフェイスに向けられるようにスイッチング回路網を動作させるように構成することができる。

スイッチング回路網は、Ｈブリッジ構成内に６つのスイッチ素子を含むことができる。スイッチ素子は、ＩＧＢＴ、又はＭＯＳＦＥＴを含むことができる。

制御部は、電気モータ・インターフェイスに接続されたモータを選択的に能動制動、発電制動、又は回生制動するように構成することができる。制御部は、モータ・インターフェイスからのエネルギーが、散逸抵抗器インターフェイスへか、又はローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスに接続されたローカル・エネルギー蓄積器が完全には充電されていないときには、ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスへと選択的に向けられるようにスイッチング回路網を動作させるように構成することができる。

ドライバ電力整流器は、全波ダイオード整流器を含むことができる。ドライバは、出力フィルタをさらに含むことができる。出力フィルタは、コモン・モード・フィルタ、又はディファレンシャル・モード・フィルタを含むことができる。ドライバは、入力フィルタをさらに含むことができる。入力フィルタは、コモン・モード・フィルタ、又はディファレンシャル・モード・フィルタを含むことができる。ドライバは、ソフト・スタート・スイッチをさらに含むことができる。

モータ・システムの第１の概括的実施例の高レベル・オブジェクト図である。 モータ・システムの第２の航空機翼スポイラ制御実施例の高レベル・オブジェクト図である。 図２に示された航空機翼スポイラ・システムの概略図である。 図２に示された翼スポイラ・システムの側面図である。 中立位置にある図２に示された翼スポイラ・システムの側面図である。 図２に示された航空機翼スポイラ・システムの内部物理的構成のオブジェクト図である。 モータ・システムの第３の風力タービン・ピッチ制御実施例の透視図である。 図７に示された風力タービン・ピッチ制御システムの内部物理的構成の部分的な透視図である。

最初に明確に理解すべきことは、同様の参照番号が、幾つかの図面全体にわたって一貫して同じ構造要素、部分、又は表面を特定するように意図されていることであり、そのような要素、部分、又は表面は、本明細書全体によってさらに記述又は説明することができ、この詳細な説明は、本明細書の不可欠な要素をなす。特に別の指示がない限り、各図面は、本明細書と一緒に読まれることが意図されており（例えば、斜線、各部品の配置、比率、角度等）、本明細書の全体のうちの一部と見なされるべきものである。以下の説明において、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、及び「下」という用語、並びにそれらの形容詞的派生語及び副詞的派生語（例えば、「水平に」、「右方に」、「上方に」等）は、特定の図面が読者に面したときの、図示されている構造の配向を意味するものにすぎない。同様に、「内方に」及び「外方に」という用語は、概括的に、表面の延長軸線、又は必要に応じて、回転軸線に対する表面の配向を意味するものである。

以下の定義は、本明細書で説明される実施例の解釈のために提供されるものである。発電制動（ｄｙｎａｍｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ）とは、例えば散逸抵抗器を用いるなどして、電気モータの入力端子を接続又は「短絡」することにより、モータの運動エネルギーを熱に変換させ、それによりモータを減速するプロセスである。

回生制動（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｂｒａｋｉｎｇ）とは、電流がモータによってエネルギー蓄積デバイスに戻されることを可能にすることにより、電気モータからのエネルギー（通常、モータ又はシステムの運動エネルギー）をエネルギー蓄積デバイスに送るプロセスである。

能動制動（ａｃｔｉｖｅ ｂｒａｋｉｎｇ）とは、電源を使用して、電気モータをその回転の電流方向の反対に駆動するか、又は、モータに結合された、独立した制動装置アクチュエータを駆動するプロセスである。

惰性運転とは、電気モータの入力端子を電気的に切断することによりそれらの電圧の浮遊を可能にして、電気エネルギーが入力端子を通じてモータに入る又はモータから出て行くのを防止するプロセスである。

スイッチ回路網は、少なくとも２つの端子間の電流の流れを制御するための一連の電気的又は機械的なデバイスであって、その例には、ＩＧＢＴ Ｈブリッジ、ＭＯＳＦＥＴ Ｈブリッジ、リレー・ブリッジ、又は他の類似のデバイスが含まれる。

制御部又は制御装置は、その入力線の論理関数である出力線を有するデジタル・デバイスであり、その例には、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、現場プログラム可能ゲート・アレイ、プログラム可能論理デバイス、特定用途向け集積回路、又は他の類似のデバイスが含まれる。

電力センサは、電気システムの電力を測定するための電気的又は機械的なデバイスであり、その例には、電圧センサ、電流センサ、電圧及び電流の両方のセンサを有するデバイス、又は他の類似のデバイスが含まれる。

制動スイッチは、制動機構への電気の流れを制御するデバイスであり、その例には、汎用トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、リレー、又は他の類似の機械的な若しくは半導体によるデバイスが含まれる。

電源は、ＡＣ又はＤＣの電力の供給源である。

位置センサは、位置、又は位置の導関数、又は対象物からの距離を測定するための電気的デバイスであり、その例には、エンコーダ、レゾルバ、線形可変差動変圧器、可変抵抗器、可変コンデンサ、レーザ測距器、超音波距離測定器、赤外線距離測定器、又は他の類似のデバイスが含まれる。

エネルギー蓄積器は、エネルギーを蓄積するためのデバイス又はシステムであり、その例には、コンデンサ、バッテリ、誘導子、フライホイール、又は他の類似のデバイスが含まれる。

次に各図面を、より具体的には図１を参照すると、本発明はモータ・システムを提供し、その第１の実施例が１１０で示されている。図示のように、モータ・システム１１０は概して、電源１１２、電力センサ１１４、エネルギー蓄積器１２３、制御装置１２２、スイッチ回路網１１９、電気モータ１１１、被駆動対象物１１６、及び物理的境界１２７を含む。

電源１１２は、システムに電力を供給する。この実施例では、電源１１２は、ＤＣ電源である。しかし、別法として、ＡＣ電源を使用することもできる。電源１１２は、ローカル・エネルギー蓄積器１２３に接続される。

この実施例では、エネルギー蓄積器１２３は、コンデンサである。或いは、バッテリ又は誘導子を使用することもできる。電源１１２によって伝達される電力は、電力センサ１１４によって測定される。この実施例では、電力センサ１１２は、電圧センサである。しかし、別法として、電流センサを使用することもできる。

エネルギー蓄積器１２３は、共通電力線１３３を通じてスイッチ回路網１１９に接続する。スイッチ回路網１１９は、電気モータ１１１の端子に出入りする電力の流れ、及び電気モータ１１１の端子間の電力の流れを制御する。スイッチ回路網１１９の動作は、制御装置１２２に接続された制御入力によって管理される。スイッチ回路網１１９は、電気モータ１１１を発電制動するために、電気モータ１１１の端子を互いに接続するように構成されている。この実施例では、スイッチ回路網１１９は、ＩＧＢＴで構成されている。しかし、別法として、リレー又はＭＯＳＦＥＴを使用してスイッチ回路網１１９を構成することもできる。

電気モータ１１１は、アクチュエータ１１３を通じて被駆動対象物１１６に機械的に結合されている。アクチュエータ１１３は、歯車、ねじ駆動部、又は他の類似のデバイスを含むことができる。対象物１１６は、物理的境界１２７によって制限されうる可動域を有する。また、対象物１１６の可動域内に、実質的に中立の範囲又は位置１３４が存在する。対象物１１６が中立範囲１３４内で静止している場合、対象物１１６が動く傾向が少なくなる。対象物１１６は、その位置が中立範囲１３４の外側であるときに、対象物１１６に作用する外力をより受けやすくなる。

位置センサ１１５は、対象物１１６と物理的境界１２７との間の距離１２５を測定する。この実施例では、位置センサ１１５は、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ：Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）である。しかし、別法として、エンコーダ、レゾルバ、レーザ測距器、超音波距離測定器、可変抵抗器、赤外線距離測定器、又は他の類似のデバイスを使用することもできる。

位置センサ１１５が制御装置１２２に接続される。この実施例では、制御装置１２２は、現場プログラム可能ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）である。しかし、別法として、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、又は他の類似のデバイスを使用することもできる。制御装置１２２は、位置センサ１１５の出力信号を受信するための入力と、電力センサ１１４の出力信号を受信するための入力とを有する。制御装置１２２はまた、スイッチ回路網１１９に接続された制御線を制御する。スイッチ回路網１１９への制御線は、単線式、複線式、又は無線式とすることができる。さらに、制御装置１２２には、コマンド・インターフェイス１３２が接続される。メモリ１２８が、中立範囲上限値１２４、電源閾値１３５、中立位置閾値１３６、及びエネルギー蓄積器閾値１３７を含めて、幾つかの動作変数のための値を記憶する。制御装置１２２は、下記のように動作するようにプログラムされる。

電源が機能を停止した場合、システム１１０は、被駆動対象物１１６がより安全な位置にあるときにそれを制動する。より具体的には、スイッチ回路網１１９は、電源１１２の機能停止が発生した場合に、被駆動対象物１１６が中立範囲１３４の近く又は中立範囲１３４内にあるときに電気モータ１１１を発電制動するように構成されている。エネルギー蓄積器１２３は、スイッチ回路網１１９を一時的に制御するだけのエネルギーしか持てないので、制御装置１２２は、電源の機能停止が発生し被駆動対象物１１６が中立範囲１３４の近く又は中立範囲１３４内にあるときにだけ、発電制動するようにスイッチ回路網１１９を制御するように構成されている。

上記のように、対象物１１６は、物理的境界１２７によって制限されうる可動域を有する。対象物１１６が過剰な力を伴って物理的境界１２７に接触した場合、物理的境界１２７及び被駆動対象物１１６は、損傷を受ける可能性がある。そのような衝突は、モータ１１１又はアクチュエータ１１３をも損傷させる可能性がある。被駆動対象物１１６が動いている間に電気モータ１１１への電力が遮断されると、被駆動対象物１１６は惰性で進むことになり、物理的境界１２７と衝突する可能性がある。また、たとえモータ１１１への電力が失われたときに被駆動対象物１１６が動いていなかったとしても、対象物１１６が中立範囲１３４内に位置していないのであれば、対象物１１６は、結局は、外力によって加速されて、過度の力を伴って境界１２７と接触する可能性がある。

図１に示されるように、エネルギー蓄積器１２３は、共通電力線１３３に沿って電源１１２に接続されている。電源１１２が適切に機能している限り、エネルギー蓄積器１２３は、電源１１２の電圧まで充電される。電源が機能停止した場合、エネルギー蓄積器１２３が共通電力線１３３上の電圧を一時的に維持しつつ、エネルギーが制御装置１２２とスイッチ回路網１１９とによって引き出される。

制御装置１２２は、動作するのに必要な電力を共通電力線１３３から受け取る。制御装置１２２は、共通電力線１３３上の電圧レベルを監視するための内部センサを有する。共通電力線１３３は、スイッチ回路網１１９にも電力を供給する。電気モータ１１１のための電力は、共通電力線１３３によりスイッチ回路網１１９を経て間接的に供給される。

電源１１２の電圧は、電力センサ１１４によって測定され、電力センサ１１４からの出力は、制御装置１２２によって読み取られる。位置センサ１１５は、対象物１１６と境界１２７との間の距離１２５を測定し、位置センサ１１５の出力は、制御装置１２２によって読み取られる。

制御装置１２２は、スイッチ回路網１１９に制御信号を送る。例えば、順方向制御信号により、スイッチ回路網１１９がモータ１１１を順方向に動かす形でモータ１１１を電力線１３３に接続することになる。同様に、逆方向制御信号により、スイッチ回路網１１９がモータ１１１を逆方向に動かすような形でモータ１１１を電力線１３３に接続することになる。回生信号により、電気モータからエネルギーが吸収されて電源１２３に蓄積されるように、電気モータ１１１の駆動端子が接続されることになる。惰性運転信号により、スイッチ回路網１１９がモータ１１１の駆動端子を断絡し、それらの電圧が浮遊可能とされることになる。発電制動信号により、モータの運動エネルギーが熱として散逸されるように、電気モータ１１１の駆動端子が互いに接続されることになる。惰性運転信号と、順方向信号、逆方向信号、又は回生信号とを迅速に切り替えることにより、制御装置１２２は、モータ１１１の時間平均の駆動レベル又は回生レベルを調整することができる。別法として、（例えば、環流ダイオードを含むＩＧＢＴブリッジが使用される場合）スイッチ回路網１１９に特定の回路を実装することで惰性運転モードと回生モードとを組み合わせて単一のモードにすることが有益となりうる。モータ１１１は、エネルギー蓄積器１２３内にエネルギーを回生するようにモータ１１１を構成することによる方法、モータ１１１をその回転方向の反対に（必要に応じて、順方向にも逆方向にも）駆動することによる方法、又は発電制動を通じた方法を含めて、多様な方法で制動することができる。

位置センサ１１５と、制御装置１２２と、スイッチ回路網１１９と、モータ１１１と、被駆動対象物１１６との間に、フィードバック・ループが構築される。通常の動作の下では、制御装置１２２は、位置センサ１１５の出力を所望の設定値に合わせるために、スイッチ回路網１１９への制御信号を調整する。或いは、モータ１１１に接続されたレゾルバなどの位置センサ１１５から独立したセンサをフィードバック・ループのために使用することができる。

コマンド・インターフェイス１３２は、制御装置１２２に高レベルの位置又は運動のコマンドを提供する。例えば、コマンド・インターフェイスは、制御装置１２２に被駆動対象物１１６を特定の位置まで移動させるように命令することができる。インターフェイス１３２でのコマンドが変化するにつれて、制御装置１２２は、所望の設定値を調整することになり、この設定値が、スイッチ回路網１１９に送られる制御信号を変更する。

制御装置１２２は、電力センサ１１４の読取り値を電力閾値１３５と比較することにより、電源の機能停止がいつ発生するかを判定する。電力センサ１１４の出力が電力閾値１３５未満である場合、電源の機能停止が判定される。電源が機能を停止した場合、エネルギー蓄積器１２３内の限られた供給量の電力しか利用することができず、この電力は、制御装置１２２への電力供給、スイッチ回路網１１９の動作、又はモータ１１１の始動のために使用されうる。エネルギー蓄積器１２３のエネルギーが使い果たされると、共通電力線１３３上の電圧が降下することになり、モータ１１１、スイッチ回路網１１９、及び制御装置１２２は、機能することができない。

電力センサ１１４の読取り値が電力閾値１３５を下回る場合、制御装置１２２は、インターフェイス１３２からの命令に応答するのを止めて、モータ１１１がエネルギーを少しも消費しないように、及びスイッチ回路網１１９が最小限のエネルギーを消費するように、スイッチ回路網１１９に惰性運転信号を送る。

制御装置は、次に、境界１２７に対象物１１６がぶつかる可能性を最小限に抑えられるように、モータ１１１をいつ制動するかを高度に判定する。より具体的には、電源１１２が閾値電圧未満の電圧を有し、位置センサ１１５が中立範囲１３４の閾値１３６内に対象物１１６があることを示すときにのみ、制動が始動される。制御装置１２２は、位置センサ１１５の出力と中立範囲の上限値１２４とを比較し、対象物１１６の位置が中立範囲１３４の閾値１３６内であるかどうかを判定する。これは、位置センサ１１５の出力と中立範囲上限値１２４との差の絶対値（ＡＢＳ：ａｂｓｏｌｕｔｅ ｖａｌｕｅ）が位置閾値１３６よりも大きいかどうかを判定することによって達成される。制御装置１２２はまた、共通電力線１３３上の電圧を測定し、共通電力線１３３の電圧がエネルギー蓄積閾値１３７を下回るのであれば、発電制動の始動を回避する。要約すると、制御装置１２２は、
もし（電力センサ１１４の出力＜電源閾値１３５）であり、
且つ（共通電力線１３３の電圧＞エネルギー蓄積閾値１３７）であり、
且つ（ＡＢＳ（位置センサ１１５の出力−中立範囲上限値１２４）＜位置閾値１３６））である
ならば、スイッチ回路網１１９に制動信号を送る
という論理関数を評価する。

この実施例で使用される制動信号は、発電制動信号である。システム１１０の運用の第１の実例として、対象物１１６が中立範囲１３４から遠くにあるときの電源１１２の機能停止について考察する。この場合、制御装置１２２は、電力センサ１１４の出力が電源閾値１３５を下回ったことを検出することになる。しかし、位置センサ１１５の出力は、対象物１１６と中立範囲上限値１２４との間の距離１２５が中立位置閾値１３６よりも大きいことを示すので、制御装置１２２は発電制動信号をスイッチ回路網１１９に送らない。したがってこの時点では、エネルギー蓄積器１２３内のエネルギーは、スイッチ回路網１１９によって使い果たされない。ここで対象物１１６は、外力により境界１２７に向かって加速し始める可能性がある。制動スイッチ１３１は、対象物１１６が中間位置１３４の位置閾値１３６内に入るまでは、作動されない。制動スイッチ１３１が作動された後、エネルギー蓄積器１２３が、制動装置１２９を作動させるための電力を供給し、この制動装置１２９は、対象物１１６の動きを迅速に止め、エネルギー蓄積器１２３内のエネルギーを迅速に使い果たし始める。

対象物１１６が中立範囲１３４に近づくのを待ってから制動を作動させるように制御装置１２２を構成することにより、対象物１１６が危険な（中立でない）位置にあるときには、エネルギー蓄積器は使い果たされない。対象物１１６が中立範囲１３４の近傍にあるときに制動装置が作動されるので、対象物１１６は、停止されたときには実質的に静止し続けるべきであり、対象物１１６を制動するのにさらなる電力は必要とされないことになる。

システム１１０の動作方法に反して、対象物１１６が中立範囲１３４から遠くにあるときに電力損失直後に制動が作動された場合、対象物１１６は、範囲１３４の外側で停止するはずである。しかし、いったんエネルギー蓄積器１２３が使い果たされると、制御装置１２２及びスイッチ回路網１１９はもはや機能せず、制動はもはや適用されず、対象物１１６は中立範囲１３４内にはないので、対象物１１６は外力によって加速され始めて、過度の力を伴って境界１２７に接触する恐れがある。

より具体的な実例として、システム１１０は、電気トロリー車の制動を制御するために利用することができる。この実例では、電気車両は、被駆動対象物１１６であり、位置センサ１１５は、水平に対するトロリー車の傾き又は傾斜を示すジャイロスコープである。中立範囲１３４は、トロリー車がほぼ傾斜のない（−３度から＋３度の角度の傾きの）軌道上にあるときのことである。電源１１２は、トロリー軌道の上に延びている電気トロリー線である。電気トロリー車は、エネルギー蓄積器１２３として小型の緊急バッテリを有する。

トロリー車が移動しているときに軌道の上に延びているトロリー線が突然切れた場合について考察する。緊急バッテリは、トロリー車を１回制動するだけのエネルギーしか持っていない。この場合、システムは、軌道の傾きを監視して、傾きがゼロに近いときにのみ制動する。トロリー車が軌道の平坦な区間に到達すると、バッテリからの電力を使用して制動が行われて、トロリー車は停止される。トロリー車は軌道の平坦な区間上で停止されるので、バッテリが使い果たされたとしても、トロリー車は静止し続けることになる。

トロリー車が坂上にいるときに制動が行われた場合、トロリー車は坂上で停止することになる。いったんバッテリが使い果たされると、制動は機能を停止することになる。トロリー車はなおも坂上にいるので、加速し始め、軌道の平坦な区間を通り越して、物理的な障壁にぶつかる恐れがある。

システム１１０は、発電制動以外の制動方式を使用するように修正することができる。例えば、高回転速度時に回生制動を使用して、システムの運動エネルギーをエネルギー蓄積器１２３に送ることができる。しかし、回生制動は、モータ速度が低いときにはうまく機能しない可能性がある。低速時には、モータ１１１は、必要に応じて、スイッチ回路網１１９に提供される順方向又は逆方向の信号により回転の反対方向にモータ１１１を駆動することによって、能動制動されうる。そのようにモータ１１１を反対方向に駆動することは、発電制動及び回生制動が有効に機能しない低回転速度に対して適切である。さらに、独立した制動システムをモータ１１１に連結することができ、制動が望まれたときに能動的にオンにすることができる。

さらに、発電制動の際、単にモータ１１１の端子を互いに短絡させてモータ１１１の内部抵抗中に熱を散逸させる代わりに、散逸抵抗器を使用することができる。そのような構成では、発電制動が望まれると、モータ１１１の端子は、システムの運動エネルギーを熱に変換するように構成された散逸抵抗器に接続される。散逸抵抗器は、モータ１１１のコイルよりもより迅速にエネルギーを散逸させるように構成することができる。

図２は、航空機翼スポイラ・システムで使用するために特に構成された電気モータ・システムの第２の実施例２１０を示す高レベル・オブジェクト図である。図２に示されるように、システム２１０は、システム１１０には示されていない幾つかの特徴を有する。ＡＣ電源２１２は、入力フィルタ２５２に接続する。電流センサ２１４が、ＡＣ電源２１２から移動する電流を測定するために配置される。入力フィルタ２５２は、ダイオード整流器２１８に接続し、ダイオード整流器２１８は、エネルギー蓄積器２２３に接続する。スイッチング回路網２１９に、電力散逸器２５９が結合される。エネルギー蓄積器２２３から来るＤＣ線は、線２５７ａ及び２５７ｂで例示されているが、これらは制御装置２２２に接続する。電力散逸器２５９は、エネルギー蓄積器２２３とスイッチング回路網２１９との間でＤＣ線にまたがって配置される。スイッチング回路網２１９は、３つの相２２１ａ、２２１ｂ、及び２２１ｃを提供し、これらは出力フィルタ２７２を通過してから電気モータ２１１に行く。スイッチング回路網２１９は、図示のように、制御装置２２２から、そのゲート信号を受信する。相線２２１ａ、２２１ｂ、及び２２１ｃを通過する電流は、電流センサ２６４によって測定される。レゾルバ２７５が、モータ２１１に結合される。モータ２１１は、アクチュエータ２２８（図４に示される）を通じて翼スポイラ２１６に接続する。位置センサ２１５が、翼スポイラ２１６上に設置される。レゾルバ２７５及び位置センサ２１５は、それらの出力信号を制御装置２２２に提供する。メモリ２１７が、制御装置２２２のための幾つかのパラメータを記憶する。記憶されるパラメータには、ＤＣ閾値２９１、最低回生速度２９２、発電制動電流閾値２９３、中立位置値２２４、電力閾値２３５、及び中立位置閾値２３６が含まれる。

図４は、航空機翼２６５におけるシステム２１０の物理的配置を示す。電気モータ２１１は、アクチュエータ２２８を通じて翼スポイラ２１６に機械的に結合されて、位置２２５を制御する。後述のように、システム２１０は、スポイラ２１６が過度の力を伴って翼面２２７又はアクチュエータ２２８の物理的限界に接触するのを防止するように構成されている。図５は、翼スポイラ２１６が中立位置２３４内にあるときのシステム２１０を示す。

図３は、図２のブロック図のより多くの実施詳細を示す、システム２１０の電気的なブロック図である。ＡＣ電源２１２は、３線式電力線に接続している３相ＡＣ電源である。電源スイッチ２５１が電力線と直列に配置されて、電源２１２からの各相（線）をシステムの他の部分との間で接続又は切断する。電力線上に配置された電流センサ２１４は、ホール効果電流センサとして実装されている。電流センサ２１４はそれぞれ、そのそれぞれの電力線の相内の電流の大きさを提供する、制御装置２２２に接続された出力信号を有する。図３に示されるように、電力線は、入力フィルタ２５２に接続する。フィルタ２５２は、コモン・モード・フィルタ・ステージ２５３と、ディファレンシャル・モード・フィルタ・ステージ２５４とを有する。電力線は、次いで整流器２１８に接続する。

図３に示されるように、整流器２１８は、６つのダイオードを含む全波ダイオード整流器として実装されている。しかし、当業者には認識されるように、能動又は受動のどちらの電圧整流器の実装も使用することができる。整流器２１８は、３相ＡＣ電力を正のレール２５５ａ及び負のレール２５５ｂを含む２つのＤＣレールを有するＤＣ信号に変換する。ＤＣレール２５５ａ及び２５５ｂは、エネルギー蓄積器２２３に接続する。図示のように、エネルギー蓄積器２２３は、ＤＣレール２５５ａ及び２５５ｂにまたがってソフト・スタート・スイッチＳＷ１と直列に接続されたコンデンサＣ１を含んで、実装されている。正のＤＣ母線２５７ａが、正のＤＣレール２５５ａに接続される。負の母線２５７ｂが、コンデンサＣ１とスイッチＳＷ１との間の端子に接続される。図示のように、ＤＣ母線２５７ａ及び２５７ｂの電圧は、電圧検知線２５８ａ及び２５８ｂを通じて制御装置２２２によって監視される。

電力散逸器２５９が、ＤＣ母線２５７ａ及び２５７ｂにまたがって接続される。電力散逸器２５９は、ＤＣ母線２５７ａ及び２５７ｂにまたがってスイッチＳＷ２と直列に接続された、電力散逸抵抗器Ｒ１を含む。電力散逸器２５９と並列に、スイッチ回路網２１９が接続される。

図示のように、この実施例では、スイッチ回路網２１９は、３つのコンデンサを含む６ＩＧＢＴ Ｈブリッジとして実装されている。しかし、様々なスイッチ回路網の実装を示された実装と容易に置き換えられることが、当業者には認識されるであろう。各スイッチ・ゲートが、制御装置２２２に接続されて、制御装置２２２によって制御される。スイッチ回路網２１９は、出力フィルタ２７２に接続される３相出力を提供する。出力フィルタ２７２は、ディファレンシャル・モード・フィルタ・ステージ２７４と、それに続くコモン・モード・フィルタ・ステージ２７３とを有する。

図３に示されるように、電流センサ２６４が、出力フィルタ２７２から来る出力電力線に接続されている。電流センサ２６４は、ホール効果電流センサとして実装されており、それらの信号を制御装置２２２に提供する。出力電力線は、電気モータ２１１の３つの端子に接続される。電気モータ２１１は、３相ＤＣモータである。電気モータ２１１は、機械的なリンク機構及び伝動機構を有するアクチュエータを通じて、翼スポイラ２１６に機械的に結合される。

図６は、モータ２１１がどのようにしてスポイラ２１６のパネル表面に結合されるかを別の図で示す。モータ２１１の出力シャフト上に配置されたレゾルバ２７５が、モータ２１１の回転子の回転角を測定する。モータ２１１とスポイラ２１６との間の機械的なリンク機構上に配置されたＬＶＤＴ２１５が、航空機翼２６５に対するスポイラ２１６の位置を効率的に測定する。図４に示されるように、ＬＶＤＴ２１５は、スポイラ２１６と翼面２２７との間の距離２２５を測定する。図３に戻り参照すると、制御装置２２２は、ＬＶＤＴ２１５及びレゾルバ２７５からの入力信号を受信する。制御装置２２２は、下記のように動作するようにプログラムされる。

概して、システム２１０は、スポイラ２１６が過度の力を伴って翼面２２７又はシステムの機械的止め具に接触する可能性を最小限に抑えるために、電源の機能停止の際には電気モータ２１１を知的に発電制動する。より具体的には、エネルギー蓄積器２２３は、システムを一時的に発電制動するだけのエネルギーしか持つことができないので、制御装置２２２は、電源が機能を停止しスポイラ２１６が翼面２２７の近くにある場合にのみ、システムを発電制動するように構成される。スポイラ２１６が翼面２２７の近くで停止された場合、スポイラ２１６は、通常、中立位置内にあり、飛行中に翼２６５の全域にわたる風の力によって加速されることが少なくなる。いったんエネルギー蓄積器２２３が使い果たされると、制御装置２２２及びスイッチ回路網２１９は、もはや作動することができず、したがって、モータ２１１は発電制動され得ない。スポイラ２１６が翼面２２７に近づくのを待ってから発電制動することにより、ローカル電源が使い果たされたときにスポイラ２１６が危険な非中立位置に残される恐れが少なくなる。

図３に示されるように、外部電源２１２は、３相ＡＣ電源である。電源２１２とシステムの他の部分との接続は、電源スイッチ２５１によって制御される。スイッチ２５１がオンになると、これまでゼロ電流を検知していた電流センサ２１４は、システムの他の部分への電流の流れを検知し始める。フィルタ２５２が、電磁インターフェイス又は他の雑音源から電力線によって入って来るコモン・モード及びディファレンシャル・モードの雑音を除去する。

整流器２１８は、フィルタ２５２から出てくるＡＣ電力をＤＣ電源に変換する。Ｒ１と並列したスイッチＳＷ１は、ソフト・スタート機構として機能する。スイッチＳＷ１は、システムの電源が切れているときは、初期設定のオフ（非導電）状態である。ＳＷ１がオフであるので、電流はＲ１を通過して、Ｃ１をゆっくりと充電する。延引後、Ｃ１が十分に充電されてから、ＳＷ１がオンに切り替えられて電流にＲ１を迂回させ、Ｒ１はもはやエネルギーを散逸させることはない。スイッチＳＷ１は、通常の動作中はオンのままでいる。スイッチＳＷ１をオンにするのを遅らせることにより、電源オン時の過電流が最小限に抑えられる。

スイッチ回路網２１９は、ＤＣ母線２５７ａ及び２５７ｂから電力を引き出す。スイッチ回路網２１９は、制御装置２２２によって制御されて、少なくとも３つの異なるモード、即ち回生モード、能動駆動モード、及び発電クランピング・モードで動作する。能動駆動中、制御装置２２２は、パルス幅変調を利用する。即ち、制御装置２２２は、モータ２１１の３つの端子のそれぞれに対する所望の駆動電流信号を生成するために、スイッチ回路網２１９内のスイッチを律動的にオン及びオフにする。このようにして、モータ２１１は、制御されたトルク又は速度で順方向又は逆方向に駆動されうる。

回生モード中、制御装置２２２は、スイッチ回路網２１９内のそれぞれのスイッチをオフにさせる。スイッチ回路網２１９内のダイオードの配向により、このモードの間、電流は、モータ・コイルから回生充電するためにＤＣ母線２５７ａに流れて、負のＤＣ母線２５７ｂから戻ることしかできない。逆起電力がＤＣ母線電圧未満であるのに十分なほどにモータ２１１の速度が遅い場合、回生電流は、どのような程度であれ、モータ２１１のコイルとスイッチ回路網２１９との間には流れない。しかし、逆起電力がＤＣ母線電圧を超えるような速度まで、モータの速度が上昇した場合、モータ２１１とスイッチ回路網２１９とＤＣ母線との間に電流が流れることになる。逆起電力がＤＣ母線電圧を上回っている間、システムは回生制動されることになり、モータ２１１の運動エネルギーがＤＣ母線に送られ、そこで運動エネルギーは、エネルギー蓄積器２２３により電気エネルギーとして捕獲される。この自動的な回生制動は、逆起電力がもはやＤＣ母線電圧を超えなくなるまで継続する。

制御装置２２２は、電圧検知線２５８ａ及び２５８ｂを通じてＤＣ母線電圧を能動的に監視する。ＤＣ母線電圧が設定閾値を超える場合、通常はオフであるスイッチＳＷ２がオンに切り替えられることにより、電流が、正のＤＣ母線２５７ａから、散逸抵抗器Ｒ２、スイッチＳＷ２を通過して、負のＤＣ母線２５７ｂへと流されて、ＤＣ母線の電圧ポテンシャルが減少される。この閾値は、ＤＣ母線電圧がさもなければエネルギー蓄積器２２３又は他のシステム構成要素に損傷を与えうる安全限界を超えないように、設定される。スイッチＳＷ２をオンにすることにより、エネルギーが抵抗器Ｒ２において熱としてＤＣ母線から散逸される。Ｒ２において散逸されるエネルギーは、エネルギー蓄積器２２３、モータ２１１、又はこれら２つの組合せから生じうる。

発電クランピング・モード中、制御装置２２２は、スイッチ回路網２１９内の上部スイッチの全て（或いは、下部スイッチの全て）をオンにして、３つのモータ・コイル２１１を効果的に互いに短絡させる。スイッチ回路網が発電クランピング・モードに配置されたときにモータ２２２が回転している場合、逆起電力により、短絡されたコイルを通じて急速な電流の流れがもたらされる。この電流の流れは、回転の反対方向にモータ・トルクを生成し、このモータ・トルクがモータを迅速に減速する。エネルギーは、主として、モータ２１１のコイルの内部抵抗及び電流経路の抵抗において熱として散逸される。発電クランピング中、モータ２１１がＤＣ母線から電力を引き出していなくとも、制御装置２２２はＤＣ母線から電力を引き出している。スイッチ回路網２１９内のスイッチを切り替え、それらのスイッチを開に保つための電力もまた、ＤＣ母線によって供給される。発電クランピング中、ＡＣ電源２１２からの電力が損失すると、制御装置２２２及びスイッチ回路網２１９がＤＣ母線から電力を引き出すので、エネルギー蓄積器２２３が使い果たされる。したがって、エネルギー蓄積器２２３のサイズを考慮すると、発電クランピングは、外部ＡＣ電源２１２の損失に続いてこの蓄積されたエネルギーが使い果たされるまでしか、持続され得ない。

電源２１２が機能を停止した際、この機能停止は、制御装置２２２によって読み取られる電流センサ２１４の出力信号で検知される。ＡＣ電源２１２の機能停止を検知すると、制御装置２２２は、スイッチ回路網２１９内の全てのスイッチをオフにすることにより、スイッチ回路網２１９に回生モードに入るように命令する。これにより、ＤＣ母線からの電力の引き出しが最小限に抑えられ、また、モータの回生エネルギーをエネルギー蓄積器２２３に供給することが可能になる。ここで制御装置２２２は、モータ２１１を発電制動すべきかどうかを判定するために、位置センサ２１５を監視する。より具体的には、制御装置２２２は、
もし（電流センサ２１４の出力＜電源閾値２３５）であり、
かつ（ＡＢＳ（位置センサ２１５の出力−中立位置値２２４）＜位置閾値２３６））である
ならば、スイッチ回路網２１９を発電制動モードに配置する
という論理関数に従う。このようにして、エネルギー蓄積器２２３の消耗を増大させる発電制動は、翼スポイラ２１６が中立位置にあること（例えば、スポイラの展開が４度未満であるとき）を位置センサ２１５が示すまで延引される。上記の論理関数は、約２ｋＨｚのサンプル・レートで評価される。

一例として、スポイラ２１６が４０度展開されているときの外部ＡＣ電源機能停止の発生について考察する。４度の中立位置閾値２３６が使用されるが、これは、制動時にスポイラ２１６を中立位置値２２４（ゼロ度）に十分近接して停止させることができ、中立位置値２２４と大差なく、スポイラ２１６がこの範囲内にあるときは風力によって加速されることがないためである。制御装置２２２は、外部ＡＣ電源の損失を検知して、直ちにスイッチ回路網２１９内の全てのスイッチをオフに切り替えることにより、スイッチ回路網２１９を回生モードに配置する。次いで制御装置２２２は、スポイラ位置センサ２１５を繰り返し監視し始める。位置センサ２１５はまず、スポイラ２１６が４０度展開されていることを制御装置２２２に示すので、制御装置は、位置センサ出力２１５（４０度）が中立位置値２２４（ゼロ度）どころか位置センサ閾値２２４（４度）をも上回っていることを算出する。制御装置２２２は、この比較を続けて、位置センサ２１５の出力が４度を上回っている限り、スイッチ回路網２１９を惰性運転モードのままにする。一方、スイッチ回路網２１９は回生モードであり、モータ２１１の惰性運転を可能にするので、スポイラ２１６は風力により翼面２２７に向かって加速される。その間、エネルギー蓄積器２２３は、回生電流の流れによって増加される。このモードでは、スイッチ回路網２１９及びモータ２１１のどちらも、エネルギー蓄積器２２３からの電力を消費しない。

スポイラ２１６が翼面２２７から４度の範囲内に来ると、制御装置２２２は、位置センサ２１５の出力からこのことを検出して、スイッチ回路網２１９を発電制動モードに配置する。スイッチ回路網２１９内の上側スイッチが全て閉じられてモータ２１１のコイルが短絡されることにより、運動エネルギーがコイルにおいて熱として散逸されるので、モータ２１１は低速まで迅速に減速される。スイッチ回路網２１９は、発電クランピング・モードにおいてその上側スイッチをオンにしているので、ＤＣ母線から電力を引き出し、エネルギー蓄積器２２３の消費速度を増大させる。最低限必要な内部電力を提供する能力を越えてエネルギー蓄積器２２３が使い果たされたときには、スポイラ２１６は、より安全な位置にある（即ち、スポイラ２１６は翼面２２７と接触しておらず、アクチュエータは機械的停止限界を越えていない）。システムは、あまり安全ではない状態（スポイラが非中立位置にあるときの外部ＡＣ電源損失）から、より安全な状態（スポイラが実質的に中立状態にある）となされている。

電力損失時にすぐにはシステムを発電制動しないことにより、システムがより安全な状態で停止する可能性が著しく高められる。上記の筋書きでは、スポイラ２１６が４０度を越えたときにＡＣ電力が失われた。最初に電力が失われたときに発電制動が開始された場合、エネルギー蓄積器２２３はより高い速度で使い果たされることになり、モータの回生によるエネルギー蓄積器２２３の増加は起こらない。一方で、スポイラ２１６は、すぐさま制動され、静止されたときにはなおも約４０度の非中立位置に展開されていることになる。スポイラ２１６は、発電制動されている間、エネルギー蓄積器２２３が使い果たされるまで、この４０度位置の近くに留まることになる。エネルギー蓄積器２２３が使い果たされると、制御装置２２２及びスイッチ回路網２１９は、もはや機能しない。したがって、モータ２１１は、もはや発電クランピングされない。次いでスポイラ２１６は、空力負荷により、その約４０度の位置から下方に加速することを余儀なくされる。比較的遠い距離を加速されることにより、スポイラ２１６が過度の力を伴って翼面２２７に接触する可能性があり、それにより、翼面２２７、スポイラ２１６、モータ２１１、及び／又は機械的止め具、並びにこれらの部品間のリンク機構が損傷する。

また、電源損失の直後には制動しないことにより、電力損失時にシステムが有するいかなる運動量も、システムを中立位置により近づけるために利用することができる。例えば、電力損失中にスポイラ２１６が能動的に後退している場合、スポイラ２１６は後退し続けて、制御装置２２２の発電制動論理が満たされるまで、中立位置に近づく。

説明したような発電制動に加えて、図６に示されるように、システム２１０は、発電制動が行われるのと同時に制動装置２２９を作動させるように修正することができる。しかし、制動装置２２９は、発電制動が必要とするよりもかなり多くのエネルギーを必要とする場合があるので、この動作モードを利用するのならば、それに応じて、エネルギー蓄積器２２３の容量を調整しなければならない。

図７は、風力タービン・ブレードのピッチ制御での使用のために特に構成された、第３の実施例３１０を示す。図７に示されるように、風力タービン３１０は概して、タワー３５０、タワー３５１の頂部に回転的に支持された本体又はナセル３５１、及びナセル３５１に回転的に結合されたロータ３５２を含む。タワー３５０は、地面に固着され、また、条件及び所望の性能に応じて、様々な高さ及びサイズを有する。或いは、タワー設置型風力発電タービンの代わりに、発電機は、地面に隣接して配置されるか、又は、水流若しくは潮流からの力を利用するように構成された発電タービンとされる場合もある。したがって、発電タービンという用語は、そのエネルギーを生成するのが風流であろうと水流であろうと他の運動であろうと回転エネルギーから電力を生成する、いかなるタービンをも含むように意図されている。ナセル３５１は、タワー３５０の上縁端部上に設置され、概して垂直軸ｙｙの周りで回転するように構成されている。ナセル３５１は、方位制御装置によりタワー３５０上で軸ｙｙの周りで回転され、この方位制御装置は、それ自体を風向又は気流に対して向けるようにして、ナセル３５１をタワー３５０の頂部上で回転させるように構成されている。したがって、方位制御装置は、ナセル３５１を回転させて、ハブ３５２が面する方向と風向との間の角度を調整することができる。ナセル３５１は、タービン制御システムと一緒に発電機を収容し、当技術分野で知られている他のコンポーネントやセンサ、制御システムを含むことができる。風力タービン３１０は、タービン３１０とその発電機とによって生成された電力を送るための送電網（図示せず）に結合される。ナセル３５１は、ハブ３５２を回転的に支持し、ハブ３５２は、概して水平軸３９５の周りで回転するようにナセル３５１に取り付けられている。下記のように、風力エネルギーを回転エネルギーに変換するために、複数のブレード又はエーロフォイル３１６が、ハブ３５２から放射方向外方に延在する。ロータ３５２は、典型的には３枚のブレードを有するが、任意の枚数のブレード又はエーロフォイルを使用することができる。ブレード３１６は、条件に応じて、様々な長さ、形状、及び構造を有しうる。ブレード３１６のそれぞれは、ピッチ制御され、ころ軸受上でブレードの長手軸の周りでハブ３５２に対して回転して、ブレードが配置されたところの風に対してブレードのピッチ又は角度を変更する。ハブ３５２は、ブレード３１６とハブ３５２の回転とによって生じる回転エネルギーから電力が生成されるように、ロータ・シャフト及びギヤ・ボックスにより発電機に回転的に結合される。ハブ３５２の回転エネルギーから電力を生成するための発電機の動作は、当技術分野で知られている。

ハブ３５２は、ピッチ制御アクチュエータ３５３を含む。ピッチ制御アクチュエータ３５３は、ブレード３１６のピッチ角を選択的に制御するように構成され、制御システムに結合されている。この実施例では、ブレード３１６のそれぞれのピッチ角が、個々のピッチ制御アクチュエータ３５３によって個別に制御される。ピッチ制御アクチュエータ３５３は、ブレード３１６をその長手軸３９６の周りでハブ３５２に対して回転させる。軸受が設けられて、ハブ３５２に対するブレード３１６のその長手軸周りでの回転を可能とし、ピッチ制御アクチュエータ３５３は、その軸受を越えて作動する。ピッチ制御アクチュエータ３５３は概して、モータ３１１及びギヤ付きインターフェイスを含む。

したがって、風力タービン・システム３１０は、主回転軸３９５、及び３枚のブレードを有する。各ブレード３１６は、ピッチ回転軸３９６を有する。さらに、各ブレードは、角度センサ、及びピッチ・モータ３１１を有する。各ブレード３１６はまた、それ自体のピッチ制御ボックスを有する。各ピッチ制御ボックス内には、システム２１０における構成要素と同様の、電源接続部、エネルギー蓄積器、スイッチ回路網、電力センサ、及び制御装置が存在する。電源接続部は、外部ＡＣグリッド電源に取り付けられる。

図７は、中立ピッチ角におけるブレード３１６を示す。ブレード３１６上に風によってもたらされる全ての力の和は、風力の中心で表される。ブレード３１６が中立位置にある場合、風力の中心は、ピッチ回転軸３９６を通り抜けるように位置合わせされる。したがって、風力の中心は概して、ピッチ回転軸３９６の周りでブレード３１６上にトルクを生じさせない。

風力タービン・ピッチ制御システム３１０は、軽微な変更を幾つか伴って、航空機スポイラ・システム２１０とほぼ同じ態様で作動する。航空機スポイラ・システム２１０が、電源が機能停止した際に翼２６５にスポイラ２１６が衝突するのを防ぐように試みるのに対して、風力タービン・ピッチ制御システム３１０は、電源が機能停止した際にタービン・ブレード３１６をフェザー位置まで移動させて停止させられるように試みる。航空機スポイラ・システム２１０がスポイラ２１６と翼２６５との近さに基づいて制動モードを動作させる方法と同様に、ピッチ制御システム３１０は、各ブレードのフェザー位置に対する各ブレードのピッチ角に基づいて制動モードを動作させる。

説明された電気モータ制御システムは、従来技術に勝る幾つかの驚くべき利点をもたらした。対象物が実質的に中立位置に接近するのを待ってから制動を適用することにより、蓄積された電力は、より安全な位置に、即ち制動電力が損失又は使い果たされたときに対象物が外力によって加速される恐れが少ない位置に、対象物が停止させられそうなときにのみ、制動のために効果的に使用される。より具体的には、被駆動対象物が中立位置の近くにあるときにのみ制動を開始することにより、システムが対象物を中立位置に停止させる可能性が大いに高められる。電源の機能停止の際に自動的に制動をかける他のシステム（被駆動対象物が非中立位置にあるときにローカル電力を使い果たしてそれを再開させる可能性がある）とは異なり、本実施例は、被駆動対象物が制動電力無しに静止し続けることができる中立位置の近くにあるときにのみ、蓄積された電力を使い果たす。

さらに、本実施例は、中立位置に向かう被駆動対象物の運動に由来する有益な運動量が無駄にされないという利点をもたらす。例えば、被駆動対象物が中立位置に向かって移動している間に外部電力が失われた場合、システムは自動的には制動されないので、対象物を中立位置まで至らせる運動量が早すぎる制動によって失われることがない。

さらに、回生制動、発電制動、及び能動制動の、複数の制動モードを利用することにより、各制動方式の利点が組み合わされる。例えば、回生制動することにより、運動エネルギーが、蓄積された電力の供給を延長するために使用される。発電制動オプションを有することにより、システムは、純粋に回生的なシステムを制限しうる過速度状態から保護される。さらに、能動制動を有することにより、システムは、発電制動又は回生制動を効率的に行うための最低限度をモータ速度が下回るときに、停止することができる。さらに、複数の制動システムが用いられるので、システムの安全率が高められる。制動システムのうちの１つが故障しても、別のシステムを利用して被駆動対象物を停止させることができる。

さらに、電力は重大なときにのみ消耗され、電力は回生的に回収されるので、本実施例は、別の方法で使用可能とされるのよりもより小型のエネルギー蓄積デバイスを使用することができるとき、そのためコストを抑えることができる。

電気モータ・システムの目下好ましい形態をここまで図示し説明し、その幾つかの修正について論じたが、以下の特許請求の範囲によって定義され区別されるように、本発明の範囲から逸脱することなく様々な追加の変更がなされうることは、当業者には容易に理解されよう。

Claims (63)

1. 電源と、
   前記電源に接続された電気モータと、
   可動域及び前記可動域内の実質的中立位置を有する、前記モータによって駆動される対象物と、
   前記電源からの電力を検知するように構成された電力センサと、
   前記可動域の少なくとも一部分において前記対象物の位置を検知するように構成された位置センサと、
   エネルギー蓄積器と、
   前記電源及び前記エネルギー蓄積器に接続された制御装置と
   を有し、
   前記制御装置が、前記位置センサ、前記中立位置、及び前記電力センサに応じて、前記モータを制動するように構成及び配置されている
   電気モータ・システム。
2. 前記制御装置が、前記モータを発電制動するように構成された、請求項１に記載の電気モータ・システム。
3. 散逸抵抗器と直列に存在する散逸スイッチをさらに有し、前記制御装置が前記散逸スイッチを動作させるように構成され、それにより前記モータからのエネルギーが前記散逸抵抗器によって散逸される、請求項２に記載の電気モータ・システム。
4. 前記制御装置が、前記モータを回生制動するように構成された、請求項１に記載の電気モータ・システム。
5. スイッチング回路網をさらに有し、前記制御装置が前記スイッチング回路網を動作させるように構成され、それにより、前記エネルギー蓄積器が完全に充電されていないときには前記モータからのエネルギーが前記エネルギー蓄積器を充電するために使用される、請求項４に記載の電気モータ・システム。
6. 前記エネルギー蓄積器が、コンデンサ又はバッテリを含む、請求項５に記載の電気モータ・システム。
7. 前記スイッチング回路網が、Ｈブリッジ構成内に６つのスイッチ素子を含む、請求項５に記載の電気モータ・システム。
8. 前記制御装置が、前記モータを能動制動するように構成された、請求項１に記載の電気モータ・システム。
9. 制動装置アクチュエータをさらに有する、請求項８に記載の電気モータ・システム。
10. スイッチング回路網をさらに有し、前記制御装置が前記スイッチング回路網を動作させるように構成され、それにより、エネルギー蓄積器からのエネルギーが前記モータを制動するために使用される、請求項９に記載の電気モータ・システム。
11. 前記スイッチング回路網が、Ｈブリッジ構成内に６つのスイッチ素子を含む、請求項１０に記載の電気モータ・システム。
12. 前記スイッチ素子が、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１１に記載の電気モータ・システム。
13. 前記制御装置が、前記モータを選択的に能動制動、発電制動、又は回生制動するように構成された、請求項１に記載の電気モータ・システム。
14. スイッチング回路網及び散逸抵抗器をさらに有し、前記制御装置が前記スイッチング回路網を動作させるように構成され、それにより、前記モータからのエネルギーが、選択的に前記散逸抵抗器によって散逸されるか、又は前記エネルギー蓄積器が完全に充電されていないときには前記エネルギー蓄積器を充電するために使用される、請求項１３に記載の電気モータ・システム。
15. 電力整流器をさらに有する、請求項１に記載の電気モータ・システム。
16. 前記電力整流器が、全波ダイオード整流器を含む、請求項１５に記載の電気モータ・システム。
17. 前記対象物が、航空機翼上の航空機スポイラ・パネルを含む、請求項１に記載の電気モータ・システム。
18. 前記中立位置が、前記航空機翼から約４度の位置である、請求項１７に記載の電気モータ・システム。
19. 前記対象物が、発電タービン上のタービン・ブレードを含む、請求項１に記載の電気モータ・システム。
20. 前記中立位置が、フェザー位置である、請求項１９に記載の電気モータ・システム。
21. 前記位置センサが、エンコーダ、レゾルバ、又はＬＶＤＴを含む、請求項１に記載の電気モータ・システム。
22. 前記電力センサが、電圧センサ、又はＦＰＧＡ妥当性センサを含む、請求項１に記載の電気モータ・システム。
23. 前記電源が、３相ＡＣ電源を含む、請求項１に記載の電気モータ・システム。
24. 出力フィルタをさらに有する、請求項１に記載の電気モータ・システム。
25. 前記出力フィルタが、コモン・モード・フィルタ、又はディファレンシャル・モード・フィルタを含む、請求項２４に記載の電気モータ・システム。
26. 入力フィルタをさらに有する、請求項１に記載の電気モータ・システム。
27. 前記入力フィルタが、コモン・モード・フィルタ、又はディファレンシャル・モード・フィルタを含む、請求項２６に記載の電気モータ・システム。
28. ソフト・スタート・スイッチをさらに有する、請求項１に記載の電気モータ・システム。
29. 電気モータ・インターフェイスを駆動する方法であって、
    外部電源入力を提供するステップと、
    位置センサ信号入力を提供するステップと、
    スイッチ・ゲートを有するスイッチング回路網を提供するステップと、
    電気モータに接続するための電気モータ・インターフェイスを提供するステップと、
    制御装置を提供するステップと、
    エネルギー蓄積器インターフェイスを提供するステップと、
    前記外部電源入力を監視するステップと、
    前記位置センサ入力及び前記外部電源入力に応じて、前記電気モータ・インターフェイスから電力を吸収するように前記スイッチ・ゲートを動作させるステップと
    を含む方法。
30. 前記スイッチ・ゲートを動作させる前記ステップは、前記電源入力が電圧閾値より下がり、かつ前記位置センサ信号入力が位置閾値を下回るときに、前記電気モータ・インターフェイスから電力を吸収するように前記スイッチ・ゲートを動作させることを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 散逸抵抗器インターフェイスを提供するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
32. 前記エネルギー蓄積器インターフェイスが完全に充電されているかどうかに応じて、前記吸収電力を前記エネルギー蓄積器インターフェイス又は前記散逸抵抗器インターフェイスに選択的に送るステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記位置センサ入力及び前記外部電源入力に応じて、前記エネルギー蓄積器インターフェイスからの電力を使用して前記電気モータを能動制動するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
34. 前記エネルギー蓄積器インターフェイスからの電力を使用して前記電気モータを能動制動する前記ステップは、前記位置センサ入力信号の変化率が速度閾値を下回り、前記電源入力が電圧閾値よりも下がり、かつ前記位置センサ信号入力が位置閾値を下回るときに、前記電気モータを能動制動することを含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記スイッチ・ゲートを動作させる前記ステップは、前記位置センサ入力信号の変化率が速度閾値を上回り、前記電源入力が電圧閾値よりも下がり、かつ前記位置センサ入力が位置閾値を下回るときに、前記電気モータ・インターフェイスから電力を吸収するように前記スイッチ・ゲートを動作させることを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 散逸抵抗器インターフェイスを提供するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
37. 前記エネルギー蓄積器インターフェイスが完全に充電されているかどうかに応じて、前記吸収電力を前記エネルギー蓄積器インターフェイス又は前記散逸抵抗器インターフェイスに選択的に送るステップをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスが、コンデンサ又はバッテリに接続するように構成された、請求項２９に記載の方法。
39. 電力整流器を提供し、かつ前記電源入力上のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
40. 前記電力整流器が、全波ダイオード整流器である、請求項３９に記載の方法。
41. ソフト・スタート・スイッチを提供するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
42. 前記位置センサ信号入力が、エンコーダ、レゾルバ、又はＬＶＤＴに接続するように構成された、請求項２９に記載の方法。
43. 前記電気モータ・インターフェイスが、航空機翼スポイラ・アクチュエータに接続するように構成された、請求項２９に記載の方法。
44. 前記電気モータ・インターフェイスが、発電タービン・ブレード・ピッチ制御アクチュエータに接続するように構成された、請求項２９に記載の方法。
45. 前記外部電源入力が、３相ＡＣ電源用に構成された、請求項２９に記載の方法。
46. 前記外部電源入力において入って来る信号をフィルタリングするステップ、又は前記電気モータ・インターフェイスにおいて出て行く信号をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
47. 制動装置アクチュエータ・インターフェイスを提供するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
48. 電気モータのためのドライバであって、
    外部電源入力と、
    出力を有し、また前記外部電源入力を監視するように構成された電力センサと、
    出力を有する位置センサと、
    ＡＣ／ＤＣ電力整流器と、
    スイッチ・ゲートを有するスイッチング回路網と、
    電気モータに接続するための電気モータ・インターフェイスと、
    前記電力センサ出力及び前記位置センサ出力を監視するように構成され、前記スイッチ・ゲートを動作させるように構成された制御部と、
    一時的に電力を供給するためのローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスと
    を有し、
    前記制御部が、前記電力センサ出力及び前記位置センサ出力に応じて、前記電気モータ・インターフェイスから回収電力が引き出されるように、前記スイッチ・ゲートを動作させるように構成された
    ドライバ。
49. 散逸抵抗器インターフェイスをさらに有する、請求項４８に記載のドライバ。
50. 前記制御部が、前記電気モータ・インターフェイスからの電力を前記散逸抵抗器インターフェイスに向けるように構成された、請求項４９に記載のドライバ。
51. 前記制御部が前記スイッチング回路網を動作させるように構成され、それにより、前記モータ・インターフェイスからのエネルギーが、前記散逸抵抗器インターフェイスへ、又は前記ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスに接続されているローカル・エネルギー蓄積器が完全に充電されていないときには前記ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスへ、選択的に向けられる、請求項４９に記載のドライバ。
52. 前記制御部が、前記電気モータ・インターフェイスからの電力を前記ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスに向けるように構成された、請求項４８に記載のドライバ。
53. 制動装置アクチュエータ・インターフェイスをさらに有する、請求項４８に記載のドライバ。
54. 前記制御部が前記スイッチング回路網を動作させるように構成され、それにより前記ローカル・エネルギー蓄積器インターフェイスからのエネルギーが前記制動装置アクチュエータ・インターフェイスに向けられる、請求項５３に記載のドライバ。
55. 前記スイッチング回路網が、Ｈブリッジ構成内に６つのスイッチ素子を含む、請求項４８に記載のドライバ。
56. 前記スイッチ素子が、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴを含む、請求項５５に記載のドライバ。
57. 前記制御部が、前記電気モータ・インターフェイスに接続されたモータを選択的に能動制動、発電制動、又は回生制動するように構成された、請求項４８に記載のドライバ。
58. 前記電力整流器が、全波ダイオード整流器を含む、請求項４８に記載のドライバ。
59. 出力フィルタをさらに有する、請求項４８に記載のドライバ。
60. 前記出力フィルタが、コモン・モード・フィルタ、又はディファレンシャル・モード・フィルタを含む、請求項５９に記載の電気モータ・システム。
61. 入力フィルタをさらに有する、請求項４８に記載のドライバ。
62. 前記入力フィルタが、コモン・モード・フィルタ、又はディファレンシャル・モード・フィルタを含む、請求項６１に記載のドライバ。
63. ソフト・スタート・スイッチをさらに有する、請求項４８に記載のドライバ。