JP2015171241A - モータ制御器システムおよびモータを制御するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重量および体積を最小限に抑えつつ、厳しい放射線環境において動作可能なブラシレスＤＣモータシステムを提供する。【解決手段】センサレスモータ制御器は、放射線硬化フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）および逆起電力（ＥＭＦ）デコーダ回路を含む、可変リンク制御を含む。逆ＥＭＦデコーダは、モータのロータの位置を推定する。デコーダ上のフィルタは、逆ＥＭＦ信号に条件付けを行い、逆ＥＭＦ信号における位相シフトを補うために、ＦＰＧＡによって動的に制御することができる複数のカットオフ周波数を有する。ＦＰＧＡはまた、可変ＤＣリンクおよびそのデジタル速度制御ループを制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、宇宙および硬化用途のための可変リンクセンサレスブラシレス直流モータ制御器に関する。

宇宙および硬化用途におけるモータは、モータに対して非常に厳しい要求を課す、放射線および熱による制約を含む環境的制約を有し得る。重量および体積にかかる費用は、宇宙へ打ち上げられる機械設備の重要な検討事項であるため、これらのモータの寸法および重量もまた、考慮される。最後に、これらのモータは、非常に精密な測定を行う複雑な機器の一部であることが多いため、最小限かつ予測可能な電磁干渉（ＥＭＩ）の生成が非常に重要である。

センサレスモータ制御器は、モータを適正に整流するために、ロータの位置を検出する。使用可能な１つの技術は、逆起電力（ＥＭＦ）感知と称される。逆ＥＭＦ検出の背後にある概念は、ロータの位置が、モータ内の巻線上の逆ＥＭＦを調べることによって検出可能であることである。現在の設計は、逆ＥＭＦが、固定子巻線の実際の中性点を表す擬似接地に対して測定される、技術を使用する。

モータの速度は、同様に制御される。典型的に、これは、高い側もしくは低い側のいずれか、または両方の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に、パルス幅変調（ＰＷＭ）パターンを適用することによって達成される。これは、高周波数切り替え波形、ならびに広帯域周波数スペクトルノイズのために、高い電力損失をもたらす。

さらに、現在のセンサレスモータ設計は、かさばることが多く、宇宙系用途等、高温および高放射線用途における使用には適さない。このような用途に使用される機械におけるモータの配置は、一般に、精密な構成部品を高温及び放射線から遮断するのを助けるものではなく、いくつかの場合においては、それが駆動するモータまたはデバイスは、高温で動作する。現在モータ制御システムにおいて使用されている多数の構成部品は、これらの種類の動作条件には耐えることができない。

例示的なシステムは、次の要素からなる逆起電力（ＥＭＦ）検出回路を含む：可変周波数フィルタ、ＡＣ結合増幅器、ゼロ交差検出器、および逆ＥＭＦ波形に基づいて擬似整流シーケンスを作出するシュミットトリガ回路。

別の例示的なシステムは、モータの電圧および速度の調整を可能にする、速度に関するＤＣリンク電圧を調節する、フォワード全波またはブリッジコンバータからなる、可変リンク制御器を含む。

別の例示的なシステムは、擬似整流シーケンスを読み取り、所望の速度コマンドに応答して、ＤＣリンク電圧の適正な整流および調節を提供する、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。

別の例示的なシステムは、モータ速度の関数として位相シフトを最小限に抑えるために、逆ＥＭＦデコーダにおいて可変周波数フィルタの調節可能なタイミングおよび制御を通じてモータの非同期スタートアップを行う、ＦＰＧＡを含む。

別の例示的なシステムは、電流制限回路の出力を監視し、電流レベルに応じて整流およびＤＣリンクの両方を調節する、ＦＰＧＡを含む。電流制限回路は、ピークおよび平均の両方の電流レベルを監視する。

モータを制御する例示的な方法は、モータ制御器内の逆起電力デコーダ回路において、モータのロータから逆起電力信号を受信することを含む。デコーダ回路は、少なくとも部分的に、フィールドプログラム可能ゲートアレイによって制御される。逆起電力信号に、調節可能なカットオフ周波数を有するフィルタで条件付けを行う。ロータの位置は、条件付け逆起電力信号から判定される。電圧は、ロータの位置に基づいてモータを駆動するために供給される。

例示的な衛星用途には、モータ、モータ制御器、およびモータによって駆動される対象デバイスが含まれる。モータ制御器は、硬化フィールドプログラム可能ゲートアレイを含む。逆起電力デコーダ回路は、逆起電力信号に条件付けを行うように構成されるフィルタを含む。フィルタは、複数のカットオフ周波数を有する。これらの周波数は、速度の関数として、フィールドプログラム可能ゲートアレイによって動的に制御される。

開示される実施例の種々の特徴および利点は、詳細な説明から、当業者に明らかとなろう。詳細な説明に付随する図面について、以下に簡単に記載する。

センサレスＤＣ（直流）モータシステムの概略図を示す。 図１のシステムの例示的なセンサレスＤＣモータ制御器の概略図を示す。 可変ＤＣリンク制御を有する例示的な図１のシステムの概略図を示す。

図１を参照して、機械１０のための例示的なブラシレスＤＣモータシステムは、上位デバイス２０、モータ制御器２２、モータ２４、および対象デバイス２６を含む。上位デバイス２０は、モータ２４を回転または停止させるために、モータ制御器２２に信号を送信する。モータ２４は、次いで、対象デバイス２６を駆動する。

機械１０は、例えば、衛星もしくは宇宙探査機等の宇宙機、または静止軌道もしくはその上で使用するための別の機械であり得る。上位デバイス２０は、例えば、機械１０の中央処理装置であり得る。対象デバイス２６は、例えば、ポンプ、ファン、または作動装置であり得る。一実施形態において、対象デバイス２６は、衛星のための熱制御ポンプである。

図１を継続して参照しながら図２を参照して、一実施形態において、モータ制御器２２は、論理デバイス２８、デコーダ回路３０、デジタル制御ループ３６、および電流制限回路４４を含む。論理デバイス２８は、例えば、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であり得る。論理デバイス２８は、高温および高放射線条件に耐えることができるように、硬化されている。論理デバイス２８は、この例では放射線硬化されている。他の例においては、論理デバイス２８を他の手段で硬化させてもよい。論理デバイス２８は、誤った切り替え状態でのモータ制御の作動を防止するために、整流論理を用いることができる。

モータ制御器２２にはまた、逆起電力（ＥＭＦ）デコーダ回路３０も含まれる。逆ＥＭＦは、外部磁界に対するモータのロータの相対運動によって生成される。デコーダ回路３０は、この逆ＥＭＦを測定し、逆ＥＭＦから、ＤＣリンク３４からの帰還３２に対するロータ位置を推定する。逆ＥＭＦ信号は、以下に説明されるように、可変カットオフフィルタ３８を介してフィルタ処理され、複雑な逆ＥＭＦ波形の基本周波数の選択が可能となる。交流（ＡＣ）結合増幅器を使用して、逆ＥＭＦ信号を増幅することができる。逆ＥＭＦ信号のゼロ交差は、デコーダ回路３０上に組み込まれるコンパレータを使用して判定することができる。次いで、これらのゼロ交差を使用して、モータ２４を駆動するための波形を作出することができる。一実施例において、整流シーケンス信号は、逆ＥＭＦ波形に基づいて擬似整流シーケンスを作出する、シュミットトリガ回路によって提供される。論理デバイス２８は、整流シーケンスを読み取り、所望の速度コマンドに応答して、適正な整流およびＤＣリンク３４の電圧の調節を提供することができる。

ＤＣリンク帰還３２に対する逆ＥＭＦ信号の直接測定は、ＤＣリンク電圧が２８ボルトであるため、可能であり、より高い電圧は、共通モード電圧を好適なレベルまで低減させるために、補償抵抗分割器を使用して測定することができる。可変ＤＣリンク３４制御器は、フォワード全波またはブリッジコンバータを含み得る。次いで、推定されたロータ位置を使用して、モータ２４の整流およびモータ２４の速度を制御する。デジタル制御ループ３６を使用して、モータ２４の速度を調整することができる。論理デバイス２８はまた、製造誤差および電気的誤差を補償するために、導出されたロータ位置信号の位相を調節することができる。

デコーダ回路３０は、逆ＥＭＦ信号に条件付けを行うためのフィルタ３８を含む。フィルタ３８は、論理デバイス２８によって制御される。フィルタ３８は、可変である複数のカットオフ周波数を有する。カットオフ周波数は、ロータ速度が変化する際、論理デバイス２８によって絶えず調節され得る。これにより、逆ＥＭＦ信号の最小限の位相シフトが可能となる。このようなフィルタ３８の使用は、デコーダ回路３０から出力される波形が、ロータ位置センサを含み、１２０°の切り替えパターンを利用するモータ制御器の出力を模倣することを可能にする。これは、本モータ制御器設計が、既存のモータ機械設備と併せて比較的容易に実装されることを可能にする。

モータ制御器２２は、電流制限回路４４をさらに含み得る。電流制限回路４４は、高放射線環境において、イオンによって誘発される放射線の混乱から、モータ制御器２２を保護することができる。電流制限回路４４は、ピークおよび平均の両方の電流レベルを測定し、それらに別個に応答するように構成され得る。一実施例において、論理デバイス２８は、電流制限回路４４の出力を監視し、電流レベルに応じて、整流信号およびＤＣリンク３４の両方を調節することができる。

モータ２４は、論理デバイス２８によって生成される、モータ制御器２２からの非同期電界を適用することによって始動し得る。モータ２４が回転を開始すると、ロータの位置を、上述したように、逆ＥＭＦの検出によって判定することができ、論理デバイス２８は、モータ２４を整流するために同期電界に切り替わり得る。

図３を参照して、機械１０のための例示的なブラシレスＤＣモータシステムの代替的な実施形態には、上位デバイス２０、モータ制御器２２、モータ２４、および対象デバイス２６が含まれる。上位デバイス２０は、モータ２４を回転または停止させるために、モータ制御器２２に信号を送信する。モータ２４は、次いで、対象デバイス２６を駆動する。モータ２４は、１つ以上のＦＥＴ４０によってＤＣリンク３４から電力を受信する。ＤＣリンク３４の電圧の制御は、モータ２４に電力を供給するための可変ＤＣリンク３４電圧を提供する、フォワードコンバータ４２によって達成される。電力は、１つ以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４０を介してモータ２４に供給され、ＤＣリンク信号の振幅変調によって、多様であり得る。電力損失は、ＦＥＴ４０が、ＤＣリンク３４信号がこの方式で制御される場合、低周波数で切り替え可能であるため、最小限に抑えられる。一実施例において、ＦＥＴ４０は、１００〜１０００Ｈｚの範囲内の周波数で、切り替えることができる。ＦＥＴ４０は、高温および高放射線条件に耐えることができるように、放射線硬化されてもよい。さらに、ＤＣリンク帰還３２の電圧は、逆ＥＭＦが、前述のように、ＤＣリンク帰還３２に関して感知され得るように、十分に低く保つことができる。

この設計は、一般に、モータ制御器２２の電気回路の複雑性を減少させ、デジタル信号処理の必要性を排除し、ＦＰＧＡ等のより単純な論理デバイスを使用して、より複雑なモータ整流システムを完全に置き換えることを可能にする。例えば、位相ブリッジ駆動電気回路は、光結合または変換器を利用するのに十分に単純であり得る。

フォワードコンバータ４２を、さらに、双方向の電流フローのために設計することができ、これは、機械１０が回生モードで動作している際、モータ制御器２２が、上位デバイス２０に電力を送り返すことを可能にする。さらに、フォワードコンバータ４２は、ＦＥＴ４０よりも高い周波数で、切り替え機能を行うことができ、電力損失をさらに低減させるために、そのように設計されてもよい。

モータ２４に供給される電力が、ＤＣリンク信号の振幅変調によって制御されているため、電磁干渉の周波数スペクトルは、照射磁界のように、一定である。これは、磁界メータを搭載した宇宙探査機等、磁界がモータ２４の付近で測定される用途における、この設計の実装を可能にする。

上述の例示的なセンサレス整流および速度制御技術は、重量および体積を最小限に抑えながらも、厳しい放射線環境において動作可能である、ブラシレスＤＣモータシステムの作製を可能にする。一実施例において、逆ＥＭＦは、ＤＣリンク帰還３２に関して測定される。この実施例の特徴には、回路の単純性および低減されたノイズ、ならびにセンサなしで感知された信号の生成を可能にする、位相角補償が含まれる。別の実施例において、電力段は、整流のみに使用され、速度制御は、ＤＣリンク３４の変動によって提供される。この実施例の特徴には、一定周波数シグネチャの生成が含まれ、これは、複雑かつ精密な機器との干渉を排除するように、いずれの宇宙機においても補償可能である。

前述の説明は、制限的ではなく例示的な性質である。必ずしも本開示の本質から逸脱するものではない、開示される実施例に対する変形および修正が、当業者に明らかとなり得る。したがって、本開示に与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。

Claims (15)

1. モータ制御器システムであって、
   硬化フィールドプログラム可能ゲートアレイと、
   少なくとも部分的に、前記フィールドプログラム可能ゲートアレイによって制御される逆起電力デコーダ回路と、
   前記デコーダ回路において逆起電力信号に条件付けを行うように構成されるフィルタと、
   を備え、
   前記フィルタは、少なくとも１つのカットオフ周波数を有し、前記少なくとも１つのカットオフ周波数が、前記フィールドプログラム可能ゲートアレイによって動的に制御されることを特徴とするモータ制御器システム。
2. 前記硬化フィールドプログラム可能ゲートアレイは、放射線硬化される、請求項１に記載のモータ制御器システム。
3. モータの速度を調整するように構成される、デジタル制御ループをさらに備える、請求項１に記載のモータ制御器システム。
4. 電流制限回路をさらに備え、前記電流制限回路は、平均電流およびピーク電流に別個に応答するように構成される、請求項１に記載のモータ制御器システム。
5. 前記フィールドプログラム可能ゲートアレイは、誤った切り替え状態での前記モータの作動を防止するための整流論理を備える、請求項１に記載のモータ制御器システム。
6. ロータ位置信号は、直流リンク帰還に関する前記逆起電力信号に基づいて推定される、請求項１に記載のモータ制御器システム。
7. 前記ロータ位置信号は、１２０°切り替えパターンの波形信号を模倣する、請求項７に記載のモータ制御器システム。
8. 前記フィールドプログラム可能ゲートアレイは、製造上および電気的な誤差を補償するために、前記ロータ位置信号の位相を調節するように構成される、請求項７に記載のモータ制御器システム。
9. 前記モータは、前記フィールドプログラム可能ゲートアレイによる非同期フィールドの適用によって始動され、前記非同期フィールドは、逆起電力が検出された後に同期フィールドに切り替わる、請求項１に記載のモータ制御器システム。
10. 前記モータ制御器システムは、モータを制御するように構成され、前記モータは、宇宙機上の対象デバイスを駆動する、請求項１に記載のモータ制御器システム。
11. 前記モータ制御器システムは、対象デバイスを駆動するモータを制御するように構成され、前記対象デバイスは、ポンプ、ファン、または作動装置のうちの１つである、請求項１に記載のモータ制御器システム。
12. 前記デコーダ回路は、交流（ＡＣ）結合増幅器をさらに備える、請求項１に記載のモータ制御器。
13. 前記デコーダ回路は、ゼロ交差検出器をさらに備える、請求項１に記載のモータ制御器。
14. モータを制御するための方法であって、
    モータ制御器内の逆起電力デコーダ回路において、モータのロータから逆起電力信号を受信するステップであって、前記デコーダ回路は、少なくとも部分的に、硬化フィールドプログラム可能ゲートアレイによって制御される、逆起電力信号を受信するステップと、
    前記逆起電力信号に、前記デコーダ回路内のフィルタにより条件付けを行うステップであって、前記フィルタは、少なくとも１つのカットオフ周波数を有し、前記少なくとも１つのカットオフ周波数は、前記フィールドプログラム可能ゲートアレイによって動的に制御される、条件付けを行うステップと、
    前記条件付けが行われた逆起電力信号から前記ロータの位置を判定するステップと、
    前記ロータの前記位置に基づいて、前記モータを整流するために電圧を供給するステップと、
    を含む、方法。
15. １つ以上の放射線硬化電界効果トランジスタを使用して、前記モータに電力を供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。

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