JP2017502640A - モータコイルのタイミング方法 - Google Patents

Abstract

スイッチドリラクタンスモータは、モータのロータの位置を検知して、ロータの回転あたりのロータの１つまたは複数の位置のタイミングのインジケーションを提供し、これらのインジケーションから、上記の検知によって示されるタイミング間のロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングのインジケーションを導出し、次いで、それらの時間においてモータのステータコイルに通電することによって制御される。【選択図】図８

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータに関し、特にモータのコイルの駆動のタイミングを取る方法に関する。

代表的なスイッチドリラクタンスモータを、図１Ａ、図１Ｂ、および図２から図４に示す。この例は、ステータ１上の好ましくは等間隔に離間した６個の磁極２と、ロータ４上の好ましくは等間隔に離間した４つの磁極３との組合せ（よくあるもの）を有する。この例では、ステータ磁極は、ステータリング５から内向きに突出しており、このリングが、ステータの磁極間に低リラクタンス材料の経路を形成している。

ロータは、やはり低リラクタンス材料の十字形の積層のスタックで構成される。したがって、各ロータ磁極は、以下で明らかになる理由から、低リラクタンス経路によって、正反対に位置するロータ磁極に接続される。したがって、符号で示すように、低リラクタンス経路によって磁極Ｕは磁極Ｕ’に接続され、磁極Ｖは磁極Ｖ’に接続される。

ステータの各磁極には、コイル６が巻き付けられており、これらのコイルは、対として配列されている。各対は、モータの回転軸を通るそれぞれの直径の両端にあるコイルを含む。この場合には、したがって、これらの対は、符号で示すように、ＡＡ’、ＢＢ’、およびＣＣ’である。対になっているコイルは、モータ制御回路１０（図５）から同時に電流を供給され、ある意味では、一方が回転軸に向かう磁場を形成し、もう一方が回転軸から離れる磁場を形成するようになっている。これらの図面では、コイル上の矢印は、そのコイル内の紙面より上方の部分の電流の方向を表しており、破線矢印は、磁束を表している。通電されたコイルおよびそのそれぞれの磁極によって生成される磁束は、共に、概ねそれらの間を結ぶ直径に沿って形成され、その後ステータリングに（両円周方向に）沿って、対を構成するもう一方の通電されたコイルまで流れる。

ロータは、通電されたステータ磁極対の間の空間の磁力線の分布を修正する。ロータの１対の正反対の磁極が通電されたステータ磁極対の間を結ぶ直径に沿って位置合わせされるようなロータ位置は、その位置合わせされたロータ磁極と、通電されたステータ磁極と、ステータリングとからなるロータを含む磁気回路のリラクタンスが最小となるロータ位置である。ロータ磁極ＵとＵ’とがステータ磁極ＡとＡ’との間で位置合わせされている例を、図１Ｂに示す。したがって、このような位置は、磁気エネルギーが最小となる位置である。例えば図１Ａに示すような合わせられていない位置でも、磁束は、やはり、ロータの磁極の間の低リラクタンス経路に沿って流れているので、この磁束は、ステータの通電された磁極の間を結ぶ直径から逸れ、結果として、磁束が超えなければならないロータの磁極とステータの磁極の間の空気ギャップが大きくなり、磁気回路のリラクタンスが増大し、磁気エネルギーが増大することになる。そのため、ロータが合わせられていない場合には、ロータを位置合わせされる位置に引き寄せるトルクが存在する。

動作回転速度では、モータは、ロータの磁極を回転方向に進めるために、ステータコイルの各対を順番に通電することによって駆動される。したがって、例えば、ロータが図１Ａの位置にあり、また時計回りに回転していて、ロータの磁極ＵおよびＵ’がステータの磁極ＡおよびＡ’に接近しているときには、ＡおよびＡ’のコイルに通電されて、ＵおよびＵ’がＡおよびＡ’に引き寄せられる。ＵおよびＵ’がコイルＡおよびＡ’と合っている図１Ｂの位置に到達すると、ＡおよびＡ’はオフにされ（図２）、これにより、ロータは、減速されることなく、またはＡおよびＡ’に引き戻されることなく、回転し続けることができる。この時点でも、ロータ磁極ＶおよびＶ’が、コイルＢおよびＢ’のステータ磁極に接近しているので、ＢおよびＢ’に通電して（図２）、ロータ磁極ＶおよびＶ’を、ＢおよびＢ’に向かって時計回りの順方向に引き寄せる。

ＶおよびＶ’がコイルＢおよびＢ’と合っている図３の位置に到達すると、ＢおよびＢ’はオフにされ、これにより、ロータは、減速されることなく、またはＢおよびＢ’に引き戻されることなく、回転し続けることができる。この時点では、ロータ磁極Ｕ’およびＵが、コイルＣおよびＣ’のステータ磁極に接近しているので、コイルＣおよびＣ’に通電して、ロータ磁極Ｕ’およびＵをＣおよびＣ’に向かって時計回りに順方向に引き寄せる。

ＵおよびＵ’がＣおよびＣ’に合っている図４の位置に到達すると、コイルＣおよびＣ’はオフにされ、これにより、ロータは、減速されることなく、またはＣおよびＣ’に引き戻されることなく、回転し続けることができる。この時点では、ロータ磁極Ｖ’およびＶが、コイルＡおよびＡ’のステータ磁極に接近しているので、コイルＡおよびＡ’に通電して、ロータ磁極Ｖ’およびＶをＡおよびＡ’に向かって時計回りに順方向に引き寄せる。

Ｖ’およびＶがＡおよびＡ’に到達した時点で、ロータは９０°回転しており、したがって、ロータは４回回転対称ということになるので、実質的に図２と同じ位置にあり、そのため、コイルＢおよびＢ’に通電し、次いでＣおよびＣ’に通電し、次いでＡおよびＡ’に通電するサイクルを繰り返して、ロータをさらに９０°進める。以下、同様にしてロータを進めていく。

当技術分野で既知の通り、例えば、両方のコイルが電流によって駆動され、ロータ磁極がそれらのコイルを通過してコイルのインダクタンスが変化するときにコイルによって生成される検知信号に応じて、コイルは、特定のロータ回転角でオン／オフが切り替えられる。第１の既知のモータ制御回路１０を、図５に示す。これは、ＤＣ電源２０の両端間に並列に接続された複数のステータコイル対を含む。互いに並列に接続されたコイルＡおよびＡ’は、スイッチ２１および２２を閉じることによって通電され、同様に、コイルＢおよびＢ’は、スイッチ２３および２４を閉じることによって通電され、コイルＣおよびＣ’は、スイッチ２５および２６を閉じることによって通電される。これらのスイッチは、制御回路１０によって駆動され、制御回路１０は、コイルに通電するときにスイッチを閉じる。コイルＡおよびＡ’が共通のスイッチの対によって駆動される（同様に、各コイル対ＢおよびＢ’、ならびにＣおよびＣ’も、それぞれ対応する共通のスイッチを有する）ようにすれば、上述のコイル通電パターンを実現するのに十分である。スイッチ２１から２６は、例えば、ＦＥＴまたはＩＧＢＴトランジスタを用いる。電流の測定値は、モータ制御回路１０がロータの位置を決定し、スイッチ２１から２６の動作のタイミングを順番に決定するために用いられる。特に、当技術分野で既知の通り、コイルは特定の回転角でオン／オフが切り替えられる。

さらに詳細には、図５の制御回路１０は、両方のコイルが電流によって駆動され、ロータ磁極がそれらのコイルを通過してコイルのインダクタンスが変化するときにコイルが生成する信号を検知する。この制御回路は、ＤＣ電源２０に対して並列に接続された複数のステータコイル対を含む。この電源の電圧は、適用分野によって決まり、例えば、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、または３００Ｖとすることもできる。互いに並列に接続されたコイルＡおよびＡ’は、スイッチ２１および２２を閉じることによって通電され、同様に、コイルＢおよびＢ’は、スイッチ２３および２４を閉じることによって通電され、コイルＣおよびＣ’は、スイッチ２５および２６を閉じることによって通電される。これらのスイッチは、スイッチ制御装置２７によって駆動され、スイッチ制御装置２７は、コイルを通電するときにスイッチを閉じる。各コイル対の電流は、コイルと直列に接続された抵抗２８によって検知され、その結果として、電流に比例する電圧信号が得られる。この電圧信号は、ロータ位置を決定するために用いられる。このロータ位置は、スイッチ２１および２２、２３および２４、ならびに２５および２６の動作のタイミングを決定するために用いられる。

モータ制御回路１０は、コイルからの信号を、制御ループを構成するいくつかのステージで処理する。位置推定器３０は、コイル電流を示す信号を受信し、継続的にそれらの信号からロータの位置を演算して、ロータ位置信号３１を出力する。この演算は、マイクロコントローラによって実行され、複雑なアルゴリズムを必要とする。速度推定器３２は、この信号を時間に関して微分して、ロータ速度信号３３を出す。制御ループは、入力信号すなわち速度コマンド信号３５によって設定されるモータの速度を制御するように設計され、減算器３６が速度コマンド信号とロータ速度信号の差に基づいて、速度誤差信号３７を生成する。ループ制御装置３８、例えば、この場合には比例積分制御装置は、この信号を使用して、モータのトルクコマンド３９を調整する。モータの定常状態での速度に適用されるトルクの関係は、概ね単調増加する。そのため、制御装置３８は、モータが要求よりあまりに低速で動作していることを速度誤差が示す場合には、指令するトルクを増大させ、モータが指令より高速で動作している場合には、指令するトルクを減少させる。また、制御装置３８は、ループの応答を滑らかにするために、制御ループを循環する信号をフィルタリングする。

もちろん、モータ１は、トルクコマンドによって直接制御されるわけではなく、トルクコマンド３９は、モータのスイッチに対する制御角度４２に変換される。これらの角度は、モータのスイッチが駆動されるときのロータの角度であり、特に、コイル対がオンにされる角度、コイル対を「フリーホイール」させる角度、およびコイル対がオフにされる角度である。

コイル対をオンにするためには、そのコイル対に関連するスイッチをオンにする（コイルＡおよびＡ’の場合には、スイッチ２１および２２）。フリーホイールモードでは、両コイルを電源の正極に接続するスイッチ（例えば２１）を開くが、電流はダイオードを通じて流れ続ける。オフ角度では、両スイッチを開き、コイル内の電流はもう一方のマークされたダイオードを通ってグランドに流れて、スイッチを開いた後、短期間で放電する。（あるいは、フリーホイールモードでは、両コイルを電源の負極に接続するスイッチを開いて、電流がそのコイル対およびもう１つのマークされたダイオードを流れ続けるようにしてもよい。フリーホイールモードで２つのスイッチのうちどちらを開くかを、交互に行うようにして、両スイッチによって放電する電力を両スイッチ間で均衡させることもできる。）

トルクコマンド信号からこれらの角度への変換は、参照テーブル４１によって行われる。所望のトルクを提供するために必要な角度は、ロータの速度によって決まるので、ロータ速度信号３３も参照テーブル４１に提供されて、そのトルクおよび速度に対する角度が得られる。これらの角度は、所望の負荷に接続されている状態でモータを駆動しているときに、経験的に決定される。

参照テーブル４１によって生成される角度４２は、スイッチ制御装置２７に渡され、スイッチ制御装置２７は、角度４２がロータ位置信号３１と一致したときに角度４２に応じてスイッチを駆動する。さらに詳細には、供給される角度４２は、各コイル対で同じであり、コイル対の角位置に対する相対的なものである。スイッチ制御装置２７は、どのコイル対を次に駆動するかを常時監視しており、３０°をモジュロとしてロータ位置値３１を角度４２との比較に使用する。

回路ブロック３０、３２、３６、３８、４１および２７は、マイクロコントローラによって実現されることが好ましい。第２の既知の制御回路を図６および図７に示す。

図６は、モータ１のロータシャフトに取り付けられて、シャフトと共に、それによりロータと共に回転する磁気センサリング５０を備える、モータを示す図である。センサリングは、シャフトに沿ってロータからある距離のところに、モータ自体との磁気干渉を回避するように位置している。（この図はシャフトの軸に沿った図であるので、この距離は図面では明らかでない。）センサリングは、８個のセクタに分けて径方向に着磁され、各セクタは逆方向に着磁されている。３つのホール効果センサ５１、５３、および５５が、リング５０の外側の短い距離の位置に、ステータに対して静止した状態で取り付けられる。これらのセンサは、リングの円周の一部に沿って、円周方向に互いに３０°刻みで離間して分散配置されている。この組合せは、リングの各Ｎ／Ｓ境界（これらは、センサにとってはＳ／Ｎ境界と明確に異なる）が、ロータおよびリングが３０°回転するたびに１つのセンサを通過して３つのセンサを順番に通過し、その後、９０°回転した後に、次のＮ／Ｓ境界が、それらのセンサを３０度間隔で同じ順序で通過し、以下同様に回転していくということを意味している。Ｎ／Ｓ境界がセンサ５１、５３、５５を通過するたびに、それに関連する信号処理電子機器が、それぞれの導体上で、その時点におけるそれぞれのパルス信号５２、５４、５６を生成する（図７）。３つのホール効果センサからのこれらのパルスは、図５の制御回路のコイルを流れる電流信号の特徴として、同じ周波数で、互いに角分離して発生する。

これらの信号５２、５４、５６は、以下のように使用される。速度推定器３２’は、これらのパルス間の時間を使用して、ロータの角速度を推定して、ロータ速度信号３３を提供する。（リソース集約的な位置推定器は必要ない。）スイッチ制御装置２７’は、それぞれの導体上のパルス５２、５４、５６を使用して、コイルＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’の各対のスイッチのタイミングを取る。スイッチ制御装置２７’は、制御ループから供給される角度４２’およびロータ速度信号から、スイッチの動作の時間のずれを計算する。これらの角度４２’は、最初に、ロータに対する磁気リング５０のＮ／Ｓ境界の角度位置を見込むように、参照テーブル４１から提供される角度４２から角度ずれ補正器４３が調整する。必要なずれ調節量（ＥＯＬ（エンドオブライン）値４４）は、磁気インジケータリング５０をロータシャフト上の適所に完備したモータの製造工程の最後に測定され、モータ制御回路１０’にプログラムされる。このずれは、ロータ磁極がコイル（Ａ、またはＢ、またはＣ）のステータ磁極を通過する角度と、そのロータ磁極に対応するＮ／Ｓ境界がそのコイルに対応するセンサ５１、５３、５５を通過する角度との間の差である。図５の回路では、コイルが生成する電流信号がステータ磁極を通過するロータ磁極に自動的に位置合わせされるので、この調整量は必要とされなかったものである。その他、図７の回路の残りの部分は、図５の回路と同様に動作する。

また、当技術分野で既知の通り、このモータでは、ステータ磁極およびロータ磁極の数は他の組合せであってもよい。これらは、順方向のロータのトルクを維持するために、コイルの通電サイクルが異なる。これらの磁極数の共通する関係は、ロータ磁極よりステータ磁極の方が２つ多く、両方とも偶数であるということである。磁極数の選択では、通常は、モータの動作速度、動作電力、トルクリップル（モータから供給されるトルクのロータ角度による変動）の許容可能レベル、および必要とされる回路を考慮に入れる。

最後に、このようなモータでは、トルクの均衡という理由から、互いに正反対に位置する対になったコイルに通電することが通常は一般的に好ましいことに留意されたい。

本発明によれば、スイッチドリラクタンスモータの制御回路であって、
前記モータのステータコイルに接続され、前記コイルが通電されるかどうかを制御するための制御可能なスイッチと、
ロータの位置に反応して、前記ロータの回転あたりの前記ロータの１つまたは複数の位置のタイミングのインジケーションを提供する位置センサと、
前記ロータ位置のタイミングの前記インジケーションを受信し、前記位置センサによって示されるタイミング間の前記ロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングの１つまたは複数のインジケーションを提供するようにつながれた位置補間器と、
前記位置補間器から前記タイミングの前記インジケーションを受信して、前記スイッチを駆動するのに関係するスイッチ制御信号のタイミングを決定するようにつながれたスイッチ制御装置とを含む、制御回路が提供される。

推定位置のタイミングを提供するために補間を行うことによって、本発明では、複数の位置センサは不要となる。制御回路は、単一の位置センサしか含まないことが好ましい。位置補間器は、単一の位置センサからのロータ位置のタイミングのインジケーションを受信するように接続されることが好ましい。

本発明は、補間器を使用して（単一の位置センサによって示されるタイミング）ロータの推定位置のタイミングのインジケーションを提供することによって、センサは１つしか必要でなくなるということを認識している。これにより、制御システムが簡略化され、そのコストを削減することができる可能性がある。実際に、専用センサを必要とする代わりに、補間器からの推定位置のタイミングを使用して、これらのタイミングを検知することができる（図６に示す従来技術の例の場合と同様）。

前記スイッチ制御装置は、前記スイッチを駆動するのに関係するスイッチ制御信号のタイミングを決定するために、前記位置センサからも前記タイミングの前記インジケーションを受信するように接続される。

前記位置補間器は、前記ロータ速度が現在は一定であるという仮定に基づいて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定するように接続される。

前記位置補間器は、前記ロータ速度が現在は一定であり、前記速度が前記ロータの測定速度であるという仮定に基づいて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定するように接続される。前記位置補間器は、前記位置センサからの前記ロータ位置の前記タイミングの前記インジケーションに基づいて前記測定速度を受信するように接続される。

前記位置補間器は、前記ロータの加速度を考慮に入れて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定するように接続される。この場合、過渡応答が高速になり、過渡動作中の効率が高くなる傾向がある。

前記位置補間器は、前記ロータの速度の測定値から前記モータの加速度を推定し、前記加速度の推定値から前記ロータの将来の速度を推定し、前記将来の速度を用いて、前記ロータが特定の位置に到達する時間を推定するように接続される。

前記位置補間器は、補正因子を適用することによって前記ロータの加速度を考慮に入れるように構成される。前記ロータの前記１つまたは複数の推定位置のタイミングは、後に前記補正因子によって調節される（例えば前記補正因子を乗算される）初期推定に基づいている。前記補正因子は、参照テーブルから読み取られる。前記制御回路は、前記参照テーブルが記憶されるメモリモジュールを含む。前記参照テーブル中の前記補正因子の値は、経験的に得られる。参照テーブルは、トルクコマンドおよび／またはロータ速度値に応答して、補正因子を提供する。参照テーブルは、モータの温度および／またはバッテリの電圧降下など他の変数に応答して、補正因子を提供する。

補正因子の参照テーブルを有することは、制御回路のコア実装を様々な異なる適用分野／ロータで同じままにすることができ、補正テーブル中の値のみを調整すればよい（これらの値は、個々の適用分野、ロータ慣性、負荷、および／または製品性能に特有のものである）ので、特に有利であると考えられる。これにより、使用することができるシナリオという点で、構成を比較的柔軟にすることができる。制御回路は、所要モータトルクによって決まる、スイッチを駆動するロータ角度を前記スイッチ制御装置に提供するようにつながれた制御ループを含むこともあり、前記スイッチ制御装置は、前記スイッチ制御信号のタイミングの決定もこれらの角度に基づいて行うように接続される。

前記制御ループは、
前記ロータの１つまたは複数の位置のタイミングの前記インジケーションを受信し、そこからロータ速度値を提供するように接続された速度推定器と、
前記ロータ速度値を受信し、前記ロータ速度値と速度コマンド値との差を取って速度誤差値を形成するようにつながれた減算器と、
前記速度誤差値に応答して、前記ロータ速度が前記速度コマンド値未満である場合にはトルクコマンドを増大させ、前記ロータ速度値が前記速度コマンド値を超える場合には前記トルクコマンドを減少させるようにつながれたループ制御装置と、
前記トルクコマンドおよび前記ロータ速度値に応答して、前記ロータ角度を提供する、参照テーブルとを含むこともある。

制御ループは、前記参照テーブルからの前記ロータ角を前記位置センサのずれを見込んだ値で調整するようにつながれたずれ補正器を含むこともある。

本発明は、また、
ロータおよびステータコイルを含むスイッチドリラクタンスモータと、
前記モータの前記ステータコイルに接続された本発明による制御回路と、
前記モータの前記ロータに連結されてそれによって駆動されるコンプレッサホイールを有する過給機とを含む装置も提供する。

本発明は、さらに、スイッチドリラクタンスモータを制御する方法であって、
単一のセンサを使用して前記モータのロータの位置を検知して、前記ロータの回転あたりの前記ロータの１つまたは複数の位置のタイミングのインジケーションを提供することと、
前記ロータ位置のタイミングの前記インジケーションから、前記検知によって示される前記タイミング間の前記ロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングのインジケーションを導出することと、
前記推定位置の前記タイミングの前記インジケーションに応じて決定される時間に前記モータのステータコイルに通電することとを含む、方法を提供する。

この方法は、前記ロータ位置の前記タイミングの前記インジケーションに応じて決定される時間に、前記モータのステータコイルに通電することを含む。

上記の導出は、ロータ速度が現在一定であるという仮定に基づいて前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定することを含む。上記の推定は、前記ロータの測定速度に基づく。測定速度は、前記ロータ位置の前記タイミングの前記インジケーションに基づく。

上記の導出は、前記ロータの加速度を考慮に入れて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定することを含む。上記の推定は、前記ロータの速度の測定値から前記モータの加速度を推定することと、前記加速度の前記推定値から前記ロータの将来の速度を推定することと、前記将来の速度を使用して、ロータが特定の位置に到達する時間を推定することとを含む。上記の推定は、前記ロータの前記１つまたは複数の推定位置の前記タイミングの初期推定を行うことと、補正因子を適用することによって、前記ロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングを得ることによって、前記初期推定を調整することとを含む。補正因子は、参照テーブルから読み取られる。補正因子は、初期推定がロータの加速度を考慮に入れるように補正されるようになっている。

本発明は、また、スイッチドリラクタンスモータで過給機のコンプレッサホイールを駆動することも実現する。

次に、添付の図面を参照して、本発明の例について説明する。

既知のスイッチドリラクタンスの動作速度における動作時の、ロータの回転の連続したステージまたは相を示す図である。 既知のスイッチドリラクタンスの動作速度における動作時の、ロータの回転の連続したステージまたは相を示す図である。 既知のスイッチドリラクタンスの動作速度における動作時の、ロータの回転の連続したステージまたは相を示す図である。 既知のスイッチドリラクタンスの動作速度における動作時の、ロータの回転の連続したステージまたは相を示す図である。 図１などのモータの第１の既知の制御回路を示すブロックである。 図１などのモータの第２の既知の制御回路、および本発明によるモータ制御回路の一例の両方で使用される、図１などのモータに取り付けられた磁気位置インジケータリングを示す図である。 図１のモータのための第２の既知の制御回路を示すブロック図である。 本発明による図１などのモータの制御回路の一例を示すブロック図である。 図８の回路の一部分をさらに詳細に示すブロック図である。 本発明のさらに別の実施形態による参照テーブルを示す図である。

図８は、本発明による例示的なモータ制御回路１０’’を示すブロック図である。このモータ制御回路は、図７の従来技術の回路と同様の要素を有するが、大きな違いがある。磁気インジケータリング５０（図６）は、この場合も、８個の交互に着磁されたセクタを有しているが、これはただ１つのホール効果センサ５７によって検知される。この場合も、これはインジケータリングのＮ／Ｓ境界がセンサ５７を通過するたびに、したがってロータが９０°回転するたびに１回、すなわちロータの磁極ごとに１回、パルス信号５８を出す。

速度推定器３２’’は、異なる形態を有する。この例では、速度推定器３２’’は、１つのホール効果センサ５７からのパルス５８間の時間から、ロータ速度信号を算出する。

この例では、制御ループ上の次の物品は、図５および図７の例と同様に、減算器３６、ループ制御装置３８、および参照テーブル４１である。したがって、これらは、必要とされるステータコイルの切替え角度を提供する。この場合も、図７の回路と同様に、角度４２は、ＥＯＬ値４４を使用して角度ずれ補正器４３によって調整される。

スイッチ制御装置２７’’の構成も異なっている。この場合も、スイッチ制御装置２７’’は、ずれ調節済みのスイッチ角度４２’を角度ずれ補正器４３’から受信するが、この例では、以下に述べる位置補間器５９と協働する。（この例では、ホール効果センサ５７が１つしかないので、角度ずれ補正器４３’から供給されるＥＯＬずれ値４４’は、センサ５７を通過する磁気リング５０の各Ｎ／Ｓ境界と、例えばコイルＡなど特定のコイルを通過する各ロータ磁極との間の角度のみである。）

スイッチ制御装置２７’’および位置補間器５９のさらに詳細なブロック図を図９に示す。位置補間器５９は、ホール効果センサ５７からのパルス５８にも応答する、クロック信号６１をカウントする第１のカウンタタイマ６０を有する。ホール効果センサの各パルスごとに、カウンタタイマ６０で得られるカウントはゼロリセットされるが、その値は、除算器６２によって３で割った後に、第２のカウンタタイマ６４の目標レジスタ６３に入れられた後でラッチされる。第２のカウンタタイマ６４のカウンタ６５も、ＯＲゲート６６を介して、ホール効果センサ５７からのパルス５８によってゼロリセットされる。第２のカウンタタイマ６４の比較器６７は、カウンタ６５が目標レジスタ６３と等しくなると、周期出力パルス６８を出力する。したがって、目標レジスタ６３中の値によって規定される間隔は、ロータが直近の９０度の回転に要した時間の３分の１である。したがって、第２のカウンタタイマ６４からのパルス６８は、モータの速度が一定であると仮定した場合の、モータの３つの後続のコイル位相の予想開始時点を示している。

３状態カウンタ７１は、パルス６８をカウントして、ＡＡ’、ＢＢ’、またはＣＣ’のうちどのコイル対に通電するかを常時監視する。３状態カウンタ７１は、コイル対に対応する３つの出力を得る。各出力は、パルス６８のうちの１つの、対応するコイルに通電するタイミングを有するパルスを有する。

これらのパルス６０は、スイッチ制御ユニット２７’’が、スイッチ２１から２６の駆動のタイミングを取るために使用され、各パルスは、連続的に、コイル対ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’、ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’…のタイミングを取る。

一定のロータ速度という仮定は、モータが有意に加速するために多数の回転を要する多くの動作条件において妥当な仮定である。これは、ロータ位置の推定が、ホール効果センサ５７がパルス出力するたびに、すなわち１回転あたり数回（すなわちこの場合には４回）、変更されるからである。

ロータの正の加速時には、位置補間器５９は、以下のように動作する。ホール効果センサからのパルス５８の後、第２のカウンタタイマ６４からの３つ目のパルスは、ホール効果センサからの次のパルスの後に発生することになるが、これは、その次のホール効果パルスによって引き起こされる目標レジスタ６３の再ロードおよびカウンタ６５のゼロリセットによって抑制される。

減速時には、第２のカウンタタイマ６４からの３つ目のパルスが発せられるが、ホール効果センサからの次のパルスより若干先行することになる。ただし、カウンタ６５は、カウントを再び開始するが、次のホール効果センサパルスによってすぐにゼロリセットされるので、次の３つのパルス６８は、そのパルスに対してタイミングが合わせられる。なお、位置補間器５９は、ホール効果センサからのパルスと同時に自動的にパルスを発するのではなく、そのパルスの後で定期的に発するだけである。出力パルスは、モータの速度が一定である場合には、ホール効果パルスと同時に発生することになる。

図９の回路は、マイクロコントローラによって実現され、カウントに達したときにソフトウェア割込みを行うタイマカウンタ６１および６４としてその搭載タイマを使用することによって実装されることが好ましい。

スイッチ制御ユニット２７’’は、位置補間器からのパルスを以下のように使用する。３状態カウンタ７１の出力は、それぞれ制御論理ユニット７２に接続され、制御論理ユニット７２は、直ちに、タイマカウンタ７０Ａ、７０Ｂ、または７０Ｃに、関連するずれ調整済みオン角度を角度４２’’から選択させ、それぞれの目標レジスタにラッチさせる。関連する角度は、選択信号８０を角度ずれ補正器４３’に提供する制御論理ユニットによって選択され、この選択信号８０は、インジケータリングのどの特定のＮ／Ｓ境界が検知されたか（制御論理ユニットが常時監視している）によって決まる。（オン角度をタイマカウンタ７２にロードする前に、この角度は、ロータ速度信号が示すロータの現在速度で割って、ロータがこの角度になると予想される時間を得ることによって、時間に変換される。分かりやすいように、以下では、オン角度、フリーホイール角度、およびオフ角度をタイマカウンタ７０にロードするという言及の仕方をするが、それぞれの場合において、それらはまず制御論理ユニット７２によって時間に変換される。）これに応答して、カウンタ７０が目標に到達したときに、制御論理ユニット７２は、タイマ７０から戻されるパルスを受信し、これに応答して、制御論理ユニット７２は、スイッチドライバ７３に、対応するステータコイルの対のスイッチを閉じる信号を出力する。このとき、制御論理ユニット７２は、フリーホイール角度も同じカウンタタイマの目標レジスタにロードし（ただしカウンタのゼロリセットはしない）、そのタイマから戻されるパルスを受信したときに、再度、関連するコイル対のステータコイルのスイッチを適当に（そのスイッチのうちの１つを開くことによって）駆動する。次いで、制御論理ユニット７２は、オフ角度をカウンタタイマにロードし（ただしカウンタのゼロリセットはしない）、その後、そのタイマから戻されるパルスを受信したときに、関連するステータコイルのスイッチを両方とも開く。

別法として、タイマ７０は、最初にタイマ７０をゼロリセットして、目標にオン角度をロードし、その後、その時間に達したときに、タイマ７０をゼロリセットし、目標にフリーホイール角度とオン角度の差を再ロードし、その後、その時間に達したときに、タイマ７０をゼロリセットし、目標にオフ角度とフリーホイール角度の差を再ロードするというように利用することもできる。

この例では３つのタイマカウンタ７０が使用され、制御論理ユニットは、それらのうちの１つからパルスを受信したときに、対応するコイル対を駆動する。あるいは、タイマは１つしか使用しなくてもよく（一度に操作されるコイル対は１つだけであるため）、制御論理ユニットは、パルス６０から、それが現在どのコイル対を駆動しているかを記憶する。

第１の例に類似した第２の例では、位置補間器５９は、以下の通りである。位置補間器５９がロータ位置を推定するために用いる仮定は、ロータの加速度を考慮に入れることによって改善される。この例では、ホール効果センサ５７からの最も最近のパルス５８の時間が記録され、ロータ現在の加速度は、そこから推定される。次いで、この加速度の推定値を使用して、この場合には３０度ごとになっているモータの３つの相にロータが到達するタイミングを推定する。

加速度は、好ましくはマイクロコントローラによって実装される位置補間器５９によって、以下のように推定される。一定の時間間隔で、制御論理ユニット７２は、ロータ速度信号３３から、ロータの速度を記録する。次いで、ロータの加速度を、［現在のロータ速度から直前のロータ速度を引いた差］を両者の時間間隔で割った値として推定する。したがって、ロータの速度および加速度の推定値にｎと指標を付け、これらが時間ｔ_ｎに発生する場合には、この計算は、次のように書くことができる。

ここで、ｄｔは、ｔ_ｎ−ｔ_ｎ−１である。

次いで、位置補間器は、次の時間ｔ_ｎ＋１における速度を次のように推定する。
速度（ｎ＋１）＝ｄｔ×加速度（ｎ）＋速度（ｎ）
ここで、ｄｔ＝ｔ_ｎ＋１−ｔ_ｎであり
（ｄｔの例示的な値は、一定値２ｍｓである）、
すなわち、一定の加速度であるものと仮定される。

次いで、この速度を使用して、オン角度、フリーホイール角度、およびオフ角度を上記と同様に除算する。

このように、次の推定速度が分かるので、コイルの相ＡＡ’とＢＢ’とＣＣ’との間の時間を、以下のように推定することができる。

本発明の別の実施形態では、加速度は、上述の数式を用いて推定されない。本発明のこの別の実施形態は、位置補間器５９が、補正因子１０１を適用することによってロータの加速度を考慮に入れるように構成される点を除けば、第１の実施形態と同じである。

位置補間器５９は、最初に、第１の実施形態に関連して上述したのと同じ方法で初期推定を行う。ロータの加速度は、この初期推定値に補正因子１０１を掛けることによって考慮に入れる。補正因子１０１は、参照テーブル１０３（図１０に示す）から得られる。適当な補正因子１０１を抽出するために、制御回路１０’’は、ロータ速度値（第１の実施形態に関する説明参照）と、トルクコマンド（ロータ速度値が速度コマンド値未満であるかどうかによって決まる）とを取り出す。次いで、適当な補正因子１０１を、その速度値（０〜ｘｘｘｘの値を有するｘ軸１０５）およびトルクコマンド（０〜１００％の値を有するｙ軸１０７）によって決まる参照テーブルから読み出す。

補正因子１０１の値は、初期推定値が維持される（補正因子＝１．００）か、または低減される（補正因子＜１．００）ようになっている。これにより、ロータの推定位置のタイミングが、ロータの加速度（例えば電動過給機では有意になることがある）を考慮に入れるように調節されることが保証される。

参照テーブル１０３には、経験的に得られている補正因子の値が取り込まれている。例えば、ロータ速度と負荷の各組合せについての最適な補正因子１０１は、モータの実験／較正によって得られる。他の実施形態では、コンピュータシミュレーションによって経験的試験を実行することもある。

補正因子１０１の参照テーブル１０３を有することは、制御回路１０’’のコア実装を様々な異なる適用分野／ロータで同じままにすることができ、補正テーブル１０３中の値のみを調節すればよい（これらの値は、個々の適用分野／ロータ慣性に特有のものである）ので、特に有利であると考えられる。これにより、使用することができるシナリオという点で、構成を比較的柔軟にすることができる。

別の実施形態（図示せず）では、参照テーブルは、モータの温度に関する第３の軸を含む。したがって、補正因子は、必要に応じて、モータの温度に応じて調節することもできる。補正因子に影響を及ぼす可能性がある別のパラメータは、モータに給電するバッテリ電圧（システムの動作中に変動する可能性がある）である。別の実施形態（図示せず）では、参照テーブルは、バッテリ電圧に関する第３の軸を含む。

上述の実施形態では、本発明によって制御されるスイッチドリラクタンスモータを使用して、過給機のコンプレッサホイールを駆動することもできる。

Claims (25)

1. スイッチドリラクタンスモータの制御回路であって、
   前記モータのステータコイルに接続され、前記コイルが通電されるかどうかを制御するための制御可能なスイッチと、
   ロータの位置に反応して、前記ロータの回転あたりの前記ロータの１つまたは複数の位置のタイミングのインジケーションを提供する位置センサと、
   前記ロータ位置のタイミングの前記インジケーションを受信し、前記位置センサによって示されるタイミング間の前記ロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングの１つまたは複数のインジケーションを提供するようにつながれた位置補間器と、
   前記位置補間器から前記タイミングの前記インジケーションを受信して、前記スイッチを駆動するのに関係するスイッチ制御信号のタイミングを決定するようにつながれたスイッチ制御装置とを含む、制御回路。
2. 前記スイッチ制御装置が、前記位置センサからも前記タイミングの前記インジケーションを受信して、前記スイッチを駆動するのに関係するスイッチ制御信号のタイミングを決定するように接続される、請求項１に記載の制御回路。
3. 前記位置補間器が、前記ロータ速度が現在は一定であるという仮定に基づいて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定するように接続される、請求項１または２に記載の制御回路。
4. 前記位置補間器が、前記ロータ速度が現在は一定であり、前記速度が前記ロータの測定速度であるという仮定に基づいて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定するように接続される、請求項３に記載の制御回路。
5. 前記位置補間器が、前記位置センサからの前記ロータ位置の前記タイミングの前記インジケーションに基づいて前記測定速度を受信するように接続される、請求項４に記載の制御回路。
6. 前記位置補間器が、前記ロータの加速度を考慮に入れて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定するように接続される、請求項１または２に記載の制御回路。
7. 前記位置補間器が、前記ロータの速度の測定値から前記モータの加速度を推定し、前記加速度の推定値から前記ロータの将来の速度を推定し、前記将来の速度を用いて、ロータが特定の位置に到達する時間を推定するように接続される、請求項６に記載の制御回路。
8. 前記位置補間器が、補正因子を適用することによって前記ロータの加速度を考慮に入れるように構成され、前記ロータの前記１つまたは複数の推定位置のタイミングが、前記補正因子によって後に調節される初期推定に基づいている、請求項６に記載の制御回路。
9. 前記補正因子が、参照テーブルから読み取られ、前記制御回路が、前記参照テーブルが記憶されるメモリモジュールを含む、請求項８に記載の制御回路。
10. 前記参照テーブル中の前記補正因子の値が、経験的に得られている、請求項９に記載の制御回路。
11. 所要モータトルクによって決まる、スイッチを駆動するロータ角度を、前記スイッチ制御装置に提供するように接続された制御ループを含み、前記スイッチ制御装置が、前記スイッチ制御信号のタイミングの決定もこれらの角度に基づいて行うように接続される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の制御回路。
12. 前記制御ループが、
    前記ロータの１つまたは複数の位置のタイミングの前記インジケーションを受信し、そこからロータ速度値を提供するようにつながれた速度推定器と、
    前記ロータ速度値を受信し、前記ロータ速度値と速度コマンド値との差を取って速度誤差値を形成するようにつながれた減算器と、
    前記速度誤差値に応答して、前記ロータ速度が前記速度コマンド値未満である場合にはトルクコマンドを増大させ、前記ロータ速度値が前記速度コマンド値を超える場合には前記トルクコマンドを減少させるようにつながれたループ制御装置と、
    前記トルクコマンドおよび前記ロータ速度値に応答して、前記ロータ角度を提供する参照テーブルとを含む、請求項１１に記載の制御回路。
13. 制御ループが、前記参照テーブルからの前記ロータ角を、前記位置センサのずれを見込んだ値で調節するようにつながれたずれ補正器を含む、請求項１２に記載の制御回路。
14. ロータおよびステータコイルを含むスイッチドリラクタンスモータと、
    前記モータの前記ステータコイルに接続された請求項１から１３のいずれか一項に記載の制御回路と、
    前記モータの前記ロータに連結されてそれによって駆動されるコンプレッサホイールを有する過給機とを含む、装置。
15. スイッチドリラクタンスモータを制御する方法であって、
    単一のセンサを使用して前記モータのロータの位置を検知して、前記ロータの回転あたりの前記ロータの１つまたは複数の位置のタイミングのインジケーションを提供することと、
    前記ロータ位置のタイミングの前記インジケーションから、前記検知によって示される前記タイミング間の前記ロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングのインジケーションを導出することと、
    前記推定位置の前記タイミングの前記インジケーションに応じて決定される時間に前記モータのステータコイルに通電することとを含む、方法。
16. 前記ロータ位置の前記タイミングの前記インジケーションに応じて決定される時間に、前記モータのステータコイルに通電することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記導出が、ロータ速度が現在一定であるという仮定に基づいて前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定することを含む、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記推定が、前記ロータの測定速度に基づいている、請求項１６に記載の方法。
19. 前記測定速度が、前記ロータ位置の前記タイミングの前記インジケーションに基づいている、請求項１８に記載の制御回路。
20. 前記導出が、前記ロータの加速度を考慮に入れて、前記ロータの前記１つまたは複数の位置を推定することを含む、請求項１５または１６に記載の方法。
21. 前記推定が、前記ロータの速度の測定値から前記モータの加速度を推定することと、前記加速度の前記推定値から前記ロータの将来の速度を推定することと、前記将来の速度を使用して、ロータが特定の位置に到達する時間を推定することとを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記推定が、
    （ｉ）前記ロータの前記１つまたは複数の推定位置の前記タイミングの初期推定を行うことと、
    （ｉｉ）補正因子を適用することによって、前記ロータの１つまたは複数の推定位置のタイミングを得ることによって、前記初期推定を調整することとを含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記補正因子が、参照テーブルから読み取られる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記スイッチドリラクタンスモータが、過給機のコンプレッサホイールを駆動している、請求項１５から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 実質的に、図８、図９、または図１０に図示し、図８、図９、または図１０を参照して本明細書に記載した装置。

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