JP2018523962A - 電気モータのための制動エネルギー回生システム、及び方法 - Google Patents

電気モータのための制動エネルギー回生システム、及び方法 Download PDF

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Abstract

電気モータ６２のための制動エネルギー回生システム５０は、第１の調整器５２と、エネルギー蓄積デバイス５４と、第２の調整器５６と、センサ６０と、コントローラ５８とを備える。第１の調整器５２は、ＤＣリンク電圧をエネルギー蓄積デバイス５４へ出力する。第２の調整器５６は、エネルギー蓄積デバイスに結合しており、モータ駆動信号を電気モータ６２へ出力する。センサ６０は、電気モータの動作特性を感知する。コントローラ５８は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び／又は（ｉｉ）逆ＥＭＦの関数としての時間変化信号を含むエネルギー管理信号７４を第１の調整器へ出力し、これにより、第１の調整器は、（ａ）電気モータの回転運動エネルギー及び／又は直線運動エネルギーと、（ｂ）エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧を動的に調整する。

Description

[0001] 本実施形態は概して電気モータに関し、より詳細には、電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システム、及び制動エネルギー回生方法に関する。
[0002] 従来の電気モータ駆動装置、例えば、永久磁石ブラシレスモータ駆動装置は、比較的一定の電圧レベルで給電される入力電力バスによって駆動される。図１に示されるように、従来の電気モータ駆動装置制御回路１０は、電圧調整器１２、ＤＣリンクキャパシタ１４、モータ調整器１６、センサ２０、及び永久磁石電気モータ２２を含む。当技術分野において知られているように、モータ２２はロータ及びステータを含む。加えて、モータ２２は、相数が、同じ数の巻線を有するモータステータに対応する、単相、２相、３相又はその他の構成のうちのいずれかのものを含む。
[0003] 図１をなおも参照すると、電圧調整器１２は入力電圧ＶＭＡＩＮを調整して、本明細書において固定ＤＣリンク電圧とも呼ばれる、調整された固定出力電圧ＶＬＩＮＫにする。固定ＤＣリンク電圧は一定の電圧レベルＶＬＩＮＫを含み、ＤＣリンクキャパシタ１４に蓄積される。始動シーケンス後、電気モータ駆動装置制御回路１０の動作中に、電圧調整器１２は、ＤＣリンクキャパシタ１４の固定ＤＣリンク電圧レベルを維持するよう動作する。
[0004] 独立モータ制御入力（例えば、サイクル負荷制御入力）ＡＣＣＥＬ／ＤＥＣＥＬに応じて、モータ調整器１６は、モータ２２を加速又は減速するよう動作する。モータ２２を加速するために、制御入力ＡＣＣＥＬ／ＤＥＣＥＬは、信号線２６を介して制御信号をモータ調整器１６へ提供する。モータ調整器１６は、調整器の入力におけるＤＣリンクキャパシタ１４と調整器の出力におけるモータ２２との間に結合されている。モータ調整器１６は、調整されたモータ電流ＩＭＯＴＯＲをモータ２２へ出力する。具体的には、調整されたモータ電流は、調整されたモータ電流の極性に依存してモータ２２を加速又は減速させるための電流を内部モータ巻線（図示せず）に供給する。
[0005] 電気モータ駆動装置制御回路１０は、モータの動作の間におけるモータ２２の特性を感知し、信号線２８を介してセンサ信号を提供するためのセンサ２０を更に含むように構成されている。例えば、モータ２２はブラシレスモータを含むことができ、モータ調整器１６は電流調整器及び転流スイッチを含むことができる。本例では、センサ２０は、逆ＥＭＦ及び相電流に関する、即ち、モータコントローラ（図示せず）が用いるための、ホール信号を提供するホールセンサを含むことができる。ホールセンサ信号は、当技術分野において知られているように、モータコントローラ（図示せず）によって、モータ巻線を励磁する際のモータ調整器１６の転流スイッチの転流シーケンスを制御するために用いられる。別の実施形態では、モータ調整器１６は、モータ調整器及び転流機能を組み合わせるような仕方で制御される転流スイッチを含むことができる。
[0006] モータ２２の回転の間に、モータのステータ巻線の各々は、逆起電力（ｂａｃｋ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ）又は逆ＥＭＦ（ＢＥＭＦとも呼ばれる）として知られる電圧を発生させる。この逆ＥＭＦの極性は回転方向に依存し、ステータ巻線に印加された主電圧の極性とは異なり得る。印加されたステータ巻線電圧と逆ＥＭＦとの直接の差が巻線インピーダンスに作用し、巻線電流の大きさ及びその時間変化率を決定する。発生される逆ＥＭＦの大きさに影響を及ぼす１つの因子はモータのロータの角振動数又は角速度である。速度が増大するにつれて、逆ＥＭＦの大きさは増大する。
[0007] 図１をなおも参照すると、切り替え調整器制御は、モータ動作、即ち、加速又は減速の間において電圧調整器１２及びモータ調整器１６に対して連続的である。減速の場合には、モータ２２は同じ方向に回り続けるが、速度が落ちる。モータ２２が減速する際に、モータは発電機のように振る舞う。減速を開始するために、モータ調整器１６は、印加されるステータ巻線電圧を逆ＥＭＦよりも低い値へ調整する。巻線インピーダンス間の負の差は、モータ調整器１６を介して、モータ２２からリンクキャパシタ１４内へ逆流する逆電流を生じさせる。換言すれば、逆ＥＭＦは調整器１６によって、負の電流を介して、電流を上流へ送り返すために、昇圧される。指令されたモータトルク（及び対応する電流）が正であるが、モータシャフトへの機械トルク負荷に打ち勝つためには十分でない時にも、減速は生じ得ることに留意されたい。このような場合には、電流は依然として正である、即ち、モータ内へ向かうため、電力再生は生じない。
[0008] 以上において開示されたように、電気モータ駆動装置制御回路１０の電圧調整器１２は入力電圧ＶＭＡＩＮを調整して、調整された固定ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫにする。ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫは、一定になるように、即ち、ＤＣリンクキャパシタ１４上に蓄積された、実質的に一定の電圧となるように調整される。したがって、電圧調整器１２は、ＤＣリンク電圧を一定に維持するよう動作する。しかし、電圧調整器１２の動作は、ＤＣリンク電圧を一定になるように維持することであるため、且つ電圧調整器１２は、電力を一方向にのみ導通するように設計されているため、万一、リンク電圧が、調整された一定の固定レベルよりも高いレベルへ急増すると、電圧調整器１２はＤＣリンク電圧を低減することができないといった問題が生じる。モータ駆動装置のためのほとんどの電力源においては、調整器１２、及びその関連入力電力源は、単方向の電力コンバータであるのが通例であることに留意されたい。換言すれば、調整器１２は一方向にしか電力を通過させることができない。この理由のために、また構成要素のサイズを最小限に抑えるためには、たとえ、モータ速度が変化するにつれて、モータの電力需要が著しく変動しても、調整器１２へのピーク入力電流が最小限に抑えられることが必要である。入力電力需要をうまく平滑にすることは、モータ駆動装置アプリケーションにおいて遭遇する異なる速度における、モータにおける運動エネルギーの差と、負荷の差とに関連付けられたものとほぼ同等のエネルギーを蓄積及び解放する能力を有する、ＤＣリンクキャパシタなどの、エネルギー蓄積デバイスを必要とする。これは、負荷のみによる受動的減速が不十分となるほど急速に減速（即ち、制動）が生じるほど、モータ速度が急速に変化することが必要とされ、アプリケーションが、モータ駆動装置回路によって供給される追加の負のトルクを必要とするシステムに適用可能である。
[0009] 次に図２を参照すると、図１の電気モータ駆動装置制御回路１０についての、時間の関数としての、固定値へ調整されたシミュレーションリンク電圧、モータ速度、及びブースト出力電流のグラフ図３０が示されている。時間の関数としてのＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫは参照符号３２によって指示されており、リンク電圧の振幅（ボルト（Ｖ）単位）が図の右上部分の縦軸上に示されている。時間の関数としてのモータ速度は参照符号３４によって指示されており、モータ速度の振幅（千回転／分（ＫＲＰＭ）単位）が図の左中央部分の縦軸上に示されている。時間の関数としてのブースト出力電流（即ち、電圧調整器１２を介して提供される電流）は参照符号３６によって指示されており、電流（アンペア（Ａ）単位）が図の右下部分の縦軸上に示されている。最後に、時間（秒（ｓ）単位）が図の下部における横軸上に示されている。グラフは、１．４ｓの直前〜２．４ｓの直後の時間フレームにおける、始動シーケンスの後のモータ動作のシミュレーションを示す。
[0010] 図示のように、リンク電圧は、固定電圧、及びより具体的には、４６Ｖになるように調整される。モータの減速の間における逆ＥＭＦの結果として、いくらかの少量の変化又は変動がリンク電圧に経時的に自然に生じる。換言すれば、およそ１．３ｓにおいて、モータはおよそ４８ＫＲＰＭから減速し始め、およそ１．５２ｓにおいて１０ＫＲＰＭまで減速する。この減速期間の間に、リンク電圧（リンク電圧の目盛はグラフの右上側に示されていることに留意されたい）は４６Ｖからおよそ５２Ｖへ増大する。リンク電圧のわずかな増大（即ち、およそ１０〜１３パーセント未満の増大）は大部分、モータの減速の間にリンクキャパシタ内へ、更にリンクキャパシタの容量の関数として送り返された負の電流によるものである。
[0011] １．５２ｓの後に、モータは１０ＫＲＰＭから加速し始め、およそ１．８５ｓにおいて４８ＫＲＰＭまで加速する。この加速期間の間に、リンク電圧（リンク電圧の目盛はグラフの右上側に示されていることに留意されたい）は５２Ｖからおよそ４６Ｖへ減少する。リンク電圧の減少（即ち、およそ１０〜１３パーセント未満の減少）は、以前に蓄積された過剰電流が今度は、電圧調整器１２がリンク電圧を４６Ｖの固定電圧へ調整する間に、モータの加速のためにリンクキャパシタ１４からモータ２２内へ送り込まれるためである。電圧調整器１２の出力電流は、リンク電圧の調整及びモータの加速の間に最大６．５Ａが引き出されることを必要とするように示されている。
[0012] 図１の電気モータ駆動装置制御回路１０に関して上述されたように、モータの減速の間に、モータ調整器１６は、電流をモータ２２から吸い出し、電流をリンクキャパシタ１４内へ送り込むよう動作し、これにより、エネルギーをリンクキャパシタへ戻す。リンクキャパシタ電圧が、電圧調整器１２を介して一定となるようにすでに調整されている場合、キャパシタ１４は、過剰電荷を蓄積するのに足るだけの容量を有しなければならない。さもなければ、リンクキャパシタの電圧は、キャパシタの最大定格電圧を超えるほど、調整された電圧設定値よりも十分に高く急増することになる。その結果、リンクキャパシタ１４は、減速の間にモータを介して発生された追加の電流を吸収し、蓄積するために十分な過剰容量を有することを要求される。キャパシタの物理サイズをより大きくしなければならないため、過剰容量の要求は不利点となる。回路基板又はデバイス専有面積が重要である、臨界的物理サイズ制約を有するデバイス適用においては、これは更なる不利点となる。
[0013] 本明細書に更に包含される開示から理解されるように、図１の電気モータ駆動装置制御回路１０のリンクキャパシタンスは、本開示の諸実施形態に係る、図３の制動エネルギー回生システムの電気モータ駆動装置制御回路内のリンクキャパシタンスよりもおよそ５倍（５ｘ）程度大きい。更に、図１の回路１０の蓄積キャパシタは、本開示の諸実施形態に係る、図３の回路の蓄積キャパシタよりも物理的に２倍（２ｘ）超大きい（即ち、１００パーセント（１００％）超大きい）。
[0014] したがって、当技術分野における問題を克服するための改善された方法及び装置が望まれる。
[0015] 本開示の諸実施形態は、調整器への電圧供給を調整するためのインテリジェントな手法を実装することによって、電気モータ駆動装置コントローラ内のモータ電流調整器の効率及び駆動能力を有利に改善する。加えて、本開示の諸実施形態は、効率的な動作が必要とされる場合に、とりわけ、電池駆動式機器において、特に有用である。具体的には、諸実施形態は、長い電池寿命のために物理的にコンパクトなエネルギー回生手段を採用しなければならない電池駆動式機器において有用である。更に、諸実施形態は電池動作式デバイスのために特に適用可能であるが、諸実施形態はまた、任意の電力源によって動作するデバイス又はシステムの実装形態のためにも適用可能である。
[0016] 一実施形態によれば、電気モータのための制動エネルギー回生システムは、第１の調整器と、エネルギー蓄積デバイスと、第２の調整器と、感知手段と、コントローラとを備える。第１の調整器は、入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を含む。第１の調整器は、例えば、ＤＣリンク電圧の調整に影響を及ぼすための電流モードスイッチモード調整器及び電圧モードスイッチモード調整器のうちの少なくとも１つとして実装された内部制御ループを有するスイッチモード調整器を含むことができる。エネルギー蓄積デバイスは第１の調整器の出力部に結合している。第２の調整器は、エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を電気モータへ出力するための出力部を含む。感知手段は、モータ駆動信号に応じて動作する電気モータの特性を感知する。コントローラは、感知された特性を受け取り、感知された特性に応じてエネルギー管理信号を第１の調整器へ出力するように構成されている。エネルギー管理信号は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び（ｉｉ）逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含む。加えて、第１の調整器は、エネルギー管理信号に応答して、（ａ）電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、（ｂ）エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧を動的に調整する。
[0017] 別の態様によれば、システムに関して、実質的に一定とは、電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方の内に包含される総エネルギーのうちで、変動する速度に起因する変化の大きさより小さいことを含む。他の実施形態では、実質的に一定の尺度は、所与の電気モータの実装形態又はアプリケーションの要求に従って決定される。
[0018] 更に別の態様では、モータ速度は、少なくとも、第１の速度、及び第１の速度よりも遅い第２の速度を含み、（ｉ）第１の速度のために決定されたエネルギー管理信号に応じて、ＤＣリンク電圧は第１の電圧レベルを含み、（ｉｉ）第２の速度のために決定されたエネルギー管理信号に応じて、ＤＣリンク電圧は、第１の電圧レベルよりも高い第２の電圧レベルを含む。
[0019] 更なる態様によれば、エネルギー管理信号は、（ｉ）電気モータ速度及びＤＣリンク電圧値のルックアップテーブルに従って決定された電圧調整器設定値、（ｉｉ）電気モータ速度からＤＣリンク電圧値へのエネルギー管理伝達関数に従って動的に決定された電圧調整器設定値、並びに（ｉｉｉ）所定の範囲のモータ速度のためにエネルギー蓄積デバイスに要求される総エネルギー蓄積容量を最小限に抑えるよう動作するアルゴリズムからなる群から選択されるものを含む。
[0020] 別の実施形態では、第１の調整器はステップアップコンバータ及びステップダウンコンバータのうちの少なくとも一方を含み、エネルギー管理信号はモータ速度又は逆ＥＭＦの関数としての調整設定値信号を含む。更なる実施形態では、第１の調整器は、ブーストコンバータ、及びブーストコンバータに結合されたバックスイッチを含む電圧調整器を更に含み、コントローラは、ブースト電力イネーブル信号を電圧調整器へ更に出力し、ブースト電力イネーブル信号に応じて、バックスイッチはブーストコンバータへの入力電圧を有効にする。
[0021] 別の実施形態によれば、第２の調整器は、電流調整器及び転流スイッチを含むモータ調整器を含み、モータ調整器によって受信されたモータ調整器制御信号に応じて、（ｉ）電流調整器は電流を転流スイッチへ供給し、（ｉｉ）転流スイッチは相依存モータ駆動信号を電気モータへ出力する。相依存モータ駆動信号は台形モータ駆動信号及び正弦波モータ駆動信号のうちの一方を含むことができる。
[0022] 更に別の実施形態では、感知するための手段は、ホールセンサ、光学エンコーダ、回転エンコーダ、電流センサ、及びモータ逆ＥＭＦセンサからなる群から選択される少なくとも１つを含む。
[0023] 別の態様では、ＤＣリンク電圧の時間依存プロファイルの勾配、及びＤＣリンク電圧の時間依存プロファイルと同期された、モータ速度若しくは逆ＥＭＦの時間依存プロファイルの勾配は、モータ加速期間及びモータ減速期間の間、正又は負の逆の符号をもって互いに実質的に一致する。
[0024] 別の実施形態によれば、システムは電気モータを含み、電気モータは、ブラシレス電気モータ及びブラシ付き電気モータからなる群から選択されるモータを含む。一態様によれば、ブラシレス電気モータは、単相モータ、２相モータ、３相モータ、及び１２相モータからなる群から選択される１つを更に含む。別の態様によれば、電気モータは、空気流を発生させるよう動作可能な羽根車を含む医療用人工呼吸器のための送風機ユニットのパーツを形成し、電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方は、電気モータ、羽根車、及び任意の結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む。更なる態様では、電気モータは、パワートレイン及び車輪を含むモータ車両のためのドライブトレインのパーツを形成し、電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方は、電気モータ、パワートレイン、車輪、及び任意の結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む。
[0025] 別の実施形態によれば、電気モータのための制動エネルギー回生システムを組み込んだ医療用人工呼吸器は、電気モータ、及び空気流を発生させるよう動作可能な羽根車を含む送風機ユニットと、入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を有する第１の調整器と、第１の調整器の出力部に結合されたエネルギー蓄積デバイスと、エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を電気モータへ出力するための出力部を有する第２の調整器と、モータ駆動信号に応じて動作する電気モータの特性を感知するための手段と、感知された特性を受け取り、感知された特性に応じてエネルギー管理信号を第１の調整器へ出力するためのコントローラと、を備える。エネルギー管理信号は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び（ｉｉ）逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含む。第１の調整器は、エネルギー管理信号に応答して、（ａ）電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、（ｂ）エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧を動的に調整する。
[0026] 一態様によれば、医療用人工呼吸器は、ステップアップコンバータ及びステップダウンコンバータのうちの少なくとも一方を含む第１の調整器を更に含み、エネルギー管理信号はモータ速度又は逆ＥＭＦの関数としての調整設定値信号を含む。別の態様では、医療用人工呼吸器は、ブーストコンバータ、及びブーストコンバータに結合されたバックスイッチを含む電圧調整器を更に含む第１の調整器を更に含み、コントローラは、ブースト電力イネーブル信号を電圧調整器へ更に出力し、ブースト電力イネーブル信号に応じて、バックスイッチはブーストコンバータへの入力電圧を有効にする。
[0027] 更に別の実施形態によれば、サイクル負荷を用いたエネルギー回生のための方法であって、本方法は、電力を電力源から受けるための入力部、及び調整された電力出力を出力するための出力部を有するコンバータを提供するステップと、コンバータの出力部に結合されたエネルギー蓄積貯蔵器を提供するステップと、エネルギー蓄積貯蔵器に結合された入力部、及び（ｉ）少なくとも、負荷調整器への正のサイクル指令に応じて駆動エネルギーをサイクル負荷へ出力し、（ｉｉ）少なくとも、負荷調整器への負のサイクル指令に応じて帰還エネルギーをサイクル負荷から受けるための出力部を有する負荷調整器を提供するステップと、負荷エネルギーセンサを介して、駆動エネルギーに応じて動作するサイクル負荷の特性を感知するステップと、コントローラを介して、感知された特性を受け取り、コントローラを介して、感知された特性に応じてエネルギー管理信号をコンバータへ出力するステップと、を有し、エネルギー管理信号は、感知された特性を介して決定されたサイクル負荷の少なくとも１つの時間変化パラメータの関数としての時間変化信号を含み、コンバータは、エネルギー管理信号に応答して、（ａ）少なくとも、サイクル負荷の運動エネルギーと、（ｂ）エネルギー蓄積貯蔵器内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するように電力出力を動的に調整する。
[0028] 一態様では、本方法は、サイクル負荷を用いたエネルギー回生が、電気モータを用いた制動エネルギー回生を含むことを更に有する。コンバータを提供するステップは、入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を有する第１の調整器を提供するステップを更に有する。エネルギー蓄積貯蔵器を提供するステップは、第１の調整器の出力部に結合されたエネルギー蓄積デバイスを提供するステップを更に有する。負荷調整器を提供するステップは、エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を電気モータへ出力するための出力部を有する第２の調整器を提供するステップを更に有する。感知するステップは、モータ駆動信号に応じて動作する電気モータの特性を感知することを更に有する。最後に、受け取るステップは、コントローラを介して、感知された特性を受け取り、コントローラを介して、感知された特性に応じてエネルギー管理信号を第１の調整器へ出力するステップを更に有し、エネルギー管理信号は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び（ｉｉ）逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含み、第１の調整器は、エネルギー管理信号に応答して、（ａ）電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、（ｂ）エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧を動的に調整する。
[0029] 更なる実施形態によれば、本方法は、（ｉ）空気流を発生させるよう動作可能な羽根車を含む医療用人工呼吸器であって、電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方が、電気モータ、羽根車、及び任意の結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む、人工呼吸器と、（ｉｉ）パワートレイン及び車輪を含むモータ車両であって、電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方が、電気モータ、パワートレイン、車輪、及び任意の結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む、モータ車両とからなる群から選択されるもののパーツを、電気モータが形成することを更に有する。
[0030] 以下の詳細な説明を読み、理解することで、当業者にはなお更なる利点及び利益が明らかになるであろう。
[0031] 本開示の諸実施形態は、様々な構成要素、及び構成要素の配列、並びに様々なステップ、及びステップの配列において具体化され得る。したがって、図面は、様々な実施形態を例示する目的のためのものであり、実施形態を限定するものと解釈されるべきではない。図面の図において、同様の参照符号は同様の要素を指す。加えて、図は原寸に比例して描かれていない場合があることに留意されたい。
[0032] 当技術分野において知られている電気モータ駆動装置制御回路のブロック図である。 [0033] 図１の電気モータ駆動装置制御回路についての、時間の関数としての、固定値へ調整されたリンク電圧、モータ速度、及びブースト出力電流のシミュレーションされたグラフ図である。 [0034] 本開示の一実施形態に係る電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システムのブロック図である。 [0035] 本開示の一実施形態に係る、図３の制動エネルギー回生システムの、時間の関数としての、モータ速度若しくは逆ＥＭＦの関数として調整されたリンク電圧、モータ速度、及びブースト出力電流のシミュレーションされたグラフの図である。 [0036] 本開示の別の実施形態に係る電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システムのブロック図である。 [0037] 本開示の更に別の実施形態に係る、エネルギー伝達及び回生の図を更に含む、電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システムのブロック図である。 [0038] 本開示の更に別の実施形態に係る、サイクル負荷制御回路のためのエネルギー回生システムのブロック図である。
[0039] 図面において説明及び／又は図解され、以下の説明において詳述されている非限定例を参照して、本開示の諸実施形態、並びにそれらの様々な特徴及び有利な詳細がより完全に説明される。図面において図解されている特徴は必ずしも原寸に比例して描かれておらず、一実施形態の特徴は、たとえ、本明細書において明示的に述べられていなくても、当業者であれば認識するように、他の実施形態に採用され得ることに留意されたい。よく知られた構成要素及び処理技法の説明は、本開示の諸実施形態を不必要に不明瞭にしないために、省略される場合がある。本明細書において用いられている例は、単に、本開示の諸実施形態が実施される仕方の理解を容易にし、更に、当業者がそれらを実施することを可能にすることを意図されているにすぎない。したがって、本明細書における例は、本開示の諸実施形態の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。諸実施形態の範囲は添付の請求項及び適用法によってのみ定義される。
[0040] 本開示の諸実施形態は、本明細書において記載されている、特定の方法論、プロトコル、デバイス、装置、材料、アプリケーションなどに限定されないことが理解される。なぜなら、これらは変わり得るためである。また、本明細書において用いられる用語法は、特定の実施形態を説明することのみを目的として用いられており、クレームされているとおりの諸実施形態の範囲の限定を意図されてはいないことも理解されたい。本明細書及び添付の請求項において使用する時、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数の参照を含むことに留意しなければならない。
[0041] 特に定義されない限り、本明細書において用いられる全ての技術用語及び科学用語は、本開示の諸実施形態が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されているのと同じ意味を有する。好ましい方法、デバイス、及び材料が記載されているが、諸実施形態の実施又は試験においては、本明細書において記載されているものと同様又は同等の任意の方法及び材料を用いることができる。
[0042] 本明細書において説明されるように、電気モータのための制動エネルギー回生システムは、第１の調整器と、エネルギー蓄積デバイスと、第２の調整器と、電気モータの特性を感知するためのセンサと、コントローラとを備える。第１の調整器は、入力電圧ＶＭＡＩＮを受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）を出力するための出力部を含む。エネルギー蓄積デバイスは第１の調整器の出力部に結合している。第２の調整器は、エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を電気モータへ出力するための出力部を含む。センサは、モータ駆動信号に応じて動作する電気モータの特性を感知するように構成されている。感知された特性を受け取り、処理したことに応じて、コントローラは、感知された特性に応じてエネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）を第１の調整器へ出力する。エネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び（ｉｉ）逆ＥＭＦのうちの少なくとも１つの関数としての時間変化信号を含む。エネルギー管理信号に応じて、第１の調整器は、（ａ）電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、（ｂ）エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）を動的に調整するように構成されている。
[0043] 本明細書において説明されている制動エネルギー回生システム、及び方法の諸実施形態は、再生モータ制動エネルギーを蓄積する非常にコンパクトな手段を有利に提供する。諸実施形態は、改善された性能のために主電力供給の能力を超える電力サージを伝えるための手段を更に提供する。
[0044] 本明細書における開示から理解することができるように、蓄積を行う局所的な可変電圧ＤＣ電気エネルギー源を含む数多くの実施形態が開示されている。供給源からの電気エネルギーを受け入れ、時間変化電圧出力基準Ｖｒ（ｔ）によって指令された可変設定値を有する調整された電圧出力を提供する電圧調整器、及び調整された電圧出力を受け入れるエネルギー蓄積キャパシタが開示される。
[0045] 諸実施形態はまた、エネルギーを双方向に送り、モータを加速又は減速するブラシレスモータ駆動装置調整器回路、並びにモータ駆動装置調整器回路からの出力電流を駆動電力として受け入れ、既知の角運動量Ｊ及び時間変化速度プロファイルω（ｔ）のロータを有するモータを含む。諸実施形態は、感知された速度プロファイルω（ｔ）を入力として受け入れ、エネルギー効率アルゴリズムによって決定されたレベルを有する電圧出力基準Ｖｒ（ｔ）を出力する電圧調整器を更に含む。エネルギー効率アルゴリズムは、（ｉ）ＤＣリンク蓄積キャパシタ内のエネルギーと、（ｉｉ）ロータの角運動量内に包含されたエネルギーとの合計によって表されるとおりの総システムエネルギーを一定に維持するような仕方で電圧基準Ｖｒ（ｔ）を制御するための伝達関数を実行する。アルゴリズム係数はまた、予想されるモータ速度ω（ｔ）の範囲のためにＤＣリンク蓄積キャパシタに要求される総エネルギー蓄積容量を最小限に抑えるように調節されることを含む。
[0046] 発明者らは、（ｉ）ＤＣリンク電圧をモータｒｐｍの関数として調整すること、及び（ｉｉ）エネルギーバランス方程式
ＥＴ＝ＥＫ＋ＥＶ＝１／２Ｊ・ω（ｔ）２＋１／２Ｃ・Ｖｒ（ｔ）２
を一定に保持するよう、ＤＣリンク電圧を時間的に変化する動的設定値Ｖｒ（ｔ）として能動的に調整することを含む少なくとも２つの洞察を認識した。ここで、ＥＴはシステム内の総エネルギーであり、ＥＫはシステムの総運動エネルギーであり（例えば、医療用人工呼吸器システム若しくは人工呼吸器内において、総運動エネルギーは、モータ・プラス・羽根車の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を含む）、ＥＶは、キャパシタＣ内に蓄積されたエネルギーであり、Ｊは、モータ・プラス・羽根車の角度慣性モーメントであり、ω（ｔ）は回転角振動数であり、Ｖｒ（ｔ）は、調整されたキャパシタ電圧である。
[0047] 本明細書における開示から理解されるように、電池、オフラインスイッチング電源又はその他の従来の手段によって供給される電力は、電圧調整器回路によって、動的に調整されたＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫをエネルギー蓄積キャパシタへ供給するように調整される。一実施形態では、ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫは、減速の間にモータの運動エネルギーのほとんどをエネルギー蓄積キャパシタンスへ戻す能力を有する２象限ブラシレスモータ駆動装置回路の入力部へ供給される。ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫは、調整器回路（即ち、第１の調整器）によって、及び一実施形態では、制御回路（即ち、コントローラ）によって、感知されたモータＲＰＭ若しくは逆ＥＭＦ（ＢＥＭＦ）に基づいて算出された、ロータの運動エネルギーと、蓄積キャパシタンス内に蓄積されたエネルギーとの合計を実質的に一定に保持する式を満足するためのデジタル論理回路によって、更に調整される。
[0048] 次に図３を参照すると、本開示の一実施形態によれば、電気モータ駆動装置（例えば、永久磁石モータ駆動装置）のための制動エネルギー回生システム５０は、モータｒｐｍの関数として能動的に調整された電圧レベルで給電される入力電力バスを介して電気モータを駆動することを含む。図３に示されるように、電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システム５０は、電圧調整器５２と、ＤＣリンクキャパシタ５４と、モータ調整器５６と、コントローラ５８と、センサ６０と、永久磁石電気モータ６２とを含む。モータ調整器５６は、（ｉ）別個の転流段と組み合わせられた調整段、及び（ｉｉ）転流のために用いられるのと同じスイッチを用いてモータ駆動装置を調整する、組み合わせられた段のうちの１つ又は複数を含む。コントローラ５８は、本明細書において説明されているとおりの様々な機能を遂行するための、更に、所与の実装形態及び／又は制動エネルギー回生アプリケーションの要求に応じた、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ、ＦＰＧＡ）、集積回路、ディスクリートのアナログ若しくはデジタル回路構成要素、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組み合わせのうちの１つ又は複数を含む。
[0049] 一実施形態では、電気モータ６２はロータ（図示せず）及びステータ（図示せず）を含む。加えて、モータ６２は、相数が、同じ数の巻線を有するモータステータに対応する、単相、２相、３相、１２相又はその他の構成のうちのいずれかのものを含む。更に別の実施形態では、モータ６２はブラシ付き電気モータを含むことができる。更なる実施形態では、電気モータは、パワートレイン及び車輪を含む電気自動車のためのドライブトレインのパーツを形成し、電気モータの回転運動エネルギー及び／又は直線運動エネルギーはまた、電気自動車の電気モータ、パワートレイン、及び車輪のうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び／又は直線運動エネルギーを含む。なお更なる実施形態では、電気モータは、永久磁石（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ、ＰＭ）同期型サブクラスＤＣ又はＡＣのものであることができる。モータが回転するにつれて正弦波波形をもって変化する相ＢＥＭＦによって主に特徴付けられるＡＣ ＰＭ同期モータとは対照的に、ＤＣ ＰＭ同期モータは、モータが回転するにつれて台形波形をもって変化する相ＢＥＭＦによって主に特徴付けられる。なお更なる実施形態では、電気モータは、モータ速度の関数として制御されるリンク電圧を用いる、リニアモータ及び回転モータのうちの少なくとも１つを含む。
[0050] 更に別の実施形態では、転流回路（例えば、モータ調整器の一パーツ）は同期型サブクラスＤＣ又はＡＣのうちの１つであることができる。モータが回転するにつれて正弦波波形をもって変化する平均印加相電圧によって主に特徴付けられるＡＣ同期転流回路とは対照的に、ＤＣ同期転流回路は、モータが回転するにつれて台形波形をもって変化する印加相電圧によって主に特徴付けられる。
[0051] 更なる実施形態では、転流回路及びブラシレスモータの組み合わせを、２つの入力配線のみによって電力を供給されるブラシ付き永久磁石ＤＣモータによって置換することができ、転流回路電子装置は、ブラシ付き永久磁石モータの内部の機械的整流子コンタクト及びブラシの配列によって置換される。本実施形態では、調整された電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）は、ブラシ付き永久磁石ＤＣモータの２つの入力配線に印加される電圧に対応する。
[0052] 図３をなおも参照すると、第１の調整器５２は、例えば、ＤＣリンク電圧の調整に影響を及ぼすための電流モードスイッチモード調整器及び電圧モードスイッチモード調整器のうちの少なくとも一方として実装された内部制御ループを有するスイッチモード調整器を含むことができる。図３の実施形態では、第１の調整器は電圧調整器として示されている。電圧調整器５２は、入力電圧ＶＭＡＩＮを調整し、モータ速度の関数として動的に調整された出力電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）にする。調整された出力電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）は、本明細書において、速度制御されたＤＣリンク電圧とも呼ばれる。速度制御されたＤＣリンク電圧は、所与の制動エネルギー回生システムの特定の要求に従って決定された電圧範囲にわたって動的に変更される電圧レベルを含む。例えば、速度制御されたＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）は、所与の動作電圧範囲のための、第１の電圧と、第１の電圧よりも高い第２の電圧との間で変化するように動的に調整される。一実施形態では、調整された電圧は４５Ｖの第１の電圧から８０Ｖの第２の電圧まで変化し、３５Ｖの動作範囲を有する。速度制御されたＤＣリンク電圧はＤＣリンクキャパシタ５４上に蓄積される。
[0053] 動作時には、始動シーケンスが遂行され、慣性に打ち勝ち、モータのロータが回転し始める。始動シーケンス後に、電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システム５０の動作の間に、電圧調整器５２は、信号線７４を介してコントローラ５８によって提供されたエネルギー管理信号に応じてＤＣリンクキャパシタ５４上のＤＣリンク電圧レベルを動的に変更するよう動作する。本明細書において更に説明されるように、エネルギー管理信号（即ち、図３においてＥＭＳ（ｒｐｍ）と表されているもの）はモータ速度の関数である。換言すれば、ＤＣリンク電圧はモータｒｐｍの関数として変化させられる。
[0054] 独立制御入力（例えば、サイクル負荷制御入力）ＡＣＣＥＬ／ＤＥＣＥＬに応じて、モータ調整器５６は、モータ６２を加速又は減速するよう動作する。モータ６２を加速するために、制御入力ＡＣＣＥＬ／ＤＥＣＥＬは信号線７６を介して制御信号をモータ調整器５６へ提供する。モータ調整器５６は、調整器の入力におけるＤＣリンクキャパシタ５４と調整器の出力におけるモータ６２との間に結合されている。モータ調整器５６は、調整されたモータ電流ＩＭＯＴＯＲをモータ６２へ出力する。具体的には、調整されたモータ電流は、調整されたモータ電流の極性に依存してモータ６２を加速又は減速させるための電流を内部モータ巻線（図示せず）に供給する。別の実施形態では、図３には示されていないが、コントローラ５８は、制御入力ＡＣＣＥＬ／ＤＥＣＥＬ又は同様の入力に応じて、信号線７６を介して制御信号をモータ調整器５６へ提供するように構成され得る。
[0055] 電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システム５０は、モータの動作の間におけるモータ６２の特性を感知し、信号線７８を介してセンサ信号をコントローラ５８へ提供するためのセンサ６０を更に含むように構成されている。例えば、モータ６２はブラシレス電気モータを含むことができ、モータ調整器５６は電流調整器及び転流スイッチを含むことができる。一実施形態では、センサ６０は、信号線７８を介して信号をコントローラ５８へ提供するホールセンサを含むことができる。図３には１つのセンサ６０及び１つの信号線７８のみが示されているが、他の実施形態は、１つを超えるセンサ６０及び１つを超える信号線７８を含むことができる。一実施形態では、ホールセンサ信号は、当技術分野において知られているように、モータコントローラ（図示せず）によって、モータ巻線を励磁する際のモータ調整器５６の転流スイッチの転流シーケンスを制御するために用いられる。加えて、本開示の一実施形態によれば、本明細書において更に説明されるように、ホールセンサ信号はコントローラ５８によって、モータ速度を決定し、更に、モータｒｐｍの関数としてエネルギー管理信号を出力するために用いられる。他の実施形態では、センサ６０はまた、例えば、モータ速度又は逆ＥＭＦの決定のために有用な信号のうちの１つ又は複数を、信号線７８を介してコントローラ５８へ出力するための、光学エンコーダ、回転エンコーダ、電流センサ、モータ逆ＥＭＦセンサ、又は同様のもののうちの１つ又は複数を含む。
[0056] モータ６２の回転の間に、モータのステータ巻線の各々は、逆ＥＭＦ電圧を発生させる。上述されたように、この逆ＥＭＦの極性は回転方向に依存し、これは、ステータ巻線に印加された主電圧の極性と異なり得る。印加されたステータ巻線電圧と逆ＥＭＦとの直接の差が巻線インピーダンスに作用し、巻線電流の大きさ及びその時間変化率を決定する。発生される逆ＥＭＦの大きさに影響を及ぼす１つの因子はモータのロータの角振動数又は角速度である。速度が増大するにつれて、逆ＥＭＦの大きさは増大する。
[0057] 図３をなおも参照すると、切り替え調整器制御は、モータ動作、即ち、加速又は減速の間において電圧調整器５２及びモータ調整器５６に対して連続的である。減速の場合には、モータ６２は同じ方向に回り続けるが、速度が落ちる。モータ６２が減速する際に、モータは発電機のように振る舞う。減速を開始するために、モータ調整器５６は、印加されるステータ巻線電圧を逆ＥＭＦよりも低い値へ調整する。巻線インピーダンス間の負の差は、モータ調整器５６を介して、モータ６２からリンクキャパシタ５４内へ逆流する逆電流を生じさせる。換言すれば、逆ＥＭＦは調整器５６によって、負の電流を介して、電流を上流へ送り返すために、昇圧される。指令されたモータトルク（及び対応する電流）が正であるが、シャフトへの機械トルク負荷に打ち勝つためには十分でない時にも、減速は生じ得ることに留意されたい。このような場合には、電流は依然として正である、即ち、モータ内へ向かうため、電力再生は生じない。
[0058] 加えて、本開示の諸実施形態によって対処されるサイクル負荷の場合には、指令モータトルクは負の指令モータトルクをも含む。指令モータトルク（及び対応する電流）が負である場合には、（負の）電流がモータからリンクキャパシタ１４内へ送られるにつれて、モータは減速する。
[0059] 以上において開示されたように、電圧調整器５２は、入力電圧ＶＭＡＩＮを調整し、モータ速度の関数として動的に調整された出力ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）にする。速度制御されたＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）はＤＣリンクキャパシタ５４上に蓄積される。電圧調整器５２は、コントローラ５８によって信号線７４を介して提供されたエネルギー管理信号に応じてＤＣリンクキャパシタ５４上のＤＣリンク電圧レベルを動的に変更するよう動作する。
[0060] その結果、電圧調整器５２の動作がＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）をモータ速度の関数として動的に変更するため、万一、リンク電圧が、調整された一定の固定レベルよりも高いレベルへ急増した場合に、本明細書において、ＤＣリンク電圧を低減することができない従来の電気モータ駆動装置制御回路１０の電圧調整器１２を参照して上述された問題が有利に克服される。従来の電気モータ駆動装置制御回路１０の電圧調整器１２の固定された一定レベルの出力電圧ＶＬＩＮＫは、モータがすでに加速しているか否かを考慮することなく、モータを加速するために十分な蓄積エネルギーがキャパシタ内に常に存在していなければならないことを前提として、不利な仕方で動作する。これは、モータがすでに加速している場合には、キャパシタは、その最高予想速度においてモータの運動エネルギー内に本質的に包含されている制動エネルギーを収容するために、その後の減速時に２倍のエネルギー蓄積容量を必要とすることを意味する。
[0061] 対照的に、本開示の諸実施形態によれば、リンク電圧レベル設定値はモータｒｐｍの関数として意図的に修正される。例えば、高いｒｐｍでは、モータはすでに加速しており、更なるエネルギー蓄積は加速の目的のためにキャパシタ内にほとんど又は全く必要とされない。逆に、低いｒｐｍでは、モータはすでに減速しており、その後の加速のためのそのエネルギー量のみが蓄積される必要がある。このように、制動エネルギー回生システムは、リンクキャパシタ内へ戻されるべきモータの制動エネルギーを予想し、そのための場所をあらかじめＤＣリンクキャパシタ内に空ける。これは、動的に可変の出力レベル電圧調整器を介して、リンク電圧をモータｒｐｍの関数として制御することによって有利に達成される。
[0062] 本開示の諸実施形態に係る制動エネルギー回生システムによって考慮される３つのパラメータは、リンク電圧、モータ調整器電流、及びモータ電圧（即ち、逆ＥＭＦ）を含む。第１に、リンク電圧は、モータのｒｐｍを用いて意図的に機能させられる。第２に、モータ調整器電流は所与のモータアプリケーションのための所望のトルクの関数として制御される。換言すれば、独立制御入力は、モータ速度を増大又は減少させたいとの要望を含むことができ、それゆえ、モータへの電流は、それぞれ、モータが加速するように増大させられるか、又はモータが減速するように減少させられる。第３に、速度に対するモータ電圧の依存性は所与のモータの固定した特性である。所与のモータが高速で動作している時には、モータ逆ＥＭＦはより高い電圧を呈することになる。モータが低速で動作している時には、モータ逆ＥＭＦはより低い電圧を呈することになる。
[0063] 本開示の諸実施形態を参照すると、ＤＣリンク電圧は、リンク電圧の振幅がモータ電圧の反対方向に動かされるように、意図的に調整されている。換言すれば、たとえ、モータ電圧自体が上昇していても、モータｒｐｍが増大するにしたがって、ＤＣリンク電圧は低下するように調整される。以上において示されたように、モータ調整器５６（即ち、その電流調整器パーツ）は、独立制御入力を介して、モータ６２が行うべきこと、即ち、加速又は減速の関数として制御される。モータ６２がより遅い速度からより速い速度へ加速するにつれて、モータ電圧はより低い電圧からより高い電圧へ増大し、ＤＣリンク電圧は、電圧調整器５２を介して、減少させられるように調整され、その逆も行われる。
[0064] 換言すれば、一実施形態では、モータトルクの指令は独立制御入力である。モータ６２が１アンペアで動作しており、電流を２アンペアへ増大させることが所望される場合には、このとき、モータ調整器５６の電流調整器パーツは、その対応する転流スイッチが、モータを流れる２アンペアを有するために必要とするあらゆるデューティサイクルを用いて制御される。一実施形態では、モータコントローラ（図示せず）は信号線（単数又は複数）７６を介して適切なデューティサイクル制御信号をモータ調整器５６へ出力する。２アンペアがその巻線を通過するのに応じて、モータ６２は、そのロータ及びシャフトの角運動量に依存して、より多くのトルクを発生させ、加速する。モータが加速するにつれて、ｒｐｍの増大がコントローラ５８によって、好適な検出回路機構、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はその他のものを介して検出される。以前に示されたように、コントローラ５８は、本明細書において説明されているとおりの様々な機能を遂行するための、更に、所与の実装形態及び／又は制動エネルギー回生アプリケーションの要求に応じた、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、集積回路、ディスクリートのアナログ若しくはデジタル回路構成要素、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組み合わせのうちの１つ又は複数を含む。
[0065] 本開示の諸実施形態によれば、モータｒｐｍの増大はＤＣリンク電圧のための調整設定値の減少をもたらす。同時に、モータ電圧はｒｐｍの関数として必然的に増大する。本明細書において述べられているように、モータの特性は、そのモータについて一定のままである、逆ＥＭＦである。モータ電圧は、逆ＥＭＦにモータｒｐｍを乗算したものに比例する。
[0066] 図３を再び参照すると、本開示の諸実施形態によれば、コントローラ５８は、センサ６０及び信号線（単数又は複数）７８を介して、１つ又は複数の感知された特性を受け取り、感知された特性、即ち、ＥＭＳ（ｒｐｍ）に応じてエネルギー管理信号を電圧調整器５２へ出力する。エネルギー管理信号は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び（ｉｉ）逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含む。電圧調整器５２は、（ａ）電気モータ６２の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、（ｂ）リンクキャパシタ５４（即ち、エネルギー蓄積デバイス）内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）を動的に調整するために、エネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）に応答する。このように、電圧調整器出力レベル設定値はモータｒｐｍ、即ち、ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）の関数として修正される。
[0067] 次に図４を参照すると、図３の電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システム５０についての、時間の関数としての、モータｒｐｍの関数として動的に調整されたシミュレーションリンク電圧、モータ速度、及びブースト出力電流のグラフ図８０が示されている。ＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）は時間の関数として示され、参照符号８２によって指示されており、リンク電圧の振幅（ボルト（Ｖ）単位）が図の右上部分の縦軸上に示されている。時間の関数としてのモータ速度は参照符号８４によって指示されており、モータ速度の振幅（千回転／分（ＫＲＰＭ）単位）が図の左中央部分の縦軸上に示されている。時間の関数としてのブースト出力電流（即ち、電圧調整器５２を介して提供される電流）は参照符号８６によって指示されており、電流（アンペア（Ａ）単位）が図の右下部分の縦軸上に示されている。最後に、時間（秒（ｓ）単位）が図の下部における横軸上に示されている。グラフは、１．４ｓの直前〜２．４ｓの直後の時間フレームにおける、始動シーケンスの後のモータ動作のシミュレーションを示す。
[0068] 図４に示されているように、リンク電圧８２は、モータｒｐｍの関数として変化するように、より具体的には、４５Ｖ〜８０Ｖの間で変化するように動的に調整される。換言すれば、およそ１．３ｓにおいて、モータ速度８４は４８ＫＲＰＭにあり、およそ１．５ｓにおいて１０ＫＲＰＭまで減速する。この減速期間の間に、リンク電圧８２（リンク電圧の目盛はグラフの右上側に示されていることに留意されたい）は４５Ｖからおよそ８０Ｖへ増大する。リンク電圧８２の著しい増大（即ち、７７パーセント以上の増大）は、モータの減速の間に、更にリンクキャパシタ５４の容量の関数として、（ｉ）リンクキャパシタ５４内へ送り返された負の電流、及び（ｉｉ）動的に調整されたリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）によるものである。
[0069] １．５ｓの後に、モータは１０ＫＲＰＭから加速し始め、およそ１．８１ｓにおいて４８ＫＲＰＭまで加速する。この加速期間の間に、リンク電圧８２（リンク電圧の目盛はグラフの右上側に示されていることに留意されたい）は８０Ｖから４５Ｖへ減少する。リンク電圧８２の減少（即ち、およそ７７パーセント以上の減少）は、電圧調整器５２がリンク電圧８２を、モータｒｐｍの関数として変化するように、より具体的には、８０Ｖ〜４５Ｖの間で変化するように動的に調整する間に、以前に蓄積された過剰電流が今度は、モータの加速のためにリンクキャパシタ５４からモータ６２内へ送り込まれるためである。電圧調整器５２の出力電流は、モータｒｐｍの関数としてのリンク電圧の調整、及びモータ６２の加速の間に最大２．９アンペアが引き出されることを必要とするように示されている。
[0070] 図４をなおも参照すると、別の態様では、ＤＣリンク電圧８２の時間依存プロファイルの勾配、及びＤＣリンク電圧の時間依存プロファイルと同期された、モータ速度８４若しくは逆ＥＭＦの時間依存プロファイルの勾配は、モータ加速期間（即ち、正のモータ速度勾配）及びモータ減速期間（即ち、負のモータ速度勾配）の間に、正又は負の逆の符号をもって互いに実質的に一致することを観察することができる。
[0071] 図３の電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システム５０に関して上述されたように、モータの減速の間に、モータ調整器５６は、電流をモータ６２から吸い出し、電流をリンクキャパシタ５４内へ送り込むよう動作し、これにより、エネルギーをリンクキャパシタへ戻す。リンクキャパシタ電圧が電圧調整器５２を介してモータｒｐｍの関数として動的に調整される場合、リンクキャパシタの電圧が、モータｒｐｍの関数として動的に調整された電圧設定値を上回り、過剰に急増することがないため、キャパシタ５４は、過剰電荷を蓄積するのに足るだけの容量を有するだけでよい。有利に、ＤＣリンク電圧をモータｒｐｍの関数として動的に調整する電圧調整器５２の動作は、電圧調整器に、電圧サージに対処する能力を持たせる。その結果、リンクキャパシタ５４は、減速の間にモータを介して発生された追加の電流を吸収して蓄積するために十分な過剰容量を有しさえすればよい。キャパシタの物理サイズをより小さくすることができるため、十分な過剰容量のみを提供することは利点となる。回路基板又はデバイス専有面積が重要である、臨界的物理サイズ制約を有するデバイス適用においては、これは更なる利点となる。
[0072] それと比較して、図１の電気モータ駆動装置制御回路１０のリンクキャパシタンスは、本開示の諸実施形態に係る、図３の制動エネルギー回生システムの電気モータ駆動装置制御回路内のリンクキャパシタンスよりもおよそ５倍（５ｘ）程度大きい。更に、図１の回路１０の蓄積キャパシタ１４は、本開示の諸実施形態に係る、図３の回路の蓄積キャパシタ５４よりも物理的に２倍（２ｘ）超大きい（即ち、１００パーセント（１００％）超大きい）。
[0073] 次に図５を参照すると、本開示の別の実施形態に係る電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システムのブロック図が示されている。図５の実施形態は、本明細書において図３の実施形態を参照して示され、説明されたものと同様であるが、以下の相違を有する。図５の実施形態では、電圧調整器５２はステップアップコンバータ及びステップダウンコンバータのうちの少なくとも一方を含み、エネルギー管理信号７４、ＥＭＳ（ｒｐｍ）は、モータ速度又は逆ＥＭＦの関数としてのブーストコンバータパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）信号を含む。更なる実施形態では、電圧調整器５２は、ブーストコンバータ８８、及びブーストコンバータ８８に結合されたバックスイッチ９０を含む。加えて、コントローラ５８はブースト電力イネーブル信号９２を電圧調整器５２へ更に出力し、ブースト電力イネーブル信号に応じて、バックスイッチ９０はブーストコンバータ８８への入力電圧ＶＭＡＩＮを有効にする。ブーストコンバータ及びバックスイッチが電圧調整器のために開示されたが、所与の制動エネルギー回生の実装形態の要求に従うその他のトポロジも可能であることに留意されたい。例えば、シングルエンド一次インダクタコンバータ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｎｄｅｄ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＳＥＰＩＣ）、ブースト型、バック／ブースト型、バック型、フライバック型、フォワード型、及びその他のものなどの、電圧調整器を作製するために用いることができる多数の可能なコンバータトポロジが存在する。
[0074] 図５をなおも参照すると、モータ調整器５６は電流調整器９４及び転流スイッチ９６を含む。加えて、モータコントローラ（図示せず）は信号線７６を介してモータ調整器制御信号を電流調整器９４及び転流スイッチ９６へ出力する。モータ調整器制御信号に応じて、（ｉ）電流調整器９４は電流を転流スイッチ９６へ供給し、（ｉｉ）転流スイッチ９６は信号線９８を介して相依存モータ駆動信号を電気モータ６２へ出力する。更なる実施形態では、相依存モータ駆動信号は台形モータ駆動信号及び正弦波モータ駆動信号のうちの一方を含む。
[0075] 図３〜図５を参照すると、モータ速度は、少なくとも、第１の速度、及び第１の速度よりも遅い第２の速度を含むことができる。第１の速度のために決定されたエネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）に応じて、電圧調整器５２はＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）を、第１の電圧レベルを含むように調整する。第２の速度のために決定されたエネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）に応じて、電圧調整器５２はＤＣリンク電圧ＶＬＩＮＫ（ｒｐｍ）を、第１の電圧レベルよりも高い第２の電圧レベルを含むように調整する。一実施形態では、エネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）は、電気モータ速度及びＤＣリンク電圧値のルックアップテーブル１０２に従って決定された電圧調整器設定値１００を含む。一実施形態では、ルックアップテーブルのための値は、式、ＩＣ＝Ｃ・ｄＶ／ｄｔを満足するようにモデル化されたスプレッドシート内に生成された補間値を含む。ここで、ＩＣは突入電流であり、Ｃはキャパシタンスであり、ｄＶ／ｄｔは、キャパシタ電圧の制御された上昇速度である。加えて、値は、エネルギー損失のシミュレーション及び試験された効果、並びに予想されるキャパシタ値の公差及び経時的変化のために調節することができる。図５及び図６に、本開示の一実施形態に係る、速度（ＫＲＰＭ）及び電圧（ＶＤＣ）の値のルックアップテーブルの一例が示されている。所与の制動エネルギー回生及び／又は管理の実装形態の特定の要求に従って、速度及び電圧の値の他のセットもあり得る。
[0076] 別の実施形態では、エネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）は、ＤＣリンク電圧値への電気モータ速度のエネルギー管理伝達関数に従って動的に決定された電圧調整器設定値１００を含む。モータ速度は、センサ６０を介して感知されたモータ特性又は特性群に応じて、コントローラ５８によって好適な速度感知モジュール１０４を介して決定され得る。速度感知モジュール１０４は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又はこれらの組み合わせのうちの１つ又は複数を含み得る。更なる実施形態では、エネルギー管理伝達関数は、所定の範囲のモータ速度のためにリンクキャパシタ５４（即ち、エネルギー蓄積デバイス）に要求される総エネルギー蓄積容量を最小限に抑えるよう動作する、係数を有するアルゴリズムを含むことができる。
[0077] 次に図６を参照すると、本開示の更に別の実施形態に係る電気モータ駆動装置制御回路のための制動エネルギー回生システムのブロック図が示されている。図６の実施形態は、本明細書において図３及び図５の実施形態を参照して示され、説明されたものと同様であるが、以下の相違を有する。図６の実施形態では、モータは送風機ユニットの３相ブラシレスモータを含む。送風機ユニットは、例えば医療用人工呼吸器の、空気流を発生させるよう動作可能である。エネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）は、例えば、ルックアップテーブル１０２を介して、又はＤＣリンク電圧値へのモータ速度のエネルギー管理伝達関数に従って動的に決定された電圧調整器設定値１００を含む。モータ速度は、感知されたモータ特性又は特性群に応じて、コントローラ５８によって速度感知モジュール１０４を介して決定され得る。本実施形態では、モータ６２内に組み込まれたホールセンサ（図示せず）が、感知された特性についてのホール信号を提供する。加えて、電圧調整器設定値１００を含むエネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）はブーストコントローラ１０６へ提供される。ブーストコントローラは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又はこれらの組み合わせのうちの１つ又は複数を含む。ブーストコントローラ１０６は、エネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）に応じた所与のデューティサイクルに従って、電圧調整器５２のブースト段８８のＭＯＳＦＥＴゲートを切り替えるように構成されている。フィードバックループ１０８が、ブーストコントローラ１０６、ＤＣリンク電圧の所望の動的に調整された制御を確実にすることを可能にする。加えて、コントローラ５８は、電圧調整器５２のバック段９０のＭＯＳＦＥＴゲートを切り替えるために、ブースト電力イネーブル信号を信号線９２上に更に出力する。ブースト電力イネーブル信号に応じて、バック段９０（又はバックスイッチ）のＭＯＳＦＥＴゲートはブースト段８８（又はブーストコンバータ）への入力電圧ＶＭＡＩＮを有効にする。
[0078] 次に図６の上部を参照すると、本開示の実施形態に係るエネルギー管理の概略図が示されている。ロータの減速の間における逆方向（即ち、制動）電流を指令することによって、制動エネルギーが回生される。回生されたエネルギー（即ち、ロータエネルギーを含む）はエネルギー蓄積キャパシタ電圧ＶＬＩＮＫ（即ち、キャパシタエネルギー）を充電する。本実施形態では、使用可能蓄積キャパシタエネルギーは次式によって特徴付けることができる：
Figure 2018523962
 ここで、ＥＣは使用可能蓄積キャパシタエネルギーであり、Ｃはキャパシタンスであり、ＶｐｋはＶＬＩＮＫピークキャパシタ電圧であり、ＶｍｉｎはＶＬＩＮＫ最小キャパシタ電圧である。この式から、ＶＬＩＮＫにおける比較的大きな振れを有する最適なエネルギー蓄積が生じることが分かる。
[0079] 制動及び加速のためのエネルギー蓄積を予想することによって、及びリンクキャパシタ電圧ＶＬＩＮＫを、ＲＰＭの関数として、以下の関係：
１／２ＣＶ２＋１／２Ｊω２＝一定
を満足するように調節することによって、利用可能な制動エネルギーの蓄積が最適化される。ここで、Ｃはキャパシタンスであり、Ｖはキャパシタ電圧であり、Ｊは（例えば、医療用人工呼吸器の実装形態に関する）モータ・プラス・羽根車の角度慣性モーメントであり、ωは回転角振動数である。一実施形態では、電気モータのための制動エネルギー回生は、送風機モータを有する医療用人工呼吸器内に組み込まれており、上記の式はロータエネルギーバランスのための表現である。
[0080] 更に別の実施形態によれば、電気モータを用いた制動エネルギー回生のための方法は、入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を有する第１の調整器を提供することと、第１の調整器の出力部に結合されたエネルギー蓄積デバイスを提供することと、エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を電気モータへ出力するための出力部を有する第２の調整器を提供することと、センサを介して、モータ駆動信号に応じて動作する電気モータの特性を感知することと、コントローラを介して、感知された特性を受け取ることと、を有する。本方法は、コントローラを介して、感知された特性に応じてエネルギー管理信号ＥＭＳ（ｒｐｍ）を第１の調整器へ出力することを更に有する。エネルギー管理信号は、感知された特性を介して決定された（ｉ）モータ速度及び（ｉｉ）逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含む。加えて、第１の調整器は、エネルギー管理信号に応答して、（ａ）電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、（ｂ）エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するようにＤＣリンク電圧を動的に調整する。
[0081] 別の実施形態では、本方法は、パワートレイン及び車輪を含む電気又はハイブリッドモータ車両のためのドライブトレインのパーツを電気モータが形成することを更に有する。電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方は、モータ車両の電気モータ、パワートレイン、車輪、及び任意の結合された他の回転若しくは直線運動パーツ（例えば、移動車両質量の線速度に関連付けられた運動エネルギー）のうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む。
[0082] 本明細書における開示から、諸実施形態は、コンパクトな再生制動エネルギーが１つ又は複数のキャパシタ内に蓄積される、加速／減速モータ駆動装置が用いられる任意の場所で用いることができることを容易に理解することができる。本開示の諸実施形態のための１つの使用法は、リズム的な患者の呼吸がモータの頻繁な加速及び減速を必要とする医療用人工呼吸器内の送風機モータを駆動することである。本開示の諸実施形態は、医療用人工呼吸器アプリケーション内のエネルギー蓄積キャパシタのサイズを縮小すること（従来の人工呼吸器アプリケーションの場合、エネルギー蓄積キャパシタのサイズは通例大きかった）、及び使用するピーク電力入力を低減することを可能にする。本開示の諸実施形態はまた、ピーク電力需要を高めるためのスーパーキャパシタを採用した燃料電池電気自動車、及びポンプブラダーを圧縮するための、回転羽根車によって駆動される作動油を採用した電気油圧式人工心臓などの、周期的に変化する速度プロファイルを有するモータアプリケーションにおいても有用であり得る。
[0083] 電気又はハイブリッド車両などの、電気モータを用いるモータ車両の場合には、システムの総運動エネルギーは、モータ・プラス・パワートレイン及び車輪の少なくとも回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーに加えて、路上の車両速度の運動エネルギーを含むであろう。したがって、エネルギーバランス方程式は次式のように記される：
ＥＴ＝ＥＫ＋ＥＶ＝１／２Σ（Ｊ・ω（ｔ）２）＋１／２Ｍ・Ｖ（ｔ）２＋１／２Ｃ・Ｖｒ（ｔ）２
ここで、Ｍは車両の質量であり、Ｖは路上の車両速度であり、ω及びＪは各々、回転するモータ及びその他のドライブトレイン構成要素の各々のそれぞれの回転速度及び角度慣性モーメントであり、１／２Σ（Ｊ・ω（ｔ）２）は、パワートレイン内の全ての回転運動エネルギーの、結果として生じる合計である。
[0084] 次に図７を参照すると、本開示の更に別の実施形態に係る、サイクル負荷（例えば、サイクル負荷制御回路（図示せず）を介して制御されるサイクル負荷）のためのエネルギー回生システム１５０のブロック図が示されている。図７の実施形態は、本明細書において図３、図５及び図６の実施形態を参照して示され、説明されたものと同様であるが、以下の相違を有する。図７の実施形態では、サイクル負荷のためのエネルギー回生システム１５０は、エネルギーを反復的に蓄積する負荷のサイクル特性の関数として能動的に調整されたレベルで給電される入力電力源を介して負荷を制御することを含む。サイクル負荷制御回路（図示せず）は、エネルギーを反復的に蓄積するサイクル特性の負荷（例えば、機械的、電気的、油圧的、又は熱的負荷）を制御するように構成されている。このエネルギーは負荷の状態とともに変化することができ、負荷が回転している場合には、運動エネルギーであり、又は負荷が磁気コイルである場合には、磁気エネルギーであり、負荷が高度である場合には（例えば、圧力タンクのエレベータ）、ポテンシャルエネルギーであり、又は負荷内に繰り返し蓄積され得る任意の他の形態のエネルギーであることができる。
[0085] 図７に示されるように、サイクル負荷制御回路のためのエネルギー回生システム１５０は、電力源１５１と、コンバータ１５２と、エネルギー蓄積貯蔵器１５４と、負荷調整器１５６と、コントローラ１５８と、負荷エネルギーセンサ１６０と、サイクル特性を有する負荷１６２（例えば、サイクル負荷）とを含む。コンバータ１５２は、電力源１５１からの電力入力を調整し、負荷の１つ又は複数のサイクル特性の関数として動的に調整された電力出力にする。サイクル特性によって制御された電力出力はエネルギー蓄積貯蔵器１５４上に蓄積される。コンバータ１５２は、コントローラ１５８によって信号線（単数又は複数）１７４を介して提供されたエネルギー管理信号に応じてエネルギー蓄積貯蔵器１５４上のエネルギーレベルを動的に変更するよう動作する。図７のコントローラ１５８は図３、図５及び図６のコントローラ５８と同様である。加えて、負荷エネルギーセンサ１６０は、負荷１６２のサイクル特性の決定のために有用な１つ又は複数の信号を、信号線１７８を介してコントローラ１５８へ出力するための任意の好適なセンサ又はセンサ群を含むことができる。サイクル負荷制御回路（図示せず）からの独立制御入力（例えば、サイクル（＋）及び／又はサイクル（−）に対応するサイクル負荷制御入力）に応じて、負荷調整器１５６は、信号線１７６を介してサイクル負荷１６２を正に（＋）サイクルさせるか、又は負に（−）サイクルさせるよう動作する。
[0086] 電力源１５１は、負荷１６２に電力供給するための電力を引き出すために用いられ、好ましくはできるだけ定常的な様態でその電力を引き出す。定常的な様態で電力を引き出すことは、電力源１５１から引き出される平均電力に対する電力のピークを最小限に抑えるために望まれる。加えて、これは、負荷によって用いられるエネルギーの種類（即ち、電気、油圧、トルク、直線運動など）にかかわらず、電力源構成要素のサイズ及び応力を最小限に抑える。
[0087] 図７の実施形態によって解決される問題は、総システムエネルギーを実質的に一定に保持するような仕方で制御されるコンバータを介してエネルギー蓄積貯蔵器を満たすことによって、好ましく定常的な電力源を緩衝することである。即ち、サイクル負荷に蓄積されたエネルギーとエネルギー貯蔵器に蓄積されたエネルギーとの合計が一定に保持される。換言すれば、エネルギー管理は次式を満足する：
システムエネルギー＝負荷エネルギー＋貯蔵器エネルギー＝実質的に一定
[0088] これを達成するために、サイクル負荷制御回路のためのエネルギー回生システム１５０は、負荷エネルギーセンサ１６０及びコントローラ１５８を介して、負荷内に蓄積されたエネルギーに関する情報を提供するサイクル負荷のパラメータを感知する。次に、コントローラ１５８はエネルギー情報を処理し、エネルギー貯蔵器の充電を、エネルギー貯蔵器にその役目を行うために要求される容量を最小限に抑えるような仕方で制御する。キャパシタの場合には、コントローラは電圧を制御し、コイルのためには、電流を制御し、回転ロータエネルギー貯蔵器のためには、速度を制御し、油圧タンクのためには、圧力を制御し、水力発電用貯水池のためには、水位を制御する。エネルギー回生システム１５０は、追加的に電力を供給することしかできず、それを吸い出すことができない、電力源１５１からの入力電力のレベルの極端な変動を有利に最小限に抑える。エネルギー回生システム１５０はまた、貯蔵器１５４内におけるエネルギー蓄積をも、エネルギー源の変動を最小限に抑え、貯蔵器容量を最適化するような仕方で有利に管理する。
[0089] 以上においては数個の例示的な実施形態のみが詳細に説明されたが、当業者は、例示的な諸実施形態においては、本開示の諸実施形態の新規な教示及び利点から著しく逸脱することなく、多くの変更が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、本開示の諸実施形態は、周期的加速及び減速を必要とする任意のモータ駆動装置において有利に用いることができる。加えて、本開示の諸実施形態は、エネルギーを反復的に蓄積するサイクル特性の負荷を制御する任意のサイクル負荷駆動機構において有利に用いることができる。更に、本開示の諸実施形態はまた、電気エネルギーを直線運動に変換する他のデバイス、例えば、リニアモータにも適用可能である。リニアモータ、特に、産業用途のためのものは、ほとんどの場合、振動運動をもって運動する（例外は、特定のローラーコースター及び磁気浮上式列車である）。電気リニアモータは、「広げられた」回転電気モータのように機能し、誘導モータ、永久磁石、ＡＣ、ＤＣ、ブラシ、ブラシレス、正弦波等などの同じサブタイプにおいて利用可能であり、エネルギー蓄積及び駆動の原理は、本明細書において説明されているのと実質的に同じである。したがって、このような変更は全て、添付の請求項において定義されているとおりの本開示の諸実施形態の範囲内に含まれることが意図される。請求項において、ミーンズ・プラス・ファンクション節は、本明細書において、列挙されている機能を遂行するように説明されている構造を包括し、構造的同等物だけでなく、同等な構造をも包括することが意図されている。
[0090] 加えて、１つ又は複数の請求項における括弧内に付された任意の参照符号は、請求項を限定するものと解釈されてはならない。単語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」並びに同様のものは、任意の請求項又は明細書全体に挙げられたもの以外の要素又はステップの存在を除外しない。要素の単数形の言及はこのような要素の複数形の言及を除外せず、逆もまた同様である。実施形態のうちの１つ又は複数は、いくつかの別個の要素を含むハードウェアを用いて、及び／又は適切にプログラムされたコンピュータを用いて実装され得る。いくつかの手段を列挙するデバイスの請求項では、これらの手段のうちのいくつかはハードウェアの全く同一の単位体によって組み込まれていてもよい。特定の方策は、相互に異なる従属請求項に記載されているという事実のみをもって、これらの方策の組み合わせを有利に用いることができないことが指示されるわけではない。

Claims (20)

  1. 電気モータのための制動エネルギー回生システムであって、
    入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を有する第１の調整器と、
    前記第１の調整器の前記出力部に結合されたエネルギー蓄積デバイスと、
    前記エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を前記電気モータへ出力するための出力部を有する第２の調整器と、
    前記モータ駆動信号に応じて動作する前記電気モータの特性を感知するための手段と、
    感知された前記特性を受け取り、感知された前記特性に応じてエネルギー管理信号を前記第１の調整器へ出力するためのコントローラと、を備え、
    前記エネルギー管理信号は、感知された前記特性を介して決定されたモータ速度及び逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含み、前記第１の調整器は、前記エネルギー管理信号に応答して、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、前記エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するように前記ＤＣリンク電圧を動的に調整する、
    制動エネルギー回生システム。
  2. 実質的に一定とは、前記電気モータの前記回転運動エネルギー及び前記直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方の内に包含される総エネルギーのうちで、変動する速度に起因する変化の大きさより小さいことを含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  3. 前記モータ速度は、少なくとも、第１の速度、及び前記第１の速度よりも遅い第２の速度を含み、更に前記第１の速度のために決定されたエネルギー管理信号に応じて、前記ＤＣリンク電圧は第１の電圧レベルを含み、前記第２の速度のために決定されたエネルギー管理信号に応じて、前記ＤＣリンク電圧は、前記第１の電圧レベルよりも高い第２の電圧レベルを含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  4. 前記エネルギー管理信号は、電気モータ速度及びＤＣリンク電圧値のルックアップテーブルに従って決定された電圧調整器設定値、電気モータ速度からＤＣリンク電圧値へのエネルギー管理伝達関数に従って動的に決定された電圧調整器設定値、並びに所定の範囲の電気モータ速度のために前記エネルギー蓄積デバイスに要求される総エネルギー蓄積容量を最小限に抑えるよう動作するアルゴリズムからなる群から選択されるものを含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  5. 前記第１の調整器はステップアップコンバータ及びステップダウンコンバータのうちの少なくとも一方を含み、前記エネルギー管理信号はモータ速度又は逆ＥＭＦの関数としての調整設定値信号を含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  6. 前記第１の調整器は、ブーストコンバータ、及び前記ブーストコンバータに結合されたバックスイッチを含む電圧調整器を更に含み、前記コントローラは、ブースト電力イネーブル信号を前記電圧調整器へ更に出力し、前記ブースト電力イネーブル信号に応じて、前記バックスイッチは前記ブーストコンバータへの入力電圧を有効にする、請求項５に記載の制動エネルギー回生システム。
  7. 前記第２の調整器は、電流調整器及び転流スイッチを含むモータ調整器を含み、前記モータ調整器によって受信されたモータ調整器制御信号に応じて、前記電流調整器は電流を前記転流スイッチへ供給し、前記転流スイッチは相依存モータ駆動信号を前記電気モータへ出力する、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  8. 前記相依存モータ駆動信号は台形モータ駆動信号及び正弦波モータ駆動信号のうちの一方を含む、請求項７に記載の制動エネルギー回生システム。
  9. 前記感知するための手段は、ホールセンサ、光学エンコーダ、回転エンコーダ、電流センサ、及びモータ逆ＥＭＦセンサからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  10. 前記ＤＣリンク電圧の時間依存プロファイルの勾配、及び前記ＤＣリンク電圧の前記時間依存プロファイルと同期された、前記モータ速度若しくは逆ＥＭＦの前記時間依存プロファイルの勾配は、モータ加速期間及びモータ減速期間の間、正又は負の逆の符号をもって互いに実質的に一致する、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  11. 電気モータを更に含み、前記電気モータは、ブラシレス電気モータ及びブラシ付き電気モータからなる群から選択されるモータを含む、
    請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  12. 前記ブラシレス電気モータは、更に、単相モータ、２相モータ、３相モータ、及び１２相モータからなる群から選択されるモータを含む、請求項１１に記載の制動エネルギー回生システム。
  13. 前記電気モータは、空気流を発生させるよう動作可能な羽根車を含む医療用人工呼吸器のための送風機ユニットのパーツを形成し、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方は、更に、前記電気モータ、前記羽根車、及び結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数のパーツの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  14. 前記電気モータは、パワートレイン及び車輪を含むモータ車両のためのドライブトレインのパーツを形成し、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方は、更に、前記電気モータ、前記パワートレイン、前記車輪、及び結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数のパーツの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の制動エネルギー回生システム。
  15. 電気モータのための制動エネルギー回生システムを組み込んだ医療用人工呼吸器であって、
    前記電気モータ、及び空気流を発生させるよう動作可能な羽根車を含む送風機ユニットと、
    入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を有する第１の調整器と、
    前記第１の調整器の前記出力部に結合されたエネルギー蓄積デバイスと、
    前記エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を前記電気モータへ出力するための出力部を有する第２の調整器と、
    前記モータ駆動信号に応じて動作する前記電気モータの特性を感知するための手段と、
    感知された前記特性を受け取り、感知された前記特性に応じてエネルギー管理信号を前記第１の調整器へ出力するためのコントローラと、を備え、
    前記エネルギー管理信号は、感知された前記特性を介して決定されたモータ速度及び逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含み、前記第１の調整器は、前記エネルギー管理信号に応答して、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、前記エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するように前記ＤＣリンク電圧を動的に調整する、
    医療用人工呼吸器。
  16. 前記第１の調整器は、ステップアップコンバータ及びステップダウンコンバータのうちの少なくとも一方を含み、前記エネルギー管理信号はモータ速度又は逆ＥＭＦの関数としての調整設定値信号を含む、請求項１５に記載の医療用人工呼吸器。
  17. 前記第１の調整器は、更に、ブーストコンバータ、及び前記ブーストコンバータに結合されたバックスイッチを含む電圧調整器を含み、前記コントローラは、更に、ブースト電力イネーブル信号を前記電圧調整器へ出力し、前記ブースト電力イネーブル信号に応じて、前記バックスイッチは前記ブーストコンバータへの入力電圧を有効にする、請求項１６に記載の医療用人工呼吸器。
  18. サイクル負荷を用いたエネルギー回生のための方法であって、前記方法は、
    電力を電力源から受けるための入力部、及び調整された電力出力を出力するための出力部を有するコンバータを提供するステップと、
    前記コンバータの前記出力部に結合されたエネルギー蓄積貯蔵器を提供するステップと、
    負荷調整器を提供するステップであって、前記エネルギー蓄積貯蔵器に結合された入力部、及び、前記負荷調整器への少なくとも正のサイクル指令に応じて駆動エネルギーを前記サイクル負荷へ出力し、前記負荷調整器への少なくとも負のサイクル指令に応じて帰還エネルギーを前記サイクル負荷から受けるための出力部を有する前記負荷調整器を提供するステップと、
    前記駆動エネルギーに応じて動作する前記サイクル負荷の特性を、負荷エネルギーセンサを介して感知するステップと、
    コントローラを介して、感知された前記特性を受け取り、前記コントローラを介して、感知された前記特性に応じてエネルギー管理信号を前記コンバータへ出力するステップと、を有し、
    前記エネルギー管理信号は、感知された前記特性を介して決定された前記サイクル負荷の少なくとも１つの時間変化パラメータの関数としての時間変化信号を含み、前記コンバータは、前記エネルギー管理信号に応答して、前記サイクル負荷の少なくとも運動エネルギーと、前記エネルギー蓄積貯蔵器内に蓄積されたエネルギーとの合計を含むエネルギーバランスを実質的に一定に維持するように前記電力出力を動的に調整する、
    方法。
  19. 前記サイクル負荷を用いたエネルギー回生が、電気モータを用いた制動エネルギー回生を含み、
    前記コンバータを提供するステップは、更に、入力電圧を受けるための入力部、及びＤＣリンク電圧を出力するための出力部を有する第１の調整器を提供するステップを有し、
    前記エネルギー蓄積貯蔵器を提供するステップは、更に、前記第１の調整器の前記出力部に結合されたエネルギー蓄積デバイスを提供するステップを有し、
    前記負荷調整器を提供するステップは、前記エネルギー蓄積デバイスに結合された入力部、及びモータ駆動信号を前記電気モータへ出力するための出力部を有する第２の調整器を提供するステップを更に有し、
    前記感知するステップは、更に、前記モータ駆動信号に応じて動作する前記電気モータの特性を感知することを有し、
    前記感知された特性を受け取るステップは、更に、前記コントローラを介して、前記感知された特性を受け取り、前記コントローラを介して、前記感知された特性に応じて前記エネルギー管理信号を前記第１の調整器へ出力するステップを有し、
    前記エネルギー管理信号は、前記感知された特性を介して決定されたモータ速度及び逆ＥＭＦのうちの少なくとも一方の関数としての時間変化信号を含み、前記第１の調整器は、前記エネルギー管理信号に応答して、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方と、前記エネルギー蓄積デバイス内に蓄積されたエネルギーとの合計を含む前記エネルギーバランスを実質的に一定に維持するように前記ＤＣリンク電圧を動的に調整する、
    請求項１８に記載の方法。
  20. 前記電気モータは、
    空気流を発生させるよう動作可能な羽根車を含む医療用人工呼吸器であって、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方が、前記電気モータ、前記羽根車、及び結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む、人工呼吸器と、
    パワートレイン及び車輪を含むモータ車両であって、前記電気モータの回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方が、前記電気モータ、前記パワートレイン、前記車輪、及び結合された他の回転又は直線運動パーツのうちの１つ又は複数の回転運動エネルギー及び直線運動エネルギーのうちの少なくとも一方を更に含む、モータ車両とからなる群から選択されるもののパーツを形成する、
    請求項１９に記載の方法。
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