JP2021516531A - パルス化電気機械制御 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2018年3月19日に出願された、米国仮特許出願第62/644,912号、2018年4月17日に出願された、同第62/658,739号、及び2019年2月26日に出願された、同第62/810,861号の優先権を主張する。これらの各々はその全体が本明細書において参照により組み込まれる。
本出願は概して電気機械制御に関する。より詳細には、電気機械をよりエネルギー効率の高い様態で動作させることを促進するために、選択された動作条件の間に電気機械の動作をパルス化する制御方式及びコントローラ設計が説明される。
動作条件が保証するときに電気機械のエネルギー変換効率を改善するための電気機械(例えば、電気モータ及び発電機)のパルス化制御を促進する種々の方法、コントローラ、及び電気機械システムが説明される。より具体的には、選択された動作条件下で、電気機械は断続的に駆動される(パルス化される)。電気機械のパルス化動作は、電気機械の出力を、第1の出力レベルと、第1の出力レベルよりも低い第2の出力レベルとの間で交番させる。第1及び第2の出力レベルは、電気機械、及び電気機械を含むシステムのうちの少なくとも1つが、パルス化動作の間には、電気機械が、電気機械を、所望の出力を送出するべく連続的な様態で駆動するために必要とされ得る第3の出力レベルで動作させられる際に有し得るよりも高いエネルギー変換効率を有するように選択される。実施形態によっては、第2の出力レベルは0トルク(又は実質的に0トルク)である。
本発明及びその利点は、以下の説明を添付の図面と併せて参照することによって最も深く理解することができる。
本開示は、概して、動作条件が保証するときには電気機械のエネルギー変換効率を改善するための、さもなければ連続的な様態で動作させられ得る電気機械(例えば、電気モータ及び発電機)のパルス化制御に関する。より具体的には、選択された動作条件下において、電気機械は、伝統的な連続的なモータ制御によって達成され得るよりも高いエネルギー効率で所望の平均トルクを送出するために、より効率の高いエネルギー変換動作レベルで断続的に駆動される(パルス化される)。
多種多様な異なる電気機械が存在し、各機械はその独自の効率特性を有する。さらに、異なる動作速度において、電気機械は、図1の大まかな見直しから明らかであるべきであるように、異なる効率曲線を有することになる。したがって、パルス化制御が効率向上をもたらすことができる動作領域は、特定の電気機械の特性及び現在の動作ロータ速度を含む因子に基づいて大幅に変化することになる。
図3は、電気機械を上述の仕方で制御するために適した制御アーキテクチャを示す。本実施形態では、システム100は、機械コントローラ110と、パルスコントローラ(パルス発生器)120と、電源/シンク130と、電力コントローラ/変換器140と、電気機械160とを含む。パルスコントローラ120は、パルス化動作が要求されたときに、電気機械160のパルス化のタイミングを制御/指示する任務を負う。図3に示される実施形態では、パルスコントローラは、その機能の説明を容易にするために、機械コントローラ110とは別個になった構成要素として示されている。しかし、様々な実施形態では、パルスコントローラは、機械コントローラ110の部分として、別個の構成要素として、電力コントローラ/変換器140の部分として、又は他の適切な形態で実施され得る。
以上において示唆されたように、所望のデューティサイクルが決定されると、モータを駆動するために用いられるパルスの継続時間及び性質を多種多様な仕方で決定/生成することができる。1つの比較的単純なアプローチは、パルス幅変調(PWM)コントローラをパルスコントローラ120として用いることである。
次に図7を参照して、パルス発生器の別の実施形態が説明される。図示のアーキテクチャは、本実施形態では、シグマデルタ変換器190がパルス発生器120として用いられることを除いて、図3に示されるアーキテクチャと同様である。シグマデルタ制御に精通した人々によって理解され得るように、シグマデルタ制御の特性は、それがノイズシェーピングを容易にし、アイドルトーンを低減/解消し、騒音をより高い周波数に押しやる傾向を有することである。騒音がランダム化され、及び/又は人間の知覚の限界を上回る周波数に広げられると、このような騒音及び/又は振動はいずれもモータのユーザにとって煩わしくないため、騒音はあまり心配でなくなる。したがって、自動車電気モータ適用物の状況下では、シグマデルタ制御の使用は、車両の乗員がパルス化モータ制御のゆえに騒音又は振動を知覚する可能性を低減する傾向を有する。
モータの固有インダクタンスはオン及びオフのモータ状態の間の電流/電力階段を一時的に遅延させる/遅くすることができる。連続(非パルス化)動作の間は、これらの過渡的効果が全体的なモータ動作に及ぼす影響は比較的最小限にとどまる傾向を有する。しかし、本明細書において企図されるように高速パルス化が用いられるときには、過渡的効果はより大きな正味の影響を及ぼし得、したがって、モータ応答性に注目する、より強い動機付けがある。この課題の性質が図9A〜図9Bを参照して説明される。
上述の説明から、上述のパルス化機械制御は、多種多様な異なる種類の電気モータ及び発電機のエネルギー変換効率を改善するために多種多様な異なる適用物において利用することができることが明らかであるはずである。これらはAC及びDCモータ/発電機の両方を含む。
以上において説明された例のほとんどにおいて、パルス化は、トルクを、より高い(エネルギー効率の高い)トルク出力レベルと0トルク出力レベルとの間で変調することによって達成される。それが大抵のパルス化制御適用における好ましいアプローチであると考えられるが、高トルクと0トルクとの間で変調するのではなく、より高いトルク出力と、より低い非0トルク出力との間で変調することが好ましくなり得る状況(例えば、特定の機械/機械動作領域)が存在し得ると予想される。例えば、状況によっては、高/低パルス化はオン/オフパルス化よりも優れた騒音、振動、及びハーシュネス(NVH)特性を有し得、それゆえ、高/低パルス化によって、エネルギー変換効率とNVH特性との間の、オン/オフパルス化よりも望ましいトレードオフが達成され得るという状況が存在し得る。別の例では、いくつかのモータのいくつかの動作領域のために、高/低パルス化アプローチは、オン/オフパルス化よりも優れた全体的エネルギー変換効率をもたらし得る。0トルクを発生するために弱め界磁を必要とする永久磁石を組み込んだモータは、高−低トルク変調の使用の特に優れた候補である。
大抵のモータは、指定された最大定格出力レベルを有する。概して、最大定格出力レベルは定常状態動作に基づくものであり、多くの場合、モータは、短い期間の間、悪影響を全く伴うことなく、より高い出力レベルで駆動され得る。実施形態によっては、選択された動作領域内において、モータの出力レベルは、「オン」レベルを定常状態動作のための最大定格連続出力レベルよりも高くして、パルス化され得る。モータによっては、いくつかの潜在的動作範囲内において、オーバードライブパルスを用いることのいくつかの潜在的利点がある。例えば、いくつかの特定の動作状況では、所与のモータ速度におけるモータ又はシステム(例えば、モータ及びインバータ)のエネルギー変換効率は、特定のオーバードライブ領域内において、「通常」動作領域内よりも高くなり得る。これは、より高いトルク又は電力におけるパルス化動作がよりいっそう効率的になり得ることを意味する。
モータの非効率性に寄与する種々の因子が存在する。1つの寄与因子は、回転する電圧及び電流ベクトルの間の角度の余弦である力率に関連する。理想的には、電圧及び電流は位相が合っている、又は力率1を有するべきである。しかし、多くの種類の電気モータ/発電機について、この理想は必ずしも、任意の所与の負荷及び速度のための最も高いシステム効率点を示すわけではない。本明細書において説明されるとおりのモータのパルス化制御が企図され、パルス化動作点を考慮して力率補正が最適化されたときには、実効力率が伝統的な連続モータ動作のものを上回るよう改善することが期待される。
本発明の少数の実施形態のみが詳細に説明されたが、本発明は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく多くの他の形態で実施され得ることを理解されたい。様々な上述のパルスコントローラ及び他の制御要素は、異なる実施形態において多種多様な異なるアーキテクチャで実施され、グループ化され、構成され得る。例えば、実施形態によっては、パルスコントローラはモータコントローラ又はインバータコントローラ内に組み込まれ得るか、或いはそれは別個の構成要素として提供され得る。同様に、発電機のために、パルスコントローラは発電機コントローラ又は整流器コントローラ内に組み込まれ得、複合型モータ/発電機においては、パルスコントローラは複合型モータ/発電機コントローラ又は複合型インバータ/整流器コントローラ内に組み込まれ得る。実施形態によっては、上述の制御機能性は、 − 例えば、汎用プロセッサ及びマイクロプロセッサ、DSP等を含む、任意の好適な形態を取り得る − プロセッサ上で実行されるソフトウェア又はファームウェアにおいてアルゴリズム的に実施され得る。
Claims (74)
- 電気機械を制御する方法であって、前記方法が、所望の出力を送出するために前記電気機械のパルス化動作を指示することを含み、前記電気機械の前記パルス化動作が前記電気機械の前記出力を、第1の出力レベルと、前記第1の出力レベルよりも低い第2の出力レベルとの間で交番させ、前記第1及び第2の出力レベルが、前記電気機械、及び前記電気機械を含むシステムのうちの少なくとも1つが、前記電気機械が、前記電気機械を、前記所望の出力を送出するべく連続的な様態で駆動するために必要とされ得る第3の出力レベルで動作させられる際に有し得るよりも高いエネルギー変換効率を前記パルス化動作の間に有するように選択される、方法。
- 電力変換器が、前記電気機械の前記出力を制御するために用いられ、前記方法が、前記電力変換器を、前記電気機械の前記出力を前記第1の出力レベルと前記第2の出力レベルとの間で交番させるよう制御することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の出力レベルが実質的に0トルクである、請求項1に記載の方法。
- 前記電気機械が少なくとも10回/秒の周波数でパルス化される、請求項1に記載の方法。
- 前記電気機械が前記第1及び第2の出力レベルの間で少なくとも100回/秒交番する、請求項1に記載の方法。
- シグマデルタ変換器が、前記電気機械の前記パルス化を制御するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 前記シグマデルタ変換器が1次シグマデルタ変換器である、請求項6に記載の方法。
- 前記シグマデルタ変換器が少なくとも3次シグマデルタ変換器である、請求項6に記載の方法。
- 前記電気機械が現在の動作速度を有し、前記方法が、前記電気機械の前記現在の動作速度の変化に従って前記第1の出力レベルを変更することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- パルス幅変調コントローラが、前記電気機械の前記パルス化を制御するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の出力レベルが、前記電気機械の現在の動作速度における実質的に最も高いシステム又は電気機械エネルギー変換効率を有する電気機械出力レベルに対応する、請求項1に記載の方法。
- 前記システムが、モータ/発電機として動作するように構成されている、請求項1に記載の方法。
- 前記所望の出力の変化に従って前記パルス化のデューティサイクルを変更することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電気機械が誘導機である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記誘導機が少なくとも3つの相を有する、請求項14に記載の方法。
- 前記電気機械がスイッチトリラクタンス電気機械である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気機械が同期AC電気機械である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気機械が、
同期リラクタンス機、
永久磁石同期リラクタンス機、
ハイブリッド永久磁石同期リラクタンス機、
外部励磁AC同期機、及び
永久磁石同期機
からなる群から選択される、請求項17に記載の方法。 - 前記電気機械がブラシレスDC電気機械である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気機械が、
電気励磁DC電気機械、
永久磁石DC電気機械、
直巻DC電気機械、
分巻DC電気機械、
ブラシ付きDC電気機械、及び
複巻DC電気機械
からなる群から選択される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。 - 前記電気機械が、
渦電流機械、
ACリニア機械、
AC及びDC機械転流式機械、及び
アキシャルフラックス機械
からなる群から選択される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。 - モータを、所望のトルクを送出するよう制御する方法であって、前記方法が、
所望のモータ出力が、エネルギー変換効率の高い出力レベルである、指定出力レベル未満であるかどうかを決定することと、
前記所望のモータ出力が前記指定出力レベル未満である時には、前記モータに、前記所望の出力を送出させるために、パルス化電力信号を用いて前記モータを駆動することであって、前記パルス化電力信号が、前記指定出力レベルに対応する第1の電力レベルと、実質的に0である第2の電力レベルとの間で交番し、前記モータが、前記パルス化電力信号によって駆動された時には、前記モータを、前記所望の出力を送出するべく連続的な様態で駆動するために必要とされ得る第3の電力レベルで動作している時よりも高いエネルギー変換効率を有し、前記第3の電力レベルが前記第1の電力レベルよりも低い、駆動することと、
前記所望のモータ出力が前記指定出力レベル以上である時には、前記モータを、前記所望のモータ出力を送出するよう駆動することと、
を含む方法。 - 電力変換器が、前記電気機械の前記出力を制御するために用いられ、前記方法が、前記電力変換器を、前記電気機械の前記出力を前記第1の出力レベルと前記第2の出力レベルとの間で交番させるよう制御することをさらに含む、請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の出力レベルが実質的に0トルクである、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気機械が前記第1及び第2の出力レベルの間で少なくとも100回/秒交番する、請求項1〜24のいずれか一項に記載の方法。
- シグマデルタ変換器が、前記電気機械の前記パルス化を制御するために用いられる、請求項1〜5及び11〜25のいずれか一項に記載の方法。
- 前記シグマデルタ変換器が1次シグマデルタ変換器である、請求項26に記載の方法。
- 前記シグマデルタ変換器が少なくとも3次シグマデルタ変換器である、請求項26に記載の方法。
- パルス幅変調コントローラが、前記電気機械の前記パルス化を制御するために用いられる、請求項1〜5及び11〜25のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の出力レベルが、エネルギー変換効率に少なくとも部分的に基づいて、並びに騒音、振動、及びハーシュネス(NVH)の考慮事項に少なくとも部分的に基づいて選択される、請求項1〜29のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の出力レベルが、前記電気機械の現在の動作速度における実質的に最も高いシステム又は電気機械エネルギー変換効率を有する電気機械出力レベルに対応する、請求項1〜30のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気機械が現在の動作速度を有し、前記方法が、前記電気機械の前記現在の動作速度の変化に従って前記第1の出力レベルを変更することをさらに含む、請求項1〜31のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気機械が、モータ及び発電機のうちの少なくとも1つとして動作させられる、請求項1〜32のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電力変換器が、インバータ及び整流器のうちの少なくとも1つを含む、請求項1〜33のいずれか一項に記載の方法。
- ACモータを、所望のトルクを送出するよう制御する方法であって、前記方法が、前記ACモータを、所望のトルクを送出するよう駆動するための交番電力信号を前記ACモータに提供することを含み、前記交番電力信号が、第1の電力レベルと、実質的に0である第2の電力レベルとの間でパルス化され、前記ACモータが、前記第1の電力レベルで動作している時には、前記ACモータを、前記所望のトルクを送出するべく連続的な様態で駆動するために必要とされる第3の電力レベルで動作している時よりも高いエネルギー変換効率を有し、前記第3の電力レベルが前記第1の電力レベルよりも低い、方法。
- 前記ACモータの前記速度が、前記交番電力信号の周波数を調整することによって制御される、請求項35に記載の方法。
- 前記第1の電力レベルと前記第2の電力レベルとの間のスイッチングの位相が前記交番電力信号の位相と同期させられる、請求項35に記載の方法。
- 前記第1の電力レベルと前記第2の電力レベルとの間のスイッチングの位相が前記交番電力信号の位相と同期させられない、請求項35に記載の方法。
- 請求項1〜38のいずれか一項に記載の方法を遂行するように構成された機械コントローラ。
- システムであって、前記システムが、
電気機械と、
電力変換器と、
前記電力変換器に、所望の出力を送出するために、選択された動作範囲内で前記電気機械のパルス化動作を生じさせるよう指示するように構成された機械コントローラと、を備え、前記電気機械の前記パルス化動作が前記電気機械の前記出力を、第1の出力レベルと、前記第1の出力レベルよりも低い第2の出力レベルとの間で交番させ、前記第1及び第2の出力レベルが、前記システムが、前記電気機械の前記パルス化動作の間には、前記システムが、前記電気機械を、前記所望の出力を送出するために連続的な様態で駆動するために必要とされ得る第3の出力レベルで動作させられる際に有し得るよりも高いエネルギー変換効率を有するように選択される、システム。 - 前記第2の出力レベルが実質的に0トルクである、請求項40に記載のシステム。
- 前記機械コントローラが、前記電気機械の前記パルス化のタイミングを指示するパルスコントローラを含む、請求項40に記載のシステム。
- 前記パルスコントローラが、前記第1の出力レベルのパルスの継続時間、タイミング、又は周波数のうちの少なくとも1つを動的に決定するために、シグマデルタ変換器を利用する、請求項42に記載のシステム。
- 前記機械コントローラのパルス化動作を指示するように構成されたシグマデルタ変換器を備える電気機械コントローラ。
- 前記シグマデルタ変換器が1次シグマデルタ変換器である、請求項43に記載のシステム。
- 前記シグマデルタ変換器が少なくとも3次シグマデルタ変換器である、請求項43に記載のシステム。
- 一連の第1の出力レベルのパルスの間の周期がパルスサイクル継続時間であり、前記パルスサイクル継続時間が前記電気機械の動作中に変化する、請求項43に記載のシステム。
- 前記パルスサイクル継続時間が前記電気機械の回転速度に応じて変化する、請求項47に記載のシステム。
- 前記シグマデルタ変換器が、前記電気機械の動作速度に応じて変化する可変クロックを利用する、請求項43に記載のシステム。
- 前記パルスコントローラが、前記第1の出力レベルのパルスの継続時間を決定するために、パルス幅変調器を利用する、請求項42に記載のシステム。
- 前記パルスコントローラが、前記電気機械に、少なくとも10回/秒の周波数でパルス化されるようにさせるように構成されている、請求項42に記載のシステム。
- 前記電気機械が、モータ/発電機として動作するように構成されている、請求項40に記載のシステム。
- 前記機械コントローラが、前記電気機械の動作速度の変化に従って前記第1の出力レベルを変更するように構成されている、請求項40に記載のシステム。
- 前記電気機械が誘導機である、請求項40〜53のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記誘導機が少なくとも3つの相を有する、請求項54に記載のシステム。
- 前記電気機械がスイッチトリラクタンス電気機械である、請求項40〜53のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記電気機械が同期AC電気機械である、請求項40〜53のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記電気機械が、
同期リラクタンス機、
永久磁石同期リラクタンス機、
ハイブリッド永久磁石同期リラクタンス機、
外部励磁AC同期機、及び
永久磁石同期機
からなる群から選択される、請求項57に記載のシステム。 - 前記電気機械がブラシレスDC電気機械である、請求項40〜53のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記電気機械が、
電気励磁DC電気機械、
永久磁石DC電気機械、
直巻DC電気機械、
分巻DC電気機械、
ブラシ付きDC電気機械、及び
複巻DC電気機械
からなる群から選択される、請求項40〜53のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記電気機械が、
渦電流機械、
ACリニア機械、
AC及びDC機械転流式機械、及び
アキシャルフラックス機械
からなる群から選択される、請求項40〜53のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記機械コントローラが、前記電気機械の前記パルス化のタイミングを指示するパルスコントローラを含む、請求項40〜61のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記第2の出力レベルが実質的に0トルクである、請求項40〜62のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記パルスコントローラが、前記第1の出力レベルのパルスの継続時間、タイミング、又は周波数のうちの少なくとも1つを動的に決定するために、シグマデルタ変換器を利用する、請求項40〜49及び51〜63のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記シグマデルタ変換器が1次シグマデルタ変換器である、請求項44又は64に記載のシステム又は電気機械コントローラ。
- 前記シグマデルタ変換器が少なくとも3次シグマデルタ変換器である、請求項44又は64に記載のシステム又は電気機械コントローラ。
- 一連の第1の出力レベルのパルスの間の周期がパルスサイクル継続時間であり、前記パルスサイクル継続時間が前記電気機械の動作中に変化する、請求項44及び64〜66のいずれか一項に記載のシステム又は電気機械コントローラ。
- 前記パルスサイクル継続時間が前記電気機械の回転速度に応じて変化する、請求項67に記載のシステム又は電気機械コントローラ。
- 前記シグマデルタ変換器が、前記電気機械の動作速度に応じて変化する可変クロックを利用する、請求項44及び64〜68のいずれか一項に記載のシステム又は電気機械コントローラ。
- 前記電気機械が少なくとも時としてモータとして機能し、前記電力変換器がインバータを含む、請求項40〜69のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記電気機械が少なくとも時として発電機として機能し、前記電力変換器が整流器を含む、請求項40〜70のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記システムが、モータ/発電機として動作するように構成されている、請求項40〜71のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記パルスコントローラが、前記電気機械に、前記第1及び第2の出力レベルを少なくとも100回/秒切り替えさせるように構成されている、請求項40〜72のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記機械コントローラが、前記電気機械の動作速度の変化に従って前記第1の出力レベルを変更するように構成されている、請求項40〜73のいずれか一項に記載のシステム。
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