JP2022159064A - 埋込磁石形同期モータ制御のためのシステム及び方法 - Google Patents

埋込磁石形同期モータ制御のためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】モータパラメータの変動を引き起こす過酷な動作条件においてセンサレス埋込磁石形同期モータをロバスト制御する。【解決手段】マルチモデル磁束オブザーバと動的直接磁束モータ制御器が協調して機能して、駆動コマンドを生成する。磁束オブザーバは、異なるモータモデルに基づく磁束ベースの回転子特性推定値の提供の間で遷移する。モータパラメータ変動の影響を受けないモータ磁気モデルを用いて、DHFIフィルタ処理された電流を利用することで磁束ベースの特性値推定値を得ることができる。マルチモデル磁束オブザーバは、複数の適切な推定方法の間を遷移して、モータパラメータの変動の影響を低下させる、最小化する、あるいは除去するよう構成することができる。【選択図】図1A-1B

Description

本発明は、概して永久磁石同期モータ(「PMSM」)のロバスト制御に関する。様々な実施形態は、動的直接磁束制御(DDFC)、マルチモデル磁束オブザーバ、及びトルク線形制御に関する。
センサレスPMSMシステムは、暖房・換気・冷房(「HVAC」)用システムなどの特定のファンや送風機の駆動用途、並びに商業用及び工業用のモータにより駆動される様々な他の製品に配備され始めている。センサレスPMSM(センサレスPMSMシステムとも呼ばれる)は、先進的な電子制御式モータ(「ECM」)又はECMシステムの一種である。センサレスPMSMシステムは、概して定格動作速度で高い最大効率を提供することができるだけでなく、比較的広い高効率動作速度範囲も提供出来る。加えて、センサレスPMSMシステムの可変速度により、夜間などのオフピーク時には低稼働にすることができて、有意義な省エネの要因となりうる。加えて、これらの電子制御式PMSMシステムはクラウド通信などの様々な通信技術を用いて、人工知能制御及び遠隔制御により運転エネルギーの節約、アクセスしやすさ、監視、安全性、及び信頼性を向上させる機会を提供することもできる。
センサベースのPMSMシステムの一つの欠点は、その速度センサ及び/又は位置センサである。つまり、センサベースのPMSMシステムは、モータの外側に(例えばモータの軸に取り付けられる)速度センサ及び/又は位置センサを使用し、これらのセンサはスペースを占有し、追加の電子部品という形のコストをもたらし、モータの信頼性を損ねる追加の故障点となる。外部センサを組み込む代わりに、センサレスPMSMシステムは、制御を行うのにモータ自体の動作特性の検出に依存する。センサレスPMSM制御は、概して、推定される回転子位置角や推定されるモータ速度などの1つ又は複数の推定値を利用してセンサベースのPMSMシステムにおける外部センサで直接測定される制御値を置き換えることを含む。
暖房・換気・空調(「HVAC」)用制御システム又は空気の動きの制御システムなどの、商業用及び工業用のECM駆動用途に関して、センサレスECMが次第に選択されており、これは、部分的にはそれらのシステムは対応するセンサベースのシステムよりも少ない故障点を有するからであり、そのためそれらのシステムは屋上や他の風雨にさらされる環境などの過酷な環境でより適したものとなる。それでも、そのような環境にさらされることはセンサレスECMの動作に悪影響を与えうる。例えば、過酷な環境は、逆起電力、モータ抵抗、モータインダクタンスなどのモータパラメータを許容範囲外で変化させることがあり、これは非効率な動作と、場合によってはモータ故障を引き起こしうる。
多くのセンサレスECMは、経験的調査に基づく補償値のルックアップテーブルに依存する磁界方向制御(「FOC」)を実装している。磁界方向制御とは概して可変周波数駆動制御方式のことを指し、この制御方式では、三相AC電気モータのモータ固定子電流が測定されて、2つの直交する電流ベクトル成分(一方の電流成分ベクトル(id)はモータの鎖交磁束に関連し、他方(iq)はトルクに関連する)として識別される。磁界方向制御システムは、駆動部の速度制御により与えられる基準磁束及び基準トルクから対応する基準電流成分(すなわち目標値)を算出する。典型的には、測定された電流成分をその基準値に保つのに比例積分(「PI」)制御器が使用される。可変周波数駆動のパルス幅変調は、PI電流制御器から出力される基準固定子電圧に応じてトランジスタのスイッチングを規定する。
一般的に、FOCは、過酷な環境において許容範囲外で変化しうるモータパラメータに依存するために、一部の状況で苦労することがある。これは、FOCが、特定のモータ又は特定の種類のモータ用のルックアップテーブルに格納された一次元又は二次元の経験的補償値のルックアップテーブルに依存するためである。補償値は、モータパラメータが固定されている、又は小さい許容範囲内にあると仮定しており、経験的補償値を得る際に使用された前提値からモータパラメータを外れさせて性能低下をもたらす環境をFOCシステムは考慮していない。さらに、大規模な補償値の経験的データベースを開発及び維持することは、大量生産されたECMを管理してサービスを提供するうえで、重荷となりうる。FOC制御のロバスト性を向上させるための限られた試みは、あまりに複雑で、実際の用途ではあまりに簡単に性能低下をもたらしてきた。
FOC制御がモータパラメータの変動のために苦労しうる状況の一例は、高速時のインバータの飽和状態を識別する場合である。インバータの飽和は、概して、更なる電流を作り出して更なるトルクを生成するためにモータへの電圧入力をさらに増加させることができない状況を指す。FOCシステムは、モータがインバータ飽和状態にあるかどうかを識別するために、しばしば逆起電力を推定する。簡潔に言えば、FOCシステムは、典型的には逆起電力を推定しながらモータ速度を上昇させ、(典型的にはルックアップテーブルに格納された)経験的に得られたモータのインバータ飽和点と一致する特定の逆起電力推定値に達したら、モータ速度を上昇させるのを中止する。しかし、経験的飽和点は正常なモータパラメータ値に基づいているので、モータパラメータが異常な場合は、飽和点は正確ではないことがあり、これはインバータ飽和の誤った識別につながりかねず、非効率なECM動作又は他の問題をもたらしうる。
直接トルク制御(DTC)は、別の種類のモータ制御方法である。DTCは、固定子電圧を積分することで固定子磁束を推定し、推定固定子磁束と測定されたモータ電流ベクトルの外積を用いてトルクを推定する。磁束又はトルクのいずれかが目標値からあまりに大きく外れている場合は、DTCはモータ固定子電圧を少しずつ変化させて、典型的にはヒステリシス制御装置を用いて、これらの値を目標値に近づける。DTCは固定子抵抗の変動を無視するが、これは穏やかな環境では妥当でありうる。しかし、過酷な環境及び/又はより低速においては、固定子抵抗は無視できないことがあり、無視することで性能、安定性、又は他の問題をもたらしかねない。結果として、DTCは、限られた工業用途及び商業用途で特有の特別な課題と問題を有している。
その結果、より多くの商業用並びに工業用のファン及び送風機が過酷な環境条件に設置されて許容範囲外のモータパラメータ変動に直面するにつれて、モータパラメータ変動に耐えることができて、過酷な環境条件にもかかわらず商業用並びに工業用のファン及び送風機の駆動用途でロバストな速度制御を実現することのできる、新しいモータ制御のシステム及び方法が必要とされている。
本開示は、センサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)のロバスト制御のためのシステム及び方法に関する。本明細書に記載される様々な実施形態は、様々なセンサレスIPMSMと共に使用するのに適しており、このようなセンサレスIPMSMには、1つ又は複数の過酷な動作条件、例えば極端な、若しくは変動する温度若しくは電圧、又は、モータの磁気的出力やモータ抵抗、モータインダクタンスに大きな変化などのモータパラメータ変動を引き起こす基本的に任意の他の過酷な動作条件において動作するものが含まれる。本開示のIPMSMは、概して固定子と、回転子と、マルチモデル磁束オブザーバ及び動的直接磁束モータ制御器を含むモータ制御システムとを含む。
1つ又は複数の過酷な動作条件におけるIPMSMのロバスト制御の一つの方法は、センサレスIPMSMのマルチモデル固定子磁束オブザーバの電圧モータモデルを用いて過酷な動作条件において電圧モータモデルベースで推定される固定子と回転子の間の鎖交磁束を推定することと、センサレスIPMSMのマルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ磁気モデルを用いて過酷な動作条件においてモータ磁気モデルベースで推定される固定子と回転子の間の鎖交磁束を推定することと、モータ制御システムを用いて過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMの回転子過渡特性を推定すること、とを含む。
複数の推定されるモータ特性は、過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMを制御するマルチモデル固定子磁束オブザーバからの出力である。出力は、固定子磁束オブザーバの出力がモータパラメータ変動の影響を受ける推定値に大きく依存する時間を低下させる、最小化する、あるいは除去するように遷移させることができる。一部の実施形態では、固定子磁束オブザーバの出力は、回転子速度により決まる複数の磁束推定方法の間で遷移され、いくつかの磁束推定方法は特定の回転子速度におけるモータパラメータ変動に対してより寛容である、又はまったく無関係である。マルチモデル固定子磁束オブザーバの出力の遷移は、メモリに記憶される遷移閾値で自動的に行うことができる。出力の遷移は、回転子の速度や周波数などの推定される回転子過渡特性に基づくことができる。遷移は、センサレスIPMSMを制御するための、モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定されるモータ特性と、電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定されるモータ特性の間とすることができる。負荷角や速度、位置などの複数の推定されるモータ特性の形の出力を、固定子磁束オブザーバから動的直接磁束制御器などのモータ制御システムの1つ又は複数の他の構成要素へ送信することができる。それらの構成要素は、固定子磁束オブザーバが例えばリアルタイムで推定されるモータ特性を更新したら、推定されるモータ特性を受信して、推定されるモータ特性に応答するよう構成することができる。また、この方法は、受信したモータ特性の推定値に基づいて、過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMを制御することも含むことができる。
本開示のシステム及び方法は以下の特徴の1つ又は複数を単独で、又は組み合わせることによりさらに規定することができる。過酷な動作条件においてマルチモデル固定子磁束オブザーバから出力される推定されるモータ特性のそれぞれの精度は、対応する実際の回転子特性に対して所定の許容範囲内に入る。
推定される回転子過渡特性は推定回転子速度でありえて、出力することには、推定回転子速度が遷移閾値を下回っている間にマルチモデル固定子磁束オブザーバから過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMを制御するための複数の推定されるモータ特性をモータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力することと、推定回転子速度が遷移閾値を上回っている間にマルチモデル固定子磁束オブザーバから過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMを制御するための複数の推定されるモータ特性を電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力することと、を含むことができる。
本開示の一態様は、固定子磁束オブザーバと、利得関数を利用して異なる速度範囲におけるモータパラメータ変動に対してより回復力がある、又は基本的に影響を受けないためにそうした異なる速度範囲でより確実に動作する2つのモータモデルの間で切り替えを行う固定子磁束オブザーバを動作させる方法とに関する。一部の実施形態では、電圧モータモデルは1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、動作条件の範囲で有効である。遷移閾値を下回る推定回転子速度において、過酷な動作条件は電圧モータモデルが有効な動作条件の範囲外となり、遷移閾値を上回る推定回転子速度において、過酷な動作条件は電圧モータモデルが有効な動作条件の範囲内に入る。その結果、電圧モータモデルは、特定の回転子速度に対するモータパラメータ変動にかかわらず、信頼することができる。一部の実施形態では、モータ磁気モータモデル又は電流モデルは1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、動作条件の範囲で有効である。遷移閾値を上回る推定回転子速度において、過酷な動作条件は磁気モータモデルが有効な動作条件の範囲外となり、遷移閾値を下回る推定回転子速度において、過酷な動作条件は磁気モータモデルが有効な動作条件の範囲内に入る。その結果、電圧モータモデルは、特定の回転子速度に対するモータパラメータ変動にかかわらず、信頼することができる。
一部の固定子磁束オブザーバ推定においてモータパラメータ変動を引き起こしうる過酷な動作条件には、センサレスIPMSMに関連付けられた定格周囲温度範囲外の周囲温度が含まれる。
一部の実施形態は、高周波注入及び動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理に対して確認されている。一実施形態は、高周波信号をIPMSMの固定子へ注入することと、基本周波数部分及び高周波注入部分を含む固定子電流を検出することと、検出された固定子電流を、DHFIフィルタを用いてフィルタ処理して高周波のDHFIフィルタ処理された電流と基本周波数のDHFIフィルタ処理された電流にすることと、センサレスIPMSMの回転子位置を高周波のDHFIフィルタ処理された電流に基づいて高周波オブザーバを用いて推定することと、を含み、モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定は、基本周波数のDHFIフィルタ処理された電流に基づいており、推定回転子位置は高周波のDHFIフィルタ処理された電流とモータ磁気モデルから得られる。
また、本開示は、過酷な動作条件において動作するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)システムも対象とする。IPMSMシステムは、モータハウジングと、モータハウジング内に取り付けられて空間を画定する固定子であって三相固定子巻線構成を有する固定子と、磁気的突極性を示すように円周方向に分散された複数の埋込磁石を含む回転子であって、固定子の三相固定子巻線構成の励磁により空間内で速度範囲を超えて回転可能な回転子と、モータハウジング内に取り付けられたモータ制御システムと、を含む。
モータ制御システムは様々な構成要素を含むことができる。一部の実施形態は、電源と、固定子の1つ又は複数の電気特性を検出するよう構成されている検出回路と、複数のモータ特性値を記憶するメモリと、マルチモデル磁束オブザーバと、を含む。
マルチモデル磁束オブザーバは様々な推定を行うよう構成することができる。推定は、固定子と回転子の間のモータ鎖交磁束の電圧モータモデル又はモータ磁気モデルを用いた推定を含むことができる。推定は、極端な温度又は変動する温度や変動する電圧などの過酷な動作条件において、若しくはインバータの飽和時に、又は基本的に任意の他の過酷な動作条件において行うことができる。また、磁束オブザーバはモータ鎖交磁束に基づいて回転子速度を推定することもできる。推定された磁束を使って、モータ制御システム全体にわたって使用してセンサレスIPMSMを制御することができる様々な推定されるモータ特性値を導き出すことができる。推定方法は、基礎となるモータモデルが特定のモータ速度においてどれだけ信頼できるかに応じて変わりうる。究極的には、本開示の動的直接磁束制御器のような制御器は、駆動コマンドを生成するよう構成することができる。駆動コマンドは、過酷な動作条件においても推定されるモータ特性に基づいてモータを駆動することができる。システムは、制御器により与えられる駆動コマンドに従って固定子の三相固定子巻線構成に対する励磁信号を生成する駆動回路を含むことができる。
本開示のセンサレスIPMSMの実施形態は、DHFIと共に動作することができる。システムは、高周波信号をIPMSMの固定子へ注入するよう構成されている高周波注入回路を含むことができる。検出回路は、基本周波数部分及び高周波注入部分を含む固定子電流を検出するよう構成することができて、DHFIフィルタは検出された固定子電流をフィルタして高周波部分と低周波部分にするよう構成することができる。高周波のDHFIフィルタ処理された電流を利用して、IPMSMの埋込磁石による磁気的突極性に基づいて、回転子位置、ひいては回転子速度を得ることができる。また、回転子の位置及び速度は、例えば経験的な固定子抵抗及びインダクタンスの値に基づいて算出された逆起電力電圧を利用して、基本周波数のDHFIフィルタ処理された電流を用いて得ることもできる。
本開示の別の態様は、マルチモデル固定子磁束オブザーバを用いて過酷な動作条件においてセンサレス埋込磁石形同期モータの回転子特性値を推定するシステム及び方法を対象とする。マルチモデル固定子磁束オブザーバは、固定子及び回転子を有するIPMSM制御システム内での使用のために構成することができる。
固定子磁束オブザーバシステム及び方法は、まず、再構成された固定子電圧と、逆起電力電圧と、不感時間電圧と、フィードバックとに基づいて、電圧モータモデルベースで推定される固定子と回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することを含むことができる。また、システム及び方法は、次に、モータ磁気モデルベースで推定される固定子と回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することも含むことができる。様々な回転子特性値を、モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束と電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束に基づいて推定して、マルチモデル固定子磁束オブザーバから出力することができる。固定子磁束オブザーバは、その出力を一方と他方の間で遷移するよう構成することができる。遷移は、メモリに記憶される遷移閾値により引き起こすことができる。遷移は、推定されるセンサレスIPMSM回転子特性出力の精度が過酷な動作条件においてIPMSM制御の全動作範囲にわたって実際の回転子特性値の所定の許容範囲内に入るように構成することができる。一部の実施形態では、遷移は回転子の速度値により制御される。他の実施形態では、遷移はカットオフ周波数、回転子の周波数値、又は他の値により制御される。遷移点は、想定されるIPMSM動作速度範囲、想定されるIPMSM始動トルク、想定されるIPMSM最大動作速度、又はそれらの任意の組み合わせの少なくとも一つに基づいて選択することができる。
本開示の別の態様は、動的直接磁束制御システム構成に関する。一部の実施形態では、モータパラメータの非線形変動が、温度の変動、極端な周囲温度、電圧の変動、インバータの飽和の少なくとも一つにより起こる。特定の動的直接磁束制御ストラテジにより、モータパラメータ変動を鑑みて効率及びロバスト性を向上させることができる。一実施形態では、動的直接磁束制御システムは、最大トルク/電流(「MTPA」)のルックアップテーブルからMTPA磁束目標値を取得し、回転子速度推定値から得られる弱め磁束限界に基づき、回転子速度推定値がインバータ飽和回転子速度を下回るのに応答してMTPA磁束目標値を制限し、制限されたMTPA磁束目標値及び固定子磁束オブザーバ磁束推定値に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成され、インバータ飽和回転子速度に対応するMTPA磁束目標値はセンサレスIPMSMの過酷な動作条件のために想定よりも低くなり、動的直接磁束制御システムは最大IPMSMトルクを提供するためにMTPA磁束目標値を調整する。別の実施形態では、モータ特性値のうちの一つは固定子磁束オブザーバ負荷角であり、動的直接磁束制御システムは、最大トルク/電圧(「MTPV」)制御器を用いて固定子磁束オブザーバ負荷角に基づいてトルクベースの固定子電流目標値を制限し、基本周波数のDHFIフィルタ処理された固定子電流と固定子電流の少なくとも一つと制限されたトルクベースの固定子電流目標値の間の誤差に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成される。
本発明のこれらの、及び他の目的、利点、特徴は、本実施形態の説明及び図面を参照することでより完全に理解及び認識されるであろう。
本発明の実施形態が詳細に説明される前に、本発明は以下の説明に記載される、あるいは図面に示される動作の詳細、又は構成要素の構造の詳細及び配置に限定されないことを理解されたい。本発明は様々な他の実施形態で実現可能であり、本明細書で明示的に開示されない他の方法で実践又は実行することが可能である。また、本明細書で使用される言葉遣い及び用語は説明の目的で使用されており、制限的であるとみなされるべきではないことを理解されたい。「含む(including)」、「含む/備える(compising)」、及びその変形は、その後に列挙されている項目及びその均等物、並びに追加の項目及びその均等物を包含することを意図している。さらに、様々な実施形態の説明において列挙が使用されることがある。別途明示的に記載されていない限り、列挙を用いることは、本発明を特定の順序や構成要素の個数に制限すると解釈されるべきではない。また、列挙を用いることは、本発明の範囲から列挙されたステップや構成要素と結合されうる、又は一体化されうる追加のステップ又は構成要素を除外すると解釈されるべきでもない。「X、Y、及びZの少なくとも一つ」などの請求項中の要素への言及は、X、Y、及びZのいずれか一つを単独で、並びに、例えばX、Y、及びZやX及びY、X及びZ、Y及びZなどのX、Y、及びZの任意の組み合わせを含むことを意図している。
図1A~1Bは、商業用のファン又は送風機の図を示す。 図2は、本開示の一実施形態に係るIPMSMの分解組立図を示す。 図3A~3Bは、図2のIPMSMの組立後の正面斜視図を示す。 図4は、本開示の一実施形態に係るブロック図を示す。 図5は、商業用ファンの負荷に対するモータ出力電力-速度曲線を示す。 図6は、固定子直接直交基準座標系、回転子直接直交基準座標系、静止基準座標系、及び3軸基準座標系を含むいくつかの基準座標系を示す。 図7は、代表的な機能ブロックを示す、センサレス永久磁石モータ動的直接磁束制御(「DDFC」)システム図を示す。 図8は、入力及び出力の制御ベクトル変数、並びに制御論理を有する代表的な機能ブロックを示す、直接磁束制御を実装した制御器の好ましい実施形態を示す。 図9は、ユニバーサルdq制御器を示し、電流制御と磁束制御の切替状態を示す。 図10は、電流制限機能ブロック図を示す。 図11は、好ましいマルチモデル固定子磁束オブザーバ機能ブロック図を示す。 図12は、DDFCブロック及び動的高周波注入(「DHFI」)固定子磁束オブザーバを含むセンサレスPMSM機能ブロック図を示す。 図13は、別の好ましいマルチモデル固定子磁束オブザーバ機能ブロック図を示す。 図14は、モータ速度値及び対応する周波数値の特定の範囲におけるオブザーバモード、HFIフラグの状態、磁束オブザーバモデルの状態、及びフィルタ状態を示す好ましいグラフを示す。 図15Aは、トルク制御線形性機能ブロック図によるシステム制御の一部を正常動作時のMTPA制御軌跡及び制限された条件下でのMTPA制御軌跡のグラフと共に示す。 図15B~15Cは、トルク制御線形性機能ブロック図によるシステム制御の一部を正常動作時のMTPA制御軌跡及び制限された条件下でのMTPA制御軌跡のグラフと共に示す。 図16は、MTPA制御の一実施形態に対するTCLフローチャートを示す。 図17は、トルク制御線形性を含む、ロバストなセンサレスIPMSM制御の一実施形態に対するDFCフローチャートを示す。 図18A~18Dは、1050RPM、550Wの出力電力、25℃で補償なしで動作中の好ましいDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図18E~18Fは、1050RPM、550Wの出力電力、25℃で補償なしで動作中の好ましいDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図19A~19Dは、1050RPM、550Wの出力電力、80℃で、-11%の磁束変動、+21%の抵抗変動で補償なしで動作中の好ましいDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図19E~19Fは、1050RPM、550Wの出力電力、80℃で、-11%の磁束変動、+21%の抵抗変動で補償なしで動作中の好ましいDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図20A~20Dは、1050RPM、550Wの出力電力、-30℃で、-11%の磁束変動、+21%の抵抗変動で補償なしで動作中の好ましいDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図20E~20Fは、1050RPM、550Wの出力電力、-30℃で、-11%の磁束変動、+21%の抵抗変動で補償なしで動作中の好ましいDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図21A~21Cは、600RPMから30RPMへ減速中でフラグ状態が変更される間のDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図22A~22Cは、200RPMの付近において減速中でフラグ状態が変更される間のDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。 図23A~23Cは、30RPMから600RPMへ加速中でフラグ状態が変更される間のDFCロバスト制御のシミュレーション結果のグラフを示す。
本開示は、概してモータパラメータ変動を克服可能でロバスト制御を実現できる、永久磁石同期モータ(「PMSM」)の制御のためのシステム及び方法に関する。本開示の一態様は、概して動的直接磁束制御(「DDFC」)方式、DDFC方式を実装したモータ制御器、及びDDFC方式を実装したECMシステムを対象とする。DDFCは、概して過酷な動作環境に存在する過酷な動作条件などの外力による引き起こされるモータパラメータ変動に対するロバスト性を有するPMSM制御のためのシステム及び方法のことを指す。本開示の別の態様は、概してマルチモデル固定子磁束オブザーバを対象とする。本開示の一態様は、マルチモデル磁束オブザーバモデルの、マルチモデル固定子磁束オブザーバの支配的なモデルの遷移を開始させる1つ又は複数の特定の速度若しくは周波数などの遷移トリガー又はトリガー一式の選択に関する。これらのトリガーは、1つ又は複数の回転子過渡特性とも呼ばれることがある。本開示の別の態様はトルク制御線形性(TCL)トリガーに関する。一部の実施形態は様々な異なる態様を結合し、他の実施形態は態様の一部を含むが、他の態様は含まない。本開示の実施形態は、HVACシステムなどの多種多様なファン及び送風機システム、並びに様々な他の商業用途及び工業用途で使用するのに適している。
図1A~1Bはそれぞれ、好ましい商業用又は工業用のファン10の前面図及び側面図を示す。これらの図は、ファン羽根11、ECM12、及び設置用構造物13を含む好ましい構成要素を示す。ファン羽根11はECM12により駆動されるにつれて、特定の速度及び特定の回転方向に回転して気流を生成する。ファンは、典型的にはモータ自体の中に組み込まれているモータの電子部品の構成又はプログラムに基づいて気流の要件を満足するように指定された気流を作り出すことができる。
本開示のセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)の実施形態で使用するのに適している数多くの構成要素及び制御要素は、2020年2月19日に出願されたBojoiなどによる「速度ゼロ又は低速から埋込磁石形同期モータを制御するためのシステム及び方法(SYSTEM AND METHOD FOR INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR CONTROL FROM ZERO OR LOW SPEED)」と題された米国特許出願第16/795,074号明細書、及び2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法(ROBUST STARTING SYSTEM AND METHOD FOR INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR CONTROL)」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書に記載されており、これらはいずれも参照によりその全体が本明細書に援用される。
図2及び図3A~3Bはそれぞれ、本開示の実施形態に係る、ECMの好ましい実施形態の分解組立図、正面斜視図、及び後面斜視図を示す。描かれているECMは、一体化されてモータ全体となるモータ、制御器、及びインタフェースを含み、これらは以下でより詳細に説明される。
描かれているモータは、Ned-Fe-Bなどの希土類磁性材料を備える埋込磁石形(「IPM」)同期モータである。モータは後端遮蔽体223、前端遮蔽体229、及び中央部遮蔽体225を含むハウジング又は筐体234を有する。3つの遮蔽体は、モータの筐体234を共同で形成するよう結合可能である。後端遮蔽体223及び中央部遮蔽体225は、モータ制御システム224を含むIPMSM電子部品用の密封された筐体を形成する。潤滑剤又はオイルシールがモータ筐体234から外へ延びて前端遮蔽体229を密封する駆動軸232を取り囲むことができる。別の実施形態では、モータ筐体は、共同で基本的に任意の適切な方法でモータを収納して、例えば駆動軸を回転させるためにモータが電気エネルギーを力学的エネルギーに変換できるようにする、追加の、より少ない、又は異なる構成要素から形成することができる。
好ましいモータは、モータ制御システム224、固定子226、及び回転子228を含む。モータ制御システム224は、例えば密封された後端遮蔽体223及び密封された中央部遮蔽体225が協調することにより、独立した空洞部の内部に取り付けて密封することができる。モータ制御システム224は、固定子226の多相AC電磁気学を駆動して線電流の振動に合わせて回転する磁場を作ることができる。定常状態になると、回転子は、例えば回転子に埋め込まれている永久磁石により、固定子226と調和して向きを変え、その結果、固定子の駆動軸232を回転させる。モータは、回転子を支持し、固定子226と回転子228の間の空隙が小さく一定に保たれるように回転子を位置づけるベアリング227を含むことができる。モータ制御システム224は、電子部品により生成された熱を放散させるための後端遮蔽体223に結合されたプリント基板上に制御器を含むことができる。
据付中、又は点検中に、カバー221を開けてコネクタ222にアクセスすることができる。本実施形態では電線用カバーは防水性であり、ゴムパッキンを含む。防水電気コネクタ222は、モータ制御システム224及び固定子226への経路設定、接続、あるいはそうでなければ結合を提供することができる。一実施形態では、防水電気コネクタ222は三相電源ケーブル、指令ケーブル、及び検出/監視ケーブルである。本実施形態では、3つのコネクタ222は三相電源ケーブル、指令ケーブル、及び検出/監視ケーブルに接続インタフェースを提供する。
ここで、図4を参照しながら本開示に係るモータ制御システム224の概要について説明する。概して、モータ制御システム224は、1つ又は複数の、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、及び/又は本明細書に記載される機能を実行するようプログラムされた他のプログラム可能な電子部品を含むことができる。モータ制御システム224はさらに、あるいは、本明細書に記載される機能を実行するようプログラムされた、又はマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、及び/又は他の電子部品をサポートする他の電子部品を含むことができる。他の電子部品には、限定されないが、1つ若しくは複数の、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、揮発性若しくは不揮発性メモリ、ディスクリート回路、集積回路、特定用途向け集積回路(ASIC)、並びに/又は他のハードウェア、ソフトウェア、若しくはファームウェアを含むことができる。そのような構成要素は、適切な方法で、例えばそれらの構成要素を1つ又は複数の回路基板へ実装したり、一つの装置に統合される、又は複数の装置に分散されるかに関わらずそれらの構成要素を別の方法で配置するなどにより、物理的に構成することができる。そのような構成要素は、モータ12内の異なる位置に物理的に分散することができる、あるいは後端遮蔽体223及び中央部遮蔽体225により形成される密封された筐体内などのモータ12内の一般的な場所に存在することができる。物理的に分散される場合、構成要素は、任意の適切なシリアル又はパラレル通信プロトコル、例えば、限定されないが、SCI、WiFi、ブルートゥース(登録商標)、FireWire(登録商標)、I2C、RS-232、RS-485、ユニバーサルシリアルバス(USB)などを用いて通信を行うことができる。
図4を参照すると、モータ制御システム224の一実施形態は、限定されないが、三相の電力源450を適切な電圧、電流、及び周波数へ変換する電源回路441と、モータ固定子巻線を駆動コマンドに基づいて駆動する駆動回路442と、1つ又は複数のモータ制御方法若しくはモータ速度推定方法で使用するために1つ又は複数のモータ特性を検出する検出回路442と、1つ若しくは複数のモータ速度推定方法又は1つ若しくは複数のモータ制御方法を実装して検出されたモータ特性に基づいて駆動コマンドを駆動回路へ与える制御器444と、1つ又は複数のモータ制御方法を含むモータ動作を監視する監視インタフェース445と、様々な指令入力を制御器444へ与える指令入力インタフェース446とを含む、様々な異なる電子部品の組み合わせを含む。指令入力インタフェース446は、製品システムコントローラや別の上位レベルの制御盤などの外部デバイスからの指令を受信するよう構成することができる。また、監視インタフェース445は受信した検出・監視情報を上位レベルの制御盤などの外部デバイスへ伝えることもできる。例えば、指令入力インタフェース446及び監視インタフェース445は、ブルートゥース(登録商標)やWIFIなどの無線通信プロトコルなどの基本的に任意の通信プロトコルを利用する送受信機又は他の通信装置を介して外部デバイスと通信を行うことができる。
本明細書に記載される制御方法の様々な実施形態を実現するのに使用される駆動検出回路442の一部は、他の既知のモータ制御方法を実現するのに利用される駆動検出回路442と同じとすることができる。例えば、駆動検出回路は、固定子相電流や固定子電圧などの様々な固定子特性を検出することができる検出回路と共に三相フルブリッジトポロジを含むことができる。一実施形態では、検出回路は固定子相電流、固定子相電圧、及びDCリンク電圧を検出することができる。つまり、駆動検出回路442のハードウェア構成を利用して、本明細書に記載される制御方法の実施形態を実現することができる。別の実施形態では、検出回路442は、追加の、異なる、又はより少ない特性を検出する回路を含むことができる。制御器444はメモリを含む、あるいは共有回路基板上にある、又はモータ内のどこかにあるメモリへアクセスすることができる。メモリは、様々な制御方法及び速度推定方法に関連して様々な動作パラメータを含むことができる。また、制御器444は、マイクロコントローラユニット(「MCU」)も含むことができる。駆動検出回路442は、リアルタイム処理のためにMCUへフィードバックを提供するためにハードウェア検出回路を含むことができる。制御器444は、駆動検出回路442により供給されるフィードバックへアクセスして、駆動回路442及びインバータ441を介して制御指令をECM443へ送信するためにソフトウェアアルゴリズム及びハードウェアを含むことができる。
制御器444は、回転子特性検出方法、例えば、上で参照によりその全体が援用された、2020年2月19日に出願されたBojoiなどによる「速度ゼロ又は低速から埋込磁石形同期モータを制御するためのシステム及び方法」と題された米国特許出願第16/795,074号明細書に記載される回転子特性方法などを用いて構成することができる。回転子位置検出方法を用いた回転子位置の検出とは、モータ固定子に対する回転子の位置を検出する、又は推定することを指す。位置は、基本的に任意の適切な座標系で取得する、又は変換することができる。例えば、モータ制御システム224の一部の実施形態は、固定子電流測定値(abc)を静止基準座標系又はdq基準座標系へ変換することを含む。回転子磁気極性は、回転子極性検出方法を利用して検出することができる。
図5は、商業用ファンの駆動に対する固定子出力(例えば固定子電圧又は固定子電流)-回転子速度の特性曲線の一例を示す。この曲線は、様々な固定子出力値(Y軸)に対する回転子速度(X軸)を図で示している。
低速時は、ファン羽根11は大きな圧力を作り出して空気を動かすことはなく、したがってPMSM12からの少量の出力によって速度に比較的大きな変化が生じる。モータ速度が上昇するにつれて、ファン羽根11を駆動するためのPMSM12への出力要求が特定の目標速度に達する、あるいは限界値に達するまで、ほぼ指数関数的な関係で上昇する。描かれている実施形態では、出力電力は作用点W2(S2、P2)22において制限される。
低速とは、概して作用点W1(S1、P1)21の速度を下回る速度を指す。一実施形態では、作用点W1は約200~300RPM(S1)であり、これはシステムの摩擦、ドラッグトルク、及び他の関連する力に対抗する定格出力の約3~5%である。作用点W1での速度を上回る速度から作用点W2までは、概して動作速度と呼ばれることがある。一実施形態では、作用点W2は約2000RPM(S2)であり、これは定格出力又はモータが到達しうる最大出力、又はその近くにある。W2の速度は絶対的な最大速度ではない可能性があるが、許容されるモータ動作に対する最大速度及び最大動作出力と呼ばれることがある。また、W2は出力の限界点と呼ぶこともできる。
本開示の実施形態に基づいて、異なる制御速度制御論理を出力-速度の特性曲線の異なる部分で利用することができる。例えば、異なる制御方法は、異なる速度レベルにおいて優れたシステム保護、監視、及び効率を提供することができる。一実施形態では、作用点W3(S3、P3)は作用点W1より下の点に対応する。作用点W3の速度より上でモータが作用点W1の速度付近に到達するまでは、逆起電力値がなおも極めて小さいことがあるが、こうした逆起電力値は正確な速度推定値を生成するのに充分信頼はできない。一実施形態では、作用点W3の速度は20~40RPM(S3)、又はその間にある。
作用点W3より下、又はその近くでは逆起電力に依存する制御論理に基づいてモータを制御できないことで、センサレスIPMSMを非常に低速で、すなわち作用点W3に関連付けられた速度未満で正確に動作させることは困難になりうる。
さらに、グラフの他の端部において、パワーインバータの飽和が高速でのモータ制御に影響を与えうる。特定の電力出力において、モータの永久磁石の制御システムインバータは飽和する。つまり、モータ速度が上昇するにつれて、モータ出力電力が増加し、これにより、それに応じて逆起電力が上昇する。ある時点で、モータは、インバータが飽和するために出力電力をさらに上昇させられない点に到達する。これは逆起電力が利用可能な電圧に対して基本的に充分高い点であり、モータ制御インバータ441がさらに電流を作り出して更なるトルクを生成することができないために飽和する。
モータ制御器は、高速においても(例えばW2の速度、又はそれより上において)目標トルクを維持するために弱め磁束制御ストラテジを用いてプログラムすることができる。この制御は、現場で不安定となりうる電源のために制限された電圧供給状態を考慮することができる。商業用のファン及び送風機の駆動では、典型的なスピンドル駆動のような一定した出力-速度の特性曲線を持たない。しかし、商業用のファン及び送風機の駆動は、以下でより詳細に説明されるように、不安定な定格電圧供給状態でも特定の弱め磁束制御ストラテジを利用することで、高速時に満足のいくモータ制御を実現することができる。
以下の節では、例えば商業用並びに工業用のファン及び送風機の駆動において実装し、現場での過酷な作動条件においても全動作速度範囲でロバストなモータ制御を実現することができる制御方式の実施形態についての更なる詳細が提供される。
I.センサレス動的直接磁束制御
本開示の一態様は、動的直接磁束制御(「DDFC」)と呼ぶことができて、概して、推定固定子磁束と目標固定子磁束又は基準固定子磁束との比較に基づいてd軸成分指令電圧が算出され、一方で推定されるq軸固定子電流とq軸目標電流又はq軸基準電流との比較に基づいてq軸成分指令電圧が算出されるシステム及び方法を対象としている。
この構成により、多数の従来の制御方式、例えば磁界方向制御(「FOC」)や直接トルク制御(「DTC」)の特徴を活用することで、それらの方式の不利益の多くを克服する。DDFCの例の詳細な検討がこの後に続く。
良く知られた座標変換理論によれば、モータの電圧、電流、及び固定子磁束ベクトルは、それぞれ
Figure 2022159064000002
で表される。採用されるベクトル基準座標系は、半径方向埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)30を示している図6で定義されている。具体的には、図6のIPMSMは以下の基準座標系を含む:静止座標系(α-β)31、回転子座標系(d-q)33、固定子磁束座標系(ds-qs)32、三相巻線基準座標系(abc)。
典型的な磁界方向制御(「FOC」)方式は、図6に示される同期回転子座標系33に基づくd-q軸電流制御を用いたモータトルク制御又はモータ速度制御を含む。FOCは巧妙に開発された経験的補償を用いて低い速度範囲で充分うまく動作するが、より高い速度範囲においてはモータパラメータ変動のために概してうまく機能しない。
モータパラメータがその正常値から変化する主な理由の一つは、モータが設置される環境のためである。例えば、巻線の逆起電力、抵抗、及びインダクタンスは温度により大きく変化することがある。モータパラメータに対する経験的補償は、概して理想的な環境、又は少なくとも固定された、若しくは特定の環境で開発されている。しかし、現実世界の動作環境は、特に商業用又は工業用のファン及び送風機(これらは屋根に設置されているかもしれず、そうでなければ風雨にさらされているかもしれない)では、必ずしも理想的なものや、固定されているもの、特定のものではない。例えば、変化する、及び/又は過酷な環境、例えば変動する温度や極端な温度は、モータパラメータ(又は、モータパラメータに基づく他の項)をメモリに記憶されている値から変化させる。
ソフトウェア内にプログラムされた制御アルゴリズムが、現実世界の値とは一致しない、メモリに記憶される経験的値に依存している場合、制御アルゴリズムは効率的又は効果的に動作しないことがあり、むしろ制御変数の不正確な計算につながりかねない。さらに、実際のモータパラメータとメモリに記憶されるモータパラメータの間の差異に起因する問題は、特定のモータ速度において非線形な影響により悪化しうる。例えば、速度が上昇するにつれて負荷及び電流はより大きくなり、モータインダクタンスLd、Lq(又はそれらの値に基づく他のパラメータ)などのモータパラメータは非線形性のために不正確となる。
一部のモータパラメータ変動は、それ自体では制御ループに影響を与えないことがある。例えば、電圧は、一部のモータ制御方法ではしばしば電流制御ループの中に入らない。しかし、モータパラメータ変動による固定子電圧の変化は、電圧(又は、モータパラメータ変動により影響を受ける別の特性)がモータパラメータに依存する電圧制限方程式に基づく限界値となりうるために、なおも制御へ影響を与えうる。例えば、FOCにおいては、モータパラメータ方程式を設定する際に固定子電圧に関して仮定がなされる。その結果、そうした仮定が正しくない場合、FOCは機能しない、又は不安定になることがあり、FOCは過酷な作動条件がより一般的である商業用のファン及び送風機の駆動用途で更なる課題及び困難に直面する。
直接トルク制御(DTC)は、モータのトルク創出を用いて電圧を直接制御する。これは、モータが高速域で動作している間にモータパラメータへの依存が小さくなることにつながる。しかし、DTCには、代替として機能するのを不可能にする重大な不利益がある。例えば、DTCは低速ではうまく動作せず、商業的及び工業的な状況で適用するのに特有の取り扱いが必要となるシステム安定性問題を有することがある。
DDFCの実施形態はこうした欠点に対処して、両方の制御方式の利点を活用しながらそれらの方式の欠点を克服する。モータトルク創出制御が望まれる場合、固定子磁束は、リアルタイムでトルク創出量、固定子電圧、及び固定子電流に直接関係しているので、有用な制御変数である。また、トルク制御はトルク及び速度の制御でも同様に有用になりうる。DDFCは、固定子電圧制御を用いた磁束制御と固定子電流制御を用いたトルク制御の両方を包含する。
A.固定子磁束基準座標系に基づくIPM磁気モータモデル
本開示の本実施形態は、部分的には図6に示される静止基準座標系(α-β)31でのモータの電流モデル(一般的には磁気モデル又は磁気モータモデルとも呼ばれる)に依存する。埋込磁石形(「IPM」)モータでは、静止基準座標系(α-β)31における電圧方程式及び電磁トルクの式は、
Figure 2022159064000003
Figure 2022159064000004
であり、Rsは固定子抵抗で、pは対となる極の数である。
磁気モータモデルは電流を回転子磁束の影響と結合することができて、これにより回転子が感じる磁束を固定子電流を用いて表すことができる。IPMモータでは、磁気モデルは回転子座標系(d-q)33(図11の回転子電流モデル167を参照)における磁気モデルを定義するのに好都合である。
Figure 2022159064000005
ここでλmは鎖交磁束、すなわち、磁石により作り出された鎖交磁束である。
交差飽和効果を無視することで、磁気モデルの式(3)は、簡略化した形式で書くことができる。
Figure 2022159064000006
ここで、Ldはモータのd軸インダクタンスであり、Lqはモータのq軸インダクタンスである。
回転子位置が図6のθである場合、静止基準座標系(α-β)31における磁気モデルは以下で得られる。
Figure 2022159064000007
ここで、
Figure 2022159064000008
固定子磁束基準座標系(ds-qs)32において、電圧モデル及び電磁トルクは以下のように表すことができる。
Figure 2022159064000009
Figure 2022159064000010
Figure 2022159064000011
ここで、ωは回転子速度であり、δは図6の回転子d軸に対する固定子磁束のds軸位置として定義される負荷角である。
式(6)から、固定子磁束ベクトルの大きさλはds軸電圧により直接調整することができて、負荷角δと、その結果としてトルクを、qs軸電圧を用いて制御することができる。しかし、式(7)は、qs軸電流の制御はトルク制御に直接関係していることを示している。トルク係数kTは、式(8)に示されるように固定子磁束ベクトルの大きさλにより、ひいてはds軸電圧により直接調整することができる。
電圧ベクトル、電流ベクトル、及び磁束ベクトルを含むモータ固定子ベクトルは、それぞれ
Figure 2022159064000012
で表される。採用されるベクトル基準座標系は、図6で一般的な半径方向IPMに対して定義されており、以下の通りである:静止座標系(α-β)31、回転子座標系(d-q)33、固定子磁束座標系(ds-qs)32。ベクトルに対して使用されている添え字「s」は、固定子磁束基準座標系を指している。加えて、リアルタイム座標系(abc)34も基準座標系に加えられる。
DDFC方式は、概して、図6に示される固定子磁束ベクトル座標系(ds-qs)を参照して実装することができる。特に、DDFC方式は、2つの電圧ベクトル成分、すなわち、ds軸目標電圧v* dと、qs軸目標電圧v* qを算出する。特に、DDFCのこの実装では、以下が提供される:
・固定子磁束の大きさはds軸電圧成分により直接調整される。つまり、DDFC方式で作り出される目標電圧v* dのds軸成分(目標電圧v* qのqs軸成分と共に固定子への電力供給を制御するために使用される)を固定子磁束の大きさの誤差に基づいて算出することができる。ds軸32は、図6で示される磁束軸
Figure 2022159064000013
になる。
・トルクはqs軸電流成分により調整される。つまり、DDFC方式で作り出される目標電圧v* dのqs軸成分(目標電圧v* qのds軸成分と共に固定子への電力供給を制御するために使用される)をトルク誤差(例えば、q軸目標固定子電流i* qsと実際のq軸固定子電流成分の推定値(回転子電流センサにより供給されるリアルタイム電流
Figure 2022159064000014
から変換される)の間の差分)に基づいて算出することができる。qs軸32は、図6で示されるトルク軸
Figure 2022159064000015
になる。
図7は、代表的な機能ブロック80を示す、好ましいセンサレス永久磁石モータ制御システムの図80を示す。比例積分(PI)制御器81は速度制御器として機能し、目標速度ω*と推定回転子速度
Figure 2022159064000016
の間の差分として定義される速度誤差と、限界値としての最大トルクTmaxの入力を有し、基準出力トルクT*を有する。DDFC制御ブロック82は以下でより詳細に紹介される。座標変換83は、電圧を静止座標系(α-β)31からリアルタイム三相座標系(abc)34へ変換する。パルス幅変調(「PWM」)発生器84は電源85を制御する。電圧フィードバック再構成回路86は、電圧をリアルタイム三相座標系(abc)34から静止座標系(α-β)31へ、すなわち、
Figure 2022159064000017
へ変換する。固定子磁束オブザーバ160は以下でより詳細に紹介される。座標変換89は、電流をリアルタイム三相座標系(abc)34から静止座標系(α-β)31へ変換する。三相電流センサ87は、磁束オブザーバ160に対するフィードバックを提供する。不感時間補償テーブル90はインバータ85用の補償テーブルであり、一実施形態では、経験的値を有するルックアップテーブル(LUT)である。ECMモータ91は、三相電流センサ87及びインバータ85に電気的に接続される。
B.DDFC制御ブロック82
DDFC制御ブロック82は、トルク及び磁束を調整する内部モータ制御方式を表す。基準トルクT*は、比例積分(PI)制御器81を用いて実装される外部又は外側の速度調整ループにより生成され、DDFC制御ブロック82への入力である。DDFC制御ブロック82の出力は、図6の静止基準座標系31における指令電圧ベクトル
Figure 2022159064000018
と、電流制限と利用可能な電圧の制約の下でモータが生成することのできる最大トルクTmaxである。最大トルクTmaxはPI制御器81へフィードバックすることができて、PI制御器81のアンチワインドアップ機構により使用される。
図7~8に示されるように、DDFC制御ブロック82は、以下の入力又はフィードバックパラメータを利用する:
・推定される大きさ
固定子磁束オブザーバ160により与えられる固定子鎖交磁束ベクトル
Figure 2022159064000019
・固定子磁束オブザーバ160により与えられる電気回転子の推定速度
Figure 2022159064000020
・推定位置
固定子磁束オブザーバ160により与えられる、静止基準座標系(α-β)31における固定子鎖交磁束の大きさ
Figure 2022159064000021
・静止基準座標系(α-β)31において測定される電流ベクトル
Figure 2022159064000022
・インバータ85からのDCバス電圧フィードバックにより与えられる、測定されたインバータDCリンク電圧vdc
図8は、入力及び出力の制御ベクトル変数、並びに制御論理を有する代表的な機能ブロックを用いた、DDFCシステム及び方法82の好ましい実装を示す。DDFCシステム82は、2つのPI制御ループを含み、第1PI制御ループは磁束制御ループ108であり、第2PI制御ループはトルク制御ループ109である。DDFCシステム82は、デュアルループ制御手法を使用する。磁束制御器108は、固定子鎖交磁束の目標大きさ
Figure 2022159064000023
(所望のトルクT*、推定速度
Figure 2022159064000024
、及び利用可能な電圧vdcから得られる)を固定子磁束オブザーバにより与えられる固定子鎖交磁束の推定される大きさと比較することで、補正電圧のd軸成分を出力する。トルク制御器109は、所望のトルクT*から得られるq軸目標固定子電流と、三相固定子の利用可能な電流(abc)から得られる固定子電流の実際のq軸成分を比較することで、補正電圧のq軸成分を出力する。電流制御器及び磁束制御器は、それぞれq制御器及びd制御器と呼ばれることがある。これらは、まとめてユニバーサルdq制御器と呼ぶこともできる。簡単に言うと、DDFC方式はq制御器とd制御器を利用してトルク制御及び固定子磁束制御を実行し、それらの結果を統合して、モータが目標トルク及び目標固定子鎖交磁束に向けてモータ動作を調整するための一つの電圧指令とする。
固定子鎖交磁束は、磁場システム及び電気回路システムの両方と直接関係している。磁場側からは、鎖交磁束λはq軸電流iqsと直接相互に作用して、式(7)のトルクが生成される。電気回路側では、磁束は電圧方程式(6)の電圧の変数である。トルク創出量はここで書き換えられる。
Figure 2022159064000025
ここで、pは対となる極の数であり、λは固定子磁束の大きさであり、iqsはqs軸電流成分である。kTはトルク係数又は磁束鎖交数である。電圧方程式は、
Figure 2022159064000026
であり、ωは回転子速度、δは図6の回転子d軸に対する固定子磁束のds軸位置として定義される負荷角である。つまり、負荷角は、同期モータの固定子の軸と回転子の極軸の間の角度差分を指す。
その結果、DDFC方式は、以下でより詳細に説明されるように、直接磁束制御と電圧制御の両方を可能とする。
DDFCトルク制御
DDFCでは、トルクは2つの変数、すなわち、固定子磁束の大きさλとqs軸電流成分iqsを制御することで制御される(式(9)を参照)。いずれも、ハードウェア検出回路のリアルタイムフィードバックに基づいて算出された計数器変数である。したがって、磁束計算の精度は、非線形性が存在するものの、磁気モデル又は実際の電圧の積分のいずれかから得ることができる。高いトルク制御性能を、全速度範囲で精度と動的応答の両方に関して実現することができる。それゆえ、DDFCはトルク及び速度を直接制御する。
これは、トルク制御がdq軸電流成分のidとiqの両方を制御することで間接的に実現されるFOCとは全く対照的である。両方の電流成分が適切に制御されるにも関わらず、トルクは適切に制御されない。これは、FOCのトルク計算は、モータパラメータ変動及び非線形性の影響下にある電流と固定子インダクタンスに依存するからである。上述したように、FOCのトルク計算は、パラメータの非線形性に起因する補償を必要とする。また、電流制御は間接的なトルク制御のためにトルク応答を遅延させるので、動的性能も影響を受ける。
DDFC-電圧制御
磁束オブザーバの電圧モデル部分における電圧積分は、電圧検出ハードウェア回路(例えば電圧再構成器86)に基づいているため、基本的に直接磁束の計算である。それゆえ、変数としての電圧は、高速時にはリアルタイム制御の制御ループ内にある。これにより、DDFCはMTPV制御を含む制限された電圧動作条件下でも利用可能な電圧を充分に利用することができる。このため制限された電圧でも優れたトルク創出能力が提供される。FOCとは対照的に、FOC電流制御は、高速時にはインバータ飽和に対処するために電圧限界を調整することができない。
DDFC MTPA、弱め磁束、及びMTPV
始動時及び低速域では、モータパラメータ、飽和、磁束変動やその他の多くの要因がモータのトルク創出に影響を与えることがあり、それゆえ性能に影響を与えることがある。しかし、適切な、恐らく最適な制御基準を実現する制御軌跡が存在する。それは最大トルク/電流(「MTPA」)103と呼ばれる。実際には、MTPA103はルックアップテーブル(「LUT」)として実装することができる。テーブルの値は、永久磁石モータが設計・開発されている間、製造時に取得及び記憶することができる。基本的に、MTPAは基準トルクT*を基準磁束へと変換してMTPA動作を実現する。MTPAは、特定の作動条件下でパラメータの非線形性を調整することができる。
MTPA磁束は、インバータが飽和している、又は飽和に近い高速時においては適切ではないことがある。具体的には、磁束は、高速時の制御の問題のためにさらに制限する必要がありうる。弱め磁束ブロック102は、推定モータ速度及び最大電圧ブロック101の出力とに基づいて磁束限界を算出することができる。モータ速度が上昇するにつれて、モータの逆起電力は、さらに上昇させるのに利用可能な電圧がない点に到達するまで上昇する。この場合、電源又はインバータは追加のトルクを生成するために追加の電流を作り出すことができない。これは、インバータ飽和と呼ばれる。モータのトルクは、ds軸の基準電流成分での固定子電流がモータの磁束を消磁して回転子永久磁石の磁束が弱められる、又は制限される(102)と、再び創出される。
低速域に対するトルク制御から検討を始めると、(ds、qs)固定子磁束ベクトル座標におけるモータトルクの式(7)は、
Figure 2022159064000027
であり、pは対となる極の数であり、λは固定子磁束の大きさであり、iqsはqs軸電流成分である。
最大電圧ブロック101の出力は、利用可能な最大電圧Vmaxである。そして、弱め磁束ブロック102では、磁束限界値λlimは利用可能な電圧に応じて次のように計算される。
Figure 2022159064000028
ここで、
Figure 2022159064000029
は、インバータにより供給される利用可能な最大電圧である。
Figure 2022159064000030
は推定速度である。
(11)で算出される値に対する磁束制限は、弱め磁束制御と呼ばれる。最終的な基準磁束が得られたら、qs軸の基準電流成分が(8)から算出される。
Figure 2022159064000031
ブロック104の出力であるトルク電流成分iqs,maxの限界値は、2つの異なる限界値を考慮して計算される。図10は詳細な制御図である。
最大インバータ電流Imax131。
Figure 2022159064000032
最大インバータ電流はImax131であり、電流idsは磁束の調整により決まるds軸電流成分である。Imaxは、インバータが対処しうる最大電流である。
最大トルク/電圧(「MTPV」)の限界値を、電流制限ブロック104を用いた電圧制御中に印加することができる。永久磁石同期モータ用のトルクは、以下で表すことができる。
Figure 2022159064000033
ここで、λmは鎖交磁束であり、δは負荷角である、つまりds軸固定子磁束ベクトルとd軸鎖交磁束ベクトルの間の角度である(図6参照)。Lsは固定子の漏れインダクタンスである。
MTPV動作は負荷角が最大値又は閾値に到達する場所又はその近く、典型的には90°の電気角で始動することができる。鎖交磁束をλmとすると、MTPVトルクは、基本的に動作電圧によりかけられる固定子磁束により決まる。
Figure 2022159064000034
(16)から、図10の電流制限ブロック内に示されるように、MTPV動作132に対する最大電流は以下のように得ることができる。
Figure 2022159064000035
MTPV電流制限は、磁束オブザーバにより与えられる負荷角を確認する追加のPI制御器133を用いてさらに制限することができる。負荷角が閾値又は最大値を超える場合、MTPV電流制限は、図10に示されるようにさらに減少する。典型的には、最大負荷角はモータ製造工程で既知の所定の値である。そうでなければ、最大負荷角は試行錯誤により実験的に得ることができる。ブロック134は上昇制限制御器であり、ブロック135は双方向制限制御器である。
すべてのモータがMTPV電流制限を含むわけではないことは注目に値する。場合によっては、電流制限は簡略化することができて、式(14)を用いて計算される、図10のブロック131内に示される限界値のみを利用可能である。異なるモータ実施形態は、特定の用途に適したものに応じて、MTPV制限を異なる方法で実装する、又はまったく実装しないこともできる。
ここで、MTPA及びMTPVのDDFCへの適用について、詳細に論じる。
図8に示されるように、DDFCは最大トルク/電流軌跡(「MTPA」)制限を調整することができる。つまり、DDFCは、推定モータ速度に基づいて目標磁束又は基準磁束を調整することができる。その結果、DDFCは、電圧閾値又は電圧限界に到達する前に固定子磁束を制御することができる。MTPA磁束値は、メモリに記憶されるルックアップテーブルから取得することができる。値は、製造時にメモリに記憶する、及び、モータの設計、検査/検証、又は他の段階で取得することができる。
速度が電圧限界に到達した場合、又は電圧限界近くにある場合、DDFCは図8に描かれている最大トルク/電圧(「MTPV」)電流制限104を作動させることができる。電流制限ブロック104は、図10でより詳細に示される。最大電流限界値(17)以内の最大電圧が電流制限ブロック104により与えられる。最大電流iqs,max132は、最大電圧が使用可能な状況で、高速域での最小電流によるトルク制御に対する限界を規定する。
一般的には、電流制限ブロック104はd軸電流及びMTPV定数に基づいてq軸固定子電流を制限する。
それゆえ、MTPA制御ストラテジ及びMTPV制御ストラテジの両方により、システムが想定される動作条件下で適切な性能を提供出来るように、全動作速度範囲で適切な制御を提供する。
ここで、DDFC制御のいくつかの他の特徴について詳細に論じる。これらの追加の特徴は、システムがモータの始動から動作速度範囲全体の任意の速度までロバスト制御を実現するのを助ける。
モータ始動制御-DDFCに基づくユニバーサルdq制御器
様々な異なるモータ始動制御方法をDDFCに関連して実装することができる。例えば、基本的に任意の人気のあるモータ始動制御方法を含めることができる。人気のあるモータ始動制御方法のいくつかは、オープンループ制御を用いて回転子を速度ゼロから始動させて、閾値速度に到達したら閉ループ制御に適応させることを含む。
さらに、閉ループ始動方法のいくつかの実施形態及び態様は、2020年2月19日に出願されたBojoiなどによる「速度ゼロ又は低速から埋込磁石形同期モータを制御するためのシステム及び方法」と題された米国特許出願第16/795,074号明細書、及び2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書に記載されており、これらはいずれもすでに参照によりその全体が本明細書に援用された。基本的に任意の様々な実施形態、態様、又は特徴が本開示に係るDDFCシステムに組み込まれる。これらの一部は、全速度範囲で閉ループ制御を行って任意の取り得る初期状態から動作速度へのロバストな始動へ到達するための体系的な方法を提供することができる。さらに、’267号出願は、制御を始動モードから動作モードへと遷移させることのできるユニバーサルdq制御器について論じている。これらの出願に記載される他の特徴は、いくつかの好ましい特徴を挙げると、ゼロ又は静止状態での始動プロセスや動的高周波注入方式を含むDDFCに関連して実現することができる。
図9は、主にモータ始動制御に重点を置いた、モータ制御の説明を助けるためにDDFCの簡略化されたバージョン120を示す。基準回転子位置/速度の状態が126で示されている。オブザーバモードフラグ129が電流制御と磁束制御の間で切り替えを行うためにスイッチを動作させる。基本的に、dq制御器は、以下のように動作する2つの比例積分制御器を含む。
(1)オブザーバが停止された始動の場合(ObserverMode=0)
d制御器は電流制御器として構成され、q制御器は電流制御器として構成され、それぞれの入力は、(d,q)基準電流と実際の電流との比較から得られる誤差値127及び128である。制御器の利得は、kp,crt及びki,crt(122)である。すべての回転変換に使用される位置θeは、次の2つの異なる値126となりうる:
(a)ゼロ-電流制御は,id=iα及びiq=iβであるため、静止(α,β)電流制御方式となる。
(b)基準電気速度の積分から得られる基準位置θ*
(2)オブザーバが使用された始動の場合(ObserverMode=1)
d制御器は利得kp,flux及びki,flux(121)を用いた磁束制御器として構成され、入力は基準固定子磁束と実際の固定子磁束(例えば、固定子磁束オブザーバにより与えられる推定固定子磁束)の間の誤差値へと変更される。すべての回転変換で使用される位置は、磁束オブザーバにより与えられる推定固定子磁束位置である。
それゆえ、dq制御器の概念は、2つの側面に関してユニバーサルdq制御器を表現する。まず速度が低い、速度ゼロ、又は数Rpmである場合、ObserverMode=0であり、電流制御は基準電気速度の積分から得られる基準位置に関わる。次に、その一方で、速度が特定の速度に到達したらすぐにObserverMode=1となり、磁束オブザーバにおいて高速動作での回転子の位置と速度を推定するために磁束制御が始動される。
dq制御器108及び109から出力される電圧指令は、リミッタ114及び115を用いて制限することができて、図9の好ましいDDFCブロック図82で示される、回転子基準座標系(d-q)から静止座標系(α-β)への座標変換110へ与えられる。変換には、図7及び図11で示されるマルチモデル固定子磁束オブザーバ160や図12及び図13で示されるDHFIマルチモデル固定子磁束オブザーバ880などの固定子磁束オブザーバにより与えられる活性磁束回転子位置角
Figure 2022159064000036
を利用することができる。また、回転子位置角を、固定子電流に対して回転子基準座標系から静止座標系への変換117で利用することもできる。
C.マルチモデル固定子磁束オブザーバ
概して、センサレス永久磁石同期モータ制御は、磁束オブザーバ技術に基づいて回転子の速度と位置の情報を取得する。磁束オブザーバは、モータ方程式及びモータモデルから作成されたリアルタイム計算の結果である磁束推定値を提供する。本開示の一態様は、概してマルチモデル固定子磁束オブザーバを対象とする。一つの好ましいマルチモデル固定子磁束オブザーバ160が図7及び図11に示されている。別の好ましいマルチモデル固定子磁束オブザーバ880が図9及び図13に示されている。磁束オブザーバは、回転子位置や回転子速度などの様々な回転子特性を本開示の動的直接磁束制御システム82及び820などのモータ制御システムへ提供することができる。本開示のマルチモデル磁束オブザーバの様々な実施形態は、低いモータ速度範囲及び高いモータ速度範囲の両方を含む全動作速度範囲で高い性能を提供する。
ここで、図11に示されるマルチモデル固定子磁束オブザーバ160について詳細に説明する。描かれている固定子磁束オブザーバ160は、多数の磁束観測方法を動的に組み合わせて、固定子磁束オブザーバ出力(モータ又は回転子の特性又は特性値とも呼ばれる)の組を速度制御器や本開示の動的直接磁束制御器などのモータ制御システムへ提供する。別の実施形態では、マルチモデル固定子磁束オブザーバは別の種類のモータ制御システムに関連して利用することができる。マルチモデル磁束オブザーバは、回転子速度などの多数の異なる要因に基づいて(そしてDHFIマルチモデル固定子磁束オブザーバに関連して後述されるように、高周波注入が有効にされているかどうか、及び高周波角度オブザーバ回転子位置又は固定子磁束オブザーバ回転子位置が固定子磁束観測の基礎として使用されているかどうかに基づいて)、回転子の特性値がどのように推定されるかを動的に変化させることで、全モータ速度範囲で正確な出力を提供することができる。低速時は、固定子電圧は小さすぎて、正確な磁束又は回転子位置の推定値をセンサレス逆起電力ベースの技術を用いて得られないことがある。さらに、低速時は、磁束・位置オブザーバは、特に機械パラメータの変動に敏感である傾向がある。例えば、固定子抵抗及び固定子インダクタンスは、温度と共に大きく変化することがある。固定子磁束オブザーバが回転子速度に基づいてどのように動作するかを動的に変化させることで、機械パラメータの変動に対する感度を大きく低下させることができる。例えば、固定子抵抗は温度と共に大きく変化することがある。
回転子速度(又は、対応するカットオフ周波数若しくは他の対応する閾値)を利用して、適切なモータモデルの利得値166を選択することができる。モデルの利得値は、異なる複数のモデルのうちのどれの間の遷移がマルチモデル磁束オブザーバの出力に影響を与えるかを制御する。例えば、固定子磁束オブザーバ160は電圧モデル及び電流モデルを含み、選択される利得値166は、どの磁束推定値が固定子磁束推定値に対するフィードバックを決定づけるかに影響を与える。
図11に示されるように、描かれている固定子磁束オブザーバ160は、モータ電圧モデル162、163、164を用いて、固定子逆起電力電圧の積分から得られる固定子磁束推定値
Figure 2022159064000037
を、固定子の電流と磁束の間の関係を規定する磁気モータモデル(電流モデルとも呼ばれる)165、167、168から得られる固定子磁束推定値
Figure 2022159064000038
と組み合わせる。
2つの磁束推定値の組み合わせは、オブザーバ利得g(rad/s)により以下のように与えられうる。
・電流モデル:g(rad/s)に等しい周波数より下では、磁束推定値は磁気モデル手法165、167、168により決定づけられる。
・電圧モデル:g(rad/s)に等しい周波数より上では、磁束推定値は電圧積分手法162、163、164により決定づけられる。
磁気モデルは、推定される(d-q)回転子座標系33(図6を参照)において、
Figure 2022159064000039
を用いて計算され、推定されるd軸鎖交磁束は
Figure 2022159064000040
により表され、推定されるq軸鎖交磁束は
Figure 2022159064000041
により表される。
その一方で、電圧積分手法に関しては、推定される回転子位置は、一例として実装される「活性磁束」概念を用いて、固定子磁束及び固定子電流から算出される。
Figure 2022159064000042
磁束オブザーバは、以下の量をモータ制御へ提供する:
固定子磁束ベクトルの大きさ:
Figure 2022159064000043
固定子磁束ベクトルの位置:
Figure 2022159064000044
負荷角:
Figure 2022159064000045
回転子速度は、推定される回転子位置(19)で位相同期ループ(「PLL」)171を用いて得ることができる。
固定子磁束速度は、以下で推定することができる:
Figure 2022159064000046
(23)において、固定子逆起電力電圧成分eαβは次のように計算される。
Figure 2022159064000047
αβは、インバータのデューティ比、及び電圧再構成ブロックの電圧センサ86により検出される、機械へ印加されたDCリンク電圧から再構成された(α-β)電圧成分である。vdt,αβは、インバータによって導入された不感時間の影響による(α-β)電圧誤差であり、固定子電流センサ87により検出される固定子電流に基づいて算出することができる。
DDFC固定子磁束オブザーバの実施形態160は、異なる複数の種類の値を用いて算出された多数の磁束推定値を活用しており、したがって、概してハイブリッド又はマルチモデル固定子磁束オブザーバと呼ばれることがある。低いモータ速度では、小さい逆起電力電圧のために、電圧モデルベースの磁束推定は、低速時の逆起電力値はあまり信頼できないため、概して精度が低くなる。その結果、低いモータ速度では、固定子磁束オブザーバは異なる磁束推定方法に依存するよう構成されることがあり、例えば、固定子磁束オブザーバはモータ磁気モデルに基づく磁束推定値に依存するよう構成されることがある。モータ磁気モデル(すなわち電流モデル)は、固定子と回転子の間の鎖交磁束を推定するのに、検出された固定子電圧(すなわち逆起電力の計算)には依存しない。上の式(18)で定義されたように、モータ磁気モデルも同様に、回転子と固定子の間の鎖交磁束を求めるのに、検出された電流、モータインダクタンス、及び永久磁石磁束又は無負荷鎖交磁束に依存する。
利得関数166を利用して、活性磁束の積分時にフィードバックとして利用するために適切な磁束推定値をフィルタする、又は選択することができる。つまり、利得関数166(例えばローパスフィルタやハイパスフィルタ)は、電流モデル磁束推定165、167、168が出力を決定づけるように構成することができて、図11に示されるように低速時にかなり良好な磁束推定値を提供できる。速度が低速域から(例えば、判定される、設定される、あるいはそうでなければ電圧モデル又は電流モデルがフィードバックを決定づける遷移点を規定する利得関数166の利得値により引き起こされる)高速までの場合、電圧積分164から出力される磁束推定値が電流モデルの磁束推定値よりも優勢になる。つまり、電圧積分164から出力される磁束推定値が、利得値及びフィルタ構成のために利得関数166からの出力を決定づける。
磁気モデル又は電流モデル167からのモータパラメータである固定子抵抗
Figure 2022159064000048
162、電圧フィードバックvαβ、及び電圧誤差vdt,αβ174が、式(24)に対応する積分164を用いて固定子磁束
Figure 2022159064000049
を算出するために適用される。この式から、電圧フィードバック及び電圧誤差フィードバックは、すべて電圧検出回路86及び電流検出87からであることがわかる。さらに、固定子抵抗の電圧降下は比較的小さいので、電流モデルの不正確さを考慮したとしても、速度が充分に高い場合、推定値は変動を許容できるほど充分に正確となりうる。それゆえ、利得関数166に対する遷移値が本開示の実施形態に従って選択される場合、そのような構成ではモータ速度が磁束推定においてモータパラメータ変動が重要ではない高速域にある場合は、電圧モデル磁束推定値のみが支配的となるので、固定子磁束推定値は過酷な作動条件で発生するモータパラメータの変動に対してロバストで正確となりうる。
同様に、利得関数166に対する遷移値が本開示の実施形態に従って選択される場合、固定子磁束推定値は、より低速時に同様に、過酷な作動条件で発生するモータパラメータの変動に対してロバストで正確となりうる。これは、モータ磁気モデルは過酷な動作条件に起因するモータパラメータ変動により大きく影響されないためである。磁気モータモデルは磁束推定値を得るために、磁気モデル又は電流モデルからのモータパラメータ固定子インダクタンス
Figure 2022159064000050
電流フィードバック
Figure 2022159064000051
推定固定子磁束
Figure 2022159064000052
の3つの値を利用する。活性磁束
Figure 2022159064000053
は、電流とqインダクタンスの積を推定固定子磁束と比較することで、ノード172で算出することができる。そして、活性磁束回転子位置角
Figure 2022159064000054
は、式(19)の計算を実行する回路を実装する、又は構成することで、ノード173で得ることができる。式(19)によれば、速度が高い場合、磁束位置角は正確でロバストである。前述したように、固定子磁束推定値及び活性磁束推定値の両方はモータパラメータ変動に対してロバストである。したがって、電流検出回路からの電流フィードバックは、固定子インダクタンス
Figure 2022159064000055
の変動による影響は速度が中速度及び高速である場合は軽減されるので、より高い速度ではロバストで正確である。
結果として、積分は図11の固定子磁束オブザーバ160内の逆起電力のリアルタイムフィードバック162、163、164、172、173、174、及び、電圧検出ハードウェア回路から直接図7の86、87に基づいて算出されるので、ロバストな推定結果を提供する。したがって、システムパラメータの変動によるシステム制御への影響は、高速時の電圧モデルの動作においては大幅に低下する。
図11の機能ブロック図160に戻ると、この図は本開示の本実施形態に関連して使用するのに好ましい磁束オブザーバを示す。磁束オブザーバは、2つの異なる方法で磁束推定値を生成する2つの異なるモデルを統合している。電圧モデルは基本的にモータへの電圧入力を損失(とりわけ逆起電力及び不感時間)と比較し、一方で電流モデルは基本的に検出された電流及び回転子位置、並びに経験的モデルを利用して磁束を推定する。磁束推定値を利用して、様々なモータ特性、例えば推定回転子位置、推定負荷角、推定回転子速度、推定回転子磁束、第2推定速度などを算出及び出力することができる。2つのモデルは、異なる状況でこれらのモデルをより信頼出来て、かつ正確にする差異を有する。
一例では、電圧モデルと呼ばれることのある、実際の電圧の積分164を利用する第1の磁束観測方法により回転子特性を算出し、他方の磁束観測方法はやはり電流モデルと呼ばれることのある磁気モデル167を利用することができる。言い換えると、一実施形態では、2つの磁束オブザーバモデルは、1)磁気モデル又は電流モデル、2)実際の電圧積分又は電圧モデル、である。モータ始動期間(すなわち、モータが比較的低速(例えば50RPM未満)である間)には、磁束オブザーバは、電流モデルに基づく推定値が図11の出力165、167、168を決定づけるように構成される。速度推定値が特定の低速域を上回る場合、磁束オブザーバは、電圧モデルの推定値が磁束オブザーバの出力、すなわち速度及び位置の推定値を決定づけるように構成される。
磁束オブザーバの出力は、作り出された推定値も磁束オブザーバ自身へとフィードバックされて、磁束オブザーバの構成に組み入れられるので、自己を反映している。つまり、速度が変化するにつれて、磁束オブザーバにおける1つのモデルの他のモデルに対する優位性は変化する。変化は決定的なことがあり、カットオフ周波数で発生しうる、あるいは、複数の出力の間の変化は、特定の速度範囲内において2つの異なる速度モデルの平均又は重み付けが使用されるようにクロスフェードされることがある。一部の実施形態では、磁束オブザーバ回路は、1つの出力が利得係数g166に基づいて他の出力よりも優勢になるように、アナログ的に構成することができる。
それゆえ、電圧積分は図11の160の逆起電力のリアルタイムフィードバック162、163、164次第で算出することができて、電圧モデルベースのオブザーバは低速から最大速度までロバストな推定結果を提供することができる。電流モデルから電圧モデルへの遷移は、図11の利得g166である。この利得は、様々な要因に基づいて電圧モデルと電流モデルを適切にバランスよく使用するように、製造時に決定することができる。
動的高周波注入(DHFI)システム統合及びDHFI固定子磁束オブザーバ
従来の磁束オブザーバは概して、一部のモータ用途で10RPMから150RPMなどの低速又は非常に低速での動作時には、満足のいく推定値を提供しないことがよくわかっている。センサレス制御システムにおける、この難しく長年にわたり歴史的に困難な工業的な問題に対処するため、動的高周波注入(DHFI)を、モータ始動時に利用される任意のDHFIに加えて、低速動作時に有効化することができる。
DHFIのいくつかの実施形態は、2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書で開示されており、すでに参照によりその全体が援用された。例えば、モータ始動制御の一実施形態は、DHFIを閉ループ始動方法に組み込んでいる。始動DHFIは、200RPMや12Hzなどの特定の速度を下回る基本的に任意の速度において、電流モデル磁束オブザーバ出力を利用することなしに回転子位置と回転子速度の推定値を提供する。始動速度ωh以上においては、電圧モデルベースの磁束オブザーバがDHFIの役割を引き受けて、回転子位置と回転子速度の推定値を提供する。
図11に記載されるオブザーバ160の技術によれば、始動期間又は低速時では、小さい逆起電力のために、電圧積分は比較的不正確となりえて、それゆえ、代わりにマルチモデル磁束オブザーバがモータ磁気モデルに基づいて速度を推定し、その結果が出力を決定づけて、低速時にかなり良好な磁束推定値を提供する。速度が低速域を上回る場合、積分は逆起電力のリアルタイムフィードバックに従って算出されるので、電圧積分の推定値が推定値を決定づけて、ロバストな推定結果を提供する。
結果として、DDFCの固定子磁束オブザーバの低速での性能に関して、最初は磁気モデルに基づく電流モデルは低速域でのパラメータにより決まる。そして、電圧積分方法が推定動作に関与するとすぐに、システムは、低速から高速までDDFCに対して正確な測定値を得る。
DHFIシステム統合
ここでは150Rpmを下回るなどの低速時に任意の磁束オブザーバ手法を直接適用する際の課題を示す。幸いにも、すでに参照によりその全体が援用された、2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書が動的高周波注入(DHFI)方式について記載している。このDHFI方式は、低速動作に対するモータパラメータ変動の独立性のために、速度及び位置を推定するためのロバストなソリューションを提供する。本実施形態は、この手法と本明細書に記載されるマルチモデル磁束オブザーバを組み合わせて、固定子磁束オブザーバ出力を置き換えるDHFI推定値を適用することができる。これらのDHFIのロバストな推定値は、始動時だけでなく低速域で得ることができる。このようにして、任意の低速時の動作をDHFI方式を用いて、そのような推定値に基づいて制御することができる。推定値の磁気モデル又は電流モデルの磁束オブザーバ出力は、もはや低速域ではDDFC磁束オブザーバ入力に適用されない。総合的な推定性能は、精度及びロバスト性に関して大きく改善することができる。
DHFI方式は、低速動作を大幅に改善するための強力なツールである。具体的には、高周波注入(「HFI」)は、有用ではあるが、いくらかの複雑性をもたらし、システム制御に負の影響を与える。DHFI方式はHFIの利点を活用することを可能にし、高周波注入であるため非常に低速において位置を観察する能力を提供し、その後、HFI処理により生成されたシステムへの負の影響を防ぐために高周波信号を除去する。DHFIは、すでに参照によりその全体が援用された2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書においていくつかの実施形態で詳細に記載されている。DHFIはその開示においては始動時に利用された。本開示はDHFIシステム統合に関連する詳細な説明及び例を提供し、特にシステム制御、すなわちDDFCに関して本明細書で提示される。
図7に示されるシステム制御図と比較すると、DHFIをシステムへ統合するために、いくつかの機能要素を、図12に示されるDHFIが統合された制御システム1200を実現するために加えることができる。好ましい高周波注入(「HFI」)機能ブロック1210は、ノード1250でモータ制御システムへ注入するHFI電圧をDDFC電圧指令と共に生成する。制御フラグ「EnableHF」1240は、システムへ注入するためにHFIをオンにするかどうかを決定する。2つの移動平均フィルタ(「MAF」)1300はDHFI実装においてHFI信号を除去する。具体的には、一実施形態では、1つのMAF1300が電圧波形から基本波形を取り去って、推定される回転子位置角
Figure 2022159064000056
を固定子磁束オブザーバ880へ出力するHF角度オブザーバ1290へHFI信号を提供する。HFIが有効化されている場合、オブザーバがうまく動作するように歪みや妨害を作り出すHF信号のないきれいな形式で電流フィードバック信号も与えることができる。つまり、他方のMAFはHFIが有効化されている場合に、フィードバック電流
Figure 2022159064000057
からのHF波形の除去を担当して、電流
Figure 2022159064000058
1310のきれいな基本波形を得ることができる。描かれているように、
Figure 2022159064000059
及び
Figure 2022159064000060
はいずれも、マルチモデル固定子磁束オブザーバ880へ、またマルチモデル固定子磁束オブザーバを迂回して直接DDFCへ送ることができる。加えて、2つの電圧フィードバック信号1320に関しては、HFIが有効化されている場合、フィードバック電圧
Figure 2022159064000061
を使用する代わりに高周波注入前電圧指令
Figure 2022159064000062
を固定子磁束オブザーバへの入力信号として使用することができる。
EnableHFフラグは、本実施形態では2つの状態を有する。
(1)EnableHF=0:HFI動作は無効化される
この状態では、HFI機能は無効化される。システムは基本的に、HFIのない、図7に示される簡略化されたシステム図のように振る舞う。典型的な動作環境は低い速度ω2より上、あるいはゼロ又は静止状態での始動動作における極性検出の開始時である。
(2)EnableHF=1:HFI動作は有効化される
この状態では、HFI機能は有効化される。HFI電圧がモータ制御ループへ注入されて、推定される回転子位置角
Figure 2022159064000063
を固定子磁束オブザーバ880へ出力するHF角度オブザーバ1290に対してHF信号を伴う電流フィードバックが生成される。HFIにより、制御システムは回転子位置及び回転子速度を推定する際に更なる精度を有することが可能となる。
DHFIシステム統合に関して、DDFC82は、例えば図8に示されるように、EnableHFフラグの状態116に応じて、実際の電流フィードバック又はDHFIフィルタ処理された電流フィードバックのいずれかを使用するよう構成することができる。
結果として、DDFC82は、EnableHFフラグの状態、ひいては動的DFCシステム(DDFC)と呼ばれるものに応じて通常の動作とDHFI統合動作の両方を扱うことが可能な新しい制御システムを提供する。
DHFI固定子磁束オブザーバ
図12は、動的直接磁束制御(「DDFC」)ブロック820がDHFI方式に統合された方式図1200を示す。本開示の別の態様は、概して、全モータ動作速度範囲でロバスト制御を実現するためにDHFIベースの磁束オブザーバと電圧モデルベースの磁束オブザーバをまとめて一つのハイブリッド磁束オブザーバへ統合するマルチモデル磁束オブザーバ880を対象とする。簡単に言えば、図12は、マルチモデル固定子磁束オブザーバを含む、動的高周波注入が可能なモータ制御システムの代表的なブロック図を示す。特に、DHFIモデル及び電圧モデルを含み、DHFI/電圧固定子磁束オブザーバ880と呼ぶこともできるマルチモデル固定子磁束オブザーバ880が図12に示されている。
DHFIがシステムへ統合された実施形態では、図11のマルチモデル固定子磁束オブザーバ160は、例えばEnableHFフラグが1に設定される、HFIが有効化されている場合にHFI入力を扱うよう構成することができる。図13は、図7のマルチモデル固定子磁束オブザーバ160と比べてアップグレードされたDHFIマルチモデル固定子磁束オブザーバ880の詳細を示す。2組のスイッチがDHFI固定子磁束オブザーバのシステム図1600に加えられていることがわかる。一方は、前述したフラグEnableHFに基づくスイッチである。他方のスイッチは、ObserverModeフラグにより制御される。これらのフラグは、図12の820、880、1240などの対応する制御機能において、異なる役割を果たす。
A.ObserverModeフラグの機能
本実施形態では、ObserverModeフラグは2つの状態、すなわち、ObserverMode=0及びObserverMode=1を有する。ObserverModeフラグを利用して、前述したユニバーサルdq制御器でのオブザーバモードを変化させることができて、またObserverModeフラグを利用して、磁束オブザーバの特定の機能を提供することもできる。例えば、マルチモデル磁束オブザーバ1600において、オブザーバモードスイッチ175は、オブザーバモード0でHFIにおいてHF角度オブザーバから得られる回転子位置を提供することと、オブザーバモード1で電圧モデルの回転子位置を提供することとを切り替えることができる。
(1)ObserverMode=0:HF角度オブザーバを使用する
このモードでは、固定子磁束オブザーバは、概して、図12のHFI角度オブザーバ1290からの出力を利用して、回転子磁気モデルにより回転子速度と回転子位置を求めるよう構成される。つまり、高周波注入に対する固定子電流応答をHFI角度オブザーバ1290へ供給することができて、HFI角度オブザーバ1290が回転子位置
Figure 2022159064000064
を求めることができる。そして、この位置を図13で示される電流モデルオブザーバ論理ブロック165、167、168の入力角度として使用することができる。電流モデル及び電圧モデル162、163、164の両方を含む磁束オブザーバ1600全体では、図13のマルチモデル磁束オブザーバの出力169、170、171を生成する。
(2)ObserverMode=1:電圧モデルオブザーバを使用する
このモードでは、電流モデルオブザーバはHFIで観測された位置角をもはや使用しない。代わりに、電流モデルオブザーバは、オブザーバモードスイッチ175を通過した、電圧モデルオブザーバ162、163、164により推定された回転子位置
Figure 2022159064000065
を使用する。このモードでは、マルチモデル磁束オブザーバ1600から出力される回転子の位置及び速度は、電圧モデル論理ブロック162、163、164により推定される値である。HFIがなおも有効化されている場合(すなわち、EnableHF=1)、回転子速度推定値が磁束オブザーバ閾値ω2を超えるまで、電圧モデルオブザーバ論理ブロック162、163、164への入力172、173は、電圧指令
Figure 2022159064000066
及び電流
Figure 2022159064000067
となる。回転子速度推定値が磁束オブザーバ閾値を超えた後は、(1)制御システムは磁束オブザーバが安定化するのに充分なリードタイムを与えているため、及び(2)回転子速度は充分に高く、初期磁束オブザーバ推定値が信頼できない可能性があってHFIベースの速度推定値がより適切である可能性がある回転子速度よりも下がる可能性が低いため、HFIはオフにされる。
B.EnableHFフラグの機能
本実施形態では、EnableHFフラグは2つの状態、すなわち、EnableHF=0及びEnableHF=1を有する。2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書に記載されている実施形態で述べられているように、システム制御に関連する機能をDHFI固定子磁束オブザーバに関して説明する。
始動プロセスが終了した後、システムは、モータが全速度範囲で動作するよう速度指令に基づいて駆動することができる。速度が高い速度又は低い速度より上から速度閾値ω2を下回る低い速度に到達したらすぐに、このEnableHFフラグはアクティブ状態に変えられて、HFIを始動させる。図13の172、173、174は、DHFIオブザーバ内の信号の流れに対処するためにスイッチがどのように使用されて、停止されるかを示す。
(1)EnableHF=0:HFIは無効化される
この状態では、HFI動作は、速度が速度閾値ω2より高いために無効化される。DHFI固定子磁束オブザーバ内で、システムは磁束オブザーバの出力を速度及び位置の推定値として扱い、実際の電圧
Figure 2022159064000068
及び電流
Figure 2022159064000069
は、図13の入力信号172、174として電圧モデルオブザーバへ接続される。
(2)EnableHF=1:HFIは有効化される
この状態では、HFI動作は有効化される。高周波信号が図12のHFI1210から電圧供給回路へ注入される。電圧モデルオブザーバは電圧指令
Figure 2022159064000070
及びフィルタ処理された電流
Figure 2022159064000071
を、図13の172、174で見られるようにその入力信号として扱う。このように、システム信号処理はHFI動作による影響を受けない。
C.フラグ及び速度の選択
図14は、本開示の好ましいモータ制御遷移ストラテジを示す上で有用なグラフ180を示す。モータ制御ストラテジは、速度が変化するにつれてObserverModeフラグ及びEnableHFフラグが一つの状態から別の状態へ遷移するのに対処する。さらに、モータ制御遷移ストラテジは、動的直接磁束制御方法の一つの方法から別の方法への遷移、及び、マルチモデル磁束オブザーバの一つの方法から別の方法への遷移に対処する。これらのストラテジは、重複はするが、完全に一致はしない。特に、モータ制御遷移ストラテジは、リアルタイムのシーケンスの状態と速度184及び周波数領域185での対応する周波数との関係に対処し、これらを考慮する。この図では、速度及び周波数領域は、様々な要素(すなわち、フラグの状態、磁束オブザーバのフィルタ、磁束オブザーバの遷移点、DFCモードの遷移)の間の関係を明示するために、互いの上に積み重ねて示されている。遷移周波数又は(利得166により定められる)利得188、及び、時間領域における対応する速度ωgは互いに相関し、オブザーバ電流モデル183と電圧モデル192を分離する。つまり、オブザーバ利得188(又は対応する速度ωg)を選択して、磁束オブザーバの複数の速度推定モデルの間で遷移させることができる。遷移は、フィルタ186、189がどのように実装されるかに応じて、段階的、又は即時とすることができる。描かれている実施形態では、周波数領域に示されるように、ローパスフィルタ(「LPF」)186及びハイパスフィルタ(「HPF」)189の両方を周波数g188で使用することができる。一般的に、オブザーバモデルのカットオフ速度ωgは、磁束オブザーバ関与速度ωh190に近く、より低いべきである。
ωg<ωh (25)
図14を参照すると、DHFIが有効化されている低速時(182)は、電流モデル183が磁束オブザーバの出力を決定付ける。回転子速度がωg188に到達すると、磁束オブザーバは電圧モデル192へと遷移する。そして、ωh190において、例えば200Rpmで、DHFIはOberverModeの状態を1から0へ変更し、HF角度オブザーバを用いて信号を停止し、図14の181、187、190で見られるように電圧モデル磁束オブザーバ-DFCの使用を開始して制御を処理する。EnableHFの状態は、速度が速度ω2に達するまで、ωh190の速度、例えば200Rpmでは変化しないことに注目されたい。
DHFI方式は、200~250Rpmなどのωhの後でもアクティブ状態を維持しうる。この50Rpmの速度範囲内で、DHFIも利用可能であるが、電圧モデルはDFC制御に対する推定値を提供することができる。速度が250Rpmなどの閾値に到達すると、DHFIをオフにすることができるが、電圧モデルはDFCブロックに推定値を供給し続ける。EnableHF=0で、このフラグは250Rpmの速度ω2でオフにされる(191)。
磁束オブザーバ利得周波数、図11のg166又は図14のg188は、200Rpm以上や約12HzなどのωhであるDHFI速度範囲と合わせた値として選択することができる。そして、DDFCが200Rpmのωhで磁束オブザーバ出力を加え始めると、例えばオブザーバのすべての出力はDDFCにより安定して加えられる。250Rpmの速度ω2で、DHFIはHFI動作をオフにし、200Rpmで磁束オブザーバ内の両方のモデルは動作をし続けるが、ただ一つ、この場合、電圧モデルはハイパスフィルタの適用による出力によって決定づけられる。
本実施形態では、電圧モデルが速度ωg以上で磁束オブザーバ出力を決定づけるが、別の実施形態では、遷移速度を、より高い又はより低い、異なる速度及び対応する周波数に設定することができる。具体的な値は、具体的な用途に応じて変化しうる。
DHFI方式をDDFCシステム制御へ実装することで、利得g又は速度ωgの選択基準はDHFIを適用しない場合とはまったく異なることがある。その結果、利得値を選択する際に考慮すべきことの一つは、システムがDHFIを採用しているかどうかである。ωgとωhの間の速度間隔は、電圧モデル磁束オブザーバが安定動作に達するタイミングを考慮することで決定することができる。DHFIが無効化する速度ω2を考慮すると、結果として、式(25)は以下のように表すことができる。
ωg<ωh<ω2 (26)
ここで、ωgは磁束オブザーバモデルが電流モデルから電圧モデルへ遷移する速度であり、ωhはDDFCオブザーバモードがHFIから電圧モデルオブザーバへ遷移する速度であり、ω2はDHFIがHFI動作をオフにする速度であってDDFCは固定子磁束オブザーバの下で動作する。
これに基づいて、図14はマルチモデル磁束オブザーバとフラグの状態をDHFIと組み合わせた一例を示す。組み合わせは速度制御及びトルク制御を全般的に大きく改善する。
トルク制御線形性(TCL)
トルク制御線形性(TCL)とは、モータ軸上の実トルクとモータ制御システムによりモータへ与えられるトルク指令の間の線形応答(関係)のことを指す。トルク制御の精度は、TCLのレベルにより測定することができる。ここで、本開示の一態様に係る、大きな速度範囲にわたって適切なレベルのTCLを実現するシステム及び方法について、詳細に説明する。
図5を再び参照すると、好ましい工業用又は商業用のIPMSMモータに関連する、好ましい出力-速度の特性曲線が示されている。低速時は回転子速度を上昇させる出力量は小さい。回転子速度が低速域を超えて上昇するにつれて、例えば作用点W1 21などにおいて、より多くの出力又はトルクが高い速度へと加速するのに必要となる。適切な制御を実現するため、システムはMTPA又は他の制限を利用することができる。作用点W2 22は、インバータが、より多くのトルクを作り出してIPMSMの速度を大幅に上昇させるためにより多くの電流を供給することができない、飽和レベルに対応する。
MTPAを用いてのTCL
図15Aは、図8に描かれている、好ましいDDFC方式の部分を示す。特に、DDFCに関連して上述された磁束制御及び(電流制御により実現される)トルク制御の部分を示す。図5で、作用点W1 21と作用点W2 22の間の範囲は、トルク制御速度範囲又はTCL速度区域と呼ぶことができる。別の実施形態では、トルク制御速度範囲はより大きい、又はより小さいことがある。
図15Aは、それぞれ磁束制御器108及び電流制御器109で終わる2つの経路を示す。(図8の機能ブロック107により算出される)最大トルクTmax及びトルク指令T*は、両方向制限制御器113への入力である。一旦制限されると、トルク指令T*はMTPAルックアップテーブル103へ送られて、対応する推定MTPA磁束
Figure 2022159064000072
が特定される。推定MTPA磁束及び制限磁束λlim102は、磁束リミッタ111への入力である。磁束リミッタ111の出力は、図8に示される磁束制御器108の入力のうちの一つである。
また、トルク指令T*は並行して電流制御器にも送られる。特に、トルク指令T*は、(磁束オブザーバからの推定される磁束の大きさ
Figure 2022159064000073
の関数として算出された)トルク定数kt105で割られて、q軸の基準又は目標固定子電流成分i* qsが提供される。そして、q軸固定子電流成分は電流リミッタ112を介してq軸最大固定子電流iqs,maxにより制限される。電流リミッタ112の出力i* qsは、図8の電流制御器109の入力である。
本実施形態では、磁束制御はリアルタイムで固定子磁束オブザーバへ供給される三相固定子電圧フィードバックから得られる固定子磁束推定値に基づいて完了し、電流制御はリアルタイムの三相固定子電流フィードバックから得られる固定子電流推定値に基づいて完了することに留意されたい。磁束制御と電流制御はいずれもリアルタイムフィードバックに依存するため、正確なトルク制御を実現可能である。
図16は、TCLを実現するための好ましいMTPA制御方式の論理フローチャート220を示す。TCL制御ストラテジを用いて構成されたシステムは、ステップ221でトルク指令T*を受信する。トルク指令T*に基づいて、TCL制御ストラテジは、ステップ222でMTPA LUTへアクセスすることで推定MTPA磁束λMTPAを特定する。TCL制御ストラテジは、ステップ223で磁束制御器108に対する入力磁束指令を設定する。入力磁束指令に基づいて、TCLはステップ224で対応する電流指令i* qsを算出して、トルク指令ごとにトルクT*を供給する。TCLはq軸電流成分i* qsを電流制御器109への入力として使用して、ステップ225でTCLを実現する。
図15Bは、図5のトルク制御速度範囲に対する鎖交磁束-トルクを示す。最大トルクTmax203及び最大磁束λMTPA,max201は、MTPA制御で実現可能な動作範囲を規定する。磁束λMTPAで必要となるMTPAはLUTに格納され、作用点W1 21から作用点W2 22への最適な動作軌跡を規定する。トルク制御速度範囲内の任意のトルク指令T*に対して、TCL制御ストラテジは、規定された最適な動作軌跡磁束λMTPA202上の作業点である、MTPAで必要となる磁束を印加する。それゆえ、TCL制御ストラテジは、電流制御により正確なトルク制御を実現する。
さらに、定格作動条件(定格電圧、定格負荷条件など)の下で作用点W2 22において、DDFCシステムは、最大磁束λMTPA,max201を印加することで、及び最小電流iqsを用いることで、最大トルクTmaxを供給する。最大トルクTmaxにおいて、DFCシステムは、DFCシステムが負荷を駆動するのに供給可能な出力電力の限界値に到達する。例えば、負荷はファン又は送風機でありえる。定格作動条件下では、DFCシステムは全速度範囲でMTPA最適制御を動作させる。IPMモータ及び制御システムは、MTPA最適制御が全速度範囲で動作するように特別に設計されることがある。
MTPAトルク制御速度範囲外でのTCL性能
工業用及び商業用のファン及び送風機は、工業用又は商業用の建物の屋上などの過酷な動作環境で動作することが要求されうる。これらの荒れた環境は、モータパラメータ及び電力供給に大きな変動を引き起こしうる。例えば、モータパラメータは、異なる季節における周囲温度の相違により、又は何らかの理由での電圧降下により変化しうる。そのような過酷な作動条件は一般的であり、DDFCシステムは、正確なTCL性能を提供して、過酷な作動条件下でもロバスト制御を実現するよう構成することができる。
DDFC電圧モデル固定子磁束オブザーバは、低速域より上でロバストであり、したがって正確なトルク推定値を提供する。通常の定格作動条件下では、図15Bに示されるように、DDFC電圧モデル固定子磁束オブザーバは、MTPA制御方式を用いて作用点W1 21の速度から作用点W2 22の最大速度まで適切な性能を提供する。しかし、特定の状況では(例えば、モータパラメータに影響を与える過酷な環境のために)、システムは通常の定格作動条件下で動作しないことがある。
図15Cは、システムが通常の定格作動条件下で動作していない場合の図5のトルク制御速度範囲での鎖交磁束-トルクを示す。そのような状況では、システムは低下した量の出力電力で動作している。最大磁束は、モータの逆起電力の減少又は電圧降下のいずれかのためにλMTPA,max201からλ2まで低下しうる。MTPA制御方式が使用されている場合、システムは、作用点W21 24において、作用点W2 22でのトルク及び速度より少ないトルク及び速度を供給し、作用点W21 24は既定のMTPA軌跡202の上にある。これは、過酷な作動条件下でのトルク制御速度範囲は通常の定格作動条件下でのトルク制御速度範囲より小さいことを意味する。
あるいは、システムが出力トルク指令を満足するよう制御されている場合は、トルク制御速度範囲は制限された範囲まで拡張されることがあり、出力トルク指令を維持できる可能性がある。拡張された出力トルクTmaxは、
Figure 2022159064000074
と表すことができて、λlimは、作用点W2 22の速度又はそれに近い速度で到達可能な最大磁束に基づく、図8の弱め磁束ブロック102からの出力であり、iqs,maxは利用可能な最大電流であって電流制限ブロック104の出力である。電流制限ブロック104は、図10に対してより詳細に上述されている。規定のMTPA軌跡202上の作用点W21 24を狙うよりも、DDFCシステムは、出力トルクを最大化するために規定のMTPA軌跡202から作用点W22 25の方へ移動する。電流が充分に大きい場合、システムはより多くの電流を印加して磁束不足を補償し、トルク指令に一致するトルクを生成することができるので、作用点W22 25に達することができて、最大トルクTmaxを実現することができる。しかし、拡張されたトルク創出能力は制限されるので、いつでも作用点W22 25に到達できるわけではないことに留意されたい。こうした状況では、システムの実際の作用点は、磁束限界値又は低下した磁束λlimと許容される電流又はq軸最大固定子電流成分iqs,maxとに応じた、作用点W21 24と作用点W22 25の間のどこかである。
通常の定格作動条件下で、DDFC制御ストラテジは正確なTCL性能を提供して、トルク制御速度範囲内でモータの適切な、又は最適な制御を実現して、ロバスト制御を行うことができる。作動条件が過酷な場合、TCL範囲は概して狭められて、最大磁束、最大トルク、及び最大出力電力は低下する。しかし、一部の過酷な作動条件では、TCL及び出力トルクの性能は、許容される電流において利用可能な最大出力トルクまで拡張することができる。
DDFCシステムの動作制御
図17は、動的直接磁束制御(「DDFC」)方式の好ましい実施形態を示す機能ブロック図である。この方法は、オフセット計算、ブートストラップコンデンサの充電、及び他のサブ準備ステップを含むことができるシステム準備ステップ(242)で始まる。方法は回転子の動きの検出(243)で続き、Sensorlessフラグを設定して始動プロセスを開始する。始動プロセスにおいて、システムは動き検出により検出された初期速度に基づいて、前述したDHFI始動速度や位置推定などの始動制御ストラテジを適用して、任意の始動速度から閉ループ速度制御を行う。
次に、システムはモータ速度を確認する(244)。システムが閾値速度ωhを下回る場合、システムはDHFI方式から推定値が出力されている状態で次にMTPAを行うことにより最適制御を行う(246)。一方、電流モデルベースの磁束オブザーバはオブザーバ出力を引き続き決定づける。速度ωgにおいて、システムはMTPAの最適制御下にあり、磁束オブザーバ出力を電流モデルから電圧モデルへと遷移させる(247)。電圧モデルがうまく機能した後に、システムは、速度ωhでDHFIストラテジをHFI動作モードから電圧モデルベースの磁束オブザーバモードへと切り替える(248)。DHFI方式は磁束オブザーバに正確な推定値を提供し、低速域全域での性能を改善する。
システムが閾値速度以上にある場合、あるいは速度が自然に上昇した後に、DDFCシステムは、インバータが電圧限界のために飽和した場合(249)、及び異常な動作状況になった場合(250)に、トルク制御線形性(TCL)の領域へ入り、MTPA最適制御での正確なトルク及び速度の制御、並びに拡張されたTCL範囲を提供する。
例として、図18A~18F、図19A~19F、図20A~20Fは好ましい結果を示す。図18A~18Fは、補償なしに低性能化する場合の、1050RPM、550Wで25℃の負荷条件でのDDFCロバスト制御の特性を示す。図19A~19Fは、磁束λmの大きさが-11%、固定子抵抗Rsが+21%というモータパラメータの変化がある、80℃で同じ負荷での制御特性を示す。図20A~20Fは、磁束λmの大きさが11%、固定子抵抗Rsが-21%というモータパラメータの変化がある、-30℃で同じ負荷での制御特性を示す。
Figure 2022159064000075
図18A、図19A、及び図20Aは、実トルク及び固定子磁束オブザーバによる推定トルクを示す。図18B、図19B、及び図20Bは、三相電流及びピーク値を示す。図18C、図19C、及び図20Cは、それぞれのトルク定数kT(Nm/A)を示す。図18D、図19D、及び図20Dは、モータ出力電力及び計算結果を示す。図18E、図19E、及び図20Eは固定子磁束位置及び推定固定子磁束位置を示し、図18F、図19F、及び図20Fは固定子磁束推定値の誤差を示す。
図18A~18Fを参照すると、トルク指令及び推定トルクの時間に対する曲線が示されている(401)。トルク定数kT(Nm/A)402は図18Cで算出される。リアルタイムのモータ出力電力が図18Dに示されている。固定子磁束位置及び推定固定子磁束位置は図18Eでほぼ完全に重なっている(404)。誤差は、図18Fに示される電気角2度より小さい(405、406)。
DDFCシステムは、環境によらず、通常は指令された回転数から1RPM以内のロバストで正確な速度制御を提供する。表1で明らかなように、周囲温度が、25℃、80℃、-30℃と大きく変化する際に、DDFCシステム制御は、速度1050RPMにおいて0.3%未満の誤差でロバストな出力電力を供給する。また、推定される磁束位置の誤差も全般的に2度以内と小さく、基本的に肉眼では観測できない。磁束オブザーバは、トルク定数が磁石内の磁束から変化する場合のトルク定数を推定することができる。
その結果、補償値を適用することなく、DDFCシステムはロバスト制御を実現することができる。磁束オブザーバは、過酷な、又は荒れた作動条件で正確な推定値を提供する。総合的な性能は、大きなパラメータ変動のある中で経験的補償を行うことなく、速度制御、トルク制御、及び出力制御の点で満足のいくものである。
図21A~21C、図22A~22C、図23A~23Cは、例として、まずまず高速の600Rpmから低速の30Rpmへ減速させて、その後また高速へ上昇させた結果を示す。図21A、22A、及び23Aは、それぞれ速度指令、実際の速度、観測された速度を示す(511、521、531)。図21B、22B、及び23Bは、それぞれA相の電流波形512を示す。図21C、22C、及び23Cは、制御フラグの状態変化を示す。図21Cは、enableHFフラグ514が7秒~8秒の間に0から1へ切り替わるのを示す。図22Cは、enableHFフラグ534が0から1へ切り替わるのを示す。図23Cは、enableHFフラグ524が13秒~13.5秒の間に1から0へ切り替わるのを示す。
600Rpmで始まり、モータは減速し始める。恐らく図22A~22Cで最もよく示されるように、速度250RpmにおいてDHFI方式が有効化され、EnableHFフラグ534は0から1へと変えられ、これは図22Bの相電流波形532で確認できる高周波注入電流により明らかである。そして、200Rpmにおいて、オブザーバは、推定の精度を改善するために、電圧積分ベースの磁束オブザーバを用いる代わりにDHFI出力を信号として印加するように変更する。ObserverModeは1から0に変わる。オブザーバフラグの状態は、対応する速度でオブザーバの状態を切り替える。
図23A~23Cを参照すると、低速域内の30Rpmにおいて、DDFCシステムは満足のいく速度制御性能を提供する。実際には、システムは、従来のセンサレスオブザーバ技術では適切に制御できないことがある、速度ゼロより上の任意の低い速度において、正確な速度制御と共に動作することができる。図23A~23Cにおいて、モータは安定した低速の30Rpmから600Rpm、又は任意の高い速度へと加速し始める。
200Rpmと250Rpmの間の50Rpmの速度間隔があり、これがDHFI固定子磁束オブザーバ制御ストラテジにHFI動作をオン又はオフする速度バッファを提供していることに注目されたい。これは、Sensorlessフラグ525を参照して観測することができて、様々なフラグ、例えば図23A及び図23Cに示されるenableHFフラグやObserverModeフラグなどの経時的な変化を反映している。加えて、すべての動作は、2020年8月4日に出願されたBojoiなどによる「埋込磁石形同期モータを制御するためのロバストな始動システム及び方法」と題された米国特許出願第16/984,267号明細書に記載されている、Sensorlessフラグを用いた双方向動作のためのものである。
全体的に、DDFCにより実現されるDHFI制御ストラテジをプラットフォームとして適用することは、永久磁石同期モータシステムの非常に低速時のセンサレス制御における長年の弱点を改善し、商業用の送風機及びファンの駆動に理想的なソリューションを提供し、スマートな検出及び人工知能システム制御の機会を提供する。DHFI-DDFCは、新世代のロバストなシステム制御を象徴し、荒れた過酷な作動条件となりうる、商業用及び工業用のファン、ポンプ、電化製品、他の駆動用途などの任意の用途に適用することができる。
それゆえ、補償なしに、DHFI-DDFCシステム制御は満足の行く結果を提供して、ロバスト制御を実現する。磁束オブザーバは、どんな荒れた作動条件下でも常に、正確な推定値を提供する。システム制御の総合的な性能は、大きなパラメータ変動のある中で経験的補償を行うことなく、速度、トルク、及び出力の点で非常に満足のいくものであり、これは間違いなく製品開発にとって有益である。
加えて、ロバストなDHFI-DDFCシステム制御は、磁石の助けを借りて同期リラクタンスモータへ直接適用することができて、時には同期リラクタンス磁石モータと呼ばれ、しばしば、高い突極性のある埋込磁石モータの一つの種類として分類される。
DFCは新世代のロバストなシステム制御を象徴し、荒れた過酷な作動条件となりうる、商業用のファン、ポンプ、電化製品、他の駆動などの任意の用途に適用することができる。
方向を示す用語、例えば「垂直(vertical)」、「水平(horizontal)」、「上部(top)」、「底部(bottom)」、「上の(upper)」、「下の(lower)」、「内側の(inner)」、「内部へ(inwardly)」、「外側の(outer)」、「外側へ(outwardly)」は、図で示される実施形態の向きに基づいて本発明を説明するのを助けるために使用されている。方向を示す用語の使用は、本発明を特定の向きへ制限すると解釈されるべきではない。
上の説明は、本発明の本実施形態の説明である。様々な修正及び変更を、添付の請求の範囲で規定される本発明の趣旨及び広範な側面から逸脱することなく行うことが可能であり、均等論を含む特許法の原則に従って解釈されるべきである。本開示は例示を目的として提示されており、本発明のすべての実施形態の網羅的な説明と解釈されるべきではなく、あるいは、請求の範囲をこれらの実施形態に関連して示される、又は記載される特定の要素に制限するものと解釈されるべきではない。例えば、限定しないが、記載された発明の任意の個々の要素は、略類似した機能を提供する、あるいはそうでなければ適切な動作を提供する別の要素で交換可能である。これには、例えば、現在既知の別の要素、例えば現在当業者に知られている可能性のあるものや、将来開発される可能性のある別の要素、例えば当業者が開発時に代替物であると認識する可能性のあるものが含まれる。さらに、開示される実施形態は、同時に記載されて、協働して利益の集まりを提供する可能性のある複数の特徴を含む。本発明は、別途発行されている請求の範囲で明示的に記載されている範囲を除き、これらの特徴のすべてを含む、あるいは記載された利益のすべてを提供するそれらの実施形態のみに制限されない。例えば冠詞「a」、「an」、「the」又は「前記(said)」を用いた単数での請求項中の要素への言及は、要素を単数に限定するものと解釈されるべきではない。「X、Y、及びZの少なくとも一つ」などの請求項中の要素への言及は、X、Y、及びZのいずれか一つを単独で、並びに、例えばX、Y、及びZやX及びY、X及びZ、Y及びZなどのX、Y、及びZの任意の組み合わせを含むことを意図している。
上の説明は、本発明の本実施形態の説明である。様々な修正及び変更を、添付の請求の範囲で規定される本発明の趣旨及び広範な側面から逸脱することなく行うことが可能であり、均等論を含む特許法の原則に従って解釈されるべきである。本開示は例示を目的として提示されており、本発明のすべての実施形態の網羅的な説明と解釈されるべきではなく、あるいは、請求の範囲をこれらの実施形態に関連して示される、又は記載される特定の要素に制限するものと解釈されるべきではない。例えば、限定しないが、記載された発明の任意の個々の要素は、略類似した機能を提供する、あるいはそうでなければ適切な動作を提供する別の要素で交換可能である。これには、例えば、現在既知の別の要素、例えば現在当業者に知られている可能性のあるものや、将来開発される可能性のある別の要素、例えば当業者が開発時に代替物であると認識する可能性のあるものが含まれる。さらに、開示される実施形態は、同時に記載されて、協働して利益の集まりを提供する可能性のある複数の特徴を含む。本発明は、別途発行されている請求の範囲で明示的に記載されている範囲を除き、これらの特徴のすべてを含む、あるいは記載された利益のすべてを提供するそれらの実施形態のみに制限されない。例えば冠詞「a」、「an」、「the」又は「前記(said)」を用いた単数での請求項中の要素への言及は、要素を単数に限定するものと解釈されるべきではない。「X、Y、及びZの少なくとも一つ」などの請求項中の要素への言及は、X、Y、及びZのいずれか一つを単独で、並びに、例えばX、Y、及びZやX及びY、X及びZ、Y及びZなどのX、Y、及びZの任意の組み合わせを含むことを意図している。
上述の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
[付記1]
固定子、回転子、及びマルチモデル磁束オブザーバを含むモータ制御システムを有するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)を過酷な動作条件においてロバスト制御する方法であって、
前記センサレスIPMSMの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバの電圧モータモデルを用いて、前記過酷な動作条件において電圧モータモデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
前記センサレスIPMSMの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ磁気モデルを用いて、前記過酷な動作条件においてモータ磁気モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
前記モータ制御システムを用いて、前記過酷な動作条件において前記センサレスIPMSMの回転子過渡特性を推定することと、
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバから、前記過酷な動作条件において前記センサレスIPMSMを制御するために複数の推定されるモータ特性を出力することと、
メモリに記憶される遷移閾値で、前記マルチモデル固定子磁束オブザーバの出力を前記推定される回転子過渡特性に基づいて遷移させることであって、前記遷移は、前記センサレスIPMSMを制御するための、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記複数の推定されるモータ特性と、前記電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記複数の推定されるモータ特性の間で行われる、遷移させることと、
前記モータ制御システムで前記複数の推定されるモータ特性を受信することと、
前記モータ制御システムで動的直接磁束制御を用いて、前記過酷な動作条件において前記複数の推定されるモータ特性に基づいて前記センサレスIPMSMを制御することと、
を含む、方法。
[付記2]
モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束から得られる前記電圧モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束は、動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理された電流から得られ、
前記推定される回転子過渡特性がメモリに記憶されるオブザーバモード閾値に到達するのに応答して、高周波で観測される回転子位置から得られる前記磁気モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束から前記動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理された電流に基づいて前記電圧モータモデルの回転子位置から得られる前記磁気モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束へ切り替えることと、
前記推定される回転子過渡特性が高周波モード無効化閾値に到達するのに応答して、前記動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理された高周波注入された電流から得られる前記電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束から高周波注入の影響を受けていない電流から得られる前記電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束へ切り替えることと、
を含む、付記1に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
[付記3]
前記遷移閾値は前記オブザーバモード閾値より小さく、かつ前記高周波モード無効化閾値より小さく、前記オブザーバモード閾値は前記高周波モード無効化閾値より小さい、付記2に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
[付記4]
前記推定される回転子過渡特性は推定回転子速度であり、
前記モータ電圧モデルは、1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記モータ電圧モデルは動作条件の範囲で有効であり、
前記モータ磁気モデルは、1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記モータ磁気モデルは動作条件の範囲で有効であり、
前記過酷な動作条件は、前記モータ電圧モデルと前記モータ電流モデルの少なくとも一つが有効な動作条件の範囲内に入る、
付記1に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
[付記5]
前記過酷な動作条件は、極端な周囲温度、温度の変動、電圧の変動、インバータの飽和の少なくとも一つを含む、付記4に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
[付記6]
高周波電流を前記IPMSMの前記固定子へ注入することと、
基本周波数部分及び高周波注入部分を含む固定子電流を検出することと、
前記検出された固定子電流を、動的高周波注入(「DHFI」)フィルタを用いてフィルタ処理して、DHFIフィルタ処理された電流にすることと、
前記センサレスIPMSMの回転子位置を前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて高周波オブザーバを用いて推定することと、
を含み、
前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定は、前記DHFIフィルタ処理された電流と、前記推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含み、
前記電圧モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定は、前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含み、
前記センサレスIPMSMの回転子位置を前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束に基づいて推定することと、
を含む、付記1に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
[付記7]
前記遷移閾値はフィルタのカットオフ周波数に対応する過渡回転子速度であり、前記過渡回転子速度はメモリに記憶されるオブザーバモードスイッチ回転子速度より小さく、かつメモリに記憶される高周波モード無効化回転子速度より小さく、前記オブザーバモードスイッチ回転子速度は前記高周波モード無効化回転子速度より小さく、前記推定される回転子過渡特性は推定回転子速度であり、前記過渡回転子速度を下回る推定回転子速度において、前記電圧モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束は前記DHFIフィルタ処理された電流から得られ、前記方法はさらに、
前記推定回転子速度が前記オブザーバモードスイッチ回転子速度を超えるのに応答して、前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて前記高周波オブザーバから得られる、前記回転子位置から得られる前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束から、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束に基づいて前記回転子位置から得られる、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束へ切り替えることと、
前記DHFIフィルタ処理された高周波注入された固定子電流から得られる、前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束が前記高周波注入なしに前記固定子電流から得られるように、前記推定回転子速度が前記高周波モード無効化回転子速度を超えるのに応答して、前記IPMSMの前記固定子への前記高周波電流の前記注入を無効化することと、
を含む、付記6に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
[付記8]
過酷な動作条件において動作するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)システムであって、
モータハウジングと、
前記モータハウジング内に取り付けられて空間を画定する固定子であって三相固定子巻線構成を有する固定子と、
磁気的突極性を示すように円周方向に分散された複数の埋込磁石を含む回転子であって、前記固定子の前記三相固定子巻線構成の励磁により前記空間内で速度範囲を超えて回転可能な回転子と、
前記モータハウジング内に取り付けられたモータ制御システムであって、
電源と、
前記固定子の1つ又は複数の電気特性を検出するよう構成されている検出回路と、
複数のモータ特性値を記憶するメモリと、
マルチモデル磁束オブザーバであって、
モータ電圧モデルを用いて、前記過酷な動作条件においてモータ電圧モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定し、
モータ磁気モデルを用いて、前記過酷な動作条件においてモータ磁気モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定し、
前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束と前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の少なくとも一つに基づいて回転子速度を推定し、
前記過酷な動作条件において、前記推定回転子速度に基づいて前記センサレスIPMSMを制御するために、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束と前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の少なくとも一つの関数として推定される前記複数のモータ特性値を出力する、
よう構成されているマルチモデル磁束オブザーバと、
前記過酷な動作条件において、推定される前記複数のモータ特性に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成されている動的直接磁束制御器と、
前記制御器により与えられた前記駆動コマンドに従って前記固定子の前記三相固定子巻線構成に対する励磁信号を生成する駆動回路と、
を含むモータ制御システムと、
を備える、過酷な動作条件において動作するセンサレスIPMSMシステム。
[付記9]
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度がモータ磁気モデル閾値を下回る間は推定される前記複数のモータ特性値を前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成され、前記推定回転子速度が電圧モデル閾値を上回る間は推定される前記複数のモータ特性値を前記電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成される、付記8に記載のセンサレスIPMSM。
[付記10]
前記電圧モデルは1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記電圧モデルは動作条件の範囲で有効であり、前記電圧モデル閾値を下回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記電圧モデルが有効な動作条件の範囲外となり、前記電圧モデル閾値を上回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記電圧モデルが有効な動作条件の範囲内に入り、
前記モータ磁気モデルは1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記磁気モデルは動作条件の範囲で有効であり、前記電流モデル閾値を上回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記磁気モデルが有効な動作条件の範囲外となり、前記電流モデル閾値を下回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記磁気モデルが有効な動作条件の範囲内に入る、
付記8に記載のセンサレスIPMSM。
[付記11]
前記過酷な動作条件は、極端な周囲温度、温度の変動、電圧の変動、インバータの飽和の少なくとも一つを含む、付記8に記載のセンサレスIPMSM。
[付記12]
高周波信号を前記IPMSMの前記固定子へ注入するよう構成されている高周波注入回路、
を含み、
前記検出回路は、基本周波数部分及び高周波注入部分を含む固定子電流を検出するよう構成されており、
動的高周波注入(「DHFI」)フィルタであって、前記検出された固定子電流をフィルタしてDHFIフィルタ処理された電流にするよう構成されているDHFIフィルタと、
前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて前記センサレスIPMSMの回転子位置を推定するよう構成されている高周波角度オブザーバと、
を含み、
前記マルチモデル磁束オブザーバは、前記DHFIフィルタ処理された電流と、前記推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定するよう構成される、
付記8に記載のセンサレスIPMSM。
[付記13]
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記電流モデル閾値を下回る間は、前記DHFIフィルタ処理された電流と前記高周波角度オブザーバで推定される回転子位置とに基づいて、前記推定される複数のモータ特性を前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成され、
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記電圧モデル閾値を上回る間は、前記推定される複数のモータ特性を前記電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成され、
前記モータ電圧モデル及び前記モータ磁気モータモデルは、それぞれ1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記電圧モデル及び前記モータ磁気モデルは、それぞれ対応する動作条件の範囲で有効である、
ことを含む、付記12に記載のセンサレスIPMSM。
[付記14]
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記電圧モデル閾値を上回り、かつ高周波オブザーバ無効化閾値を下回る間は、前記推定される複数のモータ特性を前記電圧モデルで推定される回転子位置及び前記DHFIフィルタ処理された電流の関数として出力するよう構成され、
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記高周波注入無効化閾値を上回る間は、前記推定される複数のモータ特性を前記電圧モータモデルで推定される回転子位置及び前記固定子電流の前記基本周波数部分の関数として出力するよう構成される、
ことを含む、付記13に記載のセンサレスIPMSM。
[付記15]
固定子及び回転子を有するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)の回転子特性値を、IPMSM制御システムのマルチモデル固定子磁束オブザーバを用いて、過酷な動作条件において推定する方法であって、
前記IPMSM制御システムの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ電圧モデルを用いて、逆起電力電圧及び不感時間電圧に基づいてモータ電圧モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
前記IPMSM制御システムの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ磁気モデルを用いて、固定子電流及び回転子位置に基づいてモータ磁気モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定することと、
前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定することと、
メモリに記憶される遷移閾値で、前記マルチモデル固定子磁束オブザーバの出力を、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値と、前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を出力することの間で遷移させることと、
を含み、
前記過酷な動作条件における前記マルチモデル固定子磁束オブザーバからの前記センサレスIPMSMの前記推定される回転子特性の出力の精度が、前記IPMSM制御の全動作範囲で前記過酷な動作条件における実際の回転子特性値のあらかじめ規定された許容範囲内に入る、
方法。
[付記16]
回転子速度値を推定することと、
前記推定回転子速度値を前記遷移閾値と比較することと、
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバから、前記推定回転子速度値が前記遷移閾値を下回ることに応答して、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を出力することと、
前記マルチモデル固定子磁束オブザーバから、前記推定回転子速度値が前記遷移閾値を上回ることに応答して、前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を出力することと、
を含む、付記15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記17]
高周波信号を前記IPMSMの前記固定子へ注入することと、
基本周波数部分及び高周波注入部分を含む、注入されたHFI固定子電流を検出することと、
前記検出されたHFI固定子電流を、動的高周波注入(「DHFI」)フィルタを用いてフィルタ処理してDHFIフィルタ処理された基本周波数電流とDHFIフィルタ処理された高周波電流にすることと、
高周波角度オブザーバを用いて、前記DHFIフィルタ処理された高周波電流に基づいて前記センサレスIPMSMの高周波オブザーバベースの回転子位置を推定することであって、前記推定は、前記高周波信号を前記IPMSMの前記固定子へ注入するのに応答して前記IPMSMの磁気的突極性に基づく、推定することと、
を含み、
前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することは、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、前記高周波オブザーバベースで推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含み、前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することは前記遷移閾値を下回る回転子速度においてモータパラメータ変動の影響を受けず、
前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することは、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、注入前目標電圧と、DHFIフィルタ処理された電流から得られる逆起電力電圧と、不感時間電圧とに基づいて前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含む、
付記15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記18]
前記固定子磁束オブザーバを用いて、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束と、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、前記モータ電圧モデルとに基づいて前記センサレスIPMSMの固定子磁束オブザーバベースの回転子位置を推定することと、
オブザーバモード回転子速度以上において、前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の前記推定を、前記DHFIフィルタ処理された電流と、前記固定子磁束オブザーバベースの回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することに変更することと、
を含む、付記17に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記19]
高周波注入(「HFI」)停止回転子速度以上において、前記IPMSMの前記固定子への前記高周波信号の前記注入を停止することと、
前記HFI停止回転子速度以上において、前記固定子磁束オブザーバ回転子位置の前記推定を、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束と、前記固定子電流と、前記モータ電圧モデルとに基づいて前記固定子磁束オブザーバ回転子位置を推定することに自動的に変更することと、
前記HFI停止回転子速度以上において、前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の前記推定を、前記固定子電流と、前記固定子磁束オブザーバベースで推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することに自動的に変更することと、
前記HFI停止回転子速度以上において、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定を、再構成された固定子電圧と、前記固定子電流から得られる逆起電力電圧と、不感時間電圧と、前記モータ電圧モデルとに基づいて前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することに自動的に変更することと、
を含む、付記18に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記20]
前記遷移閾値を上回り、かつ前記HFI停止回転子速度を下回る速度において、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流に基づいて基本DHFI回転子位置を推定すること、
を含み、
前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値の前記推定は、前記マルチモデル固定子磁束オブザーバにおいて、前記基本DHFI回転子位置と、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、前記モータ磁気モデルとに基づいて推定することを含む、
付記19に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記21]
前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値は、
前記遷移閾値を下回る回転子速度において、前記高周波オブザーバで推定される回転子位置の関数として推定され、
前記遷移閾値を上回り、かつオブザーバモード閾値を下回る回転子速度において、前記固定子磁束オブザーバで推定される回転子位置の関数として推定され、
前記オブザーバモード閾値を上回り、かつ高周波注入無効化閾値を下回る回転子速度において、前記固定子磁束オブザーバで推定される回転子位置とフィルタ処理された高周波注入電流の関数として推定され、
前記高周波注入無効化閾値を上回る回転子速度において、前記固定子磁束オブザーバで推定される回転子位置と高周波注入の影響を受けない固定子電流の関数として推定される、
付記15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記22]
前記遷移閾値を、前記オブザーバモード閾値、前記高周波注入無効化閾値、及び前記遷移閾値と前記オブザーバモード閾値と前記高周波注入無効化閾値の相対値の少なくとも一つの関数として調整することを含む、付記21に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記23]
前記遷移閾値を、想定されるIPMSM動作速度範囲、想定されるIPMSM始動トルク、想定されるIPMSM最大動作速度、又はそれらの任意の組み合わせの少なくとも一つに基づいて選択することを含む、付記15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記24]
前記モータ磁気モデルベースの磁束推定値又は前記モータ電圧モデルの推定値がフィードバックを決定づけるかを示す利得関数に対する遷移閾値を選択することを含み、前記選択することは、少なくとも部分的には、オブザーバモードの変更に対応する回転子速度値と高周波注入無効化に対応する回転子速度値に基づいており、
前記過酷な動作条件は、極端な周囲温度、温度の変動、電圧の変動、インバータの飽和の1つ又は複数を含む、
付記15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
[付記25]
モータハウジングと、
前記モータハウジング内に取り付けられて円筒空間を画定する固定子であって三相固定子巻線構成を有する固定子と、
磁気的突極性を示すように円周方向に分散された複数の埋込磁石を含む回転子であって、前記固定子の前記三相固定子巻線構成の励磁により前記円筒空間内で速度範囲を超えて回転可能な回転子と
前記モータハウジング内に取り付けられたモータ制御システムであって、
電源と、
固定子電流を検出するよう構成されている検出回路と、
動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ回路であって、前記固定子電流をDHFIフィルタ処理された基本周波数固定子電流とDHFIフィルタ処理された高周波固定子電流へフィルタ処理するよう構成されているDHFIフィルタ回路と、
回転子位置情報、モータ電圧モデルの情報、モータ電流モデルの情報、及び複数のモータ特性値を記憶するメモリと、
1つ又は複数の制御器を含む磁束オブザーバシステムであって、
前記固定子電流と、前記DHFIフィルタ処理された高周波固定子電流と、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数固定子電流の少なくとも一つに基づいて回転子位置推定値を求め、
前記電圧モータモデルの情報に基づいて電圧モデルベースの前記固定子と前記回転子の間の鎖交磁束を推定し、
前記電流モータモデルの情報に基づいて電流モデルベースの前記固定子と前記回転子の間の鎖交磁束を推定し、
前記電圧モデルベースの鎖交磁束と前記電流モデルベースの鎖交磁束の少なくとも一つに基づいてメモリ内の前記複数のモータ特性値を更新する、
よう構成されている、磁束オブザーバシステムと、
閉ループ制御を用いて、更新された前記複数のモータ特性値を含むフィードバックに基づいて駆動コマンドを生成するよう構成されている動的直接磁束制御器と、
前記駆動コマンドに従って前記固定子の前記三相固定子巻線構成に対する励磁信号を生成する駆動回路と、
を含み、
モータパラメータの非線形変動にも関わらず全速度範囲でロバストな速度制御が提供される、モータ制御システムと、
を備える、センサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)。
[付記26]
前記磁束オブザーバシステムは、カットオフ周波数に対応する回転子速度推定値に基づいて、前記電圧モデルベースの鎖交磁束及び前記電流モデルベースの鎖交磁束をフィルタ処理するフィルタアルゴリズムを含み、前記磁束オブザーバシステムは、モータモデル閾値を下回る推定回転子速度では前記電流モデルベースの鎖交磁束が優勢となり、モータモデル閾値を上回る推定回転子速度では前記電圧モデルベースの鎖交磁束が優勢となるよう構成されるローパスフィルタ及びハイパスフィルタを含む、付記25に記載のセンサレスIPMSM。
[付記27]
オブザーバモード閾値を下回る回転子速度において、前記電流モデルベースの鎖交磁束は、前記DHFIフィルタ処理された高周波固定子電流に基づいて前記回転子位置推定値の関数として求められ、
前記オブザーバモード閾値を上回り、かつ高周波注入無効化閾値を下回る回転子速度において、前記電流モデルベースの鎖交磁束は、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数固定子電流に基づいて前記回転子位置推定値の関数として求められ、
高周波注入無効化閾値を上回る回転子速度において、前記電流モデルベースの鎖交磁束及び前記電圧モデルベースの鎖交磁束は、高周波注入の影響を受けていない前記固定子電流に基づいて前記回転子位置推定値の関数として求められる、
ことを含む、付記26に記載のセンサレスIPMSM。
[付記28]
前記複数のモータ特性値の一つは固定子磁束オブザーバ磁束推定値であり、前記動的直接磁束制御システムは、最大トルク/電流(「MTPA」)ルックアップテーブルからMTPA磁束目標値を取得し、前記回転子速度推定値から得られる弱め磁束限界に基づき、前記回転子速度推定値がインバータ飽和回転子速度を下回るのに応答して前記MTPA磁束目標値を制限し、制限された前記MTPA磁束目標値及び前記固定子磁束オブザーバ磁束推定値に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成され、前記固定子磁束オブザーバ磁束推定値が前記MTPA磁束目標値を下回るのに応答して、電流駆動回路指令を増やして過酷な作動条件での磁束不足を補償することでトルク創出能力が高められる、付記26に記載のセンサレスIPMSM。
[付記29]
前記複数のモータ特性値のうちの一つは固定子磁束オブザーバ負荷角であり、前記動的直接磁束制御システムは、最大トルク/電圧(「MTPV」)制御器を用いて前記固定子磁束オブザーバ負荷角に基づいてトルクベースの固定子電流目標値を制限し、制限された前記トルクベースの固定子電流目標値と前記固定子電流の間の誤差に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成される、付記26に記載のセンサレスIPMSM。
[付記30]
前記モータパラメータの非線形変動は、温度の変動、電圧の変動、極端な周囲温度、インバータの飽和の少なくとも一つにより起こる、付記25に記載のセンサレスIPMSM。

Claims (30)

  1. 固定子、回転子、及びマルチモデル磁束オブザーバを含むモータ制御システムを有するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)を過酷な動作条件においてロバスト制御する方法であって、
    前記センサレスIPMSMの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバの電圧モータモデルを用いて、前記過酷な動作条件において電圧モータモデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
    前記センサレスIPMSMの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ磁気モデルを用いて、前記過酷な動作条件においてモータ磁気モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
    前記モータ制御システムを用いて、前記過酷な動作条件において前記センサレスIPMSMの回転子過渡特性を推定することと、
    前記マルチモデル固定子磁束オブザーバから、前記過酷な動作条件において前記センサレスIPMSMを制御するために複数の推定されるモータ特性を出力することと、
    メモリに記憶される遷移閾値で、前記マルチモデル固定子磁束オブザーバの出力を前記推定される回転子過渡特性に基づいて遷移させることであって、前記遷移は、前記センサレスIPMSMを制御するための、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記複数の推定されるモータ特性と、前記電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記複数の推定されるモータ特性の間で行われる、遷移させることと、
    前記モータ制御システムで前記複数の推定されるモータ特性を受信することと、
    前記モータ制御システムで動的直接磁束制御を用いて、前記過酷な動作条件において前記複数の推定されるモータ特性に基づいて前記センサレスIPMSMを制御することと、
    を含む、方法。
  2. モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束から得られる前記電圧モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束は、動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理された電流から得られ、
    前記推定される回転子過渡特性がメモリに記憶されるオブザーバモード閾値に到達するのに応答して、高周波で観測される回転子位置から得られる前記磁気モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束から前記動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理された電流に基づいて前記電圧モータモデルの回転子位置から得られる前記磁気モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束へ切り替えることと、
    前記推定される回転子過渡特性が高周波モード無効化閾値に到達するのに応答して、前記動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ処理された高周波注入された電流から得られる前記電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束から高周波注入の影響を受けていない電流から得られる前記電圧モータモデルで推定されるモータ鎖交磁束へ切り替えることと、
    を含む、請求項1に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
  3. 前記遷移閾値は前記オブザーバモード閾値より小さく、かつ前記高周波モード無効化閾値より小さく、前記オブザーバモード閾値は前記高周波モード無効化閾値より小さい、請求項2に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
  4. 前記推定される回転子過渡特性は推定回転子速度であり、
    前記モータ電圧モデルは、1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記モータ電圧モデルは動作条件の範囲で有効であり、
    前記モータ磁気モデルは、1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記モータ磁気モデルは動作条件の範囲で有効であり、
    前記過酷な動作条件は、前記モータ電圧モデルと前記モータ電流モデルの少なくとも一つが有効な動作条件の範囲内に入る、
    請求項1に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
  5. 前記過酷な動作条件は、極端な周囲温度、温度の変動、電圧の変動、インバータの飽和の少なくとも一つを含む、請求項4に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
  6. 高周波電流を前記IPMSMの前記固定子へ注入することと、
    基本周波数部分及び高周波注入部分を含む固定子電流を検出することと、
    前記検出された固定子電流を、動的高周波注入(「DHFI」)フィルタを用いてフィルタ処理して、DHFIフィルタ処理された電流にすることと、
    前記センサレスIPMSMの回転子位置を前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて高周波オブザーバを用いて推定することと、
    を含み、
    前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定は、前記DHFIフィルタ処理された電流と、前記推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含み、
    前記電圧モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定は、前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含み、
    前記センサレスIPMSMの回転子位置を前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束に基づいて推定することと、
    を含む、請求項1に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
  7. 前記遷移閾値はフィルタのカットオフ周波数に対応する過渡回転子速度であり、前記過渡回転子速度はメモリに記憶されるオブザーバモードスイッチ回転子速度より小さく、かつメモリに記憶される高周波モード無効化回転子速度より小さく、前記オブザーバモードスイッチ回転子速度は前記高周波モード無効化回転子速度より小さく、前記推定される回転子過渡特性は推定回転子速度であり、前記過渡回転子速度を下回る推定回転子速度において、前記電圧モータモデルベースで推定されるモータ鎖交磁束は前記DHFIフィルタ処理された電流から得られ、前記方法はさらに、
    前記推定回転子速度が前記オブザーバモードスイッチ回転子速度を超えるのに応答して、前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて前記高周波オブザーバから得られる、前記回転子位置から得られる前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束から、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束に基づいて前記回転子位置から得られる、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束へ切り替えることと、
    前記DHFIフィルタ処理された高周波注入された固定子電流から得られる、前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束が前記高周波注入なしに前記固定子電流から得られるように、前記推定回転子速度が前記高周波モード無効化回転子速度を超えるのに応答して、前記IPMSMの前記固定子への前記高周波電流の前記注入を無効化することと、
    を含む、請求項6に記載の過酷な動作条件においてセンサレスIPMSMをロバスト制御する方法。
  8. 過酷な動作条件において動作するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)システムであって、
    モータハウジングと、
    前記モータハウジング内に取り付けられて空間を画定する固定子であって三相固定子巻線構成を有する固定子と、
    磁気的突極性を示すように円周方向に分散された複数の埋込磁石を含む回転子であって、前記固定子の前記三相固定子巻線構成の励磁により前記空間内で速度範囲を超えて回転可能な回転子と、
    前記モータハウジング内に取り付けられたモータ制御システムであって、
    電源と、
    前記固定子の1つ又は複数の電気特性を検出するよう構成されている検出回路と、
    複数のモータ特性値を記憶するメモリと、
    マルチモデル磁束オブザーバであって、
    モータ電圧モデルを用いて、前記過酷な動作条件においてモータ電圧モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定し、
    モータ磁気モデルを用いて、前記過酷な動作条件においてモータ磁気モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定し、
    前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束と前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の少なくとも一つに基づいて回転子速度を推定し、
    前記過酷な動作条件において、前記推定回転子速度に基づいて前記センサレスIPMSMを制御するために、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束と前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の少なくとも一つの関数として推定される前記複数のモータ特性値を出力する、
    よう構成されているマルチモデル磁束オブザーバと、
    前記過酷な動作条件において、推定される前記複数のモータ特性に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成されている動的直接磁束制御器と、
    前記制御器により与えられた前記駆動コマンドに従って前記固定子の前記三相固定子巻線構成に対する励磁信号を生成する駆動回路と、
    を含むモータ制御システムと、
    を備える、過酷な動作条件において動作するセンサレスIPMSMシステム。
  9. 前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度がモータ磁気モデル閾値を下回る間は推定される前記複数のモータ特性値を前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成され、前記推定回転子速度が電圧モデル閾値を上回る間は推定される前記複数のモータ特性値を前記電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成される、請求項8に記載のセンサレスIPMSM。
  10. 前記電圧モデルは1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記電圧モデルは動作条件の範囲で有効であり、前記電圧モデル閾値を下回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記電圧モデルが有効な動作条件の範囲外となり、前記電圧モデル閾値を上回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記電圧モデルが有効な動作条件の範囲内に入り、
    前記モータ磁気モデルは1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記磁気モデルは動作条件の範囲で有効であり、前記電流モデル閾値を上回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記磁気モデルが有効な動作条件の範囲外となり、前記電流モデル閾値を下回る推定回転子速度において、前記過酷な動作条件は前記磁気モデルが有効な動作条件の範囲内に入る、
    請求項8に記載のセンサレスIPMSM。
  11. 前記過酷な動作条件は、極端な周囲温度、温度の変動、電圧の変動、インバータの飽和の少なくとも一つを含む、請求項8に記載のセンサレスIPMSM。
  12. 高周波信号を前記IPMSMの前記固定子へ注入するよう構成されている高周波注入回路、
    を含み、
    前記検出回路は、基本周波数部分及び高周波注入部分を含む固定子電流を検出するよう構成されており、
    動的高周波注入(「DHFI」)フィルタであって、前記検出された固定子電流をフィルタしてDHFIフィルタ処理された電流にするよう構成されているDHFIフィルタと、
    前記DHFIフィルタ処理された電流に基づいて前記センサレスIPMSMの回転子位置を推定するよう構成されている高周波角度オブザーバと、
    を含み、
    前記マルチモデル磁束オブザーバは、前記DHFIフィルタ処理された電流と、前記推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定するよう構成される、
    請求項8に記載のセンサレスIPMSM。
  13. 前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記電流モデル閾値を下回る間は、前記DHFIフィルタ処理された電流と前記高周波角度オブザーバで推定される回転子位置とに基づいて、前記推定される複数のモータ特性を前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成され、
    前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記電圧モデル閾値を上回る間は、前記推定される複数のモータ特性を前記電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として出力するよう構成され、
    前記モータ電圧モデル及び前記モータ磁気モータモデルは、それぞれ1つ又は複数の経験的に求められるモータパラメータに基づいており、前記電圧モデル及び前記モータ磁気モデルは、それぞれ対応する動作条件の範囲で有効である、
    ことを含む、請求項12に記載のセンサレスIPMSM。
  14. 前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記電圧モデル閾値を上回り、かつ高周波オブザーバ無効化閾値を下回る間は、前記推定される複数のモータ特性を前記電圧モデルで推定される回転子位置及び前記DHFIフィルタ処理された電流の関数として出力するよう構成され、
    前記マルチモデル固定子磁束オブザーバは、前記推定回転子速度が前記高周波注入無効化閾値を上回る間は、前記推定される複数のモータ特性を前記電圧モータモデルで推定される回転子位置及び前記固定子電流の前記基本周波数部分の関数として出力するよう構成される、
    ことを含む、請求項13に記載のセンサレスIPMSM。
  15. 固定子及び回転子を有するセンサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)の回転子特性値を、IPMSM制御システムのマルチモデル固定子磁束オブザーバを用いて、過酷な動作条件において推定する方法であって、
    前記IPMSM制御システムの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ電圧モデルを用いて、逆起電力電圧及び不感時間電圧に基づいてモータ電圧モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
    前記IPMSM制御システムの前記マルチモデル固定子磁束オブザーバのモータ磁気モデルを用いて、固定子電流及び回転子位置に基づいてモータ磁気モデルベースで推定される前記固定子と前記回転子の間のモータ鎖交磁束を推定することと、
    前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定することと、
    前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定することと、
    メモリに記憶される遷移閾値で、前記マルチモデル固定子磁束オブザーバの出力を、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値と、前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を出力することの間で遷移させることと、
    を含み、
    前記過酷な動作条件における前記マルチモデル固定子磁束オブザーバからの前記センサレスIPMSMの前記推定される回転子特性の出力の精度が、前記IPMSM制御の全動作範囲で前記過酷な動作条件における実際の回転子特性値のあらかじめ規定された許容範囲内に入る、
    方法。
  16. 回転子速度値を推定することと、
    前記推定回転子速度値を前記遷移閾値と比較することと、
    前記マルチモデル固定子磁束オブザーバから、前記推定回転子速度値が前記遷移閾値を下回ることに応答して、前記モータ磁気モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を出力することと、
    前記マルチモデル固定子磁束オブザーバから、前記推定回転子速度値が前記遷移閾値を上回ることに応答して、前記モータ電圧モデルで推定されるモータ鎖交磁束の関数として推定される前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値を出力することと、
    を含む、請求項15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  17. 高周波信号を前記IPMSMの前記固定子へ注入することと、
    基本周波数部分及び高周波注入部分を含む、注入されたHFI固定子電流を検出することと、
    前記検出されたHFI固定子電流を、動的高周波注入(「DHFI」)フィルタを用いてフィルタ処理してDHFIフィルタ処理された基本周波数電流とDHFIフィルタ処理された高周波電流にすることと、
    高周波角度オブザーバを用いて、前記DHFIフィルタ処理された高周波電流に基づいて前記センサレスIPMSMの高周波オブザーバベースの回転子位置を推定することであって、前記推定は、前記高周波信号を前記IPMSMの前記固定子へ注入するのに応答して前記IPMSMの磁気的突極性に基づく、推定することと、
    を含み、
    前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することは、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、前記高周波オブザーバベースで推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含み、前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することは前記遷移閾値を下回る回転子速度においてモータパラメータ変動の影響を受けず、
    前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することは、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、注入前目標電圧と、DHFIフィルタ処理された電流から得られる逆起電力電圧と、不感時間電圧とに基づいて前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することを含む、
    請求項15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  18. 前記固定子磁束オブザーバを用いて、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束と、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、前記モータ電圧モデルとに基づいて前記センサレスIPMSMの固定子磁束オブザーバベースの回転子位置を推定することと、
    オブザーバモード回転子速度以上において、前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の前記推定を、前記DHFIフィルタ処理された電流と、前記固定子磁束オブザーバベースの回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することに変更することと、
    を含む、請求項17に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  19. 高周波注入(「HFI」)停止回転子速度以上において、前記IPMSMの前記固定子への前記高周波信号の前記注入を停止することと、
    前記HFI停止回転子速度以上において、前記固定子磁束オブザーバ回転子位置の前記推定を、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束と、前記固定子電流と、前記モータ電圧モデルとに基づいて前記固定子磁束オブザーバ回転子位置を推定することに自動的に変更することと、
    前記HFI停止回転子速度以上において、前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の前記推定を、前記固定子電流と、前記固定子磁束オブザーバベースで推定される回転子位置と、前記モータ磁気モデルとに基づいて前記モータ磁気モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することに自動的に変更することと、
    前記HFI停止回転子速度以上において、前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束の推定を、再構成された固定子電圧と、前記固定子電流から得られる逆起電力電圧と、不感時間電圧と、前記モータ電圧モデルとに基づいて前記モータ電圧モデルベースで推定されるモータ鎖交磁束を推定することに自動的に変更することと、
    を含む、請求項18に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  20. 前記遷移閾値を上回り、かつ前記HFI停止回転子速度を下回る速度において、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流に基づいて基本DHFI回転子位置を推定すること、
    を含み、
    前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値の前記推定は、前記マルチモデル固定子磁束オブザーバにおいて、前記基本DHFI回転子位置と、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数電流と、前記モータ磁気モデルとに基づいて推定することを含む、
    請求項19に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  21. 前記センサレスIPMSMの前記回転子特性値は、
    前記遷移閾値を下回る回転子速度において、前記高周波オブザーバで推定される回転子位置の関数として推定され、
    前記遷移閾値を上回り、かつオブザーバモード閾値を下回る回転子速度において、前記固定子磁束オブザーバで推定される回転子位置の関数として推定され、
    前記オブザーバモード閾値を上回り、かつ高周波注入無効化閾値を下回る回転子速度において、前記固定子磁束オブザーバで推定される回転子位置とフィルタ処理された高周波注入電流の関数として推定され、
    前記高周波注入無効化閾値を上回る回転子速度において、前記固定子磁束オブザーバで推定される回転子位置と高周波注入の影響を受けない固定子電流の関数として推定される、
    請求項15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  22. 前記遷移閾値を、前記オブザーバモード閾値、前記高周波注入無効化閾値、及び前記遷移閾値と前記オブザーバモード閾値と前記高周波注入無効化閾値の相対値の少なくとも一つの関数として調整することを含む、請求項21に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  23. 前記遷移閾値を、想定されるIPMSM動作速度範囲、想定されるIPMSM始動トルク、想定されるIPMSM最大動作速度、又はそれらの任意の組み合わせの少なくとも一つに基づいて選択することを含む、請求項15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  24. 前記モータ磁気モデルベースの磁束推定値又は前記モータ電圧モデルの推定値がフィードバックを決定づけるかを示す利得関数に対する遷移閾値を選択することを含み、前記選択することは、少なくとも部分的には、オブザーバモードの変更に対応する回転子速度値と高周波注入無効化に対応する回転子速度値に基づいており、
    前記過酷な動作条件は、極端な周囲温度、温度の変動、電圧の変動、インバータの飽和の1つ又は複数を含む、
    請求項15に記載のセンサレスIPMSMの回転子特性を推定する方法。
  25. モータハウジングと、
    前記モータハウジング内に取り付けられて円筒空間を画定する固定子であって三相固定子巻線構成を有する固定子と、
    磁気的突極性を示すように円周方向に分散された複数の埋込磁石を含む回転子であって、前記固定子の前記三相固定子巻線構成の励磁により前記円筒空間内で速度範囲を超えて回転可能な回転子と
    前記モータハウジング内に取り付けられたモータ制御システムであって、
    電源と、
    固定子電流を検出するよう構成されている検出回路と、
    動的高周波注入(「DHFI」)フィルタ回路であって、前記固定子電流をDHFIフィルタ処理された基本周波数固定子電流とDHFIフィルタ処理された高周波固定子電流へフィルタ処理するよう構成されているDHFIフィルタ回路と、
    回転子位置情報、モータ電圧モデルの情報、モータ電流モデルの情報、及び複数のモータ特性値を記憶するメモリと、
    1つ又は複数の制御器を含む磁束オブザーバシステムであって、
    前記固定子電流と、前記DHFIフィルタ処理された高周波固定子電流と、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数固定子電流の少なくとも一つに基づいて回転子位置推定値を求め、
    前記電圧モータモデルの情報に基づいて電圧モデルベースの前記固定子と前記回転子の間の鎖交磁束を推定し、
    前記電流モータモデルの情報に基づいて電流モデルベースの前記固定子と前記回転子の間の鎖交磁束を推定し、
    前記電圧モデルベースの鎖交磁束と前記電流モデルベースの鎖交磁束の少なくとも一つに基づいてメモリ内の前記複数のモータ特性値を更新する、
    よう構成されている、磁束オブザーバシステムと、
    閉ループ制御を用いて、更新された前記複数のモータ特性値を含むフィードバックに基づいて駆動コマンドを生成するよう構成されている動的直接磁束制御器と、
    前記駆動コマンドに従って前記固定子の前記三相固定子巻線構成に対する励磁信号を生成する駆動回路と、
    を含み、
    モータパラメータの非線形変動にも関わらず全速度範囲でロバストな速度制御が提供される、モータ制御システムと、
    を備える、センサレス埋込磁石形同期モータ(「IPMSM」)。
  26. 前記磁束オブザーバシステムは、カットオフ周波数に対応する回転子速度推定値に基づいて、前記電圧モデルベースの鎖交磁束及び前記電流モデルベースの鎖交磁束をフィルタ処理するフィルタアルゴリズムを含み、前記磁束オブザーバシステムは、モータモデル閾値を下回る推定回転子速度では前記電流モデルベースの鎖交磁束が優勢となり、モータモデル閾値を上回る推定回転子速度では前記電圧モデルベースの鎖交磁束が優勢となるよう構成されるローパスフィルタ及びハイパスフィルタを含む、請求項25に記載のセンサレスIPMSM。
  27. オブザーバモード閾値を下回る回転子速度において、前記電流モデルベースの鎖交磁束は、前記DHFIフィルタ処理された高周波固定子電流に基づいて前記回転子位置推定値の関数として求められ、
    前記オブザーバモード閾値を上回り、かつ高周波注入無効化閾値を下回る回転子速度において、前記電流モデルベースの鎖交磁束は、前記DHFIフィルタ処理された基本周波数固定子電流に基づいて前記回転子位置推定値の関数として求められ、
    高周波注入無効化閾値を上回る回転子速度において、前記電流モデルベースの鎖交磁束及び前記電圧モデルベースの鎖交磁束は、高周波注入の影響を受けていない前記固定子電流に基づいて前記回転子位置推定値の関数として求められる、
    ことを含む、請求項26に記載のセンサレスIPMSM。
  28. 前記複数のモータ特性値の一つは固定子磁束オブザーバ磁束推定値であり、前記動的直接磁束制御システムは、最大トルク/電流(「MTPA」)ルックアップテーブルからMTPA磁束目標値を取得し、前記回転子速度推定値から得られる弱め磁束限界に基づき、前記回転子速度推定値がインバータ飽和回転子速度を下回るのに応答して前記MTPA磁束目標値を制限し、制限された前記MTPA磁束目標値及び前記固定子磁束オブザーバ磁束推定値に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成され、前記固定子磁束オブザーバ磁束推定値が前記MTPA磁束目標値を下回るのに応答して、電流駆動回路指令を増やして過酷な作動条件での磁束不足を補償することでトルク創出能力が高められる、請求項26に記載のセンサレスIPMSM。
  29. 前記複数のモータ特性値のうちの一つは固定子磁束オブザーバ負荷角であり、前記動的直接磁束制御システムは、最大トルク/電圧(「MTPV」)制御器を用いて前記固定子磁束オブザーバ負荷角に基づいてトルクベースの固定子電流目標値を制限し、制限された前記トルクベースの固定子電流目標値と前記固定子電流の間の誤差に基づいて駆動コマンドを生成するよう構成される、請求項26に記載のセンサレスIPMSM。
  30. 前記モータパラメータの非線形変動は、温度の変動、電圧の変動、極端な周囲温度、インバータの飽和の少なくとも一つにより起こる、請求項25に記載のセンサレスIPMSM。
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