JP2023521385A - スイッチトリラクタンス機械におけるセンサレス電流プロファイリングのための方法 - Google Patents

Abstract

スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）の電流波形をセンサレスでプロファイリングする方法及び装置が開示される。この装置は、少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータと、プロセッサによって制御される位相インバータと、負荷と、コンバータと、プロセッサのソフトウェア制御モジュールとを備える。電流波形は、プログラム可能な波形形状をスケール調整するプログラム可能なドエル角の目標とする大きさを設定する。電流の傾きは連続的に監視され、これにより軸速度を複数回更新し、速度変化に追従して軸速度に基づいてドエル角を修正することができる。この方法は、非線形トルクの生成を補償することによって全体的なラジアル力の大きさを低減し、それによって音響ノイズ及びトルク脈動を低減し、これはＳＲＭの計算効率につながる。【選択図】 図１

Description

（関連技術）
本出願は、２０２０年４月８日出願の米国仮出願番号６３／００７２９０からの優先権を主張するものである。その開示内容全体は、本明細書に組み込まれている。

（技術分野）
本開示は、一般に、スイッチトリラクタンス機械に関し、より詳細には、計算効率を最適化するために電流波形のターンオン時間及びターンオフ時間に基づいて電流波形をプロファイリングする、センサレスのスイッチトリラクタンスモータ制御システム及び方法に関する。

スイッチトリラクタンス機械（「ＳＲＭ」）は、固定子及び回転子の両方に突極を有する回転電気機械である。ＳＲＭは、発電機又はモータとしても作動し、その高い性能、高温に鈍感であること、構造が簡単であることなどから、産業用途で広く普及している。ＳＲＭは高速回転が可能であり、従来の駆動モータに代わる実行可能な手段となっている。ＳＲＭでは、回転子は無励磁で巻線又は永久磁石をもたないのに対し、固定子は多相で構成される集中型の巻線システムを有する。固定子コイルは、直流電源から高い頻度で連続して給電され、結果として電磁トルクを発生する。直径方向に対向する一対の固定子突極は、対応する一対の回転子突極を固定子突極と一列に並んで引き付けるためにトルクを発生する。その結果、このトルクはＳＲＭの回転子の運動をもたらす。ＳＲＭの回転子は、一般的に鉄などの透磁率の高い材料で形成されており、電流が流れると固定子突極の巻線から発生する磁束を引き付ける。この磁力は、固定子相の巻線への励起を回転子の位置に応じて順次オンオフするので回転子の回転を引き起こす。

従来のＳＲＭにおいて、エンコーダ又はレゾルバなどの軸角変換器が回転子位置信号を生成し、コントローラがこの回転子位置信号を読み取る。この装置の追加により、ＳＲＭのコストが増加し、信頼性が低下する。また、出力トルクの大きな脈動は、ＳＲＭからの大きな騒音を引き起こす。ＳＲＭのトルク及び回転数は、回転子の位置に応じて適切なタイミングで相巻線を励磁することでのみ正確に制御することができる。しかしながら、これらの課題を解決するために、いくつかのセンサレス型ＳＲＭが開発されており、ここでは、相巻線の通電期間がトルクの発生に大きく影響する。また、ドエル角の改善も行われている。最適なドエル角は、ＳＲＭ駆動における全トルクの脈動が最小になるように、各相の負トルクを最小又はゼロにすることになる。

別のアプローチでは、能動相電圧及び電流測定値を用いてＳＲＭ駆動装置のセンサレス制御を実現するシステム及び方法が説明される。これらのセンサレスシステム及び方法は、一般にＳＲＭ駆動装置の動的モデルに依存する。能動相電流は、リアルタイムで測定され、これらの測定値を用いて、能動相を表す動的方程式を数値手法で解いて回転子位置情報を取得する。相インダクタンスは、磁気飽和を補償するために相電流の多項式関数で表される係数も用いてフーリエ級数で表現される。このシステムは、能動相から測定した相インダクタンスを用いて回転子位置を推定する一般的な方法を教示する。ここでは、能動相に電圧を印加し、電流応答を測定して位置を測定する。この電流の大きさは、モータ軸に発生する負トルクを最小にするために低く保たれている。

従来のＳＲＭは、ＳＲＭから変化するトルク曲線が得られないだけでなく、矩形状の波形で駆動されるので、多くの場合、許容できないレベルの音響ノイズ及び振動を生じる。性能は、回転数及びトルクの関数として、ターンオン角、ターンオフ角、及び電流振幅を最適化することによって調整することができる。従来技術では、これは効率及び電力密度の点で非常に良い性能をもたらすことができ、プログラム及び最適化が簡単であるが、従来のＳＲＭは、電流、回転子角度、トルク、及びラジアル力の間の非線形機能性が高いため、矩形波形がすべての面で最適であるとは限らない。最適化のための１つの特定の品質として、ＳＲＭの課題として以前から認識されている音響ノイズがある。ＳＲＭの音響ノイズの特定の原因は、固定子突極と回転子突極との間の半径方向の引き付けである。固定子コイルに電流を注入し、回転子突極を接線方向に引き付けてトルクを発生させると、わずかながら半径方向の吸引力も発生する。しかしながら、回転子突極が固定子突極に一致すると、両者間の半径方向の吸引力が急激に増加する。このラジアル力の変動が固定子の振動を引き起こし、それが固定子ハウジングに伝わり、特に励磁が構造共振モードと一致した場合に音響ノイズとして放射される。

さらに別のアプローチでは、通常、回転子角度の関数として設計されたセンサレス矩形波が開示される。その周波数成分は速度に応じて変化することになるが、時間の関数として設計されることもある。波形は、オフラインで最適化して、その後ファームウェアに保存する場合があり、又は、波形は、モータコントローラによってリアルタイムで計算し、さらにはマイクロフォン又は加速度計からのフィードバック信号に応答して適応させる場合があり、これにより、システムのコスト及び複雑性が増大する。一般に、波形は特定のモータモデルの電気機械特性に合わせて調整する必要があり、最適なプロファイルは、速度又は負荷によって代わる可能性がある。さらに、既存のセンサレスコードは、測定された電流の変化率を使用して特定の「アンカー」ポイントでのインダクタンスを推定し、既存の相が最適な時間にオンになったか否かを決定する。アンカーポイントから、時間ベースのソフトウェアエンコーダを使って、電流を一定値に調節し、いつオフにするかを管理する。しかしながら、この方法は矩形波形を利用できるのみで、他の波形プロファイルには拡張されない。さらに、この方法ではラジアル力は制御されず、音響ノイズが増加する。

従来技術全体の教示及び開示を考慮すると、電流波形をプロファイリングするためのセンサレスのスイッチトリラクタンスモータ制御システム及び方法に対するニーズが依然としてある。この方法は、所定の相電流に対するターンオンの制御のためのアンカーポイントを提供するが、その結果、所望の基準に基づいて性能を最適化するために非一定の電流プロファイルを使用することになる。さらに、この方法では、駆動波形の形状を矩形から変更し、回転子突極と固定子突極が整列する際に電流が徐々に減少するようにする。同様に、これは、さもなければラジアル力が増加するのを制限又は防止し、音響ノイズを低減させる。この技術の変形形態は、トルク脈動を低減する、効率を向上させる、又はそのような性能目標のバランスを最適化するために、異なる波形プロファイルを採用することになる。そのような必要な方法は、少なくとも１つの場合、計算効率及び実時間調整可能性を得るために、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数で所望の波形を提供することになる。他の技術は、ルックアップテーブル、フーリエ級数、又は所望の波形を決定するための他の適切な技術を含むことができる。さらに、この方法は、すべてのモータの仕様及び電力定格に関して較正する必要がない制御アルゴリズムに関連することになる。そのような必要な方法は、非線形トルクの生成を補償することによって、全体的なラジアル力の大きさを低減し、トルク脈動を減少させることになる。さらに、この方法は、低コストで波形プロファイルとセンサレス動作を組み合わせることになる。このようなシステムは、単純かつ効率的で、使用が容易であろう。本実施形態は、これらの重要な目標を達成することによって、この技術分野における欠点を解決する。

従来技術に見られる制限を最小化するために及び本明細書を読めば明らかになるであろう制限を最小限にするために、本発明は、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）における電流波形のセンサレスプロファイリングのための方法及び装置を提供する。

本方法は、少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータと、プロセッサによって制御される位相インバータと、負荷と、コンバータと、プロセッサのソフトウェア制御モジュールとを備えるセンサレスのスイッチトリラクタンスモータ制御システムを提供するステップを含む。次に、システムは、プロセッサの時間ベース補間モジュールを用いて、転流毎に時間ベース回転子位置を推定し、電流波形のターンオン時間における最適な立ち上がり点を決定する。次に、システムは、動作速度を維持するために必要なトルクを推定する。次に、システムは、推定された必要トルクに基づいて電流波形をスケール調整する目標とする大きさを計算し、プログラムされた波形形状に従って（及び目標とする大きさに比例して）変化する場合、目標相電流は、所定の速度を制御するための必要トルクをほぼ達成するようになっている。ドエル角は，ＳＲＭの軸回転数及び必要トルクに基づいて調節される。次に、基準電流は、目標の大きさによってスケール調整された、時間ベース位置推定値の決定された関数である、波形形状に従って変化する。

スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）における電流波形のセンサレスプロファイリングのための装置は、少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータと、プロセッサによって制御され、スイッチトリラクタンスモータに接続されてＳＲＭに電力供給を行う位相インバータと、インライントルクメータを介してスイッチトリラクタンスモータに接続される負荷と、負荷に接続される変換器とを備える。プロセッサは、ソフトウェア制御モジュール及び時間ベース補間推定モジュールを有する。時間ベース補間モジュールは回転子の位置を推定し、プロセッサのソフトウェア制御モジュールは、モータの動作速度を維持するために必要な適切なトルクを生成する電流波形の形状を決定し、それによって、非一定電流プロファイルを使用して音響ノイズ、トルクリップルを低減し、効率を向上させる。

ＳＲＭの回転子突極は、随意的に磁気センサを備えるモータ軸と回転関係にある。三相インバータは、スイッチトリラクタンスモータへの電源として機能するように適応され、プロセッサは、ソフトウェア制御モジュール及び時間ベース補間モジュールを有する。

本発明の第１の目的は、計算効率を最適化するために、電流波形のターンオン時間及びターンオフ時間に基づいて電流波形をプロファイリングするセンサレスのスイッチレラクタンスモータ制御システム及び方法を提供することである。

本発明の第２の目的は、所定の相電流に対するターンオン時間の制御のためのアンカーポイントを提供するが、その後、好ましい基準に基づいて性能を最適化するために非一定電流プロファイルを使用する方法を提供することである。

本発明の第３の目的は、トルク脈動を低減し、効率を向上させ、性能目標を最適化する駆動波形のプロファイルを変化させる方法を提供することである。

本発明の第４の目的は、計算効率と実時間調整可能性を得るために、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数で所望の波形をプログラムする方法を提供することである。

本発明の他の目的は、非線形トルクの生成を補償することにより、全体的なラジアル力の大きさを減少させ、トルク脈動を減少させる方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、波形プロファイルとセンサレス動作を低コストで組み合わせ、効率的で使いやすい方法を提供することである。

本発明の上記及び他の利点及び特徴は、当業者に理解できるように、具体的に説明される。

それらの明確性を高め、本発明のそれらの様々な構成要素及び実施形態の理解を向上させるために、図中の要素は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。さらに、当業者にとって一般的でよく理解されている要素は、本発明の様々な実施形態を明確に示すために、描かれていない。従って、図面は、明瞭性及び簡潔性のために、一般化された形式である。

本発明の好ましい実施形態による、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）における電流波形のセンサレスプロファイリングのための方法のフローチャートを示す。 本発明によるスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）のセンサレス制御のための装置のブロック図を示す。 本発明の好ましい実施形態による、波形がチェビシェフ多項式に基づく多項式級数でプログラムされているスイッチトリラクタンスモータの等トルクの波形の群を示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による、多項式級数でプログラムされたオシロスコープに取り込まれた方形波形プロファイルを示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による、多項式級数でプログラムされたオシロスコープに取り込まれたカスタム形状波形を示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による、多項式級数でプログラムされた別のオシロスコープに取り込まれたカスタム形状波形を示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による、波形プロファイリングによる音響ノイズ低減を表示するオシロスコープに取り込まれたデータを示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による、波形プロファイリングによる効率利得を示すグラフである。

本発明のいくつかの実施形態及び用途に取り組む以下の検討において、本明細書の一部を成し、例として、本発明を実施することができる具体的な実施形態が示されている添付図面を参照する。他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく変更を行うことができることを理解されたい。

それぞれが互いに独立して、又は他の特徴と組み合わせてそれぞれ使用することができる様々な発明の特徴を以下に記載する。しかしながら、単一の発明の特徴は、上述の問題のいずれにも対処しないか、又は上述の問題のうちの１つのみに対処する。さらに、上述の問題の１又は２以上は、以下に説明される特徴のいずれによっても完全には対処されない場合がある。

本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、明示的に定められない限り、複数の指示対象を含む。本明細書で使用される場合、「ａｎｄ（及び）」は、明示的に定められない限り、「ｏｒ（又は）」と同義で用いられる。本明細書で使用される場合、用語「ａｂｏｕｔ（約）」は、記載されているパラメータの＋／－５％を意味する。本発明の何らかの態様の全ての実施形態は、明示的に定められない限り、組み合わせて使用することができる。

文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除き、明細書及び特許請求の範囲を通じて、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」等は、排他的又は網羅的意味とは対照的に、包括的意味で、すなわち「～を備えるが、それに限定されない」の意味で解釈されるべきである。また、単数又は複数を使用する単語は、複数及び単数をそれぞれ含む。加えて、用語「ｈｅｒｅｉｎ」、「ｗｈｅｒｅｉｎ」、「ｗｈｅｒｅａｓ」、「ａｂｏｖｅ」及び「ｂｅｌｏｗ」ならびに同様の意味の用語は、本出願で使用される場合、本出願を全体として指すものであり、本出願の何らかの特定の部分を指すものではない。

本明細書は、突極及び半径方向エアギャップを有する巻線固定子及び内部回転子を備えた一般に知られた形態を有する回転式スイッチトリラクタンスモータに使用するための参照に基づくものである。しかしながら、本方法は、特定のモータ形状だけに限定されず、リニアモータ、回転モータ、外部回転子モータ、内部回転子モータ、多重固定子モータ、軸モータ、モータジェネレータ、又は上記のいずれかに関連するジェネレータ、及び他の周知の変形形態に同様に適用することができる。

本開示の実施形態の記載は、網羅的であること、又は本開示を開示されている正確な形に限定することを意図するものではない。本開示の特定の実施形態及び実施例は、例示目的で本明細書に記載されているが、当業者には理解されるように、様々な等価の修正が本開示の範囲内で可能である。

図１を参照すると、本発明によるスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）１００における電流波形のセンサレスプロファイリングのための方法のフローチャートが示されている。好ましい実施形態で説明される方法１００は、波形プロファイルをセンサレス動作と組み合わせている。本実施形態で説明される方法１００は、全体的なラジアル力の大きさを低減し、非線形トルク生成を補償することによってトルク脈動を低減し、軽負荷時に機械のピーク磁束を低減することによって効率を向上させる。方法１００は、所与の相電流に対するターンオン時間の制御のためのアンカーポイントを与えるが、結果として、好ましい基準に基づいて性能を最適化するために非一定電流プロファイルを使用するアルゴリズムを提供する。

方法１００は、ブロック１０２で示されるように、少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータと、プロセッサによって制御される位相インバータと、負荷と、コンバータと、プロセッサでのソフトウェア制御モジュールとを備える、センサレスのスイッチトリラクタンスモータ制御システムを提供することによって開始される。次に、ブロック１０４で示されるように、プロセッサの時間ベースの保管モジュールを利用して、転流（ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ）毎に時間ベースの回転子位置推定値を推定する。その後、ブロック１０６で示されるように、モータ性能目的関数を最適化する電流波形形状Ｉ（θ）を記述する一連の多項式係数［Ｐ₀．．．Ｐ_n］を決定する。

次に、ブロック１０８で示されるように、本方法は、電流波形のターンオン時間における最適な立ち上がり点を決定し、ブロック１１０で示されるように、動作速度を維持するのに必要なトルクＴを推定する。次に、本方法は、波形をスケール調整する目標とする大きさＭを計算するが、目標相電流は、結果として得られる電流がほぼ必要なトルクを生成するように、プログラムされた波形形状に従って（及び目標とする大きさに比例して）変化することになる。必要な大きさＭは、ブロック１１０に示されるように、式

で近似的に計算する。次に、ブロック１１２に示されるように、目標とする大きさでスケール調整された、時間ベース位置推定値の決定関数である波形形状に従って、基準電流を変化させる。基準電流は、関数

によって、時間ベース推定回転子位置ｘの関数として計算する。その後、ブロック１１４で示されるように、減衰機構を利用して電流波形を制御する。

方法１００は、所望の基準に基づいて性能を最適化するために、非一定の電流プロファイルを利用する。この方法１００は、任意形状の波形プロファイルの制御を可能にする。電流は、ドエル角の終了に続いて、減衰機構を用いてゼロまで減少される。ドエル領域の所望の波形形状は、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数としてプログラムされる。

好ましい実施形態では、図２に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）２０２のセンサレス電流プロファイリングのための装置２００が提供される。装置２００は、少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するセンサレスのスイッチトリラクタンスモータ２０２と、プロセッサ２１０によって制御される位相インバータ２１２と、負荷２０４と、コンバータ２０８とを備える。プロセッサ２１０は、ソフトウェア制御モジュール２１４及び時間ベース補間モジュール２１６を含む。ソフトウェア制御モジュール２１４は、転流毎に更新される回転子位置の時間ベースの補間推定値を使用する制御アルゴリズムを作成する。時間ベース補間モジュール２１６は、回転子の位置を推定し、ソフトウェア制御モジュール２１４の制御アルゴリズムは、電流波形の形状を決定する。位相インバータ２１２は、プロセッサ２１０によって制御され、ＳＲＭ２０２に電力を供給するためにスイッチトリラクタンスモータ２０２に接続されている。

装置２００は、随意的にインライントルクメータ２０６を介してスイッチトリラクタンスモータ２０２の出力に結合しかつコンバータ２０８に接続することができるプログラム可能なブラシレス直流負荷２０４を含む。制御プロセッサ２１０のソフトウェア制御モジュール２１４は、随意的な磁気センサに安定した時間基準を設定する。ソフトウェア制御モジュール２１４は、電流を一定値に調節し、電流をターンオフする時を信号で伝える。回転子が回転すると、回転子突極の各々は固定子突極と整列する及び整列から外れるので、回転子は、固定子突極の各々にインダクタンスプロファイルを生成する。

スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）２０２のセンサレス制御は、スイッチトリラクタンスモータ２０２のインダクタンスプロファイルに対する制御アルゴリズムを必然的に較正する。ＳＲＭ２０２は、全ての電力レベルに拡張可能であり、制御アルゴリズムの作成は、全てのモータ仕様及び電力定格に対して較正される必要はない。スイッチトリラクタンスモータ２０２は、モータ間又はプロセスのばらつきに自動的に対応することができる。

好ましい実施形態では、プロセッサ２１０のソフトウェア制御モジュール２１４は、音響ノイズ、トルク脈動を低減し、ＳＲＭ２０２の全体効率を高めるために、電流波形整形制御がプログラムされる。駆動波形の形状を矩形プロファイルから異なるカスタム形状波形（複数可）に変更することにより、回転子突極と固定子突極が整列すると、電流は徐々に減少する。これにより、ラジアル力の大きさが減少し、その結果、音響ノイズが減少する。この技術の変形形態は、トルク脈動を減少し、効率を高め、性能目標を最適化するために、異なる波形プロフィールを採用することができる。波形は、モータコントローラを用いて特定のモータの電気機械的特性に合わせて調整され、最適なプロファイルは、速度又は負荷に応じて変化する。通常、波形は回転子角度の関数として設計され、その周波数成分は速度に対応することになるが、時間の関数として設計される場合もある。

従来技術では、ＳＲＭは、ターンオン角度を自動的に調整するので、電流は、標準的な矩形の電流波形を得るために、速度、負荷及びバス電圧にほぼ無関係に、所望の機械角でその目標とする大きさに達する。好ましい実施形態では、ソフトウェア制御モジュール２１４の制御アルゴリズムは、ほぼあらゆる形状の波形プロファイルの制御をサポートするように拡張されている。

好ましい方法１００は、プロセッサ２１０の時間ベース補間モジュール２１６を利用して、転流毎に回転子位置を推定し、それによって電流波形のターンオン時間での最適な立ち上がり点を決定する。ほぼ最適な（ノイズの観点から）波形の大きな空間は、残りの電流プロファイルの形状に関係なく、ターンオン時間での速い立ち上がりを必要とする。これは、回転子の歯が位置合わせされていな場合に、ターンオン角が、ＳＲＭ２０２がトルクとラジアル力との間の最大比を達成するポイントの近くで発生するためである。この領域で最も小さいラジアル力が生成されるため、この領域での高電流は、所定のトルク出力に対してより少ないノイズ及び振動を励起する。さらに、モータのインダクタンスはこのポイントで最小に近いので、この領域では、高速であっても有効逆起電力は小さい。

この方法１００では、ドエル領域における所望の波形形状は、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数としてプログラムされる。ルックアップテーブル又はフーリエ変換の使用など、場合によるとより計算集約的な他の手法を採用することもできる。波形プロファイリングは、ルックアップテーブル又はフーリエ級数で同様にプログラムすることもできる。しかし、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数は、計算効率、実時間調整能力、及び何らかの所望の関数を厳密に近似する能力の非常に実用的なバランスを提供することが分かっている。

使用に当たり、３次多項式は、電流プロファイリングの幅広い目標を達成するのに十分であることが分かっている。
多項式は、

の形でリアルタイムに実装することができ、ここで、時間ベース角度推定値であるｘは、波形プロファイルの主入力として使用される。ｘは、ドエル領域の開始時の「０」からドエル領域の終了時の「１」まで線形に及ぶようにスケール調整され、ここでは、電流は通常ターンオフされることになる。時間ベース電流プロファイルは、ｘの代わりにスケール調整されていない時間値ｔを使用することで同様に効果的に実装することができ、その結果を重ね合わせることで位置ベースのプロファイルと組み合わせることができる。ドエル領域は、モータの電流が正のトルクを発生するターンオン点である（ＳＲＭでは、突極が整列する際にインダクタンスが増加する角度である）。これは電気角で約１２０度と考えることができるが、特定のモータ設計に応じて異なる可能性がある。これは、方形波で電流がコイルに加えられる領域である。実際には、全ドエル期間より長い時間又は短い時間で電流を流すことによって、いくつかの利点を得ることができる。等価な結果をもたらす他の実用的な実例では、簡単な手順の変更により、ｘは、－１から１、又は１から０、０から１０２４などの範囲になる。

係数［Ｐ０．．．Ｐｎ］は、何らかの波形を近似するように計算される。１つの有効な方法は、最初に、チェビシェフ多項式近似を用いて所望の波形を表現することである。この方法は、関数の領域にわたる最大誤差を最小にする。次に、計算時間を短縮するために、チェビシェフ多項式の係数を展開して［Ｐ０．．．Ｐｎ］を計算することができる。例えば、Ｐ０＝１、Ｐ１．．．Ｐｎ＝０とすると、この方法は方形波を再現する。

この方法１００では、波形整形はドエル期間外で行われ、その際、電流波形はドエル周期の終了時に完全にオフにされるのではなく、電気期間の大部分又は全電気期間を通して特定の基準値に追従するように制御される。このようにする理由は、電圧制限に起因して、所定のトルク及び速度で電流を完全にオフにすることができないためであり、これは連続伝導モードとして知られている。また、従来、電流がターンオフされていたトルク生成ドエル領域の外側に追加電流を供給することによって、例えば、騒音又は振動低減を目的としたラジアル力の制御、又はトルク脈動の緩和、又はシステム識別技術による位相インダクタンス、抵抗及びモータ速度に関する診断情報の取得など、いくつかの二次的性能向上を達成することができる。この方法１００は、以下のように例示的な例で拡張される。
（ａ）変数「ｘ」は、より広い領域にマッピングすることができる。例えば、ターンオン期間での０から次のターンオン期間での１までの範囲とすることができる。これは、通常、このより広い領域で十分な忠実度を得るために、より高次の多項式表現を必要とすることになる。例えば、「ｘ」がドエル周期にわたって０から１の範囲にある場合に３次の多項式を使用した場合、ｘが全電気期間にわたって０から１の範囲にある場合には６次の多項式が必要になる可能性がある。
（ｂ）領域は、サブ領域に分割することができ、それぞれのサブ領域において波形形状を異なる式で表現することができる。例えば、ｘ₁が０＜θ＜２π／３で定義される多項式Ｉ₁（ｘ₁）、次にｘ₂が２π／３＜θ＜４π／３で定義されるＩ₂（ｘ₂）、４π／３＜θ＜２πであるターンオン領域上のＩ₃（ｘ₃）を使用することができる。各多項式Ｉ₁、Ｉ₂、．．．の次数は、その領域における電流忠実度の要求に応じて、異なる場合がある。実際、原理的には、各サブ領域は、第１の領域が多項式、第２の領域がルックアップテーブル、第３の領域がフーリエ級数といったように、目標電流を定義する方法が全く異なることも可能である。これらの領域境界は、動作速度又はトルクの関数として設計することができ、又は動作中にフィードバックループによって調整することができる。

上記の全てに関する主な制限は、センサレス動作原理に従って、電流の変化率を測定して瞬時のコイルインダクタンスを決定し、回転子角度と速度の推定値を更新するために、各転流でターンオン点に電圧を印加する必要があることである。従来の方形波方式は、ターンオン角度に到達する前に公称電流がゼロに設定されることを示唆するが、波形整形により、このターンオン点の前に公称電流が意図的に非ゼロにされる場合がある。これに関連して、「電圧ターンオン点」ではなく「測定ターンオン点」と考えた方がよいかもしれない。

波形は、チェビシェフ多項式基底で直接、表現することができる。これは、追加の計算時間の代償としてより高い数値精度を実現する。チェビシェフ多項式は、何らかの所望の関数を近似するための強力なツールである。フーリエ級数と同様に、最初の数項が関数の一般的な形状を定義し、高次の項がより細かい解像度の詳細を組み込む。これらの使用は、主に、何らかの所望の滑らかな連続関数Ｆと、次数「ｎ」のチェビシェフ多項式との間の誤差が、次数「ｎ＋１」のチェビシェフ多項式によって十分に近似される（最大誤差を最小にする）ことに起因する。多項式は、乗積（ｍｕｌｔｉｐｌｙ－ａｎｄ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）関数を有するマイクロプロセッサで高速に実行できるため、チェビシェフ多項式は、少ないメモリ及び計算オーバーヘッドで任意のＦに対する最小次数の多項式近似を提供する。チェビシェフ多項式は以下のように定義される。
Ｔ₀（ｘ）＝１
Ｔ₁（ｘ）＝ｘ
Ｔ_n（ｘ）＝２ｘＴ_n-1（ｘ）－Ｔ_n-2（ｘ）
例えば、３次多項式の場合、
Ｉ（ｘ）＝Ｃ₀Ｔ₀（ｘ）＋Ｃ₁Ｔ₁（ｘ）＋Ｃ₂Ｔ₂（ｘ）＋Ｃ₃Ｔ₃（ｘ）、及び
Ｉ（ｘ）＝Ｐ₀＋Ｐ₁ｘ＋Ｐ₂ｘ²＋Ｐ₃ｘ³
の場合、係数Ｐ_nはＴ_nに代入して求めることができる。
Ｐ₀＝Ｃ₀－Ｃ₂
Ｐ₁＝Ｃ₁－３Ｃ₃
Ｐ₂＝２Ｃ₂
Ｐ₃＝４Ｃ₃
波形近似には、０から１までの領域をもつシフト多項式Ｔ_n ^*を用いることが好都合な場合がある。これらは、Ｔ_n ^*（ｘ）＝Ｔ_n（２ｘ－１）で定義される。
例えば、３次の多項式の場合、
Ｉ（ｘ）＝Ｃ₀ ^*Ｔ₀ ^*（ｘ）＋Ｃ₁ ^*Ｔ₁ ^*（ｘ）＋Ｃ₂ ^*Ｔ₂ ^*（ｘ）＋Ｃ₃ ^*Ｔ₃ ^*（ｘ）、及び
Ｉ（ｘ）＝Ｐ₀＋Ｐ₁ｘ＋Ｐ₂ｘ₂＋Ｐ₃ｘ₃
の場合、係数Ｐ_nはＴ_n ^*に代入して求めることができる。
Ｐ₀＝Ｃ₀ ^*－Ｃ₁ ^*＋Ｃ₂ ^*－Ｃ₃ ^*
Ｐ₁＝２Ｃ₁ ^*－８Ｃ₃ ^*＋１８Ｃ₃ ^*
Ｐ₂＝８Ｃ₂ ^*－４８Ｃ₃ ^*
Ｐ₃＝３２Ｃ₃ ^*
チェビシェフ多項式の使用は、本方法の実用的な実施アプローチである。

好ましい実施形態では、単極電流（ｕｎｉｐｏｌａｒ ｃｕｒｒｅｎｔ）、Ｉ（ｘ）をサポートする位相インバータ２１２は、０と最大瞬時電流との間で境界付けされる。この計算は、非常に少ない計算負担でデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）上で効率的に行うことができる。一方、矩形波形は、ドエル期間では低速減衰型スイッチング、ターンオフ期間では高速減衰型スイッチングを用いて効果的に制御される。一般にカスタム形状の波形は、正確に追従するために、より大きな制御権限を必要とする。そのため、ドエル期間中に高速減衰又は混合減衰を用いた電流制御が推奨される。波形は，ＰＷＭ又はヒステリシス制御などの、従来型のフィードバック及びフィードフォワード技法を用いて効果的に制御することができる。高効率が必要な場合、波形プロファイルは、負のトルク（発生）領域の電流をできるだけ早くオフにし、次のターンオンポイントまでオフのままにすることになる。しかしながら、音響ノイズ抑制、トルク脈動低減、超高速運転など他の目的では、発電領域の電流をゼロにしないように制御する電流波形が望まれる。これは、波形プロファイルの領域を発電領域まで広げるか又は発電領域で作動する第２の電流プロファイル形状に切り替えることで容易に実現できる。センサレス動作の唯一の要件は、電流が、フィードバック信号として使用できるほど局所的なインダクタンスの変化が線形である領域で、傾きを公称基準と比較できる定義された目標点をもつことである。

多くの用途では、波形プロファイルは固定されることになり、動作中に調整する必要はない。しかながら、これは、それぞれの波形プロファイルよって異なる。１つの考慮すべき点は、［Ｐ０．．．Ｐｎ］の値を変更して電流プロファイルを変更する場合、一般にトルク出力が影響を受け、モータをストールさせる可能性があることである。１つの解決策は、波形をゆっくりと変化させ、モータ制御のフィードバックループがトルク出力に適応して安定するのに十分な時間を与えることである。しかしながら、高速に変更する必要がある場合、Ｉ_refは、安定した出力トルクを維持するために波形形状を調整する場合に積極的にスケール変更することができる。ＳＲＭの非線形挙動を考慮すると，完全に一貫性のあるトルクを維持できるＩ_refの値を正確に計算することは非常に困難であるが、通常、大まかな近似は、残りの外乱を補正するためのモータコントローラのフィードバックループのための十分な結果をもたらす。
近似モデルは、

である。この積分は、Ｋ（θ）とＩ（θ）がθの多項式関数である場合、Ｉ（θ）が正のみに拘束される場合も含めて正確に解くことができ、その解はＤＳＰで非常に安価に計算することも可能である。また、Ｋ（θ）は、一般にＳＲＭでは電流の関数であるが、モータの公称動作点の近くで計算される近似値を使うと、ほとんどの実時間制御の目的には十分な精度の結果が得られる。波形形状が変更される場合、新しいＩ_refは、前の波形形状のトルクに一致するようにスケール調整される。
解法は次の通りである。まず、複数の領域Ｒに分割され、その上でＩ（θ）が区別される関数として定義される。

例えば、領域０は、Ｉ（θ）が線形関数でよく近似されるランプアップ領域とすることができる。領域１は、ドエル領域とすることができるなどである。
各領域Ｒにおいて、Ｋ_R（θ）は多項式関数で表され、Ｉ_R（θ）は異なる多項式関数で表される。その結果、

である。
この式は、トルクを推定するために簡単に評価することができる。一般に、コンパイル時にＲ＋、Ｒ－、Ｋ、各多項式の次数が分かっているので、これは、現在の式の多項式係数のために高速に計算することができる。

このように、本方法では、時間ベース回転子位置推定を行った後、電流波形形状Ｉ（θ）を表現するための一連の多項式係数［Ｐ₀．．．Ｐ_n］を決定する。電流波形のターンオン時間における最適な立ち上がり点を決定し、モータの動作速度を維持するために必要なトルクを算出する。所定の速度を維持するために必要なトルクを発生させるために必要な目標とする大きさＭは、式

によって決定される。
次に、波形形状及び時間ベース位置推定値に応じて、ドエル角の各時間ステップでの基準電流Ｉ_refを設定し、目標とする大きさでスケール調整する。基準電流は、時間ベース推定回転子位置ｘの関数として、関数

によって計算される。

図３は、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数で波形をプログラムしたスイッチトリラクタンスモータの等トルク波形の一群を示すグラフである。グラフは、［Ｐ０．．．Ｐ３］の異なる値によって実現される様々な波形形状を示し、そのいずれもが、大きさ１の方形波形と同じトルクでモータを駆動することになる。

図４は、オシロスコープが取り込んだスイッチトリラクタンスモータの矩形波形プロファイルを示し、波形は、Ｃ₀ ^*＝１、Ｃ₁ ^*＝０、Ｃ₂ ^*＝０、Ｃ₃ ^*＝０のチェビシェフ多項式に基づく多項式級数でプログラムされている。この波形は、従来技術の矩形（四角）波形と、多項式法が係数の特定の選択でそれを再現する柔軟性がある事実を示す。

図５は、オシロスコープが取り込んだスイッチトリラクタンスモータのカスタム形状波形を示し、波形は、Ｃ₀ ^*＝１．２、Ｃ₁ ^*＝－０．７、Ｃ₂ ^*＝－０．２、及びＣ₃ ^*＝０．２のチェビシェフ多項式に基づく多項式級数でプログラムされている。

図６は、オシロスコープが取り込んだスイッチトリラクタンスモータの別のカスタム形状波形を示し、波形は、Ｃ₀ ^*＝１．２、Ｃ₁ ^*＝－０．３、Ｃ₂ ^*＝－０．２、及びＣ₃ ^*＝－０．２のチェビシェフ多項式に基づく多項式系列でプログラムされている。

図７及び８は、それぞれ、波形プロファイリングによる音響ノイズの低減及び効率向上を表示するダイナモメータ取り込みデータを示すグラフである。

主たる実施形態では、スイッチトリラクタンスモータにおける電流波形のセンサレスプロファイリングのための方法は、既に設計され構築されたスイッチトリラクタンスモータに適用され、最適な駆動方法を決定する。別の代替案では、本方式は、モータ設計時に適用され、モータ制御波形は、磁気設計と同時に最適化される。これは、従来の矩形波形では性能低下をもたらすが、カスタム形状波形で駆動すると非常に高い性能をもたらす。

別の実施形態では、フィードバック信号によるリアルタイム波形整形が使用される。ここで、関心のある性能量をリアルタイムで測定できる計測器（騒音又は振動用のマイクロフォン又は加速度計など）を有するモータの場合、フィードバックアルゴリズムを開発することができ、ここでは、駆動波形は、騒音を最小値にするために、連続プロセスで、騒音、振動、又はトルク脈動測定に応答して「オンザフライ」で変更することができる。随意的に、波形整形は発生領域にも及ぶ。場合によっては、システムは、余分なトルク脈動の低減などの二次的な利点を得るために、ドエル領域の外側に非ゼロ電流を意図的に注入することができる。

主たる実施形態では、効率、トルク脈動、ノイズなどの性能基準が最適化される。場合によっては、効率のための最適波形は、トルク脈動のための最適波形でもあり、ノイズのための最適波形でもあるが、一般に、これらの性能基準は互いに相反することになる。従って、最適化は、異なる好ましい性能基準の間のトレードオフで行われる。別の実施形態では、モータコントローラは、駆動波形の性能スコアを計算する方法がプログラムされ、各性能基準に対する好みの重み付けを与えると、ユーザの好みに応じて波形を自動的に変化させることができる。例えば、ユーザが日中は騒音を重視し、夜間は効率を重視する場合、モータコントローラは、日中は騒音重視の性能指標を、夜間は効率重視の性能指標を最大化する波形を選択することができる。波形整形自体と同様に、これは、ルックアップテーブル、ニューラルネットワークなどの、さまざまな方法で実現することができる。１つの方法は、動作点（トルク、速度）、波形パラメータＣ₀ ^*．．．Ｃ_n ^*を性能スコアＹ₀．．．Ｙ_Qのベクトルに対応付ける連続関数とすることができ、これは、結果的にそのベクトル上の目的関数に従って最大化することができる。この関数は、目的の重み付けと動作点が波形パラメータに対応するように反転させることも可能である。

別の実施形態では、本方法は、スイッチトリラクタンス発電機、又は発電モードで動作するモータ、又は４象限モードで動作する機械（モータ及び発電機の両方として）に適用される。モータ用途と発電機用途との間の十分に理解された対称性に起因して、本方法は、わずかな変更で発電機用途に拡張することができる。非ゼロ電流は、動力領域（インダクタンスが増加する）ではなく、発電領域（インダクタンスが減少する）において制御される。発生トルクは、回転と反対方向になる。最適な発電機波形の形状は、最適なモータ波形の形状を時間的に反転させたものにほぼ類似することになる。位置推定は、飽和効果の補正を伴う立ち上がりエッジの傾きに基づくことができ、有利には、電流の立ち下がりエッジの傾きに基づくことができる。

本発明の好ましい実施形態の上記の説明は、例示及び説明を目的として提示されてきた。それは、包括的であること、又は本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして、多くの修正及び変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲及び特許請求の範囲の均等物によって限定されないことが意図される。

１００ スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）
２００ 装置
２０２ スイッチトリラクタンスモータ
２０４ ブラシレス直流負荷
０２０６ インライントルクメータ
２０８ コンバータ
２１０ 制御プロセッサ

Claims (20)

1. スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）における電流波形のセンサレスプロファイリングのための方法であって、
   ａ）少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータ、プロセッサによって制御される位相インバータ、負荷、コンバータ、及びプロセッサのソフトウェア制御モジュールを含む、センサレスのスイッチトリラクタンスモータ制御システムを提供するステップと、
   ｂ）前記プロセッサの時間ベース補間モジュールを用いて、転流毎に時間ベース回転子位置推定値を推定するステップと、
   ｃ）前記時間ベース回転子位置推定値の関数である電流波形形状を決定するステップと、
   ｄ）前記電流波形のターンオン時間における最適立ち上がり点を決定するステップと、
   ｅ）式
   

   

   に従って、所定の速度を制御するためのトルクを生成するために必要な前記電流波形をスケール調整するためのプログラム可能なドエル角のための目標の大きさを設定するステップと、
   ｆ）前記目標の大きさによってスケール調整される、前記電流波形形状及び前記時間ベース回転子位置推定値に応じて、前記ドエル角の時間ステップ毎に基準電流を設定するステップと、
   を含む方法。
2. 前記ドエル領域における所望の波形形状は、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数としてプログラムされる、請求項１に記載の方法。
3. 前記電流波形の形状Ｉ（θ）を記述するための多項式係数［Ｐ₀．．．Ｐ_n］が決定される、請求項１に記載の方法。
4. 動作速度を維持するために必要なトルクが推定される、請求項１に記載の方法。
5. 必要トルクを生成するために前記電流波形をスケール調整するためのプログラム可能なドエル角の前記目標とする大きさＭは、
   

   

   で与えられる、請求項１に記載の方法。
6. 前記基準電流は、時間ベース推定回転子位置ｘの関数として、関数
   

   

   によって計算される、請求項１に記載の方法。
7. 所望の基準に基づいて性能を最適化するために、非一定電流プロファイルを利用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ドエル角の終了後、減衰機構を用いて前記基準電流をゼロにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 音響ノイズ及びトルク脈動を低減するためのスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）のセンサレス電流プロファイリングの方法であって、
   ａ）少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータ、プロセッサによって制御される位相インバータ、負荷、コンバータ、及びプロセッサのソフトウェア制御モジュールを含むセンサレススイッチトリラクタンスモータ制御システムを提供するステップと、
   ｂ）プロセッサの時間ベース補間モジュールを用いて、転流毎に時間ベース回転子位置推定値を推定するステップと、
   ｃ）電流波形の形状Ｉ（θ）を記述するための一連の多項式係数［Ｐ０．．．Ｐｎ］を決定するステップと、
   ｄ）モータ性能の目的関数を最適化する電流波形の形状を決定するステップと、
   ｅ）前記電流波形のターンオン時間における最適な立ち上がり点を決定するステップと、
   ｆ）前記スイッチトリラクタンスモータの動作速度を維持するために必要なトルクを決定するステップと、
   ｇ）式
   

   

   に従って所定の速度を維持するために必要なトルクを生成するために、前記電流波形を必要に応じてスケール調整するプログラム可能なドエル角の目標とする大きさＭを設定するステップと、
   ｈ）前記目標とする大きさでスケール調整される、前記電流波形の形状及び前記時間ベース回転子位置推定値に応じて、前記ドエル角の時間ステップ毎に、基準電流Ｉ_refを設定するステップと、
   を含む方法。
10. 前記ドエル領域における所望の波形形状は、チェビシェフ多項式に基づく多項式級数としてプログラムされる、請求項９に記載の方法。
11. 現在の波形形状は、前記時間ベース回転子位置推定値の関数である、請求項９に記載の方法。
12. 前記基準電流は、時間ベース推定回転子位置ｘの関数として、関数
    

    

    によって計算される、請求項９に記載の方法。
13. 全体的なラジアル力の大きさを低減することによって音響ノイズを低減し、非線形トルク生成を補償することによってトルクリップルを低減し、軽負荷時に機械のピーク磁束を低減することによって効率を向上させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
14. 所望の基準に基づいて性能を最適化するために、非一定電流プロファイルを利用するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記ドエル角の終了後、減衰機構を用いて前記基準電流をゼロにするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
16. スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）の電流波形をセンサレスプロファイリングするための装置であって、
    少なくとも１つの固定子突極及び少なくとも１つの回転子突極を有するスイッチトリラクタンスモータと、
    ソフトウェア制御モジュール及び時間ベース補間推定モジュールを有するプロセッサによって制御され、前記スイッチトリラクタンスモータに接続されてＳＲＭに電力を供給する位相インバータと、
    インライントルクメータを介して前記スイッチトリラクタンスモータに接続された負荷と、
    前記負荷に接続されたコンバータと、を備え、
    前記時間ベース補間推定モジュールは、回転子の位置を推定し、前記プロセッサの前記ソフトウェア制御モジュールは、モータ動作速度を維持するために必要なトルクを生成し、それによって、非一定電流プロファイルを利用して、音響ノイズ、トルク脈動を低減し、効率を向上させるために電流波形の形状を決定する、装置。
17. 前記プロセッサの前記時間ベース補間推定モジュールは、転流毎に回転子位置を推定する、請求項１６に記載の装置。
18. 前記プロセッサは、前記電流波形の立ち上がり点及びモータの所与の速度を制御するためにトルクを生成するのに必要な電流の大きさを決定する、請求項１６に記載の装置。
19. 前記装置は、所望の基準に基づいて性能を最適化するために非一定電流プロファイルを提供する、請求項１６に記載の装置。
20. 前記装置は、任意形状の波形プロファイルの制御を可能にする、請求項１６に記載の装置。

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