JP2024507359A - 改善された位置測定を通したモータ制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

モータ制御は、モータが定常状態速度において回転しているかどうかを決定し、次いで、それぞれの個々のモータセクタについての情報をテーブルに投入する。定常状態速度において、電気的セクタの中のモータの持続期間が測定される。モータの完全な機械的回転の持続期間が決定される。コントローラは、モータの完全な機械的回転の持続期間に対するセクタの測定された持続期間の比率を決定する。回転持続期間に対するセクタ持続期間の比率は、テーブルの中に記憶される。コントローラは、テーブル値を使用してモータを制御するように構成されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2021年2月16日に出願された米国仮特許出願第63/149,907号(係属中)の優先権の利益を主張し、その開示は、参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、一般に、モータの制御に関し、詳細には、モータ(たとえば、DCモータおよび多相モータなど)の精密な制御に関する。

モータ制御の分野において、および、とりわけ、(たとえば、DCモータおよび多相モータなどのための)精密なモータ制御の分野において、モータのコイルを通過する電流を測定するための駆動電流を提供するために、モータのロータ要素の位置を知ることができるということが、モータドライバ回路にとって重要である。そのような測定および制御のために利用され得るさまざまな異なる利用可能な解決策が存在しているが、それぞれは、さまざまな欠点およびコストを有している。

より具体的には、永久磁石同期モータは、ロータが回転してトラベルするときにロータの位置が知られている場合にのみ制御されることが可能である。制御回路およびモータドライバ回路は、モータに効率的な様式でトルクを作り出させるために正しいコイルを順番に適正に通電するために、位置情報を有する必要がある。ロータのサイクルにおけるロータの角度は、直接的に測定されることが可能であり、または、角度位置は、さまざまな異なるスキームおよびアルゴリズムを使用して推測されることが可能である。さまざまな制御方法が存在しており、それらは、センサレス方法またはセンサ付き方法であることが可能である。より普及しているセンサレス制御方法のうちのいくつかは、未使用のモータ相の上でBEMFゼロ交差検出を使用すること、または、モータ相の上で測定される電圧および電流に基づいてロータ位置を予測するオブザーバーを使用することである。センサ付き方法は、たとえば、ホール効果センサフィードバックを使用することを含むことが可能である。他のセンサ付き方法は、アブソリュートもしくはインクリメンタルエンコーダフィードバックを使用するか、または、リゾルバフィードバックを使用する。

ホール効果センサを使用するセンサ付き方法は、ロータ角度の精度と実装形態の価格との間の良好な妥協点を提供する、広く使用される方法である。ホール効果センサを使用することは、他のセンサレス制御戦略と比較して、より多くのハードウェアおよび配線を必要とする。しかし、そのようなセンサ付き方法は、ゼロ速度における最大トルクを可能にするという利益を有するが、一方では、センサレス技法は、その点に関して苦労している。一般的に、ホール効果センサを使用する方法では、センサは、1つのセンサ信号がモータのすべての電気的サイクルに関して高い期間および低い期間を通り過ぎるように、モータの中に設置されている。モータのポールペアの数は、ロータの1つの機械的回転に等しくなるために、これらの電気的サイクルおよびホール効果センサ測定値のどれくらい多くが完了されなければならないかを支配することとなる。

典型的なモータ配置では、通常は、ロータまたはステータの周りに120度電気角(electrical degree)に設置されている3つのホール効果センサが存在しており、それによって、ロータ位置フィードバック信号を提供する。ほとんどのケースでは、これらの3つの信号およびモータ回転におけるそれらの特定の値は、ビットとして解釈され、組み合わせに関して、ビットは、組み合わせられ、数(それは、セクタと称される)として解釈される。120度センサ設置を使用するモータを取り扱うときに、セクタは、電気的サイクルの60度を表すこととなる。モータのそれぞれのポールペアは、それと関連付けられる複数のセクタを有することとなるので、モータの機械的回転全体を反映するセクタの合計数は変化することとなる。

したがって、本発明は、回転に関連付けられるさまざまなセクタに関するモータ動作の情報の評価に向けられ、また、DCモータまたは多相モータ(たとえば、ブラシレスDCモータ(BLDC)または永久磁石同期モータ(PMSM)など)のより良好でより効率的でコスト効率の良い動的制御のために望ましい角度位置および速度情報を提供するための情報を使用することに向けられる。

ロータと、ステータと、モータの中に位置決めされている複数のセンサ(たとえば、ホール効果センサなど)とを含むモータを制御するための制御回路が説明されている。センサは、モータがそれを通って回転することとなるモータの複数の電気的セクタを定義する。コントローラは、モータが定常状態速度において回転しているかどうかを決定するように構成されている。そうである場合には、モータのセンサは、モータが複数の電気的セクタのそれぞれの中で回転して費やす持続期間を測定するために使用される。電気的セクタの中の複数の測定された持続期間を使用して、電気的セクタのすべてを通るモータの完全な機械的回転の持続期間が決定される。次いで、モータの完全な機械的回転の持続期間に対する特定のセクタの中のモータの測定された持続期間の比率の値が決定され、テーブルの中に記憶される。テーブル値は、それぞれのセクタに関するセクタ持続期間および角度を決定するために使用され、情報は、モータを制御するために使用される。

添付の図面(それは、本明細書の中に組み込まれており、本明細書の一部を構成している)は、本発明の実施形態を図示しており、以下に与えられる本発明の一般的な説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

制御スキームにおいて使用するためのセクタ持続期間の評価を提供する、本発明の実施形態によるモータ制御回路システムの回路図である。 ロータ要素の角度回転に基づいて測定されるようなトルクパーセンテージの信号ダイアグラムである。 理想的なモータのロータの回転に関するモータセクタおよびセクタ持続期間を定義するためのホール効果センサ信号を経時的に反映する信号ダイアグラムである。 非理想的なモータのロータの回転に関するモータセクタおよびセクタ持続期間を定義するためのホール効果センサ信号を経時的に反映する別の信号ダイアグラムである。 非理想的なモータのロータの回転に関するモータセクタおよびセクタ持続期間を定義するためのホール効果センサ信号を経時的に反映する別の信号ダイアグラムである。 モータの機械的回転に関する連続するセクタのためのセクタ持続期間-対-そのようなモータに関する理想的なセクタ持続期間のグラフである。 正規化されたノイズ-対-モータにおけるモータ速度を計算するための稼働持続期間総和または平均のサイズのグラフである。 理想的なモータに関するセクタ持続期間値のテーブルを示す図である。 本発明によるセクタ持続期間値の複数のテーブルを示す図であり、モータが時計回り回転および反時計回り回転に進行するときに、テーブルを通して進行する値の更新を示す図である。 本発明に従って決定される非理想的なモータに関する決定されたセクタ持続期間値のテーブルを示す図であり、モータの完全な回転にわたってさまざまなセクタにおいて異なる値を示す図である。 本発明による、個々のセクタ条件の評価および比率テーブルの生成のフローダイアグラムである。

添付の図面は、必ずしも正しい縮尺であるわけではなく、本発明の基本原理を例示するさまざまな特徴のいくらか簡単化された表現を提示しているということが理解されるべきである。本明細書で開示されているような動作のシーケンスの特定の設計特徴(たとえば、さまざまな図示されているコンポーネントの特定の寸法、配向、位置、および形状を含む)は、特定の意図された用途および使用環境によって、部分的に決定されることとなる。図示されている実施形態の特定の特徴は、可視化および明確な理解を促進させるために、他の特徴に対して拡大または変形されている。とりわけ、薄い特徴は、たとえば、明確化または図示のために厚くされている可能性がある。

本発明は、任意の非理想的なモータにおけるホール効果設置もしくは位置誤差および/またはロータ磁極誤差を、これらの誤差の事前知識を有することなく、識別して補正することができるモータコントローラおよび制御プロセスを提供する。本発明は、モータのセクタ条件の継続的な決定を提供し、そのようなホール効果設置もしくは位置誤差および/またはロータ磁極誤差に関連付けられる経時的に起こり得る変化に対して調整を行うことが可能である。

本発明は、特定のセクタの持続期間比率-対-モータの機械的回転の全体的な持続期間の形態のセクタ情報を維持する。次いで、コントローラは、決定されたセクタ持続期間、および、セクタを反映する記憶された比率を使用し、多くの連続的な読み取り値を平均化する必要なしに、すべてのホール効果センサ遷移において、瞬間的なモータ速度を極めて正確に測定する。

さらに、正確な瞬間的な速度および補償されたセクタ持続期間テーブル値の知識を使用して、本発明のコントローラは、モータの中の特定のポールに関連付けられる次のホール効果センサ遷移までの時間に、どのようにロータ角度が変化することとなるかを正確に予測する。そのようにして、ロータ角度の正確な予測に起因して、コントローラは、ロータとステータ磁束ベクトルとの間のより適正な角度を維持することが可能であり、それによって、トルクリップルおよび可聴ノイズを最小化し、また、トルク生成における効率を最大化することが可能である。そのため、本発明は、フィードバックがそのような転流技法に通常必要とされる精度を提供しないときでも、空間ベクトル変調のようなより高度な転流技法のために使用されることが可能である。

本明細書で議論されているようなさまざまな例では、120度電気角に設置されている3つのホール効果センサを有するモータが、ロータ位置フィードバック信号を提供するために使用されることとなる。記述されているように、ほとんどのケースでは、これらの3つの信号は、ビットとして解釈され、それらを組み合わせた後に、数(セクタと呼ばれる)として解釈される。120度のセンサ設置を取り扱うときに、セクタは、電気的サイクルの60度を表している。しかし、本明細書で説明されているような本発明および方法論は、ホール効果センサの任意の組み合わせまたは数に適用され、また、モータの中のポールペアおよび角度センサ設置に適用される。本明細書における議論されている例および実施形態に関して、本出願は、モータの周りに120度電気角に設置されている3つのホール効果センサを有する例を使用する。その理由は、そのような配置が現在のモータ制御において広く使用される配置であるからである。

図1は、本発明を実装するホール効果センサ測定を通したモータの制御のための典型的なモータ制御システム10の1つのバージョンを図示している。システム10は、モータ12の動作を制御するためのいくつかの相互接続された回路を含み、具体的には、モータ制御回路またはコントローラ22から制御信号23を受信するモータ駆動回路14を使用する。モータは、適当な多相モータであることが可能であり、いくつか例を挙げると、たとえば、ブラシレスDCモータ(BLDC)、永久磁石同期モータ(PMSM)、AC非同期モータ、またはリラクタンスモータなどであることが可能である。1つの例示的な実施形態において、モータ駆動回路14は、ハーフブリッジ回路の形態になっており、ハーフブリッジ回路は、駆動回路14の上側半分にあるトランジスタ16と、駆動回路の下側半分にあるトランジスタ18とを組み込んでおり、それらは、モータの適正な転流のためのさまざまなモータコイルのための電流駆動信号17の生成のためにサイクルで伝導するように選択的に給電される。一般的に、図示されている駆動回路14の動作において、それは、所望のU、V、W相電流駆動信号17をモータ12に提供するためにさまざまなトランジスタ16、18に送られるパルス幅変調(PWM)制御信号23を通して制御されることが可能である。モータ12の角度位置の測定に関して、ホール効果センサは、センサ信号40によって反映されるように、モータの中で使用されることが可能である。モータの必要な制御および適正な転流のために、本発明は、モータのロータ要素のロータ角度に基づいてより精密で効率的なモータ制御を提供するために、測定された信号を使用し、特定のモータおよびそのホール効果センサの特定の構築および動作を決定する。

モータ12のさまざまなコイルの中の電流レベルの測定に関して、個々のコイルに導かれる電流のレベルを反映するかまたはそれに関連付けられる異なる電流が、測定されることが可能である。たとえば、モータ駆動回路14は、ローサイドまたはグランドサイドのシャント抵抗器20を使用することが可能であり、それらは、下側半分トランジスタ18の出力とともにグランドに接続されている。トランジスタ16および18は、モータ制御回路またはコントローラ22(たとえば、フィールド指向型制御回路など)によって制御される。コントローラ22は、制御目的のために変換されたような、モータ動作の条件を反映するいくつかの入力(たとえば、シャント抵抗器20からのコイル電流の測定値など)、および、本明細書で説明されているような他の入力(たとえば、モータの中のさまざまなセクタの角度スパン、および、モータ12のロータ速度48またはロータ角度44など)を受信する。コントローラ22は、1つまたは複数のプロセッサ要素を含み、1つまたは複数のプロセッサ要素は、さまざまな入力を処理し、出力(たとえば、本発明の1つの例示的な実施形態に従って駆動回路14およびさまざまなトランジスタ16、18を動作させるための制御信号23など)を発生させる。また、プロセッサは、本明細書で議論されているようなセクタ比率のテーブルを形成および記憶するためのさまざまなメモリ要素またはメモリを含む。コントローラ22は、本発明のさまざまなセクタ比率を決定するための、ならびに、それらを記憶およびアクセスするための制御および測定ステップを実行する。

より具体的には、図1に図示されているように、モータコイルへの駆動信号17の電流は、駆動信号17を提供する下側半分トランジスタ18を含有するそれぞれのブランチの中の実効電流を測定することによって測定される。測定された電流値24、26、28は、電流駆動信号17がコイルのためのU、V、およびW相経路の中の駆動信号として導かれることを反映しており、また、モータ12のそれぞれコイルU、V、およびWに関して、ライン24、26、28を通してシャント抵抗器20を横切る電圧を測定することによって取得されることが可能である。記述されているシャント電流および電圧は単なる例であり、コイル電流に関連付けられる他の電流および電圧測定値が使用されることも可能である。測定された電圧は、適当な電流測定値への変換のためにADC回路21に導かれ、電流測定値は、次いで、本明細書で記述されているように、コントローラ22のための入力として使用するためにデジタル化される。本発明の1つの実施形態において、図に図示されているように、モータ制御の分野において知られているように、時間領域信号24、26、28をアルファ/ベータ表現またはフレームに変換するために、クラーク変換回路30が使用されることが可能である。次いで、パーク変換回路が、アルファ/ベータフレームの中の2つのコンポーネントを直交回転座標規準系(dq)に変換することが可能である。これらの2つの変換を連続的な様式で実装することは、モータ制御の当業者に知られているように、AC電流および電圧波形をDC信号に変換することによってコンピューター計算を簡単化する。そのうえ、制御回路22は、より正確な制御を提供するために、本明細書で議論されているように、本発明に従ってセクタ持続期間テーブルからのテーブル値を使用する。

具体的には、本発明は、それぞれのセクタに関連付けられるモータに提供されるための制御をモータが決定するために、セクタ持続期間テーブルからの記憶されているテーブル値を使用する。記憶されている値は、特定のモータに関するそれぞれの固有のモータ動作およびセンサ設置を反映したものであり、次いで、モータ制御に関する情報の追加的な重要なピース(制御のためにモータが補間される必要がある角度、および、特定のセクタのための補間のための時間を含む)を取得するために使用される。それらの式を使用して、コントローラは、セクタの中のロータの角度を正確に追跡することが可能であり、結果的に、適正な電圧をモータコイルに印加し、ロータの磁場に対して90度にあるかまたは直交する磁場を生成させることが可能である。

図1に示されているようなモータ12は、公知の方法に従ってモータ12のロータ角度44を計算するための角度推定回路42に給送されるHu、Hv、Hwとして図示されているセンサフィードバック信号40を提供するための複数のホール効果センサを組み込んでいる。すなわち、本明細書で議論されているような本例では、3つのセンサが使用されている。ロータ角度出力44は、パーク変換回路32に提供され、公知の方法に従ってロータ速度48を決定するための回路46によって使用されることが可能である。また、ロータ速度入力48は、モータ制御信号23を駆動回路に提供するために、フィールド指向型コントローラ22によって使用される。図示されているように、制御信号23は、駆動回路14の上側および下側トランジスタ16、18のさまざまなバンクのオン/オフサイクルを動作させ、適正なモータ転流のためにモータ12のコイルにとって従来通り、コイルのための電流駆動信号17(U、V、Wで示されている)を提供することとなる。

3つのホール効果センサを使用するときに、センサビットの形態の出力は、3つの別個の信号ビットを提供し、それは、8つの可能なビットの組み合わせを結果として生じさせることが可能である。しかし、単一のモータ回転を反映する6つのセクタを定義する目的のために、モータ製造業者は、通常、可能な組み合わせから数0および7を除外するそのような信号極性をピックアップする。これは、数1から6を表すホール効果センサからのフィードバック信号を結果として生じさせ、セクタ0および7は、無効であるとみなされ、切り離されているかまたは故障したフィードバック回路の代表であるとみなされる。説明されている方法論および発明は、ホール効果センサの任意の配置およびそれらの信号極性に適用されることが可能であるが、しかし、我々は、0および7が無効であるとみなされる状態でセクタ1～6を追跡するという広く使用される方法を使用することによって、アプローチを実証することに集中することとなる。

モータのロータがスピンするときに、さまざまなポールペアまたはPPは、センサのそれぞれに係合することとなり、センサからのフィードバック信号は、ポールがセンサを通過するときに、モータにおける特定のパターンで状態を変化させることとなる。たとえば、センサ値に基づいて、そのパターンは、ロータが横たわる特定のセクタとして解釈されることが可能であり、以下の様式で変化することが可能である:単一の電気的回転に関して1、3、2、6、4、5。次いで、パターンは、それぞれの連続する電気的回転に関してそれ自体を繰り返す。これは、公知の6ステップ転流方法を提供し、そこでは、各セクタに関して、2つの特定のモータコイルが存在しており、それは、モータが所望のトルクを作り出して所望の速度で同じ方向にスピンし続けるようにするために通電される。したがって、コイルは、ホール効果センサから受け取られる読み取り値に基づいてセクタのそれぞれを通ってロータが回転するときに、固有に取り扱われる。センサは、その状態の変化を通して、どれほど長くモータが以前のセクタの中にいたかについて持続期間値を提供する。すなわち、ホール効果センサ出力によって記述されているようなそれぞれのセンサ状態遷移は、モータが以前のセクタまたは最後のセクタにおける時間を完了し、現在のまたは新しいセクタに進入するということを示している。

モータの中の120度の位置に位置決めされている3つのホール効果センサを組み込んだモータは、一般的に、より高価なエンコーダによって実現され得るものに対してそのようなセンサを使用することに関連付けられる分解能および位置決めの欠如に起因して、トルクリップルを有することとなる。ホール効果センサは、良好な効率を有する所望のモータ転流を実現するために、比較的に安価な能力を提供する。図2は、典型的なトルクリップルシナリオを図示しており、最大トルクは、ロータ角度位置に関連付けられる特定のピークポイント92において実現されることが可能である。しかし、特定の位置の間では、トルクは、より低い値90(たとえば、最大トルクまたは100%トルクのおおよそ86.6%など)まで減少する可能性がある。図2に図示されているように、これは、特定のリップルを作り出し、平均96%の一般的に許容可能なトルク効率が、線91によって図示されているように実現されることが可能である。本発明の1つの利益は、それが、依然としてホール効果センサを使用しながら、より高価なエンコーダの所望の分解能を提供するということである。本発明は、本明細書で議論されているように、テーブルにセクタ比率値を投入する(populate)ために、モータの移動に依存する。したがって、本発明は、高価なデジタルエンコーダに関連付けられるコストを依然として回避しながら、低減されたトルクリップル、より高い効率、および低ノイズを提供する。

本明細書で説明されているような本発明は、ホール効果センサ信号から情報を抽出する6ステップの、正弦波転流技法、空間ベクトル転流技法、または任意の他の転流技法に適用可能である。理想的な3ポールペア(PP)永久磁石同期モータでは(ブラシレスDCモータと称されることが多い)、ポールペアのそれぞれのポール(3PP=6ポール)は、さまざまなホール効果センサ(3センサ)を通過することとなり、したがって、記述されている6つのセクションを繰り返すことによって形成される合計で18個の固有のセクションが存在することとなる。すなわち、3つのセンサによって、ロータの1回転において、センサは、それぞれのポールペアに対して1回ずつ、合計で3回、さまざまな6つのセクタパターンを通り過ぎることとなる。図3は、そのような3つのポールペアモータのフィード信号を示している。信号ダイアグラム70は、ロータの1つの全機械的回転を表している。3つのポールペア(3PP)を有するモータは、3つのセンサのそれぞれをトリガするための6つの磁極を有することとなる。したがって、すべてのホール効果センサ信号(ホールA74、ホールB76、およびホールC78としてダイアグラム70に示されている)は、ロータの機械的回転ごとに3つの電気的サイクル(ポールペアに対応するサイクル)を通り過ぎる。その理由は、すべての機械的回転が、すべての3つのポールペアの回転を意味するからである。

ダイアグラム70の中の信号トレース80は、それぞれの電気的サイクルに関して3つのセンサ信号の組み合わせを反映しており、それらをセクタ数として解釈する。この例において使用される式は、セクタ=A*(2^2)+B*(2^1)+C*(2^0)であるか、または、単に、A、B、およびC信号をセクタ数のビット2、1、および0にそれぞれマッピングすることである。図3のダイアグラム70から明らかであるように、理想的なモータ(3つのポールペアを備える)は、ロータの1つの機械的回転を完了するために、合計で18個の個々のセクタを通り抜けることとなる。それらの18個のセクタは、ポイント82によって分割されている信号トレース80に示されているように、3つの繰り返される6セクタ部分として図示されている。見られるように、6、4、5、1、3、2のパターンが、3回繰り返される。

モータが定常状態の速度で回転していると仮定すると、モータがそれぞれのセクタにおいて費やす時間持続期間は、すべての他のセクタにおける時間持続期間と同じになることとなる。6セクタのそれぞれは、60度電気角を表しており、定常状態の回転速度では、モータは、これらの6つのセクタのそれぞれ1つにおいて精密に同じ量の時間を費やすこととなる。特定のセクタにおいて費やされる時間持続期間のこの現象は、モータの速度を測定するために使用される。また、特定のセクタにおける時間持続期間および特定のセクタも、そのセクタの中でのロータの位置を予測するために使用される。理想的なモータを仮定すると、コントローラ22は、ホール効果センサによって定義されるような回転の単一のセクタにおいてモータが費やす時間の持続期間を測定することによって、モータの速度を非常に正確に計算することが可能である。モータ速度に関する式は、以下の通りである:
V=60/t
ここで、
- Vは、電気角毎秒でのモータの速度である。
- 60は、1つのセクタがカバーする電気角である(これは、ホール効果センサの数およびモータ配置に依存することとなる)。
- tは、最後に測定されたセクタにおいてモータが費やした時間である。

そのうえ、モータの速度が特定のセクタに関して極めて正確にコントローラ22によって知られると、制御回路は、その情報を使用し、特定のセクタの中のロータ位置を予測することが可能である。次いで、セクタの中のロータの位置は、適正なトルクのためのモータコイルの適正な通電を提供するために使用される。具体的には、公知のロータ位置、ひいては、セクタの中のロータの磁束のそれぞれの公知の位置は、正弦波技法および空間ベクトル技法ならびに他のモータ制御技法が、ロータ角度およびロータ磁束から精密にオフセットされた磁場を生成させることを可能にし、モータからのトルクの効率的な発生を提供する。ロータの磁束に対する発生磁場の配向を細かく制御することができることは、コントローラがトルクリップルを最小化すること、および、それによって、モータの効率を増加させることを可能にする。一般的に、そのような制御技法は、通常、ロータの磁束の角度に対して90度(または、何らかの他の精密な角度)にステータフィールドを維持することを目的としている。過去には、そのような精密なフィールド制御を実現することは、通常は、より高価なエンコーダを使用することに委任されていた。これは、従来では、ホール効果センサフィードバックが理想的な60度のインクリメントでロータの角度を提供することに限定されていたからである。正弦波変調または空間ベクトル変調のような制御技法がホール効果センサフィードバックとともに実装するのが困難である理由は、モータが決して理想的ではなく、したがって、理想的なモータに関するいくつかの基本的な仮定が正確な制御を可能にしないからである。本発明は、典型的なホール効果センサ配置において実現されるものよりも高い、セクタの中のロータ位置の分解能を提供し、低減されたリップル、より高い効率、および低減されたノイズを提供する。

より具体的には、典型的なモータの構築において、ホール効果センサは、決してロータの周りにゼロ誤差で設置されることはできない。また、さまざまな磁石要素およびモータの中でのそれらの位置も、同じ設置誤差に悩まされている。また、ロータは、焼結の後に磁化される焼結された磁気リングとともに製造されることが可能である。また、モータ構築プロセスも、磁極設置における不規則性に悩まされている。磁化機器は、任意に正確であることが可能であるが、磁化される材料は、常に、大きさに関していくらかの角度的な磁化誤差を示すこととなる。

図3のグラフ72は、さまざまなセクタ、および、電気角でのセクタの持続期間を図示している。ポイント84によって図示されているように、理想的なセクタのそれぞれは、持続期間に関して60度電気角にある。しかし、典型的な非理想的なモータでは、これは、通常、決してモータコントローラ22に提示される条件ではない。したがって、本発明は、非理想的な条件に対処する。図4は、ホール効果センサの設置に誤差が存在する現実的なモータの例を図示している。誤差は、効果をより見えるようにするために誇張されている。完璧に間隔を置いて配置された磁極であっても、ホール効果センサがモータの中で精密に120度電気角に設置されていない場合には、セクタ持続期間は、もはや60度電気角を表さない。図4は、典型的な非理想的なモータのためのさまざまなセクタの角度的な持続期間を図示している。図4のこの例における誤差は、センサ位置誤差を反映している。図4は、グラフ72の中のポイント94、96、98によって、セクタごとのセクタ持続期間の著しい偏差を示しており、図3におけるグラフ72およびポイント84の理想的な60度電気角からの変化を示している。これは、特に、高ポールカウントモータにおいて、どのように、ホール効果センサの物理的な設置における小さな誤差が、センサの信号における大きなオフセット誤差を結果として生じさせるか、および、図3のグラフ70および72において反映されている理想からのさまざまなセクタの持続期間の特定の変化を結果として生じさせるかということを実証する。また、繰り返されるセクタ数を反映するさまざまなセクタに関して、持続期間は、ポールペアに基づいて持続期間ポイント94、96、98のさまざまなセットによって示されているように変化する可能性がある。すなわち、ポールペアのうちの1つに関係するセクタの持続期間は、それが別のポールペアに関係するときに同じ付番されたセクタの持続期間とは異なる可能性がある。

記述されているように、図4は、ポール設置における誤差を伴う、より現実的で非理想的なモータに関するグラフを図示している。そのような位置誤差は、センサの物理的な設置における誤差、または、ステータもしくはロータ要素の離散的な磁石の設置における誤差から結果として生じる可能性があり、または、焼結された磁石の磁化における誤差を反映する可能性がある。図4に図示されているように、セクタのそれぞれに関するさまざまなポイント94、96、98は、3つのポールペアを組み込んだモータのための18個の個々のセクタのそれぞれに関して、持続期間が同じセクタ数において変化する可能性があるということをさらに反映している。その理由は、ポールペアのそれぞれが異なっており、したがって、知覚されるセクタ持続期間がポールペア間で異なることとなるからである。

また、図5は、位置誤差がランダムであるが、さまざまなセクタにおいて+/-2度電気角に制限されている、より現実的なモータに関するグラフ70、72を図示している。図示されている例は、3つのポールペアモータを含むので、磁極の場所またはホール効果センサの設置における+/-2度の位置誤差は、+/-0.666(または、2/3)度の機械的な誤差を表す。現代の製造技法は、そのような例よりも良好な公差を保持することが可能であるが、しかし、図4および図5の例において実証されているものは、既存のモータにおいて観察されており、したがって、対処されなければならない。図5の信号グラフ72に示されているように、ポイント94、96、98は、すべてのセクタの持続期間が異なることを図示しており、図5の例における変化は、おおよそ60度電気角+/-15%として持続期間変化を生み出す。

図6は、理想的なモータシナリオに関する標準的なセクタ持続期間からの異なる連続するセクタの持続期間の変化を示すために、定常状態において稼働している実際の5ポールペアモータから採取されたデータを表している。図6は、本発明の特徴による、機械的回転(たとえば、1/30)のための合計持続期間に対する単一のセクタ持続期間のセクタ持続期間比率を示している。図6のグラフ100では、トレース102は、理想的なモータシナリオを反映しており、トレース104は、モータの全機械的持続期間に関連付けられるすべてのセクタに関する時間または持続期間の長さに対する、そのセクタにおける長さ時間または持続期間の比率として、それぞれの異なるセクタ数に関する実際のセクタ持続期間を反映している。図6に示されているようなデータは、モータの1つの機械的回転をカバーしている。本発明において使用されるようなセクタ持続期間は、以下の比率として表現される:
時間持続期間_セクタ/時間持続期間_全機械的回転(すべてのセクタ)。
SCE=電気的な分解能のためのセクタカウント(sector count for an electrical resolution)*PP=モータのポールペア

5ポールペアモータ(5PP)の例では、合計セクタ数は、6セクタ(SCE)×5ポールペア=30である。したがって、理想的なセクタに関して、セクタの合計数に関する持続期間に対する1つのセクタの持続期間の比率は、図6に示されているように、0.0333333として反映されることとなる。しかし、モータの特定のポールペアのためのさまざまな個々のセクタの非理想的な持続期間に起因して、非理想的なモータは、非理想的なセクタ比率を生み出す。モータの機械的な不正確さは、すべてのセクタがわずかに異なる持続期間を有するので、図6において明らかである。それらのセクタ持続期間がモータ速度を推定するために直接的に使用される場合には、トルクリップルの同様の振幅が予期される可能性がある。

したがって、上記に説明されているセクタタイミングの不一致によって、迅速で正確に速度を測定することは困難である。さまざまな利用可能なモータ制御スキームにおいて、制御回路またはコントローラは、安定した速度信号を得るために、理想的なシナリオからのセクタ持続期間タイミングにおける+/-15%程度の変動を最小化するために、何らかの種類のフィルタリングを用いなければならない。そのうえ、コントローラが特定のモータのために調整され、その特定のモータのタイミングジッタに対処するように構成されている場合には、他のモータにおける変化、それらの場所または位置誤差、およびセクタ持続期間の差は、生産ラインからの次のモータが同じレベルのタイミングジッタを示す保証がないということを意味する。したがって、多数の異なるモータシナリオをハンドリングするために、モータ制御に対処する開発者およびプログラマは、コントローラがさまざまな状況のすべてをハンドリングするようにするために、それらのさまざまなフィルタ、制御スキーム、およびコントローラを最悪ケースのモータ条件に関して調整する必要がある。これは、多くの遅延を導入し、コントローラの他のブロック(速度調整器など)に悪影響を及ぼす。これは、リアルタイムで信号に適用される任意のフィルタリングが、フィルタリングされた信号の遅延を引き起こすからである。適用されなければならないフィルタリングが多ければ多いほど、導入される遅延は多くなる。本明細書で議論されているように、本発明において決定されるように起こる奇妙な現象も存在しており、タイミングジッタを取り扱うときに、より多くのフィルタリングが、速度制御および転流において使用するためのよりクリーンなフィルタリングされた信号を常に生み出すとは限らないようになっている。したがって、本発明は、それぞれの固有のモータにおける予測不可能性および差に対処し、モータのための安定した速度信号を得るために、および、送達されているトルクを制御するために、固有の制御スキーム、および、ロータの正確な場所を予測するための方式を提供する。

本発明は、それぞれの個々のセクタおよびモータのポールペアのそれぞれに関してセクタ持続期間のより正確な予測を提供することによって、トルクの効率的な生成を改善する。次に、その正確な情報は、ロータ要素とステータ要素との間の磁束の発生の間のより精密な関係を提供する。たとえば、コントローラが正弦波変調技法または空間ベクトル変調技法を使用する場合には、そのような制御技法は、モータの機械的回転サイクルにおけるモータのそれぞれのセクタの持続期間を正確に予測する能力を必要とする。それぞれの固有のセクタのための正確なセクタ持続期間測定によって、コントローラは、特定のセクタの中のロータの位置およびロータ角度を適正におよび精密に補間することが可能である。本明細書で議論されているように、どれくらい長くすべての個々のセクタが持続期間において続くかという精密な予測をコントローラが使用することができない場合には、さまざまなセクタに関するそのロータ角度位置推定は間違うこととなる。次いで、この位置誤差は、トルクリップルおよびトルク非効率を導入する。その理由は、ロータ磁束とステータ磁束との間の精密な関係が、モータ制御および転流の間に正確に維持され得ないからである。

本発明の1つの特徴によれば、制御方法論は、定常状態におけるセクタタイミングの中のタイミングジッタを考慮に入れ、そのタイミングジッタの中の発見されたパターンを利用する。パターンは、正確な速度測定に必要とされるフィルタリングの量の最小化を可能にし、したがって、決定されるフィルタリングされた速度信号の遅延の最小化を提供する。また、本発明は、本明細書で説明されているような制御方法を利用するコントローラがそれぞれの固有のセクタについての現在のモータセクタの持続期間を正確に予測することを可能にし、したがって、特定のセクタがモータ回転においてカバーする60度内の正確な角度補間を可能にする。本発明は、モータのための電気的セクタの数(SCE)のうちの一部分または倍数に基づいて、速度信号のフィルタリングを使用する。具体的には、速度信号は、SCE/2の倍数に基づいて、または、むしろ、電気的サイクルの半分の倍数に基づいてフィルタリングされる。すなわち、速度測定のための移動和サイズまたは平均は、SCE/2の倍数に基づいて制御回路によって決定される。そのようにして、制御回路は、速度値の高速取得を提供し、本発明に従って望ましいセクタ情報の決定を提供する。

本発明の別の特徴によれば、コントローラ22は、制御スキームにおいてモータ位置を正確に予測するために、モータの完全な機械的回転の全体的な持続期間に対する特定のセクタ持続期間の比率を使用してモータ制御を提供する。ホール効果センサからのフィードバック信号40を使用して、制御回路は、モータ回転の定常状態速度において、モータの完全な機械的回転に関連付けられるSCE*PP数のセクタに関して、それぞれの個々のセクタの持続期間を測定する。制御回路は、センサを通してモータの完全な機械的回転の合計持続期間をさらに測定する。制御回路は、セクタテーブルを生成させ、次いで、1つの完全な機械的なサイクル(モータ回転)の合計持続期間に対するそれぞれのセクタ持続期間の比率を、メモリ(たとえば、フィールド指向型制御回路22の中のメモリなど)の中に記憶する。それぞれの個々のセクタに関する比率は、モータが動作されるたびに、生成されたテーブルの中に維持される。本発明の1つの実施形態によれば、モータが動作されるたびに、新しいテーブルが、制御回路によって生成される。そのようにして、セクタダイナミクスに影響を与える可能性のあるモータの任意の進行中の変化が考慮に入れられる。そのうえ、モータが交換され、制御回路がそれ自体の特性を有する新しいモータを動作させている場合には、本発明は、そのようなシナリオに適用し、その固有のモータおよびそれ自体の固有のセクタをセクタ比率を通してマッピングすることができる。次いで、テーブル値は、大幅な遅延なしに高速で正確な速度計算のために、制御回路によって使用される。より具体的には、遅延は、セクタのうちの1つの持続期間に等しい。そのうえ、制御回路によって維持されているセクタ持続期間値が使用され、それぞれの現在のセクタに関する情報を提供し、どれくらい長くモータがその特定の現在のセクタの中にいることとなるかをコントローラが知ることを可能にすることができる。次いで、制御回路は、そのセクタ持続期間情報を使用し、60度(または、他の測定された度数)セクタを通して特定の時間におけるロータ角度位置を補間する。セクタ情報は、仮定される理想的な持続期間ではなく、特定のモータのための実際のモータセクタを反映しているので、角度位置は、より精密である。現在のセクタに関するより精密な角度位置を知ることで、制御回路(たとえば、コントローラ22など)は、次いで、さまざまなコイルのための制御信号を発生させ、磁束を回転させ、ステータおよびロータの磁束が、最大トルク生成、最大トルク効率、および最小トルクリップルのために可能な限り90度の角度の近くに維持されるようになっている。

モータ速度およびモータ角度位置の決定における本発明のフィルタリング態様に関して、モータの1つまたは複数の全機械的回転を反映する任意の連続的な数のセクタの持続期間は、タイミングジッタを低下させることとなる。すなわち、定常状態における任意の(N*SCE*PP)数のセクタの測定される持続期間は、ゼロのまたはゼロに近いタイミングジッタを有することとなる。しかし、少なくとも1つの全機械的回転を完了しなければならないので、これは、モータ速度が変化しているときに速度信号を取得する際に、コントローラ22に関するより高いラグタイムを表している。モータが1つの機械的回転(SCE*PP)を完了するとき、プロセスは、もう一度やり直し、モータの中のすべての構築誤差(磁気的な誤差およびセンサ設置誤差を含む)が、何度も繰り返すこととなる。すなわち、プロセスは、循環的である。たとえば、3ポールペア(3PP)モータは、機械的回転ごとに、SCE*PP=6*3=18個の電気的セクタを通り過ぎることとなる。コントローラ22がそれらの18個のセクタの合計持続期間を測定したとすれば、それは、非常に正確な速度計算のために使用され得る非常に低いジッタ測定値を得ることとなる。その同じ理論的根拠が、そのような全回転測定値の倍数である合計持続期間測定値に適用される(ここで、N>1)。一般的に、測定時間を短縮し、最終的な持続期間値に導入される遅延を最小化するために、Nを1に維持することが非常に有益である。また、さまざまなセクタ持続期間が決定されるときに、サイズSCE*PPの移動和または平均を維持することも非常に有益である。これは、すべての過去のSCE*PPセクタ持続期間が総計されることを可能にする。また、セクタ持続期間のフィルタリングされた値は、すべての追加的なセクタが測定されるときに更新される。

モータ回転の定常状態速度条件において、最後のSCE*PPセクタの合計持続期間は、記述されているように可能な限り最もクリーンな速度信号を提供するが、それは、また、モータの実際の速度が変化するときに測定値を提供する際に、最も多くの量のラグを導入する。しかし、SCE*PP数のセクタよりも多いまたは少ない持続期間の移動平均を使用することは、測定におけるノイズを増加させるだけである。

本発明の1つの実施形態において、速度測定は、SCExPPセクタよりも少ない持続期間から決定される。任意の連続的なSCE数のセクタに関連付けられる持続期間は、理想的なN*SCE*PP測定よりもわずかに多いノイズを提供するが、測定は、制御回路によって行われる実際の測定において少ない遅延を伴って提供される。コントローラが最後のSCE数のセクタの持続期間の移動和または平均を測定する場合には、それは、本質的に、モータの最後の電気的サイクルに関する時間持続期間を測定している。1つの電気的サイクルの中では、個々のセクタ持続期間のリップルは、わずかにバランスし、モータ速度のかなり良好な推定を与える。しかし、電気的サイクル持続期間は、1つの機械的回転の中で互いに正確には等しくないので、速度決定のこの方法におけるノイズは依然として存在する。しかし、それは、個々のセクタの持続期間を使用して見出されるノイズよりも大幅に少ない。

本発明の1つの態様によれば、SCE数よりも少ないセクタの移動和または平均を使用することは、結果として生じる測定のノイズを劇的に増加させるということが見出された。しかし、SCE数よりも多いセクタの移動和または平均を使用することは、また、ノイズおよび遅延の両方を増加させる。ノイズおよび遅延の増加は、サンプルの数がセクタのSCE数の何倍かに到達するまで、および、それが最終的にPP*SCEセクタに到達するまで起こる。本発明は、ある特定の数のセクタの持続期間を決定することによって、ノイズおよび遅延の問題に対処する。より具体的には、本発明は、SCE/2、SCE、およびPPxSCE数のセクタの持続期間を決定し、モータ速度を決定するために必要に応じてそれらの数のセクタを使用する。

本発明の1つの態様によれば、SCE/2数のセクタに関する持続期間は、制御回路によって測定され、モータの完全な機械的回転に関する持続期間を決定するために使用される。電気的サイクルの任意の連続的な半分またはSCE/2数のセクタの測定される持続期間は、最も小さな、したがって、最も少ない遅延された測定値(それは、有用である)を提供する。この測定値は、SCEセクタの全電気的サイクルに対して電気的サイクルの半分しか表しておらず、したがって、個々のセクタリップルは、他の方法(たとえば、SCEセクタを使用することなど)と同様にバランスしない。しかし、移動和または平均に関してSCE/2セクタ(または、その倍数)の決定された持続期間を使用することは、個々のセクタ持続期間測定値よりも良好なリップルを依然として提供する。そのため、コントローラは、モータの実際の速度からの最小遅延を伴う速度推定を行うために、最後のSCE/2セクタ持続期間の移動和または平均を維持することが可能である。

より大きな数のセクタに関して持続期間を使用することがより正確であるように見えることとなるが、本発明は、そのような特定のセクタの数およびセクタ倍数から逸脱する移動和を使用することを避けている。本発明におけるそのような発見は、モータ制御にとって直感に反するものである。その理由は、使用されるフィルタリングおよび入力データが多いほど、通常はより少ないノイズを意味するからである。しかし、コントローラが、選択されたセクタの倍数(たとえば、(SCE/2)+1セクタ)とは異なるように移動和または平均を維持したとすれば、結果として生じる信号はより多くのノイズを有するということを、本発明者らは見出した。本発明におけるそのような発見は、モータ制御にとって直感に反するものである。その理由は、記述されているように、より多くのフィルタリングが、通常はより少ないノイズを意味するからである。本発明の特徴によれば、周期的なマシン(たとえば、永久磁石同期モータ(PMSM)など)に関して移動和または平均を維持するときに、それらの移動和または平均のサイズを、完全な電気的サイクル(SCE)に関するセクタカウントの半分の何らかの倍数(または、むしろ(SCE/2))に設定することが有益である。すなわち、移動和または平均は、完全な電気的サイクルに関するセクタカウントの半分の倍数を表すサイズに設定される。

本発明のその特徴によれば、図7は、正規化されたノイズ-対-本発明に従ってモータ速度を計算するための累積和または平均のサイズのグラフ110を示している。グラフ110の中の正規化されたノイズトレースのグラフを参照すると、ポイント112に示されているようにSCE/2セクタの特定の位置において最小値を示すこととなり、また、SCE/2セクタの他の倍数の位置(たとえば、SCEセクタ、N*SCEセクタなど)においても同様に最小値を示すこととなる。最も深い最小値は、ポイント114に示されているように、P*SCEの全機械的回転において図示されている。チャートの中のノイズは、最悪の単一のセクタノイズに正規化されている。グラフ110の中のY軸の値は、決定的なものではない。それらは、単に、本発明を使用して最小値が発生する位置の原理を図示している。上述の効果は、移動和および平均に限定されない。それらは、他のフィルタアーキテクチャによって実装されることが可能である。我々は、クリーンで簡単なアプローチとして移動和を使用しているが、本発明は、移動和および平均を使用することに限定されない。

一般的に、モータコントローラおよび制御回路は、制御されている特定のモータに存在しているホール効果センサ設置誤差および磁極位置誤差の事前知識を有していない。したがって、コントローラは、理想的なモータ構成からモータにおけるセクタ持続期間の変化を予測することができない。したがって、記述されているように、過去の制御スキームは、単に、理想的な状況を仮定しているか、または、任意の特定の固有のモータの現実的な構成に基づかない仮定を行っているに過ぎない。本発明の態様によれば、ノイズを最小化するための、および、最小遅延を提供するための、速度測定に関するさまざまな関係は、より高速でより正確な速度計算およびより正確で効率的なトルクを提供するために、セクタ持続期間の変化を決定するために使用される。

具体的には、モータが最初に動作されるときに、回路(たとえば、1つの実施形態におけるコントローラ22など)は、セクタの持続期間を評価し、SCE/2セクタ、SCEセクタ、およびPPxSCEセクタの持続期間の累積和を維持する。それらの値によって、モータは、早期の速度数値を計算することが可能である。たとえば、電気的回転に関してSCEセクタのみを有する場合には、ポールのPP数を掛け合わせ、モータに関する全機械的回転の持続期間に関するその情報を使用することが可能である。次いで、モータが定常状態速度で稼働しているということをコントローラが識別するときに、コントローラは、さまざまなセクタに関して個々の持続期間を測定する。次いで、コントローラは、決定されたセクタ持続期間のすべてに関する情報を記憶する。本発明の1つの実施形態において、コントローラは、モータが1つの機械的回転を完了するのに要する合計時間持続期間に対するそれぞれの特定のセクタ持続期間の比率を決定する。比率データは、(たとえば、コントローラメモリまたは他のメモリの中などにある)それぞれのモータセクタに関して記憶されている。データは、たとえば、それぞれの固有のセクタに関して、テーブルで記憶されることが可能である。完全な機械的回転のための合計時間は、ホール効果センサおよびモータのさまざまなポールペア(PP)によって定義されるモータセクタに関連付けられるすべての異なるセクタ持続期間を反映している。すなわち、評価および記憶するためのセクタの合計数は、(PP*SCE)である。

コントローラ22が最初に給電されるとき、それは、モータのセクタに関する理想的なセクタ値を記憶する。理想的な3ポールペア(PP)モータを使用したそのような評価の例は、合計で18セクタ(3x6セクタ)を結果として生じさせることとなり、それぞれの理想的なセクタは、1/18または0.055555...もしくは0.0(5)の持続期間比率を有している。具体的には、理想的なシナリオおよびモータでは、すべての測定されたセクタ持続期間は、同じ長さの時間だけ続くこととなり、モータの1つの機械的回転の合計持続期間の正確に1/(PP*SCE)または1/18になることとなる。下記に記述されているように、理想的な値は、最初に、洗練されるまでテーブルに投入するために使用されることが可能である。

図11は、本発明の実施形態によるコントローラフローを図示している。コントローラフローは、モータの制御および転流のために、従来のようにコントローラ22ならびにその中のプロセッサおよびメモリ要素によって実行される。本発明を実装するための制御回路は、任意の数の構成をとることが可能であり、したがって、開示されているような構成は、本発明を限定していない。処理およびメモリ機能性を有するコントローラ要素22は、本発明のさまざまな機能的なステップを実装することが可能であるが、そのような機能は、処理回路の他の要素の中に分配されることが可能である。ブロック150にあるようにモータが稼働していると、モータが定常状態速度において稼働していることを確認するために、コントローラによって決定が行われる。ブロック152。そうでない場合には、理想的なモータを反映する初期テーブル値が、速度および角度決定の目的のために使用される。モータの動作のためにコントローラ22が起動するときに、コントローラは、理想的なモータに関する理論的な値および比率をテーブルに投入する。理想的なテーブル値は、少なくとも最初に、モータ制御のために使用されることが可能であり、また、使用される。すなわち、たとえば、理想的な60度セクタが仮定されることが可能である。予め投入されたテーブルは、本明細書で議論されているように、モータのロータ角度の補間のために使用される。しかし、記述されているように、計算のために使用される理想的な値は、非理想的なモータのためのものであり、したがって、それらの初期値は、トルクリップルおよび余分なノイズを作り出すこととなる。しかし、時間が経つにつれて、テーブルは、本発明に従って洗練される。モータが定常状態にある場合には、テーブルは、それぞれの固有のセクタに関する実際のまたはより精密なセクタ持続期間および特性を決定するセクタ持続期間測定値を通して更新される。そのため、投入および更新のためのテーブルは、(PPxSCE)セクタの合計数(たとえば、3PPモータに関して合計で18セクタなど)のために定義される。ブロック154。機械的回転に関する稼働持続期間の総和が測定される。そのような総和は、一般的に、稼働しているモータに関して利用可能であることとなるが、定常状態条件を反映する機械的回転持続期間が測定され、モータに関して決定される。ブロック156。次いで、ロータが存在していたそれぞれの最後のセクタまたは以前のセクタに関して、持続期間時間が測定される。その測定されたごく最近に完了されたセクタ持続期間は、全機械的回転持続期間に対して稼働持続期間総和に比率付けされる(ratioed)。ブロック158。その比率は、コントローラ22のテーブルの中で更新される。1つの実施形態では、テーブル値は、新しい測定および決定された値によって上書きされる。別の実施形態では、新しく決定された値は、古い値または現在の値によって平均化され、テーブルは、新しい値および古い値の平均としてその値によって更新される。さらに、更新は、さらにより緩やかであることが可能である。別の実施形態では、テーブルの中の既存の値または現在の値は、新しく測定された値と古い/現在のテーブル値との間の差のスケーリングされたバージョンによって更新または修正される。すなわち、テーブルに関する差(新しい値-古い/現在の値)の何らかのスケーリングされたバージョンの追加によって変化されるように、古いテーブル値を記憶する。

いずれのケースでも、テーブルは、特定のモータの特性のフィンガープリントをテーブルに反映させるために、最後のセクタ持続期間比率値によって更新される。これは、モータの定常状態移動の間に測定されるそれぞれの連続するセクタに関して繰り返される。ブロック160。次いで、セクタ持続期間比率の更新されたテーブル値は、モータ転流において使用するためにモータ速度およびセクタの中のロータの角度を計算する際の使用のために利用可能である。ブロック162。洗練されたテーブルのより正確な値を使用する角度補間および他の制御パラメータは、同様により正確であり、本発明を使用して動作されるモータに関してトルクリップルおよびノイズが最小化されることを引き起こす。

テーブルは、定常状態においてのみ更新されるが、テーブルの値は、モータの速度が変化するときでも常に使用される。時間が進むにつれて、テーブル値は、モータの定常状態移動/速度の時間の間に洗練されることとなる。

テーブルおよびセクタ持続期間比率値は、コントローラ22によって本発明に従ってモニタリングされ、それぞれのセクタに関する更新サイクルにおいてどの程度大幅に値が変化するかを決定する。すなわち、本発明の1つの態様によれば、コントローラは、より正確な値がテーブルの中に確立されるまでの時間の期間にわたって、理想的な値を使用することが可能である。コントローラは、特定の理想的な値(すなわち、理想的なセクタ持続期間を仮定する)を使用し、また、テーブルがそれぞれのセクタに関して良好な安定した値および比率を有すると決定されるまで、SCE/2またはSCEセクタ平均を使用し、全回転持続期間、速度、および角度を決定することが可能である。特定の変化閾値は、コントローラによって使用され、測定されるテーブル値を計算に使用されるのに適切なものとして指定することが可能である。たとえば、テーブル値がわずかにのみ(たとえば、更新において1～2%だけ)変化しており、その変化が変化閾値を満たす場合には、それらは、許容可能なものとして指定されることが可能であり、次いで、コントローラは、速度および角度決定に関してテーブル値を使用してスタートすることが可能である。他の変化閾値は、テーブル持続期間比率が正確な状態に落ち着いたかどうかをモニタリングするために使用されることが可能である。

本明細書で記述されているように、理想的な3PPモータを使用したそのような評価の例は、合計で18個の測定されたセクタ(3x6セクタ)を結果として生じさせることとなり、それぞれの理想的なセクタは、1/18または0.055555...もしくは0.0(5)の持続期間比率を有している。すなわち、すべてのセクタは、同じ長さの時間だけ続くこととなり、1つの機械的回転の合計持続期間の正確に1/18になることとなる。より正確な測定されたセクタテーブルが本発明に従って提供され得るまで、理想的なテーブルが、モータ制御の目的のために使用されることが可能である。典型的なおよび非理想的なモータに関する情報を決定する際に、コントローラ22は、コントローラプロセスの初期化のときにそれぞれのセクタに関する理想的な値にプリセットされ得るテーブルを確立する(ブロック154)。図8は、テーブル120の実施形態を図示しており、テーブル120は、特定のセクタ持続期間-対-モータの単一の機械的回転のための合計持続期間に関する比率値124を反映するそれぞれの持続期間比率エントリーを伴う複数のセクタ122を含む。図8は、18セクタモータシナリオに関する理想的なテーブル値124を示している。本発明によれば、現実的なセクタ持続期間が決定され、テーブル値124はコントローラによって更新される。上記に記述されているように、3ポールペア(PP)モータに関するさまざまなセクタ指定は、すべての6セクタに繰り返すこととなる。図8に示されているように、実際のセクタは、6、4、5、1、3、2として指定され、次いで、それは、モータのそれぞれのポールペアに関して繰り返される。そうであるので、これは、特定の電気的セクタの指定からそれらが同じ指定を共有する可能性があっても、それぞれの個々のセクタが固有のポールペア場所に基づいてそれ自体の持続期間値を有することを可能にすることとなる。すなわち、繰り返されるセクタのそれぞれは、モータの中の特定のポールペアに関する固有のセクタを反映する異なる値を有することとなる。6つのセクタモータおよび3ポールペアに関して定義される合計で18セクタが存在している。

モータが移動するとき、ポールペアは、さまざまなセクタを通過することとなり、それぞれのセクタにおいて持続期間を測定することが可能であり、モータのトラベルの方向に応じて、一度に1つのセクタ持続期間値を前方または後方のいずれかにテーブル120を更新することが可能である。図9は、上部の時計回り方向へのおよび反時計回り方向への両方のテーブル120を通るセクタ更新進行を図示しており、時計回り方向では、最後のセクタ124は、現在のセクタ126の左側にあり、反時計回り方向では、テーブル最後のセクタ124は、現在のセクタ126の右側にある。本明細書で記述されているように、セクタは、数値的表現(たとえば、6、4、5、1、3、2)を有することが可能であり、マルチポールペアモータでは、同じ数値的表現を有することとなるPP個の個々のセクタが存在している。図9のテーブル120では、さまざまなセクタが、連続的な非繰り返しのシーケンス1～18によって指定されているが、図3～図5、図8に関して記述されているように、セクタは、一般的に、同じセクタ指定を有するが、異なる持続期間を有することが可能である。図10のテーブル120の中のデータは、本発明による測定および処理の後のさまざまなセクタ持続期間を図示している(比率として示されている)。130、132、134として示されているさまざまなセクタは、異なる持続期間を有するセクタを反映しており、それらのすべては、図8および図9に記述されているような0.0555のオリジナルの理想的な値から変化している。コントローラは、さまざまな異なる持続期間とそれぞれの電気的セクタとの間を区別する。その理由は、テーブル120が、(SCE*PP)(または、議論されている例では、18)の合計サイズを有する持続期間値を記憶するからである。図10のテーブル120は、本発明に従った、モータのための高速な速度決定のために、および、トルク制御のためのロータの位置の角度的な決定のために使用され得るセクタ値を有している。

本発明の1つの特徴によれば、モータが定常状態の瞬間を通過するとき、本発明のコントローラ22は、さまざまなセクタの持続期間を評価し、比率を決定することが可能である。次いで、コントローラは、テーブル120の中の個々のセクタに関するデータを洗練する。定常状態において、コントローラは、非常に正確な速度表現のために、全回転のSCE*PP移動持続期間総和を使用することが可能であり、次いで、この移動全回転総和に対する最後の測定されたセクタの持続期間の比率を計算することが可能である。これは、コントローラがテーブルの中に記憶する最後のセクタに関して更新された値を提供する。

本発明の特徴によれば、記憶されたテーブル値は、モータが定常状態にないときでも、速度計算および他の計算のために使用されることが可能である。たとえば、以前に決定および記憶されたテーブル値は、モータの加速または減速の間にも使用されることが可能である。コントローラは、SCE*PP値のテーブルを維持しており、そこでは、すべての値は、モータがその中に存在し得るSCE*PPセクタのうちの1つを表している。モータが動作するとき、コントローラは、それらの値をさらに洗練し、個々のセクタ持続期間をより良好に反映する。本明細書で説明されているように、いくつかの更新方法のうちの1つが使用されることが可能である。最終的に、テーブルは、個々のセクタの実際のより正確な持続期間を反映する値を保持することとなる。本発明の1つの態様によれば、1つの機械的回転の時間持続期間に対するそれらの実際の時間持続期間の比率としてセクタ持続期間を記憶することが有益である。そのような比率として記憶されているときに、コントローラは、ゼロ遅延によって、非常に高速で正確な速度測定のためにデータを使用することが可能である。

より具体的には、最後のセクタの持続期間も時間間隔として測定され、コントローラは、1つの機械的回転の持続期間に対するセクタの持続期間の比率をすでに計算および記憶したので、コントローラは、以下の計算としてテーブル値を使用して速度を迅速に決定することが可能である:
V=R_ls/T_ls
ここで、
Vは、モータの機械的な周波数または速度である(回転数毎秒)。
T_lsは、モータが最後のセクタにおいて費やした時間である。
R_lsは、モータがその中にいた最後のセクタに対応するセクタ持続期間テーブルからの値である。

本発明の方法論を使用するモータ制御のための速度計算の結果は、非常に正確で高速であり、ノイズがほとんどない。その理由は、テーブル値がモータにおける不正確さおよびセクタ間のセクタ持続期間の差を補償するからである。測定された持続期間テーブル値は、即座に利用可能である。また、結果は、ゼロ遅延に近い。その理由は、速度計算が直前に完了された測定に基づいているからである。すなわち、モータは、計算において使用される最後のセクタを通過することを終えたところである。

初期には、モータの起動時に、セクタ持続期間テーブル120は、理想的な値(図8を参照)を保持することとなり、結果として生じる計算された速度信号は、ノイズのあるものになることとなる。コントローラ22はモータを制御およびスピンさせるとき、それは、たとえば、図10のテーブル120に反映されているように、モータのそれぞれのセクタに関してテーブル値が真のモータセクタ持続期間を表すまで、テーブルの中の値を洗練する。この洗練は、モータに関するすべての固有のセクタ、および、固有のセクタと組み合わせてモータの中のすべての固有のさまざまなポールペアを考慮に入れる。セクタ持続期間が計算され、テーブルが更新されると、速度誤差は、実際的にゼロになる。その理由は、ホール効果センサ設置誤差および磁極誤差のすべてが、固有のポールペアおよび固有のセクタを反映するそれぞれのセクタの中のテーブル値によって補償されるからである。

そのうえ、テーブル値が本発明に従ってコントローラによって洗練されると、モータの速度が急速に変化しているとしても、結果として生じる速度は有効である。これは、コントローラ22がモータの負荷および速度の変化に非常に迅速に反応することを可能にする。コントローラによるそのような迅速な反応は、さまざまな制御用途における(たとえば、サーボ、ロボット、アクチュエータなどにおける)高性能モータ制御において非常に有用である。

本発明の個々のセクタ評価およびセクタ持続期間テーブルの別の利益は、それがモータの実際のセクタ持続期間を表すように洗練されると、それが、モータがその中にある現在のセクタに関するデータを提供するということである。モータが1つのセクタを離れて、別の次のセクタに進入するとき、コントローラは、次いでモータがその次の現在のセクタにおいてどれくらい長く費やすこととなるかを予測することができる必要がある。コントローラは、この情報を必要とし、それが概して60度のセクタの全体を通してロータ角度を正確に補間することができるようになっており、それによって、それがロータに関して90度でステータの磁束を可能な限り近くに維持するように、モータ磁束条件を制御することができるようになっている。

より具体的には、1つの実施形態では、本発明のコントローラ22は、テーブルの持続期間比率値を使用して、概して60度のセクタの全体を通して、モータのロータ角度を正確に補間する。その角度を知ることで、コントローラは、最大トルク生成、最大効率、および最小トルクリップルのために、ロータの磁束に対して90度の角度を可能な限り近くに維持するように、ステータの磁束を回転させる。コントローラ22は、セクタ値のテーブルを使用し、高価なエンコーダの必要性なしに精密なトルク制御を提供するために、任意のモータのための正確な角度場所情報および速度情報を提供する。その代わりに、本発明は、エンコーダを通常に必要とするレベルの精度を提供しながら、従来のホール効果センサを使用して改善された制御を提供する。

そのため、コントローラ22は、最初に、本明細書で記載されているように、最後のセクタに基づいてモータの正確な速度を測定する。次いで、コントローラ22は、それが進入している現在のセクタに関する記憶された持続期間比率テーブル値を使用し、次いで、以前のまたは「最後のセクタ」から決定されるモータ速度または速度に基づいて、モータがその現在のセクタの中でどれくらい長く費やすこととなるかを決定する。具体的には、コントローラは、以下の通りに、モータが現在のセクタの中で費やすこととなるその持続期間時間を決定する:
T_cs=(T_ls/R_ls)*R_cs
ここで、
T_csは、モータが現在のセクタの中で費やすこととなる持続期間時間である。
R_csは、モータがちょうど進入した現在のセクタに対応するセクタ持続期間テーブルからの値である。
V=R_ls/T_ls

一般的に、セクタの間に、理想的なモータは、合計で60度回転することとなるが、本発明を使用すると、非理想的なモータは、異なる量だけ回転することが見出されることとなる。本発明によれば、記憶されたセクタ比率値のテーブルは、特定のセクタに関する回転角度スパンを評価するために使用されることが可能である。また、セクタの角度も決定されることが可能である。モータの特定のセクタに関する電気角スパンは、以下によって決定されることが可能である:
A=R_cs*PP*360。
ここで、
Aは、実際のセクタ電気角(度)である。
R_csは、モータがちょうど進入した現在のセクタに対応するセクタ持続期間テーブルからの値である。

本発明によって提供されるような、特定のセクタにおけるより正確な角度回転の情報、および、その現在のセクタにおいて費やされる時間は、ステータおよびロータ磁束配向のための所望の90角度を提供するために、より正確な制御を提供する。ここで、コントローラ22は、それがモータ制御のために使用する情報の2つの重要なピースを有している。それがセクタに関して補間することを必要とする角度、および、モータがセクタを通って進行するときの補間のための時間である。セクタの角度、および、セクタの中で費やされる時間を使用することで、コントローラ22は、セクタの中のロータの角度を正確に追跡することが可能であり、結果的に、さまざまなモータコイルに適正な電圧を印加し、ロータの磁場に対して90度の配向にある磁場を生成させることが可能である。現在のセクタにおける正確な時間、および、セクタのより正確な角度を知る本発明の情報によって、電場は、公知のモータ制御プロセスに従って、効率的なトルク送達のために直交する磁束フィールドを所望の通りに取得するように調節されることが可能である。本発明の1つの実施形態において、テーブル情報は、モータ制御のために10～50kHzで更新されることが可能である。

本明細書で記述されている90度のトルク配向は、著しいフィールド弱化を伴わずに動作されるPMSMモータに関する単なる例である。また、他のモータも、本発明を使用して制御されることが可能であり、ロータと発生磁場との間の角度のより多くまたはより少なくを必要とする可能性のある異なる条件の下で動作することが可能である。コントローラは本発明の特徴を使用してロータの角度に対して特定の角度で磁場を依然として発生させなければならないので、本明細書で議論されているものと同じ原理が適用されることとなる。たとえば、本明細書において、本発明は、内部永久磁石同期モータとともに使用されることが可能であり、ここでは、ターゲット角度は、ロータのリラクタンスに起因して負荷とともに変化する可能性がある。

本発明の実施形態を実装するためにコントローラ22または他の制御回路によって実行されるルーチンは、オペレーティングシステムの一部として実装されるか、または、1つもしくは複数のデバイス/コントローラおよび/または制御システム/コンピューティングシステムによって実行される特定のアプリケーション、コンポーネント、プログラム、オブジェクト、モジュール、または、インストラクションのシーケンスとして実装されるかにかかわらず、本明細書では、「動作のシーケンス」、「プログラム製品」、または、より簡単には、「プログラムコード」と称されることとなる。コントローラ22または他の制御回路によって実行されるプログラムコードは、典型的に、1つまたは複数のインストラクションを含むこととなり、1つまたは複数のインストラクションは、コントローラおよび/またはコンピューティングシステムの中のさまざまなメモリおよびストレージデバイスの中にさまざまな時間に常駐しており、また、1つまたは複数のインストラクションは、コントローラおよび/またはコンピューティングシステムによって読み出されて実行されるときに、さまざまな本発明の態様を具現化するステップ、要素、および/またはブロックを実行するのに必要なステップを、そのコントローラおよび/またはコンピューティングシステムおよび制御回路が実施することを引き起こす。制御回路は、制御信号のそれぞれのセクタの中のモータの速度およびモータの持続期間を評価して決定するための、セクタ持続期間値および比率を記憶するための、ならびに、モータの適正な位置およびトルク制御のために比率値を使用するための、十分な処理回路を有している。

本発明はその実施形態の説明によって図示されてきたが、また、実施形態はかなり詳細に説明されてきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限するかまたはいかなる方法によっても限定することは、本出願人の意図ではない。追加的な利点および修正例は、当業者により容易に明らかになることとなる。したがって、本発明は、そのより広い態様において、特定の詳細な代表的な装置および方法に限定されず、また、示されて説明されている例示目的の例に限定されない。したがって、出願人の一般的な発明概念の精神または範囲から逸脱することなく、そのような詳細から逸脱されることが可能である。

10 モータ制御システム
12 モータ
14 モータ駆動回路
16 トランジスタ
17 電流駆動信号
18 トランジスタ
20 シャント抵抗器
21 ADC回路
22 モータ制御回路、コントローラ
23 制御信号
24 電流値、ライン、時間領域信号
26 電流値、ライン、時間領域信号
28 電流値、ライン、時間領域信号
30 クラーク変換回路
32 パーク変換回路
40 センサフィードバック信号
42 角度推定回路
44 ロータ角度
46 ロータ速度を決定するための回路
48 ロータ速度
70 ダイアグラム
72 グラフ
74 ホールA
76 ホールB
78 ホールC
80 信号トレース
82 ポイント
84 ポイント
90 より低い値
92 ピークポイント
91 一般的に許容可能なトルク効率
94 ポイント
96 ポイント
98 ポイント
100 グラフ
102 トレース
104 トレース
110 グラフ
112 ポイント
114 ポイント
120 テーブル
122 セクタ
124 比率値、テーブル値、最後のセクタ
126 現在のセクタ
130 セクタ
132 セクタ
134 セクタ

Claims (18)

1. ロータおよびステータを含むモータと、
   前記モータがそれを通って回転することとなる前記モータの複数の電気的セクタを定義するために、前記モータの中に位置決めされている複数のセンサと、
   前記モータを動作させ、前記モータを制御するための制御回路と
   を含み、
   前記制御回路は、
   前記モータが定常状態速度において回転しているかどうかを決定するように構成されており、
   前記定常状態速度において、前記センサを使用し、前記モータが前記複数の電気的セクタのそれぞれの中で回転して費やす持続期間を測定するように構成されており、
   電気的セクタの中の複数の測定された前記持続期間を使用し、前記電気的セクタのすべてを通る前記モータの完全な機械的回転の前記持続期間を決定するように構成されており、
   前記モータの前記完全な機械的回転の前記持続期間に対する特定のセクタの中の前記モータの測定された前記持続期間の比率の値を決定するように構成されており、
   完全な機械的回転持続期間に対するセクタ持続期間の決定された前記比率値を記憶するように構成されており、
   決定された前記セクタ比率値を使用して前記モータを制御するように構成されている、モータシステム。
2. 前記制御回路は、決定された前記セクタ比率値のうちの少なくとも1つを使用して、前記モータが回転する速度を決定するようにさらに構成されている、請求項1に記載のモータシステム。
3. 前記制御回路は、決定された前記セクタ比率値のうちの少なくとも1つを使用して、前記モータが特定のセクタの中で費やす時間を決定し、前記モータを制御するために前記特定のセクタの中の決定された前記時間を使用するようにさらに構成されている、請求項1に記載のモータシステム。
4. 前記制御回路は、決定された前記セクタ比率値のうちの少なくとも1つを使用して特定の電気的セクタの電気角を決定し、前記モータを制御するために前記特定の電気的セクタの決定された前記電気角を使用するようにさらに構成されている、請求項1に記載のモータシステム。
5. 前記制御回路は、テーブルの中に決定された前記セクタ比率値を記憶し、前記モータが定常状態速度で回転するときに、新しく決定された値によって前記テーブルの中の現在の値を更新するようにさらに構成されている、請求項1に記載のモータシステム。
6. 前記制御回路は、電気的セクタに関する現在の値を、その同じセクタに関する新しく決定された値、前記現在の値および新しく決定された値の平均、または、前記新しく測定された値と前記現在の値との間の差のスケーリングされたバージョンによって修正されたような前記現在の値のうちの少なくとも1つと交換して、前記テーブルの中の値を更新するようにさらに構成されている、請求項5に記載のモータシステム。
7. 前記制御回路は、前記モータの電気的セクタの合計数の一部分のみを使用して、前記セクタのすべてを通る前記モータの完全な機械的回転の前記持続期間を決定するようにさらに構成されている、請求項1に記載のモータシステム。
8. 前記モータは、前記モータの電気的セクタの合計数SCEを有しており、前記制御回路は、前記セクタのすべてを通る前記モータの完全な機械的回転の前記持続期間を決定するために、少なくともSCE/2セクタの倍数を使用するようにさらに構成されている、請求項7に記載のモータシステム。
9. 前記制御回路は、理想的な前記セクタ比率値を使用して前記モータを最初に制御し、前記現在のテーブル値と前記新しく決定された値との間の変化をモニタリングし、前記変化が変化閾値を満たすときに、決定された前記セクタ比率値を使用して前記モータを制御するようにさらに構成されている、請求項5に記載のモータシステム。
10. モータを制御するためのコントローラであって、前記モータは、ロータと、ステータと、複数のセンサとを含み、前記複数のセンサは、前記モータがそれを通って回転することとなる前記モータの複数の電気的セクタを定義するために、前記モータの中に位置決めされており、
    前記コントローラは、
    モータが定常状態速度において回転しているかどうかを決定するように構成されており、
    前記定常状態速度において、前記モータのセンサを使用し、前記モータが前記複数の電気的セクタのそれぞれの中で回転して費やす持続期間を測定するように構成されており、
    電気的セクタの中の複数の測定された前記持続期間を使用し、前記電気的セクタのすべてを通る前記モータの完全な機械的回転の前記持続期間を決定するように構成されており、
    前記モータの前記完全な機械的回転の前記持続期間に対する特定のセクタの中の前記モータの測定された前記持続期間の比率の値を決定するように構成されており、
    完全な機械的回転持続期間に対するセクタ持続期間の決定された前記比率値を記憶するように構成されており、
    決定された前記セクタ比率値を使用して前記モータを制御するように構成されている、コントローラ。
11. 決定された前記セクタ比率値のうちの少なくとも1つを使用して、前記モータが回転する速度を決定するようにさらに構成されている、請求項10に記載のコントローラ。
12. 決定された前記セクタ比率値のうちの少なくとも1つを使用して、前記モータが特定のセクタの中で費やす時間を決定し、前記モータを制御するために前記特定のセクタの中の決定された前記時間を使用するようにさらに構成されている、請求項10に記載のコントローラ。
13. 決定された前記セクタ比率値のうちの少なくとも1つを使用して特定の電気的セクタの電気角を決定し、前記モータを制御するために前記特定の電気的セクタの決定された前記電気角を使用するように構成されている、請求項10に記載のコントローラ。
14. テーブルの中に決定された前記セクタ比率値を記憶し、前記モータが定常状態速度で回転するときに、新しく決定された値によって前記テーブルの中の現在の値を更新するように構成されている、請求項10に記載のコントローラ。
15. 前記制御回路は、電気的セクタに関する現在の値を、その同じセクタに関する新しく決定された値、前記現在の値および新しく決定された値の平均、または、前記新しく測定された値と前記現在の値との間の差のスケーリングされたバージョンによって修正されたような前記現在の値のうちの少なくとも1つと交換して、前記テーブルの中の値を更新するようにさらに構成されている、請求項14に記載のコントローラ。
16. 前記モータの電気的セクタの合計数の一部分のみを使用して、前記電気的セクタのすべてを通る前記モータの完全な機械的回転の前記持続期間を決定するようにさらに構成されている、請求項10に記載のコントローラ。
17. 前記モータは、前記モータの電気的セクタの合計数SCEを有しており、前記コントローラは、前記電気的セクタのすべてを通る前記モータの完全な機械的回転の前記持続期間を決定するために、少なくともSCE/2セクタの倍数を使用するようにさらに構成されている、請求項16に記載のコントローラ。
18. 理想的な前記セクタ比率値を使用して前記モータを最初に制御し、前記現在のテーブル値と前記新しく決定された値との間の変化をモニタリングし、前記変化が変化閾値を満たすときに、決定された前記セクタ比率値を使用して前記モータを制御するようにさらに構成されている、請求項14に記載のコントローラ。