JP4267626B2

JP4267626B2 - 適応電流プロファイルを用いたモーター制御システムおよび方法

Info

Publication number: JP4267626B2
Application number: JP2005518852A
Authority: JP
Inventors: ボリスエイマスロフ; マシュージーフィームスター; グォフイユアン
Original assignee: ウェイブクレストラボラトリーズリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: KR20050097528A; CA2510649C; MXPA05008102A; AU2004209277A1; CA2510649A1; JP2006515148A; BRPI0407095A; EP1588482A1; WO2004070934A1; AU2004209277B2

Description

本発明は電気モーターの制御に関連しており、更に特に、複数のモーター制御方式についての仕組みを個別に実行し、関連する固定子電流波形プロファイルをもたらすことに関する。

本件特許出願は、２００１年４月５日に出願された、マスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号０９／８２６，４２３、２００１年４月５日に出願された、マスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号０９／８２６，４２２、２００１年１０月１日に出願された、マスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号０９／９６６，１０２、２００１年１１月２７日に出願された、ピンチコフ（Ｐｙｎｔｉｋｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号０９／９９３，５９６、２００２年６月１９日に出願された、マスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号１０／１７３，６１０、２００２年１１月８日に出願された、マスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号１０／２９０，５３７、および、２００３年１月２９日に出願された、マスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他による、同時継続中の米国特許出願、出願番号１０／３５３，０７５に関連しており、すべての出願は一般的に本発明に帰するものである。これらの出願の開示は、本明細書中で参考として組み込まれる。

前記同時係属出願は、効率的な電気モーター駆動の開発についての挑戦を記述したものである。電気的に制御されるモーター巻線のパルス励磁が、モーター特性のさらなる柔軟性を可能とする。パルス幅、負荷サイクルおよび適切な固定子巻線への電源の切り替えアプリケーションの制御によって、更なる機能の万能性が達成される。そういった巻線と同時に永久磁石を使用することで、電流消費の制限においても利点を有する。

乗物の駆動環境においては、駆動モーター用の電源供給力は、搭載された供給量に制限され、駆動モーター動作のすべての状態において高い効率を維持しながら、最小の電力消費における高いトルク出力を達成することが望まれる。同時係属出願に記載されたモーターの構造的構成がこの目的に寄与している。前記出願に記載されているように、電磁石の磁心部分は、磁束収束を増加させるために環状のリングの中に、磁気的に隔離されたプリアンブル構造によって構成されることが考えられる。最小の磁束損失または他の電磁石部材との相互作用による有害な変圧干渉効果とともに、電磁石の磁心部分の隔離によって磁心における磁束の個別の収束が可能となる。

前記同時係属の米国出願１０／１７３，６１０においては、多相モーター制御システムであって、個別の相回路素子のばらつきを補償するシステムについて記載している。対応する巻線と構造に非常によく整合した相制御ループによって、高い水準の正確な制御性を得ることができる。引き続く各相巻線の励磁切り替えを制御器によって管理する。その制御器は、個々の固定子相構成要素および選択された駆動アルゴリズムに関連するパラメーターに従って、信号を生成する。相巻線は、高効率動作のために正弦波形の電流によって励磁される。この制御システムは、ユーザーのトルク命令入力に応答して、かつ、正確に追跡するために、出力電流を変化させる。

この整流方式によって得られた正弦電流波形は、効率的な動作を通じて、バッテリーの寿命を引き伸ばすことができる。しかし、乗物の駆動中に最も効率的な制御方式で使用し得る範囲を超えたトルク能力の必要性が生じることが考えられる。一般的には、電源供給は、例えば、１０．０アンペアといった、最大電流放電率として見積もられる。もし、システムユーザーの要求が、この最大電流引き込みに相関のあるトルク命令であれば、正弦電流波形プロファイル用のモータートルク出力は、例えば、約５４．０Ｎｍに、前記のようにモーターの中で制限される。乗物の駆動アプリケーションでは、トルク入力命令は、速度の変更のための命令にユーザーによって関連付けられる。典型的な駆動操作の中で、ユーザーのトルク要求は、もしあれば、長期的な予測に、無ければわずかな予測と共に幅広い可変性に支配されている。ドライバーは、正弦電流波形による最大トルクでシステムが適合できる範囲を超えて、より高い加速度またはより大きな速度を要求することが考えられる。急な上り坂の勾配や重い車両負荷や同様のもののような駆動状態は可能な速度および加速度において、その他の制限を与えるかもしれない。その他の車両以外のアプリケーションは同様な高いトルク要求を有するかもしれない。

したがって、高効率で実行されるものであるが、ユーザーの要求によって増加されたトルク出力を供給することができる乗物モーター制御システムへの必要性が存在している。前記出願１０／２９０，５３７号は、この要求をモーター駆動のための複数のモーター制御方式であって、それぞれが独特の電流波形プロファイルを提供することができる方式を可能とすることで解決する。モーター制御方式の一つは、電流波形プロファイルを得るためにユーザーによって選択されることが考えられ、これは、操作目的を満たすための最大の能力を有している。例えば、ある制御方式が選択され、その制御方式は、正弦波形のような高効率動作をもたらす。一方で、もう一つの制御方式が選択され得る。その制御方式は、動作効率性は低いが、より高いトルクを提供する。モーター制御方式の選択は、トルク、効率性、または、例えば、低いトルクリップル及びノイズ等のその他の要素に関連して、任意の特定のタイミングでユーザーの必要性または目的に従ってなされるであろう。選択されたモーター制御方式は、関連する波形プロファイルを有するモーター励磁電流を生成し、制御信号を生成するために実行されるであろう。

乗物牽引アプリケーションでは、例えば、ユーザープロファイル選択が、目的を達成するために動作を調整するための乗物ドライバーの柔軟性を提供する。例えば、もし、ユーザーが、最小時間で目的地に到達するために模索すると、最大の速度と加速度の性能を提供するために高トルクプロファイルが選択され、旅行を通じてそれが維持される。しかし、もし、搭載されたエネルギー源を比較的長距離旅行のためには節約しなければならないという大きな懸案事項が存在しているときは、高効率プロファイルが始めから終わりまで選択されることが可能であるが、ある制限の中で、高トルクプロファイルを様様な場所で、ユーザーが選択することも可能である。更なる例示された波形、特に高効率性の正弦波形および高いトルクの方形波形の詳細については、出願１０／２９０，５３７を参照されたい。

しかしながら、乗物操作の様様な状態及び変化による要求は、プロファイルの変更を、ドライバーが速度を維持できる範囲、または、望む範囲を超えて、より頻繁に迅速に行なうことを求めるかもしれない。ドライバーのトルク要求は、比較的過渡的な瞬間、例えば、追い抜きの状況、登り坂の勾配等を除いて、高効率プロファイルモードを選択することで適切に満たされると考えられる。そのような場合、ドライバーは、高効率プロファイルから高トルクプロファイルへの選択変更による最適な利益を得るための、変更すべき条件に、十分に反応できないかもしれない。高トルク要求状態が減退した際、ユーザーが高トルクプロファイルがもはや必要でないことに気が付くまで、高効率プロファイルへ戻ることが遅れる。このように、不必要な電流をバッテリーから引き出す結果となる。したがって、高トルクモードは、高効率モードから可能なトルクを超えたトルクが要求されたときにのみ限って使用されることが望まれるであろう。

前記、マスロフ及びその他による係属中出願（代理人事件番号５７３５７−０４１）では、適切な励磁電流波形プロファイルを提供するために、モーター制御方式が、動的に自動で選択されるシステムについて記述されている。当該システムは、トルク要求を表したユーザー入力信号に応答する。当該ユーザー入力信号は絶えず感知され、また、トルク要求を満たすためのシステム能力が、適切なモーター制御方式を選択するために適宜監視される。トルク要求を満たすための当該システムの能力は、モーター速度の機能である。それは、トルク要求監視機能を手助けするために、絶え間なく感知される。対応する電流波形プロファイルが、トルク要求を満たすことができない場合を除いて、高効率モーター制御方式が実行される。高トルクモーター制御方式は増加されたトルク要求が必要なときにのみ実行される。

そういったシステムが、システムトルク要求を満たすために適切な固定子電流波形を提供するように適応する一方で、ドライバーが気づかないかもしれないようなその他の条件が、高トルクモーター制御方式の実行を軽減するかもしれない。トルク生成能力に直接的には関係しないが、高トルク要求期間中でさえ高効率モードが適切であることを指示するような事象が生じるかもしれない。例えば、バッテリー供給電圧が低い閾値に達し、それは、バッテリーの充電または置換の切迫した必要性を示していることが考えられる。この場合、高効率プロファイルモードは、これらの高トルク要求を延期させるであろう。もう一つの例としては、このモーターは、厳しい負荷条件で動作していることも考えられる。これによって、加熱が生じているかもしれない。モーター温度は低い電流引き込みのための必要性を示し、更に、高効率プロファイルモードでの動作を実行することへの最も重要な優先権を示すレベルに達しているかもしれない。その他の外部条件もまた、複数の異なる固定子電流波形プロファイルの一つかそれ以上の優先権を割り出すのに考慮に入れることができるかもしれない。

したがって、更なる適応的なシステムによって解決されるために、こういった必要性が残されている。そのシステムの中では、モーター制御方式は自動的に選択され、それは、一つの適切な励磁電流波形プロファイルを提供するための複数の条件に基づいて選択されている。

本発明はモーター駆動のための複数のモーター制御方式を提供することで、この必要性を満たす。それら各方式は独特の励磁電流波形プロファイルを生成する。一つまたはそれ以上のモーター外部の条件が、モーター動作中に継続して感知される。そういった条件は、位置、速度及び電流フィードバックパラメーターのような、直接に感知されるモーター機能以外のモーター動作に関連するものである。これらのモーター制御方式の一つが、動的に自動で選択され、適切な電流波形プロファイルと共に、モーター固定子電流励磁を提供する。モーター制御方式の選択は、トルク要求と同様に監視された条件に関連した基準に従ってなされる。したがって、本発明は強磁性体自立固定子電磁石を有したモーターにおいて追加的な利点を提供する。

これらモーター制御方式は、比較的最適な動作効率性のための電流波形プロファイルを提供する高効率モーター制御方式、および、比較的高い動作トルク応答を示す高トルクモーター制御方式を含むことが考えられる。このシステムは、トルク命令要求を設定するユーザー信号に応答する。トルク要求、および、そのトルク要求を満たすためのこのシステムの能力は監視され、しかるべく、適切なモーター制御方式が選択される。高効率モーター制御方式は、対応する電力波形プロファイルがトルク要求を満たせない場合を除き、実行される。もし、高効率モードで動作中に、トルク要求が当該システムのトルク容量を越えた場合、外部条件の感知によって、否定的な信号が生成されていなければ、高トルクモーター方式が実行される。

本発明のその他の利点は、一つかそれ以上のシステム動作条件を監視し、特有の波形プロファイルを使用することが必要な基準と比較することが可能なことである。モーター温度を監視し、特有の高温閾値と比較して、それを超えたときは、高効率モーター制御方式を実行することが選択される。電源電圧は監視され、供給電圧閾値と比較され得る。もし監視された電圧がこの閾値を下回ったときは、高効率モーター制御方式を実行することが選択される。もし、これらのどちらかの閾値を満たすと、監視されたトルク条件に関わり無く、高トルクモーター制御方式は選択されない。

本発明の追加的な利点は、手入力で選択を行なうことで自動プロファイル選択を開放するオプションをユーザーが持つことができることである。例えば、乗物アプリケーションにおいて、目的を可能な限り早く達成できるように、ドライバーが高トルクモードを動作中ずっと採用することを選択するかもしれない。

本発明は、各固定子相構成要素が、磁心要素上に画成された相巻線を有する複数の固定子相構成要素、および、永久磁石回転子を有した多相モーターのための制御システムにおいて明らかにされ得る。好ましくは、各固定子磁心要素は、その他の磁心要素に直接接触せずに分離した強磁性体を有しており、各固定子相構成要素は、それによって自立的な電磁石構成部を画成する。固定子励磁電流は制御器に接続された回路を通って、直流電流によって提供される。この制御器は、対応する波形プロファイルを有する固定子励磁電流を実行するために、複数のモーター制御方式の中の任意の方式用のデーターへ、プロファイルメモリ記憶装置から、アクセスする。アクセスされたデーターを使用して制御器は制御信号を生成する。その制御信号は、選択されたモーター制御方式に従った特有の電流波形プロファイルと共に相巻線に電流を供給するための励磁回路に適用される。各モーター制御方式はモーター駆動電流を提供する。このモーター駆動電流は、制御器入力端子で受信されたトルク入力信号に対応している。励磁回路は複数の制御可能なスイッチからなり、そのスイッチは、前述の’０４１のマスロフによる出願に記載されているように、パルス幅変調を経由して制御器に接続された制御端子を有する。

当該制御器は、動的に一つかそれ以上の監視された条件に応答し、モーター制御方式を選択する。記録されたモーター制御方式は、電流波形プロファイルを決定するものであり、アクセスされると、制御操作の中に組み込まれるものである。制御器に接続されたユーザー入力は、トルク命令信号を提供する。制御器はそこからトルク要求を決定する。制御器は好ましくは、速度、回転子位置、固定子電流及び同様なもの、および、温度と供給電圧レベルのような外部条件を示した信号のようなモーター操作フィードバック信号といった追加的な入力とともに提供される。もし感知されたモーター温度が温度閾値を超えた場合、または、感知された電源電圧レベルが電圧閾値を下回っている場合には、高効率モーター制御方式用のデーターが、モーター制御実行のために記憶装置からアクセスされる。

これらの条件がない場合、トルク要求がトルク閾値を超えていれば、トルクモーター制御方式用のデーターがアクセスされ、また、トルク要求がトルク閾値を超えていなければ、高効率モーター制御方式用のデーターがアクセスされる。このトルク閾値は、高効率モーター制御動作用のモーターのトルク出力容量に従って設定される。トルク出力容量は速度に依存し、トルク閾値は変動する。受信された入力信号に基づいて、制御器がモータートルク容量およびトルク要求を満たすために必要な制御電圧をリアルタイムで制御する。もし、正弦波形プロファイルモードを持続するための要求電圧が、その電源電圧を超えれば、プロファイルメモリからデーターにアクセスすることで、制御器は高トルクプロファイルモード動作を選択する。プロファイル選択のための繰り返し行なわれるリアルタイムな演算に代わるものとして、ルックアップテーブルがメモリに記録されることが考えられる。このルックアップテーブルは、プロファイル選択をトルク要求入力と監視された速度に関連させるものである。

本発明の追加的な利点は、以下の詳細な説明から当業者に、その内容がすばやく明確に理解されるということである。以下の説明では、本発明を実行するための熟考された最良の形態の単純な例示によって、本発明の好ましい実施例のみが示され、説明されている。以下読み進めばわかるように、本発明はその他の、および、異なった実施例でも使用することことができる。また、多くの明らかな視点で、本発明から逸脱することなく、その複数の詳細を変更することができる。従って、図面と説明は、現実的な説明としてみなされるものであり、これに束縛されるものではない。

本発明は、様様なその他の永久磁石モーターと共に使用され得るが、同時継続中のマスロフ（Ｍａｓｌｏｖ）およびその他の出願０９／８２６，４２２に開示されているようなモーターに適用できるものである。図１は、前記出願中で開示した回転子と固定子構成要素を示した典型的な図である。この開示は、本明細書中で組み込まれている。回転子部２０は、環状リング構造をしており、円筒形状のバックプレート２５に沿って、永久磁石２１が実質的に均等に配置されている。永久磁石は回転子の極であり、環状リング構造の内周に沿って極性が交互になるように配置されている。回転子は、固定子部３０を取り囲み、回転子と固定子各部は、半径上の環状エアギャップによって区切られている。固定子３０は、エアギャップに沿って均等に配置された単一構造の複数の電磁石磁心を含んでいる。各磁心部分は、ほぼＵ型の磁石構造３６を含んでおり、このＵ型磁石構造は、エアギャップに面した表面３２を有する二つの極を画成している。極対に接続される部分上に画成された単一の巻線に適合するように、磁心は形成されているが、極対の足には巻線３８が巻かれている。各固定子電磁石磁心構造は、隣接する固定子磁心構成要素から、分離しており、磁気的に隔離されている。この固定子構成要素３６は、磁気的でないプリアンブル（ｐｒｅａｍｂｌｅ）支持構造に固定され、それによって環状リング構造を画成する。この構成は、トランス磁束からの漏れ効果を、隣接する固定子極グループから取り除く。この固定子電磁石は、個別の固定子相を有する自立的な構成単位である。この本発明の概念は、更に十分に以下で説明されるが、すべての相巻線をサポートする単一の固定子鉄心を含むような、その他の永久電磁石モーター構造にも対応できるものである。

図２は、本発明に従ったモーター制御システムのブロック図である。多相モーターの複数の固定子相巻線３８は、ハイブリッドパワーブロック４２を経由して、バッテリーのような直流電源４０から供給される駆動電流によって切り替えながら励磁される。このパワーブロックは、パルス幅変調（ＰＷＭ）変換器及びゲートドライバを経由して制御器４４に接続された電気スイッチ装置を含んでいることが考えられる。各相巻線は、スイッチングブリッジに接続される。このスイッチングブリッジは、パルス変調された出力電圧を制御器から受信するために接続された制御端子を有している。もう一つの方法では、スイッチングブリッジ及びゲートドライバ構成要素は、制御器出力電圧に接続された増幅器によって置換することをも考えられる。巻線電力回路の更なる詳細は、前記出願１０／２９０，５３７の中で参照が付されている。

各相巻線中の電流は、その出力が制御器４４に供給される複数の電流センサ４５のうちの個々の一つによって感知される。制御器は、このための入力を複数持つことが考えられ、もう一方では、電流センサからの信号を多重し、単一の制御器入力と接続されることも考えられる。回転子位置及び速度センサは、制御器に回転子位置および速度のフィードバック信号を提供する。このセンサは、よく知られた回転角センサ、エンコーダ、またはそれらと同等なもの、および、よく知られた方法で位置信号を速度信号へ変換するスピードアプロキシメーター（ｓｐｅｅｄａｐｐｒｏｘｉｍａｔｏｒ）を含むことが考えられる。この制御器は、主要電源バスによって電源４０に接続される。トルク要求入力４７、プロファイル選択入力４８、および、その他のモーター温度やバッテリー電圧のような感知された外部条件から受信されたその他の入力もまた、制御器には提供される。

プログラムＲＡＭメモリ５０、プログラムＲＯＭ５２、データーＲＡＭ５４およびプロファイルメモリ５６が制御器に接続される。これらの記載された構成単位は、制御器が記録されたランダムデータ及びプログラムデータにアクセスするためのよく知られた記憶装置の構成を表した、単なる典型例である。プロファイルメモリ５６は、本発明の概念を説明する目的で、図面中では分けて記載されている。プロファイルメモリは、ＲＯＭからなることが考えられ、そのＲＯＭの中にはモーター制御方式プログラムの一部が記憶される。そのプログラムは、関連する制御方式の実行によって得られたモーター電流波形プロファイルを指示するものである。プロファイルメモリデータは、プロファイル機能ライブラリ及びルックアップテーブルの形態で記録されることが考えられる。プロファイルメモリデータ構造はリアルタイムの計算及び最適化ルーチンの形態となり得る。もう一つの方法として、または追加的に、ＲＯＭに対して、モーター動作中にリアルタイムに値を計算する装置を提供することが可能である。

乗物駆動アプリケーションの例では、トルク要求入力４７は、ドライバーの絞り弁によって要求されたトルクを表す。絞り弁の増加は速度を増加させるための命令を示しており、それはトルクの増加としてわかることができる。一方では、絞り弁の増加は上り坂走行のような高負荷状態下において、乗物の速度を一定に維持するためにトルクを増加させるための命令を示すことも考えられる。動作中は、制御システムトルク追跡機能は、駆動状態、負荷傾斜、地形その他のような外部状態の変動を通じて、要求されたいかなるトルク入力においても、安定したトルク動作状態を維持すべきである。また、ドライバーの絞り弁命令に適したトルク入力へ変更するためにすばやい反応を示すべきである。制御システムが、トルク入力要求に対する応答は、実装されたモーターの特有な制御方式に依存する。複数のモーター制御方式が、適切な応答を得るために利用できる。それぞれの制御方式は、効率、トルク容量、応答性能、電力損失、その他に関して独自の特性を有する特有なモーター電流波形プロファイルを提供する。

図３は、前述し、本明細書で組み込まれている同時係属出願１０／１７３，６１０の中で使用されているモーター制御方式を説明したブロック図である。動作の詳細については、前記出願が参考になる。所望の相電流を生成するために、以下に記載する相毎の電圧制御式が相巻線のドライバーに適用される。

図３は、参照番号６０によって一般的に示された方法を示しており、この方法によって、トルク要求入力、および、相電流センサ、位置センサ、および、スピード検出器から受信された信号を使用することで、リアルタイムに当該電圧の計算式の構成要素を制御器が決定する。機能ブロック７０は、数式、および、上記数式の構成要素がリアルタイムに制御電圧を得るために加算されることを示している。ブロック７０の入力として示されている各機能ブロック６２、６４、６６、６８、７２、７４および７６は、制御器によって受信されるリアルタイム入力、または、定数パラメーターから得られる構成要素の様様な要素を生成することを示す。ブロック６２は、精密トルク追跡機能を示しており、相毎の所望電流曲線が以下の式に従って選択される。

ここでＩ_diは相毎の所望電流曲線を示し、τ_dはユーザーによって要求されたトルク命令、Ｎ_sは、相巻線の総数を示し、Ｋ_τiは相毎のトルク伝達関数、及び、θ_iはｉ番目の相の回転子位置を示している。相毎の電流の振幅はトルク伝達関数Ｋ_τiの相毎の値に依存する。

動作中、個々の相巻線の個別の励磁のために、ハイブリッドパワーブロックへ制御信号V_i(t)を、制御器内で確立された順番で、制御器４４が引き続き出力する。それぞれの引き続く制御信号V_i(t)は、対応する相巻線の中で感知された特有な電流、即座に感知された回転子の位置と速度、および、個別の相に特に前もって決定されたモデルパラメーター、Ｋ_eiおよびＫ_τiに関連する。図３に説明された演算処理は、リアルタイムに継続的に実行される。このモーター制御方式のブロック６２に示された式は、正弦波形プロファイルと共にトルク出力制御信号V_i(t)を追跡するための望ましい電流成分を提供する。この正弦波曲線I_sin(t)が以下の式から導出される。

ここで、I_mは相電流振幅、N_rは永久磁石の対数、θ_iは測定された相毎の回転子位置信号を示している。前記のマスロフおよびその他による同時係属出願（１０／２９０，５３７および’０４１）に記載されているように、この正弦電流波形プロファイルは効率的なモーター動作を可能とする。

正弦波形プロファイルによる効率性の幾分かを犠牲とすることとなるが、ブロック６２のための異なった数式を、図３におけるトルク追跡機能として使用することができる。これによって、異なる動作態様を表す異なる電流波形プロファイルを得ることができる。より高いトルク動作のために、図３に示されたブロック６２の数式を、方形波電流波形曲線I_sq(t)を生じさせる数式によって置き換えることができる。例えば、

ここで、sgn(x)は、通常の符号関数を示しており、もし、ｘ＞０のときは１、ｘ＝０のときは０、ｘ＜０のときは−１として定義される。上記モーター制御方式によって得られた二つの電流波形プロファイルの効率とトルク特性を比較したより詳細な説明は、マスロフおよびその他による前記同時継続中の出願（１０／２９０，５３７および’０４１）を参照されたい。

プロファイルメモリ５６は、前記数式を満たす電流値を得るために制御器によって使用されるデーターを記録する。方形波プロファイルのために、数式L_idI_di/dtを前もって記録しておくことも考えられる。プロファイル機能ライブラリの中で、このデーターはルックアップテーブルとして保存されることが考えられ、各モーター制御方式は、対応するルックアップテーブルを有している。ルックアップテーブルの各入力は、対応するモーター制御方式のためのトルク要求値と回転子位置の特有な組合せのための、図３の中のブロック６２の出力として表される電流の値を示す。もし、正弦波形を生ずるための制御方式が選択されれば、対応したプロファイルメモリデータがアクセスされる。もし、対応する制御方式が選択されれば、方形波プロファイルメモリデータがアクセスされるかもしれない。もう一方で、プロファイルメモリは各プロファイル用のデーターを保存することができ、そのプロファイルを用いて、所望の電流値I_diが繰り返し制御器によってリアルタイムに算出される。正弦波と方形波の波形用の数式が例示的に説明されてきたが、のこぎり波形等のようなその他の波形プロファイルを、異なる動作目的のために使用することも考えられる。

プロファイルデータの選択は、モーターの動作中に好ましいように制御器が自動的に行なうことができる。一方で、ユーザーが制御器入力４８で、プロファイル選択信号を入力することによって、プロファイルの一つに対応した動作モードを選択することができる。プロファイル選択操作は、図４に示されたフローチャートに関連して説明される。この説明は、プロファイルメモリが、正弦関数モーター電流波形を生成するような高効率プロファイルモーター制御方式を実行するためのデーター、および、方形波モーター電流波形を生成する制御方式のような高トルクプロファイルを実行するようなデーターを含んでいる、特定の例に関連している。この例は単なる実例であって、異なる電流波形が好まれる動作状態下で、その他のプロファイルのためのデーターがプロファイルメモリに保存され、アクセスされ得る。

制御器によってプロファイル選択信号が検知されなければ、自動プロファイル選択モードが実行される。自動モードを実行するか否かを決定するために、ユーザープロファイル選択信号が入力４８で受信されたか否かを、ステップ１００で制御器が検出する。ステップ１００での決定が”Ｎｏ”であれば、受信されたプロファイル選択信号が高トルクプロファイル選択であるか否かを制御器がステップ１０２で決定する。もし”Ｎｏ”であれば、ステップ１０４で高効率プロファイルルックアップテーブルからデーターを取り出すために、任意の妥当な遅延の後に、制御器がプロファイルメモリにアクセスする。この取り出されたデーターは、トルク要求と感知された回転子位置レベルの瞬間的な値のための所望の電流値I_diを生み出す。もし、代わりに、ステップ１０２の決定として高トルクプロファイルが選択されたときは、対応するルックアップテーブルがステップ１０６でアクセスされ、このテーブルのための妥当なI_di値が得られる。このステップ１０４と１０６の両方からの手順フローは、まだ受信されたユーザープロファイル選択が存在するか否か、および、上記の方法でそういった選択された方法を続けるか否かの決定のために、ステップ１００へ戻る。ステップ１０４と１０６の操作は、ステップ１０２での選択の後に、プロファイル切り替えの過渡効果を無視できるのに十分に長い間、実行される。したがって、手順フローが、ステップ１００へ戻るための適切な遅延は、引き続くフィードバックサンプリングの数の間だけ延ばされることが考えられる。

もしユーザープロファイル選択入力信号が存在せず、かつ、当該システムが未だ電源オフにされていなければ、制御器はステップ１００で、波形プロファイルは自動的に選択されることを決定する。ステップ１０８で、制御器がインプット４９で信号として受信された感知されたバッテリー電圧を比較し、電圧レベルとあらかじめ決定された電圧閾値と比較する。もし、バッテリー電圧が閾値よりも低ければ、任意の妥当な遅延の後に、制御器は高効率モードを選択し、ステップ１１０で高効率プロファイルルックアップテーブルからデーターを取り出すためにプロファイルメモリにアクセスする。もし、モーター制御方式間で切り替えの要求があったときは、遅延時間が適当に適用される。このモードの動作中は、定まった間隔で手順フローはステップ１０８に戻り、サンプリングされたバッテリー電圧と電圧閾値の比較を続ける。もし、バッテリー電圧がステップ１０８で、閾値を超えていると判断されたときは、ステップ１１２で、制御器がインプット４９で信号として受信された感知されたモーター温度を比較し、それがあらかじめ決定された温度レベルを超えているかを決定する。もし、その温度がステップ１１２で高いと決定されれば、高効率モードが指示され、手順フローはステップ１１０へ戻る。もし、モーター温度が許容レベル内であれば、そのフローはステップ１１４へ進む。そこでは、制御器によって高効率モード実行におけるモーターのトルク容量が、現在のモーター速度のためのユーザートルク入力要求によって強制される要求を満たすために十分かどうかが決定される。マスロフおよびその他による同時係属出願（’０４１）の中でさらに十分に記載されているように、モータートルク容量は、電源電圧と要求される制御器の出力電圧を比較することで決定される。もし、ブロック７０の出力からコントローラー値V_i(t)に関連して導出された制御電圧が電源電圧の電圧レベルを超えていなければ、このトルク要求は満たされる。要求電圧の算出は比較と同様に、制御器によって各入力サンプルのごとに、リアルタイムで実行されることが可能である。一方で、トルク要求とモーター速度をトルク容量に相関を持たせたルックアップテーブルもアクセス可能である。

もし、トルク容量が十分であるとステップ１１４で決定されれば、フローはステップ１１０へ進み、高効率プロファイルと共に動作を続けるか、または、適切な遅延時間と共に、他の制御方式から高効率モーター制御方式へ切り替え、プロファイルメモリから実行のために対応するデーターにアクセスする。ステップ１１４で、高効率性モーター制御方式がトルク要求を満たせないと、制御器が判断した場合は、任意の適切な遅延時間の後に、制御器によって、高トルクモーター制御方式が選択され、そして、データーがプロファイルメモリから取り出される。高トルクモードの動作中に、定まった間隔で、この手順がステップ１００へ戻る。プロファイル選択の決定を続けるためである。

上記記載より、本発明のモーター制御システムが、ユーザーが気が付かない外部状態と同様にユーザーの要求に適応することが明らかである。このシステムは、異常な要求を解決するために必要なときであって、かつ、外部モーターの状態が都合のよい状態のときにのみ最大トルク容量による動作を提供する。

この開示の中では、本発明の好ましい実施例のみが示され、説明されたが、その汎用性を示す二、三の例示もなされた。本発明は様様なその他の組合せ、および、環境の中で使用可能であり、かつ、本明細書中に示された本発明の考え方の範囲内での変更または修正が可能であることが理解される。例えば、様様なその他の電流波形プロファイルが使用され得ることが考えられる。したがって、このプロファイルメモリが、特有なプロファイル選択命令の受信に応答して制御器によってアクセス可能な複数のプロファイルを記憶する。もう一つの修正としては、トルク容量が、予定的な供給電圧というよりむしろ、各制御器入力サンプリングによって、実際の電圧供給に関連して決定される。

本発明において採用され得る構成における回転子と固定子構成要素を示した典型的な図である。本発明に従ったモーター制御システムのブロック図である。図２における制御システムの使用についてのトルク制御器方法論を示したブロック図である。本発明に従ったプロファイル選択機能の動作のためのフローチャートである。

Claims

制御器に接続された複数の固定子巻線を有するモーターを制御する方法であって、
前記方法が、
複数のモーター制御方式を記録し、各記録されたモーター制御方式がそれぞれの固定子電流波形プロファイルをもたらす段階と、
モーター操作機能に応答して、第一番目のモーター制御方式に対応した電流波形プロファイルを用いて固定子巻線を励磁するために制御信号を生成する段階と、
モーターの外部条件を監視する段階と、
監視段階で監視された条件が閾値を満たすか、または、超える際に感知する段階と、
感知段階に応答して第二番目の記録されたモーター制御方式を選択する段階と、
選択段階において選択されたモーター制御方式に従って、第二番目のモーター制御方式に対応した電流波形を用いて固定子巻線を励磁するために、モーター制御信号を生成する段階と、
を備え、更に、
記録されたモーター制御方式が、比較的最適な動作効率のための電流波形プロファイルを提供する効率モーター制御方式、および、比較的高い動作トルク応答のための電流波形プロファイルを提供する高トルクモーター制御方式を備え、更に、
その比較的最適な動作効率電流波形プロファイルが実質的に正弦波形を有し、かつ、その比較的最大トルク応答電流波形プロファイルが実質的に矩形波形を有しており、更に、
監視された条件がモーター温度であって、かつ、監視されたモーター温度が温度閾値を超えているときは、選択段階が効率モーター制御方式を選択することを含むことを特徴とする方法。
制御器に接続された複数の固定子巻線を有するモーターを制御する方法であって、
前記方法が、
複数のモーター制御方式を記録し、各記録されたモーター制御方式がそれぞれの固定子電流波形プロファイルをもたらす段階と、
モーター操作機能に応答して、第一番目のモーター制御方式に対応した電流波形プロファイルを用いて固定子巻線を励磁するために制御信号を生成する段階と、
モーターの外部条件を監視する段階と、
監視段階で監視された条件が閾値を満たすか、または、超える際に感知する段階と、
感知段階に応答して第二番目の記録されたモーター制御方式を選択する段階と、
選択段階において選択されたモーター制御方式に従って、第二番目のモーター制御方式に対応した電流波形を用いて固定子巻線を励磁するために、モーター制御信号を生成する段階と、
を備え、更に、
記録されたモーター制御方式が、比較的最適な動作効率のための電流波形プロファイルを提供する効率モーター制御方式、および、比較的高い動作トルク応答のための電流波形プロファイルを提供する高トルクモーター制御方式を備え、更に、
その比較的最適な動作効率電流波形プロファイルが実質的に正弦波形を有し、かつ、その比較的最大トルク応答電流波形プロファイルが実質的に矩形波形を有しており、更に、
監視段階が、モーター温度とモーター供給電圧を更に含んだ、継続的に監視する複数の条件を含み、かつ、感知段階が監視されたモーター温度が高温閾値を超えている、または、監視された供給電圧が電圧閾値を下回ることを感知したときに、選択段階が効率モーター制御方式を選択することを含むことを特徴とする方法。
請求項２に記載された方法であって、
更に、監視段階がトルク要求を監視し、かつ、感知段階がトルク要求がトルク閾値を超えていることを感知し、監視されたモーター温度のための高温閾値へ到達せず、かつ、監視された供給電圧のための電圧閾値へ到達しない場合に、選択段階がトルクモーター制御方式を選択することを含むことを特徴とする方法。
モーター制御システムであって、
複数の固定子巻線を有するモーターと、
電源からその固定子巻線に励磁電流を与えるための励磁回路と、
その励磁回路に接続された制御器と、
その制御器に接続された記録手段であって、その記録手段はその中に記録された複数の異なるモーター制御方式を有しており、各方式は、制御器によって適用されたときに、複数のモーター固定子励磁電流波形プロファイルのうちの一つをもたらす、記録手段と、
監視するために少なくとも一つの外部条件を感知するための制御器に接続された条件感知手段と、を備え、更に、
制御器が、条件感知手段に動的に応答することで、記録手段からモーター制御方式にアクセスし、感知された条件に関連した基準に従って、対応する電流波形プロファイルを用いて、そのモーター固定子巻線を励磁する、モーター制御システムであって、更に、
前記記録されたモーター制御方式が、比較的最適な動作効率のための電流波形プロファイルを提供する効率モーター制御方式、および、比較的高い動作トルク応答のための電流波形プロファイルを提供するトルクモーター制御方式を有し、更に、
条件感知手段がモーター温度センサーを含み、
かつ、感知されたモーター温度が温度閾値を超えているときは、効率モーター制御方式がアクセスされる、ことを特徴とするシステム。
モーター制御システムであって、
複数の固定子巻線を有するモーターと、
電源からその固定子巻線に励磁電流を与えるための励磁回路と、
その励磁回路に接続された制御器と、
その制御器に接続された記録手段であって、その記録手段はその中に記録された複数の異なるモーター制御方式を有しており、各方式は、制御器によって適用されたときに、複数のモーター固定子励磁電流波形プロファイルのうちの一つをもたらす、記録手段と、
監視するために少なくとも一つの外部条件を感知するための制御器に接続された条件感知手段と、を備え、更に、
制御器が、条件感知手段に動的に応答することで、記録手段からモーター制御方式にアクセスし、感知された条件に関連した基準に従って、対応する電流波形プロファイルを用いて、そのモーター固定子巻線を励磁する、モーター制御システムであって、更に、
前記記録されたモーター制御方式が、比較的最適な動作効率のための電流波形プロファイルを提供する効率モーター制御方式、および、比較的高い動作トルク応答のための電流波形プロファイルを提供するトルクモーター制御方式を有し、更に、
条件感知手段が、電圧レベル検出器を含み、
かつ、感知された電源電圧レベルが電圧レベル閾値を下回っているときは、効率モーター制御方式がアクセスされ、
条件感知手段が更にモーター温度センサーを含み、
かつ、感知された温度が温度閾値を超えているときは、トルク要求に関わらず、効率モーター制御方式がアクセスされることを特徴とするシステム。
モーター制御システムであって、
複数の固定子巻線を有するモーターと、
電源からその固定子巻線に励磁電流を与えるための励磁回路と、
その励磁回路に接続された制御器と、
その制御器に接続された記録手段であって、その記録手段はその中に記録された複数の異なるモーター制御方式を有しており、各方式は、制御器によって適用されたときに、複数のモーター固定子励磁電流波形プロファイルのうちの一つをもたらす、記録手段と、
監視するために少なくとも一つの外部条件を感知するための制御器に接続された条件感知手段と、を備え、更に、
制御器が、条件感知手段に動的に応答することで、記録手段からモーター制御方式にアクセスし、感知された条件に関連した基準に従って、対応する電流波形プロファイルを用いて、そのモーター固定子巻線を励磁する、モーター制御システムであって、更に、
前記記録されたモーター制御方式が、比較的最適な動作効率のための電流波形プロファイルを提供する効率モーター制御方式、および、比較的高い動作トルク応答のための電流波形プロファイルを提供するトルクモーター制御方式を有し、
更に、前記モーター制御システムは、
制御器に接続されたユーザートルク命令入力、および、モータートルク要求をそこから導出するための手段を含み、
かつ、トルク要求がトルク閾値を超えているときは、トルクモーター制御方式がアクセス可能であり、トルク要求がトルク閾値を超えていなければ、効率モーター制御方式がアクセス可能であって、
更に、条件感知手段が、モーター温度センサーおよび電圧レベル検出器を含み、
かつ、感知されたモーター温度が温度閾値を超えているか、または、感知された電源電圧レベルが電圧レベル閾値を下回るときは、トルク要求に関わらず、効率モーター制御方式がアクセスされる、ことを特徴とするシステム。
請求項６に記載されたモーター制御システムであって、更に、制御器へのユーザープロファイル選択入力を含み、
制御器がユーザープロファイル選択入力における命令の受信に応答して、対応するモーター制御方式にアクセスし、感知されたモーター温度と感知された電源電圧を無視することを特徴とするシステム。