JP4364871B2 - ブラシレス電動機制御の位相進み角最適化 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、全て本出願と同一出願人による、２００１年４月５日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の同時係属米国出願番号０９／８２６，４２３、２００１年４月５日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の同時係属米国出願番号０９／８２６，４２２、２００１年１０月１日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の米国出願番号０９／９６６，１０２、２００１年１１月２７日に出願されたＰｙｎｔｉｋｏｖ他の米国出願番号０９／９９３，５９６、及び２００２年６月１９日に出願されたＭａｓｌｏｖ他の米国出願番号１０／１７３，６１０に関連する主題を包含する。これらの出願の開示内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本発明は、回転電気電動機に関し、より詳細にはブラシレス永久磁石電動機を制御するための位相進み角最適化に関する。

上記に特定された同時係属特許出願は、効率的な電気電動機駆動装置を開発する課題を記載している。電動機巻線の電子制御されたパルス励磁は、電動機特性のより柔軟な管理の可能性を提示する。パルス幅、デューティサイクル、及び適切なステータ巻線へのエネルギー源の切替印加を制御することにより、より大きな機能の多様性を達成することができる。このような巻線と共に永久磁石を使用することは、電流消費を制限する上で有利である。

車両駆動環境では、広いスピード範囲にわたってスムーズな操作を実現しながら、最小の電力消費で高トルクの出力特性を維持するのが極めて望ましい。同時係属特許出願に記載された電動機の構造的配置は、これらの目的に寄与する。磁束の集中を高めるために、環状リング内に絶縁透磁性構造体として電磁コアセグメントを構成することができる。電磁コアセグメントを絶縁することにより、磁気コア内での個々の磁束の集中が可能となり、磁束損失又は他の電磁石部材との有害なトランスフォーマ干渉作用を最小にする。

ブラシレス電動機用途の範囲内で精密に制御された特性は、電流フィードバック要素と結合された非線形フィードフォワード補償の融合を包含する。しかしながら、フィードフォワード補償表現は一般に、位相抵抗、位相自己インダクタンスなどの種々の回路パラメータに大きく依存し、これらは図１の個々の電動機位相に関する等価回路図に例証的に図示されている。Ｖ_i（ｔ）は相毎の電圧入力を表し、Ｒ_iは相毎の巻線抵抗を表し、Ｌ_iは相毎の自己インダクタンスを表す。Ｅｉ（ｔ）は相毎の電動機の対向するバックＥＭＦ（逆起電力）電圧を表し、次式で近似することができる。
Ｅ_i＝（Ｋ_eiω）ｓｉｎ（Ｎ_rθ_i）
ここで、Ｋ_eiは相毎のバックＥＭＦ係数を表し、ω（ｔ）はロータ速度を表し、Ｎ_rは永久磁石のペアの数を表し、θ_i（ｔ）はｉ番目の位相の巻線とロータ基準位置との間の相対的変位を表す。
電圧Ｖ_i（ｔ）は以下のように定義することができる。

ｉ＝１， ２，．．．，Ｎ_S
ここで、Ｖ_i（ｔ）は巻線間の電圧、Ｉ_i（ｔ）は相電流、Ｒ_iは巻線抵抗、Ｅ_i（ｔ）はバックＥＭＦ、Ｌ_iは巻線自己インダクタンス、及びＮ_Sはステータ相巻線の数。

電圧Ｖ_i（ｔ）は、制限電圧の安定化ＤＣ電源によって供給される。バックＥＭＦ項が電動機速度に比例するので、相電流Ｉ_i（ｔ）には特定の速度を超える制限がある。

エアギャップ中の磁束分布を正弦波と仮定すると、バックＥＭＦ及び相電流の定常状態の動作は次式で定義することができる。
Ｅ_i（ｔ）＝Ｅ_iｓｉｎ（θ_i（ｔ））＝Ｋ_e,iωｓｉｎ（Ｎ_rωｔ＋Δ_i）
Ｉ_i（ｔ）＝Ｉ_iｓｉｎ（θ_i（ｔ））＝Ｉ_iｓｉｎ（Ｎ_rωｔ＋Δ_i）
ｉ＝１， ２，．．．，Ｎ_S
平均合計トルクは、

であり、ここで、Ｎ_rはＰＭ磁極ペアの数、Ｋ_eiはバックＥＭＦ係数、ωは電動機速度、Δ_iは電動機幾何寸法に依存するオフセット角度、

は合計平均トルク出力、Ｋ_eiはトルク係数。

従って、トルク出力も同様に、電源制約によって制限される。位相進み制御法は、最大電源電圧によって制限される速度範囲の動作を拡張するために使用されていた。アマチュア電流の位相角度は、バックＥＭＦと同相の正弦波アマチュア電流（又は相電流）を形成するのではなく、バックＥＭＦに対して進められる。

例えば、Ｈｅｎｒｙ他に付与された米国特許第６，３７３，２１１号は、正弦波に励磁された永久磁石電動機における速度範囲の動作を拡張するための方法を記載している。この方法は、小さな相電流で動作速度範囲の拡張を行うために位相進み技法を使用している。電流ベクトルとバックＥＭＦベクトルとの間の位相進み角αを制御することによって、拡張された速度範囲が得られる。予め計算されたテーブルのセットを用いて、異なる速度における異なるトルクの値が記憶される。電流位相進み角は、トルク命令及び感知された速度に基づいて計算される。

しかしながら、Ｈｅｎｒｙ他の技法では、最小相電流で最大トルク出力を達成するように最適化された位相進み角度値が生成されない。その代わりに、前記特許は、最大トルクＴ_max.の設定法を開示している。その後、速度ωと、要求された、すなわちコマンドトルクＴ_cmdとが読み込まれる。コマンドトルクＴ_cmdが速度ωで利用可能な最大トルクＴ_max.よりも大きい場合には、コマンドトルクＴ_cmdは減少する。コマンドトルクＴ_cmdの該減少値に対して位相進み角が計算される。従って、従来技術の位相進み技法は、小さな相電流で速度範囲の動作の拡張を達成する位相進み角を提供する。しかしながら、従来技術は、電力消費量を最小にするための位相進み角及び相電流振幅の最適化を教示していない。

車両駆動環境では、動力の利用可能性がオンボード供給に限定されるので、最小の電力消費量で高トルク出力機能を達成するのが極めて望ましい。同時係属特許出願に記載された電動機構造の構成は、これらの目的に貢献する。これらの出願で記載されているように、磁束の集中を向上させるために、電磁コアセグメントを環状リング内に絶縁透磁性構造として構成することができる。電磁コアセグメントの絶縁により、磁気コアにおいて個別に磁束を集中させることが可能となり、他の電磁部材との相互作用によって生じる磁束損失又は有害なトランスフォーマ干渉作用を最小にする。

従って、電動機が最小の電力消費量で大きなトルク出力を供給できるようにする位相進み最適化の必要性が存在する。

加えて、従来の位相進み技法は、多相電動機の各相に対して位相進みの最適化をもたらさない。しかしながら、機械的／製造上の許容度と他の構造的特性によって影響される現象に起因して、各電動機の位相は、各回路要素のある範囲の値を示すことになる。回路パラメータの振幅に影響を与える可能性のある要因には、
・電磁コアの正味磁束結合、
・電気回路に関連するコアのインダクタンス変動、
・断面積及び巻線張力などの製造上の誤差変化に起因する相巻線の抵抗の変動、
・コアの透過性の変動（材料のグレード、処理及び仕上げ履歴に関連する）、
・相巻線技法（均一又はスクランブル巻線）又は各ステータコア上のコイルの作り込み品質、
・電磁石の位置と永久磁石の相互作用（すなわち磁気回路のパーミアンス）、
・永久磁石ロータマグネットのサブアセンブリに依存するエアギャップ磁束密度の変動、
・残留磁束密度、
・外部磁界によるバイアス磁界、
・コイルワイヤーの形状（長方形、円形、又は螺旋形）、
・コイル内で得られた巻線係数、
・コア断面積の誤差を変えることができるコア幾何寸法内で達成された製造誤差、
・コイルが巻かれた有効長さ、
などがある。

通常、電動機制御方法は、電動機全体にわたりパラメータ値が均一であると仮定している。電動機の全ての対応する回路要素を表すのに１つの中央パラメータ値が取られる。この集中パラメータ手法は、個々の位相補償ルーチン内のパラメータ値不整合による制御方法の過大／過小補償に起因して、追従特性の劣化に至ることが多い。このような仮定パラメータは、自律型強磁性体絶縁コア要素として構成されたステータ構造体と大きく異なる傾向がある。

従って、最小の電力消費量で電動機出力トルクを最大化するために、最適位相進み角及び相電流の最適振幅を生成し、且つ個別の相巻線とステータ位相要素構造体のパラメータの変化を考慮する位相進み最適化手法に関する必要性が存在する。

米国特許第６，３７３，２１１号公報

本発明は、この必要性を満たすと共に、同時係属出願で開示されたような、個々の分離された強磁性絶縁ステータコア要素構成の利便性を維持する。出力トルクを最大にして且つ個々の位相回路要素の相電流を最小にする、位相進み角最適化方法を実施する本発明の機能は、各位相の制御ループがその対応する巻線及び構造と密に一致するので、より高度の精密制御により特定のユーザ要求トルクに対する最適なトルク制御方法を提供する。
この機能は、バックＥＭＦに対して位相進み角だけ位相が進められた相電流の値を求めるための電流値計算器と、電動機の出力トルクを最大にして且つ相電流を最小にするように最適化された位相進み角の値を生成するための位相進み最適化回路をと含む、相巻線を励磁するために制御信号を発生させるコントローラを多相永久磁石電動機用の制御システムにおいて少なくとも部分的に確立することによって得られる。

個別の相巻線とステータの位相要素構造内でパラメータのバリエーションを構成するために、巻線のリアクタンス、トルク係数、及び各位相に関連する位相依存バックＥＭＦを含む位相依存パラメータに基づいて、電動機の各位相に対して位相進み最適化プロセスを実行することができる。コントローラは、特定の位相パラメータが生成された各制御電圧出力で置き換えられる、統合実行方式で動作することができる。代替として、コントローラは、各ステータの位相に対して別個の制御ループを備えることができる。各位相のループ構成は、それぞれの相巻線の制御信号を発生させるために、特定の位相に関する位相進み角の最適値を利用する。

位相進み最適化回路は、所与の速度に対して最大トルク値を求めるための第１の最適化セクションと、位相進み角の最適値及び相電流の最適振幅を生成するための、最大トルク値に応答する第２の最適化セクションとを含むことができる。第２の最適化セクションは、所与の速度及びユーザ要求トルクに対する相電流を最小にする。

本発明の方法に従って、多相永久磁石電動機のリアルタイム連続制御を提供するために以下の段階：すなわち、
・所要のトルクを表すトルク命令信号を入力する段階、
・所要のトルクを達成するために必要な相電流を求める段階、
・相電流に基づいて、所要のトルクを得るために各巻線を励磁するのに必要な制御電圧を求める段階、
・必要な制御電圧が供給電圧を超える場合にバックＥＭＦに対して位相角度だけ相電流の位相を進める段階、
・所要のトルクに基づいて、電動機の出力トルクを最大にして且つ相電流を最小にするように最適化された位相進み角を求める段階、
が実行される。

所要のトルクと電動機速度に応答可能なルックアップテーブルを使用して、最適な位相進み角を決定することができる。

本発明の電動機制御は、種々の構成の電動機の利便を提供すると共に、各ステータの位相要素が強磁性絶縁ステータ電磁石を備え、電磁石コア要素が互いの直接接触から分離され且つ別個の相巻線で形成されている電動機に適用することができる。

本発明は、電気自動車のトラクション制御動作のような、電動機が可変のユーザ初期入力を追従することが意図された用途において特に有用である。トルクのコマンド入力信号に応答して、各位相の特定のパラメータを含む式に従い、コントローラによって相毎の所要の電流軌道が選定される。

本発明の別の利点は、当業者であれば以下の詳細な説明から明らかになるであろう。ここでは、本発明を実施することが企図された最適なモードの単なる例証によって、単に本発明の好ましい実施形態だけが図示され説明されている。理解されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、更に、幾つかの詳細は、全て本発明から逸脱することなく種々の点で修正することが可能である。従って、図面及び説明は、事実上例証とみなされ、限定としてみなすべきではない。

本発明は、限定の目的ではなく例証として添付図において示されており、ここで同じ参照符号は同じ要素を示す。
図２は、本発明による電動機制御システムのブロック図である。多相電動機１０は、ロータ２０とステータ３０とを有する。ステータは、ＤＣ電源４０から電子スイッチセット４２を介して供給される駆動電流により切替可能に励磁される複数の相巻線を有する。スイッチセットは、ゲートドライバ４６を介してコントローラ４４に結合される。コントローラ４４は、１つ又はそれ以上のユーザ入力と、運転中に感知される電動機状態に対する複数の入力とを有する。各相巻線の電流は、その出力がコントローラ４４に供給される複数の電流センサ４８のそれぞれによって感知される。コントローラは、この目的のため複数の入力を有することができ、又は代替的に、電流センサからの信号を多重伝送して単一のコントローラ入力に接続してもよい。ロータの位置センサ４７は、コントローラ４４の別の入力に接続され、該入力に位置信号を供給する。位置センサの出力はまた、速度近似メータ５０に印加され、該近似メータは位置信号を速度信号に変換して、コントローラ４４の別の入力に印加される。

シーケンスコントローラは、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔデジタル信号プロセッサＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＰＧのような、マイクロプロセッサ、又は同等のマイクロコントローラを含むことができる。スイッチセットは、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＲｅｃｔｉｆｉｅｒのＩＲＦＩＺ４８Ｎ−ＮＤのような、複数のＭＯＳＦＥＴ Ｈブリッジを含むことができる。ゲートドライバは、ＩｎｔｅｒｓｉｌのＭＯＳＦＥＴゲートドライバＨＩＰ４０８２ＩＢを含むことができる。位置センサは、ホール効果デバイス（Ａｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓの９２Ｂ５３０８）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、容量性ロータリーセンサ、リードスイッチ、アモルファスセンサを含むパルスワイヤセンサ、レゾルバ、光学センサ及び同様のものといった、任意の既知の感知手段を含むことができる。Ｆ．Ｗ．ＢｅｌｌのＳＭ−１５のようなホール効果電流センサを電流センサ４８として使用することができる。速度検出器５０は、感知された角度位置信号の時間微分の近似値を与える。

図３は、個々のステータコアセグメント巻線用のスイッチセット及びドライバの部分回路図である。ステータ相巻線３４は、４つのＦＥＴのブリッジ回路に接続される。ステータ巻線３４に対して適切な方向で駆動電流を導くために、例えば、バイポーラトランジスタなどの種々の既知の電子スイッチ要素のいずれも使用できることを理解されたい。ＦＥＴ５３及びＦＥＴ５５は、電源の両端に直列に接続されており、ＦＥＴ５４及びＦＥＴ５６も同様である。ステータ巻線３４は、２つの直列ＦＥＴ回路の接続ノードの間に接続されている。ゲートドライバ４６は、シーケンスコントローラ４４から受信する制御信号に応答して、ＦＥＴのゲート端子にアクティブ信号を印加する。ＦＥＴ５３とＦＥＴ５６は、１方向の電動機電流の流れに対して同時にアクティブにされる。反対方向の電流の流れに対しては、ＦＥＴ５４とＦＥＴ５５が同時にアクティブにされる。或いは、ゲートドライバ４６はシーケンスコントローラ４４と一体化してもよい。

本発明の電動機は、例えば自動車、オートバイ、自転車などの車両の車輪の駆動において使用するのに好適である。図４は、車両の車輪内に収納可能な電動機構造の破断図であり、ステータは、固定シャフトに固定的に取り付けられて車輪を駆動するためのロータによって囲まれている。電動機１０は、半径方向のエアギャップによってステータから分離された環状永久磁石ロータ２０を含む。ロータ及びステータは、固定シャフトを中心とする回転軸の周りに同軸状に構成される。ステータは、強磁性的に離隔された複数の要素又はステータグループを含む。互いとの直接接触から分離された透磁性材料製のコアセグメント３２は、それぞれの磁極上に形成されたそれぞれの巻線部分３４を有する。この実施例では、７つのステータグループが示され、各グループは、エアギャップに沿って円周状に割り当てられた２つの突出した電磁石磁極から構成される。ロータは、エアギャップの周りに円周方向で分布され、環状バックプレート２４に固定された複数の永久磁石２２を含む。この構成を具現化する電動機のより詳細な説明に関しては、上記で記載されたＭａｓｌｏｖ他の出願０９／９６６，１０２を参照されたい。しかしながら、車両関連は、本発明の電動機を使用することができる多くの特定の応用の単なる例証にすぎない点を理解されたい。本発明の概念は、以下により詳細に説明されるが、相巻線の全てを支持する単一ステータコアを含む、他の永久磁石電動機構造体にも適用可能である。

車両の駆動用途の実施例においては、コントローラに対するユーザ入力の１つは、ユーザのスロットル命令によって示される要求トルクを表す。スロットルの増大は、速度を上昇させる要求を表し、これはトルクの増大によって達成される。コントローラプロセッサに対する別の外部入力は、運転者がブレーキペダル又はブレーキハンドルを操作する際に発生するブレーキ信号を含むことができる。トルク及び速度を減少させるために、プロセッサは、直ちに電動機駆動を非アクティブにすることで応答するか、或いは、駆動制御を変えることができる。運転者の要求に直ちに応答するために、別個の外部非アクティブ信号を印加することも可能である。

制御システムのトルク追従機能は、運転条件、道路勾配、地形などの変動する外部条件による一定の入力要求に対して安定した状態の動作を維持しなければならない。制御システムは、運転者のスロットル入力に対してトルク命令の変化に正確且つスムーズに適応するように応答する必要がある。

コントローラ４４の出力における制御電圧Ｖ_i（ｔ）は、ユーザの要求トルクを得るのに必要とされる計算電圧値を表す。制御電圧Ｖ_i（ｔ）はＤＣ電源によって供給されるので、制御電圧の最大値は、ＤＣ電源の最大電圧により制限される。ユーザの要求トルクを達成するために必要な計算制御電圧が、最大電源電圧よりも高い場合には、電動機の出力トルクを最大にするために位相進み制御法が使用される。従来行われていたように、正弦波相電流をバックＥＭＦと同相であるように規定する代わりに、相電流の位相角度をバックＥＭＦに対して位相進み角だけ意図的に進めて出力トルクを最大にする。

図５の線図は、位相進み角の有無での電動機１０のトルク−速度特性を示す。曲線１は、相電流の位相を進めずに異なる速度で達成可能な最大トルク値を示す。この曲線は、電動機のベース速度の軌跡を定義する。この曲線の右上の任意の動作点は、位相進み角を導入しない限り達成不可能である。

曲線２は、位相進み角を適切に選択して種々の速度で達成可能な最大トルク値を示す。図５から明らかなように、電動機の動作範囲はベース速度を超えて十分拡張されている。

位相進み法は、図６に示された円線図で幾何学的に示される。陰影が付けられた円１は、限界ＤＣ電源電圧により制限された所与の速度が利用可能な電流動作領域を示す。小さい方の円２は、電動機の最大定格電流Ｉ_maxによって制限される電流動作領域を示す。実際の定常状態電流は、２つの円が重なり合う範囲内で発生する。

位相進み角度値α_maxは、図６に円２の半径に等しい長さの電流ベクトルとバックＥＭＦ方向に沿って形成された軸ｑとの間の角度によって示され、軸ｑ上の電流ベクトルの射影に比例する最大トルクＴ_maxを与える位相進み角に相当する。

図７は、これらの目標を得るための個々の回路パラメータ値並びに感知された電動機動作条件を考慮に入れたフィードフォワード補償の式を用いたトルクコントローラ方法体系を示すブロック図である。精密なトルク追従のために、以下の式に従って毎相の望ましい電流軌跡が選択される。
Ｉ_di（ｔ）＝Ｉ_optiｓｉｎ（Ｎ_rθ_i＋α_opti）
ここで、Ｉ_diは相毎の所望電流軌跡を表し、Ｉ_optiは相毎の最適電流振幅、Ｎ_rは永久磁石の磁極ペアの数、θ_iはｉ番目の相巻線とロータの基準点間の相対位置変位、α_optiは相毎の最適位相進み角である。

所要の相電流を生じるために、相巻線のドライバに対して以下の相毎電圧制御の式が適用される。
Ｖ_i（ｔ）＝Ｌ_iｄＩ_di／ｄｔ＋Ｒ_iＩ_i＋Ｅ_i＋ｋ_sｅ_i
図７は、全体が参照番号６０で示された方法体系を示しており、これによりコントローラが、トルク命令入力と、相電流センサ、位置センサ及び速度検出器から受信した信号とを使用して、この電圧制御の式の成分をリアルタイムで導き出す。
スロットルに応答する、外部ユーザ要求の（所要の）トルク命令Ｔ_cmdは、位相進み角最適化ブロック６１に入力され、ここでは、コントローラ機能ブロック６２で使用される相毎の最適位相進み角α_optiと相毎の最適相電流振幅Ｉ_optiとを求め、該コントローラ機能ブロック６２では、トルク命令Ｔ_cmdに対応して電動機がユーザ要求トルクを発生することを可能とするのに必要な相毎電流Ｉ_di（ｔ）を求める。同様に、位相進み角最適化ブロック６１には、速度近似メータ５０から供給される電動機速度ω（ｔ）を与える。以下により詳細に説明するように、位相進み角最適化ブロック６１は、各コントローラの方法体系６０に対して、すなわち多相電動機１０の各ｉ番目の位相に対して最適位相進み角α_optiと最適相電流振幅Ｉ_optiを求めるために、コントローラ４４により与えられる２次元ルックアップテーブルによって実施することができる。

ロータ位置θは、コントローラ機能ブロック６４に入力され、該ブロックは、ロータ位置、永久磁石マグネットの磁極ペアの数（Ｎ_r）、ステータ相の数（Ｎ_s）、及び特定の相の位相遅れに基づく励磁角度θ_i（ｔ）を表す出力を生成する。コントローラ機能ブロック６４の出力は、コントローラ機能ブロック６２に供給される。このようにして受け取られた励磁角度入力を使用して、コントローラ機能ブロック６２は、電動機がトルク命令Ｔ_cmdに対応するユーザ要求トルクを生じることを可能にするのに必要な以下の相毎電流Ｉ_di（ｔ）を求める。
Ｉ_di（ｔ）＝Ｉ_optiｓｉｎ（Ｎ_rθ_i＋α_opti）

コントローラ機能ブロック６６は、ブロック６２から受け取られた所要の相電流Ｉｄｉ（ｔ）と第２の相電流Ｉｉ（ｔ）の間の差分を計算して、相電流追従誤差信号ｅ_i（ｔ）を出力する。この誤差信号に、コントローラ機能ブロック６８でゲイン係数ｋ_sが乗じられる。電流フィードバックゲインの作用は、測定ノイズ及び任意のモデルパラメータの不正確さに起因するシステム外乱を排除することによって、システム全体の堅牢さを高めることである。ブロック６８の出力は、コントローラ機能ブロック７０に供給される。ブロック７０は、相巻線３４の選択的に制御される励磁用のゲートドライバに対して時間的に変化する電圧信号Ｖ_i（ｔ）を出力する。Ｖ_i（ｔ）は、インダクタンス、誘導バックＥＭＦ、及び抵抗の作用を補償する成分を有する。

位相巻き線内のインダクタンスの存在を補償するために、ｄＩ_di／ｄｔが所要の相電流Ｉ_di（ｔ）の標準時間微分を示す項Ｌ_iｄＩ_di／ｄｔは、コントローラ機能ブロック７０に入力されて相電圧計算に加えられる。Ｌ_iｄＩ_di／ｄｔの決定は、α_opti、θ_opti、及びω（ｔ）の受信入力に従って、コントローラ機能ブロック７２で行われる。ブロック７２は、ＬｄＩ_di／ｄｔ＝Ｉ_optiＬ_iＮ_rωｃｏｓ（Ｎ_rθ_i＋α_opti）を決定する。

導出されたバックＥＭＦ電圧を補償するために、コントローラ機能ブロック７４から機能ブロック７０に対する入力として、項Ｅ_iが位相電圧計算に加えられる。バックＥＭＦ補償値は、バックＥＭＦ係数Ｋ_eiを使用してブロック７４に対する入力として受信された、ロータ角度及び速度から導出される。相巻線抵抗及び寄生抵抗に起因する電圧降下を補償するために、コントローラ機能ブロック７６からの機能ブロック７０への入力として、項Ｒ_iＩ_i（ｔ）が位相電圧計算に加えられる。

図８は、位相進み角最適化ブロック６１を示すブロック図であり、ここでは相毎の最適な位相進み角α_optiと相毎の最適な相電流振幅Ｉ_optiを決定し、これを用いて、電動機がユーザ要求トルクＴ_cmdを発生するのを可能とするのに必要な相毎電流Ｉ_optiを決定する。位相進み角最適化ブロック６１は、出力トルクを最大にするための第１の最適化セクション８２と、相電流を最小にするための第２の最適化セクションとを有する。

第１の最適化セクション８２は、速度近似メータ５０からの入力信号として供給される現在速度ωでの最大トルク出力Ｔ_max（ω）を求める。最適化セクション８２は、電動機の最大電流定格Ｉ_max及びＤＣ電源の電圧Ｖ_cの制約を条件として、所与の速度に対するトルク出力を最大にする。これは、以下の数式の形式で与えられる。
（Ｒ_i ²＋Ｘ_s,i ²）Ｉ_i ²−２Ｅ_iＸ_s,iＩ_iｓｉｎα_i＋２Ｅ_iＲ_iＩ_iｃｏｓα_i＋Ｅ_i ²≦Ｖ_c ² （２）
及び
Ｉ_i≦Ｉ_max （３）
ｉ＝１，２，…,Ｎ_s
を条件として、

を最大化する。
ここで、α_iは位相進み角、Ｘ_s,i＝Ｌ_iＮ_rωは巻線のリアクタンス、Ｉ_maxは電動機の定格電流である。

それぞれの制御サイクルの間に、コントローラ４４は、位置センサ４７からロータ位置信号を取り出す。次いで、バックＥＭＦの振幅及び位相が求められ、エアギャップ内の正弦波磁束分布を仮定する。これらのパラメータは、速度ωと共に第１の最適化セクション８２に供給され、式（１）−（３）に基づいて現在速度ωでの最大達成可能トルクＴ_max（ｔ）を求める。ユーザ要求のトルク命令Ｔ_cmdと共に、最大トルクＴ_max（ω）の決定値が第２の最大化セクション８４に供給される。

図９は、第１の最適化セクション８２によって実行された最適化プロセスの結果として求められる、所定速度に対する位相進み角、相電流、及びトルク出力を表す曲線を示す。電動機のパラメータは位相に依存する値であるので、最適化はそれぞれの個々の位相について別々に実行される。

図９に示されるように、速度全体の範囲は３つの領域に分割することができ、その各々は、別個の特性を有する。低速領域（例えば、１２０ｒｐｍ未満）においては、トルク出力制限において電流定格の制約が支配的である。最適な位相進み角はゼロであり、相電流は許容される最大電流に等しい。

中速度領域（例えば１２０ｒｐｍと２２０ｒｐｍの間）においては、最大電流とＤＣ電源電圧の両方の制約が有効になる。従って、トルクを最大にするためには正の位相進みが必要となる。一方で、相電流は依然として許容される最大電流に等しい。トルク出力は速度が増加するにつれて減少し、最適な位相進み角は速度の増加に伴って増大する。

高速度領域（例えば２２０ｒｐｍを超える）においては、ＤＣ電源電圧が支配的な制約となる。速度と共に最大トルク出力は減少し続け、位相進みは増大し続ける。しかしながら、相電流は最大許容電流未満である。

第１の最適化プロセスは、種々の電流定格で実行することができ、結果として最適な位相進み角、相電流、及びトルク出力についての曲線群をもたらす。図１０は、所与の速度に対する電流定格１０Ａ及び１５Ａで得られた位相進み角、相電流、及びトルクを表す曲線を示している。

第２の最適化セクション８４は、要求トルクを表すユーザ要求のトルク命令Ｔ_cmdと共に、第１の最適化セクション８２により求められた最大トルク値Ｔ_max（ω）が供給される。これらのパラメータに基づいて、第２の最適化セクション８４では、次式で示すように特定の速度及び所要トルクに対する相電流Ｉ_iを最小にすることによって、所与のユーザ要求トルク命令Ｔ_cmdについての相電流の最適振幅と最適位相進み角を求める。
４（Ｒ_i ²＋Ｘ_s,i ²）Ｔ_cmd ²＋４Ｅ_iＮ_sＫ_τ,iＴ_cmd（−Ｘ_s,iｓｉｎα_iｃｏｓα_i＋Ｒ_iｃｏｓ²α_i）＋（Ｅ_i ²−Ｖ_c ²）Ｎ_s ²Ｋ_τ,i ²ｃｏｓ²α_i≦０ （５）
を条件として、

を最小化する。
これは、位相進み角を最小化することに相当する。その結果、現在速度と所要トルクでの効率が最大にされる。

従って、第２の最適化セクション８４では、式（４）及び（５）により相電流の振幅及び位相進み角の最適値を求める。

図１１及び１２は、２種類の速度２００と２５０ＲＰＭのそれぞれにおける所与のトルク命令Ｔ_cmdの最適化プロセスを結果を示す。図９と同様に、図１１のユーザの要求トルク命令Ｔ_cmdの範囲は、３つの領域に分けることができる。より低いトルク（２８Ｎｍ未満）では、位相進み角がゼロで要求トルクを達成することができる。また、この同じトルクは、正の位相進みとより大きな電流との組み合わせを使用して低効率で達成することもできる。中間領域（２８と５６Ｎｍの間）では、正の位相進み角度で要求トルクを達成することができる。また、この同じトルクは、より大きな位相進み角とより大きな電流との組み合わせを使用して低効率で達成することもできる。高いトルク領域（５６Ｎｍを超える）では、要求トルクを達成することはできない。達成可能な最大トルクは、第１の最適化セクション８２によって実行される最適化プロセスを使用して得られる。

本発明の実施形態によりリアルタイムでの電動機制御に対応するために、位相進み角最適化ブロック６１は、電動機速度及びユーザ要求トルク命令入力に応答する２次元ルックアップテーブルとして実施され、相電流振幅と位相進み角の最適値を提供する。相電流振幅及び位相進み角の最適値は、相巻線のリアクタンス、トルク効率及びバックＥＭＦなどの位相依存パラメータに基づいて求められるので、第１及び第２の最適化セクション８２及び８４によって実行される最適化プロセスは、各位相について行われ、それぞれの相巻線についての制御信号Ｖ_i（ｔ）が求められる。従って、本発明の位相進み角最適化プロセスは、個別の相巻線及びステータ位相成分構造におけるパラメータ変動を明らかにする。

動作時には、コントローラ４４は、それぞれの相巻線の個々の励磁のために、ゲートドライバに対して出力制御信号Ｖ_i（ｔ）を連続して出力する。ゲートドライバは、それぞれのスイッチセットをアクティブにし、その結果、巻線が選択されたシーケンスはコントローラで設定されたシーケンスと適合する。シーケンスは、一般に図２の線図に示されたリンクだけを介してゲートドライバに送られる。各連続する制御信号Ｖ_i（ｔ）は、対応する相巻線で感知された特定の電流、直ちに感知されたロータ位置及び速度、並びにまた、それぞれの位相に対して特に予め定められていたモデルパラメータＫ_ei及びＫ_τiに関連付けられる。従って、各導出された制御信号Ｖ_i（ｔ）に対して、感知された電動機フィードバック信号の適時受信に加えて、コントローラは、制御信号が応答する特定位相に固有のパラメータにアクセスしなければならない。このようにして、コントローラは、種々のステータ位相間の個々の位相特性の差分を補償する機能を有する。電圧制御ルーチンの過大／過小補償を回避するために、使用された相毎の回路パラメータは、これらの実際の値と正確に整合される。

相毎のトルク係数Ｋ_τiは、各位相の相毎のトルク寄与を取り込む。このパラメータは、当該位相に印加された電流につき生成された有効トルクの比率に比例する。位相によって生じたトルクは、該位相のコア材料内で生じた磁束密度の関数であり、有効なエアギャップ磁束密度をもたらす。電磁コア幾何形状寸法の設計は、コアを飽和させないで材料の誘導を最適化するために、コアの各部のアンペアターンの関数である電流密度を考慮に入れる。しかしながら、コア材料の磁気特性は、コア全体を通して非均質であることが多い。電動機が、分離された強磁性体自律型電磁気コアで構成されている場合には、不整合さがより明らかである可能性がある。巻線とインダクタンスの偏差もまた、トルク係数パラメータとバックＥＭＦ係数パラメータの決定に寄与する。巻線にエアポケットが形成される場合には、コア内の有効な磁束増大が劣化することになる。均一な巻線によって高い集積要因を達成することができるが、ワイヤ製造においては変動が存在する可能性がある。従って、コントローラによって公称電動機トルク係数と公称バックＥＭＦ係数が使用される場合には、位相特性の変動は、電動機出力トルク全体の変動を生じる。図７に示されるトルクコントローラの方法体系では、各位相に付いて予め定められた相毎のトルク係数及びバックＥＭＦ係数を適用することによって、この問題を回避する。

図７に示された計算は、リアルタイムで連続して実行される。ブロック６２で示された式は、好ましい実施形態でトルクを追従するための所要の電流を供給するように選択されている。トルク入力コマンドの変化を精密に追従する以外の要因も同様に重要である場合には、この式を変更することができる。例えば、幾つかの電動機の用途では、不必要に大まかな動作条件を避けるために、加速及び減速の程度を考慮することができる。従って、ブロック６２の式は、追加の考慮事項に適合するように変更することができる。

図７に示すコントローラの方法体系は、特定の位相パラメータが各々生成された制御電圧パラメータで置換される統合実行方式で行うことができる。あるいは、コントローラ４４は、図１３の部分ブロック図で示されるように、各ステータ位相に対して個別の制御ループを提供することができる。Ｎ_s電動機位相の各々に対して、対応する制御ループ６０_iが提供される。各ループは、それぞれの電動機位相に対して関連するパラメータを含む。制御ループは、適切な電動機位相励磁シーケンスに従ってアクティブにされ、制御電圧を生成するために、感知された電動機フィードバック信号だけを必要とする。

本開示では、本発明の好ましい実施形態及びその多様なものからの幾つかの実施例だけを図示し説明してきた。本発明は、他の種々の組み合わせ及び環境で使用することができ、更に本明細書で表された本発明の概念の範囲内で変更又は修正できることは理解されるべきである。例えば、図７に示された制御方法体系では、所要の相毎電流Ｉ_di（ｔ）は、ルックアップテーブルに記憶された値を参照することによって、Ｔ_cmd，θ_iの受信入力からリアルタイムで求めることができる。ルックアップテーブルは、各ステータ位相に対して提供されることになる。或いは、式（１）−（５）に基づくリアルタイムの最適化を実施することができ、又は人工のニューラルネットワークなどの最適化システムを使用して最適な制御パラメータを得ることができる。

明らかにすることができるように、本発明の電動機は、車両用駆動に加えて広範囲の用途で使用することができる。車両駆動の実施においてロータがステータを囲むことが好ましい場合には、ステータがロータを囲む別の用途が有利な実用性を見出すことができる。従って、各内部及び外部環状部材が、ステータ又はロータのいずれかを含むことができ、且つ電磁石のグループ又は永久磁石のグループのいずれかを含むことができることは、本発明の企図の範囲内である。

本発明を電動機の各電気位相に対して分離された磁気回路の実施例で開示したが、本発明は、共通の磁路を包含する電動機のような他の電動機機構に適用することができる。従って、本発明は、本明細書に記載された本発明の概念の範囲内で変更及び修正が可能であることは理解されるべきである。

個々の電動機位相の等価回路図である。 本発明による電動機制御システムのブロック図である。 図２のシステムによって制御される電動機の個々のステータコアセグメント巻線用スイッチセット及びドライバの部分回路図である。 図２の制御システムで使用するのに好適な電動機構造の３次元破断図である。 位相進み角の有無の場合のトルク−速度特性を示す図である。 本発明による位相進み技法を示す円線図である。 図２の制御システムで使用するためのトルク制御方法体系を示すブロック図である。 図７の位相進み角最適化ブロックを示す図である。 図８の第１の最適化セクションによって実行される位相進み角最適化を示す図である。 図８の第１の最適化セクションによって実行される位相進み角最適化を示す図である。 図８の第２の最適化セクションによって実行される、位相進み角最適化を示す図である。 図８の第２の最適化セクションによって実行される、位相進み角最適化を示す図である。 図７のコントローラ方法体系の変形形態を示す部分ブロック図である。

符号の説明

２０ ロータ
３０ ステータ巻線
４０ ＤＣ電源
４２ スイッチセット
４４ コントローラ
４６ ゲートドライバ
４７ 位置センサ
４８ 電流センサ
５０ 速度近似器

Claims (16)

1. 複数のステータ位相要素（３０）とロータ（２０）とを有し、各ステータ位相要素がコア要素（３２）上に形成された相巻線（３４）を含む多相電動機（１０）の制御システムであって、
   前記システムが、
   前記相巻線（３４）を励磁するための制御信号（Ｖｉ（ｔ））を生成するコントローラ（４４、６０）を備え、
   前記コントローラが、
   バックＥＭＦに対してある位相進み角（αｏｐｔｉ）だけ位相が進められた相毎の所望電流（Ｉｄｉ（ｔ））の値を決定するための電流値決定機構（６２）と、
   前記電動機（１０）の出力トルクを最大にして且つ相電流（Ｉｉ（ｔ））を最小にするように最適化され、前記電動機（１０）の各位相に対して前記位相進み角（αｏｐｔｉ）を最適化するように構成された、前記位相進み角（αｏｐｔｉ）の値を生成するための位相最適化機構（６１）であって、前記相巻線のリアクタンス（Ｌｉ）、トルク係数（Ｋｔｉ）及び位相依存バックＥＭＦパラメータ（Ｋｅｉ）を含む位相依存パラメータを用いる位相最適化機構（６１）と、
   各相毎の所望電流（Ｉｄｉ（ｔ））の値と感知された各相電流（Ｉｉ（ｔ））との間の差分（ｅｉ（ｔ））を決定するための差分機構（６６）と、
   を含むことを特徴とするシステム。
2. 前記コントローラ（４４）が、各ステータ位相（３４）の個別の制御ループで構成され、各位相ループ構成が、前記それぞれの相巻線の制御信号を生成するために特定の位相についての前記位相進み角の最適値を用いる、請求項１に記載の制御システム。
3. 各ステータ位相要素（３４）のコア要素（３２）が、強磁性絶縁ステータ電磁石（２２）、互いの直接接触から隔てられた前記電磁石のコア部品（２２）、及び、各コア要素（３２）上に形成された相巻線（３４）を含む、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記位相進み最適化機構（６１）が、所与の速度に対する最大トルク値を決定するための第１の最適化セクションを含む、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記位相進み最適化機構（６１）が、更に、前記位相進み角の最適値を生成するための、前記最大トルク値に応答する第２の最適化セクションを含む、請求項４に記載の制御システム。
6. 前記第２の最適化セクションが、更に、前記相電流の最適振幅を生成する、請求項５に記載の制御システム。
7. 前記第２の最適化セクションが、所与の速度及びユーザ要求トルクに対する前記相電流を最小にするように構成されている、請求項６に記載の制御システム。
8. 多相電動機用制御システムであって、
   所要のトルクを得るために、前記電動機（１０）の相巻線（３４）を励磁するのに必要な制御電圧（Ｖｉ（ｔ））を決定する制御電圧計算器（４４）と、
   バックＥＭＦに対して位相進み角だけ位相が進められた、前記所要のトルクを示す相毎の所望電流（Ｉｄｉ（ｔ））を決定するための電流計算器（６２）と、
   前記位相進み角（ｏｐｔｉ）の相毎の値を決定するための、前記所要のトルクに対応するトルク命令信号（Ｔｃｍｄ）に応答する位相進み決定機構（６１）と、
   前記決定された相毎の所望電流（Ｉｄｉ（ｔ））と感知された相電流（Ｉｉ（ｔ））との間の差分（ｅｉ（ｔ））を決定するための相電流差分計算器（６６）と、
   を備えることを特徴とする制御システム。
9. 前記位相進み決定機構が、所与の所要トルクに対して前記電動機の出力トルクを最大にして且つ前記相毎の電流を最小にするように構成されている、請求項８に記載の制御システム。
10. 前記位相進み角が位相依存パラメータに基づいて決定される、請求項９に記載の制御システム。
11. コア要素（３２）上に形成された複数のステータ相巻線（３４）とロータ（２０）とを有する多相電動機のリアルタイム制御方法であって、
    所要のトルクを示すトルク命令信号（Ｔｃｍｄ）を入力する段階と、
    前記所要のトルクを達成するのに必要な相毎の所望電流（Ｉｄｉ（ｔ））を決定する段階（６２）と、
    前記相毎の所望電流（Ｉｄｉ（ｔ））に基づいて、前記所要のトルクを得るために各巻線を励磁するのに必要な制御電圧（Ｖｉ（ｔ））を決定する段階と、
    前記所要の制御電圧が電源電圧（４０）を超える場合にバックＥＭＦに対して相電流（Ｉｉ（ｔ））の位相を位相進み角（αｏｐｔｉ）だけ位相を進める段階と、
    前記所要のトルク（Ｔｃｍｄ）に基づいて、前記電動機の出力トルクを最大にして且つ前記相電流（Ｉｉ（ｔ））を最小にするように最適化された前記位相進み角（αｏｐｔｉ）を求める段階であって、前記相巻線のリアクタンス（Ｌｉ）、トルク係数（Ｋｔｉ）及び位相依存バックＥＭＦパラメータ（Ｋｅｉ）を含む位相依存パラメータを用いる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記位相進み角が前記電動機の各位相に対して最適化される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記最適化する段階が、所与の速度に対して最大トルク値を決定する第１の最適化段階を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記最適化する段階が、前記最大トルク値に応答して位相進み角の最適値を生成する第２の最適化段階を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第２の最適化段階が前記相電流の最適振幅を更に生成する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記位相進み角が位相依存パラメータに基づいて最適化される、請求項１２に記載の方法。

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