JP5414150B2 - 電気機械の制御 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械を制御することに関し、特に、スイッチングされるリラクタンス・モータのようなスイッチングされるリラクタンス型の機械に関する。

スイッチングされるリラクタンスの機械は、近年ますます普及してきている。スイッチングされるリラクタンス・モータにおいて、固定子は、極の各組と関連した磁界の影響下で、極の付勢された対と調和して回転子を回転させるよう順次に付勢される極の組を有している。極の異なった対の間で迅速にスイッチングすることにより、回転子を非常に高速で回転させることが可能である。

スイッチングされるリラクタンス・モータにおける最近の発展は、以前に得られたものよりも回転子を一層高速で回転させる結果となっている。しかしながら、このような高速での回転子の制御は、問題のあるものであり得る。特に、極が付勢されかつ消勢される回転子の角度位置は、注意深く制御される必要がある。

機械の制御回路と関連したメモリ内に保持された、制御法則テーブルを用いることが提案されてきた。制御法則テーブルは、典型的には、広範囲な動作条件に渡って、ターンオン角度及びターンオフ角度を機械の速度及びトルクと関連させるルック・アップ・テーブルを備えている。しかしながら、このような制御法則テーブルは、ＤＣリンク電圧として知られている、巻線に印加される電圧のための一定値を仮定することによって通常導出される。実際には、メイン（幹線）電源の電圧における変化、並びに環境における他の電気変化が、時間に渡って変化するＤＣリンク電圧に帰結する。

印加電圧の変動を補償するために、種々の提案が為されてきた。例えば、米国特許第６，５８６，９０４号には、ＤＣリンク電圧、回転子の回転速度、及びモータによって生成されるトルクをサンプリングすることが提案されている。これらの測定は、次に、補償された速度値及び補償されたトルク値を導出するために用いられる。これらの値に基づく所望の動作パラメータを導出するために、ルック・アップ・テーブルが次に用いられる。

本発明は、回転子と、少なくとも１つの相巻線と、回転子の角度位置に依存して相巻線を付勢するよう配列された制御器と、を有する電気機械における、印加されたＤＣリンク電圧と、所定のＤＣリンク電圧との間の差を補償する方法であって、印加されたＤＣリンク電圧を測定する段階と、印加されたＤＣリンク電圧の値に依存して相巻線の付勢の角度位置に所定の補正（修正）を与える段階とを含む方法を提供する。

本発明は、一層少ないメモリを用いつつ、現在までに達成可能であったよりも一層簡単な方法で電気機械の制御を許容する。

好ましくは、印加されたＤＣリンク電圧と、角度位置に対する補正（修正）との間の所定の関係が、制御器に関連したメモリ内に記憶される。

ＤＣリンク電圧は、周期的に及び／または機械の起動時に測定され得る。ＤＣリンク電圧は、また、機械がメイン（幹線）電源のような電源に接続されたときで、機械がスイッチング・オンされる前にも測定され得る。

本発明は、さらに、回転子と少なくとも１つの相巻線とを備えた電気機械のための制御器であって、回転子の角度位置に依存して相巻線を付勢するよう配列されており、さらに、ＤＣリンク電圧の印加時に、印加されたＤＣリンク電圧の値に依存して、相巻線の付勢の角度位置に所定の補正（修正）を与えるよう配列されている制御器を含む。

制御器は、種々の電気機械、例えば掃除用電気器具、に組み込まれ得る。

さて、添付図面を参照して例示として本発明を説明する。

同様の参照数字は、明細書全体を通して同様の部品に言及している。

図１は、代表的なスイッチングされるリラクタンスのモータの断面図である。それは、シャフト２上に装着された回転子１と、固定子３とを備えている。回転子１は、一対の極１ａ、１ｂを形成するよう配列された鋼板の軸方向に積層されたスタックを備えている。固定子３は、この例では内方に突出する４つの突出極３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄを有するよう配列された鋼積層のスタックを備えている。対向する極３ａ及び３ｃは、各々、一緒に第１の相を形成する巻線４ａ、４ｂを支持している。直径的に対向している他の極３ｂ及び３ｄは、同様に、第２の相を表わすそれぞれの巻線４ｃ及び４ｄを収容している。各巻線４は、それぞれの固定子極の周りに絶縁された電気導体の多数のターン（例えば、５０＋ターン）を備えている。

使用中、相巻線の付勢は、回転子の回転を行わせるように制御される。このように、相巻線に対する回転子の回転位置を知ることが絶対必要である。従って、位置検出手段が設けられ、この場合においては、エンコーダ・ディスク５、光放射源６及び光センサ（図示せず）の形態で設けられる。エンコーダ・ディスク５は、光放射源６と検出器との間に位置付けられ、該ディスクの平面は、光放射の方向と実質的に直角である。ディスクにおける開口は、光放射源からの光がセンサに伝送されるのを許容する。エンコーダ・ディスク５が回転子組立体１のシャフトと共に回転するので、光放射源からの光は間欠的に遮断される。従って、光センサは、パルス化された光信号を受信する。光センサからの信号は、制御器に伝送される。

低速度においては、相巻線への電圧の印加を制御することは、比較的簡単である。代表的には、これは、以下にさらに説明するパルス幅変調（ＰＷＭ）によって行われる。しかしながら、速度が増加すると、巻線に電圧が印加される回転子の角度位置（ターンオン角度）は、電圧の印加が停止される角度位置（ターンオフ角度）よりも進められなければならない。ターンオン角度は、極が接近するにつれてインダクタンスが上昇を開始する前に巻線内のフラックスをゼロから所望の値まで上昇するのを許容するよう進められなければならない。これは、オン時の進め角度（ｏｎ−ａｄｖａｎｃｅ ａｎｇｌｅ）として知られている。同様に、ターンオフ角度は、極が離れるにつれてインダクタンスが減少を開始する前にフラックスをゼロに減少することができるように進められなければならない。これは、オフ時の進め角度（ｏｆｆ−ａｄｖａｎｃｅ ａｎｇｌｅ）として知られている。

スイッチングされるリラクタンスのモータのための代表的な制御器において、制御法則マップが、ルック・アップ・テーブルの形態で用いられる。このようなテーブルの例が図２に示されている。該テーブルは、メモリ内に保持された一連の記憶場所を備えている。テーブルは、モータの速度と、モータによって生成される所望のトルクとの間の関係を図表で示している。テーブルの各場所には、対応の速度とトルクと生成するよう機械を制御するための制御パラメータが格納されている。代表的には、制御パラメータは、オン時の進め角度とオフ時の進め角度とを備えている。モータの動作中、速度及び電動トルクが測定され、制御システムに入力され、該制御システムは、ルック・アップ・テーブルを用いて適切な点弧角を見つけて、相巻線の付勢を制御し、所望の速度とトルクを達成する。

しかしながら、この種の制御マップの欠点は、それが大量のメモリを占有するということである。さらに、制御マップが、製造において一群のモータに適用される場合には、それらのモータが一致した結果を達成するために同じ性能特性を有するということが肝要である。従って、モータは、物理的及び電気的の双方において、一致しかつ限定された許容範囲を有する構成要素から製造されなければならない。当然、これは、モータの全体価格にかなり加わる。代替的方法は、各モータごとのスクラッチからのルック・アップ・テーブルを生成することであり、この提案は、極端に時間がかかり、また、値段もかかる。

制御マップの生成
さて、この問題を克服する制御マップ、並びに、該制御マップを生成する方法を図３乃至図５を参照して説明する。

本発明による制御マップを生成するために適した装置の概略図が図３に示されている。モータは、参照数字７によって概略的に示されており、電気制御板９と一緒にモータ・バケット８内に配置されている。該装置は、バッテリもしくは整流されてフィルタリングされたＡＣメイン（交流幹線）のいずれかであって良いＤＣ電源の形態にある電圧源１０を含む。電源１０によって与えられるＤＣ電圧は、ＤＣリンクを横切って供給され、電気制御板９によりモータ７の相巻線を横切ってスイッチングされる。この応用においては、（バッテリ、整流器からまたは他のものから）スイッチングされたリラクタンス機械に与えられるＤＣ電圧は、“ＤＣリンク電圧”と称する。

制御板９は、モータ７の相巻線の各々に接続され、相巻線を順番に付勢させることによりモータの動作を制御する。電力計１１がＤＣリンク１１に接続されて入力電力を測定する。電力計１１からの信号は、検査制御器１２に入力され、該検査制御器１２は、次に、電子制御板９にデータを送る。

図４は、広範囲な動作速度に渡って、所望の入力電力プロフィルを示す。このようなプロフィルは、ソフトウェアをモデル化することにより予め決められ得、モータの特定の応用に対して生成され得る。例えば、図４のプロフィルは、真空掃除機のモータに対して生成されたものである。このプロフィルは、８０，０００ｒｐｍと１００，０００ｒｐｍとの間の非常に高い速度において最大電力が発生されるまで、速度と共に安定して増加する電力を示している。この限界以上の速度では、モータは、構成要素に対して過度の磨耗を避けるために、電力を下げるように配列されている。

図５は、公称進み角のマップの形態で対応の所定のプロフィルを示している。このプロフィルは、理想化された動作状態を表わしている。参照数字１３によって示された線は、回転子の増加する速度に対するオフ時の進め角度の変動を示している。参照数字１４によって示された線は、回転子の速度に対するオン時の進め角度の間の関係を示している。オン時の進め角度は、モータが６，０００ｒｐｍを超える速度に達するまで全く変化しない。一層低い速度においては、巻線の付勢は、ＰＷＭによって主に制御される。グラフ上の線１５は、ＰＷＭ制御を示し、電圧が相巻線に与えられている間の各サイクルのパーセンテージを示す。低速、例えば、５，０００ｒｐｍの速度においては、電圧パルスは、デューティ・サイクルのわずか約１０％の間印加される。電圧パルスの幅は、約５０，０００ｒｐｍにおいて全幅の電圧パルスが巻線に印加されるまで、速度の増加と共に増加する。

制御マップを生成するために、電圧源１０は、電子制御板９を介してモータ７に定電圧を供給するように配列されている。印加される定電圧の値は、使用中ＤＣリンクを介して機械に供給されるであろう代表的な動作電圧に対応するよう選択される。真空掃除機のためのモータについての本例においては、定電圧は、代表的な国内メイン（幹線）電源の電圧、例えば、２３０Ｖを表わすよう選択されている。

電力速度プロフィルから所定の入力電力に対応する速度が選択される。この例における便宜的な速度は、８０，０００ｒｐｍであろう。その理由は、モータは、その速度において、全電力で動作しているはずであるということが知られているからである。制御板９は、回転子をその速度まで持って行くために、図５の公称進み角プロフィルに従って巻線に電圧パルスを印加するように配列されている。該パルスは、公称進み角プロフィル内に記憶されたオン時の進め角度及びオフ時の進め角度に従って印加される。

電力計１１は、入力電力を測定し、これを検査制御器１２に信号として送る。制御器１２は、測定された入力電力と、図４の電力プロフィルにより示されている所望の入力電力とを比較する。不一致があれば、検査制御器は、オン時の進め角度及びオフ時の進め角度の双方において増分変化を適用し、入力電力が再度測定される。再度、測定された入力電力と、所望の入力電力との間に不一致があれば、オン時及びオフ時の進め角度は、もう１つの増分によって変化される。代表的な増分角度変化は、０．７°程度である。このプロセスは、測定された入力電力と、所望の入力電力とが実質的に同じになるまで続けられる。同じになったとき、進み角における全変化は、補正係数としてメモリ内に記憶される。使用中、この補正係数は、公称進み角プロフィルの所定の部分に渡って、好ましくは、オン時の進め角度が作用している部分に渡って、用いられる。考慮されている代表的な補正係数を有する進み角プロフィルは、図５において、破線で表わされている。それに加えられる補正係数を有したオフ時の進め角度は、線１６によって示されている。それに加えられる補正係数を有したオン時の進め角度は、線１７によって示されている。

代替的には、進み角は、測定された入力電力が、所定の入力電力に対して或る範囲の値内になるまで、増分的に補正され得る。

公称進み角プロフィル及び補正係数は、制御板と関連した不揮発性メモリ内の場所に永久に保持される。記憶されたデータの量は、代表的には、ルック・アップ・テーブルから成る従来技術の制御マップにおいては、一行のデータと等価のものである。従って、制御マップは、一層小さいメモリが使用されるのを許容し、それにより、機械の価格を減少する。代替的には、余分な使用されないメモリは、他の応用に対して用いられ得る。

さらなる代替は、図６に概略的に示されている。この配列においては、検査制御器１８は、無線周波数（ｒｆ）送信器により制御板１９と通信するよう配列されている。この実施形態においては、補正係数は、ｒｆ信号により制御板１９のメモリに送信される。この配列は、検査制御器と、モータ・バケット８内に隠されている制御板との間の物理的な電気接続に対する必要性を長所的に除去している。

電圧補償
従来技術の制御マップと同様に、上述の制御マップは、巻線に印加される電圧が一定であると仮定している。しかしながら、使用中、ＤＣリンク電圧は、制御マップが導出された電圧から変化する。

図７乃至図９は、総括的に、変化するＤＣリンク電圧を補償する方法を示している。

図７は、使用中のスイッチングされるリラクタンス・モータ２５を示す単純化した概略図である。この図において、電力変換装置は、概略的に、参照数字２０によって示されている。使用中、電力変換装置２０は、メイン（幹線）電源に接続され、フィルタリングされて整流されたＤＣリンク電圧を提供するよう配列されている。適切な電力変換装置は、本出願人による同時係属の特許出願ＧＢ０２２９８７３．５に記載されている。

実際のＤＣリンク電圧の例が図８に線２１によって示されている。電圧信号は、時間と共に急激に揺動する。ＤＣリンク電圧は、ＤＣリンク電圧の平滑化された平均値を提供するために、図７のフィルタ回路２２においてサンプリングされる。代表的な、平均ＤＣリンク電圧は、図８において２３で示されている。この平均ＤＣリンク電圧は、制御器２４に供給され、該制御器２４には、図９に示されたもののような電圧補償マップが記憶されている。

このマップは、進み角と平均ＤＣリンク電圧との間の関係を図で示している。該マップは、実験により導出され得、それ以外には、ソフトウェアをモデル化することにより生成され得る。該マップは、制御器２４と関連した不揮発性メモリに永久に保持される。この例において、進み角は２３０Vにおいてゼロである。これは、２３０Vの巻線に定電圧パルスを印加しつつ制御マップが導出されたからである。従って、制御マップは、該電圧においてモータの正確な制御を与える。この例において、進み角は、ＤＣリンク電圧が増加するにつれて減少するように配列されるか、またはその逆に配列される。

ＤＣリンク電圧がフィルタからサンプリングされるとき、制御器２４は、相が点弧される進み角に印加されるべき補正係数を導出するために、メモリ内に保持された電圧関係を検討する。例えば、測定されたＤＣリンク電圧が２０７Ｖであるならば、次に、制御器は、２．１°のオン及びオフ時の進め角度の双方への進み角修正（補正）を適用する。従って、相の点弧は、簡単な態様で制御され、モータの特性、例えば、トルク、速度、を測定するためのセンサに対する必要性を減少する。

電圧と角度の修正（補正）との間の関係は、１９のマップの形態に記憶される必要がない。例えば、該関係が線形なものである場合には、制御器が、所定の補正係数を、各ボルトごとに進み角に適用するようにすること、もしくは、適用されたＤＣリンク電圧がシフトされるボルトの分数に適用するようにすることは、当業者の能力内のことであろう。

電圧補償の上述の方法は、連続的に、周期的に適用され得るか、もしくは単にモータの開始時のような所定のイベントにおいて適用され得る。

モータが電源に接続されるが走行されていないときに、電流が回路から引き出されていないので、ＤＣリンク電圧は、電流が引き出されている場合に予想されるであろうものよりも概して高いということが分かっている。従って、補正係数は、純粋にモータの起動時における点弧角を修正するために記憶され得る。このことは、単に、所定の電圧値によって角度補償要素をシフトすることによって行われ得る。例えば、起動時、３１５ＶのＤＣリンク電圧が、１．４°の対応の進み角調節を有し得る。

さらなる改良は、ヒステリシス制御の適用である。測定されたＤＣリンク電圧が２つの値の間で急速に揺動するならば、進み角補正係数は、それに応じて揺動する傾向がある。制御器は、該制御器が進み角修正（補正）に対する新しい値を適用する前に、電圧における変化が所定の増分よりも大きくなければならないというように配列され得、それにより、進み角の変化は、電圧における変化よりも遅れる。例えば、ＤＣリンク電圧が、２３０Ｖから２３２Ｖに上昇したならば、制御器は、進み角に修正（補正）を与える前に電圧が、２３４Ｖに上昇してしまうまで待機するよう構成され得る。

本発明は、スイッチングされるリラクタンス機械に適用可能であり、例えば、一分間に１００，０００回転の高速で動作するような機械において、特に有用である。

図１０は、スイッチングされるリラクタンス・モータが用いられ得る真空掃除機３０の一例を示す。該モータは、非常に高速でインペラーを駆動するよう配列されている。インペラーのポンピング（吸い込み）動作は、ノズル３１とホース及びワンド組立体３２とを介して、掃除機内に汚れた空気を吸い込む。汚れた空気は、汚れた空気から汚れ及びほこりを分離するよう働く分離機３３に入る。分離機３３は、ここに示されているサイクロン性の分離機であって良く、もしくは、集塵袋（ダスト・バッグ）のような幾つかの他の分離機であっても良い。洗浄された空気は、掃除機（クリーナ）の本体３４内に配置されたモータ・ハウジングに入る前に、分離機３３を離れる。代表的には、インペラーの前の空気流れ経路内に、モータ前フィルタが置かれており、分離機３３によって分離されなかった何等かの微細な粉塵粒子をフィルタリングする。モータ後フィルタが、空気流れ経路内に置かれても良い。しかしながら、ブラシレス・モータを設ければ、このようなフィルタの必要性を減少する。洗浄された空気は、次に、適切な出口を介して掃除機から大気に排出される。

説明した実施形態に対する変形例は、当業者には明瞭であり、本発明の範囲内にあるよう意図されている。例えば、４極の固定子、２極の回転子の機械が説明されてきたけれども、本発明は、他の寸法を有するモータであってその固定子及び回転子上に他の数の極を有する機械にも等しく適用され得る。

本発明は、必ずしもスイッチングされるリラクタンス型ではないモータ及び発電機にも等しく適用され得、家庭用真空掃除機以外の、芝刈機、空気調和機、ハンド・ドライヤ及びウォータ・ポンプのような電気器具にも用いられ得る。

代表的なスイッチングされるリラクタンス・モータを示す概略図である。 図１のモータのための従来の制御マップを示す図である。 図１のモータのための制御マップを生成するための装置の概略図である。 図１のモータの動作速度範囲に渡る所望の入力電力を示すグラフである。 図１のモータを制御するための制御マップを示す図である。 図１のモータのための制御マップを生成するための代替的な装置の概略図である。 図１のモータ及び制御回路を示す概略図である。 ＤＣリンク電圧の代表的な波形を示す図である。 印加されたＤＣリンク電圧と、相巻線が付勢されている回転子の角度位置に対する修正との間の関係を示す図である。 図１のモータを組み込んだサイクロン性の真空掃除機の形態の掃除用電気器具を示す図である。

符号の説明

７ モータ
８ モータ・バケット
９ 制御板
１０ 電圧源
１１ 電力計
１２、１８ 検査制御器
２０ 電力変換装置
２２ フィルタ回路
２４ 制御器
２５ リラクタンス・モータ

Claims (9)

1. 回転子と、少なくとも１つの相巻線と、前記回転子の角度位置に依存して相巻線を付勢するよう配列された制御器と、を有する電気機械における、印加されたＤＣリンク電圧と、所定のＤＣリンク電圧との間の差を補償する方法であって、制御器は、進み角マップ及び電圧補償マップを記憶するメモリを備え、進み角マップは、回転子速度の範囲に渡って、前記回転子の角度位置に対して相巻線の付勢をターンオン及びターンオフさせるための点弧角を含み、前記点弧角は、前記相巻線を付勢するために使用される前記ＤＣリンク電圧が前記所定のＤＣリンク電圧と一致する場合に、電力と回転子速度との関係を示す所望の電力プロフィルを達成し、前記電圧補償マップは、複数の異なるＤＣリンク電圧のそれぞれについて補正係数を含み、当該方法は、前記回転子の速度を測定する段階と、前記相巻線を付勢するために使用される前記印加されたＤＣリンク電圧の平均値を測定する段階と、前記回転子速度を用いて進み角マップを検討して、点弧角を得る段階と、前記印加されたＤＣリンク電圧の平均値を用いて前記電圧補償マップを検討して、補正係数を得る段階と、前記得られた点弧角に前記得られた補正係数を適用する段階と、前記補正係数が適用された点弧角を用いて前記印加されたＤＣリンク電圧で前記相巻線を付勢する段階と、を含む方法。
2. 印加されたＤＣリンク電圧は、周期的に測定される請求項１に記載の方法。
3. 印加されたＤＣリンク電圧は、機械が起動したときに測定される請求項１または２に記載の方法。
4. 機械が電源に接続されたとき、かつ機械がスイッチング・オンされる前に、印加されたＤＣリンク電圧を測定する段階をさらに含み、そして、測定されたＤＣリンク電圧の値に依存して、機械の起動時に相巻線の付勢の角度位置に所定の補正を与える段階をさらに含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 平均値を導出する段階は、印加されたＤＣリンク電圧にフィルタを与える段階を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 回転子と少なくとも１つの相巻線とを備えた電気機械のための制御器であって、前記回転子の角度位置に依存して相巻線を付勢するよう配列された前記制御器において、制御器は、進み角マップ及び電圧補償マップを記憶するメモリをさらに備え、進み角マップは、回転子速度の範囲に渡って、前記回転子の角度位置に対して相巻線の付勢をターンオン及びターンオフさせるための点弧角を含み、前記点弧角は、前記相巻線を付勢するために使用されるＤＣリンク電圧が所定のＤＣリンク電圧と一致する場合に、電力と回転子速度との関係を示す所望の電力プロファイルを達成し、前記電圧補償マップは、複数の異なるＤＣリンク電圧のそれぞれについて補正係数を含み、当該制御器は、さらに、前記回転子の速度を用いて進み角マップを検討して、点弧角を選択し、前記印加されたＤＣリンク電圧の平均値を用いて前記電圧補償マップを検討して、補正係数を得、前記選択された点弧角に前記得られた補正係数を適用し、前記補正係数が適用された点弧角を用いて前記印加されたＤＣリンク電圧で前記相巻線を付勢するよう配列されている制御器。
7. 請求項６に記載の制御器を組み込んだ電気機械。
8. スイッチングされたリラクタンス・モータの形態にある請求項７に記載の電気機械。
9. 請求項７または８に記載の電気機械を組み込んだ掃除用電気器具。

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