JP6184073B2

JP6184073B2 - 電気機械のロータ角度を推定する方法およびシステム

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Publication number: JP6184073B2
Application number: JP2012227719A
Authority: JP
Inventors: ラヴ・タイアガラジャン
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2017-08-23
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Description

本発明は、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定する方法およびシステムに関する。

従来技術

電気機械(electric machine)または電気モータ(electric motor)は、永久磁石およびステータを有するロータに特徴があると考えられる。例えば、電気機械は、永久磁石（ＰＭ）モータ、内部永久磁石（ＩＰＭ）モータ、またはＩＰＭ同期モータを含むことができる。電気機械は、従来の手法の適用では精度高く推定することが困難な、ロータ角度またはロータ位置を有する場合がある。

電気機械の初期ロータ位置を推定するには、様々な異なる従来の技術的手法がある。第１の手法の下では、モータの逆起電力（逆ＥＭＦ）電圧が、ステータに対するロータ位置の関数となるので、センサは多相交流モータの非励起相の逆起電力波形から、ロータ位置情報を抽出することができる。しかしながら、この第１の手法は、モータが低回転速度で動作している場合には、ロータ位置を推定するのに適していない。何故なら、逆ＥＭＦ電圧は、速度しきい値（例えば、毎分１００回転）よりも低い低回転速度で精度高く検出するには、余りに低過ぎることが頻繁に起こるからである。加えて、電気機械の１つ以上の電流搬送相における切り替え過渡からの電磁ノイズまたは干渉が、ロータ位置の推定誤差を招く可能性がある。

第２の手法の下では、コンピュータが、電気機械の相電圧および相電流に基づいて、ロータ位置を推定する。例えば、コンピュータをカルマン・フィルターと関連付けて、ロータ位置を推定することができる。この第２の手法は、計算集約的であることが多く、定量化誤差、丸め誤差、および低い測定精度を生じやすい。第２の手法のロータ位置推定値は、例えば、積分関数(integration functions)のドリフトのために、モータが速度しきい値（例えば、毎分１００回転（ＲＰＭ））よりも低い低速において動作しているときに、精度が低くなる可能性がある。十分に高精度にするためには、第２の手法は一般に温度変化に伴うモータ・パラメータの変化を補償する必要があるが、これは計算の複雑さの一因となる。

第３の手法の下では、永久磁石モータにおけるロータの突出を使用して、非対照的なロータ構造または磁気飽和に基づいて、ロータ位置を推定する。この第３の手法は、高周波検査信号のモータの制御端子への注入を使用することができる。第３の手法は、モータの低回転速度ではうまく作用し一般にロータ速度には独立しているが、第３の手法は、ロータの突出がない表面実装永久磁石交流モータのような、非突出永久磁石モータでは使用することができない。したがって、以上に記した欠点の１つ以上に取り組むために、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定する方法およびシステムの改良が求められている。

一実施形態では、電気機械のロータ角度を推定する方法およびシステムは、永久磁石電気機械に結合されているエンコーダから位置サンプルを受け取る。これらの位置サンプルは、データ記憶デバイスに格納される。データ・プロセッサが、連続する位置サンプル間における第１複数の第１位置変化（例えば、Δ_Ｐ１）を判定する。このデータ・プロセッサは、連続する第１位置変化間において、第２複数の第２変化（例えば、Δ_Ｐ２）を判定する。データ・プロセッサは、各第１位置変化が全体的に増大しているか、減少しているか、または一定であるか判断する。補正運動係数（例えば、第１位置変化が全体的に増大しているかまたは減少しているかに基づいて、速度係数（Δ_Ｐ１*ｎ）＋加速係数（Δ_Ｐ２*ｍ））が、各格納されている位置サンプルに適用される。データ・プロセッサは、位置サンプルの特定の１つと、それぞれの時点に対応する位置サンプルの特定の１つと関連した対応第１位置変化とに基づいて、電気機械の最終ロータ角度を推定する。

図１Ａは、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定するシステムの一実施形態のブロック図である。図１Ｂは、図１Ａのセンサ（例えば、エンコーダ）を更に詳細にしたブロック図、およびセンサのデータ処理システムに対する関係を示す。図２は、図１Ａに従う電子データ処理システムのブロック図である。図３は、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定する方法の第１実施形態のフロー・チャートである。図４は、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定する方法の第２実施形態のフロー・チャートである。図５は、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定する方法の第３実施形態のフロー・チャートである。図６は、電気機械のロータ角度またはロータ位置を推定する方法の代替実施形態のフロー・チャートである。

一実施形態によれば、図１Ａは、モータ１１７（例えば、内部永久磁石（ＩＰＭ）モータ）または他の交流電気機械を制御するシステムを開示する。一実施形態では、このシステムは、モータ１１７の他に、インバータまたはモータ・コントローラと呼ぶこともできる。

このシステムは、電子モジュール、ソフトウェア・モジュール、または双方を含む。一実施形態では、モータ・コントローラは、１つ以上のソフトウェア・モジュールのソフトウェア命令の格納、処理、または実行をサポートするために、電子データ処理システム１２０を含む。電子データ処理システム１２０は、図１Ａでは破線で示されており、図２において更に詳しく示されている。

データ処理システム１２０は、インバータ回路１８８に結合されている。インバータ回路１８８は、モータ１１７に制御信号を出力するために、スイッチング半導体（例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）または他のパワー・トランジスタ）を駆動または制御する半導体駆動回路を含む。一方、インバータ回路１８８は、モータ１１７または電気機械に結合されている。

モータ１１７は、センサ１１５（例えば、位置センサ、レゾルバ、またはエンコーダ位置センサ）と関連付けられている。センサ１１５は、モータ軸１２６またはロータと関連付けられている。モータ軸１２６は、破線として示されている。何故なら、モータ軸１２６は、センサ１１５に機械的に接続または結合されてもされなくてもよいからである。センサ１１５がモータ軸１２６に機械的に接続または結合されていない場合、センサ１１５は、電磁場、即ち、モータ軸１２６またはロータ上に取り付けられている１つ以上の磁石に関連する場を検知する。

センサ１１５およびモータ１１７（または電気機械）は、データ処理システム１２０に結合され、例えば、可能なフィードバック・データまたは信号の中でもとりわけ、フィードバック・データ（例えば、ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃのような電流フィードバック・データ）、生の位置信号を供給する。他の可能なフィードバック・データには、限定ではないが、巻線温度読み取り値、インバータ回路１１８の半導体温度読み取り値、三相電圧データ、あるいはモータ１１７についての他の熱または性能情報が含まれる。

一実施形態では、トルク・コマンド生成モジュール１０５が、ｄ−ｑ電流生成マネージャ１０９（例えば、ｄ−ｑ軸電流生成参照表）に結合されている。ｄ−ｑ軸電流とは、モータ１１７のような、ベクトル制御交流機械のコンテキストにおいて適用可能な、直接軸電流および直角軸電流のことである。ｄ−ｑ軸電流生成マネージャ１９０の出力、および電流調節モジュール１０７（例えば、ｄ−ｑ軸電流調節モジュール１０７）の出力は、加算器１１９に供給される。一方、加算器１１９の１つ以上の出力（例えば、直接軸電流データ（ｉ_ｄ ^＊）および直角軸電流データ（ｉ_ｑ ^＊））は、電流規制コントローラ１１１に供給または結合される。

電流規制コントローラ１１１は、パルス幅変調（ＰＷＭ）生成モジュール１１２（例えば、空間ベクトルＰＷＭ生成モジュール）と通信することができる。電流規制コントローラ１１１は、それぞれのｄ−ｑ軸電流コマンド（例えば、ｉ_ｄ ^＊およびｉ_ｑ ^＊）および実際のｄ−ｑ軸電流（例えば、ｉｄおよびｉｑ）を受け取り、対応するｄ−ｑ軸電圧コマンド（例えば、ｖ_ｄ ^＊およびｖ_ｑ ^＊コマンド）を、ＰＷＭ生成モジュール１１２への入力のために出力する。

一実施形態では、ＰＷＭ生成モジュール１１２は、例えば、モータ１１７の制御のために、直接軸電圧および直角軸電圧データを、二相データ表現から三相表現（例えば、ｖ_ａ ^＊、ｖ_ｂ ^＊、およびｖ_ｃ ^＊のような、三相電圧表現）に変換する。ＰＷＭ生成モジュール１１２の出力は、インバータ１８８に結合されている。

インバータ回路１１８は、モータ１１７に印加されるパルス幅変調信号または他の交流信号（例えば、パルス、方形波、正弦波、または他の波形）を生成、変更、および制御するために、スイッチング半導体のような、パワー・エレクトロニクスを含む。ＰＷＭ生成モジュール１１２は、インバータ回路１８８内部にあるドライバ段に入力を供給する。インバータ回路１８８の出力段は、モータの制御のために、パルス幅変調電圧波形、または他の電圧信号を供給する。一実施形態では、インバータ１８８は直流（ＤＣ）電圧バスによって給電される。

モータ１１７（または電気機械）は、センサ１１５（例えば、レゾルバ、エンコーダ、速度センサ、あるいは他の位置センサまたは速度センサ）と関連付けられている。センサ１１５は、モータ軸１２６の角度位置、モータ軸１２６の速度(speed or velocity)、およびモータ軸１２６の回転方向の内少なくとも１つを推定する。センサ１１５は、モータ軸１２６上に取り付けられるか、またはこれと一体化するのでもよい。あるいは、センサ１１５は、モータ軸１２６から離間している非接触センサまたは磁場センサ（図１Ｂにおける２０６）を含むこともできる。センサ１５の出力は、主処理モジュール１１４（例えば、位置および速度処理モジュール）と通信することができる。一実施形態では、センサ１１５をアナログ／ディジタル変換器（図示せず）に結合することができる。このアナログ／ディジタル変換器は、アナログ位置データまたは速度データを、それぞれ、ディジタル位置データまたは速度データに変換する。他の実施形態では、センサ１１５（例えば、ディジタル位置エンコーダ）はモータ軸１２６またはロータについての位置データまたは速度データのディジタル・データ出力を供給することができる。

主処理モジュール１１４の第１出力（例えば、モータ１１７についての位置データおよび速度データ）が、相変換器１１３（例えば、三相／二相電流パーク変換モジュール(Park transformation module)に伝達される。相変換器１１３は、測定された電流のそれぞれの三相ディジタル表現を、測定された電流の対応する二相ディジタル表現に変換する。主処理モジュール１１４の第２出力（例えば、速度データ）は、計算モジュール１１０（例えば、調節電圧／速度比モジュール）に伝達される。

検知回路１２４の入力は、少なくとも測定された三相電流および直流（ＤＣ）バス（例えば、ＤＣ電力をインバータ回路１８８に供給することができる高電圧ＤＣバス）の電圧レベルを検知するために、モータ１１７の端子に結合されている。検知回路１２４の出力は、検知回路１２４の出力をディジタル化するために、アナログ／ディジタル変換器１２２に結合されている。一方、アナログ／ディジタル変換器１２２のディジタル出力は、副処理モジュール１１６（例えば、直流（ＤＣ）バスおよび三相電流処理モジュール）に結合されている。例えば、検知回路１２４は、３つの相電流（例えば、モータ１１７の巻線に印加される電流、巻線内に誘導される逆ＭＦ、または双方）を測定するために、モータ１１７と関連付けられている。

主処理モジュール１１４および副処理モジュール１１６のある種の出力は、相変換器１１３に接続する(feed)。例えば、相変換器１１３は、副処理モジュール１１６からのディジタル三相電流データおよびセンサ１１５からの位置データに基づいて、測定された電流の三相表現を二相電流表現に変換するために、パーク変換または他の変換式（例えば、ある種の適した変換式は、当業者には周知である）を適用することができる。相変換器１１３の出力は、電流規制コントローラ１１１に結合されている。

主処理モジュール１１４および副処理モジュール１１６の他の出力は、計算モジュール（例えば、調節電圧／速度比計算モジュール(adjusted voltage over speed ratio calculation module)）の入力に結合されている。例えば、主処理モジュール１１４は、以下の内１つ以上を供給することができる。ロータの速度データ（例えば、モータ軸１２６の１分毎の回転数）、ロータの加速度データ、角度位置データ、初期ロータ角度、最終ロータ角度、あるいはインバータ切り替え回路１１８またはインバータの起動時における初期ロータ角度。副処理モジュール１１６は、測定された直流電圧（例えば、車両の直流（ＤＣ）バス上における）のレベルを供給することができる。インバータ回路１８８に電気エネルギを供給するＤＣバス上における直流電圧レベルは、種々の要因のために、変動する、即ち、様々に変化する可能性がある。種々の要因には、限定ではないが、周囲温度、バッテリ状態、バッテリ充電状態、バッテリ抵抗またはリアクタンス、燃料セルの状態（該当する場合）、モータ負荷状態、それぞれのモータ・トルクおよび対応する動作速度、ならびに車両電気負荷（例えば、電気的に駆動される空調用コンプレッサー）が含まれる。計算モジュール１１０は、副処理モジュール１１６とｄｑ−軸電流生成マネージャ１０９との間における仲介物として接続されている。計算モジュール１１０の出力は、ｄ−ｑ電流生成マネージャ１０９によって生成される電流コマンドを調節する、またはこれに作用して、とりわけ、直流バス電圧の変動またはばらつきを補償することができる。

温度推定モジュール１０４、電流整形モジュール１０６、および端子電圧フィードバック・モジュール１０８は、ｄｑ−軸電流調節モジュール１０７に結合されている、またはこれと通信することができる。一方、ｄ−ｑ軸電流モジュール１０７は、ｄｑ−軸電流生成マネージャまたは加算器１１９と通信することができる。

温度推定モジュール１０４は、ロータの１つまたは複数の永久磁石の温度を推定または判定する。一実施形態では、温度推定モジュール１０４はステータ上に配置されている１つ以上のセンサからロータ磁石の温度を推定することができる。このセンサは、ステータと熱連通しているか、またはモータ１１７の筐体に固定されている。

他の代替実施形態では、ロータ磁石温度推定モジュール１０４を温度検出器（例えば、ワイヤレス送信機に結合されているサーミスタまたは赤外線熱センサ）と置き換えることができる。この温度検出器は、ロータまたは磁石上あるいはその近くに取り付けられており、この検出器は１つまたは複数の磁石の温度を示す信号（例えば、ワイヤレス信号）を供給する。

一実施形態では、本方法またはシステムは以下のように動作することができる。トルク・コマンド生成モジュール１０５は、車両データ・バス１１８を介して、速度制御データ・メッセージ、電圧制御データ・メッセージ、またはトルク制御データ・メッセージというような、入力制御データ・メッセージを受け取る。トルク・コマンド生成モジュール１０５は、受け取った入力制御メッセージをトルク制御コマンド・データ３１６に変換する。

ｄ−ｑ電流生成マネージャ１０９は、それぞれのトルク制御コマンド・データおよびモータ軸１２６の検出されたそれぞれの速度データと関連した、直接軸電流コマンド・データおよび直角軸電流コマンド・データを選択または決定する。例えば、ｄ−ｑ軸電流生成マネージャ１０９は、以下の内の１つ以上にアクセスすることによって、直接軸電流コマンド、直角軸電流コマンドを選択または決定する。（１）それぞれのトルク・コマンドを対応する直接および直角軸電流に関係付ける参照表、データベース、または他のデータ構造、（２）それぞれのトルク・コマンドを対応する直接および直角軸電流に関係付ける二次方程式または線形方程式、あるいは（３）それぞれのトルク・コマンドを対応する直接および直交軸電流に関係付ける１組の規則（例えば、ｉｆ−ｔｈｅｎ規則）。モータ１１７上のセンサ１１５は、モータ軸１２６について検出された速度データの提供を容易にし、主処理ユニット１１４は、センサ１１５によって供給されたデータを速度データに変換することができる。

電流調節モジュール１０７（例えば、ｄ−ｑ電流調節モジュール）は、ロータ磁石の温度温度推定モジュール１０４、電流整形モジュール１０６、および端子電圧フィードバック・モジュール１０８からの入力データに基づいて、直接軸電流コマンド・データおよび直角軸電流コマンド・データを調節するための電流調節データを供給する。

電流整形モジュール１０６は、以下の係数の内１つ以上に基づいて、直角軸（ｑ−軸）電流コマンドおよび直接軸（ｄ−軸）電流コマンドの補正または暫定的調節を決定することができる。例えば、モータ１１７上のトルク負荷およびモータ１１７の速度。温度推定モジュール１０４は、推定されたロータ温度の変化に基づいて、ｑ−軸電流コマンドおよびｄ−軸電流コマンドの二次調節値を生成することができる。端子電圧フィードバック・モジュール１０８は、コントローラ電圧コマンドの電圧制限に対する関係に基づいて、ｄ−軸電流コマンドおよびｑ−軸電流コマンドに対する第３調節値を与えることができる。電流調節モジュール１０７は、暫定的調節、二次調節値および第３調節値の内の１つを考慮する集計電流調節値を与えることができる。

一実施形態では、モータ１１７は、内部永久磁石（ＩＰＭ）機械または同期ＩＰＭ機械（ＩＰＭＳＭ）を含むことができる。ＩＰＭＳＭは、従来の誘導型機械または表面実装ＰＭ機械（ＳＭＰＭ）と比較すると、例えば、高い効率、高い電力密度、広い一定電力動作領域、保守不要というような、多くの好ましい利点を有する。

センサ１１５（例えば、軸またはロータ速度検出器）は、以下の内１つ以上を含むことができる。直流モータ、光エンコーダ、磁場センサ（例えば、ホール効果センサ）、磁気抵抗センサ、およびレゾルバ（例えば、ブラシレス・レゾルバ）。一構成では、センサ１１５は位置センサを含み、モータ軸１２６についての速度（speed or velocity)データを判定するために、位置データおよび関連した時間データが処理される。他の構成では、センサ１１５は、モータ軸の位置を判定するために、速度センサ、または速度センサと積分器との組み合わせを含む。

更に他の実施形態では、センサ１１５は、モータ軸１２６の速度を判定するために、モータ１１７のモータ軸１２６に機械的に結合されている補助コンパクト直流生成器を含み、この直流生成器は、モータ軸１２６の回転速度に比例する出力電圧を生成する。更に他の構成では、センサ１１５は、光源を有する光エンコーダを含む。この光エンコーダは、軸１２６に結合されている回転体に向けて信号を送り、光検出器において、反射または回折された信号を受け取る。ここで、受け取られた信号パルス（例えば、方形波）の周波数が、モータ軸１２６の速度に比例するのであればよい。追加の構成では、センサ１１５は、第１巻線および第２巻線を有するレゾルバを含み、第１巻線には交流電流が供給され、第２巻線に誘導される電圧が、ロータの回転の頻度と共に変動する。

図１Ｂは、図１のセンサ１１５（例えば、エンコーダ）の図示例、および電子データ処理システム１２０とのセンサの関係を示す。一実施形態では、センサ１１５は位置データ、または１つ以上のロータ角度を示す信号を、データ・プロセッサ２６４、一次処理モジュール１１４、または双方に伝達する。例えば、位置データは、絶対位置データ、増分位置データを含むことができ、一方前述の信号は、１つ以上のパルス幅変調信号、差分信号、方形波信号、または正弦波信号を含むことができる。可能な構成の１つでは、センサ１１５は電子データ処理システム１２０に、第３データ・ポート２７２（図２）およびデータ・プロセッサ２６４（図２）を介して通信することができ、データ・プロセッサ２６４は、（例えば、図１Ｂの）コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６を含む。

図１Ｂに示すように、センサ１１５は、磁場センサ２０６（ホール効果センサ・アレイ）、エンコーダ・ディジタル信号プロセッサ２０４、パルス幅変調（ＰＷＭ）インターフェース２５２、および増分インターフェース２５４を含む。代替実施形態では、ＰＷＭインターフェース２５２および増分インターフェース２５４を１つ以上のデータ・ポート（例えば、シリアル・データ・ポートまたはユニバーサル・シリアル・データ・ポート）と置き換えることもできる。

磁場センサ２０６は、エンコーダ・ディジタル信号プロセッサ２０４との通信のために、エンコーダ・ディジタル信号プロセッサ２０４に結合されている。一方、エンコーダ・ディジタル信号プロセッサ２０４は、ＰＷＭインターフェース２５２および増分インターフェース２５４に結合されている。磁場センサ２０６、エンコーダ・ディジタル信号プロセッサ２０４、ＰＷＭインターフェース２５２、および増分インターフェース２５４を相互接続する線は、物理的データ経路（例えば、１系統以上のデータ・バス）、論理的データ経路（例えば、ソフトウェア・モジュール間の通信）、または双方を含む。

コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６は、更に、取り込み入力２０１、およびカウンタ２０２を有するデコーダ２００（例えば、直角デコーダ）も含む。一実施形態では、取り込み入力２０１は、データ・ポート、復調器、あるいはセンサ１１５からの絶対位置データまたはパルス変調信号のパルス・エッジをデコードするためのパルス・エッジ・デコーダを含む。デコーダ２００は、直角デコーダ、または直角デコーダおよびカウンタ２０２の組み合わせを含むことができる。構成では、デコーダ２００は、位置データ、１つ以上のパルス幅変調信号、または電気機械１１７の推定ロータ角度を示す他の信号を検出し、デコードし、または復調することができる。例えば、カウンタ２０２は、対応する時間間隔において磁場センサ２０６によって出力されるパルス幅変調信号のパルス・エッジ数をカウントまたは追跡するために、デコーダ内部にカウンタを含むことができる。

一構成では、カウンタ２０２には直角デコーダ２００（またはその一部）が関連付けられている。カウンタ２０２は、エンコーダの分解能に基づいて自動的にスケーリングまたは調節されるカウントで、最終ロータ角度を補償するように構成することができる。例えば、エンコーダの分解能に基づいて自動的にカウントをスケーリングまたは調節するのを容易にするために、カウンタ２０２をセンサ１１５（例えば、エンコーダ）のＰＷＭ信号（例えば、ＰＷＭインターフェース２５２から出力される）に同期させることができる。

図１Ｂにおいて、磁場センサ２０６は、磁場、または電気機械（例えば、モータ１１７）のロータの軸１２６の回転に伴う磁場の変化を検知または観察する。磁場センサ２０６は、観察した磁場データをディジタル信号プロセッサ２０４に供給する。一方、エンコーダ・ディジタル信号プロセッサ２０４は、観察された磁場データに基づいて、ロータ角度または速度を推定する。パルス幅変調２００インターフェースは、例えば、ロータ角度または初期ロータ角度を示すパルス幅変調信号を出力する。コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６またはデータ・プロセッサ２６４は、主処理モジュール１１４の補償ソフトウェア命令または補正式を実行して、センサ１１５によって供給される推定ロータ角度または速度の精度を高める。これについては、本文書において更に詳しく説明する。

図２において、電子データ処理システム１２０は、電子データ・プロセッサ２６４、データ・バス２６２、データ記憶デバイス２６０、および１つ以上のデータ・ポート（２６８、２７０、２７２、２７４、および２７６）を含む。データ・プロセッサ２６４、データ記憶デバイス２６０、および１つ以上のデータ・ポートは、データ・プロセッサ２６４、データ記憶デバイス２６０、および１つ以上のデータ・ポート間におけるデータの伝達をサポートするために、データ・バス２６２に結合されている。

一実施形態では、データ・プロセッサ２６４は、電子データ・プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル・ロジック・アレイ、ロジック回路、算術論理ユニット、特定用途集積回路、ディジタル信号プロセッサ、比例−積分−微分（ＰＩＤ）コントローラ、または他のデータ処理デバイスを含むことができる。

データ記憶デバイス２６０は、データを格納するために、任意の磁気、電子、または光デバイスを含むことができる。例えば、データ記憶デバイス２６０は、電子データ記憶デバイス、電子メモリ、不揮発性電子ランダム・アクセス・メモリ、１つ以上の電子データ・レジスタ、データ・ラッチ、磁気ディスク・デバイス、ハード・ディスク・デバイス、光ディスク・デバイス等を含むことができる。

図２に示すように、前述のデータ・ポートは、第１データ・ポート２６８、第２データ・ポート２７０、第３データ・ポート２７２、第４データ・ポート２７４、および第５データ・ポート２７６を含むが、任意の適した数のデータ・ポートを使用することができる。各データ・ポートは、例えば、トランシーバまたはバッファ・メモリを含むことができる。一実施形態では、各データ・ポートは任意のシリアルまたはパラレル入力／出力ポートを含むことができる。

図２に示すような一実施形態では、第１データ・ポート２６８が車両データ・バス１１８に結合されている。一方、車両データ・バス１１８はコントローラ２６６に結合されている。一構成では、第２データ・ポート２７０をインバータ回路１８８に結合することができ、第３データ・ポート２７２をセンサ１１５に結合することができ、第４データ・ポート２７４をアナログ／ディジタル変換器１２２に結合することができ、第５データ・ポート２７６を端子電圧フィードバック・モジュール１０８に結合することができる。アナログ／ディジタル変換器１２２は、検知回路１２４に結合されている。

データ処理システム１２０の一実施形態では、トルク・コマンド生成モジュール１０５が、電子データ処理システム１２０の第１データ・ポート２６８と関連付けられているか、またはこれによってサポートされている。第１データ・ポート２６８は、コントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）データ・バスのような、車両データ・バス１１８に結合することができる。車両データ・バス１１８は、第１データ・ポート２６８を介して、データ・バス・メッセージをトルク・コマンドと共にトルク・コマンド生成モジュール１０５に供給することができる。車両の操作者は、スロットル、ペダル、コントローラ２６６、または他の制御デバイスのようなユーザ・インターフェースを介して、トルク・コマンドを生成することができる。

ある種の実施形態では、センサ１１５および主処理モジュール１１４が、データ処理システム１２０の第３データ・ポート２７２と関連付けられている、またはこれによってサポートされているのであってもよい。

一般に、データ・プロセッサ２６４は、電気モータ１１７または電気機械のロータの角度ロータ位置または初期ロータ位置を判定することに加えて、本文書において明記される任意の式または数学的表現、あるいは特許請求の範囲に該当するその変形を実行、判定、計算、または解明することができる。

図３は、電気機械（例えば、電気モータまたは発電機）のロータ角度を推定する方法のフロー・チャートである。この方法は、インデックス・パルスが、例えば、センサ１１５から入手可能か、またはセンサ１１５によって供給されるかには関係なく、インバータ切り替え回路１８８またはインバータの起動時に、モータのロータ角度または初期角度位置を判定するために使用することができる。図３の方法は、ステップＳ１００において開始する。

ステップＳ１００において、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ）は、永久磁石電気機械（例えば、モータ１１７）に結合されているエンコーダまたはセンサ１１５から位置サンプル（例えば、位置データ）を受け取る。ステップＳ１００は、交互にまたは一括して適用することができる種々の手順にしたがって実行される。第１手順の下では、受け取られた位置サンプルは、パルス幅変調信号として表現され、パルス幅変調信号のデューティ・サイクルは、電気機械１７の位置またはロータ角度に比例する。第２手順の下では、受け取られた位置サンプルは、以下の式にしたがって、パルス幅変調信号として表現される。

ここで、Ｐは推定された位置値であり、電気機械１１７のロータ角度を示すか、またはこれに比例する。ｔ_ｏｎは、サンプリングされた信号のオン・デューティ・サイクル部分の時間単位のパルス幅であり（例えば、センサのエンコーダ出力（２５２、２５４）、または直角デコーダ２００における）、ｔ_ｏｆｆは、サンプリングされた信号のオフ・デューティ・サイクル部分の時間単位のパルス幅であり（例えば、センサ１１５のエンコーダ出力（２５２、２５４）、または直交デコーダ２００における）、Ｄは時間を単位とした、可能な最大パルス幅期間にほぼ等しい（例えば、特定のそれぞれのセンサ１１５に対する）。

ステップＳ１０２では、データ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）または主処理モジュール１１４は、位置サンプルをデータ記憶デバイス２６０に格納する。

ステップＳ１０４では、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、連続する位置サンプル間における第１複数の第１位置変化（例えば、Δ_Ｐ１）を判定する。

ステップＳ１０６では、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、連続する第１位置変化間における第２複数の第２変化（例えば、Δ_Ｐ２）を判定する。例えば、第２変化は、単位時間当たりの第１位置変化の微分を表す。

ステップＳ１０８において、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、各第１位置変化が全体的に増大しているか、減少しているか、または一定であるか判定を行う。

ステップＳ１１０において、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、第１位置変化が全体的に増大しているかまたは減少しているかに基づいて、補正運動係数（例えば、速度係数（Δ_Ｐ１*ｎ）＋加速係数（Δ_Ｐ２*ｍ））を、格納されている各位置サンプルに適用する。例えば、補正運動係数は、以下の式にしたがって決定される。

ここで、Ｃは補正運動係数、Δ_Ｐ１は第１位置変化、ｎはｔ／Ｔに等しく、ｔ＝ｔ_{ｆｉｎａｌ}−ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}およびＴ＝１／ｆ_ＰＷＭ、Δ_Ｐ２は第２位置変化、ｍは（ｎ（ｎ＋１））／２に等しく、ｆ_ｐｗｍはエンコーダ１１５によって出力されるパルス幅変調信号の周波数であり、信号のデューティ・サイクルはロータ角度を示す。

ステップＳ１１２において、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、位置サンプルの内特定の１つ、およびそれぞれの時刻に対応する位置サンプルのこの特定の１つと関連した、対応する第１位置変化に基づいて、電気機械１１７の最終ロータ角度またはロータ位置を推定する。ステップＳ１１２は、種々の技法にしたがって実行することができ、これらの技法は個々にまたは集合的に適用することができる。第１技法の下では、データ・プロセッサ２６４は、第１位置変化がある時間間隔において全体的に増大する場合、最終ロータ角度を推定するために、補正運動係数を、位置サンプルと関連した初期ロータ角度に加算する。第２技法の下では、データ・プロセッサ２６４は、第１位置変化がある時間間隔において全体的に減少する場合、補正運動係数を、位置サンプルと関連した初期ロータ角度から減算する。第３技法の下では、第１位置変化がある時間間隔において一定であるかまたはほぼゼロである場合、最終ロータ角度を推定するために補正運動係数は使用されない（例えば、受け取られる位置サンプルの少なくとも１時間間隔またはサンプリング周期の間一時的に使用されない）。本明細書において使用する場合、ほぼゼロとは、０±１／５を意味することとする。

図４の方法は、図３の方法と同様であるが、図４の方法が更にステップＳ１１４を含むことを除く。図３および図４における同様のステップまたは手順は、同様の参照番号で示されている。

ステップＳ１１４において、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、最終ロータ角度を推定したときの伝搬遅延および経過処理時間を補償するか、または補償された最終ロータ角度を決定する。代替実施形態では、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４は、最終ロータ角度を推定するときまたは補償された最終ロータ角度を決定するときの伝搬遅延または経過処理時間を補償する。伝搬遅延とは、サンプル（例えば、位置データ・サンプル）が取り込まれてから（例えば、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）を含むことができるセンサ１１５上のホール・センサ・アレイ）、そのサンプルがＰＷＭインターフェース（２５２）および増分インターフェース（２５４）において変換され角度データとして入手可能になるまでの間の時間量、即ち、遅延のことを言う。経過処理時間は、第１時点と第２時点との間の差を含み、ここで、第１時点とは、データ・プロセッサ２６４または主データ処理モジュール１１４においてエンコーダ１１５から特定の位置サンプルが受け取られた（例えば、ステップＳ１００において）ときであり、第２時点とは最終ロータ信号が推定されたとき（例えば、ステップＳ１１２において）である。例えば、経過時間は、ｎに等しいかまたはこれに比例するとよく、ここでｎはｔ／Ｔに等しく、ｔ＝ｔ_{ｆｉｎａｌ}−ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}およびＴ＝１／ｆ_ＰＷＭである。主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４は、ロータ速度、ロータ加速データ、または双方を経過処理時間の間において使用して、経過処理時間または伝搬遅延に伴う最終位置のあらゆる誤差を補償する補償最終ロータ角度の決定のために、ステップＳ１１２の最終ロータ角度に加算すべき補償位置成分を推定する。

図５の方法は、図４の方法と同様であるが、図４の方法が更にステップＳ１１６を含むことを除く。図３および図５における同様のステップまたは手順は、同様の参照番号で示されている。

ステップＳ１１６において、電気機械（例えば、１１７）が起動時に回転している場合、主処理モジュール１１４またはデータ・プロセッサ２６４は、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６においてデコーダ２００（例えば、直角デコーダ）のカウンタ２０２を、最終ロータ角度（例えば、補償されたロータ角度）によって、エンコーダ分解能に基づいて自動的にスケーリングされるカウントを単位として更新する。

図６の方法は、電気機械のロータ角度を推定する方法の代替実施形態を示す。図６の方法は、ステップＳ６００において開始する。
ステップＳ６００において、データ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）または主処理モジュール１１４は、永久磁石電気機械１１７に結合されているエンコーダ１１５からのパルス幅変調信号として、位置サンプルを受け取る。

ステップＳ６０２において、データ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）または主処理モジュール１１４は、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６またはデータ・プロセッサ２６４におけるデコーダ２００を、エンコーダ１１５によって出力されたパルス幅変調（ＰＷＭ）信号の先端エッジに同期させる。例えば、エンコーダ１１５のＰＷＭ出力（例えば、２５２）を、直角デコーダ２００またはコントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６のストローブ入力に接続して、デコーダまたはコントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６の、エンコーダ１１５によって出力された信号のパルスの先端エッジへの同期を容易にすることができる。

ステップＳ６０４では、データ・プロセッサ２６４（例えば、コントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）または論理回路は、デコーダ２００のカウンタ２０２（図１Ｂ）を増分して、サンプリング期間における各パルス幅変調信号の先端エッジ、後端エッジ、または双方の検出に基づいて、最終ロータ位置を推定する。例えば、エンコーダ１１５のＰＷＭ出力（例えば、２５２）が直角デコーダ２００（例えば、直角デコーダ）のストローブ入力に接続されている場合、ストローブ・イベントの検出時に、直角デコーダ・カウンタ２０２を０にリセットし、その後検出されたエッジ毎に、絶対位置によって戻された値が、直角デコーダに更新される。したがって、一旦エッジを検出するために直角デコーダ２００が同期されると、直角デコーダ２００、したがってエンコーダ１１５および電子データ処理システム１２０（例えば、データ・プロセッサ２６４またはコントローラ・ディジタル信号プロセッサ２５６）は、高い精度でロータ位置を追跡することができる。

本明細書において開示した図１Ａから図６までの方法およびシステムは、ロータの回転速度（例えば、１００ＲＰＭ以下というような、ロータの低回転速度）に関係なく、そして電気機械のロータがロータ突出を有するか否かにも関係なく、電気機械（例えば、電気モータ）におけるロータのロータ角度または位置の正確な推定を達成するのに非常に適している。更に、図１Ａから図６までの方法およびシステムは、いずれのモータ・パラメータにも依存せず、ロータ角度を推定するために電圧相情報や電流相情報を必要としない。本明細書において開示した方法およびシステムは、事実上あらゆるタイプの電気モータに応用するのに非常に適しており、ロータ位置を推定するために電圧相および電流相を用いるというような、ある種の従来技術の構成よりも計算集約的ではない。例えば、本明細書において開示した方法およびシステムは、個々のモータの磁場または極構成を特徴化する必要なく、更に、回転速度のある範囲内でしか使用できない逆起電力を検知する必要なく、電気機械の起動時におけるロータ角度および初期ロータ角度の正確な推定値を与える。

有利なこととして、本明細書において開示した方法およびシステムは、ロータが静止しているかまたはコントローラ起動時に回転しているときに、初期ロータ角度を判定するために、エンコーダからのインデックス・パルスを全く必要とせずに、初期ロータ角度の判定を簡単に行える。代わりに、しかるべき運動補正係数の適用によって（例えば、初期位置補正を直角デコーダまたはエンコーダに、フィーバック・データまたはフィードバック信号として供給するため）、モータが静止しているかまたは起動時に動いているのかに基づいて、初期ロータ角度が推定される。

以上、好ましい実施形態について説明したが、添付した特許請求の範囲に定められている本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができることは明白であろう。

Claims

電気機械のロータ角度を推定する方法であって、
永久磁石電気機械に結合されたエンコーダから位置サンプルを受け取るステップと、
前記位置サンプルをデータ記憶デバイスに格納するステップと、
連続する位置サンプル間において第１の複数の第１位置変化を判定するステップと、
連続する第１位置変化の間において、第２の複数の第２変化を判定するステップと、
各第１位置変化が、全体的に増大しているか、減少しているか、または一定か判定を行うステップと、
前記第１位置変化が全体的に増大しているかまたは減少しているかに基づいて、格納された各位置サンプルに補正運動係数を適用するステップと、
前記位置サンプルの内特定の１つと、それぞれの時点に対応する前記位置サンプルの前記特定の１つと関連した、対応する第１位置変化とに基づいて、前記電気機械の最終ロータ角度を推定するステップと、
前記電気機械が起動時に回転している場合、デコーダまたはディジタル信号プロセッサのカウンタを補償最終ロータ角度によって、エンコーダ分解能に基づいて自動的にスケーリングされるカウントを単位として、更新するステップと、
を含む、方法。
請求項１記載の方法において、前記受け取った位置サンプルが、パルス幅変調信号として表現され、前記パルス幅変調信号のデューティ・サイクルが、前記電気機械の位置またはロータ角度に比例する、方法。
請求項２記載の方法において、前記受け取った位置サンプルが、以下の式にしたがって表現され、
ここで、Ｐは推定された位置値であり、前記電気機械のロータ角度に比例し、ｔ_ｏｎは、サンプリングされた信号のオン・デューティ・サイクル部分の時間単位のパルス幅であり、ｔ_ｏｆｆは、サンプリングされた信号のオフ・デューティ・サイクル部分の時間単位のパルス幅であり、Ｄは時間を単位とした、可能な最大パルス幅期間にほぼ等しい、方法。
請求項１記載の方法において、前記補正運動係数が、以下の式にしたがって決定され、
ここで、Ｃは補正運動係数、Δ_Ｐ１は第１位置変化、ｎはｔ／Ｔに等しく、ｔ＝ｔ_{ｆｉｎａｌ}−ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}およびＴ＝１／ｆ_ＰＷＭ、Δ_Ｐ２は第２位置変化、ｍは（ｎ（ｎ＋１））／２に等しく、ｆ_ｐｗｍは前記エンコーダによって出力されるパルス幅変調信号の周波数であり、前記信号のデューティ・サイクルはロータ角度を示す、方法。
請求項４記載の方法において、前記第１位置変化がある時間間隔において全体的に増大する場合、前記最終ロータ角度を推定するために、前記補正運動係数が、位置サンプルと関連した初期ロータ角度に加算される、方法。
請求項１記載の方法において、前記第１位置変化がある時間間隔において一定である場合、前記最終ロータ角度を推定するために、前記補正運動係数が使用されない、方法。
請求項１記載の方法であって、更に、
前記最終ロータ角度を推定するときに、伝搬遅延または経過処理時間を補償するステップを含む、方法。
電気機械のロータ角度を推定するシステムであって、
永久磁石電気機械に結合されたエンコーダと、
前記エンコーダから位置サンプルを受け取り、データ記憶デバイスに前記位置サンプルを格納する主処理モジュールと、
連続する位置サンプル間において第１複数の第１位置変化を判定し、連続する第１位置変化間において第２複数の第２変化を判定し、各第１位置変化が全体的に増大しているか、減少しているか、一定であるか判定する、前記主処理モジュールのデータ・プロセッサと、
を含み、
前記データ・プロセッサが、前記第１位置変化が全体的に増大しているかまたは減少しているかに基づいて、格納された各位置サンプルに補正運動係数を適用し、
前記データ・プロセッサが、前記位置サンプルの内特定の１つと、それぞれの時点に対応する、前記位置サンプルの前記特定の１つと関連した、対応する第１位置変化とに基づいて、前記電気機械の最終ロータ角度を推定し、前記システムは更に、
前記エンコーダに結合されたコントローラ・ディジタル信号プロセッサと、
前記コントローラ・ディジタル信号プロセッサのカウンタであって、エンコーダ分解能に基づいて自動的にスケーリングされるカウントで最終ロータ角度を補償するように構成された、カウンタと、
を含む、システム。
請求項８記載のシステムにおいて、前記受け取った位置サンプルが、パルス幅変調信号として表現され、前記パルス幅変調信号のデューティ・サイクルが、前記電気機械の位置またはロータ角度に比例する、システム。
請求項９記載のシステムにおいて、前記受け取った位置サンプルが、以下の式にしたがって表現され、
ここで、Ｐは推定された位置値であり、前記電気機械のロータ角度に比例し、ｔ_ｏｎは、サンプリングされた信号のオン・デューティ・サイクル部分の時間単位のパルス幅であり、ｔ_ｏｆｆは、サンプリングされた信号のオフ・デューティ・サイクル部分の時間単位のパルス幅であり、Ｄは時間を単位とした、可能な最大パルス幅期間にほぼ等しい、システム。
請求項８記載のシステムにおいて、前記補正運動係数が、以下の式にしたがって決定され、
ここで、Ｃは補正運動係数、Δ_Ｐ１は第１位置変化、ｎはｔ／Ｔに等しく、ｔ＝ｔ_{ｆｉｎａｌ}−ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}およびＴ＝１／ｆ_ＰＷＭ、Δ_Ｐ２は第２位置変化、ｍは（ｎ（ｎ＋１））／２に等しく、ｆ_ｐｗｍは前記エンコーダによって出力されるパルス幅変調信号の周波数であり、前記信号のデューティ・サイクルはロータ角度を示す、システム。
請求項１１記載のシステムにおいて、前記第１位置変化がある時間間隔において全体的に増大する場合、前記データ・プロセッサが、前記最終ロータ角度を推定するために、前記補正運動係数を、位置サンプルと関連した初期ロータ角度に加算するように構成されるかまたは命令される、システム。
請求項８記載のシステムにおいて、前記第１位置変化がある時間間隔において一定であるかまたはほぼゼロである場合、前記データ・プロセッサが、前記最終ロータ角度を推定するために、前記補正運動係数を使用しないかまたは前記補正運動係数をゼロにセットする、システム。
請求項８記載のシステムにおいて、前記データ・プロセッサが、前記最終ロータ角度を推定するときに、伝搬遅延または経過処理時間を補償する、システム。