JP6266578B2 - 永久磁石電気機械のロータ位置決定に関するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ又は発電機等の機械においてロータの位置を決定することに関し、特に、磁化軸を特定することでロータの位置を決定することに関する。

機械の磁化軸を特定することにより、機械内での電力流の制御が可能となる。永久磁石と共にロータを使用する機械は、センサを使用して、磁化軸を特定する場合が多い。センサは、システムの複雑性を高め、望ましくない場合がある。端子電圧及び線電流を組み合わせて機械のＥＦＬＵＸを推定することで、磁化軸の特定が可能となる。磁化軸を特定するための機械のＥＦＬＵＸの決定は、機械が高速で動作している際には、機械が測定可能なＥＦＬＵＸを既に有しているため効果的だが、しかしながら、機械の速度の低下と共に機械の端子電圧が降下すると、決定の有効性は減少する。機械が静止状態にある時には、速度に関連する機械端子電圧は存在しないため、端子電圧を使用してＥＦＬＵＸを間接的に測定するロータ位置決定は、役に立たない。

ＵＳ０６４０１８７５では、上述のようなインダクタンスの変化を使用して磁化軸を特定する方法を教示しており、方法では、ゼロ速度以外を検出する手段を教示せず、先験的な形状に対する刺激を制限しており、例えば、ゼロ電流調整において予想されるような、事前にあまり定義されていない波形への拡張は容易ではない。

したがって、固定された高速及び低速機械の磁化軸の特定を可能にするシステム及び方法が望まれる。

ロータ一を決定する方法例は、ステータへ信号を送信するステップと、第一の推定ステータインダクタンスを示す第一の信号を受信するステップと、第二の推定ステータインダクタンスを示す第二の信号を受信するステップと、を備える。方法は、更に、第一の推定ステータインダクタンスと第二の推定ステータインダクタンスとを含む関数を使用して第一のロータ位置角度を計算するステップを備える。

実施形態例は、ステータと、コントローラとを備える電気機械システムを含む。コントローラは、ステータへ信号を送信し、第一の推定ステータインダクタンスを示す第一の信号を受信し、第二の推定ステータインダクタンスを示す第二の信号を受信し、第一の推定ステータインダクタンスと第二の推定ステータインダクタンスとを含む関数を使用して第一のロータ位置角度を計算する動作が可能である。

電気機械システムの実施形態例の図である。 図１に示したシステムにおいてロータ位置を決定するための方法のブロック図の実施形態例を示す図である。 第一の参照配列関数の実施形態例を示す図である。 方法において使用された軸の空間的関係の例を示す図である。 第二の参照配列関数の実施形態例を示す図である。

本発明の上記及び他の特徴、態様、及び利点は、各図を通して同様の参照符号が同様の要素を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで良く理解されよう。

以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態を完全に理解するために多数の具体的な詳細について述べる。しかしながら、当業者は、こうした具体的な詳細が無くとも本発明の実施形態を実現し得ると共に、本発明は説明した実施形態に限定されず、別の様々な実施形態において本発明を実現し得ることを理解し得よう。また、周知の方法、手順、及び構成要素は、詳細な説明を省略している。

更に、様々な動作を、本発明の実施形態を理解するのに役立つ形で実行される多数の個別ステップとして説明する場合がある。しかしながら、説明の順序は、こうした動作を提示した順序で実行する必要があること、或いは、順序依存性であることを意味するものと解釈されるべきではない。更に、繰り返して使用される語句「実施形態において」は、必ずしも同じ実施形態を示すとは限らないが、そうである場合もある。最後に、「備える」、「含む」、「有する」等の用語は、本願での使用において、特に示唆されない限り、同義のものである。

ロータ位置を決定するためにモータ又は発電機等の機械の端子磁束を測定することは、機械内の端子電圧が相対的に高い時には有効である。機械が低い機械端子電圧を有する時、例えば、機械が低速で動作している時、或いは、機械が静止状態にある時、ロータ位置を決定するために機械端子電圧を使用することには効果がない。

図１は、電気システム１００の実施形態例を示す。システム１００は、例えば、モータ又は発電機となり得る電気機械１０１を含む。機械１０１は、ステータ１０２と、ロータ１０４とを含む。機械１０１は、プロセッサを有するコントローラ１０８に接続される。ロータ１０４は、Ｎ極とＳ極とを有する。図１は、ステータ１０２に対するロータ１０４の角度位置を計算するために使用し得る角度１０６を示している。

ロータ１０４の位置を決定するための以前の方法では、ステータ１０２の逆電磁束（ｅＦｌｕｘ）を計算することでロータ１０４内の磁化軸の位置を計算する。機械１０１が動作する時には、逆ｅＦｌｕｘが生じる。逆ｅＦｌｕｘは、ステータ１０２における電圧及び電流を測定することで計算し得る。逆ｅＦｌｕｘが分かると、ロータ１０４の角度位置を決定し得る。しかしながら、機械の速度が低下すると、逆ｅＦｌｕｘが降下し、逆ｅＦｌｕｘを使用してロータ１０４の位置を計算することの有効性が減少する。機械が静止状態にある時には、機械に逆ｅＦｌｕｘは存在しない。したがって、ロータ１０４の位置を決定するために逆ｅＦｌｕｘを使用することに効果がなくなる。

図２は、（図１の）ロータ１０４の角度位置を決定するための方法２００の一例を示すブロック図である。方法は、例えば、コントローラ１０８のプロセッサにより実行し得る。方法２００は、コントローラ１０８からステータ１０２へ信号を送信することを含む。信号は、例えば、パルス幅変調信号にしてよい。信号は、測定可能な電圧及び電流をステータ１２０において発生させる。発生した電圧は、電圧−秒アルファ（ＶＳａ）及び電圧−秒ベータ（ＶＳｂ）として図２に示している。発生した電流Ｉ−アルファ及びＩ−ベータを経時的に測定して電流の変化を決定し、デルタＩ−アルファ（Ｄｅｌｔａ Ｉａ）及びデルタＩ−ベータ（Ｄｅｌｔａ Ｉｂ）とする。ＶＳ値をＤｅｌｔａ Ｉ値により割り、推定増分インダクタンス値（Ｌａ Ｅｓｔ．及びＬｂ Ｅｓｔ．）を求める。Ｌａ Ｅｓｔ．及びＬｂ Ｅｓｔ．は、ブロック２０２の第一の参照配列関数に入力される。図４は、方法において使用された軸の空間的関係の例を示す。

第一の参照配列関数は、推定インダクタンスと、ロータ１０４の角度位置との関数である。図３は、第一の参照配列関数３０１の実施形態例を示す。関数３０１は、正弦関数であり（制限関数は、非限定的な例である。インダクタンスの変化との適合性が高く、モデル誤差を低減する他の記述関数を使用してもよく、例えば、位相における平均電流の考慮等、更なる改良が有益となる場合もあり、この効果から予測される誤差の適切な除去が予測され得る）、ここで縦軸は、推定インダクタンスを表し、横軸は、特定の推定インダクタンスにおけるロータ１０４の推定角度位置を表す。ロータ１０４の推定角度位置は、推定インダクタンスを入力することで決定され得る。図２を参照すると、ブロック２０２は、増分インダクタンス角度推定信号２０１を出力する。

上述した方法により、高い機械端子電圧が機械１０１に存在しなくとも、ロータ１０４の角度位置を推定することができる。パルス幅変調信号により、ステータ１０２には、ステータ１０２における増分インダクタンスの決定を可能にする測定可能な電圧及び電流が生じる。増分インダクタンスを関数に入力することで、ロータ１０４の推定角度位置が生じる。

図２は、更に、逆ｅＦｌｕｘを使用してロータ１０４の推定角度位置を計算するための従来の方法も含んでいる。上述した増分インダクタンスによるロータ１０４の推定角度位置と、逆ｅＦｌｕｘによるロータ１０４の推定角度位置とを使用することで、機械１０１が様々な状態で動作している際に、精度を向上させたロータ１０４の推定角度位置を計算し得る。

図２を参照すると、（図１の）機械１０１が逆ｅＦｌｕｘを誘導する速度で動作している時に、機械１０１の逆ｅＦｌｕｘを決定するために、ステータにおける電圧及び電流を測定し得る。アルファ及びベータ軸に関連するステータにおける電流（Ｉ Ｓｔａｔｏｒ ａ及びＩ Ｓｔａｔｏｒ ｂ）をブロック２０６へ入力し、微分する。ブロック２０８において、インダクタンスを計算する。インダクタンスを、ステータ２１０の抵抗に追加する。結果的に生じた値を、アルファ及びベータ軸に関連する測定電圧（Ｖ Ｓｔａｔｏｒ ａ及びＶ Ｓｔａｔｏｒ ｂ）から減じて、逆ｅＦｌｕｘ値（ｅＦｌｕｘ，ａ及びｅＦｌｕｘ，ｂ）を発生させる。ｅＦｌｕｘ，ａ及びｅＦｌｕｘ，ｂ値のアークタンジェントをブロック２１２において求めて、逆ｅＦｌｕｘ信号からの推定角度ロータ位置信号２０３を発生させる。ａＴａｎ関数を実施する方法の一例は、位相ロックループによるものである。

増分インダクタンス角度推定信号２０１と、逆ｅＦｌｕｘ信号からの推定角度ロータ位置信号２０３は、ブロック２０４の第二の参照配列関数において、機械及び接続パラメータと共に使用され、推定角度ロータ位置２０５が計算される。図５は、第二の参照配列関数の例を示している。

上述した方法の何れにおいても、多数の属性が角度予測の信頼性に寄与する。例えば、誘導又は単独励磁機械における励磁のレベル等、一部の属性は、両方の相対利得を意図的に変更し得る。

推定角度ロータ位置２０５を計算するために、増分インダクタンス角度推定信号２０１と、逆ｅＦｌｕｘ信号からの推定角度ロータ位置信号２０３との両方を使用することで、機械１０１が静止状態、低速状態、及び高速状態で動作中に、ロータ１０４の角度ロータ位置２０５の正確な推定を計算し得る。ロータ１０４の角度ロータ位置２０５の正確な推定は、機械１０１の動作及び制御の向上をもたらす。

ここに記載した説明は、例を使用して、最良の形態を含め、本発明を開示すると共に、任意のデバイス又はシステムの作成及び使用と、取り入れた任意の方法の実行とを含め、本発明を実現している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義され、他の例を含み得る。こうした他の例は、特許請求の範囲の字義通りの用語と相違ない構造要素を有する場合、或いは特許請求の範囲の字義通りの用語との差異が実質的なものではない等価構造要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。

１００ 電気システム
１０１ 機械
１０２ ステータ
１０４ ロータ
１０６ 角度
２００ 方法
２０１ 増分インダクタンス角度推定信号
２０２ ブロック
２０３ 逆ｅＦｌｕｘ信号による推定角度ロータ位置信号
２０４ 第二の参照配列関数
２０５ 推定角度ロータ位置
３０１ 第一の参照配列関数

Claims (5)

1. 永久磁石ロータを使用する機械のロータ位置を決定するための方法であって、
   前記機械のステータ（１０２）において発生した、第一及び第二の軸に関連する電圧信号に基づいて前記ステータのインダクタンス値を求めるステップと、
   前記インダクタンス値を使用して第一のロータ位置角度を計算するステップ（２０２）と、
   前記ステータの第一の逆電磁束（ｅＦｌｕｘ，ａ）及び、第二の逆電磁束（ｅＦｌｕｘ，ｂ）から第二のロータ位置角度を計算するステップ（２０３）と、
   前記機械の速度が所定の速度以下のときに前記第二ロータ位置角度よりも、前記第一ロータ位置角度の寄与が大きくなるように上に凸となる曲線の関数と下に凸となる曲線の関数の２つの関数に従って相対利得を変更し、前記機械の速度が所定の速度よりも高いときに前記第一ロータ位置角度よりも、前記第二ロータ位置角度の寄与が大きくなるように前記相対利得を変更して、前記第一及び第二のロータ位置角度から第三のロータ位置角度を計算するステップ（２０５）と、
   を備える方法。
2. 前記信号は、パルス幅変調信号である、請求項１記載の方法。
3. 前記ステータ（１０２）において発生した、前記第一及び第二の軸に関連する前記電圧信号と、前記ステータ（１０２）において発生した、前記第一及び第二の軸に関連する電流信号の変化量に基づいて前記ステータの前記インダクタンス値を求めるステップと、
   前記インダクタンス値を参照配列関数に適用して前記第一のロータ位置角度を計算するステップ（２０２）と、
   を備える、請求項１または２に記載の方法。
4. 電気機械システムであって、
   ステータと、
   永久磁石を備えるロータと、
   前記ステータ（１０２）において発生した、第一及び第二の軸に関連する電圧信号に基づいて前記ステータの第一及び第二の推定増分インダクタンス値を求め、
   前記第一及び第二の推定増分インダクタンス値を使用して第一のロータ位置角度を計算し、
   前記ステータの第一の逆電磁束（ｅＦｌｕｘ，ａ）及び、第二の逆電磁束（ｅＦｌｕｘ，ｂ）から第二のロータ位置角度を計算し、
   前記電気機械システムの速度が所定の速度以下のときに前記第二ロータ位置角度よりも、前記第一ロータ位置角度の寄与が大きくなるように上に凸となる曲線の関数と下に凸となる曲線の関数の２つの関数に従って相対利得を変更し、前記電気機械システムの速度が所定の速度よりも高いときに前記第一ロータ位置角度よりも、前記第二ロータ位置角度の寄与が大きくなるように前記相対利得を変更して、前記第一及び第二のロータ位置角度から第三のロータ位置角度を計算する動作が可能であるコントローラと、を備える電気機械システム。
5. 前記コントローラが、
   前記ステータ（１０２）において発生した、前記第一及び第二の軸に関連する前記電圧信号と、前記ステータ（１０２）において発生した、前記第一及び第二の軸に関連する電流信号の変化量に基づいて前記ステータの前記インダクタンス値を求め、
   前記インダクタンス値を参照配列関数に適用して前記第一のロータ位置角度を計算する動作が可能である、請求項４に記載の電気機械システム。