JP6275927B2 - モータを制御するシステムおよび方法 - Google Patents

モータを制御するシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本開示の技術は、全般的には、電動モータに関し、さらに詳細には、電動モータを制御するためのシステムおよび方法に関する。
電動モータは、ロボット工学、産業用機械、玩具、追跡システム、電気自動車、車両サブシステム（例えばパワーステアリング・サブシステム）などの様々な技術分野で広く用いられている。目標位置への到達、目標速度での回転、または目標トルクの提供が達成されるよう電動モータを制御することは、長年にわたり困難な課題であった。電動モータの制御システムおよび制御方法は、位置、速度、またはトルクのうちのいずれか１つ、または位置、速度、およびトルクの任意の組み合わせを制御し得る。
「Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」を発明の名称とするＳｈｉｂａｔａらに付与された米国特許第５，４１０，２３４号は、コイルが星形で接続されたモータの位置を制御するためのモータ制御システムを対象とする。Ｓｈｉｂａｔａに付与されたシステムでは、位置コマンドからモータの現在位置を減算することにより、位置誤差量が判定される。スピードコマンドが、位置誤差にしたがってスピードコマンド計算区域で生成される。さらにモータの現在スピードはスピード検出区域で判定される。スピード誤差はスピードコマンドから現在スピードを減算することにより判定される。トルクコマンドは、スピード計算区域においてスピード誤差に対して比例積分制御計算（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕｓ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）を用いて判定される。位相電流コマンド計算区域は、相巻線のうちの２つに対する電流のコマンド値を判定する（コイルが星形で接続されている場合、第３位相における電流は、他の２つの位相における電流の合計であるため）。また電流検出器は、２つの位相に対するフィードバック電流を判定し、フィードバック電流と電流コマンドとの間の差異は電流誤差を生成する。電流誤差に対して比例積分制御計算が施され、第３コイルの電流が判定され、ＰＷＭ制御区域は、各コイルに対して加えられるべき電圧を判定する。次に、これらの電圧は増幅され、コイルに提供される。Ｓｈｉｂａｔａが対象としたシステムは、少なくとも１つの電流フィードフォワードを含む。この電流フィードフォワードは、電流コマンド値に、およびモータのインピーダンスモデルにしたがって、位相のそれぞれの電圧に加えられる電圧を生成する。Ｓｈｉｂａｒａが対象としたシステムは、さらに、トルクフィードフォワードを、および位置フィードフォワードを含む。
本開示の技術の目的は、電動モータを制御するための新規の方法およびシステムを提供することである。本開示の技術によれば、電動モータを制御するためのシステムが提供される。電動モータは少なくとも３つのコイルを、およびロータを含む。このシステムは、動作プロファイル生成器を、位置制御器を、位置フィードフォワードを、および第１加算器を含む。このシステムは、さらに、速度制御器を、速度フィードフォワードを、第２加算器を、および整流子を含む。このシステムは、少なくとも３つの電流制御ループも含み、これらの電流制御ループの各電流制御ループは、モータの少なくとも３つのコイルの各コイルに関連する。各電流制御ループは、電流制御器を、および各コイルに対するＨブリッジを、含む。
動作プロファイル生成器はモータ動作プロファイルを生成し、モータ動作プロファイルにしたがって位置コマンドを生成する。位置制御器は、動作プロファイル生成器に連結されており、ロータの現在位置と位置コマンドとの間の位置誤差を最小化するための速度コマンドを判定する。位置フィードフォワードは、動作プロファイル生成器に連結されており、位置コマンドに到達するために要求される速度の予測にしたがって順方向速度を判定する。第１加算器は、位置制御器に、および位置フィードフォワードに連結されており、速度コマンドに、および順方向速度にしたがって修正済み速度を生成する。速度制御器は、第１加算器に連結されており、ロータの瞬時速度と修正済み速度との間の速度誤差を最小化するための電流コマンドを判定する。速度フィードフォワードは、第１加算器に連結されており、修正済み速度に到達するために要求される電流の予測にしたがって順方向電流を判定する。第２加算器は、速度制御器に、および速度フィードフォワードに連結されており、電流コマンドに、および順方向電流にしたがって修正済み電流を生成する。整流子は、第２加算器に連結されており、各電流制御ループに対する、それぞれの修正済みコイル電流を判定する。整流子は、さらに、ロータの位置にしたがって、修正済みコイル電流を電流制御ループ間で分割する。各電流制御ループにおいて、電流制御器は、整流子に連結されており、少なくとも３つの電流制御ループの各電流制御ループを流れる瞬時電流とそれぞれの修正済みコイル電流との間の電流誤差を最小化するための、電動モータのそれぞれのコイルに対するそれぞれの電圧コマンドを判定する。Ｈブリッジは、電流制御器に連結されており、電動モータのそれぞれのコイルに電圧コマンドを提供する。
本開示の技術の他の実施形態によれば、少なくとも３つのコイルを、およびロータを含む電動モータを制御するためのシステムが提供される。このシステムは、動作プロファイル生成器を、位置制御器を、位置フィードフォワードを、および第１加算器を含む。このシステムは、さらに、速度制御器を、速度フィードフォワードを、第２加算器を、および電流制御器を含む。このシステムは、整流子を、および少なくとも３つのＨブリッジを含む。動作プロファイル生成器はロータ動作プロファイルを生成し、ロータ動作プロファイルにしたがって位置コマンドを生成する。位置制御器は、動作プロファイル生成器に連結されており、ロータの現在位置と位置コマンドとの間の位置誤差を最小化するための速度コマンドを判定する。位置フィードフォワードは、動作プロファイル生成器に連結されており、位置コマンドに到達するために要求される速度の予測にしたがって順方向速度を判定する。第１加算器は、位置制御器におよび位置フィードフォワードに連結されており、位置コマンドに、および順方向速度にしたがって修正済み速度を生成する。速度制御器は、第１加算器に連結されており、ロータの瞬時速度と修正済み速度との間の速度誤差を最小化するための電流コマンドを判定する。速度フィードフォワードは、第１加算器に連結されており、修正済み速度に到達するために要求される電流の予測にしたがって順方向電流を判定する。第２加算器は、速度制御器に、および速度フィードフォワードに連結されており、電流コマンドに、および順方向電流にしたがって修正済み電流を生成する。電流制御器は、整流子に連結されており、それぞれのコイルを流れる瞬時電流と修正済み電流との間の電流誤差を最小化するための、それぞれの電圧コマンドを判定する。整流子は、第２電流制御器に連結されており、各コイルに対するそれぞれの電圧を判定し、それらの電圧を少なくとも３つのコイル間で分割する。各hブリッジは、それぞれのコイルにおよび整流子に連結されており、電動モータのそれぞれのコイルに電圧コマンドを提供する。
本開示の技術は、以下の添付の図面と併せて以下の詳細な説明から、より完全に理解および評価されるであろう。
本開示の技術の一実施形態にしたがって構築および動作されるモータ制御システムの一実施形態の概略図である。 本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作されるモータ制御システムの一実施形態の概略図である。 モータのコイルが本開示の技術にしたがって独立的に制御されている場合の、およびモータのコイルが当該技術分野で周知の星形で接続されている場合の、１８０度の機械的回転におけるモータの速度を示すグラフの概略図である。 本開示の技術のさらなる実施形態にしたがって構築および動作される、特定の速度または速度プロファイルでモータを駆動するためのモータ制御システムの概略図である。 本開示の技術のさらなる実施形態にしたがって構築および動作される、特定の速度または速度プロファイルでモータを駆動するためのモータ制御システムの概略図である。 本開示の技術のさらなる実施形態にしたがって構築および動作される、特定の速度または速度プロファイルでモータを駆動するためのモータ制御システムの概略図である。 本開示の技術のさらなる実施形態にしたがって構築および動作される、特定の速度または速度プロファイルでモータを駆動するためのモータ制御システムの概略図である。 本開示の技術のさらなる実施形態にしたがって構築および操作される、特定の速度または速度プロファイルでモータを駆動するためのモータ制御システムの概略図である。 本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作される、モータコイル制御回路、および係るモータコイル制御回路の動作モードの概略図である。 本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作される、モータコイル制御回路、および係るモータコイル制御回路の動作モードの概略図である。 本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作される、モータコイル制御回路、および係るモータコイル制御回路の動作モードの概略図である。 本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作される、モータコイル制御回路、および係るモータコイル制御回路の動作モードの概略図である。
本開示の技術は、モータ内の各コイルが独立的に制御され（すなわち、これらのコイルはコイル間の接続がない）、且つ位置フィードフォワードをおよび速度フィードフォワードを含むモータ制御のシステムおよび方法を提供することにより、先行技術の短所を克服する。さらに電流制御ループは電流フィードフォワードを含み得る。一実施形態によれば、モータ制御システムは、各コイルに対して、各コイルに関連付けられた、それぞれの異なる電流制御ループを含む。モータ制御システムは、特に、ロータが目標位置に比較的正確に且つ短時間で到達すべき用途（例えば追跡システム）で用いられ得る。
ここで図１を参照すると、図１は、本開示の技術の一実施形態にしたがって構築および動作される、全体が参照番号１００で示されるモータ制御システムの概略図である。システム１００は、少なくとも３つのコイル１０４１を、１０４２を、および１０４３を含むモータ１０２を制御する。システム１００は、動作プロファイル生成器１０６を、位置制御器１０８を、位置フィードフォワード（図１では「ＦＦ」と略称される）１１０を、速度制御器１１２を、速度フィードフォワード１１４を、および整流子１１６を含む。システム１００は、さらに、加算器１３２、１３４、１３６、および１３８を含む。システム１００は、電流制御器１１８１を、電流フィードフォワード１２０１を、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１２２１を、Ｈブリッジ１２４１を、電流センサ１２６１を、および加算器１４０１ならびに１４２１を含み、これらの全部は、コイル１０４１に関連付けられている。加えて、システム１００は、電流制御器１１８２を、電流フィードフォワード１２０２を、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１２２２を、Ｈブリッジ１２４２を、電流センサ１２６２を、および加算器１４０２ならびに１４２２を含み、これらの全部はコイル１０４２に関連付けられている。さらにシステム１００は、電流制御器１１８３を、電流フィードフォワード１２０３を、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１２２３を、Ｈブリッジ１２４３を、電流センサ１２６１を、および加算器１４０３ならびに１４２３を含み、これらの全部はコイル１０４３に関連付けられている。システム１００は、シャフトエンコーダ１２８および微分判定器（図１では「ｄ／ｄｔ」と略称される）１３０も含む。微分判定器１３０は、以下でさらに説明されるように、シャフトエンコーダ１２８の出力に応じて、省略されてもよく、または積分器と置換されてもよい。ＰＷＭ１２２１、１２２２、および１２２３は省略可能であり、電流制御器１１８１、１１８２、ならびに１１８３、および電流フィードフォワード１２０１、１２０２、ならびに１２０３は、ＰＷＭ電圧信号を提供することが注目される。電流フィードフォワード１２０１、１２０２、および１２０３も省略可能であることもさらに注目される。また加算器１３２および加算器１３４の各加算器は、位置制御器１０８内に配置され得る。同様に、加算器１３６および加算器１３８の各加算器は、速度制御器１１２内に配置され得る。また、加算器１４０１、１４０２、ならびに１４０３の各加算器、および加算器１４２１、１４２２、ならびに１４２３の各加算器は、電流制御器１１８１、１１８２、および１１８２内に配置され得る。また、動作プロファイル生成器１０６、位置制御器１０８、位置フィードフォワード１１０、速度制御器１１２、速度フィードフォワード１１４、整流子１１６、電流制御器１１８１、１１８２、ならびに１１８３、電流フィードフォワード１２０１、１２０２、ならびに１２０３、ＰＷＭ１２２１、１２２２、ならびに１２２３、および加算器１３４、１３４、１３８、１４０１、１４０２、１４０３、１４２１、１４２２、ならびに１４２３は、すべて、デジタル制御器、単一のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、個別部品、またはこれらの任意の組み合わせを用いて実装され得る。
加算器１３２は動作プロファイル生成器１０６に、位置制御器１０８に、およびシャフトエンコーダ１２８に連結されている。動作プロファイル生成器１０６は、さらに、位置フィードフォワード１１０に、およびシャフトエンコーダ１２６に連結されている。加算器１３４は位置制御器１０８に、位置フィードフォワード１１０に、加算器１３６に、および速度フィードフォワード１１４に連結されている。加算器１３６は、さらに、速度制御器１１２に、および微分判定器１３０に連結されている。加算器１３８は速度制御器１１２に、速度フィードフォワード１１４に、および整流子１１６に連結されている。整流子１１６は、さらに、電流フィードフォワード１２０１、１２０３、ならびに１２０３の各電流フィードフォワードに、加算器１４０１、１４０３、ならびに１４０３の各加算器に、およびシャフトエンコーダ１２６に連結されている。
加算器１４０１は電流制御器１１８１に、および電流センサ１２６１に連結されている。電流センサ１２６１は、さらに、コイル１０４１に連結されている。加算器１４２１は電流制御器１１８１に、電流フィードフォワード１２０１に、およびＰＷＭ１２２１に連結されている。Ｈブリッジ１２４１はコイル１０４１に、およびＰＷＭ１２２１に連結されている。加算器１４０１、電流制御器１１８１、電流フィードフォワード１２０１、電流センサ１２６１、電流制御器１１８１、加算器１４２１、ＰＷＭ１２２１、Ｈブリッジ１２４１の全部は、コイル１０４１に関連付けられたそれぞれの電流制御ループを画成する。
加算器１４０２は電流制御器１１８２に、および電流センサ１２６２に連結されている。電流センサ１２６２は、さらに、コイル１０４２に連結されている。加算器１４２２は電流制御器１１８２に、電流フィードフォワード１２０２に、およびＰＷＭ１２２２に連結されている。Ｈブリッジ１２４２はコイル１０４２に、およびＰＷＭ１２２２に連結されている。加算器１４０２、電流制御器１１８２、電流フィードフォワード１２０２、電流センサ１２６２、電流制御器１１８２、加算器１４２２、ＰＷＭ１２２２、Ｈブリッジ１２４２の全部は、コイル１０４２に関連付けられたそれぞれの電流制御ループを画成する。
加算器１４０３は電流制御器１１８３に、および電流センサ１２６３に連結されている。電流センサ１２６３は、さらに、コイル１０４３に連結されている。加算器１４２３は電流制御器１１８３に、電流フィードフォワード１２０３に、およびＰＷＭ１２２３に連結されている。Ｈブリッジ１２４３はコイル１０４３に、およびＰＷＭ１２２３に連結されている。加算器１４０３、電流制御器１１８３、電流フィードフォワード１２０３、電流センサ１２６３、電流制御器１１８３、加算器１４２３、ＰＷＭ１２２３、Ｈブリッジ１２４３の全部は、コイル１０４３に関連付けられたそれぞれの電流制御ループを画成する。
動作プロファイル生成器１０６は、（例えばユーザから、または運動制御システムから）目標ロータ位置を、およびシャフトエンコーダ１２８から現在ロータ位置を、受け取り、ロータ動作プロファイルを生成する。このロータ動作プロファイルは、現在ロータ位置から目標位置までのロータの位置を時間の関数として記述する。動作プロファイル生成器１０６は、ロータの運動が開始する前に、ロータ動作プロファイルを決定する。代替的に、各時間ステップに対して、動作プロファイル生成器１０６は、次の時間ステップにおいてロータが到達すべき位置を決定する。動作プロファイル生成器１０６は、現在位置と目標位置との間の差異に、モータの加速ならびに減速に関する情報に、およびモータの最大スピードにしたがって、ロータ動作プロファイルを決定する。各時間ステップに対して、動作プロファイル生成器１０６は、位置コマンド、ＰＣ（すなわち、ロータ動作プロファイルにしたがってロータが現在時間ステップにおいて到達すべき位置）を、加算器１３２に、および位置フィードフォワード１１０に提供する。加算器１３２はシャフトエンコーダ１２８からロータの現在位置を受け取り、位置コマンドからロータの現在位置を減算して位置誤差Ｐｅを生成し、その位置誤差を位置制御器１０８に提供する。位置制御器１０８は、位置誤差を最小化するための速度コマンド、Ｖｃ、を決定する。位置フィードフォワード１１０は、位置コマンドＰＣに到達するために要求される速度の予測（例えば、位置コマンドの係数倍された時間微分）にしたがって順方向速度、すなわちＶｆ、を決定する。換言すると、開ループ制御システムが用いられている場合、位置フィードフォワード１１０は要求される速度を提供する。加算器１３４は、順方向速度と速度コマンドとを加算し、修正済み速度信号Ｖｍを生成する。加算器１３４はその修正済み速度を、加算器１３６に、および速度フィードフォワード１１４に提供する。
加算器１３６は微分判定器１３０からロータの瞬時速度を受け取り、この瞬時速度を修正済み速度から減算して速度誤差Ｖｅを生成する。加算器１３６は速度誤差を速度制御器１０８に提供する。速度制御器１０８は、速度誤差を最小化するための電流コマンド、Ｉｃ、を判定する。速度フィードフォワード１１４は、修正済み速度ＶＭに到達するために要求される電流の予測にしたがって、順方向電流、Ｉｆ、を判定する。換言すると、開ループ制御システムが用いられている場合、速度フィードフォワード１１４は要求される電流を提供する。速度フィードフォワード１１４は、Ｖｍに到達するために要求される加速度（すなわち、Ｖｍの時間微分）に、モータ負荷慣性に、およびモータトルク定数にしたがって、順方向電流、Ｉｆ、を判定する。加算器１３８は順方向電流と電流コマンドとを加算して、修正済み電流信号Ｉｍを生成する。加算器２３８は修正済み電流を整流子１１６に提供する。整流子１１６は、コイル１０４１、１０４２、および１０４３の各コイルに関連付けられたそれぞれの電流制御ループに対する、それぞれの修正済みコイル電流Ｉｍ１、１ｍ１、Ｉｍ３を判定する。整流子１１６は、シャフトエンコーダ１２８から受け取られたロータ位置（すなわち、シャフトエンコーダ１２８はロータの位置を判定する）にしたがって、修正済みコイル電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３を、コイル１０４１、１０４２、および１０４３のそれぞれの電流制御ループ間で分割する。整流子１１６は、修正済み電流Ｉｍ１を加算器１４０１に、修正済み電流Ｉｍ２を加算器１４０２に、および修正済み電流Ｉｍ３を加算器１４０３に、提供する。
加算器１４０１、１４０２、および１４０３の各加算器は、それぞれのコイル１０４１、１０４２、および１０４３を流れるそれぞれの瞬時電流を、それぞれの電流センサ１２６１、１２６２、および１２６３から受け取り、この瞬時電流をそれぞれの修正済み電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３から減算して、それぞれの電流誤差Ｉｅ１、Ｉｅ２、およびＩｅ３を生成する。電流制御器１１８１、１１８２、および１１８３の各電流制御器は、電流誤差を最小化するためのそれぞれの電圧コマンドＵｃ１、Ｕｃ２、およびＵｃ３を判定する。電流フィードフォワード１２０１、１２０２、および１２０３の各電流フィードフォワードは、それぞれの修正済み電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３に到達するために要求される電圧の予測にしたがって、順方向電圧Ｕｆ１、Ｕｆ２、およびＵｆ３を判定する。電流フィードフォワード１２０１、１２０２、および１２０３の各電流フィードフォワードは、それぞれの修正済み電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３に、モータ電気的パラメータ（例えば抵抗インダクタンスおよび逆起電力−ＢＥＭＦ定数）に、および要求されるモータの電気的速度（すなわち、機械的速度をモータの磁極の個数で除算した値）にしたがって、順方向電圧Ｕｆ１、Ｕｆ２、およびＵｆ３を判定する。加算器１４２１、１４２２、および１４２３は、それぞれの順方向電圧Ｕｆ１、Ｕｆ２、およびＵｆ３とそれぞれのコマンド電圧Ｕｃ１、Ｕｃ２、およびＵｃ３とを加算し、それぞれの修正済み電圧Ｕｍ１、Ｕｍ２、およびＵｍ３を生成する。加算器１４２１、１４２２、および１４２３の各加算器は、それぞれの修正済み電圧Ｕｍ１、Ｕｍ２、およびＵｍ３を、ＰＷＭ１２２１、１２２２、および１２２３の各ＰＷＭに提供する。ＰＷＭ１２２１、１２２２、および１２２３の各ＰＷＭは、Ｈブリッジ１２４１、１２４２、および１２４３の各Ｈブリッジを動作させる修正済み電圧Ｕｍ１、Ｕｍ２、およびＵｍ３の各修正済み電圧に対応するパルス幅変調信号を判定する。Ｈブリッジ１２４１、１２４２、および１２４３の各Ｈブリッジは、各Ｈブリッジのそれぞれの修正済み電圧Ｕｍ１、Ｕｍ２、およびＵｍ３を、モータの要求される動作モード（例えば、時計方向の回転、反時計方向の回転、または静止）に基づいて、要求される極性においてコイル１０４１、１０４２、および１０４３の各コイルに提供する。前述のように、ＰＷＭ１２２１、１２２２、および１２２３は省略可能であり、電流制御器１１８１、１１８２、ならびに１１８３、および電流フィードフォワード１２０１、１２０２、ならびに１２０３は、ＰＷＭ電圧信号を生成する。
上述の位置制御器１０８、速度制御器１１２、および電流制御器１１８１、１１８２、ならびに１１８３の各制御器は、比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御器などのポリノミアル制御器として実装され得る。一般に、位置制御器１０８、速度制御器１１２、および電流制御器１１８１、１１８２、ならびに１１８３の各制御器の制御器パラメータは、要求されるモータ性能に合致するよう決定される（例えば、システムシミュレーション方法を、または試行錯誤による方法を、用いることにより）。例えばＰＩＤ制御器が用いられる場合は、最初、積分係数および微分係数がゼロに保持され、振動が発生するまで比例定数は、増加され（すなわち、実際のシステムにおいて、またはシステムシミュレーションにおいて）、次に、（例えば振動値の７０％〜８０％の値に）減少される。積分係数は、定常状態誤差を低減させるものであり、比例定数と同様に判定される。微分係数は、システム要件（例えば、整定時間、および許容される行き過ぎ量）に基づいて判定される。電流センサ１２６１、１２６２、および１２６３の各電流センサは、直接電流センサ（例えばシャントセンサ）であってもよく、または間接電流センサ（例えばホール効果センサ）であってもよい。シャフトエンコーダ１２８は、ロータ上に直接的に配置された、または、ロータを間接的に読み取る、機械式エンコーダとして、光学式エンコーダとして、磁気式エンコーダ（例えばホール効果エンコーダ）として、慣性エンコーダ（例えば慣性測定ユニット−ＩＭＵ）として、または容量式エンコーダとして実装され得る。
ここで図２を参照すると、図２は、本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作されるモータ制御システム（全体が参照番号２００で示される）の概略図である。システム２００は、少なくとも３つのコイル２０４１、２０４２、および２０４３を含むモータ２０２を制御する。システム２００は、動作プロファイル生成器２０６を、位置制御器２０８を、位置フィードフォワード（図２では「ＦＦ」と略称される）２１０を、速度制御器２１２を、速度フィードフォワード２１４を、電流制御器２１６を、および電流フィードフォワード２１８を含む。システム２００は、さらに、整流子１２０を、コイル２０４１、２０４２、ならびに２０４３の各コイルのそれぞれの少なくとも３つのＰＷＭ生成器２２２１、２２２２、ならびに２２２３を、コイル２０４１、２０４２、ならびに２０４３の各コイルのそれぞれの少なくとも３つのＨブリッジ２２４１、２２４２、ならびに２２４３を、電流センサ２２６を、シャフトエンコーダ２２８を、および微分判定器（図２では「ｄ／ｄｔ」と略称される）２３０を含む。システム２００は、加算器２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、および２４２も含む。ＰＷＭ２２２１、２２２２、および１２２３が省略可能であることが注目される。電流フィードフォワード２１８も省略可能であることが、さらに、注目される。また加算器２３２および加算器２３４の各加算器は、位置制御器１０８内に配置され得る。同様に、加算器２３６および加算器２３８の各加算器は、速度制御器１１２内に配置され得る。また加算器２４０１および加算器１４２の各加算器は、電流制御器１１６内に配置され得る。
加算器２３２は動作プロファイル生成器２０６に、位置制御器２０８に、およびシャフトエンコーダ２２８に連結されている。動作プロファイル生成器２０６は、さらに、位置フィードフォワード２１０に、およびシャフトエンコーダ２２８に連結されている。加算器２３４は位置制御器２０８に、位置フィードフォワード２１０に、加算器２３６に、および速度フィードフォワード２１４に連結されている。加算器２３６は、さらに、微分判定器２３０に、および速度制御器２１２に連結されている。加算器２３８は速度制御器２１２に、速度フィードフォワード２１４に、加算器２４０に、および電流フィードフォワード２１８に連結されている。加算器２４０は、さらに、電流制御器２２６に、および電流センサ２２６に連結されている。加算器２４２は電流制御器２１６に、電流フィードフォワード２１８に、および整流子２２０に連結されている。ＰＷＭ生成器２２２１、２２２２、および２２２３の各ＰＷＭ生成器は、整流子２２０に、およびＨブリッジ２２４１、２２４２、ならびに２２４３の各Ｈブリッジに連結されている。コイル２０４１、２０４２、および２０４３の各コイルの２つの端子は、Ｈブリッジ２２４１、２２４２、および２２４３の各Ｈブリッジに連結されている。コイル２０４１、２０４２、および２０４３の各コイルは、さらに、電流センサ２２６に連結されている。シャフトエンコーダ２２８は、微分判定器２３０に、モータ２０２のロータに、および整流子２２０に連結されている。微分判定器２３０が、さらに以下で説明されるように、シャフトエンコーダ２２８の出力に応じて、省略されてもよく、または積分器と置換されてもよいことが注目される。コイル２０４１、２０４２、および２０４３の各コイルが、それぞれのコイルに連結されたＨブリッジ２２４１、２２４２、および２２４３の各Ｈブリッジにより独立的に制御されていることも注目される。また、動作プロファイル生成器２０６、位置制御器２０８、位置フィードフォワード２１０、速度制御器２１２、速度フィードフォワード２１４、整流子２２０、電流制御器２１８、電流フィードフォワード２２０、ＰＷＭ２２２１、２２２２、ならびに２２２３、および加算器２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、ならびに２４２は、すべて、デジタル制御器、ＤＳＰ、個別部品のうちの１つ、またはこれらの任意の組み合わせを用いて実装され得る。
動作プロファイル生成器２０６は、（例えばユーザから、または運動制御システムから）目標ロータ位置を、および、シャフトエンコーダ２２８から現在ロータ位置（すなわちシャフトエンコーダはロータの位置を判定する）を、受け取り、ロータ動作プロファイルを生成する。このロータ動作プロファイルは、現在ロータ位置から目標位置までのロータの位置を時間の関数として記述する。動作プロファイル生成器２０６は、現在位置と目標位置との間の差異に、モータの加速ならびに減速に関する情報に、およびモータの最大スピードにしたがって、モータ動作プロファイルを決定する。各時間ステップに対して、動作プロファイル生成器２０６は、位置コマンド、ＰＣ（すなわち、現在の時間ステップにおいてロータが到達すべき位置）を、加算器２３２におよび位置フィードフォワード２１０に提供する。加算器２３２はシャフトエンコーダ２２８からロータの現在位置を受け取り、位置コマンドからロータの現在位置を減算して位置誤差Ｐｅを生成する。位置制御器２０８は、位置誤差を最小化するための速度コマンド、Ｖｃ、を決定する。位置フィードフォワード２１０は、位置コマンドＰＣに到達するために要求される速度の予測（例えば、位置コマンドの係数倍された時間微分）にしたがって順方向速度信号、すなわちＶｆ、を決定する。換言すると、開ループ制御システムが用いられている場合、位置フィードフォワード２１０は要求される速度を提供する。加算器２３４は、順方向速度と速度コマンドとを加算し、修正済み速度信号Ｖｍを生成する。加算器２３４はその修正済み速度を、加算器２３６に、および速度フィードフォワード２１４に提供する。
加算器２３６は微分判定器２３０からロータの瞬時速度を受け取り、この瞬時速度を修正済み速度から減算して速度誤差Ｖｅを生成する。速度制御器２０８は、速度誤差を最小化するための電流コマンド、Ｉｃ、を判定する。速度フィードフォワード２１４は、修正済み速度Ｖｃに到達するために要求される電流の予測にしたがって、順方向電流、Ｉｆ、を判定する。換言すると、上述のように、開ループ制御システムが用いられている場合（すなわち図１の速度フィードフォワード１１４と同様）、速度フィードフォワード２１４は要求される電流を提供する。加算器２３８は順方向電流と電流コマンドとを加算して、修正済み電流信号Ｉｍを生成する。加算器２３８はその修正済み電流を、加算器２４０に、および電流フィードフォワード２１８に提供する。
加算器２４０はコイル内の瞬時電流を電流センサ２２６から受け取り、この瞬時電流を修正済み電流から減算して電流誤差Ｉｅを生成する。電流制御器２１６は、電流誤差を最小化するための電圧コマンド、Ｕｃ、を判定する。電流フィードフォワード２１８は、修正済み電流に到達するために要求される電圧の予測にしたがって、順方向電圧、Ｕｆ、を判定する。電流フィードフォワード２１８は、修正済み電流、Ｉｍに、モータの電気的パラメータ（例えば抵抗インダクタンスおよびキャパシタンス）に、および要求されるモータの電気的速度にしたがって、それぞれの順方向電圧Ｕｆを判定する。加算器２４２は順方向電圧とコマンド電圧とを加算して、修正済み電圧Ｕｍを生成する。加算器２４２は修正済み電圧を整流子２２０に提供する。
整流子２２０はコイル２０４１、２０４２、および２０４３の各コイルに対する３つの電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３を判定し、シャフトエンコーダ２２８から受け取られたロータ位置にしたがって、コイル２０４１、２０４２、および２０４３の各コイルのそれぞれの電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３を分割する。整流子２２０は、電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３の各電圧を、それぞれのパルス幅変調器（図２ではＰＷＭと略称される）２２２１、２２２２、および２２２３に提供する。ＰＷＭ２２２１、２２２２、および２２２３の各ＰＷＭは、Ｈブリッジ２２４１、２２４２、および２２４３の各Ｈブリッジを動作させる電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３の各電圧に対応するパルス幅変調信号を判定する。Ｈブリッジ２２４１、２２４２、および２２４３の各Ｈブリッジは、電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３の各電圧を、モータの要求される動作モードに基づいて、要求される極性においてコイル２０４１、２０４２、および２０４３の各コイルのそれぞれに提供する。前述のように、ＰＷＭ２２２１、２２２２、および２２２３は省略可能であり、電流制御器２１６、電流フィードフォワード２１８、および整流子２２０は、ＰＷＭ電圧信号を生成する。
位置制御器２０８、速度制御器２１２、および電流制御器２１６の各制御器は、比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御器などのポリノミアル制御器として実装され得る（すなわち、図１の位置制御器１０８、速度制御器１１２、および電流制御器１１６と同様）。電流制御器２１６は、直接直交（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）空間における電流制御（すなわち、ＤＱ制御とも呼ばれる）を実装し得る。係る場合、電流センサ２２６は３つのパラメータ（すなわち、ｌａはベクトルである）、すなわちｌｄ、ｌｑ、およびｌｏを生成する。同様に、速度制御器２１２および速度フィードフォワード２１４のそれぞれも、３つのパラメータ（すなわちＩｃおよびＩｆもパラメータのベクトルである）を生成する。さらに、モータをｌｄ、ｌｑ、およびｌｏ空間で制御するとき、モータの速度を供給電圧に対してモータの理論無負荷速度を越えるよう増加させるために、弱め界磁が用いられ得る。弱め界磁は、目標ｌｄを負の値へと安定させることにより、達成され、それによりモータにより生成された逆起電力（これはすなわち制動力として作用する）が低減される。シャフトエンコーダ１２８（図１）と同様に、シャフトエンコーダ２２８は、機械式エンコーダとして、光学式エンコーダとして、磁気式エンコーダとして、または容量式エンコーダとして、具体化され得る。代替的に、シャフトエンコーダ２２８は上述のように逆起電力の測定値を用い得る。
ここで図３を参照すると、図３は、モータのコイルが本開示の技術にしたがって独立的に制御される場合の、およびモータのコイルが当該技術分野で周知の星形で接続されている場合の、１８０度の機械的なポイント・トゥ・ポイントの遷移におけるモータの速度を示す、全体が参照番号３００で示される例示的なグラフの概略図である。「ポイント・トゥ・ポイント」という用語は、ここでは、モータが、その回転を開始する位置から、モータが完全停止する位置まで、を指す。グラフ表現３０２は、コイルが本開示の技術にしたがって接続された状態のモータの測定速度を表す。グラフ表現３０４は、コイルが星形で接続された状態のモータの測定速度を表す。グラフ３００では、横軸は、ミリ秒（図３では「ｍｓ」と略称される）を単位として測定された時間軸を表し、縦軸はシャフトエンコーダの毎秒１０００カウントを単位として測定されたモータ速度を表す。
図３で説明する事例では、コイルが本開示の技術にしたがって独立的に制御された状態のモータの加速は、コイルが星形で接続された状態のモータの加速のおよそ２倍である。トルクは加速度に比例するため、これは、コイルが本開示の技術にしたがって独立的に制御される状態のモータにより生成されるトルクが、コイルが星形で接続された状態のモータにより生成されるトルクのおよそ２倍であることを意味する。
また、コイルが本開示の技術にしたがって独立的に制御される状態のモータにより到達される最大速度は、コイルが星形で接続された状態のモータにより到達される速度よりも高い。また代表的なグラフ３００から明らかなように、グラフ表現３０４は台形の形状を示している。これは、コイルが星形で接続されているモータの速度が、モータの速度上限に到達している（すなわち、電流制御ループが飽和状態にあり、コイルに印加される電圧を増加させることが不可能である）ことを暗示するものである。グラフ表現３０４は三角形の形状を示している。これは、この事例では、本開示の技術にしたがって独立的に制御されたコイルを有するモータが、モータの速度上限にまだ到達していないことを暗示している。
さらに、コイルが本開示の技術にしたがって独立的に制御されるモータにおいてロータが１８０度のポイント・トゥ・ポイント回転を完了するために要求される期間は、同一のモータであるがコイルが星形で接続された状態のモータにおけるよりも、５０ミリ秒以上短い。
以下は、図３で説明した事例にしたがって、上述の差異を例示する表である。
Figure 0006275927
図１および図２との関連で上記で説明した本開示の技術に係るモータ制御システムは、シャフトエンコーダ（すなわち図１のシャフトエンコーダ１２８、および図２のシャフトエンコーダ２２８）を用いる。上述のように、シャフトエンコーダは、ロータ上に直接的に配置された、または、ロータを間接的に読み取る（すなわち、シャフトエンコーダはロータと関連付けられている）、機械式エンコーダとして、光学式エンコーダとして、磁気式エンコーダ（例えばホール効果エンコーダ）として、慣性エンコーダとして、または容量式エンコーダとして実装され得る。例えば制御されるモータがコンベアベルトを駆動するとき、ＩＭＵはコンベアベルト上に配置され得る（すなわち、シャフトエンコーダはロータを間接的に読み取る）。シャフトの回転速度とコンベアベルトの線速度との間の関係が既知（すなわち、駆動ホイールの半径およびギア比から既知）であるため、コンベアベルトの測定速度にしたがってシャフトの線速度が判定され得、それによりシャフトの位置も判定され得る。特に、慣性エンコーダが用いられる場合、それぞれ図１および図２で示される微分判定器１３０および２３０は、慣性エンコーダの出力に応じて、省略されてもよく、所望により積分器（速度および位置を判定するための積分器）で置換されてもよい。
図１および図２との関連での上記の説明は、１つの位置から他の位置へとモータを駆動することに関するものであった。その一方で本開示の技術に係るモータ制御システムは、特定の速度でまたは速度プロファイルでモータを駆動するためにも用いられ得る。ここで図４Ａ〜図４Ｅを参照すると、これらの図面は本開示の技術のさらなる実施形態にしたがって構築および動作される、特定の速度でまたは速度プロファイルでモータを駆動するための、全体が参照番号３５０で示されるモータ制御システムの概略図である。図４Ａでは、システム３５０の簡単な構成が示されている。図４Ｂでは、電流制御ループを有するシステム３５０が示されている。図４Ｃでは、各コイルに関連付けられた電流制御ループを有するシステム３５０が示されている。図４Ｄおよび図４Ｅでは、速度制御ループを有するシステム３５０が示されている。
図４Ａを参照すると、システム３５０は、少なくとも３つのコイル３５４１、３５４２、および３５４３を含むモータ３５２を制御する。システム３５０は、整流子３５６を、シャフトエンコーダ３５８を、少なくとも３つのＰＷＭ生成器３６０１、３６０２、ならびに３６０３を、各コイル３５４１、３５４２、ならびに３５４３の各コイルのそれぞれを、各コイル３５４１、３５４２、ならびに３５４３の各コイルのそれぞれの少なくとも３つのＨブリッジ３６２１、３６２２、３６２３を含む。ＰＷＭ生成器３６０１、３６０２、３６０３の各ＰＷＭ生成器は、整流子３５６に、およびＨブリッジ３６２１、３６２２、３６２３の各Ｈブリッジのそれぞれに連結されている。コイル３５４１、３５４２、３５４３の各コイルの２つの端子は、Ｈブリッジ３６２１、３６２２、３６２３の各Ｈブリッジのそれぞれに連結されている。シャフトエンコーダ３５８はモータ３５２のロータに、および整流子３５６に連結されている。
整流子３５６は、モータのロータが回転すべき目標速度を受け取る。目標速度は、例えば制御電圧、Ｕｍ、として、整流子３５６に提供され得る。目標速度に基づいて、整流子３５６は、コイル３５４１、３５４２、および３５４３の各コイルに対する３つの電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３を判定し、シャフトエンコーダ３５８から受け取られたロータ位置にしたがって、コイル３５４１、３５４２、および３５４３の各コイルのそれぞれの電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３を分割する。整流子３５６は、電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３の各電圧を、ＰＷＭ生成器３６０１、３６０２、および３６０３の各ＰＷＭ生成器に提供する。ＰＷＭ生成器３６０１、３６０２、および３６０３の各ＰＷＭ生成器は、Ｈブリッジ３６２１、３６２２、および３６２３の各Ｈブリッジを動作させる電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３の各電圧のそれぞれに対応するパルス幅変調信号を判定する。Ｈブリッジ３６２１、３６２２、および３６２３の各Ｈブリッジは、それぞれのパルス幅変調信号を、要求される極性においてコイル３５４１、３５４２、および３５４３の各コイルのそれぞれに提供する。
システム３５０は電流制御ループをさらに含み得る。図４Ｂを参照すると、システム３５０は、電流センサ３６４を、電流制御器３６６を、電流フィードフォワード３６８を、および加算器３７０ならびに３７２を含む。加算器３７０および３７２が電流制御器３６６内に配置され得ることも注目される。電流センサ３６４は、直接電流センサ（例えばシャントセンサ）であってもよく、または間接電流センサ（例えばホール効果センサ）であってもよい。電流センサ３６４は、コイル３５４１、３５４２、および３５４３の各コイルに、および加算器３７０に連結されている。電流制御器３６６の入力は加算器３７０に連結され、電流制御器３６６の出力は加算器３７２に連結されている。加算器３７２は、さらに、整流子３５６の入力に、および電流フィードフォワード３６８の出力に連結されている。
目標速度は、加算器３７０に、および電流フィードフォワード３６８に提供される。目標速度は、例えば制御電流、Ｉｍ、として提供され得る。さらに電流センサ３６４は、コイル３５４１、３５４２、および３５４３の各コイルにおける瞬時電流を判定し、この判定された電流を加算器３７０に提供する。加算器３９０は電流センサ３６４からコイルにおける瞬時電流を受け取り、この瞬時電流を制御電流から減算して電流誤差Ｉｅを生成する。電流制御器３６６は、電流誤差を最小化するための電圧コマンド、Ｕｃ、を判定する。電流フィードフォワード３６８は、制御電流に到達するために要求される電圧の予測にしたがって、順方向電圧、Ｕｆ、を判定する。電流フィードフォワード３６８は、制御電流、Ｉｍに、モータの電気的パラメータ（例えば抵抗インダクタンスおよびキャパシタンス）に、および要求されるモータの電気的速度にしたがって、それぞれの順方向電圧Ｕｆを判定する。加算器３７２は順方向電圧とコマンド電圧とを加算して、修正済み電圧Ｕｍを生成する。加算器３９２は修正済み電圧を整流子３５６に提供する。
図４Ｂで示した構成に対して代替的に、システム３５０は、各コイルのそれぞれの電流制御ループをさらに含み得る。図４Ｃを参照すると、システム３５０は、各コイル３５４１、３５４２、および３５４３に対する電流制御ループを含む。したがってシステム３５０は、電流センサ３６６１、３６６２、ならびに３６６３を、電流制御器３６５１、３６５２、ならびに３６５３を、電流フィードフォワード３６７１、３６７２、ならびに３６７３を、加算器３６９１、３６９２、ならびに３６９３を、および加算器３７１１、３７１２、ならびに３７１３をさらに含む。
整流子３６０はさらに、電流フィードフォワード３６７１、３６７３、ならびに３６７３の各電流フィードフォワードに、加算器３６９１、３６９３、ならびに３６９３の各加算器に、およびシャフトエンコーダ３５８に連結されている。
加算器３６９１は電流制御器３６５１に、および電流センサ３６３１に連結されている。電流センサ３６３１は、さらに、コイル３５４１に連結されている。加算器３７１１は電流制御器３６５１に、電流フィードフォワード３６７１に、およびＰＷＭ３５８１に連結されている。加算器３６９１、電流制御器３６５１、電流フィードフォワード３６７１、電流センサ３６３１、電流制御器３６５１、加算器３７１１、ＰＷＭ３５８１、およびＨブリッジ３５６１の全部は、コイル３５４１に関連付けられたそれぞれの電流制御ループを画成する。
加算器３６９２は電流制御器３６５２に、および電流センサ３６３２に連結されている。電流センサ３６３２は、さらに、コイル３５４２に連結されている。加算器３７１２は電流制御器３６５２に、電流フィードフォワード３６７２に、およびＰＷＭ３５８２に連結されている。加算器３６９２、電流制御器３６５２、電流フィードフォワード３６７２、電流センサ３６３２、電流制御器３６５２、加算器３７１２、ＰＷＭ３５８２、Ｈブリッジ３５６２の全部は、コイル３５４２に関連付けられたそれぞれの電流制御ループを画成する。
加算器３６９３は電流制御器３６５３に、および電流センサ３６３３に連結されている。電流センサ３６３３は、さらに、コイル３５４３に連結されている。加算器３７１３は電流制御器３６５３に、電流フィードフォワード３６７３に、およびＰＷＭ３５８３に連結されている。加算器３６９３、電流制御器３６５３、電流フィードフォワード３６７３、電流センサ３６３３、電流制御器３６５３、加算器３７１３、ＰＷＭ３５８３、およびＨブリッジ３５６３の全部は、コイル３５４３に関連付けられたそれぞれの電流制御ループを画成する。
目標速度は、例えば制御電流として、整流子３５６に提供される。整流子１５６は、コイル３５４１、３５４２、および３５４３の各コイルに関連付けられたそれぞれの電流制御ループに対する、それぞれの修正済みコイル電流Ｉｍ１、１ｍ１、Ｉｍ３を判定する。整流子３５６は、シャフトエンコーダ３５６から受け取られたロータ位置にしたがって、修正済みコイル電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３を、コイル３５４１、３５４２、および３５４３のそれぞれの電流制御ループ間で分割する。整流子３５６は、修正済み電流Ｉｍ１を加算器３６９１および電流フィードフォワード３６７１に、修正済み電流Ｉｍ２を加算器３６９２および電流フィードフォワード３６７２に、修正済み電流Ｉｍ３を加算器３６９３および電流フィードフォワード３６７に、提供する。
加算器３６９１、３６９２、および３６９３の各加算器は、それぞれのコイル１５４１、１５４２、および１５４３を流れるそれぞれの瞬時電流を、それぞれの電流センサ３６３１、３６３２、および３６３３から受け取り、この瞬時電流をそれぞれの修正済み電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３から減算して、それぞれの電流誤差Ｉｅ１、Ｉｅ２、およびＩｅ３を生成する。電流制御器３６５１、３６５２、および３６５３の各電流制御器は、電流誤差を最小化するためのそれぞれの電圧コマンドＵｃ１、Ｕｃ２、およびＵｃ３を判定する。電流フィードフォワード３６７１、３６７２、および３６７３の各電流フィードフォワードは、それぞれの修正済み電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３に到達するために要求される電圧の予測にしたがって、順方向電圧Ｕｆ１、Ｕｆ２、およびＵｆ３を判定する。電流フィードフォワード３６７１、３６７２、および３６７３の各電流フィードフォワードは、それぞれの修正済み電流Ｉｍ１、Ｉｍ２、およびＩｍ３に、モータ電気的パラメータ（例えば抵抗インダクタンスおよび逆起電力−ＢＥＭＦ定数）に、および要求されるモータの電気的速度（すなわち、機械的速度をモータの磁極の個数で除算した値）にしたがって、順方向電圧Ｕｆ１、Ｕｆ２、およびＵｆ３を判定する。加算器３７１１、３７１２、および３７１３は、それぞれの順方向電圧Ｕｆ１、Ｕｆ２、およびＵｆ３とそれぞれのコマンド電圧Ｕｃ１、Ｕｃ２、およびＵｃ３とを加算し、それぞれの修正済み電圧Ｕｍ１、Ｕｍ２、およびＵｍ３を生成する。加算器３７１１、３７１２、および３７１３の各加算器は、それぞれの修正済み電圧Ｕｍ１、Ｕｍ２、およびＵｍ３を、ＰＷＭ１６０１、３６０２、および３６０３の各ＰＷＭに提供する。
システム３５０は、速度制御ループをさらに含み得る。図４Ｄおよび図４Ｅを参照すると、システム３５０は、速度制御器３７４を、速度フィードフォワード３７６を、微分判定器３７８を、および加算器３８０ならびに３８２を、さらに含む。加算器３８０および３８２は、速度制御器３７４内に配置され得る。シャフトエンコーダ３５８は、ロータ上に直接的に配置された、または、ロータを間接的に読み取る、機械式エンコーダとして、光学式エンコーダとして、磁気式エンコーダ（例えばホール効果エンコーダ）として、慣性エンコーダ（例えばＩＭＵ）として、または容量式エンコーダとして実装され得る。一般に、微分判定器３７８は、シャフトエンコーダ３５８の出力に応じて、省略されてもよく、または積分器と置換されてもよい。
微分判定器３７８は、シャフトエンコーダ３５８の出力に、および加算器３８０に連結されている。速度制御器の入力は加算器３８０に連結され、速度制御器の出力は加算器３８２に連結されている。加算器３８２は、さらに、速度フィードフォワード３７６の出力に連結されている。
目標速度は、加算器３８０に、および電流フィードフォワード３６８に提供される。目標速度、Ｖｃ、は、例えば制御電流もしくは制御電圧として、またはデジタル数値として、提供され得る。さらに、微分判定器３７８は、モータのロータの瞬時速度を判定し、この瞬時速度を加算器３８０に提供する。加算器３８０は目標速度から瞬時速度を減算して、速度誤差Ｖｅを生成する。速度制御器３７４は、速度誤差を最小化するための電流コマンド、Ｉｃ、を判定する。速度フィードフォワード３７６は、目標速度Ｖｃに到達するために要求される電流の予測にしたがって、順方向電流、Ｉｆ、を判定する。換言すると、上述のように、開ループ制御システムが用いられている場合（すなわち図１の速度フィードフォワード１１４と同様）、速度フィードフォワード３７６は、要求される電流を提供する。加算器３８２は順方向電流、Ｉｆ、と電流コマンド、Ｉｃ、とを加算して、修正済み電流信号、Ｉｍ、を生成し、修正済み電流信号Ｉｍは、加算器３７０に、および電流フィードフォワード３６８に、提供される。
図１および図２との関連で上述したように、速度制御器３７４および電流制御器３６６の各制御器は、比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御器などのポリノミアル制御器として実装され得る。電流制御器３６６は、前述と同様に直接直交空間における電流制御（すなわち、ＤＱ制御とも呼ばれる）を実装し得る。さらに、前述のように、シャフトエンコーダ３５８は、機械式エンコーダとして、光学式エンコーダとして、磁気式エンコーダとして、慣性エンコーダとして、または容量式エンコーダとして具体化され得る。代替的に、シャフトエンコーダ３５８は逆起電力の測定値を用い得る。また目標速度は、ロータ動作プロファイルを生成する動作プロファイル生成器により判定され得る。このロータ動作プロファイルは、現在ロータ速度から目標速度までのロータの速度を時間の関数として記述する。動作プロファイル生成器は、現在速度と目標速度との間の差異に、モータの加速ならびに減速に関する情報に、およびモータの最大スピードにしたがって、モータ動作プロファイルを決定する。また、速度制御器３７４、速度フィードフォワード３７６、整流子３５６、電流制御器３６６、電流フィードフォワード３６８、ＰＷＭ３６０１、３６０２、ならびに３６０３、および加算器３７０、３７２、３８０、ならびに３８２は、すべて、デジタル制御器、ＤＳＰ、個別部品のうちの１つ、またはこれらの任意の組み合わせを用いて実装され得る。
Ｈブリッジ１２４１、１２４２、ならびに１２４３、Ｈブリッジ２２４１、２２４２、ならびに２２４３、およびＨブリッジ３６２１、３６２２、ならびに３６２３は、高速減衰モード、低速減衰モード、混合減衰モードの３つのモードのうちの１つのモードで動作され得る。減衰モードは、さらに説明されるように、モータの動作要件に依存する。ここで図５Ａ〜図５Ｄを参照すると、これらの図面は、本開示の技術の他の実施形態にしたがって構築および動作された、全体が参照番号４００で示されるモータコイル制御回路、および係るモータコイル制御回路の動作モードの概略図である。図５Ａでは、全体が参照番号４００で示されるコイル制御回路が示されている。
一般に３相電動モータでは、モータの各完全電気的回転に対して、各コイルは、ロータの位置に応じて、第１時間間隔の間、第１電圧（または電流）で駆動され（ここでは「順方向位相」と呼ぶ）、第２間隔の間、第１電圧に対して極性が逆転した状態の第２電圧（または電流）で駆動される（ここでは「逆位相」と呼ぶ）。図５Ｂ〜図５Ｃでは、順方向位相の間にコイル制御回路４００に印加される電圧を表す、パルス幅変調信号の図４２０、４３０、および４４０が示されている。
図５Ａを参照すると、位相制御回路４００は、モータ位相コイル４０４を駆動するＨブリッジ４０２を、および電流センサ４０８を含む。モータ位相コイル４０４は、インダクタ４０６、抵抗器４０８、および逆起電力（ＥＭＦ）生成器４１０としてモデル化される。Ｈブリッジ４０２は、４つトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、ならびにＴｒ４を、および４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、ならびにＤ４を含む。以下の説明では、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、ＴＲ３、およびＴｒ４はＮ型トランジスタであると仮定される。一方、本明細書での記載がＰ型トランジスタを有するＨブリッジにも、Ｎ型およびＰ型の両方を有するトランジスタにも、当てはまることが注目される。トランジスタＴｒ１のソースはＴｒ２のドレインに連結され、それによりノードＶ１が形成される。トランジスタＴｒ３のソースはＴｒ４のドレインに連結され、それによりノードＶ２が形成される。トランジスタＴｒ１およびＴｒ２のドレインは、供給電圧、Ｖｂ、に連結される。電流センサ４１２はトランジスタＴｒ２のソースに、およびアースに連結されている。トランジスタＴｒ４のソースもアースに連結されている。モータ位相コイル４０４の一方の端子はノードＶ１に連結され、モータ位相コイル４０４の他方の端子はノードＶ２に連結されている。
一般に、コイルに電流を流すとき、エネルギーは磁界の形態で一時的にコイルに蓄積される。電流が停止されるかまたは次第に低減されるとき。この逆起電力は、インダクタの極性を逆転させ、電流を逆方向に流れさせる。したがって、コイルがモータを駆動するために用いられるとき、逆起電力はモータを減速させ、さらには次第に停止させることさえある。コイルに蓄積されたエネルギーを放散させることは、モータが駆動され得るスピードに影響を及ぼす。
図５Ｂを参照し、且つ継続して図５Ａを参照すると、タイミング図４２０は、低速減衰モードが用いられている場合の、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、およびＴｒ４のゲートに印加されるパルス幅変調電圧信号を表す。ｔ１とｔ２との間で、高電圧がトランジスタＴｒ１およびＴｒ４のゲートに印加され、低電圧（すなわち、トランジスタの閾値電圧より低い）がＴｒ２およびＴｒ３のゲートに印加され、かくしてノードＶ１が供給電圧、Ｖｂ、に、およびノードＶ２がアースに、接続される。時間ｔ２において、低電圧（すなわちトランジスタの閾値電圧より低い）がトランジスタＴｒ１のゲートに印加され、高電圧がトランジスタＴｒ２のゲートに印加される。トランジスタＴｒ３のゲートは低電圧に維持され、トランジスタＴｒ４のゲートは高電圧に維持される。かくしてノードＶ１およびＶ２の両方が、この時点でアースに接続される。したがって時間ｔ２において、インダクタの両端の唯一の電圧は逆起電力である（すなわち、Ｖｉｎｄｕｃｔｏｒ＝逆起電力）。インダクタの放電速度は、インダクタの両端の電圧に、および回路の抵抗に比例する。インダクタの両端の電圧は逆起電力のみであり、回路の抵抗が比較的低いため、インダクタ４０６は「低」速（すなわち、以下でさらに説明する高速減衰モードおよび混合減衰モードの放電速度と比較して）で放電する。その結果、インダクタ４０６は、コイルの逆位相が始まる時間までに完全に放電し得ない。したがって、流れる平均電流は増加し（すなわち、高速減衰モードおよび混合減衰モードにおける平均電流と比較して）、ロータは「低」スピードで回転する（すなわち、以下でさらに説明する高速減衰モードおよび混合減衰モードにおけるロータスピードと比較して）。トランジスタＴｒ１に印加されるパルスのパルス幅、Ｗ１、がトランジスタＴｒ２に印加されるパルスのパルス幅、Ｗ２、と等しい必要がないことが注目される。
図５Ｃを参照し、且つ継続して図５Ａを参照すると、タイミング図４２０は、高速減衰モードが用いられている場合の、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、およびＴｒ４のゲートに印加されるパルス幅変調電圧信号を表す。ｔ１とｔ２との間で、高電圧がＴｒ１およびＴｒ４のゲートに印加され、低電圧（すなわち、トランジスタの閾値電圧より低い）がＴｒ２およびＴｒ３のゲートに印加され、それによりノードＶ１が供給電圧、Ｖｂ、に、およびノードＶ２がアースに、接続される。その結果、逆起電力がインダクタの両端に生じる。時間ｔ２において、低電圧（すなわち、トランジスタの閾値電圧より低い）がＴｒ１およびＴｒ４のゲートに印加され、高電圧がトランジスタＴｒ２およびＴｒ３のゲートに印加される。それによりノードＶ１はアースに接続され、ノードＶ２は供給電圧に接続される。したがって時間ｔ２において、逆起電力が供給電圧Ｖｂに加えられる（すなわち、Ｖｉｎｄｕｃｔｏｒ＝逆起電力＋Ｖｂ）。上述のように、インダクタの放電速度は、インダクタの両端の電圧に、および回路の抵抗に比例する。インダクタの両端の唯一の電圧が、供給電圧Ｖｂに加えられた逆起電力であるため、インダクタ４０６は「高」速（すなわち、上述の低速減衰モードと、以下でさらに説明する混合減衰モードと、における放電速度と比較して）で放電する。その結果、インダクタ４０６は、コイルの逆位相が始まる時間までに完全に放電し得る。したがって、インダクタを流れる平均電流は低く（すなわち、低速減衰モードおよび混合減衰モードにおける平均電流と比較して）、ロータは「低」スピードで回転する（すなわち、低速減衰モードおよび混合減衰モードにおけるロータスピードと比較して）。トランジスタＴｒ１およびＴｒ４に印加されるパルスのパルス幅、Ｗ１、がトランジスタＴｒ２およびＴｒ４に印加されるパルスのパルス幅、Ｗ２、と等しい必要がないことが注目される。
図５Ｄを参照し、且つ継続して図５Ａを参照すると、タイミング図４４０は、混合減衰モードが用いられている場合の、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、およびＴｒ４のゲートに印加されるパルス幅変調電圧信号を表す。ｔ１とｔ２との間で、高電圧がトランジスタＴｒ１およびＴｒ４のゲートに印加され、低電圧（すなわち、トランジスタの閾値電圧より低い）がＴｒ２およびＴｒ３のゲートに印加され、かくしてノードＶ１が供給電圧、Ｖｂ、に、およびノードＶ２がアースに、接続される。時間ｔ２において、低電圧（すなわち、トランジスタの閾値電圧より低い）がトランジスタＴｒ１のゲートに印加される。トランジスタＴｒ２およびＴｒ３のゲートは低電圧に維持され、トランジスタＴｒ４のゲートは高電圧に維持される。それによりノードＶ２は、この時点で、アースに接続され、ノードＶ１はダイオードＤ３を介してアースに接続される。したがって時間ｔ２において、インダクタの両端の唯一の電圧は逆起電力およびダイオードＤ３の順方向電圧である（すなわち、Ｖｉｎｄｕｃｔｏｒ＝逆起電力＋ＶＤ３）。上述のように、インダクタの放電速度は、インダクタの両端の電圧に、および回路の抵抗に比例する。インダクタの両端の唯一の電圧が、逆起電力およびダイオードの順方向電圧であるため、インダクタ電圧は、ダイオードＤ３の順方向電圧だけ、より高くなり（すなわち、低速減衰におけるインダクタの両端の電圧と比較して）、インダクタ４０６は中間的速度（すなわち、高速減衰モードの放電速度よりも低速、および低速減衰モードの放電速度よりも高速）で放電する。その結果、インダクタ４０６は、コイルの逆位相が始まりインダクタを流れる平均電流が中間的レベル（すなわち、低速減衰モードおよび高速減衰モードの平均電流と比較して）になる時間までに部分的に放電し、ロータは中間的なスピード（すなわち、低速減衰モードおよび高速減衰モードのロータスピードと比較して）で回転する。「減衰」および「放電」という用語がここでは相互交換可能に使用され、両方の用語がインダクタのエネルギーの放散に関するものであることが注目される。
上述のように、タイミング図４２０、４３０、および４４０は、順方向位相の間にコイル制御回路４００に印加される電圧を表す。逆位相の間、トランジスタＴｒ３は、トランジスタＴｒ１の順方向位相ＰＷＭ電圧信号と同様のＰＷＭ電圧信号を示すであろう。また逆位相の間、トランジスタＴｒ２は、トランジスタＴｒ４の順方向位相ＰＷＭ電圧信号と同様のＰＷＭ電圧信号を示すであろう。さらに、トランジスタＴｒ１の逆位相ＰＷＭ電圧信号はトランジスタＴｒ３の順方向位相ＰＷＭ電圧信号と同様となり、トランジスタＴｒ４の逆位相ＰＷＭ電圧信号はトランジスタＴｒ２の順方向ＰＷＭ電圧信号と同様になるであろう。
本開示の技術が、上記で特定的に図示および説明された内容に必ずしも限定されないことは当業者により認識されるであろう。むしろ本開示の技術の範囲は、以下の請求項のみにより定められる。

Claims (10)

  1. 電動モータを制御するためのシステムであって、前記電動モータは少なくとも３つのコイルおよびロータを含み、前記システムは、
    ロータ動作プロファイルを生成するための、および前記ロータ動作プロファイルにしたがって位置コマンドを生成するための動作プロファイル生成器と、
    前記ロータの現在位置と前記位置コマンドとの間の位置誤差を最小化するための速度コマンドを判定するための、前記動作プロファイル生成器に連結された位置制御器と、
    前記位置コマンドに到達するために要求される速度の予測にしたがって順方向速度を判定するための、前記動作プロファイル生成器に連結された位置フィードフォワードと、
    前記速度コマンドおよび前記順方向速度にしたがって修正済み速度を生成するための、前記位置制御器に、および前記位置フィードフォワードに連結された第１加算器と、
    前記ロータの瞬時速度と前記修正済み速度との間の速度誤差を最小化するための電流コマンドを判定するための、前記第１加算器に連結された速度制御器と、
    前記修正済み速度に到達するために要求される電流の予測にしたがって順方向電流を判定するための、前記第１加算器に連結された速度フィードフォワードと、
    前記電流コマンドおよび前記順方向電流にしたがって修正済み電流を生成するための、前記速度制御器に、および前記速度フィードフォワードに連結された第２加算器と、
    少なくとも３つの電流制御ループのそれぞれ１つに対するそれぞれの修正済みコイル電流を判定するための、前記第２加算器に連結された整流子であって、前記整流子は、前記ロータの位置にしたがって前記修正済みコイル電流を前記少なくとも３つの電流制御ループ間で分割する、整流子と、
    前記少なくとも３つの電流制御ループであって、前記少なくとも３つの電流制御ループのそれぞれは、前記少なくとも３つのコイルのそれぞれ１つに関連付けられ、各電流制御ループは、
    前記少なくとも３つのコイルのそれぞれ１つを流れる瞬時電流とそれぞれの修正済みコイル電流との間の電流誤差を最小化するための、そのそれぞれのコイルに対するそれぞれの電圧コマンドを判定するための、前記整流子に連結された電流制御器と、
    前記電圧コマンドをそのそれぞれのコイルに提供するための、前記電流制御器に連結されたｈブリッジと、
    を含む、電流制御ループと、
    を備える、システム。
  2. 前記電流制御ループのそれぞれは、
    それぞれの修正済み電流およびモータ電気的パラメータにしたがって、それぞれの順方向電圧を判定するための、前記整流子に連結された電流フィードフォワードと、
    そのそれぞれのコイルに対する修正済み電圧を生成するための、前記電流フィードフォワードおよび前記電流制御器に連結された第３加算器と、
    をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
  3. それぞれの前記電流制御ループは、前記それぞれのコイルを流れる瞬時電流を判定するための、前記それぞれのコイルおよびそのそれぞれの電流制御器に連結された、それぞれの電流センサをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記ロータの現在位置を判定し、前記ロータの現在位置を前記動作プロファイル生成器、前記位置制御器、および前記整流子に提供するための、前記動作プロファイル生成器に、前記位置制御器に、および前記整流子に連結されたシャフトエンコーダをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記ロータの瞬時速度を判定するための、前記シャフトエンコーダに、および前記速度制御器に連結された速度判定器をさらに含む、請求項４に記載のシステム。
  6. 電動モータを制御するためのシステムであって、前記電動モータは少なくとも３つのコイルおよびロータを含み、前記システムは、
    ロータ動作プロファイルを生成するための、および前記ロータ動作プロファイルにしたがって位置コマンドを生成するための動作プロファイル生成器と、
    前記ロータの現在位置と前記位置コマンドとの間の位置誤差を最小化するための速度コマンドを判定するための、前記動作プロファイル生成器に連結された位置制御器と、
    前記位置コマンドに到達するために要求される速度の予測にしたがって順方向速度を判定するための、前記動作プロファイル生成器に連結された位置フィードフォワードと、
    前記位置コマンドおよび前記順方向速度にしたがって修正済み速度を生成するための、前記位置制御器に、および前記位置フィードフォワードに連結された第１加算器と、
    前記ロータの瞬時速度と前記修正済み速度との間の速度誤差を最小化するための電流コマンドを判定するための、前記第１加算器に連結された速度制御器と、
    前記修正済み速度に到達するために要求される電流の予測にしたがって順方向電流を判定するための、前記第１加算器に連結された速度フィードフォワードと、
    前記電流コマンドおよび前記順方向電流にしたがって修正済み電流を生成するための、前記速度制御器に、および前記速度フィードフォワードに連結された第２加算器と、
    それぞれのコイルを流れる瞬時電流と前記修正済み電流との間の電流誤差を最小化するためのそれぞれの電圧コマンドを判定するための、整流子に連結された電流制御器と、
    それぞれのコイルに対するそれぞれの電圧を判定し、前記少なくとも３つのコイル間で前記電圧を分割するための、前記電流制御器に連結された前記整流子と、
    前記電圧コマンドをそのそれぞれのコイルに提供するための、それぞれのコイルに、および前記整流子にそれぞれ連結された少なくとも３つのｈブリッジと、
    を備える、システム。
  7. それぞれの修正済み電流およびモータ電気的パラメータにしたがってそれぞれの順方向電圧を判定するための、前記整流子に連結された電流フィードフォワードと、
    修正済み電圧を生成するための、前記電流フィードフォワードに、および前記電流制御器に連結された第３加算器と、
    をさらに含む、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記システムは、前記コイルを流れる瞬時電流を判定するための、前記コイルのそれぞれに、および前記電流制御器に連結された電流センサをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記ロータの現在位置を判定し、前記ロータの現在位置を、前記動作プロファイル生成器、前記位置制御器、および前記整流子に提供するための、前記動作プロファイル生成器に、前記位置制御器に、および前記整流子に連結されたシャフトエンコーダをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
  10. 前記ロータの瞬時速度を判定するための、前記シャフトエンコーダに、および前記速度制御器に連結された速度判定器をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
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