JP6325560B2 - 回転子位置を応用するスイッチング周波数変調 - Google Patents

Description

本発明は一般的にスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械に関し、より具体的には、ＳＲ機械のスイッチング周波数を制御するシステムおよび方法に関する。

省エネルギーへの興味が高まる中、移動式産業機械や定置式発電機など、機械の様々なツールや機能を操作する電気駆動アセンブリ又はシステムを備える機械が増えている。電気駆動装置の活発な開発により、機械式従動装置に比べて必要とする燃料とエネルギーの量は格段と少ないが、機械式の性能に匹敵し、或いは凌駕できる電気式従動装置が現実化した。機械に対する電気駆動の一般化が進むにつれ、より効率的な発電機や該発電機の制御技術に対する要求も増えていく。

電気駆動装置と共に用いられる様々な電気従動装置のうち、スイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械は、ロバスト、高コスト効率、全体的な高効率性という特徴のため、特に興味の的となっている。ＳＲ機械は通常、燃焼機関などの一次電源から受取った機械力を、一つ以上の機械を作動させる電力に変換するのに用いられる。また、ＳＲ機械は、共通バスや貯蔵装置に貯蔵されている電力を機械力に変換することもできる。ＳＲ機械は、電池や燃料電池など、他の一般的電源と併用しても良い。更にＳＲ機械は、風車や水力発電ダム、または定置式機械に通常用いられる他の電源など、従来の電源を備える定置式機械と共に使用することも可能である。通常のＳＲ機械は主に、電気駆動回路と電気的に連結している多相固定子、並びに該固定子の内部に回転可能に位置している回転子を含む。作動中の生成モードにおいて、電気駆動装置は固定子に対する回転子の機械的回転により生じる電力を受け取るようになっている。或いは作動中の運転モードにおいて、電気駆動装置は、固定子の相を介して電流を選択的に供給し、固定子と回転子極の間に電磁相互作用を生じさせて、固定子に対して回転子を所望のトルクおよび／または速度で回転させるようにしても良い。より具体的には、固定子の各相を介した電流は、通常、電気駆動装置のゲート又はスイッチにより、所定の比率又はスイッチング周波数でパルス化、又は裁断される。

しかしながら、従来の技術を用いれば、電流レベルが不整合になるか、パルス相電流において不均質の電流リップルが発生することが多いのである。相電流の電流リップルは、固定子と回転子極間の電磁相互作用に直接影響を及ぼし、更には、機械の作動や性能に望まぬ結果をもたらす。他には、スイッチング周波数を永久的に増やして電流リップルを緩和させる方法もある。しかしながら、電流リップルの悪影響を相殺するために必要なスイッチング周波数の増加量はあまりにも大きすぎるため、ＳＲ機械に負担がかかってしまう。特に、スイッチング周波数が増加すれば、電気駆動装置において望まぬ電力損失も増加する。

従って、ＳＲ機械の制御を向上させ、上記の欠陥を克服し、電気駆動装置における電力損失を低減しなければならない。特に、スイッチング周波数の著しい増加により、ＳＲ機械の各相に供給される裁断電流に生じる電流リップルを相殺する方法を使わず、電流リップルを低減する必要がある。

本開示の一様態において、回転子と固定子とを有するスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械を制御する制御システムを提供する。該制御システムは、固定子に操作可能に連結されており、固定子の各相と選択的に通信を行う複数のスイッチを含む変換回路と、固定子および前記変換回路のそれぞれと通信を行うコントローラとを備える。該コントローラは、固定子に対する回転子の位置を判定し、回転子の位置に基づいて変調スイッチング周波数を生成する。

本開示の他の様態において、回転子と固定子とを有するスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械のスイッチング周波数を制御する方法を提供する。該方法では、固定子に対する回転子の位置を判定し、該回転子位置は 機械インダクタンスを示す。更に該方法では、回転子位置に基づいてスイッチング周波数を変調して、スイッチング周波数が機械インダクタンスが増加すれば減少し、機械インダクタンスが減少すれば増加するようにする。

本開示の更に他の様態において、回転子と固定子とを有するスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械の制御方法を提供する。該方法では、固定子に対する回転子の位置を判定し、回転子位置に基づいてスイッチング周波数を判定し、スイッチング周波数と電流基準信号とに基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）相電流信号を生成する一方、ＰＷＭ相電流信号に基づいて固定子の少なくとも１つの相を制御する。

図１は、電気駆動装置を有する機械の例示を示す略図である。 図２は、本開示の教示に従って構築したスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械を制御する制御システムの例示を示す概略図である。 図３は、相電流を生成する従来技術の実施形態のうち１つの概略図である。 図４は、図３の従来技術の実施形態により提示された、相電流、機械インダクタンスおよびスイッチング周波数のグラフィック図である。 図５は、ＳＲ機械のスイッチング周波数を制御する方法の例示のうち１つを示す略図である。 図６は、相電流を生成する図５の方法を採用した実施形態の例示のうち１つを示す概略図である。 図７は、図６の実施形態により提示された、相電流、機械インダクタンスおよびスイッチング周波数のグラフィック図である。

特定の実施形態または特徴、添付図面に図示されている実施例を参照としてより詳しく説明を行う。一般的に、同様または類似の部分に対して、対応の参照符号は同じものを用いることにしている。

図１は、機械的エネルギーから電気エネルギーを生成し、逆に電気エネルギーから機械的エネルギーの生成も可能である電気駆動手段を採用した機械１００の例示に当る実施形態を、概略的に図示したものである。例えば、図１の特定の実施形態において、機械１００は、電気駆動システム１０４と連結されており、牽引装置１０６を介して動作を誘導する電源１０２を含む。更に、電源１０２は、結合駆動軸または軸方向回転駆動軸１１２を介して電気駆動システム１０４の電気機械１１０（モータ／発電機など）に電力を機械的に伝送するように構成されていても良い。可動機械１００は、産業に関連のある特定の作業、例えば採掘、建設、農業、輸送、或いは当該分野で既知の他の作業などを行う作業機械として用いられても良い。例えば、可動機械１００は、土木機械、船舶、航空機、トラクタ、オフロードトラック、道路交通機関などである。一般的に、電気駆動システム１０４の電源１０２は、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジンなどの燃焼機関を含む。代替案においては、機械１００を一般的に用いられる他の電源、つまり電池、燃料電池あんどと共に併用しても良い。更に、図１の機械１００は移動式として図示されているが、機械１００は、例えば風車や水力発電ダム、その他の適合な手段を電源として有する定置式機械と併用して電力を生成しても良い。

図２は、電源１０２と１つ以上の電気負荷１１４間の電力伝送に採用されても良い電気駆動システム１０４の例示の１つを概略的に図示している。図２における電気駆動システム１０４の電気機械１１０は、電源１０２からの回転入力に応じて電力を生成し、機械１００の１つ以上の電気負荷１１４に電力を供給する、スイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械などであっても良い。負荷１１４は、例えば、機械１００の動作を誘導するモータ、並びに機械１００の様々な機械ツールを操作するモータを含んでも良い。本分野では周知の事実であるが、ＳＲ機械１１０は、固定子１１８の内部に回転可能に位置する回転子１１６を含んでも良い。回転子１１６は、駆動軸１１２を介して、或いは、他の関連実施形態のように、直接クランク軸、歯車列、油圧回路などを介して、電源１０２の出力端子に連結されていても良い。固定子１１８は、変換回路１２２を介して電気駆動システム１０４の共通バス１２０に電気的に連結されていても良い。

作動中の生成モードにおいて、回転子１１６が電源１０２により固定子１１８の内部で回転するにつれ、固定子１１８の内部で誘起された電流は変換回路１２２に供給される。変換回路１２２は、電気信号を順に機械１００の様々な電気負荷１１４に配分する適切な直流（ＤＣ）電流へ変換しても良い。更に、ＳＲ機械１１０は、例えば作動中の運転モードにおいて、共通バス１２０から固定子１１８に供給された電気信号に応じて回転子１１６を回転させても良い。共通バス１２０は、陽極線１２４、並びに陰極線または接地線１２６を含んでも良く、共通ＤＣバス電圧は、それらの線を渡り、それに連結されている機械１００の１つ以上の負荷１１４と通信を行う。例えば、変換回路１２２は、牽引装置１０６を介して機械１００の動作を誘導するために、共通バス１２０を介して、１つ以上の牽引モータを駆動させる適切な交流（ＡＣ）信号にＤＣ電圧を変換する整流回路に伝送される予定のＤＣ信号を供給する。共通バス１２０はまた、ハイブリッドシステム、電気従動ポンプ、電気従動ファンなどの構成要素として、機械１００の他の負荷１１４に共通ＤＣ電圧を伝送しても良い。

同じく図２において、電気駆動システム１０４は更に、ＳＲ機械１１０を制御する制御システム１２８を含んでも良い。該制御システムは、電気駆動システム１０４と関連付けられている変換回路１２２と少なくとも通信を行うコントローラ１３０を含む。変換回路１２２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどの、一連のトランジスタまたはゲートスイッチ１３２と、ダイオード１３４とを含み、ＳＲ機械１１０の１つ以上の相巻線に供給された電流を選択的に利用可能にするか、或いは裁断する。三相ＳＲ機械１１０は、例えば、ＳＲ機械１１０のフェーズレッグ（ｐｈａｓｅ ｌｅｇ）３つを介して電流を選択的に裁断する、６つのスイッチ１３２と６つのダイオード１３４を有する変換回路１２２により駆動されても良い。各スイッチ１３２は、コントローラ１３０から供給され得るゲート信号を介して更に稼動または停止させることができる。特定の改良案では、制御システム１２８は、固定子１１８に対する回転子１１６の回転速度および／または位置に応じてセンサ信号を生成するエンコーダまたはセンサ１３６、例えば回転子位置センサや回転子速度センサなどを備え、コントローラ１３０の入力端子にセンサ信号を送信する。センサ１３６は、可変リラクタンスセンサ、静電容量センサ、ホール効果センサ、異方性磁気抵抗センサなどを含む。センサ１３６は、固定子１１８の相を介する層電流やバス電圧のうち１つ以上を測定する手段を更に含んでも良い。更なる代替改良案においては、回転子速度、回転子位置、回転子磁束、バス電圧、相電流のうちの１つ以上を測定する代わり、コントローラ１３０により無センサ手段を介して評価または導出しても良い。制御システム１２８および変換回路１２２への電力は、外部または二次電源、例えば電池（図示せず）、共通バス１２０のコンデンサ１３８に貯蔵されている残留電圧、又はその他の適合な電流制限ＤＣ電源により供給しても良い。

図２のコントローラ１３０は、プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、電子制御ユニット（ＥＣＵ）、電気駆動システム１０４に電子制御を提供できるその他の適合な手段のうち、１つ以上を用いて実現しても良い。より具体的には、コントローラ１３０は、ＳＲ機械１１０、機関１０２、電気駆動システム１０４などの観測特徴の１つ以上に基づいて機械１００の性能を最適化できるように設計されている所定のアルゴリズム、或いは命令セットに従って、電気駆動システム１０４のＳＲ機械１１０を操作する。コントローラ１３０は、例えば、回転子速度、回転子位置、回転子磁束、電気駆動システム１０４および／またはＳＲ機械１１０にかかる負荷、固定子１１８の各相を介する相電流または機械電流などを観測しても良い。操作中の任意の時点で観測されたパラメータの様々な組み合わせに基づき、コントローラ１３０は、最も効率的かつ効果的な方式でＳＲ機械１１０および変換回路１２２を操作する最適の計画を判定することができる。

作動中の特定のモード、例えば運転モードにおいて、コントローラ１３０は、設定したスイッチング周波数でスイッチ１３２を係合させ、固定子１１８の各相にパルス電流または裁断電流を供給しても良い。図３に図示されているように、例えば、当該分野に既知の手段を用いてスイッチング周波数１４４に従い、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ１４２によって電流基準信号１４０をパルス化し、例えば図４に図示されているＰＷＭ信号または裁断相電流１４６を生成する。図示のように、スイッチング周波数１４４は、回転子位置θ、並びに機械インダクタンス１４８に対して実質的に一定を保っていても良い。しかしながら、上記の制御計画を用いれば、図４の相電流１４６のパルスが示しているように不整合または不均質の電流リップルが生じる結果をもたらすことがある。特に、一定スイッチング周波数１４４の存在下で、より大きい機械インダクタンス１４８を表す回転子位置は、結果として得た相電流においてより小さい電流リップルを引き起こし、より小さい機械インダクタンス１４８を表す回転子位置は、より大きい電流リップルを引き起こすことになる。固定子１１８の各相に印加する際に、前記の不均質な電流リップルは、ＳＲ機械１１０の作動や性能に望まぬ結果をもたらす。スイッチング周波数１４４を増加させば、ＳＲ機械１１０に対して相対的に無視できる水準まで電流リップルを変化させることで、機械性能に対する悪影響をあるほど克服できるようにする。しかしながら、その方法は、電気駆動システム１０４に著しい負担をかける結果となり、実質的に電力損失へつながってしまう。

図５は、スイッチング周波数を著しく増加させず、電流リップルの望まぬ効果を軽減するのに役立つアルゴリズムまたは方法１５０の例示を示すフローチャートである。特に方法１５０では、コントローラ１３０を用いて機械インダクタンス、回転子位置および回転子磁束のうち１つ以上によって可変するスイッチング周波数を、相電流に存在する不均質な電流リップルを相殺する方式で供給する。図５に図示されているように、コントローラ１３０は、ステップ１５０−１において、回転子速度および機械負荷に最も適する所望スイッチング周波数をまず判定する。特に、コントローラ１３０はセンサ１３６、類似品、無センサ手段などのうち１つ以上を介してＳＲ機械１１０にかかる負荷と回転子速度とを判定し、観測した機械負荷と回転子速度とに基づいて各相のスイッチ１３２に係合する最適率を判定する。所望のスイッチング周波数が一度確立すれば、コントローラ１３０はステップ１５０−２に進み、固定子１１８に対する回転子１１６の位置において観測された変化に従ってスイッチング周波数の調整を始める。

図５のステップ１５０−２に図示されているように、コントローラ１３０はまず、回転子位置、或いは固定子１１８に対する回転子１１６の位置を判定する。コントローラ１３０は、それに関連付けられているセンサ１３６を１つ以上用いて回転子位置を判定する。例えば、回転子位置は、回転子１１６および／またはそれに連結されている駆動軸１１２と通信可能に位置している、近接および／またはエンコーダ系センサ１３６により判定しても良い。回転子位置は、更に、若しくは代わりに、本分野において一般的に用いられる無センサ手段を介して導出または決定しても良い。ステップ１５０−２で判定した回転子位置は機械インダクタンス１４８を示し、よってコントローラ１３０により、少なくとも機械インダクタンス１４８が通常いつ増加または減少しているかを判定するために用いられる。図４に対して前述しているように、機械インダクタンス１４８の変動は、結果として得たＰＷＭ信号または相電流１４６における電流リップルの不均質を直接反映する。従って、コントローラ１３０はステップ１５０−３において、回転子位置、回転子磁束および／または機械電流に基づき、スイッチング周波数を調整して機械インダクタンス１４８における変動によって生じた不均質な電流リップルを相殺しても良い。

図６に図示されているように、例えば、コントローラ１３０は、図３および４の一定スイッチング周波数１４４の代わりに、回転子位置θに応じて可変するスイッチング周波数１５２を用いて電流基準信号１４０をパルス化、若しくは裁断するＰＷＭコントローラ１４２を備える。スイッチング周波数１５２は、相電流ｉ、または回転子磁束に応じて可変しても良く、該相電流は回転子磁束に対応し、回転子磁束は機械インダクタンス１４８に、例えば、回転子位置と相電流に応じて対応する。図７に図示されているように、コントローラ１３０は、変調スイッチング周波数１５２を生成し、或いは所定のスイッチング周波数１５２を変調して、機械インダクタンス１４８が増加すればスイッチング周波数１５２は減少し、機械インダクタンス１４８が減少すれば増加すうようにする。更に、スイッチング周波数１５２が可変すると同時に、スイッチング周波数１５２における変動は抑制され、ステップ１５０−１で回転子速度と機械負荷に基づいて判定された所望のスイッチング周波数に実質的に近似している全平均スイッチング周波数を提供することになる。また、スイッチング周波数１５２は、コントローラ１３０のメモリにプログラムされている、回転子位置、相電流および／または回転子磁束の所定関数に従って可変する。所定のＳＲ機械１１０における様々な可能回転子位置に対する理想スイッチング周波数と関連している、予めプログラムされたルックアップテーブルおよび／またはマップに基づいて、スイッチング周波数１５２を生成または調整しても良い。

ステップ１５０−３で調整または生成されたスイッチング周波数１５２を用いて、コントローラ１３０は更に、例えばステップ１５０−４において、図７に図示されているように、例えばＰＷＭコントローラ１４２を使用して電流基準信号１４０を裁断し、相電流１５４を生成しても良い。また、コントローラ１３０は、ステップ１５０−５において、相電流コマンドと変調スイッチング周波数とに基づいてＰＷＭコマンドを生成しても良い。図示のように、相電流１５４の各パルスにおける電流リップルの周波数が回転子位置、機械電流または回転子磁束によって可変すると同時に、電流リップルの一般等級は、図４に図示されている従来技術の相電流１４６のそれとは異なり、パルスを通して大抵一定を保つ。更に、固定子１１８の各相に印加された実際の相電流１５４の平均は、より正確で、所望の相電流と実質的に一致するため、電気駆動システム１０４の効率を阻害することなく機械の性能を向上することができる。また、ステップ１５０−６において、コントローラ１３０は、ＳＲ機械１１０の適合な相に対して改良相電流１５４を印加、または送信しても良い。より具体的には、コントローラ１３０は、関連のある電気動力システム１０４の適合なスイッチ１３２を、改良相電流１５４に従って、選択的に作動・停止させることができ、それによって固定子１１８の各相と係合し、固定子に対して回転子１１６を回転させる。

一般的に、前述した開示は様々な産業、例えば農業、建設、採掘などにおいて作業車両および／または作業機械、例えばトラクタ、バックホー積み込み機、圧縮機、きこりバンチャー、林業機械、工業積み込み機、スキッドステアローダ、ホイールローダなどと関連して用いられる機械に対してスムース且つ高効率の制御を提供する。本開示は、風車や水力発電ダムなどの定置式機械においても様々な方式で応用することができる。

より具体的には、本開示の制御システムおよび方法を、本分野で通常用いられるスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械、またはそれ同等の機械を有する電気駆動システムおよび機械に適用しても良い。本願に開示されているシステムおよび方法は、実質的に電力を損失せず、機械の性能を向上する方式でＳＲ機械のスイッチング周波数を制御する手段を提供する。更に、本開示は、回転子位置、機械電流および回転子磁束に基づいてスイッチング周波数を変更し、機械インダクタンスにおける変動によって生じる相電流の電流リップルの不均質さを相殺することができる。

前述において、説明を目的として特定の実施形態のみを提示しているので、当事者は、上記の説明から変更および改良の方案を容易に導き出せると思われる。変更案は全て、請求項の開示の精神と範疇内に属する同等のものとして見なされる。

Claims (10)

1. 回転子（１１６）と固定子（１１８）とを有するスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械（１００）を制御する制御システム（１２８）であって、
   前記固定子（１１８）に操作可能に連結されており、前記固定子（１１８）の各相と選択的に通信を行う複数のスイッチ（１３２）を含む変換回路（１２２）と、
   前記固定子（１１８）および前記変換回路（１２２）のそれぞれと通信を行っており、
   前記固定子（１１８）に対する前記回転子（１１６）の位置を判定し、前記回転子（１１６）の位置に基づいて変調スイッチング周波数（１５２）を生成するコントローラ（１３０）とを備え、
   機械インダクタンス（１４８）は回転子（１１６）位置と回転子（１１６）磁束の関数であり、前記変調スイッチング周波数（１５２）は前記機械インダクタンス（１４８）が増加すれば減少し、前記機械インダクタンス（１４８）が減少すれば増加するように構成されていることを特徴とする、制御システム（１２８）。
2. 最初の所望スイッチング周波数（１４４）を回転子（１１６）速度と、前記ＳＲ機械（１１０）のトルク要求とに基づき決定することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム（１２８）。
3. 前記コントローラ（１３０）は、１つ以上の前記回転子（１１６）とそれに連結されている駆動軸（１１２）とに近接して位置する１つ以上のセンサ（１３６）からのフィードバックに基づき、回転子（１１６）位置を判定することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム（１２８）。
4. 前記コントローラ（１３０）は、回転子（１１６）位置および回転子（１１６）磁束の予かじめプログラムされた関数に基づき、前記スイッチング周波数（１４４）を変調することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム（１２８）。
5. 前記コントローラ（１３０）は、様々な最適スイッチング周波数と回転子（１１６）位置とを関連付ける１つ以上の予めプログラムされたマップに基づき、前記スイッチング周波数（１４４）を変調することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム（１２８）。
6. 前記コントローラ（１３０）はさらに、前記変調スイッチング周波数（１５２）と電流基準信号（１４０）とをパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ（１４２）に印加し、前記固定子（１１８）の少なくとも１つの相に電流を裁断するＰＷＭ相電流（１４６）信号を生成することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム（１２８）。
7. 回転子（１１６）と固定子（１１８）とを有するスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械（１００）のスイッチング周波数（１４４）を制御する方法（１５０）であって、
   前記固定子（１１８）に対する回転子（１１６）の位置を判定し、該回転子（１１６）位置は所定の回転子（１１６）磁束に対する機械インダクタンス（１４８）を示すステップと、
   前記回転子（１１６）位置に基づいて前記スイッチング周波数（１４４）を変調し、前記変調スイッチング周波数（１４４）は前記機械インダクタンス（１４８）が増加すれば減少し、前記機械インダクタンス（１４８）が減少すれば増加するようにするステップとからなることを特徴とする、方法（１５０）。
8. 回転子（１１６）速度と、前記ＳＲ機械（１１０）のトルク要求とに基づき、最初の所望スイッチング周波数（１４４）を決定するステップ（１５０）をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の方法（１５０）。
9. １つ以上の前記回転子（１１６）とそれに連結されている駆動軸（１１２）とに近接して位置する１つ以上のセンサ（１３６）からのフィードバックに基づき、回転子（１１６）位置を判定するステップ（１５０）をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の方法（１５０）。
10. 前記スイッチング周波数（１４４）は、回転子（１１６）位置および／または磁束の予めプログラム関数に基づき変調されることを特徴とする、請求項７に記載の方法（１５０）。

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