JP6889018B2 - モータの回生管理 - Google Patents

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Description

本開示は、概して電動モータに関し、具体的には、電動モータの回生に関する。より具体的には、本開示は、電動モータの全体的な性能を向上させる回生管理の方法及び装置に関する。
様々な電気機械システムにおいて、電動モータは複数の異なる速度で駆動される。電動モータが高速で駆動されると、回生状態が発生する場合がある。回生状態は、電動モータに対する負荷が突然減少することにより、電流が逆流してモータの電源に戻ることで発生する。電源としては、例えば、電池、電池システム又はその他の電力供給源がある。電源に電流が流れ込むと過電圧が生じるおそれがあり、それが電源に悪影響を及ぼしたり、電源の性能を低下させたり、電源から電動モータへの電力供給を妨げたりする場合がある。このように、回生が発生すると、電動モータの全般的な性能が低下する場合がある。
回生は、通常、電動モータのデューティサイクルの低下や負荷の変化、あるいはその両方に起因して、事後にあるいは即時に発生する。現状の回生管理としては、限定するものではないが例えば、分路抵抗器及び電圧比較回路などのハードウェア部品を利用する方法がある。ただし、そのようなハードウェア部品は、電動モータの重量を許容される以上に増加させうる。加えて、そのようなハードウェア部品は、電動モータ全体のコストも許容される以上に増加させうる。したがって、上述の事項の少なくともいくつかと、その他の潜在的な事項を考慮にいれた方法及び装置の提供が望まれる。
例示的な一実施例において、モータの回生制御方法が提供される。電源からモータに供給される瞬時電圧が、電圧センサから受信する電圧信号を用いて特定される。前記モータの新たな平均電圧が、前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて算出される。前記新たな平均電圧と前記瞬時電圧との差分が所定の閾値と比較されて、回生状態の有無が判定される。回生状態が発生していると判定されると、前記モータのデューティサイクルが低下しないように前記モータの駆動が制御される。
他の例示的な実施例において、電圧センサ及びコントローラを含む装置が提供される。前記電圧センサは、電源からモータに供給される電圧を測定して電圧信号を生成する。前記コントローラは、前記電圧センサから受信する前記電圧信号を用いて瞬時電圧を特定する。前記コントローラは、前記モータの新たな平均電圧を、前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて算出する。前記コントローラは、前記新たな平均電圧と前記瞬時電圧との差分を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定する。前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記モータのデューティサイクルが低下しないように前記モータの駆動を制御する。
他の例示的な実施例において、航空機の電動モータを制御して回生を管理する方法が提供される。前記電動モータに電源から供給される電圧を測定する電圧センサから電圧信号が受信される。前記電圧信号から瞬時電圧が特定される。前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて、新たな平均電圧が算出される。前記瞬時電圧と前記新たな平均電圧との差分に基づいて、回生状態の有無が判定される。回生状態が発生していると判定された場合、前記電動モータのデューティサイクルの望ましくない低下を抑制するように、前記デューティサイクルのレート・リミッタが調整される。
これらの特徴及び機能は、本開示の様々な実施例において独立して達成することができ、あるいは他の実施例と組み合わせてもよい。以下の説明及び図面を参照すれば、その詳細がさらに理解されるであろう。
例示的な実施例に特有のものと考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、例示的な実施例、ならびに、好ましい使用形態、さらに、その目的及び利点は、以下に示す添付の図面と併せて本開示の例示的な実施例の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されるであろう。
例示的な実施例に基づくモータシステムを示す図である。 例示的な実施例に基づくモータシステムを示すブロック図である。 例示的な実施例に基づく、回生管理のための電動モータ制御プロセスを示すフロー図である。 例示的な実施例に基づく、回生管理のための電動モータ制御プロセスを示すフロー図である。 例示的な実施例に基づく、モータのセンサレス整流を実行するプロセスを示すフロー図である。
例示的な実施例において、様々な内容が考慮されている。例えば、例示的な実施例において、ハードウェア部品の追加を必要とせずに電動モータの回生を効率的に管理することが望ましいことが考慮されている。具体的には、例示的な実施例において、電動モータに関連付けられた電圧センサによるレール電圧（rail voltage）の測定値が、回生管理に利用可能であることが考慮されている。回生状態ではモータ負荷（duty）を減少させないようにして回生状態を解消することで、回生を管理することが可能である。
例示的な実施例は、電動モータを制御して回生を管理する方法及び装置を提供する。例示的な一実施例では、電圧センサを用いてモータの瞬時電圧を測定する。瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、瞬時電圧の重み係数と、を用いてモータの新たな平均電圧を算出する。新たな平均電圧を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定する。回生状態が発生していると判定されると、モータのデューティサイクルが低下しないようにモータの駆動が制御される。一例として、回生状態が解消されるまでデューティサイクルを低下させないようにモータの駆動が制御される。
添付図面を、具体的には図１を参照すると、例示的な実施例に基づくモータシステムが示されている。この例示的な実施例において、モータシステム１００は、モータ１０２及びセンサレス整流システム１０４を含む。
この例示的な実施例では、モータ１０２は、電動モータである。具体的には、モータ１０２は、３相ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータである。電源１０５は、モータ１０２に電力を供給する。この例示的な実施例では、電源１０５は、直流電源の形態である。
モータ１０２は、ロータ１０６、ステータ１０８及び複数の巻き線部１１０を含む。この例示的な実施例では、複数の巻き線部１１０は、第１巻き線部１１２、第２巻き線部１１４及び第３巻き線部１１６を含む。各巻き線部は、モータ１０２における異なる位相に対応する。
図示の通り、センサレス整流システム１０４は、モータ１０２に接続されている。具体的には、センサレス整流システム１０４は、複数の巻き線部１１０に接続している。センサレス整流システム１０４は、モータ１０２に接続された電気回路１１８と、コントローラ１２０と、を含む。
電気回路１１８は、電圧センサ１２１、インバータ１２２及び電圧測定システム１２４を含む。電圧センサ１２１は、モータ１０２の駆動中に、モータ１０２の電圧を測定する。図示の通り、測定された電圧は、レール電圧である。レール電圧とは、電源１０５からの供給電圧である。コントローラ１２０は、電圧センサ１２１により得られるレール電圧の測定値を用いて回生管理を行う。具体的には、コントローラ１２０は、回生状態においては、モータ１０２のデューティサイクルを低下させないよう制御するとともに、回生状態が解消された後は、必要に応じてデューティサイクルを低下させる制御を行う。
インバータ１２２は、モータ１０２の整流制御に用いられる。具体的には、インバータ１２２は、モータ１０２の整流タイミングを制御する。図示の通り、インバータ１２２は、トランジスタ１２６、トランジスタ１２８、トランジスタ１３０、トランジスタ１３２、トランジスタ１３４及びトランジスタ１３６を含む。この例示的な実施例では、トランジスタ１２６、トランジスタ１２８、トランジスタ１３０、トランジスタ１３２、トランジスタ１３４及びトランジスタ１３６は、いずれも金属酸化物半導体電界効果トランジスタである。
この例示的な実施例では、インバータ１２２は、ゲートドライバ１３１、ゲートドライバ１３３及びゲートドライバ１３５も含む。これらゲートドライバは、インバータ１２２に含まれるトランジスタのオン状態とオフ状態を切り換えるタイミングを制御する。
電圧測定システム１２４は、複数の巻き線部１１０の各電圧を測定するのに用いられる。図示の通り、電圧測定システム１２４は、電圧分割器１３８、電圧分割器１４０及び電圧分割器１４２を含む。電圧分割器１３８、電圧分割器１４０及び電圧分割器１４２は、第１巻き線部１１２、第２巻き線部１１４及び第３巻き線部１１６にそれぞれ接続されている。加えて、電圧分割器１３８、電圧分割器１４０及び電圧分割器１４２は、いずれもグランド１４４に接続されている。
電圧分割器１３８は、第１巻き線部１１２の電圧を測定する。電圧分割器１４０は、第２巻き線部１１４の電圧を測定する。電圧分割器１４２は、第３巻き線部１１６の電圧を測定する。
この例示的な実施例では、コントローラ１２０は、複数の巻き線部１１０の各々で測定された電圧を使って、モータ１０２の３つの位相の各々における逆起電力を算出する。例えば、コントローラ１２０は、モータ１０２の第１位相に対する第１逆起電力、モータ１０２の第２位相に対する第２逆起電力、及び、モータ１０２の第３位相に対する第３逆起電力を算出する。
次いで、コントローラ１２０は、第１逆起電力、第２逆起電力及び第３逆起電力を使って、総逆起電力（overall back electromotive force）を算出する。このように、コントローラ１２０は１つ又は複数のデジタルアルゴリズムを用い、電圧測定システム１２４により測定された電圧に基づいて総逆起電力を算出することができる。よって、モータ１０２の整流制御に用いるハードウェア部品の数を減らすことができるので、モータシステム１００全体の重量を減らすことができる。
コントローラ１２０は、総逆起電力に基づく結果を算出する。この結果は、第１の値又は第２の値を有するように算出することができる。限定するものではないが例えば、コントローラ１２０は、総逆起電力が負であれば第１の値を有する結果を生成し、総起電力が正であれば第２の値を有する結果を生成する。
この例示的な実施例では、コントローラ１２０は、生成した結果を用いて、モータ１０２の整流位相及び整流期間の両方を調整する。これらを調整することにより、コントローラ１２０によるゲートドライバ１３１、ゲートドライバ１３３及びゲートドライバ１３５の制御を調整して、トランジスタ１２６、トランジスタ１２８、トランジスタ１３０、トランジスタ１３２、トランジスタ１３４及びトランジスタ１３６それぞれのオン状態とオフ状態の切り換えタイミングを制御することができる。各トランジスタのオン状態及びオフ状態を制御することにより、モータ１０２の整流が制御される。
センサレス整流システム１０４は、複数の巻き線部１１０を流れる電流と総逆起電力との位相の整合（phase alignment）を向上させるよう構成されている。モータ１０２の出力電力は、電流と総逆起電力の位相が整合している場合に最大となる。また、センサレス整流システム１０４は整流のタイミングも向上させる。
電気回路１１８について上述した構成とコントローラ１２０が実行する機能とにより、サージ電流の発生を低減でき、また、モータ１０２が整流と整流の間に供給する電流をより平滑化することができる。サージ電流を低減し、整流間の供給電流をより平滑化することにより、センサレス整流システム１０４は、モータ１０２の効率を向上させ、モータ１０２の発熱低減に寄与し、過電流の発生を低減又は防止し、モータ１０２の出力電力を増加させることができる。さらに、電気回路１１８が有する上述した簡易な構成とコントローラ１２０が実行する機能により、効率的なセンサレス整流制御を低コストで提供することができる。
図２を参照すると、例示的な実施例に基づくモータシステムがブロック図で示されている。この例示的な実施例では、モータシステム２００は、モータ２０２、電気回路２０４、電源２０５及びコントローラ２０６を含む。図１におけるモータシステム１００、モータ１０２、電気回路１１８、電源１０５及びコントローラ１２０のそれぞれは、図２におけるモータシステム２００、モータ２０２、電気回路２０４、電源２０５及びコントローラ２０６の実施態様の例である。
モータ２０２は、電動モータであって、様々な形態をとりうる。実施態様によっては、モータ２０２はブラシレス直流モータ、永久磁石同期モータ、リラクタンスモータ、交流（ＡＣ）誘導モータ、又はその他の種類の電動モータの形態をとりうる。モータ２０２は、航空機、船舶、宇宙船、陸上車両、又はその他の種類の複雑なシステムやプラットフォームの一部である電気機械システムに含まれうる。
電源２０５は、モータ２０２に電力を供給する。いくつかの例示的な実施例において、電源２０５は直流電源である。電源２０５は、電池、電池システム、又はその他の電源の形態をとりうる。
例示的な一実施例では、モータ２０２は複数の巻き線部２０８を有する。例えば、モータ２０２は、３つの異なる位相の３つの巻き線部を備える３相モータでもよい。具体的には、第１位相が位相Ａであり、第２位相が位相Ｂであり、第３位相が位相Ｃであってもよい。
電気回路２０４は、モータ２０２及びコントローラ２０６に接続されている。電気回路２０４は、電圧センサ２１０を含む。電圧センサ２１０は、電源２０５からモータ２０２に供給される電圧２１２を測定し、電圧信号２１３をコントローラ２０６に送出する。電圧２１２は、電源２０５からモータ２０２への供給電圧であるレール電圧でもよい。
コントローラ２０６は、電圧センサ２１０からの電圧信号２１３に含まれる電圧２１２の測定値を利用して、モータ２０２の回生管理を行う。例えば、任意の時点において、コントローラ２０６は、電圧センサ２１０から受信した電圧信号２１３から、瞬時電圧２１４を特定する。瞬時電圧２１４を、瞬時レール電圧とも称する。瞬時電圧２１４は、電圧信号２１３を特定の時点のサンプルでもよい。
コントローラ２０６は、瞬時電圧２１４、前回算出した平均電圧２１８及び瞬時電圧２１４の重み係数２２０を用いて、モータ２０２の新たな平均電圧２１６を算出する。いくつかの例示的な実施例では、前回算出した平均電圧２１８は、モータ２０２の駆動開始時からのサンプリング履歴に基づいて前回算出したモータ２０２の平均レール電圧でもよい。いくつかの他の例示的な実施例では、前回算出した平均電圧２１８は、所定サイズのサンプリング履歴に基づいて前回算出したモータ２０２の平均レール電圧でもよい。例えば、前回算出した平均電圧２１８は、電圧センサ２１０から受信した電圧信号２１３のＮ個のサンプルの平均電圧でもよい。Ｎ個のサンプルは、５個のサンプル、１０個のサンプル、２０個のサンプル、５０個のサンプル、１００個のサンプル又はその他の個数のサンプルであってもよい。サンプル数であるＮは、サンプリングレートに基づいて選択されてもよい。限定するものではないが例えば、Ｎは、サンプリングレートＲが高いほど大きい数であってもよい。あるいは、Ｎは、サンプリングレートＲが低いほど小さい数であってもよい。
例示的な一実施例では、コントローラ２０６は、下記式を用いて新たな平均電圧２１６を算出する。
Ｖnewavg ＝ ［Ｖprevavg × （１ − Ｗ）］ ＋ ［Ｖinst × Ｗ］ （１）
式中、Ｖnewavgは新たな平均電圧２１６を表し、Ｖprevavgは前回算出した平均電圧２１８を表し、Ｗは重み係数２２０を表し、Ｖinstは、瞬時電圧２１４を表す。
コントローラ２０６は、新たな平均電圧２１６と瞬時電圧２１４との差分２２２を算出する。コントローラ２０６は、差分２２２を所定の閾値２２４と比較して、回生状態２２６の有無を判定する。所定の閾値２２４は、電源２０５の性能及び特性に基づいて選択される。
差分２２２が所定の閾値２２４より大きければ、コントローラ２０６は回生状態２２６が生じていると判定する。回生状態２２６が生じていれば、瞬時電圧２１４が所望の値より高くなって、電源２０５に過電圧が生じていることを示す。
回生状態２２６が発生していると判定すると、コントローラ２０６は、回生状態に適宜対処するようにモータ２０２の駆動を制御する。具体的には、コントローラ２０６は、モータ２０２のデューティサイクル２２８を制御する。例えば、コントローラ２０６は、回生状態２２６にある間は、デューティサイクル２２８が低下しないように制御する。例示的な一実施例では、デューティサイクル２２８のレート・リミッタ（rate limiter）を調整して、デューティサイクル２２８の低下を抑制する。デューティサイクル２２８の低下を抑制することにより、モータ２０２の速度が制御されて、回生解消のための時間が十分に確保される。デューティサイクル２２８の低下を抑制することにより、回生状態２２６にあるモータ２０２の速度の増加が抑制される。
他の例示的な実施例では、回生状態２２６が発生していると判定された場合、デューティサイクル２２８の低下を許容しつつ、デューティサイクル２２８の低下する割合を小さく設定する。例えば、回生状態２２６が発生しているとの判定に応じて、コントローラ２０６は、デューティサイクル２２８の低下率をゼロに設定する。
また、回生状態２２６が発生していると判定すると、コントローラ２０６は重み係数２２０を調整する。例示的な一実施例では、重み係数２２０を小さくすることにより、回生中に生じる瞬時電圧２１４の測定値が過剰に高い値であっても、以降に算出される新たな平均電圧２１６の値が悪影響を受けないようにする。具体的には、瞬時電圧２１４の重み係数２２０を小さくすることにより、新たな平均電圧２１６の算出において、前回算出した平均電圧２１８に対する重みを、瞬時電圧２１４に対する重みよりも大きくすることができる。
例示的な一実施例では、重み係数２２０を、約０．１から約０．０５に引き下げてもよいし、あるいは、約０．１２から約０．０８に引き下げてもよい。このように重み係数２２０を引き下げることにより、実際には回生状態２２６が継続しているにもかかわらず、既に解消されたとコントローラ２０６が誤って判定することを回避できる。
重み係数２２０は、様々な方法で調整することが可能である。いくつかの例では、回生状態２２６が発生していると判定された場合、重み係数２２０を、より高い値の第１重み係数から、より低い値の第２重み係数に切り換えてもよい。他の例示的な実施例では、差分２２２を考慮に入れた方程式やアルゴリズムに基づいて重み係数２２０を引き下げてもよい。
コントローラ２０６は、電圧信号２１３からサンプルを抽出するごとに、新たな平均電圧２１６を算出して回生状態２２６の有無を判定する処理を実行する。回生状態２２６が解消されたとコントローラ２０６が判定すると、デューティサイクル２２８の低下及び重み係数２２０の再調整が可能になる。例えば、重み係数２２０を、元の高い値の重み係数又はデフォルトの重み係数に切り換えてもよい。
いくつかの例示的な実施例において、電気回路２０４及びコントローラ２０６も、センサレス整流システム２３０を構成する。例えば、電気回路２０４は、インバータ２３２及び電圧測定システム２３４を含み、いずれも複数の巻き線部２０８及びグランドに接続されている。図１のインバータ１２２及び電圧測定システム１２４は、図２のインバータ２３２及び電圧測定システム２３４の実施態様の例である。
例示的な一実施例において、インバータ２３２は３相インバータの形態をとる。限定するものではないが例えば、インバータ２３２は、電気回路２０４においてハーフブリッジ構成で接続された３対のトランジスタを含んでおり、３相インバータを構成する。インバータ２３２は、モータ２０２の整流タイミングを制御する。
電圧測定システム２３４は、インバータ２３２及びモータ２０２に接続されている。電圧測定システム２３４を用いて、複数の巻き線部２０８各々の電圧が測定される。例示的な一実施例において、電圧測定システム２３４は、第１電圧分割器２３６、第２電圧分割器２３８及び第３電圧分割器２４０を含み、これら分割器はいずれもグランドを基準電位とする。
第１電圧分割器２３６は、モータ２０２の第１位相電圧２４２を測定し、第２電圧分割器２３８は、モータ２０２の第２位相電圧２４４を測定し、第３電圧分割器２４０は、モータ２０２の第３位相電圧２４６を測定する。コントローラ２０６は、これらの位相電圧を用いて、総逆起電力２４７（Ｖｂｅｍｆ）を算出する。具体的には、コントローラ２０６は、第１位相電圧２４２、第２位相電圧２４４及び第３位相電圧２４６を、総逆起電力２４７を出力するアルゴリズムへの入力として用いる。
例示的な一実施例において、コントローラ２０６は、下記の演算を実行する。
Ｖａｓ＝Ｖａ−［（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２］ （２）
Ｖｂｓ＝Ｖｂ−［（Ｖａ＋Ｖｃ）／２］ （３）
Ｖｃｓ＝Ｖｃ−［（Ｖａ＋Ｖｂ）／２］ （４）
式中、Ｖａは、第１位相電圧２４２を表し、Ｖｂは第２位相電圧２４４を表し、Ｖｃは第３位相電圧２４６を表し、Ｖａｓは第１逆起電力を表し、Ｖｂｓは第２逆起電力を表し、Ｖｃｓは第３逆起電力を表す。
コントローラ２０６は、第１逆起電力、第２逆起電力及び第３逆起電力を用いて、総逆起電力２４７を特定する。具体的には、コントローラ２０６は、第１、第２、第３逆起電力のうちの１つを選択し、総逆起電力２４７とする。これは、モータ２０２の現在の整流状態に基づいて定まる正または負のいずれかの符号を有している。
例えば、インバータ２３２は、モータ２０２の整流を６段階で行ってもよい。換言すると、モータ２０２は、６つの整流状態を有することができる。例えば、コントローラ２０６は、下記の状態を有する。
整流状態Ａ−Ｂ → Ｖｂｅｍｆ ＝ Ｖｃｓ （５）
整流状態Ｂ−Ａ → Ｖｂｅｍｆ ＝ −Ｖｃｓ （６）
整流状態Ｂ−Ｃ → Ｖｂｅｍｆ ＝ Ｖａｓ （７）
整流状態Ｃ−Ｂ → Ｖｂｅｍｆ ＝ −Ｖａｓ （８）
整流状態Ａ−Ｃ → Ｖｂｅｍｆ ＝ Ｖｂｓ （９）
整流状態Ｃ−Ａ → Ｖｂｅｍｆ ＝ −Ｖｂｓ （１０）
コントローラ２０６が上述のアルゴリズムを使用して総逆起電力２４７を算出することは、低いデューティサイクルでも、高いデューティサイクルでも実行可能である。限定するものではないが例えば、上述のアルゴリズムは、約８パーセントから約１００パーセントの範囲のデューティサイクルについて適切に実行しうる。
総逆起電力２４７が算出されれば、コントローラ２０６は、総逆起電力２４７に基づいて第１の値２５０か、第２の値２５２かのいずれかを有する結果２４８を生成する。限定するものではないが例えば、総逆起電力２４７が負であれば、結果２４８は、第１の値２５０としてマイナスの値（−１）を有するとしてもよい。また、総逆起電力２４７が正であれば、結果２４８は、第２の値２５２としてプラスの値（＋１）を有するとしてもよい。
コントローラ２０６は、結果２４８を用いて、モータ２０２の整流位相２５４及び整流期間２５６を調整する。例示的な一実施例において、コントローラ２０６は、結果２４８を用いて位相カウンタ２５８及び期間調整（period adjustment）２６０を更新する。例えば、結果２４８の値にしたがって、位相カウンタ２５８をインクリメント又はデクリメントする。より具体的には、総逆起電力２４７が正でなく、よって結果２４８が第１の値２５０を有する場合、位相カウンタ２５８を１だけデクリメントする。総逆起電力２４７が正であり、よって結果２４８が第２の値２５２を有する場合、位相カウンタ２５８を１だけインクリメントする。位相カウンタ２５８は、モータ２０２の整流位相２５４を決定する。
加えて、コントローラ２０６は、結果２４８に基づいて期間調整２６０を更新する。例示的な一実施例では、コントローラ２０６は、期間調整２６０の現在の値から結果２４８を差し引くことによって期間調整２６０を更新する。このように、総逆起電力２４７が正でない場合、期間調整２６０を増加させる。反対に、総逆起電力２４７が正である場合、期間調整２６０を減少させる。期間調整２６０を整流期間２５６に合算して整流期間２５６を調整し、これにより新たな整流期間を生成してもよい。
モータ２０２の整流位相２５４及び整流期間２５６をこのように調整すると、モータ２０２の整流タイミングを向上させることができる。具体的には、これらの調整を利用すると、インバータ２３２の駆動を制御することができ、これによりモータ２０２の整流タイミングを制御することができる。
センサレス整流システム２３０は、より正確にモータ巻き線部の電流を総逆起電力２４７と整合させるようにモータ２０２を整流するシステムを提供する。このように、モータ２０２の出力電力を増加させることが可能である。
これらの例示的な実施例において、コントローラ２０６は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェアあるいはその組み合わせのいずれでも実現可能である。ソフトウェアを用いる場合、コントローラ２０６が実行する動作は、限定するものではないが例えば、プロセッサユニットで実行可能なプログラムコードを用いて実現可能である。ファームウェアを用いる場合、コントローラ２０６が実行する動作は、限定するものではないが例えば、永続性メモリに格納され、プロセッサユニットで実行されるプログラムコード及びデータを用いて実現可能である。
ハードウェアを用いる場合、コントローラ２０６の動作を実行するように動作する１つ又は複数の回路を含むハードウェアを用いることができる。実施態様によっては、ハードウェアは、回路システム、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス、又は１つ又は複数の動作を実行するよう構成された適切な種類のその他のハードウェアの形態をとりうる。
プログラマブルロジックデバイスは、特定の動作を実行するよう構成可能である。当該デバイスは、そのような動作を実行するよう永続的に構築されたものでもよいし、再構成可能なものであってもよい。プログラマブルロジックデバイスとしては、限定するものではないが例えば、プログラマブルロジックアレイ、プログラマブルアレイロジック、フィールドプログラマブルロジックアレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ及びその他の種類のプログラム可能なハードウェアデバイスがある。
図２のモータシステム２００は、例示的な実施例を実施しうる態様について物理的又は構造的な限定を示唆するものではない。図示されたコンポーネントに加えて、あるいは、これらのコンポーネントに代えて、他のコンポーネントを用いることもできる。また、いくつかのコンポーネントは、任意であってもよい。また、図示したブロックは、いくつかの機能的なコンポーネントを表している。例示的な実施例においてこれらのブロック実施する際は、１つ又は複数を組み合わせたり、分割したり、組み合わせてから異なるブロックに分割したりすることができる。
図３は、例示的な実施例に基づく、回生管理のための電動モータ制御プロセスを示すフロー図である。図３のプロセス３００は、図２のコントローラ２０６を用いて実施可能であり、図２のモータ２０２を制御することができる。
プロセス３００では、先ず、電圧センサからの電圧信号に基づいて、モータの瞬時電圧を特定する（処理３０２）。瞬時電圧は、瞬時レール電圧であってもよい。次に、瞬時電圧、前回算出された平均電圧及び重み係数に基づいて、モータの新たな平均電圧を算出する（処理３０４）。
処理３０４では、新たな平均電圧の算出では、前回算出された電圧と瞬時電圧との両方を重み付けする。例えば、新たな平均電圧は、下記式により算出できる。
Ｖnewavg ＝ ［Ｖprevavg × Ｗxx］ ＋ ［Ｖinst × Ｗ］ （１１）
式中、Ｖnewavgは新たな平均電圧を表し、Ｖprevavgは前回算出した平均電圧を表し、Ｗは重み係数を表し、Ｖinstは瞬時電圧を表し、ＷXXは平均重み係数を表す。平均重み係数Ｗxxは、前回算出された平均電圧に適用された重み係数であり、限定するものではないが例えば１−Ｗと等しい値に設定される。
新たな平均電圧と瞬時電圧との差分を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定する（処理３０６）。回生状態が発生していると判定されると、モータのデューティサイクルが低下しないようにモータを制御する（処理３０８）。その後、プロセス３００は終了する。
図４は、例示的な実施例に基づく、回生制御のための電動モータ制御プロセスを示すフロー図である。図４のプロセス４００は、図２のコントローラ２０６を用いて実施可能であり、図２のモータ２０２を制御することができる。
プロセス４００では、先ず、電動モータに接続された電源から供給されるレール電圧を測定する電圧センサから電圧信号を受信する（処理４０２）。次いで、電圧信号に基づいて瞬時電圧を特定する（処理４０４）。処理４０４では、瞬時電圧は、電圧信号のサンプルであってもよい。
次に、瞬時電圧、前回算出した平均電圧及び瞬時電圧の重み係数を用いて、モータの新たな平均電圧を算出し（処理４０６）、新たな平均電圧と瞬時電圧との差分を算出する（処理４０８）。
次いで、新たな平均電圧と瞬時電圧との差分に基づいて、回生状態の有無を判定する（処理４１０）。処理４１０では、例えば、電源の性能及び特定に基づいて選択された所定の閾値に比べて、上記の差分が大きい場合、回生状態の発生が示唆される。差分が所定の閾値以下であれば、回生状態は発生しておらず、非回生状態となっている。
回生状態が発生していれば、電動モータのデューティサイクルのレート・リミッタを調整して、デューティサイクルの望ましくない低下を抑制する（処理４１２）。例えば、処理４１２において、レート・リミッタを利用して、デューティサイクルの低下を抑制してもよい。例示的な一実施例では、レート・リミッタを利用して、デューティサイクルの低下率を制限してもよい。レート・リミッタは、所定の値よりも小さい低下率に設定可能である。実施態様によっては、より小さい低下率としてゼロに設定することもでき、その場合、デューティサイクルは低下しない。
次に、瞬時電圧の重み係数を引き下げる（処理４１４）。処理４１４において瞬時電圧の重み係数を引き下げると、実質的に、次回の繰り返しに係る時定数を増加させることになり、よって、新たな平均電圧の次回の算出を効率よく行える。プロセス４００は、その後、上述した処理４０２に戻る。
処理４１０において、差分が所定の閾値以下である場合は、瞬時電圧の重み係数及びデューティサイクルのレート・リミッタを、非回生状態に対応する値に更新する（処理４１６）。処理４１６において、重み係数及びレート・リミッタが、既に非回生状態に対応する値である場合がある。場合によっては、重み係数をより高い値に引き上げる又は切り換えることが必要であったり、レート・リミッタをより高いレートに設定することが必要であったりする。プロセス４００は、その後、上述した処理４０２に戻る。
図５は、例示的な実施例に基づく、モータのセンサレス整流を実行するプロセスを示すフロー図である。図５のプロセス５００は、図２の電気回路２０４を含むセンサレス整流システム２３０を用いて実施可能である。
プロセス５００では、先ず、モータの第１巻き線部、第２巻き線部及び第３巻き線部でそれぞれ測定された第１位相電圧、第２位相電圧及び第３位相電圧を、グランドに接続された電圧測定システムから受信する（処理５０２）。次に、第１位相電圧、第２位相電圧及び第３位相電圧を用いて、モータの総逆起電力を算出する（処理５０４）。
総逆起電力が正でなければ、第１の値を有する結果が生成され、総逆起電力が正であれば、第２の値を有する結果が生成される（処理５０６）。その後、この結果を用いて位相カウンタ及び期間調整が更新される（処理５０８）。
処理５０８において、位相カウンタを用いて、モータの整流位相を遅らせるか、進めるかを制御する。非限定的な例において処理５０８は、限定するものではないが例えば、得られた結果の値の分だけ位相カウンタを調整することで実行される。例示的な一実施例では、総逆起電力が正であれば、位相カウンタを１だけインクリメントさせ、これにより整流位相を進めさせる。総逆起電力が正でなければ、位相カウンタを１だけデクリメントさせ、これにより整流位相を遅れさせる。場合によっては、更新工程の一環として、位相カウンタに所定の定数を加算してもよい。所定の定数は、例えば、３２、３４、３５、６８又はその他の定数でもよい。
期間調整を用いて、処理５０６で生成した結果を経時的に反映させる。例えば、処理５０８において、期間調整は、処理５０６で生成した値を現在の期間調整の値から差し引くことにより更新されうる。具体的には、総逆起電力が正であれば、期間調整は、モータの整流期間を増加させるように更新される。反対に、総逆起電力が正でなければ、期間調整は、モータの整流期間を減少させるように更新される。
期間調整及び基準の整流期間を用いて、モータの新たな整流期間を算出する（処理５１０）。位相カウンタが新たな整流期間より大きい場合、モータの整流を実行し（処理５１２）、その後、プロセス５００は終了する。プロセス５００は、モータの駆動の複数サイクルに亘って繰り返されうる。プロセス５００において整流位相及び整流期間を調整することにより、より適切なタイミングで整流を実行することができ、サージ電流の発生を低減させることができ、整流間に供給される電流波形をより平滑化することができる。
さらに、本開示は、以下の付記による例を含む。
付記１． 電源からモータに供給される瞬時電圧を、電圧センサから受信する電圧信号を用いて特定することと；前記モータの新たな平均電圧を、前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて算出することと；前記新たな平均電圧と前記瞬時電圧との差分を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定することと；回生状態が発生していると判定されると、前記モータのデューティサイクルが低下しないように前記モータの駆動を制御することと；を含む、モータの回生制御方法。
付記２． 回生状態が発生していると判定されると、前記新たな平均電圧の算出において前記瞬時電圧に適用された前記重み係数を引き下げることをさらに含む、付記１に記載の方法。
付記３． 前記重み係数を引き下げることは、第１重み係数を第２重み係数に切り換えることを含み、前記第２重み係数は、前記新たな平均電圧の次回の算出に係る時定数を増加させるように選択された、前記第１重み係数よりも小さい係数である、付記２に記載の方法。
付記４． 前記モータの新たな平均電圧を、前記瞬時電圧、前記前回算出した平均電圧及び前記引き下げ後の重み係数を用いて算出することをさらに含む、付記２に記載の方法。
付記５． 前記瞬時電圧と前記新たな平均電圧との差分を算出することをさらに含む、付記１に記載の方法。
付記６． 前記モータの駆動を制御することは、回生状態が発生していると判定されると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをゼロに設定することを含む、付記１に記載の方法。
付記７． 前記モータの駆動を制御することは、回生状態が発生していると判定されると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをより小さいレートに設定することを含む、付記１に記載の方法。
付記８． 前記瞬時電圧を特定することは、前記電圧信号をサンプリングして前記瞬時電圧を得ることを含み、前記電圧信号は、前記電源から前記モータに供給されるレール電圧を測定したものである、付記１に記載の方法。
付記９． 電源からモータに供給される電圧を測定して電圧信号を生成する電圧センサと、コントローラと、を含む装置であって、前記コントローラは、前記電圧センサから受信する前記電圧信号を用いて瞬時電圧を特定し；前記モータの新たな平均電圧を、前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて算出し；前記新たな平均電圧と前記瞬時電圧との差分を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定し；回生状態が発生していると判定すると、前記モータのデューティサイクルが低下しないように前記モータの駆動を制御する；装置。
付記１０． 前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記瞬時電圧に対する前記重み係数を引き下げる、付記９に記載の装置。
付記１１． 前記重み係数は、第１重み係数から第２重み係数に引き下げられ、前記第２重み係数は、前記新たな平均電圧の次回の算出に係る時定数を増加させるように選択された、前記第１重み係数よりも小さい係数である、付記１０に記載の装置。
付記１２． 前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをゼロに設定する、付記９に記載の装置。
付記１３． 前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをより小さいレートに設定する、付記９に記載の装置。
付記１４． 前記モータは、電動モータである、付記９に記載の装置。
付記１５． 前記電動モータは、ブラシレス直流モータ、永久磁石同期モータ、リラクタンスモータ及び交流誘導モータのうちから選択される１つである、付記１４に記載の装置。
付記１６． 前記電源は、電池である、付記９に記載の装置。
付記１７． 前記モータは、航空機、船舶、宇宙船及び陸上車両のうちの１つの電気機械システムに含まれる、付記９に記載の装置。
付記１８．航空機の電動モータを制御して回生を管理する方法であって、前記電動モータに電源から供給される電圧を測定する電圧センサから電圧信号を受信することと；前記電圧信号から瞬時電圧を特定することと；前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて、新たな平均電圧を算出することと；前記瞬時電圧と前記新たな平均電圧との差分に基づいて、回生状態の有無を判定することと；回生状態が発生していると判定された場合、前記電動モータのデューティサイクルの望ましくない低下を抑制するように、前記デューティサイクルのレート・リミッタを調整することと；を含む方法。
付記１９． 回生状態が発生していると判定されると、前記瞬時電圧に対する重み係数を引き下げることをさらに含む、付記１８に記載の方法。
付記２０． 回生状態が発生していないと判定されると、前記瞬時電圧に対する重み係数及び前記デューティサイクルの前記レート・リミッタを、非回生状態に対応する値に更新することをさらに含む、付記１８に記載の方法。
上述の異なる実施例におけるフローチャート及びブロック図は、例示的な実施例による装置や方法について可能ないくつかの実施態様の構造、機能及び処理を示している。この点に関し、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、機能及び／又は操作や工程の一部を表す場合もある。
例示的な実施例の代替の実施態様によっては、ブロックで示した１つ又は複数の機能は、図に示した順とは異なる順で実行されてもよい。例えば、場合によっては、連続するものとして示されている２つのブロックは、実質的に同時に実行されてもよいし、関連する機能によっては、これらのブロックが逆の順序で実行されてもよい。また、フローチャート又はブロック図に示したブロックに対して、さらに他のブロックが追加されてもよい。
様々な例示的な実施例の説明は、例示及び説明のために提示したものであり、すべてを網羅することや、開示した形態での実施例に限定することを意図するものではない。当業者には、多くの改変や変更が明らかであろう。さらに、様々な例示的な実施例は、他の好ましい実施例とは異なる特徴をもたらす場合がある。選択した１つ又は複数の実施例は、実施例の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、想定した特定の用途に合わせて種々の改変を加えた様々な実施例の開示を当業者が理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。

Claims (14)

  1. 電源からモータに供給される瞬時電圧を、電圧センサから受信する電圧信号を用いて特定することと、
    前記モータの新たな平均電圧を、前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数と、を用いて算出することと、
    前記新たな平均電圧と前記瞬時電圧との差分を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定することと、
    回生状態が発生していると判定されると、前記モータのデューティサイクルが低下しないように前記モータの駆動を制御することと、を含む、モータの回生制御方法。
  2. 回生状態が発生していると判定されると、前記新たな平均電圧の算出において前記瞬時電圧に適用された前記重み係数を引き下げることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記重み係数を引き下げることは、
    第１重み係数を第２重み係数に切り換えることを含み、前記第２重み係数は、前記新たな平均電圧の次回の算出に係る時定数を増加させるように選択された、前記第１重み係数よりも小さい係数である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記モータの新たな平均電圧を、前記瞬時電圧、前記前回算出した平均電圧及び前記引き下げ後の重み係数を用いて算出することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
  5. 前記瞬時電圧と前記新たな平均電圧との差分を算出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記モータの駆動を制御することは、
    回生状態が発生していると判定されると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをゼロに設定することと、
    回生状態が発生していると判定されると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをより小さいレートに設定することと、のうちのすくなくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記瞬時電圧を特定することは、
    前記電圧信号をサンプリングして前記瞬時電圧を得ることを含み、前記電圧信号は、前記電源から前記モータに供給されるレール電圧を測定したものである、請求項１に記載の方法。
  8. 電源からモータに供給される電圧を測定して電圧信号を生成する電圧センサと、
    コントローラと、を備える装置であって、前記コントローラは、前記電圧センサから受信する前記電圧信号を用いて瞬時電圧を特定し、前記瞬時電圧と、前回算出した平均電圧と、前記瞬時電圧に対する重み係数とを用いて前記モータの新たな平均電圧を算出し、前記新たな平均電圧と前記瞬時電圧との差分を所定の閾値と比較して、回生状態の有無を判定し、回生状態が発生していると判定すると、前記モータのデューティサイクルが低下しないように前記モータの駆動を制御する、装置。
  9. 前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記瞬時電圧に対する前記重み係数を引き下げる、請求項８に記載の装置。
  10. 前記重み係数は、第１重み係数から第２重み係数に引き下げられ、前記第２重み係数は、前記新たな平均電圧の次回の算出に係る時定数を増加させるように選択された、前記第１重み係数よりも小さい係数である、請求項９に記載の装置。
  11. 前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをゼロに設定する、請求項８に記載の装置。
  12. 前記コントローラは、回生状態が発生していると判定すると、前記デューティサイクルのレート・リミッタをより小さいレートに設定する、請求項８に記載の装置。
  13. 前記モータは、電動モータであり、前記電動モータは、ブラシレス直流モータ、永久磁石同期モータ、リラクタンスモータ及び交流誘導モータのうちから選択される１つである、請求項８に記載の装置。
  14. 前記電源が電池であること；および
    前記モータが、航空機、船舶、宇宙船及び陸上車両のうちの１つの電気機械システムに属していること；の少なくともいずれかの要件が充足された請求項８に記載の装置。
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