JP7199535B2 - ブラシレス永久磁石モータを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレス永久磁石モータを制御する方法に関する。

ブラシレス永久磁石モータは、巻線に誘起された磁場がモータのロータの回転を駆動するように電源を介して励起される相巻線を備える。

これまで、所望のモータ動作特性を提供するために、モータの相巻線の励起タイミングパラメーター、例えば、励起の開始／終了時間、励起の長さ、又は励起のデューティサイクルを変化させることが提案されてきた。

本発明の第１の態様によれば、ブラシレス永久磁石モータを制御する方法が提供され、本方法は、モータ動作目標を決定するステップと、モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップと、モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させるステップと、測定モータ動作応答を測定するステップと、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較するステップと、測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、測定モータ動作応答がモータ動作目標に向かって移動するようにするステップと、を含む。

本発明の第１の態様による方法は、本方法が、モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップと、モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させるステップと、測定モータ動作応答を測定するステップと、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較するステップと、測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用するステップと、を含むので、有利とすることができる。

詳細には、測定モータ動作応答を測定するステップと、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較するステップと、測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用するステップとによって、モータの動作応答は、例えば閉フィードバックループ方式で、モータの動作目標に一致するように厳密に制御することができる。しかしながら、ブラシレス永久磁石モータをこのように閉ループ方式で単に制御するだけでは、例えば、測定モータ動作応答とモータ動作目標との間の誤差を補正するために大きな補正係数が必要になる結果として、不安定又は非効率な制御をもたらす可能性がある。

モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップと、モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させるステップと、によって、閉ループ制御は、励起タイミングパラメーターに対する大きな補正係数が必要とされないモータ動作目標に十分に近い開始点を設けることができる。従って、本発明の第１の態様による方法は、例えば、単に閉ループ制御を使用する方法と比較して、より大きな安定性及び改善されたモータ性能を提供することができる。

更に、本発明の第１の態様による方法は、改善された応答時間を提供することができ、これは、測定モータ動作応答がモータ動作目標に到達するのにかかる時間の短縮を提供することができる。

モータ動作目標を決定するステップ、モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップ、及びモータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させるステップは、開ループ制御を含むことができる。

測定モータ動作応答を測定するステップ、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較するステップ、及び測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、測定モータ動作応答がモータ動作目標に向かって移動するようにするステップは、閉ループ制御を含むことができる。

励起タイミングパラメーターは、モータ、例えばモータの相巻線がいつ転流するか、及び／又はモータ、例えばモータの相巻線の励起がいつ開始及び／又は終了するか、及び／又はモータ、例えばモータの相巻線がどれくらい長く励起されるかを定義するパラメーターを含むことができる。モータの励起は、モータの相巻線を介して相電流を駆動することを含むことができる。励起タイミングパラメーターは、例えば、ブラシレス永久磁石モータの速度及び／又はブラシレス永久磁石モータを備えたシステムの入力電圧を含む、複数の要因によって決定することができる。

励起タイミングパラメーターは、前進角、例えば、モータの相巻線の転流が発生する位相角、従って相巻線の励起が開始する位相角を含むことができる。前進角は、相巻線において誘起された逆ＥＭＦのゼロ交差に対して測定することができる。前進角と呼ばれ、相巻線に誘起された逆ＥＭＦのゼロ交差より前に相巻線の転流が発生することを意味することができるが、前進角は、正、負、又はゼロの値を含むことができる。従って、相巻線の転流は、相巻線において誘起された逆ＥＭＦのゼロ交差の前、後、又は同期して発生する場合がある。前進角が負の値をとる場合、相巻線に誘起される逆ＥＭＦのゼロ交差に対して相巻線の転流が遅れる可能性があるので、前進角は代わって遅角と呼ばれることがある。

本方法は、多相ブラシレス永久磁石モータを制御する方法を含むことができる。多相ブラシレス永久磁石モータでは、ステータ巻線は、モータ端子にて異なるモータ相のＥＭＦが組み合わせて使用できるように配置されている。モータ巻線と端子間の最も一般的な接続構成は、スター（Ｙとも知られる）接続及びデルタ接続として知られている。多相機械の場合の前進角は、２つのモータ端子間のＥＭＦが端子接続の他の組み合わせのＥＭＦと等しく、その後これを超える回転点を基準にして測定することができる。前進角と呼ばれ、印加された駆動ＤＣ電圧波形の位相シフトがこの点より前に発生することを意味することができ、前進角は正、負、又はゼロの値を含む場合がある。従って、印加電圧波形は、最大のＥＭＦ位相の組み合わせが変化する回転点の前、後、又は同期してシフトする可能性がある。前進角が負の値をとる場合、最大ＥＭＦ相の組み合わせの変化に対して、相巻線の転流が遅れる可能性があるので、前進角は代わりに遅角と呼ばれることがある。

励起タイミングパラメーターは、通電期間、例えば、モータの励起が発生する時間期間を含むことができる。励起タイミングパラメーターは、デューティサイクル、例えば、サイクル励起が発生する割合を定義する比率を含むことができる。励起タイミングパラメーターは、前進角と通電期間を含むことができ、又は前進角とデューティサイクルを含むことができる。励起タイミングパラメーターは、正弦波振幅又はその他の波形振幅を含むことができる。励起タイミングパラメーターは、非通電角度及び／又は期間、例えば、モータの相巻線の非通電が始まる時間、及び／又は相巻線の非通電が発生する時間期間を含むことができる。

モータ動作目標は、モータ入力電力、モータ速度、モータを通る空気流、相電圧、ＤＣリンク電圧、相電流、供給電流、モータ圧力、モータ温度、及び上述のパラメーターの何れかの組み合わせの誤差関数の何れか又は何れかの組み合わせを含むことができる。

励起タイミングパラメーター関係は、モータ動作目標又は応答とモータ励起タイミングパラメーターとの間の関係、例えば、どのモータ励起タイミングパラメーターがどのモータ動作目標又は応答を達成するかの関係を含むことができる。励起タイミングパラメーター関係は、モータ動作目標又は応答を決定する複数の励起タイミングパラメーターを含むことができ、例えば、モータ動作目標又は応答は、複数の励起タイミングパラメーターによって決定することができる。

所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係は、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから選択された励起タイミングパラメーター関係に実質的に対応することができる。例えば、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定される励起タイミングパラメーター関係は、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから選択される励起タイミングパラメーター関係とすることができる。

所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係は、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットからの励起タイミングパラメーター関係から導出、例えば外挿することができる。所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係は、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットからの少なくとも２つの励起タイミングパラメーター関係から導出、例えば補間することができる。

所定の励起タイミングパラメーター関係のセットは、実験及び／又はシミュレーション及び／又は監視を介して決定することができ、例えば、ブラシレス永久磁石モータのコントローラのメモリに格納することができる。所定の励起タイミングパラメーター関係のセット内の関係は、関係間の遷移が使用中のブラシレス永久磁石モータのユーザに実質的に聞こえないように互いに十分に近いとすることができる。例えば、所定の励起タイミングパラメーター関係のセット内の関係は、関係間の遷移が使用中のブラシレス永久磁石モータのユーザに実質的に聞こえないように十分な解像度を有することができる。

本方法は、モータの動作目標に対応するブラシレス永久磁石モータの動作モードを決定するステップを含むことができる。例えば、様々なモータ動作目標を達成するために、様々な動作モードが必要になる場合がある。動作モードは、ブラシレス永久磁石モータの相巻線に相電流を駆動するための駆動パターンを含むことができ、異なる動作モードは、異なる駆動パターンを含むことができる。駆動パターンは、単一の通電期間、単一の非通電期間、第１及び第２の通電期間と第１及び第２の非通電期間、様々な長さの通電及び非通電期間、通電期間とこれに続く非通電期間の繰り返しパターン、非通電の様々な方法、相巻線にて誘起された逆ＥＭＦと比較した相巻線の前進転流、逆ＥＭＦにおいて誘起された逆ＥＭＦと比較した相巻線の遅延転流相巻線、又は相巻線に誘起された逆ＥＭＦに対する相巻線の同期転流の何れか又は何れかの組み合わせを含むことができる。

ブラシレス永久磁石モータの動作モードは、異なるモータ動作目標閾値に対応することができる。例えば、特定の動作目標閾値を超えるモータ動作目標は、動作目標閾値を下回るモータ動作目標とは異なるモードでの動作が必要になる場合がある。高電力及び／又は高速では、低電力及び／又は低速とは異なる動作モードが必要になる場合がある。

ブラシレス永久磁石モータの動作モードは、例えば、幾つかのモータ動作目標がブラシレス永久磁石モータの２以上の動作モード内にあるように重複する場合がある。ヒステリシスは、例えば、補正係数を適用してもモータの動作モードが変更されないように動作モード間に適用することができる。

所定の励起タイミングパラメーター関係のセットは、ブラシレス永久磁石モータの動作モードに依存することができる。異なる動作モードは、所定の励起タイミングパラメーター関係の異なるサブセットに対応することができる。所定の励起タイミングパラメーター関係は、２以上の動作モードと重複することができる。本方法は、所望のモータ動作目標に最も近いモータ動作応答を与える励起タイミングパラメーター関係に応じて、最も適切な動作モードを選択することを含むことができる。

本方法は、例えば、補正係数の適用時に励起タイミングパラメーターが少なくとも１つの限度を超えることができないように、励起タイミングパラメーターに少なくとも１つの限度を設定することを含むことができる。これは、励起タイミングパラメーターの変動を抑制し、これによって制御の安定性を高め、及び／又はモータの性能を向上させることを可能にするので、有利とすることができる。これはまた、モータの動作目標を達成しながら、モータが所望の効率範囲内で動作することも保証することができる。少なくとも１つの限度により、過熱、消磁、過剰な相電流、又は制御応答が不安定又は高度に非線形である状態などの不要な動作を防ぐことができる。

少なくとも１つの限度は、励起タイミングパラメーターの上限及び／又は下限を含むことができる。

少なくとも１つの限度は、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に実質的に対応することができる。本方法は、例えば、励起タイミングパラメーターは、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係の励起タイミングパラメーターの値から一方向に離れて移動するように、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定される励起タイミングパラメーター関係において、励起タイミングパラメーターが励起タイミングパラメーターの値から離れるように補正係数を適用するステップを含むことができる。

本方法は、測定モータ動作応答がモータ動作目標に実質的に対応するまで、補正係数を励起タイミングパラメーターに適用することを含むことができる。

本方法は、励起タイミングパラメーターが少なくとも１つの限度に達するまで、補正係数を励起タイミングパラメーターに適用することを含むことができる。本方法は、励起タイミングパラメーターが励起タイミングパラメーターに到達すると、追加の励起タイミングパラメーター、例えば、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係内の追加の励起タイミングパラメーターに追加の補正係数を適用することを含むことができる。

本方法は、初期励起タイミングパラメーター関係を使用してブラシレス永久磁石モータを動作させることを含むことができる。初期励起タイミングパラメーター関係が、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係から大きく離れている場合、例えば、初期励起タイミングパラメーター関係内の励起タイミングパラメーターの値が、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係の対応する励起タイミングパラメーターの値の２５％を超えて異なる場合、本方法は、初期励起タイミングパラメーター関係と所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係との間の遷移モードに入ることを含むことができる。励起タイミングパラメーター関係間の遷移モードに入るには、例えば、ブラシレス永久磁石モータを加速及び／又は減速することを含むことができる。

モータ動作目標を決定するステップは、ユーザ入力に基づいてモータ動作目標を選択することを含むことができる。例えば、ユーザは、適切なユーザインターフェースを使用してモータ動作目標を入力することができ、又はユーザは、モータ動作目標を提供するように構成された設定（例えば、高電力モード又は低電力モード）を選択することができる。モータ動作目標の決定は、例えばブラシレス永久磁石モータの内部又は外部のセンサからのセンサ入力に基づいてモータ動作目標を選択することを含むことができる。

モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するように、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させるステップは、モータ動作目標の値の約２５％以内、又は約１０％以内、又は約５％以内、又は約１％以内のモータ動作応答を提供するため、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させることを含むことができる。

励起タイミングパラメーターに補正係数を適用するステップは、励起タイミングパラメーターへ正及び／又は負の補正係数を適用するステップを含むことができる。補正係数は、ブラシレス永久磁石モータの運転速度への調整を含むことができる。

測定モータ動作応答を測定するステップは、モータ動作目標に対応するモータ動作応答を測定するステップを含むことができる。

本発明の更なる態様によれば、モータ動作目標を決定し、モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較し、モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させ、測定モータ動作応答を測定し、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較し、測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、測定モータ動作応答をモータ動作目標に向かって移動させる、ようにブラシレス永久磁石モータのコントローラを動作させるための機械可読命令を含むデータ記憶媒体が提供される。

本発明の更なる態様によれば、モータ動作目標を決定し、モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較し、モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させ、測定モータ動作応答を測定し、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較し、測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、測定モータ動作応答をモータ動作目標に向かって移動させる、ように構成されたコントローラを備えたブラシレス永久磁石モータが提供される。

本発明の更なる態様によれば、ブラシレス永久磁石モータを制御する方法が提供され、本方法は、所望のモータ入力電力を決定するステップと、所望のモータ入力電力を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップと、所望のモータ入力電力に近いモータ入力電力を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作するステップと、測定モータ入力電力を測定するステップと、測定されたモータ入力電力を所望のモータ入力電力と比較するステップと、測定されたモータ入力電力が所望のモータ入力電力と一致しない場合に補正係数をモータの励起タイミングパラメーターに適用し、測定されたモータ入力電力が所望のモータ入力電力に向かって移動するようにするステップと、を含む。

本発明の更なる態様によれば、ブラシレス永久磁石モータを含むデバイスを制御する方法が提供され、本方法は、デバイス出力目標を決定するステップと、デバイス出力目標を達成するようモータ動作目標を決定するステップと、モータ動作を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップと、モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させるステップと、測定モータ動作応答を測定するステップと、測定モータ動作応答をモータ動作目標と比較するステップと、測定モータ動作応答がモータ動作目標と一致しない場合にモータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用して、モータ動作応答がモータ動作目標に向かって移動するようにする。

デバイス出力目標は、出力空気流及び出力空気温度の何れか又は何れかの組み合わせを含むことができる。デバイスの出力目標は、例えばデバイスの一部を構成することができるセンサによって決定することができる。

本発明をよりよく理解し、本発明がどのように実施できるかをより明確に示すために、本発明を、例証として以下の図面を参照して説明する。

本発明によるモータシステムのブロック図である。 図１のモータシステムの概略図である。 モータシステムのコントローラによって送出された制御信号に応答して、図１のモータシステムのインバータの許容状態を詳細に示す図である。 本発明による図１及び図２のモータシステムを制御する方法を示す概略流れ図である。 図４の方法と共に使用するための制御構造を示す概略ブロック図である。 本発明による概略的なモータ電力エンベロープを示す図である。 通電期間に関するモータ入力電力及び効率の変動を示す概略図である。 本発明による更なる方法を示す概略流れ図である。

本発明による、全体的に１０で示されるモータシステムが、図１及び図２に示されている。モータシステム１０は、ＤＣ電源１２（例えば、バッテリー）によって電力が供給され、ブラシレス永久磁石モータ１４及び制御回路１６を備える。本発明の方法は、例えば整流器を含めるように回路を適切に変更して、ＡＣ電源によって電力が供給されるモータシステムにも等しく適用することができることは、当業者によって認識されるであろう。

モータ１４は、４極ステータ２０に対して回転する４極永久磁石ロータ１８を備える。ここでは４極永久磁石ロータとして示されているが、本発明は、異なる極数、例えば８極を有するモータにも適用できることは理解されるであろう。ステータ２０に巻かれた導線は、互いに結合されて単相巻線２２を形成する。ここでは単相モータとして説明されているが、本出願の教示はまた、多相、例えば三相のモータにも適用可能であることは当業者によって認識されるであろう。

制御回路１６は、フィルタ２４、インバータ２６、ゲートドライバモジュール２８、電流センサ３０、電圧センサ３２、位置センサ３４、及びコントローラ３６を備える。

フィルタ２４は、インバータ２６のスイッチングから生じる比較的高周波のリップルを平滑化するリンクコンデンサＣ１を備える。

インバータ２６は、相巻線２２を電圧レールに結合する４つの電力スイッチＱ１～Ｑ４のフルブリッジを備える。スイッチＱ１～Ｑ４の各々は、フリーホイールダイオードを含む。

ゲートドライバモジュール２８は、コントローラ３６から受信した制御信号に応答して、スイッチＱ１～Ｑ４の開閉を駆動する。

電流センサ３０は、インバータとゼロボルトレールとの間に配置されたシャント抵抗器Ｒ１を備える。電流センサ３０の両端の電圧は、電源１２に接続されたときの相巻線２２の電流の測定値を提供する。電流センサ３０の両端の電圧は、信号Ｉ＿ＳＥＮＳＥとしてコントローラ３６に出力される。この実施形態では、フリーホイーリング中に相巻線２２の電流を測定することはできないが、例えば複数のシャント抵抗器を使用することによってこれが可能となる代替の実施形態も想定されることは認識されるであろう。

電圧センサ３２は、ＤＣ電圧レールとゼロボルトレールとの間に配置された分圧器Ｒ２、Ｒ３を備える。電圧センサは、電源１２によって提供される供給電圧の縮小された測定値を表す信号Ｖ＿ＤＣをコントローラ３６に出力する。

位置センサ３４は、ステータ２０のスロット開口部に配置されたホール効果センサを備えるが、例えば、ホール効果センサがシャフト上の位置決め磁石に隣接して配置される代替の配置もまた想定されることが認識されるであろう。センサ３４は、センサ３４を通る磁束の方向に応じて論理的にハイ（ｈｉｇｈ）又はロー（ｌｏｗ）のデジタル信号ＨＡＬＬを出力する。従って、ＨＡＬＬ信号は、ロータ１８の角度位置の測定値を提供する。位置センサ３４が省略され、センサレス制御方式を実装した実施形態も想定される。このようなセンサレス制御方式は既知であり、簡潔にするためにここでは説明しない。このようなセンサレス方式では、ＨＡＬＬ信号は、ＢＡＣＫ ＥＭＦ信号に置き換えることができ、これはＥＭＦの周期を表す。

コントローラ３６は、プロセッサ、メモリデバイス、及び複数の周辺機器（例えば、ＡＤＣ、コンパレータ、タイマーなど）を有するマイクロコントローラを備える。代替の実施形態では、コントローラ３６は、ステートマシンを備えることができる。メモリデバイスは、プロセッサが実行するための命令と、動作中にプロセッサが使用する制御パラメーターとを格納する。コントローラ３６は、モータ１４の動作を制御する役割を担い、４つの電力スイッチＱ１～Ｑ４の各々を制御するための４つの制御信号Ｓ１～Ｓ４を生成する。制御信号は、ゲートドライバモジュール２８に出力され、ゲートドライバモジュール２８は、これに応じてスイッチＱ１～Ｑ４の開閉を駆動する。

図３は、コントローラ３６によって出力された制御信号Ｓ１～Ｓ４に応答するスイッチＱ１～Ｑ４の許容状態を要約している。以下で、「セット」及び「クリア」という用語は、信号がそれぞれ論理的にハイ及びローにプルされたことを示すのに使用される。図３から分かるように、コントローラ３６は、相巻線２２を左から右に励起するために、Ｓ１及びＳ４をセットし、Ｓ２及びＳ３をクリアする。逆に、コントローラ３６は、相巻線２２を右から左に励起するために、Ｓ２及びＳ３をセットし、Ｓ１及びＳ４をクリアする。コントローラ３６は、相巻線２２をフリーホイールするために、Ｓ１及びＳ３をクリアし、Ｓ２及びＳ４をセットする。フリーホイーリングにより、相巻線２２の電流がインバータ２６のローサイドループの周りを再循環することが可能になる。本実施形態では、電源スイッチＱ１～Ｑ４は、両方向に導通することができる。従って、コントローラ３６は、フリーホイーリング中に両方のローサイドスイッチＱ２、Ｑ４を閉じて、低効率のダイオードではなく、スイッチＱ２、Ｑ４を通って流れるようにする。インバータ２６は、一方向にのみ導通するパワースイッチを備えることができると考えられる。この場合、コントローラ３６は、Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３をクリアし、Ｓ４をセットして、相巻線２２を左から右にフリーホイールする。次に、相巻線２２を右から左にフリーホイールするために、コントローラ３６は、Ｓ１、Ｓ３及びＳ４をクリアし、Ｓ２をセットする。インバータ２６のローサイドループの電流は、閉じたローサイドスイッチ（例えば、Ｑ４）を通って下方に流れ、次いで、開いたローサイドスイッチ（例えば、Ｑ２）のダイオードを通って上方に流れる。

ロータ１８の速度が、所定の閾値、例えば、４０ｋｒｐｍを超える場合、コントローラ３６は、定常状態モードで動作する。ロータ１８の速度は、ＨＡＬＬ信号の連続するエッジ間の間隔から決定され、以下ではこれをＨＡＬＬ期間と呼ぶ。

コントローラ３６は、ＨＡＬＬ信号のエッジに応答して相巻線２２を転流する。各ＨＡＬＬエッジは、ロータ１８の極性の変化に対応し、従って、相巻線２２に誘起される逆ＥＭＦの極性の変化に対応する。より詳細には、各ＨＡＬＬエッジは、逆ＥＭＦのゼロクロッシングに対応する。転流は、相巻線２２を流れる電流の方向を反転することを伴う。従って、左から右の方向に相巻線２２に電流が流れている場合、転流は、巻線を右から左に励起することを伴う。

コントローラ３６は、ＨＡＬＬエッジに対して転流を前進、同期、又は遅延させることができ、以下では、転流が前進、同期、又は遅延の何れであるかに関係なく、コントローラ３６が相巻線２２を転流する位相角は、前進角と呼ばれる。以下では、相巻線２２に電流が流れる期間を通電期間と呼び、コントローラ３６は、前進角又は通電期間を変化させて、所望の動作特性を得ることができる。

次に、本発明による方法について、図４を参照しながら説明する。

方法１００は、モータ動作目標を決定するステップ１０２を含む。モータ動作目標は、ユーザがモータ動作目標を入力することにより決定され、又は、例えば、ユーザによって選択されるモードから決定される。モータ動作目標は、コントローラ３６のメモリに格納されている所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較される（１０４）。所定の各励起タイミングパラメーターの関係は、実験又は計算シミュレーションによって確立される。この場合、励起タイミングパラメーターの関係は、モータ動作目標又は応答と、モータの動作目標又は応答を達成するために実装する必要のある励起タイミングパラメーター値との間の関係である。各励起タイミングパラメーター自体は、モータ１４の他の動作特性によって決定できる更なる特性関係によって決定することができることは、当業者には認識されるであろう。

比較ステップ１０４に応答して、コントローラ３０は、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータ１４を動作させ、モータ動作目標に近い、例えば、モータ動作ターゲットの２５％の許容誤差内でモータ動作応答を提供する。

実際のモータ動作応答が測定され（１０８）、測定されたモータ動作応答が、モータ動作目標と比較される（１１０）。測定されたモータ動作応答が、モータ動作目標と一致しない場合、測定されたモータ動作応答がモータ動作目標に向かって移動するように、補正係数がモータの励起タイミングパラメーターに適用される（１１２）。

このような方式で測定されたモータ動作応答は、閉フィードバックループ方式でモータ動作目標に一致するように厳密に制御することができる。しかしながら、ブラシレス永久磁石モータ１４をそのような閉ループ方式で単に制御するだけでは、例えば、測定されたモータ動作応答と所要のモータ動作目標の間の誤差を補償するために大きな補正係数が必要となる結果として、不安定及び／又は非効率的な制御をもたらす可能性がある。

モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較し、モータ動作目標に近接したモータ動作応答を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータ１４を動作させる（１０６）ことによって、閉ループ制御には、励起タイミングパラメーターに対する大きな補正係数が必要とされないモータ動作目標に十分に近い開始点を設けることができる。従って、本発明による方法１００は、単に閉ループ制御を使用する方法と比較して、より優れた安定性及び改善されたモータ性能を提供することができる。

方法１００を用いて、例えば、モータ入力電力、モータ速度、モータを通る空気流、相電圧、ＤＣリンク電圧、相電流、供給電流、モータ圧力、モータ温度、又は上述のパラメーターの何れかを組み合わせた誤差関数を含む、複数のモータ動作応答を制御することができる点は、当業者には理解されるであろう。モータ動作目標が誤差関数の最小化を含む場合、誤差関数は、以下に示す式の形をとることができる。
誤差＝Ｋ１＊（目標入力電力－測定入力電力）＋Ｋ２＊（目標速度－測定速度）
ここで、Ｋ１及びとＫ２は、各目標の相対重み付け係数である。上記では、目標速度をモータが達成可能な最大値に設定し、目標入力電力を最小値に設定することができるので、制御システムは、重み付け係数によって定められた方法で最大速度の目標入力電力を削減しようとする。これにより、システム制約の所与のセットに対するピーク効率が得られることになる。

励起タイミングパラメーターは、モータ１４がいつ転流するか、及び／又はモータ１４の励起がいつ開始するか及び／又は終了するか、及び／又はどのくらいの期間をモータ１４が励起されるかを定めるパラメーターを含むことができることは、当業者には更に理解されるであろう。例えば、励起タイミングパラメーターは、前進角、通電期間、非通電（又はフリーホイール）角度、非通電（又はフリーホイール）期間、又はデューティサイクルの何れか又は何れかの組み合わせとすることができる。

方法１００の実施形態について、図５を参照して説明し、これは、モータ動作目標がモータ入力電力である場合を指す。

所望のモータ入力電力は、ユーザが所望のモータ入力電力を入力することによって決定され（１０２）、又はユーザによって選択されたモードから決定される。所望のモータ入力電力は、ブラシレス永久磁石モータ１４の制御モードを決定する。

例えば、図６から分かるように、モータ１４の制御モードは、モータ入力電力に依存している。モータ入力電力が高レベルの場合、モータ１４は、逆ＥＭＦのゼロ交差の前に転流が発生し、各電気半サイクルにて単一の励起期間が発生し、その後にデュアルＦＥＴフリーホイールが発生するように制御される。これは、図６ではモード１と呼ばれる。モータ入力電力が中レベルの場合、モータ１４は、逆ＥＭＦのゼロ交差の前に転流が発生し、各電気半サイクルにて２つの励起期間が発生し、各々の後で、デュアルＦＥＴフリーホイールが続くように制御される。これは、図６ではモード２と呼ばれる。モータ入力電力が中～低レベルの場合、モータ１４は、逆ＥＭＦのゼロ交差に対して転流が遅延し、各電気半サイクルにおいて単一の励起期間が発生し、その後、スイッチＱ１～Ｑ４のブリッジのターンオフが続くように制御される。これは、図６においてはモード３と呼ばれる。モータの入力電力が低い場合、例えば最小入力電力付近では、入力電圧のパルス幅変調（ＰＷＭ）が発生し、モータ１４の転流はモータ１４によって誘起される逆ＥＭＦのゼロ交差と同期する。これは、図６においてモード４と呼ばれる。

従って、ユーザによって決定された所望のモータ入力電力（１０２）が、ブラシレス永久磁石モータ１４の制御モードに影響を与えることが分かる。幾つかの所望のモータ入力電力は、２以上の制御モードにまたがることがあり、この場合、コントローラ３０は、ケースバイケースで最も適切な制御モードを選択する。コントローラ３０はまた、ヒステリシス制御を採用して、モータ１４が異なる制御モード間で確実に発振しないようにする。

モータ１４の制御モードはまた、図６から分かるように、所望のモータ入力電力を決定する励起タイミングパラメーター関係に影響を及ぼし、異なるモードに対して異なる関係が存在する。詳細には、モータ入力電力が高レベルにあり、モータが、モード１で制御されている場合、励磁タイミングパラメーターの関係は、一次励磁タイミングパラメーターとして前進角、二次励磁タイミングパラメーターとして通電期間を有することができる。モータ入力電力が中レベルにあり、モータがモード２で制御されている場合、励起タイミングパラメーターの関係は、一次励起タイミングパラメーターとしてフリーホイール期間を有し、二次励起タイミングパラメーターとして通電期間を有し、或いは、励起タイミングパラメーターの関係は、一次励起タイミングパラメーターとして前進角を有し、二次励起タイミングパラメーターとしてフリーホイール期間を有することができる。モータ入力電力が中低レベルであり、モータが、モード３で制御されている場合、励起タイミングパラメーターの関係は、一次励起タイミングパラメーターとして導通期間を有し、二次励起タイミングパラメーターとして前進角を有することができる。モータ入力電力が低レベルであり、モータがモード４で制御されている場合、励起タイミングパラメーターは一次励起タイミングパラメーターとしてデューティサイクルを有することができる。

従って、ユーザによって決定された所望のモータ入力電力（１０２）もまた、励起タイミングパラメーターの関係にリンクづけされていることが分かる。これに関して、方法１００は、所望のモータ入力電力を、例えばコントローラ３０のメモリに格納されている所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較するステップを含む。所定の励起タイミングパラメーターの関係の各セットは、モータ入力電力を、前記モータ入力電力を達成するために実装できる励起タイミングパラメーターのセットにリンク付けする。

方法１００は、所望のモータ入力電力に近いモータ入力電力、例えば、所望のモータ入力電力の値の２５％以内のモータ入力電力を提供するよう、所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータ１４を動作させるステップ１０６を含む。所望のモータ入力電力が単一の制御モード内にある場合、２つの最も近い励起タイミングパラメーターの関係を補間して、動作中の励起タイミングパラメーターの関係を取得することができる。しかしながら、所望のモータ入力電力が複数の制御モードと重複する場合は、所望のモータ入力電力に最も近いモータ入力電力を提供する単一の励起タイミングパラメーター関係が、動作励起タイミングパラメーター関係として選択される。

実際には、実用的な制御方式を確保するために、動作励起タイミングパラメーター関係は、励起タイミングパラメーター値の上限又は下限としてみなされ、その結果、励起タイミングパラメーター値は、一方向にのみ変更、例えば、増加又は減少させて、所望のモータ入力電力を達成することができる。これにより、明確に定義された方式で関係を変更できるようになり、エンドポイント値の再現性を向上させることができる。

動作励起タイミングパラメーター関係が、以前の動作励起タイミングパラメーター関係から大幅に削除された場合、コントローラ３０は、遷移モードを実装し、これによってモータ１４が必要に応じて加速又は減速されて、動作励起タイミングパラメーターに徐々に遷移する。

動作励起タイミングパラメーターが選択されて実行されると、実際のモータ入力電力が測定され（１０８）、測定されたモータ動作入力電力が所望のモータ入力電力と比較される（１１０）。測定されたモータ入力電力が所望のモータ入力電力と一致しない場合、測定された入力電力が所望のモータ入力電力に向かって移動するように、モータの励起タイミングパラメーターに補正係数が適用される（１１２）。

これに関して、上記のように、各励起タイミングパラメーター関係は、複数の励起タイミングパラメーターを含むことができ、励起タイミングパラメーター関係内の励起タイミングパラメーターは、異なる優先順位を与えることができる。例えば、所望のモータ入力電力が比較的高い場合、前進角は、一次励起タイミングパラメーターと見なすことができ、通電期間は、二次励起タイミングパラメーターと見なすことができる。補正係数を適用する（１１２）ことは、一次励起タイミングパラメーターに第１の補正係数を適用すること、及び／又は二次励起タイミングパラメーターに第２の補正係数を適用することを含むことができる。或いは、補正係数の適用は、例えば、一次励起タイミングパラメーターと二次励起タイミングパラメーターの比率、例えば、２つの一次励起タイミングパラメーターの増分に対して１つの二次励起タイミングパラメーター増分を含むことができる。適用される補正係数のタイプは、当業者には理解されるように、実施される励起タイミングパラメーターの関係に依存することになる。

各励起タイミングパラメーターは、他のモータ動作特性によって定義することができる。例えば、前進角及び通電期間は、以下に記載される関係によって定義することができる。
前進時間：
ＡＰ００ ＋ ＡＰ１０×Ｖ ＋ ＡＰ０１×Ｓ ＋ ＡＰ２０×Ｖ² ＋ ＡＰ０２×Ｓ² ＋ ＡＰ１１×Ｖ×Ｓ ＋ ＡＰ３０×Ｖ³±補正
通電時間：
ＣＰ００ ＋ ＣＰ１０×Ｖ ＋ ＣＰ０１×Ｓ±補正
ここで、ＡＰＸＸ及びＣＰＸＸは、シミュレーション及び測定から決定された係数であり、Ｓはモータのロータ速度、Ｖはモータの入力電圧である。上記の式の結果は、補正係数を適用する（１１２）ことによって変更される。

補正係数が励起タイミングパラメーターに適用される（１１２）場合、励起タイミングパラメーターの所定の限度が課され、これにより、モータ１４の最適動作条件が保証される。例えば、図７から分かるように、通電期間の変化に応じて、モータ効率がモータ入力電力に伴って非線形的に変化することができる。モータ入力電力曲線に沿って同じ値、例えば所望のモータ入力電力値を有する複数のポイントが存在する場合があるが、これらのポイントの各々は、モータの異なる動作効率をもたらす可能性がある。励起タイミングパラメーターに対して所定の限度を設定することにより、モータが所望のモータ入力電力にて低い動作効率で動作するのを防ぐことができる。

測定されたモータ入力電力が所望のモータ入力電力に達する前に、一次励起タイミングパラメーターが所定の限度に達する場合、測定されたモータ入力電力が所望のモータ入力電力に達するまで、第２の補正係数が二次励起タイミングパラメーターに適用される。勿論、一次励磁タイミングパラメーターが所定の限度に達する前に、測定されたモータ入力電力が所望のモータ入力電力に達する可能性もあり、この場合には、二次励磁タイミングパラメーターに補正係数を適用する必要がない場合がある。

所望のモータ入力電力の測定（１０８）、測定されたモータ入力電力と所望のモータ入力電力との比較（１１０）、及びその後の補正係数の適用（１１２）は、閉ループ方式で適用されて、所望のモータ入力電力を連続して探し続ける。

方法１００は、上記の方法ステップに対する最小限の調整で、他の所望のモータ動作目標に適用可能であることは、当業者によって認識されるであろう。

図８に示されるように、方法１００を僅かに修正して、ブラシレス永久磁石モータ１４を含むデバイスを制御する方法２００を提供できることは、当業者には更に認識されるであろう。

方法２００は、前述の方法１００と実質的に同様であり、デバイス出力目標を決定するステップ２０２、及びデバイス出力目標を達成するためのモータ動作目標２０４を決定するステップの追加のステップのみが異なる。方法２００の他のステップもまた、前述の方法１００に存在するため、一貫性を保つために、図８では同様の参照番号が使用されている。

Claims (11)

1. ブラシレス永久磁石モータを制御する方法であって、
   モータ動作目標を決定するステップと、
   前記モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較することで、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから励起タイミングパラメーター関係を決定するステップと、
   前記モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップと、
   前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップの後に、測定モータ動作応答を測定するステップと、
   前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標と比較するステップと、
   前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標と一致しない場合に前記モータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標に向かって移動するようにするステップと、
   を含む、方法。
2. 前記励起タイミングパラメーターは、前記モータがいつ転流されるか及び／又は前記モータの励起がいつ開始及び／又は終了するか、及び／又は前記モータがどれだけ長く励起されるかを定義するパラメーターを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記モータ動作目標は、モータ入力電力、モータ速度、前記モータを通る空気流、相電圧、ＤＣリンク電圧、相電流、供給電流、モータ圧力、モータ温度、及び上述のパラメーターの誤差関数の何れか又は何れかの組み合わせを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記方法が、前記モータ動作目標に対応する前記ブラシレス永久磁石モータの動作モードを決定するステップを含む、請求項１～３の何れかに記載の方法。
5. 前記モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップが、前記モータ動作目標の値の２５％以内、１０％以内、５％以内、又は１％以内のモータ動作応答を提供するよう、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップを含む、請求項１～４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記測定モータ動作応答を用いずに開ループ制御を行う第１ステップと、
   前記測定モータ動作応答を用いて閉ループ制御を行う第２ステップと、
   を含み、
   前記第１ステップは、
   前記モータ動作目標を決定するステップと、
   前記モータ動作目標を前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較することで、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから前記励起タイミングパラメーター関係を決定するステップと、
   前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップと、
   を含み、
   前記第２ステップは、
   前記測定モータ動作応答を測定するステップと、
   前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標と比較するステップと、
   前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標と一致しない場合に前記モータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標に向かって移動するようにするステップと、
   を含む、請求項１～５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記補正係数が前記励起タイミングパラメーターに適用される場合、複数の励起タイミングパラメーターのうち、前記モータ動作目標のレベルに対応付けて予め指定された一次励起タイミングパラメーターに第１の補正係数を適用し、前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標に達する前に、当該一次励起タイミングパラメーターが前記モータの動作条件を保証するために設定された限度に達すると、前記複数の励起タイミングパラメーターのうち、前記モータ動作目標のレベルに対応付けて予め指定された二次励起タイミングパラメーターに第２の補正係数を適用する、請求項１～６の何れか１項に記載の方法。
8. モータ動作目標を決定し、
   前記モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較することで、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから励起タイミングパラメーター関係を決定し、
   前記モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させた後に、測定モータ動作応答を測定し、
   前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標と比較し、
   前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標と一致しない場合に前記モータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標に向かって移動させる、
   ようにブラシレス永久磁石モータのコントローラを動作させるための機械可読命令を含むデータ記憶媒体。
9. モータ動作目標を決定し、
   前記モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較することで、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから励起タイミングパラメーター関係を決定し、
   前記モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従ってモータを動作させた後に、測定モータ動作応答を測定し、
   前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標と比較し、
   前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標と一致しない場合に前記モータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標に向かって移動させる、
   ように構成されたコントローラを備えたブラシレス永久磁石モータ。
10. ブラシレス永久磁石モータを含む装置を制御する方法であって、
    装置出力目標を決定するステップと、
    前記装置出力目標を達成するようにモータ動作目標を決定するステップと、
    前記モータ動作目標を所定の励起タイミングパラメーター関係のセットと比較することで、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから励起タイミングパラメーター関係を決定するステップと、
    前記モータ動作目標に近いモータ動作応答を提供するよう、前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップと、
    前記所定の励起タイミングパラメーター関係のセットから決定された励起タイミングパラメーター関係に従って前記モータを動作させるステップの後に、測定モータ動作応答を測定するステップと、
    前記測定モータ動作応答を前記モータ動作目標と比較するステップと、
    前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標と一致しない場合に前記モータの励起タイミングパラメーターに補正係数を適用し、前記測定モータ動作応答が前記モータ動作目標に向かって移動するようにするステップと、
    を含む、方法。
11. 前記装置出力目標は、出力空気流及び出力空気温度の何れか又は何れかの組み合わせを含む、請求項１０に記載の方法。

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