(57)【要約】【課題】  ＰＷＭ信号の制御下で電動機の第１および第２の位相をそれぞれ駆動するスイッチの第１および第２の組によって駆動される電動機の２つの位相において、単一の感知器で電流を計測する方法および装置に関する。【解決手段】  第１の工程１００は各巻線駆動電流のデューティサイクルを読取る工程を含む。次の工程１０４，１１０，１１４，１１６，１１８では、電動機の巻線のうちの少なくとも１つが駆動されており他方の巻線が駆動されていないような１つ以上のタイミング・ウィンドウを提供するように、および電動機の第１の巻線を駆動するパルス幅変調信号と第２の巻線を駆動するパルス幅変調信号との間にほぼ２分の１サイクルの相対タイミング・オフセットを提供するように、ＰＷＭ信号を設定する。次の工程９０は設定したＰＷＭ信号を用いてスイッチをゲート制御する工程を含む。次の工程９５は単一の感知器を用いて少なくとも１つの巻線の電流をサンプリングする工程を含む。【選択図】      図１１
2006034093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパルス幅変調信号にて制御されるスイッチを用いて電動機の第１の位相を駆動する上位および下位のスイッチの第１の組と、電動機の第２の位相を駆動する上位および下位のスイッチの第２の組とによりスイッチングされる２つの位相に電流を駆動する電動機の２つの位相にて単一の感知器で電流を計測する方法において、
それぞれの巻線に対する各駆動電流のデューティサイクルを読取る読取工程と、
電動機の巻線のうちの少なくとも１つは駆動されており他方の巻線は駆動されていないような１つ以上のタイミング・ウィンドウを提供し、かつ前記電動機の第１の巻線および第２の巻線を駆動するパルス幅変調信号の間にほぼ２分の１サイクルの相対タイミング・オフセットを提供するようにパルス幅変調信号を設定する信号設定工程と、
前記信号設定工程にて設定したパルス幅変調信号を用いてスイッチの第１の組および第２の組をゲート制御するゲート制御工程と、
前記１つ以上のタイミング・ウィンドウの間に前記巻線のうちの少なくとも１つの電流をサンプリングするサンプリング工程とから成る方法。
【請求項２】
前記信号設定工程において、前記電動機の巻線を相接地させるために、前記巻線のうちの少なくとも１つの上位のスイッチにおけるパルス幅変調信号から前記巻線のうちの少なくとも１つの下位のスイッチにおけるパルス幅変調信号を減ずる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルス幅変調信号の伝播遅延を補償する伝播遅延補償工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記信号設定工程は１つの巻線サンプルを提供するサイクルの間に１つのタイミング・ウィンドウを提供することのみが可能な場合、前記サンプリング工程は、
前記タイミング・ウィンドウの間に第１の巻線電流をサンプリングする工程と、
別のタイミング・ウィンドウの間に両方の巻線の組合わされた電流をサンプリングする工程と、
第２の巻線電流を決定するために前記組合わされた電流から第１の巻線電流を減ずる工程とを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記信号設定工程は、巻線電流のうちの１つのみが計測可能なタイミング・ウィンドウの間に第１の有効電圧ベクトルを導入する第１導入工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記信号設定工程は、より正確な電流サンプル計測値を得るためにタイミング・ウィンドウの寸法を３倍にする３倍化工程を含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記信号設定工程は、前記１つの巻線の正の電流がタイミング・ウィンドウの１つの有効電圧ベクトルの間に計測可能であり、かつ前記１つの巻線の負の電流がタイミング・ウィンドウの他の有効電圧ベクトルの間に計測可能であるように、前記タイミング・ウィンドウの間に第２の有効電圧ベクトルを導入する第２導入工程を含む請求項５に記載の方法。
【請求項８】
電動機の２つの位相にて単一の感知器で電流を計測する装置において、
パルス幅変調制御装置と、
前記パルス幅変調制御装置からの複数のパルス幅変調信号によって制御されており、かつ前記電動機の第１の位相を駆動する上位および下位のスイッチの第１の組と、
前記パルス幅変調制御装置からの複数のパルス幅変調信号によって制御されており、かつ前記電動機の第２の位相を駆動する上位および下位のスイッチの第２の組と、
前記パルス幅変調制御装置は前記スイッチの第１の組および第２の組をゲート制御して
前記電動機の第１の巻線および第２の巻線を駆動する前記パルス幅変調信号の間にほぼ２分の１サイクルの相対タイミング・オフセットを提供するように操作可能であることと、
前記パルス幅変調制御装置は前記電動機の前記巻線のうちの少なくとも１つは駆動されており他方の巻線は駆動されていないような１つ以上のタイミング・ウィンドウを提供するように前記パルス幅変調信号を設定することと、
前記１つ以上のタイミング・ウィンドウの間に前記巻線のうちの少なくとも１つの電流をサンプリングする電流感知器とから成る装置。
【請求項９】
１つの巻線サンプルを提供するために前記パルス幅変調制御装置は前記サイクルの間に前記電流感知器に１つのタイミング・ウィンドウを提供することのみ可能な場合、前記電流感知器はタイミング・ウィンドウの間に第１の巻線電流をサンプリングし、別のタイミング・ウィンドウの間に両方の巻線の組合わされた電流をサンプリングし、かつ、パルス幅変調制御装置は第２の巻線電流を決定するために前記組合わされた電流から第１の巻線電流を減ずる請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記巻線電流のうちの１つのみがサンプリング可能であるタイミングウィンドウの間にパルス幅変調制御装置は第１の有効電圧ベクトルを導入する請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に二相の動力装置（二相電動機など）に関し、より詳細には、単一の電流感知器を介して電動機の２つの位相の各位相における電流を計測する改良された手続に関する。
【背景技術】
【０００２】
二相電動機（永久磁石同期電動機および誘導電動機など）は、機械系に動力補助を提供するために多くの用途で用いることが可能である。パルス幅変調した信号を用いて、二相電動機において位相巻線の電圧を制御することは知られている。パルス幅変調した信号は、電動機の位相巻線をバッテリなどの直流電流（ＤＣ）電源装置の正極および負極の端子に接続するインバータすなわち一連のスイッチング装置に適用される。このインバータは、上位バンクの４つのスイッチと、下位バンクの４つのスイッチとから成る。
【０００３】
電動機を適切に制御してトルク・リプルを極小化するには、各位相巻線を通じて流れる電流を計測することが必要である。各位相で計測された電流は、パルス幅変調した信号を発生させる制御装置に与えられる。電流を計測するために、各位相巻線に直列である抵抗器を用いることは知られている。各抵抗器を挟んでの電圧降下が計測され、各位相において流れる電流が決定される。この種類の系には、２つの位相巻線の各々に対して１つずつ、２つの電流感知器と、２つの計測回路とが必要であるという欠点が存在する。それら既存の構成では、ホール効果（Hall effect ）感知器または分流器が用いられるが、これらはいずれも高価である。さらに、感知器精度、増幅オフセット、ゲインおよびリニアリティ、ならびに温度および経年ドリフトのため、ホール効果感知器には異なった応答特性が存在し、それによって、トルク・リプルを発生させる２つの電流チャネル間の不一致が引き起こされる。分流器や、増幅ステージを必要とする任意の他の電流感知器でも、このことは真である。さらに、二相電動機にはコモンモード雑音除去に関する問題が存在するが、対処されていない。
【０００４】
また、単一の抵抗器を用いて、Ｙ字形に接続されたＹ字形三相電動機の各位相を通じる電流を計測する機能を実行することも知られている。単一の抵抗器は、ＤＣ電源装置とインバータすなわち一連のスイッチング装置との間のＤＣリンク上の電動機の巻線の外部に配置されている。スイッチの状態および動作の期間によって、位相を通じる電流は、単一の抵抗器によって計測または算出される。詳細には、Ｙ字形三相電動機では、電動機の全位相を通じて流れる全電流の和は零であるため、１つまたは２つの位相を通じて流れる電流が分かると、残りの位相を通じて流れる電流は決定され得る（中心点が接地されたＹ字形電動機または故障した電動機を除いて）。しかしながら、共通の巻線の接続部が存在しない二相電動機に対しては、この解決法は適用可能でない。
【０００５】
また、上位バンクのスイッチング装置または下位バンクのスイッチング装置を閉とすることによって、減衰すなわち制動が必要な時、電動機の巻線の電流を共に再循環させることも知られている。制動は、不要な機械系の振動を減衰させるために用いられ、機械系の速さを減少させるためにも用いられる。例えば、機械的な共振または外乱が、機械系から電動機へフィードバックされる場合がある。不安定な機械系共振は、それ自体望ましいものではないが、この共振によって、電動機に過剰な電流を生じさせ得る起電力（ＥＭＦ）も発生され得る。減衰モードでは、スイッチを閉とすることによって電流が電動機の巻線内を循環し、機械的共振に誘起される任意の動きに対抗する制動機として作用することによって、安定性の回復が補助される。しかしながら、単一の外部抵抗器では、その抵抗器が電流の搬送路に存在しないので、このモードにおいて電動機の巻線内で内部的に循環す
る電流を計測することは不可能である。したがって、電動機の巻線内の電流を計測することは不可能であり、修正または制御することも不可能である。
【０００６】
デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）における最近の進歩によって、空間ベクトル・パルス幅変調（以降、「ＳＶＰＷＭ」）など、より進歩したパルス幅変調スキームを用いることが可能となった。三相系においてＳＶＰＷＭを用いることの１つの重要な利点は、従来知られる正弦波パルス幅変調スキームと比較して、より多くの出力電圧を提供可能なことである。しかしながら、その欠点は、インバータに適用するＰＷＭ信号を発生させるために、ＳＶＰＷＭにはより複雑なスキームが必要なことである。単一のＤＣリンク電流感知器を介して全位相電流を計測することの主な課題は、ＳＶＰＷＭの動作する間に、全位相電流をサンプリングすることが不可能なことである。一状況は、電圧空間ベクトルの振幅が非常に小さな時である。別の状況は、電圧空間ベクトルが他の有効ベクトル（active vector ）上に存在する時である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、単一の電流感知器を用いて、二相の装置における電流を監視するための改良された方法が必要である。コモンモード雑音の除去が可能な場合にも利点があり得る。さらに、この方法が追加の機器の必要なく提供されることによって、信頼性を改良し、かつコストを削減することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
単一の外部の電流感知器を用いて、系の二相の装置の各位相を通じて流れる電流を計測する、改良された手続を説明する。有利なことに、本発明の実施に追加の機器は不要である。ＤＣリンクの電流経路に感知器が配置されているので、コモンモード雑音除去の問題は存在しない。永久磁石同期電動機などの二相電動機は、動力を備えた機械系の部品として用いられてよい。例示および説明の目的で、自動推進用の二相電動機の手続の用途の一例を用いる。永久磁石同期電動機などの二相電動機は、自動車のパワー・ステアリング系の部品として用いられてよい。しかしながら、本発明は二相電動機に限定されず、例えば、２つのＤＣ電動機など、共通の巻線の接続部を共有しない他の二相の装置または多層の装置にも適用されてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
新規であると思われる本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に詳細に述べられている。本発明は、さらにその目的および利点と共に、添付の図面と共に以下の説明を参照することによって最も良く理解され得る。図面の幾つかの図において、類似の参照番号は同一の要素を示す。
【００１０】
本発明には種々の修正および代替形態が可能であるが、特定の実施態様を図面に例として示し、本明細書で詳細に説明する。しかしながら、開示した特定の形態に本発明を限定する意図でないことは理解されるであろう。むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の広範な範囲の内にある、全ての修正、均等物、および代替物を包含するものである。
【００１１】
ここで、図を参照して、二相電動機用の系における使用の一例を説明する。図１を参照すると、一般に電源装置２２、インバータすなわちスイッチング回路２４、および電動機２６を有する系２０が存在する。自動推進用では、電源装置２２は、正極端子２８および負極端子３０を有する自動車ＤＣバッテリであってもよい。負極端子３０が接地接続されていてもよい。電動機２６は、位相で９０度異なる電動機を駆動する２つの結合していない位相巻線Ｗ１，Ｗ２を有する電動機であるが、各巻線が複数の極を有して種々の角度関
係で電動機を駆動し得ることも認識される。本発明が、共通の結合部すなわち中性点を共有しない、複数の巻線電動機に適用可能であることも認識される。そのような電動機には、例えば、永久磁石同期電動機または誘導電動機が含まれてよい。
【００１２】
インバータすなわちスイッチング回路２４には、電動機２６の各位相巻線の各末端に対して１組、４組のスイッチング装置が含まれる。スイッチング装置の第１の組であるＳａｈ（スイッチＡ−高），Ｓａｌ（スイッチＡ−低）は、第１の位相巻線Ｗ１の一方の側に電圧Ｖａを与えることが可能であり、スイッチング装置の第２の組であるＳｂｈ（スイッチＢ−高），Ｓａｌ（スイッチＢ−低）は、第１の位相巻線Ｗ１の他方の側に電圧Ｖｂを与えることが可能である。したがって、巻線Ｗ１に対する駆動電圧は、Ｖａ−Ｖｂ、すなわち、Ｖａｂである。同様に、スイッチング装置の第３の組であるＳｃｈ（スイッチＣ−高），Ｓｃｌ（スイッチＣ−低）は、第２の位相巻線Ｗ２の一方の側に電圧Ｖｃを与えることが可能であり、スイッチング装置の第４の組であるＳｄｈ（スイッチＤ−高），Ｓｄｌ（スイッチＤ−低）は、第１の位相巻線Ｗ２の他方の側に電圧Ｖｄを与えることが可能である。したがって、巻線Ｗ２に対する駆動電圧は、Ｖｃ−Ｖｄ、すなわち、Ｖｃｄである。貫通電流（shoot-through current ）を防止するため、同じインバータ・レッグ（leg ）の上位および下位の装置の両方を同時にオンにする（turn-on ）ことは不可能である。例えば、Ｓａｈ（スイッチＡ−高）とＳａｌ（スイッチＡ−低）とが同時にオンにされることはない。典型的には、ＶａおよびＶｃ（または、ＶｂおよびＶｄ）の振幅は、対応する上位の装置がオンにされている時は、ほぼＶ＿ｂａｔｔであり、対応する下位の装置がオンにされている時は、ほぼ０Ｖである。したがって、ＶａｂおよびＶｃｄの振幅は、ほぼＶ＿ｂａｔｔまたは０ボルトである。数で示したＶａｂおよびＶｃｄの振幅は単なる一例である。二相のＡＣ電動機では、２つの巻線は正弦波電圧に駆動されている。
【００１３】
スイッチング装置の各組は、電源装置２２の正極端子２８に接続された上位バンクのスイッチング装置Ｓａｈ，Ｓｂｈ，Ｓｃｈ，Ｓｄｈと、電源装置２２の負極端子３０に接続された下位バンクのスイッチング装置Ｓａｌ，Ｓｂｌ，Ｓｃｌ，Ｓｄｌとを有する。各スイッチング装置は、ＰＷＭ制御装置３４によって独立に駆動される。各組内のスイッチング装置を開とすることおよび閉とすることによって、電動機２６の位相巻線Ｗ１，Ｗ２の各末端を、電源装置２２の正極端子２８または負極端子３０に接続することが可能である。これによって、電圧ＶａｂまたはＶｃｄを、電動機２６の対応する位相巻線Ｗ１またはＷ２にそれぞれ適用することが可能である。各位相巻線Ｗ１またはＷ２を通じて流れる電流を、それぞれ対応する変数ｉ１またはｉ２で図１に示す。
【００１４】
以下でさらに詳細に説明するように、本発明ではスイッチング装置を制御するためにＳＶＰＷＭ信号を用いる。ＰＷＭ制御装置３４は、各々のスイッチング装置に対するＰＷＭ信号を発生させるために用いられる。制御装置３４は、電流感知器３２によって提供される電流計測値に基づいて、ＰＷＭ信号を発生させる。電動機２６の計測された位相における電流を示す制御装置に対してアナログまたはデジタル信号を出力するために、電流感知器３２が増幅器、サンプル・ホールド回路、アナログ−デジタル変換器などを伴い得ることが認識される。制御装置３４は、デジタル・プロセッサと制御アルゴリズムを有するソフトウェアを記憶するためのメモリとを有することが可能である。デジタル・プロセッサは、ソフトウェアに実装された制御アルゴリズムに基づいて、ＰＷＭ信号を出力する。本発明において、デジタル・プロセッサを有する適切な制御装置３４は、例えば、モトローラ社（Ｍｏｔｏｒｏｌａ，Ｉｎｃ．）の５６Ｆ８３ｘｘファミリーの部品として得られてもよい。この部品は、ソフトウェアを記憶するためのフラッシュ・メモリを有するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）制御装置である。これに代えて、制御装置３４が外部メモリ（図示せず）を有するＤＳＰプロセッサを有することも可能である。
【００１５】
スイッチング回路２４には、種々のスイッチング装置を用いることが可能である。例え
ば、スイッチング装置は、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、およびバイポーラ・トランジスタなどのパワー・トランジスタであることが可能である。ＰＷＭ信号は、パワー・トランジスタのゲートまたはベースに適用される。重要なのは、ＰＷＭ信号の適用によって各スイッチング装置を開または閉とする（すなわち、オフまたはオンとする）ことが可能なことである。スイッチは一般にＰＷＭ信号によって制御されるが、最も重要なのは、スイッチが電動機の巻線に対するＰＷＭ位相電圧を発生させることである。
【００１６】
電動機２６を適切に制御し、トルク・リプルを極小化するために、変数ｉ１，ｉ２に対する電流を計測などによって知る必要がある。一実施態様では、単一の電流感知装置３２が、電源装置２２とスイッチング回路２４との間のＤＣリンク上に配置される。詳細には、電流感知装置３２は、スイッチング回路２４の下位のスイッチング装置Ｓａｌ，Ｓｂｌ，Ｓｃｌ，Ｓｄｌと、電源装置２２の負極端子３０との間に配置される。電流感知装置３２は、抵抗器を挟んだ電圧降下を計測する感知器であってもよい。電流感知装置３２は、公知の方法に従い、計測した電圧降下をＤＣリンクを通じる電流（ｉ＿ｄｃ＿ｌｉｎｋで示した）に変換することが可能であってもよい。電流感知装置３２は、負極側のレール上に存在する（図示したように）ことも、正極側のレール上に存在することも可能である。これに代えて、感知器３２で計測した電圧降下が制御装置３４に与えられ、感知した電圧降下が制御装置３４によって電流に変換されてもよい。
【００１７】
スイッチング装置の高の組および低の組内の各スイッチング装置は、他のスイッチング装置に対して補完的である。例えば、巻線Ｗ１の１つの末端における電圧Ｖａは、スイッチＳａｈを通電させると同時にＳａｌの通電を停止させることによってオンとなり、スイッチＳａｈの通電を停止させると同時にＳａｌの通電を開始させることによってオフとなる。電圧Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄも、同じ手法で制御される。しかしながら、電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄの全てを、互いに独立に動作させることが可能である。
【００１８】
二相電動機の系では、この結果、１６の可能なスイッチング状態が生じる。図２に示す表では、この１６の可能なスイッチング状態をベクトルとして表す。表の第１列は、スイッチング装置の第１の組Ｓａｈ，Ｓａｌの状態（開／閉）を表す。表の第２列は、スイッチング装置の第２の組Ｓｂｈ，Ｓｂｌの状態（開／閉）を表す。表の第３列は、スイッチング装置の第３の組Ｓｃｈ，Ｓｃｌの状態（開／閉）を表す。表の第４列は、スイッチング装置の第３の組Ｓｄｈ，Ｓｄｌの状態（開／閉）を表す。第５列および第６列は、１６のベクトル状態を表す。第７列は、ＤＣリンク（ｉ＿ｄｃ＿ｌｉｎｋ）を通じる電流と、位相巻線Ｗ１，Ｗ２を通じる電流ｉ１，ｉ２との間の関係を表す。１６の可能なスイッチング状態には、ＤＣリンクを通じて電流が流れる１２の有効ベクトル状態と、ＤＣリンクを通じてほとんどまたは全く電流が流れず、ＤＣオフセット電流のみが記録される４つの零ベクトル状態（００００，１１００，００１１，１１１１）とが存在する。見られるように、多くの電動機の駆動状態では巻線Ｗ１またはＷ２に対する電流をＤＣリンク上で別個に計測することは不可能であり、２つの組合せのみが計測可能である。例えば、ベクトル１００１には、ｉ１−ｉ２の組合せが含まれる。
【００１９】
本発明では、スイッチング装置の状態を制御するためにＰＷＭ信号を用いる。スイッチング装置の状態を制御することによって、電動機の位相巻線Ｗ１およびＷ２に対して所望の位相電圧を適用し得る。
【００２０】
図３には、ＰＷＭ動作における典型的なインバータの電圧空間ベクトル図を示す。このベクトル図は、４つの区域Ｉ〜IVに分割される。インバータすなわちスイッチング回路が電動機を駆動する時、電圧空間ベクトルＶαβは電動機と同じ速さで回転する。電圧空間ベクトルは、区域のうちの１つの内に含まれるか、有効ベクトルのうちの１つの上に存在する。電圧空間ベクトルが一区域の内に含まれる場合、２つの近接ベクトル（adjacent v
ector ）が選択される。例えば、図３には、区域Ｉの内に含まれる電圧空間ベクトルＶαβを示す。電圧空間ベクトルＶαβを、以下の関係にある２つの近接ベクトルＶ１’およびＶ２’によって表すことが可能である。
【００２１】
【数１】
2006034093.tif 000003
上述の関係において、ｔ１は、ベクトルＶ１が適用されている間の第１の時間期間であり、ｔ２は、ベクトルＶ２が適用されている間の第２の時間期間であり、Ｔｐは、パルス幅変調される全サイクルすなわち周期（典型的には５０マイクロ秒）である。電圧空間ベクトルＶαβの振幅は、変調指数によって記述可能である。
【００２２】
図４には、本来的に対称なＰＷＭ信号のタイミング図を示す。各タイミング図には、単一のパルス幅変調サイクルすなわち周期Ｔｐを通じて、電動機の２つの位相に対応する電動機の巻線Ｗ１，Ｗ２上に電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄを生成させるために、スイッチング装置に適用される電圧パルス列を示す。種々のしきい値４２で動作する単一のランプ信号（ramp signal ）４０によって、パルスのタイミングを駆動することが可能である。例えば、下降ランプ信号上のしきい値Ｖｃによって電圧Ｖｃが適用され、上昇ランプ信号上の同じしきい値Ｖｃによって電圧Ｖｃが取り除かれる。しきい値Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｄも、この対称的な手法で同様に働くする。この例では、巻線Ｗ１は周期を通じてアイドル（idle）であり、すなわち、Ｖａｂ＝０（Ｖａ−Ｖｂ＝０）であり、巻線Ｗ２は周期Ｔｐの４分の２を通じて正の電圧Ｖｃｄによって駆動される。
【００２３】
パルス幅変調スキームでは、パルス幅変調した信号は一定ではない。むしろ、信号は周期の一部分ではオンであり、周期の別の部分ではオフである。図４で、電圧パルス列の高い状態は、上位のスイッチング装置Ｓａｈ，Ｓｂｈ，Ｓｃｈ，Ｓｄｈが閉とされていること（および、対応する反対の電圧パルス列（図示せず）によって、対応する下位のスイッチング装置Ｓａｌ，Ｓｂｌ，Ｓｃｌ，Ｓｄｌが開とされていること）を示す。電圧パルス列の低い状態は、上位のスイッチング装置Ｓａｈ，Ｓｂｈ，Ｓｃｈ，Ｓｄｈが開とされていること（および、対応する反対の電圧パルス列（図示せず）によって、対応する下位のスイッチング装置Ｓａｌ，Ｓｂｌ，Ｓｃｌ，Ｓｄｌが閉とされていること）を示す。電圧パルス列のパターンは、パルス幅周期Ｔｐの半分を表す中心軸に対称である。
【００２４】
図４の下部には、対応するベクトル（図２より）を示す。この例では、サンプル点Ｓ１〜Ｓ４のうちの任意のサンプル点を用いて、（ベクトル００１０またはベクトル１１１０において）巻線Ｗ２の電流ｉ２を決定することが可能であるが、ｉ１を単独で含むベクトルが存在しないため、巻線Ｗ１の電流ｉ１を独立に求めることは不可能である。実際に、ベクトル００００および１１１１の間には、ＤＣリンクを通じて流れる電流は存在しない（零ベクトル状態）。しかしながら、Ｔｐの時間期間の半分では、有効ベクトルＶ２が適用される。換言すると、ベクトル０００１０および１１１０の間には、ＤＣリンクを通じて電流が流れる。ベクトル００１０または１１１０の時間期間が充分に長い場合、対応する巻線を通じる電流を計測またはサンプリングし得る（Ｓ１〜Ｓ４）。典型的には、正確なサンプル計測値を得るために必要な時間期間は約２マイクロ秒であり、好適にはパルス幅の中央に取られる。したがって、約４マイクロ秒のサンプリング・ウィンドウ（sampling window ）が望まれる。
【００２５】
図５には、パルス列のシフトを伴うｉ１およびｉ２の両方の計測値を得る問題に対する
１つの解決法を示す。このことは、示すように、ＰＷＭサイクルの間のＶａおよびＶｂに対するしきい値を操作し、続いてスイッチングすることによって達成可能である。例えば、電圧Ｖａを適用するためにしきい値Ｖａ１を用い、電圧Ｖａを取り除くためにしきい値Ｖａ２を用いる。同様に、電圧Ｖｂを適用するためにしきい値Ｖｂ１を用い、電圧Ｖｂを取り除くためにしきい値Ｖｂ２を用いる。この場合、ｉ１を決定するためにベクトル１０００の間にサンプルＳ１を（または、ベクトル０１１１の間にサンプルＳ３を）得ることが可能であり、上述のように、ｉ２を決定するためにサンプルＳ２またはＳ４を得ることが可能である。しかしながら、この解決法で４つのＰＷＭ出力および変化するしきい値を管理することは非常に困難である。
【００２６】
図６および７には、相接地（phase grounding ）アプローチを用いること（図６）に続いて、計測に小さな有効状態を導入すること（図７）によって、図５の解決法に内在する問題を緩和する、さらなる解決法を示す。相接地とは、対応する低位の装置をオンとすることによって、零ベクトル合成のためにベクトル００００を選択することである。このことの利点は、スイッチングと、それに固有のスイッチング損失とを削減することである。加えて、巻線間の任意の結合相互作用が減少し、１００％のデューティサイクル性能でゲート駆動を用いる必要がない。図６に示すように（および、図４に示したように）、零でない有効ベクトルはＶｃのみである。他のベクトルＶａ，Ｖｂ，Ｖｄは零ベクトルである。結果として、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｄは事実上接地されている（すなわち、相接地）が、電動機への駆動電圧は、図４に示すのと本質的に同じである。しかしながら、ＰＷＭサイクルの間にスイッチングのしきい値を変化させることがなお必要である。したがって、Ｖｃのオン状態を１つに融合させる（矢印）ことが望ましく、その場合、ランプ信号に対して単一のしきい値Ｖｃを維持することが可能であり、スイッチングの量は最小化される。前述のように、ここでもＳ１にてｉ２をサンプリングすることが可能であるが、ｉ１はなおサンプリング不可能である。
【００２７】
相接地の後、図７に示すように、ｉ１を計測するために１つ以上のベクトルを人為的に導入することが可能である。この場合、図６の００１０ベクトル（Ｖｃのオン状態の融合の後に生じる）内に２つのベクトルが導入される。導入された２つのベクトルは、正確な計測値を与えるために充分な最小の時間期間（例えば、４マイクロ秒）である。サンプルＳ２において示すように、サンプルを計測することが可能なように、Ｖａがオンとされ（Ｖｂはオフ）、Ｗ１を通じる電流ｉ１を駆動する。しかしながら、図２に示すように、単にＶａをオンとするのみでは１０１０ベクトルが生じ、ｉ１は分離されない。しかしながら、１０１１ベクトルによって計測にてｉ１が分離されるであろうことが着目され得る。したがって、サンプルＳ２においてＶｄをオンとし得る。このことは、Ｖｃｄ（Ｖｃ−Ｖｄ）がオンである全時間が同じである限りにおいて、Ｖｃｄのオンの時間を広げることによって可能である。サンプルＳ２の間、電流＋ｉ１が巻線Ｗ１に導入される。これを相殺するため、意図的な平均Ｖａｂ＝０の状態がサイクルを通じて維持されるように、等量の電流  −ｉ１が導入される（サンプルＳ３に示す）。この場合、Ｖａはオフにスイッチングされ（ランプが下降から上昇へ変化を示すことにより）、Ｖｂはオンにスイッチングされ（やはり、ランプが下降から上昇へ変化を示すことにより）るのに対して、Ｖｄはオンのままであり、巻線Ｗ１に電流−ｉ１を与える０１１１ベクトルを生じる。結果として、ｉ１＝（Ｓ３＋Ｓ２）／２、である。Ｖｃｄが図４および６と同じ量だけオンである限り、この表現は実質的に等しい。ｉ２を計測するためには、上述のように、サンプルＳ１またはＳ４を用いることが可能である。しかしながら、この例では、非常に短い時間の間に多くのサンプリングおよびスイッチングが行われることになり、巻線間の結合効果とスイッチング問題とが導入され得ることが留意される。
【００２８】
したがって、好適な実施態様では、巻線間の有効状態およびサンプリングは、お互いから取り除かれる。図８に示すように、このことは、１８０度離れた２つのＰＷＭランプ信
号を出力することによってなされ得る。この実施態様には幾つかの利点が存在する。第１に、必要なＷ２有効ベクトルは１つのみであることにより、スイッチング損失が低減される。第２に、有効状態が充分に分離されていることにより、巻線の結合の可能性が低減されるのみならず、有効ベクトルが相互作用することなく（電動機の駆動で必要なように）広幅となる余地、すなわちダイナミック・レンジを増大させる余地を残してもいる。加えて、サンプリング点を固定されたまま残すことが可能である。結果として、この実施態様では、二相電動機における軽度および中程度の全てのデューティサイクル条件にて、単一の電流感知器を用いて正確な二相電動機の計測値が提供される。平均のＶａｂ＝０である（Ｗ１が実質的にアイドルである）特別な場合を示したが、典型的な場合であるＷ１が駆動されている場合にも、Ｗ１およびＷ２の状態が重ならない限り、ｉ１は、ｉ２から除くことによって容易に計測可能であることが認識される。重度の負荷条件では、巻線の有効状態がＰＷＭサイクルのデューティサイクルのほとんどまたは全てに及ぶ場合がある、すなわち、巻線の一方または両方に対する駆動電圧がＰＷＭサイクルのほとんどまたは全てでオンとされ、有効状態が重なる場合がある。この場合、図８の解決策では、各巻線の電流の計測値を個々に与えることが不可能な場合がある。
【００２９】
図９には、重度の負荷の下で有効状態が重なっている二相電動機を示す（両方のランプを共に示す）。示した例では、デューティサイクルの大部分でＷ２が駆動されている。Ｗ２がサンプルＳ２において充分な量の時間の間（少なくとも４マイクロ秒）オフである限り、ｉ１はベクトル１０００の間に正確に計測可能であり、ｉ２はサンプルＳ４の間の任意の時間に計測可能である。しかしながら、サンプルＳ２の期間が充分な期間（例えば、４マイクロ秒）より短い場合、ｉ１に対する正確な計測を行うことは不可能である。しかしながら本発明では、この重度の負荷の実施態様においてもなおｉ１を決定可能な手法が提供される。詳細には、適用されたベクトル１０１０のため、サンプル点Ｓ１またはＳ３にて、ｉ１＋ｉ２の電流の和を計測することが可能である。ｉ２はＳ４にて計測可能であるので、ｉ１を、ｉ１＝Ｓ１−Ｓ４、すなわち、ｉ１＝（ｉ１＋ｉ２）−ｉ２、から算出することが可能である。
【００３０】
電動機の飽和が生じＰＷＭ系がもはや電動機を適正に制御することが可能でないような１００％のデューティサイクルで、電動機の両方の巻線を駆動することは望ましくないことが留意される。したがって、両方の有効電圧ベクトルが１００％のデューティサイクルにならないことを保証するために、電動機制御アルゴリズムによって電圧出力を制限することが好適である。詳細には、この系では、少なくとも１つの巻線は１００％未満、好適には１００％−最小のサンプリング・ウィンドウ（すなわち、５０マイクロ秒−４マイクロ秒＝４６マイクロ秒）未満で駆動される。この、１００％−最小のサンプリング・ウィンドウを、これ以降、Ｗｍａｘと称する。最小のサンプリング・ウィンドウを、これ以降、Ｗｍｉｎと称する。
【００３１】
同様に、有効ベクトルに対するサンプル期間のいずれか（または両方）の時間期間が非常に小さいかまたは存在しない場合、ＰＷＭ信号を用いる時に問題が発生し得る。有効ベクトルに対するサンプル期間が非常に小さいかまたは存在しない時、この系では電動機の巻線の少なくとも２つの位相を通じる電流を計測することが不可能である。図１０には、非常に軽度の負荷の場合を示す。この場合、巻線のうちの１つは非常に短い時間の間（例えば、４マイクロ秒未満）動力を供給されており、正確なサンプルを得ることは不可能である。この場合、図７の実施態様と類似の実施態様を用いることが可能であり、ベクトルのうちの１つ（００１０）が幅を広げられるのと同時に、短いベクトルの幅を広げることによって生じた電流の不均衡を相殺するために、Ｖｄを駆動することによって、人為的ベクトル（０００１）が導入される。
【００３２】
図１０に示した例で、有効状態のベクトル００１０におけるＶｃがオンの時間は３マイ
クロ秒のみであると仮定した場合、Ｓ３において正確なサンプルを得ることは不可能であることが分かる。１つの解決法は、Ｖｃのオン時間をもう１マイクロ秒延ばし（矢印）、かつ平衡する１マイクロ秒をＶｄのオン時間に適用する（サンプルＳ４として示す）ことである。しかしながら、ＰＷＭ系において１マイクロ秒のパルスを制御することは非常に困難である。より優れた制御のためには、Ｖｄのオン時間も少なくとも４マイクロ秒であることが好適である。したがって、このことによって、サンプルＳ３は１マイクロ秒ではなく、４マイクロ秒追加で延びる（計、７マイクロ秒）ことが必要となる。これによって動作がさらに安定するのみならず、新たなベクトル００１０および０００１の存在によって、少なくとも２つのサンプル（Ｓ２，Ｓ４）が得られ、かつ平均化され、電流ｉ２のより一貫した（consistent）計測値を得ることが可能である。
【００３３】
理解され得るように、Ｗ１およびＷ２に対する有効ベクトルに関して二相電動機を駆動するための、多くの可能なシナリオが存在する。したがって、本発明には、それら異なる場合も考慮に含まれる。以下でさらに詳細に説明するように、特定の場合に従い、ＤＣリンク上の感知器を通じて電流を計測するために充分なサンプリング・ウィンドウ（すなわち時間期間）を提供するように、一定の方法でＰＷＭ信号が適用される。ＤＣリンク電流計測に妥当である充分なサンプリング・ウィンドウを保証するため、各場合は識別され、続いて識別された場合に基づき、系の制御装置によってＰＷＭ信号に対して適切なシフトまたは修正がなされる。
【００３４】
上述の実施態様の全てにおいて、零アンプ較正（zero-amp calibration）のため、並びに抵抗器および増幅器の温度係数ドリフトを考慮するために、００００ベクトル、すなわち零電圧ベクトルを計測することが可能である。
【００３５】
制御装置からパルス幅変調信号を受取る複数のスイッチング装置によって制御されている二相電動機の各位相の電流を、単一の感知器によって計測する、本発明による方法を、図１１を参照して一般に説明する。第１の工程８０には、スイッチを制御するためにパルス幅変調制御装置へ２つのランプ信号を出力する工程が含まれる。ランプ信号は、スイッチの第１の組を制御する第１のランプ信号と、スイッチの第２の組を制御する第２のランプ信号とから成り、位相でほぼ２分の１サイクル異なっている。二重のランプ信号によって、一方の巻線を制御するために用いられるパルスの分布は、他方の巻線のパルスの分布から、ＰＷＭサイクルのほぼ２分の１離れていることが保証される。
【００３６】
次の工程９０には、それぞれのランプ信号を用いてスイッチの第１および第２の組をゲート制御する工程が含まれる。この結果、それぞれ電動機の２つの巻線Ｗ１，Ｗ２に関連する第１の電圧パルス列Ｖａｂ，第２の電圧パルス列Ｖｃｄが生じる。パルス列Ｖａｂ，Ｖｃｄによって、電動機の第１および第２の巻線を駆動させるパルス幅変調信号間には、ほぼ２分の１サイクルの相対タイミング・オフセットが提供される。
【００３７】
次の工程には、電動機駆動制御からの１つのパルス幅変調サイクルに対するパルス幅変調信号の変調指数（すなわち、デューティサイクル）を読取る工程１００が含まれる。換言すると、この工程では、第１の巻線に対する第１の駆動信号の第１のデューティサイクルと、第２の巻線に対する第２の駆動信号の第２のデューティサイクルとを読取る。続いてこの方法では、電圧パルス列をいつ修正するかおよびいかに修正するかを決定するために、変調指数が用いられる。第１および第２のサンプリング・ウィンドウは、一定の電流計測値を得ることが可能であるサイクルのパルス列内に画定される時間期間である。好適には、計測サンプルは、サンプリング・ウィンドウの中央で得られる。適切な電流計測のために、これらのウィンドウは最小のウィンドウであるＷｍｉｎより大きいことが必要である。制御のため、これらのウィンドウのうちの１つ以上は、１００％−Ｗｍｉｎ、すなわち、Ｗｍａｘより小さいことが必要である。次の工程には、単一の電流感知器が１つ以
上のタイミング・ウィンドウの間に少なくとも１つの巻線の電流をサンプリングすることが可能であるように、電動機の少なくとも１つの巻線が駆動されており他の巻線が駆動されていないような１つ以上のタイミング・ウィンドウを提供するようにパルス幅変調信号のタイミングを設定する工程１０４，１１０，１１４，１１６，１１８が含まれる。
【００３８】
第１の実施態様１０４では、１０２にて第１および第２のサンプリング・ウィンドウの両方が最小のサンプリング・ウィンドウより小さい（重なりを生じない）時、充分なサンプリング時間を提供するために、人為的な電圧ベクトルが導入されてＶａｂおよびＶｃｄの両方にサンプリング期間を追加する。例えば、Ｖａｂでは、ｉ１の少なくとも１つのサンプルを提供するために、人為的および近接ベクトルである１０００および０１００ベクトルが導入される（図８でＶａｂにおいて実証したように）。Ｖａｂが存在しない（Ｖａｂが零デューティサイクルを有する）場合にも、人為的ベクトル１０００が存在するベクトル１０００に追加され、ベクトル０１００が近接して配置される（図１０でＶｃｄにおいて実証したのと同様に）。Ｖｃｄでは、ｉ２の少なくとも１つのサンプルを提供するために、人為的および近接ベクトルである００１０および０００１ベクトルが導入されてサンプリング期間を追加する（図８でＶａｂにおいて実証したのと同様に）。Ｖｃｄが存在しない（Ｖｃｄが零デューティサイクルを有する）場合にも、人為的ベクトル００１０が存在するベクトル００１０に追加され、ベクトル０００１が近接して配置される（図１０でＶｃｄにおいて実証したのと同様に）。
【００３９】
第２の実施態様１１０では、１０６にて両方のサンプリング・ウィンドウがＷｍｉｎより大きい時、かつ１０８にて両方のサンプリング・ウィンドウがＷｍａｘより小さい時、ｉ１およびｉ２は分離しており別個にサンプリング可能なので、人為的ベクトルを導入する必要はない。例えば、Ｖａｂに対しては、ベクトル１０００の間にｉ１をサンプリング可能（図１０でＶａｂにおいて実証したように）であり、Ｖｃｄに対しては、ベクトル００１０の間にｉ２をサンプリング可能（図８でＶｃｄにおいて実証したように）である。
【００４０】
第３の実施態様１１４では、１０６にて両方のサンプリング・ウィンドウがＷｍｉｎより大きい時、かつ１０８にて第１のサンプリング・ウィンドウがＷｍａｘより大きくかつ第２のサンプリング・ウィンドウがＷｍａｘより小さい時、第１のサンプルの電流を得ることは不可能であるが、第２のサンプルの電流を単独に得ることは可能である。この場合、第１のサンプルは巻線電流の和を含んでおり、この和から第２の電流を減ずることで第１の電流が得られる（図９において実証したように）。
【００４１】
第４の実施態様１１６では、１０６にて第１のサンプリング・ウィンドウがＷｍｉｎより小さくかつ第２のサンプリング・ウィンドウがＷｍｉｎより大きい時、かつ１１２にて両方のサンプリング・ウィンドウが１００％−３×Ｗｍｉｎ（以降、Ｗｍａｘ３）より小さい時、充分なサンプリング時間を提供するために、人為的ベクトルが第１のサンプリング・ウィンドウ（例えば、Ｖｃｄ）に導入される。例えば、Ｖｃｄに対しては、ｉ２の少なくとも１つのサンプルを提供するために、人為的、拡張（３倍）、および近接ベクトルである００１０および０００１ベクトルが導入されて、サンプリング期間を追加することが可能である（図１０において実証したように）。例えば、Ｖａｂに対しては、ｉ１の少なくとも１つのサンプルを提供するために、人為的、拡張（３倍）、および近接ベクトルである１０００および０１００ベクトルが導入されて、サンプリング期間を追加することが可能である（図１０のＶｃｄにおいて実証したように）。
【００４２】
第５の実施態様１１８では、１０６にて第１のサンプリング・ウィンドウがＷｍｉｎより小さくかつ第２のサンプリング・ウィンドウがＷｍｉｎより大きい時、かつ１１２にて少なくとも１つのサンプリング・ウィンドウが１００％−３×Ｗｍｉｎより大きい時、充分なサンプリング時間を提供するために、人為的ベクトルが第１のサンプリング・ウィン
ドウ（例えば、Ｖｃｄ）に導入される。例えば、Ｗｍｉｎより小さいＶａｂに対しては、ｉ1 の少なくとも１つのサンプルを提供するために、人為的および近接ベクトルである１０１１および０１１１ベクトルが導入されて、サンプリング期間を追加する（図７において２つの有効なＷ１ベクトルに沿ってＷ２−１１ベクトルを導入した場合に実証したように）。電流の和を含む第２のサンプルからこれを減じて、ｉ２のサンプルを得る。図１２に示すように、ｉ１＝（（Ｓ１−ｉ２）−（Ｓ２−ｉ２））／２、なので、ｉ２＝（Ｓ１−Ｓ２）／２、である。これに代わる別の選択肢は、Ｗ２のヌル・ベクトル（１１）が導入した２つのＷ１ベクトルのうちの１つのみと整合する、副次的な場合（sub-case）を作成することである。
【００４３】
好適な実施態様では、本発明によって、電動機の異常動作における手法も提供される。例えば、一方の巻線が短絡（または関連するスイッチが短絡）し、オフとなっている場合、環流（free-wheeling ）によって電動機の制動トルクが生じ、電流が再循環するのみになる。しかしながら、共通の分流電流感知器を用いて他方の良好な巻線からの電流を読取ることは依然として可能である。加えて、制御装置には、制御装置および動力ステージ間の遅延補償が組み込まれていることが望ましい。これによって、それらのステージ間の伝播遅延が補償される。
【００４４】
上述の実施態様のうちの１つが実行された後、決定されたデューティサイクルにより、次の工程９０には、上述で選択した実施態様における修正に従い、それぞれのランプ信号を用いてスイッチの第１および第２の組をゲート制御する工程が含まれる。最終の工程９５には、先に詳細に述べたように、両方の巻線の電流を決定するため、画定されたサンプリング・ウィンドウにおいて少なくとも１つの巻線の電流をサンプリングする工程が含まれる。
【００４５】
電動機の外部の単一の電流感知器を用いて二相の装置に流れる電流を計測する、改良された手続を説明した。上述の手続によって、特定の場合に基づいて既存のＰＷＭ動作が修正される。この手続には、非常に短い期間を通じて電動機の位相の電流を監視する工程が含まれる。ＦＥＴ以外のスイッチング装置を使用可能であることが認識される。しかしながら、その場合、ＦＥＴを用いた場合と本発明の動作が同じであるように、外部ダイオードが追加されてＦＥＴボディ・ダイオードを模倣する。
【００４６】
上述の本発明の説明は例示のみを意図しており、この出願に係る任意の特許の範囲を限定する意図はない。例として、この説明では二相電動機を用いた。本発明は、パルス幅変調が用いられる他の異なる装置、二相の装置、または多相の装置に対しても適用可能である。本発明が以下の特許請求の範囲の広範な範囲によってのみ限定されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】電源装置、インバータすなわちスイッチング回路、および二相電動機を有する、本発明によるシステムの図。
【図２】図１のスイッチの異なる可能なスイッチング状態を反映する表。
【図３】図２の電圧空間ベクトルの図。
【図４】二相電動機における従来技術のＰＷＭスイッチング・スキームのグラフ表現。
【図５】本発明による種々のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図６】本発明による種々のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図７】本発明による種々のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図８】本発明による種々のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図９】本発明による種々のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図１０】本発明による種々のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図１１】本発明により二相電動機における電流を計測する流れ図。
【図１２】本発明による別のＰＷＭ実施態様のグラフ表現。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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