(57)【要約】  電気モータを制御するためのモータ駆動システム及び方法が提供される。モータ駆動システムは、電気モータに切り替え可能に接続されている複数の位相線と、複数の制御可能なスイッチと、コントローラとを備えている。コントローラは、複数の制御可能なスイッチと通信可能に接続されており、ロータセンサからロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信するように構成されている。コントローラは、回転基準系に関するロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成する。ロータ位置に基づいて、コントローラは、電気モータのトルクリプルをほぼ０に低減する複数の位相電流を求める。コントローラは、電気モータに複数の位相電流を供給するように、制御可能なスイッチを動作させる。
2019512200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータを制御するためのモータ駆動システムにおいて、
前記電気モータに切り替え可能に接続されている複数の位相線と、
前記電気モータと前記複数の位相線のうちの１つとの間にそれぞれ接続されている複数の制御可能なスイッチと、
ロータセンサと、
電子プロセッサ及びメモリを有しているコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
前記複数の制御可能なスイッチと通信可能に接続されており、かつ、
前記ロータセンサからロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信し、
回転基準系に関するロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成し、
前記値及び前記ロータ位置に少なくとも部分的に基づいて前記電気モータのトルクリプルを低減する複数の位相電流を求め、
前記電気モータに前記複数の位相電流を供給するように、前記制御可能なスイッチを動作させる
ように構成されている、
ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記複数の位相電流を求める前に、前記回転基準系に関する前記電気モータの特性を表す複数の値を生成するように構成されており、かつ、
前記コントローラは、前記電気モータに関する回転基準系において前記複数の位相電流を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記コントローラは、静的基準系に関するロータ位置の関数としての逆ＥＭＦの事前に求められた値を変換することによって、前記回転基準系に関する前記ロータ位置の関数としての前記逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成するように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記電気モータの所望の出力を表す制御信号を受信し、
前記制御信号に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の位相電流を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記電気モータのトルクリプルをほぼ０にする、前記回転基準系に関する複数の摂動電流を先ず求めることによって、前記複数の位相電流を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
前記コントローラは、
前記逆ＥＭＦと、前記ロータ位置と、前記電気モータの所望の出力を表す制御信号とに基づいて、前記複数の摂動電流を求めるように構成されている、
請求項５に記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
前記コントローラは、
前記複数の摂動電流から、最小ノルムを有している１つのセットを選択するように構成されている、
請求項６に記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
前記コントローラは、
前記複数の摂動電流の前記１つのセットに基づいて、直接直交位相電流のセットを求め、
前記直接直交位相電流の前記セットを静的基準系に変換することによって、前記複数の位相電流を取得するように構成されている、
請求項７に記載のモータ駆動システム。
【請求項９】
前記モータ駆動システムは、さらに、
前記複数の制御可能なスイッチのうちの少なくとも１つと前記電気モータとの間に配置されている電流センサを備えており、前記電流センサは、前記複数の制御可能なスイッチのうちの少なくとも１つを介して前記電気モータに供給される電流を表す電流信号を生成するように構成されており、
前記コントローラは、前記電流信号に少なくとも部分的に基づいて、それぞれが前記複数の位相電流のうちの１つを生成するように設計されている、前記電気モータに供給される複数の電圧波形を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項１０】
前記コントローラは、ロータ位置の関数としての前記電気モータのインダクタンスに少なくとも部分的に基づいて、前記電気モータに供給される前記複数の電圧波形を求めるように構成されている、
請求項９に記載のモータ駆動システム。
【請求項１１】
電気モータのためのモータ駆動システムを動作させるための方法において、
コントローラにおいて、ロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信するステップと、
回転基準系に関する前記ロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成するステップと、
前記値及び前記ロータ位置に少なくとも部分的に基づいて前記電気モータのトルクリプルを低減する複数の位相電流を求めるステップと、
前記電気モータに前記複数の位相電流を供給するように、複数の制御可能なスイッチを動作させるステップと、
を備えていることを特徴とする、
モータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１２】
さらに、
前記複数の位相電流を求める前に、前記回転基準系に関する前記電気モータの特性を表す複数の値を生成するステップと、
前記電気モータに関する静的基準系において前記複数の位相電流を求めるステップと、を備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１３】
さらに、
静的基準系に関するロータ位置の関数としての逆ＥＭＦの事前に求められた値を変換することによって、前記回転基準系に関する前記ロータ位置の関数としての前記逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成するステップを備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１４】
さらに、
前記電気モータの所望の出力を表す制御信号を受信するステップと、
前記制御信号に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の位相電流を求めるステップと、を備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１５】
さらに、
前記電気モータのトルクリプルをほぼ０にする、前記回転基準系に関する複数の摂動電流を先ず求めることによって、前記複数の位相電流を求めるステップを備えている、
請求項１２に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１６】
さらに、
前記逆ＥＭＦと、前記ロータ位置と、前記電気モータの所望の出力を表す制御信号とに基づいて、前記複数の位相電流を求めるステップを備えている、
請求項１５に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１７】
さらに、
前記複数の摂動電流から、最小ノルムを有している１つのセットを選択するステップを備えている、
請求項１６に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１８】
さらに、
前記複数の摂動電流の前記１つのセットに基づいて、直接直交位相電流のセットを求めるステップと、
前記直接直交位相電流の前記セットを前記静的基準系に変換することによって、前記複数の位相電流を取得するステップと、を備えている、
請求項１７に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１９】
さらに、
前記電気モータに供給される電流を表す電流信号を受信するステップと、
前記電流信号に少なくとも部分的に基づいて、それぞれが前記複数の位相電流のうちの１つを生成するように設計されている、前記電気モータに供給される複数の電圧波形を求めるステップと、を備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項２０】
さらに、
ロータ位置の関数としての前記電気モータのインダクタンスに少なくとも部分的に基づいて、前記電気モータに供給される前記複数の電圧波形を求めるステップを備えている、
請求項１９に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、電気モータの音振、即ち、騒音、振動及びハーシュネス（ＮＶＨ）を低減するためのシステム及び方法に関する。電気モータのトルクは、電気モータの特定の構造に起因して、リプル作用（即ち、トルクリプル）の影響を受ける可能性がある。トルクリプルによってＮＶＨが増大する虞があることから、トルクリプルは、電気モータにおいて不利であると考えられる。電気モータのトルクリプル、従って、ＮＶＨは、電気モータの逆起電力（逆ＥＭＦ）に少なくとも部分的に依存し、また、所定の非正弦波状の逆ＥＭＦ波形を顕著に増大させる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
概要
種々の実施の形態は、トルクリプルを除去又は低減する位相電流を求めて電気モータ（例えば、同期モータ）のトルクリプルを低減することによって、電気モータのＮＶＨを低減する。高調波を含む複数の位相電流が、電気モータの集中定数（例えば、逆ＥＭＦ、及び突極モータにおけるインダクタンス）に基づいて、特定の電気モータに関する回転基準系（即ち、回転に同期した直接直交（ｄｑ）基準系）において同時に求められる。それらの複数の位相電流が求められた後に、コントローラは、（インダクタンス、巻線抵抗及び速度にも依存する）対応する複数の電圧波形を求めて、それを適用し、複数の位相電流を電気モータの各位相線に供給する。この方法は、位相線における高調波成分を低減するための連続的な電流供給を必要とせずに、すべての高調波成分を同時に抑制するために、回転系における位相電流のセットを求める。
【０００３】
回転系への変換が電気モータに関して行われると、一般的に、回転系における電流、電圧、磁束などの値は一定であるとみなされる。さらに、回転系におけるトルク値は一般的に平均値として表される。しかしながら、本明細書に記載する実施の形態は、電気モータのロータの位置の関数として、電流、電圧、磁束、及びトルクを維持する。その結果、電流及び電圧は、平均値付近で変化することになるので、トルクの合計値又は平均値とは別個にトルクリプルを解析することができる。
【０００４】
１つの実施の形態は、電気モータを制御するためのモータ駆動システムを提供する。システムは、電気モータに切り替え可能に接続されている複数の位相線、電気モータと複数の位相線のうちの１つとの間にそれぞれ接続されている複数の制御可能なスイッチ、ロータセンサ、及び、コントローラを備えている。コントローラは、電子プロセッサ及びメモリを有しており、また、複数の制御可能なスイッチと通信可能に接続されている。コントローラは、ロータセンサからロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信するように構成されている。コントローラは、回転基準系に関するロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成する。コントローラは、少なくとも部分的に前述の値及びロータ位置に基づいて電気モータのトルクリプルを低減する複数の位相電流を求める。コントローラは、電気モータに複数の位相電流を供給するように、制御可能なスイッチを動作させる。
【０００５】
別の実施の形態は、電気モータのためのモータ駆動システムを動作させるための方法を提供する。この方法は、コントローラにおいて、ロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信するステップを備えている。回転基準系に関するロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値が生成される。少なくとも部分的に前述の値及びロータ位置に基づいて電気モータのトルクリプルを低減する複数の位相電流が生成される。制御可能な複数のスイッチが、電気モータに複数の位相電流を供給するためにコントローラによって動作させられる。
【０００６】
種々の実施の形態の別の態様は、詳細な説明及び添付の図面を考慮することによって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】１つの実施の形態による電気モータ及びモータ駆動システムのブロック図を示す。
【図２】図１の電気モータ及びモータ駆動システムの１つの実施の形態を説明するためのブロック図を示す。
【図３】１つの実施の形態による、図１及び図２のモータ駆動システムのためのコントローラのブロック図を示す。
【図４】図１及び図２の電気モータに関してほぼ０のトルクリプルを生成する複数の位相電流を求めるための方法のフローチャートを示す。
【図５】図４の方法の正弦波状の電流波形と比較した複数の位相電流の例示的な値のグラフを示す。
【図６】図５の位相電流を生成する複数の電圧波形の例示的な値のグラフを示す。
【図７】図１及び図２の電気モータのトルクリプルの例示的な値のグラフを示す。
【図８】図１及び図２の電気モータの高調波成分の例示的な値のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
詳細な説明
任意の実施の形態を詳細に説明する前に、本発明の用途は、下記の説明に記載した又は添付の図面に図示したコンポーネントの構造及び配置構成の詳細に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、別の実施の形態を実現することもでき、また、種々の手法により実践又は実施することができる。
【０００９】
ハードウェアベース及びソフトウェアベースの複数の装置、並びに、異なる構造の複数のコンポーネントを、種々の実施の形態を実現するために使用することができることに言及しておく。さらに、特定の実施の形態は、ハードウェア、ソフトウェア、及び、電子的なコンポーネント又はモジュールを含むことができるが、それらは考察を目的として、特定のコンポーネントがハードウェアでのみ実施されているかのように図示及び説明されている場合もある。しかしながら、当業者であれば、この詳細な説明を読むことによって、少なくとも１つの実施の形態においては、種々の態様を１つ又は複数のプロセッサによって実行可能な（例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体に記憶されている）ソフトウェアとして実現することができることが分かる。従って、ハードウェアベース及びソフトウェアベースの複数の装置、並びに、異なる構造の複数のコンポーネントを、種々の実施の形態を実現するために使用することができることに言及しておく。例えば、明細書に記載する「制御ユニット」及び「コントローラ」は、１つ又は複数の電子プロセッサ、非一時的なコンピュータ可読媒体を含む１つ又は複数のメモリモジュール、１つ又は複数の入力／出力インタフェース、及び種々のコンポーネントを接続する種々の接続部（例えば、システムバス、導電トラック、ワイヤなど）を含むことができる。
【００１０】
図１は、電気モータ１０５及び給電部１１０に電気的に接続されているモータ駆動システム１００を示している。モータ駆動システム１００は、インバータ１１５及びコントローラ１２０を備えている。モータ駆動システム１００は、給電部１１０から電気モータ１０５への電力を制御して供給するように構成されている。給電部１１０は、インバータ１１５を介して電気モータ１０５に供給される直流電流（ＤＣ）を生成する。しかしながら、一部の実施の形態においては、交流電流（ＡＣ）給電部を使用することができる。それらの実施の形態においては、ＡＣがインバータ１１５への供給前に先ず整流される。電気モータ１０５は、種々のタイプ及び構成の同期モータであってよい。例えば、電気モータ１０５は、電子整流モータ（ＥＣＭ）、突極モータ、非突極モータ、永久磁石モータ、巻線界磁モータなどであってよい。さらに、電気モータ１０５、インバータ１１５、及びコントローラ１２０は、２相、３相、又は、それより多い数の位相を使用して動作するように構成することができる。例えば、一部の実施の形態においては、モータ駆動システム１００が、電気モータ１０５に３つの位相線を介して３相電力を供給する。
【００１１】
図２は、モータ駆動システム１００の種々のコンポーネント及び関連する電気的な接続を示している。一部の実施の形態においては、インバータ１１５が、複数の制御可能なスイッチ２１０を備えている。制御可能なスイッチ２１０は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）なども含めた、種々のタイプの電力トランジスタを含むことができる。制御可能なスイッチ２１０は、コントローラ１２０によって生成された電圧波形を表す制御信号によって動作させられる。各制御可能なスイッチ２１０は、複数の位相線２１５のうちの１つを介して、電気モータ１０５に電気的に接続されている。位相線２１５は、位相電流を電気モータ１０５に伝達するように構成されている。位相線２１５のうちの１つ又は複数は、１つ又は複数の電流フィードバック線２２０を介してコントローラ１２０に電気的に接続されている。電流フィードバック線２２０は、制御可能なスイッチ２１０と電気モータ１０５との間に配置されている１つ又は複数の電流及び電圧センサ２２５に電気的に接続することができる。コントローラ１２０は、電流フィードバック線２２０のうちの少なくとも１つを介して、位相線２１５における少なくとも１つの位相電流を表す少なくとも１つの電流信号を受信する。
【００１２】
一部の実施の形態においては、モータ駆動システム１００が、パルス幅変調制御部２３０を備えている。図示されているように、パルス幅変調制御部２３０を、コントローラ１２０とインバータ１１５との間に接続することができる。別の実施の形態においては、パルス幅変調制御部２３０をコントローラ１２０内に直接的に組み込んで、コントローラ１２０のハードウェア及びソフトウェアによって少なくとも部分的に制御することができる。別の実施の形態においては、パルス幅変調制御部２３０をスタンドアローン型のコントローラとして実施して、コントローラ１２０のケーシングの外部に、又は、ケーシング内に設けることができる。パルス幅変調制御部２３０は、位相線２１５における種々の電流波形及び電圧波形を生成するために制御可能なスイッチ２１０を動作させることができる。ロータセンサ２４０は、電気モータ１０５に接続されているか、又は、電気モータ１０５の一部であり、また、コントローラ１２０と通信可能に接続されている。ロータセンサ２４０は、電気モータ１０５のロータの速度及び位置を検出する、レゾルバ又は他の回路（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））を含むことができる。そのようにして、ロータセンサ２４０は、電気モータ１０５のロータ速度及びロータ位置を、ロータセンサフィードバック線２３５を介して、コントローラ１２０に供給する。
【００１３】
図３に図示されているように、コントローラ１２０は、コントローラ１２０若しくはパルス幅変調制御部２３０又は両方におけるコンポーネント及びモジュールに電力を供給し、また、それらのコンポーネント及びモジュールを運転制御しかつ保護する、複数の電気的なコンポーネント及び電子的なコンポーネントを備えている。コントローラ１２０は、特に、電子プロセッサ３０５（例えば、プログラミング可能な電子的なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、又は、類似のデバイス）、メモリ３１０（例えば、非一時的な機械可読メモリ）、出力インタフェース３１５、及び、入力インタフェース３２０を備えている。別の実施の形態においては、コントローラ１２０が、付加的なコンポーネント、又は、図示のものよりも少数のコンポーネント、又は、異なるコンポーネントを備えている。コントローラ１２０を、それぞれが特定の機能又はサブ機能を実行するように構成されている種々の独立したコントローラとして実現することができる。付加的に、コントローラ１２０は、入力及び出力を処理し、関連するプロセスを実行するサブモジュールを含むことができる。
【００１４】
コントローラ１２０及び関連するシステムのコンポーネントは、特に、本明細書に記載するプロセス及び方法を実施するように構成されている。例えば、電子プロセッサ３０５は、メモリ３１０と通信可能に接続されており、また、メモリ３１０に記憶することができる命令を実行する。電子プロセッサ３０５は、制御可能なスイッチ２１０の動作の方式に関連する命令をメモリ３１０から検索して実行するように構成されている。一部の実施の形態においては、出力インタフェース３１５は、パルス幅変調制御部２３０と通信するために、シリアルデータポート又はパラレルデータポート、ドライバ、リレー、スイッチなどを備えている。
【００１５】
コントローラ１２０は、電流及び電圧センサ２２５並びにロータセンサ２４０と通信可能に接続されている。図示されているように、電流及び電圧センサ２２５並びにロータセンサ２４０を、入力インタフェース３２０を介して、コントローラ１２０に電気的に接続することができる。この構成においては、入力インタフェース３２０が、電流及び電圧センサ２２５並びにロータセンサ２４０からの種々の入力信号を検出して処理するための、入力端子と、ハードウェアベース又はソフトウェアベースの入力ロジックとを含むことができる。特に、コントローラ１２０は、位相線２１５からの平均電流及びリプル成分（例えば、摂動電流）を含んでいる１つ又は複数の位相電流を表す１つ又は複数の信号を受信することができる。
【００１６】
さらに、コントローラ１２０は、位相線２１５における種々のタイプの電圧波形及び電流波形を生成することができる。電圧波形及び電流波形は、電流及び電圧センサ２２５並びにロータセンサ２４０からのフィードバックに少なくとも部分的に基づいて求められる。位相線２１５における電圧波形及び電流波形を生成するために、コントローラ１２０は先ず、複数の集中定数を生成する。集中定数は、電気モータ１０５の物理的な特性及び電気的な特性を定義する。例えば、集中定数は、電気モータ１０５の逆起電力（逆ＥＭＦ）、巻線抵抗、磁束、及びインダクタンスを含むことができる。一部の集中定数は、電気モータ１０５のロータ位置及びロータ速度に依存する。例えば、集中定数を、ロータ位置の関数として表すことができる。集中定数を、静的基準系に関して（例えば、電気モータ１０５のステータに関して）表すことができ、又は、回転基準系に関して（例えば電気モータ１０５のロータに関して）表すことができる。コントローラは、トルクリプルを排除する最適な電流形状を求めるために、回転系における、位置に依存する集中定数を使用する。集中定数は、特定のタイプのモータに関して事前に求めることができる。特に、各タイプのモータに関する製造プロセス及び検査プロセスの間に、集中定数を事前に求めることができる。別の実施の形態においては、一部の集中定数を、電流及び電圧センサ２２５並びにロータセンサ２４０に基づいて、少なくとも部分的にコントローラ１２０によって求めることができる。集中定数は、続いて、電気モータ１０５のトルクリプルを低減する位相電流を計算するためにコントローラ１２０によって使用される。
【００１７】
図４は、電気モータ１０５に関してほぼ０のトルクリプルを生じさせる位相電流を求めるための方法４００のフローチャートを示している。コントローラ１２０は、ロータ位置及びロータ速度を表すロータ信号を受信する（ブロック４０５）。コントローラ１２０は、負荷に関して要求される電流の量を表す電流需要信号を受信する（ブロック４１０）。ブロック４１５において、コントローラ１２０は、集中定数を求める。コントローラ１２０は、回転基準系に関するロータ位置の関数として、集中定数のうちの１つ、逆ＥＭＦを表す値を生成する（ブロック４２０）。コントローラ１２０は、種々の手法により、逆ＥＭＦの値を生成することができる。１つの実施の形態においては、コントローラ１２０は、回転基準系に関する逆ＥＭＦの事前に求められた値を、メモリ３１０におけるルックアップテーブルからロードする。別の実施の形態においては、コントローラ１２０は、静的基準系に関する逆ＥＭＦ値を、メモリ３１０におけるルックアップテーブルからロードする。そのような実施の形態においては、コントローラ１２０は、静的基準系に関する逆ＥＭＦの値を、直接直交０（ｄｑ）変換を使用して、回転基準系に関する逆ＥＭＦの値に変換する。１つの例として、平衡の取れた非突極２相電気モータは、逆ＥＭＦに関する以下のｄｑ変換を使用する：
【数１】
2019512200.tif 000003
ここで、θeは、位相線２１５の１つ（例えば、位相Ａの位相線）に関するロータのｄ軸の電気的な角度である。一度、変換が行われれば、逆ＥＭＦを、以下のように平均電圧及び摂動電圧の和として表すことができる：
【数２】
2019512200.tif 000004
ここで、ｖdf及びｖqfは、逆ＥＭＦの変換された値であり、Ｖdf及びＶqfは、逆ＥＭＦの平均電圧であり、また、Δｖdf及びΔｖqfは、逆ＥＭＦの位置に依存する摂動電圧である。
【００１８】
次に、方法４００においては、コントローラ１２０は、トルクリプルを０にすることによって、複数の摂動電流（即ち、回転基準系において表される位相電流のリプル成分）を求める（ブロック４２５）。２相の非突極モータに関する回転基準系におけるトルクリプルを
【数３】
2019512200.tif 000005
として求めることができ、ここで、ωrは回転の機械的周波数である。回転基準系において表される位相電流、ｉd及びｉqは、以下の関係を有している：
【数４】
2019512200.tif 000006
ここで、Ｉd及びＩqは、回転基準系において表される位相電流の平均値であり、Δｉdは、ｄ軸摂動電流であり、また、Δｉqは、ｑ軸摂動電流である。それらの摂動電流に関して、総トルクは、
【数５】
2019512200.tif 000007
であり、また、総トルクの平均値は、
【数６】
2019512200.tif 000008
である。
【００１９】
位相電流Ｉd及びＩqの平均値は、負荷に基づいて設定され、また、平均トルクを求める。トルクリプル、又は換言すれば総トルクのリプル成分は、
【数７】
2019512200.tif 000009
である。ほぼ０のトルクリプルを達成するために、リプル成分Ｔacは０（Ｔac＝０）にされ、従って、
【数８】
2019512200.tif 000010
である。また、従って、
【数９】
2019512200.tif 000011
である。
【００２０】
この式を解くと、ｑ軸の摂動電流に関して次式が得られる：
【数１０】
2019512200.tif 000012
この式は、拘束直線上に位置する摂動電流の解の無限集合を表す。解集合の値によって、ロータ位置毎のほぼゼロのトルクリプルが得られる。
【００２１】
方法４００のステップ４３０においては、コントローラ１２０は、最小ノルム（Δｉd2＋Δｉq2）を有している摂動電流に関する１つの解集合を選択する。最小ノルムは、摂動電流に関する他のすべての解よりも小さいノルムを有しており、また、最適な摂動電流のセットを表す。摂動電流のセットは、他の複数の摂動電流よりも低い高調波成分を有している位相電流を表す。その結果、位相線２１５内に存在する場合、摂動電流のセットは、電気モータ１０５に関してより高い効率及びより低い電圧リプルをもたらすことができる。原点を含む拘束直線に対して垂直な線（即ち、拘束直線の傾斜の負の逆数を有している傾斜を持つ線）の式を最初に求めることによって、摂動電流のセットを求めることができる。拘束直線に対して垂直な線は、原点から最短の距離を有している。拘束直線に対して垂直な線の式は、
【数１１】
2019512200.tif 000013
である。式１０及び式１１によって表される２つの線の交点によって、摂動電流のセットがもたらされる：
【数１２】
2019512200.tif 000014
【数１３】
2019512200.tif 000015
【００２２】
一部の実施の形態においては、摂動電流のセットを求める際に、コギングトルクも考慮される。そのような実施の形態においては、総トルクに関する式は、
【数１４】
2019512200.tif 000016
であり、また、ゼロトルクリプルは、次式を使用して得られる：
【数１５】
2019512200.tif 000017
従って、ほぼ０のトルクリプルを達成する摂動電流のセットは、以下のように定義される。
【数１６】
2019512200.tif 000018
【数１７】
2019512200.tif 000019
【００２３】
逆ＥＭＦ電圧も、回転の機械的周波数によってスケーリングされた、正規化逆ＥＭＦ形状ｋdf及びｋqfとして表すことができる。逆ＥＭＦ電圧は、
【数１８】
2019512200.tif 000020
である。ｋqfの平均値は、モータ定数として一般的に公知である。正規化された逆ＥＭＦ形状は、平均値及び位置に依存する摂動値
【数１９】
2019512200.tif 000021
から成り、ここで、Ｋdf及びＫqfは、平均値であり、また、Δｋdf及びΔｋqfは、摂動値である。
【００２４】
従って、回転系における最適なリプル成分を、速度又は機械的周波数に依存せずに表すことができる：
【数２０】
2019512200.tif 000022
【数２１】
2019512200.tif 000023
最適なリプル電流形状は、逆ＥＭＦ形状に依存する。それらはまた、速度と共に変化すると考えられる、要求される電流Ｉd及びＩqにも依存する。それらをまた、コギングトルクＴcogを補償するために、従って、コギングトルクＴcogを除去するために求めることができる。
【００２５】
ブロック４３５においては、上記の実施の形態のいずれにおいても言及したように、摂動電流のセットを求めた後に、コントローラ１２０は、回転系に関する摂動電流のセット及び平均位相電流を含む、複数の直接直交位相電流を求める。直接直交位相電流は、以下のように直流位相電流及び直交位相電流を含む：
【数２２】
2019512200.tif 000024
【数２３】
2019512200.tif 000025
【００２６】
ブロック４４０においては、コントローラ１２０は、回転基準系におけるほぼ０のトルクリプルをもたらす直接直交位相電流ｉd*及びｉq*を、静的基準系に変換して、ほぼ０のトルクリプルを生成する位相電流ｉa及びｉbを取得する。
【００２７】
ブロック４４５においては、コントローラ１２０は、位相電流及び集中定数に基づいて、複数の摂動電圧を求める。特に、コントローラ１２０は、各位相線２１５における位相電流を生成するように設計された電圧波形を求める。電圧波形が一度求められると、コントローラ１２０は、電圧波形、従って、位相電流を生成するために、制御可能なスイッチ２１０の動作を制御する（ブロック４５０）。電圧波形は、相互インダクタンスが０であり、自己インダクタンスが一定である時点における１つの高調波を求めることができる。しかしながら、一般的に、電圧波形を計算して、次式を使用するコントローラ１２０によるアクセスのためにメモリ３１０に記憶することができる。
【数２４】
2019512200.tif 000026
【数２５】
2019512200.tif 000027
量Ｌd及びＬqは、位置に依存するインダクタンスであり、λdf及びλqfは、回転系変換磁束であり、また、Ｒは、巻線抵抗である。量ωは、ｒａｄ／ｓにおける電気的周波数であり、これは極ペアの数が乗算された機械的周波数ωrに等しい。印加される電圧は速度と共に変化する。同様に、印加される電圧を、静的基準系において、その系における集中定数から求めることができる。
【００２８】
方法４００の別の実施の形態においては、コントローラ１２０は、回転系電力不変変換を使用するときに、３相の非突極電気モータ１０５に関してほぼ０のトルクリプルを生成する位相電流を求める。
【数２６】
2019512200.tif 000028
それらの実施の形態においては、式は、次式に基づいて３つの摂動電流を求めることを含んでいる：
【数２７】
2019512200.tif 000029
【数２８】
2019512200.tif 000030
【数２９】
2019512200.tif 000031
ここで、Ｉ0及びｋ0fにおける０の下付き文字は、零相分に相当する。
【００２９】
上記に示した零相電流を、３Ｈブリッジ構成で供給することができる。Ｙ結線（スター結線）又はΔ結線された３相巻線に関しては、新たな零相電流摂動Δｉ0を供給する必要はない。導入される電流は、ｄ軸リプル電流及びｑ軸リプル電流のみを含むと考えられる。Ｙ結線（スター結線）零相電流は、平衡が取れている場合には０であると考えられ、また、Δ結線零相電流は、モータの集中定数に依存する循環電流である。
【００３０】
別の３相ステータの、一般的に使用されるｄｑ系への変換は以下の通りである：
【数３０】
2019512200.tif 000032
式３０において回転系電力変動変換を使用すると、最適な電流リプルは以下のようになる。
【数３１】
2019512200.tif 000033
【数３２】
2019512200.tif 000034
【数３３】
2019512200.tif 000035
【００３１】
方法４００のさらに別の実施の形態においては、コントローラ１２０は、電力不変ｄｑ変換を使用して、３相の突極電気モータ１０５に関してほぼ０のトルクリプルを生成する位相電流を求める。突極モータの場合、位相電流は、ロータ位置に依存するインダクタンスにも依存する。位相電流を生成するために、ロータ速度、逆ＥＭＦ電圧、インダクタンス、及び抵抗に基づいて、相応の電圧が計算される。
【００３２】
それらの実施の形態においては、電気モータ１０５の総トルクは、電気モータ１０５のインダクタンスに少なくとも部分的に依存する。電力不変変換を使用した場合の、３相の非突極電気モータ１０５の総トルクに関する式は次式の通りである：
【数３４】
2019512200.tif 000036
他の実施の形態の場合と同様に、０に設定されるトルクのリプル成分を残しつつ平均値を減算することができ、また、制約条件に合致し、かつ、摂動電流のノルムを最小化する最適値を使用することによって位相電流が求められる。続いて、電圧波形が摂動電流に基づいて求められる。電力変動変換を使用すると、トルク式は以下のようになる：
【数３５】
2019512200.tif 000037
【００３３】
一部の実施の形態においては、電圧波形が一度求められると、パルス幅変調制御部２３０は、パルス幅変調された、電圧波形に近似する複数の波形を生成する。パルス幅変調された波形は、制御可能なスイッチ２１０に適用され、それによって電気モータ１０５にその電圧波形が供給される。
【００３４】
方法４００のステップを種々の順序で実施することができる。例えば、コントローラ１２０は、最初に回転基準系における摂動電圧を求めるのではなく、摂動電流を求めて、続けてその摂動電流を、ロータ位置からのフィードバックに基づいて静的基準系に変換することができる。この場合、パルス幅変調制御部２３０は、求められた位相電流を表す、コントローラ１２０からの信号と、位相線２１５からの静的基準系に関する測定された位相電流のフィードバックと、を受信することができる。それらの値を使用して、パルス幅変調制御部２３０は、制御可能なスイッチ２１０の使用のもとで、求められた位相電流を実現することができる。
【００３５】
別の実施の形態においては、コントローラ１２０は、回転基準系における測定された位相電流を表す、電気モータ１０５からのフィードバック信号を使用することができる。それらの実施の形態においては、コントローラ１２０は、測定された位相電流及び求められた位相電流を使用して、求められた位相電流を生成する電圧波形を計算することができる。
【００３６】
さらに別の実施の形態においては、コントローラ１２０は、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを含むことができる。それらの実施の形態においては、静的基準系における測定された位相電流を表すフィードバック信号が、ロータ位置に基づいて回転基準系に変換される。一度変換されると、フィードバック信号は、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタを通過する。ローパスフィルタは、測定された位相電流の平均値を表すフィードバック信号を出力し、また、ハイパスフィルタは、測定された位相電流の摂動電流を表すフィードバック信号を出力する。続いて、摂動値を平均電圧に加算することができ、また、ロータ位置に基づいて静的基準系に変換することができ、それによって、パルス幅変調制御部２３０のための静的基準系における電圧波形を取得することができる。
【００３７】
図５から図８は、方法４００の実施前の電気モータ１０５の信号の挙動と、方法４００の実施後の電気モータ１０５の信号の挙動との比較を示している。特に、図５は、標準的な３相電流波形に関する位相電流と方法４００によって求められるような位相電流とを比較するグラフを示している。図６は、方法４００によって求められる電圧波形と比較した、標準的な３相電圧波形を示している。図７は、方法４００を実施する前のトルクリプル（例えば、ほぼ正弦波状のトルクリプル）と、方法４００の実施後のトルクリプル（例えば、ほぼ平坦なトルクリプル）を示している。図８は、電気モータ１０５内の高調波成分を示している。高調波成分の大きさは、方法４００の実施前においては、方法４００の実施後よりも大きい。
【００３８】
従って、本発明は、特に、コントローラによって求められるような特定の電圧波形を供給することによって、電気モータのトルクリプルを低減する、電気モータを制御するためのシステム及び方法を提供する。本発明の種々の特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【図１】
2019512200.tif 000038
【図２】
2019512200.tif 000039
【図３】
2019512200.tif 000040
【図４】
2019512200.tif 000041
【図５】
2019512200.tif 000042
【図６】
2019512200.tif 000043
【図７】
2019512200.tif 000044
【図８】
2019512200.tif 000045
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月11日(2018.10.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータを制御するためのモータ駆動システムにおいて、
前記電気モータに切り替え可能に接続されている複数の位相線と、
前記電気モータと前記複数の位相線のうちの１つとの間にそれぞれ接続されている複数の制御可能なスイッチと、
ロータセンサと、
電子プロセッサ及びメモリを有しているコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
前記複数の制御可能なスイッチと通信可能に接続されており、かつ、
前記ロータセンサからロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信し、
回転基準系に関するロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成し、
前記値及び前記ロータ位置に少なくとも部分的に基づいて前記電気モータのトルクリプルを低減する複数の位相電流を求め、
前記電気モータに前記複数の位相電流を供給するように、前記制御可能なスイッチを動作させる
ように構成されている、
ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記複数の位相電流を求める前に、前記回転基準系に関する前記電気モータの特性を表す複数の値を生成するように構成されており、かつ、
前記コントローラは、前記電気モータに関する回転基準系において前記複数の位相電流を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記コントローラは、静的基準系に関するロータ位置の関数としての逆ＥＭＦの事前に求められた値を変換することによって、前記回転基準系に関する前記ロータ位置の関数としての前記逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成するように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記電気モータの所望の出力を表す制御信号を受信し、
前記制御信号に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の位相電流を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記電気モータのトルクリプルを０にする、前記回転基準系に関する複数の摂動電流を先ず求めることによって、前記複数の位相電流を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
前記コントローラは、
前記逆ＥＭＦと、前記ロータ位置と、前記電気モータの所望の出力を表す制御信号とに基づいて、前記複数の摂動電流を求めるように構成されている、
請求項５に記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
前記コントローラは、
前記複数の摂動電流から、最小ノルムを有している１つのセットを選択するように構成されている、
請求項６に記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
前記コントローラは、
前記複数の摂動電流の前記１つのセットに基づいて、直接直交位相電流のセットを求め、
前記直接直交位相電流の前記セットを静的基準系に変換することによって、前記複数の位相電流を取得するように構成されている、
請求項７に記載のモータ駆動システム。
【請求項９】
前記モータ駆動システムは、さらに、
前記複数の制御可能なスイッチのうちの少なくとも１つと前記電気モータとの間に配置されている電流センサを備えており、前記電流センサは、前記複数の制御可能なスイッチのうちの少なくとも１つを介して前記電気モータに供給される電流を表す電流信号を生成するように構成されており、
前記コントローラは、前記電流信号に少なくとも部分的に基づいて、それぞれが前記複数の位相電流のうちの１つを生成するように設計されている、前記電気モータに供給される複数の電圧波形を求めるように構成されている、
請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項１０】
前記コントローラは、ロータ位置の関数としての前記電気モータのインダクタンスに少なくとも部分的に基づいて、前記電気モータに供給される前記複数の電圧波形を求めるように構成されている、
請求項９に記載のモータ駆動システム。
【請求項１１】
電気モータのためのモータ駆動システムを動作させるための方法において、
コントローラにおいて、ロータ速度及びロータ位置を表す信号を受信するステップと、
回転基準系に関する前記ロータ位置の関数としての逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成するステップと、
前記値及び前記ロータ位置に少なくとも部分的に基づいて前記電気モータのトルクリプルを低減する複数の位相電流を求めるステップと、
前記電気モータに前記複数の位相電流を供給するように、複数の制御可能なスイッチを動作させるステップと、
を備えていることを特徴とする、
モータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１２】
さらに、
前記複数の位相電流を求める前に、前記回転基準系に関する前記電気モータの特性を表す複数の値を生成するステップと、
前記電気モータに関する静的基準系において前記複数の位相電流を求めるステップと、を備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１３】
さらに、
静的基準系に関するロータ位置の関数としての逆ＥＭＦの事前に求められた値を変換することによって、前記回転基準系に関する前記ロータ位置の関数としての前記逆起電力（逆ＥＭＦ）を表す値を生成するステップを備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１４】
さらに、
前記電気モータの所望の出力を表す制御信号を受信するステップと、
前記制御信号に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の位相電流を求めるステップと、を備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１５】
さらに、
前記電気モータのトルクリプルを０にする、前記回転基準系に関する複数の摂動電流を先ず求めることによって、前記複数の位相電流を求めるステップを備えている、
請求項１２に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１６】
さらに、
前記逆ＥＭＦと、前記ロータ位置と、前記電気モータの所望の出力を表す制御信号とに基づいて、前記複数の位相電流を求めるステップを備えている、
請求項１５に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１７】
さらに、
前記複数の摂動電流から、最小ノルムを有している１つのセットを選択するステップを備えている、
請求項１６に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１８】
さらに、
前記複数の摂動電流の前記１つのセットに基づいて、直接直交位相電流のセットを求めるステップと、
前記直接直交位相電流の前記セットを前記静的基準系に変換することによって、前記複数の位相電流を取得するステップと、を備えている、
請求項１７に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項１９】
さらに、
前記電気モータに供給される電流を表す電流信号を受信するステップと、
前記電流信号に少なくとも部分的に基づいて、それぞれが前記複数の位相電流のうちの１つを生成するように設計されている、前記電気モータに供給される複数の電圧波形を求めるステップと、を備えている、
請求項１１に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【請求項２０】
さらに、
ロータ位置の関数としての前記電気モータのインダクタンスに少なくとも部分的に基づいて、前記電気モータに供給される前記複数の電圧波形を求めるステップを備えている、
請求項１９に記載のモータ駆動システムを動作させるための方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図４は、電気モータ１０５に関してほぼ０のトルクリプルを生じさせる位相電流を求めるための方法４００のフローチャートを示している。コントローラ１２０は、ロータ位置及びロータ速度を表すロータ信号を受信する（ブロック４０５）。コントローラ１２０は、負荷に関して要求される電流の量を表す電流需要信号を受信する（ブロック４１０）。ブロック４１５において、コントローラ１２０は、集中定数を求める。コントローラ１２０は、回転基準系に関するロータ位置の関数として、集中定数のうちの１つ、逆ＥＭＦを表す値を生成する（ブロック４２０）。コントローラ１２０は、種々の手法により、逆ＥＭＦの値を生成することができる。１つの実施の形態においては、コントローラ１２０は、回転基準系に関する逆ＥＭＦの事前に求められた値を、メモリ３１０におけるルックアップテーブルからロードする。別の実施の形態においては、コントローラ１２０は、静的基準系に関する逆ＥＭＦ値を、メモリ３１０におけるルックアップテーブルからロードする。そのような実施の形態においては、コントローラ１２０は、静的基準系に関する逆ＥＭＦの値を、直接直交０（ｄｑ）変換を使用して、回転基準系に関する逆ＥＭＦの値に変換する。１つの例として、平衡の取れた非突極２相電気モータは、逆ＥＭＦに関する以下のｄｑ変換を使用する：
【数１】
2019512200.tif 000046
ここで、θeは、位相線２１５の１つ（例えば、位相Ａの位相線）に関するロータのｄ軸の電気的な角度である。一度、変換が行われれば、逆ＥＭＦを、以下のように平均電圧及び摂動電圧の和として表すことができる：
【数２】
2019512200.tif 000047
ここで、ｖdf及びｖqfは、逆ＥＭＦの変換された値であり、Ｖdf及びＶqfは、逆ＥＭＦの平均電圧であり、また、Δｖdf及びΔｖqfは、逆ＥＭＦの位置に依存する摂動電圧である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2019512200.tif 000048
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2019512200.tif 000049
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2019512200.tif 000050
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2019512200.tif 000051
【国際調査報告】
2019512200.tif 000052
2019512200.tif 000053
2019512200.tif 000054