(57)【要約】モータ（２０３）の動作相を同定する方法は、モータ（２０３）の動作相を示す信号の第１値を取得すること、および、ある時間期間経過後に上記信号の第２値を取得することを含む。本方法は、第２値が第１値を非負の第１閾値だけ超える場合、モータ（２０３）の第１動作相を同定することをさらに含む。第２値が第１値を第１閾値だけ超えない場合は、モータ（２０３）の第２動作相を同定する。第１動作相および第２動作相は、モータリングトルクまたは回生トルクを発生させるために通電期間を識別できるように、モータのロータおよびステータの相対位置に対応している。
2005528077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの動作相を同定する方法であって、
前記モータの動作相を示す信号の第１値を取得すること、
ある時間期間経過後に前記信号の第２値を取得すること、
前記第１値と前記第２値間の時間変化を識別する値変化を決定すること、
前記値変化が、閾値を、非負の第１所定値を超えて上回る場合、前記モータの第１動作相を同定すること、および、
前記値変化が前記閾値を超えず、かつ、前記値変化が非正の第２所定値を超えない場合、前記モータの第２動作相を同定すること、
を有する方法。
【請求項２】
前記第１値は、前記モータの相巻線の第１通電期間の間に取得され、
前記第２値は、前記相巻線の第２通電期間の間に取得され、
前記第１通電期間と前記第２通電期間の間は、前記相巻線への通電を中止する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１値の取得と前記第２値の取得の間で終了する時間期間は、前記相巻線の通電デューティサイクルから決定される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記時間期間は、通電デューティサイクルとほぼ等しい、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記モータの相巻線を流れる電流量を示す別の信号を基準信号と比較して前記モータの動作相を示す信号を取得することをさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記第１動作相は、前記相巻線のインダクタンスが時間とともに増加していることを示す、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記信号の値を増加させ前記モータにモータリングトルクを発生させることをさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記値変化が、前記閾値を、前記非負の第１所定値以下だけ超える場合、前記モータの第３動作相を同定することをさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記値変化が前記閾値を超えず、かつ、前記値変化が前記非正の第２所定値を超える場合、前記モータの第３動作相を同定することをさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第３動作相を同定する期間の間、前記モータの相巻線に対する電圧印加を停止することをさらに有する、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記第３動作相を同定する期間の間、前記モータの相巻線に対する電圧印加を停止することをさらに有する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値および第２値を取得すること、ならびに、
前記複数の第１値および第２値に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ極の位置を同定すること、
をさらに有する請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記第２動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記信号の値を減少させ前記モータに回生トルクを発生させることをさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせること、
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値および第２値を取得すること、ならびに、
前記複数の第１値および第２値から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定すること、
をさらに有する請求項８記載の方法。
【請求項１５】
モータの動作相を同定する方法であって、
前記モータの動作相を示す信号の第１値を取得すること、
第１時間期間経過後に前記信号の第２値を取得すること、
第２時間期間経過後に前記信号の第３値を取得すること、
第３時間期間経過後に前記信号の第４値を取得すること、
前記第１値と前記第３値間の時間変化を識別する第１変化を決定すること、
前記第２値と前記第４値間の時間変化を識別する第２変化を決定すること、
前記第１変化が、第１閾値を、非負の第１所定値を超えて上回り、かつ、前記第２変化が、第２閾値を、非負の第２所定値を超えて上回る場合、前記モータの第１動作相を同定すること、および、
前記第１変化が前記第１閾値を超えず、前記第２変化が前記第２閾値を超えず、前記第１変化が非正の第３所定値を超えず、かつ、前記第２変化が非正の第４所定値を超えない場合、前記モータの第２動作相を同定すること、
を有する方法。
【請求項１６】
前記第１値および前記第２値は、前記モータの相巻線の第１通電期間の間に取得され、
前記第３値および前記第４値は、前記相巻線の第２通電期間の間に取得され、
前記第２通電期間と前記第３通電期間の間は、前記相巻線への通電を中止する、
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第１時間期間は、前記相巻線の通電デューティサイクルから決定される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第１時間期間と前記第２時間期間の合計は、通電デューティサイクルとほぼ等しい、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記モータの相巻線を流れる電流量を示す別の信号を基準信号と比較して前記モータの動作相を示す信号を取得することをさらに有し、
前記第２変化は、前記第２値の絶対値と前記第４値の絶対値間の時間変化を識別する、
請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記第１動作相は、前記相巻線のインダクタンスが時間とともに増加していることを示す、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記信号の値を増加させ前記モータにモータリングトルクを発生させることをさらに有する、請求項１５記載の方法。
【請求項２２】
前記第２動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記信号の値を減少させ前記モータに回生トルクを発生させることをさらに有する、請求項１５記載の方法。
【請求項２３】
前記第１変化が、前記第１閾値を、前記非負の第１所定値以下だけ超え、かつ、前記第２変化が、前記第２閾値を、前記非負の第２所定値以下だけ超える場合、前記モータの第３動作相を同定することをさらに有する、請求項１５記載の方法。
【請求項２４】
前記第３動作相を同定する期間の間、前記モータの相巻線に対する電圧印加を停止することをさらに有する、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記第１変化が前記第１閾値を超えず、前記第２変化が前記第２閾値を超えず、前記第１変化が前記非正の第３所定値を超え、かつ、前記第２変化が前記非正の第４所定値を超える場合、前記モータの第３動作相を同定することをさらに有する、請求項１５記載の方法。
【請求項２６】
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値、第２値、第３値、および第４値を取得すること、ならびに、
前記複数の第１値、第２値、第３値、および第４値に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ極の位置を同定すること、
をさらに有する請求項１５記載の方法。
【請求項２７】
前記第３動作相を同定する期間の間に、電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせること、
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値、第２値、第３値、および第４値を取得すること、ならびに、
前記複数の第１値、第２値、第３値、および第４値から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定すること、
をさらに有する請求項２３記載の方法。
【請求項２８】
前記第３動作相を同定する期間の間に、電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせること、
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値、第２値、第３値、および第４値を取得すること、ならびに、
前記複数の第１値、第２値、第３値、および第４値から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定すること、
をさらに有する請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
モータの動作相を同定する方法であって、
（ａ）前記モータの相巻線が通電されている時間の第１時間長を取得すること、
（ｂ）後続の通電期間の間、前記モータの相巻線が通電されている時間の第２時間長を取得すること、
（ｃ）前記第１時間長と前記第２時間長間の時間変化を同定する時間差を決定すること、
（ｄ）前記時間差が、閾値を、非負の第１所定値を超えて上回る場合、前記モータの第１動作相を同定すること、および、
（ｅ）前記時間差が前記閾値を超えず、かつ、前記時間差が非正の第２所定値を超えない場合、前記モータの第２動作相を同定すること、
を有する方法。
【請求項３０】
前記後続の通電期間は、前記第１時間長を取得した通電期間後の次の通電期間である、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記第１動作相は、前記相巻線のインダクタンスが時間とともに増加していることを示す、請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記相巻線を通電し前記モータにモータリングトルクを発生させることをさらに有する、請求項２９記載の方法。
【請求項３３】
前記第２動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記モータに回生トルクを発生させることをさらに有する、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記時間差が、前記閾値を、前記非負の第１所定値以下だけ超える場合、前記モータの第３動作相を同定することをさらに有する、請求項２９記載の方法。
【請求項３５】
前記第３動作相を同定する期間の間、前記相巻線に対する電圧印加を停止することをさらに有する、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記時間差が前記閾値を超えず、かつ、前記時間差が前記非正の第２所定値を超えない場合、前記モータの第３動作相を同定することをさらに有する、請求項２９記載の方法。
【請求項３７】
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１時間長および第２時間長を取得すること、ならびに、
前記複数の第１時間長および第２時間長に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ極の位置を同定すること、
をさらに有する請求項２９記載の方法。
【請求項３８】
前記第３動作相を同定する期間の間に、電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせること、
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１時間長および第２時間長を取得すること、ならびに、
前記複数の第１時間長および第２時間長から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定すること、
をさらに有する請求項３４記載の方法。
【請求項３９】
前記第３動作相を同定する期間の間に、電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせること、
前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１時間長および第２時間長を取得すること、ならびに、
前記複数の第１時間長および第２時間長から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定すること、
をさらに有する請求項３６記載の方法。
【請求項４０】
前記相巻線に供給するエネルギーを調整する弁のパルス幅変調を制御することをさらに有する、請求項２９記載の方法。
【請求項４１】
ステップ（ａ）〜（ｅ）を前記モータの独立した相巻線ごとに実行すること、および、
独立した相巻線ごとに、前記相巻線に供給するエネルギーを調整する弁のパルス幅変調を制御すること、
をさらに有する請求項２９記載の方法。
【請求項４２】
モータの相巻線の通電を制御するコントローラであって、
前記モータの動作相を示す信号の第１値を取得する第１サンプルアンドホールドデバイスと、
ある時間期間経過後に前記信号の第２値を取得する第２サンプルアンドホールドデバイスと、
前記第１値と前記第２値を比較して時間とともに変化する変化値を生成する第１コンパレータと、
前記変化値が、閾値を、非負の第１所定値を超えて上回る場合、前記モータの第１動作相を同定し、前記変化値が前記閾値を超えずかつ非正の第２所定値を超えない場合、前記モータの第２動作相を同定するスイッチングロジックデバイスと、
を有するコントローラ。
【請求項４３】
前記第１値は、前記モータの相巻線の第１通電期間の間に取得され、
前記第２値は、前記相巻線の第２通電期間の間に取得され、
前記スイッチングロジックは、前記第１通電期間と前記第２通電期間の間、前記相巻線へのエネルギー投入を中止する、
請求項４２記載のコントローラ。
【請求項４４】
前記第１値の取得と前記第２値の取得の間で終了する時間期間は、前記スイッチングロジックによって調整される前記相巻線の通電デューティサイクルから決定される、請求項４３記載のコントローラ。
【請求項４５】
前記時間期間は、前記スイッチングロジックの通電デューティサイクルにほぼ等しい、請求項４４記載のコントローラ。
【請求項４６】
基準信号と前記モータの相巻線を流れる電流量を示す別の信号の負値とを合計して差信号を取得する加算器と、
前記差信号を前記スイッチングロジックデバイスによって提供されるパルス幅変調キャリア信号と比較して前記モータの動作相を示す信号を生成する第２コンパレータと、
をさらに有する請求項４２記載のコントローラ。
【請求項４７】
前記第２コンパレータが前記差信号を前記パルス幅変調キャリア信号と比較する前に前記差信号をフィルタにかけるコントローラをさらに有する、請求項４６記載のコントローラ。
【請求項４８】
前記第１動作相は、前記相巻線のインダクタンスが時間とともに増加していることを示す、請求項４２記載のコントローラ。
【請求項４９】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記信号の値を増加させ前記モータにモータリングトルクを発生させるようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力する、請求項４２記載のコントローラ。
【請求項５０】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記変化値が、前記閾値を、前記非負の第１所定値以下だけ超える場合、前記モータの第３動作相を同定する、請求項４２記載のコントローラ。
【請求項５１】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記変化値が前記閾値を超えず、かつ、前記変化値が前記非正の第２所定値を超える場合、前記モータの第３動作相を同定する、請求項４２記載のコントローラ。
【請求項５２】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力して前記モータにモータリングトルクを発生させ、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第３動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するように前記パワーコンバータを制御する前記スイッチング信号を出力しない、
請求項５０記載のコントローラ。
【請求項５３】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力し前記モータにモータリングトルクを発生させ、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第３動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するように前記パワーコンバータを制御する前記スイッチング信号を出力しない、
請求項５１記載のコントローラ。
【請求項５４】
前記第１サンプルアンドホールドデバイスおよび前記第２サンプルアンドホールドデバイスは、前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値および第２値を取得し、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記複数の第１値および第２値に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ極の位置を同定する、
請求項４２記載のコントローラ。
【請求項５５】
前記スイッチングロジックデバイスは、第３動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせるように、パワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力し、
前記第１サンプルアンドホールドデバイスおよび前記第２サンプルアンドホールドデバイスは、前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値および第２値を取得し、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記複数の第１値および第２値から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定する、
請求項５０記載のコントローラ。
【請求項５６】
前記スイッチングロジックデバイスは、第３動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して、前記モータのロータ位置と前記相巻線のインダクタンス間の線形関係を保持する電流を発生させ、前記相巻線インダクタンスと前記電流間の実質的な独立性を生じさせるように、パワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力し、
前記第１サンプルアンドホールドデバイスおよび前記第２サンプルアンドホールドデバイスは、前記モータのロータ極がロータ極ピッチ角度を横切る期間の間に複数の第１値および第２値を取得し、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記複数の第１値および第２値から得られる情報に基づいて、前記モータのステータに対する前記ロータ位置を同定する、
請求項５１記載のコントローラ。
【請求項５７】
モータの動作相の通電を制御するコントローラであって、
前記モータの相巻線を流れる電流を示す信号と基準信号との差に基づいてゲート信号を生成するヒステリシスコントローラと、
おのおの前記ゲート信号がある特定の信号状態（特定の信号状態はすべて同一）にとどまる時間量を示す、タイマ信号のシーケンスを生成し、前記シーケンスの後続のタイマ信号が前記シーケンスの先行するタイマ信号よりも前記特定の信号状態にどれだけ長くとどまったかを識別する期間差を生成するタイミングデバイスと、
前記期間差が、第１閾値を、非負の第１所定値を超えて上回る場合、前記モータの第１動作相を同定し、前記期間差が前記閾値を超えず、かつ、前記期間差が非正の第２所定値を超えない場合、前記モータの第２動作相を同定するスイッチングロジックデバイスと、  を有するコントローラ。
【請求項５８】
前記先行するタイマ信号値は、前記モータの相巻線の第１通電期間の間に取得され、
前記後続のタイマ信号値は、前記相巻線の第２通電期間の間に取得され、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１通電期間と前記第２通電期間の間、前記相巻線へのエネルギー投入を中止する、
請求項５７記載のコントローラ。
【請求項５９】
前記先行するタイマ信号値の取得と前記後続のタイマ信号値の取得の間で終了する時間期間は、前記スイッチングロジックデバイスによって調整される前記相巻線の通電デューティサイクルから決定される、請求項５８記載のコントローラ。
【請求項６０】
前記時間期間は、前記スイッチングロジックデバイスの通電デューティサイクルにほぼ等しい、請求項５９記載のコントローラ。
【請求項６１】
前記第１動作相は、前記相巻線のインダクタンスが時間とともに増加していることを示す、請求項５７記載のコントローラ。
【請求項６２】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記信号の値を増加させ前記モータにモータリングトルクを発生させるようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力する、請求項５７記載のコントローラ。
【請求項６３】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第２動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加して前記モータに回生トルクを発生させるようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力する、請求項５７記載のコントローラ。
【請求項６４】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記期間差が、前記第１閾値を、前記非負の第１所定値以下だけ超える場合、前記モータの第３動作相を同定する、請求項５７記載のコントローラ。
【請求項６５】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力して前記モータにモータリングトルクを発生させ、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第３動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するように前記パワーコンバータを制御する前記スイッチング信号を出力しない、
請求項６４記載のコントローラ。
【請求項６６】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記期間差が前記閾値を超えず、かつ、前記期間差が前記非正の第２所定値を超える場合、前記モータの第３動作相を同定する、請求項５７記載のコントローラ。
【請求項６７】
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第１動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するようにパワーコンバータを制御するスイッチング信号を出力して前記モータにモータリングトルクを発生させ、
前記スイッチングロジックデバイスは、前記第３動作相を同定する期間の間、電圧を前記モータの相巻線に印加するように前記パワーコンバータを制御する前記スイッチング信号を出力しない、
請求項６６記載のコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの相巻線の動作相を同定しその相巻線の通電を制御する方法および装置に関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、仮出願番号第６０／３８２,６０８号、第６０／３８２,６０９号、および第６０／３８２,６１０号を優先権主張する。また、本願は、代理人事件番号として第Ｌ１０８１.０３１０１号、第Ｌ１０８１.０３１０２号、第Ｌ１０８１.０３１０３号および第Ｌ１０８１.０３１０４号を付してここに提出されたものである同日に出願された出願人の係属中のＰＣＴ国際出願における開示をここに参照して組み入れるものとする。
【背景技術】
【０００３】
スイッチトリラクタンスマシン（ＳＲＭ）の制御は、そのロータの絶対位置に大きく依存する。この関係依存性の詳細は、非特許文献１に記載されている。ロータの位置はエンコーダ、リゾルバ、またはマグネットホイールの光学式スイッチを用いて測定できる。上記手段のいずれによる対策も高価であるため、低性能、大量かつ低価格の応用には適用不可能であり、望ましくない。
【０００４】
ロータの絶対位置を求めるもう一つの方法は、電流または電圧信号の測定および処理によって間接的に推測することである。そのような方法は、ＳＲＭの相巻線がインダクタンス／磁束鎖交（flux linkage）、励起相電流、ロータ位置の３つの主要変数間の異なる固有な三次元的関係であるという事実を根拠にしている。３つの変数のうち２つの値が既知である場合、第３の変数は三次元的関係に関する既知の知識から推測することができる。電流の測定は容易かつ安価に行うことができ、磁束鎖交は計算可能であるので（巻線の電圧を入手できると仮定して）ロータ位置の割り出しは簡単・単純である。
【０００５】
電圧測定は必ずしも安価、クリーンでスイッチングノイズがないとは限らない。このように、電圧値を測定して第３変数を求める方法には往々にして実践上の課題が存在する。また、方法を実施するやり方によっても推定精度、モータ装置の速度範囲、実施コスト、堅牢性が左右される。ロータの絶対位置を直接、間接的に安価に感知、測定、推定することは重要な研究・開発上の課題である。
【０００６】
非特許文献１において、Krishnanはロータ位置の推定に関する様々な方法を分類し、それぞれのアルゴリズム、実施、利点、弱点を特定している。関連技術・方法のいくつかを以下に示す。
【０００７】
Watkinsは特許文献１においてフリーホイーリング電流を用いてロータ位置を推定する方法を開示している。ＳＲＭにおける磁束鎖交と電流の関係は次のように表現することができる。
【数１】
2005528077.tif 000003
ここで、ｉは電流、Ｌはインダクタンス、λはステータ相の磁束鎖交、θはロータ位置である。
【０００８】
フリーホイーリング時、相巻線にかかる電圧は低いため、第２式の右辺は簡略化でき、したがって磁束の変化率は無視できる。これにより次のような関係が導かれる。
【数２】
2005528077.tif 000004
【０００９】
小さなΔｉの場合、Δｉ＝α［−ｉΔＬ］であり、α＝（１／Ｌ）…である。
【００１０】
Watkinsの方法は、ステータ極の組に対するロータ極の組の完全に一致した位置において角度によるインダクタンスの変化率が相電流のレベルに関係なく実質的にゼロであるという事実に基づいている。このように、上記式によれば、Δｉ＝０の場合、ロータ位置はインダクタンスの変化率がゼロである調整位置を中心としている。Δｉ≠０の場合、その符号はＳＲＭの動作点を示し、ＳＲＭが正か負のいずれのインダクタンス傾斜領域で動作しているかを示す。
【００１１】
Watkinsの方法の利点は、使用方法がきわめて簡単なことである。その短所は電流が少なくとも１つの相巻線に流れている状態でマシンが回転していなければならない点である。したがって、別の起動手順と装置が必要になる。
【００１２】
Liuらは、特許文献２において、ロータ位置を検出するために電流の立ち上がり時間を用いる方法を開示している。この方法は、モータの相コイルにおける電流の立ち上がり時間が相コイルのインダクタンスに正比例しているという原則に基づくものである。相コイル中のインダクタンスはロータ位置を表しているため、立ち上がり時間はロータ位置を示している。立ち上がり時間は、導通間隔とロータ位置との同相関係を示す、目的とする電流立ち上がり時間と比較される。したがって、立ち上がり時間は整流段階を制御する制御信号を生成するために使用できる。
【００１３】
MacMinnらは、特許文献３において、位置センサを用いることなく相シーケンサと連結してモータの位置に基づく動作を実現する、状態順序制御メカニズムを含むＳＲＭ駆動システムを開示している。電流センサは状態順序制御メカニズムにモータの巻線を通過する電流平均を提供し、状態シーケンサは電流情報に基づく開始シーケンスを生成する。相シーケンサは、状態順序制御メカニズムから入力した情報に基づいて励起する相を決定する。起動状態シーケンスは、整列状態、起動状態、チェック状態、傾斜状態を持つ状態図によってモデル化することができる。整列状態から起動状態に遷移しモータを起動しようとする。その後、チェック状態へと遷移しモータ巻線中の直流（ｄｃ）平均値Ｉｄｃを決定する。Ｉｄｃが基準値Ｉｒｅｆを超えると、起動状態シーケンスが整列状態にリセットされ、起動シーケンスを再試行する必要があることを示す。Ｉｄｃが基準値Ｉｒｅｆ未満の場合、起動シーケンスは傾斜状態に移行し、起動シーケンスが成功したことを示す。その後、相シーケンサはモータを指示速度まで導く。
【００１４】
Konecnyは、特許文献４において、ロータと複数のステータコイルを含むＳＲＭ用モータ制御回路を開示している。ステータコイルを順次励起するドライバ回路はコイルの電流に比例した信号を検出する電流感知レジスタと、またコイル電圧が逆ＥＭＦを表す項によって支配される所定の時間間隔で時間に対する電流信号の変化率を検出する傾斜検出器とを含む。可変発振器はドライバ回路用タイミング信号を生成する傾斜検出器の総合出力に対して反応する。コイルにかかる電圧が逆ＥＭＦ項で支配される場合、電流はほぼ一定でなければならない。しかし、ロータとドライバ電流の間に相ずれがある場合、この期間の電流信号はほぼ直線の傾斜を持ち、その正負はロータがドライバ回路に対して進んでいるか遅れているかによって決まる。
【００１５】
アクティブ相電流感知を利用した別の方法が、Soodらによる特許文献５およびMarcinkiewiczらによる特許文献６により提案されている。この方法は直流バス波形を用いてモータの整流時に関する情報を収集する。同方法によればプロセッサを用いて直流バス電流の傾斜と振幅を測定し、この波形を所望の波形と比較した後それに応じて整流周波数を調整する。この方法が機能するためには波形に関する事前の知識を必要としメモリに格納しておく必要がある。Marcinkiewiczはリップル電流を考慮したアルゴリズムを導入することによりSoodの方法に改良を加えている。
【００１６】
MacMinnらは、特許文献７において、電圧感知パルスを非アクティブ相に適用したインダクタンス感知方法を用いることを開示している。感知パルスから発生する相電流の変化は相インダクタンスの瞬間値に反比例する。適切な整流時間はこの相電流の変化と閾値電流を比較することによって求められ、したがってロータ位置に対する相励起の同期をとることができる。相励起は閾値を増減することによって進めたり、遅らせたりする。
【００１７】
Greenは、特許文献８において、非アクティブ相に外部信号を投入して多相ＳＲＭのセンサを用いない動作を実現する方法を用いている。チョッピングモードにおいて、所定磁束鎖交の診断パルスをアイドル相に投入する。単一パルスモードにおいては、アクティブ相を用いて位置予測を実行する。マシンを起動する方法は二相で診断パルスを用い、位置に対する固有の値を与え装置が全トルクで起動または再起動できるようにする。この方法の別の変形として、Greenは、特許文献９において、チョッピングモードにおける各相巻線のアイドル期間に電圧パルスを投入する方法を開示している。いずれの方法も多相マシンには適している。ロータ速度に応じてパルスを投入する周波数を変化させることによって音響ノイズを抑制する試みがなされている。
【００１８】
Mayesは、特許文献１０において、所定の電流または磁束鎖交の最大値を持つ診断パルスを非アクティブ相巻線に投入することに基づく方法を使用している。電流または磁束鎖交はパルスの終止点およびパルス投入前の開始点で測定する。診断パルスの投入による電流値または磁束鎖交値は、総電流と主要電流または磁束鎖交との間の差から求められ、ロータ位置の推定に用いられる。
【００１９】
MacMinnは、特許文献１１において、２つの非励起相に短時間の低レベル感知パルスを適用する間接位置センサを開示している。相における変化を感知して各非励起相に対して推定位置の値のうち２つの値を生成する。各非励起相に該当する２つの値のうち一つは２つの非励起相の間の相変位に等しい値だけシフトされる。各励起相に該当する２つの値はロータ位置の推定に用いる。最初に非アクティブな相の一つが励起される場合、上記の推定技術を用いて得られる２つの非励起相が得られるまで外挿アルゴリズムを使用して角度を推定する。この技術は多相マシン用にのみ使用可能である。
【００２０】
Lyonsらは、特許文献１２において、相対的に高い周波数、短時間、調査パルスを少なくとも２つの非アクティブ相に適用することによってロータ位置を推定する方法を開示している。これらの相での電圧と電流を測定し使用して各相におけるロータおよびステータ磁束鎖交の推定値を計算する。この推定値をモデルに入力してロータ位置を決定する。モデルは潜在的磁束値に該当するロータ位置を持つ単純なルックアップテーブルであってもよい。この方法の短所は、この方法が機能するためにルックアップテーブルを用意しなければならないことである。また、電圧測定には高価なトランスデューサ部を必要とし、これは多くの用途において受け入れがたい。
【００２１】
Kalpathiは、特許文献１３において、アクティブ相のコイルインタクタンス感知法を用いて次の相に対する導通の切り替え時点を決定する方法を開示している。回路には相毎に非対称のコンバータブリッジと２つのスイッチがあり、次のように動作する。まず、２つのスイッチをオンにして導通相を開始する。次に、下部スイッチを閉じ上部スイッチをオン、オフして最大、最小局所電流を発生させる。最大、最小局所電流のペアに到達する時間を記録し両者の比を所定の比と比較して整流信号を求める。
【００２２】
Rayは、特許文献１４において、予測されたロータ位置でアクティブ相の電流と磁束を測定し測定値を基準値と比較する方法を開示している。比較値間の角度誤差から次のサイクルでの予測ロータ位置を特定する。磁束と基準値を連続して比較し整流時間を決定する他の磁束鎖交方法と異なり、この方法の利点は各導通サイクルで１回しか磁束と電流を必要としない点である。しかし、この方法の短所は磁束鎖交を必要とし、その結果電圧と電流両方の検出が必要となり、小型化、低コスト化が困難である。
【００２３】
電流傾斜技術は、一つの相の導通期間中パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクルを一定に保持するとロータ位置に対する電流傾斜は最初に増加するという事実を利用する。インダクタンスの立ち上がり開始時、電流傾斜は減少する。Gabrielらは、工業利用部会に関する非特許文献２においてそのような技術を開示している。この方法の限界は、（１）マシン相が前進角で開始し、（２）動作の全範囲をカバーするためには独立した起動メカニズムを必要とする点である。この方法の利点は、ロータ位置を決定するために複雑な回路を必要としない点である。
【００２４】
HollingらとLimは、それぞれ、特許文献１５および特許文献１６において、電流傾斜技術を使用した方法を開示している。それぞれのアルゴリズムは微分、正規化した電流波形と所定の閾値を比較する。次に比較結果を用いて整流点を検出することができる。
【００２５】
Hollingはブラシレス直流モータ用のアルゴリズムを使用する方法を開示しているが、このアルゴリズムの使用は可変リラクタンスモータにも拡張できる。
【００２６】
関連技術において知られた別の技術は、ヘジテーションフリーの起動を可能にする磁束鎖交に基づく方法である。位置センサなしの技術の共通の欠点はＳＲＭを起動する間に起こるヘジテーションである。
【００２７】
BuおよびXuは、非特許文献３において、ヘジテーションのない自動起動方法を開示している。すべての相は短期間励起され相電流を測定する。２番目に高い電流の相を選択してロータ位置を特定する。この方法の欠点は電流センサの他に電圧トランスデューサが必要である点である。
【００２８】
オブザーバによる推定方法はモデル規範形適応制御（ＭＲＡＣ）技術、簡易オブザーバ／推定技術または完全オブザーバ技術を使用する。LumsdaineおよびLangは、非特許文献４において、簡易オブザーバ／推定技術を開示している。GentiliおよびNicosiaは、非特許文献５において、完全オブザーバ技術を開示している。ElmasおよびZelaya-De La Parraも、非特許文献６において、完全なオブザーバ技術を開示している。
【００２９】
以上の方法は、すべて計算集中型であり、したがって大量の商用アプリケーションにとって非現実的な工業的解決策である。また、現行のほとんどの研究は不完全である。さらに、自動起動の問題はいずれの研究においても取り上げられていない。以上の方法は、非特許文献１でも取り扱われている。
【００３０】
Lyonsらは、特許文献１７において、モデルに基づくアプローチを開示している。このアプローチによればＳＲＭの多相集中パラメータモデルを使用する。同方法はセンサを用いて磁束を感知する。測定磁束を用いてＲＯＭまたはマイクロプロセッサのルックアップテーブルの該当位置を検索する。この方法の欠点は、その複雑さとは別に、マイクロプロセッサまたはルックアップテーブルを使用する点である。また、この方法は、ルックアップテーブルおよびアナログ・デジタル変換器の能力によってその動作が制限されるため非常に高速な場合には適さない。
【００３１】
より複雑なモデルが本発明家によって開発された。それによれば、すべての相の磁束鎖交を測定し、ロータ位置を間接的に求めるものである。このアプリケーションでは、モータを起磁力によって駆動するネットワークとしてモデル化している。ステータ極で発生した磁束を特定し相電流および磁束測定から各相のリラクタンスを求める。相リラクタンスは整列位置に対するロータ位置を示している。モデルは多相の飽和、鎖交、相互カップリング効果を考慮する。この方法の弱点は磁束測定にかかる費用である。
【００３２】
Braneckyは、特許文献１８において、ルックアップテーブルと併せて磁束レベル制御の同じ原則を利用する方法を開示している。違いは、Braneckyが電流の様々な波形を説明するのにスイッチ、つまり平坦な電流波形または他の波形を用いている点である。この関係はまたマイクロプロセッサ側のルックアップテーブルにも反映されている。重要な弱点は電流波形の性質を識別する点にある。また、実施を容易にするために波形の集合を制限するとロータ位置の推定の精度を損なう危険性がある。
【００３３】
Hedlundらは、特許文献１９において、実際の磁束値を求め、この磁束値を電流の所定の非線形関数である基準磁束値と比較することを開示している。この発明の前提は、各角度位置について、ステータ極対の巻線の磁束と電流間に非線形関係が存在しているという事実である。磁束の所定値は相間の整流が望まれる角度に該当する。実際の値が磁束の基準値以上の場合、整流が発生する。すべての磁束または磁束鎖交に基づく実施同様、磁束または磁束鎖交推定には電圧の検出が必要となり、そのことによって検出の負担が増しそれによって実施の複雑さが増す。
【００３４】
Heglundは、特許文献２０において、相対角度推定回路、角度組み合わせ回路およびカルマン（Kalman）フィルタを含む推定器を利用する方法を開示している。相電流は相対角度推定器内部で測定される。角度組み合わせ回路は推定値と組み合わせて絶対角度を求め、曖昧さを除去する。推定器はＳＲＭのモデルを用いてロータ位置および速度の推定値の精度を向上する。この方法は現代的制御理論および大量のアプリケーションでは利用ができない複雑な回路を使用する。
【００３５】
Morrisは、特許文献２１において、少なくとも一つの変則極を持つＳＲＭのセンサレス操作方法を開示している。変則性はその幾何学的形状、材料特性または不規則なインダクタンス・プロファイルを発生するその他の特性によってもたらされる。電圧は一つの相巻線で感知し基準電圧と比較してロータ位置を示すエンコーダ出力を生成する。エンコーダ信号は次に相励起を制御するのに使用する。
【００３６】
この方法の別の変形では、巻線対の電圧を測定する。ロータの変則形状により、これら２組の巻線の同相の電圧は設定パターンに従いロータ位置の検出に使用することができる。実際のロータ位置を求めるためアナログ電圧比を求める。電圧比とロータ位置（一つまたは複数の相）との対応関係を求めることにより、実際のロータ位置を計算で求めた電圧比を用いてロータ位置データのルックアップテーブルから検索する。この方法はレシオメトリックデータを使用するため、供給される位置情報は供給電圧、巻線温度、定格インダクタンスその他の動作条件の影響を受けない。この方法の利点は、（１）従来のセンサを必要としないこと、（２）製造パラツキによる供給電圧間のインダクタンスの差の影響を受けないこと、（３）低コスト、実施が簡単で厳しい環境でも使用可能であることである。短所は、位置情報が不明確である場合、不明瞭さをなくすために複数の相にわたって情報が存在しなければならないことである。また、この方法は独立した起動手順を必要とし、高速動作には不適当である。
【００３７】
MacCannは、特許文献２２および特許文献２３において、主要巻線に挿入した補助巻線を使用する方法を開示している。コントローラは主要巻線と補助巻線を別々に励起することができる。電圧センサは励起に際し補助巻線の電圧を求める。補助巻線の電流の相を測定し２つの相差を用いてロータの位置を示す信号を提供する。
【００３８】
Bartosらは、特許文献２４において、ロータまたはステータ極のいずれかの不規則性を用いる方法を開示している。そのアルゴリズムはステータとロータ極のいずれか一方あるいは双方における１つまたは複数の不規則性によって標準インダクタンス・プロファイルに異なるパターンが発生するという事実に注目している。ロータの独特な形状は通常のインダクタンス・プロファイルに外乱が発生する原因となっている。インダクタンス・プロファイルに外乱が発生する周波数を用いて速度情報も得ることができる。
【００３９】
以上の参考文献の全ての開示は、そっくりそのまま引用することにより、ここに一体化する。
【特許文献１】米国特許第５,７９３,１７９号
【特許文献２】米国特許第６,１０７,７７２号
【特許文献３】米国特許第４,６４２,５４３号
【特許文献４】米国特許第５,０１５,９３９号
【特許文献５】米国特許第５,４２０,４９２号
【特許文献６】米国特許第５,４５７,３７５号
【特許文献７】米国特許第４,９５９,５９６号
【特許文献８】米国特許第６,２９１,９４９号
【特許文献９】米国特許第６,３５１,０９４号
【特許文献１０】米国特許第６,３９６,２３７号
【特許文献１１】米国特許第４,７７２,８３９号
【特許文献１２】米国特許第５,５２５,８８６号
【特許文献１３】米国特許第５,７８６,６８１号
【特許文献１４】米国特許第５,４６７,０２５号
【特許文献１５】米国特許第５,６００,２１８号
【特許文献１６】米国特許第５,５８９,７５１号
【特許文献１７】米国特許第５,０９７,１９０号
【特許文献１８】米国特許第６,１５３,９５６号
【特許文献１９】米国特許第５,１７３,６５０号
【特許文献２０】米国特許第６,３５９,４１２号
【特許文献２１】米国特許第６,１５０,７７８号
【特許文献２２】米国特許第５,６９１,５９１号
【特許文献２３】米国特許第５,９４９,２１１号
【特許文献２４】米国特許第５,２５６,９２３号
【非特許文献１】R. Krishnan, "Switched Reluctance Motor Drives," CRC Press, June 2001
【非特許文献２】Gabriel et al., IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 4, pp. 832-834, July/August 1998
【非特許文献３】Bu and Xu, "Eliminating Starting Hesitation for Reliable SensorlessControl of Switched Reluctance Motors," Conference Record, IEEE Industry Applications Society, pp. 693-700, Oct. 1998
【非特許文献４】Lumsdaineand Lang, "State Observers for Variable-Reluctance Motors," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 37, No. 2, 1990, pp. 133-142
【非特許文献５】Gentili and Nicosia, "Observer Based Control System Design for Switched Reluctance Motors," Proceedings of the 34th Conference on Decision and Control, December 1995, pp. 115-120
【非特許文献６】Elmas and Zelaya-De La Parra, "Application of a Full Order Extended LuenbergerObserver for a Position Sensorless Operation of a Switched Reluctance Motor Drive," IEEE Proceedings on Control Theory Applications, Vol. 143, No. 5, 1996, pp. 401-408
【発明の開示】
【００４０】
本発明の目的は、関連技術の装置における短所や課題を解決することである。本発明はスイッチトリラクタンスマシン（ＳＲＭ）のロータ絶対位置を間接的に推定する手段を提供する。マシンの巻線電流を測定するための電流センサを除きマシンには一切のセンサが不要である。電流センサは安価で抵抗器を主体として構成できる。さらに、これらのセンサはここで引用する同時係属の特許出願に開示された電力変換器の構成で使用すれば絶縁する必要はない。
【００４１】
本発明の目的は、その全部または一部を、モータの動作相（operational phase）を示す信号の第１値を取得すること、および、ある時間期間経過後に上記信号の第２値を取得することを含む、モータの動作相を同定（identify）する方法によって達成される。本方法は、さらに、第２値が第１値を非負の第１閾値だけ超える場合、モータの第１動作相を同定することを含む。第２値が第１値を第１閾値だけ超えない場合は、モータの第２動作相が同定される。
【００４２】
また、本発明の目的は、その全部または一部を、モータの動作相を示す信号の第１値を取得すること、および、第１時間期間経過後に上記信号の第２値を取得することを含む、モータの動作相を同定する方法によって達成される。第２時間期間経過後には上記信号の第３値を取得し、第３時間期間経過後には上記信号の第４値を取得する。本方法は、さらに、（１）第３値が第１値を非負の第１閾値だけ超え、かつ、（２）第４値が第２値を非負の第２閾値だけ超える場合、モータの第１動作相を同定することを含む。第１動作相が同定されない場合は、モータの第２動作相が同定される。
【００４３】
また、本発明の目的は、その全部または一部を、モータの相巻線が通電されている時間の第１時間長（measure of time）を取得すること、および、次の通電期間（energization period）の間、モータの相巻線が通電されている時間の第２時間長を取得することを含む、モータの動作相を同定する方法によって達成される。第２時間長が第１時間長を非負の第１閾値だけ超える場合は、モータの第１動作相が同定される。第２時間長が第１時間長を非負の第１閾値だけ超えない場合は、モータの第２動作相が同定される。
【００４４】
また、本発明の目的は、その全部または一部を、モータの動作相を示す信号の第１値を取得する第１サンプルアンドホールドデバイス、および、ある時間期間経過後に上記信号の第２値を取得する第２サンプルアンドホールドデバイスを具備する、モータの相巻線の通電を制御するコントローラによって達成される。第１コンパレータは、第１値と第２値を比較する。スイッチングロジックデバイスは、第２値が第１値を非負の第１閾値だけ超える場合、モータの第１動作相を同定し、第２値が第１値を第１閾値だけ超えない場合、モータの第２動作相を同定する。
【００４５】
本発明の目的は、その全部または一部を、モータの相巻線を流れる電流を示す信号と基準信号との差に基づいてゲート信号を生成するヒステリシスコントローラを含む、モータの相巻線の通電（energization）を制御するコントローラによって達成される。また、コントローラは、おのおのゲート信号がある特定の信号状態（特定の信号状態はすべて同一）にとどまる時間量を示す、タイマ信号のシーケンスを生成するタイミングデバイスも具備する。スイッチングロジックデバイスは、シーケンスの後続のタイマ信号の値がシーケンスの先行するタイマ信号の値を第１閾値だけ超える値である場合、モータの第１動作相を同定し、先行するタイマ信号の値が後続のタイマ信号の値を第２閾値だけ超える値である場合、モータの第２動作相を同定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明の最良の実施形態を以下に示す明細書の段落に記載するが、本発明の実施形態は以下の添付の図面を参照することにより一層理解しやすくなるであろう。
【００４７】
図１は、モータの相巻線のインダクタンスとモータのステータに対するロータ位置との関係を示す図である。相巻線のインダクタンス特性１０１を、ある電流励起１０２に対応するスイッチトリラクタンスマシン（ＳＲＭ）のロータ位置と関連づけて示す。インダクタンス１０１はロータ位置の関数であるだけで、電流励起１０２に依存しないものとするが、これはＳＲＭのＢ−Ｈ特性の直線範囲にのみ当てはまるものである。
【００４８】
ＳＲＭの相巻線がモータ駆動力（motoring power）を生み出すためには、インダクタンスが単調に立ち上がっている、つまり、ロータ位置に対する傾斜が正である領域に電流励起１０２があることが不可欠である。インダクタンスが一定である領域は二つあり、一つはロータ極とステータ極とが一致しない位置（通常、「不整合位置」と称す）に対応するものとして知られる最小値の領域であり、もう一つはロータ極とステータ極とが一致する位置（通常、「整合位置」と称す）に対応するものとして知られる最大値の領域である。電流基準または電流コマンド１０３および実際の電流励起１０２を図１に示すが、電流コマンド１０３を太線で示し、これに追従しようとする実際の電流励起１０２を細線で示す。パルス幅変調（ＰＷＭ）回路はその相に対応するパワーコンバータスイッチに対してオンオフ信号１０４を発生する。これらのパルス信号１０４は変化するデューティサイクルを持っている。
【００４９】
単純なコントローラは、電流がオンオフする瞬間のみを必要とする。このような瞬間は、相巻線が通電状態を維持しなければならない場合、つまり、例えばモータリング（motoring）のため、インダクタンスが立ち上がっている場合に発生する。本発明は、ステータ相を通電し通電解除する必要のある時間間隔を見つける装置および方法を提供する。同様の論理的思考は回生動作（regeneration operation）にも適用でき、また他の回転方向での動作にも適用できる。また、相の導通期間を知ることは、エンコーダパルスを生成し速度計算する上で有益であり、その速度から基本速度フィードバック制御を実行し、その結果マシンの目標である速度制御が得られる。
【００５０】
本発明は、各ＳＲＭ相における電流励起１０２の導通・非導通期間を間接的に推定するが、必要に応じてこれとロータの絶対位置との相関を取ることができる。上記の期間は「制御電圧（ＣＶ）」と呼ばれるパルス幅変調器出力、あるいはパルス幅変調器入力のデューティサイクルを観察するだけで推定される。制御電圧はデューティサイクルに正比例し、通常、パルス幅変調信号出力に変換される。本発明の科学的根拠は、以下のとおりである。
【００５１】
電流制御の対象領域を電流およびそのコマンドの大きさが互いに近い領域と見なす。対象領域は、コマンドをステップコマンドとした場合、電流がコマンドに応じて立ち上がる初期期間領域を除く。さらに、対象領域はその相の電流をオフにするか、マシン相にゼロ電圧か負の電圧を印加して整流する最終期間領域を除く。初期期間および最終期間の間の期間は対象領域に該当し、対象領域で電流は基準値に極めて近く、システムにとってほぼ定常状態である。以降、その期間のみがＳＲＭの動作インダクタンス領域の推定にとっての対象期間であるものとする。以下のＳＲＭの相電圧式を考える。
【数３】
2005528077.tif 000005
ここで、ｖは印加電圧、Ｒは相あたりのステータ巻線抵抗、Ｌはその時点およびその電流に該当するインダクタンス、ωはロータ速度、θはロータ位置、ｉは電流である。ｄＬ／ｄθ項はキャリア期間において定数と見なすことができ、キャリア周波数に反比例する。キャリア周波数は２０ｋＨｚの範囲なので、キャリア期間は約５０μｓである。キャリア期間は短時間であり、その期間においてインダクタンスおよびその傾斜は一定である見なすことができる。
【００５２】
キャリア期間において、制御可能なスイッチにＯＮパルスが印加され、それによってスイッチは直流リンク電圧をｄＴで与えられるデューティサイクルとキャリア期間の積に相当する時間、マシンの巻線に印加する。次に、Ｔ−ｄＴ時間、制御方式およびＳＲＭ駆動システムに選択されたコンバータ構成に応じてゼロまたは負のバス電圧が印加される。キャリア期間において、電流は低い電流値からピーク値まで時間ｄＴで立ち上がった後、ピーク値から低い電流値までＴ−ｄＴ時間で下降する。一方向の電流変化がｄＴ秒に２ΔＩであり、他方向の電流変化がＴ−ｄＴ秒に−２ΔＩであると仮定すると、平均電流値は約Ｉ０＋ΔＩで近似できる。ここでＩ０は電流の最小値であるかキャリア期間における初期電流である。
【００５３】
次に、２つの連続したＰＷＭサイクルのキャリア期間のＯＮ時間の期間、電圧式を一元化することができ、その平均値は次のように求められる。
【数４】
2005528077.tif 000006
以上より、
【数５】
2005528077.tif 000007
結果として
【数６】
2005528077.tif 000008
となる。ここでｄ２およびｄ１は２つの連続したＰＷＭサイクルのデューティサイクルであり、Ｌ２およびＬ１はそれぞれのデューティサイクルにおけるマシンインダクタンスである。
【００５４】
また、さらに厳密に言えば、マシンの式およびその操作は以下のように示すことができる。相スイッチＯＮ時間または相導通期間において、
【数７】
2005528077.tif 000009
相スイッチがＯＦＦの間、
【数８】
2005528077.tif 000010
第１式を平均すると
【数９】
2005528077.tif 000011
となり、また、
【数１０】
2005528077.tif 000012
とすると、
【数１１】
2005528077.tif 000013
同様に、
【数１２】
2005528077.tif 000014
【数１３】
2005528077.tif 000015
【数１４】
2005528077.tif 000016
【００５５】
事例１：
ｄ２＞ｄ１の場合、
【数１５】
2005528077.tif 000017
そして、
【数１６】
2005528077.tif 000018
とすると、
【数１７】
2005528077.tif 000019
これは次のように表記することもできる。
【数１８】
2005528077.tif 000020
【００５６】
事例（i）：
ｄ２＞ｄ１の場合、
Ｌ２＞Ｌ１
【００５７】
事例（ii）：
ｄ２＜ｄ１の場合、
Ｌ２＜Ｌ１
【００５８】
事例（iii）：
ｄ２＝ｄ１の場合、
Ｌ２＝Ｌ１
【００５９】
これらの結果は、これまで考慮した種々の事例に対して証明できる。簡潔にするために、証明はここで省略する。
【００６０】
マシンのインダクタンスとロータ位置と電流特性との間の関係の理解をまとめると、式（１７）は次の意味合いを持つ。
（１）ｄ２＞ｄ１の場合、Ｌ２＞Ｌ１となり、マシンがモータリング領域にあることを示している。
（２）ｄ２＝ｄ１の場合、Ｌ２＝Ｌ１となり、マシンがトルク領域にないこと、つまり、整合位置または不整合位置にある可能性があることを示している。
（３）ｄ２＜ｄ１の場合、Ｌ２＜Ｌ１となり、マシンは回生領域にあることを示している。
【００６１】
上述したように、デューティサイクルは、動作領域に関してロータ位置の絶対的意味においての位置を明確に示すものである。これらの動作領域は、モータリング領域、ゼロトルク領域、および回生領域である。デューティサイクルはロータの正確な位置とは一致しないが、ロータ極のピッチの測定を調整することによってこの判定を行うことができる。多くの用途において、各相を通電する時点とそれを整流する時点がわかれば十分である。このような重要な情報を生成するアルゴリズムは上記のように求められ示される。
【００６２】
図２は、ロータ位置センサレスモータ制御を備えたＳＲＭを示す図である。ＳＲＭ２００は、コントローラ２０１、パワーコンバータ２０２、およびＳＲＭモータ２０３を具備する。コントローラ２０１は、フィルタ２０５、加算器２０６、比例＋積分（ＰＰＩ）またはＰＰＩ＋微分コントローラ２０８、第１コンパレータ２１０、第１タイマサンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）回路２１１、第２タイマサンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）回路２１２、第２コンパレータ２１３、およびスイッチングロジック２１４を具備する。
【００６３】
パワーコンバータ２０２は、電流センサを経由して、フィルタ２０５にモータ２０３のステータ巻線に供給する電流表示を入力する。この表示はステータ巻線電流を抵抗器に流すことによって生じる電圧の形をとる。あるパワーコンバータ構成において、この表示は直流電気を絶縁することなしに得られる。これにより低コストの電流測定が可能となる。
【００６４】
この説明において、ステータ巻線電流および基準電流または電流コマンド２０７は、電圧レベルの信号の表示として提供されるものとする。ステータ電流表示は、フィルタ２０５でフィルタをかけられた後、加算器２０６に入力される。加算器２０６は、コマンド電流２０７からステータ相電流のフィルタにかけられた表示を減算して相電流誤差を得る。この相電流誤差を比例＋積分コントローラ２０８、比例＋積分＋微分コントローラ、ローパスフィルタ回路の形式で、インテリジェントコントローラまたは別の最新のコントローラにより新たなコントローラで平滑化しフィルタにかけることができる。
【００６５】
この相電流誤差を平滑化し整形するのに使用するコントローラに関係なく、以下制御電圧（ＣＶ）と呼ぶこの電流誤差は、ＰＷＭ回路（図示せず）を用いたデューティサイクルを生成する目的にかなう。ＣＶは、ＰＷＭまたは周期Ｔのキャリア周波数として知られる周波数で正の三角電圧信号と比較される。ＣＶと三角ＰＷＭ信号の交点（つまり、論理ＡＮＤ演算）によってパワーコンバータ２０２における制御可能なスイッチ（図示せず）のオン（導通）およびオフ（非導通）期間が決まる。
【００６６】
制御電圧をＰＷＭデューティサイクルに変換する方法として、多くの方法が考えられるが、ここでは第１コンパレータ２１０に関連して一つの方法のみを説明する。ハードウェア、ソフトウェアのいずれのコントローラを用いてどのように制御電圧をＰＷＭデューティサイクルに変換するかに関係なく、本発明はコントローラを用いてその変換を実現することができる。
【００６７】
第１コンパレータ２１０の出力はそのタイミングを測り、２つの異なるタイマサンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）回路２１１、２１２で２つの連続したＰＷＭサイクルでそれぞれサンプルアンドホールドされる。第１タイマＳ／Ｈ回路２１１は、時刻ｔ０＝０で得られた第１デューティサイクルｄ１を求めホールドし、第２タイマＳ／Ｈ回路２１２は、ｔ＝ｔｏ＋ＴのＰＷＭ期間後、第１デューティサイクル（ｄ１）に続くデューティサイクルｄ２を求めホールドする。ｔｏ＝０のとき期間ｔ＝Ｔである。第２コンパレータ２１３は、これらのデューティサイクルを比較して、ｄ２−ｄ１で与えられる差を求める。この差により相インダクタンスが増加しているか、静止しているか、減少しているかを同定することができる。相インダクタンスが増加している場合、この期間、モータリングトルク（motoring torque）を生成可能であるため、その相の通電を継続する必要がある。デューティサイクルが互いに等しい場合、ロータ位置は、不整合であるか完全に整合したステータ／ロータ極位置である。これらの位置では重要なトルクはまったく発生しないため、このステータ相のさらなる励起は不要であり中止する必要がある。デューティサイクル間の差が負の値である場合、マシンの相は負の誘導性傾斜領域にあり、マシンの相が励起されれば発生可能であることを示している。
【００６８】
したがって、２つの連続したデューティサイクルの間にスイッチングロジック２１４に与えられる比較結果によっては、スイッチングロジックはパワーコンバータ２０２を制御してＳＲＭモータ２０３の相巻線を適宜励起する。マシンのステータ相ごとに同時に実施することができる。マシンにパワーを供給する相巻線に関しては、電流コマンド２０７を速度コントローラ（図示せず）または外部基準（図示せず）によって提供する。この相がデューティサイクルの差によって示されるように通電される限り、他の相を通電したり、調査してロータ位置を見つける必要はない。アクティブな相がロータ位置に応じてその電流をＯＦＦにする整流信号を受け取ると、同じ回転方向にマシンを回転できる次の相を通電することができ、ロータ位置の推定のための同じ動作が開始される。
【００６９】
高性能を実現するためには、連続したロータ位置の推定が必要であることが知られている。この場合、アクティブでない相、または十分なパワーを発生していない相巻線も、マシンにパワーを供給している巻線を流れる電流に比較して非常に小さな電流コマンドで励起することができる。次に、アクティブでない相は小さな電流しか流れないので、材料のＢ−Ｈ特性の直線範囲に維持され、その相巻線のインダクタンスの変化は電流の変化に対しては無視できるがロータ位置のみに関しては大きな変化である。すなわち、アクティブでない相はインダクタンスとロータ位置の間に線形関係を持ち、ステータ電流の励起とは独立している。本発明を用いると、電流を巻線に投入した通電の瞬間、および巻線への電流投入を停止した巻線の通電解除の瞬間の正確な推定ができる。以上の推定値より、コントローラ２０１はロータの絶対位置を推定できる。
【００７０】
図３は、第２のＳＲＭコントローラの構成を示す図である。図４は、図３に示したＳＲＭコントローラの動作のタイミングチャートを示す図である。コントローラ３０１は、加算器３０２、乗算器３０３、サンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）回路３０４、コンパレータ３０５、およびスイッチングロジック３０６を具備する。加算器３０２は、相巻線電流３０７と電流コマンド３０８間の差を相電流誤差４０１として出力する。乗算器３０３は、好ましくは、ハードウェア的に相電流誤差４０１に係数Ｋを乗じ、増幅した相電流誤差４０２をＳ／Ｈ回路３０４に入力する。Ｓ／Ｈ回路３０４は、ＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジを入力した後、増幅した相電流誤差４０２をサンプリングする。
【００７１】
第１ＰＷＭサイクルの領域は本発明には関連しないので、無視することができる。相巻線電流３０７がその電流コマンド３０８に非常に近い動作領域のみが対象となる。増幅した相電流誤差４０２は、ｔ＝Ｔｓおよびｔ＝Ｔｓ＋Ｔの２つの連続した時間間隔でサンプルアンドホールドされるため、ＰＷＭ期間の各時点でサンプリングされる。キャリアＰＷＭ期間Ｔごとに１信号のみサンプリングし、求めるデータ量とその処理に必要な時間を最小限に抑える。これによって、マシン駆動システムの制御品質に影響を及ぼす他の処理や判定に多くの時間を当てることができる。
【００７２】
コンパレータ３０５は、後で取得したサンプルから先に取得したサンプルを減算することによって後続の２つのサンプリングした増幅電流誤差４０２の差を求める。この差を判定差と呼ぶ。この判定差に基づいてスイッチングロジック３０６は、通電または非通電の状態を維持すべき相に関する判定を行う。スイッチングロジック３０６は、電圧Ｖａ＝Ｖｄｃ、−Ｖｄｃ、あるいはゼロ電圧がマシンの相巻線に印加されるようにパワーコンバータ２０２を制御する。例えば、判定差がゼロ未満である場合、スイッチングロジック３０６はパワーコンバータ２０２をＶａ＝Ｖｄｃを印加するように制御する。それ以外の場合、スイッチングロジック３０６はパワーコンバータ２０２をＶａ＝−Ｖｄｃまたはゼロ電圧を印加するように制御する。
【００７３】
増幅した相電流誤差４０２のサンプルは、ＰＷＭパルスそのものの正の立ち上がりエッジによって起動したＰＷＭサイクルの先頭から一定の時間（Ｔｓ）で求められる。コントローラ３０１およびその構成部分３０２〜３０６は、それぞれの機能集積回路チップ、デジタルマイクロプロセッサまたはデジタル信号プロセッサを用いて上記と同じステップで実現できる。
【００７４】
図５は、第３ＳＲＭコントローラ構成を示す図である。図６は、図５に示したＳＲＭコントローラの動作のタイミングチャートを示す図である。コントローラ５０１は、加算器５０２、乗算器５０３、マイクロコントローラ５０４、Ｓ／Ｈ回路５０５、およびスイッチングロジック５０６を具備している。加算器５０２は、相巻線電流３０７と電流コマンド３０８の差を相電流誤差４０１として出力する。乗算器３０３は、相電流誤差４０１に係数−Ｋを乗じ増幅した相電流誤差５０７をマイクロコントローラ５０４に入力する。マイクロコントローラ５０４は、増幅した相電流誤差５０７の絶対値を相電流誤差６０１の絶対値としてＳ／Ｈ回路５０５に出力する。Ｓ／Ｈ回路５０５は、ＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジを入力後、また引き続きＰＷＭパルス４０３の立ち下がりエッジを入力後、相電流誤差６０１の絶対値をサンプリングする。
【００７５】
連続した２つのＰＷＭは同じデューティサイクルを持つよう、つまり、ＰＷＭ周波数の半分の周波数でデューティサイクルの効果的な変化が発生するように構成するものとする。同じデューティサイクルの２つのＰＷＭサイクル以内でインダクタンスに変化がなければ電流は変化してはならない。このことは本発明の実施により検出される。相電流誤差５０７は、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかにより相電流誤差６０１の絶対値に変換される。相電流誤差６０１の絶対値を図６に示す。
【００７６】
Ｓ／Ｈ回路５０５は、ＰＷＭパルス４０３の期間をＴとして、ＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジから期間Ｔｓ１後、さらに再びＰＷＭパルス４０３の次の立ち上がりエッジから期間Ｔｓ１後相電流誤差６０１の絶対値をサンプリングする。したがって、相電流誤差６０１の絶対値のサンプルは、２つのＰＷＭサイクルのそれぞれのサイクルにおいて、最初のＰＷＭサイクルのＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジから期間Ｔｓ１およびＴｓ１＋Ｔ経過した時点で採取される。同様に、相電流誤差６０１の絶対値のサンプルは、２つのＰＷＭサイクルのそれぞれのサイクルにおいて、最初のＰＷＭサイクルのＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジから期間Ｔｓ２およびＴｓ２＋Ｔ経過した時点で採取される。それ以降、スイッチングロジック５０６は、ＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジから期間Ｔｓ１およびＴ＋Ｔｓ１経過した時点で採取した相電流誤差の絶対値のサンプル間の第１の判定差を求める。さらに、スイッチングロジック５０６は、ＰＷＭパルス４０３の立ち上がりエッジから期間Ｔｓ２およびＴ＋Ｔｓ２経過した時点で採取した相電流誤差の絶対値のサンプル間の第２の判定差を求める。第１、第２の判定差がいずれも正の場合、インダクタンスが減少していることを意味している。２つの判定差がいずれも負の場合、インダクタンスが増加しており、また、２つの判定差がいずれもゼロの場合、インダクタンスは変化していない。サンプリング時刻Ｔｓ１およびＴｓ２はデューティサイクルに応じて変化し、種々の値に応じて事前に設定することができるため、動作中に計算する必要はない。
【００７７】
ここで判定差の結果を解釈する際の注意点をまとめる。ロータ位置に対するインダクタンスの変化率がマシンの正と負のインダクタンス傾斜領域のいずれにおいても同じであると仮定したが、実際の場合は異なる。特に、位置に対するインダクタンスの変化率は変化する量であり、ロータの不整合位置近傍からほぼ整合位置までより高い値を示す。整合位置近傍において、ロータ位置に対するインダクタンスの変化率は通常減少し、そのことによって実際のインダクタンスが同じ速度でなくともある速度で全体的に増加したとしても、結果を解釈する際に問題が生じる場合がある。本方式によれば、整合領域近傍では負のインダクタンス傾斜に達し、したがってステータ相巻線における電流遮断を誘発する場合がある。ほぼすべてのＳＲＭ装置において事前に整流を開始して電流が負のインダクタンス傾斜領域まで長引き、モータリングトルクが望まれるときに負のトルクが発生することがないようにするため、この点については問題ない。このことによりマシンで発生する平均トルクが減少するとともに音響ノイズが増加する。したがって、本発明によれば正常なマシン制御に支障はない。このことから、短所は実際上のものというよりは見掛け上のものであることがわかる。
【００７８】
図７は、図３に示したＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図である。Ｓ７０２でモータの相巻線の通電期間が検出されると、モータ電流指示信号が基準信号から減算され、その差に増幅率Ｋを乗じてサンプリングする信号を生成する（Ｓ７０４）。信号の第１値はサンプリングにより取得し格納される（Ｓ７０６）。信号の第２値は、期間Ｔが終了した後（Ｓ７０８）、Ｓ７１２で求められる。期間Ｔの間、相巻線の通電は、次の通電期間で再開される前に、ある期間中断する（Ｓ７０８）。したがって、信号のサンプルは、相巻線の連続した２つの通電期間（Ｓ７１０）で求められる。あるいは、間に通電期間が介在する連続した２つの非通電期間で信号をサンプリングすることができる。
【００７９】
Ｓ７０８〜Ｓ７１２で２つのサンプルが得られた後、第１値が第２値から減算され、電流変化が得られる（Ｓ７１４）。電流変化が、非負の閾値を（Ｓ７１６）、第１所定値を超えて（Ｓ７１８）上回る場合は、Ｓ７２０でモータの第１動作相を同定する。第１動作相は、相巻線インダクタンスが増加していることを示す。この同定に応答して、コントローラは、パワーコンバータに対し、電圧を相巻線に印加してモータリングトルクを発生させるよう指示する（Ｓ７２２）。閾値および第１所定値は、モータを使用する様々な動作状況でモータの動作相の正確な同定ができるよう特定用途に応じて選択される。
【００８０】
電流変化が閾値を第１所定値以下だけ超える場合は（Ｓ７１８）、Ｓ７２４でモータの第３動作相を同定する。第３動作相は、サンプリングの２つの異なる時点が互いに接近した値であることを示している。このことは、インダクタンスが平坦で、したがって位置に対するその傾斜がゼロに近いことを意味し、整合位置または非整合位置の近傍であることを示している。したがって、第３動作相は、この相巻線がモータリングトルクまたは回生トルクのいずれかを生成する際にモータのロータがモータのステータに対して正しい位置にないことを示している。
【００８１】
しかし、第３動作相はステータに対してロータの位置を正確に決定するように相巻線を使用する機会を提供する。このモードをサポートするものとして、コントローラは、パワーコンバータに対し、小さな電圧を相巻線に印加するように指示する（Ｓ７２６）。この小さな電圧は、より小さなデューティサイクルを用いてゲートパルスをオンにするか、あるいは小さな電流コマンドを設定して同じ結果を得ることにより生成することができる。この電圧または電流基準は、ロータ位置と相巻線インダクタンスの間の線形関係を生じさせかつ最低限のトルクを発生させるのに十分な大きさであればよい。その後、信号表示電流と基準電流との差である複数の第１値および第２値が、ステップＳ７０６、Ｓ７０８およびＳ７１２で示した方法と類似する方法で得られる（Ｓ７２８）。コントローラは、これらの複数の第１値および第２値からロータ位置をより正確に決定することができる（Ｓ７３０）。
【００８２】
Ｓ７１６の比較の結果として電流変化が閾値を超えない場合は、別の比較を行って電流変化が非正の第２所定値を超えるかどうかを判定する（Ｓ７３２）。電流変化が非正の第２所定値を超える場合は、第３動作相を同定する（Ｓ７２４）。そうでない場合は、相巻線インダクタンスが時間とともに減少していることを示す第２動作相を同定する（Ｓ７３４）。第２動作相の間、コントローラは、パワーコンバータに対し、適切な電圧を相巻線に印加してモータに回生トルクを発生させるよう指示する（Ｓ７３６）。プロセス７００は、モータの独立した相巻線ごとに適用できる。
【００８３】
図８は、図５に示したＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図である。モータの相巻線の通電期間が検出されると（Ｓ８０２）、モータ電流表示信号が基準信号と比較され、サンプリングする信号を生成する（Ｓ８０４）。信号の第１値がサンプリングにより得られ、格納される（Ｓ８０６）。期間τの経過後（Ｓ８０８）、信号の第２値が得られる（Ｓ８１０）。期間τは、相巻線の通電が、第１値がサンプリングされたＰＷＭパルスサイクルで必ず中断しているように選択される。別の期間Ｔが終了した後（Ｓ８１２）、信号の第３値が求められる（Ｓ８１６）。期間τおよび期間Ｔは、それらの合計がＰＷＭパルスサイクルの期間と等しくなるように設定される。このような場合、第３値は次の通電期間で得られる（Ｓ８１４）。信号の第４値は、第３値の取得から期間τを経過した後、得られる。したがって、相巻線の連続した２つの通電期間のおのおのごとに信号サンプル対が得られる。
【００８４】
２つのサンプルが得られた後（Ｓ８０６〜Ｓ８２０）、第１値を第３値から減算して第１電流変化を生成し（Ｓ８２２）、第２値の絶対値を第４値の絶対値から減算して第２電流変化を生成する（Ｓ８２４）。第１電流値が、非負の第１閾値を（Ｓ８２６）、第１所定値だけ（Ｓ８２８）上回り、かつ、第２電流変化が、非負の第２閾値を（Ｓ８２６）、第２所定値だけ（Ｓ８２８）上回る場合は、モータの第１動作相を同定する（Ｓ８３０）。第１動作相は、相巻線インダクタンスが増加していることを示す。この同定に応答して、コントローラは、パワーコンバータに対し、電圧を相巻線に印加してモータリングトルクを発生させるよう指示する（Ｓ８３２）。
【００８５】
第１電流変化が第１閾値を上回るものの（Ｓ８２６）、第１所定値を超えては上回らず（Ｓ８２８）、かつ、第２電流変化が第２閾値を上回るものの（Ｓ８２６）、第２所定値を超えては上回らない（Ｓ８２８）場合は、モータの第３動作相を同定する（Ｓ８３４）。第３動作相は、インダクタンスが平坦であることを示し、したがって位置に対するその傾斜はゼロに近く、整合位置の近傍または不整合位置の近傍であることを示している。したがって、第３動作相は、この相巻線がモータリングトルクまたは回生トルクのいずれかを生成する際にモータのロータがモータのステータに対して正しい位置にないことを示している。
【００８６】
しかし、第３動作相はステータに対してロータの位置を正確に決定するように相巻線を使用する機会を提供する。このモードをサポートするものとして、コントローラは、パワーコンバータに小さな電圧を相巻線に印加するように指示する（Ｓ８３６）。この電圧は、ロータ位置と相巻線インダクタンスの間の線形関係を生じさせかつ最低限のトルクを発生させるのに十分な大きさであればよい。その後、信号表示電流と基準電流との差である複数の第１値、第２値、第３値、および第４値が、ステップＳ８０６〜Ｓ８１２およびＳ８１６〜８２０で示した方法と類似する方法で得られる（Ｓ８３８）。コントローラは、これらの複数の第１値、第２値、第３値、および第４値からロータ位置をより正確に決定する（Ｓ８４０）。
【００８７】
Ｓ８２６の比較の結果が否定の場合は、第１電流変化および第２電流変化がそれぞれ非正の第３所定値および第４所定値を超えるかどうかを判定する（Ｓ８４２）。そうである場合は、第３動作相を同定する（Ｓ８３４）。そうでない場合は、相巻線インダクタンスが時間とともに減少していることを示す第２動作相を同定する（Ｓ８４４）。第２動作相の間、コントローラは、パワーコンバータに対し、適切な電圧を相巻線に印加してモータに回生トルクを発生させるよう指示する（Ｓ８４６）。プロセス８００は、モータの独立した相巻線ごとに適用できる。
【００８８】
ＳＲＭコントローラ２０１、３０１、５０１には次のような利点がある。
【００８９】
１．電流信号以外のフィードバック信号を一切必要としない。電流フィードバック信号は通常、駆動システムにおいて利用可能であり、したがってシステムにはそのための最低限のセンサがあればよいため、安価である。
【００９０】
２．連続した２つのパルス幅変調サイクルまたはキャリアサイクルだけを必要とするため、精巧なフィルタリングや推定の技術を必要としない。
【００９１】
３．ある時点でマシンがどの領域にあるかの情報を把握するのに簡単なサンプルアンドホールド回路で済む。
【００９２】
４．プロセス７００、８００は停止状態から最高速度までこれらのコントローラに適用される。
【００９３】
５．サンプリングした情報からロータの絶対位置を割り出すことができる。例えば、不整合または整合位置を示す、連続した２つのデューティサイクルが等しい場合、後続のデューティサイクルを観察することによってさらに位置の整合・不整合の判定を行うことができる。ロータ位置が整合した場合、デューティサイクルは引き続き減少する。ロータ位置が不整合の場合、デューティサイクルは引き続き増加する。
【００９４】
６．単純な制御統合のため、ロータ位置に関する連続した情報は不要である。この場合、ＳＲＭの各相を通電し整流するためには、ロータ位置の大まかな推定だけ得られればよい。
【００９５】
７．コントローラはマシンの巻線でフィルタにかけられる電流信号を使用するため、パワースイッチングノイズはコントローラの動作の支障とはならない。したがって、これらの信号はあまりノイズを含まない。
【００９６】
８．すべてのエミッタを一つに接続している回路で抵抗器を基礎にしている場合、電流信号の絶縁は不要である。参照した同時係属中の特許出願で本発明者が開示している多くの回路構成を含め、そのような構成は多数存在する。そのためコントローラの導入コストを削減でき、ロータ位置の推定によって制御信号を実現するもっとも安価な方法を提供することができる。
【００９７】
９．制御電圧である電流誤差は常時利用可能であり、連続した２つのサイクルでその値を格納しその差を計算することは簡単であるため、ソフトウェア的にコントローラを実現することは非常に簡単である。少し複雑なアナログ回路と比較して必要な動作数がきわめて少ない。
【００９８】
１０．コントローラは信号の微分や膨大な計算、信号処理を伴わない単純なアルゴリズムを実現する。
【００９９】
今まで、ＰＷＭ信号の存在に依存する、本発明のいくつかの異なる実施例について説明した。しかし、本発明を適用するにあたってこの信号の存在は必要ではない。その代わり、ヒステリシスウィンドウ動作を提供する電流コントローラを使用した本発明の別の実施方法を実現することができる。このヒステリシスウィンドウ動作については、"Electric Motor Drives: Modeling, Analysis and Control", R. Krishnan, Prentice Hall, Feb 2001に記載されている。この別の実施例には、ＳＲＭの相巻線を制御する制御可能なスイッチの実際の導通時間のみ測定すればよいという異なる利点がある。
【０１００】
図９は、他のロータ位置センサレスモータ制御を備えたＳＲＭを示す図である。図１０は、図９に示したＳＲＭの動作のタイミングチャートを示す図である。ＳＲＭ９００は、コントローラ９０１、パワーコンバータ９０２、およびモータ９０３を具備する。コントローラ９０１は、パワーコンバータ９０２からモータ９０３の相巻線９０４に入力される電流１００１の表示を受け取るヒステリシスコントローラを具備している。ヒステリシスコントローラは、この電流１００１の表示と基準信号デバイス９０５から供給された基準電流１００２の表示とを比較する。
【０１０１】
相巻線９０４に対する印加電圧がモータリングトルクまたは回生トルクを発生させる動作領域において、電流表示１００１とその基準値またはコマンド値との差（つまり、小さなウィンドウ）は、±Δｉより大きくない。差し当たり、電流が基準値に追いつくか電流がＯＦＦになる動作領域は無視する。
【０１０２】
相巻線と基準電流の差が±Δｉ未満のとき、ヒステリシスコントローラ９０６は、基準電流表示１００２と相巻線電流表示１００１とを比較することによってゲートパルス１００３を生成する。図１０からわかるように、各ゲートパルス１００３はＯＮ時間が異なる。例えば、図に示すゲートパルス１００３のＯＮ時間はそれぞれｔ１、ｔ２、ｔ３である。連続するパルスのＯＮ時間とＯＦＦ時間を組み合わせた時間は必ずしも同じではない。
【０１０３】
式１７に関連して前述したように、相巻線インダクタンスの増加分はゲートパルスのＯＮ時間の増加分に該当する。同様に、インダクタンスの減少分はＯＮ時間の減少分に該当し、一定のインダクタンスは一定のＯＮ時間に該当する。したがって、連続したパルス時間およびそれらの差は、相巻線インダクタンスが増加しているか、減少しているか、あるいは変化がないかを示すことになる。本実施例において連続するパルスのＯＮ時間とＯＦＦ時間を組み合わせた時間は、従来の場合のように必ずしも同一ではない。
【０１０４】
タイミング装置９０７はハードウェア、ソフトウェアまたはそれらの組み合わせによって実現することができる。ハードウェアによる手段はＯＮゲートパルスを導通期間ごとの平均電圧値に変換した後、これらの信号の連続した２つのサンプルをコンパレータで比較し、マシンの動作領域を正、負、ゼロインダクタンス傾斜領域に区分する。ソフトウェアによる手段は、タイマを用いてＯＮゲートパルス時間を計算し連続した２つ分を比較のため格納する。
【０１０５】
ヒステリシスコントローラ９０６は、相巻線インジケータ１００１と基準電流インジケータ１００２とを比較することによりゲートパルスを生成する。これらのゲートパルスはタイミング装置９０７とスイッチングロジック装置９０８に入力される。ゲートパルスはゼロ以外の場合ＯＮである。ＯＮゲートパルスの立ち上がりエッジと立ち下りエッジを使用して両者の時間差を求め格納するようにタイミング装置９０７をクロック制御する。連続した２つのゲートパルス分のＯＮ時間を測定後、スイッチングロジック装置９０８は後で測定した値から先に測定した値を減算して２つのＯＮゲートパルスの時間差を求める。この時間をスイッチングロジックデバイス９０８で処理して相巻線９０４のインダクタンス領域を同定する。
【０１０６】
相巻線インダクタンスが増加している場合、スイッチングロジックデバイス９０８は、ヒステリシスコントローラ９０６から入力したゲートパルスをパワーコンバータ９０２の通電スイッチに適用することができる。その際、スイッチングロジックデバイス９０８は、相巻線９０４によってモータ９０３にモータリングトルクを発生させる。
【０１０７】
相巻線インダクタンスが減少している場合、スイッチングロジックデバイス９０８は、パワーコンバータ９０２を制御してモータ９０３に回生トルクを生じさせる。相巻線インダクタンスが一定の場合、スイッチングロジックデバイス９０８は、パワーコンバータ９０２を制御して相巻線９０４への電圧印加を保留する。
【０１０８】
図１１は、図９に示したＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図である。ヒステリシスコントローラ９０６は、Ｓ１１０２で相巻線９０４に入力する電流量を示す信号と基準信号装置９０５から入力した信号（基準信号の電流量を示す）とを比較する。この比較に基づいてヒステリシスコントローラ９０６はゲート信号を生成する（Ｓ１１０４）。タイミングデバイス９０７は、第１ゲート信号パルスのＯＮ時間を測定することによって第１通電期間の時間長を求める（Ｓ１１０６）。次の通電期間で（Ｓ１１０８）、タイミングデバイス９０７は、第２ゲート信号パルスのＯＮ時間を測定することによって第２通電期間の時間長を求める（Ｓ１１１０）。
【０１０９】
スイッチングロジックデバイス９０８は、第２パルス幅の測定値から第１パルス幅の測定値を減算してパルス幅の変化を求める（Ｓ１１１２）。パルス幅変化が、非負の閾値を（Ｓ１１１４）、第１所定値を超えて（Ｓ１１１６）上回る場合は、相巻線９０４に対してモータの第１動作相を同定する（Ｓ１１１８）。第１動作相は、相巻線インダクタンスが増加していることを示す。この同定に応答して、スイッチングロジックデバイス９０８は、ヒステリシスコントローラ９０６から入力したゲート信号をパワーコンバータ９０２の弁に入力する（Ｓ１１２０）。この弁は、例えば、ゲート信号のＰＷＭパルスの制御の下で相巻線９０４にエネルギーを供給するトランジスタであってもよい。ゲート信号に応答して、弁は、電圧を相巻線９０４に印加してモータ９０３にモータリングトルクを発生させる（Ｓ１１２２）。
【０１１０】
パルス幅変化が、非負の閾値を（Ｓ１１１４）、第１所定値以下だけ（Ｓ１１１６）上回る場合は、相巻線９０４の第３動作相を同定する（Ｓ１１２４）。第３動作相は、インダクタンスが平坦であり、したがって位置に対するその傾斜がゼロに近いこと、つまり、整合位置近傍または不整合位置近傍であることを示す。したがって、第３動作相は、この相巻線がモータリングトルクまたは回生トルクのいずれかを生成する際にモータのロータがモータのステータに対して正しい位置にないことを示している。
【０１１１】
しかし、第３動作相はステータに対するロータの位置を正確に求めるように相巻線９０４を使用する機会を提供する。このモードをサポートするものとして、スイッチングロジックデバイス９０８は、パワーコンバータ９０２に対し、小さな電圧を相巻線９０４に印加するように指示する（Ｓ１１２６）。この電圧は、ロータ位置と相巻線インダクタンスの間の線形関係を生じさせかつ最低限のトルクを発生させるのに十分な大きさであればよい。その後、複数の第１パルス幅および第２パルス幅を、ステップＳ１１０２〜Ｓ１１１０で示した方法と同様の方法で測定する（Ｓ１１２８）。これらの複数の測定値から、スイッチングロジックデバイス９０８はロータ位置をより正確に決定する（Ｓ１１３０）。
【０１１２】
Ｓ１１１４の比較が否定的結果であり、かつ、パルス幅変化が非正の第２所定値を超える（Ｓ１１３２）場合は、第３動作相を同定する（Ｓ１１２４）。そうでない場合は、相巻線インダクタンスが時間とともに減少していることを示す第２動作相を同定する（Ｓ１１３４）。第２動作相の間、スイッチングロジックデバイス９０８は、パワーコンバータ９０２に対し、適切な電圧を相巻線９０４に印加してモータ９０３に回生トルクを発生させるよう指示する（Ｓ１１３６）。プロセス１１００は、モータの独立した相巻線ごとに適用できる。
【０１１３】
コントローラ９００には次のような利点がある。
【０１１４】
１．相巻線９０４内の電流を常に所望のレベル以内に維持する。したがって、マシン制御の評価中でも良好なトルク制御が行われる。
【０１１５】
２．電流誤差に左右されない。したがって、良好な制御電圧を得るために電流誤差を平準化する必要はない。このため制御回路または測定回路の遅延が極めて小さくなり正確な結果を得ることができる。
【０１１６】
３．ソフトウェア、ハードウェアいずれの形態でも視覚化、実施が容易である。
【０１１７】
４．動作領域を検出するためにヒステリシス制御を用いるため、ヒステリシス電流コントローラの瞬時高速動作の性質上システムは高速で動作する。
【０１１８】
５．相巻線のインダクタンスの動作領域を同定するのに相電流だけで済むため、トランスデューサ要件の単純化およびコントローラのコスト削減が可能である。
【０１１９】
６．動作領域の評価のためアクティブでない相を調査する場合、アクティブなマシン相動作時にこれらの相からの望ましくないトルクを最小限に抑えるよう付属の電流ウィンドウで電流コマンドを最小に維持できる。電流ウィンドウを小さな値に調整することにより動作インダクタンス領域の評価を高速化でき、ひいてはアクティブでない相のスイッチングを高速化できる。これはアクティブでない相の制御可能なスイッチでスイッチング損失の増加を引き起こすという難点もある。したがって電流ウィンドウの選択には注意が必要である。
【０１２０】
７．プロセッサを基本とする構成の場合、このシステムを実現するために新たな外部回路は不要でありコントローラの外形の大幅な小型化が可能である。
【０１２１】
８．ＳＲＭ駆動システム用に任意のパワーコンバータ構成と組み合わせることができる。
【０１２２】
９．ＳＲＭ装置でヒステリシス電流コントローラの使用が望ましくない場合、動作インダクタンス領域を推定するためにヒステリシス電流コントローラをアクティブでない相だけで使用してもよい。通常の駆動動作時にＰＷＭ電流制御を用いることができる。これはプロセッサを基本とする駆動制御システムにとって大きな計算上または実施上の負担とはならない。
【０１２３】
ここに記載したコントローラの利点は次のとおりである。
１）ＳＲＭの動作インダクタンス領域（正、負、またはゼロ傾斜領域）を検出した電流のみで判定する方法である点
２）アクティブ、非アクティブ相における実施に適した方法である点
３）単相ＳＲＭを始めとして任意の数の相を持つＳＲＭにとって理想的な方法である点
４）動作領域を判定する方法であるがロータの絶対位置を明確には判定しない方法である点
５）マシン設計、パワーコンバータ構成、システムで使用可能な電流コントローラに変更を加える必要のない方法である点
６）ＰＷＭ電流コントローラおよびアクティブおよび／または非アクティブ相にその入力（制御電圧）または出力（デューティサイクル）を使用する方法である点
７）連続した制御電圧をサンプルアンドホールドして比較し判定差を見つける方法である点
８）電流誤差または制御電圧をＰＷＭサイクルで２回サンプリングし、それによってＳＲＭの動作領域の判定精度と速度を向上することができる方法である点
９）ＰＷＭサイクルごとに１回電流誤差または制御電圧をサンプリングできる方法である点
１０）ＰＷＭ周波数のみで動作し、したがってノイズに関連する問題が回路で発生しない方法である点
１１）マシン相巻線を供給するコンバータ相の２つのＯＮゲートパルス間の時間差だけを用いて動作領域を見つける、ヒステリシスコントローラを用いる方法である点
１２）ヒステリシスコントローラを動作領域の推定速度を高速化するための可変電流ウィンドウとともに用いる方法である点
１３）ヒステリシスコントローラを非アクティブマシン領域の調査のための可変コマンドとともに用いる方法である点
１４）ヒステリシスコントローラを動作領域の推定に使用するが、ＰＷＭ電流制御はマシン相の通常動作のために用いる方法である点
１５）ＰＷＭ電流コントローラを基本にした構成を実現する方法である点
１６）ヒステリシス電流コントローラを基本にした構成を実現する方法である点
１７）ヒステリシスコントローラを基本にした構成において測定電流、電流コマンドおよびヒステリシスウィンドウ以外の相電流の微分・積分、直流バス電流、巻線間電圧、その他の信号を用いない方法である点
１８）ＰＷＭコントローラを基本にした構成において測定電流および電流コマンド以外の相電流の微分・積分、直流バス電流、巻線間電圧、その他の信号を用いない方法である点
【０１２４】
以上の記述は、本発明を例証し説明するものである。ただし、発明の開示は本発明の望ましい実施形態についてのみ記述したものであり、当然のことながら本発明はその他の様々な組み合わせ、変更、環境においても使用可能である。また、本発明は前述のように発明の概念の範囲内における変更、修正、すなわち上記の教訓および関連技術における当業者の技術または知識に相応するものである。
【０１２５】
ここに記述した実施の形態は、また本発明を実施する上で知られている最善の形態について説明し、当業者がこれらおよび他の実施の形態において特定の用途または発明の使用に際し必要になる種々の変更を加えて本発明を利用できるようにするものである。したがって、以下の記述は本発明をここに開示した形式に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】モータの相巻線のインダクタンスとモータのステータに対するロータ位置との関係を示す図
【図２】ロータ位置センサレスモータ制御を備えたＳＲＭを示す図
【図３】第２のＳＲＭコントローラの構成を示す図
【図４】図３に示すＳＲＭコントローラの動作のタイミングチャートを示す図
【図５】第３のＳＲＭコントローラの構成を示す図
【図６】図５に示すＳＲＭコントローラの動作のタイミングチャートを示す図
【図７Ａ】図２および図３に示すＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図
【図７Ｂ】図２および図３に示すＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図
【図８Ａ】図５に示すＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図
【図８Ｂ】図５に示すＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図
【図９】他のロータ位置センサレスモータ制御を備えたＳＲＭを示す図
【図１０】図９に示すＳＲＭの動作のタイミングチャートを示す図
【図１１Ａ】図９に示すＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図
【図１１Ｂ】図９に示すＳＲＭコントローラの一般的動作フローチャートを示す図
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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