(57)【要約】【課題】交流電気機械の位置センサレス制御のためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】交流電気機械を駆動するための駆動システムは、交流電気機械を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与える。駆動システムは、交流電気機械のその作動点での磁気アライメント情報に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて電流ベクトルに重畳される搬送波信号を交流電気機械に注入する。駆動システムは、生じた搬送波応答信号から交流電気機械の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、交流電気機械が所望の磁気的な作動をするように電流ベクトルの向きを制御する。【選択図】図５Ａ
2018078789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電気機械（６４）を駆動するための駆動システム（６０、６２）であって、
前記交流電気機械（６４）を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与え、
前記交流電気機械（６４）のその作動点での磁気アライメント情報に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて前記電流ベクトルに重畳される搬送波信号を前記交流電気機械（６４）に注入し、
前記生じた搬送波応答信号から前記交流電気機械（６４）の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、
前記測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、前記交流電気機械（６４）が所望の磁気的な作動をするように前記電流ベクトルの向きを制御する
ように構成される駆動システム（６０、６２）。
【請求項２】
前記搬送波信号の注入において、脈動電流注入および脈動電圧注入のうちの１つを含む前記搬送波信号の方向性脈動注入を電流基準座標系で実行するように構成される、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項３】
前記搬送波信号の注入において、
前記搬送波信号が前記電流ベクトルに対して接線方向に揃う電流座標系ｄ軸注入、
前記搬送波信号が前記電流ベクトルに揃う電流座標系ｑ軸注入、
可変注入角度で電流座標系注入、および
電流座標系ｄ軸とｑ軸の交互注入
のうちの１つまたは複数を実行するように構成される、請求項２記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項４】
前記方向性脈動注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、
信号注入器が、電流座標系ｄ軸脈動電流注入を実行するとき、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、ならびに前記電流座標系ｄ軸インダクタンスと前記電流座標系相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、電流座標系ｑ軸脈動電流注入を実行するとき、電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、ならびに前記電流座標系ｄ軸インダクタンスと前記電流座標系相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、可変注入角度で電流座標系電流注入を実行するとき、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、および
前記信号注入器が、電流座標系ｄ軸とｑ軸の交互電流注入を実行するとき、電流座標系相互インダクタンス、条件によって測定されるまたは混合測定される電流座標系ｄ軸インダクタンスおよび電流座標系ｑ軸インダクタンス、ならびに前記電流座標系相互インダクタンスと、前記条件によって測定されるまたは混合測定される電流座標系ｄ軸インダクタンスおよび電流座標系ｑ軸インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ
を含む、請求項３記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項５】
前記方向性脈動注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、
前記信号注入器が、電流座標系ｄ軸脈動電圧注入を実行するとき、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、および前記電流座標系ｄ軸リラクタンスと前記電流座標系相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、電流座標系ｑ軸脈動電圧注入を実行するとき、電流座標系ｑ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、および前記電流座標系ｑ軸リラクタンスと前記電流座標系相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、可変注入角度で電流座標系電圧注入を実行するとき、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、および前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、および
前記信号注入器が、電流座標系ｄ軸とｑ軸の交互電圧注入を実行するとき、電流座標系相互リラクタンス、条件によって測定されるまたは混合される電流座標系ｄ軸リラクタンスおよび電流座標系ｑ軸リラクタンス、ならびに前記電流座標系相互リラクタンスと、前記条件によって測定されるまたは混合される電流座標系ｄ軸リラクタンスおよび電流座標系ｑ軸リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ
を含む、請求項３記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項６】
前記搬送波信号の注入において、前記交流電気機械（６４）のトルクリップルを低減する角度補償をして脈動高周波電圧信号または電流信号を注入するように構成され、
角度補償した前記脈動高周波電圧信号の前記注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、ならびに前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つを含み、
角度補償した前記脈動高周波電流信号の前記注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの１つを含む、請求項２記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項７】
前記搬送波信号の注入において、前記磁気アライメントシグネチャの感度をカスタマイズするように、調節された電流座標系電流注入および調節された電流座標系電圧注入のうちの少なくとも１つを実行するように構成され、
前記調節された電流座標系電流注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つを含み、
前記調節された電流座標系電圧注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、ならびに前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つを含む、請求項２記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項８】
突極座標系ｄ軸追跡注入である最小インダクタンス軸追跡注入、および突極座標系ｑ軸追跡注入である最大インダクタンス軸追跡注入のうちの少なくとも１つを含む突極性追跡注入を実行するように構成され、
前記突極性追跡注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、最大インダクタンスＬmaxおよび最小インダクタンスＬminのうちの１つまたは複数を含む、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項９】
前記搬送波信号の注入において、電流基準座標系での回転ベクトル電流注入、回転ベクトル電圧注入、および楕円励磁のうちの少なくとも１つを含む回転ベクトル注入を実行するように構成され、前記楕円励磁が、向きが固定された楕円注入、または回転する向きが前記交流電気機械（６４）の作動点、および所望の感度とトルクリップルのトレードオフに基づいて変わる楕円注入のうちの１つである、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１０】
前記回転ベクトル注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、最大インダクタンスＬmax、最小インダクタンスＬmin、平均インダクタンスＬΣまたは平均リラクタンスＲΣを含む合成シグネチャ、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系ｑ軸リラクタンス、および電流座標系相互リラクタンスのうちの少なくとも１つ、またはそれらの合成を含み、
前記回転ベクトル注入から突極角度を抽出するとともに前記最大インダクタンスＬmaxおよび前記最小インダクタンスＬminを測定することによって、前記ｄ軸インダクタンスおよびリラクタンス、ｑ軸インダクタンスおよびリラクタンス、ならびに相互インダクタンスおよびリラクタンスを前記交流電気機械（６４）の所望の基準座標系に変換することができる、請求項９記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１１】
前記搬送波信号の注入において、電流基準座標系での前記搬送波信号の方向性脈動注入、および回転ベクトル注入の両方を含む混合注入を実行するように構成され、
前記混合注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、ならびに条件によって測定されるまたは混合される電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系ｑ軸リラクタンス、最大インダクタンスＬmax、最小インダクタンスＬmin、および平均インダクタンスＬΣのうちの１つまたは複数のうちの少なくとも１つ、またはそれらの合成を含む、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャの各磁気アライメントシグネチャそれぞれに対して、順方向マッピング操作または逆方向マッピング操作によって磁気アライメント誤差を推定するように構成される、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、複数の磁気アライメントシグネチャを含むとき、
前記複数の磁気アライメントシグネチャのそれぞれに対して磁気アライメント誤差を推定し、
前記電流ベクトルの前記向きを制御するための第１の磁気アライメントシグネチャの使用から、前記電流ベクトルの前記向きを制御するための第２の磁気アライメントシグネチャの使用に切り替えるとき、磁気アライメントシグネチャの切替中の過渡応答を低減する穏やかな混合操作を実行するように構成される、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１４】
前記搬送波信号を注入するための好ましい注入方法を決定して、前記少なくとも１つの磁気シグネチャのうちの１つまたは複数の特定の磁気アライメントシグネチャを選択して、前記交流電気機械（６４）の前記作動点および前記交流電気機械（６４）の動的状態のうちの１つまたは複数に基づいて、前記電流の前記向きを制御するように構成される、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１５】
前記磁気アライメント情報が、前記交流電気機械（６４）のトルク、固定子磁束に関する前記電流ベクトルの角度、回転子磁束に関する前記電流ベクトルの角度、および回転子極軸に関する前記電流ベクトルの角度のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１６】
前記交流電気機械（６４）が、埋込型永久磁石（ＩＰＭ）機、永久磁石（ＰＭ）補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、および誘導機のうちの１つを含む、請求項１記載の駆動システム（６０、６２）。
【請求項１７】
請求項１記載の駆動システム（６０、６２）を内部に含む乗り物（１０２）であって、前記交流電気機械（６４）が、前記駆動システム（６０、６２、１１４）によって駆動される牽引モータ（１０４）を含む、乗り物（１０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に、電気機械に関し、より詳細には、電気機械の固定子に供給される励磁電流のアライメントに依存する電気機械の飽和挙動によって生じるシグネチャの使用によって、電気機械をセンサレス制御するための方法に関する。
【０００２】
様々な産業での電気機械の使用は、多くの工業、商業、および輸送産業において徐々に広がり続けている。埋込型永久磁石（ＩＰＭ：ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ）機、永久磁石（ＰＭ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ）補助型同期リラクタンス機、または同期リラクタンス機などの電気機械では、回転子または磁場の位置の決定は、機械のトルク制御にとっては重要な情報要素である。
【０００３】
電気機械の回転子の位置を決定するために、エンコーダ、タコメータ、またはレゾルバを位置センサとして使用することができる。電気機械の磁場位置を測定するために、ホール効果センサなどの磁場センサを使用することができる。回転子位置および磁場を決定するために利用されるセンサ／装置は、互いに組み合わせて使用することができ、位置センサまたは回転子位置センサ、および磁場の向きまたは強さを測定するための磁場センサは両方とも、電気機械を制御するために用いることができることは認識されている。しかしながら、位置センサ（例えば、エンコーダ）は、その配線およびインターフェース電子装置とともに、モータ駆動装置のコストと全体的な複雑性のかなりの部分を占め、しばしば、信頼性に対する主要な懸念材料となることが認識されている。回転子位置の決定における位置センサの使用に伴うコスト、複雑さ、信頼性の問題によって、電気機械のセンサレス位置検知および制御の（すなわち、回転子位置または速度センサを必要としない）システムおよび方法がもたらされた。センサレス制御は、コスト削減および信頼性改善に非常に大きな可能性があるので、主要な研究課題となってきた。産業界で利用できるセンサレス制御方法のほとんどは、いわゆる逆起電力追跡法である。逆起電力追跡法は、回転子の回転によって引き起こされる鎖交磁束の時間変化によって誘起されるモータ巻線の電圧を利用する。これらの方法は、逆起電力電圧が定格電圧に近い定格速度の近くでは非常にうまく働く。しかしながら、速度が下がると、逆起電力の大きさが下がり、性能は落ちる。ついには、速度がゼロ近くなると、逆起電力が小さくなって観測できなくなるため、これらの方法は不安定になり機能しなくなる。これによって、逆起電力追跡法は、開ループ始動ができる空調機などのタイプの用途に限定される。
【０００４】
ゼロおよびゼロ近くの速度（または周波数）でのセンサレス制御は、コストを削減し、信頼性を改善し、かつインターフェースを除去する可能性が非常に大きいため、数十年間、主要な研究課題であり、高周波注入法は、突極性を有する交流電気機械に対してゼロまたはゼロ近くの周波数でセンサレス作動させるための最も有望な解決策となってきた。高周波信号注入は、回転子位置または磁束位置とともに変わるインピーダンスを与える回転子を有する様々な交流電気機械の回転子角度位置および速度を追跡するために用いられる。これは、例えば、米国特許第５，５８５，７０９号、第５，５６５，７５２号、第６，１３１，２５８号、第６，０６９，４６７号、第５，８８６，４９８号、および第６，６３９、３８０号に記載されている。高周波信号注入技法を用いる際、小信号突極性および小信号突極角度は、センサレス制御のために使用される重要情報である。ここで、このような突極性は小信号インピーダンスを使用して定められる。
【０００５】
しかしながら、以前に用いられていた、高周波注入を用いるエンコーダレス制御に関しては、このようなエンコーダレス制御が、高負荷レベルでの磁気飽和により、機械の高負荷レベルでの小信号の突極性が失われることによって、機械の全トルク機能またはほぼ全トルク機能をカバーすることに成功しなかったことが認識されている。すなわち、トルクレベル（したがって、電流レベル）が増大すると、ｑ軸は飽和し始め、ついにはｑ軸の小信号インダクタンスは、ｄ軸インダクタンスより低くなり、それによって、突極性追跡センサレス制御は実行不可能になる。さらに、軸間干渉効果により突極角度がｄ軸から離れ、それによって、ｑ軸小信号インダクタンスがｄ軸よりもまだ大きくても位置推定角度誤差が生じる。したがって、既存の高周波注入法は、トルク密度の要求が低く、また、動的性能の要求が中位の用途に限定されてきた。特に、非常に高トルクの密度が望まれる牽引駆動などの用途に対しては、既存のセンサレス制御法は、所望のトルクの要求のわずかな部分しか達成することができず、まして動的性能の要求も達成できない。
【０００６】
前述したゼロ周波数でのエンコーダレス制御に対する高周波注入法の突極性追跡の制限に対処するため、いかなる位置センサも使用せずに大トルクでの制御を可能にする設計機能を電気機械（例えば、ＩＰＭ機または同期リラクタンス機）に組み入れるように努力がなされてきた。すなわち、センサレス／エンコーダレスのモータ制御のために用いることができる高周波励磁に対して、磁気突極性を増大させる特別な回転子構造、すなわち「Ｄリング」が、電気機械に組み入れられた。この回転子構造は、固定子巻線と磁気的に結合するように回転子の特定の向きに電気回路（受動素子または能動素子を有する短絡、閉回路）を導入する。高周波搬送波電圧を固定子に印加することによって、また固定子の（反映された）高周波搬送波電流応答を測定することで回転子の電流を間接的に測定することによって、回転子の位置は測定される。回転子回路の位相が高周波注入と一致すると、モータのインピーダンスが下がる。このインピーダンスの変化を用いて回転子位置を追跡する。その結果、小信号突極性は、必要な負荷レベルまで、電気機械の性能、効率、および信頼性に影響することなく、もたらされ、かつ保たれる。
【０００７】
このような特別な回転子構造すなわちＤリングを含むことで、高周波注入センサレス制御の使用による電気機械の高トルク制御が可能となるが、非常に高いトルクレベルでの厳しい飽和によって、Ｄリングでさえも、機械の作動中に所望の突極性のレベルを保つことが困難になるので、電気モータにこのようなＤリングを含んでも、電気機械を完全にセンサレス制御することはできないことは認識される。
【０００８】
したがって、速度およびトルクの全作動範囲にわたって制御することができる電気機械のセンサレス制御のためのシステムおよび方法を提供することが望まれる。このようなシステムおよび方法は、磁気飽和の影響、ならびに機械の位置追跡および制御における位相誤差などの、突極性追跡に基づく制御方法に関連した欠点を克服するようなセンサレス制御を提供することがさらに望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第９０９３８７８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、交流電気機械を駆動するための駆動システムは、交流電気機械を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与えるように構成される。駆動システムはまた、交流電気機械のその作動点での磁気アライメント情報に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて電流ベクトルに重畳される搬送波信号を交流電気機械に注入するように構成される。駆動システムはさらに、生じた搬送波応答信号から交流電気機械の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、交流電気機械が所望の磁気的な作動をするように電流ベクトルの向きを制御するように構成される。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、交流電気機械の位置センサレス制御のための方法は、交流電気機械を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を発生させるステップを含む。本方法はまた、高周波搬送波電圧または電流を電流ベクトルに重畳させて、交流電気機械の磁気アライメント情報に対する感度を有する、選択された搬送波応答電流または電圧をそれぞれ発生させるステップを含む。本方法はさらに、搬送波応答電流または電圧から交流電気機械の１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャを決定するステップと、交流電気機械に所望の磁気的な作動をさせるために、１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャに基づいて、交流電気機械を駆動する電流ベクトルの電流角度を制御するステップとを含む。
【００１２】
本発明のさらに別の態様によれば、突極性追跡センサレス制御に対して適切な感度を有しない交流電気機械で使用するための駆動システムが提供される。駆動システムは、交流電気機械を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する一次励磁電流ベクトルを発生させるように構成される。駆動システムはまた、一次励磁電流ベクトルに重畳される搬送波電圧および搬送波電流のうちの１つを含む搬送波信号を一次励磁電流ベクトルに注入するように構成される。駆動システムはさらに、注入された搬送波信号から生じた搬送波応答信号から得られる交流電気機械の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、かつ測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、交流電気機械が所望の磁気的な作動をするように一次励磁電流ベクトルの向きを制御するように構成される。
【００１３】
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
【００１４】
図面は、本発明を実行するために現在考えられている好ましい実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】複数相の交流電気機械およびその上に定められた静止基準座標系の図である。
【図１Ｂ】複数相の交流電気機械およびその上に定められた回転子座標系の図である。
【図２】定められた回転子座標系および電流座標系に対する作動点電流指令ベクトルの図である。
【図３】突極座標系に対する作動点電流指令ベクトルの図である。
【図４Ａ】例示的なＩＰＭモータに対する様々な電流レベルでの小信号磁気アライメントシグネチャを示すグラフである。
【図４Ｂ】例示的なＩＰＭモータに対する様々な電流レベルでの小信号磁気アライメントシグネチャを示すグラフである。
【図４Ｃ】例示的なＩＰＭモータに対する様々な電流レベルでの小信号磁気アライメントシグネチャを示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、高周波電流注入および磁気アライメントシグネチャ検知によるセンサレス制御スキームを具現化する駆動システムのブロック図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による、図５Ａの駆動システムの信号注入器、信号抽出器、磁気アライメント誤差推定器、および位置オブザーバによって実行される動作を示す各装置のブロック図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、高周波電圧注入および磁気アライメントシグネチャ検知によるセンサレス制御スキームを具現化する駆動システムのブロック図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、図６Ａの駆動システムの信号注入器、信号抽出器、磁気アライメント誤差推定器、および位置オブザーバによって実行される動作を示す各装置のブロック図である。
【図７】本発明の実施形態による、一次電流ベクトルに対して接線方向の高周波信号の電流基準座標系での一次励磁電流ベクトルへの注入を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態による、電流基準座標系での脈動高周波電流信号の注入を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態による、電流座標系でのｄ軸電流注入から生じる磁気アライメントシグネチャの特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態による、Ｄリング構造が交流電気機械に組み入れられた場合の、電流座標系でのｄ軸電流注入から生じる磁気アライメントシグネチャの特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態による、電流基準座標系での脈動高周波電圧信号の注入を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態による、ＩＰＭ機の電流座標系ｄ軸電圧注入シグネチャの特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施形態による、電流基準座標系での脈動高周波位相補償電流信号の注入を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態による、ＭＴＰＡ点においてｄｉ軸で揃えられた搬送波電流を用いたＩＰＭ機の角度補償電流座標系電圧注入シグネチャの特性を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態による、ＭＴＰＡ点においてｄｉ軸で揃えられた搬送波電流を用いたＤリング構造を有するＩＰＭ機の角度補償電流座標系電圧注入シグネチャの特性を示すグラフである。
【図１６Ａ】本発明の実施形態による、図５Ｂおよび６Ｂの磁気アライメント誤差推定器によって実現される、順マッピング技法を用いた磁気アライメント誤差推定のブロック図である。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態による、図５Ｂおよび６Ｂの磁気アライメント誤差推定器によって実現される、逆マッピング技法を用いた磁気アライメント誤差推定のブロック図である。
【図１７】本発明の実施形態による、順マッピング技法を用いた、磁気アライメントシグネチャからの磁気アライメント誤差の推定を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施形態による、図５Ｂおよび６Ｂの磁気アライメント誤差推定器によって実現される複数の磁気アライメント誤差の混合を示すブロック図である。
【図１９】本発明の実施形態による、複数の磁気アライメントシグネチャを用いて磁気アライメント誤差を推定する、電流座標系電圧注入用の図５Ｂおよび６Ｂの磁気アライメント誤差推定器の詳細図である。
【図２０】本発明の実施形態による、図５Ｂおよび６Ｂの信号注入器によって実行される回転ベクトル注入のブロック図である。
【図２１】従来技術の注入法および測定される磁気アライメントシグネチャと比較した、本発明の実施形態による、注入することができる様々な注入法、および測定することができる様々な磁気アライメントシグネチャを示した表である。
【図２２】本発明の実施形態による、牽引モータを駆動するために図５Ａまたは６Ａの駆動システムを組み入れた乗り物のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書で下記に記述する説明をより良く理解するために、用いられる用語および略語を以下に列挙する。
交流機械の基準座標系単位ベクトル
ｑs  静止座標系横軸、一般にａ相と一致
ｄs  静止座標系直軸
ｑr、ｑ  回転子同期座標系横軸
ｄr、ｄ  回転子同期座標系直軸
ｑi  電流座標系横軸
ｄi  電流座標系直軸
ｑ  特定の基準座標系の横軸（特定しない場合、固定子座標系）
ｄ  特定の基準座標系の直軸（特定しない場合、回転子座標系）
交流機械の変数の複素ベクトル（およびベクトル一般化）
ｆ  複素ベクトルおよび複素係数のために使う太字、ベクトルおよび行列のために使う太字
ｆqd＝ｆq−ｊ・ｆd  交流機械の変数の複素ベクトル表示
ｆqd＝［ｆqｆd］T  複素ベクトルの２Ｄベクトル表示
ｊ  複素数演算子
【００１７】
【数１】
2018078789.tif 000003
【００１８】
ｊ  ９０度の回転行列（ｊに相当する行列）
基準座標系識別用上付き文字
ｆs  静止基準座標系から参照した複素ベクトルまたは２Ｄ
ｆr  回転子基準座標系から参照した複素ベクトル
ｆ  回転子基準座標系から参照した複素ベクトル（基準座標系上付き文字を省略）
ｆi  電流基準座標系から参照した複素ベクトル
物理量の記号
ｖ  電圧
ｉ  電流
λ  鎖交磁束
ｅ  逆起電力電圧
θ、ω  基準座標系での角度位置および角速度
θr、ωr  電気回転子角度位置および回転子角速度
θm、ωm  機械回転子角度位置および回転子角速度
Ｔem  電気機械の電磁トルク
ＴL  負荷トルク
変数識別用上付き文字
・  微分量
∧  推定量
~  縮小拡大量
*  指令量または基準量
電気機械パラメータ
Ｐ  極数
Ｍ  固定子の相の数
Ｌs、Ｌ  固定子インダクタンス
ｒ  非対称機械の抵抗行列
Ｌ  非対称機械のインダクタンス行列
Ｌq  ｑ軸インダクタンス
Ｌd  ｄ軸インダクタンス
Ｌqd、Ｌdq  ｑ軸とｄ軸巻線間の相互インダクタンス
以下の交流電気機械の議論に関して、相巻線領域変数の物理量を２次元空間ベクトルとして表すために基準座標系を定義する。より良く説明するために、交流電気機械３０の切断図、ならびにそれらの静止（または固定子）基準座標系および回転子基準座標系を含む様々な基準座標系の配置を示す図１Ａおよび１Ｂを参照する。
【００１９】
機械の固定子巻線３２の複数の相のうち、１つの相は基準として使用され、第１の固定子相として定められる。静止基準座標系横軸（ｑS軸）３４は、第１の固定子相に正電流がかかったときに空隙起磁力（ＭＭＦ：ｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ）が最大となる方向の単位ベクトルとして定義される。静止基準座標系直軸（ｄS軸）３６は、その角度がｑS軸方向からマイナス９０電気角度である単位ベクトルとして定義される。
【００２０】
永久磁石回転子を有する機械では、回転子基準座標系直軸（ｄr軸）３８は、空隙起磁力（ＭＭＦ）が最大となるように永久磁石のＮ極が整列する方向の単位ベクトルとして定義される。回転子基準座標系横軸（ｑr軸）４０は、その角度がｄr軸から９０電気角度である単位ベクトルとして定義される。回転子基準座標系では、上付き文字「ｒ」はしばしば省略される。図１Ａに示すように、静止基準座標系からの回転子基準座標系の電気角度は、電気回転子角度位置θr４２として定義される。
【００２１】
リラクタンス機では、回転子基準座標系の定義は、同じ座標系定義をそのまま保つことによって、かつ回転子に永久磁石が存在しないと仮定することによって、永久磁石機の定義から拡張することができる。リラクタンス機の埋込型永久磁石（ＩＰＭ）機との磁気的類似性を保つために、回転子座標系ｄ軸（ｄr軸）は、最小インダクタンス軸に揃えられる。
【００２２】
誘導機の磁界方向ベクトル制御のために、回転子基準座標系は、回転子座標系ｄ軸（ｄr軸）３８として図１Ｂに具体的に示すように、回転子磁束ベクトルλr４３と揃えることができる。
【００２３】
静止基準座標系の固定子変数に対する複素ベクトルは、下記のように記述される複素ベクトルとして表されたすべての相変数ｆmsの合計として定義される。
【００２４】
【数２】
2018078789.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｍは固定子の相の数、ｊは複素数演算子である。
同じ固定子変数を、次式のように２次元ベクトルとして表すことができる。
【００２６】
【数３】
2018078789.tif 000005
【００２７】
この静止基準座標系変数は、以下の演算を用いて回転子基準座標系に変換することができる。
【００２８】
【数４】
2018078789.tif 000006
【００２９】
次いで、回転子基準座標系変数から静止基準座標系への逆変換は次式にしたがって行うことができる。
【００３０】
【数５】
2018078789.tif 000007
【００３１】
本発明の実施形態によれば、全運転速度およびトルク範囲にわたって制御することができる電気機械のセンサレス制御のためのシステムおよび方法が提供される。電気機械を駆動する駆動システムは、高周波搬送波信号を注入して、一次励磁ベクトルと組み合わせる／重畳させるように動作する信号注入器を含む。ここで、電圧、電流、および磁束などの電気機械の変数の主成分は、高周波搬送波注入信号または搬送波応答信号ではない変数の低周波成分である。電気機械の磁気アライメントを推定して、電気機械をセンサレス制御するために、駆動システムの回転子位置推定器は、小信号インダクタンスおよび／または小信号リラクタンスから得られた電気機械の磁気アライメントシグネチャを監視する。高周波搬送波信号を、回転ベクトル注入、脈動ベクトル注入、または回転ベクトル注入と脈動ベクトル注入との混合注入のいずれかとして注入することができ、最適な磁気アライメントシグネチャを測定および追跡することができ、その結果、電気機械の回転子位置を推定してセンサレス制御ができる。
【００３２】
本明細書で使用するとき、用語「センサレス」は、エンコーダ、レゾルバ、またはタコメータなどの従来の回転子位置または速度の軸変換器がないことを意味し、一方、用語「磁気アライメントシグネチャ」は、固定子に与えられる励磁電流の磁気アライメント（すなわち、電流角度γ）に応じた電気機械の飽和挙動または突極性から得られる測定可能なパラメータまたはシグネチャのことを指すと理解される。すなわち、埋込型永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ：ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｍｏｔｏｒ）、ＰＭ補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、突極型巻線界磁機などのインダクタンス突極性を有する電気機械では、機械の高インダクタンス磁路は、励磁電流によって低インダクタンス磁路よりずっと容易に飽和される。したがって、十分高い励磁電流が与えられると、励磁電流が、例えば、ＩＰＭ機のｑ軸および／または突極型巻線界磁同期機のｄ軸などの高インダクタンス軸により接近して揃うので、磁気飽和が強くなる。この磁気飽和の結果、高インダクタンス軸の小信号インダクタンスは大きく下がり、一方、その反対に、励磁電流は低インダクタンス軸（例えば、ＩＰＭ機のｄ軸）により接近して揃うので、電気機械の磁心は飽和から抜ける。電気機械のこの飽和挙動は、回転子位置に対するモータ電流の向きのアライメントに強い感度を有し、センサレス制御のために、電気機械の回転子位置を推定するために用いることができる。「磁気アライメント」は、回転子極または回転子磁石の向きなどのロータ特性に関して、あるいは固定子磁束または回転子磁束などの電気機械の磁束の向きに関して、電流ベクトルの角度として定めることができる電流角度を用いて定義することができる。典型的には、電流角度は、電気機械によって生じる出力トルクと強い関係を有し、その結果、トルクとシグネチャとの間のマッピングもまた確立することができる。電気機械の出力トルクを特徴づけるために、磁気アライメントシグネチャを用いることは合理的である。
【００３３】
電気機械の飽和現象は、機械の作動点（Ｉ、γ）におけるインダクタンス、主に小信号インダクタンスによって特徴づけることができる。所与の作動点（Ｉ、γ）に対する作動点電流指令ベクトル４４は図２に示され、回転子基準座標系での作動点電流指令ベクトルＩrqd４４は、次式のように定義される。
【００３４】
【数６】
2018078789.tif 000008
【００３５】
ここで、γは電流角度、ｊは複素数演算子である。
【００３６】
本発明の実施形態によれば、電気機械の１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャは、電気機械の「磁気アライメント情報」を決定するために測定することができる。下記でより詳細に説明するように、電気機械の作動点および機械の動的状態によって、電気機械の磁気アライメント情報を決定するためには、好ましい高周波信号注入法および好ましい磁気アライメントシグネチャが必要となる。ここで、負荷状態、電流レベル、および電気機械のタイプによって、例えば、回転ベクトル注入、脈動ベクトル注入、または回転ベクトル注入と脈動ベクトル注入との混合注入の使用、ならびに特定の磁気アライメントシグネチャの測定が決定される。
【００３７】
作動点電流指令ベクトルＩrqd４４を電気機械に与えることに反応して測定可能な１つの磁気アライメントシグネチャは、回転子基準座標系での小信号インダクタンスである。作動点電流指令ベクトルＩrqdおよび対応する作動点磁束Λrqdが与えられると、回転子基準座標系での小信号インダクタンスは次式のように定めることができる。
【００３８】
【数７】
2018078789.tif 000009
【００３９】
ここで、Ｌqはｑ軸インダクタンス、Ｌdはｄ軸インダクタンス、ＬqdおよびＬdqは相互インダクタンス値、δｉqdは作動点Ｉrqdからの小信号電流変動ベクトル、δλqdは作動点磁束Λrqdからの小信号磁束変動ベクトルである。
【００４０】
この小信号インダクタンスの逆関数もまた測定することができる。これらのシグネチャは、逆インダクタンスまたはリラクタンスＲと呼ぶことができ、次式のように定めることができる。
【００４１】
【数８】
2018078789.tif 000010
【００４２】
回転子座標系シグネチャは、回転子角度が知られている場合のみ測定することができる。実際には、回転座標系の向きを知らずに、磁気アライメントシグネチャは、実際の回転子座標系とは異なる座標系に関して測定される。
【００４３】
作動点電流指令ベクトルＩrqd４４を電気機械に与えることに反応して測定可能な別の磁気アライメントシグネチャは、突極座標系での小信号インダクタンスであり、図３には、突極座標系での作動点電流指令ベクトル４４が図示されている。高周波注入法を用いて、磁気突極性の向きを測定することができ、磁気アライメントシグネチャを突極座標系に関して表すことができる。磁気アライメントシグネチャとして突極座標系での小信号インダクタンスを使用することに関しては、突極電気機械では、突極基準座標系は理想的には回転子基準座標系と同等であると認識される。しかしながら、磁路の飽和による軸間干渉および突極性交差のため、突極座標系は回転子座標系からずれる。最小インダクタンス軸を突極座標系のｄ軸（インダクタンスが最小）として定義すると、突極座標系での小信号インダクタンスは、次式のように定めることができる。
【００４４】
【数９】
2018078789.tif 000011
【００４５】
ここで、Ｌmaxは最大インダクタンス、Ｌminは最小インダクタンスである。
【００４６】
最大インダクタンスＬmaxおよび最小インダクタンス、Ｌminは以下のようにして得られる。
【００４７】
【数１０】
2018078789.tif 000012
【００４８】
最大インダクタンスＬmaxの逆数は最小リラクタンスＲminとして定義することができる。最小インダクタンスＬminの逆数は最大リラクタンスＲmaxとして定義することができる。ＲmaxとＲminとの平均値は、平均リラクタンスＲΣとして定義することができる。
【００４９】
突極性を定量的に評価するために、次式にしたがって、突極性σsを最小インダクタンスＬminに対する最大インダクタンスLmaxの比として定義することができる。
【００５０】
【数１１】
2018078789.tif 000013
【００５１】
突極角度誤差εσはまた、次式にしたがって得ることができる。
【００５２】
【数１２】
2018078789.tif 000014
【００５３】
回転ベクトル励磁を使用すると、Ｌmax、Ｌmin、および突極角度位置θσを完全に推定することができる。ｄ軸を追跡する脈動注入法は、突極角度位置θσおよびＬminを推定することができるが、Ｌmaxを推定することはできない。逆に、ｑ軸を追跡する脈動注入法は、Ｌmaxを推定することができるが、Ｌminを推定することができない。
【００５４】
小信号インダクタンスを突極座標系で測定する場合のこれらの制限を踏まえると、有用となり得る別の磁気アライメントシグネチャとしては、電流基準座標系での小信号インダクタンスまたはリラクタンスがあり、図２には電流座標系での作動点電流指令ベクトルが図示されている。電流基準座標系での小信号インダクタンスまたはリラクタンスは、作動点電流指令ベクトルＩrqd４４を電気機械に与えることに反応して測定可能であり、小信号インダクタンスまたはリラクタンスの電流角度は電流測定によって明確に知られる。
【００５５】
電流基準座標系での小信号インダクタンスは、次式のように定めることができる。
【００５６】
【数１３】
2018078789.tif 000015
【００５７】
ここで、Ｌiqは電流座標系でのｑ軸インダクタンス、Ｌidは電流座標系でのｄ軸インダクタンス、δｉiqdは、注入高周波信号によって誘導される電流座標系のｄ軸またはｑ軸上の摂動電流、ＬiqdおよびＬidqは、交流電気機械の軸間干渉によって存在する相互インダクタンス値である。
【００５８】
電流基準座標系での小信号リラクタンスは次式のように定めることができる。
【００５９】
【数１４】
2018078789.tif 000016
【００６０】
これはさらに、次式にしたがって個々のリラクタンス値に分ける（かつ、インダクタンスによって定める）ことができる。
【００６１】
【数１５】
2018078789.tif 000017
【００６２】
ここで、Ｒiqは電流座標系でのｑ軸リラクタンス、Ｒidは電流座標系でのｄ軸リラクタンス、δｉiqdは、注入高周波信号によって誘導される電流座標系のｄ軸またはｑ軸上の摂動電流、ＲiqdおよびＲidqは、交流電気機械の軸間干渉によって存在する相互リラクタンス値である。
【００６３】
上記の回転子、突極性、および電流基準座標系での小信号シグネチャは、磁気アライメント、すなわち電流角度γに対して感度を有し、図４Ａ〜４Ｃには、例示的なＩＰＭモータに対して、様々な電流レベルでのこれらの小信号シグネチャを示している。これらのプロットの電流角度の範囲は、０°から９０°の間に限られている。この範囲は、典型的な駆動動作範囲を包含する。制動動作範囲は、９０°から１８０°の間であり、そのシグネチャは、逆鏡像となる相互インダクタンスおよび相互リラクタンス項を除いて、９０°点における鏡像となる。典型的には、電流角度γは、電気機械によって生じるトルクと強い関係を有し、その結果、トルクを測定または推定することができると、トルクとシグネチャとの間のマッピングもまた確立することができる。
【００６４】
図４Ａで分かるように、所望の電流ベクトル方向がｑ軸に接近している無負荷または非常に低い電流の作動点では、電流座標系相互インダクタンスＬiqd（および電流座標系リラクタンスＲiqd）は非常に良好な感度を有するが、他の信号はあまり感度が良くない。
【００６５】
しかしながら、電流レベルが増大すると、作動点電流角度γはｑ軸からずれて９０°の方に増大する。図４Ｂに示すように、４０％の電流レベルでは、回転子座標系ｑ軸インダクタンスＬqおよび回転子座標系ｑ軸リラクタンスＲqは、作動電流角度γの周りで強くかつ広い感度範囲を示す。このｑ軸の変動は、電流座標系および突極座標系シグネチャで目立つ。電流座標系ｄ軸インダクタンスＬidおよび電流座標系ｄ軸リラクタンスＲidは、作動電流角度γの周りで良好な感度範囲を示す。回転ベクトル注入法は、突極座標系インダクタンスＬmin、Ｌmax、およびＬΣ、ならびに突極座標系リラクタンスＲmax、Ｒmin、およびＲΣを抽出することができ、組み合わせれば、さらに広い感度範囲を提供することができる。しかしながら、脈動ベクトル注入に基づく突極性の追跡には限界がある。なぜなら、ＬminとＬmaxとの間、またはＲmaxとＲminとの間で１つしかシグネチャを抽出することができず、その結果、感度範囲が作動点電流角度周りでかなり制限されるからである。これは、突極性がｑ軸からｄ軸に交差する３５°付近の電流角度の近くでシグネチャ感度が急激に変化することによる。所望の作動点において突極性交差に近接するため、突極性をセンサレスで追跡することは、４０％電流レベルですでに作動しないことに留意すべきである。
【００６６】
図４Ｃに示すように、電流レベルがさらに増大すると、ｑ軸の飽和がさらに深くなり、回転子座標系ｑ軸インダクタンスＬqおよび回転子座標系ｑ軸リラクタンスＲqの感度がさらに強くかつ広くなる。電流座標系ｄ軸インダクタンスＬidおよび電流座標系ｄ軸リラクタンスＲidの感度もまたかなり強くなる。しかしながら、回転子座標系ｑ軸インダクタンスＬqがＬdより下に落ちると、電流座標系ｄ軸インダクタンスＬiqおよび電流座標系ｄ軸リラクタンスＲidの感度範囲は回転子座標系ｑ軸の近くで下がり始める。その反対に、電流座標系ｑ軸インダクタンスＬiqおよび電流座標系ｑ軸リラクタンスＲiqの感度および範囲はかなり強くなる。したがって、突極座標系インダクタンスＬmin、Ｌmax、およびＬΣの組合せ、ならびに突極座標系リラクタンスＲmax、Ｒmin、およびＲΣの組合せもまた非常に強い感度および範囲を与えるので、回転注入は非常に効果的である。あるいは、最小インダクタンスＬminまたは最大インダクタンスＬmaxの追跡の脈動注入はともに相応の感度を有するものの、前述のシグネチャほど強くない。
【００６７】
要するに、図４Ａ〜４Ｃに示すように、提示した磁気アライメントシグネチャ（電流座標系シグネチャまたは突極座標系シグネチャ）を組み合わせると、０〜１００％の全電流範囲にわたって磁気アライメントに対して強い感度および広い感度範囲を有する。これは、磁気アライメントシグネチャを用いて、ＩＰＭ機の１００％全トルクセンサレス作動の可能性を確立する。
【００６８】
次に、図５Ａおよび６Ａを参照すると、本発明の実施形態による、交流電気機械の動作を制御するためのセンサレス制御技法を具現化するように構成された駆動システム６０、６２のブロック図が示されている。駆動システム６０、６２は、固定子、および機械のセンサレス回転子追跡を用いる回転子（図示せず）よりなる交流電気機械６４に交流駆動電力を供給する。ここで、センサレス回転子追跡は、上記ですでに説明した小信号磁気アライメントシグネチャのうちの１つまたは複数を測定することによって達成される。駆動システム６０、６２は、このようなセンサレス回転子追跡をするように交流電力で駆動することができる、同期永久磁石および同期リラクタンスモータを含む同期モータ、ならびに誘導モータなどの様々なタイプの電気機械で具現化することができる。さらに、駆動システム６０、６２は、交流電気機械６４がモータとして使われても、発電機として使われても、このようなセンサレス回転子追跡を提供することができる。
【００６９】
本発明の実施形態によれば、駆動システム６０、６２によって作動される交流電気機械６４は、埋込型永久磁石（ＩＰＭ）機、永久磁石（ＰＭ）補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、および誘導機のうちのいずれともすることができる。したがって、本発明の実施形態をＩＰＭ機の動作に関して以下で具体的に説明し図示するが、これらの実施形態のこのような議論はまた、上記のようなＰＭ補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、および誘導機を含む他のタイプおよび構造の電気機械にも拡張されることが理解されよう。
【００７０】
図５Ａおよび６Ａには、電気機械電力変換装置６６および制御システム６７を利用して交流電気機械６４を駆動する駆動システム６０、６２の実施形態が示されている。ここでは、高周波信号注入およびパラメータシグネチャ追跡を使って交流電気機械６４の回転位置を決定および追跡する。一実施形態では、図５Ａおよび６Ａに示すように、電気機械電力変換装置６６は、電圧源駆動装置として与えられているが、その代わりに、電気機械電力変換装置６６を、電流源駆動装置として与えることができることは認識される。交流機械用の電圧源駆動装置６６はよく知られており、電気機械を駆動するための要件に応じて様々な方法で構成することができる。制御システム６７およびそれによって実行される制御スキームは、電力変換装置６６とは別に示されているが、制御システムは、本発明の実施形態にしたがって、電力変換装置６６とは別の制御器として、あるいは電力変換装置６６に組み込まれた制御器またはプロセッサとして提供することができることは認識される。
【００７１】
図５Ａおよび６Ａに示すように、指令信号は、トルクおよび磁束制御器６８、ならびに電流制御器または調整器７０を含む制御システム６７から電圧源駆動装置６６に与えられる。制御システム６７へのシステム入力は、トルクおよび磁束制御器６８によって受信されるトルクＴ*および磁束レベルλ*指令である。トルクＴ*および磁束レベルλ*指令に応答して、トルクおよび磁束制御器６８は電流制御器７０に電流基準ｉs*qdを出力し、電流制御器７０は続いて電圧源駆動装置６６に指令を出力する。したがって、駆動システム６０、６２が作動する結果、一次電流励磁が（大きさと角度を有する電流ベクトルの形態で）交流電気機械６４に与えられて所望の動作にしたがって電気機械を駆動する。
【００７２】
また、制御システム６７には、高周波搬送波信号を交流電気機械に注入するように作動する信号注入器７２が含まれる。ここでは、このような信号は、駆動システム６０、６２によって生じた一次励磁電流ベクトルと組み合わされる（すなわち、一次電流励磁ベクトルに重畳される）。図５Ａの実施形態では、信号注入器７２は、電流制御器７０に与えられる正味の電流信号または指令を生成するために、加算器７４で高周波電流信号を電流基準ｉs*qdに注入するように構成される。図６Ａの実施形態では、信号注入器７２は、電圧源駆動装置６６に与えられる正味の信号を生成するために、加算器７６で高周波電圧信号を電流制御器７０からの出力指令に注入するように構成される。
【００７３】
図５Ａおよび６Ａに示すように、シグネチャ抽出器７８、磁気アライメント誤差推定器８０、および位置オブザーバ８２（まとめて、「位置推定器」）もまた、駆動システム６０、６２の制御システム６７内に含められる。下記でより詳細に説明するように、（信号注入器７２の作動とともに）駆動システム６０、６２内のシグネチャ抽出器７８、磁気アライメント誤差推定器８０、および位置オブザーバ８２の作動によって、電気機械６４の位置推定およびセンサレス制御が可能となる。
【００７４】
モータ駆動システム６０、６２の作動において、磁束λSqdおよびトルクＴemを測定または推定して電気機械のトルクおよび磁束を制御することが望ましい。典型的には、磁束ベクトルλSqdおよび電流ベクトルｉSqdを測定すれば、トルクＴemは、以下の物理的な関係に基づいて推定することができる。
【００７５】
【数１６】
2018078789.tif 000018
【００７６】
ここで、Ｍは固定子の相の数、Ｐは電気機械の磁極の数である。
【００７７】
交流回転の周波数が十分高いとき、固定子磁束は、推定した抵抗電圧降下ｒsｉsqdを引いた端子電圧ｖsqdを積分することによって計算することができる。しかしながら、この手法は、周波数が低いときにはうまくいかない。したがって、直流または低周波数作動では、磁束およびトルク制御は、しばしば、回転子位置および電流情報に頼る。電気機械の特性を分かっていれば、電流ｉsqdの測定とともに回転子（または回転子磁束）の向きまたは位置θrが分かれば磁束を推定することができる。言い換えれば、回転子位置θrが与えられれば、トルクおよび磁束制御器は、機械の特性の事前知識に基づいて、所望の磁束およびトルクを達成する所望の電流基準ｉs*qdを与えることができる。したがって、特に、ゼロまたは低周波数作動時には、交流電気機械の制御を可能にするためには回転子位置情報を有することが必要である。
【００７８】
電圧源駆動装置は典型的には、電気機械駆動システム６０、６２のために使用されるので、電気機械で所望の電流ｉs*qdにするために電流制御が必要である。電流源駆動装置を使用する場合には、電流制御は必要としない場合がある。この場合は、モータ端子電圧基準はｖs*qdは利用できず、モータ端子電圧ｖsqdの測定が必要となる。
【００７９】
電気機械６４をセンサレス制御するために、駆動システム６０、６２の目標は、高周波搬送波電圧ｖs*qdcまたは電流ｉs*qdcを電気機械６４に注入することによって、かつ、回転子位置の推定を可能にする主要な磁気アライメントシグネチャ（前述）を抽出することによって、ゼロまたは低周波数作動での位置推定を可能にすることである。高周波搬送波を注入して、特定の磁気アライメントシグネチャを測定／解析するための特定の注入法は、磁気アライメントシグネチャを抽出するために駆動システム６０、６２によって使用することができる。ここで、好ましい注入法および好ましい磁気アライメントシグネチャは、位置推定の性能を改善および最大化するように、電気機械６４の作動点、および機械の動的状態に応じて選ばれる。
【００８０】
図５Ａおよび６Ａに示すように、電圧誤差が十分低い、または十分補償することができると仮定すれば、モータ端子電圧基準ｖs*qdを、測定されたモータ端子電圧ｖsqdの代わりに使用することができる。しかしながら、伝播遅延、非線形の装置電圧降下、およびデッドタイム、ならびに直流バス電圧の変動などのスイッチング装置の非理想的特性によって生じる電圧誤差を正確に推定および補償することは困難な場合があることは認識される。したがって、電圧精度の改善が望ましいときには、モータ端子電圧ｖsqdを直接測定することが好ましい場合が多い。同様な考え方は、電圧源駆動装置ではなくて電流源駆動装置を使用する場合に、駆動システムのモータ電流測定の使用に当てはまる。
【００８１】
図５Ｂおよび６Ｂはそれぞれ、高周波電流信号を注入する実施形態、および高周波電圧信号を注入する実施形態に対して、信号注入器７２、シグネチャ抽出器７８、磁気アライメント誤差推定器８０、および位置オブザーバ８２によって行われる動作のより詳細な図を示す。信号注入器７２、シグネチャ抽出器７８、磁気アライメント誤差推定器８０、および位置オブザーバ８２のそれぞれの機能は下記でより詳細に説明する。
【００８２】
信号注入器７２による高周波注入信号の注入に関しては、一実施形態によれば、このような高周波信号の注入は図７に示されている。図７に示すように、大きさＩで、回転子基準座標系での角度γの所望の一次励磁電流ベクトル８４に対して、高周波信号８６は、電流ベクトル８４に対して接線方向の／直交する定められた電流座標系（回転子座標系から回転）で注入することができる。電流ベクトルＩrqdに直交して、すなわち電流座標系ｄ軸（ｄi軸）で高周波信号８６を注入することは、電流角度がＭＴＰＡ（ｍａｘｉｍｕｍ  ｔｏｒｑｕｅ  ｐｅｒ  ａｍｐｅｒｅ、アンペア当たり最大トルク）点近く保たれている限り、高周波電流によって生じるトルクリップルをかなり低減することができるので、好都合である。注入周波数が可聴周波数の範囲のときには、同じレベルの注入電流振幅に対して可聴ノイズも低減することができる。
【００８３】
例えば、図５Ａおよび５Ｂの駆動システムに示す、信号注入器７２によって脈動高周波電流信号として高周波信号を注入する実施形態では、所望の注入電流ｉiqdcは次式のように表すことができる。
【００８４】
【数１７】
2018078789.tif 000019
【００８５】
ここで、Ｉcは高周波電流の大きさ、ωcは高周波電流の脈動周波数である。ここで、脈動搬送波角度ωcｔは、図５Ｂに示すように、搬送波角度変数θcとして定義することができ、信号注入およびシグネチャ抽出の両方に使用することができ、また、図５Ａに示すように、搬送波電流注入調整のために電流制御器７０に使用することができる。搬送波角度情報θcを使用すると、所望の搬送波注入電流成分ｉiqdcを達成するように搬送波座標系調整器を実行することができる。
【００８６】
図８に示すように、静止基準座標系では、この脈動ベクトル８８は、次式のように記述することができる。
【００８７】
【数１８】
2018078789.tif 000020
【００８８】
ここで、θiは、固定子ｑ軸に関する電流ベクトルの角度位置である。式（１５）および（１６）で信号注入器７２によって行われる動作、および適用される変数の例は、図５Ｂのブロック図に示される。
【００８９】
信号注入器７２によって脈動高周波電流信号を注入すると、この電流注入に応答して、電流座標系シグネチャ抽出器７８によって、次式で表すことができる脈動電圧ベクトルｖiqdcを抽出することができる
【００９０】
【数１９】
2018078789.tif 000021
【００９１】
したがって、測定された電圧ベクトル応答ｖiqdcから、電流座標系ｄ軸インダクタンスＬidおよび脈動座標系相互インダクタンスＬiqdを推定することができる。また、搬送波電圧応答の全体の大きさＶqdcは、同じくシグネチャとして使用することができ、この場合は、式（１７）に示すようにＬidとＬiqdの合成シグネチャである。
【００９２】
注入電流は電流座標系のｄ軸に揃うが、電圧応答は、相互インダクタンス項Ｌiqdによりｑ軸成分を有することに留意されたい。
【００９３】
電圧ベクトル応答ｖiqdcに関しては、式（１７）から脈動電圧ベクトル成分ＶiqcおよびＶidcを抽出するために様々な方法を用いることができる。１つの簡単で有効な手法は、まずｅ-jθiを掛けて電圧信号ｖSqdcを脈動座標系に変換し、次いで、搬送波ｃｏｓθcを掛けて搬送波成分を直流に変換することによって式（１８）において達成される。次いで、ローパスフィルタ処理を用いて非同期成分を除去し、それによって、次式にしたがって記述される電圧ベクトル成分
【００９４】
【数２０】
2018078789.tif 000022
【００９５】
および
【００９６】
【数２１】
2018078789.tif 000023
【００９７】
を推定することができる。
【００９８】
【数２２】
2018078789.tif 000024
【００９９】
脈動電圧ベクトル成分ＶiqcおよびＶidcを抽出するための特定の方法が、式（１８）に明らかにされているが、高周波シグネチャを得るために他の手法を使用することができることは認識される。例えば、他のヘテロダイン法、ピーク検出法、傾き測定、同期座標系フィルタ処理、または二次一般化積分器もまた、磁気アライメントシグネチャを抽出するために使用することができる。また、さらなる実施形態によれば、磁気アライメントシグネチャは、電流座標系ｄ軸または電流座標系ｑ軸とは異なる向きから抽出することができる。異なる向きから抽出を行う場合、磁気アライメントシグネチャは、ＬiqdおよびＬidの両方の合成シグネチャとなる。例えば、励磁座標系ｄ軸シグネチャは（Ｌiqdｓｉｎθex＋Ｌidｃｏｓθex）を有することができ、励磁座標系ｑ軸シグネチャは、（Ｌiqdｃｏｓθex＋Ｌidｓｉｎθex）を有することができる。ここで、θexは電流座標系に対する抽出座標系の角度である。
【０１００】
ｓｉｎθcであるように選ばれた電流注入搬送波を有する場合、誘導電圧は、ｃｏｓθcの乗算を使って抽出される。一方、抵抗電圧はまた、磁気アライメントシグネチャを含むことができ、抵抗電圧項はまた、同様な抽出法を使用して抽出することができる。より詳細には、抵抗電圧は、搬送波応答にｓｉｎθcを掛けることによって抽出することができる。
【０１０１】
式（１７）および（１８）で信号抽出器７８によって行われる動作、および適用される変数の例は、図５Ｂのブロック図に示される。
【０１０２】
図９Ａ〜９Ｃには、電流座標系ｄ軸電流注入で抽出することができる（式（１７）および（１８）から得られる）選ばれた磁気アライメントシグネチャの形状が、例示的なＩＰＭ機に対して示されている。抽出された脈動電圧ベクトル成分ＶiqcおよびＶidc、ならびにこれらに比例する電流座標系インダクタンス値ＬidおよびＬiqdに対して、モータがＭＴＰＡ作動点で作動しているとき（ＭＴＰＡ作動線は８９で示される）、Ｖiqc（Ｌiqdに比例）は、図９Ａに示すように、０％電流近くで電流角度に対して非常に敏感であることが認識される。しかしながら、電流レベルが２０〜３０％の範囲に近づくと、Ｖiqcの感度および範囲はかなり落ち、その結果、この点を過ぎて追跡することは、理想的な磁気アライメントシグネチャとはならない。逆に、Ｌidの逆数であるＶidc、詳細には、（ωcＩc）／Ｖidcは、図９Ｂに示すように、３０％以上の電流レベルで強い感度を有し、その結果、（ωcＩc）／Ｖidcは、十分な感度で３０％以上の電流レベルで追跡することができる代替の磁気アライメントシグネチャとして使用することができる。別の代替として、図９Ｃに示すように、（ωcＩc）／Ｖiqdcもまた、磁気シグネチャとして利用することができる。
【０１０３】
シグネチャＬiqdとＬidとを組み合わせることによって、センサレス制御を達成することができる。しかしながら、ＭＴＰＡ作動点における１／Ｌidのシグネチャレベルは、最大シグネチャレベルに極めて近い。これは、センサレス制御の動的性能を制限する場合があり、したがって、電流レベルが十分高く、より高い動的性能が必要なときに、動的性能とともにシグネチャの感度を改善するために、電流注入の向きを、駆動動作用には電流座標系のｑ軸（ｑｉ軸）の方へ回転させ、制動動作用には電流座標系の−ｑ軸の方へ回転させることができる。この回転角度θcompは、図５Ａの信号注入器７２内に与えられる／指示されるように、交流電気機械の作動点および作動要件に応じて予めプログラムすることができる。回転角度はまた、磁気アライメントシグネチャ自体に応答して増大することができる。すなわち、シグネチャレベルがその限界に近づいた場合、励磁角度を増大させて感度範囲を拡大することができる。このようにして、注入電流によって生じるトルク脈動を、定常状態作動中、低いレベルで維持することができる。
【０１０４】
電流注入の向きを回転して磁気アライメントシグネチャの感度範囲を拡大して動的性能を改善することに加えて、または代えて、全トルク制御を可能にするように、交流電気機械（例えば、ＩＰＭモータ）に、シグネチャ信号の強度および感度をさらに改善するさらなる設計の特徴を組み込むことができる。本発明の実施形態によれば、本明細書では、特別なロータ構造、または「Ｄリング」と称する構成部品を交流電気機械に組み入れることができる。この特別な回転子構造は、センサレスモータ制御のために使用することができる高周波励磁のために磁気突極性を導入する。この特別なロータ構造は、参照によって本願明細書に援用する米国特許出願第１４／０８５，９５３号、第１４／０１９，６３０号、および第１３／６６６，２８３号に示され、かつ説明されたロータ構造のいずれかの形態とすることができる。これらのロータ構造は、固定子巻線に磁気的に結合するように、回転子の特定の向きに電気回路（受動素子または能動素子を有する短絡回路、閉回路）を導入する。回転子の位置は、高周波電圧または電流信号を固定子に注入し、回転子の小信号インダクタンスを測定することによって測定される。回転子回路と高周波注入のアライメントの変動は、その結果生じる電気機械のインピーダンス、およびそれに関連するインダクタンスの変動を生じさせる。
【０１０５】
図１０Ａ〜１０Ｃは、Ｄリングが交流電気機械に組み込まれた実施形態において、シグネチャＬiqd、１／Ｌid（すなわち、（ωcＩc）／Ｖidc）、および（ωcＩc）／Ｖiqdcに対する磁気アライメントシグネチャ強度および感度を示す。図９Ａ〜９Ｃの磁気アライメントシグネチャを図１０Ａ〜１０Ｃの磁気アライメントシグネチャと比較すると分かるように、Ｄリング構造を含めると、シグネチャ信号の強度を改善すること、および磁気アライメントシグネチャの感度範囲を拡大することに役に立ち、その結果、電気機械の全トルクセンサレス制御を可能にする。
【０１０６】
本発明の別の実施形態は、可変注入角度での脈動高周波電流信号の形態の高周波信号注入を提供する。すなわち、注入電流角度は、所望のシグネチャ感度にするために補償角度θcompによって調節することができ、その調節角度は次式によって記述される。
【０１０７】
【数２３】
2018078789.tif 000025
【０１０８】
この注入は、脈動のｄ軸が角度位置（θi＋θcomp）に揃えられた脈動座標系のｄ軸電流注入と同等である。したがって、シグネチャは、電流座標系シグネチャが式（１７）で得られるのと同じように、ＬpqdおよびＬpdとして脈動座標系でのインダクタンスを使って定めることができる。
【０１０９】
シグネチャ抽出は任意の座標系で行うことができ、シグネチャ感度を改善するために向きを選ぶことができる。例えば、電流座標系が抽出座標系として用いられる場合、注入電流角度を調節することによって次式にしたがって搬送波電圧応答を効果的に生じさせる。
【０１１０】
【数２４】
2018078789.tif 000026
【０１１１】
この注入角度変動の１つの極端な例では、注入角度は、電流注入が電流座標系ｑ軸と揃う９０°である。このような注入角度変動に対して、トルク脈動はかなり増大するが、信号感度は大きく改善されることになろう。
【０１１２】
例えば、図６Ａおよび６Ｂの駆動システムで示した、高周波信号が脈動高周波電圧信号として信号注入器７２によって注入される実施形態では、所望の注入電圧ｖiqdcは次式のように表すことができる。
【０１１３】
【数２５】
2018078789.tif 000027
【０１１４】
ここで、Ｖcは高周波電圧の大きさ、ωcは脈動周波数である。
【０１１５】
ここで、脈動搬送波角度ωCｔは搬送波角度変数θCとして定めることができ、図６Ｂに示すように、信号注入およびシグネチャ抽出の両方に対して使用することができ、また、図６Ａに示すように搬送波電圧電流注入の調整を支持するように電流制御器に使用することができる。特に、電圧注入搬送波周波数が、電流調整帯域幅から十分にスペクトル分離していないとき、外乱排除のために制御機能を解除することによって電流調整器が注入電圧を減衰しないことが望まれる。注入電圧調整器はまた、搬送波角度θcを用いて具現化することができる。
【０１１６】
図１１に示すように、静止基準座標系では、この脈動ベクトル９０は、次式のように記述することができる。
【０１１７】
【数２６】
2018078789.tif 000028
【０１１８】
ここで、θiは固定子ｑ軸に関する電流ベクトルの角度位置である。式（１９）および（２０）で信号注入器７２によって行われる動作、および適用される変数の例は、図６Ｂのブロック図に示される。
【０１１９】
信号注入器７２によって脈動高周波電圧信号を注入すると、搬送波電流応答は次式により得ることができる。
【０１２０】
【数２７】
2018078789.tif 000029
【０１２１】
測定された搬送波電流応答ｉiqdcから、搬送波座標系ｄ軸リラクタンスＲidおよび脈動座標系相互リラクタンスＲiqdを推定することができる。
【０１２２】
注入電圧は電流座標系のｄ軸に揃うが、搬送波電流応答は、相互インダクタンス項によりｑ軸成分を有することに留意されたい。これは、ＭＴＰＡ作動中にトルク脈動を増大させる可能性がある。
【０１２３】
電流搬送波応答ｉiqdcに関しては、様々な方法を使って脈動電流ベクトル成分ＩiqcおよびＩidcを抽出することができる。１つの簡単で有効な手法は、まずｅ-jθiを掛けて電流信号ｉiqdcを脈動座標系に変換し、次いで、搬送波ｓｉｎθcを掛けて搬送波成分を直流に変換することによって式（２２）において達成される。次いで、ローパスフィルタ処理で非同期成分を除去することができ、それによって、次式にしたがって記述される電流ベクトル成分
【０１２４】
【数２８】
2018078789.tif 000030
【０１２５】
および
【０１２６】
【数２９】
2018078789.tif 000031
【０１２７】
を推定することができる。
【０１２８】
【数３０】
2018078789.tif 000032
【０１２９】
式（２１）および（２２）で信号抽出器７８によって行われる動作、および適用される変数の例は、図６Ｂのブロック図に示される。
【０１３０】
図１２Ａ〜１２Ｃには、電流座標系ｄ軸電圧注入で抽出することができる（式（２３）および（２４）から得られる）選ばれた磁気アライメントシグネチャの形状が、例示的なＩＰＭ機に対して示されている。電流座標系ｄ軸電圧注入に対しては、電流注入とは異なり、電流座標系ｑ軸搬送波電流成分Ｉiqcは、相互リラクタンス項Ｒiqd、ｑ軸飽和に対するその感度、および軸間干渉効果により、ＭＴＰＡ点におけるゼロからずれる。それは、ゼロ電流レベル近くで、ｄｉ軸電流成分Ｉidcは感度がなく、ｑｉ軸成分Ｉiqcが良好な感度であることが図１２Ａで分かる。また、より高い電流レベルに対しては、Ｉiqcの感度範囲は、ＭＴＰＡ点周りでかなり広い。図１２Ｂに示すように、この例の中位の電流レベル、２０〜５０％では、Ｉiqcの感度範囲は限定的で、したがって、Ｉidcの使用が好ましいであろう。図１２Ｃに示すように、ゼロおよび低電流レベルを除けば、搬送波電流成分の大きさＩiqdcの使用は、ｑｉ軸およびｄｉ軸搬送波電流成分の両方の強さをうまく組み合わせるので、磁気アライメントシグネチャの良い選択肢である。
【０１３１】
本発明の別の実施形態は、図１３に示すように、角度補償をした脈動高周波電圧信号の形態の高周波信号注入を提供する。すなわち、脈動ベクトル９２の注入電圧角度は、次式にしたがって、補償角度θcomp９４によって調節することができる。
【０１３２】
【数３１】
2018078789.tif 000033
【０１３３】
注入電圧角度を調節すると、次式にしたがって、主電流ベクトルに対して接線方向の電流注入が効果的に生成される。
【０１３４】
【数３２】
2018078789.tif 000034
【０１３５】
有利なことに、補償角度θcompによって注入電圧角度を調節するとトルク脈動が低減される。
【０１３６】
この角度調節された注入は、脈動のｄ軸が角度位置（θi＋θcomp）に揃えられた脈動座標系のｄ軸電圧注入と同等である。したがって、シグネチャは、式（２４）で電流座標系シグネチャが得られるのと同じように、ＲpqdおよびＲpdとして脈動座標系でのリラクタンスを使って定められることができる。シグネチャ抽出は任意の座標系で行うことができ、シグネチャ感度を改善するために向きを選ぶことができる。例えば、電流座標系が抽出座標系として用いられる場合、搬送波電流応答は次式のように得ることができる。
【０１３７】
【数３３】
2018078789.tif 000035
【０１３８】
図１４Ａ〜１４Ｃに示すように、電圧補償角度θcompは、ＭＴＰＡ動作時に最小トルク脈動を生じるように調節することができる。したがって、ｑｉ軸搬送波電流成分Ｉiqcは、図１４Ａに示すように、すべてのＭＴＰＡ作動点８９でゼロである。しかしながら、図１４Ｂおよび１４Ｃに示すように、リラクタンスシグネチャ、ならびに（ωcＩiqc）／Ｖcおよび（ωcＩqdc）／Ｖcの感度はかなり下がり、シグネチャの感度を改善するために、ｑｉ軸電流を増大させることによってトルク脈動を増大させる可能性があることは認識される。
【０１３９】
前述したように、交流電気機械にＤリング構造を含めると、シグネチャ信号の強度を改善すること、および磁気アライメントシグネチャの感度範囲を拡大することに役に立ち、その結果、電気機械の全トルクセンサレス制御を可能にする。図１５Ａ〜１５Ｃは、ｑｉ軸搬送波電流成分Ｉiqc、ならびにリラクタンスシグネチャ（ωcＩiqc）／Ｖcおよび（ωcＩqdc）／Ｖcに対する磁気アライメントシグネチャ強度および感度を示し、図１４Ａ〜１４Ｃと比較すると、ＭＴＰＡ点８９で最小トルク脈動となるように角度補償が使用されているが、シグネチャ感度および感度範囲を改善／拡大させることができることが分かる。
【０１４０】
したがって、高周波搬送波信号の一次励磁電流への注入に基づいて磁気アライメントシグネチャを抽出することができることが分かる。上記の式（１７）〜（１８）および（２１）〜（２２）から分かるように、得られるシグネチャは、使用する高周波注入法に依存し、例えば、電流座標系でのｄ軸インダクタンスまたはリラクタンスＬid、Ｒidは、シグネチャとして測定することができることは認識される。したがって、抽出されるシグネチャは一般に、磁気アライメントシグネチャｍと呼ぶことができる。
【０１４１】
図７Ｂおよび８Ｂのそれぞれ、および図１６Ａでも分かるように、所望の磁気アライメントシグネチャを抽出する際、シグネチャ値は、（作動点（Ｉ、γ）とともに）磁気アライメント誤差推定器８０に与えられる。ここで、磁気アライメントシグネチャは、図７Ｂの電圧ベクトル成分
【０１４２】
【数３４】
2018078789.tif 000036
【０１４３】
および
【０１４４】
【数３５】
2018078789.tif 000037
【０１４５】
（電流座標系ｄ軸インダクタンスＬid、および脈動座標系相互インダクタンスＬiqdの推定を可能とする）として、図８Ｂの電流ベクトル成分
【０１４６】
【数３６】
2018078789.tif 000038
【０１４７】
および
【０１４８】
【数３７】
2018078789.tif 000039
【０１４９】
（電流座標系ｄ軸リラクタンスＲid、および脈動座標系相互リラクタンスＲiqdの推定を可能とする）として、かつ一般的に図１６Ａのｍとして示される。磁気アライメント誤差推定器８０によって、選ばれた磁気アライメントシグネチャｍの特性を使って磁気アライメン誤差εを推定することができる。
【０１５０】
作動点（Ｉ、γ）の範囲、および前述の選ばれた励磁法に対して、磁気アライメントシグネチャｍを特徴づけることができる。物理モデルおよび解析は、特性を生成するために使用することができる、または実験の較正も同様に使用することができる。作動点が（Ｉ、γ）の２次元空間にあるとしても、典型的には、所望の動作は、アンペア当たりの最大トルク（ＭＴＰＡ）などの特定の要件に合致する空間の単一の線上にある。したがって、全２次元空間を包含するためにマッピングは必要としない。図１７に示すように、電流角度γで作動点（Ｉ、γ）が与えられると、所望のシグネチャ値ｍ*、および所望のシグネチャ誤差ゲインＫmはマッピング９６から生成される。ここで、図１７は、シグネチャ誤差ゲインＫmは、マッピングの傾きの逆数、すなわち、傾き＝１／Ｋmであることを示している。
【０１５１】
（図１６Ａの）上記の手法は、シグネチャ形状に対する順方向マッピングを利用してシグネチャ誤差から誤差を生成する。この手法は、磁気アライメント誤差εが小さいとき有効であり、したがって、形状の線形近似で十分である。しかしながら、誤差摂動が大きいときは、逆マッピングを利用して、図１６Ｂに示すように、シグネチャ値ｍから推定磁気アライメントγを生成することができる。逆マッピングを適切に行うために、指令電流角度などの他の信号に基づいて駆動および制動などの区域を決めるべきである。なぜならば、逆マッピングは、シグネチャ特性に応じて複数の逆マッピング点を有する場合があるためである。
【０１５２】
本発明の実施形態によれば、図１８に示すように、複数の磁気アライメントシグネチャを使って交流電気機械の磁気アライメントを電気機械の作動点に応じて決定することができることは認識される。複数のシグネチャの使用において、単一の作動範囲で利用可能な／測定可能な一群のシグネチャから複数のシグネチャを使用することができる、かつ／または異なる作動範囲に対して異なるシグネチャを使用することができる。一例として、電気機械のゼロまたは低電流範囲での作動に対しては、電流座標系相互リラクタンスシグネチャＲiqdを使用することが望ましい場合があり、一方、電気機械の中位から高トルク範囲での作動に対しては、ｄｉ軸リラクタンスＲid、または全リラクタンスＲを使用することが望ましい場合がある。複数のシグネチャｍ1、ｍ2．．．ｍNを抽出／使用する場合には、磁気アライメント誤差、すなわち図１８に示すε1、ε2．．．εNを複数のシグネチャのそれぞれに対して決めることができる。ここで、複数の誤差推定器は、磁気アライメント誤差推定器８０に含まれるように示されている。単一の作動範囲で複数の磁気アライメントシグネチャを使用する際、シグネチャ選択器／誤差混合器１００によって磁気アライメント誤差ε1、ε2．．．εNを混合することができ、単一の誤差値εはそれから出力される。異なる作動範囲に対して異なる磁気アライメントシグネチャを使用する際、このようなシグネチャ使用間での大きな跳躍なしに、シグネチャの切替中の過渡応答を低減するために穏やかな混合を用いることができ、その結果、一度に複数のシグネチャｍの測定／使用を行なうことができる。このような実施形態では、シグネチャ選択器／誤差混合器１００によって適切な／望ましいシグネチャの選択を行って、作動点（Ｉ、γ）に応じて誤差εを選ぶことができる。複数のオブザーバを有して、それぞれがそれ自体の位置を追跡することも可能であることもまた留意すべきである。次いで、追跡された位置は、他のオブザーバの他の位置推定と混合されて、静止座標系と同期座標系との間の基準座標系変換のために使用される位置信号を得る。このような手法を用いるとき、位置が突然跳躍しないように、追加のアルゴリズムを用いるべきである。一例として、定格限界線形移行を用いることができる。
【０１５３】
次に、図１９を参照すると、磁気アライメント誤差推定器８０の動作が、複数の磁気アライメントシグネチャが使用した、推定器８０の特定の具現化に対して示されている。ゼロおよび非常に低い電流レベルでは、ｑｉ軸搬送波電流Ｉiqcが使用される。しかし、高電流レベルでは、搬送波電流の大きさ
【０１５４】
【数３８】
2018078789.tif 000040
【０１５５】
が使用される。
【０１５６】
図７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂに示すように、磁気アライメント誤差εは誤差推定器８０から出力され、位置オブザーバ８２に与えられる。ここで、センサレス制御のために推定された磁気アライメント誤差εの使用には様々な選択肢があることは認識される。この誤差を使用して、電流励磁角度θiを順方向または逆方向に直接駆動して、直接磁気アライメントを制御することができる。１つの合理的な手法は、誤差を使用して位置オブザーバ８２のオブザーバ調整器を駆動して回転子角度位置
【０１５７】
【数３９】
2018078789.tif 000041
【０１５８】
を推定することである。オブザーバ調整器は、ＰＩ調整器として具現化することができ、誤差の二次積分項は、ランピング追跡能力を改善するのにＰＩ調整器に加えられる。オブザーバ調整器はまた、積分器を駆動することができ、オブザーバ調整器と積分器との組合せは、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ：位相同期ループ）と同等である。１つの簡単な代替の手法は、ローパスフィルタ処理した磁気アライメント誤差信号を直接使用して、それを前の電流角度γまたは回転子角度に加えて、次の電流角度または回転子位置
【０１５９】
【数４０】
2018078789.tif 000042
【０１６０】
を決定することである。この推定された電気回転子角度位置
【０１６１】
【数４１】
2018078789.tif 000043
【０１６２】
は、トルクおよび磁束制御器６８、電流制御器７０、および信号注入器７２にフィードバックされて、交流電気機械６４をセンサレス制御することを可能にする。
【０１６３】
ここまで、正弦波波形注入として脈動信号注入を説明してきた。しかしながら、矩形波などの他の波形も同様に用いることができる。典型的には、実際には、注入信号は、電力変換装置６６のスイッチ（図示せず）のパルス幅変調（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いて実現される。注入周波数がＰＷＭ周波数のより近くに増大させられると、注入波形は、より少ないＰＷＭサイクル数より構成される。極端な場合、注入周波数は、ＰＭＷスイッチング周波数と同じにすることができ、その場合、ＰＷＭサイクルの前半およびＰＷＭサイクルの後半は、異なる指令値を有し、ＰＷＭスイッチング周波数での脈動注入となる。厳密には、搬送波注入信号は、注入周波数がＰＷＭスイッチング周波数に近くなるにつれて、正弦波または一次元矩形波とは似なくなる。しかしながら、適切なサンプリングおよびフィルタ処理の技法は、スイッチング高調波を低減することに大いに役立ち、磁気アライメントシグネチャ抽出の同じ概念は、注入周波数がＰＭＷ周波数と同じである場合に対してさえ適用可能である。
【０１６４】
上記で説明し例示した本発明の実施形態は、搬送波応答を生じさせて、それから磁気アライメントシグネチャを測定することができる、交流電気機械の電流座標系に適用される脈動ベクトル注入（電流または電圧）を対象とする。しかしながら、さらなる実施形態は、搬送波応答を生成するために、回転ベクトル注入を利用することができることは、認識される。ここで、回転ベクトル注入は、回転電圧ベクトル注入または回転ベクトル電流注入である。
【０１６５】
回転高周波交流電圧ｖsqdcが交流電気機械の固定子巻線に注入されて一次励磁電圧の上に重畳される場合、回転鎖交磁束ベクトルλsqdcが機械に注入される。回転鎖交磁束ベクトルは、次式によって定められる円軌道を追跡するように（励磁電圧を適切に制御することによって）制御することができる。
【０１６６】
【数４２】
2018078789.tif 000044
【０１６７】
ここで、Λcはベクトル注入の大きさ、ωcは回転注入の周波数である。
【０１６８】
抵抗電圧降下が無視される、または補償されると仮定すると、回転磁束ベクトルλsqdcは、次式によって定められる回転ベクトル注入電圧によって実現することができる。
【０１６９】
【数４３】
2018078789.tif 000045
【０１７０】
これは、周波数ωcで回転する大きさＶcのベクトルとして表される。
【０１７１】
式（２８）および（２９）で信号注入器７２によって行われる動作、および適用される変数の例は、図２０のブロック図に示される。
【０１７２】
鎖交磁束励磁λsqdcは、円軌道を追跡するが、電流応答は円形からずれる。というのは、回転鎖交磁束は、回転子位置および負荷に応じて変化するモータのインダクタンスを受けるからである。典型的なＩＰＭ機では、高周波電流シグネチャｉsqdcは楕円形を形成する。この場合、電流の大きさは、鎖交磁束励磁が低インダクタンスｄ軸に揃うときに大きくなる。電流応答ｉsqdcの長軸を追跡することによって、回転子位置を追跡することができる。
【０１７３】
突極座標系インダクタンスＬmaxおよびＬmin、ならびに突極角度θσが与えられると、電流応答シグネチャは、次式にしたがって、注入電圧ｖsqdcから得られる。
【０１７４】
【数４４】
2018078789.tif 000046
【０１７５】
正のシーケンス成分Ｉpcは、励磁角度θcに対して固定した位相を有するが、負のシーケンス成分Ｉncの位相は、ｅj2θσとして突極角度情報を含む。正のシーケンス成分の大きさＩpcおよび負のシーケンス成分の大きさＩncを抽出することによって、インダクタンスおよびリラクタンスパラメータを計算することができる。また、高周波電流応答ｉsqdcから負のシーケンス成分のベクトル成分を抽出することによって、突極角度θσを計算することができる。突極座標系インダクタンス（Ｌmax、Ｌmin）およびリラクタンス（Ｒmax、Ｒmin）値は、突極角度θσおよび電流ベクトル角度θiを使って、電流座標系インダクタンス（Ｌiq、Ｌid、Ｌidq、Ｌidq）およびリラクタンス（Ｒiq、Ｒid、Ｒidq、Ｒidq）に変換することができる。
【０１７６】
回転高周波交流電流ｉsqdcが交流電気機械の固定子巻線に注入されて一次励磁電流の上に重畳される実施形態では、回転ベクトル注入電流は、次式によって定めることができる。
【０１７７】
【数４５】
2018078789.tif 000047
【０１７８】
これは、周波数ωcで回転する大きさＩcのベクトルとして表される。
【０１７９】
突極座標系インダクタンスＬmaxおよびＬmin、ならびに突極角度θσが与えられると、電圧応答シグネチャは、次式にしたがって、注入電流ｉsqdcから得られる。
【０１８０】
【数４６】
2018078789.tif 000048
【０１８１】
式（３２）の正のシーケンス成分の大きさＶpcおよび負のシーケンス成分の大きさＶncを抽出することによって、インダクタンスおよびリラクタンスパラメータを計算することができる。また、高周波電圧応答ｖsqdcから負のシーケンス成分のベクトル成分を抽出することによって、突極角度θσを計算することができる。突極座標系インダクタンス（Ｌmax、Ｌmin）およびリラクタンス（Ｒmax、Ｒmin）値は、突極角度θσおよび電流ベクトル角度θiを使って、電流座標系インダクタンス（Ｌiq、Ｌid、Ｌidq、Ｌｉdq）およびリラクタンス（Ｒiq、Ｒid、Ｒidq、Ｒidq）に変換することができる。
【０１８２】
このように、上記で分かるように、回転ベクトル注入（電圧または電流注入）の利点は、２Ｄインダクタンス（Ｌiq、Ｌid、Ｌidq、Ｌidq）および２Ｄリラクタンス（Ｒiq、Ｒid、Ｒidq、Ｒidq）のすべての４つの成分を抽出することができることである。
【０１８３】
本発明のさらなる実施形態は、楕円励磁スキームによって高周波信号注入を実行することができる。高電流高トルク作動に対しては特に、電流座標系ｑ軸シグネチャの高感度および広感度範囲がセンサレス制御のために有利であることが認められる。しかしながら、ｑ軸に沿う励磁レベルを最小化してトルク脈動を管理可能に保つこともまた望ましく、その結果、楕円励磁スキームが回転ベクトル注入に比べて望ましいであろう。
【０１８４】
電流座標系注入スキームを用いる実施形態では、ｑｉ軸変数を次式にしたがって縮小拡大して、電流座標系ｑ軸の励磁レベルを操作するために楕円励磁スキームを使用することができる。
【０１８５】
【数４７】
2018078789.tif 000049
【０１８６】
したがって、その結果得られる縮小拡大したインダクタンス行列は次式のように得られる。
【０１８７】
【数４８】
2018078789.tif 000050
【０１８８】
励磁座標系のｑ軸の縮小拡大比αと同様に励磁座標系を選ぶことによって、縮小拡大した変数の領域に回転ベクトル注入を適用して任意の楕円励磁を実現することができる。また、縮小拡大した磁気アライメントパラメータは、式（３０）および（３２）において上記したように、回転ベクトル注入と同じ技法を使って抽出することができる。縮小拡大されていない磁気アライメントパラメータは、縮小拡大されたパラメータから簡単に計算することができる。
【０１８９】
上記で詳細に述べたように、本発明の実施形態は、このように、高周波搬送波を注入し、磁気アライメントシグネチャを測定／解析するための特定の方法が用いられる、電気機械をセンサレス制御するためのシステムおよび方法が提供される。ここでは、交流電気機械の作動点に応じて、かつ機械の動的状態に応じて、位置推定の性能を改善および最大化するように、好ましい注入法および好ましい磁気アライメントシグネチャが選ばれる。図２１は、本発明の実施形態による、注入される注入法、および測定される磁気アライメントシグネチャをまとめた表を示す。この表はまた、典型的なＩＰＭ機に対する列挙したシグネチャの感度を示し、測定された磁気アライメントシグネチャ（電流座標系および突極座標系での）を、従来技術で実行された突極角度追跡および極性検出に対して比較している。
【０１９０】
一般に、図２１は、従来技術で使われている突極角度は、中から高トルクレベルまでの回転子位置に対する感度がないことを示している。一方、一緒に組み合わされた突極性座標系シグネチャは、高トルクレベルまでそこそこの感度を与えるが、ＬminおよびＬmaxそれぞれに対する感度の範囲はかなり限定的である。したがって、所望の作動範囲にわたって磁気アライメント感度を確立するために、ＬminとＬmaxの両方を組み合わせる、またはＬΣを抽出することが必要である。電流座標系シグネチャは、一般に、かなり良好な磁気アライメント感度を確立する。電流座標系シグネチャでは、相互インダクタンスまたは相互リラクタンスパラメータは、ゼロおよび低電流レベルの感度に対しては、理想的な磁気アライメントパラメータである。電流座標系ｄ軸（ｄｉ軸）インダクタンスおよびリラクタンスは、低から中トルク範囲で良好な感度を、かつ高トルクレベルでそこそこの感度を確立することができるが、電流座標系ｑ軸（ｑｉ軸）インダクタンスおよびリラクタンスは、高トルクレベルで強い感度を有する。したがって、電流座標系シグネチャを組み合わせて使用／測定することは、電気機械の全作動範囲にわたって良好な磁気アライメント感度を確立することができることが分かる。
【０１９１】
図２１の表に示すように、電流座標系での回転電流ベクトル注入、回転電圧ベクトル注入、または楕円励磁の形態とすることができる、高周波信号（電流または電圧）の回転ベクトル注入を用いると、すべての４つのインダクタンスパラメータ（Ｌiqd、Ｌidq、Ｌid、Ｌiq）、およびすべての４つのリラクタンスパラメータ（Ｒiqd、Ｒidq、Ｒid、Ｒiq）の形態の磁気アライメントシグネチャは、突極座標系最小インダクタンスＬmin、最大インダクタンスＬmax、および突極角度θσ、および平均インダクタンス値ＬΣなどの突極座標系パラメータとともに抽出することができる。回転ベクトル注入を利用して信号を注入するとき、電気機械ではトルク脈動が高くなる場合が認められるが、これらのパラメータの間で、強い磁気アライメント感度は、電気機械の全作動範囲にわたって確立することができる。楕円注入は、所望の磁気アライメント感度を保ちながら、トルクリップルをうまく処理する良い解決策を提供する。
【０１９２】
脈動高周波電流信号を注入する一形態では、信号は、ｄ軸注入、ｑ軸注入、ｄ軸／ｑ軸の切替注入、または調節角度注入のいずれかとして電流座標系で注入することできる。脈動電流座標系ｄ軸電流注入では、磁気アライメントシグネチャは、電流座標系相互インダクタンスＬiqd、および電流座標系ｄ軸インダクタンスＬidの形態で測定することができる。ここで、ｄ軸電流注入では、電気機械に低トルク脈動が生じる。これらの２つの磁気アライメントシグネチャの間では、中トルクレベルまでは良好な磁気アライメント感度、または高トルクレベルでそこそこの感度を確立することができる。脈動電流座標系ｑ軸電流注入では、磁気アライメントシグネチャは、電流座標系相互インダクタンスＬiqd、および電流座標系ｑ軸インダクタンスＬiqの形態で測定することができ、それぞれ、良好な信号強度および感度を有する。ここで、このｑ軸注入では、電気機械に高トルク脈動が生じる。両方の方法は、電流またはトルクレベルに応じて、ｄ軸／ｑ軸注入を切り替えることによって、または注入角度を調節することによって、混合することができる。混合手法では、シグネチャは、条件によって測定することができる、または互いに混合することができる。
【０１９３】
脈動高周波電圧信号を注入する一形態では、信号は、ｄ軸注入、ｑ軸注入、ｄ軸／ｑ軸の切替注入、または調節角度注入のいずれかとして電流座標系で注入することできる。脈動電流座標系ｄ軸電圧注入では、磁気アライメントシグネチャは、電流座標系相互リラクタンスＲiqd、および電流座標系ｄ軸リラクタンスＲidの形態で測定することができる。これらの２つの磁気アライメントシグネチャの間では、中トルクレベルまでは良好な磁気アライメント感度、または高トルクレベルでそこそこの感度を確立することができる。脈動電流座標系ｑ軸電流注入では、磁気アライメントシグネチャは、電流座標系相互リラクタンスＲiqd、および電流座標系ｑ軸リラクタンスＲiqの形態で測定することができ、それぞれ、良好な信号強度および感度を有する。ここで、このｑ軸注入では、電気機械に高トルク脈動が生じる。両方の方法は、電流またはトルクレベルに応じて、ｄ軸／ｑ軸注入を切り替えることによって、または注入角度を調節することによって、混合することができる。混合手法では、シグネチャは、条件によって測定することができる、または互いに混合することができる。調節注入角度の手法の１つの特別な例は、注入角度が、ＭＴＰＡ作動点でトルクリップルを最小限にするように調節される、ＭＴＰＡ点での最小トルクリップル手法である。
【０１９４】
脈動高周波信号（電流または電圧）を注入する別の形態では、信号は、最小インダクタンス軸（突極ｄ軸）追跡注入、または最大インダクタンス軸（突極ｑ軸）追跡注入として注入することができる。最小インダクタンス軸（突極ｄ軸）追跡注入では、突極座標系最小インダクタンスＬminおよび最大リラクタンスＲmaxは、突極角度θσとともに磁気アライメントシグネチャとして測定することができる。ここで、最小インダクタンス軸（突極ｄ軸）追跡注入では、低電流レベルで低トルク脈動が生じ、高電流レベルで高トルク脈動が生じる。最大インダクタンス軸（突極ｑ軸）追跡注入では、突極座標系最大インダクタンスＬmaxおよび最小リラクタンスＲminは、突極角度θσとともに磁気アライメントシグネチャとして測定することができる。ここで、最大インダクタンス軸（突極ｑ軸）追跡注入では、電気機械に高トルク脈動が生じる。
【０１９５】
脈動高周波信号を注入する別の方法は、回転ベクトル注入と脈動注入とを組み合わせた「混合注入」として図２１に示される。このような混合注入は、過渡状態または非常に高トルク状態での電気機械の作動中にｑ軸注入を増大するために用いることができる。ここでは、楕円注入が、脈動注入から回転注入へ滑らかに移行するための手段となる。混合電流注入では、電流座標系相互インダクタンスＬiqdおよびＬidq、ならびに電流座標系ｄ軸インダクタンスＬidは、常に測定することができ、一方、電流座標系ｑ軸インダクタンスＬiqは、条件によって測定することができる。混合電圧注入では、電流座標系相互リラクタンスＲiqdおよびＲidq、ならびに電流座標系ｄ軸リラクタンスＲidは、常に測定することができ、一方、電流座標系ｑ軸リラクタンスＲiqは、条件によって測定することができる。さらに、最小インダクタンスＬmin、最大インダクタンスＬmax、および平均インダクタンス値Ｌavgもまた条件によって測定することができる。
【０１９６】
このように、図２１の表で分かるように、高周波信号注入の選択された方法から生じる、本発明の実施形態にしたがって測定された磁気アライメントシグネチャによって、速度およびトルクの全作動範囲にわたって電気機械をセンサレス制御することができる。これは、磁気飽和、ならびに位置追跡および機械の制御の位相誤差の影響を受けやすく、電気機械の低速度、高トルク作動で適切にセンサレス制御をしない、突極性追跡に基づく制御方法を利用する従来技術のセンサレス制御技法と比較される。
【０１９７】
本発明の実施形態によれば、駆動システム６０、６２（図５Ａおよび６Ａ）は、本明細書で論じたように、事実上、いかなる乗り物に対しても、牽引または推進モータを駆動するための駆動システムとして使用することができる。本発明の実施形態の磁気アライメントシグネチャは、非常に高いトルクレベルまで強い感度を達成して、乗り物用途に対してセンサレス牽引駆動システムを十分可能にする。使用に適する乗り物は、限定するものではないが、オフハイウェイ車両（ＯＨＶ：ｏｆｆ−ｈｉｇｈｗａｙ  ｖｅｈｉｃｌｅ）、機関車、鉱山車両、電動鉄道車両、自動車、トラック、建設車両、農業車両、空港地上作業車両、フォークリフト、非戦術軍用車両、戦術軍用車両、ゴルフカート、オートバイ、モペット、全地形車両、船などを含む。例として、図２２は、牽引モータとして機能する交流電気機械（ＥＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｃｈｉｎｅ）１０４を組み入れた乗り物推進システムを有する電気乗り物１０２を示す。ここでは、牽引モータ１０４は、乗り物内１０２に含まれる１つまたは複数のエネルギー貯蔵装置１０６および電力変換装置１０８から電力を受け取る。牽引モータ１０４の出力は、乗り物牽引システム１０６に接続されて、牽引システム駆動軸１１０を車輪１１２に接続する差動装置１０８を駆動する。乗り物１０２内の駆動システム１１４は、乗り物１０２を推進するために、例えば、図５Ａおよび６Ａの駆動システム６０、６２に関して前述したセンサレス制御技法によって牽引モータ１０４を駆動する。
【０１９８】
本発明の技術的な貢献は、本発明が、交流電気機械のための位置の推定およびセンサレス制御のための技法を具現化した制御器を提供することである。本技法は、選ばれた高周波信号注入法から得られる磁気アライメントシグネチャを測定して、それを、交流電気機械が所望の磁気的な作動をするように、交流電気機械に与える一次励磁電流ベクトルの向きを制御するために用いる。
【０１９９】
したがって、本発明の一実施形態によれば、交流電気機械を駆動するための駆動システムは、交流電気機械を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与えるように構成される。駆動システムはまた、交流電気機械のその作動点での磁気アライメント情報に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて電流ベクトルに重畳される搬送波信号を交流電気機械に注入するように構成される。駆動システムはさらに、生じた搬送波応答信号から交流電気機械の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定して、測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、交流電気機械が所望の磁気的な作動をするように電流ベクトルの向きを制御するように構成される。
【０２００】
本発明の別の実施形態によれば、交流電気機械の位置センサレス制御のための方法は、交流電気機械を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を発生させるステップを含む。本方法はまた、高周波搬送波電圧または電流を電流ベクトルに重畳させて、交流電気機械の磁気アライメント情報に対する感度を有する、選択された搬送波応答電流または電圧をそれぞれ発生させるステップを含む。本方法はさらに、搬送波応答電流または電圧から交流電気機械の１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャを決定するステップと、交流電気機械に所望の磁気的な作動をさせるために、１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャに基づいて、交流電気機械を駆動する電流ベクトルの電流角度を制御するステップを含む。
【０２０１】
本発明のさらに別の実施形態によれば、突極性追跡センサレス制御に対して適切な感度を有しない交流電気機械で使用するための駆動システムが提供される。駆動システムは、交流電気機械を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する一次励磁電流ベクトルを発生させるように構成される。駆動システムはまた、一次励磁電流ベクトルに重畳される搬送波電圧および搬送波電流のうちの１つを含む搬送波信号を一次励磁電流ベクトルに注入するように構成される。駆動システムはさらに、注入された搬送波信号から生じた搬送波応答信号から得られる交流電気機械の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、かつ測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、交流電気機械が所望の磁気的な作動をするように一次励磁電流ベクトルの向きを制御するように構成される。
【０２０２】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
【０２０３】
最後に、代表的な実施形態を以下に示す。
［実施態様１］
交流電気機械（６４）を駆動するための駆動システム（６０、６２）であって、
前記交流電気機械（６４）を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与え、
前記交流電気機械（６４）のその作動点での磁気アライメント情報に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて前記電流ベクトルに重畳される搬送波信号を前記交流電気機械（６４）に注入し、
前記生じた搬送波応答信号から前記交流電気機械（６４）の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、
前記測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、前記交流電気機械（６４）が所望の磁気的な作動をするように前記電流ベクトルの向きを制御する
ように構成される駆動システム（６０、６２）。
［実施態様２］
前記搬送波信号の注入において、脈動電流注入および脈動電圧注入のうちの１つを含む前記搬送波信号の方向性脈動注入を電流基準座標系で実行するように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様３］
前記搬送波信号の注入において、
前記搬送波信号が前記電流ベクトルに対して接線方向に揃う電流座標系ｄ軸注入、
前記搬送波信号が前記電流ベクトルに揃う電流座標系ｑ軸注入、
可変注入角度で電流座標系注入、および
電流座標系ｄ軸とｑ軸の交互注入
のうちの１つまたは複数を実行するように構成される、実施態様２に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様４］
前記方向性脈動注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、
信号注入器が、電流座標系ｄ軸脈動電流注入を実行するとき、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、ならびに前記電流座標系ｄ軸インダクタンスと前記電流座標系相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、電流座標系ｑ軸脈動電流注入を実行するとき、電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、ならびに前記電流座標系ｄ軸インダクタンスと前記電流座標系相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、可変注入角度で電流座標系電流注入を実行するとき、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、および
前記信号注入器が、電流座標系ｄ軸とｑ軸の交互電流注入を実行するとき、電流座標系相互インダクタンス、条件によって測定されるまたは混合測定される電流座標系ｄ軸インダクタンスおよび電流座標系ｑ軸インダクタンス、ならびに前記電流座標系相互インダクタンスと、前記条件によって測定されるまたは混合測定される電流座標系ｄ軸インダクタンスおよび電流座標系ｑ軸インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ
を含む、実施態様３に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様５］
前記方向性脈動注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、
前記信号注入器が、電流座標系ｄ軸脈動電圧注入を実行するとき、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、および前記電流座標系ｄ軸リラクタンスと前記電流座標系相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、電流座標系ｑ軸脈動電圧注入を実行するとき、電流座標系ｑ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、および前記電流座標系ｑ軸リラクタンスと前記電流座標系相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、
前記信号注入器が、可変注入角度で電流座標系電圧注入を実行するとき、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、および前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ、および
前記信号注入器が、電流座標系ｄ軸とｑ軸の交互電圧注入を実行するとき、電流座標系相互リラクタンス、条件によって測定されるまたは混合される電流座標系ｄ軸リラクタンスおよび電流座標系ｑ軸リラクタンス、ならびに前記電流座標系相互リラクタンスと、前記条件によって測定されるまたは混合される電流座標系ｄ軸リラクタンスおよび電流座標系ｑ軸リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つ
を含む、実施態様３に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様６］
前記搬送波信号の注入において、前記交流電気機械（６４）のトルクリップルを低減する角度補償をして脈動高周波電圧信号または電流信号を注入するように構成され、
角度補償した前記脈動高周波電圧信号の前記注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、ならびに前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つを含み、
角度補償した前記脈動高周波電流信号の前記注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの１つを含む、実施態様２に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様７］
前記搬送波信号の注入において、前記磁気アライメントシグネチャの感度をカスタマイズするように、調節された電流座標系電流注入および調節された電流座標系電圧注入のうちの少なくとも１つを実行するように構成され、
前記調節された電流座標系電流注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも１つを含み、
前記調節された電流座標系電圧注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、ならびに前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも１つを含む、実施態様２に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様８］
突極座標系ｄ軸追跡注入である最小インダクタンス軸追跡注入、および突極座標系ｑ軸追跡注入である最大インダクタンス軸追跡注入のうちの少なくとも１つを含む突極性追跡注入を実行するように構成され、
前記突極性追跡注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、最大インダクタンスＬmaxおよび最小インダクタンスＬminのうちの１つまたは複数を含む、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様９］
前記搬送波信号の注入において、電流基準座標系での回転ベクトル電流注入、回転ベクトル電圧注入、および楕円励磁のうちの少なくとも１つを含む回転ベクトル注入を実行するように構成され、前記楕円励磁が、向きが固定された楕円注入、または回転する向きが前記交流電気機械（６４）の作動点、および所望の感度とトルクリップルのトレードオフに基づいて変わる楕円注入のうちの１つである、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１０］
前記回転ベクトル注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、最大インダクタンスＬmax、最小インダクタンスＬmin、平均インダクタンスＬΣまたは平均リラクタンスＲΣを含む合成シグネチャ、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系ｑ軸リラクタンス、および電流座標系相互リラクタンスのうちの少なくとも１つ、またはそれらの合成を含み、
前記回転ベクトル注入から突極角度を抽出するとともに前記最大インダクタンスＬmaxおよび前記最小インダクタンスＬminを測定することによって、前記ｄ軸インダクタンスおよびリラクタンス、ｑ軸インダクタンスおよびリラクタンス、ならびに相互インダクタンスおよびリラクタンスを前記交流電気機械（６４）の所望の基準座標系に変換することができる、実施態様９に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１１］
前記搬送波信号の注入において、電流基準座標系での前記搬送波信号の方向性脈動注入、および回転ベクトル注入の両方を含む混合注入を実行するように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１２］
前記混合注入に対して、前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、ならびに条件によって測定されるまたは混合される電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系ｑ軸リラクタンス、最大インダクタンスＬmax、最小インダクタンスＬmin、および平均インダクタンスＬΣのうちの１つまたは複数のうちの少なくとも１つ、またはそれらの合成を含む、実施態様１１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１３］
前記搬送波応答信号を、搬送波変調周波数を除去するように前記搬送波信号よりも低い周波数信号に変換し、
前記変換された搬送波応答信号をローパスフィルタ処理して、前記搬送波応答信号のベクトル成分を決定し、かつ
前記搬送波応答信号の前記ベクトル成分から前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを抽出する
ように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１４］
前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャの各磁気アライメントシグネチャそれぞれに対して、
前記交流電気機械（６４）の複数の所望の作動点に対して順方向マッピング操作を実行して、前記磁気アライメントシグネチャに対する所望の磁気アライメントシグネチャ値および所望のシグネチャ誤差ゲインを決定し、
前記磁気アライメントシグネチャ、前記所望の磁気アライメントシグネチャ値、および前記所望のシグネチャ誤差ゲインに基づいて磁気アライメント誤差を推定する
ように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１５］
前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャの各磁気アライメントシグネチャそれぞれに対して、
前記交流電気機械（６４）の所望の作動点において、前記磁気アライメントシグネチャに対して逆方向マッピング操作を実行して、推定された磁気アライメント信号を生成し、
前記推定された磁気アライメント信号に基づいて、かつ前記交流電気機械（６４）の前記所望の作動点の電流角度に基づいて磁気アライメント誤差を推定する
ように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１６］
前記少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャが、複数の磁気アライメントシグネチャを含むとき、
前記複数の磁気アライメントシグネチャのそれぞれに対して磁気アライメント誤差を推定し、
前記電流ベクトルの前記向きを制御するための第１の磁気アライメントシグネチャの使用から、前記電流ベクトルの前記向きを制御するための第２の磁気アライメントシグネチャの使用に切り替えるとき、磁気アライメントシグネチャの切替中の過渡応答を低減する穏やかな混合操作を実行するように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１７］
前記搬送波信号を注入するための好ましい注入方法を決定して、前記少なくとも１つの磁気シグネチャのうちの１つまたは複数の特定の磁気アライメントシグネチャを選択して、前記交流電気機械（６４）の前記作動点および前記交流電気機械（６４）の動的状態のうちの１つまたは複数に基づいて、前記電流の前記向きを制御するように構成される、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１８］
前記磁気アライメント情報が、前記交流電気機械（６４）のトルク、固定子磁束に関する前記電流ベクトルの前記角度、回転子磁束に関する前記電流ベクトルの前記角度、および回転子極軸に関する前記電流ベクトルの前記角度のうちの少なくとも１つを含む、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様１９］
前記交流電気機械（６４）が、埋込型永久磁石（ＩＰＭ）機、永久磁石（ＰＭ）補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、および誘導機のうちの１つを含む、実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様２０］
実施態様１に記載の駆動システム（６０、６２）を内部に含む乗り物（１０２）であって、前記交流電気機械（６４）が、前記駆動システム（６０、６２、１１４）によって駆動される牽引モータ（１０４）を含む、乗り物（１０２）。
［実施態様２１］
交流電気機械（６４）を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を発生させるステップと、
高周波搬送波電圧または電流を前記電流ベクトルに重畳させて、前記交流電気機械（６４）の磁気アライメント情報に対する感度を有する、選択された搬送波応答電流または電圧をそれぞれ発生させるステップと、
前記搬送波応答電流または電圧から前記交流電気機械（６４）の１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャを決定するステップと、
前記交流電気機械（６４）に所望の磁気的な作動をさせるために、前記１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャに基づいて、前記交流電気機械（６４）を駆動する前記電流ベクトルの前記電流角度を制御するステップと
を含む、前記交流電気機械（６４）の位置センサレス制御のための方法。
［実施態様２２］
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、前記高周波搬送波電圧または電流を、ｄ軸注入、ｑ軸注入、可変注入角度、調節角度注入、およびｄ軸とｑ軸の交互注入のうちの１つまたは複数にしたがって、前記交流電気機械（６４）の電流基準座標系に注入するステップを含む、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２３］
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、回転ベクトル注入を実行するステップを含み、前記回転ベクトル注入が、電流基準座標系での回転電圧ベクトル、回転電流ベクトル、および楕円注入のうちの１つまたは複数を含み、前記楕円注入が、向きが固定された楕円注入、および向きが回転する楕円注入のうちの１つを含む、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２４］
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、突極座標系ｄ軸追跡注入である最小インダクタンス軸追跡注入、および突極座標系ｑ軸追跡注入である最大インダクタンス軸追跡注入のうちの１つにしたがって突極性追跡注入を実行するステップを含む、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２５］
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、電流基準座標系での前記高周波搬送波電圧または電流の脈動注入、および前記高周波搬送波電圧または電流の回転ベクトル注入の両方を含む混合注入を実行するステップを含む、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２６］
前記１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャが、突極角度以外のシグネチャを含み、前記１つまたは複数の磁気アライメントシグネチャが、電流座標系ｄ軸インダクタンス、電流座標系ｑ軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系ｄ軸リラクタンス、電流座標系ｑ軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、最大インダクタンスＬmax、最小インダクタンスＬmin、平均インダクタンスＬΣ、ならびに２つのｄ軸、ｑ軸または相互インダクタンスまたはリラクタンスの合成のうちの少なくとも１つを含む、実施態様２１に記載の方法。
［実施態様２７］
突極性追跡センサレス制御に対して適切な感度を有しない交流電気機械（６４）で使用するための駆動システム（６０、６２）であって、
前記交流電気機械（６４）を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する一次励磁電流ベクトルを発生させ、
前記一次励磁電流ベクトルに重畳される搬送波電圧および搬送波電流のうちの１つを含む搬送波信号を前記一次励磁電流ベクトルに注入し、
前記注入された搬送波信号から生じた搬送波応答信号から得られる前記交流電気機械（６４）の少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを測定し、かつ
前記測定された少なくとも１つの磁気アライメントシグネチャを用いて、前記交流電気機械（６４）が所望の磁気的な作動をするように前記一次励磁電流ベクトルの向きを制御する
ように構成される駆動システム（６０、６２）。
［実施態様２８］
前記搬送波応答信号が、前記一次励磁電流ベクトルの電流角度、前記一次励磁電流ベクトルと前記交流電気機械（６４）の回転子角度との間の角度、ならびに前記交流電気機械（６４）のトルクのうちの少なくとも１つを含む前記交流電気機械（６４）の磁気アライメント情報に対する感度を有する、実施態様２７に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様２９］
前記注入される搬送波信号が、
電流座標系ｄ軸、電流座標系ｑ軸、前記電流座標系での可変角度、前記電流座標系での調節角度、および／または交互になるような前記電流座標系ｄ軸とｑ軸、ならびに／あるいは
脈動電圧ベクトルまたは脈動電流ベクトルの追跡の突極座標系最小インダクタンス軸、および／または突極座標系最大インダクタンス軸
のうちの１つまたは複数に注入される前記脈動電圧ベクトルまたは脈動電流ベクトルを含む、実施態様２７に記載の駆動システム（６０、６２）。
［実施態様３０］
前記注入される搬送波信号が、回転電圧ベクトル、回転電流ベクトル、および／または楕円励磁を含み、前記楕円注入が、向きが固定された楕円励磁、および／または向きが回転する楕円励磁である、実施態様２７の駆動システム（６０、６２）。
【符号の説明】
【０２０４】
３０  交流電気機械
３２  固定子巻線
３４  静止基準座標系横軸（ｑS軸）
３６  静止基準座標系直軸（ｄS軸）
３８  回転子基準座標系直軸（ｄr軸）
４０  回転子基準座標系横軸（ｑr軸）
４２  電気回転子角度位置θr
４３  回転子磁束ベクトルλr
４４  作動点電流指令ベクトル
６０  駆動システム
６２  駆動システム
６４  交流電気機械
６６  電力変換装置、電圧源駆動装置
６７  制御システム
６８  磁束制御器
７０  電流制御器
７２  信号注入器
７４  加算器
７６  加算器
７８  シグネチャ抽出器、信号抽出器
８０  磁気アライメント誤差推定器
８２  位置オブザーバ
８６  高周波信号
８８  脈動ベクトル
８９  ＭＴＰＡ作動点
９０  脈動ベクトル
９２  脈動ベクトル
９４  補償角度
９６  マッピング
９８  位置誤差推定器
１００  シグネチャ選択器／誤差混合器
１０２  乗り物
１０４  牽引モータ
１０６  エネルギー貯蔵装置、乗り物牽引システム
１０８  電力変換装置、差動装置
１１０  牽引システム駆動軸
１１２  車輪
１１４  駆動システム
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【外国語明細書】
2018078789000001.pdf