(57)【要約】  【課題】  【解決手段】本発明は、制御手段（１０６）を用いて永久磁石式電気モータ（１０２）の出力電力を制御する方法を提供する。前記制御手段（１０６）は、モータ速度（１３４）及びモータの相電流（１３４）を測定する手段（１３４）と、モータの相電流を所望のレベルに制御する手段（１１０）とを具える。トルク制御部が、モータの相電流とモータのトルクの関係を用いて、モータシャフトトルクを制御する。パワーリミッタ手段（１２８）が、電力限界値を前記モータ速度で割ることにより、前記モータの機械的な出力電力を制限し、その速度において最大得られるトルクセッティングとする。【選択図】図６
2007526734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式電気モータの出力を制御する方法において、当該方法が：
（ａ）モータの出力限界値を設定するステップと；
（ｂ）前記電気モータの速度値を検出するステップと；
（ｃ）得られた前記速度値及び前記出力限界値を処理してトルク目標値を提供するステップと；
（ｄ）前記トルク目標値を処理して、前記電気モータに供給される電流を調節する制御信号を供給し、これにより前記電気モータの出力トルクを前記トルク目標値に近づくように変化させるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記出力限界値が、出力の限界を示す値に設定されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記出力の限界が、前記電気モータの出力の限界であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の方法において、前記出力限界値が、前記の速度検出値を予め定められたトルク目標値にマッピングする処理機能を用いて決定された値であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記速度検出値から前記トルク目標値へのマッピングは、連続的な速度値と前記出力限界値のマッピングを規定する関係式を用いて達成されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載の方法において、前記トルク目標値が、以下の式により算出され：
2007526734.tif 000005
この等式において、
τ＝求められる出力トルクの目標値；
Ｐ＝モータの出力限界値；
ω＝速度検出値
であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載の方法において、前記限界値が、前記電気モータ及び前記モータに設けられるドライブシステム内のロスに関係して決まることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の方法において、前記電流が、少なくとも一のバッテリで供給されるとともに、前記出力限界値が、少なくとも一の前記バッテリの出力容量に関係して決まることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１乃至８に記載の方法において、前記電気モータに供給される電力が、前記モータの効率の情報を考慮して前記モータの出力制御により制御されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９に記載の方法において、前記出力トルクが、前記トルク目標値に近づくように変化されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１乃至９に記載の方法において、前記出力トルクが、前記トルク目標値を含む予め定められた範囲内で変化されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１に記載の方法において、前記制御信号が、電流を前記電気モータに供給する電力制御部の切替パターンを調整するよう調節されたデューティサイクルを有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
永久磁石式電気モータの出力を制御する制御システムにおいて、当該制御システムが：
（ａ）１．出力限界値を設定し；
２．前記電気モータの速度値を検出し；
３．前記速度検出値及び前記出力限界値を処理してトルク目標値を供給するリミッタ手段と：
（ｂ）前記トルク目標値信号を処理して、前記電気モータに供給する電流を調節する制御信号を供給し、前記電気モータの出力トルクが前記トルク目標値に近づくように変化させる制御手段とを具えることを特徴とする制御システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の制御システムにおいて、当該制御システム及び前記電気モータが、電気駆動あるいは牽引システムの一部を構成することを特徴とする制御システム。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の制御システムが、前記モータに供給する電流を制御する電力制御部を具えることを特徴とする制御システム。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５に記載の制御システムにおいて、前記電流が、少なくとも一のバッテリで供給されることを特徴とする制御システム。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６に記載の制御システムにおいて、前記制御手段が、トルク制御部及び電流制御部を具え、当該トルク制御部が、前記トルク目標値信号及び任意のスロットル信号を受けて出力電流制御信号を前記電流制御部に供給し、前記電流制御部が、前記モータに供給される前記電力から相電流フィードバック信号を受け、前記制御信号を出力することを特徴とする制御システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の制御システムがさらに、入力容量算出部が、前記モータに供給する電源から供給される電力を示す信号を供給し、前記入力容量算出部が、前記電源から供給可能な電力を示す信号を入力算出部に供給し、前記入力算出部が、前記リミッタに入力される前記モータの電力消耗を示す出力信号を供給することを特徴とするシステム。
【請求項１９】
車両用の電気牽引システムの永久磁石式電気モータの出力を制御すべくプログラミングされたコンピュータにおいて、当該プログラミングされたコンピュータは：
（ａ）処理手段と；
（ｂ）実行可能命令を蓄積する記憶装置とを備え、当該実行可能命令が前記処理手段により実行可能であり、前記処理手段に：
１．前記モータの出力限界値を設定するステップと；
２．前記電気モータの速度値を検出するステップと；
３．前記速度検出値及び出力限界値を処理してトルク目標値を提供するステップと；
４．前記トルク目標値を処理して前記電気モータに供給される電流を調節する制御信号を提供し、前記電気モータの出力トルクを前記トルク目標値に近づくように変化させるステップとを実行させることを特徴とするプログラミングされたコンピュータ。
【請求項２０】
永久磁石式電気モータの出力の制御方法であって、添付の図面を参照して本明細書内に開示した方法。
【請求項２１】
永久磁石式電気モータの出力を制御するシステムであって、添付の図面を参照して本明細書内に開示したシステム。
【請求項２２】
請求項１９に記載された永久磁石式電気モータの出力を制御するようにプログラミングされたコンピュータであって、添付の図面を参照して本明細書内に開示したコンピュータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式電気モータの制御方法及び装置に関する。一般的な応用例では、この方法及び装置は、バイク、自動車、ボート等といったバッテリ駆動電気式乗物用の永久磁石式電気モータを制御するのに用いられている。
【背景技術】
【０００２】
電気モータは、様々に応用されている。そのような応用例の一つには、電気自動車の電気牽引システムが含まれる。
【０００３】
一般的には、電気牽引を使用する電気自動車では、電力が、（バッテリのような）適切な電源からモータ駆動回路を介して、電気モータに供給される。通常、電気モータに供給された電力は、モータ駆動回路に設けられた制御システムにより（例えば、電気モータに供給される実効電圧を増減することにより）調整され、電気モータの出力が調整される。
【０００４】
一般に、電気自動車牽引の実用例に利用されている電気モータの多くは、ブラシ付ＤＣ型モータである。この型のモータは、比較的簡単な制御システムを使用して制御可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような制御システムシステムの一つは、（簡単な「ｏｎ‐ｏｆｆ 」切り替えのような）バイナリ制御機構を用いている。このタイプの制御システムは、電力を電気モータに供給するまたは供給しないために、オペレータ（通常、自動車の運転手）により切り換えられる。理解できるように、「電源ＯＮ又ＯＦＦ」のみを提供するこのような制御システムでは制御性に限界があり、従って実用性に限界がある。バイナリ制御機構を使用する制御システムにより制御性が制限されることで、電気モータの損傷を引き起こす状態が生じてしまう。例えば、（自動車が急な勾配の登り坂に遭遇した場合のような）モータシャフトがストールした状態では、電気モータ内に過度な電流が流れ、損傷に至る場合がある。
【０００６】
通常、上述したタイプの簡単な「ｏｎ‐ｏｆｆ」型モータ制御を使用する制御システムは、所定の内部抵抗容量（通常は電気モータの大きな寄生抵抗）を有する極めて小さく損失の多い電気モータを使用し、損傷を引き起こす電流を制限する。しかしながら、このような電気モータは、通常時の出力や効率が極端に制限される。それゆえ、これらの電気モータは実用性が制限されている。実際、電気モータの動作中に寄生抵抗により発生する熱のため、電気モータは、大きなモータを駆動する実用例には向かない場合がある。
【０００７】
簡単な「ｏｎ‐ｏｆｆ」切り替え型制御システムは、オペレータが、（スイッチ位置が「ｏｆｆ」の場合のような）電気モータからの出力をゼロ、または（スイッチ位置が「ｏｎ」の場合のような）一定ではない出力を選択可能であり、実際の出力は、電力を供給する電圧、モータ負荷、及びモータ速度といった任意の条件によって決まる。したがってこのような簡単な制御システムでは、出力のレベルを完全に制御することは不可能であり、通常、電気モータの出力速度が、負荷に応じて広い範囲で変動する。
【０００８】
制御回路の他の例では、前記ｏｎ‐ｏｆｆ切り替えが、オペレータが制御可能な抵抗分圧器（または切り替え可能な直列抵抗バンク）に置き換えられ、加減抵抗が電気モータと直列に追加されている。この場合、加減抵抗による電圧降下により電気モータの巻線を流れる電流が変化し、モータにかかる電圧を効果的に違う値にすることにより、ある程度の制御が可能となる。このような制御システムは簡単なｏｎ‐ｏｆｆ切り替え型制御より制御性が改善されたとはいえ、分圧器（または抵抗）内の電力損失により、このタイプの制御システムは若干、非効率的なものになる。さらに、電気モータと電源との間の可変抵抗を追加しない限り、出力制御のレベルは、実質的に抵抗に関連せず、電源の電圧、モータ速度及び負荷といった他の要因に依存する。したがって、特定のセッティングにより供給される出力は、他の要因の変化により変わる傾向がある。
【０００９】
近年の電気モータの電流制御の回路は通常、可変抵抗を使わずに電源から電気モータに流れる電流を調整することができる（トランジスタのような）電子切替装置を使用する。直流（ＤＣ）電源を使用する電子切替装置を用いた制御回路の一例として、「チョッパ」制御回路がある。
【００１０】
チョッパ型の制御システムは、決まった周波数で、また「接続」時間と「非接続」時間との間の調整可能な比（すなわちデューティサイクル）で、電源を電気モータへ素早く接続し切断することにより、電気モータの端子に供給される電圧を変化させる。
【００１１】
チョッパ制御部のデューティサイクルは、通常、電気モータを具える車両のオペレータにより操作されるアクセルの位置に対応する。このように、モータ駆動回路は、電気モータに供給される電圧をデューティサイクルにより増減させ、電気モータの出力動作をアクセルの位置に対応させる。理解できるように、「チョッパ」型の制御システムは単に、ある期間の一定の比率で、電源の電圧を電気モータの端子に供給し、その期間の残った間は電気モータの端子間を接続する。
【００１２】
そのような「チョッパ」制御部によるデューティサイクルの直接的な調節により、電気モータの出力における相関的な増減レベルを直観的に制御できる一方、モータ速度や電源から供給される電圧といった他の変化要因の影響のため、完全な制御を行うのは困難である。実際、永久磁石または分巻ＤＣモータの端子に一定の電圧を加える応用例では、負荷のない状態で与えられた電圧に比例する速度で電気モータが回転するため、「チョッパ」型制御はモータの速度制御を完全には行うことができない。電気モータに負荷かかかるため、速度と電圧の関係は、電気モータの様々な特性により複雑に変化する。この関係を変化させると、特定の制御セッティングにおけるモータ速度が変化する。
【００１３】
一例として、図１に、電気モータとチョッパの組合せにより得られる電力／速度曲線のセットが、異なるデューティサイクルセッティング（セッティング１〜５）で示されている。ここで、「セッティング１」は、電気モータのデューティサイクルが最小であり、最小の設定に対応して、ピークが僅か５０ワットである電力／速度曲線が示されている。これに対し、「セッティング５」は最大の設定であり、ピークが約１５０ワットの出力電力となっている。
【００１４】
図１に示すように、各セッティングにおいて、電気モータの出力は、速度とともに変化し、特定のセッティングにおいて、総ての速度で単一の出力とならない。代わりに、電力／速度曲線は、出力電力を制御するのではなく、デューティサイクルを調節するとこれに「比例」し、前述したような直観的な出力の増減を提供する。
【００１５】
「チョッパ」型制御では、固定された電圧源から電気モータへの電圧レベルを制御することができるが、電気モータの負荷の変化により、アクセルの位置とは無関係に、車両に動力を供給する牽引モータの出力が変化する。したがってチョッパ型制御システムでは、オペレータが、電気モータのモータ速度、トルク、及び絶対出力の値を制御することができない。代わりに、このタイプの制御システムは、負荷に依存した相関的な仕方でこれらの値を直観的に増減することができる。
【００１６】
さらに、「チョッパ」型制御は、電気モータの速度を減少させてしまう高負荷時（例えば、山を登る場合）に、電子切替装置内の電流を危険な高いレベルにしてしまう可能性がある。この課題を解決する試みには、電源と電気モータとの間の電流路内に１つの電流センサを設け、過電流状態を検出した場合（電流レベルが閾値を越えた場合）に制御部をシャットダウンすることがある。しかしながら、この技術は希に、異なる条件において電気モータの不測の動作が生じ、電気モータをシャットダウンさせる可能性がある。
【００１７】
本発明の目的は、車両の電気牽引システムの実用例である永久磁石式電気モータの出力を制御する比較的簡単な方法及び装置を提供することである。
【００１８】
上述した本発明の背景の説明には、本発明の内容の説明が含まれている。これは、ここで参照した要素はいずれも、本発明の最先の優先日の時点でオーストラリアまたは他の国で公開され、知られ、あるいは一般知識の一部をなすと把握されるのを容認するものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の態様は永久磁石式電気モータの出力の制御方法を提供するものであり、前記方法は：
（ａ）電気モータの出力の限界を示すモータの出力限界値を設定するステップと；
（ｂ）前記電気モータの速度値を検出するステップと；
（ｃ）得られた前記速度値及び前記出力限界値を処理してトルク目標値を供給するステップと；
（ｄ）前記トルク目標値を処理して、前記電気モータに供給される電流を調節する制御信号を供給し、これにより電気モータの出力トルクを前記トルク目標値に近づくように変化させるステップとを含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の態様は永久磁石式電気モータの出力を制御する制御システムを提供するものであり、当該制御システムは：
（ａ）１．出力限界値を設定し；
２．前記電気モータの速度値を検出し；
３．前記速度検出値及び出力限界値を処理してトルク目標値を供給するリミッタ手段と：
（ｂ）前記トルク目標値を処理して、前記電気モータに供給する電流を調節する制御信号を供給し、電気モータの出力トルクが前記トルク目標値に近づくように変化させる制御手段とを具えることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第３の態様は車両用の電気牽引システムの永久磁石式電気モータの出力を制御すべくプログラミングされたコンピュータを提供するものであり、当該プログラミングされたコンピュータは：
（ａ）処理手段と；
（ｂ）実行可能命令を蓄積する記憶装置とを備え、当該実行可能命令が前記処理手段により実行可能であり、前記処理手段に：
１．前記モータの出力限界値を設定するステップと；
２．前記電気モータの速度値を検出するステップと；
３．前記速度検出値及び出力限界値を処理してトルク目標値を提供するステップと；
４．前記トルク目標値を処理して前記電気モータに供給される電流を調節する制御信号を提供し、前記電気モータの出力トルクを前記トルク目標値に近づくように変化させるステップとを実行させることを特徴とするプログラミングされたコンピュータ。
【００２２】
この明細書全体を通して、記載されている「電気モータの出力」の語は、電気モータの機械的な出力電力を指していると理解されるべきである。
【００２３】
本発明の利点は、電気モータの出力を制御して、連続した速度値の総てにおいて、ほぼ一定の出力値を維持できることである。
【００２４】
この電気モータは、様々な適切な種類の永久磁石式モータであってよい。本発明の好適な形態において、電気モータは、三相巻線を有するブラシレス電気モータである。
【００２５】
本発明の好適な形態において、前記出力限界値は、出力の限界を示す値に設定される。好ましくは、出力の限界は、電気モータの出力の限界である。
【００２６】
本発明のさらなる好適な形態において、前記出力限界値は、前記速度検出値を予め定められたトルク目標値にマッピングする処理機能を用いて決定された値である。
【００２７】
本発明の好適な形態においてさらに、前記速度検出値から前記トルク目標値へのマッピングは、連続的な速度値と出力限界値のマッピングを規定する関係式を用いて達成される。
【００２８】
本発明のさらに好適な形態において、前記トルク目標値は以下の式により算出される。
2007526734.tif 000003
この等式において、
τ＝ニュートン‐メートルで求められる出力トルクの目標値（Ｎｍ）
Ｐ＝ワットで求められるモータの出力限界値（Ｗ）
ω＝速度検出値（ラジアン／秒）
【００２９】
実施例では、この方法は制御システムにより実施される。一実施例では、前記制御システム及び電気モータは、バッテリ駆動式のバイク、スクーター、車、ボート等の電気で動く乗り物を駆動するのに用いられる電気牽引システムの一部として構成される。別の実施例では、前記制御システム及び電気モータは、電動機械、（電気ドリルなどの）電動工具、電動ウィンチ等のための、電動システムの一部として構成されている。
【００３０】
電気牽引あるいは駆動システムはまた、制御システムの制御下で電気モータに供給される電流を制御するための電力制御部を備えることが望ましい。一実施例では、この電気牽引システムあるいは駆動システムは、電力を電気モータに供給する電源に接続される。本発明の実施例では、電力はバッテリである。本説明の目的として、制御システムと電力制御部の組合せを「モータ駆動システム」として記載する。
【００３１】
本発明を幅広くタイプの異なる実用例に適用することが可能であるが、本発明は特に、電気自転車、電気車椅子、機械的スクーターやキックボードといったハイブリッド電気車両はもちろん、ゴルフカート、資材を取り扱う特殊車両（フォークリフトなど）または電気小型トラックといった小型電気車両の電気牽引システムにも好適であると考えられる。
【００３２】
本発明の特別の利点は、電気モータの出力を直接制御できることである。このような直接的な制御は他の利点を生じ、これらについては後に詳細に説明する。
【００３３】
実施例では、出力限界値は、得られた速度値を特定のトルク目標値にマッピングする処理機能を用いて得られる値である。ある実施形態では、得られた速度値をトルク目標値にマッピングすることは、連続的な速度値と各出力限界値のマッピングを規定する関係式を用いて導かれる。ある実施例では、この関係は結果的に、式により計算されたトルク目標値より小さい値のトルク目標値となる。
【００３４】
別の実施例では、出力限界値は、出力の限界を示す出力値（例えば、電気モータの出力限界値）である。したがってこの場合、出力限界値は、出力の限界を示す予め決められた最大値である。
【００３５】
バッテリを電源として使用する実施例では、予め分かっている電気モータの効率及び制御システムの効率により、事前にバッテリの消耗を判断できる。したがって本発明の一実施例では、出力限界値を得るステップには、電気モータとモータ駆動システムのロスを示す値を算出して、出力限界値を得るステップが含まれる。
【００３６】
電気モータのロスとモータ駆動システムのロスを示す値を算出し、このタイプの出力限界値を得る制御システムは、センサを付加することなくバッテリの消耗を判断できるため、特に有益である。この点において、この実施例は、出力がほぼ一定値に制限された燃料電池タイプの電源に最適であると考えられる。
【００３７】
本発明の形態のさらなる利点には、電源から供給される電力（すなわち、入力電力）を管理できる点である。実際、電源に１以上のバッテリを備える実施例では、出力限界値は、得られる入力電力に対し所定の関係にある。したがって一実施例では、出力限界値は、１以上のバッテリの出力容量に基づき計算された値である。この実施例では、バッテリの消耗を制限するために、バッテリの出力制限が用いられている。
【００３８】
有利なことに、電源としてバッテリを備える実施例では、バッテリから供給される電力を管理する方法で入力電力を管理することにより、バッテリの異常放電の可能性を最小限にし、バッテリの充電レベルが低いときに放電速度を遅らせて安全かつ完全な放電を可能とし、バッテリの再生量を安全に制御することができ、モータの速度に関わらず電気モータの出力に関する法規定に従うことができ、さらなる利益が提供される。
【００３９】
このように、本発明の実施例ではまた、電気モータに供給される入力及びモータ駆動システムを制御することができる。ある実施例において、これは、電気モータの出力制御と予め分かっている電気モータの効率及びモータ駆動システムの効率とを組合せることにより実現される。電気モータ及びモータ駆動システムの効率値を測定することにより、電気モータの効率及びモータ駆動システムの効率を得ることが好適である。
【００４０】
一実施例では、効率値は、制御システム上の、あるいは当該システムにアクセス可能な、デジタルメモリに格納される。好ましくは、これらの値は、各出力値に対するおおよその入力値を導くために用いられる。
【００４１】
別の実施例では、複数の効率値（各効率値はそれぞれの出力に対応する）を保存して、出力及び速度の全範囲を利用するようにしてもよい。有利なことに、これにより、補間により改善された精度で入力電力を決定することができる。代替的に、効率対速度の曲線表示を一次方程式で近似し、代わりに記録、参照してもよい。
【００４２】
好ましくは、入力と出力の相関がおおよそ分かる場合、電気モータの出力を制御することにより、入力（すなわち、入力電力）がある程度制御可能であることである。
【００４３】
有利なことに、入力電力を制御する能力は、広範囲な実用例に有用である。たとえば、電気自動車に、バッテリの放電の「安全な最大」レベルを適用することができ、これは、バッテリの充電状態に依存してもよい。これにより、放電時間とともにバッテリの寿命を延長することができる。同じ手段を、燃料電池の過充電を確実に防止する必要のある燃料電池自動車に適用することができ、最適な割合で連続的に燃料電池を放電することにより、自動車の速度変化に拘わらず燃料電池を効果的に使用することができる。さらに、動力ツールといった電気式モータ器具は、最大安全限度でのみ得られるピーク出力に頼る必要がなく、その速度帯のすべてにおいて一相電源の最大安全限度内で動作することができ、より費用の高い三相電源に依存する必要性を減らすことができる。
【００４４】
速度検出値は、電気モータの出力シャフトの回転速度値であることが好適である。一実施例では、速度検出値は、電気モータの出力シャフト（あるいはロータ）の位置を示す信号を処理することにより導き出される。しかしながら、本発明はそのように限定する必要がない点において高く評価できる。実際、本発明の別の形態では、速度検出値は、電気モータの出力シャフトに（直接的または間接的に）機械的に連結された部材の回転あるいは線速度である。一例として、このような部材にはギアやホイールが含まれる。
【００４５】
速度検出値及び出力限界値からトルク目標値を得る処理は、適切な処理手順を用いて達成される。好ましくは、トルク目標値は、出力の限界値とほぼ等しい、またはその範囲内の出力を生み出す出力トルクの値である。好適な実施例では、トルク目標値は、以下の等式により算出できる。
2007526734.tif 000004
この等式において、
τ＝ニュートンメートルで求められる出力トルクの目標値（Ｎｍ）
Ｐ＝ワットで求められるモータの出力限界値（Ｗ）
ω＝速度検出値（ラジアン／秒）
【００４６】
当業者は、上記の等式では、速度値が０のときに無限大の出力トルクが求められ、速度値が僅かに０を上回るときに非常に大きなトルクの値が求められる点を評価するであろう。しかしながら、大きな出力トルクの値は、大きな相電流の値を必要とする。このような大きな電流は、実際に、電気モータやモータ駆動システムの破損に繋がる。さらに、無限大の出力トルクの値は、物理的に不可能である。実施例では、低速時にはトルク限界値がトルク目標値に置き換えられる。好ましくは、このトルク限界値は、制御システムが安全に処理できる「連続的な最大トルク」値を規定する。
【００４７】
実施例において、トルク限界値は、連続的な速度値で「連続最大トルク」の値まで延び、トルク目標値は（上記等式で説明したように）ほぼ同じであり、その結果、トルク及び電源供給開始の制御が回復する。ここで、「制御が標準的」とは、上記の等式により定まる種類の出力制御を参照するものと理解される。
【００４８】
本説明のために、トルク限界値とトルク目標値（上記等式により説明されるトルク）とがほぼ等しいときの速度検出値は、出力制御が安全に行われる場合の最小速度と考えられる。
【００４９】
制御信号を提供するステップは、電流を電気モータに供給する電流制御部の切替パターンを調整するデューティサイクルを有する制御信号を提供するステップを含むことが好適である。一実施例では、制御信号を提供するステップは、トルク目標値から導き出される値を有する電流基準値を処理するステップと、この電流基準値を処理して制御信号を提供するステップを具える。従って、一実施例では、電流基準値は電流制御部により処理され、これにより制御信号が供給される。
【００５０】
一実施例では、制御信号のデューティサイクルが電流制御部の切替パターンを制御して電気モータの相電流を制御し、その結果、電気モータにより生成される出力トルクが制御され、これにより、トルク目標値に従い電気モータの出力トルクが補正される。
【００５１】
本発明の一形態では、電気モータのシャフト回転時、相電流の大きさが正弦波の特性を有するように制御される。好ましくは、この実施例では、正弦波の相電流が出力シャフトの回転速度に対応した周波数を持ち、その結果、電気モータのロータと同期して回転する均一な磁束波を形成することである。本説明のために、この種の制御を、ここに「正弦波電流制御」として記載する。
【００５２】
ある実施例では、トルク目標に対する電気モータの出力トルクの調整は、出力トルクを変化させてトルク目標値とほぼ同じにすることが含まれる。別の実施例では、トルク目標値に対する電気モータの出力トルクの調整は、出力トルクがトルク目標値を含むトルク域内に入るよう出力トルクを変化させることが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明の好適な実施例は、電気自動車の電気牽引システムの観点で説明されている。しかしながら、本発明は、それに限定されないと理解されるべきである。事実、本発明の方法及び装置はまた、電動機械、電動工具、電動ウィンチ等の永久磁石式電気モータを具える他の装置に応用可能であると考えられる。
【００５４】
図２は、本発明の実施例にかかる、自動車の電気牽引システム１０１の永久磁石式電気モータ１０２（以下、「電気モータ」と記す）を制御する制御システム１００である。
【００５５】
図示されているように、制御システム１００は、リミッタ手段１０４、制御手段１０６を備える。この制御手段１０６は、ここではトルク制御手段１０８及び電流制御手段１１０として示されている。
【００５６】
制御システム１００は、アナログ電子モジュール、混成信号モジュール、またはデジタル電子部品（例えば、複数の実行命令でプログラミングされたＴＭＳ３２０  ２０００シリーズといったＤＳＰ）で構成される。
【００５７】
ここで示されている電気モータ１０２は、三相であり、ブラシレスＤＣ電気モータであり、従来型の巻線ステータ構造を有し、この三相１１２、１１４、１１６はそれぞれ、電力制御部（電子電力制御部１２０で示す）を介して、電源１１８（本実施例ではバッテリである）に接続されている。この電気モータ１０２はまた、シャフトに取り付けられたロータ（それ自身がネオジミウム‐鉄‐ボロン磁石またはサマリウムコバルト磁石などの強磁石を具える）を具える。図に示す実施例では、電気モータは、０から４００ＲＰＭの範囲のモータ速度を有する１２ＶブラシレスＤＣモータである。
【００５８】
ここに示されている電子電力制御部１２０は、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの複数の電子切替装置を備える従来型の制御部である。これらの電子切替装置は、制御システム１００の出力１２４からの各制御信号１２２の制御により、電源１１８からモータ相１１２、１１４、１１６に流れる電流を制御するよう配置されている。
【００５９】
図示されている実施例では、電子電力制御部１２０は、三相フルブリッジ型に配置された６つの電子切替装置を備える。電子電力制御部１２０にはまた、適切に補助電子部品が組み込まれ、各制御信号１２２の制御により、通常の方法で、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴゲートドライバ、低電圧モード切替電源といった電子切替装置が切り替わるのを可能にする。
【００６０】
電子電力制御部１２０は、制御システム１００の出力１２２に接続している複数の入力を備え、制御システム１００が、（適切な制御信号により）電子電力制御部１２０の電子切替装置の切替を制御するのを可能にし、電気モータ１０２に供給される電流を調節し、これによりトルク目標値とほぼ同じになるように電気モータ１０２の出力トルクを補正する。ここで、電子切替装置の切替を制御するために、様々な適切な種類の制御信号を用いることができる。しかしながら、本発明の場合には、従来型のＰＷＭ（パルス幅変調）信号が使用されている。
【００６１】
前述した電気モータ１０２及び電子電力制御部１２０は例示であり、制御システム１００は、他のタイプの永久磁石式電気モータや他のタイプの電子電力制御部、またはこれらの様々な組に使用できる。説明のために、（制御システム１００のような）制御システムと電子電力制御部（電子電力制御部１２０のような）の組合せを、「モータ駆動システム」として参照する。
【００６２】
制御システム１００の説明に戻り、図示されている実施例には、リミッタ１０４が、パワーリミッタ１２８として示されている。図示されているパワーリミッタ１２８は、センサ１３２からフィードバックパス１３４を介して信号を受ける入力１３０と、入力１３８としてトルク制御部１０８にトルク目標値を供給する出力１３６とを備える。
【００６３】
図示されている実施例では、センサ１３２は、フィードバックパス１３４を介してモータ速度フィードバック信号をパワーリミッタ１２８に供給し、これによりパワーリミッタ１２８が電気モータ１０２の速度値を得ることができる。本例では、電気モータ１０２の各相１１２、１１４、１１６についてモータ速度フィードバック信号が供給される。
【００６４】
図示された実施例では、一または複数のセンサ１３２は、各相１１２、１１４、１１６の相電流を（検出された相電流値の形として）検出する電流センサである。しかしながら、本発明はこれに限定されないものと理解されたい。実際、別の実施例では、電気モータ１０２の速度値は、（ホール効果またはシャフトポジション符号器などの）ロータ位置センサを用いて得ることができる。さらに、図示されている実施例では、各相１１２、１１４、１１６にセンサ１３２が設けられているが、別の実施例では、モータの３つの相１１２、１１４、１１６のうち２つにつき１つのセンサ１３２が設けられ、第三の相（センサを有さないモータ相）の相電流は、数学的に（例えば、キルヒホッフの電流法則を用いて）求めてもよい。
【００６５】
本実施例では、電気モータの速度値が、検出された相電流の値を処理するパワーリミッタ１２８により得られ、モータ速度フィードバック信号の基本周波数が導き出され、この周波数の値を処理することにより電気モータ１０２の速度値が得られる。この点において、図示されている実施例では、電気モータ１０２の速度値は、当該電気モータ１０２の出力シャフトの回転速度を示す値である。
【００６６】
電気モータの速度値を検出することにより、パワーリミッタ１２８は、この得られた速度値と出力限界値を処理し、トルク目標値を導き出す。
【００６７】
本実施例では、速度検出値及び出力限界値の処理は、出力限界値を速度検出値で割ることにより行われ、これによりトルク目標値が提供される。この点において、図示された実施例では、リミッタ１０４は、得られた速度検出値から決定される電気モータ１０２のロータの単位回転数につき４８回の割合の新たなトルク目標値をトルク制御部１０８に提供する（これは、電気モータの速度に伴い変化する）。
【００６８】
図示されている本実施例では、トルク目標値は、電気モータ１０２及び制御システム１００の性能に対応した最大レベルで「制限される」。有利なことに、制限付トルクにより、電気モータ１０２の低速動作中に発生する大きな相電流の可能性が減り、電気モータ１０２の出力の制御が可能になる。
【００６９】
本実施例では、低速動作中でのトルク目標値用のトルク限界値を定めることにより、トルクの制限が達成される。したがって、トルク限界値は、制御システム１００が安全に提供する「連続最大トルク」を規定する。
【００７０】
制限付きトルクの効果の例が、図３に示されている。ここで、制限付きトルクの効果は、電気モータの出力特性３００を得ることであり、出力トルク３０２の値が、速度値が約３００ＲＰＭ以下のときに、約１５Ｎｍのトルク限界値３０４（以下、「連続最大トルク」と記す）に制限されている。
【００７１】
従って、図示された例では、連続最大トルク値３０４は、速度値が「連続最大トルク」とトルク目標値がほぼ等しくなる３０８に到達するまで、連続する速度値３０６の上に延びている。速度値が大きい範囲では、出力及び出力トルクの制御に変化が起きている。
【００７２】
図３に示すように、トルクの制限により、出力特性３００は０ＲＰＭから３００ＲＰＭまで一定の割合で増加する。３００ＲＰＭ以上（通常の制御が回復したら）では、電気モータ１０２の出力は出力の限界値３０４に維持される。
【００７３】
図２に戻ると、図示されている実施例では、トルク制御部１０８は、パワーリミッタ１２８からトルク目標値を受けとる入力１３８を備える。
【００７４】
図示されている実施例では、トルク制御部１０８はトルク目標値を処理し、トルク制御部１０８の出力として電流制御信号１４０を供給する。本実施例では、電流信号１４０は、電流基準値を電流制御部１１０に通知する信号を含む。図示されている実施例では、電流基準値はトルク目標値に比例する。
【００７５】
トルク制御部１０８から電流制御信号１４０を受信すると、電流制御部１１０は、制御信号１２２を供給して電子電力制御部１２０のパターンの切替を調節するため、。この制御信号１２２は、電源１１８から電気モータ１０２に供給される電流がトルク目標値とほぼ等しくなるよう調整を行う。
【００７６】
本実施例では、電気モータ１０２に供給される電流は、トルク制御部１０８から受ける電流基準値とほぼ等しくなるよう調整される。前述したように、本実施例では、このタイプの調整により電気モータ１０２の出力トルクが補正され、トルク目標値とほぼ等しくなる。
【００７７】
永久磁石式電気モータの場合、本実施例との関連において説明したように、電気モータ１０２の出力トルクは、通常の動作範囲において、電気モータ１０２の相電流に比例する。従って、図示された実施例では、電気モータ１０２の出力トルクは、トルク制御部から提供される電流基準値に基づいて相電流を制御することで制御される。
【００７８】
電気モータの相電流を制御する方法は、熟練した制御システムエンジンニアにより、十分理解されるであろう。このような方法は、通常、電気モータのロータの位置と少なくとも２つの相電流とを測定するステップと、デューティサイクル信号を発生するアルゴリズムを実行するステップとを含み、電気モータ１０２の相電流が、所望のレベル（この場合では、電流基準値）に制御される。限定的ではない実施例では、ヒステリシス帯域の電流制御及びベクトル制御が、そのような２つの方法である。本実施例では、電流制御部は、電流を測定し、ベクトル制御とベクトルの間隔変調を用いて１４ｋＨｚの制御信号を発生させる。
【００７９】
制御システム１００について説明したが、これより、制御システム１００の動作について記載する。
【００８０】
図示された制御システム１００は、２つのモードのいずれかで動作可能である。第１のモード（以下、「スロットルレス」モードと記す）では、出力の限界値（トルク目標の「制限」）が予め設定され、電気モータ１０２は、動作範囲を通してこれらの最高点に追従する。この第１のモードは、例えば、電気モータのパワーが法律により制限され「十分ではない」電気自転車に有用であり、関連する法律に準じた最大レベルに設定することで、楽に操作できるＯＮ／ＯＦＦ制御を提供する。
【００８１】
第２のモードでは、制御システム１００は、パワーリミッタ１２８とスロットル１４２の両方により動作可能である。ここで、パワーリミッタ１２８は効率的に出力の「範囲」を規定し、当該範囲内で、スロットル１４２は電気モータ１０２の出力を調整することができる。有利なことに、この第２のモードにより出力レベルの制御が可能となり、連続的な速度値において電気モータの出力１０２の制限を実現する。
【００８２】
創作性のあるこの方法はまた、入力制御にも応用できる。しかしながら、これらがどのような効果を有するのかに説明するために、まず初めに、システムへの入力を測定をせずどのように算出するのかを説明する。
【００８３】
ここで、制御システム１００は、特定の出力レベルにおける電気モータ及びモータ駆動システムの効率に関する情報により、前もってプログラミングされる。図４は、電気モータ及びモータ駆動システムの通常の効率対速度曲線の例を示しており、効率は、「ワットで表された電気的な入力に対するワットで表された機械的な出力の割合」として定義される。この例は、出力が総ての速度帯において一定と仮定し、効率が変化するに伴い、入力が変化する様子を示している。
【００８４】
対応する例が、図５に示され、図４に示される情報から導き出されるように、速度に対するワットで表された入力及び出力両方が示されている。このように、この事前情報を前述した出力制御方法と組み合わせて用い、電気モータ１０２及びモータ駆動システムの入力電力を算出することができる。
【００８５】
当業者は、電気モータ１０２の効率が出力に従って変化し、前述した入力電力を算出する簡単な方法は、出力が予め記憶されている値と同じに設定された場合にのみ維持されることを理解するであろう。さらに、速度と出力の無限の範囲総てにおいてモータ駆動システムの効率を測定することは非常に難しいため、それと同一の範囲における入力を算出する手段を導き出す。したがって、本実施例では入力は単なる概算であり、いくつかの実施例では無限の範囲をシミュレートする代わりにコンピュータ計算方法が用いられる。
【００８６】
一実施例では、コンピュータ計算方法は、出力の小さな範囲における効率対速度曲線の測定と、この小さな範囲内の特定の出力の効率情報の補正を必要とする。有利なことに、この方法は、必要とする精度を得ることができ、メモリを抑えることができる。
【００８７】
他の実施例では、様々な効率対速度曲線が、メモリに記憶された多項式により近似される（または、効率／速度／電力曲線の全範囲が、記憶された特性方程式のみにより、幾何学面にマッピングされる）。予め電気モータ１０２及びモータ駆動システムの効率情報を蓄積するのに用いる方法に関わらず、制御システム１００により、特定の出力及び速度値に対する電気モータ１０２及びモータ駆動システムの入力を算出することができる。
【００８８】
効率の概算により、対応した精度で入力の近似値を得ることができる点に留意されたい。例えば、モータ駆動システムの効率は、他の総てと同様に、通常は温度と共に減少する。これらは入力制御システムに高い効率値を与える影響力を有し、これにより、所望するよりも大きな入力を引き出す側にてエラーが生じる可能性がある。一実施例では、制御システム１００は、温度の変化を検知して補正できるように温度センサを備える。この点において、効率に関する他のエラー原因も存在するため、これらの一部または全部が、適切なセンサを備えること、または効率算出アルゴリズムの複雑さを増すことで改善される。この効率算出アルゴリズムを、以下に詳細に記載する。
【００８９】
説明したように、制御システム１００は、電気モータ１０２の出力を制御でき、その数値に基づいた妥当な算出を行うことができるが、わずかな変更により、この制御システム１００は入力を制御するように構成することができる。この構成の主な利点は、制限あるいは限定された電源が、確実に過負荷から守られるとともにその限界値のすぐ近くで駆動される点である。
【００９０】
ここで、図６に進むと、本発明の別の実施例にかかる制御システム６００が示されている。この制御システム６００は、入力算出部６０２及び入力容量算出部６０４を備える。
【００９１】
この入力容量算出部６０４は、通常、制御システム６００のデジタル制御装置内に、ソフトウェアのルーチンまたはアルゴリズム（「効率算出アルゴリズム」）として実装される。この効率算出アルゴリズムは、制限された電源６０６の特性を測定し、電源６０６が生成し得る妥当な出力レベルに比例した出力を生成する。
【００９２】
例えば、制限された電源６０６がバッテリ６０８である場合に、電圧の測定が行われる。既に説明したように入力算出部６０２より入力は分かるので、バッテリ６０８にかかる負荷の量が分かる。これらの数値を組み合わせると、バッテリ６０８の充電状態を示すことができる。入力容量算出部６０４が、充電状態情報に基づいたバッテリ６０８の安全な放電レートについての知識を前もって備えることにより、電気モータの出力１０２を増減して、この安全な放電レートを維持することができる。従って、バッテリ６０８は、総ての充電レベルにおいて、その最大のレートで安全に放電することができる。
【００９３】
さらに、更なる放電が障害を引き起こすレベルまでバッテリ６０８が放電されると、電気モータ１０２の出力が０になる。バッテリ６０８が再充電されると、端子電圧が回復し、アルゴリズムにより自動的に電気モータ１０２の可能な出力が増える。
【００９４】
同様に、制限された電源６０６が燃料電池の場合、最適の供給電力が燃料電池の燃料供給レートにより制限される。従って、一実施例では、入力容量算出部６０４には燃料供給レートについての情報が提供され、燃料電池から常に安全に最大のパワーが供給されるように、燃料供給に基づいて入力を制御するよう予めプログラミングされている。
【００９５】
別の実施例では、制限された電源６０６は、従来型の主電源を備える。このような電源は通常、安全上の理由から法律により、例えば標準的な電力ソケットで１０Ａの２４０Ｖに制限されている。本発明の実施例にかかる電動工具は、入力が常にこの範囲内で、当該ツールから生じる出力と速度処理を最大にし、同時に、安全かつ法に則して、存在する電力の供給構造を最大限とすることができる。本例の場合、入力容量は常に同じであるため、入力容量算出部６０４は必要ではない。
【００９６】
理解できるように、制御システム６００は、上述したタイプの出力制御または入力制御を提供するよう構成することができる。事実、図７は、入出力制御パス７０２及び出力制御パス７０４を備える実施例にかかる方法のフロー図７００を示す。図示されているように、この方法はまた、前述した種類のトルク制限機能７０６を含む。
【００９７】
前述したように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な付加、変更、または修正を、本発明に行うことが可能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
本発明は、本発明の実施例を説明する添付図面を参照し、例とすることで、より詳細に説明される。特定の図面が説明の普遍性を阻害するものではないと理解されるべきである。
【図１】図１は、従来技術の制御システムにより制御された電気モータの一連の電力／速度曲線を示すグラフである。
【図２】図２は、本発明の実施例にかかる制御システムの高レベルブロック図である。
【図３】図３は、トルク及び電力対速度を示し、低速での制限付トルクの出力効率を示す図である。
【図４】図４は、典型的な電気モータ及びモータ駆動システムの効率曲線を示すグラフである。
【図５】図５は、電気モータ及びモータ駆動システムの組み合せの入出力電力対速度曲線を示すグラフであり、入力は図４に示される曲線から推定される。
【図６】図６は、本発明の別の実施例にかかる出力制御部の高レベルブロック図である。
【図７】図７は、本発明の好適な形態による電気モータの出力を制御する方法のステップを示すフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2007526734.tif 000014
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