(57)【要約】  鎖交磁束を推定することに基づいて同期モータのロータ位置を確定することにより、同期モータを制御する方法が開示される。本方法は、モータのステータ巻線の電圧を伝達関数に適用するステップを含む。伝達関数は、Ｓ領域積分演算および誤差補正変数を含む。伝達関数で導入された誤差補正変数を補償するように、伝達関数の出力が処理される。推定鎖交磁束が生成され、鎖交磁束に基づいてロータ位置の角度が計算される。モータの位置または速度を制御するために、計算されたロータ位置がコントローラに入力される。【選択図】図７
2013523065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鎖交磁束(flux linkage)を推定する(estimating)ことにより同期モータのロータ位置を確定することによって前記同期モータを制御する方法であって、
前記モータのステータ巻線(winding)の電圧を伝達関数に適用する(applying)ステップであって、前記伝達関数が、Ｓ領域(domain)積分演算(integration operation)および誤差補正変数(error correction variable)を含む、ステップと、
前記伝達関数で導入された(introduced)前記誤差補正変数を補償する(compensate)ように、前記伝達関数の出力を処理するステップと、
推定鎖交磁束を生成するステップと、
前記推定鎖交磁束に基づいて前記ロータ位置の角度を計算するステップと、
前記モータの位置または速度を制御するために前記計算されたロータ位置をコントローラに入力するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記伝達関数がローパスフィルタを表す、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
α軸電流およびβ軸電流を確定し、前記α軸電流および前記β軸電流を電流予測(current prediction)モデルに適用することにより、次の時間間隔でステータ電流値を予測するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記予測されたステータ電流値にステータ抵抗値を乗じるステップと、前記ステータ巻線における推定低下(drop-off)電圧を生成するステップとをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ステータ巻線の電圧が、前記ステータ巻線のα軸電圧およびβ軸電圧から前記推定低下電圧を減じることによって得られる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記誤差補正変数が、必要な(required)収束時間(convergence time)内に複数の(multiple)速度範囲(speed ranges)で最小限の誤差(minimum error)を達成するように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記伝達関数で導入された前記誤差補正変数を補償するように、前記伝達関数の出力を処理する前記ステップが、
前記誤差補正変数によって導入される誤差を低減するかまたは除去するように補償して、前記モータのロータによって発生する鎖交磁束を得ること
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
推定鎖交磁束を生成する前記ステップが、
ステータ相互インダクタンス値に予測されたステータ電流を乗じ、前記予測鎖交磁束から前記乗算されたステータ相互インダクタンスを減じることにより、推定ロータ鎖交磁束を生成すること
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
α軸およびβ軸両方からの前記推定鎖交磁束に基づいてロータ位相角を推定するステップと、前記推定されたロータ位相角の時間領域微分としてロータ周波数を生成するステップと、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記伝達関数が、
１／（ｓ＋ａ）
として表わされ、式中、ｓが前記Ｓ領域積分演算を表し、ａ＝前記誤差補正変数である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記伝達関数の出力を処理する前記ステップが、前記誤差補正変数による前記誤差を補償する、前記推定鎖交磁束のアルファ成分およびベータ成分を含む補償アルゴリズムを用いるステップをさらに含み、振幅補償アルゴリズムが、
(ωｒ２＋ａ２)1/2/ωｒ
によって表され、式中、ａが前記誤差補正変数であり、ωｒがロータ速度である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
鎖交磁束複素変数が実成分および虚成分を含み、前記鎖交磁束複素変数が、前記誤差補正変数による位相誤差を補償するように採用され、前記鎖交磁束複素変数が、
【数１】
2013523065.tif 000016
によって表される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
振幅補償および位相補償を結合する(combining)ステップをさらに含み、振幅補償(magnitude compensation)および前記位相補償の前記組合せ(combination)が、以下の式によって確定され、
【数２】
2013523065.tif 000017
式中、
ｆ’αおよびｆ’βが、補償後の前記鎖交磁束の前記アルファ成分および前記ベータ成分であり、ｆαおよびｆβが、補償前の前記鎖交磁束の前記アルファ成分および前記ベータ成分であり、ωｒが前記ロータ速度である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
Ｎ番目の(Nth)サンプリング間隔(interval)においてステータ電流値および前記ステータ巻線電圧を確定する(determining)ステップと、
Ｎ＋１番目のサンプリング間隔において、前記Ｎ番目のサンプリング間隔における前記確定されたステータ電流値および前記ステータ巻線電圧に基づいて前記ステータ電流値を予測する(predicting)ステップと、
前記Ｎ＋１番目のサンプリング間隔において、前記推定鎖交磁束における前記誤差を低減するように前記予測されたステータ電流値を適用するステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記モータのロータの速度の関数として前記誤差補正変数の値を変化させるステップと、
所定の初期モータ始動間隔(starting interval)にわたって(over)より高速な(faster)収束を得るように構成された前記誤差補正変数の第１の値を適用するステップと、
前記所定の初期モータ始動間隔の後に前記誤差補正変数の第２の値(a second value)を適用するステップであって、前記第２の値が前記磁束推定における誤差を低減するように構成されている、ステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
閉冷媒ループ(closed refrigerant loop)に接続された、圧縮機(compressor)、凝縮器(condenser)および蒸発器(evaporator)と、
前記圧縮機に動力を供給する(power)ように前記圧縮機に接続された同期モータと、
前記モータに接続され、固定(fixed)入力ＡＣ電圧および固定入力周波数の入力ＡＣ電力を受け取り、可変電圧および可変周波数の出力電力を前記モータに提供するように構成され、
前記入力ＡＣ電圧を提供するＡＣ電源に接続可能なコンバータであって、前記入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するように構成されたコンバータと、
前記コンバータに接続され、前記コンバータ段からの前記ＤＣ電圧を濾波し蓄積するように構成されたＤＣリンク(link)と、
前記ＤＣリンクに接続されたインバータと、
を備えた可変速ドライブと、
推定鎖交磁束からのロータ角度に基づいて前記同期モータのロータ速度を制御するように構成されたコントローラと、
を具備するチラーシステム(chiller system)。
【請求項１７】
前記コントローラが、
前記モータのステータ巻線の電圧を伝達関数に適用し、前記伝達関数がＳ領域積分演算および誤差補正変数を含み、
前記伝達関数に導入された前記誤差補正変数を補償するように、前記伝達関数の出力を処理し、
推定鎖交磁束を生成し、
前記推定鎖交磁束に基づいて前記ロータ位置の角度を計算し、
前記計算したロータ位置を前記コントローラに入力する
ように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記伝達関数が、
１／（ｓ＋ａ）
として表わされ、式中、ｓが前記Ｓ領域積分演算を表し、ａ＝前記誤差補正変数である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
補償アルゴリズムをさらに具備し、前記補償アルゴリズムが、前記誤差補正変数による誤差を補償するように、前記推定鎖交磁束のアルファ成分およびベータ成分を含み、振幅補償アルゴリズムが、
(ωｒ２+ａ２)1/2／ωｒ
によって表され、式中、ａが前記誤差補正変数であり、ωｒがロータ速度である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
鎖交磁束複素変数が実成分および虚成分を含み、前記鎖交磁束複素変数が、前記誤差補正変数による位相誤差を補償するように採用され、位相角補正に使用される前記複素変数が、
【数３】
2013523065.tif 000018
によって表される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
振幅補償および位相補償が結合され、前記振幅補償および前記位相補償の前記組合せが、以下の式によって確定され、
【数４】
2013523065.tif 000019
式中、
ｆ’αおよびｆ’βが、補償後の前記鎖交磁束の前記アルファ成分および前記ベータ成分であり、ｆαおよびｆβが、補償前の前記鎖交磁束の前記アルファ成分および前記ベータ成分であり、ωｒが前記ロータ速度である、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ  Ａ  ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ  ＭＡＧＮＥＴ  ＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳ  ＭＯＴＯＲ（永久磁石同期モータを制御する方法）」と題する、２０１０年３月８日に出願された米国仮特許出願第６１／３１１，４２０号の優先権および利益を主張する。
【０００２】
[0002]本出願は、概して、永久磁石モータ用のモータドライブに関する。本出願は、より詳細には、高速永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）を制御する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]暖房、換気、空調および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムにおいて種々のモータタイプに動力を供給するために、可変速ドライブ（ＶＳＤ）が使用される。ＨＶＡＣ＆Ｒシステムで使用される一般的なタイプのモータには、誘導モータ、スイッチドリラクタンスモータ、ならびにこうしたＨＶＡＣ＆Ｒシステムにおいて必要なトルクおよび速度範囲を処理することができる他のＡＣモータおよびＤＣモータがある。
【０００４】
[0004]永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）は、通常のＡＣ誘導モータに比較して効率が高くかつ出力密度が高いため、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムでの使用に特に関心が持たれている。ＰＭＳＭは、永久磁石ロータで動作する回転電気機械である。永久磁石ロータを、表面実装永久磁石を備えるように、または種々の構成または配置の埋込型永久磁石を備えるように構成することができる。ＰＭＳＭのステータは、誘導モータのステータと同様であり得る。しかしながら、ＰＭＳＭ用の全体的に異なるステータ設計が可能であり、ステータトポロジが誘導モータに類似する可能性がある場合であっても、ステータ設計の最適化が必要であり得る。実質的な空隙磁束を発生する永久磁石の使用により、高効率のＰＭＳＭを設計することができる。
【０００５】
[0005]正弦波電流によって駆動されるＰＭＳＭをＰＭＳＭと呼ぶが、矩形位相電流波形によって駆動されるＰＭＳＭを、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）機械と呼ぶことができる。ＰＭＳＭおよびＢＬＤＣのロータ構造は、表面取付永久磁石ロータと同じであり得る。ＰＭＳＭおよびＢＬＤＣの両方が、所与のロータ位置と結合されたステータ電流によって駆動される。ロータ磁石によって発生する、発生したステータ鎖交磁束とロータ鎖交磁束との間の角度が、モータのトルクおよびしたがって速度を規定する。ステータ鎖交磁束の振幅と、ステータ鎖交磁束とロータ鎖交磁束との間の角度との両方が、トルクを最大限にするかまたは損失を最小限にするように制御可能である。ＰＭＳＭの性能を最大限にし、かつシステム安定性を確実にするために、モータには、適切な運転のためのパワーエレクトロニクスコンバータが必要である。
【０００６】
[0006]ＰＭＳＭを操作する時に最大性能および制御を達成するために、ロータ位置を確定することが必要である。速度センサまたは位置センサもしくは両方の組合せを用いて、ロータ位置を確定することができる。しかしながら、速度センサまたは位置センサは、苛酷な環境に晒されると適切に機能しない場合がある。センサの追加により、システムコストも増大し、かつセンサ故障の場合にＰＭＳＭを完全に取り外すことが必要になる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
[0007]高速用途および超高速用途の場合、特別な速度センサおよび位置センサが必要であり、特別な速度センサおよび位置センサの可用性およびコストが問題であり得る。たとえば鎖交磁束からロータ位置情報を得ることにより、測定された電気的変数から位置を推定することによって、速度センサまたは位置センサを取り除くようにさまざまな種類のセンサレス方式が提案されてきた。ＰＭＳＭのセンサレス制御においてロータ位置推定のために、正確な磁束推定が必要である。磁束推定の既存の方法は、基本周波数に対するスイッチング周波数の比が高く、かつサンプリング周波数対基本周波数比が高い場合には適している可能性がある。しかしながら、通常、高速または超高速ＰＭＳＭドライブの場合である、低いサンプリング周波数対基本周波数比および低いスイッチング周波数対基本周波数比で動作している場合、鎖交磁束を正確に推定することがより困難となる。したがって、従来の方法は適用できない。
【０００８】
[0008]開示するシステムおよび／または方法の意図された利点は、これらの必要のうちの１つまたは複数を満足させるかまたは他の有利な特徴を提供する。他の特徴および利点は、本明細書から明らかとなろう。開示する教示は、上述した必要のうちの１つまたは複数を達成するか否かに関らず、特許請求の範囲の範囲内にある実施形態にまで拡張する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
[0009]第１の実施形態では、鎖交磁束を推定することに基づいて同期モータのロータ位置を確定することにより、同期モータを制御する方法が開示される。本方法は、モータのステータ巻線の電圧および電流を伝達関数に適用するステップを含む。伝達関数は、Ｓ領域積分演算および誤差補正変数を含む。本方法は、伝達関数で導入された誤差補正変数を補償するように、伝達関数の出力を処理するステップと、推定鎖交磁束を生成するステップと、推定鎖交磁束に基づいてロータ位置の角度を計算するステップと、モータの位置または速度を制御するために計算されたロータ位置をコントローラに入力するステップとをさらに含む。
【００１０】
[0010]第２の実施形態では、チラーシステムは、閉冷媒ループに接続された、圧縮機、凝縮器および蒸発器を含む。同期モータが、圧縮機に動力を供給するように圧縮機に接続される。可変速ドライブが、モータに接続される。可変速ドライブは、固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数の入力ＡＣ電力を受け取り、可変電圧および可変周波数の出力電力をモータに提供するように構成される。可変速ドライブは、入力ＡＣ電圧を提供するＡＣ電源に接続可能なコンバータを含む。コンバータは、入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するように構成される。可変速ドライブは、コンバータに接続されたＤＣリンクと、ＤＣリンクに接続されたインバータをさらに含む。ＤＣリンクは、コンバータ段からのＤＣ電圧を濾波し蓄積するように構成される。コントローラが、推定鎖交磁束に基づいて同期モータのロータ速度を制御するように構成される。
【００１１】
[0011]本明細書に記載する実施形態の少なくとも１つの利点は、速度センサ／位置センサを必要とすることなく高速表面取付ＰＭＳＭを制御する方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】[0012]暖房、換気および空調システムに対する例示的な実施形態を示す図である。
【図２】[0013]例示的な蒸気圧縮システムの等角図である。
【図３】[0014]暖房、換気および空調システムに対する例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図４】[0015]可変速ドライブの例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図５】[0016]例示的な永久磁石同期モータの概略図である。
【図６】[0017]内部ＰＭＳＭ（ＩＰＭ）の別の例示的なロータの概略図である。
【図７】[0018]永久磁石同期モータにおける磁束を推定する例示的な伝達関数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0019]図１は、典型的な商用設定用の建物１２における暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）システム１０用の例示的な環境を示す。システム１０は、建物１２を冷房するために使用することができる冷却液を供給することができる蒸気圧縮システム１４を含むことができる。システム１０は、建物１２を暖房するために利用することができる加熱液を供給するボイラ１６と、建物１２内で空気を循環させる空気分配システムとを含むことができる。空気分配システムはまた、戻りダクト１８、空気供給ダクト２０および空気ハンドラ２２を含むことができる。空気ハンドラ２２は、導管２４によってボイラ１６および蒸気圧縮システム１４に接続される熱交換器を含むことができる。空気ハンドラ２２における熱交換器は、システム１０の動作モードに応じて、ボイラ１６から加熱液を受け取るか、または蒸気圧縮システム１４から冷却液を受け取ることができる。システム１０は、建物１２の各階に別個の空気ハンドラがあるように示されているが、それらの構成要素を、２つまたはそれ以上の階の間で共有してもよいことが理解される。
【００１４】
[0020]図２および図３は、ＨＶＡＣシステム１０で使用することができる例示的な蒸気圧縮システム１４を示す。蒸気圧縮システム１４は、圧縮機３２で開始して、凝縮器３４、膨張弁（複数可）または膨張装置（複数可）３６および蒸発器または液体冷却機３８を含む回路を通して、冷媒を循環させることができる。蒸気圧縮システム１４はまた、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２、マイクロプロセッサ４４、不揮発性メモリ４６およびインタフェースボード４８を含むことができる制御パネル４０を有することも可能である。蒸気圧縮システム１４において冷媒として使用することができる流体のいくつかの例には、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒、たとえばＲ−４１０Ａ、Ｒ−４０７、Ｒ−１３４ａ、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）、アンモニア（ＮＨ３）、Ｒ−７１７、二酸化炭素（ＣＯ２）、Ｒ−７４４もしくは炭化水素系冷媒のような「自然」冷媒、水蒸気または他の何らかの適当なタイプの冷媒である。
【００１５】
[0021]圧縮機３２で使用されるモータ５０に対し、可変速ドライブ（ＶＳＤ）５２によって動力を供給することができ、または交流（ＡＣ）電源もしくは直流（ＤＣ）電源から直接電力を供給することができる。モータ５０は、ＶＳＤによって動力を供給するかまたはＡＣ電源もしくはＤＣ電源から直接電力を供給することができるいかなるタイプのＰＭＳＭをも含むことができる。
【００１６】
[0022]図４は、ＶＳＤの例示的な実施形態を示す。ＶＳＤ５２は、ＡＣ電源から特定の固定ライン電圧および固定ライン周波数を有するＡＣ電力を受け取り、ＡＣ電力を、所望の電圧および所望の周波数でモータ５０に提供し、所望の電圧および周波数は共に、特定の要件を満足させるように変更することが可能である。ＶＳＤ５２は、３つの構成要素、すなわち整流器／コンバータ２２２、ＤＣリンク２２４およびインバータ２２６を有することができる。整流器／コンバータ２２２は、ＡＣ電源からの固定周波数、固定振幅ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。ＤＣリンク２２４は、コンバータ２２２からＤＣ電流を濾波し、コンデンサおよび／またはインダクタ等のエネルギー蓄積素子を提供する。最後に、インバータ２２６は、ＤＣリンク２２４からのＤＣ電圧をモータ５０用の可変周波数の可変振幅ＡＣ電圧に変換する。
【００１７】
[0023]例示的な実施形態では、整流器／変換器２２２は、ＶＳＤ５２への入力電圧より大きい最大ＲＭＳ出力電圧をＶＳＤ５２から得るように、上昇したＤＣ電圧をＤＣリンク２２４に提供する、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する３相パルス幅変調ブースト整流器であり得る。代替的に、コンバータ２２２は、電圧上昇機能のない受動ダイオードまたはサイリスタ整流器であってもよい。
【００１８】
[0024]ＶＳＤ５２は、可変振幅出力電圧および可変周波数をモータ５０に提供することにより、特定の負荷状態に応じてモータ５０の有効な動作を可能にすることができる。制御パネル４０は、ＶＳＤ５２に制御信号を提供することにより、ＶＳＤ５２およびモータ５０を、制御パネル４０によって受け取られる特定のセンサ読取値に対して適切な動作設定で動作させることができる。たとえば、制御パネル４０は、蒸気圧縮システム１４における状態の変化に応じてＶＳＤ５２によって提供される出力電圧および出力周波数を調整するように、ＶＳＤ５２に対する制御信号を提供することができ、すなわち、制御パネル４０は、圧縮機３２に対する負荷状態の増大または低減に応じて、ＶＳＤ５２によって提供される出力電圧および出力周波数を増大または低減させるように命令を提供することができる。後により詳細に説明するように、モータ５０の推定されたロータ位相角θｒおよびロータ周波数ωｒを、モータ５０の位置および回転周波数のフィードバック制御のために制御パネルに入力することができる。
【００１９】
[0025]圧縮機３２は、冷媒蒸気を圧縮して、吐出通路を介して凝縮器３４に蒸気を送る。１つの例示的な実施形態では、圧縮機３２は、１つまたは複数の圧縮段を有する遠心圧縮機であり得る。圧縮機３２によって凝縮器３４に送られる冷媒蒸気は、熱を流体、たとえば水または空気に変換する。冷媒蒸気は、凝縮器３４において、流体との熱交換の結果として凝縮して冷媒液になる。凝縮器３４からの液体冷媒は、膨張装置３６を介して蒸発器３８まで流れる。ホットガスバイパス弁（ＨＧＢＶ）１３４が、圧縮機吐出から圧縮機吸込まで延在する別個のラインで接続され得る。図３に示す例示的な実施形態では、凝縮器３４は水冷式であり、冷却塔５６に接続された管束５４を含む。
【００２０】
[0026]蒸発器３８に送られた液体冷媒は、凝縮器３４に使用される流体と同じタイプであってもなくてもよい別の流体から熱を吸収し、相変化を経て冷媒蒸気となる。図３に示す例示的な実施形態では、蒸発器３８は、冷却負荷６２に接続された供給ライン６０Ｓおよび戻りライン６０Ｒを有する管束６０を含む。プロセス流体、たとえば水、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブラインまたは他のいずれかの適当な液体が、戻りライン６０Ｒを介して蒸発器３８に入り、供給ライン６０Ｓを介して蒸発器３８から出る。蒸発器３８は、管内のプロセス流体の温度を低下させる。蒸発器３８内の管束６０は、複数の管および複数の管束を含むことができる。蒸気冷媒は、蒸発器３８を出て、吸込ラインによって圧縮機３２に戻り、回路またはサイクルを完了する。例示的な実施形態では、蒸気圧縮システム１４は、１つまたは複数の冷媒回路において可変速ドライブ（ＶＳＤ）５２、モータ５０、圧縮機３２、凝縮器３４、膨張弁３６および／または蒸発器３８の各々のうちの１つまたは複数を使用することができる。
【００２１】
[0027]後に図７を参照して説明する制御方法は、電圧測定値および電流測定値からの不可避な直流シフトならびに誤差係数または補正変数ａによる推定誤差を低減するように、永久磁石同期モータの磁束を推定する補償方法を提供する。本方法は、選択された間隔で誤差補正変数の値を調整するステップと、ＰＭＳＭのロータの速度の関数として誤差補正変数の値を変化させるステップと、所定の初期モータ始動間隔にわたってより高速な収束を得るように構成された誤差補正変数の第１の値を適用するステップと、所定の初期モータ始動間隔後に誤差補正変数の第２の値を適用するステップであって、第２の値が磁束推定における誤差を低減するように構成される、ステップと、を含む。さらに、補償方法は、誤差補正変数ａによる推定誤差を低減する。推定された鎖交磁束は、実成分アルファと虚成分ベータとを含む。推定された鎖交磁束のアルファ成分およびベータ成分を使用して、誤差補正変数ａによる誤差を補償することができる。
【００２２】
[0028]図５を参照すると、例示的なＰＭＳＭ８６はステータ部７２を有する。ステータ部７２を、従来の誘導モータのステータと実質的に同様に構成することができる。ステータ部７２は、ロータ部７０に隣接するステータ部７２の内側半径を中心に対称的に分散している、複数の歯１７によって画定されたスロット２５内に配置された複数の巻線７４を含む。ロータ部７０は、ステータ部７２と軸方向に同心円状にかつその内側に配置される。ロータ部７０およびステータ部７２は、空隙６８によって分離される。ロータ部７０は、円柱状スチールロータフレームまたはケージ３１を含み、ロータケージ３１の周縁には複数の永久磁石８４が配置されている。永久磁石８４は、空隙６８内に磁場を生成する。
【００２３】
[0029]永久磁石８４を、ロータ部７０内に、複数の極配置または構成、たとえば２極または４極（たとえば図６Ａおよび図６Ｂを参照）を提供するように位置決めしまたは配置することができる。永久磁石８４を、ケージ３１に接着取付してもよく、永久磁石８４は、ＰＭＳＭ８６の回転中にロータ部７０に遠心力が作用する時に、ケージ３１上に永久磁石８４を保持するように、スリーブ２９により包囲される。スリーブ２９を、炭素繊維管状シート材料、ステンレス鋼、または他の同様に可撓性の、高強度の磁気不透過性材料から構成してもよい。空隙６８は、反対方向の矢印４５の間に示す有効空隙ｇに対して小さい。有効空隙ｇは、永久磁石８４およびスリーブ２９の高さｈを含む。
【００２４】
[0030]次に図７を参照すると、ＰＭＳＭの磁束推定の例示的な方法では、ローパスフィルタを用いて推定磁束が得られる。ローパスフィルタの伝達関数は、以下の式１によって表される。
【００２５】
1/(s+a)      式１
式中、ｓは、ローパスフィルタのＳ領域積分演算を表し、ａ＝ローパスフィルタの誤差補正変数である。
【００２６】
[0031]一実施形態では、伝達関数によって表されるローパスフィルタを、ソフトウェアで実装することができる。代替的に、ローパスフィルタを、ハードウェアコンポーネント、たとえば集積回路、ＡＳＩＣまたはＲ−Ｌ−Ｃ回路で実装してもよい。式１の変数ａの値を増大させることにより、推定磁束の収束がより短い時間間隔で発生する可能性があるが、推定磁束の誤差が大きくなる。変数ａの値を低減することにより、収束はより低速で発生する可能性があるが、推定誤差は小さくなる。たとえば、ロータ速度が９４．２５ｒａｄ／秒である場合、「ａ」の値が異なると角度誤差が異なる。
【００２７】
a=2 sin φ = 0.9997749   角度誤差 = 1.216度 
a=4 sin φ = 0.99910058   角度誤差 = 2.43025度 
a=6 sin φ = 0.99797971   角度誤差 = 3.64265度 
a=8 sin φ = 0.99641682   角度誤差 = 4.851787度 
a=10 sin φ = 0.99441813   角度誤差 = 6.056610度 
[0032]図７に、開ループ推定方法１００を示す。加算ブロック１０１の入力１０２に、α軸電圧ｖａが与えられる。推定方法に対する入力は、α−β座標枠で表されるモータ相電流および電圧である。位相軸ａ、ｂおよびならびにα軸およびβ軸である、ＰＭＳＭの座標枠ならびに電圧ベクトルおよび電流ベクトルは、相ａに位置合せされる固定デカルト座標枠を表し、ｄ軸およびｑ軸は、ロータ磁束に位置合せされる回転デカルト座標枠を表す。α軸およびβ軸に対するα−β枠表現は、クラーク変換をそれらの対応する三相表現に適用することによって得られる。
【００２８】
[0033]相ａステータまたは電気子電流を表すα軸電流値ｉａが、推定に使用される電流を予測する電流予測モデル１０４に提供される。ブロック１０６において、電流予測モデル１０４の出力ｉａにステータ抵抗ｒｓが乗じられて、ステータ巻線に対する推定低下電圧が生成される。そして、加算ブロック１０２において、α軸相ａ電圧ｖａからブロック１０６の出力が減じられ、ブロック１０２の出力は、式１の伝達関数によって表される伝達関数ブロック１０８に与えられる。伝達関数ブロック１０８では、必要な収束時間内に種々の速度範囲で最小限の誤差を達成するように、フィルタ変数ａが導入される。そして、ブロック１１０において、ブロック１０８においてａによって導入された誤差を低減するかまたは除去するように、ブロック１０８の出力が補償される。ブロック１１０の出力は、加算ブロック１１２においてブロック１１４の出力と結合される。ブロック１１４は、ステータ相互インダクタンスＬｍを表し、それは、ブロック１１４の出力を生成するように入力予測電流ｉａに乗算される値である。ブロック１１４の出力は、ブロック１１２において、誤差補償された空隙鎖交磁束、すなわちブロック１１０の出力から減算される。ブロック１１０、１１４の差は、ブロック１１２の出力であり、α軸における推定されたロータ鎖交磁束を表す。そして、角度計算ブロック１１６により、α軸およびβ軸両方からの推定されたロータ鎖交磁束を用いて、ロータ位相角θｒが推定される。推定されたロータ位相角θｒ１２０はブロック１１８に与えられ、ブロック１１７の出力において、推定されたロータ位相角θｒ１２０の時間領域導微分がロータ周波数ωｒとして生成される。
【００２９】
[0034]ＰＭＳＭ８６のより厳密な磁束推定および制御を、選択された間隔で変数ａの値を調整することによって達成することができる。たとえば、ａの値を、ロータ速度の関数として変化させてもよく、その場合、ａの値は、最初、すなわちＰＭＳＭ８６の始動時、推定の開始時においてより高速な収束を得るようにより大きい。収束後、磁束推定における誤差を低減するように、より小さいａの値が与えられる。さらに、例示的な実施形態では、ａの値を、徐々に変化させる、すなわち、ａの高い初期値からａのより低い値まで低減することにより、システム安定性を向上させることができる。
【００３０】
[0035]本方法の例示的な実施形態は、以下のように記述される。
ａを低減：
（ωｒ＞１２００かつωｒ＜１５００）である場合
ａ＝５−（ωｒ−１２００）×０．０１
（ωｒ＞１５００）である場合
ａ＝２
（「ａ」＝誤差補正変数）
[0036]ａによる推定誤差を低減する補償方法を開示する。推定鎖交磁束は、２つの成分、すなわち実成分アルファ（α）および虚成分ベータ（β）を含む。推定鎖交磁束のアルファ成分およびベータ成分を使用して、誤差補正変数ａによる振幅誤差を補償することができる。振幅補償の表現は、以下の式によって与えられる。
【００３１】
(ωｒ２＋a２)1/2/ωｒ      式２
式中、ａは誤差補正変数であり、ωｒはロータ速度である。
【００３２】
[0037]
第２のステップは、位相角補正であり、そこでは、２つの成分、すなわち実成分アルファおよび虚成分ベータを含む鎖交磁束複素変数が使用される。この複素変数のアルファ成分およびベータ成分を用いて、誤差補正変数ａによる位相誤差を補償することができる。位相角補正使用される複素変数の表現は、以下のように与えられる。
【００３３】
【数１】
2013523065.tif 000003
【００３４】
式３
振幅補償および位相補償が結合される場合、補償の表現は以下の式によって与えられる。
【００３５】
【数２】
2013523065.tif 000004
【００３６】
式４
【００３７】
【数３】
2013523065.tif 000005
【００３８】
式５
式中、
ｆ’αおよびｆ’βは、補償後の鎖交磁束のアルファ成分およびベータ成分であり、ｆαおよびｆβは、補償前の鎖交磁束のアルファ成分であり、ωｒはロータ速度である。
【００３９】
[0038]基本周波数に対するサンプリング周波数の比が低いため、サンプリング周波数を増大させなければ、比較的長い遅延が不可避である。サンプリング周波数を増大させることにより、概して、制御系のコストが増大する。電流予測方法を採用して、サンプリング周波数を増大させる必要なしに、サンプリング遅延の影響をなくすように電流を予測することができる。高速用途および超高速用途の場合、サイクル毎のサンプリング数は大幅に低減する。推定誤差を低減するために、Ｎ番目のサンプリング間隔における電流を用いて、次の（Ｎ＋１）番目のサンプリング間隔における電流を予測することができる。そして、予測された電流を用いて、鎖交磁束推定における誤差を低減することができる。電流予測は、ＰＭＳＭ機械モデルに基づく。
【００４０】
[0039]本方法の例示的な実施形態は以下のように記述される。
予測方法はｑ−ｄ基準に基づく。
予測されるｑ軸電流は以下のように与えられる。
【００４１】
【数４】
2013523065.tif 000006
【００４２】
予測されるｄ軸電流は以下のように与えられる。
【００４３】
【数５】
2013523065.tif 000007
【００４４】
式中、
【００４５】
【数６】
2013523065.tif 000008
【００４６】
および
【００４７】
【数７】
2013523065.tif 000009
【００４８】
は、Ｎ番目のサンプリング間隔におけるｑ軸電圧およびｄ軸電圧であり、
【００４９】
【数８】
2013523065.tif 000010
【００５０】
および
【００５１】
【数９】
2013523065.tif 000011
【００５２】
は、Ｎ番目のサンプリング間隔におけるｑ軸電流およびｄ軸電流であり、
【００５３】
【数１０】
2013523065.tif 000012
【００５４】
および
【００５５】
【数１１】
2013523065.tif 000013
【００５６】
は、（Ｎ＋１）番目のサンプリング間隔における予測されたｑ軸電流およびｄ軸電流であり、
【００５７】
【数１２】
2013523065.tif 000014
【００５８】
および
【００５９】
【数１３】
2013523065.tif 000015
【００６０】
は、Ｎ番目のサンプリング間隔におけるｑ軸鎖交磁束およびｄ軸鎖交磁束であり、ωｒはロータ速度である。
[0040]上述したことは、センサレスＰＭＳＭを制御する制御システムおよび方法を記載しているが、モータの角度位置および速度を推定する制御システムおよび方法を、他のタイプのセンサレス同期モータ、たとえば誘導型モータに適用してもよく、こうした同期モータは、本明細書に記載し特許請求する制御システムの範囲内にあるとみなされる。
【００６１】
[0041]本出願は、以下の説明に示すかまたは図に例示する詳細または方法に限定されないことが理解されるべきである。また、本明細書で採用する語句および用語は、単に説明の目的のものであり、限定するものとみなされるべきではないことも理解されるべきである。
【００６２】
[0042]図に示し本明細書に記載する例示的な実施形態は、現時点では好ましいが、これらの実施形態は単に例として提供されることが理解されるべきである。したがって、本出願は、特定の実施形態に限定されず、さまざまな変更形態に拡張する。いかなるプロセスまたは方法ステップの順序または順番も、代替実施形態に従って変更するかまたは配置し直すことができる。
【００６３】
[0043]本出願は、方法、システムおよびその動作を達成するためにあらゆる機械可読媒体にあるプログラム製品を企図する。本出願の実施形態を、既存のコンピュータプロセッサを用いて、またはこの目的かもしくは別の目的のためにまたはハードワイヤードシステムによって組み込まれる、適切なシステムのための専用コンピュータプロセッサによって、実装することができる。
【００６４】
[0044]さまざまな例示的な実施形態に示すようなＰＭＳＭ制御のための磁束推定方法の構成および配置は単に例示的なものであることに留意することが重要である。本開示では、わずかな数の実施形態しか詳細に説明していないが、本開示を検討する人は、本明細書に列挙する主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更（たとえば、さまざまな要素のサイズ、寸法、構造、形状および比率の変動、パラメータの値、取付配置、材料の使用、色、向き等）が可能であることを容易に理解するであろう。たとえば、一体的に形成されるものとして示す要素を、複数の部品または要素から構成してもよく、要素の位置を逆転させるかまたは他の方法で変更してもよく、別個の要素または位置の性質または数を改変または変更してもよい。したがって、こうした変更形態はすべて、本明細書の範囲内に含まれるように意図されている。代替実施形態に従って、いかなるプロセスまたは方法ステップの順序または順番も変更するかまたは配置し直すことができる。本出願の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の設計、動作状態および配置において、他の代用、変更、変形および省略を行ってもよい。
【００６５】
[0045]上述したように、本出願の範囲内の実施形態は、機械実行可能命令またはデータ構造を保持するかまたはそれらが格納されている機械可読媒体を備えたプログラム製品を含む。こうした機械可読媒体は、汎用または専用のコンピュータまたはプロセッサを備えた他の機械がアクセスすることができるあらゆる利用可能な媒体であり得る。例として、こうした機械可読媒体には、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、または他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶装置、または機械実行可能命令もしくはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを保持するかまたは格納するように使用することができ、かつ汎用もしくは専用コンピュータまたはプロセッサを備えた他の機械がアクセスすることができる、他の任意の媒体を挙げることができる。情報が、ネットワークまたは別の通信接続（ハードワイヤード、無線、またはハードワイヤードもしくは無線の組合せ）を介して機械に転送されるかまたは提供される場合、その機械は、その接続を、機械可読媒体として適切にみなす。したがって、いかなるこうした接続も、適切に機械可読媒体と呼ばれる。上記の組合せもまた、機械可読媒体の範囲内に含まれる。機械実行可能命令は、たとえば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または専用処理機械に対してある機能または機能群を実行させる、命令およびデータを含む。
【００６６】
[0046]本明細書の図面は、方法ステップの特定の順序を示している可能性があるが、これらのステップの順序は、示されているものと異なっていてもよいことが理解されることが留意されるべきである。また、２つ以上のステップを同時に、または部分的に同時に行ってもよい。こうした変形は、選択されるソフトウェアシステムおよびハードウェアシステムによって、かつ設計者の選択によって決まる。こうした変形のすべてが本出願の範囲内にあることが理解される。同様に、ソフトウェア実施態様を、さまざまな接続ステップ、処理ステップ、比較ステップおよび判断ステップを達成するために、規則に基づくロジックおよび他のロジックを含む標準プログラミング技法を用いて達成することができる。
【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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