(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モーターを制御する方法であって、
モーターの電流及び電圧を測定するステップと、
測定電流、測定電圧、及び前記モーターのモデルを用いて前記モーターの電流の推定値を求めるステップと、
フィードバック信号の誤差関数としてフィードバック利得を求めるステップであって、前記フィードバック信号は、前記測定電流と推定電流との間の誤差を含む、フィードバック利得を求めるステップと、
前記フィードバック利得と前記フィードバック信号との積を用いて前記モーターの速度を推定するステップと、
前記モーターの推定速度と前記モーターの基準速度との間の差異を用いて前記モーターの電圧を求めるステップと、
前記求められた電圧を用いて前記モーターを制御するステップと、
を含み、
前記誤差関数は、前記フィードバック信号の振幅の値が第１の閾値まで増大する場合、前記フィードバック利得の値を増大させ、前記誤差関数は、前記フィードバック信号の前記振幅の値が第２の閾値を超えて増大する場合、前記フィードバック利得の値を減少させ、前記第２の閾値は、前記第１の閾値以上であり、
該方法の少なくともいくつかのステップは、プロセッサを用いて求められる、方法。
【請求項２】
前記誤差関数は、前記フィードバック信号の振幅の値が増大する場合、前記フィードバック利得の値を増大させ、前記誤差関数は、前記フィードバック信号の前記振幅の値が減少する場合、前記フィードバック利得の値を減少させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フィードバック利得の値は、前記フィードバック利得の最小値と最大値との間で区間を定められている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記推定するステップは、
フィードバック項とフィードフォワード項との和を用いて前記モーターの前記推定速度を求めることであって、前記フィードバック項は、前記フィードバック利得と前記フィードバック信号との前記積を含み、前記フィードフォワード項は、フィードフォワード利得とフィードフォワード信号との積を含み、前記フィードフォワード信号は、前記モーターの状態の少なくとも一部を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記フィードフォワード項を用いて推定された前記モーターの前記速度と、前記フィードフォワード項を用いることなく推定された前記モーターの前記速度との間の差異を低減する前記フィードフォワード項を求めるステップ、
を更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記フィードフォワード項を用いることなく補助速度信号を求めるステップと、
前記フィードフォワード利得を用いて推定された前記モーターの前記速度がグラウンドトゥルースとして用いられる前記補助速度信号を近似するように、前記フィードフォワード利得を反復して最適化するステップと、
を更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記最適化するステップは、終了条件が満たされるまでコスト関数を低減するように前記フィードフォワード利得を反復して更新する勾配ベース探索を用いる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記モーターは、固定子及び回転子を備える誘導モーターであり、前記速度は、前記回転子の角速度である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
質量体を運動させる電気モーターと、
モーターの電流及び電圧を測定する少なくとも１つのセンサーと、
前記モーターを制御する制御システムであって、該制御システムは、プロセッサと、前記制御の方法を実行するために、前記プロセッサによって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピューター可読記憶媒体とを備える、制御システムと、
を備えるシステムであって、前記方法は、
測定電流、測定電圧、及び前記モーターのモデルを用いて前記モーターの電流の推定値を求めることと、
フィードバック信号の誤差関数としてフィードバック利得を求めることであって、前記フィードバック信号は、前記測定電流と推定電流との間の誤差を含むことと、
前記フィードバック利得と前記フィードバック信号との積を用いて前記モーターの速度を推定することと、
前記モーターの推定速度と前記モーターの基準速度との間の差異を用いて前記モーターの電圧を求めることと、
前記求められた電圧を用いて前記モーターを制御することと、
を含み、
前記誤差関数は、前記フィードバック信号の振幅の値が第１の閾値まで増大する場合、前記フィードバック利得の値を増大させ、前記誤差関数は、前記フィードバック信号の前記振幅の値が第２の閾値を超えて増大する場合、前記フィードバック利得の値を減少させ、前記第２の閾値は、前記第１の閾値以上である
システム。
【請求項１０】
前記誤差関数は、前記フィードバック信号の振幅の値が増大する場合、前記フィードバック利得の値を増大させ、前記誤差関数は、前記フィードバック信号の前記振幅の値が減少する場合、前記フィードバック利得の値を減少させる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御システムは、フィードバック項とフィードフォワード項との和を用いて前記モーターの前記推定速度を求め、前記フィードバック項は、前記フィードバック利得と前記フィードバック信号との前記積を含み、前記フィードフォワード項は、フィードフォワード利得とフィードフォワード信号との積を含み、前記フィードフォワード信号は、前記モーターの状態の少なくとも一部を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御システムは、前記フィードフォワード項を用いて推定された前記モーターの前記速度と前記フィードフォワード項を用いることなく推定された前記モーターの前記速度との間の差異を低減させることによって前記フィードフォワード利得を求める、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記方法は、
測定電流、測定電圧、モーターのモデルを用いて前記モーターの電流の推定値を求めることと、
フィードバック信号の誤差関数としてフィードバック利得を求めることであって、前記フィードバック信号は、前記測定電流と推定電流との間の誤差を含むことと、
前記フィードバック利得と前記フィードバック信号との積を用いて前記モーターの速度を推定することと、
前記モーターの推定速度と前記モーターの基準速度との間の差異を用いて前記モーターの電圧を求めることと、
前記求められた電圧を用いて前記モーターを制御することと、
を含み、
前記誤差関数は、前記フィードバック信号の振幅の値が第１の閾値まで増大する場合、前記フィードバック利得の値を増大させ、前記誤差関数は、前記フィードバック信号の前記振幅の値が第２の閾値を超えて増大する場合、前記フィードバック利得の値を減少させ、前記第２の閾値は、前記第１の閾値以上である
非一時的コンピューター可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、電気モーターを制御することに関し、より詳細には、モーターの速度又は位置を測定するセンサーを用いることなくモーターの速度を制御する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モーター、特に、可変速度の誘導モーターは、メンテナンスコストの低さ及び許容可能な性能に起因して広く用いられている。しかしながら、誘導モーターの制御は、高度に結合されかつ非線形な動態に起因して困難である。磁界方向制御（ＦＯＣ：field-oriented control）とも称されるベクトル制御は、可変周波数駆動（ＶＦＤ：variable-frequency drive）制御方法であり、三相ＡＣ電気モーターの固定子電流が、空間ベクトルを用いて視覚化することができる２つの直交成分として識別される。一方の成分は、モーターの磁束を規定し、他方は、トルク又は速度を規定する。駆動装置の制御システムは、高レベルコントローラーによって与えられる磁束及び速度又はトルク基準から、対応する電流成分基準を計算する。例えば、比例積分（ＰＩ）コントローラーを用いて、測定電流成分を、それらの基準値に保つことができる。
【０００３】
電気モーターの速度センサーレス制御は、モーターの速度を測定することを回避する。また、そのような制御は、速度センサーレスモーター駆動装置、すなわち、モーターの回転子の速度又は位置を測定するのにセンサーを用いない制御システムによって実現される速度センサーレス制御とも称され得る。速度センサーレスモーター駆動装置は、モーターの速度センサー又は位置センサーが排除されていること、比較的低コスト、及び結果として得られるシステムの改善された信頼性に起因して望ましい。例えば、従来の速度センサーレス制御技術として、電圧モデルに基づく直接積分手法、適応オブザーバー手法、及び拡張カルマンフィルター手法が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、速度センサーレスモーター駆動装置は、モーターを効果的に制御しない可能性がある。具体的には、複数の異なる速度センサーレスモーター駆動装置が、制御ループからエンコーダー（回転子の位置を測定するセンサー）、すなわち、回転子速度を即座に取得することができる位置センサーを除去したことからもたらされる性能劣化を被る。例えば、現行の速度センサーレス制御は、電気モーターの高速に変化する速度基準軌跡を正確かつ迅速に追跡しない可能性がある。そのために、速度センサーレス制御技術の用途は、低性能又は中程度の性能のモーターを必要とする分野に限定される。したがって、電気モーターの速度センサーレス制御の性能を改善する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの実施の形態の目的は、電気モーターの速度、例えば、誘導モーターの回転子の角速度を求めるシステム及び方法を提供することである。本発明のいくつかの実施の形態の別の目的は、回転子の速度及び／又は位置を測定するいかなるセンサーも用いることなくモーターの速度を推定する一方で、この推定の正確性を維持することである。本発明のいくつかの実施の形態の別の目的は、推定速度に基づいてモーターを制御することであり、例えば、モーターの推定速度とモーターの基準速度との間の差異を低減することである。
【０００６】
本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの測定電流とモーターのモデルを用いて測定された電流との間の誤差に基づいてモーターの速度を推定する。測定電流と推定電流との誤差は、複数の異なる要因からの結果であり得る。例えば、そのような誤差は、電流の測定の雑音、電流を推定するのに用いられるモーターのモデルにおける不正確性、及び、モーターの実際の速度とモーターのモデルにおいて用いられるモーターの推定速度との間の差異のうちの１つ又は組み合わせからの結果であり得る。本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの動作の異なるモードにおいて、異なる要因が誤差を形成する主な役割を担うという理解に基づいている。
【０００７】
例えば、モーターの動作の定常状態の間、モーターの実際の速度とモーターの推定速度との間の差異は、通常低減されるので、測定電流と推定電流との間の誤差は、モデル及び測定における誤差によって主に形成される。反対に、モーターの動作の過渡状態の間、モーターの実際の速度とモーターの推定速度との間の差異は、測定電流と推定電流との間の誤差を形成する主な役割を担う。
【０００８】
本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの速度を推定する際に、上述の差異を考慮する必要があるという理解に基づいている。例えば、モーターの実際の速度とモーターの推定速度との間の差異が測定電流と推定電流との間の誤差を形成する主な役割を担う場合、そのような差異は望ましいものであり、モーターの速度を迅速に推定及び制御するのに積極的に利用される必要がある。反対に、モデル及び測定における差異が測定電流と推定電流との間の誤差を形成する主な役割を担う場合、そのような差異は望ましくなく、モーターの推定速度と真の速度とのジッターにつながり得る。このような状況において、測定電流と推定電流との間の誤差に対する、モーターの速度推定器の反応を低減する必要がある。
【０００９】
本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの速度を推定するのに用いられるフィードバック利得の値は、測定電流と推定電流との間の誤差の望ましさに依拠して変動し得るという認識に基づいている。例えば、誤差が望ましい場合、フィードバック利得を増大させて、速度推定及び制御の反応におけるその望ましさを強調することができる。反対に、誤差が望ましくない場合、フィードバック利得を減少させて、速度推定及び制御の反応におけるその望ましさの強調を抑えることができる。そのために、本発明のいくつかの実施の形態は、一定値のフィードバック利得とは対照的に、異なる値を有することができるフィードバック利得を用いている。
【００１０】
本発明のいくつかの実施の形態は、過渡状態の間、実際の速度と推定速度との間の差異は、通常、推定電流と測定電流との間の誤差の大きな振幅につながるという別の認識に基づいている。他方、定常状態動作の間、推定電流と測定電流との間の誤差は、測定雑音及びモデルの不正確性に起因しており、比較的小さな振幅を有する。したがって、本発明のいくつかの実施の形態は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むフィードバック信号の関数としてフィードバック利得を求める。例えば、そのような関数は、フィードバック信号の振幅の値の増大に応答してフィードバック利得の値を増大させることができ、フィードバック信号の振幅の値が減少する場合、フィードバック利得の値を減少させることができる。
【００１１】
付加的に又は代替的に、本発明のいくつかの実施の形態は、モーターのモデルをより正確に表すように、速度推定器においてフィードフォワード項を含む。本発明のいくつかの実施の形態は、フィードフォワード項は、速度推定の、モーターの真の速度への収束を改善することができるが、フィードフォワード利得が不正確に調整された場合、フィードフォワード項を用いるモーターの速度の推定の正確性は、フィードフォワード項を用いないモーターの速度の推定の正確性に比べ悪化したものとなり得るという理解に基づいている。そのために、いくつかの実施の形態は、フィードフォワード項を用いて推定されたモーターの速度とフィードフォワード項を用いることなく推定されたモーターの速度との間の差異を低減することによってフィードフォワード利得を求める。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明の１つの実施の形態は、電気モーターを制御する方法を開示する。本方法は、モーターの電流及び電圧を測定することと、測定電流、測定電圧、及びモーターのモデルを用いてモーターの電流の推定値を求めることと、フィードバック信号の誤差関数としてフィードバック利得を求めることであって、フィードバック信号は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むことと、フィードバック利得とフィードバック信号との積を用いてモーターの速度を推定することと、モーターの推定速度とモーターの基準速度との間の差異を用いてモーターの電圧を求めることと、求められた電圧を用いてモーターを制御することとを含む。本方法の少なくともいくつかのステップは、プロセッサを用いて求められる。
【００１３】
別の実施の形態は、質量体を運動させる電気モーターと、モーターの電流及び電圧を測定する少なくとも１つのセンサーと、モーターを制御する制御システムとを備えるシステムを開示する。制御システムは、プロセッサと、制御の方法を実行するために、プロセッサによって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピューター可読記憶媒体とを備える。この方法は、測定電流、測定電圧、及びモーターのモデルを用いてモーターの電流の推定値を求めることと、フィードバック信号の誤差関数としてフィードバック利得を求めることであって、フィードバック信号は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むことと、フィードバック利得とフィードバック信号との積を用いてモーターの速度を推定することと、モーターの推定速度とモーターの基準速度との間の差異を用いてモーターの電圧を求めることと、求められた電圧を用いてモーターを制御することとを含む。
【００１４】
更に別の実施の形態は、方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピューター可読記憶媒体を開示する。この方法は、測定電流、測定電圧、モーターのモデルを用いてモーターの電流の推定値を求めることと、フィードバック信号の誤差関数としてフィードバック利得を求めることであって、フィードバック信号は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むことと、フィードバック利得とフィードバック信号との積を用いてモーターの速度を推定することと、モーターの推定速度とモーターの基準速度との間の差異を用いてモーターの電圧を求めることと、求められた電圧を用いてモーターを制御することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明のいくつかの実施の形態による、可変フィードフォワード利得を用いて電気モーターを制御するシステムのブロック図である。
【図１Ｂ】本発明の１つの実施の形態による、電気モーターを制御する方法のブロック図である。
【図２】種々の実施の形態によって用いられる座標表記の概略図である。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による、図１Ａにおける磁界方向制御システムの状態推定器のブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の異なる実施の形態によって用いられる測定電流と推定電流との間の誤差を形成する異なる要因の概略図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態による速度推定器のブロック図である。
【図５Ａ】本発明の異なる実施の形態による、フィードバック利得を求めるのに用いられる誤差関数の一例である。
【図５Ｂ】本発明の異なる実施の形態による、フィードバック利得を求めるのに用いられる誤差関数の一例である。
【図５Ｃ】本発明の異なる実施の形態による、フィードバック利得を求めるのに用いられる誤差関数の一例である。
【図６】本発明の１つの実施の形態による補助速度推定器のブロック図である。
【図７】本発明の別の実施の形態による補助速度推定器のブロック図である。
【図８】本発明の１つの実施の形態による、フィードフォワード利得を求める方法のブロック図である。
【図９】本発明の１つの実施の形態によるシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａは、本発明のいくつかの実施の形態による、電気モーターを制御するシステムのブロック図を示している。図１Ａの例において、制御は、誘導モーター１０６のセンサーレス磁界方向制御である。しかしながら、他のタイプの制御が種々の実施の形態の範囲内にある。システムの少なくともいくつかの構成要素は、モーター１０６に作動的に接続された１つ又はいくつかのプロセッサを用いて実装することができる。例えば、図１Ａのシステムの少なくともいくつかの構成要素は、種々の構成要素の方法を実行するために、プロセッサ１３０によって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピューター可読媒体として実装することができる。例えば、プログラムは、制御システムの種々の機能を実行する複数のソフトウェアモジュールにおいて編成することができる。
【００１７】
信号１１１は、回転子磁束の振幅基準であり、信号１１２は、状態推定器１０８から出力されたその推定値であり、信号１１３は、信号１１１及び１１２間の差異を表す。磁束制御ブロック１０１は、信号１１４によって示されるｄ軸固定子電流基準値を求める。信号１１５は、ｄ軸における測定固定子電流を示す。信号１１５及び１１４間の差異信号１１６は、ｄ軸電流制御ブロック１０３によって用いられて、信号１２３の一部である、ｄ軸における基準固定子電圧が求められる。
【００１８】
同様に、信号１１７は、誘導モーターの望ましい回転子速度基準を示し、信号１１８は、誘導モーター状態推定器ブロック１０８によって生成される推定回転子速度を示す。信号１１７及び１１８間の速度差異信号１１９は、速度制御ブロック１０２にフィードされて、信号１２０によって示されるｑ軸における基準固定子電流が求められる。１２１によって示されるｑ軸における固定子電流は、ｑ軸における基準固定子電流１２０と比較されて、差異信号１２２が生成される。ｑ軸電流制御ブロック１０４は、１２４によって示される、ｑ軸における望ましい固定子電圧信号を求める。
【００１９】
ブロック１０５は、逆パーク／クラーク変換（inverse Park/Clarke transformation）を行ってｄ軸及びｑ軸における望ましい固定子電圧信号を変換して、望ましい、よく知られている三相電圧にし、１２５によって示される三相電圧を生成して、誘導モーター１０６を駆動する。１２６によって示される、誘導モーターの三相端子電圧及び巻線電流は、測定されて、クラーク変換ブロック１０７によって二相信号１２８に変換される。パーク変換ブロック１０９は、信号１２８を変換してｄ軸及びｑ軸にし、電流フィードバック信号１１５及び１２１を生成する。状態推定器１０８は、変換された信号１２８を用いて、フィードバック信号として磁束振幅信号１１２及び回転子速度信号１１８を推定する。
【００２０】
本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの速度を推定するのに用いられるフィードバック利得の値は、測定電流と推定電流との間の誤差の望ましさに依拠して変動し得るという認識に基づいている。例えば、誤差が望ましい場合、フィードバック利得を増大させて、速度推定及び制御の反応におけるその望ましさを強調することができる。反対に、誤差が望ましくない場合、フィードバック利得を低減させて、速度推定及び制御の反応における望ましさの強調を抑えることができる。そのために、本発明のいくつかの実施の形態は、一定値のフィードバック利得とは対照的に、異なる値を有することができるフィードバック利得を用いている。そのために、状態推定器１０８は、フィードバック利得の異なる値を用いる。
【００２１】
本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの測定電流とモーターのモデルを用いて推定された電流との間の誤差に基づいてモーターの速度を推定する。測定電流と推定電流との間の誤差は、複数の異なる要因からの結果であり得る。例えば、そのような誤差は、電流の測定の雑音、電流を推定するのに用いられるモーターのモデルにおける不正確性、及びモーターの実際の速度とモーターのモデルにおいて用いられるモーターの推定速度との間の差異のうちの１つ又は組み合わせからの結果であり得る。本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの動作の異なるモードにおいて、異なる要因がその誤差を形成する主な役割を担うという理解に基づいている。
【００２２】
例えば、モーターの動作の定常状態の間、モーターの実際の速度とモーターの推定速度との間の差異は、通常低減されるので、測定電流と推定電流との間の誤差は、モデル及び測定における誤差によって主に形成される。反対に、モーターの動作の過渡状態の間、モーターの実際の速度とモーターの推定速度との間の差異は、測定電流と推定電流との間の誤差を形成する主な役割を担う。
【００２３】
本発明のいくつかの実施の形態は、モーターの速度を推定する際に、上述の差異を考慮する必要があるという理解に基づいている。例えば、モーターの実際の速度とモーターの推定速度との間の差異が測定電流と推定電流との間の誤差を形成する主な役割を担う場合、そのような差異は望ましいものであり、モーターの速度を迅速に推定及び制御するのに積極的に利用される必要がある。反対に、モデル及び測定における差異が測定電流と推定電流との間の誤差を形成する主な役割を担う場合、そのような差異は望ましくなく、モーターの推定速度と真の速度とのジッターにつながり得る。このような状況において、測定電流と推定電流との間の誤差に対する、モーターの速度推定器の反応を低減する必要がある。
【００２４】
本発明のいくつかの実施の形態は、過渡状態の間、実際の速度と推定速度との間の差異は、通常、推定電流と測定電流との間の誤差の大きな振幅につながるという別の認識に基づいている。他方、定常状態動作の間、推定電流と測定電流との間の誤差は、測定雑音及びモデルの不正確性に起因しており、相対的に小さな振幅を有する。したがって、本発明のいくつかの実施の形態は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むフィードバック信号の関数としてフィードバック利得を求める。例えば、そのような関数は、フィードバック信号の振幅の値が増大する場合、フィードバック利得の値を増大させることができ、フィードバック信号の振幅の値が減少する場合、フィードバック利得の値を減少させることができる。
【００２５】
図１Ｂは、本発明の１つの実施の形態による、電気モーターを制御する方法のブロック図を示している。本方法は、プロセッサ１３０等のプロセッサを用いて実施することができる。電気モーターの一例は、誘導モーター１０６である。
【００２６】
実施の形態は、モーターの電流及び電圧を測定する（１４０）。例えば、電圧及び／又は電流の測定値１４５は、モーターに配置された種々のセンサーから入手することができる。例えば、測定値１４５は、図１Ｂにおいて信号１２６の少なくとも一部を形成することができる。実施の形態は、測定電流及び測定電圧１４５、モーターの速度の推定値、並びにモーターのモデル１４３を用いてモーターの電流の推定値１５５を求める（１５０）。例えば、電流１５５は、状態推定器１０８によって推定することができる。
【００２７】
実施の形態は、測定電流１４５と推定電流１５５との間の誤差を含むフィードバック信号１６５を求め（１６０）、フィードバック信号１６５の関数としてフィードバック利得１６７を求める（１６０）。本開示において、そのような関数は、誤差関数と称される。誤差関数は、モーターの動作の異なるモードについてフィードバック利得の値を変動させ、フィードバック利得は、誤差の少なくとも２つの異なる値についての異なる値を有するようになっている。
【００２８】
実施の形態は、フィードバック利得１６７とフィードバック信号１６５との積を用いてモーターの速度１７５を推定し（１７０）、モーターの推定速度１７５と、モーターが追跡する必要があるモーターの基準速度１８７との間の差異を用いてモーターの電圧１８５を求める（１８０）。例えば、速度１７５は、図１Ａの可変フィードバック利得ブロック１０８を有する状態推定器を用いて推定することができる。例えば、図１Ａの電流制御ブロック１０３及び／又は１０４を用いて電圧１８５を求めることができる。次に、実施の形態は、求められた電圧１８５を用いてモーターを制御する（１９０）。例えば、電圧１８５は、図１Ａにおけるモーター１０６への入力である信号１２５に含めることができる。
【００２９】
表記
本開示を容易にするために、本明細書において以下の表記が用いられる。ζを現実の誘導モーターの変数を示すものとすると、
【数１】
0006671500.tif 000002
は、測定された変数として示され、
【数２】
0006671500.tif 000003
は、変数の推定値として示され、ζ＊は、変数の基準値として示され、
【数３】
0006671500.tif 000004
は、推定誤差として示され、ｅζ＝ζ＊−ζは、追跡誤差として示される。
【００３０】
図２は、種々の実施の形態によって用いられる座標表記を示している。図２に示すように、座標Ｄ−Ｑは、固定子固定フレームを表し、座標ｄ−ｑは、ω１の回転速度を有する回転フレームを表す。１つの回転ｄ−ｑフレームは、回転子磁束方向フレームであり、これは、回転子磁束ベクトルの角速度に等しい回転速度ω１を有し、ただし、ｄ軸は、回転子磁束ベクトルΦｒと位置合わせされている。本開示の以下においては、別様に言及されない限り、フレームｄ−ｑは、回転子磁束方向フレームを表す。いくつかの表記が表１に与えられる。
【００３１】
【表１】
0006671500.tif 000005
【００３２】
電気モーターのモデル
クラーク変換は、三相における量を二相システムに変換し、空間ベクトル形式における量を表すのに利用される数学的変換であり、このクラーク変換は、三相システムの解析を大幅に簡略化する。本開示において、クラーク変換は、三相固定子電圧等の三相における量を固定フレームにおける空間ベクトル（又は等価にＤ−Ｑフレーム）に変換する場合に限定される。同様に、パーク変換は（又はｄ−ｑ変換として知られている）、固定フレーム（Ｄ−Ｑフレーム）における量を回転二相基準フレーム上に射影する。クラーク／パーク変換及びその逆変換は、当業者によく知られているので、これらの変換の厳密な記載は省略される。
【００３３】
本発明のいくつかの実施の形態は、誘導モーターのモデルを用いる。しかしながら、そのようなモデルは、種々のタイプの電気モーターのために容易に変更することができる。クラーク変換を用いて、三相電流、三相電圧、磁束等の、誘導モーターの物理量が固定フレームにおける空間ベクトル量によって表される。パーク変換を用いて、誘導モーターの固定フレームにおける空間ベクトル量が、回転フレームにおける空間ベクトル量の別のセットによって表される。当業者のために、角速度ω１を有する回転フレームｄ−ｑにおける一般的な誘導モーターモデルは、以下によって与えられる。
【数４】
0006671500.tif 000006
ここで、ｙは、測定信号を表す。固定子電流のみが測定されることが明らかである。ω１＝０の場合、誘導モーターモデル（１）は、固定（静止）Ｄ−Ｑフレームにおける以下のモデルに還元される。
【数５】
0006671500.tif 000007
【００３４】
それぞれ回転フレーム又は固定フレームにおいてｘ＝（ｉｄｓ，ｉｑｓ，Φｄｒ，Φｑｒ，ω）Ｔ又はｘ＝（ｉＤｓ，ｉＱｓ，ΦＤｒ，ΦＱｒ，ω）Ｔによって示される状態を推定する状態推定器の設計は、通常、モデル（１）又は（２）に基づいている。
【００３５】
誘導モーター状態推定器設計
図３Ａは、本発明のいくつかの実施の形態による、図１Ａにおける磁界方向制御システムの状態推定器１０８のブロック図を示している。信号３１１は、静止フレームにおける誘導モーターの測定された固定子巻線端子電圧、すなわち、ｕＤｓ及びｕＱｓを示しており、信号３１２は、静止フレームにおける誘導モーターの測定された固定子巻線電流、すなわち、ｉＤｓ及びｉＱｓを示している。出力信号３１３は、それぞれ、
【数６】
0006671500.tif 000008
及び
【数７】
0006671500.tif 000009
によって示される、推定された固定子電流及び回転子磁束である。出力信号３１４は、推定された回転子速度
【数８】
0006671500.tif 000010
である。
【００３６】
以前の反復からの推定速度信号３１４とともに、測定された固定子電圧信号３１１及び固定子電流信号３１２が、モーターの電流及び回転子磁束を推定するように構成された電流及び回転子磁束推定器３０１への入力である。誘導モーターモデル（２）からの回転子速度式から分離して、回転子速度ωを時変パラメーターとみなすことによって、（２）における非線形誘導モーターモデルが、以下のような線形システムに還元される。
【数９】
0006671500.tif 000011
【００３７】
種々の実施の形態において、線形誘導モーターシステム（３）の場合の電流及び磁束推定器３０１は、ルーエンバーガー（Luenberger）フィルター及び／又はカルマンフィルター等の線形システムについて設計された種々の推定器を用いる。例えば、１つの実施の形態は、ルーエンバーガー解を用いて、以下に従ってモーターの電流を求め（１５０）、
【数１０】
0006671500.tif 000012
ここで、Ｇは、４行２列を有する利得行列である。
【００３８】
図３Ｂは、本発明の異なる実施の形態によって用いられる測定電流と推定電流との間の誤差３２１を形成する異なる要因の概略図を示している。図３Ｂに示すように、誤差３２１は、
【数１１】
0006671500.tif 000013
及び
【数１２】
0006671500.tif 000014
によって表され、この誤差は、３つの成分、すなわち、測定雑音に起因する誤差電流３２２、電流及び磁束推定器設計において用いられる誘導モーターモデルと真の誘導モーターモデルとの間のモデル不一致に起因する誤差電流３２３、及び推定速度３１４
【数１３】
0006671500.tif 000015
と真の速度ωとの差異に起因する誤差電流３２４のうちの１つ又は組み合わせを含む。本発明のいくつかの実施の形態は、成分３２２及び３２３は除去される必要がある一方で、成分３２４の優位性（dominance）は保たれる必要があるという認識に基づいている。本発明の実施の形態は、モーターの速度の推定に用いられるフィードバック利得の値を変動させることによる、誤差３２１の成分のそのような均衡を達成する。
【００３９】
図４は、本発明の１つの実施の形態による、速度推定器３０２のブロック図を示している。この実施の形態において、速度推定器３０２は、測定電流信号３１２及び／又は推定磁束信号３１３を用いて、フィードフォワード項とフィードバック項との組み合わせを用いて回転子速度信号３１４を推定する。図４において、ブロック４０１は、フィードバック利得ｋｆｂを表し、２つのブロック４０２及び４０３は、２つのフィードフォワード利得θ１及びθ２を表す。信号４１１は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むフィードバック信号ｅＴを表す。１つの実施の形態において、フィードバック信号は、
【数１４】
0006671500.tif 000016
として求めることができる。代替的な実施の形態において、フィードバック信号４１１は、回転子磁束方向フレームにおける
【数１５】
0006671500.tif 000017
として求めることができる。関係
【数１６】
0006671500.tif 000018
が保たれ、ｄ軸回転子磁束
【数１７】
0006671500.tif 000019
が通常その基準
【数１８】
0006671500.tif 000020
に調節されることを理由に、ｑ軸電流誤差信号
【数１９】
0006671500.tif 000021
も、速度推定についての情報を含む。信号４１３は、速度推定器におけるフィードバック項を示し、これは、フィードバック利得４０１によって信号４１１を増幅させることによって達成される。
【００４０】
付加的に又は代替的に、本発明のいくつかの実施の形態は、速度推定器においてフィードフォワード項を含むことで、モーターのモデルをより正確に表す。本発明のいくつかの実施の形態は、フィードフォワード項により、速度推定の、モーターの真の速度への収束を改善することができるという理解に基づいている。フィードフォワード信号４１２は、フィードフォワード項の状態依拠部分を表しており、これは、
【数２０】
0006671500.tif 000022
として計算することができる。信号４１４は、速度推定器におけるフィードフォワード項を表しており、これは、フィードフォワード利得４０２及び／又は４０３及びフィードフォワード信号４１２を用いて計算される。
【００４１】
いくつかの実施の形態は、フィードフォワード利得４０２及び／又は４０３をオンライン又はオフラインで調整する。本発明のいくつかの実施の形態は、フィードフォワード利得が不正確に調整された場合、フィードフォワード項を用いたモーターの速度の推定の正確性は、フィードフォワード項を用いないモーターの速度の推定の正確性に比べ悪化したものとなり得るという理解に基づいている。そのために、いくつかの実施の形態は、フィードフォワード項を用いて推定されたモーターの速度とフィードフォワード項を用いることなく推定されたモーターの速度との間の差異を低減するフィードフォワード利得を求める。
【００４２】
本発明の１つの実施の形態は、フィードバック項とフィードフォワード項との和を用いてモーターの速度を推定する。フィードバック項は、フィードバック利得とフィードバック信号との積を含み、フィードフォワード項は、フィードフォワード利得とフィードフォワード信号との積を含み、このフィードフォワード項においてフィードフォワード信号は、モーターの状態の少なくとも一部を含む。例えば、実施の形態は、フィードバック項４１３とフィードフォワード項４１４との和を積分する（４０４）ことによって、速度
【数２１】
0006671500.tif 000023
４１５を推定する。例えば、リアルタイムの埋め込みコントローラーについて構成された１つの実施の形態は、以下のように離散時間形式における推定を実施し、
【数２２】
0006671500.tif 000024
ここで、
【数２３】
0006671500.tif 000025
は、サンプル時点ｋにおける推定回転子速度であり、ｄｔは、サンプル時間であり、
【数２４】
0006671500.tif 000026
及び
【数２５】
0006671500.tif 000027
は、フィードフォワード利得であり、ｋｆｂは、フィードバック利得である。
【００４３】
非線形フィードバック利得推定器
本発明のいくつかの実施の形態は、帯域幅改善のために過渡中の高フィードバック利得を用いる要件と、測定雑音及びモデル不一致を軽減するための定常状態動作中の低フィードバック利得を用いる要件との間のトレードオフに対処するために、フィードバック利得を非線形に求める。本発明のいくつかの実施の形態は、測定電流と推定電流との間の誤差を含むフィードバック信号ｅＴの誤差関数としてフィードバック項を求める。本発明のいくつかの実施の形態は、フィードバック信号の振幅は、測定電流と推定電流との間の誤差を形成する特定の要因の優位性を示すことができるという認識に基づいている。
【００４４】
例えば、誘導モーターの電流及び磁束推定器が収束している場合、すなわち、モーターが定常状態にある場合、フィードバック信号ｅＴは、周期的振動をその平均値の僅かに上下で呈し、この周期的振動の基本周波数は、誘導モーターの回転周波数である。この速度リプルは、パラメーターのモデル誤差、モデル化されていないモーターの動態、及び固有のモータートルクリプルに起因する。定常動作の間、実施の形態は、フィードバック利得の値を低減して、推定速度において高調波振動をもたらす望ましくない誤差を拡大させることを回避する。
【００４５】
他方、モーターの過渡状態の間、例えば、モーターの加速時又は減速時、フィードバック信号ｅＴは、比較的大きな大きさを呈し、過渡後にその定常状態に収束する。過渡状態の間、速度推定帯域幅を増大させるのに、大きなフィードバック利得が望ましい。
【００４６】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の異なる実施の形態によって用いられるフィードバック信号５４０の値に基づいてフィードバック利得５３０を求める誤差関数５１０及び５２０の例を示している。上述の観察に基づいて、速度推定におけるフィードバック利得ｋｆｂは、フィードバック項ｅＴの関数として設計され、この関数は、ｅＴがその通常の大きさよりも小さい場合、より小さい振幅を有し、ｅＴが過渡中のその通常の値の周辺である場合、より大きな振幅を有する。
【００４７】
そのために、図５Ａ及び図５Ｂから見て取ることができるように、誤差関数５１０又は５２０は、フィードバック信号の振幅の値が増大する場合、フィードバック利得の値を増大させ、フィードバック信号の振幅の値が減少する場合、フィードバック利得の値を減少させる。いくつかの実施の形態において、誤差関数５１０又は５２０において、フィードバック利得の値は、フィードバック利得の最小値５１５と最大値５２５との間で区間が定められている。
【００４８】
図５Ｃは、本発明の別の実施の形態による、誤差関数５５０の別の例を示している。この実施の形態は、フィードバック信号ｅＴのより大きな値が、速度推定におけるダイバージェンス又は不正確性も示すことができるという理解に基づいている。この状況下において、実施の形態は、フィードバック利得を低減させて、速度推定の更なるダイバージェンスを防ぐ。そのために、１つの実施の形態において、誤差関数は、フィードバック信号の振幅の値が第１の閾値５６０まで増大する場合、フィードバック利得の値を増大させる。しかしながら、誤差関数は、フィードバック信号の振幅の値が第２の閾値５７０を超えて増大する場合、フィードバック利得の値を減少させる。種々の実施の形態において、第２の閾値は、第１の閾値以上である。
【００４９】
フィードフォワード速度推定器
本発明の１つの実施の形態は、フィードフォワード利得とフィードフォワード信号との積を含むフィードフォワード項を用いてモーターの速度を推定する。いくつかの実施態様において、フィードフォワード信号は、モーターの状態の少なくとも一部を含む。フィードフォワード項の目的は、速度推定がモーターの動態、例えば、式（２）の動態に一致することを確実にすることである。例えば、式（２）に従って、磁束推定が収束するという条件下で回転子速度の追跡を容易にするように、フィードフォワード利得は、
【数２６】
0006671500.tif 000028
である。しかしながら、実際的な用途において、回転子の慣性、負荷トルク等の誘導モーターモデルのパラメーターは、しばしば正確に既知ではない。そのために、本発明のいくつかの実施の形態は、反復調整速度推定器を用いて、フィードフォワード利得４０２及び４０３を自動的に調整する。
【００５０】
１つの実施の形態において、フィードフォワード利得の調整は、或る特定の目的関数の最適化に依拠しており、この目的関数は、速度推定器の性能を表すものとする。フィードバック利得のベクトル
【数２７】
0006671500.tif 000029
を定義する。モーター速度を直接測定することができる場合、目的関数は、
【数２８】
0006671500.tif 000030
として選択することができ、ここで、
【数２９】
0006671500.tif 000031
である。
【００５１】
速度センサーレスの状況において、モーター速度は、測定されず、そのため、その近似は、フィードフォワード利得を調整するためのグラウンドトゥルースであることを要する。１つの実施の形態において、図３において参照される補助速度推定器３０３が用いられて、フィードフォワード利得を調整するためのグラウンドトゥルースとして用いられる補助速度信号が提供される。図３に示すように、補助速度推定器３０３は、速度推定器３０２と並列に稼働して、補助速度信号３１５が生成される。本発明のいくつかの実施の形態は、これらの利得を用いて推定された速度が補助速度信号３１５を近似するように、フィードフォワード利得を求める。
【００５２】
図６は、本発明の１つの実施の形態による補助速度推定器３０３のブロック図を示している。信号６１１は、図４における信号４１１と同じものとすることができるフィードバック信号ｅＴを表す。ブロック６０１は、図４におけるフィードバック利得４０１と同じ値とすることができる非線形フィードバック利得ｋｆｂを表す。信号６１２は、利得６０１によって信号６１１を増幅することによって計算される、速度推定信号を示す。ブロック６０２は、フィードフォワード利得を調整するのに用いられる基準速度信号６１３を出力する積分演算を示す。この実施の形態において、補助速度信号６１３
【数３０】
0006671500.tif 000032
は、
【数３１】
0006671500.tif 000033
によって計算することができる。
【００５３】
図７は、本発明の別の実施の形態による、補助速度推定器３０３のブロック図を示している。図７において、信号７１１は、図４における信号４１１と同じものとすることができるフィードバック信号ｅＴを表す。２つのブロック７０１及び７０２は、速度補助推定器の比例利得及び積分利得であり、ブロック７０３は、推定における積分演算を示す。信号７１２は、比例推定項と積分推定項との和を示す。ブロック７０４は、積分演算を示し、信号７１３は、グラウンドトゥルース速度信号を示す。この実施の形態において、基準速度信号
【数３２】
0006671500.tif 000034
は、
【数３３】
0006671500.tif 000035
によって計算することができ、ここで、ｋｐ及びｋＩは、正の利得である。
【００５４】
フィードフォワード項の調整において補助速度信号
【数３４】
0006671500.tif 000036
を用いることで、対応するコスト関数は、以下のように記述することができる。
【数３５】
0006671500.tif 000037
【００５５】
一般性を失うことなく、フィードフォワード推定利得の選択についての制約は存在しない、すなわち、事前に定義される最適化問題は非制約であることが仮定される。２つの推定速度間の差異
【数３６】
0006671500.tif 000038
は、フィードフォワード推定利得θｋの線形関数であり、目的関数は凸であり、これは、大域的な最適解が取得可能であることを暗示する。図３におけるフィードフォワード利得３１７の値は、ブロック３０４における勾配ベース探索方法を用いて反復的に更新することができる。
【００５６】
図８は、本発明の１つの実施の形態による、フィードフォワード利得を求める方法のブロック図を示している。実施の形態は、フィードフォワード利得調整ブロック３０４において実施することができる。
【００５７】
図８において、速度推定誤差信号８０２は、
【数３７】
0006671500.tif 000039
と定義することができ、コスト関数８０２は、
【数３８】
0006671500.tif 000040
と定義することができる。実施の形態は、フィードフォワード利得を用いて推定されたモーターの速度がコスト関数を最小化するように、フィードフォワード利得を反復して最適化する（８０３）。例えば、最適化８０３は、終了条件が満たされるまでフィードフォワード利得を反復して更新する勾配ベース探索を用いることができる。例えば、各反復において、フィードフォワード利得は、
【数３９】
0006671500.tif 000041
に従って更新することができ、ここで、θｋは、第ｋの反復におけるフィードフォワード利得ベクトルであり、αｋは、勾配探索のステップサイズであり、Ｒｋは、探索方向を変更する行列であり、∂Ｖ／∂θｋは、θｋの現在値において評価されるフィードフォワード利得に対するコスト関数の勾配である。
【００５８】
勾配ベース探索は、終了条件が満たされるまでフィードフォワード利得を反復して更新する（８０４）。例えば、終了条件は、或る特定の反復数、又は勾配が閾値未満となる場合として選択することができる。
【００５９】
いくつかの実施の形態において、図３において調整されたフィードフォワード利得３１７は、次の制御反復における回転子速度推定のために、速度推定器３０２に入力される。自動調整方法をオンラインフィードフォワード利得調整に用いることができ、これは、図３に示すように、状態推定及びフィードフォワード利得調整が同時に機能することを意味する。
【００６０】
図９は、本発明の１つの実施の形態によるシステムのブロック図を示している。システムは、質量体を運動させる電気モーター９１０と、このモーターの電流及び電圧を測定する少なくとも１つのセンサー９２０とを備える。例えば、電気モーターは、固定子及び回転子を備える誘導モーターとすることができる。センサーの例として、モーターの巻線電流及び端子電圧を測定するセンサーが挙げられる。
【００６１】
また、図９のシステムは、モーターを制御する制御システム９３０も備える。制御システムは、プロセッサ９４０と、メモリ９５０、例えば、上述の制御の方法を実行するためにプロセッサ９４０によって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピューター可読記憶媒体とを備える。
【００６２】
本発明の上記で説明した実施の形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施の形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューターに設けられるのか又は複数のコンピューター間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、１つ以上のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。
【００６３】
また、本発明の実施の形態は、例が提供された方法として実施することができる。この方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施の形態を構築することができ、これには、例示の実施の形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、幾つかの動作を同時に実行することを含めることもできる。
【００６４】
請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ（序数の用語の使用を除く）名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。
【図１Ａ】
0006671500.tif 000042
【図１Ｂ】
0006671500.tif 000043
【図２】
0006671500.tif 000044
【図３Ａ】
0006671500.tif 000045
【図３Ｂ】
0006671500.tif 000046
【図４】
0006671500.tif 000047
【図５Ａ】
0006671500.tif 000048
【図５Ｂ】
0006671500.tif 000049
【図５Ｃ】
0006671500.tif 000050
【図６】
0006671500.tif 000051
【図７】
0006671500.tif 000052
【図８】
0006671500.tif 000053
【図９】
0006671500.tif 000054