(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、固定子と、少なくとも１つの相巻線とを含む切換式リラクタンス機械の回転子位置を決定する方法であって、
前記位相が通電されていない不活性期間中に、前記相巻線の主電流および主磁束結合のうちのいずれか一方を測定し、
電流または磁束結合の予め定める最大値を有する診断パルスを不活性相巻線に注入し、
前記パルスの終了時に前記位相の全電流または全磁束結合を測定し、
全電流または全磁束結合と、主電流または主磁束結合との差から前記診断パルスの注入による前記電流または磁束結合に対する値を生成し、
前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方と、電流および磁束結合のうちのいずれか他方の値に対する回転子角度との相関関係から回転子位置を導くことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
インダクタンスが電流に実質的に依存しない範囲に対して、相電流が予め定める値を下回った場合に、前記診断パルスが注入されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記パルスは、予め定める磁束結合のパルスであり、前記相巻線にわたる電圧を積分することによって測定されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記診断パルスは、前記相巻線にわたる供給電圧を切換えることによって注入されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記導出された回転子位置と回転位置の予測値とを比較し、
決定した回転子位置として、前記導出値と前記予測値との間で選択することを含むことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記導出した回転子位置が前記予測した回転子位置と予め定める量だけ異なる場合には、回転子位置の前記予測値を選択することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記導出した回転子位置と前記予測した回転子位置との間の誤差が回転子位置の連続決定数に対して第２の予め定める量だけ異なる場合には、機械の制御を変更することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記測定された主電流と、線形インダクタンス範囲に対応する予め定める値とを比較し、前記主電流が前記予め定める値を下回った場合には、該方法を続行することを含むことを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項９】
回転子と、固定子と、少なくとも１つの相巻線と、前記相巻線を通電するために作動可能なスイッチ手段とを有する機械を含む切換式リラクタンス駆動装置用回転位置検出器であって、
前記位相の主電流および主磁束結合のうちのいずれか一方を測定する測定手段と、
前記測定手段に前記位相が通電されていない不活性期間中に前記主電流または主磁束結合を測定させる手段と、
前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方の予め定める値を有する診断パルスを前記不活性位相に注入する注入手段と、
前記測定手段に前記パルスの終了時に前記位相の前記電流または磁束結合を測定させる手段と、
全電流または全磁束結合と、主電流または主磁束結合との差から前記診断パルスの注入による前記電流または磁束結合の値を生成する手段と、
前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方と、電流および磁束結合のうちのいずれか他方の値に対する回転子角度との相関関係から回転子位置を導く手段とを含むことを特徴とする回転子位置検出器。
【請求項１０】
相電流を監視し、インダクタンスが電流に実質的に依存しない範囲に対して、前記相電流が予め定める値を下回った場合に、前記注入手段に前記診断パルスを注入させる手段を含むことを特徴とする請求項９記載の検出器。
【請求項１１】
前記パルスは、予め定める磁束結合のパルスであり、前記位相にわたる電圧を積分して前記磁束結合を測定するように構成された積分器を含むことを特徴とする請求項９または１０記載の検出器。
【請求項１２】
前記注入手段は、前記切換式リラクタンス駆動装置のスイッチ手段を含むことを特徴とする請求項９〜１１のうちのいずれかに記載の検出器。
【請求項１３】
前記導出された回転子位置と回転位置の予測値とを比較する比較手段と、前記導出値と前記予測値との間で選択する手段とを含むことを特徴とする請求項９〜１２のうちのいずれかに記載の検出器。
【請求項１４】
前記導出値が前記予測値と予め定める量だけ異なる場合に、前記選択する手段が前記導出値と前記予測値との間で選択するように動作可能であることを特徴とする請求項１３記載の検出器。
【請求項１５】
前記導出値が前記予測値と回転子位置の連続した導出数に対して予め定める量だけ異なる場合に、前記選択する手段が前記導出値と前記予測値との間で選択するように動作可能であることを特徴とする請求項１３記載の検出器。
【請求項１６】
請求項１〜８のうちのいずれかに記載の方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム要素。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切換式リラクタンス機械の制御、特に回転子位置を監視するセンサを用いずに動作される機械の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
概してリラクタンス機械は、磁気回路のリラクタンスが最小になる位置、すなわち励磁巻線のインダクタンスが最大になる位置に可動部分が移動しようとすることによってトルクが生成される電気機械である。典型的には、回転子の角度位置を検出し、回転子位置の関数として相巻線を通電するために回路が設けられる。このタイプのリラクタンス機械は一般的に切換式リラクタンス機械として周知であり、電動機または発電機として動作されてもよい。このような切換式リラクタンス機械の特性は周知であり、たとえば、１９９３年６月２１日〜２４日にドイツのニュルンベルクで開催されたＰＣＩＭ’９３会議の際、StephensonおよびBlakeによって発表され、参照によって本明細書に組み込まれる論文“The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives”において述べられている。この論文は、相巻線のインダクタンスを周期的に変化させる特性ももたらす切換式リラクタンス機械の特徴をいくらか詳しく述べている。
【０００３】
図１は、切換式リラクタンス駆動システムの主要な構成要素を示す。入力直流電源１１は、バッテリまたは整流および濾波された交流電源のいずれかであってもよく、電圧の大きさは一定または可変であってもよい。いくつかの周知の駆動装置において、電源１１は、ゼロと所定値との間を急速に変化する直流電圧を生成する共振回路を含み、電源スイッチのゼロ電圧切換を可能にする。電源１１によって供給される直流電圧は、電子制御部１４の制御の下、電力変換器１３によって、モータ１２の相巻線１６にわたって切換えられる。駆動装置の適切な動作のために、切換えは回転子の回転角度と正確に同期しなければならない。回転子位置検出器１５は、回転子の角度位置を示す信号を供給するために用いられるのが通常である。回転子位置検出器１５の出力は、速度フィードバック信号を生成するために用いられてもよい。
【０００４】
回転子位置検出器１５は様々な形をとってもよく、たとえば図１に概略的に示すようにハードウェアの形をとってもよい。いくつかのシステムにおいて、回転子位置検出器１５は、回転子位置トランスデューサを含んでもよく、該トランスデューサは、電力変換器１３内で異なるスイッチング構成の装置が必要とされる位置に回転子が回転する毎に状態を変える出力信号を供給する。その他のシステムにおいて位置検出器は、駆動システムの他の監視されたパラメータから位置を算出または推定するソフトウェアアルゴリズムであってもよい。これらのシステムは、回転子と関連する物理的な変換器を用いないので、「センサレス位置検出器システム」としばしば呼ばれる。当該技術において周知であるように、信頼性のあるセンサレスシステムを求めて多くの異なるアプローチが取り入れられてきた。いくつかのアプローチを以下に述べる。
【０００５】
切換式リラクタンス機械における相巻線の通電は、回転子の角度位置の検出に依存する。このことは、電動機として動作するリラクタンス機械の切換えを示す図２および図３を参照して説明されるであろう。図２は、矢符２２に従って固定子磁極２１に接近する回転子磁極２０を一般的に示す。図２に示されるように、全相巻線１６の一部分２３は、固定子磁極２１の周囲に巻き付けられる。固定子磁極２１の周囲の相巻線１６の一部分２３が通電されたとき、回転子磁極２０を固定子磁極２１と一列に並ぶように引付ける力が回転子に作用する。図３は、固定子磁極２１の周囲の前記一部分２３を含む前記相巻線１６の通電を制御する電力変換器１３内の典型的なスイッチング回路を一般的に示す。スイッチ３１，３２が閉じられると、相巻線は直流電源と連結され、通電される。積層形状、巻線トポロジおよびスイッチング回路の多くの異なる構造が当該技術では周知であり、そのいくつかは先に挙げたStephensonとBlakeとの論文中で述べられている。切換式リラクタンス機械の相巻線が上述のように通電されると、磁気回路中の磁束によって作られる磁界が、上述のように回転子磁極を固定子磁極と一列に並ぶように引付けるように作用する円周方向の力を生じる。
【０００６】
一般的に、相巻線は以下のように回転子の回転をもたらすように通電される。
回転子の最初の角度位置（「ターンオン角度」ＯＮと呼ぶ）において、コントローラ１４は、両方のスイッチング装置３１，３２をオンにする切換信号を与える。スイッチング装置３１，３２がオンのとき、相巻線は直流バスに連結され、機械内で形成される磁束を増加させる。磁束は、駆動トルクを生成するように回転子磁極に作用する空隙に磁界を生成する。機械内の磁束は、直流電源からスイッチ３１，３２および相巻線２３を介して流れる電流によって与えられる起磁力（ｍｍｆ）によって支持される。電流フィードバックは一般的に用いられ、相電流の大きさは、スイッチング装置３１，３２のうちのいずれか１つまたは両方をオンまたはオフに急速に切換えて、電流をチョッピングすることによって制御される。図４（ａ）は、チョッピング動作モードにおける典型的な電流波形を示し、電流は２つの一定のレベル間でチョップされる。電動機動作において、ターンオン角度ＯＮは、回転子の磁極間空間の中心線が固定子磁極の中心線と同一直線上である回転子位置であるようにしばしば選択されるが、他の角度であってもよい。
【０００７】
多くのシステムにおいて、「フリーホイーリング角度」、ＦＷと呼ばれる角度に達するように回転子が回転するまで、相巻線は直流バスに接続された（またはチョッピングが用いられる場合、断続的に接続された）ままである。回転子が、フリーホイーリング角度（たとえば、図２に示される位置）に対応する角度位置に達すると、スイッチのうちのいずれか一方、たとえば３１がオフにされる。その結果、相巻線を流れる電流は流れ続けるが、スイッチのうちのいずれか一方だけ（この例では３２）と、ダイオード３３，３４のうちのいずれか一方（この例では３４）とを通って流れるようになる。フリーホイーリング期間中、相巻線にわたる電圧降下は小さく、磁束は、実質的に一定に保たれる。回路は、回転子が「ターンオフ角度」ＯＦＦとして知られる角度位置に回転するまで（たとえば、回転子磁極の中心線が固定子磁極の中心線と一致するまで）、このフリーホイーリング状態が保たれる。回転子が、ターンオフ角度に達すると、両方のスイッチ３１，３２がオフにされ、相巻線２３の電流が、ダイオード３３，３４に流れ始める。次に、ダイオード３３，３４は、直流バスからの直流電圧を逆向きに印加し、機械内の磁束（したがって、相電流）を減少させる。他の切換角度および他の電流制御方法を用いることは当該技術において周知である。
【０００８】
機械の速度が上昇するにつれて、電流がチョッピング・レベルまで上昇する時間が少なくなり、その駆動は、通常「単一パルス」動作モードで運転される。このモードでは、ターンオン角度、フリーホイール角度およびターンオフ角度は、たとえば速度および負荷トルクの関数として選択される。システムによっては、フリーホイーリングの角度期間を用いておらず、すなわちスイッチ３１，３２を同時にオンおよびオフに切換えている。図４（ｂ）は、フリーホイール角度がゼロの場合の典型的な単一パルス電流波形を示す。ターンオン角度、フリーホイール角度およびターンオフ角度の値は、予め定められ、必要に応じて制御システムによる検索に適切なフォーマットで記憶され、または実時間で算出または推定されてもよいことは周知である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
切換式リラクタンス機械の全性能を実現しようとする場合には、センサレスシステムは、チョッピング動作モードおよび単一パルス動作モードの両方において回転子位置信号を供給可能でなければならないことは、理解されるであろう。多くのセンサレスシステムが開発されてきたが、大多数は、１つの動作モードに制限され、またはシステム動作上で厳しい制限を課してきた。ある提案では、トルク生成の瞬間には用いられず、電流が流れていない（すなわち「使用していない」位相）の相巻線に注入される診断パルスを用いている。典型的には、このアプローチは、電流の立ち上がり時間および立ち下がり時間が全励磁周期に比べて相対的に短いチョッピングモードに適用可能である。このアプローチの実行は、１９９０年７月１７日〜１９日にロンドンで開催されたProc PEVD会議において、Mvungiらによって発表された、参照によって本明細書に組み込まれる論文IEE Pub'n No 324の“A New Sensorless Position Detector for SR Drives”の第２４９ページ〜第２５２ページにおいて述べられている。この論文は、高速動作（すなわち単一パルス動作）には異なるアプローチが必要であることを認めている。そのようなアプローチは、欧州特許公報ＥＰ−Ａ−０５７３１９８号（Ｒａｙ）によって例示され、該公報は、回転子位置の予測に導く磁束および電流の計測方法を開示している。その他のセンサレス位置検出システムは、１９９３年９月１３日〜１６日、イギリスのブライトンでの欧州パワーエレクトロニクス会議でのRayらによる“Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors”の第６巻第７ページ〜第１３ページにおいて検討および分類され、これらの方法のいずれも全動作範囲にわたる動作を完全には満たさないと結論付けている。
【００１０】
Mvungiによって提案された方法は、使用していない期間が相対的に長く、電流の立ち下がり時間が短い場合には、非常に低い速度で動作させることができ、いくつかの診断パルスを注入するなめに充分な時間を与えている。しかしながら、この方法は、診断パルスが注入される前にゼロに減衰する磁束と電流とに依存する（Mvungiの第２５２ページ第２欄）。主励磁のテール電流は減衰するためにより時間がかかり、診断パルスのための間隔はより小さくなっていくので、速度が上昇するにつれてこの必要条件を満たすことが困難となる。Mvungiは、四相機械を用いるシステムを記載しているが、この問題は（他の理由から、しばしばより好適である）三相システムにおいてよりも深刻となる。図５（ａ）は、Mvungiによって記載されたように、注入された磁束結合のパルスを有する相電流波形を示す。パルスは、主励磁のテール電流がゼロに減衰した後にだけ、注入される。パルスに関する増加する電流は、回転子が移動するにつれて、相巻線のインダクタンスが減少することを示す（パルスの大きさは、明瞭化のため強調されていることに注目されたい）。図５（ａ）は、非常に低い速度における動作点を示しており、テール電流は急速にゼロに減衰し、回転子位置の診断に適切な長い領域を残している。しかしながら、速度が上昇するにつれて、テール電流は減衰するためにより長い時間がかかり、診断領域に割込み、診断パルスを注入する機会を遅延させる。これは図５（ｂ）に示される。速度が上昇するにつれて、診断のために残された時間は、信頼性のある位置推定に充分なパルスを注入するためには充分ではなく、診断する状態の位相が存在せず、制御システムの回転子位置との同期性が失われる時間が存在するので、システムは不安定となる。
【００１１】
したがって、低速時ではMvungiの方法が、そして高速時にはRayの方法が利用可能である。しかしながら、頑強な駆動装置の動作を可能にする回転子位置検出技術を必要とする両者間に存在する領域がある。
【００１２】
リラクタンス機械のパーミアンスは電流に関して非線形であり、ラミネーション鋼のＢ−Ｈ曲線は線形ではないので、電流の重ね合わせは正確な結果をもたらさないとこれまで考えられてきた。したがって、回転子位置検出の診断パルスは相巻線に電流が流れていないときだけ注入可能であり、さもなければ結果は誤ったものになると常に考えられてきた。このことはたとえば、１９９８年９月２日〜４日にトルコのイスタンブールで開催された電気機械の国際会議BICEM'98で、Ehsani, M, Rajarathnam, AV, Suresh, G, & Fahimiらによって"Sensorless control of switched reluctance motors - a technology ready for applications"の第２巻第６７３ページ〜第６８４ページの中で述べられた。一般的には、このことは正しいが、本発明の発明者は、機械のインダクタンス周期の一部において、この概論に反する部分が存在することに気が付いた。
【００１３】
本発明の目的は、信頼性のある経済的な切換式リラクタンス駆動装置用センサレス位置検出方法であって、あらゆる速度条件（ゼロ速度を含む）および負荷条件（一時的負荷乱れを含む）にわたって、特にチョッピングモードと単一パルスモードとの間の移行点近傍の速度にわたっても動作可能である方法を提供することである。本発明は一般的に電動機または発電機として動作する切換式リラクタンス機械に適用可能である。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、機械を休止状態から始動し、全チョッピング範囲にわたって動作するために適切な位置検出を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、回転子と、固定子と、少なくとも１つの相巻線とを含む切換式リラクタンス機械の回転子位置を決定する方法であって、前記位相が通電されていない不活性期間中に、前記相巻線の主電流および主磁束結合のうちのいずれか一方を測定し、予め定める電流値または磁束結合値を有する診断パルスを不活性相巻線に注入し、前記パルスの終了時に前記位相の全電流または全磁束結合を測定し、全電流または全磁束結合と、主電流または主磁束結合との差から前記診断パルスの注入による前記電流または磁束結合に対する値を生成し、前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方と、電流および磁束結合のうちのいずれか他方の値に対する回転子角度との相関関係から回転子位置を導くことを含むことを特徴とする方法が提供される。
【００１６】
好ましくは、前記診断パルスは、予め定める磁束結合のパルスであることを特徴とする。好ましくは、インダクタンスが電流に比例する範囲に前記電流が減衰した場合に、前記パルスが注入されることを特徴とする。
【００１７】
パルスは、同一の位相期間において繰返し注入されてもよい。検出がなされるたびに測定値が機械速度に従って演算された予測値と比較されてもよい。導出値と予測値との差が大きすぎる場合、すなわち周波数に関して大きすぎる場合、機械の制御は変更されてもよく、たとえば運転停止されてもよい。
【００１８】
また本発明は、回転子と、固定子と、少なくとも１つの相巻線と、前記相巻線を通電するために作動可能なスイッチ手段とを有する機械を含む切換式リラクタンス駆動装置用回転位置検出器であって、位相の主電流および主磁束結合のうちのいずれか一方を測定する測定手段と、前記測定手段に位相が通電されていない不活性期間中に前記主電流または主磁束結合を測定させる手段と、電流および磁束結合のうちのいずれか一方の予め定める値を有する診断パルスを前記不活性位相に注入する注入手段と、前記測定手段に前記パルスの終了時に前記位相の前記電流または磁束結合を測定させる手段と、全電流または全磁束結合と主電流または主磁束結合との差から前記診断パルスの注入による前記電流または磁束結合の値を生成する手段と、前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方と、電流および磁束結合のうちのいずれか他方の値に対する回転子角度との相関関係から回転子位置を導く手段とを含むことを特徴とする検出器にまで拡張される。
【００１９】
さらに本発明は、コンピュータに本発明に従う方法を実行させるコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム素子にまで拡張される。
【００２０】
さらに詳しくは、本発明は、回転子と、固定子と、少なくとも１つの相巻線とを含む切換式リラクタンス機械の回転子位置を決定する方法であって、
前記位相が通電されていない不活性期間中に、前記相巻線の主電流および主磁束結合のうちのいずれか一方を測定し、
電流または磁束結合の予め定める最大値を有する診断パルスを不活性相巻線に注入し、
前記パルスの終了時に前記位相の全電流または全磁束結合を測定し、
全電流または全磁束結合と、主電流または主磁束結合との差から前記診断パルスの注入による前記電流または磁束結合に対する値を生成し、
前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方と、電流および磁束結合のうちのいずれか他方の値に対する回転子角度との相関関係から回転子位置を導くことを含むことを特徴とする方法である。
【００２１】
また本発明において、インダクタンスが電流に実質的に依存しない範囲に対して、相電流が予め定める値を下回った場合に、前記診断パルスが注入されることを特徴とする。
【００２２】
さらに本発明において、前記パルスは、予め定める磁束結合のパルスであり、前記相巻線にわたる電圧を積分することによって測定されることを特徴とする。
【００２３】
さらに本発明において、前記診断パルスは、前記相巻線にわたる供給電圧を切換えることによって注入されることを特徴とする。
【００２４】
さらに本発明において、前記導出された回転子位置と回転位置の予測値とを比較し、
決定した回転子位置として、前記導出値と前記予測値との間で選択することを含むことを特徴とする。
【００２５】
さらに本発明において、前記導出した回転子位置が前記予測した回転子位置と予め定める量だけ異なる場合には、回転子位置の前記予測値を選択することを含むことを特徴とする。
【００２６】
さらに本発明において、前記導出した回転子位置と前記予測した回転子位置との間の誤差が回転子位置の連続決定数に対して第２の予め定める量だけ異なる場合には、機械の制御を変更することを含むことを特徴とする。
【００２７】
さらに本発明において、前記測定された主電流と、線形インダクタンス範囲に対応する予め定める値とを比較し、前記主電流が前記予め定める値を下回った場合には、該方法を続行することを含むことを特徴とする。
【００２８】
さらに本発明は、回転子と、固定子と、少なくとも１つの相巻線と、前記相巻線を通電するために作動可能なスイッチ手段とを有する機械を含む切換式リラクタンス駆動装置用回転位置検出器であって、
前記位相の主電流および主磁束結合のうちのいずれか一方を測定する測定手段と、
前記測定手段に前記位相が通電されていない不活性期間中に前記主電流または主磁束結合を測定させる手段と、
前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方の予め定める値を有する診断パルスを前記不活性位相に注入する注入手段と、
前記測定手段に前記パルスの終了時に前記位相の前記電流または磁束結合を測定させる手段と、
全電流または全磁束結合と、主電流または主磁束結合との差から前記診断パルスの注入による前記電流または磁束結合の値を生成する手段と、
前記電流および磁束結合のうちのいずれか一方と、電流および磁束結合のうちのいずれか他方の値に対する回転子角度との相関関係から回転子位置を導く手段とを含むことを特徴とする回転子位置検出器である。
【００２９】
さらに本発明において、相電流を監視し、インダクタンスが電流に実質的に依存しない範囲に対して、前記相電流が予め定める値を下回った場合に、前記注入手段に前記診断パルスを注入させる手段を含むことを特徴とする。
【００３０】
さらに本発明において、前記パルスは、予め定める磁束結合のパルスであり、前記位相にわたる電圧を積分して前記磁束結合を測定するように構成された積分器を含むことを特徴とする。
【００３１】
さらに本発明において、前記注入手段は、前記切換式リラクタンス駆動装置のスイッチ手段を含むことを特徴とする。
【００３２】
さらに本発明において、前記導出された回転子位置と回転位置の予測値とを比較する比較手段と、前記導出値と前記予測値との間で選択する手段とを含むことを特徴とする。
【００３３】
さらに本発明において、前記導出値が前記予測値と予め定める量だけ異なる場合に、前記選択する手段が前記導出値と前記予測値との間で選択するように動作可能であることを特徴とする。
【００３４】
さらに本発明において、前記導出値が前記予測値と回転子位置の連続した導出数に対して予め定める量だけ異なる場合に、前記選択する手段が前記導出値と前記予測値との間で選択するように動作可能であることを特徴とする。
【００３５】
さらに本発明は、上述の方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム要素である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明は、数々の方法で実用化でき、そのうちのいくつかを実施例を用いて添付の図を参照にして説明する。
【００３７】
図７は、本発明に組込まれるシステムの概略図を示す。構成要素は個々のブロックとして示されるが、単一プロセッサまたは切換式リラクタンス機械の全体制御の一部としてのタスク用にプログラムされたＡＳＩＣによって、ソフトウェアで様々な機能が同様に実行可能である。
【００３８】
電流トランスデューサ１００は、モータ１０２の各位相の相電流を示す信号を供給するように配置される（明瞭化のため１つの位相に対して１つのトランスデューサだけを示す）。図１に示すように、３つの位相が示される。位相の数はこれより多くても少なくてもよい。信号はマイクロプロセッサベースコントローラ１０４に供給される。構成は図１と同様である。電流トランスデューサ１００は、任意の適切なタイプ、たとえばホール効果素子、ロゴスキーコイルなどのような絶縁システムであってよい。また、低価格駆動システムにおいて一般的に用いられる熱安定性抵抗体などの非絶縁システムを用いてもよい。
【００３９】
コントローラは、積分器１０６への出力を有して示されるが、これはソフトウェアで同様に実行可能である機能のうちの１つである。参照テーブル１０８もまた、コントローラ１０４によってアクセスされるように配置される。参照テーブルは、回転子角度に対する相電流値を記憶し、該回転子角度から回転子位置情報が検索または補間される。
【００４０】
本発明は、相巻線にわたって電圧を印加するためにスイッチまたは電力変換器１３内のスイッチを閉じることによって、診断パルスを位相に注入する技術を組み込んでいる。これは、磁束結合の成長をもたらす。磁束結合が予め定めるレベルに達したとき、スイッチは再び開けられる。磁束結合が相巻線にわたる電圧の時間積分であることは当業者によって理解されるであろう。
【００４１】
本発明で用いられた周期の関連する部分は、最小インダクタンス領域付近まで下降する。これは図８に示され、非整列位置（すなわち、所定の位相に対する回転子磁極の位置であって、最小インダクタンスになる固定子磁極付近に関する回転子磁極の位置）における典型的な切換式リラクタンス機械の相巻線のインダクタンスが、電流の関数としてプロットされる。曲線において、重要な平坦部分（本実施例ではゼロから約２００Ａまで）が存在し、インダクタンスがその範囲にわたって電流に依存せず、すなわちこの範囲内では増分インダクタンスがインダクタンスに等しいことを示していることがわかる。
【００４２】
本発明によれば、診断パルスは不活性相巻線に注入されるが、相巻線には電流が存在していてもよい。パルスは、一定の磁束結合のパルスであるが、一定のまたは可変の周波数のパルスであり、使用される方法の変形に依存する。パルスは、θOFFにおける導通角の終了後にこの位相に対して電力電子スイッチを作動させることによって、不活性位相に与えられる。パルスの磁束結合が予め定める値に達した場合、積分器１０６の出力によって決定されるように、不活性位相の電流が記録され、スイッチがオフされる。この一定の磁束結合に対する電流の参照テーブル１０８から、回転子位置が読取れる。診断パルスに関連する電流が主電流だけを維持してゼロに減衰した場合、次のパルスが開始されてもよく、このプロセスが同一の診断期間において繰返されてもよい。パルスの繰返し率は、システムの設計者が選択する事項である。すなわちパルスは一定の周波数で注入されてもよく、または前のパルスの測定が完了して、回路が新たな測定を開始する準備ができるとすぐに新たなパルスが開始されてもよい。
【００４３】
発動動作中、パルスは下降インダクタンス領域に位置付けられる。発電動作中、パルスは上昇インダクタンス領域に位置付けられる。機械のインダクタンス形状が対称である場合、電流に対する回転子位置の１組のデータだけを参照テーブルに記憶しておけばよい。なぜなら最大または最小インダクタンス角に関する単純な反映によって、いずれかのモードに対して正確な位置が与えられるからである。
【００４４】
診断パルスの注入は、図６に図式的に示される。ここでＩｎｄｕｃ  Ａ、Ｉｎｄｕｃ  ＢおよびＩｎｄｕｃ  Ｃは三相機械の理想化されたインダクタンス形状を示し、Ｅｘｃ  Ａ、Ｅｘｃ  ＢおよびＥｘｃ  Ｃは発動動作中の励磁角を示し、領域Ｄは回転子角度を示し、その角度にわたって位相が不活性であり、通常、回転子位置を診断するために用いられてもよい。通電されていない１つの位相が常に存在するので、利用可能な領域が常に存在し、該領域において診断パルスが本発明に従って位置付けられてもよい。一定の電流高さのパルスを用い、電流に関連する磁束結合を読取って位置―磁束結合テーブルから位置を読取ることが可能であることに注目されたい。しかしながら、これは好適な実施の形態ではない。なぜなら、要求されたレベルに達するように電流によって必要とされる時間の長さは、診断が生じる角度領域にわたって有意に変化するであろうからである。これは、不規則に間隔をあけたパルスになる。さらに、２つの位相がともに診断されようとする場合、パルスは異なる時間でそのピークに達するであろう。しかしながら、一定の磁束結合のパルスに関して、これらの問題は存在しない。
【００４５】
本発明で重要であることは、導通角が完了した場合に、位相に電流が流れているかどうかの診断に対して位相を用いることができることである。なぜなら、インダクタンスは線形であり、重ね合わせの原理が適用されるであろうからである。したがって電流およびインダクタンスまたは磁束結合を測定する適切な方法を用いて、診断パルスをこの領域に確実に挿入することができる。図９は、診断パルスＰがスイッチオフ角θOFFの後で、かつ次のスイッチオン角θONの前に注入される、この原理を用いる相電流波形を示す。電流はスイッチオフ点で高いことが注目されるであろう。電流は、最初のうちは、角度とともに、図８における線形領域に急速に下降し、このレベルに達した後、診断パルスを注入することが可能となる。
【００４６】
図１０は、典型的な機械の一定の磁束結合に対する角度に関する電流曲線を示す。この曲線の認識によって、磁束結合に対応する電流が周知である場合には、回転子位置を決定することができる。しかしながら、図９のスイッチオフ後、第１診断パルスなどに対する電流を単純に読取って、図１０から位置を読取ることは、間違った結果、たとえば位置Ｙを与えるであろうことが理解されるであろう。なぜならこのパルスによる電流は主テール電流に重ね合わされているからである。本発明は、重ね合わせの原理がこれらの電流レベルにおいて適用され、該レベルにおいてインダクタンスが線形であることを認識している。主電流（診断パルスによる電流は存在していないであろうが）を差し引いて、パルスだけによる増分電流を与えることによって、正確な位置を図１０から、たとえば位置Ｘを読取ることができる。
【００４７】
センサレス位置検出システムは、一般的に、電力スイッチング装置に近接する電気的ノイズの多い環境で動作しなければならず、このことは磁束結合および電流の測定の改悪をしばしば生じ、もっともらしい位置データの計算を生じる。システムのローバスト性を改善するために、計算位置データの有効性を調べる適切な方法を追加してもよい。たとえば新たな位置が計算されるたびに、位置、時間および速度の値が記憶されてもよい。最新のｎ個の記憶された値を用いて、新たな計算位置との比較のために予測位置が外挿されてもよい。新たな計算値と予測値とが予め定める量内で合致しない場合、エラーカウントが増分され、予測値が計算値の代わりに用いられる。それらの値が合致する場合、存在しているいかなるエラーカウントが減らされ、計算値が用いられる。したがって、連続する測定周期にわたって、データは位置情報の信頼性に関して増強される。エラーカウントが、たとえば５に代表される所定の値を越えて、連続して計算が合わない場合、制御システムは、回転子の実際の位置との同期を失ってしまい、より深刻な事態が生じる前に機械の励磁を遮断することを決定してもよい。値の記憶と外挿とは、任意の都合のよい手段によってなされてもよいが、典型的には記憶域におけるディジタル記憶によってなされる。ｎ＝８を用いることがシステムの安定と記憶スペースとの間に良好な妥協案を与えることが判った。
【００４８】
回転子位置情報を見つける方法は、任意の都合のよい方法で実施されてもよいが、典型的にはマイクロプロセッサまたはディジタル信号プロセッサなどのコンピュータ装置のソフトウェアで実施される。図１１は、適切なコードを記載するフローチャートを示す。本発明の記載に関する利点と図１１のフローチャートとが与えられた場合、当業者が特定の処理装置に適したコードを生成することは、あたりまえのことである。コードは、コンピュータプログラム要素の形態を取ってメモリに記憶される。フローチャートのステップは以下に記述されるであろう。
【００４９】
ステップ１２０では、ターンオフ角θOFFの後、相電流が測定されて記録される。測定は任意の都合のよい方法によってなされてもよいが、典型的には相巻線の全電流制御のために設けられる電流トランスデューサ１００を用いることによってなされる。値はコントローラ１０４のプロセッサのレジスタに記憶される。ステップ１２２において、電流が、インダクタンスが線形である領域にある場合、回転子位置検出プロセスに進む。そうでない場合、ステップ１２３において、プロセスを再び開始する前に遅延が実行される。
【００５０】
ステップ１２４では、電圧積分器１０６がコントローラによってゼロにリセットされ、動作するために解放されて、診断パルスが注入されるべき不活性位相にわたって電圧を積分する。積分は、アナログハードウェア技術またはディジタルソフトウェア技術によってなされてもよい。
【００５１】
ステップ１２６では、診断しようとする不活性位相に対応する電力変換器１３の電力スイッチが、直流結合電圧を位相に印加するように閉じられ、したがって正の電圧を印加して位相の磁束結合を増加させる。
【００５２】
ステップ１２８では、積分器の出力が診断パルスの予め定める磁束結合に対応する予め定める値に達するまで、プロセッサが待機し、参照テーブル１０８に記憶された図１０の曲線は該値を参照する。
【００５３】
要求された磁束結合のレベルに達すると、ステップ１３０に示されるように、コントローラは電流トランスデューサ１００から読取り、電流レベルが記録される。ステップ１３２において、パルスの開始において測定された第１の電流値がこの第２の電流値から差し引かれる。全電流から主電流を差し引くことはパルスだけによる増分電流を与える。
【００５４】
この技術は、パルスによる診断中、主電流が一定またはほぼ一定であることに依存していることが理解されるであろう。実際には、パルスは短く、電流の変化はとても小さいので、計算に導入される誤差は許容できる程充分に小さい。いかなる場合でも、スイッチオフに続く最初の数パルスの後で、誤差は大いに低減される。いかなる理由でも、診断パルスがより大きくなる必要がある場合には、したがって要求された磁束結合に達するためにはより時間がかかるので、パルスのピークにおいて主電流がどれくらいなのかを計算し、パルスによる電流の計算のための値を用いることによって、修正されてもよい。計算は、たとえばパルスの開始時の直前の電流の傾斜の認識に基づいてもよい。
【００５５】
ステップ１３４では、増分電流が、図１０に示される電流／角度参照テーブルから回転子位置を読取るように用いられる。この曲線のデータは、たとえば電流の一定の増分における回転子角度値のような、任意の都合のよい形態で記憶されてもよい。補間（たとえば一次、二次または多項式）が、記憶された値の中間点に対する結果を与えるように用いられてもよい。
【００５６】
ステップ１３６では、導出された回転子位置は、コントローラ１０４に利用可能な前の回転子位置および速度に基づく情報から得られた予測値と比較される。ステップ１３８では、比較が要求された回数に対して所与の範囲外であった場合には、機械は運転停止される。次いでこのルーチンは、同一の不活性位相または次の利用可能な不活性位相を用いて、次の回転子位置を検出するように繰返されてもよい。このようにして導出された回転子位置の読取りのそれぞれは、従来からの電動機または発電機のような機械を制御するために利用可能である。
【００５７】
本発明は、上述した診断パルス技術の代わりに用いられてもよい。本発明は、インダクタンスが電流に実質的に依存しない電流がゼロでない範囲が存在するという認識を利用する。診断期間におけるテール電流の存在は、上述のような、テール電流の初期測定の減算を必要とする。電流がない場合、本発明に従うルーチンは、診断期間の終了時における電流の読取りから何も全く差し引かないであろう。
【００５８】
上述の実施例は三相機械に関して記載されているが、本発明は任意の磁極数および位相数を有する任意の切換式リアクタンス機械に適用されてもよいことは理解されるであろう。同様に、本発明は、移動部分（しばしば「回転子」と呼ばれる）が直線移動する直線機械に適用されてもよい。したがって、当業者は、開示された構成の変更が本発明から逸脱することなく可能であることを理解するであろう。したがって、上述のいくつかの実施形態の記載は、一例ではあるが、限定を目的とするものではない。本発明は、上述の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、以上のような構成によって、あらゆる速度条件（ゼロ速度を含む）および負荷条件（一時的負荷乱れを含む）にわたって、特にチョッピングモードと単一パルスモードとの間の移行点近傍の速度にわたっても動作することができ、信頼性のある経済的な切換式リラクタンス駆動装置用センサレス位置検出方法および検出器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】切換式リラクタンス駆動システムの主要な構成要素を示す。
【図２】固定子磁極に接近する回転子磁極の概略図である。
【図３】図１の機械の相巻線の通電を制御する電力変換器内の典型的な切換回路を示す。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれチョッピングモードおよび単一パルスモードで動作する切換式リラクタンス駆動装置の典型的な電流波形を示す。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、切換式リラクタンス駆動装置の励磁に起因する相電流波形を示す。
【図６】低速モードで動作される機械の理想化されたインダクタンス特性、励磁領域および診断領域を示す。
【図７】本発明を含む切換式リラクタンス駆動装置の概略的なブロック図である。
【図８】切換式リラクタンス機械の相電流／インダクタンス特性を示す。
【図９】本発明に起因する相電流波形を示す。
【図１０】切換式リラクタンス機械の回転子角度／電流特性を示す。
【図１１】本発明の実施形態の流れ図を示す。
【符号の説明】
１１  電源
１３  電力変換器
１６  相巻線
１００  電流トランスデューサ
１０２  モータ
１０４  コントローラ
１０６  積分器
１０８  参照テーブル
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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