(57)【要約】  制御システム（１８）を開示する。制御システム（１８）は、ＤＣバス（２４）を介してモータ（２２）に電力を提供するように結合されたスイッチドリラクタンス発電機（２０）を有する。制御システム（１８）はまた、スイッチドリラクタンス発電機（２０）、モータ（２２）およびＤＣバス（２４）と通信するコントローラ（２６）も有する。コントローラ（２６）は、モータ（２２）が必要とする量トルクまたは電力の指示を受け取り、モータ（２２）が必要とするトルクまたは電力の量に基づいてスイッチドリラクタンス発電機（２０）の通電角を確定し、通電角に基づいてスイッチドリラクタンス発電機（２０）が提供する電力によりＤＣバス（２４）に通電するように構成される。
2010532653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御システム（１８）であって、
ＤＣバス（２４）を介してモータ（２２）に電力を提供するように結合されたスイッチドリラクタンス発電機（２０）と、
スイッチドリラクタンス発電機、モータおよびＤＣバスと通信するコントローラ（２６）であって、
モータが必要とする量トルクまたは電力の指示を受け取り、
モータが必要とするトルクまたは電力の量に基づいて、スイッチドリラクタンス発電機の通電角を確定し、
通電角に基づいてスイッチドリラクタンス発電機によって提供される電力でＤＣバスに通電する
ように構成されたコントローラと、
を具備する、制御システム。
【請求項２】
通電角を確定することが、
モータの回転速度の指示を受け取ることと、
モータの回転速度とモータが必要とするトルクの量とに基づいてモータが必要とする量電力を確定することと、
モータが必要とする電力の量に対し、スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角を確定することと、
を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
通電角を確定することが、
モータが必要とする電力の量とモータに対する定格電力量との差と、モータの現回転速度とモータの定格回転速度との差とに基づき、スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角からの偏差を確定することと、
スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角を、スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角からの偏差に加算することと、
をさらに含む、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
ＤＣバスが、
スイッチドリラクタンス発電機の少なくとも１つの位相コイル（位相Ａ、位相Ｂ、位相Ｃ）に結合された電力変換装置（３６）と、
電力変換装置に結合された少なくとも１つのコンデンサ（３８）と、
を有し、
ＤＣバスに通電することが、少なくとも１つの位相コイルに蓄積された電流が少なくとも１つのコンデンサに流れかつ通電するのを可能にするように、電力変換装置を選択的に切り替えることを含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項５】
電力変換装置が、最小の１つのトランジスタ（４８ａ〜５２ｂ）を有し、電力変換装置を切り替えることが、トランジスタのゲートに電圧信号を提供することを含む、請求項４に記載の制御システム。
【請求項６】
機械（１０）であって、
機械の動作に動力を供給するように構成された燃焼機関（１２）と、
機械を動かすように配置されたモータ（２２）と、
燃焼機関（１２）から機械的入力を受け取るように結合されたスイッチドリラクタンス発電機（２０）と、
スイッチドリラクタンス発電機の通電を制御するように結合された、請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御システム（１８）と、
を具備する、機械。
【請求項７】
電力を伝達する方法であって、
スイッチドリラクタンス発電機（２０）からＤＣバス（２４）を介してモータ（２２）に電力を提供するステップと、
モータが必要とする量トルクまたは電力の指示を受け取るステップと、
モータが必要とするトルクまたは電力の量に基づいて、スイッチドリラクタンス発電機の通電角を確定するステップと、
通電角に基づいてスイッチドリラクタンス発電機によって提供される電力でＤＣバスに通電するステップと、
を含む、方法。
【請求項８】
通電角を確定するステップが、
モータの回転速度の指示を受け取るステップと、
モータの回転速度とモータが必要とするトルクの量とに基づいてモータが必要とする量電力を確定するステップと、
モータが必要とする電力の量に対し、スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角を確定するステップと、
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
通電角を確定するステップが、
モータが必要とする電力の量とモータに対する定格電力量との差と、モータの現回転速度とモータの定格回転速度との差とに基づき、スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角からの偏差を確定するステップと、
スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角を、スイッチドリラクタンス発電機の定格通電角からの偏差に加算するステップと、
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ＤＣバスに通電するステップが、
ＤＣバスに含まれるエネルギー蓄積装置（３８）に電力を提供するステップと、
モータにより、エネルギー蓄積装置から電力を引き出すステップと、
モータにより、モータが必要とするトルクまたは電力の量に応じて機械的出力を生成するステップと、
を含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、包括的にはスイッチドリラクタンス発電機システムに関し、特にスイッチドリラクタンス発電機の通電角制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば乗用車、列車、船舶、建設機械、掘削機械等の機械は、その機械のさまざまな動作に動力を提供するために燃焼機関を有することが多い。従来、燃焼機関の出力は、通常、機械を推進させるために牽引装置（たとえば車輪または軌道）に機械的に結合されていた。しかしながら、さらにより厳しい排気要件および設計目標に応じて、異なる推進機構が開発されてきた。燃焼機関は、現在、発電モードで、牽引装置の電気モータに電力を供給するために用いられるＤＣバスに通電するように動作する、インダクタンス機械、永久磁石機械またはスイッチドリラクタンス（ＳＲ）機械等の電気機械を駆動するために一般的に用いられている。この機構は、燃焼機関を、有害な排気を最小限にしかつ／または燃費を最大限にする一定速度（すなわち「スイートスポット（ｓｗｅｅｔ  ｓｐｏｔ）」）で稼働することが可能になるため、有利である。
【０００３】
この機構によって提起される１つの難題は、種々の負荷状況下で電気モータに十分な電力を提供することができるように、ＤＣバスが通電され続けるようにすることである。スイッチドリラクタンス発電機が用いられる場合、発電機のそれぞれの位相が、ＤＣバスに通電する（たとえば、コンデンサを充電する）ために適当な回転角度で「点弧され」なければならない。一方、「モータリング」モードで作動している場合、モータのそれぞれの位相も同様に、適当な時刻に「点弧され」なければならない。これは、通常、ＤＣバスに接続されたＳＲ電力変換装置のトランジスタまたは他のスイッチング素子のオン・オフを、応答して切り替えることにより達成される。電力変換装置は、ＳＲＧのそれぞれの位相の最適な「点弧角」または「ターンオン」角（θon）および「ターンオフ」角（θoff）に従って切り替えられる。言い換えれば、θonおよびθoffは、ＤＣバスに通電するためにＳＲＧのそれぞれの位相コイルから電流を引き出すように電力変換装置のトランジスタのオン・オフが切り替えられる、ＳＲＧの回転経路に沿った最適な角度位置に対応する。
【０００４】
スイッチドリラクタンス発電機の通電角を制御する１つのシステムが、２００６年７月４日にトーリー（Ｔｏｒｒｅｙ）他に発行された（特許文献１）に記載されている。（特許文献１）のシステムは、ＤＣバスを介して負荷に電力を供給するように結合されたＳＲＧを有している。そのシステムは電圧コントローラを有しており、それは、フィードバックループを介してＤＣバス電圧を監視し、ＳＲＧの通電角に変更を加えることにより、可変負荷状態によってもたらされるバス電圧の変動を補償する。
【０００５】
（特許文献１）のシステムは、バス電圧の変化に応じてＳＲＧの通電角を調整することができるが、そのシステムの応答は不十分な可能性がある。特に、電圧コントローラは、システムに加えられる負荷の指標としてバス電圧のみを考慮するため、システム応答が低速である可能性がある。したがって、システムに対する負荷が急に増大または低減した場合、バス電圧が急激に低下または上昇する可能性があり、システムがバス電圧を所望のレベルに戻すことができるまで、負荷に対し不適当なまたは過度な電力が一時的に供給される可能性がある。この過渡応答により、負荷（たとえばモータまたは別の電子装置）の動作が最適に満たなくなるかつ／または負荷が誤動作することになる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，０７１，６５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、上述した問題のうちの１つまたは複数を克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様は、制御システムに関する。本制御システムは、ＤＣバスを介してモータに電力を提供するように結合されたスイッチドリラクタンス発電機を有することができる。本制御システムはまた、スイッチドリラクタンス発電機、モータおよびＤＣバスと通信するコントローラを有することもできる。コントローラを、モータが必要とするトルクまたは電力の量の指示を受け取り、モータが必要とするトルクまたは電力の量に基づいて、スイッチドリラクタンス発電機の通電角を確定し、通電角に基づいてスイッチドリラクタンス発電機によって提供される電力でＤＣバスに通電するように構成することができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、電力を伝達する方法に関する。本方法は、スイッチドリラクタンス発電機からＤＣバスを介してモータに電力を提供するステップと、モータが必要とするトルクまたは電力の量の指示を受け取るステップと、モータが必要とするトルクまたは電力の量に基づいて、スイッチドリラクタンス発電機の通電角を確定するステップとを含むことができる。本方法はさらに、通電角に基づいてスイッチドリラクタンス発電機によって提供される電力でＤＣバスに通電するステップを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な開示されている発電機制御システムの概略かつ模式表現を示す図である。
【図２】図１の制御システムで使用される例示的な開示されているスイッチドリラクタンス機械の概略表現を示す図である。
【図３】図１の制御システムで使用される例示的な開示されている回路の詳細な概略図を示す図である。
【図４】図２のスイッチドリラクタンス機械の位相角に対する位相インダクタンスおよび電流応答の例示的な開示されているグラフを示す図である。
【図５】図２のスイッチドリラクタンス機械の位相角に対する位相インダクタンスおよび電流応答の例示的な開示されているグラフを示す図である。
【図６】図２のスイッチドリラクタンス機械に対する通電角対モータ負荷要求の例示的な開示されているグラフを示す図である。
【図７】図１の制御システムで使用される例示的な開示されている制御アルゴリズムの概略表現を示す図である。
【図８】図１の制御システムの例示的な電圧変動率のグラフを示す図である。
【図９】図１の制御システムの図８に対応する例示的な通電角のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、例示的な機械１０を示す。機械１０は、採鉱、建築、農業、輸送等、特定の産業に関連する何らかのタイプの動作を行うように構成された固定機械または可動機械を具現化することができ、作業環境（たとえば、建築現場、採掘現場、発電所、オンハイウェイ用途等）の間でまたはその中で動作する。たとえば、機械１０は、掘削機、オンロードまたはオフロード運搬トラック、乗用車または船舶等の可動機械を具現化してもよい。あるいは機械１０は、発電機装置、ポンピング機構、または別の好適な固定動作実行機械等、固定機械を具現化してもよい。
【００１２】
機械１０は、燃料および空気の混合物を燃焼させて機械的出力を生成する内燃機関（たとえば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、気体燃料エンジン）等の動力源１２を有することができ、機械的出力は、クランクシャフト１２ａの回転において具現化することができる。クランクシャフト１２ａの機械的出力を用いて、機械１０の動作に動力を供給することができる。たとえば、機械的出力を用いて、他にもあるが特に、牽引装置１４により機械１０の移動を推進させるか、または作業工具１６の移動を駆動することができる。
【００１３】
機械１０はまた、機械的出力を、機械１０のさまざまな動作に電力を供給するのに好適な形式に変換する、発電機制御システム１８も有することも可能である。制御システム１８は、機械的出力の少なくとも一部を動力源１２から受け取るようにクランクシャフト１２ａに結合された発電機２０を有することができる。発電機２０は、動力を電力に変換することができ、回路２３を介してモータ２２に電力を提供するように結合され得る。制御システム１８はまた、動力源１２、ＳＲＧ２０、モータ２２、回路２３および／または操作者入力装置２５と、それぞれ通信リンク２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄおよび２７ｅによって通信するように動作可能に結合された、コントローラ２６を有することも可能である。
【００１４】
図２は、例示的な発電機２０を示す。発電機２０は、たとえば、１２／８三相スイッチドリラクタンス発電機（ＳＲＧ）であってもよい。すなわち、ＳＲＧ２０は、１２個の固定子極、８個の回転子極および３つの通電位相を有していてもよい。ＳＲＧ２０は、固定子２８および回転子３０を有することができる。固定子２８は、固定子極セットにグループ化される１２個の固定子突極２８ａ〜２８ｌを有することができる。固定子極セットは、ＳＲＧ２０の位相の数（たとえば３）に対応する２つ以上の固定子極を有することができる。合計１２個の固定子極２８ａ〜２８ｌを、以下のように３つの位相セット（たとえば位相Ａ、ＢおよびＣ）にグループ化してもよい。すなわち、固定子極２８ａ〜２８ｄを第１位相セット（たとえば位相Ａ）にグループ化してもよく、固定子極２８ｅ〜２８ｈを第２位相セット（たとえば位相Ｂ）にグループ化してもよく、固定子極２８ｉ〜２８ｌを第３位相セット（たとえば位相Ｃ）にグループ化してもよい。固定子極２８ａ〜２８ｌの各々に、電気コイル３２ａ〜３２ｌを巻回することができる。たとえば、それぞれ、固定子極２８ａ〜２８ｄに電気コイル３２ａ〜３２ｄ（位相Ａコイル）を巻回してもよく、固定子極２８ｅ〜２８ｈに電気コイル３２ｅ〜３２ｈを巻回してもよく、固定子極２８ｉ〜２８ｌに電気コイル３２ｉ〜３２ｌを巻回してもよい。さらに、固定子２８は、望ましい場合、より多いかまたは少ない位相（たとえば２位相）に対応するセットにグループ化される追加の極またはより少ない極を有していてもよい。しかしながら、極および位相の数および配置は、本開示の目的に対して重要ではない。
【００１５】
回転子３０は、複数の回転子極を有することができ、回転子極の数は固定子極２８ａ〜２８ｌの数に基づく。たとえば、回転子３０は、合計８個の回転子極３０ａ〜３０ｈを有していてもよい。しかしながら、回転子極の数は単に例示的なものであり、限定するようには意図されていないことが理解される。いかなる所望の数の回転子極を用いてもよい。回転子３０をクランクシャフト１２ａに結合して、動力源１２から機械的出力の少なくとも一部を受け取ることができる。すなわち、動作中、クランクシャフト１２ａにより、回転子３０を回転させることができる。回転子３０の回転によって発生する磁束が、コイル３２ａ〜３２ｌにＤＣ電流を誘導することができる。位相Ａ誘導中、発生した磁束が、コイル３２ａ〜３２ｄにＤＣ電流を誘導することができる。位相Ｂ誘導中、発生した磁束を用いて、コイル３２ｅ〜３２ｈにＤＣ電流を誘導することができる。同様に、位相Ｃ誘導中、発生した磁束が、コイル３２ｉ〜３２ｌにＤＣ電流を誘導することができる。特に、動力源１２が、回転子極３０ａ〜３０ｈの各々を固定子極２８ａ〜２８ｌのそれぞれと磁気的に整列させる回転子３０の傾向に抗して回転子３０を回転させるために、必要としかつ供給するトルクが、位相Ａ、ＢおよびＣそれぞれの誘導中にコイル３２ａ〜３２ｄ、３２ｅ〜３２ｈおよび３２ｉ〜３２ｌにＤＣ電流を誘導する磁束を発生させることができる。
【００１６】
ＳＲＧ２０に電流センサ（図示せず）を備えることにより、位相Ａ、ＢおよびＣの各々に存在する瞬時位相電流を測定することも可能である。言い換えれば、センサは、それぞれコイル３２ａ〜３２ｄ、３２ｅ〜３２ｈおよび３２ｉ〜３２ｌの各々を通るリアルタイム電流を測定することができる。ＳＲＧ２０にはまた、光学エンコーダ、ホール効果センサ、または回転子３０の角度位置を示すレゾルバ等の回転子位置センサ（図示せず）を備えることも可能である。センサは、それぞれの測定されたパラメータ（たとえば、ｉa、ｉbおよびｉc、ＨａｌｌA、ＨａｌｌBおよびＨａｌｌC、回転子位置等）の各々に対する値を示す信号を生成することができる。信号を、本明細書で開示する制御アルゴリズムに関連して分析するために、通信リンク２７ｂによってコントローラ２６に提供することができる。
【００１７】
モータ２２は、電気的出力を機械的出力に変換するように構成された任意の電気機械であり得る。モータ２２は、たとえば、インダクタンスモータあるいは永久モータまたはスイッチドリラクタンスモータであり得る。動作中、モータ２２は、回路２３から電力を引き出すことにより回転子（図示せず）を回転させることができる。回転子を、出力軸（図示せず）、トルクコンバータ（図示せず）、変速機（図示せず）または別の結合手段によって牽引装置１４を回転させるように結合することができる。モータ２２に１つまたは複数のセンサ（図示せず）を備えることにより、リアルタイム出力軸回転速度を測定することができる。センサは、リアルタイム出力軸回転速度の値を示す信号を生成することができ、それを、本明細書で開示する制御アルゴリズムのためにコントローラ２６に提供することができる。
【００１８】
図３に示すように、回路２３は、インバータ３４を介してモータ２２に、スイッチドリラクタンス（ＳＲ）電力変換装置３６を介してＳＲＧ２０に、かつコントローラ２６に接続された、ＤＣバス２４を有することができる。動作中、ＤＣバス２４は、ＳＲＧ２０が生成するＤＣ電力を蓄積し、コントローラ２６によって実施されかつ後述する制御アルゴリズムに従って、電力をモータ２２に伝達することができる。インバータ３４および電力変換装置３６を、正のＤＣバスライン４０ａおよび負のＤＣバスライン４０ｂを介してＤＣバス２４に結合することができる。特に、インバータ３４および電力変換装置３６を、正のＤＣバスライン４０ａおよび負のＤＣバスライン４０ｂを介して、コンデンサ等の蓄電装置３８に接続することができる。
【００１９】
インバータ３４を用いてモータ２２を駆動することができ、インバータ３４は、モータ２２の位相Ａコイルに接続された第１位相部４２と、モータ２２の位相Ｂコイルに接続された第２位相部４４と、モータ２２の位相Ｃコイルに接続された第３位相部４６とを有することができる。しかしながら、インバータ３４に含まれる位相部の数は、モータ２２の位相の数によって決まり得る、ということが理解されるべきである。すなわち、インバータ３４は、３つより多いかまたは少ない数の位相部を有することができ、第１位相部４２〜第３位相部４６は、単に本開示を例示することを目的とするように意図されている。
【００２０】
一実施形態では、第１位相部４２〜第３位相部４４の各々は、それぞれ第２トランジスタパッケージ４２ｂ、４４ｂおよび４６ｂに接続された第１トランジスタパッケージ４２ａ、４４ａおよび４６ａを有することができる。パッケージ４２ａ〜４６ｂの各々は、たとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）パッケージを含んでいてもよい。ＩＧＢＴパッケージは、パワーダイオードおよびＩＧＢＴを有していてもよい。ＩＧＢＴパッケージをスイッチとして見ることができる。ＩＧＢＴのベースに適当な電圧（Ｔ1〜Ｔ6）が印加されると、スイッチを起動させることができ、コレクタをエミッタに電気的に接続することにより、蓄電装置３８からモータ２２に電力を供給することができる（すなわち、スイッチが閉鎖する）。ＩＧＢＴのベースに電圧が印加されない時、コレクタとエミッタとの間の導通がなくなり得る（すなわち、スイッチが開放する）。各パワーダイオードは、逆バイアス電流によってもたらされる破損からそれぞれのＩＧＢＴを保護することができる。すなわち、ＩＧＢＴが「オフ」である（すなわち、スイッチが開放している）時、そのエミッタからコレクタへの正の電流は、回路に蓄積された残留電力により、望ましくはないが依然として流れることができる。ダイオードは、この電流をＩＧＢＴから締め出すことができ、それに対する破損を防止することができる。
【００２１】
ＩＧＢＴパッケージ４２ａおよび４２ｂを、モータ２２の位相Ａコイルに結合することができる。ＩＧＢＴパッケージ４４ａおよび４４ｂを、モータ２２の位相Ｂコイルに結合することができる。同様に、ＩＧＢＴパッケージ４６ａおよび４６ｂを、モータ２２の位相Ｃコイルに結合することができる。ＩＧＢＴパッケージ４２ａおよび４２ｂ、４４ａおよび４４ｂならびに４６ａおよび４６ｂのＩＧＢＴのベースを、所定の制御アルゴリズムに従ってＩＧＢＴをオン・オフするように低電圧信号を提供する、ゲートドライバ基板と呼ばれる電子ドライバ回路（図示せず）に接続することができる。信号は、たとえば、デューティサイクルがＩＧＢＴの切替えに対応するパルス幅変調信号であってもよい。
【００２２】
同様に、電力変換装置３６は、ＳＲＧ２０の位相Ａコイルに接続された第１位相部４８と、ＳＲＧ２０の位相Ｂコイルに接続された第２位相部５０と、ＳＲＧ２０の位相Ｃコイルに接続された第３位相部５２とを有することができる。一態様では、ＳＲＧ２０の位相Ａコイル、位相Ｂコイルおよび位相Ｃコイルは、それぞれ図２のコイル３２ａ〜３２ｄ、コイル３２ｅ〜３２ｈおよびコイル３２ｉ〜３２ｌを具現化していてもよい。しかしながら、電力変換装置３６に含まれる位相部の数は、ＳＲＧ２０の位相の数によって決まり得ることが理解されるべきである。すなわち、電力変換装置３６は、ＳＲＧ２０の構造に応じて、３つより多いかまたは少ない位相部を有することができ、第１位相部４８〜第３位相５２部は、単に本開示を例示することを目的とするように意図されている。
【００２３】
第１位相部４８〜第３位相５２部の各々は、それぞれ第２トランジスタパッケージ４８ｂ、５０ｂおよび５２ｂに接続された第１トランジスタパッケージ４８ａ、５０ａおよび５２ａを有することができる。トランジスタパッケージはまた、図３に示すように、ＩＧＢＴ／パワーダイオード配置を備えることができる。また、図３に示すように、ＳＲＧ２０の位相Ａコイルを、トランジスタパッケージ４８ａおよび４８ｂに結合することができ、ＳＲＧ２０の位相Ｂコイルを、トランジスタパッケージ５０ａおよび５０ｂに結合することができ、ＳＲＧ２０の位相Ｃコイルを、トランジスタパッケージ５２ａおよび５２ｂに結合することができる。それぞれのＩＧＢＴのベースに適当な電圧Ｓa1〜Ｓc2が印加されると、スイッチを起動させることができ、そのコレクタをそのエミッタに電気的に接続することができる。逆に、電圧Ｓa1〜Ｓa2がゼロかまたは所定閾値レベルを下回る時、コレクタとエミッタとの間の電気的導通がないことが可能であり、スイッチは開放する。ＳＲＧ２０の所望の位相からＤＣ電流を引き出すために、第１位相部４８〜第３位相部５２の各々のパッケージ４８ａ〜５２ｃのオン・オフを選択的に切り替えることができる。たとえば、それぞれのＩＧＢＴのベースに適当な電圧Ｓa1〜Ｓa2を印加することにより、第１位相部４８のトランジスタパッケージ４８ａおよび４８ｂを同時にオンに切り替えることができる。オンに切り替わると、パッケージ４８ａおよび４８ｂにより、ＤＣ電流ｉdcが、入力ライン４０ａおよび出力ライン４０ｂによってＳＲＧ２０の位相Ａコイルから蓄電装置３８まで流れることができ、蓄電装置３８が電圧Ｖdcまで充電される。オフに切り替わると、位相Ａコイルから蓄電装置３８に電流が流れることができない。各パワーダイオードが、オフに切り替わった時にそれぞれのＩＧＢＴに逆バイアス電流が流れてそれらを破損することを防止することができる。第２位相部５０のパッケージ５０ａおよび５０ｂおよび第３位相部５２のパッケージ５２ａおよび５２ｂも、それぞれＳＲＧ２０の位相コイルＢおよびＣに関して同様に機能し得ることが理解されるべきである。
【００２４】
ＤＣバス２４に、電圧センサを備えることにより、蓄電装置３８の両端の瞬時電圧Ｖdcを測定することも可能である。すなわち、センサは、正のＤＣバスライン４０ａと負のＤＣバスライン４０ｂとの間のリアルタイム電位を測定することができる。センサは、電圧の値を示す信号を生成することができ、それを、本明細書で開示する制御アルゴリズムに関連する分析のために、通信リンク２７ｄを介してコントローラ２６に通信することができる。
【００２５】
説明した配置回路２３（すなわち、ＤＣバス２４、インバータ３４および／または電力変換装置３６）は、単に例示的であるように意図されている。当業者は、他のこうした回路が本技術分野において既知であり、図３に示しかつ上述した回路の代りに用いることができることを理解するであろう。
【００２６】
動作中、種々の負荷要求下で十分な電力をモータ２２に提供することができるように、ＤＣバス２４に通電しなければならない。すなわち、蓄電装置３８を、モータがさまざまな負荷の下で円滑に動作することができるようにするために十分な充電レベル（たとえば電圧レベル）で、応答可能に維持しなければならない。蓄電装置３８に提供される電力の量は、第１位相部４８〜第３位相５２部の各々のトランジスタパッケージのオン・オフが切り替えられるＳＲＧ２０の角度位置（すなわち、回転角）によって決まり得る。これら角度位置は、「ターンオン」角（θon）および「ターンオフ」角（θoff）または「点呼角」として知られている。「通電」角θcondを、下の式１に表すようにターンオン角とターンオフ角との間の角度期間として定義することができる。図４および図５は、発電モードおよびモータリングモードそれぞれで動作している時のＳＲＧ２０に対する位相インダクタンスおよび電流応答を示す。
式１  θcond＝θoff−θon
【００２７】
シミュレーションおよび／または実験を通して、特定のシステム１８に対する最大効率を達成するように可変負荷条件に対し、最適なターンオン角θonおよびターンオフ角θoff、したがって通電角θcondを計算することができる。たとえば、可変トルク要求を、異なる動作速度でのモータ２２の出力軸に与えることができ、それに基づいて最適な通電角を確定することができる。図６は、モータ出力速度の関数としての通電角曲線対負荷要求の例示的な族を示す。最適な通電角が確定されると、コントローラ２６がそれを利用して、本明細書に開示する通電角制御アルゴリズムに関連して高速動的システム応答を達成することができる。
【００２８】
操作者インタフェース２５は、モニタ、タッチスクリーン、キーパッド、制御パネル、キーボード、ジョイスティック、レバー、ペダル、ホイールおよび／または別の入力装置を含むことができる。操作者インタフェース２５は、機械操作者から入力を受け取り、その入力に応じて対応するコマンド信号を生成することができ、それはコントローラ２６に通信され得る。一実施形態では、操作者の入力により、操作者インタフェース２５は、モータ２２が必要とするトルクの量を示す信号を生成することができる。たとえば、操作者は、アクセルペダルを押下するか、または器具１６または牽引装置１４の移動を指示するレバーを操作することができる。
【００２９】
コントローラ２６は、たとえば、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、または他にもあるが特に本明細書で開示する通電角アルゴリズムに作用する、受け取られたかつ／または格納されたデータに応じて、コマンド信号を実行しかつ／またはまたは出力することができる別のプロセッサであってもよい。コントローラ２６は、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／またはフラッシュメモリ等のコンピュータ可読記憶装置、テープドライブおよび／または磁気ディスクドライブ等の補助記憶装置、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、および／またはアプリケーションを実行する他の任意のコンポーネントを有していてもよい。マイクロプロセッサは、操作者入力に応じてシステム動作を制御する、市販のまたは特別に構成されたマイクロプロセッサの任意の好適な組合せを含んでもよい。したがって、コントローラ２６は、ハードウェア、ソフトウェア、および／またはメモリ、補助記憶装置および／またはマイクロプロセッサ内のファームウェアとして格納された命令および／またはデータを含むことができる。別法としてまたはさらに、コントローラ２６は、さまざまな他の好適に配置されたハードウェアコンポーネントおよび／またはソフトウェアコンポーネントを含むことができかつ／またはそれらに関連することができる。たとえば、コントローラ２６は、望ましい場合、電源回路、信号調整回路、ソレノイドドライバ回路、増幅器回路、タイミング回路、フィルタリング回路、スイッチおよび／または他のタイプの回路をさらに含むことができる。
【００３０】
コントローラ２６は、たとえば、開示する制御アルゴリズムに関連してトルクおよび／または電力要件の確定を容易にするために、コンピュータ可読記憶装置内にマップ、テーブルおよび／または他のデータ記憶構造を含むことができる。たとえば、コントローラ２６は、アクセルペダル押下、器具制御操作、機械の傾き、および／またはコントローラ２６が監視する機械の他の動作パラメータの量を、種々の軸出力速度に対してモータ２２からの必要なトルクのそれぞれの量に対して索引付けする、１つまたは複数のテーブルを有することができる。別法としてまたはさらに、コントローラ２６は、監視されたパラメータに基づいてモータ２０が必要とするトルクの量を計算するために１つまたは複数の式を有することができる。テーブルに含まれた必要なトルクおよび／または式に基づいて計算され必要なトルクの量を、機械の既知の仕様、実験データおよび／または他の入手可能なソースと関連付けることができる。コントローラ２４は、所定負荷下でモータ２２が必要とするトルクの量を確定するために、本技術分野において既知である別の手段を有することができる、ということが理解されるべきである。
【００３１】
図７は、コントローラ２６が、モータ２２に加えられる可変負荷に基づき、単一パルスモードで動作している間に、ＳＲＧ２０に対してリアルタイムの最適通電角を確定するように実施することができる、例示的な制御アルゴリズム６０を示す。単一パルスモードは、第１位相部４８〜第３位相部５２の各々に対応するトランジスタパッケージが、通電角の角度期間に、脈動するかまたは他の方法で振動するのではなく、オンに切り替えられるモードを言う。アルゴリズム６０を３つの下位部分、すなわちフィードフォワード制御ブロック６２、フィードバック制御ブロック６４およびターンオフ角制御ブロック６６に分割することができる。アルゴリズム６０はまた、３つの下位部分からの出力に応じて電力変換装置３６を駆動する位相電流シーケンサ６８も有することができる。
【００３２】
フィードフォワード電力コントローラブロック６２は、基準（ｂａｓｅｌｉｎｅ）通電角ブロック６２ｂおよび速度依存補正ブロック６２ａを有することができる。動作中、コントローラ２６は、モータ２２から、出力軸のリアルタイム回転速度を示す信号を受け取ることができる。コントローラ２６はまた、モータ２２、操作者入力デバイス２５、および／または機械１０の動作パラメータを監視するセンサ（図示せず）から、その時刻でモータ２２が必要とするトルクの量Ｔ*を示す信号を受け取ることも可能である。コントローラ２６は、これらの信号とたとえばコンピュータ可読記憶装置に格納されたテーブルおよび／または式とに基づいて、必要なトルクの量Ｔ*を確定することができる。そして、コントローラ２６は、モータ２２の出力軸速度ωに必要なトルクのリアルタイムの量Ｔ*を乗算することにより、モータ２２に必要なリアルタイムの電力の量Ｐ*を確定することができる（すなわちＰ*＝ωＴ*）。そして、コントローラ２６は、基準通電角ブロック６２ａにおいて基準通電角θbaselineを確定することができる。基準通電角は、モータ２２に必要な所与の電力の量Ｐ*に対して定格発電機速度で動作しているＳＲＧ２０の最適な通電角θbaselineに対応することができる。一態様では、コントローラ２６は、以下の多項式に従って基準通電を確定することができる。
式２  θbaseline＝ａ1Ｐ*2＋ｂ1Ｐ*＋ｃ1
【００３３】
式２において、ａ1、ｂ1およびｃ1は、上述したように、特定のＳＲＧ２０に対するシミュレーションまたは実験に基づいて確定された所定の多項式係数であり、Ｐ*は、モータ２２が必要とする電力の量である。特に、Ｐ*は、モータ２２に必要なトルクの量Ｔ*に、モータ２２の軸出力速度ωを乗算したものである（すなわちＰ*＝ωＴ*）。式２に示すように、基準通電角θbaselineは、所与の軸出力速度ωに対して増大しかつ低減する必要なトルクＴ*に比例して増大しかつ低減する可能性がある。
【００３４】
コントローラ２６はまた、モータ２２の可変の軸速度および負荷状態に対して、基準通電角の変化Δθbaselineも確定することができる。すなわち、可変軸速度および負荷状態に対し、定格発電機速度ω0で動作している間の所与の必要な電力の量Ｐ*に対する、基準通電角θbaselineからの角度変動の量を確定することができる。特に、コントローラ２６は、速度依存補正ブロック６２ｂにおいて、以下の式に従って基準通電角の変化Δθbaselineを確定することができる。
式３  Δθbaseline＝（ｋω＋ｋp（Ｐ*−Ｐ0））（ω−ω0）
【００３５】
式３において、ｋωは、速度依存補正項であり、ｋpは、特定のＳＲＧ２０に対するシミュレーションまたは実験に基づく電力依存補正項であり、Ｐ*は、モータ２２に必要な電力の量であり（Ｐ*＝ωＴ*）、Ｐ0はＳＲＧ２０の定格電力であり、ωはモータ２２の軸速度であり、ω0はＳＲＧ２０の定格速度出力軸速度である。
【００３６】
一態様では、フィードバック制御ブロック６４は、ＰＩ制御ブロック、ＰＩＤ制御ブロック、または実際の出力と所望の出力との差を補償するように設計された別のタイプのゲインモジュールを採用することができる。特に、フィードバック制御ブロック６４は、蓄電装置３８の両端のリアルタイム電圧Ｖdcの変動に基づいて、通電角オフセット値を示す信号を出力することができる。このように、コントローラ２６は、変化する負荷状態に応じてＤＣバス電圧が低下または上昇し始める場合、ＤＣバス電圧を所望の値またはその近くで維持するように通電角を調整することができる。たとえば、コントローラ２６は、ＤＣバス２４から信号を受け取り、蓄電装置３８の両端の電圧Ｖdcのリアルタイムの値とメモリに格納されている蓄電装置３８の両端の所望のまたは目標電圧Ｖdc*との差を確定することができる。そして、コントローラ２６は、差を示す信号を生成することができる。そして、フィードバック制御ブロック６４は、たとえば、本技術分野において既知である方法に従って、比例ゲイン成分、積分ゲイン成分および／または微分ゲイン成分を信号に適用することにより、通電角オフセット値信号を生成することができる。通電角オフセット値は、ＤＣバス電圧Ｖdcの変動の結果として必要なＳＲＧ２０の通電角の変化を示すことができることが理解されるべきである。
【００３７】
ターンオフ角制御ブロック６６は、第１パッケージ４８〜第３位相部５２のトランジスタパッケージがオフに切り替えられるべき最適角度を確定することができる。ターンオフ角制御ブロック６６は、以下の式に従って最適なターンオフ角θturn offを確定することができる。
式４  θturn off＝ａ2ω2＋ｂ2ω＋ｃ2
【００３８】
式４において、ａ2、ｂ2およびｃ2は、特定のＳＲＧ２０に対しシミュレーションまたは実験に基づいて確定された所定の多項式係数であり、ωはモータ２２の出力軸速度である。
【００３９】
図７に示すように、コントローラ２６は、フィードフォワード制御ブロック６２およびフィードバック制御ブロック６４の出力を合計することにより、最適な通電角θcondを確定することができ、それを最適なターンオフ角（第１リミッタ７０にかけられた）θturn offから減算することにより最適なターンオン角（第２リミッタ７２にかけられた）θturn onを確定することができる。リミッタ７０および７２は、ＳＲＧ６２の動作の破壊的な変化（すなわち、非常に迅速に変化するθturn onおよび／またはθturn off）を防止することができる。最適なターンオン角θturn onおよび／またはターンオフ角θturn offを、位相電流シーケンサ６８に提供することができる。位相電流シーケンサ６８は、ＳＲＧ２０のセンサによって提供される信号を監視することができる。すなわち、位相電流シーケンサ６８は、ホール効果信号ＨａｌｌA、ＨａｌｌBおよびＨａｌｌC、ＳＲＧ２０の位相Ａ〜位相Ｃの各々の位相電流ｉa、ｉbおよびｉc、および／またはＳＲＧ２０の角度位置のリアルタイム値を監視することができる。これらの値に基づいて、位相電流シーケンサ６８は、ＳＲＧ２０の現角度位置および位相励起を確定し、確定されたターンオン角θturn onおよびターンオフ角θturn offにしたがって電圧Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1、Ｓb2、Ｓc1およびＳc2を切り替えることができる。たとえば、位相シーケンサ６８は、電圧Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1、Ｓb2、Ｓc1およびＳc2の各々に対してパルス幅変調信号を生成することができ、その場合、パルス幅および／またはそのデューティサイクルはθturn onとθturn offとの間の角度期間に対応する。このように、電力変換装置３６の第１位相部４８〜第３位相部５２のトランジスタパッケージのオン・オフを切り替えることにより、最適なターンオン角θturn onおよびターンオフ角θturn offに従ってＳＲＧ２０のそれぞれの位相から電流を引き出すことができる。
【００４０】
位相電流シーケンサ６８は、ＳＲＧ２０の位相構成に基づいて電圧Ｓa1およびＳa2、Ｓb1およびＳb2ならびにＳc1およびＳc2の切り替えられたものを互いから適当な角度位相シフトさせることができる、ということが理解されるべきである。本明細書で例示的に開示するように、ＳＲＧ２０が三相発電機である場合、電圧Ｓa1およびＳa2、Ｓb1およびＳb2ならびにＳc1およびＳc2の各々の間の位相シフトは１２０度であり得る。しかしながら、ＳＲＧ２０がそれより多いかまたは少ない位相を有する場合、位相電流シーケンサ６８によって与えられる位相シフトは異なっていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
開示した発電機制御システムは、スイッチドリラクタンス発電機がＤＣバスを介してモータを駆動するように用いられる状況において有用であり得る。特に、開示した制御システムは、性能を向上させ、種々の負荷状態下でのモータの平滑な動作を容易にすることができる。モータが必要とするトルクまたは電力の量に基づいてスイッチドリラクタンス発電機のそれぞれの位相電流に対して最適な通電角を確定するフィードフォワード制御ブロックを提供することにより、制御アルゴリズムは、ＤＣバスの電圧レベルがシステム性能の損害に向かって変化し始める前に、必要とされ得る通電角の変化を先行して推定することができる。
【００４２】
図８および図９は、開示した制御アルゴリズム６０を採用することにより実現することができる利益を示す。特に、図８および図９は、モータ２２を用いてＳＲＧ２０にステップ負荷変化を適用することができるシナリオを示す。図８において、Ｖdc*プロットは、基準ＤＣバス電圧（すなわち、制御アルゴリズム６０が動作中に維持しようとする蓄電装置３８の両端の電圧）を指す。Ｖdcプロットは、フィードフォワード電力コントローラ６２を用いない場合のシステムの応答を示し、Ｖdc_forwardプロットは、フィードフォワード電力制御ブロック６２を採用する場合のシステムの応答を示す。基準電圧からのＤＣバス電圧の初期偏差（すなわちオーバシュート）は、フィードフォワード制御ブロック６２を採用する場合ははるかに小さくなり得ることが明らかである。さらに、システムは、より短い時間で安定した定常応答に達することができる。すなわち、システムの過渡応答時間ははるかに短くなり得る。
【００４３】
図９を参照すると、θonプロットは、ステップ負荷変化に応じてフィードフォワード電力制御ブロック６２なしにシステムによって計算されるターンオン角を示すことができ、θon_forwardプロットは、フィードフォワード電力制御ブロック６２を採用する場合にシステムによるターンオン角計算を示すことができる。フィードフォワード電力制御ブロック６２は、より短い時間での定常ターンオン角の計算を容易にすることにより、実質的にシステム性能を向上させることができることが明らかである。さらに、ステップ負荷変化の結果としての初期ターンオン角オーバシュートを、フィードフォワード電力制御ブロック６２を実装することにより実質的に低減することができる。
【００４４】
当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、開示したシステムおよびアルゴリズムに対してさまざまな変更および変動があり得ることが明らかとなろう。たとえば、アルゴリズムは、スイッチドリラクタンスモータの制御に対して等しく採用することができ、その場合、最適な通電角を計算するためにトルクコマンドを直接用いることができる、ということが理解されるべきである。同様に、アルゴリズムは、各々が３つより多いかまたは少ない位相および／または異なる極配置を有する発電機および／またはモータを有するシステムに等しく採用することができる。本明細書を考慮することにより、当業者には他の実施形態が明らかとなろう。本明細書および例は単に例示的なものとしてみなされ、本発明の真の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示されるように意図されている。
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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