(57)【要約】      （修正有）【課題】三相電力装置のダンピング制御及びモータ・ブレーキのために単一の電流センサを介して各相における電流を測定する。【解決手段】  ＰＷＭ制御されたＦＥＴ切換三相モータ（２６）が機械的ダンピングモードで動作される間、モータ（２６）における電流が単一の電流センサ（３２）を用いて測定される。モータ（２６）への機械的フィードバックが所定の閾値を超過すると、ＦＥＴ切換装置（Ｓ１〜Ｓ６）の一方のバンクが閉じられ、機械的フィードバックのダンピングが提供される。これにより、電流はモータ（２６）内を循環する。本発明は、モータ（２６）への機械的フィードバックが問題とならなくなった時期を決定するためにモータ（２６）の少なくとも一つの相における電流をサンプリングするのに必要な選択された切換装置を周期的に切り換える一方で、好ましくは、平均ゼロ電圧ベクトルも維持する。【選択図】      図１
2005323496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダンピングモードで動作する三相モータ（２６）における電流をセンサ（３２）によって測定する方法であって、前記三相モータ（２６）への駆動電流は、複数のパルス幅変調信号によって制御される上部バンクの切換装置（Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５）および下部バンクの切換装置（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６）によって切り換えられ、前記方法は、
前記モータ（２６）への機械的フィードバックが所定の閾値を超過する時期を決定する段階と、
前記機械的フィードバックのダンピングを提供するために、前記切換装置の上部バンクおよび下部バンクのうちのいずれか一方の全ての切換装置を閉じる段階と、
前記モータ（２６）の少なくとも一つの相における電流を測定するために必要な選択された切換装置を周期的に切り換える段階と、
前記切換段階において選択された相の電流を前記センサ（３２）によってサンプリングする段階と、
前記サンプリング段階における前記サンプリングされた電流が、前記モータ（２６）への機械的フィードバックが前記所定の閾値未満となったことを示すまで前記切換段階およびサンプリング段階を繰り返す段階と、
前記ダンピングモードを終了する段階と、
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記切換段階における前記選択された切換装置は、前記モータ（２６）の平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるように、前記繰り返す段階において選択される、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記切換段階における前記選択された切換装置は、前記モータの平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるよう前記モータ（２６）の一つの相の正および負のベクトル電圧が後続するサンプリング段階においてサンプリングされるように、前記繰り返す段階において選択される、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記切換段階における前記選択された切換装置は、前記モータの平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるよう前記モータ（２６）の各相の正および負のベクトル電圧が後続するサンプリング段階においてサンプリングされるように、前記繰り返す段階において選択される、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記サンプリング段階において電流サンプルを取得した直後に、前記切換装置を前記切換段階以前の状態にリセットする段階を、前記サンプリング段階の後に、更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、ダンピング電流を維持しながら電源に電流をダンピングして戻す整流器として前記切換装置が機能するように次の切換段階まで全ての前記切換装置を開く段階を、前記サンプリング段階の後に、更に備える方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記開く段階は、前記二つの切換バンクの間で熱を分散するために前記切換装置の前記上部バンクおよび前記下部バンクのいずれか一方を順番に開くことを含む、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、前記切換段階は過電流状態の間にはＰＷＭ周期内の初期に行われる、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、前記ダンピングモードを終了する以前に、前記モータ（２６）の各相の各正および負の電圧ベクトルに対して前記切換段階および前記サンプリング段階が繰り返され、前記切換段階は過電流状態の間にはＰＷＭ周期内の初期に行われ、過電流状態後にはＰＷＭ周期内の後期に行われる、方法。
【請求項１０】
ダンピングモードで動作する三相モータ（２６）における電流をセンサ（３２）によって測定する装置であって、
複数のパルス幅変調信号によって制御される上部バンクの切換装置（Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５）および下部バンクの切換装置（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６）と、
前記切換装置に接続され、前記切換装置を制御するための前記パルス幅変調信号を供給する制御器（３４）であって、前記センサ（３２）から電流測定信号を受信するよう動作する制御器（３４）とを備え、
前記センサ（３２）は前記モータ（２６）の各相における電流を測定するよう動作し、前記制御器（３４）は、前記センサ（３２）から信号を入力され、前記モータ（２６）への機械的フィードバックが所定の閾値を超過する時期を決定するよう動作し、前記制御器（３４）は、前記機械的フィードバックのダンピングを提供するために、前記上部バンクの切換装置および前記下部バンクの切換装置のうちのいずれか一方の全ての切換装置を閉じ、
前記制御器（３４）は、前記モータ（２６）の少なくとも一つの相における電流を前記センサ（３２）および前記制御器（３４）が測定するために必要な選択された切換装置を周期的に切り換えるよう動作し、前記センサ（３２）および前記制御器（３４）は選択された相の電流をサンプリングして、該サンプリングされた電流が、前記モータ（２６）への前記機械的フィードバックが前記所定の閾値未満となったことを示すまで前記切換および前記サンプリングを繰り返し、前記ダンピングモードは終了される、
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相電力装置（例えば、三相モータ）に一般的に関し、特に、ダンピング制御およびモータ・ブレーキのために単一の電流センサを介して各相における電流を測定する改善された方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相モータ（例えば、永久磁石同期モータおよび誘導モータ）は、多数の用途において、機械システムを動力化するために用いられる。パルス幅変調信号を用いて三相モータの相巻線を制御することは公知である。パルス幅変調信号は、モータの相巻線をバッテリーのような直電流（ＤＣ）電源の正端子あるいは負端子のいずれか一方に接続させるインバータまたは一連の切換装置に供給される。インバータは、上部バンクに三つの切換装置と下部バンクに三つの切換装置を含む。
【０００３】
モータを十分に制御するために、各相巻線を流れる電流を測定することは必要である。各相で測定された電流は、パルス幅変調信号を生成する制御器に供給される。電流を測定するために、各相巻線と直列の抵抗器を用いることは公知である。各抵抗器上の電圧降下が、各相を流れる電流を決定するために測定される。このタイプのシステムには、三つの相巻線それぞれに対して一つというように、三つの電流センサと、三つの測定回路とが必要であるという不便な点がある。
【０００４】
少なくとも一つの電流センサを省略し、他の二相の測定に基づいて残りの一相を通る電流を、センサを用いることなく計算することも公知である。多くの場合、モータの全ての相を流れる全ての電流の合計がゼロであるため、二相を流れる電流を知ることで、センサを用いることなく残りの一相を流れる電流を決定し得る（接地された星点を有する星形結線されたモータまたは故障しているモータは除く）。
【０００５】
三相モータの各相を通る電流を測定する機能を実施するために単一の抵抗器を使用することも公知である。単一の抵抗器は、ＤＣ電源とインバータまたは一連の切換装置との間のＤＣリンク上でモータ巻線に対して外側に配置される。相を通る電流は、切換装置の状態および動作周期によって、単一の抵抗器により測定または計算され得る。
【０００６】
上部バンクの切換装置または下部バンクの切換装置のいずれか一方を閉じることで、ダンピングまたはブレーキが必要なときにモータの巻線の全ての相を一緒に接続させることも公知である。ブレーキは、不要な機械システム振動をダンピングするために使用され、更に、機械システムのスピードを落とすためにも使用される。例えば、機械的共振または機械的妨害は、機械システムからモータにフィードバックされ得る。不安定な機械的共振は、それ自体が望ましくないだけでなく、モータにおいて過剰電流を生じさせる起電力（ＥＭＦ:Electromotive Force）を生成する可能性がある。ダンピングモードでは、閉じられた切換装置は、機械的共振によって引き起こされる全ての動きに対抗するためにブレーキとして作用するように電流をモータ巻線内で循環させ、安定性の回復を助ける。しかしながら、ダンピングモードにおけるモータ巻線内での電流の内部循環を、単一の外部抵抗器によって測定することは、抵抗器が電流ループにないために不可能である。したがって、モータ巻線内の電流は測定されず、変更または制御されることは不可能である。
【０００７】
増大したブレーキ力に対してモータにおける電流を強制的にバッテリーに戻すために三相インバータ・スイッチを変調することも公知である。この場合、単一の抵抗器を流れるバッテリー電流は、通常のモータ動作と比較して反対方向に流れる。その結果、該抵抗器上の電圧は負となり、制御器がこのような場合のために設計されていない限り制御器により読み取ることは不可能である。
【特許文献１】米国特許第６０４９４７４号明細書
【特許文献２】米国特許第５３０９３４９号明細書
【特許文献３】米国特許第５２７４３１７号明細書
【特許文献４】米国特許第６５２９３９３号明細書
【特許文献５】米国特許第６３１６８９５号明細書
【特許文献６】米国特許第５４３６５４５号明細書
【特許文献７】米国特許第５９６９９５８号明細書
【特許文献８】米国特許第５９５５８６２号明細書
【特許文献９】米国特許第５８７４８１８号明細書
【特許文献１０】米国特許第６０７５３３８号明細書
【特許文献１１】米国特許第６０２３１３６号明細書
【特許文献１２】米国特許第６１８５１１５号明細書
【特許文献１３】欧州特許出願公開第１０８３６５０号明細書
【特許文献１４】国際公開第０１／２０３４３号パンフレット
【特許文献１５】欧州特許第０５９９２６０号明細書
【特許文献１６】欧州特許第０５０２２２６号明細書
【非特許文献１】F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, U. Jaeger, P. Thoegersen,  “Single Current Sensor Technique in the DC-link of Three-phase PWM-VS Inverters A Review and the Ultimate Solution ”, IEEE IAS Conf., 1996, pages 1192-1202
【非特許文献２】C. Zhang, F. Lin, “A single current sensor control technique for induction motors  ”, Power System Technology, 2002. Proceedings. PowerCon 2002. International Conference on Volume 4, 13-17 Oct. 2002 pages 2290-2293 vol.4
【非特許文献３】F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, “An Ideal PWM-VSI Inverter using Only One Current Sensor in the DC-Link. ” Proceedings of PEVD'94 : 5th International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drives, London, 1994. pages 458-464
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、単一の電流センサを用いてダンピング／ブレーキモードの間に三相装置における電流をモニタリングする改善された技法が必要となる。また、追加のハードウェアを必要とせずに、この技法を提供することが望ましく、それにより、信頼性は向上し、かつコストは削減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
新規と考えられる本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲において詳細に説明される。本発明は、その更なる目的および利点と共に、添付図面と併せて以下の説明を参照することによって、十分に理解されるであろう。添付図面の幾つかの図において、同一の参照番号は同一の構成要素を指定する。
【００１０】
本発明の様々な変更および代替形態は可能であるが、特定の実施形態を図面において例として示し、本明細書において詳細に記載する。しかしながら、本発明が開示する特定の形態に限定されないことは理解されよう。本発明は、添付の特許請求の範囲で定められる本発明の広い範囲に含まれる全ての変更、均等物使用および代替を網羅する。
【００１１】
単一の外部電流センサを用いて、ダンピングモードの間に、システムにおける三相装置の各相を流れる電流を測定する改善された手順を説明する。利点は、本発明を実行するために追加のハードウェアを必要としないことである。永久磁石同期モータのような三相モータが、電動機械システムの一部として用いられてもよい。しかしながら、本発明は三相モータに限定されず、他の三相装置に対しても、あるいは多相装置に対してすらも適用可能である。
【００１２】
システムの機械的性質および制御器の閉ループ応答により、電動機械システムは、特定の周波数領域（例えば、５〜１０Ｈｚ）内で僅かにダンピングされた共振応答を示す可能性がある。しかしながら、閉ループ制御システムは全ての起こりうる機械的妨害に対して安定した状態に維持されることが望ましい。僅かにダンピングされたシステム応答が生ずる周波数範囲内で機械的妨害が起こると、制御器の動作はシステムの安定性が維持されるように変更されなければならない。システム応答は、機械システムおよび電気制御器の閉ループ応答として定められる。システムの安定性を確実にする一つの方法は、モータ巻線を短絡させることである。この行為により、モータは機械システムによって引き起こされる全ての動きに対抗するブレーキとして作用するため、モータおよび機械システム応答は結果としてダンピングする。
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明による三相装置についてのシステムの使用例を説明する。図１を参照すると、システム２０は、一般的に電源２２と、インバータまたは切換回路２４と、モータ２６とを有する。典型的には、電源２２は正端子２８および負端子３０を有するＤＣバッテリーである。負端子３０は接地接続であってもよい。モータ２６は、Ｙ結線された三相巻線Ａ，Ｂ，Ｃを有するモータであっても、デルタ結線されたモータのような他の結線タイプが使用されたモータであってもよい。このようなモータとしては、例えば、永久磁石同期モータまたは誘導モータが有り得る。
【００１４】
インバータまたは切換回路２４は、モータ２６の各相巻線に対して一組ずつの三組の切換装置を含む。第１の組の切換装置Ｓ１，Ｓ２は、第１の相巻線Ａに第１の電圧Ｖａを供給することが可能である。第２の組の切換装置Ｓ３，Ｓ４は、第２の相巻線Ｂに第２の電圧Ｖｂを供給することが可能である。第３の組の切換装置Ｓ５，Ｓ６は第３の相巻線Ｃに第３の電圧Ｖｃを供給することが可能である。
【００１５】
切換回路２４には様々な切換装置Ｓ１〜Ｓ６が使用され得る。例えば、切換装置Ｓ１〜Ｓ６は、当該技術分野において公知のＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、およびバイポーラ・トランジスタのようなパワー・トランジスタであってもよい。ＰＷＭ信号は、それらのパワー・トランジスタのゲートまたはベースに印加される。ここで重要なことは、ＰＷＭ信号を印加することにより、各切換装置Ｓ１〜Ｓ６を開いたり、閉じたりすること（即ち、オフにしたり、オンにしたりすること）が可能であることである。
【００１６】
各組の切換装置は、電源２２の正端子２８に接続される上部切換バンクＳ１，Ｓ３，Ｓ５と、電源２２の負端子３０（または接地）に接続される下部切換バンクＳ２，Ｓ４，Ｓ６と、を有する。バンク内の各切換装置は、他方のバンク内の対応する切換装置と相補的である。例えば、上部バンクの切換装置のうちの上部切換装置Ｓ１が閉じられると、下部バンクの切換装置のうちの対応する下部切換装置Ｓ２が開かれる。同様にして、上部バンクの切換装置のうちの上部切換装置Ｓ１が開かれると、下部バンクの切換装置のうちの対応する下部切換装置Ｓ２が閉じられる。
【００１７】
相補的な切換装置を設けることにより、各組（即ち、インバータの相脚）内の切換装置を開閉することでモータ２６の各相巻線Ａ，Ｂ，Ｃが電源２２の正端子２８または負端子３０に接続されるようになる。これにより、電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃがそれぞれモータ２６の対応する相巻線Ａ，Ｂ，またはＣに印加される。図１において、各相巻線Ａ，Ｂ，またはＣを流れる電流は、それぞれ、対応する変数Ｉａ，Ｉｂ，またはＩｃによって表される。
【００１８】
以下により詳細に説明するように、本発明は、切換装置Ｓ１〜Ｓ６の上部バンクおよび下部バンクを制御するために複数のパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号を用いる。図２を参照すると、切換装置Ｓ１〜Ｓ６のそれぞれに対するＰＷＭ信号を生成するために制御器３４が使用される。制御器３４は、切換装置を制御するためにパルス幅変調信号を供給するように切換装置に接続される。制御器３４は、制御器３４に接続される電流センサ３２から受信した電流測定信号に基づいてＰＷＭ信号を生成するよう動作する。電流センサ３２を、モータ２６の測定された相における電流を示すアナログまたはデジタル信号を制御器に供給するために比較器、アナログ−デジタル変換器等に関連付けることが可能であることは理解されよう。更に、制御器３４は、制御アルゴリズムを有するソフトウェアを記憶するためにデジタル・プロセッサおよびメモリを含むことが可能である。本発明によると、そのデジタル・プロセッサは、ソフトウェアで実行される制御アルゴリズムに基づいてＰＷＭ信号を供給する。本発明に適したデジタル・プロセッサを有する制御器３４は、例えば、テキサス・インスツルメンツ株式会社による品番ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６から得られる。同製品は、ソフトウェアを記憶するためのフラッシュ・メモリを含むデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）である。あるいは、制御器３４は、外部メモリ（図示せず）を備えるＤＳＰプロセッサを含んでいてもよい。
【００１９】
動作において、電流センサ３２は、少なくとも一つの相、好ましくはモータの各相の電流を順次測定するよう動作する。制御器３４は、モータからの機械的フィードバックにより電流が所定の閾値を超過する時期を決定するために電流センサ３２からの信号が入力されるよう動作する。その所定の閾値は、電流値に対する限界値だけでなく、ダンピング（ゼロベクトル）モードに入る前に特定の時間にわたって電流値が限界値を超過する回数でもよい。所定の時間内に所定の閾値を超過すると、制御器は、機械的フィードバックのダンピングを提供するために、切換装置の上部バンクおよび下部バンクの一方にある全ての切換装置を閉じ、他方のバンクの切換装置を開いた状態に維持する。特定の時間にわたって切換装置の上部バンクが閉じられると、熱を二つの切換バンク間で分散させるために、切換装置の上部バンクが開かれ下部バンクが閉じられる（即ち、順番に開かれる）ことは当業者には明らかであろう。より積極的なレベルのダンピング／ブレーキが必要であると判断された場合、電流はモータ内で循環される代わりにバッテリーに戻される。
【００２０】
本発明の新規の特徴はダンピングモードにおいて見られる。ダンピングモードにおいて、制御器３４は、電流センサ３２および制御器３４がモータの少なくとも一つの相における電流を決定するために必要な選択された切換装置を周期的に切り換えるよう動作する。そのセンサおよび制御器は選択された相の電流をサンプリングする。サンプリングは、モータへの機械的フィードバックが所定の閾値未満となったことをサンプリングされた電流が示すまで短いサンプリング周期にわたって繰り返され、その後、機器はダンピングモードを終了して、ＰＷＭシステムを通常に動作させる。
【００２１】
好ましい実施形態では、制御器３４は、モータの平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるように、切換装置を選択して電流をサンプリングするよう動作する。実際には、制御器は、モータの平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるようモータの各相の正および負の電圧ベクトルがサンプリングされるように、切換装置を選択して電流をサンプリングするよう動作する。例えば、電流Ｉａが一つのＰＷＭサイクルにおいてサンプリングされると、続いて、後続するＰＷＭサイクルにおいて電流−Ｉａがサンプリングされ、その結果、ゼロ（即ち、Ｉａ−Ｉａ＝０）電圧ベクトルが生ずる。各相に対して正および負の電流の六つのサンプル（即ち、Ｉａ，−Ｉａ，Ｉｂ，−Ｉｂ，Ｉｃ，−Ｉｃ）がとられることが好ましく、ゼロ電圧ベクトルが結果として得られる。
【００２２】
上部または下部バンク作動モードからの切り換えは、ダンピングモードにおいて、正確なサンプルを得るに十分に長い間行われ、その後、切換装置はそれぞれの以前の状態に戻される。この間、電流はもはやモータ巻線内において循環されず、バッテリーからセンス抵抗器を流れ、相の電流の読み取りを可能にする。後続するサイクルでは、等価な負の相の電流（例えば、第１のサンプルは＋Ｉａ、第２のサンプルは−Ｉａ）を決定するために相補切換装置が作動される。つまり、制御器は、電流サンプルが得られた直後に別の電流サンプルを得るように、切り換えられた全ての切換装置を切換解除するよう動作する。電流をサンプリングする時間周期が非常に短いか存在しない場合、ＰＷＭ信号を使用すると問題が生ずる場合がある。サンプリングの時間周期が非常に短いか存在しない場合、システムは、モータにおける多相の巻線を通る電流を測定することが不可能である。
【００２３】
したがって、本発明は、モータにおける少なくとも一相の巻線を通る電流が測定されるか、サンプリングされるダンピングモードの様々なケースを考慮する。以下により詳細に説明するように、特定のケースによっては、ＤＣリンク上のセンス抵抗器の電流を測定する十分なサンプリング・ウィンドウ（または時間周期）を可能にするＰＷＭ信号が供給される。典型的には、５μｓのサンプリング・ウィンドウが適当である。
【００２４】
場合によっては、その制御器は、機械システムに対してダンピング効果を維持しながら電流を電源にダンピングして戻す整流器として切換装置が機能するように次のＰＷＭサイクルまで全ての切換装置を開けるよう動作する。この場合、最大量のモータ・ブレーキが生ずる。この選択肢は、以下に説明するように特定の電流条件下では有用である。電流ダンピングは、開ＦＥＴがダイオード整流器として機能するため、切換装置が電界効果トランジスタであるとき最適に実現される。
【００２５】
その制御器は、モータがダンピングモードにある限りＰＷＭ周期内の初期に切換装置を切り換えるよう動作することが好ましい。これにより、以下に説明するように特定量の電流ダンピング制御が提供される。モータがまだダンピングを必要とすることを電流測定が示す限り、電流サンプルはＰＷＭサイクルのより初期に取得される。動作の好ましい技法は、ダンピングモードを終了する前に（ゼロ電圧ベクトル状態を維持するために）各相に対する正および負の電流といった六つの電流測定値を取得することであるため、ダンピングモードがもはや必要ではないことを初期の電流測定値のうちの一つが示す場合もある。この場合、電流ダンピングはもはや必要でないため、残りの六つのサンプルのうちの後続する電流測定値はＰＷＭサイクルのより後期に取得されてもよい。つまり、その制御器はダンピングモードを終了する前にモータの各相に対する正および負の電圧ベクトルそれぞれに対して切換装置を切り換えるよう動作する。更に、制御器は、モータがダンピングモードにある限りはＰＷＭ周期内の初期に、モータへの機械的フィードバックが所定の閾値未満の場合にはＰＷＭ周期内の後期に、切換装置を切り換えるよう動作する。六つの切換装置全てが開けられた状態の電流ダンピングの比に対する三つの切換装置が閉じられた状態のモータ・ダンピングの比を変えることにより、全体的なモータ・ブレーキの量が制御され、所望の機械的ダンピングが実現される。
【００２６】
通常、電流ダンピングは、電流センサに対する単一の入力を用いてモニタリング可能である。場合によっては、電流ダンピングは、通常のモータ動作と比較してバッテリー電流が反対方向に単一のセンス抵抗器を流れるとき実施可能である。更に、センス抵抗器を通るいずれかの方向の電流を感知するために差動電流センサを用いることも可能であろう。しかしながら、これによりコストが増大することは理解されよう。
【００２７】
図１を再び参照すると、モータ２６を十分に制御するために、電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは測定されるか、さもなければ、既知でなくてはならない。一つの実施形態では、単一の電流センサ３２が電源２２と切換回路２４との間のＤＣリンク上に配置される。具体的には、電流センサ３２は、切換回路２４の下部切換装置Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６と電源２２の負端子３０（または接地）との間に配置される。あるいは、電流センサ３２は、切換回路２４の上部切換装置Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と電源２２の正端子２８との間に配置することも可能である。電流センサ３２は、例えば、抵抗器上の電圧降下を測定するセンサであればよい。電流センサ３２は、周知の装置および技法に従って、測定された電圧降下を、ＤＣリンクを通る電流（Ｉ＿ｄｃ＿ｌｉｎｋで表される）を表す値に変換することが可能である。
【００２８】
上述したように、一組（即ち、脚）の切換装置内の各切換装置は、他方の切換装置と相補的な関係にある。したがって、三相モータシステムについて、８つの切換状態が可能となる。図３に示す表は、８つの可能な切換状態をベクトルＶ０〜Ｖ７として示す。表の第１の列４０は、第１の組の切換装置Ｓ１，Ｓ２の状態（開／閉）を表す。表の第２の列４２は、第２の組の切換装置Ｓ３，Ｓ４の状態（開／閉）を表す。表の第３の列４４は、第３の組の切換装置Ｓ５，Ｓ６の状態（開／閉）を表す。第４の列４６は、ＤＣリンクを通る電流（Ｉ＿ｄｃ＿ｌｉｎｋ）と、様々な相巻線Ａ，Ｂ，Ｃを通る電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃとの間の関係を示す。第５の列４８は、８つのベクトル状態を示す。８つの可能な切換状態は、電流がＤＣリンクを流れる６つの活性ベクトル状態（Ｖ１〜Ｖ６）、および、ダンピング電流がモータ巻線内を循環し、いずれの電流もＤＣリンクを流れないモータとなるダンピングモードに対応する２つのゼロベクトル状態（Ｖ０，Ｖ７）を含む。
【００２９】
本発明は、切換装置Ｓ１〜Ｓ６の状態を制御するためにＰＷＭ信号を用いる。切換装置Ｓ１〜Ｓ６の状態を制御することにより、所望の相電圧をモータ２６の相巻線Ａ，Ｂ，Ｃに印加し得る。
【００３０】
図４は、ＰＷＭ動作に対する典型的なインバータの電圧空間ベクトル図を示す。電圧ベクトルは、図３の様々な切換配置より得られる。六つのＦＥＴの配置により、合計で八つのベクトルの組み合わせをモータに印加することが可能である（インバータの各脚において、そのＦＥＴの一つが常にオン状態である）。これらのベクトルのうち二つのベクトルＶ０，Ｖ７は、下部の三つのＦＥＴが全てオンであるか、あるいは上部の三つのＦＥＴが全てオンであり、他方のバンクの切換装置が完全に開かれているため「ゼロ電圧ベクトル」と呼ばれ、ダンピングモードの間にゼロ電圧がモータに効果的に印加される。他の六つのベクトルＶ１〜Ｖ６は、通常の非ダンピング動作の間になされるように一つの上部ＦＥＴおよび二つの下部ＦＥＴをオンにするか、二つの上部ＦＥＴおよび一つの下部ＦＥＴをオンにすることを伴うため、二次的に重要である。
【００３１】
図５は、ベクトルＶ７になるように切り換えられたときのモータ回路を示し、この場合は、全ての下部切換装置Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が閉じられ、全ての上部切換装置Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が開かれている。通常の非ダンピングモードでは、下部の三つのＦＥＴ（または上部の三つのＦＥＴ）は短絡されず、制御およびモニタリング目的のためにセンス抵抗器における電流を観測し得る。下部の三つのＦＥＴが短絡されると、モータ／ＦＥＴの組み合わせを流れる電流は通常の状況では観測されず、適用されるシステムダンピングの量を変更または制御することは不可能である。この技法により、モータ端子は効果的に短絡され、電流は回路インピーダンスおよびモータのスピードによってのみ制限される。この場合、電流は、センス抵抗器を流れない（Ｉｓｎｓ＝０）ため、結果として、ＦＥＴ電流は未知である。
【００３２】
本発明は、ゼロ電圧ベクトルの印加への影響を最小にして各相におけるモータ電流を観測することを可能にする。利点としては、システムに適用されるダンピングの量をより大きく制御することを可能にし、電流がセンス抵抗器を流れないときに下部ＦＥＴのうちの一つが過電流状態になることを防止する。
【００３３】
実際には、ダンピングを提供するためのゼロ電圧ベクトルの印加の間、制御器はモータの相電流それぞれのサンプリングされた測定値を得るためにＰＷＭ周期の間にゼロ電圧ベクトルを変更する。ＦＥＴは、モータの少なくとも一つの巻線における電流のサンプルを得るに十分に長い間だけ切り換えられる。図６の例に示すように、Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６のＦＥＴはオンにされ（閉じられ）て、モータ巻線の一つの相における電流Ｉａをサンプリングする時間を電流センサ３２に与える。しかしながら、この一つのサンプルによりゼロ電圧ベクトルが非平衡となるため、次のＰＷＭサイクルの間には−Ｉａ電流を測定するようＦＥＴを（図３の表を用いて）切り換えて、時間平均ゼロ電圧ベクトルを回復させることが望ましい。平均ゼロ電圧ベクトルを維持しながらモータにおける全ての電流の最も正確な状態を把握するためにモータの全ての相に対して正および負のベクトル測定を実施することが好ましい。
【００３４】
図７は、相電流のサンプリングを可能にするためにＰＷＭパルスがどのようにして変更されるかを示す詳細グラフである。ＰＷＭ信号（Ｖｇｓ＿ｎ）は、関連するＦＥＴのゲートに印加される。同図では、高パルスは上部バンクにおける対応するＦＥＴがオンにされる（閉じられる）ことを示し、低パルスはＦＥＴがオフにされる（開かれる）ことを示す。下部バンクのＦＥＴは、低パルスによってオンにされ、高パルスによってオフされるよう動作する。図示する第１のＰＷＭサイクルは図６の場合を示す。
【００３５】
各ＰＷＭサイクルの間に、モータ電流がバス電流シャント抵抗器Ｒｓｎｓを通過するように一つ以上のゼロでないベクトルが選択される。この電流は、Ｒｓｎｓ上の電圧を読み取ることでサンプリングされる。電流をサンプリングし、増幅し、測定する技法については、多数の技法が公知であるためここでは記載しない。ゼロでない電圧ベクトルは、モータ電流を感知するに十分に長い間印加される。好ましくは、時間平均が所望のゼロベクトルと等価であることを維持するために、全てのゼロでないベクトルが順番に選択される。
【００３６】
サンプリングされた電流は、所定の電流閾値と比較される。その電流閾値を超過すると、機械システムを安定化させるためだけでなく、高電流による回路の損傷を回避するためにダンピングが必要であることが示される。実際には、一つの過電流表示だけではダンピングモードをトリガするに十分ではない。その代わりに、特定の時間にわたってとられる一連の過電流サンプルの数を数えるためにカウンタが使用される。過電流状態がＰＷＭサイクルのかなりの系列に対して持続されると、ダンピングモードが開始され、前述の通り、ＦＥＴの一方のバンクが閉じられ、他方が開かれる。
【００３７】
場合によっては、本発明は、モータまたは回路に対して損傷を与える可能性がある場合に、過電流閾値に対して電流をモニタリングすることが可能である。過電流が検知された場合、本発明は、ダンピングモードに対して与えられる整流モードを提供し、電流は図８に示すようにバッテリーにダンピングされて戻される。この場合、本発明は、全てのＦＥＴを無効にし（開け）、それによって、残りのＰＷＭサイクルに対して制御されていない整流器（モータ電流がＦＥＴのボディ・ダイオードを循環してバッテリーに戻る）として三相ブリッジを機能させ、その後ダンピングモードが続けられる。この機能は、ピーク電流限界値としてハードウェアにおいて実行可能である。制御されていない整流モードの間、システムはモータから電力システム／バッテリーにエネルギーを伝達させることが無条件に保障される。
【００３８】
図９に多数のダンピングモード・サイクルに対するシステム応答を示す。同図では、ＰｘＰ＿ＩＬｉｍｉｔ閾値により電力段が強制的に図８の整流モードに移行される。このようにして、エネルギーが機械システムからバッテリー・システムに伝達される。図示する例では、過電流は最初にＡ−Ｂ＋Ｃ−切換配置の間の相Ｂ電流において検知され、しばらく後に、Ａ−Ｂ＋Ｃ＋切換配置の間の相Ａ電流において再び検知される。過電流状態が検知される度に、その後、残りの該ＰＷＭサイクルに対して全てのＦＥＴのゲートがオフにされ、結果として、整流およびＦＥＴのボディ・ダイオードを介するバッテリーへの電流の戻りが行われる。この整流モードの間は、モータ電流はＰｘＰ＿ＩＬｉｍｉｔ閾値未満に減衰されるため、ハードウェア（即ち、ＦＥＴ）の設計限界内にとどめられる。ＰＷＭサイクルが終わると、後続するサイクルがダンピングモード・シーケンスを繰り返す。この動作は、システムへの機械的フィードバックが安定し、ダンピングモードが終了されるまで続けられる。
【００３９】
整流モードの間、バッテリーに戻されるエネルギーはゼロ電圧ベクトルが印加されたときにＦＥＴおよびモータにおいて消費されるエネルギーよりも大きい。整流モードにおいて提供されるダンピングの量は、ゼロベクトル（ダンピング）モードにおいて提供されるダンピングの量よりも大きい。本発明では、整流モードに費やされる時間とゼロベクトルモードに費やされる時間とを制御することによってシステムのダンピングの量を制御する。全てのＦＥＴがオフである時間は、バッテリーにどれだけのエネルギーが戻されるかを決定する。このバッテリー・システムに対するエネルギー回復はより効率的で、そうでなければ生ずるであろう制御器およびシステムの両方における全体の電力消費を減少させる。具体的には、整流モードが活性化された後、電流サンプリング・パターンは、ハードウェア設計のピーク電流能力内での動作を維持しつつ、ゼロベクトルモード・シーケンスからシステムのダンピングを最大化するスキームまで変更される。
【００４０】
好ましい実施形態において、本発明は、ＦＥＴにおける電流が絶えず増大することがないように、ＰＷＭ周期内のダンピングモード電流センス・パルスのタイミング位置を移動する。最初は、電流センス・パルスの位置はＰＷＭ周期の終わりに位置している。過電流が生ずると、電流センス・パルスの位置はＰＷＭパルスにおいて初期に移動され９２、過電流が再び生ずると、電流はより長い時間９０の間バッテリーに戻される。過電流がその後生じないと、緩和アルゴリズムにより電流センス・パルスの位置がＰＷＭ周期の後期に戻される９４。
【００４１】
要約すると、本発明は、最適化されたゼロ電圧ベクトルを電力段の三相ブリッジに与え、必要に応じて電流を感知するためだけにゼロでないベクトルを選択することによって、システムに対して最大のダンピングを提供する。モータ／ＦＥＴの切換配置の固有の性質により、整流モードは、電源／バッテリーにエネルギーを戻し、かつモータ電流を許容可能レベルに減少させるために適当な電圧ベクトルを自動的に選択する。この動作の間、モータ電流がＰｘＰ＿ＩＬｉｍｉｔに応じて最大電流能力で維持されるため、最大のダンピングが、駆動部によってモータに適用される。
【００４２】
従来技術では、モータ巻線が短絡されているときには、電流を単一の外部抵抗器を用いて感知することは不可能である。唯一の解決策は、無作為の時間後にゼロベクトルモードを周期的に終了し、通常の動作に移行してどの電流が存在しているかを確認することであった。これは、ダンピングモードの間にはモータ電流はモニタリングされず、通常の動作が切換サイクル全体に対して実施されるため、損傷を与え得る電流にモータ回路を潜在的に曝すことになる。本発明は、ａ）時間平均がゼロベクトルと等価であることを維持し、かつシステムを保護するため、ピークモータ／ＦＥＴ電流を制限するよう全てのモータ電流を十分に早くサンプリングし、ｂ）モータ電流の減少を確実にするため、過電流検出に対するシステム応答が全てのＦＥＴのゲートを瞬間的に「オフ」にして、ボディ・ダイオードに電流（エネルギー）を電源／バッテリーに再循環させることを可能にし、かつ、ｃ）モータの速度に関連する計算または補償が必要ではないように、ゼロでない電圧ベクトルが配列される改善策を提供する。
【００４３】
別の実施例形態では、本発明は、センサ３２によって三相モータ２６の各相における電流を測定する方法を提供する。モータ２６は制御器３４からパルス幅変調信号を受信する複数の切換装置Ｓ１〜Ｓ６によって制御される。この方法は、パルス幅変調サイクルの間にパルス幅変調信号に対する変調指数をモニタリングすることを含む。
【００４４】
図１０は、ダンピングモードで動作する三相モータにおいて電流をセンサによって測定する方法１００を例示する。三相モータへの駆動電流は、複数のパルス幅変調信号によって制御される上部バンクの切換装置と下部バンクの切換装置によって切り換えられる。
【００４５】
この方法の第１の段階１０２では、ダンピングモードに移行するべきであることを示すモータへの機械的フィードバックが所定の閾値を超過する時期が決定される。
次の段階１０４では、機械的フィードバックをダンピングさせるように上部バンクおよび下部バンクのいずれか一方の全ての切換装置が閉じられる。他方のバンクの切換装置は開かれるように切り換えられる。この筋書きにより、最大量のダンピングを提供するようにモータ巻線内で電流が再循環される。
【００４６】
次の段階１０６では、モータの少なくとも一つの相における電流を測定するために必要な選択された切換装置が周期的に切り換えられる。
次の段階１０８では、切換段階において選択された相の電流が、センサによってサンプリングされる。
【００４７】
切換段階１０６およびサンプリング段階１０８は、モータへの機械的フィードバックが所定の閾値未満となったことをサンプリングされた電流が示すまで繰り返される（段階１１６）。一旦所定の閾値未満になると、段階１１８において、ダンピングモードは終了される。好ましくは、モータの平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるように切換段階１０６において選択された切換装置が繰り返し選択される（段階１１４）。これは、モータの平均ベクトル電圧が実質的にゼロとなるように、モータの一つの相、好ましくは全ての相の正および負のベクトル電圧が後続するサンプリング段階１０８において順次サンプリングされるよう切換段階１０６における選択された切換装置を選択することで行われる。
【００４８】
好ましい実施形態では、サンプリング段階１０８の後、サンプリング段階１０８において電流サンプルを取得した直後に切換段階１０６以前の状態に切換装置をリセットする更なる段階１１０が設けられ、モータは完全なダンピングモードに戻される。必要に応じて、切換装置が電界効果トランジスタまたは外部ダイオードを含む他のトランジスタである場合は、更なる段階１１２が設けられ、電流を電源にダンピングして戻し、モータに最大のダンピング・トルクを与える整流器として切換装置が機能するように、次の切換段階１０６まで全ての切換装置を開ける。より好ましくは、切換段階１０６は、モータが整流モードにある限りＰＷＭ周期内の初期に行われる。これにより、前述した通り、より多くの電流ダンピングが提供される。過電流が制御されている場合は、切換段階１０６はＰＷＭ周期内の後期に行われる。このようにして、電流によって機械システムに与えられるダンピングの量は制御され、機械システムのニーズによって要求される場合に、プロファイルを追跡するために用いることが可能である。
【００４９】
ダンピングモードの間に、フィードバックがもはや問題ではなくなった（段階１１６）としても、ゼロ電圧ベクトルを維持する（段階１１４）ために必要な正および負の電圧ベクトルサンプルが完了するまでは、ダンピングモードは直ちに終了する（段階１１８）訳ではない。つまり、切換段階１０６およびサンプリング段階１０８は、ダンピングモードの終了（段階１１８）の以前に、モータの各相に対する正および負の電圧ベクトルそれぞれに対して繰り返され、平均ゼロ電圧ベクトルが維持される（段階１１４）。
【００５０】
前述したとおり、本願記載のパルス幅変調スキームは、それぞれが複数のパルス幅変調サイクル（例えば、６サイクル）を有する個々の制御ループ周期を含んでもよい。サンプリング・ウィンドウまたは時間周期のモニタリングは、一つの制御ループ周期の間に行われ、（正しい電流測定を確実にするために）自然ＰＷＭに対する変更は次の制御ループ周期に行われる。
【００５１】
ダンピングモードの間に三相装置を流れる電流を測定する改善された手順が説明された。上述の手順では、特定のケースに基づいて既存のＰＷＭ動作が変更される。この手順は、非常に短い周期にわたって対称的にモータの相における電流をモニタリングし、正味ゼロの電圧ベクトルを提供する。更に、開ＦＥＴ切換装置の自然なダイオード動作は、ダンピング作用を提供しながら電流を電源にダンピングして戻すために使用可能である。ＦＥＴ以外の切換装置も使用可能であることは理解されよう。しかしながら、この場合、本発明の動作をＦＥＴと同じにするためにＦＥＴボディ・ダイオードを複製するように外部ダイオードが追加される。
【００５２】
改善された手順の幾つかの利点は、（１）ダンピングが必要でなくなる時期を知ることができる点、（２）ダンピングの間のピーク電流が高すぎるかを決定することができる点、（３）ダンピングを維持しつつ電流ダンピング機構を提供することができる点、および、（４）既存のハードウェアを使用することができる点を含む。
【００５３】
本発明の上述の記載は、例示に過ぎず、本願から発行されるいかなる特許の範囲も制限することを意図しない。例えば、本記載では三相モータが用いられているが、本発明は、パルス幅変調が使用される他の三相または多相装置にも適用可能である。本発明は、添付の特許請求の範囲の広い範囲によってのみ限定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明による、電源とインバータまたは切換回路と三相モータとを有するシステムを示す図。
【図２】複数の切換装置に対してＰＷＭ信号を生成する、図１のシステム用の制御器を示す図。
【図３】図１の切換装置の８つの可能な切換状態を示す表。
【図４】図３の電圧空間ベクトル図。
【図５】本発明によるダンピングモードに対する切換配置の概略図。
【図６】本発明によるダンピングモードの間に電流を測定するための切換配置の例を示す概略図。
【図７】本発明によるダンピングモードの間に電流を測定するための切換動作および切換装置のタイミングを示す図。
【図８】本発明によるダンピングモードにおける電流ダンピングに対する切換配置の概略図。
【図９】本発明によるダンピングモードの間に電流を測定し電流ダンピングを提供するための切換装置の切換およびタイミングを示す図。
【図１０】本発明によるダンピングモードの間の三相モータの電流の測定を示すフローチャート。
【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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【外国語明細書】
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