(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、ロータ位置トランスデューサと、前記ロータ位置トランスデューサから信号を受けるように構成されるとともに、前記信号或いはロータ位置検出アルゴリズムのいずれかからロータ位置情報を得るように動作可能な制御手段と、を備え、
前記制御手段は、機械の速度の上限範囲においては前記信号からロータ位置情報を得るとともに、機械の速度の下限範囲においては前記ロータ位置検出アルゴリズムのみからロータ位置情報を得るように動作可能となっており、
前記機械は、可変リラクタンスマシンであり、
前記ロータ位置トランスデューサは、前記ロータの動きに反応して前記可変リラクタンスマシンの単一の相における前記ロータ位置を示す前記信号を生成する単一のセンサを備えている電気機械システム。
【請求項２】
前記機械が少なくとも２つの相を有し、前記制御手段は、機械の速度の上限範囲においては前記信号からロータ位置情報を得るとともに、機械の速度の下限範囲においては少なくとも１つの相に関して前記信号からロータ位置情報を得ると同時に前記機械の残りの相に関して前記ロータ位置検出アルゴリズムからロータ位置情報を得るように動作可能となっている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記速度の範囲が部分的にオーバラップしている請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記機械の前記単一の相を除き、相電流を感知するために各相に関連して電流センサが設けられている請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記制御手段は、高速範囲において前記位置検出アルゴリズムからの信号からロータ位置情報を得ることができないプロセッサ手段を含んでいる請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
ロータと、ロータ位置トランスデューサと、前記ロータ位置トランスデューサから信号を受けるとともに、前記信号あるいはロータ位置検出アルゴリズムのいずれかからロータ位置情報を得る制御手段とを備え、前記制御手段は、機械の速度の上限範囲においては前記信号からロータ位置情報を得るとともに、機械の速度の下限範囲においては前記ロータ位置検出アルゴリズムのみからロータ位置情報を得るように動作可能となっており、前記機械は、可変リラクタンスマシンであり、前記ロータ位置トランスデューサは、前記ロータの動きに反応して前記可変リラクタンスマシンの単一の相における前記ロータ位置を示す前記信号を生成する単一のセンサを備えている電気機械システムにおいてロータ位置情報を得る方法。
【請求項７】
前記機械が少なくとも２つの相を有し、前記制御手段は、機械の速度の上限範囲においては前記信号からロータ位置情報を得るとともに、機械の速度の下限範囲においては少なくとも１つの相に関して前記信号からロータ位置情報を得ると同時に機械の残りの相に関して前記ロータ位置検出アルゴリズムからロータ位置情報を得るようになっている請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記速度の範囲が部分的にオーバラップしている請求項６または７記載の方法。
【請求項９】
前記機械の前記単一の相を除き、相電流を感知するために各相に関連して電流センサが設けられている請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記高速範囲において前記位置検出アルゴリズムからの信号から前記ロータ位置情報を得ることができないプロセッサ手段を含んでいる請求項６乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械、特に切換式リラクタンス機械におけるロータ位置の検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
切換式リラクタンスドライブの一般的な処理は、様々な教科書、例えば参照することにより本願に組み込まれるTJE Millerによる「Electronic Control of Switched Reluctance Machines」(Newnes，２００１年）において見出すことができる。これらのシステムの制御および動作の更なる内容は、ドイツのニュルンベルクで開催されたＰＣＩＭ’９３会議・展示会において配布され且つ参照することにより本願に組み込まれるJ. M. StephensonおよびR. J. Blakeによる論文「The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives」（２１−２４頁、１９９３年６月）に記載されている。この論文には、低速および高速のそれぞれにおける機械の動作に関して、切換式リラクタンス機械の給電の「チョッピング」モードおよび「単一パルス」モードが記載されている。
【０００３】
一般的な従来技術のドライブが図１に概略的に示されている。このドライブは、例えばバッテリあるいは整流されてフィルタ処理されたＡＣコンセント電源であっても良いＤＣ電源１１を有している。電源１１により供給されるＤＣ電圧は、電子制御ユニット１４の制御下で、電力変換器１３によりモータ１２の相巻線１６間で切り換えられる。多くの既知の変換器の形態のうちの１つが図２に示されている。この図において、機械の相巻線１６は、バスバー２６，２７間で２つの切り換えデバイス２１，２２と直列に接続されている。バスバー２６，２７については変換器の「ＤＣリンク」として集合的に説明されている。スイッチ２１，２２が開かれたときに巻線電流を元のＤＣリンクに流すことができるように、巻線にはエネルギ回収ダイオード２３，２４が接続されている。電源から引き出すことができない或いは電源に戻すことができないＤＣリンク電流（いわゆる「リップル電流」）の任意の交流成分を調達し或いは投入するため、ＤＣリンク間には  「ＤＣリンクコンデンサ」として知られるコンデンサ２５が接続されている。実際の問題として、コンデンサ２５は、直列および／または並列に接続される幾つかのコンデンサを備えていても良い。並列接続が使用される場合、素子の一部が変換器の全体にわたって分布されても良い。電流フィードバック信号を供給するために、下側スイッチ２２と直列にレジスタ２８を接続することができる。多相システムは、一般に、電気機械の相に給電するため、並列に接続された図２の幾つかの「相レッグ（phase leg）」を使用する。
【０００４】
切換式リラクタンス機械の性能は、ロータ位置に対する相給電の正確なテイミングに大きく依存している。ロータ位置の検出は、従来、図１に概略的に示されるトランスデューサ１５、例えば機械ロータ上に装着され且つステータ上に装着された光センサ、磁気センサあるいは他のセンサの組と協働する回転歯付きディスクを使用して行なわれる。図３は、４極ロータを使用する３相システムにおける一般的な構成を示している。ステータに対するロータ位置を示す信号は、図４に示されるように各センサによって生成される。これらの信号は、正確な相給電を行なえるように、図示のように組み合わされて制御回路へ供給されても良い。米国特許第５６５２４９４号（Ｓｕｇｄｅｎ）明細書には、これらの信号を使用してデジタルランプをトリガし、それにより給電および給電停止の正確な瞬間を決定できる方法が開示されている。このシステムは、簡単であり、ロータ速度が十分に高い場合には多くの用途でうまく機能する。しかしながら、各相毎に１つのセンサが必要であることから、ディスクの周囲の正確な場所に各センサを位置決めするための空間を見つけなければならず、そのため、小型システムの機械的レイアウトおよび設計が複雑になる可能性があり、また、余計な費用をかけなければ、センサを小型化することができない。この構成の他の欠点は、角度分解能が限られており、それにより低速でトルクリップルが生成されてしまうという点である。
【０００５】
ロータ位置トランスデューサ（「ｒｐｔ」）を省いて、ソフトウェアコントローラで実行する位置検出アルゴリズムを使用するための様々な方法が提案されてきた。これらの方法のうちの幾つかは、参照することにより本願に組み込まれ且つ欧州パワーエレクトロニクス会議（英国、ブライトン、１９９３年９月１３から１６日）の議事録で発表されたＷ  F RayおよびI H Al-Bahadlyによる「Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors」（第６刊、第７頁−第１３頁）において概説されている。これらの方法の多くは、相磁束鎖交（すなわち、印加電圧を時間に関して積分したもの）および１つ以上の相における電流（例えば、図１の電流トランスデューサ１８から得られる）の測定値を使用する。位置は、角度および電流に応じた機械（マシン）のインダクタンスの変化の知識を使用することにより計算される。この特性は、磁束鎖交／角度／電流テーブルとして記憶することができ、図５に図式的に示されている。このデータの記憶は、大きなメモリアレイの使用を伴いおよび／または記憶点間でデータを補間するために更なるシステムオーバヘッドを使用する必要があるため不都合である。
【０００６】
一部の方法は、「チョッピング」電流制御が、生み出されたトルクを変えるための支配的な制御方法である場合、このデータを低速で利用する。これらの方法は、通常、トルクを生成しない相において診断パルスを使用する。低速動作に適する方法は、参照することにより本願に組み込まれ且つ欧州パワーエレクトロニクス会議（イタリア、フィレンツェ、１９９１年）の議事録で発表された  N. M. MvungiおよびJ. M. Stephensonによる「Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S R Motor」（第１刊、第３９０頁−第３９３頁）において提案された方法である。
【０００７】
他の方法は、高速において「単一パルス」給電モードで動作する。これらの方法は、通常の動作を妨げることなく、アクティブ相の作動電圧および電流を監視する。典型的な高速方法は、参照することにより本願に組み込まれる国際公開第９１／０２４０１号パンフレットに記載されている。
【０００８】
ロータ位置トランスデューサ無しで動作させるためにマシンデータの２次元配列を記憶しなければならないことは、明らかな欠点である。大部分の角度基準情報の必要性を回避し、代わりに１つの角度だけでデータを記憶する他の方法が提案された。そのような方法の１つは、参照することにより本願に組み込まれる欧州特許公開第０５７３１９８号（Ｒａｙ）明細書に記載されている。この方法は、計算された所望の点からの偏差にしたがって診断点を調整することにより所定の角度で相磁束鎖交および電流を感知することを目的としている。磁束鎖交は、相に印加された電圧の測定値を（時間に関して）積分することにより評価される。好ましい実施形態では２つの１次元テーブルが記憶される。この場合、一方のテーブルは、所定の基準ロータ角度における磁束鎖交と電流との間の関係に関するものであり、他方のテーブルは、ロータ角度に関する磁束鎖交の微分と電流との間の関係に関するものである。相の電圧および電流を監視することにより、ルックアップテーブルを用いて予測基準角度からの偏差を評価することができ、また、それに応じてシステム動作を調整することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この方法は、位置検出アルゴリズムにより必要とされるときにはいつでも磁束鎖交を十分な精度をもって決定できる場合には、信頼できることが分かってきた。磁束鎖交積分器のドリフト（システムにおける望ましくないノイズおよび積分器の欠陥に起因する）を回避するため、電流がゼロまで低下し且つ相巻線がもはや磁束を何ら鎖交させていない場合には、各伝導サイクルの最後にそれがゼロに設定される。この方法は、ロータが基準位置にいる時期を最初に予測し、基準位置に達したと思われるときにマシンのパラメータを測定し、これらの測定結果を使用して予測の誤りを検出し、したがって次の基準位置のための新たな予測を採用することにより修正措置を講じるという点で「予測器／修正器」方法である。
【００１０】
現在、そのような方法はごく普通に使用されるが、これらの方法は、一般に、通常はマイクロプロセッサまたはデジタル信号プロセッサにより与えられるコントローラの処理能力をかなり必要とする。そのような能力を与えるコストは、多くの場合、コントローラの部品コストのかなりの部分である。なぜなら、最高動作速度で計算を処理するためのサイクル時間は、機械のインダクタンス周期を行き来するために要する時間よりもかなり短くなければならないからである。したがって、高速で且つ高価なプロセッサが使用されなければ、プロセッサの速度がドライブの最高速度を制限する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、幅広い速度範囲にわたって動作可能な電気ドライブのためのロータ位置検出を行なう費用効率が高い方法が必要である。
【００１２】
本発明は添付の独立請求項に規定されている。幾つかの好ましい特徴が従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明の実施形態は、ロータと、ロータ位置トランスデューサと、前記ロータ位置トランスデューサから信号を受けるようになっているとともに、前記信号或いはロータ位置検出アルゴリズムのいずれかからロータ位置情報を得るように動作可能な制御手段とを備えている電気機械システムを提供する。
【００１４】
本発明は、ハードウェアおよびソフトウェアのそれぞれで表わされる２つのロータ位置検出技術の有利な組み合わせである。ロータ位置検出アルゴリズムだけが専ら使用された場合に必要とされる処理電力と比べて大幅な節約を行なうことができる。
【００１５】
ハードウェアロータ位置トランスデューサの役割およびソフトウェア位置検出アルゴリズムの役割は、機械の上限速度範囲と下限速度範囲との間でそれぞれ分けられることが好ましい。しかしながら、本発明の更なる形態は、低速範囲における役割を多相機械の相間で分ける。この技術により、ロータ位置トランスデューサを１つの相のみに関して専ら使用することができ、それにより、その相において電流トランスデューサを排除できる。
【００１６】
本発明の実施形態は、制御手段においてグレードが比較的低いプロセッサを使用する。その理由は、プロセッサに関する需要を低速に制限できるからである。これは、プロセッサの能力が信頼できない場合にｒｐｔが排他的なロータ位置検出の役割を引き継ぐようになっているため、高いロータ速度で以前に必要とされた程度の処理速度をもはや与える必要がないことから可能となる。
【００１７】
本発明は多くの方法で実現することができ、ここでは、そのうちの一部について添付図面を参照しながら一例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
切換式リラクタンス機械の相インダクタンスサイクルは、ステータ極および関連するそれぞれのロータ極が完全に位置合わせされるときのその相または各相における例えば最大値間のインダクタンス変動の周期である。説明される図示の実施形態は、モータリングモードで３相切換式リラクタンスドライブを使用するが、モータリングモードまたは発電モードのいずれかにおけるドライブに関して、３相よりも多い任意の相数を使用することができる。
【００１９】
図６は、本発明の一態様を具現化する切換式リラクタンスドライブを示している。このドライブは、図１に示されるドライブを発展させたものであり、同様の部品が同様の数字で示されている。コントローラ１４’は、モータ１２の速度範囲の一部にわたって動作できる位置検出アルゴリズムに専用の部分６２を有している。部分６２内に組み込まれたプロセッサは、低コストバージョンであり、モータ１２の速度範囲の上端でロータ位置を決定するために十分に高速で動作できない。位置検出アルゴリズムに加え、ドライブは、図７に更に詳しく略示されるハードウェアロータ位置トランスデューサ６０を有している。トランスデューサは、羽根７２の周囲にわたって特徴的構成の４つの組（マシンの４つのロータ極に対応している）を有しているという点で図３に示されるトランスデューサと基本的に類似しているが、特徴の動きに反応する光センサまたは磁気センサ７０（スイッチの形態を成す）を１つだけ有している。従来技術の構成と比べてセンサの数が減少しているため、部品コストおよびトランスデューサを収容するために必要なスペースの両方が節約される。センサは、ロータ角度の基部にプロットされる図８に示されるような出力を有している。
【００２０】
図７のトランスデューサからの信号は、マシンにおける３つの相のうちの１つを制御するための十分な情報を含んでいるが、他の２つの相に関連する情報を全く有していない。機械が未知の位置から始動している場合、正しい相に給電してフルトルクを生み出すことができるようにするには情報が不十分である。同じ問題は、ロータ速度が比較的低く或いは急速に変化している場合に存在する  −  高加速または高減速下では、トランスデューサ出力の半サイクル内で非常に著しい速度変化が起こる可能性があり、それにより、間違った切り換え角度が相に対して適用されてしまう。
【００２１】
しかしながら、比較的高い速度では、ロータおよび任意の密結合負荷の蓄積エネルギが速度の突然の変化を防止し、その結果、トランスデューサ波形の周期内で補間して、他の相に関する波形における予想開始点を見つけることができる。そのため、速度が十分に高い場合には、図３に示されるトランスデユーサ出力に対応する全ての組のトランスデューサ出力を合成することができる。前述したように、米国特許第５６５２４９４号（Ｓｕｇｄｅｎ）明細書に開示されるようなシステムは、相のための正しい切り換え角度を決定するために使用できる。
【００２２】
図６のドライブの動作方法では、ゼロ速度および比較的低い速度（一実施形態においては、ドライブの速度範囲の最大で半分までの速度）において、ロータ位置が位置検出アルゴリズムによって決定される。このアルゴリズムは、随意的に、トルクリップルを最小にするためのトルク平滑化アルゴリズムを組み入れることができる。コントローラのプロセッサがインダクタンス周期内で必要な動作の全てを殆ど実行できない場合の機械の速度に関連する所定の閾値へと速度が上昇すると、コントローラは、ハードウェアロータ位置検出方法の結果とソフトウェアロータ位置検出方法の結果との間で比較を行なうことにより、ハードウェアトランスデューサが信頼できるロータ位置情報を供給していることをチェックする。比較により、許容できる限度内で一致する結果が生じる場合、コントローラは、使用しているハードウェア位置検出だけへと切り換える。速度が最高速度へと上昇するにつれて、ソフトウェア検出器からの位置情報は益々信頼できなくなるが、ロータ位置検出のための役割がｒｐｔに預けられる場合、それは重大なことではない。その後に速度が下降して閾値を過ぎると、コントローラは、ソフトウェア検出器からの使用している位置情報へと戻る。
【００２３】
更なる実施形態においては、２つのロータ位置検出技術における速度範囲が重なり合うように、閾値に関してヒステリシスが導入される。これより、２つのモード間でのコントローラのチャタリングが回避される。図９は、ロータ位置検出技術を実施するために使用される制御動作の適した状態チャート図を示している。このように、コントローラは、２つのタイプの検出器を一緒に融合させ、許容できる正確な情報を検出器が生成する速度範囲においてそれぞれの検出器を使用する。
【００２４】
可変速度ドライブシステムにおいてハードウェア位置検出およびソフトウェア位置検出の両方を行なうことは直観で分かるものではない。しかしながら、低速範囲用の低コストプロセッサを用いたソフトウェア検出、および、更に高い速度範囲のための単一のセンサを用いたハードウェア検出を使用することにより、本発明の実施形態は、従来技術のシステムよりも低いコストで、優れた性能をもってドライブを行なう。
【００２５】
１つの相におけるハードウェアｒｐｔの存在により、その相のためのｒｐｔから位置検出が可能となり、したがって、その相のための電流センサを排除できるという事実をうまく利用することにより、更にコストを節約できる。これは、低速範囲でマシンサイクルにおいてハードウェアまたはソフトウェアのいずれかがロータ位置検出を担う本発明のハイブリッド形態である。例えば、３相システムは、１つの相（例えば相Ａ）に関連付けられたハードウェアｒｐｔと、他の２つの相（例えば相Ｂおよび相Ｃ）に関連し且つこれらの２つの相のためのソフトウェア位置検出アルゴリズムに対して情報を供給する電流センサとを有している。機械の始動および低速駆動は、異なる相に関するハードウェアシステムおよびソフトウェアシステムの両方からの情報を使用する。コントローラのプロセッサがうまく処理できない高速において、ｒｐｔの出力は、前述したように他の相に関して多重化される。当業者であれば分かるように、相数の高いシステムでは、ハードウェア検出器およびソフトウェア検出器の異なる組み合わせが可能である。
【００２６】
以上の説明は、切換式リラクタンス機械に基づくドライブを基本としてきたが、本発明がこのタイプの機械に限定されず、ハードウェア位置検出またはソフトウェア位置検出を伴って作動できる任意の電気ドライブ、例えば誘導機械、同期機械または永久磁石機械に基づくドライブに対して同等の利益をもって本発明を適用できることは言うまでもない。
【００２７】
また、当業者であれば分かるように、本発明から逸脱することなく、特にコントローラにおけるアルゴリズムの実施の内容において、開示された構成の変形も可能である。したがって、幾つかの実施形態に関する前述した説明は、単なる一例であり、限定を目的としたものではない。当業者であれば明らかなように、前述した動作に対して著しい変更を行なうことなく、ドライブに対して軽微な変更を行なうことができる。例えば、方法は、リニア機械および回転機械に対して適用されても良い。本発明は、以下の請求項の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】典型的な従来技術の切換式リラクタンスドライブを示している。
【図２】図１の変換器の１つの相の既知の形態を示している。
【図３】３相４極システムにおける従来の位置トランスデューサを示している。
【図４】図３のトランスデューサからの出力を示している。
【図５】ロータ位置をパラメータとした典型的な磁束鎖交および相電流曲線を示している。
【図６】本発明の一態様を組み込んだドライブシステムを示している。
【図７】本発明と共に使用するのに適した位置トランスデューサを示している。
【図８】図７のトランスデューサからの出力を示している。
【図９】本発明の一態様の状態チャート図を示している。
【符号の説明】
【００２９】
１１  電源
１２  モータ
１３  電力変換器
１４  コントローラ
１４’  コントローラ
１６  相巻線
１９  負荷
６０  ハードウェアロータ位置検出トランスデューサ
７０  センサ
７２  羽根
【図１】
0005160060.tif 000002
【図２】
0005160060.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005160060.tif 000006
【図６】
0005160060.tif 000007
【図７】
0005160060.tif 000008
【図８】
0005160060.tif 000009
【図９】
0005160060.tif 000010