(57)【要約】  センサレス高信頼性制御システムを利用する多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）の高信頼性制御のためのシステムおよび方法を提供する。当該方法は、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁するステップと、第１の電流値、および第１の電流値が第１の電流ピーク値もしくはプリセットされた電流しきい値に達するのに要する時間を測定するステップと、自己インダクタンス値を特定するステップと、ステータ位相の各々についての自己インダクタンス値および第１の電流値を記憶するステップと、第２の電流値、および隣接する励磁されていないステータ位相が第２の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定するステップと、相互インダクタンス値を特定するステップと、ステータ位相の各々についての相互インダクタンス値および第２の電流値を記憶するステップと、自己インダクタンス値および相互インダクタンス値を利用してロータ位置を推定するステップと、推定されたロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御するステップとを含む。【選択図】図１
2018505646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、各々が巻線を有する複数のステータ位相をもつステータとを有する多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）のためのセンサレス高信頼性制御システムであって、
前記複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励起するステータ位相励磁モジュールであって、前記複数のステータ位相の残りの巻線の各々が、オープン回路状態である、ステータ位相励磁モジュールと、
前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる第１の電流値、および前記第１の電流値が第１の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する第１の電流・時間測定モジュールと、
前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する自己インダクタンス特定モジュールと、
前記複数のステータ位相の各々についての前記自己インダクタンス値および前記第１の電流値を記憶する第１の記憶モジュールと、
隣接する励磁されていないステータ位相を流れる第２の電流値、および前記隣接する励磁されていないステータ位相が第２の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する第２の電流・時間測定モジュールであって、前記隣接する励磁されていないステータ位相の前記巻線が、オープン回路状態である、第２の電流・時間測定モジュールと、
前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相と前記隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する相互インダクタンス特定モジュールと、
前記複数のステータ位相の各々についての前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値を記憶する第２の記憶モジュールと、
記憶された前記自己インダクタンス値と前記相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するロータ位置推定モジュールと、
推定された前記ロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御する制御モジュールと
を備える、センサレス高信頼性制御システム。
【請求項２】
前記自己インダクタンス値および前記第１の電流値が、前記第１の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項３】
前記自己インダクタンス値および前記第１の電流値が、解析表現の形態で前記第１の記憶モジュールに記憶される、請求項１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項４】
前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値が、前記第２の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項５】
前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値が、前記第２の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項６】
センサレス高信頼性制御システムを利用する多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）の高信頼性制御のための方法であって、前記ＨＲＳＲＭが、ロータと、各々が巻線を有する複数のステータ位相を備えるステータを含み、前記方法が、
（ａ）ステータ位相励磁モジュールにおいて、前記複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁するステップであって、前記複数のステータ位相の残りの巻線の各々が、オープン回路状態である、励磁するステップと、
（ｂ）第１の電流・時間測定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる第１の電流値、および前記第１の電流値が第１の電流ピーク値もしくはプリセットされた大きさに達するのに要する時間を測定するステップと、
（ｃ）自己インダクタンス特定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定するステップと、
（ｄ）第１の記憶モジュールに、前記複数のステータ位相の各々についての前記自己インダクタンス値および前記第１の電流値を記憶するステップと、
（ｅ）第２の電流・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相を流れる第２の電流値、および前記隣接する励磁されていないステータ位相が第２の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定するステップであって、前記隣接する励磁されていないステータ位相の前記巻線が、オープン回路状態である、測定するステップと、
（ｆ）相互インダクタンス特定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相と前記隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定するステップと、
（ｇ）第２の記憶モジュールに、前記複数のステータ位相の各々についての前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値を記憶するステップと、
（ｈ）ロータ位置推定モジュールにおいて、記憶された前記自己インダクタンス値と前記相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するステップと、
（ｉ）制御モジュールにおいて、前記推定されたロータ位置に基づいて、前記ＨＲＳＲＭを制御するステップと
を含む、方法。
【請求項７】
ステップ（ｄ）において、前記自己インダクタンス値および前記第１の電流値が、前記第１の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項６の方法。
【請求項８】
ステップ（ｄ）において、前記自己インダクタンス値および前記第１の電流値が、前記第１の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項６の方法。
【請求項９】
ステップ（ｇ）において、前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値が、前記第２の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項６の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｇ）において、前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値が、前記第２の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項６の方法。
【請求項１１】
ロータと、各々が巻線を有する複数のステータ位相を備えるステータとを有する多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）のためのセンサレス高信頼性制御システムであって、
前記複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励起するステータ位相励磁モジュールであって、前記複数のステータ位相の残りの巻線の各々が、オープン回路状態である、ステータ位相励磁モジュールと、
前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる電流値、および前記電流値が電流ピーク値もしくはプリセットされた大きさに達するのに要する時間を測定する、電流・時間測定モジュールと、
前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する自己インダクタンス特定モジュールと、
前記複数のステータ位相の各々についての前記自己インダクタンス値および前記電流値を記憶する第１の記憶モジュールと、
隣接する励磁されていないステータ位相の電圧値、および前記隣接する励磁されていないステータ位相が前記電圧値に達するのに要する時間を測定する電圧・時間測定モジュールであって、前記隣接する励磁されていないステータ位相の前記巻線が、ショート回路状態である、電圧・時間測定モジュールと、
前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相と前記隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する相互インダクタンス特定モジュールと、
前記複数のステータ位相の各々についての前記相互インダクタンス値および前記電圧値を記憶する第２の記憶モジュールと、
記憶された前記自己インダクタンス値と前記相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するロータ位置推定モジュールと、
推定された前記ロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御する制御モジュールと
を備える、センサレス高信頼性制御システム。
【請求項１２】
前記自己インダクタンス値および前記電流値が、前記第１の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項１１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項１３】
前記自己インダクタンス値および前記電流値が、前記第１の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項１１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項１４】
前記相互インダクタンス値および前記電圧値が、前記第２の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項１１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項１５】
前記相互インダクタンス値および前記電圧値が、前記第２の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項１１のセンサレス高信頼性制御システム。
【請求項１６】
センサレス高信頼性制御システムを利用する多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）の高信頼性制御のための方法であって、前記ＨＲＳＲＭが、ロータと、各々が巻線を有する複数のステータ位相を備えるステータとを含み、前記方法が、
（ａ）ステータ位相励磁モジュールにおいて、前記複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁するステップであって、前記複数のステータ位相の残りの巻線の各々が、オープン回路状態である、励磁するステップと、
（ｂ）電流・時間測定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる電流値、および前記電流値が電流ピーク値もしくはプリセットされた大きさに達するのに要する時間を測定するステップと、
（ｃ）自己インダクタンス特定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定するステップと、
（ｄ）第１の記憶モジュールに、前記複数のステータ位相の各々についての前記自己インダクタンス値および前記電流値を記憶するステップと、
（ｅ）電圧・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相の電圧値、および前記隣接する励磁されていないステータ位相が前記電圧値に達するのに要する時間を測定するステップであって、前記隣接する励磁されていないステータ位相の前記巻線が、ショート回路状態である、測定するステップと、
（ｆ）相互インダクタンス特定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相と前記隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定するステップと、
（ｇ）第２の記憶モジュールに、前記複数のステータ位相の各々についての前記相互インダクタンス値および前記電圧値を記憶するステップと、
（ｈ）ロータ位置推定モジュールにおいて、記憶された前記自己インダクタンス値と前記相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するステップと、
（ｉ）制御モジュールにおいて、前記推定されたロータ位置に基づいて、前記ＨＲＳＲＭを制御するステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
ステップ（ｄ）において、前記自己インダクタンス値および前記電流値が、前記第１の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項１６の方法。
【請求項１８】
ステップ（ｄ）において、前記自己インダクタンス値および前記電流値が、前記第１の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項１６の方法。
【請求項１９】
ステップ（ｇ）において、前記相互インダクタンス値および前記電圧値が、前記第２の記憶モジュールのルックアップテーブルに記憶される、請求項１６の方法。
【請求項２０】
ステップ（ｇ）において、前記相互インダクタンス値および前記電圧値が、前記第２の記憶モジュールに解析表現の形態で記憶される、請求項１６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１５年２月４日付けで出願された、出願番号６２／１１１，７８１号の米国仮特許出願に基づく優先権を主張する。当該仮特許出願の開示は、あたかも完全に記述されたかのように、本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、全般的には、多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）の高信頼性制御に関し、より詳細には、自己インダクタンス値と相互インダクタンス値との組合せを利用してロータ位置推定の精度を向上させて、ＨＲＳＲＭにおける位置センサの使用をなくすためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
スイッチトリラクタンスマシン（ＳＲＭ）のための最適な制御ストラテジを提供するために、多種多様な方法が開発されてきた。従来の誘導型および同期型のモータ駆動システムと比較して、ＳＲＭ駆動装置は、構造が比較的単純であり、速度範囲が広く、製造が経済的である。さらに、ロータに巻線および永久磁石がないことを理由に、ロバストかつ苛酷な環境の適用例にとって魅力的である。加えて、ＳＲＭ駆動装置に電力を供給するコンバータが必要とする電力デバイスが少数であることが多く、したがって、より経済的であり、信頼性が高い。これらの利点に基づいて、ＳＲＭ駆動システムは、いくつかの可変速度駆動装置および産業上の適用例において、従来の駆動システムに対する高度な代替物を提供する。ＳＲＭ駆動装置は従来、ステータおよびロータの両方に複数のポールを有する。ステータは位相巻線を含んでいるが、ロータは巻線や磁石を含まない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＲＭシステムでは、ステータは、所定のシーケンスで各位相巻線を通る電流がオンになったとき、ロータにトルクを発生させる。ロータ角度に対して印加パルスを適切に配置することによって、順方向または逆方向の動作が得られ得る。通常、シャフト位置センサ、たとえば、エンコーダまたはリゾルバから、コントローラにロータ位置信号をフィードバックすることによって、所望の位相電流の整流が達成される。小型の駆動装置における経済性、および大型の駆動装置における信頼性を理由に、ならびに、全てのそのような駆動装置におけるサイズ、重量および慣性を低減するために、このシャフト位置センサをなくすことが望ましい。この弱点を克服するために、多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）についての新しいセンサレス技術が導入された。
【０００５】
従来のＳＲＭと比較すると、ＨＲＳＲＭは、より高い静トルク能力を示し、これは、トルクリップルおよび音響雑音の問題に効果的に対処する。電力コンバータの設計パラメータは、ＨＲＳＲＭとＨＲＭとで異なる。これは、ＨＲＳＲＭは、異なるインダクタンスプロファイル、およびより高いストローク数を有することが理由である。従来のＨＲＳＲＭ動作についての最も信頼性が高い技術は、位相コイルの自己インダクタンスを利用して位置を推定する。ＨＲＳＲＭは、従来のＳＲＭと同じ外周についてより多数のロータポールを有する。より多数のロータポールは、励起毎の移動角距離を低減する。ＨＲＳＲＭは、同じジュール損失での定常運転において、６／４のＳＲＭと比較して、静トルク能力が約８３％増大することを示した。しかしながら、ロータポールが多くなると隙間が小さくなり、２つのロータポールの間の円弧長（または角測長さ）が小さくなる。したがって、当該マシンの非整列インダクタンスはより低く、結果として得られるＨＲＳＲＭの自己インダクタンスプロファイルはより平坦になりやすく、位置推定の信頼性が下がる。したがって、位相コイルの自己インダクタンスの使用は、ＨＲＳＲＭにおける正確なロータ位置を推定するのに、単独では不十分なことが多い。
【０００６】
上記の弱点を解決するために、いくつかの方法が開発された。既存の高信頼性制御方法のうちの１つは、相互インダクタンスを測定する技術を含む。この技術の第１の例示的実施形態では、マシンが定常状態にあるときに、１次コイルに電圧パルスが印加される。１次コイル中の電流を測定し、隣接するオープン回路のコイル中の誘導電圧を測定することによって、相互インダクタンスが特定され得る。別の例示的実施形態では、マシンが定常状態にあるときに、１次コイルに電圧パルスが印加される。２次コイルは、その位相を通してフリーホイール電流を流すことができる。１次の位相がピーク値またはプリセットされたしきい値に達するのに要する時間を測定することによって、ロータの既知の位置についての相互インダクタンスが特定され得る。しかしながら、この方法はロータ位置推定に相互インダクタンスのみを利用するので、この技術は通常、ロータ位置の正確な推定を提供しない。
【０００７】
いくつかの他の高信頼性制御方法は、動的磁気機械特性を表す少なくとも１つのアクティブ位相のモデルを実装するコントローラを含む。コントローラは、測定された機械動作パラメータを用いて、モデルを数値的に解くことによって取得される回転位置に基づいて、機械制御信号を特定する。モデルは、アクティブ位相の電圧および電流を位相インダクタンスから導き出された定数と関連させてロータ角度を取得する直交関数の和として実装され得る。さらに別の高信頼性制御方法は、パルス注入プロセスを用いて、選択された診断位相を調査するステップと；ＳＲＭの実際の動作特性を測定するステップと；実際の動作特性に基づいてインダクタンスを計算し、当該インダクタンスを位置と相関させることで、推定位置を定式化するステップと；ＳＲＭをモデル化することで、オブザーバベースの推定位置を定式化するステップと；推定位置、オブザーバベースの推定位置およびそれらの組合せのうちの１つを選択することで、ＳＲＭの選択された位置を定式化するステップと；前記選択された位置およびコマンドに基づいて、前記ＳＲＭを制御するステップを含む。しかしながら、これらの方法のほとんどでは、機械性能を評価するものの、位相間の相互インダクタンスは無視されるので、結果として信頼性の低い位置推定となる。さらに、これらの方法は、ＨＲＳＲＭ構成における正確なロータ位置を提供しない。
【０００８】
したがって、ロータ位置推定の精度を向上させるために、自己インダクタンスと相互インダクタンスとの組合せを使用するＨＲＳＲＭの高信頼性制御の方法が必要とされている。この方法は、電圧、電流および時間などの端子測定のみを使用し、追加のハードウェアまたはメモリは必要ではない。さらに、この方法は、モータの速度または回転方向にかかわらず、かつ、ロータ位置センサの力を借りることなく、ＨＲＳＲＭおよびＳＲＭにおける瞬間的なロータ位置を正確に推定することができるようになる。最後に、この方法は、信頼性が高く、ロバストであり、好適には費用対効果が高いものとなる。本発明の実施形態は、これらの目的を達成する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
先行技術において見られる制限を最小限に抑え、本明細書を読んだ時に明らかになるであろう他の制限を最小限に抑えるために、本出願人は、多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）のためのセンサレス高信頼性制御システムを提供する。本発明の高信頼性制御システムは、電流および電圧のような電気的パラメータを利用して、高精度でロータ位置を特定し、それにより、シャフト位置センサを使用する必要がなくなる。ＨＲＳＲＭは、ロータと、各々が巻線を有する複数のステータ位相を備えるステータとを含む。高信頼性制御システムは、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励起するステータ位相励磁モジュールを含む。ここで、複数のステータ位相の残りの巻線の各々は、オープン回路状態である。第１の電流・時間測定モジュールは、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる第１の電流値、第１の電流値が第１の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。上記システムは、第１の電流値および時間を利用して少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する自己インダクタンス特定モジュールをさらに備える。第１の記憶モジュールは、複数のステータ位相の各々についての特定された自己インダクタンス値および第１の電流値をルックアップテーブルに記憶する、あるいは代替的には、自己インダクタンス値および電流値は、各電流値における各位相のインダクタンスについて記述する多項式またはフーリエ表現などの解析表現の形態で記憶される。第２の電流・時間測定モジュールは、隣接する励磁されていないステータ位相を流れる第２の電流値、および隣接する励磁されていないステータ位相が第２の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。ここで、隣接するステータ位相の巻線は、オープン回路状態である。相互インダクタンス特定モジュールは、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と前記隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する。第２の記憶モジュールは、複数のステータ位相の各々についての相互インダクタンス値および第２の電流値をルックアップテーブルに記憶する、あるいは代替的には、各電流値における各位相のインダクタンスについて記述する多項式またはフーリエ表現のような解析表現の形態で記憶される。ロータ位置推定モジュールは、自己インダクタンス特定モジュールおよび相互インダクタンス特定モジュールにおいてそれぞれ特定された自己インダクタンス値と相互インダクタンス値との組合せを利用してロータ位置を推定する。制御モジュールは、推定されたロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御する。
【００１０】
好ましい方法は、センサレス高信頼性制御システムを利用する多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）の高信頼性制御のための方法を提供する。当該方法は、ステータ位相励磁モジュールにおいて、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁するステップであって、複数のステータ位相の残りの巻線の各々が、オープン回路状態である、励磁するステップと、第１の電流・時間測定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる第１の電流値、および第１の電流値が第１の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定するステップと、自己インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定するステップと、第１の記憶モジュールに、複数のステータ位相の各々についての自己インダクタンス値および第１の電流値を記憶するステップと、第２の電流・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相を流れる第２の電流値、および隣接する励磁されていないステータ位相が第２の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定するステップであって、隣接する励磁されていないステータ位相の巻線が、オープン回路状態である、測定するステップと、相互インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定するステップと、第２の記憶モジュールに、複数のステータ位相の各々についての前記相互インダクタンス値および前記第２の電流値を記憶するステップと、ロータ位置推定モジュールにおいて、記憶された自己インダクタンス値と相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するステップと、制御モジュールにおいて、推定されたロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御するステップとを含む。
【００１１】
好ましい実施形態の別の構成では、電圧値および時間値を利用して、相互インダクタンスを特定する。この構成では、高信頼性制御システムは、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励起するステータ位相励磁モジュールを含む。ここで、複数のステータ位相の残りの巻線の各々は、オープン回路状態である。電流・時間測定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる電流値、および当該電流値が電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。自己インダクタンス特定モジュールにおいて、前記少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する。第１の記憶モジュールに、複数のステータ位相の各々についての自己インダクタンス値および電流値を記憶する。電圧・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相の電圧値の大きさ、および隣接する励磁されていないステータ位相が前記電圧値に達するのに要する時間を測定する。ここで、隣接する励磁されていないステータ位相の巻線はショート回路状態である。相互インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する。第２の記憶モジュールに、相互インダクタンス値、および複数のステータ位相の各々についての電圧値を記憶する。ロータ位置推定モジュールにおいて、推定された自己インダクタンス値と相互インダクタンス値とのハイブリッドな組合せを利用して、ロータ位置を推定する。制御モジュールは、推定されたロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御する。
【００１２】
１つの実施形態では、高信頼性制御システムの上記の構成のための方法は、ステータ位相励磁モジュールにおいて、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁するステップであって、複数のステータ位相の残りの巻線の各々が、オープン回路状態である、励磁するステップと、電流・時間測定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる電流値、および当該電流値が電流ピーク値に達するのに要する時間を測定するステップと、自己インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定するステップと、第１の記憶モジュールに、複数のステータ位相の各々についての前記自己インダクタンス値および電流値を記憶するステップと、電圧・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相の電圧値、および隣接する励磁されていないステータ位相が当該電圧値に達するのに要する時間を測定するステップであって、隣接する励磁されていないステータ位相の前記巻線が、ショート回路状態である、測定するステップと、相互インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定するステップと、第２の記憶モジュールに、複数のステータ位相の各々についての前記相互インダクタンスおよび前記電圧値を記憶するステップと、ロータ位置推定モジュールにおいて、記憶された自己インダクタンスと相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するステップと、制御モジュールにおいて、推定されたロータ位置に基づいて、ＨＲＳＲＭを制御するステップとを含む。
【００１３】
本発明の第１の目的は、自己インダクタンス値と相互インダクタンス値との組合せを使用することによってロータ位置推定の精度を向上させる、ＨＲＳＲＭの高信頼性制御のためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１４】
本発明の第２の目的は、ロータ位置センサの使用、およびそれに付随する追加の重量および必要スペースをなくす、ＨＲＳＲＭの高信頼性制御のためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１５】
本発明の第３の目的は、任意の追加のハードウェアを必要とせずに、電圧、電流および時間のような端末測定値のみを利用する、ＨＲＳＲＭの高信頼性制御のための方法およびシステムを提供することである。 
【００１６】
本発明の別の目的は、費用対効果が高く、信頼性がありロバストな、ＨＲＳＲＭの高信頼性制御のための方法およびシステムを提供することである。
【００１７】
当業者が本発明を理解できるように、本発明のこれらおよび他の利点および特徴について詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
それぞれの図面の要素は、それぞれの図面の明瞭性を向上させ、本発明の種々の要素および実施形態の理解を向上させるために、必ずしも一定の縮尺で描かれているとは限らない。さらに、本技術分野において一般的であり、周知であることが知られている要素は、本発明の種々の実施形態の明瞭な図面を提供するために示されておらず、したがって、それぞれの図面は、明瞭性および簡潔性のために形態が一般化されている。
【００１９】
【図１】本発明の１つの実施形態による、多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）のためのセンサレス高信頼性制御システムのブロック図である。
【００２０】
【図２】図１に示したＨＲＳＲＭのためのセンサレス高信頼性制御システムを利用するＨＲＳＲＭの高信頼性制御のための方法のフローチャートである。
【００２１】
【図３】本発明の１つの実施形態による、ＨＲＳＲＭのためのセンサレス高信頼性制御システムの別の構成のブロック図である。
【００２２】
【図４】図３に示したセンサレス高信頼性制御システムのための方法のフローチャートである。
【００２３】
【図５】図１に示したセンサレス高信頼性制御システムを実装するためのコンバータセットアップを示す図である。
【００２４】
【図６】図３に示したセンサレス高信頼性制御システムを実装するためのコンバータセットアップを示す図である。
【００２５】
【図７】本発明の１つの実施形態による、ロータ位置を推定するために電流測定を利用するＨＲＳＲＭのセンサレス制御のためのシステムレイアウトである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の複数の実施形態および適用例を対象とする以下の説明において、本明細書の一部を形成し、本発明が実施され得る特定の実施形態が例示として示された添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用してもよく、変更を行ってもよいことを理解されたい。
【００２７】
互いとは無関係に、または、他の特徴と組合せて、それぞれ使用することができる種々の本発明の特徴について以下に説明する。ただし、本発明の任意の単一の特徴は、上記で論じた課題のうちのいずれかに対処しておらず、上記で論じた課題のうちの１つにのみ対処してもよく、あるいは、上記で論じた複数の課題に対処してもよい。さらに、上記で論じた課題のうちの１つまたは複数は、以下で説明する特徴のうちのいずれかでは、完全には対処されなくてもよい。
【００２８】
本実施形態は、図１に示すように、自己インダクタンス値と相互インダクタンス値とのハイブリッドな組合せを利用する、多ロータポール型スイッチトリラクタンスマシン（ＨＲＳＲＭ）１２のための、センサレス高信頼性制御システム１０を提供する。ＨＲＳＲＭ１２は、ロータ１４と、複数のステータ位相を備えるステータ１６を含み、複数のステータ位相は各々、巻線を有する。高信頼性制御システム１０は、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励起するステータ位相励磁モジュール１８を備える。ここで、複数のステータ位相の残りの巻線の各々は、オープン回路状態である。第１の電流・時間測定モジュール２０は、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる第１の電流値と、第１の電流値が第１の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。システム１０は、第１の電流値および時間を利用して少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する自己インダクタンス特定モジュール２２をさらに備える。第１の記憶モジュール２４は、複数のステータ位相の各々についての特定した自己インダクタンス値および第１の電流値をルックアップテーブルに記憶する、あるいは代替的には、各電流値における各位相のインダクタンスについて記述する多項式またはフーリエ表現などの解析表現の形態で記憶する。第２の電流・時間測定モジュール２６は、隣接する励磁されていないステータ位相を流れる第２の電流値と、隣接する励磁されていないステータ位相が第２の電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。ここで、隣接するステータ位相の巻線は、オープン回路状態である。当該システムは、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と、隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する、相互インダクタンス特定モジュール２８をさらに備える。第２の記憶モジュール３０は、複数のステータ位相の各々についての相互インダクタンス値および第２の電流値をルックアップテーブルに記憶する、あるいは、解析表現（各電流値における各位相のインダクタンスについて記述する多項式またはフーリエ表現）の形態で記憶する。高信頼性制御システム１０のロータ位置推定モジュール３２は、自己インダクタンス特定モジュールおよび相互インダクタンス特定モジュールにおいてそれぞれ特定された、自己インダクタンス値と相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定するように設計される。高信頼性制御システム１０は、推定されたロータ位置を利用してＨＲＳＲＭを制御する制御モジュール３４をさらに備える。
【００２９】
図２は、センサレス高信頼性制御システム１０を利用するＨＲＳＲＭ１２の高信頼性制御の方法のフローチャートを示している。当該方法は、高精度でＨＲＳＲＭを制御するように設計される。好適な方法は、ブロック４２に示すように、ロータおよびステータを備えるＨＲＳＲＭを準備することから開始する。ブロック４４に示すように、ステータ位相励磁モジュールにおいて、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁する。ここで、複数のステータ位相の残りの巻線の各々は、オープン回路状態である。次に、ブロック４６に示すように、第１の電流・時間測定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる第１の電流値、および第１の電流値が第１の電流ピーク値に達するのに要する時間を特定する。次いで、ブロック４８に示すように、自己インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する。その後、ブロック５０に示すように、第１の記憶モジュールは、複数のステータ位相の各々についての自己インダクタンス値および第１の電流値をルックアップテーブルに記憶する、または解析表現の形態で記憶する。ブロック５２に示すように、第２の電流・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相を流れる第２の電流値、および隣接する励磁されていないステータ位相が要する時間を測定する。ここで、隣接する励磁されていないステータ位相の巻線は、オープン回路状態である。次に、ブロック５４に示すように、相互インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する。その後、ブロック５６に示すように、第２の記憶モジュールは、相互インダクタンス値および第２の電流値をルックアップテーブルに記憶する、または解析表現の形態で記憶する。その後、ブロック５８に示すように、ロータ位置推定モジュールにおいて、自己インダクタンス値と相互インダクタンス値とのハイブリッドな組合せを利用して、ロータ位置を推定する。最後に、ブロック６０に示すように、制御モジュールにおいて、推定したロータ位置を利用して、ＨＲＳＲＭを制御する。
【００３０】
この実施形態における位相巻線のうちの１つまたは複数は、任意の所与の時間にオフになるので、低レベル信号を用いてその巻線を調査し、その入力インピーダンスを特定することが可能である。この情報と、インダクタンスとロータ位置との間の機能的関係に関する知識を利用することで、電圧および電流などの電気的測定値からロータ１４の高度に正確な角度位置を特定し、それにより、シャフト位置センサの必要性をなくすことを可能にする。
【００３１】
好適な実施形態の別の構成を図３に示す。この構成では、電圧値および時間値を利用して、相互インダクタンスが特定される。高信頼性制御システム１０は、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励起するステータ位相励磁モジュール１８を含む。ここで、複数のステータ位相の残りの巻線の各々は、オープン回路状態である。電流・時間測定モジュール３６は、少なくとも１つの励磁されたステータ位相を流れる電流値、および当該電流値が電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。自己インダクタンス特定モジュール２２は、少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する。第１の記憶モジュール２４は、複数のステータ位相の各々についての自己インダクタンス値および電流値をルックアップテーブルに記憶する、または解析表現の形態で記憶する。電圧・時間測定モジュール３８は、隣接する励磁されていないステータ位相の電圧値、および隣接する励磁されていないステータ位相が当該電圧値に達するのに要する時間を測定する。ここで、隣接する励磁されていないステータ位相の巻線は、ショート回路状態である。相互インダクタンス特定モジュール２８は、特定された電圧値および時間値を利用して、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を評価する。第２の記憶モジュール３０は、複数のステータ位相の各々についての相互インダクタンス値および電圧値を記憶する。ロータ位置推定モジュール３２は、記憶した自己インダクタンス値と相互インダクタンス値との組合せを利用して、ロータ位置を推定する。推定したロータ位置に基づいて、制御モジュール３４は、ＨＲＳＲＭを制御する。
【００３２】
図４は、図３に示したセンサレス高信頼性制御システムを利用するＨＲＳＲＭの高信頼性制御の方法のフローチャートを示す。当該方法は、ブロック６２に示すように、ロータと、複数のステータ位相を備えるステータとを含むＨＲＳＲＭを準備することから開始する。次に、ブロック６４に示すように、ステータ位相励磁モジュールは、複数のステータ位相のうちの少なくとも１つを励磁する。ここで、複数のステータ位相の残りの巻線の各々は、オープン回路状態である。その後、ブロック６６に示すように、電流・時間測定モジュールにおいて、電流、および電流値が電流ピーク値に達するのに要する時間を測定する。ブロック６８に示すように、自己インダクタンス特定モジュールは、少なくとも１つの励磁されたステータ位相についての自己インダクタンス値を特定する。次に、ブロック７０に示すように、第１の記憶モジュールは、複数のステータ位相の各々についての自己インダクタンス値および電流値をルックアップテーブルに、または解析表現の形態で記憶する。ブロック７２に示すように、電圧・時間測定モジュールにおいて、隣接する励磁されていないステータ位相の電圧値、および隣接する励磁されていないステータ位相が当該電圧値に達するのに要する時間を測定する。ここで、隣接する励磁されていないステータ位相の巻線は、ショート回路状態である。ブロック７４に示すように、相互インダクタンス特定モジュールにおいて、少なくとも１つの励磁されたステータ位相と隣接する励磁されていないステータ位相との間の相互インダクタンス値を特定する。次に、ブロック７６に示すように、複数のステータ位相の各々についての相互インダクタンス値および電圧値を第２の記憶モジュールに記憶する。その後、ブロック７８に示すように、ロータ位置推定モジュールにおいて、記憶された自己インダクタンス値と相互インダクタンス値とのハイブリッドな組合せを利用して、ロータ位置を推定する。最後に、ブロック８０に示すように、制御モジュールにおいて、推定されたロータ位置を利用して、ＨＲＳＲＭを制御する。
【００３３】
動作において、既存の技術のうちのいずれかを実装して、自己インダクタンス値および相互インダクタンス値を測定する。代替実施形態では、ＨＲＳＲＭ１２からの自己インダクタンスと逆ＥＭＦとの組合せ、またはＨＲＳＲＭ１２からの逆ＥＭＦと相互インダクタンスとの組合せを使用して、ロータ位置を判断する。
【００３４】
図５は、図１に示したセンサレス高信頼性制御システム１０を実装する、模式的なコンバータセットアップ８２である。この電気回路配置は、位相Ａの自己インダクタンスおよびオープン回路の位相Ｂの相互インダクタンスを測定する。
【００３５】
図６は、図３に示したセンサレス高信頼性制御システム１０を実装する、模式的なコンバータセットアップ８４である。この電気回路配置は、位相Ａの自己インダクタンスおよびショート回路の位相Ｂの相互インダクタンスを測定する。
【００３６】
図７は、ロータ位置を推定するために電流測定を使用するセンサレス高信頼性制御システム１０の模式的なシステムレイアウト８６である。この電気的配置は、ゲートドライバ回路８８およびコンピュータシステム９０を利用して、複数のステータ位相の巻線への電気入力を制御する。
【００３７】
本発明の好ましい実施形態に関する上記の説明は、例示および説明のために提示されたものである。上記の説明は、網羅的であること、または開示された厳密な形態に本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして、多数の修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明ではなく、本明細書に添付した特許請求の範囲および特許請求の範囲の均等物により限定されることが意図される。
【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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【国際調査報告】
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