特許 6055439 ブラシレス永久磁石モータを制御する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6055439

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】ブラシレス永久磁石モータを制御する方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/28 20160101AFI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/28

【請求項の数】14

【外国語出願】

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-120297(P2014-120297)

(22)【出願日】2014年6月11日

(65)【公開番号】特開2015-2670(P2015-2670A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2014年8月12日

(31)【優先権主張番号】1310573.9

(32)【優先日】2013年6月13日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508032310

【氏名又は名称】ダイソン テクノロジー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100107696

【弁理士】

【氏名又は名称】西山 文俊

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】トゥンジャイ・チェリク

(72)【発明者】

【氏名】リボ・チェン

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０５４４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０９０４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０１３８３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−１４３２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１５５５７３８（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−３２２６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４６３８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／００− ６／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ブラシレス永久磁石モータを制御する方法であって、
電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間と、その後に続く１次惰性回転期間に分割するステップと、
前記導通期間を、第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割するステップと、
各励磁期間の間に前記モータの巻線を励磁するステップと、
各惰性回転期間の間に前記巻線をフリーホイールするステップと、
を含み、
前記２次惰性回転期間は、前記巻線の逆起電力が上昇する時に発生する、方法。

【請求項2】

前記１次惰性回転期間は逆起電力が主として低下する時に発生する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記２次惰性回転期間の前記長さは、前記１次惰性回転期間、前記第１の励磁期間、及び前記第２の励磁期間のそれぞれより短い、請求項１又は請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記巻線を供給電圧で励磁するステップと、前記供給電圧又は前記モータの速度の変化に応じて前記導通期間の長さを変化させるステップを含み、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記供給電圧の減少又は前記モータの速度の増加に応じて前記導通期間の前記長さを増加させるステップを含む、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の励磁期間及び前記第２の励磁期間は同じ長さを有する、請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記２次惰性回転期間の長さは固定されている、請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記巻線を供給電圧で励磁するステップと、前記供給電圧又は前記モータの速度の変化に応じて前記２次惰性回転期間を変化させるステップとを含み、請求項１ないし請求項７の何れか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記供給電圧の増加又は前記モータの速度の減少に応じて前記２次惰性回転期間の長さを増加させるステップを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

ブラシレス永久磁石モータを制御する方法であって、
第１の速度範囲に亘りデュアル・スイッチ・モードで作動するステップと、
第２の速度範囲に亘りシングル・スイッチ・モードで作動するステップと、
を含み、
前記第２の速度範囲は前記第１の速度範囲より速く、
各モードは、電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間とその後に続く１次惰性回転期間に分割するステップを含み、
前記シングル・スイッチ・モードは、前記導通期間の間に前記モータの巻線を励磁するステップと、前記１次惰性回転期間の間に前記巻線をフリーホイールさせるステップを含み、
前記デュアル・スイッチ・モードは、前記導通期間を第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割するステップと、各励磁期間の間に前記巻線を励磁するステップと、各惰性回転期間の間に前記巻線をフリーホイールさせるステップを含む、方法。

【請求項11】

各モードは、前記巻線を供給電圧で励磁するステップと、前記供給電圧又は前記モータの速度の変化に応じて前記導通期間の長さを変化させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

ブラシレス永久磁石モータを制御する方法であって、
第１の速度範囲に亘りマルチ・スイッチ・モードで作動するステップと、
第２の速度範囲に亘りデュアル・スイッチ・モードで作動するステップを備え、
前記第２の速度範囲は前記第１の速度範囲より速く、
前記マルチ・スイッチ・モードは、電気的サイクルのそれぞれ半分の間、前記モータの巻線の励磁及びフリーホイールを複数回連続して行うステップを含み、
前記巻線は、前記巻線の電流が所定の限度を超える場合にフリーホイールし、
前記デュアル・スイッチ・モードは、電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間とその後に続く１次惰性回転期間に分割するステップと、前記導通期間を、第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割するステップと、各励磁期間の間に前記巻線を励磁するステップと、各惰性回転期間の間に前記巻線をフリーホイールさせるステップを含む、方法。

【請求項13】

請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の方法を実行するよう構成されている、ブラシレス永久磁石モータを制御する制御回路。

【請求項14】

請求項１３に記載の制御回路及びブラシレス永久磁石モータを備えるモータ・アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ブラシレス永久磁石モータを制御する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ブラシレス永久磁石モータの効率を改善する努力が継続して行われている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

ブラシレス永久磁石モータの効率を改善する、ブラシレス永久磁石モータを制御する方
法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明はブラシレス永久磁石モータを制御する方法を提供し、その方法は、電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間とその後に続く１次惰性回転期間に分割するステップと、導通期間を、第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割するステップと、各励磁期間の間にモータの巻線を励磁するステップと、各惰性回転期間の間に巻線をフリーホイールするステップとを含み、２次惰性回転期間は、巻線の逆起電力に関連する巻線の電流の高調波成分を減少させる導通期間内に位置及び長さを有する。

【0005】

永久磁石モータについては、励磁の間のトルク対電流比は、相電流の波形が逆起電力の波形と一致する時最大となる。したがって、逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分を減少させる２次惰性回転期間を使用することにより、モータの効率が改善される。

【0006】

２次惰性回転期間は巻線の逆起電力が上昇する時に発生し得、１次惰性回転期間は逆起電力が主として低下する時に発生し得る。相巻線を励磁する時、相電流は逆起電力の速度より速い速度で上昇し得る。その結果、相電流は逆起電力より先行し得る。２次惰性回転期間は相電流の上昇を瞬間的に阻止する役割を果たす。その結果、相電流は導通期間の間より逆起電力の上昇に密接に追従する。１次惰性回転期間は、電源から如何なる追加の電力が引き出されることなくトルクが相電流により生成され続けるよう、巻線のインダクタンスを利用する。逆起電力が低下するにつれて、より少ないトルクが所与の相電流に対し生成される。したがって、逆起電力を低下させる期間に巻線をフリーホイールすることにより、モータの効率はトルクに悪影響を及ぼさずに改善され得る。

【0007】

２次惰性回転期間の長さは、１次惰性回転期間、第１の励磁期間、及び第２の励磁期間のそれぞれより少なくなり得る。その結果、２次惰性回転期間は、モータの電力に悪影響を及ぼさずに相電流の上昇を瞬間的に阻止する役割を果たす。

【0008】

本方法は、巻線を供給電圧で励磁するステップと、供給電圧及び／又はモータの速度の変化に応じて導通期間の長さを変化させるステップを含み得る。その結果、モータの電力に関しより良い制御が達成され得る。

【0009】

供給電圧が減少するにつれ、より少ない電流とより少ない電力が同じ導通期間に亘りモータに駆動される。同様に、モータの速度が増加するにつれ、巻線において誘導される逆起電力の大きさは増加する。その後、より少ない電流とより少ない電力が同じ導通期間に亘りモータに駆動される。したがって、これを補償するため、本方法は、供給電圧の減少及び／又はモータの速度の増加に応じて導通期間を増加するステップを含み得る。

【0010】

第１の励磁期間及び第２の励磁期間は同じ長さを有し得る。これは少なくとも２つの利点を有する。第１に、相電流の高調波成分が２つの励磁期間に亘りより良くバランスが取れる。その結果、導通期間の間の相電流の全体の高調波成分は、２つの励磁期間の長さが異なるならば低下しやすくなる。第２に、ハードウェアで本方法を実行する際、ハードウェアは両方の励磁期間を規定するのに使用され得る単一の励磁期間を記憶するだけで良い。あるいは、本方法が供給電圧及び／又はモータの速度の変化に応じて導通期間の長さを変化するステップを含む場合、ハードウェアは各電圧及び／又は速度の点に対して単一の励磁期間を記憶するだけで良い。その結果、より少ないメモリが励磁期間を記憶するのに必要となる。

【0011】

２次惰性回転期間の長さは固定され得る。これは本方法をハードウェアで実行する時、ハードウェアは単一の２次惰性回転期間を記憶するだけで良いという利点がある。この利点に拘わらず、それでもなお本方法は、巻線を供給電圧で励磁するステップと、供給電圧及び／又はモータの速度の変化に応じて２次惰性回転期間を変化させるステップを含み得る。特に、本方法は、供給電圧の増加又はモータの速度の減少に応じて２次惰性回転期間の長さを増加させるステップを含み得る。供給電圧が増加するにつれ、相巻線の電流は励磁の間より速い速度で上昇する。その結果、逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分は増加しやすい。供給電圧の増加に応じて２次惰性回転期間を増加させることにより、相電流の上昇はより長い期間阻止され、よって相電流の波形の高調波成分は減少され得る。モータの速度が減少するにつれ、逆起電力はより遅い速度で上昇する。更に、逆起電力の大きさは減少し、よって相巻線の電流は励磁の間より速い速度で上昇する。よって逆起電力はより遅い速度で上昇し、一方相電流はより速い速度で上昇する。その結果、逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分は増加しやすい。モータの速度の減少に応じて２次惰性回転期間を増加させることにより、相電流の上昇はより長い期間阻止され、よって相電流の波形の高調波成分は減少され得る。したがって、供給電圧の増加及び／又はモータの速度の減少に応じて２次惰性回転期間を増加させることは、効率の更なる改善をもたらし得る。

【0012】

本発明はブラシレス永久磁石モータを制御する方法を提供し、その方法は、第１の速度範囲に亘りデュアル・スイッチ・モードで作動するステップと、第２の速度範囲に亘りシングル・スイッチ・モードで作動するステップとを含み、第２の速度範囲は第１の速度範囲より高く、各モードは、電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間とその後に続く１次惰性回転期間に分割するステップを含み、シングル・スイッチ・モードは、導通期間の間にモータの巻線を励磁するステップと、１次惰性回転期間の間に巻線をフリーホイールさせるステップを含み、デュアル・スイッチ・モードは、導通期間を、第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割するステップと、各励磁期間の間に巻線を励磁するステップと、各惰性回転期間の間に巻線をフリーホイールさせるステップを含む。

【0013】

第１の速度範囲に亘り作動する際、各電気的半サイクルの長さはより長く、よって逆起電力はより遅い速度で上昇する。更に、逆起電力の大きさは低くなり、よって相電流はより速い速度で上昇する。よって逆起電力はより遅い速度で上昇するが、相電流はより速い速度で上昇する。その結果、相電流は、励磁の間、逆起電力の速さより速い速度で上昇し得る。２次惰性回転期間を導入することにより、相電流の上昇は瞬間的に阻止され、その結果、相電流の上昇はより逆起電力の上昇に密接に追従する。その結果、逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分は減少し、よってモータの効率は増加する。第２の速度範囲に亘り作動する際、各電気的半サイクルの長さは短くなり、よって逆起電力はより速い速度で上昇する。更に、逆起電力の大きさは高くなり、よって相電流はより遅い速度で上昇する。よって逆起電力はより速い速度で上昇するが、相電流はより遅い速度で上昇する。その結果、相電流は、励磁の間、逆起電力の速度と同様又はそれより遅い速度で上昇し得る。２次惰性回転期間は、逆起電力に関連する相電流の高調波成分を増加させるための役割を果たすのみであろう。したがって、デュアル・スイッチ・モードをより遅い速度で、及びシングル・スイッチ・モードをより速い速度で使用することにより、モータの効率は両方の速度範囲に亘り改善され得る。

【0014】

各モードは、巻線を供給電圧で励磁するステップと、供給電圧又はモータの速度の変化に応じて導通期間の長さを変化させるステップを含み得る。その結果、モータの電力に関し、より良い制御が達成され得る。上述の理由により、本方法は、供給電圧の減少及び／又はモータの速度の増加に応じて、導通期間を増加させるステップを含み得る。

【0015】

本発明は更に、ブラシレス永久磁石モータを制御する方法を提供し、その方法は、第１の速度範囲に亘りマルチ・スイッチ・モードで作動するステップと、第２の速度範囲に亘りデュアル・スイッチ・モードで作動するステップを含み、第２の速度範囲は第１の速度範囲より高く、マルチ・スイッチ・モードは、電気的サイクルのそれぞれ半分の間、モータの巻線の励磁及びフリーホイールを複数回連続して行うステップを含み、巻線は、巻線の電流が所定の限度を超える場合にフリーホイールし、デュアル・スイッチ・モードは電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間とその後に続く１次惰性回転期間とに分割するステップと、導通期間を、第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割するステップと、各励磁期間の間に巻線を励磁するステップと、各惰性回転期間の間に巻線をフリーホイールさせるステップを含む。

【0016】

第１の速度範囲に亘り作動する際、各電気的半サイクルの長さは比較的長く、よって逆起電力が上昇する速度は比較的遅い。更に、逆起電力の大きさは比較的低く、よって相電流が上昇する速度は比較的速い。その結果、第１の温度範囲で作動する際、相電流は逆起電力の速度よりずっと速い速度で上昇する。よって相巻線は、相電流が所定の限度を超える時は必ずフリーホイールする。これは本方法を実行するのに使用されるハードウェアを過度の相電流から保護する。モータの速度が増加するにつれ、各電気的半サイクルの長さは減少し、よって逆起電力はより速い速度で上昇する。更に、逆起電力の大きさが上昇し、よって相電流がより遅い速度で上昇する。第２の速度範囲で作動する際、相電流は所定の限度を超えない。それでもなお相電流は、励磁の間、逆起電力の速度より速い速度で上昇する。２次惰性回転期間を導入することにより、相電流の上昇は瞬間的に阻止され、その結果、相電流の上昇はより逆起電力の上昇に密接に追従する。その結果、モータの効率は改善される。したがって、マルチ・スイッチ・モードをより遅い速度で、及びデュアル・スイッチ・モードをより速い速度で使用することにより、ハードウェアは、より遅い速度で過度の相電流から保護され、一方モータの効率はより速い速度で改善され得る。

【0017】

本発明は、更に先行する段落の何れか１つに記載された方法を実行するよう構成された制御回路と、ブラシレス永久磁石モータ及び制御回路を含むモータ・アセンブリを提供する。

【0018】

制御回路は、モータの巻線に結合するインバータと、ゲート・ドライバー・モジュールと、コントローラを含み得る。ゲート・ドライバー・モジュールは、コントローラから受信した制御信号に応じて、インバータのスイッチを制御する。コントローラは、電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間及び１次惰性回転期間に分割することに関与し、また導通期間を、第１の励磁期間と、２次惰性回転期間と、第２の励磁期間とに分割することに関与する。コントローラは、各励磁期間に巻線を励磁し且つ各惰性回転期間に巻線をフリーホイールさせる制御信号を生成する。

【0019】

本発明をより容易に理解可能とするため、本発明の実施形態が、例示として、添付の図面を参照して説明される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明によるモータ・アセンブリのブロック図である。

【図2】モータ・アセンブリの回路図である。

【図3】モータ・アセンブリのコントローラにより放出される制御信号に応じたインバータの許可された状態の詳細を示す図である。

【図4】マルチ・スイッチ・モードで作動するモータ・アセンブリの様々な波形を示す図である。

【図5】シングル・スイッチ・モードで作動するモータ・アセンブリの様々な波形を示す図である。

【図6】デュアル・スイッチ・モードで作動する際のモータ・アセンブリの様々な波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１及び図２のモータ・アセンブリ１は、直流電源２により電源供給され、ブラシレス・モータ３と制御回路４を備える。

【0022】

モータ３は４極固定子６に関連して回転する４極永久磁石回転子５を備える。固定子６の周りに巻かれる導線６は共に結合され、単一の相巻線７を形成する。

【0023】

制御回路４は、フィルタ８、インバータ９、ゲート・ドライバー・モジュール１０、電流センサ１１、電圧センサ１２、位置センサ１３、及びコントローラ１４を備える。

【0024】

フィルタ８は、インバータ９の切り替えから生じる比較的高周波のリップルを平滑にするリンクコンデンサＣ１を備える。

【0025】

インバータ９は、相巻線７を電圧レールに結合させるフルブリッジの４つのパワー・スイッチＱ１ないしＱ４を備える。スイッチＱ１ないしＱ４のそれぞれは、フリーホイール・ダイオードを含む。

【0026】

ゲート・ドライバー・モジュール１０は、コントローラ１４から受信した制御信号に応じてスイッチＱ１ないしＱ４を遮断と導通に駆動する。

【0027】

電流センサ１１は、インバータとゼロ電圧レールの間に配置された分流抵抗器Ｒ１を備える。電流センサ１１にかかる電圧は、電源２に連結された際の相巻線７における電流の測定を提供する。電流センサ１１にかかる電圧は、信号Ｉ＿ＰＨＡＳＥとしてコントローラ１４へ出力される。

【0028】

電圧センサ１２は、直流電圧レールとゼロ電圧レールの間に配置された分圧器Ｒ２及びＲ３を備える。電圧センサは信号Ｖ＿ＤＣをコントローラ１４に出力し、この信号は電源２により提供される供給電圧の減少された測定値を表す。

【0029】

位置センサ１３は、固定子６のスロット開口に配置されたホール効果センサを備える。位置センサ１３は、位置センサ１３を通る磁束の方向に応じて、論理的にハイ又はローのデジタル信号であるＨＡＬＬを出力する。よってＨＡＬＬ信号は回転子５の角度位置の測定を提供する。

【0030】

コントローラ１４は、プロセッサ、記憶装置、及び複数の周辺機器（例えば、ＡＤ変換器、比較器、タイマー他）を有するマイクロコントローラを備える。記憶装置は、プロセッサにより実行される命令と、作動中にプロセッサにより使用される制御パラメータと、参照テーブルを記憶する。コントローラ１４は、モータ３の動作の制御に関与し、４つのパワー・スイッチＱ１ないしＱ４のそれぞれを制御する４つの制御信号Ｓ１からＳ４を生成する。制御信号はゲート・ドライバー・モジュール１０に出力され、ゲート・ドライバー・モジュールはそれに応じてスイッチＱ１ないしＱ４を遮断及び導通に駆動する。

【0031】

図３は、コントローラ１４による出力された制御信号Ｓ１ないしＳ４に応じて、スイッチＱ１ないしＱ４の許可された状態をまとめたものである。以下、用語「セット」及び「クリア」は、信号がそれぞれ論理的にハイ及びローにされたことを示すのに使用される。図３から理解されるように、コントローラ１４は、相巻線７を左から右に励磁するために、Ｓ１とＳ４をセットし、Ｓ２とＳ３をクリアする。逆に、コントローラ１４は、相巻線７を右から左に励磁するために、Ｓ２とＳ３をセットし、Ｓ１とＳ４をクリアする。コントローラ１４は、相巻線７をフリーホイールさせるために、Ｓ１とＳ３をクリアし、Ｓ２とＳ４をセットする。フリーホイールは、相巻線７内の電流がインバータ９のロー側のループの周りで再循環することを可能にする。本発明において、パワー・スイッチＱ１ないしＱ４は両方向での導通が可能である。したがって、コントローラ１４は、惰性回転期間の間、ロー側のスイッチＱ２及びＱ４の両方を導通とし、その結果、電流は、効率の落ちるダイオードではなくスイッチＱ２及びＱ４を通って流れる。場合によっては、インバータ９は一方向のみで導通するパワー・スイッチを備え得る。この場合、コントローラ１４は、相巻線７を左から右にフリーホイールさせるために、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３をクリアし、Ｓ４をセットする。その後、コントローラ１４は、相巻線７を右から左にフリーホイールさせるために、Ｓ１、Ｓ３及びＳ４をクリアし、Ｓ２をセットする。その後、インバータ９のロー側のループの電流は、導通とされたロー側のスイッチ（例えば、Ｑ４）を通って下へ流れ、遮断とされたロー側のスイッチ（例えば、Ｑ２）のダイオードを通って上に流れる。

【0032】

コントローラ１４は、回転子５の速度に応じて、３つのモードの内の１つにおいて作動する。第１の閾値より下の速度で、コントローラ１４はマルチ・スイッチ・モードで作動する。第１の閾値より上で、第２の閾値より下の速度で、コントローラ１４はデュアル・スイッチ・モードで作動する。第３の速度閾値より上の速度で、コントローラ１４はシングル・スイッチ・モードで作動する。回転子５の速度はＨＡＬＬ信号の連続するエッジの間隔から決定され、以下、この間隔はＨＡＬＬ期間と呼ばれる。

【0033】

マルチ・スイッチ・モードはモータ３の加速の間に使用され、一方、デュアル・スイッチ・モード及びシングル・スイッチ・モードは定常状態の間に使用される。各モードの説明が以下になされる。デュアル・スイッチ・モードは、シングル・スイッチ・モードに対して小さいが重要な変化を含む。したがって、変化の性質及び重要性がより良く理解されるために、シングル・スイッチ・モードの説明がデュアル・スイッチ・モードの前になされる。

【0034】

３つすべてのモードにおいて、コントローラ１４は、ＨＡＬＬ信号のエッジに応じて相巻線７を転流する。各ＨＡＬＬエッジは、回転子５の極性の変化、したがって相巻線７により誘導された逆起電力（逆ＥＭＦ）の極性の変化に対応する。より詳細には、各ＨＡＬＬエッジは逆起電力のゼロ交差に対応する。転流は相巻線７を通る電流の方向の逆転を含む。その結果、電流が左から右の方向に相巻線７を通って流れる場合、転流は右から左に巻線を出ることを含む。

【0035】

説明を簡単にするため、コントローラ１４がＨＡＬＬエッジと同期して、即ち逆起電力のゼロ交差と同期して相巻線を転流することが仮定される。しかし実際は、コントローラ１４は、ＨＡＬＬエッジに対して、転流を先行、同期、又は遅延させ得る。

【0036】

マルチ・スイッチ・モード
マルチ・スイッチ・モードで作動する際、コントローラ１４は、電気的サイクルのそれぞれ半分に亘り、連続して相巻線７を励磁及びフリーホイールさせる。より詳細には、コントローラ１４は、相巻線７を励磁し、電流信号であるＩ＿ＰＨＡＳＥを監視し、相巻線７の電流が所定の限度を超えた場合に相巻線７をフリーホイールさせる。フリーホイールは、所定の惰性回転期間の間継続し、その間、相巻線７の電流は電流の限度以下のレベルまで低下する。惰性回転期間が終了すると、コントローラ１４は再び相巻線７を励磁する。この相巻線７の励磁とフリーホイールのプロセスは、電気的半サイクルの全体の長さに亘り継続する。よってコントローラ１４は、各電気的半サイクルの間、励磁からフリーホイールへの切り替えを複数回行う。

【0037】

図４は、マルチ・スイッチ・モードで作動する際の、ＨＡＬＬ信号、逆起電力、相電流、相電圧、及び２、３のＨＡＬＬ期間に亘る制御信号の波形を示す。

【0038】

比較的遅い速度では、相巻線７内で誘導された逆起電力の大きさは比較的小さい。よって相巻線７の電流は、励磁の間、比較的速く上昇し、惰性回転期間の間、比較的遅く低下する。加えて、各ＨＡＬＬ期間の長さ、したがって各電気的半サイクルの長さは比較的長い。その結果、コントローラ１４が励磁からフリーホイールに切り替わる頻度は比較的高い。しかし、回転速度が増加するにつれ、逆起電力の大きさは増加し、よって電流は、励磁の間、より遅い速度で上昇し、惰性回転期間の間、より速い速度で低下する。なお、各電気的半サイクルの長さは減少する。その結果、切り替えの頻度は減少する。

【0039】

シングル・スイッチ・モード
シングル・スイッチ・モードで作動する際、コントローラ１４は、電気的サイクルの各半分を、導通期間とその後に続く惰性回転期間とに分割する。その後、コントローラ１４は、導通期間に相巻線７を励磁し、惰性回転期間に相巻線７をフリーホイールさせる。シングル・スイッチ・モード内で作動する際、相電流は励磁の間に電流の限度を超えない。その結果、コントローラ１４は、各電気的半サイクルの間に、一度だけ励磁からフリーホイールに切り替えを行う。

【0040】

図５は、シングル・スイッチ・モードで作動する際の、ＨＡＬＬ信号、逆起電力、相電流、相電圧、及び２、３のＨＡＬＬ期間に亘る制御信号の波形を示す。

【0041】

相巻線７を励磁するのに使用される供給電圧の大きさは変化し得る。例えば、電源２は使用時に放電する電池を備えても良い。あるいは、電源２は、交流電源、整流器及び比較的平滑な電圧を提供する平滑コンデンサを備えていても良いが、交流電源のＲＭＳ電圧は変化し得る。供給電圧の大きさの変化は、導通期間に相巻線７に駆動される電流の量に影響するであろう。その結果、モータ３の電力は供給電圧の変化に影響を受けやすい。供給電圧に加え、モータ３の電力は回転子５の速度の変化に影響を受けやすい。回転子５の速度が変化する（例えば、負荷の変化に応じて）のと同じように、逆起電力の大きさも変化する。その結果、導通期間に相巻線７に駆動される電流の量は変化し得る。よって、コントローラ１４は、回転子５の速度及び／又は供給電圧の大きさの変化に応じて、導通期間の長さを変化させる。その結果、コントローラ１４は、回転子速度及び／又は供給電圧の変化に応じてモータ３の電力をより良く制御できる。

【0042】

導通期間の長さを変化させるために、コントローラ１４は、異なる電圧及び／又は速度に対する異なる導通期間の参照テーブルを記憶する。コントローラ１４は、供給電圧及び／又は回転子速度を使用して参照テーブルにインデックスを付し、（例えば、各ＨＡＬＬエッジ又はｎ番目のＨＡＬＬエッジに応じて）導通期間を選択する。回転子５の速度はＨＡＬＬエッジの長さから得られ、一方、供給電圧はＶ＿ＤＣ信号から得られる。

【0043】

参照テーブルは、各電圧及び／又は速度の点において特定の出力電力を達成する導通期間を記憶する。供給電圧が減少するにつれ、より少ない電流及びより少ない電力が同じ導通期間に亘りモータ３に駆動される。同様に、回転子速度が増加するにつれ、逆起電力の大きさが増加する。したがって、より少ない電流、よってより少ない電力が同じ導通期間に亘りモータ３に駆動される。したがって、この動作を補償するため、コントローラ１４は、供給電圧の減少又は回転子速度の増加に応じて増加する導通期間を使用し得る。

【0044】

デュアル・スイッチ・モード
相巻線の励磁の間、トルク対電流比は、相電流の波形が逆起電力の波形と一致する時に最大となる。よってモータ３の効率の改善は、相電流の波形を逆起電力の波形とより良く一致するよう形成すること、即ち逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分を減少させることにより達成される。出願人は、シングル・スイッチ・モード内でより遅い速度で作動する際、モータ３の効率の改善が比較的小さい２次惰性回転期間を導通期間に挿入することにより達成されることを発見した。

【0045】

より遅い回転子速度において、ＨＡＬＬ期間の長さは長くなり、よって逆起電力はより遅い速度で上昇する。更に、逆起電力の大きさは低くなり、よって供給電圧が変わらないと仮定すると、相巻線の電流はより速い速度で上昇する。その結果、より遅い速度で、逆起電力はより遅い速度で上昇するが、相電流はより速い速度で上昇する。その結果、相電流は、導通期間の初期の部分の間、逆起電力の速度より速い速度で上昇する。出願人は、比較的小さい２次惰性回転期間を導通期間の間に導入することにより、相電流の上昇が瞬間的に阻止され、その結果、相電流の上昇が逆起電力の上昇により密接に追従することを発見した。その結果、逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分は減少し、よってモータ３の効率は増加される。

【0046】

デュアル・スイッチ・モードで作動する際、コントローラ１４は、電気的サイクルのそれぞれ半分を、導通期間と、その後に続く１次惰性回転期間とに分割する。その後、コントローラ１４は、導通期間を、第１の励磁期間と、その後に続く第２の惰性期間と、その後に続く第２の励磁期間とに分割する。その後、コントローラ１４は、２つの励磁期間のそれぞれの間、相巻線７を励磁し、２つの惰性回転期間のそれぞれの間、相巻線をフリーホイールする。シングル・スイッチ・モードのように、相電流は、励磁の間、電流限度を超えない。したがって、コントローラ１４は、電気的半サイクルのそれぞれの間、励磁からフリーホイールに２回切り替えを行う。

【0047】

図６は、デュアル・スイッチ・モードで作動する際、２、３のＨＡＬＬ期間に亘るＨＡＬＬ信号、逆起電力、相電流、相電圧、及び制御信号の波形を示す。

【0048】

コントローラ１４は、従来コントローラ１４がシングル・スイッチ・モードで作動していた低い速度で、デュアル・スイッチ・モードで作動する。シングル・スイッチ・モードのように、コントローラ１４は、供給電圧の大きさ及び／又は回転子５の速度の変化に応じて、導通期間の長さを変化させる。この目的を達成するために、コントローラ１４は、異なる電圧及び／又は速度のための異なる励磁期間の参照テーブルを記憶する。その後、コントローラ１４は、供給電圧及び／又は回転子速度を使用して参照テーブルにインデックスを付し、励磁期間を選択する。その後、選択された励磁期間は、第１の励磁期間及び第２の励磁期間の両方を規定するために使用され、即ちコントローラ１４は、選択された励磁期間に相巻線７を励磁し、２次惰性回転期間に相巻線７をフリーホイールし、選択された励磁期間に再び相巻線７を励磁する。

【0049】

第１の励磁期間及び第２の励磁期間は同じ長さであるため、２次惰性回転期間は導通期間の中心で発生する。これは少なくとも２つの利点を有する。第１に、相電流の高調波成分は２つの励磁期間に亘りより良くバランスが取れる。その結果、導通期間に亘る相電流の全体の高調波成分は、２つの励磁期間の長さが異なるならば低くなりやすい。第２に、参照テーブルは、各電圧及び／又は速度の点毎に１つの励磁期間を記憶するだけで良い。その結果、より少ないメモリが参照テーブルに必要となり、よってより安価なコントローラが使用され得る。上述の利点に拘わらず、供給電圧及び／又は回転子速度の変化に応じて２次惰性回転期間の位置を変えることが望ましい可能性がある。これは、各電圧及び／又は速度の点のために、第１の励磁期間と第２の励磁期間を記憶する参照テーブルを使用することにより達成され得る。

【0050】

コントローラ１４は固定の長さの２次惰性回転期間を使用する。これは、コントローラ１４のメモリ要件を減少させる利点がある、即ちコントローラ１４は単一の２次惰性回転期間を記憶するだけで良い。しかし代替的に、コントローラ１４は、供給電圧及び／又は回転子速度の変化に応じて変化する２次惰性回転期間を使用するかもしれない。特に、コントローラ１４は、供給電圧の増加又は回転子速度の減少に応じて増加する２次惰性回転期間を使用し得る。供給電圧が増加するにつれ、回転子速度及び逆起電力の大きさが変化しないと仮定すると、相巻線７の電流は、励磁の間、より速い速度で上昇する。その結果、逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分は増加しやすい。供給電圧の増加に応じて２次惰性回転期間の長さを増加させることにより、相電流の上昇がより長い期間阻止され、相電流の波形の高調波成分は減少され得る。回転子速度が減少するにつれ、ＨＡＬＬ期間の長さは増加し、よって逆起電力はより遅い速度で上昇する。更に、逆起電力の大きさは減少し、供給電圧が変化しないと仮定すると、相巻線７の電流はより速い速度で上昇する。その結果、回転子速度が減少するにつれ、逆起電力はより遅い速度で上昇するが、相電流はより速い速度で上昇する。よって逆起電力の波形に関連する相電流の波形の高調波成分は増加しやすい。回転子速度の減少に応じて２次惰性回転期間を増加させることにより、相電流の上昇はより長い時間阻止され、よって相電流の波形の高調波成分は減少され得る。したがって、供給電圧の増加及び／又は回転子速度の減少に応じて２次惰性回転期間を増加させることは、効率の更なる改善をもたらし得る。

【0051】

２次惰性回転期間の長さは比較的短く、相電流の上昇を瞬間的に阻止することのみを意図する。したがって、２次惰性回転期間は１次惰性回転期間と各励磁期間の両方より短い。２次惰性回転期間の実際の長さは、モータ・アセンブリ１の特定の特徴、即ち、相巻線７のインダクタンス、供給電圧の大きさ、及び逆起電力の大きさ等に依存するであろう。長さに関係なく、２次惰性回転期間は相巻線７の逆起電力を上昇させる期間に生じる。これは、全部ではないとしても逆起電力を低下させる期間に主に生じる１次惰性回転期間と対照的である。１次惰性回転期間は相巻線７のインダクタンスを使用し、その結果、電源２から如何なる追加の電力も引き出さずにトルクが相電流により生成され続ける。逆起電力が低下するにつれ、より少ないトルクが所与の相電流に対し生成される。したがって、逆起電力を低下させる期間に相巻線７をフリーホイールさせることにより、モータ３の効率は、トルクに悪影響を及ぼさずに改善され得る。

【0052】

上述の実施形態では、コントローラ１４は、定常状態の間、２つの異なるモードで作動する。第１の速度範囲に亘り作動する際は、デュアル・スイッチ・モードが使用され、第２のより速い速度範囲に亘り作動する際は、シングル・スイッチ・モードが使用される。これは、定常状態内で速度範囲全体に亘りモータ３の効率を改善する。より速い速度範囲で作動する際に第２の惰性回転速度が使用されるならば、少なくとも本実施形態ではモータ３の効率は悪くなるであろう。これは、より速い速度範囲で作動する際、相電流は一般に逆起電力の速度と同様の又はそれより遅い速度で上昇するためである。したがって、２次惰性回転期間の導入は、逆起電力に関連する相電流の高調波成分を増加させる役割を果たすのみであろう。

【0053】

前の段落でなされた説明に拘わらず、ことによると、デュアル・スイッチ・モードは、より遅い速度の場合と同様に、より速い速度でも使用され得る。例えば、相巻線７のインダクタンスは比較的遅く、その結果、比較的速い速度で作動していても、相インダクタンスに関連する時定数（Ｌ／Ｒ）はＨＡＬＬ期間の長さに比べて特に短い。その結果、相電流は逆起電力に比べて比較的迅速に上昇する。あるいは、おそらく速い速度での逆起電力に関連する供給電圧の大きさは比較的高く、その結果、相電流は逆起電力に比べて比較的迅速に上昇する。これらの場合の両方とも、効率の改善は、遅い速度の場合と同様に、速い速度でもデュアル・スイッチ・モードを使用することにより達成され得る。

【0054】

上述の実施形態において、コントローラ１４は、シングル・スイッチ・モードで使用する導通期間とデュアル・スイッチ・モードで使用する励磁期間の参照テーブルを記憶する。１次惰性回転期間は、導通期間をＨＡＬＬ期間から減算することにより計算可能である。あるいは、相巻線７が各ＨＡＬＬエッジと同期して転流される場合、１次惰性回転期間は、次のＨＡＬＬエッジがコントローラ１４により感知されるまで無制限に継続し得る。コントローラ１４は導通期間及び励磁期間の参照テーブルを記憶するが、異なる手段により同じレベルの制御が達成され得ることが分かるであろう。例えば、導通期間及び励磁期間の参照テーブルを記憶するよりむしろ、コントローラ１４は１次惰性回転期間の参照テーブルを記憶可能であり、その参照テーブルは、同様に供給電圧の大きさ及び／又は回転子５の速度を使用してインデックスが付される。導通期間は、ＨＡＬＬ期間から１次惰性回転期間を減算することにより得られ、各励磁期間は、ＨＡＬＬ期間から第１及び２次惰性回転期間を減算し、その結果を２で割ることにより得られるであろう。
Ｔ＿ＣＤ＝Ｔ＿ＨＡＬＬ−Ｔ＿ＦＷ＿１
Ｔ＿ＥＸＣ＝（Ｔ＿ＨＡＬＬ−Ｔ＿ＦＷ＿１−Ｔ＿ＦＷ＿２）／２
ここで、Ｔ＿ＣＤは導通期間であり、Ｔ＿ＥＸＣは第１及び第２の励磁期間のそれぞれであり、Ｔ＿ＨＡＬＬはＨＡＬＬ期間であり、Ｔ＿ＦＷ＿１は１次惰性回転期間であり、Ｔ＿ＦＷ＿２は２次惰性回転期間である。

【符号の説明】

【0055】

２ 電源
３ モータ
４ 制御回路
８ フィルタ
９ インバータ
１０ ゲート・ドライバー・モジュール
１１ 電流センサ
１２ 電圧センサ
１３ 位置センサ
１４ コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】