JP7692996B2 - ストール検出を伴うモータコントローラ - Google Patents

Description

本開示は、一般にはモータコントローラに関し、より詳細には、センサレスフィールド指向制御（ＦＯＣ）モータコントローラでのストール検出に関する。

周知のように、様々な適用分野でモータ制御を実装するために様々なタイプの制御システムが使用される。たとえば、いくつかのモータ制御システムでは、スピニングモータによって生成される起電力または逆ＥＭＦ（ＢＥＭＦ）が測定され、モータの位置および／または速度が求められ、コントローラにフィードバックされる。

ベクトル制御またはフィールド指向制御（ＦＯＣ）システムと呼ばれる別のモータ制御システムでは、固定子電流が、モータ内の磁場の強さをそれによって制御して、回転子磁束に対して直交する磁場を維持するために制御される。いわゆるｄ軸、または直軸はモータの位置に対応し得、ｑ軸、または横軸はｄ軸に対して垂直である。モータを回転させるために、印加される磁場がｄ軸に対して垂直に維持される。ＦＯＣは、最小限の電力消費で所与の速度で最大トルクを与えることによって効率を改善する。

制御方法の如何に関わらず、いくつかのモータ制御システムは、別々のセンサを利用して、コントローラによって使用するためのモータの位置および／または速度を検出する。こうしたタイプのシステムは「センサベースの」システムと呼ばれることがある。センサベースの制御システムを一般に利用する１つのモータタイプは、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）である。

別のモータ制御システムでは、モータ位置および／または速度を検出するために別々のセンサが使用されず、「センサレスシステム」と呼ばれることがある。そのようなシステムは、モータ位置および／または速度を推定するための電子回路を含む。センサレス制御をしばしば利用する１つのモータタイプは、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）である。

モータおよびその制御システムは、自動車および他のセーフティクリティカルな適用分野で広く使用されている。許容できるモータ制御品質レベル、故障率、および全体の機能安全性に関する要件を記述する様々な仕様がある。

電動機は、時折ストールすることがある。たとえば、電動機は、予期しない負荷条件のために特定の位置で動かなくなることがあり、前後に振動する（すなわち、揺動する）ことがある。ストール条件を補正する能力は、条件の正確な検出に依存する。

ＦＯＣ制御システムでのモータストール条件を検出するためのモータ制御装置および技法が本明細書で説明される。検出は、印加されるｑ軸電圧Ｖｑと、ｑ軸電圧の計算された推定Ｖｑ^Ｅに基づいて生成される１つまたは複数のしきい値との比較に基づく。記載の構成の利点は、モータ揺動中のストール検出、不正確なセンサレス制御周波数ロックの検出、モータパラメータ変動誤差からの独立性（モータインダクタンスパラメータはｑ軸電圧を推定するために使用されないため）、比較的低い計算強度および複雑さ、ならびにデバウンス機能を使用することによる始動および高速過渡条件下の検出精度の改善を含む。

本開示によれば、複数の巻線を有するモータの動作を制御するためのモータ制御システムが、複数の巻線に印加される電圧を制御する１つまたは複数のスイッチング素子に制御信号を与えるゲートドライバと、フィールド指向制御（ＦＯＣ）コントローラと、ストール検出器とを含む。ＦＯＣコントローラは、ゲートドライバに結合するためのＰＷＭ信号を生成するように構成され得、印加されるｄ軸電圧を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを含み得る。ストール検出器は、モータのストール条件を検出するために、ｑ軸電圧の推定を計算し、印加されるｑ軸電圧を推定に基づくしきい値と比較するように構成され得る。

特徴は、以下のうちの１つまたは複数を個々に、または他の特徴と組み合わせて含み得る。ストール検出器は、印加されるｑ軸電圧との比較のために、ｑ軸電圧の推定に基づいて高しきい値および低しきい値を生成するように構成されたしきい値発生器を含み得る。ストール検出器はタイマをさらに含み得、印加されるｑ軸電圧が高しきい値未満となった場合、または低しきい値より高くなった場合、ストール検出器は、タイマをリセットするように構成され得る。印加されるｑ軸電圧が、タイマの所定のタイムアウト間隔を超えて高しきい値より高いままであり、または低しきい値未満のままである場合、モータのストール条件が検出され得る。ストール検出器は、ストール条件の検出に応答して、モータのストール条件を示すストール信号を生成するように構成され得る。ストール検出器は、ストール信号を生成するように構成されたデバウンスフィルタを含み得る。ストール検出器は、次に従って推定ｑ軸電圧を計算するように構成され得る。

ここで、Ｗ_ｒは観測されたモータ速度であり、Ｋ_ｔはＢＥＭＦ定数であり、Ｉ_ｑは印加されるｑ軸電流であり、Ｒはモータ位相抵抗である。ＦＯＣコントローラは、モータ位置推定θおよび観測されたモータ速度Ｗ_ｒを生成するように構成された位置周波数オブザーバを含み得る。電流測定回路が、巻線を通る電流を測定するために複数の巻線のうちの１つまたは複数に結合され得る。ＦＯＣコントローラのｄ軸制御ループおよびｑ軸制御ループのそれぞれは、比例積分（ＰＩ）ユニットを含み得る。

複数の巻線を有するモータでのストール条件を検出する方法も説明され、方法は、複数の巻線に制御された電圧を印加することと、複数の巻線のうちの１つまたは複数を通る電流を測定することと、印加されるｄ軸電圧を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを含むフィールド指向制御（ＦＯＣ）コントローラを用いて、制御された電圧を複数の巻線に印加するように構成されるゲートドライバに結合するためのＰＷＭ信号を生成することとを含む。方法は、ｑ軸電圧の推定を計算することと、印加されるｑ軸電圧を推定に基づくしきい値と比較することと、比較に基づいてモータのストール条件を検出することとをさらに含み得る。

特徴は、以下のうちの１つまたは複数を個々に、または他の特徴と組み合わせて含み得る。方法は、プログラム可能変数に基づいてしきい値を生成することをさらに含み得る。しきい値を生成することは、高プログラム可能変数に基づいて高しきい値を生成することと、低プログラム可能変数に基づいて低しきい値を生成することとを含み得る。ストール条件を検出することは、印加されるｑ軸電圧が高しきい値未満となったとき、または低しきい値より高くなったとき、タイマをリセットすることを含み得る。印加されるｑ軸電圧が、タイマの所定のタイムアウト間隔を超えて高しきい値より高いままであり、または低しきい値未満のままである場合、モータのストール条件が検出され得る。方法は、ストール条件の検出を示すストール信号を生成することをさらに含み得る。ストール信号を生成することは、デバウンスフィルタを使用することを含み得る。推定ｑ軸電圧を計算することは、次式を使用することを含み得る。

ここで、Ｗ_ｒは観測されたモータ速度であり、Ｋ_ｔはＢＥＭＦ定数であり、Ｉ_ｑは印加されるｑ軸電流であり、Ｒはモータ位相抵抗である。

複数の巻線を有するモータの動作を制御するためのモータ制御システムも説明され、モータ制御システムは、受け取った要求信号に基づいて、ゲートドライバに結合するためのＰＷＭ信号を生成するように構成され、印加されるｄ軸電圧を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを含むフィールド指向制御（ＦＯＣ）コントローラと、ｑ軸電圧の推定に基づいてモータのストール条件を検出するための手段とを含む。ストール条件検出手段は、ｑ軸電圧の推定を計算するための手段と、ｑ軸電圧の推定に基づいてしきい値を生成するための手段と、印加されるｑ軸電圧をしきい値と比較するための手段とを含み得る。

上記の特徴は、以下の図面の説明からより完全に理解され得る。図面は、開示される技術を説明し、理解する助けとなる。あらゆる可能な実施形態を図示し、説明することは、多くの場合、実際的ではなく、または不可能であるので、与えられる図は、１つまたは複数の例示的実施形態を示す。したがって、図は、本明細書で説明される広範な概念、システム、および技法の範囲を限定するものではない。各図の同様の番号は同様の要素を示す。

本開示による、ストール検出を伴うモータ制御システムの概略ブロック図である。 図１のモータコントローラでのストール検出を示すフローチャートである。 図２のストール検出を実装する例示的モータコントローラの図である。

図１を参照すると、モータ制御システム１０が、ＦＯＣコントローラ１４と、インバータおよび電流感知ブロック２０と、モータ４０を制御するように構成されたストールオブザーバ３０とを含む。モータ４０は複数の巻線を有し、インバータブロック２０によって電圧２２が巻線に印加される。ＦＯＣコントローラ１４は、印加されるｄ軸電圧Ｖｄ６０を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを含む。ＦＯＣコントローラ１４のゲートドライバが、ユーザが与えた速度要求信号Ｗｒ^＊２４に対応する所望の速度を達成するために、インバータブロック２０のスイッチに制御信号１８（すなわち、ＰＷＭ信号）を与えてモータ巻線電圧２２を制御する空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）ブロック１６を含み得る。

本開示によれば、ストールオブザーバ３０（本明細書では代替としてストール検出器３０とも呼ばれる）が、モータのストール条件を検出するために、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定を計算し、推定ｑ軸電圧に基づいて１つまたは複数のしきい値を生成し、印加されるｑ軸電圧Ｖｑをしきい値と比較するように構成される。ストール検出器３０は、印加されるｑ軸電圧Ｖｑとの比較のために、高しきい値Ｖｑ^ＥＨおよび低しきい値Ｖｑ^ＥＬを生成するように構成されたしきい値発生器を含み得る。この構成を用いて、モータのストール条件が検出され得、ストール条件信号、または単にストール信号３６が、ストール条件が発生したか否かの表示を与えるために生成され得る。ストール信号３６は、モータをオフにし、かつ／または再始動するなどの処置を取るように構成された回路およびシステムに与えられ得る。

モータ巻線を通る電流２８が、ブロック２０の電流感知回路によって測定され得る。この目的で様々な回路が可能である。たとえば、１つまたは複数のセンス抵抗器が、もう１つのモータ巻線を通る電流２８を測定し得る。そのようないわゆる「シャント抵抗器」は、モータ電流に対する著しい効果を避けるために、比較的低い抵抗を有する。３つの相電流の和はゼロに等しく、したがって第３の電流は２つの測定された巻線電流の負の和として計算され得るので、すべての３つの相電流を測定する必要はないことを理解されよう。

ＦＯＣコントローラ１４のｄ軸制御ループは、印加されるｄ軸電圧Ｖｄ６０を生成するために、測定された相電流２８、さらには観測されたモータ位置信号θ_ｒ８２に応答する変換器５０と、総和素子５８と、比例積分（ＰＩ）制御ユニット７０とを含み得る。観測されたモータ位置信号θ_ｒ８２は、以下でさらに説明されるが、ここでは、この信号が観測された回転子位置の推定を表すと言うにとどめておく。ｄ軸フィードバック電流Ｉｄ５６が総和素子５８に結合され得、総和素子５８を用いて、ｄ軸基準電流信号５２Ｉｄ^＊がフィードバック電流と合計され得る（すなわち、差が求められる）が、弱め界磁が印加されない適用分野では、ｄ軸基準電流信号５２Ｉｄ^＊がゼロに設定され得る。総和素子５８の出力は、ＰＩ制御ユニット７０に結合するための信号５４を与える。ＰＩ制御ユニット７０は、印加されるｄ軸電圧信号Ｖｄ６０を生成するために、信号５４に比例積分制御を適用するように構成される。したがって、ｄ軸基準電流信号５２Ｉｄ^＊がゼロであるとき、信号５４はｄ軸フィードバック電流Ｉｄ５６に等しく、印加されるｄ軸電圧６０はｄ軸フィードバック電流Ｉｄ５６の比例積分表現である。

ＦＯＣコントローラ１４のｑ軸制御ループは、印加されるｑ軸電圧信号Ｖｑ７２を生成するために、変換器５０、総和素子６８、およびＰＩ制御ユニット７０を含み得る。より具体的には、変換器５０は、モータトルク出力を制御し、総和素子６８に結合され得るｑ軸フィードバック電流Ｉｑ６６を生成し、総和素子６８を用いて、ＰＩ制御ユニット７０に結合するための信号６４を生成するために、ｑ軸基準電流信号Ｉｑ^＊６２がｑ軸フィードバック電流信号Ｉｄ６６と比較される（すなわち、差が求められる）。ｑ軸基準電流信号６２Ｉｑ^＊は、速度要求信号Ｗｒ^＊２４と、観測された速度信号Ｗｒ２６との間の差を（たとえば、総和素子３２を用いて）取ることによって生成され得る。ＰＩ制御ユニット７０は、印加されるｑ軸電圧信号Ｖｑ７２を生成するために、信号６４に比例積分制御を適用するように構成される。

変換器５０は、モータ巻線電流Ｉａ，ｂ，ｃ２８を２次元直交静止量ｉ_α，ｉ_βに変換するためにクラーク変換または他の処理を実装し得、さらにパーク変換を適用して、２軸静止系ｉ_α，ｉ_βを２軸回転系ｉ_ｑ，ｉ_ｄに変換し得、ｄ軸電流が回転子磁束と整列され、ｑ軸電流（トルク生成成分）が回転子磁束に直交する。三相モータ巻線電流Ｉａ，ｂ，ｃ２８から２次元量ｉ_α，ｉ_βへの変換のために、観測されるモータ位置信号θ_ｒ８２が変換器５０によって使用される。

変換器７６は、印加されるｄ軸電圧Ｖｄ６０、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２、および観測されるモータ位置信号θ_ｒ８２を受けるように結合され、こうした制御信号を、ＳＶＰＷＭブロック１６に結合するためにｄ，ｑ領域から三相モータ制御信号７８に変換するように構成される。たとえば、変換器７６は、逆パーク変換を実装して、２軸回転信号Ｖｑ，Ｖｄを静止２軸系に変換し、最終的には３軸信号７８に変換し得る。この構成では、ＰＩ制御ユニット７０の出力（すなわち、印加されるｄ軸電圧信号Ｖｄ６０および印加されるｑ軸電圧信号Ｖｑ７２）が、変換角を使用して回転されて静止基準フレームに戻され、直交電圧値ＶαおよびＶβが得られる。次いで、電圧ＶαおよびＶβが数学的に変換されて三相電圧Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃに戻され、三相電圧Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが新しいＰＷＭデューティサイクルを決定する。観測されたモータ位置信号θ_ｒ８２が、２次元量ＶαおよびＶβから三相電圧Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃ７８への変換のために変換器７６によって使用される。

速度要求信号Ｗｒ^＊２４は、外部デバイスから受け取った、ユーザ提供の入力であり得、一般には、モータ４０の要求される速度を示す。速度要求信号Ｗｒ^＊２４は、様々なフォーマット、たとえばＳｉｎｇｌｅ Ｅｄｇｅ Ｎｉｂｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＳＥＮＴ）フォーマット、Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＳＰＩ）フォーマット、Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＬＩＮ）フォーマット、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）フォーマット、Ｉｎｔｅｒ－Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ（Ｉ２Ｃ）フォーマット、または他の信号フォーマットで与えられ得る。速度要求信号Ｗｒ^＊２４は、モータ４０の所望の速度を示す、選択された電圧値を有する電圧信号であり得る。速度要求信号Ｗｒ^＊２４はまた、モータ４０の所望の速度を表す選択されたデューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号であり得る。速度要求信号Ｗｒ^＊２４がＰＷＭ信号である実施形態では、ＰＷＭ制御信号１８のデューティサイクルは、速度要求信号のデューティサイクルに比例し得る。さらに、速度要求信号Ｗｒ^＊２４は、モータ４０の所望の速度を表すデジタル値を有するデジタル信号であり得る。

位置周波数オブザーバ８０は、印加されるｄ軸電圧６０および印加されるｑ軸電圧７２、ｄ軸フィードバック電流Ｉｄ５６およびｑ軸フィードバック電流Ｉｑ６６に応答して、さらにはモータ抵抗値Ｒおよびモータ磁気抵抗値Ｌ（集合的に８４と符号が付けられる）に応答して、観測されたモータ位置信号θ_ｒ８２および観測された速度信号Ｗｒ２６を生成し得る。モータ４０の仕様に基づき得るように、モータ抵抗Ｒおよびモータ磁気抵抗Ｌは、ユーザプログラム可能であり得る。オブザーバ８０は、ニューラルネットワークベースの「オンライン」学習、モデル規範形適応システム（ＭＲＡＳ）、カルマンフィルタ、適応非線形磁束オブザーバ、および／またはスライディングモードオブザーバを含み得る。前述のように、観測されたモータ位置信号θ_ｒ８２は、信号変換のための変換角を与えるために変換器５０によって使用され得、観測された速度信号Ｗｒ２６は、ｑ軸基準電流信号６２Ｉｑ^＊を生成するために使用され得る。

前述のように、ストール検出器３０は、モータのストール条件を検出するために、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定を計算し、計算したｑ軸電圧の推定に基づいて１つまたは複数のしきい値を生成し、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２をしきい値と比較するように構成される。この目的で、ストール検出器３０は、以下で説明されるように、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２、ｑ軸フィードバック電流Ｉｑ６６、さらにはモータ巻線抵抗値Ｒおよびｂｅｍｆ定数Ｋｔ（集合的に７４と符号が付けられる）に応答し得る。

ストール検出器３０はプロセッサ１００を含み得、プロセッサ１００を用いてｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定が計算される。ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅは、次式（１）に基づいて推定され得る。

ここで、Ｒはオーム単位のモータ位相の抵抗を表し、Ｉｑはアンペア単位のｑ軸電流６６であり、Ｗｒはラジアン／秒単位の観測された回転子速度信号２６によって与えられ、Ｌｄは、ユーザプログラム可能値であり得るような、ヘンリー単位の１つのモータ位相のｄ軸インダクタンスであり、Ｉｄはアンペア単位のｄ軸電流５６であり、Ｋｔは、ユーザプログラム可能値であり得るような、Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）単位のｂｅｍｆ定数であり、Ｌｑは、ユーザプログラム可能値であり得るような、ヘンリー単位の１つのモータ位相のｑ軸インダクタンスであり、ρはＬｑとＩｑの積の変化率（すなわち、導関数）を表す。

式（１）は、弱め界磁を適用しないことによって（すなわち、Ｉｄ^＊＝０に設定することによって）、かつ定常状態でＩｑパラメータの変化がない（すなわち、ρがほぼゼロである）と仮定することによって単純化され得る。得られるｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定の単純化された計算が、次式（２）によって与えられる。

有利には、このような形のｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定の計算の単純化は、マイクロコントローラ１００での処理の複雑さおよび時間を最小限に抑え得る。しかしながら、代替として、必要なら式（２）から省かれた式（１）の追加の項が使用され得ることを当業者は理解されよう。

ストール検出器３０は、モータ制御サイクル（すなわち、ＰＷＭサイクル）当たり１回など、様々な時および比率でｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定を計算し得る。例示的実施形態では、そのような更新率は、約１５ＫＨｚから３５ＫＨｚの間であり得る。しかしながら、この範囲は一例に過ぎず、特定の適用要件に適合するように変化し得ることを当業者は理解されよう。このように計算されたｑ軸電圧推定は、ＥＥＰＲＯＭなどのメモリ内に格納され得る。

プロセッサ１００は、１つまたは複数のしきい値、または印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２がそれと比較され得るしきい値を生成し得る。たとえば、プロセッサ１００は、推定ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅに基づいて高しきい値Ｖｑ^ＥＨおよび低しきい値Ｖｑ^ＥＬを生成し得る。実施形態では、高しきい値および低しきい値が次式のように生成され得る。

ここで、Ｋ_ＨおよびＫ_Ｌは、それぞれ高しきい値変数および低しきい値変数である。一例として、Ｋ_Ｈは１．０から３．０の間であり得、Ｋ_Ｌは１未満であり得る。いくつかの実施形態では、高しきい値変数Ｋ_Ｈおよび低しきい値変数Ｋ_Ｌは、製造中に調整され得る。たとえば、これらの変数Ｋ_ＨおよびＫ_Ｌは、通常動作中にストール条件の検出がなくなるまで調節され得る。このようにして生成されたしきい値Ｖｑ^ＥＨおよびＶｑ^ＥＬは、ＥＥＰＲＯＭ内に格納され得る。

本明細書では、「プロセッサ」および「コントローラ」という用語は、機能、動作、または動作のシーケンスを実施する電子回路を記述するために使用される。機能、動作、または動作のシーケンスは、電子回路内にハードコーディングされ、またはメモリデバイス内に保持される命令によってソフトコーディングされ得る。機能、動作、または動作のシーケンスは、デジタル値を使用して、またはアナログ信号を使用して実施され得る。いくつかの実施形態では、プロセッサまたはコントローラが、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）はアナログＡＳＩＣもしくはデジタルＡＳＩＣであり得るＡＳＩＣ、関連するプログラムメモリを有するマイクロプロセッサ、および／またはアナログもしくはデジタルであり得るディスクリート電子回路で具体化され得る。プロセッサまたはコントローラは、機能、動作、または動作のシーケンスの部分を実施する内部プロセッサまたはモジュールを含み得る。同様に、モジュールが、モジュールの機能、動作、または動作のシーケンスの部分を実施する内部プロセッサまたは内部モジュールを含み得る。

プロセッサ１００は、モータのストール条件を検出するために、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２をしきい値Ｖｑ^ＥＨおよびＶｑ^ＥＬと比較するように構成され、したがって、いわゆる比較器を含むように見なされ得る。より具体的には、プロセッサ１００は、印加されるｑ軸電圧７２が高しきい値Ｖｑ^ＥＨよりも高く、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満であるか否かを判定する。比較機能が、入力信号がしきい値レベルよりそれぞれ上または下であり、あるいはデジタル値がデジタルしきい値（または別のデジタル値）よりそれぞれ上または下であることを示す少なくとも２つの状態を有する出力信号を有するデジタル回路（たとえば、プロセッサ１００）から構成され得ることを当業者は理解されよう。代替として、そのような比較機能は、入力信号がしきい値レベルより上または下であることを示す２状態出力信号を有するアナログ比較器と共に実装され得る。

ストール検出器３０は、ストール条件信号３６を生成する際に使用するためのタイマ１０６およびデバウンスフィルタ１１０をさらに含み得る。以下でさらに説明されるように、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が、タイマ１０６の所定のタイムアウト間隔を超えて高しきい値Ｖｑ^ＥＨより高いままであり、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満のままである場合、モータのストール条件が検出され得る。「所定の」により、製造時に工場で、またはその後で外部手段、たとえばプログラミングによって値が設定され、または固定されることを意味する。たとえば、タイムアウト間隔はユーザプログラム可能であり得る。高しきい値Ｖｑ^ＥＨよりも高かった、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が、次いで高しきい値未満に降下した場合、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満であった、印加されるｑ軸電圧が、増加して低しきい値を超えた場合、ストール検出器３０は、タイマ１０６をリセットするように構成され得る。

デバウンスフィルタ１１０の使用は、条件が、実際のモータストール条件以外の理由で、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２に誤って高しきい値Ｖｑ^ＥＨを超過させ、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満に降下させ得るとき、始動中および高速過渡条件中のストール条件の誤検出を防止し得る。デバウンス機能は図２に関連して以下でさらに説明される。ここでは、始動中および高速過渡条件下で、（たとえば、印加されるｑ軸電圧Ｖｑが推定回転子位置信号θ_ｒ８２に部分的に基づき、そのような推定がパワーアップの直後または過渡中に正確ではないことがあるので）印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が急速に上昇し得、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの計算された推定がわずかに遅れ得ると言うにとどめておく。過渡条件は、限定はしないが、たとえば、低速から最大速度になること、または高速から低速への急速な減速を含み得る。高しきい値Ｖｑ^ＥＨとデバウンスフィルタ時間の組合せは、過渡中および始動中のストール条件の偽検出を防止し得る。

記載の方式でのストール検出は、限定はしないが、モータ揺動中のストール検出、不正確なセンサレス制御周波数ロックの検出、モータパラメータ変動誤差からの独立性（モータインダクタンスパラメータが使用されないため）、比較的低い計算強度および複雑さ、およびデバウンス機能を使用することによる始動および高速過渡条件下の検出精度の改善を含む、いくつかの利点をもたらす。

ブロックおよびその機能の図示される描写は例示的なものに過ぎないこと、およびストール検出器３０の実装は、設計上の考慮事項に応じて様々であり得ることを当業者は理解されよう。さらに、本明細書の図に示される電子回路はアナログブロックまたはデジタルブロックの形式で示され得るが、アナログブロックが同一または類似の機能を実施するデジタルブロックで置き換えられ得、デジタルブロックが同一または類似の機能を実施するアナログブロックで置き換えられ得ることを理解されよう。アナログ－デジタルまたはデジタル－アナログ変換は図には明示的に示されないことがあるが、そのことを理解されたい。

モータ制御システム１０の構成要素が様々な形態で実装され得ることも当業者は理解されよう。たとえば、いくつかの実施形態では、図３の例示的モータコントローラで示されるように、ＦＯＣコントローラ１４およびストール検出器３０が集積回路（ＩＣ）で実装される。

図２も参照すると、モータストール条件を検出するための方法２００のフローチャートが示されている。方法はボック２０４から始まり、ストール制御が開始し、タイマ（たとえば、図１のタイマ１０６）がリセットされる。方法２００が最初に実施されるのは、モータを動作させるコマンドが開始されるときである。前述のように、ストール検出プロセス２００が様々な時および比率で実施され得る。たとえば、プロセス２００は、モータ制御周期当たり１回実施され得る。

ブロック２０８で、式（２）に関連して上記で説明されたように、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定が計算される。プロセス２００が最初に実施された後（すなわち、第１のＰＷＭサイクルの後）、プロセス２００はブロック２０８を開始する（すなわち、タイマはブロック２０４で再び初期化されない）。

ブロック２１２で、１つまたは複数のしきい値が生成される。たとえば、高しきい値Ｖｑ^ＥＨおよび低しきい値Ｖｑ^ＥＬが、それぞれ式（３）および（４）に関連して上記で説明されたように、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定に基づいて生成され得る。

ブロック２１４で、タイムアウトが生じたか否か（すなわち、タイマが所定の時刻に達したか否か）が判定される。例示的実施形態では、タイムアウト間隔は５ＰＷＭサイクル程度であり得る。タイムアウト間隔はユーザプログラム可能であり、または所定のものであり、またはプリセットされ得る。

タイムアウトが生じた場合、ブロック２３２でストール条件が検出され、その後に続いて、ブロック２３６でストール制御プロセスが終了する。ストール条件の検出は、ストール信号３６（図１）を生成することを含み得る。

タイムアウトが発生していないとブロック２１４で判定された場合、ブロック２１６で、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２（図１）が高しきい値Ｖｑ^ＥＨおよび低しきい値Ｖｑ^ＥＬと比較され、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が高しきい値Ｖｑ^ＥＨより高く、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満であるかどうかが判定される。印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が高しきい値Ｖｑ^ＥＨより高くなく、かつ低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満ではない場合、ブロック２２０でタイマがリセットされる。一方、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が高しきい値Ｖｑ^ＥＨより高く、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満であるとブロック２１６で判定された場合、ブロック２３６でストール制御プロセスは終了する。

記載のプロセス２００では、プログラム可能タイムアウト期間または間隔よりも長い間にわたって、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が高しきい値Ｖｑ^ＥＨよりも高く、または低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満である場合、ストール条件が検出され、一方、条件がタイムアウト期間の前に変化した場合、タイマが（ブロック２２０で）リセットされ、ストール条件の検出がトリガされる前は、別の全タイムアウト期間にわたってストール条件が永続的である必要がある。このようにして、方法２００は、始動時に、または過渡条件に応答して生じる可能性が特に高いような、ストール条件を誤って検出することを回避するために、デバウンス機能を提供する。

モータストール条件が生じるとき、推定ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅは、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２よりもかなり高く、または低いことがある。さらに、ｑ軸電流Ｉｑ６６は一般に、所与の印加されるｑ軸電圧Ｖｑについての通常の動作条件下よりもずっと高くなる。したがって、このストールシナリオでは、ｑ軸電圧７２は低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満に降下し、したがってストール条件が検出される。適用されるモータ速度がセンサレス推定未満であり、コントローラがそれを確認できない別のシナリオでは（すなわち、不正確なセンサレス制御周波数ロックのために生じ得るように）、推定ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅは（式２による推定モータ速度に部分的に基づくように）再び高くなり、したがって、印加されるｑ軸電圧Ｖｑは再びＶｑ^ＥＬ未満に降下し、それによってストール条件検出をトリガする。

モータ４０が前後に揺動するモータ揺動シナリオでは、回転方向が変化する度にモータがずっと高いトルクを必要とするので、ｑ軸電流Ｉｑ６６は、通常の動作条件下よりもずっと高くなる。このシナリオでは、印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が低しきい値Ｖｑ^ＥＬ未満に降下し、それによってストール条件検出をトリガする。

前述のように、始動中および高速過渡条件下で、（たとえば、印加されるｑ軸電圧Ｖｑが推定回転子位置信号θ_ｒ８２に部分的に基づき、そのような推定がパワーアップの直後または過渡中に正確でないことがあるので）印加されるｑ軸電圧Ｖｑ７２が急速に上昇し得、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの計算された推定がわずかに遅れ得る。こうした条件下で、印加されるｑ軸電圧Ｖｑは高しきい値Ｖｑ^ＥＨを超過し、それによってストール検出をトリガする。

（要素２０８によって代表される）矩形要素は、本明細書では「処理ブロック」として示され、（要素２１６によって代表される）ダイヤモンド形状の要素は本明細書では「判定ブロック」として示され、そのどちらかまたは両方は、コンピュータソフトウェア命令または命令のグループを表すことを理解されよう。図２のフローチャートは本明細書で開示される例示的実施形態を表し、略述されるプロセスの後に一般に続く変形形態は、本明細書で説明され、特許請求される概念、システム、および技法の範囲内にあると見なされることに留意されたい。ブロックの一部またはすべては、機能的に等価な回路によって実施される動作を表し得る。さらに、いくつかのブロックは手動で実施され得、他のブロックは機械によって実施され得る。フローチャートは、何らかの特定のプログラミング言語の構文を示すわけではない。むしろ、フローチャートは、特定の装置の必要とされる処理を実施するために回路を製造し、かつ／またはコンピュータソフトウェアを生成するのに当業者が必要とする情報を示す。ループおよび変数の初期化や、一時的変数の使用などの多くのルーチンプログラム要素は図示されていないことに留意されたい。本明細書に別段に規定されていない限り、記載の特定のシーケンスは例示的なものに過ぎず、ある場合には、本明細書で説明され、かつ／または特許請求される概念の趣旨から逸脱することなく変更され得ることを当業者は理解されよう。したがって、別段に記載されていない限り、以下で説明されるプロセスは順序がなく、可能なときは、図に示される動作が、同時を含む任意の好都合な順序または望ましい順序で実施され得ることを意味する。

図３も参照すると、例示的モータ制御システム３００が、モータ３４０を制御するように構成されたＦＯＣコントローラ３１４、インバータ３０６、およびストールオブザーバ３３０を含む。システム３００のモータ制御素子は、制御システムの他の部分ならびに他の外部回路およびシステムとの間で信号を与え、受け取るための接続（たとえば、ピンまたは端子）を有するボックス３１０で表されるように集積回路の形態で実装され得る。ＦＯＣコントローラ３１４は、図１のＦＯＣコントローラ１４と同一または同様であり得、ストールオブザーバ３３０は、図１のストールオブザーバ３０と同一または同様であり得る。コントローラＩＣ３１０に対してどの素子が内部にあり、どの素子が外部にあるかの描写は変化し得ることを当業者は理解されよう。

モータ３４０は複数の巻線を有し、インバータ３０６によって電圧が巻線に印加される。三相モータとして示されているが、モータ３４０はより多くの位相または少ない位相を含み得、その場合、モータコントローラ３１０は、三相より多くの位相または少ない位相でモータを制御するように適合され得る。図示されるインバータ３０６は、半ブリッジ構成で構成された複数のスイッチＱ１～Ｑ６（たとえば、電界効果トランジスタ、ＦＥＴ）を含み、各半ブリッジ（すなわち、Ｑ１／Ｑ２、Ｑ３／Ｑ４、およびＱ５／Ｑ６）が、モータの対応する位相についての駆動信号を生成する。ゲートドライバ３１６は図１のＳＶＰＷＭ回路１６と同一または同様であり得、したがって所望の速度を達成するために、インバータ３０６のスイッチＱ１～Ｑ６に制御信号（すなわち、ＰＷＭ信号）を与えて、モータ巻線を通る電流を制御する。ＰＷＭ制御信号は、高電位側ゲート駆動出力端子ＧＨｘおよび低電位側ゲート駆動出力端子ＧＬｘを通じてスイッチＱ１～Ｑ６のゲート端子に選択的に結合され得る。より具体的には、所与の半ブリッジ回路内の上側トランジスタ（たとえば、トランジスタＱ１、Ｑ３、およびＱ５のうちの１つ）をオンにして、上側トランジスタを通じて供給電圧ＶＢＢをモータに結合し、別の半ブリッジ回路内の下側トランジスタ（たとえば、トランジスタＱ２、Ｑ４、およびＱ６のうちの１つ）をオンにして、下側トランジスタを通じて接地電位ＧＮＤをモータに結合し、それによって電流がモータの対応する巻線を流れることを可能にすることによって、電力がモータ３４０に供給される。

所望の速度は、（図１の速度要求信号Ｗｒ^＊２４と同一または同様であり得るような）ＰＷＭ＿ｉｎ信号の形で速度制御端子ＰＷＭ／ＳＰＤで与えられるユーザ入力であり得る。ＰＷＭ＿ｉｎ信号はＥＥＰＲＯＭ３３２内に格納され得、追加のブロック３５０に結合され得、追加のブロック３５０を用いて、選択可能な速度制御モードが制御される。たとえば、ＰＷＭモードでは、モータ速度が、ＰＷＭ＿ｉｎ信号のデューティサイクルによって制御され得、アナログモードでは、モータ速度が、ＰＷＭ／ＳＰＤピンに印加されるアナログ電圧の振幅によって制御され得、クロックモードでは、モータ速度が、入力クロックの周波数によって制御され得、スタンドバイモードでは、（チャージポンプおよびＶＲＥＧ以外の）すべての回路がオフにされ得る。図示されるように、コントローラＩＣ３１０は、スイッチの下側ソースに結合するための端子ＬＳＳを含み得る。

モータ相電流は、入力ＳＥＮＰおよびＳＥＮＮでコントローラＩＣ３１０に結合するためのセンス抵抗器３４４によって感知され得る。電流増幅器３４８が、（図１の電流信号２８と同一または同様であり得る）感知された電流をＦＯＣコントローラ３１４に結合するために、感知されたモータ電流を増幅し得る。

コントローラＩＣ３１０は、外部＋４８Ｖ電源によって供給され得るような供給電圧をＶＢＢ端子で受け得る。供給電圧はまた、電力損失ブレーキユニット３２０に結合するためのＶＩＮ端子に結合され得、電力損失ブレーキユニット３２０は、入力電力の損失がある場合にモータ３４０を減速するように動作し得る。バイアス電圧が外部インダクタおよびコンデンサによって生成され得、ＶＢＩＡＳ端子を通じて１つまたは複数の調整器３２４に結合され得る。たとえば、ＶＢＩＡＳ端子は、図示されるように、インダクタおよびコンデンサを含む外部Ｂｕｃｋ調整器３２８に結合され得る。スイッチ端子ＳＷが、Ｂｕｃｋ調整器３２８のスイッチ（図示せず）に結合され得る。調整器３２４は、オンチップ回路に電力供給し、さらにはＶＲＥＦ端子で基準電圧を供給するための調整電圧を生成し得る。

コントローラＩＣ３１０は、モータ３４０の動作に関するパラメータを格納するためのＥＥＰＲＯＭまたは他のタイプの不揮発性メモリと、様々な値およびパラメータを格納し、一定の機能を制御するための制御ロジックとを含み得るような、メモリおよび制御ロジックブロック３３２を含み得る。

コントローラＩＣ３１０の追加の端子は、ＥＥＰＲＯＭ３３２を通じてプログラムされ得る選択可能な機能に基づいて速度情報（ＦＧ）または回転検出情報（ＲＤ）が与えられ得るＦＧ／ＲＤ出力を含み得る。Ｎｂｒａｋｅ端子が、モータブレーキング機能を制御するための外部信号を受け取り得る。内部システムクロックユニット３３８に結合するためのシステムクロック基準信号がＲＯＳＣ端子で受け取られ得る。

制御ロジック３３２からの信号に応答して、障害がｎＦＬＴ端子でレポートされ得る。たとえば、ストールオブザーバ３３０の動作に基づいて、ストール検出がｎＦＬＴ端子でレポートされ得る。過電流、過電圧、不足電圧条件などの他の障害も検出およびレポートされ得る。

ストールオブザーバ３３０（本明細書では代替としてストール検出器３３０とも呼ばれる）が、モータのストール条件を検出するために、ｑ軸電圧Ｖｑ^Ｅの推定を計算し、推定ｑ軸電圧に基づいて１つまたは複数のしきい値を生成し、印加されるｑ軸電圧Ｖｑをしきい値と比較するように構成される。ストール検出器３０は、印加されるｑ軸電圧Ｖｑとの比較のために、高しきい値Ｖｑ^ＥＨおよび低しきい値Ｖｑ^ＥＬを生成するように構成されたしきい値発生器を含み得る。この構成を用いて、モータ３４０のストール条件が検出され得、ストール条件信号、または単にストール信号３３６が、ストール条件が発生したか否かの表示を与えるために生成され得る。ストール信号３３６は、コントローラ端子ｎＦＬＴに結合するための制御ロジック３３２に与えられ得る。

本明細書で引用されたすべての参考文献が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

好ましい実施形態を説明したので、その概念を組み込む他の実施形態が使用され得ることが当業者には今や明らかであろう。本明細書で説明された相異なる実施形態の要素が組み合わされて、上記で具体的には説明されていない他の実施形態が形成され得る。単一の実施形態の文脈で説明される様々な要素はまた、別々に、または任意の適切なサブコンビネーションで提供され得る。本明細書で具体的には説明されていない他の実施形態も以下の特許請求の範囲内にある。たとえば、三相モータが説明されるが、記載の原理および技法は、三相よりも多くの位相または少ない位相を有する電動機に当てはまる。

したがって、こうした実施形態は、開示される実施形態に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲のみによって限定されるべきであると思われる。

Claims (20)

1. 複数の巻線を有するモータの動作を制御するためのモータ制御システムであって、
   前記複数の巻線に印加される電圧を制御する１つまたは複数のスイッチング素子に制御信号を与えるゲートドライバと、
   前記ゲートドライバに結合するためのＰＷＭ信号を生成するように構成されたフィールド指向制御（ＦＯＣ）コントローラであって、印加されるｄ軸電圧を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを備えるＦＯＣコントローラと、
   前記モータのストール条件を検出するために、観測されたモータ速度から計算した電圧および印加されるｑ軸電流から計算した電圧に基づいて、前記ｑ軸電圧の推定を計算し、前記印加されるｑ軸電圧を前記推定に基づくしきい値と比較するように構成されたストール検出器と
   を備えるモータ制御システム。
2. 前記ストール検出器が、前記印加されるｑ軸電圧との比較のために、前記ｑ軸電圧の前記推定に基づいて高しきい値および低しきい値を生成するように構成されたしきい値発生器を備える、請求項１に記載のモータ制御システム。
3. 前記ストール検出器がタイマをさらに備え、前記印加されるｑ軸電圧が前記高しきい値より高くなった場合、または低しきい値未満となった場合、前記ストール検出器が前記タイマをリセットするように構成される、請求項２に記載のモータ制御システム。
4. 前記印加されるｑ軸電圧が、前記タイマの所定のタイムアウト間隔を超えて前記高しきい値より高いままであり、または前記低しきい値未満のままである場合、前記モータの前記ストール条件が検出される、請求項３に記載のモータ制御システム。
5. 前記ストール検出器が、前記ストール条件の検出に応答して、前記モータの前記ストール条件を示すストール信号を生成するように構成される、請求項４に記載のモータ制御システム。
6. 前記ストール検出器が、前記ストール信号を生成するように構成されたデバウンスフィルタをさらに備える、請求項５に記載のモータ制御システム。
7. 前記ストール検出器が、
   に従って前記推定ｑ軸電圧を計算するように構成され、Ｗｒが前記観測されたモータ速度であり、ＫｔがＢＥＭＦ定数であり、Ｉｑが前記印加されるｑ軸電流であり、Ｒがモータ位相抵抗である、請求項１に記載のモータ制御システム。
8. 前記ＦＯＣコントローラが、モータ位置推定θおよび前記観測されたモータ速度Ｗｒを生成するように構成された位置周波数オブザーバをさらに備える、請求項７に記載のモータ制御システム。
9. 前記複数の巻線のうちの１つまたは複数を通る電流を測定するために前記複数の巻線のうちの前記１つまたは複数に結合された電流測定回路をさらに備える、請求項８に記載のモータ制御システム。
10. 前記ＦＯＣコントローラの前記ｄ軸制御ループおよび前記ｑ軸制御ループのそれぞれが、比例積分（ＰＩ）ユニットを備える、請求項１に記載のモータ制御システム。
11. 複数の巻線を有するモータでのストール条件を検出する方法であって、
    前記複数の巻線に制御された電圧を印加するステップと、
    前記複数の巻線のうちの１つまたは複数を通る電流を測定するステップと、
    印加されるｄ軸電圧を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを備えるフィールド指向制御（ＦＯＣ）コントローラを用いて、前記制御された電圧を前記複数の巻線に印加するように構成されるゲートドライバに結合するためのＰＷＭ信号を生成するステップと、
    観測されたモータ速度から計算した電圧および印加されるｑ軸電流から計算した電圧に基づいて、前記ｑ軸電圧の推定を計算するステップと、
    前記印加されるｑ軸電圧を前記ｑ軸電圧の前記推定に基づくしきい値と比較するステップと、
    前記比較に基づいて前記モータのストール条件を検出するステップと
    を含む方法。
12. プログラム可能変数に基づいて前記しきい値を生成するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. しきい値を生成するステップが、高プログラム可能変数に基づいて高しきい値を生成するステップと、低プログラム可能変数に基づいて低しきい値を生成するステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ストール条件を検出するステップが、前記印加されるｑ軸電圧が前記高しきい値未満となったとき、または前記低しきい値より高くなったとき、タイマをリセットするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記印加されるｑ軸電圧が、前記タイマの所定のタイムアウト間隔を超えて前記高しきい値より高いままであり、または前記低しきい値未満のままである場合、前記モータの前記ストール条件が検出される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ストール条件の検出を示すストール信号を生成するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ストール信号を生成するステップが、デバウンスフィルタを使用するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記推定ｑ軸電圧を計算するステップが、
    を使用するステップを含み、Ｗｒが前記観測されたモータ速度であり、ＫｔがＢＥＭＦ定数であり、Ｉｑが前記印加されるｑ軸電流であり、Ｒがモータ位相抵抗である、請求項１１に記載の方法。
19. 複数の巻線を有するモータの動作を制御するためのモータ制御システムであって、
    受け取った要求信号に基づいて、ゲートドライバに結合するためのＰＷＭ信号を生成するように構成されたフィールド指向制御（ＦＯＣ）コントローラであって、印加されるｄ軸電圧を生成するように構成されたｄ軸制御ループと、印加されるｑ軸電圧を生成するように構成されたｑ軸制御ループとを備えるＦＯＣコントローラと、
    前記ｑ軸電圧の推定に基づいて前記モータのストール条件を検出するための手段と
    を備え、
    前記ｑ軸電圧の推定は観測されたモータ速度から計算した電圧および印加されるｑ軸電流から計算した電圧に基づくモータ制御システム。
20. 前記ストール条件検出手段が、
    前記ｑ軸電圧の推定を計算するための手段と、
    前記ｑ軸電圧の前記推定に基づいてしきい値を生成するための手段と、
    前記印加されるｑ軸電圧を前記しきい値と比較するための手段と
    を備える、請求項１９に記載のモータ制御システム。