DE112014000512T5

DE112014000512T5 - Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE112014000512T5
Application number: DE112014000512.6T
Authority: DE
Inventors: Arinori Shimada; Subrata Saha; Tatsuya Okubo
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-10-15
Also published as: JP6056959B2; CN105027422B; WO2014157628A1; JPWO2014157628A1; CN105027422A; US9438153B2; US20150357956A1

Abstract

Die Magnetpolposition wird ungeachtet des Betriebszustands einer rotierenden elektrischen Maschine genau geschätzt. Eine Vorrichtung weist auf: einen Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3, der die Magnetpolposition eines Rotors auf der Grundlage einer induzierten Spannung berechnet, einen Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5, der ein Hochfrequenzbeobachtungssignal einer rotierenden elektrischen Maschine zum Berechnen der Magnetpolposition zuführt, und einen Schaltabschnitt 1, der einen Berechnungsmodus zwischen zumindest zwei Modi schaltet, die einen Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 und einen Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 aufweisen. Der Schaltabschnitt 1 wendet den Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in einem Hochdrehzahldrehbereich RH an, der durch eine Drehzahl und das Drehmoment vorgegeben ist, und wendet den Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in einem Niedrigdrehzahldrehbereich RL an. Der Schaltabschnitt stellt sowohl eine hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB als auch eine niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze LB derart ein, dass sie auf einer Seite sind, auf der die Drehzahl in dem Fall niedrig ist, in dem das Drehmoment relativ hoch ist im Vergleich zu einem Fall, in dem das Drehmoment relativ niedrig ist. Die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB ist die Grenze zwischen dem Hochdrehzahldrehbereich RH und einer Region auf der niedrigeren Drehzahlseite. Die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze LB ist die Grenze zwischen dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL und einer Region auf der höheren Drehzahlseite.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine Vektorregelung an einer rotierenden elektrischen Maschine durchführt.
STAND DER TECHNIK
Ein Steuerungsverfahren, das als Vektorregelung bezeichnet wird, ist als ein Steuerungsverfahren für eine rotierende elektrische Permanentmagnet-Synchronmaschine, beispielsweise einen Drei-Phasen-Synchronmotor, bekannt. In der Vektorregelung werden zur Durchführung einer Regelung Motorströme, die durch Startorspulen des Motors für drei Phasen fließen, einer Koordinatenumwandlung in Vektorkomponenten für zwei Phasen unterzogen, nämlich einer d-Achse, die sich in der Richtung eines Magnetfeldes erstreckt, das durch einen in einem Rotor angeordneten Permanentmagneten erzeugt wird, und einer q-Achse, die orthogonal zu der d-Achse ist. Für die Koordinatenumwandlung ist es notwendig, die Position des Rotors (Magnetpolposition) genau zu erfassen. In vielen Fällen wird ein Drehsensor wie ein Resolver zur Erfassung der Magnetpolposition verwendet. Zum Zwecke der Kostenreduktion wird jedoch gelegentlich eine sensorlose Magnetpolerfassung durchgeführt, bei der die Magnetpolposition elektrisch auf der Grundlage eines elektrischen Phänomens, das mit der übereinstimmt, Magnetpolposition ohne Verwendung eines Drehsensors erfasst wird. Beispielsweise kann eine induzierte elektromagnetische Kraft, die durch die Drehung des Rotors erzeugt wird, zur elektrischen Erfassung der Magnetpolposition verwendet werden. Da in dem Fall, in dem der Rotor stationär ist, oder in dem Fall, in dem der Rotor mit einer sehr niedrigen Drehzahl dreht, keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt wird oder nur eine kleine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt wird, kann jedoch die Magnetpolposition durch dieses Verfahren nicht genau erfasst werden. Daher wurde außerdem ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Hochfrequenzstrom oder eine Hochfrequenzspannung einem Motor zugeführt wird, und die Magnetpolposition entsprechend einer Antwort (Reaktion) von dem Motor geschätzt wird.
Wenn versucht wird, die Magnetpolposition (oder die Phase eines rotierenden d-q-Achsen-Koordinatensystems) durch entweder das eine induzierte elektromagnetische Kraft verwendende Verfahren oder das eine Hochfrequenz beaufschlagende Verfahren, das heißt, durch ein einzelnes Verfahren zu ermitteln, ist die Genauigkeit in einem Hochdrehzahldrehbereich (einer Region, in der die Drehfrequenz hoch ist) oder einem Niedrigdrehzahldrehbereich (einer Region, in dem die Drehfrequenz niedrig ist) reduziert. Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.: H10-94298 ( JP H10-94298 A ) (Patentdokument 1) schlägt eine Technologie vor, die sich eines derartigen Problems bezüglich einer sensorlosen Magnetpolerfassung annimmt. Gemäß Patentdokument 1 werden zwei Phasenermittlungsverfahren, nämlich ein Phasenermittlungsverfahren für einen Niedrigfrequenzbereich und ein Phasenermittlungsverfahren für einen Hochfrequenzbereich zur Erzeugung von Phasen verwendet, und die zwei Phasen werden einer gewichteten Durchschnittsbildung in Bezug auf die Frequenz unterzogen, um die Phase eines d-q-Achsen-Koordinatensystems zu erhalten.
Durch Anwenden der Technologie gemäß Patentdokument 1 wird die Phase auf der Grundlage eines für die Drehfrequenz geeigneten Verfahrens unter den zwei Verfahren ermittelt, indem die zwei Phasen einer gewichteten Durchschnittsbildung in Bezug auf die Frequenz unterzogen werden, um zwischen den zwei Phasenermittlungsverfahren mit einem gewissen Verhältnis entsprechend der Drehfrequenz zu schalten. Sowohl bei dem Verfahren, das in dem Niedrigfrequenzbereich verwendet wird (beispielsweise das Verfahren, bei dem ein Hochfrequenzstrom oder eine Hochfrequenzspannung dem Motor zugeführt wird) als auch bei dem Verfahren, das in dem Hochfrequenzbereich verwendet wird (beispielsweise das Verfahren, das eine induzierte elektromotorische Kraft verwendet), tendiert jedoch die Schätzgenauigkeit beim Schätzen der Magnetpolposition dazu, entsprechend einem Drehmoment des Motors zu variieren. Somit kann eine ausreichende Genauigkeit bei der Ermittlung der Phase (Schätzen der Magnetpolposition) nur durch Umschalten des Phasenermittlungsverfahrens und Ermitteln des Gewichts für die gewichtete Durchschnittsbildung auf der Grundlage der Drehfrequenz nicht gewährleistet werden.
Dokumente gemäß dem Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.: H10-94298 ( JP H10-94298 A )

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
(Durch die Erfindung zu lösendes Problem)
Im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es wünschenswert, eine Technologie zum genauen Schätzen der Magnetpolposition ungeachtet des Betriebszustands einer rotierenden elektrischen Maschine bereitzustellen.
(Mittel zum Lösen des Problems)
Im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Sachverhalt wird erfindungsgemäß bereitgestellt:
eine Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Maschine steuert, die einen Rotor aufweist, in dem ein Permanentmagnet angeordnet ist, um ein magnetisches Schenkelpolverhalten bereitzustellen, und die eine Regelung an der rotierenden elektrischen Maschine auf der Grundlage einer Abweichung zwischen einem Strombefehl und einem Rückkopplungsstrom von der rotierenden elektrischen Maschine in einem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem ausführt, das durch eine d-Achse, die sich in einer Richtung eines durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes erstreckt, und eine q-Achse definiert ist, die orthogonal zu der d-Achse ist, wobei die Steuerungsvorrichtung für die rotierende elektrische Maschine aufweist:
einen Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt, der eine Magnetpolposition des Rotors auf der Grundlage einer induzierten Spannung berechnet, die in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird,
einen Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt, der der rotierenden elektrischen Maschine ein Hochfrequenzbeobachtungssignal zuführt und der die Magnetpolposition des Rotors auf der Grundlage einer Hochfrequenzkomponente berechnet, die in dem Rückkopplungsstrom als eine Komponente als eine Antwort auf das Beobachtungssignal enthalten ist, und
einen Schaltabschnitt, der einen Berechnungsmodus zum Berechnen der Magnetpolposition des Rotors zwischen zumindest zwei Modi umschaltet, die einen Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus, in dem die Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt berechnet wird, und einen Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus aufweisen, in dem die Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt berechnet wird, wobei
der Schaltabschnitt einen Hochdrehzahldrehbereich, der durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine vorgegeben ist, und einen Niedrigdrehzahldrehbereich einstellt, der durch die Drehzahl und das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine vorgegeben ist und auf einer Seite vorgegeben ist, auf der die Drehzahl niedriger als diejenige in dem Hochdrehzahldrehbereich ist, den Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem Hochdrehzahldrehbereich anwendet, den Niedrigdrehzahlbereichberechnungsmodus in dem Niedrigdrehzahldrehbereich anwendet, und sowohl eine hochdrehzahlbereichsseitige Grenze als auch eine niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze derart einstellt, dass sie auf einer Seite sind, auf der die Drehzahl in dem Fall niedrig ist, in dem das Drehmoment relativ hoch ist im Vergleich zu einem Fall, in dem das Drehmoment relativ niedrig ist, wobei die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze eine Grenze zwischen einer Region auf einer Seite, auf der die Drehzahl niedriger als diejenige in dem Hochdrehzahldrehbereich ist, und dem Hochdrehzahldrehbereich ist, und die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze eine Grenze zwischen einer Region auf einer Seite, auf der die Drehzahl höher als diejenige in dem Niedrigdrehzahldrehbereich ist, und dem Niedrigdrehzahldrehbereich ist.
Entsprechend der charakteristischen Konfiguration weist die Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt und den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt auf und kann die Magnetpolposition in einem Drehzahlbereich schätzen, der zu jeden der Berechnungsabschnitte passt. Weiterhin schaltet der Schaltabschnitt den Berechnungsmodus zwischen zumindest zwei Modi zum Berechnen der Magnetpolposition um, was es ermöglicht, die Magnetpolposition über einen breiten Drehzahlbereich genau zu schätzen. In dem Schaltabschnitt werden der Niedrigdrehzahldrehbereich und der Hochdrehzahldrehbereich eingestellt, und diese Drehzahlbereiche werden nicht nur einfach entsprechend der Drehzahl eingestellt, sondern ebenfalls entsprechend dem Drehmoment eingestellt. In dem Fall, in dem beispielsweise die rotierende elektrische Maschine derart gesteuert wird, dass sie ein Ausgangsdrehmoment maximiert (in dem Fall, in dem eine Maximaldrehmomentsteuerung durchgeführt wird), wird, wenn der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition schätzt, eine induzierte Spannung zum Schätzen der Magnetpolposition ebenfalls erhöht, was die Schätzgenauigkeit verbessert. Das heißt, wenn der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition schätzt, die Schätzgenauigkeit in dem Fall eines hohen Drehmoments im Vergleich zu dem Fall eines niedrigen Drehmoments verbessert ist.
Wenn der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition schätzt, wird demgegenüber die Berechnung in dem Fall eines niedrigen Drehmoments im Vergleich zu dem Fall eines hohen Drehmoments aus den nachfolgenden Gründen stabilisiert. Um die Sättigungscharakteristiken auszudrücken, wird eine dynamische Induktivität gelegentlich als die Induktivität des Rotors definiert. In dem Fall, in dem beispielsweise eine Maximaldrehmomentsteuerung durchgeführt wird, wird, wenn das Drehmoment größer wird, der q-Achsen-Strom derart erhöht, dass der q-Achsen-Magnetfluss allmählich sich einer gesättigten Region annährt. Die dynamische Induktivität wird durch ein Differential dargestellt. Daher nähert sich, wenn der q-Achsen-Strom derart erhöht wird, dass er sich einer gesättigten Region annähert, die dynamische Induktivität "0" an. Das heißt, wenn das Drehmoment größer wird, wird die dynamische q-Achsen-Induktivität kleiner. Das Schenkelpolverhältnis wird durch einen Wert angegeben, der durch Dividieren der dynamischen q-Achsen-Induktivität durch die dynamische d-Achsen-Induktivität erhalten wird. Wenn die dynamische q-Achsen-Induktivität kleiner wird, wird das Schenkelpolverhältnis niedriger, was die Stabilität beim Schätzen der Magnetpolposition unter Verwendung des Schenkelpolverhaltens verringert. Das heißt, wenn der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition schätzt, wird die Schätzgenauigkeit in dem Fall eines niedrigen Drehmoments im Vergleich zu dem Fall eines hohen Drehmoments selbst bei derselben Drehzahl verbessert.
In dem Schaltabschnitt werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, der Niedrigdrehzahldrehbereich und der Hochdrehzahldrehbereich eingestellt, und diese Drehzahlbereiche werden nicht nur einfach entsprechend der Drehzahl eingestellt, sondern ebenfalls entsprechend dem Drehmoment eingestellt. Insbesondere werden sowohl die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze als auch die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze auf einer Seite eingestellt, auf der die Drehzahl in dem Fall niedrig ist, in dem das Drehmoment relativ hoch ist im Vergleich zu einem Fall, in dem das Drehmoment relativ niedrig ist. Somit wird das Schätzen der Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt, in der die Drehzahl hoch ist und das Drehmoment hoch ist, und wird das Schätzen der Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt, in der die Drehzahl niedrig ist und das Drehmoment niedrig ist. Als Ergebnis stellt der Schaltabschnitt eine Region, in der jeder der zwei Berechnungsabschnitte stabil die Magnetpolpositionen schätzen kann, als die Anwendungsregion des Berechnungsabschnitts ein, was eine Schätzung der Magnetpolposition mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Somit kann entsprechend der charakteristischen Konfiguration die Magnetpolposition ungeachtet des Betriebszustands der rotierenden elektrischen Maschine genau geschätzt werden.
Die in der rotierenden elektrischen Maschine induzierte Spannung wird hauptsächlich in einem Stator aufgrund der Drehung des Rotors erzeugt. Somit berechnet bei der Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt vorzugsweise die Magnetpolposition des Rotors zumindest auf der Grundlage einer in dem Stator durch die Drehung des Rotors erzeugten induzierten Spannung.
Zur Verbesserung der Schätzgenauigkeit für die Magnetpolposition in dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus ist es zusätzlich wünschenswert, dass eine in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugte induzierte Spannung in geeigneter Weise spezifiziert werden sollte. Somit berechnet gemäß einer Ausgestaltung vorzugsweise der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition des Rotors unter Verwendung eines erweiterten induzierten Spannungsmodells, das eine erweiterte induzierte Spannung verwendet, die aus einer induzierten Spannung, die durch eine Drehung eines Magnetflusses erzeugt wird, der in dem Rotor durch einen d-Achsen-Strom erzeugt wird, einer induzierten Spannung, die durch Variationen in einem Strom erzeugt wird, der durch eine q-Achsen-Induktivität auf der Statorseite fließt, und einer induzierten Spannung berechnet wird, die durch eine Drehung eines Magnetflusses des Permanentmagneten erzeugt wird. Gemäß dieser Konfiguration kann die Magnetpolposition noch genauer im Vergleich zu der Magnetpolposition geschätzt werden, die unter Verwendung eines allgemeinen induzierten Spannungsmodells berechnet wird.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, schaltet der Schaltabschnitt den Berechnungsmodus derart, dass der Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem Hochdrehzahldrehbereich angewendet wird und der Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem Niedrigdrehzahldrehbereich angewendet wird. Falls die Grenze zwischen dem Hochdrehzahldrehbereich und dem Niedrigdrehzahldrehbereich fest eingestellt ist, kann der Berechnungsmodus häufig umgeschaltet werden, wenn die Drehzahl um die Grenze herum variiert wird, was ein Pendeln (Hunting) in dem Schätzergebnis der Magnetpolposition verursachen kann. Somit wird vorzugsweise für die Grenze eine Hysterese eingestellt. In der Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung berechnen vorzugsweise der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt und der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt eine Drehzahl des Rotors, wird eine Hysterese, die größer als ein Fehler in der Drehzahl ist, der durch einen Fehler in der in dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus berechneten Magnetpolposition erzeugt wird, für die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze eingestellt, und wird eine Hysterese, die größer als ein Fehler in der Drehzahl, der durch einen in der in dem Niedrigdrehzahlbereichspositionsberechnungsmodus berechneten Magnetpolposition erzeugt wird, für die niedrigdrehzahlseitige Grenze eingestellt.
Wenn ein Schalten von einem Berechnungsmodus, bei dem die Magnetpolposition nicht durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt geschätzt wird, auf einen Berechnungsmodus durchgeführt wird, bei dem die Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt geschätzt wird, gibt es eine Zeitverzögerung, in der eine Hochfrequenzbeobachtungssignal der rotierenden elektrischen Maschine zugeführt wird und eine Antwortkomponente einer Signalverarbeitung unterzogen wird. Somit ist es durch Durchführen von Vorbereitungen durch Zuführen eines Beobachtungssignals vor einem tatsächlichen Schätzen der Magnetpolposition möglich, einen Verlust einer geschätzten Magnetpolposition zu unterdrücken, wenn ein derartiges Schalten durchgeführt wird. In der Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Hochfrequenzanwendungsbereich, in dem das Beobachtungssignal der rotierenden elektrischen Maschine bei Ausführung des Berechnungsmodus, der in einer Region auf einer Seite angewendet wird, bei der die Drehzahl höher als diejenige in dem Niedrigdrehzahldrehbereich ist, benachbart zu der niedrigdrehzahlbereichsseitigen Grenze auf einer Seite eingestellt, auf der die Drehzahl höher als diejenige in der niedrigdrehzahlbereichsseitigen Grenze ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration einer Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine veranschaulicht.
2 veranschaulicht ein Beispiel für ein Drehkennfeld, das durch eine Drehzahl und ein Drehmoment vorgegeben ist.
3 veranschaulicht ein Beispiel für ein Drehkennfeld, das durch die Drehzahl und das Drehmoment vorgegeben ist.
4 veranschaulicht ein Beispiel für ein Drehkennfeld, dass durch die Drehzahl und das Drehmoment vorgegeben ist.
5 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitts veranschaulicht.
6 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem und ein δ-γ-Achsen-Vektorkoordinatensystem.
7 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem δ-β-Achsen-Vektorkoordinatensystem und dem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem.
ARTEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Wie es in 1 gezeigt ist, ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine eine Steuerungsvorrichtung, die mit einer Funktion zur Erfassung des Drehzustands (der Magnetpolposition und der Drehzahl) einer rotierenden elektrischen Wechselstrommaschine 30 in einer sogenannten sensorlosen Weise ohne Verwendung eines Drehsensors wie eines Resolvers versehen ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die rotierende elektrische Maschine 30 ein Innenpermanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM) und weist ein Schenkelpolverhalten (saliency) (einschließlich eines invertierten Schenkelpolverhaltens) auf, das heißt, dass die magnetischen Eigenschaften in der Richtung des Nordpols eines Permanentmagneten eines Rotors sich von den magnetischen Eigenschaften in einer Richtung unterscheiden, die elektrisch senkrecht dazu ist (einer Richtung, die im elektrischen Winkel um 90° dem gegenüber verschoben ist). Gemäß dem Ausführungsbeispiel verwendet, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben ist, die Motorsteuerungsvorrichtung das Schenkelpolverhalten zur Bestimmung des Drehzustands wie der Magnetpolposition, der Magnetpolrichtung und der Drehzahl in einer sensorlosen Weise, selbst wenn die rotierende elektrische Maschine 30 stationär ist oder sich mit niedriger Drehzahl dreht. Somit kann die vorliegende Erfindung auf andere Arten von rotierenden elektrischen Maschinen mit Schenkelpolverhalten, beispielsweise synchrone Reduktanzmotoren, angewendet werden. Selbstverständlich weist die rotierende elektrische Maschine 30 einen Motor (Elektromotor), einen Generator (elektrischen Generator) und einen Motorgenerator auf, der wie erforderlich sowohl als Motor als auch als Generator fungiert.
Wie es in 1 gezeigt ist, weist die Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine einen Umrichtersteuerungsabschnitt 10 und einen Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 auf. Der Umrichtersteuerungsabschnitt 10 und der Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 sind jeweils als eine ECU (elektronische Steuerungseinheit) aufgebaut, die durch eine Logikschaltung wie einen Mikrocomputer als dessen Kernelement konstruiert sind. Der Umrichtersteuerungsabschnitt 10 steuert den Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 30 über einen Umrichter 23 durch eine Stromregelung unter Verwendung eines Vektorregelungsverfahrens. Der Umrichtersteuerungsabschnitt 10 und der Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 sind jeweils aus einer Vielzahl von Funktionsabschnitten zusammengesetzt, die jeweils durch Kooperation zwischen Hardware wie einem Mikrocomputer und Software (einem Programm) implementiert sind.
Eine Gleichspannungsenergiequelle 21, die mit dem Umrichter 23 verbunden ist, ist eine wiederaufladbare Sekundärbatterie wie eine Batterie. Der Umrichter 23 wird einer Schaltsteuerung unterzogen, die entsprechend einem aus dem Umrichtersteuerungsabschnitt 10 bereitgestellten Schaltsteuerungssignal S durchgeführt wird, um Leistung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom umzuwandeln.
Beispielsweise wandelt der Umrichter 23 Gleichstromleistung aus der Gleichspannungsenergiequelle 21 in eine Drei-Phasen-Wechselstromleistung um, um die Drei-Phasen-Wechselstromleistung der rotierenden elektrischen Maschine 30 zuzuführen. Wenn die rotierende elektrische Maschine 30 als ein Generator fungiert, wandelt demgegenüber der Umrichter 23 die erzeugte Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung um, um die Gleichstromleistung der Gleichspannungsenergiequelle 21 zuzuführen.
Der Umrichter 23 weist eine Vielzahl von Schaltelementen auf. Die Schaltelemente sind vorzugsweise IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), MOSFETS (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) oder dergleichen. Anstelle derartiger Si-(Silizium-)Vorrichtungen können die Schaltelemente ebenfalls vorzugsweise SiC-(Siliziumkarbid-)Vorrichtungen wie SiC-MOSFETs und SiC-SITs (statische Induktionstransistoren (static induction transistors)) sein. Der Umrichter 23, der Leistung zwischen Gleichstromleistung und Mehrphasen-Wechselstromleistung (nachstehend Drei-Phasen-Wechselstromleistung) umwandelt, ist aus einer Brückenschaltung mit einer Vielzahl von Zweigen aufgebaut, wobei die Anzahl der Anzahl den Phasen (hier drei) entspricht, wie es allgemein bekannt ist. Das heißt, dass zwei Schaltelemente in Reihe zwischen der positiven Gleichspannungsseite (positive Energiequellenleitung) und der negativen Gleichspannungsseite (negative Energiequellenleitung) des Umrichters 23 geschaltet sind, um einen Zweig aufzubauen. Dabei wird das Schaltelement, das mit der positiven Energiequellenleitung verbunden ist, als "oberes Schaltelement" bezeichnet, und wird das Schaltelement, das mit der negativen Energiequellenleitung verbunden ist, als "unteres Schaltelement" bezeichnet.
In dem Fall, in dem die Mehrphasen-Wechselstromleistung eine Drei-Phasen-Wechselstromleistung ist, sind drei Reihenschaltungen (die jeweils einem Zweig entsprechen) parallel geschaltet. Das hießt, dass eine Brückeschaltung aufgebaut ist, bei der ein Reihenschaltungssatz (Zweig) jeweils einer Statorspule der rotierenden elektrischen Maschine 30 entsprechend der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase entspricht. Der Mittelpunkt zwischen den Reihenschaltungen (Zweigen), die durch ein Paar der Schaltelemente für jede Phase aufgebaut sind, das heißt, der Verbindungspunkt zwischen dem oberen Schaltelement und dem unteren Schaltelement, ist jeweils mit den Statorspulen der rotierenden elektrischen Maschine 30 verbunden. Eine Freilaufdiode (Regenerationsdiode) ist parallel zu jedem der Schaltelemente geschaltet.
Der Umrichter 23 ist mit dem Umrichtersteuerungsabschnitt 10 über eine (nicht gezeigte) Treiberschaltung verbunden und führt einen Schaltbetrieb entsprechend dem durch den Umrichtersteuerungsabschnitt 10 erzeugten Schaltsteuerungssignal S durch. Die Treiberschaltung ist eine Schaltung, die eine Spannungsumwandlungsschaltung, eine Isolierschaltung usw. aufweist und die das durch den Umrichtersteuerungsabschnitt 10 erzeugte Schaltsteuerungssignal S zu einem Steuerungseinschluss (wie einem Gate-Anschluss oder einem Basis-Anschluss) des Schaltelements weiterleitet. Beispielsweise stellt in dem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 30 eine Antriebskraftquelle für ein Fahrzeug oder dergleichen ist, die Gleichspannungsenergiequelle 21 eine hohe Spannung bereit, und schalten die Schaltelemente des Umrichters 23 eine hohe Spannung. Somit ist die Potentialdifferenz zwischen einem hohen Pegel und einem niedrigen Pegel eines gepulsten Antriebssignals (Steuerungssignals), das einem Steuerungsanschluss eines Elements zugeführt wird, das eine hohe Spannung schaltet, eine Spannung, die viel höher als die Betriebsspannung einer allgemeinen elektronischen Schaltung wie eines Mikrocomputers ist. Somit wird das Steuerungssignal dem Schaltelement des Umrichters 23 zugeführt, nachdem es einer Spannungsumwandlung und einer Isolierung über die Treiberschaltung unterzogen worden ist.
Somit wird die rotierende elektrische Maschine 30 mit einem vorbestimmten Ausgangsdrehmoment und einer vorbestimmten Drehzahl über den Umrichter 23 angetrieben, der der durch den Umrichtersteuerungsabschnitt 10 durchgeführten Schaltsteuerung unterzogen wird. In diesem Fall wird der Wert eines Stroms, der durch jede Statorspule der rotierenden elektrischen Maschine 30 fließt, zu dem Umrichtersteuerungsabschnitt 10 zurückgeführt. Der Umrichtersteuerungsabschnitt 10 führt eine PI-Regelung (Proportional-Integral-Regelung) oder eine PID-Regelung (Proportional-Integral-Differential-Regelung) an der Abweichung gegenüber einem Strombefehl (Id*, Iq*) aus, um den Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 30 zu steuern. Um eine derartige Regelung zu erzielen, wird ein Strom (Iu, Iv, Iw), der durch einen Leiter wie eine Stromschiene fließt, die zwischen einem Zweig des Umrichters 23 für jede Phase und einer Statorspule der rotierenden elektrischen Maschine 30 für jede Phase vorgesehen ist, durch einen Stromsensor 9 erfasst. In 1 ist der Stromsensor 9 in der Form eines kontaktlosen Stromsensors veranschaulicht, der einen Wechselstrom, der durch eine Wechselstromleitung wie eine Stromschiene fließt, in einer kontaktlosen Weise erfasst. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Stromsensor 9 für alle drei Phasen vorgesehen. Da die Ströme für die drei Phasen ausgeglichen ist, so dass der Momentanwert der Summer der Ströme für die drei Phasen Null ist, ist es jedoch ebenfalls möglich, Ströme für lediglich zwei Phasen zu erfassen, und den Strom für die restliche Phasen durch Berechnung zu erhalten.
Nachstehend ist die durch den Umrichtersteuerungsabschnitt 10 durchgeführte Vektorregelung kurz beschrieben. In einer derartigen Vektorregelung ist der Vektorraum (Koordinatensystem) ein d-q-Achsen-Vektor-Koordinatensystem (d-q-Achsen-Vektorraum), das durch eine d-Achse, die sich in der Richtung eines durch einen in dem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine 30 angeordneten Permanentmagnet erzeugten Magnetfeldes erstreckt, und eine q-Achse definiert ist, die elektrisch orthogonal zu der d-Achse ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist der Umrichtersteuerungsabschnitt 10 einen Drehmomentbefehlsberechnungsabschnitt 11, einen Drehmomentsteuerungsabschnitt 12 (Strombefehlsberechnungsabschnitt), einen Stromsteuerungsabschnitt 13 (Spannungsbefehlsberechnungsabschnitt), einen Modulationssteuerungsabschnitt 14 und einen Drei-Phasen-/Zwei-Phasen-Koordinatenumwandlungsabschnitt 15 auf.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel berechnet der Drehmomentbefehlsberechnungsabschnitt 11 ein Drehmomentbefehl T* (Solldrehmoment) auf der Grundlage eines Drehzahlbefehls ω* aus einer (nicht gezeigten) vorgelagerten ECU und der Ist-Drehzahl. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird die Drehung der rotierenden elektrischen Maschine 30 in einer sensorlosen Weise ohne Verwendung eines Drehsensors wie eines Resolvers erfasst. Somit ist die Ist-Drehzahl eine geschätzte Drehzahl, die durch den Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 geschätzt wird, und ist durch ω mit einem ^ (Dach) angegeben, wie es in 1 veranschaulicht ist (in der Beschreibung zur Erleichterung als "ω^" angegeben). Der Drehmomentsteuerungsabschnitt 12 stellt Strombefehle Id*, Iq* für die Vektorregelung entsprechend dem Drehmomentbefehl T* ein. Die Strombefehle Id*, Iq* werden entsprechend dem vorstehend beschriebenen d-q-Achsen-Vektor-Koordinatensystem eingestellt.
Der Stromsteuerungsabschnitt 13 führt beispielsweise eine PI-Regelung an der Abweichung zwischen den Strombefehlen Id*, Iq* in dem d-q-Achsen-Vektor-Koordinatensystem und Rückkopplungsströmen Id, Iq aus, um Spannungsbefehle Vd*, Vq* in dem d-q-Achsen-Vektor-Koordinatensystem zu berechnen. Die Rückkopplungsströme Id, Iq sind die erfassten Werte der durch die Statorspulen der rotierenden elektrischen Maschine 30 fließenden Drei-Phasen-Ströme, die einer durch den Drei-Phasen-/Zwei-Phasen-Koordinatenumwandlungsabschnitt 15 durchgeführten Koordinatenumwandlung in einem d-q-Achsen-Vektor-Koordinatensystem mit zwei Phasen unterzogen werden und zurückgekoppelt werden. Die Spannungsbefehle Vd*, Vq* werden einer durch den Modulationssteuerungsabschnitt 14 durchgeführten Koordinatenumwandlung in Spannungsbefehle für drei Phasen unterzogen. Der Modulationssteuerungsabschnitt 14 erzeugt das Schaltsteuerungssignal S für die Schaltsteuerung des Umrichters 23 auf der Grundlage der Spannungsbefehle für drei Phasen beispielsweise durch PWM (Pulsbreitenmodulation).
Die durch den Modulationssteuerungsabschnitt 14 und den Drei-Phasen-/Zwei-Phasen-Koordinatenumwandlungsabschnitt 15 durchgeführten Koordinatenumwandlungen werden die auf der Grundlage einer Magnetpolposition θ des Rotors durchgeführt. Das heißt, dass es zur Durchführung der Vektorregelung an der rotierenden elektrischen Maschine 30 notwendig ist, eine Koordinatentransformation zwischen dem echten Drei-Phasen-Raum und dem Zwei-Phasen-d-q-Achsen-Vektor-Koordinatensystem durchzuführen. Daher ist es notwendig, die Magnetpolposition θ des Rotors genau zu erfassen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine sensorlose Steuerung angewendet, bei der die Magnetpolposition θ des Rotors geschätzt wird, ohne dass eine Dreherfassungsvorrichtung wie ein Resolver vorgesehen ist. Somit ist die Magnetpolposition θ eine geschätzte Magnetpolposition und ist durch θ^ angegeben, wie es in 1 veranschaulicht ist (in der Beschreibung zur Erleichterung als "θ^" angegeben.
Während die rotierende elektrische Maschine 30 sich dreht, ist eine pulsierende Komponente aufgrund einer induzierten elektromotorischen Kraft in den Rückkopplungsströmen Id, Iq enthalten. Daher kann eine Drehzahl ω (geschätzte Drehzahl ω^) durch Erfassen der pulsierenden Komponente berechnet werden, und kann die Magnetpolposition θ (geschätzte Magnetpolposition θ^) anhand der geschätzten Drehzahl ω^ berechnet werden. Wenn die rotierende elektrische Maschine 30 stationär ist, wird demgegenüber selbstverständlich keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Demgegenüber wird, wenn die rotierende elektrische Maschine 30 sich mit einer niedrigen Drehzahl dreht, eine kleine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt, und ist eine kleine pulsierende Komponente in dem Rückkopplungsströmen, Id, Iq enthalten. Daher ist es notwendig, ein anderes Verfahren zur Berechnung der Drehzahl ω (ω^) und der Magnetpolposition θ (θ^) zu verwenden. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 30 stationär ist oder sich mit niedriger Drehzahl dreht, ein Hochfrequenzbeobachtungssignal (Beobachtungsstrom oder Beobachtungsspannung), das als ein elektrischer Stimulus dient, der der rotierenden elektrischen Maschine 30 zugeführt, und kann die Drehzahl ω (ω^) und die Magnetpolposition θ (θ^) anhand einer Antwort (Reaktion) von der rotierenden elektrischen Maschine 30 berechnet werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind, wie es in 1 veranschaulicht ist, zwei Positionsberechnungsabschnitte, nämlich ein Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 und ein Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 vorgesehen. Der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet hauptsächlich eine Drehzahl ω (ω^_H) und eine Magnetpolposition θ (θ^_H) in einem Hochdrehzahldrehbereich, in dem eine induzierte elektromotorische Kraft (induzierte Spannung) verwendet werden kann. Der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 berechnet hauptsächlich eine Drehzahl ω (ω^_L) und eine Magnetpolposition θ (θ^_L) in einem Niedrigdrehzahldrehbereich unter Verwendung eines Hochfrequenzbeobachtungssignals. Das Ergebnis (ω^_H und θ^_H) der Berechnung durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 und das Ergebnis (ω^_L und θ^_L) der Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 werden, wie es nachstehend beschrieben ist, durch den Schaltabschnitt 1 ausgewählt oder zusammengefasst (synthetisiert), um durch den Drehmomentbefehlsberechnungsabschnitt 11, den Modulationssteuerungsabschnitt 14 und den Drei-Phasen-/Zwei-Phasen-Koordinatenumwandlungsabschnitt 15 verwendet zu werden. Zusätzlich steuert die Steuerungsvorrichtung 1 ebenfalls einen Schalter 2, um zu schalten, ob eine Hochfrequenzbeobachtungssignal (hier "Vd_h*") zuzuführen ist oder nicht.
2 bis 4 veranschaulichen schematisch ein Drehkennfeld, das durch die Drehzahl [U/min] und das Drehmoment [Nm] der rotierenden elektrischen Maschine 30 vorgegeben ist. In den Zeichnungen gibt "RL" einen Niedrigdrehzahldrehbereich an, und gibt "RH" einen Hochdrehzahldrehbereich an. "RB" gibt eine Grenzregion zwischen dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL und dem Hochdrehzahldrehbereich RH an. "BL" gibt die Grenze zwischen dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL und einem höheren Drehzahlbereich sowie die Grenze zwischen dem Hochdrehzahldrehbereich RH und einem niedrigeren Drehzahlbereich an. In dem Fall, in dem zwischen derartigen Grenzen zu unterscheiden ist, wird die Grenze zwischen der Region, in der die Drehzahl höher als in dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL ist, und dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL als "niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze LB" bezeichnet. Demgegenüber wird die Grenze zwischen der Region, in der die Drehzahl niedriger als in dem Hochdrehzahldrehbereich RH ist, und dem Hochdrehzahldrehbereich RH als "hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB" bezeichnet.
Eine Hysterese kann für die Grenze BL vorgesehen sein, so dass kein Pendeln (Hunting) in den Werten der Drehzahl ω (ω^) und der Magnetpolposition θ (θ^) während des Schaltens durch den Schaltabschnitt 1 erzeugt wird. Beispielsweise wird vorzugsweise das Schalten auf die Berechnung durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 an der Grenze BL auf der Hochdrehzahlseite (hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB) in dem Fall durchgeführt, wenn die Drehzahl [U/min] von einer niedrigen Drehzahl zu einer hohen Drehzahl gemäß 1 variiert wird, und wird das Schalten auf die Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 an der Grenze BL auf der Niedrigdrehzahlseite (niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze LB) in dem Fall durchgeführt, in dem die Drehzahl [U/min] von einer hohen Drehzahl zu einer niedrigen Drehzahl variiert wird. In diesem Fall kann die Region, die zwischen den zwei Grenzen BL (LB, HB) liegt, als "Grenzregion RB" bezeichnet werden. Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Hysterese, die größer als ein Fehler in der Drehzahl ω (ω^_H) ist, die in einem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet wird, für die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB eingestellt, und ist eine Hysterese, die größer als ein Fehler in der Drehzahl ω (ω^_L) ist, die in einem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 berechnet wird, für die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze LB eingestellt. In dem Fall, in dem lediglich zwei Grenzen BL, nämlich die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze LB und die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB, wie in dem Beispiel von 2 eingestellt sind, ist die Lücke in der horizontalen Achsenrichtung (Drehzahl) zwischen der niedrigdrehzahlbereichsseitigen Grenze LB und der hochdrehzahlbereichsseitigen Grenze HB vorzugsweise derart eingestellt, dass diese größer als ein Fehler zwischen den Drehzahlen (ω^_L, ω^_H) ist, die durch die Positionsberechnungsabschnitte (3, 5) berechnet werden.
In dem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, es notwendig, ein Hochfrequenzbeobachtungssignal (Beobachtungsstrom oder Beobachtungsspannung) zuzuführen, das als ein elektrischer Stimulus für die rotierende elektrische Maschine 30 dient, und die Drehzahl ω (ω^) und die Magnetpolposition θ (θ^) anhand einer Antwort von der rotierenden elektrischen Maschine 30 zu berechnen. Das heißt, es ist eine Zeitdauer (Periode) zum Abwarten einer Antwort von der rotierenden elektrischen Maschine 30 erforderlich. Somit ist es notwendig, das Zuführen eines Hochfrequenzbeobachtungssignals (Beobachtungsstrom oder Beobachtungsspannung) zu der rotierenden elektrischen Maschine 30 zu starten, bevor der Niedrigdrehzahlbereichberechnungsmodus gestartet wird. Das heißt, dass eine Vorbereitungszeitdauer vor Starten des Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus erforderlich ist, und eine Vorbereitungsregion als ein Drehbereich eingestellt wird. Die Vorbereitungsregion ist benachbart zu der niedrigdrehzahlbereichsseitigen Grenze LB auf der Hochdrehzahlseite eingestellt. Die Vorbereitungsregion ist vorzugsweise als eine Hochfrequenzanwendungsregion eingestellt, in der ein Beobachtungssignal der rotierenden elektrischen Maschine 30 zugeführt (beaufschlagt, angewendet) wird, während ein Berechnungsmodus ausgeführt wird, der in einer Region auf der Seite angewendet wird, auf der die Drehzahl höher als diejenige in dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL ist. Beispielsweise kann in dem Fall, in dem die Drehzahl von einer hohen Drehzahl zu einer niedrigen Drehzahl variiert wird, die vorstehend beschriebene Grenzregion RB als die Hochfrequenzanwendungsregion als die Vorbereitungsregion verwendet werden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist eine Hysterese an der Grenze BL vorgesehen. In dem Fall, in dem ein Pendeln (Hunting), das in den Werten der Drehzahl ω (ω^) und die Magnetpolposition θ (θ^) erzeugt wird, praktisch kein Problem darstellt, muss jedoch selbstverständlich keine Hysterese angewendet werden. 3 veranschaulicht eine Grenze BL, für die keine Hysterese eingestellt ist. Die Grenze BL ist nicht notwendigerweise eine kontinuierliche Linie oder Kurve und kann gestuft sein, wie es durch die gestrichelte Linie in 3 angegeben ist.
Neben dem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 und dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 kann beispielsweise ein Grenzberechnungsmodus unter Verwendung des Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitts 5 und des Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 ausgeführt werden. Das heißt, dass der Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem in 2 veranschaulichten Niedrigdrehzahldrehbereich RL ausgeführt werden kann, der Hochdrehzahlbereichsberechungsmodus in dem Hochdrehzahldrehbereich RH ausgeführt werden kann, und der Grenzberechnungsmodus in dem Grenzbereich RB ausgeführt werden kann. Gemäß einer Ausgestaltung werden vorzugsweise die Drehzahl ω (ω^) und die der Magnetpolposition θ (θ^) entsprechend einem gewichteten Durchschnitt des Ergebnisses (ω^_L und θ^_L) der Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 und des Ergebnisses (ω^_H und θ^_H) der Berechnung durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet, die entsprechend der Drehzahl berechnet werden.
In diesem Fall ist vorzugsweise eine Vorbereitungszeitdauer zum Starten der Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 vor einem Übergang von dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus zu dem Grenzberechnungsmodus vorgesehen. Das heißt, dass eine Vorbereitungsregion vorzugsweise benachbart zu der Grenze zwischen einem Drehbereich, in dem eine Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 ausgeführt wird, und der Seite, bei der die Drehzahl höher als der Drehbereich ist, auf der Hochdrehzahlseite vorgesehen ist. Wie es vorstehend beschriebenen worden ist, wird die Vorbereitungsregion als eine Hochfrequenzanwendungsregion eingestellt, in der ein Beobachtungssignal der rotierenden elektrischen Maschine 30 zugeführt wird, während ein Berechnungsmodus (beispielsweise der Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus) ausgeführt wird, der in einer Region auf der Seite angewendet wird, auf der die Drehzahl höher als diejenige in dem Drehbereich ist, in dem die Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 ausgeführt wird.
In diesem Fall kann weiterhin eine Hysterese für die Grenze BL für den Übergang von dem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus oder dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus auf den Grenzberechnungsmodus und die Grenze BL für den Übergang von dem Grenzberechnungsmodus auf den Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus oder den Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus eingestellt werden. Beispielsweise werden eine erste Grenze BL1, eine zweite Grenze BL2, eine dritte Grenze BL3 und eine vierte Grenze BL4 eingestellt, wie es in 4 veranschaulicht ist. In dem Fall, in dem die Drehzahl höher wird, wird ein Übergang von dem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus zu dem Grenzberechnungsmodus an der zweite Grenze BL2 gestartet, und wird ein Übergang von dem Grenzberechnungsmodus zu dem Hochdrehzahlberechnungsmodus an der vierten Grenze BL4 durchgeführt. Das heißt, dass in dem Fall, in dem die Drehzahl höher wird, eine Region, in der die Drehzahl niedriger als die zweite Grenze BL2 ist, der Niedrigdrehzahldrehbereich (RL) ist, in der der Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus ausgeführt wird, eine Region, in der die Drehzahl gleich wie oder größer als die zweite Grenze BL2 und niedriger als die vierte Grenze BL4 ist, die Grenzregion (RB) ist, in der der Grenzberechnungsmodus ausgeführt wird, und eine Region, in der die Drehzahl gleich wie oder größer als die vierte Grenze BL4 ist, der Hochdrehzahldrehbereich (RH) ist, in der der Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus ausgeführt wird.
In dem Fall, in dem die Drehzahl niedriger wird, wird ein Übergang von dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus zu dem Grenzberechnungsmodus an der dritten Grenze BL3 gestartet, und wird ein Übergang von dem Grenzberechungsmodus zu dem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus an der ersten Grenze BL1 durchgeführt. Das heißt, dass in dem Fall, in dem die Drehzahl niedriger wird, eine Region, in der die Drehzahl gleich wie oder größer als die dritte Grenze BL3 ist, der Hochdrehzahldrehbereich (RH) ist, in dem der Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus ausgeführt wird, eine Region, in der die Drehzahl gleich wie oder größer als die erste Grenze BL1 ist und niedriger als die dritte Grenze BL3 ist, die Grenzregion (RB) ist, in der der Grenzberechnungsmodus ausgeführt wird, und eine Region, in der die Drehzahl niedriger als die erste Grenze BL1 ist, der Niedrigdrehzahldrehbereich (RL) ist, in dem der Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus ausgeführt wird.
Eine Vielzahl von Formen des Schaltens zwischen den Berechnungsmodi zum Berechnen von Drehzustandsinformationen (geschätzte Drehzahl ω^ und geschätzte Magnetpolposition θ^) wurden vorstehend unter Bezugnahme auf 2 bis 4 beschrieben. Der Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 weist zumindest zwei Positionsberechnungsabschnitte, nämlich den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 und den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 auf. Zusätzlich führt der Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 zumindest zwei Modi, nämlich den Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus, in dem zumindest die Magnetpolposition θ(θ^) durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet wird, und den Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus aus, in dem zumindest die Magnetpolposition θ(θ^) durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 berechnet wird. Der Schaltabschnitt 1 schaltet den Berechnungsmodus zwischen den zumindest zwei Modi.
Während die Grenze BL für das Schalten eingestellt wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die Grenze BL in dem Fall, in dem das Drehmoment relativ hoch ist im Vergleich zu dem Fall, in dem das Drehmoment relativ niedrig ist, auf die Seite, auf der die Drehzahl niedrig ist, in dem Drehkennfeld eingestellt, das durch die Drehzahl [U/min] und das Drehmoment [Nm] der rotierenden elektrischen Maschine 30 vorgegeben ist. Das heißt, dass der Schaltabschnitt 1 den durch die Drehzahl und das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 30 vorgegebenen Hochdrehzahldrehbereich RH und den Niedrigdrehzahldrehbereich RL einstellt, der auf der Seite vorgegeben ist, auf der die Drehzahl niedriger als diejenige in dem Hochdrehzahldrehbereich RH ist, und den Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem Hochdrehzahldrehbereich RH anwendet und den Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL anwendet. Zusätzlich stellt der Schaltabschnitt 1 sowohl die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze HB, die die Grenze zwischen einer Region auf der Seite, auf der die Drehzahl niedriger als diejenige in dem Hochdrehzahldrehbereich RH ist, und dem Hochdrehzahldrehbereich RH ist, als auch die niedrigdrehzahlseitige Grenze LB, die die Grenze zwischen einer Region auf der Seite, auf der die Drehzahl höher als diejenige in dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL ist, und dem Niedrigdrehzahldrehbereich RL ist, derart ein, dass sie auf der Seite sind, auf der die Drehzahl in dem Fall niedrig ist, in dem das Drehmoment relativ hoch ist im Vergleich zu einem Fall, in dem das Drehmoment relativ niedrig ist. Selbstverständlich ist die Grenze BL nicht notwendigerweise eine kontinuierliche Linie oder Kurve wie gemäß 2 und 4, und kann gestuft sein, wie es durch die gestrichelte Linie in 3 angegeben ist.
Das Verfahren der Berechnung der Drehzustandsinformationen durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 und den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 ist nachstehend beschrieben. Der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet die Magnetpolposition θ(θ^) des Rotors auf der Grundlage einer in der rotierenden elektrischen Maschine 30 erzeugten induzierten Spannung. Die induzierte Spannung, die in der rotierenden elektrischen Maschine 30 erzeugt wird, wird hauptsächlich in einem Stator aufgrund der Drehung des Rotors erzeugt. Somit berechnet der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 vorzugsweise die Magnetpolposition θ(θ^) des Rotors zumindest auf der Grundlage einer induzierten Spannung, die in dem Stator durch die Drehung des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine 30 erzeugt wird. Beispiele für ein derartiges Berechnungsverfahren umfassen ein Berechnungsverfahren, das auf einem allgemeinen induzierten Spannungsmodell (Modell, das die nachstehend beschriebene Gleichung (1) verwendet) beruht. Gemäß dem Ausführungsbeispiel berechnet zur weiteren Erhöhung der Schätzgenauigkeit für die Magnetpolposition der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 die Magnetpolposition θ(θ^) des Rotors unter Verwendung eines "erweiterten induzierten Spannungsmodells", das eine erweiterte induzierte Spannung verwendet, die durch Summieren einer induzierten Spannung, die durch die Drehung eines Magnetflusses erzeugt wird, der in dem Rotor durch einen d-Achsen-Strom erzeugt wird, einer induzierten Spannung, die durch Variationen im Strom erzeugt wird, der durch die q-Achsen-Induktivität auf der Statorseite fließt, und einer induzierten Spannung erhalten wird, die durch die Drehung des Magnetflusses des Permanentmagneten erzeugt wird. Eine allgemeine Schaltungsgleichung in dem rotierenden Koordinatensystem (d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem) einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem magnetischen Schenkelpolverhalten (saliency) ist durch den nachfolgende Ausdruck (1) wiedergegeben. In dem Ausdruck gibt p einen Differenzialoperator an, geben Ld und Lq jeweils die d-Achsen-Induktivität und die q-Achsen-Induktivität an, und gibt K_E eine induzierte Spannungskonstante an.
In einer sensorlosen Steuerung, bei der die Drehzustandsinformationen auf der Grundlage des Modells berechnet wird, das den Ausdruck (1) (ein allgemeines induziertes Spannungsmodell) verwendet, kann die Schätzgenauigkeit in Abhängigkeit von den Spezifikationen der rotierenden elektrischen Maschine reduziert sein, was in eine unzureichende Flexibilität resultiert. Der technische Hintergrund einer derartigen Steuerung ist ausführlich in einem Dokument von Shinji Ichikawa et al. "Sensorless Controls of Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Motors Using Extended Electromotive Force Models" (T.IEE Japan, Ausgabe 12 2002) beschrieben und ist hier nicht ausführlich beschrieben. Gemäß diesem Dokument können die Positionsinformationen, die in dem Ausdruck (1) enthalten sind, als die Differenz zwischen der d-Achse und der q-Achse betrachtet werden. Das heißt, dass die Positionsinformationen in der Differenz in der Induktivität zwischen einer diagonalen Komponente und einer umgekehrt diagonalen Komponente der Matrix in dem ersten Term auf der rechten Seite des Ausdrucks (1) und dem induzierten Spannungsterm in dem zweiten Term auf der rechten Seite enthalten sind. Wenn derartige Teile der Positionsinformationen miteinander integriert werden, kann der Ausdruck (1) in den nachfolgenden Ausdruck (2) umgeschrieben werden. Das Symbol "·", das zu "Iq" hinzugefügt ist, gibt ein Zeitdifferenzial von "Iq" an und wird unterschiedlich von einem Differenzialoperator p in dem Ausdruck (1) verwendet, so dass eine Differenzierung lediglich bei einer gepunkteten Variablen angewendet wird.
Die durch den Ausdruck (2) angegebene Spannungsgleichung wird als "erweitertes induziertes Spannungsmodell" bezeichnet, und der zweite Term des Ausdrucks (2) wird als "erweiterte induzierte Spannung" definiert, wie es durch den nachfolgenden Ausdruck (3) angegeben ist.
Der erste Term "(Ld – Lq) ωId" auf der rechten Seite des Ausdrucks (3) gibt die induzierte Spannung an, die durch die Drehung des Magnetflusses erzeugt wird, der in dem Rotor durch einen d-Achsen-Strom erzeugt wird. Der zweite Term "(Ld – Lq)ωIq" auf der rechten Seite des Ausdrucks (3) gibt die induzierte Spannung an, die durch Variationen im Strom erzeugt wird, der durch die q-Achsen-Induktivität auf der Statorseite fließt. Der dritte Term "ωK_E" auf der rechten Seite des Ausdrucks (3) gibt die induzierte Spannung an, die durch die Drehung des Magnetflusses des Permanentmagneten erzeugt wird, der an dem Rotor angebracht ist. Das heißt, dass Positionsinformationen in dem Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschinen und die Induktivität alle in der "erweiterten induzierten Spannung" aggregiert sind. Obwohl eine ausführliche Beschreibung in dem Dokument von Ichikawa et al. gefunden werden kann, und deshalb hier nicht dargestellt sind, gibt es, wenn der Ausdruck (2) in ein festes Koordinatensystem (beispielsweise einem α-β-Achsen-Vektorkoordinatensystem) umgewandelt wird, das für den Stator der rotierenden elektrischen Maschine eingestellt ist, keinen Term, der einen Wert (entsprechend dem Dokument, "2θ"), der schwierig beim Schätzen der Magnetpolposition zu verarbeiten ist, was die Berechnung zum Schätzen erleichtert. Bei der Berechnung der Magnetpolposition unter Verwendung eines allgemeinen induzierten Spannungsmodells ist es notwendig, eine Annäherung zu verwenden, was die Schätzgenauigkeit reduzieren kann. In dem Fall, in dem ein erweitertes induziertes Spannungsmodell verwendet wird, ist jedoch eine Annäherung nicht erforderlich, was es ermöglicht, die Magnetpolposition θ(θ^) und die Drehzahl ω(ω^) genau zu schätzen.
Der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 führt der rotierenden elektrischen Maschine 30 ein Hochfrequenzbeobachtungssignal zu und berechnet die Magnetpolposition θ(θ^) des Rotors auf der Grundlage einer Hochfrequenzkomponente, die zurückgeführt wird, wie sie in einem Rückkopplungsstrom als eine Komponente als eine Antwort auf das Beobachtungssignal enthalten ist. Wie es in 5 veranschaulicht ist, weist beispielsweise der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 einen Beobachtungsbefehlserzeugungsabschnitt 51, einen Demodulationsabschnitt 52 und einen Phasensynchronisationsabschnitt 53 auf. Der Beobachtungsbefehlserzeugungsabschnitt 51 ist ein Funktionsabschnitt, der ein Hochfrequenzbeobachtungssignal erzeugt, das der rotierenden elektrischen Maschine 30 zuzuführen ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird ein Hochfrequenzbeobachtungssignal (Vd_h*:V_ahcos(ω^_ht)) erzeugt, das auf einen d-Achsen-Spannungsbefehl Vd zu überlagern ist.
Ein γ-δ-Achsen-Vektorkoordinatensystem entspricht dem Beobachtungssignal. Wie es in 6 veranschaulicht ist, ist zwischen dem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem und dem γ-δ-Achsen-Vektorkoordinatensystem eine Phasendifferenz von "θ_h" (als ein Befehlswert, ein Phasenbefehl "θ_h*") vorhanden. Eine Komponente als eine Antwort (Reaktion) auf die Phasendifferenz, die auf einem Spannungsbefehl als ein Befehlswert überlagert ist, ist in den Rückkopplungsstrom von der rotierenden elektrischen Maschine 30 enthalten.
Wenn die Beziehung zwischen dem festen Koordinatensystem (α-β-Achsen-Vektorkoordinatensystem), das auf den Stator der rotierenden elektrischen Maschine 30 eingestellt ist, und dem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem betrachtet wird, dreht sich das d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem in Bezug auf das α-β-Achsen-Vektorkoordinatensystem, und kann die Magnetpolposition θ als ein Phasenwinkel "θ" auf der Grundlage der α- und β-Achsen definiert werden, wie es in 7 veranschaulicht ist. Zusätzlich kann die Drehzahl ω des Rotors als die Drehzahl ω des d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystems in Bezug auf das α-β-Achsen-Vektorkoordinatensystem definiert werden. In dem Fall, in dem die Magnetpolposition θ durch Berechnen wie gemäß dem Ausführungsbeispiel geschätzt wird, kann das tatsächliche d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem nicht direkt erfasst werden. Somit wird, wie es durch die d- und q-Achsen mit ^ (Dach) in 7 angegeben ist, ein geschätztes d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem auf der Grundlage der Magnetpolposition θ^ eingestellt, die durch Berechnung geschätzt wird. Die Magnetpolposition des Rotors auf der Grundlage der α- und β-Achsen ist als "θ^" mit ^ definiert wie es in 7 veranschaulicht ist, und die Drehzahl des geschätzten d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem in Bezug auf das α-β-Achsen-Koordinatensystem ist als "ω^" mit ^ definiert.
Wie es in 7 veranschaulicht ist, wird bewirkt, dass das geschätzte d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem mit dem tatsächlichen d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem übereinstimmt, indem ∆θ, was einen Fehler zwischen dem tatsächlichen d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem und dem geschätzten d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem entspricht, zu Null gemacht wird. Das heißt, dass bewirkt wird, dass die geschätzten d- und q-Achsen mit den d- und q-Achsen in Übereinstimmung gebracht werden, indem ∆θ zu Null gemacht wird, weshalb die Magnetpolposition genau erfasst wird. Der Drehzustandsinformationsberechnungsabschnitt 7 berechnet die Magnetpolposition unter Verwendung dieses Prinzips.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird, wie es in 5 veranschaulicht ist, ein q-Achsen-Rückkopplungsstrom Iq (δ-Achsen-Rückkopplungsstrom Iδ) in "εf" durch den Demodulationsabschnitt 52 demoduliert. Der Demodulationsabschnitt 52 weist einen Hochpassfilter 52a, einen Mischer 52b, der als eine Kernkomponente einer Überlagerungsschaltung (Heterodyn-Schaltung) dient, und einen Tiefpassfilter 52c auf. Eine Komponente als eine Antwort auf ein Hochfrequenzbeobachtungssignal wird aus dem q-Achsen-Rückkopplungsstrom Iq (δ-Achsen-Rückkopplungsstrom Iδ) extrahiert, wenn der Strom durch den Hochpassfilter 52a gelangt.
Die Induktivität des Rotors zum Ausdrücken der Sättigungscharakteristik weist eine dynamische Induktivität, die durch den nachfolgenden Ausdruck (4) definiert ist, und eine statische Induktivität auf, die durch den nachfolgenden Ausdruck (5) für die Flussverkettung Φ (Φd, Φq) definiert ist. In den Ausdrücken gibt Ld_h die dynamische d-Achsen-Induktivität an, gibt Lq_h die dynamische q-Achsen-Induktivität an, gibt Ld_s die statische d-Achsen-Induktivität an, und gibt Lq_s die statische q-Achsen-Induktivität an.
Das Schenkelpolverhältnis, das das magnetische Schenkelpolverhalten der rotierenden elektrischen Maschine 30 angibt, ist durch "Lq_h/Ld_h" angegeben, was ein Wert ist, der durch Dividieren der dynamischen q-Achsen-Induktivität durch die dynamische d-Achsen-Induktivität erhalten wird. Zum Schätzen der Magnetpolposition muss das Schenkelpolverhältnis höher als "1" sein. Falls der Durchschnittswert "ΣL" der dynamischen d-Achsen- und q-Achsen-Induktivitäten als "(Ld_h + Lq_h)/2" definiert ist und die Differenz "∆L" zwischen den dynamischen d-Achsen- und q-Achsen-Induktivitäten als "(Ld_h – Lq_h)/2" definiert ist, ist eine Hochfrequenzkomponente "Iδ_h" des δ-Achsen-Rückkopplungsstroms Iδ nach Gelangen durch den Hochpassfilter 52a durch den nachfolgenden Ausdruck (6) ausgedrückt.
Danach werden die Antwortkomponente "Iδ_h", die durch den Hochpassfilter 52a extrahiert wird, und eine Sinuskomponente "sin(ω_ht)" der Hochfrequenzkomponente des von dem Beobachtungsbefehlserzeugungsabschnitt 51 übertragenen Beobachtungsbefehls miteinander durch den Mischer 52b gemischt, um zu "ε" zu resultieren, was durch den nachfolgenden Ausdruck (7) angegeben ist. "A" und "B" sind jeweils eine Konstante. Nachdem "ε" durch den Tiefpassfilter 52c gelangt, wird "ε_f" erhalten, was durch den nachfolgenden Ausdruck (8) angegeben ist.
Wie es aus 7 hervorgeht, wird, wenn "∆θ" in dem Ausdruck (8) sich "0" annähert, der Fehler zwischen dem geschätzten d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem und dem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem reduziert. Somit wird eine PI-Regelung durch den Phasensynchronisationsabschnitt 53 (PLL: Phasenverriegelungskreis, Phase Locked Loop) derart ausgeführt, dass "∆θ" "Null" wird. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind zwei PI-Regelungsabschnitte, nämlich ein erster PI-Regelungsabschnitt 53a und ein zweiter PI-Regelungsabschnitt 53b, vorgesehen. Eine geschätzte Drehzahl "ω^L" wird als Ergebnis der PI-Regelung berechnet. Eine Distanz, das heißt ein Winkel, wird durch Integrieren einer Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) erhalten. Somit wird eine geschätzte Magnetpolposition "θ^L" durch Integrieren der geschätzten Drehzahl "ω^L" unter Verwendung eines Integrierers 53c berechnet.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, werden die Drehzustandsinformationen jeweils durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 und den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet. Der Schaltabschnitt 1 schaltet den Berechnungsmodus auf der Grundlage des Drehkennfeldes (siehe 2 bis 4 usw.), das durch die Drehzahl und das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 30 vorgegeben ist, und bestimmt die geschätzte Drehzahl "ω^" und die geschätzte Magnetpolposition "θ^". Die Drehzahl als das Kriterium für den Schaltabschnitt 1 zur Bestimmung des Schaltens des Berechnungsmodus kann der Befehlswert "ω*" sein, oder kann die geschätzte Drehzahl "ω^" sein. Alternativ dazu kann die Drehzahl als das Kriterium ein Wert sein, der durch Anwenden eines Filters, der eine Verzögerung in dem Steuerungssystem berücksichtigt, auf den Befehlswert "ω*" erhalten werden. Das Drehmoment als das Kriterium für den Schaltabschnitt 1 zur Bestimmung des Schaltens des Berechnungsmodus ist nicht auf den Drehmomentbefehl T* begrenzt, und kann ein Wert sein, der durch Berechnung anhand des d-Achsen-Rückkopplungsstroms Id (γ-Achsen-Rückkopplungsstroms Iγ) oder des q-Achsen-Rückkopplungsstroms Iq (δ-Achsen-Rückkopplungsstroms Iδ) berechnet wird. Alternativ dazu kann das Drehmoment als das Kriterium ein Wert sein, der durch Anwenden eines Filters, der eine Verzögerung in dem Steuerungssystem berücksichtigt, auf den Befehlswert "T*" erhalten wird.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist die Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 und den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 auf und kann die Magnetpolposition θ (θ^) in einem Drehzahlbereich schätzen, der jeweils zu den Berechnungsabschnitten passt. In dem Schaltabschnitt 1 werden der Niedrigdrehzahldrehbereich RL und der Hochdrehzahldrehbereich RH eingestellt, und diese Drehbereiche werden nicht einfach nur entsprechend der Drehzahl eingestellt, sondern werden auch entsprechend dem Drehmoment eingestellt. Dies ist insbesondere in dem Fall sinnvoll, in dem der Hochdrehzahlbereichsberechnungsabschnitt 3 unter Verwendung eines erweiterten induzierten Spannungsmodells konstruiert ist und der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 unter Verwendung einer Hochfrequenzreaktion (Hochfrequenzantwort) konstruiert ist, der das magnetische Schenkelpolverhalten wie gemäß dem Ausführungsbeispiel verwendet. Die technische Bedeutung ist nachstehend beschrieben.
Wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die Ausdrücke (1) bis (3) beschrieben worden ist, weist ein erweitertes induziertes Spannungsmodell eine induzierte Spannung auf, die durch die Drehung des magnetischen Flusses erzeugt wird, der in dem Rotor durch einen d-Achsen-Strom erzeugt wird. In dem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 30 derart gesteuert wird, dass das Ausgangsdrehmoment maximiert wird (in dem Fall, in dem eine Maximaldrehmomentsteuerung durchgeführt wird), fließt ein d-Achsen-Strom ebenfalls durch den Stator, was eine induzierte Spannung zum Schätzen der Magnetpolposition erhöht. Das heißt, wenn der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 die Magnetpolposition schätzt, wird die Schätzgenauigkeit verbessert, so dass eine Berechnung in dem Fall eines hohen Drehmoments (in dem Fall, in dem das Drehmoment groß ist) im Vergleich zu dem Fall eines niedrigen Drehmoments (dem Fall, in dem das Drehmoment klein ist) stabilisiert wird.
Wenn der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 die Magnetpolposition θ(θ^) schätzt, wird demgegenüber die Schätzgenauigkeit verbessert, so dass die Berechnung in dem Fall eines niedrigen Drehmoments (in dem Fall, in dem das Drehmoment klein ist) im Vergleich zu dem Fall eines hohen Drehmoments (dem Fall, in dem das Drehmoment groß ist) aus den nachfolgenden Gründen stabilisiert wird. In dem Fall, in dem die Maximaldrehmomentssteuerung durchgeführt wird, weist der d-Achsen-Strom im Allgemeinen einen negativen Wert auf, und somit wird die dynamische d-Achsen-Induktivität "Ld_h" ungeachtet der Größe des Drehmoments kaum variiert. Demgegenüber wird, wenn das Drehmoment größer wird, der q-Achsen-Strom erhöht, so dass der q-Achsenmagnetfluss sich allmählich einer gesättigten Region annähert. Die dynamische Induktivität ist ein Differenzialwert des Magnetflusses. Somit nähert sich, wenn der q-Achsen-Strom derart erhöht wird, dass er sich einer gesättigten Region annähert, die dynamische q-Achsen-Induktivität "Lq_h" "0" an. Das heißt, dass, wenn das Drehmoment größer wird, die dynamische q-Achsen-Induktivität "Lq_h" kleiner wird.
Das Verfahren des Schätzens der Magnetpolposition unter Verwendung einer Komponente als eine Antwort auf ein Hochfrequenzbeobachtungssignal verwendet das magnetische Schenkelpolverhalten der rotierenden elektrischen Maschine. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist das Schenkelpolverhältnis "Lq_h/Ld_h". Wenn die dynamische q-Achsen-Induktivität "Lq_h" kleiner wird, wird das Schenkelpolverhältnis kleiner, was die Stabilität beim Schätzen der Magnetpolposition unter Verwendung des Schenkelpolverhaltens reduziert. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, muss das Schenkelpolverhältnis größer als "1" sein, um die Magnetpolposition zu schätzen. Somit wird die Stabilität bei der Berechnung reduziert, wenn das Drehmoment derart erhöht wird, dass die dynamische q-Achsen-Induktivität "Lq_h" reduziert wird, selbst bei derselben Drehzahl.
In dem Schaltabschnitt 1 werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, der Niedrigdrehzahldrehbereich RL und der Hochdrehzahldrehbereich RH eingestellt, und diese Drehbereiche werden nicht nur einfach entsprechend der Drehzahl eingestellt, sondern ebenfalls entsprechend dem Drehmoment eingestellt. Insbesondere wird die Schätzung der Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt, in der die Drehzahl hoch ist und das Drehmoment hoch ist, und wird die Schätzung der Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt, in der die Drehzahl niedrig ist und das Drehmoment niedrig ist. Als Ergebnis stellt der Schaltabschnitt 1 eine Region ein, in der jeder der zwei Berechnungsabschnitte (3, 5) stabil die Magnetpolposition schätzen kann, was ermöglicht, dass die Magnetpolposition mit hoher Genauigkeit geschätzt wird.
Die Schätzung der Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 wird bevorzugter durchgeführt, wenn das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 30 höher ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Jedoch kann eine derartige Schätzung selbst in dem Fall durchgeführt werden, wenn ein derartiges Drehmoment niedrig ist. Demgegenüber kann die Schätzung der Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 nicht durchgeführt werden, wenn das Schenkelpolverhältnis unter "1" in dem Fall abfällt, wenn ein derartiges Drehmoment hoch ist. Somit kann die Schätzung der Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 mit der als die Anwendungsregion definierten gesamten Region, in der die Drehzahl hoch ist, ungeachtet des Drehmoments ausgeführt werden, und kann die Schätzung der Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt werden, in der die Drehzahl niedrig ist und das Drehmoment niedrig ist. Das heißt, dass die Schätzung der Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt werden kann, in der die Drehzahl hoch ist und das Drehmoment sowohl niedrig als auch hoch ist, und einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt werden, in der die Drehzahl niedrig ist und das Drehmoment hoch ist, und kann die Schätzung der Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 mit einer als die Anwendungsregion definierten Region ausgeführt werden, in der die Drehzahl niedrig ist und das Drehmoment niedrig ist.
Wenn der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 die Magnetpolposition θ(θ^) schätzt, ist es notwendig, einen Hochfrequenzbeobachtungsbefehl auf den Spannungsbefehl Vd* zu überlagern. Dabei schaltet, wenn der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 eine Berechnung ausführt, der Schaltabschnitt 1 den Schalter 2 derart, dass ein Hochfrequenzbeobachtungsbefehl auf den Spannungsbefehl Vd* überlagert wird. Wenn der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 keine Berechnung ausführt, schaltet der Schaltabschnitt 1 den Schalter 2 um, um ein Signal, das auf den Spannungsbefehl Vd* zu überlagern ist, auf "0" einzustellen.
In dem in dem Grenzbereich RB ausgeführtem Grenzberechnungsmodus werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Drehzahl ω(ω^) und die Magnetpolposition θ(θ^) vorzugsweise entsprechend einem gewichteten Durchschnitt des Ergebnisses (ω^_L und θ^_L) der Berechnung durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 und des Ergebnisses (ω^_H und θ^_H) der Berechnung durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 3 berechnet, die entsprechend der Drehzahl berechnet werden. Der gewichtete Durchschnitt wird vorzugsweise durch den Schaltabschnitt 1 erhalten. Das spezifische Verfahren des Erhaltens eines gewichteten Durchschnitts ist in Patentdokument 1 usw. offenbart und im Stand der Technik bekannt, so dass es nicht ausführlich beschrieben ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung überlagert der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt 5 ein Beobachtungssignal auf einen Spannungsbefehl. Jedoch ist die Konfiguration des Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitts 5 nicht darauf begrenzt. Es ist möglich, eine Vielfalt von Ausgestaltungen anzuwenden, gemäß denen ein Hochfrequenzbeobachtungssignal der rotierenden elektrischen Maschine zugeführt wird, und gemäß denen die Magnetpolposition entsprechend einer Antwort von der rotierenden elektrischen Maschine geschätzt wird. Beispielsweise kann ein Beobachtungssignal auf einen Strombefehl überlagert werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann für eine Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine angewendet werden, die eine Vektorregelung an einer rotierenden elektrischen Maschine durchführt.
Bezugszeichenliste

1: SCHALTABSCHNITT
3: HOCHDREHZAHLBEREICHS-POSITIONSBERECHNUNGSABSCHNITT
5: NIEDRIGDREHZAHLBEREICHS-POSITIONSBERECHNUNGSABSCHNITT
21: GLEICHSPANNUNGSENERGIEQUELLE
30: ROTIERENDE ELEKTRISCHE MASCHINE
BL: GRENZE
BL1: ERSTE GRENZE (GRENZE)
BL2: ZWEITE GRENZE (GRENZE)
BL3: DRITTE GRENZE (GRENZE)
BL4: VIERTE GRENZE (GRENZE)
HB: HOCHDREHZAHLBEREICHSSEITIGE GRENZE
Id: d-ACHSEN-RÜCKKOPPLUNGSSTROM (RÜCKKOPPLUNGSSTROM)
Iq: q-ACHSEN-RÜCKKOPPLUNGSSTROM (RÜCKKOPPLUNGSSTROM)
Iδ: δ-ACHSEN-RÜCKKOPPLUNGSSTROM (RÜCKKOPPLUNGSSTROM)
LB: NIEDRIGDREHZAHLBEREICHSSEITIGE GRENZE
RH: HOCHDREHZAHLDREHBEREICH
RL: NIEDRIGDREHZAHLDREHBEREICH
Vd: d-ACHSEN-SPANNUNGSBEFEHL
θ: MAGNETPOLPOSITION
θ^: GESCHÄTZTE MAGNETPOLPOSITION (MAGNETPOLPOSITION)
ω: DREHZAHL
ω^: GESCHÄTZTE DREHZAHL (DREHZAHL)

Claims

Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Maschine steuert, die einen Rotor aufweist, in dem ein Permanentmagnet angeordnet ist, um ein magnetisches Schenkelpolverhalten bereitzustellen, und die eine Regelung an der rotierenden elektrischen Maschine auf der Grundlage einer Abweichung zwischen einem Strombefehl und einem Rückkopplungsstrom von der rotierenden elektrischen Maschine in einem d-q-Achsen-Vektorkoordinatensystem ausführt, das durch eine d-Achse, die sich in einer Richtung eines durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes erstreckt, und eine q-Achse definiert ist, die orthogonal zu der d-Achse ist, wobei die Steuerungsvorrichtung für die rotierende elektrische Maschine aufweist: einen Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt, der eine Magnetpolposition des Rotors auf der Grundlage einer induzierten Spannung berechnet, die in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, einen Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt, der der rotierenden elektrischen Maschine ein Hochfrequenzbeobachtungssignal zuführt und der die Magnetpolposition des Rotors auf der Grundlage einer Hochfrequenzkomponente berechnet, die in dem Rückkopplungsstrom als eine Komponente als eine Antwort auf das Beobachtungssignal enthalten ist, und einen Schaltabschnitt, der einen Berechnungsmodus zum Berechnen der Magnetpolposition des Rotors zwischen zumindest zwei Modi umschaltet, die einen Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus, in dem die Magnetpolposition durch den Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt berechnet wird, und einen Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus aufweisen, in dem die Magnetpolposition durch den Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt berechnet wird, wobei der Schaltabschnitt einen Hochdrehzahldrehbereich, der durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine vorgegeben ist, und einen Niedrigdrehzahldrehbereich einstellt, der durch die Drehzahl und das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine vorgegeben ist und auf einer Seite vorgegeben ist, auf der die Drehzahl niedriger als diejenige in dem Hochdrehzahldrehbereich ist, den Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus in dem Hochdrehzahldrehbereich anwendet, den Niedrigdrehzahlbereichberechnungsmodus in dem Niedrigdrehzahldrehbereich anwendet, und sowohl eine hochdrehzahlbereichsseitige Grenze als auch eine niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze derart einstellt, dass sie auf einer Seite sind, auf der die Drehzahl in dem Fall niedrig ist, in dem das Drehmoment relativ hoch ist im Vergleich zu einem Fall, in dem das Drehmoment relativ niedrig ist, wobei die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze eine Grenze zwischen einer Region auf einer Seite, auf der die Drehzahl niedriger als diejenige in dem Hochdrehzahldrehbereich ist, und dem Hochdrehzahldrehbereich ist, und die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze eine Grenze zwischen einer Region auf einer Seite, auf der die Drehzahl höher als diejenige in dem Niedrigdrehzahldrehbereich ist, und dem Niedrigdrehzahldrehbereich ist.
Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 1, wobei der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition des Rotors zumindest auf der Grundlage einer induzierten Spannung berechnet, die in dem Stator durch die Drehung des Rotors erzeugt wird.
Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt die Magnetpolposition des Rotors unter Verwendung eines erweiterten induzierten Spannungsmodells berechnet, das eine erweitere induzierte Spannung, die anhand einer induzierten Spannung berechnet wird, die durch eine Drehung eines in dem Rotor durch einen d-Achsen-Strom erzeugten Magnetflusses erzeugt wird, einer induzierten Spannung, die durch Variationen im Strom erzeugt wird, der durch eine q-Achsen-Induktivität auf der Statorseite fließt, und einer induzierten Spannung berechnet wird, die durch eine Drehung eines Magnetflusses des Permanentmagneten erzeugt wird.
Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hochdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt und der Niedrigdrehzahlbereichs-Positionsberechnungsabschnitt eine Drehzahl des Rotors berechnen, eine Hysterese, die größer als ein Fehler in der Drehzahl ist, der durch einen Fehler in der in dem Hochdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus berechneten Magnetpolposition erzeugt wird, für die hochdrehzahlbereichsseitige Grenze eingestellt ist, und eine Hysterese, die größer als ein Fehler in der Drehzahl ist, der durch einen Fehler in der in dem Niedrigdrehzahlbereichs-Berechnungsmodus berechneten Magnetpolposition erzeugt wird, für die niedrigdrehzahlbereichsseitige Grenze eingestellt ist.
Vorrichtung zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Hochfrequenzanwendungsbereich, in dem das Beobachtungssignal der rotierenden elektrischen Maschine zugeführt wird, während der Berechnungsmodus ausgeführt wird, der in einer Region auf einer Seite angewendet wird, auf der die Drehzahl höher als diejenige in dem Niedrigdrehzahldrehbereich ist, benachbart zu der niedrigdrehzahlbereichsseitigen Grenze auf einer Seite eingestellt ist, auf der die Drehzahl höher als diejenige in der niedrigdrehzahlbereichsseitigen Grenze ist.