DE69733866T2 - Regler für den Antrieb eines Permanentmagnet-Synchronmotors - Google Patents

Regler für den Antrieb eines Permanentmagnet-Synchronmotors Download PDF

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Description

  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Antreiben eines Permanentmagnet-Synchronmotors (nachstehend als PM-Motor bezeichnet).
  • Eine Steuervorrichtung, die mit einem Batteriespannungsverstärker ausgestattet ist, ist in JP 08 214592 A beschrieben.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik:
  • Es besteht ein starker Bedarf an der Verkleinerung von Fahrzeug-Antriebsmotoren für Elektrofahrzeuge. Ein PM-Motor ist eine Art Motor, der Permanentmagnete als Generatoren zum Anregen eines magnetischen Flusses verwendet und der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine magnetische Umlaufspannung mit großer Feldstärke pro Volumeneinheit aufweist. Da ein PM-Motor leichter verkleinert werden kann als andere Motorarten, wurden bisher verschiedene Elektrofahrzeuge, die den PM-Motor als Antriebsmotor verwenden, vorgeschlagen.
  • Es wird häufig eine Vektorsteuerung als Steuerverfahren für die Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen angewendet. Die Vektorsteuerung ist ein Verfahren, bei dem eine Zielsteuerung durch Aufteilen des Motorstroms IM in eine Drehmomentstromkomponente Iq und eine Feldstromkomponente Id durchgeführt wird. Von diesen Komponenten erzeugt Iq ein Drehmoment (magnetisches Drehmoment) aus der Wechselwirkung mit dem Hauptfluss, d.h. dem magnetischen Anregungsfluss, der am Permanentmagneten erzeugt wird. Id erzeugt den magnetischen Anregungsfluss, der den Hauptfluss teilweise verstärkt oder abschwächt. Wenn der Motor eine ausgeprägte Polarität aufweist, erzeugt Id auch ein Drehmoment (Reluktanzmoment) proportional zu Id·Iq.
  • Wenn eine Vektorsteuerung bei einem System angewendet wird, das eine Batterie für die Stromversorgung aufweist, wie bei einem Elektrofahrzeug, ergeben sich die folgenden Probleme. Erstens treten im Motor der Hauptfluss E0 und die Wicklung bei einer Rotor-Winkelgeschwindigkeit ω des Motors miteinander in Wechselwirkung. Eine durch diese Wechselwirkung in der Wicklung induzierte Spannung wird Drehzahlspannung genannt. Die Drehzahlspannung ist eine elektromotorische Kraft, die zur Rotor-Winkelgeschwindigkeit ω des Motors proportional ist und als ω·E0 ausgedrückt werden kann. Wenn die Rotor-Winkelgeschwindigkeit ω des Motors zunimmt, nimmt somit auch die Drehzahlspannung ω E0 zu. Wenn die Drehzahlspannung ω·E0 zunimmt, steigt die Spannung über den Enden der Wicklung, und dadurch steigt wiederum die Klemmenspannung des Motors an. Wenn die Klemmenspannung erheblich zunimmt, so dass sie einen Wert übersteigt, der der Batteriespannung VB entspricht, bei der es sich um die Versorgungsspannung handelt, kann angenommen werden, dass der Stromkreis und die elektrischen Komponenten zwischen den Motoranschlüssen und der Batterie belastet werden. Um diese Belastung zu vermeiden, müssen die Rotor-Winkelgeschwindigkeit ω oder die Drehung N des Motors beschränkt werden, so dass die Klemmenspannung des Motors nicht den Wert übersteigt, der der Batteriespannung entspricht. Diese Art von Beschränkung des Bereichs der durchführbaren Umdrehungen ist, anders ausgedrückt, eine Obergrenze des Drehzahlbereichs, der in einem Elektrofahrzeug erhalten werden kann.
  • Ein Verfahren mit der Bezeichnung Feldschwächsteuerung ist bisher das am häufigsten angewandte Verfahren, um diese Art von Problem zu lösen, und wird derzeit teilweise anhand einer Vektorsteuerung durchgeführt. Die Feldschwächsteuerung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines magnetischen Anregungsflusses in einer Richtung, die den Hauptfluss E0 durch Steuerung von Id schwächt, wenn die Rotor-Winkelgeschwindigkeit ω des Motors hoch ist, und zum Ausweiten des Betriebsbereichs des Motors auf den Feldschwächbereich auf der Seite mit den hohen Drehzahlen (siehe 6). Mit Hilfe dieses Verfahrens kann selbst bei einem Motor relativ niedriger Leistung ein hoher Drehzahlbereich abgedeckt werden. Die Vektorsteuerung schließt auch einen Modus ein, der auf einem absoluten Wert und einem Drehmomentwinkel beruht und der äquivalent ist zu dem Modus, der auf Id und Iq beruht, so dass in dieser Anwendung keine Unterscheidung zwischen ihnen gemacht wird.
  • Obwohl eine Feldschwächsteuerung diese Art Vorteile bringt, führt sie auch zu einem Abfall der Effizienz. Zunächst steigert die Feldschwächsteuerung den Absolutwert von Id bei hohen Drehzahlen. Wie zuvor erwähnt, ist Id eine Stromkomponente, die wenig oder nichts zur Drehmomenterzeugung beiträgt. Wenn Id (im folgenden als Feldschwächstrom bezeichnet) zu groß ist, wenn eine Feldschwächsteuerung durchgeführt wird, nimmt daher der Verlust zu. Wenn der Feldschwächstrom zu klein ist, behindert dies umgekehrt das Erreichen des ursprünglichen Ziels der Feldschwächung. Anders ausgedrückt, die Schaltung und die elektrischen Komponenten, die zwischen den Motoranschlüssen und der Batterie bereitgestellt sind, wie ein Stromrichter für die Steuerung der Motorleistung, werden belastet, so dass der erforderliche Iq nicht ausgegeben werden kann. Als Verfahren, um diese Probleme zu lösen, hat der Abtretungsempfänger für die vorliegende Erfindung bereits ein Verfahren zum Variieren des Werts des Feldschwächstroms gemäß VB vorgeschlagen (siehe die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 7-107772). Entsprechend diesem Verfahren kann der bei der Feldschwächsteuerung erzeugte Verlust in Beziehung zur Spannung oder dem Ladungszustand der Batterie reduziert und optimiert werden. Solange eine Feldschwächsteuerung durchgeführt wird, kann die Erzeugung eines Verlusts, der vom Feldschwächstrom und dem resultierenden Abfall der Systemeffizienz verursacht wird, jedoch nicht eliminiert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Feldschwächsteuerung durch Anwenden eines neuartigen Verfahrens zum Verstärken der Batteriespannung überflüssig zu machen, um eine Verbesserung der Systemeffizienz zu erreichen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Aufrechterhalten eines Drehzahlarbeitsbereichs für den PM-Motor innerhalb oder jenseits des üblichen Bereichs durch Ausführen einer Verstärkungssteuerung gemäß der Lage des Ziel-Betriebspunkts des PM-Motors. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Unterdrückung des Verstärkerverlusts, um die Systemeffizienz dadurch weiter zu verbessern, dass keine Verstärkung durchgeführt wird, wenn die Batteriespannung niedrig ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Erreichen eines stärker automatisierten Systems durch Bereitstellen eines Mittels zum autonomen Umgehen des Verstärkers. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Zulassen des Umgehens des Verstärkers, zum Beispiel wenn es für das regenerative Bremsen erforderlich wird, durch Bereitstellen eines Mittels zum zwangsweisen Umgehen des Verstärkers. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vermeiden einer Stoßstrom-Verhinderungsschaltung durch Verwenden eines Verstärkers.
  • Eine Antriebssteuervorrichtung, wie sie dieser Erfindung zugrunde liegt, verwendet einen Stromrichter, der zwischen eine Batterie und einen PM-Motor geschaltet ist, zum Umwandeln von VB in IM, um den PM-Motor zu steuern. Sie schließt einen Verstärker, ein Beurteilungsmittel und ein Mittel zum Erweitern des Ausgangsleistungsbereichs ein. Der Verstärker verstärkt die VB, bevor diese entsprechend einem Befehl dem Stromrichter zugeführt wird. Das Beurteilungsmittel bestimmt aufgrund des erfassten VB-Werts, ob der Ziel-Betriebspunkt des PM-Motors im Ausgangsleistungsbereich liegt oder nicht. Falls vom Beurteilungsmittel geurteilt wird, dass der Ziel-Betriebspunkt außerhalb des Ausgangsleistungsbereichs liegt, erweitert das Ausgangsleistungsbereichs-Erweiterungsmittel durch Ausgeben eines der Lage des Ziel-Betriebspunkts entsprechenden Befehls an den Verstärker den Ausgangsleistungsbereich, so dass der Ziel-Betriebspunkt im Ausgangsleistungsbereich liegt. In dieser Ausführungsform wird beispielsweise VB so verstärkt, dass der Ziel-Betriebspunkt im Ausgangsleistungsbereich liegt, wenn der Ziel-Betriebspunkt des PM-Motors unter der gegenwärtigen VB weiter auf der Hochdrehzahlseite des Ausgangsleistungsbereichs liegt. Daher können im Verfahren der Erfindung, wo die Erzeugung oder Zunahme von Id ver hindert wird, das Auftreten eines Verlusts, der vom Id verursacht wird, und der resultierende Abfall der Systemeffizienz vermieden werden. Da das Verfahren der Erfindung die gleiche Art von Feldschwächsteuerung in Bezug auf die Erweiterung des Leistungsantriebsbereichs aufweist, kann der Drehzahl-Betriebsbereich des PM-Motors innerhalb oder jenseits des üblichen Bereichs gehalten werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf Konstruktionen beschränkt, die immer einen Verstärker verwenden, und deckt auch beispielsweise gemäß einer speziellen Ausführungsform Konstruktionen ab, die den Verstärker umgehen, wenn keine Verstärkung durchgeführt wird oder ein regeneratives Bremsen durchgeführt wird. Zum Beispiel kann ein autonomes Durchgangs-Element (wie eine Diode) das abhängig vom Spannungsunterschied vor und nach dem Verstärker einen Leitungsweg, der nicht durch den Verstärker verläuft, bildet oder unterbricht, zwischen der Batterie und dem Stromrichter bereitgestellt werden. Dies macht es möglich, den Verstärker mit dem autonomen Durchgangs-Element zu umgehen, wenn es nicht notwendig ist, eine Verstärkung durchzuführen. Anders ausgedrückt, es wird keine Verstärkung durchgeführt, wenn die VB niedrig ist, so dass die Erzeugung eines Verlusts im Verstärker verhindert wird und die Systemeffizienz weiter verbessert werden kann. Da die Umgehungsbildung und -unterbrechung autonom, d.h. automatisch, vom autonomen Durchgangs-Element durchgeführt wird, ist eine Steuervorrichtung oder ein Steuerverfahren für diesen Zweck überflüssig. Alternativ dazu können ein steuerbares Durchgangs-Element (wie ein Thyristor) zum Ausbilden oder Unterbrechen des Leitungswegs zwischen der Batterie und dem Stromrichter, welcher befehlsgemäß nicht durch den Verstärker verläuft, sowie ein Mittel zum Senden eines Befehls zu dem steuerbaren Durchgangs-Element bereitgestellt werden, um zu ermöglichen, dass der Verstärker, falls nötig, umgangen werden kann, beispielsweise für ein regeneratives Bremsen.
  • Die Erfindung ist nicht auf Konstruktionen beschränkt, die den Verstärker nur zum Verstärken verwenden, und deckt auch beispielsweise gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform Konstruktionen ab, welche die Ausbildung eines Regenerierungswegs mit dem Verstärker durchführen. Zum Beispiel wird für den Verstärker eine Schaltung verwendet, die ein passives Element (wie einen Verstärkungsreaktor) zum Speichern der von der Batterie abgegebenen Leistung und ein aktives Element (wie einen Transistor) zum befehlsgemäßen selektiven Verbinden des passiven Elements mit entweder dem positiven oder dem negativen Eingangsanschluss des Stromrichters verwendet. Auf diese Weise können diese Elemente für die Ausbildung des Wegs während einer Regeneration verwendet werden. Weiter kann die Einschaltstoßvermeidungsschaltung, d.h. eine Schaltung, die einen Strom verhindert, der auf das Laden des Glättungskondensators zurückgeht, welcher im Allgemeinen zwischen den Gleichstromanschlüssen des Stromrichters vorgesehen ist, mittels dieser Elemente vermieden werden. Zum Beispiel durch Ausgeben eines Befehls an das oben genannte aktive Element, welcher dem Ergebnis der Beurteilung am Beurteilungsmittel und der Lage des Ziel-Betriebspunkts entspricht, wenn der Ziel-Betriebspunkt auf der Leistungsantriebsseite liegt, und durch Ausgeben eines Befehls, mit dem ein Stromweg durch das oben genannte passive Element zwischen der oben genannten Batterie und dem oben genannten Stromrichter ausgebildet wird, wenn der Ziel-Betriebspunkt auf der Regenerationsseite liegt und/oder wenn der Permanentmagnet-Synchronmotor gestartet werden soll.
  • Die Erfindung ist nicht auf Erfindungen beschränkt, die Antriebssteuervorrichtungen betreffen, und kann auch als Antriebssteuerverfahren, Antriebsvorrichtungen, Antriebsverfahren, Stromzufuhrvorrichtungen, Stromzufuhrverfahren und so weiter dargestellt werden. Ferner ist diese Erfindung, obwohl der Beschreibung die Hypothese einer Anwendung auf ein reines EV zugrunde liegt, für verschiedene Zwecke, ob nun für die industrielle Anwendung oder die Anwendung durch den Verbraucher, zusätzlich zu elektrischen Zugmaschinen und sogenannten Hybridfahrzeugen anwendbar. Der Permanentmagnet-Synchronmotor, der das Objekt der Steuerung ist, ist nicht auf dreiphasige Wechselstrommotoren oder auf einen Typ, der ein Reaktanzmoment verwendet, beschränkt. Obwohl nachstehend eine Konstruktion beschrieben wird, wo das Ausgangsmoment des Motors aufgrund der erfassten Drehung einer Steuerung unterworfen wird, kann diese Erfindung auch auf Konstruktionen angewendet werden, wo eine Steuerung der Umdrehungen (Drehzahlsteuerung) anstelle einer Steuerung des Aus gangsmoments (Momentsteuerung) durchgeführt wird, auf Konstruktionen, wo eine Regelung anstelle einer Steuerung durchgeführt wird, ebenso wie auf Konstruktionen, wo eine Steuerung aufgrund einer vorausgesagten anstelle einer erfassten Drehung durchgeführt wird. Obwohl der Betriebspunkt des Motors vor allem im Drehmoment/Drehzahl-Raum dargestellt wurde, kann er auch in einem anderen Raum dargestellt werden, wie im Motorspannungs/Strom-Raum. Obwohl ein Beispiel angegeben wurde, bei dem die Batteriespannung so verstärkt wird, dass sie die elektromotorische Gegenkraft des Motors übersteigt, kann die Batteriespannung in einem Teil eines Hochspannungsbereichs gesenkt werden. Obwohl ein Beispiel gegeben wurde, bei dem das Verstärken (oder Senken) der Spannung nicht während einer Regeneration durchgeführt wird, kann es beispielsweise durch Schalten von Elementen im IPM durchgeführt werden. In bestimmten Konstruktionen sind verschiedene Modifikationen der Spannungsverstärkungs- oder -senkungsschaltung möglich. Erstens kann durch Verwenden einer Schaltung, die sowohl ein Verstärken als auch ein Senken der Spannung beinhaltet, das Element zum Umgehen des Verstärkers, wie ein Schalter, eine Diode oder ein Thyristor, vermieden werden. Zweitens kann statt einer Parallelschaltung von Diode und Thyristor in der ersten nachstehend beschriebenen Ausführungsform ein Element, wie ein bidirektionaler Thyristor, verwendet werden. Zwar wurden Details bezüglich der Arbeitsweise des Verstärkers weggelassen, aber dessen Arbeitsweise ist jedem Fachmann umfassend bekannt. Modifikationen der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere solche, die den hierin angegebenen entsprechen, können von einem Fachmann gemäß der Offenbarung dieser Anmeldung leicht realisiert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Systemblockschema eines Elektrofahrzeugs gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist ein Drehmoment/Drehzahl-Raumdiagramm, welches das Prinzip der Ausgangsleistungsbereichs-Erweiterung und der Systemeffizienzverbesserung gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • 3 ist ein Ablaufschema, das den Arbeitsablauf einer Steuervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • 4 ist ein Ablaufschema, das den Arbeitsablauf einer Steuervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist ein Systemblockschema eines Elektrofahrzeugs gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 ist ein Drehmoment/Drehzahl-Raumdiagramm, das die Feldschwächsteuerung des Standes der Technik erläutert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • 1 zeigt die Systemkonstruktion eines Elektrofahrzeugs in Bezug auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird ein dreiphasiger PM-Motor 10 als Fahrzeug-Antriebsmotor verwendet. Die Antriebskraft des Motors 10 wird über ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) 14 von einer Batterie 12 geliefert. Anders ausgedrückt, die Leistung, die von der Batterie 12 nach Glättung durch einen Glättungskondensator C abgegeben wird, wird vom IPM 14 von einem Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom umgewandelt, und die resultierenden Ströme iu, iv und iw werden den einzelnen Wicklungen des Motors 10 zugeführt. Das Aus gangsmoment des Motors 10 wird von einer Steuervorrichtung 16 durch Erzeugen von Schaltsignalen entsprechend den Pedal- oder Hebelbetätigungen des Beschleunigungselements, der Bremse, der Gangschaltung und so weiter durch den Fahrzeuglenker und gemäß den Drehzahlen (oder der Rotorwinkelposition) des Motors 10, die von einem Drehzahlsensor 18, wie einem Resolver, erfasst werden, und durch Steuern des Schaltmusters der Schaltelemente im IPM 14 gesteuert. Durch Ausführen dieser Art von Steuerung kann der Motor 10 das vom Fahrzeuglenker durch Betätigen des Beschleunigungselements usw. angeforderte Drehmoment ausgeben. Um diese Steuerung durchzuführen, werden die jeweiligen Phasenströme iu, iv und iw des Motors 10 von Stromsensoren 20u, 20v und 20w erfasst, die so bereitgestellt werden, dass sie den verschiedenen Wicklungen des Motors 10 entsprechen, und werden der Steuervorrichtung 16 zurückgemeldet.
  • Ferner sind eine Einschaltstoß-Vermeidungsschaltung 22, eine Diode Df, ein Thyristor Dr und ein Verstärker 24 zwischen der Batterie und dem IPM bereitgestellt. Von diesen unterdrückt oder verhindert die Einschaltstoß-Vermeidungsschaltung 22 den Einschaltstoßstrom, der aufgrund der Aufladung des Glättungskondensators C unmittelbar nach dem Anschließen der Batterie 12 an das IPM 14 fließt, und weist zwei Schalter SW1 und SW2 auf, die parallel geschaltet sind und ihrerseits gemäß der Betätigung der Zündung (IG) ein- und ausschalten, sowie einen Widerstand Rs, der mit dem Schalter SW2 in Reihe geschaltet ist. Ferner verstärkt der Verstärker 24, der ein Merkmal dieser Erfindung darstellt, die Klemmenspannung VB der Batterie 12 unter der Steuerung der Steuervorrichtung 16 auf eine höhere Spannung VI und legt VI an die Gleichstromanschlüsse des IPM 14 an. Die Diode Df ist bereitgestellt, um den Verstärker 24 zu umgehen, wenn zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Verstärkers 24 kein großer Potentialunterschied erzeugt wird, d.h. wenn der Verstärker 24 keine Verstärkerarbeit leistet. Der Thyristor Dr schaltet gemäß einem von der Steuervorrichtung 16 gelieferten Signal ein und aus und erzeugt dadurch einen Stromweg, der in entgegengesetzter Richtung zu dem verläuft, der von der Diode Df bestimmt wird. Die Bezugszeichen 25 und 26 in der Zeichnung stellen Spannungssensoren zum Erfassen von VB bzw. VI dar. Ein Zusammenstellungsbeispiel für den Verstärker 24 zeigt zwei Transisto ren Tr1 und Tr2, die zwischen den Gleichstromanschlüssen vom IPM 14 in Vorwärtsrichtung in Bezug auf VI in Reihe geschaltet sind, Dioden D1 und D2, die in umgekehrter Richtung in Bezug auf VI parallel mit diesem Transistoren geschaltet sind, und einen Verstärkerreaktor L, dessen eines Ende an den Verbindungspunkt zwischen den Transistoren Tr1 und Tr2 angeschlossen ist und dessen anderes Ende an der Seite der Batterie 12 angeschlossen ist.
  • 2 erläutert das Prinzip der Ausgangsleistungsbereichs-Erweiterung des Motors 10 in dieser Ausführungsform. Der in dieser Figur mit Bereich A gekennzeichnete Bereich entspricht dem Bereich, der in 6 vom normalen Feldbereich angezeigt wird. Bisher wurde der Ausgangsleistungsbereich des Motors 10 aufgrund einer Kennlinie erweitert, die in 2 durch die durchgezogene Linie angezeigt ist, d.h. bis zum Bereich, der in 6 vom Feldschwächbereich angezeigt ist, indem man den Feldschwächstrom Id gemäß dem Anstieg der Motordrehzahl N erhöhte. In dieser Ausführungsform wird der Ausgangsleistungsbereich des Motors 10 dagegen unabhängig von der Id-Steuerung durch Steuern des Verstärkers 24 erweitert. Anders ausgedrückt, wenn der gegenwärtige Ziel-Betriebspunkt (T, N) sich auf der Hochdrehzahlseite des Bereichs befindet, der mit dem gegenwärtigen VB oder VI erreicht werden kann, wird das Verstärkungsverhältnis vom Verstärker 24 in dieser Ausführungsform erhöht, so dass der Ausgangsleistungsbereich des Motors 10 erweitert wird, und zwar von Bereich A auf B, von B auf C und weiter von C auf D. Da keine Steuerung von Id notwendig ist, um den Ausgangsleistungsbereich aufgrund dieses Prinzips zu erweitern, kommt es nicht zu einer Senkung der Systemeffizienz aufgrund einer herkömmlichen Feldschwächsteuerung.
  • Ein Beispiel für Abläufe, die von der Steuervorrichtung 16 durchgeführt werden müssen, um dieses Prinzip umzusetzen, ist in den 3 und 4 dargestellt. Wie in 3 dargestellt, schaltet die Steuervorrichtung 16 unmittelbar nach dem Einschalten von IG zunächst den Schalter SW2 in der Einschaltstoß-Vermeidungsschaltung 22 ein und schaltet nach kurzer Zeit den Schalter SW1 (100) ein. Anders ausgedrückt, über einen kurzen Zeitraum unmittelbar nach dem Einschalten von IG wird der Glättungs kondensator C über den Widerstand Rs as Ladewiderstand geladen, und an dem Punkt, wo angenommen wird, dass der Glättungskondensator C ausreichend geladen wurde, wird SW1 eingeschaltet und beide Enden des Widerstands Rs werden kurzgeschlossen. Danach geht die Betätigung der Steuervorrichtung 16 zu einer Reihe von Wiederholungsabläufen über, um das Ausgangsmoment des Motors 10 zu steuern.
  • Beim Steuern des Ausgangsmoments des Motors 10 gibt die Steuervorrichtung 16 zunächst Signale (102) von verschiedenen Teilen des Fahrzeugs aus. Zum Beispiel werden der Beschleunigungselementwinkel, die Bremskraft, die Position des Gangschalthebels, die Motordrehzahl N, die Motorströme iu, iv und iw, die Batteriespannung VB, die Eingangsspannung VI des IPM und so weiter eingegeben. Danach bestimmt die Steuervorrichtung 16 ein Bezugs-Drehmoment T* (104), d.h. einen Zielwert für das Drehmoment, das vom Motor 10 ausgeben werden soll, aufgrund der Informationen über den Beschleunigungselementwinkel, die Bremskraft, die Gangschalthebelposition, die Motordrehzahl N, usw. Die Steuervorrichtung 16 bestimmt einen Bezugsstrom (Id*, Iq*) aufgrund des Bezugs-Drehmoments T*, das auf diese Weise bestimmt wurde, und so, dass die Systemeffizienz des Motors 10 maximiert wird. Vom hier genannten Bezugsstrom ist Id* ein Befehl, der sich auf die Feldstromkomponente Id bezieht, und Iq* ist ein Befehl, der sich auf Drehmomentstromkomponente Iq bezieht. Die Steuervorrichtung 16 verwendet den auf diese Weise bestimmten Bezugsstrom (Id*, Iq*), um eine Anpassung der IPM-Eingangsspannung VI (108) durchzuführen, und gibt dann zum Beispiel Signale (110) an den IPM 14 aus. Anders ausgedrückt, ein Signal, das ein Schaltungsmuster für IPM 14 signalisiert, wird ausgegeben, so dass die Ströme iu, iv und iw gemäß dem Bezugsstrom (Id*, Iq*) fließen, und wenn das Bezugsmoment T* im Regenerationsbereich (dem Bereich von 2, wo T < 0 ist) liegt, wird ein Einschaltbefehl an den Thyristor Dr ausgegeben. Die Durchführung der obigen Schritte 102 bis 110 wird wiederholt (112), bis IG vom Fahrzeuglenker ausgeschaltet wird. Wenn IG ausschaltet wird, schaltet die Steuervorrichtung 16 die Schalter SW1 und SW2 zu einem geeigneten Zeitpunkt (114) aus und unterbricht dadurch die Versorgung des Motors 10 mit Leistung von der Batterie 12.
  • Die in Schritt 108 dargestellte Anpassung der IPM-Eingangsspannung wird in dem in 4 dargestellten Ablauf durchgeführt. Anders ausgedrückt, die Steuervorrichtung 16 berechnet (200) (Vd*, Vq*) beispielsweise anhand der folgenden Gleichung: Vd = (R + pLd)·Id* – ω·Lq·Iq* Vq = ω·Ld·Id* + (R + pLq)·Iq* + ω·E0wobei
    • R:
    Widerstand der Motorwicklung
    Ld, Lq:
    d-Achsen- und q-Achseninduktivitäten der Motorwicklung
    ω:
    elektrische Winkelgeschwindigkeit des Motors
    E0:
    Drehzahlspannung (elektromotorische Kraft des Permanentmagneten)
    p:
    Differentialoperator
  • Oder es können statt dessen (Vd*, Vq*) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden: Vd = Kp·ΔId + Ki·∫ΔId – ω·Lq·Iq Vq = Kp·ΔIq + Ki·∫ΔIq + ω·Ld·Id + ωE0wobei ΔId = Id* – Id ΔIq = Iq* – Iq
  • Das auf diese Weise bestimmte (Vd*, Vq*) zeigt die Spannung an, die erforderlich ist, um ein Bezugs-Drehmoment T* oder einen Bezugsstrom (Id*, Iq*) zu erhalten. Die Steuervorrichtung 16 bestimmt ferner die Spannung V gemäß der folgenden Gleichung: V = k·(Vd2 + Vg2)1/2 wo k ein Koeffizient zum Umwandeln der Motorklemmenspannung in die IPM-Eingangsspannung ist. Die auf diese Weise erhaltene Spannung V ist die IPM-Eingangsspannung, die erforderlich ist, um den Ziel-Betriebspunkt des Motors 10, d.h. (T*, N*) zu erhalten. Die Steuervorrichtung 16 beurteilt, ob diese Spannung V VB (204) und VI (206) übersteigt. Falls die Bedingung V > VB nicht erfüllt ist, geht die Steuervorrichtung 16 zu Schritt 110 über, ohne eine Verstärkung durch den Verstärker 24 durchzuführen, da angenommen wird, dass der Ziel-Betriebspunkt (T*, N) erreicht werden kann, wenn die gegenwärtige Batteriespannung VB im Wesentlichen über die Diode Df als VI an IPM angelegt wird. Wenn die Bedingung V > VB erfüllt ist und der Verstärker 24 den Betrieb noch nicht aufgenommen hat, ist V > VI sicher erfüllt, so dass der Betrieb der Steuervorrichtung 16 zu Schritt 208 übergeht, d.h. einer Befehlsausgabe für das Verstärkungsverhältnis des Verstärkers 24. In Schritt 208 initiiert die Steuervorrichtung 16 eine Operation, um die Transistoren Tr1 und Tr2 so zu steuern, dass eine VI, die V < VI erfüllt, erhalten werden kann. Ferner können auch nach dem Starten der Verstärkungsoperation durch den Verstärker 24 Fälle eintreten, wo die Bedingung V > VI aufgrund eines unzulänglichen Verstärkungsverhältnisses erfüllt ist, in welchem Fall (206) Schritt 208 ebenfalls durchgeführt wird.
  • Die oben genannten Steuerabläufe in dieser Ausführungsform sichern den Leistungsantriebsbereich (insbesondere den Drehzahlbereich) und verbessern die Motorsystemeffizienz aufgrund des in 2 gezeigten Prinzips.
  • 5 zeigt die Systemkonstruktion eines Elektrofahrzeugs in Bezug auf eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird statt der Einschaltstoß-Vermeidungsschaltung 22 ein Schalter SW verwendet, um die Batterie 12 auf IPM 14 oder Verstärker 24 umzuschalten, und auf die Diode Fd und den Thyristor Dr wurde verzichtet. Damit geht auch eine Änderung der Betriebsabläufe der Steuervorrichtung 16 einher.
  • Erstens wird, obwohl in der obigen Ausführungsform in Schritt 100 von 3 die Steuerung zum Einschalten der Schalter SW1 und SW2 mit einem zeitlichen Unterschied durchgeführt wurde, in dieser Ausführungsform SW in Schritt 100 zuerst in Position 1 geschaltet, und dadurch wird die Batterie 12 mit dem Verstärker 24 verbunden, der einen eingebauten Verstärkungsreaktor L aufweist. Die Steuervorrichtung 16 schaltet den Source-seitigen Transistor Tr1 ein und schaltet den Drain-seitigen Transistor Tr2 aus, um einen Zustand zu schaffen, wo die Batterie 12 über den Verstärkungsreaktor L mit dem IPM 14 verbunden ist, so dass das Laden des Glättungsreaktors C über den Verstärkungsreaktor L eine Funktion erreicht, die identisch mit der der Einschaltstoß-Vermeidungsschaltung 22 der ersten Ausführungsform ist. Nach Ablauf der Zeit, nach der der Glättungskondensator C als ausreichend geladen gilt, schaltet die Steuervorrichtung SW ferner in die Position 3, so dass die Batterie 12 mit dem IPM 14 verbunden wird.
  • Danach werden, wie in der oben genannten ersten Ausführungsform, die Abläufe der Schritte 102 bis 110 wiederholt durchgeführt, bis der Fahrzeuglenker IG ausschaltet. Wenn das Bezugs-Drehmoment jedoch im Regenerationsbereich liegt, wird statt der Steuerung zum Einschalten des Thyristors Dr eine Steuerung zum Einschalten des Transistors Tr1 und zum Abschalten des Transistors Tr2 durchgeführt. Diese Art von Steuerung bildet einen Stromweg durch den Verstärkungsreaktor L, der dem ähnelt, der unmittelbar nach Einschalten von IG besteht, so dass die Bremsenergie zur Batterie 12 zurückgeführt werden kann. Alternativ dazu kann die Bremsenergie durch Schalten des Schalters SW in die Position 3 zurückgeführt werden. Nachdem IG ausgeschaltet wurde, schaltet die Steuervorrichtung 16 den Schalter SW in die Position 2, um die Batterie 12 vom IPM 14 und vom Verstärker 24 zu trennen.
  • Diese Art der Konstruktion und dieser Art von Abläufen ermöglichen es, den Ausgangsleistungsbereich des Motors 10 zu erweitern und die Systemeffizienz zu verbessern, wie in der oben genannten ersten Ausführungsform. Ferner können in dieser Ausführungsform die Einschaltstoß-Vermeidungsschaltung usw. vermieden werden.
  • Zwar wurde beschrieben, was derzeit als die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrachtet wird, aber selbstverständlich können verschiedene Modifizierungen daran vorgenommen werden, und die beigefügten Ansprüche sollen alle diese Modifizierungen einschließen, so dass sie in den Gedanken und Bereich der Erfindung fallen.

Claims (3)

  1. Antriebssteuerung (16) für die Steuerung eines für ein Fahrzeug bestimmten synchronen Permanentmagnetmotors (10), der eine Drehzahlspannung (ω·EO) aufweist, unter Verwendung eines Stromrichters (14), der zwischen einer Batterie (12) und dem synchronen Permanentmagnetmotor (10) angeschlossen ist und eine Batteriespannung (VB) in einen Motorstrom (iu, iv, iw) umwandelt, wobei die Antriebssteuerung (16) umfasst: einen Verstärker (24) für das Verstärken der genannten Batteriespannung (VB) in Abhängigkeit von einem Befehl, bevor diese dem Stromrichter (14) eingespeist wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssteuerung weiterhin ein Beurteilungsmittel (204) umfasst für die Beurteilung, ob ein Soll-Betriebspunkt (T*, N) für den synchronen Permanentmagnetmotor (10), welcher einen auf Basis eines Motordrehmomentes T* und einer Drehzahl N bestimmten Betriebsbereich aufweist, in einem Ausgangsbereich desselben liegt oder nicht, und zwar auf der Basis eines zur Erzielung eines Soll-Betriebspunktes (T*, N) erforderlichen Endwertes (V), eines ermittelten Wertes der Batteriespannung (VB) und eines Wertes einer durch den Verstärker (24) verstärkten Spannung (VI); und ein Erweiterungsmittel (208) für das Erweitern des Ausgangsbereichs, wenn durch das Beurteilungsmittel (204) festgestellt wurde, dass der Soll-Betriebspunkt (T*, N) nicht innerhalb des Ausgangsbereichs liegt, so dass dieser den Soll-Betriebspunkt abdeckt, und zwar durch Ausgabe eines ein Verstärkungsverhältnis betreffenden Befehls an den Verstärker (24) in Abhängigkeit von der Position des Soll-Betriebspunktes (T*, N) und basierend auf der Drehzahlspannung (ω·EO).
  2. Die Antriebssteuerung (16) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein steuerbares Durchlasselement (Dr) zur Bildung oder Unterbrechung eines zwischen der Batterie (12) und dem Stromrichter (14) vorgesehenen und nicht durch den Verstärker (24) verlaufenden Leitungsweges in Abhängigkeit von einem Durchlassschaltungsbefehl; und ein Mittel (110) zum Leiten des Durchlassschaltungsbefehls an das steuerbare Durchlasselement (Dr), um die Bildung des genannten Leitungsweges zu erzwingen, wenn der Soll-Betriebspunkt (T*, N) auf der Regenerationsseite liegt.
  3. Die Antriebssteuerung (16) nach Anspruch 1, in welchers: der Verstärker (24) ein passives Element (L) für das Speichern der von der Batterie (12) abgegebenen Energie und ein aktives Element (Tr1, Tr2) für das selektive Verbinden des passiven Elementes (L) mit einer positiven Seite oder einer negativen Seite des Stromrichters (14), in Abhängigkeit von dem genannten Befehl, enthält; und die Antriebssteuerung (16) ein Befehlsmittel (110) enthält, das dazu dient, den genannten Befehl an das aktive Element (Tr1, Tr2) in Abhängigkeit von der Position des Soll-Betriebspunktes (T*, N) und des Ergebnisses einer Beurteilung durch das Beurteilungsmittel (204) auszugeben, wenn der Soll-Betriebspunkt (T*, N) auf der Leistungsantriebsseite liegt, und dazu, einen Befehl auszugeben, so dass ein durch das passive Element (L) verlaufender Leitungsweg zwischen der Batterie (12) und dem Stromrichter (14) gebildet wird, wenn der Soll-Betriebspunkt (T*, N) auf der Regenerationsseite liegt und wenn der synchrone Permanentmagnetmotor (10) gestartet werden soll.
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