JP2000505639A - 例えば電気自動車用の駆動部としての非同期電動機に対する制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 例えば電気自動車用の駆動部としての非同期電動機（１１）に対する制御装置が提案される。この制御装置には、非同期電動機（１１）の回転数に対する増分発生器（１６）と、トルク目標値発生器８１９）とが設けられている。これらの信号は目標値設定装置（１２）に、非同期電動機（１１）を駆動するための制御インバータまたはインバータ電力部（１０）に対する目標値（３相基準正弦波系）を形成するために供給される。目標値設定装置（１２）は、少なくとも回転子周波数（スリップ周波数ｆ２）と振幅（Ｈ）を所望のトルク目標値に依存して設定するための手段を有する。目標値設定装置（１２）は加算装置（１７）を有し、この加算装置は回転子周波数（ｆ２）を、回転数に相応する非同期電動機（１１）の機械的回転周波数（ｆｎ）と加算するか、またはこれから減算する。この加算または減算は、瞬時の回転方向、所望の回転方向および所望のトルクの方向に依存して行われる。加算装置（１７）の出力信号によって目標値メモリ（３１）から、インバータまたはインバータ電力部（１０）に対する電流目標値経過を選択することができ、その振幅は所定の振幅に依存して調整可能である。この制御装置によって磁界指向制御の多数の利点、とりわけ部分負荷動作での効率の改善が僅かなコストで達成され、例えば電気自動車において、停止状態ないしは所望の走行方向とは反対の任意の高速回転から衝撃なしで発進することが保証される。

Description

【発明の詳細な説明】 例えば電気自動車用の駆動部としての非同期電動機 に対する制御装置 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念による、例えば電気自動車用の駆動部としての 非同期電動機に対する制御装置に関する。 この種の公知の制御装置は、いわゆる磁界指向制御であり、例えばSiemens Fo rschungs-und Entwicklungsberichten 1972，F.Blaschke”Das Verfahren der F eldorientierung zur Reglung der Asynchronmaschine”,pp.184 ff または専門 書”Control of Electrical Drives”,W.Leonhard，Springer-Verlag,214-222pp .に記載されている。磁界指向制御では、固定子磁界ベクトルの振幅と、回転子 磁界ベクトルを基準にした固定子磁界ベクトルの位置とが常に監視される。ここ での主たるタスクはトルクによる電流と磁界による電流とを固定子電流ベクトル の絶対値から分離することである。さらにそのためには、これれの電流が回転子 を基準にする座標系において常に相互の直角になるようにする必要がある。この ことは、３相系の固定子電流の検出、回転子磁界と同期して回転する座標系への その電流の変換、および電流の磁界形成成分とトルク形 成成分について設定目標値と比較することを必要とする。モータに新たな電流／ 電圧値を供給することは、計算と回転基準系から定常的固定子座標系へ逆変関し た後で行われる。磁界指向制御の場合、一定のトルクが公称回転数についても得 られ、速度安定性が負荷条件が変動するときでも改善され、全負荷動作において 高い効率が得られる。しかし技術的コストが高く、面倒である。 発明の利点 請求項１の特徴部分の構成を有する本発明の制御装置は、磁界指向制御の多数 の利点を簡単な手段により、かつ安価に達成し、とりわけ部分負荷動作において 良好な効率を達成する。このことはとりわけ電気自動車に対して重要である。増 分発生器に対する要求は小さい。４象限動作が可能である。さらに停止状態から の、ないしは所望の走行方向とは逆の任意の高速回転からの衝撃のない発進が優 れて可能である。 従属請求項に記載された手段によって、請求項１に記載の制御装置の有利な発 展と改善が可能である。 目標値設定装置は有利には、回転子周波数および固定子電流の振幅と所望のト ルク目標値とに対する関数テーブルを有している。付加的にさらに、負荷角度予 制御に対する関数テーブルを設けることができる。関数テーブルから得られた値 にはマシンパラメータが反映されている。各目標値希望には、他の値ペア、ない し値トリオも含まれる。 非同期電動機のそれぞれの回転方向を考慮するために、加算装置はそれぞれの 回転方向に依存して自動的に切り替わる第１の切換装置を有している。この切換 装置により、後進切替位置では機械的回転周波数に比例する増分発生器の信号が 負に、前進切替位置では正に評価される。 所望の回転方向および所望のトルクの方向も目標値設定の際に考慮するため、 加算装置は付加的に、トルクの所望の回転方向（発電機／電動機動作）に依存し て切り替わる第２の切換装置を有している。ここで発電機動作では、回転子周波 数に相応する信号が増分発生器の信号から評価の前に第１の切換装置によって減 算され、電動機動作では、回転子周波数に相応する信号が、第１の切換装置によ り評価された増分発生器の信号に、所定の前進回転方向では加算され、所定の後 進回転方向ではこれから減算される。このようにして目標値設定の際に自動的に 、瞬時の回転方向、所望の回転方向、および所望のトルクの方向が考慮される。 前進および後進回転方向において回転子周波数に相応する信号を相応の評価す るため、有利には走行方向スイッチにより制御される第３の切換装置が設けられ る。 基準信号を増分発生器の信号および回転子周波数に相応する信号から形成する ために、有利にはアキュム レータが設けられており、その入力端子は有利には第２および第３の切換装置の 出力端子と接続されている。 目標値の選択は、加算装置で検出された値を介して行われる。この値はそれぞ れ、目標値メモリとして用いる正弦波テーブルに対するアドレスを形成する。さ らなる改善は次のようにして達成される。すなわち、アドレス値をそれぞれ所望 のトルクに適合する負荷角度に依存して補正する負荷角度補正段を設け、この補 正段を例えば加算段として構成するのである。 所望の固定子電流の振幅、ないし目標値希望により設定された固定子電流の振 幅は有利には次のようにして調整される。すなわち目標値メモリに乗算段を後置 接続するのである。この乗算段は、電流目標値経過をそれぞれ設定された振幅値 と乗算する。 制御インバータは有利には２点制御器を有し、この２点制御器には３つの電流 目標値経過が供給される。この電流目標値経過は、目標値メモリの出力端子にお ける目標値経過から変換段によって形成される。 図面 本発明の実施例が図面に示されており、以下詳細に説明する。図１は、本発明 の実施例として非同期電動機に対する制御装置のブロック回路図を示す。 実施例の説明 図１に示された実施例では、制御インバータ電力部 １０が同期電動機１１を制御する。この同期電動機は図示しない電気自動車の駆 動に用いる。もちろん非同期電動機の他の適用可能性も実現可能である。インバ ータ電力部１０は詳細に図示しない２点ヒステリシス制御器を、３つの目標電流 Ｉ_S1，Ｉ_S2，Ｉ_S3を非同期電動機１１に入力するために有する。これら目標電流 は目標値設定装置１２で形成される。制御に必要な３つの実際電流は電流測定装 置１３〜１５で非同期電動機への３つの線路において検出され、インバータ電力 部１０にフィードバックされる。変調原理は、インバータ電力部１０の２点ヒス テリシス制御器によって３相基準正弦波系（目標値経過）が非同期電動機１１の 実際電流と比較され、これによりインバータ電力部１０にある図示しない電力ス イッチに対して適切な制御信号が送出されるということである。本発明ではまた 電流供給方法も取り扱われる。この変調方法の主たるタスクは、電動機の各動作 状態に対して最適の基準正弦波系を目標値設定装置１２により発生することであ る。このことは、回転子周波数ｆ２（スリップ周波数）と基準正弦波系の振幅と の任意の組み合わせを設定することにより可能となる。回転子周波数は、非同期 電動機１の回転子が実際に“引っ張られる”周波数である。従って回転子の瞬時 の回転数には依存しない。このために電動機の固定子には基準正弦波系によって 、所望の回転子周波数ｆ２だけ機械的回転数に相応す ることとなる周波数よりも大きな周波数が供給される。インバータ電力部１０に は、図示しないがそれ自体公知のようにさらに中間回路電圧が供給される。この 電圧は電気自動車の場合、バッテリー電圧である。 電気自動車の運転者、またはその他の非同期電動機に愛する操作者の瞬時の希 望には３つの情報がある。すなわち、所望の走行方向、トルクの絶対値、および トルクの方向（すなわち電動機動作または発電機動作）である。この３つの情報 は目標値系を形成するために必要である。付加的に、非同期電動機１１の回転数 および回転方向についての情報が必要である。非同期電動機１１の回転数ｆｎは 増分発生器１６により検出され、その信号は目標値設定装置１２にある加算装置 １７に供給される。所望の走行方向（前進／後進）は走行方向スイッチ１８によ り設定される。トルクの絶対値を運転者はアクセルペダル１９により設定する。 ここでアクセルペダル１９が操作されれば非同期電動機１１の電動機動作が、ア クセルペダルが操作されないと発電機動作が存在するか、または選択されている 。もちろん電気自動車に図示しないブレーキペダルを設けることもできる。ペダ ル位置は駆動目標値または制動目標値を表す。両方のペダルが静止位置にあれば 、制動状態が調整される。それ自体公知のように、目標値を発生する車両管理シ ステムを設けることもできる。 予選択されたトルクの絶対値から、形成すべき基準正弦波系の振幅絶対値Ａが 回転子周波数ｆ２と負荷角度信号Ｌｗを形成する。このためにアクセルペダル１ ９は信号形成段２０と接続されており、信号形成段は出力側でアクセスペダル位 置に相応する目標値信号ｓｗを形成する。この信号ｓｗに基づき回転子周波数テ ーブル２１および振幅周波数テーブル２２から、各目標値希望に所属する最適の 、値ｆ２とＡとの組み合わせが選択される。さらに付加的に、図示しない第３の テーブルから負荷角度信号Ｌｗを選択することができる。 形成すべき基準正弦波系は次にｉ支持ポイントに近似される。回転数は、１回 転ごとにｎ個の信号を発生する増分発生器により検出される。非同期電動機はｐ 個のポールペアを有する。ここでの基本思想は、電気系の回転数ないし位相は回 転子の機械的回転運動に追従し、従って基準正弦波を有するということである。 この基準正弦波は、まず一度機械的回転運動に同期する。このことは次のように して行われる。すなわち、増分発生器の各信号が直接、基準正弦波の位相の変化 をその信号の重要度に相応して引き起こすようにして行われる。ここで重要度は 、回転ごとの増分発生器の信号数および電動機のポールペア数に依存する。 トルクを得るためには、この基準正弦波の周波数をちょうど、それぞれのトル ク希望に対して適合した回 転子周波数ｆ２だけ高めるか、または低下させる。これは瞬時の回転方向、所望 の回転方向および所望トルクの方向に依存して行われる。これらパラメータが自 由に変化できるならば、申し分のない４象限駆動が実現される。この実現は加算 装置１７により行われる。 加算装置１７では増分発生器ｆｎが予減算段２３を介して第１の切換装置２４ に供給される。ここでこの信号は、前進切替位置ではアキュムレータ２５に、後 進切替位置では符号変化段２６を介してアキュムレータ２５に供給される。第１ の切換装置２４に対する前進／後進切替信号はそれ自体公知のように、増分発生 器１６の信号から得られる。 さらに回転子周波数ｆ２が第２の切換装置２７に供給される。ここでこの周波 数は、発電機動作Ｇでは予減算段２３の減算入力端子に、電動機動作Ｍでは第３ の切換装置２８に供給される。２つの切替位置（発電機動作Ｇ／電動機動作Ｍ） はアクセルペダル１９により目標量として設定される。第３の切換装置２８の２ つの切替位置（前進／後進）は走行方向スイッチ１８により同じように目標量と して設定される。前進切替位置では、回転子周波数信号ｆ２が直接アキュムレー タ２５に供給され、後進切替位置ではアキュムレータ２５符号変化段２９を介し て供給される。 発電機動作では、予減算段２３で増分発生器パルスｆｎの重要度が回転子周波 数ｆ２に相応して低減され る。このようにして得られた信号は、第１の切換装置２４により、前進走行であ るかまたは後進走行であるかに依存して正または負のパルスとしてアキュムレー タ２５に供給され、ここで相応に加算または減算が行われる。電動機動作では、 回転子周波数信号ｆ２が、前進走行または後進走行が第３の切換装置２８介して 予選択されたかに依存して、アキュムレータに正または負の信号として供給され る。これにより、アキュムレータ２５の内容は前進走行の場合、回転子周波数の 重要度だけ高められ、後進走行が所望される場合は低減される。 アキュムレータ２５には負荷角度加算段３０が後置接続されており、この加算 段ではアキュムレータ値にさらに負荷角度値Ｌｗが加算される。この負荷角度予 制御によってシステムはさらにもう一度、同相で操作される。ここで車両駆動の 場合は通常、負荷角度の絶対値を一定の保つだけで十分であり、方向だけが所望 のトルクのそれぞれの方向を指示しなければならない。高ダイナミック駆動では 、各トルク希望に負荷角度の別の絶対値が所属する。この理由から、車両駆動の 場合はファイン負荷角度加算段３０が省略される。 負荷角度加算段３０により補正されたアキュムレータは、後置接続された正弦 波テーブル３１に対するアドレスを表す。そこでは１２０°ずらして正規化され た２つのサイン信号Ｉ_sn1とＩ_sn2が形成される。この 正規化サイン信号は後置接続された乗算段３２で、形成すべき正弦波目標値系Ｉ_s1 とＩ_s2の適切な振幅Ａと乗算される。加算段３３と符号変化段３４を用いて簡 単に第３の目標値Ｉ_s3が得られる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１２月３日（１９９７．１２．３） 【補正内容】 明細書 例えば電気自動車用の駆動部としての非同期電動機 に対する制御装置 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念による、例えば電気自動車用の駆動部としての 非同期電動機に対する制御装置に関する。 この種の制御装置は、ＵＳ−ＰＳ５４８１１６８から公知である。非同期電動 機を制御するためにこの公知の構成では、３相誘導電動機の回転数がアナログ／ デジタル変換器を介して回転数測定装置に供給される。目標値発生器によってト ルクが設定され、この信号は目標値を形成するために３相系に供給される。検出 された非同期電動機の回転数は所定の回転数と比較され、差が目標値としてイン バータの電力部に供給される。 別の公知の制御装置は、いわゆる磁界指向制御であり、例えばSiemens Forsch ungs-und Entwicklungsberichten 1972，F.Blaschke”Das Verfahren der Feld orientierung zur Reglung der Asynchronmaschine”，pp.184 ffまたは専門書 ”Control of Electrical Drives”,W.Leonhard，Springer-Verlag,214-222pp. に記載されている。磁界指向制御では、固定子磁界ベクト ルの振幅と、回転子磁界ベクトルを基準にした固定子磁界ベクトルの位置とが常 に監視される。ここでの主たるタスクはトルクによる電流と磁界による電流とを 固定子電流ベクトルの絶対値から分離することである。さらにそのためには、こ れれの電流が回転子を基準にする座標系において常に相互の直角になるようにす る必要がある。このことは、３相系の固定子電流の検出、回転子磁界と同期して 回転する座標系へのその電流の変換、および電流の磁界形成成分とトルク形 請求の範囲 １． 例えば電気自動車用の駆動部としての非同期電動機（１１）に対する制 御装置であって、 非同期電動機（１１）の回転数に対する増分発生器（１６）と、トルク目標値 発生器（１９）とを有し、 これらの信号は目標値設定装置（１２）に、非同期電動機（１１）を駆動する ための制御インバータまたはインバータ電力部（１０）に対し、３相基準正弦波 系において目標値を形成するために供給され、 目標値設定装置（１２）は、少なくとも回転子周波数ないしはスリップ周波数 （ｆ２）と振幅を所望のトルク目標値（ｓｗ）に依存して設定するための手段を 有しており、 加算装置（１７）が設けられており、 該加算装置は回転子周波数（ｆ２）を、回転数に相応する非同期電動機（１１ ）の機械的回転周波数（ｆｎ）と加算するか、またはこれから減算し、 当該加算または減算は、瞬時の回転方向、所望の回転方向および所望のトルク の方向に依存して行われる形式の制御装置において、 加算装置の出力信号によって目標値メモリ（３１）からインバータまたはイン バータ電力部（１０）に対する電流経過が選択可能であり、当該電流経過の振幅 は所定の振幅（Ａ）に依存して調整可能である、 ことを特徴とする制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 ができ、その振幅は所定の振幅に依存して調整可能であ る。この制御装置によって磁界指向制御の多数の利点、 とりわけ部分負荷動作での効率の改善が僅かなコストで 達成され、例えば電気自動車において、停止状態ないし は所望の走行方向とは反対の任意の高速回転から衝撃な しで発進することが保証される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 例えば電気自動車用の駆動部としての非同期電動機に対する制御装置であ って、 非同期電動機の回転数に対する増分発生器と、トルク目標値発生器とを有し、 それらの信号は、同期電動機を駆動するための制御インバータまたはインバー タ電力部に対する目標値（３相基準正弦波系）を形成するために、目標値設定装 置に供給される形式の制御装置において、 目標値設定装置（１２）は、少なくとも回転子周波数（スリップ周波数ｆ２） および振幅（Ａ）を、所望のトルク目標値（ｓｗ）に依存して設定するための手 段（２０〜２２）を有しており、 加算段（１７）が設けられており、 該加算段は、回転子周波数（ｆ２）を非同期電動機（１１）の回転数に相応す る機械的回転周波数（ｆｎ）に加算するか、またはこれから減算し、 当該加算または減算は、瞬時の回転方向、所望の回転方向、および所望のトル クの方向に依存して行われ、 加算段の出力信号によって目標値メモリ（３１）から、インバータまたはイン バータ電力部（１０）に対する電流目標値経過が選択され、 当該電流目標値の振幅は所定の振幅（Ａ）に依存し て調整される、 ことを特徴とする制御装置。 2. 目標値設定装置（１２）は、回転子周波数（ｆ２）、固定子電流の振幅（ Ａ）、および必要な場合には負荷角度予制御（Ｌｗ）に対する関数テーブル（２ １，２２）を所望のトルク目標値（ｓｗ）に依存して有している、請求項１記載 の制御装置。 3. 加算装置（１７）は、非同期電動機（１１）のそれぞれの回転方向に依存 して自動的に切り替わる第１の切換装置（２４）を有しており、 該第１の切換装置によって、後進切替位置では機械的回転周波数に比例する増 分発生器（１６）の信号（ｆｎ）が負に、前進切替位置では正に評価される、請 求項１または２記載の制御装置。 4. 加算装置（１７）は、トルクの所望の方向（発電機動作／電動機動作）に 依存して切り替わる第２の切換装置（２７）を有し、 発電機動作では、回転子周波数に相応する信号（ｆ２）が増分発生器（ｆｎ） の信号から、第１の切換装置（２４）による評価の前に減算され、 電動機動作では、回転子周波数に相応する信号（ｆ２）が、第１の切換装置（ ２４）により評価された増分発生器（ｆｎ）の信号に所定の前進回転方向が存在 するときに加算され、所定の後進回転方向が存在するときに前記信号から減算さ れる、請求項３記載の制御 装置。 5. 走行方向スイッチ（１８）により制御される第３の切換装置（２８）が、 回転子周波数に相応する信号（ｆ２）を所望の前進および後進回転方向で評価す るために設けられている、請求項４記載の制御装置。 6. 増分発生器の信号（ｆｎ）および回転子周波数に相応する信号（ｆ２）か ら基準信号を形成するためのアキュムレータ（２５）が設けられている、請求項 ３から５までのいずれか１項記載の制御装置。 7. 第１および第３の切換装置（２４，２８）の出力端子はアキュムレータ（ ２５）の入力端子と接続されている、請求項６記載の制御装置。 8. 加算装置（１７）で求められた値が、目標値メモリ（３１）として用いる 正弦波テーブルに対するアドレスを形成する、請求項１から７までのいずれか１ 項記載の制御装置。 9. 負荷角度補正段（３０）が、アドレス値をそれぞれ所望のトルクに適合し た負荷角度（Ｌｗ）に依存して補正するために設けられており、 当該負荷角度補正段は加算段として構成されている、請求項８記載の制御装置 。 10．目標値メモリ（３１）に、電流目標値経過をそれぞれ所定の振幅（Ａ）と 乗算するための乗算段が後置接続されている、請求項１から９までのいずれか１ 項記載の制御装置。 11．目標値メモリ（３１）および／または乗算段（３２）に、制御に必要な３ つの電流目標値経過を形成するための段（３３，３４）が配属されている、請求 項１から１０までのいずれか１項記載の制御装置。 12．制御インバータまたはインバータ電力部（１０）は、２点制御器、例えば ２点ヒステリシス制御器を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の 制御装置。