JP2004508793A - 機械のトルク制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明の代表的実施形態は、ＰＭ同期機（１０５）のトルク制御方法である。該方法は、トルク指令信号（Ｔ_ｃｍｄ）及び機械速度（ω_ｍ）を取得するステップ、及び該トルク指令信号（Ｔ_ｃｍｄ）及び機械速度（ω_ｍ）に応答して動作モード（１１２，１１４）を決定するステップを含む。動作モード（１１２，１１４）は、第１の動作モード（１１２）及び第２の動作モード（１１４）を含む。第１の動作モード（１１２）においては、ステータ相電圧の大きさ（Ｖ）が計算され、そしてステータ相電圧（Ｖ）とステータ相逆起電力（Ｅ）との間の角度（δ_０）が、ステータ相電圧の大きさ（Ｖ）に応答して決定される。第２の動作モード（１１４）においては、ステータ相電圧（Ｖ）が所定の大きさ（Ｖ_ｍ）に設定され、そしてステータ相電圧（Ｖ）とステータ相逆起電力（Ｅ）との間の角度（δ_０）が該所定の大きさに応答して決定される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、一般的に機械のトルク制御に関し、特に電気パワー・ステアリング・システムに用いられる永久磁石型（ＰＭ）同期機のトルク制御に関する。
【０００２】
発明の背景
ＰＭ同期電動機は、それらの高パワー密度故にサーボ・ドライブとして魅力的である。そのような電動機のステータ相は、電気的に励磁されて、制御されたトルクをロータに対して生成し、そのトルクは、ロータ磁石の磁界強度及びステータ相励磁の振幅に比例し、従ってロータの運動の制御を可能にする。そのような電動機がロータの運動の正確な制御を要求する高性能サーボ・ドライブ応用に対して採用されたとき、ロータの位置及びロータの速度を表すフィードバック信号が用いられる。これらのフィードバック・センサは、多くの場合、ＰＭ同期電動機の相巻線に接続された電流センサを用いて発生されて、効果的なトルク制御を達成する。ロータ位置制御のため電流センサを用いる代表的システムが、米国特許Ｎｏ．５，５６９，９９４に記載されている。しかしながら、電流センサの使用は、システム全体に対して出費を加え、そして低周波数トルク・リップルを生じさせがちである。従って、相巻線に結合された電流センサを使用することなくトルク制御を与える方法及び装置に対する当該技術における必要性がある。
【０００３】
発明の概要
本発明の代表的実施形態は、ＰＭ同期機のトルク制御方法である。その方法は、トルク指令信号及び機械速度を取得するステップ、及び当該トルク指令信号及び機械速度に応答して動作モードを決定するステップを含む。動作モードは、第１の動作モード及び第２の動作モードを含む。第１の動作モードにおいては、ステータ相電圧の大きさが計算され、そしてステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度が、ステータ相電圧の大きさに応答して決定される。第２の動作モードにおいては、ステータ相電圧が所定の大きさに設定され、そしてステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度が該所定の大きさに応答して決定される。
【０００４】
本発明は、例示として添付図面を参照して更に説明されるであろう。
【０００５】
発明の実施形態の説明
本発明の代表的実施形態は、ＰＭ機械のトルクを、ベース速度より下での第１のモードで、且つベース速度より上での第２のモードで、電流センサを使用することなく制御する方法である。代表的実施形態においては、その機械は電動機である。この方法においては、機械の相電圧、及び機械の逆起電力に対する相電圧の角度が、測定された速度及び既知の機械パラメータに基づいて決定される。これらの電圧は、要求されるトルクを得るため、機械にＰＷＭインバータによりそれらの逆起電力に対して最適の計算された角度で供給される。この制御器は、さもなければＤＣオフセットに起因して電流センサにより生じる低周波数トルク・リップルを持たない通常の電流制御器の性能を模倣する。
【０００６】
本発明の代表的実施形態は、ＰＭ同期機の２つの動作モードに適用可能である。第１のモード（一定トルク・モードと呼ばれる。）は、ベース速度より下であり、そこにおいては逆起電力がバッテリ電圧より低い。既知の機械パラメータ及び速度に基づいて、計算された電圧は、機械の両端子間に最適な角度で印加され、それによりステータ相電流が、それらのそれぞれの逆起電力と同位相にあって、最大のトルク／アンペアを生成する。このモードは、図１に示されており、本明細書で更に詳細に説明される。第２のモードはベース速度より上であり（拡張モードと呼ばれる）、そこにおいては逆起電力はバッテリ電圧を超えている。所与のトルク指令に対して、必要とされる計算された電圧は、機械の端子に、それらの逆起電力に対して最適な計算された角度で印加される。第２のモードにおいては、相電流が逆起電力を導き、それにより空隙磁束を低減し、且つ要求されたトルクを生成する。このモードは、図２に示され、本明細書で更に詳細に説明される。第１のモードと第２のモードとを定義する速度範囲は、機械のインダクタンスに依存する。
【０００７】
第１のモードにおける制御が、ここで図１を参照して説明されるであろう。図１及び図２に示される変数は次のとおりである。
Ｅ＝ステータ相逆起電力
Ｖ＝ステータ相端子電圧
Ｉ＝ステータ相電流
Ｒ＝ステータ抵抗
Ｘ＝ω_ｅＬ_ａ、即ちステータ相リアクタンス
ω_ｅ＝電気角周波数（単位、ｒａｄ／ｓ）
Ｌ_ａ＝ステータ相インダクタンス
δ＝相逆起電力と端子電圧との間の負荷角度
α＝相逆起電力と電流との間の角度
ベース速度より下の一定トルク・モードにおける駆動性能を最適化するため、相電圧は、機械の両端子間に角度δ_０で印加され、それにより相電流Ｉは、図１に示されるように、最大のトルク／アンペアに対してそれぞれの逆起電力Ｅと同相である。
【０００８】
機械により生成される電磁トルクは、次式により与えられる。
【０００９】
【数５】

ここで、
Ｋ_ｅ＝Ｅ／ω_ｍ＝逆起電力定数
端子相電圧は次式により与えられる。
【００１０】
【数６】

所与のトルク指令Ｔ_ｃｍｄに対して、（摩擦損失を無視して、）（１）を（２）に代入すると、端子電圧は、機械のパラメータ及び測定された速度に関して次式のように表される。
【００１１】
【数７】

ここで、

Ｐ＝極数
ω_ｍ＝Ｐω_ｅ＝機械的角周波数（ｒａｄ／ｓ）
Ｔ_ｃｍｄは、システム、即ちパワー・ステアリング・システムによる電動機の要求トルクである。Ｖは、計算時間を最小にするため、Ｖ^２対Ｖのルックアップ・テーブルから得ることができる。角度δ_０は、既知のパラメータに関して次式のように計算される。
【００１２】
【数８】

ここで、

所与のトルク指令に対する要求された相電圧は、次式により与えられる。
【００１３】
【数９】

これらの電圧は、図３を参照して以下に説明されるようにＰＷＭインバータのようなドライバにより機械の両端子間に印加される。
【００１４】
図２に示されるようなベース速度より上の第２のモードにおける動作がここで説明されるであろう。ベース速度より上で動作するため、所与のトルク指令に対して、最大使用可能相電圧が、機械の両端子間に、既知のパラメータから計算された角度δ_１で印加される。この条件下で、相電流は、逆起電力より進み、そしてその減磁成分は、空隙磁束を低減し、それにより機械は、要求されたトルクを生成する。
【００１５】
図２から、ステータ相電流Ｉと逆起電力Ｅとの間の角度は、次式のように計算される。
【００１６】
【数１０】

この条件下での電磁トルクは、次式により与えられる。
【００１７】
【数１１】

Ｔ_ｃｍｄは、（１１）及び（１２）を用いて負荷角度δ_１の関数として次式のように得ることができる。
【００１８】
【数１２】

ここで、Ｖ_ｍは、ＰＷＭインバータの最大使用可能相電圧である。
【００１９】
トルク指令Ｔ_ｃｍｄがｓｉｎδ_１及びｃｏｓδ_１の関数であるので、角度δ_１は、式（１３）で定義される条件が満足されるまで反復法により計算される。最大使用可能電圧は、要求されたトルクを得るため、ＰＷＭインバータにより機械の両端子間に逆起電力に対して角度δ_１で印加される。摩擦損失は、
【００２０】
【数１３】

と定義することにより考慮され得る。
【００２１】
図３は、第１及び第２の両方のモードにおける永久磁石同期機のための制御システムの代表的ブロック図である。三相パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータ１０４は、バッテリ１０２からのバッテリ電圧を相電圧に変換し、その相電圧をＰＭ電動機１０５に与える。エンコーダ１０６は、ＰＭ電動機１０５の軸に結合されて、ＰＭ電動機１０５の回転角度θを測定する。参照番号１０１として示される制御器は、回転角度θ及び他の入力を受け取り、そして本明細書に説明されるように相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ及びＶ_ｃを発生する。制御器１０１は、マイクロプロセッサを通常の関連の構成要素（例えば、メモリ、通信デバイス等）と一緒に用いて実現され得る。ルックアップ・テーブルのような構成要素が、本明細書に説明されるように、制御器１０１に用いられ得る。制御器１０１により実行されるステップが、フローチャートの形式で制御器１０１内に示されている。
【００２２】
速度計算ステップ１１０において、回転角度θを用いて、機械的角周波数ω（単位：ラジアン／秒）の計算が行われる。ステータ相電圧の大きさＶは、Ｖ^２を計算するため、ＰＭ電動機からトルクを要求するトルク指令信号Ｔ_ｃｍｄ及びωを入力として用いて決定される。ステップ１１８において示されるように、Ｖ^２は、次式で表されるものに等しい。
【００２３】
【数１４】

ここで、
【００２４】
【数１５】

Ｖは、ステップ１１８でアクセスされたルックアップ・テーブルによりＶ^２から決定され得る。
【００２５】
電動機が第１のモード又は第２のモードのいずれで動作するべきかを決定するため、ステップ１１８で決定された電圧Ｖは、インバータ１０４により発生されることができる最大インバータ電圧Ｖ_ｍと比較される。最大インバータ電圧Ｖ_ｍは、
【００２６】
【数１６】

として決定される。
【００２７】
ここで、Ｋ_４は定数であり、Ｖ_ｍはバッテリ１０２により与えられるバッテリ電圧である。
ステップ１２６において、ＶがＶ_ｍより小さいか否かが決定される。それが否定である場合、ＰＭ電動機１０５は、第１のモードで動作するべきであり、そしてフローはステップ１１２に進み、そこにおいて制御器１０１は、３つの相電圧をＶ及び角度δ_０に基づいて決定する。ステップ１１８において導出され１／Ｖで示された値及びωをステップ１３０において用いて、δ_０を次のとおり決定する。
【００２８】
【数１７】

ここで、
【００２９】
【数１８】

である。
【００３０】
ステップ１１８において、ルックアップ・テーブルを用いて、Ｖから１／Ｖを決定し得る。ステップ１３０において、更なるルックアップ・テーブルを用いて、δ_０を１／Ｖ及びωに基づいて計算し得る。ステップ１１２において、θ、δ_０及びＶの値を用いて、相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ及びＶ_ｃを決定する。相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ及びＶ_ｃは、ＰＭ電動機１０５へ印加のためＰＷＭインバータ１０４に結合される。
【００３１】
ステップ１１８へのＴ_ｃｍｄ信号入力がＶ_ｍより大きい値Ｖを発生する場合、これは、動作の第２のモードを指示し、そして判断要素１２６は、フローをステップ１３４に向けさせ、そこにおいてＶはＶ_ｍに等しく設定される。ステップ１３６は、Ｖ_ｍ、Ｔ_ｃｍｄ及びω_ｍを用いて、ｓｉｎδ_１を計算する。
【００３２】
【数１９】

ルックアップ・テーブルを用いて、δ_１の値をｓｉｎδ_１から決定し得る。
【００３３】
フローはステップ１３８に進み、そこにおいて角度δ_１は、本明細書に説明されるように繰返しループに基づいて調整され得る。δ_１の初期決定についてステップ１３８を省略し得る。ステップ１４０において、ｃｏｓδ_１及びｓｉｎδ_１の値が（例えば、ルックアップ・テーブルにより）導出され、そしてそれらはステップ１４８に与えられ、そこにおいて指令されたトルク値Ｚが、電圧Ｖ_ｍ及び角度δ_１に基づいて決定される。Ｚは、角度δ_１における計算されたトルク値を表す。要求されたトルク値Ｙは、ステップ１５０において計算される。計算されたトルク値Ｚと要求されたトルク値Ｙとが、ステップ１５２において比較される。計算されたトルク値Ｚが要求されたトルク値Ｙに等しいか又はそれより超えている場合、角度δ_１は、所望のトルクを達成するため適切であり、そしてフローはステップ１１４に進み、そこにおいて相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ及びＶ_ｃが、δ_１及びＶ_ｍに基づいて決定される。相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ及びＶ_ｃは、ＰＭ電動機１０５へ印加のためＰＷＭインバータ１０４に結合される。
【００３４】
ステップ１５２において、計算されたトルク値Ｚが要求されたトルク値Ｙに等しくなく又はそれを超えていない場合、フローはステップ１５４に進み、そこにおいて、測定された電流Ｉ_ｄが電流限界値Ｉ_ｄｍａｘより大きい又はそれに等しいか否かが決定される。測定された電流Ｉ_ｄが、相巻線の外側に配置された電流センサから与えられ得る。ステップ１５４が肯定（イエス）をもたらす場合、システムは、電流を増大することができず、そしてステップ１１４において、既存の角度δ_１が相電圧の計算のため用いられる。Ｉ_ｄがＩ_ｄｍａｘより小さい場合、フローはステップ１３８に進み、そこにおいて角度δ_１は、必要ならば増分又は減分され得る。現在の要求トルク値Ｙ_ｎが前の要求トルク値Ｙ_ｎ−１より大きい又はそれに等しい場合、δ_１の値は、＋Δδだけ増分される。代わりに、Ｙ_ｎがＹ_ｎ−１より小さい場合、δ_１は−Δδだけ減分され、そしてフローはステップ１４０に進み、そこにおいて、要求トルク値Ｙが適合される又は超えられるか、又は最大電流Ｉ_{ｄｍ ａｘ}に到達するかのいずれかになるまで繰返しプロセスを継続する。
【００３５】
機械の電流限界を考慮した速度範囲全体にわたりこの方法を用いて、１２ＶのＰＭ電動機をシミュレートした。図４は、定格条件におけるトルク−速度特性を示し、一方図５は、前述のδ_１の相角度進みの有り及び無しでの様々な速度において引き出される電流を示す。この方法を用いることにより、より高いトルクが、従来の動作と比較してより拡張された速度範囲で得られることができる。速度範囲全体にわたり要求トルク−速度特性を得るよう機械を最適に設計することが可能である。
【００３６】
本明細書に説明された本発明の代表的実施形態は、電流センサなしで拡張された速度範囲にわたりコストに対して実効的なトルク制御方法を提供する。制御方法及び制御器は、電気パワー・ステアリング・システムと関係して実行されて、その電気パワー・ステアリング・システムにおいてトルク発生を制御し得る。本明細書に説明された本発明の代表的実施形態は多数の利点を与える。ベース速度より下の一定トルク範囲におけるトルク／アンペアは、図１に示されるように逆起電力と電流信号を同相に置くことにより最大にされる。ベース速度より上の拡張された速度範囲におけるトルク制御能力が最適性能に対して与えられる。電流センサの使用に起因した低周波数トルクが除かれる。この除去は、制御器がステアリング・コラム（舵取り軸管）装着型電気的パワー・ステアリング・システムと関係して用いられるとき望ましい。関係する数学的操作はルックアップ・テーブルと一緒に加算と乗算のみを含むので、制御器は低コストのマイクロコントローラで容易に実現されることができる。
【００３７】
好適な実施形態が示されそして説明されたが、様々な変更及び置き換えが本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなしに好適な実施形態に対して行い得る。従って、本発明は例示としてのみ記載されていることが理解されるべきであり、そして本明細書に開示されたそのような説明及び実施形態を特許請求の範囲を制限するものと解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、電圧モードにおけるベース速度より下のトルク制御を図示する。
【図２】
図２は、電圧モードにおけるベース速度より上のトルク制御を図示する。
【図３】
図３は、トルク制御システムの代表的実施形態のフロー図である。
【図４】
図４は、電圧モード制御におけるＰＭ電動機のトルク対速度を図示する。
【図５】
図５は、電圧モード制御におけるＰＭ電動機の相電流対速度を図示する。

Claims (16)

1. トルク指令信号を取得するステップと、
   機械速度を取得するステップと、
   前記トルク指令信号及び機械速度に応答して動作モードを決定するステップであって、前記動作モードが第１の動作モード及び第２の動作モードを含む、前記動作モードを決定するステップと、
   前記第１の動作モードにおいて、ステータ相電圧の大きさを計算し、且つ前記ステータ相電圧の大きさに応答して、前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度を決定するステップと、
   前記第２の動作モードにおいて、前記ステータ相電圧を所定の大きさに設定し、且つ前記所定の大きさに応答して、前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度を決定するステップと
   を備える機械のトルク制御方法。
2. 前記ステータ相電圧の大きさは、前記トルク指令信号及び機械速度に応答して計算され、
   前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度が、前記トルク指令信号、機械速度及びステータ相電圧の大きさに応答して決定される、
   請求項１記載の機械のトルク制御方法。
3. 前記所定の大きさは、バッテリ電圧に基づき、
   前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度は、前記トルク指令信号、前記機械速度及び前記所定の大きさに応答して決定される、
   請求項１記載の機械のトルク制御方法。
4. 前記第２の動作モードにおいて、前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度δは、計算されたトルク値が要求されたトルク値に等しいか又はそれを超えるまで、角度δを繰返し変えることにより決定される請求項３記載の機械のトルク制御方法。
5. 前記要求されたトルク値は、
   

   

   であり、
   前記計算されたトルク値は、
   

   

   であり、
   ここで、Ｔ_ｃｍｄはトルク指令信号であり、
   Ｒ＝ステータ抵抗、
   Ｘ＝ω_ｅＬ_ａ、即ちステータ相リアクタンス、
   Ｌ_ａ＝ステータ相インダクタンス、
   Ｅ＝ステータ相逆起電力、
   ω_ｅ＝電気角周波数（単位、ラジアン／秒）、
   Ｋ_ｅ＝Ｅ／ω_ｍ、及び
   Ｖ_ｍはバッテリ電圧の関数である、請求項４記載の機械のトルク制御方法。
6. 前記機械は、車両の電気パワー・ステアリング・システムの一部である、請求項１記載の機械のトルク制御方法。
7. 前記機械は永久磁石型電動機である、請求項１記載の機械のトルク制御方法。
8. 機械のトルクの制御システムにおいて、
   前記機械に結合されたドライバと、
   前記機械の軸に結合されたエンコーダであって、回転角度信号を発生するエンコーダと、
   前記ドライバの入力に結合され且つ前記エンコーダの出力に結合された制御器と、を備え、
   前記制御器は、
   トルク指令信号を取得し、
   前記回転角度信号に応答して機械速度を決定し、
   前記トルク指令信号及び機械速度に応答して動作モードを決定し、前記動作モードが第１の動作モード及び第２の動作モードを含み、
   前記第１の動作モードにおいて、ステータ相電圧の大きさを計算し、且つ前記ステータ相電圧の大きさに応答して、前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度を決定し、
   前記第２の動作モードにおいて、前記ステータ相電圧を所定の大きさに設定し、且つ前記所定の大きさに応答して、前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度を決定する、機械のトルクの制御システム。
9. 前記ステータ相電圧の大きさが、前記トルク指令信号及び機械速度に応答して計算され、
   前記ステータ相電圧と前記ステータ相逆起電力との間の角度が、前記トルク指令信号、機械速度及びステータ相電圧の大きさに応答して決定される、
   請求項８記載の機械のトルクの制御システム。
10. 前記所定の大きさはバッテリ電圧に基づき、
    前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度は、前記トルク指令信号、機械速度及び所定の大きさに応答して決定される、
    請求項８記載の機械のトルクの制御システム。
11. 前記第２の動作モードにおいて、前記ステータ相電圧とステータ相逆起電力との間の角度δは、計算されたトルク値が要求されたトルク値に等しいか又はそれを超えるまで、角度δを繰返し変えることにより決定される、請求項１０記載の機械のトルクの制御システム。
12. 前記要求されたトルク値は、
    

    

    であり、
    前記計算されたトルク値が、
    

    

    であり、
    ここで、Ｔ_ｃｍｄはトルク指令信号であり、
    Ｒ＝ステータ抵抗、
    Ｘ＝ω_ｅＬ_ａ、即ちステータ相リアクタンス、
    Ｌ_ａ＝ステータ相インダクタンス、
    Ｅ＝ステータ相逆起電力、
    ω_ｅ＝電気角周波数（単位、ラジアン／秒）、
    Ｋ_ｅ＝Ｅ／ω_ｍ、及び
    Ｖ_ｍはバッテリ電圧の関数である、請求項１１記載の機械のトルクの制御システム。
13. 前記機械は、車両の電気パワー・ステアリング・システムの一部である、請求項８記載の機械のトルクの制御システム。
14. 前記機械は電動機である、請求項１３記載の機械のトルクの制御システム。
15. 前記ドライバはＰＷＭインバータである、請求項８記載の機械のトルクの制御システム。
16. 前記機械は永久磁石型電動機である、請求項８記載の機械のトルクの制御システム。

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