JP2007525137A - 交流機械用の位置センサレス制御アルゴリズム - Google Patents

Abstract

固定子及び回転子を有する電動機のための制御システムは、電動機に動力を提供するためのインバータと、該インバータを制御するための制御装置と、制御装置において動作する、固定子電流成分を使用して回転子角度位置を推定するための低速制御ブロックと、制御装置において動作する、固定子電流成分及び固定子磁束位置を使用して回転子角度位置を推定するための高速制御ブロックと、低速制御ブロックと高速制御ブロックとの間で動作を変えるための制御装置での遷移スイッチとを備える。インバータは６ステップ動作によって制御される。

Description

本発明は、電動機の制御に関する。より詳細には、本発明は、電動機の位置センサレス制御のための方法及び装置に関する。

背景技術
従来の電動機制御システムは、通常、電動機に関する速度及び位置情報を提供するために、リボルバ又はエンコーダなどのフィードバック装置又は位置センサを備える。フィードバック装置及びそれに関連するインターフェース回路は電動機制御システムの費用を増大させ、これらの費用は自動車への適用など大量の適用では法外に高くなり得る。さらに、位置センサ及びそれに関連するワイヤ・ハーネスは、車両での電気的駆動システムの複雑さ及び組立て時間を増大させる。

燃料電池、バッテリ及び電動機を含むハイブリッド・システムによって動力供給される電気車両は、自動車市場においては一般的になりつつある。電気車両の製造量が増加するにつれて、フィードバック装置及び関連付けられるインターフェース回路の費用が重要になる。自動車製造業者は、費用を削減して車両の部品数を低減することを求める強い市場圧力を受けている。電動機制御システムのためのフィードバック装置の除去は、電気車両に関して大きな費用低減をもたらす。

ハイブリッド電気車両及び電気車両は、今日、電動機のベクトル制御など多数の電動機制御技術を利用する。ベクトル電動機制御方式は、３相電動機の相電圧／電流を２軸座標系にマッピングする計算集約的な電動機制御方式である。ベクトル制御方式を使用して電動機を励磁するために使用される構造は、電動機への出力電圧を整形する６つのパワートランジスタを含む典型的な３相電源インバータである。ベクトル制御は回転子位置情報を必要とするが、この情報は通常はフィードバック装置又は位置センサを介して得られる。位置センサレス制御の目的は、位置センサ及びそれに関連するインターフェース回路を除去し、ＡＣ機械の電磁気的特性を利用して回転子位置情報を得ることである。

発明の概要
本発明は、電気車両及びハイブリッド電気車両の伝導機構への適用で使用されるセンサレス制御システムのための方法及び装置である。本発明のセンサレス電動機制御システムは、低速角度位置推定方法、初期回転子極性検出方法、低速方法と高速方法との間の遷移アルゴリズム、修正ゴピナス・オブザーバ、弱め界磁方法、及び／又は６ステップ動作を含む。

最適な実施の形態の説明
図１は、本発明の制御システム１０の好ましい実施の形態の概略図である。制御システム１０は、電動機１２を制御するための制御装置、マイクロプロセッサ又は同様のデバイスで実行されるソフトウェアを表す一連のブロック図として図示される。本発明の好ましい実施の形態においては、制御装置は、電動機１２を制御する車両伝導機構制御装置であるが、本発明の範囲内で任意の他の電動機制御への適用が考え得る。電動機は、ＡＣ機械、同期リラクタンス電動機、誘導電動機及び内部永久磁石電動機などの電動機技術を備え得るが、そのような技術に限定されるものではない。制御システムへの入力は、車両制御装置によって生成されるトルク指令Ｔ_ｅである。トルク指令Ｔ_ｅは最適トルク／アンペア数計算ブロック１４によって処理されて、電動機１２で所望の電磁トルクを生じるのに必要とされる、対応する固定子電流指令Ｉ_ｓ及び電流角度指令βを生成する。測定された直流リンク電圧Ｖ_ｄｃ及び回転子角速度ω_ｒに基づいて、弱め界磁ブロック１５において弱め界磁固定子磁束λ_ｆｗが生成される。固定子磁束指令λが弱め界磁固定子磁束指令λ_ｆｗを上回る場合、ブロック１６は指令λ、δを修正する。

ブロック１４で生成された固定子電流指令Ｉ_ｓ及び電流角度指令βは、固定子磁束・トルク角計算ブロック１６に渡される。ブロック１６は、指令された固定子電流指令Ｉ_ｓ及び電流角度指令βを処理し、それらの指令を、所与の固定子電流振幅に関して最大トルクを提供するように固定子磁束指令λ及びトルク角指令δに分解する。

加算ジャンクション１８は固定子磁束指令λからフィードバック固定子磁束λ_ｆｂを減算して誤差を生成する。加算ジャンクション２０はトルク角指令δ_ｆｂからフィードバック・トルク角δ_ｆｂを減算して誤差を生成する。加算ジャンクション１８によって生成された誤差は比例積分（ＰＩ）制御ブロック２２によって処理され、制御出力を生成する。加算ジャンクション２０によって生成された誤差は乗算ブロック２４で処理され、その誤差にフィードバック固定子磁束λ_ｆｂが乗算される。ブロック２４の出力は比例制御ブロック２６で処理される。

ＰＩ制御ブロック２２の出力は、加算ジャンクション２８において固定子抵抗電圧降下減結合項Ｒ_ｓＩ_ｆと加算されてｆ軸電圧指令Ｖ_ｆを生成する。比例制御ブロック２６の出力は、加算ジャンクション３０においてτ軸減結合項（固定子抵抗電圧降下と速度電圧との和）ω_ｒλ_ｆｂ＋Ｒ_ｓｉ_τと加算されてτ軸電圧指令Ｖ_τを生成する。Ｖ_ｆ及びＶ_τは、回転／静止フレーム変換ブロック３２において、推定固定子磁束角度位置θ_ｆを使用して処理され、固定子磁束基準フレーム電圧指令Ｖ_ｆ、Ｖ_τを静止フレーム電圧指令Ｖ_α１、Ｖ_β１に変換する。高周波数注入信号Ｖ_{α_ｉｎｊ}、Ｖ_{β_ｉｎｊ}が加算ジャンクション３４、３６において静止フレーム電圧指令Ｖ_α１、Ｖ_β１に加算されて最終電圧指令Ｖ_α、Ｖ_βを生成し、これらの電圧指令Ｖ_α、Ｖ_βは、電動機１２に印加される実際の相電圧指令を生成する。電圧源インバータ３８は２相／３相変換を使用して最終電圧指令Ｖ_α、Ｖ_βを処理し、電動機１２に印加すべき実際の３相電圧を生成する。

この相電流は３相／２相変換ブロック４０によって測定されて処理される。ブロック４０の出力は静止フレーム電流Ｉ_α、Ｉ_βである。静止／回転フレーム変換ブロック４２は静止フレーム電流Ｉ_α、Ｉ_βと推定回転子角度位置θ_ｆとを使用して固定子磁束基準フレームフィードバック電流Ｉ_ｆ、Ｉ_τを生成する。

さらに、本発明は、ブロック４４での低速回転子角度位置推定方法／オブザーバと、ブロック４６での初期回転子極性検出方法と、ブロック４８での高速回転子角度位置推定方法／オブザーバと、修正ゴピナス・オブザーバ・ブロック５０と、低速推定方法と高速推定方法とを切れ目なく融合するための遷移スイッチ５４とを含む、機械の位置センサレス制御を含む。

図１のブロック４４は本発明の低速推定方法を表す。低速方法４４は、静止基準フレーム固定子電流成分Ｉ_α、Ｉ_βを使用して回転子角度位置θ_{ｒ_ｌｏｗ}を推定する。同様に、高速方法４８は、静止基準フレーム固定子電流成分Ｉ_α、Ｉ_βと推定固定子磁束位置θ_ｆとを使用して回転子角度位置θ_{ｒ_ｈｉｇｈ}を推定する。スイッチ５４は、推定回転子速度に基づいて、適切な回転子角度位置θ_ｒを選択する。

修正ゴピナス・オブザーバ５０は、θ_ｒ、静止フレーム電圧Ｖ_α、Ｖ_β及び静止基準フレーム電流Ｉ_α、Ｉ_βを処理する。修正ゴピナス・オブザーバ５０は、推定固定子磁束角度θ_ｆ、フィードバック固定子磁束λ_ｆｂ及びフィードバック・トルク角磁束δ_ｆｂを計算する。

本発明の好ましい実施の形態においては、ｄ軸インダクタンスの方がｑ軸インダクタンスよりも高く、機械磁石の北極は−ｑ軸方向に向けられる。しかし、提案される制御方式は、機械のｑ軸インダクタンスの方がｄ軸インダクタンスよりも高い場合にも依然として有効である。図２は、制御のための可能なオリエンテーション・フレームを示すベクトル図である。α軸及びβ軸は静止基準フレーム制御のために使用される。静止基準フレーム制御においては、変数は交流時間変化信号である。制御変数が直流量である場合、制御のために回転基準フレームを使用することが好ましい。同期基準フレーム（回転子優先基準フレーム又はｄ−ｑフレーム）と固定子磁束基準フレーム（ｆ−τ基準フレーム）は、定常状態では直流制御変数を有する回転基準フレームである。

高飽和型の機械に対しては、ｄ−ｑフレーム電圧の式は双方向クロスカップリング項を有するが、この項は同期電流制御装置帯域幅を制限することができる。以下の式（１）は、クロスカップリング効果を示すｄ−ｑ基準フレームでの固定子電圧式を示す。

式（１）において、各電圧式の最後の２つの項がクロスカップリング項である。ｄ軸インダクタンスの方がｑ軸インダクタンスよりもはるかに大きいので、ｄ軸での時定数はｑ軸での時定数よりもはるかに大きい。クロスカップリング項によりｄ軸電圧式に導入される任意の外乱は、時定数が大きいため、ｄ軸電流調整に対して最小の影響を有する。しかし、クロスカップリング項によってｑ軸電圧式に導入される外乱は、ｑ軸電流調整に対してかなりの影響を有する。その結果、電流調整器帯域幅を増大する試みは不安定な動作をもたらす。これらの制限を克服するためには、制御基準フレームを固定子磁束基準フレーム（ｆ−τ基準フレーム）に変更することが望ましい。固定子磁束基準フレームでの機械式は、以下の式（２）及び（３）で示されるように記述することができる。

τ軸からｆ軸へのクロスカップリングが存在しないことが式（２）から分かる。しかし、ｆ軸からτ軸への単方向カップリングが存在する。単方向クロスカップリングは制御において減結合するのが簡単である。上の理由から、このタイプの機械には、回転子磁束優先制御に比べて固定子磁束優先制御の方が適していることが分かる。

図３に示される修正ゴピナス・オブザーバ５０は、固定子磁束角度θ_ｆ、フィードバック固定子磁束λ_ｆｂ及びフィードバック・トルク角δ_ｆｂを推定するために使用される。静止フレーム電流Ｉ_α、Ｉ_βがオブザーバに入力される。静止／同期基準フレーム変換モジュール６０は、回転子角度位置θ_ｒを使用して静止フレーム電流を同期基準フレームに変換する。機械電流モデル６２は同期基準フレームでの機械の固定子磁束を計算する。同期／静止基準フレーム変換モジュール６４は、回転子角度位置θ_ｒを使用して同期フレーム固定子磁束を静止基準フレームに変換する。

固定子抵抗利得モジュール６６及び加算器６８は、静止基準フレーム電圧Ｖ_α、Ｖ_β及び電流Ｉ_α、Ｉ_βと共に使用されて静止フレーム逆ＥＭＦを計算する。積分器７０が逆ＥＭＦを積分するために使用されて、電圧モデルに基づいて固定子磁束を計算する。

電流モデルは低速の方が正確であり、電圧モデルをベースとする計算は高速の方が正確である。したがって、ブロック７２、７４、７６が使用されて、回転子速度に基づいて固定子磁束計算を電流モデルから電圧モデルへ円滑に遷移させる。式（４）は、ブロック７２、７４、７６が、電気周波数ω_ｅの関数として電流モデル磁束推定λ_{αβ−ＣＭ}と電圧モデル磁束推定λ_{αβ−ＶＭ}との間の円滑な遷移をどのように生じさせるかを記述する。

ただし、

である。オブザーバ特性関数Ｆ（ｓ）も式（４）に示される。モジュール７２のＰＩ利得の設定が式（５）に示される。ブロック７６は、電流モデルと電圧モデルとの推定固定子磁束ベクトルの間の最適な遷移軌跡を保証する。モジュール８０は、逆正接関数を使用して固定子磁束角度位置θ_ｆを計算するために使用される。

全ての速度における固定子磁束角度θ_ｆを推定するために、修正ゴピナス・オブザーバ５０が使用される。適切な入力θ_ｒは回転子速度に応じて遷移スイッチ５４によって自動的に選択される。

弱め界磁操作が、モジュール１５を利用して実現される。直流リンク電圧及び回転子速度に基づいて弱め界磁固定子磁束指令を計算するために、式（６）

が使用される。全ての動作条件の下で、λ_ｆｗがλと比較される。より低い磁束指令が、最終磁束基準として制御装置によって使用される。弱め界磁固定子磁束指令λ_ｆｗが選択される場合、指令計算モジュール１６は、新たな磁束指令λ_ｆｗ及びトルク指令Ｔ_ｅに基づいて、最適トルク角指令δを再計算する。

図４に示す図は、６ステップ動作期間におけるトルク調整を許容する、提案される制御を示している。６ステップ動作期間において、固定子に印加される電圧は固定される。したがって、制御装置には、１つの自由度しか存在しない。トルクはトルク角δを調整することによって制御されるが、トルク角δは同期基準フレームのｄ軸に対する電圧角度αを制御する。図５は、６ステップ動作への及び６ステップ動作からの遷移を説明する状態フロー図である。

図４を参照すると、スイッチ１００は通常動作と６ステップ動作との間で切り替わる。通常動作期間においては、図１における図が、静止フレーム電圧指令Ｖ_α１、Ｖ_β１を生成する。変数Ｆｌａｇ＿ｓｉｘが真になるとき、電圧指令Ｖ_α１、Ｖ_β１が６ステップ制御モジュール１０２によって供給される。

６ステップ制御モジュール１０２はトルク角δを調整する。トルク角δは機械に適用される電圧角度を制御する。トルク角指令δは、加算ジャンクション１０４を用いてトルク角フィードバックδ_ｆｂと比較され、加算ジャンクション１０４の出力はＰＩ調整器１０６に供給される。ＰＩ調整器の初期状態は、６ステップ動作への及び６ステップ動作からの切れ目のない遷移を提供するように設定される。フィードフォワード電圧角度計算モジュール１０８は、より速い動的性能に対するフィードフォワード電圧角度α_ｆｆを計算する。加算器１１０はＰＩ調整器の出力とフィードフォワード電圧角度α_ｆｆとを加算して最終電圧角度αを生成する。電圧角度αは、加算器ジャンクション１１２を用いて回転子角度位置θ_ｒに加算されて固定子フレーム電圧角度を生成する。ブロック１１４は、加算ジャンクション１１２の出力と最大使用可能電圧（６ステップ電圧）とを利用して、指令電圧Ｖ_α１、Ｖ_β１を生成する。

図５は、図４の遷移フラグＦｌａｇ＿ｓｉｘの設定を説明する状態フロー図を詳述している。フロー図全体がサンプル期間毎に実行される。判定ブロック１２０は、実際の回転子速度ω_ｒを所定の最小閾値速度ω_ｒｔｈと比較する。回転子速度の方が所定の最小閾値速度よりも小さい場合、Ｆｌａｇ＿ｓｉｘがブロック１２２においてゼロ（図１で説明される通常の固定子磁束優先制御）に設定される。そうでない場合には、判定ブロック１２４を用いて、印加された固定子電圧Ｖ_ｍを所定の最大閾値電圧Ｖ_ｔｈと比較する。印加された固定子電圧の方がＶ_ｔｈよりも小さい場合、Ｆｌａｇ＿ｓｉｘはブロック１２２においてゼロに設定される。そうでない場合には、Ｆｌａｇ＿ｓｉｘはブロック１２６において１（６ステップ動作）に設定される。判定ブロック１３０の状態が真と評価されるまで、制御はこの動作モードを維持する。ブロック１３０は、指令された固定子磁束を推定固定子磁束が上回る条件を検出する。これが真である場合、６ステップ動作から出て通常の固定子磁束優先制御に戻るために十分な電圧が使用可能である。

理解されるように、本発明は、例示し且つ上述した構成そのものに限定されるものではないのであって、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を加えることができる。

本発明の制御システムのブロック図である。 本発明の制御に対して可能なオリエンテーション・フレームを示すベクトル図である。 本発明で使用される修正ゴピナス・オブザーバのブロック図である。 本発明における６ステップ動作のために使用される制御装置のブロック図である。 ６ステップ動作への及び６ステップ動作からの遷移に関する状態フロー図である。

Claims (18)

1. 固定子及び回転子を有する電動機のための制御システムであって、
   前記電動機に動力を提供するためのインバータと、
   前記インバータを制御するための制御装置と、
   前記制御装置において動作する、固定子電流成分を使用して回転子角度位置を推定するための低速制御ブロックと、
   前記制御装置において動作する、固定子電流成分及び固定子磁束位置を使用して回転子角度位置を推定するための高速制御ブロックと、
   前記低速制御ブロックと前記高速制御ブロックとの間で動作を変えるための前記制御装置での遷移スイッチと、
   を備え、前記インバータが６ステップ動作によって制御される制御システム。
2. 前記電動機が誘導電動機である、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記電動機が内部永久磁石電動機である、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記電動機が同期リラクタンス電動機である、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記電動機が３相電動機である、請求項１に記載の制御システム。
6. さらに、ゴピナス・オブザーバを備える、請求項１に記載の制御システム。
7. 前記遷移スイッチが、定格機械速度の１０パーセント未満で前記第１の電動機速度制御ブロックを操作する、請求項１に記載の制御システム。
8. 前記遷移スイッチが、定格機械速度の５パーセントよりも上で前記第２の電動機速度制御ブロックを操作する、請求項１に記載の制御システム。
9. 電動機を制御するためのセンサレス方法であって、
   制御装置において動作する低速回転子角度位置ブロックを提供するステップと、
   前記制御装置において動作する高速回転子角度位置ブロックを提供するステップと、
   前記制御装置において動作する初期回転子極性検出ブロックを提供するステップと、
   前記電動機の速度を決定するために、前記低速回転子角度位置ブロックと前記高速回転子角度位置ブロックとの間で遷移するステップと、
   ６ステップ動作を用いて前記電動機の速度を制御するステップと、
   を含むセンサレス方法。
10. さらに、車両における前記電動機を操作するステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. さらに、静止状態で前記電動機の回転子磁石位置を決定するステップを含む、請求項９に記載の方法。
12. 車両用伝導機構であって、
    前記車両の車輪に機能的に結合された電動機と、
    前記電動機に動力を提供するためのインバータと、
    前記インバータを制御するための制御装置と、
    前記制御装置において動作する、固定子電流成分を使用して回転子角度位置を推定するための低速制御ブロックと、
    前記制御装置において動作する、固定子電流成分及び固定子磁束位置を使用して回転子角度位置を推定するための高速制御ブロックと、
    前記低速制御ブロックと前記第２の高速制御ブロックとの間で動作を変えるための前記制御装置での遷移スイッチと、
    を備え、前記インバータが６ステップ動作によって制御される伝導機構。
13. 前記電動機が誘導電動機である、請求項１２に記載の伝導機構。
14. 前記電動機が内部永久磁石電動機である、請求項１２に記載の伝導機構。
15. 前記電動機が同期リラクタンス電動機である、請求項１２に記載の伝導機構。
16. 前記電動機が３相電動機である、請求項１２に記載の伝導機構。
17. 前記遷移モジュールが、前記電動機の速度に基づいて前記第１の制御モジュールと前記第２の制御モジュールとの間で動作を変える、請求項１２に記載の伝導機構。
18. 前記電動機が内部永久磁石回転子を含む、請求項１２に記載の伝導機構。

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