JP2009520453A - 電動機の制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の始動において現われる大きな始動電流を発生させる電流ピークを回避可能な電動機の制御方法および装置を提供する
【解決手段】ポンプ・モータの形で使用される電動機（１８０、２２０）の制御方法および装置において、このような電動機は車両内において、電動機にバッテリ（１６０、２３０）および発電機（１５０、１９０、２１０）またはそのいずれかから電気エネルギーを供給するように設計されている。制御は、高周波パルス幅変調（ＰＷＭ）により行われる。電動機の始動において、ＰＷＭにより、電動機の運転のために必要なモータ電流が、例えば値０から連続的に上昇される。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源に接続された、パルス幅変調により操作される電動機の制御方法および装置に関するものである。

このような方法は、ドイツ特許公開第１９９４４１９４号から既知であり、この方法においては、電子整流モータの最終段が電子制御ユニットを介してパルス幅変調信号により操作される。ここでは、目標値段から設定された制御電圧パルスに対応して、電動機に直流電源から電圧パルスが供給される。

電動機の始動において現われる大きな始動電流を発生させる電流ピークは、バッテリを損傷させることがある。さらに、この電流ピークは、動的電圧降下を発生させることがあり、この動的電圧降下は、同様にバッテリおよび発電機またはそのいずれかから供給される他の消費機器を停止させることがある。

本発明は、電動機の始動において現われる大きな始動電流を発生させる電流ピークを回避可能な電動機の制御方法および装置を開示する。このような電動機は、例えば自動車内において、ポンプ・モータの形で使用される。一般に、電動機にバッテリおよび発電機またはそのいずれかから電気エネルギーを供給するように設計されている。この場合、操作／制御は高周波パルス幅変調（ＰＷＭ）により行われる。本発明の本質は、電動機の始動において、ＰＷＭにより、電動機を運転するために必要なモータ電流が、例えば値０から連続的に上昇されることにある。

電動機のこのような操作における利点は、電動機の始動において現われる大きな始動電流を発生させる電流ピークを回避可能なことにある。
したがって、モータ電流が連続的に上昇されるときの電流勾配が所定の最大値に制限されることが有利である。

この場合、同様に目標値として形成されていてもよいこの最大値は、バッテリおよび発電機またはそのいずれかの運転パラメータの関数として設定されてもよい。ここで、典型的な運転パラメータはバッテリの放電電流ないしは発電機から発生される電流上昇を示す。しかしながら、さらに、最大値を設定するために、例えば発電機から最大に達成可能な電流勾配の決定により、発電機の構造的形態が使用されてもよい。この電流勾配は、所定の時間内に発電機から発生可能な電流と定義される。

モータ電流の上昇ないしは電流勾配を制限するために、本発明の一形態においては、電動機の回転速度を制限するように設計されていてもよい。この場合、例えば、バッテリ電圧の関数として設定される最大目標回転速度が使用されてもよい。他の可能性は、最大目標回転速度の決定において、電動機にかかっている負荷トルクまたは電動機から出力されなければならない負荷トルクを考慮することにある。

本発明の一形態においては、さらに、電動機の運転のために設けられているバッテリないしは発電機が他の電気消費機器にエネルギーを供給するように設計されている。この場合、本発明により、電動機の始動の間における電流ピークにおいてこの他の消費機器が故障に至ることが阻止される。本発明の一変更態様において、モータ電流の連続的上昇ないしはこの上昇がそれに制限される電流勾配が、他の消費機器への電気エネルギーの供給の関数として行われるように設計されていてもよい。即ち、例えば、許容電流勾配を決定するために、ヒータ、照明またはＡＣＣ（車間距離自動制御装置）のような車両内の他の消費機器に対する電流需要が考慮されてもよい。

本発明の特定の変更態様においては、発電機からは電動機にのみ電気エネルギーが供給され、一方、他の電気消費機器には、バッテリが提供する電気エネルギーのみが供給されるように設計されている。この場合、供給の分離は電動機の始動過程の間においてのみ行われることもまた十分に考えられる。

電動機の運転において、始動時に高い電流需要が発生する。ここで、電動機にバッテリから電気エネルギーが供給される場合、バッテリから提供される供給電圧が降下することがある。この動的電圧降下は、同様にバッテリに接続されている他の消費機器に影響を与えることもある。特に、例えば電気油圧式ブレーキ装置の範囲内における圧力の発生において、車両内の電気（ポンプ）モータを始動するとき、このような一時的に低い供給電圧は、車両内に存在する他の電気部品にトラブルを発生させることがある。

この対策として、本発明により、意図しない高い電流ピークを回避し且つ車両の搭載電源を保護するために、モータに供給されるエネルギーないしは供給されるモータ電流が緩やかに上昇される。

図１は、電動機１８０におけるモータ電流の緩やかな上昇ないしは連続的上昇がそれにより達成可能な装置を略図で示す。この場合、制御装置１００内において、外部データを評価し且つそれから操作信号を導く、例えばマイクロ・プロセッサまたはＡＳＩＣＳの形の処理ユニット１１０が設けられ、処理ユニット１１０は、電動機１８０を、および場合により車両内に存在する発電機１９０もまた操作／制御する。

この場合、外部データとして、電動機それ自身の運転パラメータが検出され、この運転パラメータは適切な運転パラメータ受取手段１３０により受け取られ且つ処理ユニット１１０に伝送される。ここで、運転パラメータとは、圧力センサまたはモデルにより決定可能な、ポンプ・モータ前後の油圧配管内の圧力比と理解されてもよい。しかしながら、さらに、運転パラメータとして、電動機の所定の操作パラメータが検出されてもよく、この所定の操作パラメータは、直接電動機上におけるまたは制御装置内における適切なメモリ内に選択的に記憶されてもよい。このようなメモリがブロック１２０により略図で示されている。

連続的な電流上昇を開始させるために、さらに、電動機の始動要求が対応の始動要求検出装置１４０により検出されることが必要である。この装置は、さらに、電動機に対する要求負荷トルクを問い合わせ且つそれを処理ユニット１１０に導いてもよく、これにより、操作において要求負荷トルクが考慮可能である。

制御装置１００が使用される車両内に発電機１９０が存在する場合、同様に電動機１８０の操作信号を発生させるために発電機の運転パラメータが使用されてもよい。このために、例えば適切な運転状態検出手段１５０により、発電機１９０の実際の運転状態が検出される。さらに、発電機上または制御装置内のメモリ内に記憶可能な、発電機１９０の特定の構造パラメータが考慮されることもまた考えられる。特定の構造パラメータとして、例えば、発電機から最大に発生可能な電流勾配即ち所定の時間内に発生可能な電流が使用されてもよい。

電動機１８０を操作するために、さらにバッテリ１６０の状態が検出され且つ考慮される。この場合、特に、バッテリの充電状態ないしは他の消費機器によるバッテリへの要求信号が対象とされる。しかしながら、バッテリ１６０の充電に関する予測を設定可能にするために、他の消費機器への必要な供給電力を適切な電力検出手段１７０により検出することもまた考えられる。この場合、例えば考慮される消費機器に対する唯一の供給電圧をバッテリが提供するとき、同様にこのような予測が電動機１８０の操作に考慮されてもよい。

他の実施例において、発電機１９０が、同様に検出データの関数として、および電動機１８０の操作の関数として、またはそのいずれかの関数として運転可能なように設計されていてもよい。

図２に、制御装置２００が電動機２２０をモータ電圧Ｕ_Ｍないしはモータ電流Ｉ_Ｍにより操作する概略ブロック回路図が示されている。典型的には、このような操作は（高周波）パルス幅変調により行われる。制御装置２００ないしは電動機２２０のエネルギー供給は、この例においては、バッテリ電圧Ｕ_Ｂａｔを提供するバッテリ２３０および発電機２１０により確保される。バッテリおよび発電機の組み合わせにより、制御装置２００ないしは電動機２２０に、より高い電流Ｉ_Ｚｕｌが供給可能である。

車両内の発電機およびバッテリは通常並列に接続され且つ発電機の運転にはある電流勾配（例えば、３００−１０００Ａ／ｓ）が必ず必要とされるので、モータをジャンプ状に投入した場合、電流はバッテリから提供される。この高い電流はバッテリを損傷させることがある。始動の間におけるモータの操作において、最大電流勾配、即ち所定の時間内の特定の電流上昇を設定することにより、このような損傷を回避させることができる。さらに、この電流勾配が発電機の電流勾配に適合される場合、モータの始動のために必要なモータ電流は全て車両の発電機により発生可能である。これは、バッテリをより高い電流ジャンプから回避させる。さらに、このような操作においては、バッテリには負荷がかけられないので、搭載電源内の動的電圧降下が回避される。

電流勾配制限があるときおよび電流勾配制限がないときのモータ始動要求の比較が、図４に示されている。ここで、モータの始動のために必要なモータ電流Ｉ_Ｍが、時間ｔに関して目盛られている。この場合、４２０の線図は、急始動直後のきわめて高い電流ピークを有する電流制限のないモータ電流Ｉ_Ｍを示す。これに対して、４００の破線線図はある時間後に４２０の線図と同様にエンジンを運転するための一定電流需要に移行する連続線図を示す。

他の実施例において、車両内に存在するＥＳＰ制御装置の油圧出力要求に応じてそれぞれ必要とされる種々の電流勾配が設定されてもよい。
典型的には、電動機はさらに回転速度制御を有しているので、最大電流勾配の設定は目標回転速度の設定を介して行われてもよい。ここで、このように使用される最大目標回転速度は、特定の実施例においては、次式により計算される。

最大目標回転速度は次のように導かれる。電動機の代替回路図（図３参照）により示されるように、モータ電圧Ｕ_Ｍは、種々の部分電圧、即ちＵ_Ｒ（モータのオーム抵抗３００に割当）、Ｕ_Ｉｎｄ（モータの誘導抵抗３２０に割当）およびＵ_Ｇｅｎ（モータの発電部分３４０に割当）に分割されてもよい。

モータのシステム等式は電圧バランスおよび角運動量保存則から次のように得られる。

ここで、状態変数は電機子電流ｉおよび回転速度ωである。パラメータは、インダクタンスＬ、慣性モーメントＪ、モータ定数Ｋおよび抵抗Ｒである。システムの入力は、操作変数である供給電圧Ｕおよび負荷トルクＴ_ｌｏａｄである。負荷トルクは、ポンプ要素にかかる圧力および回転速度の関数である。一次近似においては、回転速度の関数関係は無視されてもよい。したがって、負荷トルクは一定の摩擦部分および圧力の関数である負荷部分から構成されている。

ここで、ｐ_ｄｓは吐出側圧力を、およびｐ_ｓｓは吸込側圧力を示し、それらの値は、例えばＨＩＭ（ＥＳＰの油圧モデル）から得られても、または直接圧力センサにより測定されてもよい。したがって、負荷トルクは既知であると仮定可能である。

次に、希望の目標回転速度が設定されるように供給電圧Ｕが計算される。このための基礎はフラット・システムの理論である。入力として回転速度ωが選択された場合、

であり、一次微分およびシステム等式（１.１）への代入により、電機子電流ｉと回転加速度との間の関係が次のように得られる。

さらに微分することにより、供給電圧Ｕが現われる。

Ｕで展開することにより次式が得られる。

この等式は、インダクタンスの影響が小さいことに基づき、簡単にされる。したがって、目標変数を代入することにより、システムを目標軌跡ω_ｄに沿って動かす制御が得られる。

ここで、第１項はエンジンの慣性を、第２項は回転により誘導された電圧を、および第３項は負荷トルクに基づいて必要な電圧を考慮している。
目標軌跡の計画
制御装置の走査は５ミリ秒ごとに行われる。したがって、供給電圧Ｕのみならず目標軌跡ω_ｄ（ｔ）もまた時間ステップ内で修正可能である。ここで、第１のステップにおいて、軌跡は走査サイクルを介して計画される。これが図５ａに示されている。

時点ｊにおいて、時点ｊ＋１における目標回転速度は、操作変数制限が順守されるのみならず、電流勾配もまた要求最大値を超えないように選択される。以下に、新たな目標値ω_ｄ ^ｊ＋１の計算が詳細に説明される。このために、はじめに制御の計算が必要である。

制御の計算
目標回転速度の制御のために、線形ＰＩ制御器が使用される。これにより、制御部分は比例部分および積分部分から構成されている。したがって、離散化ステップ方式においては、一般的な制御等式は次のように表わされる。

しかしながら、ここで、時点ｊに付属する供給電圧Ｕは時点ｊ＋１においてはじめて出力され、したがって目標軌跡は、１走査サイクルだけシフトされることが考慮されなければならない。このことが図５ｂに示されている。

したがって、制御器内において、実際回転速度が最後のサイクルの目標回転速度と比較される。これにより、制御器に対して次の等式が得られる。

操作および制御
操作変数Ｕは予操作Ｕ_ｄおよび制御Ｕ_ＰＩから構成されている。

ここで、操作に使用される回転速度および回転加速度もまた決定されなければならない。回転加速度は時点ｊおよびｊ＋１における目標回転速度の線形補間により決定される。

これにより時点ｊ＋１における操作変数Ｕ^ｊ＋１が次式により得られる。

ここで、操作部分のみは新たな目標変数ω_ｄ ^ｊ＋１の関数であることに注意すべきである。この等式は以下において操作変数制限を阻止するために使用される。
操作変数制限の順守
回転速度制御は上位の機能から目標回転速度を受け取る。しかしながら、目標回転速度はポンプにより実行可能であることが保証可能ではない。したがって、次の時点（ｊ＋１）における目標回転速度は、操作変数制限が満たされ、したがって回転速度がポンプにより達成可能なように修正されるべきである。このために、以下に、（３.４）により目標回転速度に対する上限ω^ｊ＋１ _ｍａｘおよび下限ω^ｊ＋１ _ｍｉｎが計算され、この範囲内において操作変数制限が順守される。目標回転速度は限界により制限される。

両方の限界は（３.４）により計算される。（３.４）をω^ｊ＋１で展開し且つ最大電圧を代入することにより上限が得られる。

最小電圧Ｕ＝Ｕ_ｍｉｎを代入することにより下限が得られる。

したがって、（４.１）−（４.３）により、操作変数制限が順守されることが保証可能である。しかしながら、さらに、きわめて大きな電流勾配が発生することがある。電流勾配の制限は以下に記載される。

電流勾配の計算
ａ．モータ電流勾配の制限
モーメント・バランス（１.１）から、時点ｍにおける電流が負荷トルクおよび回転加速度の関数として表わされる。

電流勾配を制限するために、走査ステップ間の電流の変化が基準となる。（５.１）により、電流変化が、負荷トルク変化および回転加速度変化の関数として決定可能である。

したがって、最大許容電流変化Δｉ_ｍａｘを代入することにより最大回転加速度が得られる。

ここで、負荷トルク変化が、時点ｊ＋１における未知の負荷トルクに基づいて最後のサイクルの負荷トルク変化により近似されることに注意すべきである。したがって、回転加速度の線形近似により新たな目標回転速度ω_ｄ ^ｊ＋１に対する他の条件が得られる。

これにより、新たな目標回転速度は、（４.１）からの制限のほかに、次の制限を受ける。

したがって、正規の条件（モデル・エラーなし、理想の負荷トルク制限）のもとでは、条件（５.６）により、許容モータ電流勾配が順守可能である。モデル・エラーのみならずエラーのある負荷トルク評価もまた偏差を発生させることに注意すべきである。
ｂ．バッテリ電流勾配の制限
搭載電源負荷に対しては、直接モータ電流ｉ_ｍｏｔが基準とはならず、ＰＷＭ発電機により必要とされるバッテリ電流ｉ_ｂａｔが基準となる。図５ｃに、ＰＷＭ発電機がインタフェースと共に示されている。

フィルタおよび高いサイクル周波数によるバッテリ電流の平滑化に基づき、ここでは、平均直流電圧から出発される。ＰＷＭデューティ・レシオおよびバッテリ電圧の関数として、モータ電圧が計算される。

ＰＷＭ発電機の出力バランスをとった場合、

バッテリ電流に対して次式が得られる。

したがって、バッテリ電圧の電流勾配に対して、次式が適用され、

または差を用いて次のように表わされる。

ここで、最後のサイクルのモータ電流ｉ_ｍｏｔ ^ｊおよびＰＷＭ^ｊは最後のサイクルの既知の変数から計算可能である。

モータ電流の差は、運動方程式を用いて次のように表わされる。

ｊ＋１サイクルの回転加速度が代入されたとき、対応する差近似により次式が得られる。

ＰＷＭの変化は供給電圧Ｕのバッテリ電圧Ｕ_ｂａｔに対する商から計算される。

供給電圧Ｕの計算は既に上で導かれている（３.４参照）。

制御の軌跡計画への反作用を阻止するために、ここで制御部分は無視される。これがＰＷＭの変化に代入される。

（５.１２）および（５.１５）を（５.９）に代入することにより、次式が得られる。

または回転速度ω^ｊ＋１で展開される。

バッテリ電流変化に対して最大許容値を代入した場合、付属の目標回転速度が得られる。

図１は、電動機を操作／制御するための本発明による装置を略ブロック回路図で示す。 図２には、図１の対応回路図が示されている。 図３には、電動機の代替回路図が示されている。 図４には、電流勾配制限のあるモータ電流と電流勾配制限のないモータ電流との比較が示されている。 図５ａ−５ｃには、回転速度制限導入の説明図を示す。

Claims (11)

1. 電動機（１８０、２２０）にバッテリ（１６０、２３０）および発電機（１５０、１９０、２１０）またはそのいずれかから電気エネルギーが供給され、制御のために前記電動機に高周波パルス幅変調電圧が印加されるように設計されている、電動機の制御方法において、
   前記電動機の始動において、電動機を運転するためにバッテリおよび発電機またはそのいずれかから供給されるモータ電流（Ｉ_Ｍ）が連続的に上昇されることを特徴とする電動機の制御方法。
2. 設定可能な時間内におけるモータ電流の上昇が所定の目標値に制限されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記目標値が、
   発電機およびバッテリまたはそのいずれかの運転パラメータの関数として設定され、この場合、前記目標値が、発電機の発生電流上昇およびバッテリの放電電流またはそのいずれかの関数として設定されるように設計されていることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
4. 電流勾配を制限するために、前記電動機が、多くとも所定の目標回転速度（ω_ｉ ^ｊ＋１）で運転され、この場合、前記目標回転速度が、バッテリ電圧および電動機における負荷トルクまたはそのいずれかの関数として設定されるように設計されていることを特徴とする請求項２または３に記載の制御方法。
5. 他の消費機器（１７０）に、バッテリおよび発電機またはそのいずれかから電気エネルギーが供給され、この場合、前記連続的上昇が、前記他の消費機器への電気エネルギーの供給の関数として行われるように設計されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の制御方法。
6. 前記他の消費機器への供給がバッテリから行われ、一方、少なくとも始動過程の間において前記電動機への供給が発電機から行われることを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
7. 電動機（１８０、２２０）にバッテリ（１６０、２３０）および発電機（１５０、１９０、２１０）またはそのいずれかから電気エネルギーが供給され、前記電動機に印加される高周波パルス幅変調電圧により電動機を制御するための手段（１００、２００）が設けられている、電動機の制御装置において、
   前記手段が、前記電動機の始動において、電動機を運転するためにバッテリおよび発電機またはそのいずれかから供給されるモータ電流（Ｉ_Ｍ）を連続的に上昇させることを特徴とする電動機の制御装置。
8. 前記手段が、設定可能な時間内におけるモータ電流の上昇を所定の目標値に制限することを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
9. 前記手段が、前記目標値を、発電機およびバッテリまたはそのいずれかの運転パラメータの関数として設定し、この場合、前記目標値が、発電機の発生電流上昇およびバッテリの放電電流またはそのいずれかの関数として設定されるように設計されていることを特徴とする請求項８に記載の制御装置。
10. 電流勾配を制限するために、前記電動機が、多くとも所定の目標回転速度（ω_ｉ ^ｊ＋１）で運転され、この場合、前記目標回転速度が、バッテリ電圧および電動機における負荷トルクまたはそのいずれかの関数として設定されるように設計されていることを特徴とする請求項８または９に記載の制御装置。
11. 他の消費機器（１７０）にバッテリおよび発電機またはそのいずれかから電気エネルギーが供給され、この場合、
    前記連続的上昇が、前記他の消費機器への電気エネルギーの供給の関数として行われ、前記他の消費機器への供給がバッテリから行われ、一方、少なくとも始動過程の間において前記電動機への供給が発電機から行われるように設計されていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の制御装置。

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