JP2012505632A - モータシステムおよびモータシステムの動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電動機を駆動制御するための駆動制御回路と、該駆動制御回路に前置接続された中間回路とを有する、電動機用の駆動制御ユニットの動作方法に関する。前記中間回路はとりわけ中間回路キャパシタを有する。前記動作方法は、電動機（２）を駆動制御するための調整量（ＳＧ）を準備するステップと、可変の入力電圧（ｕ_ＤＣ）を設定し、前記中間回路を介して該入力電圧（ｕ_ＤＣ）を前記駆動制御ユニット（３）へ供給するステップと、前記入力電圧に依存して発生した中間回路電圧（ｕ_ＤＣ）と前記調整量（ＳＧ）とに依存して前記駆動制御回路（３）を動作させ、前記電動機（２）を該調整量（ＳＧ）に相応して駆動制御するステップとを有する。

Description

技術分野
本発明は一般的に、パワーエレクトロニクス駆動制御回路を介して駆動制御され直流電圧源によって給電される電動機を備えたモータシステムに関する。

先行技術
可変に駆動制御可能である電動機を車両に搭載することがますます増加してきている。こうするためには、このような電動機は一般的に、半導体スイッチを有するパワーエレクトロニクス駆動制御回路を備えた駆動制御装置によって駆動制御される。このパワーエレクトロニクス駆動制御回路は、たとえばＢ６ブリッジやＨブリッジ等である。このパワーエレクトロニクス駆動制御回路は一般的に、半導体スイッチを導通状態または非導通状態に切り換える制御ユニットによって制御される。

さらに、駆動制御装置は入力側に、通常は少なくとも１つのキャパシタを備えた受動配線を有する。このキャパシタは一般的に、中間回路キャパシタと称される。制御ユニットによる駆動制御回路の駆動制御に依存して、寄生抵抗により、この中間回路キャパシタにおける電圧は変化して電圧リプルおよび電流リプルが発生する。それゆえ、中間回路キャパシタの大きさを適切に決めなければならない。発生した電圧リプルに起因して中間回路キャパシタにかかる負荷が著しく大きくなることと、このことによって必要となる中間回路キャパシタの大きさとにより、電動機用の駆動制御装置の全体積の大部分が、この中間回路キャパシタの大きさによって決定される。将来的には、中間回路内のディスクリート素子の体積が制御ユニットおよび駆動制御回路の体積を占める割合がますます大きくなる。というのも、制御ユニットおよび駆動制御回路はますます小型化し、ＥＭＣ要件が厳しくなるにつれて中間回路内に設けなければならない素子の数は増加するからである。

さらに、直流電圧変換器を介してモータシステム内の電動機を駆動制御することも公知である。この直流電圧変換器は車載電源網の給電電圧から、所望の電圧で電動機を駆動制御するために別の中間回路電圧および／または安定化された中間回路電圧を生成する。

本発明の課題は、可能な限り小さい容量値の中間回路キャパシタを設けることができる電動機用の駆動制御装置を提供し、中間回路キャパシタの大きさを小さくできるようにすることである。

発明の概要
前記課題は、請求項１記載のモータシステムの駆動制御方法と、他の独立請求項に記載の装置、駆動制御システムおよびモータシステムとによって解決される。

従属請求項に本発明の別の実施形態が示されている。

本発明の第１の側面では、電動機を駆動制御するための駆動制御回路と、該駆動制御回路に前置接続された中間回路とを有する、電動機用の駆動制御ユニットの動作方法を提供する。前記中間回路はとりわけ中間回路キャパシタを有する。この方法は、以下のステップを有する：
・電動機を駆動制御するための操作量を準備するステップ。
・可変の入力電圧を調整し、前記中間回路を介して該入力電圧を前記駆動制御ユニットへ供給するステップ。
・前記電動機を前記操作量に相応して駆動制御するために、前記入力電圧に依存して発生した中間回路電圧と前記操作量とに依存して前記駆動制御回路を動作させるステップ。

上記方法の基本的思想は、中間回路内に設けられる中間回路キャパシタにかかる負荷を低減することにより、中間回路の体積、とりわけ中間回路キャパシタの体積を小型化することである。このことは、中間回路キャパシタの交流電流負荷を低減することによって実現される。中間回路キャパシタの交流電流負荷を決定する中間回路の実効電流は、入力電流と、駆動制御回路によって取り込まれた電流とに依存する。すなわち、駆動制御回路の入力電圧および／または駆動制御に依存する。駆動制御回路に流れる電流は、入力電圧に依存して印加される中間回路電圧を適合することによって調整することができる。このように駆動制御回路に入力される電流を調整することにより、中間回路キャパシタに流れる実効電流を駆動制御回路の入力側の電圧に依存して調整することもできる。この駆動制御回路の入力側の電圧は、中間回路キャパシタの電圧にも相応する。それゆえ上述の方法は、入力電圧の調整を行い、かつ、中間回路キャパシタに流れる実効電流に依存して該中間回路キャパシタの電圧が調整されるように制御ユニットを駆動制御することにより、該中間回路キャパシタの交流電流負荷を可能な限り低減することができる。

さらに、可変の入力電圧を操作量および／またはモータ状態量および／または駆動制御回路の状態量および／または中間回路の状態量に依存して調整することもできる。前記モータ状態量はとりわけ、回転数、トルク、モータ電流、１相または複数相の相電圧であり、前記駆動制御回路の状態量はとりわけ損失電力であり、前記中間回路の状態量はとりわけ、中間回路電圧または中間回路キャパシタの電流である。とりわけ前記操作量は、電力、機械的出力、所望の回転数、所望のトルク、モータ電流、モータ電圧、角度位置または相電圧に相応することができる。

１つの実施形態では、入力電圧の調整および駆動制御回路の動作を、中間回路のキャパシタに流れる実効電流が低減される関数にしたがって行うことができる。

入力電圧の調整および駆動制御回路の動作は、中間回路のキャパシタに流れる実効電流が所定の実効電流を超えることなくＤＣ／ＤＣ変換器の損失が低減される関数にしたがって実行することができる。

さらに、前記入力電圧を調整するための前記関数は、動作中または明示的な記憶フェーズ中に、入力電圧の変化または駆動制御回路による電動機の駆動制御の変化によって学習することができる。

とりわけ、前記少なくとも１つの所定の操作量の１つまたは複数の動作点を特性マップに記憶することができる。

さらに、入力電圧の調整および駆動制御回路の動作を、最急降下法によって行うこともできる。

別の側面では、電動機を動作させるための装置において、以下の構成要素を含む装置を提供する：
・前記電動機を駆動制御するための駆動制御回路
・入力側が前記駆動制御回路に配置されており、とりわけ中間回路キャパシタを有する中間回路
・操作量を受け取り、前記中間回路を介して可変の入力電圧を前記駆動制御回路へ出力するための調整量を出力し、調整された前記入力電圧に依存して発生する前記中間回路の中間回路電圧と前記操作量とに依存して前記電動機が駆動制御されるように前記駆動制御回路を動作させるように構成された制御ユニット。

別の側面では、電動機を動作させるための駆動システムにおいて、以下の構成要素を含む駆動システムを提供する：
・前記電動機を動作させるための装置
・前記調整量を受け取り、該調整量に依存して前記可変の入力電圧を出力するための電圧変換器。

別の側面では、電動機および上記駆動システムを含むモータシステムを提供する。

以下で、複数の実施形態を添付図面に基づいてより詳細に説明する。

中間回路キャパシタを有する駆動制御装置を含むモータシステムの概略図である。 電動機の実効電流に正規化された中間回路キャパシタの実効電流と変調度との依存関係を示すグラフである。

実施形態の説明
図１は、たとえば同期モータとして構成することができる電動機２を備えたモータシステム１の概略図を示す。この電動機は多相電動機として構成することができる。この実施例では電動機２は３相を有する。

電動機２は、パワー電子駆動制御回路３によって駆動制御される。図１の実施形態では駆動制御回路３は、電動機２の相数に相応する数のインバータ分岐を有するＢ６ブリッジ回路として構成されている。各インバータ分岐は半導体スイッチ４を有する。すなわち、プルハイサイドスイッチおよびプルローサイドスイッチを有する。各１つのプルハイサイドスイッチがそれぞれ１つのプルローサイドスイッチ４とともに、高電位の中間回路高電位Ｖ_Ｈと低電位の中間回路低電位Ｖ_Ｌとの間に直列に配置されている。各インバータ分岐のプルハイサイドスイッチとプルローサイドスイッチ４との間から各相が取り出され、電動機２に給電するように設けられている。すなわち、プルハイサイドスイッチはインバータ分岐の取りだし可能な相を中間回路高電位Ｖ_Ｈに接続し、プルローサイドスイッチは、取り出し可能な相を中間回路低電位Ｖ_Ｌに接続する。各プルハイサイドスイッチないしはプルローサイドスイッチ４は、たとえば電界効果トランジスタやサイリスタ等のパワートランジスタとすることができ、制御ユニット５が各プルハイサイドスイッチないしはプルローサイドスイッチ４を適切な制御信号によって駆動制御する。この制御信号は、制御線路６を介してたとえば各ゲート端子に供給される。

図中のＢ６ブリッジ回路を含む駆動制御回路３の代わりに、とりわけＨブリッジ等の別のスイッチングパワー駆動電子回路を使用することもできる。

駆動制御回路３の入力側は、中間回路キャパシタ７を含む中間回路に接続されている。中間回路は別の受動素子を含むことができ、たとえばチョークコイルを含むことができる。中間回路キャパシタ７は、一方の端子で中間回路高電位Ｖ_Ｈに接続されており、他方の端子で中間回路低電位Ｖ_Ｌに接続されている。中間回路キャパシタ７は、駆動制御回路３の半導体スイッチ４のスイッチングによって該駆動制御回路３の入力側にかかるジャンプ負荷を低減し、電力供給源にかかる負荷を低減するために使用される。

中間回路高電位Ｖ_Ｈおよび中間回路低電位Ｖ_Ｌは電圧変換器８によって生成される。この電圧変換器８はとりわけ直流電圧変換器であり、電圧変換器８の入力側は自動車の車載電源網に接続されているか、または一般的にはエネルギー源に接続されている。自動車の場合、直流電圧変換器８の入力側は自動車のバッテリー（図中に示していない）に接続されており、該バッテリーはバッテリー電圧Ｕ_Ｂａｔを発生させる。直流電圧変換器８は可変に駆動制御することができる。すなわち、調整線路９を介して直流電圧変換器８にたとえば電気信号またはデジタル量ないしはアナログ量として供給される直流電圧変換器操作値Ｖにしたがって、直流電圧変換器８の出力電圧Ｕ_ＤＣを可変に調整することができる。

さらに制御ユニット５が設けられており、該制御ユニット５は直流電圧変換器８および駆動制御回路３に接続されている。制御ユニット５には外部から、電動機２を駆動制御する際の目標量であるモータ量を示す操作量ＳＧが設定として供給される。前記操作量はたとえば、電力、機械的出力、所望の回転数、所望のトルク、モータ電流、モータ電圧、角度位置または相電圧に相応することができる。この操作量ＳＧから、電動機２がこの所定の操作量ＳＧに相応する挙動をとるようにするために該電動機２をどのように駆動制御すべきかが導き出される。制御ユニット５は、前記操作量ＳＧに相応するモータ量を出力するように、直流電圧変換器８および駆動制御回路３を駆動制御することができる。

中間回路キャパシタ７の構成のサイズを縮小するためには、電気的負荷を低減するのが有利である。中間回路キャパシタ７にかかる交流電流負荷は一般的に、以下の数式によって得られる：

上記数式において、Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}は中間回路キャパシタに流れる実効電流に相応し、ｉ_ＤＣＤＣ（ｔ）は、直流電圧変換器８によって発生した電流に相応し、ｉ_ＰＣＵ（ｔ）は、駆動制御回路３によって取り込まれた（入力側）電流に相応する。変換器電流ｉ_ＤＣＤＣ（ｔ）および駆動制御回路ｉ_ＰＣＵ（ｔ）の電流を調整することにより、中間回路キャパシタ７に流れる実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}の絶対値を低減できるという認識がある。駆動制御回路３に流れる電流の平均値および実効値は、中間回路キャパシタ７に発生する中間回路電圧Ｕ_Ｃの大きさによって変化させることができる。

このことは、図２のグラフからも読み取ることができる。図２のグラフには、電動機２に流れ込む実効電流に正規化された中間回路キャパシタＩ_{Ｃ＿ｅｆｆ}の実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}が、変調度Ｍを横軸として示されている。変調度Ｍは中間回路電圧Ｕ_Ｃに対して反比例するので、直流電圧変換器８を介して制御することができる。図２に示した特性曲線のパラメータは力率ｃｏｓ（φ）である。この力率ｃｏｓ（φ）は一般的に、電動機の実効電力を皮相電力で除算して得られる商によって求められる。φは電流と電圧との間の位相角に相応する。

中間回路キャパシタ７に流れる実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}を可能な限り低減するためには、制御ユニット５は直流電圧変換器８を適切に駆動制御する。入力電圧ｕ_ＤＣと所定の操作量ＳＧとによって駆動制御回路３は適切に駆動制御される。その際には制御ユニット５は、出力電圧が電圧領域内に調整されるようにのみ、直流電圧変換器８を駆動制御しなければならない。この電圧領域は、操作量ＳＧによって電動機２に対して設定された要求を遵守することができる次のような電圧、すなわち、駆動制御回路３が低電圧モードに陥ったり、中間回路キャパシタを形成するコンデンサおよび駆動制御回路３の半導体スイッチの電圧耐性を超えたりしない電圧に制限される。

駆動制御回路３はたとえば、パルス幅変調制御のデューティ比を変化したり、空間ベクトル変調のデューティ比を変化したりすることにより、異なる電力を電動機２に供給することができる。また、空間ベクトル変調の変調周期時間を制御ユニット５によって設定することもできる。すなわち制御ユニット５は、操作量ＳＧによって設定されたモータ量を調整するために直流電圧変換器８および駆動制御回路３の駆動の仕方を選択する自由度を有する。

たとえば、中間回路キャパシタ７に流れる実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}を低減するために直流電圧変換器８の出力電圧Ｕ_ＤＣが可能な限り低く調整されるように構成することができる。すなわち、電動機２に必要とされる電力をまだ得ることができかつ駆動制御回路３を動作させることができるように、すなわち駆動制御回路３が低電圧モードに陥らないように、直流電圧変換器８の出力電圧を選択しなければならない。

こうするために、制御ユニット５はたとえば特性マップブロック１０を有する。この特性マップブロック１０には、外部から供給された操作量ＳＧが入力量として入力され、該特性マップブロック１０は、操作量ＳＧに依存して直流電圧変換器操作値Ｖを直流電圧変換器８へ出力し、駆動制御回路操作値Ｓをパルス発生ユニット１１へ出力する。特性マップブロック１０は、たとえば中間回路キャパシタ７に発生する電圧Ｕ_Ｃと実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}との関係を考慮する特性マップを有することができる。特性マップブロック１０の別の入力量を測定量とすることができ、たとえば、モータ回転数および／または電動機２のロータの角度位置、相電流、相電圧および直流電圧変換器８の出力電流Ｉ_ＤＣＤＣとすることができる。この直流電圧変換器８の出力電流Ｉ_ＤＣＤＣも測定することができる。また、供給される操作量ＳＧに依存せずに直流電圧変換器操作値Ｖを決定すること、すなわち測定量にのみ基づいて決定することもできる。また、供給される操作量ＳＧの他に択一的または付加的に、この量の実際の瞬時値を特性マップの入力量として使用することもできる。特性マップに対して択一的に、プロセッサに格納されたアルゴリズムないしは数式を使用して、指示された入力量からＶを求めることもできる。

特性マップを統計的に設定することができ、また、動作中または学習モードで、操作量ＳＧが異なる複数の異なる動作点ごとに直流電圧変換器８および駆動制御回路３の最適な動作点を求め、これに相応するデータセットを後で呼び出せるように特性マップに記憶することにより、特性マップを生成ないしは変更することもできる。

統計的な特性マップを使用して動作するかまたは動作中に最適化しながら動作するかにかかわらず、最適化の目的は、中間回路コンデンサ７において実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}を簡単に低減することだけではなく、たとえば有利には、中間回路キャパシタのコンデンサ電流ひいては加熱を、設定された限界値未満に維持することもできる。この限界値はたとえば、中間回路キャパシタの温度および／または中間回路キャパシタにかかる電流負荷の長さに依存することもできる。この限界値を上回ると直ちに、パルス発生ユニット１１を介して‐モータ出力を犠牲にして、すなわち設定された操作量ＳＧを無視して、モータ電流を低減することができる。直流電圧変換器操作値Ｖが「改善された」ことが判明した場合／直流電圧変換器操作値Ｖが「改善された」場合、パルス発生ユニット１１は、出力するモータ電流を上昇させて操作量ＳＧに従うように、スイッチ４を制御することができる。

中間回路電流を低減するという最適化目的の他に、たとえば電圧変換器８における損失を低減できるようにするという別の最適化目的もある。

パルス発生ユニット１１は、駆動制御回路操作値Ｓに依存して駆動制御回路３のプルハイサイドスイッチおよびプルローサイドスイッチ４に対して駆動制御パルスを発生させることにより、これらプルハイサイドスイッチおよびプルローサイドスイッチ４が該駆動制御回路操作値Ｓにしたがって駆動制御されるようにする。この駆動制御回路操作値Ｓはたとえば、空間ベクトル変調のデューティ比等である。

直流電圧変換器８の出力電圧および駆動制御回路３の駆動制御の適合を適応的に行うことができる。こうするためには、中間回路キャパシタ７に流れる実効電流をたとえば電流測定変流器または電流測定抵抗によって検出し、たとえば、最急降下法等の最適化手法を使用して、直流電圧変換器８によって出力される変換器電圧を変化させ、駆動制御回路操作値Ｓおよび直流電圧変換器操作値Ｖのデューティ比を変化させるかまたは一般的にこれらの操作値を変化させることにより、中間回路キャパシタ７に流れる実効電流を低減する。このようにして、モータシステムに使用される特性マップを学習し、たとえば適切な記憶ユニット（図中にない）において特性マップブロック１０に記憶することができる。操作量が緩慢に変化する場合には、このような方法によってオンザフライで適合を行うこともできる。

さらに、直流電圧変換器８の出力電圧が直流電圧変換器操作値Ｖによって所定の電圧に調整されるように構成することもできる。中間回路キャパシタ７に流れる実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}は直接測定されるか、またはモータ状態量から推定される。実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}が過度に高くなる場合、該実効電流Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}が小さくなるまで、すなわち所定の電流閾値を下回るまで、直流電圧変換器８の出力電圧を変化させることができる。

制御ユニット５、駆動制御回路３および中間回路キャパシタ７は通常、電動機２用の１つの制御装置に１つのユニットとしてまとめられて設けられる。したがって上記のモータシステムを実装する際には、制御ユニット５から、制御装置と別個に離隔して配置された直流電圧変換器８まで、直流電圧変換器操作値Ｖを伝送するための調整線路９を設け、中間回路キャパシタ７にかかる交流電流負荷が低減されるように直流電圧変換器８を可変に駆動制御できるようにしなければならない。

Claims (11)

1. 電動機（２）を駆動制御するための駆動制御ユニットの動作方法であって、
   前記駆動制御ユニットは、前記電動機（２）を駆動制御するための駆動制御回路（３）と、該駆動制御回路（３）に前置接続された中間回路とを備え、
   前記中間回路はとりわけ中間回路キャパシタ（７）を有し、
   当該動作方法は、
   ・前記電動機（２）を駆動制御するための操作量（ＳＧ）を準備するステップと、
   ・可変の入力電圧（ｕ_ＤＣ）を調整し、前記中間回路を介して前記駆動制御ユニット（３）へ該入力電圧（ｕ_ＤＣ）を供給するステップと、
   ・前記操作量（ＳＧ）に相応して前記電動機（２）を駆動制御するために、前記入力電圧（ｕ_ＤＣ）に依存して前記中間回路に発生した中間回路電圧（ｕ_Ｃ）と、前記操作量（ＳＧ）とに依存して前記駆動制御回路（３）を動作させるステップと
   を有することを特徴とする動作方法。
2. 前記操作量（ＳＧ）および／またはモータ状態量および／または前記駆動制御回路（３）の状態量および／または前記中間回路の状態量（ｕ_Ｃ）に依存して前記入力電圧（ｕ_ＤＣ）を調整し、
   前記モータ状態量はとりわけ、回転数、トルク、モータ電流、１つまたは複数の相の相電圧であり、
   前記駆動制御回路（３）の状態量はとりわけ損失電力であり、
   前記中間回路の状態量（ｕ_Ｃ）はとりわけ前記中間回路電圧であるか、または、前記中間回路キャパシタ（７）に流れる電流（Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}）である、請求項１記載の動作方法。
3. 前記操作量は、電力、機械的出力、所望の回転数、所望のトルク、モータ電流、モータ電圧、角度位置または相電圧に相応する、請求項１または２記載の動作方法。
4. 前記中間回路のキャパシタに流れる実効電流（Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}）が低減する関数にしたがって、前記入力電圧（ｕ_ＤＣ）の調整と前記駆動制御回路（３）の動作とを行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の動作方法。
5. 前記中間回路のキャパシタに流れる実効電流（Ｉ_{Ｃ＿ｅｆｆ}）が所定の実効電流を超えることなく電圧変換器（８）における損失が低減する関数にしたがって、前記入力電圧（ｕ_ＤＣ）の調整と前記駆動制御回路（３）の動作とを行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の動作方法。
6. 動作中または明示的な学習フェーズ中に、前記入力電圧（ｕ_ＤＣ）と前記駆動制御回路（３）による前記電動機（２）の駆動制御とを変化させることにより、前記入力電圧（ｕ_ＤＣ）を調整するための関数を学習する、請求項４または５記載の動作方法。
7. 前記少なくとも１つの所定の操作量（ＳＧ）のうち１つまたは複数の動作点を特性マップに記憶する、請求項４から６までのいずれか１項記載の動作方法。
8. 前記入力電圧の調整と前記駆動制御回路の動作とを、最急降下法によって行う、請求項４から７までのいずれか１項記載の動作方法。
9. 電動機（２）を動作させるための装置であって、
   ・前記電動機（２）を駆動制御するための駆動制御回路と、
   ・入力側が前記駆動制御回路に配置されており、とりわけ中間回路キャパシタ（７）を有する中間回路と、
   ・操作量（ＳＧ）を受け取り、前記中間回路を介して可変の入力電圧（ｕ_ＤＣ）を前記駆動制御回路（３）へ出力するための調整量（Ｖ）を出力し、該入力電圧（ｕ_ＤＣ）に依存して発生する前記中間回路の中間回路電圧（ｕ_Ｃ）と前記操作量（ＳＧ）とに依存して前記電動機（２）が駆動制御されるように前記駆動制御回路を動作させるように構成された、制御ユニット（５）と
   を有することを特徴とする装置。
10. 電動機（２）を動作させるための駆動制御システムであって、
    ・請求項９記載の装置と、
    ・前記調整量（Ｖ）を受け取り、該調整量（Ｖ）に依存して可変の入力電圧（ｕ_ＤＣ）を生成するための電圧変換器と
    を有することを特徴とする、駆動制御システム。
11. 電動機（２）と、請求項１０記載の駆動制御システムとを含む、モータシステム。

Images