JP2013106514A - モータを制御するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣバス電圧利用率を確保するために、可能な限り大きなモータトルクを確保する電圧振幅および電圧位相角の適した点を迅速に決定する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】モータ１０を制御するための方法は、モータの電気信号を信号ユニット６０によって入手するステップを含む。電気信号は、モータトルクおよび角速度を含む。電圧ベクトルの電圧位相角を計算機器によって計算するステップをさらに含む。コマンドトルクＴｃｍｄ、モータトルク、角速度、および電圧ベクトルの電圧振幅が、計算機器の入力である。方法は、インバータ２０を制御するスイッチング信号へと電圧位相角および電圧振幅を変調器４０によって変調するステップをさらに含む。方法は、スイッチング信号にしたがって電圧ベクトルへと直流電圧をインバータによって変換するステップ、およびモータへ電圧ベクトルを印加するステップをさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、全体としてモータを制御するための方法およびシステムに関係し、より詳しくは、モータに印加する電圧ベクトルの電圧位相角に対して直線的に変化するモータトルクを出力する交流（ＡＣ）モータを制御するための方法およびシステムに関係する。

ＡＣモータは、制御システムから出力される電圧ベクトルによって制御され、ハイブリッド自動車または電気自動車の車輪を駆動するためのモータトルクを発生する。直流（ＤＣ）電源からの直流電圧を変換することを介して、電圧ベクトルを発生する。モータトルクは、電圧振幅および電圧ベクトルの電圧位相角とともに変化する。現在のところ、モータトルクは、電圧振幅および電圧位相角の両者を調整することにより制御される。しかしながら、ＤＣバス電圧利用率を確保するために、可能な限り大きなモータトルクを確保する電圧振幅および電圧位相角の適した点を決定することは難しい。

モータトルクが電圧位相角を変化させることだけを介して制御されるように、電圧振幅を固定し、電圧位相角を変えることによってモータトルクおよびＤＣバス電圧利用率の向上を図る取り組みが提供されている。例えば、Hideo Nakai et al., "Development and testing of the torque control for permanent-magnet synchronous motor," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, No. 3, June 2005参照。しかしながら、この取り組みでは、モータトルクが電圧位相角とともに非直線的に変化する。この取り組みの欠点は、モータトルクを迅速且つ連続的に計算し制御できないことである。

上に述べた問題の少なくとも一部を扱うために、モータを制御するための方法およびシステムを提供することが望ましい。

本明細書中に開示した一実施形態にしたがって、モータを制御するための方法を提供する。本方法は、モータの電気信号を信号ユニットによって入手するステップを含む。電気信号は、モータトルクおよび角速度を含む。本方法は、電圧ベクトルの電圧位相角を計算機器によって計算するステップをさらに含む。コマンドトルク、モータトルク、角速度、および電圧ベクトルの電圧振幅が、計算機器の入力である。電圧位相角は変数であり、電圧振幅は定数である。モータから発生されるモータトルクは、モータの角速度のある特定の値および電圧位相角のある特定の単調な範囲において電圧位相角に対して直線的に変化する。本方法は、インバータを制御するスイッチング信号へと電圧位相角および電圧振幅を変調器によって変調するステップをさらに含む。本方法は、スイッチング信号にしたがって電圧ベクトルへと直流電圧をインバータによって変換するステップ、およびモータへ電圧ベクトルを印加するステップをさらに含む。

本明細書中に開示した別の一実施形態にしたがって、モータから発生されるモータトルクを制御するための方法を提供する。本方法は、インバータから出力される電圧ベクトルの電圧振幅を固定するステップを含む。本方法は、モータトルクを制御するために電圧ベクトルの電圧位相角を変更するステップをさらに含む。モータトルクは、モータの角速度のある特定の値および電圧位相角のある特定の単調な範囲において電圧位相角に対して直線的に変化する。

本明細書中に開示した別の一実施形態にしたがって、モータを制御するための制御システムを提供する。本制御システムは、モータの電気信号を出力するための信号ユニットを含む。電気信号は、モータトルクおよび角速度を含む。本制御システムは、信号ユニットに結合されたコントローラをさらに含む。コントローラは、電圧ベクトルの電圧位相角を計算するための計算機器を有する。計算機器の入力は、コマンドトルク、モータトルク、角速度、および定数として電圧ベクトルの電圧振幅を含む。計算機器の出力は、電圧位相角である。モータトルクは、モータの角速度のある特定の値および電圧位相角のある特定の単調な範囲において電圧位相角に対して直線的に変化する。

本開示のこれらおよびその他の特徴、態様および長所は、添付した図面を参照して下記の詳細な説明を読むと、より良く理解されるようになるであろう。図面では、類似の参照符号は、図面全体を通して類似の構成要素を表す。

例示的な実施形態によるモータシステムの概略的な基本ブロック図である。 図１のモータシステムにおいて使用するためのコントローラ中の例示的な計算機器のブロック図である。 図１のモータシステムにおいて使用するためのコントローラ中のもう１つの例示的な計算機器のブロック図である。

違った風に規定しない限り、本明細書において使用する技術用語および科学用語は、本開示が属する分野において当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書において使用するように、「第１の」、「第２の」等という用語は、いずれかの順番、量、または重要性を表すというよりは、１つの要素を別の１つ要素と区別するために使用される。また、「１つ（ａ）」および「１つ（ａｎ）」という用語は、量を限定することを表すというよりは、少なくとも１つの参照した項目が存在することを表す。本明細書においては「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」およびこれらの変形形態の使用は、その後に列挙する項目およびこれらの等価物ならびに追加の項目を包含することを意味する。「接続した（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合した（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、物理的または機械的な接続または結合に限定するのではなく、直接的であるか間接的であるかに拘わらず、電気的な接続または結合を含むことができる。

図１は、例示的な実施形態によるモータシステム１００の概略的なブロック図を図示する。図１では、モータシステム１００は、一般的にモータ１０およびモータ１０を制御する制御システム２００を含む。制御システム２００は、モータ１０に結合されたインバータ２０、インバータ２０に結合された直流（ＤＣ）電源３０、インバータ２０に結合された変調器４０、変調器４０に結合されたコントローラ５０、およびコントローラ５０に結合された信号ユニット６０を含む。

信号ユニット６０は、モータ１０の電気信号を入手するように構成される。電気信号は、モータ電流およびモータ電圧などの他のものの他に、モータ１０のモータトルク、Ｔ_em、および角速度、ω、を含む。モータ電流およびモータ電圧などの一部の電気信号は、検出することを通して取得されるだけであり、モータトルク、Ｔ_em、および角速度、ω、などの一部の電気信号は、検出することまたは計算することを通して取得することができる。一実施形態では、制御システム２００は、モータ１０に結合された少なくとも１つのセンサ（図示せず）を備え、信号ユニット６０は、センサに結合された取得機器６０１を有する。センサは、モータ１０の電気信号を検出するように構成される。取得機器６０１は、電気信号を受け取り、コントローラ５０によって処理することが可能なデータへ電気信号を変換し、コントローラ５０へデータを提供する。モータトルク、Ｔ_em、および角速度、ω、は、検出することを通して取得される。

別の一実施形態では、信号ユニット６０は、極対の数、インダクタンス、鎖交磁束、等などのモータ１０のパラメータに基づいて電気信号を計算するために、取得機器６０１およびコントローラ５０に結合された信号プロセッサ６０２をさらに備える。センサが、モータ電流およびモータ電圧などを検出し、その後、取得機器６０１がこれらを信号プロセッサ６０２へ与える。信号プロセッサ６０２は、モータ電流、モータ電圧、等に基づいてモータトルク、Ｔ_em、および角速度、ω、を計算する。

モータトルク、Ｔ_em、および角速度、ω、を、コントローラ５０へ入力する。コントローラ５０は、変調器４０へ電圧ベクトルの電圧位相角、φ、および電圧振幅、Ｖ、を与えるように構成される。電圧位相角、φ、は変数であり、電圧振幅、Ｖ、は定数である。コントローラ５０は、電圧位相角、φ、を計算するように構成された計算機器を有する。計算機器の入力は、コマンドトルク、Ｔ_cmd、モータトルク、Ｔ_em、角速度、ω、および電圧ベクトルの電圧振幅、Ｖ、を含む。電圧位相角、φ、の計算した値は、電圧位相角、φ、のもう１つの値を計算するために計算機器へ入力して戻される。

変調器４０は、電圧位相角φおよび電圧振幅、Ｖ、をインバータ２０を制御するスイッチング信号へと変調するように構成される。インバータ２０から出力される電圧信号を、電圧ベクトルと考えることができる。インバータ２０は、スイッチング信号にしたがって、ＤＣ電源３０のＤＣ電圧をモータ１０に印加する電圧ベクトルへと変換する。インバータ２０から出力される電圧ベクトルは、矩形波電圧である。モータ１０は、ハイブリッド自動車または電気自動車の車輪を駆動するためのモータトルク、Ｔ_em、を発生する交流（ＡＣ）モータである。モータ１０は、３相永久磁石（ＰＭ）モータ、他の多相ＰＭモータ、３相誘導モータ、他の多相誘導モータ、等などの多相モータである。

図２は、例示的な計算機器のブロック図である。計算機器は、モータ１０がコマンドトルク、Ｔ_cmd、に等しいかほぼ等しいモータトルク、Ｔ_em、を出力できるような電圧位相角、φを計算する。電圧振幅、Ｖ、は一定であり、モータトルク、Ｔ_emを制御するために、電圧位相角、φ、を変化させる。計算機器は、加算器５１、関数モジュール５２、乗算器５３、および積分器５４を含む。

加算器５１は、コマンドトルク、Ｔ_cmd、とモータトルク、Ｔ_em、との間のトルク偏差、ΔＴを計算する。角速度、ω、電圧振幅、Ｖ、および電圧位相角、φ、を、関数モジュール５２へと入力し、下記の方程式（１）から利得関数、Ｋ（ω，φ）、の値を計算する、

ここでは、Ｐ_nは、モータ１０の極対の数であり、ψ_fは、モータ１０の鎖交磁束であり、Ｌ_dおよびＬ_qは、モータ１０のｄｑ−軸インダクタンスである。Ｐ_n、ψ_f、Ｌ_d、およびＬ_qは定数である。角速度、ω、および電圧位相角、φ、は変数である。電圧振幅、Ｖ、は、矩形波電圧の基本波電圧の最大値のところで固定される。電圧振幅、Ｖは、

に等しく、ここでは、Ｖ_dcは、ＤＣ電源３０から出力されるＤＣ電圧である。

乗算器５３が、加算器５１および関数モジュール５２に結合され、トルク偏差、ΔＴ、と利得関数、Ｋ（ω，φ）とを乗算して、下記の式（２）によって表される時間についての電圧位相角の導関数

を求める、

式（２）を、式（３）へと変換することができる、

積分器５４が、乗算器５３に結合され、電圧位相角の導関数、

を積分して、電圧位相角、φ、を求める。利得関数、Ｋ（ω，φ）を用いて、モータトルク、Ｔ_em、のコマンドトルク、Ｔ_cmd、からのトルク偏差、ΔＴ、に基づいて、電圧位相角、φ、を調節する。計算機器は、積分収束を加速させるために積分器５４に結合された比例積分補償器５５をさらに備える。

モータ１０から発生されるモータトルク、Ｔ_em、は、角速度、ω、のある特定の値の下では電圧位相角、φ、とともにほぼサイン曲線で変化する。これによって、モータトルク、Ｔ_em、は、モータ１０の角速度、ω、のある特定の値および電圧位相角、φ、のある特定の単調な範囲において、電圧位相角、φ、に対して直線的に変化する。電圧位相角、φ、のある特定の単調な範囲は、角速度、ω、とともに変わる。異なる角速度、ω、ついて、電圧位相角、φ、の単調な範囲は異なる。しかしながら、短時間のサンプリング期間では、角速度、ω、を定数と見ることができる。電圧位相角、φ、のある特定の単調な範囲が、電圧位相角についてのモータトルクの導関数がゼロ以上である下記の不等式（４）から求められる。

下記の不等式（５）を、不等式（４）から導き出すことができる。

電圧位相角、φ、のある特定の単調な範囲は、

に関して対称であり、そのため、

電圧位相角、φ、を、モータトルク、Ｔ_em、の安定性を確保するためにある特定の単調な範囲内に限定する。

モータトルク、Ｔ_em、安定性を確保するために、利得関数、Ｋ（ω，φ）はゼロよりも大きく、これが

を導く。

図３は、計算機器のもう１つの実施形態のブロック図である。この実施形態では、計算機器は、３つのリミッタ５６、５７および５８をさらに備える。トルク偏差、ΔＴ、を計算する前に、コマンドトルク、Ｔ_cmd、が、モータ１０の利用可能な最大トルク、Ｔ_M、までに第１のリミッタ５６によって制限される。比例積分補償器５５から出力される電圧位相角、φ、は、単調な範囲内の電圧位相角、φ、を保証するために、φ_maxおよびφ_minまでに第２のリミッタ５７によって制限される。電圧位相角、φ、を利得関数、Ｋ（ω，φ）、へと入力する前に、電圧位相角、φ、のサイン値を計算し、サイン値を、ｓｉｎφ_maxおよびｓｉｎφ_minまでに第３のリミッタ５８によって制限する、ここでは、不等式（７）から求められるｓｉｎφ_maxおよびｓｉｎφ_minは、下記の方程式（８）によって表される。

この結果、利得関数、Ｋ（ω，φ）がゼロよりも大きいことを保証する。

計算機器は、加算器５１、乗算器５３、積分器５４および比例積分補償器５５と並列にフィードフォワードシステム５９をさらに備える。コマンドトルク、Ｔ_cmd、をやはり、フィードフォワードシステム５９へと入力し、フィードフォワードシステム５９の出力を比例積分補償器５５の出力と加算して、電圧位相角、φ、を求める。フィードフォワードシステム５９は、計算時間を最小にするためにフィードフォワードルックアップテーブルを使用する。

電圧振幅、Ｖ、が固定であるので、モータトルク、Ｔ_em、を、電圧位相角、φ、を調整することだけを介して制御し、その結果、モータトルク、Ｔ_em、を制御することおよびモータ１０を駆動することは容易である。矩形波電圧の基本波電圧の最大値のところに電圧振幅、Ｖ、を固定する、そのため、電圧位相角、φ、を選択し、モータトルク最大値を保証することが容易である。これによって、ＤＣバス電圧利用率を改善する。加えて、モータトルク、Ｔ_em、は、角速度、ω、のある特定の値および電圧位相角、φ、のある特定の単調な範囲において、電圧位相角、φ、に対して直線的に変化し、その結果、モータトルク、Ｔ_em、を制御することが、迅速になり連続的になる。

本発明を、例示的な実施形態を参照して説明してきているが、様々な変更を行うことができ、本発明の範囲から逸脱せずに、等価物を本発明の要素と置き換えることができることを、当業者なら理解するであろう。それに加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに本発明の教示に対する特定の状況または特定の材料に適合するように、多くの修正を行うことができる。このために、本発明は、本発明を実行するために予期される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されないだけでなく、本発明が別記の特許請求の範囲の範囲内になるすべての実施形態を含むことを意図している。

上記のすべてのかかる目的または利点を、いずれかの特定の実施形態にしたがって達成しうることが必ずしも必要ないことが、理解されるであろう。したがって、例えば、本明細書において教示されるまたは示唆されるような他の目的または利点を実現することを必要としないで、本明細書において教示されたような１つの利点または一群の利点を実現するまたは最適化する方法で、本明細書において説明したシステムおよび技術を具体化するまたは実行することができることを、当業者なら認識するであろう。

さらにその上、当業者は、異なる実施形態からの様々な特徴の互換性を認識するであろう。説明した様々な特徴、ならびに各特徴についての他の既知の等価物を、当業者ならうまく組み合わせて、本開示の原理にしたがってさらなるシステムおよび技術を構築することができる。

１０ モータ
２０ インバータ
３０ ＤＣ電源
４０ 変調器
５０ コントローラ
５１ 加算器
５２ 関数モジュール
５３ 乗算器
５４ 積分器
５５ 比例積分補償器
５６ リミッタ
５７ リミッタ
５８ リミッタ
５９ フィードフォワードシステム
６０ 信号ユニット
１００ モータシステム
２００ 制御システム
６０１ 取得機器
Ｔ_cmd コマンドトルク
Ｔ_em モータトルク
Ｖ 電圧振幅
φ 電圧位相角
ψ 鎖交磁束
ω 角速度
Ｋ（ω，φ） 利得関数

Claims (20)

1. モータを制御するための方法であって、
   モータトルクおよび角速度を含む前記モータの電気信号を信号ユニットによって入手するステップと、
   電圧ベクトルの電圧位相角を計算機器によって計算するステップであって、コマンドトルク、前記モータトルク、前記角速度、および前記電圧ベクトルの電圧振幅が、前記計算機器の入力であり、前記電圧位相角が変数であり、前記電圧振幅が定数である、計算するステップと、
   インバータを制御するスイッチング信号へと前記電圧位相角および前記電圧振幅を変調器によって変調するステップと、
   前記スイッチング信号にしたがって前記電圧ベクトルへと直流電圧を前記インバータによって変換するステップと、
   前記モータへ前記電圧ベクトルを印加するステップと
   を含み、
   前記モータから発生される前記モータトルクが、前記モータの前記角速度のある特定の値および前記電圧位相角のある特定の単調な範囲において前記電圧位相角に対して直線的に変化する、
   方法。
2. 前記インバータから出力される前記電圧ベクトルが、矩形波電圧であり、前記電圧振幅が、前記矩形波電圧の基本波電圧の最大値のところで固定される、請求項１記載の方法。
3. 前記電圧位相角の前記ある特定の単調な範囲が、前記角速度とともに変わる、請求項１記載の方法。
4. 前記電圧位相角の前記ある特定の単調な範囲が、ゼロ以上の前記電圧位相角についての前記モータトルクの導関数から求められる、請求項３記載の方法。
5. 前記電圧位相角が、利得関数を用いて、前記モータトルクの前記コマンドトルクからのトルク偏差に基づいて調節される、請求項１記載の方法。
6. 前記利得関数が、ゼロよりも大きい、請求項５記載の方法。
7. 前記計算プロセスが、前記モータの利用可能な最大トルクまでに前記コマンドトルクをリミッタによって制限するステップを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記計算プロセスが、フィードフォワードシステムへと前記コマンドトルクを入力するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
9. モータから発生されるモータトルクを制御するための方法であって、
   インバータから出力される電圧ベクトルの電圧振幅を固定するステップと、
   前記モータトルクを制御するために前記電圧ベクトルの電圧位相角を変更するステップであって、前記モータトルクが、前記モータの角速度のある特定の値および前記電圧位相角のある特定の単調な範囲において前記電圧位相角に対して直線的に変化する、変更するステップと
   を含む、方法。
10. 前記電圧位相角の前記ある特定の単調な範囲が、前記角速度とともに変わる、請求項９記載の方法。
11. 前記電圧位相角の前記ある特定の単調な範囲が、ゼロ以上である前記電圧位相角についての前記モータトルクの導関数から求められる、請求項１０記載の方法。
12. 前記インバータから出力される前記電圧ベクトルが、矩形波電圧であり、前記電圧振幅が、前記矩形波電圧の基本波電圧の最大値のところで固定される、請求項９記載の方法。
13. モータを制御するための制御システムであって、
    前記モータの電気信号を出力するための信号ユニットであり、前記電気信号が、モータトルクおよび角速度を含む、信号ユニットと、
    前記信号ユニットに結合され、電圧ベクトルの電圧位相角を計算するための計算機器を有するコントローラであり、前記計算機器の入力が、コマンドトルク、前記モータトルク、前記角速度、および定数として前記電圧ベクトルの電圧振幅を含み、前記計算機器の出力が、前記電圧位相角である、コントローラと
    を備え、
    前記モータトルクが、前記モータの前記角速度のある特定の値および前記電圧位相角のある特定の単調な範囲において前記電圧位相角に対して直線的に変化する、
    制御システム。
14. 前記電圧位相角の前記ある特定の単調な範囲が、前記角速度とともに変わる、請求項１３記載の制御システム。
15. 前記電圧位相角の前記ある特定の単調な範囲が、ゼロ以上の前記電圧位相角についての前記モータトルクの導関数から求められる、請求項１４記載の制御システム。
16. スイッチング信号へと前記電圧位相角および前記電圧振幅を変調するために前記コントローラに結合された変調器、ならびに前記変調器に結合され且つ前記モータに印加する前記電圧ベクトルへと直流電圧を変換するために前記スイッチング信号によって制御されるインバータをさらに備えた、請求項１３記載の制御システム。
17. 前記インバータから出力される前記電圧ベクトルが、矩形波電圧であり、前記電圧振幅が、前記矩形波電圧の基本波電圧の最大値のところで固定される、請求項１６記載の制御システム。
18. 前記計算機器が、
    前記コマンドトルクと前記モータトルクとの間のトルク偏差を計算するための加算器と、
    前記角速度、前記電圧振幅および前記電圧位相角が利得関数の値を計算するために入力される関数モジュールと、
    時間についての前記電圧位相角の導関数を求めるために、前記トルク偏差と前記利得関数の前記値とを乗算するために前記加算器および前記利得関数モジュールに結合された乗算器と、
    前記電圧位相角を求めるために、前記電圧位相角の前記導関数を積分するために前記乗算器に結合された積分器と
    を備える、請求項１３記載の制御システム。
19. 前記計算機器が、積分収束を加速するために前記積分器に結合された比例積分補償器をさらに備える、請求項１８記載の制御システム。
20. 前記計算機器が、前記加算器、前記乗算器、前記積分器および前記比例積分補償器に並列なフィードフォワードシステムをさらに備える、請求項１９記載の制御システム。