JP2013502893A - 電気モータを駆動させるための方法と装置 - Google Patents

電気モータを駆動させるための方法と装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、可変の位相電圧(Ux)を印加することによって多相型の電気機械(1)を駆動させる方法に関する。この方法は、前記電気機械(1)の各位相に関して、回転子位置に依存するそれぞれの位相電流(Ix)の経過を表す位相電流プロフィールを提供するステップと、前記位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の開始時の位相の位相電流(Ix)と、前記位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の終了時の位相の位相電流(Ix)との間の、印加すべき位相電流(Ix)の線形化された経過を表す位相電流情報に依存して、各位相に関して、所定の時間窓の間に印加すべき一定の位相電圧(Ux)を求めるステップとを有する。

Description

本発明は、永久磁石励起型の同期機械を駆動させるための方法、特に、その種の同期機械において電流プロフィールを調整するための方法に関する。
永久磁石励起型の同期機械を制御するために、電流プロフィールを同期機械の個々の位相に合わせることが公知である。電流プロフィールは、所定の回転子位置(位置角度)における各モータ位相に関する、動作点に依存する所望の位相電流、又は、同期機械の回転子の所定の位置角度領域での電流の流れの動作点に依存する経過を規定する。所定の位置角度における位相電流又は所定の位置角度領域での位相電流は、回転子が所定の位置角度領域にある間にそれぞれ一定のものとして規定されている位相電圧を印加することによって調整される。位相電圧は、適切な駆動回路、例えばHブリッジ回路又はB6駆動回路を用いて供給することができる。
個々の位置角度領域において印加すべき位相電圧のパラメータ化はこれまで経験的に実施されていた。この場合、特に、位置角度領域におけるそれぞれの位相電圧の印加の結果生じる電流の上昇、電流のプラトー及び電流の降下がパラメータ化される。これは煩雑であり、また、例えば同期機械の電気的な特性の経年劣化に起因する変化によって新たなパラメータ化が必要となる。
同期機械の駆動のための所定の電流プロフィールを可能な限り正確に調整することは、同期機械の駆動時のノイズの発生を可能な限り僅かなものに維持できるようにするために必要である。このために、複数の位相電流の内の一つ又は複数が測定され、適切な電流制御、例えば相応の位相電圧の適合によって、位相電流が所望の所定の位相電流に適合される。しかしながら、電流プロフィールに従い位相電流を調整するためにこの種の電流制御を実施することはコストが掛かり、また状況によっては不安定な動作状態を生じさせる可能性がある。
本発明の課題は、任意の電流プロフィールを設けるために印加すべき位相電圧が規定される、永久磁石励起型の同期機械を駆動させるための方法と装置を提供することである。特に、本発明の課題は、電流測定を実施することなく、動作を制御して電流を調整できるようにすることである。
発明の概要
この課題は、請求項1に記載されている同期機械の駆動方法並びに請求項12に記載されている装置によって解決される。
別の有利な実施の形態は従属請求項に記載されている。
第1の態様によれば、可変の位相電圧を印加することによって多相型の電気機械を駆動させるための方法が設けられている。この方法は、以下のステップを含む:
−電気機械の各位相に関して、回転子位置に依存するそれぞれの位相電流の経過を表す位相電流プロフィールを提供するステップ、
−位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の開始時の位相の位相電流と、位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の終了時の位相の位相電流との間の、印加すべき位相電流の線形化された経過を表す位相電流情報に依存して、各位相に関して、所定の時間窓の間に印加すべき一定の位相電圧を求めるステップ。
上述の方法の目的は、電気機械の回転子位置にわたる電流経過を表す電流プロフィールを設定する際に、所定の電流プロフィールを達成することができる位相電圧を提供することである。このことは位相電流を測定することなく行われるできなので、制御された動作時の電流の調整が実現される。このことは、電流プロフィールが部分的に線形の電流経過であると仮定され、且つ、位相電圧が位相電流情報に依存して求められて印加されることによって達成される。
更には、所定の時間窓内の位相電流の経過を所定の時間窓における位相電流の平均値として表すことができる。特に、位相電流プロフィールによって設定される、時間窓の開始時の位相の位相電流と、位相電流プロフィールによって設定される、時間窓の終了時の位相の位相電流とが加算され、二分されることによって、一つの位相の所定の時間窓の間に印加すべき位相電流の平均値を求めることができる。
別の実施の形態によれば、各位相に関して印加すべき位相電圧を、更には、それぞれの磁束の評価された変化に依存して求めることができる。磁束の変化は位相電流プロフィールによって設定される位相電流に基づき求められる。
更には、永久磁石の鎖交磁束並びに自己インダクタンス及び結合インダクタンスを考慮して、機関方程式を用いて位相電圧を求めることができる。これによって、電気機械の個々のストランドの自己インダクタンス及び結合インダクタンスと永久磁石の鎖交磁束のみが必要とされるので、煩雑なパラメータ化を省略することができる。
特に、磁束の変化を更に回転子位置に依存して評価することができる。これに関しては、磁束の変化を、所定の時間窓の終了時の評価された磁束と所定の時間窓の開始時の評価された磁束との差として求めることができる。
特に、電気機械の回転子の回転子位置を検出することができ、この際に、複数有る位相の内の一つに対応付けられている磁束の変化が、回転子位置に依存する、永久磁石の磁束の鎖交と、回転子位置及び位相の位相電流に依存する、通電している位相コイルによって誘起される磁束の鎖交との和によって求められ、通電している位相コイルによって誘起される磁束は、位相電流プロフィールによって設定される、位相の位相電流を用いて評価される。
特に、複数有る位相の内の一つに対応付けられている磁束の変化を求める際に、回転数が回転数閾値を下回っている場合には、通電している位相コイルによって誘起される磁束を無視することができる。
更には、ある位相の印加すべき位相電圧を、所定の時間窓の持続時間によって除算された、その位相に対応付けられている磁束の変化として求めることができる。
ある位相の印加すべき位相電圧を、所定の時間窓の持続時間によって除算された、その位相に対応付けられた磁束の変化と、所定の時間窓の間に印加すべき、位相の位相電流の平均値とコイル抵抗の積との和として求めることができる。
別の態様によれば、可変の位相電圧を供給することによって多相型の電気機械を駆動させるための装置が設けられている。この装置は以下のように構成されている、即ち、
−電気機械の各位相に関して、回転子位置に依存するそれぞれの位相電流の経過を表す位相電流プロフィールを提供し、
−位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の開始時の位相の位相電流と、位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の終了時の位相の位相電流との間の、印加すべき位相電流の線形化された経過を表す位相電流情報に依存して、各位相に関して、所定の時間窓の間に印加すべき一定の位相電圧を求めるように装置は構成されている。
別の態様によれば、データ処理ユニットにおいて実行される場合に上述の方法を実施するコンピュータプログラムを含んでいるコンピュータプログラム製品が設けられている。
電気機械を動作させるための方法及び装置に関する実施の形態を以下では添付の図面に基づき詳細に説明する。
同期機械の断面図を示す。 同期機械のための二相駆動回路を示す。 同期機械のための三相駆動回路を示す。 同期機械を動作させるための方法の基礎としての前提を説明するための位相電圧、位相電流並びに位相に関する鎖交磁束の経過を示す。 同期機械を動作させるための方法を使用する際の例示的な同期機械に関して、誘導電圧の位相電流の位相電圧並びに位相に関する鎖交磁束を説明するためのグラフを示す。
図1には、同期機械1の概略的な断面図が示されている。同期機械1は円形の欠落部を備えた固定子装置2を有しており、この欠落部内には同心の回転子4が回転子軸について回動可能に配置されている。固定子装置2は図示されている例において、半径方向で内側に配向されている12個の固定子歯3を有している。固定子歯3の数は別の数であっても良い。
固定子装置2の固定子歯3にはそれぞれ固定子コイル7が設けられている。同期機械1の位相P1,P2,P3の数に応じて、固定子コイル7が、同期機械1の多相動作を実現するために、二つ、三つ、又は、三つ以上のグループにおいてスター結線又は三角結線により相互に接続されている(図示せず)。固定子コイル7の考えられる結線は従来技術から公知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
図示されている実施例においては、回転子4が14個の永久磁石5を有しており、「S」及び「N」で表されている相応の回転子極が形成される。回転子極によって形成される励磁磁界は半径方向に外側に向かって配向されている。別の数の永久磁石及び/又は回転子極を設けることもできる。
固定子コイル7を適切に制御することによって、回転子4の永久磁石5によって形成される磁界と相互作用し、且つ、その相互作用によって回転子4を駆動させる磁界を形成することができる。
図1に示されている同期機械1は単に例示的に示されたものに過ぎず、以下において説明する方法との関係においては、一般的に、固定子コイルを備えた固定子装置を有しているあらゆる機械を本発明の駆動方法によって駆動させることができる。
固定子コイル7の駆動制御は駆動回路を用いて行なわれ、この駆動回路を介して、適切な位相電圧が相応の固定子コイル7にその都度印加されるか、又は、固定子コイル7の相応の回路に印加される。図2a及び図2bには、駆動回路の考えられる実施例がそれぞれ示されている。
図2aには2H駆動回路が示されており、この2H駆動回路を用いて二相同期機械を動作させることができる。2H駆動回路は別個に制御可能な二つのHブリッジ回路11を有しており、それらのHブリッジ回路11はそれぞれ、直列に接続されている二つの電力半導体スイッチT1,T2;T3,T4;T5,T6;T7,T8から構成されている。各Hブリッジ回路のそれぞれ二つの直列回路の電力半導体スイッチの間のノードの間では所属の位相電圧が取り出される。
詳細には、第1のHブリッジ回路11は第1の電力トランジスタT1を有しており、この第1の電力トランジスタT1の第1の端子は高い給電電位VHと接続されており、且つ、第2の端子は第1の出力ノードAと接続されている。第2の電力トランジスタT2の第1の端子は第1の出力ノードAと接続されており、且つ、第2の端子は低い給電電位VLと接続されている。Hブリッジ回路11の第2の直列回路は電力トランジスタT3,T4を用いて同様に構成されており、それらの電力トランジスタT3,T4の間には第2の出力端としてノードBが設けられている。第2のHブリッジ回路11は第1のHブリッジ回路11と同様に、電力トランジスタT5からT8を用いる二つの直列回路によって構成されている。
制御装置15を用いて個々の電力半導体スイッチT1からT8が制御される。Hブリッジ回路11のそれぞれの位相出力端において位相電圧を供給するために、第2の電力半導体スイッチT2及び第3の電力半導体スイッチT3が開かれている際に第1の電力半導体スイッチT1及び第4の電力半導体スイッチT4を閉じる(導通接続する、電力が供給されるように接続する)ことによって正の給電電圧UDCを印加することができ、また、第1の電力半導体スイッチT1及び第4の電力半導体スイッチT4が開かれている際に第2の電力半導体スイッチT2及び第3の電力半導体スイッチT3を閉じることによって負の給電電圧−UDCを印加することができる。Hブリッジ回路11の出力端において位相電圧として0Vの電圧を供給するために、(電力半導体スイッチT2及びT4が開かれた際に)第1の電力半導体スイッチT1及び第3の電力半導体スイッチT3が導通接続されるか、又は、第1の電力半導体スイッチT1及び第3の電力半導体スイッチT3が開かれた際に第2の電力半導体スイッチT2及び第4の電力半導体スイッチT4が閉じられる。
例えば制御装置15によって実施されるパルス幅変調方法に応じて、電力半導体スイッチT1からT8を適切に制御することによって、正の給電電圧UDCと負の給電電圧−UDCとの間の電圧レベルを有する位相電圧を形成することができる。一定の位相電圧が印加されるべき期間よりも遙かに短い所定の周期持続時間内には、例えば、その周期持続時間内の第1の時間窓の間に正の給電電圧UDCがHブリッジ回路11の出力端に印加され、また、その周期持続時間が終了するまでの第2の時間窓の間に0Vの電圧がHブリッジ回路11の出力端に印加される。デューティ比、即ち、周期持続時間(第1の時間窓の持続時間と第2の時間窓の持続時間の和)に対する第1の時間窓の期間の比率は、Hブリッジ回路11の出力端に印加される実効位相電圧を規定する。
図2bには、B6トポロジの別の駆動回路が示されている。B6トポロジの駆動回路は、三相同期機械を制御するために使用される。B6駆動回路は、それぞれ二つの電力半導体スイッチT1,T2;T3,T4;T5,T6から構成されている三つの直列回路を有しており、一つの直列回路の二つの電力半導体スイッチの間に設けられているノードはB6駆動回路の位相出力端を表している。それらの位相出力端は、三相同期機械のそれぞれのモータ端子と接続されている。B6駆動回路は、直列回路を追加することによって、別の数の位相を有する同期機械についてもスケーリング可能である。
B6駆動回路においても、制御装置15において実施されるパルス幅変調方法を用いて実効電圧を調整することによって、それぞれの位相電圧を調整することができる。それらの位相電圧から、同期機械1の位相端子の電圧差を算出することができる。続いて、それらの位相端子の電圧を適切な同一の電圧だけシフトすることができるので、その結果、各電圧を0Vから給電電圧UDCの間の範囲においてデューティ比を介して調整することができる。直列回路の二つの電力半導体スイッチの制御に用いられるデューティ比は、同期機械1のそれぞれの位相端子に印加される平均電圧を決定する。
図1に示されている同期機械1を動作させるために、複数の位相電流について所定の一つの電流プロフィールを調整することが必要である。電流プロフィールは同期機械1の回転子位置にわたる電流経過を表している。電流プロフィールは実質的に動作点に依存しており、また特に、供給すべきトルク、同期機械の現在の回転数並びに特徴的なパラメータに公知のように依存している。本願明細書に関しては、同期機械1を制御するための電流プロフィールが上位の制御装置15によって設定されることを前提とする。
同期機械の制御に用いられるべき所定の電流プロフィールを調整するために、所定の位相電圧が同期機械に印加されなければならない。通常の場合、位相電圧は連続的な時間窓において一定の電圧として印加される。以下では、図3のグラフに基づき、その都度印加すべき位相電流を求めるための原理を一般的に説明する。
nストランド型の機械、即ち、n個の位相を有する電気機械に関しては、一つの電流ベクトルI=[I1,...,In]が存在しており、この電流ベクトルは位相電圧として設定される平均電圧の電圧ベクトルU=[U1,...,Un]を介して生じる。所定の電流プロフィールにおいて状態1(I1,α1)(I1:第1の状態1での電流ベクトル、α1:第1の状態1での回転子の位置角度)から、状態2(I2,α2)(I2:第2の状態2での電流ベクトル、α2:第2の状態2での回転子の位置角度)に達するために必要とされる調整電圧を検出するために、電気機械の各位相xに関しては次式が当てはまる:
Figure 2013502893
但し、xはそれぞれの位相を表す。
電気機械の回転子が位置角度α1を取る状態1の時点に対応する第1の時点t1と、電気機械の回転子(ロータ)が位置角度α2を取る状態2の時点に対応する第2の時点t2との間での式(1)の積分によって次式が得られる:
Figure 2013502893
積分の経過において、調整すべき位相電圧は一定であり、且つ、第1の時点と第2の時点との間の電流プロフィールに従った電流経過については線形の経過を仮定するので、従って次式が得られる。
Figure 2013502893
つまり:
Figure 2013502893
状態1から状態2に達するために必要とされる所要時間Δtの知識を用いて、第1の位置角度α1における電流ベクトルI1から第2の位置角度α2における電流ベクトルI2へと案内される各位相(x=1,2,...,n)に関する電圧Uxを算出することができる。
磁気回路の飽和が生じない場合には、個々の位相xの鎖交磁束ψpm(α)は、永久磁石の鎖交磁束に依存して、また必要に応じて位置に依存するインダクタンスマトリクスL(α)に依存して、以下のように仮定される:
Figure 2013502893
三相電気機械に関する例は次式の通りである:
Figure 2013502893
但し、Lは自己インダクタンスを表し、またMabは位相aと位相bとの間の結合インダクタンスを表す。
顕著な磁気的な位置依存性を有していない対称的な電気機械においては、自己インダクタンスLと結合インダクタンスMを同一のものと見なすことができる。位相の数に依存せずに、更に簡略化して、電流プロフィールによって設定される各算出時点では、二つの位相ストランドにおける二つの電流、即ちIsoll,−Isollしか流れないようにすることができる。即ち、電流は電気機械の一つの位相ストランドへと流れ、電気機械の複数有る位相ストランドの内の別の位相ストランドから流れ出す。この簡略化によって、電流が供給されている位相における電流の流を以下のように算出することができる:
Figure 2013502893
図4には、所望の位相電流I1Soll,I2Soll,I3Soll、第1の位相の位相電圧の誘導電圧Uind及び第1の位相の磁束ψの時間的な経過が示されている。図4においては、電流プロフィールのサンプリングポイントが示されており、所望の電流経過を表している直線的な接続線である太い実線によってそれらのサンプリングポイントが相互に繋がっている。グレーの面はそれぞれ、それぞれの位相電流のサンプリングポイントによって規定される部分面の間に印加される位相電圧を表している。破線はそれぞれ、各位相の誘導電圧Uindを表している。
図4から見て取れるように、各サンプリングポイントに対して、位相xの相応の磁束ψxを算出することができる。この算出は、永久磁石の位置に依存する鎖交磁束ψpmx(α)及び電気機械の自己インダクタンスL並びに結合インダクタンスMに基づき式(7)に従い行なわれる。電流プロフィール又はその電流プロフィールに由来する相応のサンプリングポイントを設定する際に算出することができる、式(4)によって求められた位相電圧Uxを、サンプリングポイントに対応するそれぞれの時点に印加することができ、また、電流プロフィールに応じて次のサンプリングポイントまで印加し続けることができる。
サンプリング式の制御を実現するために、時点t0においては、次のサンプリング時点の評価された位置角度αt0+Tsを算出することができる。この算出は回転数補外法を用いて、次式に従い実施することができる。
Figure 2013502893
但し、ωt0は(角速度としての)瞬時回転数を表し、Tsはサンプリング間の期間を表す。これによって、所定の電流プロフィールに応じた次の目標電流ベクトルIt0+Tsを求めることができる。電流プロフィールをルックアップテーブルに従い、又は、動作点に依存する関数に従い設定することができる。
この場合、目標鎖交磁束のベクトルψt0+Tsを次式によって決定することができる:
Figure 2013502893
時間差Δtは式(4)におけるサンプリング周期Tsと同一視されるので、次式が得られる:
Figure 2013502893
即ち上述の方法では、時点t0における位相電圧を求めるために、位置検出器を用いて検出することができる回転子位置のみに依存する、永久磁石の鎖交磁束ψpmx(α)及びインダクタンスL(α)に関する情報、所定の電流プロフィールに応じた時点t0及び時点t0+Tsにおける位相電流の二つのサンプリングポイントに関する情報、並びに、コイル抵抗に関する情報のみが必要となる。
上述の方法の着想は、電流プロフィールの設定及び適切な近似仮定によって、規定の長さの時間窓の間に一定の電圧として印加される位相電圧を求めるということである。簡略化された仮定は、例えば、電流の経過は連続する二つのサンプリングポイント間の電流プロフィールに従い線形であると仮定されること、また、二つのサンプリングポイント間に印加される電圧は一定であることである。
例えば、自己インダクタンスL及び結合インダクタンスLが位置に依存せずに各位相に関して同一であり、また、永久磁石の鎖交磁束ψPMが位置角度にのみ依存し、その他の場合には電気機械の動作点には依存しないという更なる簡略化によって、印加すべき位相電圧を従来の機関方程式を用いて算出することができる。これによって、電流制御を実施せずに、電気機械における電流プロフィールを単純に制御部によって簡単に調整することができる。

Claims (13)

  1. 可変の位相電圧(Ux)を印加することによって多相型の電気機械(1)を駆動させる方法において、
    前記電気機械(1)の各位相に関して、回転子位置に依存するそれぞれの位相電流(Ix)の経過を表す位相電流プロフィールを提供するステップと、
    前記位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の開始時の位相の位相電流(Ix)と、前記位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の終了時の位相の位相電流(Ix)との間の、印加すべき位相電流(Ix)の線形化された経過を表す位相電流情報に依存して、各位相に関して、所定の時間窓の間に印加すべき一定の位相電圧(Ux)を求めるステップとを有することを特徴とする、電気機械(1)を駆動させる方法。
  2. 前記所定の時間窓内の位相電流(ISoll)の経過を、前記所定の時間窓における位相電流の平均値として表す、請求項1に記載の方法。
  3. 前記位相電流プロフィールによって設定される、前記時間窓の開始時の位相の位相電流(Ix)と、前記位相電流プロフィールによって設定される、前記時間窓の終了時の位相の位相電流(Ix)とが加算され、二分されることによって、一つの位相の前記所定の時間窓の間に印加すべき位相電流(Ix)の前記平均値を求める、請求項2に記載の方法。
  4. 前記位相電流情報は、前記位相電流プロフィールによって設定される、前記時間窓の終了時の位相の位相電流(Ix)に対応する、請求項1に記載の方法。
  5. 各位相に関して印加すべき位相電圧(Ux)を、更には、それぞれの磁束(ψx)の評価された変化に依存して求め、前記磁束(ψx)の変化を前記位相電流プロフィールによって設定される位相電流(Ix)に基づき求める、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 磁束(ψx)の変化を更に前記回転子位置に依存して評価する、請求項5に記載の方法。
  7. 前記磁束(ψx)の変化を、前記所定の時間窓の終了時の評価された磁束と、前記所定の時間窓の開始時の評価された磁束との差として求める、請求項5又は6に記載の方法。
  8. 前記電気機械(1)の回転子(4)の回転子位置を検出し、
    複数有る位相の内の一つの位相に対応付けられている磁束(ψx)の変化を、前記回転子位置に依存する、永久磁石(5)の磁束(ψx)の鎖交と、前記回転子位置及び前記位相の位相電流(Ix)に依存する、通電している位相コイル(7)によって誘起される磁束(ψx)の鎖交との和によって求め、
    前記通電している位相コイル(7)によって誘起される磁束(ψx)を、前記位相電流プロフィールによって設定される、前記位相の位相電流(Ix)を用いて評価する、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の方法。
  9. 複数有る位相の内の一つの位相に対応付けられている磁束(ψx)の変化を求める際に、回転数が回転数閾値を下回っている場合には、前記通電している位相コイル(7)によって誘起される磁束(ψx)を無視する、請求項8に記載の方法。
  10. ある位相の印加すべき位相電圧(Ux)を、前記所定の時間窓の持続時間によって除算された、該位相に対応付けられている磁束(ψx)の変化として求める、請求項5乃至8のいずれか一項に記載の方法。
  11. ある位相の印加すべき位相電圧(Ux)を、前記所定の時間窓の持続時間によって除算された、該位相に対応付けられた磁束(ψx)の変化と、前記所定の時間窓の間に印加すべき、前記位相の位相電流(Ix)の平均値とコイル抵抗の積との和として求める、請求項5乃至8のいずれか一項に記載の方法。
  12. 可変の位相電圧(Ux)を供給することによって多相型の電気機械(1)を駆動させる装置において、
    該装置は、
    前記電気機械の各位相に関して、回転子位置に依存するそれぞれの位相電流(Ix)の経過を表す位相電流プロフィールを提供し、
    前記位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の開始時の位相の位相電流(Ix)と、前記位相電流プロフィールによって設定される、所定の時間窓の終了時の位相の位相電流(Ix)との間の、印加すべき位相電流の線形化された経過を表す位相電流情報に依存して、各位相に関して、所定の時間窓の間に印加すべき一定の位相電圧(Ux)を求めるように構成されていることを特徴とする、装置。
  13. データ処理ユニットにおいて実行される場合に請求項1から11のいずれか一項に記載の方法を実施するコンピュータプログラムを含んでいるコンピュータプログラム製品。
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