JP2013539530A - 電動機の回転トルクを求める方法 - Google Patents

Abstract

ここに記載されているのは、自動車における電動機（１）の回転トルクを求める方法であり、ここでは電動機（１）のロータによって回転トルクが形成され、この回転トルクがドライブトレイン（１２）から少なくとも１つの駆動ホイール（２０）に伝達される。この方法はつぎのステップを有する。すなわち、電動機（１）のロータの回転角を測定し、ロータによって形成される回転トルクを求め、ただしロータによって駆動される少なくとも１つの駆動ホイール（２０）を固定し、静止しているロータは回転トルクを形成せず、静止しているロータの第１回転角を測定し、引き続き、ロータによってドライブトレイン（１２）に回転トルクを加えて、このロータが、ドライブトレイン（１２）の剛性に起因して、回転運動を行うようにし、引き続き、ロータによって形成した回転トルクと、ドライブトレイン（１２）の反回転トルクとの間の平衡状態においてロータ（２）の第２回転角を測定し、ロータ（２）の第１および第２回転角の測定値から、ロータによって形成した回転トルクおよび／またはドライブトレイン（１２）の全体剛性を求める。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載した、電動機の回転トルクを求める方法および請求項１０の上位概念に記載した自動車用のドライブトレインに関する。

従来の技術
電動機は、種々異なる技術的応用に使用される。例えば電動車両またはハイブリッド車両では、電動機は自動車を駆動するために使用される。自動車における電動機の使用に対しては、自動車の望ましくない加速または減速を回避できるようにするため、この電動機によって形成される回転トルクを常時かつ正確に検出する必要がある。このため、電動機の電磁石の測定した相電流および電動機のロータの回転角から、機械モデルによって回転トルクを求める。この機械モデルには、コストをかけて適合しなければならないパラメタ、例えばロータおよびステータの温度またはロータ磁束などの動作に依存するパラメタが含まれている。この機械モデルの計算経路における誤差または不正確さは、求める回転トルクの誤りに結び付き、これらの回転トルクの誤りは、この自動車に対して安全に関連する結果を生じ得る。このような理由から、上記の機械モデルによって計算した回転トルクの妥当性を、電圧および電流の測定値から検査する種々の手法があり、したがってこの機械モデルは、不利なことにもこれらの測定値に対するセンサの精度および機能に依存してしまうのである。

DE 41 22 391 A1からは、回転数制御可能な電動機、例えばブラシレスサーボモータを動作させる方法が公知である。電動機パラメタである電流、位置角および回転数を制御することにより、位置センサを用いて測定した位置角から、フィルタによって回転数が求められる。

発明の開示
発明の利点
自動車における電動機の回転トルクを求める本発明の方法はつぎの複数のステップを有し、ここでこの電動機のロータによって回転トルクが形成され、またこの回転トルクがドライブトレインによって少なくとも１つの駆動ホイールに伝達される。すなわちこの方法は、電動機のロータの回転角を測定するステップと、このロータによって形成される回転トルクを求めるステップとを有しており、ロータによって駆動される少なくとも１つの駆動ホイールを固定し、静止しているロータは回転トルクを形成せず、静止しているロータの第１の回転角を測定し、引き続いてこのロータによって上記のドライブトレインに回転トルクを加えて、このロータが、ドライブトレインの有限の剛性に起因して回転運動を行うようにし、引き続き、ロータによって形成される回転トルクと、ドライブトレインの反回転トルクとの間の平衡状態においてこのロータの第２の回転角を測定し、ロータの第１回転角および第２回転角の測定値から、ロータによって形成される回転トルクおよび／またはドライブトレインの全体剛性を求める。これにより、有利にも上記の電動機の回転トルクを求めることができ、この際に電動機の電流または電圧に対する測定値は不要であるため、上記の測定値用のセンサの精度または機能が欠けていることに起因する誤差は発生しないのである。

１つの変形実施形態では上記のドライブトレインの全体剛性および／またはロータによって形成される回転トルクを物理モデルによって求める。

別の実施形態では、上記の物理モデルは、２質量振動体であり、この２質量振動系は、電動機のロータの回転慣性モーメントを有する第１質量体と、第２等価回転慣性モーメントを有する第２質量体と、第１質量体と第２質量体との間のドライブトレインとしてのトーションバースプリングとを有する。

上記のドライブトレインには有利には変速機および／またはドライブシャフトおよび／または差動装置および／または変換器が含まれており、これらの装置により、上記の回転トルクが電動機から少なくとも１つの駆動ホイールに伝達される。
別の実施形態では、上記の物理モデルに対して第１質量体の回転慣性モーメントおよび第２質量体の等価回転慣性モーメントを求める。

補足的な実施形態において上記の少なくとも１つの駆動ホイール、殊に全駆動ホイールは、ロータの第１および第２回転角の測定時点間に回転運動しない。

有利にはトーションバースプリングの全体剛性を、電動機と少なくとも１つ駐車ブレーキとの間のドライブトレインの全体剛性と同一視する。

別の変形実施形態において上記の第２質量体の等価回転慣性モーメントには、少なくとも１つの駆動ホイールの回転慣性モーメントの他に付加的に自動車の仮想的な回転慣性モーメントが含まれており、自動車のこの仮想的な回転慣性モーメントは、この自動車の並進運動の慣性モーメントから計算される。

殊にドライブトレインは、少なくとも１つの駐車ブレーキが解除されている場合に電動機の回転トルクを電動機から少なくとも１つの駆動ホイールに伝達し、ドライブトレインは、少なくとも１つの駐車ブレーキが操作される場合に電動機の回転トルクを電動機から少なくとも１つの駐車ブレーキに伝達する。

有利にはロータの第２角度を実質的に静止しているロータにおいて平衡状態で測定する。実質的に静止しているロータとは、ロータの角速度が毎分１回転よりも小さいロータのことである。

別の実施形態において上記のロータによって形成される回転トルクおよび／またはドライブトレインの全体剛性を数式によって求め、ただしこの数式は、有利にはＭ_el＝(c/u²)＊(φ_R2−φ_R1)であり、Ｍ_elは電動機（１）の回転トルクであり、ｃはドライブトレインの全体剛性であり、ｕは変速機の変速比であり、φ_R2はロータの第２回転角であり、φ_R1は前記ロータ（２）の第１回転角である。

自動車用の本発明による駆動装置、殊に電気駆動装置またはハイブリッド駆動装置には、電動機のロータの回転角を検出するセンサを有する電動機と、有利には制御ユニットと、有利には内燃機関と、ドライブトレインと、少なくとも１つの駆動ホイールと、少なくとも１つの駆動ホイール用の駐車ブレーキとを有しており、この駆動装置によって本明細書に記載された方法が実施される。

殊に上記のセンサは、リゾルバまたはデジタルセンサである。

駆動装置を極めて大まかに示した図である。 電動機の長手方向断面図である。 ２質量振動系を示す図である。 自動車の側面図である。が示されている。

以下では添付の図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。

本発明の実施形態
図１にはハイブリッド駆動装置１０として構成された、自動車１１用の駆動装置９が示されている。自動車１１用のハイブリッド駆動装置１０には、自動車１１を駆動するための内燃機関１３ならびに電動機１が含まれている。内燃機関１３および電動機１は、ドライブシャフト１４によって互いに接続されている。内燃機関１３と電動機１との間の機械的な連結は、クラッチ１５によって形成および解除することができる。さらに内燃機関１３と電動機１とを互いに連結するドライブシャフト１４には弾性体１６が配置されている。電動機１は、差動装置２１に機械的に連結されている。電動機１と差動装置２１とを互いに接続するドライブシャフト１４には、変換器１７および変速機１８が配置されている。差動装置２１を用いてハーフシャフト１９により、駆動ホイール２０が駆動される。２つの駆動ホイール２０は、１つずつの駐車ブレーキ２５によって制動ないしは固定することができるため、自動車１１の停止状態および駐車ブレーキ２５が操作されている状態において、また電動機１１によって回転トルクが発生している状態においても、駆動ホイール２５は（回転）運動できず、したがって駆動ホイール２５は不動である。これとは異なり、変速機１８と差動装置２１との間のドライブシャフト１４にただ１つの駐車ブレーキ２５だけを配置することも可能である（図示せず）。

図２には電動機１の長手方向断面図が示されている。電動機１は、ロータ２を有しており、またコイル４としての電磁石５を備えたステータ３を有する。ロータ２は、ドライブシャフト１４と共に構成ユニットを形成しており、またロータ２には永久磁石２２が配置されている。ステータ３の電磁石４は、電動機１のケーシング２３に支持されており、ケーシング２３は、ベアリング２６によってドライブシャフト１４に支持されている。さらに電動機１は、ロータ２ないしはドライブシャフト１４の回転角を検出するためのデジタルセンサとして構成されたセンサ２７を備えている。センサ２７によってロータ２の回転角φ_Rが測定される。

図３には２質量振動系５が示されている。２質量振動系５は、第１質量体６と第２質量体７とが回転軸２４の周りで回転運動を仮想的に行う回転振動体である。第１質量体６は、トーションバースプリング８によって第２質量体７に接続されている。ここで第１質量体６の回転慣性モーメントJ_Rは、電動機１のロータ２の、ないしは電動機１の回転慣性モーメントJ_Rに相応する。図１に示したドライブトレイン１２のコンポーネントにおいて、例えばドライブシャフト１４と、変換器１７および変速機１８の部分と、差動装置２１の部分と、ハーフシャフト１９と、ドライブシャフト１４とは回転運動する。これらのコンポーネントの回転慣性モーメントは、自動車１１の構造設計に起因して機知であり、算出することができる。自動車１１は、並進運動を行うことができる。自動車１１が並進運動する際には質量慣性モーメントが発生する。並進運動を行う自動車１１の質量のこの質量慣性モーメントは、自動車１１の等価回転慣性モーメントＪ_Fに換算される。２質量振動系５における第２質量体７の等価回転慣性モーメントＪ_Fは、並進運動する自動車１１の質量慣性モーメントから換算した等価慣性モーメントと、回転運動するドライブトレイン１２のコンポーネントおよび駆動ホイール２０の回転慣性モーメントとに相応する。このモデルにおけるドライブトレイン１２は、電動機１と、ここでは２つの駐車ブレーキ２５である少なくとも１つの駐車ブレーキ２５との間の駆動装置９のコンポーネントであり、すなわち、電動機１から差動装置２１に至るドライブシャフト１４と、ハーフシャフト１９と、変速機１８とである。ドライブトレイン１２は、例えば、２つのクラッチディスク間にスリップを有するクラッチ１５などのスリップが生じる装置を有していない。変速機１８は、例えばu=10の変速比を有する。すなわち、電動機１と変速機１８との間のドライブシャフト１４またはロータ２が１０回転した場合、変速機１８と差動装置２１との間のドライブシャフト１４は、１回転するのである。ドライブトレイン１２が変速機１８を有しない場合、u=1である。

２質量振動系５のこの物理モデルではつぎの２つの微分方程式１ａおよび１ｂが成り立つ。
Ｊ_R＊φ''_R＝Ｍ_em−ｃ／ｕ＊（φ_R／ｕ−φ_F）−ｄ／ｕ＊（φ'_R／ｕ−φ'_F）（１ａ）
Ｊ_F＊φ''_F＝ｃ／ｕ＊（φ_R／ｕ−φ_F）＋ｄ／ｕ＊（φ'_R／ｕ−φ'_F）−Ｍ_L（１ｂ）
ここでφ_Rは、第１質量体６ないしはロータ２の回転角であり、φ'_R＝dφ_R／dtは第１質量体の角速度であり、φ"_R＝dφ'_R/dtは、第１質量体６の角加速度である。同様にφ_Fは第２質量体７の回転角であり、φ'_F＝dφ_F/dtは第２質量体の角速度であり、φ"_F＝dφ'_F/dtは第２質量体７の角加速度である。トーションバースプリング８は、全体剛性ｃおよび全体減衰ｄを有しており、これは電動機１と２つの駐車ブレーキ２５との間のドライブトレイン１２の全体減衰ｄおよび全体剛性ｃに相当する。

自動車１１は静止状態にあるため、駆動ホイール２０は、回転運動をしておらず、２つの駐車ブレーキ２５によって駆動ホイール２０は固定されている。電動機１によって回転トルクＭ_elを生じさせず、ロータ２を固定し、ロータ２の第１回転角φ_R1を検出する。２つの駆動ホイール２０を固定した後、回転トルクＭ_elを電動機１によってドライブシャフト１４に加える。上記の全体剛性ｃが限定されていることに起因してこの回転トルクＭ_elにより、ドライブトレイン１２ないしはトーションバースプリング８のねじれが発生する。それはこの全体剛性は、無限ではないからである。殊にドライブシャフト１４およびハーフシャフト１９はねじれる。ドライブトレイン１２ないしはトーションバースプリング８により、ロータ２には反回転トルクＭ_Lないしは負荷回転トルクＭ_Lが加わり、これは、平衡状態において第１質量体６ないしはロータ２の角速度φ'_R=dφ_R/dtがゼロに等しくなるまで続く。この平衡状態においてロータ２の第２回転角φ_R2を求める。

これにより、第１質量体６ないしはロータ２の角加速度φ''_Ｒ＝ｄφ'_Ｒ／ｄｔもゼロに等しくなり、ひいては微分方程式（１ａ）においてＪ_R＊φ"_R＝０となる。さらに第１質量体６ないしはロータ２の角速度φ'_R=dφ_R/dtの他に第２質量体７の角速度もφ'_F=dφ_F/dt=0となるため、微分方程式（１ａ）においてd/u*(φ'_R/u-φ''_F)=0でもある。これにより、上記の平衡状態においてＭ_emに対してつぎの式（２）が得られる。すなわち、
Ｍ_em＝c/u＊(φ_R/u−φ_F) (2)
である。

この式においてφ_F=0である。それは、駆動ホイール２０は固定されており、ひいては回転角が生じていないからである。φ_Rは、検出した第１および第２の回転角φ_Rから得られる差分であり、すなわち駆動ホイール２０が固定されている場合から上記の平衡状態までのロータ２ないしは第１質量体６の回転角φ_Rである。

これにより、つぎの式（３）、すなわち
Ｍ_em＝(c/u²)＊(φ_R2−φ_R1) (3)
が得られる。

変速比は既知の量であり、またドライブトレイン１２の全体剛性ｃは機械的な特性量であり、この量は、構成データから計算でき、および／または測定によって求めることができる。

したがって上記の式（２）ないし（３）により、電動機２における電圧および電流に対する測定値とは無関係に、また電動機１に対する機械モデルのパラメタとは無関係に電動機１の回転トルクＭ_emを計算することができる。

式（２）ないしは（３）によって計算される電動機１の回転トルクＭ_emは、この回転トルクＭ_emが既知であれば、例えば機械モデルのパラメタを較正するため、電動機１の電流センサシステムを較正するために、またドライブトレイン１２の全体剛性ｃを求めるために使用することができる。

全体としてみると、本発明による方法および本発明による駆動装置９には大きな利点が伴っている。電動機１によって形成される回転トルクＭ_emは、電動機１のコストが高くかつ誤差を生じさせやすい機械モデルを必要とすることなく、簡単な方法で求めることができる。ここでは単に自動車１１の一時的な停止状態だけが必要である。したがってこの方法は、例えばテストベンチ上にある自動車１１によって実施することができるか、または通常の走行動作時に信号機における自動車１１の一時的な停止状態において、自動車１１の制御部により、上記の停止状態中に駐車ブレーキ２５が一時的に操作され、この操作中に駐車ブレーキが１秒よりも短い時間、例えば300ないし500msの範囲の時間の間、電動機１によって回転トルクＭ_emが形成される場合にも行うことができ、これによって検出した第２および第１の回転角φ_Rから上記の差分を測定することができる。この方法は、例えばＧＭ，ＡＳＭ，ＰＳＭまたはＧＲＭなどのあらゆるタイプの電動機１に使用可能である。

Claims (10)

1. 自動車（１１）における電動機（１）の回転トルクを求める方法であって、
   前記電動機（１）のロータ（２）によって回転トルクが形成され、当該回転トルクがドライブトレイン（１２）から少なくとも１つの駆動ホイール（２０）に伝達され、
   − 前記電動機（１）のロータ（２）の回転角を測定するステップと、
   − 前記ロータ（２）によって形成される回転トルクを求めるステップとを有する、回転トルクを求める方法において、
   − 前記ロータ（２）によって駆動される少なくとも１つの駆動ホイール（２０）を固定し、静止しているロータ（２）は回転トルクを形成せず、当該静止しているロータ（２）の第１回転角を測定し、引き続き、
   − 前記ロータ（２）によって前記ドライブトレイン（１２）に回転トルクを加えて、当該ロータ（２）が、前記ドライブトレイン（１２）の有限の剛性に起因して回転運動を行うようにし、引き続き、
   − 前記ロータ（２）によって形成される回転トルクと、前記ドライブトレイン（１２）の反回転トルクとの間の平衡状態において前記ロータ（２）の第２回転角を測定し、
   − 前記ロータ（２）の第１および第２回転角の測定値から、前記ロータ（２）によって形成される回転トルクおよび／または前記ドライブトレイン（１２）の全体剛性を求める、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記ロータ（２）によって形成される回転トルクおよび／または前記ドライブトレイン（１２）の全体剛性を物理モデルによって求める、
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記物理モデルは、２質量振動系（５）であり、
   当該２質量振動系は、
   前記電動機（１）の前記ロータ（２）の回転慣性モーメントを有する第１質量体（６）と、
   第２等価回転慣性モーメントを有する第２質量体（７）と、
   前記第１質量体（６）と前記第２質量体（７）との間のドライブトレイン（１２）としてのトーションバースプリング（８）とを有する、
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記ドライブトレイン（１２）には、変速機（１８）および／またはドライブシャフト（１４）および／または差動装置（２１）および／または変換器（１７）が含まれており、これらによって回転トルクが前記電動機（１）から前記少なくとも１つの駆動ホイール（２０）に伝達される、
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記少なくとも１つの駆動ホイール（２０）、殊に全駆動ホイール（２０）は、前記ロータ（２）の前記第１回転角および第２回転角の測定時点間に回転運動をしない、
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項３から５までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記トーションバースプリング（８）の全体剛性を、前記電動機（１）と前記少なくとも１つ駐車ブレーキ（２５）との間のドライブトレイン（１２）の全体剛性と同一視する、
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記ドライブトレイン（１２）は、少なくとも１つの駐車ブレーキ（２５）が解除されている場合に前記電動機（１）の前記回転トルクを前記電動機（１）から前記少なくとも１つの駆動ホイール（２０）に伝達し、
   前記ドライブトレイン（１２）は、少なくとも１つの駐車ブレーキ（２５）が操作される場合に前記電動機（１）の回転トルクを前記電動機（１）から前記少なくとも１つの駐車ブレーキ（２５）に伝達する、
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記ロータ（２）の前記第２角度を実質的に静止したロータ（２）において平衡状態で測定する、
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記ロータ（２）によって形成される前記回転トルクおよび／または前記ドライブトレイン（１２）の前記全体剛性を数式によって求め、当該数式は、有利にはＭ_el＝(c/u²)＊(φ_R2−φ_R1)であり、Ｍ_elは前記電動機（１）の回転トルクであり、ｃは前記ドライブトレイン（１２）の全体剛性であり、ｕは前記変速機（１８）の変換比であり、φ_R2は前記ロータ（２）の第２回転角であり、φ_R1は前記ロータ（２）の第１回転角である、
   ことを特徴とする方法。
10. 自動車（１１）用の駆動装置（９）、殊にハイブリッド駆動装置（１０）において、
    該駆動装置は、
    − 電動機（１）のロータ（２）の回転角を検出するセンサ（２７）を有する電動機（１）と、
    − 有利には内燃機関（１３）と、
    − ドライブトレイン（１２）と、
    − 少なくとも１つの駆動ホイール（２０）と、
    − 前記少なくとも１つの駆動ホイール（２０）用の駐車ブレーキ（２５）とを有する、駆動装置において、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法を実行可能である、
    ことを特徴とする駆動装置。

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