JP2016500997A - パワートレインの制御方法および対応するシステム - Google Patents

Abstract

パワートレインの制御方法および対応するシステム。自動車に装備され、ロータとステータとを備える電動機を含む、パワートレインの制御方法であって、電動機に制御信号を送出するロータおよびステータの電流の調節を含み、前記調節すべき電流および前記制御信号が、複数の軸を含む回転座標系内に表される制御方法。当該方法は、ロータおよびステータの電流値の測定（Ｅ００）と、これらの測定の前記回転座標系内における変換（Ｅ１２）と、前記制御信号に応じた各電流の最小および最大限度の決定（Ｅ１１）と、前記最小および最大限度との測定信号の比較（Ｅ３０）とを含む。

Description

本発明は、電動機の制御に関し、詳細には、巻線型ロータを有する同期電動機の制御に関する。

巻線型ロータを有する同期電動機は、ステータと呼ばれる固定部分と、ロータと呼ばれる可動部分とを含む。ステータは、１２０ずらされ、かつ交流を供給される３つのコイルを含む。ロータは、直流を供給される１つのコイルを含む。ステータの相電流は、ロータおよびステータの抵抗およびインダクタンス、並びにロータおよびステータ間の相互インダクタンスによって決まる。

従来、制御信号をステータおよびロータの電流を管理するために、制御信号が使用されている。電流の測定値によって決まる調節が、このように実施される。

これらの測定値を供給するセンサの１つが、例えば常にゼロの強度値を示して、動作不良であるならば、調節は、電流値を増加させるために、制御信号値を増加させる。このために、制御信号値は、最大値に達するまで相違することがあり、このことは、特に高い、更には破壊的な強度値の電流の出現を引き起こす。例として、４００ボルトに達する制御信号値に達することが可能であり、このことは、４００００アンペアに及ぶ電流の出現を引き起こす。当然ながら、かかる電流は制御のために使用されるトランジスタ、例えば絶縁ゲートバイポーラタイプのトランジスタ（英語で「ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ」）にとって破壊的である。

特許文献１および特許文献２において、電気機械のモデルを用いて直流を調節することが提案されたことに留意されたい。

センサの動作不良を検出する方法を記載する、特許文献３も参照されたい。

特願２００１−２６８９８０号 米国特許第５０４７６９９号 明細書 米国特許出願公開第２００２／０００８４９２号 明細書

本発明の目的は、特にセンサの動作不良の場合に、電動機の調節を改善することである。

一実施形態によれば、自動車に装備され、ロータとステータとを備える電動機を含む、パワートレインの制御方法であって、電動機に制御信号を送出するロータおよびステータの電流の調節を含み、前記調節すべき電流および前記制御信号が、複数の軸を含む回転座標系、例えばＰａｒｋの座標系内に表される方法が提案される。

一般的な特徴によれば、方法は、例えばセンサアセンブリによって供給される、ロータおよびステータの電流値の測定と、これらの測定の前記回転座標系内における変換と、前記制御信号に応じた各電流の最小および最大限度の決定と、前記最小および最大限度との測定信号の比較とを含む。

このようにして、センサの動作不良の場合に間違っていることがある測定値と無関係に、最小および最大限度が決定される。これらの限度は、制御信号を適用する時に電流が位置すべき範囲を特に示す。比較の時に、測定信号が限度外にあるならば、１つまたは複数のセンサが動作不良であり、かつ電動機の使用を制限することが好ましいと考えられる。したがって、一層安定した動作および調節の改善が得られる。

最小および最大限度の決定は、電動機のモデルを用いて実施できる。このモデルは、制御信号を電流に関連付ける一連の式を含んでも良い。これらの式は、Ｐａｒｋの座標系内に投影される電流および制御信号に適用され、かつＰａｒｋの座標系内の抵抗およびインダクタンスの値、相互インダクタンス値または正弦波電気信号の周波数のようなパラメータによって決まっても良い。

方法は、最小および最大限度の決定ステップに先立って、較正ステップを含む、定常状態での電動機モデルの式を解くステップを含んでも良い。

定常状態で、電流および制御信号の間に、解くことが更に容易で、かつ一次の式が得られる。較正ステップ後に、式のあらゆるパラメータ、特には（制御信号によってしか決まらない）各電流に関する前記最小および最大限度を得るための、その最小および最大値を決定できる。

変形形態において、方法は、最小および最大限度の決定ステップに先立って、各制御信号に関する電流値を定める伝達関数の決定と、パラメータによって決まる前記伝達関数を包絡する関数の決定とを含んでも良く、前記パラメータは、較正によって決定される。

伝達関数を包絡する前記関数は、特に電気周波数によって決まる電流値に最小および最大限度を与えることを可能にする。このようにして、定常状態であった先の変形形態に対してより良い決定が得られる。

一実施形態によれば、自動車に装備されており、ロータとステータとを備える電動機と、電動機に制御信号を送出するロータおよびステータの電流の調節手段とを含む、パワートレインの制御システムであって、前記調節すべき電流および前記制御信号が、複数の軸を含む回転座標系内に表される、制御システムが提案される。

一般的な特徴によれば、システムは、ロータおよびステータの電流値の測定手段と、これらの測定の前記回転座標系内における変換手段と、前記制御信号に応じた各電流の最小および最大限度の決定手段と、前記最小および最大限度との測定信号の比較手段とを含む。

最小および最大限度の決定手段は、電動機のモデルを含んでも良い。

システムは、定常状態でのモデルの一連の式を解く手段を含んでも良い。

変形形態において、システムは、各制御信号に関する電流値を定める伝達関数の決定手段と、パラメータに応じて前記伝達関数を包絡する関数の決定手段とを含んでも良い。

他の目的、特徴および利点は、専ら非限定的な例として与えられ、かつ添付図面を参照してなされる次の明細書を読めば明らかになろう。

本発明による電気パワートレインの制御方法のステップを示す図である。 本発明の一実現および実施形態による第１の変形形態の結果を示す図である。 本発明の一実現および実施形態による第２の変形形態の結果を示す図である。 本発明の一実現および実施形態による第２の変形形態の結果を示す図である。 本発明の一実現および実施形態による第２の変形形態の結果を示す図である。

図１に、自動車に装備され、電動機を含む、パワートレインの制御方法を実施するステップを概略的に表した。当該方法は、ロータおよびステータ内を循環する電流の第１測定ステップ（ステップＥ００）を含み、このことにより、一方で電流値を、かつ他方で制御信号、すなわちこれらの電流を得るために適用される電圧を得られるようになる。例えば電動機または電気機械のモデルを用いて、電流値の最小および最大限度を、制御信号を用いて作成できる（ステップＥ１１）。その上、測定電流に対してＰａｒｋの変換を適用できる（ステップＥ１２）。最後に、比較ステップＥ３０の際に、測定および変換された値が、限度内に含まれるか確認する。値が、限度内にあるならば（ステップＥ４０）、センサの動作不良がなく、かつ調節を継続できると評価でき、これに当たらない場合、電動機を保護するように調節を制限でき、かつ安全性を高められる。

特に電動機のモデルを用いた、限度の取得を以下記載する。

ｄ、ｑおよびｆと印を付けた３本の軸を含むＰａｒｋの座標系において、同期電動機を含むパワートレインは、次式によって規定される：

ただし：
Ｖ_ｄ：ｄ軸上の電動機の制御信号
Ｖ_ｑ：ｑ軸上の電動機の制御信号
Ｖ_ｆ：ｆ軸上の電動機の制御信号
Ｌ_ｄ：ｄ軸上の電機子の等価インダクタンス
Ｌ_ｑ：ｑ軸上の電機子の等価インダクタンス
Ｌ_ｆ：ロータのインダクタンス
Ｒ_ｓ：ステータ巻線の等価抵抗
Ｒ_ｆ：ロータの抵抗
Ｍ_ｆ：ステータおよびロータ間の相互インダクタンス
Ｉ_ｄ：ｄ軸上の電流
Ｉ_ｑ：ｑ軸上の電流
Ｉ_ｆ：ｆ軸上の電流
α：例えば１または１．５に等しい、Ｐａｒｋの変換における電力保存定数
ω_ｒ：機械の磁界の回転速度ｒａｄ／ｓ（同期機に関して、機械の極の対の数を乗じたロータの回転速度に等しい）

電流値の最小および最大限度を供給する、これらの式の解法を簡略にするために、定常状態での、すなわち導き出された項が、式Ｅｑ．１においてゼロであると考えて、これらの式を書き直すことができる。このようにして、制御信号および速度に応じて各電流を表すことができる：

幾つかの項を再編成して、これらの式を書き直すことができる：

更に、（特に温度によって決まり得る）電動機または機械の異なるパラメータの最小および最大値を得られるようにする、較正ステップまたはテストを実施して、これらのパラメータを認識できる。この場合に、Ｇ_ｘ／ｘ（ただし、ｘは、ｄ、ｑおよびｆから選択される）と印を付けた各パラメータの最小および最大値が得られる。したがって、これらの値は、制御信号のあらゆる値に関して、かつあらゆる瞬間に、電流の最小および最大限度を供給できる。このようにして比較ステップＥ３０を実施できる。

図２に、最小および最大限度Ｉ_ｑｍｉｎおよびＩ_ｑｍａｘに囲まれた電流Ｉ_ｑの変化例を表した。少なくとも（例えば制御信号が変化しない）安定期間において、信号Ｉ_ｑが２つの限度間に十分含まれることに留意されたい。これらの限度外の値の測定は、例えばセンサの動作不良によって示すことができる。

特に図３〜図５を参照して、非定常状態に良く適した、本発明の他の変形形態を以下記載する。

図３に、各制御信号および電流Ｉ_ｑ、すなわちトルクを供給するための主電流の間の正規化伝達関数を表した。更に正確には、（ＴＦ_ｄｑと印を付けた）制御信号Ｖ_ｄおよび電流Ｉ_ｑの間の伝達関数と、（ＴＦ_ｑｑと印を付けた）制御信号Ｖ_ｑおよび電流Ｉ_ｄの間の伝達関数と、（ＴＦ_ｆｑと印を付けた）制御信号Ｖ_ｆおよび電流Ｉ_ｑの間の伝達関数とを表した。これらの伝達関数は、式Ｅｑ．１を用いて得られる。

電流の最小および最大限度を得るために、図３を考慮して、これらの曲線を包絡することが可能な２つの関数（またはフィルタ）を選択できる。例えば二次関数を選択できる。更に、いわゆる緩速の、すなわちあらゆる周波数に関して、伝達関数よりも小さい利得を有するフィルタと、いわゆる急速の、すなわちあらゆる周波数に関して、伝達関数よりも大きい利得を有するフィルタとを選択できる。

非限定的な例として、Ｆｌ（緩速フィルタ）およびＦｒ（急速フィルタ）と印を付けた次のフィルタを選択できる。

ただし：
ａ、ｋ：決定すべきパラメータ
ｚ：離散要素

較正ステップを実施して、主電流Ｉ_ｑに関して、図４に示すような、周波数応答を与えるパラメータａおよびｋの値が得られる。この図に、図３ですでに表した伝達関数ＴＦ_ｄｑ、ＴＦ_ｑｑおよびＴＦ_{ｆｑ を}表し、かつ（Ｆｌｑと印を付けた）緩速フィルタおよび（Ｆｒｑと印を付けた）急速フィルタの伝達関数を表した。あらゆる周波数に関して、下側包絡線と、上側包絡線とが得られる。

ここで２つの異なるパラメータが使用されるが、較正ステップを簡略にし、かつ記憶媒体を限定するために、唯一のパラメータを使用することが、完全に可能である。

電流の１つの各電圧に関して、ａおよびｋを決定することが好ましいことに留意されたい。例えば、電流Ｉ_ｑに関して、６つの表を予測でき、うち３つがａの値（各制御信号に１つ）を含み、かつ、うち３つがｋの値（各制御信号に１つ）を含む。各表中の異なる値は、異なる速度に関して決定できる。

較正ステップを容易にするために、以下に示すように（ｓと印を付けた変数を有する）ラプラス変換を使用して伝達関数を書くことができることに注目すべきである。

ただし：

図３および図４でピークが得られる、特に周波数ωで、式Ｅｑ．５の伝達関数の利得を計算して、パラメータｋに関する正しい値を決定でき、この周波数は、較正によって決定できる。更に、ωに関する利得をゼロと決定して、パラメータａに関する正しい値が得られる。

このようにして、全ての可能な周波数に関して包絡線を形成する緩速および急速フィルタが得られる。更に、これらのフィルタにより、電流の変化を辿ることができる。例えば、電流に関して望ましい値が、測定値よりも大きいならば、測定されたレベルよりも常に大きい限度を供給するために、いわゆる急速フィルタを使用すべきである。反対に、電流に関して望ましい値が、測定値よりも小さいならば、限度で、電流よりも急速に減少することを妨げることが必要であり、その場合緩速フィルタを適用する：このようにして、限度が、電流よりも緩速に減少する。

例として、（デジタルフィルタである）フィルタの適用は、したがって次の通りであっても良い：

式Ｅｑ．６において、ｅは、入口でのデータを表し、ｓは、ろ過された出口でのデータを表す。

このようにして、電流Ｉ_ｑが、電流と同じように変化する、包絡線Ｉ_ｑｍｉｎおよびＩ_ｑｍａｘによって囲まれる図５に示したような限度が得られる。電流Ｉ_ｑが、限度を決して越えず、このことは、センサの正しい動作に対応することに留意されたい。

以上に記載した２つの変形形態が、パワートレインの制御システムに搭載されることに特に適することに注目できる。実際にこれらの制御システムは、限定された計算およびメモリ能力を有するマイクロプロセッサタイプの計算手段を一般的に含む。

Claims (8)

1. 自動車に装備され、ロータとステータとを備える電動機を含む、パワートレインの制御方法であって、前記電動機に制御信号（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆ）を送出する前記ロータおよび前記ステータの電流（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆ）の調節を含み、前記調節すべき電流および前記制御信号が、複数の軸（ｄ、ｑ、ｆ）を含む回転座標系内に表され、
   前記ロータおよび前記ステータの電流値の測定（Ｅ００）と、これらの測定の前記回転座標系内における変換（Ｅ１２）と、前記制御信号に応じた各電流の最小および最大限度の決定（Ｅ１１）と、前記最小および最大限度との前記測定信号の比較（Ｅ３０）とを含むことを特徴とする方法。
2. 前記最小および最大限度の決定が、前記電動機のモデルを用いて実施される請求項１に記載の方法。
3. 前記最小および最大限度の決定ステップに先立って、較正ステップを含む、定常状態での前記電動機モデルの式を解くステップを更に含む請求項１または２に記載の方法。
4. 前記最小および最大限度の決定ステップに先立って、各制御信号（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆ）に関する電流値（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆ）を定める伝達関数の決定と、パラメータ（ａ、ｋ）によって決まる前記伝達関数を包絡する関数の決定とを更に含み、前記パラメータが較正によって決定される請求項１または２に記載の方法。
5. 自動車に装備されており、ロータとステータとを備える電動機と、前記電動機に制御信号（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆ）を送出する前記ロータおよび前記ステータの電流（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆ）の調節手段とを含む、パワートレインの制御システムであって、前記調節すべき電流および前記制御信号が、複数の軸（ｄ、ｑ、ｆ）を含む回転座標系内に表される制御システムにおいて、
   前記ロータおよび前記ステータの電流値の測定手段と、これらの測定の前記回転座標系内における変換手段と、前記制御信号に応じた各電流の最小および最大限度の決定手段と、前記最小および最大限度との前記測定信号の比較手段とを含むことを特徴とする制御システム。
6. 前記最小および最大限度の決定手段が、前記電動機のモデルを含む請求項５に記載のシステム。
7. 定常状態での前記電動機モデルの一連の式を解く手段を含む請求項５または６に記載のシステム。
8. 各制御信号（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆ）に関する電流値（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆ）を定める伝達関数の決定手段と、パラメータ（ａ、ｋ）によって決まる前記伝達関数を包絡する関数の決定手段とを更に含む請求項５または６に記載のシステム。

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