JP2016520284A - 同期電気機械を制御する方法、これに対応するシステム、及びシステムを備える自動車両 - Google Patents

Abstract

供給電圧を永久磁石付き同期電気機械の端子へ提供するバッテリによって駆動される永久磁石付き同期電気機械を制御する方法であって、 − 回転基準における初期ｄ電圧成分と初期ｑ電圧成分を計算する（Ｅ０１）ことと、 − 飽和状態を確認する（Ｅ０２）ことと、 − 式（Ｉ）の角度を計算する（Ｅ０３）ことと、 − αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである、又はαがプラスに変動し、Ｖｄｃがマイナスである場合に、電気機械に印加すべき電圧を生成する（Ｅ０４）こととを含む方法。本発明は、同期電気機械の制御に応用できる。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を有する同期電気機械の制御に関し、具体的には、電気駆動装置、又はハイブリッド駆動装置を有する自動車両に設置されるための電気機械の制御に関する。

電気駆動装置を有する自動車両では、電気モータから供給されるトルクを制御する必要がある。電気機械のトルクは電気機械に流れる電流に比例するため、高精度で電流を制御する必要がある。

同期機、とりわけ永久磁石と軸方向磁束を有する三相同期機の場合、ステータの三相に流れる電流は正弦波であり、各々下記式のように位相差がある。

この三相電流により電気機械内に回転磁場が発生する。ロータは、永久磁石（例えば五極対）から成る。コンパスと同様に、ロータは普通、ステータから発生する回転磁場と同期して動く。したがって、ロータの回転周波数は、ステータ電流の周波数に等しくなる。ステータの電流の振幅とロータの磁石の力により、機械の回転に必要なトルクが発生する。この電流を制御するためには、従って、下記式によって各々等しく位相差のある正弦波電圧をステータの各相に印加しなければならない。

一般的に、正弦波信号よりも定数の信号に調整を加えるほうが単純である。パーク変換は一般的に、三相システムを２次元空間へ射影して、等価な回転基準座標系を得るために使用される。したがってこの方法を使えば、三相システムの３相に対応するステータの３相電流及び３相正弦波電圧を、一定の信号（直（ｄ）軸上に１成分と横（ｑ）軸上に１成分）の形で正弦波信号を表現した空間に変換可能である。同期機の場合では、パーク基準座標系はロータを基準としてとられる。

パーク空間内で表される電流及び電圧に対して作用することにより、制御対象の三相機器を調整するのに、正弦波信号ではなく電流及び一定の電圧に対して作動することが可能になる。逆変換することで、機器の通常の基準座標系に戻れるので機器の各相にどのような電圧や電流を印加すればよいか正確にわかる。

一般に、これらの機械に電力を供給するためにバッテリが使用される。バッテリの使用により、実行可能な制御に限界が生じる。このため、いかなる設定値でも適用できるというわけではない。これらの限界を超える設定値が適用されると、機械が不安定な状態になりうる。

制限事項の中でも、一般には、機械の飽和を防止することが望ましい。

トルクモータの速度を低下させることによって、磁気飽和を防ぐ方法が記載されている特許文献ＵＳ３８５１２３４を参照することができる。

飽和を防ぐためのデータ表を有する、開ループ巻線形ロータを有する同期機械の制御が記載されている特許文献ＵＳ５０１５９３７を参照することもできる。

特許文献ＵＳ６１８１０９１は、モータの各ブランチに電圧を印加するパルス幅変調の動作を変更することによって飽和が防止される永久磁石による同期機器の制御について記載している。

本発明の目的は、飽和状態の持続時間を制限することである。本発明の別の目的は、電気機械によって供給されるべきトルクの調整を持続させることである。

本発明の目的は従って、第１の態様によれば、端子において電源電圧を提供するバッテリによって駆動される、永久磁石を有する同期電気機械を制御する方法である。

基本的特徴として、方法は、
− 複数の軸を含む回転基準座標系における初期ｄ電圧成分、及び初期ｑ電圧成分を計算することと、
− Ｘ軸にｄ電圧成分、Ｙ軸にｑ電圧成分を有する直交基準座標系において、座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃがＶｂａｔの従属し且つ輪郭によって定められている範囲の外であることを検証する、検証対象の飽和状態を検証することであって、Ｖｄｃは初期ｄ電圧成分を表し、Ｖｑｃは初期ｑ電圧成分を表し、Ｖｂａｔはバッテリの端子における電源電圧を表している、検証することとを含み、方法は、飽和状態が検証された場合に、
− 角度

を計算することと、
− αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである場合、又はαがプラスに変動しＶｄｃがマイナスである場合に、前記輪郭と、直交基準座標系の原点及び前記座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃとを通過する直線との交点を決定することによって、電気機械に印加すべき電圧を生成することであって、印加すべきｄ電圧成分が交点のＸ座標であり、印加すべきｑ電圧成分が交点のＹ座標である、生成することと
を含む。

この方法において、状態が検証されない場合、次にすでに印加された電圧が印加される。当然ながら、本方法はある段階において、常に２つの実行形態の間において同じ期間で実行される。これは、本方法において状態が検証されない場合に印加される、前の実行形態の電圧である。

初期ｄ電圧成分と初期ｑ電圧成分の計算は、例えば比例積分補正器又は比例積分導関数補正器を使用することなど、任意の手段によって実行することができる。本発明による方法は従って、様々な既存のシステムを使用して実行することが可能である。

範囲は、直交基準座標系の原点にセンターを置く半径

の円であってよい。従って、

が

よりも大きい場合、電気機械は飽和状態にあると見なされる。この状態が検証されない場合には、逆パーク変換の後で、本方法の最後の実行形態で印加された電圧を印加することが可能である。

飽和状態の検証には、

と

との比較が含まれうる。

また、前記の印加すべき電圧の生成には、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである、又はαがプラスに変動し、Ｖｄｃがマイナスである場合に、印加すべきｄ電圧成分が

に等しく、印加すべきｑ電圧成分が

に等しい、電気機械に印加すべき電圧の生成が含まれうる。

トルクを適切なものとし、損失を制限するために、ｄ軸を流れる電流を制限することが望ましい。このため、電圧Ｖｄｃの印を考慮した角度αの傾向が、ｄ軸の電圧が上昇することを示す場合、この角度αを保持することを可能にする新たな電圧値を適用することによって、飽和状態を脱する。

機械は飽和モードであるが、ｄ軸の電圧が低下傾向にある場合、前に印加された電圧が印加される。従って、適切なトルクが得られる。

本発明の主題はまた、別の態様によれば、端子に電圧を有するバッテリで駆動する永久磁石を有する同期電気機械を制御するシステムである。

基本的特徴として、システムは、
− 複数の軸を含む回転基準座標系における初期ｄ電圧成分、及び初期ｑ電圧成分を提供するように構成された計算手段と、
− Ｘ軸にｄ電圧成分、Ｙ軸にｑ電圧成分を有する直交基準座標系において飽和状態を検証するように構成された計算手段であって、飽和状態を検証するように構成された計算手段は、座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃが、Ｖｂａｔに従属し且つ輪郭によって定められている範囲の外であることを検証するように構成されており、Ｖｄｃは初期ｄ電圧成分を表し、Ｖｑｃは初期ｑ電圧成分を表し、Ｖｂａｔはバッテリの端子における電源電圧を表している計算手段とを備え、システムは、飽和状態が検証された場合に、
− 前記飽和状態が検証された場合に、角度

を計算するように構成された計算手段と、
− 飽和状態が検証された場合に、また、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである場合、又はαがプラスに変動しＶｄｃがマイナスである場合に、前記輪郭と、直交基準座標系の原点及び前記座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃとを通過する直線との交点を決定するように構成された電気機械に印加すべき電圧を生成する手段であって、印加すべきｄ電圧成分が交点のＸ座標であり、印加すべきｑ電圧成分が交点のＹ座標である、生成する手段と
を備える。

飽和状態を検証するように構成された計算手段は更に、

と

を比較するように構成されうる。

電気機械に印加すべき電圧を生成する手段は更に、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである場合、又はαがプラスに変動しＶｄｃがマイナスである場合に、

に等しい印加すべきｄ電圧成分と、

に等しい印加すべきｑ電圧成分と
を生成するように構成されうる。

本発明の主題はまた、更に別の態様によれば、永久磁石と前記システムを有する同期機械を備える電気駆動装置又はハイブリッド駆動装置を有する自動車両である。

非限定的な例にすぎない、後述の記載と添付図面を参照することで、本発明の他の目的、特徴及び利点が明らかとなるであろう。

本発明による方法の異なるステップを示す図である。 本発明によるシステムを示す図である。 機械が飽和モードにあるかを決定するためのグラフィック表示を示す図である。

図１は、本発明の一態様による方法のステップを示す概略図である。この例において、飽和状態は、点が半径

の円にあることの検証に対応している。

本方法により、例えば電気駆動装置又はハイブリッド駆動装置を有する自動車両の同期機械等の同期電気機械を制御することが可能になる。

本方法は、例えばパーク基準座標系等の、複数の軸を備える回転基準座標系におけるＶｄｃで表される初期ｄ電圧成分、及びＶｑｃで表される初期ｑ電圧成分を計算するステップＥ０１を含む。Ｖｄｃ及びＶｑｃの計算は、任意の手段によって、例えば、比例積分補正器、又は比例積分導関数補正器を使用することによって、実行することができる。

本方法は次に、

及び

を比較するテストステップＥ０２を含み、Ｖｂａｔは、電気機械を駆動するバッテリによって供給される電源電圧である。この状態が検証されない場合、ステップＥ０２´が実行され、Ｖｄｃ及びＶｑｃが機械に直接印加される。

が

よりも大きい場合、ステップＥ０３が実行され、下記の計算によって得られたαで表される角度が計算される。

角度αの計算により、段階ｔにおいて、段階ｔ−△ｔにおける本方法の前の実行形態に対してどれだけαが変動したかを検証し、Ｖｄｃの印を検証する、別のテストステップＥ０４を実行することが可能になる。

αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである場合、又はαがプラスに変動しＶｄｃがマイナスである場合、ステップＥ０５を実行することができ、

と等しい電圧がｄ軸に印加され、

と等しい電圧がｑ軸に印加される。

ステップＥ０４のテストが検証されない場合、次に、ステップＥ０６が実行され、本方法の前の実行形態においてすでに印加された電圧が印加される。

図２は、バッテリによって駆動される永久磁石を有する同期電気機械を制御するシステムＳＹＳの概略図である。

システムＳＹＳの様々な計算手段は、例えば自動車両の電気制御ユニット等の計算ユニットの中に含まれていてもよい。

システムＳＹＳは、ステップＥ０１を実行し、例えばパーク基準座標系等の、複数の軸を備える回転基準座標系における初期ｄ電圧成分Ｖｄｃ、及び初期ｑ電圧成分Ｖｑｃを提供するように構成された計算手段１を備える。Ｖｄｃ及びＶｑｃは、印加されることが望ましい、ステップＥ０１において計算された電圧設定値である。

システムＳＹＳはまた、ステップＥ０２を実行して、

と

とを比較するように構成された計算手段２も備える。

システムＳＹＳはまた、

が

よりも大きい場合に、角度

を計算するように（そしてステップＥ０３を実行するように）構成された計算手段３も備える。

システムＳＹＳはまた、

が

よりも大きい場合、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである、又はαがプラスに変動し、Ｖｄｃがマイナスである場合に、

と等しい印加すべきｄ電圧成分と、

と等しい印加すべきｑ電圧成分とを提供するように構成されている、機械へ印加すべき電圧を生成する手段４も備える。

パーク空間では、同期電気機械に対して制御すべき方程式は下記の通りであることに留意すべきである。

Ｖ_ｄ及びＶ_ｑは、電気機械のパークプランの２つの軸（それぞれ直軸及び横軸）に印加される電圧であり、Ｉ_ｄ及びＩ_ｑは、パークプランの２つの軸（それぞれ直軸及び横軸）に機械の中で循環する電流であり、Ｒ_ｓは機械のステータの等価抵抗であり、Ｌ_ｄ及びＬ_ｑは機械のパークプランの各軸（それぞれ直軸及び横軸）の等価インダクタンスであり、ω_ｒはロータの回転速度を機械の任意の数の対をなす極によって乗算したものである機械の磁場の回転速度であり、Φ_ｆはロータの磁石によって生じる流束である。

また、Ｌ_ｄ及びＬ_ｑが等しい機械では、下記の電磁トルク値Ｃ_ｅｍが得られる。
Ｃ_ｅｍ ＝ ｐΦ_ｆＩ_ｑ

ｐは、機械のロータの任意数の極対である。

これは、飽和を避けるために保持すべきトルクである。

図３は、機械のパーク平面のそれぞれのｄ及びｑ（Ｘ軸上のＶｄ、及びＹ軸上のＶｑ）の電圧値を示すグラフィック表示である。

この図において、飽和限界は太線で図示した円によって表されている。この円内に位置づけされた動作点は、非飽和の動作状態に対応している。

計算によって、ＶｄｃＡ及びＶｑｃＡに対応する動作点Ａが得られた場合、飽和していると結論付けることができる。次に、図３に示す角度αを決定することができる。

角度αが本方法の直前の実行形態に対して縮小していると結論付けられた場合、ＶｄｃＡがプラスであるために、円と、原点から延びる角度αを成す直線との間の交点に対応する点を選択することによって、ｄ電圧成分とｑ電圧成分が印加される。この点のＸ座標はＶｄａＡ、Ｙ座標はＶｑａＡである。

しかしながら、角度αが拡大した場合、同じ電圧値が継続して印加される。

計算によって、ＶｄｃＢ（マイナス）及びＶｑｃＢに対応する動作点Ｂが得られた場合、飽和していると結論付けることができる。次に、図３で示す角度α´を決定することができる。

角度α´が本方法の直前の実行形態に対して拡大していると結論付けられた場合、ＶｄｃＢがマイナスであるために、円と、原点から延びる角度α´を成す直線との間の交点に対応する点を選択することによって、ｄ電圧成分とｑ電圧成分が印加される。この点のＸ座標はＶｄａＢ、Ｙ座標はＶｑａＢである。

しかしながら、角度αが縮小した場合、同じ電圧値が継続して印加される。

本発明により、飽和状態をすぐに脱して、電圧の適切な調整、具体的にはｄ軸上のゼロ電流を保持することができる。

Claims (7)

1. 端子において電源電圧を提供するバッテリによって駆動される永久磁石を有する同期電気機械を制御する方法であって、
   − 複数の軸を含む回転基準座標系における初期ｄ電圧成分、及び初期ｑ電圧成分を計算する（Ｅ０１）ことと、
   − Ｘ軸に前記ｄ電圧成分、Ｙ軸に前記ｑ電圧成分を有する直交基準座標系において、座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃが、Ｖｂａｔに従属し且つ輪郭によって定められている範囲の外であることを検証する、検証対象の飽和状態を検証する（Ｅ０２）ことであって、Ｖｄｃは前記初期ｄ電圧成分を表し、Ｖｑｃは前記初期ｑ電圧成分を表し、Ｖｂａｔは前記バッテリの前記端子における前記電源電圧を表している、検証することとを含み、前記方法は、前記飽和状態が検証された場合に、
   − 角度
   

   

   を計算する（Ｅ０３）ことと、
   − αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである場合、又はαがプラスに変動しＶｄｃがマイナスである場合に、前記輪郭と、前記直交基準座標系の原点及び前記座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃとを通過する直線との交点を決定することによって、前記電気機械に印加すべき電圧を生成する（Ｅ０４）ことであって、前記印加すべきｄ電圧成分が前記交点のＸ座標であり、前記印加すべきｑ電圧成分が前記交点のＹ座標であり、前記角度α及び前記電圧Ｖｄｃにおいてこれらの状態が検証されない場合に、前記方法の前の実行形態においてすでに印加された前記電圧が印加される、生成することと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記飽和状態を検証すること（Ｅ０２）は、
   

   

   と
   

   

   とを比較することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記印加すべき電圧を生成する（Ｅ０３）ことは、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである、又はαがプラスに変動し、Ｖｄｃがマイナスである場合に、印加すべきｄ電圧成分が
   

   

   に等しく、印加すべきｑ電圧成分が
   

   

   に等しい、前記電気機械に印加すべき電圧の生成を含む、請求項２に記載の方法。
4. 端子において電圧を有するバッテリによって駆動される永久磁石を有する同期電気機械を制御するシステムであって、
   − ある段階において、複数の軸を含む回転基準座標系における初期ｄ電圧成分、及び初期ｑ電圧成分を提供するように構成された計算手段（１）と、
   − Ｘ軸に前記ｄ電圧成分、Ｙ軸に前記ｑ電圧成分を有する直交基準座標系において飽和状態を検証するように構成された計算手段（２）であって、飽和状態を検証するように構成された前記手段は、前記座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃが、Ｖｂａｔに従属し且つ輪郭によって定められている範囲の外であることを検証するように構成されており、Ｖｄｃは前記初期ｄ電圧成分を表し、Ｖｑｃは前記初期ｑ電圧成分を表し、Ｖｂａｔは前記バッテリの前記端子における前記電源電圧を表している計算手段とを備え、前記システムは前記飽和状態が検証された場合に、
   − 前記飽和状態が検証された場合に、角度
   

   

   を計算するように構成された計算手段（３）と、
   − 前記飽和状態が検証された場合に、また、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである場合、又はαがプラスに変動しＶｄｃがマイナスである場合に、前記輪郭と、前記直交基準座標系の原点及び前記座標点Ｖｄｃ及びＶｑｃとを通過する前記直線との前記交点を決定するように構成された前記電気機械に印加すべき電圧を生成する手段（４）であって、前記印加すべきｄ電圧成分が前記交点の前記Ｘ座標であり、前記印加すべきｑ電圧成分が前記交点の前記Ｙ座標であり、前記飽和状態は検証されたが、前記角度αと前記電圧Ｖｄｃのこれらの状態は検証されていない場合、前記印加すべき電圧は、前記制御システムによって前の段階で印加された前記電圧である、生成する手段（４）と
   を備えることを特徴とするシステム。
5. 飽和状態を検証するように構成された前記計算手段（２）は更に、
   

   

   と
   

   

   とを比較するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記電気機械に印加すべき電圧を生成する前記手段（４）は、αがマイナスに変動しＶｄｃがプラスである、又はαがプラスに変動し、Ｖｄｃがマイナスである場合に、
   

   

   に等しい印加すべきｄ電圧成分と、
   

   

   に等しい印加すべきｑ電圧成分とを生成するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
7. 永久磁石と、請求項３から６のいずれか一項に記載の機械を制御するシステムとを有する同期機械を備えている、電気駆動装置又はハイブリッド駆動装置を有する自動車両。

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