JP2018500868A - 好適には自動車の流体静力式クラッチアクチュエータにおいて使用される、電動機の駆動制御運動特性を最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、好適には自動車の流体静力式クラッチアクチュエータにおいて使用される、電動機の駆動制御運動特性を最適化するための方法であって、電動機（７）のロータ（６）の位置に依存して電動機（７）の複数の極対の転流を行い、ロータ（６）が電動機（７）のステータに対してとる位相角（φ_０）からロータ（６）の位置を導出し、位相角（φ_０）はセンサ（１１）によって測定されて制御ユニット（９）へ伝送され、制御ユニット（９）は位相角（φ_０）に依存して転流を制御する方法に関する。この方法では、各転流前に、測定された位相角（φ_０）にオフセット位相角（φ_ｏｆｆ）の加算を行い、この加算によって得られた位相角和（φ_ｓ）を転流の基礎とする。

Description

本発明は、好適には自動車の流体静力式クラッチアクチュエータにおいて使用される、電動機の駆動制御運動特性を最適化するための方法であって、電動機のロータの位置に依存して電動機の複数の極対の転流を行い、ロータが電動機のステータに対してとる位相角からロータの位置を導出し、位相角はセンサによって測定されて制御ユニットへ伝送され、制御ユニットは位相角に依存して転流を制御する方法に関する。

独国特許出願公開第１０２０１１０８６５８３号明細書から、自動車の駆動システムに複数の相を備え、特に摩擦クラッチの流体式作動システムに複数の相を備え、かつロータを備えた電子整流型電動機の転流品質を検査する方法が公知である。ロータの回転角は、アブソリュート測定型のロータ位置センサによって監視される。

独国特許出願公開第１０２０１３２０７３１７号明細書に、とりわけ自動車においてアクチュエータを作動させるための、電動機の制御方法が開示されている。この方法では、モータ電圧を電動機に印加する前に瞬時モータ電圧と電圧限界値とを比較し、電圧限界値は、電動機のインピーダンスから導出される。この比較によって、電動機の出力段の破壊を防止するために、最大許容モータ電流の制限が行われる。

よって、本発明の基礎である課題は、電動機の熱負荷を低減する、電動機の駆動制御運動特性を最適化する方法を実現することである。

本発明では、上記課題は、各転流前に、測定された位相角にオフセット位相角の加算を行い、この加算によって得られた位相角和を転流の基礎とすることによって解決される。転流の制御のためにオフセット位相角を使用することにより、所定の負荷の場合に制御ユニットがロータの回転速度をより高速に設定することになるロータの位置が模擬される。このことによって、ロータがより迅速に所望の位置に達することができ、このことは、駆動制御の運動特性の向上になる。モータ電流は負荷に依存するので、電動機の出力段の過熱を確実に阻止することができる。

有利には、オフセット位相角を実効モータ定数に依存して求める。この実効モータ定数は、電動機を駆動制御する出力段の持続的な熱負荷を所定の期間中においてぎりぎり許容できる最大モータ電流を考慮して算出される。オフセット位相角によって様々なトルク／モータ電流関係を設定できることに基づき、モータ電流は算出することができ、または測定することもできる。実効モータ定数はオフセット位相角に対応付けられ、このオフセット位相角は、電動機の駆動制御運動特性を向上させるべく、次の転流の位相角和を増大させるために使用される。過度に高いモータ電流による電動機の出力段の破壊を防止するために、大きさに応じて期間を変えて、モータ電流を電動機の出力段へ供給する。

一実施形態では、制御ユニットにおいて、実効モータ定数がオフセット位相角に依存してルックアップテーブルに記憶される。これにより、算出された実効モータ定数に応じてルックアップテーブルから、対応するオフセット位相角を読出して、位相角和の設定のために、測定された位相角に加算する。このことにより、所要計算時間が短い快適な計算が可能になる。

一発展形態では、開始段階において、予め定められた開始オフセット位相角から、転流のためのモータ電流を算出し、かつその次の転流については常に、直前の転流のオフセット位相角をモータ電流の計算の基礎とする。このことによって、常に電動機の現時点の状況を考慮することができる。

一変形形態では、所定の期間中に許容される最大モータ電流が電流閾値となり、これと、実効モータ定数に基づいて算出されたモータ電流とを比較し、算出されたモータ電流がこの電流閾値を下回る場合、測定された位相角とオフセット位相角との加算を行う。このことによって、各転流過程の前に、算出されたモータ電流が最大許容モータ電流を超えないか否かが検査されることが保証され、これにより、出力段の過熱が防止される。

一実施形態では、電動機のロータが低速の回転速度を示す場合、オフセット位相角を０にセットする。回転速度が低速になっていることにより、ロータが回転方向反転の領域で動作しており、大きな電流変動が生じると推定することができる。ロータの加速または制動により生じる電流変動が転流に及ぼす影響は、オフセット位相角を所定の短時間にわたって０にセットすることによって阻止され、これにより、モータ電流は次の転流の前に減衰することができる。

一発展形態では、最大モータ電流を超えるモータ電流を、パルス状に複数の短い期間で電動機へ供給する。このパルス供給により、電動機の駆動制御運動特性をさらに改善することができる。このようにすると、短時間の駆動制御により、出力段に負荷をかける高電流も使用することができる。というのも、供給する期間が短いことにより、出力段にかかる熱負荷が制限されるからである。

有利には、最大モータ電流を超えるモータ電流が大きいほど、上述の期間を短くする。このことによって、出力段の過熱が確実に防止される。

一実施形態では、実効モータ定数に応じて設定されるオフセット位相角は、パルス状に設定される。このことも、特殊なアクチュエータ用途において運動特性を向上させ、これによりアクチュエータの作動をより迅速にするために寄与する。

本発明では、数多くの実施態様が可能である。図面中の各図を参照して、これらの実施態様のうち１つを詳細に説明する。

摩擦クラッチ用の流体式作動システムの形態の駆動システムのブロック回路図である。 電動機の出力段を示す図である。 時間軸上における最大許容モータ電流の抜粋図である。 本発明の方法を用いた場合と用いない場合とにおけるモータ転流の可能な特性曲線推移を時間軸上に示す図である。 本発明の方法を用いた場合と用いない場合とにおける、転流された位相角和の可能な特性曲線推移を時間軸上に示す図である。 本発明の方法を用いた場合と用いない場合とにおける負荷の可能な推移を時間軸上に示す図である。 本発明の方法を用いた場合と用いない場合とにおける回転数の可能な推移を時間軸上に示す図である。 本発明の方法を用いた場合と用いない場合とにおけるモータ電流の可能な推移を時間軸上に示す図である。 本発明の方法を用いた場合と用いない場合とにおける平均モータ電流の可能な推移を時間軸上に示す図である。 一例の数値を有するルックアップテーブルを示す図である。

同一の構成には同一の符号を付している。

図１に、摩擦クラッチ３用の流体式作動システム２の形態の駆動システム１を示しており、これはたとえば、自動車の１つの駆動系統１に２つの部分トランスミッションを備えたデュアルクラッチトランスミッションの各１つの摩擦クラッチ１に対応した二重構成となっている。この作動システム２はハウジング４を備えており、このハウジング４内では、電子整流型電動機７のロータ６の回転運動を軸方向運動に変換する伝動装置８の介挿接続により、加圧ピストン５が電子整流型電動機７のロータ６によって軸方向に変位する。

電子整流型電動機７は制御ユニット９によって制御され、電動機７は出力段１０を備えている。制御ユニット９は、アブソリュート測定型のロータ位置センサ１１から得られた回転角φ_０に基づき、電動機７の転流を制御する。このロータ位置センサ１１は、ロータ６に正面で対向して配置されている。

圧力管路１２を介して、ハウジング４内において軸方向変位中に加圧ピストン５によって発生した圧力を用いてスレーブシリンダ１３を付勢し、このスレーブシリンダ１３のピストンが、摩擦クラッチ３の加圧板を作動させる。

電子整流型電動機７は、３相Ｕ，Ｖ，Ｗの電流が供給される３つのコイル体を備えており、これら３つのコイル体が相Ｕ，Ｖ，Ｗを用いて順次通電されることによって交流磁界の向きが転換し、この交流磁界がロータ６の極対と反発してロータ６の回転を生じさせる。制御ユニット９において、詳細には図示されていないメモリに転流テーブルが記憶されている。図２は、出力段１０に接続された電動機７を示している。さらに、出力段１０は電圧供給部２０に接続されており、この電圧供給部２０も制御ユニット９に配置されている。摩擦クラッチ３の動作に際しては、電動機７は制御ユニット９によって矩形波駆動方式を用いて駆動される。これは、電動機７の相Ｕ，Ｖ，Ｗのうち１相を常に無通電状態にし、かつ、他の２相Ｕ，Ｖ，Ｗを通電するように、電動機７を駆動制御する、というものである。図２から分かるように、相Ｕ，Ｖ，Ｗは出力段１０の中間タップから取り出される。出力段１０は、電子スイッチング素子を有するブリッジ回路として構成されている。本実施例において設けられているＢブリッジの場合、６つの電子スイッチング素子１４，１５，１６，１７，１８，１９が設けられており、これらは有利には、電界効果トランジスタである。ブラシレス直流電動機を電動機７として使用する場合、電界効果トランジスタを電子的に転流し、これによって回転磁界を生成する。簡素化のため、電界効果トランジスタは単にスイッチとしてのみ図示されている。スイッチ１４と１５との間で電動機７の相Ｕが取り出され、スイッチ１６と１７との間で相Ｖが取り出され、スイッチ１８と１９との間で相Ｗが取り出される。

図３に、出力段１０を流れるモータ電流Ｉの依存関係を時間ｔ軸上に示している。同図から、電界効果トランジスタ１４，１５，１６，１７，１８，１９を有する出力段１０が耐えられるモータ電流は、所定の外部温度Ｔに対して、限られた期間中において異なることが分かる。

この期間は、最大モータ電流Ｉが流れるときに出力段１０が過熱しないようにするために決定的に重要である。たとえば、１０Ａの最大モータ電流は、ほぼ全ての外部温度Ｔにおいて、電界効果トランジスタ１４，１５，１６，１７，１８，１９を破壊することなく制限なく使用することができる。それより高い約２０Ａのモータ電流は、たとえば外部温度Ｔが０℃を超える場合、出力段１０に問題なく流れることができるのは最大僅か０．４秒のみとなる。最大５０Ａのモータ電流は、出力段１０の破壊を防止しなければならないとなると、０℃を下回る温度Ｔの場合にしか出力段１０に流れることができない。

所定の負荷の場合に最大モータ電流に依存して電動機７の駆動制御運動特性を最適化するために、各転流の前に最新のモータ電流ｉ＿ｔｈｅｏを算出することを提案する。この算出は、以下の数式に従って行われる。

同式中、
Ｕ_ｂａｔはモータ電圧であり、
Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}はモータ定数であり、
ωは回転数であり、
Ｎは電動機のインダクタンスの数であり、
Ｌ_ｍｏｔはインダクタンスである。

同式の基礎となっているのは、計算過程の開始時に固定的に設定される実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}である。制御ユニット９に記憶されているルックアップテーブルにおいて、各実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}にオフセット位相角φ_ｏｆｆ（度（°））が電気的に対応付けられている。計算は、超過してはならない１０Ａの最大モータ電流に基づいており、この最大モータ電流は閾値ｉ＿ｈｏｌｄとして使用される。計算されたモータ電流ｉ＿ｔｈｅｏが限界値ｉ＿ｈｏｌｄより小さい場合。この場合には、位相角φ_０がロータ位置センサ１１によって測定される。この位相角φ_０に、新規に求められた実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}を用いてルックアップテーブルから求められたオフセット位相角φ_ｏｆｆが加算される。この新規の実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}は、充足すべき最大モータ電流が１０Ａであるとの仮定下で、数式（１）から求められる。このようにして加算によって得られた新規の位相角和φ_ｓは、制御ユニット９に対して、次の転流の調整のために設定される。これによって、制御ユニット９に対し、実際には存在しない位相角φ_ｓが模擬される。このようにして生じた、変化したトルク‐モータ電流関係により、所望のロータ位置をとるために、トルクを低下させた状態でロータ６の最大回転速度に達することができる。

次の転流ステップを調整するために、ロータ６が実際にとっている位相角φ_０を、ロータ位置センサ１１によって再度測定する。さらに、現時点で数式（１）に従って直前の計算ステップから得られた実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}を用いて算出された、理論的なモータ電流ｉ＿ｔｈｅｏが、閾値ｉ＿ｈｏｌｄより小さいか否かも、再度検査する。このようにして算出された理論的なモータ電流ｉ＿ｔｈｅｏが、最大モータ電流閾値ｉ＿ｈｏｌｄ（１０Ａ）より小さい場合、新規の実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}を算出し、この新規の実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}に対し、ルックアップテーブルから、新規のオフセット位相角φ_ｏｆｆを対応付ける。このルックアップテーブルは、図１０に例示されている。したがって、この実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}によって、１０Ａのモータ閾値が可能になる。この過程は、各新規の転流ステップの前に繰り返し行われる。

しかし、ロータ６の回転速度が非常に低速であると判定される場合、オフセット位相角φ_ｏｆｆを０にセットし、上述の事前制御を禁止する。モータ電流Ｉの短時間の大きな変動によって運動特性の大きな変化が示された場合にも同様に、オフセット位相角φ_ｏｆｆを０にセットする。この運動特性の大きな変化はたとえば、電動機７の加速過程または制動過程によって生じ得る。このことはとりわけ、電動機７が方向転換を行う場合に生じる。オフセット位相角φ_ｏｆｆは、モータ電流の大きな変動が消失するまで０にセットされる。その後、上述の事前転流方式を再開する。

モータ制御の運動特性をさらに改善するために、上述の方法を基礎として、最大モータ電流を超えるモータ電流をパルス状に電動機７へ供給する。その際には、モータ電流のレベルが変化し、１０Ａの最大モータ電流に制限されないことを前提とする。最大モータ電流を超えるモータ電流が大きくなるほど、最大モータ電流を超えるモータ電流が電動機７に流れる期間は短くなる。たとえば、２０Ａ、３０Ａまたは４０Ａの最大モータ電流ｉ＿ｈｏｌｄを閾値として設定した場合には、その設定された期間の間、モータ電流が増大していくように、実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}とオフセット位相角φ_ｏｆｆとを調整する。転流の次のフェーズ中に、理論的なモータ電流ｉ＿ｔｈｅｏが閾値ｉ＿ｈｏｌｄより大きくなった場合、閾値ｉ＿ｈｏｌｄをリセットする。

図４〜８に、時間軸上における複数の異なる特性曲線を記録している。たとえば、図４には時間軸上における実効モータ定数Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}が示されており、図５には時間軸上における転流角φ_ｓが示されており、図６には時間軸上における負荷Ｎが示されており、図７には時間軸上におけるロータ６の回転速度ｎが示されており、図８には時間軸上における理論計算上のモータ電流ｉ＿ｔｈｅｏが示されている。ここで曲線Ａは、位相角の補正を行わない場合の各パラメータを示しており、曲線Ｂは低負荷の場合の位相角補正を示しており、曲線Ｃは、連続的に行われる位相角補正を示しており、曲線Ｄは、パルス状のモータ電流を用いた場合の位相角補正を示している。これらの図から、パルス状の運動特性による角度補正を行うことにより、ロータ６の回転速度の改善が最良になり、その結果、ロータ６を所望の位置に、より迅速に導くことができることが分かる。

図９には、複数の異なる期間における、電動機７に流れる平均モータ電流を示している。同図に示されているように、観察された動作時間は、存在する事前制御手法を用いることによって確保され、このときに、出力段１０に含まれるＭＯＳＦＥＴ１４，１５，１６，１７，１８，１９の最大のモータ電流制限が観察される。

本明細書で開示した方法により、モータ電流の大きさを考慮して電動機７の駆動制御の運動特性を改善することができる。

１ 駆動システム
２ 流体式作動システム
３ 摩擦クラッチ
４ ハウジング
５ 加圧ピストン
６ ロータ
７ 電動機
８ 伝動装置
９ 制御ユニット
１０ 出力段
１１ ロータ位置センサ
１２ 圧力管路
１３ スレーブシリンダ
１４ スイッチ
１５ スイッチ
１６ スイッチ
１７ スイッチ
１８ スイッチ
１９ スイッチ
２０ 電圧供給部
φ_０ 測定された位相角
φ_ｏｆｆ オフセット位相角
φ_ｓ 位相角和
i_theo モータ電流
i_hold 最大モータ電流
K_{e_eff} 実効モータ定数
Ｔ 外部温度

Claims (9)

1. 好適には自動車の流体静力式クラッチアクチュエータにおいて使用される、電動機の駆動制御運動特性を最適化するための方法であって、
   前記電動機（７）のロータ（６）の位置に依存して、該電動機（７）の複数の極対の転流を行い、
   前記ロータ（６）が前記電動機（７）のステータに対してとる位相角（φ_０）であって、センサ（１１）によって測定されて制御ユニット（９）へ伝送される位相角（φ_０）から、前記ロータ（６）の位置を導出し、
   前記制御ユニット（９）は前記位相角（φ_０）に依存して前記転流を制御する、方法において、
   各転流前に、測定された前記位相角（φ_０）にオフセット位相角（φ_ｏｆｆ）の加算を行い、この加算によって得られた位相角和（φ_ｓ）を前記転流の基礎とすることを特徴とする方法。
2. 前記オフセット位相角（φ_ｏｆｆ）を実効モータ定数（Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}）に依存して求め、
   前記実効モータ定数（Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}）は、前記電動機（７）を駆動制御する出力段（１０）の持続的な熱負荷を所定の期間中においてぎりぎり許容できる最大モータ電流（ｉ＿ｈｏｌｄ）を考慮して求められるものである、請求項１記載の方法。
3. 前記制御ユニットにおいて、実効モータ定数（Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}）が、オフセット位相角（φ_ｏｆｆ）に依存してルックアップテーブルに記憶される、請求項１または２記載の方法。
4. 開始段階において、予め定められた開始オフセット位相角から、転流のためのモータ電流（ｉ＿ｔｈｅｏ）を算出し、かつ次の転流については、常に、直前の転流のオフセット位相角（φ_ｏｆｆ）を前記モータ電流（ｉ＿ｔｈｅｏ）の計算の基礎とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 所定の期間中に許容される最大モータ電流（ｉ＿ｈｏｌｄ）を電流閾値とし、
   前記電流閾値と、前記実効モータ定数（Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}）に基づいて算出されたモータ電流（ｉ＿ｔｈｅｏ）とを比較し、
   算出された前記モータ電流（ｉ＿ｔｈｅｏ）が前記電流閾値を下回る場合、測定された前記位相角（φ_０）と前記オフセット位相角（φ_ｏｆｆ）との加算を行う、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記電動機（７）の前記ロータ（６）が低速の回転速度を示す場合、前記オフセット位相角（φ_ｏｆｆ）を０にセットする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記電動機（７）に前記モータ電流（ｉ＿ｔｈｅｏ）をパルス状に複数の短い期間において供給する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記最大モータ電流（ｉ＿ｈｏｌｄ）が大きいほど、前記期間を短くする、請求項７記載の方法。
9. 前記実効モータ定数（Ｋ_{ｅ＿ｅｆｆ}）に応じて設定される前記オフセット位相角（φ_ｏｆｆ）を、パルス状に設定する、請求項７または８記載の方法。

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