JP2020527934A - 電動機のトルク脈動（Ｄｒｅｈｍｏｍｅｎｔｗｅｌｌｉｇｅｉｔ）を推定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

負荷（３）と接続された電動機（１）のトルク脈動ＴＴＲを推定する方法および装置であって、制御回路（５）の制御部において、電動機（１）のための調整トルクＴｓｅｔ＿ＵＵＴと、負荷（３）で測定された出力トルクＴｓｈａｆｔと、電動機（１）の質量慣性モーメントＪとから電動機（１）の理想回転数ωｉｄｅａｌが決定され、電動機（１）で測定された実回転数ωＵＵＴの理想回転数ωｉｄｅａｌが、制御器（６）の調整量として現在トルク脈動ＴＴＲが生成されるように制御回路（５）の制御器（６）によって追従制御される。

Description

本発明は、電動機のトルク脈動を推定する方法および装置に関する。

電動機、特に永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）は自動車分野において広く使用されている。このような電動機は、大抵の場合、トランスミッションおよび駆動輪の駆動軸と組み合わせてドライブトレインとして用いられる。そのようなドライブトレインは、構造固有モードとねじり固有モードとを有する複雑な機械システムである。この固有モードの周波数に近い周波数で周期的な励起が行われることにより、運転者にとって不快な騒音が発生し得る。部品の寿命に影響が及ぼされ、個々のドライブトレイン構成部品が破壊されるという結果になることもある。

このような電動機を使用する場合の典型的な副次的効果は、「トルクリップル（Ｔｏｒｑｕｅ Ｒｉｐｐｌｅ）」または「リップルトルク（Ｒｉｐｐｌｅ−Ｍｏｍｅｎｔ）」という用語でも知られているトルク脈動の発生である。これは電動機のロータの回転角度にわたる、回転角度にわずかに依存するトルク分散（Ｍｏｍｅｎｔｅｎｖｅｒｔｅｉｌｕｎｇ）と解される。原因は、モータ巻線の不均一な配分、永久磁石の不均質性、さらに使用される電子部品の非対称性であり得る。

典型的には、こうしたトルク脈動は回転周波数の次数で生じ、次数は、例えば極対とスロット数によって決定される。

別の典型的な副次的効果は、そのようなモータにおけるいわゆるコギングトルクの発生である。通電されていない電動機のトルク脈動はコギングトルクと呼ばれる。

発生するトルク脈動を正確に測定できるようにするために、電動機の出力軸でトルクを測定することが有益である。しかし通常、電動機トランスミッション複合体において、大抵の場合、トルク測定は提供されていないか、または実現が技術的に難しい。

電動機の出力トルクは、例えば測定フランジを介して測定される試験台を使用して、トルク脈動を後処理ステップにおいても算出することができる。しかしこのためには電動機の回転数を測定および微分することが必要である。これは作動中には問題があり、大抵の場合、測定信号のローパスフィルタ処理によってしか可能でないが、これにはコストがかかり、エラーが非常に起きやすい。

したがって、本発明の目的の一つは、試験台および作動時に電動機のトルク脈動を可能な限り正確に推定できる方法および装置を提供することである。

上記および他の目的は、本発明により請求項１に記載の方法によって解決される。本発明による方法は、制御回路が電動機の回転数を追従制御する（Ｎａｃｈｆｕｅｈｒｕｎｇ）ように形成されることにより、制御回路が電動機のための調整トルクＴ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}と、負荷で測定された出力トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}と、電動機の既知の質量慣性モーメントＪとから、負荷と接続された電動機のトルク脈動Ｔ_ＴＲを推定する。制御回路の制御部において、電動機の理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}が決定され、電動機で測定された実回転数ω_ＵＵＴのこの理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}が、制御器の出力における調整量として現在トルク脈動Ｔ_ＴＲが現れるように制御回路の制御器によって追従制御される。その場合、調整量を外部へ導き、取り出すことができる。

制御器は、特にＰＩ制御器として形成されていてもよい。本発明による方法は、永久磁石同期機のトルク脈動を推定するために用いることができる。この方法は、有益にも試験台のみならず、直接車両において用いることができる。負荷は、制御可能な負荷であり得る。方法は、電動機によって駆動される車両の作動中にも用いることができ、その限りで測定量である回転数および軸トルクは既知である。それによってトルク脈動の推定をリアルタイムで行うことができ、複雑な後処理ステップの必要がないのでこれは有益である。さらに、測定されたモータ回転数を微分する必要がない。

本発明は、軸を介して負荷と接続された電動機のトルク脈動Ｔ_ＴＲを推定する装置にも及ぶ。本発明による装置は、電動機の実回転数ω_ＵＵＴを測定するためのセンサと，負荷の出力トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}を測定するためのセンサとを備えている。

装置は、さらに制御部と制御器とを有する、電動機の回転数を追従制御するための制御回路を備えている。制御部において、電動機の調整トルクＴ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}と、駆動トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}と、電動機の質量慣性モーメントＪとから電動機の理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}が決定される。制御器は、トルク脈動Ｔ_ＴＲが制御器の調整量として生成されるように実回転数ω_ＵＵＴの理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}を追従制御するように形成されている。その場合、この調整量を外部へ導き、取り出すことができる。

本発明によれば、装置は電動機用の試験台の一部であってもよい。本発明によれば、電動機は、永久磁石同期機、非同期機、またはリラクタンスモータであってもよい。負荷は、制御可能な負荷であり得る。装置は車両の駆動装置の一部であってもよい。

本発明による他の特徴は、特許請求の範囲、実施例の説明、および図面から明らかになる。
以下、本発明を例示的実施例を用いて詳しく説明する。
図１は、電動機用の試験台の従来の構造の図である。 図２ａは、本発明の一実施形態によるシステムおよび方法の詳細図である。 図２ｂは、本発明の一実施形態によるシステムおよび方法の詳細図である。 図２ｃは、本発明の一実施形態によるシステムおよび方法の詳細図である。

図１は、電動機用の試験台の従来の構造を示す。試験される電動機１（被試験物もしくはユニット・アンダー・テストＵＵＴ）は、軸２を介して制御可能な負荷３と接続されている。試験される電動機１に対して、例えば達成されるべき回転数または達成されるべきトルクの設定などの異なる負荷をかけた状態が負荷３の（この図に図示されない）制御ユニット４により予め設定される。このような試験台は、通常、トランスミッション、ドライブトレイン、および他の駆動コンポーネントなしで使用される。

この図において、Ｔ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}は試験される電動機１の調整トルクを示し、ｎ_ＵＵＴは測定された回転数を示す。符号Ｔ_{ｓｈａｆｔ}は、軸２で測定された出力トルクを示す。負荷３に予め設定されたトルクは符号Ｔ_{ｓｅｔ＿Ｄｙｎｏ}で示され、負荷３で測定された回転数は符号ｎ_Ｄｙｎｏで示されている。

被試験物で測定された回転数から、後処理ステップにおいてトルク脈動（リップルトルク）の算出を行うことができ、そのために、電動機１の前もって決定された質量慣性モーメントＪ_ＵＵＴが考慮に入れられる：

しかし作動進行中に測定される回転数ｎ_ＵＵＴの微分には問題があり、大抵の場合、信号のローパスフィルタ処理をする場合にのみ有意義に可能となる。

図２ａは、本発明による方法の一部として用いることができる理想トルク発生器４を示す。この理想トルク発生器４において、Ｔ_ｓｅｔは調整トルク、Ｔ_{ｓｈａｆｔ}は測定された出力トルク、およびω_{ｉｄｅａｌ}は理想電動機の回転数である。符号Ｊで電動機の質量慣性モーメントが示される。数学的関係は以下の通りである：

実回転数ω_ｒｅａｌを算出するために、調整トルクおよび出力トルクに未知のトルク脈動（リップルトルク）Ｔ_ＴＲが加算される：

したがって、理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}は、理想電動機の入力で調整トルクおよび出力トルクに加えてリップルトルクＴ_ＴＲが考慮される場合に実回転数ω_ｒｅａｌと等しくなる。

図２ｂは、それに対応して形成された制御回路５を示し、制御回路５において基準量としての実測回転数ω_ｒｅａｌの制御量としての理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}が追従制御される。この目的で、この実施例ではＰＩ制御器として形成されている制御器６が設けられている。制御器６には、理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}と実回転数ω_ｒｅａｌとの差が制御偏差として供給される。

制御器６は、トルク偏差を調整量として提供する。制御部において、調整量から現在調整トルクＴ_ｓｅｔおよび測定された出力トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}が減算され、その結果が質量慣性モーメントＪで除算され、かつ時間導関数が求められ、それにより現在回転数が制御量として求められる。

したがって、制御器６のアウトプット量は、現在トルク脈動、すなわちリップルトルクＴ_ＴＲに相当する。したがってこの制御回路５において、行われた回転数制御の副産物としてその都度最新のトルク脈動が自動的に求められる。

図２ｃは、本発明の一実施形態を具体的な試験台を例にとって示す。この場合もまた、試験される電動機１は、軸２を介して制御可能な負荷３と接続されている。この図において、Ｔ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}は再び、試験される電動機１の調整トルクを示し、ω_ＵＵＴは試験される電動機１の測定された回転数を示す。

制御器６は、負荷３の回転数と予め設定された回転数ω_{ｄｅｍ＿Ｌｏａｄ}との差から負荷３の目標トルクＴ_{ｓｅｔ＿Ｌｏａｄ}を算出する。

負荷３と試験される電動機１とは、所望のトルクＴ_{ｓｅｔ＿Ｌｏａｄ}とＴ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}とを負荷３もしくは電動機１のための相応の制御信号に変換するドライバユニット７を介して制御される。符号Ｔ_{ｓｈａｆｔ}は再び、軸２で測定された出力トルクを示す。

図２ｂとの関連で説明したように、Ｔ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}、Ｔ_{ｓｈａｆｔ}および測定された回転数ω_ＵＵＴから、電動機の現在回転数の微分を必要とすることなしに、制御回路５において現在リップルトルクＴ_ＴＲが決定される。

本発明は、電動機、負荷、または制御回路の具体的実施形態に限定されず、後続の特許請求の範囲の範囲内の方法および装置の全部を含む。

Claims (11)

1. 負荷（３）と接続された電動機（１）のトルク脈動Ｔ_ＴＲを推定する方法であって、制御回路（５）の制御部において前記電動機（１）のための調整トルクＴ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}と、前記負荷（３）で測定された出力トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}と、前記電動機（１）の質量慣性モーメントＪとから前記電動機（１）の理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}が決定され、前記電動機（１）で測定された実回転数ω_ＵＵＴの理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}が、前記制御器（６）の調整量として現在トルク脈動Ｔ_ＴＲが生成されるように前記制御回路（５）の前記制御器（６）によって追従制御される、方法。
2. 前記方法は、永久磁石同期機の前記トルク脈動を推定するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法は、試験台で用いられることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記負荷（３）は、制御可能な負荷（３）であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記方法は、前記電動機（１）によって駆動される車両の作動中に用いられることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記方法は、前記トルク脈動を補償するために用いられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 負荷（３）と接続された電動機（１）のトルク脈動Ｔ_ＴＲを推定する装置であって、前記電動機（１）の実回転数ω_ＵＵＴを測定するためのセンサと、前記負荷（３）の出力トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}を測定するためのセンサとを備える、装置において、
   前記装置が制御回路（５）を備え、前記制御回路（５）は、
   ａ．前記電動機（１）の調整トルクＴ_{ｓｅｔ＿ＵＵＴ}と、出力トルクＴ_{ｓｈａｆｔ}と、前記電動機（１）の質量慣性モーメントＪとから前記電動機（１）の理想回転数ω_{ｉｄｅａｌが}決定される制御部を備え、
   ｂ．制御器（６）を備え、前記制御器（６）の調整量として前記トルク脈動Ｔ_ＴＲが生成されるように、前記制御器（６）は前記実回転数ω_ＵＵＴの前記理想回転数ω_{ｉｄｅａｌ}を追従制御する、
   ことを特徴とする、装置。
8. 前記装置は、電動機（１）のための試験台の一部であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記負荷（３）は、制御可能な負荷（３）であることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記装置は、車両の駆動装置の一部であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
11. 前記電動機（１）は、永久磁石同期機であることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。

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