JP5292637B2 - 駆動装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置および方法に関する。

従来技術（たとえば、特許文献１を参照）からは、回転磁界機械を制御する方法が知られている。その場合に、そこの図２によれば、モータにおける電流と電圧が検出される。その場合に、機械のモデル形成に相当する、制御器構造から、フラックスの実際値の成分が形成される。これが、フラックス制御器へ供給され、その出力が操作量として、機械に給電するパワーインバータの切替え状態を調節する。

他の従来技術（たとえば、特許文献２を参照）からは、非同期機械を制御する方法が知られており、そこではホールセンサ３が使用される。

さらに他の従来技術（たとえば、特許文献３を参照）からは、非同期機械を始動させる方法が知られており、そこでは始動させるために、トルク目標値ゼロが設定される。

そして、さらに他の従来技術（たとえば、特許文献４を参照）からは、非同期モータにインバータを接続する方法が知られている。

欧州特許公報ＥＰ０１７９３５６ 独国特許公報ＤＥ１９４１３１２ 独国公開公報ＤＥ１９５３２４７７Ａ１ 独国特許公報ＤＥ１９９１９７５２Ａ１

本発明の課題は、電気的な駆動装置の制御特性を改良することである。

本発明によれば、この課題は、駆動装置においては、請求項１に記載された特徴に従って、方法においては、請求項１７に記載された特徴に従って解決される。

駆動装置における本発明の重要な特徴は、それが、インバータから給電される電動機を有していることであって、
その場合にインバータは、タイムディスクリート（zeitdiskrete）な制御構造を有しており、それが、電動機のステータ電流を、モータに印加される電圧の操作によって制御し、
その場合に、モータの電流が、タイムディスクリートに検出され、
その場合に制御構造が、制御器を有しており、その実際値が、電流の第１の電流成分であり、
その場合に制御器の目標値設定の前段に、少なくとも１つの目標値制限器が接続されている。

その場合の利点は、目標値制限器が、インバータの操作限界、従ってたとえば、中間回路電圧によってもたらされる電圧操作限界を上回らないように、形成可能なことである。さらに、目標値制限器は、フィードバックに伴って実質的に振動が生じないように、形成することができる。さらに、それにもかかわらず、目標値変化の可及的速やかな訂正が可能であって、従って電気的な駆動装置の制御特性が改良される。特に、制御構造は、正確に１つのタイムステップ、従ってタイムラスター（zeitraster）後に、実際値が、本来の制御器に印加される目標値に達するように形成することができ、この目標値は、目標値制限器から出力される。

好ましい形態において、制御器の目標値設定と目標値制限の出力値との間に、特に１つのタイムステップのみを遅延させるために、時間的な遅延素子が配置されている。その場合の利点は、制御器の他にプレコントロールを設けることができ、そのプレコントロールが実質的に目標値の変化を補正する。従って、制御器は、重要でない偏差のみを補正すれば済む。

好ましい形態において、制御器に、プレコントロールが対応づけられており、それが、制御器の出力値に、目標値設定の時間的な変化に比例する変量を加算する。その場合の利点は、実質的に積分する挙動を有する制御対象が、プレコントロールによってすでに良好に支配可能であるので、制御器は、偏差と外乱のみを補償すれば済むことである。

好ましい形態において、目標値制限は入力量として、少なくとも遅延されない目標値、時間的に遅延された目標値および制御器の出力値を必要とする。その場合の利点は、目標値制限が、インバータの操作限界が考慮可能であり、かつ同様に、モータを含む制御対象の伝達関数の少なくとも実質的な部分が考慮可能であるように、実施できることである。

好ましい形態において、制御器は、特に、制御対象内に配置されているモータに適合された、デッド−ビート−制御器である。その場合の利点は、制御入力における実際値が、唯一のタムステップ、従ってタイムラスター内ですでに、印加される目標値に達することができることである。

好ましい形態において、制御器は、特にプレコントロールを有する、Ｐ−制御器、ＰＩ−制御器またはＰＩＤ−制御器のような、線形の制御器である。その場合の利点は、煩雑でない、単純な制御器構造を使用できることである。

好ましい形態において、検出された電流から、座標系内で電流成分が定められる。その場合の利点は、適合された座標系、特に共に回転する座標系が使用可能であるので、制御の手間が少ないことである。

好ましい形態において、インバータは、各電流成分のために制御構造を有しており、その制御構造は、第１の電流成分のための制御構造に等しい。その場合の利点は、すべての電流成分内で過渡振動が回避できることである。

好ましい形態において、プレコントロールは、デッド−ビート−制御として形成されており、従って制御対象内に配置されているモータは、逆の挙動を有しており、特にその場合にインバータの操作限界は、考慮されない。その場合の利点は、プレコントロールは、それが１つのタイムステップ内ですでに、目標値変量からの実際変量の実質的な偏差を消滅させることができるように、設けることができることである。

好ましい形態において、目標値制限器ＳＢは目標値を、電圧操作限界を超えないように、制限し、特にその場合にこれは、付加的なフィードバックによる制御回路の不安定性のような、他の欠点が生じないように、行われる。その場合の利点は、振動挙動が発生せず、それにもかかわらず目標値が可及的速やかに、かつ過渡振動なしで達成可能なことである。

好ましい形態において、目標値制限器は、出力量、従って制限された目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌが、制限されない目標値の方向に推移する場合にのみ、目標値に制限がもたらされるように、設けられている。その場合の利点は、フィードバックとそれに伴って振動挙動も抑圧されることである。

好ましい形態において、インバータの操作量Ｕと操作限界Ｕ＿ｍａｘおよびＵ＿ｍｉｎとの間の差が定められ、ファクター１／Ｋで乗算されて、時間的に遅延された、従って時間的に前の目標値Ｉ＿ＳｏｌｌＺ１に加算され、その場合にこの合計が、最大値ないし最小値（ｍａｘ、ｍｉｎ）として、時間的に遅延されない目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌに作用する制限値として、制限器５０へ供給される。その場合の利点は、目標値が可及的速やかに、かつ過渡振動なしで達成できることである。

好ましい形態において、制限器は、遅延素子を有しており、その遅延素子がその出力値を少なくとも１つのタイムステップ、従ってタイムラスターだけ遅延させて、制限器の内部で変量を定めるために使用する。その場合の利点は、フィードバックと振動挙動が抑圧可能なことである。

好ましい形態において、制限器は、フィードバックを抑圧するための手段を有している。その場合の利点は、振動挙動が減少されることである。

好ましい形態において、制限器は、入力値として最大値と最小値（ｍａｘ、ｍｉｎ）および時間的に遅延されない目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌを有しており、
その場合に、ｍａｘとｉｎｐｕｔから小さい方の値が定められ、それが制限器の時間的に遅延された出力値と比較され、そのうちの大きい方の値が、ｉｎｐｕｔに作用する制限素子の上限として有効になり、
その場合に、ｍｉｎとｉｎｐｕｔから大きい方の値が定められ、それが制限器の時間的に遅延された出力値と比較されて、そのうちの小さい方の値が、ｉｎｐｕｔに作用する制限素子の下限として有効になる。その場合の利点は、制限値が制御出力量に依存しており、従って過渡振動が防止可能なことである。

好ましい形態において、
制限器５０の上限は、ｉ_sollmax,n＝ｉ_soll,n-1＋１／Ｋｖ・（Ｕ_max−ｕ_r,n）であり、
その場合にｎはタイムステップを数値化しており、（Ｕ_max）は電圧操作限界であり、（ｕ_r,n）は、制御出力量Ｕの値であり、ｋは、プレコントロールＶと同一の値を有している。その場合の利点は、Ｋのような、制御対象のパラメータと操作限界Ｕ＿ｍａｘが、過渡振動が抑圧されるように考慮できることである。

方法における本発明の重要な特徴は、方法が、インバータにより給電される電動機におけるモータ電流を制御するために設けられており、
その場合に方法は、タイムディスクリートに実施されて、モータのステータ電流がタイムディスクリートに検出され、
その場合に電動機のステータ電流が制御され、
その場合に、電流の第１の電流成分の実際値が、目標値設定へ向かって制御され、
その場合に目標値設定が、目標値制限器の出力であり、
その場合に、制御器の操作量は、モータに印加される電圧である。

その場合の利点は、目標値制限器が、制御対象および操作限界と関連するパラメータを有するように、形成可能なことである。従って、過渡振動が防止可能である。

他の利点が、下位請求項から明らかにされる。

図面を用いて、本発明を詳細に説明する。

制御器構造の図式的な表示である。 目標値制限器の詳細な実施例を示している。 制限器を詳細に示している。 変量の値の推移を示している。

図１には、制御機構造の本発明に基づく図式的な表示が示されている。その場合に、電気的な機械、たとえば電動機Ｍにおいて、電流実際値Ｉ＿Ｉｓｔが検出される。この検出は、電流検出ＳＡによってタイムディスクリートに、従ってタイムディスクリートな制御器の各タイムステップで１回行われる。

機械が三相の給電を有する場合に、機械の電流は多次元の変量であるので、電流はベクトルとして示される。

このベクトルは、フラックス座標系、ロータ座標系などのような、座標系内で表示することができる。

その場合に、図の電流値Ｉ＿Ｉｓｔは、この座標系内の電流成分である。

複数の電流成分の場合には、これら電流成分の各々のために、図１に示す制御構造を適用することができる。しかし、どのような場合にも、Ｉ＿Ｉｓｔとして、トルク形成する電流成分に対して、図１に示す制御器構造が使用される。

目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌと実際値Ｉ＿Ｉｓｔは、電流制御器へ供給され、その電流制御器が制御偏差に従って操作量を変化させる。この場合において、上述した操作量は、好ましくは電圧Ｕ、従ってモータＭの給電の電圧ベクトルの大きさである。

本発明において重要なことは、制御器ＳＲに対する目標値が、時間的に遅延されて制御器へ供給されることである。これにより、新しい時点ですでに新しい目標値がわかるため、制御機構造が新しい目標値に時間的に同期して、プレコントロールＶにより制御器ＳＲの出力量を所望に調節することを可能にする。その場合、モータＭを含む制御対象の物理的な法則に従って、検出された電流成分実際値Ｉ＿Ｉｓｔが変化し、それが制御器ＳＲに実際値として供給される。従ってタイムディスクリートな制御構造においては、制御器ＳＲの実際値と目標値の同じタイムステップ内における同期が達成される。

本発明において、特に好ましくは、モータが重要な特性として、いずれの場合にもインダクタンスを有しているので、制御対象は、おおよその近似において、積分素子と見なすことができる。図１によれば、プレコントロールＶに、時間的に遅延された目標値設定と時間的に遅延されない目標値設定の間の差、従って目標値設定の変化、が供給される。従って比例係数Ｋｖが正しく調節されている場合には、制御対象の積分する挙動が、直接模擬される。その場合に制御器ＳＲは、さらに、小さい偏差と外乱量のみを補正すれば済む。

従って、一般化して説明すると、本発明に基づく制御構造は、制御器を有しており、その目標値設定が時間的に遅延されて有効になり、その場合に制御器に、時間的に遅延なしで有効な、デッド−ビート−プリコントロールが並列に接続されている。

操作量Ｕが、操作限界下にあることも、本発明において重要である。というのは、モータに給電するインバータ内では、任意の高さの電圧は、形成できないからである。それにもかかわらず、本発明においては、電流値の過渡振動が回避可能であり、従って電流限界に到達すること、およびそれによって引き起こされる非常オフの発生および誤動作の報知も、回避可能である。

本来の制御器ＳＲは、遅延された目標値設定のみを伝達されて、それをすでに少なくとも１つのタイムステップだけ新しい実際値変量と比較する。

本発明において重要なことは、予め定められた目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌが処理されて、この処理の結果が初めて制御器へ供給されることである。その場合に、目標値制限器ＳＢが使用される。

この目標値制限器ＳＢは、操作量の操作限界を越えることを防止する。その場合に目標値は、電圧操作限界ＳＧを上回らないように、制限され、その場合にこれは、付加的なフィードバックによる制御回路の不安定性のような、他の欠点が生じないように行われる。

その場合に、目標値制限器ＳＢは、入力量として制御器の出力電圧Ｕ、遅延されない本来の目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌおよび時間的に遅延された、従って時間的に時間的に前の目標値Ｉ＿ＳｏｌｌＺ１を使用する。

その場合に、目標値制限器は、出力量、従って制限された目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌが、制限されない電流値の方向に推移する場合にのみ、目標値に制限するように作用する。目標値制限器ＳＢの出力量は、Ｉ＿ＳｏｌｌＬｉｍと称される。

図２は、目標値制限器の詳細な実施例を示しており、その場合に図３には、制限器５０の実施例が示されている。

図２は、インバータの操作量Ｕと操作限界Ｕ＿ｍａｘおよびＵ＿ｍｉｎの差が定められ、ファクター１／Ｋで乗算されて、時間的に遅延された、従って時間的に前の目標値Ｉ＿ＳｏｌｌＺ１に加算されることを示している。結果が、最大ないし最小の値（ｍａｘ、ｍｉｎ）として、制限器５０へ供給される。さらに、制限器５０には、時間的に遅延されない目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌも、入力量ｉｎｐｕｔとして供給される。

従って、図２は、関係
ｉ_sollmax,n＝ｉ_soll,n-1＋１／Ｋ_v・（Ｕ_max−ｕ_r,n）
を考慮しており、その場合にｎはタイムステップを数値化し、（Ｕ_max）は電圧操作限界、（ｕ_r,n）は制御出力量Ｕの値であり、ＫはプレコントロールＶにおけるのと同じ値を有している。下方の限界について、同様な関係が成立する。

制限器５０が、図３に詳細に示されている。

ｉｎｐｕｔとｍａｘから、より小さい値が定められる。その後、この値と制限器５０の時間的に遅延された出力値から、より大きい値が定められる。その後、この値が上方の限界値として有効になる。

同様に、ｉｎｐｕｔとｍｉｎから、より大きい値が定められる。その後、この値と制限器５０の時間的に遅延された出力値から、より小さい値が定められる。その後、この値が、下方の限界値として有効になる。

その場合に、制限素子６１内で、ｉｎｐｕｔが、先に求められた上方の限界ｕｐと下方の限界ｌｏの間の値に制限される。即ち、制限素子６１は、ｉｎｐｕｔから入力された値がｕｐよりも大きい場合には、その値をｕｐに変更して出力し、入力された値がｌｏよりも小さい場合には、その値をｌｏに変更して出力し、入力された値がｌｏとｕｐの間の値である場合には、その値をそのまま出力する。

図２の制限器５０として、ｉｎｐｕｔを極値ｍａｘとｍｉｎに制限する、既知の一般的な制限素子も、使用することができる。しかしこの場合においては、場合により、固有のフィードバックによる制御構造の振動挙動が発生する可能性がある。従って、制限器５０を図３に示すように形成すると、効果的である。しかし、他の振動抑圧措置も、実施することができる。

図４には、変量の値の推移の例が示されており、その場合に、ガイド量の飛躍において、目標値制限が有効になる。制限された目標値は、正確に、実際値が１つのタイムステップ後にこの目標値に達するように推移する。それによって、制御器ＳＲの制御偏差は、全トラッキングの間ゼロであり、制御器ＳＲの積分器は、その値を変化させない。従って、実際値の過渡振動が、防止される。

本発明に基づく好ましい実施例において、時間的な遅延は、タイムディスクリートな制御構造の正確に１つのタイムステップとして、実施される。

制御器は、好ましくはタイムディスクリートなデッド−ビート−制御器として形成することができる。その場合に制御器は、１つのタイムステップ内ですでに、制御偏差を補正することができるように、形成されている。これは、少なくとも、制御器がＺ変換された形式１／（ｚ＊Ｇ（ｚ））の伝達構造を有し、その場合にＧが制御対象の伝達関数である場合に、得られる。

Ｉ＿Ｓｏｌｌ 目標値
Ｉ＿Ｉｓｔ 実際値
Ｉ＿Ｓｏｌｌ Ｌｉｍ 目標値制限器ＳＢの出力量
Ｕ 操作量としての電圧
ＳＲ 電流制御器
ＳＡ 電流検出
Ｖ プレコントロール
Ｒ 制御器
Ｍ モータ
ＳＧ 電圧操作限界
ＳＢ 目標値制限器
５０ 制限器
６１ 制限素子

Claims (12)

1. 駆動装置であって、
   モータを含む制御対象と、
   この制御対象に給電するインバータと、を有し、
   前記インバータは、前記モータに印加される電圧を操作することにより、前記モータのステータに流れる電流を制御する、離散時間制御を行う制御構造を有し、
   前記制御構造は制御器を有し、この制御器には、離散時間的に検出された電流の第１の電流成分及び目標値が入力され、
   さらに、前記制御器の前段に配置され、前記制御器に入力される目標値を制限する目標値制限器と、
   この目標値制限器の出力と前記制御器の目標値の入力との間に接続され、前記離散時間制御の１タイムステップ遅延させる遅延器と、
   プレコントロールと、を有し、
   前記目標値制限器は、少なくとも遅延されない目標値、時間的に遅延された目標値、および前記制御器の出力値に基づいて、電圧操作限界を超えないように目標値を制限し、
   前記プレコントロールは前記制御器の出力値に、制限された目標値の時間的な変化に比例する変量を加算することを特徴とする、駆動装置。
2. 前記制御器が、前記制御対象に含まれたモータに適合された、デッド−ビート−制御器であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記制御器が、Ｐ−制御器、ＰＩ−制御器またはＰＩＤ−制御器のような線形の制御器であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記第１の電流成分は、検出された電流から、所定の座標系に対して定められることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の駆動装置。
5. 前記インバータが、さらに、前記第１の電流成分用の制御構造と等しい、各電流成分用の制御構造を有していることを特徴とする請求項１から４の少なくとも１項に記載の駆動装置。
6. 前記目標値制限器が遅延されない目標値を、電圧操作限界を超えないように制限することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の駆動装置。
7. 前記目標値制限器は、電圧操作限界を超えないように、遅延されない目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌが、所定の範囲を超えた場合にのみ、目標値への制限をもたらすように形成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の駆動装置。
8. 前記インバータの操作量Ｕと操作限界Ｕ＿ｍａｘの間の差に、前記プレコントロールにおける比例係数の逆数１／Ｋが乗算され、時間的に遅延された前の目標値Ｉ＿ＳｏｌｌＺ１が加算された合計が最大値（ｍａｘ）として、前記操作量Ｕと操作限界Ｕ＿ｍｉｎの間の差に係数１／Ｋが乗算され、時間的に遅延された前の目標値Ｉ＿ＳｏｌｌＺ１が加算された値が最小値（ｍｉｎ）として、前記目標値制限器に内蔵された制限器５０へ、時間的に遅延されない目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌに対する制限値として供給されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の駆動装置。
9. 前記制限器５０が、遅延素子を有しており、前記遅延素子が前記制限器５０の出力値を少なくとも１つのタイムステップだけ遅延させて、前記制限器５０の内部で変量決定のために使用されることを特徴とする請求項８記載の駆動装置。
10. 前記制限器５０が、遅延素子を有していることを特徴とする請求項９記載の駆動装置。
11. 前記制限器５０が、入力値として前記最大値と最小値（ｍａｘ、ｍｉｎ）および時間的に遅延されない目標値Ｉ＿Ｓｏｌｌであるｉｎｐｕｔを有しており、
    前記ｍａｘと前記ｉｎｐｕｔから、より小さい値が定められ、それが、前記制限器５０の時間的に遅延された出力値と比較されて、そのうちの大きい方の値が、制限素子６１の上限として前記ｉｎｐｕｔを制限し、
    前記ｍｉｎと前記ｉｎｐｕｔから、より大きい値が定められ、それが、前記制限器５０の時間的に遅延された出力値と比較されて、その内の小さい方の値が、制限素子６１の下限として前記ｉｎｐｕｔを制限することを特徴とする請求項１０記載の駆動装置。
12. インバータがモータに印加する電圧を操作することにより、モータ電流を制御する方法であって、
    前記制御は離散時間制御で実現されて、前記モータのステータ電流が離散時間的に検出され、制御器によりモータのステータ電流が制御される、
    前記方法において、
    検出された電流の第１の電流成分が、目標値と一致するように制御され、
    前記目標値は、目標値制限器の出力を、前記離散時間制御の１タイムステップ遅延させたものであり、前記目標値制限器は、少なくとも遅延されない目標値、時間的に遅延された目標値、および前記制御器の出力値に基づいて、電圧操作限界を超えないように目標値を制限し、
    プレコントロールとして、前記制御器の出力値に、制限された目標値の時間的な変化に比例する変量が加算されることを特徴とする、モータ電流を制御する方法。

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