JP5653450B2 - 同期機械を始動する方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載された方法を出発点とする。

例えば永久励磁型同期機械などの電気機械を制御する種々の方法が、例えばUS 2007/0170880 A1から公知である。電気機械の制御にはこの電気機械のロータ位置のできる限り正確な知識が必要であり、このロータ位置は、例えばデジタルセンサシステムを使用することによって求めることができる。

デジタルセンサシステムを使用する際に不利であるのは、静止状態においてロータのおおよその位置しか推測できないことである。回転数が極めて低い場合、２つのデジタルセンサ信号間の時間間隔に起因して、ロータ位置を十分に推測することができず、良好な電流閉ループ制御および回転トルク電流閉ループ制御を行うことができない。このことは殊に動的な加速過程の場合に当てはまることである。これにより、ロータ位置を求めるためにデジタルセンサシステムを快適かつ許容可能に使用することは、車両のホイールと電気機械との間にハイドロリックトルクコンバータまたはスリップクラッチを有するパワートレインの場合にだけ可能になることになってしまうのである。殊にホイールに対する電気機械の変速比が低いドライブトレインにおいて、今日存在する制御の問題は、トルクジャークおよびノイズ形成の形態で極めて知覚され得るのである。

発明の利点
請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する本発明の方法の利点は、この方法が、静止状態から同期機械を快適、スムーズかつ確実に始動するためのストラテジであり、ひいてはハイブリッド車両および電動車両において、ホイールに対して直接的なアクセスを有する適用例にデジタルセンサシステムの使用領域を拡張するのである。これは本発明により、設定回転トルクM＿V1をあらかじめ設定し、同期機械の回転数を始動後に適合させることによって達成され、ここでこの適合は、第１ステップにおいて上記の設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1を設定し、第２ステップにおいて回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1に減少させることによって行われる。第１方法ステップであらかじめ設定した比較的高い回転トルクM＿H1に起因して上記の回転数増大は最初のうちは迅速に行われてドライブトレインにおけるあそびないしは緩みが克服され、また変速機および駆動軸におけるパワートレインコンポーネントの弾性が可能な限り迅速に補償されて回転トルクがホイールに伝達される。殊に第２方法ステップにおいて比較的高いこの回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1に減少させることにより、パワートレインに力が加わっている間に機械的な振動が励起されないようにする。比較的高い回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1に減少させる間、上記のパワートレインには力が加わったままであり、これにより、回転トルクがホイールに伝達されて回転数は連続的に増大する。

請求項２に記載した特徴的構成を有する本発明の方法の利点は、この方法が、静止状態から同期機械を快適、スムーズかつ確実に始動するためのストラテジであり、ひいてはハイブリッド車両および電動車両において、ホイールに対する直接的なアクセスを有する適用例にデジタルセンサシステムの使用領域を拡張することである。これは本発明により、設定回転トルクM＿V1をあらかじめ設定し、同期機械の回転数を始動後に適合させることによって達成され、ここでこの適合は、第１ステップにおいて上記の設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1を設定し、第２ステップにおいて回転トルクM＿H1を、設定回転トルクM＿V1よりも小さい正の値M＿1Haに減少させ、第３ステップにおいて回転トルクM＿H1aを設定回転トルクM＿V1に増大させることによって行われる。第１方法ステップであらかじめ設定した比較的高い回転トルクM＿H1に起因し、上記の回転数増大は最初のうちは迅速に行われてドライブトレインにおけるあそびないしは緩みが克服され、また変速機および駆動軸におけるパワートレインコンポーネントの弾性が可能な限り迅速に補償されて回転トルクがホイールに伝達される。殊に第２方法ステップにおいて上記の比較的高い回転トルクM＿H1を、設定回転トルクM＿V1よりも小さい値M＿H1aに減少させて、力が加わっている間にパワートレインに機械的な振動が励起されないようにする。第２方法ステップにおいて説明したように、上記の比較的高い回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1より小さい値M＿H1aに減少させる間、パワートレインに加わっている力は一時的に解除され、これによってホイールに回転トルクは伝達されず、また回転数が一定のままになる。第３のステップにおいて説明したように、回転トルクM＿H1aを設定回転トルクM＿V1に増大させることにより、パワートレインに加わっている力が増大することになり、これにより、再び回転トルクがホイールに伝達されて回転数が連続的に増大する。

従属請求項に記載した構成により、独立請求項に記載された方法の有利な発展形態が可能になる。

従属請求項に記載した同期機械を始動する上記の方法は、有利にも停止状態にある同期機械にも、閾値以下の回転数を有する同期機械にも適用することができ、ここでこの閾値は、各同期機械の極対数に依存する。

同期機械がすでに始動され、引き続いて制動される場合、同期機械の静止状態までこの制動過程を実行することができる。しかしながら静止状態に達する少し前にこの同期機械を新たに始動しなればならず、これによって静止状態に達しないことも考えられる。

ロータの位置は、静止状態において比較的低い精度でしかわからない。有利には不安定な領域における動作を回避するため、同期機械を始動する前にロータに所定の開始位置を設定する。したがって第１方法ステップを実行する前、ステータ電流を増大させて最大値にする。電流をこのように増大させることにより、ロータをステータ電流によって形成されるステータの磁場方向に向かせることができる。

独立請求項１および２に記載した最後の方法ステップを実行した後、回転数経過は有利にも設定回転トルクM＿V1に比例して増大する。それは、パワートレインは、上記の方法ステップにより十分に力が加わっており、ひいてはトルクジャークが発生することがないかまたは機械的な振動が励起され得ないからである。

同期機械を始動する前、任意の設定回転トルクをあらかじめ設定することができる。あらかじめ設定したこれらの設定回転トルクの各設定回転トルクに対し、第１方法ステップにおいて各設定回転トルクをよりも高い回転数で上記の同期機械を始動する。M＿V1が第１始動過程の設定回転トルクであるとした場合、第１方法ステップにおいて上記の同期機械をM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1で始動する。M＿V2が第２始動過程の設定回転トルクであるとした場合、第１方法ステップにおいて上記の同期機械をM＿V2よりも高い回転トルクM＿H2で始動する。M＿V1がM＿V2以上である場合、有利にはM＿H1はM＿H2以上である。したがって設定回転トルクM＿V2よりも高い設定回転トルクM＿V1が設定される場合、上記の始動過程に対して結果的に回転トルクがM＿H2になりかつ設定回転トルクM＿V2が比較的低い場合よりも、この始動過程は有利には比較的高い回転数M＿H1でまた結果的にパワートレインに比較的大きな力が加わった状態で行われる。M＿H2は、M＿H1以下であるため、M＿H2により、M＿H1の場合よりも小さい力がパワートレインに加わることになる。

独立請求項１および２に記載した方法ステップによって可能になるのは、例えばＥ軸、ＤＣＴ変速機またはオートマチックトランスミッションなどの場合のように、ハイブリッド車両駆動器およびＥ車両駆動器において、デジタルセンサシステムの使用領域をホイールへの直接的なアクセスを有する駆動器に拡張できることである。これにより、有利にも同期機械のロータの位置決定にデジタルセンサシステムを使用することができる。デジタルセンサシステムは、組み込みの自由度の高く、信頼性が高いことが実証されかつロバストなセンサシステムである。

図面
以下では、対応する図面に基づき、複数の実施例において本発明をより詳しく説明する。

同期機械システムの概略図である。 同期機械の第１始動変化形態を示すブロック図である。 同期機械の第２始動変化形態の別のブロック図である。 請求項１にしたがい、発生し得る回転トルク経過およびこれに対応する回転数経過を略示したグラフである。 請求項２にしたがい、発生し得る回転トルク経過およびこれに対応する回転数経過を略示したグラフである。 互いに異なる２つの回数トルク経過およびこれらに対応する回転数経過を略示したグラフである。

実施例の説明
図１には同期機械システム１００が略示されている。同期機械システム１００は、同期機械１０１と、これに属する制御装置１０４とからなる。図１に示した同期機械１０１は、静止コンポーネント（ステータ）１０２と回転コンポーネント（ロータ）１０３とを有する。制御装置１０４には外部から設定回転トルクM＿V1が供給される。ロータ位置を検出するため、デジタルセンサシステム１０５が使用される。

図２には本発明の第１実施例がブロック図で示されている。車両停止状態から出発して、同期機械のコントロールされた始動および安定した制御動作への移行が以下に説明する方法によって可能になる。ロータの位置は、静止状態において比較的低い精度でしかわからない。ロータを所定の出発位置に設定しかつ安定領域での動作を保証するため、ステータ電流をまず、選択した最大値にする。これによってロータは、このスタータ電流によって形成される磁場方向を向く。従来の信号評価からは、この段階では信頼性の高いロータ位置情報はわからない。一般的にデジタルセンサシステムは、約１００回転／分の回転数になってはじめて、ロータ位置を満足のいく精度で計算するのに十分な信号を供給し、慣用のベクトル制御式の回転トルク閉ループ制御動作に移行する。設定回転トルクM＿V1が設定されている場合、本発明では第１ステップ２０１において同期機械１０１を設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1で始動させる。比較的高いこの回転トルクM＿H1により、回転数は最初のうち一層迅速に増大し、これによってドライブトレインにおけるあそびないしは緩みを克服しかつ変速機および駆動軸におけるパワートレインコンポーネントの弾性を可能な限りに迅速に補償して回転トルクをホイールに伝達する。上記の比較的高い回転トルクM＿H1により、結果的に得られる回転数経過を設定して、パワートレインに力がかかった状態にある間に機械的な振動が励起されないようにする。引き続き、第２ステップ２０２において上記の比較的高い回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1に減少させる。

M＿V1以下の設定回転トルクM＿V2があらかじめ設定される場合、同期機械１０１は、第１ステップ２０１においてM＿H1以下の比較的高い回転トルクM＿H2で始動される。M＿V1とM＿V2とが等しい場合、M＿H1とM＿H2とは等しい。M＿V2がM＿V1より小さい場合、M＿H2はM＿H1よりも小さい。引き続き、第２ステップ２０２においてM＿H2を設定回転トルクM＿V2に減少させる。

図３には本発明の第２実施例がブロック図で示されている。以下に説明する方法により、車両停止状態から出発して、同期機械のコントロールされた始動および安定した制御動作への移行が可能になる。ロータの位置は、静止状態において比較的低い精度でしかわからない。ロータを所定の出発位置に設定しかつ安定領域での動作を保証するため、ステータ電流をまず、選択した最大値にする。これによってロータは、このスタータ電流によって形成される磁場方向を向く。従来の信号評価からは、この段階では信頼性の高いロータ位置情報はわからない。複数または例えば３つのホールセンサを使用する、位置検出装置としてのデジタルセンサは、一般的に約１００回転／分の回転数になってはじめて、ロータ位置を満足のいく精度で計算するのに十分な信号を供給して、慣用のベクトル制御式の回転トルク閉ループ制御動作に移行する。設定回転トルクM＿V1が設定されている場合、本発明では第１ステップ３０１において同期機械１０１を設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1で始動する。比較的高いこの回転トルクM＿H1により、回転数は最初のうち一層迅速に増大し、これによってドライブトレインにおけるあそびないしは緩みを克服しかつ変速機および駆動軸におけるパワートレインコンポーネントの弾性を可能な限りに迅速に補償して回転トルクをホイールに伝達する。比較的高いこの回転トルクM＿H1により、結果的に得られる回転数経過を設定して、パワートレインに力がかかった状態にある間に機械的な振動が励起されないようにする。第２ステップ３０２では比較的高いこの回転トルクM＿H1を、設定回転トルクM＿V1よりも小さい正の値M＿H1aに減少させる。引き続き、第３のステップ３０３ではこの回転トルクM＿H1aを設定回転トルクM＿V1に増大させる。

M＿V1以下の設定回転トルクM＿V2があらかじめ設定される場合、同期機械１０１は、第１ステップ３０１においてM＿V2以上の回転トルクM＿H2で始動され、ただしM＿H2は、M＿H１以下である。M＿V1とM＿V2とが等しい場合、M＿H1とM＿H2とは等しい。M＿V2がM＿V1より小さい場合、M＿H2はM＿H1よりも小さい。引き続き、第２ステップ３０２においてM＿H2は、設定回転トルクM＿V2よりも小さい正の値M＿H2aに減少される。最終的に第３のステップ３０３では回転トルクM＿H1aを設定回転トルクM＿V2に増大させる。

図４では上側のグラフに、考えられ得る回転トルク経過が請求項１にしたがって略示されており、ここで回転トルクＭは時間にｔについてプロットされている。図４の下側のグラフには、これに対応する回転数経過が示されており、ここでは回転数Ｎが時間ｔについてプロットされている。上記の同期機械の静止状態におけるロータの位置は、相対的な精度でしかわからないため、ステータ電流を時点t＿0の前にまず選択した最大値にし、これによって上記のステータ電流によって形成される磁場方向にロータを向かせる。設定回転トルクM＿V1が設定されている場合、本発明では第１ステップ２０１において設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1で同期機械１０１を始動させる。設定回転トルクM＿V1で始動させることになれば、下側のグラフにおいて破線によって示した曲線の線形の回転数経過が予想されることになる。本発明にしたがって設定回転トルクM＿V1よりも高くした回転トルクM＿H1により、回転数はまず迅速に増大され、時点t＿1までは非線形の経過を有する。このことは、図４の下側の線図において実線によって示されている。これにより、ドライブトレインにおけるあそびを迅速に克服し、また変速機および駆動軸におけるパワートレインコンポーネントの弾性を可能な限りに迅速に補償することができる。上記の回転数経過は、設定回転トルクM＿V1の大きさに依存する。引き続き、本発明にしたがい、第２ステップ２０２において時点t＿1までに上記の比較的高い回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1に減少させる。この比較的高い回転トルクM＿H1を設定回転トルクM＿V1に減少させることにより、結果的に得られる上記の回転数経過の傾きはつねに正である。時点t＿1の後、回転数は線形に増大する。ただし回転数経過の傾きは、線形の領域において目標トルクに比例する。実線の曲線の非線形の経過と、破線の曲線の線形の経過との間で、t＿0とt＿1との間の時間領域に囲まれた面積F＿１も同様に設定回転トルクM＿V1に比例し、またロータとホイールとの間のパワートレインの機械的なねじれ角に相応する。

図５の上側のグラフには、考えられ得る回転トルク経過が請求項２にしたがって略示されており、ここで回転トルクＭは時間にｔについてプロットされている。図５の下側のグラフには、これに対応する回転数経過が示されており、ここでは回転数Ｎが時間ｔについてプロットされている。上記の同期機械の静止状態におけるロータの位置は、相対的な精度でしかわからないため、ステータ電流は、時点t＿2の前にまず選択した最大値に設定され、これによってロータは、上記のステータ電流によって形成される磁場方向を向かされる。設定回転トルクM＿V1が設定されている場合、本発明では第１ステップ３０１において同期機械１０１を設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1で始動させる。設定回転トルクM＿V1で始動させることになれば、下側のグラフにおいて破線によって示した曲線の線形の回転数経過が予想されることになる。本発明にしたがって設定回転トルクM＿V1よりも高くした回転トルクM＿H1により、回転数はまず迅速に増大され、時点t＿3まで非線形の経過を有する。このことは、図５の下側の線図において実線によって示されている。これにより、ドライブトレインにおけるあそびを迅速に克服し、また変速機および駆動軸におけるパワートレインコンポーネントの弾性を可能な限りに迅速に補償することができる。上記の回転数経過は、設定回転トルクM＿V1の大きさに依存する。引き続き、本発明では、第２ステップ３０２において時点t＿3までに上記の比較的高い回転トルクM＿H1を、設定回転トルクM＿V1よりも小さい値M＿H1aに減少させる。この比較的高い回転数M＿H１を回転トルクM＿H1aに減少させることにより、結果的に得られる回転数経過の傾きはつねに正または０に等しいままであり、これにより、回転数はつねに増大するか一時的に一定に保たれる。本発明によれば、時点t＿2の後、回転トルクM＿H1aを時点t＿4まで設定回転トルクM＿V1に増大させる。

時点t＿4の後、回転数は線形に増大する。ただし回転数経過の傾きは、線形の領域において目標トルクに比例する。実線の曲線の非線形の経過と、破線の曲線の線形の経過との間で、t＿2とt＿4との間の時間領域に囲まれた面積F＿2も同様に設定回転トルクM＿V1に比例し、またロータとホイールとの間のパワートレインの機械的なねじれ角に相応する。

図６の上側のグラフには、考えられ得る２つの回転トルク経過が請求項２にしたがって略示されており、ここで回転トルクＭは時間にｔについてプロットされている。図６の下側のグラフには、これに対応する回転数経過が示されており、ここでは回転数Ｎが時間ｔについてプロットされている。設定回転トルクM＿V1が設定されている場合、本発明では第１ステップ３０１において同期機械１０１を設定回転トルクM＿V1よりも高い回転トルクM＿H1で始動させる。本発明にしたがって設定回転トルクM＿V1よりも高くした回転トルクM＿H1により、回転数はまず迅速に増大され、図６の下側のグラフにおいて実線によって示した経過を有する。M＿V1以下の設定回転トルクM＿V2があらかじめ設定される場合、本発明では第１ステップ３０１において、設定回転トルクM＿V2以上の回転トルクM＿H2で同期機械１０１を始動する。ただしM＿H2は、M＿H1以下である。本発明にしたがい設定回転トルクM＿V2よりも高くした回転トルクM＿H2により、回転数はまず迅速に増大され、図６の下側のグラフにおいて一点鎖線によって示した経過を有する。

実線の曲線の非線形の回転数経過と、その下に示した破線の曲線の線形の経過との間で、t＿5とt＿7との間の時間領域に囲まれた面積F＿3は、設定回転トルクM＿V1に比例し、またロータとホイールとの間のパワートレインの機械的なねじれ角に相応する。一点破線の曲線の非線形の回転数経過と、その下に示した破線の曲線の線形の経過との間で、t＿5とt＿7との間の時間領域に囲まれた面積F＿4は、設定回転トルクM＿V2に比例し、またロータとホイールとの間のパワートレインの機械的なねじれ角に相応する。M＿V1がM＿V2以上でありかつM＿H1がM＿H2以上である場合、面積F＿3は面積F＿4以上である。

Claims (6)

1. ステータ（１０２）およびロータ（１０３）を有する同期機械（１０１）を始動する方法であって、
   設定回転トルク（M＿V1）と、当該設定回転トルク（M＿V1）から得られる回転数経過とをあらかじめ設定し、
   前記同期機械（１０１）の回転数を始動後に前記設定回転トルク（M＿V1）に適合させ、
   前記同期機械（１０１）の前記ロータ（１０３）の位置決定にデジタルセンサシステムが使用される、
   方法において、
   − 第１ステップ（２０１）または（３０１）を実施する前に停止状態にある同期機械（１１０）のステータ電流を、選択した値に設定し、
   − 第１ステップ（２０１）において、前記設定回転トルク（M＿V1）よりも高い回転トルク（M＿H1）を設定し、
   − 第２ステップ（２０２）において前記回転トルク（M＿H1）を前記設定回転トルク（M＿V1）に減少させ、
   − 引き続き、慣用のベクトル制御式の回転数閉ループ制御動作に移行する、
   ことを特徴とする方法。
2. ステータ（１０２）およびロータ（１０３）を有する同期機械（１０１）を始動する方法であって、
   設定回転トルク（M＿V1）と、当該設定回転トルク（M＿V1）から得られる回転数経過とをあらかじめ設定し、
   前記同期機械（１０１）の回転数を始動後に前記設定回転トルク（M＿V1）に適合させ、
   前記同期機械（１０１）の前記ロータ（１０３）の位置決定にデジタルセンサシステムが使用される、
   方法において、
   − 第１ステップ（２０１）または（３０１）を実施する前に停止状態にある同期機械（１１０）のステータ電流を、選択した値に設定し、
   − 第１ステップ（３０１）において前記設定回転トルク（M＿V1）よりも高い回転トルク（M＿H1）を設定し、
   − 第２ステップ（３０２）において当該回転トルク（M＿H1）を、前記設定回転トルク（M＿V1）よりも小さい正の値（M＿H1a）に減少させ、
   − 第３ステップ（３０３）において当該回転トルク（M＿H1a）を前記設定回転トルク（M＿V1）に増大させ、
   − 引き続き、慣用のベクトル制御式の回転数閉ループ制御動作に移行する、
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   前記同期機械（１０１）は、前記第１ステップ（２０１，３０１）を実施する前、停止状態にあるかまたは閾値以下の回転数を有する、
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法において、
   最後のステップ（２０２，３０３）を行った後、前記回転数経過は、前記設定回転トルク（M＿V1）に比例して増大する、
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、
   任意の始動過程の前記回転トルク（M＿H1）および当該回転トルク（M＿H1）に対応する前記設定回転トルク（M＿V1）の他に、他の任意の始動過程の他の回転トルク（M＿H2）および当該他の回転トルク（M＿H2）に対応する他の設定回転トルク（M＿V2）を設定し、かつ、前記他の任意の始動過程の前記他の回転トルク（M＿H2）が、前記他の設定回転トルク（M＿V2）よりも高い場合に、
   前記設定回転トルク（M＿V1）は、前記他の設定回転トルク（M＿V2）以上であり、
   前記回転トルク（M＿H1）は、前記他の回転トルク（M＿H2）以上である、
   ことを特徴とする方法。
6. 同期機械（１０１）を動作させる制御装置（１０４）において、
   当該制御装置（１０４）により、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法ステップを実行する、
   ことを特徴とする制御装置（１０４）。

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