JP5744169B2

JP5744169B2 - 電気駆動機の出力トルクを求める方法及び装置

Info

Publication number: JP5744169B2
Application number: JP2013500437A
Authority: JP
Inventors: フォルマーウルリヒ; キューンティモ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102870321A; CN102870321B; WO2011117139A3; WO2011117139A2; DE102010003094A1; JP2013523077A; EP2550731A2

Description

本発明は、独立請求項１の上位概念に属する電気駆動機の出力トルクを求める方法と、独立請求項８の上位概念に属する電気駆動機の出力トルクを求める相応する装置と、電気駆動機の出力トルクを求める方法を実行するためのプログラムコードを備えたコンピュータプログラム製品とに関する。

電動機の駆動技術では、多くの場合、電動機の出力トルクを推定するために、モータ消費電流が測定される。この情報は制御目的（ベクトル制御）又は安全機能のために利用することができる。電流と理想的な出力トルクとの間の関係は電動機の理想的なモータモデルから求めることができる。ただし、電動機はさらに、例えば軸受摩擦、コギングトルク等のような、電動機の出力トルクを変化させかねない他のトルクを有している。従って、電動機の実際の出力トルクはもはや電動機の理想的な出力トルクと一致せず、測定された電流と電動機の実際の出力トルクとの間には直接の関係は存在しない。

発明の概要
これに対して、独立請求項１の特徴を備えた、電気駆動機の出力トルクを求める本発明による方法は、求められた外乱トルクから補正電流を計算し、測定された電流と補正電流とから、電気駆動機の理想的な出力トルクを表す補正済み電流を求め、出力するという利点を有している。

これに対して、独立請求項８の特徴を備えた、電気駆動機の出力トルクを求める本発明による装置は、求められた外乱トルクから補正電流を計算する計算ユニットを有しており、測定された電流と補正電流とから、電気駆動機の理想的な出力トルクを表す補正済み電流を求め、出力することができるという利点を有している。

本発明の実施形態によれば、測定された電流測定値は外乱トルクに相応する量だけ補正される。補正された電流測定の結果、理想的なモータモデルを使用して、例えば同期機、非同期機、直流モータ等として実現された電気駆動機の実際の出力トルクを推定することが可能になる。従って、有利なことに、実際の出力トルクを推定するために電流測定の結果を参照する後続のサブシステムは、より高い品質で動作することができる。各システムに合わせて補正された電流測定を行う本発明の実施形態によれば、後続のサブシステムは補正された値で標準的方法によって動作することができる。この利点は、とりわけ、サブシステムである「電動機」と「電流測定」の所産に対して権限があり、インタフェース「電流測定」において権限が終了する場合に効果を発揮する。実際の出力トルクを推定するために「電流測定」の情報を参照する後続のサブシステムは、例えば電気駆動機のトルク制御及び／又は回転数制御、又は走行安全性機能である。

実際の電気駆動機は、理想的な出力トルクに外乱トルクが重畳しているという点で、理想的な電気駆動機とは異なる。理想的な出力トルクは電動機方程式から求められる。外乱トルクは実質的に例えば摩擦やコギングトルクに関係する機械的条件から求められる。これらの影響量はふつう不所望であるから、外乱量に分類される。外乱トルクは予め測定又はシミュレーションを介して求めることができ、適切な形で信号処理のために記憶しておくことができる。最後に、実際の出力トルクは理想的な出力トルクと外乱トルクの和から得られる。

理想的な電気駆動機を考察する場合、理想的な出力トルクは、対応するモータ方程式によって、測定された電流から計算することができる。この場合、モータ方程式は使用される電気駆動機の種類に依存する。本発明による電流補正の目的は、理想的なモータモデルを使用して実際の出力トルクを直接求めることができるように、補正済み電流を決定することにある。本発明によれば、この目的のために、求められた外乱トルクに基づいて補正電流が決定される。最も単純な形態では、補正電流は理想的なモータモデルの逆トルク方程式から得られる。外乱トルクは、各電気駆動機ないし電動機または各モータ種について測定により求めることができ、信号処理のために適切な形でシステムに記憶しておくことができる。その結果、補正電流に関して、外乱トルクに依存した具体的な変換式が得られる。

本発明の実施形態は基本的に、電動機の電流測定を拡張したものとして使用することができる。可能な使用形態としては、例えば電気的に支援される操舵システムを挙げることができる。

従属請求項に記載されている手段及び発展形態によれば、独立請求項１に示されている電気駆動機の出力トルクを求める方法と、独立請求項８に示されている電気駆動機の出力トルクを求める装置の有利な改善が可能である。

特に有利には、外乱トルクの影響係数は補正電流を計算するために考慮される少なくとも１つの外乱トルク特性マップの入力量として供給される。外乱トルクには例えば、回転数及び／又は回転角度に影響される摩擦トルク及び／又はコギングトルクが含まれる。さらには、少なくとも１つの外乱トルク特性マップを相応の測定及び／又はシミュレーションを介して前もって求め、記憶しておいてもよい。それゆえ、外乱トルクは摩擦に関して特に電気駆動機の回転数に依存する。コギングトルクに関しては、外乱トルクは特に電気駆動機の回転角度に依存する。外乱トルク特性マップを作成し記憶することによって、有利には補正電流及び補正電流に連動する補正済み電流の迅速かつ確実な算出が可能になる。なお、上記補正済み電流は電気駆動機の実際の出力トルクを表すものである。

本発明による方法の１つの有利な実施形態では、電気駆動機の理想的な出力トルクは、測定された電流に基づき、対応する理想的なモータモデルのモータ方程式によって計算される。また、電気駆動機の実際の出力トルクは、補正済み電流に基づき、対応する理想的なモータモデルのモータ方程式を用いて計算される。

本発明による方法の別の有利な実施形態では、電気駆動機の実際の出力トルクを表す補正済み電流は、電気駆動機のトルク制御及び／又は回転数制御のための、及び／又は走行安全性機能のための入力量として使用される。有利なことに、補正済み電流を使用することによって、補正済み電流を入力量として使用する後続のサブシステムの品質が著しく改善される。

本発明による装置の１つの有利な実施形態では、外乱トルクの影響係数を入力量として有する少なくとも１つの外乱トルク特性マップが、計算ユニットと結合した特性マップメモリに記憶されている。ここで、計算ユニットは、電気駆動機の現在の回転数及び／又は現在の回転角度に依存して、補正電流を計算するための相応する外乱トルク特性マップを求めるものである。

本発明の実施形態は、回路、装置、方法、プログラムコード手段を有するデータ処理プログラム及び／又はコンピュータプログラム製品として実現することができる。それに相応して、本発明の実施形態は、完全にハードウェアとして、及び／又は、ソフトウェアとして、及び／又は、ハードウェア要素及び／又はソフトウェア要素の組合せとして実現することができる。さらに、本発明はコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ可読記憶媒体上に記憶されたコンピュータプログラム製品としても実現できる。この場合、ハードディスク、ＣＤＲＯＭ、光学式または磁気式メモリ素子等のような様々なコンピュータ可読記憶媒体を利用してよい。

本発明の実施例を図面に示し、以下の説明においてより詳細に解説する。

実際の電気駆動機の概略的なブロック図を示す。本発明による装置の１実施例により、理想化された電気駆動機の概略的なブロック図を示す。

発明の実施形態
図１から明らかなように、理想的な電気駆動機１０の理想的な出力トルクＭ_idealには外乱トルクＭ_stoerが重畳しているという点で、実際の電気駆動機２０は理想的な電気駆動機１０とは異なっている。理想的な電気駆動機１０の理想的な出力トルクＭ_idealは、供給された入力量Ｕ、Ｐｈｉに依存して、実際の電気駆動機２０の構造に依存する相応の電動機方程式から求められる。外乱トルクＭ_stoerは、主として例えば摩擦及び／又はコギングトルクのような機械的条件から求められる。これらの影響量は一般に不所望であるから、外乱量に分類される。最後に、実際の電気駆動機２０の実際の出力トルクＭ_realは式（１）から求められる。
Ｍ_real＝Ｍ_ideal＋Ｍ_stoer （１）
理想的な電気駆動機１０の場合、理想的な出力トルクＭ_idealは式（２）のモータ方程式によって電流Ｉから計算される。
Ｍ_ideal＝ｆ_Motor,ideal（Ｉ）（２）
モータ方程式はモータ種に依存する。したがって、ここではモータ方程式は一般的に「ｆ_Motor,ideal」で表されている。式（２）に示された関係に基づき、電動機の駆動技術では、モータの出力トルクを推定するために、多くの場合、消費電流Ｉが測定される。この情報は制御目的（ベクトル制御）又は安全機能のために利用することができる。電流Ｉと理想的な出力トルクＭ_idealとの間の関係は理想的なモータモデルから求めることができる。ただし、実際のモータ２０は、上で既に述べたように、理想的な電気駆動機１０の理想的な出力トルクＭ_idealを変化させるさらに別のトルクも有する。それゆえ、実際の電気駆動機２０の実際の出力トルクＭ_realはもはや理想的な電気駆動機１０の理想的な出力トルクＭ_idealと一致しない。したがって、測定された電流Ｉと実際の出力トルクＭ_realとの間に直接の関係は存在しない。

それゆえ、本発明によれば、図２から明らかなように、求められた外乱トルクＭ_stoerから補正電流Ｉ_korrが計算される。そして、測定された電流Ｉと補正電流Ｉ_korrとから、実際の電気駆動機２０の実際の出力トルクＭ_realを表す補正済み電流Ｉ^*が求められ、出力される。本発明の実施形態は、測定された電流測定値Ｉを外乱トルクＭ_stoerに相当する値だけ補正する。補正済みの測定された電流Ｉ^*のおかげで、理想的なモータモデルを用いて実際の電気駆動機２０の実際の出力トルクＭ_realを推定することが可能であるから、図２に示されている理想化された電気駆動機３０が得られる。この理想化された電気駆動機３０は、実際の出力トルクＭ_realを用いて、実際の出力トルクＭ_realを表す補正済み電流Ｉ^*を出力する。したがって、実際の出力トルクＭ _realを推定するために補正済み電流Ｉ^*を考慮する後続のサブシステムは、より高い品質で動作することができる。

図２からさらに明らかなように、理想的な電気駆動機３０は実際の電気駆動機２０の出力トルクＭ _real を求めるための装置３２を含んでいる。本発明によれば、装置３２は、求められた外乱トルクＭ _stoer から補正電流Ｉ _korr を計算する計算ユニット３８を含んでいる。ここで、装置３２は測定された電流Ｉおよび計算された補正電流Ｉ _korr から補正済み電流Ｉ ^* を求め、この補正済み電流Ｉ ^* は実際の電気駆動機２０の実際の出力トルクＭ _real を表し、装置３２から出力される。
図２からさらに明らかなように、装置３２は補正電流Ｉ_korrを計算するための少なくとも１つの外乱トルク特性マップが記憶された特性マップメモリ３６を含んでいる。この少なくとも１つの外乱トルク特性マップは外乱トルクＭ_stoerの影響係数を入力量として有している。この外乱トルクＭ_stoerには例えば、実際の電気駆動機２０の回転数及び／又は回転角度に影響される摩擦トルク及び／又はコギングトルクが含まれている。前記少なくとも１つの外乱トルク特性マップは、例えば相応の測定及び／又はシミュレーションを介して予め求められ、特性曲線メモリ３６に記憶される。図示の実施例では、特性曲線メモリ３６は計算ユニット３８と結合されている。計算ユニット３８は、電気駆動機２０の現在の回転数及び／又は現在の回転角度に依存して、補正電流Ｉ_korrを計算するための相応する外乱トルク特性マップを求める。計算ユニット３８は計算された補正電流Ｉ_korrを加算器３４に供給し、加算器３４は、補正済み電流Ｉ^*を生成するために、測定された電流Ｉと補正電流Ｉ_korrを加算点３４．１において加算する。図示されていない代替的な実施形態では、電流Ｉの測定のために、加算器３４と加算点として実現された手段３４．１の機能を計算ユニット３８に組み込んでもよい。

電流補正の目的は、理想的なモータモデルを用いて実際の出力トルクＭ_realを式（３）に従って直接求めることができるように、補正された電流Ｉ^*にある値をとらせることにある。
Ｍ_real＝ｆ_Motor,ideal（Ｉ^*）（３）
式（１）により、式（３）から、式（３．１）〜（３．３）が得られる。
Ｍ_ideal＋Ｍ_stoer＝ｆ_Motor,ideal（Ｉ^*）（３．１）
ｆ_Motor,ideal ^-1（Ｍ_ideal＋Ｍ_stoer）＝Ｉ^* （３．２）
Ｉ^*＝ｆ_Motor,ideal ^-1（Ｍ_ideal＋Ｍ_stoer）（３．３）
多くの場合そうであるように、関数ｆ_Motor,idealが線形ならば、式（３）を式（４．１）へと、さらには式（４．２）へと変形することができる。
Ｉ^*＝ｆ_Motor,ideal ^-1（Ｍ_ideal）＋ｆ_Motor,ideal ^-1（Ｍ_stoer）（４．１）
Ｉ^*＝Ｉ＋ｆ_Motor,ideal ^-1（Ｍ_stoer）（４．２）
極まれには、近似解しか存在しない場合がある。関係式（５．１）又は（５．２）を参照せよ。小さな外乱トルクＭ_stoerに対しては、一般に非常に良い近似が成立する。

式（６．１）によれば、式（４．２）又は（５．２）から、測定された電流Ｉに対する補正電流Ｉ_korrが外乱トルクＭ_stoerから求められる。
Ｉ_korr＝ｆ_Motor,ideal ^-1（Ｍ_stoer）（６．１）
よって、補正済み電流Ｉ^*は式（６．２）から求まる。
Ｉ^*＝Ｉ＋Ｉ_korr （６．２）
実際に測定された電流Ｉの代わりに補正済み電流Ｉ^*使用すれば、理想的なモータの方程式を参照して、実際の出力トルクＭ_realを求めることができる。補正電流Ｉ_korrは理想的なモータの方程式（６．１）の逆トルク方程式から得られる。外乱トルクＭ_stoerは、各電動機または各モータ種について測定により求めることができ、信号処理のために適切な形でシステムに記憶しておくことができる。

別の考察では、永久磁石同期機を例として本方法が示される。同期機では、相電流はそれぞれｄ方向とｑ方向に成分を有するベクトル量として表すことができる。式（７）に同期機のトルク方程式を示す。

この式において、Ｚｐは極対数であり、

は永久磁石の磁束であり、Ｌ_d及びＬ_qはｄ方向及びｑ方向におけるインダクタンスであり、ｉ_d及びｉ_qはｄ方向及びｑ方向における電流である。

説明を簡単にするために、以下では、式（７）の括弧内の２番目の項は無視できると仮定する。というのも、多くの使用場面において、例えば回転数が低い場合、電流ｉ_dは値０を有する、すなわち、ｉ_d＝０だからであり、あるいは、対称的な実施形態の場合、両方のインダクタンスＬ _d 及びＬ _q は同じ量だからである。これにより、式（７）は式（７．１）に簡略化される。

この仮定は単に更なる処理を簡素化するためだけに用いられる。式（７．１）からは、式（７．２）によって表される逆関数を求めることができる。

ここでもまた、式（８）〜（８．３）を得るために、式（３）に関連して説明したのと同じ方法が適用される。

式（１）を代入することにより、式（８．１）〜（８．５）が得られる。

こうして、式（８．４）から明らかなように、補正電流ｉ _q,korrに対して、外乱トルクＭ_stoerに依存した具体的な変換式が得られる。既に述べたように、外乱トルクＭ_stoerは予め求められ、信号処理のために適切な形で記憶される。

コンピュータ可用又はコンピュータ可読媒体は、例えば、電子的、磁気的、光学的、電磁的な赤外線もしくは半導体システム、装置、又は処理媒体を包摂する。さらには、１つ又は複数の導線による電気的接続、携帯可能なコンピュータディスケット、ダイレクトアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、消去可能かつプログラマブルなリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）又はフラッシュメモリ、光導線、及び携帯可能なＣＤ−ＲＯＭも、コンピュータ可読媒体に含めてよい。それどころか、コンピュータ可用又はコンピュータ可読媒体は、プログラムが書き込まれた紙又は他の適切な媒体であって、例えば紙又は他の媒体を光学的にスキャンすることによって読み取られ、その後、コンパイル、インタープリット又は場合によっては他の方法で処理され、コンピュータメモリに記憶できるものであってもよい。

Claims

電気駆動機（２０）の出力トルク（Ｍ_real）を求める方法であって、
前記電気駆動機（２０）によって消費される電流（Ｉ）を測定し、
外乱トルク（Ｍ_stoer）から補正電流（Ｉ_korr）を計算し、
前記測定された電流（Ｉ）と前記補正電流（Ｉ_korr）から、前記電気駆動機（２０）の実際の出力トルク（Ｍ_real）を表す補正済み電流（Ｉ^*）を求め、出力する方法において、
少なくとも１つの外乱トルク特性マップが前記外乱トルク（Ｍ_stoer）の影響係数を入力量としておよび外乱トルク（Ｍ _stoer ）を出力量として有し、当該少なくとも１つの外乱トルク特性マップが前記補正電流（Ｉ_korr）を計算するために参照される、
ことを特徴とする方法。
前記外乱トルク（Ｍ_stoer）は、回転数及び／又は回転角度に影響される摩擦トルク及び／又はコギングトルクを含む、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの外乱トルク特性マップは相応の測定及び／又はシミュレーションを介して求められ、記憶される、請求項１又は２に記載の方法。
前記電気駆動機（２０）の理想的な出力トルク（Ｍ_ideal）を、前記測定された電流（Ｉ）に基づき、相応する理想的なモータモデルのモータ方程式により計算する、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
前記電気駆動機（２０）の実際の出力トルク（Ｍ_real）を、前記補正済み電流（Ｉ^*）に基づき、相応する理想的なモータモデルのモータ方程式を使用して計算する、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
前記電気駆動機（２０）の実際の出力トルク（Ｍ_real）を表す前記補正済み電流（Ｉ^*）を、前記電気駆動機（２０）のトルク制御及び／又は回転数制御及び／又は走行安全性機能のための入力量として使用する、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
電気駆動機（２０）の出力トルク（Ｍ_real）を求めるための装置であって、
前記装置（３２）は前記電気駆動機（２０）によって消費される電流（Ｉ）を測定する手段（３４．１）と、外乱トルク（Ｍ_stoer）から補正電流（Ｉ_korr）を計算する計算ユニット（３８）とを含み、
前記装置（３２）は、前記測定された電流（Ｉ）と前記補正電流（Ｉ_korr）から、前記電気駆動機（２０）の実際の出力トルク（Ｍ_real）を表す補正済み電流（Ｉ^*）を求め、出力する装置において、
前記外乱トルク（Ｍ_stoer）の影響係数を入力量としておよび前記外乱トルク（Ｍ _stoer ）を出力量として有する少なくとも１つの外乱トルク特性マップが、前記計算ユニット（３８）と結合した特性マップメモリ（３６）に記憶されており、
前記計算ユニット（３８）は、前記電気駆動機（２０）の現在の回転数及び／又は現在の回転角度に依存して、前記補正電流（Ｉ_korr）を計算するための相応する外乱トルク特性マップを求める、
ことを特徴とする、装置。
機械可読担体に記憶されたプログラムコードを有するコンピュータプログラムであって、前記プログラムを計算ユニット（３２）により実行した場合に、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法を実行するためのプログラムコードを有することを特徴とする、コンピュータプログラム。