JP5813203B2 - 電子整流式電気機械に対する整流を適合化するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には電子整流式電気機械の駆動制御に関するものであり、殊に電気機械のロータにおいて形成される励磁場と、ステータコイルの整流によって形成されるモータ磁場との間の進み角の適合化に関する。

従来の技術
例えば同期機械または非同期機械のような電子整流式電気機械は、ステータおよびロータを有する。ステータは、モータ磁場を形成するのに使用される。ロータは、励磁磁場を形成するために永久磁石および／または短絡されたロータコイルを有する。

ステータは、複数のステータコイルを有しており、これらのステータコイルはそれぞれ、電気機械の１つまたは複数の相に対応付けられている。ステータコイルは、モータである電気機械を駆動するために適当に電流が流され、これによってモータ磁場が形成される。モータ磁場と励磁磁場との間の相互作用により、ロータに作用する駆動トルクが発生する。

個々のステータコイルの電流の通流は整流方式にしたがって行われ、この際には最大駆動トルクを形成するため、ステータコイルによって形成されるモータ磁場を励磁場の方向に進ませる必要がある。ロータは、ステータコイルに対して運動するため、ステータコイルに適当に電流を流すためにはロータの位置（ロータ位置）が既知であり、ひいては励磁場の方向が既知でなければならず、これによってモータ磁場が相応に進められて形成できるようにする。最大駆動トルクは、励磁場に対してモータ磁場を９０°（電気的なロータ位置、ロータの極数で割った機械的なロータ位置に等しい）進める場合に得ることができる。

したがって電子整流式電気機械では一般的に、ロータ位置を検出するための内部位置センサが設けられる。この場合にはこの位置センサによって検出したロータ位置に依存して、相応するステータコイルに通流パターンを加えることができる。一般的には上記の内部位置センサは、整流を行うため、この内部位置センサが十分な位置分解能を供給するように設計される。

アクチュエータに対して電子整流式電気機械を使用する際にはロータ位置を検出するコストを低減するために、内部位置センサを省略して、電気機械によって駆動されるアクチュエータの位置だけを検出することが可能である。アクチュエータの位置を検出するためのいわゆる外部位置センサを使用することにより、電気機械に対するコストも、電気機械と制御装置との間をケーブル接続するためのコストも共に低減されるため、１つの利点になる。しかしながらこのアクチュエータは、減速ギアを介して電気機械に接続されることが多いため、アクチュエータの位置からロータ位置を推定することは、この減速に起因して、また不可避なあそびに起因して不正確にしかできないのである。内部位置センサを使用した場合であってもコスト的な理由から目的に適うのは、位置センサの分解能の精度を制限することである。

アクチュエータの位置からロータ位置を求める際の不正確さにより、結果的に上記の進みを９０°の最適な進み角に調整できないことになる。したがって電子整流式電気機械を動作させるために外部位置センサを使用することは、この電気機械を最大の回転トルクで動作させることができないという欠点を有することになるのである。

したがって本発明の課題は、ロータ位置についての情報の精度が制限されている電子整流式電気機械を一層良好に整流することである。

発明の開示
この課題は、請求項１に記載された電子整流式電気機械の整流を適合化する方法により、ならびに別の独立請求項に記載された装置およびモータシステムによって解決される。

別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

第１の態様によれば、電子整流式電気機械を有するアクチュエータシステムにおいて、復元力を及ぼすアクチュエータの位置を制御するための方法が得られる。この方法には以下のステップが含まれている。すなわち、
− あらかじめ設定した目標位置データおよび実際位置データに依存してアクチュエータの位置制御を行うステップが含まれており、このステップでは位置制御により、空間ベクトルに対応する調整量が供給され、この空間ベクトルにより、電気機械のステータ装置が駆動制御可能であり、
上記の方法にはさらに、
− 空間ベクトルの位相角を補正するために空間ベクトルに補正量を適用するステップと、
− 補助信号を供給するステップと、
− 調整量によって決定される空間ベクトルの位相角を補助信号によって変化させるステップと、
− 量を積分値に積分するステップとを有しており、積分すべきこの量は、空間ベクトルの位相角の上記の変化に応じて得られた位置制御の調整量と、補助信号とに依存し、
積分値から補正量（ＰＯ）を導出する。

上記の方法のアイデアは、アクチュエータを所定の位置に設定しようとするアクチュエータシステムにおいて、ステータコイルを駆動制御するための適切な整流パターンを形成するためには位置分解能が低すぎる位置センサを使用する場合であっても、励磁場に対するモータ磁場の進みが、できるだけ９０°に適合化されるようにアクチュエータシステムの電気機械を駆動制御できるようにすることにある。これは、補正量を用い、アクチュエータの位置を設定するために位置制御から得られる調整量を目標位置に補正することによって行われる。この補正は、位置制御閉ループの調整量を位相オフセットによって補正することによって行われ、この位相オフセットは、周期的な補助信号に相応して、上記の調整量に相応する空間ベクトルの位相角を変化させることによって得られる。ここでは位置制御の相応する応答が解析される。

上記のモータ磁場が、励磁場に対して正確に９０°に進められる場合、上記の補助信号の２つの半波における位相角の上記の変化は、上記の調整トルクの一定の減衰の中央で発生するため、上記の調整量は変化させない。モータ磁場と励磁場との間の進み角が、９０°の理想の進み角から偏差する場合、位相角の上記の変化は、調整トルクを様々に増大ないしは低減を生じさせ、これにより、上記の調整量が変動する形で上記の位置制御が応答することになる。ここでこの調整量の周波数は、上記の補助信号の周波数に相応する。調整量のこの変動は、上記の補正量を適合させるために相応に評価することができる。これにより、上記の整流に対し、許容誤差を有する位置センサ信号も使用することができる。なぜならば、上記の方法により、上記の補正量は、場合によっては生じ得る位置センサの不正確さを補償するからである。また励磁場に対するモータ磁場の最適な進みを変化させる温度ドリフト、サンプルのばらつきまたは経年変化の影響などの動作中に生じるセンサ誤差も適合化することができる。

ここでは、上記の補助信号および上記の空間ベクトルの位相角の変化によって得られる調整量をバンドパスフィルタリングすることが可能であり、上記の積分すべき量は、バンドパスフィルタリングした補助信号と、空間ベクトルの位相角を変化させることによって得られかつバンドパスフィルタリングされた調整量との積に相応する。

さらに上記の積分すべき量は、積分の前にローパスフィルタリングすることができる。

１つの実施形態によれば、上記の目標位置データとフィードフォワード量とを対応付けるためにフィードフォワード制御を設けることができ、フィードフォワード量は、例えば加算により、上記の位置制御によって供給される調整量に適用される。

さらに上記の補助信号は周期性を有することができ、周期的なこの補助信号の主周波数は、位置制御の遮断周波数よりも低い。

殊に上記の補助信号は周期性を有することができ、方形波信号、台形波信号または正弦波信号またはこれらの信号の組み合わせとして供給することができる。

さらに上記の位相角は、この位相角の±２０°まで範囲で、殊に±１０°の範囲で変化する。

本発明の別の態様によれば、電子整流式電気機械を有するアクチュエータシステムにおけるアクチュエータの位置制御のための装置が提供される。この装置は、
− あらかじめ設定した目標位置データおよび実際位置データに依存して位置制御を行う位置制御ユニットを有しており、この位置制御により、空間ベクトルに対応する調整量が供給され、この空間ベクトルにより、電気機械のステータ装置を駆動制御可能である。上記の装置はさらに
− 上記の空間ベクトルの位相角を補正するため、この空間ベクトルに補正量を適用する装置と、
− 補助信号を供給する信号発生器と、
− 上記の調整量によって決定された空間ベクトルの位相角を補助信号によって変化させる装置と、
− 量を積分して積分値にする積分器とを有しており、積分すべきこの量は、補助信号と、空間ベクトルの位相角の上記の変化に応じて得られた位置制御の調整量とに依存し、
上記の積分値から補正量（ＰＯ）が導出される。

本発明の別の態様によれば、アクチュエータシステムが提供される。このアクチュエータシステムには、
− 復元力を及ぼすアクチュエータと、
− 実際位置データを供給する位置センサと、
− アクチュエータに結合されている電気機械と、
− 上記の装置とを有する。

本発明の別の態様によれば、コンピュータプログラム製品が提供され、このコンピュータプログラム製品はプログラムコードを含んでおり、このプログラムコードがデータ処理ユニットにおいて実行される場合に上記の方法が実行される。

アクチュエータを位置設定するアクチュエータシステムの概略図である。 モータ磁場と、ロータによって形成される励磁場との間の進みに関して回転トルクの経過を示す線図である。 ９０°の進み角に適合させる位置制御を説明する図である。 図３の位置制御の別の実施形態を示す図である。

以下では、添付の図面に基づいて本発明の有利な実施形態を詳しく説明する。

実施形態の説明
図１には、電子整流式電気機械としての同期モータ２を有するアクチュエータシステム１の概略図が示されており、ここでは同期モータ２の（図示しない）ロータは、例えば変速機９などを介してアクチュエータ３に結合されている。例えば、このアクチュエータシステムは、内燃機関におけるスロットルバルブアクチュエータに相応し得る。アクチュエータ３には戻しばね７で力を加えることができるため、アクチュエータ３を所定の位置に設定するためには、所定の駆動トルクを同期モータ２によって作用させなければならない。

正常に動作させるために同期モータ２にはロータのロータ位置についてのデータが必要である。図１に示したようにアクチュエータ３には外部位置センサ６が設けられている。この実施例では、ロータ位置のデータは、アクチュエータ３の位置についての位置データから求められるため、同期モータ２のロータ位置についての位置情報は、間接的にしか得られないのである。

択一的な実施形態において同期モータ２には内部位置センサを設けることができるが、この内部位置センサは（実施例によっては）所要の整流に対して不十分な位置分解能しか有しないため、適切な整流ができないのである。

同期モータ２は、ドライバ回路４によって駆動制御され、このドライバ回路は、調整量ＳＧに依存して、同期モータ２に加える相電圧および／または相電流を形成する。ドライバ回路４は、（図示しない）出力段を有しており、この出力段は一般的にいわゆるインバータ回路によって構成されており、相数に相応して２Ｈブリッジ回路、Ｂ６回路または類似の回路を含むことができる。ドライバ回路４はさらに、同期モータ２用の相応の通流パターンに調整量ＳＧを変換する対応付け機能を有する。

調整量ＳＧは、例えば駆動制御信号の形で、位置制御ユニット５によって適当に供給され、この位置制御ユニットは、目標位置Ｌ_sollに依存してこの駆動制御信号を形成する。目標位置Ｌ_sollは、制御ユニット８によって供給され、また外部の量に依存し得る。調整量ＳＧは、パワー出力段４により、同期モータ２のステータ巻線用の電圧または電流経過に変換されるため、上記の調整量は、一方では、モータ磁場を決定する空間ベクトルの振幅を示す相電圧の大きさを示す。さらに上記の調整量ＳＧは、空間ベクトルの位相角を表すことができるため、同期モータ２の最大駆動トルクないしは最大効率を供給するためには、同期モータ２のステータコイルによって形成されるモータ磁場と、同期モータ２のロータにおける例えば永久磁石によって形成される励磁場との間で電気的なロータ位置の９０°の進みが達成される。

一般的にはロータのポジションは、位置センサ６によってわかる。この実施例の場合、位置センサ６は、位置データを検出するため、アクチュエータ３に構成されている。アクチュエータ３に対し、変速機９によって行われる、同期モータ２のロータの運動の減速に応じて、アクチュエータ３の位置データから求められるロータ位置の分解能は、不正確にしかならない可能性があり、したがって殊に、モータ磁場と励磁場との間の可能な限りに正確な９０°進み角による適切な整流を保証することはできないのである。

空間ベクトルのあらかじめ設定した振幅において、アクチュエータ３を設定するための同期モータ２の最大の調整トルクを供給するため、同期モータ２のステータコイルによって形成されるモータ磁場と、ロータによって形成される励磁場との間には進み角が必要である。この進み角に依存する調整トルクの経過は、例えば図２に示されている。電気的なロータ位置の９０°の進み角において上記の調整トルクが最大になることがわかる。

図３には、位置制御ユニット５によって実現される位置制御が一層詳細に示されている。位置制御ユニット５には、位置制御器５１が含まれており、この位置制御器には差分形成要素５２から位置の差分が供給される。差分形成要素５２は、目標位置Ｌ_Sollと、位置センサ６から供給される実際位置Ｌ_istとを受け取って差分信号Ｌ_Diffを求め、この信号が位置制御器５１に供給される。位置制御器５１は、ドライバ回路４に供給される調整量ＳＧを形成し、このドライバ回路は、調整量ＳＧに相応する整流パターンを同期モータ２に印加する。

調整量ＳＧは、基本的に調整トルクに対するデータを表す。この調整トルクの大きさは、戻しばね７のばね力と、上記の調整トルクによって戻しばね７に及ぼされる調整力とが釣り合うアクチュエータ３の位置に相応する。

はじめに位置センサ６をロータ位置に調整することにより、上記の位置センサ信号から、上記の電圧および電流経過の所要の相位置をつねに形成することができる。この調整は、例えば相オフセットＰＯとすることの可能な補正量によって行うことができ、この補正量は、例えば、調整量ＳＧによって示される位相角の位相角に加えられる補正角を表す。動作中に、例えば温度ドリフトなどによって発生する位置センサ６のセンサ誤差は、実際のロータ位置と、同期モータ２のロータの位置データから求めたロータ位置との間の偏差に結び付く。さらに変速機９の減速に起因する不正確さおよび変速機９のあそびによる偏差も発生し得る。これにより、励磁場に対するモータ磁場の最適な進みは変化し、最適な進みの変化は、図２に示したような効率の低下に結び付くのである。これらの偏差を調整するために適合化方法を設けることができる。

図３の位置閉制御ループにおいて相オフセットＰＯは２つの部分から構成される。これにより、実際位置と、測定した実際位置Ｌ_istとの間の偏差に依存して相オフセットＰＯを持続的に適合化させることができる。このために信号発生器５３が設けられており、この信号発生器は、例えば、実質的に一定のサイクル時間を有する、殊に方形波状の周期的な信号を形成する。周期的に変化する信号の周波数は、この周波数が、アクチュエータシステム１の応答周波数以下になるように選択される。上記の周期的な信号は、加算要素５４に供給され、その出力には上記の相オフセットＰＯが供給される。上記の周期的に変化する信号は、相オフセットＰＯの１つ成分を表す。相オフセットＰＯを得るため、周期的な信号の代わりに非周期的な別の信号を使用して変動させることも可能である。

加算要素５４の別の入力側は、積分器５５に接続されている。したがって開始時の０の積分値では、信号発生器５３の周期的に変化する信号だけが相オフセットＰＯに相応し、この相オフセットは、上記の位相角に加算されるオフセット角に相応する。

位置センサ６によって供給される（測定した）実際位置Ｌ_istが、アクチュエータ３の実際の位置に等しい場合、位置センサ６における相オフセットＰＯの変動それ自体は感知することができない。これは、上記の回転トルク変動が一般的に補償されることに起因する。なぜならば、信号発生器５３の周期的に変化する信号の正および負の半波を加えた際の上記の複数の調整トルクは、この調整トルクを同様に減衰させるため、位置制御器５１は、このような変動を補償せず、調整量ＳＧの相応する周期性は生じないからである。上記の周期的に変化する信号による調整トルクの減衰は、信号発生器５３によって供給される周期的に変化する信号の振幅を適当に選択ないしは制限することによって得ることができる。

信号発生器５３の上記の周期的に変化する信号を除いた相オフセットＰＯが、最大調整トルクに必要な相オフセットＰＯと等しくない場合、モータ磁場と励磁場との間に９０°の進みの偏差が存在する。この場合、上記の周期的に変化する信号の正および負の半波により、相異なる調整トルクが生じる。これら調整トルクは、周期性が相応に小さい場合、上記の差分信号Ｌ_diffの検出可能な周期的な位置変化に変換される。

上記の位置制御器５１は、これらの位置変化を補償しようとするため、調整量ＳＧに相応の周期性が発生する。相オフセットＰＯを適合化するため、調整量ＳＧは、バンドパスフィルタ５６を介して乗算要素５７に供給される。バンドパスフィルタ５６は、信号発生器５３の周期的に変化する信号の周波数領域に相応する上記の調整量ＳＧの成分だけが乗算要素５７に転送されるようにする帯域通過周波数を有する。同様に殊に第１バンドパスフィルタ５６に相応する第２バンドパスフィルタ５８を介して、信号発生器５３の周期的に変化する信号が乗算要素５７に供給される。

濾波された調整量ＳＧと、上記の濾波されかつ周期的に変化する信号とを互いに乗算する乗算要素５７の出力側は、積分器５５に接続されている。積分器５５は、例えば、積分部を有する平滑化ローパスフィルタとすることができるため、フィルタ出力信号は、所要の相オフセットＰＯの成分を決定する。積分器５５の出力信号の設定レベルは、理想相オフセットＰＯから相オフセットＰＯの偏差の符号によって求められる。相オフセットＰＯのこの偏差の符号は、調整量ＳＧの大部分が、信号発生器５３の周期的に変化する信号に等しいかまたは逆相であるかを示す。最初のケースでは、上記の乗算の平滑化した結果は正であり、その他のケースでは負である。これにより、上記の積分成分が相応に増大または減少されるため、積分部分の適合化を両方向に行うことができる。

さらに上記の理想的な相オフセットからの相オフセットＰＯの偏差の絶対値が大きくなると、調整量ＳＧの変動の振幅は大きくなり、ひいては乗算要素５７における乗算の後の信号強度も大きくなる。これにより、上記の理想の相オフセットからの相オフセットＰＯの偏差の絶対値が大きければ大きいほど、上記の積分値は一層迅速に理想の位相オフセットに近づくのである。

上記の方法の有効性は、位置制御器５１が、仮想的な極対を備えた専用の伝送路だけ拡張した場合にはさらに増大する。ここでこの極位置は、この極位置と、上記の信号発生器信号の主周波数成分とが一致するように選択される。

急峻なトルクの跳躍を回避するため、さらに、信号発生器５３の周期的に変化する信号のエッジの急傾斜を制限し、その代わりに台形状の信号などが供給されるようにする。ここで重要であるのは、上記の周期的に変化する信号が、ゼロ点対称であること、すなわち、負および正の半波がそれぞれ同じ面積になることである。積分器５５の平滑化を行うローパスフィルタは、ＦＩＲまたはＩＩＲ構造ないしはこれらの構造の適当な組み合わせで構成することが可能である。

図４には、位置制御器５１にフィードフォワード制御ユニット６０が設けられている別の実施形態が示されている。フィードフォワード制御ユニットは、目標位置Ｌ_Sollを受け取り、これとフィードフォワード値とを対応付ける。このフィードフォワード値は、別の加算要素６１によって調整量ＳＧに加算される。このフィードフォワード値と目標位置Ｌ_Sollとの対応付けは、アクチュエータシステムの運転開始前に行うことができる。これにより、所望の位置変化中においても、位置制御器５１の外乱特性を最適化することができ、また相オフセットＰＯのレベル設定の信頼性が高くなる。

Claims (10)

1. 電子整流式の電気機械（２）を有するアクチュエータシステム（１）において、復元力を及ぼすアクチュエータ（３）の位置制御を行う方法において、
   該方法は、
   − あらかじめ設定した目標位置データ（Ｌ_Soll）および実際位置データ（Ｌ_ist）に依存して前記アクチュエータ（３）の位置制御を行うステップを有しており、当該ステップでは前記位置制御により、空間ベクトルに対応する調整量（ＳＧ）が供給され、前記空間ベクトルにより、前記電気機械（２）のステータ装置を駆動制御可能であり、
   前記方法はさらに、
   − 前記空間ベクトルの位相角を補正するために前記空間ベクトルに補正量（ＰＯ）を適用するステップと、
   − 周期的な信号を供給するステップと、
   − 前記調整量（ＳＧ）によって決定される空間ベクトルの位相角を前記周期的な信号によって変化させるステップと、
   − 量を積分値に積分するステップとを有しており、積分すべき前記量は、前記空間ベクトルの位相角の前記変化に応じて得られた前記位置制御の前記調整量（ＳＧ）と、前記周期的な信号とに依存する量であり、
   前記積分値から前記補正量（ＰＯ）を導出する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記周期的な信号および前記空間ベクトルの位相角の変化によって得られる前記調整量（ＳＧ）をバンドパスフィルタリングし、
   積分すべき前記量は、バンドパスフィルタリングされた前記周期的な信号と、前記空間ベクトルの位相角の前記変化によって得られかつバンドパスフィルタリングされた前記調整量（ＳＧ）との積に相応する、
   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、
   積分すべき前記量を、前記積分の前にローパスフィルタリングする、
   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、
   前記目標位置データ（Ｌ_Soll）にフィードフォワード量を対応付けるため、フィードフォワード制御が設けられており、
   前記フィードフォワード量は、加算により、前記位置制御によって供給される調整量（ＳＧ）に適用される、
   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、
   前記周期的な信号は、方形波信号、台形波信号または正弦波信号またはこれらの信号の組み合わせとして供給される、
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記位相角は、当該位相角の±２０°までの範囲で変化する、
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記位相角は、当該位相角の±１０°の範囲で変化する、
   ことを特徴とする方法。
8. 電子整流式の電気機械（２）を有するアクチュエータシステム（１）におけるアクチュエータ（３）の位置制御のための装置において、
   前記装置は、
   − あらかじめ設定した目標位置データ（Ｌ_Soll）および実際位置データ（Ｌ_ist）に依存して位置制御を行う位置制御ユニット（５）を有しており、前記位置制御により、空間ベクトルに対応する調整量（ＳＧ）が供給され、前記空間ベクトルにより、前記電気機械（２）のステータ装置が駆動制御可能であり、
   前記装置はさらに
   − 前記空間ベクトルの位相角を補正するため、前記空間ベクトルに補正量（ＰＯ）を適用する装置と、
   − 周期的な信号を供給する信号発生器（５３）と、
   − 前記調整量（ＳＧ）によって決定された前記空間ベクトルの位相角を前記周期的な信号によって変化させる装置と、
   − 量を積分して積分値にする積分器（５５）とを有しており、積分すべき前記量は、前記周期的な信号と、前記空間ベクトルの前記位相角の前記変化に応じて得られた前記位置制御の前記調整量（ＳＧ）とに依存し、前記積分値から前記補正量（ＰＯ）が導出される、
   ことを特徴とする装置。
9. アクチュエータシステム（１）において、
   − 復元力を及ぼすアクチュエータ（３）と、
   − 前記アクチュエータ（３）に設けられ、実際位置データ（Ｌ_ist）を供給する位置センサ（６）と、
   − 前記アクチュエータ（３）に結合されている電気機械（２）と、
   − 請求項８に記載の装置とを有する、
   ことを特徴とするアクチュエータシステム（１）。
10. データ処理ユニットにおいて実行される場合に、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法を実行するプログラムコードを含むコンピュータプログラム。

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