JP6009069B2 - インバータを制御する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に電気機械を制御するために、空間ベクトル変調によってインバータを制御する方法であって、特に電気機械に複数相により電流を供給するために、インバータが複数の制御可能なスイッチを備え、複数相の電流を供給するように構成されており、目標位相角および目標振幅を有する目標電流空間ベクトルがあらかじめ設定され、電流空間ベクトルの形式で電流を供給するために、スイッチの連続した複数の異なる切換状態が設定されるようにインバータが制御される方法に関する。

さらに本発明は、特に電気機械を制御するために、インバータを制御するための装置であって、インバータが複数の制御可能なスイッチを備え、これらのスイッチが、特に電気機械に複数相により電流を供給するために、制御器によって目標位相角および目標振幅を有する目標電流空間ベクトルに応じて複数相の電流を供給するように接続されており、制御器がインバータを制御するように構成されており、これにより、電流空間ベクトルの形態で電流を供給するために、インバータがスイッチの連続した複数の異なる切換状態をとる装置に関する。

さらに本発明は、駆動出力を供給するための少なくとも１つの電気機械と、電気機械を制御するためのインバータと、上記形式のインバータを制御するための装置とを備える自動車駆動系に関する。

一般的には三相電流消費機器および専門的には三相電動機の技術分野では、種々異なる制御方法が既知である。現在では一般に三相電流消費機器を制御するためには空間ベクトル変調を用いた方法が好ましい。この制御方法では、空間ベクトルは、８つの地電圧空間ベクトルを連続的に設定することにより形成される。相電圧を供給するためには、地電圧ベクトルがパルス幅変調方式で切り換えられ、これにより適宜な制御電圧が生成される。

既知の制御方法では、電気消費機器は電力用半導体スイッチを備えるインバータによって制御される。電圧空間ベクトルを生成するための連続する８つの地電圧空間ベクトルの設定は、インバータの所定の電力用半導体スイッチを交互にスイッチオン・オフすることによって実現される。空間ベクトルの回転速度が極めて小さい場合、もしくは、三相電流消費機器が電気機械の場合には、制御される電気機械の回転数が小さい場合に個々の電力用半導体スイッチが極めて頻繁に、もしくは極めて長く接続され、これにより、電流が極めて長く、もしくは極めて頻繁に流れることにより、熱による負荷を加えられる。したがって、電力用半導体スイッチを極めて長いスイッチオン時間および極めて大きい電流のために設計する必要があり、インバータは一般的に技術的に手間がかかる。

電力用半導体スイッチの、特に熱による過負荷に対処するためには、例えばＷＯ２０１０／０００５４８Ａ２において、所定のパルス幅変調周期において遮断された２つの切換状態のいずれか一方の切換状態を省略し、電力用半導体スイッチのスイッチ損失を減じることが提案される。

インバータの個々の電力用半導体スイッチに加えられる、特に熱による負荷は、供給される電流空間ベクトルの位相角に依存しており、インバータの個々の電力用半導体スイッチには、供給される電流空間ベクトルの所定の位相角において異なる負荷を加えられるので、ＤＥ１０３９３５１６Ｔ１では、供給される電流空間ベクトルの所定の角度範囲で所定のゼロベクトルを使用し、電力用半導体スイッチのスイッチ損失を減じることが提案される。

この場合、制御状況が異なり、電流空間ベクトルの回転速度が異なる場合に、個々の電力半導体スイッチにより強い負荷が加えられ、これにより、所定の状況でインバータに不均一に負荷が加えられ、電力半導体スイッチに実質的に均一に負荷が加えられる他の状況において、電流使用効率が減じられてしまうことが欠点である。

ＷＯ２０１０／０００５４８Ａ２ ＤＥ１０３９３５１６Ｔ１

本発明によれば、冒頭に挙げた方式の空間ベクトル変調によりインバータを制御する方法が提供され、インバータは、目標位相角とは異なる位相角を有する電流空間ベクトルが供給されるように制御され、位相角と目標位相角との差は目標電流空間ベクトルの回転速度に応じて制限される。

さらに、本発明によれば、冒頭に挙げた形式のインバータを制御するための装置が提供され、制御器は、目標位相角とは異なる位相角を有する電流空間ベクトルが供給されるようにインバータを制御するように構成されており、位相角と目標位相角との差は目標電流空間ベクトルの回転速度に応じて制限される。

さらに、本発明によれば、駆動出力を供給するための少なくとも１つの電気機械と、電気機械を制御するためのインバータと、上記形式のインバータを制御するための装置とを備える自動車駆動系が提供される。

発明の利点

目標位相角とは異なる位相角を有する電流空間ベクトルが供給されることにより、特に熱により過負荷が加えられる状況または過負荷が加えられる恐れのある所定の状況においていずれか１つの制御可能なスイッチの負荷を低減することができ、この場合、過負荷を加えられる制御可能なスイッチの負荷を低減し、より大きい負荷を他の制御可能なスイッチに加える位相角を有する電流空間ベクトルが供給される。電流空間ベクトルの回転速度が増大し、所定値を超えた場合には、制御可能なスイッチは高い回転周波数および制御可能なスイッチの温度担体によっていずれの場合にも均一に負荷を加えられるので、他のスイッチに負荷が加えられることにより特定のスイッチの負荷が低減されることはむしろ不利である。したがって、本発明によれば、あらゆる制御状況においてインバータに適宜に均一に負荷を加えるために、制御状況および電流空間ベクトルの回転速度に応じてインバータを最適に制御することができる。これにより、全般的に負荷値がより小さくなるように制御可能なスイッチを設計することができ、全般的により少ない手間により、より安価にインバータを作製することができる。さらにスイッチの均一な負荷により、インバータの耐用寿命が全般的に延長される。

好ましくは、回転速度の増大に伴い差が低減される。

これにより、目標電流空間ベクトルの回転速度が極めて小さい場合にも個々のスイッチの大きい負荷を補正することができ、インバータの危険な負荷の位相を補正することができる。

さらに好ましくは、電流空間ベクトルの目標位相角に応じて差が設定される。

これにより、特定の危険な目標位相角について、個々の制御可能なスイッチの特別な負荷状態を補正することができる最適な電流空間ベクトルを個別に設定することができる。

さらに好ましくは、差が差範囲内で変更され、差範囲が目標電流空間ベクトルの回転速度の増大に伴い減じられる。

これにより、差に基づいて全体としてより大きい電気機械およびインバータの総負荷を、個々の制御可能スイッチの負荷を低減する必要性に適合させることができる。

さらに好ましくは、あらかじめ規定された回転速度未満で、あらかじめ規定されたスイッチの負荷目標値に応じて位相角が設定される。

これにより、電流空間ベクトルの危険な回転速度において、インバータの特定の負荷分布を設定することができる。

この場合、特に好ましくは、電流空間ベクトルの位相角および振幅は、目標電流空間ベクトルの目標位相角および目標振幅に応じた出力と同一の出力が得られるように設定される。

これにより、制御される負荷の制御が損なわれることなしに、位相角の差を設定することができる。

さらに好ましくは、電流空間ベクトルと目標電流空間ベクトルとの最大差は３０°である。

これにより、インバータの総負荷を制限することができる。さもなければ、電流空間ベクトルの振幅は位相角と目標位相角との差の増大に伴って増大し、インバータの他の制御可能なスイッチに過度に負荷が加えられるからである。

さらに好ましくは、目標電流空間ベクトルの第１所定回転速度と第２所定回転速度との差範囲が線形に減じられる。

これにより、異なる制御方法の間の移行段階を制御技術的に簡単な手段で移行させることができ、２つの制御方法の相互作用を利用することができる。

さらに好ましくは、インバータによって電気機械が制御され、電気機械のロータ角度に応じて目標電流ベクトルが決定される。

これにより、制御技術的にわずかな手間により目標空間ベクトルを決定することができる。

この場合、特に好ましくは、電気機械によって供給されるトルクが目標電流空間ベクトルによって供給されるトルクと同一となるように、あらかじめ規定された回転速度未満の電流空間ベクトルの位相角および振幅が決定される。

これにより、位相角が目標位相角とは異なっている場合にもあらかじめ規定された目標値に応じて電気機械を制御することができ、位相角の変化は、電気機械の制御に影響を及ぼさない。

結果として、本発明により、異なる制御状況において、特に電流空間ベクトルの回転周波数が異なる場合に、制御される負荷を最適に制御することができ、インバータに均一に負荷が加えられ、負荷の制御により電流利用率が最適となる。

本発明による方法の特徴、特性、および利点は、本発明による装置にも当てはまるか、もしくは適用可能であることは自明である。

電気消費機器を制御するためのインバータを示す概略図である。 電気消費機器のインバータを制御するための空間ベクトル変調方法を説明する複合的なベクトル線図である。 異なる電圧空間ベクトルを設定するための三相電圧の経過を示す概略図である。 インバータのスイッチもしくはフリーホイールダイオードの負荷目標値を決定するための流れを示す概略図である。 温度測定または温度推定に基づいて負荷目標値を決定するための詳細な流れを示す概略図である。 電流空間ベクトルを設定するための複合的なベクトル線図である。 代替的な電流空間ベクトルを設定するための複合的なベクトル線図である。 ゼロ度の位相角を有する電流空間ベクトルを設定するための複合的なベクトル線図である。 電流空間ベクトルの位相角と目標電流空間ベクトルに応じた目標位相角との差を示す図である。 位相角と、目標電流空間ベクトルの回転周波数に応じた目標位相角との最大差の経過を示す図である。

図１には、電気消費機器、特に電気機械を制御するためのインバータが概略的に示され、全体に符号１０が付されている。

インバータ１０は直流電圧源１２に接続されており、この場合には電気機械１４として構成された電気消費機器１４に三相式に電流を供給するために用いられる。インバータ１０は３つのハーフブリッジを備え、これらのハーフブリッジは直流電圧源１２に対して並行に接続され、それぞれ２つの制御可能なスイッチＳを備える。スイッチＳの間には、それぞれ電気機械１４の相Ｕ，Ｖ，Ｗの相導体に接続されたそれぞれ１つのハーフブリッジタップ１６が形成されている。

スイッチＳに対して並行に、逆方向の電流を可能にするそれぞれ１つのフリーホイールダイオードＤが接続されている。

図１には、スイッチにより供給される相Ｕ，Ｖ，Ｗ、および直流電圧源１２の高電位または直流電圧源１２の低電位への割り当てに応じて、スイッチＳがＳＨＡ，ＳＬＡ，ＳＨＢ，ＳＬＢ，ＳＨＣ，ＳＬＣにより示されている。これに対応してフリーホイールダイオードがＤＨＡ，ＤＬＡ，ＤＨＢ，ＤＬＢ，ＤＨＣ，ＤＬＣにより示されている。

スイッチＳを交互に開閉することにより、相導体Ｕ，Ｖ，Ｗの間にそれぞれ制御電圧が印加され、これに応じて電気機械１４を駆動する相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷがそれぞれ設定される。インバータ１０は、好ましくは半導体スイッチにより形成されている。インバータ１０のスイッチＳは概略的に示された制御ユニット１８によって交互に開閉され、これにより所定の経過を示す相電圧が供給され、電圧空間ベクトルが供給され、これに応じて電気機械１４に相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが適宜に供給される。この場合、電圧ベクトルはインバータ１０によって供給され、これに続いて、制御される負荷に応じて電流空間ベクトルが適宜に設定される。

図２には、三相電流消費機器１４もしくは電気機械１４を制御するための空間ベクトル変調を説明するための複合的なベクトル線図が示され、全体に符号２０が付されている。

このベクトル線図２０には、電気機械１４の制御角Ａｌｐｈａを有する電圧ベクトルＶ^＊が示されている。さらにベクトル線図２０には、インバータ１０の１つまたは２つのスイッチＳが閉じられ、これに応じて電気機械が制御された場合に生じる６つの地電圧ベクトルＶ１、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が示されている。例えば、地電圧ベクトルＶ１およびＶ２の間の制御角Ａｌｐｈａを有する電圧ベクトルＶ^＊の最長の設定が、地電圧ベクトルＶ１および地電圧ベクトルＶ２に対応してインバータ１０を交互に制御することにより実現される。両方の地電圧ベクトルＶ１，Ｖ２は、所定の切換周波数により交互に設定され、地電圧ベクトルＶ１，Ｖ２のスイッチオン継続時間が等しい場合には３０°の位相角を備える電圧ベクトルＶ^＊が生じる。より大きい制御角Ａｌｐｈａを有する電圧ベクトルＶ^＊を設定する必要がある場合には、適宜に地電圧ベクトルＶ２のスイッチオン継続時間が延長され、地電圧ベクトルＶ１のスイッチオン継続時間が短縮される。これにより、インバータ１０のスイッチＳの周期的な制御により任意の制御角Ａｌｐｈａを有する電圧空間ベクトルＶ^＊を実現することができる。

図２に示すように、地電圧空間ベクトルＶ１，Ｖ２よりも小さい値（小さい長さ）を有する電圧ベクトルＶ^＊が設定されることが望ましい場合、インバータ１０の上側のスイッチＳＨＡ，ＳＨＢ，ＳＨＣもしくは下側のスイッチＳＬＡ，ＳＬＢ，ＳＬＣが開かれているいずれか一方のゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７が適宜に設定される。それぞれ他のスイッチＳは適宜に閉じられている。このように、電圧ベクトルＶ^＊は地電圧空間ベクトルＶ１およびＶ２といずれか一方のゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７との組合せにより適宜に実現することができる。

電圧空間ベクトルＶ^＊に応じて、電流空間ベクトルＩ^＊が設定される。電流空間ベクトルＩ^＊は、制御される電気消費機器１４に応じて設定される振幅および位相角を備える。電流空間ベクトルＩ^＊の位相角は、電圧空間ベクトルＶ^＊の位相角αと同位相であってもよいし位相ずれを有していてもよい。

電気消費機器１４もしくは電気機械１４を通電するためには電圧空間ベクトルＶ^＊が供給され、この場合、異なった地電圧空間ベクトルＶ１〜Ｖ６およびゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７が急速に連続して設定され、これにより電流空間ベクトルＩ^＊が設定される。電圧空間ベクトルＶ^＊が急速に回転した場合に、インバータ１０の異なるスイッチＳおよび異なるフリーホイールダイオードＤに均一に負荷が加えられ、特に相に均一に負荷が加えられる。電圧空間ベクトルＶ^＊の回転速度が極めて小さいか、またはゼロである場合、例えば電気機械１０の回転数が小さい場合には、相Ｕ，Ｖ，Ｗのインバータ１０の対応するスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤに長期間にわたって負荷が加えられ、これにより、対応するスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの過負荷が生じる場合があり、インバータ１０のスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤには全般的に不均一に、特に相に不均一に負荷が加えられる。スイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの過負荷を防止するために、異なるスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤに負荷を分配する措置を講じる必要がある。

図３には、地電圧空間ベクトルＶ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ７を順次に設定するために、パルス幅変調周期Ｔにおける三相Ｕ，Ｖ，Ｗの相電圧の経過が示されている。パルス幅変調周期Ｔにおいて、電圧空間ベクトルＶ^＊を正確に設定することができるように、個々の地電圧空間ベクトルＶ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ７のスイッチオン継続時間ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ７を変更することができる。

図４には、負荷目標値ｍの決定が原理的に示されており、全体に符号３０により示されている。電圧源１２の高い電圧電位に割り当てられたスイッチＳＨＡ，ＳＨＢ，ＳＨＣ、および電圧源１２の低い電圧電位に割り当てられたスイッチＳＬＡ，ＳＬＢ，ＳＬＣに、等しく、またはできるだけ同様に負荷を加えるという目標が負荷目標値ｍを用いて基本的に追及される。この場合、以下では、電圧源１２の高い電圧電位に割り当てられたスイッチＳＨＡ，ＳＨＢ，ＳＨＣを上方のスイッチＳＨと呼び、電圧源１２の低い電圧電位に割り当てられたスイッチＳＬＡ，ＳＬＢ，ＳＬＣを下方のスイッチＳＬと呼ぶ。

入力値として、電圧空間ベクトルＶ^＊の値Ｖ、電圧空間ベクトルＶ^＊の位相角Ａｌｐｈａ＿Ｖ、電流空間ベクトルＩ^＊の値Ｉ、および電流空間ベクトルＩ^＊の位相角Ａｌｐｈａ＿Ｉが用いられる。

まず、設定すべき電圧ベクトルＶ^＊のための上側の最大損失を有するいずれか１つの上方のスイッチＳＨもしくはいずれか１つの上方のフリーホイールダイオードＤＨが選択される。このスイッチＳＨもしくはフリーホイールダイオードＤＨについては、設定すべき電圧空間ベクトルＶ^＊のための最大可能損失Ｐ＿Ｈｍａｘは、理論的には、Ｖ７のみがゼロ電圧ベクトルとして使用された場合のために決定される。さらに、設定すべき電圧空間ベクトルＶ^＊のためのこのスイッチＳＨもしくはこのフリーホイールダイオードＤＨの最小可能損失Ｐ＿Ｈｍｉｎは、理論的には、３２によって示すようにＶ０のみがゼロ電圧ベクトルとして使用された場合のために決定される。３４では、設定すべき電圧空間ベクトルＶ^＊のための下方のスイッチＳＬもしくは下方のフリーホイールダイオードＤＬの最大損失を有する下方のスイッチＳＬもしくは下方のフリーホイールダイオードＤＬが適宜に選択される。このスイッチＳＬもしくはこのフリーホイールダイオードＤＬについては、設定すべき電圧空間ベクトルＶ^＊のための最大可能損失Ｐ＿Ｌｍａｘおよび最小可能損失Ｐ＿Ｌｍｉｎは、Ｖ０もしくはＶ７のみがゼロ電圧ベクトルとして使用された場合のために決定される。これらの損失値から、３６では新しい負荷値ｍが、次の式：

により計算される。

このようにして決定された負荷値ｍは、上側の損失と下側の損失とが同一になるように、インバータ１０の熱負荷を上側と下側とに分配する。３８では、選択された負荷値ｍを設定し、これに応じてスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤに均一に負荷を加えるために、スイッチオン時間ｔ０〜ｔ７が計算される。

フリーホイールダイオードＤおよびスイッチＳは異なる負荷限度を有しているので、フリーホイールダイオードＤおよびスイッチＳの損失Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｓは、互いに比較することができるように互いに調整もしくは因数分解する必要がある。したがって、フリーホイールダイオードＤについては比較出力損失Ｐ_ＤＶが、次の式：

により決定される。

この場合、Ｐ_ＤＶはフリーホイールダイオードの比較損失出力であり、Ｐ_Ｄはフリーホイールダイオード損失であり、係数ｃは定数である。特別な実施形態では、係数ｃはフリーホイールダイオードＤの出力損失Ｐ_Ｄの関数であってもよい。

さらに、スイッチＳもしくはフリーホイールダイオードＤの損失Ｐ_Ｄ，Ｐ_Ｓは、電圧空間ベクトルＶ^＊の値Ｖ、位相角Ａｌｐｈａ＿Ｖ、電流空間ベクトルＩ^＊の値Ｉ、および位相角Ａｌｐｈａ＿Ｉの関数であることが明らかである。

方法３０の代替的な実施形態では、負荷目標値ｍを決定するために、出力損失Ｐの代わりに、それぞれの構成部材Ｓ，Ｄの電流Ｉおよび／またはそれぞれの構成部材Ｓ，Ｄの電流の２乗Ｉ^２が使用される。

図５には、スイッチＳおよび／またはフリーホイールダイオードＤの推定温度または測定温度Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｓに基づいて負荷値ｍを決定し、新しい負荷目標値ｍを求める方法が示されている。図５では、この方法が全般的に符号４０により示されている。

方法４０では、作動時にスイッチＳもしくはフリーホイールダイオードＤの温度に応じて負荷目標値ｍの決定が行われる。入力値として、スイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの温度Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｓが一般に用いられる。４２では、最大に負荷を加えられる上方のスイッチＳＨの温度Ｔ_Ｄ，Ｔ_Ｓにより、最大に負荷を加えられる上方のフリーホイールダイオードＤＨ、最大に負荷を加えられる下方のスイッチＳＬ、および最大に負荷を加えられる下方のフリーホイールダイオードＤＬが決定される。換言すれば、最高温度を有するそれぞれの構成部材が決定される。これらの温度から、４４および４６において上方のスイッチおよび／または上方のフリーホイールダイオードの最高温度Ｔ＿Ｈが決定され、下側の損失から下側の最高温度Ｔ＿Ｌが決定される。この場合、４８により示すように、スイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの温度を比較することができるように、フリーホイールダイオードＤの温度Ｔ_Ｄが因数分解される。スイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの温度を比較することができるように、フリーホイールダイオードＤの比較温度が式：

により決定される。

この場合、Ｔ_ＤＶは比較温度であり、Ｔ_ＤはフリーホイールダイオードＤの温度であり、係数ｃは定数である。特別な実施形態では、係数ｃはフリーホイールダイオードＤの出力損失Ｐ_Ｄの関数であってもよい。合計点５０では、上側の最高温度Ｔ＿Ｈと下側の最高温度Ｔ＿Ｌとの差ｄＴが決定される。５２では、温度差ｄＴを適宜に補正するために、温度差ｄＴに応じて、変更された負荷目標値ｍが決定される。温度差ｄＴ＞０の場合には、負荷目標値ｍ，Ｉｓｍが減じられ、温度差ｄＴ＜０の場合には、負荷目標値ｍ，Ｉｓｍが増大される。このようにして決定された負荷目標値ｍ，Ｉｓｍに応じて、５４では後続のパルス幅変調周期Ｔにおける新しいスイッチオン継続時間ｔ０〜ｔ７が決定される。新しいパルス幅変調周期Ｔに応じて、５６により示すようにスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの変更温度がＴ_Ｄ，Ｔ_Ｓ決定され、フィードバック５８により示すように、方法４０における新しい入力値として供給される。これにより、それぞれのパルス幅変調周期ＴにおけるスイッチＳおよび／またはフリーホイールダイオードＤの測定温度または推定温度に基づいて新しい負荷目標値ｍを決定し、新しい負荷値ｍ，ＩｓｍにしたがってそれぞれのスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤに均一に負荷を加えることができる。上側および下側の構成部材の温度を比較し、負荷値ｍを調整することにより、下側の構成部材に対して上側の構成部材に均一に負荷を加えることができる。

方法４０の代替的な実施形態では、負荷目標値ｍ，Ｉｓｍを決定するために構成部材Ｓ，Ｄの温度の代わりに損失値が用いられ、損失値は、所定時間にわたるそれぞれの構成部材Ｓ，Ｄの出力損失の積分またはそれぞれの構成部材Ｓ，Ｄにおける電流Ｉの積分および／またはそれぞれの構成部材Ｓ，Ｄにおける電流の２乗Ｉ^２の積分により決定される。

方法４０の別の実施形態では、負荷目標値ｍ，Ｉｓｍを決定するために構成部材Ｓ，Ｄの温度の代わりに、それぞれの構成部材Ｓ，Ｄにおける電力損失Ｐまたは電流Ｉおよび／またはそれぞれの構成部材Ｓ，Ｄにおける電流の２乗Ｉ^２が用いられ、それぞれローパスフィルタによってフィルタされる。

図６には、電流空間ベクトルＩ１^＊の複合的なベクトル線図が概略的に示されている。電流空間ベクトルＩ１^＊は、値Ｉ１および位相角ａｌｐｈａ１を有する。電流空間ベクトルＩ１^＊を設定するインバータ１０が電気機械１４を制御するために使用された場合、電気機械１４はトルクＭを生成する。図６に示した複合的なベクトル線図では、個々の相Ｕ，Ｖ，Ｗは互いに１２０°の角度で示されている。それぞれの相Ｕ，Ｖ，Ｗへの電流空間ベクトルＩ１^＊の投影は、付属のスイッチＳで設定される電流に対応している。点線により示唆されているこの投影により、個々のスイッチＳもしくはフリーホイールダイオードＤの負荷を直接に読み取ることができる。したがって、図６に示した実施例では、スイッチＳＨＡは相Ｕによって最大に負荷を加えられており、相ＷのスイッチＳＨＣはスイッチＳＨＡよりもわずかに負荷を加えられ、相ＶのスイッチＳＨＢは極めてわずかに負荷を加えられる。

図６には、接続された電気機械１４に供給されるトルクＭが曲線により示されている。この曲線は、同時に一定不変のトルクＭの曲線でもある。電気機械１４によって供給されるトルクＭは、電流空間ベクトルＩ^＊が電気機械１４のロータ角度に先行する角度Ｔｈｅｔａ、および電流空間ベクトルＩ^＊の振幅Ｉの関数である：Ｍ＝ｆ（Ｔｈｅｔａ，Ｉ）。これにより、電流空間ベクトルＩ１^＊が図６に示した一定不変のトルクＭの線に追従している場合には、電気機械１４により供給されるトルクＭは一定不変であることがわかる。

このように電流空間ベクトルＩ１^＊は、電気機械１４によってトルクＭを供給するために電気機械１４の電気的なロータ角度に先行するように設定される。電流空間ベクトルＩ１^＊は、角度Ｔｈｅｔａだけ電気機械１４の電気的なロータ位置に先行する。これは、式：

により明らかであり、Ａｌｐｈａ＿Ｉは電流空間ベクトルＩ１^＊の位相角であり、Ａｌｐｈａ＿Ｒは電気機械１４のロータの電気的な角度であり、Ｔｈｅｔａは差角である。

差角Ｔｈｅｔａは、一般にモータ作動時に９０度〜１８０度である。電流空間ベクトルＩ１^＊は、インバータ１０および電気機械１４が電気的なロータ角度Ａｌｐｈａ＿Ｒのために最適な効率を有するように設定される。

電流空間ベクトルの位相角ａｌｐｈａ＿Ｉの変化が、図７の複合的なベクトル線図に概略的に示されている。

図７に示す複合的なベクトル線図には、位相角ａｌｐｈａ１および値Ｉ１を有する目標電流空間ベクトルＩ１^＊、および位相角ａｌｐｈａ２および値Ｉ２を有する電流空間ベクトルＩ２^＊が示されている。この場合、電流空間ベクトルＩ１^＊は、インバータ１０および電気機械１４が最適な効率を有する電流空間ベクトルである。両方の電流空間ベクトルＩ１^＊，Ｉ２^＊は、等しいトルクＭの線上を経過するので、等しいトルクＭを供給する。目標電流空間ベクトルＩ１^＊は、図６の電流ベクトルＩ^＊と同一である。電流空間ベクトルＩ２^＊は、電流空間ベクトルＩ１^＊の位相角ａｌｐｈａ１よりも大きい位相角ａｌｐｈａ２を有する。位相角ａｌｐｈａ１とａｌｐｈａ２との差が図７にｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａとして示されている。ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａは、位相角ａｌｐｈａ１に応じて異なる大きさであってもよく、最大で＋３０°〜−３０°の間で変動する。図７に示した相Ｕ，Ｖ，Ｗの対応した相軸への電流空間ベクトルＩ２^＊の投影から明らかなように、電流は相Ｕにおいて、すなわちスイッチＳＨＡではＩ１^＊に対して減じられており、電流は位相Ｗ、すなわちスイッチＳＨＣおよびフリーホイールダイオードＤＬＣにおいて増大されている。全体として、電流負荷は、電流空間ベクトルＩ２^＊の値がより大きいことにより目標空間ベクトルＩ１^＊の場合よりも大きいが、しかしながら、図７に示すようにこの手段により、最大に負荷を加えられるスイッチＳＨＡおよびフリーホイールダイオードＤＬＡの負荷を減じることができる。これにより、最大に負荷を加えられるスイッチＳおよび最大に負荷を加えられるフリーホイールダイオードＤのピーク負荷を減じることができ、他のスイッチＳまたはフリーホイールダイオードＤに負荷を分配することができる。これにより、インバータ１０の相に均一に負荷を加えることができる。電流ベクトルＩ２^＊は、等しいトルクＭの線に追従するので、同一のトルクＭが電気機械１４によって供給され、したがって、この手段は電気機械１４のユーザにとって制限を意味することはなく、例えば、トルクＭの変動または中断は生じない。目標電流空間ベクトルＩ１^＊とは異なる電流空間ベクトルＩ２^＊の設定により、損失を個々の相Ｕ，Ｖ，Ｗにおいて分配することができ、したがって、個々の相の個々の構成部材の過負荷を防止することができる。換言すれば、相Ｕ，Ｖ，Ｗのより均一な負荷を達成することができる。

したがって、結果として、目標位相角ａｌｐｈａ１とは異なる位相角ａｌｐｈａ２を有する代替的な電流空間ベクトルＩ２^＊を供給することにより、最大に負荷を加えられるスイッチＳＨＡおよびフリーホイールダイオードＤＬＡもしくは最大に負荷を加えられる相Ｕの負荷を減じることができ、これによりインバータ１０に全般的に均一に負荷を加えることができる。

フリーホイールダイオードＤに大きい負荷を加えることができる場合には、個々のスイッチＳの負荷を減じるために負の値を有するｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａを設定してもよい。図７に示す制御状況では、まずゼロ電圧ベクトルＶ０を選択することによりスイッチＳＨＡの負荷が減じられ、これに伴いより大きい負荷がフリーホイールダイオードＤＬＡに加えられる。これにより、スイッチＳＬＢにもより大きい負荷を加えることができる。位相角ａｌｐｈａ＿１については、フリーホイールダイオードＤＬＡに最大の負荷が加えられ、スイッチＳＬＣにはこれよりも小さい負荷が加えられ、スイッチＳＬＢには極めて小さい負荷が加えられる。この状況では、ａｌｐｈａ＿１よりも小さい位相角ａｌｐｈａ＿２により、すなわち負の偏向角ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａにより、より大きい負荷をフリーホイールダイオードＤＬＡに加えることができ、これにより、もちろんスイッチＳＬＣは負荷を減じられ、スイッチＳＬＢにはより大きい負荷が加えられる。これにより、スイッチＳＬＢおよびＳＬＣに均一に負荷を分配することができる。これは、より大きい負荷をフリーホイールダイオードＤＬＡに加えることにより行われる。

換言すれば、まず上方のスイッチＳＨの負荷が、ゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７の適宜な経時的配分を選択することにより下方のフリーホイールダイオードＤＬに移動され、ゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７における負荷は偏向角ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａの設定により相Ｕ，Ｖ，Ｗに分配される。したがって、全般的にスイッチＳおよびフリーホイールダイオードＤの負荷を均一に設定することができる。

好ましくは、図５に示した方法４０は、図７に示した代替的な電流空間ベクトルＩ２^＊の設定と組み合わされる。この場合、例えばインバータ１０の制御前に、すなわち、例えば制御器１８において目標電流空間ベクトルＩ１^＊に基づいて方法３０にしたがって最適な負荷値ｍ、および同時に最適な電流空間ベクトルＩ２^＊が決定される。これらの値は、特性マップに保存され、電気機械１４は、特性マップの値に基づいて制御される。換言すれば、負荷目標値ｍおよび電流空間ベクトルＩ２^＊はオフラインで決定され、これに応じて電気機械が制御される。

代替的に、最適な電流空間ベクトルＩ２^＊を特性マップから取り出し、方法３０または４０にしたがって測定値または推定値に基づいて電気機械１４の作動時の負荷目標値ｍを決定し、これに応じて継続的に最適化することもできる。換言すれば、負荷目標値ｍはオンラインで決定および調整される。

図８には、図６および図７に対応してゼロ度の目標電流空間ベクトルＩ１^＊における複合的なベクトル線図が概略的に示されている。図８には、さらに等しいトルクＭの線が示されている。等しいトルクＭの線は、異なる位相角を有する電流空間ベクトルＩ２^＊を供給することにより相Ｕの負荷を低減するか、もしくは対応したスイッチＳＨＡの負荷を低減することが可能ではない曲率を有する。反対に、より大きい、またはより小さい位相角ａｌｐｈａ２により、スイッチＳＨＡの負荷は等しく保持されるか、またはむしろ増大し、さらに相Ｗまたは相Ｖの他のスイッチに追加的に負荷が加えられる。等しいトルクの線のそれぞれの経過が、相Ｕ，Ｖ，Ｗの軸線に応じた位相角について、すなわち、角度０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度などについて生じる。これらの位相角ａｌｐｈａ１については、異なる位相角ａｌｐｈａ２を用いた制御は有意義ではない。３０度、９０度、１５０度などの範囲では位相角ａｌｐｈａ１について異なる位相角ａｌｐｈａ２を用いた制御が有意義である。

制御技術的な手間を減じるために、所定の目標位相角ａｌｐｈａ１については電流空間ベクトルＩ２^＊のデータを特性マップに保存してもよい。特性マップでは、目標電流空間ベクトルＩ１^＊の所定の周波数については、電流空間ベクトルＩ１^＊の位相角と電圧空間ベクトルＶ^＊の位相角とは互いに異なっていてもよいことを考慮することもできる。

図９には、目標位相角ａｌｐｈａ１に応じた電流空間ベクトルＩ２^＊と目標電流空間ベクトルＩ１^＊との位相角差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａが示されている。

目標位相角ａｌｐｈａ１に応じて、差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａの設定は異なり、−１５°〜＋１５°の間を変動する。上述のように、目標位相角ａｌｐｈａ１とは異なる位相角ａｌｐｈａ２は所定の目標位相角ａｌｐｈａ１のためには意味がない。なぜなら、スイッチＳもしくはフリーホイールダイオードＤの負荷の低減は達成されず、しかも他のスイッチＳもしくは他のフリーホイールダイオードのさらなる負荷が生じるからである。このような理由から、目標位相角ａｌｐｈａ１における差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａは、図９に示すように０に等しく、これに対して他の目標位相角ａｌｐｈａ１、例えば、−１５０°、−９０°、−６０°、＋６０°、＋９０°，＋１５０°については、最大に負荷を加えられた制御可能なスイッチＳの負荷を低減するために差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａは有意義である。このような理由から、図９に示すように目標位相角ａｌｐｈａ１に応じて差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａのジグザグの経過が生じる。本発明によれば、差限界ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ，ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎを形成する＋６°および−６°における破線により示すように、差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａは制限される。適宜な目標位相角ａｌｐｈａ１のための差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａが所定の差限界ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ，ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎよりも大きいことが可能な場合、差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａは差限界ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ，ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎに応じて設定される。これにより、インバータ１０の総負荷、インバータ１０および電気機械１４の出力損失を低減するか、もしくはインバータ１０および電気機械１４の効率を高めることができる。

図１０には、目標電流空間ベクトルＩ１^＊の回転周波数ｆに応じた最大差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘが概略的に示されている。この場合、周波数が第１所定回転周波数ｆ１よりも小さい場合の最大差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘは一定不変である。目標電流空間ベクトルＩ１^＊の回転周波数ｆが第１所定回転周波数ｆ１を超えた場合には、最大差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘは回転周波数ｆの増大に応じて、または増大に伴い減じられる。目標電流空間ベクトルｌ１^＊の第２所定回転周波数ｆ２では、最大差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘはほぼ０に減じられる。第２所定回転周波数ｆ２を超えると、回転周波数ｆは、インバータ１０のスイッチＳの熱負荷が等しく分配されるように制御可能なスイッチＳに極めて短い時間にわたって負荷が加えられる程度の高さとなり、位相角ａｌｐｈａ２と目標位相角ａｌｐｈａ１との差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａはいずれか１つのスイッチＳの負荷低減をもたらさず、インバータ１０の総負荷が高められる。したがって、回転周波数ｆが第２所定回転周波数ｆ２よりも大きい場合には０に設定される。第１所定回転周波数ｆ１と第２所定回転周波数ｆ２との間では、最大差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘは回転周波数ｆに応じて線形に減じられる。これにより、異なる位相角を有する制御と異なる位相角のない制御との間で、すなわち、ｆがｆ１よりも小さい周波数範囲と、ｆがｆ２よりも大きい周波数範囲との間で制御技術的に簡単な移行が可能である。さらに、これにより回転周波数ｆが増大した場合に、差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａを有する制御と差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａなしの制御との間の突然の切換により生じる動的な作用を減じることができる。

図１０に示した最大差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘは、上限ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘについても下限ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎについてもあてはまる値であるとみなされることは自明である。

本発明は、好ましくは電気機械を制御するために使用され、最大限に可能な差ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘは、電気機械のタイプに依存している。最大差は、３０°までであってもよい。

Claims (12)

1. 特に電気機械（１４）を制御するために、空間ベクトル変調によってインバータ（１０）を制御する方法であって、特に前記電気機械（１４）に複数相により電流（ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ）を供給するために、前記インバータ（１０）が複数の制御可能なスイッチ（Ｓ）を備え、複数相の電流（ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ）を供給するように構成されており、目標位相角（ａｌｐｈａ１）および目標振幅（Ｉ１）を有する目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）があらかじめ設定され、電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）の形式で前記電流（ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ）を供給するために、前記スイッチ（Ｓ）の連続した複数の異なる切換状態（Ｖ１〜Ｖ７）が設定されるように前記インバータ（１０）が制御される方法において、
   前記目標位相角（ａｌｐｈａ１）とは異なる位相角（ａｌｐｈａ２）を有する電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）が供給されるように前記インバータ（１０）を制御し、
   前記位相角（ａｌｐｈａ２）と前記目標位相角（ａｌｐｈａ１）との差（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ）を前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）の回転速度（ｆ）に応じて制限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、
   前記回転速度（ｆ）の増大に伴い前記差（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ）を低減する方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）の目標位相角（ａｌｐｈａ１）に応じて前記差（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ）を設定する方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   差範囲（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ，ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎ）内で前記差（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ）を変更し、前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）の前記回転速度（ｆ）の増大に伴い前記差範囲（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ，ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎ）を減じる方法。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法において、
   あらかじめ規定された回転速度（ｆ１）未満で、前記スイッチ（Ｓ）のあらかじめ規定された負荷目標値（ｍ）に応じて前記位相角（ａｌｐｈａ２）を設定する方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）の前記目標位相角（ａｌｐｈａ１）および目標振幅（Ｉ１）に応じた出力と同一の出力が得られるように、前記電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）の前記位相角（ａｌｐｈａ２）および振幅（Ｉ２）を設定する方法。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法において、
   前記電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）と前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）との最大差（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ）が３０°である方法。
8. 請求項４から７までのいずれか一項に記載の方法において、
   前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）の第１所定回転速度（ｆ１）と第２所定回転速度（ｆ２）との差範囲（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍａｘ，ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ＿ｍｉｎ）を線形に減じる方法。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法において、
   前記インバータ（１０）によって電気機械（１４）を制御し、前記電気機械（１４）のロータ角度に応じて前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）を決定する方法。
10. 請求項６に記載の方法において、
    前記電気機械（１４）によって供給されるトルク（Ｍ）が前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）によって供給されるトルクと同一となるように、あらかじめ規定された回転速度（ｆ１）未満で前記電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）の前記位相角（ａｌｐｈａ２）および前記振幅（Ｉ２）を決定する方法。
11. 特に電気機械（１４）を制御するために、インバータ（１０）を制御するための装置（１８）であって、前記インバータ（１０）が複数の制御可能なスイッチ（Ｓ）を備え、該スイッチ（Ｓ）が、特に前記電気機械（１４）に複数相により電流を供給するために、制御器（１８）によって目標位相角（ａｌｐｈａ１）および目標振幅（Ｉ１）を有する目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）に応じて複数相の電流（ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ）を供給するように接続されており、前記制御器（１８）が前記インバータ（１０）を制御するように構成されており、これにより、電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）の形式で電流（ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ）を供給するために、前記インバータ（１０）がスイッチ（Ｓ）の連続した複数の異なる切換状態（Ｖ０〜Ｖ７）をとる装置（１８）において、
    前記制御器（１８）が、前記目標位相角（ａｌｐｈａ１）とは異なる位相角（ａｌｐｈａ２）を有する電流空間ベクトル（Ｉ２^＊）が供給されるように前記インバータ（１０）を制御するように構成されており、前記位相角（ａｌｐｈａ２）と前記目標位相角（ａｌｐｈａ１）との差（ｄｅｌｔａ＿ｂｅｔａ）が前記目標電流空間ベクトル（Ｉ１^＊）の回転速度（ｆ）に応じて制限されることを特徴とする装置（１８）。
12. 駆動出力を供給するための少なくとも１つの電気機械（１４）と、該電気機械（１４）を制御するためのインバータ（１０）と、請求項１１に記載のインバータ（１０）とを制御するための装置（１８）とを備える自動車駆動系。

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