JP6041870B2 - 非干渉制御で電気モータ推進ユニットを制御する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、電気モータの制御であり、特に、同期式の巻線型回転子電気モータの分野である。

同期式の巻線型回転子電気モータは、固定子と呼ばれる固定部品と、回転子と呼ばれる可動部品とを備える。固定子は、１２０°ずつずらされた３つのコイルを備え、これらのコイルに交流が供給される。回転子は、直流が供給される１つのコイルを備える。

固定子の相電流は、回転子および固定子の抵抗およびインダクタンス、ならびに回転子と固定子との間の相互インダクタンスに依存する。

本発明の目的は、同期式の巻線型回転子電気モータの電流調節の質を向上させることにあり、こうした電流調節は、従来技術によるレギュレータによって達成することができるものである。

一実装形態によれば、回転子および固定子を具備した電気モータ、回転子および固定子に流れる電流を測定するセンサ、電流設定点を決定する手段、ならびに測定センサから発生する信号を処理する手段を備えるシステムを制御する方法において、
処理手段から受信した信号に応じて、電気モータの固定子の電圧と回転子の電圧とが、干渉しない（ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ：以下、「分離された」ということがある）非干渉座標系において表されることになる変換によって、中間信号を決定するステップと、
変換によって得られた中間信号に応じ、電気モータの回転子および固定子に流れる、電流設定点を満たした電流（すなわち、電流設定点の条件下で電気モータの回転子および固定子に流れる電流）に応じて、電圧を調節する信号を決定するステップと
を含むことを特徴とする方法が規定される。電流設定点は、トルク設定点を表す。

この制御方法の利点は、回転子電流の変動と、固定子電流の変動との間が完全に分離され、その結果、車輪トルク設定点の追跡を向上させることが可能となる点である。

この分離は、パーク座標系において作用する、従来技術による結合補償装置において実施される分離よりも遙かに複雑でない。

この制御方法は、自動車両に取り付けられ、電気モータに接続されたバッテリに関する制約を満たすように、電圧調節信号を飽和させるステップを含むことができる。

この制御方法は、前記飽和電圧調節信号に逆変換を適用することによって積分制限を決定するステップを含むことができ、この積分制限は、前記逆変換後に、新しい中間信号を決定するために適用される。

この制御方法は、アクチュエータに実際に伝達される制御の変動を制限することによって、制御の連続性を確保するステップを含むことができる。

別の実装形態によれば、回転子および固定子を具備した電気モータを制御するシステムであって、回転子および固定子に流れる電流を測定するセンサ、ならびに電流設定点を決定する手段を備えるシステムにおいて、
入力で、測定センサおよび電流設定点を決定する手段に接続された、測定値および要求を処理する手段と、
入力で、測定値および要求を処理する手段に接続され、電気モータの固定子の電圧および回転子の電圧が、分離された座標系で表されることになる変換後に、中間信号を供給する変換手段と、
入力で、変換手段に接続され、電流設定点を満たした電気モータの電圧調節信号を発することが可能である決定手段と
を備えることを特徴とするシステムが規定される。

この制御システムは、決定手段から受信した電圧調節信号の飽和器を備えることができる。

この制御システムは、飽和器から受信した飽和電圧調節信号の逆変換手段を備えることができる。

この制御システムは、飽和器から受信した飽和電圧調節信号の出力を処理する手段を備えることができる。

添付の図面を参照しながら非限定的な単なる例によって示す以下の説明を読めば、他の目的、特徴、および利点が明白となるであろう。

電気モータ推進ユニットを制御する方法を示す図である。 電気モータ推進ユニットを制御する装置を示す図である。

巻線型回転子同期モータの電流調節では、固定子の正弦波電流をモータの回転と同期させるため、また、回転子と固定子との間に動的結合（ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が生じるため、困難が伴う。

したがって、固定子の相電圧を制御することを可能とするインバータ、および回転子の電圧を制御するチョッパが使用される。

一定の信号を調節することが可能となるように、正弦波の設定点を使用するのではなく、パーク変換が使用される。パーク座標系における固定子調節信号は、Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑと示される。回転子調節信号は、Ｖ_ｆと示される。

既知の様式で、以下の等式（Ｉ）から（ＩＩＩ）が得られる。

式（Ｉ）および（ＩＩＩ）では、以下のことが明白に示されている。
− Ｖ_ｄは電流Ｉ_ｄの変動、電流ｉ_ｆの変動（動的結合）、ならびに電流ｉ_ｄおよびＩ_ｑに依存する。
− Ｖ_ｆは電流Ｉ_ｄの変動、電流ｉ_ｆの変動（動的結合）、および電流ｉ_ｆに依存する。

Ｖ_ｄおよびＶ_ｆが、こうした電流の変動に依存すること（動的結合）は、制御の観点から不利であり、その理由は、Ｖ_ｄまたはＶ_ｆの変動によって、電流Ｉ_ｄおよび電流Ｉ_ｆに変動が生じることになり、したがってそれらの電流の制御が結合されることになるからである。

電流Ｉ_ｄの変動と電流Ｉ_ｆの変動との間のこうした動的結合を回避するために、固定子の電圧と、回転子の電圧とが、分離された座標系で表されるように、変数の変更が実施され、すなわち電流Ｉ_ｉの変動が依存するのは、単一の電圧

のみに対してであり、ｉはｄ、ｑ、またはｆに等しい添え字であり、ｊはｘ、ｙまたはｚに等しい添え字である。

変数のこうした変更、すなわち

とした後、制御すべきシステムは、以下の式によって表すことができる。

（式１）

ここで、

は、分離された座標系におけるｄ軸の新しい固定子電圧である。

は、分離された座標系におけるｑ軸の新しい固定子電圧である。

は、分離された座標系におけるｆ軸の新しい回転子電圧である。
Ｌ_ｄは、ｄ軸、すなわちパーク座標系の原線における等価電機子インダクタンスである。
Ｌ_ｑは、ｑ軸、すなわちパーク座標系の極間軸または横軸における等価電機子インダクタンスである。
Ｌ_ｆは、回転子インダクタンスである。
Ｒ_ｓは、固定子巻線の等価抵抗である。
Ｒ_ｆは、回転子抵抗である。
Ｍ_ｆは、固定子と回転子との間の相互インダクタンスである。
Ｉ_ｄは、ｄ軸、すなわちパーク座標系の原線における固定子電流である。
Ｉ_ｑは、ｑ軸、すなわちパーク座標系の極間軸または横軸における固定子電流である。
Ｉ_ｆは、回転子電流である。
ω_ｒは、回転速度である。

値Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ、Ｌ_ｆ、Ｒ_ｓ、Ｒ_ｆ、およびＭ_ｆは、従来技術による測定によって既知である。

この種のシステムが呈する主な問題点は、ｄ軸とｆ軸との間の動的結合にあり、パラメータの変動が識別しにくく、最終的には供給バッテリの電圧制約が識別しにくくなる。

電圧制約は、以下の通りである。

（式２）

ここで、Ｖ_ｂａｔは、バッテリ電圧である。

図１に例示した制御方法によって、車輪トルク要求を満たすように、電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、およびＩ_ｆを制御することが可能となる。したがって、レギュレータが達成しなければならない（トルク設定点を表す）電流に関して、フィルタリングされ、スケーリングされた測定値、ならびに基準設定点を利用することができる。

第１のステップ１において、分離された座標系において、レギュレータの合成が以下の形式で実行される。

（式３）

ここで、

は、ｄ軸における基準固定子電流である。

は、ｑ軸における基準固定子電流である。

は、基準回転子電流である。
Ｋ_ｄ、Ｋ_ｑ、Ｋ_ｆ、Ｋ_ｉｄ、Ｋ_ｉｑ、Ｋ_ｉｆは、調整パラメータである。

したがって、レギュレータの合成は、パーク座標系ではなく、分離された座標系において実施される。

電流

は、処理手段６から発生する設定点電流である。等式（式１）＝（式３）が成り立つことから、調整パラメータＫ_ｄ、Ｋ_ｑ、Ｋ_ｆ、Ｋ_ｉｄ、Ｋ_ｉｑ、Ｋ_ｉｆを決定することが可能となる。

上記から分かるように、レギュレータによって、ｄ軸の電流（Ｉ_ｄ）の変動のみに依存するｘ軸に沿った電圧

を決定することが可能となる。同様に、ｙ軸に沿った電圧

およびｚ軸に沿った電圧

もそれぞれ、ｑ軸の電流（Ｉ_ｑ）の変動、および回転子の電流（Ｉ_ｆ）の変動のみに依存する。したがって、レギュレータのレベルで結合が最小限に抑えられる。

この新しいベース

で表される電圧信号は、中間信号である。実数値へのアクセスが得られるように、逆変換が必要となる。したがって、第２のステップ２では、システムに実際に印加される電圧調節信号が、以下のように計算される。

（式４）

したがって、電圧調節信号Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆは、中間信号、モータの物理的なパラメータ（インダクタンス、抵抗など）の値、およびモータに流れる電流（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆ）に応じて決定される。

第３のステップ３において、（式２を満たすことによって）バッテリに関する制約を満たすように、第２のステップにおいて計算された電圧調節信号を飽和させる。

第４のステップ４において、第３のステップで計算された飽和調節信号を、式４の行列の逆行列を適用することによって逆変換することによって、積分制限を決定する。したがって、この積分制限は、分離された座標系

の形式で表される。この積分制限は、その後、式３の第２項の積分を制限するように、ステップ１のレベルで考慮される。積分は、値

が、ステップ４で得られた

の飽和値を超えると停止される。

第５のステップ５では、制御の変動を制限することによって、制御の連続性を確保する。ステップ５の後、単純な正弦波電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの値が計算され（逆パーク変換）、実際のシステムに印加される電圧として働く。

このようにして得られた制御方法は、信頼性の観点から有効であり、かつ外乱に対して堅牢である。

図２には、センサ、例えば電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、およびＩ_ｆのセンサから受信した信号をフィルタリングし、スケーリングすることが可能な、測定値および要求を処理する手段６を備える制御装置があることが分かる。

この処理手段６は、出力が、信号

、すなわち中間信号を決定することが可能な変換手段７に連結されている。この変換手段７は、式３および式１を適用する。

変換手段７は、出力が、中間信号

に応じて電圧調節信号Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆを決定することが可能な決定手段８に連結されている。この決定手段８は、式４を適用する。

決定手段８は、出力が、式２に応じて電圧調節信号Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆを制限することが可能な飽和器９に連結されている。

飽和器９は、出力が、逆変換手段１０、および出力処理手段１１に連結されている。

逆変換手段１０は、飽和器９から受信した飽和電圧調節信号に応じて飽和中間信号を決定することが可能である。したがって、逆変換手段１０は、式４の行列の逆行列を適用する。その後、飽和中間信号は変換手段７に送信される。

出力処理手段１１は、機械的応力および動作ジョルトが制限されるように、２つの計算サイクル間で、アクチュエータに送信される飽和電圧調節信号の変動を制限することが可能である。

Claims (8)

1. 回転子および固定子を具備した電気モータ、前記回転子および前記固定子に流れる電流を測定するセンサ、電流設定点を決定する手段、ならびに前記測定センサから発生する信号を処理する手段（６）を備えるシステムを制御する方法であって、
   前記処理手段（６）から受信した前記信号に応じて、前記電気モータの固定子の電圧および回転子の電圧を、非干渉座標系において表現した変換によって、中間信号を決定するステップであって、パーク座標系の極軸における固定子電流をＩｄとし、パーク座標系の極間軸における固定子電流をＩｑとし、回転子電流をＩｆとした場合において、電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉｆは、その変化が前記非干渉座標系の一軸のみの電圧に反映される、中間信号決定ステップと、
   変換によって得られた前記中間信号に基づいて、前記電流設定点の条件下で、前記電気モータの前記回転子および前記固定子に流れる電流に応じて、電圧調節信号を決定するステップであって、前記電圧調整信号は前記非干渉座標系において定められる、電圧調整信号決定ステップと
   を有する、制御方法。
2. 自動車両に取り付けられ、前記電気モータに接続されたバッテリに関する制約を満たすように、前記電圧調節信号を飽和させるステップを含む、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記飽和電圧調節信号に逆変換を適用することによって積分制限を決定するステップを含み、前記積分制限が、前記逆変換後に、新しい中間信号を決定するために適用される、請求項２に記載の制御方法。
4. これらの制御の変動を制限することによって、前記制御の連続性を確保するステップを含む、請求項３に記載の制御方法。
5. 回転子および固定子を具備した電気モータを制御すべく、前記回転子および前記固定子に流れる電流を測定するセンサならびに電流設定点を決定する手段を備えるシステムであって、
   入力が、前記測定センサおよび電流設定点を決定する前記手段に接続された、測定値および要求を処理する手段（６）と、
   入力が、測定値および要求を処理する前記手段（６）に接続され、前記電気モータの固定子の電圧および回転子の電圧を非干渉座標系において表現した変換によって、中間信号を供給する変換手段（７）であって、パーク座標系の極軸における固定子電流をＩｄとし、パーク座標系の極間軸における固定子電流をＩｑとし、回転子電流をＩｆとした場合において、電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉｆは、その変化が前記非干渉座標系の一軸のみの電圧に反映される、変換手段（７）と、
   入力が、前記変換手段（７）に接続され、前記中間信号に基づいて、前記電流設定点の条件下で、前記電気モータの電圧調節信号を決定する決定手段（８）であって、前記電圧調節信号は前記非干渉座標系において定められる決定手段（８）と
   を備える、システム。
6. 前記決定手段（８）から受信した前記電圧調節信号の飽和器（９）を備える、請求項５に記載の制御システム。
7. 前記飽和器（９）から受信した前記飽和電圧調節信号の逆変換手段（１０）を備える、請求項６に記載の制御システム。
8. 前記飽和器（９）から受信した前記飽和電圧調節信号の出力を処理する手段（１１）を備える、請求項７に記載の制御システム。

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