JP6171095B2 - 可変磁化マシン制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、可変磁化マシン制御装置に関する。より具体的には、本発明は、電気自動車又はハイブリッド電気自動車で採用される電気モータなど、可変磁化マシンの磁化レベルを変更するための制御装置に関する。
電気自動車及びハイブリッド電気自動車(HEV)は、車両用の駆動源として動作する電気モータを含む。純粋な電気自動車では、電気モータは、唯一の駆動源として動作する。他方、HEVは、電気モータと、従来の燃焼機関とを含み、これらは、当技術分野で理解される条件に基づいて車両用の駆動源として動作する。
電気自動車及びHEVは、当技術分野で理解されるように、可変磁化特性を有する電気モータを採用することができる。例えば、モータによって発生されるトルクを増加させるためにモータの磁化レベルを増加させることができる。したがって、例えば他車を追い越すために運転者が車両を加速させることを試みるとき、モータ制御装置は、モータのトルク出力を増加させるために、磁化レベルを変更することができ、結果として、車両速度を増加させる。
そのような電気モータの磁化レベルを増加させるための幾つかの技法が存在する。1つの技法(従来技法1)では、モータのd軸電流のみが増加される。これにより、電気モータが脈動トルクを出力し、脈動トルクは、脈動d軸電流により、また磁化レベルの変化により脈動する。特開2009−153296号に記載されているような別の技法(従来技法2)では、制御装置が、ルックアップテーブルから検索された値に基づいてモータの磁化レベルを設定することができる。それを行う際、制御装置は、d軸電流、及びq軸電流も調整することができる。しかし、当技術分野で理解されるように、q軸電流は開ループ(フィードフォワード)制御を使用して決定されるので、2次元ルックアップテーブルは、モータによって出力される一定のトルクを維持する必要がある。さらに当技術分野で理解されるように、そのようなルックアップテーブルの作成は、非常に複雑であり、時間がかかる。また、閉ループ制御が使用されるので、モータが大量生産で製造されるときでさえ、個々のモータの異なる特性により、同じルックアップテーブルが異なるモータに必ずしも有用でないことがある。
したがって、車両用の可変磁化モータなど可変磁化マシンのための改良された制御装置を提供することが望ましい。
既知の技術の状況に鑑みて、開示される実施形態による可変磁化マシン制御装置の1つの態様は、電流指令値モジュールと、磁化モジュールと、減少電流モジュールとを備える。電流指令値モジュールは、トルク指令値に基づいて、dq軸でのベクトル電流指令値を計算する。磁化モジュールは、磁化制御パルスをベクトル電流指令値のd軸電流に印加する。したがって、減少電流モジュールは、トルク指令値と、可変磁化マシンの推定トルク及び可変磁化マシンの測定トルクの一方とに基づいて、ベクトル電流指令値のq軸電流に減少電流を印加する。
次に、本開示の一部を成す添付図面を参照する。
図1は、開示される実施形態による可変磁化マシンの概略部分断面図である。 図2は、開示される実施形態による可変磁化マシン制御装置の構成要素の例示的なブロック図である。 図3は、図2に示される構成要素、及び開示される実施形態による可変磁化マシン制御装置のさらなる構成要素を示す例示的なブロック図である。 図4は、図3に示される固定子鎖交磁束オブザーバの例示的ブロック図である。 図5は、図3に示される可変磁化マシン制御装置によって実施される操作の一例を示すフローチャートである。 図6は、小さなd軸電流信号に関する、図3に示される可変磁化マシン制御装置によって出力されるときの、時間に対するd軸電流信号の一例を示すグラフである。 図7は、大きなd軸電流信号に関する、図3に示される可変磁化マシン制御装置によって出力されるときの、時間に対するd軸電流信号の一例を示すグラフである。 図8は、図1に示される可変磁化マシン制御装置の速度に対する可変磁化マシンのトルクの一例を示すグラフである。 図9は、図1に示される可変磁化マシンの磁化中のd軸電流パルスに対する磁化レベルの一例を示すグラフである。 図10は、図1に示される可変磁化マシンの消磁中のd軸電流パルスに対する磁化レベルの一例を示すグラフである。 図11は、従来の磁化プロセスと比較されたときの、可変磁化マシン制御装置によって実施される可変磁化マシンの磁化プロセス中のd軸電流信号の挙動の一例を示すグラフである。 図12は、従来の磁化プロセスと比較されたときの、可変磁化マシン制御装置によって実施される可変磁化マシンの消磁プロセス中のd軸電流信号の挙動の一例を示すグラフである。 図13は、別の開示される実施形態による可変磁化マシン制御装置の構成要素を示す例示的なブロック図である。 図14は、図13に示される可変磁化マシン制御装置の通常制御モジュール、磁化電流パルス制御モジュール、減少電流制御モジュール、及び電流調整器の例を示す例示的ブロック図である。 図15は、可変磁化マシン制御装置の別の実施形態の通常制御モジュール、磁化電流パルス制御モジュール、減少電流制御モジュール、及び電流調整器の例を示す例示的ブロック図である。 図16は、可変磁化マシン制御装置の別の実施形態の通常制御モジュール、磁化電流パルス制御モジュール、減少電流制御モジュール、及び電流調整器の例を示す例示的ブロック図である。 図17は、正突極可変磁化マシンを制御するときの、可変磁化マシン制御装置の一実施形態によって出力される磁化パルス電流の一例を示すグラフである。 図18は、負突極可変磁化マシンを制御するときの、可変磁化マシン制御装置の一実施形態によって出力される磁化パルス電流の一例を示すグラフである。 図19は、本明細書で述べる実施形態による、可変磁化マシン制御装置の固定子鎖交磁束オブザーバの別の実施形態の例示的ブロック図である。 図20は、本明細書で述べる実施形態による可変磁化マシン制御装置の磁化電流パルス制御モジュール一例を示す例示的ブロック図である。 図21は、デッドビートダイレクトトルク磁束制御アルゴリズムを有する磁化電流制御モジュールの別の実施形態の例示的ブロック図である。 図22は、本明細書で述べる可変磁化マシン制御装置の一実施形態によって実施される磁化プロセス中の、時間に対する電流の一例を示すグラフである。 図23は、本明細書で述べる可変磁化マシン制御装置の一実施形態によって実施される磁化プロセス中のq軸電流とd軸電流との関係の一例を示すグラフである。 図24は、本明細書で述べる可変磁化マシン制御装置の一実施形態によって実施される磁化プロセス中の、可変磁化マシンのトルクの一例を示すグラフである。
ここでは、図面を参照して、選択された実施形態を説明する。実施形態の以下の説明は例示のために提供されるにすぎず、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義される本発明を限定する目的では提供されていないことが、当業者には本開示から明らかであろう。
図1に示されるように、可変磁化マシン10(可変磁化モータと呼ぶこともある)が、回転子12と固定子14を含む。可変磁化マシン10は、任意のタイプの電気自動車又はHEV、例えば自動車、トラック、SUVなど、及び当技術分野で理解される任意の他のタイプの装置で採用することができる。回転子12と固定子14は、金属又は当技術分野で理解される任意の他の適切な材料から形成することができる。
この例では、回転子12は、フラックスバリア16及び18の複数の対を含むように構成され、フラックスバリア16及び18は、エアギャップとして構成することができる。又は当技術分野で従来使用されている任意の適切なタイプの絶縁材料を含んでもよい。フラックスバリア16及び18のただ1つの完全な対及び2つの部分的な対が示されているが、この例では、6対のフラックスバリア16及び18を、回転子12の外周縁の周りに60度の角度で離隔配置することができる。当然、回転子12は、可変磁化マシン10が採用される環境に適切と考えられる数のフラックスバリア16及び18の対を含むことができる。また、この例に示されるように、モータのq軸が、1対のフラックスバリア16及び18の中心を通る。しかし、フラックスバリア16及び18の対は、本明細書で論じる実施形態の動作性を実現するために、q軸に関して任意の適切な位置に位置決めすることができる。
さらに示されるように、回転子12の表面ブリッジ20が、各フラックスバリア18の半径方向外側の境界と、回転子12の外周22との間に存在する。さらに、d軸磁束バイパス24が、フラックスバリア16及び18の各隣接する対の間に存在する。この例では、表面ブリッジ20及びd軸磁束バイパスは、回転子12と同じ材料から形成される。しかし、表面ブリッジ20及びd軸バイパス24は、当技術分野で知られている任意の適切なタイプの材料から形成することができる。
さらに、複数の低保磁力磁石26が、回転子12の円周に、フラックスバリア16及び18の隣接する対の間に離隔配置される。示されるように、これらの磁石26はそれぞれ、隣接するフラックスバリア16の部分に対して垂直又は実質的に垂直な方向における長手方向に延びる。しかし、磁石26は、任意の適切なサイズ及び形状で構成することができる。また、この例では、回転子12は6つの磁石26を含み、磁石26は、6対のフラックスバリア16及び18の間に位置決めされ、回転子12の周りに、円周方向に60度の間隔で離隔配置される。しかし、磁石26の数は、フラックスバリア16及び18の対の数の変化に応じて変わってよい。さらに、各磁石26は複数の磁石により構成されてもよい。この例では、d軸は、磁石26の中心を通る。しかし、磁石26は、本明細書で論じる実施形態の動作性を実現するために、d軸に対して任意の適切な位置に位置決めすることができる。
固定子14は、複数の固定子ティース28と、巻線(図示せず)など他の構成要素とを含み、それらの構成要素は、任意の従来の様式で構成されていてよい。この例では、固定子ティース28は、当技術分野で知られているように広幅の固定子ティースとして構成される。しかし、固定子ティース28は、任意の適切なサイズを有することができ、固定子14は、本明細書で論じる実施形態の動作性を実現するために、任意の数の固定子ティース28を含むことができる。この例では、固定子ティース28は、固定子14の内周30に開いているが、所望であれば閉じることもできる。また、エアギャップ32が、回転子12の外周22と固定子の内周30との間に存在して、回転子12が軸34の周りで無制限に又は実質的に無制限に回転できるようにする。
開示される実施形態による可変磁化マシン制御装置100を、図2〜図4を参照して以下に述べる。この実施形態、及び本明細書で述べる他の実施形態の説明から分かるように、q軸電流は、フィードバックを用いてオンラインで減少され、調整された量をq軸電流に加えることによって、可変磁化マシン10のトルクを一定に又は実質的に一定に保つことができる。
図示されるように、可変磁化マシン制御装置100は、通常制御モジュール102と、磁化電流パルス制御モジュール104と、減少電流制御モジュール106と、電流調整器108と、トルク計算機110とを含む。可変磁化マシン制御装置100は、さらに、回転フレーム/固定フレーム構成要素112と、固定フレーム/回転フレーム構成要素114と、パルス幅変調(PWM)電圧インバータ116と、固定子鎖交磁束オブザーバ118とを含む。可変磁化マシン制御装置100は、図示されるように可変磁化マシン10に電気的に結合される。図2及び図3から分かるように、図2は、通常制御モジュール102、磁化電流パルス制御モジュール104、及び減少電流制御モジュール106の特徴の例を示すが、図3に示されるトルク計算機110、パルス幅変調(PWM)電圧インバータ116、及び固定子鎖交磁束オブザーバ118は示さない。
可変磁化マシン制御装置100は、好ましくは、以下に論じるように可変磁化マシン制御装置100の構成要素を制御する制御プログラムを有する少なくとも1つのマイクロコンピュータを含む。可変磁化マシン制御装置100は、入力インターフェース回路、出力インターフェース回路、記憶デバイス、例えばROM(読み出し専用メモリ)デバイスやRAM(ランダムアクセスメモリ)デバイスなど、他の従来の構成要素を含む。可変磁化マシン制御装置100に関する正確な構造及びアルゴリズムは、本発明の機能を実施するハードウェア及びソフトウェアの任意の組合せでよいことが、当業者には本開示から明らかであろう。即ち、本明細書及び特許請求の範囲で利用される「ミーンズプラスファンクション」節は、「ミーンズプラスファンクション」節の機能を実施するために利用することができる任意の構造又はハードウェア及び/又はアルゴリズム若しくはソフトウェアを含むものとする。さらに、可変磁化マシン制御装置100は、当技術分野で理解される任意の適切な様式で可変磁化マシン10と通信することができる。さらに、可変磁化マシン制御装置100の構成要素の幾つかをモジュールとして述べるが、これらの構成要素は、別々又は個別の構成要素である必要はなく、1つの構成要素又はモジュールが、本明細書で論じる複数の構成要素又はモジュールの動作を実施することができる。また、各モジュールは、上で論じたマイクロコントローラを含むことができ、又は複数のモジュールが、1つ又は複数のマイクロコントローラを共有することができる。
図2及び図3に示されるように、通常制御モジュール102及び減少電流制御モジュール106は、例えば車両の運転者が車両を加速することを試みるのに応答して、例えば不図示の制御装置からトルク指令値T*を受信する。それに応答して、通常制御モジュール102は、最適なd軸電流id及び最適なq軸電流iqを選択するためのd軸電流信号i* ds及びq軸電流信号i* qsを出力する。したがって、通常制御モジュール102(電流指令値モジュールと呼ぶこともある)は、トルク指令値T*に基づいてdq軸のベクトル電流指令値を計算する。例えば、この例での減少電流モジュール102は、トルク指令値T*と推定トルクTとの差に基づいて、減少電流を計算する。これにより、より簡単な演算によるフィードバックシステムを提供することができる。
即ち、図2により詳細に示されるように、この例での減少電流制御モジュール106は減算器120を含み、減算器120は、トルク指令値T*の値から、測定又は推定されたトルクTの値を減算して、この差分を複数の利得構成要素122及び124に出力する。例えば、図3に示されるように、トルクTの値は、以下でより詳細に論じるトルク計算機110によって提供することができる。利得構成要素122の出力は、加算器126に提供され、利得構成要素124の出力は、z変換構成要素128に提供される。したがって、加算器126は、利得構成要素122の出力とz変換構成要素128の出力とを加算して、減少電流信号i* q_redを生成する。したがって、減少電流制御モジュール106(単に減少電流モジュールとも呼ぶ)は、トルク指令値と、可変磁化マシン10の推定トルク及び可変磁化マシン10の測定トルクの一方とに基づいて、ベクトル電流指令値のq軸電流に減少電流を印加する。したがって、可変磁化マシン制御装置100は、各可変磁化マシン10のパラメータ偏差又は差分の影響を全く又は実質的に受けない。
図2及び図3に示されるように、通常制御モジュール102は、d軸電流信号i* dsを加算器130に出力し、q軸電流信号i* qsを加算器132に出力する。図2にさらに示されるように、磁化電流パルス制御モジュール104は、この例では、3つの信号の1つを提供するための回路を含む。即ち、以下に論じるように、磁化電流パルス制御モジュール104は、信号i* d mag(加算器がこれをd軸電流信号i* dsに加算する)、値0(加算器がこれをd軸電流信号i* dsに加算する(即ちd軸電流信号i* dsに変化はない))、又は信号i* d demagを出力することができる。したがって、磁化電流パルス制御モジュール104は、制御モジュール102(電流指令値モジュールとも呼ぶことがある)によって出力されたベクトル電流指令値に応じて磁化制御パルスの振幅を変更するように構成することができる。これにより、可変磁化マシン10のトルク状態に関係なく、磁化又は消磁を行うことができる。磁化電流パルス制御モジュール104(磁化モジュールと呼ぶこともある)は、磁化制御パルスをベクトル電流指令値のd軸電流に印加する。また、計算を単純にするために、磁化電流パルス制御モジュール104は、磁化制御パルスと電流id *の値との和が可変磁化マシン10に対して規定の磁化レベルを生じるd軸電流を提供するように、磁化制御パルスの振幅を設定することができる。
さらに、図2及び図3に示されるように、加算器132は、減少電流信号i* q_redをq軸電流信号i* qsに加算して、減少電流信号i* q_reducedを生成する。加算器130及び132は、それらの出力を電流調整器108に提供し、電流調整器108は、d軸電流電圧信号Vr* ds及びq軸電流電圧信号Vr* qsを回転フレーム/固定フレーム構成要素112に提供する。この例では、回転フレーム/固定フレーム構成要素112は、電圧信号をPWM電圧インバータ116に提供し、PWM電圧インバータ116は、可変磁化マシン10の3極に電圧Va、Vb、及びVcを供給する。
可変磁化マシン制御装置100は、電流センサ140をさらに含み、電流センサ140は、可変磁化マシン10に印加されたVa、Vb、及びVcに関連付けられる電流を検出する。電流センサ140は、検出電流信号Ia、Ib、及びIcを固定フレーム/回転フレーム構成要素114に供給する。したがって、固定フレーム/回転フレーム構成要素114は、検出されたd軸電流信号ir ds、及び検出されたq軸電流信号ir qsを電流調整器108及びトルク計算機110に提供する。当技術分野で理解されるように、電流調整器108は、固定フレーム/回転子フレーム構成要素114からフィードバックされたd軸電流信号ir ds及び検出されたq軸電流信号ir qsに基づいて、d軸電流電圧信号Vr* ds及びq軸電流電圧信号Vr* qsを調整する。
図3にさらに示され、図4により詳細に示されるように、固定子鎖交磁束オブザーバ118(固定子鎖交磁束推定器とも呼ぶことがある)は、可変磁化マシン10と関連付けられる機械電気状態変数に関して、ルーエンバーガー(Luenburger)型のオブザーバにおけるL(Y−Yh)リファレンスから取得される補償値を加えることによって、固定子鎖交磁束を推定するように構成することができる。即ち、オブザーバとプラントとの出力の差の値から得られる補償値を比例積分(PI)制御装置の補償と加算することができ、次いでこの和がオブザーバの状態に加算されて、ルーエンバーガー型のオブザーバを生成する。
これは、より正確なトルク推定を提供し、脈動トルクを減少させることができる。この例では、固定子鎖交磁束オブザーバ118は、d軸電流信号ir dsと、検出されたq軸電流信号ir qsとを受信し、これらの信号を減算器142及び144に提供する。減算器142は、利得構成要素146及び148に出力を提供し、減算器144は、利得構成要素150及び152に出力を提供する。利得構成要素146の出力は、z変換構成要素154に提供され、利得構成要素148の出力は、加算器156に提供される。したがって、加算器156は、利得構成要素148の出力とz変換構成要素154の出力とを加算する。同様に、利得構成要素152の出力は、z変換構成要素158に提供され、利得構成要素150の出力は、加算器160に提供される。したがって、加算器160は、利得構成要素150の出力と、z変換構成要素158の出力とを加算する。
加算器156の出力は、加算器162に提供され、加算器162は、その出力を、上で述べたように電流調整器108によって出力されたd軸電流電圧信号Vr* dsに加算する。また、加算器160の出力は、加算器164に提供され、加算器164は、その出力を、電流調整器108によって出力されたq軸電流電圧信号Vr* dqに加算する。加算器162の出力は、加算器/減算器166に提供され、加算器164の出力は、加算器/減算器168に提供される。加算器/減算器166の出力は、z変換構成要素170に提供され、加算器/減算器168の出力は、z変換構成要素172に提供される。z変換構成要素170の出力は、インダクタンス構成要素174に提供され、インダクタンス構成要素174は、出力d軸電流信号idを提供する。z変換構成要素172の出力は、インダクタンス構成要素176に提供され、インダクタンス構成要素176は、出力q軸電流信号iqを提供する。さらに、インダクタンス構成要素174の出力は、抵抗構成要素178を介して加算器/減算器166にフィードバックされ、インダクタンス構成要素174の出力は、抵抗構成要素180を介して加算器/減算器168にフィードバックされる。
さらに示されるように、加算器156の出力は、除算器182に提供され、除算器182は、加算器156の出力を、構成要素184によって出力された回転子12の検出又は推定された回転信号ωrで除算し、出力を加算器186に提供する。また、加算器160の出力は、除算器190に提供され、除算器190は、加算器160の出力を、構成要素188によって出力された回転子12の検出又は推定された回転信号ωrで除算し、出力を減算器192に提供する。
図4にさらに示されるように、構成要素194は、加算器196に信号を提供する。加算器196は、構成要素194からの信号の出力を、z変換構成要素170によって提供される信号に加算する。加算器196の出力は、構成要素198に提供され、構成要素198は、出力を加算器168に提供する。したがって、加算器/減算器168は、構成要素180によって提供された信号を、加算器164及び構成要素198によって提供された信号から減算して、出力信号をz変換構成要素172に提供する。z変換構成要素172の出力は、構成要素200及び加算器186にさらに提供される。したがって、加算器/減算器166は、構成要素178の出力を、加算器162及び構成要素199によって提供される信号から減算して、出力信号をz変換構成要素170に提供する。
さらに、加算器186は、構成要素200の出力を除算器182の出力に加算して、推定固定子鎖交磁束信号λq_corを提供し、減算器192は、除算器190の出力を加算器196の出力から減算して、推定固定子鎖交磁束信号λd_corを提供する。したがって、図3に示されるトルク計算機110は、(図3ではλr ds及びλr qsによって表される)推定固定子鎖交磁束信号λd_cor及びλq_corと、固定フレーム/回転子フレーム構成要素114からフィードバックされる検出d軸電流信号ir ds及び検出q軸電流信号ir qsとに基づいて、感知又は推定トルクTの値を計算する。
図5は、可変磁化マシン制御装置100、及び本明細書で述べる可変磁化マシン制御装置の他の実施形態によって実施される操作の一例を示すフロ−チャートである。これらの操作は、上で論じたように制御装置、又は可変磁化マシン制御装置100の構成要素に組み込まれた制御装置によって実施することができる。
ステップ1000でプロセスを開始した後、プロセスは、可変磁化マシン10が磁化又は消磁されるべきか否かを判断する。磁化又は消磁されるべきでない場合、プロセスは、ステップ1020で終了する。しかし、可変磁化マシン10が磁化又は消磁されるべきである場合、処理は、ステップ1030で、磁化又は消磁電流を計算する。ステップ1040で、可変磁化マシン制御装置100は、図2〜図4に関して上述したように、d軸電流を可変磁化マシン10に印加する。ステップ1050に係る処理は、減結合q軸電流を計算する。次いで、ステップ1060に係る処理では、磁化又は消磁プロセスが完了しているかどうか判断する。完了している場合、ステップ1070において処理は終了する。しかし、磁化又は消磁が完了していない場合、処理は、ステップ1030に戻り、上で論じたように反復する。
図6及び図7に示されるように、図2及び図3に示される加算器130によって出力される電流信号のパルスAの高さは、パルスのピーク値が、可変磁化マシン10の所望の磁化レベルを連続的に得るための値を実現することができるように調整される。図6及び図7から分かるように、電流信号のレベルの変化は、図7に示されるような大きな電流値に対してよりも、図6に示されるような小さな電流値に対して大きい。
他方、図8は、50%の磁化レベル、75%の磁化レベル、及び100%の磁化レベルに関する、可変磁化マシン10のトルクと可変磁化マシン10の速度との関係の一例を示す。したがって、可変磁化マシン制御装置100は、例えば別の車両を追い越すために車両の加速が必要とされるときに、全トルク出力を提供するように可変磁化マシン10の磁化レベルを制御することができる。磁化レベルは、最大トルク生成に関して100%まで増加させることができ、可変磁化マシン10が消磁されている状態で車両の速度を高速に増加させることができる。この例では、トルクは、同じ電流振幅で25%増加する。これは、可変磁化マシン10の磁化レベルが増加することを意味する。さらに、図9は、可変磁化マシン10の磁化中のd軸電流パルスに対する磁化レベルの一例を示すグラフであり、図10は、可変磁化マシン10の消磁中のd軸電流パルスに対する磁化レベルの一例を示すグラフである。
したがって、本明細書における説明から分かるように、可変磁化マシン制御装置100は、トルクを一定に保つためにq軸電流を制御しながらd軸電流パルスを制御することによって、可変磁化マシン10の磁化レベルを制御する。可変磁化マシン制御装置100によって実施される操作は、各マシンの相違又はマシンのパラメータ偏差の影響を受けないものであり得、容易に且つ迅速に実施される。
図11は、従来の磁化プロセスと比較されたときの、可変磁化マシン制御装置の実施形態によって実施される可変磁化マシン10の磁化プロセス中のd軸電流信号の挙動の一例を示すグラフである。図11から分かるように、可変磁化マシン制御装置100、及び本明細書で論じる他の実施形態の操作によるq電流iqの磁化プロセス中における振幅は、従来の技法よりも小さい。図12から分かるように、可変磁化マシン制御装置100、及び本明細書で論じる他の実施形態の操作によるq電流iqの磁化プロセス中における振幅は、従来の技法よりも大きい。したがって、図8から分かるように、可変磁化マシン10の速度は、図12に示されるように、より効果的に実現可能なより低い磁化レベルで、より急速に増加させることができる。
別の開示される実施形態が、図13及び図14に示されている。可変磁化マシン制御装置200は、可変磁化マシン10に電気的に結合されており、通常制御モジュール202と、磁化電流パルス制御モジュール204と、減少電流制御モジュール206と、電流調整器208と、トルク計算機210とを含む。可変磁化マシン制御装置200は、さらに、回転フレーム/固定フレーム構成要素212、固定フレーム/回転フレーム構成要素214、パルス幅変調(PWM)電圧インバータ216、固定子鎖交磁束オブザーバ218、電流検出器240を含む。以下に論じる減少電流制御モジュール206を除いて、構成要素202、204、208、210、212、214、216、218、及び240は、上で論じた可変磁化マシン制御装置100の対応する構成要素102、104、108、110、112、114、116、118、及び140と同一又は同様に構成される。したがって、それらの説明はここでは繰り返さない。
この実施形態では、減少電流制御モジュール306は、(図14ではΨd及びΨqによって表される)検出又は推定された固定子鎖交磁束信号λr ds及びλr qsと、(図14ではid及びiqによって表される)固定フレーム/回転子フレーム構成要素114からフィードバックされる検出d軸電流信号ir ds及び検出q軸電流信号ir qsとに基づいて、減少電流信号i* q_redを計算することができる。即ち、図13に示されるように、減少電流制御モジュール206は、トルク指令値T*を受信して、出力を加算器2062に提供する構成要素2061を含む。
Figure 0006171095
上記式(1)を考えると、トルク指令値が分かっており、固定子鎖交磁束オブザーバ218がΨdΨqの値を示すので、q軸電流のための目標値は、下記式(2)として計算することができる。
Figure 0006171095
1軸電流に関する減少値は、下記式(3)として与えられる。
Figure 0006171095
減少電流制御モジュール206は、さらに乗算器2063を含み、乗算器2063は、信号idとΨqを乗算し、乗算された信号を加算器2062に提供する。加算器2062は、加算された信号を除算器2064に送信し、除算器2064は、加算された信号を信号Ψdで除算し、出力信号i* q_targetを減算器2065に提供する。減算器2065は、信号i* q_targetから信号iqを減算して、出力信号i* q_decoupleを提供する。信号i* q_decoupleは、調整器/制限器2066に提供され、調整器/制限器2066は、出力信号減少電流信号i* q_redを加算器132に提供する。
別の開示される実施形態が図15に示されている。可変磁化マシン制御装置300(その一部が図15に示されている)が、可変磁化マシン10(図15には図示せず)に電気的に結合される。この例では、可変磁化マシン制御装置300は、通常制御モジュール302と、磁化電流パルス制御モジュール304と、減少電流制御モジュール306と、電流調整器208と、加算器330及び332とを含む。可変磁化マシン制御装置300は、さらに、上で論じた可変磁化マシン制御装置100と同様の他の構成要素、例えば、回転フレーム/固定フレーム構成要素112、固定フレーム/回転フレーム構成要素114、パルス幅変調(PWM)電圧インバータ116、固定子鎖交磁束オブザーバ118、電流検出器140、及び図2〜図4に関して上で論じた他の構成要素を含む。以下に論じる磁化電流パルス制御モジュール304及び加算器332を除いて、構成要素302、306、308、320、322、324、326、328、330及び図示されていない他の構成要素は、上で論じた可変磁化マシン制御装置100の対応する構成要素102、106、108、120、122、124、126、128、及び130と同一又は同様に構成される。したがって、それらの説明はここでは繰り返さない。
図15に示されるように、磁化電流パルス制御モジュール304は、クロスカップリングフィードフォワード利得構成要素3041を含み、クロスカップリングフィードフォワード利得構成要素3041は、利得信号を加算器332に提供する。したがって、加算器332は、利得信号をq軸電流信号i* qs及び減少電流信号i* q_redに加算し、減少電流信号i* q_reducedを、上で論じたように動作する電流調整器308に提供する。
別の開示される実施形態が、図16に示されている。可変磁化マシン制御装置400(その一部が図16に示されている)が、可変磁化マシン10(図16には図示せず)に電気的に結合される。この例では、可変磁化マシン制御装置400は、可変磁化マシン制御装置400の通常制御モジュール402と、磁化電流パルス制御モジュール404と、減少電流制御モジュール406と、電流調整器408と、加算器430及び432とを含む。可変磁化マシン制御装置400は、さらに、上で論じた可変磁化マシン制御装置100のものと同様の他の構成要素、例えば、回転フレーム/固定フレーム構成要素112、固定フレーム/回転フレーム構成要素114、パルス幅変調器(PWM)電圧インバータ116、固定子鎖交磁束オブザーバ118、電流検出器140、及び図2〜図4に関して上で論じた他の構成要素を含む。以下に論じる磁化電流パルス制御モジュール404及び減少電流制御モジュール406を除いて、構成要素402、408、430、及び432、並びに図示されていない他の構成要素は、上で論じた可変磁化マシン制御装置100の対応する構成要素102、108、130、132及び他の構成要素と同一又は同様に構成される。したがって、それらの説明はここでは繰り返さない。
図16にさらに示されるように、減少電流制御モジュールは、減算器4061を含み、減算器4061は、トルク指令値T*からトルク信号Tを減算し、出力信号を可変利得補償器4062及び4063に提供する。可変利得補償器4062及び4063の利得は、図示されるように、磁化電流パルス制御モジュール404(磁化モジュール)によって出力される信号に基づいて制御される。したがって、磁化モジュール404は、磁化制御パルスを提供して、磁化制御パルスの値に従って比例積分補償器4062及び4063の利得を調整する。これは、より広い動作条件における広い帯域幅を提供し、それにより脈動トルクを抑制することができる。したがって、減少電流制御モジュール406は、磁化モジュール404が出力する磁化制御パルスに従ってq軸電流に減少電流を加算することができる。これは、フィードバックによるラグを有する減少電流の大きさを低減させることができ、その量をフィードフォワードによって補償することができる。これにより可変磁化マシン10での脈動トルクを減少させる。
可変利得補償器4062の出力は、加算器4064に提供され、可変利得補償器4063の出力は、z変換構成要素4065に提供される。加算器4064は、可変利得補償器4062の出力とz変換構成要素4065の出力とを加算する。加算器4064の出力は、減少電流信号i* q_redとして加算器432に提供される。したがって、加算器332は、利得信号をq軸電流信号i* qs及び減少電流信号i* q_redに加算し、減少電流信号i* q_reducedを、上で論じたように動作する電流調整器308に提供する。したがって、上述したこと、並びに図17及び図18でのグラフから分かるように、減少電流制御モジュール406は、正突極マシンとして構成された可変磁化マシン10では正のパルスに関する利得を減少し、負突極マシンとして構成された可変磁化マシン10では正のパルスに関する利得を増加するように動作することができる。これは、可変磁化マシン10のより広い動作条件で、制御モジュール406を安定させることができる。
図1に示される固定子鎖交磁束オブザーバ118の変形形態の一例が、図19に示されている。図19に示される固定子鎖交磁束オブザーバ518は、d軸電流信号ir ds及び検出されたq軸電流信号ir qsを受信し、これらの信号を減算器542及び544に提供する。減算器542は、出力を利得構成要素546及び548に提供し、減算器544は、出力を利得構成要素550及び552に提供する。利得構成要素546の出力は、z変換構成要素554に提供され、利得構成要素548の出力は、加算器556に提供される。したがって、加算器556は、利得構成要素548の出力とz変換構成要素554の出力とを加算する。同様に、利得構成要素552の出力は、z変換構成要素558に提供され、利得構成要素550の出力は、加算器560に提供される。したがって、加算器560は、利得構成要素550の出力とz変換構成要素558の出力とを加算する。これらの構成要素は、図4に図示し、上述した対応する構成要素142〜160と同様である。
図19にさらに示されるように、固定子鎖交磁束オブザーバ518は加算器566を含み、加算器566は、上で論じたように電流調整器108によって出力されたd軸電流電圧信号Vr* dsを受信する。固定子鎖交磁束オブザーバ518は加算器568をさらに含み、加算器568は、電流調整器108によって出力されたq軸電流電圧信号Vr* qsを受信する。加算器566の出力は、z変換構成要素570に提供され、加算器568の出力は、z変換構成要素572に提供される。z変換構成要素570の出力は、構成要素574に提供され、構成要素574は、出力d軸電流信号idを提供する。z変換構成要素572の出力は、構成要素576に提供され、構成要素576は、出力q軸電流信号iqを提供する。さらに、構成要素574の出力は、構成要素578を介して加算器566にフィードバックされ、構成要素576の出力は、構成要素580を介して加算器568にフィードバックされる。これらの構成要素は、上で論じた対応する構成要素166〜180と同様である。
さらに示されるように、加算器556の出力は、別の加算器581に提供され、加算器560の出力は、別の加算器583に提供される。上で論じたように、加算器581は、加算器556の出力をz変換構成要素572の出力に加算して推定固定子鎖交磁束信号λq_corを提供する。加算器581は、さらに、この推定固定子鎖交磁束信号λq_corを構成要素599に提供し、構成要素599は、その出力を加算器566に提供する。したがって、上で論じたように、加算器は、この出力を加算器162及び構成要素178の出力に加算し、加算された出力をz変換構成要素170に提供する。加算器583は、z変換構成要素170の出力を加算器560の出力及び構成要素594の出力に加算し、加算された出力を、推定固定子鎖交磁束信号λd_corとして提供する。加算器583は、さらに、推定固定子鎖交磁束信号λd_corを構成要素598に提供し、構成要素598は、加算器568に出力を提供する。したがって、加算器568は、構成要素598の出力と構成要素580の出力をq軸電流電圧信号Vr* dqに加算し、加算された出力をz変換構成要素572に提供する。
図1に示される磁性電流パルス制御モジュール104の変形形態の一例が、図20に示されている。磁性電流パルス制御モジュール604は、モジュール6041と、モジュール6042と、ルックアップテーブル6043と、電流パルス発生器6044と、減算器6045とを含む。モジュール6041は、回転子12の検出又は推定角度を表す角度信号ωと、電圧信号VDCとに基づいて、許容される最大の信号λm_allowedを決定する。モジュール6042は、所望の信号レベルλm_desired及び許容される最大の信号レベルλm_allowedに基づいて、実現可能な最小の信号λ*_feasible m_levelを決定する。モジュール6042は、実現可能な最小の信号λ*_feasible m_levelをルックアップテーブル6043及び電流パルス発生器6044に出力する。ルックアップテーブル6043は、信号λ*_feasible m_levelに基づいて、目標電流信号id_targetを減算器6045に出力する。減算器は、目標信号id_targetから信号idを減算し、信号Δidを電流パルス発生器6044に提供する。電流パルス発生器6044は、信号λ*_feasible m_level及びΔidに基づいて、パルス信号id_magを出力する。例えば、磁性電流パルス制御モジュール604は、図2及び図3に示されるように、パルス信号id_magを加算器130に出力する。
別の開示される実施形態が、図21に示されている。図21に示される可変磁化マシン制御装置700は、可変磁化マシン10に電気的に結合される。この例では、可変磁化マシン制御装置700は、制御モジュール701と、加算器703と、減算器705と、DB−DTFCアルゴリズムモジュール707と、トルク推定器710とを含む。可変磁化マシン制御装置700は、さらに、上で論じた可変磁化マシン制御装置100のものと同様の他の構成要素、例えば、回転フレーム/固定フレーム構成要素712、固定フレーム/回転フレーム構成要素714、パルス幅変調器(PWM)電圧インバータ716、固定子鎖交磁束オブザーバ718、電流検出器740、及び図2〜図4に関して上で論じた他の構成要素を含む。これら及び幾つかの他の構成要素(図示せず)は、上で論じた可変磁化マシン制御装置100の対応する構成要素112、114、116、118、及び140並びに他の構成要素と同一又は同様に構成され、したがって、それらの説明はここでは繰り返さない。
制御モジュール701は構成要素7011を含み、構成要素7011は、信号λ* m_levelと、構成要素7012からの信号とを受信する。構成要素7012は、PWM電圧インバータ716によって提供される電圧信号VDCと、角度センサ11によって検出され、位置オブザーバ構成要素7013を介して提供された回転子12の検出又は推定角度を表す角度信号ωとに基づいて、信号を構成要素7011に提供する。したがって、制御パルス701によって出力される磁化制御パルスは台形パルスでよく、これは、可変磁化マシン10の固定子反応LD*diD/dtが、可変磁化マシン10に電圧を提供するPWM電圧インバータ716などの電圧源で許容される値を超えるのを防止する。これは、制御モジュール701が、可変磁化マシン10の動作の任意の制約によって悪影響を及ぼされることなくトルクを制御することを保証することができる。
構成要素7011は、出力信号λ*_feasible m_levelを磁束指令値発生器構成要素7014及びルックアップテーブル7015に提供する。ルックアップテーブル7015は、構成要素7011からの信号と、固定フレーム/回転フレームモジュール714によって提供される電流信号ir dqsとに基づいて、信号を磁束指令値発生器構成要素7014に出力する。磁束指令値発生器7014は、信号λ*_feasible m_levelと、ルックアップテーブル7015からの信号出力とに基づいて、信号を加算器703に提供する。
加算器703は、制御モジュール701からの信号を信号λs *に加算して、出力信号をDB−DTFCアルゴリズムモジュール707に提供する。減算器705は、トルク推定器710によって提供された信号Temを推定トルク信号T* emから減算し、信号をDB−DTFCアルゴリズムモジュール707に提供する。図示されるように、トルク推定器710は、固定子電流オブザーバ715によって提供される信号ir dqsと、固定子鎖交磁束オブザーバ718によって提供される信号λr dqsとに基づいて、信号Temを提供する。即ち、トルク推定器710は、可変磁化マシン10の推定固定子鎖交磁束のdq軸ベクトルと、可変磁化マシン10に提供される測定電流とに基づいて、推定トルクを計算することができる。したがって、トルク変換器は必要ない。固定子鎖交磁束オブザーバ718は、固定子オブザーバ715からの信号と、DB−DTFCアルゴリズムモジュール707によって出力された信号Vr dqsとに基づいて信号λr dqsを提供する。さらに図示されるように、DB−DTFCアルゴリズムモジュール707は、加算器703及び減算器705からの信号と、固定子鎖交磁束オブザーバ718によって提供された信号λr dqsとに基づいて、信号Vr dqsを出力する。
本明細書で述べる実施形態は、磁化プロセス中に、図22に示されるように可変磁化マシン10に電流を印加することができる。本明細書で述べる可変磁化マシン制御装置の実施形態によって実施される磁化プロセス中のq軸電流とd軸電流との関係の一例が、図23に示されている。さらに、例えば図24に示されるように、本明細書で述べる可変磁化マシン制御装置の実施形態によって実施される磁化プロセス中の可変磁化マシン10のトルクを制御することができる。
用語の全般的な解釈
本発明の範囲を理解するにあたって、用語「備える」及びその派生語は、本明細書で使用するとき、示される特徴、要素、構成要素、グループ、整数、及び/又はステップの存在を指定する非制限の用語として意図されており、他の特徴、要素、構成要素、グループ、整数、及び/又はステップの存在を除外しない。前述のことは、用語「含む」、「有する」、及びそれらの派生語など同様の意味を有する語にも当てはまる。また、用語「部分」、「区域」、「部」、「部材」、又は「要素」は、単数形で使用されるとき、単一の部分又は複数の部分の二重の意味合いを有することができる。「実質的」、「約」、「ほぼ」など程度を表す用語は、本明細書で使用するとき、修飾される用語の妥当な偏差量を意味し、最終結果は大幅には変更されない。
本発明を例示するために、選択された実施形態のみを選択してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を行うことができることが当業者には本開示から明らかであろう。例えば、様々な構成要素のサイズ、形状、位置、又は向きを、必要及び/又は望みに応じて変更することができる。互いに直接接続される、又は接触するものとして示される構成要素は、それらの間に配設された中間構造を有していてもよい。1つの要素の機能が、2つの要素によって行われることも、その逆もあり得る。一実施形態の構造及び機能が、別の実施形態で採用されることもある。ある特定の実施形態で全ての利点が同時に存在する必要はない。また、従来技術とは異なるあらゆる特徴は、そのような特徴によって具現化される構造的及び/又は機能的概念も含め、単独で又は他の特徴と組み合わせて、本出願人によるさらなる発明の別の記載とみなされるべきである。したがって、本発明による実施形態の前述の説明は、例示のために提供されるにすぎず、添付の特許請求の範囲及びその均等形態によって定義される発明を限定する目的では提供されていない。

Claims (16)

  1. 固定子と少なくとも一つの永久磁石を有する回転子とを備える永久磁石モータを含む可変磁化マシン用の制御装置であって、
    トルク指令値に基づいて、dq軸のベクトル電流指令値を算出するように構成された電流指令値モジュールと、
    前記ベクトル電流指令値のd軸電流に磁化制御パルスを印加するように構成された磁化モジュールと、
    前記トルク指令値と、前記可変磁化マシンの推定トルク及び前記可変磁化マシンの測定トルクの一方とに基づいて、前記ベクトル電流指令値のq軸電流に減少電流を印加することにより前記固定子に印加される前記dq軸電流を制御することで前記永久磁石の磁束を変化させるように構成された減少電流モジュールと
    を備える可変磁化マシン制御装置。
  2. 前記減少電流モジュールは、さらに、前記トルク指令値と前記推定トルクとの差に基づいて前記減少電流を算出するように構成される
    請求項1に記載の可変磁化マシン制御装置。
  3. 前記磁化モジュールは、さらに、前記磁化制御パルスの値に応じて比例積分補償器の利得を調整するために、前記磁化制御パルスを提供するように構成される
    請求項1又は2に記載の可変磁化マシン制御装置。
  4. 前記減少電流モジュールは、正突極機として構成された前記可変磁化マシンでは正のパルスに関する利得を減少し、負突極機として構成された前記可変磁化マシンでは正のパルスに関する利得を増加するように構成される
    請求項1に記載の可変磁化マシン制御装置。
  5. 前記磁化モジュールは、さらに、前記磁化モジュールが出力する磁化制御パルスに応じて前記減少電流を変更するように構成される
    請求項1に記載の可変磁化マシン制御装置。
  6. 前記可変磁化マシンの推定固定子鎖交磁束のdq軸ベクトルと、前記可変磁化マシンに提供される測定電流とに基づいて、前記推定トルクを計算するように構成されたトルク推定器
    をさらに備える請求項1に記載の可変磁化マシン制御装置。
  7. オブザーバとプラントとの出力の差の値から得られる補償値を比例積分制御装置の補償と加算して合計値を生成し、前記合計値が前記オブザーバの状態に加算されて、前記可変磁化マシンに関連付けられる機械電気状態変数に関するルーエンバーガー型のオブザーバを生成することによって、固定子鎖交磁束を推定するように構成された固定子鎖交磁束推定器
    をさらに備える請求項6に記載の可変磁化マシン制御装置。
  8. 前記磁化モジュールは、さらに、前記電流指令値モジュールによって出力された前記ベクトル電流指令値に従って前記磁化制御パルスの振幅を変更するように構成される
    請求項1に記載の可変磁化マシン制御装置。
  9. 前記磁化モジュールは、さらに、前記磁化制御パルスと電流id *の値との和が前記可変磁化マシンに対して規定の磁化レベルを生じるd軸電流を提供するように、前記磁化制御パルスの振幅を設定するように構成される
    請求項8に記載の可変磁化マシン制御装置。
  10. 前記磁化制御パルスが、台形パルスであり、前記可変磁化マシンの固定子反応LD*diD/dtが前記可変磁化マシンに電圧を供給する電圧源で許容される値を超えるのを防止する
    請求項1に記載の可変磁化マシン制御装置。
  11. 固定子と少なくとも一つの永久磁石を有する回転子とを備える永久磁石モータを含む可変磁化マシンを制御するための方法であって、
    トルク指令値に基づいて、dq軸のベクトル電流指令値を算出し、
    前記ベクトル電流指令値のd軸電流に磁化制御パルスを印加し、
    前記トルク指令値と、前記可変磁化マシンの推定トルク及び前記可変磁化マシンの測定トルクの一方とに基づいて、前記ベクトル電流指令値のq軸電流に減少電流を印加することにより前記固定子に印加される前記dq軸電流を制御することで前記永久磁石の磁束を変化させること
    を含む方法。
  12. 前記減少電流の印加が、前記トルク指令値と前記推定トルクとの差に基づいて前記減少電流を算出することを含む
    請求項11に記載の方法。
  13. 化モジュールから出力される前記磁化制御パルスに応じて減少電流を変更すること
    をさらに含む請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記可変磁化マシンの推定固定子鎖交磁束のdq軸ベクトルと、前記可変磁化マシンに供給される測定電流とに基づいて、前記推定トルクを算出すること
    をさらに含む請求項11に記載の方法。
  15. 前記磁化制御パルスの印加は、前記ベクトル電流指令値に応じて前記磁化制御パルスの振幅を変更することを含む
    請求項11に記載の方法。
  16. 前記磁化制御パルスの印加は、前記磁化制御パルスと電流id *の値との和が前記可変磁化マシンに対して規定の磁化レベルを生じるd軸電流を提供するように、前記磁化制御パルスの振幅を設定することを含む
    請求項15に記載の方法。
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