JP6257624B2 - 特に自動車用電気機器の電磁トルクを制御するシステム - Google Patents

Description

本発明は、電気駆動機器を備える自動車のトランスミッションの電磁トルクを制御する方法に関し、具体的には、熱エンジン及び電気駆動機器を備える自動車のハイブリッドトランスミッションに関する。

ハイブリッドトランスミッションは概して、車両の車輪に接続された第２シャフト上に各々少なくとも一つのステップダウンギアを担持する２つの同心第１シャフトと、３つの位置：電気機器を車輪につなぐ運動学的連鎖から熱エンジンが切り離される第１の位置と、熱エンジンにより車輪が電気機器とは無関係に駆動される第２の位置と、熱エンジンと電気機器の各トルクが車輪の方向に加わるように熱エンジンと電気機器が結合される第３の位置を占めることができる２つの第１シャフト間の第１の結合手段とを備える。

また、電気モータに接続された第１シャフトを第２シャフトに接続させるための３つの位置：電気モータが第２シャフトに直接接続されていない第１の位置と、電気モータが第１の比率で第２シャフトに直接接続されている第２の位置と、電気モータが第２の比率で第２シャフトに直接接続されている第３の位置がある。

電気機器のみが自動車に牽引トルクを供給する場合、つまり単に電気牽引を有する自動車のような単なる電気牽引の場合に、電気機器により供給されるトルクを制御する必要がある。電気機器のトルクは機器を流れる電流に直接関連するため、この電流は正確な方法で制御されなければならない。

電気機器では、特に永久磁石式軸方向磁束三相同期機器では、固定子の三相の電流は正弦波であり、その都度

で位相シフトされる。これらの電流は電気機器内に回転磁場を生成する。回転子は、例えば、１〜５対の極を有する永久磁石で構成されている。方位磁石と同様に、回転子は当然ながら回転子によって作られる回転磁場の方向に揃う。したがって、回転子の回転周波数は、固定子電流の周波数に等しくなる（同期する）。固定子の電流の振幅と回転子の磁石の力により、機器の回転に必要なトルクが発生する。これらの電流を制御するために、これもまた各々

で位相シフトされている正弦波電圧を固定子の各相に適用する必要がある。

一般的に、正弦波信号よりも一定の値に制御を加えるほうが単純である。パーク変換等の三相システムの変換は一般に、同等の単相システムを生成するために三相システムを二次元空間におくのに使用される。したがってこの方法では、三相システムの３つの相に関連する固定子の３つの電流及び３つの正弦波電圧は、電流の又は電圧の３つの正弦波信号が２つの一定の電流又は電圧信号（直軸Ｘ_ｄ上の１成分と横軸Ｘ_ｑ上の１成分）の形で表現される空間に転置可能である。このため、パーク座標系は回転磁場にリンクしている座標系に基づいている、つまり同期機器の場合には、回転子にリンクしている座標系に基づいている。

パーク空間内で表される電流及び電圧と連動することにより、制御対象の三相機器を調整するため、正弦波信号ではなく一定の電流又は電圧で動作することが可能になる。

逆変換を実施することにより、機器の通常の座標系に戻ることが可能になり、その結果、機器の各相においてどの電流又は電圧が印加されるかを正確に知ることができる。

三相電気機器の電源としてバッテリを使用すると、適用可能な電圧がバッテリ容量によって制限されることによりさらに制約が課される。実際、これらの制限により特定の設定点に到達するのは不可能である。達成可能な範囲外の設定点により多くの場合、不安定性が生じる。

本発明の一つの目的は、電圧が制限される場合でも、機器が制御される間には機器内の電流の安定性を確保することにある。これらの制約により設定点が達成不可能のままである場合、目的は設定点に可能な限りより近いものにすることである。

米国特許第６１８１０９１号明細書には、モータの各ブランチに電圧を供給する位相幅変調（ＰＷＭ）モジュールの動作を変更することによって飽和が防止される、永久磁石式同期機器を制御する方法について記載されている。これらの公知の制御方法では、電圧の飽和を防止するため、とりわけパーク空間内の電流成分を直接制御することによって、同期機器で利用可能な電磁トルクが低減される。

一般に、電流の横軸成分を制御するために、電流の直軸成分を、到達すべき横軸成分の設定点の関数として付与するマッピングが使用される。この方法は、電流マッピングに一連の調節を行う必要があるという不利点を有する。加えて、所定の電磁トルクに対して最適な電流が取得されるという確実性はない。実際に、このマッピング法では、電圧飽和の条件に遭遇しないようにするために、電流の直軸成分の値に関する安全マージンが提供される、つまり、システムを制御している時に飽和に遭遇する危険を冒さないために、電流の直軸成分を必要以上に低下させる。この安全マージンは、機器の出力損害に対して実行される。

この電流の直軸成分の低下は、電圧の低下を意味し、したがって、利用可能な電磁トルクの減少を意味する。

本発明は、電気機器がどんな状態にある時にも、調整器の所定の定ゲインで、電気機器の電流を確実に安定させることを可能にする、永久磁石式電気機器の電磁トルクを制御する方法を提供することを提案する。

本発明の一態様によれば、一実施形態において、機器の三相に送られる電流を測定する手段と、測定された３つの電流を三相システムの変換に基づいて電流の直軸成分と横軸成分に転置することができる転置手段と、トルクの設定点を電流の横軸成分の設定点に、電流の直軸成分の設定点に変換することができる変換手段と、制御電圧を決定する手段と、決定された制御電圧を電気機器に印加することができる制御手段とを備える、永久磁石式三相電気機器の電磁トルクを制御するシステムを提供することが提案されている。

本発明の一般的な特徴によれば、決定する手段は、電流の前記直軸成分と横軸成分と、前記設定点をも受け入れ、調整モジュールに変数の変化を適用し、一連の制御変数を供給することができる前記第１の計算モジュールであって、前記調整モジュールは、制御変数の関数として、電磁トルクに寄与する項から前記電気機器の回転子の磁石によって発生した流束によって生じるかく乱項を分離する連立方程式に基づいて計算された制御パラメータを送ることができる、前記第１の計算モジュールと、制御パラメータに基づいて決定された電圧の直軸成分と横軸成分に基づき前記制御電圧を計算することができる第２の計算モジュールとを備える。

変数が変化することにより、パーク空間で表される電磁トルクを調整する連立方程式を、電磁トルク固有の内生変数と、流束によって生じるかく乱固有の内生変数を含む連立方程式に変換することが可能になる。したがってこの変数の変化により、かく乱周波数を電磁トルクの制御から分離し、これによりかく乱を相殺することが可能になる。

この制御システムにより、電気機器の電流リップルを減少させ、これにより電気機器の電磁トルクを滑らかにすることも可能になる。

三相システムの変換はパーク変換であってもよい。また、フォーテスキュー（Ｆｏｒｔｅｓｃｕｅ）変換、クラーク（Ｃｌａｒｋｅ）変換、或いはクー（Ｋｕ）変換であってもよい。

パーク空間では、変数は同期機器のパークプラン（直軸及び横軸）の２つの軸に適用される直軸成分と横軸成分を含む。電圧の直軸成分及び横軸成分は、同期機器の電流の直軸成分及び横軸成分の関数として表される。

同期機器は三相システムの変換のプランの直軸及び横軸との間に対称性を有し、等価インダクタンスの横軸成分と実質的に同等の等価インダクタンスの直軸成分を取得することが可能になるため好適である。

この対称性は、円滑な非突極を使用することによって、電気機器の製造中に取得することができる。これにより、電気機器の電磁トルクを、電気機器の磁石によって発生した流束の独自因子の関数として表すことが可能になる。

パーク空間では、調整すべき連立方程式は、下記式にしたがって制御変数に基づいて表される。

Ｌ_ｓ＝Ｌ_ｄ＝Ｌ_ｑは等価インダクタンスであり、Ｒ_ｓ＝Ｒ_ｄ＝Ｒ_ｑは等価抵抗であり、

が成り立ち、Ｉ_ｄは電気機器によって送られる電流の直軸成分を表し、Ｉ_ｑは電気機器によって送られる電流の横軸成分を表し、

において、Ｖ_ｄは電気機器の端子の電圧の直軸成分を表し、Ｖ_ｑは電気機器の端子の電圧の横軸成分を表す。

は、パーク空間において表されるかく乱の直軸成分と横軸成分にそれぞれ対応し、Φ_ｆは、機器の磁石によって生じた流束を表し、ω_ｒは、機器の磁場の回転速度を表す。

これに基づいて電圧の横軸成分及び直軸成分、したがって制御電圧が決定される制御パラメータは、下記の式に基づいて計算される。

Ｋ_ｄ、Ｋ_ｉｄ、Ｋ_ｑ、Ｋ_ｉｑは所定の定ゲインを表し、

が成り立ち、

は、直軸成分の電流の設定点を表し、

は横軸成分の電流の設定点を表す。

本発明のさらなる態様によれば、電気機器の三相に送られる電流を測定することと、三相システムの変換に基づいて測定された３つの電流を電流の直軸成分と横軸成分に変換することと、三相システムの変換に係るプランにおいて電流の直軸成分と横軸成分の２つの設定点を受け入れることと、制御電圧、及び電気機器に適用される電圧の制御を決定することとを含み、制御電圧を決定することは、制御変数を得るために変数を変更することと、電磁トルクに寄与する項から、前記電気機器の回転子の磁石によって発生した流束によって生じるかく乱項を分離する二次方程式に基づいて計算され、前記制御変数の関数として表される制御パラメータを調整することと、制御パラメータに基づいて決定された電圧の直軸成分と横軸成分に基づき前記制御電圧を計算することとを含むこととを特徴とする、永久磁石式三相電気機器の電磁トルクを制御する方法が実行態様の一モードにしたがって提案される。

本発明のさらなる利点及び特徴は、実装態様の非限定的なモード及び非限定的な実施形態の詳細説明を審査し、添付の図面も審査することによってより明らかとなる。

実装態様の一モードによる、永久磁石式三相電気機器の電磁トルクを制御する方法のフロー図を示す。 本発明の一実施形態による、永久磁石式三相電気機器の電磁トルクを制御するシステムの概略図である。

図１は、本発明の実装態様の一モードにしたがって、永久磁石式三相同期機器の電磁トルクを制御する方法のフロー図を示す。

第１のステップ１１０では、永久磁石式三相同期機器の３つの相各々に対して電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３が測定される。

第２のステップ１２０では、電流の直軸成分Ｉ_ｄと横軸成分Ｉ_ｑにしたがって回転する座標系において電気機器によって送られる電流を表すように、測定された３つの電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３にパーク変換が適用される。

パーク空間において、同期機器に対して制御されるべき連立方程式は下記のようになる。

Ｖ_ｄ及びＶ_ｑは、電気機器のパークプランの２つの軸（それぞれ直軸及び横軸）に印加される電圧であり、Ｉ_ｄ及びＩ_ｑは、パークプランの２つの軸（それぞれ直軸及び横軸）に機器の中で循環する電流であり、Ｒ_ｓは機器の固定子の等価抵抗であり、Ｌ_ｄ及びＬ_ｑは機器のパークプランの各軸（それぞれ直軸及び横軸）の等価インダクタンスであり、ω_ｒは回転子の回転速度を機器の任意の数の対をなす極によって乗算したものである機器の磁場の回転速度であり、Φ_ｆは回転子の磁石によって生じる流束である。

同期機器によって生成される電磁トルクは次の式に基づいて算出可能である。

Ｃ_ｅｍは機器によって発生する電磁トルクであり、ｐは機器の回転子の任意の数の対をなす極であり、φ_ｄ及びφ_ｑは機器の軸（それぞれ直軸及び横軸）に生じる流束の構成成分であり、下記式に表される。

この場合、同期機器はパーク空間の直軸及び横軸との間に対称性を有するため、目覚ましい特性Ｌ_ｄ＝Ｌ_ｑを取得することが可能になり、したがって下記のように表される。

上記機器において、電流の直軸成分Ｉ_ｄによって発生するジュール損失を最大限に制限することによりトルクを制御するためには、電流の直軸成分Ｉ_ｄをできる限りゼロに近づけることが必要であり、これは横軸成分Ｉ_ｑのみが電磁トルクに寄与するためである。

ステップ１３０において、電流の横軸成分Ｉ_ｑの第１の設定点Ｉ_{ｑ＿ｒｅｑ}と、電流の直軸成分Ｉ_ｄの第２の設定点Ｉ_{ｄ＿ｒｅｑ}は、三相システムの変換に関連するプランにおいて受け入れられる。

下記ステップ１４０では、下記関係を考慮して変数の変化が適用される。

これにより、制御システム（１）を下記式で表すことが可能になる。

加えて、

が成り立つとすると、

を考慮し、下記のように表すことができる。

Ｕ_ｄ及びＵ_ｑは制御パラメータであり、それぞれ変数Ｘ_ｑ、Ｘ_ｄ、又はこれらの微分係数に依存する内生変数を含むことにより、電磁トルクＣ_ｅｍ、及びかく乱である内生変数Ｐ_ｑ（ｔ）又はＰ_ｄ（ｔ）を制御することが可能になる。

かく乱変数Ｐ_ｑ（ｔ）又はＰ_ｄ（ｔ）は外生的であるため、システム（７）により、電磁トルクを管理する項に対してかく乱を周波数に基づいて分離させることが可能になる。

したがって、ステップ１５０において制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑの調整を実行することによって、かく乱を相殺し、電磁トルクを調整することができる。この調整により、電気機器によって発生する電流リップルを滑らかにすることが可能になる。加えて、連立方程式（７）は、電気機器の回転子の状態に左右されずに、制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑが調整されうることを示している。

制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑの値は、下記システムに基づいて算出される。

Ｋ_ｄ、Ｋ_ｉｄ、Ｋ_ｑ、Ｋ_ｉｑは、所定の定ゲインを表し、

が成り立つ。

ステップ１６０では、電気機器のパークプランの２つの軸（それぞれ直軸及び横軸）に印加される電圧Ｖ_ｄ及びＶ_ｑの構成成分の値は、制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑと下記行列システムに基づいて決定される。

その後、ステップ１７０において、逆パーク変換は、自動車の供給バッテリと電気機器との間に結合されたインバータの制御電圧値Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３を取得するために、電圧Ｖ_ｄ及びＶ_ｑの直軸成分及び横軸成分に基づいて適用される。

最後のステップ１８０において、バッテリの単相電圧Ｖ_ｂａｔに基づいてインバータによって発生した電圧Ｕ_１２、Ｕ_２３、Ｕ_３１と、制御電圧Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３の値が電気機器の端子に印加される。

図２は、本発明の一実施形態にしたがって本発明による制御方法を実行する永久磁石式三相電気機器の電磁トルクを制御するシステムを示す図である。

永久磁石式三相同期機器１０の電磁トルクを制御するためのシステム１は、電気機器１０の３つの相Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３に供給される電流を測定するための手段２を備える。これらの測定手段２は転置手段３に結合されているため、測定された３つの電流をパーク変換に基づいて電流の直軸成分Ｉ_ｄと横軸成分Ｉ_ｑに転置することが可能になる。制御システム１は、トルクの設定点

を電流の横軸成分Ｉ_ｑの設定点

及び電流の直軸成分Ｉ_ｄの設定点

に変換することができる変換手段４と、電流の直軸成分Ｉ_ｄと横軸成分Ｉ_ｑ、及び対応設定点Ｉ_{ｑ＿ｒｅｑ}及びＩ_{ｄ＿ｒｅｑ}、及び、下記式に基づいて新たな電流変数Ｘ_ｑ及びＸ_ｄ、及び新たな電流設定点

及び

を決定することができる第１の変数変更手段５も備える。

制御システム１は、各々変数Ｘ_ｑ、Ｘ_ｄ、又はこれらの微分係数に依存し、電磁トルクＣ_ｅｍを制御することを可能にする内生変数と、回転子の磁石によって生じる流束によって発生したかく乱を表す外生変数Ｐ_ｑ（ｔ）又はＰ_ｄ（ｔ）をそれぞれ含む制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑを決定することができるレギュレータ６を備え、制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑはシステム（７）に従って表され、システム（８）に従って計算される。

制御システム１は、制御パラメータＵ_ｄ及びＵ_ｑと、行列システム（９）に基づき、電気機器のパークプランの２つの軸（それぞれ直軸及び横軸）に印加される電圧Ｖ_ｄ及びＶ_ｑの構成成分を決定する手段７を備える。

システムは、自動車の供給バッテリ１２と電気機器１０との間に結合されるインバータ１１の制御電圧Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３の値を取得するために、電圧の直軸成分及び横軸成分Ｖ_ｄ及びＶ_ｑに基づいて逆パーク変換を適用することができる逆転置手段８を備える。システムは最後に、制御電圧Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３の決定された値に基づきインバータ１１を制御することができる制御手段９を備える。

本発明はしたがって、永久磁石式電気機器の電磁トルクを制御すると同時に、電気機器がどんな状態にあろうと電気機器の電流の安定性を確保することが可能になる。

本発明は、当業者により簡単にパーク空間の直軸及び横軸との間の非対称電気機器、したがってＬ_ｄがＬ_ｑと異なる電気機器に転置することができ、この転置は、要求されるトルクを提供するためにこれらの２つの軸に沿った電流の設定点を別々に管理することによって行われることに留意すべきである。

Claims (8)

1. 永久磁石式三相電気機器（１０）の電磁トルクを制御するシステム（１）であって、前記永久磁石式三相電気機器（１０）の三相に送られる電流を測定する手段（２）と、測定された前記三相に送られる電流を三相システムの変換に基づいて電流の直軸成分（Ｉ_ｄ）と横軸成分（Ｉ_ｑ）に転置することができる転置手段（３）と、トルクの設定点
   

   

   を電流の横軸成分（Ｉ_ｑ）の設定点
   

   

   及び電流の直軸成分（Ｉ_ｄ）の設定点
   

   

   に変換することができる変換手段（４）と、制御電圧（Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３）を決定する手段と、決定された前記制御電圧（Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３）を前記永久磁石式三相電気機器（１０）に印加することができる制御手段（９）とを備え、前記決定する手段が、電流の前記直軸成分（Ｉ_ｄ）と前記横軸成分（Ｉ_ｑ）と、また前記設定点（Ｉ_{ｑ＿ｒｅｑ}及びＩ_{ｄ＿ｒｅｑ}）をも受け入れ、調整モジュール（６）に変数の変化を適用し、一連の制御変数（Ｘ_ｄ、Ｘ_ｑ，Ｘ_{ｑ＿ｒｅｑ}、Ｘ_{ｄ＿ｒｅｑ}）を供給することができる第１の計算モジュール（５）であって、前記調整モジュール（６）は、前記制御変数（Ｘ_ｄ、Ｘ_ｑ、Ｘ_{ｑ＿ｒｅｑ}、Ｘ_{ｄ＿ｒｅｑ}）の関数として、前記電磁トルクに寄与する項から前記永久磁石式三相電気機器（１０）の回転子の磁石によって発生する流束によって生じるかく乱項（Ｐ_ｄ、Ｐ_ｑ）を分離する連立方程式に基づいて計算された制御パラメータ（Ｕ_ｄ、Ｕ_ｑ）を送ることができる、前記第１の計算モジュール（５）と、前記制御パラメータ（Ｕ_ｄ、Ｕ_ｑ）に基づいて決定された電圧の直軸成分（Ｖ_ｄ）と横軸成分（Ｖ_ｑ）に基づき前記制御電圧（Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３）を計算することができる第２の計算モジュール（８）とを備えることを特徴とする、システム。
2. 前記永久磁石式三相電気機器（１０）は、前記三相システムの変換プランの直軸と横軸との間に対称性を有することにより、等価インダクタンスの横軸成分（Ｌ_ｑ）と実質的に等しい等価インダクタンスの直軸成分（Ｌ_ｄ）を取得することが可能になる、請求項１に記載のシステム。
3. 電流の前記直軸成分（Ｉ_ｄ）及び前記横軸成分（Ｉ_ｑ）を得るために、測定された前記電流にパーク変換を適用することができる転置手段（３）を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システムを備える永久磁石式三相電気機器（１０）を備える自動車。
5. 熱エンジンも備えるハイブリッドトランスミッションを備える、請求項４に記載の自動車。
6. 永久磁石式三相電気機器（１０）の電磁トルクを制御する方法であって、前記永久磁石式三相電気機器（１０）の三相に送られる電流を測定することと、測定された前記三相に送られる電流を三相システムの変換に基づいて電流の直軸成分（Ｉ_ｄ）と横軸成分（Ｉ_ｑ）に転置することと、三相システムの変換に関連するプランにおいて電流の前記横軸成分（Ｉ_ｑ）と前記直軸成分（Ｉ_ｄ）の２つの設定点（Ｉ_{ｑ＿ｒｅｑ}及びＩ_{ｄ＿ｒｅｑ}）を受け入れることと、（４）と、制御電圧（Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３）と、前記永久磁石式三相電気機器（１０）に印加されるべき電圧の制御を決定することとを含み、前記制御電圧（Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３）を決定することは、制御変数（Ｘ_ｄ、Ｘ_ｑ，Ｘ_{ｑ＿ｒｅｑ}、Ｘ_{ｄ＿ｒｅｑ}）を得るために変数を変更することと、前記制御変数（Ｘ_ｄ、Ｘ_ｑ，Ｘ_{ｑ＿ｒｅｑ}、Ｘ_{ｄ＿ｒｅｑ}）の関数として表され、電磁トルクに寄与する項から前記永久磁石式三相電気機器（１０）の回転子の磁石によって発生した流束によって生じるかく乱項（Ｐ_ｄ、Ｐ_ｑ）を分離する二次方程式に基づいて計算された制御パラメータ（Ｕ_ｄ、Ｕ_ｑ）を調整することと、前記制御パラメータ（Ｕ_ｄ、Ｕ_ｑ）に基づいて決定された電圧の直軸成分（Ｖ_ｄ）と横軸成分（Ｖ_ｑ）に基づき前記制御電圧（Ｕ_１、Ｕ_２、Ｕ_３）を計算することとを含むことを特徴とする、方法。
7. 前記永久磁石式三相電気機器（１０）は、前記三相システムの変換プランの直軸と横軸との間に対称性を有することにより、等価インダクタンスの横軸成分（Ｌ_ｑ）と実質的に等しい等価インダクタンスの直軸成分（Ｌ_ｄ）を取得することが可能になる、請求項６に記載の方法。
8. 前記三相システムの変換がパーク変換である、請求項６又は７に記載の方法。

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