JP6502346B2 - チョップ電圧を介して供給される自動車車両三相電気機械を制御するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、自動車両用の電気機械の制御であり、より詳細にはそのような機械のトルク振動の制御である。

電気車両の開発の状況においては、電動機によって供給されるトルクを制御しなければならない。機械のトルクは、内部を流れる電流に直接結びついているため、したがってこれらの電流を正確に制御できる必要がある。制御される電動機は、特に巻線型回転子の三相同期式機械であってもよい。

固定子の三相の電流は、正弦波であり、それぞれ２π／３ラジアンだけ位相がシフトしている。これらの電流は、機械内に回転磁場を生成する。直流電流が回転子を通過し、それによって回転子が磁石と等価になる磁場が生成される。機械的なトルクを生成するために、固定子磁場は、４拍子で、すなわち回転子場に対して一定の制御された９０°の位相シフトによって駆動される。したがって、回転子の場の回転の周波数は、固定子電流の周波数と等しく、よって、「同期式」という名称である。機械の回転に必要なトルクを生成するのは、固定子電流の大きさおよび回転子電流の値である。したがって、これらの電流を制御するために、それぞれがやはり２π／３ラジアンだけ位相がシフトした正弦波電圧を固定子の相間に印加し、かつ回転子に定電圧を印加することが必要である。

さらに、パーク変換を用いて正弦波信号が定数になる空間内に固定子の電流および電圧を投影する。パーク基準座標系は、回転磁場と結びついた、したがって同期式機械の場合の回転子と結びついた基準座標系に相当する。パーク変換の使用によって、定数を調整することが可能となり、これは正弦波信号を調整する場合と比べて行うのがはるかに簡単である。

したがって、問題は、定電圧を制御することによって定電流を調整することである。逆変換を行うことによって、機械の固定子の基準座標系を得ること、したがって、電気機械の各相に印加される電圧を正確に知ることができる。

チョップ電圧によって電力が供給される三相機械が電気的周波数（機械の回転子の回転の周波数）の高調波に相当するある周波数でトルク振動を生成することが知られているため、機械の電流を調整するために、補正装置が必要である。

パーク空間では、制御されるシステムは、以下の通りである。

ここで、
Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑおよびＶ_ｆは、それぞれ、直流電圧、二乗平均電圧および回転子電圧（ボルトを単位とする）、
Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑおよびＩ_ｆは、パーク面の３軸上で機械を流れる電流（アンペアを単位とする）、

は、それぞれの電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑおよびＩ_ｆの導関数、
Ｒ_ｓおよびＲ_ｆは、機械の固定子の抵抗および回転子の抵抗（オームを単位とする）、
Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑおよびＬ_ｆは、機械の各軸上のインダクタンス（ヘンリーを単位とする）、
Ｍ_ｆは、固定子と回転子の相互インダクタンス（ヘンリーを単位とする）、
αは、パーク変換から導出される定数項（単位なし）、
ω_ｒは、機械の磁場の回転速度（ラジアン／秒を単位とする）である。

同期式機械に関して、機械の磁場の回転速度ω_ｒは、回転子の回転速度に機械の極対数を掛けたものに等しいことに留意されたい。

電圧Ｖ_ｄおよびＶ_ｑは、インバーターによって生成され、電圧Ｖ_ｆは、チョッパーによって生成され、これらの２つのシステムがバッテリーによって電力が供給される。チョッパーは、連続的な電圧を切断し、高効率の異なる大きさの連続的な電圧を生成する。インバーターおよびチョッパーが用いられる場合、守られるべき制約条件は、以下の通りである。

ここで、Ｖ_ｂａｔは、インバーターおよびチョッパーに電力を供給するバッテリーの電圧である。

しかしながら、そのようなシステムは、電流レギュレータの発散を招く場合があるトルク振動を示す。

従来技術から、以下の文献が知られている。

仏国特許出願第２９７３６０７号は、ソースでのトルク振動を低減させることを目的とする。しかしながら、電力は、電池電源の点から計算されており、これによって電力損失が生じる。さらに、そのような計算は、直流電流を測定するための追加の電流センサを必要とする。さらに、新しい電流設定値は新しいトルク設定値から計算されている。

文献欧州特許第１９０６５２３号では、トルク振動は、界磁の端子に電圧Ｖ_ｆを印加することによって除去されている。集中型または分散型の電力レベルの処理については記載されていない。

文献欧州特許第１９４４８６１号は、電力レベルの処理については記載していない。しかしながら、補償の処理の分散について記載されている。言いかえれば、直軸ｄおよび二乗平均軸ｑは、別々に処理されている。これについては、電流の電気角とトルク振動を補償することが期待される電気角との間の位相シフトの実時間計算について記載されている。

したがって、トルク振動現象を補償する電圧を生成するために電流測定値を予想する調整の形態について記載されている。

また、動力伝達経路の動的モデルに基づいて計算されたフィルタリングを電気機械の速度の測定に適用する、「サージ防止治療」と呼ばれる補正を施すことは公知の慣行である。このように処理された信号は、トルク振動に関して位相がシフトしたトルク設定値を表す。この設定値が主トルク設定値に導入され、振動の減衰をもたらす。

しかしながら、これらの解決策によっては、「ソースでの」、すなわち、電力レベルでの、および回動速度の全範囲にわたっての振動を低減させることはできない。

したがって、機械のトポロジーに結びついたトルク高調波を低減させることが可能な電動機を制御する方法が必要である。

本発明の一主題は、チョップ電圧によって電力が供給される自動車両の三相電気機械を制御するための方法であって、ドライバーからのトルク要求に応じて電気機械の各相の電流設定値を決定するステップ、および電気機械の各相の電圧を各相に対する電流設定値に応じて決定するステップを含む方法である。チョップ電圧は、細分化によって入力電圧の大きさを変えることができるチョッパーからの電圧であると理解されたい。本方法は、パーク基準座標系で表わされる電気機械の各相の電力が決定されるステップと、電気機械の磁場の回転速度の測定値がしきい値を超えるかどうかに関する判定がなされ、もし超える場合は、電気機械の各相の電力の帯域通過フィルタリングが行われるステップと、フィルタリング後の各電力に、各相に対する減衰電流を得るために較正することができる利得を掛けるステップと、最終の電流設定値が、対応する相の電流設定値から各相に対する減衰電流を減じることによって決定されるステップと、電気機械の相に対する電源電圧設定値が、最終の電流設定値に応じて決定されるステップと、を含む。

帯域通過フィルタリングは、振動が観察される磁場の回転周波数よりも低い低域遮断周波数、および振動が観察される磁場の回転の周波数よりも大きな高域遮断周波数に対して行うことができる。

電気機械は、同期式または非同期式であってもよい。

磁場の回動速度しきい値は、トルク振動が観察される磁場の回転速度に応じて決定される。

本発明の別の主題は、チョップ電圧によって電力が供給される自動車両の三相電気機械を制御するためのシステムであって、ドライバーからのトルク要求に応じて電気機械の各相の電流設定値を決定するための手段、および各相の電流設定値に応じて電気機械の各相の電圧を決定することができる電流を調整するための手段を備える、システムである。本システムは、パーク基準座標系で表わされる電気機械の各相の電力を決定することができる、トルク振動を補正するための手段であって、電気機械の磁場の回転速度の測定値がしきい値を超えるかどうかを判定すること、および電気機械の各相の電力の帯域通過フィルタリングを行うこともできる、ならびにフィルタリング後の電力に応じて各相に対する減衰電流を決定するための、補正手段と、最終の電流設定値を得るために対応する相に対する電流設定値から各相に対する減衰電流を減じることができる、および電気機械の調整手段に最終の電流設定値を送出することができる、減算器と、を備える。

帯域通過フィルタリングは、振動が観察される磁場の回転周波数を下回る低域遮断周波数、および振動が観察される磁場の回転周波数を上回る高域遮断周波数に対して行うことができる。

磁場の回動速度しきい値は、トルク振動が観察される磁場の回転速度に応じて決定される。

電気機械は、同期式であっても非同期式であってもよい。

他の目的、特徴および利点は、純粋に非限定的な例として与えられる以下の説明を読むことによって、および添付図面を参照することによって明らかになるであろう。

本発明による制御システムの主要な要素である。 本発明による制御方法の主要なステップである。

図１によって示される電気機械２の制御システム１は、ドライバーからのトルク要求Ｃ^ｒｅｆに応じてパーク基準座標系（ｄ、ｑ、ｆ）における電気機械の相のそれぞれに対する電流設定値を決定するための手段３を備える。

制御システム１は、電気機械の相の電流を調整するための手段４を備える。調整手段４は、入力として受け取った電流設定値に応じて電気機械の相のそれぞれに対する電源電圧Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆを決定する。

また、制御システム１は、入力として、相それぞれの電源電圧Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、Ｖ_ｆ、各相の電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆの測定値、および磁場の回転速度ω_ｒの測定値を受け取る、トルク振動を補正するための手段５を備える。トルク振動を補正するための手段５は、出力として、各相に対するトルク振動のための減衰電流

、を送出する。

第１の減算器６は、相ｄの電流設定値と対応する減衰電流との減算を行う。第１の減算器６は、出力として相ｄに対する最終の電流設定値を送出する。

第２の減算器７および第３の減算器８は、相ｑおよび相ｆに対する値に対してそれぞれ同様の減算を行う。

したがって、システムが始動するとき、各相の電流設定値は、変更されることなく電流調整手段４に伝達される。しかし、各相の電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｆの測定値、および磁場の回転速度ω_ｒの測定値が利用可能になるとすぐに、電流調整手段４に伝達された電流設定値は、最終の電流設定値となり、したがって、トルク振動を低減させ、除去することさえ可能となる。

電気機械を制御するための方法によって、トルク振動の大きさを低減させるように電流設定値の動的補正を行うことができる。

図２において、本方法は、以下の式を適用することによって、各相の電力の計算のステップ９から始まることがわかる。

ここで、 Ｐ_ｄは相ｄの電力、
Ｐ_ｑは相ｑの電力、および
Ｐ_ｆは相ｆの電力である。

第２のステップ１０の間に、磁場の回転速度ω_ｒがしきい値を超えるかどうかに関する判定がなされる。しきい値は、事前のテストにより決定され、そのテストの間、トルク振動が観察される。次いで、しきい値が、トルク振動が観察された磁場の回転速度と等しい値に設定される。回転速度と回転周波数とは、直接結びついていることが想起されるであろう。その場合は、関連する周波数のみを抽出するために各電源信号の帯域通過フィルタリングが適用される。帯域通過フィルタは、振動が観察される磁場の回転周波数を下回る低域遮断周波数、および振動が観察される磁場の回転周波数を上回る高域遮断周波数によって構成される。

次いで、フィルタリング後の相ｄの電力

、フィルタリング後の相ｑの電力

、フィルタリング後の相ｆの電力

が得られる。

第３のステップ１１の間に、フィルタリング後の各電力に、各相に対する減衰電流を得るために較正することができる利得を掛ける。以下の式によって、これらの電流を決定することができる。

ここで

は相ｄに対する減衰電流、

は相ｑに対する減衰電流、

は回転子ｆに対する減衰電流、
α_ｄは相ｄに対する較正可能利得、
α_ｑは相ｑに対する較正可能利得、
α_ｆは回転子ｆに対する較正可能利得である。

第４のステップ１２の間に、各相に対する減衰電流は、対応する相に対する電流設定値から減じられ、ドライバーからのトルク要求に応じて決定される。以下の式によって、減算に由来する最終の電流設定値を決定することができる。

ここで、

は相ｄに対する最終の電流設定値、

は相ｑに対する最終の電流設定値、

は回転子ｆに対する最終の電流設定値、

は相ｄに対する電流設定値、

は相ｑに対する電流設定値、

は回転子ｆに対する電流設定値である。

次いで、最終の電流設定値が第５のステップ１３の間に電気機械の調整手段（４）に送出される。

上記のトルク振動を低減させることを可能にする電気機械を制御するためのシステムおよび方法は、すべての同期式または非同期式の電気機械に適用可能であることに留意されたい。

Claims (8)

1. チョップ電圧によって電力が供給される自動車両の三相電気機械（２）を制御するための方法であって、ドライバーからのトルク要求に応じて前記電気機械（２）の各相の電流設定値を決定するステップ、および前記電気機械（２）の各相の電圧を各相に対する前記電流設定値に応じて決定するステップを含む方法において、
   パーク基準座標系で表わされる前記電気機械の各相の電力が決定されるステップと、
   前記電気機械（２）の磁場の回転速度の測定値がしきい値を超えるかどうかに関する判定がなされ、もし超える場合は、前記電気機械（２）の各相の前記電力の帯域通過フィルタリングが行われるステップと、
   フィルタリング後の各電力に、各相に対する減衰電流を得るために較正することができる利得を掛けるステップと、
   最終の電流設定値が、前記対応する相の前記電流設定値から各相に対する前記減衰電流を減じることによって決定されるステップと、
   前記電気機械の前記相に対する電源電圧設定値が、前記最終の電流設定値に応じて決定されるステップと、
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記帯域通過フィルタリングが、振動が観察される前記磁場の前記回転周波数を下回る低域遮断周波数、および振動が観察される前記磁場の前記回転周波数を上回る高域遮断周波数に対して行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気機械が同期式または非同期式である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記磁場の前記回動速度しきい値が、トルク振動が観察される前記磁場の前記回転速度に応じて決定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. チョップ電圧によって電力が供給される自動車両の三相電気機械（２）を制御するためのシステムであって、前記ドライバーからのトルク要求に応じて前記電気機械の各相の電流設定値を決定するための手段（３）、
   および各相の前記電流設定値に応じて前記電気機械の各相の電圧を決定することができる電流を調整するための手段（４）を備える、システムにおいて、パーク基準座標系で表わされる前記電気機械の各相の前記電力を決定することができる、トルク振動を補正するための手段（５）であり、前記電気機械の磁場の回転速度の測定値がしきい値を超えるかどうかを判定すること、および前記電気機械の各相の前記電力の帯域通過フィルタリングを行うこともできる、ならびにフィルタリング後の前記電力に応じて各相に対する減衰電流を決定するための、補正手段（５）と、最終の電流設定値を得るために対応する相に対する前記電流設定値から各相に対する前記減衰電流を減じることができる、および前記電気機械の前記調整手段（４）に前記最終の電流設定値を送出することができる減算器（６、７、８）と、
   を備えることを特徴とする、システム。
6. 前記帯域通過フィルタリングが、振動が観察される前記磁場の前記回転周波数を下回る低域遮断周波数、および振動が観察される前記磁場の前記回転周波数を上回る高域遮断周波数に対して行われる、請求項５に記載のシステム。
7. トルク振動が観察される前記磁場の前記回転速度に応じて前記磁場の前記回動速度しきい値が決定される、請求項５または６に記載のシステム。
8. 前記電気機械が同期式または非同期式である、請求項５から７のいずれか一項に記載のシステム。

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