JP6977891B2

JP6977891B2 - 同期電気機械を制御するための方法

Info

Publication number: JP6977891B2
Application number: JP2020542691A
Authority: JP
Inventors: モハマドコテイッチ
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2038-11-06
Also published as: JP2021500849A; FR3073691A1; WO2019096630A1; RU2020118445A; EP3711155B1; US20200366226A1; EP3711155A1; FR3073691B1; RU2020118445A3; US11211886B2; CN111357188A

Description

本発明は電気機械制御の分野に関する。

更に特定すれば、本発明は同期電気機械を制御するための方法に関する。

同期電気機械は、自動車分野において周知であり、また、再生可能エネルギ分野や鉄道輸送を含む多種多様な他の工業用途において周知である。

同期電気機械は、固定子と呼ばれる固定部分と、回転子と呼ばれる可動部分とを含む。固定子は、１２０度ずつ相互にずれた３つのコイルを含み、これらには交流電流が供給される。

回転子は、巻線回転子同期機械（wound rotor synchronous machine、ＷＲＳＭという省略形で知られている）の場合は直流電流が供給されるコイルを含み、又は、（永久磁石同期機械又はＰＭＳＭ（permanent magnet synchronous machine）の場合は）永久磁石を含む。永久磁石は、固定子の巻線によって発生した電界により回転駆動される。

回転子の軸に対する電流の振幅及び向きの結果として、電気機械によって得られる電磁トルクが生じる。

従って、回転子基準系とも呼ばれる回転子に関連付けられた基準系（reference frame）における設定値電流（又は電圧）で、設定値トルクを表すことができる。

同期機械を制御するため従来技術からの多くの方法が既知であり、例として、本出願人によって出願された仏国特許発明第３０１２２７０号に記載されている方法が挙げられる。

しかしながら、従来技術からのこれらの方法は概して、ＷＲＳＭとＰＭＳＭの双方に使用することができない。

更に、既知の方法は、電圧飽和条件に適合させると共に電流の高調波成分を補償しながら、静的エラーの解消、過渡条件下での良好な性能、及び逆起電力効果の有効な補償を同時に組み合わせることができない。

従って、上述の問題を解決しながら、ＷＲＳＭとＰＭＳＭに比較的簡単に適合可能である同期電気機械のための制御方法が必要とされている。

固定子及び回転子を含む同期３相電気機械を制御するための方法が提案される。この方法は、
固定子の第１及び第２の相の電流を測定することと、
回転子の角度位置を測定することと、
回転子基準系において、測定された電流を計算することと、
自動制御誤差を計算することと、
電気機械のための制御電圧を計算することと、
制御電圧を電気機械に印加することと、
を含む。

制御電圧の計算は、回転子基準系において、再帰的に（recursive）、制御の更新のための周期値と、ＤＣ電圧の値と、回転子の電気角速度と、の関数として実行される。従って、任意のタイプの同期機械に適合可能であり、従来技術に伴う上述の問題を解決する、電気機械のための簡単な制御方法を達成できる。

限定するわけではないが、好ましくは、測定された電流は回転子基準系においてパーク変換（Park transformation）によって計算される。従って、回転子基準系において測定された電流を迅速かつ信頼性高く変換することができる。

限定するわけではないが、好ましくは、この方法は回転子電流を測定するステップを含み、制御電圧の計算は、巻線回転子に印加される電圧の計算を組み込んでいる。従って、この方法は、巻線回転子機械に対して機能するよう簡単に適合させることができる。

限定するわけではないが、好ましくは、この方法は、電流高調波の補償電圧を再帰的に計算するステップを含む。従って、上述した全ての利点に加えて、電流高調波を簡単に補償することができる。

限定するわけではないが、好ましくは、制御電圧を計算するステップは、再帰のためゼロに初期化することを含む。従って、制御電圧を計算するステップの初期化は比較的簡単である。

本発明は更に、固定子及び回転子を含む同期３相電気機械の制御デバイスに関する。このデバイスは、
固定子の第１及び第２の相の電流を測定するためのコンポーネントと、
回転子の角度位置を測定するためのコンポーネントと、
回転子電流を測定するためのコンポーネントと、
回転子基準系において、測定された電流を計算するための手段と、
自動制御誤差を計算するための手段と、
電気機械のための制御電圧を計算するための手段と、
制御電圧を電気機械に印加するための手段と、
を備える。

制御電圧を計算するための手段は、回転子基準系において、再帰的に、制御の更新のための周期値の値と、ＤＣ電圧の値と、回転子の電気角速度と、の関数として、計算を実行することに適している。

本発明は更に、固定子及び巻線回転子又は永久磁石回転子を有する同期電気機械と、電気機械に給電するための蓄電池と、蓄電池のＤＣ電圧を同期電気機械を制御するための３相制御電圧に変換することができる３相インバータと、上述したタイプの制御デバイスと、を備える、電気システムに関する。

本発明は更に、上述したタイプの電気システムを含む自動車に関する。

添付図面を参照して、限定でなく簡単な説明として本発明の実施形態の具体的な一形態を示す以下の記載から、本発明の別の具体的な特徴及び利点が得られる。

本発明の実施形態の第１の形態に従った方法において、永久磁石回転子を有する同期電気機械の制御電圧を計算するためのステップを概略的に表す。本発明の実施形態の第２の形態に従った方法において、永久磁石回転子を有する同期電気機械の制御電圧を計算するためのステップを概略的に表す。巻線回転子を有する同期電気機械を制御するための本発明の実施形態の第１の形態において、図１及び図２に示されているステップに対する補足ステップを概略的に表す。本発明の実施形態の第１の形態に従った電気システムの回路レイアウトを示す。本発明の実施形態の第１の形態に従った方法におけるステップの図を示す。

図４を参照すると、電気システムは、同期３相電気機械２と、固定子に印加される固定子制御電圧を受信する３相インバータ３と、回転子に印加される回転子制御電圧を受信することができる、チョッパとも呼ばれる直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）コンバータと、を備えている。

３相インバータ３は、入力を介して蓄電池５からＤＣ電圧Ｖ_DCを受信し、また、電気機械を制御するための方法を展開するため制御デバイス４によって制御される。

図１から図５を参照すると、本発明に従った制御方法の目的は、電気機械２の固定子及び回転子（電気機械２が巻線回転子のタイプである場合は回転子）に印加される制御電圧を発生するようにインバータ３を制御することである。

従って、制御デバイスは、電気機械２に送出されることが望まれる制御電圧をインバータへ伝達するのに適したものである。この場合、インバータ３が電源スイッチの切り換えによって動作することで、電池のＤＣ電圧Ｖ_DCから必要な制御電圧を発生する。

インバータ３は、本発明に従った制御方法によって必要とされる場合、ＤＣ電圧Ｖ_DCから電気機械の制御電圧を発生するように独立して制御される。更に、例えば「パルス幅変調（pulse width modulation）」技法（英語の頭字語「ＰＷＭ」でも知られる）のような、本発明の目的でないインバータ制御のための様々な技法も、当業者によく知られている。

制御デバイス４は、本発明の実施形態のこの形態ではマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサである。更に、制御デバイス４は、固有（natural）クロックパルス周波数に従って方法を展開し、離散的かつ反復的に方法のステップを実行する。

制御デバイス４は更にライブメモリを備えている。これは、過去の時点ｋ−１、ｋ−２等において展開された方法の計算結果及び測定結果を記憶して、後の時点ｋでの使用を可能とすることができる。実際、本発明に従った方法は再帰的な性質のものであるので、過去の時点における方法の展開の結果にアクセスできることが必要である。

制御デバイス４によって展開される電気機械を制御するための方法は、固定子の第１及び第２の相の電流を測定する第１のステップ５１を含む。

この場合、相電流の測定５１は、これらの２つの相と直列の、インバータ３と電気機械２との間に設置された電流計のような測定コンポーネントによって実行される。

方法は更に、回転子の位置を測定するステップ５２を展開する。この測定５２は、レゾルバ、光学式エンコーダ、誘導式エンコーダ、又は当業者に既知である他の任意の手段によって実行され得る。

本発明の実施形態の第１の形態において、電気機械は巻線回転子を含み、固定子の前述の２相の測定と同様に回転子電流の測定５４も実行するようになっている。

次いで、ここでは単に固定子電流と記載される固定子の前述の２相の電流を、回転子基準系とも記載される回転子に関連付けられた基準系（ｄ、ｑ）において変換する。

回転子基準系において時点ｋで測定された固定子電流を変換するため、この実施形態の形態ではパーク変換を展開する。

従って、２つの固定子電流ｉ_a及びｉ_bの測定５２、並びに回転子角θの測定から、パーク変換を使用することによって電流

及び

を計算する（５３）。

ここで、

は、回転子に関連付けられたパーク基準系（ｄ、ｑ）において時点ｋで測定された固定子電流のベクトルであり、
θ_[k]は、時点ｋにおける回転子の電気角であり、
ｉ_a[k]及びｉ_b[k]は、前述の２相Ａ及びＢにおいて時点ｋで測定された固定子電流である。

次いで、

及び

を得るため、適切な帯域幅を有する１次のローパスフィルタを用いて、当業者には従来通りの方法で電流

及び

をフィルタリングする。

その後、時点ｋにおける自動制御誤差を以下のように計算する（５５）。

ここで、ε_d[k]，ε_q[k]は、固定子電流の回転子基準系（ｄ、ｑ）における自動制御誤差である。ε_f[k]は、定義によれば回転子基準系に既に存在している、回転子電流（ｆで識別される）における自動制御誤差であり、

及び

は、電気機械のトルク発生のため必要な電流であり、

は、時点ｋで測定された回転子電流である。

その後、２つの補償電圧

の計算５６を実行する。これらは、ゼロに初期化することによる再帰的な電流高調波の補償を可能とする。

その後、ゼロに初期化することで再帰的に制御電圧の計算５７を実行する。

制御電圧の値は以下の式によって計算される。

ここで、以下が成り立つ。

Ｔ_sは、制御のリフレッシュ間隔であり、
Ｖ_DCは、蓄電池の電圧であり、
ω_[k]は、時点ｋにおける回転子の電気角速度（単位はｒａｄ／ｓ）であり、

は、当業者が決定できる制御システムのパラメータ化定数である。回転子基準系において計算された制御電圧ｖ_d、ｖ_qは、当然、固定子に関連付けられた３相系内に戻された後、設定値命令を介してインバータに送信されて電気機械に印加される。

本発明の実施形態の第２の形態によれば、電気機械は永久磁石同期電気機械（ＰＭＳＭ）である。従って、この機械には回転子電流は存在しない。

実施形態の第１の形態を参照して記載した本発明をこの機械に適用するには、単に、回転子電流に関する計算、すなわち式（５）、式（６）、式（７）、式（１０）、式（１５）を除去すればよい。

Claims

固定子及び回転子を含む同期３相電気機械を制御するための方法（５０）であって、
前記固定子の第１及び第２の相の電流

を測定すること（５１）と、
前記回転子の角度位置（θ_［ｋ］）を測定すること（５２）と、
回転子基準系（ｄ、ｑ）において、測定された前記電流

を計算すること（５３）と、
固定子電流の回転子基準系（ｄ、ｑ）における自動制御誤差及び回転子電流における自動制御誤差を含む自動制御誤差（ε_ｄ［ｋ］，ε_ｑ［ｋ］，ε_ｆ［ｋ］）を計算すること（５５）と、
前記電気機械のための制御電圧（ｖ_ｄ［ｋ］，ｖ_ｑ［ｋ］，ｖ_ｆ［ｋ］）を計算すること（５７）と、
前記制御電圧（ｖ_ｄ［ｋ］，ｖ_ｑ［ｋ］，ｖ_ｆ［ｋ］）を前記電気機械に印加することと、
を含み、前記制御電圧（ｖ_ｄ［ｋ］，ｖ_ｑ［ｋ］，ｖ_ｆ［ｋ］）の計算（５７）は、前記回転子基準系（ｄ、ｑ）において、再帰的に、制御の更新のための周期値（Ｔ_ｓ）と、ＤＣ電圧の値（Ｖ_ＤＣ）と、前記回転子の電気角速度（ω_［ｋ］）と、の関数として実行され、
前記方法は、電流高調波の補償電圧のｄｑ軸成分（ｖ ^ｈ _ｄ［ｋ］，ｖ ^ｈ _ｑ［ｋ］）を、
該補償電圧の前回値（ｖ ^ｈ _{ｄ［ｋ−１］} ，ｖ ^ｈ _{ｑ［ｋ−１］} ）、前記回転子電流における自動制御誤差ε _ｆ［ｋ］、及び該自動制御誤差ε _ｆ［ｋ］の前回値ε _{ｆ［ｋ−１］} から再帰的に計算するステップ（５６）を含むことを特徴とする方法。
前記測定された電流は前記回転子基準系（ｄ、ｑ）においてパーク変換によって計算されることを特徴とする、請求項１に記載の方法（５０）。
前記回転子電流

を測定するステップ（５４）と、巻線回転子に印加される電圧（ｖ_ｆ［ｋ］）の計算を組み込んだ制御電圧（ｖ_ｄ［ｋ］，ｖ_ｑ［ｋ］，ｖ_ｆ［ｋ］）の計算と、を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の巻線回転子電気機械を制御するための方法（５０）。
制御電圧を計算する電気ステップ（５７）は、再帰のためゼロに初期化することを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法（５０）。
固定子及び回転子を含む同期３相電気機械（２）の制御デバイス（４）であって、
前記固定子の第１及び第２の相の電流を測定するためのコンポーネントと、
前記回転子の角度位置を測定するためのコンポーネントと、
回転子電流を測定するためのコンポーネントと、
回転子基準系において、測定された前記電流を計算するための手段と、
固定子電流の回転子基準系における自動制御誤差及び前記回転子電流における自動制御誤差を含む自動制御誤差を計算するための手段と、
前記電気機械のための制御電圧を計算するための手段と、
前記制御電圧を前記電気機械に印加するための手段と、
を備え、前記制御電圧を計算するための手段は、前記回転子基準系において、再帰的に、制御の更新のための周期値と、ＤＣ電圧の値と、前記回転子の電気角速度と、の関数として、前記計算を実行することに適しており、
前記デバイスは、電流高調波の補償電圧のｄｑ軸成分を、該補償電圧の前回値、前記回転子電流における自動制御誤差、及び該自動制御誤差の前回値から再帰的に計算するための手段を更に含むことを特徴とするデバイス。
固定子及び巻線回転子又は永久磁石回転子を有する同期電気機械（２）と、前記電気機械（２）に給電するための蓄電池（５）と、前記蓄電池（３）のＤＣ電圧（ＶＤＣ）を前記同期電気機械（２）を制御するための３相制御電圧に変換することができる３相インバータ（３）と、請求項５に記載の制御デバイス（４）と、を備える、電気システム（１）。
請求項６に記載の電気システムを備える自動車。