JP7017592B2 - 回転駆動システム、インバータを制御するための方法および関連するコンピュータプログラム - Google Patents

回転駆動システム、インバータを制御するための方法および関連するコンピュータプログラム Download PDF

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Description

本発明は、回転駆動システム、インバータを制御するための方法および関連するコンピュータプログラムに関する。
知られている実施は、
- 電圧源と、
- 電気モータであって、
- 独立した相を有するステータと、
- ロータとを備える電気モータと、
- 相電流を生成するために各相を電圧源に接続するように設計されたインバータと、
- インバータを制御するためのデバイスとを備える種類の回転駆動システムを使用することである。
インバータは一般に、相電流を形成するためのスイッチを備え、これらのスイッチは、例えば半導体技術を使用する。
通常動作時には、電気モータの相電流は、一般に交流である。それ故に、各スイッチは、当該の相で相電流を生成するようにスイッチングする第1の相とスイッチが開いたままである第2の相とを交互に入れ替える。第1の相の間に、スイッチは、熱くなり、一方その熱は、第2の相の間に排出される。ロータが、あまり遅くない速度で回転するとき、電気的時定数は、熱的時定数よりも大きいので、2つの相の間での交番頻度は、スイッチが過熱しないようにするために十分なものである。それ故に、相電流の変化は、接合部温度の変化を生じさせることになり、その接合部温度のピーク値は、スイッチによって取り扱うことが可能である。
対照的に、ロータが、動かないまたは非常に遅い速度で回転するとき、相電流は、DC電流により近く、スイッチはその時、第1の相にとどまる。最悪の事態では、相電流は、ピーク電流(最大電流)に等しい。しかしながら、相電流が高いほど、加熱は、より強い。さらに、電流は、トルクと同時に増加するので、この問題は、高トルクが電気モータによって供給されなければならないときに悪化する。この状況は、例えば車両を丘の上に保持しようとするときに起こる。トルクはその時、最大化され、一方速度は、ゼロまたは非常に低い。
前述の問題に対する解決策は、すでに存在する。
例えば、スイッチング損失を低減するために、チョッピング周波数(それ故にスイッチのスイッチング周波数)を低減することが、可能である。スイッチは、より低い損失を有するので、スイッチは、高電流に耐えることができる。この解決策は、高い音響ノイズを時々発生させるという欠点を有する。さらに、損失の大部分は、伝導による損失であり、その結果利得は、低い。
別の解決策は、トルクの低減につながるピーク電流を低減することであり、これは、スイッチを保護するためにある時間後とすることができる。トルクの減少は、平衡位置の変化につながることもあり得る。より低い電流を有するこの新しい平衡位置は、最大トルクを可能にする。この解決策はしかしながら、トルクおよび車両の位置を制御することを可能にしないので、受け入れることができない。
それ故に、インバータ内の加熱プロセスを制限するための別の解決策を見出すことが、望ましいこともある。
前述の問題を少なくとも部分的に解決するために、制御デバイスが、
- 相電流の基本周波数が、最大で100Hzに等しい周波数しきい値よりも低いかどうかを決定するためのユニットと、
- 基本周波数が周波数しきい値よりも低いと決定されたとき、相電流での同極成分の出現をコマンドが引き起こすように構成される、コマンドを生成するためのユニットとを備えることを特徴とする、前述の種類の回転駆動システムが、提供される。
オプションとして、同極成分は、高調波である。
またオプションとして、同極成分は、第三高調波でもある。
またオプションとして、同極成分は、相電流の非同極成分のピーク値の所定割合に等しいピーク値も有する。
またオプションとして、同極成分は、相電流の非同極成分のピーク値の1-√3/2倍に等しいピーク値も有する。
またオプションとして、制御デバイスはさらに、トルク設定点が、少なくとも100Nに等しいトルクしきい値よりも高いかどうかを決定するためのユニットも備え、その場合コマンドを生成するためのユニットは、基本周波数が周波数しきい値よりも低いと決定されたときおよびトルク設定点がトルクしきい値よりも高いと決定されたとき、電気モータの相での同極電流の出現をコマンドが引き起こすように構成される。
本発明はまた、電気モータのステータの各相をDC電圧源に接続するように設計されたインバータを制御するための方法であって、相は、独立しており、
- 相電流の基本周波数が、最大で100Hzに等しい周波数しきい値よりも低いかどうかを決定するステップと、
- 基本周波数が周波数しきい値よりも低いと決定されたとき、相電流での同極成分の出現を引き起こすコマンドを生成するステップとを含むことを特徴とする、方法も提供する。
コンピュータ上で実行されるとき、本発明による方法のステップのコンピュータによる実施につながる命令を含むコンピュータプログラムもまた、提供される。
本発明の例示的な一実施形態が、添付図面を参照して今から述べられることになる。
本発明による回転駆動システムの図である。 図1でのシステムのインバータを制御するための方法のブロック図である。 相電流の成分を例示するグラフを示す図である。 相電流への同極成分の追加の効果を例示するグラフを示す図である。
図1を参照して、本発明を実装する回転駆動システム100が、今から述べられることになる。
回転駆動システム100はまず初めに、述べられる例では基準電位M(電気接地)に関してDC電圧Vを供給するように設計された電圧源102を備える。
回転駆動システム100はさらに、電気モータ104を備える。それ自体が知られているように、電気モータ104は、ステータ(図示されず)およびステータに関して回転軸Aの周りを速度Ωで回転するように設計され、電磁トルクを供給するロータ106を備える。ステータは、述べられる例では3に達し、参照記号a、bおよびcによって示される相を含む。相a、b、cはそれぞれ、2つの端子を有する。さらに、相a、b、cは、独立しており、言い換えればそれらは、通常「中性点」と呼ばれる共通点にそれらの端子の1つによって接続されない。相a、b、cは、ia、ibおよびicで示される相電流をそれぞれ伝導するように設計される。
回転駆動システム100はさらに、電気モータ104の各相a、b、cをDC電圧源102に接続するように設計されたインバータ108を備える。インバータ108は、いくつかのアームを備え、相a、b、cについて1つの端子当たり1つのアームである。それ故に、述べられる例では、インバータ108は、6つのアームを備える。各アームは、それが関連する端子を電圧源102の電圧V、そうでない場合接地Mに接続するように設計される。各アームはそれ故に、直列に構成されかつそれらの中央で関連する端子に接続される2つの制御スイッチを備え、一方アームの2つの端部は、電圧Vおよび電気接地Mにそれぞれ接続される。インバータ108はそれ故に、各相a、b、cに電圧+V、その逆の-V、そうでない場合当該の相の2つの端子が両方とも同じ点(VまたはM)に接続されるときにゼロ電圧を印加するように設計される。スイッチは例えば、絶縁ゲートを有するバイポーラトランジスタであり、また頭字語IGBT(「絶縁ゲートバイポーラトランジスタ」を表す)によっても示される。
回転駆動システム100はさらに、ステータに関してロータ106の回転速度Ωを測定するように設計されたセンサ110を備える。
回転駆動システム100はさらに、インバータ108を制御するためのデバイス112を備える。述べられる例では、制御デバイス112は、ステータに関してロータ106の回転速度Ωおよび回転速度設定点Ω*の関数としてコマンドをインバータ108に供給するように設計される。速度設定点Ω*は例えば、回転駆動システム100が動力車で実施されるときは、調速機から受け取られる。インバータ108の制御は一般に、インバータ108のアームのスイッチの開/閉のための非常に高い周波数のコマンドに対応する。制御デバイス112は、例えばプロセッサの形をとる。この場合は、以下で詳述される制御デバイス112のユニットは、例えばプロセッサおよび/またはプロセッサの専用電子回路によって実行されるコンピュータプログラムの形で実施される。
制御デバイス112はまず初めに、相電流の基本周波数が、最大で100Hz、好ましくは最小限の50Hzに等しい周波数しきい値よりも低いかどうかを決定するためのユニット114を備える。述べられる例では、相電流の基本周波数は、ロータ106の回転速度Ωから決定される。実際、電気モータでは、ロータ106の回転の電気的周波数と機械的周波数との間の縮小倍率(de-multiplication factor)を得るために、相が軸Aの周りで数回交番する(電気モータはその時数極を備える)ことが、しばしば起こる。それ故に、相電流の基本周波数は、縮小倍率を乗じたロータ106の回転周波数に等しい。
制御デバイス112はさらに、速度Ωおよび速度設定点Ω*に基づいて電気モータ104についての電磁トルク設定点C*を決定するためのユニット116を備える。
制御デバイス112はさらに、トルク設定点が、少なくとも100N、好ましくは少なくとも200Nに等しいトルクしきい値よりも高いかどうかを決定するためのユニット118を備える。
制御デバイス112はさらに、インバータ108のためのコマンドを生成するためのユニット120を備える。このユニット120は、基本周波数が周波数しきい値よりも低いと決定されたときおよびトルク設定点がトルクしきい値よりも高いと決定されたとき、電気モータ104の相a、b、cでの相電流の同極成分の出現をコマンドが引き起こすように構成される。述べられる例では、基本周波数が周波数しきい値よりも高いと決定されたときまたはトルク設定点がトルクしきい値よりも低いと決定されたとき、ユニット120はさらに、インバータ108のコマンドが相a、b、cの平衡を保つように、言い換えれば同極成分がないように構成される。
述べられる例では、同極成分は、第三高調波であり、相電流の非同極成分のピーク値の所定割合に、好ましくは非同極成分のピーク値の1-√3/2倍に等しいピーク値を有する。
ロータの完全停止の場合は、基本周波数は、ゼロであることが理解されよう。この場合は、同極成分はしたがって、一定である。
図2を参照して、インバータ108を制御するための方法200が、今から述べられることになる。
ステップ202の間に、センサ110は、速度Ωを測定し、この測定結果を制御デバイス112に供給する。
ステップ204の間に、ユニット114は、速度Ωに基づいて相電流の基本周波数を推定し、この基本周波数が周波数しきい値よりも低いかどうかを決定する。
ステップ206の間に、ユニット116は、速度Ωからおよび速度設定点Ω*からトルク設定点C*を決定する。
ステップ208の間に、ユニット118は、トルク設定点C*がトルクしきい値よりも高いかどうかを決定する。
ステップ210の間に、ユニット120は、ユニット114および118によって実行された決定の結果と一緒にトルク設定点C*を受け取る。もしこれらの結果が、基本周波数が周波数しきい値よりも低くかつトルク設定点がトルクしきい値よりも高いということを示すならば、ユニット120は、相a、b、cでの相電流の同極成分の出現を引き起こすインバータ108のスイッチのためのコマンドを生成する。この同極成分は、非同極成分に加えられ、したがって、これは、電気モータ104をトルク設定点C*に到達させるように設計される。そうでない場合、ユニット120は、非同極成分だけが各相a、b、cにとどまるように、相電流の平衡を保つコマンドを生成する。
図3を参照すると、グラフAは、第三高調波同極成分が存在するときの相電流の経時的な変化を示す。
グラフBは、非同極成分を示し、一方グラフCは、各相a、b、cに存在する同極成分を示す。
図4を参照すると、グラフAは、従来技術の場合の、経時的な相電流(実線)、および閉じることで電流をこの相に入らせるスイッチの温度(点線)を示す。時間t1において、ロータは、停止する。これの結果は、その相での電流が一定値にとどまるということである。この瞬間から、温度が示されるスイッチは、電流を一定に維持するために連続的に切り替わる。どんな同極成分もない場合は、これは、このスイッチの大幅な昇温をもたらす。
グラフBは、前に述べられた駆動システム100についての同じ状況を示す。ロータの停止の後で、同極成分が、生成され、その同極成分は、当該の相を通って流れる相電流を減少させ、それ故にスイッチの加熱を制限することが、理解されよう。
本発明は、前に述べられた例示的な実施形態に限定されず、それどころか添付の特許請求の範囲によって規定され、その特許請求の範囲は、当業者の一般知識に基づいて考えられ得るすべての変更および代替構成にまで及ぶ。
例えば、同極成分は、トルク設定点の値にかかわらず、相電流の基本周波数が周波数しきい値を下回るときはいつでも生成されることもあり得る。
100 駆動システム、回転駆動システム
102 電圧源、DC電圧源
104 電気モータ
106 ロータ
108 インバータ
110 センサ
112 デバイス、制御デバイス
114 基本周波数が周波数しきい値よりも低いかどうかを決定するためのユニット
116 トルク設定点を決定するためのユニット
118 トルク設定点がトルクしきい値よりも高いかどうかを決定するためのユニット
120 インバータのためのコマンドを生成するためのユニット
a 相
b 相
c 相
A 回転軸
C* トルク設定点、電磁トルク設定点
M 基準電位、電気接地
V DC電圧
Ω 速度、回転速度
Ω* 速度設定点、回転速度設定点

Claims (8)

  1. 車両のための回転駆動システム(100)であって、
    電圧源(102)と、
    電気モータ(104)であって、
    独立した相(a、b、c)を有するステータと、
    ロータ(106)とを備える電気モータ(104)と、
    相電流を生成するために各相(a、b、c)を前記電圧源(102)に接続するように設計されたインバータ(108)と、
    トルクおよび前記車両の位置を制御するように前記インバータ(108)によって生成される相電流の値を制御するための制御デバイス(112)とを備え、
    前記制御デバイス(112)が、
    前記相電流の基本周波数が、最大で100Hzに等しい周波数しきい値よりも低いかどうかを決定するためのユニット(114)と、
    前記基本周波数が前記周波数しきい値よりも低いと決定されたとき、前記インバータ(108)によって生成される相電流の値を減少させるように、前記相電流での同極成分の出現をコマンドが引き起こすように構成される、前記コマンドを生成するためのユニット(120)とを備えることを特徴とする、回転駆動システム(100)。
  2. 前記同極成分は、高調波である、請求項1に記載の回転駆動システム(100)。
  3. 前記同極成分は、第三高調波である、請求項2に記載の回転駆動システム(100)。
  4. 前記同極成分は、前記相電流の非同極成分のピーク値の所定割合に等しいピーク値を有する、請求項2または3に記載の回転駆動システム(100)。
  5. 前記同極成分は、前記相電流の前記非同極成分の前記ピーク値の1-√3/2倍に等しいピーク値を有する、請求項4に記載の回転駆動システム(100)。
  6. 前記制御デバイス(112)はさらに、トルク設定点が、少なくとも100Nに等しいトルクしきい値よりも高いかどうかを決定するためのユニット(118)を備え、前記コマンドを生成するための前記ユニット(120)は、前記基本周波数が前記周波数しきい値よりも低いと決定されたときおよび前記トルク設定点が前記トルクしきい値よりも高いと決定されたとき、前記電気モータの前記相(a、b、c)での同極電流の出現を前記コマンドが引き起こすように構成される、請求項1から5のいずれか一項に記載の回転駆動システム(100)。
  7. トルクおよび車両の位置を制御するように相電流の値を制御するための方法であって、前記相電流は、電気モータ(104)のステータの各相(a、b、c)をDC電圧源(102)に接続するように設計されたインバータ(108)によって生成され、前記相(a、b、c)は、独立しており、前記方法は、
    前記相電流の基本周波数が、最大で100Hzに等しい周波数しきい値よりも低いかどうかを決定するステップと、
    前記基本周波数が前記周波数しきい値よりも低いと決定されたとき、前記インバータ(108)によって生成される相電流の値を減少させるように、前記相電流での同極成分の出現を引き起こすコマンドを生成するステップとを含むことを特徴とする、方法。
  8. コンピュータ上で実行されるとき、請求項7に記載の方法の前記ステップの前記コンピュータによる実施につながる命令を含むコンピュータプログラム。
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