JP7271079B2 - 磁気アライメントシグネチャを用いた電気機械のセンサレス制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents
磁気アライメントシグネチャを用いた電気機械のセンサレス制御のためのシステムおよび方法 Download PDFInfo
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Description
交流機械の基準座標系単位ベクトル
qs 静止座標系横軸、一般にa相と一致
ds 静止座標系直軸
qr、q 回転子同期座標系横軸
dr、d 回転子同期座標系直軸
qi 電流座標系横軸
di 電流座標系直軸
q 特定の基準座標系の横軸(特定しない場合、固定子座標系)
d 特定の基準座標系の直軸(特定しない場合、回転子座標系)
交流機械の変数の複素ベクトル(およびベクトル一般化)
f 複素ベクトルおよび複素係数のために使う太字、ベクトルおよび行列のために使う太字
fqd=fq-j・fd 交流機械の変数の複素ベクトル表示
fqd=[fqfd]T 複素ベクトルの2Dベクトル表示
j 複素数演算子
基準座標系識別用上付き文字
fs 静止基準座標系から参照した複素ベクトルまたは2D
fr 回転子基準座標系から参照した複素ベクトル
f 回転子基準座標系から参照した複素ベクトル(基準座標系上付き文字を省略)
fi 電流基準座標系から参照した複素ベクトル
物理量の記号
v 電圧
i 電流
λ 鎖交磁束
e 逆起電力電圧
θ、ω 基準座標系での角度位置および角速度
θr、ωr 電気回転子角度位置および回転子角速度
θm、ωm 機械回転子角度位置および回転子角速度
Tem 電気機械の電磁トルク
TL 負荷トルク
変数識別用上付き文字
・ 微分量
∧ 推定量
~ 縮小拡大量
* 指令量または基準量
電気機械パラメータ
P 極数
M 固定子の相の数
Ls、L 固定子インダクタンス
r 非対称機械の抵抗行列
L 非対称機械のインダクタンス行列
Lq q軸インダクタンス
Ld d軸インダクタンス
Lqd、Ldq q軸とd軸巻線間の相互インダクタンス
以下の交流電気機械の議論に関して、相巻線領域変数の物理量を2次元空間ベクトルとして表すために基準座標系を定義する。より良く説明するために、交流電気機械30の切断図、ならびにそれらの静止(または固定子)基準座標系および回転子基準座標系を含む様々な基準座標系の配置を示す図1Aおよび1Bを参照する。
同じ固定子変数を、次式のように2次元ベクトルとして表すことができる。
[実施態様1]
交流電気機械(64)を駆動するための駆動システム(60、62)であって、
前記交流電気機械(64)を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与え、
前記交流電気機械(64)のその作動点での磁気アライメント情報に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて前記電流ベクトルに重畳される搬送波信号を前記交流電気機械(64)に注入し、
前記生じた搬送波応答信号から前記交流電気機械(64)の少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを測定し、
前記測定された少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを用いて、前記交流電気機械(64)が所望の磁気的な作動をするように前記電流ベクトルの向きを制御する
ように構成される駆動システム(60、62)。
[実施態様2]
前記搬送波信号の注入において、脈動電流注入および脈動電圧注入のうちの1つを含む前記搬送波信号の方向性脈動注入を電流基準座標系で実行するように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様3]
前記搬送波信号の注入において、
前記搬送波信号が前記電流ベクトルに対して接線方向に揃う電流座標系d軸注入、
前記搬送波信号が前記電流ベクトルに揃う電流座標系q軸注入、
可変注入角度で電流座標系注入、および
電流座標系d軸とq軸の交互注入
のうちの1つまたは複数を実行するように構成される、実施態様2に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様4]
前記方向性脈動注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、
信号注入器が、電流座標系d軸脈動電流注入を実行するとき、電流座標系d軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、ならびに前記電流座標系d軸インダクタンスと前記電流座標系相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ、
前記信号注入器が、電流座標系q軸脈動電流注入を実行するとき、電流座標系q軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、ならびに前記電流座標系d軸インダクタンスと前記電流座標系相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ、
前記信号注入器が、可変注入角度で電流座標系電流注入を実行するとき、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ、および
前記信号注入器が、電流座標系d軸とq軸の交互電流注入を実行するとき、電流座標系相互インダクタンス、条件によって測定されるまたは混合測定される電流座標系d軸インダクタンスおよび電流座標系q軸インダクタンス、ならびに前記電流座標系相互インダクタンスと、前記条件によって測定されるまたは混合測定される電流座標系d軸インダクタンスおよび電流座標系q軸インダクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ
を含む、実施態様3に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様5]
前記方向性脈動注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、
前記信号注入器が、電流座標系d軸脈動電圧注入を実行するとき、電流座標系d軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、および前記電流座標系d軸リラクタンスと前記電流座標系相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ、
前記信号注入器が、電流座標系q軸脈動電圧注入を実行するとき、電流座標系q軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、および前記電流座標系q軸リラクタンスと前記電流座標系相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ、
前記信号注入器が、可変注入角度で電流座標系電圧注入を実行するとき、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、および前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ、および
前記信号注入器が、電流座標系d軸とq軸の交互電圧注入を実行するとき、電流座標系相互リラクタンス、条件によって測定されるまたは混合される電流座標系d軸リラクタンスおよび電流座標系q軸リラクタンス、ならびに前記電流座標系相互リラクタンスと、前記条件によって測定されるまたは混合される電流座標系d軸リラクタンスおよび電流座標系q軸リラクタンスとの合成のうちの少なくとも1つ
を含む、実施態様3に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様6]
前記搬送波信号の注入において、前記交流電気機械(64)のトルクリップルを低減する角度補償をして脈動高周波電圧信号または電流信号を注入するように構成され、
角度補償した前記脈動高周波電圧信号の前記注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、ならびに前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも1つを含み、
角度補償した前記脈動高周波電流信号の前記注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの1つを含む、実施態様2に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様7]
前記搬送波信号の注入において、前記磁気アライメントシグネチャの感度をカスタマイズするように、調節された電流座標系電流注入および調節された電流座標系電圧注入のうちの少なくとも1つを実行するように構成され、
前記調節された電流座標系電流注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸インダクタンス、脈動軸相互インダクタンス、ならびに前記脈動軸インダクタンスと前記脈動軸相互インダクタンスとの合成のうちの少なくとも1つを含み、
前記調節された電流座標系電圧注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、脈動軸リラクタンス、脈動軸相互リラクタンス、ならびに前記脈動軸リラクタンスと前記脈動軸相互リラクタンスとの合成のうちの少なくとも1つを含む、実施態様2に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様8]
突極座標系d軸追跡注入である最小インダクタンス軸追跡注入、および突極座標系q軸追跡注入である最大インダクタンス軸追跡注入のうちの少なくとも1つを含む突極性追跡注入を実行するように構成され、
前記突極性追跡注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、最大インダクタンスLmaxおよび最小インダクタンスLminのうちの1つまたは複数を含む、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様9]
前記搬送波信号の注入において、電流基準座標系での回転ベクトル電流注入、回転ベクトル電圧注入、および楕円励磁のうちの少なくとも1つを含む回転ベクトル注入を実行するように構成され、前記楕円励磁が、向きが固定された楕円注入、または回転する向きが前記交流電気機械(64)の作動点、および所望の感度とトルクリップルのトレードオフに基づいて変わる楕円注入のうちの1つである、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様10]
前記回転ベクトル注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、最大インダクタンスLmax、最小インダクタンスLmin、平均インダクタンスLΣまたは平均リラクタンスRΣを含む合成シグネチャ、電流座標系d軸インダクタンス、電流座標系q軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系d軸リラクタンス、電流座標系q軸リラクタンス、および電流座標系相互リラクタンスのうちの少なくとも1つ、またはそれらの合成を含み、
前記回転ベクトル注入から突極角度を抽出するとともに前記最大インダクタンスLmaxおよび前記最小インダクタンスLminを測定することによって、前記d軸インダクタンスおよびリラクタンス、q軸インダクタンスおよびリラクタンス、ならびに相互インダクタンスおよびリラクタンスを前記交流電気機械(64)の所望の基準座標系に変換することができる、実施態様9に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様11]
前記搬送波信号の注入において、電流基準座標系での前記搬送波信号の方向性脈動注入、および回転ベクトル注入の両方を含む混合注入を実行するように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様12]
前記混合注入に対して、前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、電流座標系d軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系d軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、ならびに条件によって測定されるまたは混合される電流座標系q軸インダクタンス、電流座標系q軸リラクタンス、最大インダクタンスLmax、最小インダクタンスLmin、および平均インダクタンスLΣのうちの1つまたは複数のうちの少なくとも1つ、またはそれらの合成を含む、実施態様11に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様13]
前記搬送波応答信号を、搬送波変調周波数を除去するように前記搬送波信号よりも低い周波数信号に変換し、
前記変換された搬送波応答信号をローパスフィルタ処理して、前記搬送波応答信号のベクトル成分を決定し、かつ
前記搬送波応答信号の前記ベクトル成分から前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを抽出する
ように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様14]
前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャの各磁気アライメントシグネチャそれぞれに対して、
前記交流電気機械(64)の複数の所望の作動点に対して順方向マッピング操作を実行して、前記磁気アライメントシグネチャに対する所望の磁気アライメントシグネチャ値および所望のシグネチャ誤差ゲインを決定し、
前記磁気アライメントシグネチャ、前記所望の磁気アライメントシグネチャ値、および前記所望のシグネチャ誤差ゲインに基づいて磁気アライメント誤差を推定する
ように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様15]
前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャの各磁気アライメントシグネチャそれぞれに対して、
前記交流電気機械(64)の所望の作動点において、前記磁気アライメントシグネチャに対して逆方向マッピング操作を実行して、推定された磁気アライメント信号を生成し、
前記推定された磁気アライメント信号に基づいて、かつ前記交流電気機械(64)の前記所望の作動点の電流角度に基づいて磁気アライメント誤差を推定する
ように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様16]
前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャが、複数の磁気アライメントシグネチャを含むとき、
前記複数の磁気アライメントシグネチャのそれぞれに対して磁気アライメント誤差を推定し、
前記電流ベクトルの前記向きを制御するための第1の磁気アライメントシグネチャの使用から、前記電流ベクトルの前記向きを制御するための第2の磁気アライメントシグネチャの使用に切り替えるとき、磁気アライメントシグネチャの切替中の過渡応答を低減する穏やかな混合操作を実行するように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様17]
前記搬送波信号を注入するための好ましい注入方法を決定して、前記少なくとも1つの磁気シグネチャのうちの1つまたは複数の特定の磁気アライメントシグネチャを選択して、前記交流電気機械(64)の前記作動点および前記交流電気機械(64)の動的状態のうちの1つまたは複数に基づいて、前記電流の前記向きを制御するように構成される、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様18]
前記磁気アライメント情報が、前記交流電気機械(64)のトルク、固定子磁束に関する前記電流ベクトルの前記角度、回転子磁束に関する前記電流ベクトルの前記角度、および回転子極軸に関する前記電流ベクトルの前記角度のうちの少なくとも1つを含む、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様19]
前記交流電気機械(64)が、埋込型永久磁石(IPM)機、永久磁石(PM)補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、および誘導機のうちの1つを含む、実施態様1に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様20]
実施態様1に記載の駆動システム(60、62)を内部に含む乗り物(102)であって、前記交流電気機械(64)が、前記駆動システム(60、62、114)によって駆動される牽引モータ(104)を含む、乗り物(102)。
[実施態様21]
交流電気機械(64)を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を発生させるステップと、
高周波搬送波電圧または電流を前記電流ベクトルに重畳させて、前記交流電気機械(64)の磁気アライメント情報に対する感度を有する、選択された搬送波応答電流または電圧をそれぞれ発生させるステップと、
前記搬送波応答電流または電圧から前記交流電気機械(64)の1つまたは複数の磁気アライメントシグネチャを決定するステップと、
前記交流電気機械(64)に所望の磁気的な作動をさせるために、前記1つまたは複数の磁気アライメントシグネチャに基づいて、前記交流電気機械(64)を駆動する前記電流ベクトルの前記電流角度を制御するステップと
を含む、前記交流電気機械(64)の位置センサレス制御のための方法。
[実施態様22]
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、前記高周波搬送波電圧または電流を、d軸注入、q軸注入、可変注入角度、調節角度注入、およびd軸とq軸の交互注入のうちの1つまたは複数にしたがって、前記交流電気機械(64)の電流基準座標系に注入するステップを含む、実施態様21に記載の方法。
[実施態様23]
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、回転ベクトル注入を実行するステップを含み、前記回転ベクトル注入が、電流基準座標系での回転電圧ベクトル、回転電流ベクトル、および楕円注入のうちの1つまたは複数を含み、前記楕円注入が、向きが固定された楕円注入、および向きが回転する楕円注入のうちの1つを含む、実施態様21に記載の方法。
[実施態様24]
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、突極座標系d軸追跡注入である最小インダクタンス軸追跡注入、および突極座標系q軸追跡注入である最大インダクタンス軸追跡注入のうちの1つにしたがって突極性追跡注入を実行するステップを含む、実施態様21に記載の方法。
[実施態様25]
前記高周波搬送波電圧または電流を重畳させるステップが、電流基準座標系での前記高周波搬送波電圧または電流の脈動注入、および前記高周波搬送波電圧または電流の回転ベクトル注入の両方を含む混合注入を実行するステップを含む、実施態様21に記載の方法。
[実施態様26]
前記1つまたは複数の磁気アライメントシグネチャが、突極角度以外のシグネチャを含み、前記1つまたは複数の磁気アライメントシグネチャが、電流座標系d軸インダクタンス、電流座標系q軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系d軸リラクタンス、電流座標系q軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、最大インダクタンスLmax、最小インダクタンスLmin、平均インダクタンスLΣ、ならびに2つのd軸、q軸または相互インダクタンスまたはリラクタンスの合成のうちの少なくとも1つを含む、実施態様21に記載の方法。
[実施態様27]
突極性追跡センサレス制御に対して適切な感度を有しない交流電気機械(64)で使用するための駆動システム(60、62)であって、
前記交流電気機械(64)を駆動するために、電流の大きさと電流角度を有する一次励磁電流ベクトルを発生させ、
前記一次励磁電流ベクトルに重畳される搬送波電圧および搬送波電流のうちの1つを含む搬送波信号を前記一次励磁電流ベクトルに注入し、
前記注入された搬送波信号から生じた搬送波応答信号から得られる前記交流電気機械(64)の少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを測定し、かつ
前記測定された少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを用いて、前記交流電気機械(64)が所望の磁気的な作動をするように前記一次励磁電流ベクトルの向きを制御する
ように構成される駆動システム(60、62)。
[実施態様28]
前記搬送波応答信号が、前記一次励磁電流ベクトルの電流角度、前記一次励磁電流ベクトルと前記交流電気機械(64)の回転子角度との間の角度、ならびに前記交流電気機械(64)のトルクのうちの少なくとも1つを含む前記交流電気機械(64)の磁気アライメント情報に対する感度を有する、実施態様27に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様29]
前記注入される搬送波信号が、
電流座標系d軸、電流座標系q軸、前記電流座標系での可変角度、前記電流座標系での調節角度、および/または交互になるような前記電流座標系d軸とq軸、ならびに/あるいは
脈動電圧ベクトルまたは脈動電流ベクトルの追跡の突極座標系最小インダクタンス軸、および/または突極座標系最大インダクタンス軸
のうちの1つまたは複数に注入される前記脈動電圧ベクトルまたは脈動電流ベクトルを含む、実施態様27に記載の駆動システム(60、62)。
[実施態様30]
前記注入される搬送波信号が、回転電圧ベクトル、回転電流ベクトル、および/または楕円励磁を含み、前記楕円注入が、向きが固定された楕円励磁、および/または向きが回転する楕円励磁である、実施態様27の駆動システム(60、62)。
32 固定子巻線
34 静止基準座標系横軸(qS軸)
36 静止基準座標系直軸(dS軸)
38 回転子基準座標系直軸(dr軸)
40 回転子基準座標系横軸(qr軸)
42 電気回転子角度位置θr
43 回転子磁束ベクトルλr
44 作動点電流指令ベクトル
60 駆動システム
62 駆動システム
64 交流電気機械
66 電力変換装置、電圧源駆動装置
67 制御システム
68 磁束制御器
70 電流制御器
72 信号注入器
74 加算器
76 加算器
78 シグネチャ抽出器、信号抽出器
80 磁気アライメント誤差推定器
82 位置オブザーバ
86 高周波信号
88 脈動ベクトル
89 MTPA作動点
90 脈動ベクトル
92 脈動ベクトル
94 補償角度
96 マッピング
98 位置誤差推定器
100 シグネチャ選択器/誤差混合器
102 乗り物
104 牽引モータ
106 エネルギー貯蔵装置、乗り物牽引システム
108 電力変換装置、差動装置
110 牽引システム駆動軸
112 車輪
114 駆動システム
Claims (3)
- 交流電気機械(64)を駆動するための駆動システム(60、62)であって、
前記交流電気機械(64)を駆動するために、大きさと角度を有する電流ベクトルを含む一次電流励磁を与え、
前記交流電気機械(64)のその作動点での回転子角度位置に対する感度を有する搬送波応答信号を生じるように選ばれて前記電流ベクトルに重畳される搬送波信号を回転ベクトル注入と脈動注入とを合成して組み合わせた混合注入として前記交流電気機械(64)に注入し、
前記生じた搬送波応答信号から前記交流電気機械(64)の少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを測定し、
前記測定された少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャを用いて、前記交流電気機械(64)が所望の磁気的な作動をするように前記電流ベクトルの向きを制御する
ように構成され、
前記混合注入は、前記交流電気機械(64)のトルクレベルが高トルク状態であるときに回転ベクトル注入または脈動注入からの切り換えが行われ、前記混合注入が行われ、
前記少なくとも1つの磁気アライメントシグネチャは、前記回転子角度位置の推定を可能にする信号であり、電流座標系d軸インダクタンス、電流座標系相互インダクタンス、電流座標系d軸リラクタンス、電流座標系相互リラクタンス、電流座標系q軸インダクタンス、電流座標系q軸リラクタンスのうちの1つまたは複数のうちの少なくとも1つ、またはそれらの合成を含む、駆動システム(60、62)。 - 前記交流電気機械(64)が、埋込型永久磁石(IPM)機、永久磁石(PM)補助型同期リラクタンス機、同期リラクタンス機、および誘導機のうちの1つを含む、請求項1に記載の駆動システム(60、62)。
- 請求項1または2に記載の駆動システム(60、62)を内部に含む乗り物(102)であって、前記交流電気機械(64)が、前記駆動システム(60、62、114)によって駆動され
る牽引モータ(104)を含む、乗り物(102)。
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