JPH08501678A - 変換装置から給電される永久励磁同期電動機の調節方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、変換装置から給電される永久励磁同期電動機（２）を調節するための方法および装置であって、その電動機電流が基本回転数範囲内で予め定められた電動機電流目標値（Ｉ_MsoLL）、求められた電動機電流実際値（Ｉ_Mist）および求められた位置信号（Ｌ_R,S,T）に関係して調節される方法および装置に関する。本発明によれば、磁界弱め範囲内で電動機電流が、同期電動機（２）の負荷により予め与え得る変換装置入力電流目標値（Ｉ_GsoLL）、求められた変換装置入力電流実際値（Ｉ_Gist）および求められた予制御角（φ）に関係して調節され、その際にこの予制御角（φ）が制御量実際値（Ｕ_St）の最大制御量（Ｕ_Stmax）を超過する部分に関係して決定される。こうして変換装置から給電される永久励磁同期電動機（２）がすべての負荷状熊において完全に円滑に基本回転数範囲から磁界弱め範囲に、またその逆に調節され得る。

Description

【発明の詳細な説明】 変換装置から給電される永久励磁同期電動機の調節方法および装置 本発明は、変換装置から給電される永久励磁同期電動機を調節するための方法 および装置であって、その電動機電流が基本回転数範囲内で予め定められた電動 機電流目標値、求められた電動機電流実際値および求められた位置信号に関係し て調節される方法および装置に関する。 ブラシなしＤＣドライブとも呼ばれる、変換装置から給電される永久励磁同期 電動機を有するドライブの回転数範囲はいわゆる電圧限界により制限される。す なわち、誘導される電動機電圧が変換装置の入力直流電圧の値に達するので、電 動機電流を与えるための電圧差がもはや得られない。このことは種々の応用の際 に不利な結果を生む。たとえばこのようなドライブを電気車両に使用する際に車 両蓄電池の容量は、、ドライブが著しい過大寸法を有しているときにしか、広い 回転数範囲内で利用され得ない。 ドイツ特許出願公開第4021098A1号明細書から、一定の電源電圧に接続されて いる変換装置を介して給電される永久磁石励磁同期電動機の回転数範囲を高める ための方法は公知である。この方法では、変換装置の一定の中間回路電圧ならび に電動機の起電力およびインダクタンスにより決定されている限界回転数に達す るまで、電動機電流の磁界オリエンテーション調節が行われる。 電流はこうして、それが同期内部電圧すなわち電動機の起電力と同相であるよ うに調節される。電流振幅を調節するため、、電圧の相応のクロッキングが行わ れる。電動機がその限界回転数に達し、またこの限界回転数を越えるその回転数 の上昇が必要であれば、磁界オリエンテーション調節から回転子偏位角の調節へ の切換が行われ、その際に同期内部電圧と電動機電圧との間に形成される回転子 偏位角が過励磁の意味で変更される。限界回転数を越える回転数のこのような上 昇は一般に、いずれにせよ回転数調節のために存在している調節要素により達成 される。これは既存の回転数調節器および回転数実際調節発信器から供給される 信号の相応の処理により行われる。これらの信号の相応の演算により回転子偏位 角 の負荷に関係する設定のための制御信号が発生される。そのために追加的に、演 算を行う構成要素のみが必要である。 回転子偏位角のこの負荷に関係する設定により電流フェーザは磁束フェーザに 対してもはや垂直ではなく、生ずる無効電流が電動機磁界を弱め、従ってまた電 動機電圧が減ぜられ得るようにずれている。 永久磁石励磁同期電動機の予転流の応用の際に下記の問題が生ずる。 １．ブラシなしＤＣドライブの際に回転子の位置が６０゜電気角の分解能で検出 される。予制御とも呼ばれる予転流の実現のために分解能が、できるだけ追加的 な発信器を使用せずに、著しく高められなければならない。 ２．予転流角が下記の境界条件を満足する仕方で予め定められなければならない 。 −ドライブのできるだけ高い効率 −基本回転数から磁界弱め範囲への、またはその逆のできるだけ円滑な移行 −高い回転数ダイナミックス ３．電動機電流調節器に回転モーメントを形成する電流成分に対する目標値とな らんで磁界を形成する電流成分に対する目標値も予め与えられなければならない 。この目標値はドライブおよび動作点の種々の特性値から導き出されなければな らない。 ４．一般にこのようなドライブの調節のために現在では計算能力、従ってまた調 節のサンプリング手段が制限されているマイクロプロセッサが使用される。 この関連で電動機電流の検出の際に下記の間題が生ずる。 −磁界弱め範囲内で電動機電流が、理想的な長方形曲線形状からかなり偏差し、 また解析的な式により記述し得ない曲線形状をとる（雑誌“米国電気電子学会論 文集・産業応用編、第ＩＡ-２０巻、第４号、１９８４年７／８月、第８０３〜 ８１３頁）。 −磁界弱めにより高い回転数（周波数）が到達されるべきである。しかし回転数 の上昇に伴って調節のサンプリング周波数と電動機電流の基本周波数との比が減 少する。 従って、磁界弱め範囲内での電動機電流の検出、特に有効および無効成分にわ けた検出はサンプリング調節によっては実際上不可能である。 本発明の課題は、変換装置から給電される永久励磁同期電動機を調節するため の方法および装置であって、前記の問題がもはや生じない方法および装置および マイクロプロセッサにより実現され得る装置を提供することにある。 この課題は、本発明によれば、磁界弱め範囲内の電動機電流が同期電動機の負 荷から予め設定し得る変換装置入力電流目標値、求められた変換装置入力電流実 際値および求められた予制御角に関係して調節され、その際にこの予制御角が制 御量実際値の最大制御量を超過する部分に関係して決定され、またその際に変換 装置入力電流目標値が予め設定し得る回転モーメント目標値に比例していること により解決される。 本発明によれば、磁界弱め範囲内ではもはや電動機電流ではなく変換装置の入 力直流電流が調節される。変換装置の入力直流電流のこの調節の目標値設定は近 似的に電力設定に相当する。この電力設定に関係して付属の予制御角が求められ 、それによって各動作点に電動機電流が同じ大きさおよび位相で、無効電流成分 に対する目標値設定および高い周波数における電流検出を利用することなく、存 在している。 本方法の有利な実施態様ではフルドライブの到達の際に基本回転数範囲から磁 界弱め範囲に切換えられる。この時点で電流調節および電動機電流目標値の制限 調節が作用しているので、円滑に電動機電流調節から入力直流電流調節に切換え られ得る。すなわち電流調節器がその出力端に跳躍を発生しない。フルドライブ の状態ないし電圧制限の到達は電流調節器の出力信号から求められる。しかし切 換は既にそれ以前に開始され得る。切換が行われ得る範囲は、電流調節および制 限調節が作用する時点で開始し、またフルドライブが超過される時点で終了する 。この範囲の選択により基本回転数範囲から磁界弱め範囲への、およびその逆の 完全に円滑な移行が保証されている。 本発明による方法を実施するための本発明による装置は請求項５に記載されて いる。その際に電動機電流目標値は上位の制限調節に関係して設定可能な回転モ ーメント目標値から発生され、この制限調節の目標値は同じく設定可能な回転モ ーメント目標値から定数により形成され、また実際値として測定された変換装置 入力電流が使用される。 変換装置入力電流目標値と設定可能な回転モーメント目標値との結合により、 永久励磁同期電動機の各負荷状態において、変換装置入力電流調節偏差が零に等 しい範囲が到達される。電動機電流調節偏差も零に等しいので、電動機電流調節 が入力直流電流調節に円滑に切換えられることが達成される。 本装置の有利な実施態様では制御および調節装置、制限調節および予制御角制 御に対してマイクロプロセッサが設けられている。本発明による装置に対しては 比較的わずかな追加的計算時間が基本回転数範囲内で（ドライブの照会，切換ス イッチの作動）、また操作量“予制御角”の変化が全部で６０°電気角の影響を 調節対象に有し得る磁界弱め範囲内で必要とされるので、追加的な調節および制 御にもかかわらず、マイクロプロセッサの計算時間がかなり低下し、従って変換 装置の制御および調節装置のマイクロプロセッサが別に利用され得る。 以下に、変換装置から給電される永久励磁同期電動機を調節するための方法を 実施するための本発明による装置の実施例を示す図面により本発明を説明する。 図１は電気車両に対する公知のドライブのブロック回路図を示し、 図２は磁界弱め範囲内での調節に対する本発明によるドライブのブロック回路 図を示し、 図３は予制御角の制御電圧を横軸にとったダイアグラムを示し、 図４は基本回転数範囲内および磁界弱め範囲内での調節に対する本発明による ドライブのブロック回路図を示し、 図５は全負荷における電動機作動に対するモーメントまたは電動機電流を回転 数または制御電圧を横軸にとったダイアグラムを示し、 図６は部分負荷における電動機作動に対するモーメントまたは電動機電流を回 転数または制御電圧を横軸にとったダイアグラムを示し、 図７は部分負荷における発電機作動に対するモーメントまたは電動機電流を回 転数または制御電圧を横軸にとったダイアグラムを示す。 図１は一般に電気車両に使用される公知のドライブのブロック回路図を示す。 このドライブは回転子位置発信器４を有する永久励磁される同期電動機２、変換 装置６、制御および調節装置８、制限調節装置１０および回転モーメント目標値 発信器１２、たとえば電気車両のアクセルから成っている。変換装置６としては インバータ、特にターンオフ可能な変換装置弁、たとえばトランジスタ、絶縁ゲ ート-バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはゲートターンオフ-サイリスタ （ＧＴＯサイリスタ）を含んでいるパルスインバータが設けられている。この変 換装置６は、図面を見易くするため図示されていない一定の直流電圧源から給電 される。直流電圧源としてはたとえば一定の電源電圧に接続されている制御され ない整流器または電気車両の車両蓄電池が設けられている。 このドライブの制御および調節装置８は第１の比較器１４、電流調節器１６、 制御装置１８、パルス分配器２０および電動機電流実際値の形成装置２２から成 っている。電動機電流実際値の形成装置２２は入力側で一方では回転子位置発信 器４の出力端と、また他方ではたとえば永久励磁同期電動機２の相ＲおよびＳの 相電流実際値Ｉ_MRおよびＩ_MSを測定する２つの電流検出装置２４と接続されてい る。この装置の出力側に求められた電動機電流実際値Ｉ_Mistが生じ、また装置２ ２は第１の比較器１４の負の入力端と接続されている。この装置２２の一層詳細 な構成および作用の仕方はヨーロッパ特許出願公開第0208847A1号明細書に記載 されている。第１の比較器１４の正の入力端には求められた電動機電流目標値Ｉ_MsoLL が与えられている。出力側でこの比較器１４は電流調節器１６と接続され ており、この電流調節器の後に、後段に接続されているパルス分配器２０を有す る制御装置１８が接続されている。 変換装置から給電される永久励磁同期電動機２に対する制御および調節装置８ のこのような構成はヨーロッパ特許出願公開第0261540A1号明細書から公知であ るが、その際には電動機電流目標値が上位の回転数制御により求められる。回転 数調節されるドライブでは電流目標値は、それにより要求される回転モーメント 、従ってまた準自動的に“正しい無効電流”が設定されるように予め与えられる 。 第１の比較器１４は電動機電流目標値Ｉ_MsoLLおよび発生された電動機電流実 際値Ｉ_Mistに関係して調節偏差Ｉ_Meを形成し、この調節偏差は電流調節器１６に 供給される。この電流調節器１６はそれから相応の制御量Ｕ_Stを形成し、この制 御量は制御装置１８において３つの長方形状の制御信号に変換され、それらのデ ューティファクタは制御量Ｕ_stに関係して設定される。これらの３つの制御信号 はパルス分配器２０により変換装置６の変換装置弁に分配される。制御信号の分 配は永久励磁同期電動機２の電動機電流が同期内部電圧、すなわち起電力と同相 であるように、回転子位置発信器４の位置信号Ｌ_R,S,Tに関係して行われる。 上位の制限調節装置１０は第２の比較器２６、制限調節器２８および制限器３ ０から成っている。この第２の比較器２６の正の入力端は、変換装置６の正の入 力線に配置されている電流検出装置３２と接続されている。この電流検出装置３ ２は変換装置６の入力電流実際値Ｉ_Gistを測定し、この入力電流実際値は比較器 ２６により入力直流電流目標値Ｉ_GsoLLと比較される。出力側でこの第２の比較 器２６は制限調節器２８を介して制限器３０と接続されている。入力直流電流実 際値Ｉ_Gistが入力直流電流目標値Ｉ_GsoLLを超過すると直ちに、制限調節器２８ の出力端に偏差に関係して制限制御信号Ｕ_BGが生じ、それにより制限器３０が駆 動される。 電気車両に図示されているドライブを使用する際には、入力直流電流は蓄電池 電流と呼ばれ、、またこの制限調節装置１０は蓄電池電流制限調節装置と呼ばれ る。この蓄電池電流制限調節装置は、車両蓄電池が過大な蓄電池電流の取り出し により損傷されないように使用される。 制限器３０は入力側で回転モーメント目標値発信器１２と、また出力側で第１ の比較器１４の正の入力端と接続されている。たとえば電気車両のアクセルであ ってよいこの目標値発信器１２により、回転モーメントに相応する電流目標値Ｉ_DsoLL が設定される。この電流目標値は発生される制限制御信号Ｕ_BGに関係して 制限され、また電動機電流目標値Ｉ_MsoLLとしてこの制限器３０の出力端に生ず る。 図２は磁界弱め範囲に対する本発明によるドライブのブロック回路図を示す。 このドライブは回転子位置発信器４を有する永久励磁同期電動機２、変換装置６ 、制御および調節装置８および予制御角調節装置３４から成っている。図１のブ ロック回路図にくらべて第１の比較器１４の負の入力端が電流検出装置３２と、 またその正の入力端が回転モーメント目標値発信器１２と接続されている。さら に予制御角調節装置３４が制御および調節装置８の下位におかれている。この予 制御角調節装置３４は予制御角φを決定するための装置３８を含んでおり、その 際にその入力端は電流調節器１６の出力端と接続されている。装置３８の出力端 は パルス分配器２０と接続されている。装置３８としては特性曲線発生器が設けら れていてよく、その特性曲線は図３に詳細に示されている。それによれば、電流 調節器１６の出力端における制御量Ｕ_Stが最大制御量Ｕ_Stmaxを超過するときに 初めて予制御角φが発生される。求められた偏差が上昇すると、それに比例して 図３による予制御角φの値も上昇する。この角度φはパルス分配器２０に供給さ れ、従って点弧信号の転流は予制御角φに相応して早く行われる。それにより電 流ドライブ電圧（変換装置出力電圧と同期電動機の誘導電圧との間の差電圧）が 設定され、それによって、、変換装置がその電圧限界において動作するとしても 、要求される電動機電流が供給され得る。この範囲は磁界弱め範囲とも呼ばれる 。 図１に示されているドライブによれば回転数は変換装置８の電圧限界までしか 調節され得ない。この電圧限界が到達されると直ちに、回転モーメントが非常に 速く崩壊する。この範囲は基本回転数範囲とも呼ばれる。 いまドライブが基本回転数範囲内でも磁界弱め範囲内でも調節されるべきであ れば、図１および図２による両調節の間の切換が行われ得よう。変換装置から給 電される永久励磁同期電動機に対する２つの調節の間の切換は、冒頭に記載した ように、ドイツ特許出願公開第4021098A1号明細書から公知である。その際に、 すべての負荷状態において基本回転数範囲から磁界弱め範囲への、またその逆の 完全に円滑な移行が保証されることは注意されるべきである。 図４には変換装置から給電される永久励磁同期電動機２を調節するための装置 であって、同期電動機２をすべての負荷状態において基本回転数範囲から磁界弱 め範囲へ、またその逆に完全に円滑に調節し得る装置が示されている。 この装置は変換装置６と、制御および調節装置８と、制限調節装置１０と、予 制御角制御装置３４と、２つの切換スイッチ４０および４２および操作要素４４ から成る切換装置とから成っている。制御および調節装置８、制限調節装置１０ および予制御角制御装置３４は図１および図２に詳細に示されており、またそこ で説明されているので、ここでは切換装置のみを説明する。 この切換装置の一方の切換スイッチ４０は制限器３０と第１の比較器１４との 間に、その第１の入力端が制限器３０の出力端と、またその第２の入力端が第２ の比較器２６の正の入力端と、またその出力端が第１の比較器１４の正の入力端 と接続されている。他方の切換スイッチ４２は第１の比較器１４と電動機電流実 際値の形成装置２２との間に、その第１の入力端が装置２２の出力端と、またそ の第２の入力端が第２の装置２２の負の入力端または電流検出装置３２と、また その出力端が第１の比較器１４の負の入力端と接続されている。これらの切換ス イッチ４０および４２は操作要素４４により制御され、その際にこの操作要素４ ４はその情報を電流調節器１６から得る。さらに第２の比較器２６の正の入力端 は、図２の場合のように回転モーメント目標値発生器１２と直接にではなく、定 数要素４６を介して接続されている。この図示では切換スイッチ４０および４２ は、永久励磁同期電動機２が基本回転数範囲内で調節されるように接続されてい る。 図４による装置の有利な実施例では制御および調節装置８、制限調節装置１０ および予制御角制御装置３４に対してマイクロプロセッサが設けられている。調 節装置の図示されている構造は比較的わずかな追加的計算時間のみを基本回転数 範囲内で必要とし、また磁界弱め範囲内でそれよりもわずかな追加的計算時間を 必要とするので、磁界弱め範囲内でのマイクロプロセッサの計算時間負荷は低下 する。 図５ないし図７により変換装置から給電される永久励磁同期電動機２を調節す るための方法を一層詳細に説明する。 図５または図６のダイアグラム中に符号ａ１またはａ２を付して、変換装置か ら給電される永久励磁同期電動機２の回転モーメント-回転数-特性曲線が示され ており、その際に図５は全負荷の場合を、また図６は部分負荷の場合を示す。符 号ｂ１またはｂ２を付されている曲線は直流電圧源または車両蓄電池の電力双曲 線を示す。入力直流電流目標値Ｉ_GsoLLの決定により電力双曲線ｂ１またはｂ２ の位置が決定される。この電力双曲線ｂ１またはｂ２の位置は、各負荷状態で特 性曲線ａ１およびｂ１またはａ２およびｂ２が交わる（２つの交点〕ように回転 モーメント-回転数-特性曲線ａ１またはａ２に対しておかれる。図５または図６ によるダイアグラム中に太線で示されている特性曲線は基本回転数範囲内および 磁界弱め範囲内で調節される図４による予転流を有するドライブの限界曲線を形 成する。この限界曲線の区間Ｉは回転数範囲ｎ１〜ｎ０内に位置している。 この範囲内では電流調節器１６が作用している。回転数ｎ１において回転モーメ ント-回転数-特性曲線ａ１またはａ２が電力双曲線ｂ１またはｂ２と交わる。す なわち制限調節器２８が作用し、従って電動機電流目標値Ｉ_MsoLLが入力直流電 流目標値Ｉ_GsoLLに制限される。回転数ｎ４においてこれらの特性曲線ａ１およ びｂ１またはａ２およびｂ２の別の交点が生ずる。この回転数ｎ４において変換 装置６はその電圧限界Ｕ_Stmaxまたは最大ドライブａ＝１００％に達している。 範囲ｎ４〜ｎ１（予転流を有するドライブの限界曲線の区間II）では電流調節 器１６も制限調節器２８も作用している。すなわちこれらの調節器１６および２ ８における調節偏差は零に調節される。この範囲ｎ４〜ｎ１では、電流調節器１ ６の出力端に跳躍が生ずることなしに、切換スイッチ４０および４２が切換えら れる。切換の正確な時点は有利には電流調節器１６の出力量（制御量Ｕ_St）に関 係して行われる。なぜならば、これは予転流を有するドライブが作動させられる か否かの情報を含んでいるからである。切換はたとえば全ドライブ（ａ＝１００ ％）の到達の直前に行われる。この時点はここでは回転数ｎ３において到達され ている。継続的に電動機電流調節と蓄電池電流調節との間で往復切換が行われな いように、操作要素４４はさらにヒステリシスを設けられている。こうして磁界 弱め範囲から、予め定め得るドライブ値ａに相当する回転数ｎ２において初めて 再び基本回転数範囲に切換えられる。その際に回転数差ｎ３−ｎ２（ドライブ差 値）はヒステリシスに比例している。基本回転数範囲がら磁界弱め範囲に切換え られているならば、ドライブは予転流を有するドライブの限界曲線の区間IIIに 位置している。どこまで回転数が高められ得るかは予制御角φの値またはドライ ブの要求される回転モーメントに関係する。この本発明による方法が電動機作動 中に機能するだけでなく、発電機作動（制動）中にも機能することは図７のダイ アグラムに示されている。 この本発明による方法によりすべての負荷状態で変換装置から給電される永久 励磁同期電動機を基本回転数範囲から磁界弱め範囲に、またその逆に完全に円滑 に切換えることができ、その際に磁界弱め範囲内で電動機電流が、無効電流成分 に対する目標値を設定する必要なしに、また電動機電流実際値を求める必要なし に、予制御角φに関係して正しく設定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．変換装置から給電される永久励磁同期電動機（２）を調節するための方法で あって、その電動機電流が基本回転数範囲内で予め定められた電動機電流目標値 （Ｉ_MsoLL）、求められた電動機電流実際値（Ｉ_Mist）および求められた位置信 号（Ｌ_R,S,T）に関係して調節される方法において、磁界弱め範囲内で電動機電 流が、同期電動機（２）の負荷により予め与え得る変換装置入力電流目標値（Ｉ_GsoLL ）へ、求められた変換装置入力電流実際値（Ｉ_Gist）および求められた予 制御角（φ）に関係して調節され、その際にこの予制御角（φ）が制御量実際値 （Ｕ_st）の最大制御量（Ｕ_Stmax）を超過する部分に関係して決定され、またそ の際に変換装置入力電流目標値（Ｉ_GsoLL）が予め与え得る回転モーメント目標 値（Ｉ_DsoLL）に比例していることを特徴とする変換装置から給電される永久励 磁同期電動機の調節方法。 ２．基本回転数範囲内で電動機電流目標値（Ｉ_MsoLL）が、変換装置入力電流目 標値（Ｉ_GsoLL）および測定された変換装置入力電流実際値（Ｉ_Gist）に関係し ，て制限可能である予め与え得る回転モーメント目標値（Ｉ_DsoLL）に等しいこ とを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．全ドライブの到達の際に基本回転数範囲から磁界弱め範囲に切換えられるこ とを特徴とする請求項１記載の方法。 ４．回転モーメント目標値（Ｉ_DsoLL）が制限されると直ちに基本回転数範囲か ら磁界弱め範囲に切換えられることを特徴とする請求項１記載の方法。 ５．回転子位置発信器（４）を有する永久励磁同期電動機（２）を調節するため の方法を実施するための装置であって、この同期電動機（２）が変換装置（６） により直流電圧源から給電され、その制御および調節装置（８）が第１の比較器 （１４）、電流調節器（１６）、制御装置（１８）、パルス分配器（２０）およ び電動機電流実際値形成装置（２２）から成っており、、この制御および調節装 置（８）の上位に、第２の比較器（２６）、制限調節器（２８）および制限器（ ３０）から成る制限調節装置（１０）が設けられており、この制限器（３０）の 出力端が第１の比較器（１４）の正の入力端と、またその入力端が回転モーメン ト目標値発生器（１２）と接続されており、第２の比較器（２６）の負の入力端 が変換装置の入力端における電流検出装置（３２）と接続されている装置におい て、制限器（３０）と第１の比較器（１４）との間に第１の切換スイッチ（４０ ）が配置されており、その第２の入力端が第２の比較器（２６）の正の入力端と 接続されており、電動機電流実際値形成装置（２２）と第１の比較器（１４）と の間に第２の切換スイッチ（４２）が配置されており、その第２の入力端が第２ の比較器（２６）の負の入力端と接続されており、これらの切換スイッチ（４０ 、４２）が、入力側で電流調節器（１０）の出力端と接続されている操作要素（ ４４）により制御され、また制御および調節装置（８）の下位に、予制御角（φ ）を決定するための装置（３８）を含んでいる予制御角制御装置（３４）が設け られており、この装置（３８）が出力側でパルス分配器（２０）の入力端と、ま た入力側で電流調節器（１６）の出力端と接続されていることを特徴とする変換 装置から給電される永久励磁同期電動機の調節装置。 ６．制御および調節装置（８）、制限調節装置（１０）および予制御角制御装置 （３４）に対してマイクロプロセッサが設けられていることを特徴とする請求項 ５記載の装置。