KR20220137091A

KR20220137091A - 동기식 전기 기계의 전자기 토크 추정 방법

Info

Publication number: KR20220137091A
Application number: KR1020227030724A
Authority: KR
Inventors: 말렉 가네스; 모하마드 하미다; 압델말렉 말로움; 메흐디 타헤르자데
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-10-11
Also published as: EP4101065A1; FR3106894B1; US20230041799A1; JP2023511692A; WO2021156202A1; FR3106894A1; EP4101065B1; CN115336166A

Abstract

영구 자석들을 포함하는 3상 동기식 전기 기계의 전자기 토크를 추정하기 위한 디바이스는: 고정자에 연결된 고정 2상 좌표 시스템에서 플럭스의 각자의 성분들 (I)을 추정하기 위한 기전력의 두 개의 적분기들 (103), 상기 각자의 추정된-플럭스 성분들 (I)로부터 상기 토크 (II)를 추정하기 위한 추정기 (20), 회전자에 연결된 회전 2상 좌표 시스템에서 표현된 전류들을 사용하는 제2 플럭스 추정기 (40)로, 상기 제2 추정기의 플럭스 추정을 교정하기 위해 목적으로 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 변수들을 결정하기 위한 관찰기를 구비한 제2 플럭스 추정기, 그리고 상기 추정된 토크 및 세트포인트 토크의 차이가 미리 정의된 임계보다 더 클 때에, 상기 제2 추정기에 의해 제공된 플럭스 추정에 기초하여 두 개의 적분기들의 초기 플럭스 조건들을 리셋하기 위해 신호 (RES)를 생성하기 위한 검출기 (30)를 포함한다.

Description

동기식 전기 기계의 전자기 토크 추정 방법

본 발명은 3상 동기식 전기 기계, 특히 영구 자석 3상 동기식 전기 기계(phase synchronous electric machine (PMSM))의 전자기 토크를 추정하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 특히 견고성, 단순성 및 낮은 유지 비용으로 인해 차량의 전기 견인 모드에서 이러한 유형의 기계가 견인 모터로 널리 사용되는 하이브리드 전기 및 전기 자동차 분야에 유리하게 적용된다.

전동 견인이 있는 자동차에서, 특히 안전 및/또는 제어상의 이유로 전기 기계가 공급하는 모터 토크의 실제 값을 하는 것이 필요하다. 일반적으로, 기계의 기계적 구동 토크는 샤프트 상에서의 토크를 측정하는 토크 측정기로부터 획득된다. 그러나 비용, 신뢰성 및 부피와 같은 여러 가지 이유로, 구동 시스템에서 토크 측정기를 제거하고 토크 추정기로 교체하는 것이 바람직하다.

토크 추정기는 전압, 전류 및 회전자의 위치와 같은 특정 가용 변수들을 사용하여 전기 기계가 공급하는 토크의 실제 값을 추정하도록 설계된다.

통상적으로, 전기 기계는 두 개의 2상 모델들을 사용하여 표현될 수 있으며, 이 2상 모델들은, 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템을 기반으로 하는 클라크 (Clarke) 변환, 그리고 상기 회전자에 연결된 회전 2상 기준 시스템을 기반으로 하는 파크 (Park) 변환을 각자 사용한다. 상기 고정자와 회전자에 연결된 기준 시스템에서 이와 같이 변환된 양들은 한 편으로는 인덱스들 α, β를 그리고 다른 한 편으로는 인덱스들 d, q를 사용하여 표현되며, 이 인덱스들은 상기 고정 2상 기준 시스템 내 두 개의 축들에 그리고 상기 회전 2상 기준 시스템 내 두 개의 축들에 각자 대응한다.

상기 기계의 플럭스과 공급되는 토크 사이의 강한 관계로 인해, 상기 기계의 토크는 상기 기계의 플럭스에 대한 추정을 통해 관찰될 수 있다. 2상 전류들 및 전압들을 기반으로 영구 자석 3상 동기식 전기 기계의 플럭스를 추정하는 몇 가지 기술들이 현재 알려져 있다. 이러한 기술들은 각각 전압 모델과 전류 모델에 기반하는 두 카테고리들로 분류된다.

전압 모델에 기반한 플럭스 추정 기법에 관련하여, 고정자에 연결된 기준 시스템에서 측정된 전압과 전류를 이용하여 기전력이 계산된다. 고정자 플럭스는 기전력에 대한 적분을 계산하여 그 후에 획득된다.

그러나, 이 추정 방법은 초기 자기 조건들 (영구 자석의 플럭스 및 고정자 인덕턴스들)에 대한 정확한 지식을 의미하며, 이는 실제로는 항상 그렇지는 않다. 그러므로, 이러한 불확실성으로 인해, 상기 기계의 실제 플럭스에 대한 플럭스의 진폭 추정에 결과적인 오프셋이 있을 수 있다. 전압-플럭스 모델을 사용하는 플럭스 추정에서의 이 오프셋은 추정된 토크에 대한 진동 항을 생성한다.

더욱이, 기계 작동 중에 발생하기 쉬운 자기 소거 및 자기 포화의 문제들도 기계의 전압 플럭스 모델을 사용하여 추정된 토크에 대한 진동 항을 생성한다.

이렇게 추정된 토크의 발산의 또 다른 원인은 기계에 전력이 공급되는 방식에 의한 인버터의 비선형성 및/또는 측정 불확실성들에 있으며, 이는 상기 계산된 기전력 값에 대한 오프셋을 생성하며 그러므로 상기 추정된 플럭스 값에 대한 오프셋을 생성한다.

해결해야 할 또 다른 문제는 저속에서 또는 제로 속도에서 관측 가능성을 보장하는 것이다.

저속에서의 관측 가능성의 문제는 위의 문제 (알 수 없는 자기 조건 및 기전력에서의 오프셋)를 해결하기 위해 특정 필터들이 추가될 때 발생한다.

종래 기술은 전압 모델을 기반으로 하는 플럭스의 추정과 관련된 다음 문헌들을 개시한다.

문헌 US9985564B2는 2상 기준 시스템 α,β의 전압 모델을 기반으로 하는 영구 자석 3상 동기식 전기 기계의 고정자 플럭스를 추정하는 방법을 설명한다. 순수 적분기를 사용하여 기전력을 적분하는 대신에, 상기 문헌은 기전력 저역 통과 필터를 사용한 다음 그 필터에 의해 생성된 이득 및 위상 변화를 교정하기 위해 보상기를 추가하는 것을 제안한다.

문헌 CN103346726A는 기전력을 기반으로 영구 자석 3상 동기식 전기 기계의 플럭스를 추정하는 것을 또한 제안한다. 순수 적분기 대신 2차 필터를 사용할 것에 제안된다. 그 문헌은 전압 모델로 추정치를 개선하기 위해 2상 기준 시스템에서 q축의 인덕턴스를 추정할 것을 또한 제안한다.

문서 US7098623B2는 2상 기준 시스템 d,q에서 전압 모델로 고정자 플럭스를 추정하여 회전자의 위치를 추정하는 방법을 설명한다. 상기 문서는 저속에서 고주파 신호의 주입을 기반으로 플럭스를 적응적으로 관찰하는 것을 제안한다.

문서 EP1513250은 전압 모델에 의한 자속 추정 방법과 고주파 신호 주입 방법을 결합하여 위치를 추정하는 방법을 기술한다.

전류 모델에 기반한 방법과 관련하여, 플럭스는 전류를 사용하여 추정되며, 바람직하게는 회전자에 연결된 기준 시스템에서 추정된다. 전류 모델을 기반으로 하는 이러한 방법들은 개방 루프 적분기를 사용하는 것을 수반하지 않기 때문에 전압 모델을 기반으로 하는 방법들에 관련된 위에서 언급된 제한 사항들을 극복하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 방법들과 관련하여 해결해야 할 문제는 자기 포화로 인한 인덕턴스들에서의 변동, 영구 자석 플럭스의 불확실성들 및 위치 센서의 필요성과 관련이 있다.

전류 모델을 기반으로 하는 플럭스의 추정과 관련된 다음 문서들은 선행 기술에서 알려져 있다.

문서 US7774148B2는 전류 모델을 사용한 플럭스 추정치를 기반으로 영구 자석 3상 동기식 전기 기계의 토크를 추정하는 방법을 설명한다. d 축 및 q 축의 플럭스들은 두 개의 비선형 전류 함수로 표시된다.

문서 CN103872951A는 전류 모델과 결합된 전압 모델에 적용된 슬라이딩 모드 관찰기를 사용한 플럭스 추정을 기반으로 하는 영구 자석 3상 동기식 전기 기계의 토크 추정기를 설명한다.

문서 JP2004166408A는 전류 모델을 기반으로 하는 교정 항이 있는 전압 모델을 기반으로 하는 영구 자석 3상 동기식 전기 기계를 위한 적응적인 플럭스 추정기를 설명한다.

이러한 맥락에서, 본 발명의 목적은 전기 기계, 특히 전기 또는 하이브리드 자동차용 영구 자석 동기식 전기 기계의 토크를 추정하는 방법을 제안하는 것이며, 이 방법은 위에서 언급한 제한 사항들에 관하여 강건하다.

이를 위해, 본 발명은 전기 또는 하이브리드 자동차용 영구자석 3상 동기 전기 기계의 전자기 토크를 추정하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:

상기 기계의 고정자에 연결된 고정 3상 기준 시스템에서 상기 기계 고정자의 위상들에 대한 전류들 및 전압들을 측정하는 단계,

상기 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템에서 전류들 및 전압들을 상기 3상 기준 시스템에서 전류 및 전압 측정치들의 함수로서 결정하는 단계,

기전력의 적분을 계산함으로써 상기 기계의 플럭스의 제1 추정을 계산하는 단계로, 상기 기전력은 상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템에서 표현된 상기 전압들 및 전류들을 기반으로 계산되는, 제1 추정 계산 단계,

상기 제1 추정에 의해 추정된 플럭스에 기반하여 상기 전자기 토크를 추정하는 단계,

상기 방법은 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다:

상기 고정자에 연결된 회전 2상 기준 시스템 내 전류들 및 전압들을 상기 고정 2상 기준 시스템에서 표현된 전류들 및 전압들 그리고 상기 고정자에 대한 회전자의 위치의 함수로서 결정하는 단계,

상기 회전자에 연결된 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 전류들을 사용하여 상기 기계의 플럭스의 제2 추정을 병렬로 계산하는 단계로, 상기 제2 플럭스 추정은 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 변수들을 도입하여 교정되며, 상기 변수들은 상기 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 상기 고정자 전류들 및 전류들에 기반하여 관찰기에 의해 결정되는, 계산 단계,

상기 추정된 토크와 세트포인트 토크를 비교하는 단계 그리고

상기 추정된 토크와 세트포인트 토크 사이의 차이가 미리 정의된 임계를 초과할 때에 상기 제2 추정에 의해 추정된 플럭스에 기초한 상기 제1 추정에 따라 상기 플럭스의 초기 조건들을 리셋하는 단계.

유리하게는, 상기 방법은 추정된 토크와 세트포인트 토크 사이의 차이가 상기 임계값보다 작거나 같을 때 상기 제2 플럭스 추정의 계산을 비활성화하는 단계를 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 방법은 상기 제2 플럭스 추정의 계산이 상기 기계의 작동 시간에 대해 활성화되는 시간의 백분율을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 방법은 상기 제1 플럭스 추정에 사용되기 전에 상기 계산된 기전력의 오프셋을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 기계의 플럭스의 상기 제2 추정은 다음의 단계들을 포함한다:

상기 기계의 포화 함수들을 고려하여 상기 기계의 플럭스-전류 모델을 결정하는 단계로, 상기 기계의 자기 포화 및 자기 소거에 의해 초래된 상기 기계의 자기 파라미터들에서의 변이들을 상기 모델에서 고려하기 위한 것인, 결정 단계,

상기 기계의 자기 파라미터들에서의 변이들에 고유한 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 상기 변수들을 상기 모델에 도입하는 단계,

상기 관찰기에 의해 수행된, 상기 모델에서 상기 변수들을 추정하는 단계,

상기 추정된 변수들에 기초하여 상기 제2 플럭스 추정치를 계산하는 단계.

유리하게는, 고려 중인 자기 파라미터들은 각각, 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템의 각 축에 대한 상기 고정자의 선형 인덕턴스들 및 상기 기계의 회전자의 영구 자석들에 의해 생성된 자기 플럭스이다.

유리하게는, 상기 포화 함수는 상기 기계 내 자기 포화 및 교차 포화를 나타낸다.

유리하게는, 상기 방법은 칼만 알고리즘을 사용하여 상기 관찰기를 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명은 전기 또는 하이브리드 자동차용 영구자석 3상 동기식 전기 기계의 전자기 토크를 추정하는 디바이스에 또한 관한 것로서, 상기 디바이스는 상기 기계의 고정자에 연결된 고정 3상 기준 시스템에서 상기 기계의 고정자의 위상들에 대해 측정되며 상기 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템으로 변환된 전류들 및 전압들을 수신하도록 설계되며, 상기 디바이스는 다음의 것들을 포함한다:

상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템에서 상기 기계의 플럭스를 추정하기 위한 제1 플럭스 추정기로서, 상기 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템의 직접 축 및 직교 축을 따른 플럭스의 각자의 성분들을 추정하기 위한 두 개의 기전력 적분기들을 포함하며, 상기 기전력은 상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템의 각 축에 인가된 전류들 및 전압들을 기반으로 계산된, 제1 플럭스 추정기,

상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템의 상기 두 축들에서 추정된 상기 플럭스의 상기 각자의 성분들에 기반하여 상기 기계의 토크를 추정하도록 설계된 토크 추정기,

상기 디바이스는 다음의 것들을 포함하는 것을 특징으로 한다:

상기 고정 2상 기준 시스템에서 표현되며, 상기 고정자에 관한 상기 회전자의 위치의 함수로서 상기 회전자에 연결된 회전 2상 기준 시스템으로 변환된 전류들 및 전압들을 수신하도록 설계된 제2 플럭스 추정기로서, 상기 제2 플럭스 추정기는 상기 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 전류들을 사용하여 상기 플럭스를 추정하도록 설계되고, 상기 제2 추정기는 상기 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 고정자 전류들 및 전압들을 기반으로 하며 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 변수들을 결정하기 위해 설계된 관찰기를 포함하며, 상기 변수들은 상기 제2 추정기의 플럭스 추정을 교정하기 위해 사용되는, 제2 플럭스 추정기, 그리고

상기 토크 추정기에 의해 추정된 토크를 세트포인트 토크와 비교하고 상기 제1 플럭스 추정기의 두 적분기들의 플럭스의 초기 조건들의 리셋을 명령할 수 있는 신호를 생성하도록 설계되며, 상기 추정된 토크와 상기 세트 포인트 사이의 차이가 미리 정의된 임계보다 클 때에, 상기 초기 조건들은 상기 제2 플럭스 추정기에 의해 공급된 플럭스 추정에 기초하여 리셋되는, 검출기(3).

유리하게는, 상기 신호는 추정된 토크와 세트포인트 토크 사이의 차이가 상기 임계값보다 작거나 같을 때 상기 제2 플럭스 추정기에 의한 상기 제2 플럭스 추정의 계산을 비활성화할 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 이어지는 단일 도면을 참조하여 예시적이고 비제한적인 예로서 제공되는 다음의 설명을 읽으면 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전자기 토크 추정 방법을 구현하기 위한 디바이스의 기능 블록도이다.

그러므로, 본 설명의 맥락에서, 하이브리드 및 전기 자동차 응용 분야에 사용되는 영구 자석 3상 동기식 전기 기계의 경우가 더욱 특히 관심 대상이다.

제1 단계에서, 전류들 및 전압들은 영구 자석 3상 동기식 기계의 고정자의 3상들 각각에 대해 측정된다.

다음으로, 상기 3상들에 관한 측정된 양들에 파크 변환이 인가되어 직류 전압 성분 v_d 및 직교 전압 성분 v_q와 함께 직류 성분 i_d 및 직교 전류 성분 i_q를 획득한다.

그래서 3상 시스템의 3상들과 관련된 고정자의 3개의 전류들 및 3개의 정현파 전압들을 3개의 정현파 전류들 및 전압 신호들이, 각자가 직교 축 상의 성분 및 직교 축 q의 성분인 2개의 정전류 및 전압 신호들의 행태로 표현되는 공간으로 변환하는 것이 가능하다. 이를 위해, 파크 (Park) 기준 시스템은 회전자에 연결된 기준 시스템을 기반으로 한다.

이 맥락에서 설명될 토크 추정기는 상기 기계의 향상된 전압 플럭스 모델을 기반으로 수행되는 기계의 플럭스 추정을 기반으로 한다.

로 표시된 상기 기계의 전자기 토크에 대한 추정은 다음 식 (1)에 의해 제공된다:

(1)

여기에서 :

- i_α 및 i_β 는 각각 클라크 도메인의 고정자 전류의 직접 성분 및 직교 성분이며, α는 직접 축을 나타내고 β는 클라크 도메인의 직교 축을 나타낸다.

- λ_α 및 λ_β는 각각 클라크 도메인 내 고정자에서 본 총 플럭스의 직접 성분 및 직교 성분이며,

- p는 상기 기계의 극 쌍들의 개수이다.

영구 자석 동기식 전기 기계의 고정자에서 본 상기 총 플럭스는 다음 식들 (2)의 세트를 사용하여 기전력의 적분을 계산하여 추정될 수 있다:

(2)

여기에서 R _S 는 고정자의 저항,

_및

는 각각 클라크 도메인에서 고정자 전압의 직접 상분 및 직교 성분을 나타내며, 그리고

및

는 각각 클라크 영역의 직접 성분 및 직교 성분에 따른 플럭스의 초기 조건을 나타낸다.

아래에서 더 자세히 설명될 것처럼, 기계의 전압 모델을 사용하여 플럭스를 추정하는 문제점들을 극복하기 위해, 본 발명은 적분기들의 초기 조건들

및

를 리셋하기 위해서 상기 모델을 수정된 전류 모델과 결합하여 상기 모델을 개선하는 것을 제안한다.

보다 구체적으로, 이러한 초기 플럭스 조건들은 전류 모델 그리고 자기 포화 및 자기 소거에 의해 초래된 상기 모델의 자기적 불확실성들을 추정하도록 설계된 적절한 관찰기를 사용하여 결정된다.

실제로, 플럭스과 고정자 위상 전류 사이의 관계는 낮은 전류 수준에서 선형이다. 그러나, 더 높은 전류의 경우, 이 선형성이 더 이상 유지되지 않아 포화된 작동으로 이어지는 것이 일반적이다. 추가로, 상기 기계의 고온 작동은 영구 자석 플럭스의 변동(자기 소거)을 초래한다. 그래서 사기 기계의 영구 자석의 인덕턴스들 및 자기 플럭스는 상기 기계의 자기 포화 및 자기 소거로 인해 예측 가능한 방식으로 크게 변한다. 그러므로 상기 모델의 거동을 개선하기 위해서, 이러한 변화들을 고려한 수정된 플럭스-전류 모델을 채택하는 것이 제안된다.

이를 위해, 상기 전류 모델에서 상기 기계의 알려지지 않은 자기 조건들에 대해 고려할 것이다. 고려 중인 알려지지 않은 자기 조건들은 고정자의 선형 인덕턴스, 영구 자석들의 플럭스, 상기 기계의 자기 포화 및 교차 포화를 나타내는 상기 기계의 포화 함수들이다.

상기 모델에서 기계의 이러한 알려지지 않은 자기 조건들을 고려하면 파크 공간에서 다음의 방정식들의 시스템의 결과를 가져온다:

(3)

(4)

여기에서 φ _d 및 φ _q 는 각각 기계의 파크 평면의 직접 축 d 및 직교 축 q에서 생성된 고정자 플럭스의 성분들이며,

및

는 각각 상기 기계의 파크 평면의 두 개의 직접 축 d 및 직교 축 q에 인가되는 전압들이고, i_d 및 i_q는 각각 상기 기계의 파크 평면의 두 개의 직접 축 d 및 직교 축 q에서 상기 기계에 흐르는 전류들이며, R _S 는 상기 기계의 고정자의 등가 저항이며, L _d0 및 L _q0 은 각각 상기 기계의 파크 평면의 직접 축 d 및 직교 축 q에 대한 상기 고정자의 선형 인덕턴스들이며, Φ _f 는 상기 회전자의 영구 자석들에 의해 생성된 자기 플럭스이며 그리고 ω _e 는 상기 회전자의 각속도이다.

f _sat(1,2) 는 상기 기계에서의 자기 포화 및 교차 포화를 나타내는 함수들이다.

그리고:

(5)

여기에서 L_d0m 및 L_q0m은 각각 상기 기계의 파크 평면의 각 직접 축 d 및 직교 축 q에서 플럭스들 및 고정자 전류들 사이의 선형 계수들의 정확한 값들이며, Φ_fm은 상기 회전자의 영구 자석들에 의해 생성된 자기 플럭스의 실제 값이며, 그리고 f_sat(1,2)m은 상기 기계의 각각의 실제 포화 함수들이다. 상기 파라미터들

및 Δf_sat(1,2)는 식 (3)과 (4)에 의해 제안된 모델에서 이러한 파라미터들의 실제 값들과 참조 값들 간의 차이들을 나타낸다.

그런 다음 두 개의 변수들 g₁ 및 g₂가 상기 언급된 알려지지 않은 자기 조건들에 대응하는 상기 전류 모델에 도입된다. 이를 위해, 먼저 고정자 전류들 i_d 및 i_q를 상태 변수들로 고려하여 식 (3)이 식 (4)에서 대체되어 다음을 제공한다:

(6)

여기에서:

(7)

그래서 변수 g₁과 g₂는, 영구 자석 플럭스의 불확실성들 및 자기 포화로 인한 인덕턴스들에서의 변화들로부터의 결과로서, 상기 기계의 모든 자기적 불확실성들을 그룹화한다. 즉, 관찰될 변수들 g₁ 및 g₂는 자기 포화로 인해 변하는 상기 기계의 자기적인 행동을 나타내는 것을 가능하게 한다. 상기 변수들 g₁ 및 g₂에 의해 설명된 파라미터 불확실성들을 상기 전류 모델에 도입하는 것은 상기 시스템의 자기 파라미터들 (인덕턴스 및 영구 자석 플럭스)의 값이 상기 기계의 포화 및 자기 소거로 인해 상기 모델과는 달라질 수 있다는 사실을 반영하는 것을 가능하게 한다. 아래에서 설명될 것처럼 이러한 변수들을 관찰하는 것은 이러한 불확실성들을 교정하는 것을 가능하게 할 것이다.

그래서 상기 모델에서 제시된 이러한 변수들은 적절한 관찰기를 사용하여 추정될 것이다. 그러므로 기초는, 상기 기계의 자기 포화 및 자기 소거에 의해 초래된 상기 인덕턴스들 및 상기 영구 자석 플럭스인 상기 기계의 자기 파라미터들에서의 변동들을 고려한 위에서 설명된 상기 기계의 플럭스-전류 모델 그리고 관찰 가능성과 상태 관찰기의 개념들을 포함하는 관찰기 이론이다. 그래서, 상기 시스템의 상태가 측정될 수 없을 때에, 관찰기가 설계되어 상기 시스템의 모델 및 다른 상태들의 측정값들을 기반으로 이 상태를 재구축하는 것을 가능하게 한다. 상태는 관찰된 시스템을 정의하는 일련의 물리적 값들을 의미하는 것으로 이해된다. 변수 g₁과 g2로 특징지어지는 상기 기계의 자기적 불확실성들을 관찰하기 위해 칼만 관찰기가 여기에서 사용될 것이다.

그러므로, 변수 g₁ 및 g₂는 두 개의 새로운 상태 변수들로 간주된다. 이 모델에서, g₁ 및 g₂는 조각별-상수 (piecewise-constant) 함수들, 즉 함수 값들이 구간들에 걸쳐 일정한 함수들로 가정된다. 전기 기계를 모델링하는 방정식들의 시스템은 비선형 시스템들의 일반적인 형태로 다시 공식화될 수 있다:

여기에서:

,

, 그리고

이렇게 모델링된 시스템의 경우, 관찰기는 다음 방정식에 의해 공식화될 수 있다:

(8)

여기에서

는 상태 벡터에 대응하는 추정된 상태들의 벡터이며;

그리고 K는 상기 관찰기의 이득이다.

오차항을 곱하는 이득 K를 선택하면 상기 관찰기를 세팅하는 것을 가능하게 한다. 이 이득은 칼만 알고리즘에 의해 계산된다.

회전자의 전기 각속도는 매트릭스 시스템 A의 입력으로 간주된다. 이를 통해 상기 상태가 관찰될 수 있다. 그러므로 시변 관찰기 이득 K를 다음과 같이 사용한다:

(9)

여기서 변수 P의 동적 범위는 다음과 같이 정의된다:

(10)

행렬 Q와 R은 양의 정부호 대칭 가중 (definite symmetric weighting) 행렬들이다.

그래서, 상기 관찰기를 사용하여 두 변수 g₁ 및 g₂를 추정한 후, 전체 고정자 플럭스들은 위에서 정의된 식 (4) 및 (7)에 기초하여 추정될 수 있다.

(11)

상기 기계의 플럭스-전압 모델은 기전력의 적분을 계산하여 상기 기계의 플럭스가 추정할 수 있다는 것에 기반하여 위에서 설명된 식들 (2)의 세트로 표현되었음을 알 수 있다. 그러므로 전압 모델에 의한 고정자 플럭스의 추정은 리셋 가능한 적분기들의 사용을 기반으로 하며, 본 발명에 따르면, 상기 적분기들에 대한 플럭스의 초기 조건들은 위에서 설명된 것과 같이 독립적인 관찰기에 의해 결정되어, 식들의 세트 (11)을 적용함으로써 상기 수정된 전류 모델에 기초하여 플럭스들을 추정하는 것을 가능하게 한다.

그래서, 고정 2상 기준 시스템의 두 축들에 대응하는 두 축들 α 및 β에서의 플럭스들을 추정하기 위해 두 개의 순수 적분기들을 구현하는 전압 모델을 기반으로 하는 제1 추정기가 사용되며, 그리고 상기 두 적분기들에 대한 초기 플럭스 조건들을 추정하기 위해 관찰기로 수정된 상기 회전 2상 기준 시스템 dq에서 상기 전류 모델에 기반한 다른 플럭스 추정기가 병렬로 사용된다.

그래서 전류 모델을 기반으로 하는 다른 플럭스 추정기를 사용하여 개선된 전압 모델을 사용하여 수행된 플럭스 추정을 기반으로, 상기 영구 자석 동기식 전기 기계에서 생성된 전자기 토크는 식 (1)을 적용하여 그 후에 계산될 수 있다.

실시간 프로세싱에서 계산 시간을 최소화하기 위해서, 상기 적분기들을 초기화할 필요가 없을 때 상기 관찰기에 링크된 프로세싱을 중지하는 것이 제안된다. 그래서 상기 초기화의 시간을 정의하기 위한 검출기가 제안된다. 이 검출기는

로 표시된 전압 모델에 의해 추정된 토크를, 상기 차량의 전기 기계에 의해 공급될 그리고 특히 운전자가 가속 페달을 밟는 것을 기반으로 차량의 제어 시스템에 의해 주어질 토크에 대응하는

로 표시된 세트포인트 토크와 비교한다. 상기 세트포인트 토크와 상기 추정된 토크 사이의 오차의 절대값이 미리 정의된 임계 ε을 초과하면, 상기 관찰기가 활성화될 것이며 상기 전압 모델을 기반으로 하는 플럭스 추정기의 두 적분기들이 상기 관찰기로 수정된 플럭스-전류 모델에 의해 결정된 초기 플럭스 조건들을 기반으로 리셋될 것이다. 그래서 상기 적분기들을 리셋하는 것을 트리거하기 위한 부울 연산자가 아래와 같이 정의된 전압 모델에 도입된다:

상기 관찰기는 연산자 "RES"가 "1"과 "0"으로 변경될 때 각자 활성화 및 비활성화된다.

차량을 운전하기 위한 상기 기계의 총 작동 시간과 비교하여 상기 관찰기가 활성화된 시간의 백분율을 확인하는 것이 흥미로울 수 있다. 그래서 다음과 같이 새로운 모니터링 변수가 도입된다:

여기에서 ∑t_i는 상기 관찰기가 활성화된 시간들의 합이고 t_tot는 총 작동 시간이다. 모니터링 변수 OT는 시동 시 알려지지 않은 초기 플럭스 조건, 자석의 품질, 모터의 포화 조건, 또는 세트포인트 토크에서의 변동 등의 함수로 0에서 100%까지 다양할 수 있다.

상기 기계에 전원이 공급되는 인버터의 측정 불확실성들 및/또는 비선형성은 상기 계산된 기전력의 오프셋으로 이어질 수 있다. 그러므로, 시간 경과에 따른 상기 추정된 플럭스 값의 발산을 피하기 위해서 이 오프셋을 보상하기 위해, 다음과 같이 평균 값을 계산하도록 제공된다:

여기에서 T는 전류의 기간이다.

은 상기 계산된 기전력에서의 오프셋을 나타낸다. 이 값은 플럭스-전압 모델을 기반으로 하는 플럭스 추정기의 적분기들에서 사용되기 전에 온라인으로 계산된 기전력에서 빼도록 의도된 것이다.

도 1은 위에서 설명한 대로 상기 기계의 전자기 토크를 추정하는 방법의 블록도를 설명한다.

우선, 영구자석 3상 동기식 기계의 고정자의 3상들 각각에 대해 전류들 및 전압들의 측정값들이 수집된다.

3상들과 관련하여 측정된 고정자 전기량들을 고정 2상 기준 시스템의, 각자가 직접 및 직교인 두 고정 축들 (α,β) 상으로 투영하는 것은 클라크 변환을 적용하여 획득된다. 그래서 클라크 도메인의 2개의 직접 축 및 직교 축에 각각 인가된 전류 및 전압 성분들 i_αβ 및 V_αβ는 도 1의 디바이스의 입력에서 고려되고 상기 전압 모델에 기초하여 제1 플럭스 추정기(10)에 공급된다.

제1 플럭스 추정기(10)는 입력에서 공급되는 성분들 i_αβ 및 V_αβ 그리고 고정자 저항 Rs에 기초하여 클라크 도메인의 두 축들 각각에 대한 기전력 e_αβ의 직접 성분 및 직교 성분을 각각 우선 결정한다.

그래서 제1 플럭스 추정기(10)는 클라크 도메인의 각 직접 성분 및 직교 성분에 대해, 고정자의 저항의 값 Rs 및 고려 중인 축에 대한 전류의 각 성분 i_αβ을 곱하여 자신의 출력을 각자의 가산기(102)에 공급하는 곱셉기 (101)를 포함한다. 고려 중인 각 성분에 대해, 대응하는 가산기(102)는 대응하는 고정자 전압 성분이 수신되는 자신의 입력으로부터 상기 곱셈기(101)의 출력을 빼며 그리고 고려 중인 상기 축에 대한 기전력의 각자의 성분 e_αβ를 출력에서 각자의 적분기(103)에게 공급한다. 고려 중인 각 성분에 대해, 대응 적분기(103)는 기전력의 적분을 계산하며 그리고 클라크 도메인에서 고정자에서 본 전체 플럭스의 직접 성분 및 직교 성분

을 각각 출력에서 공급한다.

클라크 도메인에서 고정자에서 본 전체 플럭스의 이런 직접 성분 및 직교 성분

각각은 토크 추정기(20)에 공급되며, 이 토크 추정기는 위에서 설명한 식 (1)을 적용함으로써 상기 기계에 의해 공급된 전자기 토크

를 계산할 것이다.

위에서 설명한 것처럼, 상기 토크 추정기는 자신의 출력

을, 상기 전압 모델에 기초하여 토크 추정기(20)에 의해 추정된 토크

를 상기 세트포인트 토크

와 비교하도록 설계된 검출기(30)로 공급한다. 그래서 상기 검출기(30)는 가산기(31)를 포함하며, 이 가산기(31)는 상기 토크 추정기(20)에 의해 공급된 출력

로부터 상기 세트포인트 토크 값

을 빼며 그리고 자신의 출력을 절대값으로서 비교기(32)에 공급한다. 상기 비교기는 상기 추정된 토크와 상기 세트포인트 토크 사이의 오차의 절대값을 상기 미리 정의된 임계 ε과 비교하며 그리고, 상기 추정된 토크와 상기 세트포인트 토크 사이의 차이인 절대값이 상기 미리 정의된 임계보다 크다는 것을 나타내는 값 "1"로 변할 때에 상기 제1 플럭스 추정기(10)의 두 개의 적분기들(103)을 리셋하는 것을 명령하도록 의도된 부울 연산자 RES를 출력에서 공급한다.

상기 제1 플럭스 추정기(10)의 2개의 적분기들(103)을 이렇게 리셋하는 것의 구현은, 위에서 설명한 대로 상기 기계의 모델의 자기 불확실성들을 고려하여 상기 추정된 플럭스를 교정하기 위해서 상기 관찰기로 수정된 상기 기준 시스템 (d,q) 내 전류 모델에 기반하여, 본 발명에 따라 제2 플럭스 추정기(40)의 활성화에 기반한다. 그러므로 상기 신호 RES는 "1" 및 "0"으로 각각 변경될 때 이 제2 플럭스 추정기(40)를 활성화하며, 그리고 바람직하게는 비활성화하기 위해 사용된다.

파크 변환 회로(41)는 기준 시스템(α,β)으로부터 기준 시스템(d,q)으로 회전을, 각도 위치 센서에 의해 검출되는 고정자에 대한 회전자의 위치 θ_e의 함수로서 수행한다. 그래서 상기 측정된 고정자 전기 양들의 클라크 변환은, 기준 시스템(α,β)의 성분들 i_αβ 및 V_αβ를 상기 기계의 파크 평면의 두 개의 직접 축 d 및 직교 축 q를 따른 연속적 성분들로 변환하는 상기 축들의 회전으로 이어진다.

그래서 상기 기계의 파크 평면의 2개의 직접 축 d 및 직교 축 q에 각자 적용된 전류 성분 및 전압 성분 i_dq 및 v_dq는, 상기 관찰기로 수정된 전류 모델에 기반한 제2 플럭스 추정기(40)의 입력에 공급된다.

상기 회전자의 회전 속도 ω _e 는 이 제2 플럭스 추정기(40)의 입력에서도 공급된다.

위에서 설명된 바와 같이 관찰기를 사용하여 두 변수들 g₁ 및 g₂를 추정한 후, 상기 제2 플럭스 추정기(40)는 위에서 설명된 방정식들 (11)의 세트를 적용함으로써 상기 파크 평면 내 총 플럭스의 상기 추정된 직접 d 및 직교 q 성분들

을 출력에서 공급한다.

이러한 성분들은, 기준 시스템(d,q)으로부터 기준 시스템(α,β)으로 회전을 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 위치 θ_e의 함수로서 수행하는 역 파크 변환(42)을 사용하여 변환된다. 그러므로 상기 역 파크 변환(42)은, 상기 기계의 플럭스-전류 모델의 자기적 불확실성들을 고려하기 위해 상기 관찰기와 동반된 상기 기계의 플럭스-전류 모델에 기반하여 추정된 상기 2상 기준 시스템 (α,β) 내 전체 플럭스의 성분들

을 출력에서 공급한다.

그러므로, 상기 플럭스-전류 모델에 기반한 제2 플럭스 추정기(40)가 플럭스-전압 모델에 기반한 제1 추정기(10)의 두 적분기들(103)를 리셋하기 위한 신호 RES의 함수로서 활성화될 때에, 이 성분들은 상기 적분기들의 초기 조건들

및

를 리셋하기 위해서 상기 두 적분기들(103) 에 공급된다.

도 1의 디바이스는 위에서 설명된 변수 OT를 통해 상기 관찰기로 제2 추정기(40)의 활성화 지속시간을 측정하도록 의도된 모니터링 회로(50)를 또한 포함한다.

마지막으로, 도 1의 디바이스는 위에 설명된 원리에 따라 결정된 값

을 출력에서 공급하는 기전력의 오프셋을 추정하기 위한 회로(60)를 또한 기술한다. 이 오프셋 값은 가산기(102)의 출력에서 계산된 기전력으로부터 감산되기 위해 가산기(102)에 공급된다.

그래서 상기 기계의 토크는, 심지어 초기의 자기적 조건들에 대한 지식 없이도 그리고 상기 기계의 작동 중 자기 파라미터들에서의 모든 변이들을 고려하더라도 정확하고 강력한 방식으로 추정될 수 있다.

Claims

전기 또는 하이브리드 자동차용 영구자석 3상 동기식 전기 기계의 전자기 토크를 추정하는 방법으로서, 상기 방법은:
- 상기 기계의 고정자에 연결된 고정 3상 기준 시스템에서 상기 기계의 고정자의 위상들에 대한 전류들 및 전압들을 측정하는 단계,
- 상기 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템에서 전류들 및 전압들 (i

, v

)을 상기 3상 기준 시스템에서 전류 및 전압 측정치들의 함수로서 결정하는 단계,
- 기전력의 적분을 계산함으로써 상기 기계의 플럭스의 제1 추정 (
)을 계산하는 단계로, 상기 기전력은 상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템에서 표현된 상기 전압들 및 전류들을 기반으로 계산되는, 제1 추정 계산 단계,
- 상기 제1 추정에 의해 추정된 플럭스에 기반하여 상기 전자기 토크 (
)를 추정하는 단계를 포함하며,
상기 방법은:
- 상기 고정자에 연결된 회전 2상 기준 시스템 내 전류들 및 전압들 (i_dq, v_dq) 을 상기 고정 2상 기준 시스템에서 표현된 전류들 및 전압들 (i_αβ, v_αβ) 그리고 상기 고정자에 대한 회전자의 위치 (θ_e)의 함수로서 결정하는 단계,
- 상기 회전자에 연결된 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 전류들을 사용하여 상기 기계의 플럭스의 제2 추정 (
)을 병렬로 계산하는 단계로, 상기 제2 플럭스 추정은 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 변수들을 도입하여 교정되며, 상기 변수들은 상기 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 상기 고정자 전류들 및 전류들 (i_dq, v_dq)에 기반하여 관찰기에 의해 결정되는, 계산 단계,
- 상기 제1 추정에 의해 추정된 플럭스에 기반하여 추정된 토크 (
) 및 세트포인트 토크 (
를 비교하는 단계, 그리고
- 상기 제1 추정에 의해 추정된 플럭스에 기초하여 추정된 토크와 상기 세트포인트 토크 사이의 차이가 미리 정의된 임계(ε)를 초과할 때에, 상기 제2 추정에 의해 추정된 플럭스에 기반한 상기 제1 추정에 따라 상기 플럭스의 초기 조건들을 리셋하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 추정에 의해 추정된 플럭스에 기초하여 추정된 토크와 상기 세트포인트 토크 사이의 차이가 상기 임계 이하할 때에 상기 제2 플럭스 추정의 계산을 비활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 제2 플럭스 추정의 계산이 상기 기계의 작동 시간에 대해 활성화되는 시간의 백분율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 플럭스 추정에서 사용되기 전에 상기 계산된 기전력의 오프셋을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계의 플럭스의 상기 제2 추정은:
- 상기 기계의 포화 함수들을 고려하여 상기 기계의 플럭스-전류 모델을 결정하는 단계로, 상기 기계의 자기 포화 및 자기 소거에 의해 초래된 상기 기계의 자기 파라미터들에서의 변이들을 상기 모델에서 고려하기 위한 것인, 결정 단계,
- 상기 기계의 자기 파라미터들에서의 변이들에 고유한 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 상기 변수들을 상기 모델에 도입하는 단계,
- 상기 관찰기에 의해 수행된, 상기 모델에서 상기 변수들을 추정하는 단계,
- 상기 추정된 변수들에 기초하여 상기 제2 플럭스 추정치를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
제5항에 있어서,
고려 중인 자기 파라미터들은 상기 회전자에 연결된 회전 2상 기준 시스템의 각 축 상에서의 상기 고정자의 선형 인덕턴스들 및 상기 기계의 회전자의 영구 자석들에 의해 생성된 자기 플럭스인 것을 특징으로 하는 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 포화 함수는 상기 기계에서의 자기 포화 및 교차 포화를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
칼만 (Kalman) 알고리즘을 사용하여 상기 관찰기를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
전기 또는 하이브리드 자동차용 영구자석 3상 동기식 전기 기계의 전자기 토크를 추정하는 디바이스로서, 상기 디바이스는 상기 기계의 고정자에 연결된 고정 3상 기준 시스템에서 상기 기계의 고정자의 위상들에 대해 측정되며 상기 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템으로 변환된 전류들 및 전압들을 수신하도록 설계되며, 상기 디바이스는:
상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템에서 상기 기계의 플럭스를 추정하기 위한 제1 플럭스 추정기(10)로서, 상기 고정자에 연결된 고정 2상 기준 시스템의 직접 축 및 직교 축을 따른 플럭스의 각자의 성분들 (
)을 추정하기 위한 두 개의 기전력 적분기들 (103)을 포함하며, 상기 기전력은 상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템의 각 축에 인가된 전류들 및 전압들 (i_αβ, v_αβ)을 기반으로 계산된, 제1 플럭스 추정기,
상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템의 상기 두 축들에서 추정된 상기 플럭스의 상기 각자의 성분들 (
)에 기반하여 상기 기계의 토크 (
)를 추정하도록 설계된 토크 추정기(20)를 포함하며,
상기 디바이스는:
상기 고정 2상 기준 시스템에서 표현되며, 상기 고정자에 관한 회전자의 위치 (θ_e)의 함수로서 상기 회전자에 연결된 회전 2상 기준 시스템으로 변환된 전류들 및 전압들 (i_αβ, v_αβ)을 수신하도록 설계된 제2 플럭스 추정기(40)로서, 상기 제2 플럭스 추정기 (40)는 상기 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 전류들(i_dq)을 사용하여 상기 플럭스를 추정하도록 설계되고, 상기 제2 추정기(40)는 상기 회전자에 연결된 상기 회전 2상 기준 시스템에서 표현된 고정자 전류들 및 전압들(i_dq, v_dq)을 기반으로 하며 상기 기계의 자기적 불확실성들을 특성화하는 변수들을 결정하기 위해 설계된 관찰기를 포함하며, 상기 변수들은 상기 제2 추정기(40)의 플럭스 추정을 교정하기 위해 사용되는, 제2 플럭스 추정기(40), 그리고
상기 고정자에 연결된 상기 고정 2상 기준 시스템의 두 개의 축들에서 추정된 상기 플럭스의 상기 각자의 성분들 (
)에 기반하여 상기 토크 추정기(20)에 의해 추정된 토크 (
)를 세트포인트 토크 (
와 비교하고 상기 제1 플럭스 추정기(10)의 두 적분기들(103)의 플럭스의 초기 조건들의 리셋을 명령할 수 있는 신호 (RES)를 생성하도록 설계된 검출기(3)를 포함하며, 상기 추정된 토크와 상기 세트 포인트 사이의 차이가 미리 정의된 임계 (ε)보다 클 때에, 상기 초기 조건들은 상기 제2 플럭스 추정기(40)에 의해 공급된 플럭스 추정에 기초하여 리셋되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제9항에 있어서,
상기 신호(RES)는 상기 추정된 토크와 상기 세트포인트 토크 사이의 차이가 상기 임계 이하일 때에 상기 제2 플럭스 추정기(40)에 의한 상기 제2 플럭스 추정의 계산을 비활성시킬 수 있는, 디바이스.