JP2013510555A - 電気機械のトルクの妥当性検査の方法、および同方法を実行し、電気機械を制御する機械制御器 - Google Patents
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Abstract
Description
ハイブリッド自動車または電気自動車における駆動にはふつう、直流交流変換器(インバータと呼ばれることも多い)と接続して動作する三相機の形態の電気機械が使用される。電気機械は選択的にモータモードまたは発電機モードで動作する。モータモードでは、電気機械は駆動トルクを発生させる。ハイブリッド自動車で使用する場合、この駆動トルクが例えば加速過程における燃焼機関を援助する。発電機モードでは、電気機械は電気エネルギーを発生させる。そして、この電気エネルギーは、例えばバッテリまたはスーパーキャパシタのようなエネルギー蓄積器に蓄積される。電気機械の動作モードと出力は直流交流変換器を介して計算ユニット(機械制御器と呼ばれることが多い)によって調節される。
電気機械の数学的な機械モデルに基づいて計算されたトルクの妥当性検査を行う本発明の方法では、計算されたトルクと電気機械の回転数とに依存して電気機械の電磁出力の第1の値が求められる。さらに、ステータ電流(相電流と呼ばれることも多い)とステータ線間電圧(ステータ電圧または相電圧と呼ばれることも多い)が電気機械の複数の相において求められる。ステータ電流とステータ線間電圧とから、ステータ固定の参照座標系に対してのステータ電流成分とステータ線間電圧成分が計算される。ステータ電流成分とステータ線間電圧成分とに依存して、電気機械の電磁出力の第2の値が求められ、続いて電気機械の電磁出力の第1の値と比較される。比較の結果、電気機械の電磁出力の第2の値が所定の閾値を超えて電気機械の電磁出力の第1の値から偏差している場合には、電気機械の機械モデルに基づいて計算されたトルクは妥当でないと評価され、その結果、機械制御器の誤動作が検出される。故障検出の結果として、電気機械を安全な動作状態に移行させてもよいし、または完全に停止してもよい。
図1には、三相電気機械1の概略図が示されている。この三相電気機械1は、パルス変調インバータ2を有する例えば同期機、非同期機、リラクタンス機またはブラシレス直流機として形成されていてよい。パルス幅変調インバータ2は電力スイッチ3a−3fを含んでおり、電力スイッチ3a−3fは、電気機械1の個々の相U、V、Wと接続されており、相U、V、Wは、中間回路電圧UdcLnkの形態の高い供給電圧電位か、またはアースの形態の低い参照電位のいずれかに接続される。ここで、中間回路電圧UdcLnkに接続されたスイッチ3a−3cは「ハイサイドスイッチ」と呼ばれ、アースに接続されたスイッチ3d−3fは「ローサイドスイッチ」と呼ばれる。パルス幅変調スイッチ2はさらに複数のフリーホイールダイオード4a−4fを含んでおり、これらフリーホイールダイオード4a−4fの各々はスイッチ3a−3fのうちの1つに対して並列に配置されている。
TrqEmMdl=3・p・Isq・(ΨExc+Isd(Lsd-Lsq)) (1)
ここで、
TrqEmMdl (モデルデータから計算した)機械の電磁トルク
p 機械の極対数
Isd 機械の縦電流(磁界の向きを基準にした参照座標系のd方向におけるステータ線間電圧)
Isq 機械の横電流(磁界の向きを基準にした参照座標系のq方向におけるステータ線間電圧)
ΨExc 機械の励起磁束
Lsd、Lsq 磁界の向きを基準にした参照座標系のd方向およびq方向におけるステータインダクタンス
以降において、添字"Mdl"はその添字の付いた値の計算が専らモデルデータに依っていることを示す。
PwrEmMdl=TrqEmMdl・2・π・n (2)
ここで、nは電気機械1の回転数を表している。電気機械1の回転数は例えば回転数センサによって測定することができる。
IsU+IsV+IsW=0 (3)
この関係は、ステータ電流を測定する電流センサ系における故障の検出に利用することができる。そのために、電流の合計の大きさがパラメータ化可能な第1のステータ電流閾値IsLimと比較される。この閾値が超過されると、センサ系の故障が検出される。
|IsU+IsV+IsW|>IsLim ⇒ 故障! (4)
代替的に、すべての相電流を測定するために、1つの相電流だけを、または相電流の少なくとも一部だけを測定し、対称性を利用して残りの相電流をモデルに基づいて計算することも可能である。しかしこの場合、上に説明した妥当性検査およびそれに付随する電流センサ系の故障検出は可能でない。
cPWM 中間回路電圧UdcLnkを可能な最大機械電圧に変換するための係数
および
UsUErr=KF(IsU,UdcLnk) (8.1)
UsVErr=KF(IsV,UdcLnk) (8.2)
UsWErr=KF(IsW,UdcLnk) (8.3)
ここで、また以下においても、"KF"はその値が括弧内の値に依存して特性マップに格納されていることを示す。
PwrElMa=3・Us・Is・cosφ=3・(UsA・UsA+UsB・IsB) (10)
有利には、電気機械の電力損失PwrElMaLosは、式(11)に従って、ステータ電流の大きさIsと回転数nとに依存して特性マップに格納される。
PwrElMaLos=KF(Is,n) (11)
ステータ電流の大きさIsは、A/B座標系の直交する2つのステータ線間電圧成分IsAおよびIsBの幾何的な和を介して求めることができる。
PwrEmSens=PwrElMa-PwrElMaLos (13)
添字"Sens"はここでは、出力を計算するためにモデルデータを使用せず、専らセンサデータだけを使用することを示している。
PwrErr=PwrEmMdl-PwrEmSens (14)
これは理想的には零であり、通常動作では小さな値をとる。このようにして計算された出力誤差PwrErrの大きさが所定のパラメータ化可能な出力閾値PwrErrLimを超えている場合、機械モデルに基づいて計算されたトルクは妥当でないと評価され、それに相応して故障が検出される。
|PwrErr|>PwrErrLim => 故障! (15)
その場合、故障検出の結果として、電気機械1の安全動作を保証する代替的な対応措置を講じてよい。
|TrqEm|Max=TrwEmAbsMax=KL(Is) (16)
故障のない動作では、設定されたトルクはこの最大値に一致する。必要とされる各目標トルクTrqEmDesに対して、逆関数により、対応するステータ電流目標値IsDesを求めることができる。
IsDes=KL-1(TrqEmDes) (17)
電流誤差IsErr(式(18)参照)が所定のパラメータ化可能な第2のステータ電流閾値IsErrLimを下回っている限り、有効トルクTrqEmの大きさは目標トルクTrqEmDes以下である。さもなければ、故障が検出される。
IsErr=IsDes-Is (18)
|IsErr|≦IsErrLim => |TrqEm|≦|TrqEmDes| (19)
|IsErr|>IsErrLim => 故障! (20)
さらに、有効トルクTrqEmの符号の検査も行うことができる。これは、式(21)に示されているように、式(13)による電磁出力PwrEmSensの符号と電気機械1の回転数nとを用いて行われる。
Claims (15)
- 機械モデルに基づいて計算された電気機械(1)のトルク(TrqEmMdl)の妥当性検査の方法において、
−前記計算されたトルク(TrqEmMdl)と前記電気機械(1)の回転数(n)とから、前記電気機械(1)の電磁出力の第1の値(PwrEmMdl)を求め、
−前記電気機械(1)の相(U、V、W)のステータ電流(IsU、IsV、IsW)とステータ線間電圧(UsU、UsV、UsW)とを求め、
−前記ステータ電流(IsU、IsV、IsW)と前記ステータ線間電圧(UsU、UsV、UsW)から、ステータ固定の参照座標系におけるステータ電流成分(IsA、IsB)とステータ線間電圧成分(UsA、UsB)を計算し、
−前記ステータ電流成分(IsA、IsB)と前記ステータ線間電圧成分(UsA、UsB)とから、前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)を求め、
−前記電気機械(1)の電磁出力の第1の値(PwrEmMdl)を前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)と比較し、
−前記電気機械(1)の電磁出力の第1の値(PwrEmMdl)の、前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)からの偏差が、所定の出力閾値(PwrErrLim)を超えている場合には、前記機械モデルに基づいて計算された前記電気機械(1)のトルク(TrqEmMdl)を妥当でないと評価する
ことを特徴とする妥当性検査の方法。 - 前記機械モデルにより、前記電気機械(1)の極数対(p)、縦電流(Isd)、横電流(Isq)、励起磁束(ΨExc)ならびに縦インダクタンス(Lsd)および横インダクタンス(Lsq)を予め設定し、当該パラメータから前記電気機械(1)のトルク(TrqEmMdl)を計算する、請求項1に記載の方法。
- 前記電気機械の回転数(n)を測定する、請求項1または2に記載の方法。
- 前記回転数(n)を時間的にずらして測定した2つの電流ポインタの角度差から求める、請求項1または2に記載の方法。
- 前記ステータ電流(IsU;IsV;IsW)の少なくとも1つを測定し、測定しないすべてのステータ電流(IsU;IsV;IsW)を計算により求める、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- すべてのステータ電流(IsU、IsV、IsW)を測定し、前記ステータ電流(IsU、IsV、IsW)の合計が所定の第1ステータ電流閾値(IsLim)を超えている場合には、前記ステータ電流(IsU、IsV、IsW)の測定における故障が検出される、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ステータ線間電圧(UsU、UsV、UsW)を計算により求め、特に、前記電気機械(1)の個々の相(U、V、W)のデューティ比(dycU、dycV、dycW)を求め、中間回路電圧(UdcLnk)を測定し、前記デューティ比(dycU、dycV、dycW)と前記中間回路電圧(UdcLnk)とから前記ステータ線間電圧(UsU、UsV、UsW)を計算する、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ステータ線間電圧(UsU、UsV、UsW)を求める際に、現時点の故障電圧(UsUErr、UsVErr、UsWErr)を考慮する、請求項6に記載の方法。
- 現時点の故障電圧(UsUErr、UsVErr、UsWErr)を前記ステータ電流(IsU、IsV、IsW)と前記中間回路電圧(UdcLnk)とに依存して故障電圧特性マップから読み出す、請求項7に記載の方法。
- 前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)を求める際に、前記電気機械(1)の現時点の電力損失(PwrElMaLos)を考慮する、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電気機械(1)の現時点の電力損失(PwrElMaLos)を前記ステータ電流の大きさ(Is)と前記回転数(n)とに依存して電力損失特性マップから読み出す、請求項10に記載の方法。
- 前記電気機械(1)の基本回転数範囲内において、目標トルク(TrqEmDes)の大きさに依存して目標ステータ電流(IsDes)の大きさを求め、当該目標ステータ電流(IsDes)の大きさを前記ステータ電流の大きさ(Is)と比較し、前記目標ステータ電流(IsDes)の大きさの、前記実ステータ電流の大きさ(Is)からの偏差が、所定の第2ステータ電流閾値(IsErrLim)を超えている場合には、前記機械モデルに基づいて計算された前記電気機械(1)のトルク(TrqEmMdl)を妥当でないと評価する、請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記目標ステータ電流(IsDes)の大きさを前記目標トルク(TrqEmDes)に依存してステータ電流特性マップから読み出す、請求項12に記載の方法。
- 前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)と前記回転数(n)とに依存して有効トルク(TrqEm)の符号を求め、当該有効トルク(TrqEm)の符号が前記目標トルク(TrqEmDes)の符号と一致していない場合には、前記機械モデルに基づいて計算されたトルク(TrqEmMdl)を妥当でないと評価する、請求項12または13に記載の方法。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載の方法を実行し、電気機械を制御する機械制御器であって、
−前記電気機械(1)の機械モデルに基づいて計算されたトルク(TrqEmMdl)と回転数(n)とから、前記電気機械(1)の電磁出力の第1の値(PwrEmMdl)を求める手段と、
−ステータ電流(IsU、IsV、IsW)とステータ線間電圧(UsU、UsV、UsW)から、ステータ固定の参照座標系におけるステータ電流成分(IsA、IsB)とステータ線間電圧成分(UsA、UsB)を計算する手段と、
−前記ステータ電流成分(IsA、IsB)と前記ステータ線間電圧成分(UsA、UsB)とから、前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)を求める手段と、
−前記電気機械(1)の電磁出力の第1の値(PwrEmMdl)を前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)と比較する手段と、
−前記電気機械(1)の電磁出力の第1の値(PwrEmMdl)の、前記電気機械(1)の電磁出力の第2の値(PwrEmSens)からの偏差に基づいて故障を検出する手段と
を有していることを特徴とする機械制御器。
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