JP2013514051A - 電気モータの制御方法 - Google Patents

Abstract

ドライブトレーンによって自動車を駆動する電気モータの制御方法であって、電気モータ（１）のロータ（２）の回転角を複数回測定するステップと、前記ロータ（２）の角速度および／または角加速度を、前記求められた回転角に依存して求めるステップと、前記電気モータ（１）の固定子（３）の電磁石（４）の通電を制御および／または調整するステップと、前記電気モータ（１）および／または前記ドライブトレーン（１２）および／または前記自動車（１１）の物理特性を、物理的モデルで求めるステップと、前記ロータ（２）の回転角の測定値から前記物理的モデルにより、回転角および／または角速度および／または角加速度を求めるステップと、前記物理的モデルにより求められた回転角および／または角速度および／または角加速度に依存して前記電気モータ（１）の固定子（３）の電磁石（４）に通電するステップと、を有する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による自動車を駆動するための電気モータの制御方法および請求項１４の上位概念による自動車用のドライブトレーンに関する。

電気モータは種々の技術的適用分野で使用される。たとえば電気車両またはハイブリッド車両では自動車を駆動するために電気モータが使用される。電気モータに通電するには、電気モータのロータの回転数または回転角を検出することが必要である。そのために電気モータには、回転角を検出するための対応するセンサが装備されている。検出された回転角からロータの角速度および／または角加速度を計算することができる。回転角を検出するためのセンサとしてリゾルバまたはデジタルセンサが使用される。リゾルバは、ロータまたは電気モータの回転角に比例する電圧を誘導するアナログ測定機器である。これによりとりわけ低回転数での、たとえば１０００回転／分以下の回転での回転角および角速度を非常に正確に検出することができる。しかしリゾルバは高回転数ではエラーに脆弱である。なぜなら回転運動により誘導されるアナログ電圧の評価が不正確になり得るからである。これとは反対にインクリメント発生器とも称されるデジタルセンサはデジタル信号を出力し、このデジタル信号は時間機能に関連して回転数信号に変換することができる。デジタルセンサは、非常に頑強であることを特徴とし、したがって電気車両またはハイブリッド車両で使用するのに良く適する。しかしデジタルセンサは、回転数が低いときには単位時間当たりに測定されるインクリメントの数が小さくなり、そのため回転数が低いと検出された回転角の精度が非常に悪くなるという欠点を有する。しかし電気モータに通電するためにトルクを調整することができるようにするには、デジタルセンサによって測定された回転角の精度が高いことが必要である。

特許文献１から、回転数が制御可能なモータ、とりわけブラシレスサーボモータの駆動方法が公知である。モータパラメータとして電流、位置角および回転数を制御することにより、位置センサによって測定された位置角から回転数がフィルタによって決定される。

ドイツ特許公開公報第４１２２３９１号

ドライブトレーンによって自動車を駆動するための本発明の制御方法は、電気モータのロータの回転角を複数回測定するステップと、前記ロータの角速度および／または角加速度を、前記求められた回転角に依存して求めるステップと、前記電気モータの固定子のコイルとしての電磁石の通電を制御および／または調整するステップと、前記電気モータおよび／または前記ドライブトレーンおよび／または前記自動車の物理特性、とりわけ機械的特性を、物理的モデル、とりわけ機械的モデルで求めるステップと、前記ロータの回転角の測定値から前記物理的モデルにより、回転角および／または角速度および／または角加速度を求めるステップと、前記物理的モデルにより求められた回転角および／または角速度および／または角加速度に依存して電気モータの電磁石または固定子のコイルに通電するステップと、を有する。

物理的モデルでは、物理的特性、とりわけ機械的特性が、電気モータおよび／またドライブトレーンおよび／または自動車の回転運動および／または並進運動に関して求められる。ロータの回転角の測定値が、とりわけロータの回転数が低いときに物理的モデルによって検査される。このようにして物理的モデルによって回転角の測定値は、電気モータのロータの回転角および／または角速度および／または角加速度の求められた値または計算された値に対する基礎を形成する。ここで回転角および／または角速度および／または角加速度の求められた値または計算された値は実際の値により近似し、これにより回転角および／または角速度および／または角加速度に対する値の精度が高くなる。この正確な値によって、固定子の電磁石の通電が実施される。回転角を検出するためのセンサとして、たとえばリゾルバまたはデジタルセンサが使用される。とりわけデジタルセンサでは、回転数が低いときに大きなエラーが発生する。この物理的モデルによって、回転数が低いときのデジタルセンサの低精度を補償することができ、これによりデジタルセンサをその頑強性ゆえに、電気車両およびハイブリッド車両で使用することができる。

とりわけ物理的モデルは、ダブルマス振動体、または電気モータとしての第１の質量と、自動車としての第２の質量と、第１の質量と第２の質量との間のドライブトレーンとしてのトーションバースプリングとを備える電気振動回路であり、および／または駆動輪の角速度が検出され、駆動輪の検出された角速度が物理的モデルで考慮される。

別の実施形態ではこのモデルのために、第１の質量の回転慣性モーメントと、第２の質量の等価回転慣性モーメントと、トーションバースプリングの等価バネ剛性および／または等価比減衰が決定される。第１の質量の回転慣性モーメントは、電気モータのロータの回転慣性モーメントである。第２の質量の等価回転慣性モーメントは仮想値であり、この仮想値は、並進運動を基準にした自動車の質量、すなわち自動車の質量慣性モーメントが回転運動の仮想等価回転慣性モーメントに換算されるように求められる。回転運動を実施する自動車のこれらのコンポーネント、とりわけ駆動輪もこの等価回転慣性モーメントでともに考慮される。ここで等価バネ剛性は、トルクに依存するドライブトレーンの捩れを表し、等価比減衰はドライブトレーンの振動減衰比を表す。回転慣性モーメント、等価慣性回転慣性モーメント、等価バネ剛性および等価比減衰は、一般的には自動車の構造設計から既知であり、したがって自動車のために見積もることができる。

補充的実施形態では、物理的モデルで自動車の付加的な走行抵抗が考慮される。付加的な走行抵抗は自動車の運転時に発生し得る。たとえば登坂降坂走行または自動車の付加的な荷重は付加的な走行抵抗になる。この付加的な走行抵抗も、これらをともに考慮することで物理的モデルで求めることができる。たとえば走行抵抗が登坂走行で増大すると、第２の質量の仮想等価回転慣性モーメントを物理的モデルにおいて、登坂走行が止むまで短時間、高めることができる。反対に降坂走行では、仮想等価回転慣性モーメントをこの時間の間、低減することができる。

好ましくは電気モータのトルクが考慮される。電気モータの制御および／または調整から、電気モータにより投入されるトルクが既知である。ここでこのトルクも物理的モデルでともに考慮することができる。

変形実施形態では、付加的な走行抵抗および／または等価バネ剛性が間接的または直接的に、ロータの回転角の測定または求められた値から反復的に求められる。付加的な走行抵抗は、自動車内で構造的には設定されていないパラメータである。ロータの回転角およびこれから導出されるパラメータ、すなわち角加速度および角速度を常時、かつ何回も測定することにより、物理的モデルを用いて付加的な走行抵抗を計算することができる。これとは異なり、付加的な走行抵抗をセンサ、たとえば登坂走行および／または降坂走行を検出するためのセンサを用いて求めることができる。その場合、付加的な走行抵抗は物理的モデルに入り込み、これにより回転角および／または角速度および／または角加速度に対して計算された値の精度がさらに高まる。なぜならこれにより複数の追加のパラメータが存在するからである。これにより物理的モデルが格段に正確になり、実際の機械的特性をより良好に正確に導出することができる。

好ましくは付加的な走行抵抗を求める際または計算する際に、電気モータのトルクが使用される。

別の実施形態では、付加的な走行抵抗を求める際または計算する際に、第１の質量の回転慣性モーメントおよび／または第２の質量の等価回転慣性モーメントおよび／またはトーションバースプリングの等価バネ剛性および／または等価比減衰が使用される。

とりわけ付加的な走行抵抗は、自動車の荷重および／または自動車の登坂走行または降坂走行から生じる。

別の構成では、固定子の電磁石の通電のために、ロータの回転角および／または角速度および／または角加速度を測定された回転角値から求める際に、付加的な走行抵抗が考慮される。

補充的変形実施形態では、固定子の電磁石の通電が、付加的な走行抵抗に依存して実施される。

別の変形形態では、付加的な走行抵抗が非線形連立方程式において反復的に計算される。

別の実施形態では、この非線形連立方程式に、第１の質量の回転慣性モーメントおよび／または第２の質量の等価回転慣性モーメントおよび／またはトーションバースプリングの等価バネ剛性および／または等価比減衰が含まれる。

自動車用の本発明の駆動装置、とりわけハイブリッド駆動装置は、電気モータのロータの回転角を検出するためのセンサを備える電気モータと、制御ユニットと、好ましくは内燃機関と、ドライブレーンとを含み、特許請求の範囲に記載された方法が実行可能である。

とりわけセンサはリゾルバまたはデジタルセンサである。図面の簡単な説明
以下に本発明の実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。

駆動装置の概略図である。 電気モータの縦断面図である。 ダブルマス振動体の平面図である。 電気モータのロータの回転角を時間に依存して示す線図である。 自動車の側面図である。

図１にはハイブリッド駆動装置１０として構成された、自動車１１用の駆動装置９が図示されている。自動車１１用のハイブリッド駆動装置１０は、内燃機関１３ならびに電気モータ１を自動車１１の駆動のために有する。内燃機関１３と電気モータ１は駆動軸１４によって互いに結合されている。内燃機関１３と電気モータ１との間の機械的結合は、クラッチ１５によって形成され、解除される。さらに内燃機関１３と電気モータ１を互いに結合する駆動軸１４には弾性体１６が配置されている。電気モータ１はディファレンシャルギヤ２１と機械的に結合されている。電気モータ１とディファレンシャルギヤ２１とを互いに機械的に結合する駆動軸１４には、コンバータ１７とトランスミッション１８が配置されている。ディファレンシャルギヤ２１により、ハーフシャフト１９を通して駆動輪２０が駆動される。

図２には電気モータ１の縦断面が示されている。電気モータ１は、ロータ２と、電磁石を備えるコイル４としての固定子３とを有する。ロータ２は駆動軸１４とともに構成ユニットを形成し、ロータ２には永久磁石２２が配置されている。固定子３の電磁石４は、電気モータ１のハウジング２３に支承されており、ハウジング２３はベアリング２８によって駆動軸１４に支承されている。さらに電気モータ１には、デジタルセンサとして構成されたセンサ２７が装備されており、このセンサ２７はロータ２または駆動軸１４の回転角を検出する。固定子３の電磁石４に通電するためには、ロータ２の回転角または角速度の正確な知識が必要である。センサ２７によってロータ２の回転角φＥが測定される。ロータ２の回転数が低いとき、センサ２７の測定結果は低い精度しか有しない。後で説明する物理的モデルによって、センサ２７により測定された回転角φＥの値が改善され、回転角φＥの計算値により高精度が達成され、これにより電磁石４の通電を精確に行うことができる。

図３にはダブルマス振動体５が示されている。ダブルマス振動体５は回転振動体であり、その第１の質量６と第２の質量７は回転軸２４を中心に仮想の回転運動を実施する。第１の質量６は第２の質量７とトーションバースプリング８によって結合している。ここで第１の質量６の回転慣性モーメントＪ１は電気モータ１または電気モータ１のロータ２の回転慣性モーメントＪ１に相当する。図１に図示された駆動装置９のコンポーネントでは、たとえば駆動軸１４、トランスミッション１８の一部、ディファレンシャルギヤ２１の一部、ハーフシャフト１９および駆動輪２０が回転運動を実施する。これらコンポーネントの回転慣性モーメントは、自動車１１の構造設計から既知であり、計算することができる。ここで自動車１１は並進運動を実施する。自動車の並進運動の際に質量慣性モーメントが発生する。並進運動を実施する自動車１１の質量の質量慣性モーメントは、自動車１１の等価回転慣性モーメントＪ２に換算される。ダブルマス振動体５内の第２の質量７の等価回転慣性モーメントＪ２は、並進運動する自動車１１の質量慣性モーメントから換算された等価慣性モーメントならびに回転運動する駆動装置９のコンポーネント、たとえば駆動軸１４とハーフシャフト１９の回転慣性モーメントに相当する。

電気モータ１から駆動軸１４にトルクがもたらされるとき、このトルクは駆動装置９のコンポーネントの捩れを引き起こす。とりわけ駆動軸１４とハーフシャフト１９が捩れ、電気モータ１の回転運動と駆動輪２０の回転運動との間には横方向の遅延が発生する。物理的モデルではこれがドライブトレーン１２の等価バネ剛性ｃによって考慮される。ドライブトレーン１２はとりわけ、電気モータ１および内燃機関１３を除いた駆動装置９のコンポーネントである。さらにドライブトレーン１２のコンポーネントは振動減衰特性を有し、この振動減衰特性が物理的モデルで、図３のダブルマス振動体５にしたがい等価減衰定数ｄによって考慮される。自動車１１の運転時にはさらに付加的な走行抵抗Ｆが発生する。この走行抵抗は、たとえば登坂走行から生じ、または降坂走行の際には負の走行抵抗Ｆが発生する。自動車１１の加重上昇も付加的な走行抵抗Ｆに繋がる。この走行抵抗Ｆは、ダブルマス振動体５を備える物理的モデルで、第２の質量７の等価回転慣性モーメントＪ２を一時的に高めるまたは下げることによって考慮される。

ロータ２の回転角φＥはセンサ２７によって検出される。さらに図示しないセンサによって、第２の質量または駆動輪２０が回転角φＦが検出される。これらの値は毎秒たとえば数百回の頻度で測定され、引き続き測定された値が物理的モデルにダブルマス振動体５にしたがって取り込まれる。ここでは次式が使用される。

αＥ（ｔ）＝ｃ／Ｊ１＊［φＥ（ｔ）−φＦ（ｔ）］−ｄ／Ｊ１＊［ωＥ（ｔ）−ωＦ（ｔ）］＋１／Ｊ１＊ｕ（ｔ）
αＦ（ｔ）＝ｃ／Ｊ２＊［φＥ（ｔ）−φＦ（ｔ）］＋ｄ／Ｊ２＊［ωＥ（ｔ）−ωＦ（ｔ）］―Ｆ／Ｊ２
ωＥ（ｔ）＝ωＥ’（ｔ）；ωＦ（ｔ）＝ωＦ’（ｔ）
これらの式から第１の質量６またロータ２の角速度αＥと第２の質量７の角加速度αＦを計算することができる。ここでは電気モータ１のトルクｕ（ｔ）もともに考慮される。電気モータ１のトルクｕ（ｔ）は、通電のための電気モータ１の制御から得られるか、またはそこから計算することができる。ここで第１の質量の角速度ωＥは第１の質量６の回転角φＥの時間導関数（φＥ’（ｔ））であり、第１の質量７の角速度ωＦは第２の質量７の回転角φＦの時間導関数（φＦ’（ｔ））である。したがってこれは線形連立方程式である。

後に続く非線形連立方程式では、ドライブトレーン１２の等価バネ剛性ｃ＝ｘ１と自動車１１の走行抵抗Ｆ＝ｘ２は未知の量である。

αＥ（ｔ）＝ｘ１／Ｊ１＊［φＥ（ｔ）−φＦ（ｔ）］−ｄ／Ｊ１＊［ωＥ（ｔ）−ωＦ（ｔ）］＋１／Ｊ１＊ｕ（ｔ）
αＦ（ｔ）＝ｘ２／Ｊ２＊［φＥ（ｔ）−φＦ（ｔ）］＋ｄ／Ｊ２＊［ωＥ（ｔ）−ωＦ（ｔ）］−ｘ２／Ｊ２
回転角φＥおよび好ましくは回転角φＦも多数測定し、反復的に計算することにより、走行抵抗Ｆ＝ｘ２と好ましくは等価バネ剛性ｃ＝ｘ１を計算することができる。またこれとは異なり、走行抵抗Ｆ＝ｘ２のみを計算することができ、等価バネ剛性ｃは一定であり、構造的に既知の量であるので計算しないこともできる（上記の式には示されていない）。走行抵抗Ｆと等価バネ剛性ｃを常時計算することで、物理的モデルがさらに改善され、洗練され、これによりロータ２３に相当する第１の質量６の回転角φＥまたは角速度ωＥに対して計算された値をさらに改善することができる。このようにして、ロータ２の回転角に対する値φＥと角速度ωＥが、とりわけ電気モータ１の回転数が低くても高精度で存在する。これにより、センサ７がロータ２の回転角φＥに対して比較的精度の低い結果を出力しても、固定子３の電磁石４の通電を高精度で行うことができる。電磁石４の通電とは、電流および／または電磁石４により導かれる電流の電圧および／または電流が電磁石４を流れる時間であると理解される。

図４には電気モータのロータ２の回転角φＥが時間の関数としてプロットされている。曲線２５には測定された値が、曲線２６には物理的モデルにより計算されたロータ２の回転角φＥがプロットされている。計算された値は、測定された値よりも格段に正確に実際の値に対応する。

全体として本発明の電気モータ１の制御方法により格段の利点が得られる。電気モータ１は、ロータ２の回転角φＥを検出するためのセンサ２７としてデジタルセンサを有する。このセンサ２７は、電気モータ１の回転数が低いときには精度の低い測定値しか送出しない。物理的モデルによって、この精度の低い測定結果を処理し、洗練することができ、計算された値から電気モータ１を通電するための高精度の回転角φＥが得られる。これにより頑強な特性を有するのでデジタルセンサを、ハイブリッド駆動装置１０を有する自動車１１にも使用することができ、回転数が低くときに電磁石４の通電の精度が低くなることもない。

Claims (15)

1. ドライブトレーン（１２）によって自動車（１１）を駆動する電気モータ（１）の制御方法であって、
   ・電気モータ（１）のロータ（２）の回転角を複数回測定するステップと、
   ・前記ロータ（２）の角速度および／または角加速度を、前記求められた回転角に依存して求めるステップと、
   ・前記電気モータ（１）の固定子（３）の電磁石（４）の通電を制御および／または調整するステップと、
   を有する制御方法において、
   ・前記電気モータ（１）および／または前記ドライブトレーン（１２）および／または前記自動車（１１）の物理特性を、物理的モデルで求めるステップと、
   ・前記ロータ（２）の回転角の測定値から前記物理的モデルにより、回転角および／または角速度および／または角加速度を求めるステップと、
   ・前記物理的モデルにより求められた回転角および／または角速度および／または角加速度に依存して前記電気モータ（１）の固定子（３）の電磁石（４）に通電するステップと、を有する制御方法。
2. 前記物理的モデルは、ダブルマス振動体（５）であり、電気モータ（１）としての第１の質量（６）と、自動車（１１）としての第２の質量（７）と、第１の質量（６）と第２の質量（７）との間のドライブトレーン（１２）としてのトーションバースプリング（８）とを備え、および／または駆動輪（２０）の角速度が検出され、該駆動輪（２０）の検出された角速度が物理的モデルで考慮される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記物理的モデルのために、前記第１の質量（６）の回転慣性モーメントと、前記第２の質量（７）の等価回転慣性モーメントと、トーションバースプリング（８）の等価バネ剛性および／または等価比減衰が決定される、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記物理的モデルで自動車（１１）の付加的な走行抵抗が考慮される、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記電気モータ（１）のトルクが考慮される。ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記付加的な走行抵抗および／または等価バネ剛性が間接的または直接的に、前記ロータ（２）の回転角の測定された値または求められた値から反復的に求められる、ことを特徴とする請求項４または５記載の方法。
7. 前記付加的な走行抵抗を求める際または計算する際に、前記電気モータ（１）のトルクが使用される、ことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記付加的な走行抵抗を求める際または計算する際に、前記第１の質量（１）の回転慣性モーメントおよび／または前記第２の質量（７）の等価回転慣性モーメントおよび／または前記トーションバースプリング（８）の等価バネ剛性および／または等価比減衰が使用される、ことを特徴とする請求項６または７記載の方法。
9. 前記付加的な走行抵抗は、自動車（１１）の荷重および／または自動車（１１）の登坂走行または降坂走行から生じる、ことを特徴とする請求項４から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記固定子（３）の電磁石（４）の通電のために測定された回転角値から前記ロータ（２）の回転角および／または角速度および／または角加速度を求める際に、前記付加的な走行抵抗が考慮される、ことを特徴とする請求項４から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記固定子（３）の電磁石（４）の通電が、前記付加的な走行抵抗に依存して実施される、ことを特徴とする請求項４から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記付加的な走行抵抗は、非線形連立方程式において反復的に計算される、ことを特徴とする請求項４から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記非線形連立方程式に、前記第１の質量（６）の回転慣性モーメントおよび／または前記第２の質量（７）の等価回転慣性モーメントおよび／または前記トーションバースプリング（８）の等価バネ剛性および／または等価比減衰が含まれる、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 自動車（１１）用の駆動装置（９）、とりわけハイブリッド駆動装置（１０）であって、
    ・電気モータ（１）のロータ（２）の回転角を検出するためのセンサ（２７）を備える電気モータ（１）と、
    ・好ましくは内燃機関（１３）と、
    ・ドライブトレーン（１２）と、
    を有する駆動装置において、
    請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法が実施可能である駆動装置。
15. 前記センサ（２７）はリゾルバ（２７）またはデジタルセンサ（２７）である、ことを特徴とする請求項１４記載の駆動装置。

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