JP2014515244A - 温度補償と共に電気モータを制御する方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
温度推定モジュール(104)は、モータ(117)のロータに関連する磁石の温度変化を、動作磁束強度に基づいて推定する。動作磁束強度は、既知の周囲温度およびモータの所定の動作範囲において決定された基準磁束強度と比較される。温度推定モジュール(104)またはシステム(120)は、推定温度変化と、所定の動作範囲と一致するモータ(117)の目標出力トルクの磁気トルク成分との間において、関係を作る。電流調節モジュール(107)またはシステム(120)は、作った関係にしたがって、推定した温度変化に関連する軸トルクの変動をモータ(117)が補償するために、コマンド(例えば、直角軸電流コマンド)を調節する。
【選択図】 図1
【選択図】 図1
Description
本文書は、35.U.S.C 119(e)に基づいて、2011年2月23日に出願されMETHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING AN ELECTRIC MOTOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION(温度補償と共に電気モータを制御する方法およびシステム)と題する米国仮特許出願第61/445,650号に基づく優先権を主張する。
発明の分野
本発明は、温度補償と共に電気モータを制御する方法およびシステムに関する。
発明の分野
本発明は、温度補償と共に電気モータを制御する方法およびシステムに関する。
電気モータは、内部永久磁石(IPM)モータまたはIPM同期モータのように、永久磁石を有するロータおよびステータを特徴とすることができる。内部永久磁石(IPM)モータまたはIPM同期装置は、ロータに関連する磁石の温度変化のために、変動する磁場強度を有する場合がある。一方、磁場強度が減少すると、モータの出力トルクおよび動作効率が低下する傾向がある。ある種のモータでは、ステータ筐体またはステータ巻線とは異なり、ロータ上の磁石の温度を測定する直接温度センサがない。更に、ロータ磁石温度は明確に定められていないこともあり、ステータ巻線の温度または冷却剤温度との関係は、モータの異なる速度領域では、誤差があることや、一貫性がないこともある。
このため、温度補償と共に電気モータを制御する方法およびシステムの改良が求められている。
一実施形態によれば、電気モータを制御する方法およびシステムは、ロータ磁石が関連するロータと、ステータとを含む。温度推定モジュールが、モータのロータに関連する磁石の温度変化を動作磁束強度に基づいて推定する。動作磁束強度は、既知の周囲温度においてそしてモータの所定動作範囲について決定された基準磁束強度と比較される。温度推定モジュールまたはシステムは、推定した温度変化と所定動作範囲と一致するモータの目標出力トルクの磁気トルク成分との間に関係を作る。電流調節モジュールまたはデータ処理システムは、作られた関係にしたがって、推定した温度変化と関連する軸トルク変動を補償するように、モータに対するコマンド(例えば、直角軸電流コマンドまたは直角軸電流)を調節する。
一実施形態によれば、図1は、モータ117(例えば、内部永久磁石(IPM)モータ)または他の交流装置(alternating current machine)を制御するシステムを開示する。一実施形態では、このシステムは、モータ117を別にして、インバータまたはモータ・コントローラと呼ぶこともできる。
本システムは、電子モジュール、ソフトウェア・モジュール、または双方を含む。一実施形態では、モータ・コントローラは、1つ以上のソフトウェア・モジュールのソフトウェア命令の格納、処理、または実行をサポートするために電子データ処理システム120を含む。電子データ処理システム120は、図1では、破線で示されており、図2において更に詳細に示されている。
データ処理システム120は、インバータ回路188に結合されている。インバータ回路188は、半導体駆動回路を含む。この半導体駆動回路は、スイッチング半導体(例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)または他のパワー・トランジスタ)を駆動または制御して、モータ117の制御信号を出力する。一方、インバータ回路188はモータ117に結合されている。モータ117は、センサ115(例えば、位置センサ、リゾルバ、またはエンコーダ位置センサ)と関連付けられている。センサ115は、モータ軸126またはロータと関連付けられている。センサ115およびモータ117は、データ処理システム120に結合されており、可能なフィードバック・データまたは信号の中でもとりわけ、例えば、フィードバック・データ(例えば、ia、ib、icのような電流フィードバック・データ)、生の位置信号を供給する。他の可能なフィードバック・データには、巻線温度読み取り値、インバータ回路188の半導体温度読み取り値、三相電圧データ、あるいはモータ117についての他の熱情報または性能情報が含まれるが、これらに限定されるのではない。
一実施形態では、トルク・コマンド生成モジュール105がd−q軸電流生成モジュール109(例えば、d−q軸電流生成参照表)に結合されている。d−q軸電流とは、モータ117のような、ベクトル制御交流装置のコンテキストにおいて該当する、直接軸電流(direct axis current)および直角軸電流を指す。d−q軸電流生成マネージャ109の出力、および電流調節モジュール107(例えば、d−q軸電流調節モジュール107)の出力は、加算器119に供給される。一方、加算器119の1つ以上の出力(例えば、直接軸電流データ(id *)および直角軸電流データ(iq *))は、電流調整コントローラ111に供給または結合される。
電流調整コントローラ111は、パルス幅変調(PWM)生成モジュール112(例えば、空間ベクトルPWM生成モジュール)と通信することができる。電流調整コントローラ111は、d−q軸電流コマンド(例えば、id *およびiq *)および実際のd−q軸電流(例えば、idおよびiq)を受け、対応するd−q軸電圧コマンド(例えば、vd *およびvq *コマンド)を、PWM生成モジュール112に入力するために出力する。
一実施形態では、PWM生成モジュール112は、直接軸電圧および直角軸電圧データを、2つの位相データ表現から三相表現(例えば、va *、vb *、vc *のような三相電圧表現)に、例えば、モータ117の制御のために変換する。PWM生成モジュール112の出力は、インバータ188に結合されている。
インバータ回路118は、パルス幅変調信号またはモータ117に印加される他の交流信号(例えば、パルス、方形波、正弦波、または他の波形)を生成、変更、および制御するために、スイッチング半導体のような電力電子部品を含む。PWM生成モジュール112は、入力をインバータ回路188内部の駆動段に供給する。インバータ回路188の出力段は、パルス幅変調信号、交流信号、パルス幅変調電圧波形、または他の電圧信号を、モータの制御のために供給する。一実施形態では、インバータ188は、直流(DC)電圧バスによって給電される。
モータ117は、センサ115(例えば、リゾルバ、エンコーダ、速度センサ、あるいは他の位置センサまたは速度センサ)と関連付けられている。このセンサ115は、モータ軸126の角度位置、モータ軸126の速度(speed or velocity)、およびモータ軸126の回転方向の内少なくとも1つを推定する。センサ115は、モータ軸126上に取り付けても、これと一体化してもよい。センサ115の出力は、1次処理モジュール114(例えば、位置および速度処理モジュール)と通信することができる。一実施形態では、センサ115をアナログ/ディジタル変換器(図示せず)に結合することができ、このアナログ/ディジタル変換器が、アナログの位置データまたは速度データを、それぞれ、ディジタルの位置または速度データに変換する。他の実施形態では、センサ115(例えば、ディジタル位置エンコーダ)は、モータ軸126またはロータについての位置データまたは速度データのディジタル・データ出力を供給することができる。
1次処理モジュール114の第1出力(例えば、モータ117の位置データおよび速度データ)は、位相変換器113(例えば、三相/二相電流パーク変換モジュール)に伝えられる。位相変換器113は、測定された電流のそれぞれの三相ディジタル表現を、測定された電流の対応する二相ディジタル表現に変換する。1次処理モジュール114の第2出力(例えば、速度データ)は、計算モジュール110(例えば、調節電圧/速度比モジュール(adjusted voltage over speed ratio module)に伝えられる。
検知回路124の入力は、直流(DC)バス(例えば、DC電力をインバータ回路188に供給することができる高電圧DCバス)の少なくとも測定された三相電流および電圧レベルを検知するために、モータ117の出力に結合されている。検知回路124の出力は、検知回路124の出力をディジタル化するために、アナログ/ディジタル変換器122に結合されている。一方、アナログ/ディジタル変換器122のディジタル出力は、2次処理モジュール116(例えば、直流(DC)バスおよび三相電流処理モジュール)に結合されている。例えば、検知回路124は、三相電流(例えば、モータ117の巻線に印加される電流、巻線に誘導される逆EMF、または双方)を測定するために、モータ117と関連付けられている。
1次処理モジュール114および2次処理モジュール116の一定の出力は、位相変換器113に繋がっている。例えば、位相変換器113はパーク変換または他の変換式(例えば、ある種の適した変換式は、当業者には周知である)を適用して、測定された電流の三相表現を、2次処理モジュール116からのディジタル三相電流データおよびセンサ115からの位置データに基づいて、電流の二相表現に変換することができる。位相変換器113モジュールの出力は、電流調整コントローラ111に結合されている。
1次処理モジュール114および2次処理モジュール116の他の出力は、計算モジュール110(例えば、調節電圧/速度比計算モジュール)の入力に結合することができる。例えば、1次処理モジュール114は速度データ(例えば、モータ軸126の1分当たりの回転数)を供給することができ、一方2次処理モジュール116は、測定した直流電圧レベル(例えば、車両の直流(DC)バスにおける直流電圧レベル)を供給することができる。インバータ回路188に電気エネルギを供給するDCバスにおける直流電圧レベルは、種々の要因のために、変動する即ちばらつく可能性がある。この要因には、周囲の温度、バッテリの状態、バッテリの充電状態、バッテリの抵抗またはリアクタンス、燃料電池の状態(該当する場合)、モータ負荷状態、それぞれのモータ・トルクおよび対応する動作速度、ならびに車両の電気負荷(例えば、電気的に駆動される空調用コンプレッサ)が含まれるが、これらに限定されるのでない。計算モジュール110は、仲介物として、2次処理モジュール116とdq−軸電流生成マネージャ109との間に接続されている。計算モジュール110の出力は、d−q軸電流生成マネージャ109によって生成される電流コマンドを調節するまたはこれに作用し(impact)、とりわけ、直流バス電圧の変動即ちばらつきを補償する。
ロータ磁石温度推定モジュール104、電流整形モジュール106、および終端電圧フィードバック・モジュール108は、dq−軸電流調節モジュール107に結合されているか、またはこれと通信することができる。一方、d−p軸電流モジュール107は、dq−軸電流生成マネージャまたは加算器119と通信することができる。
ロータ磁石温度モジュール104は、ロータの1つまたは複数の永久磁石の温度を推定または判定する。一実施形態では、ロータ磁石温度推定モジュール104は、内部制御変数の計算、ステータ上に配置されステータと熱連通する1つ以上のセンサまたはモータ117の筐体に固定されている1つ以上のセンサから、ロータ磁石の温度を推定することができる。例えば、ロータ磁石温度モジュールは、実際の上昇動作温度に対する周囲温度または基準温度から磁場強度の変化またはモータ117の入手可能なトルクの変化を観察することによって、推定温度に基づいて、ロータの温度または電流調節値を推定することができ、あるいはその判定を容易にすることができる。
一代替実施形態では、ロータ磁石温度推定モジュール104は、ステータ上に配置されステータと熱連通する1つ以上のセンサ、またはモータ117の筐体に固定されている1つ以上のセンサと置き換えることができ、またはこれからロータ磁石の温度を推定することができる。
他の代替実施形態では、ロータ磁石温度推定モジュール104は、ロータまたは磁石に取り付けられた温度検出器(例えば、ワイヤレス送信器に結合されているサーミスタまたは赤外線熱センサ)と置き換えることもでき、この検出器は、1つまたは複数の磁石の温度を示す信号(例えば、ワイヤレス信号)を供給する。
一実施形態では、本方法またはシステムは、以下のように動作することができる。トルク・コマンド生成モジュール105は、速度制御データ・メッセージ、電圧制御データ・メッセージ、またはトルク制御データ・メッセージというような入力制御データ・メッセージを、車両データ・バス118を介して受ける。トルク・コマンド生成モジュール105は、受けた入力制御メッセージをトルク制御コマンド・データ316に変換する。
d−q軸電流生成マネージャ109は、それぞれのトルク・コマンド・データおよびそれぞれの検出したモータ軸126速度データと関連する直接軸電流コマンド・データおよび直角軸電流コマンド・データを選択または決定する。例えば、d−q軸電流生成マネージャ109は、直接軸電流コマンド・データ、直角軸電流コマンド・データを、以下の内1つ以上にアクセスすることによって選択または決定する。(1)それぞれのトルク・コマンドを対応する直接軸電流および直角軸電流に関係付ける参照表、データベース、または他のデータ構造、(2)それぞれのトルク・コマンドを対応する直接軸電流および直角軸電流に関係付ける1組の連立方程式または線形方程式、あるいは(3)それぞれのトルク・コマンドを対応する直接軸電流および直角軸電流に関係付ける1組の規則(例えば、if−then規則)。モータ117上におけるセンサ115は、モータ軸126について検出した速度データの供給を容易にし、1次処理モジュール114は、センサ115によって供給された位置データを速度データに変換することができる。
電流調節モジュール107(例えば、d−q軸電流調節モジュール)は、ロータ磁石温度推定モジュール104、電流整形モジュール106、および端子電圧フィードバック・モジュール108からの入力データに基づいて、直接軸電流コマンド・データおよび直角軸電流コマンド・データを調節するための電流調節データを供給する。
電流整形モジュール106は、以下の要因の内1つ以上に基づいて、直角軸(q−軸)電流コマンドおよび直接軸(d−軸)電流コマンドの補正値または暫定調節値を決定する。例えば、モータ117にかかるトルク負荷、およびモータ117の速度。ロータ磁石温度推定モジュール104は、推定したロータ温度変化、および、例えば、既知の動作状態の下での既知の周囲温度において特徴付けられたロータ温度または磁場強度に対する、推定ロータ温度変化または推定磁場強度変化に基づいて、q−軸電流コマンドおよびd−軸電流コマンドの2次調節値を生成することができる。端子電圧フィードバック・モジュール108は、コントローラ電圧コマンド対電圧制限の関係に基づいて、d−軸電流コマンドおよびq−軸電流コマンドに対する第3調節値を供給することができる。電流調節モジュール107は、暫定調節値と、2次調節値および第3調節値の内1つとを考慮する総合電流調節値を供給することができる。
一実施形態では、モータ117は内部永久磁石(IPM)装置または同期IPM装置(IPMSM)を含むことができる。IPMSMは、従来の誘導装置または表面実装PM装置(SMPM)と比較すると、例えば、高い効率、高い電力密度、広い一定電力動作領域、保守不要というような、多くの好ましい利点を有する。
モータ117がIPMSMを含む場合、出力トルクは、2つの成分、即ち、次のように、磁気トルクおよびリラクタンス・トルクから成る。
式1において、Tshaftはモータの全トルクであり、Tmagは磁気トルク成分であり、Trelはリラクタンス・トルク成分であり、ppはモータまたは装置の極対の数であり、λfは位相毎の最大磁束漏れであり、idは直接軸電流であり、iqは直角軸電流であり、Ldは直接軸インダクタンスであり、Lqは直角軸インダクタンスである。
式1において、位相毎の最大磁束漏れ(λf)は、磁石の強度および磁気飽和レベルによって決定することができる。LdおよびLqは、装置のd−q軸インダクタンスであり、磁気飽和レベルに依存して変化する。簡略化のために、以下の仮定を式1に適用する。
1.λfは、磁気トルク成分Tmagと同様に、磁石の強度に直接比例する。
2.LdおよびLqは、idおよびiqのみの関数であるが、λfの変化はLdおよびLqに対して多少の影響(impact)を有する。LdおよびLqは、有限要素分析に基づくシミュレーションによって導き出すことができる。
3.(Ld − Lq)は、d−q軸電流(id, iq)が多少変動しても、無視できる変化しか有しておらず、リラクタンス・トルク成分Trelは、d−q軸電流が多少変動しても、無視できる変化しか有さない。
電流コマンド(id, iq)を調節しない場合、磁石温度変化による磁石強度変動が、対応する比率の変化を磁気トルク成分Tmagに生じさせる。しかしながら、全出力トルクの正味変化率(net percentage change)は、なおも動作条件に対して変動する各トルク成分の重み付けに依存する。
IMPSM(例えば、モータ117)の定常状態動作では、電流調整コントローラ111の出力は、d−q軸端子電圧を供給し、以下のように表すことができる。
式2および3において、vdは直接軸電圧またはコマンドであり、vqは直角軸電圧またはコマンドであり、rsはモータまたは装置のステータ抵抗であり、idは直接軸電流であり、iqは直角軸電流であり、ωeはステータに対するロータの回転電気速度であり、λfは位相毎の最大磁束漏れ、Ldは直接軸インダクタンスである。
式2および3において、ステータ巻線温度に対するステータス抵抗(rs)を無視し、LdおよびLqがd−q軸電流(id, iq)のみの関数であると仮定すると、磁束漏れ(λf)を起こす磁石温度変化は、d−軸端子電圧コマンドvdには影響を及ぼさない。ロータの回転電気速度(ωe)は、例えば、ロータの回転機械的速度に比例すると考えられる。しかしながら、q−軸端子電圧コマンドvqは、λfの変動を吸収するようにしかるべく変化する。
センサ115(例えば、軸またはロータ速度検出器)は、以下の内1つ以上を含むことができる。直流モータ、光エンコーダ、磁場センサ(例えば、ホール効果センサ)、磁気抵抗センサ、およびリゾルバ(例えば、ブラッシュレス・リゾルバ)。1つの構成では、センサ115は、位置センサを含み、この場合、位置データおよび関連する時間データを処理して、モータ軸126について速度(speed or velocity)データを判定する。他の構成では、センサ115は速度センサ、または速度センサおよび積分器の組み合わせを含み、モータ軸の位置を判定する。
更に他の構成では、センサ115は、補助の小型直流電流ジェネレータを含む。この電流ジェネレータは、機械的にモータ117のモータ軸126に結合され、モータ軸126の速度を判定する。直流電流ジェネレータは、モータ軸126の回転速度に比例する出力電圧を生成する。更に他の構成では、センサ115は光源を有する光エンコーダを含み、この光エンコーダは、軸126に結合された回転物体に向けて信号を送り、光検出器において反射または回折信号を受信する。受信した信号パルス(例えば、方形波)の周波数は、モータ軸126の速度に比例することができる。追加の構成では、センサ115は、第1巻線および第2巻線を有するリゾルバを含み、第1巻線には交流電流が供給され、第2巻線に誘発される電圧が、ロータの回転周波数と共に変化する。
図2では、電子データ処理システム120は、電子データ・プロセッサ264、データ・バス262、データ記憶デバイス260、および1つ以上のデータ・ポート(268、270、272、274、および276)を含む。データ・プロセッサ264、データ記憶デバイス260、および1つ以上のデータ・ポートは、データ・バス262に結合され、データ・プロセッサ264、データ記憶デバイス260、および1つ以上のデータ・ポート間におけるデータの通信をサポートする。
一実施形態では、データ・プロセッサ264は、電子データ・プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル・ロジック・アレイ、論理回路、算術論理ユニット、特定用途集積回路、ディジタル信号プロセッサ、比例−積分−微分(PID)コントローラ、または他のデータ処理デバイスを含むことができる。
データ記憶デバイス260は、データを格納する任意の磁気デバイス、電子デバイス、または光デバイスを含むことができる。例えば、データ記憶デバイス260は、電子データ記憶デバイス、電子メモリ、不揮発性電子ランダム・アクセス・メモリ、1つ以上の電子データ・レジスタ、データ・ラッチ、磁気ディスク・ドライブ、ハード・ディスク・ドライブ、光ディスク・ドライブ等を含むことができる。
図2に示すように、データ・ポートは、第1データ・ポート268、第2データ・ポート270、第3データ・ポート272、第4データ・ポート274、および第5データ・ポート276を含むが、任意の適した数のデータ・ポートを使用することができる。各データ・ポートは、例えば、トランシーバおよびバッファ・メモリを含むことができる。一実施形態では、各データ・ポートは任意のシリアルまたはパラレル入力/出力ポートを含むことができる。
図2に示すような一実施形態では、第1データ・ポート268は車両データ・バス118に結合されている。一方、車両データ・バス118はコントローラ266に結合されている。1つの構成では、第2データ・ポート270をインバータ回路188に結合することができ、第3データ・ポート272をセンサ115に結合することができ、第4データ・ポート274をアナログ/ディジタル変換器122に結合することができ、第5データ・ポート276を端子電圧フィードバック・モジュール108に結合することができる。アナログ/ディジタル変換器122は、検知回路124に結合されている。
データ処理システム120の一実施形態では、トルク・コマンド生成モジュール105は、電子処理システム120の第1データ・ポート268と関連付けられているか、またはこれによってサポートされている。第1データ・ポート268は、コントローラ・エリア・ネットワーク(CAN)データ・バスのような、車両データ・バス118に結合することができる。車両データ・バス118は、トルク・コマンドと共にデータ・バス・メッセージを、トルク・コマンド生成モジュール105に第1データ・ポート268を介して供給することができる。車両の運転手は、スロットル、ペダル、コントローラ266、または他の制御デバイスというようなユーザ・インターフェースを介して、トルク・コマンドを生成することができる。
ある種の実施形態では、センサ115および1次処理モジュール114は、データ処理システム120の第3データ・ポート272と関連付けられる、またはこれによってサポートされるのでもよい。
一実施形態では、電気モータ(例えば、117)が、磁石が関連するロータと、ステータとを含むとき、このモータ(例えば、117)を制御するシステムは、動作磁束強度に基づいてモータ(例えば、117)のロータに関連する磁石の温度変化を推定するデータ・プロセッサ264を含み、動作磁束強度は、既知の周囲温度において所定のモータ動作範囲について決定されている基準磁束強度と比較される。温度推定モジュール104は、推定温度変化と所定の動作範囲と一致するモータの目標出力トルクの磁気トルク成分との間の関係を作るように構成されている。例えば、1つの構成では、温度推定モジュール104は、推定温度変化と所定の温度範囲と一致するモータの目標出力トルクの磁気トルク成分との間の関係をデータ・プロセッサ264が作るためのソフトウェア命令(例えば、永続的即ち非一時的形態でデータ記憶デバイス260に格納されている)を含む。電流調節モジュール107は、作られた関係にしたがって、推定温度変化に伴う軸トルクの変動をモータが補償するためにコマンドを調節するように構成されている。例えば、1つの構成では、電流調節モジュール107は、作られた関係にしたがって、推定温度変化に伴う軸トルク変動をデータ・プロセッサ264が補償するためのソフトウェア命令(例えば、永続的即ち非一時的形態でデータ記憶デバイス260に格納されている)を含む。
一実施形態では、データ・プロセッサ264は、動作直角軸電圧コマンドから動作磁束強度を得るように構成されており、データ・プロセッサ264は、基準直角軸電圧コマンドから基準磁束強度を得るように構成されている。データ・プロセッサ264は、温度推定モジュール104のソフトウェア命令を実行して、前述の関係を作るように構成されている。この関係は、目標出力トルクの磁気トルク成分を、基準磁束強度、直接軸電流コマンド、直角軸電流コマンド、直接軸インダクタンス、および直角軸インダクタンスの関数として含む。
電流調節モジュール107またはデータ・プロセッサ264は、種々の例にしたがってコマンドを生成することができ、これらの例は交互にまたは累加的に適用することができる。第1の例の下では、コマンドは直角軸電流コマンドを含む。第2の例の下では、コマンドは対応する温度上昇に応答した、直角軸電流コマンドのそれぞれの増大を含む。第3の例の下では、コマンドは推定温度変化および目標出力トルクの磁気トルク成分に基づく直角軸電流コマンドに対する調節を含む。
一般に、データ・プロセッサ264は、モータ磁石の温度変化または磁束強度変化に対するコマンドまたは他の補償を与えることに加えて、本文書において示された任意の式または数学的表現、あるいは特許請求の範囲に該当するその変形を実行、決定、計算、または解決することができる。
図3は、ロータ磁石温度推定モジュール104、電流調節モジュール107、およびd−q軸電流生成マネージャ109の可能な一構成例を、図1よりも詳細に示す。1つの構成では、3−D(三次元)磁気トルク成分重み付け参照表304が、トルク・コマンド316(例えば、パーセントで表現される)と、調節した電圧−速度比318を入力として受ける。3−D(三次元)磁気トルク成分重み付け参照表304は、磁気トルク成分の補間重み付け(例えば、WC mag)を出力として供給する。3−D(三次元)磁気トルク成分重み付け参照表304は、入力されたトルク・コマンド・データ316、入力された調節電圧/速度比データ318、および対応する磁気トルク成分の重み付け(例えば、WC mag)を補間した出力のそれぞれの組み合わせの間において第1の関係を定める。
トルク・コマンド・データ316および調節速度/電圧比データ318は、3−D直角軸電流(lq)参照表302、3−D直接軸電流(Id)参照表308、および3−D実磁束漏れ参照表306に入力される。3−D直角軸電流(lq)参照表302は、入力トルク・コマンド316、入力調節電圧−速度比318、および対応する出力補間直角軸電流コマンド(例えば、i* q)のそれぞれの組み合わせの間に第2の関係を定める。3−D直角軸電流(Id)参照表308は、入力トルク・コマンド316、入力調節電圧/速度比318、および対応する出力補間直接軸電流コマンド(例えば、i* d)のそれぞれの組み合わせの間に第3の関係を定める。3−d実磁束漏れ参照表は、入力トルク・コマンド316、入力調節電圧/速度比318、および対応する出力補間実磁束漏れレベル(例えば、Vq *C/ωe C、ここで、Vq *Cは平均である)のそれぞれの組み合わせの間に、第4の関係を定める。
補間実磁束漏れレベルは、特徴付け(characterization)から磁石温度を得るために、推定器314に入力される。また、推定器314は、周囲温度における磁束強度(例えば、Vq *0またはその平均)、および周囲温度またはロータについて分かっている参照温度における、対応する回転電気速度(例えば、ωe C)も入力する。磁束強度および対応する回転速度の格納されている値が、例えば、データ記憶デバイス260または不揮発性メモリのレジスタに格納される。推定器314は、磁石温度変化(例えば、ΔTmagnet)を出力する。q−軸電流コマンド調節係数を計算する計算器312は、受けた磁石温度変化および磁気トルク成分の補間重み付けに基づいて、q−軸電流調節値を計算する。乗算器319または補助加算器119において、補間直角軸(q−軸)電流コマンド調節係数(例えば、Jq)に補間直角軸コマンド(例えば、補間iqコマンドまたはiq *)と乗算するかまたはそれ以外で組み合わせて、調節直角軸電流コマンド(例えば、i* q_adjusted)を生成する。
q−d軸電流生成モジュール109は、ある範囲の動作速度における動作トルク曲線の動作ロータ速度に対する特徴付けを格納する。q−軸電圧コマンドの移動平均が、モータ117の特徴付けの間、またはモータ117の動作点または動作出力トルクの速度曲線に対する関係を定める間に、データ記憶デバイス260に記録される。モータ117(例えば、IPMSM)は、最良の軌道が異なる動作速度において決定できるように、注意深く特徴付ける必要がある。この特徴付けの間、モータ軸の特定のモータ速度における1群の電流幅(current magnitudes)に対して最良の制御角度が選択される。各動作点において出力トルクを記録することに加えて、コントローラ111によって計算された直角軸(q−軸)端子電圧コマンドも記録するとよい。
データ処理システム120または電流調整コントローラ111において、vqコマンドが、パルス幅変調(PWM)サイクル毎または他の更新間隔で、以下のように更新される。
ここで、(Gcq(S)・(i* q- iq)という)最初の式(expression)は、電流調整比例積分(PI)出力であり、(ωe・Ld・i* d+ωe・λR fという)の残りの式は、フィード・フォワード項目に関係し、dq−軸の交差結合および逆起電力(EMF)効果を反映する。λR fは周囲(例えば、部屋の)温度における基準磁束漏れレベルであるので、iq比例積分(PI)レギュレータの積分項目は、実磁束漏れレベルを補償できるように、適正な値に調節される。
比例積分(PI)調整動作のために、生成される直角軸電圧(v* d)は、実際には、定常状態においても平均値周囲で多少変動する。特徴付けの間に位相毎の最大磁束漏れ(λf)の真のレベルを精度高く反映するために、v* q、v* dの移動平均、平均直角軸電圧コマンドを、各動作点に対応して、特徴付けの間に記録するとよい。
最後に、特定の動作点において、特徴付けの間におけるその真の磁束漏れレベルを以下のように計算することができる。
ここで、λC fは、特徴付けの間に位相毎に計算された真の磁束漏れレベルであり(例えば、種々の既知の動作条件および対応する温度の下における)、λR fは基準動作条件および対応する基準周囲温度における位相毎の磁束漏れレベルであり、v~*C qは、特徴付けの間に記録された直角軸端子電圧コマンド移動平均であり、ωC eは、特徴付けの間におけるロータの回転電気速度である。1つの構成では、λC fまたはλR fは、フィード・フォワード項(例えば、ΔId・i* d)において精度の低い直接軸インダクタンス(例えば、Ldパラメータ)に対する何らかの補償も含むことができる。特定のモータ117の特徴付けの終了時には、例えば、図3のブロック302、ブロック304、およびブロック306に示すように、3つの3−D参照表が作られているはずである。
ロータ磁石温度推定モジュール104は、特徴付けレベル(例えば、基準動作条件)から実行時磁石温度偏差を推定する。モータ117(例えば、IPMSM)が動いている間、調節電圧−速度比318およびトルク・コマンド比率316によって、3−D参照表から(i* d,i* q)コマンドを決定する。次いで、q−軸端子電圧コマンド移動平均値を実行時動作の間継続的に計算することができる。したがって、実行時動作の間における実磁束漏れレベルは、次のように計算することができる。
ここで、v~* 0は実行時計算q−軸端子電圧コマンド移動平均値であり、ω0 eは実モータ回転電気速度である。DCバス電圧の変動のために、DCバス電圧変動に対する補償が計算モジュール110またはデータ処理システム120によって与えられなければ、同じ1組の(i* d,i* q)コマンドが、対応する特徴付け速度とは異なるモータ速度で作用している(running)可能性がある。
式(5)および式(6)に基づいて、同じ集合のd−q軸電流コマンド(i* d,i* q)に対する実行時における磁束漏れの特徴付け段階からの偏差は、次のように計算することができる。
λC fと同様、λ0 fも精度が低いLdに対する何らかの補償を含むことができる。しかしながら、(λ0 f −λC f)はLd補償に対する依存性を取り去らなければならない。対応するロータ磁石温度変化ΔTmagnetは、次のように計算することができる。
ここで、ξは永久磁性体に対する負温度係数であり、Δλfは位相毎の磁束密度変化であり、λR fは基準温度(例えば、周囲温度)または基準動作条件における位相毎の磁束である。ΔTmagnetの正の値は、磁石温度の上昇を意味し、ΔTmagnetの負の値は磁石温度の低下を意味する。
図3において、例えば、3−D磁気トルク成分重み付け参照表を作るために、磁気トルク・コマンド重み付けを計算する。IPMSM特徴付け手順は、全速度範囲における最良の動作軌道を決定する。特定の1組の(i* d,i* q)に対して、所与の装置パラメータを使用して、対応する磁気トルク成分およびリラクタンス・トルク成分を計算することができる。したがって、全出力トルク磁気トルク・コマンドの公称重み付け比率は、次のように計算することができる。
ここで、WC magは磁気トルク成分の重み付けであり、ppはモータまたは装置の極対数であり、λR fは基準温度または動作条件における位相毎の最大磁束漏れであり、id *は直接軸電流コマンドであり、iq *は直角軸電流コマンドであり、Ldは直接軸インダクタンスであり、Lqは直角軸インダクタンスである。
計算磁気トルク成分重み付けは、公称装置パラメータ(例えば、極対およびインダクタンス)を使用して得られ、特徴付け段階における真の磁気トルク重み付けとは多少異なる。このトルク重み付けにおける差は、トルク補償段階において何らかの低精度を起こす原因となる可能性があり、データ処理システム120が補助的検査または経験的な検査に基づいて追加の補償をトルク重み付けに適用することもあり得る。このオフライン・ポスト特徴付け計算の後、図3のブロック304に示すような、第4の3−D参照表を生成することができる。
図4は、温度補償と共に電気モータ117(例えば、内部永久磁石モータ、誘導モータ、または他の交流装置)を制御する方法を開示する。図4の方法はステップS200において開始する。
ステップS200において、ロータ磁石温度推定モジュール104または電子データ処理システム120は、モータ117のロータに関連する1つ以上の磁石の温度変化を推定する。例えば、ロータ磁石温度推定モジュール104または電子データ処理システム120は、動作磁束強度を、モータ117の所定の動作範囲(例えば、毎分毎の回転数およびトルク負荷)に対する既知の温度(例えば、室温)における基準磁束強度と比較することに基づいて、1つ以上の磁石の温度変化を推定する。周囲温度は、動作温度範囲内における任意の適した基準温度に設定することができるが、室温またはその付近、あるいは動作温度範囲(例えば、摂氏マイナス40度から150度)の中間に設定することが好ましい。
ロータの永久磁石の強度は、磁石温度変化に対して、摂氏1度(C)当たり約0.09%から約0.12%という、大きな負温度係数を有する。実際には、特に、モータ117が戸外で(outdoor weather)で車両内において使用されているときには、磁石温度は、冷間起動における摂氏マイナス40度から高速最大トルク動作における摂氏150度まで簡単に変わる可能性がある。図4から図6の方法にしたがってトルク補償を設けないと、磁石強度は、約20パーセントまで変化して、モータ軸126において対応する出力トルクの変化を発生させる可能性がある。
一実施形態では、動作磁束強度は、動作直角軸電圧コマンドから得られ、基準磁束強度は基準直角軸電圧コマンドから得られる。モータ117の動作範囲(例えば、所定の動作範囲)は、以下の要因の1つ以上によって決定する、またはこれらの関数として表現することができる。装置の動作速度(例えば、回転モータ軸126の速度)、モータ117にかかるトルク負荷(例えば、電流の大きさまたは電流の引き込み(draw)によって示される)、モータ117の動作持続時間(例えば、連続動作および間欠動作)、ならびに冷却剤流速および温度(該当する場合)。
代替実施形態では、データ処理システム120は、モータ117が下位閾値よりも低いモータ軸速度で動作しているか否か判定を行う。モータ117が下位閾値よりも低いモータ軸速度で動作している場合、データ処理システム120は、ステータ巻線温度センサ115、冷却剤温度センサ115、または双方によって、ロータ磁石温度の判定を補足することもできる。
ステップS202において、ロータ磁石温度推定モジュール104、またはd−q軸電流調節モジュール107、またはデータ処理システム120は、推定温度変化と所定動作範囲と一致するモータ117の目標出力トルクの磁気トルク成分との間の関係を作る。ステップS202を実行する第1の例によれば、この関係を作るには、目標出力トルクの磁気トルク成分を、基準磁束強度、直接軸電流コマンド、直角軸電流コマンド、直接軸インダクタンス、および直角軸インダクタンスの関数として決定することを含む。ステップS202を実行する第2の例によれば、この関係は、次の式にしたがって決定される。
ここで、Jqはq−軸電流コマンドの調節係数であり、WC magは磁気トルク重み付け、ΔTmagnetは計算した磁石温度変化、ξはロータ磁石の永久磁性体の負温度係数、Δλfは位相毎の磁束変化、λf Rは基準温度(例えば、周囲温度)または基準動作条件における位相毎の磁束である。上の式は、直接軸インダクタンスと直角軸インダクタンス間のインダクタンス差(Ld - Lq)は、d−q軸電流コマンド(id,iq)の僅かな変動に対しては、無視できる程度の変化しか有さないことを仮定するとよい。
ステップS204において、d−q軸電流調節モジュール107、またはd−q軸電流生成マネージャ109、または加算器119、またはデータ処理システム120は、作られた関係にしたがって、推定された温度変化に伴う軸126のトルク変動をモータ117が補償するためにコマンド(例えば、直角軸電流に対する)を調節する。ステップS204は、種々の技法にしたがって実行することができ、これらの技法は、交互にまたは累加的に適用することができる。第1の技法によれば、コマンドの調節は、更に、直角軸電流コマンドを調節することを含む。第2の技法によれば、このコマンドは、以下の式によって決定される。
ここで、i* q_adjustedは、直角軸電流コマンドおよびJq調節係数の積であり、Jqはq−軸電流コマンドの調節係数であり、ΔTmagnetは計算された磁石温度変化であり、ξはロータ磁石の永久磁石材料の負温度係数であり、WC magは磁性トルク重み付けであり、Δλfは、位相毎の磁束変化であり、λR fは基準温度(例えば、周囲温度)または基準動作条件における位相毎の磁束である。
上の式は、インダクタンス差(Ld - Lq)が(id、iq)コマンドのわずかな変動に対して無視できる変化しか有さないことを仮定する。一実施形態では、調節係数(jq)は、モータ117の全動作範囲にわたってトルク・コマンドの約5パーセント(5%)内に出力トルクを維持するのを容易にする。以上のようにデータ処理システム120のコントローラが電流コマンドを適正に調節しない場合、磁石温度の上昇によって磁石強度が弱くなると、モータ117の出力トルクおよび動作効率が低下する。同様に、磁石温度の低下によって磁石強度が強くなると、モータ117の出力トルクが増大して端子電圧を過剰使用するか、または電流調整(例えば、電流調整コントローラ111の電流調整)が不安定になる原因になることが多くなる。
図5の方法は、図5の方法ではステップS204がステップS206と置き換わること以外、図4の方法と同様である。図4および図5における同様の参照番号は、同様の手順またはステップを示す。
ステップS206において、d−q軸電流調節モジュール107、またはd−q軸電流生成マネージャ109、または加算器119、乗算器310、またはデータ処理システム120は、作られた関係にしたがって、推定温度変化に伴う軸126トルクの変動をモータ117が補償するためにコマンド(例えば、直角軸電流に対する)を調節する。ここで、コマンドの調節は、モータ117のロータの磁石の温度上昇に応答して、直角軸電流コマンドを増加させることを含む。
図6の方法は、図6の方法ではステップS204がステップS208と置き換わっていることを除いて、図4の方法と同様である。図4および図6における同様の参照番号は、同様の手順またはステップを示す。
ステップS208において、d−q軸電流調節モジュール107、またはd−q軸電流生成マネージャ109、または加算器119、またはデータ処理システム120は、作られた関係にしたがって、推定温度変化に伴う軸126トルクの変動をモータ117が補償するためにコマンド(例えば、直下軸電流に対する)を調節する。ここで、コマンドの調節は、推定温度変化および目標出力コマンドの磁気トルク成分に基づいて、直角軸電流を調節することを含む。ステップS208は、種々の手順にしたがって実行することができ、これらの手順は交互にまたは累加的に適用することができる。第1の手順の下では、以下の式にしたがって推定温度変化を判定する。
ここで、ΔTmagnetは磁石の温度変化であり、ΔTmagnetの値が正であると温度の上昇を示し、ΔTmagnetの値が負であると温度の低下を示す。Δλfは位相毎の磁束変化であり、λf Rは基準温度(例えば、周囲温度)または基準動作条件における位相毎の磁束であり、ξは永久磁石の材料の負温度係数である。
第2の手順の下では、磁気トルク成分は、以下の式にしたがって判定する。
ここで、WC magは、全出力トルクの磁気トルク成分の公称重み付け比率であり、ppはモータの極対数であり、λf Rは、基準温度または動作条件における位相毎の最大磁束漏れであり、id *はそれぞれの直接軸電流コマンドであり、iq *は対応する直角軸電流コマンドであり、Ldは直接軸インダクタンスであり、Lqは、直角軸インダクタンスである。上の式において、(i* d,i* q)は、特定の1組または対応する対のd−q軸電流コマンド(例えば、PWM信号のパルス・サイクルに対する)のである。
本明細書において開示した方法およびシステムは、ロータ磁石の温度変動に関係なく、目標トルクの適した許容範囲(例えば、±5パーセント)内でモータ117の均一なトルクを得るのに非常に適している。例えば、ロータ磁石の温度は、天候条件による周囲温度の変化のために、またはモータが動作する車両または装置のデューティ・サイクル(例えば、連続対間欠)のために変動する可能性がある。更に、本明細書において開示した方法およびシステムは、雑多な磁石強度状態の下で装置の動作効率を改善するのにも非常に適している。
以上好ましい実施形態について説明したが、添付した請求項において定められている発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行えることは明白であろう。
Claims (20)
- 磁石が関連するロータとステータとを含む電気モータを制御する方法であって、
前記モータのロータに関連する前記磁石の温度変化を、動作磁束強度に基づいて推定するステップであって、前記動作磁束強度が、既知の周囲温度および前記モータの所定の動作範囲において決定された基準磁束強度と比較される、ステップと、
前記推定温度変化と、前記所定の動作範囲と一致する前記モータの目標出力トルクの磁気トルク成分との間において、関係を作るステップと、
前記作った関係にしたがって、前記推定した温度変化に関連する軸トルクの変動を前記モータが補償するために、コマンドを調節するステップと、
を含む、方法。 - 請求項1記載の方法において、前記動作磁束強度が、動作直角軸電圧コマンドから得られ、前記基準磁束強度が基準直角軸電圧コマンドから得られる、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記関係を作るステップが、前記目標出力トルクの磁気トルク成分を、前記基準磁束強度、直接軸電流コマンド、直角軸電流コマンド、直接軸インダクタンス、および直角軸インダクタンスの関数として決定するステップを含む、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記コマンドを調節するステップが、更に、直角軸電流コマンドを調節するステップを含む、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記コマンドを調節するステップが、更に、温度上昇に応答して、直角軸電流コマンドを増加するステップを含む、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記コマンドを調節するステップが、更に、前記推定温度変化および前記目標出力トルクの磁気トルク成分に基づいて、直角軸電流成分を調節するステップを含む、方法。
- 電気モータを制御するシステムであって、前記モータが、磁石が関連するロータと、ステータとを含み、前記システムが、
前記モータのロータに関連する前記磁石の温度変化を、動作磁束強度に基づいて推定し、前記動作磁束強度が、既知の周囲温度および前記モータの所定の動作範囲において決定された基準磁束強度と比較される、データ・プロセッサと、
前記推定温度変化と、前記所定の動作範囲と一致する前記モータの目標出力トルクの磁気トルク成分との間において、関係を作る温度推定モジュールと、
前記作った関係にしたがって、前記推定した温度変化に関連する軸トルクの変動を前記モータが補償するために、コマンドを調節する電流調節モジュールと、
を含む、システム。 - 請求項11記載のシステムにおいて、前記データ・プロセッサが、前記動作磁束強度を動作直角軸電圧コマンドから得るように構成されており、更に前記データ・プロセッサが、前記基準磁束強度を基準直角軸電圧コマンドから得るように構成されている、システム。
- 請求項11記載のシステムにおいて、前記データ・プロセッサが、前記関係を作るために前記温度推定モジュールのソフトウェア命令を実行するように構成されており、前記関係が、前記目標出力トルクの磁気トルク成分を、前記基準磁束強度、直接軸電流コマンド、直角軸電流コマンド、直接軸インダクタンス、および直角軸インダクタンスの関数として含む、システム。
- 請求項11記載のシステムにおいて、前記コマンドが、更に、直角軸電流コマンドを含む、システム。
- 請求項11記載のシステムにおいて、前記コマンドが、対応する温度上昇に応答する、直角軸電流コマンドのそれぞれの増加を含む、システム。
- 請求項11記載のシステムにおいて、前記コマンドが、前記推定温度変化および前記目標出力トルクの磁気トルク成分に基づく、直角軸電流成分に対する調節を含む、システム。
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