JP2018506956A - 非同期機のための制御装置および非同期機を作動する方法 - Google Patents

Abstract

非同期機を作動する方法であって、同期的に回転する非同期機の座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することによって、非同期機の多数の目標トルクについて非同期機の作用点軌跡を決定する決定ステップ；縦電流値および横電流値から計算された２組のそれぞれについて、非同期機の滑り周波数を計算する計算ステップ；非同期機の最新のロータ回転数を検出する検出ステップ；計算された滑り周波数および非同期機の極対数によって重み付けされた最新のロータ回転数の合計により非同期機の励起周波数を計算する計算ステップ；および計算された非同期機の励起周波数と、非同期機の少なくとも１つの所定の共振周波数値とを比較する比較ステップを備える方法に関する。この場合、２組のうち、計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致する方について、目標トルクが一定に保持されている場合に、縦電流値と横電流値との間の比率を変更することにより、決定された作用点軌跡が補正される。

Description

本発明は、非同期機のための制御装置および非同期機を作動する方法に関する。

スイス特許発明第４７７１２４号明細書は、非同期機における滑り周波数を制御するための装置を開示している。

誘導機を備える電気駆動装置は、回転数およびトルクによって決定された作動点に応じて、三相電動機において異なる周波数を励起し、これらの周波数は、固体または空気伝搬音の伝搬時ならびに伝送されたトルクのリップルの制御時に現れる場合がある。特に、例えばステータとロータとの間のエアギャップにおける力の伝達によって、三相電動機の固有周波数が励起された場合、または機械の駆動軸にフランジ結合された構成要素の固有周波数によって、機械および／または機械に結合された構成要素の共振が生じ、このような共振は、検出された電気駆動装置の空気伝搬音に不都合な影響を及ぼす場合がある。

所定の回転数範囲では、電気駆動装置の構成要素内の固有周波数が三相電動機の調波によって励起され、検出される空気伝搬音のレベルはこれらの固有周波数において飛躍的に上昇する。しかしながら、電気駆動装置によって放出される騒音は、作動時には最小限に低減されることが望ましい。

スイス特許発明第４７７１２４号明細書

非同期機を作動するために、機械の設計および機械の出力密度を実質的に制限する必要なしに、作動範囲全体にわたって騒音発生を最小限に抑えることができる手段が必要とされている。

本発明は、第１の態様によれば、非同期機を作動する方法であって、同期的に回転する非同期機の座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することによって、非同期機の多数の目標トルクについて、非同期機の作用点軌跡を決定する決定ステップ；縦電流値および横電流値から計算された２組のそれぞれについて、非同期機の滑り周波数を計算する計算ステップ；非同期機の最新のロータ回転数を検出する検出ステップ；計算された滑り周波数、および非同期機の極対数によって重み付けされた最新のロータ回転数の合計により非同期機の励起周波数を計算する計算ステップ；および計算された非同期機の励起周波数と、非同期機の少なくとも１つの所定の共振周波数値とを比較する比較ステップを備える方法が得られる。この場合、２組のうち、計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致する方について、目標トルクが一定に保持されている場合に縦電流値と横電流値との間の比率を変更することにより、決定された作用点軌跡が補正される。

別の態様によれば、本発明は非同期機のための制御装置であって、非同期機の同期的に回転する座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することによって、非同期機の多数の目標トルクについて、非同期機のための作動点軌跡を決定し、縦電流値および横電流値から計算された２組のそれぞれについて非同期機の滑り周波数を計算し、計算された滑り周波数および非同期機の極対数によって重み付されたロータ回転数の合計により、非同期機の励起周波数を計算するように設計されたコントロールモジュールを備える制御装置が得られる。さらに制御装置は比較モジュールを含み、比較モジュールは、コントロールモジュールに接続されており、コントロールモジュールによって計算された非同期機の励起周波数を非同期機の少なくとも１つの所定の共振周波数値と比較し、２組のうち、計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致する方にていて、目標トルクが一定に保持されている場合に縦電流値と横電流値との間の比率を変更することにより、コントロールモジュールによって決定された作用点軌跡を補正するように設計されている。

別の態様によれば、本発明は電気駆動系であって、非同期機、非同期機に接続されており、非同期機のために複数相の電流供給を準備するように設計されているインバータ、およびインバータに接続されており、非同期機を作動するための本発明による方法にしたがってインバータを制御するように設計されている本発明による制御装置を備える電気駆動系が得られる。

発明の利点
本発明の思想は、電気駆動系において固有周波数および／または共振周波数がもはや励起されないように、制御アルゴリズムによって非同期機内で励起される周波数をずらすことである。これは、非同期機の作動点もしくは作用点を決定するための付加的な操作量として、所定の目標トルクにおいて縦電流および横電流との間の比率によって滑り周波数が変更されることを保証することができる。

したがって、全ての周波数スペクトルにわたって、ほぼすべての回転数範囲において音響に対する要求が満たされる必要があるという設計基準は著しく緩和される。非同期機によって放出される空気伝搬音における音量差は、非同期機の共振周波数の励起を防止することにより著しく減じられる。

作用点軌跡の変更は非同期機の効率の負担になるが、効率の観点で最適な非同期機の作用点から離れて、作用点を持続的に補正することは不可欠ではない。したがって、本発明による方法によって、非同期機の制御において付加的な自由度が得られ、この自由度により、駆動系の不都合な固有周波数が励起される恐れのある負荷レベルで、まさにこの固有周波数の励起を防止するための動的および一時的な制御機構を得ることができる。

本発明による方法の一実施形態によれば、作用点軌跡の決定は、非同期機の複数の目標トルクのそれぞれについて、縦電流および横電流のベクトル加算により得られる相電流を最小限にすることを含む。

本発明による方法の別の一実施形態によれば、非同期機の少なくとも１つの所定の共振周波数値は、非同期機に接続された伝動装置内の固有周波数、エアギャップにおける力によって非同期機内で励起された共振周波数および／または調波を含んでいてもよい。

この場合、別の一実施形態では、非同期機の所定の共振周波数値は、回転数に依存した空気伝搬音測定によって決定することができる。

本発明による方法の別の実施形態によれば、縦電流値と横電流値との間の比率の変更は、目標トルクが一定に保持された場合に縦電流および横電のベクトル加算により得られる相電流の増大を含んでいてもよい。

本発明による制御装置の一実施形態によれば、さらに制御装置は、コントロールモジュールに接続されており、非同期機の最新のロータ回転数を検出するように設計されている回転数検出モジュールを含んでいてもよい。

本発明による制御装置の別の一実施形態によれば、さらに制御装置は、比較モジュールに接続されており、非同期機の所定の共振周波数値を保存するように設計されている基準値メモリを含んでいてもよい。

本発明による制御装置の別の一実施形態によれば、所定の共振周波数値は、非同期機に接続された伝動装置内の固有周波数、エアギャップにおける力によって非同期機内で励起された共振周波数および／または調波を含んでいてもよい。

本発明による制御装置の一実施形態によれば、コントロールモジュールは、非同期機の複数の目標トルクのそれぞれについて、縦電流および横電流のベクトル加算により得られる相電流を最小限にすることによって非同期機のための作用点軌跡を決定するように設計されている。

本発明の実施形態の他の特徴および利点が、添付の図面を参照した次の説明から明らかになる。

本発明の一実施形態による非同期機を制御するための方法を示す概略図である。 本発明の別の一実施形態による非同期機を備える電気駆動系を示す概略図である。 本発明の別の一実施形態による非同期機のための制御装置を示す概略図である。

非同期機の電動モードでは、ステータの回転数ｎｓおよびロータの実際の回転数ｎｒ、すなわち実測回転数との間に差があり、ロータの実測回転数はステータの回転数よりも小さい。この差は、「滑り」とも呼ばれ、したがって、ステータ周波数ｆｓｔを計算するためには、対応する滑り周波数ｆｓが非同期機の極対数ｐの関数であるロータ周波数ｆｒ＝ｐ・ｎｒに加算される：
ｆｓｔ＝ｐ・ｎｒ＋ｆｓ。

非同期機の磁界方向制御モードでは、いわゆる「縦軸ｄ」および縦軸に対して直交する横軸ｑを備える磁界方向の座標系にしたがって非同期機のステータに流れる電流が制御され、したがって、ｄ軸は常にロータ磁束の空間ベクトルの方向に位置する。ステータ電流の空間ベクトルは、磁界方向の座標系では縦電流成分Ｉｄおよび横電流成分Ｉｑに分割される。

滑り周波数ｆｓは、非同期機の全ての作動範囲において一定ではなく、滑り係数ｋｓに比例しており、滑り係数は、ステータ電流の縦成分（縦電流成分Ｉｄ）およびステータ電流の横成分（横電流成分Ｉｑ）に比例している。磁界方向制御では、効率を最適化するために、目標トルクが一定の場合には最小限の相電流が生じるように、ステータ電流の縦成分とステータ電流の横成分との間の比率を設定することができる。

この場合、相電流は、ステータ電流の縦成分および横成分のベクトルの合計の値から計算される値をとる。したがって、それぞれの目標トルクおよびそれぞれのロータ回転数について相電流毎に最大トルクの作用点が生じる（「相電流毎の最大トルク(Maximum torque per phase current)」：ＭＴＰＣ）。これらの作用点は、目標トルクおよびロータ回転数の関数として作用点軌跡をもたらし、この作用点軌跡に基づいて非同期機の作動を制御することができる。

ステータ電流の縦方向成分および横方向成分を磁界方向の座標系から非同期機のステータに固定された座標系へ変換することにより、望ましい作用点のために、非同期機への供給を行うｎ相、例えば三相インバータのための制御信号が得られる。

図１は、非同期機を制御するための方法２０の概略図を示す。この方法２０は、例えば非同期機への供給を行うインバータのための制御装置において、例えば図３に関連して以下にさらに説明する図２の電気駆動系１０のための制御装置２において、実施することができる。

まず第１ステップ２１では、非同期機の多数の目標トルクについて、非同期機のための作用点軌跡が決定される。これは、同期的に回転する非同期機の座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することによって行われる。２組は、例えば非同期機の最適な効率を考慮して決定することができ、非同期機では、縦電流および横電流がベクトル加算され、これにより生じた相電流の値が最小限になる。非同期機の多数の目標トルクのそれぞれについて、それぞれの作用点に割り当てられ、共に作用点軌跡を形成する２組を決定することができる。

縦電流値および横電流値から計算される２組のそれぞれについて、ステップ２２で非同期機の滑り周波数が決定される。一般に、（目標トルクが等しい場合に）縦電流値と、対応する横電流値との間の比率が上昇した場合には、滑り周波数が低下するといえる。例えば、４０Ａの縦電流値および４５０Ａの横電流値によって作動される例示的な非同期機の目標トルクが６０Ｎｍの場合には、滑り周波数は約１８Ｈｚである。したがって、縦電流値が２００Ａに高められ、横電流値が１８９Ａに減じられた場合には、滑り周波数は３Ｈｚ未満に低下することもある。

上述のように、滑り周波数は非同期機に伝送される励起の周波数に影響を及ぼす。非同期機に実際に伝送される励起の周波数を計算するためには、さらに非同期機の極対数および最新のロータ回転数に関する情報が必要である。方法２０のステップ２３では、例えば回転数センサ、インクリメンタルエンコーダ、または非センサ式の適切な測定方法によって、非同期機のこの最新のロータ回転数を検出することができる。次いで、ステップ２４では、計算された滑り周波数および非同期機の極対数によって重み付された最新のロータ回転数を合計することによって、非同期機の励起周波数を計算することができる。

励起された非同期機、および非同期機のシャフトに接続された駆動成分の全ての基本波および調波がわかっている場合には、計算された励起周波数において電気駆動系の固有周波数が励起されるかどうか、またどのような範囲で励起されるかを予測することができる。非同期機の共振周波数値は、例えば非同期機に接続された伝動装置内の固有周波数、エアギャップにおける力によって非同期機内で励起された共振周波数、および／またはこの共振周波数の調波を含んでいてもよい。非同期機のこれらの共振周波数値は、例えば回転数に依存した空気伝搬騒音測定により測定することができる。

特にこのような固有周波数の励起を防止することができるように、方法２０のステップ２５では、計算された非同期機の励起周波数が非同期機の少なくとも１つの所定の共振周波数値と比較される。計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致することが明らかな場合には、この励起周波数について、ステップ２６において、縦電流値と横電流値との間の比率を変更することによって、決定された作用点軌跡が補正される。この場合、目標トルクは一定に保持される。例えば、縦電流値と横電流値との間の比率の変更が、目標トルクが一定に保持されている場合に縦電流値および横電流値のベクトル加算によって得られる相電流の上昇を含むように、２組を変更してもよい。

縦電流値と横電流値との間の比率を変更することにより、滑り周波数の変更を達成することができ、それぞれのロータ回転数および所定の目標トルクにおいて、非同期機の励起周波数は、もはや危険な共振周波数値と一致することはない。換言すれば、作用点軌跡は、非同期機に伝送される励起周波数を常に電気駆動系の固有周波数の範囲外に保持するために、効率を幾分失った上で意図的に変更される。

作用点軌跡のこのような音響的な最適化を持続的に行う必要はなく、それぞれ危険な共振周波数値の回転数範囲において短期的にのみ継続すればよく、時間平均の非同期機の効率への負の影響は無視することができる。

縦電流値と横電流値との間の比率を変更する場合に、十分に予備制御がなされた電気駆動系の基本回転数範囲で方法２０を行うことは特に有意義である。もちろん基本回転数範囲にも音響的な観点から危険な作動点がある。なぜなら、回転数が高い場合には他のシステム構成要素の騒音または車両の走行音は、非同期機の騒音にほぼ重なるからである。本方法によって、例示的な非同期機の場合には、危険な共振周波数値における騒音レベルを５ｄＢまで低下させることができる。

図２は、インバータ３からｎ相の交流電流を供給される非同期機１を備える電気駆動系１０の概略図を示す。インバータ３自身には、例えば直流電圧中間回路４によって支援された直流電圧源５、例えば車両の牽引バッテリからエネルギーを供給することができる。

電気駆動系１０は制御装置２を備え、この制御装置はインバータ３に接続されており、図１との関連で説明したように方法２０にしたがって非同期機１を作動するためにインバータ３を制御するように設計されている。制御装置２は、図３の概略図に、より詳細に示されている。

制御装置２は、コントロールモジュール７に接続された回転数検出モジュール６を含む。制御装置２のコントロールモジュール７は、基準値メモリ９へのアクセスを有する比較モジュール８に接続されている。回転数検出モジュール６は非同期機１に接続されており、非同期機１の最新のロータ回転数ｎｒを検出するように設計されている。

最新のロータ回転数はコントロールモジュール７に伝送され、コントロールモジュール７は、非同期機１の同期的に回転する座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することにより、非同期機１の多数の目標トルクについて非同期機１のための作用点点軌跡を決定するように設計されている。次いで、縦電流値および横電流値から計算された２組のそれぞれについて、コントロールモジュール７は非同期機１の滑り周波数を計算する。非同期機１の滑り周波数から、コントロールモジュール７は非同期機１の励起周波数を計算することができる。これは、コントロールモジュール７において、計算された滑り周波数および非同期機１の極対数によって重み付された最新のロータ回転数ｎｒを合計することによって行われる。例えば、非同期機１の多数の目標トルクそれぞれについて、縦電流および横電流のベクトル加算により得られる相電流を最小限にすることによって、非同期機１のための作用点軌跡を決定することができる。

決定された作用点軌跡は、コントロールモジュール７に接続された比較モジュール８に引き渡される。比較モジュール８は、コントロールモジュール７によって計算された非同期機１の励起周波数を少なくとも１つの所定の共振周波数値と比較するように設計されている。計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致する２組のいずれかについて、比較モジュール８は、コントロールモジュール７によって決定された作用点軌跡を補正することができる。これは、目標トルクが一定に保持されている場合に縦電流値と横電流値との間の比率を変更することによって行われる。

比較モジュール８は、例えば基準値メモリ９から共振周波数値を引き出すことができる。基準値メモリ９には、非同期機１の所定の共振周波数値、例えば、非同期機１に接続された伝動装置内の固有周波数、エアギャップにおける力によって非同期機１内で励起された共振周波数、および／または共振周波数の調波を保存することができる。これらの共振周波数値は、例えば異なる回転数範囲における空気伝搬音測定によってあらかじめ測定してもよい。

必要に応じて、比較モジュール８によって補正された作用点軌跡はコントロールモジュール７に伝送され、コントロールモジュール７は、対応する制御信号ｃによってインバータ３を制御することができる。

制御装置２は、例えば、非同期機１にアクセスし、最大限の音量レベルに対するそれぞれの要求を全ての回転数範囲で満たす電気自動車およびハイブリッド車のための電気駆動系１０で使用することができる。

Claims (11)

1. 非同期機（１）を作動する方法（２０）であって、同期的に回転する非同期機（１）の座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することによって、非同期機（１）の多数の目標トルクについて非同期機（１）のための作用点軌跡を決定する決定ステップ（２１）；
   縦電流値および横電流値から計算された２組のそれぞれについて、非同期機（１）の滑り周波数を計算する計算ステップ（２２）；
   非同期機（１）の最新のロータ回転数を検出する検出ステップ（２３）；
   計算された滑り周波数および非同期機（１）の極対数によって重み付けされた最新のロータ回転数の合計により非同期機（１）の励起周波数を計算する計算ステップ（２４）；
   計算された非同期機（１）の励起周波数と、非同期機（１）の少なくとも１つの所定の共振周波数値とを比較する比較ステップ（２５）；および
   ２組のうち、計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致する方について、目標トルクが一定に保持されている場合に縦電流値と横電流値との間の比率を変更することにより、決定された作用点軌跡を補正する補正ステップ（２６）によって非同期機（１）を作動する方法（２０）。
2. 請求項１に記載の方法（２０）において、
   前記作用点軌跡を決定する前記決定ステップ（２１）が、前記非同期機（１）の複数の目標トルクのそれぞれについて、縦電流および横電流のベクトル加算により得られる相電流を最小限にすることを含む方法（２０）。
3. 請求項１または２に記載の方法（２０）において、
   前記非同期機（１）の少なくとも１つの所定の前記共振周波数値が、前記非同期機（１）に接続された伝動装置内の固有周波数、エアギャップにおける力によって前記非同期機（１）内で励起された共振周波数、および／または調波を含む方法（２０）。
4. 請求項３に記載の方法（２０）において、
   回転数に関係した空気伝搬音測定によって前記非同期機（１）の所定の前記共振周波数値を決定する方法（２０）。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法（２０）において、
   縦電流値と横電流値との間の比率の変更が、目標トルクが一定に保持された場合に縦電流および横電流のベクトル加算により得られる相電流の増大を含む方法（２０）。
6. 非同期機（１）のための制御装置（２）であって、非同期機（１）の同期的に回転する座標系における縦電流値および横電流値から２組を計算することによって、非同期機（１）の多数の目標トルクについて、非同期機（１）のための作動点軌跡を決定し、縦電流値および横電流値から計算された２組のそれぞれについて非同期機（１）の滑り周波数を計算し、計算した滑り周波数および非同期機（１）の極対数によって重み付された最新のロータ回転数の合計により非同期機（１）の励起周波数を計算するように設計されたコントロールモジュール（７）；および
   コントロールモジュール（７）に接続されており、コントロールモジュール（７）によって計算された非同期機（１）の励起周波数を非同期機（１）の少なくとも１つの所定の共振周波数値と比較し、２組のうち、計算された励起周波数が少なくとも１つの共振周波数値と一致する方について、目標トルクが一定に保持されている場合に縦電流値と横電流値との間の比率を変更することにより、コントロールモジュール（７）によって決定された作用点軌跡を補正するように設計されている比較モジュールを備える非同期機（１）
   のための制御装置（２）。
7. 請求項６に記載の制御装置（２）において、
   前記コントロールモジュール（７）に接続されており、前記非同期機（１）の最新のロータ回転数を検出するように設計されている回転数検出モジュール（６）をさらに備える制御装置（２）。
8. 請求項６または７に記載の制御装置（２）において、
   前記比較モジュール（８）に接続されており、前記非同期機（１）の所定の共振周波数値を保存するように設計されている基準値メモリ（９）をさらに備える制御装置（２）。
9. 請求項８に記載の制御装置（２）において、
   所定の共振周波数値が、前記非同期機（１）に接続された伝動装置内の固有周波数、エアギャップにおける力によって前記非同期機（１）内で励起された共振周波数および／または調波を含む制御装置（２）。
10. 請求項６から９までのいずれか一項に記載の制御装置（２）において、
    前記コントロールモジュール（７）が、前記非同期機（１）の複数の目標トルクのそれぞれについて、縦電流および横電流のベクトル加算により得られる相電流を最小限にすることによって、前記同期機（１）のための作用点軌跡を決定するように設計されている制御装置（２）。
11. 電気駆動系（１０）において、
    非同期機（１）；
    非同期機（１）に接続されており、非同期機（１）のための多相電流供給を準備するように設計されているインバータ（３）；および
    請求項６から１０までのいずれか一項に記載の制御装置（２）であって、インバータ（３）に接続されており、非同期機（１）を作動するための、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法にしたがってインバータ（３）を制御するように設計されている制御装置（２）を備える電気駆動系（１０）。

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