JP4521034B2 - 内部永久磁石機械の位置センサレス制御 - Google Patents

Description

本発明は一般的に内部永久磁石（ＩＰＭ）機械に関し、特に、ローター位置を推定するための位置センサを用いることのないＩＰＭ機械の制御に関する。
発明の背景
交流機−始動機システムは、エンジン始動のためのエンジン・クランキングを提供するため、及び、車両電気補助負荷（ホテル負荷としても知られている）のための電力を生成するために車両において使用される。エンジンによっては、「オン−オフ」操作によって、すなわち、排気とガソリン消費とに基づいてエンジンをオン、オフすることによって、ガソリンの消費及び排気を低減することができる。こうしたエンジンは、例えば都会の停止−走行動作期間に、始動を反復する必要がある。典型的には、エンジンの始動トルクは、短期間ではあるけれども、車両を駆動するためのトルクよりもずっと大きいことを要する。一方、電力の生成は、エンジン・アイドル速度からエンジン最大速度までの広いエンジン動作範囲にわたって提供される必要がある。

若干の交流機−始動機システムが市販されている。こうしたシステムは、例えば、従来の修正されたランデル交流機、誘導機、リラクタンス切り換え型機械又は強磁束ＩＰＭ機械に基づいている。例えば、ランデル型の交流機の中には、効率が低いものがある。誘導機型のシステムは低いトルク密度を提供し、広い速度範囲にわたって電力生成を提供するのが困難である。リラクタンス切り換えシステムも低いトルク密度と動作効率を提供し、別的な欠点を有する。永久磁石システムの中には良好なトルク密度を提供するものがあるが、高磁束に関連する高スピン損失のために、高速ではその動作効率が下がる。また、電気的故障が生じると、こうしたシステムの信頼性が失われる。

発明の概要
本発明は、一つの実施の形態においては、ローターとステーターを有するＩＰＭ機械を制御するための方法に関する。ステーター端子信号が測定され、測定信号が取得される。測定信号は回転され、同期基準フレーム電流信号が取得される。ローターを用いて生成され電流信号に含まれるインピータンスに基づいて、ローター位置が推定される。推定されたローター位置を用いて機械を制御する。

他の実施の形態においては、発明は、交流機−始動機システムを用いてエンジン動力型車両のためのクランキング・トルクと電力生成を提供する方法に関する。交流機−始動機システムのＩＰＭ機械のステーター端子信号が測定され、ベクトル回転されて同期基準フレーム電流信号が取得される。この方法は、ＩＰＭ機械のローターによって生成されるインピーダンスを電流信号において取得すること、このインピーダンスに基づいてローターの位置を推定すること、推定されたローター位置に基づいてＩＰＭ機械を制御することを含む。インピーダンスは、ステーター巻線に注入される高周波信号を用いて機械の低速において取得される。

更に別の実施の形態においては、エンジン動力型車両の交流機／始動機システムはステーターとローターを有する内部永久磁石（ＩＰＭ）機械を備える。コントローラは、ステーター端子信号を測定してベクトル回転させ、同期基準フレーム電流信号を取得し、ローターによって生成されるインピーダンスを電流信号において取得し、インピーダンスに基づいてローターの位置を推定し、推定されたローター位置に基づいて機械を制御する。

本発明の更なる応用分野は以下に提供される詳細な説明から明らかになろう。理解されるように、詳細な説明と特定の例は、発明の例示の実施の形態を示しており、単なる例示を目的としているのであって、発明の範囲を限定するものではない。詳細な説明及び添付の図面から、本発明を一層完全に理解することができよう。

例示の実施の形態の詳細な説明
本発明の種々の実施の形態についての以下の説明は本質的に単なる例示であり、発明、その応用又は使用を限定するものではない。

図１に、エンジン動力型車両のための交流機−始動機システムの実施の形態が一般に参照数字２０で示されている。始動機−交流機機械２４は例えば４２ボルトの電池である電池２８によって給電される。システム２０はベルト型交流機−始動機（ＢＡＳ）システムであり、機械２４とエンジン３２との間にプーリー／ベルト・ユニット３０を備える。他の実施の形態においては、システム２０は一体型始動機・発電機（ＩＳＧ）システムであり、機械２４はエンジン３２に直結されている。機械２４は低速におけるエンジン・クランキング・トルクとエンジン３２の全速度範囲にわたる電力生成とを提供する。

エンジン動力型車両のための交流機−始動機システムの他の実施の形態は、図２において一般に参照数字１２０で指示されている。電池１２２は例えば４２ボルトの電池で、インバータ１２６に接続される。インバータ１２６は電池１２２の直流電圧を機械１３０への入力のための交流電圧へ変換する。機械１３０はエンジン１３４をかけるための始動トルクを提供するとともに車両ホテル負荷のための生成電力を提供する。例えば、機械１３０は、後述するように、低磁束・高突極性を示すＩＰＭ機械である。機械１３０はＩＳＧシステムにおいてエンジン１３４と直接的に一体化されても、図１を参照して既に説明したようにベルト駆動されてもよい。

コントローラ１３８は機械１３０及びシステム１２０のために位置センサレス制御を提供する。後述するように、コントローラ１３８は電圧感知部１４０及び電流感知部１４４によって測定された電圧及び電流を用いて機械１３０のローター位置を推定する。コントローラ１３８は推定されたローター位置を用いて、低速でのエンジン・クランキング及び機械１３０による高速での電力生成のための、効率が最適化された制御を行う。

図３に、インバータ１２６が詳細に図示されている。インバータ１２６は、カルフォルニア州エルセグンドのインターナショナル・レクティファイア・コーポレーションからのＨｅｘｐａｃｋモジュールにおける６つのＭＯＳＦＥＴスイッチ１６０及びその関連のゲート駆動回路（図示せず）を備えている。

図４に、機械１３０が詳細に図示されている。機械１３０はローター２０８と、エアギャップ２１６によって分離されたステーター２１２とを備える。ステーター２１２は巻線２１４を備え、例えば誘導機械に用いられるステーターと同じ又は同様の、ショート・ピッチの分散巻きステーターであってよい。ローター２０８は永久磁石２２０を内部に備えたスロット又は空隙２２４を備える。磁石２２０は射出成形されるが、他の形式の磁石を用いてもよい。

ローターのスロット２２４と磁石２２０は、機械突極性を増すために、複数の仕切り（層とも呼ばれる）２２８に、例えば図４に示すように３層に分布される。一般に、機械の突極性が高い場合、エアギャップ２１６における磁束を弱く維持することができる。ローター２０８は、例えば、磁石２２０がローター２０８へ射出された後に磁化される。これについては、本願の譲受人へ譲渡された、２００１年９月１４日出願の米国特許出願第０９／９５２３１９号、２００２年５月７日出願の米国特許出願第１０／１４０９１８号、２００２年３月１日出願の米国特許出願第１０／０８７２３６号及び２００３年５月８日出願の米国特許出願第１０／４３１７４４号を参照されたい。これらの開示全体を本明細書に援用する。

仕切り２２８の形状及び配置は、トルクを最大にしトルク・リップルを最小にするように設定される。例えば、機械１３０における最大化及びトルク・リップルの最小化に関する追加の情報が前記の特許出願において利用可能である。ローター２０８の外面２３２から十分に離れていて空隙内の磁性材料の磁化が困難又は不可能なローター空隙２２４には、磁性材料がないままにされる。エアギャップ２１６における磁束は、スピン損失を低減し且つ故障の可能性を低めるよう、弱く維持される。

交流機−始動機制御システムの実施の形態が、参照数字３００によって図５に一般的に図示されている。トルク指令Ｔ_ｅ ^＊が制御システム３００に入力され、トルク制限器モジュール３０４によって処理される。モジュール３０４は、利用可能なＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃと推定されたローター角速度ω_ｅとに依存してトルク指令Ｔ_ｅ ^＊を制限する。角速度ω_ｅは後述するように推定される。モジュール３０４は修正されたトルク指令Ｔ_ｅ ^＊＊を出力する。修正されたトルク指令Ｔ_ｅ ^＊＊と後述するように生成されるステーター磁束指令Ψ^＊ _ｓとは、電流指令計算モジュール３０８への指標として、ｄ軸ステーター電流指令Ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸ステーター電流指令Ｉ_ｑ ^＊を生成するのに用いられる。電流指令計算モジュール３０８は、エンジン・クランキング及び発電動作のための効率最適化された制御パラメータを生成する。

電流指令Ｉ_ｄ ^＊及びＩ_ｑ ^＊は同期電流調整・動的過変調モジュール３１２に入力され、同期基準フレームにおける電圧指令Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊が生成される。同期−定常変換モジュール３１６は、推定されたローター角位置θ_ｒを用いて指令電圧Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊をベクトル回転させる。ローター角位置θ_ｒは、後述するように、位置センサを用いることなく推定されることができる。

変換モジュール３１６によって出力される定常電圧は高周波注入信号、例えばＶ_ｉｎｊｃｏｓω_ｉｎｊｔ（ただし、ω_ｉｎｊは１ＫＨｚ前後）とともに注入され、定常フレーム指令電圧Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊が生成される。電圧Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊はパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータ３２０に入力され、このインバータは図４を参照して既に説明した高突極性・低磁束内部永久磁石（ＩＰＭ）機械３２４のステーター巻線に３相交流電圧を印加する。

ステーター端子位相電流及び位相電圧が測定され（例えば、図２を参照して既に説明したように感知され）、３相−２相変換モジュール３２８によって処理される。モジュール３２８は定常フレーム電流Ｉ_ｄｓ ^ｓ、Ｉ_ｑｓ ^ｓ及び定常フレーム電圧Ｖ_ｄ ^ｓ、Ｖ_ｑ ^ｓを出力する。定常−回転フレーム変換モジュール３３２は推定されたローター角位置θ_ｒを用いて同期基準フレーム・フィードバック電流Ｉ_ｄｓ ^θ、Ｉ_ｑｓ ^θを生成する。後述するように、位置センサレス推定モジュール３３６の実施の形態は、指令されたｄ軸電圧Ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧Ｖ_ｑ ^＊、フィードバック電流Ｉ_ｄｓ ^θ、Ｉ_ｑｓ ^θ及び初期角速度ω_{ｅ_ｉｎｉｔ}を用いてローター角位置θ_ｒ及び角速度ω_ｅを推定する。

電圧振幅モジュール３４０は、指令された電圧Ｖ_ｄ ^＊，Ｖ_ｑ ^＊からステーター電圧の振幅Ｖ_ｍａｇを計算する。弱め界磁モジュール３４４はステーター電圧の振幅Ｖ_ｍａｇと所定の基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを用いてステーター磁束Ψ^＊ _ｓを生成する。始動／再始動モジュール３４８は、定常基準フレームにおいて測定されたステーター端子電圧Ｖ_ｄ ^ｓ、Ｖ_ｑ ^ｓを用いて初期角速度ω_{ｅ_ｉｎｉｔ}を推定する。また、想定されるように、他の実施の形態においては、他の方法を用いて初期角速度ω_{ｅ_ｉｎｉｔ}を推定することができる。

位置センサレス推定モジュール３３６が図６に詳細に示される。モジュール３３６は２つの方法を使って、指令された電圧及びフィードバック電流からローターの位置と角速度を推定する。具体的には、モジュール３３６は、機械動作の速度ゼロ及び低速でのローター電気位置θ_ｒを推定するための低速モジュール４２０を備える。機械動作の高速でのローター位置を推定するために、高速モジュール４２４が用いられる。モジュール４２０、４２４については後述する。遷移モジュール４２８は、モジュール４２０、４２４の出力をローター速度ω_ｅ（この値は後述するように取得される）の関数として併合させて位置誤差信号４４０を生成する。位置／速度観測器４４４は誤差信号４４０を用いてローターの位置θ_ｒ及び角速度ω_ｅを推定する。

具体的には、フィードバック電流Ｉ_ｄｓ ^θ、Ｉ_ｑｓ ^θ（図６に入力電流ｉ^θ _ｄｑとして示される）及び指令された電圧Ｖ_ｄ ^＊，Ｖ_ｑ ^＊（図６に入力電圧Ｖ^θ _ｄｑとして示される）が位置センサレス推定モジュール３３６に入力される。低速モジュール４２０において、同期基準フレームにおける入力電流ｉ^θ _ｄｑは２次バンドパス・フィルタ４４６によって処理され、信号４４８を生成する。また、入力電流ｉ^θ _ｄｑは２次ローパス・フィルタ４５０によって処理されて信号４５２を生成する。これについては後述する。

ブロック４５４は信号４４８のｑ軸における虚数成分を有する信号４５６を提供する。機械３２４のローター突極性により、機械３２４のステーター端子で測定された信号のリアクタンスはローター位置の関数として変動する。信号４５６の虚数成分は、図５を参照して説明したステーター電圧に注入された（及び、ブロック３３２においてステーター電流でベクトル回転された）注入信号Ｖ_ｉｎｊｃｏｓω_ｉｎｊｔの高周波インピーダンスを取得する。ブロック４６０において、信号４５６はｓｉｎω_ｉｎｊｔと乗算され、信号４６４においてＤＣ値を生成する。ブロック４６８において、信号４６４は利得

と乗算される。ただし、ω_ｉｎｊは注入された信号周波数、Ｌ_ｄ及びＬ_ｑはそれぞれｄ軸及びｑ軸のインダクタンスを表し、Ｖ_ｉｎｊは注入された信号電圧を表す。出力信号４３２は遷移モジュール４２８へ提供されるローター位置推定を含む。

ここで高速モジュール４２４を参照すると、同期基準フレーム指令電圧Ｖ^θ _ｄｑが、後述する他の入力とともに加算ブロック４７２に入力される。ブロック４７２によって出力される信号４７６はブロック４８０で処理されて、推定された同期ステーター電流信号４８２を生成する。ブロック４８０による処理はステーター電圧の式、具体的にはＩ＝Ｖ／（Ｌｓ＋Ｒ）に基づいている。ただし、Ｉはステーター電流を表し、Ｖはステーター電圧を表し、Ｌはステーター・インダクタンスを表し、Ｒはステーター抵抗を表す。電圧誤差信号がＶ＝ｊω_ｅＬＩにしたがってブロック４８４において決定され、加算ブロック４７６から減算されるが、角速度ω_ｅに対する値は始動／再始動モジュール３４８から取得され、及び／又は、位置／速度観測器モジュール４４４によって推定される。ステーター電流信号４８２は加算ブロック４８８に入力される。上述のように、電流信号４５２はローパス・フィルタ４５０から出力される。フィルタ４５０は高周波注入信号Ｖ_ｉｎｊｃｏｓω_ｉｎｊｔを除去する。フィルタ処理された信号４５２は加算ブロック４８８から減算されて信号４９０を生成し、信号４９０は比例積分（ＩＰ）制御ブロック４９４に入力されて、電圧フェーザー（phasor）値を表す信号４９６を生成する。信号４９６はブロック４９８で処理されて信号４３６を生成するが、この信号は、上述のように遷移モジュール４２８へ提供されるローター位置推定を含む。また、信号４９６は加算ブロック４７２へフィードバックされ、そこで指令電圧Ｖ^θ _ｄｑから減算される。

上述の制御方法は、前述のＩＰＭ機械を制御してエンジン・クランキングを最適な効率で実施するとともに電力生成を最大電力且つ最適効率で実施するように用いることができる。機械は高いトルク密度を持ち、それにより、システムの体積及び質量を低減することができる。前述の機械は相対的に低い磁束を生成するので、スピン損失は低減され、機械動作は耐故障性である。前述の機械の構成は大量生産に適しており、システム・コストを低減する。前述のシステムは、動作効率を提供しながら、広い速度範囲にわたって高いクランキング・トルクと生成電力とを提供することができる。前述のコントローラは効率的な動作を提供するよう機械の構成を活用する。位置センサは推定モジュールにおいて使用されないので、信頼性が改善され且つコストが下がる。前述のシステムは、ランデル・クローポール交流機、誘導機械、リラクタンス切り換え型機械及び／又は他の永久磁石機械を用いるシステムなどを含む他のシステムと比較して改善された性能を提供する。システムは高速において低い電池電圧を効率的に利用して、良好な効率で高生成電力を提供し、それにより、エネルギ損失を低減し且つ燃費効率を向上させる。電池を消耗させることなく、また、電池電力限界を超えることなく、反復されるクランキングを実施することができる。ｓ
これまでの説明から当業者は理解するように、本発明の広範な教示を種々の形式で実現することができる。したがって、本発明をその特定の例と関連させて説明してきたが、発明の真の範囲はそれによって限定されるものではない。当業者には、図面、明細書及び請求項を研究するとき、他の修正が明らかになるからである。

本発明の１つの実施の形態に係る、エンジン動力型車両のための交流機−始動機システムの図である。 本発明の１つの実施の形態に係る、エンジン動力型車両のための交流機−始動機システムの図である。 図２に示す交流機−始動機システムのインバータと機械を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るＩＰＭ機械の断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る交流機−始動機制御システムを示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る交流機−始動機制御システムの位置推定モジュールを示す図である。

Claims (15)

1. ローターとステーターとを有するＩＰＭ機械を制御する方法であって、
   ステーター端子信号を測定して測定信号を取得するステップと、
   前記測定信号を回転させて同期基準フレーム電流信号を取得するステップと、
   前記ローターを用いて生成されるインピーダンスに基づいてローター位置を推定するステップと、
   前記の推定されたローター位置を用いて前記機械を制御するステップと、
   を備え、
   ローター位置を推定する前記ステップが、
   前記同期基準フレーム電流信号をフィルタリングして、ｑ軸において虚数成分を有する信号を取得するステップと、
   前記虚数成分と、前記の注入された高周波信号と同じ周波数を有する信号とを乗算してＤＣ値を取得するステップと、
   利得を前記ＤＣ値に適用するステップと、
   を備える方法。
2. 同期基準フレーム指令電圧信号をベクトル回転させて定常電圧を取得するステップと、
   前記定常電圧に高周波信号を注入して、定常フレーム指令電圧を生成するステップと、
   前記定常フレーム指令電圧をパルス幅変調して前記ステーター端子信号を取得するステップと、
   を更に備える、請求項１に記載の方法。
3. ω _ｉｎｊ が前記の注入された信号の周波数を表し、Ｌ _ｄ がｄ軸におけるインダクタンスを表し、Ｌ _ｑ がｑ軸におけるインダクタンスを表し、Ｖ _ｉｎｊ が前記の注入された信号の電圧を表すとして、前記利得が
   

   

   を含む、請求項１に記載の方法。
4. ローター位置を推定する前記ステップが、
   同期ステーター電流を推定するよう、同期基準フレーム指令電圧信号を用いるステップと、
   前記の推定された同期ステーター電流を用いて前記ローター位置を推定するステップと、
   を備える、請求項１に記載の方法。
5. 同期基準フレーム指令電圧信号を用いる前記ステップが、
   Ｖ＝ｊω _ｅ ＬＩにしたがって前記同期基準フレーム指令電圧信号に誤差信号を適用して、補正された電圧を取得するステップと、
   Ｉがステーター電流を表し、Ｖがステーター電圧を表し、Ｌがステーター・インダクタンスを表し、Ｒがステーター抵抗を表すとして、Ｉ＝Ｖ／（Ｌｓ＋Ｒ）にしたがって前記の補正された電圧を処理して前記の推定された同期ステーター電流を取得するステップと、
   を備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記の推定された同期ステーター電流を用いる前記ステップが、
   前記同期基準フレーム電流信号をフィルタリングして前記高周波信号を取得するステップと、
   前記のフィルタリングされた電流信号と前記の推定された同期ステーター電流とを加算して、加算された電流信号を取得するステップと、
   比例積分を用いて前記加算された電流信号を制御して前記ローター位置を推定するステップと、
   を備える、請求項５に記載の方法。
7. 推定する前記ステップが、ローター位置センサを用いることなく実施される、請求項１に記載の方法。
8. 前記ローターの複数のスロットに複数の磁石を配置するステップと、
   前記スロットのうちの幾つかを空にして前記インピーダンスを生成するステップと、
   を更に備える、請求項１に記載の方法。
9. 交流機−始動機システムを用いてエンジン動力型車両のためのクランキング・トルクと電力生成とを提供する方法であって、
   前記交流機−始動機システムのＩＰＭ機械のステーター端子信号を測定してベクトル回転させて同期基準フレーム電流信号を取得するステップと、
   前記同期基準フレーム電流信号において、前記ステーターへ注入される高周波信号を用いて、前記ＩＰＭ機械のローターによって生成されるインピーダンスを取得するステップと、
   前記インピーダンスに基づいて前記ローターの位置を推定するステップと、
   前記の推定されたローター位置に基づいて前記ＩＰＭ機械を制御するステップと、
   を備え、
   ローター位置を推定する前記ステップが、
   前記同期基準フレーム電流信号をフィルタリングして、ｑ軸において虚数成分を有する信号を取得するステップと、
   前記虚数成分と、前記の注入された高周波信号と同じ周波数を有する信号とを乗算してＤＣ値を取得するステップと、
   利得を前記ＤＣ値に適用するステップと、
   を備える方法。
10. 複数の磁石を前記ローターの複数のスロットに分布させて仕切を形成するステップと、
    前記スロットのうちの幾つかを空にしておくステップと、
    を更に備える、請求項９に記載の方法。
11. Ｉがステーター電流を表し、Ｖがステーター電圧を表し、Ｌがステーター・インダクタンスを表し、Ｒがステーター抵抗を表すとして、Ｉ＝Ｖ／（Ｌｓ＋Ｒ）にしたがって前記機械の高速での前記インピーダンスを取得して、推定された同期ステーター電流を取得するステップと、
    比例積分コントローラを用いて前記推定された同期ステーター電流を処理するステップと、
    を更に備える、請求項９に記載の方法。
12. ローター位置の低速推定をローター位置の高速推定と併合するステップを更に備える、請求項１１に記載の方法。
13. エンジン動力型車両のための交流機−始動機システムであって、
    ステーターとローターとを有する内部永久磁石（ＩＰＭ）機械と、
    コントローラであって、ステーター端子信号を測定してベクトル回転させて同期基準フレーム電流信号を取得し、前記電流信号に前記ローターによって生成されたインピーダンスを取得し、前記インピーダンスに基づいて前記ローターの位置を推定し、前記の推定されたローター位置に基づいて前記機械を制御するコントローラと、
    を具備し、
    前記コントローラが、ローター位置を推定するために、
    前記同期基準フレーム電流信号をフィルタリングして、ｑ軸において虚数成分を有する信号を取得し、
    前記虚数成分と、前記の注入された高周波信号と同じ周波数を有する信号とを乗算してＤＣ値を取得し、
    利得を前記ＤＣ値に適用する
    よう動作するシステム。
14. 前記ローターが、スロットにおいて複数の磁石によって形成される複数の仕切を備え、幾つかのスロットが空である、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記磁石が射出成形された磁石である、請求項１３に記載のシステム。

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