(57)【要約】本発明は、磁界配向方式による制御が行われる、永久磁石励磁式の同期機におけるローター温度を求めるための方法および装置に関している。本発明によれば、推定値算出器が設けられており、該推定値算出器には、直軸電流制御器と横軸電流制御器から供給される、縦軸電流と横軸電流に対する調整量が供給される。この推定値算出器は、この調整量と同期機の温度モデルを用いたもとでローター温度に対する推定値を求めている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石励磁式同期機におけるローター温度を求めるための方法であって、
磁界配向方式による制御が行われる形式の方法において、
直軸電流に対する調整量（Ｉｄ*）を得るために直軸電流の制御を実施するステップと、
横軸電流に対する調整量（Ｉｑ*）を得るために横軸電流の制御を実施するステップと、
前記直軸電流と横軸電流に対して得られた調整量を、同期機の温度モデルを含んだ推定値算出器に供給するステップと、
前記推定値検出器において、同期機の温度モデルと、当該推定値検出器に供給された直軸電流および横軸電流に対する調整量を用いて、ローター温度に対する推定値を求めるステップとを有していることを特徴とする方法。
【請求項２】
ローター温度に対する推定値を求めるために、それぞれに対応付けられた温度モデルのパラメータからの、直軸電流と横軸電流に対する調整量の偏差を求める、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記推定値検出器において、ローター温度に対する推定値を求めるために、熱的なローター時定数に相応する時定数の考慮が行われる、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
同期機の永久磁石の温度依存性が、温度モデルにおける状態変数として用いられる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
【請求項５】
永久磁石励磁式同期機におけるローター温度を求めるための装置であって、
磁界配向方式による制御が行われる形式の装置において、
直軸電流制御器（１）と、
横軸電流制御器（２）と、
推定値算出器（１５）を有しており、
前記直軸電流制御器（１）は、その出力側から直軸電流に対する調整量（Ｉｄ*）を送出し、
前記横軸電流制御器（２）は、その出力側から横軸電流に対する調整量（Ｉｑ*）を送出し、
前記推定値検出器（１５）には、直軸電流制御器（１）の出力と横軸電流制御器（２）の出力を結びつける、同期機の温度モデルがファイルされており、
さらに前記推定値検出器（１５）において、同期機の温度モデルと、当該推定値検出器に供給された直軸電流および横軸電流に対する調整量を用いて、ローター温度に対する推定値の算出が行われることを特徴とする装置。
【請求項６】
前記推定値算出器は、温度モデルのそれぞれに対応するパラメータからの、直軸電流および横軸電流に対する調整量の偏差を求めている、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記推定値算出器は、時間素子を有しており、該時間素子の時定数は、ローターの時定数に相応している、請求項５または６記載の装置。
【請求項８】
前記温度モデルには、同期機の永久磁石の温度依存性に関する情報が状態変数として含まれている、請求項５から７いずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記温度モデルは、メモリ内にファイルされた特性マップである、請求項５から８いずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記推定値算出器は、マイクロコンピュータである、請求項５から９いずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＭ（永久磁石励磁式）同期機におけるローター温度を求めるための方法および装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
自動車技術においては、内燃機関と変速機の間の車両ドライブトレーンに永久磁石励磁式の同期機（ＰＭシンクロマシン）を、統合化されたクランク軸スタータージェネレータとして組み込むことは既に公知である。
【０００３】
同期機作動中の永久磁石の持続的な消磁作用を回避するためには、温度に依存した“負担軽減”という趣旨で、ローター温度が高温になった場合のステータの最大磁界が、低温のもとでの磁界よりも低減されなければならない。特に統合化されたクランク軸スタータージェネレータのスタート・ストップ動作の場合には、制御されたステータ電流が、所定のディレーティング特性曲線にできるだけ近似することが望ましい。これは大きな始動トルクとそれに伴う内燃機関の短い始動時間を保証するためである。この目的を達成するために必要なことは、ローター温度に関するできるだけ正確な情報を得ることである。
【０００４】
ローター温度に関する可能な情報を得ることは、ローター自体内でサーモメーターを用いて温度測定を行うことである。しかしながらこの手法は、コストの面で自動車分野においては得策とはいえない。
【０００５】
他の可能性は、冷却水及び整流器において温度測定を実行し、測定された温度値から近似アルゴリズムを利用してローター温度を逆に推し量ろうとすることである。この手法は、比較的複雑で、その上さらに不正確な結果しか供給できない。さらにこの方法は、そのつどの適用範囲に依存する。なぜならほとんどの適用ケースで熱モデルが異なっているからである。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 100 44 181.1 明細書では、対応する周波数変換器ブリッジを備えた同期三相交流オルタネーターの制御のための方法が開示されている。この方法では、励磁巻線を流れる励磁電流が次のように制御される。すなわち、同期三相交流オルタネータの出力電圧が所定値に達し、同期三相交流オルタネータの素線の電流が少なくとも２つの制御範囲内で制御可能であるように制御される。さらにこの方法では、三相交流系Ｒ−Ｓ−Ｔから変換された実際値入力量ｉｄとｉｑが補正装置に供給され、該補正装置の出力量から目標入力量ｕｄｓｏｌｌとｕｑｓｏｌｌが定められる。当該ドイツ連邦共和国特許出願 DE 100 44 181.1 明細書で提案されている制御構造によれば、クローポール型三相交流機のより大がかりな制御が実現できる。
【０００７】
ヨーロッパ特許出願 EP 0 462 503 B1 明細書からは既に、温度検出のための手段を有している発電機の制御のための装置が公知である。この公知装置の利点は、発電機がより大きな電力需要のもとで過励範囲において作動させられることである。この場合温度検出部（これはボルテージレギュレータ自体の内部温度の検出によって行われる）と、場合によって導入可能な保護手段とによって、発電機、清流ダイオード、あるいはボルテージレギュレータが過熱の結果損傷するようなことが回避されている。この保護手段は、所定の限界温度に到達するか到達する前に励磁電流を低減する役割を果たしている。温度を検出するための手段には、マイクロコンピュータが含まれており、このマイクロコンピュータ内には所要の特性値が記憶されており、さらに当該マイクロコンピュータには必要な測定量が供給され、所要の計算が実行される。
【０００８】
発明の利点
本発明によれば、ＰＭ同期機の熱的監視は、ローター温度のオンライン検出が行われる。このオンライン検出に対しては、直軸電流と横軸電流（これらはＰＭ同期機の磁場の配向に伴う制御の枠内でいずれにせよ求められるものである）に対する調整量と、ＰＭ同期機の温度モデルが利用される。従来技法との違いは、固有の温度センサ系を必要としないことである。
【０００９】
本発明に伴って僅かだけ高まるソフトウエア的コストは、比較的少ないタスク頻度で処理可能である。前述したＰＭ同期機の温度モデルは、モデルの単独回の較正の枠内で試験的に作成される。本発明による方法および装置は、そのつどの適用例に依存せず、統合化されたクランク軸スタータ発電機の場合の利用の際にも冷却経路におけるスタータ発電機の位置にも依存しない。というのも本発明のもとで温度検出に利用される実際値特性量とは、専らＰＭ同期機の電気的な状態特性量だからである。
【００１０】
本発明によれば有利には、直軸電流と横軸電流に対する既存の調整量の、それぞれ所属の温度モデルのパラメータからの偏差が求められる。この偏差は、温度に依存しており、レギュレータの立ち上がり過渡状態においても、ローター温度に関する正確な情報が得られる。
【００１１】
過渡的なレギュレータ偏差をろ波するために、有利には、ローター温度の算出の枠内で、熱的ローター時定数のオーダーにある時定数が考慮される。
【００１２】
図面
以下では本発明を図面に示されている実施例に基づいて詳細に説明する。この図面は、本発明の主要な回路ブロックを理解するために示されたブロック回路図である。
【実施例】
【００１３】
図中に示されているブロック回路図では、永久磁石励磁式の同期機８の磁場配向方式による制御のための装置が示されている。
【００１４】
この制御では、ＰＭ同期機の三相交流システムから導出された位相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃがパーク変圧器（Park-Transformator）１３において直交座標系の電流Ｉｄ＿，Ｉｑ＿に変換される。この場合この電流Ｉｄ＿は、同期機の直軸電流に対する実際値を表す。また電流Ｉｑ＿は横軸電流に対する実際値を表す。
【００１５】
直軸電流制御器１の目標値入力側には、目標値信号が供給される。この目標値信号は、バッテリ電圧測定器１６の出力信号と、絶対値形成器１０の出力信号からフィールド減衰制御器１１とリミッタ１２を用いて求められる。この場合フィールド減衰制御器１１の役割は、直軸電流制御器１に対する目標値を、測定されたバッテリ電圧と絶対値形成器の出力信号に依存させて制御することである。ＰＭ同期機のこのようなフィールド減衰は、比較的高い回転数の最に必要とされる。なぜならばそうしないと誘導された同期機電圧が整流器最大出力電圧よりも大きくなってしまうからである。この最大電圧は車両の搭載電源網電圧である既存の供給電圧によって制限されている。
【００１６】
直軸電流制御器１の出力側からは、直軸電流に対する調整量Ｉｄ*が得られる。この調整量には加算器３において、リミッタ１２の出力から直接導かれる予備制御成分が加えられる。加算器３の出力信号は、当該ＰＭ同期機の定常的モデル表示部５の入力側に供給される。
【００１７】
横軸電流制御器２の目標値入力側には横軸電流に対する目標値信号Ｉｑ＿ｓｏｌｌが供給される。この目標値信号は、横軸電流目標値形成器１４から得られるものであり、該横軸電流目標値形成器１４においては、ローター温度ＴＲに対する推定値の適用のもとで横軸電流に対する目標トルクないし目標値が求められる。横軸電流目標値形成器１４は、横軸電流に対する目標値信号の算出の際に、上位に置かれた制御部のさらなる設定値ないしは要求を考慮する。
【００１８】
横軸電流制御器２の出力側からは、横軸電流に対する調整量Ｉｑ*が得られる。この調整量Ｉｑ*には、加算器４において横軸電流目標値形成器１４の出力から直接導びかれる予備制御成分が加えられる。加算器４の出力信号は、当該ＰＭ同期機の定常的モデル表示部５の入力側に供給される。
【００１９】
さらなる入力信号として、定常的モデル描写部(Modelldarstellun)５には、回転数センサ９によって導出された、回転数ｎに関する情報を含んだ信号が供給される。
【００２０】
定常的なモデル描写部５は、その予備回路図パラメータが基準温度の存在のもとで予め求められ、適切な手法で定常的モデルに対するソフトウエア制御アルゴリズムに含まれている、同期機の１つのモデルである。この制御アルゴリズムは、次のように形成されている。すなわち基準温度下の事前制御の考慮のもとで制御器出力量、すなわち横軸電流に対する調整量Ｉｑ*と直軸電流に対する調整量Ｉｄ*が、立ち上がり過渡状態においてゼロであるように形成される。過渡的な障害が発生した場合（これは例えばガイド量や障害量の跳躍的変動が生じたケースに相当する）には、ゼロとは異なる出力量が生じるが、これはただちにまたゼロに戻る。
【００２１】
定常的なモデル描写部５の別個の出力側からは、ＰＭ同期機に与えられる制御電圧の直軸成分ｕｄと横軸成分ｕｑが出力される。これらの制御電圧成分（この場合の制御電圧成分とは直交形座標系における制御電圧成分である）は、インバースパーク変圧器６に供給される。この変圧器は次のような役割を担っている。すなわち直交形座標系に存在する制御電圧成分ｕｄ，ｕｑを三相交流システムの制御電圧成分ｕａ，ｕｂ，ｕｃに変換することである。これらの制御電圧成分は、パルスインバータを介してＰＭ同期機８に供給される。
【００２２】
定常的モデル描写部５の別個の出力側から出力された、制御電圧の直軸成分に対する信号ｕｄと制御電圧の横軸成分に対する信号ｕｑは、さらに絶対値形成器１０に供給され、そこで以下の関係
ｕ＝（ｕｄ２＋ｕｑ２）ｅｘｐ（１/２）
に従って絶対値形成が行われる。この絶対値形成器１０の出力信号は、既に前述したようにフィールド減衰制御器１１に対する入力信号として利用される。
【００２３】
直軸電流制御器１の出力側から送出される直軸電流調整量Ｉｄ*は、さらに線路１１を介して推定値算出器１５の第１の入力側に供給される。横軸電流制御器２の出力側から送出される横軸電流調整量Ｉｑ*は、さらに線路１２を介して推定値算出器１３の第２の入力側に供給される。
【００２４】
推定値算出器１５（これは有利にはマイクロコンピュータで実現される）では、特性マップの形態で、同期機の温度モデルが記憶される。この特性マップにおいては次のことが考慮されている。すなわちＰＭ同期機が加熱されると、ステータ巻線の抵抗が１００°Ｋ毎に約４０％上昇し、残留磁束密度は、１００°Ｋ毎に約６％低下することである。それぞれ対応するモデルパラメータからのこのような温度依存性の、実際の同期機パラメータの偏差は、監視の趣旨のもとでローター温度を求めるのに用いられる。直軸電流制御器１と横軸電流制御器２は、立ち上がり過渡状態においても、ローター温度の関数である調整量偏差を有する。
【００２５】
この種の監視過程の感度は、ステータ巻線の巻線抵抗の温度依存性が無視できる程度で、残留磁束密度がローター温度算出のための温度依存性の特性量としてないしは状態特性量として考慮されるだけであるのにもかかわらず良好である。
【００２６】
推定値算出器１５におけるローター温度の算出では、有利には、熱的ローター時定数のオーダーにある時定数が考慮される。この考慮は、次のことによって行われる。すなわち本来の算出過程に、相応するＰＴ１素子を前置接続させることによって行われる。この種の時間素子を用いることによって、例えばガイド量の跳躍的変動や障害量の跳躍的変動に由来する過渡的な制御偏差が濾はされる。
【００２７】
本発明は、いずれにせよローター温度のオンライン検出が行われる、容易に実現できるＰＭ同期機の熱的監視に係わるものである。このことは、ＰＭ同期機のそれぞれ対応する温度モデルパラメータからの、直軸電流と横軸電流に対する調整量の継続的偏差の算出に基づいて行われる。直軸電流と横軸電流に対する調整量は、簡単な制御器による事前制御で生成される。ＰＭ同期機の温度モデルにおいては、永久磁石の残留磁束密度の温度依存性が状態変数として利用される。
【００２８】
エンジンの停止後、制御器と温度監視部は、エンジンの新たな始動の際にローター温度に関する正確な情報が得られるように、エンジンが冷えるまで作動され続ける。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例を示したブロック回路図である
【符号の説明】
【００３０】
１    直軸電流制御器
２    横軸電流制御器
３    加算器
４    加算器
５    定常的モデル描写部
６    インバースパーク変圧器
７    パルスインバータ
８    ＰＭ同期機
９    回転数センサ
１０  絶対値形成器
１１  フィールド減衰器
１２  リミッタ
１３  パーク変圧器
１４  横軸電流目標値形成器
１５  推定値算出器
１６  バッテリ電圧測定器
ｉａ，ｉｂ，ｉｃ  位相電流
Ｉｄ＿ｉｓｔ  直軸電流実際値
Ｉｑ＿ｉｓｔ  横軸電流実際値
Ｉｄ＿ｓｏｌｌ  直軸電流目標値
Ｉｑ＿ｓｏｌｌ  横軸電流目標値
Ｉｄ*  直軸電流の調整量
Ｉｑ*  横軸電流の調整量
ｎ  回転数
ｕａ，ｕｂ，ｕｃ  制御電圧
ｕＢ  バッテリ電圧
ｕｄ  制御電圧の直軸成分
ｕｑ  制御電圧の横軸成分
【図１】
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【国際調査報告】
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