(57)【要約】  ステータおよびロータを有する他励式の同期機の、損失に関して最適な動作を実現するための制御方法および制御装置であって、ステータ電流の基準値とロータ電流の基準値とを準備し、前記ステータ電流の最大値と前記ロータ電流の最大値とを準備し、前記ステータ電流の基準値および／または前記ロータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータと、対応する最大値とを比較し、前記基準値のうち少なくとも１つの基準値が、該少なくとも１つの基準値に対応する最大値に達するかまたは該最大値を超えた場合、予め設定された基準トルクを或るトルク値だけ低減させ、ただし、前記ロータ電流の基準値および／または前記ステータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータは前記基準トルクに依存する、制御方法および制御装置。
2013532940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータおよびロータを有する他励式の同期機の制御方法であって、
当該制御方法は、
ステータ電流の基準値（ＩＳ．ｒｅｆ）とロータ電流の基準値（Ｉｆ．ｒｅｆ）とを準備するステップ
を有し、
前記ロータ電流の基準値および／または前記ステータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータは前記基準トルク（Ｔｒｅｆ）に依存し、
前記制御方法はさらに、
前記ステータ電流の最大値（ＩＳ．ｍａｘ）と前記ロータ電流の最大値（Ｉｆ．ｍａｘ）とを準備するステップと、
前記ステータ電流の基準値（ＩＳ．ｒｅｆ）および／または前記ロータ電流の基準値（Ｉｆ．ｒｅｆ）、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータと、対応する各最大値（ＩＳ．ｍａｘ，Ｉｆ．ｍａｘ）とを比較するステップと、
前記各基準値のうち少なくとも１つの基準値が、該少なくとも１つの基準値に対応する最大値（ＩＳ．ｍａｘ，Ｉｆ．ｍａｘ）に達するかまたは該最大値を超えた場合、予め設定された基準トルク（Ｔｒｅｆ）をあるトルク値（Ｔ’）だけ低減させるステップと
を有することを特徴とする、制御方法。
【請求項２】
前記各基準値はルックアップテーブル（５１）に記憶され、
前記各基準値はそれぞれ、適切な動作パラメータ（Ｔｒｅｆ，ｎ，ＵＤＣ）によって表される、損失が最低限になる動作点に相当する、
請求項１記載の制御方法。
【請求項３】
前記ステータ電流の最大値（ＩＳ．ｍａｘ）および前記ロータ電流の最大値（Ｉｆ．ｍａｘ）は、前記同期機の特定の部品の温度（θ１，θ２，・・・）と、回転数（ｎ）と、中間回路電圧（ＵＤＣ）とに依存する、
請求項１または２記載の制御方法。
【請求項４】
前記同期機のステータ巻線と、ロータ巻線と、ステータ薄板積層体と、ロータ薄板積層体と、ロータ軸受とのうち、少なくとも１つの部品の温度を考慮する、
請求項３記載の制御方法。
【請求項５】
さらに、前記回転数（ｎ）も考慮する、
請求項４記載の制御方法。
【請求項６】
前記基準トルク（Ｔｒｅｆ）を低減させる分である前記トルク値（Ｔ’）は、前記ロータ電流の基準値（Ｉｆ．ｒｅｆ）と該ロータ電流の許容可能な最大値（Ｉｆ．ｍａｘ）との偏差に依存し、および／または、前記ステータ電流の基準値（ＩＳ．ｒｅｆ）と該ステータ電流の許容可能な最大値（ＩＳ．ｍａｘ）との偏差に依存する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の制御方法。
【請求項７】
前記基準トルク（Ｔｒｅｆ）を低減させる前に、前記ステータ電流の基準値と該ステータ電流の最大値との偏差をスケーリングする、
請求項１から６までのいずれか１項記載の制御方法。
【請求項８】
前記同期機の複数の温度と複数の許容可能な最大温度とを比較し、
前記複数の最大温度のうち少なくとも１つに達した場合および／または少なくとも１つを超えた場合、前記複数の許容可能な最大温度のうち少なくとも１つを下回るように、前記ステータ電流および／または前記ロータ電流を変化させる、
請求項１から７までのいずれか１項記載の制御方法。
【請求項９】
シャフトにかかる負荷が上昇または下降すること、および／または、高い制御ダイナミクスが予測される場合に、前記ロータ電流を予測的に上昇または低下させるトルク予測制御を用いる、
請求項１から８までのいずれか１項記載の制御方法。
【請求項１０】
前記ステータ電流の基準値を表す補助パラメータ、および／または，前記ロータ電流の基準値を表す補助パラメータを、該ロータ電流と該ステータ電流のｑ成分との比から形成する、
請求項１記載の制御方法。
【請求項１１】
ステータおよびロータを有する他励式の同期機を低損失で制御するように構成された制御装置であって、
前記制御装置は、
ステータ電流の基準値、ロータ電流の基準値、ステータ電流の最大値、および、ロータ電流の最大値を準備するために構成された記憶ユニット
を有し、
前記ステータ電流の基準値および／または前記ロータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータは、前記基準トルク（Ｔｒｅｆ）に依存し、
前記制御装置はさらに、
前記ステータ電流の基準値と該ステータの最大値とを比較し、かつ、前記ロータ電流の基準値と該ロータ電流の最大値とを比較し、
該ステータ電流および該ロータ電流の少なくとも１つの基準値が、対応する最大値に達するか、または対応する最大値を超えた場合、予め設定された基準トルクを低減する
ように構成された処理ユニットを有する
ことを特徴とする、制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期機の制御方法および同期機の制御用の装置に関し、とりわけ、他励式の同期機の制御方法と制御用の装置とに関する。
【０００２】
同期機は、電気機器の重要な種類に分類される。伝統的には、同期機はたとえば、電気エネルギーを生成するために使用される。電気機器、とりわけ同期機は、自動車における駆動ユニットとしての重要性を増してきている。その場合には、同期機をたとえば、純粋な電動自動車において使用したり、ハイブリッド車において使用することもできる。基本的に、永久磁石界磁形の同期機と他励式の同期機とに分類される。永久磁石界磁型の同期機のロータには、永久磁石が挿入されている。他励式の同期機では、巻線を備えたロータが使用され、スリップリングを介してこの巻線に界磁電流が流れることにより、ロータ側に界磁磁束ないしはロータ磁束が生成され、この界磁磁束ないしはロータ磁束は、ステータ巻線の通電により生成された回転磁界と相互作用する。
【０００３】
他励式同期機は、たとえばハイブリッド車において使用され、とりわけ車軸ハイブリッド駆動システムにおいて使用される。ハイブリッド技術の重要な特徴は、内燃機関と電気機器とである２つの駆動ユニットが車両に設けられていることである。ハイブリッド技術ではたとえば、２段平歯車変速機を介して、車軸に対して平行にモータを車軸ディファレンシャルに接続する。とりわけ自動車駆動ユニットでは、セーフティが、電気機器の種類の選定において考慮すべき特に重要な判断基準となる。モータは理想的には、いつでも遮断できるようにしなければならない。他励式の同期機の利点は、ロータ側の界磁電流を遮断できることである。それに対して永久磁石界磁型の同期機では、通常運転時にはロータ側の界磁磁束を遮断することができない。自動車に設けられる電気機器において重要な観点は、運転中に生じる損失である。というのも、電気機器への給電のすべてを蓄電池によってまかなわなければならないか、または、燃焼系統に結合されたジェネレータによって電気機器へ給電しなければならないからである。これとインバータ損失とを組み合わせたものを、たとえばドライビングサイクル損失と称する。電気機器、とりわけ他励式の同期機と、インバータを備え当該電気機器に対応する制御部とを設計する際には、損失特性が特に重要な判断基準となる。
【０００４】
本発明の課題は、損失に関して最適化された、他励式の同期機の動作を実現すると同時に、高い制御ダイナミクスも実現することができる制御方法と、これに対応する装置とを提供することである。
【０００５】
前記課題は、請求項１に記載の方法、ないしは、請求項１０に記載の装置によって解決される。従属請求項に、本発明の思想の実施形態および発展形態が記載されている。
【０００６】
とりわけ前記課題は、ステータおよびロータを有する他励式の同期機の制御方法であって、当該制御方法は、ステータ電流の基準値とロータ電流の基準値とを準備するステップと、前記ステータ電流の最大値と前記ロータ電流の最大値とを準備するステップと、前記ステータ電流の基準値および／または前記ロータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータと、対応する最大値とを比較するステップと、前記基準値のうち少なくとも１つの基準値が、該少なくとも１つの基準値に対応する最大値に達するかまたは該最大値を超えた場合、予め設定された基準トルクを或るトルク値だけ低減させるステップとを有し、前記ロータ電流の基準値および／または前記ステータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータは前記基準トルクに依存する、制御方法によって解決される。
【０００７】
前記制御方法に対応する本発明の制御装置は、以下の構成要素を有する：
ステータ電流の基準値とロータ電流の基準値とステータ電流の最大値とロータ電流の最大値とを準備するために構成された記憶ユニット。
前記ステータ電流の基準値と該ステータの最大値とを比較し、前記ロータ電流の基準値と該ロータ電流の最大値とを比較し、該ステータ電流および該ロータ電流の少なくとも１つの基準値が、対応する最大値に達するかまたは超えた場合、予め設定された基準トルクを低減するように構成された、処理ユニット。
前記ステータ電流の基準値および／または前記ロータ電流の基準値、または、該ステータ電流の基準値を表す補助パラメータおよび／または該ロータ電流の基準値を表す補助パラメータは、前記基準トルクに依存する。
【０００８】
以下、図面に示した実施例に基づき、本発明を詳細に説明する。図面中、同一または同様の要素には同一の符号を付している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】他励式の同期機のロータと、ロータ磁束を向いているｄｑ座標系とを概略的に示す図である。
【図２】他励式の同期機の電流制御構造の一例を示す信号流れ図である。
【図３】他励式の同期機の基本的な損失成分を示すサンキーダイアグラムである。
【図４】他励式の同期機の電流制御を行うためにトルク低減を行う基本的思想を概略的に示す図である。
【図５】図４に示した他励式の同期機の電流制御を行うためのトルク制御を重畳したトルク制御の一例を示す信号流れ図である。
【図６】同期機とインバータと制御装置とエネルギー蓄積器とを備えた電動自動車のドライブトレインを概略的に示す図である。
【図７】同期機の電流制御を行うための制御装置の基本的な構成要素を概略的に示す図である。
【００１０】
電気機器、とりわけ同期機は通常、インバータを用いてベクトル制御により制御される。このベクトル制御は、フィールドオリエンテッド制御とも称される。フィールドオリエンテッド制御を実現するためには、ｄ軸とｑ軸とを有する直交座標系１０を導入する。この直交座標系１０では、ｄ軸はロータ電流（ないしは界磁電流）の向きにされているので、この直交座標系はロータに固定され、ロータ回転数で回転する。このことにより、制御技術でモデル数式を取り扱うのが簡単になる。図１では一例として、ロータ磁極が突極型である突極ロータとして形成された、他励式の同期機のロータ１１を示す。このロータはロータ巻線１２を有し、その通電方向を示している（×印：電流は図平面内へ流れていく。点印：電流は図平面から流れ出てくる）。
【００１１】
この通電方向から、ｄｑ座標系のｄ軸の向きになっているロータ磁束Ψｆが求められる。このｄ軸に対して、前記直交座標系のｑ軸が直交している。このｄｑ基準座標系において、ｄ成分（電流ベクトル）Ｉｄとｑ成分（電流ベクトル）Ｉｑとを用いてステータ電流ベクトルＩＳを表すことができる。以下では、ベクトル量の場合には簡略化するため、ベクトル表記を省略する。同期機の回転磁極電圧Ｕｐは、図中に示されているように、ｄｑ基準座標系のｑ軸の向きにされている。図中の実施例では、電流ベクトルＩｄはロータ磁束Ψｆと反対方向に、ｄ軸の負の部分に置かれている。これは弱め界磁動作と称される。というのも電流（ベクトル）Ｉｄは、界磁磁束Ψｆと反対の向きの磁束成分（たとえばΨｄ）を生成し、この磁束成分により、合成磁束が低減するからである。他励式の同期機の場合、弱め界磁制御を行うときの可変の界磁電流Ｉｆの自由度は、永久磁石界磁形の電気機器の場合よりも増える。
【００１２】
図２に一例として、ｄｑ基準座標系を基準とした、他励式同期機の可能な電流制御ないしはトルク制御のシグナルフローチャートの一例を示す。この制御構造は、基準電流処理ディレーティング部５０を有し、これは、電流制御の基準値Ｉｑ．ｒｅｆおよびＩｄ．ｒｅｆを出力する。すなわち、電流ベクトル方式のフィールドオリエンテッドトルク制御の電流ベクトルを出力する。ステータ電流のｑ成分の基準値であるＩｑ．ｒｅｆと、当該ステータ電流のｄ成分の基準値であるＩｄ．ｒｅｆとに対し、それぞれＰＩ電流制御器２１，２３が設けられている。ステータ電流のｄ成分およびｑ成分に対するフィードフォワード制御部２２が、制御対象（制御対象：たとえば同期機およびインバータ）の状態に依存しない値を両ＰＩ制御器へ供給する。前記値はとりわけ、同期機の、求められた実際の有効電流Ｉｑ．ａｋｔ，Ｉｄ．ａｋｔに依存しない値である。これらの有効電流Ｉｑ．ａｋｔ，Ｉｄ．ａｋｔは、制御対象に実際に流れるステータ電流をｄｑ基準系で表すものである。このようなフィードフォワード制御部（英語：feedforward control）により、目標値の特性経過に基づいて予測される所要操作量を考慮することができる。その際には、電流制御のｄ成分およびｑ成分は操作量ないしは制御量と見なすことができる。したがって、このフィードフォワード制御部は基本的に、電流フィードバック制御の安定性を損なうことなく、スイッチング無駄時間を補償することによって電流フィードバック制御部の制御特性を改善するために使用される。
【００１３】
ディレーティング部５０を用いた本発明の基準電流処理部により、界磁電流Ｉｆ．ｒｅｆが得られる。この界磁電流Ｉｆ．ｒｅｆもまた、ＰＩ制御器２４を介して制御される。電流ＰＩ制御器２１，２３，２４はそれぞれ電圧Ｕｑ．ｒｅｆ、Ｕｄ．ｒｅｆおよびＵｆ．ｒｅｆを出力する。ステータ電圧Ｕｑ．ｒｅｆやＵｄ．ｒｅｆはｄｑ座標系の電流として表現される。電圧Ｕｄ．ｒｅｆ，Ｕｑ．ｒｅｆおよびＵｆ．ｒｅｆは、スイッチング時点プロセッサ２５，２６へ供給される。スイッチング時点プロセッサ２５，２６の出力信号ｔｕ，ｔｖ，ｔｗ，ｔｆは、インバータ２７を有する電力出力段へ供給され、この電力出力段は最終的に、同期機に印加するための電力を制御する。ステータパラメータ、とりわけステータ電圧Ｕｑ．ｒｅｆ，Ｕｄ．ｒｅｆを得るために有利には、ｄｑ座標系からたとえば、ステータ基準の座標系に変換を行わなければならない。こうするためにはたとえば、スイッチング時点プロセッサ２５へ回転磁極角度ΦＰを供給する。この回転磁極角度ΦＰ（負荷角とも称される）は、同期機がモータ動作中であるかまたはジェネレータ動作中であるかに依存して、ステータ巻線により生成された回転磁界より同期機の回転磁極（通常はロータ）が進角または遅角する角度である。ｄｑ座標系からたとえばステータ固定座標系への上述の変換は、たとえば、逆パーク・クラーク変換とすることができる。
【００１４】
同期機の電流制御の重要な側面、とりわけ、駆動ユニットとして自動車において使用される他励式の同期機の重要な側面は、駆動システムないしはドライブトレインの損失低減である（ドライブトレインにはたとえば、電気機械、シャフト、ディファレンシャルギヤ装置、インバータ、電気エネルギー蓄積器（たとえば自動車用）、制御装置が含まれる）。図３に、モータ動作中の他励式の同期機の重要な損失成分をサンキーダイアグラムで示す。ステータには、ＰＳ＝３・ＵＳ・ＩＳ・ｃｏｓΦの電力が供給される。ここで、ＵＳはステータ電圧であり、ＩＳはここではステータ電流の大きさであり、Φはステータ電流とステータ電圧との（時間的な）位相差である。ステータには損失が生じ、ステータにおいて散逸される損失電力ＰＶ．Ｓは、銅損ＰＣｕ．Ｓと鉄損（とりわけ磁化反転損失）ＰＦｅ．Ｓと漏れ損失Ｐσ．Ｓとから成る。ロータにはエアギャップ電力Ｐδ＝ＰＳ−ＰＶ．Ｓが届けられる。このエアギャップ電力Ｐδはロータ損失ＰＶ．Ｒによって減少し、ロータシャフトにおいて出力される機械的出力Ｐｍｅｃｈ＝Ｍｍｅｃｈ・ωｍｅｃｈ（Ｍｍｅｃｈ：ロータシャフトにおけるトルク；ωｍｅｃｈ：ロータシャフトの角速度）は、エアギャップ電力Ｐδからロータ損失ＰＶ．Ｒ差し引いたものである。ロータ損失ＰＶ．Ｒは基本的に、ロータ巻線の銅損ＰＣｕ．Ｒと、ロータにおける漏れ損失Ｐδ．Ｒと、たとえば軸受摩擦や空気摩擦等である摩擦損失ＰＦｒ．Ｒとから構成される。
【００１５】
他励式の同期機の場合、ロータにＰｆ＝Ｕｆ・Ｉｆ＝ＰＣｕ．Ｒの電力が供給される。ここで、Ｕｆはロータ巻線の電圧であり、Ｉｆは当該ロータ巻線に流れる界磁電流である。通常、ロータに供給される電気的パラメータは一定である。すなわち、これは直流電流および直流電圧である。電流制御部が構成される場合、制御対象はとりわけ、ステータ電流ＩＳおよびロータ電流Ｉｆとなる。ロータ電流Ｉｆを介して、界磁電流Ｉｆの２乗に比例する、ロータＰＣｕ．Ｒにおける銅損に影響を及ぼし、かつ、ステータにおける鉄損ＰＦｅ．Ｓにも影響を及ぼすことができる。ロータに形成される界磁磁束Ψｆは、ロータに流れる界磁電流Ｉｆに比例する。
【００１６】
ロータ磁束Ψｆは主に、ステータ側の鉄損ＰＦｅ．Ｓに影響を与える要因となる。というのも、ロータが回転すると、ステータ薄板積層体において時間的に変化する磁界が生じ、この磁界により、材料ヒステリシス（ＢＨ曲線）をたどる他にさらに渦電流が形成されるからである。それゆえ、ロータに流れる界磁電流Ｉｆを介して、とりわけステータに生じる鉄損ＰＦｅ．Ｓに影響を及ぼすことができる。界磁電流の大きさに直接依存するのは、ロータ巻線に生じる銅損ないしはオーム損失ＰＣｕ．Ｒである。ステータ電流の大きさはとりわけ、ステータ巻線に生じる銅損ないしはオーム損失ＰＣｕ．Ｓに影響を及ぼす。本発明により、とりわけ、電気機器における最大損失が制限される。このことにより、電気機器にかかる熱的な過負荷が防止され、かつ、電気機器はたとえば電動自動車において使用することができるので、たとえば蓄電池内の電気エネルギーの消費が低減される。このことは、自動車用途において非常に重要である。
【００１７】
図４に、電流ディレーティング法４０を用いて同期機の損失をどのように制限するかをチャート図で示す。この電流ディレーティング法４０の前提となるのは、通常、電流Ｉｄ．ｒｅｆ、Ｉｑ．ｒｅｆ、Ｉｆ．ｒｅｆがそれぞれ、基準トルクＴｒｅｆ、回転数ｎまたは中間回路電圧ＵＤＣに依存するものとして記憶された３次元のルックアップテーブルである。所与の回転数ｎと所与の基準トルクＴｒｅｆと所与の中間回路電圧ＵＤＣとを実現するための、ステータ電流の基準値Ｉｄ．ｒｅｆ、Ｉｑ．ｒｅｆ（それぞれｄｑ基準座標系を基準とする）と、ロータ側の界磁電流の基準値Ｉｆ．ｒｅｆとが得られ、これらの基準値は電流制御部へ供給される。前記各電流の基準値を求めることにより、最終的には、所望のトルク値と実際のトルク値とが一致するようにし、これにより、たとえば中間回路電圧等の制限要因となるパラメータを考慮して、同期機の重要な損失成分（図３参照）に関して最適な、本発明の動作を保証しなければならない。損失に関する最適化自体はたとえば、シミュレーションモデルを用いて数値的に、回転数ｎと基準トルクＴｒｅｆと中間回路電圧ＵＤＣとから反復的に、上記３つの電流Ｉｄ．ｒｅｆ，Ｉｑ．ｒｅｆ，Ｉｆ．ｒｅｆを得る。前記３つの基準電流Ｉｄ．ｒｅｆ，Ｉｑ．ｒｅｆ，Ｉｆ．ｒｅｆを基準トルクＴｒｅｆと回転数ｎと中間回路電圧ＵＤＣとに依存するものとしてルックアップテーブル５１に記憶することにより、すなわち、
Ｉｄ．ｒｅｆ，Ｉｑ．ｒｅｆ，Ｉｆ．ｒｅｆ＝ｆ（Ｔｒｅｆ，ｎ，ＵＤＣ）
として記憶することにより、損失に関して最適な、各電流の基準値を補間できるようにすることができる。したがってこのようにして、オフラインシミュレーションから、最大可能なトルクを実現するための、損失に関して最適化された基準電流を記憶したルックアップテーブルが実現される。
【００１８】
前記基準値は必ずしも明示的に、たとえばｄｑ基準座標系における、ステータ電流および／またはロータ電流の基準値でなくてもよい。その代わりに択一的に、または付加的に、ステータ電流および／またはロータ電流を表す補助パラメータを用いることもできる。この補助パラメータはたとえば、ルックアップテーブルを生成するために使用される数学的モデルないしは数値モデルから求めることができる。補助パラメータはたとえば、ロータ電流と、ステータ電流のｑ成分および／またはｄ成分との比から求めることができる。補助パラメータを用いることは、ロータのｄｑ基準座標系に変換することが大変になる特定の場合に有利となる。このことにより、計算労力が低減することになる。許容範囲の最大値が、相応の補助パラメータに換算される。
【００１９】
ルックアップテーブルを使用することは、特に電気機器の制御において非常に有利である。というのも、磁気的に動作する構成要素は幅広い領域において、顕著に非線形の振舞いを示すからである。非線形の特性は、適切な多数の電気機器モデルを用いて数値的に近似することによりシミュレーションすることができ、ルックアップテーブルに記憶することができる。特に、ＦＥモデル（有限要素法による電気機器数値モデル）を用いた数値的近似は、飽和領域においても非線形性を正確にシミュレーションすることができる。上述のような手法を実現するためには、確かに、得られたルックアップテーブルを記憶するための相当の容量が必要となるが、解析により推定された固定的なパラメータ（英語：lumped parameters）を用いた制御手法と比較して、上述の手法により実現される安定性は高くなり、ダイナミクスは拡大し、定常状態における制御精度は改善されるという利点が得られる。
【００２０】
他励式の同期機の動作中にリアルタイムで、電流制御の高いダイナミクスを実現すると同時に、損失に関して最適な動作も実現するために、本発明では、必要なときに基準トルクＴｒｅｆを低減させる結果として、ルックアップテーブル５１を用いて基準電流を低減させるトルク制御を重畳して、フィードバックを行うことを提案する。こうするためにはまず、たとえば、ｄｑ座標系における上述の各ステータ電流成分の基準値からステータ電流の大きさ５２
【数１】
2013532940.tif 000003
を形成する。制御対象の状態、とりわけ同期機の状態を表す動作パラメータから、電流ディレーティング部５３を介して、たとえばステータ電流ＩＳ．ｒｅｆおよび界磁電流Ｉｆ．ｒｅｆの大きさの最大値を形成することができる。前記動作パラメータはたとえば、回転数ｎ、中間回路電圧ＵＤＣおよび多数の温度θ１，θ２等である。前記電流ディレーティング部５３は、前記最大値がたとえば、同期機の予め規定された最大損失ＰＶ．Ｓ，ＰＶ．Ｒとなるように構成される。各個別の適用事例において前記損失をどの程度の大きさにすることができるかは、電気機器が何に組み付けられるかと、電気機器の構成がどのようになされているか（たとえば巻線の種類、ロータの種類等）とに依存する。本発明では各電流の最大値と、ルックアップテーブル５３の各基準値とを比較する。前記ルックアップテーブルの基準値のうち少なくとも１つが、前記電流ディレーティング部により求められた最大値に達するかまたは上回る場合、設定された基準トルクは過度に高いということになり、この設定された基準トルクを所定の値Ｔ’だけ低減させることにより、前記電流の最大値ひいては前記最大可能な損失を下回るかまたはこれに達するようにしなければならない。
【００２１】
図５に、ディレーティング５０による基準電流処理を示すシグナルフローチャートで、特に、他励式の同期機の電流制御に対しトルク低減のためのトルク制御５６を重畳することによる電流ディレーティング５３を制御技術的にどのように具現化するかの一例を示す。たとえば、動作点を表す動作パラメータを制御量として設定し、ルックアップテーブル５１から、たとえばｄｑ座標系の前記各電流の基準値を形成し、電流制御部２０へ供給する。ステータ電流のｄ成分およびｑ成分の基準値から、当該ステータ電流の基準値の大きさＩＳ．ｒｅｆを形成する。適切な測定装置（たとえば回転数センサや温度センサ）を用いて、制御対象の状態を表す動作パラメータ、たとえば回転数ｎ、中間回路電圧ＵＤＣ、および、同期機に生じる多数の温度θ１、θ２等を求める。この動作パラメータは、同期機に実際に生じている動作条件ないしは動作状態である。
【００２２】
特に、求められた前記温度は、同期機における損失を表す尺度とすることができる。前記動作条件から、前記電流ディレーティング５３を介して、ステータ電流の最大値ＩＳ．ｍａｘと界磁電流の最大値Ｉｆ．ｍａｘとが求められる。ここで決定的に重要なのは、特に、個々の構成要素の各温度、すなわち、同期機のステータおよびロータの各温度、インバータの温度、および、励磁出力段（たとえばパワー半導体）の温度である。前記温度は動作中に測定することができ、および／またはモデリングすることができる。温度のモデリングは、特に、測定技術を用いて求めるとコストが大きくなる場合に有利である。たとえば、ロータにおける熱的な状態を可能な限り実際に近くシミュレートするために、ロータに多数の温度センサを、とりわけロータ巻線に取り付けなければならない場合がある。この場合、たとえばスリップリングを介して上述の多数の温度センサに電気的にアクセスできるようにしなければならない。しかし、スリップリングの可能な数、ひいては、測定点の数は、非常に制限されている。その際に、熱モデルとセンサとを併用するか、または熱モデルのみを使用することが可能である。電流の各基準値と各最大値とから、それぞれ制御偏差が形成され、制御偏差モジュール５５へ供給される。
【００２３】
少なくとも、ステータ電流の基準値と当該ステータ電流の最大値との制御偏差ΔＩＳ＝ＩＳ．ｒｅｆ−ＩＳ．ｍａｘが、界磁電流における偏差ΔＩｆ＝Ｉｆ．ｒｅｆ−Ｉｆ．ｍａｘで同じ条件を実現するため、スケーリング部５４を介して制御偏差モジュール５５へ供給される。熱的に作用するステータ電流（ステータ電流の実効値）のオーダと、ロータ直流電流のオーダとは異なり、たとえば、ステータ電流は約３００Ａの実効値をとることができるのに対し、ロータ直流電流はたとえば、１８Ａ近傍の領域の値しかとることができない。しかし、重畳される本発明のトルク制御の適切な制御回路挙動を実際に実現するために、ステータ電流およびロータ電流のいずれかに対して電流の正規化を行うことができる。上述の実施例では、ステータ電流ΔＩＳの制御偏差をスケーリングすることにより、ロータ電流を基準としてステータ電流の正規化を実現する。前記制御偏差ΔＩＳ，ΔＩｆが所定の値に達した場合、重畳されるトルク制御器５６は制御偏差モジュール５５を介して、基準トルクＴｒｅｆをある程度のトルク値Ｔ’だけ低減させるようにとの指令を受け取る。前記所定の値は適用例に依存する。この閾値の決定は有利には、重畳される前記トルク制御器５６が基準トルクＴｒｅｆを任意に低減させることのみが可能であり、上昇させることはできないように構成される。
【００２４】
本発明のトルク制御において可能な限り高い制御ダイナミクスを実現するためには、ロータ電流（界磁電流）に対して高速の制御回路を用いる必要がある。ステータの時定数はロータの時定数より格段に小さいので、ロータ電流の制御回路のダイナミクスが、全体の電流制御に対して制限要因として影響を及ぼすことになる。制御に重要な時定数は、ロータインダクタンスないしはステータインダクタンスと、ロータ慣性とによって決定される。それゆえ、特にロータ電流の制御余裕が主として、これに対応する制御回路のダイナミクスに大きく影響を与える。
【００２５】
電流ディレーティング部５３を介して、ステータ電流の最大値と、ロータ側の界磁電流の最大値とを求めるためには、ロータ温度の推定値を使用することができる。ロータは、ロータ巻線におけるオーム抵抗損（銅損）とロータ側の漏れ損失とによって有効に加熱されるので、同期機の動作中にロータ電流を本発明にしたがって低減させることが必要になる場合がある。ロータ温度はたとえば、ロータに配置された多数の温度センサを用いて平均値として推定することができる。しかし、このようにしてロータ温度を求めることの欠点は、これらの多数のセンサにたとえばスリップリングを介して電気的にアクセス可能であるようにしなければならないことであり、このことはコストを生じさせ、かつ、ノイズに対して脆弱である。その代わりに択一的に、測定された界磁電流と、ロータ電流２６に対応する制御回路によって規定されたロータ電圧（たとえば目標電圧）とを用いて、ロータ温度を求めることもできる。このような手法により、ロータ巻線の温度に依存するオーム抵抗から、ロータ平均温度を近似的に求めることができる。その際に十分な精度を実現するためには、特に、電力出力段２７の非線形特性と、ロータ巻線に電気的にアクセスできるようにするためのスリップリングにおける電圧降下とを、適切な手法で補償しなければならない。通常、このようなロータ温度推定は、特定の界磁電流からしか実施することができない。
【００２６】
たとえば図２や図５に示されたシグナルフローチャートのディレーティング（トルクおよび基準電流のディレーティング）を用いた本発明の電流制御は、たとえば、マイクロプロセッサを用いたアナログ回路技術またはデジタル回路技術により実現することができる。このマイクロプロセッサの処理ユニットに、適切なプログラムコードを使用して、当該処理ユニットの構成要素を含むシグナルフローチャートをデジタルで実装することができる。
【００２７】
フィールドオリエンテッドトルク制御は比較的高い制御ダイナミクスを実現できるので、この原理を同期機において、まさに他励式の同期機において使用できる。本発明の目的は、損失に関して最適な制御、とりわけ、損失に関して最適なトルク制御を実現すると同時に、慣用されているフィールドオリエンテッド制御手法と比較して高い制御ダイナミクスを実現することである。それゆえ本発明では、予測的なトルク制御ないしはロータ磁束制御を提案する。このような制御は特に、他励式の同期機の、損失に関して最適な動作を実現するのに適している。
【００２８】
すでに説明したように、他励式の同期機のトルク制御のダイナミクスを決定づける時定数は、ステータ時定数より格段に大きいロータ時定数である。したがって、ロータ電流回路は、トルク制御の制御ダイナミクスを制限する構成要素となる。トルク予測制御とは、動作状態に依存して、拡大したダイナミクスの要求ないしはトルクの増大または低減の要求を予測できる場合に、電気機器において生じる関連するパラメータ（たとえばトルク、ステータ電流、ロータ電流）に対して制御が応答する前に、ロータ電流を予測的に増大または低減させるものである。ダイナミクス拡大の要求、とりわけ、自動車において本発明の制御方法を使用するときの走行ダイナミクスの拡大の要求は、たとえば、走行状況（たとえば郊外走行または市街地走行）を識別するための公知の手法によって求めることができる。このことはたとえば、ドライバ挙動に基づいて適切なアルゴリズムを用いて行うことができる。このことにより、実際にモータシャフトにおいてトルクが要求される前にたとえばロータ電流の増大によってトルクを上昇させておくと、大きなロータ時定数を抑えることができ、このロータ時定数を抑えることにより、制御ダイナミクスを決定づけるのがもっぱらステータ時定数のみとなるようにすることができる。その際に、シャフトにて生成されたトルクである瞬時トルクを一定に維持すべき場合には、ステータ電流を相応に適合しなければならない。シャフトにおいて要求されるトルクが増大する場合には、ステータ電流のみを迅速に上昇させるだけでよい。同じように、要求されるトルクが小さくなる場合には、相応にステータ電流を低下させる。ロータ電流に影響を及ぼすことにより、ロータ磁束ないしは界磁磁束が直接変化し、この磁束の変化によってトルクも変化する。
【００２９】
電気機器の駆動系統、とりわけ他励式の同期機の駆動系統には、たとえばステータ巻線やロータ巻線、ステータ積層薄板やロータ積層薄板等である、多数の部品が配設されている。熱容量、すなわち、個々の部品において（所定の時間にわたって）生じることが可能である各最大温度はそれぞれ、非常に大きく相違する。動作中に個々の部品が達する温度は、（ステータおよびロータに）供給された電流に依存し、かつ、個々の部品をどの程度良好に冷却できるかにも依存する。ロータ巻線を有する電気機器では、たとえば、軸方向で個々の点を見ると、ロータ巻線の中心が熱的過負荷になる傾向がある。というのも、この部分の冷却が最も悪いからである。
【００３０】
損失に関して最適化された本発明の動作でも、個々の部品は各ポイント別に熱的に過負荷になることがある。多数のセンサおよび／または適切な熱モデルにより、個々の部品にかかる瞬時の熱負荷、つまり瞬時の温度についての情報を得ることができる。個々の部品の熱負荷が熱容量を、すなわち最大許容温度を超える場合、相応の部品の損傷を回避するための措置をとらなければならない。他励式の同期機は、たとえば永久磁石界磁型の同期機と比較して、さらに界磁電流を介しての自由度が増大するという利点を奏する。たとえば特定の動作点において、電流およびトルクが損失に関して最適である場合に、ある部品が熱的に過負荷になった場合、理想的にはシャフトにおけるトルクを一定の状態に維持しつつ、この部品の熱負荷を低減しなければならない。こうするためには、他励式の同期機の場合、シャフトにおいて取り出し可能なトルクを一定にしながら熱負荷はたとえば均等になるように、ステータ電流とロータ電流との比を変化させることができる。つまり具体的には、たとえば特定のポイントだけに熱的に過負荷がかかるロータ巻線の場合、トルク出力が一定になるのを保証するために、ロータ電流を低減させるがステータ電流を相応に上昇させるということである。この過程を実施する場合、理想的にはシャフトにおいて何も変化しないが、通常は、電気機器の損失に関して最適化された動作を少なくとも一時的に停止しなければならない。
【００３１】
図６に、電動自動車のドライブトレイン６０の重要な構成要素の一例を示す。しかし原則的には、電動自動車のドライブトレインと、電気エネルギー蓄積器を必要とする同期機の他の用途との間に相違点は無い。ドライブトレイン６０の重要な構成要素は、インバータ６３と、センサ伝送線路６５を有する制御装置６１と、シャフト６６を有する同期機６２である。ハイブリッド車または純粋な電動自動車等の移動用に使用するこの実施例では、エネルギー供給網の代わりに付加的に電気エネルギー蓄積器６４をエネルギー源として用いる必要がある。しかし、本発明は移動用途に限定されない。同期機６２は、同心状構成のすべての回転電気機械と同様にステータ６７を有し、このステータ６７に、回転磁界を生成するためのステータ巻線が設けられる。同期機にはさらに、ロータ６８が回転可能に支承されて設けられている。このロータ６８は巻線を有し、たとえばスリップリングを介して、ステータの回転磁界と相互作用する、ロータ側の界磁磁界が発生するように、ロータ６８の巻線の通電が行われる。通常、ロータ側の界磁電流は直流電流である。その際には、同期機６２は内燃機関とともに車両を駆動することができる。このような車両はハイブリッド車と称される。
【００３２】
ハイブリッド車の駆動原理は数多く存在し、ここではこの駆動原理については詳細に説明しない。同期機６２はまた、唯一の駆動ユニットとして内燃機関無しで、純粋な電動自動車に設けることもできる。同期機６２は多相機の種類に分類される。多相機では、インバータ６３を用いた回転数制御およびトルク制御が広く使用されている。インバータ６３を介して同期機６２へ、シャフト６６において機械的なトルクを生成するために必要な電力が供給される。前記インバータ６３はこの電力を自動車において、直流電圧および直流電流の形態で、典型的には電気エネルギー蓄積器６４から賄う。このエネルギー蓄積器６４は電気化学的エネルギー蓄積器とすることができ、たとえば蓄電池とすることができる。電気化学的エネルギー蓄積器と、たとえばキャパシタ電池等である静電エネルギー蓄積器とを組み合わせることも十分に可能である。インバータ６６は制御装置６１によって駆動制御され、この制御装置６１は最終的に、自動車の動作状態に目下必要とされている電力が同期機６２へ供給されるようにする（前記同期機６２へ供給される電力は、他にもドライブトレインにおける損失をカバーしなければならない）。本発明において、特に電気機器における損失を抑えるためには、制御装置は電気機器に流れる有効電流の他に、たとえば、電気機器においてどのような動作条件が生じているかの情報も必要である。こうするためにはたとえば、温度センサ６５１および回転数センサ６５２が電気機器に設けられ、これらのセンサの測定値がセンサ伝送線路６５を介して制御装置６１へ供給される。
【００３３】
図７に一例として概略的に示されたような有利な実施形態では、制御装置６１は基本的に記憶ユニット７１およびマイクロプロセッサ７２を有し、このマイクロプロセッサ７１が前記インバータ６３を駆動制御する。マイクロプロセッサ７１にはたとえば、本発明の電流制御部をデジタルで実装することができる。こうするためには、センサ伝送線路６５を介して、電気機器に生じる動作条件を表す測定値もマイクロプロセッサ７１へ供給しなければならない。適切なルックアップテーブルを用いて本発明の電流制御を実現するためには、特に、電流およびトルクの、損失に関して最適な基準値を動的に求めるためには、マイクロプロセッサ７１に接続された記憶ユニット７１を設けなければならない。この記憶ユニット７１上の記憶スペースは、マイクロプロセッサ７１がアクセスしなければならない、本発明のルックアップテーブルを記憶するのに十分な大きさでなければならない。
【００３４】
上記で説明した実施例は特にハイブリッド車を対象としているが、本発明は、たとえば自動車等である移動用途に限定されることはなく、多方面において使用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０          ｄｑ座標系ないしはｄｑ基準座標系
１１          磁極が形成された、他励式のロータ
１２          通電方向を有するロータ巻線
ＵＳ          回転磁極電圧
ＩＳ          ステータ電流
Ｉｑ          ステータ電流のｑ成分（ｑ電流）
Ｉｄ          ステータ電流のｄ成分（ｄ電流）
Ψｆ          ロータ磁束ないしは界磁磁束
Ｐｆ          ロータにおける界磁電力
ＰＳ          ステータに供給される電力
Ｐδ          エアギャップ電力
ＰＣｕ．Ｓ    ステータ巻線における銅損（オーム抵抗）
ＰＦｅ．Ｓ    ステータにおける鉄損ないしは磁化反転損失
Ｐσ．Ｓ      ステータにおける漏れ損失
ＰＶ．Ｓ      ステータ全損失
ＰＶ．Ｒ      ロータ全損失
ＰＣｕ．Ｒ    ロータ巻線における銅損（オーム抵抗）
Ｐσ．Ｒ      ロータにおける漏れ損失
ＰＦｒ．Ｒ    摩擦損失
２０          同期機の電流制御部
２１          ｑ電流に対するＰＩ制御器
２２          フィードフォワード制御部（feed forward control）
２３          ｄ電流に対するＰＩ制御器
２４          界磁電流に対するＰＩ制御器
２５          スイッチング時点プロセッサ
２６          スイッチング時点プロセッサ
２７          インバータを含む電力出力段
５０          基準電流処理ディレーティング部
５１          ルックアップテーブル（ＬＵＴ）
５２          ステータ電流大きさ形成部
５３          電流ディレーティング部
５４          （制御偏差の）スケーリング部
５５          制御偏差モジュール
５６          トルク制御器
【図１】
2013532940.tif 000004
【図２】
2013532940.tif 000005
【図３】
2013532940.tif 000006
【図４】
2013532940.tif 000007
【図５】
2013532940.tif 000008
【図６】
2013532940.tif 000009
【図７】
2013532940.tif 000010
【国際調査報告】
2013532940.tif 000011
2013532940.tif 000012
2013532940.tif 000013
2013532940.tif 000014
2013532940.tif 000015
2013532940.tif 000016