(57)【要約】  本出願は、永久磁石同期牽引および伝達システムのための制御方法を提供する。制御システムは、サンプリングユニットおよびコントローラを含み、サンプリングユニットは、サンプリングユニットは、永久磁石同期モータの動作励磁電流および動作トルク電流、入力キャパシタ電圧、ならびにロータ周波数を収集し、コントローラは、牽引および伝達システムに対して出された目標トルク命令を取得し、目標励磁電流値および目標トルク電流値を計算し、励磁電流調整値およびトルク電流調整値を生成し、調整ユニットは、目標トルク電流値および動作トルク電流値にしたがってトルク電流調整値を生成し、調整ユニットから出力された励磁電流調整値およびトルク電流調整値にしたがって目標変調率および変調周波数を生成し、永久磁石同期モータのＰＷＭ変調波制御信号を最終的に出力するように較正されている。本出願によって提供される制御方法は、スイッチング周波数をさらに低減し、効率を向上させ、低スイッチング周波数でのシステムの安定した動作を実現するために、新しいＳＶＰＷＭパルス制御方法を採用する。【選択図】図４
2021515528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期牽引および伝達システムの制御のための、永久磁石同期牽引および伝達システム用の制御システムであって、前記制御システムは、サンプリングユニットとコントローラとを含み、
前記サンプリングユニットは、永久磁石同期モータに接続されており、前記永久磁石同期モータの動作励磁電流および動作トルク電流を収集するための電流センサと、前記永久磁石同期モータの入力キャパシタ電圧を収集するための電圧センサと、前記永久磁石同期モータの初期ロータ位置およびロータ周波数を収集するためのリゾルバとを含み、
前記コントローラは、
前記牽引および伝達システムに対して出された目標トルク命令を取得するように構成された、命令取得ユニットと、
前記目標トルク命令にしたがって目標励磁電流値および目標トルク電流値を計算するように構成された、最大トルク／アンペア（ＭＴＰＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）計算ユニットと、
励磁調整ユニットおよびトルク調整ユニットを含む調整ユニットであって、前記励磁調整ユニットは、前記目標励磁電流値および動作励磁電流値にしたがって励磁電流調整値を生成するように構成されており、前記トルク調整ユニットは、前記目標トルク電流値および動作トルク電流値にしたがってトルク電流調整値を生成するように構成されている、調整ユニットと、
前記調整ユニットから出力された前記励磁電流調整値および前記トルク電流調整値にしたがって目標変調率および変調周波数を生成するように構成された、非干渉化制御ユニットと、
前記非干渉化制御ユニットによって生成された前記目標変調率および前記変調周波数にしたがって、前記永久磁石同期モータのパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌｃａｔｉｏｎ）変調波制御信号を出力するように構成された、セグメント同期変調ユニットと、
を含むことを特徴とする、制御システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値の両方を補償するために、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値の補償信号を生成するように構成された、弱め磁束補償ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値を高精度励磁電流値および高精度トルク電流値に変換するように構成された、電流高精度計算ユニットをさらに含み、前記励磁調整ユニットは、前記高精度励磁電流値にしたがった調整によって前記励磁電流調整値を生成し、前記トルク調整ユニットは、前記高精度トルク電流値にしたがった調整によって前記トルク電流調整値を生成することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記電流高精度計算ユニットの出力データを取得するように構成された電圧フィードフォワードユニットをさらに含み、目標トルクの補償データを生成することを特徴とする、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法であって、
前記牽引および伝達システムの目標トルク命令を目標励磁電流値および目標トルク電流値に変換するステップと、
前記目標励磁電流値および目標トルク電流値を調整および計算するステップと、
前記目標励磁電流値および目標トルク電流値を非干渉化し、前記目標励磁電流値にしたがって目標変調率を生成し、前記目標トルク電流値にしたがって変調周波数を生成するステップと、
永久磁石同期牽引モータを制御するために前記目標変調率および前記変調周波数を使用するステップと、
を含むことを特徴とする、制御方法。
【請求項６】
前記牽引および伝達システムの前記目標トルク命令を前記永久磁石同期モータの前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値に変換する方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000016
前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値を計算するために、上記２つの式が組み合わされ、
ここでＴｅは目標トルク、Ｌｑはシャフトｑの等価インダクタンス、Ｌｄはシャフトｄの等価インダクタンス、ｉｄは前記目標励磁電流値、ｉｑは前記目標トルク電流値、ｉｓは目標相電流、Ψｆはモータ鎖交磁束、Ｐｎは前記モータのポール対の数、φは前記モータの電圧−電流角度差であることを特徴とする、請求項５に記載の制御方法。
【請求項７】
設定目標変調率にしたがって変換入力キャパシタ電圧を変換するステップと、サンプリングによって取得された入力キャパシタ電圧との比較の後に、調整によってトルク電流補償量ｉｑ＿ｃｒｒおよび励磁電流補償量ｉｄ＿ｃｒｒを生成するステップと、後続の計算のために、前記トルク電流補償量および前記励磁電流補償量を前記目標トルク電流値および前記目標励磁電流値とそれぞれ合成するステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の制御方法。
【請求項８】
前記モータの高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを得るために、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値の高精度計算を実行するステップをさらに含み、
2021515528.tif 000017
前記調整および計算のために前記得られた高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用することを特徴とする、請求項７に記載の制御方法。
【請求項９】
前記目標変調率の補償計算を実行するように、前記高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび前記高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用して電圧補償値を計算するステップをさらに含み、
2021515528.tif 000018
ここで、Ｒｓはロータ抵抗、ωｒは角速度、Ｕｄはシャフトｄの制御電圧成分、Ｕｑはシャフトｑの制御電圧成分であることを特徴とする、請求項７に記載の制御方法。
【請求項１０】
前記目標変調率Ｍを生成する方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000019
ここで、Ｆｃは前記入力キャパシタ電圧、ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは励磁電流調整値であり、
前記変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔを生成するための方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000020
ここで、ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔはトルク電流調整値、Ｆｓはロータ周波数であることを特徴とする、請求項９に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、牽引および伝達制御の分野に関し、具体的には、永久磁石同期牽引および伝達システムに適した制御システムおよび制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
牽引および伝達システムは、列車の動力システムであり、主にコンバータおよびモータで構成されている。モータは、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換を完了し、列車を駆動して動作させる。
【０００３】
永久磁石同期牽引および伝達システムは、永久磁石同期モータを採用している。非同期モータと比較すると、永久磁石同期モータは、力率が高く、発熱が少なく、騒音が少なく、信頼性が高いという特徴を有する。鉄道交通牽引および伝達システムにおける都市鉄道の永久磁石同期モータの適用は、初期段階にある。永久磁石同期牽引および伝達システムの制御には、さらに研究する必要がある多くの技術的な問題がある。牽引モータおよび牽引コンバータの制御と非同期牽引および伝達システムの制御との間には類似点があるものの、永久磁石同期モータもまた、固有の多くの実用上の問題を有する。
【０００４】
現在、既存の都市鉄道の永久磁石同期モータ制御アルゴリズムは、ほとんどの場合、同作用の非同期の空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ：Ｓｐａｃｅ  Ｖｅｃｔｏｒ  Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を採用している。高回転速度の条件下では、出力電流の高調波要件を満たすために、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のスイッチング周波数は大幅に増加し、出力損失は上昇し、ハードウェアコストも増加して、放熱要件を満たす。
【０００５】
永久磁石同期モータは永久磁石によって励磁されるので、弱め磁束範囲が狭く、弱め磁束は困難である。より優れた弱め磁束制御技術は、インバータの容量を変化させずにシステム性能を大幅に向上させることができる。現在、多くの弱め磁束スキームは複雑なアルゴリズムを有するが、弱め磁束効率は低く、効果は不十分である。
【発明の概要】
【０００６】
従来技術の永久磁石同期モータの制御に存在する複雑なアルゴリズムおよび低制御精度の問題を鑑みて、本出願は、永久磁石同期牽引および伝達システムのための新規な制御システムならびに方法を提案する。具体的な技術的解決策は、以下の通りである。
【０００７】
永久磁石同期牽引および伝達システムを制御するための、永久磁石同期牽引および伝達システムの制御システムであって、制御システムは、サンプリングユニットおよびコントローラを含み、
サンプリングユニットは、永久磁石同期モータに接続されており、永久磁石同期モータの動作励磁電流および動作トルク電流を収集するための電流センサと、永久磁石同期モータの入力キャパシタ電圧を収集するための電圧センサと、永久磁石同期モータの初期ロータ位置およびロータ周波数を収集するためのリゾルバとを含み、
コントローラは、
牽引および伝達システムに対して出された目標トルク命令を取得するように構成された、命令取得ユニットと、
目標トルク命令にしたがって目標励磁電流値および目標トルク電流値を計算するように構成された、最大トルク／アンペア（単位アンペア当たりの最大トルク。ＭＴＰＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）計算ユニットと、
励磁調整ユニットおよびトルク調整ユニットを含む調整ユニットであって、励磁調整ユニットは、目標励磁電流値および動作励磁電流値にしたがって励磁電流調整値を生成するように構成されており、トルク調整ユニットは、目標トルク電流値および動作トルク電流値にしたがってトルク電流調整値を生成するように構成されている、調整ユニットと、
調整ユニットから出力された励磁電流調整値およびトルク電流調整値にしたがって目標変調率および変調周波数を生成するように構成された、非干渉化制御ユニットと、
非干渉化制御ユニットによって生成された目標変調率および変調周波数にしたがって、永久磁石同期モータのＰＷＭ変調波制御信号を出力するように構成された、セグメント同期変調ユニットと、
を含む、制御システム。
【０００８】
好ましくは、コントローラは、目標励磁電流値および目標トルク電流値の両方を補償するために目標励磁電流値および目標トルク電流値の補償信号を生成するように構成された、弱め磁束補償ユニットをさらに含む。
【０００９】
好ましくは、コントローラは、目標励磁電流値および目標トルク電流値を高精度励磁電流値および高精度トルク電流値に変換するように構成された、電流高精度計算ユニットをさらに含み、励磁調整ユニットは、高精度励磁電流値にしたがって調整によって励磁電流調整値を生成し、トルク調整ユニットは、高精度トルク電流値にしたがって調整によってトルク電流調整値を生成する。
【００１０】
好ましくは、コントローラは、電流高精度計算ユニットの出力データを取得するように構成された電圧フィードフォワードユニットをさらに含み、目標トルクの補償データを生成する。
【００１１】
本出願は、永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法であって、
変換された牽引および伝達システムの目標トルク命令を目標励磁電流値および目標トルク電流値に変換するステップと、
目標励磁電流値および目標トルク電流値を調整および計算するステップと、
目標励磁電流値および目標トルク電流値を非干渉化し、目標励磁電流値にしたがって目標変調率を生成し、目標トルク電流値にしたがって変調周波数を生成するステップと、
永久磁石同期牽引モータを制御するために目標変調率および変調周波数を使用するステップと、
を含む制御方法を、さらに提供する。
【００１２】
好ましくは、牽引および伝達システムの目標トルク命令を永久磁石同期モータの目標励磁電流値および目標トルク電流値に変換する方法は、以下の通りである。
【００１３】
以下の式により、
2021515528.tif 000003
目標励磁電流値および目標トルク電流値を計算するために、上記２つの式が組み合わせられ、
ここでＴｅは目標トルク、Ｌｑはシャフトｑの等価インダクタンス、Ｌｄはシャフトｄの等価インダクタンス、ｉｑは目標トルク電流値、ｉｄは目標励磁電流値、ｉｓは目標相電流、Ψｆはモータ鎖交磁束、Ｐｎはモータのポール対の数、φはモータの電圧−電流角度差である。
【００１４】
好ましくは、本方法は、設定目標変調率にしたがって変換入力キャパシタ電圧（変換された入力キャパシタ電圧）を変換するステップと、サンプリングによって取得された入力キャパシタ電圧との比較の後に、調整によってトルク電流補償量ｉｑ＿ｃｒｒおよび励磁電流補償量ｉｄ＿ｃｒｒを生成するステップと、後続の計算のために、トルク電流補償量および励磁電流補償量を目標トルク電流値および目標励磁電流値とそれぞれ合成するステップと、をさらに含む。
【００１５】
好ましくは、本方法は、モータの高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを得るために、目標励磁電流値および目標トルク電流値の高精度計算を実行するステップをさらに含み、
2021515528.tif 000004
調整および計算のために得られた高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用する。
【００１６】
好ましくは、本方法は、目標変調率の補償計算を実行するように、高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用して電圧補償値を計算するステップをさらに含み、
2021515528.tif 000005
ここで、Ｒｓはロータ抵抗、ωｒは角速度、Ｕｄはシャフトｄの制御電圧成分、Ｕｑはシャフトｑの制御電圧成分である。
【００１７】
好ましくは、目標変調率Ｍを生成するための方法は、
2021515528.tif 000006
ここで、Ｆｃは入力キャパシタ電圧、ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは励磁電流調整値であり、
変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔを生成するための方法は、以下の通りである。
2021515528.tif 000007
ここで、ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔはトルク電流調整値、Ｆｓはロータ周波数である。
【００１８】
従来技術と比較すると、本出願は、以下のような利点およびプラスの効果を有する。
【００１９】
１）本出願によって提供される永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法では、永久磁石同期モータの出力特性および逆起電力のさらなる研究を通じて、新規なＳＶＰＷＭパルス制御方法が採用され、その結果、スイッチング周波数をさらに低減し、コンバータのスイッチング損失を減少させ、システム効率を向上させ、低スイッチング周波数でのシステムの安定した動作を実現する。
【００２０】
２）本出願では、制御アルゴリズムのために新しい弱め磁束制御アルゴリズムが提案される。出力電圧を適合させて出力電圧を入力電圧を比較することによって、システムは弱め磁束領域で安定して動作することができ、弱め磁束効率を向上させることができる。
【００２１】
３）本出願は、高精度電流計算ユニットと弱め磁束補償ユニットとの間の連携を通じて弱め磁束の制御精度を向上させ、インバータ容量を変化させずにシステム性能を向上させることができる、高精度電流計算方法を提案する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】永久磁石同期牽引および伝達システムの概略構造図である。
【図２】本出願の制御システムの簡略化された構造図である。
【図３】本出願の一実施形態による制御システムの概略構造図である。
【図４】本出願の別の実施形態による制御システムの概略構造図である。
【図５】本出願の弱め磁束制御の原理図である。
【図６】本出願の非干渉化制御の原理図である。
【図７】非同期ＳＶＰＷＭ変調の原理図である。
【図８】本出願の１１周波数分割同期ＳＶＰＷＭのスイッチング角度の分布図である。
【００２３】
図中、
１−サンプリングユニット；１０１−電流センサ；１０２−電圧センサ；１０３−リゾルバ；２−コントローラ；２１−命令取得ユニット；２２−ＭＴＰＡ計算ユニット；２３−調整ユニット；２３１−励磁調整ユニット；２３２−トルク調整ユニット；２４−非干渉化制御ユニット；２５−セグメント同期変調ユニット；２６−電流高精度計算ユニット；２７−弱め磁束補償ユニット；２８−電圧フィードフォワードユニット；３−永久磁石同期モータ；４−牽引コンバータ；４１−ＩＧＢＴコンバータモジュール；４２−チョッパモジュール；４３−プリチャージモジュール；５−三相制御可能な接触子。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本出願の特定の実施形態がさらに説明される。
【００２５】
本出願によって提供される永久磁石同期牽引および伝達システムのための制御システムは、永久磁石同期モータによって動力供給される列車牽引システムに適用されること、すなわち永久磁石同期牽引および伝達システム（以下、牽引および伝達システムと表記）に適用されることが可能である。
【００２６】
永久磁石同期牽引および伝達システムの主な形態は図１に示されており、これは牽引コンバータ４および永久磁石同期モータ３（ＰＭＳＭ，Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｍｏｔｏｒ）を含み、牽引コンバータ４の内部回路は、ＩＧＢＴコンバータモジュール４１、チョッパモジュール４２、およびプリチャージモジュール４３を含み、牽引コンバータ４の出力端は、三相制御可能な接触子５を介して永久磁石同期モータ３に接続されている。
【００２７】
制御システムは、サンプリングユニット１およびコントローラ２を含む。図２は、制御システムの簡略化された構造図である。図２では、牽引コンバータ４は記号として簡略化されている。牽引コンバータ４のＩＧＢＴコンバータモジュール４１のスイッチングパルスを制御することにより、永久磁石同期牽引および伝達システムは制御システムによって制御される。
【００２８】
図２に示されるように、サンプリングユニット１は、永久磁石同期モータ３に接続されており、永久磁石同期モータ３の動作励磁電流ｉｄ＿ｆｅｄおよび動作トルク電流ｉｑ＿ｆｅｄを収集するための電流センサ１０１と、永久磁石同期モータ３の入力キャパシタ電圧Ｆｃを収集するための電圧センサ１０２と、永久磁石同期モータ３の初期ロータ位置Ｔｈｅｔａおよびロータ周波数Ｆｓを収集するためのリゾルバ１０３とを含み、サンプリングユニットによって収集された上記データは、コントローラ２に送信される。
【００２９】
電流センサ１０１、電圧センサ１０２、およびリゾルバ１０３はすべてコントローラ２に接続されている。
【００３０】
サンプリングユニット１によって収集されたデータはそこに記憶されてもよく、その他いずれかのユニットが計算を行う必要があるとき、対応するデータがサンプリングユニット１から抽出される。説明の便宜上、サンプリングユニット１と複数のユニットのうちの１つとの間のデータ読み取りプロセスのみが図３および図４に示されることに留意すべきである。しかしながら、他のいずれかのユニットが計算を行う必要があるとき、対応するデータもまたサンプリングユニット１から抽出され得ることは、理解され得る。
【００３１】
図３は、制御システムの概略構造図であり、これはコントローラ２の構造構成を示している。コントローラ２は、以下を含む。
牽引および伝達システムに対して出された目標トルク命令を取得するように構成された、命令取得ユニット２１であって、目標トルク命令は牽引および伝達システム全体の運用命令であり、制御システムの制御目的は、牽引および伝達システムが目標トルク命令にしたがって安定して動作できるようにすることである、命令取得ユニット２１と、
目標トルク命令にしたがって目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑを計算するように構成された、最大トルク／アンペア（ＭＴＰＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）計算ユニット２２であって、ＭＴＰＡ計算ユニットは、目標トルク命令を制御システムによって使用され得る電流信号ｉｄおよびｉｑに変換し、制御システムは、サンプリングユニットによって収集された目標電流（ｉｄ，ｉｑ）およびフィードバック電流（ｉｄ＿ｆｅｄ，ｉｑ＿ｆｅｄ）にしたがって制御を実行する、ＭＴＰＡ計算ユニット２２と、
励磁調整ユニット２３１およびトルク調整ユニット２３２を含む調整ユニット２３であって、励磁調整ユニット２３１は、目標励磁電流値ｉｄおよび動作励磁電流値ｉｄ＿ｆｅｄにしたがって励磁電流調整値を生成するように構成されており、トルク調整ユニット２３２は、目標トルク電流値ｉｑおよび動作トルク電流値ｉｑ＿ｆｅｄにしたがってトルク電流調整値を生成するように構成されている、調整ユニット２３と、
調整ユニット２３から出力された励磁電流調整値およびトルク電流調整値にしたがって目標変調率Ｍおよび変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔを生成するように構成された、非干渉化制御ユニット２４と、
非干渉化制御ユニット２４によって生成された目標変調率Ｍおよび変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔにしたがって、永久磁石同期モータ３のパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調波制御信号を出力するように構成された、セグメント同期変調ユニット２５。
【００３２】
上記の構造に基づき、制御システムは、トルク命令にしたがって永久磁石同期モータ３の追跡制御を完了することができる。
【００３３】
制御システムの構造のさらなる最適化として、図４を参照すると、コントローラ２は、ＭＴＰＡ計算ユニット２２によって計算された目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑを高精度励磁電流値および高精度トルク電流値に変換するように構成された電流高精度計算ユニット２６をさらに含み、電流は、制御精度がさらに向上できるように、高精度電流計算によって較正される。このとき、励磁調整ユニット２３１は、高精度励磁電流値にしたがって調整によって励磁電流調整値を生成し、トルク調整ユニット２３２は、高精度トルク電流値にしたがって調整によってトルク電流調整値を生成する。
【００３４】
制御システムのさらなる最適化として、図４を参照すると、コントローラ２は、目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑの両方を補償するために、目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑのための補償信号を生成するように構成された、弱め磁束補償ユニット２７をさらに含む。弱め磁束補償ユニット２７は、非干渉化制御ユニット２４から出力された信号および入力キャパシタ電圧Ｆｃの信号を受信し、ＭＴＰＡ計算ユニット２２の入力端に送信される電流補償値を生成する。電流高精度計算ユニット２６は、ＭＴＰＡ計算ユニット２２の出力値および弱め磁束補償ユニット２７によってフィードバックされた補償値の組み合わせにしたがって、高精度電流計算を実行する。
【００３５】
電流高精度計算ユニット２６および弱め磁束補償ユニット２７は、高精度電流計算を実現するために互いに連携することが、理解され得る。つまり、弱め磁束補償ユニット２７は、非干渉化制御ユニット２４から出力された信号と、サンプリングユニット１によって収集された入力キャパシタ電圧Ｆｃとを受信し、目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑの補償値をそれぞれ生成する。さらに、補償値は電流高精度計算ユニット２６に送信され、これは、ＭＴＰＡ計算ユニット２２から出力されたｉｄおよびｉｑならびに弱め磁束補償ユニット２７から出力された補償値にしたがって、高精度電流計算を実行する。
【００３６】
制御システムのさらなる最適化として、コントローラは、電流高精度計算ユニット２６の出力データを取得するように構成された電圧フィードフォワードユニット２８をさらに含み、目標トルクの補償データを生成する。補償データは、変調率を計算するために、非干渉化制御ユニット２４にフィードバックされる。
【００３７】
本出願は、永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法をさらに提供し、制御方法は、高精度電流計算が実行されるか否かの事実にしたがって、以下の２つの実施形態に分類される。
【００３８】
実施形態１
この実施形態によって提供される永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法は、以下のステップを含む。
【００３９】
１）制御目標パラメータを変換
牽引および伝達システムの目標トルク命令は、目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑに変換される。
【００４０】
牽引および伝達システムによって取得された命令は目標トルク命令であり、これはＭＴＰＡ計算ユニット２２によって永久磁石同期モータ３の目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑに変換される。
【００４１】
具体的な変換方法は、以下の通りである。
以下の式により、
2021515528.tif 000008
目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑを計算するために、上記２つの式が組み合わせられ、
ここでＴｅは目標トルク、Ｌｑはシャフトｑの等価インダクタンス、Ｌｄはシャフトｄの等価インダクタンス、ｉｄは目標励磁電流値、ｉｑは目標トルク電流値、ｉｓは目標相電流、Ψｆはモータ鎖交磁束、Ｐｎはモータのポール対の数、φはモータの電圧−電流角度差である。
【００４２】
２）目標励磁電流値および目標トルク電流値を調整および計算
ＭＴＰＡ計算ユニット２２によって計算された目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑは、電流調整および計算のために調整ユニット２３に送信される。励磁電流調整値ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは、目標励磁電流値ｉｄおよび動作励磁電流値Ｉｄ＿ｆｅｄにしたがって励磁調整ユニット２３１によって生成される。トルク電流調整値ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔは、目標トルク電流値ｉｑおよび動作トルク電流値ｉｑ＿ｆｅｄにしたがってトルク調整ユニットによって生成される。励磁電流調整値およびトルク電流調整値は、目標変調率および変調周波数を生成するために非干渉化制御に使用される。
【００４３】
この実施形態では、比例積分微分（ＰＩＤ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）調整および計算方法が調整ユニット２３によって採用されるが、これは周知の計算方法であり、ここでは詳細に説明されない。
【００４４】
３）目標励磁電流値および目標トルク電流値を非干渉化し、目標励磁電流値にしたがって目標変調率を生成し、目標トルク電流値にしたがって変調周波数を生成する。
【００４５】
３．１）電圧補償値を計算
目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑは、電圧補償値、すなわち前述の目標トルクの補償データを計算するために、電圧フィードフォワードユニット２８に送信される。具体的な計算方法は、以下の通りである。
2021515528.tif 000009
ここで、Ｒｓはロータ抵抗、ωｒは角速度、Ｕｄはシャフトｄの制御電圧成分、Ｕｑはシャフトｑの制御電圧成分である。
【００４６】
３．２）目標変調率および変調周波数を生成
図６を参照すると、ＵｄおよびＵｑは、電圧フィードフォワードユニット２８によって非干渉化制御ユニット２４に出力され、励磁電流調整値ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔおよびトルク電流調整値ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔは、調整ユニット２３によって生成されて非干渉化制御ユニット２４に出力され、目標変調率Ｍおよび変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔは、非干渉化制御ユニット２４によって生成される。
【００４７】
目標変調率Ｍを生成する方法は、以下の通りである。
2021515528.tif 000010
ここで、Ｆｃは入力キャパシタ電圧、ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは、トルク調整ユニット２３２によって生成および出力された励磁電流調整値である。
【００４８】
変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔを生成するための方法は、以下の通りである。
2021515528.tif 000011
ここで、ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔは励磁調整ユニット２３１によって生成および出力されたトルク電流調整値、Ｆｓはサンプリングユニット１によって収集されたロータ周波数である。
【００４９】
目標変調率Ｍおよび変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔの合成は、非干渉化制御ユニット２４によって最終的に完了する。
【００５０】
４）セグメント同期変調
目標変調率Ｍおよび変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔにしたがって、永久磁石同期牽引モータ３の制御のためにセグメント同期変調ユニットによってＰＷＭ変調波が生成される。
【００５１】
非同期ＳＶＰＷＭ変調プログラムは、ＭおよびＦｓ＿ｏｕｔの情報を受信し、電圧ベクトルが配置されているセクタを決定することによって三相（ｕ、ｖ、ｗ）パルスを生成する。
【００５２】
図７を参照すると、この実施形態で採用される目標変調率は０．９０６であり、同期１１周波数分割ＳＶＰＷＭ変調（基本境界拘束ストラテジー。Ｂａｓｉｃ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｌａｍｐｉｎｇ  Ｓｔｒａｔｅｇｙ）のセグメント変調モジュールの変調は、変調度が０．９０６を超え、過変調領域に入ると、１１個のパルスのうちの４つが対称的に消失して７つのパルスが残るように、切り換えられる。変調度はさらに増加し、２つのパルスが対称的に消失して５つのパルスが残る。変調度が１を超えると、方形波の単一パルスのみが残る。
【００５３】
図７に示されるように、３０Ｈｚから４０Ｈｚの範囲内に１１周波数分割同期変調Ｉがあり、各変調周期は３０回の中断を有する。４０Ｈｚを超えてから方形波が１１周波数分割同期変調ＩＩであるまで、各変調周期は１５回の中断を有する。過変調領域に入った後、パルスの数は変調度の増加とともに対称的に減少し、変調度が１を超えると方形波の単一パルスのみが残る。
【００５４】
図８に示されるように、３０回の中断を伴う１１周波数分割同期ＳＶＰＷＭのＡ相パルスを使用することにより、各セクタに対応する比較値にしたがって、１／４周期内でα１、α２、α３、α４、およびα５の５つのスイッチング角度を導出することができる。
【００５５】
同期ＳＶＰＷＭ（１／２周期対称、１／４周期非対称）の特性にしたがって、全周期内のパルス幅を導出し、次いでＩＧＢＴコンバータモジュールのオンおよびオフを制御することができる。角度計算式は、以下の通りである。
2021515528.tif 000012
【００５６】
実施形態２
この実施形態によって提供される永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法は、高精度電流計算を含み、具体的には以下のステップを含む。
１）実施形態１のステップ１）と同じく、制御目標パラメータを変換する。
２）高精度電流計算を実行
【００５７】
さらに、設定目標変調率Ｍｔにしたがって、変換入力キャパシタ電圧Ｆｃ１が得られる。サンプリングによって取得された入力キャパシタ電圧Ｆｃとの比較後にトルク電流補償量ｉｑ＿ｃｒｒおよび励磁電流補償量ｉｄ＿ｃｒｒが調整によって生成され、高精度電流計算を実行するように、合成のために目標トルク電流値ｉｑおよび目標励磁電流値ｉｄがそれぞれ加えられる。
【００５８】
弱め磁束補償ユニット２７の弱め磁束制御の原理が、図５に示されている。弱め磁束補償ユニット２７は、高精度電圧補償量を使用し、ｉｄおよびｉｑの補償量を生成するために最終制御目標として変調率を取る。
【００５９】
ここで、Ｍｔは弱め磁束制御の設定目標変調率（セグメント同期変調ユニット２５に出力されるとシステムによって期待される変調率として解釈されることが可能であり、弱め磁束補償ユニット２７は、非干渉化制御ユニット２４の最終出力がＭ＝Ｍｔとなることを目的とする）であり、値の範囲は０から１、経験値の範囲は０．８８から０．９１である。フィードバック量Ｆｃ１の計算式は、以下の通りである。
2021515528.tif 000013
ここで、ＵｑおよびＵｄは電圧フィードフォワードユニットの出力結果であり、ＰＩＤ．ＩｄｏｕｔはシャフトｄのＰＩＤ調整出力結果、すなわちトルク変調ユニット２３２の出力結果である。Ｆｃ１は、設定目標変調率Ｍｔを使用して計算される。
【００６０】
高精度電流計算の方法は、以下の通りである。
【００６１】
モータの高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを得るために、目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑの高精度計算を実行する。
2021515528.tif 000014
【００６２】
上記のプロセスでは、ＵｓおよびＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは、非干渉化制御ユニット２４によって生成されて弱め磁束補償制御ユニット２７に出力され、変換入力キャパシタ電圧Ｆｃ１は設定目標変調率Ｍｔにしたがって弱め磁束補償制御ユニット２７によって得られることが、理解され得る。サンプリングによって取得された入力キャパシタ電圧との比較の後に、トルク電流補償量ｉｑ＿ｃｒｒおよび励磁電流補償量ｉｄ＿ｃｒｒは、調整によって生成され、電流高精度計算ユニット２６に出力され、高精度電流計算を実行するように合成のためにＭＴＰＡ計算ユニット２２によって計算された目標トルク電流値ｉｑおよび目標励磁電流値ｉｄが加えられる。
【００６３】
ここで、トルク電流補償量ｉｑ＿ｃｒｒおよび励磁電流補償量ｉｄ＿ｃｒｒの調整および計算方法はＰＩＤ調整および計算方法であってもよく、ここでは詳細に説明されない。
【００６４】
３）高精度励磁電流値および高精度トルク電流値を調整および計算。
【００６５】
モータの取得された高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔは、調整および計算に使用される。この実施形態では、ＰＩＤ調整方法が採用される。
【００６６】
励磁電流調整値ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは、高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび動作励磁電流値Ｉｄ＿ｆｅｄにしたがって励磁調整ユニット２３１によって生成され、トルク電流調整値ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔは、高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔおよび動作トルク電流値ｉｑ＿ｆｅｄにしたがってトルク調整ユニット２３２によって生成され、励磁電流調整値ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔおよびトルク電流調整値ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔは、目標変調率および変調周波数を生成するための非干渉化制御のために使用される。
【００６７】
４）目標変調率および変調周波数を生成。
【００６８】
図６を参照すると、目標励磁電流値および目標トルク電流値が非干渉化され、目標変調率が目標励磁電流値にしたがって生成され、変調周波数が目標トルク電流値にしたがって生成される。
【００６９】
変調率の計算精度をさらに向上させるために、この実施形態では、電圧補償値は、目標変調率の補償計算を実行するように、高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用して計算される。
2021515528.tif 000015
ここで、Ｒｓはロータ抵抗、ωｒは角速度、Ｕｄはシャフトｄの制御電圧成分、Ｕｑはシャフトｑの制御電圧成分である。
【００７０】
目標変調率および変調周波数を生成する方法は、実施形態１のステップ３．２）と同じであり、ここでは繰り返されない。
【００７１】
５）セグメント同期変調、実施形態１のステップ４）と同じであり、ここでは繰り返されない。
【００７２】
高精度電流計算がこの実施形態によって採用されることに、留意すべきである。初期の時間、すなわち開始時間では、各データはほぼ０である。開始後、トルク命令を計算することにより、初期目標励磁電流値ｉｄおよび初期目標トルク電流値ｉｑが取得される。この時点で運用データはなく、高精度計算は実行され得ないので、目標励磁電流値ｉｄおよび目標トルク電流値ｉｑは調整ユニットによって非干渉化され、次いで牽引および伝達システムを始動するためにＰＷＭ信号が出力される。次に、サンプリングユニット１が対応する運用データを収集し、制御システム全体が、高精度制御を実現するために正常に動作し始める。
【００７３】
本出願に記載される方法は、永久磁石牽引および伝達システムの制御に使用され、これはスイッチング周波数を低減し、効率を向上させ、システムの動的応答速度および安定性を高めることができる。
【００７４】
上記のものは、他の形態の本出願に対する制限ではなく、本出願の好適な実施形態に過ぎない。当業者は、上記で開示された技術的内容を、他の分野に適用される同等の実施形態に変更または修正することができる。しかしながら、本出願の技術的解決策から逸脱することなく、本出願の技術的本質にしたがって上記実施形態になされる単純な補正、同等の変更、または修正は、本出願の保護範囲に含まれる。
【図１】
2021515528.tif 000021
【図２】
2021515528.tif 000022
【図３】
2021515528.tif 000023
【図４】
2021515528.tif 000024
【図５】
2021515528.tif 000025
【図６】
2021515528.tif 000026
【図７】
2021515528.tif 000027
【図８】
2021515528.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月13日(2020.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期牽引および伝達システムの制御のための永久磁石同期牽引および伝達システム用の制御システムであって、前記制御システムは、サンプリングユニットおよびコントローラを含み、
前記サンプリングユニットは、永久磁石同期モータに接続されており、前記永久磁石同期モータの動作励磁電流および動作トルク電流を収集するための電流センサと、前記永久磁石同期モータの入力キャパシタ電圧を収集するための電圧センサと、前記永久磁石同期モータの初期ロータ位置およびロータ周波数を収集するためのリゾルバとを含み、
前記コントローラは、
前記牽引および伝達システムに対して出された目標トルク命令を取得するように構成された、命令取得ユニットと、
前記目標トルク命令にしたがって目標励磁電流値および目標トルク電流値を計算するように構成された、最大トルク／アンペア（ＭＴＰＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｐｅｒ  Ａｍｐｅｒｅ）計算ユニットと、
励磁調整ユニットおよびトルク調整ユニットを含む調整ユニットであって、前記励磁調整ユニットは、前記目標励磁電流値および動作励磁電流値にしたがって励磁電流調整値を生成するように構成されており、前記トルク調整ユニットは、前記目標トルク電流値および動作トルク電流値にしたがってトルク電流調整値を生成するように構成されている、調整ユニットと、
前記調整ユニットから出力された前記励磁電流調整値および前記トルク電流調整値にしたがって目標変調率および変調周波数を生成するように構成された、非干渉化制御ユニットと、
を含み、
前記目標変調率Ｍを生成する方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000029
ここで、Ｆｃは前記入力キャパシタ電圧、ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは励磁電流調整値であり、Ｕｄはシャフトｄの制御電圧成分、Ｕｑはシャフトｑの制御電圧成分であり、
前記変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔを生成する方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000030
ここで、ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔはトルク電流調整値、Ｆｓはロータ周波数であり、
前記非干渉化制御ユニットによって生成された前記目標変調率および前記変調周波数にしたがって、前記永久磁石同期モータのパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌｃａｔｉｏｎ）変調波制御信号を出力するように構成された、セグメント同期変調ユニットを含み、
前記セグメント同期変調ユニットは、ＭおよびＦｓ＿ｏｕｔの情報を受信し、電圧ベクトルが配置されているセクタを決定することによって三相（ｕ、ｖ、ｗ）パルスを生成することを特徴とする、制御システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値の両方を補償するために、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値の補償信号を生成するように構成された、弱め磁束補償ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値を高精度励磁電流値および高精度トルク電流値に変換するように構成された、電流高精度計算ユニットをさらに含み、前記励磁調整ユニットは、前記高精度励磁電流値にしたがった調整によって前記励磁電流調整値を生成し、前記トルク調整ユニットは、前記高精度トルク電流値にしたがった調整によって前記トルク電流調整値を生成することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記電流高精度計算ユニットの出力データを取得するように構成された電圧フィードフォワードユニットをさらに含み、目標トルクの補償データを生成することを特徴とする、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
永久磁石同期牽引および伝達システムの制御方法であって、
前記牽引および伝達システムの目標トルク命令を目標励磁電流値および目標トルク電流値に変換するステップと、
前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値を調整および計算するステップと、
前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値を非干渉化し、前記目標励磁電流値にしたがって目標変調率を生成し、前記目標トルク電流値にしたがって変調周波数を生成するステップと、
永久磁石同期牽引モータを制御するために前記目標変調率および前記変調周波数を使用するステップと、
前記牽引および伝達システムの前記目標トルク命令を前記永久磁石同期モータの前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値に変換する方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000031
前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値を計算するために、上記２つの式が組み合わされ、
ここでＴｅは目標トルク、Ｌｑはシャフトｑの等価インダクタンス、Ｌｄはシャフトｄの等価インダクタンス、ｉｄは前記目標励磁電流値、ｉｑは前記目標トルク電流値、ｉｓは目標相電流、Ψｆはモータ鎖交磁束、Ｐｎは前記モータのポール対の数、φは前記モータの電圧−電流角度差であることを特徴とする制御方法。
【請求項６】
設定目標変調率にしたがって変換入力キャパシタ電圧を変換するステップと、サンプリングによって取得された入力キャパシタ電圧との比較の後に、調整によってトルク電流補償量ｉｑ＿ｃｒｒおよび励磁電流補償量ｉｄ＿ｃｒｒを生成するステップと、後続の計算のために、前記トルク電流補償量および前記励磁電流補償量を前記目標トルク電流値および前記目標励磁電流値とそれぞれ合成するステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の制御方法。
【請求項７】
前記モータの高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを得るために、前記目標励磁電流値および前記目標トルク電流値の高精度計算を実行するステップをさらに含み、
2021515528.tif 000032
前記調整および計算のために前記得られた高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用することを特徴とする、請求項６に記載の制御方法。
【請求項８】
前記目標変調率の補償計算を実行するように、前記高精度励磁電流値ｉｄｔａｒｇｅｔおよび前記高精度トルク電流値ｉｑｔａｒｇｅｔを使用して電圧補償値を計算するステップをさらに含み、
2021515528.tif 000033
ここで、Ｒｓはロータ抵抗、ωｒは角速度、Ｕｄはシャフトｄの制御電圧成分、Ｕｑはシャフトｑの制御電圧成分、Ψｆはモータ鎖交磁束であることを特徴とする、請求項６に記載の制御方法。
【請求項９】
前記目標変調率Ｍを生成する方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000034
ここで、Ｆｃは前記入力キャパシタ電圧、ＰＩＤ．Ｉｄｏｕｔは励磁電流調整値であり、
前記変調周波数Ｆｓ＿ｏｕｔを生成するための方法は、以下の通りであり、
2021515528.tif 000035
ここで、ＰＩＤ．Ｉｑｏｕｔはトルク電流調整値、Ｆｓはロータ周波数であることを特徴とする、請求項８に記載の制御方法。
【国際調査報告】
2021515528.tif 000036
2021515528.tif 000037
2021515528.tif 000038
2021515528.tif 000039