JP6876566B2

JP6876566B2 - 可変磁化機械制御装置

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Publication number: JP6876566B2
Application number: JP2017144138A
Authority: JP
Inventors: 孝志福重; チェンイェンユー; ローレンツ　ロバート　ディー; ロバートディーローレンツ
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2017200437A

Description

（関連出願の相互参照）
関連の主題は、２０１３年６月２８日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０４８５６２、及び本願と同時出願された「ＶａｒｉａｂｌｅＭａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」という名称の国際出願（代理人整理番号ＮＳ−ＷＯ１４５２０２）に開示されており、これらの国際出願の両方の内容全体を参照により本明細書に援用する。

本発明は、一般に可変磁化機械制御装置に関する。より詳細には、本発明は、電気自動車又はハイブリッド電気自動車で採用される電気モータ又は他のタイプの可変磁束機械など可変磁化機械をより低い電圧で制御するために、パルス電流によって誘発される電圧を減少させることが可能な制御装置に関する。

電気自動車及びハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、車両用の駆動源として動作する電気モータを含む。純電気自動車では、電気モータが唯一の駆動源として動作する。一方、ＨＥＶは、電気モータと従来の内燃機関とを含み、それらが、当技術分野で理解される条件に基づいて車両用の駆動源として動作する。

電気自動車及びＨＥＶは、当技術分野で理解されるような可変磁化特性を有する電気モータを採用することができる。例えば、モータによって発生されるトルクを増加させるために、モータの磁化レベルを増加させることができる。したがって、運転者が車両を加速させて、例えば別の車両を追い越すことを試みるとき、モータ制御システムは、磁化レベルを変更してモータのトルク出力を増加し、したがって車両速度を上げることができる。

既知の技術の状況に鑑みて、開示される実施形態による可変磁化機械制御装置の一態様
は、理想的な磁化状態信号を受信し、理想的な磁化状態信号に基づいて実際の磁化信号を
出力して可変磁化機械を制御し、理想的な磁化状態信号に対してＺ変換した信号と実際の磁化状態信号との間の誤差値を算出し、誤差値に従って実際の磁化状態信号に対してＺ変換した信号から理想的な磁化状態信号に切替えて、実際の磁化状態信号として出力するように構成され、理想的な磁化状態信号は、目標トルクと車速とに応じて定まる損失が最小となる磁化状態である、ヒステリシス制御構成要素を備える。

以下、本開示の一部を成す添付図面を参照する。

図１は、開示される実施形態による可変磁化機械の概略部分断面図である。図２は、図１に示されるような可変磁化機械を制御するために車両で採用される、開示される実施形態による制御装置を含む構成要素の一例を示す概略図である。図３は、図１に示されるような可変磁化機械を制御するために車両で採用される、開示される実施形態による制御装置を含む構成要素の一例を示す概略図である。図４は、図１に示されるような可変磁化機械を制御するために車両で採用される、開示される実施形態による制御装置を含む構成要素の一例を示す概略図である。図５は、磁化プロセス中の、可変磁化機械の磁化状態（Ｍ／Ｓ）と、図２〜４に示される構成によって可変磁化機械に印加されるｄ軸電流パルス振幅との関係の一例を示すグラフである。図６は、減磁プロセス中の、可変磁化機械の磁化状態（Ｍ／Ｓ）と、図２〜４に示される構成によって可変磁化機械に印加されるｄ軸電流パルス振幅との関係の一例を示すグラフである。図７は、開示される実施形態による、図２〜４に示される構成で採用される制御装置の構成要素の一例を示すブロック図である。図８は、ｑ軸電流ｉ_qを垂直軸とし、ｄ軸電流ｉ_dを水平軸とした電流座標系に対する、可変磁化機械を駆動する駆動電圧の関係の一例を示すグラフである。図９は、ｑ軸電流ｉ_qを垂直軸とし、ｄ軸電流ｉ_dを水平軸とした電流座標系に対する、可変磁化機械を駆動する駆動電圧の関係の一例を示すグラフである。図１０は、ｑ軸電流ｉ_qを垂直軸とし、ｄ軸電流ｉ_dを水平軸とした電流座標系に対する、可変磁化機械を駆動する駆動電圧の関係の一例を示すグラフである。図１１は、通常動作中、及び逆回転プロセスを含む磁化プロセス中の、経時的な可変磁化機械のｄ軸電流、ｑ軸電流、及び磁化状態の値の一例を示すグラフである。図１２は、最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜に対するｄ軸電圧ｖ_d及びｑ軸電圧ｖ_qの一例を示すグラフである。図１３は、初期磁化及び最終磁化での電圧楕円と、初期磁化及び最終磁化でのｄ軸特性電流ｉ_d,charとの関係の一例をさらに示す図である。図１４は、磁化状態Ｍ／Ｓの変化と共に可変磁化機械のトルク及び速度の動作エンベロープが変化する様式の一例を示す。図１５は、様々な楕円軌跡を提供するための複数の逆回転電流楕円の組合せの例を示す図である。図１６は、様々な楕円軌跡を提供するための複数の逆回転電流楕円の組合せの例を示す図である。図１７は、別の開示される実施形態による、図２〜４に示される構成で採用される制御装置の構成要素の一例を示すブロック図である。図１８は、さらなる開示される実施形態による、図２〜４に示される構成で採用される制御装置の構成要素の一例を示すブロック図である。図１９は、初期電流ベクトルから最終電流ベクトルへ螺旋軌跡に従う逆回転ｄ軸／ｑ軸電流ベクトル軌跡の回転電流楕円パターンの例を示す図である。図２０は、初期電流ベクトルから最終電流ベクトルへ螺旋軌跡に従う逆回転ｄ軸／ｑ軸電流ベクトル軌跡の回転電流楕円パターンの例を示す図である。

次に図面を参照して、選択された実施形態を説明する。実施形態の以下の説明が例示のためのものにすぎず、添付の特許請求の範囲及びその均等形態によって定義される本発明を限定するためのものではないことは、本開示から当業者には明らかであろう。

図１に示されているように、可変磁化機械１０（可変磁化モータ又は他のタイプの可変磁束機械とも呼ぶことができる）が、回転子１２と固定子１４とを含む。本明細書で論じるとき、用語「可変磁化機械」と「可変磁束機械」は、同じタイプの機械を表すために同義で使用することができる。可変磁化機械１０は、自動車、トラック、ＳＵＶなど任意のタイプの電気自動車又はＨＥＶ、及び当技術分野で理解される任意の他のタイプの装置で採用することができる。当技術分野で理解されるように、回転子１２と固定子１４とは、金属又は任意の他の適切な材料から形成することができる。

この例では、回転子１２は、数対の磁束バリア１６及び１８を含むように構成され、磁束バリア１６及び１８は、エアギャップとして構成することができ、又は当技術分野で従来用いられている任意の適切なタイプの絶縁材を含むこともある。磁束バリア１６及び１８の１対が完全に示されており、２対が部分的に示されているだけであるが、この例では、回転子１２の外周を巡って６０°ずつ離して６対の磁束バリア１６及び１８を配置することができる。当然、回転子１２は、可変磁化機械１０が採用される環境に適切と考えられる数の磁束バリア１６及び１８の対を含むことができる。また、この例に示されているように、モータのｑ軸が、１対の磁束バリア１６及び１８の中心を通過する。しかし、本明細書で論じる実施形態の動作性を実現するために、磁束バリア１６及び１８の対は、ｑ軸に対して任意の適切な位置に配置することができる。

さらに示されているように、回転子１２の表面ブリッジ２０が、各磁束バリア１８の半径方向外側の境界と回転子１２の外周２２との間に存在する。さらに、ｄ軸磁束バイパス２４が、隣接する対それぞれにおける磁束バリア１６と１８との間に存在する。この例では、表面ブリッジ２０及びｄ軸磁束バイパスは、回転子１２と同じ材料から形成される。しかし、表面ブリッジ２０及びｄ軸バイパス２４は、当技術分野で知られている任意の適切なタイプの材料から形成することができる。

さらに、回転子１２の円周を巡って、磁束バリア１６及び１８の隣接する対どうしの間に、複数の低保磁力磁石２６が離して配置される。示されているように、これらの磁石２６はそれぞれ、隣接する磁束バリア１６の一部分に対して垂直又は実質的に垂直な方向で長手方向に延びる。しかし、磁石２６は、任意の適切なサイズ及び形状で構成することができる。また、この例では回転子１２が６個の磁石２６を含み、これらの磁石２６は、６対の磁束バリア１６及び１８の間に配置され、回転子１２を巡って周方向で６０°の間隔で離して配置される。しかし、磁束バリア１６及び１８の対の数の変化に応じて磁石２６の数を変えることもできる。さらに、各磁石２６を複数の磁石として構成することもできる。この例では、ｄ軸は磁石２６の中心を通過する。しかし、本明細書で論じる実施形態の動作性を実現するために、磁石２６は、ｄ軸に対して任意の適切な位置に配置することができる。

固定子１４は、複数の固定子歯２８と、任意の従来の様式で構成することができる巻線（図示せず）など他の構成要素とを含む。この例では、固定子歯２８は、当技術分野で知られているように幅広の固定子歯として構成される。しかし、本明細書で論じる実施形態の動作性を実現するために、固定子歯２８は任意の適切なサイズを有することができ、固定子１４は任意の数の固定子歯２８を含むことができる。この例では、固定子歯２８は、固定子１４の内周３０に対して開いているが、望みであれば閉じていてもよい。また、回転子１２の外周２２と固定子の内周３０との間にエアギャップ３２が存在し、回転子１２が軸３４を中心として制限なく、又は実質的に制限なく回転することを可能にする。

図２〜４は、可変磁化機械１０を制御するために、開示される実施形態による制御装置１００（図４）が車両１０２で採用される様子の一例を示す概略図である。車両１０２は、自動車、トラック、ＳＵＶ、又は任意の他の適切なタイプの車両など、電気自動車又はＨＥＶでよい。当技術分野で理解されるように、運転者がアクセル１０４を踏むとき、制御装置１０６、例えば電子制御ユニット（ＥＣＵ）又は任意の他の適切なタイプの制御装置に加速度信号が入力される。また、タコメータ又は任意の他の適切なタイプのセンサなどの速度センサ１０８が、例えば車両１０２の駆動輪１１０の回転速度を検知して、車両速度信号を制御装置１０６に提供する。

制御装置１０６は、他の従来の構成要素、例えば入力インターフェース回路、出力インターフェース回路、及び記憶デバイス、例えばＲＯＭ（読み出し専用メモリ）デバイスやＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）デバイスを含む。制御装置１０６に関する厳密な構造及びアルゴリズムが、本発明の機能を実施するハードウェアとソフトウェアの任意の組合せでよいことは、本開示から当業者には明らかであろう。すなわち、本明細書及び特許請求の範囲で使用される「ミーンズプラスファンクション」節は、「ミーンズプラスファンクション」節の機能を実施するために利用することができる任意の構造若しくはハードウェア及び／又はアルゴリズム若しくはソフトウェアを含むものとする。さらに、制御装置１０６は、当技術分野で理解される任意の適切な様式で、アクセル１０４、速度センサ１０８、及び本明細書で論じる車両１０２の他の構成要素と通信することができる。さらに、制御装置１０６の構成要素は、個々又は個別の構成要素である必要はなく、１つの構成要素又はモジュールが、本明細書で論じる複数の構成要素又はモジュールの動作を実施することができる。また、各構成要素が、上で論じたマイクロコントローラを含むことができ、又は複数の構成要素が、１つ若しくは複数のマイクロコントローラを共有することができる。

図２にさらに示されているように、制御装置１０６は、当技術分野で理解される所望の車両加速度を実現するのに適した機械動作状態に達するように可変磁化機械１０の速度及びトルクを制御するために、信号を出力する。例えば、制御装置１０６は、メモリ１１２に記憶することができる予め用意された複数の損失マップの中から、適切な損失マップにアクセスすることができる。図示されているように、各損失マップは、それぞれの磁化状態（Ｍ／Ｓ）に関するそれぞれの損失特性を示すことができる。次いで、図示されているように、制御装置１０６は、例えば各Ｍ／Ｓそれぞれに関する損失量を表す損失プロットを発生し、最小の損失点を導出することができる。したがって、制御装置１０６は、その理想的なＭ／Ｓを実現するように可変磁化機械１０を制御するために、信号を出力することができる。

図３に示されているように、理想的なＭ／Ｓを表す信号は、Ｍ／Ｓ選択ストラテジモジュール１１３に入力され、このモジュール１１３は、ヒステリシス制御を行い、以下でより詳細に論じるように、実際のＭ／Ｓ信号を表す信号（図７に関して以下に論じるように、目標磁化状態信号Ｍ^*とも呼ばれる）と、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑとを出力する。図４に示されているように、制御装置１００（Ｍ／Ｓ及びトルク制御装置でよい）が、実際のＭ／Ｓ信号及びＭ／Ｓ変更フラグ信号Ｑを表す信号を受信し、Ｍ／Ｓ及びトルク制御信号、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を出力して可変磁化機械１０を制御する。すなわち、制御装置１００は電気パワートレインに結合され、電気パワートレインは、例えば、バッテリ１１６と、インバータ構成１１８と、可変磁化機械１０とを含む。この例では、インバータ構成１１８は、例えば、パルス幅変調器（ＰＷＭ）電圧インバータ、又は当技術分野で理解されるような任意の他の適切なタイプのインバータ構成でよい。

図３にさらに示されているように、Ｍ／Ｓ選択ストラテジモジュール１１３は、サンプルアンドホールド回路１２０を含み、この回路１２０は、スイッチ１２２と、ｚ変換構成要素１２４とを含む。Ｍ／Ｓ選択ストラテジモジュール１１３は、減算器１２６と、比例積分（ＰＩ）補償器１２８と、絶対値回路１３０と、比較器１３２と、比較器入力構成要素１３４とをさらに含む。

理想的なＭ／Ｓ信号は、サンプルアンドホールド回路１２０のスイッチ１２２と、減算器１２６とに入力される。減算器１２６は、理想的なＭ／Ｓ信号からフィードバック信号を減算して、誤差信号をＰＩ補償器１２８に出力する。当技術分野で理解されるように、ＰＩ補償器１２８は、誤差信号から定常状態誤差を除去し、定常状態誤差を除去後の誤差信号を、修正誤差信号として絶対値回路１３０に提供する。絶対値回路１３０は、修正誤差信号の絶対値を比較器１３２に出力する。また、比較器１３２は、比較器入力構成要素１３４から入力信号を受信する。この例では、入力信号は、値「１」を表すが、本明細書で論じる効果を実現するのに適切な任意の値に設定することもできる。

比較器１３２は、修正誤差信号及び入力信号に基づいて出力を提供して、サンプルアンドホールド回路１２０のスイッチ１２２の切替えを制御する。また、比較器１３２は、当技術分野で理解されるように、リセット信号としてＰＩ補償器１２８に出力を提供する。さらに、比較器１３２は、以下でより詳細に論じるように、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号ＱとしてＭ／Ｓ変更電流軌跡制御モジュール１１４に出力を提供する。

さらに図示されているように、ｚ変換構成要素１２４は、サンプルアンドホールド回路１２０によって出力された実際のＭ／Ｓ信号のフィードバックを、スイッチ１２２への第２の入力として提供する。スイッチ１２２は、比較器１３２によって提供される出力信号の状態に基づいて、理想的なＭ／Ｓ信号又はｚ変換構成要素１２４からのフィードバック信号を、実際のＭ／Ｓ信号として出力する。したがって、上で論じたＭ／Ｓ選択ストラテジモジュール１１３の構成要素は、ヒステリシス制御構成要素として動作し、このヒステリシス制御構成要素は、理想的な磁化状態信号を受信し、理想的な磁化状態信号に基づいて実際の磁化信号を出力して可変磁化機械を制御し、理想的な磁化状態信号と実際の磁化状態信号との間の誤差値に従って実際の磁化状態信号を修正するように構成される。すなわち、誤差値により、比較器１３２が、ｚ変換構成要素１２４からの修正された信号を実際のＭ／Ｓ信号として出力するようにスイッチ１２２を制御する値を有する信号を出力するとき、制御装置１００は実際に、理想的な磁化状態信号と実際の磁化状態信号との誤差値に従って実際のＭ／Ｓ信号を修正する。したがって、サンプルアンドホールド回路１２０（サンプルアンドホールド構成要素）は、実際の磁化状態信号を出力し、誤差値に従って実際の磁化状態信号を修正するように構成される。ヒステリシス制御構成要素として動作するように構成されたＭ／Ｓ選択ストラテジモジュール１１３は、実際のＭ／Ｓ信号と同期して、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号をパルス信号として出力するようにさらに構成され、それにより、可変磁化機械１０は、このパルス信号に従ってさらに制御される。

図５及び６は、Ｍ／Ｓとｄ軸電流パルスとの関係の一例を示すグラフであり、このｄ軸電流パルスは、磁化プロセス（図５）中及び減磁プロセス（図６）中に、制御装置１００がバッテリ１１６及びインバータ構成１１８と共に可変磁化機械１０に印加するものである。次に、制御装置１００の構成要素の一例を図７に関して述べる。この実施形態、及び本明細書で述べる他の実施形態の説明から理解されるように、ｑ軸電流は、フィードバックを使用してオンラインで減少され、調整量をｑ軸電流に加えることによって、可変磁化機械１０のトルクを一定に、又は実質的に一定に保つことができる。

図７に示されているように、この例での制御装置１００は、合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００と、電流調整器２０２と、回転フレーム／静止フレーム構成要素２０４と、静止フレーム／回転フレーム構成要素２０６とを含む。この例では、回転フレーム／静止フレーム構成要素２０４の出力が、電気パワートレイン、特にインバータ構成１１８に結合され、インバータ構成１１８は、可変磁化機械１０に電力を提供する。

当業者には理解できるように、制御装置１００は、以下に論じるように制御装置１００の構成要素を制御する制御プログラムを有する少なくとも１つのマイクロコンピュータを含むことが好ましい。したがって、マイクロコンピュータ（複数可）は、合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００と、電流調整器２０２と、回転フレーム／静止フレーム構成要素２０４と、静止フレーム／回転フレーム構成要素２０６との任意のもの又は全てを具現化するように構成及びプログラムすることができる。制御装置１００は、入力インターフェース回路、出力インターフェース回路、及び記憶デバイス、例えばＲＯＭ（読み出し専用メモリ）デバイスやＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）デバイスなど、他の従来の構成要素を含む。制御装置１００に関する厳密な構造及びアルゴリズムが、本発明の機能を実施するハードウェアとソフトウェアの任意の組合せでよいことは、本開示から当業者には明らかであろう。すなわち、本明細書及び特許請求の範囲で使用される「ミーンズプラスファンクション」節は、「ミーンズプラスファンクション」節の機能を実施するために利用することができる任意の構造若しくはハードウェア及び／又はアルゴリズム若しくはソフトウェアを含むものとする。さらに、制御装置１００は、当技術分野で理解されるような任意の適切な様式で可変磁化機械１０と通信することができる。さらに、制御装置１００の構成要素のいくつかをモジュールとして述べるが、これらの構成要素は、個々又は個別の構成要素である必要はなく、１つの構成要素又はモジュールが、本明細書で論じる複数の構成要素又はモジュールの動作を実施することができる。また、各モジュールが、上で論じたマイクロコントローラを含むことができ、又は複数のモジュールが、１つ若しくは複数のマイクロコントローラを共有することができる。

図７にさらに示されているように、合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００は、例えば車両の運転者が車両１０２の加速を試みるのに応答して、トルクコマンドＴ^* _emと、回転子１２の検知又は推定された回転信号ωとを例えば制御装置（図示せず）から受信する。それに応答して、合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００は、最適なｄ軸電流ｉ_d及び最適なｑ軸電流ｉ_qを選択するためにｄ軸電流信号ｉ^* _ds及びｑ軸電流信号ｉ^* _qsを出力する。すなわち、この例では、合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００は、ｄ軸電流信号ｉ^* _dsをスイッチ２０８に出力し、ｑ軸電流信号ｉ^* _qsをスイッチ２１０に出力する。スイッチ２０８及び２１０は、本明細書で述べる効果を実現するようにＭ／Ｓ変更フラグ信号Ｑによって制御される。

Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４は、検知又は推定された回転速度信号ω、目標磁化状態信号Ｍ^*（図３に関して上で論じたように、実際のＭ／Ｓ信号とも呼ばれる）、及びＭ／Ｓ変更フラグ信号Ｑを受信する。したがって、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑの状態に応じて、スイッチ２０８は、合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００によって提供される出力又はＭ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４によって提供される出力からのｄ軸電流コマンド信号ｉ^* _dsを電流調整器２０２及びフィードフォワード補償器２１２に提供するように制御される。同様に、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑの状態に応じて、スイッチ２１０は、最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００によって提供される出力又はＭ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４によって提供される出力からのｑ軸電流信号ｉ^* _qsを電流調整器２０２及びフィードフォワード補償器２１２に提供する。Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑは、図３に示されるＭ／Ｓ選択ストラテジ（ヒステリシス制御）１１３によって提供される。Ｍ／Ｓが変更されるとき、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑは高い値を取る。したがって、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑはスイッチ２０８及び２１０を切り替え、それにより、Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４によって提供される出力が電流調整器２０２及びフィードフォワード補償器２１２に提供される。制御装置１００は、加算器２１４及び２１６をさらに含む。加算器２１４は、電流調整器２０２から出力されたｄ軸電流電圧信号Ｖ^r* _dsにフィードフォワード補償器２１２からの出力を加算し、その加算の和を回転フレーム／静止フレーム２０４に提供する。加算器は、ｑ軸電流電圧信号Ｖ^r* _qsにフィードフォワード補償器２１２からの出力を加算し、その加算の和を回転フレーム／静止フレーム構成要素２０４に提供する。この例では、回転フレーム／静止フレーム構成要素２０４は、電圧信号をインバータ構成１１８に提供し、インバータ構成１１８は、電圧Ｖ_a、Ｖ_b、及びＶ_cを、可変磁化機械１０の３つの極に提供する。

図７にさらに示されているように、電流センサ２１８は、可変磁化機械１０に印加されているＶ_a、Ｖ_b、及びＶ_cに関連付けられる電流を検知する。電流センサ２１８は、検知された電流信号Ｉ_a、Ｉ_b、及びＩ_cを、静止フレーム／回転フレーム構成要素２０６に提供する。したがって、静止フレーム／回転フレーム構成要素２０６は、検出されたｄ軸電流信号ｉ^r _ds及び検出されたｑ軸電流信号ｉ^r _qsを電流調整器２０２に提供する。当技術分野で理解されるように、電流調整器２０２は、静止フレーム／回転子フレーム構成要素２０６からフィードバックされたｄ軸電流信号ｉ^r _ds及び検出されたｑ軸電流信号ｉ^r _qsに基づいて、ｄ軸電流電圧信号Ｖ^r* _ds及びｑ軸電流電圧信号Ｖ^r* _qsを調整する。

高速でさえ可変磁化機械１０を駆動するのに十分な電圧をインバータ構成１１８が提供することができるように、パルス電流によって誘発される電圧を十分に低いレベルまで減少させるために制御装置１００によって行われる動作の例を次に述べる。

図８及び９は、電流座標系に対する、可変磁化機械１０を駆動する駆動電圧の関係の一例を示し、ｑ軸電流ｉ_qが垂直軸であり、ｄ軸電流ｉ_dが水平軸である。図示されているように、電圧楕円は、楕円内にゼロ磁束点を含む。逆回転電流ベクトルを、ｉ_q軸で始まる初期点からｉ_q軸で終わる最終点までプロットすることができる。図示されているように、逆回転電流ベクトルのプロットは、初期点と最終点の間で楕円を形成する。さらに、逆回転電流ベクトルの楕円は、図示される点で所望のＭ／Ｓ曲線に交差する。楕円軌跡の半径は、比Ｌ_q／Ｌ_dに対応するｄ軸とｑ軸の比を有し、ここで、Ｌ_qはｑ軸インダクタンスを表し、Ｌ_dはｄ軸インダクタンスを表す。当技術分野で理解されるように、逆回転電流ベクトルにより、駆動電圧を減少させることができる。

すなわち、当技術分野でさらに理解されるように、可変磁化機械１０のｄ軸電圧Ｖ_D及びｑ軸電圧Ｖ_Qは、ベクトル

によって定義することができ、図８及び９に示される逆回転楕円経路に関する電流は、行列

によって定義することができる。ここで、νは、楕円経路に関する角周波数（ＣＷ）である。

これらの行列とベクトルとの組合せは、以下のベクトルを与える。

以下の値を仮定することができる。

ここで、Ψ_Cは、ｄ軸及びｑ軸磁束面内の動作点の半径であり、ωは、可変磁化機械１０の電気角周波数である。これらの値を上の行列に代入することによって、電圧Ｖ_D及びＶ_Qを以下のように表すことができる。

これは、電圧が動作中に一定であり、図８及び９に示される逆回転電流ベクトル楕円の中心での動作による定常状態値の電圧に等しいことを示す。逆回転電流ベクトル楕円の中心は、図示されているように電圧限界楕円内にある限り、任意の場所でよい。

したがって、図１０〜１４に示されているように、制御装置１００は、スイッチ２０８及び２１２（図７）の動作を制御して、可変磁化機械１０に関する１００％磁化状態Ｍ／Ｓを実現しながら駆動電圧を減少させる逆回転電流ベクトルを生成する。図１１に示されているように、逆回転電流は、可変磁化機械１０の磁化プロセスにおける特定の期間中に発生される。したがって、図１２に示されているように、ｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜の絶対値は、最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えない。その結果、インバータ構成１１８は、高速でさえ可変磁化機械１０を駆動させるのに十分な電圧を提供することができる。図１３は、初期磁化及び最終磁化での電圧楕円と、初期磁化及び最終磁化でのｄ軸特性電流ｉ_d,charとの関係の一例をさらに示す。図１４は、磁化状態Ｍ／Ｓが変化するにつれて可変磁化機械１０のトルク及び速度の動作エンベロープが変化する様子の一例を示す。

さらに、図１５に示されているように、制御装置１００は、最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えないようにｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜を減少させるという上記の効果を依然として実現しながら、複数の逆回転電流楕円を組み合わせて様々な楕円軌跡を提供するようにスイッチ２０８及び２１０（図７）の動作を制御することができる。図１６に示されているように、制御装置１００は、最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えないようにｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜を減少させるという上記の効果を依然として実現しながら、より小さいトルクリップルのために複数の逆回転電流楕円を組み合わせて様々な楕円軌跡を提供するようにスイッチ２０８及び２１０（図７）の動作を制御することもできる。

図１７に示されているように、別の実施形態による制御装置１００は、上で論じたような合計損失最小化電流ベクトルコマンドモジュール２００ではなく、通常の制御モジュール２２０を含むことができる。さらに、制御装置１００は、デカップリング電流制御モジュール２２２と、トルク計算機２２４と、固定子磁束リンケージ観察器２２６と、Ｉｑ電流軌跡選択器２２８とを含むように構成することができる。さらに、この構成は、スイッチ２０８及び２１０ではなく加算器２３０及び２３２を含む。図示されているように、加算器２３０及び２３２の出力は電流調整器２０２に提供される。

固定子磁束リンケージ観察器２２６（固定子磁束リンケージ推定器とも呼ぶことができる）は、可変磁化機械１０に関連付けられる機械電気状態変数に関して、ルーエンバーガー（Ｌｕｅｎｂｕｒｇｅｒ）型の観察器でのＬ（Ｙ−Ｙｈ）参照から得られる補償値を加えることによって固定子磁束リンケージを推定するように構成することができる。これは、より正確なトルク推定を可能にし、脈動トルクを減少させることができる。この例では、固定子磁束リンケージ観察器２２６は、ｄ軸電流信号ｉ^r _ds及び検出されたｑ軸電流信号ｉ^r _qsを受信し、推定固定子磁束リンケージ信号λ^r _ds及びλ^r _qsをトルク計算機２２４に提供する。トルク計算機２２４は、推定固定子磁束リンケージ信号λ^r _ds及びλ^r _qsと、静止フレーム／回転子フレーム構成要素２０６からフィードバックされた検出されたｄ軸電流信号ｉ^r _ds及び検出されたｑ軸電流信号ｉ^r _qsとに基づいて、検知又は推定されるトルクＴ^{^}の値を計算する。

通常の制御モジュール２２０及びデカップリング電流制御モジュール２２２は、例えば車両の運転者が車両を加速することを試みるのに応答して、例えば制御装置（図示せず）からトルクコマンドＴ^* _emを受信する。それに応答して、通常の制御モジュール２２０は、最適なｄ軸電流ｉ_d及び最適なｑ軸電流ｉ_qを選択するためにｄ軸電流信号ｉ^* _ds及びｑ軸電流信号ｉ^* _qsを出力する。したがって、通常の制御モジュール２２０（電流コマンドモジュールとも呼ぶことができる）は、トルクコマンドＴ^* _emに基づいて、ｄｑ軸でのベクトル電流コマンドを計算する。この例でのデカップリング電流モジュール２２２は、トルクコマンドＴ^* _emと、トルク計算機２２４によって提供される推定されるトルクＴ^{^}との差に基づいて、減少電流を計算する。さらに図示されているように、デカップリング電流制御モジュール２２２は、減少電流をＩｑパルス選択器２２８に提供する。したがって、制御装置１００は、Ｉｑパルス選択器２２８を制御して、図示されているように、Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４からの出力を加算器２３０に提供することができ、デカップリング電流制御モジュール２２２からのデカップリング電流を加算器２０８に提供することができ、又は値０を加算器２０８に提供することができ、望み通りにｑ軸電流信号ｉ^* _qsの値を調節して、本明細書で論じる逆回転電流楕円タイプを実現する。Ｉｑパルス選択器２２８は、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑと、可変磁化機械１０の回転速度を示す回転速度信号ωとに従って、どの入力信号が出力されるべきかを選択する。Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑが低いとき、すなわちＭ／Ｓ変更期間中ではないときには、可変磁化機械１０のために追加のｑ軸電流ｉ_qが必要とされるので、Ｉｑパルス選択器２２８はゼロを出力する。Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑが高く、可変磁化機械１０の回転速度が低いことを回転速度信号ωが示すときには、Ｉｑパルス選択器２２８は、デカップリング電流制御モジュール２２２によって提供される出力を出力する。Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑが高く、可変磁化機械１０の回転速度が高いことを回転速度信号ωが示すときには、Ｉｑパルス選択器２２８は、Ｍ／Ｓ変更電流軌跡制御モジュール１１４によって提供される出力を出力して、電流調整器２０２によって出力される電圧を低下させる。通常の制御モジュール２２０、トルク計算機２２４、及び固定子磁束リンケージ観察器２２６のさらなる詳細は、上で参照した国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０４８５６２号に開示されている。

図１８に示されているように、制御装置１００は、図７に示されているスイッチ２０８及び２１０を含む代わりに、電流調整器２０２の出力を受信するスイッチ２３４及び２３６を含むことができる。また、制御装置１００は、図７に示されているようにフィードフォワード補償器２１２を含む代わりに、Ｍ／Ｓ推定器２３８を含むことができ、Ｍ／Ｓ推定器２３８は、静止フレーム／回転フレーム２０６によって提供される検出されたｄ軸電流信号ｉ^r _ds及び検出されたｑ軸電流信号ｉ^r _qsに基づいて、可変磁化機械１０の磁化状態Ｍ／Ｓを推定する。したがって、Ｍ／Ｓ推定器２３８は、推定磁化信号Ｔ^{^}をＭ／Ｓ変更電流軌跡制御モジュール１１４に提供する。したがって、スイッチ２３４は、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑの状態に応じて、Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４から受信されるｄ軸電流電圧信号Ｖ^r* _ds__RRC又は電流調整器２０２から受信されるｄ軸電流電圧信号Ｖ^r* _dsを回転フレーム／静止フレーム２０４に提供するように制御される。同様に、スイッチ２３６は、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑの状態に応じて、Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１１４から受信されるｑ軸電流電圧信号Ｖ^r* _qs__RRC又は電流調整器２０２から受信されるｑ軸電流電圧信号Ｖ^r* _qsを回転フレーム／静止フレーム２０４に提供するように制御される。したがって、制御装置１００は、スイッチ２３４及び２３６を制御して、開ループ制御装置（Ｍ／Ｓ変更電流軌跡制御モジュール１１４）の出力の提供と電流調整器２０２の出力の提供とを交番して、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧を制御する。図示されているように、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑは、電流調整器をリセットすることもできる。したがって、制御装置１００は、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑを使用して、電流調整器２０２での積分器と累算器の少なくとも一方を活動停止させることができ、それと同時に、制御装置１００は、スイッチ２３４及び２３６を制御して開ループ制御装置の出力を提供し、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧を制御する。したがって、図１８に示される制御装置１００は、本明細書で論じるタイプの逆回転電流楕円を達成するように動作する。

さらに、本明細書で述べる制御装置１００の実施形態は、図１９に示される回転電流楕円パターンを提供することができ、この楕円パターンは、初期電流ベクトルから最終電流ベクトルへ螺旋軌跡に従い、１００％磁化状態Ｍ／Ｓが実現される曲線に交差する。本明細書で述べる制御装置１００の実施形態は、逆極性可変磁化機械１０に関する回転電流楕円パターンを提供することもできる。この回転電流楕円パターンは、図１９に示されるものと同様であり、図２０に示されているように、初期電流ベクトルから最終電流ベクトルへ螺旋軌跡に従い、１００％の磁化状態Ｍ／Ｓが実現される曲線に交差する。

以上のことから理解できるように、本明細書で述べる制御装置１００の実施形態は、高速でさえ可変磁化機械を駆動するのに十分な電圧をインバータが提供することができるように、パルス電流によって誘発される電圧を十分に低いレベルまで減少させることが可能である。

（用語の全般的な解釈）
本発明の範囲を理解するにあたり、用語「備える」及びその語形変化は、本明細書において、制約のない（ｏｐｅｎｅｎｄｅｄ）用語として意図され、指定された特徴、要素、構成要素、グループ、整数、及び／又はステップの存在を特定するが、他の指定されていない特徴、要素、構成要素、グループ、整数、及び／又はステップの存在を除外しない。また、上記のことは、用語「含む」、「有する」、及びそれらの語形変化など、同様の意味を有する語にも当てはまる。また、単数形で使用されるときの用語「部分」、「区域」、「部」、「部材」、又は「要素」は、単一の部分と複数の部分の両方の意味を有することができる。本明細書で使用する「実質的に」、「約」、及び「ほぼ」など度合いを表す用語は、最終的な結果が大幅には変わらないような、修飾された用語の妥当な偏差量を意味する。

本発明を例示するために、選択された実施形態のみを取り上げたが、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更及び修正を施すことができることが、本開示から当業者には明らかであろう。例えば、様々な構成要素のサイズ、形状、位置、又は向きは、必要に応じて及び／又は望みに応じて変えることができる。互いに直接接続されている、又は接触しているものとして示されている構成要素は、それらの間に設けられた中間構造を有することもできる。１つの要素の機能を２つの要素によって実施することもでき、その逆も可能である。一実施形態の構造及び機能は、別の実施形態でも採用することができる。ある特定の実施形態において、必ずしも全ての利点が同時に存在する必要はない。また、従来技術とは異なるあらゆる特徴は、単独で、又は他の特徴と組み合わせて、そのような特徴によって具現化される構造及び／又は機能の概念も含め、本出願人によるさらなる発明の個別の説明とみなすべきである。したがって、本発明による実施形態の前述の説明は、例示のためのものにすぎず、添付の特許請求の範囲及びその均等形態によって定義される発明を限定するためのものではない。

Claims

理想的な磁化状態信号を受信し、前記理想的な磁化状態信号に基づいて実際の磁化信号を出力して可変磁化機械を制御し、前記理想的な磁化状態信号と前記実際の磁化状態信号に対してＺ変換した信号との間の誤差値を算出し、前記誤差値に従って、前記実際の磁化状態信号に対してＺ変換した信号から前記理想的な磁化状態信号に切替えて、前記実際の磁化状態信号として出力するヒステリシス制御構成要素を備え、
前記理想的な磁化状態信号は、目標トルクと車速とに応じて定まる損失が最小となる磁化状態である可変磁化機械制御装置。
請求項１に記載の可変磁化機械制御装置であって、
前記ヒステリシス制御構成要素は、サンプルアンドホールド構成要素を有し、
前記サンプルアンドホールド構成要素は、前記実際の磁化状態信号を送信するとともに、前記誤差値に従って、前記実際の磁化状態信号に対してＺ変換した信号から前記理想的な磁化状態信号に切替えるように構成される、可変磁化機械制御装置。
請求項１または２に記載の可変磁化機械制御装置であって、
前記ヒステリシス制御構成要素は、比例積分補償器を有し、
前記比例積分補償器は、前記誤差値を示す誤差信号を受信するとともに、前記誤差信号から定常状態誤差を除去することにより、前記ヒステリシス制御構成要素が前記定常状態誤差が除去された前記誤差値に従って、前記実際の磁化状態信号に対してＺ変換した信号から前記理想的な磁化状態信号に切替えるように構成される、可変磁化機械制御装置。