JP6903003B2 - 可変磁化機械制御システム - Google Patents

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「Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」という名称にて本願と同時出願された国際出願（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。純粋な電気自動車では、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、モータの磁化レベルを増加させることで、モータによって発生するトルク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させて、車両速度を上げることができる。

典型的なモータ制御システムでは、インバータがモータに制御電圧を印加する。当技術分野で理解されるように、モータの速度が増加すると、印加される電圧の振幅は、Ｄ軸電流パルスなどの一定の振幅電流パルスが与えられた場合に増加する。当然、この電流パルスは、制御システムで誘発される電圧に影響を及ぼす。

しかしながら、高いモータ速度では、パルス電流によって制御システムにおいて誘発される電圧が、高い制御レベルに上昇することがある。この高い電圧レベルでは、インバータは、所望の速度でモータを駆動するのに十分な電圧を提供することができなくなることがある。したがって、車両用の可変磁化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用の改良されたモータ制御システムであって、可変磁化機械を高速に駆動するのでさえ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に減少させることが可能であるモータ制御システムを提供することが望ましい。

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システムの一態様は、低保磁力の永久磁石を有する回転子と巻線を有する固定子とからなり、永久磁石の磁化状態が可変である可変磁化機械を備え、永久磁石の磁化状態と可変磁化機械の動作を制御する可変磁化機械制御システムである。この可変磁化機械制御システムは、可変磁化機械を所望の動作状態となるように制御するための制御信号を出力し、制御信号に基づいて、可変磁化機械を動作させるためのｄ軸電流及びｑ軸電流を演算する。また、制御信号に基づいて、可変磁化機械の損失を低下させる永久磁石の理想的な磁化状態を演算し、理想的な磁化状態と可変磁化機械の動作状態に応じて、永久磁石の磁化状態を変化させるための電流パルスを演算し、ｄ軸電流及びｑ軸電流に電流パルスを加算する。そして、電流パルスを加算したｄ軸電流である電流パルス加算後ｄ軸電流及び電流パルスを加算したｑ軸電流である電流パルス加算後ｑ軸電流によって可変磁化機械の動作を制御することにより、可変磁化機械の駆動電圧のうち前記ｑ軸電流を制御するｑ軸電圧を所定の最大の大きさ未満に維持しながら、可変磁化機械を制御信号に応じた速度で駆動させる駆動電圧を提供する。このとき、可変磁化機械の速度状態又は提供される電圧状態に応じた電流パルスの変更により、電流パルス加算後ｄ軸電流及び電流パルス加算後ｑ軸電流の波形形状の立上り及び立下りの傾斜が調整される。この調整は、可変磁化機械が高速または高電圧で動作するときに傾斜の傾斜率を減少させるように行われる。

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に採用される、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に採用される、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に採用される、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に示される構成において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、開示される実施形態による、低速で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図９は、開示される実施形態による、高速で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１０は、開示される実施形態による、可変磁化機械の磁化状態及びトルク、ｄ軸電圧とｑ軸電圧との合成、並びに最大電圧に関する、可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流とｄ軸及びｑ軸電圧の一例を示すグラフである。 図１１は、開示される実施形態による、低電圧で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１２は、開示される実施形態による、高電圧で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１３は、開示される実施形態による、可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供される、より滑らかなパルス先端を有するｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１４は、別に開示される実施形態による、ローパスフィルタの配置を含む、図２〜４に示される構成において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１５は、開示される実施形態による、可変磁化機械を動作させるために図１４に示される制御装置によって提供される、より滑らかなパルス形状を有するｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１６は、開示される実施形態による、可変磁化機械を動作させるために本明細書で論じる制御装置によって提供される、正弦波形を有するｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１７は、別に開示される実施形態による、低速で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１８は、別に開示される実施形態による、高速で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図１９は、別の開示される実施形態による、低電圧で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図２０は、別の開示される実施形態による、高電圧で可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図２１は、さらに開示される実施形態による、可変磁化機械を動作させるために制御装置によって提供されるｄ軸及びｑ軸電流の一例を示すグラフである。 図２２は、さらに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。

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は例示にすぎず、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されるか、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んで構成されてもよい。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の数を変えてもよい。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、複数の固定子ティース２８と、任意の従来の様式で構成することができる巻線（不図示）など他の構成要素とを含む。この例では、固定子ティース２８は、当技術分野で知られているように幅広の固定子ティースとして構成される。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、固定子ティース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ティース２８を含むことができる。この例では、固定子ティース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ために、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）デバイスも含む。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生成し、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を制御するための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た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、比較器１３２は、ｚ変換構成要素１２４からの誤差値により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を参照して述べる。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（不図示）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を加算器２０８に出力し、ｑ軸電流信号ｉ^* _qsを加算器２１０に出力する。

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と、磁化信号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）と、磁化信号Ｍ^と、Ｍ／Ｓ変更フラグ信号Ｑとを受信する。加算器２０８は、Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール１０４によって提供される出力をｄ軸電流信号ｉ^* _dsに加算し、加算器２１０は、Ｍ／Ｓ変更電流パルス制御モジュール２００によって提供される出力をｑ軸電流信号ｉ^* _qsに加算する。加算器２０８及び２１０は、それらの出力を電流調整器２０２に提供し、電流調整器２０２は、ｄ軸電流電圧信号Ｖ^r* _ds及びｑ軸電流電圧信号Ｖ^r* _qsを回転フレーム／静止フレーム構成要素２０６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２０６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、可変磁化機械１０の３つの極に電圧Ｖ_a、Ｖ_b、及びＶ_cを提供する。

図７にさらに示されているように、電流センサ２１２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２１２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。

当技術分野で理解されるように、可変磁化機械１０のｖ軸電圧Ｖ_D及びｑ軸電圧Ｖ_Qは、以下の行列によって定義することができる。

したがって、制御装置１００は、行列内の特定の項の値を減少させることによってｖ軸電圧Ｖ_D及びｑ軸電圧Ｖ_Qを減少させることができる。この例では、制御装置１００は、ｄ軸電流ｉ_dの波形及びｑ軸電流ｉ _q の波形の増加率（例えば傾斜又は傾き）を減少させることによって、項ｓＬ_D及びｓΦ_PMの値を減少させる。すなわち、図８に示されているように、可変磁化機械１０が低速のとき、ｄ軸電流ｉ_dのパルスを比較的短くすることができる。すなわち、ｄ軸電圧Ｖ _d の最大値が比較的低い値なので、電流ｉ_dの傾斜は比較的急でよい。同様に、ｑ軸電圧Ｖ _q の最大値も比較的低い値である。

しかし、可変磁化機械１０が高速のとき、項−ωＬ_Q、ωＬ_D、及びωΦ_PMが、低速動作中よりもはるかに高い値まで増加することがある。この急激な値の増加に対処するために、制御装置１００は、図９に示されているように、ｄ軸電流ｉ_dの増加率を減少させる。例えば、電流調整器２０２は、図１０に示されているように電圧ｖ_q及びｖ_dが特定の所定値を超えないことを保証するように、ｄ軸電流ｉ_d、ｑ軸電流ｉ_q、又はそれら両方を制御する。したがって、図１０にさら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供給することができる。これはまた、可変磁化機械１０が、より低い電圧、より低いトルクリップル、及びより低い損失の間でより自由度の高いバランスを有することを可能にする。

上で論じたように、図８〜１０は、低速及び高速で可変磁化機械１０を制御するために制御装置１００によって提供されるｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qを表す波形の例を示す。図１１及び１２は、低電圧及び高電圧で可変磁化機械１０を制御するために制御装置１００によって提供されるｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qを表す波形の例を示す。図８、９、１１、及び１２から理解できるように、ｄ軸電流ｉ_dとｑ軸電流ｉ_qとの関係、及びそれらそれぞれのパルス長は、低速で動作するために制御装置１００が可変磁化機械１０に提供する低電圧（図８と１１）、及び高速で動作するために制御装置１００が可変磁化機械１０に提供する高電圧（図９と１２）に関して同様である。したがって、制御装置１００が可変磁化機械１０に高電圧を提供して、可変磁化機械１０を高速で動作させるときでさえ、制御装置１００は、ｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜の絶対値が最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えるのを防止する。

さらに、制御装置１００は、図１３のグラフに示されているように波形がより滑らかなパルス先端を有するように、ｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qの立上り及び立下りを制御することができる。電流が大きいときには項−ωＬ_Q及びωＬ_Dが大きく、したがって電流が大きいときにのみ傾斜率が減少される。さらに、図１４に示されているように、１つ又は複数のローパスフィルタを含むローパスフィルタ（ＬＰＦ）構成２１４を磁化電流パルス制御モジュール１１４の出力に提供することができ、それにより、磁化電流パルス制御モジュール１１４の出力は、加算器２０８及び２１０によって受信される前にフィルタされる。ＬＦＰ構成２１４を含むことにより、制御装置１００は、図１５のグラフに示されているようなより滑らかなパルス形状を有する波形をｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qに与えることができる。

さらに、制御装置１００は、本明細書で論じる利点を実現するのに適した任意のタイプの波形をｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qに与えるように構成することができ、すなわち、可変磁化機械１０を高速で動作させるために制御装置１００が可変磁化機械１０に高電圧を提供するときでさえ、ｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜が最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えないように制限する。例えば、制御装置１００は、図１６のグラフに示されているような正弦波形をｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qに与えるように構成することができる。

図１７及び１８のグラフに示されているように、制御装置１００は、ｑ軸電流ｉ_qの値を減少させ、その後、ｄ軸電流ｉ_dを増加させて、可変磁化機械１０の高速／高トルク動作を実現することができる。これを行うことによって、高速／高トルク動作中にｑ軸電圧ｖ_qが減少され、それにより、この高速／高トルク動作中でさえｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜が最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えなくなる。また、制御装置１００は、例えば図１９及び２０のグラフに示されているように、可変磁化機械１０の高電圧動作中、ｑ軸電流ｉ_qの値を減少し、その後、ｄ軸電流ｉ_dを増加することができ、この高電圧動作中に最大合成電圧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｜を制限するという上記の同じ効果を実現する。制御装置１００は、ｄ軸電圧ｖ_dとｑ軸電圧ｖ_qとの合成電圧｜ｖ_dq｜が最大合成電圧Ｍａｘ｜ｖ_dq｜を超えないことを保証するために、必要であれば、図２１のグラフに示されているようにｑ軸電流ｉ_qの値をゼロ又は実質的にゼロに減少することさえできる。

図２２に示されているように、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を含むこともできる。さらに、制御装置１００は、減少電流制御モジュール２２２と、トルク計算機２２４と、固定子鎖交磁束オブザーバ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。固定子鎖交磁束オブザーバ２２６（固定子鎖交磁束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）型のオブザーバにおけるＬ（Ｙ−Ｙｈ）リファレンスから得られる補償値を加えることによって固定子鎖交磁束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、固定子鎖交磁束オブザーバ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、推定固定子鎖交磁束信号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、推定固定子鎖交磁束信号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及び減少電流制御モジュール２２２は、例えば車両の運転者が車両の加速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。この例での減少電流モジュール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、減少電流制御モジュール２２２は、減少電流をＩｑ電流軌跡選択器２２８に提供する。したがって、制御装置１００は、Ｉｑ電流軌跡選択器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２０８に提供することができ、減少電流制御モジュール２２２からの減少電流を加算器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の値を調整して、本明細書で論じる電流波形タイプを実現する。Ｉｑ電流軌跡選択器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が必要とされないので、Ｉｑ電流軌跡選択器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電流軌跡選択器２２８は、減少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電流軌跡選択器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、減少電流制御モジュール２２２、トルク計算機２２４、及びｉｑ電流軌跡選択器２２８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。

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（ｏｐｅｎ ｅｎｄｅｄ）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、様々な変更及び修正を施すことができることが、当業者には本開示から明らかであろう。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更することができる。互いに直接接続される、又は接触す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していても良い。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、そのような特徴によって具現化される構造的及び／又は機能的概念も含め、単独で、又は他の特徴と組み合わせて、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 (8)

1. 低保磁力の永久磁石を有する回転子と巻線を有する固定子とからなり、前記永久磁石の磁化状態が可変である可変磁化機械を備え、前記永久磁石の磁化状態と前記可変磁化機械の動作を制御する可変磁化機械制御システムであって、
   前記可変磁化機械を所望の動作状態となるように制御するための制御信号を出力し、
   前記制御信号に基づいて、前記可変磁化機械を動作させるためのｄ軸電流及びｑ軸電流を演算し、
   前記制御信号に基づいて、前記可変磁化機械の損失を低下させる前記永久磁石の理想的な磁化状態を演算し、
   前記理想的な磁化状態と前記可変磁化機械の動作状態に応じて、前記永久磁石の磁化状態を変化させるための電流パルスを演算し、
   前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流に前記電流パルスを加算し、
   前記電流パルスを加算した前記ｄ軸電流である電流パルス加算後ｄ軸電流及び前記電流パルスを加算した前記ｑ軸電流である電流パルス加算後ｑ軸電流によって前記可変磁化機械の動作を制御することにより、前記可変磁化機械の駆動電圧であるｄ軸電圧とｑ軸電圧との合成電圧の絶対値を所定の最大の大きさ未満に維持しながら、前記可変磁化機械を前記制御信号に応じた速度で駆動させる駆動電圧を提供し、
   前記可変磁化機械の速度状態又は提供される電圧状態に応じた前記電流パルスの変更により、前記電流パルス加算後ｄ軸電流及び前記電流パルス加算後ｑ軸電流の波形形状の立上り及び立下りの傾斜を調整し、
   前記調整は、前記可変磁化機械が高速または高電圧で動作するときに前記傾斜の傾斜率を減少させるように行う、
   可変磁化機械制御システム。
2. 前記可変磁化機械の速度に応じて前記電流パルスのパルス幅を変更するように構成される
   請求項１に記載の可変磁化機械制御システム。
3. 前記電流パルスの波形が台形波形であり、
   前記電流パルスを平滑化することによって、前記台形波形を平滑化するように構成されたローパスフィルタを備える
   請求項１に記載の可変磁化機械制御システム。
4. 前記電流パルスの波形が正弦波形である
   請求項３に記載の可変磁化機械制御システム。
5. 前記電流パルス加算後ｄ軸電流を生成するために、前記電流パルスを加算する前の前記ｑ軸電流の大きさを減少させるように構成される
   請求項１に記載の可変磁化機械制御システム。
6. 前記可変磁化機械のトルク及び速度に応じて、前記電流パルスを加算する前の前記ｑ軸電流の大きさを減少させるように構成される
   請求項５に記載の可変磁化機械制御システム。
7. 前記電流パルスを加算する前の前記ｑ軸電流の大きさをゼロに減少させるように構成される
   請求項５に記載の可変磁化機械制御システム。
8. 前記可変磁化機械の動作状態に応じて前記可変磁化機械のトルクを調整するように構成されたトルク調整器を備える
   請求項１に記載の可変磁化機械制御システム。

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