JP2004505598A - クローポール型機械におけるポールホイール位置を推定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、クローポール型機械（１）の回転するコンポーネントの位置を決定する方法に関し、ここでこのクローポール型機械はＲ−Ｓ−Ｔ系統において動作し、その制御のためにステータ量の変換が、Ｒ−Ｓ−Ｔ系統からｄ，ｑ系統に、またこの逆に必要である。全体システム（１５）としてのクローポール型機械（１）は、観測不能なサブシステム（１８）と、フィルタエレメント（２０）を含む可観測なサブシステム（１９）とに分割される。可観測なサブシステム（１９，２９）に含まれるフィルタエレメント（２０）によって出力量（１７）が供給される。

Description

【０００１】
技術の分野
自動車の車載電源に電気エネルギーを供給するためには３相交流発電機が使用される。その頑丈な構造と、コスト的に有利に作製できることとに起因して、自動車における使用に対してクローポール型発電機の価値が認められている。この発電機は、３相巻線を有する、ラミネートされたステータコア（Ｓｔａｅｎｄｅｒｐａｋｅｔ）を含んでいる。この巻線において回転磁界により３相交流電流が形成される。自動車のバッテリには充電のために直流が必要であり、このため車載電源は直流電圧電源であり、したがって３相交流発電機は整流ブリッジを介して車載電源に接続されるのである。
【０００２】
従来の技術
自動車における電力の形成は、クローポール型発電機によって行われ、ここでこれはパッシブなダイオード整流器ブリッジを介して、自動車の直流電圧車載電源に接続される。３相交流発電機は通例、つぎのように設計される。すなわちこれが、自動車における内燃機関のアイドリング時にすでに、要求される電力を供給できるように設計されるのである。パッシブなダイオード整流器ブリッジの代わりにパルス幅変調インバータも使用することができ、このパルス幅変調インバータにより、内燃機関の低アイドリング領域における回転数においてすでに３相交流発電機による電力の送出が可能にされる。
【０００３】
クローポール機械は、制御器または制御器構造体によって制御され、ここでこれには、電気機械のステータ巻線の電流および電圧をＲ−Ｓ−Ｔ−３相系統からｄ，ｑ系統に変換すること、ならびに電流および電圧値をｄ，ｑ系統からＲ−Ｓ−Ｔ−３相系統に再度逆変換する必要がある。マトリクスを用いてこの変換を一義的に行うために必要であるのは、この電気機械におけるポールホイールの角度位置を識別して、変換およびこれに引き続く逆変換が一義的であるようにし、かつ多重の対応付けが発生し得ないようにすることである。ポールホイール位置は通例、このために専用に設けられたセンサ、すなわちポールホイール検出器によって求められる。
【０００４】
ポールホイール検出器を使用することの他にクローポール型発電機のポールホイール位置を状態オブザーバによって得ることができ、ここでは制限されたオブザーバも使用可能である。この状態オブザーバはそれぞれつぎにように構成される。すなわちこの状態オブザーバにより、状態量の変化の後、システム状態が再構成されるように構成されるのである。しかしながら状態オブザーバにより、制御区間において、統計的な外乱が全くまたは十分には検出かつ調整されない制御構造体が発生し得る。
【０００５】
本発明の説明
本発明によって提案される方法により、一方では、クローポール型発電機における付加的な構成部材としてポールホイール検出器を使用することが回避され、これによってその使用と同時に発生する、ポールホイール角度位置を測定するための煩雑さを省略することができる。
【０００６】
他方ではフィルタエレメント、有利にはＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメントを使用することによって、制御区間に入り込む確立論的な影響も検出することができる。このことは状態オブザーバにより、システム状態量の変化の後、遅延してシステム状態の再構成だけが行われるようにすることができるために進歩である。従来使用されていた状態オブザーバでは、ｄ，ｑ系統をＲ−Ｓ−Ｔ系統に変換するおよびその逆に対する変換マトリクスは、ポール設定値（Ｐｏｌｖｏｒｇａｂｅ）に基づいて求められる。したがってポール設定値の精度に、この変換および逆変換の精度は依存してしまう。これに対してフィルタエレメントを使用すれば、変換の精度は、所要の品質基準の最適化から得られる。この電気機械のｄ，ｑ系統からＲ−Ｓ−Ｔ系統への変換を求める際に、この品質基準を使用することにより格段に改善された精度を達成することができる。
【０００７】
図面
図面に基づいて本発明を以下、詳しく説明する。
【０００８】
ここで、
図１は、ロータ巻線およびステータ巻線を有するクローポール型発電機の概略図を示しており、
図２は、クローポール型発電機の、状態空間における等価な図を示しており、
図３は、クローポール型発電機のシステムを、可観測なサブシステムと、観測不能なサブシステムに分割することを示しており、
図４は、可観測なサブシステムおよびＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｈｙフィルタの詳細を示しており、
図５は、可観測なサブシステムを、制限された状態オブザーバとして実施する択一的な例を示しており、
図６は、クローポール型発電機のロータ位置を静止状態において求める測定回路を示している。
【０００９】
実施例
図１には励磁およびステータ巻線を有するクローポール型発電機が概略的に示されている。
【００１０】
図１には励磁巻線２が示されており、その接続端子に電圧を印加することによってこの励磁巻線２には参照符号３の励磁電流ｉ_Ｆが流れる。実質的に励磁巻線２ならびにステータ巻線４からなる電気機械１は、３相交流機械として構成されておりかつＲ−Ｓ−Ｔ系統で動作する。図１ではこのステータ巻線４から通じる、相Ｒ，ＳおよびＴに相応する３つの相巻線が示されている。
【００１１】
図２には図１の電気機械１の、状態空間における等価な図が示されている。
【００１２】
状態空間１４では電気機械１が等価な形態で示されており、これは状態ベクトルｘの微分１０によって実質的に特徴付けられている。入力量は入力ベクトルｕである。入力ベクトルｕは、変換されたステータ電圧ｕ_ｄ，ｕ_ｑ，すなわちＲ−Ｓ−Ｔ系統からｄ，ｑ系統に変換されたステータ電圧ｕ_ｄ，ｕ_ｑと、電気機械１におけるロータ電圧とからなる。状態ベクトル９の微分はつぎの式から得られる：
【００１３】
【数２】

【００１４】
ここでｒ（ｔ）はシステムノイズ、ｘは励磁電流ｉ_Ｆおよび変換されたステータ電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを含む状態ベクトルを表しており、ここでこれらも同様にＲ−Ｓ−Ｔ系統からｄ，ｑ系統に変換されている。ステータ電流成分ｉ_ｑにより、電気機械１に達成されるトルクが最大限に決定される。状態ベクトル９は一定値Ｃと結合されて加算点１３に供給され、ここに測定ノイズρ（ｔ）が供給される。参照符号１２によって示された測定ノイズρ（ｔ）が考慮されて、出力電圧ベクトルｙが形成され、これは参照符号８によって示されている。
【００１５】
図３には電気機械の全体システムが複数のサブシステムで示されている。
【００１６】
電気機械１は、全体システム１５から出発して、可観測なサブシステム１９と、観測不能なサブシステム１８とに分割可能である。可観測なサブシステム１９ではＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメント２０（図４参照）を組み込むことによって状態量を推定可能である。これに対して観測不能なサブシステム状態量は計算される。このサブシステムの状態量の計算に対して、可観測なサブシステム１９からフィルタエレメント２０を用いて得られた状態量が使用されるが、これは（この制御区間のおける確率論的な影響を無視することを受け入れれば）状態オブザーバを介して求めることも可能である。計算された状態量ならびに推定された状態量も変換マトリクスとの結合によって逆変換され、ここから、ポールホイールの実際の位置に相応する推定されたポールホイール角度位置が得られる。
【００１７】
図４には電気機械の可観測なサブシステムが詳しく説明されている。
【００１８】
図４は、フィルタエレメント２０の点線の枠外において、実質的に図２の状態空間１４の図に等しい。状態ベクトルｘ _２ の入力量は入力ベクトルｕであり、これは２つの成分から形成され、これらの２つの成分は、参照符号２７で示される一定値Ｃ _２ を通過した後、出力ベクトルｙになる。フィルタエレメント２０内の加算点２２において入力ベクトル７ｕの入力量は、積分ブロック２８に供給され、ここから一定値Ｃ _２ を相応して表すブロックに供給され、さらにここから別の加算点２３に供給される。ブロック２７を出発すると、その出力信号は、負の符号が結合されて加算点２３に供給される。加算点２３からＬマトリクスブロック２１への線路が分岐しており、ここでは状態オブザーバを使用してマトリクスがポールホイール位置設定値によって求められる。フィルタエレメント２０をＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメントとして構成する際には、参照符号２１のマトリクスＬは、２次の評価基準の最適化から求められる。
【００１９】
一般的な２次の評価基準はつぎの関係式によって与えられる：多重のシステムに対して、
【００２０】
【数３】

【００２１】
ここで、Ｑ ＝ 重み付けマトリクス
ｔ_０＝開始時点
ｔ_１＝終了時点
であり、ここでは状態量はそれ自体物理量である。
【００２２】
マトリクスブロック２１の初期値は、すでに述べた加算点２２に供給され、これには、ブロック２６からの信号も供給される。Ｋａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメント２０にはさらに、すでに説明した定数を処理するブロック２６，２７，積分ブロック２８ならびにＬマトリクスを形成するブロック２１の他に別のブロック２５が配属しており、これに変換マトリクスが格納されている。フィルタエレメント２０の変換マトリクス２５から、推定量出力側２４において、電気機械１である全体システム１５の可観測なサブシステム１９の出力量が得られ、これは、電気機械１である全体システム１５の観測不能なサブシステム１８（図３を参照されたい）の状態量の計算に利用することができる。
【００２３】
Ｋａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメント２０を用いて可観測なサブシステム１９において推定される状態量も、この推定された状態量に基づいて計算された、全体システム１５の観測不能のサブシステム１９の状態値も共に新たに変換マトリクスに結合されるため、Ｒ−Ｓ−Ｔ系統の値の逆変換は、電気機械である全体システム１５のＲ−Ｓ−Ｔ系統の値において行うことができる。この場合にこれらの値には推定されたポールホイール角度値が含まれており、ここでこれらは実際のポールホイール角度値に実質的に相応するかまたはこれと等しい。
【００２４】
図５には、制限された状態オブザーバとしての、可観測なサブシステムの択一的な実施形態が示されている。
【００２５】
状態量セクタはつぎのように表される：
【００２６】
【数４】

【００２７】
ｒは副次的な状態変数のベクトルであり、ここでは角周波数ωおよびポールホイール角度のベクトルである。
【００２８】
【数５】

【００２９】
ここからつぎの状態方程式が得られる：
【００３０】
【数６】

【００３１】
図４の構成ではフィルタエレメント２０によってすべての状態量が推定されるのに対して、ｎ個の量のうちのｑ個を測定すべき場合には（ｎ−ｑ）個の状態量だけを推定すればよい。このようなオブザーバは、次数の制限されたオブザーバと、すなわち制限されたオブザーバ２９とみなすことができ、図５のように表される。
【００３２】
図６には静止状態においてロータ位置を求める測定回路が示されている。
【００３３】
励磁回路２，３２には時間的に変化する電圧源３２が配置されており、この電圧源により励磁巻線２に時間的に変化する励磁電流ｉ_Ｆ３を調整することができる。この場合にクローポール型機械１の励磁側２，３２から磁束流が形成される。時間的に変化する励磁電圧ｕ_Ｅｒｒ６に対してステータ巻線４のステータ電圧が相巻線５において２つの電圧計３３，３４を介して測定される。相巻線電圧によってこのクローポール型機械のロータの位置についての情報が得られる。それはこの電圧がポールホイール角度に依存するからである。
【００３４】
したがってロータ位置についての初期情報が状態オブザーバ１９，２９に対して図４および５のようにして得られる。
【００３５】
本発明によって提案された方法によって可能になるのは、完全には可観測ではない電気的な同期機械、例えば３相交流発電機を分割して、この電気機械の全体システムが可観測なサブシステムと、観測不能なサブシステムとに分けられるようにすることができる。可観測なサブシステム１９にＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメント２０を使用することによって状態量を高い予測精度で推定することができ、この状態量によって、それ自体は観測不能なサブシステムにおける状態量の計算が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロータ巻線およびステータ巻線を有するクローポール型発電機の概略図である。
【図２】クローポール型発電機の、状態空間における等価な図である。
【図３】クローポール型発電機のシステムを、可観測なサブシステムと、観測不能なサブシステムに分割することを示す図である。
【図４】可観測なサブシステムおよびＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｈｙフィルタの詳細を示す図である。
【図５】可観測なサブシステムを、制限された状態オブザーバとして実施する択一的な例を示す図である。
【図６】クローポール型発電機のロータ位置を静止状態において求める測定回路を示す図である。
【符号の説明】
１　電気機械
２　励磁巻線
３　励磁電流ｉ_Ｆ
４　ステータ巻線
５　相巻線
６　励磁電圧
７　入力ベクトルｕ
８　変換されたステータ電流とｉ_Ｆとからなる出力ベクトルｙ
９　状態ベクトルｘ
１０　状態ベクトルｘの微分ｘ
１１　システムノイズｒ（ｔ）
１２　測定ノイズρ（ｔ）
１３　加算点
１４　状態空間
１５　全体システム
１６　入力量
１７　出力量
１８　観測不能なサブシステム
１９　可観測なサブシステム
２０　フィルタエレメント
２１　Ｌマトリクス
２２　加算点
２３　加算点
２４　推定量出力側
２５　Ｔマトリクス
２６　一定値Ａ
２７　一定値Ｃ
２８　積分ブロック
２９　制限されたオブザーバ
３０　状態方程式
３１　状態方程式
３２　時間的に変化する電圧源
３３　電圧測定器
３４　電圧測定器
３５　コイル

Claims (10)

1. クローポール型発電機（１）の回転するコンポーネントの位置を決定する方法であって、
   該コンポーネントはＲ−Ｓ−Ｔ系統で動作し、かつ該コンポーネントの制御のためにステータ量の変換が、Ｒ−Ｓ−Ｔ系統からｄ，ｑ系統に、およびこの逆に必要である形式の、クローポール型発電機（１）の回転するコンポーネントの位置を決定する方法において、
   全体システム（１５）としての前記クローポール型発電機（１）を観測不能なサブシステム（１８）と、フィルタエレメント（２０）を有する可観測なサブシステム（１９、２９）とに分割し、
   該可観測なサブシステムによって出力量（１７）が供給される、
   クローポール型発電機（１）の回転するコンポーネントの位置を決定する方法。
2. 前記可観測なサブシステム（１９）にＫａｌｍａｎ−Ｂｕｃｙフィルタエレメント（２０）が収容されており、
   該フィルタエレメント（２０）によって前記可観測なサブシステム（１９）の状態量が推定される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記の可観測なサブシステム（１９）に状態オブザーバが収容されており、
   該状態オブザーバによって前記可観測なサブシステム（１９）の状態量が、状態変化の後、新たに計算される、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記電気機械（１）が、変換マトリクスＴによって、観測不能なサブシステム（１８）と、可観測なサブシステム（１９）とに分割される、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記の可観測なサブシステム（１９）のフィルタエレメント（２０）におけるＬマトリクス（２１）を２次の評価基準
   

   

   の最適化によって求める、
   請求項２に記載の方法。
6. クローポール型機械（１）である全体システム（１５）の可観測なサブシステム（１９）の状態量（９）をフィルタエレメント（２０）によって推定する、
   請求項２に記載の方法。
7. 前記の可観測なサブシステム（１９）の推定されたないしは計算された状態量によって、前記の観測不能なサブシステム（１８）の状態量を計算する、
   請求項２または３に記載の方法。
8. 前記のサブシステム（１８，１９）の推定された状態量および計算された状態量を、変換マトリクスＴとの結合によって逆変換する、
   請求項６または７に記載の方法。
9. 前記の状態量（９）は、ｄ，ｑ系統の変換されたステータ電流と、角周波数ωと、クローポール型機械（１）のロータのポールホイール角度とを含む、
   請求項６に記載の方法。
10. ロータの開始位置を求めるためにクローポール型機械（１）の励磁回路（２，２３）に時間的に変化する電圧源（３２）が配置されており、かつステータ巻線（４）の相電圧（５）の測定（３３，３４）が行われる、
    請求項１に記載の方法。