CN100417003C - 无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在无刷电动机的高速旋转区域并且低负载区域和低速旋转区域并且高负载区域中、能使效率提高、而且电流消耗减少的无刷电动机驱动方法及驱动控制装置。根据目标值和实际值的偏差，用转速控制手段(81)或电动机电流控制手段(86)算出控制参数，根据该算出的控制参数，通电相位控制手段(83)计算操作量，按照该算出的操作量，根据预先设计生成的操作量和提前角量间的关系，计算提前角量，利用这一算出的提前角量信息，对根据旋转位置信号或电动机电流信号所设计的驱动电路(78)的通电相位角的值进行修正。

Description

无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置
技术领域
本发明关于无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置，尤其是关于适用于采用无刷电动机的液压动力转向控制装置的无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置。
背景技术
近年来，为了提高驾车者的操纵性及安全性，大多采用在操纵方向盘时辅助驾驶员的动力转向控制装置。该动力转向控制装置有电动式及液压式两种。与液压式相比，电动式具有在设计时能自由设定帮助驾驶员的辅助特性、控制装置的自由度高、减少车辆的燃油消耗等优点，但另一方面，在对于包含温度或噪声在内的耐环境性或操纵性上均还存在问题。
因此，尤其在大型车辆上多采用液压式动力转向控制装置。虽在该液压式动力转向控制装置上采用无刷电动机，但在该采用无刷电动机的液压动力转向控制装置上，是靠无刷电动机驱动液压泵，按照车速或转向角速度等车辆行驶条件，利用相应控制的液压，能实现原设计的规定辅助力。
通常采用该无刷电动机的液压动力转向控制装置，预先将车速或转向角速度与原设计的无刷电动机转速间的关系存于控制装置的微型计算机(以后称存储器)中。然后用无刷电动机的电动机旋转位置检测传感器检测无刷电动机的转速，求检测出的实际转速和存储器所存的目标转速间的偏差，控制无刷电动机的转速，使该偏差的值小于等于所设计的规定值，让驾驶者获得所需的辅助力。作为这样的一项控制技术，例如在专利文献1中揭示了其部分内容。
另外，专利文献2也记述了一种根据无刷电动机的转速及电流、来控制电动机驱动电路的通电相位角的方法。
专利文献1，日本特开平10-70894号公报
专利文献2，日本特开平7-337067号公报
但是用上述专利文献1揭示的现有的控制技术，由于以固定角度决定驱动无刷电动机的驱动电路的脉宽调制(以后称PWM)信号的驱动时间(以后称通电相位角)，对于以一定速度转动状态下的无刷电动机，没有什么特别问题发生，但在要求可变速的情况下，存在效率降低、消耗电流增加等诸多问题。
另外，在上述专利文献2中揭示：根据无刷电动机的转速及电流，来控制无刷电动机驱动电路的通电相位角，通过这样，在规定转速的正常运转状态下，可以承认有提高效率、减少电流消耗等效果。但存在的问题是：为了在较宽的范围对转速进行控制，要提高PWM的通电相位角的响应特性。
本发明为解决上述现有控制技术的问题而提出，其目的在于提供一种无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置，它们能使无刷电动机在范围更宽的区域中，特别是在低负载区域并且高速旋转区域、和高负载区域并且低速旋转区域中，以更高的效率工作，减少电流消耗。
本发明之又一目的在于：提供一种无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置，它们能适用于采用无刷电动机驱动电动泵的液压动力转向控制装置。
发明内容
本申请的无刷电动机的驱动方法包括第1驱动方法及第2驱动方法，第1驱动方法为：根据目标转速和实际转速之偏差，计算控制参数，利用根据该算出的控制参数实施PMW驱动的驱动电路来控制无刷电动机的转速，同时，根据检测上述无刷电动机旋转位置的旋转位置传感器的旋转位置信号，控制上述驱动电路的通电相位角；第2种驱动方法为：根据目标电动机电流值和实际的电动机电流值之偏差，计算控制参数，利用根据该算出的控制参数实施PWM驱动的驱动电路来控制无刷电动机的电动机电流值，同时根据检测无刷电动机的电动机电流值的电动机电流检测传感器的电动机电流信号，控制上述驱动电路的通电相位角，无刷电动机的运转状态在低负载区域并且高速旋转区域中利用上述第1驱动方法驱动，在高负载区域并且低速旋转区域中利用上述第2驱动方法驱动，同时，根据上述算出的控制参数，计算操作量，按照这一算出的操作量，根据预先生成的操作量及提前角量的对应图，计算提前角量，利用该算出的提前角量信息，对根据上述旋转位置信号或上述电动机电流信号所设计的驱动电路通电相位角的值进行修正。
另外，驱动控制装置的构成为包括：第1驱动控制手段、第2驱动控制手段、选择手段、以及通电相位控制手段，第1驱动控制手段用于：根据目标转速和实际转速之偏差，利用转速控制手段计算控制参数，根据该算出的控制参数，利用PMW的控制手段控制驱动电路，并控制无刷电动机的转速，同时，根据检测上述无刷电动机旋转位置的旋转位置检测传感器的旋转位置信号，控制上述驱动电路的通电相位角；第2种驱动控制手段用于：根据目标电动机电流值和实际电动机电流值之偏差，利用电动机电流控制手段计算控制参数，根据该算出的控制参数，利用PWM的控制手段控制驱动电路，并控制无刷电动机的电动机电流值，同时，根据检测上述无刷电动机的电动机电流值的电动机电流检测传感器的电动机电流信号，控制上述驱动电路的通电相位角；选择手段用于：检测无刷电动机的运转状态，运转状态在低负载区域并且高速旋转区域时，选择上述第1驱动控制手段，在高负载区域并且低速旋转区域时，选择上述第2驱动控制手段；以及，通电相位控制手段用于：根据上述算出的控制参数，计算操作量，按照这一算出的操作量，计算提前角量，将这一算出的提前角信息供给上述PWM控制手段；上述PWM控制手段利用来自上述通电相位控制手段的提前角量信息，对根据上述旋转位置信号或上述电动机电流信号所设计的驱动电路的通电相位角的值进行修正。
利用本发明能获得一种无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置，它能使无刷电动机在范围较宽的区域中，特别在高速旋转区域并且低负载区域、及低速旋转区域并且高负载区域中，高效工作，降低电流消耗。
利用本发明能获得一种无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置，它能适用于采用无刷电动机的液压动力转向控制装置。
附图说明
图1为应用本发明的电动泵液压动力转向控制装置的构成图。
图2为表示无刷电动机的低负载区域并且高速旋转区域、和高负载区域并低速旋转区域的示意图。
图3为表示本发明实施方式1的无刷电动机驱动控制装置的控制方框图。
图4为表示无刷电动机的PWM驱动电路的驱动占空比和通电相位角及电动机转速间的关系用的图。
图5为说明本发明实施方式1的高负载区域并且低速旋转区域中的工作原理用的提前角和电流间的关系用的图。
图6为说明本发明实施方式1的相位控制手段及PWM控制手段的动作用的控制流程图。
图7为表示本发明实施方式1的提前角图一示例用的图。
图8(包括图8A-图8C)为表示本发明实施方式1的无刷电动机转速响应特性图。
图9为表示本发明实施方式1的效果用的示意图。
具体实施方式
实施方式1
通常，电动机的控制是对驱动晶体管进行PWM驱动，使设定好的目标电动机转速和实际转速的偏差为零。通常根据该偏差进行PID控制(P为比例控制、I为积分控制、D为微分控制)。但，因为仅仅这样，则电动机驱动电路的通电相位角为一定，所以为了解决上述现有问题，还要采用某些手段来控制通电相位角。
本发明中，在低负载区域并且高速旋转区域中，是利用目标电动机转速和实际转速间的偏差求得的控制参数、即P项(比例项)、I项(积分项)、D项(微分项)，控制通电相位角，从而以图提高电动机效率和转速的响应特性，在高负载区域并且低速旋转区域中，是利用目标电动机电流值和实际电流值间的偏差求得的控制参数、即P项(比例项)、I项(积分项)、D项(微分项)，控制通电相位角，从而以图提高电动机效率和转速的响应特性。
以下，利用图1～图9说明本发明实施方式1的无刷电动机的驱动方法及其驱动控制装置。还有，图中，同一标号表示同一或相当的部分。
图1为表示采用了应用本发明的驱动电动泵用的无刷电动机的液压动力转向控制装置的构成图。
在图1中，1为转向装置，2为转向横拉杆，3为驾驶盘，4为转向轴，5为液压泵，6为DC无刷电动机，7为控制器，8为油箱，9为液压配管，10为液压泵部。
图2为表示无刷电动机的低负载区域并且高速旋转区域、和高负载区域并低速旋转区域的示意图，并且表示转速、转矩及电流值和提前角量间的关系。
图3为表示对无刷电动机6进行驱动控制用的控制器7的控制方框图。在图3中，71为转向角度传感器，72为车速传感器，73为转矩传感器，74为转向力矩判定手段，75为低负载区域运算手段，76为高负载区域运算手段，77为旋转位置检测传感器，78为驱动电路，79为目标转速运算手段，80为转速运算手段，81为转速控制手段，82为PWM控制手段，83为通电相位控制手段，84为电动机电流检测传感器、85为目标电动机电流运算手段、86为电动机电流控制手段。
图4为表示无刷电动机的PWM驱动电路的驱动占空比和通电相位角及电动机转速间的关系用的图。
图5为说明实施方式1的高负载区域并低速旋转区域中的动作原理用的提前角和电流间的关系用的图。
图6为说明相位控制手段83及PWM控制手段82的动作用的控制流程图。图6中，S101至S107表示控制流程的各步骤。
图7为表示本发明实施方式1的提前角图一示例用的图。
图8(包括图8A-图8C)为表示本发明实施方式1的无刷电动机转速响应特性图。
图9为表示本发明实施方式1的效果用的示意图。
如图1所示，转向装置1设置与图中未示出的汽车等车辆的左右转向轮通过转向臂连接的转向横拉杆2。
该转向装置1如人们所知的那样，包括：通过利用转向轴4传递驾驶盘3上的驾驶操作来切换液压流路的流路切换阀；将驾驶操作传递给转向横拉杆2一侧的传递部；通过将液压引入左、右室的某一室而产生与驾驶操作对应的辅助力的动力缸。
另外，液压泵部10是利用电动机驱动的通过液压配管9向转向装置1送液压油的装置，由液压泵5、驱动该泵的电动机即DC无刷电动机6、由包围在液压泵5周围的壳体组成的油箱8、以及对该电动机进行最佳控制的控制器7所构成。
另外，图2示出无刷电动机中的低负载区域并且高速旋转区域、及高负载区域并低速旋转区域。该图表示180度通电时的转速和转矩、电流值和转矩及提前角量间的关系，因为现在的提前角量满足规格1.37Nm，因此固定在17deg上，但在无负载或高速旋转时，因在提前角一侧按照固定好的提前角量，所以无谓地消耗电流。另外，即使在高负载或低转速时，如图2所示，又可看到电流消耗。
如图3所示，DC无刷电动机6是三相电动机，由利用图中未示出的6个功率晶体管组成的驱动电路78进行PWM驱动。
根据转矩传感器73的输入信号，由转向力矩判定手段74判定电动机的运转状态是处于低负载区域或高负载区域中的哪一个区域，在判定为低负载区域的情况下，经低负载区域运算手段75，至目标转速运算手段79。
目标转速运算手段79根据伴随着车辆的驾驶操作而检测转向角度及转向角速度的转向角度传感器71的信号和检测车速的车速传感器72的信号，计算预先存在存储器中作为目标的DC无刷电动机6的转速。
另一方面，DC无刷电动机6的转子旋转位置由旋转位置检测传感器77检测。来自该旋转位置检测传感器77的旋转位置信号输入转速运算手段80，根据该旋转位置信号，计算实际的转速。
然后，由目标转速运算手段79算出的目标转速和转速运算手段80算出的实际转速间的偏差输入转速控制手段81。
该转速控制手段81及PWM控制手段82可以例如如特開2001-103776号公报所揭示的那样构成，它将实际转速进行反馈，并根据和目标转速间的偏差，利用比例控制和积分控制来设定控制电压，通过这样，控制驱动电路78的PWM驱动，控制电动机转速。
在本发明的实施方式1中，用转速控制手段81计算根据上述偏差的比例项及积分项等控制要素，根据这一运算结果，由PWM控制手段82计算PWM驱动占空比。另外根据按照转速控制手段81求得的转速偏差的比例项、积分项及微分项等控制要素，由通电相位控制手段83求出驱动电路78的最佳通电相位角，使这一结果反映在PWM控制手段82上。
另外，在利用转矩传感器73的输入信号由转向力矩判定手段74判定运转状态为高负载区域的情况下，经高负载区域运算手段76，至目标电动机电流运算手段85。
目标电动机电流运算手段85计算预存于存储器的作为目标的DC无刷电动机6的目标电动机电流值。
另一方面，利用电动机电流检测传感器84检测DC无刷电动机6的实际电动机电流值。将这一检测出的来自电动机电流检测传感器84的电动机电流信号和目标电动机电流运算手段85算出的目标电动机电流值进行比较，其偏差输入电动机电流控制手段86。
该电动机电流控制手段86及PWM控制手段82将实际的电动机电流值进行反馈根据和目标电动机电流值间的偏差，由电动机电流控制手段86计算比例项及积分项等控制要素，根据这一计算结果，由PWM控制手段82计算PWM驱动占空比。另外，根据按照电动机电流控制手段86求出的偏差的比例项、积分项及微分项等控制参数，由通电相位控制手段83求出驱动电路78的最佳通电相位角，使该结果反映在PWM控制手段82上。
以下，对通电相位控制手段83中的驱动电路78的通电相位角控制方法进行说明。
如图4所示，电动机的输出即转速随着PWM驱动占空比的增加一起上升，另外，以同一驱动占空比的情况下，随着通电相位的提前角量的增加一起增加。
因而，在对转速进行控制的情况下，在即使未将通电相位角提前，而电动机输出高出负载转矩的区域(驱动占空比＜100％)中，按照驱动电流小的通电相位角的提前角进行驱动。所以，至驱动占空比为100％以前一直将提前角量作为零，在驱动占空比为100％时才固定提前角量。
还有，上述的驱动占空比为根据电动机转速控制中的目标转速和实际转速之偏差，将比例项、积分项、微分项等控制参数变换成电动机驱动电路的通电比率。
图5表示通电相位角和电动机电流间的关系，将PWM驱动占空比固定作为100％，驱动电动机，在使通电相位角变化时，电动机电流如图5所示，当提前角量增大，则电动机电流也就增大。
另一方面，在负载转矩高出电动机输出的高负载区域，虽要进行电流反馈控制，使电动机电流值不超过其额定值，但通过使PWM驱动占空比不变化，而通电相位角变化，从而能控制电动机电流。还有，上述的驱动占空比为根据电动机电流控制中的目标电流值和实际电流值间偏差，将比例项、积分项、微分项等控制参数变换成电动机驱动电路的通电比率。
以下，参照图6说明通电相位控制手段83及PWM控制手段82的动作。如图6所示，
(1)PWM控制手段82在步骤S101，读入由转速控制手段81或电动机电流控制手段86计算的控制参数(比例项：P、积分项：I)。
(2)在步骤S102，根据步骤S101读入的控制参数，计算PWM驱动占空比。
(3)另一方面，通电相位控制手段83在步骤S103，和步骤S101一样，读入控制参数。
(4)在步骤S104，根据该控制参数，计算操作量。在本实施方式1中，操作量为比例项(P)和积分项(I)之和。
(5)在步骤S105，根据预先生成的控制器7的存于图中未示出的存储器的提前角图，根据操作量，求出提前角量。
图7表示该提前角图一示例，设定成当操作量超过100％时增加提前角量。
另外，如图9所示，设定成从超过规定高负载、低速旋转区域而且提前角量保持一定值的阶段开始使提前角量衰减，抑制电动机电流上升。
(6)PWM控制手段82在步骤S106，读入步骤S105求得的提前角量。
(7)在步骤S107，根据上述提前角量，计算通电相位角(PWM驱动时间)。
还有，在上述步骤S104，是将操作量作为控制参数的比例项(P项)和积分项(I项)之和，但此外还可加上微分项(D项)。另外，当然也可以不取各项之和，而根据对各项乘以系数或各项之积进行运算。
图8为表示利用上述实施方式1的无刷电动机的驱动控制装置、确认转速响应特性的结果之一示例。
分别表示在使目标转速从1000rpm阶跃性变成4900rpm时的实际转速(图8A)、控制参数的比例项(P项)、积分项(I项)、驱动占空比(图8B)、及提前角量(图8C)。
从图8可知，为确保响应特性，在目标转速刚变化之后，驱动占空比就为100％，同时，根据与比例项(P项)对应的提前角量进行驱动，此后，根据与积分项(I项)对应的提前角量保持转速。
该提前角量由于变成比以往的与电动机最大输出对应的提前角量还要小，所以能降低无刷电动机的电流消耗。
如上所述，本发明的实施方式1的无刷电动机驱动方法及驱动控制装置，是在低负载区域并且高速旋转区域中，根据以往的旋转位置检测传感器的旋转位置信号，再加上驱动电路的通电相位控制，利用根据目标电动机转速和实际电动机转速之差求得的控制参数即比例项(P项)、积分项(I项)、微分项(D项)，决定通电相位角，根据该通电相位角的信息，对按照上述旋转位置信号设定的通电相位角进行修正。
另外，在高负载区域并且低速旋转区域中，利用根据目标电动机转速和实际电动机转速之差求得的控制参数即比例项(P项)、积分项(I项)、微分项(D项)，决定通电相位角，根据该通电相位角的信息，对按照电动机电流检测传感器的电动机电流信号设定的通电相位角进行修正。
因此，根据本发明实施方式1的无刷电动机驱动方法及驱动控制装置，在低负载区域并且高速旋转区域中，能高效工作，降低其电流消耗，同时具有与转速变化对应的优良的响应特性，在高负载区域并且低速旋转区域中，能通过使提前角量滞后，控制电动机电流，也能高效工作，降低电流消耗。
由于利用控制参数即进行比例控制的比例项、进行积分控制的积分项、及进行微分控制的微分项中的至少一项来计算操作量，所以在各负载区域，能根据最佳的通电相位角进行控制，能高效工作，降低电流消耗。
再有，由于根据算出的控制参数来计算驱动电路的驱动占空比，在该算出的驱动占空比大于等于原设计的规定值的情况下，进行控制来修正驱动电路的通电相位角的值，因此通过扩大能将PWM驱动占空比设定成规定值及其以上(100％)的区域，从而能减少开关损耗，高效工作，降低电流消耗。
还由于能将上述实施方式1的无刷电动机驱动方法及驱动控制装置组装在采用无刷电动机驱动电动泵的液压动力转向控制装置上，所以能以低油耗实现在操纵方向盘时更适于帮助驾驶员的液压动力转向控制装置。

Claims (9)

1. 一种无刷电动机的驱动方法，其特征在于，包括：
第1驱动方法及第2驱动方法，
所述第1驱动方法为：根据目标转速和实际转速的偏差，计算控制参数，利用根据该算出的控制参数实施PWM驱动的驱动电路来控制无刷电动机的转速，同时，根据检测所述无刷电动机旋转位置的旋转位置传感器的旋转位置信号，控制所述驱动电路的通电相位角；
所述第2种驱动方法为：根据目标电动机电流值和实际的电动机电流值的偏差，计算控制参数，利用根据该算出的控制参数实施PWM驱动的驱动电路来控制无刷电动机的电动机电流值，同时根据检测无刷电动机的电动机电流值的电动机电流检测传感器的电动机电流信号，控制所述驱动电路的通电相位角，
无刷电动机的运转状态在低负载区域并且高速旋转区域中利用所述第1驱动方法驱动，在高负载区域并且低速旋转区域中利用所述第2驱动方法驱动，同时，根据所述算出的控制参数，计算操作量，按照这一算出的操作量，根据预先生成的操作量及提前角量的对应图，计算提前角量，利用该算出的提前角量信息，对根据所述旋转位置信号或所述电动机电流信号所设计的驱动电路通电相位角的值进行修正。
2. 如权利要求1所述的无刷电动机的驱动方法，其特征在于，
利用控制参数即进行比例控制的比例项、进行积分控制的积分项、及进行微分控制的微分项中的至少一项，计算所述操作量。
3. 如权利要求1所述的无刷电动机的驱动方法，其特征在于，
利用控制参数即进行比例控制的比例项、进行积分控制的积分项、及进行微分控制的微分项，计算所述操作量。
4. 如权利要求1至3中的任一项所述的无刷电动机的驱动方法，其特征在于，
根据所述控制参数，计算驱动电路的驱动占空比，在该算出的驱动占空比大于等于原设计的规定值的情况下，修正驱动电路的通电相位角的值。
5. 一种无刷电动机的驱动控制装置，其特征在于，包括：
第1驱动控制手段、第2驱动控制手段、选择手段、以及通电相位控制手段，
所述第1驱动控制手段用于：根据目标转速和实际转速的偏差，利用转速控制手段计算控制参数，根据该算出的控制参数，利用PWM的控制手段控制驱动电路，控制无刷电动机的转速，同时，根据检测所述无刷电动机旋转位置的旋转位置检测传感器的旋转位置信号，控制所述驱动电路的通电相位角；
所述第2种驱动控制手段用于：根据目标的电动机电流值和实际的电动机电流值的偏差，利用电动机电流控制手段计算控制参数，根据该算出的控制参数，利用PWM的控制手段控制驱动电路，控制无刷电动机的电动机电流值，同时根据检测所述无刷电动机的电动机电流值的电动机电流检测传感器的电动机电流信号，控制所述驱动电路的通电相位角；
所述选择手段用于：检测无刷电动机的运转状态，运转状态在低负载区域并且高速旋转区域时，选择所述第1驱动控制手段，在高负载区域并且低速旋转区域时，选择所述第2驱动控制手段；以及
所述通电相位控制手段用于：根据所述算出的控制参数，计算操作量，按照这一算出的操作量，计算提前角量，将该算出的提前角量供给所述PWM的控制手段；
所述PWM的控制手段根据来自所述通电相位控制手段的提前角量的信息，对根据所述旋转位置信号或所述电动机电流信号所设计的驱动电路的通电相位角的值进行修正。
6. 如权利要求5所述的无刷电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述通电相位控制手段，利用控制参数即进行比例控制的比例项、进行积分控制的积分项、及进行微分控制的微分项中的至少一项，计算所述操作量。
7. 如权利要求5所述的无刷电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述通电相位控制手段，利用控制参数即进行比例控制的比例项、进行积分控制的积分项、及进行微分控制的微分项，计算所述操作量。
8. 如权利要求5至7中的任一项所述的无刷电动机的驱动控制装置，其特征在于，
根据所述控制参数，计算驱动电路的驱动占空比，在该算出的驱动占空比大于等于原设计的规定值的情况下，修正驱动电路的通电相位角的值。
9. 一种液压动力转向控制装置，其特征在于，
该液压动力转向控制装置的驱动液压泵用的无刷电动机具有权利要求5所述的驱动控制装置。
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