CN101385230B - 无刷电动机控制方法以及无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无刷电动机控制方法以及无刷电动机。利用2极3槽或其整数倍的结构的电动动力转向装置用的无刷电动机，对电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流。在电枢绕组电流的高次谐波分量含有率与伴随永久磁铁的旋转而在电枢绕组中产生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间设置0.5％～1.5％的差异，从而缓和因感应电动势产生的电枢反作用而引起的影响，降低扭矩脉动。高次谐波分量含有率的差异是根据在电枢绕组通电时由于电枢反作用而在感应电动势中产生的变化来设定的。

Description

无刷电动机控制方法以及无刷电动机

技术领域

本发明涉及无刷电动机的控制方法以及无刷电动机，特别涉及应用于电动动力转向装置用的无刷电动机而有效的技术。

背景技术

为了汽车等的方向盘助力，近年来在很多汽车中装备了所谓的动力转向装置。作为这样的动力转向装置，近年来，从引擎负荷减轻和重量降低等观点，而搭载有电气式的动力驾驶装置(所谓的电动动力转向装置，以下适当地简称为EPS)的车辆增多。作为这样的EPS的动力源，以往以来多使用带刷的电动机，但近年来，为了得到维护性优良、小型且高扭矩的效果，无刷电动机的使用增多。

在这样的EPS用电动机中，为了提高司机的操作感，降低动作声音成为大的课题。一般，扭矩变动(扭矩脉动)和动作声音之间存在紧密的关系，在EPS用电动机、特别在无刷电动机中，进行了各种通过通电方法的改进来降低扭矩脉动(torque ripple)的研究。例如，作为动作声音的对策，公知代替矩形波驱动而进行可以平滑地通电的正弦波驱动等方法。但是，在正弦波驱动的情况下，为了降低扭矩脉动，必须使电动机侧的感应电压波形成为正弦波形状。因此，在正弦波驱动电动机中，由于歪斜(skew)和磁铁的偏心，使感应电压波形成为正弦波波形，在该情况下，事实上有可能多少会损失电动机的输出。

因此，为了改善这样的电动机输出的降低，还开发出代替正弦波驱动而利用包含高次谐波的梯形波电流来驱动电动机的手法。例如，在通过6极9槽(slot)的无刷电动机而使感应电压波形包含5％左右的5次高次谐波分量的情况下，如果求出与该波形对应的电流波形而进行通电，则理论上可以使扭矩脉动成为零。图5(a)是表示感应电压波形的说明图，图5(b)是表示相电流波形的说明图。在图5(a)的感应电压波形中，主要包含有5％的5次的高次谐波分量。另外，在图5(b)的相电流中与其对应地包含有5％的高次谐波分量(5次分量为2.5％，7次分量为2.5％)。

此处，在扭矩T与角速度ω、感应电压E、相电流I之间，以下的关系成立。(θ表示电气角，u、v、w表示电流的相，d表示磁通方向分量，q表示磁通正交分量)。

T(θ)·ω(θ)＝Eu(θ)·Iu(θ)+Ev(θ)·Iv(θ)+Ew(θ)·Iw(θ)

             ＝Ed(θ)·Id(θ)+Eq(θ)·Iq(θ)          式(1)

根据上式，与电动机的扭矩相关的分量为q轴分量，d轴分量在考虑扭矩变动的基础上可以忽视。因此，在ω(θ)恒定的情况下，为了消除扭矩变动，将T(θ)设为恒定、即将E·I设为恒定即可。如果根据该关系，求出图5(b)的相电流波形而进行供给，则相对于图5(a)的感应电压而E·I＝T成为恒定，能够抑制扭矩变动。

由此，如果供给图5(b)那样的相电流，则可以实现与正弦波驱动相同的扭矩变动。另外，在相同峰值电流下对梯形波和正弦波进行比较的情况下，梯形波可以提高对扭矩贡献的1次分量的峰值。因此，通过供给图5(b)的电流，可以得到比正弦波驱动的电动机高的扭矩。进而，由于在供给电流中包含有高次谐波，所以可以将歪斜角设定得较少，可以减少相应量的泄漏磁通，而提高输出。

专利文献1：日本特开2004-274963号公报

但是，即使在通电了如上述那样的包含高次谐波的电流波形的情况下，在通电时，必定由于电枢反作用的影响，感应电压波形被正弦波化。即，如图6所示，即使未通电时的感应电压是包含高次谐波的大致梯形波形(图6(a))，在通电时，感应电压如图6(b)那样变钝(角度变圆)，而被正弦波形化。因此，存在产生扭矩变动，特别是高电流(高负荷)侧的扭矩变动变大的问题。如果扭矩变动变大，则电动机的动作声音变大，特别，如果将这样的电动机用于EPS，则在EPS中根据行进状态而对电动机附加的负荷产生变化，所以存在动作声音随时变化等，成为驾驶感恶化的原因的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种无刷电动机的控制方法以及无刷电动机，可以维持与正弦波驱动等同的低扭矩脉动，同时降低电动机动作声音，并且可以输出比正弦波驱动高的扭矩。

本发明的无刷电动机控制方法是具有具备电枢绕组的定子和具备永久磁铁且可自如旋转地配置在上述定子的内侧或外侧的转子而成的无刷电动机的控制方法，其特征在于：对上述电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流，并且在上述电流的高次谐波分量含有率与伴随上述永久磁铁的旋转而在上述电枢绕组中发生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间设置规定量的差异。

在本发明的无刷电动机控制方法中，在电枢绕组电流的高次谐波分量含有率与在电枢绕组中发生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间设置规定量的差异，由此，缓和因感应电动势所产生的电枢反作用而引起的影响。即，通过考虑由于电枢反作用而引起的感应电压波形的正弦波化，预先对高次谐波分量的含有率只调整规定量而对电枢绕组进行通电，从而按照通电时的感应电压波形而对电流波形进行校正。因此，通过通电时的实际的感应电压波形和校正后的电流波形，上述的式(1)中的E·I成为恒定，扭矩脉动被抑制。

在上述无刷电动机控制方法中，也可以根据在上述电枢绕组通电时由于电枢反作用而在上述感应电动势中产生的变化，来设定上述高次谐波分量含有率的差异。另外，也可以将上述高次谐波分量含有率的差异设定成0.5％～1.5％。另一方面，也可以将上述无刷电动机设成2极3槽或其整数倍的结构，另外，也可以将上述无刷电动机用作电动动力转向装置的驱动源。

另一方面，本发明的无刷电动机是具有具备电枢绕组的定子和具备永久磁铁且可自如旋转地配置在上述定子的内侧或外侧的转子而成的无刷电动机，其特征在于：对上述电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流，上述电流的高次谐波分量含有率在与伴随上述永久磁铁的旋转而在上述电枢绕组中产生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间具有规定量的差异。

在本发明的无刷电动机中，在电枢绕组电流的高次谐波分量含有率与在电枢绕组中产生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间存在规定量的差异，由此，缓和因感应电动势产生的电枢反作用而引起的影响。即，考虑由于电枢反作用而引起的感应电压波形的正弦波化，按照通电时的感应电压波形而对电流波形进行校正，对电枢绕组供给预先对高次谐波分量的含有率只调整规定量后的电流。因此，通过通电时的实际的感应电压波形和校正后的电流波形，上述的式(1)中的E·I成为恒定，扭矩脉动被抑制。

根据本发明的无刷电动机控制方法，对具有具备电枢绕组的定子和具备永久磁铁且可自如旋转地配置在定子的内侧或外侧的转子而成的无刷电动机的电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流，并且在该电枢绕组电流的高次谐波分量含有率与伴随永久磁铁的旋转而在电枢绕组中发生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间设置规定量的差异，因此可以按照通电时的感应电压波形而对电枢绕组的电流波形进行校正，缓和因感应电动势产生的电枢反作用而引起的影响，能够抑制扭矩脉动。因此，可以降低电动机动作声音，并且可以抑制运转区域内的动作声音的变化。

因此，通过将本发明的控制方法应用于EPS用电动机，即使电动机负荷根据路面状态而变动，也可以抑制电动机的扭矩变动，而降低电动机动作声音。因此，可以实现安静且稳定的驾驶动作，提高驾驶感。

根据本发明的无刷电动机，在具有具备电枢绕组的定子和具备永久磁铁且可自如旋转地配置在定子的内侧或外侧的转子而成的无刷电动机中，对电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流，在该电枢绕组电流的高次谐波分量含有率与伴随永久磁铁的旋转而在电枢绕组中产生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间存在规定量的差异，因此可以对电枢绕组提供按照通电时的感应电压波形校正后的波形的电流，可以缓和因感应电动势产生的电枢反作用而引起的影响，能够抑制扭矩脉动。因此，可以降低电动机动作声音，并且可以抑制运转区域内的动作声音的变化。

因此，通过将本发明的无刷电动机应用于EPS，即使电动机负荷根据路面状态而变动，也可以抑制电动机的扭矩变动，降低电动机动作声音。因此，可以实现安静且稳定的驾驶动作，提高驾驶感。

附图说明

图1是表示使用了本发明的无刷电动机的电动动力转向装置的结构的剖面图。

图2是表示在图1的电动动力转向装置中使用的无刷电动机的结构的剖面图。

图3是表示图2的无刷电动机中的定子铁芯的结构的说明图。

图4是表示相电流中的高次谐波分量的降低量与扭矩脉动的关系的曲线图(graph)。

图5(a)是表示无刷电动机中的感应电压波形的说明图，(b)是表示其相电流波形的说明图。

图6(a)是表示无刷电动机中的未通电时的感应电压波形的说明图，(b)是表示通电时的感应电压波形的说明图。

标号说明

1：电动动力转向(power steering)装置；2：转向轴；3：电动机；4：方向盘；5：转向齿轮箱；6：转向拉杆；7：车轮；8：助力电动机部；9：减速机构部；11：扭矩传感器；12：控制装置；21：定子；22：转子；23：外壳；24：定子铁芯；25：绕组；26：轭铁部；27：齿(teeth)；28：槽；29：供电布线；30：支架；31：转轴；32：动子铁芯；33：磁铁；34：磁铁保持器；35：轴承；36：轴承；37：齿条部(spline)；41：解析器(resolver)；42：解析器定子；43：解析器转子；44：线圈

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施例进行详细说明。图1是表示使用了本发明的无刷电动机的电动动力转向装置的结构的剖面图。图1的电动动力转向装置(EPS)1具有对转向轴2施加动作辅助力的转向柱助力(column assist)式的结构。在EPS 1中，应用了本发明的控制方法的电动机3被用作动力源。

在转向轴2上，安装有方向盘4。方向盘4的驾驶力经由配置于转向齿轮箱5内的未图示的小齿轮(pinion)和齿条轴传递到转向拉杆6。在转向拉杆6的两端，连接有车轮7。如果转向拉杆6伴随方向盘4的操作而动作，则经由未图示的转向节臂(knuckle arm)等，车轮7向左右转弯。

在EPS 1中，在转向轴2中，设置有作为驾驶力辅助机构的助力电动机部8。在助力电动机部8中，与电动机3一起，设置有减速机构部9和扭矩传感器11。在减速机构部9中，配设有未图示的蜗杆(worm)和涡轮。电动机3的旋转通过该减速机构部9减速而传达至转向轴2。电动机3和扭矩传感器11与控制装置(ECU)12连接。

如果操作方向盘4而使转向轴2旋转，则扭矩传感器11动作。ECU 12根据扭矩传感器11的检测扭矩，对电动机3适当供给电力。如果电动机3动作，则其旋转经由减速机构部9传达至转向轴2，而提供驾驶辅助力。转向轴2通过该驾驶辅助力和手动驾驶力而旋转。该旋转运动通过转向齿轮箱5内的齿条-小齿轮结合而转换成齿条轴的直线运动，而进行车轮7的转弯动作。

图2是表示电动机3的结构的剖面图。如图2所示，电动机3成为在外侧配设有定子21并在内侧配设有转子22的内转子型的无刷电动机。定子21构成为具备外壳23、固定在外壳23的内周侧的定子铁芯24、以及卷绕安装在定子铁芯24上的绕组25。外壳23由铁等而形成为有底筒状。在外壳23的开口部，安装有合成树脂制的支架30。定子铁芯24构成为层叠有多个钢板。在定子铁芯24的内周侧，突出设置有多个齿。

图3是表示定子铁芯24的结构的说明图。定子铁芯24由环状的轭铁部26和从轭铁部26向内侧方向突出形成的齿27形成。齿27设置有9个。在各齿27之间，形成有槽28(9个)，电动机3成为9槽结构。在各齿27上通过集中卷绕而卷绕安装有绕组25，绕组25被收容在各槽28内。绕组25经由供电布线29与电池(未图示)连接。对绕组25提供包含高次谐波分量的梯形波形状的相电流(U、V、W)。

转子22配置在定子21的内侧，构成为同轴状地配设有转轴31、转子芯32、磁铁33。在转轴31的外周，安装有层叠了多个钢板的圆筒形状的转子芯32。在转子芯32的外周，配置有片段类型(segmenttype)的磁铁33。磁铁33被安装在固定于转轴31上的磁铁保持器34上，沿着圆周方向配置有6个。即，该电动机3成为6极9槽结构。

转轴31的一端部可自如旋转地支撑在向外壳23的底部压入的轴承35上。转轴31的另一端部可自如旋转地支撑在安装于支架30上的轴承36上。在转轴31的端部(在图2中左端部)，形成有齿条部37，通过未图示的接头(joint)构件与减速机构部9的蜗杆轴连接。在蜗杆轴上形成有蜗杆，通过减速机构部9，与固定于转向轴2上的涡轮啮合。

在外壳30内，收容有轴承36和对转子22的旋转进行检测的解析器41。解析器41由固定在外壳30侧的解析器定子42和固定在转子22侧的解析器转子43构成。在解析器定子42上卷绕安装了线圈44，设置有励磁线圈和检测线圈。在解析器定子42的内侧，配置有固定在磁铁保持器34的左端部上的解析器转子43。解析器转子43构成为层叠有金属板，在三个方向上形成有凸部。

如果转轴31旋转，则解析器转子43也在解析器定子42内旋转。对解析器定子42的励磁线圈提供了高次谐波信号，通过凸部的接近离开，从检测线圈输出的信号的相位变化。通过对该检测信号与基准信号进行比较，检测出转子22的旋转位置。然后，根据转子22的旋转位置，适当切换流向绕组25的电流，而对转子22进行旋转驱动。

在这样的EPS 1中，如果操作方向盘4而使转向轴2旋转，则齿条轴沿着与该旋转对应的方向移动而进行转弯操作。通过该操作，扭矩传感器11动作，与其检测扭矩对应地，从未图示的电池经由供电布线29向绕组25供给电力。如果对绕组25供给电力，则电动机3动作，转轴31和蜗杆轴旋转。蜗杆轴的旋转经由涡轮传达至转向轴2，而对驾驶力进行辅助。

此处，在EPS 1的动作时，为了在保持电动机的输出的同时抑制扭矩变动，而对电动机3供给图5(b)那样的梯形波形状的相电流。但是，如上所述，如果对绕组25进行通电，则由于电枢反作用，感应电压波形被正弦波化。因此，如果与感应电压波形同样地，供给包含5％的高次谐波分量的图5(b)那样的相电流，则存在高电流侧的扭矩变动变大的倾向。因此，在本发明的控制方法中，针对根据式(1)得到的电流形，考虑由于通电而引起的感应电压波形的正弦波形化，预先使高次谐波分量的含有率仅降低规定量而进行设定，将其通电。

图4是表示相电流中的高次谐波分量的降低量与扭矩脉动的关系的曲线图，是通过本发明的发明者们的实验而得到的。如图4所示，在将高次谐波分量的含有率设定成降低0.5％～1.5％(例如，在感应电压波形包含5％的高次谐波分量的情况下，将各相供给电流的高次谐波分量的含有率从5％减少0.5％～1.5％而设为4.5％～3.5％。另外，在高次谐波分量的5次分量为2.5％而7次分量为2.5％的情况下，平均地降低两个分量。)的情况下，扭矩脉动被极小化，即使在高负荷时(120A)，也可以将扭矩脉动抑制成2～3％左右。另外，还可以将扭矩脉动的大小的变动相对于负荷(电流值)变动抑制成1％以下。

这样，通过考虑由于电枢反作用而引起的感应电压波形的正弦波化，而将相电流中的高次谐波分量的含有率设定成降低0.5％～1.5％，成为按照通电时的感应电压波形校正了电流波形的形式。因此，由于电枢反作用而引起的影响被缓和，上述的式(1)中的E·I成为恒定，扭矩脉动被抑制。因此，可以将电动机3的扭矩变动抑制得较小，可以降低其动作声音，并且运转区域内的动作声音的变化也被抑制。此时，由于所供给的电流基本上为梯形波形，所以与正弦波驱动相比，通过同一峰值电流而得到高扭矩这样的优点也不损失。

另外，通过应用本发明的控制方法，即使在EPS 1中，对电动机3施加的负荷根据路面状态而变动，也可以将电动机3的扭矩变动抑制得较小，能够降低电动机动作声音。因此，即使存在路面状态的变化，也可以实现安静且稳定的转弯动作，可以提高驾驶感。

本发明不限于上述实施例，当然可以在不脱离其宗旨的范围内进行各种变更。

例如，在上述的实施例中，对降低相电流中的高次谐波分量的含有率的形式进行了说明，但也可以调整感应电压波形侧的波形，也可以将感应电压波形中的高次谐波分量的含有率设定成比用于设定相电流的电流波形的5次高次谐波分量含有率高0.5％～1.5％。即，也可以调整感应电压波形侧和相电流侧的任意一个，要点在于，在两个高次谐波分量含有率之间，仅设置用于缓和由于电枢反作用而引起的影响的量的差异即可。

另外，在上述的实施例中，作为电动机3以6极9槽的电动机为例子进行了说明，但电动机结构不限于此，即使在2极3槽的整数倍的电动机，也可以应用将高次谐波分量的含有率差设为0.5％～1.5％的结构。进而，在上述的实施例中，表示了使用了内转子型的无刷电动机的例子，但本发明还可以应用于在定子的外侧配设了转子的外转子型的无刷电动机。另外，在上述的实施例中，表示了将本发明的控制方法应用于转向柱助力(column-assist)式EPS的电动机的例子，但也可以应用于与齿条轴同轴状地配设了电动机的转向架助力(rack-assist)式、对与齿条轴啮合的小齿轮附加辅助力的转向齿轮助力(pinion-assist)式的EPS用电动机。

Claims (6)

1.一种无刷电动机控制方法，该无刷电动机是具有具备电枢绕组的定子和具备永久磁铁且可自如旋转地配置在上述定子的内侧或外侧的转子而成的，该无刷电动机控制方法的特征在于：

对上述电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流，

并且在上述电流的高次谐波分量含有率与伴随上述永久磁铁的旋转而在上述电枢绕组中产生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间设置规定量的差异，按照通电时的感应电压波形对上述电流的电流波形进行校正。

2.根据权利要求1所述的无刷电动机控制方法，其特征在于：

上述高次谐波分量含有率的差异是根据在上述电枢绕组通电时由于电枢反作用而在上述感应电动势中产生的变化来设定的。

3.根据权利要求1或2所述的无刷电动机控制方法，其特征在于：

上述高次谐波分量含有率的差异是0.5％～1.5％。

4.根据权利要求1所述的无刷电动机控制方法，其特征在于：

上述无刷电动机具有2极3槽或其整数倍的结构。

5.根据权利要求1所述的无刷电动机控制方法，其特征在于：

上述无刷电动机被用作电动动力转向装置的驱动源。

6.一种无刷电动机，是具有具备电枢绕组的定子和具备永久磁铁且可自如旋转地配置在上述定子的内侧或外侧的转子而成的，其特征在于：

对上述电枢绕组供给包含高次谐波分量的电流，上述电流的高次谐波分量含有率与伴随上述永久磁铁的旋转而在上述电枢绕组中产生的感应电动势的高次谐波分量含有率之间具有规定量的差异，从而按照通电时的感应电压波形对上述电流的电流波形进行校正。

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