CN101397029A - 电动机控制器和电力转向设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机控制器和电力转向设备。电动机控制器包括微型计算机18。微型计算机18包括电流限制值计算部31和电流限制部32。电流限制值计算部31计算对应于预先设置的最大电源电流值的电动机电流值。然后，电流限制值计算部31将所述电动机电流转换成q轴电流值Iq，并将所转换的值作为电流限制值Iq_max输出。电流限制部32将电流命令计算部23所提供的q轴电流命令值Iq^*限制成小于或等于电流限制值Iq_max的值。然后，电流限制部32将限制后的q轴电流命令值Iq^**提供到电动机控制信号生成部24。

Description

电动机控制器和电力转向设备

技术领域

本发明涉及电动机控制器和使用该电动机控制器的电力转向设备。

背景技术

典型地，诸如电力转向设备或可变传动比设备的由电动机驱动的电动设备包括控制电动机的电动机控制器。电动机控制器具有设置在车载电源(电池)与控制装置之间的驱动电路，其中控制装置向驱动电路输出电动机控制信号。

通常，电动机控制器检测向驱动对象供给的过度的电流，或者过电流。基于对所述过电流的检测，控制器检测到高度紧急的问题，如形成驱动电路的任何一个开关元件的短路(例如，参见日本公开专利出版物第2003-219675号)。在这种情况下，控制器快速执行故障防护操作，以中止向电动机供给驱动功率。

使用电动机控制器的车辆的上述电动设备会不得不在非恒定条件(包括电源的电压和电动机的角速度)下工作。这会导致过电流的产生，尽管在电动设备中实际上并没有出现特别的问题。在设计电动设备时考虑了过电流的发生。具体而言，电动设备中所使用的配置驱动电路的线缆和开关元件以及驱动电路和电池之间的电源线的额定电流高于正常状态下所产生的电流。这就增加了电动设备的重量并增加了成本。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供电动机控制器和电力转向设备，所述电动机控制器和电力转向设备在不提高形成电源线和驱动电路的线缆和开关元件的额定电流的情况下确保了改善的可靠性。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种电动机控制器，该电动机控制器包括：电动机、直流电源、驱动电路、控制装置、电源电压检测装置以及角速度检测装置。直流电源通过电源线连接到电动机。驱动电路在电动机与直流电源之间连接到电源线上。驱动电路生成待提供给电动机的驱动功率。驱动功率包括电动机电流值。控制装置连接到驱动电路，以便通过向驱动电路提供电动机控制信号来控制驱动电路。控制装置计算电动机电流命令值，作为待提供给电动机的电流的目标值。控制装置生成电动机控制信号来执行电流反馈控制，以便使实际电动机电流值跟随电动机电流命令值。电源电压检测装置检测直流电源的电压。角速度检测装置检测电动机的角速度。提供给驱动电路的电流具有驱动电路所允许的预定最大电流值。控制装置基于所检测的电源电压和所检测的电动机角速度来计算对应于所述预定最大电流值的电动机电流值，并且，控制装置将所述电动机电流值限制成小于或等于所计算的电动机电流值的值。

根据本发明的第二方面，提供了一种电力转向设备，该电力转向设备包括根据本发明的第一方面的电动机控制器。

根据以下结合附图所做的描述，本发明的其它方面和优点将变得明显，其中所述附图通过举例的方式说明了本发明的原理。

附图说明

结合附图，参考以下对目前优选的实施例所进行的描述，可以更好地理解本发明及其目的和优点，在附图中：

图1是示意性地示出根据本发明的一个优选实施例的电力转向设备(EPS)的透视图；

图2是表示对图1中所示EPS的控制的框图；

图3是表示对图1中所示EPS的电配置的框图；

图4是表示电流值与电动机角速度之间的关系的曲线图；

图5是表示对根据本发明另一个实施例的EPS的控制的框图；

图6是表示电源电压与需用最大功率之间的关系的曲线图。

具体实施方式

现在参照附图来描述根据本发明的第一实施例的柱式安装型电力转向设备(EPS)1。

图1是示意性地示出根据本实施例的EPS 1的配置的视图。如图所示，方向盘2固定到转向轴3上，转向轴3通过齿条齿轮机构4连接到齿条5。通过操纵方向盘2导致的转向轴3的旋转经由齿条齿轮机构4转换成齿条5的线性往复运动。由此改变转向轮6的转向角度。

EPS 1包括用作转向力辅助装置的EPS致动器10和电子控制单元(ECU)11。EPS致动器10向转向系统施加辅助力以帮助转向。ECU控制EPS致动器10的工作。

本实施例的EPS致动器10是齿条型EPS致动器，包括齿条5和电动机12，电动机12是齿条5的驱动源。电动机12所产生的辅助转矩通过滚珠丝杠机构(未示出)传送到齿条5。在这个实施例中，电动机12是无刷电动机，当受到由ECU 11所提供的三相(U相、V相和W相)驱动功率的驱动时旋转。用作电动机控制器的ECU 11通过调节电动机12所产生的辅助转矩来调节施加到转向系统的辅助力(动力辅助控制)。

转矩传感器14和车速传感器15连接到ECU 11。ECU 11基于转矩传感器14所检测的转向转矩τ和车速传感器15所检测的车速V来操作EPS致动器10，或者执行动力辅助控制。

以下将要说明ESP 1的电配置。

图2是表示对EPS 1的控制的框图。参考该图，ECU 11包括驱动电路17和微型计算机18，驱动电路17驱动电动机12，微型计算机18用作利用电动机控制信号来控制驱动电路17的控制装置。驱动电路17设置在电动机12或者说EPS致动器10的驱动源与作为直流电源的车载电源(电池)16之间的电源线Lp上。驱动电路17产生提供给电动机12的驱动功率。

参考图3，驱动电路17是公知的三相PWM逆变器(脉宽调制逆变器)，由六个开关元件19形成。每一对以串联形式连接的开关元件19形成一个基本单元(一个臂)。这就是说，开关元件19是由与所述的三相对应的并联的三个臂形成的。微型计算机18所输出的电动机控制信号限定形成驱动电路17的每一个开关元件19的占空比(on-duty ratio)。然后将电动机控制信号施加到每一个开关元件19的栅极端子。开关元件19响应于电动机控制信号而选择性地接通和关断。由此将电源16的直流电压转换成所述三相(U相、V相和W相)的驱动功率。然后将驱动功率馈送给电动机12。

如图2所示，电流传感器21u、21v、21w和旋转角度传感器22连接到ECU 11，电流传感器21u、21v、21w检测对应的三相的电流值Iu、Iv、Iw，而旋转角度传感器22检测电动机12的旋转角度θ。微型计算机18利用由对应的传感器21u、21v、21w和22所检测的电动机12的电流值Iu、Iv、Iw和旋转角度θ、以及前面提到的转向转矩τ和车速V来计算电动机控制信号。然后微型计算机18将电动机控制信号提供给驱动电路17。

具体而言，微型计算机18包括电流命令计算部23和电动机控制信号生成部24。电流命令计算部23计算待施加到转向系统的辅助力，该辅助力是作为电动机转矩控制目标的电动机电流命令值。电动机控制信号生成部24基于电流命令计算部23所获得的电动机电流命令值生成电动机控制信号。

电流命令计算部23基于分别由转矩传感器14和车速传感器15所检测的转向转矩τ和车速V来计算d轴电流命令值Id^＊和q轴电流命令值Iq^＊，并将电流命令值Id^＊、Iq^＊提供给电动机控制信号生成部24。除d轴电流命令值Id^＊和q轴电流命令值Iq^＊(Iq^＊＊)以外，电动机控制信号生成部24还接收由对应的电流传感器21u、21v、21w所检测的电流值Iu、Iv、Iw和由旋转角度传感器22所检测的旋转角度θ。电动机控制信号生成部24通过使用电流值Iu、Iv、Iw和旋转角度θ(电角度)在d-q坐标系下执行电流反馈控制来生成电动机控制信号。

具体而言，在电动机控制信号生成部24中，电流值Iu、Iv、Iw与旋转角度θ一起被输入到三相/二相转换器25。三相/二相转换器25将电流值Iu、Iv、Iw转换成d轴电流值Id和q轴电流值Iq。由电流命令计算部23所获得的d轴电流命令值Id^＊和q轴电流命令值Iq^＊(Iq^＊＊)，与d轴电流值Id和q轴电流值Iq一起被发送到对应的减法器26d、26q。在本实施例中，在正常控制状态下，电流命令计算部23输出“0”作为d轴电流命令值Id^＊(Id^＊＝0)。

分别由减法器26d和减法器26q所确定的d轴电流偏差ΔId和q轴电流偏差ΔIq分别被提供到FB(反馈)控制部27d、27q中的对应FB控制部。FB控制部27d、27q中的每一个FB控制部以这样的方式来执行反馈控制：使分别表示实际电流的d轴电流值Id和q轴电流值Iq中的对应电流值跟随由电流命令计算部23所提供的d轴电流命令值Id^＊和q轴电流命令值Iq^＊(Iq^＊＊)中的相关电流命令值。

具体而言，FB控制部27d和FB控制部27q分别将d轴电流偏差ΔId和q轴电流偏差ΔIq乘以预定FB增益(预定反馈增益，该预定反馈增益是PI增益(比例积分增益))，从而分别计算d轴电压命令值Vd^＊和q轴电压命令值Vq^＊。由对应的FB控制部27d、27q所获得的d轴电压命令值Vd^＊和q轴电压命令值Vq^＊，连同旋转角度θ一起，被提供到二相/三相转换器28。二相/三相转换器28将电压命令值Vd^＊、Vq^＊转换成三相电压命令值Vu^＊、Vv^＊、Vw^＊。

PWM转换器29接收由二相/三相转换器28确定的电压命令值Vu^＊、Vv^＊、Vw^＊，并且产生与所述电压命令值Vu^＊、Vv^＊、Vw^＊对应的电动机控制信号。微型计算机18将电动机控制信号输出到形成驱动电路17的每一个开关元件19的栅极端子。由此对驱动电路17进行操作，从而对提供给电动机12的驱动功率进行调节。

(过电流抑制控制)

以下是对应于根据本实施例的过电流抑制控制的操作。

如在“背景技术”部分中所述，电动机控制器会不得不在非恒定条件(包括电源的电压和电动机的角速度)下工作。这会导致从车载电源流到驱动电路的过电流的产生，尽管在电动机控制器中实际上并没有出现特别的问题。具体而言，如果电源电压降低，则电压降低会导致对驱动电路17的功率供应不足。为了补偿这种供应的不足，形成驱动电路的开关元件的接通时间必须延长(即提高占空比)。这会引起过电流，不利之处在于导致电源电压进一步降低。

为了解决这个问题，在本实施例中，预先将最大电源电流值Iin_max设置为从车载电源16提供给驱动电路17的电源电流Iin的可接受的值。用作控制装置的微型计算机18计算对应于最大电源电流值Iin_max的电动机电流值Im。微型计算机18将生成电动机控制信号时所执行的电流反馈控制中所使用的电动机电流命令值(q轴电流命令值Iq^＊)限制成小于或等于最大电源电流值Iin_max的值。当电动机12处于正常工作状态时，这就防止了过电流的产生。

假设电动机12是直流电动机，则这里的“电动机电流值”表示从驱动电路17提供给电动机12的电流的值(参见将在下文中描述的表达式(3)到(5))。换言之，由于本实施例的电动机12是无刷电动机，电动机电流值Im以d轴电流值Id和q轴电流值Iq的平方和的平方根来表示，或 $\mathrm{Im}=\sqrt{{\mathrm{Id}}^2+{\mathrm{Iq}}^2}$ 。如果满足等式Id＝0，则满足等式Im＝Iq。在d-q坐标系下，d轴电流是对应于励磁(excitement)的分量，而q轴电流是对应于负载转矩的分量。因此，在本实施例中，通过将对应于最大电源电流值Iin_max的电动机电流值Im转换成q轴电流值Iq所获得的值对应于电流限制值Iq_max。

具体而言，参考图2，微型计算机18包括电流限制值计算部31。电流限制值计算部31计算对应于预先设置的最大电源电流值Iin_max的电动机电流值Im。电流限制值计算部31生成电流限制值Iq_max，或者生成通过将电动机电流值Im转换成q轴电流值Iq所获得的值。电流限制部32设置在电流命令计算部23和电动机控制信号生成部24之间。在本实施例中，电流限制部32将由电流命令计算部23所生成的q轴电流命令值Iq^＊限制成小于或等于电流限制值Iq_max的值。限制后的值，即q轴电流命令值Iq^＊＊，被提供到电动机控制信号生成部24。

更具体而言，在本实施例中，ECU 11具有电压传感器33，该电压传感器33设置在车载电源16与驱动电路17之间的电源线Lp上。电压传感器33所检测的电源电压Vin被提供到微型计算机18。微型计算机18通过对旋转角度传感器22所检测的旋转角度θ求微分来确定电动机12的角速度ω。换言之，在本实施例中，电压传感器33充当电源电压检测装置，而旋转角度传感器22和微型计算机18分别充当角速度检测装置。微型计算机18或电流限制值计算部31基于已经检测到的电源电压Vin、角速度ω以及d轴电流值Id来计算电流限制值Iq_max。

具体而言，电流限制值计算部31利用下面的表达式(1)来计算电流限制值Iq_max。

$I_{q\_\max }=\frac{{-K}_t\mathrm{\ω}+\sqrt{{\left(K_t\mathrm{\ω}\right)}^2-4R({{\mathrm{RI}}_d}^2-V_{\mathrm{in}}{I}_{\mathrm{in}\_\max })}}{2R}---\left(1\right)$

(Kt：转矩常数，R：电动机电阻)

提供给驱动电路17的功率输入Pin(图3)、从驱动电路17输出的功率输出Pout(图3)以及驱动电路17中的功率损耗Ploss(图3)满足以下关系表达式(2)。

Pin＝Pout+Ploss            (2)

因此，通过将分别由表达式(3)、表达式(4)和表达式(5)表示的功率输入Pin、功率输出Pout和功率损耗Ploss代入表达式(2)并对其进行简化而获得了下面的表达式(6)。

Pin＝Vin×Iin           (3)

Pout＝Kt×Im×ω         (4)

Ploss＝R×Im²         (5)

Iin＝(Kt×Im×ω+R×Im²)/Vin      (6)

上述表达式(1)是通过以下方式来获得的：利用表达式(6)确定对应于最大电源电流值Iin_max的电流限制值Iq_max，使得电源电流Iin变成小于或等于最大电源电流值Iin_max的值。

以下将描述本实施例的ECU 11或电动机控制器的工作和优点。

如表达式(6)所表示的，如果功率输出Pout和功率损耗Ploss不变，则当电源电压Vin变小时，电源电流Iin变大，即更有可能产生过电流。此外，如果功率输入Pin不变，则当电动机12的角速度ω变大时，电源电流Iin变大，即更有可能产生过电流。

然而，在本实施例中，如图4所示，当角速度ω变大时，利用表达式(1)确定的电流限制值Iq_max变小，使得产生不了超过预先设置的最大电源电流值Iin_max的电源电流Iin。在针对向电动机12供给的驱动功率的电流反馈控制中，q轴电流命令值Iq^＊被限制成与最大电源电流值Iin_max对应的值，或者被限制成小于或等于电流限制值Iq_max的值。这就防止了超过最大电源电流值Iin_max的电源电流Iin、即过电流的产生，而不管电源电压Vin和角速度ω如何。如果最大电源电流值Iin_max小于电流限制值Iq_max，则q轴电流命令值Iq^＊被限制成小于或等于电流限制值Iq_max的值。

因此，即使当电动机控制器在包括电源电压变化和电动机角速度变化的非恒定条件下工作时，也防止了在正常工作状态下产生过电流。这样，电动机就得到了稳定的控制。结果，在不提高配置电源线Lp和驱动电路17的线缆和开关元件19的额定电流的情况下确保了改善的可靠性。这减小了每一个线缆的重量和每一个开关元件19的重量，并且降低了线缆和开关元件19的成本。

本发明可以按照以下的形式实施为第二实施例。

在上述第一实施例中，电流限制值计算部31基于电源电压Vin、角速度ω以及d轴电流值Id来计算电流限制值Iq_max。取而代之的是，在第二实施例中，如图5所示，微型计算机18包括供给功率计算部40。供给功率计算部40利用电源电压Vin来计算提供给驱动电路17的需用最大功率Pin_max。电流限制计算部41然后利用需用最大功率Pin_max来确定电流限制值Pin_max。

需用最大功率Pin_max由下式来表示：Pin_max＝Vin×Iin_max，该式由表达式(3)获得。下面的表达式(7)是通过将该式代入表达式(1)而获得的。

$I_{q\_\max }=\frac{{-K}_t\mathrm{\ω}+\sqrt{{\left(K_t\mathrm{\ω}\right)}^2-4R({{\mathrm{RI}}_d}^2-P_{\mathrm{in}\_\max })}}{2R}---\left(7\right)$

首先，计算对应于电源电压Vin的需用最大功率Pin_max的适当值。然后，通过将需用最大功率Pin_max代入表达式(7)来确定电流限制值Iq_max。这样，q轴电流命令值Iq^＊被限制成小于或等于电流限制值Iq_max的值。结果，确保了第二实施例具有与第一实施例相当的优点。

具体而言，如图6所示，利用表达式(3)来计算与电源电压Vin成比例的需用最大功率Pin_max。这就防止了超过预先设置的最大电源电流值Iin_max的电源电流Iin的产生，而不管电源电压Vin如何。

如果电源电压Vin超过了预先设置的额定电压V0(例如12V)，可以将需用最大功率Pin_max保持在对应于电动机12的额定功率(例如600W)的值P0不变。

具体而言，如果系统是在电源电压Vin保持于额定电压V0不变的假定下设计的，当电源电压Vin超过额定电压V0时，提供给电动机的驱动功率有可能超过电动机的额定功率。这会不利地导致电动机过热。然而，上述配置防止了这种过大的功率的产生。这确保了电动机具有进一步改善的可靠性。

在所示出的实施例中，尽管没有做出特别声明，但是，如果不执行诸如弱磁控制等的改变d轴电流的特定控制，即，如果d轴电流命令值Id^＊保持在“0”不变(Id^＊＝0)，则将包括d轴电流值Id的项从表达式(1)和(7)中去除。

尽管本发明被实施为用于无刷电动机的电动机控制器，但是本发明也可以用作用于有刷直流电动机的电动机控制器。在这种情况下，在使用表达式(1)和(7)之前，将d轴电流值Id从表达式(1)和(7)中去除。

尽管本发明被实施为电力转向设备(EPS)，但是本发明也可以用作用于EPS以外的其它用途的电动机控制器。

因此，上述示例和实施例应当被视为说明性的而不是限制性的，并且，不应将本发明局限于文中所给出的细节，而是可以在所附权利要求及其等同者的范围内对本发明进行修改。

Claims (5)

1.一种电动机控制器，包括：

电动机(12)；

直流电源(16)，通过电源线(Lp)连接到所述电动机(12)；

驱动电路，在所述电动机(12)与所述直流电源(16)之间连接到所述电源线(Lp)上，所述驱动电路(17)生成待提供给所述电动机(12)的驱动功率，所述驱动功率包括电动机电流值；

控制装置(18)，连接到所述驱动电路(17)，以便通过向所述驱动电路(17)提供电动机控制信号来控制所述驱动电路(17)，其中，所述控制装置(18)计算电动机电流命令值，作为待提供给所述电动机(12)的电流的目标值，所述控制装置(18)生成所述电动机控制信号来执行电流反馈控制，以便使实际电动机电流值跟随所述电动机电流命令值；

电源电压检测装置(33)，检测所述直流电源(16)的电压(Vin)；以及

角速度检测装置(18、22)，检测所述电动机(12)的角速度(ω)，

其中，提供给所述驱动电路(17)的电流具有所述驱动电路(17)所允许的预定最大电流值(Iin_max)，

其特征在于：所述控制装置(18)基于所检测的电源电压(Vin)和所检测的电动机角速度(ω)来计算对应于所述预定最大电流值(Iin_max)的电动机电流值(Iq_max)，并且，所述控制装置(18)将电动机电流值(Iq^＊、Iq^＊＊)限制成小于或等于所计算的电动机电流值(Iq_max)。

2.根据权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：所述控制装置(18)基于所述电源电压(Vin)来计算待提供给所述驱动电路(17)的需用最大功率(Pin_max)，并且，所述控制装置(18)基于所述需用最大功率(Pin_max)来计算电动机电流值(Iq^＊、Iq^＊＊)的限制值。

3.根据权利要求2所述的电动机控制器，其特征在于：所述电动机具有额定功率，并且，如果所述电源电压(Vin)超过预定值(V0)，则所述控制装置(18)计算对应于所述额定功率的值，作为需用最大功率(Pin_max)。

4.根据权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：所述控制装置(18)在d-q坐标系下执行电流反馈控制，所述电动机电流命令值包括d轴电流命令值(Id^＊)和q轴电流命令值(Iq^＊)，并且，所述控制装置(18)将q轴电流命令值(Iq^＊、Iq^＊＊)限制成小于或等于与所述最大电流值(Iin_max)对应的电动机电流值(Iq_max)。

5.一种电力转向设备，包括根据权利要求1到4中的任何一项所述的电动机控制器。

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