CN101911471B - 马达控制器和电动助力转向设备 - Google Patents

Abstract

角度计算单元确定转子的角度，并且角速度计算单元确定转子的角速度。命令电流计算单元根据转向扭矩和车速来确定在dq轴上的命令电流。开环控制单元根据命令电流和角速度按照马达电路方程来确定在dq轴上的命令电压。dq轴/三相转换器将命令电压转换成三相命令电压。电阻计算单元和φ计算单元根据由温度传感器检测的马达的温度、参考之前存储的表等，分别计算包括在马达电路方程中的、包括电枢绕组电阻的电路电阻和电枢绕组交链磁通量数。

Description

马达控制器和电动助力转向设备

技术领域

本发明涉及一种马达控制器和装备有该马达控制器的电动助力转向设备。

背景技术

在迄今为止采用的电动助力转向设备中，根据由驱动器施加到把手(方向盘)的转向扭矩来驱动马达，从而将转向辅助动力传递给车辆的转向机构。尽管目前已对电动助力转向设备的马达广泛使用了电刷马达(brush motor)，然而考虑到提高可靠性和耐久性以及减小惯性，近年来也使用无刷马达。

为了控制马达中发生的控制扭矩，马达控制器一般检测流过马达的电流，从而根据提供给马达的电流和检测的电流之间的差进行PI控制(比例加积分控制)操作。为了检测两相或更多相的电流，对用于驱动三相无刷马达的马达控制器设置两个或三个电流传感器。

与本发明相关，日本专利公开2001-187578A公开了通过使用马达的电路方程来确定d轴命令电压和q轴命令电压。日本专利公开2000-184773A公开了根据马达的温度来校正d轴命令电流。

发明内容

本发明要解决的问题

在电动助力转向设备中包含的马达控制器中，电流传感器必须检测100A或更大的大电流。电流传感器大并且妨碍了电动助力转向设备的控制器尺寸减小。因此，电动助力转向设备中包含的马达控制器要面对的挑战是减小电流传感器的数目。只要可以减少电流传感器的数目，就也可以减小马达控制器的成本和功耗。

用于减少电流传感器的数目的可设想的方法包括将电流传感器的数目减少到一个并如在传统技术中那样进行反馈控制的方法、取消所有电流传感器并根据马达的电路方程进行开环控制(前馈控制)的方法。

然而，前者方法最终需要单个的电流传感器。根据马达的转子的旋转位置，单个的电流传感器可能无法检测反馈控制所需的多个相的电流，这又提出了出现不连续的马达控制的问题。后者方法面临当包括在马达的电路方程中的参数根据环境温度而变化时无法正确地驱动马达的问题。

因此，本发明的目的是提供一种即使在用来计算马达驱动电压的参数中出现变化时也能以高精度驱动马达的马达控制器，以及提供一种装备有该马达控制器的电动助力转向设备。

如何解决问题

根据本发明第一方面，提供一种被配置成驱动马达的马达控制器，包括：

开环控制器，被配置成基于指示要提供给马达的电流的量的命令电流值以及所述马达中转子的角速度，根据马达的电路方程来确定要用来驱动马达的命令电压的电平；

马达驱动器，被配置成以开环控制器确定的命令电压的电平来驱动所述马达；

温度检测器，被配置成检测马达的温度或能够估计马达的温度的温度；以及

参数计算器，被配置成基于温度检测器检测的温度，计算电枢绕组交链(linkage)磁通量数和包括电枢绕组电阻的电路电阻中的至少一个，电枢绕组交链磁通量数和包括电枢绕组电阻的电路电阻被包括在马达的电路方程中并且是要用来确定所述命令电压的电平的参数。

根据本发明第二方面，在本发明的第一方面中，参数计算器包括预先存储的表或公式，该表或公式指示由温度检测器检测的温度与电枢绕组交链磁通量数和包括电枢绕组电阻的电路电阻中的至少一个之间的对应关系。参数计算器被配置成基于表或公式计算电枢绕组交链磁通量数和包括电枢绕组电阻的电路电阻中至少一个。

根据本发明的第三方面，在本发明的第一方面中，马达控制器还包括：位置检测器，被配置成检测马达中转子的位置，其中马达是无刷马达；以及角速度检测器，被配置成基于由位置检测器检测的位置来计算转子的角速度。开环控制器被配置成基于由角速度检测器计算的角速度来确定命令电压的电平。

根据本发明第四方面，提供一种包括根据本发明第一到第三方面中的任何一个的马达控制器的电动助力转向设备。

根据本发明第一方面，基于由温度检测器检测的温度来确定包括电枢绕组电阻的电路电阻和电枢绕组交链磁通量数中的至少一个，其中包括电枢绕组电阻的电路电阻和电枢绕组交链磁通量数是用来获得命令电压的电平的参数。因此，即使当这些参数由于温度改变而变化时，也以高精度驱动马达，并且可以获得期望的马达输出。

根据本发明第二方面，根据预先存储的表或数学公式，容易地确定包括电枢绕组电阻的电路电阻和电枢绕组交链磁通量数中的至少一个。

根据本发明第三方面，根据通常设置有无刷马达的转子位置检测器产生的检测结果来计算转子的角速度。因此，可以以简单的配置来控制马达。

根据第四发明，即使当用来确定命令电压的电平的包括电枢绕组电阻的电路电阻和电枢绕组交链磁通量数中的至少一个由于温度改变而变化时，也以高精度来驱动马达，并且可以产生期望的马达输出。因此，可以进行平滑的转向辅助。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的电动助力转向设备的配置的框图；

图2是示出根据本发明实施例的马达控制器的配置的框图；

图3是示出上述实施例中的三相交流(AC)坐标和dq坐标的图；

图4是示出温度Tp和电阻之间的关系例子的图；

图5是示出温度Tp和φ值之间的关系例子的图。

具体实施方式

1.整体配置

图1是示出根据本发明实施例的电动助力转向设备的配置、并且示出相关车辆的配置的示意图。图1所示的电动助力转向设备是装备有无刷马达1、减速器2、扭矩传感器3、车速传感器4、位置检测传感器5和电子控制单元(下文中称为ECU)10的柱(column)辅助类型的电动助力转向设备。

如图1所示，把手(方向盘)101固定到转向轴102的一端，并且转向轴102的另一端通过齿条齿轮机构(rack pinion mechanism)103耦合到齿条轴104。齿条轴104的两端通过包括拉杆(tie rod)和转向节臂(knuckle arm)的耦合器105耦合到车轮106。当驾驶员转动方向盘101时，转向轴102旋转，使得齿条轴104相应地进行往复运动。根据齿条轴104的往复运动改变车轮106的方向。

为了减轻驾驶员的负担，电动助力转向设备进行在稍后说明的转向辅助。扭矩传感器3检测通过方向盘101的操作施加到转向轴102的转向扭矩T。车速传感器4检测车速S。位置检测传感器5检测无刷马达1的转子的旋转位置P。位置检测传感器5包括例如解析器。

从车载电池100对ECU 10提供电动力，并且ECU 10根据转向扭矩T、车速S和旋转位置P驱动无刷马达1。通过ECU 10驱动无刷马达1，从而生成转向辅助动力。减速器2插入无刷马达1和转向轴102之间。通过减速器2施加由无刷马达1生成的转向辅助动力以旋转转向轴102。

结果，通过施加到方向盘101的转向扭矩和由无刷马达1生成的转向辅助动力二者旋转转向轴102。电动助力转向设备通过将由无刷马达1生成的转向辅助动力施加到车辆的转向机构来进行转向辅助。

根据本发明实施例的电动助力转向设备特征在于用于驱动无刷马达1的控制器(马达控制器)。下面将说明实施例的电动助力转向设备中包括的马达控制器。

2.马达控制器的配置和操作

图2是示出根据本发明第一实施例的马达控制器的配置的框图。对图2所示的马达控制器提供ECU 10以通过包括u相、v相和w相的三相的线圈(未示出)来驱动无刷马达1。ECU 10具有相位补偿器11、微型计算机20、三相/PWM(脉宽调制)调制器12和马达驱动电路13。

从扭矩传感器3输出的转向扭矩T、从车速传感器4输出的车速S、从位置检测传感器5输出的旋转位置P和从温度传感器6(图1中未示出)输出的无刷马达1的温度Tp被输入到ECU 10。相位补偿器11使转向扭矩T受到相位补偿。微型计算机20用作用于确定命令电压的电平的控制器，该命令电压用来驱动无刷马达1。稍后将说明微型计算机20的详细功能。

对三相/PWM调制器12和马达驱动电路13提供硬件(电路)，并且三相/PWM调制器12和马达驱动电路13用作利用由微型计算机20确定的电压电平来驱动无刷马达1的马达驱动器。三相/PWM调制器12生成具有对应于由微型计算机20确定的三相的电压电平的占空比的三种类型的PWM信号(图2所示的U、V和W信号)。马达驱动电路13是包括六个MOS-FET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为开关元件的PWM电压类型逆变器电路。通过三种类型的PWM信号及其非信号来控制六个MOS-FET。利用PWM信号控制MOS-FET的传导状态，从而将三相的电流(U相电流，V相电流和W相电流)提供给无刷马达1。马达驱动电路13具有如上所述并且用作对无刷马达1提供电流的开关电路的多个开关元件。还可以在电源的负侧(接地)或正侧与马达驱动电路13之间提供分流电阻器。

微型计算机20执行存储在ECU 10中的内置存储器(未示出)中的程序，从而用作命令电流计算器21、开环控制器22、dq-轴/三相转换器23、角度计算器24、角速度计算器25、电阻计算器26和φ值计算器28。如下所述，微型计算机20根据马达的电路方程，由显示提供给无刷马达1的电流的量的命令电流值和无刷马达1的转子的角速度来确定要传递到马达驱动电路13的电压(以下称为“命令电压”)的电平。

角度计算器24由位置检测传感器5检测的旋转位置P来确定无刷马达1的转子的旋转角度(将称为角度θ)。角速度计算器25由角度θ确定无刷马达1的转子的角速度ω_e。如图3所示，对无刷马达1设置u轴、v轴和w轴，并且对无刷马达1的转子7设置d轴和q轴，使得u轴与d轴形成的角成为角度θ。

基于相位补偿后获取的转向扭矩T(从相位补偿器11输出的信号)和车速S，命令电流计算器21确定要提供给无刷马达1的d轴电流和q轴电流(前者电流将被称为d轴命令电流i_d ^*，而后者电流将被称为q轴命令电流i_q ^*)。更具体地，在车速S被视为参数时对命令电流计算器21提供内部表(将被称为辅助图)，该内部表存储转向扭矩T和命令电流之间的对应关系，使得参考辅助图来确定命令电流。在传递特定幅度的转向扭矩时，有可能参考辅助图来确定要提供给无刷马达1的d轴命令电流i_d ^*和q轴命令电流i_q ^*，以生成对转向扭矩的幅度合适的幅度的转向辅助力。

命令电流计算器21确定的q轴命令电流i_d ^*是有符号电流值，并且该符号指定了转向辅助的方向。例如，当符号为正时，执行进行右转的转向辅助。当符号为负时，执行进行左转的转向辅助。此外，d轴命令电流i_d ^*一般被设置为零值。

开环控制器22由d轴命令电流i_d ^*、q轴命令电流i_q ^*以及角速度ω_e来确定要提供给无刷马达1的d轴电压和q轴电压(前者电压将被称为d轴命令电压v_d，而后者电压将被称为q轴命令电压v_q)。利用由下述等式(1)和(2)表示的马达的电路方程来计算d轴命令电压v_d和q轴命令电压v_q。

v_d＝(R+PL_d)i_d ^*-ω_eL_qi_q ^* …(1)

v_q＝(R+PL_q)i_q ^*+ω_eL_di_d ^*+ω_eΦ …(2)在等式(1)和(2)中，v_d是d轴命令电压；v_q是q轴命令电压；i_d ^*是d轴命令电流；i_q ^*是q轴命令电流；ω_e是转子的角速度；R是包括电枢绕组电阻的电路电阻；L_d是d轴自感；L_q是q轴自感；φ是U、V和W相的电枢绕组交链磁通量数的最大值的

倍；且P是微分算子。在术语中，R、L_d、L_q和φ被视为已知的参数。电路电阻R包括无刷马达1和ECU 10之间出现的布线电阻、ECU 10中马达驱动电路13的电阻和布线电阻等。

dq轴/三相转换器23将由开环控制器22确定的d轴命令电压v_d和q轴命令电压v_q转换成三相AC坐标轴上的命令电压。更具体地，dq轴/三相转换器23利用下述等式(3)至(5)由d轴命令电压v_d和q轴命令电压v_q来确定u相命令电压V_u、v相命令电压V_v和w相命令电压V_w。

V_w＝-V_u-V_v …(5)

通过角度计算器24来确定等式(3)和(4)中包括的角度θ。

如上所述，微型计算机20根据马达的电路方程进行用于确定dq坐标轴上的命令电流i_d ^*和i_q ^*的处理、用于确定dq坐标轴上的命令电压v_d和v_q的处理，以及用于将命令电压v_d和v_q转换成三相的命令电压V_u、V_v和V_w的处理。根据微型计算机20确定的三相的命令电压V_u、V_v和v_w，三相/PWM调制器12输出三种类型的PWM信号。具有正弦波的形状并且对于各个相的命令电压合适的电流流入到无刷马达1的三相绕组，使得无刷马达1的转子旋转。因此在无刷马达1的旋转轴中发生对应于流过无刷马达1的电流的扭矩。如此发生的扭矩用于转向辅助。

电阻计算器26和φ值计算器28接着由从温度传感器6接收的无刷马达1的温度Tp来计算R值和φ值。可以进行这样的计算的原因是在温度Tp、R值和φ值之间存在大致的比例关系。参考图4和图5说明该关系。

图4是示出温度Tp和R值之间的示例关系的图，且图5是示出温度Tp和φ值之间的示例关系的图。如从图4和图5可见，在温度Tp和R值之间存在大致的比例关系，且在温度Tp和φ值之间也存在另一大致的比例关系。因此，通过预定的表(图)、计算公式、近似的公式等指定相互关系，从而可以由温度Tp容易地计算R值和φ值。因此，电阻计算器26和φ值计算器28存储提前准备的表或公式并利用该表或公式计算R值和φ值。

电阻计算器26和φ值计算器28将如此确定的R值和φ值输出到开环控制器22。当利用等式(2)确定q轴命令电压v_q时，开环控制器22使用由电阻计算器26计算的R值和由φ值计算器28计算的φ值。当利用等式(1)确定d轴命令电压V_d时，使用由电阻计算器26计算的R值。如上所述，微型计算机20确定包括电枢绕组电阻的电路电阻R和电枢绕组交链磁通量数φ，二者都包括在马达的电路方程中。当确定q轴命令电压v_q时，使用该R值和φ值。

根据实施例的马达控制器通过开环控制根据马达的电路方程由命令电流值和转子的角速度来确定命令电压。由通过温度传感器检测的马达的温度来确定马达的电路方程中包括的R值和φ值。当确定命令电压时，使用该R值和φ值。

3.有利效果

因此，根据本实施例的马达控制器，即使当根据温度的改变马达的电路方程中包括的R值和φ值变化时，由通过温度传感器6检测的马达1的温度Tp来确定R值和φ值，使得可以以高精度驱动无刷马达并且可产生期望的马达输出。

根据本实施例的马达控制器没有电流传感器，因此可实现尺寸缩小、成本降低以及马达控制器的功率节省。

此外，与利用一个电流传感器进行反馈控制的马达控制器相比，根据本实施例的马达控制器进行开环控制。因此，马达控制不会变得不连续。因此，根据本实施例的马达控制器，可以抑制声音和振动。

4.变型例

在本实施例中，温度传感器6检测无刷马达1的温度Tp。然而，马达控制器还可以被配置成检测如下温度，该温度与马达1的温度相关并且使得能够估计马达1的温度。例如，马达控制器还可被配置成检测马达1的周围的环境温度、包括在ECU中的各种板(控制器控制板、功率板等)的温度或板的周围的环境温度。由于该温度物理上与马达1的内部温度相关，随着马达1的内部温度上升该温度同样升高。此外，随着内部温度下降，该温度也同样降低。此外，在数量方面在该温度和内部温度之间还允许存在特定的对应程度。因此，在某种程度上，可以由这些温度估计马达1的内部温度。根据以上，只要根据测试、仿真等来设置显示温度、R值和φ值之间的关系的表或公式并将该表或公式存储在电阻计算器26和φ值计算器28中，可以由该表或公式来计算R值和φ值。

在该实施例中，电阻计算器26和φ值计算器28连续地(没有中断)在预定的控制定时计算R值和φ值。然而，也可以以比控制间隔长的预定间隔来进行计算或者仅在系统启动时进行一次计算。

本实施例提供了解释使得使用表和公式直接由温度Tp计算R值和φ值。然而，也可以间接地计算R值和φ值。例如，利用表或数学公式计算校正系数，该校正系数显示对应于针对作为预定初始值的R值和φ值的温度Tp的变化的比例。作为初始值的R值和φ值乘以计算的校正系数，从而也可以计算要用作参数的R值和φ值。

在实施例中，马达控制器被配置成根据马达的电路方程来控制无刷马达1。然而，马达控制器还可控制设置有电刷的马达。可替代地，角度计算器24由通过位置检测传感器5检测的旋转位置P来确定马达的角速度。然而，马达控制器还可以替代地被配置成对马达设置角速度检测传感器，从而直接检测角速度。

在该实施例中，不设置电流检测传感器。然而，也可以设置电流检测传感器以用于检测故障等的目的。即使在这种情况下，当由于温度改变，R值和φ值变化时，以高精度驱动无刷马达，使得可以产生期望的马达输出。

Claims (4)

1.一种马达控制器，被配置成驱动马达，所述马达控制器包括：

开环控制器，被配置成基于指示要提供给所述马达的电流的量的命令电流值以及所述马达中转子的角速度，根据所述马达的电路方程来确定要用来驱动所述马达的命令电压的电平；

马达驱动器，被配置成以所述开环控制器确定的所述命令电压的电平来驱动所述马达；

温度检测器，被配置成检测所述马达的温度或相关温度，通过所述相关温度能够估计所述马达的温度；以及

参数计算器，被配置成基于由所述温度检测器检测的温度，计算电枢绕组交链磁通量数和包括电枢绕组电阻的电路电阻，所述电枢绕组交链磁通量数和所述包括电枢绕组电阻的电路电阻被包括在所述马达的电路方程中并且是要用来确定所述命令电压的电平的参数。

2.根据权利要求1所述的马达控制器，其中：

所述参数计算器包括预先存储的表或公式，所述表或公式指示由所述温度检测器检测的所述温度与所述电枢绕组交链磁通量数和所述包括电枢绕组电阻的电路电阻之间的对应关系；并且

所述参数计算器被配置成基于所述表或所述公式计算所述电枢绕组交链磁通量数和所述包括电枢绕组电阻的电路电阻。

3.根据权利要求1所述的马达控制器，还包括：

位置检测器，被配置成检测所述马达中所述转子的位置，其中所述马达是无刷马达；以及

角速度检测器，被配置成基于由所述位置检测器检测的位置来计算所述转子的所述角速度，

其中所述开环控制器被配置成基于由所述角速度检测器计算的角速度来确定所述命令电压的电平。

4.一种包括根据权利要求1-3中的任一项所述的马达控制器的电动助力转向设备。

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