CN101981805A - 电机控制装置和电动动力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机控制装置和电动动力转向装置。指令电流设定部具备目标值校正部，该目标值校正部基于d轴和q轴电流目标值(id*、iq*)，求出应向开环控制部赋予的d轴和q轴电流指令值(idc、iqc)。该目标值校正部(26)，在通过电机的电路方程式从d轴和q轴电流目标值(id*、iq*)算出的d轴和q轴电压目标值(vd*、vq*)超过电压限制的情况下，通过磁通削弱控制对d轴和q轴电流目标值(id*、iq*)进行校正，以使d轴和q轴电压(vd、vq)和d轴和q轴电流(id、iq)满足和
Figure 200980111531.5_AB_1
。通过该校正能够得到d轴和q轴电流指令值(idc、iqc)。

Description

电机控制装置和电动动力转向装置
技术领域
本发明涉及用于驱动无刷电机的电机控制装置和具备这样的无刷电机控制装置的电动动力转向装置。
背景技术
以往，使用一种电动动力转向装置，其通过根据驾驶员向方向盘(转向盘)施加的转向转矩驱动电动机，由此对车辆的转向机构赋予转向辅助力。作为电动动力转向装置的电动机以往广泛使用有刷电机，但从可靠性和耐久性的提高和惯性降低等观点出发，近年来也使用无刷电机。
一般在高速旋转且高负荷的状态下驱动无刷电机时，应向该无刷电机施加的电压变大，但实际上向无刷电机施加的电压受到电源电压的限制。因此，用于驱动无刷电机的控制装置，以向无刷电机施加的电压不超过预先决定的电压限制值的方式进行控制(例如参照专利文献日本特开2003-304697号公报、国际公开第2006/109809号、日本特开2008-29088号公报)。结果，对于无刷电机的输出转矩(以下称作“电机转矩”)，当(每单位时间的)转速N超过某一值时，如图13(a)所示那样下降，无法得到所希望的电机转矩。
作为用于抑制这样的高速旋转区域中的电机转矩的降低的方法，以往已知有磁通削弱控制的方法，其是在无刷电机中流动负的d轴电流，以削弱作为无刷电机中的转子的旋转磁场在d轴方向的磁通(例如参照日本特开2002-345281号公报、日本特开2006-248389号公报)。当在无刷电机中进行该磁通削弱控制时，电机转矩Tm(N)相对于转速N按照图13(b)中的实线所示那样变化，能够抑制因转速N的增大而导致转矩下降。
但是，如果想要在不超过预先决定的电压限制值的范围内为了使电机转矩最大化而在无刷电机中流动q轴电流，则也需要使d轴电流增大。结果，如果想要在高速旋转区域中通过磁通削弱控制来得到所希望的电机转矩，则在电机控制装置所包含的驱动电路等的配线图案或开关元件中流动的电流将超过容许值，有可能对电机控制装置造成损伤。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种电机控制装置，其对于无刷电机在高速旋转区域中避免驱动电路等的损伤并能够进行磁通削弱控制。此外，本发明的其他目的在于提供一种具备这样的电机控制装置的电动动力转向装置。
第一方案的电机控制装置，其能够进行驱动无刷电机的磁通削弱控制，其具备：
指令电流设定单元，其决定表示应向上述无刷电机供给的电流的d轴和q轴电流指令值；
控制运算单元，其基于由上述指令电流设定单元决定的d轴和q轴电流指令值，求出表示应向上述无刷电机施加的电压的d轴和q轴电压指令值；和
驱动单元，其基于由上述控制运算单元求出的d轴和q轴电压指令值，对上述无刷电机进行驱动，
上述指令电流设定单元，对于预先决定的电压限制值和电流限制值，以上述d轴和q轴电压指令值以及上述d轴和q轴电流指令值满足下述的两个不等式的方式决定上述d轴和q轴电流指令值，
Figure BPA00001232754800021
Figure BPA00001232754800022
在此，vd是上述d轴电压指令值，vq是上述q轴电压指令值，Vlim是上述电压限制值，id是上述d轴电流指令值，iq是上述q轴电流指令值，Ilim是上述电流限制值。
第二方案的电机控制装置，是在第一方案的电动控制装置中，上述指令电流设定单元包括：
目标电流设定单元，其对应向上述无刷电机供给的电流的目标值进行设定；和
目标值校正单元，在为了向上述无刷电机供给上述目标值的电流而使应向上述无刷电机施加的电压超过基于上述电压限制值Vlim的限制的情况下，对于上述电压限制值Vlim，以上述d轴和q轴电压指令值vd、vq满足下式的方式对上述目标值的d轴和q轴成分进行校正，由此求出上述d轴和q轴电流指令值，
Figure BPA00001232754800031
第三方案的电机控制装置，是在第一方案或第二方案的电动控制装置中，
上述指令电流设定单元包括转矩下降补偿单元，上述转矩下降补偿单元对因上述d轴电流指令值引起的上述无刷电机的输出转矩的下降进行补偿且以满足上述两个不等式的方式对上述q轴电流指令值进行修正，
上述控制运算单元，使用上述d轴电流指令值和由上述转矩下降补偿单元进行修正后的q轴电流指令值，求出上述d轴和q轴电压指令值。
第四方案的电机控制装置，是在第三方案的电动控制装置中，
上述转矩下降补偿单元包括：
第一最大值决定单元，其在以满足表示上述两个不等式之中的基于上述电压限制值Vlim的限制的不等式的方式使上述q轴电流指令值iq变化的情况下，求出上述q轴电流指令值iq所能得到的最大值作为第一最大值；
第二最大值决定单元，其在以满足上述两个不等式之中的表示基于上述电流限制值Ilim的限制的不等式的方式使上述q轴电流指令值iq变化的情况下，求出上述q轴电流指令值iq所能得到的最大值作为第二最大值；
校正单元，其对上述q轴电流指令值进行校正以补偿因上述d轴电流指令值引起的上述无刷电机的输出转矩的下降；和
选定单元，其选定由上述校正单元进行校正后的q轴电流指令值、上述第一最大值和上述第二最大值中的最小的值作为上述修正后的q轴电流指令值。
第五方案的电动动力转向装置，其通过无刷电机对车辆的转向机构赋予转向辅助力，
其具备第一方案至第四方案中任一方案所述的电机控制装置，
上述电机控制装置对向上述转向机构赋予转向辅助力的无刷电机进行驱动。
根据第一方案的电机控制装置，由于以不仅不超过电压限制而且还不超过电流限制的方式决定d轴和q轴电流指令值，所以能够避免因在无刷电机的驱动单元的配线、开关元件等中流动过大的电流而对电机控制装置造成损伤，并且能够通过磁通削弱控制抑制高速旋转区域中的电机转矩的下降。
根据第二方案的电机控制装置，在为了向无刷电机供给目标值的电流而应向该无刷电机施加的电压超过基于电压限制值的限制的情况下，在该限制范围内向无刷电机施加最大的电压，因此能够极力抑制无刷电机的无效电力。
根据第三方案的电机控制装置，由于在不超过电压限制和电流限制的范围内对q轴电流指令值进行修正以补偿因d轴电流指令值引起的电机转矩的下降，因此除了具有与第一或第二方案同样的效果之外，即使导入磁通削弱控制也能够在高速旋转区域得到稳定的电机输出。
根据第四方案的电机控制装置，对于由指令电流设定单元决定的d轴电流指令值，选定电机转矩的下降补偿用的补偿后的q轴电流指令值、电压限制范围内的q轴电流指令值的最大值(第一最大值)和电流限制范围内的q轴电流指令值的最大值(第二最大值)之中的最小值作为修正后的q轴电流指令值，使用该d轴电流指令值和该修正后的q轴电流指令值求出d轴和q轴电压指令值，从而能够得到与上述第三方案同样的效果。
根据第五方案的电动动力转向装置，表示应向赋予转向辅助力的无刷电机供给的电流的d轴和q轴电流指令值被决定为不仅不超过电压限制而且也不超过电流限制，因此能够避免因过大的电流引起的电机控制装置的损伤，并且通过磁通削弱控制能够抑制高速旋转区域中的电机转矩的下降。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式涉及的电动动力转向装置的结构的框图。
图2是表示本发明的第一实施方式涉及的电机控制装置的结构的框图。
图3是表示三相无刷电机中的三相交流坐标和dq坐标的图。
图4是表示上述第一实施方式中的目标值校正部的第一结构例的目标值校正处理和磁通削弱控制的流程图。
图5是对基于上述第一结构例的磁通削弱控制处理的d轴和q轴电流指令值的求法进行说明的矢量图。
图6是表示上述第一实施方式中的目标值校正部的第二结构例的磁通削弱控制处理的流程图。
图7是对基于上述第二结构例的磁通削弱控制处理的d轴和q轴电流指令值的求法进行说明的矢量图。
图8是表示上述第一实施方式中的目标值校正部的第三结构例的磁通削弱控制处理的流程图。
图9是对基于上述第三结构例的磁通削弱控制处理的d轴和q轴电流指令值的求法进行说明的矢量图。
图10是表示本发明的第二实施方式中的目标值校正处理和转矩降低补偿处理的流程图。
图11是用于说明上述第二实施方式中的转矩降低补偿处理的矢量图。
图12是用于说明上述第二实施方式中的转矩降低补偿处理的特性图。
图13是表示在现有的电机控制装置中不进行磁通削弱控制时(a)和进行磁通削弱控制时(b)的电机转速与电机转矩之间的关系的特性图。
附图符号说明
6…转子；10…ECU；13…电机驱动电路；14…电流传感器；20…微机；22…d轴电流设定部；25…指令电流设定部。
具体实施方式
<1.电动动力转向装置>
图1是将本发明的实施方式涉及的电动动力转向装置的结构和与其相关联的车辆的结构一起表示的概略图。图1所示的电动动力转向装置是具备无刷电机1、减速机2、转矩传感器3、车速传感器4、位置检测传感器5和电子控制单元(Electronic Control Unit：以下称作“ECU”)10的转向柱辅助型的电动动力转向装置。
如图1所示，在转向轴102的一端固定有方向盘(转向盘)101，转向轴102的另一端经由齿轮齿条机构103与齿条轴104连结。齿条轴104的两端经由由联杆和转向节臂构成的连结部件105与车轮106连结。当驾驶员使方向盘101旋转时，转向轴102旋转，伴随于此齿条轴104进行往复运动。伴随着齿条轴104的往复运动，车轮106的朝向发生改变。
电动动力转向装置，为了减轻驾驶员的负荷，进行以下所示的转向辅助。转矩传感器3对通过方向盘101的操作而施加于转向轴101的转向转矩T进行检测。车速传感器4对车速S进行检测。位置检测传感器5对无刷电机1的转子的旋转位置P进行检测。位置检测传感器5例如由解析器构成。
ECU10从车载电池100接受电力的供给，基于转向转矩T、车速S和旋转位置P对无刷电机1进行驱动。当无刷电机1被ECU10驱动时，产生转向辅助力。减速机2设置在无刷电机1和转向轴102之间。由无刷电机1产生的转向辅助力经由减速机2起作用以使转向轴102旋转。
结果，转向轴102通过施加于方向盘101的转向转矩和由无刷电机1产生的转向辅助力的双方进行旋转。这样，电动动力转向装置，通过对车辆的转向机构赋予由无刷电机1产生的转向辅助力来进行转向辅助。
本发明的实施方式涉及的电动动力转向装置，在驱动无刷电机1的控制装置(电机控制装置)方面具有特征。因此，以下对各实施方式涉及的电动动力转向装置所包含的电机控制装置进行说明。
<2.第一实施方式>
<2.1电机控制装置的整体结构>
图2是表示本发明的第一实施方式涉及的电机控制装置的结构的框图。图2所示的电机控制装置，使用ECU而构成，对具有u相、v相和w相的三相绕组(未图示)的无刷电机1进行驱动。ECU10具备：相位补偿器11、微型计算机(以下简称为微机)20、三相/PWM(Pulse Width Modulation)调制器12、电机驱动电路13和电流传感器14。
向ECU10输入从转矩传感器3输出的转向转矩T、从车速传感器4输出的车速S和从位置检测传感器5输出的旋转位置P。相位补偿器11对转向转矩T实施相位补偿。微机20作为求出无刷电机1的驱动所使用的电压指令值的控制单元发挥功能。对于微机20的功能的详细情况将在后面加以阐述。
三相/PWM调制器12和电机驱动电路13，由硬件(电路)构成，作为使用由微机20求出的电压指令值的电压对无刷电机1进行驱动的电机驱动单元发挥作用。三相/PWM调制器12生成具有与由微机20求出的三相的电压指令值对应的占空比的3个种类的PWM信号(图2所示的U、V、W)。电机驱动电路13是作为开关元件包含6个MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的PWM电压型逆变电路。6个MOS-FET通过3个种类的PWM信号及其否定信号进行控制。通过使用PWM信号对MOS-FET的导通状态进行控制，来对无刷电机1供给三相的驱动电流(u相电流、v相电流和w相电流)。
电流传感器14对流过无刷电机1的电流进行检测。该电流传感器14例如由电阻体、霍尔元件构成，在电机驱动电路13和电源之间仅设有一个。在图2所示的例子中，电流传感器14设置在电机驱动电路13和电源的负侧(接地)之间，但也可以将电流传感器14设置在电机驱动电路13和电源的正侧之间。
在无刷电机1旋转期间，由电流传感器14检测出的电流值根据PWM信号发生变化。在PWM信号的1个周期内，通过电流传感器14有时检测出1相的驱动电流，有时检测出2相的驱动电流。由于三相的驱动电流的和变为零，所以基于2相的驱动电流的和，能够求出余下的1相的驱动电流。因而，在无刷电机1旋转期间，使用1个电流传感器14能够检测出三相的驱动电流。由电流传感器14检测出的电流值Ia被输入微机20。
微机20通过执行内置于ECU10的存储器(未图示)所存储的程序，作为目标电流计算部21、d轴电流设定部22、限制值设定部23、常数设定部24、目标值校正部26、开环控制部31、dq轴/三相变换部32、角度计算部34、角速度计算部35和Φ计算部36发挥功能。另外，目标电流计算部21和d轴电流设定部22构成对应向无刷电机1供给的电流的目标值的d轴成分和q轴成分进行设定的目标电流设定单元，目标电流计算部21、d轴电流设定部22、限制值设定部23、常数设定部24和目标值校正部26，构成决定应向无刷电机1供给的d轴和q轴电流指令值idc、iqc的指令电流设定部25。此外，开环控制部31、dq轴/三相变换部32、角速度计算部35和Φ计算部36，构成求出为了驱动无刷电机1而使用的相电压指令值的控制运算单元。
如以下所示，微机20基于表示应向无刷电机1供给的电流的电流指令值和无刷电机1的转子的角速度，按照电机的电路方程式，求出表示应向电机驱动电路13供给的电压的电压指令值。
角度计算部34，基于由位置检测传感器5检测出的旋转位置P，求出无刷电机1的转子的旋转角(以下称作“角度θ”)。角速度计算部35，基于角度θ求出无刷电机1的转子的角速度ωe。另外，如图3所示，对无刷电机1设定u轴、v轴和w轴，当对无刷电机1的转子6设定d轴和q轴时，u轴和d轴所成的角为角度θ。即，在角度计算部34中求出无刷电机1的电角θ。
目标电流计算部21，基于相位补偿后的转向转矩T(相位补偿器11的输出信号)和车速S，求出应向无刷电机1供给的电流的目标值的q成分(以下称作“q轴电流目标值”)。更详细来说，目标电流计算部21，内置有以车速S为参数，存储转向转矩T和目标电流的对应关系的表格(以下称作“辅助映射关系(Assist map)”)，参照辅助映射关系求出q轴电流目标值iq*。通过使用辅助映射关系，当施加某一大小的转向转矩时，能够求出表示为了产生与该大小对应的适当大小的转向辅助力而应向无刷电机1供给的电流的q轴成分的q轴电流目标值iq*。
d轴电流设定部22作为应向无刷电机1供给的电流的目标值的d轴成分(以下称作“d轴电流目标值id*”)输出id*＝0。
限制值设定部23作为电压限制值Vlim和电流限制值Ilim输出预先决定的值。电压限制值Vlim根据向作为逆变器发挥功能的电机驱动电路13施加的直流电压即电池100的电压而决定，电流限制值Ilim基于以不损伤电机控制装置的方式在驱动电路等的配线图案、开关元件中流动的电流容许值而决定。
常数设定值24，输出磁通削弱控制处理用的d轴电流目标值id#的决定所使用的d轴电流系数Gd或电流容限常数Kd。通过这些d轴电流系数Gd或电流容限常数Kd，以在无刷电机1中流动的电流不超过电流限制值Ilim的方式决定该d轴电流目标值id#(详细情况后述)。但是，有时通过目标值校正部26的后述的磁通削弱控制处理，均不使用上述d轴电流系数Gd和电流容限Kd。在该情况下，不需要常数设定部24。
目标值校正部26，分别从目标电流计算部21接受q轴电流目标值iq*，从d轴电流设定部22接受d轴电流目标值id*(＝0)，从限制值设定部23接受电压限制值Vlim和电流限制值Ilim，从常数设定部24接受d轴电流系数Gd或电流容限常数Kd，基于电压限制值Vlim和电流限制值Ilim对d轴和q轴电流目标值id*、iq*进行校正，生成d轴和q轴电流指令值idc、iqc。
开环控制部31，基于d轴电流指令值idc、q轴电流指令值iqc和角速度ωe，求出应向无刷电机1施加的电压的目标值的d轴成分和q轴成分(以下将前者的值称作“d轴电压指令值vdc”，将后者的值称作“q轴电压指令值vqc”)。d轴电压指令值vdc和q轴电流指令值vqc，使用下式(1)和(2)所示的电机的电路方程式予以算出。
vdc＝(R+PLd)idc-ωeLqiqc          ……(1)
vqc＝(R+PLq)idc+ωeLdidc+ωeΦ    ……(2)
其中，在式(1)和(2)中，ωe是转子的角速度，R是包含电枢绕组电阻的电路电阻，Ld是d轴的自感，Lq是q轴的自感，Φ是U、v、W相电枢绕组磁链数的最大值的√(3/2)倍，P是微分算子。其中，R、Ld、Lq和Φ作为已知的参数加以处理。另外，在R所表示的电路电阻中，包含无刷电机1和ECU10之间的配线电阻、ECU10内的电机驱动电路13的电阻和配线电阻等。
dq轴/三相变换部32将由开环控制部31求出的d轴电压指令值vdc和q轴电压指令值vqc变换成三相交流坐标轴上的电压指令值。更详细来说，dq轴/三相变换部32基于d轴电压指令值vdc和q轴电压指令值vqc，使用下式(3)～(5)求出u相电压指令值Vu、v相电压指令值Vv和w相电压指令值Vw。
Figure BPA00001232754800101
- vqc &times; sin ( &theta; - 2 &pi; / 3 ) } &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 4 )
Vw＝-Vu-Vv                        ……(5)
上述的式(3)和(4)所含的角度θ是由角度计算部34求出的电角。另外，也可以将u相电压指令值Vu、v相电压指令值Vv和w相电压指令值Vw总称为“相电压指令值Vu、Vv、Vw”。
像这样由dq轴/三相变换部32得到的相电压指令值Vu、Vv、Vw从微机20输出，向三相/PWM调制器12供给。三相/PWM调制器12基于这些相电压指令值Vu、Vv、Vw而输出3个种类的PWM信号。由此，在无刷电机1的三相绕组中流动与各相的电压指令值Vu、Vv、Vw对应的正弦波状的电流，无刷电机1的转子旋转。伴随于此，使无刷电机1的旋转轴产生与流过无刷电机1的电流对应的转矩。所产生的转矩用于转向辅助。
向Φ计算部36输入由电流传感器14检测出的电流值Ia、由角度计算部34算出的电角θ和由角速度计算部35算出的角速度ωe。Φ计算部36首先基于电流值Ia算出流过无刷电机1的u相和v相的电流的值，即求出u相电流检测值Iu、v相电流检测值Iv，使用下式(6)和(7)将所求出的u相电流检测值Iu和v相电流检测值Iv变换成dq坐标轴上的电流值，由此求出d轴电流检测值id和q轴电流检测值iq。
Figure BPA00001232754800111
Figure BPA00001232754800112
接着，Φ计算部36，当ωe≠0时，基于q轴电压指令值vqc、d轴电流检测值id、q轴电流检测值iq和角速度ωe，使用下式(8)求出式(2)所含的电枢绕组磁链数Φ。
Φ＝{vqc-(R+PLq)iq-ωeLdid}/ωe  …(8)
另外，式(8)中，将d轴电流检测值id和q轴电流检测值iq代入式(2)的d轴电流指令值idc和q轴电流指令值iqc，解出该式中的Φ。
Φ计算部36对开环控制部31和目标值校正部26输出所求出的Φ值。开环控制部31，当使用式(2)求出q轴电压指令值vqc时，使用由Φ计算部36算出的Φ值。这样，微机20当求出电机的电路方程式所包含的电枢绕组磁链数Φ、q轴电压指令值vqc时，使用该Φ值，但也可省略Φ计算部36，作为Φ值可以使用预先决定的值。
Φ计算部36，只要ωe≠0，也可以在任意的时刻求出Φ值。Φ计算部36例如可以以预定的时间间隔求出Φ值，可以在无刷电机1的驱动开始仅一圈后求出Φ值，也可以在温度等的状态变化时求出Φ值。此外，当ωe接近零时容易使所求出的Φ值产生误差，因此Φ计算部36也可以只在ωe为预定的阈值以上时求出Φ值。
如上所述，本实施方式涉及的电机控制装置，基于电流指令值和转子的角速度，按照电机的电路方程式，通过开环控制求出电压指令值，并且基于由电流传感器检测出的电流值求出电机的电路方程式所含的Φ，当要求出电压指令值时使用该Φ值。因而，根据本实施方式涉及的电机控制装置，电机的电路方程式所含的Φ值由于制造偏差、温度变化而发生变动时，通过基于由电流传感器检测出的电流值求出Φ值，能够以高精度驱动无刷电机，并能够得到所希望的电机输出。
另外，在本实施方式中，在开环控制部31中为了求出d轴电压指令值vdc和q轴电压指令值vqc而使用的R等，作为已知的参数加以使用，但对于Φ而言作为已知的参数加以使用并且通过作为参数算出单元的Φ计算部36进行适当校正。但是，本发明并不限定于这样的结构，也可以取代Φ计算部36或与Φ计算部36一起设置作为参数计算单元的R计算部，当要求出d轴电压指令值vdc和q轴电压指令值vqc时，使用由该R计算部算出的R。此外，也可将用于求出d轴电压指令值vdc和q轴电压指令值vqc的各参数作为固定值或基于电流指令值的算出值加以使用，省略电流传感器14。另外，在设置有R计算部的情况下，该R计算部，例如当iq≠0时，基于q轴电压指令值vqc、d轴电流检测值id、q轴电流检测值iq和角速度ωe，使用下式求出上述式(1)和(2)所含的电枢绕组电阻R。
R＝(vqc-PLqiq-ωeLdid-ωeΦ)/iq  …(10)
<2.2目标值校正部的详细情况>
接着，对本实施方式中的目标值校正部26的各种结构例进行详细说明。本实施方式中的目标值校正部26通过微机20执行基于规定的程序的目标值校正处理而实现。
<2.2.1第一结构例>
图4表示为了实现第一结构例的目标值校正部26而由微机20执行的目标值校正处理的流程图。以下，参照该图4对本结构例的目标值校正部26的动作进行说明。另外，在该第一结构例中，不需要常数设定部24。
首先，从目标电路计算部21接受q轴电流目标值iq*，并且从d轴电流设定部22接受d轴电流目标值id*(S10)。然后，将在下述的电机的电路方程式中代入id＝id*、iq＝iq*而得到的d轴和q轴电压值vd、vq作为第一d轴和q轴电压值vd1、vq1而算出(S12)。
vd＝(R+PLd)id-ωeLqiq        …(11)
vq＝(R+PLq)iq+ωeLdid+ωeΦ  …(12)
在此，ωe是转子的角速度，R是包含电枢绕组电阻的电路电阻，Ld是d轴的自感，Lq是q轴的自感，Φ是U、V、W相电枢绕组磁链数的最大值的√(3/2)倍，P是微分算子。另外，角速度ωe从角速度计算部35输入，电枢绕组磁链数Φ从Φ计算部36输入。
接着，判定第一d轴和q轴电压值vd1、vq1是否超过电压限制(S14)。即，在第一d轴和q轴电压值vd1、vq1满足下式的情况下判定为不超过电压限制，在不满足下式的情况下判定为超过电压限制。
在此，Vlim是从限制值设定部23输入的电压限制值。
在步骤S14的判定结果，当第一d轴和q轴电压值vd1、vq1不超过电压限制的情况下，将d轴和q轴电流目标值id*、iq*作为d轴和q轴电流指令值idc、iqc予以输出(S16)。即，将应向开环控制部31供给的d轴和q轴电流指令值设为idc＝id*、iqc＝iq*。
在步骤S14的判定结果，是第一d轴和q轴电压值vd1、vq1超过电压限制的情况下，执行图4(b)所示的磁通削弱控制处理(S18)。
在该磁通削弱控制处理中，首先，将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(14)、(15)的d轴和q轴电流值id、iq分别作为d轴和q轴极限电流值idlim、iqlim而求出(S100)。
Figure BPA00001232754800132
Figure BPA00001232754800133
在此，Vlim是从限制值设定部23输入的电压限制值，Ilim是从限制值设定部23输入的电流限制值。在这样的d轴和q轴极限电流值idlim、iqlim的电流在无刷电机1中流动的情况下，基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于q轴电流iq的电压矢量V2、和基于d轴电流id的电压矢量V3成为图5所示的关系。即，在由表示电压的d轴和q轴规定的平面上，当矢量V1和矢量V2和矢量V3的合成矢量V4的始点位于原点时，该合成矢量V4的终点成为式(14)所示的电压限制圆和式(15)所示的电流限制圆的交点P。
接着，判定q轴电流目标值iq*是否在q轴极限电流值iqlim以下(S102)。
在步骤S102的判定结果，在q轴电流目标值iq*在q轴极限电流值iqlim以下的情况下，将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(16)、(17)的d轴电流值id作为第二d轴电流值id2而求出。(S104)。
iq＝iq*                  …(16)
Figure BPA00001232754800141
在该情况下，将第二d轴电流值id2和q轴电流目标值iq*分别设为磁通削弱控制的d轴电流目标值id#和q轴电流目标值iq#(S106)，从磁通削弱控制处理的程序返回而向目标值校正处理的步骤S20行进。
在步骤S102的判定结果，是q轴电流目标值iq*超过q轴极限电流值iqlim的情况下，将d轴和q轴极限电流值idlim、iqlim分别设为磁通削弱控制的d轴电流目标值id#和q轴电流目标值iq#(S108)，从磁通削弱控制处理的程序返回而向目标值校正处理的步骤S20行进。
在目标值校正处理的步骤S20中，将按照上述方式求出的磁通削弱控制的d轴电流目标值id#和q轴电流目标值iq#作为d轴和q轴电流指令值idc、iqc予以输出。即，将应向开环控制部31供给的d轴和q轴电流指令值设为idc＝id#、iqc＝iq#。
在输入d轴和q轴电流指令值idc、iqc之后，返回到步骤S10，以后反复进行与上述同样的处理。由此，每当输入d轴和q轴电流指令值idc、iqc时，分别基于它们求出不超过电压限制和电流限制的d轴和q轴电流指令值idc、iqc并输出。
根据上述第一结构例，通过磁通削弱控制，能够在不超过电压限制和电流限制的范围内得到与电流目标值id*、iq*对应的尽可能大的电流指令值idc、iqc和电压指令值vdc、vqc。但是，在磁通削弱控制处理中用于算出满足电机的电路方程式(11)、(12)和上述式(14)、(15)的d轴和q轴电流值id、iq的运算负荷对微机20而言变大。因此，以下对微机20的运算负荷不变得过大那样的作为目标值校正部26的结构例的第二和第三结构例进行说明。
<2.2.2第二结构例>
在目标值校正部26的第二结构例中，与上述第一结构例不同，使用输出d轴电流系数Gd的常数设定部24。该d轴电流系数Gd具有在0＜Gd＜1的范围内预先决定的值，如后所述，用于磁通削弱控制处理用的d轴电流目标值id#的决定。
本结构例的目标值校正处理基本上与第一结构例的目标值校正处理相同，如图4(a)所示那样，但作为从该目标值校正处理调用的程序的磁通削弱控制处理的内容与第一结构例不同。
图6是表示本实施例的磁通削弱控制处理的流程图，图7是用于说明基于该磁通削弱控制处理的d轴和q轴电流指令值的求法的矢量图。在本结构例中，与第一结构例相同，在判定为通过将id＝id*、iq ＝iq*代入电机的电路方程式(11)、(12)中而得到的第一d轴和q轴电压值vd1、vq1超过式(13)所示的电压限制的情况下，执行磁通削弱控制处理(图4的步骤S14、S18)。以下，参照图6和图7对本结构例的用于磁通削弱控制处理的目标值校正部26的动作进行说明。
在本结构例的磁通削弱控制处理中，首先，求出将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(18)的d轴和q轴电流值id、iq之中的q轴电流值成为最大的d轴和q轴电流值作为最大d轴和q轴电流值idm、iqm而求出(S110)。
Figure BPA00001232754800151
在此，Vlim是从限制值设定部23输入的电压限制值。在这样的最大d轴和q轴电流值idm、iqm的电流在无刷电机1中流动的情况下，基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于q轴电流iq的电压矢量V2m、和基于d轴电流id的电压矢量V3m成为图7(a)所示的关系。即，在由表示电压的d轴和q轴规定的平面上，当矢量V1和矢量V2m和矢量V3m的合成矢量V4m的始点位于原点时，该合成矢量V4m的终点配置在与上述式(18)对应的电压限制圆上，且矢量V3m与该电压限制圆相接。
接着，将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(19)、(20)的q轴电流值iq作为修正q轴电流值iq2而求出(S112)。
id＝Gd·idm         …(19)
Figure BPA00001232754800161
在此，Gd是从常数设定部24输入的d轴电流系数(0＜Gd＜1)。此外，将上述式(19)所示的d轴电流值id称作“修正d轴电流值”。
在由这样的修正q轴电流值iq2和修正d电流值Gd·idm表示的电流在无刷电机1中流动的情况下，基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于q轴电流iq的电压矢量V2、和基于d轴电流id的电压矢量V3成为图7(b)所示的关系。然后，通过预先适当地设定d轴电流系数Gd的值，与上述电压矢量V2、V3对应的d轴和q轴电流id、iq满足表示电流限制的下式。
Figure BPA00001232754800162
即，在由表示电压的d轴和q轴规定的平面上，当基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于修正q轴电流值iq2的电压矢量V2和基于修正d电流值Gd·idm的电压矢量V3的合成矢量V4的始点位于原点时，该合成矢量V4的终点位于与上述式(18)对应的电压限制圆上且配置在与上述式(21)对应的电流限制圆内。另外，d轴电流系数Gd的具体值基于该电机控制装置和无刷电机1的设计值、计算机模拟或实验等，被预先设定为满足电流限制的上述式(21)。
然后，将按照上述方式求出的修正d轴电流值Gd·idm和修正q轴电流值iq2分别设为磁通削弱控制的d轴电流目标值id#和q轴电流目标值iq#(S114)，从磁通削弱控制处理的程序返回而向图4的步骤S20行进。以下的处理与上述第一结构例的目标值修正处理相同。
<2.2.3第三结构例>
接着，对目标值校正部26的第三结构例进行说明。在本结构例中，与上述第一结构例不同，使用输出电流容限常数Kd的常数设定部24。该电流容限Kd，如后所述，用于磁通削弱控制处理的d轴电流目标值id#的决定。
本结构例的目标值校正处理基本上与第一结构例的目标值校正处理相同，如图4(a)所示那样，但作为从该目标值校正处理调用的程序的磁通削弱控制处理的内容与第一结构例不同。
图8是表示本结构例的磁通削弱控制处理的流程图，图9是用于说明基于该磁通削弱控制处理的d轴和q轴电流指令值的求法的矢量图。在本结构例中，与第一结构例相同，在判定为通过将id＝id*、iq＝iq*代入电机的电路方程式(11)、(12)中而得到的第一d轴和q轴电压值vd1、vq1超过式(13)所示的电压限制的情况下，执行磁通削弱控制处理(图4的步骤S14、S18)。以下，参照图8和图9对本结构例的用于磁通削弱控制处理的目标值校正部26的动作进行说明。
在本结构例的磁通削弱控制处理中，首先，将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(22)的d轴和q轴电压值vd、vq之中的q轴电流值iq成为最大的d轴和q轴电压值作为第一d轴和q轴电压值vd1、vq1而求出(S120)。
Figure BPA00001232754800171
在这样的第一d轴和q轴电压值vd1、vq1的电压施加于无刷电机1的情况下，基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于q轴电流iq的电压矢量V2m、和基于d轴电流id的电压矢量V3m成为图9(a)所示的关系，与第一d轴和q轴电压值vd1、vq1对应的点(vd1，vq1)成为电压矢量V3m与电压限制圆的接点P1。
接着，将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(23)、(24)的d轴和q轴电压值vd、vq之中的q轴电流值iq成为最大的d轴和q轴电压值作为第二d轴和q轴电压值vd2、vq2而求出(S122)。
id＝0               …(23)
Figure BPA00001232754800181
如图9(b)所示，与这样的第二d轴和q轴电压值vd2、vq2对应的点(vd2，vq2)成为基于q轴电流的电压矢量V2与电压限制圆的交点P2。
接着，在表示电压的d轴和q轴规定的平面上(图9(b))，通过上述点P1(vd1，vq1)和点P2(vd2，vq2)的直线与下式(25)所示的圆的交点P3所对应的d轴和q轴电压值作为第三d轴和q轴电压值vd3、vq3而求出(S124)。
在此，Ilim是从限制值设定部23输入的电流限制值，Kd是从常数设定部24输入的电流容限常数(Kd＞0)。
接着，通过电机的电路方程式(11)、(12)求出将上述第三d轴和q轴电压值vd3、vq3施加于无刷电机1时的d轴电流值id作为第三d轴电流值id3(S126)。图9(b)所示的电压矢量V33是基于该第三d轴电流值id3的电压矢量。
接着，通过电机的电路方程式(11)、(12)求出满足下式(26)、(27)的q轴电流值作为修正q轴电流值iq4(S128)。
id＝id3               …(26)
Figure BPA00001232754800183
在此，将上述式(26)所示的d轴电流值id称作“修正d轴电流值”。
在由上述的修正d轴电流值id3和修正q轴电流值iq4表示的电流在无刷电机1中流动的情况下，基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于q轴电流iq4的电压矢量V2、和基于d轴电流id的电压矢量V3成为图9(b)所示的关系。而且，通过预先适当地设定电流容限常数Kd的值，与上述电压矢量V2、V3对应的d轴和q轴电流id、iq满足表示电流限制的下式。
Figure BPA00001232754800191
即，在表示电压的d轴和q轴规定的平面上，当基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于修正q轴电流值iq4的电压矢量V2和基于修正d电流值id3的电压矢量V3的合成矢量V4的始点位于原点时，该合成矢量V4的终点位于上述式(27)所示的电压限制圆上且配置在与上述式(28)对应的电流限制圆内。另外，电流容限常数Kd的具体值基于该电机控制装置和无刷电机1的设计值、计算机模拟或实验等，被预先设定为满足电流限制的上述式(28)。
然后，将按照上述方式求出的修正d轴电流值id3和修正q轴电流值iq4分别设为磁通削弱控制的d轴电流目标值id#和q轴电流目标值iq#(S130)，从磁通削弱控制处理的程序返回而向图4的步骤S20行进。以下的处理与上述第一结构例的目标值修正处理相同。
<2.3效果>
在本实施方式中，通过上述第一、第二或第三结构例中的包括磁通削弱控制处理的目标值校正处理得到d轴和q轴电流指令值idc、iqc，使用这些d轴和q轴电流指令值idc、iqc，利用开环控制部31等对无刷电机1的驱动进行控制。根据这样的本实施方式，如从图5、图7(b)和图9(b)可知那样，通过磁通削弱控制(id≠0)，能够以在既不超过电压限制又不超过电流限制的范围内流动最大的q轴电流的方式设定d轴和q轴电流指令值idc、iqc。即，能够在电压限制和电流限制的范围内(√(vd2+vq2)≤Vlim和√(id2+iq2)≤Ilim)产生大致最大的电机转矩。由此，不仅能够避免因在驱动电路等的配线和开关元件等中流动过大的电流而对电机控制装置造成损伤，而且能够抑制在高速旋转区域的电机转矩的下降。此外，在上述第一～第三结构例的任一个中，在电压限制的范围内通过向无刷电机1施加与电流目标值对应的最大电压能够极力抑制无效电力(图5、图7(b)和图9(b))，在第一结构例的情况下，也能够在无刷电机中流动在电流限制的范围内与电流目标值对应的最大的电流。不过，如上所述，在用微机20求出d轴和q轴电流指令值idc、iqc的运算负荷这一点上，第二和第三结构例更加有利。
<3.第二实施方式>
接着，对本发明的第二实施方式涉及的电机控制装置进行说明。本实施方式涉及的电机控制装置的基本结构，与上述第一实施方式相同且如图2所示那样，对相同或相对应的部分标注相同的参照符号。以下以与上述第一实施方式的不同点为中心进行说明。
在本实施方式中，为了实现目标值校正部26而由微机20执行的目标值校正处理与上述第一实施方式不同。图10是表示为了实现本实施方式的目标值校正部26而由微机20执行的目标值校正处理的流程图。以下，参照该图10对本结构例的目标值校正部26的动作进行说明。不过，对于通过将id＝id*、iq＝iq*代入电机的电路方程式(11)、(12)中而得到的第一d轴和q轴电压值vd1、vq1不超过式(13)所示的电压限制时的处理，由于与上述第一实施方式相同(图4(a)的步骤S10～S16)，所以标注相同的步骤编号并省略说明。另外，在该情况下，d轴和q轴电流目标值id*、iq*不被校正而直接作为d轴和q轴电流目标值id*、iq*从目标值校正部26输出(图10(a)的步骤S10～S16)。
在第一d轴和q轴电压值vd1、vq1超过电压限制的情况下即在步骤S14中判定为“否”的情况下，与第一实施方式的情况相同，执行磁通削弱控制处理，求出不超过下式(29)、(30)所示的电压限制和电流限制那样的磁通削弱控制的d轴和q轴电流目标值id#、iq#(S50)。
Figure BPA00001232754800202
在此，vd、vq分别表示施加于无刷电机1的d轴和q轴电压，id、iq分别表示向无刷电机1供给的d轴和q轴电流，Vlim、Ilim分别表示从限制值设定部23输入的电压限制值和电流限制值。
步骤S50的磁通削弱处理的具体内容，可以是图4(b)、图6、图8(第一～第三结构例)所示的内容的任一个，也可以是除此之外的内容，只要以不超过电压限制和电流限制的方式根据d轴和q轴电流目标值id*、iq*求出磁通削弱控制的d轴和q轴电流目标值id#、iq#即可。
当这样的磁通削弱控制处理结束时，执行如图10(b)所示的转矩下降补偿处理(S52)。
在这样的转矩下降补偿处理中，首先，将满足电机的电路方程式(11)、(12)和下式(31)、(32)的最大的q轴电流值iq作为第一最大q轴电流值iqmax1而求出(S140)。
id＝id#                 …(31)
Figure BPA00001232754800211
由此，能够不改变作为由磁通削弱控制处理得到的指令值的d轴电流目标值id＝id#而使磁通削弱控制的q轴电流目标值iq＝iq#在电压限制的范围内(式(32))变化时的该q轴电流目标值的最大值作为第一最大q轴电流值iqmax1而得到。根据这样的第一最大q轴电流值iqmax1，如图11(a)所示，基于反电动势ωeΦ的电压矢量V1、基于第一最大q轴电流值iqmax1的电压矢量V2和基于磁通削弱控制的d轴电流目标值id#的电压矢量V3的合成矢量V4的大小与电压限制值Vlim相等。
接着，求出满足下式(33)、(34)的最大的q轴电流值iq作为第二最大q轴电流值iqmax2(S142)。
id＝id#                 …(33)
由此，能够不改变作为由磁通削弱控制处理得到的指令值的d轴电流目标值id＝id#而使磁通削弱控制的q轴电流目标值iq＝iq#在电压限制的范围内(式(34))变化时的该q轴电流目标值的最大值作为第二最大q轴电流值iqmax2而得到。根据这样的第二最大q轴电流值iqmax2，如图11(b)所示，d轴成分为id#且q轴成分为iqmax2的电流矢量的大小与Ilim相等。
接着，将第一最大q轴电流值iqmax1和第二最大q轴电流值iqmax2之中较小的q轴电流值设为限制最大q轴电流值iqmax(S144)。不过，第一最大q轴电流值iqmax1和第二最大q轴电流值iqmax2相等的情况下，设为iqmax＝iqmax1。
接着，为了对磁通削弱控制的d轴电流目标值id#所示的d轴电流在无刷电机1中流动时的电机转矩的下降(图13(b)所示的虚线的椭圆内的下降)进行补偿，按照下式对磁通削弱控制的q轴电流目标值iq进行补偿，由此求出转矩补偿q轴电流值iqt(S146)。
iqt＝iq#+id×Kiq        ……(35)
在此，id#是磁通削弱控制的d轴电流目标值，iq#是磁通削弱控制的q轴电流目标值，Kiq是供给用于对因d轴电流导致d轴方向磁通的减少而引起的电机转矩的下降进行补偿的q轴电流补偿值的系数(称作“转矩下降补偿系数”)。在本实施方式中，无刷电机1的d轴电流和电机转矩的下降量的关系为图12所示的比例关系，转矩下降补偿系数Kiq作为常数保存在微机20内的规定的存储器中。该转矩下降补偿系数Kiq的具体值，基于无刷电机1的设计值、计算机模拟或实验等预先决定。另外，在转矩下降补偿系数Kiq依存于电流值的情况下，也可以在微机20内的规定的存储器中保存将相当于上述id#×Kiq的q轴电流补偿值以及d轴电流和/或q轴电流建立对应关系的映射关系或函数式，利用上述映射关系或函数式求出q轴电流补偿值。
接着，判定按照上述方式求出的转矩补偿q轴电流值iqt是否比在步骤S144求出的限制最大q轴电流值iqmax大(S148)。
在步骤S148的判定结果，转矩补偿q轴电流值iqt比限制最大q轴电流值iqmax大的情况下，将磁通削弱控制的d轴电流目标值id#设为d轴电流指令值idc，并且将限制最大q轴电流值iqmax设为q轴电流指令值iqc(S150)，从转矩下降补偿处理的程序返回而向目标值校正处理的步骤S54行进。
在步骤S148的判定结果，在转矩补偿q轴电流值iqt为限制最大q轴电流值iqmax以下的情况下，将磁通削弱控制的d轴电流目标值id#设为d轴电流指令值idc，并且将转矩补偿q轴电流值iqt设为q轴电流指令值iqc(S152)，从转矩下降补偿处理的程序返回而向目标值校正处理的步骤S54行进。
在目标值校正处理的步骤S54中，输出按照上述方式求出的d轴和q轴电流指令值idc、iqc。基于这些d轴和q轴电流指令值idc、iqc，开环控制部31、dq轴/三相变换部32、三相/PWM调制部12和电机驱动电路13与上述第一实施方式同样地动作，由此驱动无刷电机1。另外，如从转矩下降补偿处理的步骤S144～S152可知的那样，转矩补偿q轴电流值iqt、第一最大q轴电流值iqmax1和第二最大q轴电流值iqmax2之中的最小的值成为q轴电流指令值iqc。此外，步骤S144、S148～S152，构成用于像这样选定q轴电流指令值的选定单元。
在现有的磁通削弱控制中，如图13(b)中的虚线的椭圆内所示那样，可知因d轴电流引起的d轴方向磁通的减少而导致电机转矩Tm(N)的下降。针对于此，在本实施方式中，通过磁通削弱控制(id≠0)，以在电压限制和电流限制的范围内流动q轴电流的方式设定d轴和q轴电流指令值idc、iqc，并且在上述d轴和q轴电流指令值idc、iqc的设定时，为了在对因用于磁通削弱控制的d轴电流引起的电机转矩的下降进行补偿的电压限制和电流限制的范围内而对q轴电流目标值iq#进行修正(S146～S152)。因此，根据本实施方式，除了具有与上述第一实施方式同样的效果之外，如图12(b)所示，即使导入磁通削弱控制也能够在高速旋转区域得到稳定的电机输出。
<4.变形例>
在上述第一和第二实施方式涉及的电机控制装置中，通过开环控制对无刷电机1进行驱动，但本发明并不限定于此，也能够适用于设置检测各相的电流的单元并通过反馈控制对无刷电机1进行驱动的电机控制装置。
此外，上述第一和第二实施方式涉及的电机控制装置，构成为对三相无刷电机1进行驱动，但本发明并不限定于此，也能够适用于对四相以上的无刷电机进行驱动的电机控制装置。
另外，本发明不仅能够适用于上述转向柱辅助型的电动动力转向装置，还能够适用于小齿轮辅助型、齿条辅助型的电动动力转向装置。此外，本发明也能够适用于电动动力转向装置以外的电机控制装置。

Claims (5)

1.一种电机控制装置，其能够进行驱动无刷电机的磁通削弱控制，其特征在于，具备：
指令电流设定单元，其决定表示应向所述无刷电机供给的电流的d轴和q轴电流指令值；
控制运算单元，其基于由所述指令电流设定单元决定的d轴和q轴电流指令值，求出表示应向所述无刷电机施加的电压的d轴和q轴电压指令值；和
驱动单元，其基于由所述控制运算单元求出的d轴和q轴电压指令值，对所述无刷电机进行驱动，其中，
所述指令电流设定单元，对于预先决定的电压限制值和电流限制值，以所述d轴和q轴电压指令值以及所述d轴和q轴电流指令值满足下述的两个不等式的方式决定所述d轴和q轴电流指令值，
Figure FPA00001232754700011
Figure FPA00001232754700012
在此，vd是所述d轴电压指令值，vq是所述q轴电压指令值，Vlim是所述电压限制值，id是所述d轴电流指令值，iq是所述q轴电流指令值，Ilim是所述电流限制值。
2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于：
所述指令电流设定单元包括：
目标电流设定单元，其对应该向所述无刷电机供给的电流的目标值进行设定；和
目标值校正单元，在为了向所述无刷电机供给所述目标值的电流而使应向所述无刷电机施加的电压超过基于所述电压限制值Vlim的限制的情况下，对于所述电压限制值Vlim，以所述d轴和q轴电压指令值vd、vq满足下式的方式对所述目标值的d轴和q轴成分进行校正，由此求出所述d轴和q轴电流指令值，
Figure FPA00001232754700013
3.根据权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于：
所述指令电流设定单元包括转矩下降补偿单元，所述转矩下降补偿单元对因所述d轴电流指令值引起的所述无刷电机的输出转矩的下降进行补偿且以满足所述两个不等式的方式对所述q轴电流指令值进行修正，
所述控制运算单元，使用所述d轴电流指令值和由所述转矩下降补偿单元进行修正后的q轴电流指令值，求出所述d轴和q轴电压指令值。
4.根据权利要求3所述的电机控制装置，其特征在于：
所述转矩下降补偿单元包括：
第一最大值决定单元，其在以满足表示所述两个不等式之中的基于所述电压限制值Vlim的限制的不等式的方式使所述q轴电流指令值iq变化的情况下，求出所述q轴电流指令值iq所能得到的最大值作为第一最大值；
第二最大值决定单元，其在以满足所述两个不等式之中的表示基于所述电流限制值Ilim的限制的不等式的方式使所述q轴电流指令值iq变化的情况下，求出所述q轴电流指令值iq所能得到的最大值作为第二最大值；
校正单元，其对所述q轴电流指令值进行校正，以便补偿因所述d轴电流指令值引起的所述无刷电机的输出转矩的下降；和
选定单元，其选定由所述校正单元进行校正后的q轴电流指令值、所述第一最大值和所述第二最大值中的最小的值作为所述修正后的q轴电流指令值。
5.一种电动动力转向装置，其通过无刷电机对车辆的转向机构赋予转向辅助力，其特征在于：
具备权利要求1～4中任一项所述的电机控制装置，
所述电机控制装置对向所述转向机构赋予转向辅助力的无刷电机进行驱动。
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