CN102916643B

CN102916643B - 三相回转机械控制装置

Info

Publication number: CN102916643B
Application number: CN201210269595.1A
Authority: CN
Inventors: 铃木崇志; 林二郎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: US20130033210A1; CN102916643A; US8766577B2; JP2013034280A; JP5397785B2

Abstract

本发明公开了一种三相回转机械控制装置。第一逆变器（601）和第二逆变器（602）对构成三相电动机（80）的两个线圈组（801、802）供以交流电压，这些交流电压幅度相同但是相位偏移30°。电流检测器（701、702）检测从逆变器（601、602）提供到线圈组（801、802）的相电流。温度估计部（751、752）基于相电流检测值的积分值估计逆变器或者线圈组的温度。电流命令值限制部（20）基于估计温度Tm1和Tm2限制两个线圈组的电流命令值（Id^＊、Iq^＊）的上限。因此，在没有增加转矩脉动的情况下保护逆变器和线圈组免于过热。

Description

三相回转机械控制装置

技术领域

本发明涉及一种三相回转机械控制装置。

背景技术

用于控制三相回转机械驱动的一些传统的控制装置包括与两个三相线圈组对应的电力变换器的两个供电系统，每个三相线圈组包括三相回转机械的三相线圈。

例如，根据对应于US4,814,964的JP 02-70286A（专利文献1），AC电动机驱动装置设置有用于电动机的两个三相逆变器，该电动机具有在角度上彼此间相隔30°角度的两个线圈组。每个线圈组包括三相线圈。两个三相逆变器分别连接AC电动机的两个线圈组。两个三相逆变器从DC脉冲电流生成相移的三相AC电流。逆变器将AC电流提供给两个三相线圈组。因此，减小电动机的转矩脉动（转矩的波动）。

防止由热量引起的如电动机的回转机械的损坏是必要的。JP4356295（专利文献2）提出通过基于电动机电流的积分值来估计电动机温度和限制电动机电流以使得估计的电动机电流不超过预设的温度，保护辅助车辆转向的电动转向系统免于电动机过热。

根据专利文献2的过热防止是为一种系统提供的，该系统具有一个线圈组和一个电力变换器。如果将过热防止应用于具有两个供电系统的电动机，其中该电动机包括如在专利文献1中例示的用于电动机的两个线圈组和两个电力变换器，那么将过热保护应用于两个供电系统的每一个是可能的。在该情况下，当在两个供电系统之一中估计温度上升时，仅在实际上经受过热的一个供电系统中限制电流。结果，在两个供电系统中供应的电流不同并且增加转矩脉动。尽管移动由两个供电系统所供应的电流的相位有效于抑制转矩脉动，但是这种移动不会有助于抑制转矩脉动。在将电动机和控制设备应用到电动转向系统的情况下，增加的转矩脉动将对于驾驶员的转向操作起到不利影响。

发明内容

因此，目的是抑制在用于具有两个线圈组的三相回转机械的控制装置中的线圈组和电力变换器的转矩脉动和过热。

根据一个方面，为具有两个线圈组的三相回转机械设置控制装置，每个线圈组由三相线圈构成。控制装置包括两个电力变换器、两个电流检测器和控制电路。为两个线圈组分别设置电力变换器以将AC功率电压提供给两个线圈组。AC功率电压具有相同的幅度和彼此间相差（30±60×n）°相位的不同的相位，其中“n”为整数。电流检测器检测分别从两个电力变换器提供到两个线圈组的相电流。控制电路包括用于将电流命令值输出给两个电力变换器的电流命令值计算部和用于设定电流命令值的上限值的电流命令值限制部。控制电路通过分别将两个电流检测器的相电流检测值反馈给电流命令值来控制两个电力变换器。电流命令值限制部基于根据电流检测器所检测的相电流检测值而计算的预设物理量来设定电流限制值。

附图说明

根据参考附图进行的下面的详细描述，本发明的上面的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。在附图中：

图1是由根据一个实施例的三相回转机械控制装置来控制的两组逆变器的电路图；

图2是电动转向系统的示意图，其中将图1中示出的控制装置应用于该电动转向系统；

图3A、3B、3C和3D是由图1中示出的控制装置所控制的三相回转机械的组成部件的示意图；

图4是图1中示出的三相回转机械控制装置的方框图；和

图5A和5B是输出到图1中示出的两组逆变器的三相电压命令值的信号波形。

具体实施方式

将参考一个实施例描述用于控制三相回转机械的控制装置（三相回转机械控制装置），在该实施例中，在图1和2中示出的电动转向系统中实施三相回转机械控制装置。

如图2所示，电动转向系统1设置在车辆的转向系统90中。在该转向系统90中，转矩传感器94附接到方向盘91的转向轴92用于检测转向转矩。小齿轮96设置在转向轴92的顶端处并且与齿条轴97啮合。一对轮胎（tire wheel）98通过拉杆等（没有示出）可旋转地耦联到齿条轴97的两端。转向轴92的旋转运动通过小齿轮96改变成齿条轴97的线性运动，使得该对轮胎98以对应于齿条轴97的线性运动的角度转向。

电动转向系统1包括致动器2和减速齿轮89。致动器2使旋转轴81旋转。在减速之后，减速齿轮89将旋转轴81的旋转传递给转向轴92。致动器2由电动机80和ECU（电子控制单元）10构成。电动机80为生成转向辅助转矩的三相无刷电动机。

ECU 10包括如微型计算机65的控制电路、用于响应于来自控制电路65的命令来控制对电动机80的供电的逆变器60。设置旋转角度传感器85来检测电动机80的旋转角度。旋转角度传感器85例如可以由作为磁性发生器的设置在电动机80侧的磁体和设置在ECU 10侧的磁阻设备构成。

控制电路65被配置成基于转矩传感器94的转向转矩信号、旋转角度传感器85的旋转角度信号等来控制到逆变器60的输出。因此，电动转向系统1的致动器2生成用于辅助方向盘91的转向操作的转向辅助转矩并且将该转向辅助转矩传递给转向轴92。

如图1中示出，电动机80包括两个线圈组（两组线圈）801和802。第一线圈组801由分别对应于U相、V相和W相的三相线圈811、812和813构成。第二线圈组802由分别对应于U相、V相和W相的三相线圈821、822和823构成。逆变器60包括分别对应于第一线圈组801和第二线圈组802而设置的第一逆变器601和第二逆变器602。一个逆变器和对应于该逆变器的一个线圈组的组合称作一个供电系统。因此，两个供电系统相对彼此并联地形成。

ECU 10包括功率继电器52、电容器53、第一逆变器601、第二逆变器602、第一电流检测器701、第二电流检测器702、控制电路65等。设置电流检测器701和702作为检测分别由逆变器601和602提供给线圈组801和802的相电流的电流检测部。

电池51是例如12V的DC电源。设置功率继电器52以允许或者中断从电池51到逆变器601和602的供电。电容器53与电池51并联地连接以储存电荷从而辅助对逆变器601和602的供电并且抑制如浪涌电流的噪声。

在第一逆变器601中，六个开关器件611至616以桥式电路的形式连接以在第一线圈组801的线圈811至813之间切换电源。开关器件611至616是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。开关器件611至616称作为FET 611至616。

设置在高电势侧的FET 611至613的漏极连接到电池51的正端子。FET 611至613的源极连接到设置在低电势侧的FET 614至616的漏极。FET 614至616的源极通过到电池51的低电势侧的电流检测器（电流检测部）711至713连接到电池51的负端子侧。在高电势侧的FET 611至613和低电势侧的FET 614至616之间的连接点分别连接到线圈811至813的一端。电流检测器711至713检测分别流到U相、V相和W相的线圈811至813的相电流。

在第二逆变器602中，类似于第一逆变器601分别配置开关器件（FET）621至626和构成电流检测器702的电流检测器721至723。控制电路65包括微型计算机67、驱动电路（前置驱动器）68。对微型计算机67编程以基于如转矩信号、旋转角度信号的输入信号来执行关于控制的多种计算。驱动电路68连接到FET 611至616的栅极和FET 621至626的栅极，由此在微型计算机67的控制下来接通和关断FET 611至616和FET 621至626。

如在图3A至3D中示出那样来配置电动机80。如在图3A中示出，电动机80具有关于旋转轴线O相对于定子84旋转的转子83。电动机80是三相无刷电动机。定子84的线圈的数量是12×m，并且转子83的永磁体87的极的数量是2×m，假设“m”是自然数。尽管“m”在该实施例中为2，但其可以为不同于2的自然数。

当以图3A中指示的推力方向（thrust direction）Z来观察时，如在图3B中示出那样布置定子84和转子83的永磁体87。设置总共为四个（2×2）永磁体87使得以圆形交替地布置两个N极和两个S极。设置总共24个（12×2）线圈作为定子线圈。即，定子线圈包括四个线圈组（1）至（4），每个线圈组由六个线圈构成。在每个线圈组中，U1线圈、U2线圈、V1线圈、V2线圈、W1线圈和W2线圈以该顺序按顺时针方向布置。更具体的是，当以推力方向Z来观察时，线圈U1、U2、V1、V2、W1、W2如图3C示出那样进行布置并且直线延长。当以径向方向R来观察时，每个线圈（例如U1和U2）如图3D示出那样进行布置。如从图3D中理解的，例如，通过在每隔六个凸出部处将一条线圈线围绕一个定子芯凸出部86缠绕四圈（U1a、U2b、U1c和U1d）来形成U1线圈。结果，在U相的情况下，构成第二线圈组802的U2线圈821被认为是在圆周方向上相对于构成第一线圈组801的U1线圈811超前电角度30°。因此，可以使得提供给第二线圈组802的三相AC电流的相位相对于提供给第一线圈组801的三相AC电流的相位超前30°的电角度。

ECU10被配置成具有如图4中的功能块示出的控制功能。主控制部分被表示为控制电路65并且要在下面详细描述。控制电路65包括电流命令值计算部15和电流命令值限制部20，这两者对于第一供电系统（第一逆变器601和第一线圈组801）和第二供电系统（第二逆变器602和第二线圈组802）是共同的。控制电路65还包括分别用于第一和第二供电系统的第一和第二三相至二相转换部251和252、第一和第二控制部301和302、第一和第二二相至三相转换部351和352和作为第一和第二温度设定装置的第一和第二温度估计部751和752。

电流命令值计算部15输入转矩传感器94的转向转矩Tq^＊的信号，并且基于所需要的转矩来计算为转矩电流的q轴电流命令值Iq^＊。电流命令值限制部20基本上仅输入在不同于高转速范围的范围内的、来自电流命令值计算部15的q轴电流命令值Iq^＊。在该情况下，为场电流的d轴电流Id被设定成零（0）并且驱动电动机80来仅通过q轴电流Iq生成所需要的转矩。

当电动机80的旋转速度高时，即角旋转速度ω大时，由电动机80生成的感生电压上升并且因此q轴电压Vq上升。为此，d轴电流Id被设定成负值并且其绝对值在高转速范围内上升使得反电动势看起来下降并且q轴电压Vq下降。即，执行弱磁场控制。该弱磁场控制在高旋转速度范围内驱动电动机80是有利的。针对该控制，d轴电流命令值Id^＊从d轴电流命令值计算部40输入到电流命令值限制部20。

电流命令值限制部20基于温度估计部751和752的估计温度Tm1和Tm2设定用于电流命令值的电流限制值。具体地，电流限制值被设定为随着估计温度Tm1和Tm2中的较高的一个变得越高而越小。当电流命令值Id^＊和Iq^＊超过电流限制值时，这些值被校正成小于电流限制值的电流命令值Id^＊＊和Iq^＊＊。在校正之后的电流命令值（即校正的电流命令值Id^＊＊和Iq^＊＊）分别提供给用于第一供电系统301和第二供电系统302的控制部301和302。当电流命令值Id^＊和Iq^＊没有超过电流限制值时，在没有校正的情况下将这些值分别提供给用于第一供电系统301和第二供电系统302的控制部301和302。

如在下面所描述，独立地针对每个供电系统执行电流反馈控制。在第一供电系统中，三相至二相转换部251基于从旋转角度传感器85反馈的旋转角度θ将由电流检测器701所检测的三相电流Iu1、Iv1和Iw1转换成d轴电流检测值Id1和q轴电流检测值Iq1。

控制部301输入有校正的命令值Id^＊＊和检测值Id1之间的d轴电流差值和校正的命令值Iq^＊＊和检测值Iq1之间的q轴电流差值。控制部301计算电压命令值Vd1和Vq1以将这些差值收敛于零。控制部301通过例如使用比例增益和积分增益执行PI（比例和积分）控制计算来计算电压命令值Vd1和Vq1。

二相至三相转换部351基于从旋转角度传感器85反馈的旋转角度θ将二相电压命令值Vd1和Vq1转换成三相电压命令值Vu1、Vv1和Vw1。第一逆变器601根据三相电压命令值Vu1、Vv1和Vw1将相电流Iu1、Iv1和Iw1提供给电动机80的第一线圈组801，使得电流检测值Id1和Iq1分别跟随电流命令值Id^＊＊和Iq^＊＊。

在第二供电系统中，三相至二相转换部252、第二控制部302和第二二相至三相转换部352除下述点之外类似于第一供电系统的那些部分进行配置。即，如在图5A和5B中示出，第二供电系统与第一供电系统的不同之处在于，在图5A中示出的第一供电系统的三相电压命令值Vu1、Vv1和Vw1的波形和在图5B中示出的第二供电系统的三相电压命令值Vu2、Vv2和Vw2的波形具有相同的幅度A，但是彼此间移动30°的电角度。该特征由电动机80的上面描述的配置来提供。因此，反馈给第二系统的二相至三相转换部352和三相至二相转换部252的电角度为θ+30°。

第一供电系统的电压命令值Vd1和Vq1通过d轴电流命令值计算部401反馈给d轴电流命令值计算部40。第二供电系统的电压命令值Vd2和Vq2通过第二供电系统的d轴电流命令值计算部402反馈给d轴电流命令计算部40。如上面所描述，在高旋转速度范围内，d轴电流命令值计算部40基于反馈的电压命令值Vd和Vq将d轴电流命令值Id^＊输出给电流命令值限制部20。通过如此反馈电压命令值Vd和Vq，调节d轴电流命令值Id^＊并且实现“弱磁场控制”。

下面描述温度估计部751和752。第一系统的温度估计部751基于由电流检测器701检测的相电流检测值Iu1、Iv1和Iw1的积分值计算第一逆变器601或线圈组801的估计温度Tm1。第二供电系统的温度估计部752基于由电流检测器702检测的相电流检测值Iu2、Iv2和Iw2的积分值计算第二逆变器602或线圈组802的第二估计温度Tm2。

可以如下作为示例计算估计温度。以Q[J]=RI²[W]×t[s]×η计算发热量Q，其中R、I、t和η分别为电阻、电流、供电周期和热效率。因此，发热量Q通过关于从供电开始起的时间对相电流检测值Iu、Iv和Iw积分来计算。基于逆变器601、602和线圈组801、802的比热和传热系数等将发热量Q转换成温度上升。当前温度通过将该温度上升与在开始供电的时刻所检测的温度相加来进行估计。

估计温度Tm1和Tm2被反馈给电流命令值限制部20。电流命令值限制部20将电流限制值设定成随着估计温度Tm1和Tm2中的较高的一个变得越高而越小，由此阻止逆变器601、602和线圈组801、802过热。

根据上面所描述的当前实施例的ECU10，第一逆变器601和第二逆变器602响应于控制部65的电压命令值将三相电压提供给线圈组801和802，三相电压的幅度A相同但是彼此间移动30°的电角度。因此抑制电动机80的转矩脉动。结果，电动转向系统1可以提供给驾驶员良好的转向操作感。

本实施例的ECU10包括温度估计部751和752，这些温度估计部单独地基于由电流检测器701和702所检测的相电流Iu、Iv和Iw的积分值计算估计温度Tm1和Tm2。估计温度Tm1和Tm2被反馈给电流命令值限制部20。电流命令值限制部20将电流限制值设定为电流命令值Id和Iq的限制值。当电流命令值Id^＊和Iq^＊超过电流命令值时，这些值被校正为小于电流限制值的校正的电流命令值Iq^＊＊和Id^＊＊。因此，保护逆变器601、602和线圈组801、802免于过热，从而保护ECU10和电动机80。

在该情况下，甚至当仅系统（例如，第一供电系统）的估计低温度Tm1高于另一系统（第二供电系统）的估计温度时，也共同地将电流命令值Id^＊＊和Iq^＊＊两者都提供给第一供电系统和第二供电系统两者。类似地，限制从逆变器601、602提供给线圈组801、802的功率。因此，在不增加在功率差之间引起的转矩脉动的情况下，最佳地设定电流命令值Id^＊＊和Iq^＊＊使得保护逆变器601、602和线圈组801和802免于过热。

（其他实施例）

（a）在图3A至3D中，例示出电动机80使得第二线圈组802相对于第一线圈组801关于电角度超前+30°的相位差。然而，第二线圈组802可以相对于第一线圈组801关于电角度滞后-30°的相位差。第二线圈组802的U相的相位可以相对于第一线圈组801的V相或W相关于电角度而相位相差±90°或±150°（即±30°）（相对于U相相差±120°）。这表示提供给第一线圈组801和第二线圈组802的相电流可以被设定成具有彼此间（30±60×n）°的相位差，其中“n”为整数。

（b）在上面描述的实施例中，设置温度估计部751和752来基于由电流检测器701和702所检测的相电流值的积分值来计算逆变器601和602或线圈组801和802的估计温度Tm1和Tm2。电流命令值限制部20基于估计温度Tm1和Tm2设定电流限制值，由此来防止过热。作为其他实施例，在没有设置温度估计部751和752的情况下，电流命令值限制部20可以基于不同于根据相电流检测值计算的估计温度的其他物理量（诸如电能、发热量）来设定电流限制值。由于相电流检测值本身与逆变器和线圈组的温度相关，因此可以基于根据相电流检测值计算的物理量来设定电流限制值以防止过热。

（c）ECU10可以不同地进行配置。例如，开关器件可以为不同于MOSFET的场效应晶体管和IGBT（绝缘栅双极晶体管）等。

（d）三相回转机械的控制装置不限制于电动转向系统的电动机控制装置，而是可以用作用于其他三相电动机或发电机的控制装置。

对于上面描述的控制装置的其他的修改和替选方案是可能的，并且控制装置不限制于这些实施例，而是可以以多种实施例来实施。

Claims

1.一种用于三相回转机械(80)的控制装置，所述三相回转机械(80)具有两个线圈组(801、802)，每个所述线圈组由三相线圈(811至813，821至823)构成，所述控制装置包括：

为所述两个线圈组设置的两个电力变换器(601、602)，用以分别对所述两个线圈组供以交流功率电压，所述交流功率电压具有相同的幅度和彼此间相差(30±60×n)°相位的不同相位，其中“n”是整数；

电流检测器(701、702)，用于分别检测从所述两个电力变换器提供到所述两个线圈组的相电流；和

控制电路(65)，包括为所述两个电力变换器共同设置的用于将电流命令值输出给所述两个电力变换器的电流命令值计算部(15)和为所述两个电力变换器共同设置的用于设定所述电流命令值的上限值的电流命令值限制部(20)，所述控制电路通过分别将所述电流检测器的相电流检测值反馈给所述电流命令值来控制所述两个电力变换器，

其中所述电流命令值限制部(20)基于根据所述电流检测器所检测的所述相电流检测值而计算的预设物理量来共同为所述两个电力变换器设定所述电流限制值，

其中：

所述控制电路(65)还包括温度估计部，所述温度估计部用于基于由所述电流检测器检测的所述相电流检测值的积分值来估计所述线圈组或者所述电力变换器的温度；并且

所述电流命令值限制部(20)基于所述温度估计部的估计温度设定所述电流限制值。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中：

所述电流命令值限制部(20)基于所述温度估计部的估计温度中较大的一个来设定所述电流限制值。