CN103481941B - 电动式动力转向装置的电机驱动方法 - Google Patents

电动式动力转向装置的电机驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电动式动力转向装置的电机驱动方法。包括:三相中有某一相发生错误时,逆变器驱动部将Q轴指令在两相驱动轴上投影来生成两相驱动指令的步骤;逆变器驱动部将两相驱动指令向实际驱动轴进行坐标变换的步骤;逆变器驱动部对向实际驱动轴进行坐标变换的两相驱动指令执行比例积分控制,来算出两相驱动电压的步骤;及逆变器驱动部将两相驱动电压施加到逆变器部来驱动电机的步骤。根据本发明,电动式动力转向装置的逆变电路中,即使某一相发生错误也可以通过剩下两相来维持一定水准的辅助力,因此可以防止驾驶者感到突然的转向异质感,并可以确保车辆行驶的稳定性。

Description

电动式动力转向装置的电机驱动方法
技术领域
本发明涉及电动式动力转向装置的电机驱动方法,更详细地说是涉及电动式动力转向装置的逆变电路中,某一相发生错误时,通过剩下的两相来驱动电机来维持辅助力的电动式动力转向装置的电机驱动方法。
背景技术
一般的电动式动力转向装置(MotorDrivenPowerSteering;MDPS)是利用电机向驾驶者所转向的方向提供扭矩,来使操作变得轻便。
这种电动式动力转向装置不同于以往的液压式助力转向装置(HydraulicPowerSteering,以下称为HPS),是根据行驶条件来自动控制电机的动作来提高转向性能与转向感。
另一方面,电动式动力转向装置主要是通过驱动三相电机来提供辅助力,因此,通常会具备逆变电路来用于驱动三相电机。
此外,车辆行驶中逆变电路的某一相发生错误时,考虑到因为不适当的辅助力而妨碍到驾驶者的转向,因此电动式动力转向装置会转换为手动模式(ManualMode)。
但是,如上所述的电动式动力转向装置突然转换为手动模式时,因为突然间终止的辅助力提供而会存在有使驾驶员感到很大的转向异质感的问题。
例如,在低速弯道的情况下,电动式动力转向装置突然转换为手动模式时,驾驶者所感受到的转向感会突然变沉,倒是阻碍到车辆的行驶稳定性,因此会存在可能发生事故的问题。
此外,为了阻断逆变电路中发生错误的某一相,需要使用继电器及电容器,因此存在有成本上升的问题。
发明内容
(要解决的技术问题)
本发明是为了改善上述的问题而创出的,本发明的目的在于提供电动式动力转向装置的电机驱动方法,在电动式动力转向装置的逆变电路中,某一相发生错误时,通过剩下的两相来维持辅助力,从而防止驾驶者感受到转向异质感,并确保车辆的行驶稳定性。
(解决问题的手段)
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,包括:三相中有某一相发生错误时,逆变器驱动部通过所述三相中没有发生错误的剩下的两相来决定的两相驱动轴上投影Q轴指令,来生成两相驱动指令的步骤;所述逆变器驱动部将所述两相驱动指令向实际驱动轴进行坐标变换的步骤;所述逆变器驱动部对向所述实际驱动轴进行坐标变换的两相驱动指令执行比例积分控制,来算出两相驱动电压的步骤;及所述逆变器驱动部将所述两相驱动电压施加到逆变器部来驱动电机的步骤,所述两相驱动指令是以D轴的旋转角为基础来决定,所述逆变器驱动部将所述两相驱动电压转换为脉冲宽度调制信号来进行施加。
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,所示算出两相驱动电压的步骤中,所述比例积分控制是由开环控制来执行。
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,所示算出两相驱动电压的步骤中,所述两相驱动电压是在执行所述比例积分控制的结果上反应上逆向电动势转向补偿而算出的。
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,所述比例积分及所述力电力转向补偿是以所述电机的两相电压方程式为依据来构成的。
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,所述驱动电机的步骤中,通过所述电机的旋转而发生的辅助力与所述三相都为正常时的辅助力的值小。
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,所述驱动电机的步骤中,所述电机的输出电流会被限制在已设定的基准值以下。
根据本发明的一侧面的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,所述电机为表面附着型永磁同步电机。
(发明的效果)
根据本发明,电动式动力转向装置的驱动三相电机的逆变电路中,即使某一相发生错误也可以通过剩下两相来维持一定水准的辅助力,因此可以防止驾驶者感到突然的转向异质感,并可以确保车辆行驶的稳定性。
此外,根据本发明,可以去除逆变电路中用于阻断发生错误的某一相的继电器及电容器,因此可以缩减成本。
此外,本发明具有无需额外追加的装置,仅仅通过变更软件逻辑即可实现的优点,在系统观点上,因为可以重组ISO-26262,因此可以提升电动式动力转向装置的故障安全(FailSafe)性能。
此外,本发明通过利用脉冲宽度调制方式来驱动电机,因此具有可以执行更加细致的控制的优点。
附图说明
图1是图示用于执行根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法的装置的构成框图。
图2是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法相关的逆变器部的电路构成图。
图3是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法相关的电机的图。
图4是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法的动作流程图。
图5是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中,A相发生错误时,将Q轴指令投影到两相驱动轴上的过程的例示图。
图6是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中,B相发生错误时,将Q轴指令投影到两相驱动轴上的过程的例示图。
图7是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中,C相发生错误时,将Q轴指令投影到两相驱动轴上的过程的例示图。
图8是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的Q轴与两相驱动关系的图表例示图。
图9是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的执行坐标变换的过程的例示图。
图10是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的执行比例积分控制的过程的例示图。
图11是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的限制电机输出的例示图。
(附图标记说明)
100:逆变器驱动部
110:两相驱动指令生成部
120:坐标变换部
130:比例积分控制部
140:脉冲宽度调制变换部
200:逆变器部
300:电机
具体实施方式
下面参照附图对根据本发明的电动式动力转向装置的电机驱动方法进行详细地说明。在此过程中,附图中所示的线条的厚度或构成元件的大小等,为了说明上的明确性和便利而可能会放大图示。此外,后述的术语是考虑到本发明中的功能而定义的术语,其可以根据用户、操作者的意图或惯例而不同。因此,针对该术语的定义应当基于本说明书全文的内容而确定。
图1是图示用于执行根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法的装置的构成框图,图2是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法相关的逆变器部的电路构成图。此外,图3是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法相关的电机的图。
图1所示,用于执行根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法的装置,包括:逆变器驱动部100、逆变器部200及电机300。
通常,电动式动力转向装置,通过从转向角传感器(未图示)、扭矩传感器(未图示)及车速传感器(未图示)输入的转向角、转向扭矩及车速为基础来算出辅助扭矩,并根据算出的辅助扭矩,由驱动电机300来提供辅助力。
正常条件下驱动电机300时,逆变器驱动部100会以D轴指令及Q轴指令为基础,生成三相驱动指令,依此来将三相驱动电压施加到逆变器部200来驱动电机300。
但是,三相中某一相发生错误时,根据本发明的逆变器驱动部100会仅以Q轴指令为基础来生成两相驱动指令,对于生成的两相驱动质量执行坐标变换及比例积分控制(ProportionalIntergralControl;PIControl)来算出两相驱动电压。
之后,逆变器驱动部100将两相驱动电压变换为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation;PWM)信号并施加到逆变器部200。
即,逆变器驱动部100,即使在三项中某一相发生错误,也不会终止提供辅助力,而是会通过剩下的两相来驱动电机300来维持一定水准的辅助力。
这种逆变器驱动部100,包括:两相驱动指令生成部110将Q轴指令投影到两相驱动轴上来生成两相驱动指令;坐标变换部120,将两相驱动指令向实际驱动轴进行坐标变换;比例积分控制部130,对坐标变换的两相驱动指令执行比例积分控制来算出两相驱动电压;及脉冲宽度调制变换部140,将两相驱动电压变换为脉冲宽度调制信号。
如上所述的逆变器驱动部100以Q轴指令为基础生成两相驱动指令,并利用其来算出两相驱动电压的具体过程会通过参照图4至图11进行后述。
逆变器部200根据从逆变器驱动部100施加的两相驱动电压来驱动电机300。
如图2所示,逆变器部200可以包括:总共六个开关设备(SA、SB、SC),分别各有两个连接于电机300的A相、B相、C相上。
这种开关设备可以为IGBT(InsulatedGateBipolarModeTransistor,绝缘栅双极型晶体管)、FET(FieldEffectTransistor,场效应晶体管)、BJT(BipolarJunctionTransistor,双极型晶体管)、SCR(Silicon-controlledrectifier,可控硅整流器)等的多种开关设备。
电机300根据从逆变器部200施加的两相驱动电压来发生旋转力。
这种电机300,如图3a所示,可以附着于电动式动力转向装置的柱(Column)上,如图3b所示,可以附着于电动式动力转向装置的机架(Rack)上。
即,根据本发明的电动式动力转向装置的电机驱动方法可以适用于,电机300安装于柱(Column)上来提供辅助力的柱型电动式动力转向装置(ColumnMotorDrivenPowerSteering;CMDPS)及电机300安装于机架(Rack)上来提供辅助力的机架型电动式动力转向装置(RackMotorDrivenPowerSteering;RMDPS)。
图4是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法的动作流程图。
图5是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中,A相发生错误时,将Q轴指令投影到两相驱动轴上的过程的例示图,图6是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中,B相发生错误时,将Q轴指令投影到两相驱动轴上的过程的例示图,图7是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中,C相发生错误时,将Q轴指令投影到两相驱动轴上的过程的例示图。
如图4所示,逆变器驱动部100会确认三项中是否有某一相发生错误(S10)。
如果,逆变器部200中具备的开关设备中有一个以上的开关设备发生破损而导致三相中的某一相发生错误时,逆变器驱动部100的两相驱动指令生成部110会将Q轴指令投影(projection)到两相驱动轴上来生成两相驱动指令(S20)。
此处,两相驱动轴是指三项中没有发生错误的剩下的两个相而构成的轴,因为由两相实现的新的两相驱动轴会限制为一个,因此两相驱动指令生成部110仅会使用Q轴指令来生成两相驱动指令。
例如,如图5所示,A相上发生错误时,两相驱动指令生成部110会将Q轴指令投影到由B相与C相而成的两相驱动轴上来生成两相驱动指令IA-1_ref、IA-2_ref。此时,图5中θ是指D轴的旋转角,本发明中将逆时针方向的旋转假设为正的方向。
图5a中图示了D轴的旋转角为0°<θ≤90°或270°<θ≤360°时的两相驱动指令IA-1_ref,图5b中图示了D轴的旋转角为90°<θ≤270°时的两相驱动指令IA-2_ref
如下所示的数学式1为,A相上发生错误时,数学化生成的两相驱动指令IA-1_ref、IA-2_ref的结果。此时,Iq_ref是指Q轴指令。
【数学式1】
I A - 1 _ ref = I q _ ref cos ( &theta; ) , I A - 2 _ ref = I q _ ref cos ( &theta; - 180 )
同理,驱动指令生成部110在B相或C相上发生错误时,也可以使用相同的方式来生成两相驱动指令。
首先,如图6所示,B相上发生错误时,两相驱动指令生成部110会将Q轴指令投影到由A相与C相而成的两相驱动轴上来生成两相驱动指令IB-1_ref、IB-2_ref
图6a中图示了D轴的旋转角为0°<θ≤30°或210°<θ≤360°时的两相驱动指令IB-1_ref,图6b中图示了D轴的旋转角为30°<θ≤210°时的两相驱动指令IB-2_ref
如下所示的数学式2为,B相上发生错误时,数学化生成的两相驱动指令IB-1_ref、IB-2_ref的结果。
【数学式2】
I B - 1 _ ref = I q _ ref cos ( &theta; - 300 ) , I B - 2 _ ref = I q _ ref cos ( &theta; - 120 )
之后,如图7所示,C相上发生错误时,两相驱动指令生成部110会将Q轴指令投影到由A相与B相而成的两相驱动轴上来生成两相驱动指令IC-1_ref、IC-2_ref
图7a中图示了D轴的旋转角为0°<θ≤150°或330°<θ≤360°时的两相驱动指令IC-1_ref,图7b中图示了D轴的旋转角为150°<θ≤330°时的两相驱动指令IC-2_ref
如下所示的数学式3为,C相上发生错误时,数学化生成的两相驱动指令IB-1_ref、IB-2_ref的结果。
【数学式3】
I C - 1 _ ref = I q _ ref cos ( &theta; - 60 ) , I C - 2 _ ref = I q _ ref cos ( &theta; - 240 )
如下表1为整理了如上所述的各相上发生错误时生成的两相驱动指令的结果。
【表1】
图8是图示根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的Q轴与两相驱动关系的图表例示图,图9是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的执行坐标变换的过程的例示图。
图10是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的执行比例积分控制的过程的例示图,图11是为了说明根据本发明的一实施例的电动式动力转向装置的电机驱动方法中的限制电机输出的例示图。
另一方面,Q轴指令与两相驱动的关系如下表2所示,图8中图示了这种关系的图表。
参照图8,两相驱动时在已有的六个开关设备中由少了一相的四个开关设备来实现,根据各个开关设备的开、关组合可以由(0,0)→(1,0)→(1,1)→(0,1)构成。
【表2】
再参照图4,生成对于两相驱动轴的两相驱动指令后,逆变器驱动部100的坐标变换部120会将两相驱动指令向实际驱动轴进行坐标变换(S30)。
例如,如图9所示,A相发生错误时,坐标转变部120会将对于两相驱动轴的两相驱动指令IA-1_ref、IA-2_ref变换为对于实际驱动轴B相与C相的指令IB_ref、IC_ref
同理,B相发生错误时,坐标转变部120会将对于两相驱动轴的两相驱动指令IB-1_ref、IB-2_ref变换为对于实际驱动轴A相与C相的指令IA_ref、IC_ref;C相发生错误时,坐标转变部120会将对于两相驱动轴的两相驱动指令IC-1_ref、IC-2_ref变换为对于实际驱动轴A相与B相的指令IA_ref、IB_ref
之后,逆变器驱动部100的比例积分控制部130会对向实际驱动轴坐标变换的两相驱动指令执行如下数学式4所示的比例积分控制(PIcontrol)来算出两相驱动电压(S40)。
【数学式4】
I A _ ref , I B _ ref , I C _ ref &RightArrow; K p _ A , B , C + K i _ A , B , C S &RightArrow; V A , V B , V C
(a) I B _ ref , I C _ ref &RightArrow; K p _ B , C + K i _ B , C S &RightArrow; V B , V C
(b) I A _ ref , I C _ ref &RightArrow; K p _ A , C + K i _ A , C S &RightArrow; V A , V C
(c) I A _ ref , I B _ ref &RightArrow; K p _ A , B + K i _ A , B S &RightArrow; V A , V B
此处,IA_ref、IB_ref或IC_ref是指向实际驱动轴坐标变换的两相驱动指令,VA、VB、VC是指施加到各相上的驱动电压。此外,Kp_A,B,C是指比例控制增益,Ki_A,B,C是指积分控制增益。
此外,数学式4中的(a)、(b)、(c)分别是表示A相、B相及C相上发生错误时的数学式。
此时,比例积分控制是由开环(openloop)控制来执行,其理由为两相驱动会被限制为无法提供足够反馈控制的扭矩。
综上所述,比例积分控制部130是以对于实际驱动轴的两相驱动指令为基础,来算出对于实际驱动轴的两相驱动电压,此时,可以反应逆向电动势转向补偿,来算出最终的两相驱动电压。
另一方面,电机300假设为表面附着型永磁同步电机(SurfaceMountedPermanentMagnetSynchronousMotor;SPMSM)时,电机300的两相驱动时,电机300的两相电压支配方式如下数学式5所示。
【数学式5】
V as , bs = R s I as , bs + d &lambda; as , bs dt
此处,Vas,bs是指两相电压,Ias,bs是指两相电流,λas,bs是指两相联动磁通量。
详细解开上述数学式5,会得到如下数学式6所示的结果。
【数学式6】
V as V bs = [ R s ] &CenterDot; I as I bs + L ls + L A - 1 2 L A - 1 2 L A L ls + L A &CenterDot; I as I bs - &omega; r &phi; f sin ( &theta; r ) &omega; r &OverBar; &phi; f sin ( &theta; r - 2 3 &pi; )
此处,φf是指同步电机中,转子的磁铁向定子一相的磁通量,wr是指转子的坐标系上的旋转角速度(θr的微分值,逆时针方向为正值)。
如果,A相发生错误时,0°<θ≤90°或270°<θ≤360°区间中,两相电压支配方程式如下数学式7所示的方式算出,90°<θ≤270°区间中,两相电压支配方程式如下数学式8所示的方式算出。
B相及C相上发生错误时,也可以用相同的方式算出两相电压直飞方程式。
【数学式7】
V as V bs = [ R s ] &CenterDot; - cos 30 cos 30 &CenterDot; [ I A - 1 ] + L ls + L A - 1 2 L A - 1 2 L A L ls + L A &CenterDot; - cos 30 cos 30 &CenterDot; [ I A - 1 ] - &omega; r &phi; f sin ( &theta; r - 2 3 &pi; ) &omega; r &OverBar; &phi; f sin ( &theta; r + 2 3 &pi; )
【数学式8】
V as V bs = [ R s ] &CenterDot; cos 30 - cos 30 &CenterDot; [ I A - 2 ] + L ls + L A - 1 2 L A - 1 2 L A L ls + L A &CenterDot; - cos 30 cos 30 &CenterDot; [ I A - 2 ] - &omega; r &phi; f sin ( &theta; r - 2 3 &pi; ) &omega; r &OverBar; &phi; f sin ( &theta; r + 2 3 &pi; )
即,比例积分控制部130会执行比例积分控制来实现如上所述的两相电压支配方程式。
例如,图10的(a)、(b)、(c)中图示了A相、B相、C相上发生错误时,从两相驱动轴的两相驱动指令上执行比例积分控制,来生成最终的两相驱动电压(VB、VC或VA、VC或VA、VB)的过程与数学式。
之后,逆变器驱动部100的脉冲宽度调制变换部140会将通过比例积分控制部130算出的两相驱动电压变换为脉冲宽度调制(PWM)信号(S50),并将变换的脉冲宽度调制信号施加到逆变器部200上(S60)。
如上所述,利用脉冲宽度调制方式时,具有可以利用电压为“0”的区间来进行细致的控制的优点。
另一方面,图11a图示了三相都正常时的电机300的输出电流,图11b图示了三项中某一相发生错误而执行两相驱动时的电机300的输出电流。
如图11b所示,逆变器驱动部100将脉冲宽度调制信号施加到逆变器部200时,电机300的输出电流可以限制在已设定的基准值以下。
因此,三相中某一相发生错误时,也可以向驾驶者提供不会感到转向异质感的适当水准的辅助力。
如上所述,根据本发明,电动式动力转向装置的驱动三相电机的逆变电路中,即使某一相发生错误也可以通过剩下两相来维持一定水准的辅助力,因此可以防止驾驶者感到突然的转向异质感,并可以确保车辆行驶的稳定性。
此外,根据本发明,可以去除逆变电路中用于阻断发生错误的某一相的继电器及电容器,因此可以缩减成本,并且通过利用脉冲宽度调制方式来驱动电机,因此具有可以执行更加细致的控制的优点。
此外,本发明具有无需额外追加的装置,仅仅通过变更软件逻辑即可实现的优点,在系统观点上,因为可以重组ISO-26262,因此可以提升电动式动力转向装置的故障安全(FailSafe)性能。
以上参照附图中所示的实施例对本发明进行了说明,但这仅仅是例示性的实施例,本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解,能够从中实现多种变形及等同的其他实施例。

Claims (7)

1.一种电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,包括:
三相中有某一相发生错误时,逆变器驱动部通过所述三相中没有发生错误的剩下的两相来决定的两相驱动轴上投影Q轴指令,来生成两相驱动指令的步骤;
所述逆变器驱动部将所述两相驱动指令向实际驱动轴进行坐标变换的步骤;
所述逆变器驱动部对向所述实际驱动轴进行坐标变换的两相驱动指令执行比例积分控制,来算出两相驱动电压的步骤;及
所述逆变器驱动部将所述两相驱动电压施加到逆变器部来驱动电机的步骤,
所述两相驱动指令是以D轴的旋转角为基础来决定,
所述逆变器驱动部将所述两相驱动电压转换为脉冲宽度调制信号来进行施加。
2.根据权利要求1所述的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,
所述算出两相驱动电压的步骤中,所述比例积分控制是由开环控制来执行。
3.根据权利要求1所述的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,
所述算出两相驱动电压的步骤中,所述两相驱动电压是在执行所述比例积分控制的结果上反应逆向电动势转向补偿而算出的。
4.根据权利要求3所述的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,
所述比例积分控制及所述逆向电动势转向补偿是以所述电机的两相电压方程式为依据来实现的。
5.根据权利要求1所述的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,
所述驱动电机的步骤中,通过所述电机的旋转而发生的辅助力比所述三相都为正常时的辅助力的值小。
6.根据权利要求1所述的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,
所述驱动电机的步骤中,所述电机的输出电流会被限制在已设定的基准值以下。
7.根据权利要求1所述的电动式动力转向装置的电机驱动方法,其特征在于,
所述电机为表面附着型永磁同步电机。
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