CN104335476B - 电动机的控制装置以及电动机的控制方法 - Google Patents

Abstract

电动机的控制装置具备：电动机常数生成部，将温度作为参数而生成电动机常数；电流控制部，基于电动机常数以及转矩指令值生成对电动机的电流指令值，执行以依据所生成的电流指令值的方式控制对电动机的施加电压的电流控制模式；电压相位控制部，基于转矩运算式算出电动机的转矩估计值，基于转矩估计值和转矩指令值之间的偏差，执行对电压相位进行反馈操作的电压相位控制模式；以及控制模式切换器，在进行弱磁通量控制的高旋转区域中切换为电压相位控制模式。在转矩估计值的计算中，使用与电流控制模式中的电流指令值生成通用的电动机常数。

Description

电动机的控制装置以及电动机的控制方法

技术领域

本发明涉及将从电池供应的直流电压通过逆变器变换为交流电压而施加到交流电动机的系统的控制。

背景技术

作为交流电动机的转矩控制方法，已知控制电流的方法和控制电压的方法。作为电流控制，已知例如通过基于矢量控制的PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)控制而控制电流的PWM控制。作为电压控制，已知通过施加矩形波电压而旋转驱动交流电动机的矩形波控制。此外，作为用于实现所谓弱磁通量区域中的输出提高的控制，已知通过在矩形波电压控制中根据转矩指令值和实际转矩之间的偏差而操作电压相位，从而控制交流电动机的转矩的电压相位控制。并且，还已知具备这些控制方法作为可切换的控制模式，根据状况切换控制方法的结构。

然而，若根据控制模式而恒转矩不同，则在切换控制模式时产生所谓转矩级差，给予司机不协调感。在JP2007－159368A中，记载了用于抑制切换控制模式时的转矩级差的控制。具体而言，在电压相位控制中，进行估计转矩或者功率而反馈为电压相位指令值的控制，在电流控制中也同样进行估计转矩等而反馈为转矩指令值的控制，从而使得与控制模式无关地将恒转矩保持为一定。

发明内容

但是，在JP2007－159368A的结构中，对电流控制模式追加转矩反馈环，运算负担增加。虽然若运算周期增长则能够应对运算负担的增加，但不能避免控制性能的降低。此外，还考虑使用更高性能的运算装置，但导致成本的增大。

本发明为了解决上述课题，其目的在于，降低用于抑制切换控制模式时的转矩级差的运算负担。

一实施方式中的电动机的控制装置具备依据基于与温度对应的电动机常数和转矩指令值而生成的电流指令值的电流控制模式、和根据基于转矩运算式的转矩估计值和转矩指令值之间的偏差而对电压相位进行反馈操作的电压相位控制模式，在进行弱磁通量控制那样的高旋转区域中，选择电压相位控制模式。在用于电压相位控制模式中的转矩估计的转矩运算式中，使用与用于电流控制模式中的电流指令值生成的电动机常数相同的电动机常数。

以下与添付的附图一同详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。

附图说明

图1是第一实施方式的电动机控制的控制框图。

图2是第二实施方式的电动机控制的控制框图。

图3是第三实施方式的电动机控制的控制框图。

图4是第四实施方式的电动机控制的控制框图。

图5是第一～第四实施方式中通用的控制例程的流程图。

具体实施方式

以下基于附图说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

图1是第一实施方式中的电动机控制的控制框图。该控制按照后述的流程图而被执行。

在本控制中，根据电动机的运行状态切换电流控制模式和电压相位控制模式而执行。电流控制模式是依据基于与电动机9的磁铁温度对应的电动机常数和转矩指令值的电流指令值的控制模式。电压相位控制模式是根据基于转矩运算式的转矩估计值和转矩指令值之间的偏差对电压相位进行转矩反馈操作的控制模式。并且，在进行弱磁通量控制那样的高旋转区域中切换为电压相位控制模式。

图1的电流控制部100包括电流指令生成部1、干扰电压生成部2以及电流矢量控制器3，如后述那样生成电流控制模式用的dq轴电压指令值v_di ^*、v_qi ^*。图1的电压相位控制部200包括转矩运算器14、转矩控制器15、以及dq轴电压生成部16，如后述那样生成电压相位控制模式用的dq轴电压指令值v_dv ^*、v_qv ^*。

电动机常数生成部18存储预先生成的电动机9的磁特性表，基于规定的磁铁温度tmp和dq轴电流检测值i_d、i_q，输出在电流控制模式以及电压相位控制模式的任一个中均使用的磁铁磁通量值Φ_{a_tmp}以及d轴电感(Inductance)和q轴电感的差即dq轴电感差(Ld－Lq)_tmp。

另外，规定的磁铁温度tmp在可检测磁铁温度的情况下设为检测温度。其中，例如作为性能保证温度，也可以固定为25℃。

说明电流控制部100。

电流指令生成部1与公知的电流控制模式相同地，被输入转矩指令值T*、磁铁磁通量值Φ_{a_tmp}、以及dq轴电感差(Ld－Lq)_tmp而输出dq轴电流指令值i_d ^*、i_q ^*。

干扰电压生成部2基于dq轴电流指令值i_d ^*、i_q ^*，生成dq轴干扰电压v_d ^* _{_dcpl}、v_q ^* _{_dcpl}。

电流矢量控制器3被输入dq轴电流指令值i_d ^*、i_q ^*和dq轴干扰电压v_d ^* _{_dcpl}、v_q ^* _{_dcpl}，进行公知的非干扰控制以及电流反馈控制的矢量电流控制，输出电流控制模式用的dq轴电压指令值v_di ^*、v_qi ^*。

说明电压相位控制部200。

转矩运算器14被输入磁铁磁通量值Φ_{a_tmp}、dq轴电感差(Ld－Lq)_tmp、以及dq轴电流检测值i_d、i_q，通过式(1)算出电动机9的转矩估计值T_cal。另外，式(1)的p是电动机9的极对数。

[数1]

T_cal＝p{Φ_{a_tmp}+(L_d-L_q)_tmp·i_d}i_q… (1)

转矩控制器15被输入转矩指令值T^*和估计转矩T_cal的差分，通过式(2)被PI放大的值作为电压相位指令值α^*而被输出。另外，式(2)的Kp是比例增益，Ki是积分增益。

[数2]

dq轴电压生成部16被输入电压相位指令值α^*，通过式(3)算出并输出电压相位控制模式用的dq轴电压指令值v_dv ^*、v_qv ^*。式(3)的V_dc是由直流电压传感器19检测到的电池电压检测值，M^*是调制率指令值。

[数3]

如上述，通过电流控制部100生成电流控制模式用的dq轴电压指令值v_di ^*、v_qi ^*，通过电压相位控制部200生成电压相位控制模式用的dq轴电压指令值v_dv ^*、v_qv ^*。控制模式切换器17根据所选择的控制模式，选择输出任一方的指令值。

以下，说明任一个控制模式中都通用的控制。

dq轴/UVW相变换器4基于由位置检测器10检测到的电动机9的转子的电角θ，将dq轴电压指令值v_d ^*、v_q ^*通过式(4)变换为三相交流电压指令值v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*而输出。

[数4]

PWM变换器5进行期限补偿或电压利用率提高处理这样的公知的处理，且生成与三相交流指令值v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*对应的逆变器6的功率(power)元件驱动信号D_uu ^*、D_ul ^*、D_vu ^*、D_vl ^*、D_wu ^*、D_wl ^*。

电池7被连接到逆变器6，电池电压V_dc通过直流电压传感器19被检测。逆变器6基于功率元件驱动信号D_uu ^*、D_ul ^*、D_vu ^*、D_vl ^*、D_wu ^*、D_wl ^*，将电池电压变换为疑似正弦波电压v_u、v_v、v_w而输出。

对电动机9施加疑似正弦波电压v_u、v_v、v_w。电流检测器8检测流过电动机9的各相的电流之中的U相电流i_u和V相电流i_v。未检测的W相电流i_w通过式(5)求得。

[数5]

i_w＝-i_u-i_v…(5)

UVW相/dq轴变换器12基于由位置检测器10检测到的电动机9的转子的电角θ，通过式(6)，将UVW相电流i_u、i_v、i_w变换为dq轴电流检测值i_d、i_q。

[数6]

旋转数运算器11根据电角θ的每单位时间的变化量，算出并输出电动机9的旋转速度N。

说明上述的结构的作用、效果。

由于电动机9的转矩是磁通量矢量和电流矢量的向量积，所以若磁铁温度变化，则转矩的绝对值变动。相对于在电流控制模式中将电流控制为一定，在电压相位控制模式中不控制电流。因此，根据控制模式，对磁铁温度的变化的转矩的灵敏度不同。

但是，在电压相位控制模式中，由于也设为使用与电流控制模式中的电流指令值生成相同的电动机常数(磁铁磁通量值Φ_{a_tmp}以及dq轴电感差(Ld－Lq)_tmp)来估计转矩并反馈的结构，所以能够将转矩的灵敏度与电流控制模式接近为等同。由此，降低电流控制模式和电压相位控制模式中的恒转矩的差，在切换控制模式时，能够防止司机感觉到基于转矩级差的不协调感。此外，在电流控制模式中，由于不执行转矩反馈控制，所以能够降低运算负担。

由于使用电动机9的电流检测值计算电动机常数，所以能够生成与电动机电感的电流依赖特性对应的电动机常数，转矩控制的精度提高。此外，由于使用磁铁温度计算电动机常数，所以能够抑制基于温度变化的转矩变化。

(第二实施方式)

图2是第二实施方式中的电动机控制的控制框图。该控制按照后述的流程图而被执行。

在本实施方式中，将磁铁温度tmp设为固定值(25℃)，代替电动机常数生成部18而具备电感生成部13。此外，由此，电流控制部100和电压相位控制部200的运算内容与第一实施方式不同。以下，说明与第一实施方式的不同点。另外，25℃是在将磁铁温度tmp设为固定值时，基于性能保证温度或动作环境温度等设定的温度，但不限于此。

说明电流控制部100。

电流指令生成部1被输入转矩指令值T^*、旋转速度N、以及电池电压V_dc，参照通过预先实验或计算而生成的表，生成并输出tmp＝25℃的情况下的dq轴电流指令值i_d ^*、i_q ^*。干扰电压生成部2也同样地被输入转矩指令值T^*、旋转速度N、以及电池电压V_dc，参照通过预先实验或计算而生成的表，生成并输出tmp＝25℃的情况下的dq轴干扰电压值v_d ^* _{_dcpl}、v_q ^* _{_dcpl}。通过这样进行表参照，从而减轻运算负担。

说明电压相位控制部200。

对转矩运算器14输入预先存储的tmp＝25℃下的磁铁磁通量Φ_{a_25℃}、和同样在tmp＝25℃下的dq轴电感差(Ld－Lq)_25℃，使用这些常数通过式(7)算出基于dq轴电流的估计转矩。

[数7]

T_cal＝p{Φ_a25℃+(L_d-L_q)_25℃·i_d}i_q… (7)

电感生成部13被输入转矩指令值T^*、旋转速度N、以及电池电压V_dc，参照通过预先实验或计算而生成的表，生成并输出dq轴电感差(Ld－Lq)_25℃。

说明上述的结构的作用、效果。

由于电流控制模式和电压相位控制模式都以特定的温度条件(tmp＝25℃)作为前提，所以若磁铁温度从该前提条件偏离，则实际的转矩输出变得从指令值偏离。但是，由于两控制模式的对于温度变化的转矩变化的灵敏度等同，所以能够降低切换控制模式时的转矩级差。

此外，电感生成部13使用电动机9的转矩指令值T^*生成电动机常数。由于电动机9的转矩依赖于电流，所以能够生成与电动机电感的电流依赖性对应的电动机常数，转矩控制的精度提高。

(第三实施方式)

图3是第三实施方式中的电动机控制的控制框图。该控制按照后述的流程图而被执行。

以下，说明与第二实施方式的不同点。

电流指令生成部1以及干扰电压生成部2被输入转矩指令值T^*、旋转速度N、以及电池电压V_dc，参照通过预先实验或计算而生成的表，生成并输出tmp＝25℃的情况下的dq轴电流指令值i_d＊、i_q＊以及dq轴干扰电压值v_d ^* _{_dcpl}、v_q ^* _{_dcpl}。其中，作为生成表的前提，使电动机施加电压的饱和区域、即弱磁通量区域中的调制率M^*与在通过dq轴电压生成部16根据电压相位指令值α^*算出电压相位控制模式用的dq轴电压指令值v_dv ^*、v_qv ^*时的调制率M^*相同。

电感生成部13根据作为电流指令生成部1的输入的转矩指令值T^*和作为输出的电流指令值i_d ^*、i_q ^*的关系，通过式(8)，算出并输出dq轴电感差(Ld－Lq)_25℃。

[数8]

也就是说，使用在电流指令生成部1中存储的表来算出电感差(Ld－Lq)25℃。在电流指令生成部1中存储的表由于本质上表示转矩、电流、磁通量信息的关系，所以能够这样用于电感差(Ld－Lq)_25℃的生成。

在本实施方式中，如上述那样在电流指令生成部1和电感生成部13中共用表，从而能够削减用于表存储的存储器容量。

(第四实施方式)

图4是本发明的第四实施方式中的电动机控制的控制框图。该控制按照后述的流程图而被执行。

本实施方式除了电感生成部13中的电感差(Ld－Lq)_25℃的生成方法以外，与第二实施方式相同。

在第二实施方式中，电感生成部13通过对将转矩指令值T^*、电动机9的旋转速度N、以及电池电压V_dc设为指标的表进行参照，从而生成电感差(Ld－Lq)_25℃。但是，电感由于本质上依赖于电流而变化，所以在本实施方式中，通过对将dq轴电流设为指标的表进行参照而生成。由此，转矩运算器14使用参照表示预先存储的tmp＝25℃下的磁铁磁通量Φ_{a_25℃}、和预先存储的电流和电感的关系的表而得到的电感差(Ld－Lq)_25℃，估计转矩。

通过如上述那样减少参照的指标的数目，能够简化运算。

图5是表示上述的第一实施方式至第四实施方式中通用的控制例程的流程图。

在步骤S10中，取得转矩指令值T^*、dq轴电流检测值i_d、i_q、电角θ、电池电压检测值V_dc。在步骤S20中，通过控制模式切换器17，选择电压相位控制模式或电流控制模式的其中一个。在此，在进行弱磁通量控制那样的高旋转区域中选择电压相位控制模式，在这以外的区域中选择电流控制模式。

在电压相位控制模式的情况下，前进至步骤S30。在步骤S30中，通过转矩运算器14，基于规定的磁铁温度tmp算出转矩估计值T_cal。在步骤S40中，通过转矩控制器15，对转矩指令值T^*和转矩估计值T_cal的偏差进行PI放大，算出电压相位指令值α^*。在步骤S50中，通过dq轴电压生成部16，根据电压相位指令值α^*，算出dq轴电压指令值v_dv ^*、v_qv ^*。

另一方面，在电流控制模式的情况下，前进至步骤S60。在步骤S60中，通过电流指令生成部1，生成基于规定温度tmp的电流指令值i_d、i_q ^*。在步骤S70中，通过电流矢量控制器3，算出dq轴电压指令值v_di ^*、v_qi ^*。

在步骤S80中，通过控制模式切换器17，将步骤S20中选择的控制模式的dq轴电压指令值设定为电压指令值v_d、v_q。并且，通过dq轴/UVW相变换器4，将电压指令值v_d、v_q变换为三相交流电压指令v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*。

在步骤S90中，基于三相交流电压指令v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*，经由PWM变换器5以及逆变器6，将三相交流电压施加到电动机9。

通过上述的步骤S30以及S60，不对公知的电流控制模式追加新的结构就能够抑制切换控制模式时的转矩级差。

另外，不用说本发明不限定于上述的实施方式，能够在权利要求书所述的技术思想的范围内进行各种的变更。

本申请主张基于2012年3月14日对日本专利厅申请的特愿2012－057741的优先权，该申请的全部的内容通过参照被编入本说明书。

Claims (11)

1.一种电动机的控制装置，具备：

电动机常数生成部，将温度作为参数而生成电动机常数；

电流控制部，具有至少基于转矩指令值，通过参照预先准备的表而生成对电动机的电流指令值的电流生成部，执行以依据所述电流指令值的方式控制对所述电动机的施加电压的电流控制模式；

转矩运算器，使用所述电动机常数，基于转矩运算式算出电动机的转矩估计值；

电压相位控制部，基于所述转矩估计值和所述转矩指令值之间的偏差，执行对电压相位进行反馈操作的电压相位控制模式；以及

控制模式切换器，在进行弱磁通量控制的高旋转区域中切换为所述电压相位控制模式，

所述电流生成部生成在与所述转矩运算器算出转矩估计值时使用的电动机常数的温度参数相同的温度环境下的电流指令值。

2.如权利要求1所述的电动机的控制装置，

所述电流生成部基于所述电动机常数以及转矩指令值，通过参照预先准备的表而生成对电动机的电流指令值。

3.如权利要求1所述的电动机的控制装置，

所述电动机常数生成部除了所述温度之外，还将所述电动机的电流值作为参数而生成所述电动机常数。

4.如权利要求1或3所述的电动机的控制装置，

所述预先准备的表是存储了规定温度下的所述电动机的转矩和电流指令值之间的关系的第一表，所述电流生成部在所述电流控制模式中使用所述第一表生成电流指令值，

所述电动机常数生成部具备存储了规定温度下的电流值和电感值的关系的第二表，生成电动机电感值作为所述电动机常数，

所述转矩运算器在所述电压相位控制模式中，利用预先求得的所述规定温度下的磁铁磁通量值、和使用所述第二表生成的所述电动机电感值，估计所述电动机的转矩。

5.如权利要求1所述的电动机的控制装置，

所述电动机常数除了所述温度之外，还将所述电动机的转矩设为参数。

6.如权利要求1或5所述的电动机的控制装置，

所述预先准备的表是存储了规定温度下的所述电动机的转矩和电流指令值之间的关系的第一表，所述电流生成部在所述电流控制模式中使用所述第一表生成电流指令值，

所述电动机常数生成部具备存储了规定温度下的转矩指令值和电动机电感值的关系的第二表，生成所述电动机电感值作为所述电动机常数，

所述转矩运算器在所述电压相位控制模式中，利用预先求得的所述规定温度下的磁铁磁通量值、和使用所述第二表生成的所述电动机电感值，估计所述电动机的转矩。

7.如权利要求1、2或5所述的电动机的控制装置，

所述预先准备的表是存储了规定温度下的所述电动机的转矩和电流指令值之间的关系的第一表，所述电流生成部在所述电流控制模式中使用所述第一表生成电流指令值，

在所述电压相位控制模式中，所述电动机常数生成部使用所述第一表、基于作为所述第一表的输入的转矩指令值和作为输出的电流值的关系而生成作为所述电动机常数的电动机电感值，所述转矩运算器使用所生成的所述电动机电感值和预先求得的所述规定温度下的磁铁磁通量值来估计所述电动机的转矩。

8.如权利要求1至3、5的任一项所述的电动机的控制装置，

所述温度是检测到或者估计出的所述电动机的磁铁温度。

9.如权利要求4所述的电动机的控制装置，

所述温度是检测到或者估计出的所述电动机的磁铁温度。

10.如权利要求6所述的电动机的控制装置，

所述温度是检测到或者估计出的所述电动机的磁铁温度。

11.一种电动机的控制方法，具备：

至少基于转矩指令值，通过参照预先准备的表而生成对电动机的电流指令值，执行以依据所述电流指令值的方式控制对所述电动机的施加电压的电流控制模式的步骤；

使用将温度设为参数的电动机常数，基于转矩运算式算出电动机的转矩估计值，基于所述转矩估计值和所述转矩指令值之间的偏差执行对电压相位进行反馈操作的电压相位控制模式的步骤；以及

在进行弱磁通量控制的高旋转区域中切换为所述电压相位控制模式的步骤，

在所述电流指令值的生成中，生成在与算出所述转矩估计值时使用的电动机常数的温度参数相同的温度环境下的电流指令值。