CN104838584B - 电机控制装置以及电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电机控制装置包括：开关元件，控制电机；电流控制单元，输出用于驱动开关元件的PWM信号；以及设定单元，设定PWM信号的载波频率。而且电机控制装置还包括扭矩脉动补偿单元，根据电机扭矩指令值、载波频率、电机的旋转状态，设定扭矩脉动补偿值。然后电流控制单元根据电机扭矩指令值和扭矩脉动补偿值输出PWM信号。

Description

电机控制装置以及电机控制方法

技术领域

本发明涉及控制车辆上安装的电动电机的电机控制装置以及电机控制方法。

背景技术

在JP2001－197765A中公开了根据电机的转速估计发生的扭矩脉动，由估计的扭矩脉动校正电机的扭矩指令值的技术。

发明内容

但是，在上述的技术中，存在当变更了PWM信号的载波频率时，由于电机中流过的控制电流、根据电机的扭矩而变化的响应延迟的特性改变，因此不能充分获得抑制扭矩脉动的效果的问题。

本发明着眼于这样的以往的问题点而完成。本发明的目的在于，无论有无PWM信号的载波频率的变更，都抑制电机中产生的扭矩脉动。

按照本发明的一个方式，电机控制装置包括：控制电机的开关元件；输出用于驱动开关元件的PWM信号的电流控制单元；以及设定PWM信号的载波频率的设定单元。而且，电机控制装置包括根据电机扭矩指令值、载波频率、和电机的旋转状态，设定扭矩脉动补偿值的扭矩脉动补偿单元。电流控制单元的特征是，根据电机扭矩指令值和扭矩脉动补偿值，输出PWM信号。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的电机控制装置的图。

图2是表示起因于电流控制延迟的扭矩脉动的相位的偏移的图。

图3是表示本实施方式中的扭矩脉动补偿单元的细节的结构图。

图4A是表示扭矩指令值和扭矩脉动的振幅的补偿系数的关系的图。

图4B是表示扭矩指令值和扭矩脉动的相位的补偿系数的关系的图。

图5是表示对应于扭矩指令值的电机的响应延迟时间的图。

图6是表示扭矩脉动补偿值的校正方法的流程图。

图7是表示校正了相位后的扭矩脉动补偿值的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的实施方式中的电机控制装置的结构图。

电机控制装置1在本实施方式中是控制车辆上安装的电动电机的装置。电机控制装置1包括：电池2；电机20；扭矩脉动补偿单元30；以及控制单元100。控制单元100包括：逆变器10；运算器41；以及电流控制单元42。

逆变器10是控制电机20的装置。逆变器10将电池2的直流电力变换为三相交流电。而且，逆变器10将由电机20的旋转力产生的再生电力(三相交流电)变换为直流电，提供给电池2。

逆变器10由多个开关元件构成。开关元件例如通过将电池2和电机20之间连接或者切断的晶体管实现。通过开关元件，可以调整提供给电机20的电力。

开关元件根据在开关元件的控制端子接受的PWM(脉冲宽度调制：pulse widthmodulation)信号切换电池2和电机20之间的连接状态。例如，开关元件在PWM信号为H(High，高)电平时将电池2和电机20之间连接。由此，控制电流从电池2提供给电机20。另一方面，在PWM信号为L(Low，低)电平时将电池2和电机20之间的连接断开。由此，停止对电机20提供的控制电流。

这样，通过逆变器10的开关元件，从电池2对电机20提供与PWM信号对应的控制电流。

电机20是驱动车辆的电动电机。电机20通过由逆变器10调整的控制电流来旋转。在电机20中设置用于检测电机的旋转状态的检测传感器21。

检测传感器21检测电机20的电角。检测传感器21例如是旋转变压器。而且，检测传感器21从每隔规定时间检测的电角计算电角速度。而且检测传感器21每隔规定时间输出表示电机20的电角和电角速度的旋转状态信息。旋转状态信息经由反馈信号线120被输入到扭矩脉动补偿单元30。

扭矩脉动补偿单元30使用来自检测传感器21的旋转状态信息计算扭矩脉动补偿值。扭矩脉动补偿值被用于补偿在电机20产生的扭矩的脉动(脉动)。扭矩脉动补偿单元30将算出的扭矩脉动补偿值输出到运算器41。

控制单元100按照从信号线110输入的扭矩指令值，控制逆变器10并驱动电机20。扭矩指令值表示在电机20应产生的扭矩值。例如，扭矩指令值从控制车辆的行驶状态的控制器(未图示)经由信号线110发送而来。

运算器41将来自扭矩脉动补偿单元30的扭矩脉动补偿值反馈给扭矩指令值。具体地说，运算器41从扭矩指令值减去扭矩脉动补偿值，将减去后所得的扭矩指令值输出到电流控制单元42。

电流控制单元42根据来自运算器41的扭矩指令值生成PWM信号。即，电流控制单元42根据扭矩指令值和扭矩脉动补偿值生成PWM信号，将该PWM信号输出到逆变器10。电流控制单元42通过PWM信号控制逆变器10的开关元件。

具体地说，在从运算器41输入扭矩指令值时，电流控制单元42根据扭矩指令值确定对电机20提供的电力。然后电流控制单元42根据确定的电力调整PWM信号的脉冲宽度。电流控制单元42将调整后的PWM信号输出到逆变器10内的开关元件的控制端子。由此，开关元件根据PWM信号高速地切换，在电机20中流过通过开关元件调整后的控制电流。

电流控制单元42包括设定单元421。设定单元421根据逆变器10的开关元件的工作状态，设定PWM信号的载波频率(以下称为‘载波频率’)。例如在开关元件的温度超过了允许上限值时，设定单元421将PWM信号的载波频率从‘基准频率’切换为比基准载波低的频率的‘低频载波’。由此，可以避免因为伴随开关元件的高速切换的发热，元件损伤的情况。

在这样的电机控制装置中，由于通过扭矩脉动补偿值校正扭矩指令值，所以可以降低电机中产生的扭矩脉动。但是，如果将PWM信号的载波频率切换为其它的频率，则电机中流过的控制电流的特性、或根据扭矩指令值变化的响应延迟的特性改变。即，在电机的控制时产生的控制延迟时间改变。

图2是表示起因于对电机的控制延迟的变化的扭矩脉动的概念图。在图2中，通过点线表示本来应在电机中产生的扭矩脉动，通过虚线表示伴随PWM信号的载波频率的变更产生了相位偏移的扭矩脉动补偿值。而且在图2中，通过实线表示从扭矩指令值减去扭矩脉动补偿值的补偿后的扭矩脉动。而且，在图2中，横轴表示时间，纵轴表示扭矩脉动的振幅。

如图2所示，在PWM信号的载波频率被变更时，扭矩脉动补偿值的相位产生偏移，不仅不能充分地得到抑制扭矩脉动的效果，扭矩脉动反而变大。因此，发明人们认识到充分地减小扭矩脉动补偿值的相位的偏移非常重要。

因此，在本实施方式中，按照PWM信号的载波频率的切换，校正扭矩脉动补偿值的相位。而且，PWM信号的载波频率以下也称为‘PWM载波频率’。

以下，说明本实施方式的细节。

设定单元421在设定PWM信号的载波频率时，将设定的载波频率经由信号线130输出到扭矩脉动补偿单元30。

在扭矩脉动补偿单元30中，除了来自反馈信号线120的旋转状态信息、来自信号线130的PWM载波频率之外，还从信号线110输入扭矩指令值。

扭矩脉动补偿单元30根据扭矩指令值、旋转状态信息和PWM载波频率，运算扭矩脉动补偿值。例如，扭矩脉动补偿单元30使用扭矩指令值和旋转状态信息，确定在电机20中产生的扭矩脉动，根据PWM载波频率校正所确定的扭矩脉动的相位。扭矩脉动补偿单元30将校正后的扭矩脉动作为扭矩脉动补偿值反馈到运算器41。

图3是表示扭矩脉动补偿单元30的细节的结构图。

扭矩脉动补偿单元30包括：扭矩脉动估计单元31；相位校正系数计算单元32；补偿值运算单元33；补偿系数保持单元311；以及校正信息保持单元321。

补偿系数保持单元311保持与扭矩指令值对应的扭矩脉动的补偿系数。在本实施方式，在补偿系数保持单元311中，对每个扭矩脉动的次数，记录补偿系数图(MAP)。补偿系数图中，对于每个扭矩指令值，将各次数n(n为正数)的振幅K_n和相位θ_n彼此相关联。而且，关于补偿系数图的细节参照图4在后叙述。

扭矩脉动估计单元31根据来自信号线110的扭矩指令值，预测在电机20中产生的扭矩脉动的振幅和相位。扭矩脉动估计单元31在接受扭矩指令值时，参照补偿系数保持单元311，对每个扭矩脉动的次数n，将与扭矩指令值对应的振幅K_n和相位θ_n的系数输出到补偿值运算单元33。

校正信息保持单元321对于每个PWM载波频率，保持对于电机20的控制延迟时间t_x。在本实施方式，在校正信息保持单元321中记录表示在基准载波下的控制延迟时间的基准载波信息、和表示在低频载波下的控制延迟时间的低频载波信息。

控制延迟时间t_x是将采样保持电路的调整延迟时间、扭矩指令值的运算延迟时间、以及电流控制的响应延迟时间累计后的时间。

采样保持电路的调整延迟时间，例如是在运算器41中用于对扭矩指令值反馈扭矩脉动补偿值的定时调整所需要的调整时间。

扭矩指令值的运算延迟时间包括：根据扭矩指令值确定对电机20提供的控制电流值的运算时间、以及直至将PWM信号的脉冲宽度设定为与控制电流值相应的值的延迟时间等。

电流控制的响应延迟时间包括：逆变器10的响应延迟时间、以及由控制电流值确定的电机20的响应延迟时间。而且，由于对每个控制电流值，在电机20中产生的电感改变，所以电机20的响应延迟时间根据控制电流值变化。因此，也可以将表示电机20的响应延迟时间和扭矩指令值之间的关系的电机响应延迟图存储在校正信息保持单元321中。关于电机响应延迟图，参照图5在后叙述。

相位校正系数计算单元32根据来自信号线130的PWM载波频率，参照校正信息保持单元321计算控制延迟时间t_x。

相位校正系数计算单元32例如在接受‘低频载波’的PWM载波频率时，获取在校正信息保持单元321的低频载波信息中表示的控制延迟时间t_x。相位校正系数计算单元32将获取的控制延迟时间t_x作为扭矩脉动的相位校正系数输出到补偿值运算单元33。

补偿值运算单元33根据来自相位校正系数计算单元32的相位校正系数t_x，运算校正了扭矩脉动的相位后的扭矩脉动补偿值。

补偿值运算单元33获取来自扭矩脉动估计单元31的各次数n的振幅K_n以及相位θ_n的补偿系数、来自相位校正系数计算单元32的相位校正系数t_x，同时从反馈信号线120获取电机20的电角θ以及电角速度ω。

补偿值运算单元33使用各次数n的振幅K_n以及相位θ_n的补偿系数、相位校正系数t_x以及电角θ以及电角速度ω，如下式(1)那样，计算n次的扭矩脉动成分T_n。

T_n＝K_n·sin{n·(ω·t_x+θ)+θ_n}……(1)

即，补偿值运算单元33对电角速度ω乘以相位校正系数t_x，将电角θ与相乘后的值(ω·t_x)相加，计算相位校正值(ω·t_x+θ)。补偿值运算单元33对相位校正值乘以次数n，将相乘后的相位校正值{n·(ω·t_x+θ)}与相位θ_n相加，计算校正后的扭矩脉动的相位{n·(ω·t_x+θ)+θ_n}。

然后，补偿值运算单元33对校正后的相位{n·(ω·t_x+θ)+θ_n}下的正弦波的值乘以振幅K_n，对每个次数计算n次的扭矩脉动成分T_n。补偿值运算单元33将全部次数的扭矩脉动成分T_n的总和作为扭矩脉动补偿值Ts输出到运算器41。

这样，补偿值运算单元33通过计算与对电机20的控制延迟时间t_x对应的扭矩脉动的相位校正值{n·(ω·t_x+θ)}，校正扭矩脉动补偿值。因此，与扭矩脉动的各成分匹配地校正相位，所以可以高精度地校正起因于控制延迟时间t_x的扭矩脉动补偿值的相位的偏移。由此，即使通过设定单元421变更PWM信号的载波频率，也可以抑制在电机20中产生的扭矩脉动。

图4A以及图4B是表示补偿系数保持单元311中保持的补偿系数图的图。图4A是表示扭矩指令值和振幅K_n的补偿系数之间的关系的图。图4B是表示扭矩指令值和相位θ_n的补偿系数之间的关系的图。

如图4A所示，在从扭矩指令值的绝对值为0(零)开始比控制范围的中间偏上限值的位置，扭矩脉动的振幅K_n最大。从那里开始扭矩指令值进一步变大时，振幅K_n降低。

如图4B所示，在从扭矩指令值的零开始直至上限值的正侧控制范围内，随着扭矩指令值变大，暂时降低的相位θ_n从中途返回扭矩指令值为零时的值。而且，在从扭矩指令值的零开始至下限值的负侧控制范围内，随着扭矩指令值变小而上升的相位θ_n，从中途返回至扭矩指令值为零时的值。

这样，扭矩脉动的振幅K_n以及相位θ_n根据扭矩指令值变化。在本实施方式中，预先将通过实验结果等获得的扭矩脉动的特性记录在补偿系数保持单元311中，根据来自信号线110的扭矩指令值，获取与补偿系数图相关联的振幅K_n以及θ_n。由此，可以减少每当有扭矩指令值的输入时扭矩脉动的分析所需要的复杂的运算处理，所以可以减轻扭矩脉动估计单元31的处理负担。

而且，由于电感因电机20的扭矩和旋转速度所确定的动作点而改变，以根据扭矩指令值，电机20的响应延迟时间也变化。因此，也可以预先将表示扭矩指令值和响应延迟时间之间的关系的电机响应延迟图记录在校正信息保持单元321中。

图5是表示电机响应延迟时间图的图。在图5中，横轴表示扭矩指令值，纵轴表示电机20的响应延迟时间。

如图5所示，随着扭矩指令值接近零，响应延迟时间变大。这样，在扭矩指令值为零的附近时，响应延迟时间按指数函数变大，所以控制延迟时间的误差变大，扭矩脉动补偿值的精度降低。

因此，优选预先将扭矩指令值和响应延迟时间彼此相关联的校正图，对每个PWM载波频率存储在校正信息保持单元321中。

例如，在校正信息保持单元321中，对于每个PWM载波频率，与控制延迟时间t_x一起预先存储校正图。然后，相位校正系数计算单元32在从信号线130接受PWM载波频率时，参照校正信息保持单元321，分别确定与PWM载波频率对应的控制延迟时间t_x和校正图。

然后，相位校正系数计算单元321参照确定的校正图，获取与来自信号线110的扭矩指令值相关联的响应延迟时间，使用该响应延迟时间，校正控制延迟时间t_x。之后，相位校正系数计算单元321将校正后的控制延迟时间作为相位校正系数输出到补偿值运算单元33。因此，可以进一步减小扭矩脉动补偿值的相位的偏移。

接着，详细地说明电机控制装置1的动作。

图6是表示扭矩脉动补偿值的校正方法的流程图。

首先，在步骤S91中，相位校正系数计算单元32判断从信号线130输入的PWM载波频率是否为基准载波的频率。

在步骤S92中，相位校正系数计算单元32在判断出PWM载波频率为基准载波的频率的情况下，将相位校正系数t_x设定为基准载波下的控制延迟时间。例如，相位校正系数计算单元32参照校正信息保持单元321，计算与基准载波信息相关联的控制延迟时间。

另一方面，在步骤S93中，相位校正系数计算单元32在判断出PWM载波频率为低频载波的频率的情况下，将相位校正系数t_x设定为低频载波下的控制延迟时间。例如，相位校正系数计算单元32参照校正信息保持单元321，计算与低频载波信息相关联的控制延迟时间。

然后，在步骤S93中，补偿值运算单元33按照式(1)，运算以相位校正系数t_x进行了校正的扭矩脉动补偿值，将该运算结果反馈到扭矩指令值中。

图7是表示通过补偿值运算单元33校正了相位的扭矩脉动补偿值的图。在图7中，通过点线表示本来应在电机20中产生的扭矩脉动，通过虚线表示通过适用相位校正系数进行了相位匹配的扭矩脉动补偿值，通过实线表示补偿后的扭矩脉动。横轴表示时间，纵轴表示扭矩脉动的振幅。

如图7所示，即使随着PWM信号的载波频率的切换，相对电机20的控制延迟时间发生变化，由于使用相位校正系数校正扭矩脉动补偿值的相位，所以可以抵消扭矩脉动。

按照本发明的实施方式，通过设定单元421，在PWM信号的载波频率切换为低频载波时，根据低频载波的载波频率校正扭矩脉动补偿值。

因此，无论有无PWM信号的载波频率的变更，都可以抑制扭矩脉动。

而且，在本实施方式中，扭矩脉动估计单元31根据扭矩指令值，对于扭矩脉动的每个次数估计振幅和相位，相位校正系数计算单元32根据载波频率计算对于电机20的控制延迟时间。然后，如式(1)所示，补偿值运算单元33根据电机20的旋转状态和控制延迟时间，对扭矩脉动的每个次数运算校正了相位的扭矩脉动补偿值。

因此，通过对每个次数校正扭矩脉动成分T_n的相位，可以使伴随PWM载波频率的变更的扭矩脉动补偿值的相位的偏移与电机20中产生的扭矩脉动一致。因此，可以防止如图2所示的、由于扭矩脉动补偿值的相位偏移的调整不良，扭矩脉动反而变大的情况。

而且，在本实施方式中，控制延迟时间包括：对扭矩指令值反馈扭矩脉动补偿值的处理时间；运算从扭矩指令值至电机20的控制电流值的运算时间；以及电流控制导致的电机20的响应延迟时间。

因此，可以防止由于对扭矩指令值反馈扭矩脉动补偿值而产生的扭矩脉动的相位的偏移。然后，可以防止扭矩指令值的运算延迟、以及起因于电机20的响应延迟的相位的偏移。进而，可以防止伴随PWM信号的载波频率的切换的、起因于电机20的响应延迟时间的差的相位的偏移。

而且，在本实施方式中，相位校正系数计算单元32使用扭矩指令值和电机20的响应延迟时间彼此相关联的图来计算控制延迟时间t_x。

如图5所示，在扭矩指令值为零附近，电机20的响应延迟时间的误差变大。因此，通过使用校正图，根据扭矩指令值校正控制延迟时间t_x的误差，可以减小扭矩脉动补偿值的相位的偏移。

而且，在本实施方式中，扭矩脉动估计单元31对每个扭矩指令值使用各次数的振幅和相位相关联的估计图，估计在电机20中产生的扭矩脉动。

因此，不需要为了估计扭矩脉动而进行复杂的分析，可以减轻处理负载并且避免由于处理延迟扭矩脉动未被抑制的情况。

以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过表示本发明的一部分适用例子，不具有将本发明的技术的范围限定于上述实施方式的具体结构的含义。

例如，输入到扭矩脉动补偿单元30的载波频率也可以不从设定单元421输出，而从未图示的主控制器，将载波频率的切换指令输出到设定单元421，同时输出到扭矩脉动补偿单元30。

而且，上述实施方式可以进行适当的组合。

本申请要求基于2012年9月18日向日本国专利局提出申请的特愿2012－204633号的优先权，将该申请的全部内容通过参照引入本说明书。

Claims (6)

1.一种电机控制装置，包括：

开关元件，控制电机；

电流控制单元，输出用于驱动开关元件的PWM信号；

切换单元，根据所述开关元件的工作状态来切换所述PWM信号的载波频率；以及

扭矩脉动补偿单元，根据电机扭矩指令值计算扭矩脉动，根据载波频率和电机的旋转状态校正该扭矩脉动的相位，设定扭矩脉动补偿值，

电流控制单元根据电机扭矩指令值和扭矩脉动补偿值，输出PWM信号。

2.如权利要求1所述的电机控制装置，

所述扭矩脉动补偿单元包括：

估计单元，根据扭矩指令值，对扭矩脉动的每个次数估计振幅和相位；

计算单元，根据载波频率计算对于电机的控制延迟时间；以及

补偿值运算单元，根据所述电机的旋转状态和控制延迟时间，运算对每个所述次数校正了相位的扭矩脉动补偿值。

3.如权利要求2所述的电机控制装置，

所述控制延迟时间包括：对扭矩指令值反馈扭矩脉动补偿值的处理时间、运算从扭矩指令值至电机的控制电流值的运算时间、以及电流控制导致的电机的响应延迟时间。

4.如权利要求2或3所述的电机控制装置，

所述计算单元使用将扭矩指令值和电机的响应延迟时间彼此相关联的响应延迟图，计算所述控制延迟时间。

5.如权利要求2所述的电机控制装置，

所述估计单元使用对每个扭矩指令值将各次数的振幅和相位相关联的估计图，估计所述电机中产生的扭矩脉动。

6.一种补偿电机的扭矩脉动的电机控制方法，包括：

电流控制步骤，输出用于驱动控制电机的开关元件的PWM信号；

切换步骤，根据所述开关元件的工作状态来切换所述PWM信号的载波频率；以及

扭矩脉动补偿步骤，根据电机扭矩指令值计算扭矩脉动，根据载波频率和电机的旋转状态校正该扭矩脉动的相位，设定扭矩脉动补偿值，

所述电流控制步骤根据电机扭矩指令值和扭矩脉动补偿值，输出PWM信号。