CN107836080A - 马达控制装置以及搭载有该马达控制装置的电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明的技术问题在于，提供一种应对作为车辆的电源管理而将输入电流抑制为规定值以下、并且如电动助力转向装置那样维持针对方向盘操作量的响应性优良的操舵感的、实现高输出的驱动的马达控制装置。本发明的马达控制装置的特征在于，具备逆变器(2)，该逆变器(2)根据马达的转子相位，将来自直流电压电源(3)的直流输入电流(I0)变换成交流电流并输出，所述马达控制装置保持转矩电流(Iq)，并且在向所述逆变器(2)的输入电流(I0)不超过规定的上限值的范围内，由磁场削弱电流指令运算部(20)运算最大的磁场削弱电流(Id)，并使该最大的磁场削弱电流(Id)通过。

Description

马达控制装置以及搭载有该马达控制装置的电动助力转向 装置

技术领域

本发明涉及一种将电池、电容器等的直流电力作为输入而输出交流电力的马达控制装置以及搭载有该马达控制装置的电动助力转向装置。

背景技术

在使用逆变器等电力变换装置来控制马达的马达控制装置中，通过调节转矩电流来控制马达的转矩。另外，在马达的转速高的区域中，通过从马达产生的反电动势能够驱动的最大转速是确定的。此时，作为使马达的磁场磁通减弱的电流，流过磁场削弱电流，从而将反电动势抑制得较小，能够将马达驱动至比最大转速高的转速。这些转矩电流和磁场削弱电流利用交流马达的矢量控制理论来分别控制。在这里，关于磁场削弱电流，根据作为马达的特性值的马达常数来确定限制值，其详细内容在非专利文献1中有记载。

另外，在控制车辆的方向的车轮的操舵机构中，根据司机的方向盘操作并通过马达控制装置得到使转舵操作变得容易的操舵力的是电动助力转向装置。下面叙述该电动助力转向装置的使用状况和马达的举动。

在车辆的直行行驶中，几乎没有转舵操作的必要性，所需的马达的转矩较小就行。与此相对地，将在车辆停车时进行转舵那样的静态操舵作为例子来考虑。此时，针对施加到车轮的载荷，需要进行转舵操作，马达需要大转矩。另外，由于车轮的转舵方向大，所以，方向盘的操作量增加。针对该操作量，为了使司机感到响应性优良的操舵感，马达高速旋转。在以上的例子中可以看到，在要求由电动助力转向装置实施的转舵操作的条件下，马达必须实现兼顾大转矩和高速旋转、并且不对司机的操舵造成不适感的控制。特别是，为了进行高速旋转，积极地使用使磁场削弱电流流过的控制。

专利文献1所记载的以往例子1示出了如下技术问题：马达的控制电压为从理想的正弦波变形而成的矩形波，成为作为损害操舵感的原因的转矩波纹的产生原因。作为该解决手段，公开了为了限制转矩电流和磁场削弱电流而限制电流指令值的方法、特别是转矩电流的限制方法。

专利文献2所记载的以往例子2将由无益的磁场削弱电流产生的发热作为技术问题，叙述了与直流电压相应的磁场削弱电流的限制方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005－119417号公报

专利文献2：日本特开2013－074648号公报

非专利文献

非专利文献1：森本茂雄、上野智広、武田洋次，“埋込磁石構造PMモータの広範囲可変速制御”，電気学会論文誌D114巻6号，1994年

发明内容

发明要解决的技术问题

但是，电动助力转向装置等搭载于车辆的装置被从车辆的直流电源供给电力。如果将电源电压假定为12V，则直流电源有12V电池、或者从混合动力电动汽车等的超12V的高电压电池降压到12V的DC/DC变换器等。下面，以12V电池为例进行说明。

电动助力转向装置在静态操舵等中被从电池输入大电流。在被从车辆电池输出大电流的条件下，存在产生由布线电阻引起的压降、由电池的内部电阻引起的压降的问题。因此，作为车辆，需要进行限制输入到装置的电流的电源管理。

然而，在专利文献1、2所记载的电力变换装置中，均未考虑将装置的输入电流限制为规定值以下的方法。因此，作为车辆的电源管理方法、即限制连接到直流电源的装置的输入电流的方法，提出将输入到各装置的直流电流抑制为规定值以下的方法，这是本发明的目的。

解决技术问题的技术手段

本发明的马达控制装置的特征在于，在电力变换装置的直流输入电流不超过规定的上限值的范围内，使最大的磁场削弱电流通过。作为这样的马达控制装置的实施例，其特征在于，根据直流电源电压和基于转矩指令值的转矩电流来计算磁场削弱电流，以进行跟随的方式对电流进行控制，使得电力变换装置的直流输入电流为规定的上限值以下。

发明效果

根据本发明，能够将电力变换装置的直流输入电流控制为期望的限制值以下，使马达的转矩电流和磁场削弱电流通过直至该限制值以下的最大输出为止，从而能够一边维持转矩一边使马达高速旋转而进行高输出的驱动。另外，由此，能够提供一种如电动助力转向装置那样维持针对方向盘操作量的响应性优良的操舵感、并且实现高输出的驱动的马达控制装置。

附图说明

图1是与马达控制装置相关的实施例的整体结构图。

图2是本发明中的相对于Iq的Id的电流轨迹的特性。

图3是与电动助力转向装置相关的实施例的结构图。

图4是与2逆变器结构相关的实施例的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的电力变换装置的实施方式。此外，在各图中，针对同一要素，记同一符号，省略重复的说明。

实施例1

图1是本实施例的马达控制装置的整体结构图。

将由桥式电路构成的逆变器2连接到马达1。逆变器2的桥式电路由IGBT、MOSFET等开关器件构成。将从控制单元5输出的开关信号输入到逆变器2。逆变器2根据该开关信号进行驱动，控制马达1。

将直流电压电源3连接到逆变器2的直流侧P端子以及N端子。将直流电流检测单元4连接到逆变器2与直流电压电源3之间。直流电流检测单元4检测直流输入电流I0。将所检测到的直流输入电流I0输入到控制单元5。

马达1是交流电动机，例如是永磁铁同步马达或者感应马达。直流电压电源3一般来说是电池，但在混合动力电动汽车、电动汽车的情况下，也可以连接从直流降压到直流的DC/DC变换器。

本实施例的马达控制装置使用未图示的电流传感器，检测从逆变器2输出到马达1的三相电流。将所检测到的三相电流检测值Iuc、IVc、Iwc输入到控制单元5。作为电流传感器，能够使用利用霍尔效应的CT等电流传感器。或者，也可以结合驱动逆变器2的开关的动作定时，根据由直流电流检测单元4检测到的直流的瞬时电流，求出输入到马达1的三相电流。

另外，本实施例的马达控制装置具备检测马达1的转子相位的未图示的位置传感器。将该位置传感器检测到的位置检测值输入到控制单元5。作为位置传感器，是分相器、编码器、GMR传感器、霍尔IC等能够检测转子的角度位置的装置即可。或者，也可以使用根据马达的三相电流、三相电压推测转子相位的无位置传感器控制的输出。

控制单元5具备转矩电流指令运算部10、矢量控制指令运算部11、dq/三相变换部12、PWM运算部13、相位运算部14、速度运算部15、三相/dq变换部16、磁场削弱电流指令运算部20。控制单元5构成为包括微型计算机等的运算功能以及逆变器2的驱动所需的驱动器电路等。控制单元5根据运算出的开关信号来驱动逆变器2，控制马达1。

相位运算部14根据作为来自检测马达的转子相位的位置传感器的输出的位置检测值，运算转子相位θdc并输出。

速度运算部15根据转子相位的变化量而得到马达的速度。具体来说，通过对转子相位θdc进行微分运算，从而得到角速度ω1。

dq/三相变换部12以及三相/dq变换部16对作为旋转坐标系的d－q轴与作为固定坐标系的三相的u－v－w坐标系进行相互变换。具体来说，使用(1)式和(2)式所示的dq/αβ坐标变换和αβ/三相变换，根据马达的转子相位θdc，对直流量的d－q轴电压与交流量的三相电压进行相互变换。此外，关于(1)式和(2)式，作为dq/三相变换部12的例子，用电压来表述，但在三相/dq变换部16的情况下，将电压置换成电流并进行逆变换即可。另外，在坐标变换中，存在绝对变换和相对变换的区分，但在本说明中，全部按相对变换来处理，马达的常数等也全部设为基于相对变换的值。此外，表示指令值的星号(＊)在下面的式子中省略。

[式1]

[式2]

作为三相/dq变换部16的输入的电流检测值是从逆变器2流到马达1的三相电流的检测值Iuc、Ivc、Iwc。三相/dq变换部16通过上述坐标变换而输出d轴电流检测值Idc、q轴电流检测值Iqc。

dq/三相变换部12根据(1)式以及(2)式，将后述的矢量控制指令运算部11生成的电压指令值即Vq＊和Vd＊变换成三相电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊。

PWM运算部13进行脉冲宽度调制(PWM：Pulse Width Modulation)，该脉冲宽度调制将三相电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊作为对逆变器2的栅极信号进行驱动的二值的开关信号。

矢量控制指令运算部11输出作为电压指令值的Vq＊和Vd＊，该电压指令值使作为电流检测值的转矩电流检测值Iqc以及磁场削弱电流检测值Idc跟随作为电流指令值的转矩电流指令值Iq＊和磁场削弱电流指令值Id＊。马达的电压方程式由(3)式提供。在这里，作为马达的特性值的常数R1、Ld、Lq、Ke分别是1相量的电阻值、d轴电感值、q轴电感值、感应电压常数。将设计成得到期望的电流控制响应的电流控制器与补偿d轴和q轴的干扰项的非干扰控制组合，运算q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊。

[式3]

(3)式中的转矩电流指令值Iq＊从转矩电流指令运算部10输出。转矩电流指令运算部10将转矩指令值τ＊换算成转矩电流指令值Iq＊。在换算中使用(4)式的电流与转矩的关系式。在具有马达的Ld与Lq大致一致的非凸极的特性的情况下，(4)式的第2项大致为零，简化为(5)式。

(5)式中转矩值与转矩电流值唯一地确定。

[式4]

[式5]

(3)式中的磁场削弱电流指令值Id＊从磁场削弱电流指令运算部20输出。磁场削弱电流指令运算部20根据角速度ω1、电流检测值Iqc、Idc和直流电压V0，运算磁场削弱电流指令值Id＊。磁场削弱电流指令运算部20具有电流特性运算部21和磁场削弱电流指令跟随控制部22。

电流特性运算部21根据角速度ω1、电流检测值Iqc、直流电压V0，运算电流特性指令值Ids。磁场削弱电流指令跟随控制部22输出磁场削弱电流指令值Id＊，以使磁场削弱电流检测值Idc跟随电流特性指令值Ids。

电流特性指令值Ids通过下面导出的关系式来计算。逆变器的直流侧和交流侧的电力存在(6)式的关系。

[式6]

当将(3)式代入到该(6)式时，得到(7)式。

[式7]

如果针对(7)式求解Id，则得到(8)式。

[式8]

Id在磁场削弱控制时为负，所以，最终得到(9)式。

[式9]

将由(9)式得到的磁场削弱电流值作为电流特性指令值Ids输入到磁场削弱电流指令跟随控制部22。在这里，关于直流电流I0，作为期望的输入电流的限制值而预先设定，或者根据直流电压电源3的状态而使设定值变化。

在磁场削弱控制部22中，进行使Idc跟随Ids的电流控制，输出磁场削弱电流指令值Id＊。电流控制设定为矢量控制指令运算部11的电流控制器的响应以下。

图2所示的电流特性300是通过(9)式或者后述(10)式运算出的相对于转矩电流Iq的磁场削弱电流Id的特性。电流特性300通过作为期望的限制值而提供直流电流I0，从而成为此时的相对于转矩电流指令值Iq＊的磁场削弱电流指令值Id＊的组合。通过电流控制，使磁场削弱电流检测值Idc跟随于通过电流特性300得到的磁场削弱电流指令值Id＊，从而能够驱动马达1，以成为电流特性300的特性。

在本实施例的马达控制装置中，在限制直流输入电流I0的同时，跟随根据(9)式计算出的磁场削弱电流指令值。其结果，能够进行使马达的速度增加至高速区域的高输出的驾驶，能够实现以往没有的高响应。

实施例2

(9)式的d轴电感Ld和q轴电感Lq是作为马达的特性值的常数，在表面磁铁型的马达的情况下为非凸极性，Ld与Lq之差大致为零。在这样的非凸极性的马达的情况下，(9)式简化为(10)式。

[式10]

在非凸极性的马达的情况下，电流特性运算部21将由(10)式得到的磁场削弱电流值Id作为电流特性指令值Ids输入到磁场削弱电流指令跟随控制部22。另外，如果即使是凸极性的马达，也忽略Ld与Lq之差，则电流特性运算部21能够与非凸极性同样地，简化为(10)式。

根据本实施例，能够简单地运算限制了输入电流的磁场削弱电流指令值。其结果，能够使控制单元5的运算负荷下降，不需要使用昂贵的微型计算机，能够构筑廉价的系统。

实施例3

图3示出本实施例的电动助力转向装置的结构图。图3示出对车辆的行进方向进行操舵的电动助力转向装置。通过操作方向盘201，从而经由转矩传感器202和转向辅助机构203，使转向机构204工作。由此，使轮胎205的方向转舵，对车辆的行进方向进行操舵。转向辅助机构203通过方向盘201的由手动产生的操舵力与从马达驱动系统100得到的由电动辅助产生的操舵力的合力，输出使转向机构204工作的操舵力。在马达驱动系统100中，根据从转矩传感器202得到的输出，马达控制装置101求出手动的操舵力的不足量，作为电动辅助的操舵力而驱动马达102。

马达驱动系统100由图1所示的具备逆变器2、直流电流检测单元4和控制单元5的马达控制装置101以及马达102构成。直流电压电源3与图3不同，由电池等构成，连接到马达驱动系统100。

本实施例的电动助力转向装置通过限制直流输入电流，从而抑制直流电压电源3的输出电压的下降。因此，能够进行电动助力转向装置的高输出的驾驶，能够实现针对方向盘的转舵操舵的操舵力高的响应。

实施例4

在本实施例的电动助力转向装置中，方向盘201的操舵操作量通过转矩传感器202作为手动的操舵力的不足量来检测。对该操舵操作量进行微分而得到的变化量为操舵速度，进行二阶微分而得到的变化量为操舵加速度。在该操舵速度以及操舵加速度小的情况下，是不需要急剧的转舵操舵的条件，电动助力转向装置的输出也可以较小。

因此，在操舵速度以及操舵加速度为规定值以下的情况下，通过将限制直流电流I0的设定值变更为小于预先确定的规定值的值，能够抑制磁场削弱电流的通流。关于操舵速度以及操舵加速度的规定值，预先求出车辆的操舵条件与方向盘201的操舵操作量的关系。

在本实施例中，通过限制直流输入电流，从而实现针对方向盘201的转舵操舵的操舵力高的响应，并且，在操舵操作量的变化小而不需要高响应的条件下，通过抑制磁场削弱电流的通流，从而能够提供效率高的电动助力转向装置。

实施例5

本实施例的电动助力转向装置将车辆的行驶速度作为车速输入到马达控制装置101。在该车速为规定值以上的高速行驶中，有时由于避开危险、变更车道等而进行转舵操舵，但大多数时间是操舵操作量的值大致与零接近的状态的直行行驶。

因此，通过将限制直流电流I0的设定值变更为小于预先确定的规定值的值，能够抑制磁场削弱电流的通流，使直行行驶时的电流值降低。在发生突然转舵操舵的情况下，使限制直流电流I0的设定值返回到预先确定的规定值。

在本实施例中，能够提供如下电动助力转向装置：通过在占据直行行驶时的大多数时间的低的输出条件下抑制磁场削弱电流，从而实现高的效率，并且兼顾了需要发生突然转舵操舵时的高的响应的高响应。

实施例6

本实施例的电动助力转向装置控制车辆的停车动作中的折返操舵。在车辆的停车动作中的折返操舵中，是在车速为规定值以下的低速下方向盘201的操舵操作量变大的条件。此时的操舵由于不需要避开危险等紧急性，所以，不一定需要高响应。因此，通过与直流电压电源3的电池的劣化状态相匹配地，将限制直流电流I0的设定值变更为小于预先确定的规定值的值，从而能够抑制磁场削弱电流的通流。

在本实施例中，在不一定需要紧急性的操舵中，通过抑制磁场削弱电流，能够进行高效率的驾驶。其结果，能够提供一种能够与电池的劣化状态相匹配地抑制输出、并且将由在劣化的电池中增加的内部电阻引起的压降的影响抑制得较小的电动助力转向装置。

实施例7

直流电压电源3一般来说是电池。始终诊断该电池的劣化状态，并将电池状态的诊断结果输入到马达控制装置101。当电池劣化时，电池的内部电阻增加，且负荷时输出电压下降。本实施例的马达控制装置根据该电池的输出电压、诊断结果，将限制直流电流I0的设定值变更为小于预先确定的规定值的值，从而抑制磁场削弱电流的通流。或者，为了使本控制中止，使电流特性运算部21的输出即Ids始终大致为零。

在本实施例中，通过与电池状态相应的直流输入电流的控制，能够抑制劣化的电池的输出压降。因此，通过本实施例的马达控制装置，能够提供一种避免了由于电池电压的急剧降低导致的电源失效的安全的电动助力转向装置。

实施例8

在本实施例的马达控制装置中，将直流电压电源3设为从直流升压或者降压到直流的直流直流(DC/DC)变换器以及与它并联连接的电容器。在该直流电压电源3的输出容量降低的情况下，通过将限制直流电流I0的设定值变更为小于预先确定的规定值的值，能够抑制磁场削弱电流的通流。

在本实施例中，与直流电压电源3的输出容量的降低相应地，控制直流输入电流，从而防止直流电压电源3的输出电压降低，能够提供安全的电动助力转向装置。

实施例9

在图4中示出本实施例的马达控制装置的结构图。与图1所示的实施例的不同点是相对于马达1将逆变器2a和逆变器2b并联连接这一点。另外，分别设置直流电流检测单元4a和4b。

控制单元5的基本动作与图1所示的实施例相同，通过基于直流电流检测单元4a所检测的直流电流I0a的开关信号a而驱动逆变器2a，通过基于直流电流检测单元4b所检测的直流电流I0b的开关信号b而驱动逆变器2b。逆变器2a与逆变器2b协调地控制马达1。逆变器2a与逆变器2b的协调控制只要具备与逆变器的并列数量相同数量的图1所示的控制单元5的结构就能够实现，但出于降低运算负荷的目的，也可以将相位运算部14以及速度运算部15做成相同的结构。

在本实施例中，通过将限制直流电流I0a和直流电流I0b的设定值分别变更为预先确定的规定值或者小于该规定值的值，能够分别抑制逆变器2a和2b各自的磁场削弱电流。例如，针对直流电流I0a和直流电流I0b的限制，依次切换地进行限制，从而能够将逆变器的伴随着电流值增加的放热分散到多个逆变器。由此，能够进行使马达的速度增加至高速区域的高输出的驾驶，能够实现以往没有的高响应，通过将由于使磁场削弱电流通流而引起的放热分散，能够提供可靠性高的马达控制装置。

实施例10

本实施例是将图4所示的具备多个逆变器的马达控制装置构成为图3所示的马达控制装置101的电动助力转向装置。

在本实施例中，通过将限制直流电流I0a和直流电流I0b的设定值分别变更为预先确定的规定值或者小于该规定值的值，能够分别抑制逆变器2a和2b各自的磁场削弱电流。其结果，能够进行电动助力转向装置的高输出的驾驶，能够实现针对方向盘的转舵操舵的操舵力高的响应。另外，通过防止直流电压电源3的输出电压降低，从而抑制针对并联连接的车辆搭载的其他装置的由电源电压降低导致的误动作，能够提供对车辆的安全有帮助的电动助力转向装置。

符号说明

1：马达；2：逆变器；3：直流电压电源；4：直流电流检测单元；5：控制单元；10：转矩电流指令运算部；11：矢量控制指令运算部；12：dq/三相变换部；13：PWM运算部；14：相位运算部；15：速度运算部；16：三相/dq变换部；20：磁场削弱电流指令运算部；21：电流特性运算部；22：磁场削弱电流指令跟随控制部；100：马达驱动系统；101：马达控制装置；102：马达；201：方向盘；202：转矩传感器；203：转向辅助机构；204：转向机构；205：轮胎；300：电流特性。

Claims (14)

1.一种马达控制装置，其具备逆变器，该逆变器根据马达的转子相位，将来自直流电压电源的直流输入电流变换成交流电流并输出，

所述马达控制装置的特征在于，

在向所述逆变器的输入电流不超过规定的上限值的范围内，使最大的磁场削弱电流通过。

2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，

使所述磁场削弱电流通过，以使得所述直流输入电流的上限值与由所述马达消耗的电流之差变小。

3.根据权利要求2所述的马达控制装置，其特征在于，

所述马达的电流的上限值根据规定的上限值以及所述直流电压电源的输出电压来求出。

4.根据权利要求2所述的马达控制装置，其特征在于，

由所述马达消耗的电流根据所述马达的转矩电流以及转速来求出。

5.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，

所述逆变器设置有多个，

在分别输入到多个所述逆变器的直流输入电流不超过针对各个逆变器分别设定的规定的上限值的范围内，使最大的磁场削弱电流通过。

6.一种电动助力转向装置，其特征在于，具备：

权利要求1所述的马达控制装置；

转舵机构，其伴随着方向盘的操舵操作量而进行转舵；以及

所述马达，其对所述转舵机构赋予操舵力。

7.根据权利要求6所述的电动助力转向装置，其特征在于，

根据操舵状态，可变地控制所述直流输入电流。

8.根据权利要求7所述的电动助力转向装置，其特征在于，

在规定的车速以上的情况下，判断为所述操舵操作量大致为零，使设为比所述直流输入电流的规定的上限值小的电流值的所述磁场削弱电流通过。

9.根据权利要求7所述的电动助力转向装置，其特征在于，

在根据所述操舵操作量求出的操舵速度为规定值以下的情况下，使设为比所述直流输入电流的规定的上限值小的电流值的所述磁场削弱电流通过。

10.根据权利要求7所述的电动助力转向装置，其特征在于，

在根据所述操舵操作量求出的操舵加速度为规定值以下的情况下，使设为比所述直流输入电流的规定的上限值小的电流值的所述磁场削弱电流通过。

11.根据权利要求7所述的电动助力转向装置，其特征在于，

即使在规定的车速以下且所述操舵操作量大于规定值的情况下，也使设为比所述直流输入电流的规定的上限值小的电流值的所述磁场削弱电流通过。

12.根据权利要求6所述的电动助力转向装置，其特征在于，

使所述直流电压电源为电池，根据所述电池的输出电压，使将所述直流输入电流的规定的上限值可变控制成更小的电流值的所述磁场削弱电流通过。

13.根据权利要求12所述的电动助力转向装置，其特征在于，

在所述电池的输出电压为规定值以下的情况下，将所述磁场削弱电流控制成向大致零减小，或者使本控制中止。

14.根据权利要求6所述的电动助力转向装置，其特征在于，

由从直流升压或者降压为直流的直流电压变换器、以及并联连接到所述直流电压变换器的输出的电容器构成所述直流电压电源。