CN108791473A - 电机驱动动力转向系统的电机控制装置和方法 - Google Patents

电机驱动动力转向系统的电机控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种电机驱动动力转向(MDPS)系统的电机控制装置，可以包括：转向逻辑控制器，用于计算用于电机控制的电流指令值并发送所述电流指令值；电流测量传感器，用于测量施加在电机上的电流；以及控制器，用于基于从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值、从所述电流测量传感器接收的测量的电流值和预先存储的电机参数计算电机位置增量，通过对计算的电机位置增量进行积分来估计当前电机位置，并使用所估计的当前电机位置控制所述电机。

Description

电机驱动动力转向系统的电机控制装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月27日提交的申请号为10-2017-0054207的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种电机驱动动力转向(motor driven power steering，MDPS)系统的电机控制装置和方法，尤其涉及MDPS系统的电机控制装置和方法，其可以在未安装位置传感器或位置传感器已经发生故障时估计转子的位置。
背景技术
本发明涉及一种电机驱动动力转向(MDPS)系统的电机控制装置和方法，尤其涉及MDPS系统的电机控制装置和方法，其可以在未安装位置传感器或位置传感器已经发生故障时估计转子的位置。
MDPS指的是通过使用辅助动力源提供部分转向扭矩帮助转向的设备，当驾驶员驾驶车辆时，由驾驶员对方向盘施加该转向扭矩。也就是说，当车辆停放或停车或低速行驶时，MDPS可以提供大的力以减轻驾驶员的力。此外，当车辆高速行驶时，MDPS可以仅提供小的力以维持车体的稳定性。
MDPS是一种转向系统，其使用电动机提供动力而不是通过液压操作的液压转向系统。MDPS可以针对每个速度提供最佳转向力，从而在执行环保操作时降低燃油效率。
通常，MDPS系统使用与电机的转子连接的位置传感器检测电机的位置角，通过检测的位置角计算相位电角度，并将所述相位电角度用于电机的矢量控制、转向控制逻辑以及故障检测等。随着技术的发展，在各种技术领域中使用各种尺寸的电机。通过使用永久磁铁和根据施加到其上的电流改变其极性的线圈使转子旋转来驱动电机。
在各种电机中，无刷电机由没有诸如电刷和换向器等机械触点的电子整流机构驱动，并包括由永久磁铁构成的转子和对应于多个相位的定子。无刷电机可以使用由定子的各个线圈的相电压生成的磁力来使转子旋转。
因此，为了准确地驱动无刷电机，检查转子的位置非常重要。
在相关技术中，使用霍尔传感器等的传感器电机已被用于检查转子的位置。然而，传感器电机具有体积大，结构复杂的局限性。此外，当传感器发生故障时，转子的位置无法识别，使得驱动电机变得不可能。
本发明的相关技术在2014年4月22日公布的题为“电机转子的位置检测方法和装置”、公开号为10-2014-0047437的韩国专利中公开。
发明内容
本发明的实施例涉及MDPS系统的电机控制装置和方法，其可以在未安装位置传感器或位置传感器发生故障时使用转子位置增量估计转子的位置。
在一实施例中，MDPS系统的电机控制装置可以包括：转向逻辑控制器，用于计算用于电机控制的电流指令值并发送所述电流指令值；电流测量传感器，用于测量施加在电机上的电流；以及控制器，用于基于从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值、从所述电流测量传感器接收的测量的电流值和预先存储的电机参数计算电机位置增量，通过对计算的电机位置增量进行积分来估计当前电机位置，并使用所估计的当前电机位置控制所述电机。
所述控制器可以包括电流控制器，所述电流控制器用于生成用以补偿从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值和从所述电流测量传感器接收的测量的电流值之间的误差的电压指令值。
所述电机控制装置还可以包括存储器，所述存储器用存储包括电机电阻和电机电感的所述电机参数，并存储通过所述电流控制器生成的所述当前电压指令值，使得所述控制器计算下一计算周期的电机位置增量。
所述控制器可以包括电机速度计算器，所述电机速度计算器用于使用通过所述电流控制器生成的所述当前电压指令值、从所述电流测量传感器输入的测量的电流值和存储在所述存储器的所述电机电阻和电机电感计算电机速度。
所述控制器可以包括电机位置增量计算器，所述电机位置增量计算器用于使用通过所述电机速度计算器计算的所述电机速度、从所述电流测量传感器输入的测量的电流值和由所述电流控制器先前生成并存储在所述存储器中的所述先前电压指令值计算所述电机位置增量。
在另一实施例中，MDPS系统的电机控制方法可以包括：由控制器从转向逻辑控制器接收用于电机控制的电流指令值；由所述控制器从电流测量传感器接收测量的电流值；由所述控制器基于从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值、从所述电流测量传感器接收的所述测量的电流值和预先存储的电机参数计算电机位置增量；以及由所述控制器使用通过对所述计算的电机位置增量进行积分而估计的当前电机位置控制所述电机。
所述电机位置增量的所述计算可以包括由所述控制器生成用以补偿从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值和从所述电流测量传感器接收的所述测量的电流值之间的误差的电压指令值。
所述电机位置增量的所述计算可以包括将所述当前电压指令存储在存储器中，使得所述控制器计算下一计算周期的电机位置增量。
所述电机位置增量的所述计算可以包括由所述控制器使用所述生成的当前电压指令值、从所述电流测量传感器输入的所述测量的电流值以及存储在所述存储器中的所述电机电阻和电机电感计算电机速度。
所述电机位置增量的所述计算可以包括由所述控制器使用所述计算的电机速度、从所述电流测量传感器输入的所述测量的电流值和存储在所述存储器中的所述先前电压指令值计算所述电机位置增量。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制装置的框图。
图2示出了根据本发明实施例的MDPS系统的BLAC电机坐标。
图3示出了根据本发明实施例的MDPS系统的电机角速度以及实际转向角和虚拟转向角的差。
图4是示出根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下文中参考附图详细描述。应理解，附图并未按精确比例绘制，并且可能仅为了描述方便和清楚而对组件的尺寸或线条粗细进行了夸大。
此外，本文中使用的术语是通过考虑本发明的功能定义的，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图改变。因此，应根据本文阐述的整体公开对术语进行定义。
图1是示出了根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制装置的框图，图2示出了根据本发明实施例的MDPS系统的无电刷交流电(BLAC)电机坐标，图3示出了根据本发明实施例的MDPS系统的电机角速度以及实际转向角和虚拟转向角的差。
如图1所示，根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制装置可以包括转向逻辑控制器100、电流测量传感器200、存储器300和控制器400。
转向逻辑控制器100可以计算MDPS系统1需要的电流指令值并将此电流指令值发送给控制器400。也就是说，转向逻辑控制器100可以计算控制电机2需要的电流指令。换句话说，转向逻辑控制器100可以计算用于协助驾驶员操纵所需的电流。
电流测量传感器200可以计算施加给电机2的电流。也就是说，电流测量传感器200可以计算通过其中包括的电流传感器的电流，并将测量的电流值转换为用于矢量控制的坐标系值。例如，电流测量传感器200将三相交流电(AC)坐标转换为二相直流电(DC)，并将二相DC发送给控制器400。换句话说，电流测量传感器200可以将测量的定子参考电流Ia、Ib和Ic计算为二相转子参考电流Id和Iq。
存储器300可以预先存储包括电机2的电机电阻和电机电感的电机参数，并存储由控制器400生成的电压指令值。在本实施例中，已经描述了电机参数预先存储在存储器300中。然而，电机参数可以由单独的计算逻辑或计算公式来计算。
控制器400可以包括电流控制器410、电机速度计算器420、电机位置增量计算器430和坐标转换器440，以控制电机2。
也就是说，控制器400可以基于从转向逻辑控制器100接收的电流指令值、从电流测量传感器200接收的测量的电流值和预先存储在存储器300中的电机参数计算电机位置增量。控制器400可以通过对计算的电机位置增量进行积分来估计电机当前位置。控制器400可以使用估计的当前电机位置控制电机。
将更详细地描述控制器400的电机位置估计过程。
电流控制器410可以生成用以补偿从转向逻辑控制器100接收的电流指令值和从电流测量传感器200接收的测量的电流值之间的误差的电压指令值。也就是说，电流指令和施加在电机2上并由电流测量传感器200测量的电流间的误差可以用于追踪电流指令。
换句话说，电流控制器410可以将由转向逻辑控制器100计算的电流指令值与从电流测量传感器200反馈的电流进行比较，并基于电流指令值和反馈电流之间的误差计算施加在电机上的电压。此时，电流控制器410可以使用坐标转换二相电流值。因此，可能需要两个电流控制器410分别控制二相电流的d-轴和q-轴。也就是说，电流控制器410可以基于转子获得当前电压指令值Vd和Vq。
在本实施例中，可以将PI控制器用作电流控制器410。
电流控制器410的输出值可以通过坐标转换器440被转换为三相AC电压值，作为施加在电机2上的电压并用于控制电机2的电流。也就是说，坐标转换器440可以将DC输出转换为三相电压，由电流控制器410使用用于将三相AC电机电流转换为二相DC值的矢量控制技术计算DC输出。
此时，可以估计转子的位置，因为需要识别转子位置以执行坐标转换。
因此，为了估计转子位置，电机速度计算器420可以使用通过电流控制器410生成的当前电压指令值、从电流测量传感器200输入的测量的电流值和存储在存储器300中的电机电阻和电机电感计算电机速度。
此时，电机速度计算器420可以通过下面的等式计算电机速度。
此处，ω表示电机的旋转角速度，V_q表示Q-轴指令电压，R表示电阻，I_q表示Q-轴测量电流，L表示电感，I_d表示D-轴测量电流，Φ表示电机磁通量。
也就是说，电机速度计算器420可以使用当前电压指令值、2-轴转子参考电流和电机电阻以及电感计算电机转子速度。
电机位置增量计算器430可以使用通过电机速度计算器420计算的电机速度、从电流测量传感器200输入的测量的电流值和已由电流控制器410生成并存储在存储器300中的先前电压指令值计算电机位置增量。
也就是说，如图2所示，电机位置增量计算器430可以计算虚拟转子位置(虚拟q-轴，d-轴)和实际转子位置(实际q-轴，d-轴)之间的差。基于虚拟转子位置不同于当前旋转位置的假设，电机位置增量计算器430可以计算转子的位置差，以估计当前转子位置。
此时，电机位置增量计算器430可以通过下面的等式计算虚拟转子位置和实际转子位置之间的差。
Δθ＝arctan((RI_d+L(dI_d)/dt-V_d-ωLI_q)/(-RI_q-L(dI_q)/dt+V_q-ωLI_d))
此处，Δθ表示虚拟DQ-轴和实际DQ-轴之间的差，V_d表示D-轴指令电压。
也就是说，电机位置增量计算器430可以使用由电机速度计算器420计算的当前电机速度、二相参考电流和先前电压指令值获得相对于先前计算周期的电机转子位置增量。此时，电机位置增量计算器430可以使用存储在存储器300中的先前电压指令值。
然后，控制器400可以通过对由电机位置增量计算器430计算的电机位置增量进行积分来估计电机转子位置，并使用估计的位置控制电机2。
此时，控制器400可以将当前电压指令值存储在存储器300中，以计算在下一计算周期的电机位置增量。
在本实施例中，当电流由控制器400输出的电压施加时，电机2是生成扭矩的致动器，并可以包括在其中安装有永久磁铁的三相BLAC电机。
在本实施例中，如图3所示，电机角速度的变化可以导致实际转向角和虚拟转向角之间的差。实际转向角和虚拟转向角的差可以从-3°到3°之间变化。也就是说，虽然未安装用于估计转子位置的传感器，但是可以基于虚拟转子位置和当前转子位置之间存在差的假设，计算转子位置差以估计当前转子位置。
图4是示出根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制方法的流程图。参考图4，MDPS的电机控制方法将如下描述。
如图4所示，根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制方法可以开始于步骤S100，其中控制器400从转向逻辑控制器100接收电流指令值，并从电流测量传感器200接收测量的电流值。
换句话说，控制器400可以从转向逻辑控制器100接收用于电机控制的电流指令值，并从电流测量传感器200接收测量的电流值。
转向逻辑控制器100可以计算MDPS系统1需要的电流指令值，并将电流指令值发送给控制器400。电流测量传感器200可以计算施加给电机2的电流，并将测量的电流发送给控制器400。也就是说，电流测量传感器200可以测量通过其中包括的电流传感器的电流，并将测量的电流值转换为用于矢量控制的坐标系值。
然后，在步骤S200处，控制器400可以基于从转向逻辑控制器100接收的电流指令值、从电流测量传感器200接收的测量的电流值和预先存储在存储器300中的电机参数计算电机位置增量。
此时，控制器400可以包括电流控制器410、电机速度计算器420、电机位置增量计算器430和坐标转换器440以计算电机位置增量，并且在下一步骤中估计当前转子位置以便控制电机2。
电流控制器410可以生成用以补偿从转向逻辑控制器100接收的电流指令值和从电流测量传感器200接收的测量的电流值之间的误差的电压指令值。换句话说，电流控制器410可以将由转向逻辑控制器100计算的电流指令值与从电流测量传感器200反馈的电流进行比较，并基于电流指令值和反馈电流间的误差计算施加给电机的电压。此时，电流控制器410可以使用经坐标转换的二相电流值。
然后，电机速度计算器420可以使用由电流控制器410生成的当前电压指令值、从电流测量传感器200输入的测量的电流值和预先存储在存储器300中的电机电阻和电机电感计算电机速度。
此时，电机速度计算器420可以通过下面的等式计算电机速度。
此处，ω表示电机的旋转角速度，V_q表示Q-轴指令电压，R表示电阻，I_q表示Q-轴测量电流，L表示电感，I_d表示D-轴测量电流，Φ表示电机磁通量。
也就是说，电机速度计算器420可以使用当前电压指令值、2-轴转子参考电流和电机电阻以及电感计算电机转子速度。
然后，电机位置增量计算器430可以使用由电机速度计算器420计算的电机速度、从电流测量传感器200输入的测量的电流值和存储在存储器300中的先前电压指令值计算电机位置增量。
此时，电机位置增量计算器430可以通过下面的等式计算虚拟转子位置和实际转子位置之间的差。
Δθ＝arctan((RI_d+L(dI_d)/dt-V_d-ωLI_q)/(-RI_q-L(dI_q)/dt+V_q-ωLI_d))
此处，Δθ表示虚拟DQ-轴和实际DQ-轴之间的差，V_d表示D-轴指令电压。
也就是说，电机位置增量计算器430可以使用由电机速度计算器420计算的当前电机速度、二相参考电流和先前电压指令值获得相对于先前计算周期的电机转子位置增量。此时，电机位置增量计算器430可以使用存储在存储器300中的先前电压指令值。
然后，在步骤S300处，控制器400可以使用通过对在步骤S200处计算的电机位置增量进行积分而估计的当前电机位置控制电机。
也就是说，基于虚拟转子位置与当前转子位置不同的假设，控制器400可以在没有传感器(诸如用于感测电机2的位置的位置传感器)的情况下估计转子的位置，并使用估计的位置来控制电机2。
控制器400可以使用转子位置来检测位置传感器的故障。
然后，在步骤S400处，控制器400可以将当前电压指令值存储在存储器300中，以计算下一计算周期的电机位置增量。
因此，控制器400可以使用先前电压指令值和当前电压指令值估计转子位置。
如上所述，根据本发明实施例的MDPS系统的电机控制装置和方法可以基于虚拟转子位置使用转子位置增量估计转子的位置。因此，即使在未安装位置传感器或位置传感器已经发生故障时，电机控制装置和方法也可以估计转子的位置以驱动电机，并检测位置传感器的故障。
此外，根据本发明实施例的电机控制装置和方法可以当由于系统特性和操作环境而难以安装传感器时，在没有传感器的情况下估计转子的位置，使得在简化结构同时减少电机的尺寸成为可能。
尽管为了说明的目的已经公开了本发明的优选实施例，本领域技术人员应理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。
在本实施例中，已经描述了MDPS系统的电机控制。然而，这仅是示例，根据本实施例的转子位置估计方法可以应用于所有的需要电机的系统。此外，即使当未安装位置传感器或位置传感器发生故障时也可以应用电机控制装置和方法，因此所述电机控制装置和方法在故障操作和安全性方面具有竞争力。
因此，本发明的技术保护范围应由以下权利要求确定。

Claims (10)

1.一种电机驱动动力转向MDPS系统的电机控制装置，包括：
转向逻辑控制器，用于计算用于电机控制的电流指令值并发送所述电流指令值；
电流测量传感器，用于测量施加在电机上的电流；以及
控制器，用于基于从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值、从所述电流测量传感器接收的测量的电流值和预先存储的电机参数计算电机位置增量，通过对计算的电机位置增量进行积分来估计当前电机位置，并使用所估计的当前电机位置控制所述电机。
2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其中所述控制器包括电流控制器，所述电流控制器用于生成用以补偿从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值和从所述电流测量传感器接收的测量的电流值之间的误差的电压指令值。
3.根据权利要求2所述的电机控制装置，还包括存储器，所述存储器用于存储包括电机电阻和电机电感的所述电机参数，并存储通过所述电流控制器生成的所述当前电压指令值，使得所述控制器计算下一个计算周期的电机位置增量。
4.根据权利要求3所述的电机控制装置，其中所述控制器包括电机速度计算器，所述电机速度计算器用于使用通过所述电流控制器生成的所述当前电压指令值、从所述电流测量传感器输入的测量的电流值和存储在所述存储器的所述电机电阻和电机电感计算电机速度。
5.根据权利要求4所述的电机控制装置，其中所述控制器包括电机位置增量计算器，所述电机位置增量计算器用于使用通过所述电机速度计算器计算的所述电机速度、从所述电流测量传感器输入的测量的电流值和由所述电流控制器先前生成并存储在所述存储器中的先前电压指令值计算所述电机位置增量。
6.一种MDPS系统的电机控制方法，包括：
由控制器从转向逻辑控制器接收用于电机控制的电流指令值；
由所述控制器从电流测量传感器接收测量的电流值；
由所述控制器基于从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值、从所述电流测量传感器接收的所述测量的电流值和预先存储的电机参数计算电机位置增量；以及
由所述控制器使用通过对所述计算的电机位置增量进行积分而估计的当前电机位置控制所述电机。
7.根据权利要求6所述的电机控制方法，其中所述电机位置增量的所述计算包括由所述控制器生成用以补偿从所述转向逻辑控制器接收的所述电流指令值和从所述电流测量传感器接收的所述测量的电流值之间的误差的电压指令值。
8.根据权利要求7所述的电机控制方法，其中所述电机位置增量的所述计算包括将所述当前电压指令存储在存储器中，使得所述控制器计算下一计算周期的电机位置增量。
9.根据权利要求8所述的电机控制方法，其中所述电机位置增量的所述计算包括由所述控制器使用所述生成的当前电压指令值、从所述电流测量传感器输入的所述测量的电流值以及存储在所述存储器中的所述电机电阻和电机电感计算电机速度。
10.根据权利要求9所述的电机控制方法，其中所述电机位置增量的所述计算包括由所述控制器使用所述计算的电机速度、从所述电流测量传感器输入的所述测量的电流值和存储在所述存储器中的先前电压指令值计算所述电机位置增量。
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