CN109463039B - 电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，该电动助力转向装置不需要调节操作，对逆变器的死区时间进行补偿，并且，改善电流波形的失真，提高电流控制的响应性，能够抑制声音、振动和脉动。本发明的基于矢量控制方式的电动助力转向装置将运算出的dq轴电流指令值变换成3个相的占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，其估计出使用3相电流指令值模型来对dq轴电流指令值进行变换后得到的3相电流模型指令值的补偿符号，并且，基于逆变器外加电压来运算出死区时间补偿量，通过使对死区时间补偿量与补偿符号相乘后得到的值进行变换后得到的2个相的死区时间补偿值与dq轴电压指令值相加，或者，通过使3个相的死区时间补偿值与3相电压指令值相加，来进行逆变器的死区时间补偿。

Description

电动助力转向装置
技术领域
本发明涉及一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置通过dq轴旋转坐标系对三相无刷电动机的驱动进行矢量控制，并且，基于将dq轴电流指令值变换成3相的电流指令值模型，通过基于dq轴电流指令值的补偿符号，对由逆变器外加电压感应补偿量运算单元运算出的死区时间补偿量进行处理后，再将其与dq轴电压指令值或3相电压指令值相加，来进行逆变器的死区时间补偿，从而实现了平稳并且没有转向音的辅助控制。
背景技术
利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加转向辅助力(辅助力)的电动助力转向装置(EPS)，将作为致动器的电动机的驱动力经由减速装置由诸如齿轮或皮带之类的传送机构，向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确地产生转向辅助力的扭矩，这样的现有的电动助力转向装置进行电动机电流的反馈控制。反馈控制通过调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小，一般来说，通过调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(duty ratio)来进行电动机外加电压的调整。
参照图1对电动助力转向装置的一般结构进行说明。如图1所示，转向盘(方向盘)1的柱轴(转向轴或方向盘轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8L和8R相连接。另外，在柱轴2上设有用于检测出转向盘1的转向角θ的转向角传感器14和用于检测出转向盘1的转向扭矩Th的扭矩传感器10，用于对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴2相连接。电池13对用于控制电动助力转向装置的控制单元(ECU)30进行供电，并且，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30中。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Th和由车速传感器12检测出的车速Vs，进行辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，由通过对运算出的电流指令值实施补偿等而得到的电压控制指令值Vref来控制供应给电动机20的电流。此外，转向角传感器14并不是必须的，也可以不设置转向角传感器14，还有，也可以从与电动机20相连接的诸如分解器之类的旋转传感器处获得转向角(电动机旋转角)θ。
另外，用于收发车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速Vs也能够从CAN40处获得。此外，用于收发CAN40以外的通信、模拟/数字信号、电波等的非CAN41也可以被连接到控制单元30。
在这样的电动助力转向装置中，尽管控制单元30主要由CPU(Central ProcessingUnit，中央处理单元)(也包含MPU(Micro Processor Unit，微处理器单元)、MCU(MicroController Unit，微控制器单元)等)来构成，但该CPU内部由程序执行的一般功能例如，如图2的结构所示那样。
参照图2对控制单元30的功能以及动作进行说明。如图2所示，来自扭矩传感器10的转向扭矩Th和来自车速传感器12的车速Vs被输入到转向辅助指令值运算单元31中。转向辅助指令值运算单元31基于转向扭矩Th和车速Vs并利用辅助图(assist map)等来运算出转向辅助指令值Iref1。运算出的转向辅助指令值Iref1在加法单元32A与来自用于改善特性的补偿单元34的补偿信号CM相加，相加后得到的转向辅助指令值Iref2在电流限制单元33中被限制了最大值，被限制了最大值的电流指令值Irefm被输入到减法单元32B中以便在减法单元32B中对其和电动机电流检测值Im进行减法运算。
PI(比例积分)控制单元35对作为在减法单元32B中得到的减法结果的偏差ΔI(＝Irefm－Im)进行诸如PI(比例积分)之类的电流控制，经过电流控制后得到的电压控制指令值Vref与调制信号(三角波载波)CF一起被输入到PWM控制单元36中以便运算出占空比指令值，通过已经运算出占空比指令值的PWM信号并且经过逆变器37来对电动机20进行PWM驱动。电动机电流检测器38检测出电动机20的电动机电流值Im，由电动机电流检测器38检测出的电动机电流值Im被反馈输入到减法单元32B中。
另外，补偿单元34先在加法单元344将检测出或估计出的自对准扭矩(SAT)343与惯性补偿值342相加，然后在加法单元345将在加法单元344中得到的加法结果与收敛性控制值341相加，最后将在加法单元345中得到的加法结果作为补偿信号CM输入到加法单元32A以便实施特性改善。
近年来，作为电动助力转向装置的致动器，三相无刷电动机已经成为了主流，并且，因为电动助力转向装置为车载产品，所以其工作温度范围很广，从故障安全的角度来看，与以家用电器产品为代表的一般工业用逆变器相比，用于驱动电动助力转向装置中的电动机的逆变器需要较长的死区时间(即，一般工业用设备用逆变器的死区时间＜EPS用逆变器的死区时间)。一般来说，因为当关断(OFF)开关元件(例如，FET(场效应晶体管))的时候，存在延迟时间，所以如果同时进行上下桥臂的开关元件的关断/导通(OFF/ON)切换的话，则会发生直流链路短路的状况，为了防止发生这种状况，设置上下桥臂的双方的开关元件处于关断(OFF)状态的时间(死区时间)。
其结果为，电流波形失真，并且，电流控制的响应性和转向感发生恶化。例如，当转向盘处于在中心(on-center)附近的状态并且缓慢地进行转向的时候，会产生起因于扭矩脉动等的不连续的转向感等。还有，因为在中、高速转向时所发生的电动机的反电动势和绕组之间的干扰电压会作为外部干扰而作用于电流控制，所以会使转向追随性和反向转向时的转向感变差。还有，在中、高速转向时，转向音也会发生恶化。
“独立地设定作为三相无刷电动机的转子的坐标轴的用来控制扭矩的q轴和用来控制磁场强度的d轴，因为各个轴存在90°的关系，所以通过该矢量对相当于各个轴的电流(d轴电流指令值以及q轴电流指令值)进行控制”的矢量控制方式是已知的。
图3示出了“通过矢量控制方式对三相无刷电动机100进行驱动控制的场合”的结构示例。如图3所示，转向辅助指令值运算单元(未在图中示出)基于转向扭矩Th、车速Vs等来运算出两个轴(dq轴坐标系)的转向辅助指令值，被限制了最大值的两个轴的d轴电流指令值id *以及q轴电流指令值iq *分别被输入到减法单元131d以及减法单元131q中，由减法单元131d以及减法单元131q求出的电流偏差Δid *以及电流偏差Δiq *分别被输入到PI控制单元120d以及PI控制单元120q中。在PI控制单元120d以及PI控制单元120q中经过PI控制后得到的电压指令值vd以及电压指令值vq分别被输入到减法单元141d以及加法单元141q中，由减法单元141d以及加法单元141q求出的指令电压Δvd以及指令电压Δvq被输入到dq轴/3相交流变换单元150中。在dq轴/3相交流变换单元150中被变换成3个相的电压指令值Vu*、Vv*以及Vw*被输入到PWM控制单元160中,通过基于运算出的3个相的占空比指令值(Dutyu、Dutyv、Dutyw)的PWM信号，并且，经由“由如图4所示那样的具有上下桥臂的电桥结构来构成”的逆变器(逆变器外加电压VR)161来对电动机100进行驱动。上侧桥臂由作为开关元件的FETQ1、FETQ3以及FETQ5来构成，还有，下侧桥臂由FETQ2、FETQ4以及FETQ6来构成。
电流检测器162检测出电动机100的3相电动机电流iu、iv以及iw，检测出的3相电动机电流iu、iv以及iw被输入到3相交流/dq轴变换单元130中，在3相交流/dq轴变换单元130中被变换成2个相的反馈电流id以及iq分别被减法输入到减法单元131d以及减法单元131q中，并且，还被输入到d-q解耦控制(decoupling control)单元140中。还有，旋转传感器等被安装在电动机100上，用来对传感器信号进行处理的角度检测单元110输出电动机旋转角θ以及电动机转速(旋转速度)ω。电动机旋转角θ被输入到dq轴/3相交流变换单元150以及3相交流/dq轴变换单元130中。还有，电动机转速ω被输入到d-q解耦控制单元140中。来自d-q解耦控制单元140的2个相的电压vd1 *以及vq1 *分别被输入到减法单元141d以及加法单元141q中，由减法单元141d求出的电压指令值Δvd以及由加法单元141q求出的电压指令值Δvq被输入到dq轴/3相交流变换单元150中。
这样的基于矢量控制方式的电动助力转向装置是用来对驾驶员的转向进行辅助的装置，并且，电动机的声音、振动和扭矩脉动等作为一种力的感觉经由转向盘被传递给驾驶员。作为用来驱动逆变器的功率器件，通常使用FET，在三相电动机的情况下，为了对电动机进行通电，如图4所示那样，针对每个相，需要使用上下桥臂中的被串联起来的FET。尽管交替地重复进行上下桥臂的FET的导通/关断(ON/OFF)，但由于FET不是理想的开关，其不可能按照栅极信号的指令来瞬时进行FET的ON/OFF，所以需要导通时间和关断时间。因此，如果向上侧桥臂的FET发出的导通指令(ON指令)和向下侧桥臂的FET发出的关断指令(OFF指令)同时被输入进来的话，则存在“上侧桥臂的FET和下侧桥臂的FET同时处于导通状态(ON状态)，从而上下桥臂发生短路”的问题。因为FET的导通时间和关断时间有所不同，所以在同时向FET发出指令的情况下，在“向上侧桥臂的FET发出了ON指令，并且，导通时间短(例如，导通时间为100ns)”的场合，FET就立刻变成ON状态，但在“即使向下侧桥臂的FET发出了OFF指令，但关断时间长(例如，关断时间为400ns)”的场合，FET却不会立刻变成OFF状态，因此，可能会发生“瞬时上侧桥臂的FET变成ON状态，并且，下侧桥臂的FET也变成ON状态(例如，400ns－100ns间，ON－ON)”的现象。
因此，通过在经过了作为死区时间的所规定的时间之后，将ON信号赋予给栅极驱动电路，这样就不会发生“上侧桥臂的FET和下侧桥臂的FET同时处于ON状态”的现象。因为该死区时间为非线性，所以电流波形失真，控制的响应性能发生恶化，发生声音、振动和脉动。在柱轴助力式电动助力转向装置的场合，因为与通过转向盘和钢制的柱轴来进行连接的齿轮箱直接相连接的电动机的配置位置在结构上非常靠近驾驶员，所以与下游助力方式的电动助力转向装置相比，需要特别考虑起因于电动机的声音、振动和脉动等。
作为对逆变器的死区时间进行补偿的方法，在现有技术中，检测出发生死区时间的时刻，添加补偿值，通过电流控制的dq轴上的外部干扰观测器来对死区时间进行补偿。
例如，日本专利第4681453号公报(专利文献1)和日本特开2015-171251号公报(专利文献2)公开了用于对逆变器的死区时间进行补偿的电动助力转向装置。在专利文献1中，具备死区时间补偿电路，该死区时间补偿电路将电流指令值输入到包括电动机和逆变器在内的电流控制环路的参考模型电路中，基于电流指令值来生成模型电流，基于模型电流来对逆变器的死区时间的影响进行补偿。还有，在专利文献2中，具备用于对占空比指令值进行基于死区时间补偿值的补正的死区时间补偿单元，并且，具有基本补偿值运算单元和滤波器单元，其中，该基本补偿值运算单元基于电流指令值来运算出作为死区时间补偿值的基础值的基本补偿值，该滤波器单元对基本补偿值进行与LPF相对应的滤波处理。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4681453号公报
专利文献2：日本特开2015-171251号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
专利文献1的装置为这样一种方式，即，计算出基于q轴电流指令值的大小的死区时间补偿量，使用3相电流参考模型，估计出补偿符号。在等于或小于所规定的固定值的情况下，补偿电路的输出值为与模型电流成比例的变化值；在等于或大于所规定的固定值的情况下，补偿电路的输出值为固定值与“与模型电流成比例的变化值”相加后得到的加法值。尽管基于电流指令来输出电压指令，但需要进行“用来决定用于输出所规定的固定值的滞后特性”的调节操作。
还有，因为专利文献2的装置在决定死区时间补偿值的时候，通过q轴电流指令值和“对q轴电流指令值进行了低通滤波器处理后得到的补偿值”来进行死区时间补偿，这样就会产生延迟，所以存在“将被输入到电动机中的最终的电压指令并不是用来操作死区时间补偿值的”的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，该电动助力转向装置不需要调节操作，对逆变器的死区时间进行补偿，并且，改善电流波形的失真，提高电流控制的响应性，能够抑制声音、振动和脉动。
解决技术问题的技术方案
本发明涉及一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，其将至少基于转向扭矩运算出的dq轴电流指令值变换成3个相的占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：估计出“使用3相电流指令值模型来对所述dq轴电流指令值进行变换后得到的”3相电流模型指令值的补偿符号，并且，基于逆变器外加电压来运算出死区时间补偿量，通过使对“所述死区时间补偿量与所述补偿符号相乘后得到的值”进行变换后得到的2个相的死区时间补偿值与dq轴电压指令值相加，来进行所述逆变器的死区时间补偿。
还有，本发明涉及一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，其将至少基于转向扭矩运算出的dq轴电流指令值变换成3相电压指令值，基于所述3相电压指令值来运算出占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：估计出“使用3相电流指令值模型来对所述dq轴电流指令值进行变换后得到的”3相电流模型指令值的补偿符号，并且，基于逆变器外加电压来运算出死区时间补偿量，通过使“所述死区时间补偿量与所述补偿符号相乘后得到的”死区时间补偿值与所述3相电压指令值相加，来进行所述逆变器的死区时间补偿。
发明的效果
根据本发明的电动助力转向装置，通过将dq轴电流指令值变换成3个相的电流模型指令值，并且，估计出3个相的电流模型指令值的补偿符号，基于逆变器外加电压来运算出逆变器的死区时间补偿量，基于死区时间补偿量，使对“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”进行变换后得到的2个相的死区时间补偿值与dq轴上的电压指令值相加(前馈)，或者，通过使“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”与3个相的电压指令值相加(前馈)，来进行补偿。通过这样做，就不需要调节操作，通过在dq轴或3相上对逆变器的死区时间进行补偿，就能够改善电流波形的失真，并且，还能够提高电流控制的响应性。
因为通过基于dq轴电流指令值的死区时间的前馈补偿，就能够使控制变得平稳，所以能够抑制电动机的声音、振动和脉动。还有，本发明具有“即使在高速转向时，相位移也比较小，从而能够简单地进行补偿”的优点。因为即使变成了d轴控制，补偿方法也不会改变，所以能够简单地进行补偿。
在进入了d轴控制的情况下，尽管有时会按照“有无d轴电流指令值”的条件来切换逻辑，并通过d轴专用的逻辑来另外进行补偿，但在本发明中，因为电流指令值模型的计算包括d轴电流指令值，所以在没有d轴电流指令值的情况下，输出“基于d轴电流指令值＝0运算出的”3相电流模型指令值。在d轴电流指令值≠0的情况下，因为输出与d轴电流指令值以及q轴电流指令值相对应的3相电流模型指令值，所以不需要另外的d轴专用的逻辑。因为计算方法不会按照“有无d轴电流指令值”而发生变化，所以不需要切换和追加的逻辑，就能够进行补偿。
附图说明
图1是表示一般的电动助力转向装置的概要的结构图。
图2是表示电动助力转向装置的控制系统的结构示例的结构框图。
图3是表示矢量控制方式的结构示例的结构框图。
图4是表示一般的逆变器的结构示例的接线图。
图5是表示本发明的结构示例(第1实施方式)的结构框图。
图6是表示相位调整单元的特性的一个示例的特性图。
图7是表示逆变器外加电压感应补偿量运算单元的结构示例的结构框图。
图8是表示逆变器外加电压感应补偿量运算单元的特性示例的特性图。
图9是表示3相电流指令值模型的输出波形的一个示例的波形图。
图10是表示相电流补偿符号估计单元的动作示例的波形图。
图11是表示空间矢量调制单元的结构示例的结构框图。
图12是表示空间矢量调制单元的动作示例的图。
图13是表示空间矢量调制单元的动作示例的图。
图14是表示空间矢量调制单元的动作示例的时间图。
图15是表示空间矢量调制的效果的波形图。
图16是表示本发明(第1实施方式)的效果的波形图。
图17是表示本发明(第1实施方式)的效果的波形图。
图18是表示本发明的结构示例(第2实施方式)的结构框图。
图19是表示本发明(第2实施方式)的效果的波形图。
图20是表示本发明(第2实施方式)的效果的波形图。
具体实施方式
本发明为了解决“因ECU的逆变器的死区时间的影响而导致产生电流失真、发生扭矩脉动、使转向音恶化等”的问题，通过将死区时间补偿值变换成基于dq轴电流指令值的3相电流模型指令值，并且，估计出补偿符号，基于逆变器外加电压来运算出逆变器的死区时间补偿量，使对“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”进行变换后得到的2个相的死区时间补偿值与dq轴上的电压指令值相加(前馈)(第1实施方式)，或者，通过使“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”与3个相的电压指令值相加(前馈)(第2实施方式)，来对死区时间进行补偿。通过这样做，就不需要调节操作，通过在dq轴或3相交流上对逆变器的死区时间进行补偿，就能够改善电流波形的失真，并且，还能够提高电流控制的响应性。
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
与图3相对应的图5示出了本发明的整体结(第1实施方式)构。如图5所示，设有“用于运算出dq轴上的死区时间补偿值vd *以及vq *”的死区时间补偿单元200。d轴电流指令值id *以及q轴电流指令值iq *被输入到死区时间补偿单元200中，并且，电动机旋转角θ以及电动机转速ω也被输入到死区时间补偿单元200中。还有，被施加在逆变器161的逆变器外加电压VR被输入到死区时间补偿单元200中。
被限制了“由转向辅助指令值运算单元(未在图中示出)运算出的转向辅助指令值”的最大值的d轴电流指令值id *以及q轴电流指令值iq *分别被输入到减法单元131d以及减法单元131q中，减法单元131d以及减法单元131q分别运算出d轴电流指令值id *以及q轴电流指令值iq *与反馈电流id以及iq之间的电流偏差Δid *以及Δiq *。运算出的电流偏差Δid *被输入到PI控制单元120d中，还有，运算出的电流偏差Δiq *被输入到PI控制单元120q中。经过PI控制后得到的d轴电压指令值vd以及q轴电压指令值vq分别被输入到加法单元121d以及加法单元121q中，与来自如后所述的死区时间补偿单元200的死区时间补偿值vd *以及vq *分别进行加法运算以便进行补偿，这些补偿后的电压值分别被输入到减法单元141d以及加法单元141q中。来自d-q解耦控制单元140的电压vd1 *被输入到减法单元141d中，在减法单元141d中得到的减法结果为电压指令值vd **，还有，来自d-q解耦控制单元140的电压vq1 *被输入到加法单元141q中，在加法单元141q中得到的加法结果为电压指令值vq **。对死区时间进行了补偿的电压指令值vd **以及vq **从dq轴的2相被变换成U相、V相、W相的3相，然后，被输入到用于叠加三次谐波的空间矢量调制单元300中。在空间矢量调制单元300中经过矢量调制后得到的3个相的电压指令值Vu *、Vv *以及Vw *被输入到PWM控制单元160中,与上述相同，经由PWM控制单元160以及逆变器161来对电动机100进行驱动控制。
接下来，对死区时间补偿单元200进行说明。
死区时间补偿单元200由加法单元201、乘法单元202、逆变器外加电压感应补偿量运算单元210、3相电流指令值模型220、相电流补偿符号估计单元221、相位调整单元230以及3相交流/dq轴变换单元240来构成。此外，通过乘法单元202以及3相交流/dq轴变换单元240来构成了死区时间补偿值输出单元。电动机旋转角θ被输入到加法单元201中，还有，电动机转速ω被输入到相位调整单元230中。另外，逆变器外加电压VR被输入到逆变器外加电压感应补偿量运算单元210中，还有，由加法单元201计算出的“相位调整后的电动机旋转角θm”被输入到3相电流指令值模型220中。
在想根据电动机转速ω来提前或者推迟死区时间补偿时刻的情况下，使相位调整单元230具有“根据电动机转速ω来计算出调整角度”的功能。相位调整单元230在超前角控制的情况下，具有如图6所示的特性。由相位调整单元230计算出的相位调整角Δθ被输入到加法单元201中，加法单元201使相位调整角Δθ与检测出的电动机旋转角θ相加。作为加法单元201的加法结果的“相位调整后的电动机旋转角θm(＝θ+Δθ)”被输入到3相电流指令值模型220中，并且，还被输入到3相交流/dq轴变换单元240中。
在从“检测出电动机电角度，然后运算出占空比指令值”到“运算出的占空比指令值实际上被反映在PWM信号中”的期间，存在数十[μs]～百[μs]的时间延迟。因为电动机在这个期间中一直在旋转，所以在运算时的电动机电角度与反映时的电动机电角度之间产生相位移。为了对该相位移进行补偿，通过根据电动机转速ω来进行超前角控制，以便调整相位。
因为最佳的死区时间补偿量根据逆变器外加电压VR而发生变化，所以在本发明中，运算并改变与逆变器外加电压VR相对应的死区时间补偿量DTC。“输入逆变器外加电压VR，并且，输出死区时间补偿量DTC”的逆变器外加电压感应补偿量运算单元210具有如图7所示的结构。如图7所示，逆变器外加电压VR在输入限制单元211中被限制了正/负最大值，被限制了最大值的逆变器外加电压VR1被输入到逆变器外加电压/死区时间补偿量变换表212中。
逆变器外加电压/死区时间补偿量变换表212例如具有如图8所示的特性。也就是说，逆变器外加电压/死区时间补偿量变换表的特性为这样一种特性，即，当逆变器外加电压VR1等于或低于所规定的逆变器外加电压VR1的时候，死区时间补偿量DTC为固定的死区时间补偿量DTC1；当逆变器外加电压VR1高于所规定的逆变器外加电压VR1并且等于或低于所规定的逆变器外加电压电压VR2(＞所规定的逆变器外加电压VR1)的时候，死区时间补偿量DTC随着逆变器外加电压VR1增加而线性(或非线性)地增加；当逆变器外加电压VR1高于所规定的电压VR2的时候，死区时间补偿量DTC为固定的死区时间补偿量DTC2。
d轴电流指令值id *以及q轴电流指令值iq *与电动机旋转角θm一起，被输入到3相电流指令值模型220中。3相电流指令值模型220基于d轴电流指令值id *以及q轴电流指令值iq *和电动机旋转角θm，并且，通过运算或表(table)，来计算出如图9所示那样的相位互相偏移120°的正弦波的3相电流模型指令值Icm(参照下述式1以及式2)。3相电流模型指令值Icm因电动机的类型而异。还有，基于电动机电角度θe将d轴电流指令值iref_d以及q轴电流指令值iref_q变换成3个相的电流指令值(U相、V相以及W相)的话，则可以获得下述式1。
式1
Figure BDA0001914972920000111
基于上述式1来求得各个相的电流指令值的话，则可以通过下述式2来表示U相电流指令值模型iref_u、V相电流指令值模型iref_v以及W相电流指令值模型iref_w。
式2
iref_u＝iref_d·cos(θe)+iref_q·sin(θe)
表可以为被存储在EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory，电可擦除可编程只读存储器)中的类型的表，还有，也可以为被加载到RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)中的类型的表。在使用式2的时候，也可以预先只将sinθ存储在表中，通过使用“偏移了90°的输入θ”来运算出cosθ，还有，通过使用“偏移了120°的输入θ”等来运算出其他的sin函数项。在ROM容量足够大或者电流指令值模型为复杂的电流指令值模型(例如，伪矩形波电动机等)的情况下，预先将整个式子存储在表中。
3相电流模型指令值Icm被输入到相电流补偿符号估计单元221中。相电流补偿符号估计单元221针对被输入进来的3相电流模型指令值Icm，通过如图10的(A)以及图10的(B)所示的滞后特性，来输出正(+1)或负(－1)的补偿符号SN。尽管以“3相电流模型指令值Icm的零交叉点”为基准来估计出补偿符号SN，但为了抑制触点抖动(chattering)，具有滞后特性。估计出的补偿符号SN被输入到乘法单元202中。此外，可以适当地变更滞后特性的正/负阈值。
在简单地基于相电流指令值模型的电流符号来决定死区时间补偿值的符号的情况下，在低负载下会发生触点抖动。例如，当驾驶员在中心(on-center)稍微向左或向右转动了转向盘的时候，会发生扭矩脉动。为了解决这个问题，在符号判定中，设置了滞后(图10的(A)中的±0.25[A])。在除“因超过了设定好的电流值，从而导致符号发生了变化”的场合以外的情况下，通过保持当前的符号，来抑制触点抖动。
来自逆变器外加电压感应补偿量运算单元210的死区时间补偿量DTC被输入到乘法单元202中。乘法单元202输出“死区时间补偿量DTC与补偿符号SN相乘后得到的”死区时间补偿量DTCa(＝DTC×SN)。死区时间补偿量DTCa被输入到3相交流/dq轴变换单元240中。3相交流/dq轴变换单元240以与电动机旋转角θm同步的方式输出2个相的死区时间补偿值vd *以及vq *。死区时间补偿值vd *以及vq *分别在加法单元121d以及加法单元121q中与电压指令值vd以及vq相加，实施逆变器161的死区时间补偿。
就这样，在本发明中，将dq轴电流指令值变换成3个相的电流模型指令值，并且，估计出补偿符号，基于逆变器外加电压来运算出逆变器的死区时间补偿量，通过使“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”与dq轴上的电压指令值相加(前馈)，来进行补偿。对于死区时间的补偿符号，使用3相电流模型指令值；基于逆变器外加电压VR来计算出死区时间补偿量；可以根据电流指令值(id *以及iq *)的大小和逆变器外加电压VR的大小来改变补偿值，从而使其具有最佳的大小和方向。
接下来，对空间矢量调制进行说明。如图11所示，空间矢量调制单元300只要具有“将dq轴空间的2相电压(vd **、vq **)变换成3相电压(Vua、Vva、Vwa)，并且，输出使三次谐波叠加在3相电压(Vua、Vva、Vwa)上的结果(Vu *、Vv *、Vw *)”的功能就可以了。例如，空间矢量调制单元300可以使用由本申请人以前提出的日本特开2017-70066号公报和日本专利申请号2015-239898中所记载的空间矢量调制的方法。
也就是说，空间矢量调制具有这样的功能，即，通过基于dq轴空间的电压指令值vd **以及vq **、电动机旋转角θ以及扇区号n(#1～#6)来进行如下所述的坐标变换，并且，将“用来对电桥结构的逆变器的FET(上侧桥臂Q1、Q3、Q5和下侧桥臂Q2、Q4、Q6)的ON/OFF进行控制，并且，与扇区#1～#6相对应”的开关模式S1～S6供应给电动机，以便对电动机的旋转进行控制。关于坐标变换，在空间矢量调制中，基于下述式3并且通过坐标变换，将电压指令值vd **以及vq **变换成α－β坐标系中的电压矢量Vα以及Vβ。还有，图12示出了被用于这个坐标变换的坐标轴与电动机旋转角θ之间的关系。
式3
Figure BDA0001914972920000131
还有，在d－q坐标系中的目标电压矢量与α－β坐标系中的目标电压矢量之间存在如下述式4那样的关系，另外，目标电压矢量V的绝对值被保存起来。
式4
Figure BDA0001914972920000132
在空间矢量控制的开关模式中，根据FET(Q1～Q6)的开关模式S1～S6，并且，通过如图13的空间矢量图所示的8种离散基准电压矢量V0～V7(相位彼此相差π/3[rad]的非零电压矢量V1～V6和零电压矢量V0以及V7)，来定义逆变器的输出电压。还有，对这些基准输出电压矢量V0～V7的选择和它们的发生时间进行控制。另外，通过使用相邻的基准输出电压矢量所夹的6个区域，就能够将空间矢量划分为6个扇区#1～#6，目标电压矢量V属于扇区#1～#6中的某一个扇区，可以分配扇区号。基于目标电压矢量V的α－β坐标系中的旋转角γ，就能够求出“作为Vα以及Vβ的合成矢量的目标电压矢量V到底存在于在α－β空间中被分成正六边形的如图13所示那样的扇区中的哪一个扇区”。还有，旋转角γ作为电动机的旋转角θ与“通过d－q坐标系中的电压指令值vd **与电压指令值vq **之间的关系来获得”的相位δ的和，是通过γ＝θ+δ来决定的。
图14示出了“为了通过基于空间矢量控制的逆变器的开关模式S1、S3、S5的数字控制来使目标电压矢量V从逆变器输出，决定针对FET的ON/OFF信号S1～S6(开关模式)中的开关脉冲宽度和该时刻”的基本时间图。还有，空间矢量调制在每个规定的采样周期Ts，在采样周期Ts内进行运算等，并且，在下一个采样周期Ts将该运算结果变换成开关模式S1～S6中的开关脉冲宽度和该时刻并将它们输出。
空间矢量调制生成与基于目标电压矢量V求出的扇区号相对应的开关模式S1～S6。图14示出了在扇区号#1(n＝1)的场合的逆变器的FET的开关模式S1～S6的一个示例。信号S1、S3以及S5表示与上侧桥臂相对应的FETQ1、FETQ3、FETQ5的栅极信号。横轴表示时间，Ts为“与开关周期相对应，被划分为8个时间段，由T0/4、T1/2、T2/2、T0/4、T0/4、T0/4、T2/2、T1/2以及T0/4来构成”的周期。还有，时间段T1以及T2分别为依存于扇区号n以及旋转角γ的时间。
在没有空间矢量调制的情况下，“将本发明的死区时间补偿应用在dq轴上，只对死区时间补偿值进行了dq轴/3相变换”的死区时间补偿值波形(U相波形)成为像图15的虚线那样的去除了三次谐波分量的波形。V相以及W相也是同样的。通过应用空间矢量调制来替代dq轴/3相变换，这样就能够使三次谐波叠加在3相信号上，从而能够弥补因3相变换而失去的三次谐波分量，就能够生成像图15的实线那样的理想的死区时间补偿波形。
图16以及图17是表示本发明(第1实施方式)的效果的模拟结果，图16示出了没有死区时间的补偿的场合的U相电流、d轴电流以及q轴电流。通过应用本发明的死区时间补偿，就能够确认“在高速转向的转向操作状态，如图17所示，相电流以及dq轴电流的波形失真得到了改善(dq轴电流波形中的脉动很小，相电流波形接近正弦波)”，可以看到“转向时的扭矩脉动和转向音均得到了改善”。
此外，在图16以及图17中，代表性地示出了U相电流。
接下来，参照与图5相对应的图18，对通过使“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”与3个相的电压指令值相加(前馈)来进行补偿的第2实施方式进行说明。
在如图18所示的第2实施方式中，因为死区时间补偿单元200A不具备3相交流/dq轴变换单元240，所以没有具备dq轴上的加法单元121d以及加法单元121q。在第2实施方式中，为了使“基于估计出的补偿符号的死区时间补偿值”与3个相的电压指令值相加(前馈)，在空间矢量调制单元300与PWM控制单元160之间设置了加法单元163U、加法单元163V以及加法单元163W。还有，“死区时间补偿量DTC在乘法单元202中与补偿符号SN相乘后得到的”3个相的死区时间补偿值DTCa(DTCau、DTCav以及DTCaw)分别被输入到加法单元163U、加法单元163V以及加法单元163W中。通过加法运算来进行了死区时间补偿的电压指令值Vu **、Vv **以及Vw **被输入到PWM控制单元160中。之后的控制动作与上述相同。
还有，第2实施方式中的逆变器外加电压感应补偿量运算单元210、3相电流指令值模型220、相电流补偿符号估计单元221以及相位调整单元230具有与第1实施方式相同的特性，并且，进行与第1实施方式相同的动作。另外，图19以及图20示出了第2实施方式的效果。此外，在图19以及图20中，代表性地示出了U相电流。
附图标记说明
1 转向盘(方向盘)
2 柱轴(转向轴或方向盘轴)
10 扭矩传感器
12 车速传感器
13 电池
20、100 电动机
30 控制单元(ECU)
31 转向辅助指令值运算单元
35、203、204 PI 控制单元
36、160 PWM控制单元
37、161 逆变器
110 角度检测单元
130 3相/2相变换单元
140 d-q解耦控制单元
200、200A 死区时间补偿单元
210 逆变器外加电压感应补偿量运算单元
220 3相电流指令值模型
221 相电流补偿符号估计单元
230 相位调整单元
240 3相交流/dq轴变换单元
300 空间矢量调制单元
301 2相/3相变换单元
302 三次谐波叠加单元

Claims (8)

1.一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，其将至少基于转向扭矩运算出的dq轴电流指令值变换成3个相的占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，其特征在于：
估计出“使用3相电流指令值模型来对所述dq轴电流指令值进行变换后得到的”3相电流模型指令值的补偿符号，并且，基于逆变器外加电压来运算出死区时间补偿量，通过使对“所述死区时间补偿量与所述补偿符号相乘后得到的值”进行变换后得到的2个相的死区时间补偿值与dq轴电压指令值相加，来进行所述逆变器的死区时间补偿，
在变换成所述3相电流模型指令值的时候和在变换成所述死区时间补偿值的时候，使用了电动机旋转角，
所述逆变器外加电压与所述死区时间补偿量之间的关系为这样一种关系，即，当所述逆变器外加电压等于或低于所规定的电压VR1的时候，所述死区时间补偿量为固定的第1死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR1并且等于或低于所规定的电压VR2的时候，其中，所述所规定的电压VR2＞所述所规定的电压VR1，所述死区时间补偿量为随着所述逆变器外加电压增加而增加的第2死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR2的时候，所述死区时间补偿量为固定的第3死区时间补偿量。
2.一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，其将至少基于转向扭矩运算出的dq轴电流指令值变换成3相电压指令值，基于所述3相电压指令值来运算出占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，其特征在于：
估计出“使用3相电流指令值模型来对所述dq轴电流指令值进行变换后得到的”3相电流模型指令值的补偿符号，并且，基于逆变器外加电压来运算出死区时间补偿量，通过使“所述死区时间补偿量与所述补偿符号相乘后得到的”死区时间补偿值与所述3相电压指令值相加，来进行所述逆变器的死区时间补偿，
所述逆变器外加电压与所述死区时间补偿量之间的关系为这样一种关系，即，当所述逆变器外加电压等于或低于所规定的电压VR1的时候，所述死区时间补偿量为固定的第1死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR1并且等于或低于所规定的电压VR2的时候，其中，所述所规定的电压VR2＞所述所规定的电压VR1，所述死区时间补偿量为随着所述逆变器外加电压增加而增加的第2死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR2的时候，所述死区时间补偿量为固定的第3死区时间补偿量。
3.根据权利要求2所述的电动助力转向装置，其特征在于：
在变换成所述3相电流模型指令值的时候和在变换成所述死区时间补偿值的时候，使用了电动机旋转角。
4.根据权利要求3所述的电动助力转向装置，其特征在于：
通过根据电动机转速来改变所述电动机旋转角的相位，以便进行相位调整。
5.根据权利要求4所述的电动助力转向装置，其特征在于：
基于所述dq轴电流指令值以及运算或表，来计算出所述3相电流模型指令值。
6.一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，其将至少基于转向扭矩运算出的dq轴电流指令值变换成3个相的占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，其特征在于：
具备逆变器外加电压感应补偿量运算单元、3相电流指令值模型、相电流补偿符号估计单元和死区时间补偿值输出单元，
所述逆变器外加电压感应补偿量运算单元基于逆变器外加电压，来运算出各个相的死区时间补偿量，
所述3相电流指令值模型基于所述dq轴电流指令值，来运算出3相电流模型指令值，
所述相电流补偿符号估计单元估计出所述3相电流模型指令值的补偿符号，
所述死区时间补偿值输出单元输出“将所述各个相的死区时间补偿量与所述补偿符号相乘后得到的值变换到dq轴上后得到的”死区时间补偿值，
通过使所述死区时间补偿值与dq轴电压指令值相加，来进行所述逆变器的死区时间补偿，
所述逆变器外加电压与所述死区时间补偿量之间的关系为这样一种关系，即，当所述逆变器外加电压等于或低于所规定的电压VR1的时候，所述死区时间补偿量为固定的第1死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR1并且等于或低于所规定的电压VR2的时候，其中，所述所规定的电压VR2＞所述所规定的电压VR1，所述死区时间补偿量为随着所述逆变器外加电压增加而增加的第2死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR2的时候，所述死区时间补偿量为固定的第3死区时间补偿量。
7.根据权利要求6所述的电动助力转向装置，其特征在于：
所述死区时间补偿值输出单元由乘法单元和3相交流/dq轴变换单元来构成，
所述乘法单元使所述死区时间补偿量与所述补偿符号相乘，
所述3相交流/dq轴变换单元将所述乘法单元的3相输出变换成dq轴的所述死区时间补偿值。
8.一种基于矢量控制方式的电动助力转向装置，其将至少基于转向扭矩运算出的dq轴电流指令值变换成3相电压指令值，基于所述3相电压指令值来运算出占空比指令值，通过PWM控制的逆变器对三相无刷电动机进行驱动控制，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构，其特征在于：
具备逆变器外加电压感应补偿量运算单元、3相电流指令值模型、相电流补偿符号估计单元和死区时间补偿值输出单元，
所述逆变器外加电压感应补偿量运算单元基于逆变器外加电压，来运算出各个相的死区时间补偿量，
所述3相电流指令值模型基于所述dq轴电流指令值，来运算出3相电流模型指令值，
所述相电流补偿符号估计单元估计出所述3相电流模型指令值的补偿符号，
所述死区时间补偿值输出单元输出“所述各个相的死区时间补偿量与所述补偿符号相乘后得到的”3相死区时间补偿值，
通过使所述3相死区时间补偿值与所述3相电压指令值相加，来进行所述逆变器的死区时间补偿，
所述逆变器外加电压与所述死区时间补偿量之间的关系为这样一种关系，即，当所述逆变器外加电压等于或低于所规定的电压VR1的时候，所述死区时间补偿量为固定的第1死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR1并且等于或低于所规定的电压VR2的时候，其中，所述所规定的电压VR2＞所述所规定的电压VR1，所述死区时间补偿量为随着所述逆变器外加电压增加而增加的第2死区时间补偿量；当所述逆变器外加电压高于所述所规定的电压VR2的时候，所述死区时间补偿量为固定的第3死区时间补偿量。
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