CN109478862A - 旋转电机的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

转子位置判断部(10)利用产生于电枢绕组(5)的各相(U、V、W)的感应电压(Vu、Vv、Vw)来确定转子位置。在流过励磁绕组(3)的励磁电流朝目标值上升的期间即励磁电流随时间而变化的期间，通过与电枢绕组(5)交链的磁通的时间微分，在电枢绕组(5)的各相产生感应电压。转子位置判断部(10)基于将产生于各相的感应电压的振幅比和极性组合而成的表格，对转子位置即转子(4)的d轴进行确定。

Description

旋转电机的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及具有励磁绕组和电枢绕组的旋转电机的控制技术。

背景技术

已往，已知，当车辆在十字路口等停止时，使发动机自动停止的怠速停止。

即使在执行了怠速停止后，发动机处于直到停止的减速运转中，例如，当红灯变为绿灯，有时驾驶者也会对车辆进行发动操作。在上述情况下，请求车辆响应驾驶者的发动操作而迅速地使发动机再起动。为了响应上述请求，例如，存在通过兼具电动机功能和发电功能的电动发电机(也称作ISG)，使发动机再起动的示例。在装设于车辆的电动发动机中，存在使用旋转励磁型的同步电动发电机的情况。旋转励磁型的同步电动发电机的转子中包括励磁绕组，定子中包括电枢绕组。

然而，在通过同步电动发电机进行发动机的再起动时，励磁绕组具有较大的电感。由此，同步电动发电机需要时间来使励磁电流上升。也就是说，从励磁电流开始朝励磁绕组流动到励磁电流达到目标值的时间变长。其结果是，发动机再起动需要花费时间。

对此，在专利文献1中，公开了以下技术。专利文献1记载的技术中，从励磁电流开始朝励磁绕组流动起经过励磁电流的上升速度相对高的期间后，朝将由励磁电流产生的励磁磁通抵消的方向，使电枢电流的d轴分量流过电枢绕组。根据上述技术，能通过励磁绕组和电枢绕组的互感分量抵消由励磁绕组的自感分量导致的电压下降。能使励磁电流提早上升。藉此，能缩短励磁电流达到目标值的时间，能迅速地使发动机再起动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2016-59152号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1记载的技术中，为了确定转子的d轴(励磁绕组的中心轴)，需要对转子的角度位置进行检测的旋转角传感器。也就是说，专利文献1记载的技术必须旋转角传感器，没有旋转角传感器则不成立。

本发明提供一种不使用旋转角传感器就能确定转子的角度位置的旋转电机的控制技术。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的技术的一个方式即旋转电机的控制装置具有包括励磁绕组的转子以及包括多相的电枢绕组的定子。此外，旋转电机的控制装置具有励磁电流控制部、转子位置检测部以及电枢电流控制部。励磁电流控制部对向励磁绕组通电的励磁电流进行控制。转子位置检测部对转子的角度位置进行检测。电枢电流控制部基于由转子位置检测部检测的转子的角度位置，对向电枢绕组通电的电枢电流进行控制。转子位置检测部具有感应电压检测部和转子位置判断部。感应电压检测部在通过励磁电流控制部向励磁绕组通电的励磁电流朝目标值上升期间，对产生于电枢绕组的各相的感应电压进行检测。转子位置判断部基于由感应电压检测部检测的感应电压，确定上述转子的角度位置。

本发明的转子位置检测部即使在转子处于停止中，也能对转子的角度位置进行检测。在流过励磁绕组的励磁电流朝目标值上升的期间，通过与电枢绕组交链的磁通的时间微分，在电枢绕组的各相产生感应电压。因此，本发明的转子位置检测部通过感应电压检测部对上述感应电压进行检测，基于检出的感应电压，通过转子位置判断部对转子的角度位置进行确定。藉此，在本发明的技术中，不需要使用用于对转子的角度位置进行检测的高价的旋转角传感器。因此，可以降低成本。

附图说明

图1是第一实施方式的发动机起动装置的结构图。

图2是表示第一实施方式的控制装置的处理步骤的流程图。

图3是在时间轴上表示第一实施方式的控制动作的时序图。

图4是第一实施方式的各相的感应电压的波形图。

图5是表示用于确定第一实施方式的转子位置的表格的图。

图6是表示第二实施方式的控制装置的处理步骤的流程图。

图7是第三实施方式的各相的感应电压的波形图。

图8是表示用于确定第三实施方式的转子位置的表格的图。

图9是表示第四实施方式的控制装置的处理步骤的流程图。

图10是第五实施方式的发动机起动装置的结构图。

图11是第五实施方式的各相的感应电压的波形图。

具体实施方式

参照附图，对实施本发明的实施方式进行详细说明。

[第一实施方式]

在本实施方式中，对将本发明的技术应用于发动机起动装置的示例进行说明。

如图1所例示，发动机起动装置包括相当于本发明的旋转电机的电动发电机1以及控制装置2。电动发电机1兼具电动机功能和发电功能。控制装置2对电动发电机1的电动机动作进行控制。

电动发电机1具有包括励磁绕组3的转子4以及包括三相电枢绕组5的定子。电动发电机1的转子4通过皮带等与发动机(未图示)的曲柄轴连结。励磁绕组3与安装于转子轴的集电环(未图示)连接。励磁绕组3通过与集电环滑动接触的电刷6，从励磁电流控制部7通电有励磁电流。电枢绕组5的例如星形连接的各相U、V、W连接于电枢电流控制部8。电枢绕组5由电枢电流控制部8施加三相交流电而产生旋转磁场。

控制装置2除了上述励磁电流控制部7和电枢电流控制部8以外，还包括转子位置检测部20。转子位置检测部20对转子4的角度位置进行检测。其详细如后所述。

励磁电流控制部7例如对施加于励磁绕组3的直流电压进行调节。藉此，励磁电流控制部7将流向励磁绕组3的励磁电流控制成规定的目标值。以下，将转子4的励磁极产生的磁通的方向定义为d轴，将与该d轴电气地正交的方向定义为q轴。

电枢电流控制部8是将直流电源的电转换为交流电而向电枢绕组5供电的逆变器。电枢电流控制部8将电枢电流分为涉及转矩生成的电流分量和涉及磁通生成的电流分量，并对各电流分量独立地进行控制。在本实施方式中，将涉及转矩生成的电流分量(q轴方向的电流分量)称为q轴分量。此外，将涉及磁通生成的电流分量(d轴方向的电流分量)称为d轴分量。

转子位置检测部20具有以下说明所述的感应电压检测部9和转子位置判断部10。感应电压检测部9在流过励磁绕组3的励磁电流朝目标值上升的情况下，通过与电枢绕组5交链的磁通的时间微分，对产生于电枢绕组5的各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw进行检测。也就是说，感应电压检测部9在励磁电流随时间而变化的情况下，通过与电枢绕组5交链的磁通的时间微分，对产生于电枢绕组5的各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw进行检测。

转子位置判断部10基于由感应电压检测部9检测的各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw，对转子4的角度位置进行确定。以下，将转子4的角度位置称作转子位置。用于确定转子位置的具体方法后述。

在本实施方式中，关于通过控制装置2对电动发电机1的电动机动作进行控制的步骤，基于图2的流程图和图3的时序图进行说明。另外，下述的步骤S10～S90相当于图2所示的流程的各处理中标注的S10～S90。

控制装置2对是否输入了发动机的起动请求(参照图3)进行判断(步骤S10)。发动机的起动请求例如在下述情况下通过控制发动机的运转状态的发动机ECU(未图示)来输出。具体而言，在执行了怠速停止而使发动机停止后，当驾驶者进行了发动操作时，输出发动机的起动请求。另外，驾驶者的发动操作例如是松开刹车踏板、变速杆从N档进入D档等动作。在输入有发动机的起动请求之前(步骤S10：否)，控制装置2反复进行步骤S10的判断处理。当输入有发动机的起动请求时(步骤S10：是)，控制装置2前进至步骤S20的处理。

控制装置2的励磁电流控制部7基于励磁电流指令If＊，开始向励磁绕组3进行第一预备励磁(步骤S20)。另外，“＊”表示指令值。

控制装置2对通过感应电压检测部9是否检测出产生于电枢绕组5的各相的感应电压进行判断(步骤S30)。在检测出感应电压之前(步骤S30：否)，控制装置2反复进行步骤S30的判断处理。当检测出感应电压时(步骤S30：是)，控制装置2前进至步骤S40的处理。

控制装置2对是否已经通过转子位置判断部10确定了转子位置进行判断(步骤S40)。在转子位置确定之前(步骤S40：否)，控制装置2反复进行步骤S40的判断处理。当转子位置已经确定时(步骤S40：是)，控制装置2前进至步骤S50的处理。

在此，在本实施方式中，关于用于确定转子位置的具体方法，基于图4的波形图和图5的表格进行说明。

如图4和图5所例示，转子位置判断部10将产生于电枢绕组5的各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw的振幅比和极性组合来确定转子位置。

例如，如图4所例示，感应电压的极性是将感应电压的振幅为0即零交线作为阈值来进行判断的。在本实施方式中，将阈值(零交线)下侧设为负。感应电压的振幅比是将振幅的最大值设为“1.000”、将最小值设为“－1.000”，每电角度10度进行计算的。

在图5中，例示有记录了与每电角度10度的转子位置对应的、产生于各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw的振幅比(包括极性)的表格。转子位置判断部10参照上述表格来确定转子位置。作为一个示例，在U相的感应电压Vu的振幅比为“1.000”、V相的感应电压Vv的振幅比为“－0.500”、W相的感应电压Vw的振幅比为“－0.500”的情况下，能确定转子位置为90度。

控制装置2基于由转子位置判断部10确定的转子位置，决定电枢电流的通电相位。此外，电枢电流控制部8基于电枢电流指令Id＊，开始向电枢绕组5进行第二预备励磁(步骤S50)。第二预备励磁是朝将由步骤S20中开始的第一预备励磁而产生的励磁磁通抵消的方向，通电电枢电流的d轴分量而进行的。开始第二预备励磁的时刻是从通过第一预备励磁而使励磁电流开始朝励磁绕组3流动后，励磁电流的上升速度相对较高的初期时刻(图3所示t1时刻)。

控制装置2对是否从开始第二预备励磁后经过了规定时间进行判断(步骤S60)。在经过规定时间之前(步骤S60：否)，控制装置2反复进行步骤S60的判断处理。当经过了规定时间时(步骤S60：是)，控制装置2前进至步骤S70的处理。

控制装置2接通电动发电机1的转矩(步骤S70)。具体而言，控制装置2在从图3所示的t1时刻开始经过了规定时间的时刻(图3所示的t2时刻)，电枢电流控制部8基于电枢电流指令Iq＊，向电枢绕组5通电电枢电流的q轴分量。

控制装置2对发动机是否已经完全燃烧进行判断(步骤S80)。例如，在图3所示的发动机转速Ne大于预先设定的完全燃烧转速的情况下，能判断为发动机已经完全燃烧。在发动机完全燃烧之前(步骤S80：否)，反复进行步骤S80的判断处理。在判断为已经完全燃烧的情况下(步骤S80：是)，控制装置2前进至步骤S90的处理。

控制装置2停止电动发电机1的电动机动作(步骤S90)。另外，电动发电机1通过皮带与发动机的曲柄轴连结。因此，在电动机动作停止后，由发动机驱动而作为发电机起作用。

〔第一实施方式的作用以及效果〕

应用于发动机起动装置的本实施方式的控制装置2在第一预备励磁开始后，在规定的时刻(t2时刻)，对于电枢绕组5开始进行第二预备励磁。也就是说，在本实施方式中，从励磁电流开始在励磁绕组3中流动起经过了励磁电流的上升速度相对高的期间(从t1时刻到t2时刻的规定时间)后，朝将由励磁电流产生的励磁磁通抵消的方向，使电枢电流的d轴分量流过电枢绕组5。根据上述技术，本实施方式的控制装置2能通过励磁绕组3与电枢绕组5的互感分量将由励磁绕组3的自感分量产生的电压下降抵消。藉此，如图3所例示，励磁电流If的上升比不进行第二预备励磁的情况下(图中的虚线图)快。因此，能缩短励磁电流If达到目标值为止的时间。其结果是，能响应发动机的起动请求，迅速地提高电动发电机1的电动机转矩Trq。因此，能在短时间进行发动机的再起动。

此外，转子位置判断部10利用产生于电枢绕组5的各相的感应电压来确定转子位置。在流过励磁绕组3的励磁电流朝目标值上升的期间，通过与电枢绕组5交链的磁通的时间微分，在电枢绕组5的各相产生感应电压。换言之，在励磁电流随时间而变化的期间，通过与电枢绕组5交链的磁通的时间微分，在电枢绕组5的各相产生感应电压。转子位置判断部10基于将产生于各相的感应电压的振幅比和极性组合而成的表格(参照图5)，每电角度10度地对转子位置(d轴)进行确定。另外，通过细化表格的分辨率，能进一步提高用于确定转子位置的电角度的精度。根据上述的确定方法，在本实施方式中，不需要针对不同转速来准备记录了转子4的转速与感应电压的振幅的对应关系的图表数据。因此，能减少控制装置2所具有的存储装置(例如存储器)的存储容量。此外，在本实施方式中，即使转子4处于停止中，也能确定转子位置。因此，不需要使用用于检测转子位置的高价的旋转角传感器(例如解析器)。因此，能实现降低成本。

以下，参照附图，对本发明的一个方式即另一实施方式进行说明。

另外，对表示与上述第一实施方式共用的零件和结构的部位，标注与第一实施方式相同的符号，省略详细说明(参照第一实施方式的说明)。

[第二实施方式]

本实施方式是假设在产生了发动机的起动请求的时刻，励磁电流If不为0(安培)的示例。

例如，在下述情况下，假设如图6所例示的、在产生了发动机的起动请求的时刻，励磁电流If不为0(安培)。具体而言，是在发动机的减速旋转中，当驾驶者进行了发动操作的情况或者从发电转变为发动机起动的情况。在本实施方式的控制装置2中，即使在上述情况下，也响应起动请求的发生而进行与第一实施方式相同的控制(进行图2的流程图所示的控制)。藉此，在本实施方式中，能起到与第一实施方式相同的作用效果。另外，基于电枢电流指令Id＊而开始进行第二预备励磁的时刻是对于励磁绕组3开始第一预备励磁，从而使至此存在减少倾向的励磁电流If朝增加的方向变化后(图6的t1时刻)。

[第三实施方式]

本实施方式是通过转子位置判断部10进行的转子位置的确定方法与第一实施方式不同的示例。

如图7和图8所例示，本实施方式的转子位置判断部10将产生于电枢绕组5的各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw的大小关系和极性组合来确定转子位置。

与第一实施方式相同，感应电压的极性是将振幅为0即零交线作为阈值来进行判断的。感应电压的大小关系与极性无关而是通过与阈值之差来进行判断的。图8例示了记录有产生于各相U、V、W的感应电压Vu、Vv、Vw的大小关系和极性的表格。转子位置判断部10参照上述表格来确定转子位置。

作为一个示例，在Vu、Vv、Vw的大小关系是“大”、“小”、“中”，极性是“+”、“－”、“－”的情况下，能确定转子位置在90-120度的范围(4)内。另外，在图8的表格中记载的范围(1)～(12)相当于图7(感应电压的波形图)中记载的范围(1)～(12)。

在本实施方式中，能利用产生于电枢绕组5的各相的感应电压的大小关系和极性来确定转子位置。藉此，在本实施方式中，能通过比较器等简单的电路来构成转子位置判断部10。此外，与第一实施方式相同，在本实施方式中，不需要使用用于检测转子位置的旋转角传感器。因此，可以降低成本。

[第四实施方式]

本实施方式是朝第三实施方式中记载的感应电压的大小关系中的、表示中间的大小的相(以下，称作“中间相”)的感应电压变为0的方向，使电枢电流的相位提前或者延迟的示例。

在本实施方式中，关于通过控制装置2对电动发电机1的电动机动作进行控制的步骤，基于图9的流程图进行说明。另外，在图9的流程图中，步骤S51～S54的处理是使电枢电流的相位提前或者延迟时的控制。其它处理与参照图2的流程图在第一实施方式中说明的处理相同。因此，省略说明。

控制装置2对中间相的感应电压是否为0进行判断(步骤S51)。当感应电压为0时(步骤S51：是)，控制装置2前进至步骤S60的处理。在以后的控制中，进行与第一实施方式相同的处理。当中间相的感应电压为0以外时(步骤S51：否)，控制装置2前进至步骤S52的处理。

控制装置2对中间相的感应电压是否大于0进行判断(步骤S52)。当中间相的感应电压大于0时(步骤S52：是)，控制装置2前进至步骤S53的处理。控制装置2朝中间相的感应电压变为0的方向，使电枢电流的相位提前或者延迟(步骤S53)。例如，在图7所示的转子位置为30-60度的范围(2)中，中间相(V相)的感应电压Vv大于0。在上述情况下，控制装置2朝感应电压Vv变为0的方向(60度方向)，使电枢电流提前。此外，在转子位置为120-150度的范围(5)中，中间相(W相)的感应电压Vw大于0。在上述情况下，控制装置2朝感应电压Vw变为0的方向(120度方向)，使电枢电流延迟。

另一方面，当中间相的感应电压小于0时(步骤S52：否)，控制装置2前进至步骤S54的处理。控制装置2朝中间相的感应电压变为0的方向，使电枢电流的相位提前或者延迟(步骤S54)。例如，在图7所示的转子位置为60-90度的范围(3)中，中间相(V相)的感应电压Vv小于0。在上述情况下，控制装置2朝感应电压Vv变为0的方向(60度方向)，使电枢电流延迟。此外，在转子位置为90-120度的范围(4)中，中间相(W相)的感应电压Vw小于0。在上述情况下，控制装置2朝感应电压Vw变为0的方向(120度方向)，使电枢电流提前。

在判断为中间相的感应电压为0之前(步骤S51：否)，控制装置2反复执行步骤S51～S54的处理。如上所述，在本实施方式中，朝中间相的感应电压变为0的方向，使电枢电流的相位提前或者延迟。藉此，在本实施方式中，能将转子位置修正为更正确的值。

[第五实施方式]

本实施方式是定子包括6相以上的电枢绕组5的示例。

如图10所例示，本实施方式的电枢绕组5例如包括具有电角度30度的相位差的、第一三相线圈Ua、Va、Wa和第二三相线圈Ub、Vb、Wb。

与第一实施方式相同，在本实施方式中，对励磁绕组3开始第一预备励磁后，在第一三相线圈和第二三相线圈中产生感应电压。

如图11所例示，在本实施方式中，在产生于第一三相线圈Ua、Va、Wa的感应电压Vua、Vva、Vwa与产生于第二三相线圈Ub、Vb、Wb的感应电压Vub、Vvb、Vwb之间，产生电角度30度的相位差。

本实施方式的转子位置判断部10利用产生于第一三相线圈的感应电压和产生于第二三相线圈的感应电压的相位的偏差来确定转子位置。具体而言，转子位置判断部10通过两个不同的阈值，对产生于各相的感应电压的大小关系和极性进行判断。另外，在本实施方式中，如下所述，设定两个阈值。具体而言，如图11所例示，沿感应电压的振幅为0的线，设定第一阈值。此外，在产生于第一三相线圈的感应电压和产生于第二三相线圈的感应电压交叉的位置(在图11中Vua和Vvb交叉的位置)，设定第二阈值。转子位置判断部10基于如上所述设定的第一和第二阈值，对感应电压的大小关系和极性进行判断。根据上述结构，在本实施方式中，能通过与第三实施方式相同的确定方法，每电角度10度地确定转子位置。

[变形例]

在第一实施方式中，为了向电枢绕组5进行第二预备励磁，确定转子位置(d轴)。然而，即使在不进行第二预备励磁的情况下，也能应用本发明的确定转子位置的技术。本发明的转子位置的确定技术如下所述。首先，在励磁电流朝目标值上升期间，对产生于电枢绕组5的各相的感应电压进行检测。接着，基于检出的感应电压来确定转子位置。也就是说，本发明的确定技术不必一定以向电枢绕组5进行第二预备励磁为前提。

第五实施方式是电枢绕组5具有两组三相线圈的示例。但是，也能应用于电枢绕组5具有三组以上相位相互不同的三相线圈的示例。在上述情况下，在控制装置2中，能设定三个以上用于判断产生于各相的感应电压的大小关系和极性的阈值。

符号说明

1 电动发电机(旋转电机)

2 控制装置

3 励磁绕组

4 转子

5 电枢绕组

7 励磁电流控制部

8 电枢电流控制部

9 感应电压检测部

10 转子位置判断部

20 转子位置检测部

Claims (7)

1.一种旋转电机(1)的控制装置(2)，具有：包括励磁绕组(3)的转子(4)；以及包括多相的电枢绕组(5)的定子，其特征在于，具有：

励磁电流控制部(7)，所述励磁电流控制部(7)对向所述励磁绕组通电的励磁电流进行控制；

转子位置检测部(20)，所述转子位置检测部(20)对所述转子的角度位置进行检测；以及

电枢电流控制部(8)，所述电枢电流控制部(8)基于由所述转子位置检测部检测的所述转子的角度位置，对向所述电枢绕组通电的电枢电流进行控制，

所述转子位置检测部具有：

感应电压检测部(9)，所述感应电压检测部(9)在通过所述励磁电流控制部向所述励磁绕组通电的所述励磁电流朝目标值上升的期间，对产生于所述电枢绕组的各相(U、V、W)的感应电压进行检测；以及

转子位置判断部(10)，所述转子位置判断部(10)基于由所述感应电压检测部检测的所述感应电压，确定所述转子的角度位置。

2.如权利要求1所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述转子位置判断部基于产生于所述电枢绕组的各相的所述感应电压的振幅比和极性，确定所述转子的角度位置。

3.如权利要求1所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述转子位置判断部基于产生于所述电枢绕组的各相的所述感应电压的大小关系和极性，确定所述转子的角度位置。

4.如权利要求3所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述电枢绕组为六相以上，

所述转子位置判断部具有两个以上用于对产生于所述电枢绕组的各相的所述感应电压的大小关系和极性进行判断的阈值。

5.如权利要求3或4所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述电枢电流控制部朝产生于所述电枢绕组的各相的所述感应电压的大小关系中的、中间相的感应电压变为0的方向，使所述电枢电流的相位提前或者延迟。

6.如权利要求1至5中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

在将所述转子的励磁极产生的磁通的方向定义为d轴，将与所述d轴电气正交的方向定义为q轴的情况下，

所述电枢电流控制部将向所述电枢绕组通电的所述电枢电流分为所述d轴方向的电流分量和所述q轴方向的电流分量，在通过所述励磁电流控制部向所述励磁绕组通电的所述励磁电流朝目标值上升的期间，朝将由所述励磁电流产生的励磁磁通抵消的方向，使所述d轴方向的电流分量向所述电枢绕组通电。

7.一种旋转电机的控制方法，所述旋转电机(1)具有：包括励磁绕组(3)的转子(4)；以及包括多相的电枢绕组(5)的定子，所述旋转电机的控制方法的特征在于，包括：

励磁电流控制工序(7；S20)，在所述励磁电流控制工序(7；S20)中，对向所述励磁绕组通电的励磁电流进行控制；

转子位置检测工序(20；S30；S40)，在所述转子位置检测工序(20；S30；S40)中，对所述转子的角度位置进行检测；以及

电枢电流控制工序(8；S50)，在所述电枢电流控制工序(8；S50)中，基于检出的所述转子的角度位置，对向所述电枢绕组通电的电枢电流进行控制，

所述转子位置检测工序包括：

感应电压检测工序(9；S30)，在所述感应电压检测工序(9；S30)中，在通过所述励磁电流控制工序向所述励磁绕组通电的所述励磁电流朝目标值上升的期间，对产生于所述电枢绕组的各相(U、V、W)的感应电压进行检测；以及

转子位置判断工序(10；S40)，在所述转子位置判断工序(10；S40)中，基于检出的所述感应电压，确定所述转子的角度位置。