CN109804551B - 马达控制方法、马达控制系统以及电动助力转向系统 - Google Patents

马达控制方法、马达控制系统以及电动助力转向系统 Download PDF

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Abstract

马达控制方法包含以下步骤：获得αβ固定坐标系中的马达的反电动势的α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ；分别对α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ进行时间微分；求取第一乘法值与第二乘法值的差分值，该第一乘法值是通过将α轴上的分量BEMFα乘以β轴上的分量BEMFβ的微分值而得的，该第二乘法值是通过将β轴上的分量BEMFβ乘以α轴上的分量BEMFα的微分值而得的；根据差分值来检测转子的旋转方向；以及根据转子的旋转方向的检测结果而对马达进行控制。

Description

马达控制方法、马达控制系统以及电动助力转向系统
技术领域
本发明涉及马达控制方法、马达控制系统以及电动助力转向系统。
背景技术
在电动马达(以下，表述为“马达”)的控制系统中，有时转子的旋转方向的检测很重要。例如，在具有马达和风扇的洗衣机用的马达控制系统中，为了提高系统的稳定性，一般期望检测启动时或低速驱动时的转子的旋转方向。此外，在车载用的马达控制系统、例如电动助力转向(EPS)系统中，有时要求在从低速驱动到高速驱动的大范围内监视转子的旋转方向。例如，能够根据来自位置传感器的输出信号而检测转子的旋转方向。此外，公知有根据在马达的各相中流动的电流(相电流)之间的相位差的关系来检测转子的旋转方向。
例如，日本公开公报特开2001-128485号公报公开了以下内容：检测各相电流的过零点(电流过零)，测量电流过零的周期，根据该周期来计算电流频率(转子的转数)。日本公开公报特开2001-128485号公报还公开了以下内容：测量两相之间的电流过零的相位差，根据该相位差来计算与转子的旋转方向对应的电流的旋转方向。
非专利文献1：Ghaderi,Ahmad,and Tsuyoshi Hanamoto."Wide-speed-rangesensorless vector control of synchronous reluctance motors based on extendedprogrammable cascaded low-pass filters."IEEE Transactions on IndustrialElectronics,Vol.58,No.6,(June 2011),p.2322-2333.
然而，在上述的现有技术中，例如像非专利文献1所提及那样，在低速驱动时，各相电流的过零点的周期变长，因此每旋转一圈所取得的数据的样本数被限制。其结果为，在低速驱动时，难以更准确地检测转子的旋转方向。
发明内容
本发明的实施方式提供了能够在从低速驱动到高速驱动的大范围内检测转子的旋转方向的新颖的马达控制方法和马达控制系统。
本发明的例示的马达控制方法包含以下步骤：步骤A，获得αβ固定坐标系中的马达的反电动势的α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ；步骤B，分别对所述α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ进行时间微分；步骤C，求取第一乘法值与第二乘法值的差分值，该第一乘法值是通过将所述α轴上的分量BEMFα乘以所述β轴上的分量BEMFβ的微分值而得的，该第二乘法值是通过将所述β轴上的分量BEMFβ乘以所述α轴上的分量BEMFα的微分值而得的；步骤D，根据所述差分值来检测转子的旋转方向；以及步骤E，根据所述转子的旋转方向的检测结果而对马达进行控制。
在本发明的例示的马达控制方法中，在所述步骤D中，当所述差分值表示正值时，检测出所述转子向正转方向和反转方向中的一方旋转。当所述差分值表示负值时，检测出所述转子向所述正转方向和所述反转方向中的另一方旋转。
在本发明的例示的马达控制方法中，在所述步骤E中，根据相位角ρ、负荷角δ以及所述转子的旋转方向的检测结果来运算转子角θ，使用所述转子角θ而对所述马达进行控制。
在本发明的例示的马达控制方法中，当在所述步骤D中检测到所述转子向所述正转方向旋转时，在所述步骤E中，根据公式(1)来运算所述转子角θ。当在所述步骤D中检测到所述转子向所述反转方向旋转时，在所述步骤E中，根据公式(2)来运算所述转子角θ，
θ＝ρ+δ (1)
θ＝(ρ-180°)+δ (2)。
在本发明的例示的马达控制方法中，在所述步骤A中，根据公式(3)来运算所述α轴上的分量BEMFα，根据公式(4)来运算所述β轴上的分量BEMFβ。其中，Vα *表示所述α轴上的参考电压。Vβ *表示所述β轴上的参考电压。Iα是电枢电流的所述α轴上的分量。Iβ是所述电枢电流的所述β轴上的分量。R表示电枢电阻，
BEMFα＝Vα *-R·Iα (3)
BEMFβ＝Vβ *-R·Iβ (4)。
本发明的例示的电动助力转向系统具有上述马达控制系统。
本发明的例示的马达控制系统具有：马达；以及控制电路，其对所述马达进行控制，在所述控制电路中，获得αβ固定坐标系中的反电动势的α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ，分别对所述α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ进行时间微分，求取第一乘法值与第二乘法值的差分值，该第一乘法值是通过将所述α轴上的分量BEMFα乘以所述β轴上的分量BEMFβ的微分值而得的，该第二乘法值是通过将所述β轴上的分量BEMFβ乘以所述α轴上的分量BEMFα的微分值而得的，根据所述差分值来检测所述马达的旋转方向，根据所述马达的旋转方向的检测结果而对所述马达进行控制。
根据本发明的例示的实施方式，提供了能够在从低速驱动到高速驱动的大范围内检测转子的旋转方向的新颖的马达控制方法和马达控制系统。而且，由于电动助力转向系统具有上述马达控制系统，因此，能够继续减轻了驾驶员操作的负担的转向。
由以下的本发明优选实施方式的详细说明，参照附图，可以更清楚地理解本发明的上述及其他特征、要素、步骤、特点和优点。
附图说明
图1是示出实施方式1的马达控制系统1000的硬件块的框图。
图2是示出实施方式1的马达控制系统1000中的逆变器300的硬件结构的框图。
图3是示出实施方式1的变形例的马达控制系统1000的硬件块的框图。
图4是马达控制系统1000的控制方法的处理过程的一例的流程图。
图5是示出控制器100的功能块的功能框图。
图6是示出旋转方向检测单元130内的功能块的功能框图。
图7是示出规定的期间内的马达的电角速度的波形的曲线图。
图8是示出规定的期间内的转子角的波形的曲线图。
图9是示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)的曲线图。
图10是示出在0秒至3.0秒的期间检测到的差分值diffA的波形的曲线图。
图11是示出规定的期间内的马达的电角速度的波形的曲线图。
图12是示出规定的期间内的转子角的波形的曲线图。
图13是示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)的曲线图。
图14是示出在0秒至0.25秒的期间检测到的差分值diffA的波形的曲线图。
图15是示出规定的期间内的马达的电角速度的波形的曲线图。
图16是示出规定的期间内的转子角的波形的曲线图。
图17是示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)的曲线图。
图18是示出在0秒至2.0秒的期间检测到的差分值diffA的波形的曲线图。
图19是示出规定的期间内的马达的电角速度的波形的曲线图。
图20是示出规定的期间内的转子角的波形的曲线图。
图21是示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)的曲线图。
图22是示出在0秒至2.5秒的期间检测到的差分值diffA的波形的曲线图。
图23是示出实施方式2的EPS系统2000的典型结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的马达控制方法、马达控制系统以及具有该马达控制系统的电动助力转向系统的实施方式进行详细说明。但是，为了避免以下的说明不必要地变得冗长、而使本领域技术人员易于理解，有时省略过度详细的说明。例如，有时省略对众所周知的事项的详细说明和对实质上相同的结构的重复说明。
(实施方式1)
[马达控制系统1000的结构]
图1示意性地示出本实施方式的马达控制系统1000的硬件块。
典型地，马达控制系统1000具有马达M、控制器(控制电路)100、驱动电路200、逆变器(也称作“逆变电路”)300、多个电流传感器400、模数转换电路(以下，记作“AD转换器”)500以及ROM(Read Only Memory：只读存储器)600。马达控制系统1000被模块化为例如动力组件，能够以具有马达、传感器、驱动器以及控制器的马达模块的形式制造和贩卖。另外，在本说明书中，以具有马达M作为结构要素的系统为例，对马达控制系统1000进行说明。但是，马达控制系统1000也可以是不具有马达M作为结构要素的用于驱动马达M的系统。
马达M例如是三相交流马达、以及表面磁铁型同步型马达(SPMSM)或者埋入磁铁型同步型马达(IPMSM)等永久磁铁同步马达。马达M例如具有三相(U相、V相以及W相)的绕组(未图示)。三相的绕组与逆变器300电连接。另外，不限于三相马达，五相、七相等多相马达也属于本发明的范畴。在本说明书中，以对三相马达进行控制的马达控制系统为例而对本发明的实施方式进行说明。
控制器100例如是微控制单元(MCU)。或者，控制器100例如也能够由组装有CPU核心的现场可编程门阵列(FPGA)实现。
控制器100对马达控制系统1000整体进行控制，例如通过矢量控制来控制马达M的扭矩和转速。另外，马达M不限于矢量控制，也能够通过其他闭环控制而进行控制。转速用单位时间(例如1分钟)内转子旋转的转数(rpm)或者单位时间(例如1秒)内转子旋转的转数(rps)来表示。矢量控制是将在马达中流动的电流分解为有助于产生扭矩的电流分量和有助于产生磁通的电流分量并且独立地对彼此垂直的各电流分量进行控制的方法。例如，控制器100根据由多个电流传感器400测定出的实际电流值以及根据实际电流值而推断出的转子角等来设定目标电流值。控制器100根据该目标电流值而生成PWM(Pulse WidthModulation：脉冲宽度调制)信号，并输出给驱动电路200。
控制器100能够根据由多个电流传感器400测定出的实际电流值来检测转子的旋转方向。控制器100根据该检测结果而对马达M进行控制。
驱动电路200例如是栅极驱动器。驱动电路200根据从控制器100输出的PWM信号而生成对逆变器300中的开关元件的开关动作进行控制的控制信号。另外，如后所述，驱动电路200也可以安装于控制器100。
逆变器300例如将从直流电源(未图示)提供的直流电力转换为交流电力，利用转换后的交流电力来驱动马达M。例如，逆变器300根据从驱动电路200输出的控制信号将直流电力转换为作为U相、V相以及W相的伪正弦波的三相交流电力。利用该转换后的三相交流电力对马达M进行驱动。
多个电流传感器400具有检测在马达M的U相、V相以及W相的绕组中流动的至少两个电流的至少两个电流传感器。在本实施方式中，多个电流传感器400具有检测在U相和V相中流动的电流的两个电流传感器400A、400B(参照图2)。当然，多个电流传感器400也可以具有检测在U相、V相以及W相的绕组中流动的三个电流的三个电流传感器，也可以具有检测例如在V相和W相中流动的电流或在W相和U相中流动的电流的两个电流传感器。电流传感器例如具有分流电阻和检测在分流电阻中流动的电流的电流检测电路(未图示)。分流电阻的电阻值例如是0.1Ω左右。
AD转换器500对从多个电流传感器400输出的模拟信号进行采样并将其转换为数字信号，然后将该转换后的数字信号输出给控制器100。另外，也可以是，控制器100进行AD转换。在该情况下，多个电流传感器400将模拟信号直接输出给控制器100。
ROM 600例如是可写入的存储器(例如PROM)、可重写的存储器(例如闪存)或者读出专用的存储器。ROM 600保存有具有用于使控制器100控制马达M的命令组的控制程序。例如，在启动时，控制程序暂时展开在RAM(未图示)中。另外，ROM 600无需外置于控制器100，也可以搭载于控制器100。搭载有ROM 600的控制器100例如能够是上述的MCU。
参照图2，对逆变器300的硬件结构进行详细说明。
图2示意性地示出本实施方式的马达控制系统1000中的逆变器300的硬件结构。
逆变器300具有三个下桥臂的开关元件和三个上桥臂的开关元件。图示的开关元件SW_L1、SW_L2以及SW_L3是下桥臂的开关元件，开关元件SW_H1、SW_H2以及SW_H3是上桥臂的开关元件。作为开关元件，能够使用例如场效应晶体管(FET，典型地为MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)等半导体开关元件。开关元件具有供朝向马达M流动的再生电流流通的续流二极管。
在图2中示出检测在U相和V相中流动的电流的两个电流传感器400A、400B的分流电阻Rs。如图所示，例如分流电阻Rs能够电连接于下桥臂的开关元件与地之间。或者，例如，分流电阻Rs能够电连接于上桥臂的开关元件与电源之间。
控制器100例如能够通过进行使用了矢量控制的三相通电控制来驱动马达M。例如，控制器100生成用于进行三相通电控制的PWM信号，将该PWM信号输出给驱动电路200。驱动电路200根据PWM信号而生成用于对逆变器300中的各FET的开关动作进行控制的栅极控制信号并提供给各FET的栅极。
图3示意性地示出本实施方式的变形例的马达控制系统1000的硬件块。
如图所示，马达控制系统1000也可以不具有驱动电路200。在该情况下，控制器100具有直接对逆变器300的各FET的开关动作进行控制的端口。具体说明的话，控制器100根据PWM信号而生成栅极控制信号。控制器100能够经由该端口输出栅极控制信号，将该栅极控制信号提供给各FET的栅极。
如图3所示，马达控制系统1000还可以具有位置传感器700。位置传感器700配置于马达M，检测转子的位置。具体而言，位置传感器700检测马达M的转子角即转子的机械角，并且将转子角输出给控制器100。位置传感器700例如是具有磁阻(MR)元件的MR传感器和霍尔IC(包含霍尔元件)等磁传感器或分析器。
马达控制系统1000例如能够具有速度传感器或加速度传感器来代替位置传感器700。在使用速度传感器来作为位置传感器的情况下，控制器100能够通过对转速信号或角速度信号进行积分处理等来计算转子的位置即旋转角。角速度用1秒内转子旋转的角度(rad/s)来表示。此外，在使用加速度传感器来作为位置传感器的情况下，控制器100能够通过对角加速度信号进行积分处理等而计算旋转角。
本发明的马达控制系统能够应用于例如图1和图2所示那样的不具备位置传感器的、进行所谓的无传感器控制的马达控制系统。此外，本发明的马达控制系统也能够应用于例如图3所示那样的具有位置传感器的马达控制系统。
以下，参照图4至图6，以基于无传感器控制的马达控制为例对马达控制系统1000的控制方法的具体例子进行说明，主要对转子的旋转方向的检测方法进行说明。另外，本发明的马达控制方法能够使用要求检测转子的旋转方向的各种马达控制系统。
[马达控制系统1000的控制方法]
图4示出马达控制系统1000的控制方法的处理过程的一例。如图所示，马达控制系统1000检测转子的旋转方向，根据该检测结果来运算转子角，根据运算出的转子角θ对马达M进行控制。另外，在后文对各过程进行详细说明。
用于实现本实施方式的马达控制方法的算法能够仅通过例如专用集成电路(ASIC)或FPGA等硬件而实现，也能够通过硬件与软件的组合而实现。
图5示意性地示出控制器100的控制块。在本说明书中，功能框图中的各块不是以硬件单位而是以功能块单位来示出的。软件能够是例如构成用于执行与各功能块对应的特定的处理的计算机程序的模块。
(1.步骤S100)
如图5所示，控制器100例如具有负荷角单元110、推断器120、旋转方向检测单元130、选择器140、加法器150以及马达控制单元160。控制器100根据参考电压Vα *、Vβ *以及电枢电流Iα和Iβ来检测转子的旋转方向。另外，在本说明书中，为了便于说明，将各功能块表述为“单元”。当然，并不是出于将各功能块限定解释为硬件或软件的意图来使用该表述。
在各功能块以软件的形式安装于控制器100的情况下，该软件的执行主体能够是例如控制器100的核心。如上所述，控制器100能够由FPGA实现。在该情况下，全部或一部分的功能块能够由硬件实现。此外，通过使用多个FPGA来使处理分散，能够使特定的计算机的运算负荷分散。在该情况下，图5所示的功能块的全部或一部分能够分散安装于该多个FPGA。多个FPGA例如通过车载的控制器局域网络(CAN)而彼此连接起来，从而能够进行数据的收发。
例如，在三相通电控制中，在各相中流动的电流的总和为零。换言之，满足电流Ia、Ib以及Ic的总和为零的关系。在本说明书中，设在马达M的U相的绕组中流动的电流为Ia、在马达M的V相的绕组中流动的电流为Ib以及在马达M的W相的绕组中流动的电流为Ic。
控制器100(例如核心)接受电流Ia、Ib以及Ic中的两个电流，通过运算来求取剩余的一个电流。在本实施方式中，控制器100取得由电流传感器400A测定出的电流Ia和由电流传感器400B测定出的电流Ib。控制器100使用电流Ia、Ib以及Ic的总和为零的上述关系，根据电流Ia、Ib来运算电流Ic。另外，也可以是，将使用三个电流传感器而测定出的电流Ia、Ib以及Ic输入到控制器100。
控制器100(例如核心)使用在矢量控制等中使用的所谓的克拉克变换，将电流Ia、Ib以及Ic转换为αβ固定坐标系中的α轴上的电流Iα和β轴上的电流Iβ。这里，αβ固定坐标系是静止坐标系，三相中的一相的方向(例如U相方向)是α轴，与α轴垂直的方向是β轴。
控制器100(例如核心)还使用克拉克变换，将参考电压Va *、Vb *以及Vc *转换为αβ固定坐标系中的α轴上的参考电压Vα *和β轴上的参考电压Vβ *。参考电压Va *、Vb *以及Vc *表示用于对逆变器300的各开关元件进行控制的上述的PWM信号。
例如，求取电流Iα、Iβ、参考电压Vα *以及Vβ *的运算也能够由控制器100的马达控制单元160执行。电流Iα、Iβ、参考电压Vα *以及Vβ *输入给负荷角单元110、推断器120以及旋转方向检测单元130。
负荷角单元110根据电流Iα、Iβ、参考电压Vα *以及Vβ *来运算负荷角δ。负荷角单元110例如根据下述的公式(1)来运算交链磁通Ψ的α轴上的分量Ψα，并且根据下述的公式(2)来运算交链磁通Ψ的β轴上的分量Ψβ。在公式(1)和(2)中，LPF表示进行使用低通滤波器的处理。交链磁通Ψ用下述的公式(3)表示。
Ψα＝LPF(Vα *-R·Iα) 公式(1)
Ψβ＝LPF(Vβ *-R·Iβ) 公式(2)
Ψ＝(Ψα 2+Ψβ 2)1/2 公式(3)
其中，R是电枢电阻。电枢电阻R例如由控制器100的核心设定于负荷角单元110。
负荷角单元110还使用在矢量控制等中使用的所谓的派克变换，将电流Iα、Iβ转换为dq旋转坐标系中的d轴上的电流Id和q轴上的电流Iq。这里，dq旋转坐标系是与转子一同旋转的旋转坐标系。负荷角单元110根据下述的公式(4)来运算负荷角δ。负荷角δ例如用在dq旋转坐标系中交链磁通矢量(大小Ψ)与d轴之间的角度来表示，是以逆时针方向作为正方向的角度。
δ＝tan-1{(Lq·Iq)/Ψ} 公式(4)
其中，Lq是dq旋转坐标系中的q轴上的电枢电感。
负荷角单元110将负荷角δ输出给加法器150。
推断器120根据电流Iα、Iβ、参考电压Vα *以及Vβ *来推断相位角ρ。与负荷角单元110同样地，推断器120根据例如上述的公式(1)和(2)来运算磁通分量Ψα、Ψβ。推断器120还根据例如下述的公式(5)来运算相位角ρ。相位角ρ用在αβ固定坐标系中交链磁通矢量与α轴之间的角度来表示，是以逆时针方向作为正方向的角度。推断器120将相位角ρ输出给选择器140。
ρ＝tan-1(Ψβ/Ψα) 公式(5)
旋转方向检测单元130根据电流Iα、Iβ、参考电压Vα *以及Vβ *来检测转子的旋转方向。转子的旋转方向一般为正转方向和反转方向。在本说明书中，将从负荷侧观察时转子绕着轴逆时针旋转的方向称作“正转方向”，将转子绕着轴顺时针旋转的方向称作“反转方向”。当然，正转和反转方向能够根据每个产品规格而进行不同定义。
图6详细地示出旋转方向检测单元130内的功能块。旋转方向检测单元130例如具有反电动势运算单元131、时间微分单元132、乘法器133以及比较器134。
反电动势运算单元131根据电流Iα、Iβ、参考电压Vα *以及Vβ *，按照下述的公式(6)和(7)来计算α轴上的反电动势分量BEMFα和β轴上的反电动势分量BEMFβ。由此，获得了反电动势分量BEMFα和BEMFβ。
BEMFα＝Vα *-R·Iα 公式(6)
BEMFβ＝Vβ *-R·Iβ 公式(7)
时间微分单元132对反电动势分量BEMFα进行时间微分，并且对反电动势分量BEMFβ进行时间微分。反电动势分量BEMFα和BEMFβ的时间微分值被输出给乘法器133。
乘法器133通过将反电动势分量BEMFα乘以反电动势分量BEMFβ的时间微分值而生成第一乘法值。此外，乘法器133通过将反电动势分量BEMFβ乘以反电动势分量BEMFα的时间微分值而生成第二乘法值。第一和第二乘法值被输出给比较器134。
比较器134例如是磁滞比较器。根据磁滞比较器，即使输入信号携带有噪声，也能够抑制输出信号的跳动。比较器134按照下述的公式(8)来求取第一与第二乘法值的差分值diffA，根据该差分值而输出标志信号flag。标志信号flag是数字信号，表示转子的旋转方向。
diffA＝BEMFα·BEMFβ’-BEMFα’·BEMFβ 公式(8)
其中，“’”表示时间微分的运算符。
第一乘法值被输入到比较器134的正(+)侧的输入端子，第二乘法值被输入到比较器134的负(-)侧的输入端子。比较器134通过从第一乘法值减去第二乘法值来求取差分值diffA。例如在假定为EPS系统的情况下，比较器134的磁滞的上限阈值能够设定为例如200mV左右，下限阈值能够设定为例如-200mV左右。
例如，比较器134能够根据差分值diffA而输出表示高电平“1”或低电平“0”的标志信号flag。低电平的标志信号flag表示转子在正转方向上旋转，高电平的标志信号flag表示转子在反转方向上旋转。
根据上述的公式(6)和(7)而运算出的反电动势分量BEMFα和BEMFβ能够使用基波和高次谐波来表示。这里，出于去除高次谐波(高频)的目的，例如使用控制器100所具有的通用低通滤波器，一般对反电动势分量BEMFα和BEMFβ进行滤波处理。通过该处理，反电动势分量BEMFα和BEMFβ能够仅用在下述的公式(9)和(10)中示出的基波来表示。
BEMFα＝BEMF·cos(ρ) 公式(9)
BEMFβ＝BEMF·sin(ρ) 公式(10)
BEMF＝(BEMFα 2+BEMFβ 2)1/2 公式(11)
其中，BEMF是反电动势矢量的大小，根据上述的公式(11)而求出。此外，ρ是相位角，例如表示为在下述的公式(12)中示出的时间t的函数。ω表示通过对电角度(转子角)进行时间微分而得到的转速(有时称作“电角速度”)，ρ(0)表示初始相位。
ρ(t)＝ω·t+ρ(0) 公式(12)
当根据用基波表示的反电动势分量BEMFα和BEMFβ来求取差分值diffA时，差分值diffA能够近似地用下述的公式(13)来表示。
diffA≈ω·BEMF2·cos2(ρ)+ω·BEMF2·sin2(ρ)≈ω·BEMF2 公式(13)
比较器134根据差分值diffA来检测转子的旋转方向。具体说明的话，比较器134在差分值diffA为正值时，能够检测出转子沿正转和反转方向中的一方的旋转，在差分值diffA为负值时，能够检测出转子沿正转和反转方向中的另一方的旋转。在本实施方式中，比较器134在差分值diffA为正值时，能够检测出转子在正转方向上的旋转，在差分值diffA为负值时，能够检测出转子在反转方向上的旋转。另外，在差分值diffA示出“0”时，比较器134检测出转子停止。
也可以将图6所示的比较器134的差分输入的极性反转。即，也可以是，比较器134通过从第二乘法值减去第一乘法值来求取差分值diffB，根据差分值diffB而生成标志信号flag。在该情况下，比较器134在差分值diffB为负值时，检测出转子在正转方向上的旋转，在差分值diffB为正值时，检测出转子在反转方向上的旋转。这样，反转差分输入的极性也能够检测出转子的旋转方向。
根据用于检测转子的旋转方向的本实施方式的算法，不是使用位置传感器来进行转子角的测定或运算，能够通过更简单的运算来准确地检测转子的旋转方向。其结果为，能够降低马达控制系统的计算机的运算负荷。此外，在马达低速动作时，能够准确地检测转子的旋转方向。而且，如上所述，不需要使用位置传感器来测定转子角，因此本实施方式的检测转子的旋转方向的方法能够优选用于无传感器控制。
(2.步骤S200)
控制器100判定转子的旋转方向是正转方向或者是反转方向。
(3.步骤S300)
控制器100根据相位角ρ、负荷角δ以及转子的旋转方向的检测结果来运算转子角θ。具体说明的话，图5所示的选择器140根据标志信号flag而将ρ或(ρ-180°)输出给加法器150。例如，选择器140在标志信号flag示出“0”时，将ρ输出给加法器150，在标志信号flag示出“1”时，将(ρ-180°)输出给加法器150。
在标志信号flag表示转子在正转方向上的旋转时，换言之，在检测到了转子在正转方向上的旋转时，控制器100根据下述的公式(14)来运算转子角θ。
θ＝ρ+δ 公式(14)
(4.步骤S400)
在标志信号flag表示转子在反转方向上的旋转时，换言之，在检测到了转子在反转方向上的旋转时，控制器100根据下述的公式(15)来运算转子角θ。
θ＝(ρ-180°)+δ 公式(15)
(5.步骤S500)
马达控制单元160根据转子的旋转方向的检测结果而对马达进行控制。具体说明的话，马达控制单元160能够使用由加法器150运算出的转子角θ、通过无传感器控制对马达进行控制。马达控制单元160进行例如一般的矢量控制所需的运算。另外，由于矢量控制是公知的技术，因此省略关于该控制的详细说明。
根据本实施方式，由于能够进行不使用位置传感器的无传感器控制，因此能够抑制由于位置传感器发生故障和追加硬件而导致的系统成本增加等。此外，由于用于检测转子的旋转方向的运算被简化，因此也能够降低存储器成本。
以下，示出使用dSPACE公司的“快速控制原型(RCP)系统”和MathWorks公司的Matlab/Simulink来验证了在本发明的转子的旋转方向的检测中使用的算法的妥当性的结果。在该验证中使用了通过矢量控制进行控制的表面磁铁型(SPM)马达的模型。在表1中示出了验证时的各种系统参数的值。
[表1]
Figure GDA0001986457630000121
Figure GDA0001986457630000131
图7示出规定的期间(0秒至0.25秒)内的马达的电角速度(rps)的波形。图8示出规定的期间内的转子角的波形。图9示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)。图10示出在0秒至3.0秒的期间检测到的差分值diffA的波形。图7至图10的横轴表示时间(秒)。图7的纵轴表示电角速度的频率(Hz(＝rps))。图8的纵轴表示转子角(度)。图9的纵轴表示电压(V)。图10的纵轴表示比较器134的差分值diffA。
图7至图10示出当转子在正转方向上高速(30rps)旋转时所取得的各种波形。例如在假定为EPS系统的情况下，对于正转方向上的旋转，高速的范围能够是例如26.2rps以上。
图10的结果表示出比较器134取得差分值diffA＝1，检测到转子在正转方向上的旋转。可知，当转子在正转方向上高速旋转时，准确地检测到了转子的旋转方向。
图11示出规定的期间(0秒至0.25秒)内的马达的电角速度的波形。图12示出规定的期间内的转子角的波形。图13示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)。图14示出在0秒至0.25秒的期间检测到的差分值diffA的波形。图11至图14的横轴表示时间(秒)。图11的纵轴表示电角速度的频率(Hz)。图12的纵轴表示转子角(度)。图13的纵轴表示电压(V)。图14的纵轴表示比较器134的差分值diffA。
图11至图14示出当转子在反转方向上高速(-30rps)旋转时所取得的各种波形。例如在假定为EPS系统的情况下，对于反转方向上的旋转，高速的范围能够是例如-26.2rps以下。
图14的结果表示出比较器134取得差分值A＝-1，检测到了转子在反转方向上的旋转。可知，当转子在反转方向上高速旋转时，准确地检测到了转子的旋转方向。
图15示出规定的期间(0秒至0.25秒)内的马达的电角速度的波形。图16示出规定的期间内的转子角的波形。图17示出规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)。图18示出在0秒至2.0秒的期间检测到的差分值diffA的波形。图15至图18的横轴表示时间(秒)。图15的纵轴表示电角速度的频率(Hz)。图16的纵轴表示转子角(度)。图17的纵轴表示电压(V)。图18的纵轴表示比较器134的差分值diffA。
图15至图18示出当转子在正转方向上低速(16rps)旋转时所取得的各种波形。例如在假定为EPS系统的情况下，对于正转方向上的旋转，低速的范围能够例如超过0.0rps且不到26.2rps。
图18的结果表示出比较器134取得差分值diffA＝1，检测到转子在正转方向上的旋转。可知，当转子在正转方向上低速旋转时，准确地检测到了转子的旋转方向。
图19表示规定的期间(0秒至0.25秒)内的马达的电角速度的波形。图20表示规定的期间内的转子角的波形。图21表示规定的期间内的反电动势BEMFα的波形(上)、反电动势BEMFβ的波形(中间)以及反电动势的大小BEMF的波形(下)。图22示出在0秒至2.5秒的期间检测到的差分值diffA的波形。图19至图22的横轴表示时间(秒)。图19的纵轴表示电角速度的频率(Hz)。图20的纵轴表示转子角(度)。图21的纵轴表示电压(V)。图22的纵轴表示比较器134的差分值diffA。
图19至图22表示当转子在反转方向上低速(-16rps)旋转时所取得的各种波形。例如在假定为EPS系统的情况下，对于反转方向上的旋转，低速的范围能够例如超过-26.2rps且不到0.0rps。
图22的结果表示出比较器134取得差分值diffA＝-1，检测到了转子在反转方向上的旋转。可知，当转子在反转方向上低速旋转时，准确地检测到了转子的旋转方向。
从以上的模拟结果可知，根据本发明的转子的旋转方向的检测方法，能够在从包含启动时在内的低速驱动至高速驱动的大范围内准确地检测转子的旋转方向。
(实施方式2)
图23示意性地示出本实施方式的EPS系统2000的典型结构。
汽车等车辆一般具有EPS系统。本实施方式的EPS系统2000具有转向系统520和生成辅助扭矩的辅助扭矩机构540。EPS系统2000生成辅助扭矩，该辅助扭矩对通过驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的转向扭矩进行辅助。通过辅助扭矩，减轻了驾驶员操作的负担。
转向系统520例如能够由方向盘521、转向轴522、万向联轴器523A、523B、旋转轴524、齿轮齿条机构525、齿条轴526、左右的球窝接头552A、552B、拉杆527A、527B、转向节528A、528B以及左右的转向车轮529A、529B构成。
辅助扭矩机构540例如由转向扭矩传感器541、汽车用电子控制单元(ECU)542、马达543以及减速机构544等构成。转向扭矩传感器541检测转向系统520的转向扭矩。ECU 542根据转向扭矩传感器541的检测信号而生成驱动信号。马达543根据驱动信号而生成与转向扭矩对应的辅助扭矩。马达543经由减速机构544将所生成的辅助扭矩传递给转向系统520。
ECU 542例如具有实施方式1的控制器100和驱动电路200等。在汽车中构建了以ECU为核心的电子控制系统。在EPS系统2000中，例如，由ECU 542、马达543以及逆变器545构建了马达控制系统。作为该马达控制系统，优选使用实施方式1的马达控制系统1000。
本发明的实施方式也优选用于要求转子的旋转检测能力的例如线控换档、线控转向、线控制动等X线控以及牵引马达等的马达控制系统。具体说明的话，在X线控系统中存在以下系统：具有位置传感器，根据来自位置传感器的输出信号而进行传感器控制。例如在线控转向系统中，从安全性的观点出发，要求监视实际检测到的转子的旋转方向与表示方向盘的旋转方向的参考命令是否一致。在两者一致的情况下，能够使马达控制系统继续工作。另一方面，在两者不一致的情况(例如，检测到的转子的旋转方向表示正转方向、参考命令表示反转方向的情况)下，这意味着系统发生了某种故障。在发生了故障的情况下，例如通过将系统切换为备用模式而能够使汽车安全地停在路肩处。
例如，本发明的实施方式的马达控制系统能够搭载于与由日本政府和美国高速公路安全管理局(NHTSA)规定的电平0至4(自动化的基准)对应的自动驾驶车辆。
产业上的可利用性
本发明的实施方式能够广泛用于例如吸尘器、烘干机、吊扇、洗衣机、冰箱以及电动助力转向系统等具有各种马达的多种设备。

Claims (7)

1.一种马达控制方法，其特征在于，
所述马达控制方法包含以下步骤：
步骤A，获得αβ固定坐标系中的马达的反电动势的α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ；
步骤B，分别对所述α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ进行时间微分；
步骤C，求取第一乘法值与第二乘法值的差分值，该第一乘法值是通过将所述α轴上的分量BEMFα乘以所述β轴上的分量BEMFβ的微分值而得的，该第二乘法值是通过将所述β轴上的分量BEMFβ乘以所述α轴上的分量BEMFα的微分值而得的；
步骤D，根据所述差分值来检测转子的旋转方向；以及
步骤E，根据所述转子的旋转方向的检测结果而对马达进行控制。
2.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，
在所述步骤D中，当所述差分值表示正值时，检测出所述转子向正转方向和反转方向中的一方旋转，当所述差分值表示负值时，检测出所述转子向所述正转方向和所述反转方向中的另一方旋转。
3.根据权利要求2所述的马达控制方法，其特征在于，
在所述步骤E中，根据相位角ρ、负荷角δ以及所述转子的旋转方向的检测结果来运算转子角θ，使用所述转子角θ而对所述马达进行控制，所述相位角ρ用在所述αβ固定坐标系中交链磁通矢量与所述α轴之间的角度来表示。
4.根据权利要求3所述的马达控制方法，其特征在于，
当在所述步骤D中检测到所述转子向所述正转方向旋转时，在所述步骤E中，根据公式(1)来运算所述转子角θ，
θ＝ρ+δ (1)
当在所述步骤D中检测到所述转子向所述反转方向旋转时，在所述步骤E中，根据公式(2)来运算所述转子角θ，
θ＝(ρ-180°)+δ (2)。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的马达控制方法，其特征在于，
在所述步骤A中，根据公式(3)来运算所述α轴上的分量BEMFα，根据公式(4)来运算所述β轴上的分量BEMFβ，
BEMFα＝Vα *-R·Iα (3)
BEMFβ＝Vβ *-R·Iβ (4)
其中，Vα *表示所述α轴上的参考电压，Vβ *表示所述β轴上的参考电压，Iα是电枢电流的所述α轴上的分量，Iβ是所述电枢电流的所述β轴上的分量，R表示电枢电阻。
6.一种马达控制系统，其具有：
马达；以及
控制电路，其对所述马达进行控制，
所述马达控制系统的特征在于，
在所述控制电路中，获得αβ固定坐标系中的反电动势的α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ，
分别对所述α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ进行时间微分，
求取第一乘法值与第二乘法值的差分值，该第一乘法值是通过将所述α轴上的分量BEMFα乘以所述β轴上的分量BEMFβ的微分值而得的，该第二乘法值是通过将所述β轴上的分量BEMFβ乘以所述α轴上的分量BEMFα的微分值而得的，
根据所述差分值来检测所述马达的旋转方向，
根据所述马达的旋转方向的检测结果而对所述马达进行控制。
7.一种电动助力转向系统，其特征在于，
所述电动助力转向系统具有权利要求6所述的马达控制系统。
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