CN109981019A - 电机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够减少低输出时的反相器中的损失的电机控制装置。控制部根据扭矩指示值及电机的转速而算出驱动电机所需要的必要电力，当所算出的必要电力小于规定的阈值时，将电压值设为规定的电压值，并根据所述必要电力来变更电流值而驱动电机，当所算出的必要电力为规定的阈值以上时，将电流值设为规定的电流值，并根据必要电力来变更电压值而驱动电机。

Description

电机控制装置
技术领域
本发明涉及一种进行电机的驱动控制的电机控制装置。
背景技术
使用反相器(inverter)电路来对成为车辆等的动力的电机的驱动电力进行控制的技术已为人所知。
例如日本公开公报专利特开2004-208409号公报中公开了下述技术，即：具备将来自电源的电压升压并施加于反相器电路的直流-直流(Direct Current-Direct Current，DCDC)转换器电路，基于与电机的消耗电力量相关联的信息，来设定施加于反相器电路的电压的升压比。
但是，日本公开公报专利特开2004-208409号公报所公开的技术中，当电机的电力为小于固定值的低输出时，有时电压值变得过小，反相器中的损失增加。
发明内容
鉴于所述问题，本发明的目的在于提供一种能够减少低输出时的反相器中的损失的电机控制装置。
为了解决所述问题，根据本发明的例示性实施方式的电机控制装置的某形态，提供一种电机控制装置，其包括：扭矩指示值输入部，输入表示必要扭矩值的扭矩指示值；转速输入部，输入电机的转速；控制部，根据所述输入的扭矩指示值及所述输入的电机的转速而算出驱动电机所需要的必要电力，并根据所述算出的必要电力而算出驱动电机所需要的电压值及电流值；电压提供部，输出与所述算出的电压值相应的电压；以及反相器部，根据所述电流值，由所述电压提供部输出的电压而生成驱动电机的驱动信号。所述电机控制装置的特征在于，所述控制部在所述算出的必要电力小于规定的阈值时，将所述电压值设为规定的电压值，并根据所述必要电力来变更所述电流值，在所述算出的必要电力为规定的阈值以上时，将所述电流值设为规定的电流值，并根据所述必要电力来变更所述电压值。
所述实施方式中，所述电压提供部通过从规定的电源电压降压而输出与所述电压值相应的电压。
所述实施方式中，所述控制部通过变更脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制中的脉冲的占空比(duty ratio)，而使所述反相器部生成与所述电流值相应的驱动信号。
所述实施方式中还包括输入油门(accelerator)开度的油门输入部，所述扭矩指示值输入部输入与由油门输入部所输入的油门开度相应的扭矩指示值，所述控制部根据与所述油门开度相应的所述扭矩指示值，以将所述电压提供部降压的降压比变更的方式算出所述电压值。
所述实施方式中还包括输入所述电机的温度的温度输入部，所述控制部在由所述温度输入部所输入的电机的温度为第一阈值以下时，将所述电流值设为规定的电流值，并根据所述必要电力来变更所述电压值，在由所述温度输入部所输入的电机的温度超过第一阈值时，将所述电压值设为规定的电压值，并根据所述必要电力来变更所述电流值。
根据以上结构的本发明的例示性实施方式，通过根据必要电力是否小于阈值来变更电机的控制方法，能够减少低输出时的反相器的损失。
有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所述及其他特征、要素、步骤、特点和优点。
附图说明
图1是表示电机控制装置的结构例的框图。
图2是表示电机的消耗电力、电机的转速N与扭矩T的关系的图。
图3是示意性地表示驱动电机的驱动电压的波形例的图。
图4是表示电机的控制处理的流程图。
图5是表示驱动电机所要求的电力P与驱动电压V及驱动电流I的关系的图。
图6是表示施加于反相器的电压V与反相器的损失η的关系的图。
图7是表示一变形例的电机的控制处理的流程图。
图8是表示施加于反相器的电压与电流的关系例的图。
图9是表示电机的温度的变化例的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的实施例进行详细说明。
图1是表示电机控制装置的结构例的框图。
此电机控制装置包括：电机1，向车辆等输出驱动力；车辆控制装置(VehicleControl Unit，VCU)2，根据车辆的状态而输出扭矩指令(扭矩指示值)；反相器3，根据来自VCU 2的扭矩指令而生成驱动电压；电池4，提供直流的电源电压(VBATT)；降压DC-DC转换部5，根据来自反相器3的指示将来自电池4的电源电压降压，并提供给反相器3；以及温度传感器6，检测电机1的周围温度或将电机1冷却的冷媒的温度等。此电机控制装置中，降压DC-DC转换部5根据来自反相器3的控制部31的要求电压而自电池4的电压(VBATT)以规定的降压比将电压降压，并将经降压的电压V提供给反相器3。
电机1例如包含无刷电机(brushless motor)，此无刷电机包括：以具有输出端的旋转轴为中心而转动自如地设置的转子、具有利用与三相的驱动电压相应的驱动电流而产生磁场的励磁线圈等的定子、以及收容转子及定子等的外壳(housing)等。转子上安装有永磁铁，根据由励磁线圈所产生的磁场以转子的旋转轴为中心而旋转，从旋转轴的一端(输出端)输出驱动力。
另外，电机1中设有检测转子的角度的位置传感器11、及检测电机1的温度的温度传感器12。位置传感器11例如包括在转子的周围每隔120°而配置且检测转子的磁力的3个霍尔元件等磁传感器，检测转子的角度。再者，也可利用旋转编码器等其他部件来检测转子的角度。温度传感器12包括热敏电阻等温度检测元件，检测励磁线圈等电机1的温度，并提供给反相器3。
VCU 2根据当前的油门开度、车辆速度、加速或减速时的加速度等车辆状态而生成表示必要扭矩值的扭矩指令，并提供给反相器3。
反相器3包括：控制部31，控制反相器3总体的动作；绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)模块(以下简称为IGBT)32，根据来自控制部31的指示而进行从降压DC-DC转换部5提供的电压V的切换，生成三相的驱动电压；以及温度传感器33，检测IGBT 32等的温度。IGBT32生成三相的驱动电压，因而包括3组6个切换元件(IGBT元件)。再者，也可代替此IGBT元件而使用金属氧化物半导体场效晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)等切换元件。
控制部31例如将位置传感器11的检测电压与规定的基准电压比较，并根据比较结果以60°单位检测转子的角度。另外，控制部31基于位置传感器11的检测电压而检测电机1的转速。再者，电机的转速也可使用与位置传感器11不同的传感器而检测。
控制部31根据来自VCU 2的扭矩指令及所检测出的电机1的转速，算出驱动电机所需要的必要电力。电机1的转速N与扭矩T的关系例如像图2所示那样，根据电机1的消耗电力而变化。关于电机1的转速N与扭矩T的关系，例如当消耗电力为60kW时如此图中的实线那样，而当消耗电力为40kW、20kW时则分别如虚线所示那样。因此，控制部31基于这种关系，根据扭矩指令与电机1的转速，算出获得必要扭矩的消耗电力作为必要电力。
进而，控制部31根据所算出的必要电力而算出驱动电机1所需要的电压值及电流值。控制部31将所算出的电压值作为要求电压而提供给降压DC-DC转换部5。降压DC-DC转换部5根据来自控制部31的要求电压自电池4的电压(VBATT)以规定的降压比降压，将所得的电压V提供给反相器3。再者，必要电力是根据来自VCU 2的扭矩指令及所检测出的电机1的转速而算出，且扭矩指令是根据油门开度等而生成，因而降压比成为与油门开度相应的值。
控制部31根据所述那样检测出的转子的旋转角及所述那样算出的电流值，控制IGBT 32对各切换元件的切换，例如生成图3所示那样的三相(U相、V相、W相)的驱动电压(驱动信号)。此驱动电压的波形在正弦波驱动时，表示以电机1的励磁线圈中流动的驱动电流的实效值(以下简称为电流值)成为规定的电流值的方式进行了PWM控制时的波形。控制部31根据电流值而控制驱动电压的脉冲的占空比。具体而言，控制部31变更PWM的调制度。再者，此图3中，示意性地表示在后述的电流可变的情况下将调制度设为0.8左右的状态。此时，脉宽成为调制度为1时的0.8倍。另外，后述的电压可变的情况下将调制度设为1左右(严格而言为0.98左右)。另外，实际上PWM的调制频率为几kHz左右。
由IGBT 32所生成的驱动电压被提供给电机1的定子的励磁线圈，在励磁线圈中流动与驱动电压相应的驱动电流，通过励磁线圈的磁场与转子的永磁铁的相互作用，而转子产生扭矩。此扭矩经由转子的输出端而输出至外部。
图4是表示此电机控制装置中的电机的控制处理的流程图。
此电机控制装置中，控制部31以下述方式进行控制，即：当所述那样算出的必要电力P小于阈值Pth时，将电压值V设为规定的电压值V'，并根据必要电力P来变更电流值I，当必要电力P为阈值Pth以上时，将电流值设为规定的电流值I'，并根据必要电力P来变更电压值V。即，此电机控制装置中，控制部31通过根据来自VCU 2的扭矩指令及电机的转速所求出的必要电力P是否为规定的阈值Pth以上，而变更电机的控制方法。
首先，控制部31在电机1停止的状态下开始驱动时，使电压值V固定为规定的电压V'(电压固定)，并根据必要电力P来变更电流值I(电流可变)。控制部31根据这样求出的电压值及电流值，如所述那样进行电机1的驱动的控制(S1)。
进而，控制部31判断要求电力P是否超过规定的阈值Pth(S2)。若要求电力P小于规定的阈值Pth，则控制部31继续S1的处理。若要求电力P成为规定的阈值Pth以上，则控制部31进入S3，使电流值I固定为规定的电流I'(电流固定)，并根据必要电力P来变更电压值V(电压可变)。控制部31根据这样求出的电压值及电流值，如所述那样进行电机1的驱动的控制。
进而，控制部31判断要求电力P是否小于规定的阈值Pth(S4)。若要求电力P为规定的阈值Pth以上，则控制部31继续S3的处理。若要求电力P小于规定的阈值Pth，则控制部31进入S1，重复所述处理。
进行了所述那样控制的结果为，必要电力P、电机1的驱动电压(从降压DC-DC转换部5提供的电压V)与电机1的驱动电流I的关系如图5所示那样，当小于阈值Pth时以电压为固定(V')的状态驱动电机1，当为阈值Pth以上时以电流为固定(I')的状态驱动电机1。
此外，反相器3中的损失η例如像图6所示那样，以规定的电压(V')为界(从降压DC-DC转换部5提供)，无论电压V是变小还是变大均增加。
因此，本实施方式中，进行了恒定电流、电压可变控制时，根据电压V成为电压V'的值而决定阈值Pth的值。
进而，本实施方式中，在要求电力P为阈值Pth以上的区域中，与必要电力相应的电机1的消耗电力的控制是如所述那样，将电流设为固定值I'，利用通过所述降压DC-DC转换部5的降压而进行的电压V的控制来进行。由此，能够使电压V的值降低至必要最小限度，减少综合的反相器3的损失。
另外，本实施方式中，在消耗电力小于阈值Pth的区域中，与必要电力相应的电机1的消耗电力的控制是如所述那样，使电压V固定为规定值V'，利用通过变更驱动电压的脉冲的占空比而进行的电流I的控制来进行。由此，能够减少必要电力小的区域、即电机1的输出低的低输出时的反相器3的损失。
如以上所说明，本实施方式中，当驱动电机所需要的必要电力小于阈值(Pth)时，将电压值设为规定的电压值(V')，并根据必要电力来变更电流值，当必要电力为阈值(Pth)以上时，将电流值设为规定的电流值(I')，并根据必要电力来变更电压值。即，通过根据必要电力是否小于阈值来变更电机的控制方法，能够减少低输出时的反相器中的损失。即，本实施方式中，能够将反相器中的损失保持于最小限度，并且进行与行驶条件(车辆的状态)相应的适当的电机的驱动控制。
一变形例的电机控制装置是与所述的图1同样地构成。
所述实施方式1中，根据必要电力是否小于阈值来变更电机的控制方法，但实施方式2中，根据电机的温度来变更电机的控制方法。
此电机控制装置中，控制部31与所述实施方式1同样，根据来自VCU 2的扭矩指令及所检测出的电机1的转速，算出驱动电机所需要的必要电力，并根据必要电力而算出驱动电机1所需要的电压值及电流值。进而，控制部31将降压DC-DC转换部5根据所算出的电压值而生成的电压V提供给反相器3，根据所算出的电流值而控制IGBT 32的切换，生成驱动电压。
本实施例的电机控制装置中，进而根据温度传感器12所检测出的电机1的温度来变更电机的控制方法。
具体而言，例如像图7所示那样，控制部31开始处理时，首先与所述实施方式1中的必要电力P为阈值Pth以上时同样，使电流值I固定为规定的电流I'(电流固定)，并根据必要电力P来变更电压值V(电压可变)。控制部31根据这样求出的电压值及电流值，如所述那样控制反相器3而进行电机1的驱动电压的控制(S11)。
进而，控制部31判定温度传感器12所检测出的电机1的温度Tm是否超过预先设定的第一阈值T1(S12)。若电机1的温度Tm未超过阈值T1，则控制部31继续S11的处理。当温度Tm超过阈值T1时，控制部31进入S13，例如像图8所示那样，使电压值V固定为规定的电压Vmax(＝VBATT)(电压固定)，并根据必要电力P来变更电流值I(电流可变)。控制部31基于这样求出的电压值及电流值，如所述那样控制反相器3而进行电机1的驱动电压的控制。
进而，控制部31判定温度Tm是否低于预先设定的第二阈值T2(T2＜T1)(S14)。若温度Tm为T2以上，则控制部31继续S13的处理。当温度Tm低于阈值T2时，控制部31进入S11，重复所述处理。
再者，当如所述S11的处理那样，进行了使电流值I固定为规定的电流I'(电流固定)，并根据必要电力P来变更电压值V(电压可变)的控制时，虽然反相器3的损失能够减少，但励磁线圈中流动的电流维持为高于最佳电流值。其结果，由电机1的励磁线圈的电阻引起的发热(所谓铜损)导致电机温度上升。
相对于此，当如所述S13中的处理那样，进行了使电压值V固定为规定的电压Vmax(电压固定)，并根据必要电力P来变更电流值I的(电流可变)控制时，虽然因电压值V维持得高而反相器3的损失增加，但电流值根据必要电力而变动，因而变得低于S11的情况。因此，相较于S11的情况，电机1的励磁线圈的电阻引起的发热得到抑制。其结果，能够有助于已上升的电机1的温度Tm的降低。
另外，电机1的驱动方法的切换的判断也可将电机1的温度Tm仅与一个阈值比较来进行，但视状况不同而有可能频繁切换驱动方法。因此，通过如所述那样预先设定阈值T1、阈值T2(T2＜T1)并进行所述那样的控制处理，能够抑制电机的控制方法的切换频度。
再者，控制部31也可输入由温度传感器6所检测的电机1的周围温度(外气温)、将电机1冷却的冷媒的温度等环境信息，并根据环境信息而动态变更所述阈值T1或阈值T2或者两者。当处于外气温低，或冷媒的温度低等电机1容易冷却的环境时，控制部31例如像图9的时刻t1、时刻t2所示那样，将阈值T1、阈值T2变更为高于电机1处于难以冷却的环境时的值。相反，当处于外气温高，或冷媒的温度高等电机1难以冷却的环境时，控制部31将阈值T1、阈值T2变更为低于电机1处于容易冷却的环境时的值。通过进行这种控制，能够根据环境而适当管理电机1的温度。
如以上所说明，本实施方式中，当电机的温度为第一阈值T1以下时，通过将电流值设为规定的电流值并根据必要电力来变更电压值的恒定电流、电压可变控制而驱动电机，当电机的温度超过第一阈值T1时，通过将电压值设为规定的电压值并根据必要电力来变更电流值的恒定电压、电流可变控制而驱动电机。即，本实施方式中，通过根据电机的温度来变更电机的控制方法，能够适当管理电机的温度。
另外，以上的说明中，对根据电机的温度来变更电机的控制方法的情况进行了说明，但也可进一步进行与反相器3所具备的驱动元件(IGBT 32等)的温度相应的电机的控制方法的变更。此时，例如控制部31在反相器3的温度传感器33检测的IGBT 32等的温度超过预先设定的第三阈值T3时，进行使电流值I固定为规定的电流I'(电流固定)并根据必要电力P来变更电压值V(电压可变)的控制。即，控制部31将电机的控制方法切换为恒定电流、电压可变控制。恒定电压、电流可变控制中，驱动元件的负荷高，视状况不同而有时驱动元件的温度上升，但通过切换为恒定电流、电压可变控制，能够使驱动元件的负荷降低而抑制温度的上升。由此，能够适当管理驱动元件的温度。
另外，当电机的温度超过高于第一阈值T1且低于电机的温度上限Tmax的第四阈值T4时，进行输出限制，例如使所算出的必要电力P减小等输出限制。由此，能够更适当地管理电机的温度。
再者，也可将所述实施例中的控制与一变形例中的控制并用。即，同时进行与必要电力是否小于阈值相应的电机的控制方法的变更、和与电机温度相应的电机的控制方法的变更。由此，能够同时获得实施方式1的效果和实施方式2的效果。
另外，所述各实施方式中，通过降压DC-DC转换部5的降压而生成与来自控制部31的要求电压相应的电压V，但即便设置通过升压而生成与来自控制部31的要求电压相应的电压V的升压DC-DC转换部，也能够获得与所述同样的效果。
另外，所述各实施方式中，利用正弦波驱动来生成电机1的驱动电压，但也可代替正弦波驱动而利用矩形波驱动来生成驱动电压。
另外，所述各实施例中，例如对进行无刷电机的驱动控制的情况进行了说明，但对于使用反相器进行三相同步电机等的驱动控制的情况，也能够应用本发明。

Claims (5)

1.一种电机控制装置，包括：
扭矩指示值输入部，输入表示必要扭矩值的扭矩指示值；
转速输入部，输入电机的转速；
控制部，根据输入的所述扭矩指示值及输入的所述电机的转速而算出驱动电机所需要的必要电力，并根据算出的所述必要电力而算出驱动电机所需要的电压值及电流值；
电压提供部，输出与算出的所述电压值相应的电压；以及
反相器部，根据算出的所述电流值由所述电压提供部所输出的电压而生成驱动电机的驱动信号，
所述电机控制装置的特征在于，所述控制部在算出的所述必要电力小于规定的阈值时，将所述电压值设为规定的电压值，并根据所述必要电力来变更所述电流值，
在算出的所述必要电力为规定的阈值以上时，将所述电流值设为规定的电流值，并根据所述必要电力来变更所述电压值。
2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述电压提供部通过从规定的电源电压降压而输出与所述电压值相应的电压。
3.根据权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于，所述控制部通过变更脉宽调制控制中的脉冲的占空比，而使所述反相器部生成与所述电流值相应的驱动信号。
4.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，还包括：油门输入部，输入油门开度，
所述扭矩指示值输入部输入与由油门输入部所输入的油门开度相应的扭矩指示值，
所述控制部根据与所述油门开度相应的所述扭矩指示值，以将所述电压提供部降压的降压比变更的方式算出所述电压值。
5.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，还包括：温度输入部，输入所述电机的温度，
所述控制部在由所述温度输入部所输入的电机的温度为第一阈值以下时，将所述电流值设为规定的电流值，并根据所述必要电力来变更所述电压值，
在由所述温度输入部输入的电机的温度超过第一阈值时，将所述电压值设为规定的电压值，并根据所述必要电力来变更所述电流值。
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