CN110679080A

CN110679080A - 永磁体式旋转电机的控制装置

Info

Publication number: CN110679080A
Application number: CN201780091090.1A
Authority: CN
Inventors: 西岛良雅; 榎木圭一; 渡边益崇; 村田泰一; 原田信吾; 大塚和彦
Original assignee: Mitsubishi Corp
Current assignee: Mitsubishi Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2020-01-10
Also published as: JPWO2018225139A1; WO2018225139A1; US11050376B2; DE112017007611T5; US20200144948A1

Abstract

为了在计算永磁体式旋转电机的磁极位置校正量时降低校正量的偏差，并高精度地进行磁极位置校正，在使永磁体式旋转电机旋转的状态下，将dq矢量控制中的d轴电流指令值和q轴电流指令值双方保持为大致为零，根据中点电位检测单元所检测出的中点电位计算实际d轴电压和实际q轴电压，根据实际d轴电压和实际q轴电压、基于规定的运算式来计算磁极位置校正量，并基于磁极位置校正量来进行磁极位置原点校正。

Description

永磁体式旋转电机的控制装置

技术领域

本发明涉及永磁体式旋转电机的控制装置，尤其涉及搭载于混合动力车汽车等车辆的永磁体式旋转电机的控制装置。

背景技术

永磁体式旋转电机是对转子设置永磁体、并对定子设置电枢绕组后而得到的旋转磁场型的结构。该永磁体式旋转电机搭载于混合动力汽车等，在接收来自发动机的机械能而起到作为发电机的功能的情况下、以及接收电能而起到使驱动力产生的电动机的功能的情况下发挥二者的功能。

一般情况下，将搭载于车辆的永磁体式旋转电机作为电动机来驱动的情况下的控制通过基于同步分析器等磁极位置传感器所检测出的转子的磁极位置控制针对旋转电机的电枢绕组的电流来进行。然而，存在如下问题：若因磁极位置传感器的安装误差、位置偏移等而导致磁极位置的检测值偏离实际的磁极位置，则无法得到所希望的转矩。

针对该问题，将磁极位置传感器所得出的检测值校正为实际的转子的磁极位置。例如，专利文献1所公开的现有的控制装置中，在永磁体式旋转电机的转子旋转的状态下将dq矢量控制中的d轴电流指令值和q轴电流指令值双方保持为零，并执行dq矢量控制的处理，根据执行时求出的d轴电压指令值和q轴电压指令值，基于规定的运算式计算磁极位置校正量，以校正磁极位置传感器所检测出的磁极检测位置。

此外，专利文献2所示的现有的同步机的控制装置中，检测车辆是否即将停止，在判定为即将停止时将d轴电流指令值和q轴电流指令值设为零，基于此时的d轴电压指令值和q轴电压指令值检测与磁极位置传感器的检测相位的相位差，并基于该相位差来校正检测相位。

另外，专利文献1和专利文献2所示的控制是dq矢量控制，是将d轴设为磁极产生磁通的方向(永磁体的中心轴)，将与该d轴电气、磁性正交的轴(永磁体间的轴)设定为q轴，并在dq坐标系上进行的旋转电机的控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利3688673号公报

专利文献2：日本专利5642251号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1和专利文献2所公开的现有的控制装置中，均根据d轴电压指令值和q轴电压指令值来计算磁极位置校正量。

在d轴电压指令值和q轴电压指令值转换为三相电压指令后，为了使指令电压与实际电压相一致，需要进行死区时间校正等，但有时因元件偏差导致无法进行恰当的校正，从而在指令电压与实际电压之间产生误差。即，在死区时间校正中包含了误差的情况下，基于该死区时间校正而计算出的磁极位置校正量也会产生误差。

该情况下，利用专利文献1、2所记载的方法进行计算的磁极位置校正量的精度变差。

鉴于以上现有的缺点，本发明的目的在于提供一种永磁体式旋转电机的控制装置，能在计算磁极位置校正量时降低校正量的偏差，并高精度地进行磁极位置原点校正。

解决技术问题所采用的技术方案

为了达到所述目的，在本发明的永磁体式旋转电机的控制装置中，在使永磁体式旋转电机旋转的状态下，将dq矢量控制中的d轴电流指令值和q轴电流指令值双方保持为大致为零，根据所述中点电位检测单元所检测出的中点电位计算实际d轴电压和实际q轴电压，根据所述实际d轴电压和所述实际q轴电压、基于规定的运算式来计算磁极位置校正量，并基于所述磁极位置校正量来进行磁极位置原点校正。

发明效果

根据本发明，能基于根据实际d轴电压和实际q轴电压而计算出的磁极位置校正量，来高精度地进行磁极位置原点校正。

附图说明

图1是示出本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的结构图。

图2是本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的具体示例的整体结构图。

图3是本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的逆变器控制装置的框图。

图4是本发明实施方式所涉及的中点电位检测单元的框图。

图5是对本发明实施方式所涉及的中点电位检测进行说明的波形图。

图6是对本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的动作进行说明的流程图。

图7是示出实施本发明实施方式所涉及的磁极位置原点校正的条件的说明图。

图8是示出实施本发明实施方式所涉及的磁极位置原点校正的条件的说明图。

图9是示出本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的结构图。

图10是本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的逆变器控制装置的框图。

图11是实现本发明实施方式所涉及的框图的硬件结构图。

具体实施方式

以下，使用附图，对本发明实施方式所涉及的永磁体式旋转电机的控制装置的实施方式进行说明。另外，以下实施方式中，将永磁体式旋转电机作为电动机来进行说明，并对将永磁体式旋转电机的控制装置搭载于混合动力汽车来作为电动机控制装置的情况进行说明，但当然也可以搭载于混合动力汽车以外的车辆。

图1是示出本发明实施方式所涉及的电动机控制装置100的结构图。如图所示，电动机控制装置100设置在直流电源10与电动机30之间。电动机控制装置100包括：连接在高电压侧节点P与低电压侧节点N间，对直流电源10的直流电压进行滤波的滤波电容器11；通过DC/AC转换将高压的直流电压转换成交流电压并向电动机30供电的逆变器20；控制逆变器20的逆变器控制装置40；检测逆变器20的三相的输出的中点电位的中点电位检测单元50；对从逆变器20提供给电动机30的电压进行检测的电压传感器60；对从逆变器20提供给电动机30的电流进行检测的电流传感器70；以及检测电动机30的状态的状态检测单元80。

图2是示出图1的具体示例的整体结构图。如图所示，逆变器20由半导体开关元件21a至21d、半导体整流元件22a至22d、上桥臂侧功率半导体元件23a、下桥臂侧功率半导体元件23b、U相开关桥臂24a、V相开关桥臂24b、W相开关桥臂24c构成，并且，这里，逆变器20包括电压传感器60、电流传感器70。电压传感器60利用电压传感器VSu、电压传感器VSv、电压传感器VSw检测各相的电压，并输出至中点电位检测单元50。此外，电流传感器70利用电流传感器CSu、电流传感器CSv、电流传感器CSw检测各相的电流，并输出至逆变器控制装置40。

此外，状态检测单元80包括检测电动机30的转子的磁极的位置的磁极位置检测单元31、检测电动机30的转速的转速检测单元32、以及检测温度的温度检测单元33。

直流电源10能充放电，并经由逆变器20与电动机30交换电力。也可以在直流电源10与逆变器20之间设置升压转换器，并利用DC/DC转换对由直流电源10提供的直流电压进行升压。滤波电容器11构成为连接在高电压侧节点P与低电压侧节点N间，对直流电压进行滤波。电压检测单元12测量滤波电容器11的高电压侧节点P与低电压侧节点N之间的电压，并将电压值VPN输出至逆变器控制装置40。逆变器20利用DC/AC转换将高压的直流电压转换成交流电压。

电动机30通过施加从逆变器20输出的交流电压来控制车辆的驱动力、制动力。状态检测单元80中的磁极位置检测单元31是采用霍尔元件、编码器来构成的公知的检测单元，并输出表示电动机30的转子从规定的基准旋转位置起的磁极旋转角度θr(q轴的旋转角度)的检测值的信号，以作为磁极位置的检测信号RSL。另外，由磁极位置检测单元31得到的磁极旋转角度θr的检测值一般因磁极位置检测单元31的组装误差等而导致相对于电动机30的转子的实际磁极位置(磁极的实际旋转角度)产生误差。

此外，转速检测单元32获取电动机30的旋转信息。温度检测单元33一并获取电动机30的温度信息。另外，电动机30的转速信息也可以由磁极位置检测单元31来计算。

在逆变器20中，功率半导体元件以将半导体开关元件与半导体整流元件彼此反向并联连接得到的结构为单位。此外，将功率半导体元件的串联连接体称为桥臂。这里，对逆变器20的详细结构进行说明。逆变器20内的桥臂的条数设定为与进行驱动的电动机30的相数相对应，如图2所示那样，逆变器20由U相、V相、W相这3个开关桥臂24a至24c构成。

逆变器20的U相开关桥臂24a中，作为半导体开关元件21a、21b，例如使用以Si为材料的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，作为半导体整流元件22a、22b，使用同样以Si为材料的PiN二极管。另外，使用其它材料也无妨。

半导体开关元件21a的集电极电极C连接有半导体整流元件22a的阴极电极K，半导体开关元件21a的发射极电极E连接有半导体整流元件22a的阳极电极A，互相反向并联连接，成为功率半导体元件的一个单位。另外，同样地，半导体开关元件21b的集电极电极C连接有半导体整流元件22b的阴极电极K，半导体开关元件21b的集电极电极E连接有半导体整流元件22b的阳极电极A。由此，逆变器20的U相开关桥臂24a由半导体开关元件21a和半导体整流元件22a所构成的功率半导体元件、以及半导体开关元件21b和半导体整流元件22b所构成的功率半导体元件串联连接而构成。

另外，逆变器20的V相开关桥臂24b以及W相开关桥臂24c也由半导体开关元件21c和半导体整流元件22c所构成的功率半导体元件、与半导体开关元件21d和半导体整流元件22d所构成的功率半导体元件的串联连接、以及由半导体开关元件21e和半导体整流元件22e所构成的功率半导体元件、与半导体开关元件21f和半导体整流元件22f所构成的功率半导体元件的串联连接来构成。此外，逆变器控制装置40对逆变器20所包含的开关桥臂24a至24c的上桥臂侧功率半导体元件23a和下桥臂侧功率半导体元件23b内的半导体开关元件的开关动作进行控制，并对与电动机30的连接节点Uac、Vac、Wac的电位进行调整，由此来控制流过电动机30的电流量。

逆变器控制装置40如图3所示，包括指示电流运算块DB、电流控制运算块CB、二相/三相转换块TB1、三相/二相转换块TB2、三相/二相转换块TB3、栅极驱动块GD、AD转换块AD、磁极位置原点校正块ZB、磁极位置校正量运算块PB、实际占空比(Duty)运算块DU、磁极位置运算块MB。

逆变器控制装置40利用dq矢量控制进行电动机30的旋转控制。该逆变器控制装置40中的指示电流运算块DB根据电动机30所产生的转矩的指令值即转矩指令值Rtrq(由逆变器控制装置40的外部提供)，运算d轴电流指令值Cid和q轴电流指令值Ciq，并输出至电流控制运算块CB。

电流控制运算块CB接收来自指示电流运算块DB的d轴电流指令值Cid和q轴电流指令值Ciq、以及来自三相/二相转换块TB2的d轴电流值id和q轴电流值iq，运算二相直流的d轴电压指令值Cvd和q轴电压指令值Cvq，以使得d轴电流值id与q轴电流值iq之间的偏差成为“0”，并输出至二相/三相转换块TB1。

二相/三相转换块TB1基于来自磁极位置原点校正块ZB的磁极位置θ，将二相直流的d轴电压指令值Cvd和q轴电压指令值Cvq转换成三相交流电压指令值Cvu、Cvv、Cvw。栅极驱动块GD对逆变器20所包含的开关桥臂的上桥臂侧功率半导体元件23a和下桥臂侧功率半导体元件23b内的半导体开关元件21a至21f的开关动作进行控制，并输出控制信号，以进行逆变器20中的DC/AC转换。

接着，使用图4、图5对磁极位置原点校正处理(ROL：Resolver offset learning：旋转变压器偏移学习，以下称为ROL)进行说明。图4是本发明实施方式所涉及的中点电位检测单元50的结构图。此外，图5示出了对中点电位检测进行说明的波形图。但这里仅示出U相。图4中示出使用了比较器的结构，但也可以设为其它结构(例如，使用AD转换的结构)。磁极位置原点校正中，在使电动机30旋转的状态下，设为d轴电流指令值Cid＝0、q轴电流指令值Ciq＝0，并根据逆变器的中点电位求出磁极位置校正量。

如图4所示，将所检测出的中点电位VSu、VSv、VSw与输入至比较器CM1、CM2、CM3的基准电位进行比较。由比较器CM1、CM2、CM3输出所输入的中点电位比基准电位要高(Hi)还是要低(Lo)。因此，能基于中点电位检测单元50的输出，来掌握导通的状态和断开的状态。即，在比基准电位要高的情况下，表示连接至电源的高电压侧节点P的状态、即导通，在比基准电位要低的情况下，表示连接至电源的低电压侧节点N的状态、即断开。

如图5所示，在将来自比较器CM1、CM2、CM3的输出VU为Hi的时间设为Ton、将载波的谷到谷的时间设为Tc的情况下，VU的实际占空比值vU作为“Ton/Tc”被求出。即，占空比值表示1周期的期间内导通所占的比例(％)，因此，能通过对1周期中的比基准值要高的时间进行计数来计算实际占空比值。

接着，为了在图3所示的逆变器控制装置40中进行ROL，逆变器控制装置40的实际占空比运算块RB将来自中点电位检测单元50的输出值的实际占空比电压VU、VV、VW的占空比转换为实际占空比值vU、vV、vW，并输出至三相/二相转换块TB3。三相/二相转换块TB3使用来自实际占空比运算块RB的实际占空比值vU、vV、vW，来运算二相直流的实际d轴电压值vd和q轴电压值vq，并输出至磁极位置校正量运算块PB。

磁极位置校正量运算块PB使用来自三相/二相转换块TB3的实际d轴电压值vd和q轴电压值vq，基于运算式θofs＝atan(vd/vq)来运算磁极位置校正量θofs，并输出至磁极位置原点校正块ZB。

磁极位置原点校正块ZB存储并保持来自磁极位置校正量运算块PB的磁极位置校正量θofs，利用存储并保持的磁极位置校正量θofs与来自磁极位置检测块MB的磁极旋转角度θr，基于运算式θ＝θr-θofs来运算实际磁极位置θ，并输出至二相/三相转换块TB1和三相/二相转换块TB2。

如图6的流程图所示那样执行上述ROL。

首先，在步骤S100中开始，步骤S101中，获取发动机的动作状态，若处于启动前的状态则转移至步骤108，若并非启动前的状态则转移至步骤S102。

步骤S108中，在已经执行ROL且设定了磁极位置校正量θofs的情况下，再次转移至步骤S101并重复上述动作。在未设定磁极位置校正量θofs的情况下，在步骤S109中，将初始值保存于磁极位置校正量θofs。作为该初始值，优选基于磁极位置检测单元31的公差、安装精度的值。

步骤S102中，获取发动机的动作状态，若处于启动中的状态则转移至上述步骤S101并重复上述动作。在发动机处于启动中的状态下，在磁极位置校正量θofs中设定有初始值，因此，虽然有时无法产生最佳的转矩，但能得到发动机启动所需的转矩。在并非启动中的状态的情况下(启动后)，转移至步骤S103。

即，在发动机的启动前到启动后的期间，发动机的转速如图7所示那样变化，在发动机的启动前，发动机的转速当然为零，在启动中，转速成为规定的转速以上并进入稳定状态，在启动后，转速在稳定的范围内成为脉动的状态。根据该发动机的转速设定条件，并实施磁极位置原点校正。即，在永磁体式旋转电机的转速处于大致恒定的状态下进行磁极位置原点校正，由此能避开运算精度发生劣化的条件，并高精度地进行磁极位置原点校正。

步骤S103中，判断是否能满足实施ROL的条件，在满足的情况下转移至步骤S104。在无法满足的情况下，转移至上述步骤S101并重复上述动作。

步骤S104中，将d轴电流指令值Cid和q轴电流指令值Ciq设定为零。其结果是，流过电动机30的U、V、W各相的电枢电流被控制为大致为零。

步骤S105中，在待机了预先确定的时间后，直到电动机30的各相的电枢电流充分收敛到零附近为止，计算磁极位置校正量θofs，并转移至步骤S106。或者，在待机了预先确定的时间后、d轴电流id和q轴电流iq为大致恒定的情况下转移至步骤S106，在未收敛为大致恒定的情况下，结束处理。在d轴电流和q轴电流处于大致恒定的状态的情况下进行磁极位置原点校正，由此能避开运算精度发生劣化的条件，并高精度地进行磁极位置原点校正。

步骤S106中，由磁极位置原点校正块ZB对磁极位置校正量运算块PB所计算出的磁极位置校正量θofs进行存储并保持，在步骤S107中结束ROL处理。另外，这里，也可以限制磁极位置校正量θofs，以使得磁极位置校正量θofs在预先确定的阈值的范围内。在步骤S106中，磁极位置原点校正块ZB中所存储并保持的磁极位置校正量θofs被运算为磁极旋转角度θr，以计算实际磁极位置θ。

至此为止所说明的ROL的处理中，基于逆变器的中点电压来计算磁极位置校正量θofs，由此能进行准确的磁极位置的校正，并能减少功率因数、效率的下降。

步骤S103的ROL实施条件可以设为当图1所示的偏移校正允许信号ROL_EN为允许时实施ROL。由此，通过基于允许信号来进行磁极位置原点校正，从而能防止在进入原点位置的计算处理时产生意外的转矩变动。

此外，可以将图2所示的状态检测单元80的转速检测单元32所检测的电动机30的转速在预先设定的阈值的范围内的情况设为条件。由此，能避开运算精度发生劣化的条件，并高精度地进行磁极位置原点校正。此外，也可以将图1所示的电压检测单元12所检测的滤波电容器11的高电压侧节点P与低电压侧节点N之间的电压值VPN在预先设定的阈值的范围内的情况设为条件。图8示出了电动机30的转速和电压值VPN在预先确定的阈值的范围内的情况的一个示例。即，在直流电源的电压在预先设定的阈值的范围内的情况下进行磁极位置原点校正，由此能避开运算精度发生劣化的条件，并高精度地进行磁极位置原点校正。

此外，也可以将图1所示的转速检测单元32所检测的电动机30的转速为大致恒定的情况设为条件。

此外，可以使上述电动机30的转速的阈值根据图1所示的温度检测单元33所检测的电动机30的温度而变化。根据永磁体式旋转电机的磁体温度改变转速的阈值，由此，能避开运算精度发生劣化的条件，并高精度地进行磁极位置原点校正。

此外，也可以将图1所示的电压检测单元12所检测的电压VPN为大致恒定的情况设为条件。由此，通过在直流电源的电压为大致恒定的情况下进行磁极位置原点校正，从而能避开运算精度发生劣化的条件，并高精度地进行磁极位置原点校正。

另外，在上述实施方式中，将永磁体式旋转电机作为电动机来进行说明，并对将永磁体式旋转电机的控制装置作为电动机控制装置搭载于混合动力汽车的情况进行了说明，但在搭载于混合动力汽车的情况下，电动机30如图9所示，与发动机301的输出轴(驱动轴)相连接，并通过启动电动机来使发动机启动。此外，成为利用发动机301来使电动机30旋转的状态。

该情况下，在逆变器控制装置40中设置设定有临时校正值(第1校正值)的启动时控制单元401，在基于电动机30的发动机301的启动经过规定时间之后，进行基于本发明的中点电位检测的磁极位置原点校正，由此能进行恰当的电动机的控制。

即，在电动机30的旋转成为预先确定的状态前，使用第1校正值来进行电动机的控制，在旋转成为规定状态的情况下，进行基于本发明的中点电位检测的磁极位置原点校正。为了使得能进行基于电动机的发动机启动，即使在磁极位置原点校正前，也需要进行上述发动机301的启动。

此外，图3所示的逆变器控制装置40中，将磁极位置校正量运算块PB的输出的磁极位置校正量θofs直接提供给磁极位置原点校正块ZB，然而，作为在该校正量因某种原因而变得极端大的情况下的安全策略，如图10所示，对磁极位置校正量运算块PB的输出设置校正量限制块LB，从而能在磁极位置校正量θofs成为预料外的值的情况下执行应对策略。

若在中点电位检测单元50、电压传感器60等中产生了缺陷的情况下，所计算的校正量有可能较大地偏离所需的值。该情况下，与进行校正前相比，转矩的误差反而会变大。因此，例如，基于磁极位置检测单元31的公差、安装位置的精度等来确定阈值，并能在产生了输出值超过阈值的情况时，使用校正前的值来继续控制，并进行故障显示。

另外，图1和图3所示的功能块分别由图11所示的硬件来实现。即，利用数据总线203将处理器200、存储程序和数据的存储器201、传感器等输入输出设备202相连接，并通过处理器200所进行的控制，来进行数据的处理和数据的传输。

以上，记述了本发明的实施方式，但本发明并不被实施方式所限定，能进行各种设计变更，并能对实施方式进行适当变形、省略。此外，作为实施方式，也能组合所记载的内容来实施。

Claims

1.一种永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

包括：逆变器，该逆变器连接在直流电源与永磁体式旋转电机之间，用于将从所述直流电源输出的直流电压转换成交流电压；逆变器控制装置，该逆变器控制装置控制所述逆变器的驱动；磁极位置检测单元，该磁极位置检测单元检测所述永磁体式旋转电机的磁极位置；以及中点电位检测单元，该中点电位检测单元检测所述逆变器的中点电位，在使所述永磁体式旋转电机旋转的状态下，将dq矢量控制中的d轴电流指令值和q轴电流指令值双方保持为大致为零，根据所述中点电位检测单元所检测出的中点电位计算实际d轴电压和实际q轴电压，根据所述实际d轴电压和所述实际q轴电压、基于规定的运算式来计算磁极位置校正量，并基于所述磁极位置校正量来进行磁极位置原点校正。

2.如权利要求1所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正在所述永磁体式旋转电机的转速在预先设定的阈值的范围内的情况下进行。

3.如权利要求2所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述转速的阈值根据所述永磁体式旋转电机的磁体温度而改变。

4.如权利要求1或2所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正在所述永磁体式旋转电机的转速处于大致恒定的状态的情况下进行。

5.如权利要求1所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正在所述直流电源的电压在预先设定的阈值的范围内的情况下进行。

6.如权利要求1或5所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正在所述直流电源的电压处于大致恒定的状态的情况下进行。

7.如权利要求1所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正在所述d轴电流和所述q轴电流处于大致恒定的状态的情况下进行。

8.如权利要求1至7的任一项所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正基于允许信号来进行。

9.如权利要求1至8的任一项所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正中，在所述永磁体式旋转电机与发动机的输出轴相连结的状态下，以预先设定的第1校正值进行所述发动机的启动，并在利用所述发动机使所述永磁体式旋转电机旋转的状态下进行所述磁极位置原点校正。

10.如权利要求1所述的永磁体式旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述磁极位置原点校正中，对所述磁极位置校正量进行限制，以使得所计算出的所述磁极位置校正量在预先设定的值的范围内。