CN110809855A - 电动机控制装置以及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机控制装置，其不需要调节操作，对逆变器的死区时间进行补偿，改善电流波形的失真，提高电流控制的响应性，抑制声音、振动和扭矩脉动。本发明的基于矢量控制方式的电动机控制装置运算出dq轴的控制辅助指令值，基于控制辅助指令值运算出dq轴电流指令值，将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，其基于经“使用dq轴电流指令值来进行的”相位补正后的电动机旋转角运算出3相死区时间基准补偿值，通过使“通过增益以及符号等来对3相死区时间基准补偿值进行处理后得到”的死区时间补偿值与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。

Description

电动机控制装置以及搭载了该电动机控制装置的电动助力转 向装置
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置以及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置，该电动机控制装置通过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，基于电动机旋转角(电角度)的函数(dq轴角度或3相角度－死区时间补偿值基准表)来对逆变器的死区时间进行补偿，这样就能够实现“平稳并且抑制了异常音”的控制。
背景技术
作为“搭载了电动机控制装置”的装置，举例来说，有“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)、电动汽车、机床等。电动助力转向装置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，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，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(Proportional-Integral，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(Field-EffectTransistor，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。
“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，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(Iref2(idref以及iqref))(控制辅助指令值)，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求出的电流偏差Δid*以及由减法单元131q求出的电流偏差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中经过PI控制后得到的电压指令值vd以及在PI控制单元120q中经过PI控制后得到的电压指令值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求出的指令电压Δvd以及由加法单元141q求出的指令电压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以及Dutyw)的PWM信号UPWM、VPWM以及WPWM，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(电动机旋转速度)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，减法单元141d计算出指令电压Δvd，还有，加法单元141q计算出指令电压Δvq。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，经由PWM控制单元160以及逆变器161来对电动机100进行驱动。
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，在400ns－100ns之间，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，所以电流波形会失真，控制的响应性能会发生恶化，并且，发生声音、振动和扭矩脉动。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，所以与下游助力式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、振动和扭矩脉动等。
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(Low Pass Filter，低通滤波器)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的装置采用这样一种方式，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，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，从而存在“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电压指令”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机控制装置以及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置，该电动机控制装置以不需要调节操作的方式对逆变器的死区时间进行补偿，改善电流波形的失真，提高电流控制的响应性，并且，抑制声音、振动和扭矩脉动。
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机控制装置，其运算出dq轴的控制辅助指令值，基于所述控制辅助指令值来运算出dq轴电流指令值，将所述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，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，基于经相位补正后的电动机旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，通过增益以及符号来对所述3相死区时间基准补偿值进行处理后再对其进行3相/dq轴变换从而求得dq轴死区时间补偿值，通过使所述dq轴死区时间补偿值与“对所述dq轴电流指令值进行处理后得到”的dq轴电压指令值相加来进行所述逆变器的死区时间补偿；或，使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，基于经相位补正后的电动机旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，通过增益以及符号来对所述3相死区时间基准补偿值进行处理从而求得3相死区时间补偿值，通过使所述3相死区时间补偿值与“经dq轴空间矢量调制后得到”的3相电压指令值相加来进行所述逆变器的死区时间补偿；或，具备轴电流要因相位补正运算单元、角度－死区时间补偿值函数单元、逆变器外加电压感应增益单元和死区时间补偿值输出单元，所述轴电流要因相位补正运算单元通过使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，从而运算出相位补正旋转角，所述角度－死区时间补偿值函数单元基于所述相位补正旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，所述逆变器外加电压感应增益单元基于逆变器外加电压来运算出电压感应增益，所述死区时间补偿值输出单元通过使所述电压感应增益与所述3相死区时间基准补偿值相乘后再对乘法结果进行3相/dq轴变换来求得dq轴死区时间补偿值，并且，输出所述dq轴死区时间补偿值，所述电动机控制装置通过使所述dq轴死区时间补偿值与“对所述dq轴电流指令值进行处理后得到”的dq轴电压指令值相加来进行所述逆变器的死区时间补偿；或，具备空间矢量调制单元、轴电流要因相位补正运算单元、角度－死区时间补偿值函数单元、逆变器外加电压感应增益单元、死区时间补偿值输出单元和电流指令值感应增益运算单元，所述空间矢量调制单元通过对所述dq轴电流指令值进行空间矢量调制，来获得3相电压指令值，所述轴电流要因相位补正运算单元通过使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，从而运算出相位补正旋转角，所述角度－死区时间补偿值函数单元基于所述相位补正旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，所述逆变器外加电压感应增益单元基于逆变器外加电压来运算出电压感应增益，所述死区时间补偿值输出单元通过使所述电压感应增益与所述3相死区时间基准补偿值相乘来求得第一3相死区时间补偿值，并且，输出所述第一3相死区时间补偿值，所述电流指令值感应增益运算单元运算出“根据所述控制辅助指令值来改变所述第一3相死区时间补偿值的补偿量”的电流指令值感应增益，所述电动机控制装置通过使所述电流指令值感应增益与所述第一3相死区时间补偿值相乘来求得第二3相死区时间补偿值，通过使所述第二3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。
还有，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：将上述电动机控制装置中的任意一个电动机控制装置搭载在“用于将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构”的电动助力转向装置中。
发明的效果
根据本发明的电动机控制装置以及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置，基于电动机旋转角(电角度)的函数来运算出逆变器的死区时间补偿值，然后，通过使死区时间补偿值与dq轴上的电压指令值相加来进行补偿(也就是说，通过针对死区时间补偿值和dq轴上的电压指令值的前馈控制来进行补偿)。通过这样做，就能够以不需要调节操作的方式来对逆变器的死区时间进行补偿，从而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。还有，通过控制辅助指令值(iqref)来调整并改变死区时间补偿值的大小以及方向，从而使其不会发生过度补偿。
因为进行了“基于电动机旋转角(电角度)的函数”的死区时间补偿，所以控制就变得平稳，从而能够抑制电动机的声音、振动和扭矩脉动。另外，本发明在“电动机角度的相位与3相电流的相位相匹配”的低速以及中速转向区域，具有高补偿精度，还有，即使在3个相的补偿波形不是矩形波的情况下，也可以进行补偿。
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是详细地表示本发明的死区时间补偿单元的结构示例(第1实施方式)的结构框图。
图7是表示电流指令值感应增益单元的结构示例的结构框图。
图8是表示电流指令值感应增益单元内的增益单元的特性示例的特性图。
图9是表示电流指令值感应增益单元的特性示例的特性图。
图10是表示补偿符号估计单元的动作示例的波形图。
图11是表示逆变器外加电压感应增益单元的结构示例的结构框图。
图12是表示逆变器外加电压感应增益单元的特性示例的特性图。
图13是表示相位调整单元的特性示例的特性图。
图14是表示角度－死区时间补偿值函数单元的动作示例(第1实施方式)的图。
图15是表示空间矢量调制单元的结构示例的结构框图。
图16是表示空间矢量调制单元的动作示例的图。
图17是表示空间矢量调制单元的动作示例的图。
图18是表示空间矢量调制单元的动作示例的时间图。
图19是表示空间矢量调制的效果的波形图。
图20是表示本发明(第1实施方式)的效果的波形图。
图21是表示本发明(第1实施方式)的效果的波形图。
图22是表示本发明的结构示例(第2实施方式)的结构框图。
图23是详细地表示本发明的死区时间补偿单元的结构示例(第2实施方式)的结构框图。
图24是表示角度－死区时间补偿值函数单元的动作示例(第2实施方式)的图。
图25是表示角度－死区时间补偿值基准表的输出电压特性示例的特性图。
图26是表示本发明(第2实施方式)的效果的波形图。
图27是表示本发明(第2实施方式)的效果的波形图。
图28是表示本发明的结构示例(第3实施方式)的结构框图。
图29是详细地表示本发明的死区时间补偿单元的结构示例(第3实施方式)的结构框图。
图30是表示本发明(第3实施方式)的效果的波形图。
图31是表示本发明(第3实施方式)的效果的波形图。
图32是表示本发明的结构示例(第4实施方式)的结构框图。
图33是详细地表示本发明的死区时间补偿单元的结构示例(第4实施方式)的结构框图。
图34是表示轴电流要因相位补正运算单元的结构示例的结构框图。
图35是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图36是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图37是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图38是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图39是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图40是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图41是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图42是表示本发明(第4实施方式)的效果的波形图。
图43是表示本发明的结构示例(第5实施方式)的结构框图。
图44是详细地表示本发明的死区时间补偿单元的结构示例(第5实施方式)的结构框图。
具体实施方式
本发明为了解决“因控制部(ECU等)的逆变器的死区时间的影响，从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，将死区时间补偿值设定为“与电动机旋转角(电角度)相对应”的函数，然后，通过使dq轴死区时间补偿值与dq轴电压指令值以前馈(FF)方式相加来进行补偿，或者，通过使3相死区时间补偿值与“经空间矢量调制后得到”的3相电压指令值以前馈方式相加来进行补偿。通过“与电动机旋转角(电角度)相对应”的函数，并且，预先通过离线方式，来求得dq轴死区时间补偿值或3相死区时间补偿值；基于dq轴死区时间补偿值的输出波形或3相死区时间补偿值的输出波形，来创建dq轴角度(3相角度)－死区时间补偿值基准表；通过基于dq轴角度－死区时间补偿值基准表使dq轴死区时间补偿值与dq轴电压指令值以前馈方式相加来进行死区时间补偿，或者，通过基于3相角度－死区时间补偿值基准表使3相死区时间补偿值与3相电压指令值以前馈方式相加来进行死区时间补偿。
通过dq轴或3相指令单元的控制辅助指令值能够进行适当的死区时间补偿量的调整和补偿方向的估计，还有，能够基于逆变器外加电压来调整成适当的死区时间补偿量。另外，能够实时运算出“基于电动机旋转角”的死区时间补偿值，还有，能够在dq轴电压指令值上或者在3相电压指令值上对“与电动机旋转角相对应”的死区时间补偿值进行补偿。
在低速以及中速控制区域，在现有的3相型死区时间补偿中，存在着“因特定的相电流的幅度而造成补偿偏离，还有，因特定的转速而造成补偿偏离”的问题(在EPS的场合，则存在着“转向音发生恶化，转向感发生恶化等”的问题。)。在现有的3相型死区时间补偿中，为了进行时间调整，需要考虑转速的大小和相电流的幅度的大小，但是想要获得“能够兼顾两者”的最佳调整却是很困难的。还有，在现有的3相型死区时间补偿中，在3个相的补偿波形不是矩形波的情况下，存在着“无法准确地进行补偿”的问题。为了解决这些问题，提出了“在低速以及中速控制状态下(在EPS的场合，则为在低速以及中速转向状态下)，具有明显效果”的本发明。
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(第1实施方式)的整体结构。如图5所示，设置了“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。“相当于图2的转向辅助指令值Iref2”的q轴的转向辅助指令值(控制辅助指令值)iqref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。另外，“被施加在逆变器161上”的逆变器外加电压VR被输入到死区时间补偿单元200中。还有，来自PWM控制单元160内的PWM控制电路(未在图中示出)的PWM信号(UPWM、VPWM以及WPWM)被输入到逆变器161中。
“被限制了转向辅助指令值idref的最大值”的d轴电流指令值id*以及“被限制了转向辅助指令值iqref的最大值”的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运算出d轴电流指令值id*与反馈电流id之间的电流偏差Δid*，还有，减法单元131q运算出q轴电流指令值iq*与反馈电流iq之间的电流偏差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“经过PI控制后得到”的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。加法单元121d通过使d轴电压指令值vd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*相加来进行补偿，还有，加法单元121q通过使q轴电压指令值vq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vq*相加来进行补偿。“在加法单元121d中经过补偿后得到”的电压值被输入到减法单元141d中，还有，“在加法单元121q中经过补偿后得到”的电压值被输入到加法单元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，通过减法单元141d来获得“作为d轴电压指令值vd与电压vd1*之间的差”的电压指令值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，通过加法单元141q来获得“作为q轴电压指令值vq与电压vq1*相加后得到的加法结果”的电压指令值vq**。“对死区时间进行了补偿”的电压指令值vd**以及vq**被输入到“用于从dq轴的2个相变换成U相、V相以及W相的3个相，并且，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由电流控制延迟模型201、补偿符号估计单元202、乘法单元203、乘法单元204d、乘法单元204q、加法单元221、相位调整单元210、逆变器外加电压感应增益单元220、角度－死区时间补偿值函数单元230U、角度－死区时间补偿值函数单元230V、角度－死区时间补偿值函数单元230W、乘法单元231U、乘法单元231V、乘法单元231W、3相交流/dq轴变换单元240以及电流指令值感应增益单元250来构成。
此外，通过乘法单元231U、乘法单元231V、乘法单元231W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。还有，通过电流控制延迟模型201、补偿符号估计单元202、电流指令值感应增益单元250以及乘法单元203来构成了电流指令值感应增益运算单元。
图6示出了死区时间补偿单元200的详细结构。下面，参照图6对死区时间补偿单元200进行说明。
如图6所示，q轴转向辅助指令值iqref被输入到电流控制延迟模型201中。因ECU的噪声滤波器等，从而导致发生延迟，直到dq轴的电流指令值id*以及iq*被反映在实际电流上。因此，如果直接基于电流指令值iq*来判定符号的话，则有时会发生时刻偏离。为了解决这个问题，在本实施方式中，通过将整个电流控制的延迟近似为一阶滤波器模型，从而改善相位差。本实施方式的电流控制延迟模型201为“将T作为滤波器时间常数，并且，由下述式1来表示”的一阶滤波器。还有，电流控制延迟模型201也可以为二阶或更高阶的滤波器的模型。
式1
Figure BDA0002312799260000121
“从电流控制延迟模型201输出”的电流指令值Icm被输入到电流指令值感应增益单元250以及补偿符号估计单元202中。在低电流区域，有时死区时间补偿量会发生过度补偿，电流指令值感应增益单元250具有计算出“用于根据电流指令值Icm(转向辅助指令值iqref)的大小来减少补偿量”的增益的功能。还有，通过使用加权平均滤波器来进行降低噪声的处理，以便不会因来自电流指令值Icm(转向辅助指令值iqref)的噪声等，而导致“用于减少补偿量”的增益发生振动。
电流指令值感应增益单元250具有如图7所示的结构。如图7所示，绝对值单元251计算出电流指令值Icm的绝对值，来自绝对值单元251的绝对值在输入限制单元252中被限制了最大值，“被限制了最大值”的绝对值的电流指令值经由比例变换单元253后被输入到加权平均滤波器254中。在加权平均滤波器254中被降低了噪声的电流指令值Iam被加法输入到减法单元255中。减法单元255从电流指令值Iam中减去所规定的偏移OS。“从电流指令值Iam中减去偏移OS”的理由是为了防止“起因于微小电流指令值”的触点抖动(chattering)，将等于或小于偏移OS的输入值固定在最小的增益。偏移OS为固定值。“在减法单元255中从电流指令值Iam中减去偏移OS后得到的”电流指令值Ias被输入到增益单元256中。增益单元256按照如图8所示那样的增益特性，来输出电流指令值感应增益Gc。
从电流指令值感应增益单元250输出的电流指令值感应增益Gc例如具有如图9所示那样的针对被输入进来的电流指令值Icm的特性。也就是说，电流指令值感应增益Gc具有这样一种特性，即，当电流指令值Icm等于或小于所规定的电流Icm1的时候，电流指令值感应增益Gc为固定的增益Gcc1；当电流指令值Icm大于所规定的电流Icm1并且小于所规定的电流Icm2(＞所规定的电流Icm1)的时候，电流指令值感应增益Gc随着电流指令值Icm的增加而线性(或非线性)地增加；当电流指令值Icm等于或大于所规定的电流Icm2的时候，电流指令值感应增益Gc为固定的增益Gcc2并且保持不变。此外，所规定的电流Icm1也可以为0。
补偿符号估计单元202针对被输入进来的电流指令值Icm，按照如图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“电流指令值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，补偿符号SN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。当驾驶员在中心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。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。
来自电流指令值感应增益单元250的电流指令值感应增益Gc被输入到乘法单元203中。乘法单元203输出“电流指令值感应增益Gc与补偿符号SN相乘后得到的”电流指令值感应增益Gcs(＝Gc×SN)。电流指令值感应增益Gcs被输入到乘法单元204d以及乘法单元204q中。
还有，因为最适当的死区时间补偿量随逆变器外加电压VR而发生变化，所以在本实施方式中运算出“与逆变器外加电压VR相对应”的电压感应增益Gv，改变死区时间补偿量。还有，“用于输入逆变器外加电压VR，并且，输出电压感应增益Gv”的逆变器外加电压感应增益单元220具有如图11所示的结构。如图11所示，逆变器外加电压VR在输入限制单元221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/死区时间补偿增益变换表222中。逆变器外加电压/死区时间补偿增益变换表222的特性，例如为如图12所示的特性。拐点的逆变器外加电压9.0V以及15.0V和电压感应增益“0.7”以及“1.2”仅仅是一个示例而已，可以对它们进行适当的变更。运算出的电压感应增益Gv被输入到乘法单元231U、乘法单元231V以及乘法单元231W中。
另外，在想根据电动机转速ω来提前或者推迟死区时间补偿的时刻的情况下，在本实施方式中，使相位调整单元210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210在超前角控制的情况下，具有如图13所示的特性。由相位调整单元210计算出的相位调整角Δθ被输入到加法单元221中，加法单元221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221的加法结果”的电动机旋转角θm(＝θ+Δθ)被输入到角度－死区时间补偿值函数单元230U、角度－死区时间补偿值函数单元230V以及角度－死区时间补偿值函数单元230W中，并且，还被输入到3相交流/dq轴变换单元240中。
在从“检测出电动机旋转角，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，存在着数十[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“运算时的电动机旋转角”与“反映时的电动机旋转角”之间会产生相位移。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。
如图14详细所示那样，角度－死区时间补偿值函数单元230U、角度－死区时间补偿值函数单元230V以及角度－死区时间补偿值函数单元230W针对相位调整后的电动机旋转角θm，在电角度0[deg]～359[deg]的范围内，输出相位彼此相差120[deg]的矩形波的各相死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt。角度－死区时间补偿值函数单元230U、角度－死区时间补偿值函数单元230V以及角度－死区时间补偿值函数单元230W将3个相都需要的死区时间基准补偿值设定为基于角度的函数，在ECU中进行实时计算，输出3个相的死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt。还有，死区时间基准补偿值的角度函数随ECU的死区时间的特性的不同而不同。
死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt分别被输入到乘法单元231U、乘法单元231V以及乘法单元231W中，以便使它们分别与电压感应增益Gv相乘。“与电压感应增益Gv相乘后得到”的3个相的死区时间补偿值Udtc(＝Gv·Udt)、Vdtc(＝Gv·Vdt)以及Wdtc(＝Gv·Wdt)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，将3个相的死区时间补偿值Udtc、Vdtc以及Wdtc变换成2个相的dq轴的死区时间补偿值vda*以及vqa*。死区时间补偿值vda*以及vqa*分别被输入到乘法单元204d以及乘法单元204q中，以便使它们分别与电流指令值感应增益Gcs相乘。在乘法单元204d中得到的乘法结果为死区时间补偿值vd*，还有，在乘法单元204q中得到的乘法结果为死区时间补偿值vq*。死区时间补偿值vd*在加法单元121d中与电压指令值vd相加，然后，经由减法单元141d后作为电压指令值vd**被输入到空间矢量调制单元300中，还有，死区时间补偿值vq*在加法单元121q中与电压指令值vq相加，然后，经由加法单元141q后作为电压指令值vq**被输入到空间矢量调制单元300中。
就这样，第1实施方式采用了这样一种结构，即，将死区时间补偿值设定为“与电动机旋转角(电角度)相对应”的3个相的函数，通过对其进行3相/dq轴变换，然后再使“经3相/dq轴变换后得到”的dq轴的死区时间补偿值与dq轴上的电压指令值以前馈方式相加来进行补偿。在估计“死区时间的补偿符号”的时候，使用dq轴的转向辅助指令值，还有，根据转向辅助指令值iqref的大小以及逆变器外加电压VR的大小来改变补偿量，以便使其具有最适当的大小。
接下来，对空间矢量调制进行说明。
如图15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，使三次谐波叠加在3相电压(Vua、Vva、Vwa)上”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WO/2017/098840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FETQ1、FETQ3以及FETQ5和下侧桥臂FETQ2、FETQ4以及FETQ6)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2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16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2
Figure BDA0002312799260000161
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3那样的关系，另外，目标电压矢量V的绝对值被保存起来。
式3
Figure BDA0002312799260000162
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17的空间矢量图所示的8种离散基准输出电压矢量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17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18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以及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来求出”的扇区号相对应的开关模式S1～S6。图18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以及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、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，“将本实施方式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19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19的实线那样的理想的死区时间补偿波形。
图20以及图21是表示本实施方式的效果的模拟结果，图20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。通过应用本实施方式的死区时间补偿，就能够确认“在低速以及中速转向的转向操作状态下，如图21所示那样，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)”，并且，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20以及图21中，代表性地仅仅示出了U相电流。
接下来，对本发明的第2实施方式进行说明。
与图5相对应的图22示出了本发明(第2实施方式)的整体结构。如图22所示，设置了“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200A。图23示出了死区时间补偿单元200A的详细结构，下面，参照图23对死区时间补偿单元200A进行说明。
在死区时间补偿单元200A中设置了“具有与第1实施方式相同的结构，并且，执行与第1实施方式相同的动作”的电流控制延迟模型201、补偿符号估计单元202、相位调整单元210、逆变器外加电压感应增益单元220、加法单元221、乘法单元203、乘法单元204d、乘法单元204q以及电流指令值感应增益单元250。还有，在第2实施方式中，设置了“输入来自加法单元221的电动机旋转角θm，并且，输出d轴的死区时间基准补偿值vda”的d轴角度－死区时间补偿值基准表260d以及“输入来自加法单元221的电动机旋转角θm，并且，输出q轴的死区时间基准补偿值vqa”的q轴角度－死区时间补偿值基准表260q。死区时间基准补偿值vda以及vqa分别被输入到乘法单元205d以及乘法单元205q中，以便使它们分别与来自逆变器外加电压感应增益单元220的电压感应增益Gv相乘。“与电压感应增益Gv相乘后得到”的死区时间补偿值vdb以及vqb分别被输入到乘法单元204d以及乘法单元204q中。电流指令值感应增益Gcs被输入到乘法单元204d以及乘法单元204q中。乘法单元204d输出“作为电流指令值感应增益Gcs与死区时间补偿值vdb相乘后得到的乘法结果”的死区时间补偿值vd*，还有，乘法单元204q输出“作为电流指令值感应增益Gcs与死区时间补偿值vqb相乘后得到的乘法结果”的死区时间补偿值vq*。
如图24详细所示那样，角度－死区时间补偿值基准表260d以及260q通过离线方式来计算出“作为3个相都需要的角度的函数”的死区时间补偿值，并且，将其变换成dq轴上的死区时间补偿值。也就是说，如第1实施方式中所说明的那样，通过角度－死区时间补偿值函数单元230U、230V以及230W，针对相位调整后的电动机旋转角θm，在电角度0[deg]～359[deg]的范围内，输出相位彼此相差120[deg]的矩形波的各相死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt。角度－死区时间补偿值函数单元230U、230V以及230W将3个相都需要的死区时间基准补偿值设定为基于角度的函数，通过离线方式来进行计算，输出死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt。死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt的角度函数随ECU的死区时间的特性的不同而不同。
死区时间基准补偿值Udt、Vdt以及Wdt被输入到3相交流/dq轴变换单元261中，然后，被变换成“具有如图24所示那样的输出波形”的d轴死区时间补偿值DTd以及q轴死区时间补偿值DTq。基于图24的dq轴输出波形，来生成“基于角度(θm)输入”的角度－死区时间补偿值基准表260d以及260q。如图25的(A)所示那样，d轴角度－死区时间补偿值基准表260d具有“针对电动机旋转角θm，呈锯齿形的波形”的输出电压特性(d轴死区时间基准补偿值)，还有，如图25的(B)所示那样，q轴角度－死区时间补偿值基准表260q具有“针对电动机旋转角θm，另加了偏移电压的呈波浪状的波形”的输出电压特性(q轴死区时间基准补偿值)。
来自角度－死区时间补偿值基准表260d以及260q的死区时间基准补偿值vda以及vqa分别被输入到乘法单元205d以及乘法单元205q中，以便使它们分别与电压感应增益Gv相乘。“与电压感应增益Gv相乘后得到”的dq轴的死区时间补偿值vdb以及vqb分别被输入到乘法单元204d以及乘法单元204q中，以便使它们分别与电流指令值感应增益Gcs相乘。来自乘法单元204d的死区时间补偿值vd*在加法单元121d中与电压指令值vd相加，然后，经由减法单元141d后作为电压指令值vd**被输入到空间矢量调制单元300中，还有，来自乘法单元204q的死区时间补偿值vq*在加法单元121q中与电压指令值vq相加，然后，经由加法单元141q后作为电压指令值vq**被输入到空间矢量调制单元300中。
就这样，本实施方式采用了这样一种结构，即，通过“与电动机旋转角(电角度)相对应”的函数的角度－死区时间补偿值基准表来计算出死区时间补偿值，然后，通过使“计算出”的死区时间补偿值与dq轴上的电压指令值直接以前馈方式相加来进行补偿。在估计“死区时间的补偿符号”的时候，使用转向辅助指令值(iqref)，还有，根据转向辅助指令值的大小以及逆变器外加电压的大小来改变补偿量，以便使其具有最适当的大小。
图26以及图27是表示“以U相为例”的第2实施方式的效果的“基于模拟了实际车辆的台架试验装置”的模拟结果。图26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。通过应用本实施方式的死区时间补偿，就能够确认“在低速以及中速转向的转向操作状态下，如图27所示那样，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少，接近正弦波的相电流波形)”，并且，可以看到“转向时的扭矩脉动和转向音均得到了改善”。
接下来，与图5相对应的图28示出了本发明的第3实施方式。图29示出了死区时间补偿单元200B的详细结构。在第3实施方式中，通过死区时间补偿单元200B来运算出3个相的死区时间补偿值Vum、Vvm以及Vwm，然后，通过使“由死区时间补偿单元200B来运算出”的死区时间补偿值Vum、Vvm以及Vwm分别与来自空间矢量调制单元300的3个相的电压指令值Vu*、Vv*以及Vw*相加来进行死区时间补偿。
在第3实施方式中，设置了“由乘法单元271U、乘法单元271V以及乘法单元271W来构成”的补偿值调整单元270，来自乘法单元231U的死区时间补偿值Udtc、来自乘法单元231V的死区时间补偿值Vdtc以及来自乘法单元231W的死区时间补偿值Wdtc分别被输入到乘法单元271U、乘法单元271V以及乘法单元271W中，以便使它们分别与电流指令值感应增益Gcs相乘。“与电流指令值感应增益Gcs相乘后得到”的乘法结果被作为死区时间补偿值Vum、Vvm以及Vwm来输出，加法单元310U、加法单元310V以及加法单元310W分别使“经空间矢量调制后得到”的3个相的电压指令值Vu*、Vv*以及Vw*与死区时间补偿值Vum、Vvm以及Vwm相加。“作为在加法单元310U、加法单元310V以及加法单元310W中得到的加法结果”的电压指令值Vuc*、Vvc*以及Vwc*被输入到PWM控制单元160中。
就这样，本实施方式采用了这样一种结构，即，将死区时间补偿值设定为“与电动机旋转角(电角度)相对应”的3个相的函数，然后，通过使其与3个相的电压指令值直接以前馈方式相加来进行补偿。在估计“死区时间的补偿符号”的时候，使用dq轴的转向辅助指令值，还有，根据转向辅助指令值的大小以及逆变器外加电压的大小来改变补偿量，以便使其具有最适当的大小。
图30以及图31是表示“以U相为例”的本实施方式的效果的模拟结果。图30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。通过应用本实施方式的死区时间补偿，就能够确认“在低速以及中速转向的转向操作状态下，如图31所示那样，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少，接近正弦波的相电流波形)”，并且，可以看到“转向时的扭矩脉动和转向音均得到了改善”。
接下来，对追加了“通过使用d轴电流指令值以及q轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正”的功能的实施方式进行说明。
在中速以及高速转向区域，为了提高转向追随性，需要使电流流经d轴。此时，根据d轴的电流量，相电流的相位针对电动机旋转角(电角度)而发生变动。在电流流经d轴的状态下，根据电动机旋转角，以前馈方式来应用死区时间补偿的话，则针对相电流的死区时间补偿的时刻会发生偏离，从而有可能导致扭矩脉动。为了解决这个问题，通过追加“基于d轴电流指令值以及q轴电流指令值来计算出电动机旋转角与相电流之间的相位差(变动角度)，对电动机旋转角进行相位补正”的功能(下面，将该功能称为“相位补正功能”)，并且，使用“通过相位补正功能而被进行了相位补正后”的电动机旋转角(下面，将其称为“相位补正旋转角”)来进行死区时间补偿，这样就能够实现“几乎没有时刻偏离”的死区时间补偿。
与图5相对应的图32示出了“在第1实施方式中追加了相位补正功能”的结构示例(第4实施方式)。如图32所示，在死区时间补偿单元200C中设置了“用于执行相位补正功能”的轴电流要因相位补正运算单元280。还有，图33示出了死区时间补偿单元200C的详细结构。如图33所示，电动机旋转角θm、d轴电流指令值id*以及q轴电流指令值iq*被输入到轴电流要因相位补正运算单元280中，还有，“从轴电流要因相位补正运算单元280输出”的相位补正旋转角θd被输入到角度－死区时间补偿值函数单元230U、230V以及230W中。
轴电流要因相位补正运算单元280基于d轴电流指令值id*以及q轴电流指令值iq*来计算出电流比率，通过进行“基于反正切函数”的运算(下面，将该运算称为“arctan运算”)来计算出“起因于d轴电流”的相电流的变动角度。接着，轴电流要因相位补正运算单元280使计算出的变动角度与电动机旋转角θm相加，对相加后得到的加法结果进行翻转处理，然后，输出相位补正旋转角θd。图34示出了轴电流要因相位补正运算单元280的结构示例。如图34所示，轴电流要因相位补正运算单元280具备绝对值单元281、绝对值单元282、除以零预防限制单元283、dq轴电流比率运算单元284、输入限制单元285、变动角度运算单元286、符号判定单元287、翻转处理单元288、乘法单元289A以及加法单元289B。
dq轴电流比率运算单元284基于d轴电流指令值id*以及q轴电流指令值iq*来计算出电流比率Rdq。因此，为了基于d轴电流指令值id*以及q轴电流指令值iq*来计算出电流比率Rdq，首先，绝对值单元281计算出d轴电流指令值id*的绝对值，还有，绝对值单元282计算出q轴电流指令值iq*的绝对值。另外，为了防止“在计算电流比率Rdq的时候将成为分母的q轴电流指令值iq*的绝对值变成零”，通过除以零预防限制单元283来对q轴电流指令值iq*的绝对值进行限制。例如，除以零预防限制单元283通过“将上限值设定为最大检测值(例如，200A)，并且，将下限值设定为非零的最小检测值(例如，0.05A)”的方式，来对q轴电流指令值iq*的绝对值进行限制。然后，dq轴电流比率运算单元284通过将d轴电流指令值id*的绝对值除以“经限制后”的q轴电流指令值iq*的绝对值，来计算出电流比率Rdq。
输入限制单元285通过“将运算范围设定为限制值”的方式来对“作为arctan运算的对象”的电流比率Rdq进行限制，从而使得电流比率Rdq不超出运算范围。
变动角度运算单元286针对“在输入限制单元285中经限制后”的电流比率Rdq来进行arctan运算，计算出变动角度dθ。在考虑到被搭载在ECU中的CPU的处理负载的情况下，通过离线方式来进行arctan运算，还有，预先创建“用来将arctan运算的运算结果的单位从rad(弧度)变换成deg(度)”的表，并将该表保存在变动角度运算单元286中。变动角度运算单元286通过在线方式，基于预先创建好的表，并根据电流比率Rdq，来求得变动角度dθ。在不需要考虑CPU的处理负载的情况下，变动角度运算单元286也可以通过在线方式来执行arctan运算以及arctan运算的运算结果的单位变换，计算出变动角度dθ。变动角度dθ被输入到乘法单元289A中。
符号判定单元287输入d轴电流指令值id*以及q轴电流指令值iq*，在d轴电流指令值id*的符号不同于q轴电流指令值iq*的符号的情况下，输出“－”；在d轴电流指令值id*的符号与q轴电流指令值iq*的符号相同的情况下，输出“+”。来自符号判定单元287的输出值被输入到乘法单元289A中，以便使其在乘法单元289A中与变动角度dθ相乘。在乘法单元289A中得到的乘法结果作为变动角度dθ’被输入到加法单元289B中。
在加法单元289B中，通过使变动角度dθ’与电动机旋转角θm相加来对电动机旋转角θm进行相位补正，从而计算出相位补正旋转角θd0。在相位补正旋转角θd0等于或大于360deg的情况下，为了进行“变换成0deg～360deg的角度”的翻转处理，将相位补正旋转角θd0输入到翻转处理单元288中。翻转处理单元288针对相位补正旋转角θd0，来进行“以360deg为单位”的翻转处理，也就是说，针对相位补正旋转角θd0，来进行用于求得“相位补正旋转角θd0的值除以360后的余数”的处理，并且，将处理结果作为相位补正旋转角θd来输出。
轴电流要因相位补正运算单元280通过这样的结构以及各个单元的处理，使用d轴电流指令值id*以及q轴电流指令值iq*来对电动机旋转角θm进行相位补正，运算出相位补正旋转角θd。
图35～图42示出了“为了确认本实施方式中的相位补正的效果，在中速转向条件下(逆变器外加电压＝12[V]，q轴电流指令值＝45[A]，d轴电流指令值＝15[A]，电动机转速＝1200[rpm])”的“在有相位补正的场合进行了模拟”的结果以及“在没有相位补正的场合进行了模拟”的结果。图35～图38示出了“没有相位补正的场合”的结果，还有，图39～图42示出了“有相位补正的场合”的结果。另外，在图35以及图39中，示出了电动机旋转角(图35)或相位补正旋转角(图39)、U相电流、d轴电流以及q轴电流；在图36以及图40中，示出了U相电流以及U相死区时间补偿值；在图37以及图41中，示出了U相电流以及d轴死区时间补偿值；在图38以及图42中，示出了U相电流以及q轴死区时间补偿值。
如图35所示那样，在电流流经d轴的情况下，在U相电流、d轴电流以及q轴电流中均产生了失真。尽管在d轴电流为零的情况下，U相电流的零交叉点(与横轴相交且值为零的点)和电动机旋转角变为零的点一致，但在电流流经d轴的情况下，可以看出，U相电流的相位相对于电动机旋转角超前。尽管如图36所示的U相死区时间补偿值为运算途中的信号，但可以看出，针对“因电流流经d轴，从而导致相位超前”的U相电流，U相死区时间补偿值的时刻发生了偏离。还有，如图37以及图38所示那样，关于d轴死区时间补偿值以及q轴死区时间补偿值，同样地，也发生了偏离。
与此形成对比的是，通过进行“与d轴电流相对应”的相位补正，使得在“与电动机旋转角相对应”的前馈方式的死区时间补偿中，即使在电流流经d轴的情况下，如图40所示那样，也可以确认，死区时间补偿的时刻是正好合适的。还有，如图41以及图42所示那样，关于d轴死区时间补偿值以及q轴死区时间补偿值，同样地，死区时间补偿的时刻也是正好合适的。就这样，通过进行“基于本实施方式”的相位补正，就能够改善“与电动机旋转角相对应”的前馈方式的死区时间补偿的时刻，如图39所示那样，可以确认，电流波形的失真得到了改善，d轴电流以及q轴电流的波形中的脉动变少，U相电流的波形变成接近正弦波的波形。
与图28相对应的图43示出了“在第3实施方式中追加了相位补正功能”的结构示例(第5实施方式)。如图43所示，与第4实施方式相同，在死区时间补偿单元200D中也设置了“用于执行相位补正功能”的轴电流要因相位补正运算单元280。还有，图44示出了死区时间补偿单元200D的详细结构。如图44所示，轴电流要因相位补正运算单元280通过“与第4实施方式的场合相同”的结构以及动作，来执行相位补正功能。此外，通过乘法单元231U、乘法单元231V以及乘法单元231W来构成了死区时间补偿值输出单元。
因为在第5实施方式中，也是通过使如图40所示的死区时间补偿值与3个相的电压指令值直接以前馈方式相加来进行补偿，所以能够获得与第4实施方式相同的效果。
此外，尽管在如上所述的实施方式中，都是对“被搭载在电动助力转向装置中”的电动机控制装置进行了说明，但理所当然地也可以将本发明的电动机控制装置搭载在电动汽车、机床等中。
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
20、100 电动机
30 控制单元(ECU)
31 转向辅助指令值运算单元
35、120d、120q PI控制单元
36、160 PWM控制单元
37、161 逆变器
130、240、261 3相交流/dq轴变换单元
200、200A、200B、200C、200D 死区时间补偿单元
201 电流控制延迟模型
202 补偿符号估计单元
210 相位调整单元
220 逆变器外加电压感应增益单元
230U、230V、230W 角度－死区时间补偿值函数单元
250 电流指令值感应增益单元
270 补偿值调整单元
280 轴电流要因相位补正运算单元
284 dq轴电流比率运算单元
286 变动角度运算单元
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 (12)

1.一种基于矢量控制方式的电动机控制装置，其运算出dq轴的控制辅助指令值，基于所述控制辅助指令值来运算出dq轴电流指令值，将所述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，其特征在于：
使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，基于经相位补正后的电动机旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，通过增益以及符号来对所述3相死区时间基准补偿值进行处理后再对其进行3相/dq轴变换从而求得dq轴死区时间补偿值，通过使所述dq轴死区时间补偿值与“对所述dq轴电流指令值进行处理后得到”的dq轴电压指令值相加来进行所述逆变器的死区时间补偿。
2.一种基于矢量控制方式的电动机控制装置，其运算出dq轴的控制辅助指令值，基于所述控制辅助指令值来运算出dq轴电流指令值，将所述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，其特征在于：
使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，基于经相位补正后的电动机旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，通过增益以及符号来对所述3相死区时间基准补偿值进行处理从而求得3相死区时间补偿值，通过使所述3相死区时间补偿值与“经dq轴空间矢量调制后得到”的3相电压指令值相加来进行所述逆变器的死区时间补偿。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于：
具有“基于所述控制辅助指令值来调整所述dq轴死区时间补偿值”的功能。
4.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于：
具有“基于所述控制辅助指令值来调整所述3相死区时间补偿值”的功能。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于：
根据电动机转速来改变所述电动机旋转角的相位。
6.一种基于矢量控制方式的电动机控制装置，其运算出dq轴的控制辅助指令值，基于所述控制辅助指令值来运算出dq轴电流指令值，将所述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，其特征在于：
具备轴电流要因相位补正运算单元、角度－死区时间补偿值函数单元、逆变器外加电压感应增益单元和死区时间补偿值输出单元，
所述轴电流要因相位补正运算单元通过使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，从而运算出相位补正旋转角，
所述角度－死区时间补偿值函数单元基于所述相位补正旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，
所述逆变器外加电压感应增益单元基于逆变器外加电压来运算出电压感应增益，
所述死区时间补偿值输出单元通过使所述电压感应增益与所述3相死区时间基准补偿值相乘后再对乘法结果进行3相/dq轴变换来求得dq轴死区时间补偿值，并且，输出所述dq轴死区时间补偿值，
所述电动机控制装置通过使所述dq轴死区时间补偿值与“对所述dq轴电流指令值进行处理后得到”的dq轴电压指令值相加来进行所述逆变器的死区时间补偿。
7.根据权利要求6所述的电动机控制装置，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电压感应增益与所述3相死区时间基准补偿值相乘，
所述3相交流/dq轴变换单元将所述乘法单元的3相输出变换成所述dq轴死区时间补偿值。
8.根据权利要求6或7所述的电动机控制装置，其特征在于：
设置了电流指令值感应增益运算单元，
所述电流指令值感应增益运算单元运算出“根据所述控制辅助指令值来改变所述dq轴死区时间补偿值的补偿量”的电流指令值感应增益。
9.一种基于矢量控制方式的电动机控制装置，其运算出dq轴的控制辅助指令值，基于所述控制辅助指令值来运算出dq轴电流指令值，将所述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，其特征在于：
具备空间矢量调制单元、轴电流要因相位补正运算单元、角度－死区时间补偿值函数单元、逆变器外加电压感应增益单元、死区时间补偿值输出单元和电流指令值感应增益运算单元，
所述空间矢量调制单元通过对所述dq轴电流指令值进行空间矢量调制，来获得3相电压指令值，
所述轴电流要因相位补正运算单元通过使用所述dq轴电流指令值来对电动机旋转角进行相位补正，从而运算出相位补正旋转角，
所述角度－死区时间补偿值函数单元基于所述相位补正旋转角来运算出3相死区时间基准补偿值，
所述逆变器外加电压感应增益单元基于逆变器外加电压来运算出电压感应增益，
所述死区时间补偿值输出单元通过使所述电压感应增益与所述3相死区时间基准补偿值相乘来求得第一3相死区时间补偿值，并且，输出所述第一3相死区时间补偿值，
所述电流指令值感应增益运算单元运算出“根据所述控制辅助指令值来改变所述第一3相死区时间补偿值的补偿量”的电流指令值感应增益，
所述电动机控制装置通过使所述电流指令值感应增益与所述第一3相死区时间补偿值相乘来求得第二3相死区时间补偿值，通过使所述第二3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。
10.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其特征在于：
所述电流指令值感应增益运算单元由电流控制延迟模型、补偿符号估计单元、电流指令值感应增益单元和乘法单元来构成，
所述电流控制延迟模型输入所述控制辅助指令值，对电流的延迟进行补偿，
所述补偿符号估计单元估计出所述电流控制延迟模型的输出的符号，
所述电流指令值感应增益单元基于所述电流控制延迟模型的输出，来输出所述电流指令值感应增益，
所述乘法单元使所述符号与所述电流指令值感应增益相乘。
11.根据权利要求6至10中任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于：
所述轴电流要因相位补正运算单元具备dq轴电流比率运算单元和变动角度运算单元，
所述dq轴电流比率运算单元运算出所述dq轴电流指令值的电流比率，
所述变动角度运算单元基于所述电流比率来求得变动角度，
所述轴电流要因相位补正运算单元通过使用所述变动角度来对所述电动机旋转角进行相位补正。
12.一种电动助力转向装置，其特征在于：
搭载了根据权利要求1至11中任意一项所述的电动机控制装置，将辅助扭矩赋予给车辆的转向机构。
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