DE112020004426T5

DE112020004426T5 - Motorsteuervorrichtung und Motorsteuerverfahren

Info

Publication number: DE112020004426T5
Application number: DE112020004426.2T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Fukumura; Linfeng LAN
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-06-09
Also published as: US11863093B2; CN114514692A; WO2021054033A1; US20220329190A1; JPWO2021054033A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schätzt ein Drehmoment in allen Regionen während niedriger Ausgabe und hoher Ausgabe sehr genau. In dieser Erfindung schätzt eine erste Drehmomentschätzeinheit 33 einen ersten geschätzten Drehmomentwert unter Verwendung eines Kreuzproduktverfahrens und schätzt eine zweite Drehmomentschätzeinheit 35 einen zweiten geschätzten Drehmomentwert unter Verwendung eines Energieverfahrens. Eine Drehmomentgewichtanpasseinheit (Gewichtungsanpasseinheit) 37 unterzieht die beiden Typen geschätzter Drehmomentwerte einer Gewichtungsanpassung unter Verwendung eines Gewichtungskoeffizienten α, der gemäß vorgeschriebenen Bedingungen berechnet wird, und gibt einen geschätzten Drehmomentwert ^T (T Hütchen) aus.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuervorrichtung und ein Motorsteuerverfahren zum Treiben und Steuern eines Elektromotors.
HINTERGRUNDTECHNIK
Eine Motordrehmomentschätzung wurde bisher üblicherweise beim Steuern eines Ausgabedrehmoments aus einem Elektromotor durchgeführt, der auf verschiedenen Gebieten von beispielsweise industriellen Vorrichtungen, elektrischen Heimgeräten, Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen eingesetzt wird. Ein Verfahren für eine derartige Motordrehmomentschätzung kann grob in ein Kreuzproduktverfahren und ein Energieverfahren klassifiziert werden.
Das Kreuzproduktverfahren ist ein Verfahren zum Schätzen eines Motordrehmoments basierend auf einem Produkt eines Magnetflusses und eines Stroms. Beispielsweise wird gemäß der Patentliteratur 1 ein Motordrehmoment ^T (T Hütchen) basierend auf einem Produkt von Magnetflüssen (φd, φq) und Strömen (Idc, Iqc) geschätzt, wie in Formel (1) gezeigt ist.
[Mathematische Formel 1] $\hat{T} = φ_{d} I_{q c} + φ_{q} I_{d c}$
Eine Elektromotor-Steuervorrichtung in der Patentliteratur 2 verwendet ein Verfahren (Energieverfahren) zum Schätzen eines Drehmoments durch Teilen einer Motorausgabe (Differenz zwischen P_in und P_loss) durch eine Motordrehgeschwindigkeit (ωm), wie in Formel (2) gezeigt ist. In der Formel (2) stellt P_in eine Motoreingangsleistung dar und stellt P_loss einen Motorverlust dar.
[Mathematische Formel 2] $\hat{T} = \frac{P_{i n} - P_{l o s s}}{ω_{m}}$
Unterdessen schlägt die Nicht-Patentliteratur 1 ein Drehmomentschätzverfahren vor, das eine Kombination des Kreuzproduktverfahrens mit dem Energieverfahren ist.
REFERENZLISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: WO 2010/116815 A1
Patentliteratur 2: JP 2016-187250 A

NICHT-PATENTLITERATUR
Nicht-Patentliteratur 1: Hajime HIDA, Yoshio TOMIGASHI, Kenji UEYAMA, Yukinori INOUE, Shigeo MORIMOTO: „New Torque Estimation Method Considering Spatial Harmonics and Torque Ripple Reduction in Permanent Magnet Synchronous Motors“ (Neues Drehmomentschätzverfahren unter Berücksichtigung räumlicher Harmonischer und Drehmomentwelligkeitsreduzierung in Permanentmagnet-Synchronmotoren), Journal D of IEEJ Transactions on Industry Applications, 2010, Band 130, Ausgabe 9, Seiten 1051-1058.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE PROBLEME
Die Nicht-Patentliteratur 1 offenbart, dass die kombinierte Verwendung des Energieverfahrens und des Kreuzproduktverfahrens außerdem eine momentane Drehmomentwelligkeit schätzen kann, nimmt jedoch an, dass ein Strom und ein Magnetfluss eine lineare Beziehung haben, obwohl das Kreuzproduktverfahren eingesetzt wird. Zusätzlich weist die Nicht-Patentliteratur 1 dahingehend ein Problem auf, dass Merkmale sowohl des Energieverfahrens als auch des Kreuzproduktverfahrens nicht eingesetzt werden, da lediglich ein arithmetischer Mittelwert von Drehmomentschätzwerten gemäß zwei Verfahren, das heißt dem Energieverfahren und dem Kreuzproduktverfahren, genommen wird.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts der oben beschriebenen Probleme, wobei eine Aufgabe derselben darin besteht, eine Motorsteuervorrichtung bereitzustellen, bei der eine genauere Drehmomentschätzung in einer gesamten Region bei niedriger Ausgabe und hoher Ausgabe durchgeführt wird.
LÖSUNGEN DER PROBLEME
Die folgende Ausbildung wird als Mittel zum Erzielen der obigen Aufgabe und Lösen der oben beschriebenen Probleme bereitgestellt. Dies bedeutet, dass eine erste exemplarische Erfindung der vorliegenden Anmeldung eine Motorsteuervorrichtung zum Treiben eines Elektromotors bereitstellt, wobei die Motorsteuervorrichtung Folgendes aufweist: einen ersten Drehmomentschätzer, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Drehmomentschätzwert basierend auf zumindest einem Spulenverkettungsfluss und einem Motorstrom zu bestimmen; einen zweiten Drehmomentschätzer, der dazu ausgebildet ist, einen zweiten Drehmomentschätzwert basierend auf zumindest einer Motoreingangsleistung und einer Motordrehgeschwindigkeit zu bestimmen; und einen Gewichtungsanpasser, der dazu ausgebildet ist, Gewichtungen, die auf den ersten Drehmomentschätzwert bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert angewendet werden, gemäß einer vorbestimmten Bedingung anzupassen, und dazu ausgebildet ist, einen Drehmomentschätzwert des Elektromotors zu berechnen.
Eine zweite exemplarische Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt eine elektrische Servolenkvorrichtung zur Unterstützung eines Fahrers beim Lenken eines Fahrzeugs oder dergleichen bereit, wobei die elektrische Servolenkvorrichtung Folgendes aufweist: einen Elektromotor, der dazu ausgebildet ist, Lenkunterstützung für den Fahrer bereitzustellen; und eine Einrichtung zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten exemplarischen Erfindung.
Eine dritte exemplarische Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt ein elektrisches Servolenksystem mit der Motorsteuervorrichtung zum elektrischen Servolenken gemäß der zweiten exemplarischen Erfindung bereit.
Eine vierte exemplarische Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor als Leistungsquelle bereit, wobei das Elektrofahrzeug eine Einrichtung zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten exemplarischen Erfindung aufweist.
Eine fünfte exemplarische Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor als Leistungsquellen bereit, wobei das Hybridfahrzeug eine Einrichtung zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten exemplarischen Erfindung aufweist.
Eine sechste exemplarische Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt ein Motorsteuerverfahren zum Treiben eines Elektromotors bereit, wobei das Motorsteuerverfahren folgende Schritte aufweist: einen ersten Drehmomentschätzschritt eines Bestimmens eines ersten Drehmomentschätzwerts basierend auf zumindest einem Spulenverkettungsfluss und einem Motorstrom; einen zweiten Drehmomentschätzschritt eines Bestimmens eines zweiten Drehmomentschätzwerts basierend auf zumindest einer Motoreingangsleistung und einer Motordrehgeschwindigkeit; und einen Gewichtungsanpassschritt eines Anpassens von Gewichtungen, die auf den ersten Drehmomentschätzwert bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert angewendet werden, gemäß einer vorbestimmten Bedingung, und eines Berechnens eines Drehmomentschätzwerts des Elektromotors.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Gewichtungen, die auf die Drehmomentschätzwerte angewendet werden, gemäß der vorbestimmten Bedingung angepasst, während die Merkmale sowohl des Kreuzproduktverfahrens als auch des Energieverfahrens genutzt werden, und kann deshalb eine Genauigkeit der Drehmomentschätzung in der gesamten Region bei der niedrigen Ausgabe und der hohen Ausgabe erhöht werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine Gesamtausbildung einer Motorsteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Flussdiagramm, das Treiben und Steuerung (Betriebsbeispiele) eines Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt.
3 ist ein Diagramm, das einen Betriebspunkt basierend auf einem Drehmomentgewichtanpasseffekt darstellt.
4 ist ein Diagramm, das einen Beschleunigungs- und Drehzustand des Elektromotors darstellt, zum Bestätigen des Drehmomentgewichtanpasseffekts.
5 ist ein Diagramm, das ein angepasstes Drehmomentgewicht darstellt.
6 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer herkömmlichen Drehmomentschätzung gemäß einem Kreuzproduktverfahren darstellt.
7 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer herkömmlichen Drehmomentschätzung gemäß einem Energieverfahren darstellt.
8 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer Drehmomentschätzung bei der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt.

BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Gesamtausbildung einer Motorsteuervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Eine Motorsteuervorrichtung 1, die in 1 darstellt ist, umfasst eine Motorsteuereinheit 10, die als Antriebssteuereinheit eines Elektromotors 15 fungiert. Der Elektromotor 15 ist beispielsweise ein bürstenloser Dreiphasen-Gleichstrommotor. Die Motorsteuereinheit 10 umfasst einen Drehmomentschätzberechner 30, einen Strombefehlswertberechner 12, einen PWM-Signalerzeuger 21, eine externe Batterie BT, einen Inverter 23 und dergleichen.
Der Inverter 23 ist eine Motortreiberschaltung, die Wechselstrom aus Leistung erzeugt, die von der Batterie BT durch ein Leistungszuführrelais 24 zugeführt wird. Der Wechselstrom wird zum Antreiben des Elektromotors 15 verwendet. Das Leistungszuführrelais 24 ist dazu ausgebildet, eine Leistung, die von der Batterie BT zugeführt wird, abschneiden zu können, und kann ferner als Halbleiterrelais ausgebildet sein.
Der PWM-Signalerzeuger 21 erzeugt basierend auf Spannungsbefehlswerten, die später beschrieben sind, AN/AUS-Steuersignale (PWM-Signale) für eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen (FET1 bis FET6), die den Inverter 23 ausbilden. Die Halbleiterschaltelemente entsprechen jeweiligen Phasen (Phase a, Phase b, Phase c) des Elektromotors 15.
Das Schaltelement (FET) wird auch Leistungselement genannt. Beispiele des Schaltelements, das verwendet werden soll, umfassen einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und dergleichen.
Der Inverter 23, der als Motortreiberschaltung dient, führt dem Elektromotor 15 Motorantriebsströme zu. Die Motorantriebsströme werden durch einen Stromdetektor 25 erfasst, der Stromsensoren (nicht dargestellt) umfasst, die für die jeweiligen Phasen angeordnet sind. Der Stromdetektor 25 erfasst beispielsweise einen Gleichstrom, der durch einen Nebenschlusswiderstand strömt, zur Motorantriebsstromerfassung unter Verwendung einer Verstärkerschaltung mit einem Operationsverstärker oder dergleichen.
Der Stromdetektor 25 stellt Ausgangssignale (Stromerfassungssignale) an einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 27 bereit. Der ADC 27 wandelt analoge Stromsignale durch eine A/D-Umwandlungsfunktion in digitale Werte um, um dadurch Dreiphasenströme ia, ib und ic zu erhalten. Die Dreiphasenströme ia, ib und ic werden in einen Koordinatenwandler 28 eingegeben.
Der Koordinatenwandler 28 besitzt eine Funktion einer Umwandlung von drei Phasen zu zwei Phasen und berechnet einen Strom id auf einer d-Achse und einen Strom iq auf einer q-Achse basierend auf einem Drehwinkel θ, der durch einen Drehwinkelsensor 29 erfasst wird, und den Dreiphasenströmen ia, ib und ic. Dies bedeutet, dass der Koordinatenwandler 28 einen d-Achsen-Strom und einen q-Achsen-Strom basierend auf einem tatsächlichen Strom berechnet.
Der Drehmomentschätzberechner 30 umfasst einen ersten Drehmomentschätzer 33, einen zweiten Drehmomentschätzer 35, einen Drehmomentgewichtsanpasser (Gewichtungsanpasser) 37 und dergleichen. Der Drehmomentgewichtsanpasser 37 passt Gewichtungen an, die auf einen ersten Drehmomentschätzwert, der aus dem ersten Drehmomentschätzer 33 ausgegeben wird, bzw. einen zweiten Drehmomentschätzwert angewendet werden, der aus dem zweiten Drehmomentschätzer 35 ausgegeben wird.
Der Drehmomentgewichtsanpasser 37 passt einen Drehmomentschätzwert ^T (T Hütchen) des Elektromotors 15 gemäß folgender Formel (3) an. In Formel (3) stellt T₁ den ersten Drehmomentschätzwert dar, stellt T₂ den zweiten Drehmomentschätzwert dar und stellt α (0 ≤ α ≤ 1) einen Gewichtungsanpasskoeffizienten dar.
[Mathematische Formel 3] $\hat{T} = (1 - α) T_{1} + α T_{2}$
Der erste Drehmomentschätzwert T₁ wird ausgedrückt durch folgende Formel (4). Formel (4) ist eine arithmetische Formel gemäß dem Kreuzproduktverfahren. $T_{1} = N_{pp} {Φ i_{q} + (L_{d} - L_{q}) i_{d} i_{q}}$
In Formel (4) stellt N_pp die Anzahl von Motorpolpaaren dar, stellen L_d und L_q Motorinduktivitäten in einem Drehvektor-Koordinatensystem dar, stellt Φ einen Spulenverkettungsfluss dar und stellen i_d und i_q Motorströme dar.
Der zweite Drehmomentschätzwert T₂ wird ausgedrückt durch folgende Formel (5). Formel (5) ist eine arithmetische Formel gemäß einem Energieverfahren, P stellt eine Motoreingangsleistung dar und ω_m stellt eine Motordrehgeschwindigkeit dar. $T_{2} = P/ ω_{m}$
Die Motoreingangsleistung P wird durch einen Eingangsleistungsschätzer 31 unter Verwendung folgender Formel (6) geschätzt. $P = v_{d} i_{d} + v_{q} i_{q} - P_{c} - P_{i}$
In Formel (6) stellen v_d und v_q Spannungen, die an den Motor angelegt werden, in dem Drehvektor-Koordinatensystem dar, stellt P_c einen Kupferverlust dar und stellt P_i einen anderen Verlust (zum Beispiel Eisenverlust oder Wellenverlust) als den Kupferverlust dar.
Der Kupferverlust P_c wird durch einen Kupferverlustschätzer, der nicht dargestellt ist, unter Verwendung folgender Formel (7) geschätzt. $P_{c} = R (i_{d}^{2} + i_{q}^{2})$
In Formel (7) stellt R einen Spulenwiderstandswert des Elektromotors 15 dar. So kann eine Genauigkeit der Motordrehmomentschätzung basierend auf einem Ergebnis eines Schätzens der Motoreingangsleistung und des Kupferverlustes erhöht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass für den Spulenwiderstandswert des Elektromotors 15 eine Einrichtung zum Erfassen einer Spulentemperatur vorgesehen sein kann und ein Spulenwiderstandswertkorrigierer 41 einen Spulenwiderstandswert unter Verwendung einer Spulentemperatur (Temp_coil) korrigieren kann, der von der Einrichtung zum Erfassen einer Spulentemperatur hergeleitet wird. Der Spulenwiderstandswert wird so basierend auf der Spulentemperatur des Motors korrigiert, weshalb die Genauigkeit der Motordrehmomentschätzung erhöht werden kann.
Ferner kann eine Einrichtung zum Erfassen einer Magnettemperatur eines Magneten in einem Rotor des Elektromotors 15 vorgesehen sein und kann ein Spulenverkettungsflusskorrigierer 43 einen Spulenverkettungsfluss des Elektromotors 15 unter Verwendung einer Magnettemperatur (Temp_mag) korrigieren, die von der Einrichtung zum Erfassen einer Magnettemperatur hergeleitet wird. Der Spulenverkettungsfluss wird so basierend auf der Magnettemperatur des Motors korrigiert, weshalb die Genauigkeit der Motordrehmomentschätzung erhöht werden kann.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Gewichtungsanpasskoeffizienten bei der Drehmomentschätzung der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. In Formel (3) (auch Drehmomentschätzgleichung genannt), die oben beschrieben wurde, ist der Gewichtungsanpasskoeffizient α ein Koeffizient zum Anpassen eines Anteils zwischen dem ersten Drehmomentschätzwert T₁ und dem zweiten Drehmomentschätzwert T₂ und wird auch Drehmomentgewicht genannt.
Basierend auf einer vorbestimmten Eingabe berechnet ein Koeffizientenberechner 38 den Gewichtungsanpasskoeffizienten α gemäß einigen Verfahren. Beispielsweise wird als erstes Verfahren, wie in Formel (8) unten gezeigt ist, ein Gewichtungskoeffizient α basierend auf einem Verhältnis (Anteil) einer Ausgabe des Elektromotors 15 berechnet.
[Mathematische Formel 4] $α = \frac{\hat{T} ω_{m}}{T_{m a x} ω_{m_m a x}}$
In Formel (8) stellt T_max einen maximalen Wert einer Motorausgabe dar und stellt ω_{m_max} einen maximalen Wert der Motordrehgeschwindigkeit dar.
In Formel (3) zum Bestimmen des Drehmomentschätzwerts ^T (T Hütchen), gemäß Formel (8), passt der Drehmomentgewichtsanpasser 37 die Gewichtungen, die auf den ersten Drehmomentschätzwert T₁ bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert T₂ angewendet werden, unter Verwendung des Gewichtungskoeffizienten α an, der basierend auf einer Ausgabeleistung des Elektromotors 15 berechnet wird. So kann eine Motordrehmomentschätzung in einer gesamten Region von einer Niedriggeschwindigkeitsregion bis zu einer Hochgeschwindigkeitsregion durchgeführt werden.
Als zweites Verfahren berechnet, wie in Formel (9) unten gezeigt ist, der Koeffizientenberechner 38 einen Gewichtungskoeffizienten α basierend auf einem Verhältnis einer Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 15.
[Mathematische Formel 5] $α = \frac{ω_{m}}{ω_{m_m a x}}$
In Formel (3) zum Bestimmen des Drehmomentschätzwerts ^T (T Hütchen) passt der Drehmomentgewichtsanpasser 37 die Gewichtungen, die auf den ersten Drehmomentschätzwert T₁ bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert T₂ angewendet werden, unter Verwendung des Gewichtungskoeffizienten α an, der basierend auf der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 15 berechnet wird.
Gemäß Formel (3) wird bei einer niedrigen Motordrehgeschwindigkeit der Gewichtungskoeffizient α angepasst, um klein zu sein, und kann eine Drehmomentschätzung unter Verwendung der Merkmale des Kreuzproduktverfahrens durchgeführt werden, und wird bei hoher Motordrehgeschwindigkeit der Gewichtungskoeffizient α angepasst, um groß zu sein, und kann eine Drehmomentschätzung unter Verwendung der Merkmale des Energieverfahrens durchgeführt werden.
So werden die Gewichtungen unter Verwendung des Gewichtungskoeffizienten α angepasst, der basierend auf der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors berechnet wird, und kann deshalb die Motordrehmomentschätzung in der gesamten Region von der Niedriggeschwindigkeitsregion bis zu der Hochgeschwindigkeitsregion durchgeführt werden.
Bei einem dritten Verfahren zum Berechnen des Gewichtungsanpasskoeffizienten α wird unter Verwendung folgender Formel (10) ein Gewichtungskoeffizient α basierend auf einem Verhältnis eines Stroms berechnet, der durch eine Spule des Elektromotors 15 fließt. In Formel (10) stellt imax einen maximalen Wert eines Motorstroms dar.
[Mathematische Formel 6] $α = \frac{i}{i_{m a x}}$
Der Drehmomentgewichtsanpasser 37 berechnet einen Gewichtungskoeffizienten α basierend auf dem Strom, der durch die Spule des Elektromotors 15 fließt, und passt unter Verwendung des resultierenden Gewichtungskoeffizienten α Gewichtungen an, die auf den ersten Drehmomentschätzwert T₁ bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert T₂ angewendet werden. Die Gewichtungen werden unter Verwendung des Gewichtungskoeffizienten α basierend auf dem Strom, der durch die Spule des Elektromotors fließt, angepasst, weshalb die Motordrehmomentschätzung in der gesamten Region von der Niedriggeschwindigkeitsregion bis zu der Hochgeschwindigkeitsregion durchgeführt werden kann.
Der Strombefehlswertberechner 12 bestimmt eine Differenz (Drehmomentabweichung) zwischen einem angewiesenen Drehmoment Tq, das von außen eingegeben wird, und dem Drehmomentschätzwert ^T (T Hütchen), der durch den Drehmomentgewichtsanpasser 37 angepasst wird, und führt eine Proportional-Plus-Integral-Steuerung (PI-Steuerung) an der resultierenden Differenz durch. Der Strombefehlswertberechner 12 führt eine vorbestimmte Strombefehlsberechnung basierend auf einem Drehmomentwert durch, der durch die PI-Steuerung erhalten wird, um einen d-Achsen-Befehlsstrom id_ref, der eine Magnetfeldkomponente ist, und einen q-Achsen-Befehlsstrom iq_ref zu bestimmen, der eine Drehmomentkomponente ist.
Ein Subtrahierer 13a berechnet eine Differenz (Dq genannt) zwischen dem q-Achsen-Befehlsstrom iq_ref und dem q-Achsen-Strom iq. Ein Subtrahierer 13b berechnet eine Differenz (Dd genannt) zwischen dem d-Achsen-Befehlsstrom id_ref und dem d-Achsen-Strom id.
Die Differenz Dq wird in eine PI-Steuerung 16a eingegeben und die Differenz Dd wird in eine PI-Steuerung 16b eingegeben. Die PI-Steuerung 16a führt eine PI(Proportional-Plus-Integral)-Steuerung zum Konvergieren von Dq gegen null durch und berechnet einen q-Achsen-Spannungsbefehlswert vq, der ein Befehlswert einer q-Achsen-Spannung ist. Die PI-Steuerung 16b führt eine PI(Proportional-Plus-lntegral)-Steuerung zum Konvergieren von Dd gegen null durch und berechnet dadurch einen d-Achsen-Spannungsbefehlswert vd, der ein Befehlswert einer d-Achsen-Spannung ist.
So bestimmen die PI-Steuerungen 16a und 16b, die als Stromsteuerungen dienen, den d-Achsen- und den q-Achsen-Spannungsbefehlswert, um so eine Differenz zwischen dem d-Achsen- und dem q-Achsen-Strombefehlswert und einem erfassen Stromwert auf null einzustellen. Ein Koordinatenwandler 17 berechnet Spannungen, die an den Motor angelegt werden, basierend auf dem d-Achsen- und dem q-Achsen-Spannungsbefehlswert vq und vd und dem Drehwinkel des Elektromotors 15.
Dies bedeutet, dass der q-Achsen-Spannungsbefehlswert vq und der d-Achsen-Spannungsbefehlswert vd in den Koordinatenwandler 17 mit einer Funktion einer Wandlung von zwei Phasen zu drei Phasen eingegeben werden und der Koordinatenwandler 17 basierend auf dem Drehwinkel θ die Werte vq und vd in Spannungsbefehlswerte va*, vb* und vc* umwandelt, die jeweilige Spannungsbefehlswerte der drei Phasen sind. Die Spannungsbefehlswerte va*, vb* und vc*, die so umgewandelt sind, werden in den PWM-Signalerzeuger 21 eingegeben. Der PWM-Signalerzeuger 21 erzeugt Treibersignale (PWM-Signale) für den Elektromotor 15 basierend auf den Strombefehlswerten.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Verfahrens zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 2 ist ein Flussdiagramm, das Treiben und Steuerung (Betriebsbeispiele) des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt.
Bei Schritt S11 in 2 wird eine Winkelgeschwindigkeit ω des Elektromotors 15 basierend auf einem elektrischen Winkel (Drehwinkel) θ berechnet, der durch den Drehwinkelsensor 29 erfasst wird. Bei Schritt S13 wird der Motorstrom erfasst. Hier werden, wie oben beschrieben wurde, die Stromerfassungssignale von dem Stromdetektor 25 der A/D-Wandlung in dem ADC 27 unterzogen, um die Dreiphasenströme i_a, i_b und i_c als digitale Werte zu erhalten.
Bei Schritt S15 werden eine Dreiphasen-zu-Zweiphasen-Wandlung und Drehkoordinatenwandlung in dem Koordinatenwandler 28 durchgeführt, um einen Strom i_d auf einer d-Achse und einen Strom i_q auf einer q-Achse (die Rückkopplungsströme sind) basierend auf dem Drehwinkel θ, der bei Schritt S11 erfasst wird, sowie den Dreiphasenströmen i_a, i_b und i_c zu berechnen, die bei Schritt S13 erhalten werden.
Bei Schritt S17 schätzt der Eingangsleistungsschätzer 31 die Motoreingangsleistung P unter Verwendung obiger Formel (6). Bei nachfolgendem Schritt S19 berechnet der erste Drehmomentschätzer 33 den ersten Drehmomentschätzwert T₁ gemäß obiger Formel (4). Bei Schritt S21 berechnet der zweite Drehmomentschätzer 35 den zweiten Drehmomentschätzwert T₂ unter Verwendung obiger Formel (5).
Dies bedeutet, dass bei Schritt S19 der erste Drehmomentschätzwert basierend auf dem Spulenverkettungsfluss, dem Motorstrom und dergleichen berechnet wird und bei Schritt S21 der zweite Drehmomentschätzwert basierend auf der Motoreingangsleistung, der Motordrehgeschwindigkeit und dergleichen bestimmt wird.
Bei Schritt S23 berechnet der Koeffizientenberechner 38 den Gewichtungsanpasskoeffizienten α. Der Koeffizientenberechner 38 berechnet den Gewichtungsanpasskoeffizienten α unter Verwendung eines des oben beschriebenen ersten bis dritten Verfahrens. Hier könnte beispielsweise eines des ersten bis dritten Verfahrens zur Verwendung fest sein oder könnte geeignet basierend auf beispielsweise einem Fahrzustand des Elektromotors 15 ausgewählt werden.
Bei Schritt S25 passt gemäß obiger Formel (3) unter Verwendung des Gewichtungsanpasskoeffizienten α, der bei Schritt S23 berechnet wird, der Drehmomentgewichtsanpasser 37 die Drehmomentgewichte an, die auf den ersten Drehmomentschätzwert T₁, der bei Schritt S19 erhalten wird, bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert T₂ angewendet werden, der bei Schritt S21 erhalten wird, und berechnet der Drehmomentgewichtsanpasser 37 den Drehmomentschätzwert ^T (T Hütchen).
Bei der Drehmomentgewichtsanpassung bei Schritt S25 wird, wenn beispielsweise der in Formel (9) oben gezeigte Koeffizient als der Gewichtungsanpasskoeffizient α verwendet wird, der Anteil des Drehmomentschätzwerts T₂ gemäß dem Energieverfahren bei dem Drehmomentschätzwert ^T (T Hütchen), der in Formel (3) erhalten wird, mit ansteigender Motorausgabe erhöht. Folglich kann ein Drehmomentschätzfehler reduziert werden, der verursacht wird durch eine magnetische Sättigung in einer Region des Motors mit hoher Ausgabe.
Wenn der in Formel (8) oben oder in Formel (9) oben gezeigte Koeffizient als Gewichtungsanpasskoeffizient α verwendet wird, kann bei der Berechnung des Drehmomentschätzwerts gemäß Formel (3) die Motordrehgeschwindigkeit ω_m durch Multiplikation beseitigt werden, kann eine Division unter Verwendung der Motordrehgeschwindigkeit vermieden werden, um die Berechnung zu vereinfachen, und kann die Drehmomentschätzung in der gesamten Region durchgeführt werden.
Bei Schritt S27 werden ein q-Achsen- und ein d-Achsen-Strombefehlswert und ein q-Achsen- und ein d-Achsen-Spannungsbefehlswert berechnet. Insbesondere wird in dem Strombefehlswertberechner 12 eine Strombefehlsberechnung basierend auf einer Differenz zwischen dem angewiesenen Drehmoment Tq und dem Drehmomentschätzwert ^T (T Hütchen) durchgeführt, um einen q-Achsen- und einen d-Achsen-Strombefehlswert zu berechnen.
Nachdem der d-Achsen- und der q-Achsen-Befehlsstrom berechnet wurden, wird eine PI-Steuerung an einer Differenz zwischen dem q-Achsen-Befehlsstrom iq_ref und dem q-Achsen-Strom iq durchgeführt, um einen q-Achsen-Spannungsbefehlswert vq zu berechnen, der ein Befehlswert der q-Achsen-Spannung ist. Ferner wird eine PI-Steuerung an einer Differenz zwischen dem d-Achsen-Befehlsstrom id_ref und dem d-Achsen-Strom id durchgeführt, um einen d-Achsen-Spannungsbefehlswert vd zu berechnen, der ein Befehlswert der d-Achsen-Spannung ist.
Bei Schritt S29 führt der Koordinatenwandler 17 eine Zweiphasen-zu-Dreiphasen-Wandlung durch, um Spannungsbefehlswerte va*, vb* und vc*, die jeweilige Spannungsbefehlswerte der drei Phasen sind, basierend auf dem q-Achsen-Spannungsbefehlswert vq und dem d-Achsen-Spannungsbefehlswert vd, die bei Schritt S27 berechnet wurden, sowie dem Drehwinkel θ zu bestimmen.
Bei Schritt S31 werden die jeweiligen Spannungsbefehlswerte va*, vb* und vc* der bei Schritt S29 bestimmten drei Phasen in den PWM-Signalerzeuger 21 eingegeben. Der PWM-Signalerzeuger 21 erzeugt Treibersignale (PWM-Signale) für den Elektromotor 15 basierend auf den Strombefehlswerten.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Drehmomentgewichtsanpasseffekts in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 3 stellt einen Betriebspunkt basierend auf dem Drehmomentgewichtsanpasseffekt dar. Hier wird, wie in 4 dargestellt ist, angenommen, dass der Elektromotor von einem Stoppzustand beschleunigt und sich mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit von 500 U/min dreht.
5 stellt ein angepasstes Drehmomentgewicht dar. Das Drehmomentgewicht in 5 ist ein Beispiel eines Gewichtens unter Verwendung des Gewichtungskoeffizienten α, der gemäß der Formel (8) oben berechnet wird.
Dann wird der Drehmomentgewichtsanpasseffekt beschrieben durch Vergleichen der herkömmlichen Drehmomentgewichtsanpassung mit der Drehmomentgewichtsanpassung in der Motorsteuerung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 6 stellt ein Ergebnis eines herkömmlichen Beispiels dar, bei dem ein Drehmoment gemäß dem oben beschriebenen Kreuzproduktverfahren geschätzt wird, und 7 stellt ein Ergebnis eines herkömmlichen Beispiels dar, bei dem ein Drehmoment gemäß dem Energieverfahren geschätzt wird.
Unterdessen stellt 8 ein Ergebnis einer Drehmomentschätzung in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar. Wie aus einem Vergleich zwischen 6 und 8 zu sehen ist, ist ein Drehmomentschätzfehler bei der Drehmomentschätzung in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel viel kleiner als bei der herkömmlichen Drehmomentschätzung gemäß dem Kreuzproduktverfahren.
Wie aus einem Vergleich zwischen 7 und 8 zu sehen ist, ist ein Drehmomentschätzfehler bei einer Geschwindigkeit null (0,5 Sek) bei der Drehmomentschätzung in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kleiner als bei der herkömmlichen Drehmomentschätzung gemäß dem Energieverfahren.
Der Grund dafür ist wie folgt. Bei der herkömmlichen Drehmomentschätzung gemäß dem in 7 dargestellten Energieverfahren steigt der Schätzfehler rasch an, wenn sich der Motor zu drehen beginnt (bei im Wesentlichen Geschwindigkeit null), wie durch ein Zeichen A angezeigt wird, und wird die Drehmomentschätzung instabil. In dem Fall der Drehmomentschätzung in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel tritt selbst dann kein Schätzfehler auf, wenn sich der Motor zu drehen beginnt, wie in 8 dargestellt ist.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann an beispielsweise einer elektrischen Pumpe, elektrischen Heimgeräten, verschiedenen industriellen Vorrichtungen, einer elektrischen Servolenkvorrichtung und dergleichen angebracht sein. Wenn beispielsweise die Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer elektrischen Servolenkvorrichtung angebracht ist, wird ein Drehmomentschätzfehler bei Motortreiben und -steuerung durch die Motorsteuervorrichtung reduziert und kann ein Lenkdrehmoment während der Lenkunterstützung genau geschätzt werden. Gleichzeitig unterstützt das Drehmoment, das von dem Elektromotor erzeugt wird, eine Drehung einer Drehwelle, die mit einem Lenkrad verbunden ist, wodurch ein Fahrer beim Lenken unterstützt wird.
Außerdem kann die elektrische Servolenkvorrichtung an einem elektrischen Servolenksystem angebracht sein. Selbst in diesem Fall wird der Drehmomentschätzfehler bei Motorantrieb und -steuerung durch die Motorsteuervorrichtung reduziert und kann das Lenkdrehmoment während einer Lenkunterstützung des elektrischen Servolenksystems genau geschätzt werden.
Zusätzlich kann die Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Elektrofahrzeug (EV) und einem Hybridfahrzeug, das einen Elektromotor als Antriebsquelle verwendet, angebracht sein. In diesem Fall ist es möglich, den Drehmomentschätzfehler des Elektromotors, der als Leistungsquelle dient, sowohl während Fahrens mit niedriger Geschwindigkeit als auch Fahrens des Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit zu reduzieren.
Wie oben beschrieben wurde, werden in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gewichtungen unter Verwendung des Gewichtungskoeffizienten α angepasst, der gemäß der vorbestimmten Bedingung berechnet wird, wobei die Gewichtungen jeweils auf die beiden Typen von Drehmomentschätzwerten angewendet werden: den ersten Drehmomentschätzwert, der gemäß dem Kreuzproduktverfahren in dem ersten Drehmomentschätzer geschätzt wird; und den zweiten Drehmomentschätzwert, der gemäß dem Energieverfahren bei dem zweiten Drehmomentschätzer geschätzt wird.
Mit der kombinierten Verwendung dieser zwei unterschiedlichen Typen von Drehmomentschätzverfahren werden die Gewichtungen, die jeweils auf die berechneten Drehmomentschätzwerte angewendet werden, angepasst und kann deshalb ein genauerer Motordrehmomentschätzwert in beiden Betriebsregionen einer Region mit niedriger Ausgabe und einer Region mit hoher Ausgabe des Elektromotors bestimmt werden.
Folglich wird in der Motorsteuervorrichtung beispielsweise eine Drehmomentschätzung, die die Merkmale des Kreuzproduktverfahrens einsetzt, beim Antreiben des Motors mit geringer Ausgabe (mit niedriger Geschwindigkeit) durchgeführt und wird eine Drehmomentschätzung, die die Merkmale des Energieverfahrens einsetzt, beim Antreiben des Motors mit hoher Ausgabe (mit hoher Geschwindigkeit) durchgeführt, weshalb die Drehmomentschätzung unter Verwendung der Merkmale sowohl des Kreuzproduktverfahrens als auch des Energieverfahrens durchgeführt werden kann.
So wird in der Motorsteuervorrichtung die Inverterschaltung unter Verwendung der Strombefehlswerte, die basierend auf den Drehmomentschätzwerten berechnet werden, sowie der Pulsbreitenmodulations(PWM)-Signale gesteuert, die basierend auf den Spannungsbefehlswerten erzeugt werden, weshalb eine Invertersteuerung des Elektromotors unter Verwendung der Drehmomentschätzwerte mit erhöhter Genauigkeit bei der Schätzung durchgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Motorsteuervorrichtung
10: Motorsteuereinheit
12: Strombefehlswertberechner
15: Elektromotor
16a, 16b: PI-Steuerung
17, 28: Koordinatenwandler
21: PWM-Signalerzeuger
23: Inverter
24: Leistungszuführrelais
25: Stromdetektor
27: Analog-Digital-Wandler (ADC)
29: Drehwinkelsensor
30: Drehmomentschätzberechner
31: Eingangsleistungsschätzer
33: erster Drehmomentschätzer
35: zweiter Drehmomentschätzer
37: Drehmomentgewichtsanpasser (Gewichtungsanpasser)
38: Koeffizientenberechner
BT: externe Batterie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/116815 A1 [0005]
JP 2016187250 A [0005]

Claims

Eine Motorsteuervorrichtung zum Treiben eines Elektromotors, wobei die Motorsteuervorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Drehmomentschätzer, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Drehmomentschätzwert basierend auf zumindest einem Spulenverkettungsfluss und einem Motorstrom zu bestimmen; einen zweiten Drehmomentschätzer, der dazu ausgebildet ist, einen zweiten Drehmomentschätzwert basierend auf zumindest einer Motoreingangsleistung und einer Motordrehgeschwindigkeit zu bestimmen; und einen Gewichtungsanpasser, der dazu ausgebildet ist, Gewichtungen, die auf den ersten Drehmomentschätzwert bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert angewendet werden, gemäß einer vorbestimmten Bedingung anzupassen, und dazu ausgebildet ist, einen Drehmomentschätzwert des Elektromotors zu berechnen.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Gewichtungsanpasser einen Drehmomentschätzwert ^T (T Hütchen) des Elektromotors gemäß folgender Formel (1) berechnet, wobei T₁ den ersten Drehmomentschätzwert darstellt, T₂ den zweiten Drehmomentschätzwert darstellt und α (0 ≤ α ≤ 1) einen Gewichtungskoeffizienten der Gewichtungsanpassung darstellt: [Mathematische Formel 1] $\hat{T} = (1 - α) T_{1} + α T_{2}$
wobei T₁ = N_pp{Φi_q + (L_d - L_q)i_di_q} gilt (N_pp stellt eine Anzahl von Motorpolpaaren dar, L_d und L_q stellen Motorinduktivitäten in einem Drehvektor-Koordinatensystem dar, Φ stellt den Spulenverkettungsfluss dar und i_d und i_q stellen die Motorströme dar) und T₂ = P/ω_m gilt (P stellt die Motoreingangsleistung dar und ω_m stellt die Motordrehgeschwindigkeit dar).
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Gewichtungsanpasser den Gewichtungskoeffizienten α basierend auf einer Ausgabe des Elektromotors als vorbestimmter Bedingung anpasst.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Gewichtungsanpasser den Gewichtungskoeffizienten α basierend auf einer Drehgeschwindigkeit des Elektromotors als vorbestimmter Bedingung anpasst.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Gewichtungsanpasser den Gewichtungskoeffizienten α basierend auf einem Strom, der durch eine Spule des Elektromotors fließt, als vorbestimmter Bedingung anpasst.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 2, die ferner einen Eingangsleistungsschätzer aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Motoreingangsleistung P unter Verwendung folgender Formel (2) zu schätzen: $P = v_{d} i_{d} + v_{q} i_{q} - P_{c} - P_{i}$
wobei v_d und v_q Spannungen, die an den Motor angelegt werden, in dem Drehvektor-Koordinatensystem darstellen, P_c einen Kupferverlust darstellt und P_i einen anderen Verlust als den Kupferverlust darstellt.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner einen Kupferverlustschätzer aufweist, der dazu ausgebildet ist, den Kupferverlust P_c unter Verwendung folgender Formel (3) zu schätzen: $P_{c} = R (i_{d}^{2} + i_{q}^{2})$
wobei R einen Spulenwiderstandswert des Elektromotors darstellt.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 7, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Erfassen einer Spulentemperatur des Elektromotors; und eine Einrichtung zum Korrigieren des Spulenwiderstandswerts unter Verwendung der Spulentemperatur.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Erfassen einer Magnettemperatur eines Magneten, der in einem Rotor des Elektromotors vorgesehen ist; und eine Einrichtung zum Korrigieren eines Spulenverkettungsflusses des Elektromotors unter Verwendung der Magnettemperatur.
Die Motorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner folgende Merkmale aufweist: einen Strombefehlswertberechner, der dazu ausgebildet ist, einen Strombefehlswert basierend auf dem Drehmomentschätzwert des Elektromotors und einem vorbestimmten Drehmomentbefehlswert zu berechnen; einen Pulsbreitenmodulations(PWM)-Signalerzeuger, der dazu ausgebildet ist, ein vorbestimmtes PWM-Signal basierend auf dem Strombefehlswert zu erzeugen; und eine Invertersteuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Elektromotor unter Verwendung des PWM-Signals zu treiben und zu steuern.
Eine Motorsteuervorrichtung zum elektrischen Servolenken zum Unterstützen eines Fahrers beim Lenken eines Fahrzeugs oder dergleichen, wobei die Motorsteuervorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen Elektromotor, der dazu ausgebildet ist, eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereitzustellen; und eine Einrichtung zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Ein elektrisches Servolenksystem mit der Motorsteuervorrichtung zum elektrischen Servolenken gemäß Anspruch 11.
Ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor als Leistungsquelle, wobei das Elektrofahrzeug folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor als Leistungsquellen, wobei das Hybridfahrzeug folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Treiben und Steuern des Elektromotors durch die Motorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Ein Motorsteuerverfahren zum Treiben eines Elektromotors, wobei das Motorsteuerverfahren folgende Schritte aufweist: einen ersten Drehmomentschätzschritt eines Bestimmens eines ersten Drehmomentschätzwerts basierend auf zumindest einem Spulenverkettungsfluss und einem Motorstrom; einen zweiten Drehmomentschätzschritt eines Bestimmens eines zweiten Drehmomentschätzwerts basierend auf zumindest einer Motoreingangsleistung und einer Motordrehgeschwindigkeit; und einen Gewichtungsanpassschritt eines Anpassens von Gewichtungen, die auf den ersten Drehmomentschätzwert bzw. den zweiten Drehmomentschätzwert angewendet werden, gemäß einer vorbestimmten Bedingung und Berechnens eines Drehmomentschätzwerts des Elektromotors.
Das Motorsteuerverfahren gemäß Anspruch 15, bei dem der Gewichtungsanpassschritt ein Berechnen eines Drehmomentschätzwerts ^T (T Hütchen) des Elektromotors gemäß folgender Formel (1) aufweist, wobei T₁ den ersten Drehmomentschätzwert darstellt, T₂ den zweiten Drehmomentschätzwert darstellt und α (0 ≤ α ≤ 1) einen Gewichtungskoeffizienten der Gewichtungsanpassung darstellt: [Mathematische Formel 2] $\hat{T} = (1 - α) T_{1} + α T_{2}$
wobei T₁ = N_pp{Φi_q + (L_d - L_q)i_di_q} gilt (N_pp stellt eine Anzahl von Motorpolpaaren dar, L_d und L_q stellen Motorinduktivitäten in einem Drehvektor-Koordinatensystem dar, Φ stellt den Spulenverkettungsfluss dar und i_d und i_q stellen die Motorströme dar) und T₂ = P/ω_m gilt (P stellt die Motoreingangsleistung dar und ω_m stellt die Motordrehgeschwindigkeit dar).