CN101295953B - 永磁电动机的弱磁控制装置及应用它的电动动力转向器 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是：在进行弱磁控制时，即便是在输入远大于可输出转矩的转矩指令值的情况下，也可以进行稳定驱动，输出界限转矩。对于根据d轴和q轴的电流指令值、d轴和q轴的电流检测值、以及频率运算值，控制驱动永磁电动机的电力转换器的输出电压指令值的电动机控制装置，其特征在于，在输入远大于电动机可以输出的转矩最大值的转矩指令值的情况下，根据规定的状态量，改变作为控制的旋转相位指令值与电动机的旋转相位值之偏差的相位角的限制值。

Description

永磁电动机的弱磁控制装置及应用它的电动动力转向器

技术领域

本发明涉及一种永磁电动机的弱磁控制装置及应用它的电动动力转向器。

背景技术

作为涉及弱磁区域相位控制的现有技术，存在特开2005-110354号公报所述的以下方法：根据电压相位角，向速度控制部输出垂下命令，通过抑制电流指令值来控制电压相位。

[专利文献1]特开2005-110354号公报

但是，在特开2005-110354号公报所述的方法中，由于没有考虑电源电压的变动、频率的变动和电感的变动，所以，无法输出电动机可以输出的转矩最大值(界限转矩)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种“永磁电动机的弱磁控制装置”，在弱磁区域中，即便是在输入远大于界限转矩的转矩指令值的情况下，也可以不失步地进行稳定驱动，而且，即便是在电源电压、频率和电感发生变动的情况下，也可以输出界限转矩。

本发明可以在输入远大于界限转矩的转矩指令值的情况下，根据规定的状态量，改变作为控制的旋转相位指令值与电动机的旋转相位值之偏差的相位角指令值的限制值、或电压相位限制值，从而输出界限转矩。

根据本发明，可以提供一种在进行弱磁控制时，即便是输入远大于界限转矩的转矩指令值的情况，也可以在控制***不发生崩溃的前提下，输出最大限转矩的电动机控制装置。

附图说明

图1是第1实施例的整体构成图。

图2是第2相位角运算部15的详细框图。

图3是界限转矩与那时的电压相位。

图4是转矩指令过大的情况(图3的A点的情况)。

图5是输出界限转矩的电压相位-直流电压的特性。

图6是第2相位角运算部15的详细框图。

图7是第2实施例的整体构成图。

图8是第2相位角运算部17的详细框图。

图9是界限转矩与那时的电压相位(频率可变)。

图10是输出界限转矩的电压相位-频率的特性。

图11是将频率视作参数情况下的转矩-电压相位特性。

图12是第3实施例的整体构成图。

图13是第2相位角运算部18的详细框图。

图14是电动机电流-电动机电感值的特性。

图15是第4实施例的整体构成图。

图16是相位角限制修正部21的详细框图。

图17是第5实施例的整体构成图。

图18是第6实施例的整体构成图。

图中：

P_uvw ^*—PWM脉冲，V_dc—电源电压，θ_d—位置检测值，ω₁—频率运算值，I_u、I_v、I_w—电流检测值，I_dc—d轴电流检测值，I_qc—q轴电流检测值，τ^*—转矩指令值，I_q ^*—q轴电流指令值，V₁ ^*—第1电压指令值，δ^*—第1电压相位指令值，V₁ ^* _{lmt_flg}—弱磁控制标志，I_d ^*—d轴电流指令值，Δθ_c ^*—第1相位角指令值，Δθ_c ^**—第2相位角指令值，Δθ_c ^***—第3相位角指令值，δ_vmax ^*—电压相位限制值，V_d ^*—d轴电压指令值，V_q ^*—q轴电压指令值，R^*—电动机的电阻设定值，L_d ^*—d轴的电感设定值，L_q ^*—q轴的电感设定值，K_e ^*—感应电压常数设定值，V_lmax ^*—电压指令限制值，K_q—比例增益，K_i—积分增益，δ_vmax—输出界限转矩的电压相位，δ^**—第2电压相位指令值，V_u ^*—U相电压指令值，V_v ^*—V相电压指令值，V_w—W相电压指令值，V_a ^*—固定坐标系的电压指令值的α轴成分，V_β ^*—固定坐标系的电压指令值的β轴成分，L_d—d轴的电感，L_q—q轴的电感，τ—输出转矩，V_d—电动机电压的d轴成分，V_q—电动机电压的q轴成分，(ω_r—电动机旋转频率，R—电动机电阻，I_d—d轴的电动机电流，I_q—q轴的电动机电流，K_e—电动机的感应电压常数，V₁ ^* _lmt—电动机可输出的最大电压，P_m—电动机的极对数，L—电动机的电感(非凸极的情况)，δ_v—电压相位，L_d^—随电动机电流变化的d轴电感，L_q^—随电动机电流变化的q轴电感，V₁ ^**—第2电压指令值，(ω_1c—频率推定值，θ_dc—位置推定值。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

[实施例1]

图1表示本发明的第1实施例的构成。

在图1中，1是向电力转换器2供电的电池等直流电源；

2是根据三相的PWM脉冲P_UVW ^*向电动机3提供三相交流电的电力转换器；

3是电动机；

4是编码器、解角器或磁极位置传感器等位置检测器；

5是检测三相交流电的电流检测器；

6是检测直流电源1的电源电压V_dc的电压检测器；

7是根据位置检测器4检测出的位置检测值θ_d运算频率运算值ω₁的频率运算部；

8是将电流检测器5检测的电流检测值I_u、I_v、I_w，根据位置检测值θ_d变换成d轴电流检测值I_dc和q轴电流检测值I_qc的坐标转换部；

9是设定转矩指令值τ^*的转矩指令设定部；

10是根据转矩指令值τ^*运算q轴的电流指令值I_q ^*的电流指令运算部；

11是基于电动机常数，根据d轴电流指令设定部13设定的d轴电流指令值I_d ^*、q轴的电流指令值I_q ^*、d轴的电流检测值I_dc、q轴的电流检测值I_qc和频率运算值ω₁，运算第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*和弱磁控制标志V₁ ^* _{lmt_flg}的电压指令运算部；

12是根据第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*、作为相位角限制修正部16的输出的第3相位角指令值Δθ_c ^***、以及位置检测值θ_d，输出PWM脉冲P_UVW ^*的PWM控制部；

13是将d轴电流指令值I_d ^*设定为0的d轴电流指令设定部；

14是根据q轴的电流指令值I_q ^*、q轴电流检测值I_qc和弱磁控制标志V₁ ^* _{lmt_flg}，运算第1相位角指令值Δθ_c ^*的第1相位角运算部；

15是根据第1电压相位指令值δ^*和电压检测器6检测出的电源电压Vdc，运算第2相位角指令值Δθ_c ^**的第2相位角运算部；

16是根据第2相位角指令值Δθ_c ^**限制第1相位角指令值Δθ_c ^*，输出第3相位角指令值Δθ_c ^***的相位角限制修正部。

图2表示第2相位角运算部15的详细构成。

在图2中，151是输出输入电源电压V_dc输出界限转矩的电压相位限制值δ_vmax ^*的表；

152是从电压相位限制值δ_vmax ^*中减去第1电压相位指令值δ^*，输出第2相位角指令值Δθ_c ^**的减法器。

对本实施例的弱磁控制的动作进行说明。

电压指令运算部11大致分为电流控制部、矢量控制运算部和弱磁控制标志生成部。电流控制部，对d轴电流指令值I_d ^*与d轴电流检测值I_dc的偏差，以及q轴电流指令值I_q ^*与q轴电流检测值I_qc的偏差进行比例积分控制(PI控制)，生成第2d轴电流指令值I_d ^**和第2q轴电流指令值I_q ^**。矢量控制运算部，根据第2d轴电流指令值I_d ^**、第2q轴电流指令值I_q ^**、频率运算值ω₁和电动机常数设定值，按照(式1)，运算第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*。弱磁控制标志生成部，根据第1电压指令值V₁ ^*，按照(式2)，运算弱磁控制标志V₁ ^* _{lmt_flg}。

[式1]

$\left(\begin{array}{c}{V_d}^{*}\\ {V_q}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}^{*}& -{\mathrm{\ω}}_1\·{L_q}^{*}\\ {\mathrm{\ω}}_1\·{L_d}^{*}& R^{*}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I_d}^{**}\\ {I_q}^{**}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_1\·{K_e}^{*}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{V_1}^{*}\\ {\mathrm{\δ}}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\sqrt{{V_d}^{*2}+{V_q}^{*2}}\\ {\tan }^{-1}(-\frac{{V_d}^{*}}{{V_q}^{*}})\end{array}\right)$

[式2]

V₁ ^* _{lmt_flg}＝0  (V₁ ^*＜V_1max ^*)

V₁ ^* _{lmt_flg}＝1  (V₁ ^*≥V_1max ^*)

其中，

V_d ^*：d轴电压指令值

V_q ^*：q轴电压指令值

R^*：电动机的电阻设定值

L_d ^*：d轴的电感设定值

L_q ^*：q轴的电感设定值

Ke^*：感应电压常数设定值

V_1max ^*：电压指令限制值

另外，电压指令限制值V_1max ^*是电动机的输出电压或第1电压指令值V₁ ^*饱和的值。

此外，在弱磁控制标志V₁ ^* _{lmt_flg}为0的情况下，由电流控制部进行比例积分运算。但是，在弱磁控制标志V₁ ^* _{lmt_flg}为1的情况下，停止电流控制部的比例积分运算(PI运算)。

第1相位角运算部14，如(式3)那样，在弱磁控制标志V_{1*lmt_flg}为0的情况下，第1相位角指令值Δθ_c ^*输出0；在弱磁控制标志V₁ ^* _{lmt_flg}为1的情况下，根据q轴电流指令值I_q ^*与q轴电流检测值I_qc的偏差，进行比例积分运算，运算第1相位角指令值Δθ_c ^*。

[式3]

Δθ_c ^*＝0               (V₁ ^* _{lmt_flg}＝0)

$\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_c}^{*}=\frac{K_{\mathrm{pS}}+K_i}{s}(I_q*-I_{\mathrm{qc}})$ (V₁ ^* _{lmt_flg}＝1)

其中，

K_p：比例增益

K_i：积分增益

第2相位角运算部15，根据电源电压V_dc，通过图2的表151，将输出界限转矩的电压相位δ_vmax作为电压相位限制值δ_vmax ^*输出。图3是表示在电动机速度固定时、电源电压变动时的界限转矩和此时电压相位δ_vmax的特性。界限转矩随电源电压V_dc的变化而变化，界限转矩时的电压相位δ_vmax也随电源电压V_dc的变化而变化。减法器152按照(式4)，从电压相位限制值δ_vmax ^*中减去第1电压相位指令值δ^*，输出第2相位角指令值Δθ_c ^**。

[式4]

Δθ_c ^**＝δ_Vmax-δ^*

相位角限制修正部16，通过第2相位角指令值Δθ_c ^**，限制第1相位角指令值Δθ_c ^*，输出第3相位角指令值Δθ_c ^***。

PWM控制部12，根据第1电压相位指令值δ^*和第3相位角指令值Δθ_c ^***，按照式(5)，生成第2电压相位指令值δ^**，输出与由式(6)运算得到的3相电压指令值V_u ^*、V_v ^*、V_w ^*成比例的PWM脉冲P_UVW ^*。

[式5]

δ^**＝δ^*+Δθ_c ^***

[式6]

$\left(\begin{array}{c}{V_U}^{*}\\ {V_V}^{*}\\ {V_W}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_d\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_d\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_d\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_d\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V_1}^{*}\·\cos \left({\mathrm{\δ}}^{**}\right)\\ {V_1}^{*}\·\sin \left({\mathrm{\δ}}^{**}\right)\end{array}\right)$

另外，如式(7)那样，3相的电压指令值也可以是根据第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*和位置检测值θ_d，求出固定坐标系的电压指令值V_α ^*、V_β ^*，并按第3相位角指令值Δθ_c ^***前移相位后，生成3相电压指令值V_u ^*、V_v ^*、V_w ^*。

[式7]

$\left(\begin{array}{c}{V_{\mathrm{\α}}}^{*}\\ {V_{\mathrm{\β}}}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_d\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_d\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_d\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_d\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}-{V_1}^{*}\·\sin \left({\mathrm{\δ}}^{*}\right)\\ {V_1}^{*}\·\cos \left({\mathrm{\δ}}^{*}\right)\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{V_U}^{*}\\ {V_V}^{*}\\ {V_W}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V_{\mathrm{\α}}}^{*}\\ {V_{\mathrm{\β}}}^{*}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_c}^{***}\right)& -\sin \left(\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_c}^{***}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_c}^{***}\right)& \cos \left(\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_c}^{***}\right)\end{array}\right)$

用为了说明电压相位限制值δ_vmax ^*的决定方法，图3表示电压变动时的界限转矩和此时电压相位δ_vmax的特性。根据图3，界限转矩会随电源电压V_dc的变化而变化，输出界限转矩的电压相位δ_vmax也随电源电压V_dc的变化而变化。

因此，在转矩指令值τ^*远大于界限转矩的情况下，按照(式4)、(式5)，第2电压相位指令值δ^**被固定为电压相位限制值δ_vmax ^*，所以可以输出界限转矩。另外，在转矩指令值τ^*处于界限转矩以下的情况下，第2电压相位指令值δ^**被小于电压相位限制值δ_vmax ^*的电压相位控制，所以可以输出与转矩指令值τ^*一致的转矩。

利用图4和图5，说明本发明的效果。

图4(a)表示的是，在图3的A点中、在对转矩指令值τ^*赋予倾斜状的远大于界限转矩的τ^*的情况下的τ^*和输出转矩τ，图4(b)表示此时的第1相位角指令值Δθ_c ^*、第2相位角指令值Δθ_c ^**和第3相位角指令值Δθ_c ^***。对于图4(a)，即使转矩指令值τ^*超过界限转矩，也可以稳定驱动。这时，如图4(b)所示，由于第1相位角指令值Δθ_c ^*(虚线)被第2相位角指令值Δθ_c ^**(点虚线)限制，所以第3相位角指令值Δθ_c ^***(实线)能稳定控制。

图5表示d轴的电感L_d与q轴的电感L_q之比为1.2(具有凸极性的电动机)时的输出界限转矩的电压相位δ_vmax和电源电压V_dc的特性。根据图5，在具有凸极性的电动机的情况下，一旦电源电压V_dc增加，输出界限转矩的电压相位δ_vmax几乎线性地增加。因此，电压相位限制值δ_vmax ^*可以设定为电源电压V_dc越高越增加。

另外，关于测定电源电压的电压检测器6的检测位置，图1虽然记载的是测定电源端，但测定由微机和电子控制部件构成的电子控制模块端子的电压和电动机的端子电压，也可以得到相同效果。

此外，对于相位角限制修正部16，在电源电压V_dc下降至规定值以下的情况下，例如因交流发电机的发电力不足等原因，电源电压V_dc到达逆变器的最低驱动补偿电压的附近的状态下，电动机3里流动的1次电流上升时，直流电源1至电动机3的压降增加，降低电动机供电电压。其结果，会发生以下情况：对电动机的供电会下降至逆变器的最低驱动补偿电压以下，使***停止。

在这种情况下，对于第3相位角指令值Δθ_c ^***，设定成0，或保持最低驱动补偿电压时的值，限制1次电流I₁的流入。这样，就可以防止***停止于未然。

这里，对所谓电源电压V_dc的规定值进行如下设定：

a.在电压检测点为ECU端子电压、或电池端电压的情况下，是逆变器驱动补偿电压与向电动机供电的电源线产生的压降最大值之和

b.在电压检测点为电动机端子电压的情况下，是逆变器驱动补偿电压。

另外，由于逆变器驱动补偿电压通常是由预驱动电路的充电泵(charge pump)所需要的最低电压等、驱动器的设计内容和部件的选定内容所决定的，所以据此进行设定。

此外，已知如果电源电压V_dc降低，1次电流I₁就会增加。所以，对于第2相位角运算部15，用图6取代图2，即使是电源电压V_dc降低的情况，也可以进行控制使得不超过1次电流的上限设定值I_1max。图6的表151’利用d轴电流检测值I_dc和q轴电流检测值I_qc生成1次电流I₁，与表内事先设定的1次电流的上限设定值I_1max进行比较。在1次电流I₁比上限设定值I_1max小的情况下，将输出界限转矩的电压相位δ_vmax的值作为电压相位限制值δ_vmax ^*输出；在1次电流I₁超过上限设定值I_1max的情况下，限制δ_vmax的值，并作为δ_vmax ^*输出。

此外，对于第2相位角运算部15，表151也可以将电压相位限制值δ_vmax ^*线性修正。特别是在d轴电感和q轴电感的偏差在规定值以下的凸极比较小的电动机的情况下，可以将电压相位限制值δ_vmax ^*线性修正。

另外，对于电源电压V_dc，也可以***滤波器，从而避免发生电源电压检测值由于噪声的混入而导致的误检测、和因对应电源的变动的电压变动而由本控制而导致的转矩变动。

[实施例2]

图7表示第2实施例的整体构成。1至5、7至14和16的组块，是与实施例1相同的组块，所以省略说明。第1实施例的第2相位角运算部15是根据电源电压V_dc运算第2相位角指令值Δθ_c ^**，本实施例的第2相位角运算部17是根据频率运算值ω₁运算第2相位角指令值Δθ_c ^**。

下面，利用图8，说明第2相位角运算部17的详细构成和操作。

图8根据频率运算值ω₁，通过表171，将输出界限转矩的电压相位δ_vmax设定为电压相位限制值δ_vmax ^*。减法器152，按照(式4)，从电压相位限制值δ_vmax ^*中减去第1电压相位指令值δ^*，输出第2相位角指令值Δθ_c ^**。

为了说明电压相位限制值δ_vmax ^*的决定方法，图9表示频率运算值ω₁变动时的界限转矩和此时电压相位δ_vmax的特性。在转矩指令值τ^*远大于界限转矩的情况下，按照(式4)、(式5)，第2电压相位指令值δ^**被固定为电压相位限制值δ_vmax ^*，能够输出界限转矩。另外，在转矩指令值τ^*为界限转矩以下的情况下，第2电压相位指令值δ^**被小于电压相位限制值δ_vmax ^*的电压相位所控制，所以可以输出与转矩指令值τ^*一致的转矩。

利用图10的输出界限转矩的电压相位δ_vmax和频率特性，对本实施例的效果进行说明。由图10可知：频率运算值ω₁越高，输出界限转矩的电压相位δ_vmax就越增加。因此，电压相位限制值δ_vmax ^*，可设定为频率运算值ω₁越高越增加。

此外，对于例如d轴的电感L_d与q轴的电感L_q之比为0.8至1.2的、磁阻转矩较小、且可以忽略凸极性的电动机的情况，可以取代第2相位角运算部17内的表171，通过下式导出电压相位限制值δ_vmax ^*。

电动机的电压方程式由式(8)表示。

[式8]

$\left(\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& -{\mathrm{\ω}}_r\·L\\ {\mathrm{\ω}}_r\·L& R\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_r\·K_e\end{array}\right)$

其中，

V_d：d轴的电动机电压

V_q：q轴的电动机电压

ω_r：电动机旋转频率

R：电动机电阻

L：电动机电感

I_d：d轴的电动机电流

I_q：q轴的电动机电流

K_e：感应电压常数

另外，在可以忽略凸极性的电动机的情况下，由于d轴的电感L_d与q轴的电感L_q相等，所以使用了电动机电感L。

此外，当将电动机可输出的最大电压设为V₁ ^* _lmt时，可用(式9)进行表示。

[式9]

$\sqrt{{V_d}^2+{V_q}^2}={{V_1}^{*}}_{\mathrm{lmt}}$

此外，输出转矩τ可用以下的(式10)进行表示。

[式10]

$\mathrm{\τ}=\frac{3P_m}{2}{K}_e{I}_q$

其中，

P_m：电动机的极对数

另外，对于输出电压相位δ_v，(式11)成立。

[式11]

${\mathrm{\δ}}_V\≅\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{V_q}{V_d}$

图11表示将频率设为参数(3000min^-1，4000min^-1，5000min^-1)时的转矩和电压相位的特性。根据图11，将输出界限转矩的电压相位δ_vmax设定为电压相位限制值δ_vmax ^*。这时，电压相位限制值δ_vmax ^*，随频率大小的变化而变化。此外，输出转矩无论频率的大小如何，对于电压相位δ_v都表现出上凸的特性。所以，如果用电压相位δ_v对输出转矩τ进行微分，求出为0时的电压相位(＝输出界限转矩的电压相位δ_vmax)，那么输出转矩τ为最大。因此，如果用电压相位δ_v对转矩进行微分，可以根据(式11)转换成(式12)的式子。

[式12]

$\frac{\mathrm{d\τ}}{d{\mathrm{\δ}}_V}=\frac{\mathrm{d\τ}}{d\left(\frac{V_q}{V_d}\right)}$

将(式8)和(式9)代入(式10)，根据(式12)导出(式13)。

[式13]

$\frac{\mathrm{d\τ}}{\mathrm{dx}}=\frac{d}{\mathrm{dx}}(\frac{3P_m}{2{(R^2+{{\mathrm{\ω}}_r}^2{L}^2)}^2}\·(\frac{K_e{{V_1}^{*}}_{\mathrm{lmt}}}{\sqrt{x^2+1}}(-\mathrm{Rx}+{\mathrm{\ω}}_{r}L)-{\mathrm{\ω}}_{r}R{K_e}^2))=0$

其中，将Vq/Vd设为x。

根据(式13)，对x求解，就得到(式14)。

[式14]

$x=-\frac{R}{{\mathrm{\ω}}_{r}L}$

由此，输出界限转矩的电压相位δ_vmax，代入(式13)，成为(式15)。另外，也可以使用频率运算值ω₁，来代替电动机的旋转频率ω_r。

[式15]

${\mathrm{\δ}}_{V\max }=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{R}{{\mathrm{\ω}}_{r}L}$

因此，在例如d轴的电感L_d与q轴的电感L_q之比为0.8至1.2的、磁阻转矩较小且可以忽略凸极性的电动机的情况下，代替表171，使用(式15)设定为电压相位限制值δ_vmax ^*，也可以得到相同效果。

此外，根据(式15)，由于电压相位限制值δ_vmax ^*随电动机的电阻R的大小而改变，所以也可以测定电动机温度，对电动机的电阻R进行修正。

此外，对于相位角限制修正部16，在电动机的频率运算值ω₁是要求转矩为电动机的界限转矩以下这样条件的情况，可以考虑电动机效率，进行控制将第3相位角指令值Δθ_c ^***固定为0。

此外，即便是要求转矩在电动机的界限转矩以上的条件下，也可以考虑电动机的输出效率，减少第3相位角指令值Δθ_c ^***的修正量，使电动机的频率运算值ω₁成为可得到良好转矩效率的相位修正值。

另外，取代频率运算部7运算的频率运算值ω₁，使用检测出赋予操舵助力的电动机的输出轴频率的频率、或者检测出操舵机构的操舵速度后乘以操舵机构与电动机的连接齿轮比而得到的频率值，也可以得到相同效果。此外，取代频率运算值ω₁，使用根据第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*、d轴电流检测值I_dc和q轴电流检测值I_qc推定的频率运算值ω_1c，也可以得到相同效果。或者，将上游***输出的频率指令值输入第2相位角运算部17，也可以得到相同效果。

[实施例3]

图12表示第3实施例的整体构成。1至5、7至14和16是与实施例1相同的组块，所以省略说明。第1实施例的第2相位角运算部15，是根据检测直流电源1的电压的电源检测器6的电压检测值V_dc运算第2相位角指令值Δθ_c ^**，但本实施例的第2相位角运算部18，是根据d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc运算第2相位角指令值Δθ_c ^**。

图13表示第2相位角运算部18的详细框图。表181根据d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc求得电压相位限制值δ_vmax ^*。减法器152按照(式4)，从电压相位限制值δ_vmax ^*中减去第1电压相位指令值δ^*，输出第2相位角指令值Δθ_c ^**。

利用图14，对本实施例的效果进行说明。图14是表示电动机电流与电动机的电感值的特性的图。如图14所示可知，随着电动机电流的增加，q轴的电感值降低。当d轴的电感和q轴的电感变化时，输出电压按照(式16)发生变化。

[式16]

$\left(\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}R& -{\mathrm{\ω}}_r\·\widehat{L_d}\\ {\mathrm{\ω}}_r\·\widehat{L_d}& R\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_r\·K_e\end{array}\right)$

其中，

L_d^：随电动机电流变化的d轴电感的推定值

L_q^：随电动机电流变化的q轴电感的推定值

根据(式16)，若输出电压发生变化，则输出界限转矩的电压相位δ_vmax也发生变化，所以，表301可以输入d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc，对电感值进行推定，根据推定的电感值，修正电压相位限制值δ_vmax ^*。

另外，即便是本实施例的构成，在转矩指令值τ^*远大于界限转矩的情况下，按照(式4)、(式5)，第2电压相位指令值δ^**也被固定为电压相位限制值δ_vmax ^*上，所以可以输出界限转矩。另外，在转矩指令值τ^*处于界限转矩以下的情况下，第2电压相位指令值δ^**被小于电压相位限制值δ_vmax ^*的电压相位所控制，所以可以输出与转矩指令值τ^*一致的转矩。

此外，对于表181，取代d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc，使用d轴的电流指令值I_d ^*、q轴的电流指令值I_q ^*和第3相位角指令值Δθ_c ^***进行修正，也可以得到相同效果。

另外，也可以将实施例1、实施例2、实施例3的任何一个组合起来使用。

[实施例4]

图15表示第4实施例的整体构成。1至9是与实施例1相同的组块，所以省略说明。

19是根据转矩指令值τ^*、第1电压指令值V₁ ^*和电源电压V_dc运算d轴电流指令值I_d ^*、q轴电流指令值I_q ^*的电流指令运算部；

20是基于电动机常数，根据d轴电流指令值I_d ^*、q轴电流指令值I_q ^*、d轴电流检测值I_dc、q轴电流检测值I_qc和频率运算值ω₁运算第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*的电压指令运算部；

21是根据第1电压相位指令值δ^*和电源电压V_dc，运算第2电压相位指令值δ^**的相位角限制修正部；

22是根据第1电压指令值V₁ ^*、第2电压相位指令值δ^**和位置检测值θ_d，输出PWM脉冲P_UVW ^*的PWM控制部。

电流指令运算部19中，q轴电流指令值根据转矩指令值τ^*，运算q轴的电流指令值I_q ^*。d轴电流指令值I_d ^*，在通常控制时输出0，但在弱磁控制时，进行运算使第1电压指令值V₁ ^*与电压指令限制值V_1max ^*一致。

电压指令运算部20大致分为电流控制部和矢量控制运算部。电流控制部，对d轴电流指令值I_d ^*与d轴电流检测值I_dc的偏差，和q轴电流指令值I_q ^*与q轴电流检测值I_qc的偏差进行比例积分控制(PI控制)，生成第2d轴电流指令值I_d ^**和第2q轴电流指令值I_q ^**。矢量控制运算部，根据第2d轴电流指令值I_d ^**、第2q轴电流指令值I_q ^**、频率运算值ω₁和电动机常数设定值，按照(式1)，运算第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*。

图16表示相位角限制修正部21的详细框图。

相位角限制修正部21由以下部分构成：实施例1的图2所表示的表151；和根据第1电压相位指令值δ^*、电压相位限制值δ_vmax ^*，输出第2电压相位指令值δ^**的电压相位角限制部211。

电压相位角限制部211用电压相位限制值δ_vmax ^*限制第1电压相位指令值δ^*，输出第2电压相位指令值δ^**。

PWM控制部22，根据第1电压指令值V1^*、第2电压相位指令值δ^**和位置检测值θ_d，按照(式6)，运算3相电压指令V_u ^*、V_v ^*、V_w ^*，输出PWM脉冲P_UVW ^*。

另外，本实施例中，虽然采取的是考虑电源电压V_dc的结构，但也可以采取考虑V_dc、频率运算值ω₁、以及d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc的至少一个的结构。

本实施例的结构下，在转矩指令值τ^*远大于界限转矩的情况下，按照(式4)、(式5)，第2电压相位指令值δ^**被固定为电压相位限制值δ_vmax ^*，所以可以输出界限转矩。另外，在转矩指令值τ^*处于界限转矩以下的情况下，第2电压相位指令值δ^**，被小于电压相位限制值δ_vmax ^*的电压相位所控制，所以可以输出与转矩指令值τ^*一致的转矩。

因此，可以得到与实施例1至实施例3相同的效果。

[实施例5]

图17表示第5实施例的整体构成。1至9、20至22是与实施例4相同的组块，所以省略说明。仅对不同组块进行说明。

供电限制部23中，根据向电动机供电的电源电压V_dc，对第1电压指令值V₁ ^*进行限制，输出第2电压指令值V₁ ^**。

虽然实施例4的电流指令运算部19中，输入第1电压指令值V1^*，但本实施例的电流指令运算部24中，输入根据电源电压V_dc进行限制的第2电压指令值V₁ ^**。由此，过渡状态下的过调(overshoot)受到抑制，所以即便是电源电压V_dc急剧变化的情况，也可以将电压指令限制值V_1max ^*设定得较大。

另外，虽然本实施例采取的是考虑电源电压V_dc的结构，但也可以采取对V_dc、频率运算值ω₁、以及d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc的至少一个进行考虑的结构。

本实施例的结构下，在转矩指令值τ^*远大于界限转矩的情况下，按照(式4)、(式5)，第2电压相位指令值δ^**被固定为电压相位限制值δ_vmax ^*，所以可以输出界限转矩。另外，在转矩指令值τ^*处于界限转矩以下的情况下，第2电压相位指令值δ^**，也被小于电压相位限制值δ_vmax ^*的电压相位所控制，所以可以输出与转矩指令值τ^*一致的转矩。

因此，可以得到与实施例1至实施例3相同的效果。

[实施例6]

图18表示第6实施例的整体结构。1至3、5、6、8至11以及13至16是与实施例1相同的组块，所以省略说明。

25是根据第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*、d轴电流检测值I_dc、q轴电流检测值I_qc以及作为频率推定部27的输出即频率推定值ω_1c，运算作为电动机的旋转相位值与控制的旋转相位指令值之偏差的轴误差Δθ_c的轴误差运算部；

26是从第3相位角指令值Δθ_c ^***中减去轴误差Δθ_c的减法器；

27是根据减法器26的输出，推定频率推定值ω_1c的频率推定部；

28是根据频率推定值ω_1c，通过积分运算，推定位置推定值θ_dc的位置推定部；

29是根据第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*和推定位置推定值θ_dc，输出PWM脉冲P_UVW ^*的PWM控制部。

轴误差运算部25，根据第1电压指令值V₁ ^*、第1电压相位指令值δ^*、d轴的电流检测值I_dc、q轴的电流检测值I_qc和作为频率推定部27的输出的频率推定值ω_1c，按照(式17)，运算作为控制的旋转相位指令值与电动机的旋转相位之偏差的轴误差Δθ_c。

[式17]

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_c=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left[\begin{array}{c}-{V_1}^{*}\·\sin \left({\mathrm{\δ}}^{*}\right)-R^{*}\·I_{\mathrm{dc}}-{\mathrm{\ω}}_{1c}\·{L_q}^{*}\·I_{\mathrm{qc}}\\ {V_1}^{*}\·\cos \left({\mathrm{\δ}}^{*}\right)-R^{*}\·I_{\mathrm{qc}}+{\mathrm{\ω}}_{1c}\·{L_q}^{*}\·I_{\mathrm{dc}}\end{array}\right]$

PWM控制部29，根据第1电压指令值V1^*、第1电压相位指令值δ^*和电动机的位置推定值θ_dc，运算3相电压指令V_u ^*、V_v ^*、V_w ^*，输出PWM脉冲P_UVW ^*。

另外，本实施例中，虽然采取的是考虑电源电压V_dc的结构，但也可以采取对V_dc、频率推定值ω_1c、以及d轴的电流检测值I_dc和q轴的电流检测值I_qc的至少一个进行考虑的结构。

本实施例的结构下，在转矩指令值τ^*远大于界限转矩的情况下，按照(式4)、(式5)，第2电压相位指令值δ^**被固定为电压相位限制值δ_vmax ^*上，所以可以输出界限转矩。另外，在转矩指令值τ^*处于界限转矩以下的情况下，第2电压相位指令值δ^**被小于电压相位限制值δ_vmax ^*的电压相位所控制，所以可以输出与转矩指令值τ^*一致的转矩。

另外，在实施例1至实施例5中，取代使用了位置检测器的位置检测值θ_d和频率运算值ω₁，省略位置检测器，根据位置推定值θ_dc以及第1电压指令值V₁ ^*、第1电压位置指令值δ^*、d轴的电流检测值I_dc、q轴的电流检测值I_qc、频率推定值ω_1c，来运算轴误差Δθ_c，通过以使轴误差为0的方式推定频率推定值ω_1c。使用上述频率推定值ω_1c，也可以得到同样效果。

此外，在实施例1至实施例6中，省略电流检测器5，使用通常为检测电源线断线而设置的处于直流电源1与电力转换器2之间的直流分流器电阻，检测3相电动机电流值I_u、I_v、I_w，也可以得到同样效果。

此外，对于应用本发明的电动动力转向装置和车载机器，由于在弱磁控制时，可以输出到界限转矩，所以比起以往，电动机的体格可以缩小。

Claims (27)

1.一种电动机控制装置，其特征在于，包括：

d轴电流指令设定部，设定作为电动机转子的磁极方向的d轴的电流指令值；

转矩指令设定部，设定给电动机的转矩指令值；

电流指令运算部，根据所述转矩指令值，运算与d轴电垂直的q轴的电流指令值；

频率运算部，根据位置检测值运算频率运算值；

坐标转换部，从所述电动机各相中流动的电流值和所述位置检测值，坐标转换为d轴的电流检测值和q轴的电流检测值；

电压指令运算部，根据所述d轴的电流指令值、所述q轴的电流指令值、所述d轴的电流检测值、所述q轴的电流检测值和所述频率运算值，运算向所述电动机提供的第1电压指令值、第1电压相位指令值和电压限制检测信号；

第1相位角运算部，根据所述q轴的电流指令值、所述q轴的电流检测值和所述电压限制检测信号，运算第1相位角指令值；

第2相位角运算部，根据所述第1电压相位指令值和规定的状态量，运算第2相位角指令值；

相位角限制修正部，按照所述第2相位角指令值，限制所述第1相位角指令值，输出第3相位角指令值；和

PWM控制部，根据所述第1电压指令值、所述第1电压相位指令值、所述位置检测值和所述第3相位角指令值，输出PWM脉冲。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述规定的状态量，是对所述电动机供电的电源电压、所述电动机的频率或所述电动机的电流值。

3.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述的电动机控制装置，是控制车载的电动机的电动机控制装置，

所述电源电压是车载的电池。

4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述的电动机控制装置由电子控制模块构成，所述电子控制模块由微机和电子控制部件构成，

所述电源电压，是在由电池向所述电子控制模块端子供电的电源线的、控制模块侧的输入端子上测量到的电压。

5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电池的电压是所述电动机端子的电压。

6.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机是凸极电机。

7.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

在所述电源电压为规定值以下时，所述相位角限制修正部禁止修正所述第3相位角指令值，或者减少修正所述第3相位角指令值。

8.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电源电压越高，所述第2相位角运算部越将所述第2相位角指令值增加修正。

9.根据权利要求8所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述第2相位角运算部，对所述第2相位角指令值进行线性修正。

10.根据权利要求8所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述第2相位角运算部，在从作为所述电动机电感的所述d轴成分的d轴电感中减去作为q轴成分的q轴电感所得的差值为规定值以下的情况下，对所述第2相位角指令值进行线性修正。

11.根据权利要求8所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述第2相位角运算部，以对应所述电源电压的变化延迟规定的时间的方式，对所述第2相位角指令值进行修正。

12.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述的电动机控制装置，是对赋予操舵机构以操舵助力的电动机进行控制的电动机控制装置，

所述电动机的频率，是赋予操舵助力的电动机的输出轴的频率。

13.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述的电动机控制装置，是对赋予操舵机构以操舵助力的电动机进行控制的电动机控制装置，

所述电动机的频率，是对所述操舵机构的操舵速度乘以操舵机构与电动机的连接齿轮比而得到的值。

14.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机的频率是根据所述第1电压指令值、所述第1电压相位指令值、所述d轴的电流检测值、所述q轴的电流检测指令值推定的频率推定值。

15.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机的频率，是向所述电动机提供的频率指令值。

16.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

在所述电动机的频率为规定值以下时，所述相位角限制修正部，将所述第3相位角指令值固定为定值或者减少修正。

17.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机的频率越高，所述相位角限制修正部越对所述第3相位角指令值进行增加修正。

18.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机为非凸极，或磁阻转矩在总转矩中所占比例为规定值以下，

所述第2相位角指令值，通过将所述电动机的电阻值除以所述电动机电感值与所述电动机频率的乘积，并将所得到的值从π/2[rad]中减去来求出。

19.根据权利要求18所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述第2相位角指令值，随所述电动机的温度而变化。

20.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机的电流值，是根据提供给所述电动机的电流指令值和所述第3相位角指令值运算得到的电流值。

21.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机的电流值，是所述电动机的电流检测值。

22.一种电动机控制装置，其特征在于，包括：

转矩指令设定部，设定给电动机的转矩指令值；

电流指令运算部，根据所述转矩指令值、由后述的电压指令运算部运算得到的第1电压指令值、以及电压检测值，运算作为电动机转子的磁极方向的d轴的电流指令值，和与该d轴电垂直的q轴的电流指令值；

频率运算部，根据位置检测值运算频率运算值；

坐标转换部，从所述电动机各相中流动的电流值和所述位置检测值，坐标转换为d轴的电流检测值和q轴的电流检测值；

电压指令运算部，根据所述d轴的电流指令值、所述q轴的电流指令值、所述d轴的电流检测值、所述q轴的电流检测值和所述频率运算值，运算提供给所述电动机的第1电压指令值和第1电压相位指令值；

相位角限制修正部，按照规定的状态量，限制所述第1电压相位指令值，输出第2电压相位指令值；和

PWM控制部，根据所述第1电压指令值、所述第2电压相位指令值和所述位置检测值，输出PWM脉冲。

23.根据权利要求22所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述规定的状态量，是对所述电动机供电的电源电压、所述电动机的频率或所述电动机的电流值。

24.一种电动机控制装置，其特征在于，包括：

转矩指令值运算部，运算给电动机的转矩指令值；

电流指令值运算部，根据所述转矩指令值、由后述的电压指令运算部运算出的第1电压指令值和电压检测值，运算作为电动机转子的磁极方向的d轴的电流指令值、和与该d轴电垂直的q轴的电流指令值；

频率运算部，根据位置检测值运算频率运算值；

坐标转换部，从所述电动机各相中流动的电流值和所述位置检测值，坐标转换为d轴的电流检测值和q轴的电流检测值；

电压指令运算部，根据所述d轴的电流指令值、所述q轴的电流指令值、所述d轴的电流检测值、所述q轴的电流检测值和所述频率运算值，运算提供给所述电动机的第1电压指令值和第1电压相位指令值；

供电电压限制部，将提供给所述电动机的第1电压指令值限制为规定值以下，作为第2电压指令值输出；

电压相位角限制部，将所述第1电压相位指令值限制为规定的相位角以下；

相位角限制修正部，按照规定的状态量，修正所述规定的相位角的值；和

PWM控制部，根据所述供电电压的输出、所述相位角限制修正部的输出和所述位置检测值，输出PWM脉冲。

25.根据权利要求24所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述规定的状态量是对所述电动机供电的电源电压、所述电动机的频率或所述电动机的电流值。

26.一种电动机控制装置，其特征在于，包括：

d轴电流指令设定部，设定作为电动机转子的磁极方向的d轴的电流指令值；

转矩指令设定部，设定给电动机的转矩指令值；

电流指令运算部，根据所述转矩指令值，运算与d轴电垂直的q轴的电流指令值；

轴误差运算部，根据所述d轴的电流指令值、所述q轴的电流指令值、d轴的电流检测值、q轴的电流检测值、以及提供给电动机的第1电压指令值、第1电压相位指令值和频率运算值，运算作为控制的旋转相位指令值与电动机的旋转相位之偏差的轴误差；

减法器，从后述的第3相位角指令值中减去所述轴误差；

频率推定部，根据所述减法器的输出，运算所述频率推定值；

位置推定部，根据所述频率推定值，推定位置推定值；

坐标转换部，从所述电动机各相中流动的电流值和所述位置推定值，坐标转换为所述d轴的电流检测值和所述q轴的电流检测值；

电压指令运算部，根据所述d轴的电流指令值、所述q轴的电流指令值、所述d轴的电流检测值、所述q轴的电流检测值和所述频率运算值，运算提供给所述电动机的第1电压指令值、所述第1电压相位指令值和电压限制检测信号；

第1相位角运算部，根据所述q轴的电流指令值、所述q轴的电流检测值和所述电压限制检测信号，运算第1相位角指令值；

第2相位角运算部，根据所述第1电压相位指令值和规定的状态量，运算第2相位角指令值；

相位角限制修正部，按照所述第2相位角指令值，限制所述第1相位角指令值，输出所述第3相位角指令值；和

PWM信号发生部，根据所述第1电压指令值、所述第1电压相位指令值和所述位置推定值，输出PWM脉冲。

27.根据权利要求26所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述规定的状态量，是对所述电动机供电的电源电压、所述电动机的频率或所述电动机的电流值。

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