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PUVW *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Vdc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θd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Iu、Iv、Iw,根据位置检测值θd变换成d轴电流检测值Idc和q轴电流检测值Iqc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Iq *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Id *、q轴的电流指令值Iq *、d轴的电流检测值Idc、q轴的电流检测值Iqc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Δθc ***、以及位置检测值θd,输出PWM脉冲PUVW *的PWM控制部;
13是将d轴电流指令值Id *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Iq *、q轴电流检测值Iqc和弱磁控制标志V1 * lmt_flg,运算第1相位角指令值Δθc *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Δθc **的第2相位角运算部;
16是根据第2相位角指令值Δθc **限制第1相位角指令值Δθc *,输出第3相位角指令值Δθc ***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Vdc输出界限转矩的电压相位限制值δvmax *的表;
152是从电压相位限制值δvmax *中减去第1电压相位指令值δ*,输出第2相位角指令值Δθc **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Id *与d轴电流检测值Idc的偏差,以及q轴电流指令值Iq *与q轴电流检测值Iqc的偏差进行比例积分控制(PI控制),生成第2d轴电流指令值Id **和第2q轴电流指令值Iq **。矢量控制运算部,根据第2d轴电流指令值Id **、第2q轴电流指令值Iq **、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]
[式2]
V1 * lmt_flg=0 (V1 *<V1max *)
V1 * lmt_flg=1 (V1 *≥V1max *)
其中,
Vd *:d轴电压指令值
Vq *:q轴电压指令值
R*:电动机的电阻设定值
Ld *:d轴的电感设定值
Lq *:q轴的电感设定值
Ke*:感应电压常数设定值
V1max *:电压指令限制值
另外,电压指令限制值V1max *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V1*lmt_flg为0的情况下,第1相位角指令值Δθc *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Iq *与q轴电流检测值Iqc的偏差,进行比例积分运算,运算第1相位角指令值Δθc *。
[式3]
Δθc *=0 (V1 * lmt_flg=0)
(V1 * lmt_flg=1)
其中,
Kp:比例增益
Ki:积分增益
第2相位角运算部15,根据电源电压Vdc,通过图2的表151,将输出界限转矩的电压相位δvmax作为电压相位限制值δvmax *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δvmax的特性。界限转矩随电源电压Vdc的变化而变化,界限转矩时的电压相位δvmax也随电源电压Vdc的变化而变化。减法器152按照(式4),从电压相位限制值δvmax *中减去第1电压相位指令值δ*,输出第2相位角指令值Δθc **。
[式4]
Δθc **=δVmax-δ*
相位角限制修正部16,通过第2相位角指令值Δθc **,限制第1相位角指令值Δθc *,输出第3相位角指令值Δθc ***。
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Δθc ***,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Vu *、Vv *、Vw *成比例的PWM脉冲PUVW *。
[式5]
δ**=δ*+Δθc ***
[式6]
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θd,求出固定坐标系的电压指令值Vα *、Vβ *,并按第3相位角指令值Δθc ***前移相位后,生成3相电压指令值Vu *、Vv *、Vw *。
[式7]
用为了说明电压相位限制值δvmax *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δvmax的特性。根据图3,界限转矩会随电源电压Vdc的变化而变化,输出界限转矩的电压相位δvmax也随电源电压Vdc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δvmax *,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δvmax *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Δθc *、第2相位角指令值Δθc **和第3相位角指令值Δθc ***。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Δθc *(虚线)被第2相位角指令值Δθc **(点虚线)限制,所以第3相位角指令值Δθc ***(实线)能稳定控制。
图5表示d轴的电感Ld与q轴的电感Lq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δvmax和电源电压Vdc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Vdc增加,输出界限转矩的电压相位δvmax几乎线性地增加。因此,电压相位限制值δvmax *可以设定为电源电压Vdc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Vdc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Vdc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Δθc ***,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Vdc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Vdc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Vdc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I1max。图6的表151’利用d轴电流检测值Idc和q轴电流检测值Iqc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I1max进行比较。在1次电流I1比上限设定值I1max小的情况下,将输出界限转矩的电压相位δvmax的值作为电压相位限制值δvmax *输出;在1次电流I1超过上限设定值I1max的情况下,限制δvmax的值,并作为δvmax *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δvmax *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δvmax *线性修正。
另外,对于电源电压Vdc,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Vdc运算第2相位角指令值Δθc **,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Δθc **。
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δvmax设定为电压相位限制值δvmax *。减法器152,按照(式4),从电压相位限制值δvmax *中减去第1电压相位指令值δ*,输出第2相位角指令值Δθc **。
为了说明电压相位限制值δvmax *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δvmax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δvmax *,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δvmax *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δvmax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δvmax就越增加。因此,电压相位限制值δvmax *,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Ld与q轴的电感Lq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δvmax *。
电动机的电压方程式由式(8)表示。
[式8]
其中,
Vd:d轴的电动机电压
Vq:q轴的电动机电压
ωr:电动机旋转频率
R:电动机电阻
L:电动机电感
Id:d轴的电动机电流
Iq:q轴的电动机电流
Ke: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Ld与q轴的电感Lq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]
此外,输出转矩τ可用以下的(式10)进行表示。
[式10]
其中,
Pm:电动机的极对数
另外,对于输出电压相位δv,(式11)成立。
[式11]
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δvmax设定为电压相位限制值δvmax *。这时,电压相位限制值δvmax *,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δv都表现出上凸的特性。所以,如果用电压相位δv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δvmax),那么输出转矩τ为最大。因此,如果用电压相位δv对转矩进行微分,可以根据(式11)转换成(式12)的式子。
[式12]
将(式8)和(式9)代入(式10),根据(式12)导出(式13)。
[式13]
其中,将Vq/Vd设为x。
根据(式13),对x求解,就得到(式14)。
[式14]
由此,输出界限转矩的电压相位δvmax,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ωr。
[式15]
因此,在例如d轴的电感Ld与q轴的电感Lq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δvmax *,也可以得到相同效果。
此外,根据(式15),由于电压相位限制值δvmax *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Δθc ***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Δθc ***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Idc和q轴电流检测值Iqc推定的频率运算值ω1c,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Vdc运算第2相位角指令值Δθc **,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Idc和q轴的电流检测值Iqc运算第2相位角指令值Δθc **。
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Idc和q轴的电流检测值Iqc求得电压相位限制值δvmax *。减法器152按照(式4),从电压相位限制值δvmax *中减去第1电压相位指令值δ*,输出第2相位角指令值Δθc **。
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]
其中,
Ld^:随电动机电流变化的d轴电感的推定值
Lq^: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δvmax也发生变化,所以,表301可以输入d轴的电流检测值Idc和q轴的电流检测值Iqc,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δvmax *。
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δvmax *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δvmax *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Idc和q轴的电流检测值Iqc,使用d轴的电流指令值Id *、q轴的电流指令值Iq *和第3相位角指令值Δθc ***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Vdc运算d轴电流指令值Id *、q轴电流指令值Iq *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Id *、q轴电流指令值Iq *、d轴电流检测值Idc、q轴电流检测值Iqc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Vdc,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θd,输出PWM脉冲PUVW *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Iq *。d轴电流指令值Id *,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V1max *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Id *与d轴电流检测值Idc的偏差,和q轴电流指令值Iq *与q轴电流检测值Iqc的偏差进行比例积分控制(PI控制),生成第2d轴电流指令值Id **和第2q轴电流指令值Iq **。矢量控制运算部,根据第2d轴电流指令值Id **、第2q轴电流指令值Iq **、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δvmax *,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δvmax *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θd,按照(式6),运算3相电压指令Vu *、Vv *、Vw *,输出PWM脉冲PUVW *。
另外,本实施例中,虽然采取的是考虑电源电压Vdc的结构,但也可以采取考虑Vdc、频率运算值ω1、以及d轴的电流检测值Idc和q轴的电流检测值Iqc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δvmax *,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δvmax *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Vdc,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Vdc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Vdc急剧变化的情况,也可以将电压指令限制值V1max *设定得较大。
另外,虽然本实施例采取的是考虑电源电压Vdc的结构,但也可以采取对Vdc、频率运算值ω1、以及d轴的电流检测值Idc和q轴的电流检测值Iqc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δvmax *,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δvmax *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Idc、q轴电流检测值Iqc以及作为频率推定部27的输出即频率推定值ω1c,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Δθc的轴误差运算部;
26是从第3相位角指令值Δθc ***中减去轴误差Δθc的减法器;
27是根据减法器26的输出,推定频率推定值ω1c的频率推定部;
28是根据频率推定值ω1c,通过积分运算,推定位置推定值θdc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θdc,输出PWM脉冲PUVW *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Idc、q轴的电流检测值Iqc和作为频率推定部27的输出的频率推定值ω1c,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Δθc。
[式17]
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θdc,运算3相电压指令Vu *、Vv *、Vw *,输出PWM脉冲PUVW *。
另外,本实施例中,虽然采取的是考虑电源电压Vdc的结构,但也可以采取对Vdc、频率推定值ω1c、以及d轴的电流检测值Idc和q轴的电流检测值Iqc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δvmax *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δvmax *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θd和频率运算值ω1,省略位置检测器,根据位置推定值θdc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Idc、q轴的电流检测值Iqc、频率推定值ω1c,来运算轴误差Δθc,通过以使轴误差为0的方式推定频率推定值ω1c。使用上述频率推定值ω1c,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Iu、Iv、Iw,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。