CN105723610B - 电机控制装置以及电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明可获得一种不会增加损耗且能够抑制车辆中产生的振动的电机控制装置以及电机控制方法。对于通过将由第1上下限限制部实施过上下限限制处理的转矩指令减去由转矩波动修正量运算部运算出的转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，第2上下限限制部以大于第1上下限限制部的上限转矩实施上下限限制处理，并且载波频率修正量运算部运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动电机的功率转换器的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种对用来驱动例如电动车等的电机实施控制的电机控制装置以及电机控制方法。
背景技术
以往，电动车的电机控制装置中，会对电机电流实施控制，使得电机产生的转矩追随于驾驶员的油门操作相应的转矩指令。
此外，对于这种电动车的电机控制装置中，人们要求其能够抑制在车辆进行滑行时因电机产生的转矩波动与车辆的扭转振动的共振频率一致而产生的振动、以及车辆快速启动时因电机转矩急剧上升而产生的振动，并向驾驶员提供良好的乘坐舒适度。
因此提出过一种电动机的控制装置，其为了抑制电机的转矩波动来减少振动，预先制作与电机中产生的转矩波动的振幅和相位有关的映射，并参照该映射，计算与转矩指令相应的波动补偿值，以抑制转矩波动的振幅和相位，从而抑制因转矩波动而产生的电机轴振动(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3242223号公报
专利文献2：日本专利特开平9-9637号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，以往的技术中存在以下课题。
专利文献1中记载的以往的电动机的控制装置中，在例如上陡坡道路时，会对电机要求大转矩。此时，会出现以下问题，即为抑制转矩波动而修正过的转矩的一部分会超过上限转矩，最终无法减少振动。
本发明为解决上述课题开发而成，其目的在于提供一种不会增加损耗且能够抑制车辆中产生的振动的电机控制装置以及电机控制方法。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的一种电机控制装置，其用于具有电机作为动力源的车辆，其特征在于，具有：第1上下限限制部，其对于接收自用来控制电机产生的转矩的车辆控制装置的转矩指令，实施上下限限制处理；转矩波动修正量运算部，其基于转矩指令和电机的电机转速，运算用来抑制电机中产生的转矩波动的转矩波动修正量；第2上下限限制部，其对于通过将由第1上下限限制部实施过上下限限制处理的转矩指令减去转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，以大于第1上下限限制部的上限转矩实施上下限限制处理；以及载波频率修正量运算部，其运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动电机的功率转换器的损耗。
此外，本发明所涉及的电机控制方法，其通过具有电机作为动力源的车辆的电机控制装置来实现，其特征在于，具有：第1上下限限制步骤，其对于与电机产生的转矩有关的转矩指令，实施上下限限制处理；转矩波动修正量运算步骤，其基于转矩指令和电机的电机转速，运算用来抑制电机中产生的转矩波动的转矩波动修正量；第2上下限限制步骤，其对于通过将在第1上下限限制步骤中实施过上下限限制处理的转矩指令减去转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，以大于第1上下限限制步骤的上限转矩实施上下限限制处理；以及载波频率修正量运算步骤，其运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动电机的功率转换器的损耗。
发明效果
根据本发明所涉及的电机控制装置以及电机控制方法，对于通过将由第1上下限限制部实施过上下限限制处理的转矩指令减去由转矩波动修正量运算部运算出的转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，第2上下限限制部以大于第1上下限限制部的上限转矩实施上下限限制处理，并且载波频率修正量运算部运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动电机的功率转换器的损耗。
因此，能够获得一种不会增加损耗且能够抑制车辆中产生的振动的电机控制装置以及电机控制方法。
附图说明
图1是表示使用本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置的电动车的框结构图。
图2是详细表示图1所示的电机控制装置的框结构图。
图3是详细表示图2所示的转矩波动修正量运算部的框结构图。
图4(a)～图4(c)是通过与现有例的比较来表示本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置的转矩波动修正与上下限限制的关系的说明图。
图5(a)～图5(c)是表示本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置的转矩波动修正与损耗的关系的说明图。
图6是详细表示图2所示的载波频率修正量运算部的框结构图。
图7是针对图6所示的载波频率转换系数表示载波频率与开关损耗的关系的说明图。
图8是表示本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置中，载波频率修正量达到上限值时的处理的流程图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明所涉及的电机控制装置以及电机控制方法的适当的实施方式，各图中相同或相当的部分将使用相同符号进行说明。
实施方式1
图1是表示使用本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置的电动车的框结构图。图1中，该电动车具有电机101、功率转换器102、电机控制装置103、电池104、车辆控制装置105以及油门位置传感器(APS)106。
电机101与车辆的末端传动齿轮(未图示)连接，通过将动力传递至车轴来驱动车辆。功率转换器102是将用来驱动电机101的交流电供给至电机101的逆变器。功率转换器102由6个开关元件和电容器构成，开关元件中使用了例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
电机控制装置103控制功率转换器102，使电机101产生与输出自车辆控制装置105的转矩指令相应的转矩。此处，电机控制装置103与车辆控制装置105的信息交换使用例如CAN(Controller Area Network，控制器局域网)等。
具体而言，电机控制装置103基于来自安装在电机101上检测转子的角度位置的角度位置传感器、安装在电机101上检测定子线圈的温度(定子温度)的温度传感器、以及设置在功率转换器102上检测流动至功率转换器102的电流的电流传感器的各输出信号，输出用来控制功率转换器102的开关元件的开关的开关信号。
电池104将直流电供给至功率转换器102。作为电池104，可使用例如锂离子电池等。车辆控制装置105基于来自油门位置传感器106等的驾驶员操作量以及通过未图示的其他传感器获得的车辆状态(例如车速)，决定让电机101产生的转矩。油门位置传感器106检测驾驶员的油门踏入量后，输出至车辆控制装置105。
图2是详细表示图1所示的电机控制装置103的框结构图。图2中，电机控制装置103具有第1上下限限制部201、电机转速运算部202、转矩波动修正量运算部203、第2上下限限制部204、转矩电流转换部205、电流控制部206、PWM调制部207以及载波频率修正量运算部208。
第1上下限限制部201对于接收自车辆控制装置105的转矩指令实施上下限限制处理。电机转速运算部202基于从电机101的角度位置传感器获得的旋转变压器信号，运算电机转速。具体而言，电机转速运算部202根据旋转变压器信号运算电机旋转角度后，将该值进行微分来运算转速。
转矩波动修正量运算部203根据接收自车辆控制装置105的转矩指令、由电机转速运算部202运算出的电机转速、以及后述的载波频率，运算转矩波动修正量。另外，载波频率是由PWM调制部207修正过的载波频率的前一次值。
此处，转矩波动修正量是事先实际利用电机单体测量转矩波动并将其结果生成映射而得到。此外，转矩波动修正量运算部203将该映射图保存在ROM中，在实际使用时，根据转矩指令和电机转速来参照映射，并运算转矩波动修正量。
第2上下限限制部204对于将由第1上下限限制部201实施过限制处理的转矩指令中减去由转矩波动修正量运算部203运算出的转矩波动修正量后的值，实施上下限限制处理。此处，第2上下限限制部204的上限转矩设定为大于第1上下限限制部201的上限转矩的值。
转矩电流转换部205根据由第2上下限限制部204实施过限制处理的转矩指令，运算d轴电流指令和q轴电流指令。此时，虽未图示，但从转矩转换为电流时，也可使用电机转速、DC电压等信息。
电流控制部206实施反馈控制，使d轴电流和q轴电流追随由转矩电流转换部205运算出的d轴电流指令和q轴电流指令，运算三相电压指令。
此处，通过使用电机旋转角度将利用安装在功率转换器102上的电流传感器测量出的交流电流进行dq转换，运算d轴电流和q轴电流。此外，使用通过反馈控制获得的d轴电压指令、q轴电压指令以及电机旋转角度，运算三相电压指令。
PWM调制部207根据由电流控制部206运算出的三相电压指令，运算栅极驱动信号。此处，将三相电压指令与三角载波进行比较，运算栅极驱动信号。
此外，三角载波的频率(载波频率)使用利用由后述的载波频率修正量运算部208运算出的载波频率修正量修正过的载波频率。载波频率的修正是指，例如将作为基础的载波频率减去载波频率修正量的处理。
载波频率修正量运算部208根据由转矩波动修正量运算部203运算出的转矩波动修正量以及由电机转速运算部运算出的电机转速，运算载波频率修正量。
图3是详细表示图2所示的转矩波动修正量运算部203的框结构图。图3中，转矩波动修正量运算部203具有振幅相位运算部301、转矩波动修正量运算部302以及转矩修正增益运算部303。
振幅相位运算部301根据转矩指令运算转矩波动修正量的振幅A和相位众所周知，一般会以基波频率的6倍或12倍(以下称为“6f”、“12f”)的频率产生转矩波动。此处，振幅相位运算部301事先对各转矩指令实际测量转矩波动，并从其结果中提取6f、12f分量的转矩波动的振幅和相位，并生成映射。
另外，生成的映射分别按照6f和12f分别生成，实际使用时，按照6f和12f分量根据映射运算振幅A和相位也就是说，振幅相位运算部301以6f分量的振幅A和相位12f分量的振幅A和相位等的方式进行运算。此外，基波频率为用来驱动电机101的交流电流的频率，根据下式进行运算。
(基波频率[Hz])＝(电机转速[r/min])÷60×(电机极对数)
转矩波动修正量运算部302根据由振幅相位运算部301运算出的振幅A和相位运算转矩波动修正量。例如，将6f分量的转矩波动修正量设为X6、将振幅设为A6、将相位设为时，按照进行运算。同样地，将12f分量的转矩波动修正量设为X12、将振幅设为A12、将相位设为时，按照进行运算。
此处，ω为基波频率[rad/s]。另外，该实施方式1中，使用6f和12f作为修正量，但也可使用其以上的高次谐波(例如18次谐波)等。根据这些结果，最终按照X＝X6+X12，运算转矩波动修正量X。
转矩修正增益运算部303根据电机转速和载波频率，运算第1修正增益G1。根据本实施方式1的***结构，因转矩波动的影响而产生的振动仅出现在低转速的区域，若变为高转速(预先规定的转速)，则能够将转矩波动修正量设为0。因此，转矩修正增益运算部303保存与例如电机转速相应的修正增益的映射，并根据该映射决定第1修正增益G1。
此外，第1修正增益G1为0≤G1≤1的值，要完全去除电机101的转矩波动时，设定为1。
最终，转矩波动修正量运算部203将由转矩波动修正量运算部302运算出的转矩波动修正量X乘以由转矩修正增益运算部303运算出的第1修正增益G1，并将其输出为转矩波动修正量。
接着，参照图4说明转矩波动修正与上下限限制的关系。图4(a)～图4(c)是通过与现有例的比较来表示本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置的转矩波动修正与上下限限制的关系的说明图。
图4(a)表示了在平坦道路上滑行时转矩指令的时间顺序数据。在平坦道路上滑行时，转矩指令为小于上限转矩的值，因此即使实施转矩波动修正，也不会超过上限转矩，不会产生振动。
图4(b)表示了以往的电动机的控制装置在上陡坡路面时转矩指令的时间顺序数据。上陡坡路面时，需要大转矩，因此实施过转矩波动修正的转矩指令的一部分会成为上限转矩以上，无法充分获得转矩波动修正的效果，并产生振动。
图4(c)表示了本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置在上陡坡时转矩指令的时间顺序数据。此处，第2上下限限制部204的上限转矩设定为大于第1上下限限制部201的上限转矩的值，因此转矩指令不会超过上限转矩，并且不会产生振动。
此外，本发明的实施方式1的转矩波动修正中，会将接收自车辆控制装置105的转矩指令减去正弦波状的转矩波动修正量。因此，有修正后的转矩指令大于转矩指令的部分，也有修正后的转矩指令小于转矩指令的部分，平均转矩为固定。
接着，参照图5，说明实施转矩波动修正时的损耗。图5(a)～图5(c)是表示本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置的转矩波动修正与损耗的关系的说明图。
图5(a)表示了实施转矩波动修正时的通电电流。电机中，转矩与通电电流成比例，因此利用正弦波状的转矩实施转矩波动修正时，会成为正弦波状的通电电流波形。此外，图5(a)中，I1＝I0-b、I2＝I0+a。并且，a＝b。
图5(b)表示了与通电电流的1次方成比例的损耗中通电电流与损耗的关系。通常，在逆变器中，开关损耗等适用于此图。
如此，关于与通电电流的1次方成比例的损耗，在流动着将叠加了图5(a)所示的正弦波的通电电流时，在大于通电电流I0的部分，损耗会增加，在小于通电电流I0的部分，损耗会减少。
此外，通电电流为I1时的损耗减少量X与通电电流为I2时的损耗增加量Y为相同值，即使叠加正弦波进，平均来看，损耗并未增加。
图5(c)表示了与通电电流的平方成比例的损耗中通电电流与损耗的关系。通常，IGBT的固定损耗(集电极-发射极间电压的损耗)适用于此图。
如此，关于与通电电流的2次方成比例的损耗，在流过叠加了图5(a)所示的正弦波的通电电流时，在大于通电电流I0的部分，损耗会增加，在小于通电电流I0的部分，损耗会减少。
此外，通电电流为I1时的损耗减少量U与通电电流为I2时的损耗增加量V中，损耗增加量V的值更大。也就是说，平均来看，损耗会增加。
如上所述，通过实施转矩波动修正，平均来看，与通电电流的2次方成比例的损耗会增加。因此，以下说明用来减少因实施转矩波动修正而增加的损耗的方法。
图6是详细表示图2所示的载波频率修正量运算部208的框结构图。图6中，载波频率修正量运算部208具有转矩振幅运算部401、损耗增加量运算部402、频率修正量运算部403、修正增益运算部404、修正增益处理部405以及修正量上限限制部406。
转矩振幅运算部401根据由转矩波动修正量运算部203运算出的转矩波动修正量，运算转矩波动修正量的振幅。另外，虽然在图4中根据转矩波动修正量运算振幅，但也可直接使用由振幅相位运算部301运算出的振幅。此外，此处按照6f、12f等各频率，运算振幅。
损耗增加量运算部402根据由转矩振幅运算部401运算出的振幅，运算损耗增加量。此处，根据事先实际测试的结果生成映射，并根据振幅计算损耗增加量。
频率修正量运算部403基于由损耗增加量运算部402运算出的损耗增加量和事先计算出的载波频率转换系数，运算载波频率修正量。另外，载波频率转换系数事先根据载波频率与开关损耗的关系来求得。
图7是针对图6所示的载波频率转换系数表示载波频率与开关损耗的关系的说明图。此处，表示在某通电电流的基础上改变载波频率时的开关损耗。
图7中，提高载波频率后，构成功率转换器102的开关元件的开关次数会增加，因此开关损耗会与载波频率一同增加。此时，将载波频率设为fc时，开关损耗Wsw由下式所示。
Wsw＝P×fc
也就是说，在降低载波频率来减少开关损耗的情况下，为了减少ΔW的开关损耗，必须减少ΔW/P的载波频率。该比例系数P用作载波频率转换系数。
返回图6，修正增益运算部404根据由电机转速运算部202运算出的电机转速，运算用来修正载波频率的第2修正增益G2。也就是说，电机转速变为高转速(预先规定的转速)时，无需修正转矩波动，因此，此时设定第2修正增益G2，使载波频率修正量也设定为0。因此，在第2修正增益G2为0≤G2≤1的值且不实施载波频率修正的情况下，设定为0。
如此，通过在电机转速为高转速时，将载波频率修正量设为0，从而不会在高转速时降低载波频率，因此不会增加无用的噪音，也不会让驾驶员产生不适。另外，在使用温度传感器等测量元件温度且元件温度低时，为了减少发热量、减少损耗，也可将第2修正增益设定为0，不对载波频率进行修正。
修正增益处理部405将由频率修正量运算部403运算出的载波频率修正量乘以由修正增益运算部404运算出的第2修正增益G2，运算最终的载波频率修正量。
修正量上限限制部406对于由修正增益处理部405运算出的最终的载波频率修正量，实施上限限制处理。此处，即使在载波频率减少时，也事先评估噪音影响少的级别，并根据其结果决定修正量上限限制部406的上限限制值。
另外，众所周知以往的一种电力变换装置的温度保护电路，其采用可将用来驱动构成逆变器的开关元件的载波频率进行2档变更的构成，并且在功率转换器输出的电流低于规定值时，将载波频率变更为较低的值(例如参照专利文献2)。
但是，根据专利文献2中记载的电力变换装置的温度保护电路，由于将载波频率呈2档地离散性地变更，因此会使载波频率过度降低。因此，存有以下问题，即因载波频率产生的噪音处于可听范围内，让驾驶员产生不适。
相对于此，该实施方式1中，基于转矩波动修正量和电机转速，连续修正载波频率，并且对最终的载波频率修正量实施上限限制，因此不会增加无用的噪音。
此处，虽然在修正量上限限制部406中对最终的载波频率修正量实施了上限限制，但最终的载波频率修正量已被实施上限限制处理(到达上限值)时，即载波频率达到下限值时，也可减少转矩波动修正量的振幅，在可能的范围内实施转矩波动修正。
图8是表示本发明的实施方式1所涉及的电机控制装置中，载波频率修正量达到上限值时的处理的流程图。图8的流程图中，由例如修正量上限限制部406以例如10ms等定期的周期实施处理。
首先，判断由载波频率修正量运算部208运算出的载波频率修正量有无被修正量上限限制部406实施上限限制处理(步骤S501)。
如果在步骤S501中，判断为载波频率修正量被实施了上限限制处理(也就是说，是)，则运算由修正量上限限制部406实施上限限制处理前的第1损耗减少量(步骤S502)。
此处，由损耗增加量运算部402运算出的损耗增加量与第1损耗减少量相等，因此将由损耗增加量运算部402运算出的损耗增加量设为第1损耗减少量。
接着，运算由修正量上限限制部406实施过上限限制处理后的第2损耗减少量(步骤S503)。另外，修正量上限限制部406的上限限制值使用事先决定的值，因此也可事先准备与该值相应的第2损耗减少量。具体而言，第2损耗减少量如下式所示。
(第2损耗减少量)＝(载波频率转换系数P)×(修正量上限限制值)
接着，作为损耗减少目标，运算通过调整修正增益而减少的损耗的目标值(步骤S504)。此处，实施转矩波动修正并抑制振动所需的损耗为第1损耗减少量，修正载波频率后可减少的损耗为第2损耗减少量，因此必须通过调整第3修正增益G3来减少的损耗减少目标如下式所示。
(损耗减少目标)＝{(第1损耗减少量)-(第2损耗减少量)}
接着，根据由步骤S504运算出的损耗减少目标，运算第3修正增益G3(步骤S505)，结束图8的处理。
此处，使用在由损耗增加量运算部402进行的损耗增加量运算中使用的振幅与损耗增加量的映射，运算能够达成损耗减少目标的振幅(以下称为“振幅2”)。并且，根据由转矩振幅运算部401运算出的振幅，如下式所示运算第3修正增益G3。
(第3修正增益G3)＝(振幅2)÷(振幅)
另一方面，如果在步骤S501中判断为载波频率修正量未被实施上限限制处理(也就是说，否)，则直接结束图8的处理。
另外，步骤S505中运算出的第3修正增益G3在图2所示的第2上下限限制部204的前段，在减去转矩波动修正量的阶段中，与转矩波动修正量相乘。
如上所述，根据实施方式1，对于通过将由第1上下限限制部实施过上下限限制处理的转矩指令减去由转矩波动修正量运算部运算出的转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，第2上下限限制部以大于第1上下限限制部的上限转矩实施上下限限制处理，并且载波频率修正量运算部运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动电机的功率转换器的损耗。
因此，能够获得一种不会增加损耗且能够抑制车辆中产生的振动的电机控制装置以及电机控制方法。
此外，即使在例如上陡坡那样转矩较大时或转矩指令发生急剧变化时，也能够抑制振动。并且，不会使载波频率过度降低，因此不会产生刺耳的噪音，并且能够抑制振动。
此外，载波频率修正量运算部在载波频率修正量大于预先决定的上限值时，利用上限值限制载波频率修正量，并且减少转矩波动修正量的振幅。
因此，能够在没有因载波频率而产生的噪音影响的范围内，最大限度地抑制振动。
此外，转矩波动修正量运算部在电机转速为预先规定的转速时，停止转矩波动修正量的运算。
因此，不会让驾驶员产生不适。
此外，载波频率修正量运算部在电机转速为预先规定的转速时，停止载波频率修正量的运算。
因此，能够抑制因不必要的载波频率的减少而在可听范围内产生的噪音。
Claims (4)
1.一种电机控制装置，其用于具有电机作为动力源的车辆，其特征在于，具有：
第1上下限限制部，其对于接收自用来控制所述电机产生的转矩的车辆控制装置的转矩指令，实施上下限限制处理；
转矩波动修正量运算部，其基于所述转矩指令和所述电机的电机转速，运算用来抑制所述电机中产生的转矩波动的转矩波动修正量；
第2上下限限制部，其对于通过将由所述第1上下限限制部实施过上下限限制处理的所述转矩指令减去所述转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，以大于所述第1上下限限制部的上限转矩实施上下限限制处理；以及
载波频率修正量运算部，其运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动所述电机的所述功率转换器的损耗，
所述载波频率修正量运算部在所述载波频率修正量大于预先决定的上限值时，利用所述上限值限制所述载波频率修正量，并且减少所述转矩波动修正量的振幅。
2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述转矩波动修正量运算部在所述电机转速达到预先规定的转速时，停止所述转矩波动修正量的运算。
3.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述载波频率修正量运算部在所述电机转速达到预先规定的转速时，停止所述载波频率修正量的运算。
4.一种电机控制方法，其通过具有电机作为动力源的车辆的电机控制装置来实现，其特征在于，具有：
第1上下限限制步骤，其对有关所述电机产生的转矩的转矩指令实施上下限限制处理；
转矩波动修正量运算步骤，其基于所述转矩指令和所述电机的电机转速，运算用来抑制所述电机中产生的转矩波动的转矩波动修正量；
第2上下限限制步骤，其对于通过将在所述第1上下限限制步骤中实施过上下限限制处理的所述转矩指令减去所述转矩波动修正量来实施转矩波动修正后的值，以大于所述第1上下限限制步骤的上限转矩实施上下限限制处理；以及
载波频率修正量运算步骤，其运算用来修正功率转换器的载波频率的载波频率修正量，以减少因实施转矩波动修正而增加的用来驱动所述电机的所述功率转换器的损耗，
所述载波频率修正量运算步骤中，在所述载波频率修正量大于预先决定的上限值时，利用所述上限值限制所述载波频率修正量，并且减少所述转矩波动修正量的振幅。
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