CN108352800A - 电动助力转向装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明获得在一个电动机绕组组发生故障时，能够使驾驶员的转向感保持在良好的状态，并且能够继续进行控制的电动助力转向装置。控制部检测电动助力转向装置各部分的故障，根据检测到的故障，在利用正常的电动机绕组和逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与车辆的方向盘中产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制。

Description

电动助力转向装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及利用电动机来辅助驾驶员的转向转矩的电动助力转向装置及其控制方法。
背景技术
以往以来，已知有下述电动助力转向装置，在该电动助力转向装置中，在电动机的定子中设置两组电动机绕组，并在控制单元中设置能够分别独立地驱动这两组电动机绕组的两组逆变器电路，通过分别协同控制以电动机绕组和逆变器电路为组的电动机绕组组，从而在一个电动机绕组组发生故障时利用正常侧的电动机绕组组来继续电动机的驱动。
这里，公开了下述电动助力转向装置，即：在控制单元的逆变器电路内的开关元件发生了短路故障时，使没有故障的电动机绕组组的输出增大，以抵消发生故障的电动机绕组组中产生的制动转矩(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4831503号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，现有技术存在如下问题。
专利文献1的电动助力转向装置虽然公开了针对开关元件的短路故障，在正常侧如何继续进行控制的内容，但在由大量元器件构成的装置中，故障的种类涉及多方面，并且装置的结构也会导致能够应对的方法有限，因此，存在在故障发生时难以使驾驶员的转向感保持恒定的问题。
即，需要考虑下述问题，即：如何能够根据故障的种类、装置的结构的不同来继续进行控制，或者对于驾驶员而言，采用怎样的继续控制才能够继续车辆的驾驶。即，希望研发出能够均衡地实现故障检测和继续控制的装置。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于获得一种电动助力转向装置及其控制方法，在一个电动机绕组组发生故障时，能够将驾驶员的转向感保持在良好的状态，同时还能够继续进行控制。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的电动助力转向装置包括：电动机，该电动机辅助车辆的驾驶员的转向转矩；以及控制单元，该控制单元具有包含多个开关元件的逆变器电路，对电动机的驱动进行控制，电动机至少具有相互独立的两组电动机绕组，控制单元具有：控制部，该控制部在d-q轴坐标系中运算用于驱动电动机的电流指令值；以及输出部，该输出部利用与电流指令值相对应的驱动信号来驱动多个开关元件，从而能够独立地向两组电动机绕组的各个电动机绕组提供电流，该电动助力转向装置中，控制部中，检测电动助力转向装置各部分的故障，根据检测到的故障，在利用正常的电动机绕组和逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与车辆的方向盘中产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制。
此外，本发明所涉及的电动助力转向装置的控制方法由下述电动助力转向装置实现，该电动助力转向装置包括：电动机，该电动机辅助车辆的驾驶员的转向转矩；以及控制单元，该控制单元具有包含多个开关元件的逆变器电路，对电动机的驱动进行控制，电动机至少具有相互独立的两组电动机绕组，控制单元具有：控制部，该控制部在d-q轴坐标系中运算用于驱动电动机的电流指令值；以及输出部，该输出部利用与电流指令值相对应的驱动信号来驱动多个开关元件，从而能够独立地向两组电动机绕组的各个电动机绕组提供电流，所述电动助力转向装置的控制方法具有下述步骤：检测电动助力转向装置各部分的故障的步骤；根据检测到的故障，判定是否利用正常的电动机绕组和逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的步骤；以及在判定为继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与车辆的方向盘中所产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制的步骤。
发明效果
根据本发明所涉及的电动助力转向装置，控制部检测电动助力转向装置各部分的故障，根据检测到的故障，在利用正常的电动机绕组和逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与车辆的方向盘中产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制。
因此，在一个电动机绕组组发生故障时，能够使驾驶员的转向感保持在良好的状态，并且能够继续进行控制。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置的整体结构的电路图。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置中的d轴电流的说明图。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置中的d轴电流限制的说明图。
图4是表示本发明实施方式2所涉及的电动助力转向装置中的d轴电流限制的说明图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明所涉及的电动助力转向装置及其控制方法的优选实施方式，对于各图中相同或相当的部分，标注相同标号进行说明。
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置的整体结构的电路图。图1中，该电动助力转向装置包括控制单元1以及由控制单元1控制的电动机2。这里，电动机2具有两组三相电动机绕组。
控制单元1由输出部的主要构成电路即逆变器电路3a、3b、搭载有成为控制部的核心的CPU10的控制电路部4、以及电源用继电器5a、5b构成。
此外，由搭载于车辆的电池6向控制单元1提供电源(+B、GND)，利用点火开关7，并经由电源电路13对控制电路部4接通电源。另外，在电池6到控制单元1的电源路径上设置有噪声滤波器17。
此外，设置于车辆的方向盘附近且用于检测转向转矩的转矩传感器、用于检测车辆的行驶速度的速度传感器等传感器8所检测到的信息被输入到控制电路部4。来自传感器8的信息经由控制电路部4的输入电路12传输到CPU10。
CPU10基于经由输入电路12而获得的来自传感器8的信息，运算用于驱动电动机2的电流指令值，并输出给驱动电路11。驱动电路11根据来自CPU10的电流指令值，输出用于驱动逆变器电路3a、3b的各开关元件的驱动信号。
逆变器电路3a、3b包括用于电动机2的三相电动机绕组(U、V、W)的上下臂用开关元件31、32、电流检测用的分流电阻33、用于与电动机绕组连接或切断该连接的电动机继电器用开关元件34、以及噪声抑制用电容器35。
此外，逆变器电路3a、3b针对各相的电动机绕组具有相同的电路结构，并能够独立地向各相的电动机绕组进行电流供给。另外，虽然在下臂的下游设置有电流检测用的分流电阻33，但并不限于此，也可以设置于上臂开关元件附近或电源线。
此外，分流电阻33的两端间的电位差、以及例如电动机绕组端子的电压等也经由输入电路12传输至CPU10。CPU10对运算出的电流指令值与对应于电流指令值的检测值间的差异进行运算，并进行所谓的反馈控制，由此提供所期望的电动机电流，并辅助转向力。
此外，驱动电路11也对电源继电器用开关元件5a、5b输出驱动信号，并能利用电源继电器用开关元件5a、5b来切断对电动机2的电流供给。同样地，驱动电路11还对电动机继电器用开关元件34输出驱动信号，并且也能够分别独立地切断对电动机2的各相的电流供给。
这里，CPU10具有根据所输入的各信息来检测逆变器电路3a、3b、电动机绕组、以及各电路的其他故障的故障检测功能。在检测到故障的情况下，CPU10根据该故障，经由驱动电路11断开电动机继电器用开关元件34，以使得例如仅切断预先确定的规定相的电流供给。
此外，CPU10也可以经由驱动电路11断开电源继电器用开关元件5a、5b，以从源头切断电源。并且，在检测到故障的情况下，CPU10经由输出电路16输出动作指令，以使构成通知部15的例如车灯点亮。另外，也可以使电源继电器用开关元件5a、5b分别包含在逆变器电路3a、3b中。
此外，电动机2是对二组三相电动机绕组进行星形接线而得到的无刷电动机。这里，电动机2中设有用于检测转子的旋转位置的旋转传感器9a、9b。另外，为了确保冗余***，该旋转传感器也分别设有两组传感器，其旋转信息分别经由输入电路12传输到CPU10。
作为该旋转传感器9a、9b，考虑例如在电动机2的转轴端安装磁铁转子，并在其相对位置设置旋转传感器用IC。这样在电动机2的附近搭载旋转传感器9a、9b是为了实现小型化而必须的结构，但因此也不得不考虑大电流的通断驱动所产生的噪声的影响。
另外，电动机2可以不是三相星形接线的无刷电动机，也可以是三角形接线，还可以是两极两对的带电刷电动机。此外，关于电动机绕组规格，可以是对各组设置有相位差的电动机绕组，也可以是没有相位差的所谓多相(6相)电动机绕组。
如上所述，控制单元1构成为能够使用分别独立输入的信息、所运算出的值、以及所检测出的值来驱动电动机2。此外，CPU10和驱动电路11作为单一元器件示出，但也可以采用下述结构，即：分别对应于逆变器电路3a、3b而具有两个CPU(CPU1、CPU2)和两个驱动电路。此外，也可以构成为对于各CPU10、每个驱动电路11分别独立具备一个电源电路13。
接着，对按上述方式构成的电动助力转向装置中CPU10的故障检测进行说明。CPU10在已启动时，作为初始检查而进行各开关元件的接通、断开控制，由此，通过对电路上的电压值进行比较，从而能够检测出开关元件的开路、短路故障。
此外，CPU10还能够提供电动机2不会旋转的程度的小电流，由此来对分流电阻33进行检查。另外，在控制过程中，以两组均等的方式对将电动机2的两组电动机绕组和逆变器电路3a、3b分别设为一组而得到的两组电动机绕组组进行控制，由此，能够通过比较彼此各部的电压、电流、旋转位置等来检测出故障。
这里，CPU10在检测到关于一个电动机绕组组的故障时，具体而言，检测到例如逆变器电路3b的多个开关元件的开路故障或短路故障、或者电动机绕组的断线等时，判断为该电动机绕组组具有不能继续进行后续控制的故障。
此时，由于仅能够利用剩余的正常侧的电动机绕组组继续进行控制，因此，CPU10切换为仅正常侧的控制来继续进行控制。即，在即使通过一个电动机绕组组的控制也能够获得所期望的输出转矩、即足够的转向力的情况下，能够没有任何问题地继续进行控制。
然而，在运行中也会发生高负荷、且必须要增加电动机转速的情况。另外，通常在高旋转区域中，若将电源电压设为恒定，则由于电动机2产生的感应电压而导致无法增加q轴电流。d轴电流Id及q轴电流Iq与额定电流Idqmax的关系由下式(1)给出，d轴电压Vd及q轴电压Vq与电池电压Vdc的关系由下式(2)给出。
Id2+Iq2≤Idqmax2 (1)
Vd2+Vq2≤Vdc2/2 (2)
此外，在正常时，d轴电压Vd和q轴电压Vq分别由下式(3)、(4)给出。
Vd＝RId-ωLIq (3)
Vq＝RIq+ω(LId+φ) (4)
其中，R：绕组电阻、L：自感部分、ω：电气角速度、φ：磁通
这里，若电动机高速旋转，则式(3)和式(4)中ω的项增大，因此，d轴电压Vd和q轴电压Vq的绝对值增加。另一方面，由于电压需要满足式(2)，因而Iq减少。因此，为了使电动机转速进一步上升，大多数情况下进行所谓的弱励磁控制，即通过使负的d轴电流增加来减小LId+φ。
在式(3)、(4)中，若将Id设为反方向，即负方向，则q轴增加相应的量。因此，电动机转速上升，但输出转矩减少。因此，使用该弱励磁控制来覆盖高旋转区域的控制。
然而，在该弱励磁控制区域中，容易产生因检测到的角度信息中所包含的误差分量而导致的转矩波动。另外，若发生了转矩波动，则该振动将传递至方向盘，从而使驾驶员感到不安、不愉快。
关于这一点，参照图2进行说明。图2是表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置中的d轴电流的说明图。图2中，在d-q轴坐标中示出从d轴基本为零开始到负电流流过d轴的情况。这里，电流I以偏离q轴θ的方式流过。这里，由于该电流I所具有的角度θ中包含误差△θ，因此该误差成为下式(5)所表示的转矩波动。
KtI△θsinθ≈Kt|Id|△θ (5)
其中，Kt：转矩常数
在式(5)中，相位角θ越大，则d轴电流越大。此外，即使角度误差Δθ相同，d轴电流越大，则电流波动的q轴分量的比率越大，转矩波动也越大。此外，在电流的通断控制时，旋转传感器9a、9b有时会受到电动机绕组、逆变器电路3a、3b、或者两者的连接部等所产生的磁场的影响，从而产生旋转误差。
这里，在将电动机2的两组电动机绕组和逆变器电路3a、3b分别设为一组而得到的两组电动机绕组组中，在能够抵消彼此磁场的影响的情况下，该误差被抑制得较小。然而，在只有一个电动机绕组组用于控制的情况下，与正常的两组控制相比，叠加于相位角θ的误差具有增加的趋势。
因此，在变为仅利用一个电动机绕组组继续进行控制的情况下，需要对该弱励磁控制区域中的转矩波动进行抑制。下面，参照表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置中的d轴电流限制的图3，来对其方法进行说明。图3中，将横轴设为电动机转速，将纵轴设为输出转矩。
图3中，特性21示出未进行弱励磁控制且d轴电流为零时的输出转矩，特性22示出通常时、即两组电动机绕组组均没有发生故障而正常的情况下的输出转矩。此外，r1表示电动机2的额定转速，是由上述式(1)、(2)求出的值。此外，图3中，由该特性21和特性22夹住的区域23为弱励磁控制区域，也是转矩波动增加的区域。
这里，在仅利用一个电动机绕组组继续进行控制的情况下，需要将转矩波动考虑在内来限制d轴电流。以图3的d轴电流限制特性24示出该情况的一个示例。此时，由于利用预先确定的规定的d轴电流值来进行弱励磁控制，因此，示出了对区域23进行分割这样的特性。特别地，区域23的左半部分成为如下区域：即使实施弱励磁控制，转矩波动也并不会变大，不太会使驾驶员感到振动。相反，区域23的右半部分是转矩波动变大的区域。
另外，在不增加传感器的情况下无法测定转矩波动的大小，但可以使用转矩波动的代替参数、或表示相当于转矩波动的值的参数来决定d轴电流值，这对降低成本也是有效的。
此外，也可以利用在特定的车辆中通过实验预先获得的d轴电流值。若决定了使普通的驾驶员感到不安、不愉快的转矩波动，则能够决定与此相当的图2的角度误差Δθ。然后，使用角度误差Δθ，通过下式(6)能够决定d轴电流值。
Idlmt∝K/Kt△θ (6)
其中，Idlmt：Id的限制值、K：常数
由此，在没有进行弱励磁控制且d轴电流为零的情况与两组电动机绕组组均正常的情况的中间区域中起作用，以在抑制转矩波动的增加的同时还能够应对高旋转的方式起作用，因此，即使在一个电动机绕组组发生故障时，也能够尽可能抑制方向盘振动，并能够继续高负载区域的控制，从而能够确保操控性。
此外，该特性能够预先根据与转矩波动的关系任意地设定，能够根据车辆来变化，也能够根据车速来变更。此外，能够通过使用不同于故障检测时的通知方法的方法、例如改变图1的通知部15的点亮模式来将这种d轴电流限制功能起作用的情况通知给驾驶员。
即，在一个电动机绕组组发生故障，仅利用另一个电动机绕组组继续进行控制的情况下，将其控制性能、转向感考虑在内来减少d轴电流，因此能够抑制转向中的转矩波动。
如上所述，根据实施方式1，控制部检测电动助力转向装置各部分的故障，根据检测到的故障，在利用正常的电动机绕组和逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与车辆的方向盘中产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制。
因此，在一个电动机绕组组发生故障时，能够使驾驶员的转向感保持在良好的状态，并且能够继续进行控制。
实施方式2.
本发明的实施方式2中，说明在仅利用一个电动机绕组组继续进行控制时对弱励磁控制区域中的转矩波动进行抑制的其他方法。
下面，参照表示本发明实施方式2所涉及的电动助力转向装置中的d轴电流限制的图4，来对本方法进行说明。图4中，将横轴设为电动机转速，将纵轴设为输出转矩。此外，对与图3相同的部分标注相同标号。
图4中，d轴电流限制特性25示出在达到电动机转速r2之前，具有与通常时、即两组电动机绕组组均没有发生故障而正常的情况相同的特性，并在达到电动机转速r2之后，具有输出转矩急剧下降的特性。
d轴电流限制特性25中，在达到电动机转速r2之前，进行与通常时相同的弱励磁控制而不限制d轴电流，该区域是转矩波动的增大较小、驾驶员不太会感受到方向盘振动的区域，电动机转速r2是其边界。在达到电动机转速r2之后，d轴电流受到限制。
这里，为了进一步使特性下降而不对d轴电流值进行保持，也可以进一步使d轴电流减少。由此，能够以两种以上的d轴电流值进行控制。换言之，在不使d轴电流限制进一步增加的情况下，在达到电动机转速r2之后进行限制以使其减少。
另外，为了在不增加其他传感器的情况下决定该电动机转速r2，可使用以下三种方法。第一个方法是着眼于d轴电流的增加与转矩波动的增加成比例这一情况，在d轴电流达到预先确定的规定值的时间点进行决定。第二个方法是使用相位角θ，在该相位角θ达到预先确定的规定的角度的时间点进行决定。第三个方法是在电动机转速达到预先确定的规定的电动机转速r2的时间点进行决定。
另外，无论是哪种方法，根据搭载有该电动助力转向装置的车辆，通过实验弄清转矩波动的阈值，并预先存储于CPU10等，从而都能够使用d轴电流、相位角或电动机转速来作为转矩波动值的替代。
即，根据d轴电流、相位角θ或电动机转速，在它们小于预先确定的规定值的区域中，与通常时同样地控制d轴电流，若变为图4的电动机转速r2以上，则进一步进行限制以使d轴电流减少。
由此，在初始时对d轴电流的限制进行与通常时相同的控制，并在到达预先确定的规定的位置时，在该位置之后使d轴电流进一步减少，由此，能在不增加传感器的情况下简单地抑制转矩波动，并且使电动机转速也上升。
此外，图4的d轴电流限制特性25具有通常弱励磁控制和d轴电流限制这两个特性，但根据转矩波动也可以具有三个以上的特性。并且，如图4的d轴电流限制特性26所示那样，例如能够沿着时间、电动机转速继续使d轴电流减少，并且也能够将开始弱励磁控制的电动机转速r1设为可变。
另外，在上述实施方式1、2中，说明了在具备两组电动机绕组和两组逆变器电路的电动助力转向装置中，在一个电动机绕组组发生故障的情况下利用剩余的电动机绕组组继续进行控制的情况，但在一个电动机绕组组的一部分和另一个电动机绕组组的一部分发生故障时，仅利用两组的正常群组来继续进行控制的情况下，也能够同样地附加d轴电流限制。
具体而言，例如在两组电动机绕组组各自的逆变器电路中仅一相发生故障的情况下，即使在各个电动机绕组组执行两相驱动时，也能够通过附加d轴电流限制来减少转矩波动。并且，在电动机绕组组仅为1组的电动助力转向装置中，通过与两相驱动时同样地对d轴电流进行限制，从而也能够适用。

Claims (7)

1.一种电动助力转向装置，包括：
电动机，该电动机辅助车辆的驾驶员的转向转矩；以及
控制单元，该控制单元具有包含多个开关元件的逆变器电路，对所述电动机的驱动进行控制，
所述电动机至少具有相互独立的两组电动机绕组，
所述控制单元具有：
控制部，该控制部在d-q轴坐标系中运算用于驱动所述电动机的电流指令值；以及
输出部，该输出部利用与所述电流指令值相对应的驱动信号来驱动所述多个开关元件，从而能够独立地向所述两组电动机绕组的各个电动机绕组提供电流，所述电动助力转向装置的特征在于，
所述控制部中，
检测所述电动助力转向装置各部分的故障，
根据所检测到的故障，在利用正常的所述电动机绕组和所述逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与所述车辆的方向盘中产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制。
2.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述控制部在所述电动机的转速达到额定转速的情况下，使用根据预先确定的规定的转矩波动而预先决定的d轴电流值，继续进行控制。
3.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述控制部边切换根据预先确定的规定的转矩波动而预先决定的多个d轴电流值，边继续进行控制。
4.如权利要求3所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述控制部在利用没有发生故障的状态下的d轴电流首先继续进行了控制之后，在达到与所述转矩波动相对应的d轴电流值或d轴相位角的情况下，进行d轴电流的限制。
5.如权利要求3所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述控制部在利用没有发生故障的状态下的d轴电流首先继续进行了控制之后，在达到与所述转矩波动相对应的电动机转速的情况下，进行d轴电流的限制。
6.如权利要求1至5的任一项所述的电动助力转向装置，其特征在于，
还包括通知部，该通知部利用与故障检测时的通知方法不同的方法来通知所述控制部开始进行d轴电流的限制的情况。
7.一种电动助力转向装置的控制方法，由下述电动助力转向装置来实现，该电动助力转向装置包括：
电动机，该电动机辅助车辆的驾驶员的转向转矩；以及
控制单元，该控制单元具有包含多个开关元件的逆变器电路，对所述电动机的驱动进行控制，
所述电动机至少具有相互独立的两组电动机绕组，
所述控制单元具有：
控制部，该控制部在d-q轴坐标系中运算用于驱动所述电动机的电流指令值；以及
输出部，该输出部利用与所述电流指令值相对应的驱动信号来驱动所述多个开关元件，从而能够独立地向所述两组电动机绕组的各个电动机绕组提供电流，所述电动助力转向装置的控制方法的特征在于，具有下述步骤：
检测所述电动助力转向装置各部分的故障的步骤；
根据所检测到的故障，判定是否利用正常的所述电动机绕组和所述逆变器电路，通过弱励磁控制来继续进行控制的步骤；以及
在判定为继续进行控制的情况下，相对于没有发生故障的状态下的弱励磁控制，进行与所述车辆的方向盘中产生的转矩波动相对应的d轴电流的限制的步骤。
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