CN109757126A - 马达控制方法、马达控制***以及电动助力转向*** - Google Patents

马达控制方法、马达控制***以及电动助力转向*** Download PDF

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Abstract

马达控制方法包含以下步骤：获得至少一个测定扭矩角和两个推断扭矩角；针对由至少一个测定扭矩角和两个推断扭矩角构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，针对各组合而执行确定误差的运算；从具有传感器模式、无传感器模式和关机模式的多个控制模式中选择马达的控制模式，该选择是参照表而进行的，该表表示多个控制模式和与运算出的误差组相关的多个参照图案之间的关系；以及根据选择出的控制模式对马达进行控制。

Description

马达控制方法、马达控制***以及电动助力转向***
技术领域
本发明涉及马达控制方法、马达控制***以及电动助力转向***。
背景技术
近年来，电驱动***在各个应用领域中被广泛使用。作为电驱动***，例如举出马达控制***。马达控制***例如使用矢量控制对电动马达(以下，表述为“马达”。)进行控制。在矢量控制中存在使用几个电流传感器和位置传感器的方式。在矢量控制中，根据至少一个位置传感器的检测值来计算转子的位置。或者，能够根据在马达中流动的电流等来推断转子的位置。即使在矢量控制中使用的传感器中的一个传感器发生故障，则该马达控制***也会进行错误动作，很有可能无法复原。因此，积极地提出了检测马达控制***的传感器故障的各种方法。
专利文献1公开了基于位置传感器的检测值和无传感器法的马达控制。在转子的转速为低速时(例如起动时)，使用所谓的高频施加(HFI)法来推断转子的位置。另一方面，在转子的转速为中速至高速时，根据产生的反电动势来推断转子的位置。在低速时，由于产生的反电动势小，因此难以根据反电动势来推断转子的位置。因此，专利文献1的马达控制在低速时与中、高速时之间切换转子的位置的推断方法。通过对基于反电动势的推断值和位置传感器的检测值进行比较来检测位置传感器的故障。
专利文献2公开了以下方法：使用高频电流施加法和推断马达的磁通和反电动势的所谓的磁通观测器来推断转子的位置和转速。
非专利文献1公开了同步磁阻马达的无传感器矢量控制。在该无传感器矢量控制中，使用马达电流、马达电压、低通滤波器以及高频电压施加法等来推断转子的位置和转速。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第7,002,318号说明书
专利文献2：美国专利第8,378,605号说明书
非专利文献
非专利文献1：Ghaderi,Ahmad,and Tsuyoshi Hanamoto."Wide-speed-rangesensorless vector control of synchronous reluctance motors based on extendedprogrammable cascaded low-pass filters."IEEE Transactions on IndustrialElectronics,Vol.58,No.6,(June 2011),p.2322-2333.
发明内容
发明要解决的课题
在上述的现有技术中，传感器故障检测用的***结构必然变得复杂，例如，有可能产生多余的扭矩波动。尤其在使用多个传感器的情况下，该***结构变得更复杂，因此期望进一步简化该结构。
本发明的实施方式提供使用了能够简化***结构的传感器故障检测方法的新颖的马达控制方法和马达控制***。
用于解决课题的手段
本发明的例示的马达控制方法包含以下步骤：获得至少一个测定扭矩角和两个推断扭矩角，所述至少一个测定扭矩角基于由至少一个位置传感器测定的至少一个测定转子角，所述两个推断扭矩角基于两个无传感器控制算法；针对由所述至少一个测定扭矩角和所述两个推断扭矩角构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，针对各组合而执行确定误差的运算；从具有传感器模式、无传感器模式和关机模式的多个控制模式中选择所述马达的控制模式，所述选择是参照表而进行的，该表表示多个所述控制模式和与所述运算出的误差组相关的多个参照图案之间的关系；以及根据选择出的所述控制模式对所述马达进行控制。
本发明的例示的马达控制***具有：马达；至少一个位置传感器，其检测所述马达的转子角；以及控制电路，其选择所述马达的控制模式，根据选择出的控制模式对所述马达进行控制，所述控制电路获得至少一个测定扭矩角和两个推断扭矩角，所述至少一个测定扭矩角基于由所述至少一个位置传感器测定的至少一个测定转子角，所述两个推断扭矩角基于两个无传感器控制算法，针对由所述至少一个测定扭矩角和所述两个推断扭矩角构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，针对各组合而执行确定误差的运算，各误差在各组合的两个扭矩角之间求取，从具有传感器模式、无传感器模式和关机模式的多个控制模式中选择所述马达的控制模式，所述选择是参照表而进行的，该表表示多个所述控制模式和与所述运算出的误差组相关的多个参照图案之间的关系，根据选择出的所述控制模式对所述马达进行控制。
在本发明的例示的实施方式中，所述传感器模式是使用所述至少一个测定转子角来执行马达控制的模式，所述无传感器模式是使用利用所述两个无传感器控制算法分别推断出的两个推断转子角中的至少一个来执行所述马达控制的模式，所述关机模式是使所述马达控制完全关机的模式。
发明效果
根据本发明的例示的实施方式，提供使用了能够简化***结构的传感器故障检测方法的马达控制方法和马达控制***。
附图说明
图1是示出实施方式1的马达控制***1000的硬件块的框图。
图2是示出实施方式1的马达控制***1000中的逆变器300的硬件结构的框图。
图3是示出实施方式1的变形例的马达控制***1000的硬件块的框图。
图4是示出使用MR传感器710和传感器磁铁720来检测转子角所用的结构的示意图。
图5是示出传感器磁铁720产生了位置偏移时的情形的示意图。
图6是示出使用两个MR传感器710和传感器磁铁720来检测转子角所用的结构的示意图。
图7是示出控制器100的功能块的功能框图。
图8是dq旋转坐标系的矢量图。
图9是示出电角度θe、负荷角δ、推断相位角ρs以及合成磁通矢量之间的关系的图。
图10是详细地示出故障检测单元120的功能块的图。
图11是示出实施方式2的具有两个位置传感器700的马达控制***1000的硬件结构的框图。
图12是详细地示出使用了两个位置传感器700的情况下的故障检测单元120的功能块的图。
图13是示出在现有的马达控制***中使用MR传感器作为位置传感器的情况下磁铁传感器产生了位置偏移时的位置传感器误差和扭矩变动的曲线图。
图14是示出规定的期间内的扭矩波形、三相电流的波形以及三相电压的波形的曲线图。
图15是示出在规定的期间中磁铁传感器的旋转角度发生了变动时的扭矩变动的曲线图。
图16是示出在本发明的实施方式的马达控制***中使用MR传感器作为位置传感器的情况下磁铁传感器产生了位置偏移时的扭矩变动的曲线图。
图17是示出规定的期间内的扭矩波形、三相电流的波形以及三相电压的波形的曲线图。
图18是示出在本发明的马达控制***中在规定的期间内磁铁传感器的旋转角度发生了变动时的扭矩变动的曲线图。
图19是示出实施方式3的EPS***2000的典型结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的马达控制方法、马达控制***以及具有该马达控制***的电动助力转向***的实施方式进行详细说明。但是，为了避免以下的说明不必要地变得冗长、而使本领域技术人员易于理解，有时省略过度详细的说明。例如，有时省略对众所周知的事项的详细说明和对实质上相同的结构的重复说明。
(实施方式1)
[马达控制***1000的结构]
图1示意性示出本实施方式的马达控制***1000的硬件块。
典型地，马达控制***1000具有马达M、控制器(控制电路)100、驱动电路200、逆变器(也称作“逆变电路”。)300、关机电路400、多个电流传感器500、模数转换电路(以下，记作“AD转换器”。)600、位置传感器700、灯800以及ROM(Read Only Memory：只读存储器)900。马达控制***1000被模块化为例如动力组件，能够以具有马达、传感器、驱动器以及控制器的马达模块的形式制造和贩卖。另外，在本说明书中，以具有马达M作为结构要素的***为例，对马达控制***1000进行说明。但是，马达控制***1000也可以是不具有马达M作为结构要素的用于驱动马达M的***。
马达M例如是三相交流马达、以及表面磁铁型同步型马达(SPMSM)或者埋入磁铁型同步型马达(IPMSM)等永久磁铁同步马达。马达M例如具有三相(U相、V相以及W相)的绕组(未图示)。三相的绕组与逆变器300电连接。
控制器100例如是微控制单元(MCU)。或者，控制器100例如也能够由组装有CPU核心的现场可编程门阵列(FPGA)实现。
控制器100对马达控制***1000整体进行控制，例如通过矢量控制来控制马达M的扭矩和转速。另外，马达M不限于矢量控制，也能够通过其他闭环控制而进行控制。转速用单位时间(例如1分钟)内转子旋转的转数(rpm)来表示。矢量控制是将在马达中流动的电流分解为有助于产生扭矩的电流分量和有助于产生磁通的电流分量并且独立地对彼此垂直的各电流分量进行控制的方法。例如，控制器100根据由多个电流传感器500测定出的实际电流值和由位置传感器700测定出的转子角(即，来自位置传感器700的输出信号)等来设定目标电流值。控制器100根据该目标电流值而生成PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)信号，并输出给驱动电路200。
控制器100检测传感器故障，根据该检测结果来选择马达M的控制模式。控制器100根据所选择的控制模式而对马达M进行控制。马达M的控制模式具有传感器模式、无传感器模式以及关机模式。另外，传感器故障检测方法和各种控制模式在后文进行详细说明。
控制器100选择传感器模式作为初始的控制模式。控制器100在检测到位置传感器700的故障时，将控制模式从传感器模式切换为无传感器模式。换言之，控制器100在检测到传感器模式的控制(以下，表述为“传感器控制”。)的异常时，选择无传感器模式作为控制模式。而且，控制器100在检测到传感器控制和无传感器模式的控制(以下，表述为“无传感器控制”。)的异常时，使马达控制***1000完全停止。
控制器100例如能够生成关机信号和通知信号中的至少一个信号。控制器100将关机信号输出给关机电路400，将通知信号输出给灯800。例如，在传感器控制或无传感器控制没有产生异常时，关机信号和通知信号处于否定状态。控制器100在检测到传感器控制和无传感器控制双方的异常时能够断言各自的信号。
驱动电路200例如是栅极驱动器。驱动电路200根据从控制器100输出的PWM信号而生成对逆变器300中的开关元件的开关动作进行控制的控制信号。另外，如后所述，驱动电路200也可以安装于控制器100。
逆变器300例如将从直流电源(未图示)提供的直流电力转换为交流电力，利用转换后的交流电力来驱动马达M。例如，逆变器300根据从驱动电路200输出的控制信号将直流电力转换为作为U相、V相以及W相的伪正弦波的三相交流电力。利用该转换后的三相交流电力对马达M进行驱动。
关机电路400例如具有机械继电器、或者场效应晶体管(FET，典型地是MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等半导体开关元件。关机电路400电连接于逆变器300与马达M之间。关机电路400根据从控制器100输出的关机信号而对逆变器300与马达M的电连接进行切断。详细说明的话，当关机信号被断言时，关机电路400的半导体开关元件断开，逆变器300与马达M的电连接被切断。其结果为，关机电路400能够使从逆变器300向马达M的电力供给停止。
多个电流传感器500具有检测在马达M的U相、V相以及W相的绕组中流动的至少两个电流的至少两个电流传感器。在本实施方式中，多个电流传感器500具有检测在U相和V相中流动的电流的两个电流传感器500A、500B(参照图2)。当然，多个电流传感器500也可以具有检测在U相、V相以及W相的绕组中流动的三个电流的三个电流传感器，也可以具有检测例如在V相和W相中流动的电流或在W相和U相中流动的电流的两个电流传感器。电流传感器例如具有分流电阻和检测在分流电阻中流动的电流的电流检测电路(未图示)。分流电阻的电阻值例如是0.1Ω左右。
AD转换器600对从多个电流传感器500输出的模拟信号进行采样并将其转换为数字信号，然后将该转换后的数字信号输出给控制器100。另外，也可以是，控制器100进行AD转换。在该情况下，多个电流传感器500将模拟信号直接输出给控制器100。
位置传感器700配置于马达M，检测转子的位置。具体而言，位置传感器700检测马达M的转子角即转子的机械角。位置传感器700例如是具有磁阻(MR)元件的MR传感器和霍尔IC(包含霍尔元件)等磁传感器、分析器、或者旋转编码器。位置传感器700将转子的机械角输出给控制器100。由此，控制器100获得转子的机械角。
马达控制***1000例如能够具有速度传感器或加速度传感器来代替位置传感器700。在使用速度传感器来作为位置传感器的情况下，控制器100能够通过对转速信号或角速度信号进行积分处理等来计算转子的位置即旋转角。角速度用1秒内转子旋转的角度(rad/s)来表示。控制器100在使用加速度传感器来作为位置传感器的情况下，能够通过对角加速度信号进行积分处理等而计算旋转角。在本说明书中，位置传感器包含用于获得转子角的所有传感器。例如，包含上述的磁传感器、速度传感器或加速度传感器。此外，“获得”包含例如从外部获取转子的机械角的情况和控制器100自身运算并获得转子的机械角的情况。
灯800例如具有LED(Light Emitting Diode：发光二极管)。例如，在控制器100断言通知信号时，灯800响应该断言而点亮为红色。例如，考虑车载用的马达控制***1000。在该情况下，灯800能够与车速表和转速表等仪表一同配置于仪表板的仪表盘上。
ROM 900例如是可写入的存储器(例如PROM)、可重写的存储器(例如闪存)或者读出专用的存储器。ROM 900保存有具有用于使控制器100控制马达M的命令组的控制程序。例如，在启动时，控制程序暂时展开在RAM(未图示)中。另外，ROM 900无需外置于控制器100，也可以搭载于控制器100。搭载有ROM 900的控制器100例如能够是上述的MCU。
参照图2，对逆变器300的硬件结构进行详细说明。
图2示意性地示出本实施方式的马达控制***1000中的逆变器300的硬件结构。
逆变器300具有三个下桥臂的开关元件和三个上桥臂的开关元件。图示的开关元件SW_L1、SW_L2以及SW_L3是下桥臂的开关元件，开关元件SW_H1、SW_H2以及SW_H3是上桥臂的开关元件。作为开关元件，例如能够使用FET和IGBT。开关元件具有供朝向马达M流动的再生电流流通的续流二极管。
在图2中示出检测在U相和V相中流动的电流的两个电流传感器500A、500B的分流电阻Rs。如图所示，例如分流电阻Rs能够电连接于下桥臂的开关元件与地之间。或者，例如，分流电阻Rs能够电连接于上桥臂的开关元件与电源之间。
控制器100例如能够通过进行使用了矢量控制的三相通电控制来驱动马达M。例如，控制器100生成用于进行三相通电控制的PWM信号，将该PWM信号输出给驱动电路200。驱动电路200根据PWM信号而生成用于对逆变器300中的各FET的开关动作进行控制的栅极控制信号并提供给各FET的栅极。
图3示意性地示出本实施方式的变形例的马达控制***1000的硬件块。
如图所示，马达控制***1000也可以不具有驱动电路200。在该情况下，控制器100具有直接对逆变器300的各FET的开关动作进行控制的端口。具体说明的话，控制器100根据PWM信号而生成栅极控制信号。控制器100能够经由该端口输出栅极控制信号，将该栅极控制信号提供给各FET的栅极。
[传感器故障检测方法]
首先，在说明传感器故障检测的算法之前，参照图4至6，以使用了MR传感器710和传感器磁铁720的转子角的检测为例，对本发明的传感器故障进行说明。传感器故障具有位置传感器700的故障和电流传感器500的故障。在本说明书中，传感器故障主要是指前者的故障。另外，电流传感器的故障例如是分流电阻的破损。
图4示意性地示出使用MR传感器710和传感器磁铁720来检测转子角所用的结构。图5示意性地示出传感器磁铁720产生了位置偏移的情形。
在本实施方式中，使用一个MR传感器710作为位置传感器。MR传感器710例如设置于马达M的电路板730。另一方面，传感器磁铁720通过注射成型等而设置于马达M的轴RS。由此，传感器磁铁720被牢固地固定于轴RS。例如，在汽车的低价的电动助力转向(EPS)用的马达控制***中，能够采用这样的结构。伴随着轴RS的旋转，传感器磁铁720也旋转。因此，MR传感器710能够检测由于其磁极的位置变化而引起的磁通的变化。
通常，传感器磁铁720处于牢固地固定于轴RS的状态。但是，当从外部对汽车等车辆施加了任何较强的碰撞(例如，在车辆爬上路缘石时可能产生的碰撞)时，该碰撞传递给轴RS，从而有可能导致传感器磁铁720破损或变形。或者，如图5所示，例如，传感器磁铁720可能绕着轴RS的旋转轴线旋转。其结果为，传感器磁铁720的安装位置有可能偏移。一旦产生了位置偏移就很难将传感器磁铁720恢复到最初的位置。由于破损、变形或位置偏移而导致MR传感器710难以准确地检测转子角。在本说明书中，位置传感器的故障不仅包含位置传感器(例如，MR传感器710)自身的故障也包含例如传感器磁铁720的破损、变形或者位置偏移。
图6示意性地示出用于使用了两个MR传感器710和传感器磁铁720来检测转子角的结构。
如图4所示，在通常的马达控制***中，例如，使用最少一个MR传感器710来检测转子角。与此相对，例如在高功能EPS用的马达控制***中，根据汽车用功能安全标准(ISO26262)等的要求，至少使用两个MR传感器。例如，惯例地像图6所示那样使用两个MR传感器710。
对于高功能EPS等的车载用途的马达，积极地采纳如下的冗长设计和故障对策：即使一方的传感器发生了故障，也使用另一方的传感器来继续进行马达驱动。在没有产生传感器故障时，两个MR传感器710的输出相同。当至少一方发生故障时，两个MR传感器710的输出示出不同的值。这样，能够通过对两个MR传感器710的输出进行比较来判定有无传感器故障。然而，在产生了图6所示那样的传感器磁铁720的位置偏移的情况下，尽管发生了传感器故障，但两个MR传感器710的输出示出相同的值。但是，两个MR传感器710的输出都不妥当。因此，难以通过对两个MR传感器710的输出进行比较的现有的方法来检测因传感器磁铁720发生了位置偏移而引起的传感器故障。
由于可能产生非预期的扭矩变动，因此从提高EPS的安全性的观点出发，优选为，尽可能地避免在马达控制***1000产生了传感器故障的状态下继续进行马达驱动。因此，需要检测或推断由于例如传感器磁铁720的破损等而引起的传感器控制的异常。在传感器控制无法进行的情况下，优选为，例如将马达控制从传感器控制切换为无传感器控制从而继续进行马达驱动。通过该切换，EPS能够继续辅助驾驶人员的转向操作。
在传感器控制和无传感器控制都无法进行的情况下，优选为，停止EPS的驱动即马达控制***1000的驱动。能够通过停止来提高EPS的安全性。这样，对于特别要求安全性的EPS用马达控制***，期望如下的对策：检测传感器故障，根据该检测结果而切换为适当的控制模式。
参照图7至图10，对本实施方式的传感器故障检测的算法进行详细说明。
具有本实施方式的传感器故障检测方法的马达控制的算法既能够仅由例如专用集成电路(ASIC)或FPGA等硬件实现，也能够通过硬件和软件的组合而实现。
图7示意性地示出控制器100的功能块。在本说明书中，功能框图中的各块不是以硬件单位而是以功能块单位来示出的。软件能够是例如构成用于执行与各功能块对应的特定的处理的计算机程序的模块。
控制器100例如具有运算核心单元110、故障检测单元120、选择器130以及马达控制单元140。另外，在本说明书中，为了便于说明，将各功能块表述为“单元”。当然，并不是出于将各功能块限定解释为硬件或软件的意图来使用该表述。
在各功能块以软件的形式安装于控制器100的情况下，该软件的执行主体能够是例如控制器100的核心。如上所述，控制器100能够由FPGA实现。在该情况下，全部或一部分的功能块能够由硬件实现。此外，通过使用多个FPGA来使处理分散，能够使特定的计算机的运算负荷分散。在该情况下，图7所示的功能块的全部或一部分能够分散安装于该多个FPGA。多个FPGA例如通过车载的控制器局域网络(CAN)而彼此连接起来，从而能够进行数据的收发。
运算核心单元110例如取得电流Ia、Ib、参考电压Va *、Vb *以及Vc *，进行各种运算，从而生成测定扭矩角δs、推断扭矩角δsl1、δsl2、测定转子角θs以及推断转子角θsl。测定扭矩角δs、推断扭矩角δsl1和δsl2被输出给故障检测单元120，测定转子角θs和推断转子角θsl被输出给选择器130。在本说明书中，设在马达M的U相的绕组中流动的电流为Ia、在马达M的V相的绕组中流动的电流为Ib以及在马达M的W相的绕组中流动的电流为Ic。
例如，在三相通电控制中，在各相中流动的电流的总和为零。换言之，满足电流Ia、Ib以及Ic的总和为零的关系。运算核心单元110接受电流Ia、Ib以及Ic中的两个电流，通过运算来求取剩余的一个电流。在本实施方式中，运算核心单元110取得由电流传感器500A测定出的电流Ia和由电流传感器500B测定出的电流Ib。运算核心单元110使用电流Ia、Ib以及Ic的总和为零的上述关系，根据电流Ia、Ib来运算电流Ic。由此，获得了电流Ia、Ib以及Ic。另外，也可以是，将使用三个电流传感器而测定出的电流Ia、Ib以及Ic输入到运算核心单元110。
运算核心单元110使用在矢量控制等中使用的所谓的克拉克变换，将电流Ia、Ib以及Ic转换为αβ固定坐标系中的α轴上的电流Iα和β轴上的电流Iβ。这里，αβ固定坐标系是静止坐标系，三相中的一相的方向(例如U相方向)是α轴，与α轴垂直的方向是β轴。
运算核心单元110还使用在矢量控制等中使用的所谓的派克变换，将电流Iα、Iβ转换为dq旋转坐标系中的d轴上的电流Id和q轴上的电流Iq。该派克变换是根据转子的电角度θe而进行的。这里，dq旋转坐标系是与转子一同旋转的旋转坐标系。具体说明的话，运算核心单元110根据下述的公式(1)，将由位置传感器700测定出的转子的机械角θm转换为电角度θe。运算核心单元110将电角度θe设定为测定转子角θs，将测定转子角θs输出给选择器130。
θe＝(P/2)·θm 公式(1)
其中，P是极数。
运算核心单元110使用克拉克变换，将参考电压Va *、Vb *以及Vc *转换为αβ固定坐标系中的α轴上的参考电压Vα *和β轴上的参考电压Vβ *。参考电压Va *、Vb *以及Vc *表示用于对逆变器300的各开关元件进行控制的上述的PWM信号。
图8是dq旋转坐标系的矢量图。
如图8所示，运算核心单元110运算例如以dq旋转坐标系为基准的反电动势矢量(大小Vs)在α轴上的分量BEMFα和β轴上的分量BEMFβ。具体说明的话，运算核心单元110根据下述的公式(2)，以电流Iα和参考电压Vα *的函数的形式来运算反电动势BEMFα。此外，运算核心单元110根据下述的公式(2)，以电流Iβ和参考电压Vβ *的函数的形式来运算反电动势BEMFβ。
BEMFα＝Vα *-R·Iα，BEMFβ＝Vβ *-R·Iβ 公式(2)
其中，R是电枢电阻。电枢电阻R例如由控制器100的核心设定于运算核心单元110。
运算核心单元110根据下述的公式(3)来运算反电动势矢量的大小BEMF(＝Vs)。
BEMF＝(BEMFα 2+BEMFβ 2)1/2 公式(3)
运算核心单元110根据下述的公式(4)来运算测定扭矩角δs。通过该运算，获得了基于由位置传感器700测定的测定转子角θs的测定扭矩角δs。扭矩角一般也被称作负荷角。如图8所示，在dq旋转坐标系中，扭矩角δ例如是反电动势矢量与q轴之间的角度，是以逆时针方向作为正方向的角度。
δs＝tan-1[(Vd-R·Id)/(Vq-R·Iq)] 公式(4)
其中，Vd是电枢电压的d轴分量，Vq是电枢电压的q轴分量。
运算核心单元110根据彼此不同的两个无传感器控制算法来运算推断扭矩角δsl1、δsl2。运算核心单元110例如能够根据下述的公式(5)和(6)来运算推断扭矩角δsl1、δsl2。通过该运算，获得了两个推断扭矩角δsl1、δsl2。
δsl1＝sin-1[(L·Is·cosΦ)/Ψm] 公式(5)
δsl2＝cot-1{[Ψs/(L·Is·cosΦ)]-tanΦ} 公式(6)
其中，L是电枢电感，Is表示图8所示的电枢电流矢量的大小。角度Φ表示图8所示的电枢电流矢量与反电动势矢量之间的角度。此外，在图8中，Ψm例如是指因转子的永久磁铁引起的磁通(称作“磁铁磁通”。)的矢量的大小，Ψa是指定子的绕组生成的磁通(称作“电枢磁通”。)的矢量的大小。Ψs是指通过对磁铁磁通矢量和电枢磁通矢量进行合成而得到的合成磁通矢量的大小。
本发明的无传感器控制算法不限于使用上述的运算式的方法。能够广泛地采用公知的各种方法。例如，能够使用在非专利文献1中公开的方法。通过使用多种不同的方法来推断扭矩角从而检测传感器的故障的方法属于本发明的范畴。
图9示出电角度θe、负荷角δ、推断相位角ρs以及合成磁通矢量之间的关系。
如图9所示，例如在αβ固定坐标系中，推断相位角ρs是用合成磁通矢量与α轴之间的角度来定义的，是以逆时针方向作为正方向的角度。推断相位角ρs是根据下述的公式(7)而求出的。
ρs＝tan-1(Ψβ/Ψα) 公式(7)
其中，在反电动势与磁通之间，BEMFα/BEFM＝Ψβ/Ψs、BEMFβ/BEFM＝Ψα/Ψs的关系成立。使用该关系对公式(7)进行变形，从而导出了公式(8)。运算核心单元110根据公式(8)来运算推断相位角ρs。
ρs＝tan-1(BEMFβ/BEMFα) 公式(8)
运算核心单元110例如根据下述的公式(9)来运算两个推断转子角θsl1、θsl2。运算核心单元110使用两个推断转子角θsl1、θsl2中的至少一个而生成推断转子角θsl。对具体例进行说明的话，运算核心单元110可以将推断转子角θsl1或θsl2确定为推断转子角θsl，也可以将两个推断转子角θsl1、θsl2的平均值确定为推断转子角θsl。
θsl1＝ρs-δsl1，θsl2＝ρs-δsl2 公式(9)
接下来，参照图10对故障检测单元120进行详细说明。
图10示意性地示出故障检测单元120的功能块。
故障检测单元120能够从运算核心单元110接受测定扭矩角δs、推断扭矩角δsl1和δsl2，并且生成关机信号、通知信号以及SEL信号。故障检测单元120具有表122和三个比较器121A、121B以及121C。在故障检测单元120中采用所谓的投票***。
各比较器具有两个输入和一个输出。各比较器运算两个输入的误差，比较该误差与规定的允许值(Angle Max)之间的电平的大小。例如，各比较器在误差为规定的允许值以上时，输出高电平(Hi)的数字信号“1”，在误差不到规定的允许值时，输出低电平(Lo)的数字信号“0”。能够考虑例如所要求的马达控制***的灵敏度等来确定规定的允许值。规定的允许值例如能够设为10°左右。通过将规定的允许值设定得较高，允许的误差会变得更大，通过将规定的允许值设定得较低，允许的误差会变得更小。
故障检测单元120针对由一个测定扭矩角δs、两个推断扭矩角δsl1和δsl2构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，针对各组合而执行确定误差的运算。在该例子中，对于由三个输入构成的集合，能够得到三个组合{(δs，δsl1)，(δsl1，δsl2)，(δsl2，δs)}。
向比较器121A输入测定扭矩角δs和推断扭矩角δsl1。比较器121A计算测定扭矩角δs与推断扭矩角δsl1之间的误差，输出与误差和规定的允许值的比较结果对应的信号comp1。向比较器121B输入两个推断扭矩角δsl2、δsl2。比较器121B计算两个推断扭矩角δsl1、δsl2之间的误差，输出与误差和规定的允许值的比较结果对应的信号comp2。向比较器121C输入推断扭矩角δsl2和测定扭矩角δs。比较器121C计算推断扭矩角δsl2与测定扭矩角δs之间的误差，输出与误差和规定的允许值的比较结果对应的信号comp3。
表122示出多个控制模式与和运算出的误差组相关的多个参照图案之间的关系。由上述的信号comp1、2以及3构成了误差组。多个控制模式具有上述的传感器模式、无传感器模式以及关机模式。
(1)传感器模式是使用至少一个测定转子角θs来执行马达控制的模式。在本实施方式中，传感器模式是使用一个测定转子角θs来执行马达控制的模式。
(2)无传感器模式是使用利用两个无传感器控制算法分别推断出的两个推断转子角θsl1、θsl2中的至少一个来执行马达控制的模式。
(3)关机模式是使马达控制完全关机的模式。
表1示出本实施方式的三个控制模式与多个参照图案之间的具体关系。故障检测单元120参照表122，从三个控制模式中选择马达的控制模式。
[表1]
当误差组中的三个信号comp1、2以及3全部为高电平时，换言之，当三个组合的所有的误差为规定的允许值以上时，故障检测单元120选择关机模式，将例如关机信号和通知信号断言为“1”。关机信号输出给关机电路400(参照图1)。由此，马达控制***1000停止。此外，通知信号输出给灯800。由此，能够通过灯800的闪烁等而向驾驶人员警告(唤起注意)传感器产生了故障。
例如，考虑上述的EPS用的马达控制***。在该情况下，通过关机信号而使马达控制***1000完全停止，从而将基于传感器控制和无传感器控制的马达控制***1000的错误动作防患于未然。而且，警告灯根据通知信号而点亮或者闪烁，因此能够立刻向驾驶员警告产生故障。驾驶员能够根据该警告而谨慎地进行转向操作，并且使汽车安全地停止于例如路肩。这样，能够根据关机信号和通知信号来确保驾驶员的安全。
在误差组的三个信号comp1、2以及3中的信号comp2为低电平并且剩余的两个信号comp1、3中的至少一个为高电平时，故障检测单元120选择无传感器模式。此时，故障检测单元120例如生成表示“1”的sel信号并输出给选择器130。另外，关机信号和通知信号被维持在否定状态。
高电平的信号comp1和3表示两个推断转子角θsl1、θsl2的值不妥当。该现象例如能够因用于测定无传感器控制算法所需的电枢电流的电流传感器500的故障而引起。
故障检测单元120在上述的条件以外的情况下选择传感器模式，维持传感器控制。此时，故障检测单元120例如生成表示“0”的sel信号并输出给选择器130。另外，关机信号和通知信号被维持在否定状态。
再次参照图7。
向选择器130输入测定转子角θs和推断转子角θsl。选择器130根据sel信号而将测定转子角θs或推断转子角θsl输出给马达控制单元140。详细说明的话，当sel信号表示“0”时，选择器130选择测定转子角θs，当sel信号表示“1”时，选择器130选择推断转子角θsl。由此，将与故障检测单元120的检测结果对应的转子角输出给马达控制单元140。
马达控制单元140进行例如一般的矢量控制所需的运算。另外，由于矢量控制是公知的技术，因此省略关于该控制的详细说明。马达控制单元140能够通过传感器控制或无传感器控制而对马达M进行控制。马达控制单元140通常在传感器模式下使用测定转子角θs进行传感器控制。当故障检测单元120检测到传感器控制的异常时，马达控制单元140在无传感器模式下使用推断转子角θsl来进行无传感器控制。
上述的马达控制单元140例如也可以具有通过克拉克变换将电流Ia、Ib以及Ic转换为电流Iα、Iβ的功能以进行矢量控制。马达控制单元140还可以具有通过派克变换将电流Iα、Iβ转换为电流Id、Iq的功能。在该情况下，运算核心单元110也可以代替自身进行运算，而从马达控制单元140获得电流Iα、Iβ、电流Id、Iq中的至少一个。
根据本实施方式，能够使用简化的算法来检测传感器控制和无传感器控制的异常，并且能够在规定的条件下使马达控制***停止。其结果为，能够进一步提高马达控制***的安全性。
(实施方式2)
图11示意性地示出本实施方式的具有两个位置传感器700的马达控制***1000的硬件结构。
本发明的马达控制***能够具有至少一个位置传感器700。例如，如图11所示，本实施方式的EPS用的马达控制***1000具有两个位置传感器700。在该情况下，运算核心单元110按照上述的过程来运算基于由两个位置传感器700测定出的两个测定转子角θs1、θs2的两个测定扭矩角δs1、δs2。两个测定扭矩角δs1、δs2被输出给故障检测单元120。在本实施方式中，运算核心单元110也可以将测定转子角θs1或θs2确定为测定转子角θs，也可以将测定转子角θs1、θs2的平均值确定为测定转子角θs。
图12示意性地示出使用了两个位置传感器700的情况下的故障检测单元120的详细的功能块。
故障检测单元120针对由两个测定扭矩角δs1、δs2和两个推断扭矩角δsl1、δsl2构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，能够针对各组合而执行确定误差的运算。在该例子中，对于由四个输入构成的集合，得到了六个组合{(δs1，δs2)，(δs1，δsl1)，(δs1，δsl2)，(δs2，δsl1)，(δs2，δsl2)，(δsl1，δsl2)}。
在本实施方式中，故障检测单元120具有与六个组合对应的六个比较器121A～121F。六个比较器121A～121F根据上述的比较结果而输出六个信号comp1～6。
表2示出本实施方式的三个的控制模式与多个参照图案之间的具体关系。
[表2]
当误差组中的六个信号comp1～6全部为高电平时，换言之，当六个组合的所有误差为规定的允许值以上时，故障检测单元120选择关机模式，将例如关机信号和通知信号断言为“1”。
在表2中，无传感器模式的上部示出两个位置传感器700中的一个位置传感器发生故障从而测定扭矩角δs1不妥当时的参照图案。无传感器模式的中部示出两个位置传感器700中的一个位置传感器发生故障从而测定扭矩角δs2不妥当时的参照图案。无传感器模式的下部示出两个位置传感器700发生故障从而测定扭矩角δs1、δs2双方都不妥当时的参照图案。
当误差组中的六个信号comp1～6中的信号comp6为低电平并且剩余的五个信号comp1～5中的至少一个为高电平时，故障检测单元120选择无传感器模式。换言之，当一个组合中的两个推断扭矩角δsl1、δsl2之间的误差不到规定的允许值并且剩余的组合中的误差组中的至少一个为规定的允许值以上时，故障检测单元120选择无传感器模式。此时，故障检测单元120例如生成表示“1”的sel信号并输出给选择器130。
故障检测单元120在上述的条件以外的情况下选择传感器模式，继续进行传感器控制。此时，故障检测单元120例如生成表示“0”的sel信号并输出给选择器130。
根据本实施方式，在具有两个以上的位置传感器的马达控制***中，能够使用简化的算法来检测传感器控制和无传感器控制的异常，并且能够在规定的条件下使马达控制***停止。由此，例如通过将马达控制***1000用于高功能EPS用***，能够进一步提高EPS的安全性。
以下，示出使用MathWorks公司的Matlab/Simulink来验证了在本发明的传感器故障检测中使用的算法的妥当性的结果。在该验证中使用了表面磁铁型(SPM)马达的模型。在表3中示出了验证时的各种***参数的值。
[表3]
惯性矩 6.9e<sup>-5</sup>[kg·m<sup>2</sup>]
摩擦系数 5.1e<sup>-3</sup>[Nm/(rad/s)]
电阻(马达+ECU)) 8.50mΩ+5.43mΩ
L<sub>d</sub>(标称) 40.7μH
L<sub>q</sub>(标称) 38.8μH
电压范围 10～16V
温度范围 -40℃～90℃
马达类型 DC无刷马达
极数 8
槽数 12
最大电流 77A
额定电压 13.5V
额定温度 80℃
最大扭矩 5.96N·m
绕组的直径 φ1.45mm
匝数 11.5
图13是示出在现有的马达控制***中使用MR传感器作为位置传感器的情况下磁铁传感器产生了位置偏移时的位置传感器误差(角度)和扭矩变动的曲线图。位置传感器误差表示磁铁传感器的旋转角。图14示出规定的期间(0.49秒至0.51秒)内的扭矩波形、三相电流(Ia、Ib、Ic)的波形以及三相电压(Va、Vb、Vc)的波形。图13的横轴表示时间(s)，纵轴表示扭矩(N·m)和磁铁传感器的旋转角。图14的横轴表示时间(ms)，纵轴表示扭矩(N·m)、电流(A)以及电压(V)。
在图13中示出了在时刻0.5s磁铁传感器绕着轴旋转了-90度(顺时针90度)时的扭矩变动。可知，在磁铁传感器开始旋转的时刻0.5s，扭矩从正方向向负方向瞬时发生了变动。
图15示出了在规定的期间(0秒至2.5秒)中磁铁传感器的旋转角度发生了变动时的扭矩变动。横轴表示时间(s)，纵轴表示扭矩(N·m)。磁铁传感器一旦旋转，之后其旋转角度能够时刻发生变化。在该例子中，假定为，磁铁传感器首先在时刻0.5s成为以初始位置为基准旋转了-30度后的状态，在时刻1.5s成为以初始位置为基准旋转了30度后的状态，在时刻2.0s成为以初始位置为基准旋转了60度后的状态。扭矩变动量也根据磁铁传感器的旋转角度而变化。图15的曲线图所示的时刻0至0.5s的期间没有产生传感器磁铁的位置偏移。以该期间的扭矩为基准的话，可知，传感器磁铁旋转了-30度和60度时的扭矩变得小于该基准(称作“转向不足”。)，另一方面，传感器磁铁旋转了30度时的扭矩变得大于该基准(称作“转向过度”)。
图16是示出在本发明的马达控制***1000中使用MR传感器710作为位置传感器的情况下磁铁传感器720产生了位置偏移时的扭矩变动的曲线图。图17示出规定的期间(0.49秒至0.51秒)内的扭矩波形、三相电流的波形以及三相电压的波形。图16的横轴表示时间(s)，纵轴表示扭矩(N·m)。图17的横轴表示时间(ms)，纵轴表示扭矩(N·m)、电流(A)以及电压(V)。
在该模拟中，磁铁传感器720在时刻0.5s旋转90度，扭矩在时刻0.5s瞬时发生变动，但扭矩能够在短时间内恢复到产生位置偏移之前的扭矩(目标扭矩)。具体说明的话，故障检测单元120在时刻0.5s检测到传感器控制的异常，将控制模式从传感器模式切换到无传感器模式。通过该切换，EPS能够继续辅助驾驶人员的转向操作。
图18示出在本发明的马达控制***1000中在规定的期间(0秒至2.5秒)内磁铁传感器720的旋转角度发生了变动时的扭矩变动。横轴表示时间(s)，纵轴表示扭矩(N·m)。
磁铁传感器720像上述那样假定为，首先在时刻0.5s成为以初始位置为基准旋转了-30度的状态，在时刻1.5s成为以初始位置为基准旋转了30度的状态，在时刻2.0s成为以初始位置为基准旋转了60度的状态。如图18的曲线图所示，在最初产生位置偏移的时刻0.5s，扭矩瞬时发生变动，但这之后，即使磁铁传感器的旋转角度发生变化，扭矩也能够在短时间内恢复到目标扭矩。可知，不会产生转向不足和转向过度。
(实施方式3)
图19示意性地示出本实施方式的EPS***2000的典型结构。
汽车等车辆一般具有EPS***。本实施方式的EPS***2000具有转向***520和生成辅助扭矩的辅助扭矩机构540。EPS***2000生成辅助扭矩，该辅助扭矩对通过驾驶员操作方向盘而产生的转向***的转向扭矩进行辅助。通过辅助扭矩，减轻了驾驶员操作的负担。
转向***520例如能够由方向盘521、转向轴522、万向联轴器523A、523B、旋转轴524、齿轮齿条机构525、齿条轴526、左右的球窝接头552A、552B、拉杆527A、527B、转向节528A、528B以及左右的转向车轮529A、529B构成。
辅助扭矩机构540例如由转向扭矩传感器541、汽车用电子控制单元(ECU)542、马达543以及减速机构544等构成。转向扭矩传感器541检测转向***520的转向扭矩。ECU 542根据转向扭矩传感器541的检测信号而生成驱动信号。马达543根据驱动信号而生成与转向扭矩对应的辅助扭矩。马达543经由减速机构544将所生成的辅助扭矩传递给转向***520。
ECU 542例如具有实施方式1的控制器100和驱动电路200等。在汽车中构建了以ECU为核心的电子控制***。在EPS***2000中，例如，由ECU 542、马达543以及逆变器545构建了马达控制***。作为该马达控制***，优选使用实施方式1的马达控制***1000。
本发明的实施方式也优选用于要求传感器的故障检测能力的线控换档、线控转向、线控制动以及牵引马达等的马达控制***。例如，本发明的实施方式的马达控制***能够搭载于与由日本政府和美国高速公路安全管理局(NHTSA)规定的电平0至4(自动化的基准)对应的自动驾驶车辆。
产业上的可利用性
本发明的实施方式能够广泛用于吸尘器、烘干机、吊扇、洗衣机、冰箱以及电动助力转向***等具有各种马达的多种设备。
标号说明
100：控制器；110：运算核心单元；120：故障检测单元；130：选择器；140：马达控制单元；200：驱动电路；300：逆变器；400：关机电路；500、500A、500B：电流传感器；600：AD转换器；700：位置传感器；710：MR传感器；720：传感器磁铁；800：灯；900：ROM；1000：马达控制***；2000：EPS***。

Claims (8)

1.一种马达控制方法，其中，
所述马达控制方法包含以下步骤：
获得至少一个测定扭矩角和两个推断扭矩角，所述至少一个测定扭矩角基于由至少一个位置传感器测定的至少一个测定转子角，所述两个推断扭矩角基于两个无传感器控制算法；
针对由所述至少一个测定扭矩角和所述两个推断扭矩角构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，针对各组合而执行确定误差的运算；
从具有传感器模式、无传感器模式和关机模式的多个控制模式中选择所述马达的控制模式，所述选择是参照表而进行的，该表表示多个所述控制模式和与所述运算出的误差组相关的多个参照图案之间的关系；以及
根据选择出的所述控制模式对所述马达进行控制，
所述传感器模式是使用所述至少一个测定转子角来执行马达控制的模式，
所述无传感器模式是使用利用所述两个无传感器控制算法分别推断出的两个推断转子角中的至少一个来执行所述马达控制的模式，
所述关机模式是使所述马达控制完全关机的模式。
2.根据权利要求1所述的马达控制方法，其中，
所述两个无传感器控制算法彼此不同。
3.根据权利要求1或2所述的马达控制方法，其中，
在参照所述表来选择所述控制模式的步骤中，当所述所有组合中的全部误差为规定的值以上时，选择所述关机模式。
4.根据权利要求1或2所述的马达控制方法，其中，
在参照所述表来选择所述控制模式的步骤中，当一个组合中的所述两个推断扭矩角之间的误差小于规定的值并且剩余的组合中的误差组中的至少一个为所述规定的值以上时，选择所述无传感器模式。
5.根据权利要求1或2所述的马达控制方法，其中，
在参照所述表来选择所述控制模式的步骤中，
当所述所有组合中的全部误差为规定的值以上时，选择所述关机模式，
当所述两个推断扭矩角之间的一个组合中的误差小于规定的值并且剩余的组合中的误差组中的至少一个为所述规定的值以上时，选择所述无传感器模式，
当上述以外的情况时，选择所述传感器模式。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的马达控制方法，其中，
所述至少一个位置传感器具有磁阻传感器。
7.一种马达控制***，其中，
所述马达控制***具有：
马达；
至少一个位置传感器，其检测所述马达的转子角；以及
控制电路，其选择所述马达的控制模式，根据选择出的控制模式对所述马达进行控制，
所述控制电路获得至少一个测定扭矩角和两个推断扭矩角，所述至少一个测定扭矩角基于由所述至少一个位置传感器测定的至少一个测定转子角，所述两个推断扭矩角基于两个无传感器控制算法，
针对由所述至少一个测定扭矩角和所述两个推断扭矩角构成的集合，求取可组合的两个扭矩角的所有组合，针对各组合而执行确定误差的运算，各误差在各组合的两个扭矩角之间求取，
从具有传感器模式、无传感器模式和关机模式的多个控制模式中选择所述马达的控制模式，所述选择是参照表而进行的，该表表示多个所述控制模式和与所述运算出的误差组相关的多个参照图案之间的关系，
根据选择出的所述控制模式对所述马达进行控制，
所述传感器模式是使用所述至少一个测定转子角来执行马达控制的模式，
所述无传感器模式是使用利用所述两个无传感器控制算法分别推断出的两个推断转子角中的至少一个来执行所述马达控制的模式，
所述关机模式是使所述马达控制完全关机的模式。
8.一种电动助力转向***，其中，
所述电动助力转向***具有权利要求7所述的马达控制***。
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