DE112009001975T5

DE112009001975T5 - Sensorlose Motorsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112009001975T5
Application number: DE112009001975T
Authority: DE
Inventors: Keisuke Aichi Nishimura; Zhigian Aichi Chen
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-07-21
Also published as: US8314579B2; US20100156334A1; WO2010073865A1; CN102124644B; CN102124644A; JP5151965B2; JP2010154597A

Abstract

Eine sensorlose Motorsteuervorrichtung mit einem Magnetpolpositionsermittlungsmittel, das keinen Sensor verwendet, um eine Magnetpolposition eines Motors mit einem Außenpolrotor zu erfassen, und einen Hochfrequenzstrom dem Motor überlagert, um die Magnetpolposition des Rotors des Motors zu ermitteln, welche sensorlose Motorsteuervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie enthält: ein Hochfrequenzstromsteuermittel zum Ändern einer Größe des Hochfrequenzstroms, basierend auf einer Größe eines von Drehmoment und Strom des Motors.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebssteuervorrichtung für einen Motor und bezieht sich genauer auf eine sensorlose Vektorsteuervorrichtung, die einen Positionswinkel eines Rotors basierend auf einem durch den Motor fließenden Hochfrequenzstrom und einer am Motor liegenden Hochfrequenzspannung zur Verwendung als ein Positionswinkel in einer Vektorsteuerberechnung berechnet. Die sensorlose Motorsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug (EV) verwendet werden, das einen Motor zum Antrieb der Räder verwendet, sowie in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV) mit einem Motor, dessen Batterie durch Antrieb des Verbrennungsmotors wieder geladen wird.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP.-A-H11-299299
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP-A-2007-236015

In dem Patentdokument 1 wird ein von einem Generator 10 erzeugter harmonischer Strom einem id von Sollströmen id, iq auf zwei Achsen einer Motorvektorsteuerung überlagert (aufaddiert). Eine Motorspannung wird erfasst und aus der Spannung wird eine q-Achsenspannung berechnet und dann differenziert. Ein Positionsfehlerdetektor 15 berechnet einen Positionsfehler, woraufhin ein Positionswinkel eines angestrebten Spaltmagnetflusses berechnet wird. Im Patentdokument 2 wird eine induzierte Spannung eines Motors basierend auf einem d-Achsenspannungsbefehl einer Motorvektorsteuerung und d-Achsen- und q-Achsenströme des Motors berechnet. Anschließend berechnet eine Positionsberechnung einen Positionswinkel θ basierend auf der induzierten Spannung.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die Positionswinkelberechnung, die hohe Frequenzen verwendet, stützt sich auf orthogonale biaxiale Induktanzen Ld, Lq. In dem Motor tritt jedoch ein Leistungsverlust bzw. eine Verlustleistung aufgrund des in den Motor eingeleiteten Hochfrequenzstroms oder der harmonischen Komponente in dem Motorstrom auf und erzeugt Rauschen. Im Hinblick darauf ist eine Verminderung des Hochfrequenzstroms oder des harmonischen Stroms wünschenswert, aber eine Verminderung würde das Signal/Rauschverhältnis in den Ld-, Lq-Berechnungen vermindern und den Fehler in der Positionswinkelberechnung vergrößern.
Bei kleinen Motoren mit hoher Ausgangsleistung, wie sie häufig als in dem Fahrzeug befindliche Motoren verwendet werden, ist ein Antrieb mit höherem Drehmoment (höherem Strom) mit stärkerer magnetischer Sättigung verbunden und vermindert das Ausprägungsverhältnis (saliency ratio) (Lq/Ld) (das Ausprägungsverhältnis nähert sich dem Wert 1), wodurch die Genauigkeit der Positionswinkelberechnung vermindert wird. Mit anderen Worten, wie in 5 dargestellt, sind die orthogonalen biaxialen Induktanzen Ld, Lq für den Hochfrequenzstrom oder den harmonischen Strom dynamische Induktanzen, die zum Tangentenwinkel der I/ϕ-Kurve des Stators werden. Nahe dem Sättigungsbereich der I/ϕ-Kurve, d. h. in dem Hochmomenten(Hochstrom)bereich, nähern sich Ld und Lq jedoch beide dem Wert Null und Ld und Lq ändern sich wenig bezüglich der Hoch-Niedrig-Änderung eines Stroms I. Dies vermindert das Signal/Rauschverhältnis der Ld, Lq Berechnungswerte, basierend auf der Spannung und dem Hochfrequenzstrom oder dem harmonischen Strom, was die Genauigkeit der Positionswinkelberechnung vermindert, die Ld und Lq als Parameter verwendet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Genauigkeit einer Positionswinkelberechnung zu vergrößern, die von einem niedrigen Moment (niedrigem Strom) zu einem hohen Moment (hohem Strom) reicht, und einen Leistungsverlust bei niedrigem Moment (niedrigem Strom) zu unterdrücken.
Mittel zum Lösen des Problems

(1) Eine sensorlose Motorsteuervorrichtung 30 enthält ein Magnetpolpositionsermittlungsmittel (45), das keinen Sensor verwendet, um eine Magnetpolposition eines Motors 10 mit einem Außenpolrotor (salient rotor) zu erfassen, und überlagert dem Motor einen Hochfrequenzstrom (idh*, iqh*), um die Magnetpolposition des Rotors des Motors zu ermitteln bzw. zu berechnen. Die sensorlose Motorsteuervorrichtung (30) ist dadurch charakterisiert, dass sie ein Hochfrequenzstromsteuermittel (33) enthält, um eine Größe des Hochfrequenzstroms zu ändern, basierend auf einer Größe eines Moments oder eines Stroms des Motors (10).

Es sei darauf hingewiesen, dass Bezugssymbole für Elemente und andere Gegenstände, die den nachfolgend beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen oder äquivalenten Ausführungsformen entsprechen, vorstehend in Klammern für darstellende Zwecke als eine Bezugnahme enthalten sind, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Die nachfolgenden Bezugssymbole werden für denselben Zweck verwendet.
Wirkungen der Erfindung
Bei einem hohen Moment mit einem hohen Motorstrom verschlechtert sich die Erfassungsgenauigkeit des Positionswinkels wegen des kleinen durch magnetische Sättigung verursachten Ausprägungsverhältnisses (Lq/Ld). Umgekehrt kann bei einem niedrigen Moment mit niedrigem Motorstrom die Erfassungsgenauigkeit des Positionswinkels wegen des großen Ausprägungsverhältnisses (Lq/Ld) sichergestellt werden. Basierend auf der Größe des Moments oder des Stroms des Motors kann daher die Erfassungsgenauigkeit des Positionswinkels verbessert werden, wobei ein Leistungsverlust und Rauschen ebenfalls unterdrückt werden kann, indem die Größe des Hochfrequenzstroms oder harmonischen Stroms (idh*, iqh*), der bei der Positionswinkelberechnung verwendet wird, verändert wird.

(2) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung 30 entsprechend vorstehend (1) vergrößert die Hochfrequenzstromsteuervorrichtung (33) den Hochfrequenzstrom (idh*, iqh*) entsprechend einem größeren Wert des Moments oder des Stroms des Motors (10) und vermindert den Hochfrequenzstrom (idh*, iqh*) entsprechend einer kleineren Größe des Moments oder des Stroms des Motors.

Bei einem hohen Moment mit einem hohen Motorstrom nehmen der Leistungsverlust und das Rauschen aufgrund des vergrößerten Hochfrequenzstroms oder harmonischen Stroms (idh*, iqh*) zu, der bei der Positionswinkelberechnung verwendet wird; die Genauigkeit der Positionswinkelberechnung kann jedoch vergrößert werden. Umgekehrt kann bei einem niederen Moment mit einem kleinen Motorstrom die Erfassungsgenauigkeit des Positionswinkels selbst mit einem verringerten Hochfrequenzstrom oder harmonischen Strom (idh*, iqh*) sichergestellt werden, so dass ein Leistungsverlust und ein Rauschen ebenfalls verhindert werden kann.

(3) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung (2 bis 4) entsprechend vorstehend (2) enthält das Hochfrequenzstromsteuermittel (33A bis 33D) ein Hochfrequenzerzeugungsmittel (34/55d, 55q) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstromsignals; eine Tabelle, die eine Sammlung der Strompegelspezifikationsdaten ist, die jedem Wert des Moments oder Stroms des Motors (10) entsprechen; und Mittel zum Erzeugen des Hochfrequenzstroms (idh*, iqh*) durch Verstärken des Hochfrequenzstromsignals auf einen Pegel, der durch die Strompegelspezifikationsdaten in der Tabelle spezifiziert ist, die dem augenblicklichen Drehmoment oder Strom entspricht.

Entsprechend können die Strompegelspezifikationsdaten durch Zugriff auf die Tabelle erhalten werden, und der Hochfrequenzstrom (idh*, iqh*) kann auf einfache Weise erzeugt werden.

(4) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung (2, 4) entsprechend vorstehend (3) sind die Strompegelspezifikationsdaten in der Tabelle Amplitudenspezifikationsdaten, und das Hochfrequenzstromsteuermittel (33A, 33C) erzeugt einen Hochfrequenzstrombefehlswert durch Verstärken einer Amplitude des Hochfrequenzstromsignals auf eine von den Amplitudenspezifikationsdaten spezifizierte Amplitude.

Entsprechend können die Strompegelspezifikationsdaten durch Zugriff auf die Tabelle erhalten werden, und der Hochfrequenzstrombefehlswert (idh*, iqh*) kann auf einfache Weise erzeugt werden.

(5) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung (3, 5) entsprechend vorstehend (3) sind die Strompegelspezifikationsdaten in der Tabelle Verstärkungsspezifikationsdaten und das Hochfrequenzstromsteuermittel (33B, 33D) erzeugt einen Hochfrequenzstrombefehlswert durch Verstärken des Hochfrequenzstromsignals unter Verwendung einer Verstärkung, die durch die Verstärkungsspezifikationsdaten spezifiziert ist.
(6) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung (2) entsprechend einem von vorstehend (3) bis (5) ist die Tabelle eine Sammlung von Strompegelspezifikationsdaten, die jedem Wert eines Sollmoments (T*) entsprechen.
(7) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung (3) entsprechend einem von vorstehend (3) bis (5) ist die Tabelle eine Sammlung von Strompegelspezifikationsdaten, die jedem Wert eines orthogonalen biaxialen Sollstroms (i0) entspricht.
(8) Bei der sensorlosen Motorsteuervorrichtung (3) entsprechend einem von vorstehend (3) bis (5) ist die Tabelle eine Sammlung von Strompegelspezifikationsdaten, die jedem Wert eines orthogonalen biaxialen Rückkopplungsstroms (if) entsprechen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines elektrischen Systems einer Radantriebsvorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration entsprechend einer ersten Ausführungsform einer in 1 gezeigten Motorsteuervorrichtung 30 zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration entsprechend einer zweiten Ausführungsform der in 1 gezeigten Motorsteuervorrichtung 30 zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration entsprechend einer dritten Ausführungsform der in 1 gezeigten Motorsteuervorrichtung 30 zeigt.
5 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen Magnetfluss und Erregungsstromwert eines Stators in einem Synchronmotor mit eingebetteten Permanentmagneten skizziert.
BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN
Bezugszeichenliste

10: Elektromotor
11 bis 13: Dreiphasenstatorwicklung
14, 15: Stromsensor
17: Fahrzeugbatterie
18: primärseitiger Kondensator
19: primärseitiger Spannungssensor
21: Drossel
22: Schaltelement (zur Spannungserhöhung)
23: Schaltelement (zur Spannungserniedrigung)
24, 25: Diode
27: sekundärseitiger Kondensator
28: sekundärseitiger Spannungssensor
Vdc: Primärspannung (Batteriespannung)
Vuc: Sekundärspannung (erhöhte Spannung)

BESTE ARTEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Weitere Aufgaben und Charakteristika der vorliegenden Erfindung werden aus den Ausführungsformen klar, die nachfolgend unter Bezugsnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
Erste Ausführungsform
1 zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein zu steuernder Elektromotor 10 in einem Fahrzeug als Synchronmotor mit eingebetteten Permanentmagneten zum Drehantreiben eines Rades eingebaut. Die Permanentmagneten sind in einen Rotor eingebaut und ein Stator hat Wicklungen 11 bis 13 der drei Phasen U, V und W. Ein Spannungswechselrichter 16 versorgt den Elektromotor 10 mit Leistung aus einer Fahrzeugbatterie 17.
Die Batterie 17 ist ein Akkumulator in dem Fahrzeug und wird mit einem primärseitigen Kondensator 18 verbunden, wenn eine elektrische Komponente in dem Fahrzeug angeschaltet wird.
Zusammen mit der Batterie 17 bildet der primärseitige Kondensator 18 eine primärseitige Gleichstromversorgung. Ein Spannungssensor 19 schickt ein Spannungserfassungssignal Vdc, das die Spannung des primärseitigen Kondensators 18 (Spannung der Fahrzeugbatterie 17) darstellt, an eine Motorsteuervorrichtung 30. Bei dieser Ausführungsform wird indem Spannungssensor 19 ein Spannungsteiler verwendet. Die positive Elektrode („+”-Leitung) der primärseitigen Gleichstromversorgung ist mit einem Ende einer Drossel 21 eines Wandlers 20 verbunden.
Der Wandler 20 enthält weiter einen Spannungserhöhungshalbleiterschalter 22, der ein Schaltelement zum Erhöhen der Spannung ist, das zwischen einem Ende der Drossel 21 und der negativen Elektrode („–”-Leitung) der primärseitigen Gleichstromversorgung an- und ausschaltet; einen Rückgewinnungshalbleiterschalter 23, der ein Schaltelement für Rückgewinnung ist, das zwischen dem anderen Ende der Drossel 21 und der positiven Elektrode eines sekundärseitigen Kondensators 27 an- und ausschaltet; und Dioden 24, 25, die parallel zu den jeweiligen Halbleiterschaltern 22, 23 geschaltet sind.
Wenn der Spannungserhöhungshalbleiterschalter 22 angeschaltet wird (leitend), fließt Strom von der primärseitigen Gleichstromversorgung (17, 18) durch die Drossel 21 zu dem Schalter 22 und die Drossel 21 sammelt entsprechend Energie. Wenn der Schalter 22 ausgeschaltet wird (nicht leitend), schickt die Drossel 21 eine Hochspannungsentladung zu dem sekundärseitigen Kondensator 27 durch die Diode 25 hindurch. Mit anderen Worten, es wird eine höhere Spannung als die Spannung der primärseitigen Gleichstromversorgung induziert, um den sekundärseitigen Kondensator 27 zu laden. Wiederholtes An- und Ausschalten des Schalters 22 ermöglicht ein kontinuierliches Hochspannungsladen des sekundärseitigen Kondensators 27. Das heißt, der sekundärseitige Kondensator 27 wird mit hoher Spannung geladen. Wiederholtes Schalten zwischen An und Aus in regelmäßigen Zyklen vergrößert die von der Drossel 21 gesammelte Energie, abhängig von der Länge der An-Periode. Durch Einstellen der An-Zeit in einem regulären Zyklus (An-Tastverhältnis: Verhältnis der An-Zeit zu dem regulären Zyklus), nämlich durch Durchführen einer PWM-Steuerung wird die Geschwindigkeit, mit der Leistung von der primärseitigen Gleichstromversorgung 17, 18 dem sekundärseitigen Kondensator 27 durch den Wandler 20 zugeführt wird, eingestellt werden.
Wenn der Rückgewinnungshalbleiterschalter 23 angeschaltet wird (leitend), wird die gesammelte Energie des sekundärseitigen Kondensators 27 zu der primärseitigen Gleichstromversorgung 17, 18 durch den Schalter 23 und die Drossel 21 hindurchgeschickt (umgekehrte Leistungszufuhr: Rückgewinnung). In diesem Fall kann durch Einstellen der An-Zeit des Schalters 23 in einem regulären Zyklus, nämlich mittels Durchführen einer PWM-Steuerung, die Geschwindigkeit, mit der Leistung von dem sekundärseitigen Kondensator 27 der primärseitigen Gleichstromversorgung 17, 18 durch den Wandler 20 rückwärts zugeführt wird (Zufuhrgeschwindigkeit für die Rückgewinnung) ebenfalls eingestellt werden.
Der Spannungswechselrichter 16 enthält sechs Schalttransistoren Tr1 bis Tr6. Die Transistoren Tr1 bis Tr6 werden basierend auf sechs Treibersignalen, die parallel von der Treiberschaltung 29 erzeugt werden, an (leitend) geschaltet. Die Gleichspannung des sekundärseitigen Kondensators 27 (Ausgangsspannung des Wandlers 20, d. h. Sekundärspannung) wird in drei Wechselspannungen gewandelt, deren Phasendifferenz 2π/3 beträgt, nämlich eine Dreiphasenwechselspannung, und jeweils an die Dreiphasen(U-Phase, V-Phase, W-Phase)-Statorwicklungen 11 bis 13 des Elektromotors 10 gelegt. Auf diese Weise fließen jeweilige Phasenströme iU, iV, iW zu den Statorwicklungen 11 bis 13 des Elektromotors 10 und drehen den Rotor des Elektromotors 10. Um die Leistungszufuhreigenschaften zum An- und Aus-Treiben (Schalten) der Transistoren Tr1 bis Tr6 unter Verwendung eines PWM-Impulses zu verbessern und Spannungsstöße zu unterdrücken, ist die sekundärseitige Ausgangsleitung des Wandlers 20, die die Eingangsleitung des Wechselrichters 16 bildet, mit dem sekundärseitigen Kondensator 27 mit hoher Kapazität verbunden. Dagegen ist der primärseitige Kondensator 18, der die primärseitige Gleichstromversorgung bildet, klein, kostet wenig und hat eine niedrige Kapazität. Die Kapazität des primärseitigen Kondensators 18 ist deutlich kleiner als die Kapazität des sekundärseitigen Kondensators 27. Der Spannungssensor 28 erfasst eine Sekundärspannung Vuc des Wandlers 20 und schickt das Erfassungsergebnis an die Motorsteuervorrichtung 30. Die mit den Statorwicklungen 11, 12 des Elektromotors 10 verbundene Energieversorgungsleitung ist mit Stromsensoren 14, 15 versehen, die einen Hall-IC verwenden. Die Stromsensoren 14, 15 erfassen jeweils die Phasenströme iV, iW und erzeugen Stromerfassungssignale (Analogspannung), die der Motorsteuervorrichtung 30 zugeführt werden.
2 zeigt eine funktionale Konfiguration der Motorsteuervorrichtung 30. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Motorsteuervorrichtung 30 eine elektronische Steuereinheit, deren Hauptkörper aus einem digitalen Signalprozessor (DSP) besteht. Die Motorsteuervorrichtung 30 enthält in der Zeichnung nicht dargestellte Schnittstellen (Signalverarbeitungsschaltungen) zwischen sich und der Treiberschaltung 29, den Stromsensoren 14, 15, dem Primärspannungssensor 19 und dem Sekundärspannungssensor 28 und enthält weiter in der Zeichnung nicht dargestellte Schnittstellen (Kommunikationsschaltungen), zwischen sich und einem Hauptcontroller des Fahrzeugfahrsteuersystems (nicht dargestellt) im Fahrzeug.
Bezug nehmend auf 2 berechnet eine Positionsberechnung 45 einen Drehwinkel (Magnetpolposition) θ des Rotors des Elektromotors 10 und eine Drehzahlberechnung 46 berechnet eine Drehgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) ω basierend auf dem Drehwinkel θ. Um genauer zu sein, der Drehwinkel und die Magnetpolposition des Rotors des Elektromotors 10 sind nicht die gleichen; die beiden stehen jedoch in einer proportionalen Beziehung und der Proportionalitätskoeffizient wird durch eine Magnetpolanzahl p des Elektromotors 10 bestimmt. Weiter haben die beiden, obwohl der Drehwinkel und die Winkelgeschwindigkeit nicht das Gleiche sind, eine proportionale Beziehung und der Proportionalitätskoeffizient wird durch die Magnetpolanzahl p des Elektromotors 10 bestimmt. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Drehwinkel θ auf die Magnetpolposition. Die Drehzahl ω bezieht sich auf die Winkelgeschwindigkeit und kann auch als Drehgeschwindigkeit bezeichnet werden.
Der Hauptcontroller des Fahrzeugfahrsteuersystems (nicht dargestellt) schickt ein Motorsollmoment TM* an eine Steuervorrichtung 30 der Motorsteuervorrichtung 30. Man beachte, dass der Hauptcontroller ein vom Fahrzeug gefordertes Moment TO* basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Drosselklappenöffnung berechnet, das Motorsollmoment TM* erzeugt, das dem vom Fahrzeug geforderten Moment TO* entspricht, und dann das Motorsollmoment TM* zu der Steuervorrichtung 30 schickt. Die Steuervorrichtung 30 gibt eine Drehgeschwindigkeit ω (U/min) des Elektromotors 10 an den Hauptcontroller.
Entsprechend einem Momentenbefehlsgrenzwert 31 liest die Motorsteuervorrichtung 30 aus einer Grenzmomenttabelle (Nachschlagtabelle) ein Grenzmoment TM*max, das der Drehgeschwindigkeit ω und einer Obergrenze Vmax der Ausgangsspannung (Sekundärspannung) des Wandlers 20 entspricht. Wenn das Sollmoment TM* TM*max übersteigt, wird TM*max als ein Sollmoment T* gesetzt. Wenn das Sollmoment TM* gleich oder kleiner als TM*max ist, wird das Motorsollmoment TM* als das Sollmoment T* gesetzt. Das mit einer solchen zusätzlichen Begrenzung erzeugte Motorsollmoment T* wird an eine Ausgangsberechnung 32 geschickt und auch in einer Sekundärsollspannungsberechnung verwendet.
Man beachte, dass die Grenzmomenttabelle ein Speicherbereich ist, in dem die Obergrenze Vmax der Sekundärspannung und Spannungswerte in dem Bereich der Drehgeschwindigkeit als Adressen geschrieben sind, und das maximale Drehmoment, das in der Lage ist, den Elektromotor 10 zu aktivieren, bei jedem Spannungswert als TM*max geschrieben ist. In der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich die Grenzmomenttabelle auf einen Speicherbereich eines RAM (nicht dargestellt) in der Steuervorrichtung 30. Das Grenzmoment TM*max wird größer, wenn die Obergrenze Vmax der Sekundärspannung zunimmt, und kleiner, wenn die Obergrenze Vmax abnimmt. Zusätzlich wird das Grenzmoment TM*max größer, wenn die Drehgeschwindigkeit ω abnimmt und kleiner, wenn die Drehgeschwindigkeit ω zunimmt.
Innerhalb der Motorsteuervorrichtung 30 gibt es einen nicht flüchtigen Speicher, der mit den Daten TM*max der Grenzmomenttabelle beschrieben ist. Wenn an die Steuervorrichtung 30 Betriebsspannung gelegt wird, liest die Steuervorrichtung 30 TM*max aus dem nicht flüchtigen Speicher aus und schreibt TM*max in den RAM bei seiner Initialisierung und der eines Motorantriebssystems, das in 1 gezeigt ist. Es wird nachfolgend darauf hingewiesen, dass es eine Mehrzahl von anderen ähnlichen Nachschlagtabellen in der Steuervorrichtung 30 gibt. Ähnlich der Grenzmomenttabelle beziehen sich diese Nachschlagtabellen ebenfalls auf Speicherbereiche des RAM, die mit Referenzdaten in dem nicht flüchtigen Speicher beschrieben sind.
Die Motorsteuervorrichtung 30 bestimmt, ob ein Antriebsbetrieb oder Rückgewinnung durchgeführt werden soll, basierend auf dem Sollmoment T* und der Drehgeschwindigkeit ω. Die Motorsteuervorrichtung 30 liest eine sekundäre Sollspannung Vuc* aus, die der Drehgeschwindigkeit ω des Elektromotors 10 aus einer Sekundärsollspannungstabelle zugeordnet ist, die dem Sollmoment T* in einer „Antriebsbetriebs”-Gruppe bei Antriebsbetrieb und in einer „Rückgewinnungs”-Gruppe bei Rückgewinnung zugeordnet ist. Die Motorsteuervorrichtung 30 steuert dann den Wandler 20 über die Treiberschaltung 26 derart, dass die von dem Sensor 28 erfasste Sekundärspannung der Sollspannung Vuc* entspricht.
Basierend auf der Ausgangsberechnung 32, einer Motorstromsteuerung 42 und einem Spannungswandler 43 führt die Motorsteuervorrichtung 30 eine Rückkopplungssteuerung des Motorstroms durch, wobei eine Vektorsteuerberechnung auf einem herkömmlichen d-q-Achsenmodell verwendet wird, bei der die d-Achse die Richtung eines Paars von Magnetpolen in dem Rotor des Elektromotors 10 und die q-Achse die Richtung senkrecht zur d-Achse ist. Die Steuervorrichtung 30 wandelt die Stromerfassungssignale iV, iW aus den Stromsensoren 14, 15 digital und liest sie. In einer Stromrückkopplungsberechnung 49 verwendet die Steuervorrichtung 30 eine Dreiphasen/Zweiphasen-Wandlung, die eine herkömmliche Wandlung ortsfester Koordinaten in drehende Koordinaten ist, um die Dreiphasenstromwerte iU, iV, iW eines ortsfesten Koordinatensystems in Zweiphasenstromwerte id, iq für die d-Achse und q-Achse eines drehenden Koordinatensystems zu transformieren. Es sei darauf hingewiesen, dass iU + iV + iW = 0 und iU auf dieser Annahme basierend berechnet wird.
Eine erste Hocheffizienzmomentkurventabelle A, die eine Nachschlagtabelle ist, wird in der Ausgangsberechnung 32 verwendet. Die erste Hocheffizienzmomentkurventabelle A ist mit d-Achsenstromwerten id beschrieben, die mit der Motordrehzahl ω und dem Motorsollmoment T* verlinkt sind und verwendet werden, um die Sollmomente T* bei jeder Motordrehzahl zu erzeugen.
Das Ausgangsmoment des Elektromotors wird im Hinblick auf die Werte des d-Achsenstroms id und des q-Achsenstroms iq gesetzt. Für eine Drehgeschwindigkeit, d. h. bei gleicher Motordrehgeschwindigkeit, gibt es eine unbegrenzte Anzahl von id-, iq-Kombinationen zum Ausgeben des gleichen Moments, die auf einer Konstantmomentkurve liegen. Die id-, iq-Kombination mit dem höchsten Wirkungsgrad der Leistungsnutzung (geringster Energieverbrauch) auf der Konstantmomentkurve ist ein Hocheffizienzmomentpunkt. Eine Kurve, die die Hocheffizienzmomentpunkte auf einer Vielzahl von Momentkurven verbindet, ist eine Hocheffizienzmomentkurve, die im Hinblick auf jede Drehgeschwindigkeit existiert. Der d-Achsenstrom id und der q-Achsenstrom iq für die Position des gegebenen Motorsollmoments T* auf der Hocheffizienzmomentkurve für die Motordrehgeschwindigkeit werden als Sollstromwerte für die Belastung des Elektromotors bestimmt. Der Elektromotor 10 gibt somit das Sollmoment T* aus und eine solche Belastung des Motors führt zu einer hocheffizienten Nutzung der Motorleistung.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Hocheffizienzmomentkurve in zwei Systeme unterteilt: Die erste Hocheffizientmomentkurve A repräsentiert d-Achsenwerte und eine zweite Hocheffizienzmomentkurve B repräsentiert q-Achsenwerte. Weiter ist die erste Hocheffizienzmomentkurve A ein Paar von Kurven, wobei eine in dem Antriebsbetriebsbereich anwendbar ist und eine in dem Rückgewinnungsbereich anwendbar ist; beide stellen den d-Achsensollstrom im Hinblick auf die Motordrehzahl und das Sollmoment dar.
Die erste Hocheffizienzmomentkurventabelle A ist ein Speicherbereich, der mit dem Sollmoment T* beschrieben ist, das mit den d-Achsensollströmen verlinkt ist, um das Sollmoment bei geringstem Energieverbrauch zu erzeugen, und wird von einem Paar gebildet, das aus einer Antriebsbetriebstabelle A1 für Antriebsbetrieb und einer Rückgewinnungstabelle A2 für Rückgewinnung besteht. Um zu bestimmen, welche der Antriebsbetriebstabelle und Rückgewinnungstabelle verwendet wird, wird zuerst bestimmt, ob Antriebsbetrieb oder Rückgewinnung durchgeführt werden soll, basierend auf der Drehzahl ω des Elektromotors und dem gegebenen Sollmoment T*, und eine der Tabellen wird basierend auf dem Bestimmungsergebnis ausgewählt.
In einer d-Achsenstrombefehlsberechnung innerhalb der Ausgangsberechnung 32 subtrahiert die Steuervorrichtung 30 einen d-Achsenfeldschwächstrom Δid vom d-Achsenstromwert id, der aus der ersten Hocheffizienzmomentkurventabelle A ausgelesen wird, entsprechend dem Sollmoment T*, das von dem Momentbefehlsgrenzwert 31 bestimmt wird. Die Steuervorrichtung 30 berechnet dann einen d-Achsensollstrom id* als id* = id – Δid.
Eine q-Achsenstrombefehlsberechnung verwendet die zweite Hocheffizienzmomentkurventabelle B, die in der Ausgangsberechnung 32 ist. Die zweite Hocheffizienzmomentkurventabelle B korrigiert die zweite Hocheffizienzmomentkurve B, die die q-Achsenwerte auf der Hocheffizienzmomentkurve darstellt, zu einer Kurve, die den q-Achsensollstrom nach Subtrahieren eines q-Achsenfeldschwächstroms Δiq, gepaart mit dem d-Achsenfeldschwächstrom Δid darstellt. Die zweite Hocheffizienzmomentkurventabelle B speichert dann die Daten der korrigierten zweiten Hocheffizienzmomentkurve B. Die zweite Hocheffizienzmomentkurventabelle B ist ein Speicherbereich, der mit den d-Achsensollströmen, verlinkt mit dem Sollmoment T* und dem d-Achsenfeldschwächstrom Δid beschrieben ist, um das Sollmoment unter Verwendung des geringsten Energieverbrauchs zu erzeugen, d. h. den Sollstromwerten auf einer korrigierten zweiten Hocheffizienzmomentkurve B. Die zweite Hocheffizienzmomentkurventabelle B wird ebenfalls durch ein Paar gebildet, das aus einer Antriebsbetriebstabelle B1 für Antriebsbetrieb und einer Rückgewinnungstabelle B2 für Rückgewinnung besteht. Um zu bestimmen, welche der Antriebsbetriebstabelle und Rückgewinnungstabelle verwendet wird, wird zuerst bestimmt, ob Antriebsbetrieb oder Rückgewinnung durchgeführt werden soll, basierend auf der Drehzahl ω des Elektromotors und dem Sollmoment T*, und eine der Tabellen wird basierend auf dem Bestimmungsergebnis ausgewählt.
Bei der q-Achsenstrombefehlsberechnung wird ein q-Achsensollstrom iq*, der dem Sollmoment T* und dem d-Achsenfeldschwächstrom Δid zugeordnet ist, aus der zweiten Hocheffizienzmomentkurventabelle B ausgelesen und als q-Achsenstrombefehl gesetzt.
Bei der Motorstromsteuerung 42 berechnet die Motorsteuervorrichtung 30 eine Stromdifferenz δid zwischen dem d-Achsensollstrom id* und dem d-Achsenstrom id und eine Stromdifferenz δiq zwischen dem q-Achsensollstrom iq* und dem q-Achsenstrom iq. Eine Proportionalsteuerung bzw. -regelung und Integralsteuerung bzw. -regelung (PI-Berechnung der Rückkopplungssteuerung) werden basierend auf den Stromdifferenzen δid, δiq durchgeführt. Basierend auf einem solchen Ausgang werden dann ein d-Achsenspannungsbefehlswert Vd* und ein q-Achsenspannungsbefehlswert Vq* als Ausgangsspannungen in dem Spannungswandler 43 berechnet.
Als Nächstes werden in einer Zweiphasen/Dreiphasen-Wandlung 47, die eine Transformation von drehenden Koordinaten in ortsfeste Koordinaten ist, die Sollspannungen Vd* und Vq* des drehenden Koordinatensystems entsprechend der Zweiphasen/Dreiphasen-Wandlung in Dreiphasensollspannungen VU*, VV*, VW* eines ortsfesten Koordinatensystems transformiert und zu einem PWM-Impulsgenerator 48 geschickt. Wenn der Spannungssteuermodus eine Zweiphasenmodulation ist, werden die Sollspannungen Vd* und Vq* in Zweiphasensollspannungen moduliert und zu dem PWM-Impulsgenerator 48 gesendet. Wenn der PWM-Impulsgenerator 48 die Phasensollspannungen empfängt, wandelt er sie in PWM-Impulse MU, MV, MW um eine Spannung mit jedem Sollspannungswert auszugeben, und gibt die PWM-Impulse MU, MV, MW an die in 1 gezeigte Treiberschaltung 29. Die Treiberschaltung 29 erzeugt sechs Treibersignale parallel, basierend auf den PWM-Impulsen MU, MV, MW und die Treibersignale schalten jeweils die Transistoren Tr1 bis Tr6 des Spannungswechselrichters 16 an und aus. Auf diese Weise werden die Phasensollspannungen jeweils angelegt und die Phasenströme iU, iV, iW fließen zu den Statorwicklungen 11 bis 13 des Elektromotors 10. Wenn die Phasensollspannungen der Zweiphasenmodulation empfangen werden, erzeugt der PWM-Impulsgenerator PWM-Impulse für zwei Phasen und setzt ein An- oder Aus(Konstantspannungsausgang)-Signal für die verbleibende Phase. Wenn die Phasensollspannungen eines Einimpulsmodulationsmodus empfangen werden, wird ein Energiebeaufschlagungssektionssignal ausgegeben, das die Phasen für Rechteckwellenleitung verwendet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Feldschwächstromberechnung einen Spannungssättigungsindex m berechnet, der ein für die Feldschwächsteuerung verwendeter Parameter ist. Das heißt, basierend auf dem d-Achsenspannungsbefehlswert Vd* und dem q-Achsenspannungsbefehlswert Vq* wird ein Spannungssättigungsberechnungswert ΔV berechnet als ein Wert, der das Ausmaß der Spannungssättigung darstellt, und wird eine Feldeinstellgröße berechnet. Bei der Berechnung der Feldeinstellgröße wird, wenn ΔV integriert wird und ein integrierter Wert ΣΔV positiv ist, der integrierte Wert ΣΔV mit dem Proportionalkoeffizienten multipliziert, um den d-Achsenfeldschwächstrom Δid zu berechnen, der beim Durchführen der Feldschwächsteuerung verwendet wird und als ein positiver Wert gesetzt. Wenn der Spannungssättigungsberechnungswert ΔV oder der integrierter Wert ΣΔV Null oder kleiner ist, werden der Einstellwert Δid und der integrierte Wert ΣΔid auf Null gesetzt. Der Einstellwert Δid wird bei der d-Achsenstrombefehlsberechnung und der q-Achsenstrombefehlsberechnung verwendet.
Die Positionsberechnung 45 berechnet den Drehwinkel (Magnetpolposition) θ des Rotors, d. h. einen Rotorpositionswinkel, unter Verwendung einer Positionswinkelberechnung, die die hochfrequenzkompatiblen orthogonalen biaxialen Induktanzen Ld, Lq basierend auf Hochfrequenzspannungen Vdh*, Vqh*, die dem Dreiphasenstrom des Elektromotors 10 zugefügt (überlagert) werden, verwendet. Der berechnete Positionswinkel θ wird in der Drehzahlberechnung 46 zum Berechnen der Motordrehzahl ω verwendet und auch für die Phasenwandlung in der Zweiphasen/Dreiphasen-Wandlung 47 und der Dreiphasen/Zweiphasen-Wandlung 49 verwendet.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden, um den Hochfrequenzstrom in den Elektromotor 10 einzuspeisen, Hochfrequenzstrombefehle idh*, iqh* zuerst mit einem niedrigen Pegel für ein niedriges Sollmoment (niedriger Stromwert) bei einer Hochfrequenzstromsteuerung 33A erzeugt und werden dann auf einen höheren Pegel vergrößert, wenn das Sollmoment zunimmt. Die Hochfrequenzstrombefehle idh*, iqh* werden dann den orthogonalen biaxialen Sollstromwerten id*, iq* durch Addition-Subtraktion 41d, 41q zugefügt. Somit sind die eingespeisten hochfrequenzkompatiblen Hochfrequenzspannungen Vdh*, Vqh* in dem Ausgang des Spannungswandlers 43 enthalten. Dieser wird dann von einem Bandpassfilter 44 extrahiert. Die Hochfrequenzspannungen Vdh*, Vqh* (augenblickliche Werte), die von dem Bandpassfilter 44 extrahiert sind, werden bei der Positionsberechnung 45 angewendet und die Positionsberechnung 45 berechnet den Positionswinkel θ entsprechend diesen Werten und gibt ihn aus.
Die Hochfrequenzstromsteuerung 33a der vorliegenden Ausführungsform enthält eine Hochfrequenzerzeugung 34, die Konstantverstärkungsstromsignale ido, iqo mit hoher Frequenz (500 Hz im vorliegenden Beispiel) für ein Paar von d-, q-Achsen erzeugt, und enthält auch eine Hauptfrequenzamplitudentabelle (Daten, die in einem Bereich des RAM gesetzt sind) 35a, die die Werte von Sollmomenten als Adressen und die mit jedem Sollmoment als Strompegelspezifrkationsdaten verlinkten Hochfrequenzamplituden verwendet. Eine Hochfrequenzamplitude (Sollamplitude), die mit dem Sollmoment T* verlinkt ist, wird aus der Tabelle 35a ausgelesen und eine Multiplikation (Verstärkung) 36 verstärkt die Konstantverstärkungsstromsignale ido, iqo zu der Sollamplitude und gibt diese an die Addition-Subtraktion 41d, 41q aus.
Die Hochfrequenzamplitudentabelle 35a ist mit den Hochfrequenzamplituden beschrieben, deren Pegel für höhere Sollmomentwerte größer ist und für niedrigere Sollmomentwerte kleiner ist. Daher hat die Positionswinkelberechnung bei einem höheren Moment (hoher Strom) größere Genauigkeit und bei einem niedrigen Moment (niedrigem Strom) folgt ein kleinerer Leistungsverlust.
Man beachte, dass bei einer Modifizierung der vorliegenden Ausführungsform die Daten in der Hochfrequenzamplitudentabelle 35a eine Amplitudenverstärkung anstelle der Hochfrequenzamplitude sein können. Die Konstantverstärkungsstromsignale ido, iqo können unter Verwendung einer Amplitudenverstärkung verstärkt werden, die aus der Tabelle 35a ausgelesen werden und dann zu der Addition-Subtraktion 41d, 41q ausgegeben werden. Ähnlich kann eine Amplitudenverstärkung in Modifizierungen der nachfolgend beschriebenen zweiten und dritten Ausführungsformen verwendet werden.
Zweite Ausführungsform
3 zeigt eine funktionale Konfiguration der Motorsteuervorrichtung 30 entsprechend einer zweiten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform wird der Dreiphasenstrom des Motors in den orthogonalen biaxialen d-Achsenstrom id und q-Achsenstrom iq in der Dreiphasen/Zweiphasenkonversion 49 gewandelt und ein vektorieller resultierender Wert von id, iq, d. h. ein Sollstromwert io mit orthogonalen Zweiachsenkoordinaten wird von einer Vektorberechnung 37 berechnet. Eine Tabelle 35b verwendet die Sollstromwerte i0, die dem Sollmoment T* entsprechen, als Adressen und speichert Hochfrequenzamplituden (Sollamplituden), die Strompegelspezifikationsdaten sind. Eine Hochfrequenzamplitude (Sollamplitude), die mit dem Stromsollwert io verlinkt ist, wird aus der Tabelle 35b ausgelesen und die Multiplikation (Verstärkung) 36 verstärkt die Konstantverstärkungsstromsignale ido, iqo zu der Sollamplitude, und gibt diese dann an die Addition-Subtraktion 41d, 41q aus. Andere Ausbildungen und Funktionen der zweiten Ausführungsform sind identisch mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
4 zeigt eine funktionale Konfiguration der Motorsteuervorrichtung 30 entsprechend einer dritten Ausführungsform. Eine Tabelle 35c der Hochfrequenzstromsteuerung 33C verwendet Motorstromwerte (Rückkopplungswerte) als Adressen und speichert Hochfrequenzamplituden (Sollamplituden), die die Strompegelspezifikationsdaten sind. Der Dreiphasenstrom des Motors wird von der Stromrückkopplungsberechnung (Dreiphasen/Zweiphasen-Wandlung) 49 in orthogonale biaxiale Werte, d-Achsentrom id und q-Achsenstrom iq, wandelt. Ein vektorieller sich ergebender Wert von id, iq, d. h. ein Motorstromwert (Rückkopplungsstromwert), falls er orthogonale Zweiachsenkoordinaten hat, wird von einer Vektorberechnung 50 berechnet. Der Berechnungswert (augenblicklicher Wert) wird von einem Tiefpassfilter 51 geglättet (in Gleichstrom gewandelt) und eine Hochfrequenzamplitude (Sollamplitude), die dem Berechnungswert (Motorstromwert) entspricht, wird aus der Tabelle 35c ausgelesen. Die Multiplikation (Verstärkung) 36 verstärkt die Konstantverstärkungsstromsignale ido, iqo auf die Sollamplitude und gibt diese an die Addition-Subtraktion 41d, 41q. Andere Ausbildungen und Funktionen der dritten Ausführungsform sind identisch mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung vergrößert die Genauigkeit einer Positionswinkel θ Berechnung, die von einem niedrigen Drehmoment (kleiner Strom) zu einem hohen Drehmoment (hoher Strom) reicht und einen Leistungsverlust bei niedrigem Drehmoment unterdrückt. Eine sensorlose Motorsteuervorrichtung enthält ein Magnetpolpositionsermittlungsmittel (45), das keinen Sensor verwendet, um eine Magnetpolposition eines Motors (10) mit einem Außenpolrotor zu erfassen, und überlagert dem Motor Hochfrequenzströme idh*, iqh*, um die Magnetpolposition des Rotors des Motors zu ermitteln. Die sensorlose Motorsteuervorrichtung ist dadurch charakterisiert, dass sie ein Hochfrequenzstromsteuermittel (33) enthält, um eine Größe des Hochfrequenzstroms basierend auf einer Größe eines Drehmoments oder eines Stroms des Motors (10) zu ändern. Das Hochfrequenzstromsteuermittel (33) vergrößert den Hochfrequenzstrom entsprechend einer größeren Größe des Drehmoments oder des Stroms des Motors (10), und vermindert den Hochfrequenzstrom entsprechend einer kleineren Größe des Drehmoments oder des Stroms des Motors. Daten, die einen Hochfrequenzstromwert spezifizieren, werden ausgelesen, indem auf eine Tabelle zugegriffen wird, die das Drehmoment oder den Strom des Motors als Adressen enthält, um den Hochfrequenzstromwert zu setzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 11-299299 A [0002]
JP 2007-236015 A [0002]

Claims

Eine sensorlose Motorsteuervorrichtung mit einem Magnetpolpositionsermittlungsmittel, das keinen Sensor verwendet, um eine Magnetpolposition eines Motors mit einem Außenpolrotor zu erfassen, und einen Hochfrequenzstrom dem Motor überlagert, um die Magnetpolposition des Rotors des Motors zu ermitteln, welche sensorlose Motorsteuervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie enthält: ein Hochfrequenzstromsteuermittel zum Ändern einer Größe des Hochfrequenzstroms, basierend auf einer Größe eines von Drehmoment und Strom des Motors.
Die sensorlose Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Hochfrequenzstromsteuermittel den Hochfrequenzstrom entsprechend einer größeren Größe eines von Drehmoment und Strom des Motors vergrößert und den Hochfrequenzstrom entsprechend einer kleineren Größe eines von Drehmoment und Strom des Motors vermindert.
Die sensorlose Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Hochfrequenzstromsteuermittel enthält ein Hochfrequenzerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Hochfrequenzstromsignals; eine Tabelle, die eine Sammlung von Strompegelspezifikationsdaten ist, die jedem Wert von einem Drehmoment und Strom des Motors entsprechen; und ein Mittel zum Erzeugen des Hochfrequenzstroms durch Verstärken des Hochfrequenzstromsignals auf einen Pegel, der durch die Strompegelspezifikationsdaten der Tabelle spezifiziert ist, die einem von vorhandenem Drehmoment und Strom entsprechen.
Die sensorlose Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Strompegelspezifikationsdaten in der Tabelle Amplitudenspezifikationsdaten sind und das Hochfrequenzstromsteuermittel einen Hochfrequenzstrombefehlswert erzeugt, indem eine Amplitude des Hochfrequenzstromsignals auf eine Amplitude verstärkt wird, die durch die Amplitudenspezifikationsdaten spezifizier ist.
Die sensorlose Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Strompegelspezifikationsdaten in der Tabelle Verstärkungsspezifikationsdaten sind und das Hochfrequenzstromsteuermittel einen Hochfrequenzstrombefehlswert erzeugt, indem das Hochfrequenzstromsignal verstärkt wird, wobei eine Verstärkung verwendet wird, die durch die Verstärkungsspezifikationsdaten spezifiziert ist.