DE112017004500T5

DE112017004500T5 - Motorsteuerverfahren, Motorsteuersystem und elektrisches Servolenksystem

Info

Publication number: DE112017004500T5
Application number: DE112017004500.2T
Authority: DE
Inventors: Ahmad GHADERI
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2019-06-13
Also published as: US20190214928A1; US10560044B2; WO2018047524A1; CN109804551B; JP6939800B2; JPWO2018047524A1; CN109804551A

Abstract

Dieses Motorsteuerverfahren weist Folgendes auf: einen Schritt, bei dem eine α-Achsenkomponente BEMFund eine β-Achsenkomponente BEMFder gegenelektromotorischen Kraft eines Motors in einem aß-fixierten Koordinatensystem erfasst werden; einen Schritt, bei dem die α-Achsenkomponente BEMFund die β-Achsenkomponente BEMFjeweils zeitlich differenziert werden; einen Schritt, bei dem der Differenzwert zwischen Folgenden bestimmt wird, einem ersten Multiplikationswert, der erhalten wird durch Multiplizieren des Differenzials der β-Achsenkomponente BEMFmit der α-Achsenkomponente BEMF, und einem zweiten Multiplikationswert, der erhalten wird durch Multiplizieren des Differentials der α-Achsenkomponente BEMFmit der β-Achsenkomponente BEMF; einen Schritt, bei dem die Rotationsrichtung eines Rotors auf der Basis des Differenzwerts detektiert wird; und einen Schritt, bei dem der Motor auf der Basis der Rotationsrichtungsdetektionsergebnisse für den Rotor gesteuert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Motorsteuerverfahren, ein Motorsteuersystem und ein elektrisches Servolenksystem.
HINTERGRUNDTECHNIK
In einem Steuersystem eines Elektromotors (im Folgenden „Motor“ bezeichnet) ist es manchmal wichtig, eine Rotationsrichtung eines Rotors zu erfassen. In einem Waschmaschinen-Motorsteuersystem beispielsweise, das einen Motor und einen Lüfter beinhaltet, ist es, um die Stabilität des Systems zu verbessern, im Allgemeinen notwendig, die Rotationsrichtung des Rotors während des Startens oder Niedriggeschwindigkeitsantriebs zu erfassen. In einem fahrzeuginternen Motorsteuersystem, wie beispielsweise einem elektrischen Servolenk-System (EPS-System; EPS = Electric Power Steering), ist es manchmal notwendig, die Rotationsrichtung des Rotors über einen breiten Bereich von dem Niedriggeschwindigkeitsantrieb bis zu einem Hochgeschwindigkeitsantrieb zu überwachen. Beispielsweise kann die Rotationsrichtung des Rotors basierend auf einem Ausgangssignal von einem Positionssensor detektiert werden. Es ist außerdem bekannt, dass die Rotationsrichtung des Rotors basierend auf einer Beziehung einer Phasendifferenz zwischen Strömen (Phasenströmen), die durch Phasen des Motors geleitet werden, detektiert werden kann.
Die Patent-Literatur 1 offenbart, dass ein Nulldurchgang (Strom-Nulldurchgang) jedes Phasenstroms detektiert wird, eine Periode eines Strom-Nulldurchgangs gemessen wird und eine Stromfrequenz (eine Anzahl von Umdrehungen des Rotors) basierend auf der Periode berechnet wird. Die Patent-Literatur 1 offenbart ferner, dass eine Phasendifferenz bei einem Strom-Nulldurchgang zwischen den beiden Phasen gemessen wird und dass die Rotationsrichtung des Stroms, die der Rotationsrichtung des Rotors entspricht, basierend auf der Phasendifferenz berechnet wird.
LISTE DER AUFGEFÜHRTEN DOKUMENTE
PATENT-LITERATUR
Patent-Literatur 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2001-128485
NICHT-PATENT-LITERATUR
Nicht-Patent-Literatur 1: Ahmad Ghaderi und Hanamoto Tsuyoshi: „Wide-speed-range sensorless vector control of synchronous reluctance motors based on extended programmable cascaded low-pass filters“ (Sensorlose Vektorsteuerung mit breitem Geschwindigkeitsbereich bei synchronen Reluktanzmotoren basierend auf erweiterten programmierbaren Kaskaden-Tiefpassfiltern) IEEE Transactions on Industrial Electronics, Band 58, Nr. 6, (Juni 2011), Seiten 2322 - 2333.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Bei der obigen herkömmlichen Technik jedoch, die beispielsweise in der Nicht-Patent-Literatur 1 beschrieben ist, ist, da die Periode des Nulldurchgangs jedes Phasenstroms bei dem Niedriggeschwindigkeitsantrieb verlängert ist, die Anzahl von Datenabtastwerten, die pro Umdrehung erfasst werden, eingeschränkt. Folglich ist es schwierig, die Rotationsrichtung des Rotors während des Niedriggeschwindigkeitsantriebs genauer zu erfassen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung stellen ein neuartiges Motorsteuerverfahren und Motorsteuersystem bereit, die in der Lage sind, die Rotationsrichtung des Rotors über einen breiten Bereich von dem Niedriggeschwindigkeitsantrieb bis zu dem Hochgeschwindigkeitsantrieb zu detektieren.
LÖSUNGEN FÜR DAS PROBLEM
Ein Motorsteuerverfahren gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung beinhaltet Folgendes: einen Schritt A eines Erfassens einer Komponente BEMF_α an einer α-Achse und einer Komponente BEMF_β an einer β-Achse einer gegenelektromotorischen Kraft eines Motors in einem αβ-fixierten Koordinatensystem; einen Schritt B eines Durchführens einer Zeitdifferenzierung an der Komponente BEMF_α an der α-Achse und der Komponente BEMF_β an der β-Achse; einen Schritt C eines Erhaltens eines Differenzwerts zwischen einem ersten Multiplikationswert und einem zweiten Multiplikationswert, wobei der erste Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_α an der α-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_β an der β-Achse, wobei der zweite Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_β an der β-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_α an der α-Achse; einen Schritt D eines Detektierens einer Rotationsrichtung des Rotors auf der Basis des Differenzwerts; und einen Schritt E eines Steuerns des Motors basierend auf einem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Rotors.
Ein Motorsteuersystem gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung beinhaltet Folgendes: einen Motor; und eine Steuerschaltung, die den Motor steuert. Die Steuerschaltung: erfasst eine Komponente BEMF_α an einer α-Achse und eine Komponente BEMF_β an einer β-Achse einer gegenelektromotorischen Kraft in einem aß-fixierten Koordinatensystem; führt eine Zeitdifferenzierung an der Komponente BEMF_α an der α-Achse und der Komponente BEMF_β an der β-Achse durch; erhält einen Differenzwert zwischen einem ersten Multiplikationswert und einem zweiten Multiplikationswert, wobei der erste Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_α an der α-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_β an der β-Achse, wobei der zweite Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_β an der β-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_α an der α-Achse; detektiert eine Rotationsrichtung des Motors basierend auf dem Differenzwert; und steuert den Motor basierend auf einem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Motors.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNG DER ERFINDUNG
Das exemplarische Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann das neuartige Motorsteuerverfahren und Motorsteuersystem bereitstellen, die in der Lage sind, die Rotationsrichtung des Rotors über den breiten Bereich von dem Niedriggeschwindigkeitsantrieb bis zu dem Hochgeschwindigkeitsantrieb zu detektieren.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Hardware-Blocks eines Motorsteuersystems 1000 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist ein Blockdiagramm einer Hardware-Konfiguration eines Inverters 300 bei dem Motorsteuersystem 1000 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
3 ist ein Blockdiagramm eines Hardware-Blocks des Motorsteuersystems 1000 gemäß einer Modifizierung des ersten Ausführungsbeispiels.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Verarbeitungsprozedur eines Verfahrens zum Steuern des Motorsteuersystems 1000 darstellt.
5 ist ein Funktionsblockdiagramm, das einen Funktionsblock einer Steuerung 100 darstellt.
6 ist ein Funktionsblockdiagramm, das einen Funktionsblock in einer Rotationsrichtungs-Detektionseinheit 130 darstellt.
7 ist ein Graph, der einen Signalverlauf einer elektrischen Geschwindigkeit eines Motors innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums darstellt.
8 ist ein Graph, der einen Signalverlauf eines Rotorwinkels innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums darstellt.
9 ist ein Graph, der einen Signalverlauf (oberer Abschnitt) einer gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums, einen Signalverlauf (Mittelabschnitt) einer gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und einen Signalverlauf (unterer Abschnitt) eines Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
10 ist ein Graph, der einen Signalverlauf eines Differenzwerts diffA darstellt, der zwischen 0 Sekunden und 3,0 Sekunden detektiert wird.
11 ist ein Graph, der einen Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit des Motors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
12 ist ein Graph, der den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
13 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
14 ist ein Graph, der den Signalverlauf des Differenzwerts diffA darstellt, der zwischen 0 Sekunden und 0,25 Sekunden detektiert wird.
15 ist ein Graph, der den Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit des Motors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
16 ist ein Graph, der den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
17 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
18 ist ein Graph, der den Signalverlauf des Differenzwerts diffA darstellt, der zwischen 0 Sekunden und 2,0 Sekunden detektiert wird.
19 ist ein Graph, der den Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit des Motors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
20 ist ein Graph, der den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
21 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt.
22 ist ein Graph, der den Signalverlauf des Differenzwerts diffA darstellt, der zwischen 0 Sekunden und 2,5 Sekunden detektiert wird.
23 ist ein schematisches Diagramm, das eine typische Konfiguration eines EPS-Systems 2000 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine spezifische Beschreibung eines Motorsteuerverfahrens, eines Motorsteuersystems und eines elektrischen Servolenksystems mit dem Motorsteuersystem gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung. Eine mehr als nötig spezifische Beschreibung jedoch wird gelegentlich weggelassen, um zu vermeiden, dass die folgende Beschreibung mehr als nötig redundant wird, und um das Verständnis für einen Fachmann auf diesem Gebiet zu erleichtern. Eine spezifische Beschreibung über eine bekannte Tatsache beispielsweise wird gelegentlich weggelassen. Zusätzlich wird auch eine wiederholende Beschreibung über im Wesentlichen identische Konfigurationen gelegentlich weggelassen.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
[Konfiguration des Motorsteuersystems 1000]
1 stellt schematisch Hardware-Blöcke eines Motorsteuersystems 1000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar.
Das Motorsteuersystem 1000 beinhaltet üblicherweise einen Motor M, eine Steuerung (Steuerschaltung) 100, eine Treiberschaltung 200, einen Inverter (auch „Inverterschaltung“ genannt) 300, eine Mehrzahl von Stromsensoren 400, eine Analog-Digital-Wandlungsschaltung (im Folgenden „AD-Wandler“ bezeichnet) 500 und einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 600. Beispielsweise kann das Motorsteuersystem 1000 in Modulen als ein Power-Pack (Stromspeicher) entworfen sein und kann in der Form eines Motormoduls mit einem Motor, einem Sensor, einem Treiber und einer Steuerung hergestellt und verkauft werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Motorsteuersystem 1000 als ein exemplarisches System beschrieben wird, dessen Bestandteil der Motor M ist. Alternativ könnte das Motorsteuersystem 1000 ein System sein, bei dem der Motor M kein Bestandteil ist, wobei das System ausgebildet ist, um den Motor M anzutreiben.
Beispiele des Motors M können einen Permanentmagnet-Synchronmotor, wie z. B. einen Oberflächen-Permanentmagnet-Synchronmotor (SPMSM; SPMSM = surface permanent magnet synchronous motor) oder einen Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM), und einen Dreiphasen-Wechselstrommotor beinhalten. Beispielsweise umfasst der Motor M Drähte (nicht dargestellt) für drei Phasen (d. h. U-Phase, V-Phase, W-Phase). Die Dreiphasen-Drähte sind elektrisch mit dem Inverter 300 verbunden. Der Motor M ist nicht auf den Dreiphasenmotor eingeschränkt, sondern Mehrphasenmotoren, wie beispielsweise mit fünf Phasen und sieben Phasen, liegen ebenso innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung. Bei der Beschreibung wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung mit dem Motorsteuersystem beschrieben, das den Dreiphasenmotor als Beispiel steuert.
Beispielsweise ist die Steuerung 100 eine Mikrosteuereinheit (MCU; MCU = micro control unit). Alternativ kann die Steuerung 100 ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) sein, in dem beispielsweise ein CPU-Kern eingebaut ist.
Die Steuerung 100 steuert das gesamte Motorsteuersystem 1000 und steuert das Drehmoment und die Rotationsgeschwindigkeit des Motors M durch beispielsweise Vektorsteuerung. Der Motor M kann durch eine beliebige Geschlossene-Schleife-Steuerung zusätzlich zu der Vektorsteuerung gesteuert werden. Die Rotationsgeschwindigkeit wird ausgedrückt durch eine Anzahl von Umdrehungen (U/min), mit der sich ein Rotor pro Zeiteinheit (beispielsweise eine Minute) dreht, oder die Anzahl von Umdrehungen (U/sek), mit der sich der Rotor pro Zeiteinheit (beispielsweise eine Sekunde) dreht. Die Vektorsteuerung ist ein Verfahren zum Zerlegen eines Stroms, der durch einen Motor fließt, in eine Stromkomponente, die zu der Erzeugung eines Drehmoments beiträgt, und eine Stromkomponente, die zu der Erzeugung eines Magnetflusses beiträgt, sowie unabhängigen Steuern der Stromkomponenten, die senkrecht zueinander sind. Beispielsweise stellt die Steuerung 100 einen Zielstromwert gemäß einem tatsächlichen Stromwert, der durch eine Mehrzahl von Stromsensoren 400 gemessen wird, und einem Rotorwinkel, der basierend auf dem tatsächlichen Stromwert geschätzt wird, ein. Die Steuerung 100 erzeugt ein Pulsbreitenmodulations-(PWM-)Signal basierend auf dem Zielstromwert und gibt dann das PWM-Signal an die Treiberschaltung 200 aus.
Die Steuerung 100 kann eine Rotationsrichtung des Rotors basierend auf dem tatsächlichen Stromwert, der durch die Mehrzahl von Stromsensoren 400 gemessen wird, detektieren. Die Steuerung 100 steuert den Motor M basierend auf einem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Rotors.
Die Treiberschaltung 200 ist beispielsweise ein Gate-Treiber. Die Treiberschaltung 200 erzeugt ein Steuersignal gemäß dem PWM-Signal, das aus der Steuerung 100 ausgegeben wird, um einen Schaltvorgang eines Schaltelements in dem Inverter 300 zu steuern. Es wird darauf hingewiesen, dass die Treiberschaltung 200 in der Steuerung 100 eingebaut sein kann, wie später beschrieben wird.
Beispielsweise wandelt der Inverter 300 eine Gleichstrom-Leistung, die von einer Gleichstrom-Leistungsquelle (nicht dargestellt) zugeführt wird, in eine Wechselstrom-Leistung um und treibt dann den Motor M mit der gewandelten Wechselstrom-Leistung. Der Inverter 300 wandelt beispielsweise eine Gleichstrom-Leistung basierend auf einem Steuersignal, das aus der Treiberschaltung 200 ausgegeben wird, in eine Dreiphasen-Wechselstrom-Leistung einer U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Pseudo-Sinus-Welle um. Die Dreiphasen-Wechselstrom-Leistung, die so umgewandelt ist, wird zum Treiben des Motors M verwendet.
Die Mehrzahl von Stromsensoren 400 beinhaltet zumindest zwei Stromsensoren, die zumindest zwei von Strömen detektieren, die durch einen U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Draht des Motors M geleitet werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet die Mehrzahl von Stromsensoren 400 zwei Stromsensoren 400A, 400B (siehe 2), die die Ströme detektieren, die durch den U-Phase- und V-Phase-Draht laufen. Alternativ kann die Mehrzahl von Stromsensoren 400 drei Stromsensoren beinhalten, die drei Ströme detektieren, die durch den U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Draht laufen, oder beispielsweise zwei Stromsensoren beinhalten, die die Ströme, die durch den V-Phase- und W-Phase-Draht laufen, oder die Ströme detektieren, die durch den W-Phase- und U-Phase-Draht laufen. Beispielsweise beinhaltet jeder Stromsensor einen Nebenschlusswiderstand und eine Stromdetektionsschaltung (nicht dargestellt), die einen Strom detektiert, der durch den Nebenschlusswiderstand fließt. Beispielsweise besitzt der Nebenschlusswiderstand einen Widerstandswert von etwa 0,1 Ω.
Der AD-Wandler 500, der analoge Signale, die aus der Mehrzahl von Stromsensoren 400 ausgegeben werden, abtastet, wandelt die Analogsignale in digitale Signale um und gibt die umgewandelten digitalen Signale an die Steuerung 100 aus. Alternativ kann die Steuerung 100 eine derartige AD-Wandlung durchführen. In diesem Fall gibt die Mehrzahl von Stromsensoren 400 das Analogsignal direkt an die Steuerung 100 aus.
Beispiele des ROM 600 beinhalten einen programmierbaren Speicher (beispielsweise einen programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM)), einen wiederbeschreibbaren Speicher (beispielsweise einen Flash-Speicher) und einen Nur-Lese-Speicher. Der ROM 600 speichert ein Steuerprogramm mit einer Befehlsgruppe, die bewirkt, dass die Steuerung 100 den Motor M steuert. Beispielsweise wird beim Booten des Motorsteuersystems 1000 das Steuerprogramm einmal auf einen Direktzugriffsspeicher (RAM) (nicht dargestellt) entwickelt. Der ROM 600 ist nicht notwendigerweise außerhalb der Steuerung 100 als eine externe Einheit angeordnet, sondern könnte in der Steuerung 100 eingebaut sein. Beispielsweise kann die Steuerung 100, in der der ROM 600 eingebaut ist, die obige MCU sein.
Bezug nehmend auf 2 folgt eine spezifische Beschreibung einer Hardware-Konfiguration des Inverters 300.
2 stellt schematisch die Hardware-Konfiguration des Inverters 300 in dem Motorsteuersystem 1000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar.
Der Inverter 300 beinhaltet drei Schaltelemente eines unteren Arms und drei Schaltelemente eines oberen Arms. In 2 entsprechen Schaltelemente SW_L1, SW_L2 und SW_L3 den Schaltelementen eines unteren Arms und entsprechen Schaltelemente SW_H1, SW_H2 und SW_H3 den Schaltelementen eines oberen Arms. Beispielsweise kann ein Halbleiterschaltelement, wie z. B. ein Feldeffekttransistor (FET, üblicherweise MOSFET), oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) als Schaltelement verwendet werden. Jedes Schaltelement beinhaltet eine Freilaufdiode, die einen Fluss eines regenerativen Stroms in Richtung des Motors M erlaubt.
2 stellt Nebenschlusswiderstände Rs der beiden Stromsensoren 400A, 400B dar, die die Ströme detektieren, die durch den U-Phase- bzw. V-Phase-Draht laufen. Wie in 2 dargestellt ist, können die Nebenschlusswiderstände Rs beispielsweise elektrisch zwischen die Schaltelemente eines unteren Arms und Masse geschaltet sein. Alternativ können die Nebenschlusswiderstände Rs beispielsweise elektrisch zwischen die Schaltelemente eines oberen Arms und die Leistungsquelle geschaltet sein.
Die Steuerung 100 führt beispielsweise eine Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung unter Verwendung der Vektorsteuerung durch, wodurch der Motor M getrieben wird. Beispielsweise erzeugt die Steuerung 100 ein PWM-Signal für die Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung und gibt das PWM-Signal an die Treiberschaltung 200 aus. Die Treiberschaltung 200 erzeugt basierend auf dem PWM-Signal ein Gate-Steuersignal zum Steuern des Schaltvorgangs jedes FET in dem Inverter 300 und sendet dann das Gate-Steuersignal an das Gate jedes FET.
3 stellt schematisch Hardware-Blöcke des Motorsteuersystems 1000 gemäß einer Modifizierung des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar.
Wie in 3 dargestellt ist, beinhaltet das Motorsteuersystem 1000 nicht notwendigerweise die Treiberschaltung 200. In dieser Situation beinhaltet die Steuerung 100 Tore bzw. Anschlüsse zum direkten Steuern der Schaltvorgänge der jeweiligen FETs in dem Inverter 300. Insbesondere erzeugt die Steuerung 100 ein Gate-Steuersignal basierend auf einem PWM-Signal. Die Steuerung 100 gibt das Gate-Steuersignal durch das Tor aus, wodurch das Gate-Steuersignal an das Gate jedes FET bereitgestellt wird.
Wie in 3 dargestellt ist, kann das Motorsteuersystem 1000 ferner einen Positionssensor 700 beinhalten. Der Positionssensor 700 ist an dem Motor M angeordnet, um eine Position des Rotors zu detektieren. Insbesondere detektiert der Positionssensor 700 den Rotorwinkel des Motors M, nämlich einen mechanischen Winkel des Rotors, und gibt den Rotorwinkel an die Steuerung 100 aus. Beispiele des Positionssensors 700 beinhalten einen Magnetsensor, wie z. B. einen MR-Sensor einschließlich eines magnetoresistiven (MR-)Elements und einer Hall-IC (mit einem Hall-Element), und einen Resolver bzw. Koordinatenwandler.
Das Motorsteuersystem 1000 kann beispielsweise einen Geschwindigkeitssensor oder einen Beschleunigungssensor anstelle des Positionssensors 700 aufweisen. In Fällen, in denen der Geschwindigkeitssensor als Positionssensor verwendet wird, führt die Steuerung 100 eine Integrationsverarbeitung und dergleichen an einem Rotationsgeschwindigkeitssignal oder einem Winkelgeschwindigkeitssignal durch, um eine Position des Rotors, nämlich einen Rotationswinkel, zu berechnen. Eine Winkelgeschwindigkeit (Einheit: rad/s) wird durch einen Winkel einer Rotation des Rotors pro Sekunde ausgedrückt. In Fällen, in denen der Beschleunigungssensor als Positionssensor verwendet wird, führt die Steuerung 100 die Integrationsverarbeitung und dergleichen an einem Winkelbeschleunigungssignal durch, um den Rotationswinkel zu berechnen.
Das Motorsteuersystem der vorliegenden Offenbarung kann auf ein Motorsteuersystem angewendet werden, das den Positionssensor nicht beinhaltet und etwas durchführt, was sensorlose Steuerung genannt wird, wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt ist. Das Motorsteuersystem der vorliegenden Offenbarung kann auch auf ein Motorsteuersystem angewendet werden, das den Positionssensor beinhaltet, wie beispielsweise in 3 dargestellt ist.
Es folgt Bezug nehmend auf die 4 bis 6 die Beschreibung eines spezifischen Beispiels eines Verfahrens zum Steuern des Motorsteuersystems 1000 mit der Motorsteuerung durch die sensorlose Steuerung als Beispiel, wobei hauptsächlich eine Technik eines Detektierens der Rotationsrichtung des Rotors beschrieben wird. Das Motorsteuerverfahren der vorliegenden Offenbarung kann verschiedene Motorsteuersysteme verwenden, die erforderlich sind, um die Rotationsrichtung des Rotors zu detektieren.
[Verfahren zum Steuern des Motorsteuersystems 1000]
4 stellt ein Beispiel einer Verarbeitungsprozedur des Verfahrens zum Steuern des Motorsteuersystems 1000 dar. Wie in 4 dargestellt ist, detektiert das Motorsteuersystem 1000 die Rotationsrichtung des Rotors, berechnet den Rotorwinkel basierend auf dem Detektionsergebnis und steuert den Motor M basierend auf dem berechneten Rotorwinkel θ. Jede Prozedur wird später detailliert beschrieben.
Ein Algorithmus des Motorsteuerverfahrens des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann mit lediglich Hardware implementiert sein, wie z. B. einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder einem FPGA, oder kann durch eine Kombination aus Hardware und Software implementiert sein.
5 stellt schematisch einen Funktionsblock der Steuerung 100 dar. Gemäß der Verwendung hierin ist nicht jeder Block auf einer Hardware-Basis dargestellt, sondern ist auf einer Funktionsblockbasis in dem Funktionsblockdiagramm dargestellt. Beispielsweise könnte die Software ein Modul sein, das ein Computerprogramm zur Ausführung einer spezifischen Verarbeitung bildet, die jedem Funktionsblock entspricht.
(Schritt S100)
Wie in 5 dargestellt ist, beinhaltet die Steuerung 100 beispielsweise eine Lastwinkeleinheit 110, einen Schätzer 120, eine Rotationsrichtungsdetektionseinheit 130, einen Auswähler 140, einen Addierer 150 und eine Motorsteuereinheit 160. Die Steuerung 100 kann die Rotationsrichtung des Rotors basierend auf den Referenzspannungen V_a *, V_b *, den Ankerströmen I_α , I_β detektieren. Gemäß der Verwendung hierin wird jeder Funktionsblock zur Bequemlichkeit der Beschreibung als „Einheit“ bezeichnet. Natürlich wird der Begriff „Einheit“ nicht verwendet, um jeden Funktionsblock auf Hardware oder Software einzuschränken oder als solche zu interpretieren.
In Fällen, in denen die jeweiligen Funktionsblöcke als Software in der Steuerung 100 angebracht sind, kann die Software durch beispielsweise einen Kern der Steuerung 100 ausgeführt werden. Wie oben beschrieben wurde, könnte die Steuerung 100 mit einem FPGA implementiert sein. In dieser Situation könnten alle oder einige der Funktionsblöcke durch Hardware implementiert sein. Zusätzlich ist, wenn die Verarbeitung in einer dezentralisierten Weise unter Verwendung einer Mehrzahl von FPGAs ausgeführt wird, die Last einer Berechnung auf einen spezifischen Computer dezentralisiert. In diesem Fall können alle oder einige der Funktionsblöcke in 5 in der Mehrzahl von FPGAs separat angebracht sein. Die FPGAs sind durch beispielsweise ein platineninternes Steuerbereichsnetzwerk (CAN; CAN = control area network) untereinander verbunden sein, um Daten untereinander auszutauschen.
Beispielsweise beträgt bei einer Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung eine Summe der Ströme, die durch die drei Phasen laufen, null. Anders ausgedrückt besagt eine zu erfüllende Beziehung, dass eine Summe der Ströme I_a , I_b und I_b null beträgt. Gemäß der Verwendung hierin fließt ein Strom I_a durch den U-Phase-Draht des Motors M, fließt ein Strom I_b durch den V-Phase-Draht des Motors M und fließt ein Strom I_c durch den W-Phase-Draht des Motors M.
Die Steuerung 100 (beispielsweise ein Kern) empfängt zwei der Ströme I_a , I_b , I_c und berechnet den verbleibenden der Ströme I_a , I_b und I_c . Bei dem ersten Ausführungsbeispiel erfasst die Steuerung 100 den Strom I_a, der durch den Stromsensor 400A gemessen wird, und den Strom I_b , der durch den Stromsensor 400B gemessen wird. Die Steuerung 100 berechnet den Strom I_c basierend auf den Strömen I_a , I_b unter Verwendung der Beziehung, dass die Summe der Ströme I_a , I_b und I_c gleich null ist. Die Ströme I_a , I_b und I_c , die unter Verwendung der drei Stromsensoren gemessen werden, können in die Steuerung 100 eingegeben werden.
Die Steuerung 100 (beispielsweise der Kern) kann die Ströme I_a , I_b und I_c in einen Strom I_a an einer α-Achse und einen Strom I_β an einer β-Achse in einem aß-fixierten Koordinatensystem unter Verwendung von etwas umwandeln, was als Clarke-Transformation bezeichnet wird, die zur Vektorsteuerung oder dergleichen verwendet wird. Das αβ-fixierte Koordinatensystem ist ein stationäres Koordinatensystem. Die α-Achse erstreckt sich in einer Richtung einer der drei Phasen (z. B. einer U-Phase-Richtung) und die β-Achse erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zu der α-Achse.
Die Steuerung 100 (beispielsweise der Kern) wandelt unter Verwendung der Clarke-Transformation Referenzspannungen V_a*, V_b* und V_c* in die Referenzspannung V_a* an der α-Achse und die Referenzspannung V_β* an der β-Achse in dem aß-fixierten Koordinatensystem um. Die Referenzspannungen V_a*, V_b* bzw. V_c* stellen die PWM-Signale zum Steuern der Schaltelemente in dem Inverter 300 dar.
Beispielsweise kann auch die Berechnung zum Erhalten der Ströme I_α, I_β und der Referenzspannungen V_a*, V_β* durch die Motorsteuereinheit 160 der Steuerung 100 durchgeführt werden. Die Ströme I_α, I_β und die Referenzspannungen V_a*, V_β* werden in die Lastwinkeleinheit 110, den Schätzer 120 und die Rotationsrichtungsdetektionseinheit 130 eingegeben.
Die Lastwinkeleinheit 110 berechnet einen Lastwinkel δ basierend auf den Strömen I_α, I_β und den Referenzspannungen V_a*, V_β*. Beispielsweise berechnet die Lastwinkeleinheit 110 eine Komponente ψ_α an der α-Achse eines Komplexmagnetflusses ψ basierend auf folgender Gleichung (1) und berechnet eine Komponente ψ_β an der β-Achse des Komplexmagnetflusses ψ basierend auf folgender Gleichung (2). In den Gleichungen (1) und (2) drückt LPF die Leistung der Verarbeitung unter Verwendung eines Tiefpassfilters aus. Der Komplexmagnetfluss ψ ist durch folgende Gleichung (3) gegeben. $Ψ_{α} = LPF (V_{α} * - R \cdot I_{α})$
$Ψ_{β} = LPF (V_{β} * - R \cdot I_{β})$
$Ψ = {(Ψ_{α}^{2} + Ψ_{β}^{2})}^{1 / 2}$
In der Gleichung (2) stellt R einen Ankerwiderstand dar. Beispielsweise wird der Ankerwiderstand R durch den Kern der Steuerung 100 zu der Lastwinkeleinheit 110 eingestellt.
Die Lastwinkeleinheit 110 wandelt unter Verwendung von etwas, was als Park-Transformation bezeichnet wird, die zur Vektorsteuerung und dergleichen verwendet wird, die Ströme I_α , I_β in einen Strom I_d an einer d-Achse und einen Strom I_q auf einer q-Achse in einem dq-Rotations-Koordinatensystem um. Das dq-Rotations-Koordinatensystem bezieht sich auf ein Rotations-Koordinatensystem, das sich zusammen mit einem Rotor dreht. Die Lastwinkeleinheit 110 berechnet den Lastwinkel δ basierend auf folgender Gleichung (4). Beispielsweise ist der Lastwinkel δ ausgedrückt durch einen Winkel zwischen einem Komplexmagnetflussvektor (Betrag ψ) und der d-Achse in dem dq-Rotations-Koordinatensystem und ist ein Winkel mit einer Richtung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn als positiver Richtung. $δ= {tan}^{- 1} {(L_{q} \cdot I_{q}) / Ψ}$
wobei L_q eine Ankerinduktivität an der q-Achse in dem dq-Rotations-Koordinatensystem ausdrückt.
Die Lastwinkeleinheit 110 gibt den Lastwinkel δ an den Addierer 150 aus.
Der Schätzer 120 schätzt einen Phasenwinkel p basierend auf den Strömen I_α , I_β und den Referenzspannungen V_α *, V_β *. Ähnlich wie bei der Lastwinkeleinheit 110 beispielsweise berechnet der Schätzer 120 die Magnetflusskomponenten ψ_α, ψ_β basierend auf obigen Gleichungen (1) und (2). Beispielsweise berechnet der Schätzer 120 ferner den Phasenwinkel p basierend auf folgender Gleichung (5). Der Phasenwinkel p ist ausgedrückt durch den Winkel zwischen dem Komplexmagnetflussvektor und der α-Achse in dem αβ-fixierten Koordinatensystem und ist ein Winkel mit der Richtung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn als positiver Richtung. Der Schätzer 120 gibt den Phasenwinkel p an den Auswähler 140 aus. $ρ= {tan}^{- 1} (Ψ_{β} / Ψ_{α})$
Die Rotationsrichtungsdetektionseinheit 130 detektiert die Rotationsrichtung des Rotors basierend auf den Strömen I_α , I_β und den Referenzspannungen V_α *, V_β *. Die Rotationsrichtung des Rotors ist im Allgemeinen eine normale Rotationsrichtung und eine umgekehrte Rotationsrichtung. Bei der Beschreibung wird die Richtung, in der sich der Rotor bei Betrachtung von einer Lastseite entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um eine Achse einer Welle dreht als „normale Rotationsrichtung“ bezeichnet, die Richtung, in der sich der Rotor in Uhrzeigerrichtung um die Achse der Welle dreht, wird als „umgekehrte Rotationsrichtung“ bezeichnet. Die normale und die umgekehrte Rotationsrichtung können bei jeder Produktspezifizierung unterschiedlich definiert sein.
6 stellt den Funktionsblock der Rotationsrichtungsdetektionseinheit 130 detailliert dar. Beispielsweise beinhaltet die Rotationsrichtungsdetektionseinheit 130 eine Gegenelektromotorische-Kraft-Berechnungseinheit 131, eine Zeitdifferenzierungseinheit 132, einen Multiplizierer 133 und einen Komparator 134.
Die Gegenelektromotorische-Kraft-Berechnungseinheit 131 berechnet eine Komponente BEMF_α einer gegenelektromotorischen Kraft an der α-Achse und die Komponente BEMF_β einer gegenelektromotorischen Kraft an der β-Achse basierend auf den Strömen I_α , I_β und den Referenzspannungen V_α*, V_β* unter Verwendung folgender Gleichungen (6) und (7). Folglich werden die Komponenten BEMF_α und BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft erfasst. ${BEMF}_{α} = V_{α} * - R \cdot I_{α}$
${BEMF}_{β} V_{β} * - R \cdot I_{β}$
Die Zeitdifferenzierungseinheit 132 führt eine Zeitdifferenzierung an der Komponente BEMF_α der gegenelektromotorischen Kraft durch und führt die Zeitdifferenzierung an der Komponente BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft durch. Die Zeitdifferenzierungswerte der Komponenten BEMF_α und BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft werden an den Multiplizierer 133 ausgegeben.
Der Multiplizierer 133 multipliziert den Zeitdifferenzierungswert der Komponente BEMF_α der gegenelektromotorischen Kraft mit dem Zeitdifferenzierungswert der Komponente BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft, um einen ersten Multiplikationswert zu erzeugen. Der Multiplizierer 133 multipliziert außerdem den Zeitdifferenzierungswert der Komponente BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft mit dem Zeitdifferenzierungswert der Komponente BEMF_α der gegenelektromotorischen Kraft, um einen zweiten Multiplikationswert zu erzeugen. Der erste und der zweite Multiplikationswert werden an den Komparator 134 ausgegeben.
Beispielsweise ist der Komparator 134 ein Hysterese-Komparator. Gemäß dem Hysterese-Komparator kann ein Jitter bzw. Zittern des Ausgangssignals selbst dann verhindert werden, wenn Rauschen zu dem Eingangssignal addiert wird. Der Komparator 134 erhält einen Differenzwert diffA zwischen dem ersten und dem zweiten Multiplikationswert basierend auf folgender Gleichung (8) und gibt ein Flag-Signal flag gemäß dem Differenzwert diffA aus. Das Flag-Signal flag ist ein digitales Signal und zeigt die Rotationsrichtung des Rotors an. $diffA = {BEMF}_{α} \cdot {BEMF}_{β}' - {BEMF}_{α}' \cdot {BEMF}_{β}$
wobei „'“ einen Operator der Zeitdifferenzierung ausdrückt.
Der erste Multiplikationswert wird in einen Eingangsanschluss an einer positiven Seite (+) des Komparators 134 eingegeben und der zweite Multiplikationswert wird in einen Eingangsanschluss an einer negativen Seite (-) des Komparators 134 eingegeben. Der Komparator 134 erhält den Differenzwert diffA durch Subtrahieren des zweiten Multiplikationswerts von dem ersten Multiplikationswert. Beispielsweise kann in dem Fall, dass ein EPS-System betrachtet wird, eine Schwelle einer oberen Grenze einer Hysterese des Komparators 134 auf etwa 200 mV eingestellt werden und eine Schwelle einer unteren Grenze kann auf etwa -200 mV eingestellt werden.
Beispielsweise kann der Komparator 134 das Flag-Signal flag, das einen hohen Pegel „1“ oder einen niedrigen Pegel „0“ anzeigt, gemäß dem Differenzwert diffA ausgeben. Das Flag-Signal flag mit niedrigem Pegel zeigt an, dass der Rotor sich in der normalen Rotationsrichtung dreht, und das Flag-Signal flag mit hohem Pegel zeigt an, dass sich der Rotor in der umgekehrten Rotationsrichtung dreht.
Die Komponenten BEMF_α und BEMF_β einer gegenelektromotorischen Kraft, die basierend auf obigen Gleichungen (6) und (7) berechnet werden, können unter Verwendung einer Grundwelle und einer harmonischen Welle ausgedrückt werden. An diesem Punkt werden, um die harmonische Welle (Hochfrequenz) zu entfernen, beispielsweise die Komponenten BEMF_α und BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft allgemein unter Verwendung eines Universal-Tiefpassfilters, das in der Steuerung 100 beinhaltet ist, gefiltert. Durch diese Verarbeitung können die Komponenten BEMF_α und BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft nur durch die Grundwelle in folgenden Gleichungen (9) und (10) ausgedrückt werden. ${BEMF}_{α} = BEMF \cdot cos (ρ)$
${BEMF}_{β} = BEMF \cdot sin (ρ)$
$BEMF = {({BEMF}_{α}^{2} + {BEMF}_{β}^{2})}^{1 / 2}$
wobei BEMF ein Betrag des Vektors der gegenelektromotorischen Kraft ist und basierend auf obiger Gleichung (11) erhalten wird. ρ ist ein Phasenwinkel und wird beispielsweise als eine Funktion der Zeit t in der Gleichung (12) ausgedrückt. ω drückt die Rotationsgeschwindigkeit (manchmal „elektrische Geschwindigkeit“ genannt) aus, die durch Durchführen der Zeitdifferenzierung an einem elektrischen Winkel (Rotorwinkel) erhalten wird, und ρ(0) drückt eine anfängliche Phase aus. $ρ (t) = ω \cdot t + ρ (0)$
Wenn der Differenzwert diffA basierend auf den Komponenten BEMF_α und BEMF_β der gegenelektromotorischen Kraft erhalten wird, die durch die Grundwelle ausgedrückt sind, kann der Differenzwert diffA durch folgende Gleichung (13) in etwa angegeben werden. $diffA \approx ω \cdot {BEMF}^{2} \cdot {cos}^{2} (ρ) + ω \cdot {BEMF}^{2} \cdot {sin}^{2} (ρ) \approx ω \cdot {BEMF}^{2}$
Der Komparator 134 detektiert die Rotationsrichtung des Rotors basierend auf dem Differenzwert diffA. Insbesondere kann der Komparator 134 die Rotation des Rotors in einer der normalen und der umgekehrten Rotationsrichtung detektieren, wenn der Differenzwert diffA ein positiver Wert ist, und kann der Komparator 134 die Rotation des Rotors in der anderen der normalen und der umgekehrten Rotationsrichtung detektieren, wenn der Differenzwert diffA ein negativer Wert ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel detektiert der Komparator 134 die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung, wenn der Differenzwert diffA der positive Wert ist, und detektiert der Komparator 134 die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung, wenn der Differenzwert diffA der negative Wert ist. Wenn der Differenzwert diffA „0“ anzeigt, detektiert der Komparator 134 ein Stoppen des Rotors.
Eine Polarität einer differenziellen Eingabe des Komparators 134 in 6 kann umgekehrt sein. Dies bedeutet, dass der Komparator 134 einen Differenzwert diffB erhalten kann durch Subtrahieren des ersten Multiplikationswerts von dem zweiten Multiplikationswert und das Flag-Signal flag basierend auf dem Differenzwert diffB erzeugen kann. In diesem Fall detektiert der Komparator 134 die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung, wenn der Differenzwert diffB der negative Wert ist, und detektiert die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung, wenn der Differenzwert diffB der positive Wert ist. Auf diese Weise kann die Rotationsrichtung des Rotors selbst dann detektiert werden, wenn die Polarität der differenziellen Eingabe umgekehrt ist.
Bei dem Algorithmus des vorliegenden Ausführungsbeispiels zum Detektieren der Rotationsrichtung des Rotors kann die Rotationsrichtung des Rotors durch eine einfachere Berechnung korrekt detektiert werden, ohne den Rotorwinkel unter Verwendung des Positionssensors zu messen oder zu berechnen. Folglich kann eine Last auf die Berechnung des Computers des Motorsteuersystems reduziert werden. Die Rotationsrichtung des Rotors kann während des Betriebs des Motors mit niedriger Geschwindigkeit korrekt detektiert werden. Wie oben beschrieben wurde, wird die Notwendigkeit der Messung des Rotorwinkels unter Verwendung des Positionssensors beseitigt, sodass die Technik des Detektierens der Rotationsrichtung des Rotors des vorliegenden Ausführungsbeispiels geeignet auf die sensorlose Steuerung angewendet werden kann.
(Schritt S200)
Die Steuerung 100 bestimmt, ob die Rotationsrichtung des Rotors die normale Rotationsrichtung oder die umgekehrte Rotationsrichtung ist.
(Schritt S300)
Die Steuerung 100 berechnet den Rotorwinkel θ basierend auf dem Phasenwinkel p, dem Lastwinkel δ und dem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Rotors. Insbesondere gibt der Auswähler 140 in 5 p oder (p - 180°) gemäß dem Flag-Signal flag an den Addierer 150 aus. Beispielsweise gibt der Auswähler 140 p an den Addierer 150 aus, wenn das Flag-Signal flag „0“ anzeigt, und gibt der Auswähler 140 (p - 180°) an den Addierer 150 aus, wenn das Flag-Signal flag „1“ anzeigt.
Wenn das Flag-Signal flag die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung anzeigt, wenn nämlich die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung detektiert wird, berechnet die Steuerung 100 den Rotorwinkel θ basierend auf folgender Gleichung (14). $θ=ρ+δ$
(Schritt S400)
Wenn das Flag-Signal flag die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung anzeigt, wenn nämlich die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung detektiert wird, berechnet die Steuerung 100 den Rotorwinkel θ basierend auf folgender Gleichung (15). $θ= (ρ−180°) + δ$
(Schritt S500)
Die Motorsteuereinheit 160 steuert den Motor basierend auf dem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Rotors, Insbesondere kann die Motorsteuereinheit 160 den Motor durch die sensorlose Steuerung unter Verwendung des Rotorwinkels θ steuern, der durch den Addierer 150 berechnet wird. Die Motorsteuereinheit 160 führt die Berechnung durch, die beispielsweise für eine typische Vektorsteuerung erforderlich ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Vektorsteuerung eine bekannte Technik ist; deshalb erfolgt hier keine spezifische Beschreibung derselben.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die sensorlose Steuerung ohne Verwendung des Positionssensors durchgeführt werden, sodass eine Fehlfunktion des Positionssensors, ein Anstieg der Systemkosten aufgrund zusätzlicher Hardware und dergleichen verhindert werden können. Die Berechnung zum Detektieren der Rotationsrichtung des Rotors wird vereinfacht, sodass auch die Speicherkosten reduziert werden können.

Ein Verifizierungsergebnis einer Gültigkeit des Algorithmus, der zur Detektion der Rotationsrichtung des Rotors der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, ist unter Verwendung des „Rapid Control Prototyping (RCP) System“ (Schnellsteuerprototypisierungssystem) (von dSPACE) und Matlab/Simulink (von MathWorks) dargestellt. Ein Modell eines Oberflächen-Magnettyp-Motors (SPM-Motors; SPM = surface magnet type), der durch die Vektorsteuerung gesteuert wird, wurde für diese Verifizierung eingesetzt. Tabelle 1 stellt Werte verschiedener Systemparameter bei der Verifizierung dar. Tabelle 1

Trägheitsmoment

Reibungskoeffizient

Widerstandswert (Motor + ECU)

Spannungsbereich

Temperaturbereich

Motortyp

Anzahl von Polen

Anzahl von Schlitzen

Maximalstrom

Nennspannung

Nenntemperatur

Maximales Drehmoment

Drahtdurchmesser

Anzahl von Windungen

7 stellt den Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit (U/sek) des Motors innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums (0 Sekunden bis 0,25 Sekunden) dar. 8 stellt den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums dar. 9 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt. 10 stellt den Signalverlauf des Differenzwerts diffA dar, der zwischen 0 Sekunden und 3,0 Sekunden detektiert wird. Horizontalachsen in den 7 bis 10 zeigen die Zeit (Sekunden) an. Eine vertikale Achse in 7 zeigt eine Frequenz der elektrischen Geschwindigkeit (Hz (= U/sek)) an. Die vertikale Achse in 8 zeigt den Rotorwinkel (Grad) an. Die vertikale Achse in 9 zeigt die Spannung (V) an. Die vertikale Achse in 10 zeigt den Differenzwert diffA des Komparators 134 an.
Die 7 bis 10 stellen verschiedene Signalverläufe dar, die erfasst werden, wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit (30 U/sek) in der normalen Rotationsrichtung dreht. In dem Fall, dass das EPS-System betrachtet wird, kann beispielsweise der Hochgeschwindigkeitsbereich in Bezug auf die Drehung in der normalen Rotationsrichtung größer oder gleich 26,2 U/sek sein.
Das Ergebnis in 10 zeigt an, dass der Komparator 134 den Differenzwert diffA = 1 erfasst, um die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung zu detektieren. Es ist zu erkennen, dass die Rotationsrichtung des Rotors korrekt detektiert wird, wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit in der normalen Rotationsrichtung dreht.
11 stellt den Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit des Motors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums (0 Sekunden bis 0,25 Sekunden) dar. 12 stellt den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums dar. 13 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt. 14 stellt den Signalverlauf des Differenzwerts diffA dar, der zwischen 0 Sekunden und 0,25 Sekunden detektiert wird. Die horizontalen Achsen in den 11 bis 14 zeigen die Zeit (Sekunden) an. Die vertikale Achse in 11 zeigt die Frequenz (Hz) der elektrischen Geschwindigkeit an. Die vertikale Achse in 13 zeigt den Rotorwinkel (Grad) an. Die vertikale Achse in 13 zeigt die Spannung (V) an. Die vertikale Achse in 14 zeigt den Differenzwert diffA des Komparators 134 an.
Die 11 bis 14 zeigen verschiedene Signalverläufe an, die erfasst werden, wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit (-30 U/sek) in der umgekehrten Rotationsrichtung dreht. Beispielsweise kann in dem Fall, dass das EPS-System betrachtet wird, der Hochgeschwindigkeitsbereich in Bezug auf die Rotation in der umgekehrten Rotationsrichtung kleiner oder gleich 26,2 U/sek betragen.
Das Ergebnis in 14 bedeutet, dass der Komparator 134 den Differenzwert A = -1 erfasst, um die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung zu detektieren. Es ist zu sehen, dass die Rotationsrichtung des Rotors korrekt detektiert wird, wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit in der umgekehrten Rotationsrichtung dreht.
15 stellt den Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit des Motors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums (0 Sekunden bis 0,25 Sekunden) dar. 16 stellt den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums dar. 17 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt. 18 stellt den Signalverlauf des Differenzwerts diffA dar, der zwischen 0 Sekunden und 2,0 Sekunden detektiert wird. Die horizontalen Achsen in den 15 bis 18 zeigen die Zeit (Sekunden) an. Die vertikale Achse in 15 zeigt die Frequenz (Hz) der elektrischen Geschwindigkeit an. Die vertikale Achse in 16 zeigt den Rotorwinkel (Grad) an. Die vertikale Achse in 17 zeigt die Spannung (V) an. Die vertikale Achse in 18 zeigt den Differenzwert diffA des Komparators 134 an.
Die 15 bis 18 stellen verschiedene Signalverläufe dar, die erfasst werden, wenn sich der Rotor mit niedriger Geschwindigkeit (16 U/sek) in der normalen Rotationsrichtung dreht. Beispielsweise kann in dem Fall, dass das EPS-System betrachtet wird, der Niedriggeschwindigkeitsbereich in Bezug auf die Rotation in der normalen Rotationsrichtung größer als 0,0 U/sek und kleiner als 26,2 U/sek sein.
Das Ergebnis in 18 zeigt an, dass der Komparator 134 den Differenzwert diffA = 1 erfasst, um die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung zu detektieren. Es ist zu sehen, dass die Rotationsrichtung des Rotors korrekt detektiert wird, wenn sich der Rotor mit niedriger Geschwindigkeit in der normalen Rotationsrichtung dreht.
19 stellt den Signalverlauf der elektrischen Geschwindigkeit des Motors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums (0 Sekunden bis 0,25 Sekunden) dar. 20 stellt den Signalverlauf des Rotorwinkels innerhalb des vorbestimmten Zeitraums dar. 21 ist ein Graph, der den Signalverlauf (oberer Abschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_α innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, den Signalverlauf (Mittelabschnitt) der gegenelektromotorischen Kraft BEMF_β innerhalb des vorbestimmten Zeitraums und den Signalverlauf (unterer Abschnitt) des Betrags BEMF der gegenelektromotorischen Kraft innerhalb des vorbestimmten Zeitraums darstellt. 22 stellt den Signalverlauf des Differenzwerts diffA dar, der zwischen 0 Sekunden und 2,5 Sekunden detektiert wird. Die horizontale Achse in den 19 bis 22 zeigt die Zeit (Sekunden) an. Die vertikale Achse in 19 zeigt die Frequenz (Hz) der elektrischen Geschwindigkeit an. Die vertikale Achse in 20 zeigt den Rotorwinkel (Grad) an. Die vertikale Achse in 21 zeigt die Spannung (V) an. Die vertikale Achse in 22 zeigt den Differenzwert diffA des Komparators 134 an.
Die 19 bis 22 stellen verschiedene Signalverläufe dar, die erfasst werden, wenn sich der Rotor mit niedriger Geschwindigkeit (-16 U/sek) in der umgekehrten Rotationsrichtung dreht. Beispielsweise kann in dem Fall, dass das EPS-System betrachtet wird, der Niedriggeschwindigkeitsbereich in Bezug auf die Drehung in der umgekehrten Rotationsrichtung größer als -26,2 U/sek und kleiner als 0,0 U/sek sein.
Das Ergebnis in 22 zeigt an, dass der Komparator 134 den Differenzwert diffA = -1 erfasst, um die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung zu detektieren. Es ist zu sehen, dass die Rotationsrichtung des Rotors korrekt detektiert wird, wenn sich der Rotor mit niedriger Geschwindigkeit in der umgekehrten Rotationsrichtung dreht.
Aus den obigen Simulationsergebnissen ist bei der Technik zum Detektieren der Rotationsrichtung des Rotors der vorliegenden Offenbarung zu sehen, dass die Rotationsrichtung des Rotors korrekt über den breiten Bereich von dem Niedriggeschwindigkeitsantrieb einschließlich des Startens bis zu dem Hochgeschwindigkeitsantrieb detektiert werden kann.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
23 stellt schematisch eine typische Konfiguration eines EPS-Systems 2000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar.
Üblicherweise ist ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Automobil, mit einem EPS-System ausgerüstet. Das EPS-System 2000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Lenksystem 520 und einen Unterstützungsdrehmomentmechanismus 540, der ein Unterstützungsdrehmoment erzeugt. Das EPS-System 2000 erzeugt ein Unterstützungsdrehmoment, das ein Lenkdrehmoment in einem Lenksystem unterstützt, wobei das Lenkdrehmoment erzeugt wird, wenn ein Fahrer ein Lenkrad dreht. Das Unterstützungsdrehmoment reduziert eine Last eines Lenkvorgangs für den Fahrer.
Beispielsweise kann das Lenksystem 520 ein Lenkrad 521, eine Lenkwelle 522, Universalgelenke 523A, 523B, eine Rotationswelle 524, einen Zahnstangenmechanismus 525, eine Zahnstangenwelle 526, ein linkes und ein rechtes Kugelgelenk 552A, 552B, Spurstangen 527A, 527B, Gelenke 528A, 528B und ein linkes und ein rechtes Rad 529A, 529B aufweisen.
Beispielsweise beinhaltet der Unterstützungsdrehmomentmechanismus 540 einen Lenkdrehmomentsensor 541, eine Automobil-Elektroniksteuereinheit (Automobil-ECU; ECU = electronic control unit) 542, einen Motor 543, einen Geschwindigkeitsreduktionsmechanismus 544 und dergleichen. Der Lenkdrehmomentsensor 541 detektiert das Lenkdrehmoment in dem Lenksystem 520. Die ECU 542 erzeugt ein Treibersignal basierend auf einem Detektionssignal von dem Lenkdrehmomentsensor 541. Der Motor 543 erzeugt ein Unterstützungsdrehmoment ansprechend auf das Lenkdrehmoment basierend auf dem Treibersignal. Der Motor 543 überträgt das Unterstützungsdrehmoment über den Geschwindigkeitsreduktionsmechanismus 544 an das Lenksystem 520.
Beispielsweise beinhaltet die ECU 542 die Steuerung 100, die Treiberschaltung 200 und dergleichen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In dem Automobil dient die ECU als ein Kern zur Ausbildung eines elektronischen Steuersystems. In dem EPS-System 2000 beispielsweise bilden die ECU 542, der Motor 543 und ein Inverter 545 ein Motorsteuersystem. Das Motorsteuersystem 1000 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel könnte geeignet als Motorsteuersystem eingesetzt werden.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sind geeignet auf ein Motorsteuersystem für X-by-Wire bzw. X-Mittels-Draht anwendbar, wie z. B. einen Shift-by-Wire-Motor, einen Steer-by-Wire-Motor und Brake-by-Wire-, einen Traktionsmotor und dergleichen, bei dem die Fähigkeit einer Detektion der Rotation des Rotors erforderlich ist. Insbesondere führen einige X-by-Wire-Systeme mit dem Positionssensor einer Sensorsteuerung basierend auf einem Ausgangssignal von dem Positionssensor durch. Beispielsweise ist es bei dem Steer-by-Wire-System vom Sicherheitsstandpunkt aus nötig zu überwachen, ob die tatsächlich detektierte Rotationsrichtung des Rotors mit einem Referenzbefehl übereinstimmt, der die Rotationsrichtung des Lenkrads anzeigt. Wenn die tatsächlich detektierte Rotationsrichtung des Rotors mit dem Referenzbefehl übereinstimmt, kann das Motorsteuersystem kontinuierlich betrieben werden. Andererseits bedeutet, wenn die tatsächlich detektierte Rotationsrichtung des Rotors nicht mit dem Referenzbefehl übereinstimmt (beispielsweise in dem Fall, dass die detektierte Rotationsrichtung des Rotors die normale Rotationsrichtung anzeigt, während der Referenzbefehl die umgekehrte Rotationsrichtung anzeigt), dies, dass eine bestimmte Art von Fehlfunktion in dem System erzeugt wird. Wenn die Fehlfunktion erzeugt wird, kann das Automobil sicher am Seitenstreifen gestoppt werden, indem beispielsweise das System in den Sicherheitsmodus geschaltet wird.
Beispielsweise ist ein Motorsteuersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung in einem selbstfahrenden Auto einbaubar, das konform mit den Stufen 0 bis 4 (Automatisierungsstandards) ist, die durch die japanische Regierung und die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA = Nationale Highway-Verkehrssicherheitsverwaltung) des Verkehrsministeriums der Vereinigten Staaten vorgeschrieben werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist breit anwendbar auf eine Vielzahl von Geräten, die mit verschiedenen Motoren ausgerüstet sind, wie z. B. einen Staubsauger, einen Trockner, einen Deckenventilator, eine Waschmaschine, einen Kühlschrank und ein elektrisches Servolenksystem.
Bezugszeichenliste

100: Steuerung
110: Lastwinkeleinheit
120: Schätzer
130: Rotationsrichtungsdetektionseinheit
131: Gegenelektromotorische-Kraft-Berechnungseinheit
132: Zeitdifferenzierungseinheit
133: Multiplizierer
134: Komparator
140: Auswähler
150: Addierer
160: Motorsteuereinheit
200: Treiberschaltung
300: Inverter
400, 400A, 400B: Stromsensor
500: AD-Wandler
600: ROM
700: Positionssensor
1000: Motorsteuersystem
2000: EPS-System

Claims

Ein Motorsteuerverfahren, das folgende Schritte aufweist: einen Schritt A eines Erfassens einer Komponente BEMF_α an einer α-Achse und einer Komponente BEMF_β an einer β-Achse einer gegenelektromotorischen Kraft eines Motors in einem aß-fixierten Koordinatensystem; einen Schritt B eines Durchführens einer Zeitdifferenzierung an der Komponente BEMF_α an der α-Achse und der Komponente BEMF_β an der β-Achse; einen Schritt C eines Erhaltens eines Differenzwerts zwischen einem ersten Multiplikationswert und einem zweiten Multiplikationswert, wobei der erste Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_α an der α-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_β an der β-Achse, wobei der zweite Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_β an der β-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_α an der α-Achse; einen Schritt D eines Detektierens einer Rotationsrichtung des Rotors auf der Basis des Differenzwerts; und einen Schritt E eines Steuerns des Motors basierend auf einem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Rotors.
Das Motorsteuerverfahren gemäß Anspruch 1, bei dem bei Schritt D die Rotation des Rotors in einer einer normalen Rotationsrichtung und einer umgekehrten Rotationsrichtung erfasst wird, wenn der Differenzwert einen positiven Wert anzeigt, und die Rotation des Rotors in der anderen der normalen Rotationsrichtung und der umgekehrten Rotationsrichtung detektiert wird, wenn der Differenzwert einen negativen Wert anzeigt.
Das Motorsteuerverfahren gemäß Anspruch 2, bei dem bei Schritt E ein Rotorwinkel θ basierend auf einem Phasenwinkel p, einem Lastwinkel δ und dem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Rotors berechnet wird und der Motor unter Verwendung des Rotorwinkels θ gesteuert wird.
Das Motorsteuerverfahren gemäß Anspruch 3, bei dem: wenn die Rotation des Rotors in der normalen Rotationsrichtung bei Schritt D detektiert wird, der Rotorwinkel θ basierend auf folgender Gleichung (1) bei Schritt E berechnet wird: $θ=ρ+δ (1),$
und wenn die Rotation des Rotors in der umgekehrten Rotationsrichtung bei Schritt D detektiert wird, der Rotorwinkel θ basierend auf folgender Gleichung (2) bei Schritt E berechnet wird: $θ= (ρ−180°) + δ$
Das Motorsteuerverfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem: bei Schritt A die Komponente BEMF_α an der α-Achse basierend auf folgender Gleichung (3) berechnet wird und die Komponente BEMF_β an der β-Achse basierend auf folgender Gleichung (4) berechnet wird: ${BEMF}_{α} = V_{α} * - R \cdot I_{α}$
${BEMF}_{β} = V_{β} * - R \cdot I_{β}$
wobei V_α* eine Referenzspannung an der α-Achse ausdrückt, V_β* eine Referenzspannung an der β-Achse ausdrückt, I_α eine Komponente an der α-Achse eines Ankerstroms ist, I_β eine Komponente an der β-Achse des Ankerstroms ist und R einen Ankerwiderstandswert ausdrückt.
Ein Motorsteuersystem, das folgende Merkmale aufweist: einen Motor; und eine Steuerschaltung, die den Motor steuert, wobei die Steuerschaltung: eine Komponente BEMF_α an einer α-Achse und eine Komponente BEMF_β an einer β-Achse einer gegenelektromotorischen Kraft in einem aß-fixierten Koordinatensystem erfasst; eine Zeitdifferenzierung an der Komponente BEMF_α an der α-Achse und der Komponente BEMF_β an der β-Achse durchführt; einen Differenzwert zwischen einem ersten Multiplikationswert und einem zweiten Multiplikationswert erhält, wobei der erste Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_α an der α-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_β an der β-Achse, wobei der zweite Multiplikationswert erhalten wird durch Multiplizieren der Komponente BEMF_β an der β-Achse mit einem Differentialwert der Komponente BEMF_α an der α-Achse; eine Rotationsrichtung des Motors basierend auf dem Differenzwert detektiert; und den Motor basierend auf einem Detektionsergebnis der Rotationsrichtung des Motors steuert.
Ein elektrisches Servolenksystem mit dem Motorsteuersystem gemäß Anspruch 6.