电动机驱动系统及电动机驱动系统的控制方法与流程

本说明书公开了对于作为车辆的动力源之一的电动机进行驱动的电动机驱动系统及电动机驱动系统的控制方法。

背景技术：

在电力汽车、混合动力汽车等电动车辆搭载有电动机作为动力源之一。上述的电动机由包含变换器和控制装置的电动机驱动系统来驱动。变换器通过对多个开关元件的接通/断开进行切换而将直流电力转换成交流电力并向电动机输出。控制装置通过将表示向电动机的指令值的调制波与载波进行比较来生成变换器的开关信号。

在此，当成为电动机的旋转受到外力的阻碍或妨碍的锁定状态时，电流仅集中于在电动机设置的绕组中的一相。在该情况下，在变换器设置的多个开关元件中的与该相对应的开关元件急剧发热。因此，以往，提出了以下的技术：如果电动机成为预定的转速以下，则判断为锁定状态，将载波的频率(以下称为“载波频率”)切换为特别低的保护频率。

然而，电动机的转速不仅在该电动机锁定的情况下，而且即使在加减速的过程中，也暂时性地成为预定的转速以下。这样，即使在暂时通过了低转速域的情况下，在将载波频率切换为保护频率的情况下，也会导致噪音的问题。

因此，日本特开2000-134990公开了防止这样的噪音并保护开关元件的技术。具体而言，在日本特开2000-134990中，预先设置检测开关元件的温度(元件温度)的温度传感器，预先求出表示在该元件温度与转矩指令值的组合为何种组合的情况下切换为保护频率的判定基准的判定线。并且，如果电动机转速成为预定的阈值以下，则将该时刻的元件温度及转矩指令值与判定线进行比较，当元件温度及转矩指令值超过判定线时，将载波频率切换为保护频率。

根据上述日本特开2000-134990，即使电动机的转速成为预定的阈值以下，只要元件温度及转矩指令值不超过判定线，就不切换为保护频率。其结果是，电动机仅仅是暂时通过低转速域的话，不切换为保护频率，因此能够有效地防止不必要的噪音产生。

技术实现要素：

然而，如日本特开2000-134990那样考虑元件温度来切换载波频率的结构的情况下，当然需要另行设置温度传感器。上述的温度传感器的追加会导致成本的增加、部件的保养工时的增加。

因此，本发明提供不用追加温度传感器而同时实现防止开关元件过热和防止不必要的噪音产生的电动机驱动系统及其控制方法。

本发明的第一形态是电动机驱动系统。所述电动机驱动系统包括车辆行驶用的电动机、变换器及电子控制单元。所述变换器包括多个开关元件并构成为将直流电力转换成交流电力。所述电子控制单元构成为通过基于载波对表示所述电动机的指令值的调制波进行脉冲宽度调制来生成所述开关元件的开关信号。所述电子控制单元构成为根据所述电动机的运转状态来变更所述载波的频率即载波频率。所述电子控制单元构成为，在处于第一状态的情况下将所述载波频率设定为对所述开关元件进行保护的保护频率，所述第一状态是由所述电动机的转速及所述电动机的转矩确定的动作点处于预先规定的锁定区域内且所述电动机不是加减速状态的状态。所述电子控制单元构成为，在处于第二状态的情况下将所述载波频率设定为比所述保护频率高的非保护频率，所述第二状态是所述动作点处于所述锁定区域内且所述电动机为加减速状态的状态。

根据上述结构，即使电动机动作点处于锁定区域内，在加减速状态的情况下，也将载波频率设定为非保护频率。因此，能够防止在加减速的过程中电动机动作点暂时性地进入到锁定区域内，由于将载波频率切换为保护频率而产生噪音的问题。而且，根据上述结构，由于不需要温度传感器，因此也能够防止部件数目的增加。

在所述电动机驱动系统中，所述电子控制单元可以构成为存储表示所述动作点与所述载波频率的相关性的映射即锁定用映射及非锁定用映射。所述锁定用映射可以是将所述锁定区域的所述载波频率设定为所述保护频率的映射。所述非锁定用映射可以是在整个范围将所述载波频率设定为比所述保护频率高的频率的映射。所述电子控制单元可以构成为基于所述电动机的所述转速及所述电动机的加速度来确定所述锁定用映射和非锁定用映射中的进行参照的参照映射，并构成为基于所述参照映射来决定所述载波频率。

根据上述结构，根据转速及加速度来切换两个映射，由此能够简化载波频率的决定处理。

在所述电动机驱动系统中，可以在所述锁定用映射中，在所述锁定区域的周围设定迟滞区域，该迟滞区域规定了使用当前的频率作为所述载波频率。所述电子控制单元可以构成为，在所述电动机的所述加速度的绝对值比大于0的阈值大的情况下，判断为所述电动机为加减速状态。

根据上述结构，通过将加减速状态的判断阈值设定为大于0，能够减少将锁定状态误判定为非锁定状态的误检可能性。而且，在判断阈值大于0的情况下，即使为锁定状态，电动机的动作点也一点点地移动。在该情况下，如果在锁定用映射的锁定区域的周围设置迟滞区域，则能够减少载波频率的切换的频度。

本发明的第二形态是电动机驱动系统的控制方法。所述电动机驱动系统包括车辆行驶用的电动机、变换器及电子控制单元。所述变换器包括多个开关元件并构成为将直流电力转换成交流电力。所述控制方法包括：由所述电子控制单元通过基于载波对表示所述电动机的指令值的调制波进行脉冲宽度调制来生成所述开关元件的开关信号；由所述电子控制单元根据所述电动机的运转状态来变更所述载波的频率即载波频率；在处于第一状态的情况下由所述电子控制单元将所述载波频率设定为对所述开关元件进行保护的保护频率，所述第一状态是由所述电动机的转速及所述电动机的转矩确定的动作点处于预先规定的锁定区域内且所述电动机为不是加减速状态的状态；及在处于第二状态的情况下由所述电子控制单元将所述载波频率设定为比所述保护频率高的非保护频率，所述第二状态是所述动作点处于所述锁定区域内且所述电动机为加减速状态的状态。

根据上述结构，即使电动机动作点处于锁定区域内，在加减速状态的情况下，也将载波频率设定为非保护频率。因此，能够防止在加减速的过程中电动机动作点暂时性地进入到锁定区域内，由于将载波频率切换为保护频率而产生噪音的问题。而且，根据上述结构，由于不需要温度传感器，因此也能够防止部件数目的增加。

根据本说明书中公开的电动机驱动系统，即使电动机动作点处于锁定区域内，在加减速状态的情况下，也将载波频率设定为非保护频率，因此能够防止在加减速的过程中暂时性地产生噪音的问题。而且，上述结构不需要温度传感器，因此也能够防止部件数目的增加。结果是不用追加温度传感器，而能够同时实现防止开关元件过热和防止不必要的噪音产生。

附图说明

本发明的典型实施例的特征、优点及技术上和工业上的意义将会在下面参照附图来进行说明，在这些附图中，相同附图标记表示相同要素，其中：

图1是表示电动机驱动系统的结构的图。

图2是电子控制单元的功能框图。

图3是表示非锁定用映射的一例的图。

图4是表示锁定用映射的一例的图。

图5是表示映射选择处理的流程的流程图。

图6是表示另一锁定用映射的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明电动机驱动系统10的结构。图1是表示电动机驱动系统10的结构的图。该电动机驱动系统10通过pwm控制对于作为电动车辆(例如混合动力汽车、电力汽车等)的动力源之一的电动机100进行驱动。电动机100是生成行驶动力的结构，搭载于车辆。需要说明的是，电动机100是三相的电动机，具有三相的线圈。而且，电动机100也可以作为通过发动机(未图示)的剩余动力或车辆的制动力而发电的发电机发挥功能。

在三相线圈中的二相(在图示例中，为u相及v相)的线圈安装有电流传感器24，检测向该线圈流动的电流。由电流传感器24检测的电流检测值iu、iv向电子控制单元14发送。而且，在电动机100设有检测该电动机100的转子的位置的位置传感器(例如旋转变压器等，未图示)，由该位置传感器检测到的位置(旋转角θ)向电子控制单元14传送。

在三相的线圈的一端连接有将直流电力转换成交流电力的变换器12。而且，平滑用电容器18及电源16与变换器12并联。在此，电源16可以是能够充放电的二次蓄电池，也可以是电容器等蓄电单元。

变换器12将3个(三相)支路20并联而构成。在各支路20串联有2个开关元件22。开关元件22是将igbt等晶体管和逆流二极管并联的结构，通过将上侧晶体管接通而电流朝向对应的线圈流动，通过将下侧晶体管接通而从对应相的线圈流出电流。

电子控制单元14控制变换器12的驱动。如上所述，向该电子控制单元14输入电流检测值iu、iv及旋转角θ。而且，从上位控制装置向电子控制单元14也输入车辆的加速踏板及制动踏板的操作量、车辆加速度等。需要说明的是，车辆加速度由设置于车辆的加速度传感器检测。电子控制单元14基于上述的信息，生成变换器12的开关信号，来切换多个开关元件22的接通/断开。

该电子控制单元14在物理上具有进行各种运算的cpu、存储各种信息及程序的存储器，例如为微机。图2是该电子控制单元14的功能框图。

转矩指令生成部30基于从上位控制装置输入的加速踏板及制动踏板的操作量等信息，算出电动机100的输出要求(目标输出转矩)，即，转矩指令t^*。算出的转矩指令t^*向电流指令生成部32及频率决定部44供给。电流指令生成部32基于转矩指令t^*，算出d轴电流指令id^*及q轴电流指令iq^*。算出的d轴电流指令id^*及q轴电流指令iq^*向pi控制部34供给。

另一方面，向三相/二相转换部36供给电动机100的转子旋转角θ、当前的电流检测值iu、iv。三相/二相转换部36在根据该电流检测值iu、iv算出了w相的电流检测值iw的基础上，将三相的电流检测值iu、iv、iw转换成d轴电流检测值id及q轴电流检测值iq。转换后的d轴电流检测值id及q轴电流检测值iq也向pi控制部34供给。

pi控制部34基于d轴、q轴电流指令id^*、iq^*及d轴、q轴电流检测值id、iq，算出d轴电压指令vd^*、q轴电压指令vq^*。pi控制部34通过p(比例)控制、i(积分)控制等反馈控制来算出电压指令vd^*、vq^*。但是，该算出方法为一例，可以通过其他的控制，例如p控制、pid控制等来算出d轴、q轴电压指令vd^*、vq^*。而且，可以将反馈控制与预测控制等前馈控制组合。

算出的d轴、q轴电压指令vd^*、vq^*向二相/三相转换部38供给。二相/三相转换部38将d轴、q轴电压指令vd^*、vq^*转换成三相的电压指令vu^*、vv^*、vw^*。该三相的电压指令vu^*、vv^*、vw^*向pwm调制部40供给。

pwm调制部40通过表示电压指令vu^*、vv^*、vw^*的调制波与载波的比较来生成变换器12的开关元件22的开关信号ss。载波例如为三角波，由载波生成部42生成。基于该开关信号ss对变换器12进行开关，由此向电动机100流动所希望的电流。

载波的频率(以下称为“载波频率fc”)由频率决定部44决定。而且，在映射存储部46存储有在该载波频率fc的决定时参照的2个种类的映射，即，非锁定用映射50和锁定用映射52。

说明该载波频率fc的决定。图3、图4分别是表示非锁定用映射50、锁定用映射52的一例的图。在图3、图4中，横轴表示电动机100的转速nm，纵轴表示电动机100的转矩t。

锁定用映射52及非锁定用映射50都是表示通过电动机的转速nm及转矩t而规定的动作点与载波频率fc的相关性的映射。从图3、图4可知，在本例中，作为载波频率fc的候补，存在三个种类的频率f1、f2、f3(f1>f2>f3)。频率f3是考虑开关元件22的过热防止而规定的频率，比两个频率f1、f2大幅降低。以下，将该频率f3称为“保护频率f3”。保护频率f3例如为1.5khz以下。频率f1、f2是比保护频率f3高且考虑噪音防止而规定的频率。以下，在不区分该频率f1、f2的情况下，简称为“非保护频率”。该非保护频率例如为2khz以上。

非锁定用映射50是在整个范围将载波频率fc设定为非保护频率(f1或f2)的映射。在该非锁定用映射50中，电动机转矩t越高，则载波频率fc设定得越低。具体而言，在图3的例子中，电动机转矩t为规定值tc以下的区域与电动机转速nm无关地成为高频率区域。在电动机的动作点处于该高频率区域的情况下，载波频率fc设定为比较高的频率即f1。而且，电动机转矩tm为规定值td(td>tc)以上的区域与电动机转速nm无关地成为低频率区域。在电动机的动作点处于该低频率区域的情况下，载波频率fc设定为比f1低的频率即f2。

电动机转矩t超过规定值tc且小于td的区域是迟滞区域。在电动机的动作点处于该迟滞区域的情况下，维持当前的载波频率fc。例如，在图3中，在电动机100的动作点从低频率区域内的点p1移动到迟滞区域内的点p2的情况下，载波频率fc成为频率f2。而且，在电动机的动作点从高频率区域内的p3移动到迟滞区域内的点p2的情况下，载波频率fc成为频率f1。

锁定用映射52是在电动机100的旋转成为被外力阻碍或妨碍的锁定状态的可能性高的情况下参照的映射。在该锁定用映射52中，将锁定区域的载波频率fc设定为保护频率f3。具体而言，在图4的例子中，电动机转速nm为规定值nb以下且电动机转矩t为tb以上的区域成为锁定区域。在电动机动作点处于锁定区域内的情况下，载波频率fc设定为充分低的保护频率f3。

在该锁定区域的周围设定迟滞区域。具体而言，电动机转矩t为ta以上且电动机转速nm为na以下的区域中的除锁定区域以外的区域成为迟滞区域。在电动机100的动作点处于该迟滞区域的情况下，维持当前的载波频率fc。

在此，说明设定这样的锁定区域的理由。锁定状态是电动机100的旋转被外力阻碍或妨碍而电动机100停止旋转或者以极低速旋转的状态。当成为该锁定状态时，电流集中于在电动机100设置的绕组中的仅一相。在该情况下，在变换器12设置的多个开关元件22中的与该一相对应的开关元件22急剧发热，根据情况的不同，会导致开关元件22的破损、劣化。

为了防止上述的开关元件22的过热，以往提出了在电动机100的动作点处于锁定区域内的情况下将载波频率fc设定为大幅降低的保护频率f3的方案。由此，开关频率下降，开关元件22的损失下降。并且，作为结果，开关元件22的发热减少。需要说明的是，在本例中，即使电动机100被锁定而成为旋转停止或低速旋转(nm<nb)，在转矩t小于tb的情况下，也将载波频率fc设为比较高的频率f1。这是因为，即使在电动机100被锁定的情况下，在电动机转矩t小时，通电量甚至发热量小，过热的可能性小。

频率决定部44在基于当前的电动机100的动作状况而选择了锁定用映射52及非锁定用映射50中的任一者的基础上，将当前的电动机100的动作点与选择的映射对照，来决定载波频率fc。需要说明的是，电动机转速nm可以根据转子旋转角θ算出，也可以根据车速算出。即，可以对转子旋转角θ进行微分来算出电动机角速度，将该电动机角速度转换成转速nm。而且，由于电动机旋转速度与车速处于比例关系，因此可以根据车速来算出电动机转速nm。而且，在本例中，可以将由转矩指令生成部30生成的转矩指令值t^*看作电动机转矩t。但是，可以取代转矩指令值t^*而根据电流检测值来算出电动机转矩，也可以在电动机100设置转矩传感器。

在此，以往不切换非锁定用映射50与锁定用映射52，仅参照锁定用映射52来设定载波频率fc。因此，在电动机动作点位于锁定区域内的情况下，载波频率fc始终成为保护频率f3。因此，例如，在对电动机100进行加速或减速的过程中，电动机动作点仅暂时性地通过锁定区域的情况下，载波频率fc也仅暂时性地切换为保护频率f3。

然而，在该情况下，存在不必要的噪音产生的问题。即，在电动机100未被锁定的情况下设定的非保护频率f1、f2通常为了避免电动机100的电磁共振音成为听觉区域内而设定为高频率(例如2khz以上)。另一方面，与噪音抑制相比更重视开关元件22的发热抑制而将保护频率f3设定为充分低的值(例如1.5khz以下)，存在电动机100的电磁共振音成为听觉区域内的可能性。

因此，如上所述，在电动机100的加减速的过程中，如果将载波频率fc仅暂时性地切换为保护频率f3，则尽管电动机100没有特别的不良情况，由于以电动机100的电磁共振音等为起因的噪音暂时性地增加，因此也会给车辆的乘客造成违和感。

因此，提出了通过温度传感器来计测开关元件22的温度(元件温度)并也考虑该元件温度来决定向保护频率f3的切换的许可与否的技术。根据上述的技术，在电动机100的动作点仅暂时性地通过锁定区域的情况下，不会产生向保护频率f3的切换。其结果是，能够防止不必要的噪音产生。然而，在该技术中，需要设置对开关元件22的温度进行检测的温度传感器，会导致部件数目的增加。这样的部件数目的增加也会导致部件成本的增加、保养的工时增加。

因此，在本例中，即使电动机100的动作点处于锁定区域内，在电动机为加减速状态的情况下，也判断为电动机锁定未发生，而将载波频率fc设定为比保护频率f3高的频率f1或f2。具体而言，在本例中，预先准备设定有锁定区域的锁定用映射52和未设定锁定区域的非锁定用映射50，根据电动机的转速nm及加速度am来切换进行参照的映射。需要说明的是，在此，电动机转速nm及加速度am可以对转子旋转角θ进行微分或二次微分来求出。而且，通常，在车辆设有检测该车辆的速度及加速度的车速传感器及加速度传感器。因此，可以根据上述车速传感器及加速度传感器的检测值来算出电动机转速nm及加速度am。

图5是表示频率决定部44进行了映射的选择处理的流程的流程图。如图5所示，频率决定部44首先判定电动机转速nm是否为规定的阈值ndef以下(s10)。该阈值ndef只要为设定在锁定区域的周围的迟滞区域的最大转速na以上即可，没有特别限定，但是为了简化处理，优选设为ndef＝na。

在电动机转速nm比阈值ndef大的情况下，不存在锁定状态的可能性，因此参照非锁定用映射50来决定载波频率fc(s16)。另一方面，在电动机转速nm为阈值ndef以下的情况下，频率决定部44接下来判断电动机是否为加减速状态(s12)。具体而言，判定电动机加速度am的绝对值是否比规定的阈值adef大。该阈值adef只要为0以上即可，没有特别限定，但是为了防止将锁定状态误判定为非锁定状态的检测通过，优选设定为比0大的、某种程度的大小的值。

在电动机加速度am比阈值adef大的情况下，能够判断为不是锁定状态，因此参照非锁定用映射50来决定载波频率fc(s16)。因此，在该情况下，即使电动机动作点位于锁定区域内，载波频率fc也设定为保护频率以外的频率f1、f2。

在电动机加速度am为阈值adef以下的情况下，存在锁定状态的可能性，因此频率决定部44参照锁定用映射52来设定载波频率fc(s14)。因此，在该情况下，如果电动机动作点位于锁定区域内，则设定保护频率f3作为载波频率fc。

在此，研讨若干的事例。当前，考虑电动机100以阈值adef以上的加速度从点p6向点p5、p4、p3移动的情况。在该情况下，由于电动机加速度am超过阈值adef，因此频率决定部44参照非锁定用映射50，决定为载波频率fc＝f1。

另外，电动机100在以超过阈值adef的加速度从点p6移动至点p5之后，以阈值adef以下的加速度从点p5移动到点p4。在该情况下，在从点p6向点p5移动的期间，频率决定部44参照非锁定用映射50，决定为载波频率fc＝f1。另一方面，在从点p5向点p4移动的期间，频率决定部44参照锁定用映射52，决定为载波频率fc＝f3。

接下来，考虑以成为|am|>adef的加速度从点p3移动至点p4之后以成为|am|≤adef的加速度从点p4移动至点p5的情况。在该情况下，在从点p3至点p4的移动期间，频率决定部44参照非锁定用映射50，决定为载波频率fc＝f1。而且，在从点p4至点p5的移动期间，频率决定部44参照锁定用映射52来决定载波频率fc。在该情况下，在从点p4至脱离迟滞区域为止，维持当前的频率，因此成为fc＝f1。另一方面，在从脱离迟滞区域至移动到点p5的期间，成为fc＝f3。

根据以上的说明明确可知，在本例中，在电动机100为加减速状态的情况下，即使电动机动作点处于锁定区域内，也设定非保护频率f1或f2作为载波频率fc。其结果是，能够防止不必要的噪音产生。而且，在本例中，基于电动机加速度am(或者车辆加速度)来判断保护频率f3的设定的需要与否。因此，不需要温度传感器等新部件的追加，能够防止部件数目的增加。

需要说明的是，到此为止说明的结构为一例，即使动作点处于锁定区域内，只要在电动机100为加减速状态的情况下设定比电动机100不为加减速状态的情况高的载波频率fc即可，其他的结构可以适当变更。例如，在本例中，在是否为加减速状态的判断中，使用单一的阈值adef，但是也可以使该阈值具有一定的迟滞。即，为了加减速状态的判断，可以设定两个阈值adef1、adef2(adef2>adef1)，在电动机加速度am为adef1以下的情况下，参照锁定用映射52，在电动机加速度am超过adef2的情况下，参照非锁定用映射50，在电动机加速度am超过adef1且为adef2以下的情况下，继续参照当前参照的映射。通过设为上述的结构，能够减少参照映射的切换频度，减少载波频率fc的变化。

另外，在图4的例子中，在锁定用映射52中，在锁定区域的周边设置了迟滞区域。然而，在使加减速状态的判断基准即阈值adef为充分小的值的情况下，可以如图6所示，在锁定用映射52中去除迟滞区域。即，在阈值adef为充分小的值的情况下，只要转速稍微变化，就判断为非锁定状态，参照非锁定用映射50。在该情况下，在锁定区域的周边不需要设置迟滞区域，因此可以去除该迟滞区域。而且，在本例中，在非锁定用映射中，将电动机100的动作范围分为2个区域，来设定2个种类的非保护频率f1、f2，但是非锁定用映射可以分为更多个区域，也可以仅为单一的区域。

另外，在本例中，设为对2个种类的映射50、52进行切换的结构，但是即使电动机动作点处于锁定区域内，只要在电动机100为加减速状态时选择比不为加减速状态时高的载波频率fc即可，也可以为不使用映射的方式。