电动机控制装置及搭载其的电动助力转向装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种电动机控制装置及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置。本发明的电动机控制装置具备电流检测电路、驱动控制单元及旋转检测手段，该电流检测电路将电动机的电流作为电流检测值进行检测，该驱动控制单元基于至少基于电流指令值而决定的电压指令值的占空比来驱动控制电动机，该旋转检测手段检测电动机的角度及角速度；具备自适应电流监测器、自适应辨识诊断单元及不能检测电流状态检测单元，该自适应电流监测器辨识电动机的输出模型的各参数变化，运算电动机的电流估计值并用于电压指令值的运算，该自适应辨识诊断单元诊断来自自适应电流监测器的电流估计值的误估计，该不能检测电流状态检测单元检测不能进行电流检测值的检测的不能检测电流状态；自适应辨识诊断单元基于所述电流估计值、电流检测值、角度及不能检测电流状态诊断电流估计值的误估计，基于诊断结果控制占空比。
【专利说明】电动机控制装置及搭载其的电动助力转向装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电动机控制装置及搭载该电动机控制装置的电动助力转向装置，该电动机控制装置具备估计电动机的电流的自适应电流监测器，同时诊断(监控)自适应电流监测器的误估计，在检测出异常的情况下，限制占空比(Duty)并强制地设置为能够检测电流的状态，转换成使用检测电流的电流控制。
【背景技术】
[0002]利用电动机的旋转力辅助控制车辆的转向系统的电动助力转向装置，将电动机的驱动力经减速机由齿轮或皮带等传递机构，向转向轴或齿条轴施加辅助力。并且，为了向电动机提供电流来使该电动机产生所希望的扭矩，在电动机驱动电路中使用逆变器。
[0003]在此，如图1所示，对现有的电动助力转向装置的一般结构进行说明，驾驶盘I的柱轴(转向轴)2经过减速齿轮3、万向节4a及4b、齿臂机构5、转向横拉杆6a、6b,再通过轮毂单元7a、7b，与转向车轮8L、8R连接。另外，在柱轴2上设有检测驾驶盘I的转向扭矩的扭矩传感器10，对驾驶盘I的转向力进行辅助的电动机20经过减速齿轮3与柱轴2连接。电池13对控制电动助力转向装置的控制单元(ECU) 100进行供电，同时，经过点火开关11点火信号被输入到控制单元100。控制单元100基于扭矩传感器10检测出的转向扭矩Tr和车速传感器12检测出的车速Vs，进行辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，在电流控制单元通过对电流指令值施加补偿等得到的电压指令值E,控制供给电动机20的电流
I。此外，车速Vs也能够从CAN (Control Ier Area Network,控制器局域网络)等处获得。
[0004]控制单元100主要由CPU(也包含MPU、MCU)构成，该CPU内部由程序执行的一般功能如图2所示。
[0005]参照图2说明控制单元100的功能及动作，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Tr和由车速传感器12检测出的车速Vs被输入到运算电流指令值Irefl的电流指令值运算单元101中。电流指令值运算单元101基于输入的转向扭矩Tr及车速Vs，利用辅助图表等决定作为供给例如三相电动机20的电流的控制目标值的电流指令值Irefl。电流指令值Irefl经过加法运算单元102A作为电流指令值Iref2被输入到电流限制单元103，限制了最大电流的电流指令值Iref3被输入到减法运算单元102B,运算Iref3与被反馈回来的电动机电流值im的偏差Iref4( = Iref3_im)，该偏差Iref4被输入到进行PI控制等的电流控制单元104。在电流控制单元104中改善了特性的电压指令值E被输入到PWM控制单元105，再经过作为驱动单元的逆变器106对电动机20进行PWM驱动。由逆变器106内的电流检测电路120检测出电动机20的电流值im，该电流值im被反馈到减法单元102B。逆变器106作为开关元件一般使用FET，由FET的电桥电路构成。
[0006]另外，加法单元102A进行来自补偿单元110的补偿信号CM的加法运算，通过补偿信号CM的加法运算进行系统的补偿、改善收敛性和惯性特性等。补偿单元110先将自位扭矩(SAT) 113和惯性112在加法单元114进行加法运算，然后该加法运算结果再与收敛性111在加法单元115进行加法运算，最后将加法单元115的加法运算结果作为补偿信号CM。
[0007]对电动机20使用d-q轴进行矢量控制的情况下，作为旋转传感器的解析器21被连接到电动机20，同时设置基于旋转角度Θ运算角速度ω的角速度运算单元22。并且，在电动机20为三相(U、V、W)无刷直流电动机的情况下，PWM控制单元105及逆变器106的详细结构如图3所示。PWM控制单元105由占空比运算单元105A和门驱动单元105B构成，其中占空比运算单元105A是将电压指令值E按照规定公式运算三相的PWM占空比指令值Dl?D6，门驱动单元105B是用PWM占空比指令值Dl?D6来驱动FETl?FET6各门的开或关，逆变器106是由U相的高侧FETl及低侧FET4构成的上下分路、由V相的高侧FET2及低侧FET5构成的上下分路和W相的高侧FET3及低侧FET6构成的上下分路组成的三相桥式结构，通过PWM占空比指令值Dl?D6控制开或关来驱动电动机20。
[0008]此外，电池13经过电源继电器14对逆变器106进行供电，对补偿逆变器106的FETl?FET6的各死区时间的死区时间补偿值进行加法运算并输入到PWM控制单元105的占空比指令值Dl?D6。
[0009]在这样的结构中，虽然需要测量逆变器106的驱动电流乃至电动机20的电动机电流，但作为控制单元100的小型化、轻量化、低成本的要求项目之一，有电流检测电路120的单一化(一分流式电流检测电路)。作为电流检测电路的单一化有周知的一分流式电流检测电路，例如，一分流式的电流检测电路120的结构如图4所示(日本特开2009-131064号公报)。即，在FET桥的底部分路与接地(GND)之间连接一个分流电阻R1，将电流流过FET桥时的因分流电阻Rl造成的下降电压通过运算增幅器(差分放大电路)121和电阻R2?R4换算为电流值Ima，进一步地，经过由电阻R6及电容器Cl构成的滤波器，用A/D转换单元122在规定的定时进行A/D转换，输出数字化值的电流值im。此外，在运算增幅器121的正极端子输入，经由电阻R5连接作为基准电压的2.5V。
[0010]图5是表示电池13、逆变器106、电流检测电路120及电动机20的接线图，同时表示了 U相的高侧FETl导通(低侧FET4断开)、V相的高侧FET2断开(低侧FET5导通)及W相的高侧FET3断开(低侧FET6为导通)状态时的电流路径(虚线)。另外，图6表示U相的高侧FETl导通(低侧FET4断开)、V相的高侧FET2导通(低侧FET5断开)及W相的高侧FET3断开(低侧FET6导通)状态时的电流路径(虚线)。从这些图5及图6的电流路径可知，高侧FET导通的相的合计值在电流检测电路120中作为检测电流出现。即，在图5中能够检测U相电流，在图6中能够检测出U相及V相电流。这在电流检测电路120被连接在逆变器106的上段分路和电源之间的情况下也相同。此外，在图5及图6中，省略了解析器21的连接及电源继电器14。
[0011 ] 在上述的电动机控制方式中，为了不输出电动机电流检测值的检测干扰的影响，不能过于提高控制响应性，在电动机20及控制单元100的参数变化、电动机输入电压的干扰等的抑制方面有限制。因此，为了得到既能抑制电动机电流检测值的检测干扰等影响又能具有高响应性高鲁棒性的控制方法，一般会想到，通过将用于电流控制的电流检测值作为估计电流，在某种程度上缓和电流检测噪声的影响，因而提高电流控制的响应性，改善动作音性能和扭矩波动性能的方法。
[0012]专利文献I公开了将矢量控制的d-q轴电压指令值作为输入，用d-q轴电流监测器运算d-q轴估计电流，进行反馈控制的方法及装置。该方法及装置建议通过使电流监测器模型的各参数依赖于各要素的温度检测值进行变化来提高鲁棒性。另外，专利文献2公开了一种电动机控制装置，其通过电压指令值和电动机电流检测值、由干扰监测器估计的电动机的输入估计干扰来估计数次采样后的电动机电流值，将该电动机电流估计值用于控制，电流监测器通过状态反馈对应模型参数变化。
[0013]现有技术文献
[0014]专利文献
[0015]专利文献1:日本特表2009-526511号公报
[0016]专利文献2:日本特许第4045747号公报
[0017]专利文献3:日本特开2009-131069号公报
[0018]专利文献4:日本特开2009-124782号公报
【发明内容】
[0019]本发明要解决的技术问题
[0020]但是，电动机的各参数变化不仅仅是由于温度变化，也包括由于制造偏差、经年劣化、电流再生等导致的电流路径变化所引起的变化，所以专利文献I所公开的只对温度进行校正的控制方法，存在不能充分保持估计精度的问题。另外，专利文献2所公开的装置存在如下问题:由于干扰监测器估计的干扰中含有没有成为实际的电动机电流的电流检测干扰，和估计电流追随含有电流检测干扰的值，所以由于电流检测干扰的存在无法使控制系统整体变得稳健。对于上述问题，尽管可考虑通过使用专利文献2的结构，减小状态反馈增益，降低监测器的自然响应频率来使得电流检测干扰不被作为估计值算出，但这样一来，对于估计对象模型的参数变化的响应性也同时下降，所以存在估计电流误差扩大的问题点。[0021 ] 本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电动机控制装置及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置，该电动机控制装置使用低价小型的一分流式电流检测电路，即使有温度变化、制造偏差等的电动机参数变化和干扰，也都能够使控制系统整体变得稳健，同时能够诊断误估计，在检测出异常的情况下，可以限制占空比并强制地设置为能够检测电流的状态，转换成使用检测电流的电流控制。
[0022]解决技术问题的手段
[0023]本发明涉及一种电动机控制装置，其具备电流检测电路、驱动控制单元及旋转检测手段，所述电流检测电路将电动机的电流作为电流检测值进行检测，所述驱动控制单元基于至少基于电流指令值而决定的电压指令值的占空比来驱动控制所述电动机，所述旋转检测手段检测所述电动机的角度及角速度，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即:具备自适应电流监测器、自适应辨识诊断单元及不能检测电流状态检测单元，所述自适应电流监测器辨识所述电动机的输出模型的各参数变化，运算所述电动机的电流估计值并用于所述电压指令值的运算，所述自适应辨识诊断单元诊断来自所述自适应电流监测器的电流估计值的误估计，所述不能检测电流状态检测单元检测不能进行所述电流检测值的检测的不能检测电流状态；所述自适应辨识诊断单元基于所述电流估计值、所述电流检测值、所述角度及所述不能检测电流状态诊断所述电流估计值的所述误估计，基于诊断结果限制所述占空比并强制地设置为能够检测电流的状态，转换成使用检测电流的电流控制。
[0024]另外，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即，所述电流检测电路为一分流电流检测方式；或，所述驱动控制单元由d-q轴的矢量控制方式构成，所述自适应辨识诊断单元由q轴电流运算单元、不能检测电流状态持续监控单元、估计电流各相和监控单元、q轴差分监控单元、估计q轴变化差分监控单元及综合评价单元构成，所述q轴电流运算单元基于所述电流估计值、所述电流检测值及所述角度运算检测q轴电流值及估计q轴电流值，所述不能检测电流状态持续监控单元监控所述不能检测电流状态的持续，所述估计电流各相和监控单元基于所述电流估计值监控各相和，所述q轴差分监控单元基于所述不能检测电流状态、所述检测q轴电流值及所述估计q轴电流值监控检测-估计q轴差分，所述估计q轴变化差分监控单元基于所述不能检测电流状态、所述估计q轴电流值及所述不能检测电流状态之前的估计q轴电流值监控估计q轴变化差分，所述综合评价单元对所述不能检测电流状态持续监控单元、所述估计电流各相和监控单元、所述q轴差分监控单元及所述估计q轴变化差分监控单元的监控结果进行综合地评价；或，所述综合评价单元输出所述占空比限制用的监测器诊断异常标记或辅助停止用的驱动停止标记；或，所述自适应电流监测器由自适应辨识手段、电流估计手段及电压指令值决定手段构成，所述自适应辨识手段辨识所述电动机的输出模型的各参数变化，所述电流估计手段估计所述电动机的电流，所述电压指令值决定手段决定所述电压指令值。
[0025]进一步地，上述目的也可通过电动助力转向装置搭载上述电动机控制装置而实现。
[0026]发明效果
[0027]本发明通过自适应辨识单元依次辨识电动机模型的参数，使用自适应辨识单元的参数辨识结果估计电动机电流，同时，进行自适应辨识的诊断，因此即使有温度变化、制造偏差等电动机参数变化也可以形成稳健的结构，能够更加提高估计精度，有效地显著地改善动作音性能及扭矩波动性能。由于将一分流式电流检测方式用于电动机电流的检测，因此能够得到低价小型的结构。
[0028]另外,通过基于电动机的动作状态,使自适应辨识单元及电流估计单元的响应性可变，例如在转向保持状态等状态，电流检测干扰的影响较大显现的动作状态下，变成电流检测干扰的影响不作为估计值输出程度的响应性，由此能够抑制对用于决定电压指令值的估计电流的电流检测干扰，可通过简单的电流控制结构提高响应性，能够可靠地改善动作音和扭矩波动性能。
[0029]另外，一般地，在电动机电流的检测方式为一分流电流检测方式的情况下，根据占空比，会有无法检测相电流的状态。但是，因为本发明诊断估计电流的误估计，在检测出异常的情况下，限制占空比并强制地设置为能够检测电流的状态，转换成使用检测电流的电流控制，所以即使在电动助力转向装置检测出异常的情况下，也能够继续辅助助力，安全地操纵驾驶盘。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是表示一般的电动助力转向装置的结构示例图。
[0031]图2是表示控制单元的一个示例的结构框图。
[0032]图3是表示PWM控制单元及逆变器结构例的接线图。
[0033]图4是表示一分流式电流检测器的结构例的接线图。
[0034]图5是表示具备一分流式电流检测器的逆变器的动作例的电流路径图。
[0035]图6是表示具备一分流式电流检测器的逆变器的动作例的电流路径图。
[0036]图7是表示作为本发明前提的自适应电流监测器的一个示例的结构框图。
[0037]图8是表示将自适应电流监测器适用在电动机控制装置上的一个示例的框图。
[0038]图9是表示作为本发明前提的自适应电流监测器的另一示例的结构框图。
[0039]图10是表示本发明实施方式的电动机控制装置的一个示例的结构框图。
[0040]图11是表示本发明的自适应辨识诊断单元的结构示例的框图。
[0041]图12是为了说明本发明的功能的图。
[0042]图13是为了说明本发明的功能的图。
[0043]图14是为了说明本发明的功能的图。
[0044]图15是为了说明本发明的功能的图。
[0045]图16是表示本发明整体的动作例的流程图。
[0046]图17是表示监控不能检测电流状态的持续的动作例的流程图。
[0047]图18是表示监控估计电流三相和的动作例的流程图。
[0048]图19是表示监控q轴差分的动作例的流程图。
[0049]图20是表示监控q轴变化差分的动作例的流程图。
【具体实施方式】
[0050]首先，说明作为本发明前提的自适应电流监测器。
[0051]在对应图2所表示的图7的示例中，自适应电流监测器具备自适应辨识单元130、电流估计单元140、电压指令值决定单元150、PWM控制单元160。
[0052]自适应辨识单元130输入通过电流检测器120检测的电流检测值i⑴、通过电流估计单元140估计的电流估计值i_hat (t)、电压指令值Um(t)及死区时间补偿值Dt (t),基于自适应辨识方法，辨识电动机输出模型的各参数变化。由此，消除由温度变化、制造偏差、经年劣化等导致的电动机的电特性参数变化的影响，提高电流估计精度。此外，作为用于自适应辨识单元130的自适应辨识方法，例如可以使用积分型自适应辨识方法、比例积分型自适应辨识方法、最小二乘自适应辨识方法、使用状态变量滤波器的直接辨识方法等各种辨识方法，但只要能够辨识电动机20的输出模型的各参数变化，也可使用任意的方法。
[0053]电流估计单元140输入通过自适应辨识单元130辨识的各参数的辨识结果、电流估计值i_hat (t)、电流检测值i⑴及电压指令值Um(t),估计在电动机20流动的电流,计算电流估计值i_hat (t)。
[0054]电压指令值决定单元150输入电流指令值Iref (t)及电流估计值i_hat (t),算出电压指令值Um (t)以使电动机电流成为电流指令值Iref (t)。
[0055]PWM控制单元160在加法运算单元161将死区时间补偿值Dt⑴加到由电压指令值决定单元150算出的电压指令值Um(t)，并将PWM控制的占空比指令值输入到逆变器106，驱动电动机20。
[0056]在这样的结构中，并不进行如通常的反馈控制那样的使用电流检测值i(t)的控制，而是进行使用运算的电流估计值i_hat(t)的反馈控制，因此不容易受到电流检测噪声等的输入干扰的影响。由此，能够利用简单的控制方式，并且能够提高控制响应性，提高动作音性能及扭矩波动性能。另外，作为电流检测方式，使用低价的、可小型化的一分流电流检测方式。
[0057]下面，列举一个例子来说明一种电动机控制装置的具体的结构，该电动机控制装置的自适应辨识单元130使用积分型自适应辨识方法，并且电流估计单元140具有状态反馈单元。
[0058]对于作为控制对象的电动机20，如果将输入设为电压Vm、输出设为电流im的话，则电动机的电特性方程式为式I所示。
[0059](式I)
【权利要求】
1.一种电动机控制装置，其具备电流检测电路、驱动控制单元及旋转检测手段，所述电流检测电路将电动机的电流作为电流检测值进行检测，所述驱动控制单元基于至少基于电流指令值而决定的电压指令值的占空比来驱动控制所述电动机，所述旋转检测手段检测所述电动机的角度及角速度，所述电动机控制装置的特征在于: 具备自适应电流监测器、自适应辨识诊断单元及不能检测电流状态检测单元，所述自适应电流监测器辨识所述电动机的输出模型的各参数变化，运算所述电动机的电流估计值并用于所述电压指令值的运算，所述自适应辨识诊断单元诊断来自所述自适应电流监测器的电流估计值的误估计，所述不能检测电流状态检测单元检测不能进行所述电流检测值的检测的不能检测电流状态； 所述自适应辨识诊断单元基于所述电流估计值、所述电流检测值、所述角度及所述不能检测电流状态诊断所述电流估计值的所述误估计，基于诊断结果限制所述占空比并强制地设置为能够检测电流的状态，转换成使用检测电流的电流控制。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述电流检测电路是一分流电流检测方式。
3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于， 所述驱动控制单元由d_q轴的矢量控制方式构成； 所述自适应辨识诊断单元由q轴电流运算单元、不能检测电流状态持续监控单元、估计电流各相和监控单元、q轴差分监控单元、估计q轴变化差分监控单元及综合评价单元构成，所述q轴电流运算单元基于所述电流估计值、所述电流检测值及所述角度运算检测q轴电流值及估计q轴电流值，所述不能检测电流状态持续监控单元监控所述不能检测电流状态的持续，所述估计电流各相和监控单元基于所述电流估计值监控各相和，所述q轴差分监控单元基于所述不能检测电流状态、所述检测q轴电流值及所述估计q轴电流值监控检测-估计q轴差分，所述估计q轴变化差分监控单元基于所述不能检测电流状态、所述估计q轴电流值及所述不能检测电流状态之前的估计q轴电流值监控估计q轴变化差分，所述综合评价单元对所述不能检测电流状态持续监控单元、所述估计电流各相和监控单元、所述q轴差分监控单元及所述估计q轴变化差分监控单元的监控结果进行综合地评价。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，所述综合评价单元输出所述占空比限制用的监测器诊断异常标记或辅助停止用的驱动停止标记。
5.根据权利要求1?4中任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于，所述自适应电流监测器由自适应辨识手段、电流估计手段及电压指令值决定手段构成，所述自适应辨识手段辨识所述电动机的输出模型的各参数变化，所述电流估计手段估计所述电动机的电流，所述电压指令值决定手段决定所述电压指令值。
6.一种电动助力转向装置，其特征在于，该电动助力转向装置搭载了权利要求1?5中任意一项所述的电动机控制装置。
【文档编号】B62D6/00GK104205617SQ201380018649
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月28日 优先权日:2012年4月4日
【发明者】星让, 坂口徹, 中山幸雄, 前田将宏, 森坚吏, 今村洋介 申请人:日本精工株式会社