电动机控制装置、电动致动器产品以及电动助力转向装置的制作方法

本发明涉及以矢量控制驱动电动机的电动机控制装置、以及具有由该电动机控制装置控制的电动机的电动致动器产品和电动助力转向装置。

背景技术：

若产生对电动机的过大的电流供给(即过电流)，则成为构成电源与电动机之间的电力供给路径的布线、开关元件的故障的原因。因此，提出了将从电源向电动机供给的电源电流限制在规定的限制值以下的技术。

下述专利文献1所记载的电动机控制装置基于电动机驱动电路的输入电力、输出电力、损耗电力之间的关系式，以使电源电流成为上限值以下的方式计算q轴电流指令值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5109554号说明书

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，若过度限制q轴电流，则电动机输出扭矩显著下降，有可能使电动机性能或利用该电动机的电动致动器产品的性能劣化。例如，在通过电动机对车辆的转向系统赋予转向辅助力的电动助力转向中，电动机输出扭矩的下降会导致旋转追随性能的下降。

本发明是着眼于上述课题而完成的，其目的在于，缓和将从电源向电动机供给的电源电流限制在规定的上限值以下时产生的电动机输出扭矩的下降。

用于解决课题的技术方案

根据本发明的一个方式，提供通过矢量控制来驱动电动机的电动机控制装置。电动机控制装置具有：电源电压检测部，其检测电源电压；旋转角速度检测部，其检测电动机的旋转角速度；指令值运算部，其运算q轴电流指令值和d轴电流指令值；增益计算部，其基于从电源向电动机供给的电源电流的上限值、电源电压、旋转角速度、q轴电流指令值和d轴电流指令值计算限制增益，该限制增益限制q轴电流指令值和d轴电流指令值而使电源电流降低到上限值以下；以及驱动电路，其基于由限制增益限制的q轴电流指令值和d轴电流指令值驱动电动机。

根据本发明的其他实施方式，提供电动致动器产品，其具有：上述电动机控制装置；以及电动机，其由电动机控制装置控制。

根据本发明的另一实施方式，提供电动助力转向装置，其具有：上述电动机控制装置；以及电动机，其由电动机控制装置控制，该电动助力转向装置通过电动机对车辆的转向系统赋予转向辅助力。

发明效果

根据本发明，能够缓和将从电源向电动机供给的电源电流限制在规定的上限值以下时产生的电动机输出扭矩的下降。

附图说明

图1是示出实施方式的电动助力转向装置的一例的概要的结构图。

图2是示出第1实施方式的控制单元的功能结构的一例的框图。

图3的(a)是概略地示出限制增益g与电动机角速度ω之间的关系的曲线图，图3的(b)是概略地示出限制前的q轴电流指令值iq及限制后q轴电流指令值iq＊与电动机角速度ω之间的关系的曲线图，图3的(c)是概略地示出限制前的d轴电流指令值id及限制后q轴电流指令值id＊与电动机角速度ω之间的关系的曲线图。

图4是实施方式的电动机控制方法的一例的流程图。

图5是示出第2实施方式的控制单元的功能结构的一例的框图。

具体实施方式

参照附图详细说明本发明的实施方式。

另外，以下所示的本发明的实施方式例示了用于将本发明的技术思想具体化的装置及方法，本发明的技术思想并不是将构成部件的结构、配置等特定为下述内容。本发明的技术思想可以在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内施加各种变更。

(第1实施方式)

(结构)

图1示出实施方式的电动助力转向装置的结构例。转向手柄1的柱轴2经由减速齿轮3、万向联轴器4a及万向联轴器4b、小齿轮齿条机构5而与转向车轮的横拉杆6连结。在柱轴2上设置有检测转向手柄1的转向扭矩的扭矩传感器10，辅助转向手柄1的转向力的电动机20经由减速齿轮3与柱轴2连结。

控制助力转向装置的控制单元(ecu)30被从作为电源的电池14供给电力，并且被从点火按键11输入点火按键信号，控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩th和由车速传感器12检测出的车速vh，使用辅助图等进行辅助指令的转向辅助指令值的运算，并基于运算出的转向辅助指令值控制向电动机20供给的电流i。

在这样构成的电动助力转向装置中，由扭矩传感器10检测从转向手柄1传递来的基于驾驶员的手柄操作的转向扭矩th，按照基于检测出的转向扭矩th和车速vh计算出的转向辅助指令值来驱动控制电动机20，该驱动作为驾驶员的手柄操作的辅助力(转向辅助力)被赋予给转向系统，驾驶员能够以较轻的力进行手柄操作。即，根据通过手柄操作输出的转向扭矩th和车速vh计算转向辅助指令值，通过基于该转向辅助指令值如何控制电动机20，来决定手柄操作中的感觉的好坏，在很大程度上左右电动助力转向装置的性能。

控制单元30可以具有例如计算机，该计算机包含处理器和存储装置等周边部件。处理器可以是例如cpu(centralprocessingunit：中央处理单元)、mpu(micro-processingunit：微处理单元)。

存储装置可以具有半导体存储装置、磁存储装置以及光学存储装置中的任意存储装置。存储装置可以包含寄存器、高速缓冲存储器、用作主存储装置的rom(readonlymemory：只读存储器)以及ram(randomaccessmemory：随机存取存储器)等存储器。

另外，控制单元30也可以由用于执行以下说明的各信息处理的专用硬件形成。

例如，控制单元30可以具有设定在通用的半导体集成电路中的功能逻辑电路。例如，控制单元30可以具有现场可编程门阵列(fpga：field-programmablegatearray)等可编程逻辑器件(pld：programmablelogicdevice)等。

参照图2，对第1实施方式的控制单元30的功能结构的一例进行说明。控制单元30具有电流指令值运算部40、乘法器41及乘法器42、减法器43及减法器44、比例积分(pi：proportional-integral)控制部45、2相/3相转换部46、pwm控制部47、逆变器48、3相/2相转换部49、角速度转换部50以及增益计算部51，通过矢量控制来驱动电动机20。另外，在附图中将逆变器标记为“inv”。

电流指令值运算部40、乘法器41及乘法器42、减法器43及减法器44、pi控制部45、2相/3相转换部46、pwm控制部47、逆变器48、3相/2相转换部49、角速度转换部50以及增益计算部51的功能例如通过控制单元30的处理器执行在存储装置中存储的计算机程序来实现。

电流指令值运算部40基于转向扭矩th和车速vh来运算q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id。乘法器41及乘法器42通过将增益计算部51计算出的限制增益g与q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id相乘，来分别计算限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊。

另一方面，电动机20的电动机电流ia、ib以及ic分别由电流传感器60、61、62检测，检测出的电动机电流ia、ib以及ic由3相/2相转换部49转换为d-q2轴的电流id、iq。

减法器43、减法器44通过从限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊中分别减去反馈的电流iq、id，来计算q轴偏差电流δq和d轴偏差电流δd。q轴偏差电流δq以及d轴偏差电流δd被输入到pi控制部45。

pi控制部45计算使q轴偏差电流δq以及d轴偏差电流δd分别为0的电压指令值vq、vd。电动机20是3相电动机，2相/3相转换部46将电压指令值vd、vq转换为3相的电压指令值va、vb以及vc。

pwm控制部47基于3相的电压指令值va、vb以及vc生成被pwm控制的栅极信号。

逆变器48被pwm控制部47所生成的栅极信号驱动，而向电动机20供给使q轴偏差电流δq以及d轴偏差电流δd为0的电流。

旋转变压器63检测电动机20的电动机角度(旋转角)θ，角速度转换部50根据电动机角度θ的变化计算电动机20的旋转角速度ω。这些电动机角度θ和旋转角速度ω用于矢量控制。

增益计算部51计算将经由逆变器48从电池14向电动机20供给的电源电流降低到规定的上限值ibatmax以下的限制增益g。在此，上限值ibatmax通过从进行电源管理的车辆侧控制器进行can发送来设定，或者在控制单元30内设定。若在电源电压低于正常的电压范围时流过大电流，则有时会引起过大的电源电压降低从而在电动机控制装置的动作中产生问题。因此，除了防止布线、开关元件的故障的原因以外，为了防止上述那样的过大的电压降低所引起的电动机控制装置的动作问题等，有时也将设定的上限值ibatmax设定为比针对正常的电池电压设定的上限值低的值。以下，说明限制增益g的计算方法的一例。

例如，在电动机以及驱动电路的输入电力、输出电力以及损耗电力之间，下式(1)的关系成立。

[式1]

在上面的式中，vr是通过电池14施加给逆变器48的逆变器施加电压即电源电压，ibat是从电池14经由逆变器48流向电动机20的电池电流即电源电流，kt是电动机20的扭矩常数，iq是q轴电流，id是d轴电流，r是电动机20的每1相的电阻值，ploss是由铁损、摩擦等引起的损耗电力。

在此，将上限值ibatmax代入式(1)的电源电流ibat，将限制后q轴电流指令值iq＊(＝g×iq)以及限制后d轴电流指令值id＊(＝g×id)代入电流iq以及电流id，由此得到下面的式(2)。

[式2]

上面的式(2)是在基于电源电压vr和上限值ibatmax的输入电力、基于旋转角速度ω以及由限制增益g限制的q轴电流指令值iq＊及d轴电流指令值id＊的输出电力、损耗电力之间成立的关系式。

更具体而言，上面的式(2)是将基于电源电压vr和上限值ibatmax的输入电力和基于旋转角速度ω以及由限制增益g限制的q轴电流指令值iq＊及d轴电流指令值id＊的输出电力与损耗电力之和以等号连接的方程式。

通过对限制增益g求解上面的式(2)，得到校正增益计算式(3)。

[式3]

增益计算部51基于电源电流的上限值ibatmax、电源电压vr、电动机20的旋转角速度ω、q轴电流指令值iq、d轴电流指令值id以及校正增益计算式(3)，计算限制增益g。

电源电压vr由电压传感器64检测。校正增益计算式(3)中的损耗电力ploss可以使用预先计算或通过实验确定的值，例如可以是无负载旋转时的损耗电力。

如上所述，由电流指令值运算部40运算出的q轴电流指令值iq以及d轴电流指令值id通过被乘法器41及乘法器42乘以限制增益g而被限制，通过以限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊驱动电动机20，电源电流被降低到上限值ibatmax以下。

在电源电流为上限值ibatmax以下的情况下，即不需要校正电流指令值iq以及id的情况下，通过校正增益计算式(3)计算出的限制增益g的值为1以上。因此，增益计算部51在校正增益计算式(3)的计算结果为1以上的情况下，将限制增益g的值设定为1，使限制增益g的限制无效。

另外，电池14是权利要求书中记载的电源的一例。控制单元30以及电压传感器64是权利要求书中记载的电动机控制装置的一例。逆变器48是权利要求书中记载的驱动电路的一例。旋转变压器63和角速度转换部50是权利要求书中记载的旋转角速度检测部的一例。

(实施方式的作用)

参照图3的(a)、图3的(b)以及图3的(c)说明实施方式的电动机控制装置的作用。图3的(a)概略地示出限制增益g与电动机角速度ω之间的关系。图3的(b)概略地示出限制前的q轴电流指令值iq以及限制后q轴电流指令值iq＊与电动机角速度ω之间的关系。图3的(c)概略地示出限制前的d轴电流指令值id以及限制后q轴电流指令值id＊与电动机角速度ω之间的关系。

图3的(b)的虚线表示由限制增益g限制前的q轴电流指令值iq，实线表示限制后q轴电流指令值iq＊，单点划线表示如上述专利文献1那样仅限制q轴电流指令值时的q轴电流指令值。

图3的(c)的虚线表示由限制增益g限制前的d轴电流指令值id，实线表示限制后d轴电流指令值id＊。

在电动机角速度ω从0到值ω1的范围内，电源电流为上限值ibatmax以下，因此增益计算部51输出值“1”的限制增益g。当电动机角速度ω超过值ω1时，限制增益g变为小于1的值。因此，q轴电流指令值iq被限制，实线所示的限制后q轴电流指令值iq＊的大小(即绝对值)小于虚线所示的q轴电流指令值iq的大小。

并且，当电动机角速度ω超过值ω2时，d轴电流指令值id的大小(即绝对值)大于0。由于d轴电流指令值id为负值，因此，换言之，d轴电流指令值id小于0。由于限制增益g是小于1的值，因此d轴电流指令值id也被限制，实线所示的限制后d轴电流指令值id＊的大小也小于虚线所示的d轴电流指令值id的大小。

进而，当电动机角速度ω超过值ω3时，开始限制基于电流指令值运算部40的q轴电流指令值iq，q轴电流指令值iq被限制到不发生占空比饱和的值。因此，限制增益g的下降停止。

在标号70的范围内，如专利文献1那样仅限制q轴电流指令值，因此仅过度地限制q轴电流指令值，电动机输出扭矩显著下降。因此，有可能使电动机性能或利用该电动机的电动致动器产品的性能劣化。

另一方面，通过如本发明那样使用限制q轴电流指令值和d轴电流指令值这两者的限制增益g，与仅校正q轴电流指令值的情况相比，能够残留更多的q轴电流。其结果是，能够缓和电动机输出扭矩的下降。

(动作)

接着，参照图4对实施方式的电动机控制方法的一例进行说明。

在步骤s1中，电压传感器64检测由电池14施加到逆变器48的电源电压vr。

在步骤s2中，旋转变压器63和角速度转换部50检测电动机20的旋转角速度ω。

在步骤s3中，电流指令值运算部40基于转向扭矩th、车速vh检测q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id。

在步骤s4中，增益计算部51基于电源电流的上限值ibatmax、电源电压vr、电动机20的旋转角速度ω、q轴电流指令值iq、d轴电流指令值id以及校正增益计算式(3)，计算限制增益g。

在步骤s5中，乘法器41及乘法器42将q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id乘以限制增益g，分别计算限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊。

在步骤s6中，减法器43及减法器44、pi控制部45、2相/3相转换部46、pwm控制部47、逆变器48、3相/2相转换部49基于限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊来驱动电动机20。然后，处理结束。

(第1实施方式的效果)

(1)通过矢量控制来驱动电动机20的电动机控制装置具有：电压传感器64，其检测电源电压vr；旋转变压器63及角速度转换部50，它们检测电动机20的旋转角速度ω；电流指令值运算部40，其运算q轴电流指令值iq及d轴电流指令值id；增益计算部51，其基于从电池14向电动机20供给的电源电流的上限值ibatmax、电源电压vr、旋转角速度ω、q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id，计算限制增益g，该限制增益g限制q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id而使电源电流降低到上限值ibatmax以下；以及逆变器48，其基于由限制增益g限制后的限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊驱动电动机20。

这样，通过使用限制q轴电流指令值以及d轴电流指令值双方的限制增益g，与仅校正q轴电流指令值的情况相比，能够残留更多的q轴电流。其结果是，能够缓和电动机输出扭矩的下降。

(2)增益计算部51根据在基于电源电压vr和上限值ibatmax的输入电力、基于旋转角速度ω和由限制增益g限制的q轴电流指令值及d轴电流指令值的输出电力、损耗电力之间成立的关系，计算限制增益g。

由此，能够正确地计算出以将电源电流降低到上限值ibatmax以下的方式限制q轴电流指令值以及d轴电流指令值的限制增益g。

(第2实施方式)

接着，对第2实施方式进行说明。图5示出第2实施方式的控制单元30的功能结构的一例。

第2实施方式的控制单元30的增益计算部51单独设定用于限制q轴电流指令值的q轴限制增益gq和用于限制d轴电流指令值的d轴限制增益gd来作为限制增益g。由此，能够在q轴电流与d轴电流之间设置优先级。

第2实施方式的其他结构要素与参照图2说明的第1实施方式的结构要素相同。

通过将q轴电流指令值以及d轴电流指令值分别乘以q轴限制增益gq以及d轴限制增益gd，上面的式(2)能够变形为下面的式(4)。

[式4]

接着，为了在q轴电流与d轴电流之间设置优先级，通过下面的式(5)定义gq和gd的关系。

[式5]

在此，p是大于0的任意值的参数。在参数p为1的情况下，gq和gd相等，q轴电流的优先级和d轴电流的优先级相等。

在参数p大于1的情况下，gq大于gd，d轴电流指令值id被较强地限制(即，d轴电流指令值id被优先限制)。换言之，优先残留q轴电流。

相反，在参数p小于1的情况下，gd大于gq，q轴电流指令值iq被较强地限制(即，q轴电流指令值iq被优先限制)。换言之，优先残留d轴电流。

如果对q轴限制增益gq以及d轴限制增益gd求解上面的式(4)以及上面的式(5)，则得到接下来的校正增益计算式(6)和计算式(7)。

[式6]

[式7]

gd＝1-p(1-gq)…(7)

增益计算部51基于电源电流的上限值ibatmax、电源电压vr、电动机20的旋转角速度ω、q轴电流指令值iq、d轴电流指令值id以及校正增益计算式(6)和计算式(7)，计算q轴限制增益gq和d轴限制增益gd。乘法器41及乘法器42分别将q轴电流指令值iq和d轴电流指令值id乘以q轴限制增益gq和d轴限制增益gd，分别计算限制后q轴电流指令值iq＊和限制后d轴电流指令值id＊。

这里，增益计算部51可以通过优先于d轴电流指令值id限制q轴电流指令值iq(即p＜1)，来使流过电动机20的d轴电流优先地残留。由此，能够降低因限制d轴电流而引起的占空比饱和的产生或恶化、以及由此引起的噪音的产生或恶化的风险。

也可以相反地，增益计算部51通过优先于q轴电流指令值id限制d轴电流指令值iq(即p＞1)，来使流过电动机20的q轴电流优先地残留。由此，能够进一步缓和电动机输出下降。

参数p的值可以根据电动机20的输出特性适当设定。例如，在以扭矩输出优先的电动机的情况下，为了缓和电动机输出下降，可以使用比较大的参数p。例如，在以高转速优先的电动机的情况下，为了缓和占空比饱和的产生或恶化，可以使用比较小的参数p。

(第2实施方式的效果)

(1)增益计算部51单独计算用于限制q轴电流指令值iq的q轴限制增益gq和用于限制d轴电流指令值id的d轴限制增益gd。这样，通过单独计算q轴电流指令值iq和d轴限制增益gd，能够使q轴电流指令值和d轴电流指令值中的任意一方优先于另一方被限制。换言之，可以使q轴电流和d轴电流中的任意一个优先残留。

由此，能够根据电动机的性能或特性、应用电动机的装置的特性或属性来变更电流指令值的限制方法。

(2)增益计算部51可以以使q轴电流指令值iq优先于d轴电流指令值id被限制的方式计算q轴限制增益gq以及d轴限制增益gd。由此，能够使流过电动机20的d轴电流优先残留，降低因限制d轴电流而引起的占空比饱和的产生或恶化和由此引起的噪音的产生或恶化的风险。

(3)增益计算部可以以使d轴电流指令值id优先于q轴电流指令值iq被限制的方式计算q轴限制增益gq以及d轴限制增益gd。由此，使流过电动机20的q轴电流优先残留，能够进一步缓和电动机输出下降。

以上，对将本发明的实施方式的电动机控制装置应用于通过电动机对车辆的转向系统赋予转向辅助力的电动助力转向装置的例子进行了说明，但本发明并不限定于此。本发明的实施方式的电动机控制装置能够应用于利用电动机产生驱动力的各种电动致动器产品。

标号说明

1：转向手柄；2：柱轴；3：减速齿轮；4a：万向联轴器；4b：万向联轴器；5：小齿轮齿条机构；6：横拉杆；10：扭矩传感器；11：点火按键；12：车速传感器；14：电池；20：电动机；30：控制单元；40：电流指令值运算部；41、42：乘法器；43、44：减法器；45：pi控制部；46：2相/3相转换部；47：pwm控制部；48：逆变器；49：3相/2相转换部；50：角速度转换部；51：增益计算部；60、61、62：电流传感器；63：旋转变压器；64：电压传感器。