电动机控制装置的制作方法

本申请涉及电动机控制装置。

背景技术：

已知有将三相交流电动机作为驱动力源的电动汽车、混合动力汽车等电动车辆。在上述电动车辆中，三相交流电动机在行驶时进行动力运行驾驶并产生行驶驱动转矩，在制动时进行再生驾驶并产生再生制动转矩。电动车辆的驱动系统由直流电源、将该直流电源作为输入源的电动机控制装置、及作为负载而与该电动机控制装置连接的三相交流电动机构成，上述直流电源由锂离子电池等充电电池构成。电动机控制装置具备逆变器及与该逆变器并联连接的电容器，上述逆变器具备了多个半导体开关。

在如上述那样构成的驱动系统中，若电动机急剧减速则电动机作为发电机进行动作，运动能量转换成功率。该功率从电动机经由电动机控制装置流入直流电源中。将这样的功率称为再生功率，在该再生功率较大的情况下，有时会边在电动机控制装置的电容器中产生过电压，边在直流电源中产生过度充电。若在直流电源中产生过度充电则可能会使直流电源产生故障。为了避免这样的问题，考虑下述方法：在直流电源和电动机控制装置之间的电路上设置继电器，在产生过大的再生功率的情况下利用继电器来切断电路。然而，若利用继电器来切断直流电源和电动机控制装置之间的电路，则不能使电动机控制装置继续驱动，驱动系统将停止。因此，需要对电动机进行控制以不产生过大的再生功率的电动机控制装置。

作为那样的电动机控制装置，公开了一种电动机控制装置，基于电容器电压的指令值和实际的电容器电压值的差分来调整转矩指令值并对电动机进行控制(例如，参照专利文献1)。进行这样控制的现有的电动机控制装置调整电动机的转矩以使得电容器电压与指令值一致，因此能防止产生过大的再生功率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5407752号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

现有的电动机控制装置中基于电容器电压的指令值和实际的电容器电压值的差分来调整转矩指令值。然而，由于针对差分的转矩指令值为非线性，因此存在电容器电压的控制相对于电容器电压的大小而不稳定的问题。若电容器电压的控制不稳定，则除从电容器供电的逆变器以外的电动机控制装置内的设备的动作将不稳定。

本申请是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种电动机控制装置，通过将针对电容器电压的指令值和实际的电容器电压值的差分的转矩指令值设为线性关系，从而能稳定地控制电容器电压而与电容器电压的大小无关。

解决技术问题所采用的技术方案

本申请所涉及的电动机控制装置包括：向电动机供电的逆变器；与逆变器并联连接的电容器；对电容器的电压进行检测的电压检测部；基于由电压检测部检测出的电压检测值和预先设定的第一指令值来生成第二指令值的指令生成部；以及基于第二指令值对逆变器进行控制的逆变器控制部，指令生成部基于根据电压检测值及第一指令值获得的针对电压检测值的非线性的值来生成第二指令值。

发明效果

本申请的电动机控制装置中，由于指令生成部基于根据电压检测值及第一指令值获得的针对电压检测值的非线性的值来生成第二指令值，因此能稳定地控制电容器电压而与电容器电压的大小无关。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的结构的框图。

图2是表示实施方式1的指令生成部的结构的框图。

图3是表示实施方式1的第二指令值的图。

图4是表示实施方式1的第二指令值的图。

图5是表示实施方式2所涉及的电动机控制装置的结构的框图。

图6是表示实施方式2的指令生成部的结构的框图。

图7是表示实施方式3的指令生成部的结构的框图。

图8是表示实施方式4的指令生成部的结构的框图。

图9是表示实施方式5的指令生成部的输入输出信号的图。

图10是表示实施方式5的指令生成部的结构的框图。

图11是表示实施方式5的指令生成部的结构的框图。

图12是表示实施方式6所涉及的电动机控制装置的结构的框图。

具体实施方式

下面，参照附图对用于实施本申请的实施方式所涉及的电动机控制装置进行详细说明。此外，各图中相同标号表示相同或相当部分。

实施方式1.

图1是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的结构的框图。本实施方式的电动机控制装置1包括：为了控制控制对象即电动机2而向电动机2供电的逆变器3；与逆变器3并联连接的电容器4；对电容器4的两端电压进行检测的电压检测部5；基于电压检测部5输出的电压检测值来生成第二指令值的指令生成部6；以及基于第二指令值生成用于对逆变器3的开关元件进行控制的栅极信号的逆变器控制部7。

电动机2为例如作为电汽车的驱动源使用的三相交流电动机等。逆变器3基于从电容器4提供的功率来驱动电动机2。逆变器3具备多个开关元件，该开关元件利用由逆变器控制部7生成的栅极信号来控制。电压检测部5对电容器4的两端电压进行检测，将该电压检测值输出至指令生成部6。指令生成部6基于电压检测部5输出的电压检测值，生成转矩指令值即第二指令值。逆变器控制部7基于第二指令值，生成对逆变器3的开关元件进行控制的栅极信号。本实施方式所涉及的电动机控制装置通过利用第二指令值对从电容器4提供给电动机2的功率与从电动机2再生至电容器4的功率进行调整，从而控制电容器4的电压。

接着，对指令生成部6的详细功能进行说明。

图2是表示指令生成部6的结构的框图。如图2所示，指令生成部6由乘法器8、减法器9、反馈控制器10构成。乘法器8输出电压检测值的平方值。减法器9输出预先设定于指令生成部6的第一指令值与从乘法器8输出的电压检测值的平方值的差分。反馈控制器10基于从减法器9输出的第一指令值与电压检测值的平方值的差分来输出第二指令值。

电动机控制装置中，为了使包含从电容器供电的逆变器在内的内部设备稳定地动作，电容器电压存在适当的范围。将控制电容器电压以使得电容器电压在其范围内时的目标值定义为电容器电压的指定值。本实施方式中，将第一指令值设为与电压的平方成正比的值，例如将电容器电容和1/2与电容器电压的设置值的平方相乘而得的能量值设定为第一指令值。另外，第二指令值为转矩指令值。

作为反馈控制器10中的第二指令值的具体生成方法，可以使用将比例项与积分项相加的pi控制，上述比例项为将比例增益与输入的值相乘而得，上述积分项基于对输入的值进行累计而得的结果。另外，不限于pi控制，若为抑制偏差的控制则可以为pid控制等其它控制方法。

接下来，对电容器电压的控制原理进行说明。

通过将电容器4的静电电容c和1/2与电压检测值的平方相乘，从而能计算存储于电容器4的能量。另外，预先设定于指令生成部6的第一指令值设为将电容器电压的指定值换算成能量的值。因此，指令生成部6基于实际存储于电容器4的能量、与根据电容器电压的指定值计算的能量的差分来生成第二指令值。

接下来，对电容器的能量和第二指令值的关系进行说明。

从电容器输入至逆变器的逆变器输入功率、电动机机械输出及系统效率的关系为式(1)。

逆变器输入功率＝电动机机械输出×系统效率(1)

另外，逆变器输入功率为式(2)，电动机机械输出为式(3)。

逆变器输入功率＝vdc×idc(2)

电动机机械输出＝ωm×τ(3)

此处，vdc为电容器电压，idc为从电容器流入到逆变器的电流。另外，ωm为电动机机械角速度，τ为电动机的转矩。

接下来，将系统效率设为η，将式(2)及式(3)代入式(1)中，则导出下式。

vdc×idc＝ωm×τ×η(4)

另外，存储于电容器4的电荷设为q，则q根据电容器4的静电电容c及电容器电压vdc由式(5)来表示。

q＝c×vdc(5)

另外，q和从电容器4流出的电流idc为式(6)。

q＝－∫idc×dt(6)

将式(6)代入式(5)，对两边进行微分则导出下式。

idc＝c×d/dt×vdc(7)

将式(7)代入式(4)，则导出下式。

vdc×c×d/dt×vdc＝ωm×τ×η(8)

对式(8)进行变形，导出下式。

d/dt(1/2×c×vdc×vdc)＝ωm×τ×η(9)

根据以上的导出结果，如式(9)所示，电容器电压vdc和转矩τ为非线性关系。

这里，设反馈控制器10基于电容器电压的指定值与电压检测部5输出的电压检测值的差分△v生成转矩指令值即第二指令值。图3是表示了该△v和第二指令值的关系的图。图3是使用式(9)表示了△v和τ的关系的图。如图3所示，在简单地基于电容器电压的指定值和电压检测值的差分△v来生成第二指令值的情况下，第二指令值相对于△v为非线性。其结果是，第二指令值相对于△v的大小变化得较大，因此电容器电压的控制相对于电容器电压的大小变得不稳定。例如在电容器电压急剧减少的情况下(△v较大的情况)，与电容器电压的变化较小的情况(△v较小的情况)相比，第二指令值(转矩指令值)急剧变大，因此再生功率急剧增加。该现象中，由于等于反馈增益增加，因此存在控制不稳定的可能。

另一方面，根据(1/2×c×vdc²)为存储于电容器4的能量，若将电容器能量设为edc，则式(9)由下式来表示。

d/dt×edc＝ωm×τ×η(10)

如式(10)所示，电容器的能量edc和转矩τ为线性关系。如上所述，第一指令值设为将电容器电容和1/2与电容器电压的指定值的平方相乘而得的能量值。本实施方式的电动机控制装置中，基于该第一指令值和电压检测值的平方值的差分△(v²)，生成转矩指令值即第二指令值。

图4是表示了上述差分△(v²)和第二指令值的关系的图。如图4所示，与电容器的能量edc成正比关系的△(v²)和第二指令值为线性关系。其结果是，第二指令值相对于电容器电压的指定值和实际的电容器电压值的差分固定地变化，因此电容器电压的控制稳定而与电容器电压的大小无关。

如上述那样构成的电动机控制装置基于电压检测值的平方值和第一指令值的差分来生成第二指令值，因此能稳定地控制电容器电压而与电容器电压的大小无关。即本实施方式的电动机控制装置中，由于指令生成部基于根据电压检测值及第一指令值获得的针对电压检测值的非线性的值来生成第二指令值，因此能稳定地控制电容器电压而与电容器电压的大小无关。

另外，本实施方式中示出了将由指令生成部生成的第二指令值设为电动机的转矩指令值的示例，但在控制的对象为三相交流电动机的情况下，可以将第二指令值设为流过三相交流电动机的q轴电流指令值。电动机的转矩大致等于将极对数pn和磁体磁通φm与q轴电流相乘而得的值。因此，可以将转矩指令值除以极对数pn和磁体磁通φm而得的值作为q轴电流指令值用于第二指令值。

实施方式2.

实施方式1的电动机控制装置使用预先设定于指令生成部的第一指令值来控制电容器电压。实施方式2的电动机控制装置中，指令生成部中从外部输入有第一指令值。

图5是表示本实施方式所涉及的电动机控制装置的结构的框图。本实施方式的电动机控制装置1为与实施方式1同样的结构，但在第一指令值从指令生成部的外部输入这一点不同。另外，第一指令值与实施方式1同样，设为将电容器电容和1/2与电容器电压的指定值的平方相乘而得的能量值。

本实施方式所涉及的电动机控制装置通过利用第二指令值对由电容器4提供给电动机2的功率与从电动机2再生至电容器4的功率进行调整，从而控制电容器4的电压。在电动机2和电容器4之间出入的功率为电动机转矩和电动机2的机械角速度的积，因此即使再生相同的功率的情况下，根据电动机机械角速度而变化必要的转矩。因此，优选与电动机机械角速度的变化相对应使电容器电压的指定值变化从而设定第一指令值。

本实施方式中，由于从外部输入与电动机机械角速度的变化相对应地设定的第一指令值，因此能根据电动机机械角速度的变化来使电容器电压的指定值变化。其结果是，能防止转矩指令值即第二指令值过大。

另外，由于能从外部变更电容器电压的指定值，因此也能提高电容器电压的指定值。存储于电容器4的能量与电容器电压的平方成正比。因此，通过将电容器4的电压设定得较高，从而能使向从电容器4供电的除逆变器以外的负荷的供电增加。

图6是表示本实施方式所涉及的其它电动机控制装置的指令生成部的结构的框图。如图6所示，本实施方式的其它电动机控制装置的指令生成部6具备输入有从外部输入的第一指令值的前馈控制器11、及将前馈控制器11的输出与反馈控制器10的输出相加的加法器12。

前馈控制器11生成针对从外部输入的第一指令值的变化的指令校正值。加法器12将指令校正值与由反馈控制器10生成而得的第二指令值相加来生成新第二指令值。

因电动机控制装置内的负荷的功耗变动、电动机机械角速度的变动等引起的电容器电压的变动利用由反馈控制器10生成的第二指令值来控制。电容器电压的变动抑制和针对第一指令值的过冲为权衡关系，因此若为使控制响应性得到提高而提高指令生成部的反馈增益，则过冲存在变差的趋势。在图6所示的本实施方式的其它电动机控制装置中，能分别利用前馈控制器11独立地设定针对第一指令值的响应性，利用反馈控制器10独立地设定针对电动机控制装置内的负荷的功耗变动、电动机机械角速度的变动等的响应性。

如上所述那样构成的电动机控制装置能降低针对第一指令值的过冲。

实施方式3.

图7是表示实施方式3所涉及的电动机控制装置的指令生成部的结构的框图。本实施方式的电动机控制装置中，除图7所示的指令生成部以外为与实施方式1同样的结构。

如图7所示，本实施方式的指令生成部6由减法器9、反馈控制器10、增益生成部13、乘法器14及加法器15构成。减法器9输出预先设定于指令生成部6的第一指令值和电压检测值的差分。加法器15输出预先设定于指令生成部6的第一指令值与电压检测值之和。增益生成部13生成将增益乘以从加法器15输出的第一指令值与电压检测值之和而得的值。乘法器14将由增益生成部13生成而得的值与从减法器9输出的值相乘并输出。即，从乘法器14输出的值为电压的平方值。反馈控制器10基于从乘法器14输出的值来生成第二指令值。

本实施方式中，将第一指令值设为电压值，例如将电容器电压的指定值设定为第一指令值。另外，第二指令值为转矩指令值。

如上述那样构成的电动机控制装置与实施方式1同样，指令生成部6的反馈控制器10基于与电容器的能量edc成正比关系的电压的平方值来生成第二指令值。即，本实施方式的电动机控制装置中，指令生成部基于根据电压检测值及第一指令值获得的针对电压检测值的非线性的值来生成第二指令值。其结果是，第二指令值相对于电容器电压的指定值和实际的电容器电压值的差分固定地变化，因此电容器电压的控制稳定而与电容器电压的大小无关。

实施方式4.

图8是表示实施方式4所涉及的电动机控制装置的指令生成部的结构的框图。如图8所示，本实施方式的电动机控制装置的指令生成部6由前馈控制器11、加法器12、减法器9、反馈控制器10、增益生成部13、乘法器14及加法器15构成。前馈控制器11和加法器12的动作由于与实施方式2的图6所示的动作同样，因此省略说明。另外，减法器9、反馈控制器10、增益生成部13、乘法器14及加法器15的动作与实施方式3同样，因此省略说明。

本实施方式中，第一指令值从外部输入。另外，将第一指令值设为电压值，例如将电容器电压的指定值设定为第一指令值。另外，第二指令值为转矩指令值。

如上述那样构成的电动机控制装置与实施方式1同样，指令生成部6的反馈控制器10基于与电容器的能量edc成正比关系的电压的平方值来生成第二指令值。即，本实施方式的电动机控制装置中，指令生成部基于根据电压检测值及第一指令值获得的针对电压检测值的非线性的值来生成第二指令值。其结果是，第二指令值相对于电容器电压的指定值和实际的电容器电压值的差分固定地变化，因此电容器电压的控制稳定而与电容器电压的大小无关。

另外，由于从外部输入第一指令值，因此能根据电动机机械角速度的变化来设定第一指令值。其结果是，能防止转矩指令值即第二指令值过大。

另外，由于能分别利用前馈控制器11独立地设定针对第一指令值的响应性，利用反馈控制器10独立地设定针对电动机控制装置内的负荷的功耗变动、针对电动机机械角速度的变动等的响应性，因此能降低针对第一指令值的过冲。

实施方式5.

图9是表示实施方式5所涉及的电动机控制装置的指令生成部的输入输出信号的图。如图9所示，本实施方式的电动机控制装置的指令生成部6将第一指令值、电压检测值及电动机机械角速度作为输入，输出转矩指令值即第二指令值。

存储于电容器4的能量为将由电容器4提供给电动机2的功率和从电动机2再生至电容器4的功率累计而得的结果，再生功率为电动机转矩和电动机机械角速度的积，因此伴随着电动机机械角速度的增加，再生功率相对于电动机转矩的变化而增加。因此，电动机控制装置的响应相对于电动机机械角速度的变化为固定的情况下，存在针对电动机转矩的能量偏差的响应产生变化，进而控制不稳定的可能。本实施方式的电动机控制装置能相对于电动机机械角速度的变化而使电动机控制装置的响应改变。

图10是表示实施方式所涉及的电动机控制装置的指令生成部的结构的框图。如图10所示，本实施方式的指令生成部6为在图2所示的指令生成部的结构上增加除法器16而得。除法器16将来自反馈控制器10的输出除以从外部输入的电动机机械角速度而得的值作为新第二指令值来生成。另外，本实施方式中，第一指令值设为将电容器电容和1/2与电容器电压的指定值的平方相乘而得的能量值。另外，将来自反馈控制器10的输出设为功率指令值。

如上述那样构成的电动机控制装置中，由第一指令值和电压检测值决定的功率指令值为固定而与电动机机械角速度无关，但通过将功率指令值除以电动机机械角速度来生成第二指令值，从而能相对于电动机机械角速度的变化实现固定的控制响应。

另外，在实施方式3的图7所示的指令生成部中，可以在反馈控制器的输出侧配置除法器，利用该除法器生成对来自反馈控制器的输出除以从外部输入的电动机机械角速度而得的值作为新第二指令值。此时第一指令值设为电容器电压的指定值，来自反馈控制器的输出设为功率指令值。

即使在如上述那样构成的电动机控制装置中，通过将功率指令值除以电动机机械角速度来生成转矩指令值，从而能相对于电动机机械角速度的变化实现固定的控制响应。

图11是表示本实施方式所涉及的其它电动机控制装置的指令生成部的结构的框图。如图11所示，本实施方式的其它电动机控制装置的指令生成部6中，对于由反馈控制器10获得的比例增益17及积分增益18，利用从外部输入的电动机机械角速度来进行调整。该情况下，相对于电动机机械角速度的增加，调整为比例增益17及积分增益18降低。

即使在如上述那样构成的电动机控制装置中，通过将功率指令值除以电动机机械角速度来生成第二指令值，从而能相对于电动机机械角速度的变化实现固定的控制响应。

本实施方式的电动机控制装置构成为基于根据第一指令值和电压检测值的值、及从外部输入的电动机机械角速度来生成第二指令值，因此相对于电动机机械角速度的变化将电压的响应设定为固定，能稳定地进行控制。

实施方式6.

图12是表示实施方式6所涉及的电动机控制装置的结构的框图。如图12所示，本实施方式的电动机控制装置1中，能充放电的电池19经由继电器20与电容器4并联连接。电动机控制装置1的结构与实施方式1的图1所示的电动机控制装置同样，但在对指令生成部6从外部输入有转矩指令值、和表示继电器20是否打开的继电器状态信号这一点有所不同。

电汽汽车、混合动力汽车等电动车辆中，如图12所示，电动机控制装置1的电容器4和锂离子充电电池等电池19经由继电器20并联连接。通常驱动状态下继电器20闭合，电动机控制装置利用从电池19提供的功率来驱动电动机2。另一方面，在禁止电池19充放电的状态、继电器20发生故障等状态下继电器20被打开的情况下，切断从电池19向电动机控制装置1的供电。该状态下，电动机控制装置仅利用存储于电容器4的能量来驱动电动机。然而，存储于电容器4的能量与存储于电池19的能量相比非常小，由此在不能控制电容器电压的情况下，难以长时间持续地驱动电动机。

本实施方式的电动机控制装置1中，指令生成部6基于表示继电器20是否打开的继电器状态信号来决定第二指令值。当输入有表示继电器20未被打开的继电器状态信号时，指令生成部6将从外部输入的转矩指令值作为第二指令值来输出。另外，当输入有表示继电器20打开的继电器状态信号时如实施方式1中说明的那样，指令生成部6使用预先设定于指令生成部6的内部的第一指令值来生成第二指令值并输出。因此，本实施方式的电动机控制装置基于在从电池供电时从外部输入的转矩指令值来驱动电动机。另外，该电动机控制装置在未由电池供电时利用预先设定于指令生成部的第一指令值来生成转矩指令值即第二指令值，基于该第二指令值来驱动电动机。

如上所述那样构成的电动机控制装置在未由电池供电时，边控制电容器电压边驱动电动机，因此能长时间持续地驱动电动机。

另外，本实施方式的电动机控制装置在未由电池供电时，利用预先设定于指令生成部的第一指令值来生成转矩指令值即第二指令值，但如实施方式2中说明那样，可以利用从外部输入的第一指令值来生成第二指令值。另外，此时的第二指令值的生成方法可以为实施方式3及4中说明的方法。

另外，本实施方式的电动机控制装置构成为从外部输入转矩指令值，但也可以在电动机控制装置内生成转矩指令值。可以将反馈控制器追加至电动机控制装置内，使用由该反馈控制器生成而得的转矩指令值，上述反馈控制器对电动机机械角速度、电容器电压值等进行检测并生成转矩指令值以使得电容器电压成为指定值。例如，为了将电压检测值控制成电容器电压的指定值，将基于电压检测值和电容器电压的指定值的偏差的pi控制部追加至电动机控制装置内，当由电池供电时，可以将该pi控制部的输出设为转矩指令值。

如上所述那样构成的电动机控制装置在未由电池供电时，边控制电容器电压边驱动电动机，因此也能长时间持续地驱动电动机。

本申请记载了各种例示的实施方式，但1个或多个实施方式中记载的各种特征、形态及功能并不限于特定实施方式的应用，可单独或以各种组合来应用于实施方式。

因此，未例示的无数变形例设想也包含在本申请所公开的技术范围内。例如，设为也包含对至少1个结构要素进行变形、追加或者省略的情况、以及提取至少1个结构要素并与其它实施方式的结构要素进行组合的情况。

标号说明

1电动机控制装置，

2电动机，

3逆变器，

4电容器，

5电压检测部，

6指令生成部，

7逆变器控制部，

8乘法器，

9减法器，

10反馈控制器，

11前馈控制器，

12加法器，

13增益生成部，

14乘法器，

15加法器，

16除法器，

17比例增益，

18积分增益，

19电池，

20继电器。