专利名称：电动机控制装置及电动助力转向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机控制装置和电动助力转向装置。
背景技术：
电动助力转向装置(EPS)需要具有平稳且安静地旋转的电动机。在许多情况下， 无刷电动机用作电动助力转向装置的驱动源。通常，基于d/q坐标系中的电流控制，经由施 加到各相(U，V，W)的正弦波通电(energization)来控制这种电动机。当电动机控制装置的输出电压存在上限时，所需的输出电压，例如在电动机高速 旋转时，能够超过可施加到驱动电路的电压的最高值(例如，电源电压)。该现象被称为电 压饱和。电压饱和能够弓I起转矩脉动和令人不悦的噪声。为了抑制电压饱和的发生，传统上执行限制电压指令值的电压限制处理(预防电 压饱和)。例如，电压限制处理中的极限值是基于驱动电路的标准和规格而预先确定的。如 图9所示，当d轴电压指令值V/和q轴电压指令值V:的合成矢量Vdt；超过预先设定的电 压极限值Vdtuim时，发生电压饱和。此时，分别对d轴电压指令值V/和q轴电压指令值V: 进行校正，使得校正后的合成矢量Vdt；小于或等于电压极限值Vd(Llim。图9示出了在维持d轴电压指令值V/的同时降低q轴电压指令值V:的示例。可 以以其它方式执行校正。例如，在电压饱和开始后，为维持合成矢量Vdt；的角度，可对d轴 电压指令值V/和q轴电压指令值V/进行校正。通过执行磁场削弱控制(field weakening control)扩大电动机的旋转范围，能 够避免由这种电压饱和所引起的问题。例如，专利文献2公开了一种电动机控制装置(转 向装置)，其基于q轴电流偏差而启动磁场削弱控制。专利文献3中公开的电动机控制装置 基于电流控制中使用的电压指令值，计算表示电压饱和度的电压饱和因子。根据电压饱和 因子来校正电流指令值的相位，以便降低电流指令值以及弱化磁场。因此，有效地防止了电 压饱和。现有技术文献专利文献专利文献1 日本早期公开专利公布第6-153569号专利文献2 日本早期公开专利公布第2003-401 号专利文献3 日本早期公开专利公布第2006-U9632号
发明内容
本发明要解决的问题然而，在发生电压饱和的高速、高转矩范围(电压饱和范围)内，电压限制处理导 致q轴电压指令值V:根据d轴电压指令值V/而改变。因此，d/q轴电流的改变易于被放 大，并且合成波动能够导致转矩脉动和噪声。在专利文献2公开的配置中，电压饱和通常在 q轴电流偏差达到阈值之前开始。这有可能延迟磁场削弱控制的开始。同样地，在专利文献3公开的配置中，磁场削弱控制的开始可能被延迟，其中根据基于电流偏差的电压指令值而 开始磁场削弱控制。因此，本发明的目的是提供一种电动机控制装置和电动助力转向装置，其防止在 电压饱和范围内发生转矩脉动和噪声，并且使得电动机平稳地旋转。解决问题的手段为了实现上述目的并且根据本发明的第一方面，提供了 一种电动机控制装置，其 包括电动机控制信号发生器，其用于通过执行d/q坐标系中的电流控制而产生电动机控 制信号；以及驱动电路，其用于基于电动机控制信号向电动机输出三相驱动电力。基于电动 机的旋转角速度和d/q坐标系中的电流指令值，电动机控制信号发生器估计预测电压利用 率，并且校正电流指令值，使得预测电压利用率不超过与电压饱和极限对应的预定值，其中 该预测电压利用率是所需的输出电压与可施加到驱动电路的最大电压的比率。根据以上配置，防止发生电压饱和。这使得在不执行电压限制控制的情况下始终 控制电动机电流。因此，有效地抑制了转矩脉动和噪声的发生。此外，通过在执行电流控制 之前基于电流指令值来估计预测电压利用率，可以消除电流控制中实际电流和电流指令之 间的偏差的影响，使得在电压饱和前的过渡阶段中快速防止电压饱和的发生。电动机控制信号发生器优选地计算d轴电流指令值以执行磁场削弱控制，使得预 测电压利用率不超过预定值。当预测电压利用率超过磁场削弱控制能够处理的范围内的极 限值时，电动机控制信号发生器优选地减小q轴电流指令值，从而校正电流指令值，使得预 测电压利用率不超过预定值。根据以上配置，防止在更宽的范围内发生电压饱和。另外，在预测电压利用率到达 磁场削弱控制能够处理的范围内的极限值之后，降低电流指令值，使得电动助力转向装置 的输出性能最大化。即，在电动助力转向装置的使用中，不仅减小振动和噪声是重要的，而 且提高基本性能也是重要的。因此，采用以上配置，通过最大化用作驱动源的电动机的输出 性能，基本性能和安静度均得以增强。在以上电动机控制装置中，电动机控制信号发生器优选地减小q轴电流指令值， 使得预测电压利用率不超过预定值。在以上电动机控制装置中，电动机控制信号发生器优选地计算d轴电流指令值以 执行磁场削弱控制，使得预测电压利用率不超过预定值。根据以上配置中的每一个，防止发生电压饱和。这允许在不执行电压限制控制的 情况下始终控制电动机电流。因此，有效地抑制了转矩脉动和噪声的发生。特别地，磁场削 弱控制的执行防止由于电流指令值的减小而降低转矩。因此，即使在电压饱和范围内也可 以保持高输出性能。为了实现上述目的并且根据本发明的第二方面，提供了 一种包括以上电动机控制 装置的电动助力转向装置。根据以上配置，提供了一种电动机控制装置和电动助力转向装置，其防止在电压 饱和范围内发生转矩脉动和噪声并且使得电动机平稳地旋转。
图1是示出根据本发明的第一实施例的电动助力转向装置(EPS)的示意图2是示出根据本发明的第一实施例的EPS的电配置的框图；图3是示出电压饱和防止控制过程的流程图；图4是示出根据本发明的第二实施例的EPS的电配置的框图；图5是示出电压饱和防止控制过程的流程图；图6是示出根据本发明的第三实施例的EPS的电配置的框图；图7是用于电压饱和防止控制的说明性例示的图；图8是示出电压饱和防止控制过程的流程图；以及图9是电压限制控制(预防电压饱和)的说明性示例的图。
具体实施例方式(第一实施例)现在将参照附图描述根据本发明的第一实施例的电动助力转向装置(EPS)。如图1所示，方向盘(转向)2被固定到转向轴3。转向轴3经由齿条小齿轮传动 机构(rack-and-pinion mechanism) 4耦合到齿条5。伴随转向操作的转向轴3的旋转通过 齿条小齿轮传动机构4而被转换成齿条5的往复直线运动。齿条5的往复直线运动改变转 向轮6的转向角度。EPS 1包括用作转向力辅助装置的EPS致动器10和用作控制装置的E⑶11。EPS 致动器10施加用于辅助转向系统的转向操作的辅助力。ECUll控制EPS致动器10的操作。EPS致动器10是齿条型EPS致动器，其中，用作驱动源的电动机12与齿条5同轴 布置。电动机12产生的电动机转矩经由滚珠螺旋机构(ball screw mechanism)(未示出) 传送到齿条5。电动机12是无刷电动机并且通过从E⑶11接收三相(U，V，W)电驱动电力 而旋转。用作电动机控制装置的ECU 11通过控制电动机12产生的辅助转矩来控制施加到 转向系统的辅助力(电力辅助控制)。转矩传感器14和车速传感器15连接到E⑶11。转矩传感器14检测转向转矩τ， 并且车速传感器15检测车速V。基于转向转矩τ和车速V，E⑶11控制EPS致动器10的 动作，即执行电力辅助控制。现在将描述根据第一实施例的EPS 1的电配置。
如图2所示，E⑶11包括微型计算机17和驱动电路18。微型计算机17是输出电 动机控制信号的电动机控制信号输出装置。驱动电路18基于电动机控制信号为电动机12 提供三相驱动电力。驱动电路18是具有作为基本单位(臂)的三对开关元件的已知PWM逆变器。每 对中的开关元件串联连接，并且每对分别对应于一相。从微型计算机17输出的电动机控制 信号定义了构成驱动电路18的每个开关元件的导通占空比。每个开关元件响应于施加到 开关元件的栅极端的电动机控制信号而开通或关断。因此，基于电池19的电源电压Vb产 生三相(U，V，W)驱动电力，并且将该三相(U，V，W)驱动电力提供到电动机12。用于检测提供到电动机12的相电流值Iu、Iv、Iw的电流传感器20U、20v、20w以及 用于检测电动机12的旋转角θ的旋转角传感器21连接到ECU 11。微型计算机17基于电 动机口的相电流值；^…和旋转角θ、转向转矩τ以及车速V，向驱动电路18输出电 动机控制信号，其中，电动机12的相电流值IU、IV、IW*旋转角θ是基于来自传感器的输出信号而检测到的。微型计算机17中的以下控制模块通过微型计算机17所执行的计算机程序来实 现。微型计算机17包括电流指令值计算部22和用作电动机控制信号发生器的电动机 控制信号产生部23。电流指令值计算部22计算电流指令值，其是施加到转向系统的辅助力 的控制目标量。电动机控制信号产生部23产生用于控制驱动电路18的操作的电动机控制信号。电流指令值计算部22包括用作q轴电流指令值计算部的第一计算部24。第一计 算部M基于转向转矩τ和车速V计算d/q坐标系中的q轴电流指令值It；。电流指令值 计算部22校正q轴电流指令值I:，并且将校正后的q轴电流指令值ItT发送到电动机控制 信号产生部23。电动机控制信号产生部23接收电流传感器20u、20v、20w检测到的相电流值Iu、Iv、 Iw和旋转角传感器21检测到的旋转角θ、以及来自电流指令值计算部22的q轴电流指令 值1广。在第一实施例中，d轴电流指令值I/是零(1/ = 0)。电动机控制信号产生部23基 于相电流值^和旋转角θ (电角度)，执行d/q坐标系的电流反馈控制，从而产生电 动机控制信号。S卩，在电动机控制信号产生部23中，相电流值IU、IV、IW*旋转角θ —起输入到三 相/两相转换器25。三相/两相转换器25将相电流值Iu、Iv、Iw转换成d/q坐标系的d轴 电流值Id和q轴电流值I,。输入到电动机控制信号产生部23的q轴电流指令值I:和q 轴电流值I, 一起输入到减法器26q。d轴电流指令值I/和d轴电流值Id —起输入到减法 器^d。减法器^d计算d轴电流偏差Δ Id, Δ Id然后输入到F/B控制部27d。减法器26q 计算q轴电流偏差Δ、，八；输入到？邝控制部〗 F/B控制部27d执行反馈控制，使得 作为实际电流的d轴电流值Id跟随作为控制目标值的d轴电流指令值I/。F/B控制部27q 执行反馈控制，使得作为实际电流的q轴电流值1,跟随作为控制目标值的q轴电流指令值 I；* ο具体地，F/B控制部27d将d轴电流偏差八“乘以预定F/B增益(PI增益)，从而计算 d轴电压指令值V/。F/B控制部27(1将(1轴电流偏差八；乘以预定F/B增益(PI增益)， 从而计算q轴电压指令值V:。d轴电压指令值V/和q轴电压指令值V/与旋转角θ —起 输入到两相/三相转换器四。两相/三相转换器四将d轴电压指令值V/、q轴电压指令 值ν:以及旋转角Θ转换成三相电压指令值νΛνΛνΛ电压指令值Vu\ V/、V；输入到PWM转换器30。PWM转换器30产生与电压指令值 νΛνΛν/对应的占空指令值。电动机控制信号产生部23产生包含由占空指令值表示的导 通占空比的电动机控制信号。微型计算机17将电动机控制信号输出到构成驱动电路18的 开关元件(的栅极端)。因此，控制驱动电路18的操作，即控制对电动机12的驱动电力的 提供。(电压饱和防止控制)
现在将描述根据第一实施例的电压饱和防止控制。 如图2所示，电流指令值计算部22具有校正q轴电流指令值I:的q轴电流指令 值校正部(在下文中，称为校正部)31。在第一实施例中，校正部31执行q轴电流指令值 I；的校正，以防止发生电压饱和。
电流指令值计算部22包括用作预测电压利用率计算部的第二计算部32。第二计 算部32计算(估计)预测电压利用率f，f是所需的输出电压与可施加到驱动电路18的最 大电压Vmax的比率。校正部31基于第二计算部32估计的预测电压利用率f校正q轴电流 指令值I:。具体地，第二计算部32接收电动机12的旋转角速度(电角速度)ω和q轴电流 指令值ΙΛ第二计算部32还接收电源电压Vb，Vb是可施加到驱动电路18的最大电压Vmax。 通过设置在驱动电路18和电池19之间的电源线上的电压传感器33检测电源电压Vb。第 二计算部32基于旋转角速度ω >q轴电流指令值I:以及电源电压Vb(最大电压Vmax)估计 预测电压利用率f。第二计算部32基于以下表达式(1)执行估计预测电压利用率f的计算。
权利要求
1.一种电动机控制装置，包括电动机控制信号发生器，用于通过执行d/q坐标系中的 电流控制而产生电动机控制信号；以及驱动电路，用于基于所述电动机控制信号向电动机 输出三相驱动电力，所述电动机控制装置特征在于，基于所述电动机的旋转角速度和所述d/q坐标系中的 电流指令值，所述电动机控制信号发生器估计预测电压利用率，并且校正所述电流指令值， 使得所述预测电压利用率不超过与电压饱和极限对应的预定值，其中，所述预测电压利用 率是所需的输出电压与能够施加到所述驱动电路的最大电压的比率。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述电动机控制信号发生器 计算d轴电流指令值以执行磁场削弱控制，使得所述预测电压利用率不超过所述预定值， 其中，当所述预测电压利用率超过所述磁场削弱控制能够处理的范围内的极限值时，所述 电动机控制信号发生器减小q轴电流指令值，从而校正所述电流指令值，使得所述预测电 压利用率不超过所述预定值。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述电动机控制信号发生器 减小所述q轴电流指令值，使得所述预测电压利用率不超过所述预定值。
4.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述电动机控制信号发生器 计算d轴电流指令值以执行磁场削弱控制，使得所述预测电压利用率不超过所述预定值。
5.一种电动助力转向装置，包括根据权利要求1至4中任一项所述的电动机控制装置。
全文摘要
电流指令值计算部(22)包含q轴电流指令值校正部(31)和预测电压利用率计算部(32)。预测电压利用率计算部(32)基于电动机(12)的旋转角速度ω、q轴电流指令值Iq*以及电源电压Vb(最大电压Vmax)，估计预测电压利用率f。预测电压利用率f是所需的输出电压与能够施加到驱动电路(18)的最大电压Vmax的比率。基于预测电压利用率f，q轴电流指令值校正部(31)校正q轴电流指令值Iq*，使得校正后的预测电压利用率f不超过与电压饱和限制对应的预定值。
文档编号B62D6/00GK102047552SQ20098011941
公开日2011年5月4日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月22日
发明者铃木浩 申请人:株式会社捷太格特