用于控制电动机以减少emi的方法

专利名称：用于控制电动机以减少emi的方法
技术领域：
本发明涉及电子发动机驱动器，并且特别涉及由交换逆变器驱动的电子发动机，所述交换逆变器能够将直流电压转换为用以驱动所述发动机的一个或多个相位的脉冲电流。例如，该发动机可以为无刷直流发动机，并且具有霍尔传感器以控制整流。
本发明进一步涉及一种动力转向装置，该装置能够通过电力泵生成的油压的方式，产生用以驱动车辆转向机构的辅助转向动力。
本发明进一步涉及在控制电子发动机的发动机驱动器中减少EMI(电磁干扰)。
背景技术：
图1为典型的来自直流总线的三相发动机驱动器。该发动机可以为无刷直流发动机，具有永磁转子和定子，该定子包括由交换脉冲相位驱动信号馈电的定子线圈。直流总线电压由逆变器100提供，逆变器100由三个半桥组成，所述半桥包括由门信号AH、AL、BH、BL和CH、CL控制的晶体管(例如MOSFET、IGBT、双极装置)。每一组高侧和低侧的装置相互串联，并且每个设备的输出包括三个相位U、V和W中的一个相位。每一个切换装置由控制器200控制，控制器200接收控制电子发动机300的整流次数的霍尔信号。门驱动信号AH、AL、BH、BL和CH、CL分别由逆变器100的开关提供。
例如，在典型的发动机驱动器中，发动机为每个相位提供一个霍尔信号，其中的一个如图2所示。图中仅示出了一组门驱动高信号和门驱动低信号。在典型的应用中，门信号为控制逆变器的开关转换及发动机整流提供控制信号。图2所示的典型发动机驱动有120°的导通角。如图所示，图2中的门驱动低信号能够对门驱动器进行脉冲宽度调制(PWM)。当进行霍尔转换，以及单独由发动机中的霍尔效应传感器的实际位置设置决定的门驱动信号发生任何相位提前，就要进行门驱动信号转换。导通角必须为120°或180°。通过改变PWM的占空因数来控制半桥输出的有效电压。可以在低侧或高侧、或者低侧与高侧进行脉冲宽度调制。图2中仅示出了一个相位。其它两个相位按120°转换。
图3所示为另一个典型发动机驱动器的例子，该驱动器有180°的导通角。同样，可以在低侧或高侧、或者低侧与高侧进行脉冲宽度调制。
在过去，门驱动信号相位提前的获得，单独由发动机中的霍尔效应传感器的实际位置设置决定。也就是说，要获得相位提前，发动机传感器的位置必须前移一个确定的度数，该度数由相位提前的数量决定。该相位提前是固定的，无法在电子地改变。
本发明的目的之一是提供一种装置，在不对发动机的机械结构进行改动的前提下，利用该装置能够获得可变相位提前和/或导通角，从而改进发动机的控制。
本发明的进一步的目的是提供一种改进的车辆动力转向系统。
一种现有的动力方向盘设备，通过油泵向驾驶装置中的动力缸提供操作油，来辅助车辆方向盘的操作。该油泵由电动机利用辅助转向动力来驱动，该辅助转向动力与动力缸产生的发动机转速相一致。
在转向轴中，扭力杆与油压控制真空管相结合，所述扭力杆产生与方向盘提供的转向扭矩的方向和大小相一致的扭力，所述油压控制真空管能够改变其张开的大小，该大小与扭力杆的扭力方向和大小相一致。所述油压控制真空管由油泵与动力缸之间的油压系统提供，能够产生辅助转向动力，该辅助转向动力与动力缸产生的转向扭矩相一致。
电动机的驱动控制基于方向盘的转向角速度而执行。所述转向角速度的获得基于方向盘提供的转向角度传感器的输出，而电动机的目标转速的设置基于该转向角速度。通过向发动机供电获得所述目标转速。
作为电动发动机，一般使用三相无刷发动机。所述三相无电刷发动机包括一个定子，该定子具有U相、V相和W相的激励线圈，还包括一个具有固定永磁体的转子，用于从激励线圈接收相推斥磁场，还包括霍尔传感器，用于检测转子的旋转位置。提供三个电角度间隔为120度的霍尔传感器，与U相、V相和W相相一致。
该三相无刷发动机的驱动在一般情况下，与传统的120度动力系统相一致。该120度动力系统如图13所示。霍尔传感器的U相、V相和W相输出的霍尔信号在相位上相互偏移120度。在依次与U相、V相和W相的120度电角度相一致的时间段内通电，从而与U相、V相和W相的霍尔信号同步。通过PWM(脉冲宽度调制)控制可以实现对无刷发动机转速的改变，该PWM控制由每个激励线圈在120度的电导期间内的驱动电流提供。
图14为转子的转速与三相无刷发动机的输出扭矩之间的关系。如图14所示，已知转速增加则输出扭矩减少。从以下所示的与发动机相关的公式(1)中可以理解，如果发动机的转速(ω)增加，则随着发动机产生的感生电压kω增加，流向发动机的电流I减少，同时也能够获知，由于输出扭矩与电流I是成比例的，因此反电动势会变小。
V＝IR+L di/dt+kω……(1)其中，L＝电动机的感应系数，di/dt＝电流的变化率，V表示电动机的电压，I是流向电动机的电流，R是电动机的电阻，K是一个常量，ω表示发动机的转速。
对于一般的电动机驱动，特别是那些进行驱动逆变器开关的脉冲宽度调制(PWM)的电动机驱动，存在的问题是高频率的开关切换会导致相当大的电磁干扰(EMI)，从而干扰其它设备的操作，例如音频和视频设备，收音机和计算机。这一问题尤其会对一些应用造成很大麻烦，例如在汽车中，EMI可能会干扰无线电设备和汽车引擎管理系统，以及其它的汽车外部系统。另外，政府已经强制规定，要求发射的EMI根据频率必须低于现有水平。

发明内容
本发明解决的问题是通过发动机控制器减少EMI。根据本发明，无刷直流电动机的导通角控制能够在功率级减少切换的次数，从而减少电磁发射的数量。这样就可以使用更小更便宜的EMI过滤部件，以及使得控制器满足规定需求。
由于进行有关的电压和电流转换，无刷直流发动机驱动器会产生大量的电磁干扰。每一应用具有取决于其操作环境和相关规定的EMI限制。EMI过滤部件一般被包括在电动机驱动器中，被设计为以使其符合EMI限制。过滤部件的大小和价格取决于所述EMI限制所要求的EMI发射的数量。对于过滤部件，特别是如传感器这类的串联元件，其另一个至关重要的设计限制是直流阻抗。高阻抗会导致电动机过热和电压损失。
在此描述一种现有的技术，从而通过改变导通角和相位提前来控制电动机，如无刷直流电动机。这与传统的控制策略是相反的，在传统控制策略中，导通角和相位提前分别固定为120°和0°，发动机速度由脉冲宽度调制控制。在导通角的控制下，速度控制器在整流前缘调整位置，而不是在PWM波形的占空因数。这样会减少切换次数，从而减少EMI。
这里提供了在发动机驱动系统中获得可变的相位提前和/或可变的导通角，以减少EMI的产生的系统和方法。
本发明提供了一种在由直流总线馈电的开关逆变器提供的电动机控制中用于减少EMI发射的方法，包括控制导通角周期的相位提前，在所述导通角周期期间，发动机的相位由逆变器馈电以控制导通角从而控制发动机速度，由此减少逆变器切换操作的次数，以及减少EMI。
本发明进一步的目标在于提供一种系统和方法，使用可变相位提前、可变的导通角和脉冲宽度调制以适应性调节电动机的速度，从而获得想要的扭矩特性。
本发明通过增加相位提前和/或导通角，能够对于任何给定扭矩得到更高的可获得的速度。也就是说，增加了动力。进一步地，通过增加导通角减少扭矩波动。
实现本发明的目的的方法在于，控制具有至少一个传感器输出的电动机，利用该传感器确定对于开关逆变器的开关的切换时刻，所述逆变器用于控制导通角，以确定发动机旋转过程中的导通时间，该方法包括接收传感器输出；通过先于确定切换时刻的下一个传感器输出的相位角度，将与直流总线电压相连的开关逆变器的开关的接通时间提前到发动机相位驱动输入。
近年来存在一种需求，就是获得三相无刷发动机在中低扭矩范围内更大的转速。然而，要实现这种需求，必然会带来价格上的大幅度提高，因此，有必要重新检查三相无刷发动机的控制系统，并且再次评估三相发动机自身的设计。相应地，本发明的一个目的在于提供一种动力转向装置，该装置在避免制造成本的大幅度提高的前提下，能够获得在电动机的中低扭矩范围内较高的转速。
为实现前述目的，本发明提供了一种动力转向装置，能够通过油压产生辅助转向动力，该油压由电动机驱动的泵产生，发动机具有导通角，在该导通角期间，向发动机的至少一个相位供电，所述动力转向装置包括旋转角检测器，用于检测所述电动机旋转的角度；转向角速度传感器，用于检测转向操作部件的转向角速度；驱动目标值转速设置装置，用于根据转向角速度传感器的输出信号，来设置所述电动机的驱动目标值转速；驱动信号发生器，用于生成驱动所述电动机的驱动信号；以及角度设置装置，用于根据旋转的角度来确定驱动信号的相位提前角度，该旋转角度由所述旋转角检测器根据所述驱动目标值转速设置装置设置的驱动目标值转速检测获得，从而改变导通角。根据上述描述，该动力转向装置能够减少EMI的产生。
根据上述描述，驱动信号的相位提前角度设置与电力发动机(如无刷发动机)的驱动目标值转速相一致，并相应地改变导通角。
举例来说，如果电动机为三相无刷发动机，随着所述三相无刷发动机通过120度导通角方法被驱动，电流通过U相、V相和W相线圈的开始的时间根据对应于U相、V相、W相的旋转角检测器(例如霍尔传感器)的输出信号的相位进行不同设置。从而可以通过为高速旋转范围内的驱动目标值设置相对较大相位提前角度，而增加对电动机的电流供给(电流通过时间和导通角)，发动机产生的电压(反电动势)变小，从而增加了输出扭矩。
根据本发明，能够在不大幅度改变发动机设计或系统整体设计的前提下，增加中低扭矩范围内的转速。相应地，也不会大幅度增加成本。
因为能够通过执行控制来为所需的发动机转速设置合适的相位提前角度(所需最小的相位提前角度)，从而能够解决相位提前角度控制中的主要问题(例如永磁性的减少或效率的降低)。
同样可以想到的是，通过保持驱动信号的相位提前角度恒定，能够得到确定的相位提前角度，在该相位提前角度期间通过电流，能够实现PWM控制。在这种情况下，实现PWM控制的切换装置(如场效应管)的热损失成为了一个问题。根据本发明，PWM控制并不是在相位提前角度期间执行，而是在通过改变相位提前角度而改变电通的期间执行，因此，没必要考虑切换损耗的增长，可以实现对热损耗的任意程度增长的控制。进一步，这就实现了减少EMI。
进一步地，根据本发明，当电动机的电通路处于非饱和状态时，不考虑所述驱动目标值为多少，相位提前角度设置工具设置明确的固定相位提前角度；但当电动机的电通路为饱和状态时，则根据驱动目标值设置装置设置的驱动目标值来确定相位提前角度。
根据以上说明，仅仅当120度电通路达到饱和时，相位提前角度才与驱动目标值相一致，(例如，可以设置为零度)并且，例如在120度的电导通阶段，通过执行PWM控制，电动机的低速旋转控制和和中速旋转控制都能够实现。一旦在120度的导通角阶段达到饱和状态(100％PWM占空因数)，通过改变相位提前角度就可以完成进一步的发动机控制，处于饱和状态下的发动机在相位提前区域进行操作，也就是100％PWM占空因数。
本发明的其它特征和优点通过下面的参考附图的详细描述可以更加明白。


下面参照附图对本发明进行更加详细的描述图1示出了发动机控制器的概括框图；图2示出了典型现有技术的发动机驱动控制策略；图3示出了另一现有技术的发动机驱动控制策略；图4示出根据本发明提供的可变相位提前和/或导通角的发动机驱动控制策略；图5为在可变的相位提前、固定的相位提前和导通角的不同情况下，发动机驱动信号的几个时序图；图6显示了根据本发明的有选择地使用可变的相位提前/导通角和脉冲宽度调制的速度控制器；图7为显示本发明的一个实施例中动力转向装置的基本构造的概念图；图8为显示前述动力转向装置中的电控单元的功能结构的框图；图9为转向角速度与目标转速问关系的特征图；图10为基于解释操作电动机的动力驱动方法的目的而显示的图；图11为显示相位提前角度与目标转速之间关系的图；图12为显示扭矩与电动机转速之间关系的特征图；图13为现有的用于解释传统120度导通角系统的时序图；图14为三相无电刷发动机中转速与输出扭矩之间关系的示意图；图15为进行脉冲宽度调制时，无刷直流发动机驱动器工作于70A直流总线电流的感应输出；以及图16为图15所示发动机驱动器工作于70A直流总线电流并且没有发生PWM切换而是利用相位提前进行发动机速度控制。
具体实施例方式
参考图4，该图显示了对于一个发动机相位的门驱动高和门驱动低信号，以及发动机中的理想和实际霍尔信号。如果使用具有0°相位提前的120°导通角，则设置理想霍尔信号，该切换时刻与霍尔信号的转换同时发生。如图4中的虚线x所示。如果没有提供相位提前，高驱动信号的切换时刻与理想霍尔信号的上升沿相一致。理想霍尔信号可以在一定量上弥补(提前)实际霍尔信号，这个量可以为0°或大于0°的值。一个典型的实际霍尔信号如图4所示。可变相位提前(来自理想霍尔信号)如图4所示。在图4中，门驱动高信号以先于理想霍尔信号的一定可变相位量并先于实际霍尔信号转换的一定可变量而接通。
如图4和图5所示，导通角可以在120°至180°之间变化。相位提前是可变的。相位提前和导通角可以独立调整，但在实际应用中，它们经常是相互相关的。特别是，可以把可变的相位提前与导通角相加以提供导通角的附加量。因此，导通角等于120°加上前述方案中所示的可变提前的量。总的相位提前p等于固定提前量k加上可变提前a。尽管图4中的相位提前和导通角是相互依赖的，但这种依赖关系并未必须。例如，相位提前可以仅用于改变导通期间，而导通角保持恒定。
如图4所示，门驱动信号的切换时刻并不受霍尔转换的限制。可以在关于霍尔传感器边缘的切换时刻强制加入一个软件算法。同样如图4所示，使用脉冲宽度调制有可能依赖也可能不依赖于应用。在环境下，可以应用相位提前角度和/或导通角的调整来控制速度或电流，利用或不利用PWM。
为了提供相位提前(其意味着霍尔信号转换之前的门信号切换转换)，软件算法可以利用先前的霍尔转换使相位提前先于下一次对应的霍尔信号转换。
如前文所述，通过增加相位提前和导通角，对于任意给定扭矩能够提供更高的可达到的速度。也就是说，能够增加动力。导通角的增加也能够减少扭矩波动。
以下表1中的数据记录一种具有13.5伏和2.48Nm扭矩的典型电动机。
表1

在表1中，速度单位是RPM，电流单位是安培(A)，效率的单位是百分比。占空因数是100％，也就是100％的脉冲宽度调制(在导通角期间为满)。温度在30至45℃之间。由于其效率低可用性差，表中的一些条目并未被填写。
表1中的数据记录用于显示相位提前和导通角之间的关系，从中能够推导出发动机的重要特征。这些数据能够显示出当改变相位提前和导通角时的效率趋势。如表中所示，为了增加导通角，提高相位提前会得到更高的效率。对于160°的导通角，相位提前为40-60°(大约55°为最佳)时效率最高；而对于180°，相位提前为60-80°(大约75°为最佳)时效率最高。对于140°的导通角，相位提前为25-55°(大约50°为最佳)时效率最高。对于120°的导通角，相位提前为5-50°(大约25°为最佳)时效率最高。
基于表1，可以选择以下方案p＝相位提前c＝导通角k＝固定提前a＝可变提前(和附加导通角)p＝k+a，k＜p＜(k+60°)c＝120°+a，120°＜c＜180°0°＜a＜60°pak＝15°120°导通相位提前＝k+0°＝15°140°导通相位提前＝k+20°＝35°160°导通相位提前＝k+40°＝55°180°导通相位提前＝k+60°＝75°基于表1选择的固定相位提前k＝15°，总提前等于固定提前加上可变提前a。在这种方案中，可变提前也等于附加导通角。固定提前改变了导通角周期，而可变提前增加了导通角。
回顾表1中的数据，能够看出，k＝15°的方案中，对于160°和180°导通，该系统效率最高。对于120°和140°导通，该系统的效率为k＝15°时的最高效率的百分之一。
以上方案的优点是较为简单，并且效率更高，其提供了设置霍尔传感器的可能性，使得切换时刻的数量与霍尔边沿对齐。这能够提高软件算法的精确度和简洁性。
图5为根据本发明的控制方案的几个例子。在图5A中，可变提前等于0°，总相位提前等于固定相位提前k，导通角等于120°。在图5B中，可变相位提前在0至60°之间。总相位提前等于固定提前k加上可变提前a，导通角等于120°加上可变提前a。
在图5C中，可变提前等于60°，总相位提前等于固定提前k加上60°，导通角等于180°。对于单个相位的理想的霍尔信号和可能的实际霍尔信号分别如图5的顶端和底端所示。
通过设置固定提前k，其结果在于，不考虑可变提前的量，每个相应的开关(针对每个导通角)的关闭时刻都相同。也就是说，开关AH的关闭时刻与三个导通角都相同。相似地，每一方案中，开关AL的关闭时刻也都相同，开关BH、BL、CH和CL也同理。这就意味着可以通过图中底部的可能的实际霍尔信号所示，来定位霍尔效应传感器，使得关闭时刻总是与霍尔转换相对齐。对于其它的两个相位也一样。这样就简化了在每个半桥中，用于控制驱动器晶体管的切换的软件算法，因此就简化了用于控制整流的软件。
图6所示为利用本发明进行速度控制。在高负载情况下，由于在转换器的电力装置中切换，损耗是非常明显的。当为晶体管和二极管开关施会发生损耗。因此，在进行脉冲宽度调制时会发生明显损耗。由于这些损耗，当可变提前大于0时，可以使用全占空因数(100％PWM)，以取代脉冲宽度调制。提供图6中所示的速度控制器，其可以脱离100％的占空因数，但是需要改变可变提前a，以调整发动机的速度。
在图6中，门驱动包括逆变器100，用于向发动机300提供三个相位。提供霍尔信号给控制器200′，所述控制器200′包括整流器200A以及脉冲宽度调制器200B。整流器200A的输入信号包括用于发动机控制的可变提前的数量a，其值可以为0或其它值。脉冲宽度调制器200B的输入信号包括控制占空因数的信号，该占空因数的值可以小于或等于100％。基于不同条件，开关400能够输出可变提前a，其值等于0或等于控制器2向整流器输出的可变提前。如图所示，开关400也能够向脉冲宽度调制器输出占空因数，该占空因数为控制器1输出的可变占空因数或为100％占空因数。开关400可以由软件控制器控制，并且开关400可以包括晶体管开关电路。可以向控制器1和2提供速度参考信号(速度参考)，用于确定所需要的速度。位置传感器输出的反馈信号4000被提供给控制器1和2，表示实际的发动机速度。
在120°导通角且占空因数小于100％的情况下，当达到想要的速度时，则使用控制器1。如果在120°导通和100％的占空因数下，发动机提拉的电流值过高时，依然使用该方案。因此，如图6所示，当使用控制器1来改变占空因数时，可变提前等于0。
在120°导通角、100％占空因数，且电流提拉不是很高的情况下，当未达到想要的速度时，则使用控制器2。相应地，在使用控制器2时，将大于0的可变提前a提供给具有100％脉冲宽度调制(在整个导通角期间一直开启)的整流器200A。
控制器1可以包括速度和电流控制。当在两个控制器之间切换时，需要一定的滞后量。
相应地，本发明包括一个系统，用于提供高效发动机控制，以及对于任意给定扭矩提供更高的运行速度，从而提高电力。进一步，增加的导通角减少了扭矩波动。例如，对于具有1Nm扭矩的典型电动机上进行实际测试，结果显示，电流提高75％，则发动机速度提高77％。表2所示为一些实际测试结果。
表2 发动机速度(RPM)

本发明的实施形式涉及一种动力转向系统，下面结合图7-12详细说明该系统。
图7为根据本发明的一个示例的动力转向装置的基本结构的概念图。该转向装置相对于车辆的转向机构1而设置，并向该转向机构1提供辅助转向动力。
举例来说，该转向机构1包括由操作者操作的方向盘2、与该方向盘2相连的转向轴3、与转向轴3相连的齿轮4、与齿轮4相咬合的齿条5a，该齿条5a与架轴5分别向左右延伸。在架轴5的两个端点，连有拉杆6，拉杆6与关节臂7相连，关节臂7在左右两侧支持着车轮FL和FR作为可转向车轮。关节臂7以能够围绕中心销8旋转的方式提供。以上结构安排仅是示例性的。本领域技术人员也可以使用其它形式的转向齿轮以及其它部件。
在前述结构中，当操作方向盘2时，转向轴3被旋转，该旋转被齿轮4和架轴5转换成在车轮的左右方向上的线性移动。该线性移动又被转换为关节臂7围绕中心销的旋转量，从而获得了右轮FR和左轮FL的转向。
扭力杆9与油压控制真空管23结合插入转向轴3，扭力杆9产生与施加在方向盘2上的驾驶扭矩的方向和大小相一致的扭矩，油压控制真空管23的开度变化与扭力杆9的扭矩的方向和大小相一致。
油压控制真空管23与动力缸20相连，动力缸20向转向机构1提供辅助转向动力。动力缸20具有完全在架轴5提供的活塞21，还具有一对由活塞21分隔开的汽缸内腔20a和20b。汽缸内腔20a和20b分别通过供油线路和返油线路22a及22b与油压控制真空管23相连。
油压控制真空管23进一步提供在穿过储备油箱25和油泵26的油循环线路24上。油泵26由电动类的发动机M(27)所驱动；该油泵提取存储在储备油箱25中的操作油，并供应给油压控制真空管23。油压控制真空管23中多余的操作油通过油循环线路24返回给储备油箱25。
油压控制真空管23通过供油线路或返油线路22a及22b，向动力缸20的汽缸内腔20a或汽缸内腔20b提供操作油，在这种情况下，扭矩以一个方向被施加在扭力杆9上。进一步，如果在扭力杆9上施加另一个方向的扭矩，则通过另一个供油线路或返油线路22a及22b，向动力缸20的另一个汽缸内腔20a或汽缸内腔20b提供操作油。
如果在扭力杆9上没有或几乎没有施加扭矩时，则油压控制真空管23处于所谓的平衡状态，操作油在油循环线路24中循环，而不向动力缸供油。
当向动力缸20中的一个汽缸内腔提供操作油时，活塞21沿着可转向的车轮的宽度方向移动。从而，辅助转向动力被施加在架轴5上。
在美国专利No.4,624,283中，详细公开了油压控制真空管23的结构的例子。
举例来说，电动机27包括三相无刷发动机，并由电控单元30通过驱动电路28所控制。例如，驱动电路28包括电力晶体管桥电路。该桥电路根据电控单元30提供的控制信号，通过作为电源的电池40向电动机27提供电力。
电控单元30包括微计算机，所述微计算机通过接收电池40的电源供给而被激活。该微计算机包括CPU 31、用于向CPU 31提供工作区域的RAM32、用于存储控制数据及CPU 31的运行程序的ROM 33以及用于CPU 31、RAM 32及ROM 33的互相连接的总线34。
转向角传感器11向电控单元30输出转向角数据。该转向角传感器11与方向盘2有关。当点火开关被激活，引擎启动且初始值为“0”时，通过设置方向盘2的转向角度，输出一个与转向方向相一致的转向角标记数据。根据该转向数据，CPU 31计算与其时分值相对应的转向速度。
电流传感器12用于检测流向电动机27的电流，霍尔传感器15作为转子位置传感器，用于检测电动机27的转子位置，所述电流传感器12输出的电流检测信号及霍尔传感器15输出的检测信号被提供给电控单元30。
此外，由轮速传感器13输出的轮速信号被发送给电控单元30。轮速传感器13可以为直接检测车轮速度(与车辆速度成比例)的传感器，或者根据相对于车轮提供的轮速传感器的输出脉冲进行计算也能得到轮速值。
电控单元30根据转向角数据、电流数据和轮速数据控制电力发动机27，所述转向角数据、电流数据和轮速数据分别由转向角传感器11、电流传感器12及轮速传感器13提供。
图8为从其功能层面来看的电控单元的结构框图。电控单元30主要包括多个功能模块，通过由CPU 31执行存储在ROM 33中的程序能够实现所述功能模块。电控单元30包括转向角速度操作部分41，用于根据转向角传感器11的输出信号，来计算转向角速度；目标转速设置部分42，用于根据轮速传感器13检测到的轮速及转向角速度操作部分41计算得到的转向角速度，来设置电动机27的目标转速R。
另外，电控单元30还包括发动机驱动控制部分45，用于控制和驱动电动机27，以获得由目标转速设置部分42设置的目标转速R。发动机驱动控制部分45产生驱动信号，用于根据由电流传感器12检测到的发动机电流，来获取目标转速R，并将此驱动信号发送给驱动电路。
电动机27也包括具有U-相位激励线圈27U、V-相位激励线圈27V及W-相位激励线圈27W的定子，还包括具有固定永磁体的转子，用于接收激励线圈27U、27V及27W的推斥场，霍尔传感器15能够检测该转子的转角。该霍尔传感器15包括与U相、V相和W相相一致的霍尔传感器15U、15V和15W。
用于检测流向电动机27的电流的电流传感器12包括分别用于检测流向U相、V相和W相的电流的电流传感器12U、12V及12W。电流传感器12U、12V和12W及霍尔传感器15U、15V和15W的输出信号被适当放大，并提供给发动机驱动控制部分45。可替换地，电流传感器12也可以实现为单独的与直流总线相连的电流传感器。
驱动电路28包括与U相相对应的由一对场效应管UH和UL、与V相相对应的由一对场效应管VH和VL以及与W相相对应的由一对场效应管WH和WL组成的串联电路，以上三个电路与电池40并联。
电动机27的U相场线圈27U与场效应管UH和UL之间的连接点相连，V相场线圈27V与场效应管VH和VL之间的连接点相连，W相场线圈27W与场效应管WH和WL之间的连接点相连。
发动机驱动控制部分45在某个电角度期间，把场效应管UH、VH和WH设置为导通(ON)状态，同时，通过向电子场效应管UL、VL和WL提供包含PWM脉冲的驱动信号，来控制电动机27的旋转。
特别地，发动机驱动控制部分45包括PWM占空因数设置部分46，用于设置与目标转速设置部分42所设置的目标转速R相对应的PWM占空因数；相位提前角度设置部分47，用于设置与目标转速设置部分42所设置的目标转速相对应的相位提前角度Δθ；以及驱动信号生成部分48，用于根据相位提前角度设置部分47设置的相位提前角度Δθ以及PWM占空因数设置部分46设置的PWM占空因数，来生成驱动信号，该驱动信号待给驱动电路28的场效应管UH、UL、VH、VL、WH和WL。
图9是转向角速度与目标转速之间的关系图，所述目标转速由目标转速设置部分42设置。目标转速R被设置在低限R1与用户限制R2之间，在零到V(θ)上单调递增(在该执行方式下线性增加)，转向角速度V(θ)小于VT(VT为阈值)。
目标转速设置部分42根据如图3所示的轮速，对比转向角速度B(θ)，对目标转速R的倾斜进行不同设置。换句话说，根据轮速范围，对阈值VT做不同设置。更详细地，当轮速变高时，阈值也设置的更高，即当车辆加速时。相应地，当轮速变高，目标转速R被设置的更低，导致辅助转向动力变小。在这种情况下，执行轮速响应控制，以产生与车辆速度相一致的合适的转向辅助动力。
图10为解释用于驱动电动机27的通过电流的方法的时序图。图10(a)示出了霍尔传感器15U输出的U-相霍尔信号，图10(b)示出了霍尔传感器15V输出的V-相霍尔信号。另外，图10(c)示出了霍尔传感器15W输出的W-相霍尔信号。
此外，图10(d)为提供给场效应管UH的驱动信号波形，图10(e)为提供给场效应管VH的驱动信号波形，图10(f)为提供给场效应管WH的驱动信号波形。
随着电动机27的旋转，U相霍尔信号、V相霍尔信号和W相霍尔信号具有相位延迟波形，该相位延迟由每个120度电角度产生。
驱动信号生成部分48产生驱动信号，该驱动信号基本遵循120度电通系统。换句话说，提供给场效应管UH的驱动信号在U-相霍尔信号之前上升，仅在电角度期间保持开(ON)状态，所述电角度是通过将相位提前角度Δθ加到120度而获得，并且该驱动信号与霍尔信号同步返回到关(OFF)状态。同理，提供给场效应管VH的驱动信号在V-相霍尔信号的上升沿之前上升，仅在电角度期间保持开状态，所述电角度是通过将相位提前角度Δθ加到120度而获得，并且该驱动信号与霍尔信号同步返回到关状态。
对于场效应管WH的驱动信号也是一样，该驱动信号在W-相霍尔信号的上升沿之前上升到开状态，同时，该驱动信号仅在电角度期间保持此开状态，所述电角度是通过将相位提前角度Δθ加到120度而获得，并且该驱动信号与霍尔信号同步返回到关状态。
当执行以上控制时，在PWM占空因数设置部分46处的用于占空比设置的脉冲宽度控制信号被发送给场效应管UL、VL和WL。
相位提前角度设置部分47用于根据目标转速R设置驱动信号相对于霍尔信号的相位提前角度。当PWM占空因数设置部分46设置的PWM占空比少于100％时，相位提前角度设置部分47设置相位提前角度Δθ为零。同时，驱动信号生成部分48产生遵循普通120度导通角系统的驱动信号。
当PWM占空因数设置部分46设置100％的PWM占空比时，相应地，由于进行PWM控制，电通道保持在饱和状态，相位提前角度设置部分47不同地设置与目标转速R相一致的相位提前角度Δθ。同时，驱动信号生成部分48把场效应管UH、VH和WH设置为开状态，此时，与霍尔信号相比，相位已经被提前相位提前角度Δθ。从而，随着与相位提前角度Δθ对应的电通时间变长，电通(导通角)时间为与120度加Δθ相一致的时间。
当U相、V相和W相的驱动信号相对于霍尔信号提前了相位提前角度Δθ时，为把所述驱动信号设置为开状态，只需使用一周期前的滚动信号，把W相、U相和V相的驱动信号设置为开。
图11所示为相位提前角度Δθ与目标转速R之间的关系，所述相位提前角度Δθ由相位提前角度设置部分47设置，目标转速R由目标转速设置部分42所设置。假设一个例子，PWM占空比设置部分46设置100％的PWM工作，目标转速为4,000rpm，电动机27的最高转速为5,000rpm。在这种情况下，相位提前角度设置部分47以目标转速R在4,000rpm到5,000rpm之间从0到60度单调递增的方式设置相位提前角度Δθ。
相位提前角度Δθ可以设置为随着目标转速R的增长而线性增加，或者对比目标转速r，相位提前角度Δθ非线性变化。优选地，相位提前角度Δθ的上限可以设置为60度。如果相位提前角度Δθ被设置为超过60度，同时设置场效应管UH、UL、VH、VL、WH和WL，会导致破坏驱动电路28(场效应管UH、UL、VH、VL、WH和WL)的功率元件。
图12为显示扭矩与电动机27转速之间关系的特征图。如前述公式(1)所示，当转速ω增加，由于发动机产生的感应电压kω，导致发动机电流I减少，从而，与发动机电流成比例的扭矩也减少。
采用这种执行方式，在相位提前角度对电动机27的旋转的控制之下，当PWM控制电动机27旋转于最高4,000rpm的中低转速时，PWM占空比是在高于4,000rpm的中高转速中的100％。从而，在执行相位提前角度控制的中高速范围内，相位提前角度Δθ部分的电通时间变长，因此，实际的磁感应强度降低，高速旋转的发动机产生的感应电压变小。于是，获得如图6所示的中低扭矩范围内的高转速也成为可能。
根据以上所述的执行方式，在不改变电动机27的设计或规格的情况下，通过良好的人为控制(well-contrived control)的方式，可以提高在中低扭矩范围内的转速。相应地，也可以在不大幅度提高制造成本的前提下，获得辅助转向动力。
由于相位提前角度Δθ的设置与目标转速R相一致，相位提前角度Δθ未被设置为固定值，可以使执行过度的相位提前角度控制(该问题包括由于相位提前角度控制量增加，导致发动机的磁力和效率降低)这一问题被最小化。
与此情况相对照的是，当相位提前角度(Δ)(θ)固定为一个确定的值，在相位提前角度Δθ常量期间执行PWM控制，能够阻止热损耗，同时，驱动电路的热设计也更易执行，并且不必考虑场效应管的开关损耗。
以上解释了本发明的一个执行方式。然而，本发明也可以采用其它方式来执行。在前述执行方式中，即使在中低转速范围内执行PWM控制，在中高转速范围内执行相位提前角度控制，也可以仅在高转速范围内执行相位提前角度控制。
此外，也可以在以上所述的范围内，做出不同的设计调整。
以上描述了用于驱动发动机的方法和装置，其中，通过采用相位角度提前而改变导通角的方式获得发动机的速度控制。对比图15和图16能够看出，该发动机驱动能够减少EMI的发射。通过比较PWM控制(图15)和导通角控制(图16)中的相同操作点的传导干扰，能够证明该技术的效果。
尽管优选的方法是使用导通角控制来控制发动机的操作，减少EMI的发射，特别地，通过改变每个逆变器开关的前整流边缘的相位提前，来控制导通角，也可以把相位提前/导通角控制与PWM相结合，如图6所示。这样会导致在PWM操作期间增加EMI的发射，但对于某些应用可能是有利的，特别是当没有超过EMI限制的时候。
图15所示为无刷直流发动机驱动在PWM控制下，使用70A直流总线电流进行操作的传导发射。把所述发射与特定应用的EMI限制线比较。可以看出，当使用PWM控制时，低频发射比所述限制大15dB。
图16所示为相同的发动机驱动，使用70A直流总线电流进行操作，但不进行PWM转换。现在的传导也与满足低频限制，从中可以看出控制导通角和不采用PWM的优点。
尽管参考特定实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员可以做出各种变化和修改以及其它使用。因此，本发明不应被限制于在此公开的特定内容，而是仅由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种在由直流总线馈电的开关逆变器提供的电动机控制中用于减少EMI发射的方法，包括控制导通角周期的相位提前，在所述导通角周期期间，发动机的相位由逆变器馈电以控制导通角从而控制发动机速度，由此减少逆变器切换操作的次数，以减少EMI。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向发动机提供传感器，用于确定控制导通角的逆变器的开关的切换时刻；接收该传感器的输出信号；以及通过先于传感器下一个输出信号的相位角度，将与直流总线电压相连的逆变器的开关的接通时间提前到发动机相位，从而提供所述相位提前。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述控制相位提前的步骤包括将导通角增加所述相位角度的量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述相位角度包括固定相位角度量及用于控制发动机速度的可变相位角度量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述可变相位角度增加导通角，而固定相位角度暂时改变导通时间。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在导通角期间进行开关的脉冲宽度调制。
7.根据权利要求4所述的方法，其中提供两个交替导通的开关组成的半桥，并且该方法进一步包括将每个开关的接通时间提前所述相位角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述发动机为三相发动机并且提供三个半桥，每个半桥包括两个交替导通的开关，一个是高位开关而另一个是低位开关，并且该方法进一步包括将每个开关的接通时间提前所述相位角度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述导通角在120°与180°之间变化，而可变相位角度在0°与60°之间变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述固定相位角度提前近似等于15°。
11.根据权利要求4所述的方法，其中提供固定相位角度以使得开关的关闭时刻与传感器输出的转换对齐，而与导通角的量无关。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在100％占空因数的导通角期间，进行脉冲宽度调制。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在以下两个选项a)与b)间选择，以控制发动机速度a)在导通角期间改变相位角度及100％的占空因数脉冲宽度调制；以及b)零相位角度，以及在导通角期间通过脉冲宽度调制改变占空因数。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括如果在120°导通角及少于100％占空因数情况下达到需要的速度，则选择b)选项。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括如果在120°导通角及100％占空因数情况下，发动机提拉的电流超过预设限制，则选择b)选项。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括如果在120°导通角及100％占空因数情况下，未达到需要的发动机速度，且发动机提拉的电流低于预设限制，则选择a)选项。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤包括控制无刷直流发动机。
全文摘要
一种在由直流总线馈电的开关逆变器提供的电动机控制中用于减少EMI发射的方法，该方法包括控制导通角周期的相位提前，在该导通角周期期间，发动机的相位由逆变器馈电以控制导通角从而控制发动机速度，由此减少逆变器切换操作的数量，因此减少EMI。
文档编号H02K23/16GK101073193SQ200580027174
公开日2007年11月14日 申请日期2005年6月10日 优先权日2004年6月10日
发明者J·B·埃斯科瑞特, J·E·屈纳 申请人:国际整流器公司