专利名称：电磁悬架装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及最适合于车辆的电磁悬架装置的改进。
背景技术：
例如，在日本专利公开文本第2003-104025号中，公开了一种电磁悬架装置，其中线性马达由以下组成管，与车辆的簧上构件或簧下构件连接；杆，与所述簧上构件或所述簧下构件连接并插入管中；多个永磁体，沿轴向设于杆的外周上；以及多个绕组，设于管的内周上与永磁体相对，线性马达的电磁力用作负载(控制力)，用于抑制杆和管之间的轴向相对运动。
关于在电磁悬架装置中的马达的控制，如日本专利公开文本第Hei6(1994)-153569号所公开的，执行了使用d和q相矢量的比例积分控制。更特别的是，有一种已知方法，包括由在马达绕组中流动的电流中的任意两-相电流值和转子电角，进行dq转换，以计算在由磁场生成的磁通方向上d相和与d相正交的q相的电流；在设定为0的d-相电流目标值和独立计算的q相电流目标值的基础上，计算d相电压命令值和q相电压命令值；将d-和q-相电压命令值转换为三-相电压命令值；以及在三-相电压命令值的基础上，执行马达的PWM(脉冲宽度调制)控制。
d和q相是通过用于转换到等效于马达的三-相U、V、W绕组的正交两-相绕组的dq转换获取的相绕组，简化了马达控制。
最后，马达控制单元根据下式(1)将上述dq-相电压命令值转换为实际的三-相电压命令值并控制马达
发明内容
在上述传统电磁悬架装置中，在静止状态下，控制d和q相电流以便跟踪各自的电流目标值，因为执行了积分补偿。但是，在动态状态下，在使用以上dq转换的控制中，不仅d-相电流和q-相电流相互干扰，而且在感应电动势的影响下，还在那些相的电流的目标值和那些相的实际电流值之间产生了偏差。
因此，在马达的电流目标值动态变化的情况下，特别是在车辆运行过程中马达被来自路面的动态外力输入强制转动的电磁悬架装置的情况下，产生了d-相电流不完全被控制为0的情况。
结果如图5所示，q-相电压被d-相电流干扰并被感应电动势影响，另一个d-相电压被q-相电流影响，而q-相电流不能被控制为q-相电流目标值。
在电磁悬架装置中，特别是当膨胀/收缩冲程速度高时，与在通常工作环境中的马达相比，转子的电角速度也变得高，这使得上述干扰变得更具影响而且电磁悬架装置产生的控制力极大地变化。因此，电磁悬架装置不能再产生其想要的控制力，导致了不仅车辆中的乘坐舒适度变差，而且还使得电磁悬架装置的调谐变得困难。
另外，即使当膨胀/收缩冲程速度高时，电磁悬架装置也有必要施加足够的控制力。在执行包括施加有效场削弱电流到d相的场削弱控制以使马达甚至在高速转动中也产生足够转矩的情况下，干扰变得更具影响。
本发明致力于改进上述缺点，并且本发明的目的是，提供一种能够改进车辆乘坐舒适度的电磁悬架装置。
根据本发明，作为解决上述问题所提供的手段，提供了一种电磁悬架装置，包括一个构件另一个构件，适合于相对于所述一个构件执行相对运动；以及马达，能够至少抑制所述相对运动；其中，由在马达中流动的电流和转子的电角，使用dq转换来确定d和q相的电流值，以及在d-相电压命令值和q-相电压命令值的基础上控制马达，改进处的特征是进一步包括校正装置，用于在q相电流和转子电角速度的基础上校正d-相电压命令值，以及在d相电流和转子电角速度的基础上校正q-相电压命令值。
根据本发明的电磁悬架装置，d-相和q-相电压命令值由所述校正装置校正，q-相电流不与d-相电压干扰，进一步地，d-相电流不与q-相电压干扰，而感应电动势的影响被消除，使得d-和q-相电流被控制为各自的d-和q-相电流目标值。
这样，根据本发明的电磁悬架装置，d-和q-相电流可被控制为各自的电流目标值，并且可以产生想要的控制力而没有产生的控制力的变化。因而，可以改进车辆中的乘坐舒适度，而且电磁悬架装置的调谐变得更容易。
图1是电磁悬架装置的概念示意图； 图2是根据本发明实施例的电磁悬架装置中的控制单元的系统示意图； 图3是显示了PWM电路的示意图； 图4是根据本发明另一个实施例的电磁悬架装置的概念示意图； 图5是显示传统电磁悬架装置中的d-和q-相电流目标值的状态以及d-和q-相电流的状态的示意图。
具体实施例方式 本发明将通过其中以附图示例的实施例的方式描述于下。
如图1所示，根据本发明一个实施例的电磁悬架装置由以下组成作为一个构件的螺旋轴1、适合于执行相对于螺旋轴1的相对运动的滚珠螺母2、以及马达M。
更加具体的是，螺旋轴1与滚珠螺母2可旋转地螺接，而且图1中螺旋轴1的上端连接到马达M的转子R。另一方面，滚珠螺母2固定到管4的上端，螺旋轴1插入管4内，而滚珠螺母2可通过管4连接到车辆的簧上构件和簧下构件中的一个。
螺旋轴1可旋转地连接到车辆的簧上构件和簧下构件中的另一个。更加具体的是，螺旋轴1枢轴连接到在车辆的簧上构件和簧下构件中的另一个中提供的滚珠轴承，或者马达M固定到车辆的簧上构件和簧下构件的另一个上。
因此，当螺旋轴1与滚珠螺母2在轴向上执行直线相对运动时，螺旋轴1执行旋转运动，该旋转运动传递给马达M的转子R。在这个连接中，可使用一种结构，其中螺旋轴1的转动速度通过一个例如由齿轮机构构成的减速器被降低，然后，螺旋轴1的旋转运动被传递给转子R。
当螺旋轴1与滚珠螺母2在轴向上执行直线相对运动时，在螺旋轴1不能转动而代之以滚珠螺母2转动的情况下，滚珠螺母2的旋转运动可传递给马达M的转子R。更具体地，这可通过以下来实现螺旋轴1非转动地连接到车辆的簧上构件和簧下构件中的一个，滚珠螺母2通过滚珠轴承或类似部件可转动地连接到车辆的簧上构件和簧下构件中的另一个，以及滚珠螺母2的旋转运动通过齿轮机构或摩擦轮机构传递给马达M的转子R。
在这种情况下，马达M被构成为三-相无刷马达，包括圆柱形框架10、作为电枢安装于框架10的内周侧的定子、以及通过枢轴可转动地连接到框架10的转子R。更加具体的是，定子包括具有多个齿和缠绕在齿上的U、V、W相绕组12的环形定子芯11。转子R包括轴13和安装在轴13的轭部上的驱动磁体14。
驱动磁体14由磁体块组成，以便实现块的预定极数并嵌入轴13的轭部内。马达M是嵌入式磁体型马达。当然，驱动磁体14可以是成块的以便实现预定极数并连接于轴13的外周，或可环形地构成、以分离方式磁化并固定于轴13的外周上。在表面磁体类型的情况下，在后面要描述的场削弱控制过程中，在驱动磁体14表面上易于发生涡流损耗。这样，嵌入式磁体类型是优选的。
位置传感器15安装在马达M上以检测转子R的转动位置。更加具体的是，例如位置传感器15由安装在轴13上的解算器芯和与解算器芯对立安装在框架10上的解算器定子组成。位置传感器15连接到作为计算装置的计算部16。计算部16接收从位置传感器15输出的信号，然后专门计算并输出转子R的电角θ和电角速度ω。
在该电磁悬架装置中，如上所述，马达M用作驱动源，所以当电能被供给马达M以驱动马达时，螺旋轴1转动，借此可使螺旋轴1和滚珠螺母2执行有效相对直线运动，即可被推动并且可以使马达起到致动器的作用。
在马达M中，一旦来自螺旋轴的旋转运动被强制输入，由于感应电动势和从电源提供的电能，电流在每个绕组12中流动，从而形成磁场并生成电磁场，随后生成用于抑制螺旋轴1的旋转运动的转矩。这样，马达M的作用是抑制螺旋轴1与滚珠螺母2之间的相对直线运动。在这种情况下，通过由马达M完成的外部输入动能到电能的再生和转换所引起的电能、或通过除了所述再生之外由电源提供的电能，最后得到的转矩可以抑制螺旋轴1与滚珠螺母2之间的相对直线运动。
这样，在该电磁悬架装置中，因为可允许马达M既起到致动器又起到发电机的作用，不仅可以抑制螺旋轴1与滚珠螺母2之间的相对直线运动，而且还可以使得大多数作用作为致动器并因此控制车辆车体的姿态。通过这一方式，电磁悬架装置也可展示有效的悬架作用。
更具体地，为了控制在马达M的绕组12中流动的电流，U、V、W相的绕组12连接到控制单元20，而马达M被控制单元20驱动控制。
如图2所示，控制单元20基本上包括电流目标值计算部27，在从车辆控制单元(未图示)输入的转矩命令基础上，计算电流目标值id＊和iq＊，车辆控制单元控制从计算部16输出的电角速度ω和车辆姿态；两-相电流计算装置21，执行在三相中的两相中流动的电流的dq转换，并计算d-相电流值id和q-相电流值iq；比例-积分控制部22，在电流目标值id＊、iq＊和电流值id、iq的基础上，计算d-相电压命令值Vd1和q-相电压命令值Vq1；校正部23，在q-相电流值iq的基础上校正d-相电压命令值Vd1，以及还在d-相电流值id的基础上校正q-相电压命令值Vq1，以计算d-相校正后电压命令值Vd2和q-相校正后电压命令值Vq2；三-相转换计算装置24，用于将d-相校正后电压命令值Vd2和q-相校正后电压命令值Vq2转换成U、V、W相的电压命令值Vu、Vv、和Vw；电流检测器25，用于检测在三-相无刷马达的三相U、V、W的两相中流动的电流值，如电流值iu和iv；以及PWM电路26。
在由电流目标值计算部27确定的电流目标值id＊、iq＊以及两-相电流计算装置21计算得到的d和q相的电流值id、iq之间的偏差ed和eq的基础上，控制单元20执行用于马达的比例-积分控制。
根据预定控制规则，并在从前述车辆控制单元输出的转矩命令和转子R的电角速度ω的基础上，电流目标值计算部27输出d-和q-相电流目标值id＊和iq＊到比例-积分控制部22。在这种情况下，作为车辆控制单元中的车辆控制规则，使用了车辆车体姿态控制或振动抑制控制，如探空气球(skyhook)控制。到电流目标值计算部27的输出不限于转矩命令。所述输出可以是例如力命令或q相电流目标值的形式，而相应转换可以在电流目标值计算部27内完成。当然，可以进行改进，使得车辆控制所需的信号(如簧上速度)被控制单元20的电流目标值计算部27拾取，然后再计算车辆控制规则。
关于电流检测器25，可以使用非-接触型检测器，这种检测器使用从分别与三-相绕组串联连接的电阻的电压降来获取电流值的霍尔元件或绕组或电流传感器。
电流检测器25检测在U、V、W相的两相中流动的电流的电流值就足够了。这是因为如果检测到两-相电流值，就可根据后面描述的公式(2)，根据转子的电角θ将它们转换为d-和q-相电流值。
如图3所示，PWM电路26包括六个开关元件41，用于将电流供应到马达M的每个三-相绕组C；以及脉冲发生器(未图示)，如用于向开关元件41施加PWM脉冲信号的多-振动器。在由三-相转换计算装置24输出的电压命令值Vu、Vv、和Vw的基础上并在预定的PWM占空比，PWM电路26供应电流到每个上述相。
使用电角θ并如下列公式(2)所示，两-相电流计算装置21执行计算，以便将电流值iu和iv转换为d-和q-相电流值id和iq，并输出这样-转换的d-和q-相电流值id和iq到比例-积分控制部22。
比例-积分控制部22计算在电流目标值id＊、iq＊和电流值id、iq之间的偏差，然后积分这些偏差，分别以适当增益来乘所述偏差和积分值，并输出d-和q-相电压命令值Vd1和Vq1。
接着，校正部23包括校正值计算部23a，通过用马达M绕组的电抗ωL乘以q-相电流值iq来计算d-相电压校正值Vda，电抗ωL包括转子R的电角速度ω和马达M的一个绕组的电感L，还通过将电抗ωL和d-相电流值id的乘积加到感应电动势ωF上来计算q-相电压校正值Vqa，通过将电角速度ω乘以最大磁通链接值F来得到所述感应电动势；以及电压命令合成部23b，用于通过将d-相电压校正值Vda和d-相电压命令值Vd1相加来计算d-相校正后电压命令值Vd2，并进一步通过将q-相电压校正值Vqa和q-相电压命令值Vq1相加来计算q-相校正后电压命令值Vq2。
如果电角速度ω、电抗ωL、和最大磁通链接值F用于d-和q-相电压命令值Vd’和Vq’，则d-相电流值id对q-相电压值Vq的影响以及q-相电流值iq对d-相电压值Vd的影响示于公式(3)中。在下列公式中，R代表绕组阻抗而P代表微分算子 另一方面，由校正值计算部23a获得的d-和q-相电压校正值Vda、Vqa通过以下公式(4)来计算 均由电压命令合成部23b输出的d-相校正后命令值Vd2和q-相校正后命令值Vq2通过以下公式(5)示出 如果d-相校正后命令值Vd2和q-相校正后命令值Vq2分别代入上述公式(3)中的d-相电压命令值Vd’和q-相电压命令值Vq’，则d-和q-相电压Vd、Vq通过以下公式(6)示出 从上述公式(6)可见，q相电流iq对d-相电压Vd不产生影响，而且d相电流id和感应电动势ωF也不对q-相电压Vq产生影响。
这样，在该电磁悬架装置中，q相电流iq对d-相电压命令值Vd1的影响可被作为校正装置的校正部23消除，同样，d-相电流Vd和感应电动势ωF对q-相电压命令值Vq1的影响可被消除，而且q相电流iq可被精确地控制到期望值。
上述校正后，d-相校正后电压命令值Vd2和q-相校正后电压命令值Vq2被输入到三-相转换计算装置24用于进行前述转换。通过前述公式(1)的计算，三-相转换计算装置24将d-相校正后电压命令值Vd2和q-相校正后电压命令值Vq2转换成实际的U、V、W相电压命令值Vu、Vv、和Vw，并输出这样-转换后的电压命令值Vu、Vv、和Vw到PWM电路26。
控制单元20包括电压限制器28和电流限制器29。当PWM完全开放时，即当PWM占空比为最大值或更大时，电压限制器28将由三-相转换计算装置24输出的电压命令值Vu、Vv、和Vw限制到最大化PWM占空比的值。电流限制器29用于箝位电流目标值id＊、iq＊以免它们超过预定值。
作为硬件，控制单元20被构造成例如已知的计算机系统(未图示)，包括放大器，用于放大从电流检测器25输出的信号；转换器，用于转换模拟信号为数字信号；作为处理器的CPU(中央处理器)，用于处理从电流检测器25和计算部16提供的信号，并执行各种运算操作；存储器，如ROM(只读存储器)和RAM(随机访问存储器)；晶体振荡器；以及总线，用于这些部件的连接。控制单元20设置成使得它能够输出电压命令值Vu、Vv、和Vw到PWM电路26。
在这种情况下，在两-相电流计算装置21、比例-积分控制部22、校正部23、三-相转换计算装置24、和电流目标值计算部27中计算目标值、校正值、和命令值的控制处理过程作为程序被预-存储于ROM或其他存储器中。因为在校正值计算部23a中需要的电感L和最大磁通链接值F是恒定的，所有需要的就是预先测量那些值、存储它们到存储器中并在相关联的控制处理过程的开始读取它们。
接着将给出关于电磁悬架装置的操作。一旦在车辆运行过程中从路面输入动态振动，马达M的输出转矩就被上述控制单元20控制，以抑制到车辆车体侧的振动传递。在这一连接中，如上描述的，d-和q-相电压命令值Vd1和Vq1被校正部23校正，q相电流iq对d-相电压Vd没有干扰，d相电流id对q-相电压Vq也没有干扰，而感应电动势ωF对q-相电压Vq的影响也可被消除。因此，可分别控制d-和q-相电流值id、iq为d-和q-相电流目标值id＊、iq＊。
这样，根据该电磁悬架装置，电流id、iq可被分别控制为各自电流目标值id＊、iq＊，这样就可能产生期望的控制力而没有所产生的控制力的变化，使得可以改进车辆的行驶舒适度，而且电磁悬架装置的调谐变得更容易。
在该实施例中，不是控制单元20直接处理从位置传感器15输出的信号并计算转子R的电角θ和电角速度ω。而是提供了专用于计算电角θ和电角速度ω的计算部16。因此，如果在计算部16中仅设定运算操作周期以便允许电角速度ω在高频区域的计算，也可以实施高精度的控制，甚至控制单元20的运算处理器的操作周期不保持很高速度。因此，可以降低整个装置的成本。
当电磁悬架装置的膨胀/收缩冲程速度变得高于预定值时，例如当车辆运行并在急转弯的同时跨越一档时，马达M被迫以高速转动同时生成大的转矩。
即便在这样的情况下，因为感应电动势大以及所生成的贡献给转矩的q-相电流iq的量受限，就产生了不能生成所需要转矩的情况。所以，电流目标值计算部27执行场削弱控制以削弱马达的场，并设定d-相电流目标值id＊到预定负值，以使不贡献给转矩的电流在d相中有效流动，从而削弱马达的场并使更大值的电流在q相中流动。
作为这种有效场削弱控制的必然结果，d-和q-相电流id、iq与d-和q-相电压干扰。但是，在电磁悬架装置中，如上描述的，可通过在校正部23中执行的处理来防止发生所述干扰。因此，甚至在场削弱控制的过程中，也可控制d-和q-相电流id、iq为各自的电流目标值id＊、iq＊，而且可生成期望的控制力而没有所产生的控制力的变化。另外，即使在膨胀/收缩冲程速度变高的情况下，电磁悬架装置也可展示足以抑制车辆车体振动的控制力，并因此可改进车辆的行驶舒适度。
参考图4，示出了根据本发明另一个实施例的电磁悬架装置。该电磁悬架装置由以下组成作为一个构件的管31；作为另一个构件的杆32，适合于执行相对于管31的相对运动；以及马达M2，能够至少抑制所述相对运动。
更加具体地，管31与车辆的簧上构件和簧下构件中的一个连接，而连接到车辆的簧上构件和簧下构件中的另一个的杆32插入管31中。
进一步地，马达M2包括驱动磁体33，驱动磁体以S和N极在轴向上交替出现的方式安装于杆32的外周上；以及绕组34，设于管31内与驱动磁体33相对，以U、V、W相在预定长度上交替设置于管31的轴向上的方式来设置绕组34。
安装于管31内的绕组34通过铸模而环形构成并至少在内周侧上被涂覆例如树脂。进一步地，环形轴承(未图示)设置于绕组34的内周和杆32或驱动磁体33的外周之间，以防止杆32相对于管31的轴向偏心。
这样，该另一种电磁悬架装置是一种所谓的线性马达型结构，其中，当杆32执行相对于管31前后运动的相对运动时，驱动磁体33相对于绕组34相对运动。还是在这另一种电磁悬架装置中，如先前实施例的电磁悬架装置中，马达M2的作用既是马达又是发电机且其操作与马达M相同。
因此，通过提供有与先前实施例相同的校正部23的控制单元20，可以消除q-相电流iq与d-相电压Vd的干扰、d-相电流id与q-相电压vq的干扰和感应电动势的干扰。因此，如先前实施例的电磁悬架装置中，d-和q-相电流id、iq可被控制为各自的d-和q-相电流目标值id＊、iq＊，并可以生成期望的控制力而没有所产生的控制力的变化。因此，可以改进车辆的行驶舒适度，而电磁悬架装置的调谐变得更容易。
本发明通过其中的实施例已经描述如上，但是不用说的是本发明的范围不限制于图示或解释的细节。
工业应用性 本发明的电磁悬架装置适用于车辆悬架。
权利要求
1.一种电磁悬架装置，包括一个构件；另一个构件，适合于执行相对于所述一个构件的相对运动；以及马达，能够至少抑制所述相对运动；其中，由在马达中流动的电流和转子的电角，使用dq转换来确定d和q相的电流值，以及在d-相电压命令值和q-相电压命令值的基础上控制马达，改进的特征在于进一步包括校正装置，用于在q相电流和转子的电角速度的基础上校正d-相电压命令值，并在d相电流和转子的电角速度的基础上校正q-相电压命令值。
2.如权利要求1所述的电磁悬架装置，其中，所述校正装置校正d-相电压命令值和q-相电压命令值，以便消除q-相电流与d-相电压的干扰、d-相电流和感应电动势与q-相电压的干扰。
3.如权利要求1所述的电磁悬架装置，其中，当膨胀/收缩冲程速度等于或超过预定速度时，马达的场被削弱。
4.如权利要求2所述的电磁悬架装置，其中，当膨胀/收缩冲程速度等于或超过预定速度时，马达的场被削弱。
5.如权利要求1所述的电磁悬架装置，包括计算装置，用于一旦收到来自用于检测所述转子的电角的解算器的信号，专门计算所述转子的电角和电角速度。
6.如权利要求2所述的电磁悬架装置，包括计算装置，用于一旦收到来自用于检测所述转子的电角的解算器的信号，专门计算所述转子的电角和电角速度。
7.如权利要求3所述的电磁悬架装置，包括计算装置，用于一旦收到来自用于检测所述转子的电角的解算器的信号，专门计算所述转子的电角和电角速度。
8.如权利要求4所述的电磁悬架装置，包括计算装置，用于一旦收到来自用于检测所述转子的电角的解算装置的信号，专门计算所述转子的电角和电角速度。
全文摘要
一种电磁悬架装置，包括一个构件(1)；另一个构件(2)，适合于执行相对于所述一个构件(1)的相对运动；以及马达(M)，能够至少抑制所述相对运动；其中，通过使用dq转换，由流过马达(M)的电流(iv，iu)和转子的电角θ来确定d和q相电流值(id，iq)，在d-相电压命令值vd1和q-相电压命令值vq1的基础上控制马达(M)，所述装置进一步包括装置(23)，用于在q相电流(iq)和转子的电角速度ω的基础上校正d-相电压命令值vd1，并在d相电流(id)和转子的电角速度ω的基础上校正q-相电压命令值vq1。
文档编号H02P21/00GK101336171SQ20068005200
公开日2008年12月31日 申请日期2006年11月15日 优先权日2006年2月16日
发明者洼田友夫, 井上博文 申请人:萱场工业株式会社, 丰田自动车株式会社