电动机控制装置的制作方法

专利名称：电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动电动机的电动机控制装置，特别涉及即使在多相电动机或逆变器的l相或2相之间发生地络、短路等异常，也可以使 用适合于异常状态的控制方式来驱动电动机的电动机的控制装置。
背景技术：
作为以往装置的例子，例如有下述专利文献l中示出的装置。 该专利文献l中记载的装置在逆变器的各相中具备保险丝，在开 关元件发生短路的异常时，在短路路径中流过比正常时大的电流而熔 断保险丝，断开经由短路位置的闭电路，从而防止由感应电力引起的 制动扭矩。另外，作为其他的以往装置的例子，有下述专利文献2中示出的装置。该专利文献2中记载的装置在连接3相电动机与开关元件之间的 3相的布线中的2相间发生短路的异常时，不断开设置在该布线中的 马达继电器而仍关闭，继续可以控制的状态。另外，通过限制占空比， 以使短路的2相的上侧开关元件与下侧开关元件不成为同时导通状 态，从而抑制过电流。专利文献1:日本特开2003 - 81099号 >报专利文献2:日本特开2005 - 153570号公报发明内容以往，作为在电动机或逆变器的异常时继续控制的方式，有l相 成为断开状态的异常时、或者2相之间发生短路的异常时的控制方式。 但是，不存在当发生了其他异常、例如l相的地络、l相绕组的 短路、开关元件的短路等的情况下，不使用仅在异常时使用的硬件的 装置，而继续进行扭矩输出的控制方式。在上述专利文献l那样的例子中，在开关元件发生短路的异常时， 熔断保险丝，但需要追加保险丝这样的硬件，所以逆变器的尺寸和成 本增加。另外，虽然可以防止由感应电力引起的制动扭矩，但无法继 续控制。在上述专利文献2那样的例子中，在2相之间发生短路的异常时， 仍关闭马达继电器，并限制异常的相的占空比，但只不过是抑制过电 流的同时继续可以控制的状态，并不是希望研究电流控制方法来抑制 由于异常而引起的扭矩脉动而改善马达的动作的方案。因此，存在由 于异常引起的马达的扭矩脉动大的问题。另外，上述专利文献2的过电流的防止是通过限制占空比来实现 的，虽然进行限制但开关元件是通过占空比被驱动的，所以存在由于 多个开关元件的响应延迟的误差、开关元件的驱动电路的定时的误差， 可能形成短路路径而有可能发生过电流的问题。本发明是鉴于上述那样的以往的装置的问题点而完成的，其目的 在于提供一种电动机的控制装置，在电动机或逆变器的异常发生时， 例如在发生了 l相的地络、l相绕组的短路、开关元件的短路、2相间 的短路等的情况下，通过防止过电流，进而变更成适合于异常状态的 控制方式，可以抑制由于异常引起的扭矩脉动，改善马达的动作。本发明涉及一种多相交流电动才几的电动才几控制装置，具备电流 检测电路，对在电动机的各相中流过的电流进行检测；电流控制单元， 根据与电动机发生的扭矩的目标值相当的扭矩电流指令和来自上述电 流检测电路的各相的检测电流来决定多相电压指令；开关元件驱动电 路，根据来自该电流控制单元的多相电压指令向逆变器指示开关操作； 以及由开关元件构成的逆变器，上述开关元件接收来自该开关元件驱 动电路的开关操作信号来动作，并对向上述电动机的各相供给的电流 进行控制，其中，上述电流控制单元还具备在正常时使用的正常时 电流控制单元；在异常时使用的异常时电流控制单元；异常判定单元，
判定上述电动机的布线、上述逆变器、或连接上述电动机与上述逸变器的布线的异常状态；以及异常相切离单元，上述异常切离单元从电 路切离上述异常判定单元判定的异常时的相中的l个以上的相，上述 异常时电流控制单元发生与上述异常判定单元判定的异常状态对应的 异常时电压指令，将该异常时电压指令设为多相电压指令，使用上述 逆变器的上述被切离的相以外的相来执行电流控制。另外，在本发明的电动机控制装置被构成为，不切离异常的相，态对应的异常时电压指令，将其作为多相电压指令，使用上述逆变器 的发生了异常的相和正常的相来执行电流控制。根据本发明的电动机控制装置，具有如下的效果即使在电动机 的布线、逆变器、或连接电动机与逆变器的布线中产生了地络、短路 等异常的情况下，通过切离产生了异常的相中的1个以上的相，可以 防止由于异常而流过过电流，使用所剩余的相的逆变器，可以继续适合于异常的控制，继续电动机的扭矩输出，抑制由于异常引起的扭矩 脉动，改善马达的动作。另外，根据本发明的电动机控制装置，即使在电动机的布线、逆 变器、或连接电动机与上述逆变器的布线的l相中产生了短路异常的 情况下，使用逆变器的产生了异常的相和正常的相，发生适合于该异 常的电压指令，从而可以继续电动机的扭矩输出，抑制由于异常引起 的扭矩脉动，改善电动才几的动作。进而，根据本发明的电动机控制装置，作为用于电动动力转向装 置的驱动用的3相无刷马达的控制装置，可以得到造合的电动机的控 制装置。


图l是示出本发明的实施方式l的电动机控制装置的整体结构的 概略框图。图2是示出本发明的实施方式1中的电流控制单元的结构的框 图。图3是本发明的实施方式1中的异常时电流控制单元的控制框图。图4是示出本发明的实施方式1中的相电流指令整形单元的结构 的一个例子的框图。图5是示出本发明的实施方式1中的单位目标相电流和马达扭矩 波形的一个例子的图。图6是示出在电动机控制装置中l相地络的异常时的电流波形和 制动扭矩的一个例子的图。图7是使用了以往的控制的情况下的l相地络的异常时的马达扭 矩波形图。图8是使用了本发明的实施方式1的电动机控制装置的情况下的 l相地络的异常时的马达扭矩波形图。图9是本发明的实施方式2中的异常时电流控制单元的控制框图。图10是本发明的实施方式3中的异常时电流控制单元的控制框 图11是本发明的实施方式4中的异常时电流控制单元的控制框图。图12是示出本发明的实施方式4中的单位目标相电流和马达扭 矩波形的一个例子的图。图13是使用了以往的控制的情况下的2相间短路的异常时的马 达扭矩波形图。图14是使用了本发明的实施方式4的电动机控制装置的情况下 的2相间短路的异常时的马达扭矩波形图。图15是示出本发明的实施方式5中的电流控制单元的结构的框图。图16是本发明的实施方式5中的异常时电流控制单元的控制框图。
图17是示出本发明的实施方式5中的单位目标相电流和马达扭 矩波形的一个例子的图。图18是使用了以往的控制的情况下的l相短路的异常时的马达 扭矩波形图。图19是使用了本发明的实施方式5的电动机控制装置的情况下 的l相短路的异常时的马达扭矩波形图。图20是本发明中的异常时电流控制单元的控制框图。图21是本发明的实施方式8的电动动力转向装置的概略结构图。图22是示出本发明的实施方式8中的控制器单元的结构的框图。附图标记说明5马达10电动机控制装置 11电池21马达旋转角度检测电路22电流检测电路23电流控制单元24开关元件驱动电路25逆变器30异常时电流控制单元31正常时电流控制单元32异常判定单元33切换单元34异常相切离单元41、 42、 43U相、V相、W相控制器50相电流指令整形单元61A、 62A、 63A、 61B、 62B、 63B开关元件具体实施方式
实施方式1
根据附图对本发明的实施方式l进行说明。另外，在以下的说明中，以将本发明应用于3相无刷马达的情况 为例子进行说明，但本发明不限于此，还可以使用于通过多相交流进 行旋转驱动的电动才几。图l是示出本发明的实施方式l的电动机控制装置的整体结构的 概略框图。在图1中，IO为电动机控制装置，使用该电动机控制装置10对 具备U、 V、 W相这3相的绕组的无刷马达(以下还称为马达)5进 行控制。电动机控制装置10接收来自对马达5的旋转角度进行检测的马 达角度传感器6的信号，利用马达旋转角度检测电路21计算出马达的 旋转角度。另外，利用电流检测电路22计算出在马达5的各相中流过 的电流。电流控制单元23如后所述，根据与马达扭矩的目标值相当的扭 矩电流指令、马达各相的检测电流、马达旋转角度来决定3相电压指 令。开关元件驱动电路24对由该电流控制单元23决定的3相电压指 令进行PWM调制并向逆变器25指示开关操作。逆变器25接收来自开关元件驱动电路24的开关操作信号，实现 构成输出端的开关元件61A~63A、 61B 63B的斩波控制，利用从电 池ll供给的电力， -使电流流向马达5的各相。 基于流向各相的该电流，发生马达扭矩。 接下来，使用图2的框图，对电流控制单元23进行说明。 电流控制单元23如图2所示具备执行在正常时使用的通常的 控制方式的正常时电流控制单元31;在异常时使用的异常时电流控制 单元30;异常判定单元32;切换单元33;以及异常相切离单元34， 并且可以对该2个电流控制单元30和31进行切换。异常判定单元32根据从电流检测电路22供给的3相检测电流进 行以下的判定。即，异常判定单元32在任意一个相的检测电流的大小 驻留于事先确定的值以上且其他相的检测电流驻留于事先确定的值以
下的时间的长度达到事先确定的值时，判定为该相异常。根据这样的异常判定单元，并非对各相独立地判定异常，而是根据3相的检测电 流来相对或综合地判定异常，所以可以减少误判定的可能性。另外，异常判定单元32向异常时电流控制单元30、切换单元33、 异常相切离单元34供给应通知异常的有无和异常的相的异常判定信 号。异常时电流控制单元30接收来自异常判定单元32的异常判定信 号，在正常时停止功能，在从某相检测到异常的情况下，执行与该异 常的相对应的控制。切换单元33接收来自异常判定单元32的异常判定信号，在检测 到正常时的信号的情况下，将来自正常时电流控制单元31的3相正常 时电压指令作为3相电压指令而输出，在检测到异常时的信号的情况 下，将来自异常时电流控制单元30的3相异常时电压指令作为3相电 压指令而输出。异常相切离单元34接收来自异常判定单元32的异常判定信号， 为了防止过电流而切离异常的相，向开关元件驱动电路24发送停止驱动异常的相的开关元件的指令。另外，正常时电流控制单元31例如由国际公开WO 2005/091488 号公报的图17中示出的那样的公知的单元构成即可，在正常时进行通 常的dq控制，实现平滑的马达扭矩的发生，由于与本发明的要旨没 有直接的关系，所以省略详细说明。接下来，对以下情况进行说明在马达或逆变器的l相中产生了 异常的情况，例如，在马达布线的V相、逆变器布线的V相、连接马 达与逆变器的布线的V相对与电池的负电位连接的布线发生了短路的 异常、或逆变器的输出端的l相例如V相的下侧开关元件短路的异常、 即发生了l相的地络的情况。在发生了这样的异常的情况下，在图2中，异常判定单元32向 异常时电流控制单元30、切换单元33、异常相切离单元34供给"V相 异常，，这样的异常判定信号。异常相切离单元34为了防止在产生了异
常的V相中发生过电流，向开关元件驱动电路24发送停止V相的开 关元件62A、 62B的驱动的指令。利用接收到该指令的开关元件驱动 电路24， V相开关元件62A、 62B继续断开状态，而成为驱动停止状 态。另外，利用异常判定信号，异常时电流控制单元30进行动作，3 相异常时电压指令经由切换单元33作为3相电压指令被供给到开关元 件驱动电路24。异常时电流控制单元30为了进行考虑产生了异常的 相的电流控制，执行图3中所示的控制方式。以下，使用图3、图4，对异常时电流控制单元30的控制动作进 行说明。图3是上述的V相地络时的异常时电流控制单元30a的控制 框图，以下将该控制方式称为"地络时三相独立控制"。在图3中，相电流指令整形单元50根据扭矩电流指令、马达旋 转角度、由微分单元51对马达旋转角度近似地进行微分而得到的马达 旋转角速度，发生各相的相电流指令。减法器44、 45、 46分别从U、 V、 W相电流指令减去由电流检测电路22得到的U、 V、 W相检测电 流，计算出各相的电流偏差。接下来，减法器72、 73为了实施以地络 的相为基准的各相的电流控制，从正常的U、 W相的电流偏差减去发 生了异常的V相的电流偏差，并供给到由PI控制等构成的U相控制 器41、 W相控制器43。为了使正常的相的电压指令向地络到电池负电压的相的电压偏 移而成为适当的指令，加法器74、 75向从U相控制器41、 W相控制 器43输出的U、 W相的指令分别加上负电压电路54的电池负电压值 VN,生成U、 W相电压指令。此处所称的电池负电压值是将电池电 压VB的2分之1的值设为负值的值、即VN - - VB/2。由此，图3所示的异常时控制单元30a根据在V相中发生的地络， 个别地控制正常的相。相电流指令整形单元50例如是图4所示那样的结构。单位相电流指令发生单元501根据扭矩电流指令、马达旋转角度 和马达旋转角速度，来决定各相的单位相电流指令。
乘法单元502U、 502V、 502W对扭矩电流指令和各相的单位相 电流指令分别进行乘法计算，计算出各相的相电流指令。该单位相电 流指令表示扭矩电流指令的大小为1时的各相的相电流指令。在单位相电流指令发生单元501中，对于扭矩电流指令、马达旋 转角度、马达旋转角速度单位相电流指令的关系为例如为图5中所示 的关系。如果使用图5(a)的关系生成单位相电流指令，且这样的相电流 指令可以作为各相绕组的电流而实现，则可以得到图5 (b)所示那样 的马达扭矩波形。其为在上述那样的l相地络的异常时希望尽可能输 出正向的平坦的扭矩的指令。横轴的马达旋转角度是马达的电气角的 标度。另外，在该单位目标相电流的计算中，未使用马达旋转角度速， 但在后述的实施方式6中说明使用了马达旋转角速度的例子。另外，异常时电流控制单元30a设置有选择性开关元件断开单元 53，可以根据马达旋转角度，对开关元件驱动电路24进行指令，以临 时断开正常的相的开关元件。例如，在使用图5(a)所示的单位相电流指令的情况下，在希望 使电流成为零的马达旋转角度(0~60°)，断开U相开关元件61A、 61B和W相开关元件63A、 63B，从而可以减少电流路径。另外，图3示出在V相中产生了异常时的地络时三相独立控制的 控制框图，但即使在U、 W相中发生了异常的情况下，在异常时电流 控制单元30a中具备同样的地络时三相独立控制，从而可以根据产生了异常的相进行切换。此处，为了示出本发明的效果，以下，叙述如上所述那样l相地络的异常时的问题点。在l相如上所述那样地络的异常时，可以形成经由地络位置的闭 电路，所以存在难以回避由于马达的感应电力而发生的制动扭矩的马 达旋转角度。该制动扭矩向妨碍马达的旋转的方向发挥作用的扭矩。 假设，在将开关元件全部断开的情况下，也经由正常的相的二极管雉
持闭电路，所以如图6所示，流过由于感应电力引起的电流，发生制 动扭矩。另外，如图1所示，通常在逆变器25中，与各个开关元件并列 地具备该二极管。在图5中，在马达旋转角度(0~60°)中，单位相电流指令和马 达扭矩波形成为零，但其为无法防止发生制动扭矩的区域，故希望尽 可能减小电流而减小制动扭矩。原来，为了输出正的扭矩，在该角度区域中，应将V相的电压设 成最高，但现在，V相地络而电压成为最低值即电池的负电压，所以 不可能发生正的扭矩。进而，由于存在经由地络位置的闭电路，所以 发生制动扭矩，而难以防止发生制动扭矩。另外，在l相如上所述那样地络的异常时，如果执行使用在正常 时使用的控制方式、例如dq控制来执行控制，则控制并非适用于异 常，所以存在如图7所示那样负值的部分即制动扭矩变大、且扭矩脉 动也变大的问题。对此，如果使用本发明的实施方式1的地络时三相独立控制，则 成为构成为由相电流指令整形单元50生成适合于异常状态的各相的 电流指令，并实现该电流指令的控制，所以如图8所示的马达扭矩波 形那样可以尽可能抑制制动扭矩的发生，并减小扭矩脉动。另外，通过选择性开关元件断开单元53，可以在难以回避发生制 动扭矩的区域减少电流路径，使制动扭矩最小化。另外，假设，在异常判定单元32各相独立地利用检测电流的大 小来判定异常的情况下，例如当控制成接近判定的阁值的大的电流值 时等，受到噪声或其他相的异常的影响，而有可能错误地进行异常判 定。但是，根据本实施方式l记载的异常判定单元，不仅仅使用各自 的绝对值来评价各相的检测电流的值，而且相对地评价3相的检测电 流的值来判定异常，所以可以减少误判定。如上所述，根据本发明的实施方式l的控制装置，即使在电动机
的布线、逆变器、或连接电动机与上述逆变器的布线中产生异常，而由于该异常而有可能发生过电流的情况下，利用异常相切离单元34 来切离产生了异常的相，进而使用未被切离而剩余的相，代替正常时 电流控制单元31而利用异常时电流控制单元30来继续电流控制，可 以根据与异常状态对应的电流指令和电压指令来独立地控制各相。因此，可以防止过电流，并且继续电动机的扭矩输出，抑制由于 异常引起的扭矩脉动，而改善马达的动作。实施方式2图9是本发明的实施方式2的异常时电流控制单元30b的控制框在实施方式1的图3的地络时三相独立控制的异常时电流控制单 元30a中，即使对发生了异常的V相也生成相电流指令，还使用V相 检测电流来进行控制，但在实施方式2中，如图9所示，相电流指令 整形单元50仅生成U、 W相电流指令，利用减法器44、 46从U、 W 相电流指令，分别减去U、 W相检测电流，向U相控制器44、 W相 控制器46供给该电流偏差，并个别地控制各相。通过图9的结构，也可以实现与实施方式1的地络时三相独立控 制大致等价的控制，在V相的地络时，可以得到与地络时三相独立控 制相同的效果。实施方式3图10是本发明的实施方式3的异常时电流控制单元30c的控制框图。在实施方式1中，作为异常时电流控制单元使用了图3的地络时 三相独立控制，但即使使用dq坐标上的控制系统也可以实现同样的 控制。将其一个方式作为实施方式3，并在以下进行说明。异常时电流控制单元代替在实施方式l中使用的图3的地络时三 相独立控制，而执行图10所示的异常时电流控制单元30c。该图IO所示的控制方式的特征在于，虽然与在正常时使用的dq 控制大致相同，但对d、 q轴控制器的积分项进行限制。
以下详细说明图10。dq轴电流指令整形单元80根据扭矩电流指令和马达旋转角度， 生成d、 q轴电流指令。接下来，利用减法器83、 84从d、 q轴电流 指令分别减去从二相转换单元86输出的d、 q轴检测电流，计算出d、 q轴电流偏差，并供给到d轴控制器81、 q轴控制器82。在d、 q轴 电流控制器81、82中，分别存在对d、q轴电流偏差乘上比例增益llld、 lllq的比例项、和对利用积分器113d、 113q积分了 d、 q轴电流偏差 而得到的值乘上积分增益112d、 112q的积分项，对这些分别进行加 法计算，而生成d、 q轴电压指令。在积分项中，在积分项的输出部 分具备积分项限制单元114d、 114q，可以将积分项的值限制成比正常 时还小。另外，此处，示出了利用积分项限制单元114d、 114q来限制积 分项输出的情况，但也可以将积分项的积分增益112d、 112q限制得 较小。另外，也可以将积分项设为零。三相转换单元85根据马达旋转角度对d、 q轴电压指令进行三相 转换，发生U、 V、 W相电压指令。另外，利用dq轴电流指令整形单元80根据马达旋转角度对扭矩 电流指令进行了整形，但也可以不使用该dq轴电流指令整形单元， 不对扭矩电流指令进行整形而作为q轴电流指令。由此，限制积分项，进而根据情况，利用dq轴电流指令整形单 元对q轴电流指令进行整形，从而基本上可以一边使用dq控制，一边构成异常时电流控制单元。另外，在实施方式3中示出了图IO那样的例子，但使用了 dq坐 标轴上的控制系统的异常时电流控制单元通过基于控制块的线性的变 形而还存在其他方式。如果使用本发明的实施方式3的控制装置，则通过将积分项限制 成比正常时还小，进而利用dq轴电流指令整形单元80对d、 q轴电 流指令进行整形，与直接继续正常时的dq控制相比，可以抑制发生 制动扭矩，并减小扭矩脉动。
另外，在以上的实施方式中，对l相地络的异常进行了叙述，但 在l相天络的异常、即马达布线、逆变器布线、或连接马达与逆变器 的布线中的一个位置向与电池的正电位连接的布线短路的异常、或者 逆变器的l相的上侧开关元件短路的异常中，也可以通过稍微的变形 来实现同样的控制，得到同样的效果。实施方式4实施方式l是发生了 V相的马达布线、逆变器布线、或连接马达 与逆变器的布线中的一个位置向与电池的负电位连接的布线短路的异 常、或逆变器的V相的下侧开关元件短路的异常、即l相的地络的情 况，并说明了与该异常对应的异常时电流控制单元。在本实施方式4 中，对发生了 2个相之间短路的异常、即相间短路的情况进行说明。以下，例如，对U相的马达布线、逆变器布线、或连接马达与逆 变器的布线中的一个位置向V相的马达布线、逆变器布线、或连接马 达与逆变器的布线中的一个位置发生短路的异常、即UV间短路进行 说明。在发生了这样的异常的情况下，在图2中，异常判定单元32向 异常时电流控制单元30、切换单元33、和异常相切离单元34供给"U 相和V相异常"这样的异常判定信号。异常相切离单元34为了防止经由产生了相间短路的U相和V相 发生过电流，向开关元件驱动电路24发送停止U相的开关元件61A、 61B的驱动的指令。利用接收到该指令的开关元件驱动电路24, U相 开关元件61A、 61B继续断开状态，而成为驱动停止状态。可以是U 相和V相中的任意一方，但此处，将U相i殳为驱动停止状态。另外，利用异常判定信号，异常时电流控制单元30动作，3相异 常时电压指令经由切换单元33作为3相电压指令而被供给到开关元件 驱动电路24。异常时电流控制单元30为了进行考虑产生了异常的相 的电流控制，执行图ll中示出的控制方式。以下，使用图ll、图4,对异常时电流控制单元30的控制动作 进行说明。 图11是在uv间短路发生时使u相开关元件成为驱动停止状态时的异常时电流控制单元30d的控制框图，下面将该控制方式称为 "UV间短路时三相独立控制"。该图11的相电流指令整形单元50的结构与图4相同，但也可以 是仅输出W相电流指令的结构。单位相电流指令发生单元501中的扭 矩电流指令、马达旋转角度、马达旋转角速度相对单位相电流指令的 关系例如是如12中示出的关系。在2相间短路时存在马达扭矩成为零或仅能向逆向发生的马达旋 转角度。在图12中，是60度和240度。在该角度附近，为了发生正 向的扭矩，需要比其他角度区域更大的电流。因此，在该角度附近， 通过增大相电流指令而增大相电压指令，从而流过更大的电流。由此，在正常的W相中，可以发生图12 (b)那样的扭矩。另外，为了抑制与马达旋转角速度成比例地增大的制动扭矩，也 可以与马达旋转角速度成比例地增大单位相电流指令。如上所述，在产生了上述相间短路的情况下，通过代替正常时电 流控制单元而利用异常时电流控制单元来继续电流控制，可以利用与 异常状态对应的电流指令和电压指令来独立地控制各相。此处，为了示出本发明的实施方式4的效果，以下对上述相间短路的异常时的问题点进行叙述。在上述相间短路的异常时，由于可以经由与短路位置短路的2相 的马达绕组而形成闭电路，所以存在难以回避由于马达的感应电力而发生制动扭矩的马达旋转角度。该制动扭矩是沿着妨碍马达的旋转的 方向发挥作用的扭矩。即使在马达旋转角度成为零而感应电力不发挥作用的情况下，也 存在马达扭矩成为零的马达旋转角度。在该角度的附近，所短路的2 相间的感应电力特别大，并且为了消除由于该感应电力而引起的制动 扭矩，需要增大电流，但所流过的电流通常存在上限，所以难以抑制 制动扭矩的发生。另外，在上述相间短路的异常时，如果利用在正常时使用的控制 方式、例如dq控制来执行控制，则控制并非适合于异常，因此存在 如图13所示那样负值的区域即制动扭矩的区域变宽、且扭矩脉动变大 的问题。对此，如果使用本发明的实施方式4的控制装置，则成为构成为 利用相电流指令整形单元50生成适合于异常状态的各相的电流指令， 并实现该电流指令的控制，所以可以在上述马达扭矩成为零的马达旋 转角度附近增大正常的相的扭矩，所以可以如图14所示的马达扭矩波 形那样尽可能抑制发生制动扭矩，并减小扭矩脉动。另外，在上述相间短路的异常时，有可能经由短路位置和U相、 V相开关元件而发生过电流，但根据本发明的实施方式4的控制装置， 由于可以利用异常相切离单元使检测到异常的2相中的某一方的开关 元件成为驱动停止状态，所以可以防止过电流。实施方式5在本实施方式5中，对发生了马达绕组的l相短路的异常即l相 短路的情况进行说明。以下，例如对发生了 U相的绕组发生短路的异 常、即U相短路的情况进行说明。图15是示出本发明的实施方式5中的电流控制单元23a的结构 的框图。在发生了这样的异常的情况下，在图15中，异常判定单元32向 异常时电流控制单元30和切换单元33供给"U相异常"这样的异常判 定信号。利用异常判定信号，异常时电流控制单元30动作，3相异常时电 压指令经由切换单元33作为3相电压指令而被供给到开关元件驱动电 路24。异常时电流控制单元30为了进行考虑产生了异常的相的电流控 制，执行图16中示出的控制方式。以下，使用图16、图4，对异常时电流控制单元30的控制动作 进行说明。图16是在U相短路发生时使U相开关元件成为驱动停止状态时的异常时电流控制单元30e的控制框图，以下将该控制方式称为"U相 短路时三相独立控制"。在图16中，相电流指令整形单元50根据扭矩电流指令、马达旋 转角度和马达旋转角速度，生成V、 W相电流指令。减法器45、 46 分别从V、 W相电流指令减去由电流检测电路22得到的V、 W相检 测电流来计算出各相的电流偏差，并供给到由PI控制等构成的V相 控制器42、 W相控制器43。 V、 W相控制器42、 43输出V、 W相电 压指令。在U相短路时，可以由U相电流检测电路检测的电流是流过 短路位置和U相绕组的电流的合计，由于无法检测流过U相绕组的电 流，所以也可以不对U相电流设置控制器。但是，为了电压高效地控 制V、 W相，对于U相电压指令，将利用减法器76改变V、 W相电 压指令的符号而相加的值作为U相电压指令而输出。由此，图16所示的异常时控制单元30e根据U相短路的异常， 针对正常的相独立地实施控制。相电流指令整形单元50例如是实施方式1的图4所示那样的结 构。但是，在本实施方式5中，无需U相电流指令。在单位相电流指令发生单元501中，扭矩电流指令、马达旋转角 度、马达旋转角速度相对单位相电流指令的关系例如是图17中示出的 关系。如果使用图17 (a)的关系来生成V、 W相单位相电流指令，而 这样的相电流指令可以作为各相绕组的电流而实现，则当无感应电力 时，可以得到图17 (b)所示那样的马达扭矩波形。图17(a)的电流指令在马达旋转角度为60度至120度的附近和 240度至300度的附近，成为大的值。该角度区域附近是所短路的U 相的感应电力增大的区域，为了抑制在U相中发生的制动扭矩分量的 影响，而成为以增大正常的V、 W相的电流，增大V、 W相的正向扭 矩分量为目标的电流指令。横轴的马达旋转角度为马达的电气角的标度。此处，为了示出本发明的实施方式5的效果，以下对上述相短路
的异常时的问题点进行叙述。在上述l相短路的异常时，由于经由与短路位置短路的绕组可以 形成闭电路，所以存在难以回避由于马达的感应电力而发生制动扭矩 的马达旋转角度。该制动扭矩是沿着妨碍马达的旋转的方向发挥作用 的扭矩。在上述l相短路的异常时，如果使用在正常时使用的dq控制来 执行控制，则控制并非适合于异常，所以存在如图18所示那样制动扭 矩变大，且扭矩脉动也变大的问题。对此，如果使用本发明的实施方式5的控制装置，则成为构成为 利用相电流指令整形单元50生成适合于异常状态的各相的电流指令， 并实现该电流指令的控制，所以可以如图19所示的马达扭矩波形那样 尽可能抑制制动扭矩的发生，并减小扭矩脉动。实施方式6在实施方式1~5中的单位相电流指令发生单元501中，将图5 中示出的关系应用在马达旋转角度相对单位相电流指令的关系，但进 而也可以根据马达旋转角度速来变化该指令值。例如，与马达旋转角 速度的增加成比例地增加图5的单位相电流指令。在难以回避制动扭矩的发生的角度区域中，制动扭矩与马达旋转角速度成比例地增大，所以通过利用本实施方式中的单位相电流指令， 在可以实现正向的扭矩的角度区域中增大马达扭矩，可以平均地确保 马达输出。因此，不易成为马达输出不足。 实施方式7关于以上的实施方式中说明的异常时电流控制单元的控制框图， 可以分别进行基于结构要度的线性的变形，即使进行了基于线性的变 形也可以实施与变形前等价的控制，所以可以得到等价的效果。图20是根据这样的线性对图3所示的异常时电流控制单元30a 进行了变形的本发明的实施方式7的异常时电流控制单元30f的控制 框图。在图中，与图3相同的标号表示相同或等效部分。
通过利用在图3的U相控制器41和V相控制器42为线性且相 同的情况下，该要素的输入的加减计算分别与以计算后的输出的加减 计算等价这样的线性要素的性质，图20被变形成为与图3等价。另外，在以上的实施方式1~7中，主要叙述了 3相马达的情况， 但即使对4相以上的马达，通过到对相个别地指定目标相电流，并独 立地设置控制器，也可以同样地应用本发明，当然也可以得到同样的 效果。实施方式8图21、图22示出本发明的实施方式8，示出将上述实施方式中 示出的本发明的电动机控制装置应用于电动动力转向装置的一个例 子。另外，以电动动力转向装置具备3相无刷马达的情况为例子进行 了说明，但本发明还可以使用在以通过多相交流进行旋转驱动的电动 机为动力的其他装置。图21是本发明的实施方式8的电动动力转向装置的概略结构图。 在图21中，从未图示的驾驶员向方向盘1施加的转向力通过转向轴2， 经由齿条齿轮12被传送到齿条，而使车轮3、 4转舵。具备U、 V、 W相这3相的绕组的无刷马达5(以下还称为马达)经由马达减速齿 轮7与转向轴2连结。从马达发生的马达扭矩(以下还称为辅助力) 经由马达减速齿轮7被传达至转向轴2，在转向操作时减轻驾驶员施 加的转向力。扭矩传感器8通过驾驶员操作方向盘1而对施加到转向轴2的转 向力进行检测。控制器单元9根据由扭矩传感器8检测到的转向力， 决定马达5要附加的辅助力的方向和大小，对为了发生该辅助力而从 电源11向马达流过的电流进行控制。另外，6为对马达的旋转角度进 行检测的马达角度传感器。图22是示出控制器单元9的结构的框图。在图22中，控制器单元9由计算出相当于马达扭矩的目标值的 扭矩电流指令的映射20和电动机控制装置10构成。预先存储有应输出的马达扭矩的映射20决定与由扭矩传感器8 检测出的操作力对应的马达扭矩的方向和大小，并计算出扭矩电流指令。电动机控制装置IO为了实现扭矩电流指令，而对向马达各相流过 的电流进行控制。利用该电流，发生基于马达5的辅助力。该电动机控制装置10例如是实施方式1 ~ 3中的任意一个中示出 的装置。此处，对电动动力转向装置中的l相地络的异常时的问题点进行说明。在实施方式l中也叙迷过，在l相地络的异常时，可以形成经由 地络位置的闭电路，所以存在难以回避由于马达的感应电力而发生制 动扭矩的马达旋转角度。该制动扭矩是沿着妨碍马达的旋转的方向发 挥作用的扭矩。另外，在l相地络的异常时，如果使用在正常时使用 的dq控制来执行控制，则控制并非适合于异常，所以存在制动扭矩 变大，且扭矩脉动在正负变大的问题。因此，在电动动力转向装置的情况下，驾驶员所感觉的不适感较大。另一方面，根据上述那样构成的电动动力转向装置，在l相地络 的异常的情况下，可以尽可能抑制发生制动扭矩，并减小扭矩脉动。 另外，可以利用选择性开关元件断开单元，在难以回避发生制动扭矩 的区域中，使制动扭矩成为最小化。因此，可以减小驾驶员所感觉的 不适感。另外，以上叙述的电动机控制装置是实施方式1~3中示出的装 置，但也可以使用实施方式4中示出的电动机控制装置。以下，对发 生了 2相相间短路的异常的情况进行说明。另外，对电动动力转向装置中的2相相间短路的异常时的问题点 进行说明。在上述相间短路的异常时，可以经由与短路位置短路的2相的马 达绕组形成闭电路，所以存在难以回避由于马达的感应电力而发生制 动扭矩的马达旋转角度。该制动扭矩是沿着妨碍马达的旋转的方向发 挥作用的扭矩。即使在马达旋转角度速度成为零而感应电力不发挥作
用的情况下，也存在马达扭矩成为零的马达旋转角度。在该角度的附近，所短路的2相间的感应电力特别大，并且为了消除由于该感应电 力而引起的制动扭矩，需要增大电流，但所流过的电流通常存在上限， 所以难以抑制发生制动扭矩。另外，在上述相间短路的异常时，如果使用在正常时使用的dq 控制来执行控制，则控制并非适合于异常，所以存在制动扭矩大、且 扭矩脉动在正负变大的问题。因此，在电动动力转向装置的情况下，驾驶员所感觉的不适感较大。另一方面，如果使用由如上所述在实施方式4中示出的电动机控 制装置构成的电动动力转向装置，则在2相相间短路的异常的情况下， 可以尽可能抑制发生制动扭矩，并减小扭矩脉动。因此，可以减小驾 驶员所感觉的不适感。另外，也可以代替实施方式1~4中示出的电动机控制装置，而 使用实施方式5中示出的电动机控制装置。以下，对发生了l相短路 的异常的情况进行叙述。对电动动力转向装置中的l相短路的异常时的问题点进行说明。在上述l相短路的异常时，可以经由与短路位置短路的绕组形成 闭电路，所以存在难以回避由于马达的感应电力而发生制动扭矩的马 达旋转角度。该制动扭矩是沿着妨碍马达的旋转的方向发挥作用的扭矩。 在上述l相短路的异常时，如果使用在正常时使用的dq控制来执行控制，则控制并非适合于异常，所以存在制动扭矩大、且扭矩脉动在正负变大的问题。因此，在电动动力转向装置的情况下，驾驶员所感觉的不适感较大。另一方面，如果使用由如上所述在实施方式5中示出的电动机控 制装置构成的电动动力转向装置，则在发生了 l相短路的异常的情况 下，可以尽可能抑制发生制动扭矩，并减小扭矩脉动。因此，可以减 小驾驶员所感觉的不适感。另外，如果使用在实施方式6中示出的电动机控制装置，则通过 在可以实现正向的扭矩的角度区域中增大马达扭矩，可以平均地确保 马达输出，所以可以减小驾驶员所感觉的不适感。
权利要求
1. 一种多相交流电动机的电动机控制装置，其特征在于，具备电流检测电路，对在电动机的各相中流过的电流进行检测；电流控制单元，根据与电动机发生的扭矩的目标值相当的扭矩电流指令和来自上述电流检测电路的各相的检测电流来决定多相电压指令；开关元件驱动电路，根据来自该电流控制单元的多相电压指令向逆变器指示开关操作；以及由开关元件构成的逆变器，上述开关元件接收来自该开关元件驱动电路的开关操作信号来动作，并对向上述电动机的各相供给的电流进行控制，其中，上述电流控制单元还具备在正常时使用的正常时电流控制单元；在异常时使用的异常时电流控制单元；异常判定单元，判定上述电动机的布线、上述逆变器、或连接上述电动机与上述逆变器的布线的异常状态；以及异常相切离单元，上述异常切离单元从电路切离上述异常判定单元判定的异常的相中的1个以上的相，上述异常时电流控制单元发生与上述异常判定单元判定的上述异常状态对应的异常时电压指令，将该异常时电压指令作为多相电压指令，使用上述逆变器的上述被切离的相以外的相来执行电流控制。
2. —种多相交流电动机的电动机控制装置，其特征在于，具备 电流检测电路，计算出在电动机的各相中流过的电流；电流控制单元， 根据与电动机发生的扭矩的目标值相当的扭矩电流指令和来自上述电 流检测电路的各相的检测电流来决定多相电压指令；开关元件驱动电 路，根据来自该电流控制单元的多相电压指令向逆变器指示开关操作； 以及由开关元件构成的逆变器，上述开关元件接收来自该开关元件驱 动电路的开关操作信号来动作，并对向上述电动机的各相供给的电流 进行控制，其中，上述电流控制单元还具备在正常时使用的正常时 电流控制单元；在异常时使用的异常时电流控制单元；以及异常判定 单元，判定上述电动机的布线、上述逆变器、或连接上述电动机与上 述逆变器的布线的异常状态，上述异常时电流控制单元发生与上述异 常判定单元判定的异常状态对应的异常时电压指令，将其作为多相电压指令，使用上述逆变器的产生了异常的相和正常的相来执行电流控 制。
3. 根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述异常判定单元相对地评价3相以上的上述检测电流的值来判定异 常状态，在某一相的检测电流的大小驻留于事先确定的值以上且其他 相的检测电流驻留于事先确定的值以下的时间的长度达到事先确定的 值时，判定为该相是异常状态。
4. 根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述异常时电流控制单元还具备相电流指令整形单元，根据扭矩电 流指令来发生各相的相电流指令；以及相电流控制单元，被输入来自 该相电流指令整形单元的相电流指令与由上述检测电路检测的检测电 流的偏差，根据该电流偏差来生成上述异常时电压指令，对l个以上 的相分别设置上述相电流控制单元。
5. 根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，上述 异常相切离单元通过对异常的相中的任意一个以上的相的开关元件以断开状态进行驱动停止，而从电路切离异常的相中的任意一个以上的 相。
6. 根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，上述 电动机控制装置还具备计算出电动机的旋转角度的旋转角度检测单 元和选择性开关元件断开单元，上述选择性开关元件断开单元在上述 旋转角度处于使电流成为零的角度范围的情况下，单元临时对1个以 上的相的开关元件指令断开状态。
7. 根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述异常时电流控制单元具备dq轴电流指令整形单元，根据扭矩电 流指令和马达旋转角度来生成d轴电流指令和q轴电流指令；和d轴 控制器以及q轴控制器，被输入该d、 q轴电流指令和从二相转换单 元输出的d、 q轴检测电流的电流偏差，根据该偏差输入来生成d、 q 轴电压指令，在上述d轴控制器和q轴控制器中，设置有积分项限制 单元，该积分项限制单元针对将对上述电流偏差进行积分的积分器的 输出与积分增益相乘得到的积分项输出，将积分项的值限制得较小。
8. 根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，上述 异常的内容是上述电动机的布线、上述逆变器、或连接上述电动机与 上述逆变器的布线的、1个位置与对上述逆变器供给电力的电池的负 电位或正电位连接的布线中发生短路的异常，上述异常时电流控制单 元生成与该异常状态对应的异常时电压指令。
9. 根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，上述 异常的内容是上述逆变器的各相分别具备的上侧开关元件或下侧开关 元件发生短路的异常，上述异常时控制单元生成与该异常状态对应的异常时电压指令。
10. 根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于， 上述异常的内容是上述电动机的布线的2个位置、上述逆变器的2个 位置、或连接上述电动机与上述逆变器的布线的2个位置发生短路的 异常，上述异常时控制单元生成与该异常状态对应的异常时电压指令。
11. 根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于，上述 相电流控制单元被输入来自相电流指令整形单元的相电流指令和由上 述检测电路检测的检测电流的偏差，根据对正常的相的电流偏差和异 常的相的电流偏差进行加减计算得到的值，生成上述异常时电压指令。
12. 根据权利要求l所述的电动机控制装置，其特征在于，在异 常的内容是2个以上的相之间短路的异常的情况下，由上述异常相切 离单元切离这些异常的相中的1个以上的相，使用剩余的相的逆变器， 由单独的相电流控制单元单独地执行电流控制，在电动机的输出扭矩 成为零或仅向逆向发生的马达旋转角度附近，增大上述异常时电压指 令或异常时电流指令。
13. 根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，在异 常的内容是上述电动机的l个相的绕组短路的情况下，不由异常相切 离单元切离异常的相，而由单独的相电流控制单元单独地执行电流控 制，在发生了异常的相的感应电压增大的马达旋转角度附近，增大上 述异常时电压指令或异常时电流指令。
14.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于，上述 异常时电流控制单元使用上述旋转角速度和旋转角度中的任意一方或 双方，对上述异常时电压指令或上述异常时电流指令进行校正。
全文摘要
本发明提供一种具备逆变器的多相交流电动机的控制装置，电流控制单元(23)具备在异常时使用的异常时电流控制单元(30)；异常判定单元(32)，判定电动机(5)的布线、逆变器(25)、或连接电动机与逆变器的布线的异常状态；以及异常相切离单元(34)，异常相切离单元从电路切离异常判定单元判定的异常的相中的1个以上的相，异常时电流控制单元发生与异常判定单元判定的异常状态对应的异常时电压指令，将该异常时电压指令作为多相电压指令，使用逆变器的被切离的相以外的相对各相单独地进行电流控制。
文档编号H02P27/06GK101401295SQ20068005380
公开日2009年4月1日 申请日期2006年4月20日 优先权日2006年4月20日
发明者井上知之, 喜福隆之, 堤和道, 家造坊勋, 木全政弘, 藤本千明 申请人:三菱电机株式会社