电动机控制装置及使用了该电动机控制装置的电动助力转向装置的制作方法

本发明涉及一种电动机控制装置，其通过控制运算来计算出用于对电动机的电流进行控制的各相占空比指令值，形成与各相占空比指令值相对应的pwm(脉冲宽度调制)信号，基于pwm控制从逆变器将指令电流(电压)施加到电动机并对其进行驱动，并且，本发明还涉及一种电动助力转向装置，其使用该电动机控制装置，对车辆的转向系统施加基于电动机的辅助力。本发明尤其涉及一种小型、廉价、低噪音的电动机控制装置及使用了该电动机控制装置的电动助力转向装置，该电动机控制装置在逆变器的电源输入侧或电源输出侧(接地一侧)设置单一的电流检测回路(一分流器式电流检测电路)，进行pwm控制，并且，在占空比模式切换的定时，通过不使用由旋转传感器检测出的电动机角度信号，而是使用基于在即将进行占空比模式切换之前的复数个电动机角度(存储值)估计出的电动机角度估计值，使得可以除去噪音并且防止因电动机角度的变动而造成的影响。

背景技术：

电动助力转向装置利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加转向辅助力(辅助力)，其将电动机的驱动力经由减速机构并通过诸如齿轮或传送皮带之类的传送机构，向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确地产生转向辅助力的扭矩，这样的现有的电动助力转向装置(eps)进行电动机电流的反馈控制。反馈控制调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小。电动机外加电压的调整一般通过调整pwm控制的占空比(dutyratio)指令值来进行。

参照图1对电动助力转向装置的一般结构进行说明。如图1所示，转向盘(方向盘)1的柱轴(转向轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8l和8r连接。另外，在柱轴2上设有用于检测出转向盘1的转向扭矩的扭矩传感器10，对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴2连接。电池13对用于控制电动助力转向装置的控制单元(ecu)100进行供电，并且，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元100。控制单元100基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩tr和由车速传感器12检测出的车速vel，进行作为辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，根据通过对电流指令值实施补偿等而得到的电压控制值e，来控制供应给电动机20的电流。此外，也可以从诸如can(controllerareanetwork，控制器局域网络)之类的地方获得车速vel。

控制单元100主要由cpu(也包含mpu、mcu和类似装置)构成，该cpu内部由程序执行的一般功能，如图2所示。

参照图2对控制单元100的功能以及动作进行说明。如图2所示，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩tr和来自车速传感器12的车速vel被输入到电流指令值运算单元101中，电流指令值运算单元101使用辅助图(アシストマップ)等运算出电流指令值iref1。运算出的电流指令值iref1在最大输出限制单元102基于过热保护条件等被限制了输出，被限制了最大输出的电流指令值iref2被输入到减法单元103中。此外，电流指令值运算单元101和最大输出限制单元102构成了扭矩控制单元。

减法单元103求出电流指令值iref2与被反馈回来的电动机20的电动机电流im之间的偏差电流iref3(＝iref2－im)，pi(比例积分)等的电流控制单元104对偏差电流iref3进行控制，在电流控制单元104中经控制后得到的电压控制值e被输入到pwm控制单元105以便运算出占空比指令值，根据运算了占空比指令值的pwm信号ps并经由逆变器106来对电动机20进行驱动。由载波信号生成单元107生成的具有所规定的频率的呈锯齿形的各相载波信号cs被输入到pwm控制单元105中。逆变器106内的电流检测电路120检测出电动机20的电动机电流im，检测出的电动机电流im被反馈输入到减法单元103中。在矢量控制等中将无刷dc电动机用作电动机20的情况下，作为旋转传感器，例如分解器21被连接到电动机20，并且，设有用于基于电动机角度(角度信号)θ运算出电动机角速度ω的角速度运算单元22。

在用于通过电压控制值e来控制电动机电流im并驱动电动机20的逆变器106中，使用将半导体开关元件(例如，fet(场效应晶体管))与电动机20桥接在一起的电桥电路，通过基于电压控制值e决定的pwm信号ps的占空比指令值，对半导体开关元件进行导通或断开(on/off)控制，以便控制电动机电流im。

在电动机20为三相(u相、v相、w相)无刷dc电动机的情况下，pwm控制单元105和逆变器106的详细结构例如为如图3所示的结构。也就是说，如图3所示，pwm控制单元105由占空比运算单元105a和栅极驱动单元105b构成，其中，占空比运算单元105a输入各相载波信号cs，并且，通过使电压控制值e按照所规定的公式来运算出三个相(u相、v相、w相)的pwm-占空比指令值d1～d6；栅极驱动单元105b通过pwm-占空比指令值d1～d6来驱动fet1～fet6的各个栅极以便导通或断开(on/off)fet1～fet6。另外，逆变器106由由u相的高侧fet1和低侧fet4构成的上下桥臂、由v相的高侧fet2和低侧fet5构成的上下桥臂以及由w相的高侧fet3和低侧fet6构成的上下桥臂所组成的三相电桥构成，其通过基于pwm-占空比指令值d1～d6来导通或断开fet1～fet6以便驱动电动机20。还有，电池13经由电源继电器14对逆变器106进行供电。

在这样的结构中，尽管需要测量逆变器106的驱动电流或电动机20的电动机电流，但作为控制单元100的小型化、轻量化以及成本降低的要求项目之一，有电流检测电路的单一化的要求。作为电流检测电路的单一化，一分流器式电流检测电路是已知的，一分流器式的电流检测电路120的结构例如为图4所示的结构(例如，日本特开2009-131064号公报)。也就是说，一个分流器电阻r1被连接在fet电桥的底部桥臂与接地(gnd)之间，通过运算放大器(差动放大电路)121和电阻r2～r4将电流流过fet电桥时的基于分流器电阻r1的下降的电压换算成电流值ima，并且，经由由电阻r6和电容器c1构成的滤波器在a/d变换单元122在所规定的定时进行a/d变换，输出作为数字值的电流值im。此外，经由电阻r5作为基准电压的2.5v被连接到运算放大器121的正端子输入。

在通过这样的一分流器式电流检测电路来检测出u相、v相、w相的各相电流的情况下，例如日本特开2010-279141号公报(专利文献1)所示那样，采用了这样的方法，即，进行最大占空比、中间占空比以及最小占空比的判定，对于被移动的载波周期依次进行排序。也就是说，对各个相的占空比设定值的大小进行比较，决定最大相、中间相以及最小相，以中间相的载波信号的上升的相位y为基准，使最大相的载波信号的上升的相位只超前一定量，并且，使最小相的载波信号的上升的相位只滞后一定量，基于相位互相错开的各个相的载波信号和各个相的占空比设定值来生成各相pwm信号，在到中间相的pwm信号以及最小相的pwm信号的各自的上升为止的所规定的区间tu、tw进行电流检测。通过这样做，就能够利用单一的电流检测电路来检测出各个相的电动机电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-279141号公报

专利文献2：日本特开2006-33903号公报

专利文献3：日本特开2012-125106号公报

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

在专利文献1所公开的电动机控制装置中，当基于电动机的旋转角度，最大相、中间相、最小相的顺序为u相、v相、w相的情况下，pwm的上升的定时如图5的载波周期tc1以及tc2的范围所示那样，按照u相、v相、w相的顺序被启动。然而，在接下来的瞬间，基于转子的旋转，当u相、v相、w相的占空比的大小关系如图5的载波周期tc3的范围所示那样，变成u相为最大相、v相为最小相、w相为中间相的话，则pwm的上升的定时也从u相→v相→w相变化到u相→w相→v相。由于这样的变化，所以会一时性地发生图5所示的并非想要的占空比的变动。

图6(a)～图6(j)示出了其动作示例，图6(a)示出了在时刻t1，v相占空比指令值的相序从中间相切换到最小相的样子，图6(b)示出了基于v相占空比指令值的v相电流，示出了在时刻t1之后，发生了由于因相切换而发生的一时性的占空比的变动而造成的电流变动(失真)的样子。还有，图6(c)示出了在时刻t1，w相占空比指令值的相序从最小相切换到中间相的样子，图6(d)示出了基于w相占空比指令值的w相电流，示出了在时刻t1之后，发生了由于相切换而造成的电流变动(失真)的样子。

就这样，在时刻t1，由于发生了因切换v相以及w相的相序的pwm切换定时而发生的一时性的占空比的变动，所以在v相电流以及w相电流发生变动(失真)，如图6(e)所示那样，电动机角度发生变动，因此，如图6(f)所示那样，电动机角度检测值发生变动，并且，运算出的电流指令值如图6(g)所示那样发生变动。其结果为，如图6(h)～图6(j)所示那样，发生因u相、v相、w相的各相占空比指令值发生变动而造成的噪音，发生声音和振动。

如上所述，在pwm相位移动的瞬间，发生基于pwm相位移动的占空比相序的变动，这样的占空比相序的变动引起例如v相电流以及w相电流的变动(失真)，这样的电流失真引起电动机角度的变动，因此，电动机角度检测值发生变动，扭矩控制单元以及电流控制单元因响应了这样的检测值的变动而作出反应，从而发生电流指令值以及占空比指令值的变动。其结果为，形成了v相电流以及w相电流更进一步发生变动的一连串的反馈环，引起发生声音和振动等不良现象。在电动助力转向装置中发生声音和振动的话，则会给驾驶员带来不舒服的感觉，并使转向性恶化。

作为解决这样的问题的方法，可以考虑到通过把发生变动的电动机角度当作噪音并且对其进行一定的滤波处理，以便抑制变动。

然而，作为被叠加在诸如分解器之类的旋转传感器的旋转(角度)信号上的噪声，一般而言可以考虑到开关噪声，作为降低这样的开关噪声的方法，例如日本特开2006-33903号公报(专利文献2)所公开那样，一般而言，通过对分解器输出信号进行平均化以便降低噪声的方法是已知的。但是，当使用用来除去如上所述那样的起因于pwm相位切换的呈阶梯状的噪声的滤波器的时候，存在不能正确地再生分解器输出信号本身的可能性，因此，在电动助力转向装置的场合，存在会变成对驾驶员来说是不好的转向性能的问题。

还有，在日本特开2012-125106号公报(专利文献3)所公开的控制装置中，通过与旋转速度相关联的第一补正和与调制率相关联的第二补正来实现降低起因于开关噪声的角度检测噪声。然而，在专利文献3的控制装置中，因为利用由分解器检测出的现在值来实施所有的信号处理，所以存在分解器输出信号本身的变动就那样会产生影响的问题。

另外，专利文献2和专利文献3不但都没有公开电动机电流的检测方法，而且还都完全没有考虑控制单元的小型化、轻量化以及成本降低。

因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电动机控制装置及搭载了该电动机控制装置的电动助力转向装置，该电动机控制装置使用廉价、小型的一分流器式电流检测电路来检测出电动机电流，并且，即使在pwm相位移动的瞬间发生起因于pwm相位移动的占空比变动，也不会发生电流指令值以及占空比指令值的变动，而且也不会产生诸如声音、振动之类的不舒服的现象。

(二)技术方案

本发明涉及一种电动机控制装置，其通过控制运算来计算出用于对电动机的电流进行控制的各相占空比指令值，形成与所述各相占空比指令值相对应的pwm信号，基于所述pwm信号并通过逆变器来驱动所述电动机，并且，设有用于检测出所述电动机的电动机角度的旋转传感器，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：一分流器式电流检测电路被连接到所述电动机逆变器的电源一侧或接地一侧，具备比较单元、定时控制单元和电动机角度输出单元，所述比较单元对所述各相占空比指令值进行比较并决定大小关系，所述定时控制单元基于所述大小关系以所规定的顺序依次启动所述pwm信号的上升或下降的定时,所述电动机角度输出单元根据所规定的算法变更所述上升的顺序，只在变更了所述上升的顺序的定时，基于所述旋转传感器的过去值来估计电动机角度估计值，将所述电动机角度估计值作为所述电动机角度并将其输出。

还有，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：所述所规定的顺序为所述占空比指令值的最大相、中间相、最小相的顺序；或，所述所规定的算法为这样一种算法，即，在各个相的最大相、中间相、最小相的关系发生了变化的定时，也变更所述上升的顺序；或，所述电动机角度输出单元由相变化检测单元、存储单元和电动机角度估计单元构成，所述相变化检测单元检测出所述最大相、中间相、最小相的关系的变化，所述存储单元以所规定的周期存储来自所述旋转传感器的电动机角度，所述电动机角度估计单元基于所述存储单元的复数个过去值来估计所述电动机角度估计值；或，所述电动机角度估计单元通过线性近似来估计所述电动机角度估计值；或，所述旋转传感器为分解器。

通过搭载上述各个电动机控制装置，可以实现上述目的的电动助力转向装置。

(三)有益效果

根据本发明，通过在pwm相位移动的定时，不是使用来自旋转传感器(例如分解器)的电动机角度(角度信号)，而是使用被存储在存储单元中的复数个上次的值并通过线性近似来估计电动机角度，并且使用估计出的电动机角度估计值，这样就能够抑制作为引起诸如声音、振动之类的不良现象的反馈环中的一个的电动机角度检测值的变动或使其最小化。

因此，由于伴随pwm相位切换而产生的电流变动(失真)以及电动机的角度变动不会对电动机角度检测值造成影响，所以电流指令值变成不传播电动机角度检测值的变动的平滑的指令值波形，其结果为，占空比指令值也可以获得不会受到上述变动的影响的平滑的指令值波形。因为占空比指令值变成不会受到电动机角度检测值的变动的影响的平滑的波形，所以能够减轻或抑制对电动机控制装置和电动助力转向装置来说是不良且不舒服的现象的发生。

附图说明

图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。

图2是表示控制单元的一般的结构示例的结构框图。

图3是表示pwm控制单元以及逆变器的结构示例的接线图。

图4是表示一分流器式电流检测电路的结构示例的接线图。

图5是表示变更占空比指令值的pwm相位的相序的样子的pwm相位图。

图6是表示现有装置的动作示例的时间关系图。

图7是表示本发明的一个实施方式的结构框图。

图8是表示本发明的动作示例的流程图。

图9是表示电动机角度估计的动作示例的流程图。

图10是表示本发明的效果的特性图。

具体实施方式

在本发明的电动机控制装置(电动助力转向装置)中，在逆变器与电源之间，或者，在逆变器与接地(gnd)之间，设有单一的电流检测回路(一分流器式电流检测电路)。并且，对各个相的占空比指令值的大小进行比较，决定最大相、中间相以及最小相，以中间相的载波信号的上升的相位为基准，使最大相的载波信号的上升的相位只超前一定量，并且，使最小相的载波信号的上升的相位只滞后一定量，基于相位互相错开的各个相的载波信号和各个相的占空比指令值来生成各相pwm信号，在到中间相的pwm信号以及最小相的pwm信号的各自的上升为止的所规定的区间进行电流检测，以便能够通过一分流器式电流检测电路来可靠地检测出u相、v相、w相的各相电动机电流。

在本发明中，通过检测出占空比模式的相序的切换，只在被检测出来的相序切换的定时使用基于在即将检测出相序切换之前的复数个存储值(电动机角度)估计出的电动机角度估计值，而不是使用由分解器等检测出的电动机角度(角度信号)，这样就可以不需要通过特别的滤波器，却能够防止或抑制起因于相序切换的定时的电动机角度检测值的变动的占空比指令值的变动。在占空比模式的相序切换的定时之外的期间，原封不动地使用由分解器等检测出的电动机角度。

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

与图2相对应的图7示出了本发明的一个实施方式的结构。如图7所示，具备占空比设定单元130、比较单元131和定时控制单元132，其中，占空比设定单元130基于来自电流控制单元104的电压控制值e和载波信号cs设定与各个相的pwm信号的占空比相对应的占空比指令值ds；比较单元131对由占空比设定单元130设定的各个相的占空比指令值ds进行比较，决定占空比指令值ds的大小为最大的最大相、占空比指令值ds的大小为中间的中间相以及占空比指令值ds的大小为最小的最小相，输出大小关系信号sr；定时控制单元132基于来自比较单元131的大小关系信号sr和载波信号cs以所规定的顺序，例如，以占空比指令值ds的最大相→中间相→最小相的顺序启动三个相的pwm信号的上升或下降的定时,经由逆变器106输出用来驱动电动机20的pwm信号ps。

还设有相变化检测单元142、存储单元141和电动机角度估计单元140，其中，相变化检测单元142检测出从定时控制单元132输出的三个相的pwm信号ps的上升的顺序发生了变化，当发生了变化的时候，输出相变化信号pc；存储单元141以所规定的周期存储来自分解器21的电动机角度θ；电动机角度估计单元140只在相变化信号pc从相变化检测单元142被输出的时候，从存储单元141中读取过去复数次的存储角度数据θm，通过线性近似来估计电动机角度，输出电动机角度估计值θe。

当相变化信号pc没有从相变化检测单元142被输出的时候，分解器21的电动机角度θ原封不动地作为电动机角度估计值θe被输出。也就是说，当相变化信号pc没有被输出的时候，电动机角度估计值θe＝电动机角度θ成立。还有，由扭矩控制单元110计算出的电流指令值iref2被输入到减法单元103中，作为电流指令值iref2与由一分流器式电流检测电路120检测出的电动机电流im之间的偏差的电流指令值iref3被输入到电流控制单元104中。

此外，因为来自分解器21的输出为模拟信号，所以存储单元141实际上是以所规定的采样周期将通过a/d变换器或类似装置进行a/d变换后得到的数字值作为电动机角度θ存储起来。还有，电动机角度估计单元140、存储单元141和相变化检测单元142构成电动机角度输出单元。

在这样的结构中，参照图8的流程图对其动作示例进行说明。在本流程图中，只对与本发明相关联的部分进行说明。

首先，占空比设定单元130输入由电流控制单元104运算出的电压控制值e和由载波信号生成单元107生成的载波信号cs(步骤s1)，设定与各个相的pwm信号的占空比相对应的占空比指令值ds(步骤s2)。由占空比设定单元130设定的占空比指令值ds被输入到比较单元131中，比较单元131对各个相的占空比指令值ds进行比较，决定占空比指令值ds的大小为最大的最大相、占空比指令值ds的大小为中间的中间相以及占空比指令值ds的大小为最小的最小相，输出大小关系信号sr(步骤s3)。

定时控制单元132输入来自比较单元131的大小关系信号sr，以所规定的顺序依次启动三个相的pwm信号的上升(或下降)的定时(步骤s4)。所规定的顺序例如为占空比指令值ds的最大相→中间相→最小相的顺序，或者，最小相→中间相→最大相的顺序等。定时控制单元132输出被控制了定时的pwm信号ps(步骤s5)，通过pwm信号ps并经由逆变器106来驱动电动机20(步骤s10)。

通过一分流器式电流检测电路120如上所述那样检测出电动机20的各相电动机电流(步骤s11)，检测出的电动机电流检测值im被反馈到减法单元103。还有，通过分解器21检测出电动机角度θ(步骤s12)，检测出的电动机角度θ以所规定的采样周期被存储在存储单元141中(步骤s13)。

另一方面，相变化检测单元142基于pwm信号ps检测出是否上升的顺序被变更并且有相变化(步骤s14)，当检测出相变化的时候，输出相变化信号pc。相变化信号pc被输入到存储单元141以及电动机角度估计单元140中，电动机角度估计单元140从存储单元141中读取在即将输入相变化信号pc之前的复数个过去的电动机角度θm，通过基于复数个电动机角度θm的线性近似来估计出电动机角度θe(步骤s20)。电动机角度估计单元140输出估计出的电动机角度估计值θe(步骤s30)。此外，当相变化信号pc没有从相变化检测单元142被输出的时候，由分解器21检测出的电动机角度θ原封不动地作为电动机角度估计值θe(＝θ)被输出。

图9的流程图示出了上述步骤s20的电动机角度估计的详细内容。如图9所示，当输入了来自相变化检测单元142的相变化信号pc的时候(步骤s21)，从存储单元141中读取复数次过去的存储值(电动机角度θm)(步骤s22)。电动机角度估计单元140使用读取出来的复数次过去的存储值并且通过公知的线性近似运算来估计出电动机角度(步骤s23)，输出估计出的电动机角度估计值θe(步骤s24)。

与图6相比较，图10示出了本发明的效果。在本发明中，即使电动机角度θ起因于相变化如图10(e)所示那样发生了变动，当如图10(a)以及图10(c)所示那样发生了相变化的时候，基于由相变化检测单元142检测出的相变化信号pc，电动机角度估计单元140基于电动机角度θ的过去值θm并通过线性近似或对数近似等如图10(f)所示那样来估计出电动机角度，在控制运算中使用这个被估计出来的电动机角度估计值θe。因此，如图10(g)～图10(j)所示那样，电流指令值以及各相占空比指令值没有发生变动，并且，能够输出平滑的电流指令值以及各相占空比指令值。

附图标记说明

1转向盘(方向盘)

10扭矩传感器

12车速传感器

13电池

20电动机

21分解器

22角速度运算单元

100控制单元(ecu)

101电流指令值运算单元

102最大输出限制单元

104电流控制单元

105pwm控制单元

105a占空比运算单元

105b栅极驱动单元

106逆变器

107载波信号生成单元

120一分流器式电流检测电路

130占空比设定单元

131比较单元

132定时控制单元

140电动机角度估计单元

141存储单元

142相变化检测单元。