马达控制装置的制作方法

本发明将在2016年9月26日提交的日本专利申请no.2016-187417的公开内容，包括其说明书、附图以及摘要，引入文中。

本发明涉及用于对电动马达进行pwm(pulsewidthmodulation：脉冲宽度调制)驱动的马达控制装置。

背景技术：

在对三相电动马达进行向量控制的马达控制装置中，每隔电流控制周期运算二相电流指令值。基于该二相电流指令值与二相电流检测值的偏差来运算二相电压指令值。通过使用电动马达的旋转角对该二相电压指令值进行二相/三相转换来运算u相、v相以及w相的相电压指令值(三相电压指令值)。生成分别与该u相、v相以及w相的相电压指令值对应的占空比的u相pwm信号、v相pwm信号以及w相pwm信号，并供给给三相逆变器电路。

通过u相pwm信号、v相pwm信号以及w相pwm信号控制构成该逆变器电路的功率元件。由此，与三相电压指令值相当的电压被施加至电动马达。由此，在电动马达中流动的马达电流被控制为与二相电流指令值相等。(参照日本特开平1－50766号公报)

在对三相电动马达进行向量控制的马达控制装置中，若提高pwm信号的频率(pwm频率)，则在马达转速(旋转速度)较高的系统中，也能够适当地施加马达电压，可以使马达顺畅地旋转。然而，若提高pwm频率，则有时pwm信号的周期(pwm周期)小于电流控制周期。若pwm周期小于电流控制周期，则在电流控制周期内包含多个pwm周期。

作为马达控制装置，例如为了补偿转矩脉动而提出按照每一电动马达的旋转角使电流指令值变化。然而，在电流控制周期内包含多个pwm周期的情况下，在一般使用的反馈控制中，按照电流控制周期单位设定电流指令值。因此，每隔pwm周期使电流指令值变化较困难。若要按照pwm周期单位实现电流反馈控制，则需要每隔pwm周期实施电流检测处理。因此，有时在运算时间上较难。

技术实现要素：

该发明的目的之一在于提供即使在电流控制周期内包含多个pwm周期的情况下，也能够实现每一pwm周期电流指令值都变化那样的电流控制的马达控制装置。

电流控制周期内包含多个pwm周期，基于在电流控制周期内的每一pwm周期生成的pwm信号来控制电动马达的本发明的一方式的马达控制装置的结构上的特征在于，包括：马达旋转角推断单元，推断针对电流控制周期内的各pwm周期的上述电动马达的旋转角；二相电流指令值设定单元，在电流控制周期内的每一pwm周期设定二相旋转坐标系的二相电流指令值；开环控制单元，基于由上述二相电流指令值设定单元所设定的每一上述pwm周期的二相电流指令值、和上述电动马达的旋转速度，根据马达电压方程式，对施加给上述电动马达的每一上述pwm周期的二相电压指令值进行运算；以及pwm控制单元，基于针对某个电流控制周期由上述开环控制单元生成的二相电压指令值、和由上述马达旋转角推断单元推断出的针对该电流控制周期内的各pwm周期的上述电动马达的旋转角，来生成该电流控制周期内的每一pwm周期的pwm信号。

附图说明

通过以下参照附图对本发明的实施方式进行描述，本发明的上述和其它特征及优点会变得更加清楚，其中，附图标记表示本发明的要素，其中：

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的电动动力转向装置的示意结构的示意图。

图2是表示ecu的电结构的框图。

图3是以图解的方式表示电动马达的结构的示意图。

图4是表示pwm信号的周期tc与电流控制周期ta的关系的示意图。

图5是表示辅助电流值ia＊相对于检测转向操纵转矩t的设定例的图表。

图6a是表示电流指令值为恒定的情况下的转矩的变化的时间图。

图6b是表示根据旋转角来生成使消除转矩脉动那样的转矩产生的电流指令值的情况下的转矩的变化的时间图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地对将该发明应用于电动动力转向装置的情况下的实施方式进行说明。图1是表示应用了本发明的一个实施方式所涉及的马达控制装置的电动动力转向装置的示意结构的示意图。电动动力转向装置(eps:electricpowersteering)1具备方向盘2、转向机构4、和转向操纵辅助机构5。方向盘2是用于对车辆进行操向的转向操纵部件。转向机构4与该方向盘2的旋转连动地使转向轮3转向。转向操纵辅助机构5辅助驾驶员的转向操纵。方向盘2和转向机构4经由转向轴6以及中间轴7机械地连结。

转向轴6包括与方向盘2连结的输入轴8、以及与中间轴7连结的输出轴9。输入轴8和输出轴9经由扭杆10可相对旋转地连结。在扭杆10的附近配置有转矩传感器11。转矩传感器11基于输入轴8以及输出轴9的相对旋转位移量来检测向方向盘2给予的转向操纵转矩t。在该实施方式中，对于由转矩传感器11检测的转向操纵转矩t，例如用于向右方向的转向操纵的转矩被检测为正的值，用于向左方向的转向操纵的转矩被检测为负的值，其绝对值越大，转向操纵转矩的大小越大。

转向机构4由包括小齿轮轴13和作为转向轴的齿条轴14的齿条和小齿轮机构构成。在齿条轴14的各端部上经由横拉杆15以及转向臂(图示略)连结有转向轮3。小齿轮轴13与中间轴7连结。小齿轮轴13与方向盘2的转向操纵连动地旋转。在小齿轮轴13的前端(图1中为下端)连结有小齿轮16。

齿条轴14沿着汽车的左右方向呈直线状地延伸。在齿条轴14的轴向的中间部形成有与小齿轮16啮合的齿条17。通过该小齿轮16以及齿条17，将小齿轮轴13的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。通过使齿条轴14沿轴向移动，能够使转向轮3转向。

若转向操纵(旋转)方向盘2，则该旋转经由转向轴6以及中间轴7传递至小齿轮轴13。小齿轮轴13的旋转通过小齿轮16以及齿条17而被转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3被转向。转向操纵辅助机构5包括转向操纵辅助用的电动马达18、和用于将电动马达18的输出转矩传递至转向机构4的减速机构19。在电动马达18配置有用于检测电动马达18的转子的旋转角的例如由分解器构成的旋转角传感器23。减速机构19由包括蜗杆轴20以及与该蜗杆轴20啮合的蜗轮21的蜗轮机构构成。

蜗杆轴20被电动马达18旋转驱动。蜗轮21与转向轴6能够一体旋转地连结。蜗轮21被蜗杆轴20旋转驱动。若通过电动马达18旋转驱动蜗杆轴20，则蜗轮21被旋转驱动，转向轴6旋转。转向轴6的旋转经由中间轴7传递至小齿轮轴13。小齿轮轴13的旋转被转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3被转向。即，通过电动马达18对蜗杆轴20进行旋转驱动。由此，转向轮3被转向。

在车辆上设置有用于检测车速v的车速传感器24。由转矩传感器11检测的转向操纵转矩t、由车速传感器24检测的车速v、旋转角传感器23的输出信号等被输入至ecu(电子控制单元：electroniccontrolunit)12。ecu12基于这些输入信号来控制电动马达18。

图2是表示ecu12的电结构的框图。ecu12包括微型计算机31、和被微型计算机31控制并向电动马达18供给电力的驱动电路(逆变器电路)32。在用于将驱动电路32和电动马达18连接的电力供给线上设置有2个电流传感器33、34。这些电流传感器33、34被设置为能够检测用于将驱动电路32和电动马达18连接的3条电力供给线中在两条电力供给线上流动的相电流。

电动马达18例如是三相无刷马达。电动马达18如图3中以图解的方式所示，具备作为励磁的转子100、和包括u相、v相以及w相的定子绕组101、102、103的定子105。定义在各相的定子绕组101、102、103的方向取u轴、v轴以及w轴的三相固定坐标(uvw坐标系)。定义在转子100的磁极方向取d轴(磁极轴)、在转子100的旋转平面内与d轴呈直角的方向取q轴(转矩轴)的二相旋转坐标系(dq坐标系。实际旋转坐标系)。在q坐标系中，由于仅q轴电流有助于转子100的转矩产生，所以将d轴电流设为零，根据所希望的转矩来控制q轴电流即可。转子100的旋转角(电气角)θ是d轴相对于u轴的旋转角。dq坐标系是按照转子旋转角θ的实际旋转坐标系。通过使用该转子旋转角θ，能够进行uvw坐标系与dq坐标系之间的坐标转换。

返回到图2，微型计算机31具备cpu以及存储器(rom、ram、非易失性存储器等)。微型计算机31通过执行规定的程序而作为多个功能处理部发挥作用。该多个功能处理部包括辅助电流值设定部41、电流指令值设定部42、开环控制部43、开环控制参数补偿部44、二相/三相转换部45、pwm占空比运算部(pwmduty运算部)46、pwm输出部47、三相/二相转换部48、旋转角运算部49、旋转速度运算部50、和旋转角推断部51。

如图4所示，pwm信号的周期(以下，称为“pwm周期”。)tc小于电流控制周期ta。在该实施方式中，tc为ta的1/10。换言之，在电流控制周期ta内包含10周期量的pwm周期tc。将10周期量的pwm周期tc的最初的周期称为第一个周期。有时将此以下的周期称为第二、第三、…、第九、第十周期。另外，有时用i(i＝1、2、…、9、10)表示pwm周期的周期编号。

返回到图2，旋转角运算部49基于旋转角传感器23的输出信号，每隔电流控制周期ta对电动马达18的转子的旋转角θ(电角)进行运算。由旋转角运算部49运算的转子旋转角θ被给予三相/二相转换部48、旋转速度运算部50以及旋转角推断部51。在该实施方式中，获取(检测)转子旋转角θ的定时是电流控制周期ta的中央时刻。

旋转速度运算部50通过对由旋转角运算部49运算的转子旋转角θ进行时间微分来运算电动马达18的转子的旋转速度(角速度)ω。由旋转速度运算部50运算的旋转速度ω被给予旋转角推断部51以及开环控制参数补偿部44。

旋转角推断部51使用在前次的电流控制周期ta所获取到的转子旋转角θ，基于下式(1)来推断下次的电流控制周期ta所包含的各pwm周期tc的开始时刻的转子旋转角θi(i＝1、2、…、9、10)。

θ1＝θ+ω·(3/2)·ta

θ2＝θ1+ω·tc

θ3＝θ2+ω·tc

…

θ9＝θ8+ω·tc

θ10＝θ9+ω·tc…(1)

由旋转角推断部51推断出的转子旋转角θi(i＝1～10)被给予电流指令值设定部42以及二相/三相转换部45。

三相/二相转换部48首先根据由电流传感器33、34检测的2相的相电流来运算u相电流iu、v相电流iv以及w相电流iw(以下，在统称这些时，称为“三相检测电流iuvw”。)。而且，三相/二相转换部48将uvw坐标系的三相检测电流iuvw坐标转换为dq坐标系的二相检测电流idq。二相检测电流idq由d轴检测电流id以及q轴检测电流iq构成。该坐标转换使用由旋转角运算部49运算的转子旋转角θ。

辅助电流值设定部41基于由转矩传感器11检测的转向操纵转矩t、和由车速传感器24检测的车速v，在每一电流控制周期ta设定辅助电流值(基本电流指令值)ia＊。辅助电流值ia＊相对于检测转向操纵转矩t的设定例如图5所示。对于检测转向操纵转矩t，例如用于向右方向的转向操纵的转矩被取为正的值，用于向左方向的转向操纵的转矩被取为负的值。对于辅助电流值ia＊，在应从电动马达18产生用于右方向转向操纵的转向操纵辅助力时为正的值，在应从电动马达18产生用于左方向转向操纵的转向操纵辅助力时为负的值。辅助电流值ia＊相对于检测转向操纵转矩t的正的值取正，相对于检测转向操纵转矩t的负的值取负。

在检测转向操纵转矩t为－t1～t1(例如t1＝0.4n·m)的范围(转矩不灵敏区)的微小的值时，辅助电流值ia＊为零。在检测转向操纵转矩t为－t1～t1的范围外的值的情况下，辅助电流值ia＊被设定为检测转向操纵转矩t的绝对值越大，其绝对值越大。辅助电流值ia＊被设定为由车速传感器24检测的车速v越大，其绝对值越小。由此，在低速行驶时，增大转向操纵辅助力，在高速行驶时减小转向操纵辅助力。

电流指令值设定部42在每一pwm周期tc将应流向dq坐标系的坐标轴流动的电流值设定为电流指令值。电流指令值设定部42具备转矩脉动补偿功能，设定能够补偿转矩脉动那样的电流指令值。在电流指令值为恒定的情况下，例如如图6a所示，产生正弦波状的转矩脉动。转矩脉动取决于转子旋转角θ，周期性地变化。因此，如图6b所示，通过根据转子旋转角θ来生成使消除转矩脉动那样的转矩产生的电流指令值，能够补偿转矩脉动。

电流指令值设定部42基于辅助电流值ia＊、和本次的电流控制周期ta中由旋转角推断部51推断出的与下次的电流控制周期ta内的各pwm周期tc对应的转子旋转角θi(θ1～θ10)，将下次的电流控制周期ta内的各pwm周期tc中应流向dq坐标系的坐标轴的电流值设定为电流指令值。具体而言，电流指令值设定部42按照每一转子旋转角θi(i＝1～10)设定d轴电流指令值idi＊(i＝1～10)以及q轴电流指令值iqi＊(i＝1～10)。以下，在统称这些时，称为二相电流指令值idqi＊(i＝1～10)。

并且，具体而言，电流指令值设定部42首先将由辅助电流值设定部41所设定的辅助电流值ia＊设定为基本q轴电流指令值，并且，将零设定为基本d轴电流指令值。电流指令值设定部42将在基本q轴电流指令值(＝ia＊)上加上不使转矩脉动产生那样的q轴电流补偿值所得的值设定为q轴电流指令值iqi＊。与某个pwm周期tc对应的q轴电流补偿值成为同与其pwm周期tc对应的转子旋转角θi和辅助电流值(基本电流指令值)ia＊对应的值。与某个pwm周期tc对应的q轴电流补偿值例如能够根据预先按照每一辅助电流值ia＊创建，并按照每一转子旋转角预先存储有q轴电流补偿值的映射来求出。电流指令值设定部42将在基本d轴电流指令值(＝0)加上不使转矩脉动产生那样的d轴电流补偿值所得的值设定为d轴电流指令值idi＊。与某个pwm周期tc对应的d轴电流补偿值成为同与其pwm周期tc对应的转子旋转角θi和辅助电流值(基本电流指令值)ia＊对应的值。与某个pwm周期tc对应的d轴电流补偿值例如能够根据预先按照每一辅助电流值ia＊创建，并按照每一转子旋转角预先存储有d轴电流补偿值的映射来求出。

q轴电流补偿值以及d轴电流补偿值可以通过与例如日本特开2004－328814号公报所公开的转矩脉动补偿部相同的方法来运算。由电流指令值设定部42所设定的二相电流指令值idqi＊被给予开环控制部43。开环控制部43基于由电流指令值设定部42所设定的每一转子旋转角θi(i＝1～10)的d轴电流指令值idi＊以及q轴电流指令值iqi＊、和由旋转速度运算部50运算的转子的旋转速度(角速度)ω来运算应施加给电动马达18的每一转子旋转角θi的二相电压指令值vdqi＊(i＝1～10)。二相电压指令值vdqi＊(i＝1～10)由d轴电压指令值vdi＊(i＝1～10)以及q轴电压指令值vqi＊(i＝1～10)构成。

具体而言，开环控制部43基于下式(2)、(3)所示的马达电压方程式来运算d轴电压指令值vdi＊以及q轴电压指令值vqi＊。

vdi＊＝(r+pld)×idi＊－ω·lq·iqi＊…(2)

vqi＊＝(r+plq)×iqi＊+ω·ld·idi＊+ω·φ…(3)

vdi＊：d轴电压指令值

vqi＊：q轴电压指令值

idi＊：d轴电流指令值

iqi＊：q轴电流指令值

ω：转子的旋转速度

r：电枢绕组电阻

ld：d轴的自感

lq：q轴的自感

φ：电枢交链磁通(u、v、w相电枢绕组交链磁通数的最大值的√(3/2)倍)

p：微分运算符(＝d/dt)

此处，预先设定d轴的自感ld以及q轴的自感lq。另外，预先设定电枢绕组电阻r、电枢交链磁通φ的初始值。电枢绕组电阻r、电枢交链磁通φ根据温度变动而值变化。因此，在该实施方式中，设置开环控制参数补偿部44来补偿电枢绕组电阻r以及电枢交链磁通φ。开环控制部43使用开环控制参数补偿部44的补偿后的电枢绕组电阻r以及电枢交链磁通φ来运算d轴电压指令值vdi＊以及q轴电压指令值vqi*。

开环控制参数补偿部44使用通过三相/二相转换部48所获得的d轴检测电流id以及q轴检测电流iq、由旋转速度运算部50运算的转子的旋转速度ω、和由开环控制部43运算出的最新的q轴电压指令值vqi＊来运算电枢绕组电阻r以及电枢交链磁通φ。具体而言，开环控制参数补偿部44在q轴检测电流iq不是零时(iq≠0使)，基于下式(4)来运算电枢绕组电阻r。而且，更新电枢绕组电阻r的值。

r＝(vqi＊－plq·iq－ω·ld·id－ω·φ)/iq…(4)

vqi＊：最新运算出的q轴电压指令值

p：微分运算子

ld：d轴的自感

lq：q轴的自感

id：d轴检测电流

iq：q轴检测电流

ω：转子的旋转速度

φ：电枢交链磁通

此外，开环控制参数补偿部44使用下式(5)或者(6)来代替上述式子(4)，对电枢绕组电阻r进行运算。

r＝(vqi＊－ω·ld·id－ω·φ)/iq…(5)

r＝(vqi＊－ω·φ)/iq…(6)

开环控制参数补偿部44在转子的旋转速度ω不是零时(ω≠0时)，基于下式(7)来运算电枢交链磁通φ。而且，更新电枢交链磁通φ的值。

φ＝(vqi＊－(r+plq)iq－ω·ld·id)/ω…(7)

vqi＊：最新运算出的q轴电压指令值

r：电枢绕组电阻

p：微分运算子

ld：d轴的自感

lq：q轴的自感

id：d轴检测电流

iq：q轴检测电流

ω：转子的旋转速度

此外，开环控制参数补偿部44也可以使用使用下式(8)或者(9)来代替上述式子(7)，对电枢交链磁通φ进行运算。

φ＝(vqi＊－r·iq－ω·ld·id)/ω…(8)

φ＝(vqi＊－r·iq)/ω…(9)

通过开环控制部43按照每一转子旋转角θi所运算出的二相电压指令值vdqi＊(d轴电压指令值vdi＊以及q轴电压指令值vqi＊)被给予二相/三相转换部45。

二相/三相转换部45分别使用在本次的电流控制周期ta中由旋转角推断部51运算出的针对下次的电流控制周期ta的旋转角推断值θ1～θ10，对在本次的电流控制周期ta中由开环控制部43运算出的二相电压指令值vdqi＊进行二相/三相转换。由此，对针对下次的电流控制周期ta内所包含的各pwm周期tc的三相电压指令值vuvwi＊(i＝1～10)进行运算。三相电压指令值vuvwi＊(i＝1～10)由u相电压指令值vui＊(i＝1～10)、v相电压指令值vvi＊(i＝1～10)以及w相电压指令值vwi＊(i＝1～10)构成。由此，获得针对下次的电流控制周期ta内所包含的各pwm周期tc的三相电压指令值vuvwi＊。

通过二相/三相转换部45所得到的针对下次的电流控制周期ta内所包含的各pwm周期tc的三相电压指令值vuvwi＊被给予pwm占空比运算部46。

pwm占空比运算部46基于通过二相/三相转换部45所得到的针对下次的电流控制周期ta内所包含的各pwm周期tc的三相电压指令值vuvwi＊来生成针对下次的电流控制周期ta内的各pwm周期tc的u相的pwm计数(pwm占空比)、v相的pwm计数以及w相的pwm计数，并给予pwm输出部47。

pwm输出部47在多个电流控制周期分存储从pwm占空比运算部46给予的针对电流控制周期ta内的各pwm周期tc的u相的pwm计数、v相的pwm计数以及w相的pwm计数。pwm输出部47基于在前次的电流控制周期ta中从pwm占空比运算部46给予的针对本次的电流控制周期ta内的各pwm周期tc的u相的pwm计数、v相的pwm计数以及w相的pwm计数来生成针对本次的电流控制周期ta内的各pwm周期tc的u相pwm信号、v相pwm信号以及w相pwm信号，并供给给驱动电路32。具体而言，pwm输出部47在每一本次的电流控制周期ta内的pwm周期tc，生成分别与针对该电流控制周期ta内的各pwm周期tc的u相的pwm计数、v相的pwm计数以及w相的pwm计数对应的占空比的u相pwm信号、v相pwm信号以及w相pwm信号，并供给给驱动电路32。

驱动电路32由与u相、v相以及w相对应的三相逆变器电路构成。通过从pwm输出部47给予的pwm信号来控制构成该逆变器电路的功率元件。由此，将与每一pwm周期tc的三相电压指令值vuvwi＊相当的电压施加给电动马达18的各相的定子绕组101、102、103。

这样，基于由电流指令值设定部42所设定的二相电流指令值idqi＊来对电动马达18进行开环控制。由此，根据由电流指令值设定部42所设定的二相电流指令值idqi＊来控制向电动马达18流动的电流，并且，抑制转矩脉动的产生。在该实施方式中，每一电流控制周期ta内所包含的多个pwm周期tc设定二相电流指令值idqi＊，通过开环控制对每一pwm周期tc的针对二相电流指令值idqi＊的二相电压指令值vdqi＊进行运算。因此，即使在电流控制周期ta内包含多个pwm周期tc的情况下，能够实现在每一pwm周期tc二相电流指令值idqi＊变化那样的电流控制。由此，即使在电流控制周期ta内包含多个pwm周期tc的情况下，能够进行如转矩脉动补偿那样根据转子旋转角按照pwm周期单位使二相电流指令值idqi＊变化那样的马达控制。

以上，对该发明的实施方式进行了说明，但该发明也能够以其它的方式实施。例如，在前述的实施方式中，作为开环控制参数的电枢绕组电阻r以及电枢交链磁通φ由开环控制参数补偿部44进行补偿，但可以不进行这样的补偿。在进行前述那样的电枢绕组电阻r以及电枢交链磁通φ的补偿的情况下，在电枢绕组电阻r以及电枢交链磁通φ的精度较低的电动马达18的起动时，可以通过反馈控制控制电动马达18。该情况下，在正进行反馈控制时，不进行通过转子旋转角使二相电流指令值idqi＊变化的控制。

在前述的实施方式中，对将该发明应用于电动动力转向装置的马达控制装置的情况进行了说明。然而，该发明也能够应用于电动动力转向装置以外所使用的马达控制装置。此外，能够在权利要求书所记载的事项的范围内实施各种设计变更。