用於交流電機的控制設備的製作方法
2023-04-23 05:33:11 2
用於交流電機的控制設備的製作方法
【專利摘要】一種用於三相AC電機（2）的控制設備（10）。該控制設備包括：具有開關元件的逆變器（12）；用於感測電機中的電流的電流傳感器（16,17,18）；以及具有用於操作每個相的電壓命令的反饋控制操作部件（23）並且基於該電壓命令對開關元件進行切換的控制裝置（155,156）。當正負偏移異常出現時，控制裝置執行正負偏移異常檢測處理，在正負偏移異常檢測處理中控制裝置將通過在預定的檢測間隔內對每個相的電壓命令的變化進行積分所獲得的值與預定的異常閾值進行比較，電壓命令由反饋控制操作部件針對正負偏移異常引起的電流的變化而輸出。
【專利說明】用於交流電機的控制設備
【技術領域】
[0001 ] 本公開內容涉及一種用於交流電機的控制設備，該控制設備包括用於感測相電流的電流傳感器並且基於感測電流值來控制將通過AC電機的電流。
【背景技術】
[0002]近年來，根據更低燃料消耗和更少廢氣排放的社會需求，電動汽車和混合動力汽車引起了關注，其中，電動汽車和混合動力汽車中的每種汽車都安裝有AC (交流)電機作為車輛的電源。例如，在一些混合動力汽車中，由二次電池等製成的DC電源和AC電機經由由逆變器等構造的電力變換設備彼此連接，並且DC電源的DC電壓通過逆變器被變換成AC電壓，從而驅動AC電機。
[0003]在安裝在像這樣的混合動力汽車或電動汽車中的AC電機的控制設備中，已知存在基於由電流傳感器感測到的三相的電流感測值來執行反饋控制的控制設備。例如，將通過對三相的電流感測值進行dq變換所獲得的d軸電流和q軸電流反饋至電流命令。
[0004]在此，已知存在下面的技術(例如，專利文獻I):為三相AC電機的每個相提供一個電流傳感器；根據基爾霍夫定律，將提供至AC電機的三相的電流的和為零；所以在三相的電流感測值的和不為零的情況下，判定電流傳感器中的任一個異常。
[0005]將參照圖3A和圖3B對通過監視三相的感測值的和來判定電流傳感器中的任一個是否異常的技術進行描述。
[0006]在圖3A中示出的正常控制時，U相電流iu、V相電流iv和W相電流iw的和總是為零，如由基於基爾霍夫定律的等式(I)所示。
·[0007]iu+iv+iw=0(I)
[0008]在此，例如，如圖3B所示，假定發生異常，其中，U相電流在加(plus)側(正側)由於誤差Ais而相對於iu變為Ius偏移，以及V相電流在減(negative)側(負側)由於誤差Λ is而相對於iv變為Ivs偏移，其具有與U相誤差相同的量。此時，如等式(2)所示，三相的電流感測值的和為0，因此判定電流傳感器顯然正常。
[0009]iu+ivs+iw= (iu+ Ais) + (iv- Δ is) +iw
[0010]=iu+ivs+iw+(+Δ is-Δ is)
[0011]=0 (2)
[0012]在此，不僅在三相的電流感測值的和為零的情況下，而且在三相的電流感測值的和通過加和減(正和負)誤差相互抵消成為「不大於異常閾值的值」的情況下，可以產生相似的情況。在下文中，這種異常被稱為「加/減偏移異常」。
[0013]因此，在通過以基爾霍夫定律為前提估計偏移誤差的操作來執行反饋控制的情況下，在反饋控制期間從來沒有發現偏移誤差。此外，甚至在不執行反饋控制的開放式控制中，兩相的誤差也相互抵消，從而減少與正常值的偏差，這因此使得難以檢測加/減(正負)偏移異常。
[0014]作為結果，當在沒有意識到加/減偏移異常情況發生的情況下，繼續執行對通過AC電機的電流的控制時，異常電流有可能通過AC電機的逆變器和繞組，從而有可能使電路和元件故障或使AC電機輸出異常轉矩。例如，在AC電機被安裝在電動車輛(如混合動力汽車)中的情況下，引起車輛的轉矩變化、功率變化和振動，這因此導致駕駛性能的降低。
[0015]此外，在如圖4A所示的在具有相同符號的側引起U相和V相的偏移誤差Ais的情況下，合成偏移誤差Λ is++的幅度沒有根據單獨一相的偏移誤差Λ is而發生改變。與此相反，在如圖4B所示的在加側和減側引起U相和V相的偏移誤差Ais的情況下，合成偏移誤差Λ is—的幅度變成單獨一相的偏移誤差的^倍。
[0016]簡言之，當與其中誤差具有相同幅度的一相的偏移異常、或其中誤差具有相同幅度的兩相的相同符號的偏移異常相比時，兩相的加/減偏移異常對使用AC電機的系統產生更大的影響。儘管如此，仍呈現如下問題:即使對三相的電流感測值的和進行監視，也不能夠檢測到加/減偏移異常。
[0017][專利文獻I]日本未審查專利申請公開第H06-253585號。
【發明內容】
[0018]本公開內容的目的是提供AC電機的控制設備，該控制設備可以檢測到兩相的電流傳感器的正負偏移異常。
[0019]根據本公開內容的一個方面，用於三相交流電機的控制設備包括:逆變器，該逆變器具有用於驅動交流電機的多個開關元件；多個電流傳感器，多個電流傳感器中的每個感測通過交流電機的三相中的相應相的電流；以及控制裝置，該控制裝置具有反饋控制操作部件，該反饋控制操作部件用於操作每個相的電壓命令，以使由各個電流傳感器感測到的電流感測值與相應相的電流命令值之間的偏差收斂於零，並且該控制裝置基於該每個相的電壓命令接通或斷開每 個開關元件，以控制通過該交流電機的電流。當其中三相的電流感測值中的一個電流感測值引起正偏移誤差以及三相的電流感測值中的另一電流感測值引起負偏移誤差的正負偏移異常出現時，控制裝置以如下方式執行用於檢測正負偏移異常的正負偏移異常檢測處理:控制裝置將通過在預定的檢測間隔內對每個相的電壓命令的變化進行積分所獲得的值與預定的異常閾值進行比較，電壓命令由反饋控制操作部件針對由該正負偏移異常引起的通過相應相的電流的變化而輸出。
[0020]在上面的控制設備中，可以檢測到由於加側的偏移誤差和減側的偏移誤差相互抵消因而即使通過監視三相的電流感測值的和也不能檢測到的電流傳感器的加/減偏移異常。因此，可以防止在沒有意識到加/減偏移異常出現的情況下繼續執行對通過AC電機的電流的控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]根據參照附圖所作出的下面的詳細描述，本公開內容的上述目的和其他目的、功能和優點將變得更加明顯。在附圖中:
[0022]圖1是示出了根據本公開內容的第一實施方式至第四實施方式中的每個實施方式的AC電機的控制設備被應用於的電動機驅動系統的結構的圖解；
[0023]圖2是根據本公開內容的第一實施方式至第四實施方式中的每個實施方式的AC電機的控制設備的整體結構圖；[0024]圖3A和圖3B是當兩相的電流傳感器加/減偏移異常時的波形圖；
[0025]圖4A和圖4B是示出了當兩相的電流傳感器所感測的電流感測值偏移時合成偏移的幅度的電流向量圖；
[0026]圖5是示出了根據本公開內容的第一實施方式和第三實施方式的AC電機的控制設備的控制部件的結構的框圖；
[0027]圖6是示出了根據本公開內容的第一實施方式的加/減偏移異常檢測部件的結構的框圖；
[0028]圖7是示出了在更新時刻電壓命令的前/後線性插值處理的時間圖；
[0029]圖8是根據本公開內容的第一實施方式和第三實施方式的整個電流反饋控制的流程圖；
[0030]圖9是根據本公開內容的第一實施方式的加/減偏移異常檢測處理的主流程圖；
[0031]圖10是圖9中所示的Σ dcos、Σ dsin、Σ qcos、Σ qsin累積更新處理的子流程圖；
[0032]圖11是圖9中所示的突變判定處理的子流程圖；
[0033]圖12是圖9中所示的V Λ d、V Λ q計算處理的子流程圖；
[0034]圖13是示出了根據本公開內容的第二實施方式和第四實施方式的AC電機的控制設備的控制部件的結構的框圖；
[0035]圖14是示出了根據本公開內容的第二實施方式的加/減偏移異常檢測部件的結構的框圖；
[0036]圖15是根據本公開內容的第二實施方式的加/減偏移異常檢測處理的主流程圖；
[0037]圖16是圖15中所示的Σιι、Σν、Sw累積更新處理的子流程圖；
[0038]圖17是示出了根據本公開內容的第三實施方式的加/減偏移異常檢測部件的結構的框圖；
[0039]圖18是根據本公開內容的第三實施方式的加/減偏移異常檢測處理的主流程圖；
[0040]圖19是圖18中所示的dq電壓變化閾值校正處理的子流程圖；
[0041]圖20是根據本公開內容的第四實施方式的加/減偏移異常檢測部件的結構的框圖；
[0042]圖21是根據本公開內容的第四實施方式的加/減偏移異常檢測處理的主流程圖；以及
[0043]圖22是圖21中所示的相電壓偏移閾值校正處理的子流程圖。
【具體實施方式】
[0044]在下文中，將基於附圖對根據本公開內容的AC電機的控制設備的實施方式進行描述。
[0045]首先，將參照圖1和圖2對多個實施方式所共有的結構進行描述。根據本實施方式的電動機控制設備10作為「AC電機的控制設備」被應用於用來驅動混合動力汽車的電動機驅動系統。
[0046][AC電機的控制設備的結構][0047]如圖1所示，電動機驅動系統I包括AC電機2、DC電源8和電動機控制設備10。
[0048]AC電機2是例如用於生成用於驅動電動車輛的驅動輪6的轉矩的電動機。本實施方式的AC電機2是三相永磁式同步電機。
[0049]假定電動車輛包括由電能驅動驅動輪6的車輛，如混合動力汽車、電動汽車以及燃料電池供電的車輛。本實施方式的電動車輛是安裝有發動機3的混合動力車輛，並且AC電機2是所謂的電動發電機(在附圖中由「MG」指定)，該電動發電機具有如生成用於驅動驅動輪6的轉矩的電動機的功能以及如由發動機3驅動從而生成電力的發電機的功能。
[0050]AC電機2經由齒輪4耦接至輪軸5。以這種方式，AC電機2的驅動力經由齒輪4旋轉輪軸5從而驅動驅動輪6。
[0051]DC電源8是可以充電和放電的電存儲設備，例如，二次電池(如鎳金屬氫化物電池或鋰離子電池)以及雙電層電容器。DC電源8連接至電動機控制設備10的逆變器(INV)12(參見圖2)，也就是說，DC電源8被構造成向AC電機2提供電力並且由AC電機2經由逆變器12供給電力。
[0052]車輛控制電路9由微型計算機等構成並且設置有CPU、R0M、I/0以及用於連接這些結構的總線，所有這些都沒有在附圖中示出。車輛控制電路9通過由CPU執行先前存儲的程序來執行的軟體處理以及通過由專用電子電路執行的硬體處理來控制整個電動車輛。
[0053]車輛控制電路9被構造成能夠從多種傳感器和開關獲得信號(如來自加速器傳感器的加速信號、來自製動開關的制動信號、及來自換檔開關的換檔信號)，所有這些信號都沒有在附圖中示出。車輛控制電路9基於所獲得的信號來檢測車輛的驅動狀態並且向電動機控制設備10輸出響應於驅動狀態的轉矩命令值trq*。此外，車輛控制電路9向發動機控制電路(圖中未不出)輸出命令信號以控制發動機3的驅動。
[0054]如圖2所示，電動機控制設備10設置有逆變器12、電流傳感器16、電流傳感器17、電流傳感器18和作為「控制裝置」的控制部件15。
[0055]逆變器12具有被輸入到其中的升壓電壓，該升壓電壓由升壓轉換器(附圖中未示出)提升。逆變器12具有以橋接模式連接的六個開關元件(附圖中未示出)。關於開關元件，例如IGBT (絕緣柵雙極電晶體)、MOS (金屬氧化物半導體)電晶體和雙極型電晶體可以用作開關元件。
[0056]通常，在逆變器12由正弦波控制模式或過調製控制模式驅動的情況下，基於PWM信號將開關元件接通/斷開，由此AC電機2具有施加在其上的三相AC電壓vu、vv、vw,因此控制AC電機2的驅動。可替代地，在逆變器12由方波控制模式驅動的情況下，由電壓相命令來對相進行控制。
[0057]關於電流傳感器16、電流傳感器17、電流傳感器18，為三相U相、V相及W相的電力線(該電力線從逆變器12連接至AC電機2)中的每根電力線設置一個電流傳感器，並且電流傳感器檢測每個相電流。對本公開內容作出假定:電流傳感器被構造成為這種「三相中的每個相的一個通道」。
[0058]順便提及，根據基爾霍夫定律，三相的電流的和始終為零。因此，當已知三相中的兩相的電流值時，可以計算出剩餘的一相的電流值。因此，可以基於至少兩相的電流感測值進行電流反饋控制中dq變換等的計算。以這種方式，其中基於相電流值執行控制的相被稱為「控制相」。[0059]此外，通過檢測除了控制相之外的一相的電流感測值，可以監視三相的電流值的和是否為零並且判定電流傳感器系統是否異常。除了控制相之外的一相被稱為「監視相」。
[0060]在下面將要描述的實施方式中，基本上，假定控制相是U相和V相併且監視相是W相。在此，在其他實施方式中，U相或V相可以是控制相。
[0061]旋轉角傳感器14被設置在AC電機2的轉子(附圖中未示出)附近，感測電動角0e並且向控制部件15輸出電動角0e。另外，基於由旋轉角傳感器14所感測的電動角0e來計算AC電機2的轉數rpm。本實施方式的旋轉角傳感器14是旋轉變壓器，但是可以在其他實施方式中使用其他類型的傳感器，如旋轉編碼器。
[0062]控制部件15由微型計算機等構成並且包括CPU、ROM、I/O和用於連接這些部件的總線(附圖中未示出)。控制部件15通過由CPU通過執行先前存儲的程序來執行的軟體處理或者通過由專用電子電路執行的硬體處理來控制AC電機2的操作。在下文中將在每個實施方式中更詳細地描述控制部件15。
[0063]根據基於由旋轉角傳感器14所感測的電動角Θ e的AC電機2的轉數rpm和來自車輛控制電路9的轉矩命令值trq*，電動機控制設備10驅動作為電動機的AC電機2以執行供電操作從而耗電，或驅動作為發電機的AC電機2以執行再生操作從而發電。具體地，根據轉數rpm以及命令值trq*為正還是為負，電動機控制設備10將AC電機2的操作切換成以下四種模式:
[0064]〈1.正常旋轉供電操作 > 當轉數rpm為正並且轉矩命令值trq*為正時,AC電機2耗電；
[0065] 當轉數rpm為正的並且轉矩命令值trq*為負時,AC電機2發電；
[0066] 當轉數rpm為負並且轉矩命令值trq*為負時，AC電機2耗電；
[0067] 當轉數rpm為負並且轉矩命令值trq*為正時,AC電機2發電。
[0068]在轉數rpm>0 (正常旋轉)並且轉矩命令值trq*>0,或轉數rpm〈0 (反向旋轉)並且轉矩命令值trq*〈0的情況下，逆變器12通過開關元件的開關操作將DC電源8供應的DC電力變換為AC電力，從而以這種方式驅動AC電機2以輸出轉矩(執行供電操作)。
[0069]另一方面，在轉數rpm>0 (正常旋轉)並且轉矩命令值trq*〈0，或轉數rpm〈0 (反向旋轉)並且轉矩命令值trq*>0的情況下，逆變器12通過開關元件的開關操作將由AC電機2生成的AC電力變換為DC電力，從而向DC電源8供應DC電力，由此AC電機2執行再生操作。
[0070][控制部件的結構和操作/工作效果]
[0071 ] 在下文中，將關於第一實施方式至第四實施方式中的每個實施方式描述控制部件15的結構和操作/工作效果。第一實施方式和第三實施方式的控制部件由「控制部件155(圖5)」指定並且第二實施方式和第四實施方式的控制部件由「控制部件156 (圖13)」指定。
[0072](第一實施方式)
[0073]將參照圖5和圖6對第一實施方式的控制部件155的結構進行描述。[0074]電流命令映射(MAP) 21基於從車輛控制電路9中所獲得的轉矩命令值trq*計算AC電機2的旋轉坐標系統(dq坐標系統)中的d軸電流命令id*和q軸電流命令iq*。在下文中，「 d軸電流和q軸電流」被稱為「 dq電流」。
[0075]在本實施方式中，參照先前存儲的映射計算dq電流命令id*、iq*，但也可以通過使用其他實施方式中的數學公式等計算dq電流命令id*、iq*。
[0076]三相一dq變換部件22基於從旋轉角傳感器14中所獲得的電動角Θ e將控制相的電流感測值iu_sns、iv_sns變換成dq電流id、iq。
[0077]在此，將對基於兩相的電流感測值的三相一dq變換進行描述。首先，將由下面的公式(3)示出dq變換的通用公式。
[0078][數學公式I]
[0079]
【權利要求】
1.一種用於三相交流電機的控制設備，包括: 逆變器，所述逆變器具有用於驅動所述交流電機的多個開關元件； 多個電流傳感器，所述多個電流傳感器中的每個電流傳感器感測通過所述交流電機的三相中的相應相的電流；以及 控制裝置，所述控制裝置具有反饋控制操作部件，所述反饋控制操作部件用於操作每個相的電壓命令，以使由各個電流傳感器感測到的電流感測值與相應相的電流命令值之間的偏差收斂於零，並且所述控制裝置基於所述每個相的電壓命令接通或斷開每個開關元件，以控制通過所述交流電機的電流， 其中，當三相的所述電流感測值中的一個電流感測值引起正偏移誤差以及三相的所述電流感測值中的另一電流感測值引起負偏移誤差的正負偏移異常出現時，所述控制裝置以如下方式執行用於檢測正負偏移異常的正負偏移異常檢測處理:所述控制裝置將通過在預定的檢測間隔內對每個相的電壓命令的變化進行積分所獲得的值與預定的異常閾值進行比較，所述電壓命令由所述反饋控制操作部件針對由所述正負偏移異常引起的通過相應相的電流的變化而輸出。
2.根據權利要求1所述的控制設備，其中，所述電壓命令包括:通過所述反饋控制操作部件直接輸出的d軸電壓命令和q軸電壓命令；或者，通過對所述d軸電壓命令和所述q軸電壓命令進行逆dq變換計算出的多個三相電壓命令。
3.根據權利要求2所述的控制設備， 其中，所述電壓命令包括所述d軸電壓命令和所述q軸電壓命令， 其中，所述值包括d軸 值和q軸值， 其中，所述d軸值是通過在所述交流電機的電動角的第M個周期內對所述d軸電壓命令的傅立葉級數展開進行積分而獲得的，以及所述q軸值是通過在所述交流電機的所述電動角的所述第M個周期內對所述q軸電壓命令的傅立葉級數展開進行積分而獲得的， 其中，所述M表示自然數， 其中，所述預定的異常閾值包括d軸電壓變化閾值和q軸電壓變化閾值，以及其中，在所述正負偏移異常判定處理中，所述控制裝置將所述d軸值和所述q軸值分別與所述d軸電壓變化閾值和所述q軸電壓變化閾值進行比較。
4.根據權利要求2所述的控制設備， 其中，所述電壓命令值包括所述多個三相電壓命令， 其中，所述值包括多個三相值，所述多個三相值是通過在所述交流電機的電動角的第M個周期內對所述三相電壓命令分別進行積分而獲得的， 其中，所述M表示自然數， 其中，所述預定的異常閾值包括多個相電壓偏移閾值， 其中，在所述正負偏移異常判定處理中，所述控制裝置分別將所述三相值與所述相電壓偏移閾值進行比較。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的控制設備，其中，當在所述預定的檢測間隔內所述交流電機的轉矩命令或轉數的變化速率大於預定的突變閾值時，所述控制裝置判定突變發生並且停止執行所述正負偏移異常檢測處理。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的控制設備，其中，所述控制裝置通過閾值校正係數校正所述預定的異常閾值，所述閾值校正係數是基於在所述預定的檢測間隔內所述交流電機的轉矩命令或轉數 的變化速率而被確定的。
【文檔編號】H02P21/14GK103715958SQ201310451218
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】鈴木崇史, 加古寬文, 伊藤武志 申請人:株式會社電裝