電動機控制裝置及使用了該電動機控制裝置的電動助力轉向裝置的製作方法

2024-03-23 10:31:05 1

本發明涉及一種電動機控制裝置，其通過控制運算來計算出用於對電動機的電流進行控制的各相佔空比指令值，形成與各相佔空比指令值相對應的pwm(脈衝寬度調製)信號，基於pwm控制從逆變器將指令電流(電壓)施加到電動機並對其進行驅動，並且，本發明還涉及一種電動助力轉向裝置，其使用該電動機控制裝置，對車輛的轉向系統施加基於電動機的輔助力。本發明尤其涉及一種小型、廉價、低噪音的電動機控制裝置及使用了該電動機控制裝置的電動助力轉向裝置，該電動機控制裝置在逆變器的電源輸入側或電源輸出側(接地一側)設置單一的電流檢測迴路(一分流器式電流檢測電路)，進行pwm控制，並且，在佔空比模式切換的定時，通過不使用由旋轉傳感器檢測出的電動機角度信號，而是使用基於在即將進行佔空比模式切換之前的複數個電動機角度(存儲值)估計出的電動機角度估計值，使得可以除去噪音並且防止因電動機角度的變動而造成的影響。

背景技術：

電動助力轉向裝置利用電動機的旋轉力對車輛的轉向機構施加轉向輔助力(輔助力)，其將電動機的驅動力經由減速機構並通過諸如齒輪或傳送皮帶之類的傳送機構，向轉向軸或齒條軸施加轉向輔助力。為了準確地產生轉向輔助力的扭矩，這樣的現有的電動助力轉向裝置(eps)進行電動機電流的反饋控制。反饋控制調整電動機外加電壓，以便使轉向輔助指令值(電流指令值)與電動機電流檢測值之間的差變小。電動機外加電壓的調整一般通過調整pwm控制的佔空比(dutyratio)指令值來進行。

參照圖1對電動助力轉向裝置的一般結構進行說明。如圖1所示，轉向盤(方向盤)1的柱軸(轉向軸)2經過減速齒輪3、萬向節4a和4b、齒輪齒條機構5、轉向橫拉杆6a和6b，再通過輪轂單元7a和7b，與轉向車輪8l和8r連接。另外，在柱軸2上設有用於檢測出轉向盤1的轉向扭矩的扭矩傳感器10，對轉向盤1的轉向力進行輔助的電動機20通過減速齒輪3與柱軸2連接。電池13對用於控制電動助力轉向裝置的控制單元(ecu)100進行供電，並且，經過點火開關11，點火信號被輸入到控制單元100。控制單元100基於由扭矩傳感器10檢測出的轉向扭矩tr和由車速傳感器12檢測出的車速vel，進行作為輔助(轉向輔助)指令的電流指令值的運算，根據通過對電流指令值實施補償等而得到的電壓控制值e，來控制供應給電動機20的電流。此外，也可以從諸如can(controllerareanetwork，控制器區域網路)之類的地方獲得車速vel。

控制單元100主要由cpu(也包含mpu、mcu和類似裝置)構成，該cpu內部由程序執行的一般功能，如圖2所示。

參照圖2對控制單元100的功能以及動作進行說明。如圖2所示，由扭矩傳感器10檢測出的轉向扭矩tr和來自車速傳感器12的車速vel被輸入到電流指令值運算單元101中，電流指令值運算單元101使用輔助圖(アシストマップ)等運算出電流指令值iref1。運算出的電流指令值iref1在最大輸出限制單元102基於過熱保護條件等被限制了輸出，被限制了最大輸出的電流指令值iref2被輸入到減法單元103中。此外，電流指令值運算單元101和最大輸出限制單元102構成了扭矩控制單元。

減法單元103求出電流指令值iref2與被反饋回來的電動機20的電動機電流im之間的偏差電流iref3(＝iref2－im)，pi(比例積分)等的電流控制單元104對偏差電流iref3進行控制，在電流控制單元104中經控制後得到的電壓控制值e被輸入到pwm控制單元105以便運算出佔空比指令值，根據運算了佔空比指令值的pwm信號ps並經由逆變器106來對電動機20進行驅動。由載波信號生成單元107生成的具有所規定的頻率的呈鋸齒形的各相載波信號cs被輸入到pwm控制單元105中。逆變器106內的電流檢測電路120檢測出電動機20的電動機電流im，檢測出的電動機電流im被反饋輸入到減法單元103中。在矢量控制等中將無刷dc電動機用作電動機20的情況下，作為旋轉傳感器，例如分解器21被連接到電動機20，並且，設有用於基於電動機角度(角度信號)θ運算出電動機角速度ω的角速度運算單元22。

在用於通過電壓控制值e來控制電動機電流im並驅動電動機20的逆變器106中，使用將半導體開關元件(例如，fet(場效應電晶體))與電動機20橋接在一起的電橋電路，通過基於電壓控制值e決定的pwm信號ps的佔空比指令值，對半導體開關元件進行導通或斷開(on/off)控制，以便控制電動機電流im。

在電動機20為三相(u相、v相、w相)無刷dc電動機的情況下，pwm控制單元105和逆變器106的詳細結構例如為如圖3所示的結構。也就是說，如圖3所示，pwm控制單元105由佔空比運算單元105a和柵極驅動單元105b構成，其中，佔空比運算單元105a輸入各相載波信號cs，並且，通過使電壓控制值e按照所規定的公式來運算出三個相(u相、v相、w相)的pwm-佔空比指令值d1～d6；柵極驅動單元105b通過pwm-佔空比指令值d1～d6來驅動fet1～fet6的各個柵極以便導通或斷開(on/off)fet1～fet6。另外，逆變器106由由u相的高側fet1和低側fet4構成的上下橋臂、由v相的高側fet2和低側fet5構成的上下橋臂以及由w相的高側fet3和低側fet6構成的上下橋臂所組成的三相電橋構成，其通過基於pwm-佔空比指令值d1～d6來導通或斷開fet1～fet6以便驅動電動機20。還有，電池13經由電源繼電器14對逆變器106進行供電。

在這樣的結構中，儘管需要測量逆變器106的驅動電流或電動機20的電動機電流，但作為控制單元100的小型化、輕量化以及成本降低的要求項目之一，有電流檢測電路的單一化的要求。作為電流檢測電路的單一化，一分流器式電流檢測電路是已知的，一分流器式的電流檢測電路120的結構例如為圖4所示的結構(例如，日本特開2009-131064號公報)。也就是說，一個分流器電阻r1被連接在fet電橋的底部橋臂與接地(gnd)之間，通過運算放大器(差動放大電路)121和電阻r2～r4將電流流過fet電橋時的基於分流器電阻r1的下降的電壓換算成電流值ima，並且，經由由電阻r6和電容器c1構成的濾波器在a/d變換單元122在所規定的定時進行a/d變換，輸出作為數字值的電流值im。此外，經由電阻r5作為基準電壓的2.5v被連接到運算放大器121的正端子輸入。

在通過這樣的一分流器式電流檢測電路來檢測出u相、v相、w相的各相電流的情況下，例如日本特開2010-279141號公報(專利文獻1)所示那樣，採用了這樣的方法，即，進行最大佔空比、中間佔空比以及最小佔空比的判定，對於被移動的載波周期依次進行排序。也就是說，對各個相的佔空比設定值的大小進行比較，決定最大相、中間相以及最小相，以中間相的載波信號的上升的相位y為基準，使最大相的載波信號的上升的相位只超前一定量，並且，使最小相的載波信號的上升的相位只滯後一定量，基於相位互相錯開的各個相的載波信號和各個相的佔空比設定值來生成各相pwm信號，在到中間相的pwm信號以及最小相的pwm信號的各自的上升為止的所規定的區間tu、tw進行電流檢測。通過這樣做，就能夠利用單一的電流檢測電路來檢測出各個相的電動機電流。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2010-279141號公報

專利文獻2：日本特開2006-33903號公報

專利文獻3：日本特開2012-125106號公報

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

在專利文獻1所公開的電動機控制裝置中，當基於電動機的旋轉角度，最大相、中間相、最小相的順序為u相、v相、w相的情況下，pwm的上升的定時如圖5的載波周期tc1以及tc2的範圍所示那樣，按照u相、v相、w相的順序被啟動。然而，在接下來的瞬間，基於轉子的旋轉，當u相、v相、w相的佔空比的大小關係如圖5的載波周期tc3的範圍所示那樣，變成u相為最大相、v相為最小相、w相為中間相的話，則pwm的上升的定時也從u相→v相→w相變化到u相→w相→v相。由於這樣的變化，所以會一時性地發生圖5所示的並非想要的佔空比的變動。

圖6(a)～圖6(j)示出了其動作示例，圖6(a)示出了在時刻t1，v相佔空比指令值的相序從中間相切換到最小相的樣子，圖6(b)示出了基於v相佔空比指令值的v相電流，示出了在時刻t1之後，發生了由於因相切換而發生的一時性的佔空比的變動而造成的電流變動(失真)的樣子。還有，圖6(c)示出了在時刻t1，w相佔空比指令值的相序從最小相切換到中間相的樣子，圖6(d)示出了基於w相佔空比指令值的w相電流，示出了在時刻t1之後，發生了由於相切換而造成的電流變動(失真)的樣子。

就這樣，在時刻t1，由於發生了因切換v相以及w相的相序的pwm切換定時而發生的一時性的佔空比的變動，所以在v相電流以及w相電流發生變動(失真)，如圖6(e)所示那樣，電動機角度發生變動，因此，如圖6(f)所示那樣，電動機角度檢測值發生變動，並且，運算出的電流指令值如圖6(g)所示那樣發生變動。其結果為，如圖6(h)～圖6(j)所示那樣，發生因u相、v相、w相的各相佔空比指令值發生變動而造成的噪音，發生聲音和振動。

如上所述，在pwm相位移動的瞬間，發生基於pwm相位移動的佔空比相序的變動，這樣的佔空比相序的變動引起例如v相電流以及w相電流的變動(失真)，這樣的電流失真引起電動機角度的變動，因此，電動機角度檢測值發生變動，扭矩控制單元以及電流控制單元因響應了這樣的檢測值的變動而作出反應，從而發生電流指令值以及佔空比指令值的變動。其結果為，形成了v相電流以及w相電流更進一步發生變動的一連串的反饋環，引起發生聲音和振動等不良現象。在電動助力轉向裝置中發生聲音和振動的話，則會給駕駛員帶來不舒服的感覺，並使轉向性惡化。

作為解決這樣的問題的方法，可以考慮到通過把發生變動的電動機角度當作噪音並且對其進行一定的濾波處理，以便抑制變動。

然而，作為被疊加在諸如分解器之類的旋轉傳感器的旋轉(角度)信號上的噪聲，一般而言可以考慮到開關噪聲，作為降低這樣的開關噪聲的方法，例如日本特開2006-33903號公報(專利文獻2)所公開那樣，一般而言，通過對分解器輸出信號進行平均化以便降低噪聲的方法是已知的。但是，當使用用來除去如上所述那樣的起因於pwm相位切換的呈階梯狀的噪聲的濾波器的時候，存在不能正確地再生分解器輸出信號本身的可能性，因此，在電動助力轉向裝置的場合，存在會變成對駕駛員來說是不好的轉向性能的問題。

還有，在日本特開2012-125106號公報(專利文獻3)所公開的控制裝置中，通過與旋轉速度相關聯的第一補正和與調製率相關聯的第二補正來實現降低起因於開關噪聲的角度檢測噪聲。然而，在專利文獻3的控制裝置中，因為利用由分解器檢測出的現在值來實施所有的信號處理，所以存在分解器輸出信號本身的變動就那樣會產生影響的問題。

另外，專利文獻2和專利文獻3不但都沒有公開電動機電流的檢測方法，而且還都完全沒有考慮控制單元的小型化、輕量化以及成本降低。

因此，本發明是鑑於上述情況而完成的，本發明的目的在於提供一種電動機控制裝置及搭載了該電動機控制裝置的電動助力轉向裝置，該電動機控制裝置使用廉價、小型的一分流器式電流檢測電路來檢測出電動機電流，並且，即使在pwm相位移動的瞬間發生起因於pwm相位移動的佔空比變動，也不會發生電流指令值以及佔空比指令值的變動，而且也不會產生諸如聲音、振動之類的不舒服的現象。

(二)技術方案

本發明涉及一種電動機控制裝置，其通過控制運算來計算出用於對電動機的電流進行控制的各相佔空比指令值，形成與所述各相佔空比指令值相對應的pwm信號，基於所述pwm信號並通過逆變器來驅動所述電動機，並且，設有用於檢測出所述電動機的電動機角度的旋轉傳感器，本發明的上述目的可以通過下述這樣實現，即：一分流器式電流檢測電路被連接到所述電動機逆變器的電源一側或接地一側，具備比較單元、定時控制單元和電動機角度輸出單元，所述比較單元對所述各相佔空比指令值進行比較並決定大小關係，所述定時控制單元基於所述大小關係以所規定的順序依次啟動所述pwm信號的上升或下降的定時,所述電動機角度輸出單元根據所規定的算法變更所述上升的順序，只在變更了所述上升的順序的定時，基於所述旋轉傳感器的過去值來估計電動機角度估計值，將所述電動機角度估計值作為所述電動機角度並將其輸出。

還有，本發明的上述目的還可以通過下述這樣更有效地實現，即：所述所規定的順序為所述佔空比指令值的最大相、中間相、最小相的順序；或，所述所規定的算法為這樣一種算法，即，在各個相的最大相、中間相、最小相的關係發生了變化的定時，也變更所述上升的順序；或，所述電動機角度輸出單元由相變化檢測單元、存儲單元和電動機角度估計單元構成，所述相變化檢測單元檢測出所述最大相、中間相、最小相的關係的變化，所述存儲單元以所規定的周期存儲來自所述旋轉傳感器的電動機角度，所述電動機角度估計單元基於所述存儲單元的複數個過去值來估計所述電動機角度估計值；或，所述電動機角度估計單元通過線性近似來估計所述電動機角度估計值；或，所述旋轉傳感器為分解器。

通過搭載上述各個電動機控制裝置，可以實現上述目的的電動助力轉向裝置。

(三)有益效果

根據本發明，通過在pwm相位移動的定時，不是使用來自旋轉傳感器(例如分解器)的電動機角度(角度信號)，而是使用被存儲在存儲單元中的複數個上次的值並通過線性近似來估計電動機角度，並且使用估計出的電動機角度估計值，這樣就能夠抑制作為引起諸如聲音、振動之類的不良現象的反饋環中的一個的電動機角度檢測值的變動或使其最小化。

因此，由於伴隨pwm相位切換而產生的電流變動(失真)以及電動機的角度變動不會對電動機角度檢測值造成影響，所以電流指令值變成不傳播電動機角度檢測值的變動的平滑的指令值波形，其結果為，佔空比指令值也可以獲得不會受到上述變動的影響的平滑的指令值波形。因為佔空比指令值變成不會受到電動機角度檢測值的變動的影響的平滑的波形，所以能夠減輕或抑制對電動機控制裝置和電動助力轉向裝置來說是不良且不舒服的現象的發生。

附圖說明

圖1是表示電動助力轉向裝置的概要的結構圖。

圖2是表示控制單元的一般的結構示例的結構框圖。

圖3是表示pwm控制單元以及逆變器的結構示例的接線圖。

圖4是表示一分流器式電流檢測電路的結構示例的接線圖。

圖5是表示變更佔空比指令值的pwm相位的相序的樣子的pwm相位圖。

圖6是表示現有裝置的動作示例的時間關係圖。

圖7是表示本發明的一個實施方式的結構框圖。

圖8是表示本發明的動作示例的流程圖。

圖9是表示電動機角度估計的動作示例的流程圖。

圖10是表示本發明的效果的特性圖。

具體實施方式

在本發明的電動機控制裝置(電動助力轉向裝置)中，在逆變器與電源之間，或者，在逆變器與接地(gnd)之間，設有單一的電流檢測迴路(一分流器式電流檢測電路)。並且，對各個相的佔空比指令值的大小進行比較，決定最大相、中間相以及最小相，以中間相的載波信號的上升的相位為基準，使最大相的載波信號的上升的相位只超前一定量，並且，使最小相的載波信號的上升的相位只滯後一定量，基於相位互相錯開的各個相的載波信號和各個相的佔空比指令值來生成各相pwm信號，在到中間相的pwm信號以及最小相的pwm信號的各自的上升為止的所規定的區間進行電流檢測，以便能夠通過一分流器式電流檢測電路來可靠地檢測出u相、v相、w相的各相電動機電流。

在本發明中，通過檢測出佔空比模式的相序的切換，只在被檢測出來的相序切換的定時使用基於在即將檢測出相序切換之前的複數個存儲值(電動機角度)估計出的電動機角度估計值，而不是使用由分解器等檢測出的電動機角度(角度信號)，這樣就可以不需要通過特別的濾波器，卻能夠防止或抑制起因於相序切換的定時的電動機角度檢測值的變動的佔空比指令值的變動。在佔空比模式的相序切換的定時之外的期間，原封不動地使用由分解器等檢測出的電動機角度。

下面，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。

與圖2相對應的圖7示出了本發明的一個實施方式的結構。如圖7所示，具備佔空比設定單元130、比較單元131和定時控制單元132，其中，佔空比設定單元130基於來自電流控制單元104的電壓控制值e和載波信號cs設定與各個相的pwm信號的佔空比相對應的佔空比指令值ds；比較單元131對由佔空比設定單元130設定的各個相的佔空比指令值ds進行比較，決定佔空比指令值ds的大小為最大的最大相、佔空比指令值ds的大小為中間的中間相以及佔空比指令值ds的大小為最小的最小相，輸出大小關係信號sr；定時控制單元132基於來自比較單元131的大小關係信號sr和載波信號cs以所規定的順序，例如，以佔空比指令值ds的最大相→中間相→最小相的順序啟動三個相的pwm信號的上升或下降的定時,經由逆變器106輸出用來驅動電動機20的pwm信號ps。

還設有相變化檢測單元142、存儲單元141和電動機角度估計單元140，其中，相變化檢測單元142檢測出從定時控制單元132輸出的三個相的pwm信號ps的上升的順序發生了變化，當發生了變化的時候，輸出相變化信號pc；存儲單元141以所規定的周期存儲來自分解器21的電動機角度θ；電動機角度估計單元140隻在相變化信號pc從相變化檢測單元142被輸出的時候，從存儲單元141中讀取過去複數次的存儲角度數據θm，通過線性近似來估計電動機角度，輸出電動機角度估計值θe。

當相變化信號pc沒有從相變化檢測單元142被輸出的時候，分解器21的電動機角度θ原封不動地作為電動機角度估計值θe被輸出。也就是說，當相變化信號pc沒有被輸出的時候，電動機角度估計值θe＝電動機角度θ成立。還有，由扭矩控制單元110計算出的電流指令值iref2被輸入到減法單元103中，作為電流指令值iref2與由一分流器式電流檢測電路120檢測出的電動機電流im之間的偏差的電流指令值iref3被輸入到電流控制單元104中。

此外，因為來自分解器21的輸出為模擬信號，所以存儲單元141實際上是以所規定的採樣周期將通過a/d變換器或類似裝置進行a/d變換後得到的數字值作為電動機角度θ存儲起來。還有，電動機角度估計單元140、存儲單元141和相變化檢測單元142構成電動機角度輸出單元。

在這樣的結構中，參照圖8的流程圖對其動作示例進行說明。在本流程圖中，只對與本發明相關聯的部分進行說明。

首先，佔空比設定單元130輸入由電流控制單元104運算出的電壓控制值e和由載波信號生成單元107生成的載波信號cs(步驟s1)，設定與各個相的pwm信號的佔空比相對應的佔空比指令值ds(步驟s2)。由佔空比設定單元130設定的佔空比指令值ds被輸入到比較單元131中，比較單元131對各個相的佔空比指令值ds進行比較，決定佔空比指令值ds的大小為最大的最大相、佔空比指令值ds的大小為中間的中間相以及佔空比指令值ds的大小為最小的最小相，輸出大小關係信號sr(步驟s3)。

定時控制單元132輸入來自比較單元131的大小關係信號sr，以所規定的順序依次啟動三個相的pwm信號的上升(或下降)的定時(步驟s4)。所規定的順序例如為佔空比指令值ds的最大相→中間相→最小相的順序，或者，最小相→中間相→最大相的順序等。定時控制單元132輸出被控制了定時的pwm信號ps(步驟s5)，通過pwm信號ps並經由逆變器106來驅動電動機20(步驟s10)。

通過一分流器式電流檢測電路120如上所述那樣檢測出電動機20的各相電動機電流(步驟s11)，檢測出的電動機電流檢測值im被反饋到減法單元103。還有，通過分解器21檢測出電動機角度θ(步驟s12)，檢測出的電動機角度θ以所規定的採樣周期被存儲在存儲單元141中(步驟s13)。

另一方面，相變化檢測單元142基於pwm信號ps檢測出是否上升的順序被變更並且有相變化(步驟s14)，當檢測出相變化的時候，輸出相變化信號pc。相變化信號pc被輸入到存儲單元141以及電動機角度估計單元140中，電動機角度估計單元140從存儲單元141中讀取在即將輸入相變化信號pc之前的複數個過去的電動機角度θm，通過基於複數個電動機角度θm的線性近似來估計出電動機角度θe(步驟s20)。電動機角度估計單元140輸出估計出的電動機角度估計值θe(步驟s30)。此外，當相變化信號pc沒有從相變化檢測單元142被輸出的時候，由分解器21檢測出的電動機角度θ原封不動地作為電動機角度估計值θe(＝θ)被輸出。

圖9的流程圖示出了上述步驟s20的電動機角度估計的詳細內容。如圖9所示，當輸入了來自相變化檢測單元142的相變化信號pc的時候(步驟s21)，從存儲單元141中讀取複數次過去的存儲值(電動機角度θm)(步驟s22)。電動機角度估計單元140使用讀取出來的複數次過去的存儲值並且通過公知的線性近似運算來估計出電動機角度(步驟s23)，輸出估計出的電動機角度估計值θe(步驟s24)。

與圖6相比較，圖10示出了本發明的效果。在本發明中，即使電動機角度θ起因於相變化如圖10(e)所示那樣發生了變動，當如圖10(a)以及圖10(c)所示那樣發生了相變化的時候，基於由相變化檢測單元142檢測出的相變化信號pc，電動機角度估計單元140基於電動機角度θ的過去值θm並通過線性近似或對數近似等如圖10(f)所示那樣來估計出電動機角度，在控制運算中使用這個被估計出來的電動機角度估計值θe。因此，如圖10(g)～圖10(j)所示那樣，電流指令值以及各相佔空比指令值沒有發生變動，並且，能夠輸出平滑的電流指令值以及各相佔空比指令值。

附圖標記說明

1轉向盤(方向盤)

10扭矩傳感器

12車速傳感器

13電池

20電動機

21分解器

22角速度運算單元

100控制單元(ecu)

101電流指令值運算單元

102最大輸出限制單元

104電流控制單元

105pwm控制單元

105a佔空比運算單元

105b柵極驅動單元

106逆變器

107載波信號生成單元

120一分流器式電流檢測電路

130佔空比設定單元

131比較單元

132定時控制單元

140電動機角度估計單元

141存儲單元

142相變化檢測單元。