电动机的控制方法及电动机系统

技术领域

本发明涉及一种电动机的控制方法及电动机系统。

背景技术

近年来的电动机通过脉冲宽度调制来控制其动作。另外，有时在将脉冲宽度调制的调制因数设定为大于1的值的过调制状态下，控制电动机。过调制状态通过增大调制因数，成为从逆变器施加给电动机的电压的波形实质上成为矩形波的矩形波状态。

在过调制状态下，从逆变器向电动机供给的电力的电压定额成为饱和的状态，因此实质上从逆变器施加给电动机的电压的相位是能够控制的参数。另一方面，在调制因数为1以下的非过调制状态下，能够控制电压定额和电压相位两者。因此，与在非过调制状态下控制电动机的情况相比，在过调制状态下控制电动机时，电动机的控制性降低。其结果是，例如在电动机的转速骤变时，有时会在电动机中流过过电流。

这样，已知有防止电动机的转速骤变时产生的过电流的技术。例如，在JP2006－320039A中公开了如下内容：在过调制状态下控制电动机时，检测电动机的转速，并根据检测出的电动机的转速，修正从逆变器施加给电动机的电压。

JP2006－320039A所记载的电动机的控制方法，通过如上述那样根据电动机的转速来修正施加给电动机的电压，从而在过调制状态下电动机的转速骤变时适当地控制流过电动机的电流量。

但是，在该控制方法中，没有考虑在检测转速，之后根据检测出的电动机的转速对电动机施加电压之前的期间产生的响应延迟。因此，在该控制方法中，在过调制状态下电动机的转速骤变时，依然存在电动机中产生过电流的情况。另外，为了可靠地防止过电流，如果对施加给电动机的电压进行过度的补偿，则在电动机的转速骤变的情况以外的通常状况下，施加给电动机的电压不足。因此，在JP2006－320039A所记载的电动机的控制方法中，有时无法适当地控制电动机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动机的控制方法以及电动机系统，通过考虑在对电动机施加电压之前的期间产生的响应延迟，即使在过调制状态下也能够适当地控制电动机。

本发明的一方式的电动机的控制方法是通过基于表示应供给电动机的电压的大小的电压定额(voltage norm)指令值和表示该电压的相位的电压相位指令值进行的电压相位控制控制电动机的电动机的控制方法。在该电动机的控制方法中，获取按照用于使用与电动机的转速相关的转速参数来运算通过电压相位控制施加给电动机的电压的最终指令值的指令值运算模型进行运算时所需要的所需时间。并且，检测转速参数，并基于所需时间变更所检测出的转速参数。之后，通过使用变更后的转速参数执行指令值运算，而运算最终指令值。

附图说明

图1是表示第一实施方式的电动机系统的结构的块图。

图2是表示电流矢量控制部中用于生成电流矢量控制中的d轴电压指令值的部分结构的块图。

图3是表示电压相位控制部的结构的块图。

图4是用于表示电压相位控制中的电压相位范围的设定的曲线图。

图5是表示相位变更部的结构的块图。

图6是表示切换判定部的结构的块图。

图7是表示控制模式判定部的控制模式的判定方法的说明图。

图8是表示输出控制器的结构的块图。

图9是本实施方式的电动机控制的流程图。

图10是电压相位控制的流程图。

图11是表示(A)电角速度、(B)电角加速度、(C)流过电动机的电流、(D)施加在电动机上的电压的曲线图。

图12是表示变形例中的相位变更部的结构的块图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示第一实施方式中的电动机系统的结构的块图。如图1所示，电动机系统100包含：作为控制对象的电动机9；控制电动机9的电路类；检测电动机9的控制所需的参数的检测器；以及蓄电池15。具体地，电动机系统100具备：电流矢量控制部1、电压相位控制部2、输出控制器3、变换器4、脉冲宽度调制信号生成器5以及逆变器6。进而，电动机系统100还具备蓄电池电压检测器7、电流检测器8、转子检测器10、转速运算器11、变换器12以及控制模式切换判定部13等。

构成电动机系统100的各部分中、除了电动机9以外的部分是构成为控制电动机9的电动机9的控制装置。蓄电池电压检测器7、电流检测器8以及转子检测器10是检测电动机9的控制所需的参数的检测器。电流矢量控制部1、电压相位控制部2以及控制模式切换判定部13构成控制器(控制部)。控制器例如是由中央运算装置(CPU)、读出专用存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)等构成的计算机。控制器构成为决定电动机9的控制模式，根据需要变更电动机9的控制模式，以决定等的控制模式控制电动机9的动作。另外，控制器被编程为每隔规定的运算周期执行用于实现它们的处理。另外，上述控制器、输出控制器3、变换器4、脉冲宽度调制信号生成器5、逆变器6、转速运算器11以及变换器12是控制电动机系统100的电路类。

另外，本实施方式的电动机9是具有多相绕组的IPM(Interior PermanentMagnet：嵌入磁铁型)型同步电动机。在本实施方式中，电动机9的绕组是U相、V相以及W相这三相。即，电动机9是三相同步电动机。另外，电动机9由脉冲宽度调制控制驱动。另外，电动机系统100例如组装在汽车等中。而且，在组装有电动机系统100的汽车中，电动机9能够作为该汽车的驱动力源和/或发电机发挥功能。

电流矢量控制部1执行电流矢量控制。电流矢量控制是电动机9的控制模式之一。在电流矢量控制中，控制与对电动机9供给的电流相关的矢量(以下称为电流矢量)。在电流矢量控制中，电流矢量被调整为使电动机9产生的扭矩收敛于其目标值(以下称为扭矩目标值T*)。

更具体地，电流矢量控制部1接收扭矩目标值T*、电动机9的转速N[rpm]、蓄电池15的直流电压V

另外，d轴电压指令值V

另外，电流矢量控制部1在d轴电压指令值V

此外，关于电流矢量控制部1的具体结构、以及电流矢量控制中的d轴电压指令值V

电压相位控制部2执行电压相位控制。电压相位控制是电动机9的控制模式之一。在电压相位控制中，控制向电动机9的各相间供给的电压(以下称为相间电压)的相位。在电压相位控制中，相间电压的相位被调整为使电动机9产生的扭矩收敛于扭矩目标值T*。

更具体地，电压相位控制部2接收扭矩目标值T*、电动机9的转速N、蓄电池15的直流电压V

另外，d轴电压指令值V

向输出控制器3输入电流矢量控制中的d轴电压指令值V

变换器4将dq轴坐标系中的电压指令值变换为UVW三相的坐标系中的电压指令值。即，变换器4将d轴最终电压指令值V

(数式1)：

脉冲宽度调制信号生成器5基于三相电压指令值和蓄电池15的直流电压V

逆变器6基于PWM信号，将蓄电池15的直流电压V

蓄电池电压检测器7检测与逆变器6连接的蓄电池15的电压。在本实施方式中，蓄电池电压检测器7检测蓄电池15的直流电压V

电流检测器8检测从逆变器6供给到电动机9的电流。在本实施方式中，电流检测器8检测三相交流电流(i

转子检测器10检测电动机9的电角度θ。检测出的电角度θ分别输入到变换器4和变换器12。另外，电角度θ被输入到转速运算器11。

转速运算器11基于电角度θ在单位时间Δt

变换器12使用转子检测器10检测出的电角度θ，将电流检测器8检测出的三相交流电流变换为dq轴坐标系中的电流。在本实施方式中，电流检测器8检测U相的交流电流i

(数式2)：

/>

控制模式切换判定部13根据电动机9的运转状态(所谓的动作点或运转点)，判定适合于该运转状态的电动机9的控制模式。表示电动机9的运转状态的参数例如是d轴电流i

如上所述，电动机系统100是通过脉冲宽度调制控制来驱动电动机9的系统。另外，电动机系统100根据电动机9的运转状态，在电流矢量控制和电压相位控制之间适当切换电动机9的控制模式。

以下，对电动机系统100的各部分的具体结构等进行详细说明。

(电流矢量控制)

图2是表示电流矢量控制部1中用于生成电流矢量控制中的d轴电压指令值V

非干扰电压运算部21基于扭矩目标值T*、转速N、蓄电池15的直流电压V

在非干扰电压运算部21中例如存储有非干扰表(未图示)。非干扰表是针对电动机9的每个运转状态预先将非干扰电压V

LPF22是考虑到干扰电压依赖于电流量的情况的低通滤波器。LPF22的时间常数被设定为确保作为目标的d轴电流的响应性。由LPF22处理后的非干扰电压V

电流目标值运算部23基于扭矩目标值T*、转速N、蓄电池15的直流电压V

在电流目标值运算部23中例如存储有电流表(未图示)。电流表是对电动机9的每个运转状态(动作点)预先对应d轴电流目标值i

减法器24运算d轴电流偏差。d轴电流偏差是d轴电流的目标值与实际的检测值的偏差。在本实施方式中，减法器24通过从d轴电流目标值i

PI控制部25通过反馈d轴电流偏差的PI(Proportional－Integral：比例-积分)控制，运算d轴用的电流反馈电压指令值V

(数式3)：

如下式(4)所示，加法部26通过将由LPF22处理后的非干扰电压V

(数式4)：

V

如上所述，电流矢量控制部1通过反馈d轴电流i

另外，这里说明了电流矢量控制部1的具体结构中的、生成电流矢量控制中的d轴电压指令值V

(电压相位控制)

图3是表示电压相位控制部2的结构的块图。电压相位控制部2包含：(a)电压定额决定部、(b)电压相位决定部和(c)电压指令值计算部。

(a)电压定额决定部构成为，在电压相位控制中决定供给电动机9的电力的电压定额。具体地，电压定额决定部由图3所示的电压定额指令值生成部、磁通反馈控制部、电压定额合成部40及电压定额限制部41构成。具体地，电压定额指令值生成部由图3所示的电压定额上限值计算部31、相位变更部32、感应电压运算部33和前馈电压定额指令值运算部34构成。另外，具体地，磁通反馈控制部由图3所示的参考电流计算部35、磁通运算部36、磁通推定部37、磁通偏差运算部38以及PI控制部39构成。

(b)电压相位决定部构成为，在电压相位控制中决定施加给电动机9的电压的相位。具体地，电压相位决定部由图3所示的电压相位指令值生成部42、扭矩反馈控制部、相位合成部47以及相位限制部48构成。具体地，扭矩反馈控制部由图3所示的参考扭矩生成部43、扭矩推定部44、扭矩偏差运算部45以及PI控制部46构成。

(c)电压指令值计算部计算电压相位控制中的d轴电压指令值V

(a－1)电压定额指令值生成部

电压定额指令值生成部通过前馈控制生成前馈电压定额指令值(以下称为FF电压定额指令值V

FF电压定额指令值V

在调制因数M为1以下的非过调制状态(通常的脉冲宽度调制状态)下，相关电压的基波分量成为模拟正弦波。另外，调制因数M的下限为0。

另一方面，在调制因数M超过1的过调制状态下，在基波分量的最大值和最小值的周围，逆变器6的功率元件不进行开关动作。因此，在过调制状态下，相关电压的波形成为基波分量的最大值和最小值的周围被去除的波形。另外，在过调制状态下，相关电压的波形包含高次谐波分量。而且，在过调制状态下，当调制因数M例如为约1.1以上时，则相关电压的波形实质上成为矩形波。即，极限地，过调制状态包含相关电压的波形实质上成为矩形波的矩形波状态。

如上所述，电压定额指令值生成部由电压定额上限计算部31、相位变更部32、感应电压运算部33和前馈电压定额指令值运算部34构成。

电压定额上限值计算部31基于蓄电池15的直流电压V

相位变更部32变更电角速度ω

感应电压运算部33使用后述的参考磁通定额φ

前馈电压定额指令值运算部34使用电压定额上限值V

(a－2)磁通反馈控制部

如上所述，磁通反馈控制部由参考电流计算部35、磁通运算部36、磁通推定部37、磁通偏差运算部38以及PI控制部39构成。另外，磁通反馈控制部作为整体，基于供给电动机9的电流，运算表示电动机9中产生的磁通的磁通状态量。电动机9中产生的磁通是将电动机9所具备的永久磁铁的磁通(以下称为磁铁磁通)Φ

参考电流计算部35使用d轴电流目标值i

磁通运算部36基于d轴参考电流i

(数式5)：

另外，磁铁磁通Φ

磁通推定部37基于作为检测值的d轴电流i

(数式6)：

磁通偏差运算部38运算磁通偏差φ

PI控制部39通过PI控制来计算反馈电压定额指令值(以下称为FB电压定额指令值)V

(数式7)：

(a－3)电压定额合成部

电压定额合成部40通过将FB电压定额指令值V

另外，如上所述，磁通偏差φ

(a－4)电压定额限制部

电压定额限制部41将电压定额指令值V

(b－1)电压相位指令值生成部

电压相位指令值生成部42通过前馈控制，根据电动机9的运转状态，生成前馈电压相位指令值(以下称为FF电压相位指令值)α

(b－2)扭矩反馈控制部

如上所述，扭矩反馈控制部由参考扭矩生成部43、扭矩推定部44、扭矩偏差运算部45以及PI控制部46构成。扭矩反馈控制部作为整体而计算出反馈电压相位指令值(以下称为FB电压相位指令值)α

参考扭矩生成部43使用扭矩目标值T*，生成表示电动机9中的扭矩的目标响应的参考扭矩T

扭矩推定部44计算扭矩推定值T

扭矩偏差运算部45运算扭矩偏差T

PI控制部46使用扭矩偏差T

(数式8)：

(b－3)相位合成部

相位合成部47通过将FB电压相位指令值α

(b－4)相位限制部

相位限制部48将电压相位指令值α*限制在规定的电压相位范围内(电压相位限制处理)。规定的电压相位范围是从相对于电压相位的规定的下限值(以下称为电压相位下限值)α

(c－1)矢量变换部

矢量变换部49按照下述的式(9)，将电压定额指令值V

(数式9)：

稳定滤波器50使用上述的d轴电压指令值V

(数式10)：

另外，式(10)中的“k

(数式11)：

由式(10)可知，在稳定滤波器50中，d轴电流i

如上所述，电压相位控制部2变更电压相位指令值α*，以使扭矩偏差T

另外，如上所述，电压相位控制部2按照用于使用与电动机9的转速N相关的旋转参数(电角速度ω

与该“指令值运算模型”对应的所需时间T

(电压相位上限值和电压相位下限值的设定)

图4是用于表示电压相位控制中的电压相位范围的设定的曲线图。如图4所示，在某电动机中，维持电压相位α与扭矩T的相关性的大致是电压相位α为－105度到+105度的范围。此时，电压相位上限值α

(相位变更部的结构及相位变更的方法)

图5是表示相位变更部32的结构的块图。如图5所示，相位变更部32具备：加速度运算部51、变更限制部52、相位变更量运算部53、加法部54以及最终限制部55。

加速度运算部51针对时间对电角速度ω

变更限制部52是基于电角加速度A

另外，在判定为电角加速度A

相位变更量运算部53使用变更限制部52的输出，计算出电角速度ω

在本实施方式中，相位变更量运算部53通过对变更限制部52的输出乘以所需时间T

另外，在本实施方式中，如上所述，转速运算器11通过运算单位时间Δt

(数式12)：

通过这样设定所需时间T

加法部54将相位变更量ω

最终限制部55由以作为加法部54的输出的相位变更后的电角速度∣ω

如上所述，相位变更部32获取通过电压相位控制的指令值运算计算出最终指令值(d轴电压指令值V

(输出控制器的具体结构以及控制模式信号的生成)

图6是表示控制模式切换判定部13的结构的块图。如图6所示，控制模式切换判定部13具备：第一定额阈值运算部94、第二定额阈值运算部95、平均滤波器96、平均滤波器97、定额运算部98和控制模式判定部99。

第一定额阈值运算部94基于第一调制因数阈值M

第二定额阈值运算部95基于第二调制因数阈值M

(数式13)：

另外，在本实施方式中，调制因数M的上限值M

(数式14)：

M

另外，调制因数M的上限值M

平均滤波器96通过对d轴最终电压指令值V

平均滤波器97通过对q轴最终电压指令值V

定额运算部98按照下述的式(15)，使用平均d轴最终电压指令值V

(数式15)：

另外，输出控制器3有时输出电压相位控制的d轴电压指令值V

控制模式判定部99使用第一定额阈值V

图7是表示控制模式判定部99的控制模式的判定方法的说明图。如图7所示，控制模式判定部99对平均电压定额指令值V

(输出控制器的具体结构)

图8是表示输出控制器3的结构的块图。如图8所示，是根据控制模式信号Sm切换电流矢量控制和电压相位控制的开关。在基于控制模式信号Sm将控制模式设定为电流矢量控制时，输出控制器3将电流矢量控制的d轴电压指令值V

(本实施方式的作用)

以下，对如上所述构成的本实施方式的电动机系统100及电动机9的作用进行说明。

图9是本实施方式中的电动机控制的流程图。如图9所示，首先，在步骤S101中，通过电流检测器8检测电动机9的三相交流电流，检测出的三相交流电流通过变换器12的坐标变换处理被变换为d轴电流i

如上述获取了各种参数后，在步骤S104中，由控制模式切换判定部13进行控制模式切换判定。在步骤S105中，当控制模式切换判定的结果判定为以电流矢量控制来控制电动机9时，执行步骤S106以后的步骤。在步骤S106中，通过电流矢量控制部1计算出d轴电流目标值i

这样运算出电流矢量控制中的d轴电压指令值V

另一方面，若步骤S104的控制模式切换判定的结果是判定为在步骤S105中电动机9的运转状态不适于电流矢量控制，则在步骤S111中执行电压相位控制。

图10是电压相位控制的流程图。如图10所示，在电压相位控制中，在步骤S201中执行电角速度ω

然后，在步骤S204中，根据相位变更处理后的电角速度∣ω

接着，通过将FF电压定额指令值V

在步骤S209中，当在电压定额限制处理中电压定额指令值V

另一方面，在步骤S211中，计算出FB电压相位指令值α

在步骤S215中，矢量变换部49将电压定额指令值V

如上所述，在本实施方式的电压相位控制中，根据运转状态，有时在过调制状态下控制电动机9。另外，当检测出转速N时，转速N被变换为电角速度ω

图11是表示(A)电角速度ω

如图11(A)所示，对检测出的转速N进行变换而得到的电角速度ω

如图11(B)中的点划线所示，由于转速N从时刻t1起骤减，电动机9的实际的电角加速度(以下称为实际角加速度)202在时刻t1阶梯状地减少。此时，如图11(B)中实线所示，对电角速度ω

于是，在本实施方式的电压相位控制中，考虑所需时间T

若如上所述变更电角速度ω

另外，如图11(D)的曲线GV1所示，在不进行相位变更，直接使用检测出的电角速度ω

另外，相位变更处理包含在电压相位控制中。即，不是对电压相位控制的指令值运算的结果施加变更，而是电压相位控制在包含相位变更处理的状态下适当地调节施加给电动机9的电压。因此，在图11中说明了转速N骤减时的各参数的推移，但在转速N缓慢变化时，当然能够通过电压相位控制适当地控制电动机9而不会发生电压过与不足等。

另外，在本实施方式中进行的电角速度ω

另外，在上述实施方式中，在电压相位控制的指令值运算中使用了电角速度ω

在上述实施方式中，使用与转速N的检测相关的浪费时间和稳定滤波器50的时间常数τ

此外，上述实施方式中的各种常数均可以变更为变量。例如，能够根据电流、转速N、扭矩、电压或温度等与电动机9或逆变器6的运转状态相关的各种参数，使上述实施方式中的各种常数可变。在过电流引起的硬件故障等风险高的情况下，可以使各种常数可变，以使上述实施方式的相位变更的校正量变大。

另外，在上述实施方式中，在变更限制部52中将电角加速度A

另外，若将阈值A

在上述实施方式中，在变更限制部52中将电角加速度A

进而，如上所述，在省略变更限制部52，使相位变更量运算部53根据电角加速度A

例如，可以设定“电角加速度A

另外，例如，可以设定“电角加速度A

如上所述，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法，是通过基于表示应供给电动机9的电压的大小的电压定额指令值V

由此，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法在通过电压相位控制在过调制状态下控制电动机9时，能够适当地控制电动机9。即，在电动机9的转速N骤减的情况下防止过电流。另外，转速参数的变更不是变更指令值运算模型、或者按照指令值运算模型运算出的最终指令值。即，指令值运算模型包含转速参数的变更，设定为也包含转速参数的变更而运算适当的最终指令值。因此，在电动机9的转速N缓慢增减的情况下，施加给电动机9的电压不会产生过与不足。

另外，在本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法中，具体地，通过检测转速N，并基于转速N计算出电角速度ω

这样，作为转速参数检测电角速度ω

另外，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法，具体地，变更电角速度ω

另外，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法基于所需时间T

另外，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法使转速N的绝对值减少时的转速参数(电角速度ω

另外，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法具体地，计算出转速参数(电角速度ω

本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法计算出转速参数(电角速度ω

另外，本实施方式和/或变形例的电动机9的控制方法，在不超过每所需时间T

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但在上述实施方式及各变形例中说明的结构只不过表示本发明的应用例的一部分，并不是限定本发明的技术范围的意思。