專利名稱：交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制裝置和驅(qū)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制裝置和驅(qū)動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
為了從電動(dòng)機(jī)輸出所給予的指令扭矩而控制向電動(dòng)機(jī)施加的電壓的技術(shù)是公知的。例如在日本特許公開公報(bào)2001-28892號、2000-50689號中，公開了一種對電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩值進(jìn)行反饋，計(jì)算使輸出扭矩值和指令扭矩值之間的偏差消除的電壓相位的驅(qū)動(dòng)控制裝置。而且在日本特許公開公報(bào)2001-28892號中，根據(jù)由檢測器所檢測到的各相電流值、指令電壓值、角速度而獲得輸出扭矩值。在日本特許公開公報(bào)2000-50689號中，由扭矩傳感器獲得輸出扭矩值。
而且在日本特許公開公報(bào)10-14273號中，公開了一種以能夠輸出指令扭矩值的方式對逆變器的相位角度進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)的控制裝置。該控制裝置分別根據(jù)輸出扭矩值和指令扭矩值之間的偏差值獲得扭矩補(bǔ)正角、利用模仿了電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)模型和指令扭矩值獲得相對于電壓矢量的磁通(量)軸向的角度(電壓矢量角度)。而且根據(jù)所獲得的扭矩補(bǔ)正角和電壓矢量角度等來計(jì)算逆變器的相位。
通常，在輸出扭矩的檢測過程中設(shè)置有除去噪音的低通濾波器。特別是在根據(jù)各相電流值的檢測值計(jì)算輸出扭矩值時(shí)，由于在電流的檢測值中包含有高諧波成分，所以必須由低通濾波器除去噪音。然而在使用低通濾波器時(shí)，在所獲得的輸出扭矩值上產(chǎn)生時(shí)間延遲，使扭矩響應(yīng)性變差。因而在像日本特許公開公報(bào)2001-28892號、2000-50689號中所說明的驅(qū)動(dòng)控制裝置那樣，在僅對輸出扭矩進(jìn)行反饋的控制裝置內(nèi)，存在電動(dòng)機(jī)的扭矩響應(yīng)性低的問題。
日本特許公開公報(bào)10-14273號的控制裝置兼用反饋控制和正饋控制，存在降低輸出扭矩的時(shí)間延遲的影響的可能性。但是，在日本特許公開公報(bào)10-14273號中，從扭矩指令值計(jì)算電壓矢量角度。即，說可將該電壓矢量稱作不考慮電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)量的參數(shù)。因而，在指令扭矩值階梯狀變化時(shí)，電壓矢量角度也階梯狀變化，存在電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩過調(diào)整(才一バ一シヨ一ト)的問題。即，在現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，由于響應(yīng)性低下和過調(diào)整的原因，存在控制誤差特別是過渡區(qū)域中的控制誤差大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，提供一種能夠進(jìn)一步降低控制誤差的驅(qū)動(dòng)控制裝置和驅(qū)動(dòng)控制方法。
本發(fā)明的控制裝置是一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，具有對從交流電動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際扭矩值進(jìn)行檢測的實(shí)際扭矩值檢測單元；根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算推定扭矩值的推定扭矩值計(jì)算單元；電壓相位計(jì)算單元，它是根據(jù)實(shí)際扭矩值、推定扭矩值和給予的指令扭矩值來計(jì)算電壓相位的電壓相位計(jì)算單元，它按照規(guī)定比率對基于在電壓相位計(jì)算過程中所算出的實(shí)際扭矩值的實(shí)際參數(shù)和基于推定扭矩值的推定參數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，并基于由此所獲得的數(shù)值計(jì)算電壓相位。
本發(fā)明的另一控制裝置是一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，具有根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型以及逆變器輸出電壓計(jì)算推定扭矩值的推定扭矩值計(jì)算單元；根據(jù)所算出的推定扭矩值和給予的指令扭矩值計(jì)算指令電壓的電壓相位的電壓相位計(jì)算單元。
本發(fā)明的另一驅(qū)動(dòng)控制方法是一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于，具有對從交流電動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際扭矩值進(jìn)行檢測的實(shí)際扭矩值檢測步驟(工序)；根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型，計(jì)算推定扭矩值的推定扭矩值計(jì)算步驟；和電壓相位計(jì)算步驟，是根據(jù)實(shí)際扭矩值、推定扭矩值和給予的指令扭矩值而計(jì)算指令電壓的電壓相位的電壓相位計(jì)算步驟，按照規(guī)定比率對基于在電壓相位的計(jì)算過程中所算出的實(shí)際扭矩值的實(shí)際參數(shù)和基于推定扭矩值的推定參數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，并基于由此所獲得的數(shù)值計(jì)算電壓相位。


圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例即驅(qū)動(dòng)控制裝置的基本結(jié)構(gòu)的視圖；圖2是圖1中電壓相位計(jì)算部的詳細(xì)視圖；圖3是示出電壓相位計(jì)算部的其它結(jié)構(gòu)的視圖；圖4是示出電壓相位計(jì)算部的其它結(jié)構(gòu)的視圖；圖5是示出驅(qū)動(dòng)控制裝置的更具體結(jié)構(gòu)的視圖；圖6是示出加法運(yùn)算部的其它結(jié)構(gòu)的視圖；圖7是示出實(shí)際扭矩值檢測部的其它結(jié)構(gòu)的視圖；圖8是示出實(shí)際扭矩值檢測部的其它結(jié)構(gòu)的視圖；圖9是示出驅(qū)動(dòng)控制裝置的更具體結(jié)構(gòu)的視圖；圖10是示出扭矩值推定結(jié)果的曲線圖；圖11是示出其它實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)的視圖；圖12A是示出將矩形電壓輸入推定扭矩值計(jì)算部中時(shí)的扭矩推定結(jié)果的曲線圖；圖12B是示出將正弦波電壓輸入推定扭矩值計(jì)算部中時(shí)的扭矩推定結(jié)果的曲線圖；圖13A是示出使用正弦波電壓進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制的結(jié)果的曲線圖；圖13B是示出使用矩形電壓進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制的結(jié)果的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下文參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。圖1是示出本發(fā)明實(shí)施例的交流電動(dòng)機(jī)(モ一タ)12的驅(qū)動(dòng)控制裝置10的基本結(jié)構(gòu)的視圖。而且在圖1中示出的各個(gè)部分的輸入輸出關(guān)系僅是一個(gè)代表性的示例，也可以是圖示之外的輸入輸出關(guān)系。
由于該驅(qū)動(dòng)控制裝置10通過矩形電壓對進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)12進(jìn)行控制，計(jì)算出與給予的指令扭矩值T*對應(yīng)的電壓相位φv，向交流電動(dòng)機(jī)12施加對應(yīng)于該電壓相位φv的矩形電壓。
逆變器14連接到交流電動(dòng)機(jī)12上。逆變器14接收來自圖中未示出的電源的電力供給，使電流流經(jīng)交流電動(dòng)機(jī)12的U、V、W各相的定子線圈。將電流傳感器28設(shè)置在從逆變器14向交流電動(dòng)機(jī)12供給電力的線路上，以檢測出目前供給到交流電動(dòng)機(jī)12的各相線圈的電流值。將矩形波發(fā)生部16連接到逆變器14上。矩形波發(fā)生部16按每一相產(chǎn)生矩形電壓的SW信號，由該SW信號使該逆變器14被轉(zhuǎn)換(開關(guān)，スイツチング)控制。
矩形波發(fā)生部16，根據(jù)在下述電壓相位計(jì)算部24所求得的電壓相位φv以及從與交流電動(dòng)機(jī)12相鄰設(shè)置的解算器(レゾルバ)26的輸出也就是轉(zhuǎn)子角度θ，對SW信號的相位進(jìn)行控制。
實(shí)際扭矩值檢測部20對從電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出的扭矩值即實(shí)際扭矩值T進(jìn)行檢測。實(shí)際扭矩值T的檢測可以采用各種方式。在優(yōu)選的方式中，根據(jù)由電流傳感器28檢測的電流值，來計(jì)算實(shí)際扭矩值T。例如，由檢測電流值和指令電壓值的乘積和(稹和)計(jì)算供給電力(電功率)，將其除以角速度所得的值作為實(shí)際扭矩值T。而且作為其它方法，可以根據(jù)檢測電流值，計(jì)算磁力扭矩和電感扭矩，將它們的和作為實(shí)際扭矩值T。作為其它方式，也可以在交流電動(dòng)機(jī)12上設(shè)置扭矩傳感器，將扭矩傳感器的輸出值作為實(shí)際扭矩值T。
在實(shí)際扭矩值檢測部20中，在實(shí)際扭矩值T的檢測過程中，由低通濾波器除去噪音。這是由于在從交流電動(dòng)機(jī)12檢測出的檢測值中包含噪音。特別是由于在電流傳感器28檢測到的電流值中包含高頻成分，在根據(jù)檢測電流值計(jì)算實(shí)際扭矩值T時(shí)，低通濾波器是不可缺少的。噪音的除去可以對檢測電流值直接進(jìn)行，也可以對從檢測電流值計(jì)算出的實(shí)際扭矩值T進(jìn)行。
通常在低通濾波器中存在一定的時(shí)間常數(shù)。因此，在通過了低通濾波器的實(shí)際扭矩值T中，總是存在對應(yīng)于低通濾波器的時(shí)間常數(shù)的時(shí)間延遲。該時(shí)間延遲成為電動(dòng)機(jī)控制的扭矩響應(yīng)性低下的原因。在本實(shí)施例中，設(shè)置下述推定扭矩值計(jì)算部22和電壓相位計(jì)算部24，以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性的提高。
推定扭矩值計(jì)算部22獲得交流電動(dòng)機(jī)12的推定扭矩值Tm。根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)12而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算該推定扭矩值Tm。電動(dòng)機(jī)模型具有將供給到電動(dòng)機(jī)12的電流值以指令電壓值、電感和角速度進(jìn)行近似的數(shù)學(xué)模型。通過向該數(shù)學(xué)模型中輸入指令電壓值、電感和角速度，可以計(jì)算出供應(yīng)到交流電動(dòng)機(jī)12的電流值的推定值(下文稱為“推定電流值”)。計(jì)算該推定電流值的數(shù)學(xué)模型在優(yōu)選例中是由卡爾門濾波器構(gòu)成的觀測器。即，也向該觀測器中輸入檢測電流值、在逐次評價(jià)推定電流值和檢測電流值的誤差值的同時(shí)計(jì)算推定電流值。因而，將該推定電流值和推定電壓值的乘積和除以角速度，獲得交流電動(dòng)機(jī)12的推定扭矩值Tm。而且作為其它方式，也可以根據(jù)推定電流值計(jì)算磁力扭矩和電感扭矩，將它們的和作為推定扭矩值Tm。
在上述任一個(gè)場合下，推定電流值和推定扭矩值的計(jì)算中所使用的指令電壓值是矩形波變換前的數(shù)值。即，由和實(shí)際輸入到交流電動(dòng)機(jī)12中的電壓值不同的數(shù)值計(jì)算推定電流值和推定扭矩值。而且推定電流值和推定扭矩值計(jì)算中所使用的電感可以是恒定值，也可以是可變值。特別是在發(fā)生磁通飽和的電動(dòng)機(jī)中，為了使由磁通飽和引起的電感變化反映在推定值中，最好使用對應(yīng)于電動(dòng)機(jī)常數(shù)變化而變動(dòng)的電感。而且，指令電壓值和角速度可以使用瞬時(shí)值，也可以使用基波成分。
下文將使用圖2對電壓相位計(jì)算部24進(jìn)行說明。圖2是電壓相位計(jì)算部24的詳細(xì)視圖。電壓相位計(jì)算部24計(jì)算交流電動(dòng)機(jī)12能夠輸出指令扭矩值T*的電壓相位φv。
具體地說，計(jì)算作為消除實(shí)際扭矩值T和指令扭矩值T*的偏差ΔT的電壓相位的第一電壓相位φfb。計(jì)算作為消除推定扭矩值Tm和指令扭矩值T*的偏差ΔTm的電壓相位的第二電壓相位φff。然后將第一電壓相位φfb和第二電壓相位φff按照規(guī)定比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算后的數(shù)值作為電壓相位φv。
此時(shí)，可將第一電壓相位φfb稱作由反饋控制獲得的電壓相位。因此，僅在第一電壓相位φfb中產(chǎn)生與低通濾波器的時(shí)間常數(shù)對應(yīng)的時(shí)間延遲。于是和根據(jù)沒有時(shí)間延遲的推定扭矩值計(jì)算出的第二電壓相位φff進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)扭矩響應(yīng)性的提高。而且第二電壓相位φff是根據(jù)推定扭矩值計(jì)算出的，可以說是考慮了電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)量的電壓相位。因而，即使指令扭矩值T*階梯狀變化，第二電壓相位φff也對應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)量連續(xù)變化。因而，對第二電壓相位φff和第一電壓相位φfb加權(quán)計(jì)算后的電壓相位φv也連續(xù)變化，從而可以防止過調(diào)整。即，通過對第一電壓相位φfb和第二電壓相位φff進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，可以防止扭矩過調(diào)整，同時(shí)提高響應(yīng)性，進(jìn)而能夠降低控制誤差。
此時(shí)，第一電壓相位φfb和第二電壓相位φff的計(jì)算方法可以使用現(xiàn)有技術(shù)中大多數(shù)方案中的各種控制技術(shù)。例如可以使用P控制或PI控制、PID控制等方法。
而且，加權(quán)計(jì)算的比例可以是固定值，但是最好是對應(yīng)于諸如指令扭矩值的變化速度和大小等運(yùn)行狀態(tài)而變動(dòng)的可變值。例如，優(yōu)選地，指令扭矩值的變化速度越大，第二電壓相位φff的比例越大。
而且也可以在2種電壓相位φff、φfb被計(jì)算出前進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。即，如圖3所示，也可以對實(shí)際扭矩值T和推定扭矩值Tm進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，根據(jù)上述加權(quán)計(jì)算后的扭矩值Tp和指令扭矩值T*的偏差ΔTp計(jì)算電壓相位φv。而且如圖4所示，也可以對實(shí)際扭矩值T和指令扭矩值T*的偏差ΔT、以及推定扭矩值Tm和指令扭矩值T*的偏差ΔTm進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，根據(jù)加權(quán)計(jì)算后的偏差ΔTp，來計(jì)算電壓相位φv。
也可以在計(jì)算出電壓相位φv后，設(shè)置相位限制器(限幅器)。相位限制器將電壓相位φv的數(shù)值限制在規(guī)定范圍例如90°～-90°。因而當(dāng)計(jì)算出的電壓相位φv超過90°時(shí)，將其限幅至90°。
下文使用圖5對驅(qū)動(dòng)控制裝置的更為具體的一例進(jìn)行說明。圖5是示出驅(qū)動(dòng)控制裝置的一個(gè)示例的視圖。在該驅(qū)動(dòng)控制裝置10中，根據(jù)3相供給電流值(檢測值)Iu、Iv、Iw、3相指令電壓值Vuref、Vvref、Vwref、角速度ω計(jì)算出實(shí)際扭矩值T。因而將來自電流傳感器28的3相電流值Iu、Iv、Iw、來自角速度計(jì)算部18的角速度ω輸入到實(shí)際扭矩值檢測部20中。而且在實(shí)際扭矩值檢測部20中設(shè)置3相指令電壓值計(jì)算部30，根據(jù)電池電壓Vbatt、電壓相位φv(q軸上為0°)計(jì)算出3相指令電壓值Vuref、Vvref、Vwref。該3相指令電壓值Vuref、Vvref、Vwref可以由下式(1)計(jì)算出。
Vuref＝-(6/π)·Vbatt·sin(θ+φv)Vvref＝-(6/π)·Vbatt·sin(θ+φv-2π/3) .....(1)Vwref＝-(6/π)·Vbatt·sin(θ+φv+2π/3)將所計(jì)算出的3相指令電壓值Vuref、Vvref、Vwref輸入到實(shí)際扭矩值計(jì)算部32內(nèi)。實(shí)際扭矩值計(jì)算部32通過將3相指令電壓值Vuref、Vvref、Vwref和3相供給電流值Iu、Iv、Iw的乘積和(電功率值)除以角速度ω，而計(jì)算出實(shí)際扭矩值。即，實(shí)際扭矩值T由下式(2)計(jì)算。
T＝(Vuref·Iu+Vvref·Iv+Vwref·Iw)/ω .....(2)所計(jì)算出的實(shí)際扭矩值T由低通濾波器34除去噪音后，輸入到電壓相位計(jì)算部24。
根據(jù)電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算推定扭矩值Tm。具體地說，根據(jù)下式(3)示出的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算dq軸推定電流值Idsim、Iqsim，然后將該dq軸推定電流值代入式(4)中計(jì)算推定扭矩值Tm。
ddtIdsim=1LdVdref-R·Idsim+ω·Lq·Iqsim]]>ddtIpsim=1LqVqref-R·Iqsim+ω·Ld·Idsim+ω·φ...(3)]]>Tm＝(Vdref·Id+Vqref·Iq)/ω .....(4)此時(shí)Vd、Vq是dq軸的指令電壓值，Ld、Lq是dq軸的電感，R是線圈電阻，φ是激勵(lì)常數(shù)。在本實(shí)施例中，dq軸電感Ld、Lq使用對應(yīng)于電動(dòng)機(jī)常數(shù)變化的可變值。即，預(yù)先進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的磁場解析，使用從該磁場解析結(jié)果所獲得的dq軸電流值和由電感圖所獲得的數(shù)值。由此，即使因磁通量飽和等原因產(chǎn)生電感變化，也能降低推定電流值的誤差。而且dq軸指令電壓值Vdref、Vqref在dq軸指令電壓值計(jì)算部36中使用由式(5)計(jì)算出的數(shù)值。
Vdref＝(6/π)·Vbatt·sin(φv)Vqref＝(6/π)·Vbatt·cos(φv) .....(5)所計(jì)算出的推定扭矩值Tm與實(shí)際扭矩值T、指令扭矩值T*一起輸入到電壓相位計(jì)算部24中。指令扭矩值T*是由圖中未示出的電子控制裝置生成的扭矩目標(biāo)值。
在電壓相位計(jì)算部24中，計(jì)算實(shí)際扭矩值T和指令扭矩值T*的偏差ΔT，計(jì)算消除該偏差ΔT的第一電壓相位φfb。而且同樣根據(jù)推定扭矩值Tm和指令扭矩值T*的偏差ΔTm，計(jì)算消除該偏差ΔTm的第二電壓相位φff。第一電壓相位φfb和第二電壓相位φff的任一個(gè)都在PI(比例積分)控制下由下式(6)和(7)計(jì)算。
φfb=Kpfb(T*-T)+Kifbs(T*-T)...(6)]]>φff=Kpff(T*-Tm)+Kiffs(T*-Tm)...(7)]]>此時(shí)Kpfb、Kpff是比例增益，Kifb、Kiff是積分增益。所獲得的第一電壓相位φfb、第二電壓相位φff在加權(quán)計(jì)算部40中以規(guī)定比率進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。加權(quán)計(jì)算后的數(shù)值成為指令電壓的電壓相位φv，即，電壓相位φv由下式(8)計(jì)算。
φv＝α·φff+βφfbα+β＝1 .....(8)此時(shí)α、β是加權(quán)系數(shù)。以指令扭矩值T*的變化速度dT越大，則第二電壓相位φff的比率(α)越大的方式使α和β的比率變化。換句話說，在變化速度dT增大而求取高響應(yīng)性的區(qū)域內(nèi)，則減小第一電壓相位φfb的比率。另一方面，在變化速度dT減小而不求取高響應(yīng)性的區(qū)域內(nèi)，則增大第一電壓相位φfb的比率。因而，通過這樣對應(yīng)于變化速度dT而使加權(quán)計(jì)算比率變化，能夠進(jìn)一步降低控制誤差。特別是與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠降低過渡區(qū)域的控制誤差。
下式(9)示出了這種加權(quán)計(jì)算的比率α、β的計(jì)算方法的一個(gè)示例。在該計(jì)算方法中，與指令扭矩值T*的變化速度dT的大小成比例地增大α(第二電壓相位φff的比率)。而且對指令扭矩值T*的變化速度dT設(shè)置上限閾值dTmax和下限閾值dTmin，一旦變化速度dT超過上限閾值dTmax則使β(第一電壓相位φfb的比率)為0，一旦變化速度dT小于下限閾值dTmin則使α(第二電壓相位φff的比率)為0。
if dT＞dTmax α＝1，β＝0if dT＜dTmix α＝0，β＝1elseα＝1/(dTmax-dTmin)·(dT-dTmin)β＝1-α .....(9)而且，圖6示出了其它加權(quán)計(jì)算方法的一個(gè)示例。圖6是示出加權(quán)計(jì)算部40的結(jié)構(gòu)的視圖。在該計(jì)算方法中也設(shè)置成指令扭矩值T*的變化速度dT越大，換句話說，指令扭矩值T*的頻率越高，則第二電壓相位φff的比率則越大。具體地說，將低通濾波器54適用于第一電壓相位φfb。將高通濾波器52適用于第二電壓相位φff，對它們的輸出值進(jìn)行相加。在指令扭矩值T*的頻率高(變化速度dT大)的場合下，當(dāng)然2個(gè)電壓相位φff、φfb的頻率也變大。此時(shí)，相對于第二電壓相位φff通過高通濾波器52，第一電壓相位φfb幾乎由低通濾波器54削減殆盡。因而，根據(jù)圖6的構(gòu)成，當(dāng)指令扭矩值T*的頻率高時(shí)，第二電壓相位φff的比率則變大。相反當(dāng)指令扭矩值T*的頻率低時(shí)，則可以增大第一電壓相位φfb的比率。由這種加權(quán)計(jì)算方法，與使用式(9)相同，也能夠降低控制誤差。
加權(quán)計(jì)算后的電壓相位φv由相位限制器42限幅在規(guī)定范圍內(nèi)后，輸入矩形波發(fā)生部16。在矩形波發(fā)生部16，根據(jù)上述電壓相位φv和轉(zhuǎn)子角度θ，生成逆變器14的SW信號。從而將如下式(10)那樣的來自逆變器14的輸出電壓施加在電動(dòng)機(jī)12上，使交流電動(dòng)機(jī)12轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
0≤θ-φv＜π/3 Vu＝0，Vv＝Vbatt，Vw＝0π/3≤θ-φv＜2π/3 Vu＝0，Vv＝Vbatt，Vw＝Vbatt2π/3≤θ-φv＜π Vu＝0，Vv＝0，Vw＝Vbattπ≤θ-φv＜4π/3 Vu＝Vbatt，Vv＝0，Vw＝Vbatt4π/3≤θ-φv＜5π/3 Vu＝Vbatt，Vv＝0，Vw＝05π/3≤θ-φv＜2πVu＝Vbatt，Vv＝0，Vw＝0.....(10)如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，通過對從實(shí)際扭矩值求取的第一電壓相位φfb和從推定扭矩值求取的第二電壓相位φff進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，可以獲得進(jìn)一步減少控制誤差的電壓相位φv。特別是可提高過渡區(qū)域的扭矩響應(yīng)性。而且防止過調(diào)整。也可以替代式(4)而使用下式(11)進(jìn)行推定扭矩值T的計(jì)算。
Tm＝p·φ·Iqsim+p(Ld-Lq)Idsim·Iqsim.....(11)此時(shí)p是極數(shù)，φ是激勵(lì)常數(shù)。而且右邊第1項(xiàng)p·φ·Iqsim表示磁力扭矩，p(Ld-Lq)Idsim·Iqsim表示電感產(chǎn)生的扭矩。
而且在本實(shí)施例中，在計(jì)算實(shí)際扭矩值T時(shí)作為電流值使用3相電流值，并且使用3相指令電壓值。當(dāng)然也可以使用dq軸電流值、dq軸指令電壓值。此時(shí)如圖7所示，在實(shí)際扭矩值檢測部20中設(shè)置3相/dq軸變換部48、dq軸指令電壓值計(jì)算部50，將變換為dq軸的電流值、電壓值輸入實(shí)際扭矩值計(jì)算部32。而且，低通濾波器也可以如圖8所示適用于所檢測出的電流值。
下文使用圖9說明其它實(shí)施例。圖9是示出其它實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的視圖。在該實(shí)施例中，除推定扭矩值計(jì)算部22之外的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例相同，因而省略對其說明。
在本實(shí)施例中，推定電流值Idsim、Iqsim由卡爾門濾波器構(gòu)成的觀測器計(jì)算出來。卡爾門濾波(器)就是公知的對測量值和推定值之間的誤差值進(jìn)行逐次(按順序)評價(jià)而改善推定精度的算法。因而由根據(jù)該卡爾門濾波的觀測器推定電流值Id、Iq時(shí)，將由電流傳感器28檢測出的電流值Iu、Iv、Iw輸入到電動(dòng)機(jī)模型38內(nèi)。但是由于檢測出的電流值Iu、Iv、Iw是3相電流值，在推定扭矩值計(jì)算部22中設(shè)置3相/dq軸變換部44，將3相電流值變換為dq軸電流值后的數(shù)值輸入到電動(dòng)機(jī)模型中。由觀測器推定的推定電流值Idsim、Iqsim可以由下式(12)表示。
ddtIdsim=1Ld(Vd-R·Idsim+ω·Lq·Iqsim)+K11(Id-Idsim)+K12(Iq-Iqsim)]]>ddtIqsim=1Ld(Vq-R·Iqsim+ω·Ld·Idsim+ω·φ)+K21(Iq-Iqsim)+K22(Id-Idsim)...(12)]]>此時(shí)K11、K12、K21、K22是卡爾門增益。在式(11)中，由于在右邊第3項(xiàng)、第4項(xiàng)存在對推定值Idsim、Iqsim和檢測值Id、Iq的誤差進(jìn)行評價(jià)的項(xiàng)，從而逐次修正推定誤差。因而，能夠更迅速地推定出推定電流值，進(jìn)而推定出推定扭矩值。而且輸入到觀測器的檢測電流值Id、Iq既可以是在除去噪音之前的數(shù)值，也可以是除去噪音后的數(shù)值，而除去噪音后的數(shù)值能夠縮短推定收斂時(shí)間。
下文使用圖10說明該觀測器的使用和噪音除去效果。圖10從上向下按順序示出實(shí)際扭矩值(除去噪音前)、由標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)模型(式(3)和式(4))計(jì)算出的推定扭矩值、由利用觀測器的電動(dòng)機(jī)模型(式(12)和式(4))計(jì)算出的推定扭矩值(利用除去噪音前的檢測電流值)、由利用觀測器的電動(dòng)機(jī)模型(式(12)和式(4))計(jì)算出的推定扭矩值(利用除去噪音后的檢測電流值)。
如圖10所示，在標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)模型(第2圖形)中，至推定值收斂為止需要大約130毫秒。與此相對，在利用觀測器的電動(dòng)機(jī)模型(第3、第4圖形)中，推定值大約用10毫秒就收斂。即，通過利用觀測器，與標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)模型相比，能夠大幅度縮短推定收斂時(shí)間。因而，通過使用該推定扭矩值計(jì)算電壓相位φv，可以更迅速地實(shí)現(xiàn)控制誤差少的控制。
而且在將除去噪音前的檢測值輸入觀測器時(shí)(第3圖形)，由于包含在檢測電流值中的高諧波成分的影響，在推定扭矩值中殘留有微小振動(dòng)。另一方面，在將除去高諧波成分后的檢測值輸入觀測器時(shí)(第4圖形)，能夠獲得不存在振動(dòng)的最佳的推定扭矩值。因而，通過使用這種不存在振動(dòng)的推定扭矩值計(jì)算電壓相位φv，能夠進(jìn)一步降低控制誤差。而且，在將除去噪音前的檢測值輸入觀測器時(shí)，如果從計(jì)算出的推定電流值中除去高諧波成分，也可以獲得與第4圖形所示的推定結(jié)果相同的振動(dòng)少的推定扭矩值。
如上所述可知，通過將觀測器設(shè)置在電動(dòng)機(jī)模型38中，可以更迅速地實(shí)現(xiàn)控制誤差少的控制。而且，通過使用除去噪音后的數(shù)值作為推定誤差評價(jià)用的檢測值，能夠進(jìn)一步減少控制誤差。
下文使用圖11對其它實(shí)施例進(jìn)行說明。在圖11中，與上述實(shí)施例相同的元件采用相同的符號說明。該驅(qū)動(dòng)控制裝置10不檢測實(shí)際扭矩值T，根據(jù)推定扭矩值Tm和給予的指令扭矩值T*，計(jì)算施加在交流電動(dòng)機(jī)12上的電壓相位φv。
在推定扭矩值計(jì)算部22計(jì)算推定扭矩值Tm。推定扭矩值計(jì)算部22采用與圖5所示驅(qū)動(dòng)控制裝置的推定扭矩值計(jì)算部基本相同的結(jié)構(gòu)，包括dq軸指令電壓值計(jì)算部36和電動(dòng)機(jī)模型38。
將電池電壓Vbatt和電壓相位φv(q軸上為0°)輸入到dq軸指令電壓值計(jì)算部36中。因而，將這2個(gè)參數(shù)代入式(5)，計(jì)算出dq軸指令電壓值Vdref、Vqref。所計(jì)算出的電壓指令值被輸入到電動(dòng)機(jī)模型38中。而且，電池電壓Vbatt是矩形波變換之前的電壓，是正弦波電壓。
電動(dòng)機(jī)模型38是以角速度ω、電壓指令值、電流值對電動(dòng)機(jī)12的輸出扭矩進(jìn)行近似后的數(shù)學(xué)模型，具體地說，是由式(4)示出的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算推定扭矩值Tm所必需的角速度ω由角速度計(jì)算部18計(jì)算出并被輸入(電動(dòng)機(jī)模型38)。而且，電壓指令值是將由dq軸指令電壓值計(jì)算部36計(jì)算出的dq軸指令電壓值Vdref、Vqref代入。電流值是將由式(3)計(jì)算出的dq軸推定電流值Idsim、Iqsim代入。
對在推定扭矩值計(jì)算部22計(jì)算出的推定扭矩值Tm和指令扭矩值T*進(jìn)行差分(求取差值)，將獲得的差分值ΔT輸入到PI控制系統(tǒng)中，計(jì)算電壓相位φv。根據(jù)式(7)計(jì)算出該電壓相位φv。將所計(jì)算出的電壓相位φv輸入到相位限制器42內(nèi)，并在根據(jù)需要限幅后輸入到矩形波發(fā)生部16內(nèi)。在矩形波發(fā)生部16中，根據(jù)所獲得的電壓相位φv和轉(zhuǎn)子角度θ，產(chǎn)生逆變器14的SW信號。根據(jù)該SW信號，逆變器14進(jìn)行轉(zhuǎn)換而生成矩形電壓，施加到交流電動(dòng)機(jī)12上。
如上所述，通過根據(jù)電動(dòng)機(jī)模型38計(jì)算推定扭矩值Tm，根據(jù)該推定扭矩值Tm計(jì)算電壓相位φv，可以獲得響應(yīng)性高的電動(dòng)機(jī)控制。特別是，當(dāng)指令扭矩值T*變動(dòng)大時(shí)，根據(jù)本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)控制裝置10，可以迅速地追蹤其變動(dòng)，從而能夠降低控制誤差。
而且在本實(shí)施例中，根據(jù)正弦波電壓的電池電壓Vbatt，計(jì)算dq軸指令電壓值Vdref、Vqref。換句話說，可以說dq軸推定電流值Idsim、Iqsim和推定扭矩值Tm是根據(jù)正弦波電壓而計(jì)算出dq軸指令電壓值Vdref、Vqref。由此，使用正弦波電壓可獲得脈動(dòng)少的良好的推定扭矩值Tm。使用圖12A、12B對此進(jìn)行說明。圖12A是示出將矩形電壓輸入推定扭矩值計(jì)算部時(shí)的扭矩推定結(jié)果的曲線圖。圖12B是示出將正弦波電壓輸入推定扭矩值計(jì)算部時(shí)的扭矩推定結(jié)果的曲線圖。
如圖12A所示可知，在使用矩形電壓時(shí)，對應(yīng)于各相電壓的上升和下降，推定扭矩值Tm急劇變化，產(chǎn)生所謂的脈動(dòng)。存在這種脈動(dòng)的推定扭矩值Tm不能直接使用于電動(dòng)機(jī)控制，如果不是在進(jìn)行脈動(dòng)消除等處理后就不能計(jì)算電壓相位φv。因此，需要用于除去高諧波成分的噪音去除用濾波器(例如低通濾波器)。但是在使用濾波器時(shí)，在所獲得的輸出扭矩值中產(chǎn)生時(shí)間延遲，使扭矩響應(yīng)性低下。
另一方面如圖12B所示，在根據(jù)逆變器輸出電壓(正弦電壓)計(jì)算推定扭矩值Tm時(shí)，計(jì)算出沒有脈動(dòng)的穩(wěn)定的推定扭矩值Tm。因而此時(shí)，可以將所計(jì)算出的推定扭矩值Tm直接用于電動(dòng)機(jī)控制，即，可以用于電壓相位φv的計(jì)算。因而，能夠無需使用去除噪音的濾波器，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性高的電動(dòng)機(jī)控制。
圖13A是示出使用正弦波電壓進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制的結(jié)果的曲線圖。圖13B是示出使用矩形電壓進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制的結(jié)果的曲線圖。在各個(gè)曲線圖中，上一圖形示出將低通濾波器適用于所計(jì)算出的推定扭矩值中并去除了高諧波成分時(shí)的結(jié)果，下一圖形示出沒有去除噪音地將被計(jì)算出的推定扭矩值直接適用于控制時(shí)的結(jié)果。在曲線圖中，實(shí)線表示實(shí)際扭矩值，虛線示出指令扭矩值。
如圖13A所示可知，在使用正弦波電壓進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制時(shí)，實(shí)際扭矩值能夠迅速地追蹤指令扭矩。而且，即使不使用低通濾波器，也可以實(shí)現(xiàn)高精度的電動(dòng)機(jī)控制。
另一方面在使用矩形電壓時(shí)，如果不使用低通濾波器，實(shí)際扭矩值受高諧波成分的影響而出現(xiàn)大的變動(dòng)(圖13B的上一圖形)。另一方面，如果使用低通濾波器，可以減少實(shí)際扭矩值中的高諧波成分(圖13B的下一圖形)。但是此時(shí)，由于低通濾波器的影響，扭矩響應(yīng)性大幅度下降。即，在使用矩形電壓時(shí)，難以進(jìn)行高精度的電動(dòng)機(jī)控制。
由如上所述可知，根據(jù)使用正弦波電壓計(jì)算推定扭矩值Tm的本實(shí)施例，可以進(jìn)行響應(yīng)性更好的高精度的電動(dòng)機(jī)控制。而且在本實(shí)施例中，雖然根據(jù)單純的電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算推定扭矩值Tm，但是在上述電動(dòng)機(jī)模型中也可以設(shè)置由卡爾門濾波器等構(gòu)成的觀測器。此時(shí)將成為推定值的評價(jià)基準(zhǔn)的實(shí)際測量值也輸入電動(dòng)機(jī)模型中。例如在使推定電流值的精度提高的場合下，將實(shí)際電流值輸入電動(dòng)機(jī)模型中，由觀測器對該實(shí)際電流值和推定電流值的誤差進(jìn)行逐次評價(jià)。通過設(shè)置觀測器，能夠進(jìn)行更高精度的電動(dòng)機(jī)控制。
權(quán)利要求
1.一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，具有對從交流電動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際扭矩值進(jìn)行檢測的實(shí)際扭矩值檢測單元；根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算推定扭矩值的推定扭矩值計(jì)算單元；和電壓相位計(jì)算單元，它是根據(jù)實(shí)際扭矩值、推定扭矩值和給予的指令扭矩值來計(jì)算指令電壓的電壓相位的電壓相位計(jì)算單元，它按照規(guī)定比率對基于在電壓相位的計(jì)算過程中所算出的實(shí)際扭矩值的實(shí)際參數(shù)和基于推定扭矩值的推定參數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，并基于運(yùn)算所獲得的數(shù)值計(jì)算電壓相位。
2.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，實(shí)際參數(shù)是作為消除實(shí)際扭矩值和指令扭矩值之間的偏差的電壓相位的第一電壓相位；推定參數(shù)是作為消除推定扭矩值和指令扭矩值之間的偏差的電壓相位的第二電壓相位；電壓相位計(jì)算單元將按照規(guī)定比率對第一電壓相位和第二電壓相位進(jìn)行加法運(yùn)算后的值作為電壓相位而進(jìn)行計(jì)算。
3.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，第一電壓相位和第二電壓相位中的任一個(gè)都由將和指令扭矩值之間的偏差作為輸入及將電壓相位作為輸出的控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。
4.如權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)是比例積分(PI)控制系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述推定扭矩值計(jì)算單元具有根據(jù)由電感、指令電壓值和角速度對供給到電動(dòng)機(jī)的供給電流值進(jìn)行近似的數(shù)學(xué)模型而計(jì)算供給電流值的推定值即推定電流值的推定電流值計(jì)算單元，并根據(jù)計(jì)算出的推定電流值而計(jì)算推定扭矩值。
6.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述推定扭矩值計(jì)算單元使用矩形波變換前的電壓值計(jì)算推定扭矩值。
7.如權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，推定電流值計(jì)算單元的數(shù)學(xué)模型包含對實(shí)測值和推定值的誤差進(jìn)行逐次評價(jià)的觀測器。
8.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，實(shí)際參數(shù)和推定參數(shù)的加法運(yùn)算的比率是對應(yīng)于交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而變動(dòng)的可變值。
9.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，對于實(shí)際參數(shù)和推定參數(shù)的加法運(yùn)算的比率，指令扭矩值的變化速度越大，則推定參數(shù)的比例越高。
10.一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，具有根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型以及逆變器輸出電壓計(jì)算推定扭矩值的推定扭矩值計(jì)算單元；和根據(jù)所算出的推定扭矩值和給予的指令扭矩值計(jì)算指令電壓的電壓相位的電壓相位計(jì)算單元。
11.如權(quán)利要求10所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述推定扭矩值計(jì)算單元，通過根據(jù)逆變器輸出電壓、電壓相位和轉(zhuǎn)子角度計(jì)算指令電壓值，將算出的指令電壓值適用于電動(dòng)機(jī)模型，從而算出推定扭矩值。
12.如權(quán)利要求10所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于，電動(dòng)機(jī)模型還包含對實(shí)測值和推定值的誤差值進(jìn)行逐次評價(jià)的觀測器。
13.一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于，具有對從交流電動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際扭矩值進(jìn)行檢測的實(shí)際扭矩值檢測步驟；根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算推定扭矩值的推定扭矩值計(jì)算步驟；和電壓相位計(jì)算步驟，它是根據(jù)實(shí)際扭矩值、推定扭矩值和給予的指令扭矩值而計(jì)算指令電壓的電壓相位的電壓相位計(jì)算步驟，按照規(guī)定比率對基于在電壓相位的計(jì)算過程中所算出的實(shí)際扭矩值的實(shí)際參數(shù)和基于推定扭矩值的推定參數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，并基于運(yùn)算所獲得的數(shù)值計(jì)算電壓相位。
全文摘要
本發(fā)明的一種通過施加矩形電壓對進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制裝置，它包括對從交流電動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際扭矩值T進(jìn)行檢測的實(shí)際扭矩值檢測部；根據(jù)模仿交流電動(dòng)機(jī)而設(shè)定的電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算推定扭矩值Tm的推定扭矩值計(jì)算部；和電壓相位計(jì)算部。電壓相位計(jì)算部根據(jù)實(shí)際扭矩值T和指令扭矩值T
文檔編號H02P27/02GK1722604SQ20051008264
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月12日
發(fā)明者稻熊幸雄, 中井英雄, 大谷裕樹, 岡村賢樹 申請人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社