专利名称：车载用电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及车载用电动机控制装置，尤其涉及一种适用于DC无刷电动机的控制的车载用电动机控制装置。
背景技术：
最近，随着汽车上装载的执行元件(actuator)的电动化，EPS(电动助力转向系统)和电动刹车系统等的车载用电动机控制装置，其需要正在急速发展。在该车载用电动机控制装置中，有时与现有的油压执行元件替换，要求非常快的控制响应性，而使用了DC无刷电动机(DCBL电动机)。并且，为了对应于快的控制响应的要求，例如在特开2001-315657号公报中所记载那样，已知有一种构成干扰电压观察器，来实现高响应性的转矩控制的方法。另外，例如在特开平4-340390号公报中所记载那样，已知有一种由其他硬件构成120度通电用的电流控制运算部的结构。
但是，如在特开2001-315657号公报所记载那样，在要构成干扰观察器来实现高响应性的转矩(电流)的情况下，控制响应性不能快速到由微型计算机等构成的控制装置的运算周期以上。而且，对于该运算周期，由于在控制装置中除了电流控制之外，还进行系统、通信、保护等各种运算，因此不怎么能缩短运算周期。
因此，为了实现更快的响应性能，考虑了具有使转矩(电流)控制运算与上述系统控制和通信、保护等的运算不同的独立运算装置，从而在更短的运算周期内进行运算的方法。在特开平4-340390号公报中，记载了一种由不同的硬件构成电流控制运算部的方法，但是特开平4-340390号公报中记载的结构是120度通电用，不能使用矢量控制来高响应性且高精度地控制电动机。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可高响应性且高精度地控制DC无刷电动机的控制器的车载用电动机控制装置。
(1)为了实现上述目的，本发明提供一种驱动DC无刷电动机的车载用电动机控制装置，包括主控制部，运算电动机的转矩指令；和电流控制运算部，由与该主控制部独立的模块(module)或专用LSI构成，且将所述DC无刷电动机的电流在作为电动机转子的磁通方向的d轴和与其正交的q轴的方向进行坐标变换，分别反馈控制所述d轴方向的电流和q轴方向的电流。
通过该结构，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机。
(2)在上述(1)中，优选具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，在内部具有控制寄存器；在该控制寄存器中设定电流控制常数或电动机常数。
(3)在上述(1)中，优选具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI在内部具有AD转换器，通过该AD转换器检测出电动机电流和电池电压。
(4)在上述(1)中，优选具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，在内部具有转矩控制所需的坐标变换运算部来作为硬件方式构成的运算模块。
(5)在上述(1)中，优选具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI具备与所述主控制部彼此进行异常监视的功能。
(6)在上述(1)中，优选具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，根据在车辆上装载的电池控制器的信号，来改变在所述电动机中流过的电流量或所述控制装置的输出电压或所述电流控制的控制参数。
(7)在上述(1)中，优选具备多个具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，通过一个所述主控制部来驱动多个电动机。
图1是表示DCBL电动机的控制系统的一般结构的框图；
图2是用于DCBL电动机的控制的d-q坐标的坐标系的说明图；图3是表示用于DCBL电动机的控制系统的电流控制部的结构框图；图4是车载用电动机控制装置中的响应性的说明图；图5是表示基于本发明的第一实施方式的车载用电动机控制装置的系统结构框图；图6是用于本发明的第一实施方式的车载用电动机控制装置的电流控制专用LSI的结构图；图7是用于本发明的第二实施方式的车载用电动机控制装置的电流控制专用LSI的结构图；图8是表示本发明的第三实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图；图9是表示本发明的第四实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图；图10是表示本发明的第五实施方式的车载用电动机控制装置的结构图；图11是表示本发明的第六实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图。
具体实施例方式
下面，使用图1～图6，来说明本发明的第一实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
首先，使用图1和图2，来说明DCBL电动机的控制系统的一般结构。
图1是表示DCBL电动机的控制系统的一般结构的框图。图2是用于DCBL电动机的控制的d-q坐标的坐标系的说明图。
近年来，随着以电动助力转向系统和电动刹车系统为代表的车载用执行元件的电动化，使得车载用电动机控制装置需要急速发展。而且，最近，随着所使用的车型的大型化，电动机的负载变大，开始代替之前为主流的DC(直流)电动机而使用小型且高效的DCBL(DC无刷)电动机。
在DCBL电动机控制系统中，控制器100输入通过上级控制器中的系统控制运而算出的转矩指令Tr*，对PWM反相器INV输出PWM信号，使得DCBL电动机M产生依据指令的转矩。
控制器100具备电流指令发生部f10、电流控制部f20、三相转换部f30、PWM信号发生部f40、门驱动器f50、电流检测部f60、d-q转换部f70、速度运算部f80和位置检测部f90。
电流指令发生部f10输入转矩指令Tr*和电动机速度ωm^，决定成为在当前动作点的最高效率的电流指令iq*，id*，并进行输出。这里，id*是电动机转子的磁通方向(d轴)的电流指令，iq*是与电动机转子的磁通方向正交的方向(q轴)的电流指令。
如图2所示，d-q坐标是旋转坐标系，相对静止坐标系α-β轴(将U-V-W相进行2相转换后的坐标)以电动机角速度ω来旋转。此时，将从作为基准的α轴(0度方向)到电动机的磁通方向(d轴)的相位设作磁极位置(磁通方向)θ。
电流控制部f20进行旋转坐标d-q轴上的电流控制运算，决定d-q轴中的电压指令Vdc、Vqc。这样，通过进行d-q坐标中的电流控制，可以分别高精度控制磁通方向的电流和与其正交(作用于转矩)的电流。结果，可以高精度控制电动机的转矩和磁通。
三相转换部f30进行从d-q轴向U-V-W相的坐标变换，而输出三相的交流电压指令Vu*、Vv*、Vw*。PWM信号发生部f40将交流电压指令Vu*、Vv*、Vw*转换为PWM信号，并经由门驱动器f50，对反相器INV输出该PWM信号。
另外，用于电流控制的反馈值id^、iq^如下所述来进行检测。首先，由AD转换器等构成的电流检测部f60取入从三相的电流传感器DIu、DIv、DIw检测出的电动机电流iu、iv、iw，并在d-q转换部f70中运算d-q轴的检测电流id^、iq^，并反馈到电流控制部f20。
在该控制系统中，如上所述，用于从d-q坐标电压指令得到U-V-W相电压指令，或从U-V-W相电流得到d-q坐标电流的坐标变换运算中需要磁极位置θ。因此，在电动机M上设置位置检测器PS，与控制器100内的位置检测部f90一起来检测DCBL电动机M的转子磁极位置检测值θc。另外，电流指令发生部f10和电流控制部f20中所需的电动机角速度ωm，在速度运算部f80中作为转子磁极位置检测值θc的时间变化量而被求出(在速度运算部f80中，还存在通过控制器的计数器来测量来自位置传感器PS的旋转脉冲，并通过该测量值来运算电动机速度的方法)。
另外，上述的控制系统是DCBL电动机的一般的控制系统，本申请内容的适用范围并不限于该控制方式。
接着，使用图3来说明用于DCBL电动机的控制系统的电流控制部f20的结构例。
图3是表示用于DCBL电动机的控制系统的电流控制部的结构框图。
电流控制部f20的结构是d-q坐标中的电流反馈控制。分别在d轴和q轴上，对电流指令值id*、iq*反馈电流检测值id^、iq^。并且，通过比例/积分运算部f22、f24来对其偏差量进行补偿运算。进而，通过非干扰控制部f26来运算由各d轴、q轴的感应电压引起的干扰成分(补偿量Vd1、Vq1)，并通过进行补偿，来计算出d轴电压指令值Vdc、q轴电压指令值Vqc。d轴电压指令值Vdc、q轴电压指令值Vqc通过三相转换部f30被三相转换运算，转换为三相交流电压指令Vu*、Vv*、Vw*，然后输出U相、V相、W相的电压指令。
以上所述的电动机控制部通常使用微机(微型计算机)来进行数字处理。由于除了电动机控制部分之外，微型计算机还进行更上级的系统控制、通讯、异常监视和保护功能等的各种处理，所以CPU的处理负载大，即使在快速运算周期的情况下，也大致以100μsec左右的运算周期来进行处理。
这里，使用图4来说明车载用电动机控制装置中的响应性。
图4是车载用电动机控制装置中的响应性的说明图。
在EPS等的车载用电动机控制装置中，有时与现有的油压执行元件替换，要求非常快的控制响应性。图4表示该例子。例如，有时电流检测值相对电流指令值的需要响应时间常数为1ms左右。并且，作为车载用而使用的DCBL电动机是大容量且小型化，绕线电阻为几mΩ，非常小，因电动机线缆的长度使得电阻成分变化很大，因此认为控制响应性容易改变。这时，在假设电动机线缆短、电阻成分非常小的情况下，电流控制系统的设定置增益相对实际的电阻成分成为非常高的增益，电流响应快，有时控制装置的运算周期会对电流控制系统的稳定性产生影响。这时，如图4所示，响应为振动系统。另外，在要避免这种现象，而降低了响应的情况下，系统不能发挥需要的性能。
接着，使用图5和图6，来说明本实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
图5是表示本发明的第一实施方式的车载用电动机控制装置的结构的系统结构图。图6是本发明的第一实施方式的车载用电动机控制装置所使用的电流控制专用LSI的结构图。另外，与图1相同的符号表示同一部分。
为了避免上述响应性的问题，考虑对需要的电流响应性以非常短的控制周期来进行控制是有效的。但是，由于这种车载用电动机控制装置的控制器除了电动机的电流控制运算之外，还进行系统、通信、保护等各种运算，因此现状是不能怎么变短。
鉴于此，本实施方式中，将控制器100分为进行电流控制之外的处理的主控制部120，和仅进行电流控制处理的电流控制运算LSI140，使得相对需要的控制响应速度可以充分缩短电动机的电流控制运算周期。由此，进行电流控制处理的运算部(电流控制运算LSI140)，其CPU负载大幅度降低，与现有技术相比能够以几倍～十倍左右的运算周期来进行处理。实际上是在微型计算机内另外设置电流控制运算模块或在控制器内设置电流控制专用LSI。
在图5所示的例子中，在控制器100的内部设置电流控制运算LSI140作为运算部。电流控制运算LSI140在图1所示的结构要件中，具有电流控制部f20、三相转换部f30、PWM信号发生部f40、门驱动器f50、电流检测部f60、d-q转换部f70、速度运算部f80和位置检测部f90的功能。主控制部120具有图1的构成要件中电流指令发生部f10的功能和上级的系统控制、通信、异常监视和保护功能等各种功能。相对于主控制部120例如以2ms或5ms的运算周期动作，运算部140以100μs～几十μs的运算周期动作。在主控制部120中，由于不进行之前处理的高速电流控制处理，所以，可以通过平常的低价通用的微型计算机来实现。另外，对于速度运算部f80而言，也可使主控制部120具有其功能。
通过如上这样的构成，与现有技术相比可以使电流控制运算周期为几倍～十倍左右，由此能够实现稳定的电流控制系统。另外，虽然图5中表示了电流控制运算部分为专用LSI的情况下的结构，但是也可将电流控制运算部分模块化，作为实现主控制运算的通用微型计算机内的一个外围模块而构成。
接着，使用图6来说明电流控制专用LSI的结构。电流控制专用LSI140通过通信将来自上级控制器(图5的主控制部120)的电流指令存储到RAM142中。并且，电池电压标准、控制响应时间、驱动的电动机常数等的电流控制所需的参数可以设定在控制寄存器144中。实际的控制逻辑被写入到ROM146中，基于此，运算装置148进行处理运算。
另外，在电流控制所需的反馈信号中，电动机的转子位置通过定时计数器150来检测出来自位置传感器的信号。位置检测部分根据位置传感器的种类而构成不同。例如，若位置传感器是解析器(resolver)，则存在着该位置检测部分由数据总线构成的情况或由输入旋转脉冲(A相、B相)的计数器构成的情况。
并且，电动机电流由专用的高速A/D转换器152检测。这里，高速A/D转换器152设置有检测电流数目的取样保持器，使其可以同时取样2相或3相电流。高速A/D转换器152还可以检测出电流控制的输出调整所需的电池电压值。
另外，专用LSI140为了在d-q坐标上进行控制，而具有三相转换部154和d-q转换部156。三相转换部154和d-q转换部156是已经决定的运算，是今后不发生改变的算法。因此，该三相转换部154和d-q转换部156由运算放大器等的模拟元件以硬件方式构成。由此，可以更高速地进行电流控制运算。
由以上的结构运算出的电压指令通过PWM定时器158被脉冲幅度调制为PWM信号，经由门驱动器160被输出到PWM反相器中。这时，若在专用LSI140内也设置门驱动器160，则可以进一步减少部件数目。
另外，在以上的说明中，对电流控制部分为专用LSI进行了说明，但是也可如前所述，将其作为微型计算机的外围模块而构成。并且，对于电流控制方式，在本实施例中以三d-q坐标中的电流反馈方式为前提，但是也可实现三相交流中的电流反馈控制。
如上所述，根据本实施方式，作为用于电流控制的运算部而设置专用的电流控制专用LSI，并在该LSI中设置DC无刷电动机的电流反馈控制功能，作为180度通电用的电流控制运算部，具有将DC无刷电动机的电流在作为电动机转子的磁通方向的d轴和与其正交的q轴方向进行坐标变换的d-q转换部156和将d轴电压指令值Vdc、q轴电压指令值Vqc转换为U、V、W相的三相交流电压指令的三相转化部的功能，由于分别反馈控制d轴方向的电流和q轴方向的电流，所以，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机。
接着，使用图7来说明本发明的第二实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
图7是本发明的第二实施方式的车载用电动机控制装置所使用的电流控制专用LSI的结构图。其中，与图6相同的符号表示同一部分。
本发明的一个实施方式的电流控制专用LSI140A是替换图6的运算装置148、三相转换部154和d-q转换部156，而将运算部分变为可重新构筑的运算装置162。可重新构筑的运算装置162表示准备有多组的基本模拟电路的模拟元件群，是通过编程可改变布线的装置。若使用这种装置，则可以自由改变电流控制的结构。
根据本实施方式，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机，并且能够自由改变电流控制的结构。
接着，使用图8来说明本发明的第三实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
图8是表示本发明的第三实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图。其中，与图5相同的符号表示同一部分。
在本实施方式中，对于主控制部120而言，具有多个电流控制专用LSI140、140-1。电流控制专用LSI140、140-1的结构是图6或图7所示的结构。电流控制专用LSI140、140-1分别控制PWM反相器INV、INV1，来驱动控制DCBL电动机M、M1。
现有技术中，因运算时间中没有余量等的理由，难以通过一个微型计算机来高响应性地控制两个电动机，但是若成为本实施方式这样的结构，则可以通过一个主控制部120来驱动多个电动机M、M1、反相器INV、INV1。由于可以使多个电流控制专用LSI140、140-1同时动作，所以，可仅通过一个主控制部120来高响应性地控制多个电动机。
在车载用电动机控制装置中，由于电动刹车系统需要如上那样对多个电动机同时且分别独立地进行高响应控制，所以，本实施方式适用于这种系统。
根据本实施方式，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机，且可以同时独立控制多个电动机。
接着，使用图9来说明本发明的第四实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
图9是表示本发明的第四实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图。其中，与图5相同的符号表示同一部分。
在本实施方式中，使电流控制专用LSI140B除了图6和图7所示的电流控制专用LSI140、140A的功能之外，还具有监视功能，在由通用微型计算机等实现的主控制部120B和电流控制专用LSI140B之间进行相互监视。
通常，在车载用控制器中装载有所谓的“监视微型计算机”，一直监视着控制用主微型计算机的异常。这时，作为监视用微型计算机，需要另外准备LSI，不利于成本降低。
对于此，通过上述的构成，不需要新追加“监视微型计算机”，还可以降低部件数，对成本有利。
根据本实施方式，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机，并且能够容易实现相互监视功能。
接着，使用图10来说明本发明的第五实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
图10是表示本发明的第五实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图。其中，与图5相同的符号表示同一部分。
本实施方式中，在控制器100C内具有电池控制器160，其被控制为监视电池VB的状态，来进行适当的充放电。通过电池控制器160来控制电池VB的电压和充放电量，并将得到的控制操作量送到电流控制专用LSI140C。在电流控制专用LSI140C中，根据该控制操作量来调整电流控制的输出。
通过这样的构成，实现了电池控制器和电流控制LSI的电池的长寿命化，而不会对通用CPU造成软件负担，可以进行最佳的电池控制。
根据本实施方式，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机，且能够实现电池的长寿命化。
接着，使用图11来说明本发明的第六实施方式的车载用电动机控制装置的结构。
图11是表示本发明的第六实施方式的车载用电动机控制装置的结构框图。其中，与图5相同的符号表示同一部分。
在本实施方式中，具有多个主控制部120、120-1、多个电流控制专用LSI140、140-1和PWM信号切换部P-SW。各主控制部120、120-1和各电流控制专用LSI140、140-1的基本结构和功能，与图5所示的主控制部120和各电流控制专用LSI140相同。
第一主控制部120进行基于操作者的操作的系统控制运算，输出DCBL电动机M的电流指令值id*1、iq*1。第二主控制部120-1根据来自对汽车的前方、后方或侧面进行检测的雷达和相机的信号，进行系统控制运算，并输出DCBL电动机M的电流指令值id*2、iq*2。第一主控制部120和第二主控制部120-1分别与电流控制专用LSI140、140-1相连，可分别独立地控制DCBL电动机M。
PWM信号切换部P-SW对电流控制专用LSI140、140-1的输出信号进行切换，并输出到PWM反相器INV。PWM信号切换部P-SW通常通过基于操作者的操作进行系统控制运算的第一主控制部120的输出，来判断对DCBL电动机M进行驱动。但是，只要在接近障碍物等不管是否发出了警报，操作者都没有反应的情况下，作为避免冲击动作，都通过第二主控制部120-1的输出，来驱动DCBL电动机M。另外，在通过第二主控制部120-1的输出，来驱动DCBL电动机M的情况下，若有操作者的反应，则切换为第一主控制部120的驱动。在这种动作的情况下，由于需要主控制部进行快速的运算处理，所以，对两个以上不同的信号在同一CPU中处理是很困难的。鉴于此，如本实施方式那样，设置了两个主控制部和两个电流控制专用LSI。
根据本实施方式，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机，且可进行避免冲击等的动作。
如以上所说明那样，根据各实施方式，通过新设置电流控制专用LSI，可以提高控制响应性，而不会对进行主控制的微型计算机造成软件负担，且可以确保可靠性，而不会提高成本。因此，可以得到稳定且具有高响应控制性的车载用电动机控制装置。
产业上的可用性根据本发明，可以高响应性且高精度地控制DC无刷电动机。
权利要求
1.一种车载用电动机控制装置，对DC无刷电动机进行驱动，包括主控制部，运算电动机的转矩指令；和电流控制运算部，由与该主控制部独立的模块或专用LSI构成，且将所述DC无刷电动机的电流在作为电动机转子的磁通方向的d轴和与其正交的q轴的方向进行坐标变换，分别反馈控制所述d轴方向的电流和q轴方向的电流。
2.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，在内部具有控制寄存器，在该控制寄存器中设定电流控制常数或电动机常数。
3.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，在内部具有AD转换器；通过该AD转换器检测出电动机电流和电池电压。
4.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，在内部具有转矩控制所需的坐标变换运算部来作为硬件方式构成的运算模块。
5.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，具有与所述主控制部彼此进行异常监视的功能。
6.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，根据在车辆上装载的电池控制器的信号，来改变在所述电动机中流过的电流量或所述控制装置的输出电压或所述电流控制的控制参数。
7.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具备多个具有所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，通过一个所述主控制部来驱动多个电动机。
8.根据权利要求1所述的车载用电动机控制装置，其特征在于具备多个具有所述主控制部和所述电流控制运算部的所述模块或专用LSI，通过对它们进行切换来驱动一个电动机。
全文摘要
本发明的目的在于，提供一种具有可高响应性且高精度控制DC无刷电动机的控制器的车载用电动机控制装置。对DC无刷电动机进行驱动的车载用电动机控制装置具有对电动机的转矩指令进行运算的主控制部(120)；和电流控制运算部(140)，其由与主控制部(120)独立的模块或专用LSI构成，且将所述DC无刷电动机的电流在作为电动机转子的磁通方向的d轴和与此正交的q轴方向进行坐标变换，来分别反馈控制所述d轴方向的电流和q轴方向的电流。
文档编号H02P21/00GK1969453SQ200480043329
公开日2007年5月23日 申请日期2004年7月7日 优先权日2004年7月7日
发明者金子悟, 宫崎英树, 印南敏之 申请人:株式会社日立制作所