УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
DEVICE FOR ELECTRIC MOTOR CONTROL AND METHOD OF ELECTRIC MOTOR CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
[0001]
Настоящее изобретение относится к устройству управления электродвигателем, а также к способу управления электродвигателем, который управляет фазным током электродвигателя посредством применения напряжения возбуждения, подаваемого на электродвигатель.
Уровень техники
[0002]
Традиционно, среди устройств управления электродвигателем, которые управляют фазными токами, подаваемыми на электродвигатель посредством применения способа ШИМ (широтно-импульсной модуляции) (в дальнейшем именуемого как ШИМ управление), известно устройство управления электродвигателем, которое определяет, что управление электродвигателем является неустойчивым, когда фазный ток, протекающий по меньшей мере в одной фазе, превышает заданное значение, и останавливает ШИМ управление (Патентная литература 1). В способе, раскрытом в патентной литературе 1, ШИМ управление возобновляется, когда фазный ток опускается ниже заданного значения.
Список противопоставленных материалов
Патентная литература
[0003]
Патентная литература 1: Публикация японской патентной заявки № Hei 11-252990.
Сущность изобретения
[0004]
Однако в патентной литературе 1, поскольку ШИМ управление возобновляется в момент, когда фазный ток опускается ниже заданного значения, может произойти выброс в фазном токе сразу после возобновления и вызвать колебание крутящего момента электродвигателя.
[0005]
Настоящее изобретение было сделано с учетом проблемы, описанной выше, при этом задача этого изобретения заключается в обеспечении устройства управления электродвигателем и способа управления электродвигателем, которые уменьшают выброс фазного тока, происходящего при возобновлении ШИМ управление и, следовательно, подавляют колебания, возникающие в крутящем моменте электродвигателя.
[0006]
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, устройство управления электродвигателем включает в себя средство определения инициирования-остановки управления, а также контроллер напряжения возбуждения. Когда состояние напряжения возбуждения, поданного на электродвигатель, должно перейти из состояния остановки, в котором управление напряжением возбуждения останавливается, в состояние запуска, в котором управление выполняется, средство определения инициирования-остановки управления переключает состояние напряжения возбуждения в состояние инициирования во время перехода из состояния остановки в состояние запуска. Контроллер напряжения возбуждения управляет напряжением возбуждения таким образом, что в состоянии инициирования фазный ток увеличивается или уменьшается по мере истечения времени.
Краткое описание чертежей
[0007]
Фиг.1 представляет собой схему, изображающую пример конфигурации устройства 1 электропитания привода электромобиля.
Фиг.2 представляет собой схему, изображающую пример функциональной конфигурации устройства 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления.
Фиг.3 представляет собой схему, изображающую пример состояния перехода устройства 10 управления электродвигателем.
Фиг.4 представляет собой график, изображающий пример изменения верхнего предельного значения сигнала управления затвором в состоянии инициирования управления.
Фиг.5 представляет собой схему, изображающую пример функциональной конфигурации контроллера 12 напряжения возбуждения.
Фиг.6 представляет собой схему, изображающую пример ШИМ сигнала в каждом из состояний остановки управления, инициирования управления и запуска управления.
Фиг.7 представляет собой график, изображающий пример изменения фазного тока в случае, когда устройство 10 управления электродвигателем управляет электродвигателем 5.
Фиг.8 представляет собой график, изображающий другой пример изменения фазного тока в случае, когда устройство 10 управления электродвигателем управляет электродвигателем 5.
Фиг.9 представляет собой схему, изображающую пример, в котором амплитуда ШИМ сигнала увеличивается в состоянии инициирования.
Фиг.10 представляет собой график, изображающий другой пример изменения верхнего предельного значения сигнала управления затвором в состоянии инициирования управления.
Фиг.11 представляет собой схему, изображающую часть блок-схемы, в которой средство 11 определения инициирования-остановки управления осуществляет определение в состоянии «остановки управления».
Фиг.12 представляет собой схему, изображающую часть блок-схемы, в которой средство 11 определения инициирования-остановки управления осуществляет определение в состоянии «запуска управления».
Фиг.13 представляет собой схему, изображающую пример функциональной конфигурации устройства 20 управления электродвигателем согласно второму варианту осуществления.
Фиг.14 представляет собой схему, изображающую пример функциональной конфигурации контроллера 22 напряжения возбуждения.
Фиг.15 представляет собой график, изображающий пример значений Vd1* и Vq1*, вычисленных посредством контроллера 21 значения команды напряжения.
Фиг.16 представляет собой график, изображающий другой пример значений Vd1* и Vq1*, вычисленных посредством контроллера 21 значения команды напряжения.
Фиг.17 представляет собой график, изображающий еще один пример значений Vd1* и Vq1*, вычисленных посредством контроллера 21 значения команды напряжения.
Фиг.18 представляет собой график, изображающий пример изменения фазного тока в случае, когда устройство управления электродвигателем в соответствии со сравнительным примером управляет электродвигателем 5.
Описание вариантов осуществления
[0008]
Варианты осуществления будут описаны со ссылкой на чертежи. В описании чертежей одинаковые части обозначены одинаковыми ссылочными позициями, при этом описание этих частей опускается. Перед описанием устройства 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления приводится описание устройства 1 электропитания привода электромобиля, которое включает в себя устройство 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления.
[0009]
Устройство электропитания привода электромобиля.
Фиг.1 изображает пример конфигурации устройства 1 электропитания привода электромобиля, которое включает в себя устройство 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления. Устройство 1 электропитания привода подает электропитание привода на трехфазный синхронный электродвигатель с постоянным магнитом (в дальнейшем именуемый как электродвигатель), который приводит в движение, например, электрическое транспортное средство, такое как гибридный автомобиль или электромобиль.
[0010]
Устройство 1 электропитания привода включает в себя батарею 2, блоки 3, 14 реле, инвертор 4, электродвигатель 5, конденсатор 6, датчики 7 тока, датчик 8 угла поворота, датчик 9 напряжения, устройство 10 управления электродвигателем, а также устройство 13 управления транспортным средством.
[0011]
Батарея 2 представляет собой источник питания постоянного тока, состоящий из аккумуляторного элемента и тому подобное. Напряжение постоянного тока батареи 2 подается на Инвертор 4 и конденсатор 6 через блок 3 реле. Если блок 3 реле включен, блок 14 реле, соединенный параллельно с батареей 2, открыт. Включение блоков 3, 14 реле находится под управлением посредством функционирования клавишного переключателя по принципу включено-выключено (сигнал управления реле), приводимого в действие водителем посредством устройства 13 управления транспортным средством, которое будет описано ниже.
[0012]
Инвертор 4 осуществляет преобразование мощности между батареей 2 и электродвигателем 5. Инвертор 4 преобразует мощность постоянного тока (DC), подаваемую от батареи 2 в трехфазное напряжение (фаза U, фаза V, фаза W) и преобразует трехфазную мощность переменного тока (AC), генерируемую электродвигателем 5, в мощность постоянного тока (DC).
[0013]
Инвертор 4 включает в себя ряд переключающих элементов Tr1-Tr6, ряд выпрямительных элементов D1-D6, а также схему 41 управления затвором. Цепь плеча формируется посредством соединения эмиттерного электрода переключающего элемента Tr1, имеющего коллекторный электрод, соединенный с положительным электродом батареи 2, с коллекторным электродом переключающего элемента Tr2, имеющего эмиттерный электрод, соединенный с отрицательным электродом батареи 2. Точка соединения переключающих элементов Tr1 (в дальнейшем именуемого как верхнее плечо) и Tr2 (в дальнейшем именуемого как нижнее плечо), образующих схему плеча, соединяется с не изображенной обмоткой фазы U электродвигателя 5. Выпрямительные элементы D1 и D2 соединяются соответственно с верхним плечом Tr1 и нижним плечом Tr2 во встречно-параллельном направлении.
[0014]
Верхние плечи Tr3, Tr5, имеющие коллекторные электроды, соединенные с положительным электродом батареи 2, и нижние плечи Tr4, Tr6, имеющие коллекторные электроды, соединенные с отрицательным электродом батареи 2, также формируют схему плеча по аналогии с верхним плечом Tr1 и нижним плечом Tr2. Точки соединения в соответствующих схемах плечей соединяются соответственно с не изображенной обмоткой фазы V и обмоткой фазы W электродвигателя 5. Выпрямительные элементы D3-D6 соединяются с верхними плечами Tr3, Tr5 и нижними плечами Tr4, Tr6 во встречно-параллельном направлении.
[0015]
Сигналы управления затвором, сгенерированные на основании ШИМ сигнала, выведенные посредством устройства 10 управления электродвигателем, соединены с электродами затвора переключающих элементов Tr1-Tr6, формирующих инвертор 4. Сигнал GUP управления затвором соединен с электродом затвора верхнего плеча Tr1. Сигнал GUN управления затвором соединен с электродом затвора нижнего плеча Tr2. Аналогично, сигнал GVP управления затвором соединен с электродом затвора верхнего плеча Tr3, сигнал GVN управления затвором соединен с электродом затвора нижнего плеча Tr4, сигнал GWP управления затвором соединен с электродом затвора верхнего плеча Tr5, и сигнал GWN управления затвором соединен с электродом затвора нижнего плеча Tr6.
[0016]
Схема 41 управления затвором управляет включением/выключением верхних плечей Tr1, Tr3, Tr5 и нижних плечей Tr2, Tr4, Tr6 на заданное время на основании ШИМ сигнала, принимаемого от устройства 10 управления электродвигателем. Сигналы управления включением/выключением представляют собой описанные выше сигналы GUP, GUN, GVP, GVN, GWP, GWN управления затвором. Заданное время представляет собой цикл (в дальнейшем именуемый как период несущей частоты) управления включением/выключением верхних и нижних плечей Tr1-Tr6.
[0017]
Кроме того, схема 41 управления затвором обнаруживает в верхних и нижних плечах состояния неисправности от перегрева и неисправности от перегрузки по току и выводит сигнал неисправности биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) на устройство 10 управления электродвигателем. Более того, схема 41 управления затвором преобразует сигнал от датчика 9 напряжения в сигнал с амплитудой, распознаваемый посредством устройства 10 управления электродвигателем и выводит преобразованный сигнал на устройство 10 управления электродвигателем, причем датчик 9 напряжения выполнен с возможностью обнаружения напряжения конденсатора 6, который сглаживает напряжение между положительным электродом и отрицательным электродом инвертора 4.
[0018]
Датчики 7 тока выводят сигналы датчика тока, полученные посредством измерения фазных токов, текущих соответственно по обмотке фазы U, обмотке фазы V и обмотке фазы W, на устройство 10 управления электродвигателем. Необходимо отметить, что поскольку сумма фазных токов, текущих по соответствующим обмоткам, равна нулю, нет необходимости обеспечивать датчики 7 тока для всех трех фаз.
[0019]
Устройство 10 управления электродвигателем управляет напряжением возбуждения, подаваемым на электродвигатель 5 посредством использования ШИМ сигнала. Устройство 10 управления электродвигателем генерирует ШИМ сигнал на основании угловой информации не изображенного ротора электродвигателя 5, сигналов (Iu, Iv, Iw) датчика тока, сигнала напряжения конденсатора, сигнала запуска-остановки управления, а также значения T* команды крутящего момента. ШИМ сигнал представляет собой сигнал с той же шириной импульса и той же амплитудой, что и у сигналов GUP, GUN, GVP, GVN, GWP, GWN управления затвором, описанных выше. Необходимо отметить, что в дальнейшем обозначения U, V, W опускаются, если в них нет необходимости, и сигналы управления затвором обозначаются как сигналы GP, GN.
[0020]
Устройство 10 управления электродвигателем принимает от устройства 13 управления транспортным средством сигнал запуска-остановки управления и значение T* команды крутящего момента. Устройство 13 управления транспортным средством включает в себя процессор CPU, память ROM, а также память RAM и выводит сигнал запуска-остановки управления в ответ на операцию включения клавишного переключателя для запуска управления приводом электрического транспортного средства. Кроме того, средство 13 управления транспортным средством вычисляет значение T* команды крутящего момента на основании сигнала акселератора, сигнала торможения, а также сигнала положения переключения.
[0021]
В дальнейшем подробно будут описаны характерные особенности устройства 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления.
[0022]
Первый вариант осуществления
Устройство 10 управления электродвигателем в соответствии с первым вариантом осуществления описывается со ссылкой на фиг.2. Устройство 10 управления электродвигателем в соответствии с первым вариантом осуществления включает в себя средство 11 определения инициирования-остановки управления и контроллер 12 напряжения возбуждения.
[0023]
Средство 11 определения инициирования-остановки управления переключает состояние напряжения возбуждения, подводимого к электродвигателю 5 в состояние остановки, в котором управление останавливается, в состояние запуска, в котором управление возобновляется, или в состояние инициирования. В «состоянии инициирования» контроллер 12 напряжения на входе возбуждения управляет напряжением возбуждения таким образом, что фазный ток повышается или снижается по мере истечения времени.
[0024]
Необходимо отметить, что средство 11 определения инициирования-остановки управления осуществляет этап определения инициирования-остановки управления в способе управления электродвигателем в соответствии с первым вариантом осуществления. Более того, контроллер 12 напряжения возбуждения осуществляет этап управления напряжением возбуждения в способе управления электродвигателем.
[0025]
Средство определения инициирования-остановки управления
Фиг.3 изображает три состояния средства 11 определения инициирования-остановки управления, которые представляют собой «остановку α управления (состояние остановки)», «запуск β управления (состояние запуска)» и «инициирование γ управления (состояние инициирования)». Состояния описаны со ссылкой на схему перехода состояний, изображенную на фиг.3.
[0026]
«Остановка α управления» представляет собой состояние, в котором останавливается управление инвертором 4. «Остановка α управления» представляет собой состояние, в котором останавливается вывод ШИМ сигнала, например, если электрическое транспортное средство останавливается или если происходит неисправность в фазных токах или резкое изменение скорости вращения электродвигателя 5.
[0027]
«Запуск β управления» представляет собой состояние, в котором инвертор 4 находится под управлением в соответствии со значением T* команды крутящего момента во время движения электрического транспортного средства или подобное этому. «Запуск β управления» представляет собой состояние, в котором инвертор 4 находится под управлением посредством применения ШИМ сигнала.
[0028]
«Инициирование γ управления» представляет собой состояние, связывающее «остановку α управления» и «запуск β управления». «Инициирование γ управления» представляет собой состояние, в котором инвертор 4 находится под управлением посредством применения ШИМ сигнала, отличного от ШИМ сигнала, применяемого при «запуске β управления».
[0029]
Переход состояния из состояния «остановки α управления» в состояние «запуска β управления» осуществляется, если скорость вращения электродвигателя 5 должна вернуться к значению, меньшему чем заданное значение. Это обусловлено тем, что когда скорость вращения электродвигателя 5 после возврата меньше, чем заданное значение, величина выброса является малым, даже без перехода в состояние «инициирования γ управления». Соответственно, осуществляется непосредственный переход из состояния «остановки α управления» в состояние «запуска β управления». Если средство 11 определения инициирования-остановки управления определяет необходимость осуществления перехода в состояние «запуска β управления», средство 11 определения инициирования-остановки управления выводит на контроллер 12 напряжения возбуждения сигнал состояния, указывающий на «запуск β управления».
[0030]
Переход состояния из «запуска β управления» в состояние «остановки α управления» осуществляется, например, если происходит неисправность в фазных токах. Если средство 11 определения инициирования-остановки управления определяет необходимость осуществления перехода в состояние «остановки α управления», средство 11 определения инициирования-остановки управления выводит на контроллер 12 напряжения возбуждения сигнал состояния, указывающий на «остановку α управления».
[0031]
Переход состояния из состояния «остановки α управления» в состояние «инициирования γ управления» осуществляется, если скорость вращения электродвигателя 5 должно вернуться к значению, превышающему заданное значение. Поскольку величина выброса является большой, если скорость вращения электродвигателя 5 после возврата превышает заданное значение, в этом случае переход осуществляется таким образом, что состояние возвращается из состояния «остановки α управления» в состояние «запуска β управления» через состояние «инициирования γ управления». Если средство 11 определения инициирования-остановки управления определяет необходимость осуществления перехода в состояние «инициирования γ управления», средство 11 определения инициирования-остановки управления выводит на контроллер 12 напряжения возбуждения сигнал состояния, указывающий на «инициирование γ управления».
[0032]
Необходимо отметить, что определение состояния перехода из состояния «остановки α управления» в состояние «инициирования γ управления» может осуществляться на основании ряда фрагментов данных. Например, определение осуществляется на основании фрагментов данных таких как фазные токи, скорость вращения, а также температуры таким образом, что переход состояния осуществляется, если изменения в фазных токах во время возобновления управления являются большими, если скорость вращения электродвигателя 5 равна или превышает заданную скорость вращения, если температура переключающих элементов в инверторе 4 равна или превышает пороговое значение, или в аналогичных случаях. Эти фрагменты данных могут быть получены из сигналов датчика тока, информации по углу выбега ротора, а также сигнала неисправности транзистора IGBT. Определение может осуществляться посредством раздельного использования фрагментов данных или посредством объединения ряда фрагментов данных. Кроме того, переход из состояния «инициирования γ управления» в состояние «запуска β управления» может также осуществляться на основании фрагментов данных.
[0033]
Переход состояния из состояния «инициирования γ управления» в состояние «запуска β управления» осуществляется, например, если заданный промежуток времени затрачивается от момента перехода в состояние «инициирования γ управления». Кроме того, переход состояния осуществляется, если верхнее предельное значение сигналов GP, GN управления затвором (в дальнейшем именуемое как верхнее предельное значение сигнала управления затвором) для включения верхних и нижних плечей Tr1-Tr6 достигает заданного значения. Верхнее предельное значение сигнала управления затвором определяет вид (ширину импульса, амплитуду) ШИМ сигнала.
[0034]
Верхнее предельное значение сигнала управления затвором выводится от средства 11 определения инициирования-запуска управления на контроллер 12 напряжения возбуждения. Фиг.4 изображает пример изменения верхнего предельного значения. сигнала управления затвором. Горизонтальная ось, изображенная на фиг.4, представляет время, затраченное с перехода в состояние «инициирования γ управления», при этом вертикальная ось, изображенная на фиг.4, представляет, например, ширину импульса при верхнем предельном значении сигнала управления затвором. В этом случае верхнее предельное значение находится во взаимно-однозначном соответствии с затраченным временем и означает, что нет значения, превышающего верхний предел.
[0035]
Как изображено на фиг.4, ширина импульса при верхнем предельном значении сигнала управления затвором увеличивается по мере истечения времени от перехода в состояние «инициирования γ управления». Ширина импульса при верхнем предельном значении сигнала управления затвором увеличивается линейно до, например, ширины импульса (заданного значения), соответствующей коэффициенту заполнения равному 50% периоду несущей частоты ШИМ сигнала.
[0036]
Контроллер напряжения возбуждения
Контроллер 12 напряжения возбуждения генерирует ШИМ сигнал, соответствующий верхнему предельному значению сигнала управления затвором. ШИМ сигнал представляет собой сигнал с той же шириной импульса и с той же амплитудой, что и сигналы GP, GN управления затвором, как описано выше. Соответственно, устройство 10 управления электродвигателем может управлять размерными величинами фазных токов электродвигателя 5 посредством применения ШИМ сигнала.
[0037]
Необходимо отметить, что контроллер 12 напряжения возбуждения может поддерживать верхнее предельное значение сигнала управления затвором. В этом случае могут осуществляться аналогичные операции.
[0038]
Фиг.5 изображает пример функциональной конфигурации контроллера 12 напряжения возбуждения, при этом принципы работы этого котроллера будут описаны с дополнительными подробностями. Контроллер 12 напряжения возбуждения включает в себя вычислитель 120 значения команды тока, контроллер 121 тока, d-q/трехфазный преобразователь 122, преобразователь 123 напряжение/нагрузка, генератор 124 ШИМ сигнала, вычислитель 125 фазы, вычислитель 126 скорости вращения, а также трехфазный/d-q преобразователь 127.
[0039]
Вычислитель 120 значения команды тока вычисляет значение Id* команды тока d-оси и значение Iq* команды тока q-оси посредством применения значения T* команды крутящего момента, вычисленного посредством устройства 13 управления транспортным средством, а также скорость ω вращения электродвигателя 5, вычисленную посредством вычислителя 126 скорости вращения. Значение Id* команды тока d-оси и значение Iq* команды тока q-оси представляют собой значения тока d-оси и q-оси, применяемые в способе управления вектором тока. Вычислитель 126 скорости вращения вычисляет скорость ω вращения электродвигателя 5 от фазы вращения θ, вычисленной посредством вычислителя 125 фазы.
[0040]
Контроллер 121 тока вычисляет значение Vd* команды напряжения d-оси и значение Vq* команды напряжения q-оси посредством сигнала состояния, принятого от средства 11 определения инициирования-остановки управления, значения Id* команды тока d-оси, значения Iq* команды тока q-оси, а также тока Id d-оси и тока Iq q-оси, принятых от трехфазного/d-q преобразователя 127. В состоянии «запуска управления» значения Vd и Vq вычисляются таким образом, что значения Id и Iq соответствуют значениям Id* и Iq*. Иными словами, напряжения возбуждения определяются таким образом, что токи, измеренные посредством датчиков тока соответствуют целевым токам.
[0041]
Кроме того, в состоянии «инициирования управления» и значение Vd* и значение Vq* устанавливаются на «0». В частности, устройство 10 управления электродвигателем согласно варианту осуществления сводит к минимуму влияние на фазные токи при переходе в состояние «инициирования управления».
[0042]
D-q/трехфазный преобразователь 122 преобразует значение Vd* команды напряжения d-оси и значение Vq* команды напряжения q-оси, вычисленные посредством контроллера 121 тока в значения Vu*, Vv*, Vw* команды трехфазного напряжения переменного тока на основании фазы θ вращения, вычисленной посредством вычислителя 125 фазы. Значения Vu*, Vv*, Vw* команды трехфазного напряжения переменного тока, полученные посредством преобразования, выводятся на генератор 124 ШИМ сигнала. Вычислитель 125 фазы вычисляет фазу θ вращения на основании данных угла выбега ротора, принятых от датчика 8 угла поворота.
[0043]
Преобразователь 123 напряжение/нагрузка генерирует сигналы Du*, Dv*, Dw*, которые приводят в действие трехфазные переключающие элементы на основании значений Vu*, Vv*, Vw* команды трехфазного напряжения переменного тока, причем сигнал напряжения конденсатора представляет собой напряжение конденсатора 6.
[0044]
Генератор 124 ШИМ сигнала генерирует ШИМ сигнал, используемый для управления инвертором 4 на основании сигнала состояния, верхнего предельного значения сигнала управления затвором, а также сигналов Du*, Dv*, Dw* нагрузки. В этом случае ширина импульса ШИМ сигнала определяется предельным значением сигнала управления затвором. Другими словами, в варианте осуществления вид ШИМ сигнала и виды сигналов GP, GN управления затвором являются одинаковыми. В нижеследующем описании сигналы, введенные в электроды затвора верхних и нижних плечей Tr1-Tr6 именуются ШИМ сигналом.
[0045]
ШИМ сигнал в состоянии инициирования
Будет описан процесс, выполняемый посредством контроллера 12 напряжения возбуждения для изменения ШИМ сигнала. Описание приводится пока в отношении одной фазы ШИМ сигнала в трех состояниях «остановки управления», «инициирования управления» и «запуска управления».
[0046]
Фиг.6 представляет собой схему, изображающую ШИМ сигналы для верхнего плеча Tr1 и для нижнего плеча Tr2 фазы U. Фиг.6 изображает ШИМ сигналы для верхнего плеча Tr1 и для нижнего плеча Tr2 в состояниях «остановки управления», «инициирования управления» и «запуска управления» сверху. Горизонтальное направление представляет время.
[0047]
В состоянии «остановки управления» и верхнее плечо Tr1 и нижнее плечо Tr2 выключены. Верхнее и нижнее плечи других фаз также выключены. Когда транспортное средство находится, например, в движении, электродвигатель 5 вращается, в связи с чем даже, в состоянии «остановки управления», в электродвигателе 5 генерируется противоэлектродвижущая сила в связи с изменением со временем в магнитном потоке, последовательно связанная с каждой обмоткой фазы. Фазный ток, основанный на этой противоэлектродвижущей силе, втекает в батарею 2 через выпрямительные элементы D1-D6, соединенные во встречно-параллельном направлении с верхним и нижним плечами. В этом состоянии «остановки управления» устройство 10 управления электродвигателем не управляет в буквальном смысле электродвигателем 5.
[0048]
Между тем в состоянии «запуска управления» либо верхнее плечо Tr1, либо нижнее плечо Tr2 всегда установлено в положение «включено». Управление подачей нужного фазного тока на электродвигатель 5 осуществляется посредством включения и выключения верхнего и нижнего плечей таким образом, что одно из них всегда устанавливается в положение «включено» в состоянии «запуска управления».
[0049]
«Инициирование управления» представляет собой состояние, соединяющее состояния «остановки управления» и «запуска управления». В состоянии «инициирования управления» ШИМ сигналы для верхнего плеча Tr1 и нижнего плеча Tr2 меняются таким образом, что верхнее предельное значение фазного тока увеличивается по мере истечения времени. Например, ширина импульса ШИМ сигнала постепенно увеличивается по мере истечения времени. В результате этого максимальное значение (верхнее предельное значение) амплитуды фазного тока может постепенно увеличиваться. То же самое касается и других фаз.
[0050]
Продолжительность включения нижнего плеча Tr2 в период времени t3 больше, чем продолжительность включения верхнего плеча Tr1 в период времени t2. Кроме того, продолжительность включения верхнего плеча Tr1 в период времени t4 больше, чем продолжительность включения нижнего плеча Tr2 в период времени t3. Другими словами, ширина импульса каждого ШИМ сигнала увеличивается в зависимости от изменения верхнего предельного значения сигнала управления затвором, изображенного на фиг.4. Затем, когда ширина импульса каждого ШИМ сигнала увеличивается до заданного значения, состояние переходит в состояние «запуска управления».
[0051]
Обеспечение описанного выше состояния «инициирования управления» снижает выброс фазного тока в электродвигателе 5. На фиг.7 изображен результат моделирования фазного тока в случае, когда устройство 10 управления электродвигателем согласно варианту осуществления управляет электродвигателем 5. На фиг.7 изображены изменения фазного тока и крутящего момента во времени в случае перехода состояния из «остановки управления» в «инициирование управления» и затем в «запуск управления».
[0052]
Как изображено на фиг.7, амплитуда фазного тока в состоянии «инициирования управления» постепенно увеличивается по мере истечения времени. Как описано выше, контроллер 12 напряжения возбуждения управляет напряжением возбуждения, подаваемым на электродвигатель 5 таким образом, что максимальное значение (верхнее предельное значение) амплитуды фазного тока постепенно увеличивается.
[0053]
Кроме того, если фазный ток в состоянии «остановки управления» является высоким, контроллер 12 напряжения возбуждения управляет напряжением возбуждения таким образом, что максимальное значение (верхнее предельное значение) амплитуды фазного тока постепенно снижается по мере истечения времени. На фиг.8 изображен результат моделирования случая, когда фазный ток уменьшается.
[0054]
Контроллер 12 напряжения возбуждения снижает выброс и отрицательный выброс фазного тока, как описано выше. Режим изменения максимального значения (верхнего предельного значения) амплитуды фазного тока определяется верхним предельным значением сигнала управления затвором, выведенным посредством средства 11 определения запуска-инициирования управления.
[0055]
Нижеследующие операции и результаты могут быть получены от устройства 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления, описанному выше.
[0056]
В состоянии «инициирования управления» поскольку ширина импульса ШИМ сигнала постепенно увеличивается, резкого изменения в фазе фазного тока не происходит. В результате, можно подавить резкий подъем (падение) фазного тока, который называется системой вторичной вибрации.
[0057]
В состоянии «инициирования управления» управление осуществляется таким образом, что верхний предел фазного тока увеличивается по мере истечения времени (фиг.7 и 8). Таким образом, устройство 10 управления электродвигателем согласно варианту осуществления предотвращает возникновение отказа устройства из-за чрезмерного тока. Кроме того, устройство 10 управления электродвигателем также предотвращает флуктуацию крутящего момента.
[0058]
Несмотря на то что в описанном выше примере приводится описание посредством использования примера, в котором ширина импульса ШИМ сигнала увеличивается по мере истечения времени, может увеличиваться амплитуда ШИМ сигнала по мере истечения времени. На фиг.9 показан пример, в котором в состоянии «инициирования управления» увеличивается амплитуда ШИМ сигнала по мере истечения времени. То же самое применимо к фазе V и фазе W.
[0059]
Устройство управления электродвигателем, имеющее те же результаты, как и в вышеупомянутом случае управления шириной импульса, может быть обеспечено также посредством изменения амплитуды ШИМ сигнала, как описано выше. Кроме того, аналогичные результаты могут быть также получены посредством одновременного изменения и ширины импульса и амплитуды.
[0060]
Кроме того, несмотря на то что в описанном выше примере приводится описание посредством использования примера, в котором верхнее предельное значение сигнала управления затвором для изменения ШИМ сигнала изменяется линейно с постоянной скоростью изменения, скорость изменения может быть постепенной, как показано на фиг.10. Вертикальная и горизонтальная оси на фиг.10 такие же, как и оси, изображенные на фиг.4.
[0061]
Изменение фазного тока в состоянии «инициирования управления» можно сделать более плавным посредством увеличения скорости изменения верхнего предельного значения сигнала управления затвором по мере истечения времени, как изображено на фиг.10. В результате этого, можно, безусловно, уменьшить резкое нарастание (падение) фазного тока.
[0062]
Более того, приводится описание посредством использования примера, в котором переход состояния в состояние «остановки управления» осуществляется, если чрезмерный фазный ток течет из-за неожиданного нарушения, и, таким образом, увеличивает отклонение между целевым значением и измеренным значением (сигнал датчика тока) фазного тока. Однако может быть осуществлен более простой переход в состояние «остановки управления». Например, средство 11 определения остановки-инициирования управления может быть выполнено с возможностью переключения в состояние «остановки управления», если фазный ток превышает пороговое значение.
[0063]
Фиг.11 изображает блок-схему, в которой средство 11 определения остановки-инициирования управления переключает состояние напряжения возбуждения в состояние «остановки управления», если фазный ток превышает пороговое значение и если температура переключающих элементов Tr1-Tr6 превышает пороговое значение. Когда измеренное значение фазного тока достигает или превышает пороговое значение (положительный результат определения, выполненного на этапе S10), осуществляется переход состояния напряжения возбуждения в состояние «остановки управления». Кроме того, когда температура переключающих элементов Tr1-Tr6 достигает или превышает пороговое значение (положительный результат определения, выполненного на этапе S11), осуществляется переход состояния напряжения возбуждения в состояние «остановки управления».
[0064]
Этап S10 определения может осуществляться посредством использования фазного тока, полученного от каждого датчика тока или посредством использования значений, таких как, например, значение команды тока, задающее вышеупомянутое целевое значение. Устройство управления электродвигателем, которое может обнаруживать неисправное состояние ШИМ управления быстрее и безошибочно останавливать ШИМ управление, может быть обеспечено посредством осуществления перехода в состояние «остановки управления» на основании фазного тока.
[0065]
Необходимо отметить, что температура переключающих элементов Tr1-Tr6, превышающая пороговое значение, может быть обнаружена посредством применения, например, вышеупомянутого сигнала неисправности транзистора IGBT. Устройство управления электродвигателем, которое может предотвратить выход из строя переключающих элементов, может быть обеспечено посредством обнаружения неисправного состояния ШИМ управления на основании того, превысила ли температура переключающих элементов пороговое значение или нет.
[0066]
Активная остановка ШИМ управления при обнаружении неисправности в фазном токе или температуре, как описывалось выше, также может уменьшить потребление электроэнергии. Другими словами, можно предотвратить расточительное потребление электроэнергии.
[0067]
Кроме того, средство 11 определения остановки-инициирования управления может быть выполнено с возможностью установки продолжительности состояния «инициирования управления» таким образом, что чем больше фазный ток, превышающий пороговое значение, тем длиннее продолжительность состояния «инициирования управления». Фиг.12 изображает блок-схему, на которой продолжительность состояния «инициирования управления» меняется в зависимости от величины фазного тока, превышающей пороговое значение.
[0068]
Если текущее значение фазного тока, превышающее пороговое значение, является низким (положительный результат определения, выполненного на этапе S13), продолжительность установки состояния напряжения возбуждения в состояние «инициирования управления» является короткой (этап S16). Если текущее значение фазного тока, превышающее пороговое значение, находится на среднем уровне (положительный результат определения, выполненного на этапе S14), продолжительность установки состояния напряжения возбуждения в состояние «инициирования управления» является средней (этап S17). Если текущее значение фазного тока, превышающее пороговое значение, является высоким (положительный результат определения, выполненного на этапе S15), продолжительность установки состояния напряжения возбуждения в состояние «инициирования управления» является высокой (этап S18).
[0069]
В целом, чем больше фазный ток, текущий в электродвигателе, тем хуже уровень неисправности в ШИМ управлении. Соответственно, требуется более тщательно осуществлять переход в состояние «запуска управления». Посредством достижения конфигурации, в которой продолжительность в состоянии «инициирования управления» устанавливается таким образом, что чем больше фазный ток, превышающий пороговое значение, тем больше продолжительность в состоянии «инициирования управления», время, затрачиваемое на возобновление ШИМ управления может быть установлено таким образом, что чем выше фазный ток, тем больше время, затрачиваемое на возобновление ШИМ управления. Соответственно, может быть обеспечено средство управления электродвигателем, которое может стабилизировать ЩИМ управление.
[0070]
Необходимо отметить, что это же применимо и к температуре. Блок-схема в случае температуры является такой же, как блок-схема, изображенная на фиг.12. В целом, чем выше температура переключающих элементов, тем хуже уровень неисправности в ШИМ управлении. Соответственно, может быть обеспечено средство управления электродвигателем, которое может стабилизировать ЩИМ управление посредством установления времени, необходимого для перехода в состояние «запуска управления» таким образом, что чем выше температура переключающих элементов, тем больше время, затрачиваемое на переход в состояние «запуска управления».
[0071]
Второй вариант осуществления
Будет приведено описание устройства 20 управления электродвигателем в соответствии со вторым вариантом осуществления со ссылкой на фиг.13. Устройство 20 управления электродвигателем согласно второму варианту осуществления отличается от устройства 10 управления электродвигателем (фиг.2) тем, что устройство 20 управления электродвигателем включает в себя контроллер 21 значения команды напряжения, выполненный с возможностью управлять значениями команды напряжения в состоянии «остановки управления». Кроме того, контроллер 22 напряжения отличается от контроллера 12 напряжения возбуждения тем, что контроллер 12 напряжения возбуждения генерирует ШИМ сигнал посредством использования этих значений команд напряжения (выходные данные контроллера 21 значения команды напряжения).
[0072]
Контроллер 21 значения команды напряжения фиксирует каждое из значений команды напряжения, дающих команду увеличения или уменьшения фазных токов до заданного значения в состоянии «остановки управления». А именно, поскольку значение команды напряжения фиксируется в заданном значении в то время как ШИМ управление останавливается, флуктуация крутящего момента электродвигателя при переходе из состояния «остановки управления» в состояние «инициирования управления» может быть подавлена.
[0073]
Фиг.14 изображает пример функциональной конфигурации контроллера 22 напряжения возбуждения. Контроллер 22 напряжения возбуждения отличается от контроллера 12 напряжения возбуждения (фиг.5) только тем, что контроллер 22 напряжения возбуждения включает в себя контроллер 221 тока.
[0074]
В контроллере 221 тока в период остановки ШИМ управления значение команды напряжения устанавливается на «0». В контроллере 221 тока сигнал состояния фиксирует значение команды напряжения в состоянии «остановки управления» на заданном значении.
[0075]
Заданное значение может быть, например, значением Vd1* команды напряжения d-оси и значением Vq1* команды напряжения q-оси вычисленными по-новому на основании значения T* команды крутящего момента, скорости вращения ω, а также напряжения конденсатора в состоянии «остановки управления». Новое вычисление значений предоставляет возможность крутящему моменту электродвигателя достигнуть целевого значения быстрее, даже если продолжительность состояния «остановки управления» является длительной.
[0076]
Фиг.15 схематически изображает соотношение между значением команды напряжения и каждым из состояний в случае, когда новые значения команды Vd1*, Vq1* напряжения вычисляются в состоянии «остановки управления». Горизонтальная ось отображает время, а вертикальная ось отображает значение команды напряжения.
[0077]
Контроллер 21 значения команды напряжения вычисляет новое значение Vd1* команды напряжения d-оси и новое значение Vq1* команды напряжения в состоянии «остановки управления», при этом выводит эти значения на контроллер 221 тока. В результате этого, флуктуация крутящего момента электродвигателя при переходе в состояние «инициирования управления» может быть подавлена даже, если состояние «остановки управления» является бесконечно длительным, как изображено посредством пунктирной линии.
[0078]
Модифицированный пример 1
Кроме того, заданное значение может быть значением команды напряжения, поддерживаемым посредством контроллера 21 значения команды напряжения непосредственно перед переходом в состояние «остановки управления». На фиг.16 изображено соотношение в этом случае между значением команды напряжения и каждым состоянием.
[0079]
Горизонтальная ось и вертикальная ось, изображенные на фиг.16, являются такими же, как и оси, изображенные на фиг.15. Контроллер 21 значения команды напряжения поддерживает значения Vd* и Vq* непосредственно перед переходом в состояние «остановки управления» в виде значений Vd0* и Vq0*. Таким образом, поддерживаемые значения команды напряжения вводятся в контроллер 221 тока при переходе состояния в «инициирование управления» для подавления флуктуации крутящего момента электродвигателя. Этот способ является эффективным, если продолжительность состояния «остановки управления» является относительно короткой.
[0080]
Модифицированный пример 2
Кроме того, заданное значение может быть установлено в зависимости от продолжительности состояния «остановки управления» в значении между значением Vd0* и Vq0* команды напряжения, поддерживаемым непосредственно перед переходом в состояние «остановки управления», и значением Vd1* и Vq1* команды напряжения вновь вычисленными посредством применения значения T* команды крутящего момента, требуемого для управления крутящим моментом.
[0081]
Фиг.17 схематически изображает соотношение между значением команды напряжения и каждым состоянием в случае, когда заданное значение устанавливается в значении между поддерживаемым значением Vd0*, Vq0* команды напряжения и вновь вычисленным значением Vd1*, Vq1* команды напряжения. Горизонтальная ось и вертикальная ось, изображенные на фиг.17, являются такими же, как и оси, изображенные на фиг.15.
[0082]
Каждое из значений Vd* и Vq* команды напряжения при переходе в состояние «остановки управления» устанавливается в значении между значениями Vd0*, Vq0* и Vd1*, Vq1* в зависимости от продолжительности состояния «остановки управления». Как изображено на фиг.17, зависимость от промежутка времени означает, что продолжительность состояния «остановки управления» в случае вновь вычисленного значения Vd1*, Vq1* определяется заранее и значение определяется из пропорционального соотношения между этим временем и фактической продолжительностью состояния «остановки управления».
[0083]
Как описано выше, в зависимости от продолжительности состояния «остановки управления» заданное значение устанавливается на значении между значением Vd0*, Vq0* команды напряжения, поддерживаемым посредством контроллера 21 значения команды напряжения непосредственно перед переходом в состояние «остановки управления», и вновь вычисленным значением Vd1*, Vq1*, требуемым для управления крутящим моментом. В результате этого, возможно должным образом установить значение команды напряжения и подавить флуктуацию крутящего момента электродвигателя при переходе в состояние «инициирования управления».
[0084]
Как описано выше, устройство 20 управления электродвигателем согласно второму варианту осуществления может подавлять флуктуацию крутящего момента электродвигателя при переходе из состояния «остановки управления» в состояние «инициирования управления». Подавление флуктуацию крутящего момента электродвигателя может предотвратить вибрацию, основанную на флуктуацию крутящего момента.
[0085]
Фиг.18 изображает изменения фазного тока и крутящего момента с течением времени в случае, когда электродвигатель 5 приводится в движение посредством устройства управления электродвигателем согласно сравнительному примеру, при этом состояние переходит из состояния «остановки управления» в состояние «запуска управления». Горизонтальная и вертикальная оси, изображенные на фиг. 17 являются такими же, как и оси, изображенные на фиг.7.
[0086]
В сравнительном примере, изображенном на фиг.18, при изменении с течением времени вышеупомянутое состояние «инициирования управления» не существует. Другими словами, состояние переходит из состояния «остановки управления» в состояние «запуска управления». Поскольку ширина импульса ШИМ сигнала в период времени, когда возобновляется ШИМ управление, является такой же, как и ширина импульса в нормальном состоянии ШИМ управления, при этом является большой, может произойти выброс в фазном токе в зависимости от скорости вращения электродвигателя. В результате этого возникает вибрация крутящего момента электродвигателя.
[0087]
В сравнительном примере (фиг.18) вибрация крутящего момента возникает, как только состояние переходит из состояния «остановки управления» в состояние «запуска управления». Вибрация продолжается 30 мс или более. Если электродвигатель 5 приводится в движение посредством устройства 10 управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления, в той же самой ситуации вибрации не возникает (фиг.7).
[0088]
В вариантах осуществления устройства 10 и 20 управления электродвигателем управляют напряжением возбуждения таким образом, что каждый фазный ток увеличивается или уменьшается по мере истечения времени в ситуации, когда состояние напряжения возбуждения находится в состоянии инициирования. Соответственно, устройства 10 и 20 управления электродвигателем могут снизить выброс фазного тока и подавить вибрацию, возникающую в крутящем моменте электродвигателя в случае, когда ШИМ управление возобновляется.
[0089]
Необходимо отметить, что согласно вышеупомянутому, фиг.6 описание приводится посредством использования примера, в котором ШИМ сигналы для верхнего плеча Tr1 и нижнего плеча Tr2 в состоянии «запуска управления» представляют собой сигналы, противоположные друг другу. Однако, фактически, бестоковая пауза, во время которой верхнее плечо Tr1 и нижнее плечо Tr2 одновременно устанавливаются в положение «выключено», в целом обеспечивается в каждом периоде несущей частоты для предотвращения сквозного тока, текущего через схему плеча. В описании вариантов осуществления изображение бестоковой паузы опущено с целью упрощения описания.
[0090]
Кроме того, несмотря на то что в вариантах осуществления описание приводится посредством использования примера, в котором ширина импульса ШИМ сигнала увеличивается, может быть обеспечено устройство управления электродвигателем, имеющее аналогичные результаты, посредством применения способа уменьшения вышеупомянутой бестоковой паузы. Кроме того, аналогичные результаты могут быть также получены посредством изменения периода несущей частоты.
[0091]
Более того, несмотря на то что в вышеупомянутых вариантах осуществления описание приводится посредством использования примера, в котором электродвигатель 5 представляет собой трехфазный синхронный электрический электродвигатель с постоянными магнитами, предназначенный для приведения в движение электрического транспортного средства, настоящее изобретение не ограничивается этим примером. Техническое положение, описанное в вышеупомянутых вариантах осуществления может быть применено не только к электродвигателю, предназначенному для приведения в движение (передвижения), но также и к широкому разнообразию электродвигателей, таких как, например, приводное устройство.
[0092]
Несмотря на то что описаны выше варианты осуществления настоящего изобретения, не следует понимать, что это описание и чертежи, формирующие часть этого раскрытия, ограничивают настоящее изобретение. Из этого описания специалистами в данной области техники будут найдены различные альтернативные варианты осуществления, примеры и методы работы.
Список ссылочных позиций
[0093]
1 устройство электропитания привода
2 батарея
3, 14 блоки реле
4 инвертор
5 электродвигатель
6 конденсатор
7 датчик тока
8 датчик угла поворота
9 датчик напряжения
10 устройство управления электродвигателем
11 средство определения инициирования-остановки управления
12 контроллер напряжения возбуждения
13 устройство управления транспортным средством
20 устройство управления электродвигателем
21 контроллер значения команды напряжения
22 контроллер напряжения возбуждения.