DE10218728B4

DE10218728B4 - Motorsteuer/Regelvorrichtung

Info

Publication number: DE10218728B4
Application number: DE10218728A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Wako Takahashi; Nobuyuki Wako Imai
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: JP2002325481A; US6674261B2; US20030030406A1; JP3485905B2; DE10218728A1

Abstract

Regel-Vorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (3), umfassend:
– einen Stromsensor (12, 13) zum Erfassen eines durch eine Statorwicklung des Motors (3) fließenden Stroms;
– einen Drehzahlsensor zum Erfassen einer Drehzahl des Motors (3);
– einen Winkelsensor (14) zur Ausgabe eines Impulssignals, jedesmal dann, wenn bei Betrieb des Motors (3) ein Läufer des Motors (3) einen vorbestimmten Rotorwinkel erreicht;
– eine Hochfrequenzsignalzuführung (22) zum Überlagern der an die Statorwicklung des Motors (3) angelegten Spannungen mit einer Hochfrequenzspannung,
– ein Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) zum Erfassen des Rotorwinkels, und
– eine Inverteranordnung (10, 11) zur Regelung der Erregung der Statorwicklung aufgrund des durch das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) erfassten Rotorwinkels,
– eine Umschalteinrichtung, die dann, wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors eine vorbestimmte Drehzahl (ne_l) erreicht oder übersteigt, von einem ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb in einen zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb umschaltet, und dann, wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors unter die...

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuer/Regelvorrichtung zum Steuern/Regeln eines Motors durch Erfassen eines Rotorwinkels durch Verwendung eines Winkelsensors in einem hohen Drehzahlbereich und eines Rotorwinkels ohne Verwendung eines Winkelsensors in einem unteren Drehzahlbereich.
Beschreibung des Stands der Technik:
Zur Erregung eines Synchronmotors wie eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder dgl. oder eines Induktionsmotors, ist es notwendig Ströme durch die
Anker des Motors bei geeigneten Phasen in Abhängigkeit vom Winkel (Position) des Rotors des Motors zu leiten, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen.
Daher wird der Rotor im Allgemeinen mit einem Positionserfassungssensor zum Erfassen der Rotorposition kombiniert. Verwenden des Positionserfassungssensors erhöht die Kosten des Motors selbst als auch die Kosten einer Motorsteuer/Regelvorrichtung, wegen des Positionserfassungssensors selbst, der Leitungen zum Abgeben eines Ausgabesignals und dem Positionserfassungssensor und einer Empfangsschaltung in einer Motorsteuer/Regelvorrichtung zum Empfangen solch eines Ausgabesignals. Es ist vorgeschlagen worden, einen Rotorwinkel in einer sensorlosen Art und Weise ohne die Erfordernis eines Positionssensors zu erfassen, wie z. B. in der japanischen veröffentlichten Patentveröffentlichung JP 7-245981 A offenbart ist. Die sensorlose Erfassung eines Rotorwinkels wirft jedoch Probleme im Hinblick auf transiente Eigenschaften und Erfassungsgenauigkeit besonders in einem hohen Drehzahlbereich auf.
In Anwendungen, bei denen ein direkt mit einer Maschine in einem Hybridfahrzeug gekuppelter Motor gesteuert/geregelt werden muss, kann ein Kurbelwellenwinkelsensor zum Ausgeben eines Signals, wenn die Maschine eine gewisse mechanische Winkelposition erreicht, um dadurch die Drehzahl der Maschine zu erfassen, als Rotorwinkelerfassungsensor des Motors verwendet werden. Der Kurbelwellenwinkelsensor ist jedoch nicht zum genauen Erfassen der Drehzahl der Maschine in einem unteren Drehzahlbereichs, wie wenn die Maschine angelassen wird, konstruiert.
Es ist für die Verwendung in Hybridfahrzeugen ein Prozess zur Erfassung des Rotorwinkel eines Motors vorgeschlagen worden, der einen Sensor zum Erfassen des Kurbelwellenwinkels einer Maschine in einem hohen Drehzahlbereich und zum Erfassen des Rotorwinkels in einer sensorlosen Art und Weise in einem unteren Drehzahlbereich verwendet (siehe japanische offengelegte Patentveröffentlichung JP 9-219906 A ).
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat herausgefunden, wenn der Rotorwinkel mit unterschiedlichen Methoden in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine gemäß dem vorgeschlagenen Prozess erfasst wird, dass der Motor beim Umschalten zwischen den Methoden dazu tendiert zu vibrieren und sich instabil zu verhalten.
Die US 5,969,496 A offenbart einen Drehstrom-Synchronmotor, dessen Rotowinkelstellung insbesondere bei niedrigen Drehzahlen sensorlos erfasst werden kann. Diese Erfassung erfolgt, indem eine stufenförmige Spannung an die U-Phasen-Statorwicklung des Motors angelegt wird, und daraufhin der in der U-Phasenwicklung, V-Phasenwicklung und W-Phasenwicklung induzierte Stromverlauf erfasst wird. Da der in jeder Wicklung indizierte Strom von der Rotorwinkelstellung abhängt, lässt sich aus der Messung der Ströme eindeutig ein Rotorwinkel zuordnen. Mit dem offenbarten Verfahren kann der Rotorwinkel absolut erfasst werden, wobei es erforderlich ist, kurzzeitig ein stufenförmiges Spannungssignal auf eine der Statorwicklungen aufzuschalten und das Stromsignal in jeder der Statorwicklungen zu messen.
Die US 6,163,127 A offenbart eine Steuer-/Regelvorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, die zwei sensorlose Bestimmungsprozesse für den Rotorwinkel umfasst. Bei großen Drehzahlen erfasst die offenbarte Vorrichtung eine durch die Bewegung des Rotors in den Statorwicklungen induzierte Spannung, aus der eine gegenelektromotorische Kraft berechnet wird, auf deren Grundlage der Rotorwinkel bei hohen Drehzahlen bestimmt werden kann. Bei niedrigen Drehzahlen erfolgt gemäß der US 6,163,127 A die Erfassung des Rotorwinkels mit Hilfe eines an die Statorwicklungen angelegten hochfrequenten Trägersignals, wobei auf Grundlage eines Modells der aktuelle Rotorwinkel abgeschätzt wird. Zur Bestimmung des tatsächlichen Rotorwinkels wird eine von der Differenz zwischen abgeschätztem und tatsächlichem Rotorwinkel abhängige hochfrequente Signalkomponente des Trägersignals verwendet.
Der Übergang zwischen den beiden genannten Rotorwinkel-Erfassungsprozessen ist gemäß der US 6,163,127 A an das Erreichen einer jeweiligen Schwellendrehzahl geknüpft. Wenn bei abfallender Drehzahl vom zweiten Erfassungsprozess zum ersten Erfassungsprozess umgeschaltet werden soll, tritt das Problem auf, dass der zweite Erfassungsprozess nur dann ordnungsgemäß arbeitet, wenn bereits eine einigermaßen korrekte Abschätzung für den Rotorwinkel vorliegt. Daher findet gemäß dieser Druckschrift ein Initialisierungsprozess statt, bei dem die Trägerfrequenzeinspeisung bereits aktiv ist, während der Rotorwinkel aber immer noch im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsprozess bestimmt wird, bis die erfassten Werte konvergieren. Die Umschaltung vom zweiten zum ersten Erfassungsprozess benötigt also eine gewisse Übergangszeit.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, eine Steuer-/Regelvorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen, die eine schneller ansprechende Umschaltung zwischen dem Rotorwinkel-Erfassungsprozess bei großen Drehzahlen und dem Rotorwinkel-Erfassungsprozess bei kleinen Drehzahlen ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Regel-Vorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor vorgesehen, umfassend einen Stromsensor zum Erfassen eines durch eine Statorwicklung des Motors fließenden Stroms; einen Drehzahlsensor zum Erfassen einer Drehzahl des Motors, einen Winkelsensor zur Ausgabe eines Impulssignals, jedesmal dann, wenn bei Betrieb des Motors ein Läufer des Motors einen vorbestimmten Rotorwinkel erreicht, eine Hochfrequenzsignalzuführung zum Überlagern der an die Statorwicklung des Motors angelegten Spannungen mit einer Hochfrequenzspannung, ein Rotorwinkel-Erfassungsmittel zum Erfassen des Rotorwinkels, und eine Inverteranordnung zur Regelung der Erregung der Statorwicklung aufgrund des durch das Rotorwinkel-Erfassungsmittel erfassten Rotorwinkels, sowie eine Umschalteinrichtung, die dann, wenn die erfasste Drehzahl des Motors eine vorbestimmte Drehzahl erreicht oder übersteigt, von einem ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb in einen zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb umschaltet, und dann, wenn die erfasste Drehzahl des Motors unter die vorbestimmte Drehzahl fällt, vom zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb in den ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb umschaltet, wobei das Rotorwinkel-Erfassungsmittel im ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb die Hochfrequenzspannung an die Statorwicklung anlegt und zyklisch wiederholt mit der Hochfrequenz auftretende Anteile des von dem Stromsensor erfassten Stroms extrahiert, und aus diesen Anteilen eine Phasendifferenz (θ_e(n)) zwischen einem tatsächlichen Wert (θ(n)) und einem Schätzwert (θ^(n)) des Rotorwinkels gemäß der Gleichung
sind, wobei L_d und L_g Induktivitäten der Anker sind und r der Widerstand jedes Ankers des Motors ist und I_d eine von dem Stromsensor erfasste Komponente des durch die Statorwicklung des Motors fließenden Stroms ist, die in ein mit der Winkelgeschwindigkeit des Rotorwinkels rotierendes Koordinatensystem transformiert ist,
und wobei das Rotorwinkel-Erfassungsmittel anschließend einen neuen Schätzwert (θ^(n + 1)) des Rotorwinkels aus dem zuletzt erfassten Schätzwert (θ^(n)) des Rotorwinkels und der Phasendifferenz (θ_e(n) – θ(n) – θ^(n)) gemäß folgender Gleichung ermittelt:
wobei ω^ = dθ^/dt gilt und K₁, K₂ vorbestimmte Konstante sind, und wobei das Rotorwinkel-Erfassungsmittel im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetriebs zyklisch wiederholt den tatsächlichen Wert des Rotorwinkels (θ_z) aus dem von dem Winkelsensor abgegebenen Impulssignal ableitet, und wobei dann, wenn der zweite Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb wechselt, das Rotorwinkel-Erfassungsmittel in einem ersten Zyklus des ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb den zuletzt im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb ermittelten Wert des Rotorwinkels (θ_z) als den Schätzwert des Rotorwinkels (θ^(n)) erfasst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.
Mit der obigen Regel-Vorrichtung kann der Rotorwinkel relativ genau aus dem Impulssignal, welches vom Winkelsensor beim Drehen des Motors ausgegeben wird, erfasst werden. Wenn der Motor in Ruhe ist, kann der Rotorwinkel des Motors nicht erfasst werden, da das Impulssignal nicht ausgegeben wird. In Abhängigkeit vom Typ des Winkelsensors kann das Ausgabeniveau des Impulssignals auf ein nicht erfassbares Niveau herab gesenkt sein, wenn sich der Motor mit einer kleinen Drehzahl dreht. Wenn die durch den Drehzahlsensor erfasste Drehzahl kleiner als die vorbestimmte Drehzahl ist, dann wird der Rotorwinkel im ersten Rotorwinkelerfassungsprozess erfasst, welcher das Impulssignal nicht verwendet.
Die Genauigkeit, mit der der Rotorwinkel im ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasst wird, muss nicht notwendigerweise dieselbe sein wie die Genauigkeit, mit welcher der Rotorwinkel im zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasst wird. Wenn die Genauigkeit, mit der der Rotorwinkel im ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasst wird, kleiner als die Genauigkeit mit der der Rotorwinkel im zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasst wird, ist, dann ist die Kontinuität der in einem Übergang vom zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkel verloren, was das Verhalten des Motors instabil macht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Rotorwinkelerfassungsmittel Mittel zum Abtasten des durch den Stromsensor in jedem gegebenen Steuer/Regelzyklus erfassten Stroms, um den Rotorwinkel des Motors im ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb zu erfassen, und wenn der zweite Rotorwinkelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb wechselt, den im zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkel als den Rotorwinkel in einem ersten Steuer/Regelzyklus des ersten Rotorwinkelerfassungsbetriebs schließlich zu erfassen, und in nachfolgenden Steuer/Regelzyklen, den Rotorwinkel in einem aktuellen Steuer/Regelzyklus unter Verwendung des in einem vorherigen Steuer/Regelzyklus erfassten Rotorwinkels als ein Berechnungsparameter zu erfassen.
Wenn die Drehzahl des Motors von einem hohen Drehzahlbereich gleich oder größer als die vorbestimmte Drehzahl zu einem unteren Drehzahlbereich kleiner als die vorbestimmte Drehzahl sich verschiebt, dann schaltet das Rotorwinkelerfassungsmittel zur Erfassung des Rotorwinkels des Motors vom zweiten Rotormittelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb um.
In einem ersten Steuer/Regelzyklus des ersten Rotorwinkelerfassungsbetriebs verwendet das Rotormittelerfassungsmittel den zuletzt im zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkel als den erfassten Rotorwinkel. In nachfolgenden Steuer/Regelzyklen erfasst das Rotorwinkelerfassungsmittel den Rotorwinkel in einem aktuellen Steuer-Regelzyklus durch Verwenden des in einem vorangehenden Steuer/Regelzyklus erfassten Rotorwinkels als ein Berechnungsparameter.
Wenn der zweite Rotorwinkelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb wechselt, erfasst der erste Rotorwinkelerfassungsbetrieb den Rotorwinkel des Motors, dabei den Rotorwinkel des Motors widerspiegelnd, der zuletzt im zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasst wird. Da der zweite Rotorwinkelerfassungsbetrieb gleichmäßig mit Kontinuität zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb wechselt, wird der Motor beim Wechsel vom zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb dadurch abgehalten instabil zu arbeiten,
Das Rotorwinkelerfassungsmittel umfasst ein Phasendifferenzdaten-Erzeugungsmittel zum Erzeugen von Phasendifferenzdaten, die die Phasendifferenz (θ–θ^) zwischen einem tatsächlichen Wert (θ) und einem geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels des Motors auf Grund des erfassten Stroms darstellen, der in jedem gegebenen Steuer/Regelzyklus abgetastet wird; und Mittel um in einem ersten Steuer/Regelzyklus des ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetriebs, dann wenn der zweite Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb wechselt, um den zuletzt im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkel als den geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels des Motors zu verwenden, um einen geschätzten Wert (θ^) einer Rotorwinkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Änderung des im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkels zu berechnen, und um den geschätzten Wert des Rotorwinkels (θ^) als den Rotorwinkel des Motors zu erfassen, und um in nachfolgenden Steuer/Regelzyklen die geschätzten Werte (θ^, ω^) des Rotorwinkels und der Rotorwinkelgeschwindigkeit eines vorangehenden Steuer/Regelzyklus als Berechnungsparameter verwenden, um die Berechnungsparameter mit einem Beobachter, der aufeinanderfolgend die Berechnungsparameter in Abhängigkeit von den Phasendifferenzdaten aktualisiert, zu aktualisieren, zwecks Eliminierung der durch das Phasendifferenzdaten-Erzeugungsmittel in dem vorangehenden Steuer/Regelzyklus berechneten, durch die Phasendifferenzdaten dargestellten Phasendifferenz (θ–θ^), um dadurch den geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels des Motors in dem aktuellen Steuer/Regelzyklus zu berechnen und den geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels als den Rotorwinkel des Motors zu erfassen.
Mit der obigen Anordnung verwendet das Rotorwinkelerfassungsmittel den im zweiten Rotorwinkelerfassungbetrieb den zuletzt erfassten Rotorwinkel als den geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels des Motors im ersten Steuer/Regelzyklus des ersten Rotorwinkelerfassungsbetriebs. In nachfolgenden Steuer/Regelzyklen verwendet das Rotorwinkelerfassungsmittel die geschätzten Werte (θ^, ω^) des Rotorwinkels und der Rotorwinkelgeschwindigkeit, welche im vorangehenden Steuer/Regelzyklus als Berechnungsparameter berechnet wurden, und aktualisiert aufeinanderfolgend sowie berechnet den geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels mit dem Beobachter.
Wenn der zweite Rotorwinkelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb wechselt, erfasst daher der erste Rotorwinkelerfassungsbetrieb den Rotorwinkel des Motors, der den Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit des Motors widerspiegelt, die zuletzt im zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasst werden. Da der zweite Rotorwinkelerfassungsbetrieb gleichmäßig mit Kontinuität zum ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb wechselt, wird daher der Motor beim Wechsel vom zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkelerfassungsprozess abgehalten instabil zu arbeiten.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat herausgefunden, dass der im ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasste Rotorwinkel des Motors zum tatsächlichen Rotorwinkel in Abhängigkeit von der Größe des Ankerstroms des Motors im Vorlauf ist. Wenn der dabei erfasste Rotorwinkel vorgelaufen ist und falls die Erregung des Motorankers durch die Innerten-Anordnung auf Grund des erfassten Rotorwinkels gesteuert/geregelt wird, dann werden der tatsächliche Rotorwinkel und die Richtung des beim Erregen des Ankers erzeugten rotierenden magnetischen Feldes voneinander aus der Phase gebracht, was zu einem Ausfall des normalen Betreiben des Motors führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Innerten-Anordnung Mittel zur Behandlung des Motors als eine daraus umgesetzte Ersatzschaltung, die einen auf einer q-Achse angeordneten q-Achsen-Anker aufweist, die die Richtung von magnetischen Flüssen darstellt, die von Feldpolen des Rotors hervorgerufen werden, und einen auf einer d-Achse, die sich orthogonal zur q-Achse erstreckt, angeordneten d-Achsen-Anker und eine Erregung der Anker des Motors in Abhängigkeit von q- und d-Achsen-Befehlsströmen steuert/regelt, Speichermittel zum Speichern von Referenzdaten, die die Korrelation zwischen Ankerströmen des Motors und im ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb erfasste Vorlaufwinkel des Rotorwinkels darstellen, und Stromsollwertkorrekturmittel zum Drehen eines Koordinatensystems mit der d-Achse und der q-Achse, um die q- und d-Achsen-Befehlsströme zu korrigieren, zwecks Eliminierung eines Vorlaufwinkels, der durch Anwenden des Ankerstroms des Motors in Abhängigkeit von den q- und d-Achsen-Befehlsströmen zu den Referenzdaten erhalten wird.
Das Strombefehlskorrekturmittel dreht das Koordinatensystem, das die d-Achse und die q-Achse aufweist, um den vorgelaufenen Winkel zu eliminieren, der aus den Referenzdaten erhalten wird, um dadurch die q- und d-Achsen-Befehlsströme zu korrigieren. Der Effekt des Vorlaufwinkels kann auf diese Weise entfernt werden.
Das Rotorwinkelerfassungsmittel umfasst ein Zeitmessmittel zum Starten einer Zeitmessung, jedes Mal dann, wenn das Impulssignal invertiert wird; Impulsinversions-Zeit-Speichermittel zum Speichern der durch das Zeitmessmittel als Impulsinversions-Zeitdauer zwischen einer vorangehenden Impulsinversion und einer aktuellen Impulsinversion gemessenen Zeitdauer, jedes Mal dann, wenn das Impulssignal invertiert wird; Impuls-Inversionszeit-Abschätzmittel zum Bestimmen einer geschätzten Impulsinversions-Zeitdauer, die einen geschätzten Wert einer Zeitdauer von der aktuellen Impulsinversion zu einer nächsten Impulsinversion darstellt, auf Grund einer Mehrzahl von Impulsinversions-Zeitdauern, die jedes Mal dann, wenn das Impulssignal invertiert wird, in dem Impuls-Inversionszeit-Speichermittel gespeichert werden; und Mittel zum Erfassen eines aktuellen Rotorwinkels aus dem Verhältnis der durch das Zeitmessmittel gemessenen Zeitdauer zu der aktuellen im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb geschätzten Impulsinversions-Zeitdauer.
Das Impulsinversionszeitabschätzmittel bestimmt eine aktuelle geschätzte Impulsinversionszeitdauer auf Grund einer Mehrzahl von Impulsinversionszeitdauern, die in dem Impulsinversionszeitspeichermittel gespeichert sind, um dadurch eine Änderung in der Impulsinversionszeitdauer widerzugeben und um die geschätzte Impulsinversionszeitdauer mit größerer Genauigkeit zu bestimmen.
Falls der Motor mit einer an einem Hybridfahrzeug angebrachten Maschine verbunden ist, und ein Kurbelwellenwinkelsensor mit der Maschine in Verbindung stehend ist, wenn sich dann der Motor mit der Maschine dreht, gibt der Kurbelwellenwinkelsensor ein Impulssignal jedes Mal dann aus, wenn die Kurbelwelle der Maschine eine bestimmte Winkelposition erreicht. Durch Verwendung des Rotorwinkels des Motors als den vorbestimmten Winkel zu der Zeit, wenn die Kurbelwelle der Maschine die gewisse Winkelposition erreicht, kann der Kurbelwellenwinkelsensor als der Winkelsensor verwendet werden. Mit dieser Anordnung kann die Motorsteuer-Regelvorrichtung weniger kostspielig gemacht werden, weil es kein Bedürfnis gibt, den Winkelsensor als einen ausgewiesenen Winkelsensor bereitzustellen.
Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, wenn in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels darstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer Motorsteuer/Regelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein schematisches Diagramm, das einen durch die in 1 gezeigten Motorsteuer/Regelvorrichtung gesteuerten/geregelten Motor zeigt;
3(a) und 3(b) sind Graphen, die einen Rotorwinkelerfassungsprozess des Motors in der in 1 gezeigten Motorsteuer/Regelvorrichtung darstellen;
4(a) ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Berechnung eines geschätzten Werts (θ^) des Rotorwinkels aus der Phasendifferenz (θe = θ – θ^) zwischen den tatsächlichen und geschätzten Werten des Rotorwinkels;
4(b) ist ein Graph, der die Korrelation zwischen Vorlaufwinkeln und Ankerströmen zeigt; und
5 ist ein Flussdiagramm eines Prozessablaufs zur Erfassung des Rotorwinkels des Motors.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie in 1 gezeigt, ist eine Motorsteuer/Regelvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Gestalt einer elektronischen Einheit, umfassend einen Mikrocomputer, einen Speicher und andere Komponenten, und dient durch eine Rückkopplungsschleife zum Steuern/Regeln von Strömen, die durch die Anker eines 3-Phasen (U, V, W) bürstenlosen Gleichstrom-Motors 3 (hier im Folgenden einfach als ”Motor 3” bezeichnet) fließen, der mit einer Maschine 2 an einem Hybridfahrzeug verbunden ist. Wie in 2 gezeigt, behandelt die Motorsteuer/Regelvorrichtung 1 den Motor 3 als eine daraus umgesetzte Ersatzschaltung in einem dq-Koordinatensystem, die einen auf einer q-Achse angeordneten q-Achsen-Anker aufweist (durch 1 in 2 angedeutet), die die Richtung von magnetischen Flüssen darstellt, die von Feldpolen eines Rotors 4 hervorgerufen werden, und einen auf einer d-Achse, die sich orthogonal zur q-Achse erstreckt, angeordneten d-Achsen-Anker (durch 2 in 2 angedeutet). In 2 stellt θ den aus der Richtung der U-Phase des Motors 3 gemessen Rotorwinkel des Motors 3 dar.
Die Motorsteuer/Regelvorrichtung 1 steuert/regelt die an die Anker des Motors 3 angelegten Spannungen, um einen d-Achsen-Stromsollwert (Id_c) auszugleichen, der ein Befehlwert für einen aus einer externen Quelle zugeführten Strom ist und durch den d-Achsen-Anker (hier im Folgenden als ”d-Achsen-Strom” bezeichnet) fließt sowie einen q-Achsen-Stromsollwert (Iq_c), der ein Befehlswert für einen aus einer externen Quelle zugeführten Strom ist und durch den q-Achsen-Anker (hier im Folgenden als ”q-Achsen-Strom” bezeichnet) fließt, entsprechend einen erfassten d-Achsen-Strom (Id_s), der ein erfasster Wert des d-Achsen-Stroms und ein erfasster q-Achsen-Strom (Iq_s), der ein erfasster Wert des q-Achsen-Stroms ist, welche durch eine 3-Phasen/dq-Wandlung aus den erfassten Werten der tatsächlichen Ströme, die durch die Anker des Motors 3 fließen, berechnet werden.
Die Motorsteuer/Regelvorrichtung 1 weist einen dq/3-Phasen-Wandler 10 auf zum Wandeln einer d-Achsen-Befehlsspannung (Vd_c), die ein Befehlswert für eine am d-Achsen-Anker angelegten Spannung (hier im Folgenden als ”d-Achsen-Spannung” bezeichnet) ist, und einer q-Achsen-Befehlsspannung (Vq_c), die ein Befehlswert für eine am q-Achsen-Anker angelegten Spannung (hier im Folgenden als eine ”q-Achsen-Spannung” bezeichnet) ist, jeweils in einen U-Phasen-Spannungsbefehl (VU_c), einen V-Phasen-Spannungsbefehl (VV_c), und einen W-Phasen-Spannungsbefehl (VW_c), die Befehlswerte für an die Anker angelegten Spannungen in den 3-Phasen U, V, W des Motors 3 sind sowie einen Inverter 11 zum Anwenden von 3-Phasen-Spannungen (VU, VV, VW) in Abhängigkeit jeweils vom U-Phasen-Spannungsbefehl (VU_c), dem V-Phasen-Spannungsbefehl (VV_c) und dem W-Phasen-Spannungsbefehl (VW_c) an die entsprechenden Anker in den drei Phasen U, V, W des Motors 3.
Die Motorsteuervorrichtung 1 weist ferner einen U-Phasen-Stromsensor 12 (entsprechend eines Stromsensors gemäß der vorliegenden Erfindung) zum Erfassen eines durch den U-Phasen-Anker des Motors 3 fließenden Stroms auf, sowie einen W-Phasen-Stromsensor 13 (entsprechend eines Stromsensors gemäß der vorliegenden Erfindung) zum Erfassen eines durch den W-Phasen-Anker des Motors 3 fließenden Stroms, einen Rotorwinkeldetektor 15 (entsprechend eines Rotorwinkelerfassungsmittels gemäß der vorliegenden Erfindung) zum Erfassen des Rotorwinkels des Motors 3 unter Verwendung eines aus dem U-Phasen-Stromsensor 12 erfassten Stroms (IU_s), eines vom W-Phasen-Stromsensor 13 erfassten Stroms (IW_s), und ein Impulssignals (KSp) ausgegeben von einem mit der Maschine 2 in Verbindung gebrachten Kurbelwellenwinkelsensor 14 (entsprechend einem Drehzahlsensor und einem Winkelsensor gemäß der vorliegenden Erfindung) und ein 3-Phasen/dq-Wandler 16 zum Berechnen eines erfassten d-Achsen-Stroms (Id_s) und eines erfassten q-Achsen-Stroms (Iq_s) in Abhängigkeit von einem erfassten Strom (IU_s) von dem U-Phasen-Stromsensor 12 und einem erfassten Strom (IW_s) vom W-Phasen-Stromsensor 13.
Der Kurbelwellenwinkelsensor 14 gibt einen Impuls des Impulssignals jedes Mal dann aus, wenn die Kurbelwelle (nicht gezeigt) der Maschine 1 eine vorbestimmte Winkelposition erreicht. Da der Motor 3 direkt mit der Maschine 2 gekuppelt ist, wird das vom Kurbelwellenwinkelsensor 14 ausgegebene Ausgabeniveau des Impulssignals (KSp) jedes Mal dann invertiert, wenn der Rotorwinkel des Motors 3 einen vorbestimmten Winkel erreicht.
Die Motorsteuer/Regelvorrichtung 1 funktioniert wie folgt: Wenn der Rotorwinkel durch einen sensorlosen Detektor 25 (später beschrieben) im Hinblick auf den d-Achsen-Befehlsstrom (Id_c) und den q-Achsen-Stromsollwert (Iq_c) erfasst wird, korrigiert ein Stromsollwert-Korrektor 17 einen Befehlsstrom auf Grund des erfassten Stroms (IU_s) und des erfassten Stroms (IW_s) wie später beschrieben. Ein erster Subtrahierer 18 subtrahiert den erfassten d-Achsen-Strom (Id_s) vom d-Achsen-Stromsollwert (Id_c) oder von einem korrigierten d-Achsen-Stromsollwert (Id_ca), um dadurch ihren Unterschied auszurechnen, der einem PI(proportional plus Integral)-Prozess durch einen ersten PI-Reglen 19 unterzogen wird, wobei dadurch eine d-Achsen-Befehlsspannung (Vd_c) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem d-Achsen-Stromsollwert (Id_c) und dem erfassten d-Achsen-Strom (Id_s) erzeugt wird.
In ähnlicher Weise subtrahiert ein zweiter Subtrahierer 20 den erfassten q-Achsen-Strom (Iq_s) vom q-Achsen-Stromsollwert (Iq_c) oder von einem korrigierten q-Achsen-Stromsollwert (Iq_ca), um dadurch ihren Unterschied zu berechnen, der einem PI(proportional plus Integral)-Prozess durch einen zweiten PI-Reglen 21 unterzogen wird. Wenn der Rotorwinkel durch den sensorlosen Detektor 25 erfasst wird, legt eine Hochfrequenzsignalzuführung 22 eine Hochfrequenzspannung auf ein Ausgabesignal von dem zweiten PI-Reglen 21, wobei dadurch eine q-Achsen-Befehlsspannung (Vq_c) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem q-Achsen-Sollstromwert (Iq_c) und dem erfassten q-Achsen-Strom (Iq_s) erzeugt wird.
Die d-Achsen-Befehlsspannung (Vd_c) und die q-Achsen-Befehlsspannung (Vq_c) werden dann dem dq/3-Phasen-Wandler 10 zugeführt. Der Inverter 11 legt drei Phasenspannungen (VU, VV, VW) an die jeweiligen Anker in den drei Phasen U, V, W des Motors 3 an, um den Unterschied zwischen dem d-Achsen-Sollstromwert (Id_c) und dem erfassten d-Achsen-Strom (Id_s) und den Unterschied zwischen dem q-Achsen-Sollstromwert (Iq_c) und dem erfassten q-Achsen-Strom (Iq_s) zu eliminieren, wobei dadurch die Erregung der Anker des Motors 3 gesteuert/geregelt wird. Der dq/3-Phasen-Wandler 11 und der Inverter 10 dienen zusammen als eine Innerten-Anordnung.
Zum Wandeln eines erfassten U-Phasen-Stroms (IU_s) und eines erfassten W-Phasen-Stroms (IW_s) in jeweils einen erfassten d-Achsen-Strom (Id_s) und einen erfassten q-Achsen-Strom (Iq_s) benötigt der 3-Phasen/dq-Wandler 16 den Rotorwinkel des Motors 3. Zum Wandeln einer d-Achsen-Befehlsspannung (Vd_c) und einer q-Achsen-Befehlsspannung (Vq_c) in einen U-Phasen-Spannungsbefehl (VU_c), einen V-Phasen-Spannungsbefehl (VV_c) und einen W-Phasen-Spannungsbefehl (VW_c) benötigt der 3-Phasen/dq-Wandler 16 ebenso den Rotorwinkel des Motors 3. Da der Motor 3 keinen Positionserfassungssensor zur Erfassung seines Rotorwinkels aufweist, erfasst der Rotorwinkeldetektor 15 den Rotorwinkel des Motors 3 ohne Verwendung jeglichen Positionserfassungssensors. Ein Prozess zur Erfassung des Rotorwinkels des Motors 3 mit dem Rotorwinkeldetektor 15 wird unten beschrieben.
Wenn eine erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3, die von einem Drehzahldetektor 23 aufgrund des Impulssignals (KSp) vom Kurbelwellenwinkelsensor 14 erfasst wird, gleich oder höher als eine vorbestimmte Drehzahl (ne_1) (ne ≥ ne_1) ist, erfasst ein Sensorinterpolationsdetektor 24 den Rotorwinkel aufgrund des Impulssignals (KSp). Wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) (ne < ne_1) ist, erfasst der sensorlose Detektor 25 den Rotorwinkel ohne das Impulssignal (KSp) zu verwenden.
Der Rotorwinkel wird ohne die Verwendung des Impulssignals (KSp) erfasst, wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) ist, da wenn der Motor 3 unerregt ist, das Impulssignal (KSp) nicht ausgegeben wird, und der Kurbelwellenwinkelsensor 14 im Allgemeinen nicht hergerichtet ist, um die Drehzahl der Maschine 2 in einem unteren Drehzahlbereich genau zu erfassen, der die Anlassdrehzahl der Maschine 2 umfasst.
3(a) zeigt ein Beispiel, bei dem der Rotorwinkel des Motors 3 selektiv durch einen Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 (entsprechend einem ersten Rotorwinkelerfassungsbetrieb) und durch einen Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25 (entsprechend einem zweiten Rotorwinkelerfassungsbetrieb) erfasst wird. In 3(a) beginnt sich der Motor 3 zu einem Zeitpunkt t10 zu drehen, wobei die Drehzahl des Motors 3 die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) zu einem Zeitpunkt t11 überschreitet, danach abnimmt, zu einem Zeitpunkt t12 kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) wird, und dann der Motor 3 zu einem Zeitpunkt t13 aufhört sich zu drehen.
Während jener Perioden (t10–t11), (t12–t13), in denen die Drehzahl des Motors 3 kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) ist, erfasst der sensorlose Detektor 25 den Rotorwinkel des Motors 3. In der Periode (t11–t12), in der die Drehzahl des Motors 3 gleich oder größer als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) ist, erfasst der Sensorinterpolationsdetektor 24 den Rotorwinkel des Motors 3.
Zuerst wird der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 unten beschrieben. Der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 wird durch Interpolation des vom Kurbelwellenwinkelsensors 14 ausgegebenen Impulssignals (KSp) ausgeführt. Das vom Kurbelwellenwinkelsensor 14 ausgegebene Impulssignal (KSp) hat jedes Mal dann, wenn der Rotor 4 des Motors 4 sich um 180° dreht seine Gebersignalspannung invertiert (Hi → Lo, Lo → Hi).
Der Sensorinterpolationsdetektor 24 umfasst die Funktionen eines Zeitmessmittels, eines Impulsinversionszeitspeichermittels und eines Impulsinversionszeitabschätzmittels gemäß der vorliegenden Erfindung. Jedes Mal dann, wenn das Impulssignal (KSp) invertiert wird, beginnt der Sensorinterpolationsdetektor 24 eine Zeitmessung. Jedes Mal dann, wenn das Impulssignal (KSp) invertiert wird, speichert der Sensorinterpolationsdetektor 24 eine von der vorangehenden Impulsinversion zu einer aktuellen Impulsinversion gemessenen Zeitdauer als eine Impulsinversionszeitdauer in einem Speicher. Der Sensorinterpolationsdetektor 24 berechnet eine geschätzte Impulsinversionszeitdauer, die ein geschätzter Zeitdauerwert von der aktuellen Impulsinversion zu einer nächsten Impulsinversion, aufgrund einer im Speicher dabei gespeicherten Mehrzahl von Impulsinversionszeitdauern, ist.
3(b) ist ein Diagramm, das den Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 zeigt. In 3(b) stellt (1) zeitliche Änderungen des vom Kurbelwellenwinkelsensor 14 ausgegebenen Impulssignals (KSp) dar, (2) stellt zeitliche Änderungen der durch den Sensorinterpolationsdetektor 24 gemessene Zeitdauern dar und (3) stellt zeitliche Änderungen des erfassten Rotorwinkelwerts dar.
Der Sensorinterpolationsdetektor 24 beginnt jedesmal dann eine Zeitmessung (t20, t21, t22), wenn das Impulssignal (KSp) invertiert wird. In 3(b), stellt tm die aktuelle Zeit dar. Wenn das Impulssignal (KSp) invertiert wird, berechnet der Sensorinterpolationsdetektor 24 eine geschätzte Impulsinversionszeitdauer (T_n), die eine Zeitdauer ist, bis das Impulssignal (KSp) als nächstes invertiert wird. Die folgende Gleichung (1) stellt eine Formel zur Berechnung der geschätzten Impulsinversionszeitdauer (T_n) bei einer Zeit t22 dar: T_n = T_b1 + (T_b1 – T_b2) (1)wobei T_b1: erste vorangehende Impulsinversionszeitdauer, T_b2: zweite Impulsinversionszeitdauer, die der ersten vorangehenden Impulsinversionszeitdauer vorangeht.
Insbesondere addiert der Sensorinterpolationsdetektor 24 eine Änderung oder eine Differenz (T_b1–T_b2) zwischen den zwei vorangehenden Impulsinversionszeitdauern (T_b1, T_b2) zu der im Speicher gespeicherten vorangehenden Impulsinversionszeitdauer T_b1 auf, wobei dadurch die geschätzte Impulsinversionszeitdauer (T_n) berechnet wird. Da die geschätzte Impulsinversionszeitdauer (T_n) in Abhängigkeit von der zeitlichen Ableistung der Drehzahl des Motors 3 berechnet wird, während sich die Drehzahl des Motors 3 ändert, erhöht sich die Genauigkeit der geschätzten Impulsinversionszeitdauer (T_n).
Der Rotorwinkel zu dem Zeitpunkt, wenn das Ausgabeniveau des Impulssignals (KSp) von Lo zu Hi invertiert wird und der Rotorwinkel zu dem Zeitpunkt, wenn das Ausgabeniveau des Impulssignals (KSp) von Hi zu Lo invertiert wird, werden mechanisch bestimmt. Der Sensorinterpolationsdetektor 24 speichert diese Rotorwinkel als (a, (b im Speicher. Der Sensorinterpolationsdetektor 24 berechnet den Rotorwinkel (Hi während der Perioden (t20–t21, t22 – ), in denen das Impulssignal (KSp) auf dem Hi-Niveau ist und den Rotorwinkel (Lo während der Periode (t21–t22), in der das Impulssignal (KSp) auf dem Lo-Niveau ist, jeweils gemäß den folgenden Gleichungen (2), (3), wobei dadurch der Rotorwinkel bestimmt wird:
wobei CT_m die aus der vorangehenden Inversion des Impulssignals (KSp) gemessene Zeitdauer darstellt.
Wenn die gemäß den obigen Gleichungen (2), (3) berechneten Rotorwinkel 360 Grad überschreiten, dann werden die 360 Grad subtrahiert, um den erfassten Wert des Rotorwinkels zu korrigieren.
Der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25 wird unten beschrieben. Der sensorlose Detektor 25 umfasst die Funktion eines Phasendifferenzdatenerzeugungsmittels gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem unteren Drehzahlbereich, in dem die erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) ist, legt die Hochfrequenzsignalzuführung 22 eine Hochfrequenzspannung auf das Ausgabesignal von dem zweiten PI-Regeln 21, um dadurch eine q-Achsen-Befehlsspannung (Vq_c) zu erzeugen. Der sensorlose Detektor 25 erfasst den Rotorwinkel des Motors 3 aus einer Änderung in dem d-Achsen-Stromsollwert (I_dc) in Abhängigkeit von der auferlegten Hochfrequenzspannung.
Ein lineares Modell des Motors 3 wird durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt, und eine Zustandsgleichung daraus wird als die folgende Gleichung (5) gegeben:
wobei Vd: die d-Achsen-Spannung, Vq: die q-Achsen-Spannung, Id: der d-Achsen-Strom, Iq: der q-Achsen-Strom, r: der Widerstand des d-Achsen-Ankers und des q-Achsen-Ankers, Ld: die Induktivität des d-Achsen-Ankers, Lq: die Induktivität des q-Achsen-Ankers, ω: die Winkelgeschwindigkeit des Rotors.
Falls der geschätzte Wert (θ^) und der tatsächliche Wert (θ) des Rotorwinkels voneinander durch θe (θe = θ – θ^) abweichen, dann wird die Beziehung zwischen dem geschätzten Wert (Id^) und dem tatsächlichen Wert (Id) des d-Achsen-Stroms, die Beziehung zwischen dem geschätzten Wert (Iq^) und dem tatsächlichen Wert (Iq) des q-Achsen-Stroms, die Beziehung zwischen dem geschätzten Wert (Vd^) und dem tatsächlichen Wert (Vd) der d-Achsen-Spannung und die Beziehung zwischen dem geschätzten Wert (Vq^) und dem tatsächlichen Wert (Vq) der q-Achsen-Spannung durch die folgenden Gleichungen (6), (7) ausgedrückt:
Demzufolge ist eine Zustandsgleichung im Hinblick auf die geschätzten Werte (Id^, Iq^) des Id-Stroms und des Iq-Stroms durch die folgende Gleichung (8) aus den Gleichungen (5), (6) gegeben:
Falls eine Hochfrequenzspannung auf (sin (2nft) an den q-Achsen-Anker angelegt wird, wenn ω ≈ 0, dann wird aus der Gleichung (8) die folgende Gleichung (9):
In der Nähe von θe = 0 kann die obige Gleichung (9) durch die folgende Gleichung genähert werden, da die Näherungen sinθ ≈ 0 und cosθ ≈ 0 erfüllt sind:
Folglich kann die Phasendifferenz (θe) zwischen dem tatsächlichen Wert (θ) und dem geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels aus der Größe des Interferenzterms erfasst werden. Um die Größe des Interferenzterms zu berechnen, kann eine in der Id-komponente enthaltene Hochfrequenzkomponente erfasst werden. Die Größe des Interferenzterms kann einfach durch eine Fourier-Transformation oder dgl. berechnet werden.
Eine von der Zustandsgleichung (10) abhängige Übertragungsfunktion (G(s)) wird durch die folgende Gleichung (11) ausgedrückt:
Da die Gleichstromverstärkung der Übertragungsfunktion (G(s)) negativ ist und der Gradunterschied zwischen dem Zähler und dem Nenner 1 ist, wird der geschätzte Wert (θ^) des Rotorwinkels um 270 Grad aus der Phase mit dem tatsächlichen Wert θ des Rotorwinkels gebracht, wenn eine Hochfrequenzspannung mit einer genügend hohen Frequenz angelegt wird. Wenn die Phasendifferenz (θe) ungefähr 0 (θe ≈ 0) ist, dann kann unter der Annahme, dass die quadratischen Terme in θe vernachlässigbar sind, der Id-Strom durch die folgenden Gleichungen (12) bis (14) genähert werden:
Folglich kann eine zur Phasendifferenz (θe) proportionale Kosinus-Komponente mit einer Integrationsoperation gemäß der folgenden Gleichung (15) berechnet werden, welche einen Operationskoeffizienten (K) gemäß der folgenden Gleichung (16) verwendet:
Daten (Phasendifferenzdaten), die die Phasendifferenz (θe) darstellen, können durch Einsetzen des erfassten d-Achsen-Stroms (Id_s) in Id in der Gleichung (15) erzeugt werden.
Aus der auf diese Art und Weise erzeugten Phasendifferenz (θe) könnte der geschätzte Wert (θ^) des Rotorwinkels durch einen Feedback-Prozess auf dem geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels wie in 4(a) gezeigt, bestimmt werden.
Da jedoch (θ – θ^) ≈ 0 ist, kann es selbstverständlich sein, dass ein Fehler zwischen dem geschätzten Wert (θ^) und dem tatsächlichen Wert (θ) des Rotorwinkels auftreten würde, wenn die Winkelgeschwindigkeit nicht gleich 0 ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt der sensorlose Detektor 25 einen Nachfolgevorgang mit einem Beobachter, wie durch die folgende Gleichung 17 gezeigt, aus, zur Berechnung des geschätzten Werts (θ^) des Rotorwinkels und des geschätzten Werts (ω^) der Rotorwinkelgeschwindigkeit:
Eine Zustandsgleichung bezogen auf einen Fehler zwischen dem tatsächlichen Wert (θ) und dem geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels sowie eines Fehlers zwischen dem tatsächlichen Wert (ω) und dem geschätzten Wert (ω^) der Rotorwinkelgeschwindigkeit wird durch die folgende Gleichung (18) gegeben:
Sofern eine charakteristische Gleichung der Gleichung (18) durch die folgende Gleichung (19) ausgedrückt ist, wenn K > 0 ist, dann ist das System der Gleichung (18) stabil, so dass es dem geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels und dem geschätzten Wert (ω^) der Rotorwinkelgeschwindigkeit ermöglicht werden auf die jeweiligen tatsächlichen Werte zu konvergieren. Somit können der Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit auch ohne einen Fehler geschätzt werden, wenn die Winkelgeschwindigkeit ω nicht gleich 0 ist. λ2 + K = 0 (19)
Der sensorlose Detektor 25 berechnet in jedem Steuer/Regelzyklus (Δt) einen geschätzten Wert (θ^(n + 1)) des Rotorwinkels und einen geschätzten Wert (ω^(n + 1)) der Rotorwinkelgeschwindigkeit in jedem Steuer/Regelzyklus aufgrund des geschätzten Werts (θ^(n)) des Rotorwinkels, des geschätzten Werts (ω^(n)) der Rotorwinkelgeschwindigkeit und der Phasendifferenz (θ(n) – θ^(n) = θe(n)) in dem vorangehenden Steuer/Regelzyklus gemäß der folgenden Gleichung (20):
wobei K1, K2: vorbestimmte Konstanten.
Wenn der Rotorwinkel mit dem sensorlosen Detektor wie oben beschrieben erfasst wird, dann tritt wie in 4(b) gezeigt ein Effekt auf, dass der erfasste Rotorwinkel in Abhängigkeit von der Größe der Ankerströme vorgelaufen ist.
Der Speicher speichert hierin eine Datenabbildung 30 (siehe 1 entsprechend den Referenzdaten gemäß der vorliegenden Erfindung), die wie in 4(b) gezeigt die Korrelation zwischen vorgelaufenen Winkeln (θ) und Ankerströmen (Is) darstellt. Aufgrund eines vorgelaufenen Winkels ((d), der erhalten wird, wenn ein Ankerstrom (Is) des Motors 3, der aus einem erfassten U-Achsen-Strom (IU_s) und einem erfassten W-Achsen-Strom (IW_s) erfasst wird, auf die Datenabbildung 30 angewendet wird, korrigiert der sensorlose Detektor 25 winkelmäßig die d- und q-Achsen mit dem Stromsollwert-Korrektor 17 (siehe 1) gemäß der unten gegebenen Gleichung (21). Der sensorlose Detektor 25 korrigiert somit den d-Achsen-Stromsollwert von Id_c zu Id_ca und den q-Achsen-Stromsollwert von Iq_c zu Iq_ca, um somit den Vorlaufwinkel aufzuheben.
Wenn der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 zu dem Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25 wechselt, kann die Genauigkeit mit der der Rotorwinkel erfasst wird verringert werden und die Kontinuität erfasster Rotorwinkel kann verloren gehen, was das Verhalten des Motors 3 instabil macht. Der Rotorwinkeldetektor 15 führt einen Prozess aus, um zu verhindern, dass das Verhalten des Motors 3 instabil wird. Dieser Prozess, um zu verhindern, dass das Verhalten des Motors 3 instabil wird, wird weiter unten mit Hinblick auf 5 erklärt.
Der Rotorwinkeldetektor 15 setzt eine Zählervariable n (n = 0) in Schritt 1 zurück und bestimmt dann, ob die vom Drehzahldetektor 23 (siehe 1) ausgegebene erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 gleich oder höher als eine vorbestimmte Drehzahl (ne_1) ist. Wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 gleich oder höher als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) ist, dann zweigt die Steuerung/Regelung zu Schritt 10 ab.
Schritt 10 bis Schritt 12 stellen einen Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 dar. In Schritt 11 interpoliert der Sensorinterpolationsdetektor 24 das vom Kurbelwellenwinkelsensor 14 ausgegebene Impulssignal (KSp), um wie oben beschrieben den Rotorwinkel zu erfassen. In Schritt 12 speichert der Sensorinterpolationsdetektor 24 den erfassten Rotorwinkel als ωz in den Speicher. Der Sensorinterpolationsdetektor 24 berechnet eine Rotorwinkelgeschwindigkeit (ω) gemäß der folgenden Gleichung (22) und speichert die berechnete Rotorwinkelgeschwindigkeit als ωz im Speicher: ω = Kg × (θ_new – θ_old) (22)wobei K_g: eine vorbestimmte Konstante, θ new: ein im vorliegenden Steuer/Regelzyklus berechneter Rotorwinkel und θ_old: ein im vorangehenden Steuer/Regelzyklus berechneter Rotorwinkel.
Während der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 ausgeführt wird, werden somit der Rotorwinkel (θz) und die Rotorwinkelgeschwindigkeit (ωz), die in jedem Steuer/Regelzyklus berechnet werden, fortlaufend aktualisiert und im Speicher gespeichert. Die Zeitdauer in der Schritt 2, Schritt 10 bis Schritt 12 ausgeführt werden, dient als ein Steuer/Regelzyklus des Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24.
Falls die erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 verringert wird und kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) wird, dann geht die Steuerung/Regelung von Schritt 2 zu Schritt 3. Schritt 3 bis Schritt 8, Schritt 20 stellen den Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25 dar.
Der sensorlose Detektor 25 bestimmt in Schritt 3, ob die Zählervariable n gleich 0 ist. Wenn n gleich 0 ist, d. h. wenn der vorliegende Steuer/Regelzyklus ein erster Steuer/Regelzyklus ist, nachdem der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 zu dem Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25 gewechselt hat, dann zweigt die Steuerung/Regelung von Schritt 3 zu Schritt 20 ab.
In Schritt 20 verwendet der sensorlose Detektor 25 den Rotorwinkel (θz) und die Rotorwinkelgeschwindigkeit (ωz), die im Speicher als ein geschätzter Wert (θ^(1)) des Rotorwinkels und als ein geschätzter Wert (ω^(1)) der Rotorwinkelgeschwindigkeit im ersten Steuer/Regelzyklus gespeichert worden sind, und erfasst den geschätzten Wert (θ^(1)) des Rotorwinkels als den Rotorwinkel des Motors 3.
Danach geht die Steuerung/Regelung zu Schritt 5, in dem der Hochfrequenzsignalzuführung 22 (siehe 1) eine Hochfrequenzspannung auf das Ausgabesignal vom ersten PI-Reglen 21 auferlegt.
Im Schritt 6 erfasst der sensorlose Detektor 25 einen erfassten d-Achsenstrom (Id_s) in Abhängigkeit von der auferlegten Hochfrequenzspannung vom Ausgabesignal vom 3-Phasen/dq-Wandler 16 und berechnet eine Phasendifferenz (θe) durch Einsetzen des erfassten d-Achsenstroms (Id_s) und der Frequenz der Hochfrequenzspannung jeweils in Id, f in der Gleichung (15).
In Schritt 7 verwendet der sensorlose Detektor 25 die berechnete Phasendifferenz (θe) als eine Phasendifferenz (θ(1)) in dem aktuellen Steuer/Regelzyklus (erster Steuer/Regelzyklus).
In Schritt 8 speichert der sensorlose Detektor 25 den geschätzten Wert (θ^(1)) des Rotorwinkels, den geschätzten Wert (ω^(1)) der Rotorwinkelgeschwindigkeit und die Phasendifferenz (θe(1)) im ersten Steuer/Regelzyklus in den Speicher. In Schritt 9 inkrementiert der sensorlose Detektor 25 die Zählervariable n um 1. Danach kehrt die Steuerung/Regelung zu Schritt 2 zurück.
Wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors 3 kleiner als die vorbestimmte Drehzahl (ne_1) in Schritt 2 ist, dann geht die Steuerung/Regelung zu Schritt 3. Da die Zählervariable n inkrementiert worden ist (n = 1), geht die Steuerung/Regelung zu Schritt 4, bei dem der sensorlose Detektor 25 den Nachfolgevorgang mit dem Beobachter gemäss Gleichung (20) um einen geschätzten Wert (θ^(2)) des Rotorwinkels und einen geschätzten Wert (ω^(2)) der Rotorwinkelgeschwindigkeit zu aktualisieren, um dadurch einen Rotorwinkel und eine Rotorwinkelgeschwindigkeit im zweiten Steuer/Regelzyklus zu berechnen.
Der Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit im zweiten Steuer/Regelzyklus werden berechnet, die die im letzten Steuer/Regelzyklus des Sensor-Interpolationserfassungsprozess erfassten Rotorwinkel (θ^(1) = θz) und Rotorwinkelgeschwindigkeit (ω^(1) = ωz) widerspiegeln, die der Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit im ersten Steuer/Regelzyklus sind.
In jedem dritten und folgendem Steuer/Regelzyklus werden der Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit in Schritt 4 aktualisiert, was den Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit, die im vorangehenden Steuer/Regelzyklus berechnet wurden, widerspiegelt. Daher wechselt der Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem Sensorinterpolationsdetektor 24 kontinuierlich zum Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25, wobei der Motor 3 beim Wechsel vom vorhergehenden zum letzteren Prozess davon abgehalten wird, instabil zu arbeiten.
Im Steuer/Regelfluss dient die Zeitdauer, in der der Schritt 2 bis Schritt 9 ausgeführt werden, als ein Steuer/Regelzyklus des Rotorwinkelerfassungsprozess mit dem sensorlosen Detektor 25.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der zum Erfassen der Drehzahl der Maschine 2 der Kurbelwellensensor als der Drehzahlsensor und als der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet.
Jedoch können ein Drehzahlsensor und ein Winkelsensor getrennt von dem Kurbelwellenwinkelsensor eingesetzt werden.
In der vorliegenden Erfindung wird die geschätzte Impulsinversionszeitdauer (T_n) unter Verwendung der ersten vorangehenden Impulsinversionszeitdauer (T_b1) und der zweiten Impulsinversionszeitdauer (T_b2), die der ersten Impulsinversionszeitdauer (T_b1) vorangeht, berechnet. Jedoch kann die geschätzte Impulsinversionszeitdauer unter Verwendung der dritten vorangehenden Impulsinversionszeitdauer oder einer weiter vorangehenden Impulsinversionszeitdauer berechnet werden.
Ein sensorloser Detektor 25 verwendet einen zuletzt durch einen Sensorinterpolationsdetektor erfassten Rotorwinkel als einen geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels eines Motors 3 in einem ersten Steuer/Regelzyklus beim Wechseln von einem durch den Sensorinterpolationsdetektor 24 ausgeführten Rotorwinkelerfassungsprozess. In nachfolgenden Steuer/Regelzyklen verwendet der sensorlose Detektor 25 geschätzte Werte (θ^, ω^) des Rotorwinkels und der Rotorwinkelgeschwindigkeit in einem vorangehenden Steuer/Regelzyklus als Berechnungsparameter, aktualisiert die Berechnungsparameter mit einem Beobachter, der die Berechnungsparameter sequenziell in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz (θ–θ^), die in dem vorangehenden Steuer/Regelzyklus berechnet wurde, zwecks Eliminieren der Phasendifferenz, um dadurch den geschätzten Wert (θ^) des Rotorwinkels des Motors 3 im aktuellen Steuer/Regelzyklus zu berechnen.

Claims

Regel-Vorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (3), umfassend: – einen Stromsensor (12, 13) zum Erfassen eines durch eine Statorwicklung des Motors (3) fließenden Stroms; – einen Drehzahlsensor zum Erfassen einer Drehzahl des Motors (3); – einen Winkelsensor (14) zur Ausgabe eines Impulssignals, jedesmal dann, wenn bei Betrieb des Motors (3) ein Läufer des Motors (3) einen vorbestimmten Rotorwinkel erreicht; – eine Hochfrequenzsignalzuführung (22) zum Überlagern der an die Statorwicklung des Motors (3) angelegten Spannungen mit einer Hochfrequenzspannung, – ein Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) zum Erfassen des Rotorwinkels, und – eine Inverteranordnung (10, 11) zur Regelung der Erregung der Statorwicklung aufgrund des durch das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) erfassten Rotorwinkels, – eine Umschalteinrichtung, die dann, wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors eine vorbestimmte Drehzahl (ne_l) erreicht oder übersteigt, von einem ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb in einen zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb umschaltet, und dann, wenn die erfasste Drehzahl (ne) des Motors unter die vorbestimmte Drehzahl (ne_l) fällt, vom zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb in den ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb umschaltet, wobei das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) im ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb die Hochfrequenzspannung an die Statorwicklung anlegt und zyklisch wiederholt mit der Hochfrequenz auftretende Anteile des von dem Stromsensor (12, 13) erfassten Stroms extrahiert, und aus diesen Anteilen eine Phasendifferenz (θ_e(n)) zwischen einem tatsächlichen Wert (θ(n)) und einem Schätzwert (θ^(n)) des Rotorwinkels gemäß der Gleichung
sind, wobei L_d und L_g Induktivitäten der Anker sind und r der Widerstand jedes Ankers des Motors ist und I_d eine von dem Stromsensor (12, 13) erfasste Komponente des durch die Statorwicklung des Motors (3) fließenden Stroms ist, die in ein mit der Winkelgeschwindigkeit des Rotorwinkels rotierendes Koordinatensystem transformiert ist, und wobei das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) anschließend einen neuen Schätzwert (θ^(n + 1)) des Rotorwinkels aus dem zuletzt erfassten Schätzwert (θ^(n)) des Rotorwinkels und der Phasendifferenz (θ_e(n) θ(n) – θ^(n)) gemäß folgender Gleichung ermittelt:
wobei ω^ = dθ^/dt gilt und K₁, K₂ vorbestimmte Konstante sind, und wobei das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetriebs zyklisch wiederholt den tatsächlichen Wert des Rotorwinkels (θ_z) aus dem von dem Winkelsensor (14) abgegebenen Impulssignal ableitet, und wobei dann, wenn der zweite Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb wechselt, das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (15) in einem ersten Zyklus des ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb den zuletzt im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb ermittelten Wert des Rotorwinkels (θ_z) als den Schätzwert des Rotorwinkels (θ^(n)) erfasst.
Motor-Steuer/Regel-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (25) Mittel umfasst, durch die in einem ersten Steuer-/Regelzyklus des ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetriebs nach einem Wechsel vom zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb zum ersten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb, unter Verwendung des zuletzt im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkels als geschätzter Wert (θ^) des Rotorwinkels des Motors (3), ein geschätzter Wert (w^) einer Rotorwinkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Änderung des im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb erfassten Rotorwinkels berechnet wird, und durch die in nachfolgenden Steuer/Regelzyklen der geschätzte Werte (θ^) des Rotorwinkels des Motors (3) in dem aktuellen Steuer/Regelzyklus unter Verwendung der in einem vorangehenden Steuer/Regelzyklus geschätzten Werte (θ^, w^) des Rotorwinkels und der Rotorwinkelgeschwindigkeit als Berechnungsparameter berechnet wird, und zwar derart, dass die Berechnungsparameter mittels eines Beobachters aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von den Phasendifferenzdaten im Sinne einer Eliminierung der berechneten Phasendifferenz (θ_e) aktualisiert werden.
Motor-Steuer/Regel-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverteranordnung (10, 11) umfasst: – ein Mittel zur Behandlung des Motors (3) als eine daraus umgesetzte Ersatzschaltung, die einen auf einer q-Achse angeordneten q-Achsen-Anker aufweist, wobei die q-Achse die Richtung von magnetischen Flüssen darstellt, die von Feldpolen des Rotors hervorgerufen werden, und einen auf einer sich orthogonal zur q-Achse erstreckenden d-Achse angeordneten d-Achsen-Anker aufweist, wobei die Mittel eine Erregung der Statorwicklung des Motors (3) in Abhängigkeit von q- und d-Achsen-Sollströmen steuern/regeln; – Speichermittel zum Speichern von Referenzdaten, die die Korrelation zwischen Wicklungsströmen des Motors (3) und der im ersten Rotorwinkel-Erfassungsprozess erfassten Phasendifferenz (θ_e) des Rotorwinkels darstellen; und – ein Strom-Befehls-Korrekturmittel zum Drehen eines Koordinatensystems mit der d-Achse und der q-Achse, um die Phasendifferenz (θ_e) zu eliminieren, die durch Anwenden des Wicklungsstroms des Motors (3) in Abhängigkeit von den q- und d-Achsen-Sollströmen auf die Referenzdaten erhalten wird, wodurch die q- und d-Achsen-Sollströme korrigiert werden.
Motor-Steuer/Regel-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorwinkel-Erfassungsmittel (25) umfasst: – Zeitmessmittel zum Starten einer Zeitmessung, jedes Mal dann, wenn das Impulssignal invertiert wird; – Impulsinversionszeit-Speichermittel zum Speichern der durch das Zeitmessmittel als Impulsinversions-Zeitdauer zwischen einer vorangehenden Impulsinversion und einer aktuellen Impulsinversion gemessenen Zeitdauer, jedes Mal dann, wenn das Impulssignal invertiert wird; – Impuls-Inversionszeit-Abschätzmittel zum Bestimmen einer geschätzten Impulsinversions-Zeitdauer, die einen geschätzten Wert einer Zeitdauer von der aktuellen Impulsinversion zur nächsten Impulsinversion darstellt, auf Grund einer Mehrzahl von Pulsinversions-Zeitdauern, die jedes Mal, wenn das Impulssignal invertiert wird, in dem Impulsinversionszeit-Speichermittel gespeichert werden; und – Mittel zum Erfassen eines aktuellen Rotorwinkels aus dem Verhältnis der durch das Zeitmessmittel gemessenen Zeitdauer zu der aktuellen im zweiten Rotorwinkel-Erfassungsbetrieb geschätzten Impulsinversions-Zeitdauer.
Motor-Steuer/Regel-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) mit einer an einem Hybridfahrzeug angebrachten Maschine (2) verbunden ist und der Winkelsensor (14) einen mit der Maschine (2) in Verbindung stehenden Kurbelwellenwinkelsensor (14) umfasst.