專利名稱：閥控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種例如通過無刷DC電機來驅(qū)動閥的閥控制裝置，所述閥用于電子節(jié)流閥、排氣氣體再循環(huán)中。
背景技術(shù)：
當進行由電機來驅(qū)動的系統(tǒng)的速度控制、位置控制等時，存在如下方式“電壓控制方式”，根據(jù)指令和實際值的偏差來生成對電機的電壓指令；以及“電流控制方式”，反饋流過電機的繞組的實際電流來進行控制使得實際電流與電流指令一致。后者的電流控制方式由于強制地克服電機繞組的電感成分來施加控制，因此能夠在電流控制系統(tǒng)的控制帶寬內(nèi)忽略該電感成分導(dǎo)致的電流延遲，從電機的低速區(qū)域到高速區(qū)域為止能夠進行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩控制。另一個面，電壓控制方式由于無法忽略相對于電壓指令的、電機繞組的電感成分造成的電流延遲的影響，因此與電流控制方式相比，轉(zhuǎn)矩的追蹤性惡化，存在呈現(xiàn)振動性的響應(yīng)的缺點。另外，作為現(xiàn)有技術(shù)，有如下技術(shù)(例如，參照專利文獻1):在內(nèi)燃機的致動器控制裝置中，當根據(jù)基于針對控制運轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩電機的要求電流的要求DUTY(占空比)來設(shè)定輸出DUTY時，為了避免以電路上的制約等為起因而無法設(shè)定與要求DUTY相應(yīng)的輸出 DUTY的情況，通過輸出DUTY向與電源電壓值和電流路徑的電阻值相應(yīng)的輸出電流的轉(zhuǎn)換處理、以及進一步使用根據(jù)轉(zhuǎn)矩電機的線圈電感部件來進行了平滑化處理的推定電流來推定反電動勢并將其加到要求DUTY上，使要求DUTY和輸出DUTY —致。另外，有如下技術(shù)(例如，參照專利文獻2)對于通過加力單元的復(fù)位彈簧和直流電機的電機轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩平衡來使閥進行開閉動作的轉(zhuǎn)矩平衡驅(qū)動方式的閥，通過前饋控制系統(tǒng)和反饋控制的組合來控制直流電機，并且根據(jù)位置的固定偏差來校正上述前饋控制系統(tǒng)和反饋控制的操作量。根據(jù)專利文獻1所述的發(fā)明，在不帶來致動器的響應(yīng)延遲的情況下提高追蹤穩(wěn)定性。另外，根據(jù)專利文獻2所述的發(fā)明，通過前饋控制系統(tǒng)，根據(jù)閥開閉方向始終施加復(fù)位轉(zhuǎn)矩量的電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生用的驅(qū)動電壓，并且反饋控制系統(tǒng)(在專利文獻2中為PID控制)進行作用，使得由其造成的當前值和目標值的位置偏差量被補償，因此能夠不依賴于閥的開閉方向來減小反饋控制量進而抑制振動的產(chǎn)生。并且，根據(jù)專利文獻2所記載的發(fā)明，通過根據(jù)位置偏差來校正由前饋控制系統(tǒng)運算的驅(qū)動占空比和反饋控制系統(tǒng)的運算部的系數(shù)，能夠進行與以環(huán)境溫度等因素而變化的閥的工作特性相應(yīng)的最優(yōu)控制。專利文獻1 日本特開2000-130229號公報專利文獻2 日本特開2000-2；34564號公報
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題然而，在專利文獻1所述的致動器控制裝置中，隨著響應(yīng)變得高速，不能忽略控制運算中的采樣周期的影響，在當前檢測位置中產(chǎn)生延遲，因此無法正確地推定轉(zhuǎn)矩電機的繞組電流，因此存在高速驅(qū)動時出現(xiàn)振動性的響應(yīng)這樣的問題。另外，在節(jié)流閥開度傳感器的分辨率低的情況下，反電動勢電壓運算處理中所需的角速度信息變得振動，無法正確地推定反電動勢電壓，結(jié)果存在要求DUTY和輸出DUTY不一致這樣的問題。并且，專利文獻1 所述的致動器是帶電刷DC電機，還存在電刷的維護性的問題。另外，專利文獻2所述的閥控制裝置是通過PID控制來生成與目標值和當前值的偏差相應(yīng)的電機的驅(qū)動占空比的電壓控制方式，在以該方式在復(fù)位轉(zhuǎn)矩進行作用的方向上控制閥的情況下，隨著電機在復(fù)位轉(zhuǎn)矩的加速作用下高速旋轉(zhuǎn)，位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)無法追蹤電機轉(zhuǎn)矩變化。其結(jié)果是，例如在復(fù)位轉(zhuǎn)矩進行作用的方向為閉閥方向的情況下，存在這樣的問題由于轉(zhuǎn)矩的追蹤延遲在閉閥動作時閥的響應(yīng)變?yōu)檎駝有缘?、或者?dǎo)致閥與機械端碰撞。本發(fā)明是為了解決如上所述那樣的問題而作出的，其目的在于獲得一種閥控制裝置，在致動器為無刷DC電機、該無刷DC電機中具備脈沖輸出式的傳感器的閥控制裝置中， 具有電流控制系統(tǒng)，所述電流控制系統(tǒng)以電角度分辨率低的傳感器輸出為基礎(chǔ)來運算相電流指令和感應(yīng)電壓，并且通過對用于電流控制的位置進行相位校正來抑制采樣周期的影響，形成能夠高精度地推定相電流的虛擬的電流反饋，通過該控制系統(tǒng)來直接地控制電機轉(zhuǎn)矩，因此有效地產(chǎn)生對轉(zhuǎn)矩有貢獻的轉(zhuǎn)矩量的電流來使閥的響應(yīng)速度高速化、且能夠使閥不與機械端碰撞地進行軟著陸。用于解決技術(shù)問題的技術(shù)方案與本發(fā)明有關(guān)的閥控制裝置，對于在閥的打開方向或者關(guān)閉方向上被施加復(fù)位轉(zhuǎn)矩的閥機構(gòu)，通過與所述復(fù)位轉(zhuǎn)矩相反向地施加電機的轉(zhuǎn)矩的電機的控制，來在所述復(fù)位轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩的平衡中對閥進行開閉控制，所述閥控制裝置具備檢測位置換算器，將由位置檢測傳感器檢測出的作為電機的當前位置的電角度檢測位置轉(zhuǎn)換為機械角檢測位置； 位置控制系統(tǒng)，根據(jù)電機的目標位置指令和所述機械角檢測位置的偏差來輸出q軸電流指令；以及電流控制系統(tǒng)，根據(jù)所述電角度檢測位置來將所述q軸電流指令分配為電機各相的相電流指令，根據(jù)所述相電流指令和被反饋的各相的推定電流的電流偏差來生成各相的相電壓指令，根據(jù)所述電角度檢測位置以及預(yù)先實測的感應(yīng)電壓來求出各相的推定感應(yīng)電壓，根據(jù)所述推定感應(yīng)電壓以及所述相電壓指令來求出各相的推定電流，并且最終輸出在實際使用電壓范圍內(nèi)進行飽和處理的相電壓指令。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明所涉及的閥控制裝置，能夠由電角度分辨率低的傳感器來構(gòu)成具有虛擬的電流反饋的電流控制系統(tǒng)。而且，由于由該電流控制系統(tǒng)來直接地控制轉(zhuǎn)矩，所以能夠?qū)崿F(xiàn)電機的響應(yīng)的高速化。另外，在該電流控制系統(tǒng)的寬帶寬的轉(zhuǎn)矩控制下特別是電機低速旋轉(zhuǎn)時有效地產(chǎn)生與復(fù)位轉(zhuǎn)矩相反向的電機轉(zhuǎn)矩，即使在加速側(cè)產(chǎn)生復(fù)位轉(zhuǎn)矩也利用電機轉(zhuǎn)矩來減速，能夠防止閥與機械端碰撞。并且，由于是連電流傳感器也不需要的結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)低成本化。


圖1是表示包含本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。圖3是以連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖4是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的電流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖5是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的電機正轉(zhuǎn)時的U相電流指令和V相電流指令的圖。圖6是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的電機反轉(zhuǎn)時的U相電流指令和V相電流指令的圖。圖7是表示從本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的從正弦波相電流指令向矩形波相電流指令的具體的波形整形方法的圖。圖8是表示針對本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的感應(yīng)電壓的基本諧波而生成矩形波感應(yīng)電壓的情況的圖。圖9是表示根據(jù)基本諧波來近似本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的歸一化感應(yīng)電壓的情況的圖。圖10是表示用于推定本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的各相的感應(yīng)電壓的具體的波形整形方法的圖。圖11是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的電機電角度的相位校正的圖。圖12是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的閉閥控制下仿真了環(huán)境溫度30°C和120°C各自的推定感應(yīng)電壓和實際感應(yīng)電壓的狀態(tài)的結(jié)果的圖。圖13是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的閉閥控制下仿真了環(huán)境溫度30°C和120°C各自的推定相電流和實際相電流的狀態(tài)的結(jié)果的圖。圖14是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的閉閥控制下仿真了環(huán)境溫度30°C和120°C各自的閥位置指令、閥實際位置、電機角速度、q軸電流指令的狀態(tài)的結(jié)果的圖。圖15是表示本發(fā)明的實施例2所涉及的閥控制裝置的電流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖16是表示本發(fā)明的實施例3所涉及的閥控制裝置的電流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。附圖標記說明1 閥控制裝置；10、10AU0B 電流控制系統(tǒng)；20 電流指令分配器；30 電流控制器；40 飽和處理器；50 濾波器；60 感應(yīng)電壓推定器；70 電流推定器；80 位置控制系統(tǒng)；87 飽和處理器；90、90A 相位校正器；91,92 濾波器；95 檢測位置換算器；100 位置檢測傳感器；110 驅(qū)動電路；120 無刷DC電機；130 閥。
具體實施例方式下面，使用

本發(fā)明的閥控制裝置的優(yōu)選實施例。實施例1參照圖1 圖14來說明本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置。圖1是表示包含本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的框圖。此外，以后在各圖中，相同標記表示相同或者相當?shù)牟糠?。在圖1中，控制系統(tǒng)設(shè)有閥控制裝置1、位置檢測傳感器100、驅(qū)動電路110、無刷 DC電機120、以及閥130。在圖1中，驅(qū)動閥130的致動器是無刷DC電機120。另外，在無刷DC電機120中例如具備有如霍爾IC那樣的脈沖輸出式的位置檢測傳感器100。該位置檢測傳感器100的分辨率設(shè)為在電角度ι周期中6步變化、即電角度的分辨率為60度(deg)。在閥130中，作為加力單元連結(jié)有未圖示的彈簧，例如，預(yù)先在彈簧中提供預(yù)負荷使得彈簧的復(fù)位轉(zhuǎn)矩作用于閥的閉閥方向。另一方面，無刷DC電機120經(jīng)由與電機旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動的未圖示的動力傳遞機構(gòu)來與彈簧連結(jié)，在閥進行閉閥動作時，通過基于預(yù)負荷的轉(zhuǎn)矩(復(fù)位轉(zhuǎn)矩)閥成為壓接到機械端的狀態(tài)。閥控制裝置1是如下裝置根據(jù)閥130的目標位置指令θ m_com和從位置檢測傳感器100獲得的電角度檢測位置ee(當前位置)，對驅(qū)動電路110提供相電壓指令。而且， 在驅(qū)動電路110中，根據(jù)作為閥控制裝置1的輸出的相電壓指令，通過PWM方式來對未圖示的功率元件進行開關(guān)。圖2是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖2中，閥控制裝置1對于在閥130的關(guān)閉方向上施加復(fù)位轉(zhuǎn)矩的閥機構(gòu)，通過與該復(fù)位轉(zhuǎn)矩相反向地施加無刷DC電機120的轉(zhuǎn)矩的電機的控制，以復(fù)位轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩的平衡來對閥進行開閉控制，所述閥控制裝置1設(shè)有位置控制系統(tǒng)80、電流控制系統(tǒng)10、以及檢測位置換算器95。圖3是以連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖3中，位置控制系統(tǒng)80設(shè)有Ki 81、Kp · s 82、s283、濾波器84、Kd 85、(1/ s) 86、以及飽和處理器87。圖4是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的閥控制裝置的電流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖4中，電流控制系統(tǒng)10設(shè)有電流指令分配器20、兩個電流控制器30、飽和處理器40、濾波器50、感應(yīng)電壓推定器60、兩個電流推定器70、以及相位校正器90。接著，參照附圖來說明該實施例1所涉及的閥控制裝置的動作。如圖1、圖2以及圖3所示，位置控制系統(tǒng)80根據(jù)來自處于閥控制裝置1的上游的計算機的閥130的目標位置(目標開度)指令θ m_com、以及通過檢測位置換算器95將由無刷DC電機120所具備的位置檢測傳感器100來檢測的電角度檢測位置θ e進行換算的機械角檢測位置em，生成q軸電流指令iq_com。在檢測位置換算器95中，進行從電角度向機械角的換算處理。具體地說，將電機極對數(shù)設(shè)為P，以θ e/p來換算機械角檢測位置 θ m0
這里，生成q軸電流指令iq_Com的具體的位置控制系統(tǒng)80的結(jié)構(gòu)，例如設(shè)為如圖 3所示的速度型算法的微分先行型PI-D控制。此外，位置控制系統(tǒng)80的結(jié)構(gòu)除了微分先行型PI-D控制以外，也可以是I-PD控制等其它結(jié)構(gòu)。這樣，將對目標位置指令em_com與機械角檢測位置θπι的偏差進行PI運算(81、82)的值、以及對機械角檢測位置9111施加微分運算(8 和對該微分值進行平滑化的濾波處理(84)的值進行差分，通過對該差分值乘以 (85)速度增益Kd來獲得q軸電流指令iq_Com。此外，在q軸電流指令iq_Com中通過飽和處理器87來進行輸出限制，并且在q 軸電流指令iq_com超過輸出限制的情況下，施以中止基于積分增益Ki的作用的積分運算 (81)的抗積分飽和(anti-windup)處理。由此，抑制以積分運算造成的操作量的提升(積分飽和)為原因而產(chǎn)生的位置響應(yīng)的過沖(overshoot)。接著，使用圖4來說明根據(jù)作為位置控制系統(tǒng)80的輸出的q軸電流指令iq_Com、 以及從位置檢測傳感器100獲得的電角度檢測位置Θ e來對驅(qū)動電路110輸出相電壓指令的電流控制系統(tǒng)10的動作。如上所述，電流控制系統(tǒng)10是由電流指令分配器20、電流控制器30、飽和處理器 40、濾波器50、感應(yīng)電壓推定器60、電流推定器70、以及相位校正器90構(gòu)成。首先，在電流指令分配器20中，進行將q軸電流指令iq_Com分配為U相電流指令 iu_com和V相電流指令iv_Com的處理，但是由于電角度分辨率低到60度，所以在該指令分配的處理中考慮到運算負荷減輕而不采用在3相電機的電流控制中一般采用的基于三角函數(shù)的運算。在本實施例中，如圖5和圖6所示，理想情況是進行如下處理將通過使用三角函數(shù)的運算處理來獲得為正弦波的U相電流指令和V相電流指令，在電角度檢測位置θ e的每個檢測區(qū)間中近似為矩形波狀。圖5表示電機正轉(zhuǎn)時的U相電流指令和V相電流指令， 圖6表示電機反轉(zhuǎn)時的U相電流指令和V相電流指令。此外，在圖5和圖6中，實線表示近似為矩形波狀的矩形波相電流指令，虛線表示基于三角函數(shù)運算的理想的正弦波相電流指令。參照圖5和圖6，如圖7那樣總結(jié)從正弦波相電流指令向矩形波相電流指令的具體的波形整形方法。電機的旋轉(zhuǎn)方向可以由q軸電流指令iq_com的符號、或者將電角度檢測位置Qe通過構(gòu)成在電流控制系統(tǒng)10的內(nèi)部的濾波器50來進行運算的電角速度0e_dot 的符號、或者q軸電流指令iq_com和電角速度θ e_dot的兩者的符號來判定。另外，相電流指令的單幅度i_max是由下面的式(1)來進行運算。
權(quán)利要求
1.一種閥控制裝置，對于在閥的打開方向或者關(guān)閉方向上被施加復(fù)位轉(zhuǎn)矩的閥機構(gòu)， 通過與所述復(fù)位轉(zhuǎn)矩相反向地施加電機的轉(zhuǎn)矩的電機的控制，來在所述復(fù)位轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩的平衡中對閥進行開閉控制，該閥控制裝置的特征在于，具備檢測位置換算器，將由位置檢測傳感器檢測出的作為電機的當前位置的電角度檢測位置轉(zhuǎn)換為機械角檢測位置；位置控制系統(tǒng)，根據(jù)電機的目標位置指令和所述機械角檢測位置的偏差來輸出q軸電流指令；以及電流控制系統(tǒng)，根據(jù)所述電角度檢測位置來將所述q軸電流指令分配為電機各相的相電流指令，根據(jù)所述相電流指令和被反饋的各相的推定電流的電流偏差來生成各相的相電壓指令，根據(jù)所述電角度檢測位置以及預(yù)先實測的感應(yīng)電壓來求出各相的推定感應(yīng)電壓， 根據(jù)所述推定感應(yīng)電壓以及所述相電壓指令來求出各相的推定電流，并且最終輸出在實際使用電壓范圍內(nèi)已進行飽和處理的相電壓指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥控制裝置，其特征在于，所述電流控制系統(tǒng)具備相位校正器，輸出用于校正由于電流控制系統(tǒng)的采樣周期而延遲的電機的當前位置的相位的相位校正量；電流指令分配器，根據(jù)所述相位校正量以及所述電角度檢測位置來將所述q軸電流指令分配為電機各相的相電流指令；電流控制器，根據(jù)通過所述相電流指令和被反饋的各相的推定電流的差分運算所得到的電流偏差來生成相電壓指令；飽和處理器，在實際使用電壓范圍內(nèi)對所述相電壓指令進行飽和處理并輸出；濾波器，對作為所述電機的當前位置的電角度檢測位置進行平滑化來求出作為電機的當前速度的電角速度；感應(yīng)電壓推定器，根據(jù)所述相位校正量、所述電角度檢測位置、所述電角速度以及預(yù)先實測的感應(yīng)電壓來推定各相的感應(yīng)電壓；以及一階延遲元件的電流推定器，根據(jù)作為所述感應(yīng)電壓推定器的輸出的推定感應(yīng)電壓以及作為所述飽和處理器的輸出的相電壓指令來推定各相的電流，將該推定電流向所述電流控制器進行反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的閥控制裝置，其特征在于，所述電流指令分配器根據(jù)作為根據(jù)來自所述相位校正器的相位校正量來進行校正運算的新的電機的當前位置的電角度檢測位置、以及所述q軸電流指令，在所述電角度檢測位置的每個檢測區(qū)間中進行波形整形來生成矩形波的各相的相電流指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的閥控制裝置，其特征在于，所述感應(yīng)電壓推定器，根據(jù)作為根據(jù)來自所述相位校正器的相位校正量來進行校正運算的新的電機的當前位置的電角度檢測位置、所述電角速度、以及預(yù)先實測的感應(yīng)電壓，在所述電角度檢測位置的每個檢測區(qū)間中進行波形整形來生成矩形波的各相的推定感應(yīng)電壓。
全文摘要
獲得一種閥控制裝置，對于復(fù)位轉(zhuǎn)矩起作用的閥機構(gòu)，實現(xiàn)由具備電角度分辨率低的位置檢測傳感器的無刷DC電機進行驅(qū)動的閥的響應(yīng)高速化，并且閥能夠不向機械端碰撞地進行軟著陸。在閥的打開方向或者關(guān)閉方向上施加復(fù)位轉(zhuǎn)矩的閥機構(gòu)的開閉控制中，設(shè)有位置控制系統(tǒng)，根據(jù)無刷DC電機的目標位置指令和使用了脈沖輸出式的位置檢測傳感器的低分辨率的電機的當前位置的位置偏差來輸出q軸電流指令；電流控制系統(tǒng)，根據(jù)q軸電流指令和使用了脈沖輸出式的位置檢測傳感器的低分辨率的電機的當前位置來構(gòu)成在沒有電流傳感器的情況下輸出相電壓指令的虛擬的電流反饋。
文檔編號F02D45/00GK102301582SQ20108000568
公開日2011年12月28日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月28日
發(fā)明者今村直樹, 大西良孝, 家澤雅宏, 川村敏 申請人:三菱電機株式會社