JP2011015594A - モータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサ故障判定部40は、レゾルバ8の出力信号の異常を検出すると、第2モードから、第1モードに、モータ制御モードを切換える。第1モードでは、仮想回転座標系であるγδ座標系のγ軸電流Iγでモータが駆動される。制御角θCとロータ角θMとの差(負荷角θL)に応じたアシストトルクが発生する。一方、検出操舵トルクTを指示操舵トルクT*に近づけるように、PI制御部23によって、加算角αが生成される。制御モードが切り換えられたときの制御角の初期値は、当該切換時点において必要なモータトルクに応じた負荷角と、レゾルバの故障検出直前のレゾルバの検出値と、レゾルバの故障が発生してからその故障がセンサ故障判定部によって検出されるまでの間のロータの回転量との和により求められる。
【選択図】図1
Description
そこで、回転角センサを用いることなくブラシレスモータを駆動するセンサレス駆動方式が提案されている。センサレス駆動方式は、ロータの回転に伴う誘起電圧を推定することによって、磁極の位相(ロータの電気角)を推定する方式である。ロータ停止時および極低速回転時には、誘起電圧を推定できないので、別の方式で磁極の位相が推定される。具体的には、ステータに対してセンシング信号を注入し、このセンシング信号に対するモータの応答が検出される。このモータ応答に基づいて、ロータ回転位置が推定される。
この発明では、制御モードが第2モードから第1モードに切り換えられたときの制御角の初期値(θC0)が、「当該切換時点において必要なモータトルクに応じた負荷角(θL0)」と、「回転角センサの故障検出直前の回転角センサの検出値(θMbefore)」と、「回転角センサの故障が発生してからその故障が前記故障検出手段によって検出されるまでの間のロータの回転量(ΔθM)」との和により求められる。
図1は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置(車両用操舵装置の一例)の電気的構成を説明するためのブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、車両を操向するための操作部材としてのステアリングホイール10に加えられる操舵トルクTを検出するトルクセンサ1と、車両の舵取り機構2に減速機構7を介して操舵補助力を与えるモータ3(ブラシレスモータ)と、ステアリングホイール10の回転角である操舵角を検出する舵角センサ4と、モータ3内のロータの回転角を検出するレゾルバ8(回転角センサ)と、モータ3を駆動制御するモータ制御装置5と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の速度を検出する車速センサ6とを備えている。レゾルバ8は、ロータ回転角(ロータ回転位置)に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成するものである。
モータ3は、この実施形態では、三相ブラシレスモータであり、図2に図解的に示すように、界磁としてのロータ50と、このロータ50に対向するステータ55に配置されたU相、V相およびW相のステータ巻線51,52,53とを備えている。モータ3は、ロータの外部にステータを対向配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。
制御角θCに従ってγ軸電流Iγをモータ3に供給すると、このγ軸電流Iγのq軸成分(q軸への正射影)がロータ50のトルク発生に寄与するq軸電流Iqとなる。すなわち、γ軸電流Iγとq軸電流Iqとの間に、次式(1)の関係が成立する。
Iq=Iγ・sinθL …(1)
再び図1を参照する。モータ制御装置5は、マイクロコンピュータ11と、このマイクロコンピュータ11によって制御され、モータ3に電力を供給する駆動回路(インバータ回路)12と、モータ3の各相のステータ巻線に流れる電流を検出する電流検出部13とを備えている。
マイクロコンピュータ11は、CPUおよびメモリ(ROMおよびRAMなど)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、操舵トルクリミッタ20と、指示操舵トルク設定部21と、トルク偏差演算部22と、PI(比例積分)制御部23と、加算角リミッタ24と、制御角演算部26と、回転角演算部27と、角速度演算部28と、切換初期値設定部29と、第1指示電流値生成部31と、第2指示電流生成部32と、電流偏差演算部30と、PI制御部33と、γδ/αβ変換部34Aと、αβ/UVW変換部34Bと、PWM(Pulse Width Modulation)制御部35と、UVW/αβ変換部36Aと、αβ/γδ変換部36Bと、センサ故障判定部40と、指示電流値切換部41と、角度切換部42とが含まれている。
最大ロータ角速度=最大操舵角速度×減速比×極対数 …(2)
制御角θCの演算間(演算周期)におけるロータ50の電気角変化量の最大値(ロータ角変化量最大値)は、次式(3)のとおり、最大ロータ角速度に演算周期を乗じた値となる。
=最大操舵角速度×減速比×極対数×演算周期 …(3)
このロータ角変化量最大値が一演算周期間で許容される制御角θCの最大変化量である。そこで、前記ロータ角変化量最大値を制限値ωmaxの既定値とすればよい。この制限値ωmaxを用いて、加算角αの上限値ULおよび下限値LLは、それぞれ次式(4)(5)で表すことができる。
LL=−ωmax …(5)
加算角リミッタ24による制限処理後の加算角αが、制御角演算部26の加算器26Aにおいて、制御角θCの前回値θC(n-1)(nは今演算周期の番号)に加算される(Z−1は信号の前回値を表す)。
回転角演算部27は、レゾルバ8の出力信号に基づいてロータ50の回転角θEを演算する。角速度演算部28は、ロータ回転角θEを時間微分することによって、ロータ50の回転角速度ωを求める。
第1指示電流値生成部31は、制御上の回転角である前記制御角θCに対応する仮想回転座標系であるγδ座標系の座標軸(仮想軸)に流すべき電流値を指示電流値として生成するものである。具体的には、γ軸指示電流値Iγ *およびδ軸指示電流値Iδ *(以下、これらを総称するときには「二相指示電流値Iγδ *」という。)を生成する。第1指示電流値生成部31は、γ軸指示電流値Iγ *を有意値とする一方で、δ軸指示電流値Iδ *を零とする。より具体的には、第1指示電流値生成部31は、トルクセンサ1によって検出され、操舵トルクリミッタ20による制限処理を受けた検出操舵トルクTに基づいてγ軸指示電流値Iγ *を設定する。
センサ故障判定部40は、レゾルバ8の故障の有無を判定し、その判定結果に応じてモータ3の制御モードの切換を行なうものである。つまり、センサ故障判定部40は、故障検出手段および切換手段として機能する。たとえば、センサ故障判定部40は、レゾルバ8の信号線に導出される信号を監視することによって、レゾルバ8の故障、レゾルバ8の信号線の断線故障、レゾルバ8の信号線の接地故障を検出することができる。センサ故障判定部40は、レゾルバ8の故障の有無の判定結果に応じて、第1モードと第2モードとの間で制御モードを切換え、モード切換指令を生成する。このモード切換指令に応じて、指示電流値切換部41および角度切換部42における切換えが実行される。
γδ/αβ変換部34Aは、二相指示電圧Vγδ *をαβ座標系の二相指示電圧Vαβ *に変換する。この座標変換には、角度切換部42で選択された変換角θSが用いられる。二相指示電圧Vαβ *は、α軸指示電圧Vα *およびβ軸指示電圧Vβ *からなる。αβ/UVW変換部34Bは、二相指示電圧Vαβ *に対して座標変換演算を行うことによって、三相指示電圧VUVW *を生成する。三相指示電圧VUVW *は、U相指示電圧VU *、V相指示電圧VV *およびW相指示電圧VW *からなる。この三相指示電圧VUVW *は、PWM制御部35に与えられる。
駆動回路12は、U相、V相およびW相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がPWM制御部35から与えられるPWM制御信号によって制御されることにより、三相指示電圧VUVW *に相当する電圧がモータ3の各相のステータ巻線51,52、53に印加されることになる。
図3は、前記第1モードのときの前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。ただし、説明を簡単にするために、加算角リミッタ24の機能は省略してある。
一方、前記第2モードにおいては、検出操舵トルクTに応じた二相指示電流値Idq *が設定され、モータ3の電流が当該二相指示電流値Idq *に収束するようにフィードバック制御が行なわれる。そして、レゾルバ8の出力信号に基づいてロータ50の回転角θEが求められ、この回転角θEを用いて、γδ/αβ変換部34Aおよびαβ/γδ変換部36Bにおける座標変換が行なわれることになる。つまり、第2モードでは、回転角センサであるレゾルバ8を用いてモータ3が制御されることにより、適切な操舵補助が行なわれる。
このようにして、加算角αを上限値ULと下限値LLとの間に制限することができるので、制御の安定化を図ることができる。より具体的には、電流不足時や制御開始時に制御不安定状態(アシスト力が不安定な状態)が発生しても、この状態から安定な制御状態への遷移を促すことができる。
センサ故障判定部40は、レゾルバ8の故障の有無を判定する(ステップS11)。センサ故障判定部40は、レゾルバ8の故障が生じていないと判定している場合(センサ故障を検出していない場合)には(ステップS11:NO)、前記第2モードを選択する(ステップS12)。すなわち、検出操舵トルクTに対応した二相指示電流値Idq *が達成されるように、回転角演算部27により演算された回転角θEに基づいて、モータが制御される。
制御モードが第2モードから第1モードに切り換えられたとき(ステップS13)、切換初期値設定部29は、制御角の切換初期値θC0を算出して、制御角演算部26に設定する。
図1に示すように、切換初期値設定部29には、第2モード時において、回転角演算部27によって演算されるロータ回転角と、角速度演算部28によって演算されるロータ角速度ωが与えられる。また、切換初期値設定部29には、第1モード時において、トルク偏差演算部22によって演算されるトルク偏差ΔT(=T*−T)が与えられる。
θC0=「制御モード切換時点において必要なアシストトルクに応じた負荷角θL0」
+「故障検出直前のロータ回転角θMbefore」
+「故障が発生してから故障が検出されるまでの間のロータの回転量ΔθM」…(6)
「制御モード切換時点において必要なアシストトルクに応じた負荷角θL0」とは、制御モード切換時点の検出操舵トルクTと指示操舵トルクT*とから求められる、制御モード切換時点において必要なアシストトルクTA0に対応した負荷角をいう。制御モード切換時点において必要なアシストトルクTA0は、たとえば、次式(7)で表される。
切換初期値設定部29は、制御モード切換時においてトルク偏差演算部22から与えられるトルク偏差ΔT(=T*−T)に基づいて、制御モード切換時点において必要なアシストトルクTA0を算出する。
図10は、負荷角θLとアシストトルクTAとの関係を示している。図2を用いて説明したように、第2モードにおいて、q軸電流Iqは、負荷角θLを用いてIq=IγsinθL(θL=θC−θM)で与えられる。アシストトルクは、モータ3のトルク定数をq軸電流Iqに乗算した値となる。したがって、負荷角θLに対するアシストトルクTAの変化は、図10に示すような曲線(サインカーブ)で表される。アシストトルクTAは、−90°≦θL≦90°の区間Aでは単調増加となり、−270°<θL<−90°および90°<θL<270°の区間Bでは単調減少となる。切換初期値設定部29は、図10の区間Aの範囲内において、制御モード切換時点において必要なアシストトルクTA0に対応する負荷角を求め、これを「制御モード切換時点において必要なアシストトルクに応じた負荷角θL0」とする。
「故障が発生してから故障が検出されるまでの間のロータの回転量ΔθM」は、次式(8)によって表される。
「故障検出直前のロータの回転角速度ωbefore」とは、センサ故障判定部40によってセンサ故障が検出される直前に角速度演算部28によって演算されて、切換初期値設定部29に入力されたロータ回転角である。「故障検出時間Δt」とは、センサ故障が発生してから、センサ故障判定部40によってセンサ故障が検出されるまでに要する時間であり、予め調べて設定しておくことができる既知の時間である。「故障検出時間Δt」としては、たとえば、30msecが設定される。
さらに、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置にこの発明が適用された例について説明したが、この発明は、電動ポンプ式油圧パワーステアリング装置のためのモータの制御や、パワーステアリング装置以外にも、ステア・バイ・ワイヤ(SBW)システム、可変ギヤレシオ(VGR)ステアリングシステムその他の車両用操舵装置に備えられたブラシレスモータの制御のために用いることができる。むろん、車両用操舵装置に限らず、他の用途のモータの制御のためにも本発明のモータ制御装置を適用できる。
Claims (3)
- ロータと、このロータに対向するステータとを備えたモータを制御するためのモータ制御装置であって、
制御上の回転角である制御角に従う回転座標系の軸電流値で前記モータを駆動する電流駆動手段と、前記制御角に加算すべき加算角を演算する加算角演算手段と、所定の演算周期毎に、前記加算角演算手段によって演算された加算角を制御角の前回値に加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段と、を含む負荷角制御手段と、
前記ロータの回転角を検出するための回転角センサと、
前記回転角センサが故障したことを検出する故障検出手段と、
前記回転角センサの故障が検出されたときに、前記回転角センサの検出値に基づくモータ制御から、前記負荷角制御手段に基づくモータ制御に、制御モードを切換える切換手段と、
前記切換手段によって制御モードが切り換えられたときの制御角の初期値を、当該切換時点において必要なモータトルクに応じた負荷角と、前記回転角センサの故障検出直前の前記回転角センサの検出値と、前記回転角センサの故障が発生してからその故障が前記故障検出手段によって検出されるまでの間のロータの回転量との和により求める切換初期値演算手段と、を含むモータ制御装置。 - 前記負荷角制御手段は、
モータによって駆動される駆動対象に加えられる、モータトルク以外のトルクを検出するためのトルク検出手段と、
前記駆動対象に加えられるべき指示トルクを設定する指示トルク設定手段と、をさらに含み、
前記加算角演算手段は、前記指示トルク設定手段によって設定される指示トルクと前記トルク検出手段によって検出されるトルクとのトルク偏差に応じて前記加算角を演算する請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記切換時点において必要なモータトルクに応じた負荷角が、前記トルク検出手段によって検出されるトルクと前記指示トルク設定手段によって設定される指示トルクとに基づいて演算されるモータトルクに応じた負荷角である、請求項2に記載のモータ制御装置。
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