JP2013085423A - モータ制御装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角センサを用いない新たな制御方式でモータを制御することができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】ｄ軸電流指令値設定部３１、ｄ軸電流偏差演算部３２、ロータ角度制御部３３、ロータ角度演算部３４および速度演算部３５から構成されるロータ角度推定手段によって、ロータ角度θが推定される。ｑ軸電流指令値設定部２１は、トルクセンサ1によって検出される操舵トルクおよび車速センサ２によって検出される車速に応じたモータトルクをモータ５から発生させるためのｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を設定する。ｄ軸電流指令値設定部２４は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を設定する。ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と、ｑ軸電流検出値Ｉ_ｑと、ｄ軸電流検出値Ｉ_ｄと、推定されたロータ角度θとに基づいて、モータ５に供給される電流が制御される。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブラシレスモータを駆動するためのモータ制御装置およびそれを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

ブラシレスモータを駆動制御するためのモータ制御装置は、一般に、ロータの回転角（ロータ角度）を検出するための回転角センサの出力に応じてモータ電流の供給を制御するように構成されている。回転角センサとしては、一般的にはロータ角度（電気角）に対応した正弦波信号を出力するレゾルバが用いられる。しかし、レゾルバは高価であり、配線数が多く、また、設置スペースも大きい。そのため、ブラシレスモータを備えた装置のコスト削減および小型化が阻害されるという課題がある。

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として、モータモデルを利用して、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）を推定する方式がある。

特開2009-183063号公報

この発明の目的は、回転角センサを用いない新たな制御方式でモータを制御することができるモータ制御装置およびそれを備えた電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、ステータとロータを有するブラシレスモータ（５）に対してセンサレス制御を行なうモータ制御装置（６）であって、前記ブラシレスモータに供給されるべき電流指令値を設定するために必要な変動値を検出するための手段でありかつ前記ブラシレスモータによって駆動される駆動対象（３）に外部から加えられるトルクを検出するためのトルク検出手段（１）を少なくとも含む変動値検出手段（１，２）と、前記変動値検出手段によって検出される変動量に基づいて、前記駆動対象に作用させるべきトルクを前記ブラシレスモータから発生させるための電流指令値（Ｉ_ｄ ^＊，Ｉ_ｑ ^＊）を設定する電流指令値設定手段（２４，２１）と、前記ブラシレスモータに流れる電流を検出する電流検出手段（２９）と、前記電流検出手段によって検出される電流検出値を、ｄ軸電流検出値（Ｉ_ｄ）およびｑ軸電流検出値（Ｉ_ｑ）に変換する変換手段（３０）と、前記ｄ軸電流検出値に基づいて、前記ロータの回転角度（θ）を推定する角度推定手段（３１〜３５）と、前記電流指令値設定手段によって設定される電流指令値と、前記変換手段によって得られるｄ軸電流検出値およびｑ軸電流検出値と、前記角度推定手段によって推定されるロータ回転角度とに基づいて、前記ブラシレスモータに供給される電流を制御する制御手段（２２，２３，２５，２６，２７，２８）とを含む、モータ制御装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

変動値検出手段によって検出される変動量に基づいて、ブラシレスモータに供給されるべき電流指令値が設定される。この変動量には、ブラシレスモータによって駆動される駆動対象に外部から加えられるトルクが含まれる。一方、ブラシレスモータに流れる電流が検出され、検出された電流検出値がｄ軸電流検出値およびｑ軸電流検出値に変換される。このｄ軸電流検出値に基づいて、ロータの回転角度が推定される。そして、電流指令値と、ｄ軸電流検出値と、ｑ軸電流検出値と、推定されたロータ回転角度とに基づいて、ブラシレスモータに供給される電流が制御される。これにより、回転角センサを用いることなく、変動値検出手段によって検出される変動量に応じた適切なモータトルクをブラシレスモータから発生させることができる。

請求項２記載の発明は、前記角度推定手段は、前記ｄ軸電流検出値に基づいて、ロータ回転角度を補正するための補正角度を演算する補正角度演算手段（３１，３２，３３）と、前記ロータの速度を演算する速度演算手段（３５）と、前記補正角度演算手段によって演算される補正角度と、前記速度演算手段によって演算されるロータ速度とに基づいて、ロータ回転角度を演算するロータ角度演算手段（３４）とを含む、請求項１に記載のモータ制御装置である。

この構成では、ｄ軸電流検出値に基づいて補正角度が演算される。また、速度演算手段によって、ロータ速度が演算される。そして、補正角度とロータ速度とに基づいてロータ回転角度が演算される。
請求項３記載の発明は、車両の舵取り機構（３）に駆動力を付与するモータ（５）と、前記モータを制御する請求項１または２に記載のモータ制御装置（６）とを含む、電動パワーステアリング装置である。この構成によれば、回転角センサを用いることなく、変動値検出手段によって検出される変動量に応じた適切なモータトルクを車両の舵取り機構に付与することができる。

この場合に、前記トルク検出手段は、前記車両の操向のため操作される操舵部材（１０）に加えられる操舵トルクを検出するものであってもよい。また、前記電流指令値設定手段は、操舵トルクの目標値としての目標操舵トルクをブラシレスモータから発生させるための電流指令値を設定するものであってもよい。また、前記変動値検出手段は、前記トルク検出手段の他、車両の速度を検出する速度検出手段を含むものであってもよい。この構成によれば、運転者の操作に伴って変動する変動値に応じたアシストトルク（操舵補助力）を舵取り機構に付与できる。

図１は、本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の電気的構成を示すブロック図である。

以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
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の電気的構成を示すブロック図である。
この電動パワーステアリング装置は、車両のステアリングホイール１０に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ１と、車両の速度を検出する車速センサ２と、車両の舵取り機構３に減速機構４を介して操舵補助力を与えるモータ５と、モータ５を駆動制御するモータ制御装置６とを備えている。

モータ制御装置６は、トルクセンサ１が検出する操舵トルクおよび車速センサ２が検出する車速に応じてモータ５を駆動することによって、操舵状況および車速に応じた適切な操舵補助を実現する。
モータ５は、この実施形態では、３相ブラシレスモータであり、界磁としてのロータ（図示せず）と、ロータに対向するステータ（図示せず）に配置されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線（図示せず）とを備えている。

モータ制御装置６は、マイクロコンピュータ１１と、マイクロコンピュータ１１によって制御され、モータ５に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）１２と、モータ５に流れるＵ相電流およびＶ相電流を検出するための電流センサ１３，１４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，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り、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、ｑ軸電流指令値設定部２１と、ｑ軸電流偏差演算部２２と、ｑ軸電流制御部２３と、ｄ軸電流指令値設定部２４と、ｄ軸電流偏差演算部２５と、ｄ軸電流制御部２６と、座標変換部２７と、ＰＷＭ制御部２８と、電流検出部２９と、座標変換部３０と、ｄ軸電流指令値設定部３１と、ｄ軸電流偏差演算部３２と、ロータ角度制御部（位相制御部）３３と、ロータ角度演算部３４と、速度演算部３５とを含んでいる。

電流検出部２９は、所定の演算周期Ｔｓ毎に、電流センサ１３，１４の出力信号に基づいて、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相電流を求める。座標変換部３０は、ロータ角度演算部３４によって演算されるロータの回転角度（以下、「ロータ角度θ」という）を用いて、電流検出部２９によって求められた３相の相電流を、二相回転座標系における２相の電流に変換する。二相回転座標系は、ロータの磁極方向に沿うｄ軸と、ｄ軸に直交するｑ軸とによって規定される座標系である。二相回転座標系における２相の電流は、ｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とからなる。座標変換部３０によって得られる２相の電流のうち、ｄ軸電流成分をｄ軸電流検出値Ｉ_ｄといい、ｑ軸電流成分をｑ軸電流検出値Ｉ_ｑということにする。

ｑ軸電流指令値設定部２１は、トルクセンサ1によって検出される操舵トルクおよび車速センサ２によって検出される車速に応じたモータトルク（アシストトルク）をモータ５から発生させるためのｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を設定する。より具体的には、操舵トルクおよび車速に対応したｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を記憶したマップ（テーブル）を用いてｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊が設定されるようになっていてもよい。

ｑ軸電流偏差演算部２２は、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と座標変換部３０によって得られるｑ軸電流検出値Ｉ_ｑとの偏差（Ｉ_ｑ ^＊−Ｉ_ｑ）を演算する。ｑ軸電流制御部２３は、ｑ軸電流偏差演算部２２によって得られた偏差（Ｉ_ｑ ^＊−Ｉ_ｑ）に対して比例積分演算（ＰＩ演算）を行なうことにより、モータ５に供給すべきｑ軸電圧（以下、「ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊」という）を演算する。

ｄ軸電流指令値設定部２４は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を設定する。ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊は、たとえば零に設定される。ｄ軸電流偏差演算部２５は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と座標変換部３０によって得られるｄ軸電流検出値Ｉ_ｄとの偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）を演算する。ｄ軸電流制御部２６は、ｄ軸電流偏差演算部２５によって得られた偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）に対して比例積分演算（ＰＩ演算）を行なうことにより、モータ５に供給すべきｄ軸電圧（以下、「ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊」という）を演算する。ｄ軸電流指令値設定部２４とｑ軸電流指令値設定部２１とによって、電流指令値演算手段が構成されている。

座標変換部２７は、ロータ角度演算部３４によって演算されるロータ角度θを用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を、三相固定座標系におけるＵ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令値Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊に変換する。
ＰＷＭ制御部２８は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令値Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊それぞれに対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路１２に供給する。

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２８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、三相電圧指令値Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊に相当する電圧がモータ５の各相のステータ巻線に印加されることになる。
座標変換部２７，３０において前記座標変換を行うためには、ロータの回転角（ロータ角度θ）が必要となる。そこで、マイクロコンピュータ１１は、ロータ角度θを回転角センサを用いることなく推定するロータ角度推定手段を備えている。ロータ角度推定手段は、ｄ軸電流指令値設定部３１、ｄ軸電流偏差演算部３２、ロータ角度制御部３３、ロータ角度演算部３４および速度演算部３５から構成される。

ｄ軸電流指令値設定部３１は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を設定する。ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊は、たとえば零に設定される。ｄ軸電流偏差演算部３２は、所定の演算周期Ｔｓ毎にｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と座標変換部３０によって得られるｄ軸電流検出値Ｉ_ｄとの偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）を演算する。ロータ角度制御部３３は、ｄ軸電流偏差演算部３２によって演算される偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）に対して、比例積分演算（ＰＩ演算）を行なうことにより、補正角度Δθを演算する。たとえば、ロータ角度制御部３３は、例えば次式(1)に基づいて、補正角度Δθを演算する。なお、ロータ角度制御部３３は、前記偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）に対して、比例積分微分演算または比例演算を行なうことにより、補正角度Δθを演算するものであってもよい。

Δθ＝Ｋ_Ｐ×Ａ＋Ｋ_Ｉ×Ｂ …(1)
Ａ ：ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流Ｉ_ｄとの偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）
Ｋ_Ｐ：比例ゲイン
Ｂ ：Ａの累積値
Ｋ_Ｉ：積分ゲイン
ロータ角度演算部３４は、所定の演算周期Ｔｓ毎に、ロータ角度θを演算する。ロータ角度演算部３４は、前回の演算周期においてロータ角度演算部３４によって演算されたロータ回転角θ_ｋ−１と、前回の演算周期において速度演算部３５によって演算されたロータの回転速度ω_ｋ−１と、今回の演算周期においてロータ角度制御部３３によって演算された補正角度Δθ_ｋと、演算周期Ｔｓとに基づいて、今回の演算周期でのロータ角度θ_ｋを演算する。具体的には、ロータ角度演算部３４は、例えば次式(2)に基づいて、ロータ角度θ_ｋを演算する。

θ_ｋ＝θ_ｋ−１＋ω_ｋ−１・Ｔｓ＋Δθ_ｋ …(2)
このように、ロータ角度演算部３４は、補正角度Δθ_ｋを用いてロータ角度θ_ｋを求めているので、ロータ角度θをロータの実際の回転角度に収束させることができる。
速度演算部３５は、前回の演算周期においてロータ角度演算部３４によって演算されたロータ角度θ_ｋ−１と、今回の演算周期においてロータ角度演算部３４によって演算されたロータ角度θ_ｋと、演算周期Ｔｓとに基づいて、今回の演算周期でのロータの回転速度ω_ｋを演算する。具体的には、速度演算部３５は、例えば次式(3)に基づいて、ロータの回転速度ω_ｋを演算する。

ω_ｋ＝（θ_ｋ−θ_ｋ−１）／Ｔｓ …(3)
ｑ軸電流偏差演算部２２、ｑ軸電流制御部２３、ｄ軸電流偏差演算部２５およびｄ軸電流制御部２６は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、モータ５に流れるモータ電流が、ｑ軸電流指令値設定部２１およびｄ軸電流指令値設定部２４によって設定される電流指令値Ｉ_ｑ ^＊，Ｉ_ｄ ^＊に近づくように制御される。これにより、操舵トルクおよび車速に対応した適切なアシストトルク（操舵補助力）を舵取り機構３に与えることができる。

電動パワーステアリング装置では、モータ５は、運転者によってステアリングイール１が操作されることにより、起動される。運転者によってステアリングイール１が操作されると、ロータも回転する。この実施形態では、モータ５は、外部から加えられるトルクに基づくロータの回転に同期した起動が可能となる。
つまり、運転者によってステアリングイール１が操作されると、モータ５のロータが回転し、モータ５に誘起電圧が発生する。これにより、モータ５に電流が流れる。このモータ電流が、電流検出部２９によって検出され、座標変換部３０によってｄ軸電流検出値Ｉ_ｄおよびｑ軸電流検出値Ｉ_ｄ ^＊変換される。

このｄ軸電流検出値Ｉ_ｄとｄ軸電流指令値設定部３１によって設定されたｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊（Ｉ_ｄ ^＊＝０）との偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）がｄ軸電流偏差演算部３２によって演算される。ロータ角度制御部３３では、この偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄ）に基づいて、補正角度Δθが演算される。たとえば、前記式(1)に基づいて、補正角度Δθが演算される。
ロータ角度演算部３４では、補正角度Δθと速度演算部３５によって演算されるロータ回転速度ωとに基づいて、ロータ角度θが演算される。また、速度演算部３５では、ロータ角度演算部３４によって演算されたロータ角度θに基づいてロータ回転速度ωが演算される。このようにしてロータ角度演算部３４からロータ角度θが出力されるので、モータ５が回転を開始する。

このとき、ロータ角度演算部３４によって演算されたロータ角度θは実際のロータの回転角からずれているため、モータ５は余分な電流を伴って回転する。座標変換部３０では、この余分なモータ電流に基づいてｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ ^＊が求められる。ロータ角度制御部３３は、座標変換部３０によって求められたｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ ^＊を０に収束させるように機能する。つまり、ロータ角度制御部３３では、ロータ角度演算部３４によって演算されたロータ角度θと実際のロータの回転角とのずれを補正するための補正角度Δθが演算される。したがって、ロータ角度演算部３４によって演算されるロータ角度θは実際のロータの回転角に徐々に近づいていく。これにより、外部からの回転に同期した起動が可能となる。

前記実施形態によれば、回転角センサを用いないセンサレス制御方式であって、モータモデルを使用しない新たな制御方式のモータ制御装置を実現することができる。また、前記実施形態では、ロータ角度θを推定するための各部３１〜３５は、比較的単純な演算を行なうものであるため、従来のセンサレス制御方式に比べてＣＰＵ負荷を軽減できる。また、前記実施形態によれば、モータモデルや電源電圧の影響を受けることなく、ロータ角度θを推定することができる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…トルクセンサ、２…車速センサ、３…舵取り機構、５…ブラシレスモータ、６…モータ制御装置、２１…ｑ軸電流指令値設定部、２２…ｑ軸電流偏差演算部、２３…ｑ軸電流制御部、２４，３１…ｄ軸電流指令値設定部、２５…ｄ軸電流偏差演算部、２６…ｄ軸電流制御部、２７，３０…座標変換部、２８…ＰＷＭ制御部、２９…電流検出部、３２…ｄ軸電流偏差演算部、３３…ロータ角度制御部、３４…ロータ角度演算部、３５…速度演算部

Claims (3)

1. ステータとロータを有するブラシレスモータに対してセンサレス制御を行なうモータ制御装置であって、
   前記ブラシレスモータに供給されるべき電流指令値を設定するために必要な変動値を検出するための手段でありかつ前記ブラシレスモータによって駆動される駆動対象に外部から加えられるトルクを検出するためのトルク検出手段を少なくとも含む変動値検出手段と、
   前記変動値検出手段によって検出される変動量に基づいて、前記駆動対象に作用させるべきトルクを前記ブラシレスモータから発生させるための電流指令値を設定する電流指令値設定手段と、
   前記ブラシレスモータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出される電流検出値を、ｄ軸電流検出値およびｑ軸電流検出値に変換する変換手段と、
   前記ｄ軸電流検出値に基づいて、前記ロータの回転角度を推定する角度推定手段と、
   前記電流指令値設定手段によって設定される電流指令値と、前記変換手段によって得られるｄ軸電流検出値およびｑ軸電流検出値と、前記角度推定手段によって推定されるロータ回転角度とに基づいて、前記ブラシレスモータに供給される電流を制御する制御手段とを含む、モータ制御装置。
2. 前記角度推定手段は、
   前記ｄ軸電流検出値に基づいて、ロータ回転角度を補正するための補正角度を演算する補正角度演算手段と、
   前記ロータの速度を演算する速度演算手段と、
   前記補正角度演算手段によって演算される補正角度と、前記速度演算手段によって演算されるロータ速度とに基づいて、ロータ回転角度を演算するロータ角度演算手段とを含む、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 車両の舵取り機構に駆動力を付与するモータと、
   前記モータを制御する請求項１または２に記載のモータ制御装置とを含む、電動パワーステアリング装置。
   

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