JP2022152779A - モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現する。【解決手段】モータ制御装置であって、交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段とを有する。【選択図】図４

Description

本願発明は、モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラムに関する。

従来、電動パワーステアリング装置などに備えられる交流モータなどの交流電動機に対して、周波数や電圧、電流、位相などを制御可能な電源から電力を供給し、その動作を制御することが行われている。同期モータの駆動制御を行う際、制御対象であるモータへ制御装置から出力される電圧は、一般的にインバータを介する。インバータの一般的な構成では、三相モータへ電圧を出力するために６個のスイッチング素子が１組となっている。これらのスイッチングにより、直流電源電圧の範囲で任意の三相電圧が出力可能である。

制御器から見ると、上記の構成によりモータへの出力電圧は制限されている。つまり、モータ制御系は、出力飽和の存在する非線形システムとなっている。インバータの電源電圧による制限（以下、電圧制限と称する）を考慮せずにモータ駆動を行うと、特に電流指令が大きい場合や高速回転を行っている場合には電圧指令が増大し、電圧制限を超えた電圧飽和状態となる。これは、電圧指令が、回転数や電流指令値、電流検出値に基づいて都度導出されるため、上記のように制御している場合には電圧指令の値も増大することに起因する。電圧飽和が生じると出力トルクの急激な低下や応答性の低下など、種々の問題が生じる。そのため、電圧飽和が生じないように、あるいは電圧飽和の影響を低減するような処理が必要となる。

例えば、高速回転時には誘起電圧が増大する。そのため、モータにおけるｄ軸の電機子反作用による減磁効果で永久磁石による鎖交磁束を減少させ、誘起電圧を電圧制限値内に保つ弱め磁束（ＦＷ：Ｆｌｕｘ Ｗｅａｋｉｎｇ）制御が行われるのが一般的である（例えば、特許文献１）。

特開２０１９－１３４６１２号公報

特許文献１に示すような一般的な弱め磁束制御では、インバータの電源電圧のみを電圧制限値として用いている。しかし、実際の制御ではデッドタイムの挿入が避けられないため、出力される相電圧に差が生じてしまう。正確に弱め磁束制御を行うためには、正確な電圧の利用可能範囲の把握が必要となる。デッドタイムが挿入されていることで、利用できる電圧が減少するため、高速回転時の弱め磁束制御によって出力できるトルクは低下する。つまり、デッドタイムを考慮していない場合、意図するトルクを出力しようとする際に電圧飽和が生じ、その結果として出力トルクの低下を招いてしまう。

上記課題を鑑み、本願発明は、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能とするモータ制御を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために本願発明は以下の構成を有する。すなわち、モータ制御装置であって、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段と
を有する。

また、本願発明の別の形態は以下の構成を有する。すなわち、モータ制御方法であって、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出工程と
を有する。

また、本願発明の別の形態は以下の構成を有する。すなわち、プログラムであって、
コンピュータを、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段
として機能させる。

本願発明により、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。

本願発明の一実施形態に係るモータ制御装置を用いた電動パワーステアリング装置の概要構成の例を示す構成図。 本願発明の一実施形態に係るモータ制御系の構成例を示す図。 本願発明に係るデッドタイムの影響を説明するための図。 本願発明の一実施形態に係るデッドタイムを考慮した制御信号値の算出処理を示すフローチャート。 本願発明の一実施形態に係るデッドタイムによる電圧誤差を説明するための図。

以下、本願発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本願発明を説明するための一実施形態であり、本願発明を限定して解釈されることを意図するものではなく、また、各実施形態で説明されている全ての構成が本願発明の課題を解決するために必須の構成であるとは限らない。また、各図面において、同じ構成要素については、同じ参照番号を付すことにより対応関係を示す。

＜第１の実施形態＞
以下、本願発明の第１の実施形態について説明を行う。なお、以下に示す電動パワーステアリング装置の構成は本願適用例の一例であり、本願発明は、電動パワーステアリング装置の他、交流モータを含む電動機全般（例えば、電動ブレーキブースター等）に適用可能である。また、本願発明に係る制御方法は、交流モータとして、メガトルクモータなどにも適用可能である。

［構成概要］
本実施形態に係るモータ制御方法を適用可能な装置の一例としての電動パワーステアリング装置の構成例を図１に示す。ステアリングホイール１は、ドライバが転舵操作を行うための転舵輪である。ステアリングホイール１の操舵軸２は、減速機構を構成する減速ギア（ウォームギア）３、ユニバーサルジョイント４ａ、４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ、６ｂを経て、更にハブユニット７ａ、７ｂを介して操向車輪８Ｌ、８Ｒに連結されている。

操舵軸２は、トーションバー９を介して、ステアリングホイール１側の入力軸と、ピニオンラック機構５側の出力軸とが連結して構成される。ピニオンラック機構５は、ユニバーサルジョイント４ｂから操舵力が伝達されるピニオンシャフト（不図示）に連結されたピニオン５ａと、ピニオン５ａに噛合するラック５ｂとを有する。ピニオン５ａに伝達された回転運動が、ラック５ｂで車幅方向の直進運動に変換される。

操舵軸２には、トーションバー９に対して加えられる操舵トルクＴ_ｄｃｔを検出するトルクセンサ１０が設けられている。また、操舵軸２には、操舵軸２のステアリングホイール１側（入力軸側）の軸周りの回転角を示す操舵角θ_ｈを検出する操舵角センサ１４が設けられている。また、操舵軸２には、操舵軸２のピニオンラック機構５側（出力軸側）の軸周りの回転角を示す出力軸角θ_ｃを検出する出力軸角センサ１５が設けられている。つまり、操舵角センサ１４はトーションバー９に対する入力軸側の回転角を操舵角θ_ｈとして検出し、出力軸角センサ１５はトーションバー９に対する出力軸側の回転角を出力軸角θ_ｃとして検出する。トルクセンサ１０は、操舵角θ_ｈと出力軸角θ_ｃの差によって生じるトーションバー９のねじれに基づき、操舵トルクＴ_ｄｃｔを検出する。

なお、操舵角センサ１４と出力軸角センサ１５は、一体となって構成されたセンサであってもよい。また、図１では、説明を容易にするために、操舵軸２とトルクセンサ１０を分けて示しているが、これらが一体となった構成であってもよい。トルクセンサ１０の構成は特に限定するものではなく、例えば、トーションバー９のねじれからトルクを検出するスリーブタイプやリングタイプなどが用いられてよい。また、上記の構成では、操舵トルクＴ_ｄｃｔは、操舵角θ_ｈと出力軸角θ_ｃの差によって生じるトーションバー９のねじれに基づいて検出されているが、これに限定するものではない。例えば、トーションバー９のステアリングホイール１側の角度信号と、ピニオンラック機構５側の角度信号の差を用いて、トルク値を検出してもよい。以下の説明において、操舵軸２のステアリングホイール１側を上流側、ピニオンラック機構５側を下流側とも称する。

トルクセンサ１０にて検出される操舵トルクＴ_ｄｃｔには、ドライバによるステアリングホイール１に対する操作に基づくドライバトルクの他、下流側からの入力（外乱等）により生じたトルクが含まれる。操舵トルクＴ_ｄｃｔに基づく指令値を、下流側の入力に起因する振動を抑制するように補正する。ここでの抑制方法は特に限定するものではなく、任意の手法が用いられてよい。

ステアリングホイール１に対する操舵力を補助する操舵補助モータ２０が減速ギア３を介して操舵軸２に連結されている。電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）装置を制御するコントローラであるＥＰＳ－ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されるとともに、イグニッション（ＩＧＮ）キー１１を経てイグニッションキー信号が入力される。

本実施形態に係る操舵補助モータ２０（以下、単にモータ２０とも称する）は、例えば、同期モータの一種である３相交流モータであり、永久磁石界磁または巻線界磁を有する。モータ２０は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の各相コイル（不図示）に１２０°ずつ位相が異なる３相の交流電流が供給されることにより回転する。モータ２０の回転子（不図示）の軸には、レゾルバやロータリエンコーダなどから構成される回転角検出部２１５が設置される。回転角検出部２１５にて検出されたモータ２０の回転角θは、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０へ出力される。ここで検出される回転角θの用途については後述する。

ＥＰＳ－ＥＣＵ３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴ_ｄｃｔ、および車速センサ１２で検出された車速Ｖ_ｈに基づいてアシスト指令値としての電圧指令値の演算を行う。さらに、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０は、操舵トルクＴ_ｄｃｔに基づく電圧指令値と、運転支援機能に基づく電圧指令値とに応じて操舵補助モータ２０に供給する電力（電圧値Ｖ_ｒｅｆ）を制御する。操舵補助モータ２０は、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０から入力された電圧値Ｖ_ｒｅｆに基づき、減速ギア３を動作させ、ステアリングホイール１に対するアシスト制御を行う。

ＥＰＳ－ＥＣＵ３０は、例えば、プロセッサと、記憶装置等の周辺部品とを含むコンピュータを備えてよい。プロセッサは、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってよい。記憶装置は、半導体記憶装置、磁気記憶装置及び光学記憶装置のいずれかを備えてよい。記憶装置は、レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置として使用されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリを含んでよい。以下に説明するＥＰＳ－ＥＣＵ３０の機能は、例えばＥＰＳ－ＥＣＵ３０のプロセッサが、記憶装置に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。

なお、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０は、以下に説明する各情報処理を実行するための専用のハードウェアにより形成されてもよい。例えば、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０は、汎用の半導体集積回路中に設定される機能的な論理回路を備えてもよい。例えば、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のプログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等を有していてもよい。

［モータ制御の機能構成］
図２は、本実施形態に係るモータ２０の制御に係る制御系の構成例を示す図である。図２に示す制御系は、例えば、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０の内部に構成される。

本実施形態に係る制御系において、まず、トルク指令値τ^＊が、電流指令生成部２０１に入力される。なお、以下の説明において記号「^＊」は、指令値であることを示す。電流指令生成部２０１は、角速度演算部２１７から入力されるモータ２０の角速度ωに基づいて、モータ２０にて発生させるトルクと、トルク指令値τ^＊とが一致するようにｄ軸およびｑ軸成分それぞれにおける電流指令値を演算する。ここで、ｄ軸とｑ軸は、ｄｑ回転座標系における軸である。ｄ軸は、モータ２０が備える回転子（不図示）の磁束の方向を示す。また、ｑ軸は、ｄ軸に直交した方向を示す。

電流指令生成部２０１は、回転数に応じたｄｑ電流指令値を生成する。本実施形態では、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｅｒ Ａｍｐｅｒｅ：最大トルク／電流）制御と、ＦＷ（Ｆｌｕｘ Ｗｅａｋｉｎｇ：弱め磁束）制御を用いる。電流指令生成部２０１による処理の詳細については、図を用いて後述する。電流指令生成部２０１により生成されたｄ軸成分の電流指令値ｉ_ｄ ^＊は減算器２０２に出力される。また、電流指令生成部２０１により生成されたｑ軸成分の電流指令値ｉ_ｑ ^＊は減算器２０２に出力される。

減算器２０２は、電流指令値ｉ_ｄ ^＊から、３相／２相変換部２１６から出力される実電流値ｉ_ｄを減算し、偏差Δｉ_ｄ ^＊としてＰＩ制御部２０４へ出力する。減算器２０３は、電流指令値ｉ_ｑ ^＊から、３相／２相変換部２１６から出力される実電流値ｉ_ｑを減算し、偏差Δｉ_ｑ ^＊としてＰＩ制御部２０４へ出力する。

ＰＩ制御部２０４は、減算器２０２、２０３からの偏差Δｉ_ｄ ^＊、Δｉ_ｑ ^＊を入力とし、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ：比例－積分）制御を行う。ここでは、ＰＩ制御部２０４は、所定の伝達関数を用いて電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊を算出し、アンチワインドアップ部２０５へ出力する。このとき、ＰＩ制御部２０４は、アンチワインドアップ部２０５から、電圧指令値に対する制限値からの超過分Δｖ_ｄ ^＊、Δｖ_ｑ ^＊を積分器（不図示）に対する負帰還として受け付け、ＰＩ制御に反映させる。これにより、積分器（不図示）における飽和を防ぐ。

アンチワインドアップ部２０５は、ＰＩ制御部２０４からの電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊を、予め設定した制限値を超過しないように制限し、超過分をΔｖ_ｄ ^＊、Δｖ_ｑ ^＊として、ＰＩ制御部２０４へ負帰還する。これにより、制御出力が飽和している際の積分器（不図示）内の積分値が増加し続けることを防止し、指令変化への追従性を高める。また、アンチワインドアップ部２０５は、制限後の電圧指令値ｖ_ｄ ^＊＊、ｖ_ｑ ^＊＊をデカップリング部２０６へ出力する。

デカップリング部２０６は、アンチワインドアップ部２０５から入力された電圧指令値ｖ_ｄ ^＊＊、ｖ_ｑ ^＊＊に対し、角速度演算部２１７から入力されるモータ２０の角速度ωに応じて、誘起電圧を除去し、ｑ軸－ｄ軸間の非干渉化を行う。そして、デカップリング部２０６は、処理後の電圧指令値ｖ_ｄ ^＊＊＊、ｖ_ｑ ^＊＊＊を２相／３相変換部２０７へ出力する。

２相／３相変換部２０７は、デカップリング部２０６から入力された電圧指令値ｖ_ｄ ^＊＊＊、ｖ_ｑ ^＊＊＊を、回転角検出部２１５から入力されるモータ２０の回転角θに基づいて、モータ２０に対応した３相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊に変換する。そして、２相／３相変換部２０７は、３相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊をデッドタイム補償部２０８へ出力する。

デッドタイム補償部２０８は、２相／３相変換部２０７から入力された３相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊に対し、デッドタイムの影響を除去するための補償を行う。デッドタイム補償部２０８では、デッドタイムに起因する電圧誤差を予め各相電圧指令値に重畳することで、電圧誤差を打ち消す。ここで重畳する電圧は、デッドタイムに起因する電圧誤差と同等の大きさである。そして、デッドタイム補償部２０８は、処理後の３相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊＊、ｖ_ｖ ^＊＊、ｖ_ｗ ^＊＊をＳＶＭ部２０９へ出力する。

ＳＶＭ部２０９は、デッドタイム補償部２０８から入力された３相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊＊、ｖ_ｖ ^＊＊、ｖ_ｗ ^＊＊に対し、ＳＶＭ（Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：空間ベクトル変調）処理を行い、各相のＤｕｔｙであるＤｕｔｙ_ｕ、Ｄｕｔｙ_ｖ、Ｄｕｔｙ_ｗを生成する。そして、ＳＶＭ部２０９は、生成した３相ＤｕｔｙをＰＷＭ生成部２１０へ出力する。

ＰＷＭ生成部２１０は、ＳＶＭ部２０９から入力された３相Ｄｕｔｙそれぞれから、インバータ２１１に対する制御信号であるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）信号ＰＷＭ_ｕ、ＰＷＭ_ｖ、ＰＷＭ_ｗを生成する。そして、ＰＷＭ生成部２１０は、ＰＷＭ信号ＰＷＭ_ｕ、ＰＷＭ_ｖ、ＰＷＭ_ｗをインバータ２１１へ出力する。

インバータ２１１は、ＰＷＭ生成部２１０からの入力に基づいて、バッテリ１３により供給される交流電源の電力を３相交流電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗに変換して、モータ２０へ供給する。なお、図１では、ＥＰＳ－ＥＣＵ３０からモータ２０に出力される指令値として、電圧値Ｖ_ｒｅｆを示したが、これは、３相交流電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗに対応する。

インバータ２１１とモータ２０との間の接続線上には、３相交流電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗに対応する電流値を検出するための電流検出回路２１２、２１３、２１４が備えられ、３相交流電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗの値が検出される。電流検出回路２１２、２１３、２１４は、検出した電流値を３相／２相変換部２１６へ出力する。なお、電流検出回路２１２、２１３、２１４は、インバータ２１１内部に設けられてもよい。

回転角検出部２１５は、モータ２０の回転角θを検出し、２相／３相変換部２０７、３相／２相変換部２１６、および角速度演算部２１７へ出力する。

３相／２相変換部２１６は、３相電流値（インバータ２１１からモータ２０に供給される３相交流電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）、および回転角検出部２１５からのモータ２０の回転角θを入力とし、３相電流値をｄｑ回転座標系のｄ軸およびｑ軸それぞれに対応した２相の実電流値ｉ_ｄ、ｉ_ｑに変換する。そして、３相／２相変換部２１６は、実電流値ｉ_ｄを減算器２０２へ出力し、実電流値ｉ_ｑを減算器２０３へ出力する。

角速度演算部２１７は、回転角検出部２１５からの回転角θを微分してモータ２０の角速度ωを算出し、電流指令生成部２０１、およびデカップリング部２０６へ出力する。

［デッドタイムのトルクへの影響］
図３は、弱め磁束制御におけるデッドタイムの影響を説明するための概念図である。図３において、横軸はモータの回転数［ｒｐｍ］を示し、縦軸はトルク［Ｎｍ］を示す。また、線３０１は、デッドタイムを考慮していない場合の変化を示し、線３０２は、デッドタイムを考慮した場合の変化を示す。デッドタイムが挿入されていることで、利用できる電圧が低下するため、高速回転時の弱め磁束制御によって出力できるトルクは低下する。つまり、図３に示すように、デッドタイムを考慮せずに算出されたトルク（線３０１）に対し、デッドタイムを考慮したトルク（線３０２）は低い値となる。そのため、線３０１に示すようなトルクを出力するように弱め磁束制御を行った結果、電圧飽和が生じ、出力トルクの低下を招く。

なお、本実施形態では、図２に示すようにデッドタイム補償部２０８を設け、デッドタイムの影響を取り除く構成を備えている。しかし、これはデッドタイムによる電圧誤差を予め相電圧指令値に重畳する処理を行うものである。ここで重畳する電圧はデッドタイムの電圧誤差と同等の大きさであり、制御で用いることができない電圧となる。そこで、本実施形態では、デッドタイム補償部２０８を設けた構成に加え、電流指令生成部２０１により、デッドタイムの影響を考慮したｄｑ電流指令値を生成する。

［電流ベクトルの制御方法］
ここで、本実施形態にて用いる電流ベクトルの制御方法について説明する。本実施形態では、モータ２０における電流ベクトルの制御方法として、最大トルク／電流（ＭＴＰＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｅｒ Ａｍｐｅｒｅ）制御と、弱め磁束（ＦＷ：Ｆｌｕｘ－Ｗｅａｋｉｎｇ）制御を用いる。

ここで、以下の説明にて用いる各種式にて用いられるパラメータの定義を示しておく。また、ここで示すパラメータ以外で用いるパラメータについては適時説明を行う。

ｉ_ｄ：ｄｑ座標系におけるｄ軸成分の電流値
ｉ_ｑ：ｄｑ座標系におけるｑ軸成分の電流値
ｉ_ａ：電流ベクトル、または、電流ベクトルのスカラー値（ノルム）
Ｒ_ａ：モータにおける巻線抵抗
ψ_ａ：ｄｑ座標系の永久磁石による鎖交磁束
Ｌ_ｄ：ｄｑ座標系におけるｄ軸のインダクタンス
Ｌ_ｑ：ｄｑ座標系におけるｑ軸のインダクタンス
β：ｑ軸からの電流ベクトル位相
ｖ_ｄ：ｄｑ座標系におけるｄ軸成分の電圧値
ｖ_ｑ：ｄｑ座標系におけるｑ軸成分の電圧値
ｖ_ａ：電気子電圧ベクトル、または、電機子電圧ベクトルのスカラー値（ノルム）
ｖ_ｏ：誘起電圧ベクトル、または、誘起電圧ベクトルのスカラー値（ノルム）
Ｖ_ｄｃ：インバータの電源電圧（ＤＣリンク電圧）

（ＭＴＰＡ制御）
ＭＴＰＡ制御は、電流に対して発生トルクが最大となるように電流ベクトルを制御する方法である。ＭＴＰＡ制御では、同一トルクを発生する電流ベクトルのうち、その振幅が最も小さくなる（すなわち、最も効率の良い）電流位相を電流指令値として特定する。本実施形態では、電圧（誘起電圧）が所定の制限値に達しない、モータ２０の回転が低速である低速領域にて、ＭＴＰＡ制御を用いる。電流ベクトルの大きさがｉ_ａとして決まっているとき、電流ベクトル位相βは、以下の式（１）にて規定される。

そして、電流ベクトルの大きさｉ_ａと電流ベクトル位相βとを用いて、ｄｑ軸電流指令値を算出することができる。ｄｑ軸電流指令値は、以下の式（２）、式（３）により算出できる。

（ＦＷ制御）
ＦＷ制御は、負のｄ軸電流によりｄ軸電機子反作用による減磁効果で磁束を減少させ、誘起電圧を制限値内に保てるように電流ベクトルを制御する方法である。本実施形態では、ＭＴＰＡ制御を適用した場合に電圧（誘起電圧）が所定の制限値に達する（すなわち、電圧飽和する）ような、モータ２０の回転が高速である高速領域にて、ＦＷ制御を用いる。ＦＷ制御により、回転により生じる誘起電圧を抑制して、更なる高速回転を可能とする。誘起電圧制限値をｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}とし、ｑ軸電流ｉ_ｑが決まっているとき、ｄ軸電流は以下の式（４）にて規定される。

［処理フロー］
図４は、本実施形態に係る電流指令生成部２０１による制御処理のフローチャートである。

Ｓ４０１にて、電流指令生成部２０１は、制限値および閾値を算出する。本実施形態に係る制限値および閾値の算出を説明する前に、本工程において、基礎となる算出の流れをまず説明する。相電流振幅をＩ_ｐ、システム最大相電流振幅をＩ_{ｐ＿ｍａｘ}、電機子電圧制限値をｖ_{ａ＿ｌｉｍ}、電流制限値ｉ_{ａ＿ｌｉｍ}とした場合、電流と電圧の制限に係る関係式（制限式）は、例えば以下の式（４）、式（５）にて表すことができる。

ここで、インバータ２１１の電源電圧Ｖ_ｄｃによる相電圧の最大振幅は、通常はＶ_ｄｃ／２であるが、図２に示すようなＳＶＭ部２０９によるＳＶＭ処理によって出力される相電圧の基本波振幅はＶ_ｄｃ／√３となる。したがって、電機子電圧制限値ｖ_{ａ＿ｌｉｍ}は、ＳＶＭ処理を行うことを考慮し、以下の式（７）にて算出できる。

また、誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}は、力率角φを用いて、以下の式（８）により算出できる。

ここで、簡単化のため、式（８）で導かれる値において、最小値を誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}として扱う。これにより、誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}は以下の式（９）にて表すことができる。

したがって、誘起電圧制限式は、以下の式（１０）にて表すことができる。式（１０）にて示した関係式を電圧制限式として扱う。

ＭＴＰＡ制御からＦＷ制御への切り替えの際に用いる閾値は、モータ２０の角速度ωに基づいて決定され、この閾値に相当する角速度をここでは基底速度ω_ｂａｓｅと呼ぶ。ＭＴＰＡ制御における条件としてｉ_ａ＝ｉ_{ａ＿ｌｉｍ}の際のｄｑ軸電流をそれぞれｉ_ｄ１、ｉ_ｑ１とした場合、基底速度ω_ｂａｓｅは以下の式（１１）で表される。

ここまでに示したように、本工程により、電流制限式、電圧制限式、および基底速度ω_ｂａｓｅが求められる（式（５）、式（１０）、式（１１））。本実施形態では、デッドタイムの影響を考慮した電機子電圧制限値ｖ_{ａ＿ｌｉｍ}を求めるために一部の算出式を変更する。本実施形態に係る算出式の詳細については、図５等を用いて後述する。

Ｓ４０２にて、電流指令生成部２０１は、回転数（すなわち、角速度ω）に対応するｑ軸電流制限値ｉ_{ｑ＿ｌｉｍ}を算出する。モータ２０の角速度ωが基底速度ω_ｂａｓｅ以下である場合（ω≦ω_ｂａｓｅ）、ＭＴＰＡ制御を適用するため、以下の式（１２）の様に、ｑ軸電流制限値ｉ_{ｑ＿ｌｉｍ}はｉ_ｑ１とする。

一方、モータ２０の角速度ωが基底速度ω_ｂａｓｅより大きい場合（ω＞ω_ｂａｓｅ）、ＦＷ制御を適用するため、以下の式（１３）、式（１４）にてｑ軸電流制限値ｉ_{ｑ＿ｌｉｍ}を求める。

Ｓ４０３にて、電流指令生成部２０１は、入力されたトルク指令値τ^＊に基づいて、相電流指令値Ｉ_{ｐ＿ＣＭＤ}を算出する。相電流指令値Ｉ_{ｐ＿ＣＭＤ}は、例えば、出力トルク（すなわち、トルク指令値τ^＊にて示されるトルク）と相電流指令値の対応関係を規定したテーブルを予め規定して保持しておき、このテーブルを参照することで導出されてよい。そして、電流指令生成部２０１は、算出した相電流指令値Ｉ_{ｐ＿ＣＭＤ}に基づいて、ＭＴＰＡ条件（すなわち、式（１）、式（３））での仮ｑ軸電流指令値ｉ’_{ｑ＿ＣＭＤ}を算出する。ＭＴＰＡ条件において、仮ｑ軸電流指令値ｉ’_{ｑ＿ＣＭＤ}は、例えば、以下の式（１５）により算出できる。

Ｓ４０４にて、電流指令生成部２０１は、Ｓ４０３にて算出した仮ｑ軸電流指令値ｉ’_{ｑ＿ＣＭＤ}を回転数に応じて、ｑ軸電流制限値ｉ_{ｑ＿ｌｉｍ}で制限し、制限後の値をｑ軸電流指令値ｉ_{ｑ＿ＣＭＤ}とする。つまり、ｑ軸電流指令値の上限は、Ｓ４０２にて算出したｑ軸電流制限値ｉ_{ｑ＿ｌｉｍ}となる。

Ｓ４０５にて、電流指令生成部２０１は、上記の式（１０）に基づいて、誘起電圧ｖ_ｏが誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}以下か否かを判定する。誘起電圧ｖ_ｏが誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}以下である場合（Ｓ４０５にてＹＥＳ）、電流指令生成部２０１の処理はＳ４０６へ進む。一方、誘起電圧ｖ_ｏが誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}より大きい場合（Ｓ４０５にてＮＯ）、電流指令生成部２０１の処理はＳ４０７へ進む。

Ｓ４０６にて、電流指令生成部２０１は、ＭＴＰＡ制御を行うものとし、ｄｑ電流指令値を算出する。電流指令生成部２０１は、Ｓ４０４にて算出したｑ軸電流指令値ｉ_{ｑ＿ＣＭＤ}を、ｑ軸成分の電流指令値ｉ_ｑ ^＊とする。また、電流指令生成部２０１は、ｑ軸成分の電流指令値ｉ_ｑ ^＊の値と、上記の式（１）、式（２）を用いて、ｄ軸成分の電流指令値ｉ_ｄ ^＊を算出する。そして、電流指令生成部２０１は、算出した電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊として出力し、本処理フローを終了する。なお、モータ２０の駆動制御が継続する間、本処理フローも繰り返し実行される。

Ｓ４０７にて、電流指令生成部２０１は、ＦＷ制御を行うものとし、ｄｑ電流指令値を算出する。電流指令生成部２０１は、Ｓ４０４にて算出したｑ軸電流指令値ｉ_{ｑ＿ＣＭＤ}を、ｑ軸成分の電流指令値ｉ_ｑ ^＊とする。また、電流指令生成部２０１は、ｑ軸成分の電流指令値ｉ_ｑ ^＊の値と、上記の式（４）等を用いて、ｄ軸成分の電流指令値ｉ_ｄ ^＊を算出する。そして、電流指令生成部２０１は、算出した電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊として出力し、本処理フローを終了する。なお、モータ２０の駆動制御が継続する間、本処理フローも繰り返し実行される。

［デッドタイムの影響を考慮した制限値］
本実施形態に係る図４のＳ４０１の算出工程の詳細について説明する。まず、デッドタイムに起因して現れる電圧誤差について説明する。デッドタイムに起因して平均的に表れる電圧誤差Ｖ_ｄｔは、インバータ２１１のＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ、ＰＷＭ周波数ｆ_ｐｗｍ、デッドタイムＴ_ｄのとき、以下の式（１６）にて表される。

これが相電流の符号に応じて、相電圧に対して概ね矩形波上の電圧誤差となる。図５は、デッドタイムによる電圧誤差の重畳の概要を説明するための概念図である。図５において、横軸は電気角［ｄｅｇ］を示し、左の縦軸は電圧［Ｖ］を示し、右の横軸は電流［Ａ］を示す。また、線５０１（一点鎖線）は理想相電圧を示し、線５０２（実線）は相電圧を示す。線５０３（太線）は電圧誤差を示し、線５０１と線５０２にて示される電圧の差分である。線５０４（破線）は、相電流を示す。

線５０３にて示される電圧誤差の値を、デッドタイム補償部２０８により予め加算するため、この分の電圧を制御に用いることはできない。その結果、電気角１次の相電圧最大値が低下していると想定される。ある１次の相電圧Ｖ_ｐ１は、相電圧位相をθ、相電圧位相θに対する相電流位相差φとしたとき、以下の式（１７）にて表される。

相電流位相差φ＝０のとき、式（１７）にて表される振幅は最小値となり、これを本実施形態においては最大位相電流振幅とする。このときの最大相電圧Ｖ_{ｐ１＿ｍａｘ}は、以下の式（１８）にて表される。

そして、この最大相電圧Ｖ_{ｐ１＿ｍａｘ}を用いて電機子電圧制限値ｖ_{ａ＿ｌｉｍ}を計算すると、以下の式（１９）により求められる。つまり、本実施形態では、式（７）に代えて、式（１８）を用いることで、以下の式（１９）が導かれる。

そして、式（１９）を用いて計算することで得られる電機子電圧制限値ｖ_{ａ＿ｌｉｍ}と、式（８）～式（１１）を用いることで、誘起電圧制限値ｖ_{ｏ＿ｌｉｍ}、基底速度ω_ｂａｓｅを算出する。更に、ＭＴＰＡ制御、またはＦＷ制御に対応した電流指令値を算出することで、デッドタイムの影響を考慮した電流指令値を生成することができる。なお、本実施形態において、インバータ２１１のＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ、ＰＷＭ周波数ｆ_ｐｗｍ、デッドタイムＴ_ｄは、予め電流指令生成部２０１にて保持、管理され、電流指令値の生成の際に用いられる。

以上、本実施形態により、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することが可能となる。

＜その他の実施形態＞
本願発明において、上述した１以上の実施形態の機能を実現するためのプログラムやアプリケーションを、ネットワーク又は記憶媒体等を用いてシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段と
を有することを特徴とするモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。

（２） 前記算出手段は、電機子電圧制限値ｖ_{ａ＿ｌｉｍ}、前記インバータの電源電圧Ｖ_ｄｃ、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）周波数ｆ_ｐｗｍ、デッドタイムＴ_ｄとした場合に、以下の式を用いて、前記電機子電圧制限値を算出することを特徴とする（１）に記載のモータ制御装置。

この構成によれば、インバータのDCリンク電圧、PWM周波数、デッドタイムから求められる電圧誤差を考慮して電機子電圧制限値を算出することができる。

（３） 前記モータ制御装置は、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｅｒ Ａｍｐｅｒｅ）制御、および、ＦＷ（Ｆｌｕｘ－Ｗｅａｋｉｎｇ）制御を切り替え可能であり、
前記導出手段は、
前記電機子電圧制限値と前記交流モータの回転数に基づいて、ｑ軸電流制限値を算出し、
前記交流モータの回転数に基づいて、前記ＭＴＰＡ制御または前記ＦＷ制御のいずれの制御を行うかを決定し、
前記トルク指令値から特定されるｑ電流指令値を前記ｑ軸電流制限値にて制限した指令値を用いて、前記決定した制御に対応するｄ軸電流指令値を算出する
ことを特徴とする（１）または（２）に記載のモータ制御装置。
この構成によれば、ＭＴＰＡ制御、および、ＦＷ制御を切り替え可能な構成において、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。

（４） 前記導出手段は、前記電機子電圧制限値を用いて、前記ＭＴＰＡ制御または前記ＦＷ制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値である誘起電圧制限値、および、基底速度を算出することを特徴とする（３）に記載のモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮した電機子電圧制限値を用いて、ＭＴＰＡ制御またはＦＷ制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値を算出することができる。

（５） 前記導出手段にて導出されたｄｑ電流指令値を３相の電圧指令値に変換する第１の変換手段と、
前記３相の電圧指令値に基づいて、３相のデューティ信号を生成する第２の変換手段と、
前記３相のデューティ信号に基づき、前記インバータにより前記交流モータに電源電圧を供給するための制御信号を生成する第２の生成手段と
を更に有することを特徴とする（１）～（４）のいずれかに記載のモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。

（６） 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出工程と
を有することを特徴とするモータ制御方法。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。

（７） コンピュータを、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段
として機能させるためのプログラム。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。

１ ステアリングホイール
２ 操舵軸
３ 減速ギア
４ａ，４ｂ ユニバーサルジョイント
５ ピニオンラック機構
６ａ，６ｂ タイロッド
７ａ，７ｂ ハブユニット
８Ｌ，８Ｒ 操向車輪
９ トーションバー
１０ トルクセンサ
１１ イグニッション（ＩＮＧ）キー
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
１４ 操舵角センサ
２０ 操舵補助モータ
３０ ＥＰＳ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）－ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ））
２０１ 電流指令生成部
２０２，２０３ 減算器
２０４ ＰＩ制御部
２０５ アンチワインドアップ部
２０６ デカップリング部
２０７ ２相／３相変換部
２０８ デッドタイム補償部
２０９ ＳＶＭ部
２１０ ＰＷＭ生成部
２１１ インバータ
２１２，２１３，２１４ 電流検出回路
２１５ 回転角検出部
２１６ ３相／２相変換部
２１７ 角速度演算部

Claims (7)

1. 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
   トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段と
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記算出手段は、電機子電圧制限値ｖ_{ａ＿ｌｉｍ}、前記インバータの電源電圧Ｖ_ｄｃ、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）周波数ｆ_ｐｗｍ、デッドタイムＴ_ｄとした場合に、以下の式を用いて、前記電機子電圧制限値を算出することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
   

   
3. 前記モータ制御装置は、ＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｅｒ Ａｍｐｅｒｅ）制御、および、ＦＷ（Ｆｌｕｘ－Ｗｅａｋｉｎｇ）制御を切り替え可能であり、
   前記導出手段は、
   前記電機子電圧制限値と前記交流モータの回転数に基づいて、ｑ軸電流制限値を算出し、
   前記交流モータの回転数に基づいて、前記ＭＴＰＡ制御または前記ＦＷ制御のいずれの制御を行うかを決定し、
   前記トルク指令値から特定されるｑ電流指令値を前記ｑ軸電流制限値にて制限した指令値を用いて、前記決定した制御に対応するｄ軸電流指令値を算出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記導出手段は、前記電機子電圧制限値を用いて、前記ＭＴＰＡ制御または前記ＦＷ制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値である誘起電圧制限値、および、基底速度を算出することを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記導出手段にて導出されたｄｑ電流指令値を３相の電圧指令値に変換する第１の変換手段と、
   前記３相の電圧指令値に基づいて、３相のデューティ信号を生成する第２の変換手段と、
   前記３相のデューティ信号に基づき、前記インバータにより前記交流モータに電源電圧を供給するための制御信号を生成する第２の生成手段と
   を更に有することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
   トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出工程と
   を有することを特徴とするモータ制御方法。
7. コンピュータを、
   交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
   トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのｄｑ電流指令値を導出する導出手段
   として機能させるためのプログラム。

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