JP3668866B2

JP3668866B2 - 交流モータの電気制御装置

Info

Publication number: JP3668866B2
Application number: JP18961699A
Authority: JP
Inventors: 貴史山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: JP2001025283A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流モータの電気制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば特開平４−２５７７７０号公報に示されているように、回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備え、同回転角検出手段による検出回転角を用いて回転子の回転を制御する交流モータの電気制御装置はよく知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような制御は、コンピュータなどによるディジタル処理を行うことを一般的としており、この場合、回転角検出手段による検出回転角の分解能及びサンプリング周期による誤差が問題となる。しかし、上記従来装置にあっては、前記分解能及びサンプリング周期による誤差が考慮されておらず、検出回転角の精度が悪く、ひいては交流モータの回転制御が精度よく行われないという問題がある。
【０００４】
【発明の概略】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、検出回転角の分解能又はサンプリング周期による誤差を考慮して検出回転角を補正することにより、検出回転角の精度を向上させるようにした交流モータの電気制御装置を提供することにある。
【０００５】
前記目的を達成するために、本発明の構成上の特徴は、交流モータにおける回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備え、同回転角検出手段による検出回転角を用いて回転子の回転を制御する交流モータの電気制御装置において、検出回転角を用いて回転子の角速度を計算する角速度計算手段と、検出回転角に回転子の回転方向に応じて回転角検出手段による検出回転角の分解能に依存した補正値を加減算することにより同検出回転角の誤差を補正する補正手段とを設け、補正手段は、前記計算した回転子の角速度が所定微小値以下のとき、前記補正値の加減算を行わないようにしたことにある。
これによれば、回転角検出手段によって検出された回転角に回転子の回転方向に応じて回転角検出手段による検出回転角の分解能に依存した補正値を加減算することにより、同検出回転角が補正される。したがって、回転角検出手段による検出回転角の分解能が多少大きくても、同分解能に依存した検出誤差が補正され、検出回転角の精度が向上する。その結果、前記検出回転角を用いた交流モータの回転制御の精度も向上する。また、補正手段は、回転子の角速度が所定微小値以下のとき、補正値の加減算を行わないので、角速度が「０」近傍で正負を繰返すことによる補正回転角のハンチングを避けることができ、分解能による誤差の影響が少なくて補正の必要性の少ない状況下における補正値の加減算による悪影響を避けることができる。
【０００６】
また、本発明の他の特徴は、交流モータにおける回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備え、同回転角検出手段による検出回転角を用いて回転子の回転を制御する交流モータの電気制御装置において、検出回転角を用いて回転子の角速度を計算する角速度計算手段と、検出回転角に回転子の回転方向に応じて検出回転角のサンプリング周期及び前記計算した回転子の角速度に依存した補正値を加減算することにより同検出回転角の誤差を補正する補正手段とを設け、補正手段は、前記計算した回転子の角速度が所定微小値以下のとき、前記補正値の加減算を行わないようにしたことにある。
これによれば、回転角検出手段によって検出された回転角に回転子の回転方向に応じて検出回転角のサンプリング周期及び回転子の角速度に依存した補正値を加減算することにより、同検出回転角が補正される。したがって、サンプリング周期が多少長くても、サンプリング周期に依存した検出誤差が補正され、検出回転角の精度が向上する。その結果、前記検出回転角を用いた交流モータの回転制御の精度も向上する。また、補正手段は、回転子の角速度が所定微小値以下のとき、補正値の加減算を行わないので、回転子の回転速度が低くてサンプリングに依存した各種演算に対する遅れ誤差に対する影響が小さいために補正の必要性が少ない場合には、角速度が「０」近傍で正負を繰返すことによってもたらされる外乱の影響を避けることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に用いて説明すると、図1は、本発明に係る交流モータの電気制御装置を車両の電動パワーステアリング装置に適用した例についてブロック図により示している。
【０００８】
この電動パワーステアリング装置は、交流モータとして、三相同期式永久磁石モータで構成したブラシレスモータ１１を備えている。ブラシレスモータ１１は、操舵ハンドル１２の回動操作による前輪の操舵に対してアシスト力を付与するもので、その回転に応じて前輪を外側端にて接続するタイロッド１３を軸線方向に駆動する。操舵ハンドル１２に上端にて接続されるとともにタイロッド１３に下端にて接続された操舵軸１４には操舵トルクセンサ１５が組み付けられており、同センサ１５は操舵軸１４に作用する操舵トルクを検出して同トルクを表す検出信号を出力する。また、ブラシレスモータ１１には、同モータ１１の回転角を検出するためのエンコーダにより構成された回転角センサ１６が組み付けられている。回転角センサ１６は、ブラシレスモータ１１の回転子の回転に応じてπ／２ずつ位相の異なる２相パルス列信号と基準回転位置を表す零相パルス列信号を出力する。
【０００９】
ブラシレスモータ１１の回転を制御するための電気制御装置は、指令トルクＴ*を計算するための基本アシスト力計算部２１、戻し力計算部２２及び演算部２３を備えている。基本アシスト力計算部２１は、操舵トルクセンサ１５からの操舵トルク及び図示しない車速センサからの車速を入力し、操舵トルクの増加にしたがって増加するとともに車速の増加にしたがって減少するアシストトルクを計算する。戻し力計算部２２は、前記車速と共に後述する回転子の補正電気角θ（回転角に相当）及び角速度ωを入力し、これらの入力値に基づいて操舵軸１４の基本位置への復帰力及び同操舵軸１４の回転に対する抵抗力に対応した戻しトルクを計算する。演算部２３は、前記アシストトルクと戻しトルクを加算することにより指令トルクＴ*を計算し、指令電流決定部２４に供給する。
【００１０】
指令電流決定部２４は、前記指令トルクＴ*に基づいて、２相指令電流Ｉd*，Ｉq*を計算する。指令電流Ｉd*，Ｉq*は、ブラシレスモータ１１の回転子上の永久磁石が作り出す回転磁束と同期した回転座標系において、永久磁石と同一方向のｄ軸及びこれに直交したｑ軸にそれぞれ対応するもので、これらの指令電流Ｉd*，Ｉq*をそれぞれｄ軸及びｑ軸指令電流という。また、この指令電流決定部２４は、各種センサによる検出値をも入力して両指令電流Ｉd*，Ｉq*を補正して出力する。例えば、バッテリ電圧値を入力して、バッテリ電圧値が低い場合などに弱め磁束制御のためにｄ軸及びｑ軸指令電流Ｉd*，Ｉq*を補正する。
【００１１】
前記補正されたｄ軸及びｑ軸指令電流Ｉd*，Ｉq*は演算部２５，２６に供給され、演算部２５，２６は、ｄ軸及びｑ軸指令電流Ｉd*，Ｉq*からｄ軸及びｑ軸検出電流Ｉd，Ｉqをそれぞれ減算することにより差分値ΔＩd，ΔＩqを計算して、比例積分制御部（ＰＩ制御部）２７，２８に供給する。比例積分制御部２７，２８は、差分値ΔＩd，ΔＩqに基づいて、ｄ軸及びｑ軸検出電流Ｉd，Ｉqがｄ軸及びｑ軸指令電流Ｉd*，Ｉq*に追従するようにｄ軸及びｑ軸指令電圧Ｖd*，Ｖq*を計算する。
【００１２】
これらのｄ軸及びｑ軸指令電圧Ｖd*，Ｖq*は、非干渉補正値計算部３１及び演算部３２，３３により補正されてｄ軸及びｑ軸補正指令電圧Ｖd*'，Ｖq*'として２相／３相座標変換部３４に供給される。非干渉補正値計算部３１は、ｄ軸及びｑ軸検出電流Ｉd，Ｉq及び回転子の角速度ωに基づいて、ｄ軸及びｑ軸指令電圧Ｖd*，Ｖq*のための非干渉補正値ω・Ｌa・Ｉq，−ω・(φa＋Ｌa・Ｉd)を計算する。なお、前記インダクタンスＬa及び磁束φaは、予め決められた定数である。演算部３２，３３は、ｄ軸及びｑ軸指令電圧Ｖd*，Ｖq*から非干渉補正値ω・Ｌa・Ｉq，−ω・(φa＋Ｌa・Ｉd)をそれぞれ減算して、ｄ軸及びｑ軸補正指令電圧Ｖd*'＝Ｖd*−ω・Ｌa・Ｉq，Ｖq*'＝Ｖq*＋ω・(φa＋Ｌa・Ｉd)を算出する。
【００１３】
２相／３相座標変換部３４は、ｄ軸及びｑ軸補正指令電圧Ｖd*'，Ｖq*'を３相指令電圧Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に変換して、同変換した３相指令電圧Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*をＰＷＭ電圧発生部３５に供給する。ＰＷＭ電圧発生部３５は、３相指令電圧Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に対応したＰＷＭ制御電圧信号UU，VU，WUをインバータ回路３６に出力する。インバータ回路３６は、前記ＰＷＭ制御電圧信号UU，VU，WUに対応した３相の励磁電圧信号Ｖu，Ｖv，Ｖwを発生して、同励磁電圧信号Ｖu，Ｖv，Ｖwを３相の励磁電流路を介してブラシレスモータ１１にそれぞれ供給する。３相の励磁電流路のうちの２つには電流センサ３７，３８が設けられ、各電流センサ３７，３８は、ブラシレスモータ１１に対する３相の励磁電流Ｉu，Ｉv，Ｉwのうちの２つの励磁電流Ｉu，Ｉwを検出して３相／２相座標変換部４１に出力する。この３相／２相座標変換部４１には、演算部４２にて前記検出電流Ｉu，Ｉwに基づいて計算された励磁電流Ｉvも供給されている。３相／２相座標変換部４１は、これらの３相検出励磁電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを２相検出励磁電流Ｉd，Ｉqに変換する。
【００１４】
また、回転角センサ１６からの２相パルス列信号及び零相パルス列信号は、所定のサンプリング周期で電気角変換部４３に連続的に供給されている。電気角変換部４３は、前記各パルス列信号に基づいてブラシレスモータ１１における回転子の固定子に対する電気角θoを計算して、電気角補正部４４に供給する。電気角補正部４４は、前記計算された電気角θoを補正して、同補正した電気角θを角速度変換部４５に供給する。角速度変換部４５は、前記補正電気角θを微分して回転子の固定子に対する角速度ωを計算する。なお、角速度ωは、正により回転子の正方向の回転を表し、負により回転子の負方向の回転を表しているものとする。
【００１５】
電気角補正部４４は、図２に示すように、補正演算部４４ａ、第１係数決定部４４ｂ及び第２係数決定部４４ｃを備えている。補正演算部４４ａは、電気角変換部４３からの電気角θo及び角速度変換部４５からの角速度ωを入力するとともに、第１及び第２係数決定部４４ｂ，４４ｃからの第１及び第２係数ａ，ｂを入力して、回転子の回転方向が正ならば（ω≧０）、下記数１の演算の実行により補正電気角θを計算する。また、回転子の回転方向が負ならば（ω＜０）、下記数２の演算の実行により補正電気角θを計算する。
【００１６】
【数１】
θ＝θo＋ａ・δ＋ｂ・ω・Δ
【００１７】
【数２】
θ＝θo−ａ・δ＋ｂ・ω・Δ
【００１８】
ただし、δは回転角センサ１６の分解能を表す正の定数であり、Δは回転角センサ１６からの信号を電気角変換部４３に取込むサンプリング周期を表す正の定数である。なお、上記数１，２においては、第３項ｂ・ω・Δの項も角速度ωの正負により回転子の回転方向に応じて正負の値をとる。
【００１９】
第１係数決定部４４ｂは、角速度ωに加え、バッテリ電圧などのブラシレスモータ１１の回転状態（運転状態）、制御状態などからなる係数決定情報を入力し、次の▲１▼〜▲４▼などの条件にしたがって第１係数ａを決定する。なお、この第１係数ａは、「0.0」〜「1.0」の間にて変化するもので、「0.0」に近い値に設定されることは、電気角θを遅らせることになるため、強め磁束側の制御を行うことを意味する。また、この第１係数ａが「1.0」に近い値に設定されることは、電気角θを進めることになるため、弱め磁束側の制御を行うことを意味する。
【００２０】
▲１▼回転角センサ１６の分解能による誤差は、０〜δの間でランダムな値をとるため、基本的には、第１係数ａを平均的な値である「0.5」に設定する。これにより、ブラシレスモータ１１の通常動作時には、トルクのばらつきを小さくできるとともに、平均効率を向上させることができる。
【００２１】
▲２▼回転子の回転速度が低いとき（角速度ωの絶対値｜ω｜が所定微小値ε以下のとき）には、前記▲１▼にかかわらず第１係数ａを「0.0」に設定する。これにより、角速度ωが「0.0」近傍で正負を繰返すことによる補正回転角θのハンチングを避けることができ、分解能による誤差の影響が小さくて補正の必要性の少ない状況下における前記▲１▼の補正の悪影響を避けることができる。
【００２２】
▲３▼バッテリ電圧が通常時よりも低くて所定値よりも小さい場合には、前記▲１▼▲２▼にかかわらず第１係数ａを「1.0」に設定する。これにより、ブラシレスモータ１１は弱め磁束側に制御され、励磁電圧に制御の余裕をもたせることができる。
【００２３】
また、前記▲２▼▲３▼の条件にかかわらず、▲４▼弱め磁束制御時（係数決定情報により表示）には、第１係数ａを「0.5」に設定するようにしてもよい。これは、補正回転角θが誤差を含んで変動すると、ｄ軸及びｑ軸指令電流Ｉd*，Ｉq*が変動するために、前記条件▲１▼で記載の理由のように平均的な値を用いて補正回転角θの変動をなるべく小さく抑えるためである。
【００２４】
第２係数決定部４４ｃは、角速度ωに加え、バッテリ電圧などのブラシレスモータ１１の回転状態（運転状態）、制御状態などからなる係数決定情報を入力し、次の▲５▼などの条件にしたがって第２係数ｂを決定する。
【００２５】
▲５▼回転子の回転速度が小さいとき（角速度ωの絶対値｜ω｜が所定微小値ε以下のとき）には、第２係数ｂを「0.0」に設定する。それ以外のときには、第２係数ｂを「1.0」に設定する。なお、第２係数ｂが「1.0」であることはサンプリングによる遅れの影響を考慮したことを意味し、同係数ｂが「0.0」であることはサンプリングによる遅れの影響を無視したことを意味する。
【００２６】
したがって、前記▲５▼の条件により、回転子が中高速で回転している場合には、補正値ωΔにより、サンプリング周期に依存した各種演算に対する遅れ誤差をなくすことができる。また、回転子の回転速度が低い場合には、すなわち補正値ωΔが微小であって前記誤差に対する影響が小さいために補正の必要性が少ない場合には、角速度ωが「0.0」近傍で正負を繰り返すことによってもたらされる外乱（補正電気角θが振動する原因）の影響を避けることができる。
【００２７】
なお、前記第１及び第２係数決定部４４ｂ，４４ｃにおいて、第１及び第２係数ａ，ｂを変更する場合、補正電気角θ及び角速度ωの急変はトルク振動を発生する恐れがあるので、前記条件▲１▼〜▲５▼にしたがって決定された補正係数ａ，ｂをローパスフィルタ処理したり、補正係数ａ，ｂの変化又は変化率を所定値以内に制限する変化規制処理などを実行した後に補正電気角θを出力するようにするとよい。
【００２８】
上記構成の電気制御装置は、各種センサ１４，１６，３７，３８及びインバータ回路３６を除いて電子回路ユニット内に収められており、同ユニット内の回路をディジタル処理を行うハード回路で構成してもよいが、本実施形態においてはマイクロコンピュータ装置により構成されている。そして、電子回路ユニット内の各部２１〜２８，３１〜３５、４１〜４５は、プログラム処理により各機能が実現されるようになっている。したがって、各種センサ１４，１６，３７，３８からの検出信号は、所定のサンプリングレート（サンプリング周期）でサンプリングされた検出値の形で前記電子回路ユニットの各部に入力されることになる。
【００２９】
次に、上記のように構成した実施形態の動作について説明する。運転者が操舵ハンドル１２を回動操作すると、この回動操作はタイロッド１３に伝達されて同ロッド１３の軸線方向の移動により前輪が操舵される。これと同時に、操舵トルクセンサ１５は操舵軸１４に付与される操舵トルクを検出し、ブラシレスモータ１１が電気制御装置によりサーボ制御されて前記操舵トルクに応じたアシストトルクでタイロッド１３を駆動するので、前輪はブラシレスモータ１１の駆動力によりアシストされながら操舵される。
【００３０】
この電気制御装置によるサーボ制御においては、基本アシスト力計算部２１、戻し力計算部２２及び演算部２３が、前記検出操舵トルク、車速、回転子の補正電気角θ及び角速度ωに基づいて指令トルクＴ*を計算するとともに、指令電流決定部２４がこの指令トルクＴ*及びその他の各種センサ値に基づいてｄ軸及びｑ軸指令電流Ｉd*，Ｉq*を決定する。そして、演算部２５，２６、比例積分制御部２７，２８、２相／３相座標変換部３４、ＰＷＭ電圧発生部３５及びインバータ回路３６が、電流センサ３７，３８、３相／２相座標変換部４１及び演算部４２によってフィードバックされたｄ軸及びｑ軸検出電流Ｉd，Ｉqを用いて、ブラシレスモータ１１を制御する。この場合、非干渉補正値計算部３１及び演算部３２，３３は、ｄ，ｑ軸間で干渉し合う速度起電力を打ち消すために比例積分制御部２７，２８からのｄ軸及びｑ軸指令電圧Ｖd*，Ｖq*を補正する。
【００３１】
このようなサーボ制御では、戻し力計算部２２、非干渉補正値計算部３１、２相／３相座標変換部３４、３相／２相座標変換部３４において、電気角補正部４４にて補正された補正電気角θ又は角速度変換部４５で変換された角速度ωが利用される。この場合、電気角補正部４４は、上記数１，２の演算の実行により、電気角変換部４３にて計算した検出電気角θoに回転子の回転方向に応じて所定の補正値（検出回転角の分解能に依存した補正値ａ・δ、並びに検出回転角のサンプリング周期Δ及び回転子の角速度ωに依存した補正値ｂ・ω・Δ）を加減算して、検出電気角θoを補正する。これにより、回転角センサ１６による検出回転角の分解能が多少大きくても、同センサ１６から電気角変換部４３に入力されるサンプリング周期Δが多少長くても、同分解能δ又はサンプリング周期Δに依存した検出誤差が補正され、補正電気角θ及び角速度ωの精度が向上し、ひいてはブラシレスモータ１１及び電動パワーステアリング装置の制御精度が向上する。
【００３２】
さらに、前記補正においては、補正値ａ・δ，ｂ・ω・Δの各係数ａ，ｂを、上述した各条件▲１▼〜▲５▼のようなブラシレスモータ１１の回転状態（運転状態）、制御状態などに応じて制御するようにしたので、前記補正が的確に行われ、補正電気角θ及び角速度ωの精度がより向上するとともに、ブラシレスモータ１１及び電動パワーステアリング装置の制御精度もより向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る交流モータの電気制御装置を適用した車両の電動パワーステアリング装置の全体概略図である。
【図２】図１の電気角補正部の詳細ブロック図である。
【符号の説明】
１１…ブラシレスモータ、１２…操舵ハンドル、１５…操舵トルクセンサ、１６…回転角センサ、２４…指令電流決定部、２７，２８…比例積分制御部（ＰＩ制御部）、３１…非干渉補正値計算部、３４…２相／３相座標変換部、３５…ＰＷＭ電圧発生部、３６…インバータ回路、３７，３８…電流センサ、４１…３相／２相座標変換部、４３…電気角変換部、４４…電気角補正部、４５…角速度変換部。

Claims

交流モータにおける回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備え、同回転角検出手段による検出回転角を用いて回転子の回転を制御する交流モータの電気制御装置において、
前記検出回転角を用いて回転子の角速度を計算する角速度計算手段と、
前記検出回転角に回転子の回転方向に応じて前記回転角検出手段による検出回転角の分解能に依存した補正値を加減算することにより同検出回転角の誤差を補正する補正手段とを設け、
前記補正手段は、前記計算した回転子の角速度が所定微小値以下のとき、前記補正値の加減算を行わないようにしたことを特徴とする交流モータの電気制御装置。
交流モータにおける回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備え、同回転角検出手段による検出回転角を用いて回転子の回転を制御する交流モータの電気制御装置において、
前記検出回転角を用いて回転子の角速度を計算する角速度計算手段と、
前記検出回転角に回転子の回転方向に応じて前記検出回転角のサンプリング周期及び前記計算した回転子の角速度に依存した補正値を加減算することにより同検出回転角の誤差を補正する補正手段とを設け、
前記補正手段は、前記計算した回転子の角速度が所定微小値以下のとき、前記補正値の加減算を行わないようにしたことを特徴とする交流モータの電気制御装置。