JP4033030B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータによって車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に関し、更に詳しくは、電動パワーステアリング装置における電動モータのトルクリップルの低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。
【０００３】
ところで電動モータでは出力トルクに必ずリップル（脈動）が生じる。このトルクリップルは、モータにおける極対数やスロット数等の構造上の要因によって生じるもの（「機械的リップル」または「コギングトルク」と呼ばれる）と、モータにおける誘導起電力波形が理想波形（ブラシ付きモータの場合には直流波形。３相正弦波駆動ブラシレスモータの場合には各相正弦波。）からずれていることに起因して生じるもの（以下「電気リップル」という）とに大別される。電動パワーステアリング装置では、これらのトルクリップルによる操舵フィーリングの悪化がしばしば指摘され、これに対しモータのメーカは、これらのトルクリップルを極力小さくするための努力を払っている。しかし、これらのうち電気リップルは、モータの負荷（モータ電流または出力トルク）に比例した大きさのリップルとして現れるため、モータの出力トルクの滑らかさが重要視される電動パワーステアリング装置では特に問題となる。
【０００４】
これに対し、モータの駆動方法を工夫することによりトルクリップルを低減する手法が従来より提案されている。例えば、３相正弦波駆動ブラシレスモータのトルクリップルを低減するために、無負荷誘導起電力の実測データ（このデータの示す波形は正弦波に対して歪んでいる）に基づき、誘導起電力波形の歪みに起因する電気リップルを相殺するための最適なｄ軸およびｑ軸電流波形（周期的変動を有する波形）を求めるという手法が提案されている（非特許文献１参照）。この手法によれば、求められたｄ軸およびｑ軸電流波形の電流である補償電流の振幅を負荷に比例して大きくすることにより、一定速度での回転状態の場合には、負荷が変動してもトルクリップルをほぼ解消することが可能となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１９１９９２号公報
【非特許文献１】
陳善忠、関口隆，「誘導起電力ベクトルに追従する電流による永久磁石同期電動機の高効率低トルク脈動制御」，電気学会論文誌Ｄ，電気学会，平成１２年，第１２０巻，第４号，ｐ．５５９−ｐ．５６５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電動パワーステアリング装置で使用されるモータにおいては、負荷変動に加えて、運転状況に応じて回転速度も刻々変化する。そのため、電動パワーステアリング装置において上記のような手法をそのまま適用しても、電気リップルを十分に低減することはできない。
【０００７】
そこで本発明では、運転状況に拘わらず電気リップルを十分に低減することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、車両操舵のための操作に応じて決定される電流目標値に基づいて回転界磁形のブラシレスモータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記ブラシレスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記ブラシレスモータにおける誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑えるために前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の指令値を、前記ブラシレスモータの負荷に相当する物理量である負荷相当量および前記回転速度検出手段によって検出される回転速度に応じて決定する補償電流決定手段と、
前記補償電流決定手段によって決定された補償電流指令値に基づき前記電流目標値を補正する補正手段と、
前記ブラシレスモータにおける回転界磁の磁束方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とからなる回転座標系であるｄ−ｑ座標を導入して、前記補正手段によって補正された後の前記電流目標値の当該ｄ−ｑ座標上の値と前記ブラシレスモータに流れる電流の検出値の当該ｄ−ｑ座標上の値との偏差が打ち消されるように前記ブラシレスモータに対するフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御による前記ブラシレスモータの電流制御系を構成する制御手段とを備え、
前記補償電流決定手段は、
前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の振幅が前記負荷相当量に比例するように前記補償電流指令値の振幅を決定する振幅決定手段と、
前記電流制御系の周波数特性によるゲイン低下が補われるように、前記決定された振幅を前記回転速度に応じて修正する振幅修正手段とを含むことを特徴とする。
【０００９】
このような第１の発明によれば、トルクリップル（電気リップル）の発生を抑制するための補償電流の振幅がモータ負荷に比例して変化するだけでなく、電流制御系における周波数特性によるゲイン低下が補われるように補償電流指令値の振幅が修正されるので、モータ負荷の変動に加え、運転状況に応じてモータの回転速度が刻々変化しても、適切な振幅の補償電流がモータに与えられる。これにより、電気リップルの発生を十分に抑制することができる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、
前記補償電流決定手段は、前記電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように、前記回転速度に応じて前記補償電流指令値の位相を修正する位相修正手段を更に含むことを特徴とする。
【００１３】
このような第２の発明によれば、電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように補償電流指令値の位相が修正されるので、運転状況に応じてモータの回転速度が刻々変化しても、適切な位相の補償電流がモータに与えられる。これにより、電気リップルの発生をより十分に抑制することができる。また、上記の位相修正によってモータにおける実際の補償電流と誘起電圧との間の位相ずれが解消されるので、モータ負荷に応じて補償電流の振幅が大きくなっても、電気リップルの位相は変化しない。このため、モータ負荷に応じた位相調整は不要である。
【００１４】
第３の発明は、車両操舵のための操作に応じて決定される電流目標値に基づいて回転界磁形のブラシレスモータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記ブラシレスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記ブラシレスモータにおける誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑えるために前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の指令値を、前記ブラシレスモータの負荷に相当する物理量である負荷相当量および前記回転速度検出手段によって検出される回転速度に応じて決定する補償電流決定手段と、
前記補償電流決定手段によって決定された補償電流指令値に基づき前記電流目標値を補正する補正手段と、
前記ブラシレスモータにおける回転界磁の磁束方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とからなる回転座標系であるｄ−ｑ座標を導入して、前記補正手段によって補正された後の前記電流目標値の当該ｄ−ｑ座標上の値と前記ブラシレスモータに流れる電流の検出値の当該ｄ−ｑ座標上の値との偏差が打ち消されるように前記ブラシレスモータに対するフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御による前記ブラシレスモータの電流制御系を構成する制御手段とを備え、
前記補償電流決定手段は、
前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の振幅が前記負荷相当量に比例するように前記補償電流指令値の振幅を決定する振幅決定手段と、
前記電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように、前記回転速度に応じて前記補償電流指令値の位相を修正する位相修正手段と
を含むことを特徴とする。
【００１５】
このような第３の発明によれば、トルクリップル（電気リップル）の発生を抑制するための補償電流の振幅がモータ負荷に比例して変化するだけでなく、電流制御系における周波数特性による位相遅れが補われるように補償電流指令値の位相が修正されるので、運転状況に応じてモータの回転速度が刻々変化しても、適切な位相の補償電流がモータに与えられる。これにより、電気リップルの発生を十分に抑制することができる。また、上記の位相修正によってモータにおける実際の補償電流と誘起電圧との間の位相ずれが解消されるので、モータ負荷に応じた位相調整は不要である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜１ 全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示す概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、ハンドル操作（操舵操作）における運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させるブラシレスモータ６と、その操舵補助力をラック軸に伝達するボールねじ駆動部６１と、ブラシレスモータ６のロータの回転位置を検出するレゾルバ等の位置検出センサ６２と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、トルクセンサ３や車速センサ４、位置検出センサ６２からのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、トルクセンサ３は、その操作による操舵トルクを検出し、操舵トルクを示す操舵トルク信号Ｔｓを出力する。一方、車速センサ４は、車両の速度（車速）を検出し、車速を示す車速信号Ｖｓを出力する。制御装置としてのＥＣＵ５は、それら操舵トルク信号Ｔｓおよび車速信号Ｖｓと、位置検出センサ６２によって検出されるロータの回転位置とに基づいて、モータ６を駆動する。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力がボールねじ駆動部６１を介してラック軸に加えられることにより、操舵操作における運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクによる操舵力とモータ６の発生する操舵補助力との和によって、ラック軸が往復運動を行う。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。
【００１７】
＜２ モータ制御の概要＞
本実施形態におけるモータ６は、永久磁石からなる界磁としてのロータ（以下「回転界磁」ともいう）と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相コイルからなるステータとから構成される正弦波駆動のブラシレスモータである。
【００１８】
このモータ６に適切な操舵補助力を発生させるためにＵ相、Ｖ相およびＷ相のコイルに流すべき電流の目標値すなわち各相の電流指令値は、次式で表される。
ｉ^* _u＝Ｉ^*sinθre …（１ａ）
ｉ^* _v＝Ｉ^*sin(θre−2π/3) …（１ｂ）
ｉ^* _w＝Ｉ^*sin(θre−4π/3)＝−ｉ^* _u−ｉ^* _v …（１ｃ）
ここで、ｉ^* _uはｕ相電流指令値、ｉ^* _vはｖ相電流指令値、ｉ^* _wはｗ相電流指令値であり、θreは、図２に示すようにｕ相コイルを基準として時計回りにとった回転界磁の角度（「電気角」と呼ばれる）である。ただし、ロータの機械角をθｍ、極数を２ｐとしたとき、電気角はθre＝ｐ・θｍとなる。
【００１９】
通常、ブラシレスモータに印加すべき電圧の指令値は、電流目標値とモータ電流の検出値との偏差に基づく制御演算によって算出されるが、位相遅れを低減するために、この制御演算ではｄ−ｑ座標で電流指令値が表現され、ｄ軸およびｑ軸電流指令値に基づき電圧指令値が算出される。ここで、ｄ−ｑ座標は、永久磁石からなる回転界磁（ロータ）と同期して回転する回転座標系であって、回転界磁の磁束方向をｄ軸とし、ｄ軸と直交する方向をｑ軸とする。上記各相の電流指令値ｉ^* _u、ｉ^* _v、ｉ^* _wは交流であるが、このｄ−ｑ座標によれば電流指令値が直流となる。
【００２０】
上記式（１ａ）〜（１ｃ）で表現される各相の電流指令値をｄ−ｑ座標で表すと次のようになる。
ｉ^* _d＝０ …（２ａ）
ｉ^* _q＝−√(3/2)Ｉ^* …（２ｂ）
ここで、ｉ^* _dはｄ軸電流指令値、ｉ^* _qはｑ軸電流指令値である。
【００２１】
一方、モータ電流については、電流検出器でｕ相電流およびｖ相電流が検出されると、その検出結果からｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流検出値ｉ_qが次式により算出される。
ｉ_d＝√２｛ｉ_vsinθre−ｉ_usin(θre−2π/3)｝ …（３ａ）
ｉ_q＝√２｛ｉ_vcosθre−ｉ_ucos(θre−2π/3)｝ …（３ｂ）
ここで、ｉ_uはｕ相電流検出値、ｉ_vはｖ相電流検出値であり、θreは上記電気角である。
【００２２】
本実施形態では、上記のｄ軸電流における指令値ｉ^* _dと検出値ｉ_dとの偏差ｅ_d＝ｉ^* _d−ｉ_d、および、上記のｑ軸電流における指令値ｉ^* _qと検出値ｉ_qとの偏差ｅ_q＝ｉ^* _q−ｉ_qが打ち消されるように、後述の電流制御部２００によってモータ６に対するフィードバック制御が行われる。
【００２３】
＜３ 制御装置の構成＞
本実施形態では、電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵ５において、モータ６に対する上記のようなフィードバック制御が行われる。図３は、このＥＣＵ５の構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、位相補償器１１２と、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略記する）１０と、モータ駆動部とから構成される。マイコン１０は、その内部のメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、目標電流演算部１１４と、指令電流方向指定部１１６と、収斂性補正部１１７と、トルクリップル補償部１１８と、加算器１２０，１２１，１２２と、減算器１２３，１２４と、ｄ軸電流ＰＩ制御部１２６と、ｑ軸電流ＰＩ制御部１２８と、ｄ−ｑ／３相交流座標変換部１３２と、符号反転加算器１３４と、３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８と、正弦波ＲＯＭテーブル１４０と、ロータ角速度演算部１４２とからなるモータ制御部として機能する。モータ駆動部は、モータ制御部としてのマイコン１０から出力される電圧指令値に基づき、ｕ相、ｖ相およびｗ相からなる３相のブラシレスモータ６を駆動するハードウェア（回路）であって、３相ＰＷＭ変調部１５０と、モータ駆動回路１５２と、ｕ相電流検出器１５６と、ｖ相電流検出器１５４と、ロータ角度位置検出器１６２とから構成される。
【００２４】
本実施形態では、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、トルクセンサ３から出力される操舵トルク信号Ｔｓが上記構成のＥＣＵ５に入力されると共に、車速が車速センサ４によって検出され、車速センサ４から出力される車速信号ＶｓもＥＣＵ５に入力される。ＥＣＵ５では、入力された操舵トルク信号Ｔｓに対して位相補償器１１２により位相補償が施され、その位相補償後の信号は、目標電流演算部１１４に入力される。一方、車速センサ４から出力される車速信号Ｖｓは、ＥＣＵ５における目標電流演算部１１４と収斂性補正部１１７とに入力される。また、モータ６に取り付けられた位置検出センサ６２から出力されるセンサ信号Ｓｒが、ＥＣＵ５におけるロータ角度位置検出器１６２に入力され、ロータ角度位置検出器１６２は、モータ６のロータである回転界磁（永久磁石）の回転位置すなわち電気角θreを示す信号を出力する。この電気角θreを示す信号は、正弦波ＲＯＭテーブル１４０とロータ角速度演算部１４２とに入力される。
【００２５】
目標電流演算部１１４は、上記操舵トルク信号Ｔｓと上記車速信号Ｖｓとに基づき、モータ６に供給すべき電流の値である電流目標値Ｉｔを算出する。具体的には、適切な操舵補助力を発生させるためにモータ６に供給すべき電流の目標値と操舵トルクとの関係を車速をパラメータとして示すテーブル（「アシストマップ」と呼ばれる）が目標電流演算部１１４内に予め保持されており、目標電流演算部１１４は、このアシストマップを参照して電流目標値Ｉｔを設定する。この電流目標値Ｉｔは、既述の式（２ｂ）で表されるｑ軸電流に相当する電流指令値を示す符号付きの値であって、その正負は、操舵補助の方向、すなわち右方向操舵を補助する方向のトルクをモータ６に発生させるべきか、左方向操舵を補助する方向のトルクをモータ６に発生させるべきかを示している。
【００２６】
指令電流方向指定部１１６は、上記電流目標値Ｉｔの正負を示す信号すなわち操舵補助の方向を示す信号（以下「方向信号」という）Ｓdirを生成し、この方向信号Ｓdirは収斂性補正部１１７に入力される。また、ロータ角速度演算部１４２は、ロータ角度に相当する電気角θreを示す信号に基づきロータ角速度ωreを算出し、このロータ角速度ωreを示す信号も収斂性補正部１１７に入力される。収斂性補正部１１７は、これらの信号と車速信号Ｖｓとに基づき、車両収斂性を確保するための補償電流値ｉｃを算出する。加算器１２０は、この補償電流値ｉｃを上記の電流目標値Ｉｔに加算し、その結果得られる加算値をｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0として出力する。このｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0は、操舵補助のためにモータ６が発生すべきトルクに対応する電流の指令値であり、加算器１２２に入力される。一方、ｄ軸電流はトルクに関与しないので、ｄ軸電流指令値の基本となるｄ軸基本電流指令値ｉ^* _d0は、ｉ^* _d0＝０として加算器１２１に入力される。
【００２７】
トルクリップル補償部１１８は、モータ６における誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップル（以下「電気リップル」という）の発生を抑制するためにモータ６に流すべき補償電流の指令値を決定する補償電流決定手段として機能するものであって、電気角θreおよびｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0に基づき、ｄ軸電流補償値Δｉ_dおよびｑ軸電流補償値Δｉ_qを上記補償電流の指令値として求める（詳細は後述）。これらの電流補償値Δｉ_d，Δｉ_qは、加算器１２１，１２２にそれぞれ入力される。加算器１２１は、入力されるｄ軸電流補償値Δｉ_dを上記のｄ軸基本電流指令値ｉ^* _d0に加算することによりｄ軸電流指令値ｉ^* _dを求め、加算器１２２は、入力されるｑ軸電流補償値Δｉ_qを上記のｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0に加算することによりｑ軸電流指令値ｉ^* _qを求める。すなわち、
ｉ^* _d＝ｉ^* _d0＋Δｉ_d …（４ａ）
ｉ^* _q＝ｉ^* _q0＋Δｉ_q …（４ｂ）
である。これらの式（４ａ）（４ｂ）は、適切な操舵補助力を得るためにモータ６に流すべき電流の目標値が、電気リップルの抑制のためにｄ軸電流補償値Δｉ_dおよびｑ軸電流補償値Δｉ_qに基づき補正されることを示している。
【００２８】
ｕ相電流検出器１５６とｖ相電流検出器１５４は、モータ駆動回路１５２からモータ６に供給される電流のうちｕ相電流とｖ相電流をそれぞれ検出し、ｕ相電流検出値ｉ_uとｖ相電流検出値ｉ_vをそれぞれ出力する。正弦波ＲＯＭテーブル１４０は、角度θの各種の値とsinθの各種の値とを互いに対応付けて格納しており、ロータ角度位置検出器１６２からの信号の示す電気角θreに対応する正弦波値sinθreを出力する。３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８は、この正弦波値sinθreを用いて、式（３ａ）（３ｂ）すなわち次式により、上記のｕ相電流検出値ｉ_uおよびｖ相電流検出値ｉ_vを、ｄ−ｑ座標上の値すなわち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。
ｉ_d＝√２｛ｉ_vsinθre−ｉ_usin(θre−2π/3)｝
ｉ_q＝√２｛ｉ_vcosθre−ｉ_ucos(θre−2π/3)｝
このようにして得られたｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流検出値ｉ_qは、減算器１２３および減算器１２４にそれぞれ入力される。
【００２９】
減算器１２３は、加算器１２１からのｄ軸電流指令値ｉ^* _dと３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８からのｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差であるｄ軸電流偏差ｅ_d＝ｉ^* _d−ｉ_dを算出し、ｄ軸電流ＰＩ制御部１２６は、このｄ軸電流偏差ｅ_dに対する比例積分制御演算によってｄ軸電圧指令値ｖ^* _dを求める。一方、減算器１２４は、加算器１２２からのｑ軸電流指令値ｉ^* _qと３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８からのｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差であるｑ軸電流偏差ｅ_q＝ｉ^* _q−ｉ_qを算出し、ｑ軸電流ＰＩ制御部１２８は、このｑ軸電流偏差ｅ_qに対する比例積分制御演算によってｑ軸電圧指令値ｖ^* _qを求める。すなわち、次式によりｄ軸電圧指令値ｖ^* _dおよびｑ軸電圧指令値ｖ^* _qを算出する。
ｖ^* _d＝Ｋ_p｛ｅ_d＋（１/Ｔ_i）∫ｅ_ddt｝ …（５ａ）
ｖ^* _q＝Ｋ_p｛ｅ_q＋（１/Ｔ_i）∫ｅ_qdt｝ …（５ｂ）
ここで、Ｋｐは比例ゲインであり、Ｔｉは積分時間である。
【００３０】
ｄ−ｑ／３相交流座標変換部１３２は、上記のｄ軸電圧指令値ｖ^* _dおよびｑ軸電圧指令値ｖ^* _qを３相交流座標上の値であるｕ相電圧指令値ｖ^* _uおよびｖ相電圧指令値ｖ^* _vに変換する。そして、符号反転加算器１３４は、それらの相電圧指令値ｖ^* _uおよびｖ^* _vからｗ相電圧指令値ｖ^* _wを算出する。すなわち、各相の電圧指令値ｖ^* _u、ｖ^* _v、ｖ^* _wが次式により算出される。
ｖ^* _u＝√(2/3)｛ｖ^* _dcosθre−ｖ^* _qsinθre｝ …（６ａ）
ｖ^* _v＝√(2/3)｛ｖ^* _dcos(θre−2π/3)−ｖ^* _qsin(θre−2π/3)｝…（６ｂ）
ｖ^* _w＝−ｖ^* _u−ｖ^* _v …（６ｃ）
【００３１】
３相ＰＷＭ変調部１５０は、上記のようにして算出された各相電圧指令値ｖ^* _u、ｖ^* _v、ｖ^* _wにそれぞれ応じたデューティ比のＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成する。
【００３２】
モータ駆動回路１５２は、例えば電力用ＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子を用いて構成されるＰＷＭ電圧形インバータであって、各スイッチング素子を上記ＰＷＭ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗによってオン／オフさせることにより、ブラシレスモータ６に印加すべき各相電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wを生成する。これらの各相電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wは、ＥＣＵ５から出力されてモータ６に印加される。この電圧印加に応じてモータ６の各相ｕ、ｖ、ｗのコイル（不図示）に電流が流れ、モータ６はその電流に応じて操舵補助のためのトルクＴｍを発生させる。
【００３３】
モータ６に流れる電流のうちｕ相電流ｉ_uとｖ相電流ｉ_vは、既述のようにｕ相電流検出器１５６とｖ相電流検出器１５４によってそれぞれ検出され、３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８によってｄ−ｑ座標上の電流値ｉ_d、ｉ_qに変換される。これらｄ−ｑ座標上の電流値ｉ_d、ｉ_qのうちｄ軸電流検出値ｉ_dは減算器１２３に、ｑ軸電流検出値ｉ_qは減算器１２４に、それぞれ入力される。これにより、所望の操舵補助力をモータ６によって発生させるべく、ｄ軸電流検出値ｉ_dがｄ軸電流指令値ｉ^* _dに、ｑ軸電流検出値ｉ_qがｑ軸電流指令値ｉ^* _qにそれぞれ等しくなるように、フィードバック制御が行われる（この制御は「電流制御」と呼ばれる）。
【００３４】
＜４ 電流制御系＞
上記のように本実施形態では、操舵トルクや車速に応じて適切な操舵補助が行われるようにモータ電流の目標値が設定され、その目標値が電気リップルの補償等のために補正され、この補正後の目標値（ｄ軸電流指令値ｉ^* _dおよびｑ軸電流指令値ｉ^* _q）の電流がモータ６に流れるようにフィードバック制御が行われる。ＥＣＵ５のうちこのような電流制御を行う部分（以下「電流制御部」という）２００は、図３において点線で囲まれた部分に相当する。本実施形態では、モータ６の制御手段であるこの電流制御部２００のうち、モータ駆動部に相当する部分はハードウェア的に実現されており、モータ駆動部に相当する部分以外は、既述のように、マイコン１０が所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現されている。そして、この電流制御部２００とモータ６および位置検出センサ６２とにより、フィードバックループを有する電流制御系が構成される。
【００３５】
図７は、この電流制御系の周波数特性を示すボード線図である。ｄ軸電流指令値ｉ^* _dを入力としｄ軸電流検出値ｉ_dを出力とする場合とｑ軸電流指令値ｉ^* _qを入力としｑ軸電流検出値ｉ_qを出力とする場合のいずれの場合も、この電流制御系の閉ループ伝達関数に対するボード線図は、図７に示すようになる。図７に示されているように、この電流制御系は、実用的な周波数範囲においては、周波数が増大するにしたがって、ゲインが１（デシベル値では０）から低下し位相遅れが大きくなるという周波数特性を有している。
【００３６】
＜５ トルクリップル補償部の構成および動作＞
既述のように、電気リップルの発生を抑制するためにモータ６に流すべき補償電流の指令値、すなわちｄ軸電流補償値Δｉ_dおよびｑ軸電流補償値Δｉ_qは、トルクリップル補償部１１８によって決定される。本実施形態では、このトルクリップル補償部１１８も、マイコン１０が所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現されている。図４は、このトルクリップル補償部１１８の機能的構成を示すブロック図である。このトルクリップル補償部１１８は、微分器１２と、周波数算出部１４と、ゲイン・位相決定部１６と、減算器１８と、基本補償電流決定部２０と、振幅決定部２２と、修正率算出部２４と、２個の乗算器２６，２８とを備えており、微分器１２および減算器１８には、電気角θreを示す信号が入力され、振幅決定部２２には、ｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0が入力される。
【００３７】
微分器１２は、電気角θreを示す信号を微分することにより、ロータ角速度ωreすなわちモータ６の回転角速度に相当する値（電気角換算の回転角速度）を算出する。周波数算出部１４は、このロータ角速度ωreからモータ６の電気リップルの周波数ｆを算出する（このｆは補償電流の周波数に相当する）。すなわち、次式により周波数ｆを算出する。
ｆ＝Ｓ・ωre／(２π) …（７）
ここで、Ｓはモータ６のスロット数である。
【００３８】
ゲイン・位相決定部１６は、図７に示したボード線図に相当する周波数特性マップすなわち電流制御系の周波数特性を示す周波数特性マップ１６ａを保持しており（具体的には、周波数特性マップ１６ａに相当するデータがマイコン１０内のメモリに予め格納されている）、この周波数特性マップ１６ａを参照することにより、上記周波数ｆに対応する電流制御系のゲインＧおよび位相差Δθｅを求める。上述のように、電流制御系では、周波数が増大するにしたがって、ゲインが１から低下し位相遅れが大きくなるので、ゲイン・位相決定部１６により求まるゲインＧは１以下であり（デシベルで表すと負値）、位相差Δθｅは負値である。このようなゲインＧおよび位相差Δθｅは、修正率算出部２４および減算器１８にそれぞれ入力される。
【００３９】
減算器１８は、電気角θreから上記の位相差Δθｅを減算し、その減算結果θre−Δθｅを修正電気角θmreとして出力する。この減算により、電流制御系の周波数特性による位相遅れが補償されることになる。このようにして電流制御系における位相遅れが補償された修正電気角θmreは、基本補償電流決定部２０に入力される。
【００４０】
基本補償電流決定部２０は、電気角とｄ軸およびｑ軸電流補償値との関係を示すテーブルを補償電流マップ２０ａとして保持しており（具体的には、補償電流マップ２０ａに相当するデータがマイコン１０内のメモリに予め格納されている）、この補償電流マップ２０ａを参照することにより、上記修正電気角θmreに対応するｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0およびｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0を求める。以下、この補償電流マップ２０ａの作成方法について説明する。
【００４１】
モータ６の無負荷誘導起電力波形が歪んでいる場合に各相の電流ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wとして正弦波電流を流すと、トルクリップル（電気リップル）が発生する。しかし、非特許文献１にも記載されているように、無負荷誘導起電力の各時点における各相の瞬時値ｅ_0u，ｅ_0v，ｅ_0wが既知であれば、モータ６の出力トルクを一定値（例えば１［Ｎｍ］）とし電気リップルを生じさせないような各相の電流ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを求めることができる。例えば、出力トルクを一定値Ｔとし電気リップルを生じさせない各相電流値ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを次式により求めることができる。

上記式により求められた各相電流値ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを次式によりｄ−ｑ座標上の値に変換することで、電気リップルを生じさせずに出力トルクを一定値Ｔとするようなｄ軸電流値ｉ_dおよびｑ軸電流値ｉ_qを得ることができる。
ｉ_d＝√２｛ｉ_vsinθ−ｉ_usin(θ−2π/3)｝ …（９ａ）
ｉ_q＝√２｛ｉ_vcosθ−ｉ_ucos(θ−2π/3)｝ …（９ｂ）
ただし、θは電気角である。
【００４２】
そこで本実施形態では、以下のようにして補償電流マップ２０ａを作成する。まず、図５に示すように、モータ６の各相の無負荷誘導起電力（誘起電圧）の瞬時値ｅ_0u，ｅ_0v，ｅ_0wの実測データを電気角の各種の値について求めておく。そして、この実測データを用いて、モータ６が電気リップルを生じさせることなく単位トルク（１［Ｎｍ］）を出力するのに必要なｄ軸電流値ｉ_d01およびｑ軸電流値ｉ_q01を算出すると共に（式（８ａ）〜（９ｂ）参照）、無負荷誘導起電力波形が歪んでいない場合にモータ６が単位トルクを出力するのに必要なｄ軸電流値ｉ_d02およびｑ軸電流値ｉ_q02を求める（この場合、出力トルクはｑ軸電流に比例し、ｄ軸電流は０とすればよいので、ｑ軸およびｄ軸電流ｉ_q02，ｉ_d02は容易に求めることができる）。そして、両者の差であるΔｉ_d0＝ｉ_d01−ｉ_d02およびΔｉ_q0＝ｉ_q01−ｉ_q02をそれぞれｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0およびｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0とし、これらの単位補償値Δｉ_d0およびΔｉ_q0と電気角の各種の値とを対応付けるテーブルを、補償電流マップ２０ａとして予めメモリに格納しておく。例えば、図５に示すような無負荷誘導起電力波形の実測データに基づき、図６に示すように電気角と対応付けられるｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0およびｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0を求め、これらに基づき補償電流マップ２０ａを作成する。
【００４３】
基本補償電流決定部２０は、上記のようにして作成された補償電流マップ２０ａを参照することにより、上記修正電気角θmreに対応するｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0を求める。これらのｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0は、単位トルク当たりの電流補償値として振幅決定部２２に入力される。
【００４４】
モータ６の出力トルクをＴとしたとき、電気リップルの発生を抑制するためにモータ６に流すべきｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dは、それぞれ、上記のｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0のＴ倍の値となる。したがって、ｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dを得るには、モータ負荷に相当する物理量に応じた係数を上記のｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0に乗算すればよい。例えば、モータ６の出力トルクに対応する値であるｑ軸電流の検出値ｉ_qまたはｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0に応じた係数をｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0に乗算することにより、モータ負荷に比例する値としてｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dを算出すればよい。本実施形態における振幅決定部２２は、それに入力されるｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0に相当するモータトルク値を求め、求めたトルク値をｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0に乗算することにより、ｑ軸電流基本補償値Δｉ_q1およびｄ軸電流基本補償値Δｉ_d1を求める。このようにして求められたｑ軸電流基本補償値Δｉ_q1およびｄ軸電流基本補償値Δｉ_d1は、乗算器２６および２８にそれぞれ入力される。
【００４５】
一方、修正率算出部２４は、電流制御系のゲインとしてゲイン・位相決定部１６から出力されるゲインＧの逆数１／Ｇを修正率Ｒｍとして算出する。この修正率Ｒｍは、乗算器２６および２８に入力される。そして、乗算器２６は、修正率Ｒｍを上記のｑ軸電流基本補償値Δｉ_q1に乗算することによりｑ軸電流補償値Δｉ_qを求め、乗算器２８は、修正率Ｒｍを上記のｄ軸電流基本補償値Δｉ_d1に乗算することによりｄ軸電流補償値Δｉ_dを求める。このような修正率Ｒｍの乗算により、電流制御系の周波数特性によるゲイン低下が補償されることになる。
【００４６】
上記のようにして得られたｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dは、トルクリップル補償部１１８から出力され、既述のように、ｑ軸電流補償値Δｉ_qはｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0に、ｄ軸電流補償値Δｉ_dはｄ軸基本電流指令値ｉ^* _d0にそれぞれ加算される（式（４ａ）（４ｂ）参照）。そして、これにより得られるｑ軸電流指令値ｉ^* _qおよびｄ軸電流指令値ｉ^* _dは、電流制御部２００を含む電流制御系に目標値として与えられる。
【００４７】
図８および図９は、上記のような電気リップル抑制のための補償電流の効果の一例を示す波形図である。図８では、モータ６の出力トルク（目標値）が１［Ｎｍ］の場合において、波形Ｃで示されるｑ軸電流補償値および波形Ｄで示されるｄ軸電流補償値が使用されることにより、モータ６の実際の出力トルクが、波形Ａで示されるようなトルク（補償なし）から波形Ｂで示されるようなトルク（補償あり）となり、トルクリップルが抑制されることが示されている。また、図９では、モータ６の出力トルク（目標値）が３［Ｎｍ］の場合において、この出力トルクすなわちモータ負荷に応じて波形Ｃで示されるようなｑ軸電流補償値および波形Ｄで示されるようなｄ軸電流補償値が使用されることにより、モータ６の実際の出力トルクが、波形Ａで示されるトルク（補償なし）が波形Ｂで示されるトルク（補償あり）となり、トルクリップルが抑制されることが示されている。
【００４８】
＜６ 効果＞
一般に、電動パワーステアリング装置で使用されるモータにおいては、負荷変動に加えて、運転状況に応じて回転速度も刻々変化する。このため、既述の従来技術のように電気リップル抑制のための補償電流の振幅をモータ負荷に比例して変化させるだけでは、種々の運転状況において電気リップルを十分に低減することはできない。すなわち、モータ６についての電流制御系が周波数特性を有することから、モータ６の回転速度が変化すると、実際の補償電流はその振幅や位相が変化し設定通りにはならない。また、この周波数特性によりモータ６における実際の補償電流と誘起電圧との間に位相ずれが生じている場合には、モータ負荷に応じて補償電流の振幅が大きくなると、誘起電圧と補償電流との相互作用の結果である電気リップルの位相が変化する。このため、電気リップルを十分に低減するには、モータ負荷に応じて補償電流の位相を調整することも必要となる。
【００４９】
これに対し、上記実施形態では、電気リップル抑制のための補償電流の指令値の設定において、モータ負荷に相当する物理量であるｑ軸基本電流指令値ｉ^* _q0に比例したｑ軸電流基本補償値Δｉ_q1およびｄ軸電流基本補償値Δｉ_d1が算出されるだけでなく、電流制御系の周波数特性によるゲイン低下が補われるように、ゲイン・位相決定部１６および修正率算出部２４によって得られた修正率Ｒｍがｑ軸電流基本補償値Δｉ_q1およびｄ軸電流基本補償値Δｉ_d1に乗算される。そして、この乗算結果であるｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dが電気リップル抑制のための補償電流の指令値として使用される。したがって、運転状況に応じてモータ６の回転速度が変化すると、ｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dによって示される指令値としての補償電流の振幅が回転速度の変化に応じて修正される。さらに上記実施形態では、電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように、ゲイン・位相決定部１６によって求められた位相差Δθｅ（負値）に応じて電気角θreが修正される。そして、その結果得られる修正電気角θmreに対応するｑ軸電流単位補償値Δｉ_q0およびｄ軸電流単位補償値Δｉ_d0が補償電流マップ２０ａから求められ、これらに基づき、上記のｑ軸電流補償値Δｉ_qおよびｄ軸電流補償値Δｉ_dが決定される。
【００５０】
このように上記本実施形態では、電気リップル抑制のためにモータ６に流すべき補償電流の振幅がモータ負荷の変動に応じて変化するだけでなく、モータ６の回転速度に応じて（したがって補償電流の周波数に応じて）電流制御系の周波数特性の影響を相殺すべく、指令値としての補償電流の振幅および位相が修正される。また、この修正によってモータ６における実際の補償電流と誘起電圧との間の位相ずれが解消されるので、モータ負荷に応じた補償電流の位相調整は不要となる。したがって、モータ負荷の変動に加え、運転状況に応じてモータ６の回転速度が刻々変化しても、適切な補償電流がモータ６に与えられ、これにより、電気リップルの発生を十分に抑制することができる。
【００５１】
＜７ 変形例＞
上記実施形態では、電動パワーステアリング装置の駆動源として３相ブラシレスモータ６が使用されているが、３相以外の相数のブラシレスモータを使用した場合においても、上記と同様の構成により同様の効果が得られる。
【００５２】
また、ブラシレスモータに代えてブラシ付きの直流モータを使用した場合であっても、トルクリップルを補償するための補償電流の設定に際し、その電流制御系の周波数特性によるゲイン低下や位相遅れが補われるように補償電流の振幅や位相を修正する構成とすることにより、上記と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。
【図２】３相ブラシレスモータにおける３相交流座標とｄ−ｑ座標とを説明するための模式図である。
【図３】上記実施形態に係る電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【図４】上記実施形態におけるトルクリップル補償部の機能的構成を示すブロック図である。
【図５】上記実施形態におけるブラシレスモータの無負荷誘導起電力（誘起電圧）を示す電圧波形図である。
【図６】上記実施形態においてトルクリップル補償のためにモータに流すべき補償電流を示す電流波形図である。
【図７】上記実施形態における電流制御系の周波数特性を示すボード線図である。
【図８】上記実施形態におけるトルクリップル補償の効果を示す波形図である。
【図９】上記実施形態におけるトルクリップル補償の効果を示す波形図である。
【符号の説明】
５ …電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６ …ブラシレスモータ
１０ …マイクロコンピュータ（モータ制御部）
１２ …微分器
１４ …周波数算出部
１６ …ゲイン・位相決定部
１６ａ …周波数特性マップ
１８ …減算器（位相修正手段）
２０ …基本補償電流決定部
２０ａ …補償電流マップ
２２ …振幅決定部（振幅決定手段）
２４ …修正率算出部（振幅修正手段）
２６，２８…乗算器（振幅修正手段）
６２ …位置検出センサ
１１４ …目標電流演算部
１１８ …トルクリップル補償部（補償電流決定手段）
１２１，１２２ …加算器（補正手段）
１２３，１２４ …減算器
１２６ …ｄ軸電流ＰＩ制御部
１２８ …ｑ軸電流ＰＩ制御部
１５０ …３相ＰＷＭ変調部
１５２ …モータ駆動回路
１６２ …ロータ角度位置検出器
２００ …電流制御部（制御手段）
Ｔｓ …操舵トルク信号
ｉ^* _d0 …ｄ軸基本電流指令値（目標値）
ｉ^* _q0 …ｑ軸基本電流指令値（目標値、負荷相当量）
Δｉ_d …ｄ軸電流補償値（補償電流指令値）
Δｉ_q …ｑ軸電流補償値（補償電流指令値）
ｉ^* _d …ｄ軸電流指令値（補正後の目標値）
ｉ^* _q …ｑ軸電流指令値（補正後の目標値）
ｉ_d …ｄ軸電流検出値
ｉ_q …ｑ軸電流検出値
ｅ_d …ｄ軸電流偏差
ｅ_q …ｑ軸電流偏差
θre …電気角
ωre …ロータ角速度（電気角換算の回転角速度）
Δθe …電流制御系の位相差
Ｇ …電流制御系のゲイン
θmre …修正電気角
Ｒｍ …修正率

Claims (3)

1. 車両操舵のための操作に応じて決定される電流目標値に基づいて回転界磁形のブラシレスモータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
   前記ブラシレスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記ブラシレスモータにおける誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑えるために前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の指令値を、前記ブラシレスモータの負荷に相当する物理量である負荷相当量および前記回転速度検出手段によって検出される回転速度に応じて決定する補償電流決定手段と、
   前記補償電流決定手段によって決定された補償電流指令値に基づき前記電流目標値を補正する補正手段と、
   前記ブラシレスモータにおける回転界磁の磁束方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とからなる回転座標系であるｄ−ｑ座標を導入して、前記補正手段によって補正された後の前記電流目標値の当該ｄ−ｑ座標上の値と前記ブラシレスモータに流れる電流の検出値の当該ｄ−ｑ座標上の値との偏差が打ち消されるように前記ブラシレスモータに対するフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御による前記ブラシレスモータの電流制御系を構成する制御手段とを備え、
   前記補償電流決定手段は、
   前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の振幅が前記負荷相当量に比例するように前記補償電流指令値の振幅を決定する振幅決定手段と、
   前記電流制御系の周波数特性によるゲイン低下が補われるように、前記決定された振幅を前記回転速度に応じて修正する振幅修正手段とを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記補償電流決定手段は、前記電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように、前記回転速度に応じて前記補償電流指令値の位相を修正する位相修正手段を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 車両操舵のための操作に応じて決定される電流目標値に基づいて回転界磁形のブラシレスモータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
   前記ブラシレスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記ブラシレスモータにおける誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑えるために前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の指令値を、前記ブラシレスモータの負荷に相当する物理量である負荷相当量および前記回転速度検出手段によって検出される回転速度に応じて決定する補償電流決定手段と、
   前記補償電流決定手段によって決定された補償電流指令値に基づき前記電流目標値を補正する補正手段と、
   前記ブラシレスモータにおける回転界磁の磁束方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とからなる回転座標系であるｄ−ｑ座標を導入して、前記補正手段によって補正された後の前記電流目標値の当該ｄ−ｑ座標上の値と前記ブラシレスモータに流れる電流の検出値の当該ｄ−ｑ座標上の値との偏差が打ち消されるように前記ブラシレスモータに対するフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御による前記ブラシレスモータの電流制御系を構成する制御手段とを備え、
   前記補償電流決定手段は、
   前記ブラシレスモータに流すべき補償電流の振幅が前記負荷相当量に比例するように前記補償電流指令値の振幅を決定する振幅決定手段と、
   前記電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように、前記回転速度に応じて前記補償電流指令値の位相を修正する位相修正手段と
   を含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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