JP5082719B2 - モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給を通じてモータの作動を制御するモータ制御装置では、各相の抵抗値は全て等しいことを前提として、その各相電流が等しくなるように（それぞれの振幅が等しく、同一の回転角における各相電流値の総和がゼロとなるように）各相の印加電圧が制御される。しかしながら、現実には、その配線長の違いやフェールセーフ用の相開放リレーの有無（通常は三相のうちの二相のみに設置）等により、各相の抵抗値は必ずしも均等とはならない。その結果、各相電流のバランスが崩れ、トルクリップルが発生してしまうという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に記載のモータ制御装置では、各相開放リレーの抵抗値を踏まえ、各相電流が等しくなるように、相開放リレーが設けられた二相、又は残る一相の電圧を補正する。そして、これにより、トルクリップルの発生を抑えて円滑なモータ回転を確保する構成となっている。
特開２００５−１７０２９４号公報

しかしながら、上記従来例では、各相開放リレー、及び各相の抵抗値は同一であることを前提としているため、各相開放リレーの抵抗値にバラツキがある場合や、各相の配線長が異なる場合には対処することができない。そして、これに対応すべく三相の全てについて電圧補正を行うとすれば、その演算負荷の増大から、より高性能な演算装置（マイコン）を採用する必要があり、これが製造コストを押し上げる要因となるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、演算負荷の増大を招くことなく、より精度よく各相間の抵抗アンバランスに起因するトルクリップルの発生を抑制することのできるモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ｄ／ｑ座標系における電流フィードバック制御の実行によりモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段と、前記モータ制御信号に基づいてモータに三相の駆動電力を供給する駆動回路とを備えたモータ制御装置であって、前記モータの回転角を検出する回転角センサと、各相の抵抗値を記憶する記憶手段と、を備え、前記モータ制御信号生成手段は、前記記憶された各抵抗値及び前記モータの回転角に基づいて、前記各抵抗値の相違により生ずるトルクリップルを抑制すべく、前記ｄ／ｑ座標系の電圧方程式において、前記モータの回転角に依存して変動する電圧降下項を打ち消す補正成分を演算し、前記補正成分の重畳により前記ｄ／ｑ座標系における各電圧指令値を補正すること、を要旨とする。

即ち、二軸の直流量としてモータ電圧及び電流が取り扱われるｄ／ｑ座標系上では、各相間の抵抗アンバランスに起因するリップル成分が交流成分として表面化する。より具体的には、その電圧方程式において、モータの回転角に応じて変動する電圧降下項としてまとめることが可能である。従って、上記各構成によれば、より精度よく各相間の抵抗アンバランスに起因するトルクリップルの発生を抑えて円滑なモータ回転を確保することができる。更に、ｄ軸及びｑ軸の二軸上で補正がその完結することから、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相において補正する場合よりも演算負荷が小さい。その結果、高性能な演算装置（マイコン）の採用に伴うコスト上昇を回避することができる。

請求項２に記載の発明は、前記記憶される各相の抵抗値は、前記モータと前記駆動回路との間を接続する動力配線、及び該動力配線に設けられた相開放リレーを含む電力供給経路の抵抗値を各相毎に予め測定した値であること、を要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。
上記構成によれば、演算負荷の増大を招くことなく、より精度よく各相間の抵抗アンバランスに起因するトルクリップルの発生を抑制して、より良好な操舵フィーリングを実現することができるようになる。

本発明によれば、演算負荷の増大を招くことなく、より精度よく各相間の抵抗アンバランスに起因するトルクリップルの発生を抑制することが可能なモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下、本発明を電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のＥＰＳ１の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール（ステアリング）２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック５に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック５の往復直線運動に変換される。そして、このラック５の往復直線運動により操舵輪６の舵角が変更されるようになっている。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、その駆動源であるモータ１２がラック５と同軸に配置された所謂ラック型のＥＰＳアクチュエータであり、モータ１２が発生するアシストトルクは、ボールねじ機構（図示略）を介してラック５に伝達される。尚、本実施形態のモータ１２は、ブラシレスモータであり、ＥＣＵ１１から三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給を受けることにより回転する。そして、モータ制御装置としてのＥＣＵ１１は、このモータ１２が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する（パワーアシスト制御）。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４及び車速センサ１５が接続されている。そして、ＥＣＵ１１は、これらトルクセンサ１４及び車速センサ１５によりそれぞれ検出される操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、ＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ちパワーアシスト制御を実行する。

次に、本実施形態のＥＰＳの電気的構成について説明する。
図２は、本実施形態のＥＰＳの制御ブロック図である。同図に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段としてのマイコン１７と、モータ制御信号に基づいてモータ１２に三相の駆動電力を供給する駆動回路１８とを備えている。

尚、本実施形態の駆動回路１８は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位（アーム）として各相に対応する３つのアームを並列接続してなる周知のＰＷＭインバータであり、マイコン１７の出力するモータ制御信号は、駆動回路１８を構成する各スイッチング素子のオンｄｕｔｙ比を規定するものとなっている。そして、モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、同モータ制御信号に応答して各スイッチング素子がオン／オフすることにより、車載電源（図示略）の直流電圧が三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に変換されてモータ１２に供給されるようになっている。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、モータ１２に通電される各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出するための電流センサ２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ、及びモータ１２の回転角θを検出するための回転角センサ２１が接続されている。そして、マイコン１７は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ１２の各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw及び回転角θ、並びに上記操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて駆動回路１８にモータ制御信号を出力する。

さらに詳述すると、マイコン１７は、操舵系に付与するアシスト力の制御目標量として電流指令値を演算する電流指令値演算部２２と、電流指令値演算部２２により算出された電流指令値に基づいてモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段としてのモータ制御信号生成部２４とを備えている。

電流指令値演算部２２は、上記トルクセンサ１４及び車速センサ１５により検出された操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉd*及びｑ軸電流指令値Ｉq*を演算する。尚、本実施形態では、通常、電流指令値演算部２２は、ｄ軸電流指令値Ｉd*として「０」を出力する（Ｉd*＝０）。モータ制御信号生成部２４には、電流指令値演算部２２の出力するｄ軸電流指令値Ｉd*及びｑ軸電流指令値Ｉq*とともに、各電流センサ２０ｕ，２０ｖ，２０ｗにより検出された各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw、及び回転角センサ２１により検出された回転角θが入力される。そして、モータ制御信号生成部２４は、これら各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw、及び回転角θ（電気角）に基づいて、ｄ／ｑ座標系における電流フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を生成する。

即ち、モータ制御信号生成部２４において、各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwは、回転角θとともに３相／２相変換部２５に入力され、同３相／２相変換部２５によりｄ／ｑ座標系のｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqに変換される。また、モータ制御信号生成部２４に入力されたｑ軸電流指令値Ｉq*は、上記ｑ軸電流値Ｉqとともに減算器２６ｑに入力され、ｄ軸電流指令値Ｉd*は、ｄ軸電流値Ｉdとともに減算器２６ｄに入力される。これら減算器２６ｄ，２６ｑにおいて演算されたｄ軸電流偏差ΔＩd及びｑ軸電流偏差ΔＩqは、それぞれ対応するＦ／Ｂ制御部２７ｄ，２７ｑに入力される。そして、これら各Ｆ／Ｂ制御部２７ｄ，２７ｑにおいて、その制御目標値であるｄ軸電流指令値Ｉd*及びｑ軸電流指令値Ｉq*に実電流であるｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqを追従させためのフィードバック制御が行われる。

具体的には、Ｆ／Ｂ制御部２７ｄ，２７ｑは、入力されたｄ軸電流偏差ΔＩd及びｑ軸電流偏差ΔＩqに所定のＦ／Ｂゲイン（ＰＩゲイン）を乗ずることにより、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を演算する。そして、これらｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*（後述する補正後のｄ軸電圧指令値Ｖd**及びｑ軸電圧指令値Ｖq**）は、回転角θとともに２相／３相変換部２８に入力され、同２相／３相変換部２８において三相の電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に変換される。

２相／３相変換部２８において演算された各電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*は、ＰＷＭ変換部２９に入力され、同ＰＷＭ変換部２９において、該各電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に対応するｄｕｔｙ指令値が生成される。そして、モータ制御信号生成部２４は、これら各ｄｕｔｙ指令値に示されるオンｄｕｔｙ比を有するモータ制御信号を生成し、マイコン１７は、そのモータ制御信号を、駆動回路１８を構成する各スイッチング素子（のゲート端子）に出力することにより、同駆動回路１８の作動、即ちモータ１２への駆動電力の供給を制御する。

また、本実施形態では、モータ１２と駆動回路１８とを接続する各相の動力配線Ｌp_u，Ｌp_v，Ｌp_wのうち、Ｕ相及びＶ相の動力配線Ｌp_u，Ｌp_vには、フェールセーフ用の相開放リレー３０ａ，３０ｂが設けられており、ＥＣＵ１１には、これに対応する駆動回路３１が設けられている。具体的には、本実施形態のマイコン１７には、モータ１２に対する過剰電流の発生等、システム異常の発生を検知する異常判定部３２が設けられており、上記の駆動回路３１は、この異常判定部３２が出力する異常信号Ｓtrに基づいて、各相開放リレー３０ａ，３０ｂを開駆動する。そして、モータ１２に対する駆動電力の供給を遮断することにより、速やかなフェールセーフを図る構成となっている。

（抵抗アンバランス補正制御）
次に、本実施形態における抵抗アンバランス補正制御の態様について説明する。
上述のように、実際のモータ制御装置においては、配線長の違いやフェールセーフ用の相開放リレーの有無等により、各相の抵抗値は必ずしも均等とはならない。その結果、各相電流のバランスが崩れ、トルクリップルが発生してしまうという問題がある。

この点を踏まえ、本実施形態では、モータ制御信号生成手段としてのモータ制御信号生成部２４は、こうした各相間の抵抗値の相違に起因するトルクリップルの発生を抑制すべく、そのモータ制御信号の生成過程におけるｄ／ｑ座標系の各電圧指令値、即ちｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を補正する。

詳述すると、図２に示すように、本実施形態のモータ制御信号生成部２４は、相抵抗補正演算部３５を備えており、該相抵抗補正演算部３５には、予め測定された各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒw、及び基準抵抗値Ｒが記憶（保持）されている。即ち、本実施形態では、この相抵抗補正演算部３５により記憶手段が構成されている。尚、上記記憶される各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwは、モータ１２と駆動回路１８との間を接続する動力配線Ｌp_u，Ｌp_v，Ｌp_w、及び該動力配線に設けられたフェールセーフ用の相開放リレー３０ａ，３０ｂを含む電力供給経路の抵抗値を各相毎に予め測定した値である（シミュレーション値でもよい）。そして、本実施形態では、基準抵抗値Ｒには、測定された各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwの平均値が用いられている。

また、相抵抗補正演算部３５には、ｄ／ｑ座標系の各実電流値、即ちｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉq、並びにモータ１２の回転角θが入力されるようになっている。そして、該相抵抗補正演算部３５は、これらの状態量、及び上記記憶された各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒw、並びに基準抵抗値Ｒに基づいて、上記補正を実行するための補正成分εd，εqを演算する。

具体的には、本実施形態の相抵抗補正演算部３５は、次の（１）（２）式に基づいて、上記各補正成分εd，εqを演算する。

尚、上式において、「ΔＲu」「ΔＲv」「ΔＲw」は、基準抵抗値Ｒに対する各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwのズレである。

そして、モータ制御信号生成部２４は、加算器３６ｄ，３６ｑにおいて、これら各補正成分εd，εqをｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*に重畳することにより、該各ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を補正する構成となっている。

さらに詳述すると、先ず、「各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwが等しい場合」におけるｄ／ｑ座標系の電圧方程式は、次の（３）式に表すことができる。そして、これに対応するブロック線図は、図３に示されるものとなる。

尚、上式において、「Ｌ」はインダクタンス（「ｓ」は微分演算子）、「ｐ」は極対数、「ωm」はモータ回転角（機械角）、「Ｋe」は逆起電力定数である。

一方、各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwは、基準抵抗値Ｒ及び該基準抵抗値Ｒに対する各相抵抗値のズレΔＲu，ΔＲv，ΔＲwを用いて、次の（４）式に表すことができ、これを（５）〜（７）式を用いてｄ／ｑ座標系に変換することにより（８）式を得る。

従って、「各相間の抵抗アンバランスを考慮した場合」におけるｄ／ｑ座標系の電圧方程式は、次の（９）式に表すことができ、これに対応するブロック線図は図４に示されるものとなる。尚、図４中、破線αに囲まれた「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」の各ブロックは、それぞれ（９）式中の「Ｒdq_aa」「Ｒdq_ab」「Ｒdq_ba」「Ｒdq_bb」に（２／３）を乗じたものである。

即ち、上記（９）式及び図４に示すように、各相間に抵抗アンバランスがある場合には、上記（２）式及び図３に示される各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwが等しい場合との比較において、その各相抵抗値のズレΔＲu，ΔＲv，ΔＲwに起因する干渉成分が電圧降下項となる（（９）式中の第１項、及び図４中の破線αに囲まれた「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」の各ブロック）。そして、各相間に抵抗アンバランスがある場合、上記（８）式に示されるように、この電圧降下項がモータ１２の回転角に依存して変動することによって、トルクリップルが発生することになる。

つまり、二軸の直流量としてモータ電圧及び電流が取り扱われるｄ／ｑ座標系上においては、上記のような各相間の抵抗アンバランスに起因するリップル成分が交流成分として表面化する。そして、本実施形態では、図５に示すブロック線図のように、その交流成分（同図中、モータ１２側の破線αに囲まれた「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」の各ブロック）を打ち消すような補正成分（同図中、ＥＣＵ１１側の破線βに囲まれた「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」の各ブロック）をｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*に重畳する。即ち、上記（１）（２）式に示される、補正成分εd，εqを重畳することにより、各相間の抵抗アンバランスに起因するトルクリップルの発生を抑制する構成となっている。

以上、本実施形態によれば、より精度よく各相間の抵抗アンバランスに起因するトルクリップルの発生を抑えて円滑なモータ回転を確保することができる。更に、ｄ軸及びｑ軸の二軸上で補正がその完結することから、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相において補正する場合よりも演算負荷が小さい。その結果、高性能な演算装置（マイコン）の採用に伴うコスト上昇を回避することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に具体化したが、ＥＰＳ以外の用途に用いられるモータ制御装置に具体化してもよい。

・本実施形態では、ｄ／ｑ座標系において表面化する交流成分として、各相抵抗値のズレΔＲu，ΔＲv，ΔＲwに起因する干渉成分に着目し、これを打ち消すような補正成分をｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*に重畳することとした。しかし、これに限らず、各相抵抗値のズレΔＲu，ΔＲv，ΔＲw及び基準抵抗値Ｒを含めた各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒw自体を干渉成分と取り扱い、これを打ち消すような補正成分をｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*に重畳する構成としてもよい。尚、この場合、上記（９）式は、次の（１０）式のように変形される。従って、そのブロック線図もまた、図６に示されるものとなる。

・本実施形態では、記憶手段としての相抵抗補正演算部３５は、予め測定された各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒw、及び基準抵抗値Ｒを記憶（保持）することとした。しかし、これに限らず、各相抵抗値のズレΔＲu，ΔＲv，ΔＲw及び基準抵抗値Ｒを保持する構成であってもよい。また、基準抵抗値Ｒには、測定された各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwの平均値を用いることとしたが、各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwの何れかを基準抵抗値Ｒとする構成としてもよい。

・また、本実施形態では、相抵抗補正演算部３５は、ｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqに基づいて補正成分εd，εqを演算することとした（上記（１）（２）式参照）。しかし、これに限らず、補正成分εd，εqの演算は、ｄ軸電流指令値Ｉd*及びｑ軸電流指令値Ｉq*を用いて行うこととしてもよい。このような構成としても本実施形態と同様の効果を得ることができる。

・さらに、各相の抵抗値Ｒu，Ｒv，Ｒwについて温度補正を行うものについて、本発明を適用するとよい。即ち、各相間の抵抗アンバランスにある場合、温度変化によって、当該アンバランスが助長されることになる。従って、本発明を温度補正制御と併用することで、より顕著な効果を得ることができる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの電気的構成を示す制御ブロック図。 各相の抵抗値が等しい場合のブロック線図。 各相間の抵抗アンバランスを考慮した場合のブロック線図。 本実施形態の補正を適用した場合のブロック線図。 別例の補正を適用した場合のブロック線図。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、１０…ＥＰＳアクチュエータ、１１…ＥＰＳＥＣＵ、１２…モータ、１７…マイコン、１８…駆動回路、２２…電流指令値演算部、２４…モータ制御信号生成部、３０ａ，３０ｂ…相開放リレー、３５…相抵抗補正演算部、Ｌp_u，Ｌp_v，Ｌp_w…動力配線、θ…回転角、Ｖd*，Ｖd**…ｄ軸電圧指令値、Ｖq*，Ｖq**…ｑ軸電圧指令値、εd，εq…補正成分、Ｒu，Ｒv，Ｒw…抵抗値、ΔＲu，ΔＲv，ΔＲw…ズレ、Ｒ…基準抵抗値。

Claims (3)

1. ｄ／ｑ座標系における電流フィードバック制御の実行によりモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段と、前記モータ制御信号に基づいてモータに三相の駆動電力を供給する駆動回路とを備えたモータ制御装置であって、
   前記モータの回転角を検出する回転角センサと、
   各相の抵抗値を記憶する記憶手段と、を備え、
   前記モータ制御信号生成手段は、前記記憶された各抵抗値及び前記モータの回転角に基づいて、前記各抵抗値の相違により生ずるトルクリップルを抑制すべく、前記ｄ／ｑ座標系の電圧方程式において、前記モータの回転角に依存して変動する電圧降下項を打ち消す補正成分を演算し、前記補正成分の重畳により前記ｄ／ｑ座標系における各電圧指令値を補正すること、を特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記記憶される各相の抵抗値は、前記モータと前記駆動回路との間を接続する動力配線、及び該動力配線に設けられた相開放リレーを含む電力供給経路の抵抗値を各相毎に予め測定した値であること、を特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置。

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