JP6648592B2 - モータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流指令値に基づく電流フィードバックでモータを駆動し、電流指令値にモータ実電流を追従させて制御するモータ制御装置及びそれを搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にモータによるアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置に関する。特にノイズに対する感度を変化させずに、モータ駆動時の逆起電圧の相殺を行う共に、ノイズ補償及びＬＰＦの補償を行う補償誤差相殺用の誤差補償フィルタをフィードフォワード経路に介挿したモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与するものであり、インバータで制御されるモータの駆動力を、ギア等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び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。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクＴｈを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｓとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。

なお、舵角センサ１４からは操舵角θが検出され、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転センサから操舵角を取得することも可能である。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等も含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。

図２を参照してコントロールユニット３０を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ４０からの）車速Ｖｓは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差ΔＩ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差ΔＩが操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御部３４に入力される。ＰＩ制御部３４で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３５に入力され、更にインバータ３６を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３７で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ３６は、半導体スイッチング素子としてのＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

モータ２０にはレゾルバ等の回転センサ２１が連結されており、回転センサ２１からモータ回転角度θが出力され、更にモータ速度ωがモータ速度演算部２２で演算される。

また、加算部３２Ａには補償信号生成部３８からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３８は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３８−１と慣性３８−２を加算部３８−４で加算し、その加算結果に更に収れん性３８−３を加算部３８−５で加算し、加算部３８−５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このような電動パワーステアリング装置では、モータ駆動時にモータ２０が逆起電圧を発生するため、モータ逆起電圧を抑制若しくは減衰するための補償が必要である。その理由を以下に説明する。

電流指令値Ｉｒｅｆからモータ２０が駆動される系を伝達関数で示すと、図３のようになる。電流指令値Ｉｒｅｆは制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１を経て減算部１０４に入力され、実モータ電流Ｉｍとの偏差ｅ_１が算出される。偏差ｅ_１は制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）を経て減算部１０５に入力され、減算部１０５でモータ２０の逆起電圧ＥＭＦが減算され、その差分ｅ_３がモータ２０の電気系特性部１１０（１／（Ｌ・ｓ＋Ｒ））を経て、更にトルク定数Ｋｔ[Nm/A]を経て機械系特性部１２０（１／（Ｊ・ｓ＋Ｄ））に入力される。逆起電圧ＥＭＦは、機械特性部１２０の出力であるモータ角速度（モータ回転数）ωｍに逆起電圧定数Ｋｅ[V/(rad/s)]を乗算して得られる。電気系特性部１１０からのモータ電流Ｉｍは検出されてフィードバックされるが、実際には電流検出ノイズＮｉが混入し、実モータ電流Ｉｍｎとしてフィードバックされる。

電気系特性部１１０のＬはモータインダクタンス[Ｈ]、Ｒはモータ抵抗[Ω]であり、機械系特性部１２０のＪはモータ慣性モーメント[Kg・m²]、Ｄはモータ粘性係数[Nm/(rad/s)]である。

電流指令値Ｉｒｅｆからモータ電流Ｉｍまでの系を、図４に示すように周波数帯域を制御し易い１次フィルタ（１／（Ｔ_４・ｓ＋１））とするため、Ｔ_１〜Ｔ_４を時定数として、制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１の伝達関数は下記数１で設定され、制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２の伝達関数は下記数２で設定されている。

即ち、電流指令値Ｉｒｅｆからモータ電流Ｉｍまでの系を“１／（Ｔ_４・ｓ＋１）”（数３）とし、時定数Ｔ_４の設定で電流指令値Ｉｒｅｆからモータ電流Ｉｍまでの特性である電流制御帯域を決定（１次フィルタ）するために、制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１及び制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２の特性を決定する。

そして、制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２を含む電流制御のフィードバック閉ループの系では、逆起電圧ＥＭＦを０として、数４及び図５に示すように、外乱の電流検出ノイズ（Ｎｉ）除去用の２次フィルタ（時定数Ｔ_２，Ｔ_３）と１次位相進みフィルタ（Ｔ_１）となる構成を採る。１次位相進みフィルタ（Ｔ_１）の項がないと、制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１の分子の微分項が２次になってしまい、非常に不安定になるからである。要するに、制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１は、電流指令値Ｉｒｅｆからモータ電流Ｉｍまでの特性を決めるフィルタであり、制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２は、電流検出ノイズＮｉを除去するフィルタを含めた、電流指令値Ｉｒｅｆからモータ電流Ｉｍまでの特性を決めるフィルタと言える。

上記数１及び数４をＧ_ＦＢについて解くと、制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２は上記数２となる。

このように、制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１及び制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２の設定では、モータ逆起電圧ＥＭＦの混入を考慮していない。しかしながら、モータ逆起電圧ＥＭＦの発生は、電流指令値に影響を与えるため、モータ出力を正確に制御する上で大きな問題となる。このような対策として、モータ逆起電圧の補償が考えられ、例えば特開２０１３−２１９８７０号公報（特許文献１）では、電圧指令値及び電流検出値に基づいてモータの逆起電圧を推定し、逆起電圧推定値を電流指令値に加算するようにしている。また、特開２０１２−２３６４７２号公報（特許文献２）では、回転角速度に基づいて逆起電圧を推定し、この推定逆起電圧に補償係数を乗じて逆起電圧補償制御値を算出し、逆起電圧補償制御値を基本電圧に加算して電圧指令値としている。

特開２０１３−７２１９９８７０号公報 特開２０１２−２３６４７２号公報

上述のような逆起電圧補償はいずれも、位置や回転速度の検出ノイズが混入しないことを前提にして補償しているが、実際にはノイズが混入するため、電流指令値に対して正確にモータ出力を追従させることができない課題がある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、ノイズに対する感度を変化させずに、広範囲にわたって遅れなく、逆起電圧及び逆起電圧補償経路の特性をフィードフォワード経路で補償し、実電流を電流指令値に確実に追従させるモータ制御装置を提供すると共に、操舵フィーリングを向上した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、電流指令値に基づく電流フィードバック制御でモータを駆動制御すると共に、モータ角度若しくはモータ角速度に基づく逆起電圧補償信号によりモータ逆起電圧の補償を行うモータ制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記モータ逆起電圧を補償する経路にノイズ除去用のＬＰＦが設けられると共に、前記モータ制御のフィードフォワード経路に、前記モータ逆起電圧と前記逆起電圧補償信号との差である逆起電圧補償誤差を相殺する誤差補償フィルタが設けられていることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記モータの制御がｄｑ軸ベクトル制御であることにより、或いは前記電流指令値がｄｑ軸電流指令値であり、前記制御部が２相フィードバック式ベクトル制御系であることにより、或いは前記電流指令値がｄｑ軸電流指令値であり、前記制御部が３相フィードバック式ベクトル制御系であることにより、より効果的に達成され、いずれかのモータ制御装置を電動パワーステアリング装置に搭載することにより、操舵感の良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明に係るモータ制御装置によれば、モータ駆動時のモータ逆起電圧の補償機能を有するモータ制御装置において、フィードフォワード経路に、モータ逆起電圧と逆起電圧補償信号との差である逆起電圧補償誤差を相殺する誤差補償フィルタを介挿しているので、ノイズに対する感度を変化させずに、遅れなくモータの追従特性を向上することができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 モータ制御装置（伝達関数）における逆起電圧の発生の経路を示すブロック線図である。 制御フィルタの特性を説明するための周波数応答図である。 制御フィルタの特性を説明するための周波数応答図である。 本発明を適用可能なベクトル制御系（３相ＦＢ）の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用可能なベクトル制御系（２相ＦＢ）の構成例を示すブロック図である。 モータ制御装置（伝達関数）における逆起電圧補償の構成例を示すブロック線図である。 ＬＰＦを逆起電圧補償に用いた場合のゲイン／位相の周波数特性と本発明の効果を示す周波数特性図である。 図７の詳細を示す周波数特性図である。 本発明の実施形態の一例を示すブロック構成図である。 本発明による補償前の特性を示す周波数特性図である。 本発明による補償の特性を示す周波数特性図である。

本発明のモータ制御装置は、ノイズに対する感度を変化させずに、モータ駆動時の逆起電圧発生の補償を行う共に、ノイズ補償及びＬＰＦの補償を行う補償誤差相殺用の誤差補償フィルタをフィードフォワード経路に介挿している。これにより、ノイズに対する感度を変化させずに遅れなく、正確に実モータ電流を電流指令値に追従させることができる
本発明は、ブラシレスモータを駆動制御するベクトル制御系についても適用できるので、先ずベクトル制御系について説明する。

図６のベクトル制御系では、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑを演算して補正する電流指令値演算部２２０が設けられており、電流指令値演算部２２０には操舵トルクＴｈ、車速Ｖｓ、モータ１００に連結された回転センサ１００Ａからモータ角度（回転角度）θ_ｅ、角速度演算部２２６で演算されたモータ角速度ωが入力されている。電流指令値演算部２２０で演算されたｄ軸電流指令値ｉ_ｄ及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑは２相／３相変換部２２１に入力され、モータ角度θ_ｅに同期して３相の電流指令値Ｉｕｒｅｆ，Ｉｖｒｅｆ，Ｉｗｒｅｆに変換される。３相の電流指令値Ｉｕｒｅｆ，Ｉｖｒｅｆ，Ｉｗｒｅｆは減算部２２２（２２２ｕ，２２２ｖ，２２２ｗ）に入力され、電流検出回路２２５Ａで検出されたモータ電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗとの偏差ΔＩｕ，ΔＩｖ，ΔＩｗが算出される。算出された偏差ΔＩｕ，ΔＩｖ，ΔＩｗはＰＩ制御部２２３に入力され、電流制御された３相の電圧制御指令値Ｖｕｒｅｆ，Ｖｖｒｅｆ，ＶｗｒｅｆがＰＷＭ制御部２２４に入力され、ＰＷＭ制御部２２４で演算された各相ｄｕｔｙに基づいてインバータ２２５を介してモータ１００が駆動される。

なお、図６では、電流検出回路２２５Ａはインバータ２２５内に設けられているが、モータ１００への供給線等でも検出可能である。

また、図７のベクトル制御系では、電流検出回路２２５Ａで検出された３相のモータ電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗをモータ角度θ_ｅに同期して２相に変換する３相／２相変換部２２７が設けられている。電流指令値演算部２２０で演算され補正されたｄ軸電流指令値ｉ_ｄ及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑは減算部２２２（２２２ｄ、２２２ｑ）に入力され、減算部２２２で３相／２相変換部２２７からの２相の電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑとの偏差Δｉ_ｄ，Δｉ_ｑが算出される。偏差Δｉ_ｄ，Δｉ_ｑは２相／３相変換部２２１に入力され、変換された３相の電流指令値Ｉｕｒｅｆ，Ｉｖｒｅｆ，ＩｗｒｅｆがＰＩ制御部２２３に入力され、以降は図６の場合と同様な動作が実行される。

図６の制御系は、３相のモータ電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗがフィードバックされる３相フィードバック式ベクトル制御系であり、図７の制御系は、３相のモータ電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗが２相電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑに変換されてフィードバックされる２相フィードバック式ベクトル制御系である。本発明は、上記３相フィードバック式ベクトル制御系及び２相フィードバック式ベクトル制御系のいずれにも適用できる。

図８は、回転センサ（例えばレゾルバ）で検出されるモータ角度θｍに基づいて、逆起電圧ＥＭＦを補償する場合の構成例を、図３に対応させて示している。モータ角度θｍは微分部１３０で微分されるが、実際には回転センサ（例えばレゾルバ）にはノイズＮｒが含まれており、加算部１３３でノイズＮｒが加算（混入）されたモータ角度θｍｒが微分部１３０に入力される。微分部１３０で微分されたモータ角速度ωｎは、伝達関数が数５で表されるノイズ除去用のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３１に入力され、ＬＰＦ１３１でノイズＮｒを除去されたモータ角速度ωｎ’は、逆起電圧補償定数部１３２で逆起電圧補償定数Ｋｅ’を乗算され、逆起電圧補償信号ＥＭＦｃとして加算部１０６に入力される。

なお、ＬＰＦ１３１のω_Ｌは、カットオフ周波数ｆ_ｃ（例えば４０Ｈｚ）に対してω_Ｌ＝２πｆ_ｃの関係を有している。

この逆起電圧補償はモータ角度θｍ（モータ角速度ωｍ）に依存しており、ノイズＮｒの混入がなければＬＰＦ１３１は不要である。しかし、実際には回転センサから混入するノイズＮｒの影響があり、その影響を除去若しくは低減するＬＰＦ１３１を具備している。フィルタ処理を行わないと、電動パワーステアリング装置では操舵感が悪化してしまうからである。

このＬＰＦ１３１のフィルタ処理により、モータ回転数の周波数が上がると、モータ逆起電圧ＥＭＦに対して位相が遅れ、完全にモータ逆起電圧ＥＭＦを相殺できない可能性がある。この相殺誤差が外乱として電流制御系内に混入して、フィードバック制御の役割である実モータ電流Ｉｍを電流指令値Ｉｒｅｆに追従させることができなくなる。逆起電圧補償が完全であれば、下記数６の関係となるべきである。
（数６）
ＥＭＦｃ−ＥＭＦ＝０
しかしながら、ノイズＮｒの混入により、上記数６は成立しない。そもそも、電流フィードバック制御の主な役割は電流指令値通りに、遅れなく実電流を流すことである。フィルタ処理による制御では、制御帯域が高いほど追従性を改善することができるが、ノイズに対しても感度が上がってしまい、電動パワーステアリング装置では操舵感が悪化する。

図９及び図１０はＬＰＦを用いて逆起電圧補償を行う場合の周波数特性を示しており、図９（Ａ）及び図１０（Ａ）はゲインの周波数特性であり、本発明による対策前は、周波数１０〜１００Ｈｚの領域でゲインが凹状に低下している。また、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）は位相の周波数特性であり、本発明による対策前は逆起電圧ＥＭＦを完全に補償することができず、補償相殺誤差が外乱として制御ループに混入し、これが要因で検出電流は電流指令値に追従できない状況となっている。

その対策のため、本発明では追従特性が狙いとするＬＰＦ特性（＝１／（Ｔ_４・ｓ＋１））となるような誤差補償フィルタ（Ｇ_ＥＣ）２００を、フィードフォワード経路に介挿する。図１１はその構成を図８に対応させて示している。

制御フィルタ（Ｇ_ＦＦ）１０１の伝達関数は数１であり、制御フィルタ（Ｇ_ＦＢ）１０２の伝達関数は数２である。

ここで、電流指令値Ｉｒｅｆから電気系特性部１１０で出力されるモータ電流Ｉｍまでを伝達関数で表わすと、下記数７となる。

上記数７に上記数１のＧ_ＦＦ及び上記数２のＧ_ＦＢを代入して、変形すると数８となる。

ここで、誤差補償フィルタＧ_ＥＣを数９のように設計することにより、上記数７は下記数１０となる。

よって、数１０の時定数Ｔ_４の調整により所望の特性を得ることができる。

図９及び図１０は、操舵時に、検出電流が電流指令値に追従しない問題におけるメカニズムをボード線図で比較しており、対策前では逆起電圧補償ロジックにはＬＰＦがあり、逆起電圧を完全に補償できない。この相殺誤差が外乱として制御ループに混入し、これが要因となって検出電流が電流指令値に追従できない。しかし、上述したモータ逆起電圧と逆起電圧補償信号との差である逆起電圧補償誤差を相殺する誤差補償フィルタ２００（Ｇ_ＥＣ）をフィードフォワード経路に設けることにより、対策前の特性が改善されていることが分かる。即ち、ゲイン特性も位相特性も目標とする特性となっている。

図１２は、誤差補償フィルタ２００が介挿されていない状態の周波数特性であり、この特性と逆の特性を有する図１３で示す誤差補償フィルタ２００をフィードフォワード経路に介挿することにより、図９及び図１０の対策後の特性を得ることができる。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０、１００ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１、２２０ 電流指令値演算部
３４、２２３ ＰＩ制御部
３５、２２４ ＰＷＭ制御部
３６、２２５ インバータ
１０１，１０２ 制御フィルタ
１１０ 電気系特性部
１２０ 機械系特性部
１３１ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２００ 誤差補償フィルタ
２２１ ２相／３相変換部
２２７ ３相／２相変換部

Claims (5)

1. 電流指令値に基づく電流フィードバック制御でモータを駆動制御すると共に、モータ角度若しくはモータ角速度に基づく逆起電圧補償信号によりモータ逆起電圧の補償を行うモータ制御装置において、
   前記モータの逆起電圧の補償する経路にノイズ除去用のＬＰＦが設けられると共に、前記モータ制御のフィードフォワード経路に、前記モータ逆起電圧と前記逆起電圧補償信号との差である逆起電圧補償誤差を相殺する誤差補償フィルタが設けられていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記モータの制御がｄｑ軸ベクトル制御である請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記電流指令値がｄｑ軸電流指令値であり、前記制御部が２相フィードバック式ベクトル制御系である請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記電流指令値がｄｑ軸電流指令値であり、前記制御部が３相フィードバック式ベクトル制御系である請求項２に記載のモータ制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置。