JP7313554B2

JP7313554B2 - 永久磁石同期電動機の制御装置およびそれを備えた電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP7313554B2
Application number: JP2022524824A
Authority: JP
Inventors: 祐也土本; 辰也森; 晃古川; 勲家造坊; 元気藤井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2023-07-24
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: EP4156498A1; CN115552790A; WO2021234934A1; US11936309B2; EP4156498A4; US20230097479A1; JPWO2021234934A1

Description

本願は、永久磁石同期電動機の制御装置およびそれを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

永久磁石同期電動機は、回転速度が大きくなるにしたがって誘起電圧が大きくなり、電源電圧の制約により電圧飽和が生じて電流が流れにくくなる。その結果、高回転領域で出力トルクが低下する。
永久磁石同期電動機において、高速回転領域での出力トルク低下を防ぐ方法として、弱め磁束制御という方法が行われている。弱め磁束制御においては、ｄ軸電流に負の電流を流すことでｄ軸方向の磁束を弱めて電圧飽和を抑制している。なお、弱め磁束制御を行うときのｄ軸電流の電流指令は弱め電流指令と称されている。

例えば、従来の永久磁石同期電動機においては、回転速度の大きさに応じて弱め電流指令を制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、別の永久磁石同期電動機においては、電源電圧の大きさに応じて弱め電流指令を制御する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６－２０４１１号公報ＷＯ２００８／１５２９２９

しかしながら、回転速度の大きさに応じて弱め電流指令を制御する従来の永久磁石同期電動機においては、回転速度の急峻な変化に対して弱め電流指令が追従できないという問題があった。また、電源電圧の大きさに応じて弱め電流指令を制御する従来の永久磁石同期電動機においても、回転速度の急峻な変化に対して弱め電流指令が追従できないという問題があった。

本願は上述のような課題を解決するためになされたもので、回転速度の急峻な変化に対して弱め電流指令を追従させることができる永久磁石同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本願の永久磁石同期電動機の制御装置は、電源電圧に基づいて基準電圧値を演算する基準電圧値演算部と、電圧指令に基づいて出力電圧値を演算する出力電圧値演算部と、基準電圧値および出力電圧値に基づいて弱め磁束制御のためのｄ軸電流指令である弱め電流指令を演算する弱め電流指令演算部と、弱め電流指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、電圧指令に基づいて永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器とを備えている。そして、弱め電流指令演算部は、基準電圧値と出力電圧値との差分に基づいて高周波成分を増幅した弱め電流指令を演算する。

本願の永久磁石同期電動機の制御装置は、基準電圧値と出力電圧値との差分に基づいて高周波成分を増幅した弱め電流指令を演算する弱め電流指令演算部を備えているので、回転速度の急峻な変化に対して弱め電流指令を追従させることができる。

実施の形態１に係る永久磁石同期電動機の制御装置の構成図である。実施の形態１に係る電圧指令演算部の構成図である。実施の形態１に係る弱め電流指令演算部の構成図である。実施の形態１に係る位相進みフィルタの特性図である。実施の形態２に係る弱め電流指令演算部の構成図である。実施の形態３に係る弱め電流指令演算部の構成図である。実施の形態４に係る弱め電流指令演算部の高周波増幅部の構成図である。実施の形態６に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。実施の形態１から５の永久磁石同期電動機の制御装置のハードウェアの一例を示す模式図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置およびそれを用いた電動パワーステアリング装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る永久磁石同期電動機の制御装置の構成図である。なお、図１には、永久磁石同期電動機の制御装置の制御対象である永久磁石同期電動機も併せて図示されている。

永久磁石同期電動機１は、例えば表面磁石型同期モータ（ＳＰＭ：ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）、埋込磁石型同期モータ（ＩＰＭ：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）などの一般によく知られたモータを用いることができる。永久磁石同期電動機１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線を有する。また、永久磁石同期電動機１は、永久磁石または界磁巻線によって界磁磁束が生じるように構成された回転子を有する。

永久磁石同期電動機１には角度検出器１１が取り付けられており、永久磁石同期電動機１の回転角θを検出する。角度検出器１１は、例えばレゾルバ、ホールセンサなどの角度検出器を用いることができる。

永久磁石同期電動機の制御装置２は、基準電圧値演算部３、出力電圧値演算部４、弱め電流指令演算部５、電圧指令演算部６および電力変換器７で構成されている。始めに、永久磁石同期電動機の制御装置２の各構成部の動作について簡単に説明する。

基準電圧値演算部３は、電源電圧に基づいて弱め磁束制御の基準となる基準電圧値を演算する。出力電圧値演算部４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線に印加する電圧に関係する三相電圧指令に基づいて出力電圧値を演算する。弱め電流指令演算部５は、出力電圧値および基準電圧値に基づいて弱め磁束制御を行うためのｄ軸電流指令を演算する。電圧指令演算部６は、ｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令に基づいて三相電圧指令を演算する。電力変換器７は、三相電圧指令に基づいて三相電圧を永久磁石同期電動機１に印加する。
次に、永久磁石同期電動機の制御装置２の各構成部の動作について詳細に説明する。

電力変換器７は、電源から供給される電源電圧Ｖ_ｄｃを変換して永久磁石同期電動機１の三相巻線に三相電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗを印加する。電力変換器７は、インバータなどの電力変換器で構成される。電力変換器７は、後述する三相電圧指令ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊に対して変調処理を施すことで、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線のそれぞれに交流電圧を印加する。なお、電力変換器７によって行われる変調処理としては、例えば、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式またはＰＡＭ（ＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式などが挙げられる。

電力変換器７には電流検出器（図示せず）が取り付けられており、永久磁石同期電動機１に流れる電流を検出する。電流検出器は、Ｕ相巻線の電流ｉ_ｕ、Ｖ相巻線の電流ｉ_ｖ、Ｗ相巻線の電流ｉ_ｗを検出する。ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗを三相巻線電流と総称する。電流検出器は、シャント抵抗、ホール素子などの電流検出器を用いて構成される。なお、三相巻線電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗは電流検出器から得た検出値としたが、電流検出器を用いずに電圧方程式などから推定した値を用いてもよい。つまり、永久磁石同期電動機１の三相巻線電流は、検出または推定した電流である。

図２は、本実施の形態における電圧指令演算部６の構成図である。電圧指令演算部６は、座標変換部６１と電圧指令生成部６２とを備える。
座標変換部６１は、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を回転角θに基づいて座標変換することでＵ相電圧指令ｖ_ｕ ^＊、Ｖ相電圧指令ｖ_ｖ ^＊およびＷ相電圧指令ｖ_ｗ ^＊を生成する。さらに、座標変換部６１は、Ｕ相検出電流ｉ_ｕ、Ｖ相検出電流ｉ_ｖおよびＷ相検出電流ｉ_ｗを回転角θに基づいて座標変換することでｄ軸検出電流ｉ_ｄおよびｑ軸検出電流ｉ_ｑを生成する。なお、ｄ軸検出電流ｉ_ｄおよびｑ軸検出電流ｉ_ｑを総称して検出電流と称する。なお、回転角θは角度検出器１１から得た検出値としたが、角度検出器１１を用いずに電力変換器７で推定した値を用いてもよい。つまり、永久磁石同期電動機１の回転角θは、検出または推定した角度である。

電圧指令生成部６２は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊とｄ軸検出電流ｉ_ｄとを用いてｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を生成すると共に、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊とｑ軸検出電流ｉ_ｑとを用いてｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を生成する。電圧指令生成部６２は、２つの減算器６２１、６２２と２つのＰＩ制御器６２３、６２４とを備えている。減算器６２１は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊とｄ軸検出電流ｉ_ｄとの偏差を算出する。減算器６２２は、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊とｑ軸検出電流ｉ_ｑとの偏差を算出する。ＰＩ制御器６２３は、減算器６２１で算出された偏差が小さくなるように、電力変換器７の出力電圧を制御するためのｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を演算する。ＰＩ制御器６２４は、減算器６２２で算出された偏差が小さくなるように、電力変換器７の出力電圧を制御するためのｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を演算する。

本実施の形態の電圧指令生成部６２においては、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊とｄ軸検出電流ｉ_ｄとの偏差に対してｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を演算するフィードバック制御として比例および積分制御を行うＰＩ制御器６２３を用いている。フィードバック制御の演算方法はこれに限定されず、他のフィードバック制御の演算方法を用いてもよい。また、ｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を演算するフィードバック制御の演算方法についても同様である。

ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊は、弱め電流指令演算部５で演算される。また、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊の演算方法はとくに限定されないが、例えば従来のトルク制御、回転速度制御などのフィードバック制御の演算方法を用いて演算される。

図３は、本実施の形態における弱め電流指令演算部５の構成図である。本実施の形態の弱め電流指令演算部５は、高周波増幅部５１と減算器５２と補償器５３とで構成されている。弱め電流指令演算部５には、出力電圧値Ｖ_ａと基準電圧値Ｖ_ｂとが入力される。出力電圧値Ｖ_ａは、電力変換器７の出力電圧の大きさに関する値である。出力電圧値Ｖ_ａは、出力電圧値演算部４において、三相電圧指令ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊から（１）式で演算される。

基準電圧値Ｖ_ｂは、基準電圧値演算部３において、電源電圧Ｖ_ｄｃと最大変調率ｋ_ｍａｘとを用いて（２）式で演算される。ここでは、基準電圧値Ｖ_ｂは電源電圧Ｖ_ｄｃによって出力可能な最大電圧に関する値とする。最大変調率ｋ_ｍａｘは、例えばｋ_ｍａｘ＝１とする。ｍは出力可能な最大電圧に対するマージンを示している。また、ｋ_ｍａｘを最大変調率よりも小さい値、例えば０．９に設定しても、最大電圧に対するマージンを与えることができる。

弱め電流指令の演算の段階でＶ_ａ＝Ｖ_ｂに設定すると、微分項および電圧外乱などの影響によってＶ_ａが増加して瞬間的に電圧飽和が発生する場合もある。その場合には、ｍを大きくすればマージンを確保でき、電圧飽和を回避し易くなる。一方で、ｍを大きくし過ぎると過剰な弱め電流を印加することになるという問題もある。ここでは、過剰な弱め電流を印加しないためにｍ＝０とする。電源電圧Ｖ_ｄｃは、電源電圧を検出した値でもよいし、あらかじめ設定した定数でもよい。

弱め電流指令演算部５の高周波増幅部５１には、出力電圧値Ｖ_ａが入力される。高周波増幅部５１は、出力電圧値Ｖ_ａの高周波成分を増幅して補正出力電圧値Ｖ_ａ’を演算する。ここでは、任意の周波数よりも高い周波数帯域において高周波成分を増大するため、高周波増幅部５１を（３）式の位相進みフィルタＦ（ｓ）とする。位相進みフィルタＦ（ｓ）のパラメータω_１、ω_２の関係は、ω_１＞ω_２である。高周波増幅部５１を位相進みフィルタとすることで、複雑な演算および事前のマップ作成を必要とせず、簡易な構成を実現できる。

図４は、位相進みフィルタＦ（ｓ）の周波数特性の一例である。この位相進みフィルタにおいて、定常ゲインは１であり急峻な回転速度変化などによって急峻な電圧変化が生じない場合には従来と同等の性能を得ることができる。一方で、高周波帯域のゲインは増加しているため、急峻な回転速度変化などによって急峻な電圧変化が生じた場合には応答性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、高周波増幅部５１を位相進みフィルタとしたが、高周波成分を増幅できるのであれば別のフィルタであってもよい。例えば、高周波増幅部５１として位相進みフィルタとローパスフィルタとを組み合わせたフィルタを用いることができる。このようなフィルタを用いることで、必要な周波数帯域の高周波成分を増幅しつつ、ノイズが混入する不要な高周波成分を遮断できる。

減算器５２は、基準電圧値Ｖ_ｂから高周波増幅部５１で演算された補正出力電圧値Ｖ_ａ’を減算して電圧偏差ΔＶを演算する。補償器５３は、電圧偏差ΔＶに基づいてｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊を演算する。補償器５３は、積分器またはＰＩ制御器とすることができる。ここでは補償器５３を積分器とし、（４）式で与えられる補償器Ｃ（ｓ）とする。積分ゲインＫ_ｉは、制御応答ω_ｗと永久磁石同期電動機１の回転速度ω_ｍおよびインダクタンスＬから決定される。

補償器５３は、（４）式で与えられる補償器Ｃ（ｓ）を用いて電圧偏差ΔＶに基づいてｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊を演算する。補償器５３で算出されたｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊は弱め磁束制御を行うための弱め電流指令となる。このようにして、弱め電流指令演算部５は、弱め磁束制御を行うための弱め電流指令を演算する。

このように構成された永久磁石同期電動機の制御装置は、弱め電流指令演算部において、基準電圧値と出力電圧値との差分に基づいて高周波成分を増幅した弱め電流指令を演算している。そのため、電圧飽和を回避するための弱め磁束制御を行うことができる。また、この永久磁石同期電動機の制御装置は、弱め電流指令の高周波成分を増幅することで、回転速度が急峻に変化し、出力電圧が急峻に変化したときに弱め電流指令を追従させることができる。また、本実施の形態の永久磁石同期電動機の制御装置は、電源電圧が急峻に変化した場合にも弱め電流指令を追従させることができる。

さらに、本実施の形態の弱め電流指令演算部において、高周波成分を増幅するフィルタとして位相進みフィルタ用いることで、位相進みフィルタで予め設定された周波数よりも高い周波数帯域でゲインが増大するので弱め電流指令の高周波成分を増幅することができ、弱め電流指令の応答性を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１の弱め電流指令演算部は、高周波増幅部で出力電圧値Ｖ_ａの高周波成分を増幅して補正出力電圧値Ｖ_ａ’を演算し、減算器で基準電圧値Ｖ_ｂから補正出力電圧値Ｖ_ａ’を減算して電圧偏差ΔＶを演算していた。実施の形態２の弱め電流指令演算部は、基準電圧値Ｖ_ｂから出力電圧値Ｖ_ａを減算して電圧偏差ΔＶを演算し、この電圧偏差ΔＶの高周波成分を増幅して補正電圧偏差ΔＶ’を演算する。

図５は、本実施の形態に係る弱め電流指令演算部５の構成図である。本実施の形態に係る弱め電流指令演算部５は、実施の形態１の弱め電流指令演算部と同様に、高周波増幅部５１と減算器５２と補償器５３とで構成されている。図５に示すように、本実施の形態の弱め電流指令演算部５においては、減算器５２は基準電圧値Ｖ_ｂから出力電圧値Ｖ_ａを減算して電圧偏差ΔＶを演算する。そして、高周波増幅部５１は、電圧偏差ΔＶの高周波成分を増幅して補正電圧偏差ΔＶ’を演算する。補償器５３は、補正電圧偏差ΔＶ’に基づいてｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊すなわち弱め電流指令を演算する。

このように構成された永久磁石同期電動機の制御装置は、実施の形態１と同様に、基準電圧値と出力電圧値との差分に基づいて高周波成分を増幅した弱め電流指令を演算している。そのため、電圧飽和を回避するための弱め磁束制御を行うことができる。また、この永久磁石同期電動機の制御装置は、弱め電流指令の高周波成分を増幅することで、回転速度が急峻に変化したときに弱め電流指令を追従させることができる。また、本実施の形態の永久磁石同期電動機の制御装置は、電源電圧が急峻に変化したとき、出力電圧が急峻に変化する場合にも弱め電流指令を追従させることができる。

実施の形態３．
実施の形態２の弱め電流指令演算部は、高周波増幅部で電圧偏差ΔＶの高周波成分を増幅して補正電圧偏差ΔＶ’を演算し、補償器で補正電圧偏差ΔＶ’に基づいてｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊すなわち弱め電流指令を演算していた。実施の形態３の弱め電流指令演算部は、補償器で電圧偏差ΔＶに基づいて基本弱め電流指令を演算し、高周波増幅部で基本弱め電流指令の高周波成分を増幅して弱め電流指令を演算する。

図６は、本実施の形態に係る弱め電流指令演算部の構成図である。本実施の形態に係る弱め電流指令演算部５は、実施の形態２の弱め電流指令演算部と同様に、高周波増幅部５１と減算器５２と補償器５３とで構成されている。図６に示すように、本実施の形態の弱め電流指令演算部５において、減算器５２は基準電圧値Ｖ_ｂから出力電圧値Ｖ_ａを減算して電圧偏差ΔＶを演算する。そして、補償器５３は、電圧偏差ΔＶに基づいてｄ軸電流指令ｉ_ｄ０ ^＊すなわち基本弱め電流指令を演算する。高周波増幅部５１は、基本弱め電流指令ｉ_ｄ０ ^＊の高周波成分を増幅してｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊すなわち弱め電流指令を演算する

実施の形態４．
実施の形態２の弱め電流指令演算部は、高周波増幅部で電圧偏差ΔＶの高周波成分を増幅して補正電圧偏差ΔＶ’を演算している。この高周波増幅部は、実施の形態１で説明したとおり、予め設定された周波数よりも高い周波数帯域において高周波成分を増大する位相進みフィルタＦ（ｓ）としていた。実施の形態４の弱め電流指令演算部においては、高周波増幅部をハイパスフィルタと乗算器とで構成したものである。

図７は、本実施の形態に係る弱め電流指令演算部における高周波増幅部の構成図である。なお、本実施の形態の弱め電流指令演算部の構成は、実施の形態２の弱め電流指令演算部の構成と同様である。図７に示すように、本実施の形態の高周波増幅部５１は、ハイパスフィルタ５１１と乗算器５１２とで構成されている。ハイパスフィルタ５１１は、電圧偏差ΔＶの高周波成分ΔＶ_ｈを抽出する。乗算器５１２は、電圧偏差ΔＶにゲインＫ_ｈを乗算して補正電圧偏差ΔＶ’を出力する。この補正電圧偏差ΔＶ’は、電圧偏差ΔＶの高周波成分を増幅したものとなる。ゲインＫ_ｈは、ハイパスフィルタ５１１で演算された電圧偏差の高周波成分ΔＶ_ｈに応じて設定される。通常はＫ_ｈ＝１に設定されており、電圧偏差の高周波成分ΔＶ_ｈが予め設定された閾値以上のときに、Ｋ_ｈ＞１に設定される。本実施の形態の弱め電流指令演算部は、この高周波増幅部５１から出力される補正電圧偏差ΔＶ’に基づいて補償器でｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊すなわち弱め電流指令を演算する。

このように構成された永久磁石同期電動機の制御装置は、実施の形態２と同様に、基準電圧値と出力電圧値との差分に基づいて高周波成分を増幅した弱め電流指令を演算している。そのため、電圧飽和を回避するための弱め磁束制御を行うことができる。また、この永久磁石同期電動機の制御装置は、弱め電流指令の高周波成分を増幅することで、回転速度が急峻に変化したときに弱め電流指令を追従させることができる。また、本実施の形態の永久磁石同期電動機の制御装置は、電源電圧が急峻に変化したとき、出力電圧が急峻に変化する場合にも弱め電流指令を追従させることができる。

なお、本実施の形態においては、高周波増幅部における高周波成分を増幅する手段として可変ゲインを用いている。また、実施の形態２においては、高周波増幅部における高周波成分を増幅する手段としてフィルタを用いている。高周波増幅部における高周波成分を増幅する手段としては、可変ゲインおよびフィルタに限らず、予め設定されたマップなどを用いることもできる。

実施の形態５．
実施の形態５の永久磁石同期電動機の制御装置の構成は、実施の形態１の永久磁石同期電動機の制御装置の構成と同様である。ただし、出力電圧値Ｖ_ａと基準電圧値Ｖ_ｂと弱め電流指令演算部の補償器の積分ゲインＫ_ｉとが異なる。変調率は出力電圧と同様の意味合いをもつため、本実施の形態の永久磁石同期電動機の制御装置においては変調率に基づいて出力電圧値Ｖ_ａおよび基準電圧値Ｖ_ｂを設定している。

基準電圧値Ｖ_ｂは、基準変調率ｋ^＊で与えられる（Ｖ_ｂ＝ｋ^＊）。基準変調率ｋ^＊の値は、最大変調率ｋ_ｍａｘ以下の値に設定される。ここでは電源電圧を最大限に利用するため、ｋ^＊＝ｋ_ｍａｘとする。ｋ_ｍａｘは変調方式によって決まり、ここではｋ_ｍａｘ＝１とする。なお、電源電圧に余裕をもたせたい場合には、ｋ^＊＝ｋ_ｍａｘ×０．９と設定すればよい。

出力電圧値Ｖ_ａは、変調率ｋ_ｒで与えられる（Ｖ_ａ＝ｋ_ｒ）。変調率ｋ_ｒは、三相電圧指令ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊と電源電圧Ｖ_ｄｃとから（５）式および（６）式で演算される。（５）式から演算される変調率ｋ_ｒは、（１）式で演算される出力電圧値を分子に有する。そのため、この変調率は出力電圧と同様の意味合いをもつ。

また、補償器の積分ゲインＫ_ｉは、（７）式で与えられる。なお、電源電圧Ｖ_ｄｃは検出した値でもよいし、予め設定した値でもよい。

このように出力電圧値Ｖ_ａと基準電圧値Ｖ_ｂと積分ゲインＫ_ｉとを設定しても変調率は出力電圧と同様の意味合いをもつことから、実施の形態１と同様に、弱め電流指令の高周波成分を増幅することができる。

実施の形態６．
実施の形態６は、実施の形態１から５で説明した永久磁石同期電動機の制御装置を備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。図８は、本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。図８に示すように、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１００は、ステアリングホイール１０１、ステアリングシャフト１０２、ラックアンドピニオンギヤ１０３、車輪１０４、運転者の操舵を補助する永久磁石同期電動機１、永久磁石同期電動機の制御装置２および運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０５で構成されている。

図８に示す電動パワーステアリング装置１００において、図示しない運転者からステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクは、トルクセンサ１０５のトーションバーおよびステアリングシャフト１０２を通り、ラックアンドピニオンギヤ１０３を介してラックに伝達され、車輪１０４を転舵させる。永久磁石同期電動機１は、永久磁石同期電動機の制御装置２によって駆動され、出力としてアシスト力を発生する。アシスト力はステアリングシャフトに伝達され、操舵時に運転者が加える操舵トルクを軽減する。

永久磁石同期電動機１が出力するアシスト力を調整するためのアシスト電流指令は、永久磁石同期電動機の制御装置２において、トルクセンサ１０５によって検出された運転者の操舵トルクに基づいて算出される。例えば、永久磁石同期電動機の制御装置２は、ｑ軸電流指令を運転者の操舵トルクに比例する値で算出する。つまり、永久磁石同期電動機の制御装置２は、ｑ軸電流指令をアシスト電流指令とする。

このように構成された電動パワーステアリング装置１００においては、運転者の操舵に応じたアシストトルクを永久磁石同期電動機１から得ることができる。また、運転者が急な操舵を行って永久磁石同期電動機１の急峻な回転速度変化が発生した場合でもアシスト電流指令が追従できるのでアシストトルクが低下することはない。その結果、快適に操舵できる電動パワーステアリング装置が実現できる。

上述のように、実施の形態１から５で説明した永久磁石同期電動機の制御装置は、電動パワーステアリング装置に適用された場合にとくに顕著な効果が得られる。他の装置、例えば運搬用ベルトコンベアにおいては、一定の速度での搬送が基本となるため急峻な回転速度変化は発生しない。また、工作機械においては、駆動パターンが予め決められているため、急峻な回転速度変化に合わせてフィードフォワード補償を追加するなどの対策が容易であった。これに対して、従来の電動パワーステアリング装置では、あらかじめ予測できない急な操舵によって急峻な回転速度変化が生じるため、その急峻な回転速度変化に起因するトルク低下を抑制することが困難であった。実施の形態１から５で説明した永久磁石同期電動機の制御装置を電動パワーステアリング装置に適用すれば、予測できない急峻な回転速度変化に起因するトルク低下を抑制することができる。

なお、実施の形態１から５で説明した永久磁石同期電動機の制御装置２は、ハードウェアの一例を図９に示すように、プロセッサ１１１と記憶装置１１２から構成される。記憶装置１１２は、図示していないがランダムアクセスメモリなどの揮発性記憶装置と、フラッシュメモリなどの不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１１１は、記憶装置１１２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１１は、演算結果などのデータを記憶装置１１２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１永久磁石同期電動機、２永久磁石同期電動機の制御装置、３基準電圧値演算部、４出力電圧値演算部、５弱め電流指令演算部、６電圧指令演算部、７電力変換器、１１角度検出器、５１高周波増幅部、５２減算器、５３補償器、６１座標変換部、６２電圧指令生成部、５１１ハイパスフィルタ、５１２乗算器、６２１、６２２減算器、６２３、６２４ＰＩ制御器、１００電動パワーステアリング装置、１０１ステアリングホイール、１０２ステアリングシャフト、１０３ラックアンドピニオンギヤ、１０４車輪、１０５トルクセンサ、１１１プロセッサ、１１２記憶装置。

Claims

電源電圧に基づいて基準電圧値を演算する基準電圧値演算部と、
電圧指令に基づいて出力電圧値を演算する出力電圧値演算部と、
前記基準電圧値および前記出力電圧値に基づいて弱め磁束制御のためのｄ軸電流指令である弱め電流指令を演算する弱め電流指令演算部と、
前記弱め電流指令に基づいて前記電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に基づいて永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器と
を備えた永久磁石同期電動機の制御装置であって、
前記弱め電流指令演算部は、前記基準電圧値と前記出力電圧値との差分に基づいて高周波成分を増幅した前記弱め電流指令を演算することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
前記弱め電流指令演算部は、高周波成分を増幅するフィルタを用いて前記出力電圧値の高周波成分を増幅して補正出力電圧値を演算する高周波増幅部と、前記基準電圧値と前記高周波増幅部で演算された前記補正出力電圧値との差分である電圧偏差を演算する減算器と、前記減算器で演算された前記電圧偏差に基づいて前記弱め電流指令を演算する補償器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
前記弱め電流指令演算部は、前記基準電圧値と前記出力電圧値との差分である電圧偏差を演算する減算器と、高周波成分を増幅するフィルタを用いて前記電圧偏差の高周波成分を増幅して補正電圧偏差を演算する高周波増幅部と、前記高周波増幅部で演算された前記補正電圧偏差に基づいて前記弱め電流指令を演算する補償器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
前記弱め電流指令演算部は、前記基準電圧値と前記出力電圧値との差分である電圧偏差を演算する減算器と、前記電圧偏差に基づいて基本弱め電流指令を演算する補償器と、高周波成分を増幅するフィルタを用いて前記基本弱め電流指令の高周波成分を増幅して前記弱め電流指令を演算する高周波増幅部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
前記高周波成分を増幅するフィルタは、位相進みフィルタであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
前記高周波増幅部は、前記電圧偏差の高周波成分を抽出するハイパスフィルタと、前記電圧偏差に前記ハイパスフィルタで抽出された前記電圧偏差の高周波成分に基づいて設定されるゲインを乗算して補正電圧偏差を出力する乗算器とで構成されたことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
前記基準電圧値演算部は、前記電源電圧から演算した基準変調率を前記基準電圧値とし、前記出力電圧値演算部は、前記電源電圧と前記電圧指令とから演算した変調率を前記出力電圧値とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
運転者の操舵トルクを補助するためのアシストトルクを発生する永久磁石同期電動機と、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の制御装置とを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。