JP2000184773A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温に適応する低価格、低消費電力のモータ
制御装置を提供する。 【解決手段】 ｄ軸電流補正処理では、まず最初に、ス
テップ５１０により、ｄ軸の補正電流ｉｄの値を「ｉｄ
＝ｆ（Ｔ）」に従って決定する。ただし、ｆは温度Ｔよ
りｄ軸補正電流ｉｄを求める関数である。ステップ５２
０では、「Ｉｄ＝ｉｄ^* ＋ｉｄ」に従ってｄ軸の温度Ｔ
に応じた補正後の指令電流Ｉｄを決定する。これによ
り、モータＭを駆動するための指令電流は、０でないｄ
軸成分を持つため、高温時には温度の上昇に伴って弱ま
る永久磁石の磁力（磁束）を補うことが可能となる。こ
の時、電流振幅Ｉ_m は「Ｉ_m ＝（２／３）^1/2 （ｉｑ^*2
＋ｉｄ ² ）^1/2 」により与えられる。従って、「０＜ｉ
ｄ≦Δｉｑ」なる場合には、電流振幅Ｉ_m は従来よりも
小さくなり、モータ制御装置の小型化、低価格化、低消
費電力化が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二相回転磁束座標
系（ｄｑ座標系）で記述され得るベクトル制御により、
モータを制御するモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】モータの温度が常温よりも高くなると、
永久磁石や鉄芯の磁力（磁束）が弱まるため、所望のト
ルクを得られなくなる場合がある。このような問題に対
して対策を講じたモータ制御装置には、例えば、公開特
許公報「特開平１０−６７３３５号：電動パワーステア
リング装置」に記載されたものなどがある。

【０００３】一般に知られている類似の従来技術による
モータ制御装置の制御ブロック・ダイアグラムを図１１
に示す。本従来技術の最も大きな特徴は、制御ブロック
１２１と制御１２２の作用により、ｑ軸電流の指令値ｉ
ｑ^* （ｑ軸の指令電流）をモータの温度に応じて補正す
る点にある。以下、この補正処理をｑ軸電流補正処理と
いう。

【０００４】従来のモータ制御装置（図１１）における
ｑ軸電流補正処理のフローチャートを図１２に示す。本
フローチャートは、図１１の所定のトルク電流変換（制
御ブロック２０７）の処理を実行した後に、サブルーチ
ンとして呼び出され、実行されるものである。

【０００５】本ｑ軸電流補正処理では、まず最初に、図
１１の制御ブロック１２１に相当するステップ１３４に
より、次式（１）を用いて、ｑ軸補正電流（ｑ軸の補正
値）Δｉｑを算出する。

【数１】 Δｉｑ＝Ｆ（Ｔ） …（１） ただし、ここで、ＴはモータＭの温度、Ｆは温度Ｔより
ｑ軸補正電流Δｉｑを求める関数である。ステップ１３
６では、ｑ軸の指令電流ｉｑ^* をΔｉｑだけ増加するこ
とにより、ｑ軸の指令電流ｉｑ^* に対してモータＭの温
度Ｔに応じた補正を行う。本ステップ１３６は、図１１
の制御１２２に相当するものである。

【０００６】図１３に、モータ温度Ｔに対するｑ軸補正
電流Δｉｑのグラフを示す。このように上記の関数Ｆを
適当に定めれば、モータＭの温度上昇により弱まった永
久磁石や鉄芯の磁力を補うことができるので、モータ温
度Ｔが上昇した場合にも、モータＭより所望のトルクを
得ることができる。

【０００７】図１４に、このモータ制御装置の指令電流
のベクトル図（モータ高温時）を示す。本ベクトル図か
ら判るように、上記の補正が行われた際の、モータ駆動
電流の振幅Ｉ_m は、次式（２）によって与えられる。

【数２】 Ｉ_m ＝（２／３）^1/2 （ｉｑ^* ＋Δｉｑ） …（２）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】モータの駆動回路など
のモータ制御装置の部品の規格は、モータの消費電力や
駆動電流の振幅の最大値に大きく依存するため、モータ
制御装置を小型化し、モータ制御装置の生産コストを低
減する上では、モータ駆動電流の振幅Ｉ_m は、より小さ
い方が望ましい。しかしながら、所望のトルクを得るた
めには、式（１）、（２）及び図１３、図１４から判る
ように、モータ駆動電流の振幅Ｉ_m は、モータ温度Ｔに
応じて大きくしなければならず、生産コストの面で問題
となっている。

【０００９】また、モータ駆動電流の振幅Ｉ_m を上記の
ように（１）、（２）に従って大きくした場合、電機子
の抵抗損が増大し、エネルギー効率の上でも問題とな
る。また、電機子の抵抗損が上記のように（１）、
（２）に従って大きくなった場合には、モータ温度Ｔ
が、抵抗損の増加に伴って更に高く成り易くなるため、
更にモータ駆動電流を増大させるという悪循環に陥り易
いという問題が有った。

【００１０】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、モータ温度の上昇に追
随しながら所望のトルクを出力できる、小型で低価格、
低消費電力のモータ制御装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、界磁電流の方向をｄ軸方向に、ｑ軸電流の方向をｑ
軸方向にもつ二相回転磁束座標系で記述され得るベクト
ル制御により、モータを制御するモータ制御装置におい
て、モータの温度を測定又は予測演算する温度検出手段
と、この温度検出手段により検出された温度に応じて、
ｄ軸電流を補正するｄ軸電流補正手段とを備えることで
ある。

【００１２】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、上記の温度が一定値を上回った際にはｄ軸電流
をｄ軸方向の正の向きに補正し、上記の温度が一定値を
下回った際にはｄ軸電流をｄ軸方向の負の向きに補正す
ることである。

【００１３】更に、第３の手段は、上記の第１の手段に
おいて、上記の温度が一定値を上回った際にはｄ軸電流
をｄ軸方向の正の向きに補正し、上記の温度が一定値を
下回った際にはｑ軸電流をｑ軸方向の負の向きに補正す
ることである。以上の手段により、前記の課題を解決す
ることができる。

【００１４】

【作用及び発明の効果】本発明の手段によれば、検出さ
れたモータ又はその永久磁石の温度に応じて、ｄ軸電流
を補正するため、式（２）に示すΔｉｑのように、ｑ軸
補正電流が、直接そのままの形でモータ駆動電流の振幅
Ｉ_m を増加させることがない。従って、本発明の手段を
用いれば、この作用によりモータ駆動電流の振幅Ｉ_mの
増加を後述の式（１０）に示す様に比較的小さく抑制す
ることができるので、モータ温度の上昇に追随しながら
所望のトルクを出力するモータ制御装置の小型化、低価
格化、低消費電力化が実現できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。 （第１実施例）図１に、本発明の第１及び第２実施例に
おけるパワー・ステアリング・システム８０のハードウ
ェア構成図を示す。ステアリングシャフト１０の一端に
は、ステアリングホイール１１が取り付けられ、他端に
はギヤボックス１２に軸承されたピニオン軸１３が結合
されている。ピニオン軸１３は、ギヤボックス１２に嵌
装されたラック軸１４に噛合され、このラック軸１４の
両端は図示していないが、ボールジョイント等を介して
操向車輪に連結されている。また、ステアリングシャフ
ト１０には、アシストトルクを発生するブラシレス直流
モータＭが、歯車１７を介して連結されている。この直
流モータＭには、駆動回路１１３より電流検出器１１５
を介して３相より成るモータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ
が供給されている。

【００１６】更に、ステアリングシャフト１０には、運
転者からステアリングホイール１１に加えられたマニュ
アル操舵力の大きさ及びその方向（操舵トルクτ）を検
出するためのトルク検出器１５及び、ステアリングシャ
フト１０の操舵角φを検出するフォトインタラプタ３０
が設けられている。フォトインタラプタ３０の出力はカ
ウンタ３２に入力され、操舵角φに変換されて出力され
る。この操舵角φは、入力インターフェイス（ＩＦ）１
１４を介してＣＰＵ１１０に入力され、ＣＰＵ１１０の
演算により操舵角速度（ｄφ／ｄｔ）が検出される。

【００１７】モータＭには、モータＭの回転角を検出す
る回転角センサ（エンコーダ）Ｅが設けられており、Ｃ
ＰＵ１１０は、回転角センサＥが出力するモータＭの所
定微小回転角の回転回数ｎを入力することにより、モー
タＭの回転角θを検出する。即ち、この回転回数ｎは、
モータＭが所定方向に回転した際には増加し、その逆方
向に回転した際には減少する。温度センサ１６は、モー
タＭの温度Ｔを検出し、ＣＰＵ１１０に入力インターフ
ェイス（ＩＦ）１１４を介して出力する。

【００１８】モータ制御装置１００は、前記のＣＰＵ１
１０、ＲＯＭ１１１、ＲＡＭ１１２、駆動回路１１３、
入力インターフェイス（ＩＦ）１１４、電流検出器１１
５等から構成されている。駆動回路１１３は、図略のバ
ッテリー、ＰＷＭ変換器、ＰＭＯＳ駆動回路等から構成
され、チョッパ制御により駆動電流を正弦波にしてモー
タＭに電力を供給する。モータ制御装置１００は、上記
の操舵トルクτ、操舵角φ及び、車速計５０により検出
される車両速度ｕを入力インターフェイス（ＩＦ）１１
４を介してＣＰＵ１１０に入力し、これらの入力値から
所定のトルク計算により、モータ温度Ｔに応じた補正を
行う前のｄ軸とｑ軸の各電流指令値（ｉｄ^* ，ｉｑ^* ）
を決定する。

【００１９】本第１実施例におけるモータ制御装置１０
０の制御ブロック・ダイアグラムを図２に、本第１実施
例及び第２実施例におけるベクトル制御処理のゼネラル
・フローチャートを図３にそれぞれ示す。図３は、図２
及び後述の図９の制御ブロック・ダイアグラムの内のソ
フトウェアによって構成されている範囲の各制御ブロッ
クの動作等をその制御処理の実行順序に従って記載した
ものである。

【００２０】このベクトル制御処理（図３）では、まず
最初に、ステップ４０５により初期設定及び初期診断等
の初期処理を実行する。次にステップ４１０では、モー
タＭの駆動制御に必要な物理量の入力を行う。この物理
量とは、操舵トルクτ、操舵角φ、車両速度ｕ、モータ
駆動電流ｉｕ，ｉｖ、モータＭの温度Ｔ、モータＭの所
定微小回転角の回転回数ｎ等である。ステップ４１５で
は、次式（３）に従って、アシスト・トルクの指令値τ
^* を算出する。

【数３】 τ^* ＝Ｇ（τ，ｕ，φ，ｄφ／ｄｔ） …（３） ただし、ここでＧは、所定のトルク計算を実行する関数
である。

【００２１】ステップ４２０では、図２の制御ブロック
２０７に相当するトルク電流変換を次式（４）に従って
実行する。

【数４】 ｉｑ^* ＝ｈ（τ^* ） …（４） ただし、ここでｈは、所定のトルク電流変換を実行する
関数である。

【００２２】ステップ４２５、ステップ４３０では、図
２の制御ブロック２０５に相当する２相変換及びｄｑ変
換を実行する。これにより、ｄ軸及びｑ軸の測定電流
（フィード・バック電流）ｉｄｆ，ｉｑｆが得られる。
ステップ４３５では、図２の制御ブロック２０１、２０
２、即ち、後述のｄ軸電流補正処理（図４）に相当する
指令電流補正を実行する。本発明の最も大きな特徴は、
後述する様に、このステップ４３５のより具体的な実現
方式にある。

【００２３】ステップ４４０では、図２の制御ブロック
２０３、２０４に相当する電流偏差演算を次式（５）に
従って実行する。

【数５】 ΔＩｄ＝Ｉｄ−ｉｄｆ， ΔＩｑ＝Ｉｑ−ｉｑｆ …（５） ただし、ここで、ΔＩｄ，Ｉｄはそれぞれｄ軸の、電流
偏差、及び、ステップ４３５による温度補正後の指令電
流である。これらは、ｑ軸に関しても同様である。

【００２４】ステップ４４５では、図２のＰＩ制御ブロ
ックに相当する所定のＰＩ制御を実行する。ステップ４
５０、ステップ４５５では、図２の制御ブロック２０６
に相当する３相変換及びｄｑ逆変換を実行する。これに
より、ｄ軸及びｑ軸の各指令電圧Ｖｄ^* ，Ｖｑ^* が、
Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対する指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに
それぞれ変換される。ステップ４６０では、チョッパ制
御を実行するためのＰＷＭ信号を駆動回路１１３に対し
て出力する。

【００２５】ステップ４６５では、モータＭの駆動（ベ
クトル制御処理）を終了する条件が成立するか否かの判
定を行う。モータ制御装置１００の故障等が検知された
場合、車両のイグニッションキーがＯＦＦ状態になった
場合等にこの終了条件が成立する。本終了条件が成り立
たない場合には、ステップ４１０に処理を戻し、ステッ
プ４１０以下の処理を繰り返し実行する。

【００２６】図４に、本第１実施例におけるｄ軸電流補
正処理のフローチャートを示す。本ｄ軸電流補正処理
は、図３のステップ４３５に示されるサブルーチンとし
て呼び出されるものである。本ｄ軸電流補正処理では、
まず最初に、図２の制御ブロック２０１に相当するステ
ップ５１０により、ｄ軸の補正電流ｉｄの値を次式
（６）に従って決定する。

【数６】 ｉｄ＝ｆ（Ｔ） …（６） ただし、ここで、ｆは図５に示す温度Ｔよりｄ軸補正電
流ｉｄを求める関数である。

【００２７】図２の制御ブロック２０２に相当するステ
ップ５２０では、次式（７）に従ってｄ軸の温度Ｔに応
じた補正後の指令電流Ｉｄを決定する。

【数７】 Ｉｄ＝ｉｄ^* ＋ｉｄ …（７） これにより、モータＭを駆動するための指令電流は、０
でないｄ軸電流（界磁電流成分）を持ち得るため、高温
時には温度の上昇に伴って弱まる永久磁石や鉄芯の磁力
（磁束）を補うことが可能となる。

【００２８】図６、図７、図８に、上記の処理により補
正された指令電流（Ｉｄ，Ｉｑ）のベクトル図を示す。
図６は、モータ常温時（Ｔ＝Ｔ₀ ）の指令電流（Ｉｄ，
Ｉｑ）のベクトル図である。モータ常温時には、
（６），（７）及び図５より、次式（８）が成り立つた
め、電流振幅Ｉ_m は、次式（９）により与えられる。

【数８】 Ｉｄ＝ｆ（Ｔ₀ ）＝０ …（８）

【数９】 Ｉ_m ＝（２／３）^1/2 ｉｑ^* …（９）

【００２９】また、（６），（７）及び図５より判る様
に、Ｔ≧Ｔ₀ 、或いは、Ｔ＜Ｔ₀ なる一般の場合には、
図７、図８に示す様に、電流振幅Ｉ_m は次式（１０）に
より与えられる。

【数１０】 Ｉ_m ＝（２／３）^1/2 （ｉｑ^*2＋ｉｄ² ）^1/2 …（１０） 従って、次式（１１）の条件が成り立つ場合には、（１
０）により与えられる電流振幅Ｉ_m は、従来技術の
（２）により与えられる電流振幅Ｉ_m よりも小さくな
る。

【数１１】 ０＜ｉｄ≦Δｉｑ …（１１）

【００３０】従って、本第１実施例によれば、（１１）
が成立する範囲において、従来よりもモータ駆動電流の
振幅Ｉ_m のモータ温度上昇による増加を小さく抑制する
ことができる。即ち、本第１実施例によれば、モータ温
度の上昇に追随しながら所望のトルクを出力するモータ
制御装置の小型化、低価格化、低消費電力化が実現でき
る。また、本第１実施例によれば、（６）により、補正
電流を１つの関数ｆで統一的に決定することができると
いう効果も得られる。

【００３１】（第２実施例）上記の第１実施例の図３の
説明でも述べたように、図３のベクトル制御処理のゼネ
ラル・フローチャートは、図９の制御ブロック・ダイア
グラムの内のソフトウェアによって構成されている範囲
の各制御ブロックの動作等をも同時に示しており、本発
明の最も大きな特徴は、この図３のステップ４３５の具
体的な実現方式にある。本第２実施例では、このステッ
プ４３５において、図９の制御ブロック９０１、及び、
制御ブロック９０２、９０３に相当する指令電流補正処
理（図１０）を実行する。

【００３２】図１０に、本第２実施例における指令電流
補正処理のフローチャートを示す。本指令電流補正処理
は、図３のステップ４３５に示されるサブルーチンとし
て呼び出されるものである。

【００３３】本指令電流補正処理では、まず最初に、図
９の制御ブロック９０１に相当する処理を実行する。即
ち、まず最初にステップ１０１により、モータ温度Ｔを
判定し、Ｔ≧Ｔ₀ の場合にはステップ１０３へ、そうで
ない場合にはステップ１０７へ処理を移す。次にステッ
プ１０３では、第１実施例と同様に、ｄ軸の補正電流ｉ
ｄの値を（６）に従って決定する。また、ステップ１０
７では、ｑ軸の補正電流ｉｑの値を次式（１２）に従っ
て決定する。

【数１２】 ｉｑ＝ｇ（Ｔ）＞０ …（１２） ただし、ここで、ｇは温度Ｔよりｑ軸補正電流ｉｑを求
める所定の関数である。

【００３４】以上の制御ブロック９０１に相当する処理
の実行後には、図９の制御ブロック９０２に相当するス
テップ１０５では、（７）に従ってｄ軸の温度Ｔに応じ
た補正後の指令電流Ｉｄを決定する。これにより、高温
時には第１実施例と同様に、温度の上昇に伴って弱まる
永久磁石や鉄芯の磁力（磁束）を補うことが可能とな
る。

【００３５】また、図９の制御ブロック９０３に相当す
るステップ１０９では、次式（１３）に従ってｑ軸の温
度Ｔに応じた補正後の指令電流Ｉｑを決定する。

【数１３】 Ｉｑ＝ｉｑ^* −ｉｑ …（１３） この（１２），（１３）より、Ｔ＜Ｔ₀ なる低温時に
は、補正のために更に電力を消費する必要が無くなり、
第１実施例の図８の方法よりも電流振幅Ｉ_m を小さく抑
えることができることが判る。即ち、本第２実施例によ
れば低温時には、消費電力を軽減できるという効果が得
られる。

【００３６】尚、上記の実施例においては、モータＭに
はブラシレス直流モータを用いているが、本発明は、交
流同期モータのモータ制御装置に適用することも可能で
ある。

【００３７】また、上記の実施例においては、モータＭ
は３相の電流により駆動されているが、本発明は、Ｎ相
モータ（Ｎ≧２）のモータ制御装置にも適用することが
できる。

【００３８】また、本発明は、パワー・ステアリング・
システムに限らず、切削機、研削盤、ＥＨＰＳ、マニュ
ピュレータなどに用いられるモータ制御装置にも適用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及び第２実施例におけるパワー・
ステアリング・システム８０のハードウェア構成図。

【図２】本発明の第１実施例におけるモータ制御装置１
００の制御ブロック・ダイアグラム。

【図３】本発明の第１及び第２実施例におけるベクトル
制御処理のゼネラル・フローチャート。

【図４】本発明の第１実施例におけるｄ軸電流補正処理
のフローチャート。

【図５】本発明の第１実施例におけるモータ温度に対す
るｄ軸補正電流のグラフ。

【図６】本発明の第１実施例における指令電流のベクト
ル図（モータ常温時）。

【図７】本発明の第１実施例における指令電流のベクト
ル図（モータ高温時）。

【図８】本発明の第１実施例における指令電流のベクト
ル図（モータ低温時）。

【図９】本発明の第２実施例におけるモータ制御装置１
００の制御ブロック・ダイアグラム。

【図１０】本発明の第２実施例における指令電流補正処
理のフローチャート。

【図１１】従来のモータ制御装置の制御ブロック・ダイ
アグラム。

【図１２】従来のモータ制御装置のｑ軸電流補正処理の
フローチャート。

【図１３】従来のモータ制御装置のモータ温度に対する
ｑ軸補正電流のグラフ。

【図１４】従来のモータ制御装置の指令電流のベクトル
図（モータ高温時）。

【符号の説明】

Ｍ … ブラシレス直流モータ Ｅ … 回転センサ（エンコーダ） １５ … トルク検出器 １６ … 温度センサ １００ … モータ制御装置 １１３ … 駆動回路 Ｔ … モータＭの温度 ｎ … モータＭのロータの微小回転回数 θ … モータＭのロータの回転角 τ … 操舵トルク φ … 操舵角 ｕ … 車両速度 ｉｄ^* … 補正前のｄ軸の指令電流 ｉｑ^* … 補正前のｑ軸の指令電流 ｉｄ … ｄ軸の補正電流 ｉｑ … ｑ軸の補正電流 Ｉｄ … 補正後のｄ軸の指令電流 Ｉｑ … 補正後のｑ軸の指令電流 ｉｄｆ … ｄ軸の測定電流（フィード・バック電流） ｉｑｆ … ｑ軸の測定電流（フィード・バック電流） ΔＩｄ … ｄ軸の電流偏差 ΔＩｑ … ｑ軸の電流偏差 Δｉｑ … 従来技術におけるｑ軸の補正電流 ｆ … 温度Ｔよりｄ軸補正電流ｉｄを求める関数 ｇ … 温度Ｔよりｑ軸補正電流ｉｑを求める関数

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Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 界磁電流の方向をｄ軸方向に、このｄ軸
   と直交する方向をｑ軸方向にもつ二相回転磁束座標系で
   記述され得るベクトル制御により、モータを制御するモ
   ータ制御装置において、 前記モータの温度を測定又は予測演算する温度検出手段
   と、 前記温度検出手段により検出された前記温度に応じて、
   電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流を補正するｄ軸電
   流補正手段とを有することを特徴とするモータ制御装
   置。
2. 【請求項２】 前記温度が一定値を上回った際には、前
   記ｄ軸電流を前記ｄ軸方向の正の向きに補正し、 前記温度が一定値を下回った際には、前記ｄ軸電流を前
   記ｄ軸方向の負の向きに補正することを特徴とする請求
   項１に記載のモータ制御装置。
3. 【請求項３】 前記温度が一定値を上回った際には、前
   記ｄ軸電流を前記ｄ軸方向の正の向きに補正し、 前記温度が一定値を下回った際には、ｑ軸電流を前記ｑ
   軸方向の負の向きに補正することを特徴とする請求項１
   に記載のモータ制御装置。