JP2002010674A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出された回転角の値が正しいか否かを判定
する手段を提供し、回転角センサの出力値が異常な場合
の緊急処置実行手段を提供する。 【解決手段】 ｄ軸とｑ軸の各電流指令値（ｉｄ^* ，Ｒ
ｉｑ^* ）は、車速や操舵トルク等の関数であるトルク指
令値に基づき決定される。ただし、Ｒはトルク電流ｉｑ
^* の係数で、平常時にはＲ＝１，ｉｄ^* ＝０である。制
御ブロック２１０（角度検出）では、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累計数ｎを入力
し、モータＭの電気角θを算出する。制御ブロック５０
０（異常検出処理）では、回転角センサＥの検知したモ
ータＭの電気角θが上記のフェーズ検出手段の検知した
角度領域（適正範囲）上に位置するか否か、即ち、出力
信号間の整合性を判定する。異常が検知された場合に
は、制御ブロック５５０（異常処理）により、モータＭ
を停止するなどの所定の緊急処置が即座に実行される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンコーダ等の回
転角検出手段を有するモータ制御装置における回転角検
出手段の異常検出と、この検出された異常状態に対する
異常処理手段に関する。また、本発明は、例えば、自動
車のパワー・ステアリング・シャフト又はパワー・ステ
アリング・ギヤに対して直接又は間接的にアシスト・ト
ルクを与えるモータの制御等に大いに有用である。

【０００２】

【従来の技術】図８に、従来のモータ制御装置の制御ブ
ロック・ダイアグラムを示す。本制御ブロック・ダイア
グラムは、ブラシレスモータの駆動回路を制御して、モ
ータＭに所望の電力（略正弦波の駆動電流）を供給する
ためのものであり、一般に広く用いられている。本図８
の「トルク指令」の指令値は、図略の各センサより入力
される所定の各物理量に基づいた所定のトルク演算によ
り決定されるものである。

【０００３】例えば、本図８に示す様に、従来のモータ
制御装置においては、異常検出手段が装備されていなか
った。即ち、これら従来のモータ制御装置においては、
ブラシレス直流モータ等の電気角θを測定する回転角セ
ンサＥ（例：エンコーダ等）の出力値の異常（例：適正
範囲例外等）を検出するための手段が装備されていなか
った。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、例えば、自
動車の電動パワーステアリングシステム等においては、
「ブラシレス直流モータの回転角を感知するエンコーダ
の出力値が、関連回路や関連線路の断線、短絡等の要因
により誤っていた場合に、例えば、ハンドルの操作安定
性が損なわれる」等の恐れが懸念される。

【０００５】また、これらの不具合、不都合、不便等が
生じる状況は、例えば、交流同期モータやＮ相モータ
（Ｎ≧２）のモータ制御装置等においても同様に考える
ことができる。また、これらの不具合、不都合、不便等
が生じる状況は、パワー・ステアリング・システムに限
らず、例えば、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等においても同
様に考えることができる。

【０００６】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、エンコーダ等によりモ
ータの回転角を検出する回転角検出手段を有するモータ
制御装置において、検出された回転角の値が正しいか否
かを判定する手段を提供することであり、更には、出力
値（回転角の値）の異常時の対処手段を提供することで
ある。

【０００７】

【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、エンコーダ等によりモータの回転角を検出する回転
角検出手段を有するモータ制御装置において、回転角を
角度領域単位に段階的に検出する、ホール素子又は光電
素子等からなるフェーズ検出手段と、フェーズ検出手段
の出力値と回転角検出手段の出力値との間の整合性を判
定する整合性判定手段と、この整合性に関する異常が検
知された時に実行される異常処理手段とを備えることで
ある。

【０００８】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、整合性に関する判定を一時的に保留する判定保
留手段と、整合性に関する異常がノイズ等の一時的な要
因による一過性の異常なのか、或いは断線、短絡等によ
る持続的な異常なのかを判別する一過性判定手段とを備
えることである。

【０００９】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段の異常処理手段において、モータの回転、モータ
の制御又はモータへの給電を停止するモータ停止処理手
段を備えることである。

【００１０】更に、第４の手段は、上記の第１乃至第３
の何れか１つの手段において、上記のモータを自動車の
パワー・ステアリング・シャフト又はパワー・ステアリ
ング・ギヤに対して直接又は間接的にアシスト・トルク
を与えるモータとし、上記の異常処理手段に、音声、ラ
ンプ、アラーム、又は、画面表示などにより、運転者に
対して異常を警告する異常警告手段を備えることであ
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。

【００１１】

【作用及び発明の効果】フェーズ検出手段の出力値に基
づいて、回転角検出手段の出力値の適正範囲を限定する
ことが可能になる。したがって、フェーズ検出手段の出
力値と回転角検出手段の出力値との間の整合性を判定す
ることにより、回転角検出手段（エンコーダ等）の出力
値の異常を検出することが可能になる。

【００１２】また、これらの異常が例えば短絡や断線等
による継続的な異常であれば、異常（不整合）と判断さ
れた状態も継続的に検出されることになる。したがっ
て、この状態の継続性をも判定する手段（上記の一過性
判定手段）を更に設ければ、検出された異常が一過性の
ものか否かを判定することも可能となる。

【００１３】従って、本発明の手段によれば、例えば、
自動車の電動パワーステアリングシステムにおいて、モ
ータの回転角検出手段（或いは、フェーズ検出手段）の
異常（故障）が検出された際には、所定の異常処理手段
により、パワーステアリングモータを停止したり、警報
音を鳴らしたり、所定のパイロットランプを点灯させた
り、或いは、パワーステアリングモードからマニュアル
ステアリングモードへ制御を移行させたりすることがで
きる。また、これにより、自動車の運転者は、エンコー
ダ等の故障時にも、マニュアルステアリングによる一定
の操舵安定性を得ることが可能となる。

【００１４】

【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。ただし、本発明は以下に示す実施例
に限定されるものではない。図１は、本実施例における
電動パワーステアリングシステム８０のハードウェア構
成図である。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。

【００１５】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（以下、単に「モータＭ」という）が、歯車１
７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Ｕ，Ｖ，Ｗ
の３相に対する各モータ駆動電流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Θ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Θに変換されて出力され
る。この操舵角Θ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（ｄΘ／ｄｔ）が検出される。

【００１７】また、モータ制御装置１００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、ＣＰＵ１１０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、
回転角センサＥはこの回転回数ｎをカウントする図略の
カウンタを内蔵しており、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。

【００１８】モータＭには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力値
を検出するホール素子がそれぞれ設けられており、出力
部のみが図示されているフェーズ検出装置１６は、上記
３相に各々対応する上記ホール素子の出力値ｕ，ｖ，ｗ
を検出／増幅し、入力インターフェイス（ＩＦ）１１４
を介してＣＰＵ１１０に出力する。

【００１９】モータ制御装置１００は、ＣＰＵ１１０、
ＲＯＭ１１１、ＲＡＭ１１２、駆動回路１１３、入力イ
ンターフェイス（ＩＦ）１１４、電流検出器１１５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。

【００２０】更に、モータ制御装置１００は、上記の操
舵トルクτ、操舵角Θ及び、車速計５０により検出され
る車両速度ｃを入力インターフェイス（ＩＦ）１１４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、「トルク指令」の指令値を決定す
る。

【００２１】図２は、本実施例におけるモータ制御装置
１００の制御ブロック・ダイアグラムである。ｄ軸とｑ
軸の各電流指令値（ｉｄ^* ，Ｒｉｑ^* ）は、上記の「ト
ルク指令」の指令値に基づいて決定される。ただし、こ
こで、Ｒはトルク電流ｉｑ^*の係数で、以下、トルク電
流調整係数という場合がある。平常時には、Ｒ＝１，ｉ
ｄ^* ＝０である。制御ブロック２１０（角度検出）で
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を入力し、モータＭの回転角（電気角）
θ〔度〕を算出する。

【００２２】制御ブロック５００（異常検出処理）で
は、後述する図３に示す異常検出処理を実行する。制御
ブロック５５０（異常処理）では、制御ブロック５００
により異常が検出された際に、例えば、後から詳細を例
示するモータ停止処理（図７）を異常処理として実行す
る。

【００２３】この様に本発明の最も大きな特徴は、制御
ブロック５００（異常検出処理）により、回転角センサ
Ｅの検知したモータＭの電気角θが上記のフェーズ検出
手段の検知した角度領域（適正範囲）上に位置するかを
判定し、異常が検知された場合には、異常処理として、
制御ブロック５５０（例：モータ停止処理（図７））に
より、モータＭを停止するなどの緊急処置を即座に実行
するところにある。

【００２４】図３に、電気角θに対するＵ相、Ｖ相、Ｗ
相の各ホール素子の出力値ｕ，ｖ，ｗのグラフ（ａ）、
及び、角度領域信号Ｓの定義表（ｂ）を示す。上記の従
来技術においては、例えば、「Ｓ＝４」の場合には、
「９０≦θ≦１５０」ならば正常であると判断し、そう
でない場合には、回転角センサＥが異常であると判断し
て所定の異常処理（図２の制御ブロック５５０のモータ
停止処理）を行う。

【００２５】ただし、これらの角度領域（θの適正範
囲）は、フェーズ検出手段（フェーズ検出装置１６）の
構成によっては、安全定数δ分だけ上下に拡大される場
合がある。図４に、本実施例における整合性判定基準表
を例示する。本表は図３に基づいて角度領域信号Ｓに対
する電気角θの適正範囲を示したものである。ただし、
ここで、安全定数δはフェーズ検出装置１６と回転角セ
ンサ（エンコーダ）Ｅとの間の同期をとる初期設定の際
に生じる設定誤差等を含んだ量（角度）である。例え
ば、この安全定数δは、以下の様にして決定される。

【数１】 δ＝（ホール素子のヒステリシス誤差） ＋（組み付け公差）＋（マージン） …（１） ただし、光電素子でフェーズ検出装置を構成する場合に
は、「ホール素子のヒステリシス誤差」の項は必要な
い。

【００２６】図５は、本実施例における整合性判定処理
のフローチャートである。この整合性判定処理は、上記
の判定基準（図４）に従って、フェーズ検出装置１６
（フェーズ検出手段）の出力値とエンコーダＥ（回転角
検出手段）の出力値との間の整合性を判定するもの（整
合性判定手段）であり、図２の異常検出処理５００に相
当する処理を実行するものである。

【００２７】本整合性判定処理では、まず最初に、ステ
ップ１２０により、角度検出処理２１０（図２）より電
気角θを入力し、更に、フェーズ検出装置１６より出力
信号ｕ，ｖ，ｗを各々入力する。

【００２８】ステップ１２５では、図３で定義した角度
領域信号Ｓの値を次式（２）に従って算出する。

【数２】 Ｓ＝４ｕ＋２ｖ＋ｗ …（２）

【００２９】ステップ１３０では、Ｓ＝１の時ステップ
１３４へ、そうでなければステップ１４０へ処理を移
す。ステップ１３４では、次式（３）が成り立てばステ
ップ１３６へ、そうでなければステップ１４０へ処理を
移す。

【数３】 ３３０°−δ＜θ＜３６０° …（３）

【００３０】ステップ１３６では、次式（４）に従っ
て、電気角θを設定し直す。

【数４】 θ＝θ−３６０° …（４）

【００３１】ステップ１４０では、角度領域信号Ｓの値
が０または７の場合には、ステップ１５５へ、そうでな
ければステップ１４５へ処理を移す。この判定により、
フェーズ検出装置１６が規格外の信号を出力した場合に
も、ステップ１５５が実行されることになる。

【００３２】ステップ１４５では、次式（５）に従っ
て、θが適正範囲に有るか否かを判定し、適正な場合に
はステップ１５０へ、そうでなければステップ１５５へ
処理を移す。ただし、ここで、配列Ｃ（Ｓ）の値には、
図６の定義表によって定義された値を使用する。

【数５】 Ｃ（Ｓ）−δ＜θ＜Ｃ（Ｓ）＋６０°＋δ …（５）

【００３３】ステップ１５０では、変数ｊの値を０にリ
セットする。この操作により、今まで保留されていた異
常の有無の判定が、「正常状態」に復帰される。尚、こ
の変数ｊのシステム立ち上げ時の値（初期値）は０であ
る。

【００３４】ステップ１５５では、変数ｊの値を１だけ
増加させる。これら操作により、整合性等の異常の有無
の判定が一旦保留される（判定保留手段）。

【００３５】ステップ１６０では、変数ｊの値が所定の
定数（任意の自然数Ｊ）以上の値であればステップ１７
０へ処理を移し、そうでなければ呼出元に制御（処理）
を戻す。これにより、本発明の「一過性判定手段」が実
現される。例えば、ステップ１２０以下の「整合性判定
処理」を５ｍｓ毎に呼び出して実行する場合、Ｊの値は
例えば４程度が良い。これは、ノイズ（不測の電磁波や
静電気）等の一時的な外乱要因により、出力信号間に不
整合が発生した場合、最大十数ミリ秒程度までは、その
ノイズ等による攪乱状態が維持される場合があり得るた
めである。

【００３６】また、この様な不整合の状態が、２０ｍｓ
以上継続された場合には、短絡や断線等により、回転角
センサ若しくはフェーズ検出器が故障したものと判断す
ることが望ましい。即ち、上記の定数Ｊの値は、「整合
性判定処理」を実行する間隔（周期）や、発生する可能
性が懸念されるノイズの占拠可能な継続時間等から逆算
して最適化することができる。

【００３７】尚、上記の様な不測の電磁波や静電気等に
よりノイズが発生する恐れが無い場合には、Ｊの値を１
にしておくと良い。この様な設定によれば、判定は保留
されず、ステップ１５５が一度実行された直後に、ステ
ップ１６０とステップ１７０が実行される。即ち、この
様な場合には、不整合等の例外が発生した段階で、即座
に異常処理が実行される。ただし、ノイズが発生する恐
れが無い場合とは、静電気に対する確実なアース線路が
確保されている場合や、導体により回転角センサやフェ
ーズ検出器が包囲されていて、不測の電磁波の影響が十
分阻止できている場合等のことを言う。

【００３８】ステップ１７０では、詳細後述の異常処理
（モータ停止処理：図７）を実行するサブルーチンを呼
び出す。この異常処理は、図２の制御ブロック５５０
（異常処理）に相当する処理である。

【００３９】以上の処理により、図４に例示される判定
基準に従って、出力信号の整合性等の判定を実行するこ
とができる。以下、上記の処理により異常状態が検出さ
れた際の、異常処理について説明する。

【００４０】図７は、本実施例におけるモータ停止処理
（制御ブロック５５０）のフローチャートである。この
様に制御ブロック５５０（図２）の異常処理を具現・実
行する本「モータ停止処理」では、まず最初にトルク電
流ｉｑ^* の係数であるトルク電流調整係数Ｒを０にし
（ステップ１７２）、次に、モータＭの駆動電源をＯＦ
Ｆ状態にし（ステップ１７５）、更には、所定の警告ラ
ンプを点灯（ステップ１７８）する等の緊急処置を実行
する。これらの諸制御により、マニュアルステアリング
モードへの移行制御が実現され、これにより、自動車の
運転者は、エンコーダ等の故障時にも、マニュアルステ
アリングによる一定の操舵安定性を得ることが可能とな
る。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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】本発明の実施例における電動パワーステアリン
グシステム８０のハードウェア構成図。

【図２】本発明の実施例におけるモータ制御装置１００
の制御ブロック・ダイアグラム。

【図３】本発明の実施例におけるフェーズ検出装置１６
の（ａ）電気角θに対する各ホール素子の出力値ｕ，
ｖ，ｗのグラフ、及び、（ｂ）角度領域信号Ｓの定義
表。

【図４】本発明の実施例における整合性判定基準表。

【図５】本発明の実施例における整合性判定処理のフロ
ーチャート。

【図６】本発明の実施例における配列Ｃ（Ｓ）の定義
表。

【図７】本発明の実施例におけるモータ停止処理のフロ
ーチャート。

【図８】従来のモータ制御装置の制御ブロック・ダイア
グラム。

【符号の説明】

Ｍ … ブラシレス直流モータ Ｅ … 回転角センサ（エンコーダ） １０ … ステアリングシャフト １５ … トルク検出器 １６ … フェーズ検出装置 ８０ … 電動パワーステアリングシステム １００ … モータ制御装置 １１３ … 駆動回路 ５００ … 異常検出処理の制御ブロック 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（電気角） τ … 操舵トルク Θ … 操舵角 ｃ … 車両速度 ｉｄ^* … ｄ軸の指令電流 ｉｑ^* … 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 Ｓ … 角度領域信号 ｕ … Ｕ相のホール素子の出力値 ｖ … Ｖ相のホール素子の出力値 ｗ … Ｗ相のホール素子の出力値 Ｒ … トルク電流調整係数

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンコーダ等によりモータの回転角を検
   出する回転角検出手段を有するモータ制御装置におい
   て、 前記回転角を角度領域単位に段階的に検出する、ホール
   素子又は光電素子等からなるフェーズ検出手段と、 前記フェーズ検出手段の出力値と前記回転角検出手段の
   出力値との間の整合性を判定する整合性判定手段と、 前記整合性に関する異常が検知された時に実行される異
   常処理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】 前記整合性に関する前記判定を一時的に
   保留する判定保留手段と、 前記整合性に関する前記異常が、ノイズ等の一時的な要
   因による一過性の異常なのか、或いは、断線、短絡等に
   よる持続的な異常なのかを判別する一過性判定手段とを
   有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】 前記異常処理手段は、 前記モータの回転、前記モータの制御又は前記モータへ
   の給電を停止するモータ停止処理手段を有することを特
   徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装
   置。
4. 【請求項４】 前記モータは、自動車のパワー・ステア
   リング・シャフト又はパワー・ステアリング・ギヤに対
   して直接又は間接的にアシスト・トルクを与えるモータ
   であり、 前記異常処理手段は、音声、ランプ、アラーム、又は、
   画面表示などにより、運転者に対して異常を警告する異
   常警告手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求
   項３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。