JP2004364460A

JP2004364460A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2004364460A
Application number: JP2003162741A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Shinojima; 靖篠島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】本発明は、モータ制御装置に関し、レゾルバ出力にインバータ回路のスイッチングノイズが重畳する場合にも、そのレゾルバ出力に基づいてモータ回転角を正確に検出することを目的とする。
【解決手段】モータ１２の回転角θに応じた信号を出力するレゾルバ４４と、レゾルバ４４の出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部５４と、Ａ／Ｄ変換部５４でＡ／Ｄ変換された結果得られるディジタル値に基づいて回転角θを演算する演算部５６と、を設け、演算部５６で演算・検出される回転角θに従ってインバータ回路２６を所定のスイッチング周期でスイッチングし、モータ１２を駆動する。この際、Ａ／Ｄ変換部５４においてレゾルバ出力をＡ／Ｄサンプリングするサンプリング周期Ｔ２と、インバータ回路２６におけるスイッチングのスイッチング周期Ｔ１とを同調させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御装置に係り、特に、レゾルバを用いて回転角を検出し、その回転角に従ってインバータ回路によりモータをスイッチング駆動するモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レゾルバを用いてモータの回転角を検出し、その回転角に従ってインバータ回路によりモータをスイッチング駆動するモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。レゾルバは、モータの回転角に応じたアナログ信号を出力する。上記従来のモータ制御装置においては、レゾルバの出力信号がアナログからディジタルにＡ／Ｄ変換され、そのＡ／Ｄ変換された値に基づいてモータの回転角が検出される。そして、検出された回転角に基づいて最適な電流がモータに供給されるようにインバータがスイッチング駆動され、モータの駆動が行われる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８４８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インバータは一般にスイッチングノイズを発生するため、レゾルバの出力信号にインバータのスイッチングノイズが重畳することがある。かかるノイズの重畳が生ずる状況において、レゾルバ出力のＡ／Ｄ変換を行うサンプリングがインバータのスイッチング周期と無関係に行われるものとすると、そのサンプリング値に対してノイズの影響が現れ易くなる。このため、かかる構成では、モータの検出回転角と実際の回転角との間に誤差が生じ、モータ回転角を正確に検出することができず、その結果として、モータ制御の精度が低下する不都合が生ずる。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、レゾルバ出力にインバータ回路のスイッチングによるノイズが重畳する場合にも、そのレゾルバの出力信号に基づくモータ回転角の検出を精度よく行うことが可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、請求項１に記載する如く、モータの回転角に応じたアナログ信号を出力するレゾルバと、該レゾルバの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された値に基づいて前記回転角を検出する回転角検出手段と、該回転角検出手段で検出された前記回転角に基づいて前記モータを駆動すべくスイッチングされるインバータ回路と、を備えるモータ制御装置であって、
前記Ａ／Ｄ変換部におけるＡ／Ｄ変換のサンプリング周期と前記インバータ回路におけるスイッチングのスイッチング周期とを同調させたモータ制御装置により達成される。
【０００７】
本発明において、Ａ／Ｄ変換部におけるレゾルバ出力のＡ／Ｄ変換のサンプリング周期とインバータ回路におけるスイッチングのスイッチング周期とは同調される。インバータ回路は、そのスイッチング周期でノイズを発生する。従って、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周期をインバータ回路のスイッチング周期に一致或いはその整数倍にすることとすれば、レゾルバ出力にインバータ回路のスイッチングによるノイズが重畳する状況において、そのレゾルバ出力のＡ／Ｄサンプリングがそのノイズ重畳部分について行われた場合にも、次回のＡ／Ｄサンプリングもノイズ重畳部分について行われ、その状態が継続することとなる。インバータ回路によるスイッチングノイズの大きさは各タイミングでほぼ一致する。このため、モータの回転角を検出するうえで、レゾルバ出力に重畳するインバータ回路によるスイッチングノイズの影響は除去される。従って、本発明によれば、レゾルバ出力にインバータ回路のスイッチングノイズが重畳する場合にも、そのレゾルバの出力信号に基づいてモータの回転角を正確に検出することができる。
【０００８】
この場合、請求項２に記載する如く、請求項１記載のモータ制御装置において、前記サンプリング周期が前記スイッチング周期の整数倍であることとすればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例であるモータ制御装置１０のシステム構成図である。本実施例のモータ制御装置１０は、車両を運転する運転者のステアリング操作負担を軽減すべく、モータを用いて電気的に操舵に必要な操舵トルクをアシストする電動パワーステアリング装置に採用される装置である。
【００１０】
モータ制御装置１０は、モータ１２を備えている。モータ１２は、三相交流のブラシレスモータである。モータ１２は、ステアリング装置のラック１４を覆う車体側のハウジングに固定されたステータ１６と、ラック１４に係合しハウジングにベアリングを介して回転可能に支持されたロータ１８と、を有している。ステータ１６は、コイルとコアとにより構成されている。また、ロータ１８には、マグネットが取り付けられている。ステアリング装置のラック１４は、運転者のステアリング操作によるステアリングシャフト１９の回転以外に、ステータ１６の励磁によるロータ１８の回転により車幅方向に沿って長手方向に変位する。すなわち、モータ１２は、その回転駆動によりラック１４を車幅方向に沿って変位させるアシストトルクを発生し、車輪を転舵させるうえでの運転者のステアリング操作をアシストする。
【００１１】
モータ制御装置１０は、また、モータ１２の駆動を制御する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）２０を備えている。ステアリングシャフト１９には、トルクセンサ２２が配設されている。トルクセンサ２２は、運転者によるステアリング操作によりステアリングホイールに加わる操舵トルクに応じた信号を出力する。トルクセンサ２２の出力信号は、ＥＣＵ２０に供給されている。ＥＣＵ２０は、トルクセンサ２２の出力信号に基づいてステアリングホイールに加わる操舵トルクを検出する。
【００１２】
図２は、本実施例においてモータ１２を駆動する駆動回路の構成図を示す。ＥＣＵ２０は、バッテリ２４を電源としてモータ１２のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に電力を供給するインバータ回路２６を有している。インバータ回路２６は、モータ１２の各相にそれぞれ対応して、電源側に接続されるパワースイッチング素子３０と接地側に接続されるパワースイッチング素子３２とを直列接続した構成を有している。インバータ回路２６の合計６個のスイッチング素子は、それぞれ例えばＭＯＳ型のトランジスタであり、三相ブリッジの構成により接続されている。
【００１３】
インバータ回路２６の各パワースイッチング素子はそれぞれ、ＥＣＵ２０の有する後述のＰＷＭ指令部の指令に従って所定のスイッチング周期Ｔ１でＰＷＭ駆動され、モータ１２に電圧を印加する。一対の電源側パワースイッチング素子３０と接地側パワースイッチング素子３２とは、所定のスイッチング周期Ｔ１で交互にオンされる。モータ各相において、電源側のパワースイッチング素子３０がオンされかつ接地側のパワースイッチング素子３２がオフされると、インバータ回路２６の電源側からモータ１２へ向けて電流が流れる。また、電源側のパワースイッチング素子３０がオンされかつ接地側のパワースイッチング素子３２がオフされると、モータ１２からインバータ回路２６の接地側へ向けて電流が流れる。インバータ回路２６は、モータ１２に流れる電流がモータ１２の回転角（電気角）θに対して正弦波状となるようにオン・オフ（スイッチング）される。尚、パワースイッチング素子３０，３２は、各相間において互いに１２０°ずつ位相がずれてオン・オフされる。
【００１４】
図１に示す如く、ＥＣＵ２０は、また、電流検出回路３８〜４２を有している。電流検出回路３８〜４２は、モータ１２の各相に対応してインバータ回路２６とモータ１２のＵ相，Ｖ相，Ｗ相との間の電流経路に設けられている。電流検出回路３８〜４２はそれぞれ、自己の相に実際に流れる電流量、すなわち、インバータ回路２６とモータ１２との間に流れる電流量ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに応じた信号を出力する。
【００１５】
図３は、本実施例においてモータ１２の回転角θを検出するために設けられたレゾルバの原理構成図を示す。モータ１２には、モータ１２の回転角を検出するための回転角センサとして機能するレゾルバ４４が配設されている。レゾルバ４４は、モータ１２のステータ１６に設けられた一次巻線４６と、ロータ１８に設けられた２個の二次巻線４８，５０と、を有している。二次巻線４８と５０とは、互いに９０°だけ位相がずれて配置されている。一次巻線４６には、ｓｉｎωｔの励磁信号が入力される。また、二次巻線４８，５０からは、互いに９０°だけ位相のずれた、モータ１２の回転角θに応じて振幅変調されたＡ_０・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθの信号およびＡ_０・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθの信号が出力される。すなわち、レゾルバ４４は、モータ１２におけるステータ１６に対するロータ１８の回転角θに応じた正弦波状のアナログ信号を出力する。
【００１６】
レゾルバ４４には、ＥＣＵ２０の有する回転角検出部５２が接続されている。回転角検出部５２には、レゾルバ４４の出力信号Ａ_０・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ及びＡ_０・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθがそれぞれ供給される。回転角検出部５２は、レゾルバ４４の出力信号をそれぞれアナログからディジタルへ変換するＡ／Ｄ変換部５４と、Ａ／Ｄ変換部５４でＡ／Ｄ変換された結果得られたディジタル値に基づいてモータ１２の回転角θを演算する演算部５６と、を有している。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換部５４は、レゾルバ４４の出力信号を所定のサンプリング周期Ｔ２でサンプリングする。このＡ／Ｄ変換のサンプリング周期Ｔ２は、インバータ回路２６のスイッチング周期Ｔ１に同調している（Ｔ２＝Ｂ・Ｔ１；但し、Ｂは“１”以上の整数値）。演算部５６は、Ａ／Ｄ変換部５４でＡ／Ｄ変換されたディジタル値から振幅Ａ_０・ｓｉｎθ及び振幅Ａ_０・ｃｏｓθを求めて、振幅Ａ_０・ｓｉｎθの大きさと振幅Ａ_０・ｃｏｓθの大きさとの関係からモータ１２の回転角θを演算する。
【００１８】
図１に示す如く、電流検出回路３８〜４２及び回転角検出部５２には、三相−二相変換回路５８が接続されている。三相−二相変換回路５８には、電流検出回路３８〜４２の各出力信号及び回転角検出部５２の演算部５６の出力信号が供給される。三相−二相変換回路５８は、三相モータ１２の制御方式の簡素化を図るべく、供給されるモータ１２の三相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、そのモータ１２の回転角θに応じた互いに直交する二相のｄ軸電流（磁化電流）ｉｄ及びｑ軸電流（トルク電流）ｉｑに座標変換（ｄｑ変換）する処理を実行する。
【００１９】
ＥＣＵ２０は、アシスト電流演算部５９を有している。アシスト電流演算部５９には、トルクセンサ２２から運転者のステアリング操作による操舵トルクの情報が供給される。アシスト電流演算部５９は、トルクセンサ２２を用いて検出される操舵トルクに基づいて、その操舵トルクに応じたラック１４に付与すべきアシストトルクを演算し、そのアシスト力をラック１４に付与するのに必要なモータ１２に供給すべき目標のｑ軸電流ｉｑ＊及び目標のｄ軸電流ｉｄ＊を演算する。
【００２０】
アシスト電流演算部５９及び三相−二相変換回路５８には、電流フィードバック演算部６０が接続されている。アシスト電流演算部５９の出力信号及び三相−二相変換回路５９の出力信号は共に、電流フィードバック演算部６０に供給される。電流フィードバック演算部６０は、ｑ軸電流の目標値と実値との偏差（ｉｑ＊−ｉｑ）およびｄ軸電流の目標値と実値との偏差（ｉｄ＊−ｉｄ）に基づいて、モータ１２の各相に流れる電流量を目標アシスト電流量に一致させるために必要なモータ１２に印加すべき二相の電圧指令値Ｖｑ＊及びＶｄ＊を演算する。
【００２１】
電流フィードバック演算部６０及び回転角検出部５２には、二相−三相変換回路６２が接続されている。電流フィードバック演算部６０によるｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の情報及びｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊の情報並びに回転角検出部５２の演算部５６によるモータ回転角θの情報は、二相−三相変換回路６２に供給される。二相−三相変換回路６２は、供給されたモータ１２に印加すべき電圧指令値Ｖｑ＊及びＶｄ＊を、そのモータ１２の回転角θに応じた三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換（ｄｑ逆変換）する処理を実行する。
【００２２】
二相−三相変換回路６２には、ＰＷＭ指令部６４が接続されている。二相−三相変換回路５２の変換した結果得られた三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、ＰＷＭ指令部６４に供給される。ＰＷＭ指令部６４は、供給された二相−三相変換回路６２による三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がモータ１２に実際に印加されるようにインバータ回路２６の各パワースイッチング素子３０，３２を所定のスイッチング周期Ｔ１でＰＷＭ駆動する。かかるＰＷＭ駆動が行われると、モータ１２に所定の電圧が印加され、モータ１２の各相に所望のアシスト電流が流れる。
【００２３】
かかるモータ制御装置１０において、運転者によりステアリングホイールが操作されると、その操舵トルクに応じたアシストトルクがラック１４に付与されるようにモータ１２が駆動される。この際、モータ１２の駆動は、操舵トルクが大きいほど大きなアシストトルクが発生するように行われる。従って、本実施例のステアリング装置によれば、モータ１２を用いて運転者によるステアリング操作の負担を軽減することができる。
【００２４】
ところで、インバータ回路２６からはそのスイッチング周期Ｔ１でスイッチングノイズが発生する。このスイッチングノイズは、レゾルバ４４の出力信号に重畳することがある。
【００２５】
図４は、スイッチング周期Ｔ１とサンプリング周期Ｔ２とが同調していない構成においてインバータ回路２６によるスイッチングノイズがレゾルバ４４の出力信号に重畳する様子を表した図を示す。尚、図４（Ａ）にはインバータ回路２６に印加される電圧波形を、また、図４（Ｂ）にはレゾルバ４４の出力波形を、それぞれ示す。
【００２６】
ＥＣＵ２０の有するＡ／Ｄ変換部５４におけるレゾルバ４４の出力信号のサンプリング周期Ｔ２とインバータ回路２６におけるスイッチング周期Ｔ１とが同調しておらず、レゾルバ出力のサンプリングがインバータ回路２６のスイッチングと全く無関係に行われる構成では、レゾルバ出力のサンプリング値に対してスイッチングノイズの影響が現れ易くなる。すなわち、かかる構成においても、モータ１２の回転角θを検出するうえではレゾルバ４４による正弦波信号の振幅Ｈ０を算出することが必要であるが、この構成では、サンプリング周期Ｔ２とスイッチング周期Ｔ１とがずれているために、図４に示す如く、レゾルバ出力のＡ／Ｄサンプリングがインバータ回路２６によるスイッチングノイズの重畳している部分について行われた直後や直前に、そのスイッチングノイズの重畳していない部分について行われる事態が生じ、その結果として、レゾルバ４４による正弦波信号の振幅として算出される振幅Ｈ１が正規の振幅Ｈ０にスイッチングノイズによる誤差分を重畳したものとなり、誤った振幅が算出されるおそれがある。
【００２７】
このようにレゾルバ４４による振幅が誤って算出されると、回転角検出部５２の演算部５６で演算されるモータ１２の検出回転角が実際の回転角との間で誤差を含むものとなり、モータ１２の回転角θを正確に検出することができなくなる。この点、上記の如くサンプリング周期Ｔ２とスイッチング周期Ｔ１とが同調していない構成では、モータ１２を制御する精度が低下し、モータ１２の回転角θに対して適正な電流をモータ１２に供給することができなくなり、モータ１２のトルクリップルや軸振動が生じ、運転者のステアリング操作に対する操舵フィーリングが悪化する不都合が生ずる。
【００２８】
そこで、本実施例のモータ制御装置１０は、レゾルバ４４の出力信号にインバータ回路２６のスイッチングによるノイズが重畳する場合にも、そのスイッチングノイズの影響を除去してレゾルバ出力の振幅を正確に算出し、モータ１２の回転角θの検出を精度よく行う点に特徴を有している。以下、図５を参照して、本実施例の特徴点について説明する。
【００２９】
図５は、本実施例においてインバータ回路２６によるスイッチングノイズがレゾルバ４４の出力信号に重畳する様子を表した図を示す。尚、図４（Ａ）にはインバータ回路２６に印加される電圧波形を、また、図４（Ｂ）にはレゾルバ４４の出力波形を、それぞれ示す。
【００３０】
本実施例のモータ制御装置１０において、インバータ回路２６は、スイッチング周期Ｔ１でスイッチングされている。このため、レゾルバ４４の出力信号には、インバータ回路２６のスイッチング周期Ｔ１に同期してノイズが重畳する。一方、回転角検出部５２のＡ／Ｄ変換部５４は、レゾルバ４４の出力信号をサンプリング周期Ｔ２でＡ／Ｄサンプリングする。このサンプリング周期Ｔ２は、上記したインバータ回路２６のスイッチング周期Ｔ１に同調し、そのスイッチング周期Ｔ１の整数倍である（Ｔ２＝Ｂ・Ｔ１）。尚、図５には、サンプリング周期Ｔ２がスイッチング周期Ｔ１に一致している場合を示している。
【００３１】
例えば、仮にレゾルバ４４の出力する正弦波の波形が周波数１００Ｈｚ（周期１０ｍｓｅｃ）であるものとすると、その正弦波を数学的に復元するためには、サンプリング定理に従って、回転角検出部５２のＡ／Ｄ変換部５４におけるＡ／Ｄサンプリングの周波数を２００Ｈｚ以上、好ましくは、４００Ｈｚに設定すること、すなわち、そのサンプリング周期Ｔ２を５ｍｓ以下、好ましくは、２．５ｍｓに設定することが必要であるが、サンプリング周波数が４００Ｈｚに設定される場合には、インバータ回路２５におけるスイッチングのスイッチング周波数が４００Ｈｚ若しくは８００Ｈｚ，１２００Ｈｚに、すなわち、そのスイッチング周期Ｔ１を２．５ｍｓ若しくは１．２５ｍｓ，０．８３３ｍｓに設定される。
【００３２】
かかる構成においては、図５に示す如く、Ａ／Ｄ変換部５４におけるレゾルバ出力のサンプリングが、レゾルバ出力の、インバータ回路２６のスイッチングによるノイズが重畳されている部分について行われる際は、その前後におけるサンプリングもレゾルバ出力のスイッチングノイズ重畳部分について行われることとなり、かかるノイズ重畳部分におけるサンプリングが繰り返し実行される。また、レゾルバ４４の出力信号に重畳されるスイッチングノイズの大きさは各タイミングで互いにほぼ一致する。
【００３３】
このため、本実施例において、レゾルバ出力のサンプリングがインバータ回路２６によるスイッチングノイズが重畳した部分について行われる際は、そのサンプリング値がすべてスイッチングノイズの重畳したものとなり、レゾルバ４４の出力波形の振幅として算出される振幅Ｈ１が正規の振幅Ｈ０にほぼ一致することとなる。この場合には、モータ１２の検出回転角と実際の回転角との間に生ずる誤差はほとんどなく、回転角検出部５２の演算部５６においてモータ１２の回転角θを検出するうえで、レゾルバ出力に重畳するインバータ回路２６によるスイッチングノイズの影響は除去される。すなわち、レゾルバ４４の出力信号にインバータ回路２６によるスイッチングノイズが重畳する場合にも、そのレゾルバ出力に基づいてモータ１２の回転角θを正確にかつ精度よく検出することが可能となる。
【００３４】
このため、本実施例のモータ制御装置１０においては、レゾルバ出力のＡ／Ｄ変換に係るサンプリング周期Ｔ２とインバータ回路２６のスイッチングに係るスイッチング周期Ｔ１とを同調させることによって、モータ１２の回転角θに応じたモータ制御の精度を向上させることができる。すなわち、モータ１２の回転角θに対して適正な電流をモータ１２に供給することができ、モータ１２のトルクリップルや軸振動を抑制することができ、その結果として、運転者のステアリング操作に対する操舵フィーリングを良好なものとすることができる。
【００３５】
尚、上記の実施例においては、回転角検出部５２の演算部５６が特許請求の範囲に記載した「回転角検出手段」に相当している。
【００３６】
ところで、上記の実施例においては、電流検出を行うモータ１２を三相のブラシレスモータとしているが、三相に限らず、二相および四相以上の多相のモータに適用することも可能であり、また、ブラシレスに限らず、ブラシ付きのモータ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、車両の搭載する電動パワーステアリング装置１０に用いるモータ１２の回転角θの検出を行うこととしているが、電動パワーステアリング装置１０に限定されるものではなく、他の用途のモータに適用することも可能である。
【００３８】
更に、上記の実施例においては、モータ１２の回転角θを検出するうえで、一相励磁・二相出力のレゾルバ４４を用いることとしているが、二相励磁・一相出力のレゾルバを用いることとしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１及び２記載の発明によれば、レゾルバの出力信号にインバータ回路のスイッチングノイズが重畳する場合にも、レゾルバ出力に基づいてモータ回転角を正確に検出することができる。このため、本発明によれば、モータ制御の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるモータ制御装置のシステム構成図である。
【図２】本実施例においてモータを駆動する駆動回路の構成図である。
【図３】レゾルバの原理構成図である。
【図４】インバータ回路におけるスイッチング周期とレゾルバ出力のサンプリング周期とが同調していない構成においてインバータ回路によるスイッチングノイズがレゾルバの出力信号に重畳する様子を表した図である。
【図５】本実施例のモータ制御装置においてインバータ回路によるスイッチングノイズがレゾルバの出力信号に重畳する様子を表した図である。
【符号の説明】
１０モータ制御装置
１２三相交流ブラシレスモータ（モータ）
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２６インバータ回路
４４レゾルバ
５２回転角検出部
５４Ａ／Ｄ変換部
５６演算部

Claims

モータの回転角に応じたアナログ信号を出力するレゾルバと、該レゾルバの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された値に基づいて前記回転角を検出する回転角検出手段と、該回転角検出手段で検出された前記回転角に基づいて前記モータを駆動すべくスイッチングされるインバータ回路と、を備えるモータ制御装置であって、
前記Ａ／Ｄ変換部におけるＡ／Ｄ変換のサンプリング周期と前記インバータ回路におけるスイッチングのスイッチング周期とを同調させたことを特徴とするモータ制御装置。
前記サンプリング周期が前記スイッチング周期の整数倍であることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。