JP2005199735A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な演算でモータ回転時のトルクリップルを減少させることで、操舵フィーリングを低下させることなく、円滑で安全なアシスト制限を行い得る電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。
【解決手段】モータによるアシスト力を操舵系に付与するようになっているベクトル制御方式の電動パワーステアリング装置の制御装置において、角速度に応じた位相遅れを求め、前記位相遅れを電気角に加算して修正電気角を算出し、前記修正電気角に基づいてベクトル制御における電流指令値生成の補償を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにしたベクトル制御方式の電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特にベクトル制御におけるモータ電流の遅れを進角で補償して性能を向上した電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を、減速機を介してギア又はベルト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補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助トルク）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、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−ティ比の調整で行っている。

電動パワーステアリング装置のモータ現在位置を高速に応答させるものとして、例えば特開２００３−１８９６５８（特許文献１）がある。特許文献１の制御装置は、指令θｒｅｆを提供する指令発生器４と、負荷機械１と、トルク指令Ｔｒｅｆに基づいて負荷機械１を駆動するモータ駆動装置２とを備え、前記モータ駆動装置２のモータ現在位置θｍに基づいてトルク指令Ｔｒｅｆを提供する遅れ補償モータ制御装置であり、モータ駆動装置２の状態を観測し、そのモータ現在位置θｍより遅れたモータ遅れ位置θｎを提供する観測装置３と、前記モータ遅れ位置θｎと前記トルク指令Ｔｒｅｆとに基づいて推定モータ現在位置ｈθｍを提供する遅れ補償オブザーバ６と、前記指令θｒｅｆと前記推定モータ現在位置ｈθｍとに基づいてトルク指令Ｔｒｅｆを提供する第１制御装置５とを備えたものである。
特開２００３−１８９６５８ 特願２００３−１６３４４６

特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置は上述のように、遅れ位置θｎとトルク指令Ｔｒｅｆを入力し、推定現在位置を出力する遅れオブザーバを設け、推定モータ現在位置ｈθｍがモータ現在位置θｍを推定するようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載の装置では推定演算式が複雑であると共に、電動パワーステアリングでは慣性モーメントＪｍを決定することが困難であるという問題がある。電動パワーステアリングでは、モータ→減速ギア→インタミ・ジョイント→ラック・ピニオン→…タイヤのように、多数の部品が駆動すべき対象となっており、それぞれの接続部分にはガタ（あそび）があるため、慣性モーメントＪｍを求めることが非常に困難である。

また、本出願人による特許文献２では逆起電圧の遅れ補償を提案しているが、実モータの情報（位置、角速度、電圧、電流、逆起電圧など）と制御で使用している情報との遅れが、トルクリップル発生の大きな原因であるということを前提にしている。つまり、上記情報の遅れを補償すれば、トルクリップルが減少することになる。

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、簡易な演算でモータ回転時のトルクリップルを減少させることで、操舵フィーリングを向上した円滑で安全なアシスト制限を行い得る電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。

本発明は、モータによるアシスト力を操舵系に付与するようになっているベクトル制御方式の電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、角速度に応じた位相遅れを求め、前記位相遅れを電気角に加算して修正電気角を算出し、前記修正電気角に基づいてベクトル制御における電流指令値生成の補償を行うことによって達成され、前記位相遅れが電流制御の応答遅れを含んでいることにより、より効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、角速度に応じた第１位相遅れを求め、前記第１位相遅れを電気角に加算して第１修正電気角を算出し、前記第１修正電気角に基づいてベクトル制御における電流指令値生成の補償を行うと共に、前記角速度に応じた第２位相遅れを求め、前記第２位相遅れを電気角に加算して第２修正電気角を算出し、前記第２修正電気角に基づいてベクトル制御における逆起電圧の補償を行うことによって達成され、前記第１位相遅れ及び第２位相遅れが電流制御の応答遅れを含んでいることにより、より効果的に達成される。

本発明によれば、実モータの情報と制御で使用している情報との遅れを進角制御で補償することにより、モータ電流Ｉｍを正確に制御することができるので、モータのトルクリップル及び動作ノイズを減少することができる。進角制御は簡易な一次関数で行うことができ、遅れの補償により操舵フィーリングを向上させることができる。

モータによるアシスト力を操舵系に付与するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置のベクトル制御では、理論的にトルクリップルをなくす電流指令値を生成する必要がある。トルクリップルをなくすためには、モータ電流に遅れがないことが条件であるが、サンプリング周期や電流制御の遅れにより、モータ電流は電流指令値より遅れることになる。本発明では、その遅れを、電流指令値を生成するときに使用する角度を進ませることにより補償する。

本発明では、上記遅れ量が、一定の遅れ量と角速度に比例することを知見し、簡易な一次式ｙ＝ａｘ＋ｂで補償するようにしている。つまり、本発明では遅れ量の補償対象を絞り（電流）、演算量に対する効果が最大になるように簡易な一次関数を使用することが大きな特徴である。

以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１は本発明の原理構成を示しており、推定（若しくは検出）されたモータ回転数（速度）ωを、進角制御部を構成する進角要素１１で進角制御し、進角制御された回転数（速度）ωａに加算部１２で角度推定値θｅを加算し、制限部１３で０〜３６０度内に限定されると共に、進角制御された角度推定値θｅａを出力し、この角度推定値θｅａをベクトル演算に使用するようにしている。なお、制限部１３は角度推定値θｅａを０〜３６０度の範囲に限定する機能を有している。即ち、角度推定値θｅは０〜３６０度の範囲に限定されるが、回転数（速度）ωａが加算されると３６０度を超える数値になる場合があり、これを０〜３６０度の範囲に戻すことを行う。例えば角度推定値θｅが“３５０”で、回転数（速度）ωａが“２０”であるとすると加算値は“３７０”であるが、制限部１３を通すことにより３７０−３６０＝１０の“１０”とする。

進角要素１１の構成は図２に示すように、オフセットＯｆｆｓｅｔにゲインＧａｉｎを加算（又は減算）することにより得られる一次関数で出力するものである。つまり、進角要素１１は下記（１）式の演算を行う。

ωａ＝ω×Ｇａｉｎ＋ｓｉｇｎ（ω）・Ｏｆｆｓｅｔ …（１）

このように回転数ωを進角制御して角度推定値θｅに加算し、その加算結果を電流指令値の生成時に使用することによりモータ電流の遅れ量を補償でき、結果的にトルクリップルや動作ノイズを減少することができる。

図３は本発明を適用した全体の構成例を示しており、電流指令Ｉｒｅｆは制限部１に入力され、制限部１で上下値を制限された電流指令ＩｒｅｆｌがＩｄ計算部２及びＩｑ計算部３に入力される。Ｉｄ計算部２はベクトル制御におけるｄ軸電流を計算する部分であり、ｄ軸電流はモータの磁力（トルク定数）を制御し、磁界を弱める弱め磁界制御を行って、高速回転での特性を改善するものである。また、Ｉｑ計算部３はベクトル制御におけるｑ軸電流を計算する部分であり、モータ１０の入出力エネルギーの関係よりｑ軸電流を求めるようになっている。

Ｉｄ計算部２からのｄ軸電流ＩｄｒｅｆはＩｑ計算部３に入力されると共に、ｄｑ／ａｂｃ（２相／３相）変換部４に入力される。Ｉｑ計算部３で計算されたｑ軸電流Ｉｑｒｅｆもｄｑ／ａｂｃ変換部４に入力され、ｄｑ／ａｂｃ変換部４からは変換された３相電流Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆが出力される。３相電流Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆはそれぞれ減算器ＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３でモータ電流（Ｉｍ）Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃとの差分が求められ、その差分がそれぞれＰＩ制御部１０１，１０２，１０３でＰＩ制御され、ＰＩ制御された電流がそれぞれ加算器ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３で逆起電圧ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃと加算されてＰＷＭ回路５に入力され、駆動回路６を介してモータ１０が駆動制御されるようになっている。

３相のモータ電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃはそれぞれ前述した減算器ＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３にフィードバックされると共に、ＥＭＦ（逆起電圧）計算部７及び推定部１００に入力され、３相のモータ電圧Ｖａ，Ｖｂ，ＶｃはＥＭＦ計算部７及び推定部１００に入力される。ＥＭＦ計算部７で計算された３相の逆起電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃはａｂｃ／ｄｑ（３相／２相）変換部８に入力され、２相に変換された電圧Ｅｄ及びＥｑがｑ軸電流を計算するＩｑ計算部３に入力される。推定部１００には、モータ１０のロータ位置を検出するホールセンサからのホール信号が入力されている。

また、推定部１００で推定された回転数ωは進角制御部１１０及び１２０に入力されると共に、Ｉｑ計算部３に入力される。進角制御部１１０は進角要素１１１及び加算器１１２で構成され、進角制御部１２０は進角要素１２１及び加算器１２２で構成されている。進角要素１１１で進角制御された角度Δθ１は加算器１１２に入力され、進角要素１２１で進角制御された角度Δθ２は加算器１２２に入力される。推定部１００で推定された角度推定値θｅは進角制御部１１０の加算器１１２に入力されると共に、進角制御部１２０の加算器１２２に入力され、進角制御部１１０で進角制御された角度推定値θ１はａｂｃ／ｄｑ変換部８に入力されると共に、ｄｑ／ａｂｃ変換部４に入力される。また、進角制御部１２０で進角制御された角度推定値θ２はルックアップテーブル１３０に入力され、ルックアップテーブル１３０は３相電圧ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃを生成して加算器ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３に入力する。なお、進角制御部１１０及び１２０では角度の範囲を限定する限定部を省略している。

このような構成において、その動作を以下に説明する。

進角制御部１２０における逆起電圧の進角制御では、ルックアップテーブル１３０からの逆起電圧ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃは電流制御のフィードフォワード制御に使用され、進角制御された角度θ２は角度推定値θｅの遅れに基づく誤差を修正するために使用される。また、進角制御部１１０における電流指令の進角制御では、進角制御された角度θ１はモータ電流Ｉｍの遅れを修正するために使用される。

推定部１００で推定される角度推定値θｅは、モータモデル（例えば特願２００３−１０１１９５）及びホール信号（例えば特願２００３−１０１１９５）を用いたモータ電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ及びモータ電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃから推定される。そのため、角度推定値θｅには常に電圧や電流の測定及び信号処理（フィルタ、電圧や電流の読取、ホール信号等）の遅れに基づく小量の誤差が存在する。そして、遅れはロータの回転速度の関数であり、速度が速ければ速いほど遅れが大きくなる。というのは、フィードフォワードのための逆起電圧ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃは、ルックアップテーブル１３０から角度θ２に基づいて読み出され、ルックアップテーブル１３０への入力を制御することにより遅れを修正することが容易である。

制御システムにおけるモータ電流の遅れはモータ１０のインダクタンスＬに起因し、それは速度ωの関数となっている。図４の波形図は電流応答の遅れの例を示しており、電流指令Ｉｒｅｆは正から負に変化するが、モータ電流Ｉｍは電流指令Ｉｒｅｆに高速に追従しない。つまり、ｄｉｍ／ｄｔが十分な高速とはならない。１相の場合のモータ式は、負荷抵抗をＲ、モータ速度をωｍとして下記（２）式のようになる。

Ｖｓ＝Ｉｍ・Ｒ＋Ｌ・ｄｉｍ／ｄｔ＋ＥＭＦ
＝Ｉｍ・Ｒ＋Ｌ・ｄｉｍ／ｄｔ＋Ｋｅ・ωｍ …（２）

上記（２）式をｄｉｍ／ｄｔについて解くと、下記（３）式となる。

ｄｉｍ／ｄｔ＝{Ｖｓ−Ｉｍ・Ｒ−Ｋｅ・ωｍ}／Ｌ …（３）

しかしながら、ロータ位置の関数では、ｄｉｍ／ｄｔを次のように記述することができる。

ｄｉｍ／ｄｔ＝ｄｉｍ／ｄθ・ｄθ／ｄｔ＝ｄｉｍ／ｄθ・ωｍ …（４）

上記（４）式より下記（５）式が成立つ。

ｄｉｍ／ｄθ＝ｄｉｍ／ｄｔ・１／ωｍ
＝{Ｖｓ−Ｉｍ・Ｒ−Ｋｅ・ωｍ}／Ｌ・ωｍ …（５）

上記（５）式は次のことを示している。即ち、インダクタンスＬが大きければｄｉｍ／ｄθは小さく、遅れは小さい。そして、モータ速度ωｍが大きければｄｉｍ／ｄθは小さく、遅れは大きい。言い換えれば、電流の遅れはモータ１０のインピーダンスに依存すると共に、速度ωの関数となっている。

モータ電流Ｉｍの遅れは、電流指令Ｉｒｅｆを予め角度Δθ１だけシフトすることにより減少若しくはキャンセルすることができる。というのは、本発明の制御システムでは、ｄｑ／ａｂｃ変換部４からの電流指令Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆはルックアップテーブルを用いて計算されるので、上記遅れ誤差を修正することが容易である。第３図において、

θ１＝θｅ＋Δθ１ ・・・（６）

であり、角度θ１は電流指令Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆの計算に使用される（例えば特願２００２−３４５１３５）。また、Ｉｑ計算部３で計算出力される電流指令Ｉｑｒｅｆは、下記（７）式で求められる。

Ｉｑｒｅｆ＝２／３・Ｔｒｅｆ・（ωｍ／Ｅｑ）−Ｉｄｒｅｆ・（Ｅｄ／Ｅｑ）
・・・（７）

また、２相のｄｑを３相のａｂｃに変換する詳細は（例えば特願２００２−３４５１３５）に示されており、逆に３相のａｂｃを２相のｄｑに変換する詳細は（例えば特願２００２−３４５１３５）に示されている。

図５は電流指令Ｉｒｅｆの修正の様子を示しており、電流指令Ｉｒｅｆは同一波形で角度（時間）Δθ１だけシフトされている。モータ電流Ｉｍは修正された電流指令Ｉｒｅｆ‘に対して遅れているが、元の電流指令Ｉｒｅｆに対しては遅れていない。

進角Δθ２は図６に示す特性であり、下記（８）式で表わされる。Δθ_０はオフセットである。

Δθ２＝Δθ_０＋Ｋ２・ω ・・・（８）

また、進角Δθ１は図７に示す特性であり、下記（９）式で表わされる。

Δθ１＝Δθ_０＋Ｋ１・ω ・・・（９）

進角制御部１２０及びルックアップテーブル１３０による逆起電圧の補償は、本出願人による特願２００３−１６３４４６に記述されている内容に則しているので、以下にその概略を説明する。

逆起電圧（ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃ）の生成は図８に示すように逆起電圧算出回路２１を用いて行うが、逆起電圧算出回路２１は規格化逆起電圧算出回路２１−１及び回転数補正回路２１−２で構成されている。規格化逆起電圧算出回路２１−１では、モータが１０００ｒｐｍでの逆起電圧ＥＭＦ_１０００を修正電気角θ２に基づいて算出する。回転数補正回路２１−２では、逆起電圧は回転数に比例するので下記（１０）式のように表わせる。例えばモータが１１００ｒｐｍであれば、規格化逆起電圧算出回路２１−１で算出した値に１．１倍すれば良いということである。

ＥＭＦａ，ｂ，ｃ＝（ω／１０００）・ＥＭＦ_１０００ ・・・（１０）

ここで、規格化逆起電圧算出回路２１−１について説明すると、電気角θによって発生する逆起電圧波形は、実際のモータの種類又は設計値によって異なるため、規格化逆起電圧算出回路２１−１は設計した実際のモータを使用して実測によって、１０００ｒｐｍでの逆起電圧ＥＭＦ_１０００を求めている。そして、進角制御部１２０から遅れのない修正電気角θ２を逆起電圧算出回路２１に入力すると、正確な逆起電圧ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃが算出される。規格化逆起電圧算出回路２１−１及び回転数補正回路２１−２での修正電気角θ２に対する逆起電圧ＥＭＦａ，ＥＭＦｂ，ＥＭＦｃの算出を予め行い、ルックアップテーブル化（ルックアップテーブル１３０）しておくことにより高速度な算出が可能である。

次に、逆起電圧補償の意味するところを図１０を参照して説明する。図９（Ａ）は、逆起電圧算出回路で算出した遅れのある逆起電圧ＥＭＦ１と実際の逆起電圧との関係を示しており、図９（Ｂ）は実際の逆起電圧とゲイン調整した逆起電圧Ｋ・ＥＭＦとの関係を示している。図９（Ｂ）において、電流制御回路などによってトルクリップルを少なくすることが困難な部分は、楕円Ａで囲まれた部分である。楕円Ｂで囲まれた部分は、電流制御回路によって逆起電圧の遅れを誤差、外乱として補償できる部分である。楕円Ｃで囲まれた部分も同じように電流制御回路で補償することができる。よって、ゲインを乗ずる場合、楕円Ａで囲まれた部分で、実際の逆起電圧とゲインを乗じた逆起電圧Ｋ・ＥＭＦ１が重なるように、ゲインを乗ずることが重要である。

以上のように本発明によれば、電流指令に対して簡易な一次関数で求めた進角を与えているので、モータ電流の遅れを正確に補償することができ、モータのトルクリップル及び動作ノイズを減少することができる。進角制御は簡易な一次関数ｙ＝ａｘ＋ｂで行うことができ、遅れの補償により操舵フィーリングを向上させることができる。

逆起電圧に対する補償を行うことによって、操舵フィーリングを一層高めることができる。つまり、モータの出力トルクリップルを小さくでき、ハンドル操作がスムーズで、騒音の少ない電動パワーステアリングを実現できる。

本発明によれば実モータの情報と制御で使用している情報との遅れを進角制御によって補償しているので、トルクリップルを減少することができ、自動車や車両の高性能電動パワーステアリングに適用可能である。

本発明の原理を示すブロック図である。 本発明の進角制御の特性例を示す図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 電流応答の遅れの例を示す波形図である。 電流指令の修正を説明するための図である。 進角の例を示す特性図である。 進角の例を示す特性図である。 逆起電圧に対する進角制御を説明するための構成図である。 逆起電圧に対する進角制御を説明するための図である。

符号の説明

１ 制限部
２ Ｉｄ計算部
３ Ｉｑ計算部
４ ｄｑ／ａｂｃ（２相／３相）変換部
５ ＰＷＭ回路
６ 駆動回路
７ ＥＭＦ計算部
８ ａｂｃ／ｄｑ（３相／２相）変換部
１０ モータ
１００ 推定部
１１０ 進角制御部
１１１ 進角要素
１２０ 進角制御部
１２１ 進角要素
１３０ ルックアップテーブル

Claims (4)

1. モータによるアシスト力を操舵系に付与するようになっているベクトル制御方式の電動パワーステアリング装置の制御装置において、角速度に応じた位相遅れを求め、前記位相遅れを電気角に加算して修正電気角を算出し、前記修正電気角に基づいてベクトル制御における電流指令値生成の補償を行うようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
2. 前記位相遅れが電流制御の応答遅れを含んでいる請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. モータによるアシスト力を操舵系に付与するようになっているベクトル制御方式の電動パワーステアリング装置の制御装置において、角速度に応じた第１位相遅れを求め、前記第１位相遅れを電気角に加算して第１修正電気角を算出し、前記第１修正電気角に基づいてベクトル制御における電流指令値生成の補償を行うと共に、前記角速度に応じた第２位相遅れを求め、前記第２位相遅れを電気角に加算して第２修正電気角を算出し、前記第２修正電気角に基づいてベクトル制御における逆起電圧の補償を行うようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記第１位相遅れ及び第２位相遅れが電流制御の応答遅れを含んでいる請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
   

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