JP2006101687A - 電圧モード・モータ・コントローラにおけるトルク・リップル低減 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】本システムおよび方法には、モータ・コントローラの各位相における出力電圧を測定するステップ（６０）が含まれる。次のステップ（６１）には、位相間の電圧不一致を判断することが含まれる。次のステップ（６２）には、モータの１つの位相を位相接地することが含まれる。次のステップ（６３）には、位相間の電圧不一致を補償するための位相に対する電圧ゲインを計算することが含まれる。補償ゲインには、ゲインおよび／またはオフセットを含めることができる。これらのゲインおよび／またはオフセットは、モータ角度の関数として加えられ、トルク・リップルを低減してモータを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するために用いられる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、電動モータ・コントローラに関し、より詳細には、モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するシステムおよび方法に関する。

自動車は、ハンドルの回転運動を前輪に伝達するギアおよびリンケージのシステムによって操縦される。自動車のデザインでは、乗り心地および車両運転を向上させるために、重量が前輪側にシフトしている。そのため、前輪を回転させて、２つの前輪と道路との間に存在する摩擦に打ち勝つための十分なトルクを発生させるためには、より多くの力が必要となっている。

パワー・ステアリング・システムは、操縦用の力を減らして操縦性を向上させるように、デザインされている。車両によっては、エンジン駆動の油圧技術を用いて、ハンドルが前輪に加えるトルクを増幅している。機械駆動または電気駆動のポンプによって、油圧用の流体たとえばオイルを、加圧状態に維持する。ハンドルを回転させることによって、バルブが作動して、パワー・シリンダに流体が供給されるか、あるいはそこから排出される。その結果、ホイールを回転させるために必要なステアリング用の力が減る。

車両によっては、電動モータが、ステアリング・ギアを通してステアリング・シャフトに機械的に結合されている。速度に感応するコントローラが、車両速度に基づいて、車両操縦に必要なトルクを変化させることで、可変トルク支援レベルを実現することができる。このような電圧モード・コントローラ・システムは通常、パルス変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）回路によって制御される。この回路は、ゲート回路および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）スイッチを駆動する。しかし、回路コンポーネント（すなわちゲートおよびＦＥＴ）に非線形性があると、コントローラに電圧振幅リップルが生じる。特に、開ループ・モードで動作する場合にはそうである。さらに、ＰＷＭ変調指数の値が小さい場合には、これらの電圧振幅変化によって、容認できないほど著しいトルク・リップル成分が生じる。たとえば、変調波形の振幅値が小さい場合には、ＰＷＭパルスは狭く、ゲート・ドライブまたはＦＥＴにわずかでも非線形性があると、相当量の誤差の原因となる。詳細には、ＰＷＭパルスが全体値の１％で、切り換え周波数が２０ｋＨｚの場合には、パルス幅は５００ｎｓである。５０ｎｓの非線形性が存在すると、モータ・コントローラが与える電圧幅において１０％の誤差となる。一方で、５０ｎｓの非線形性が、全体値の１０％以上であるＰＷＭパルス上に存在すると、モータ・コントローラが与える電圧幅における誤差は１％以下となる。この値は、はるかに小さい。

これまでのところ、重大な問題として残っている唯一のトルク・リップル成分は、一次のパワー・ステージ非線形性（１周期成分と言われる）に関連するものである。他のトルク・リップル成分（たとえば二次または三次の非線形性、それぞれ２周期または３周期成分と言われる）は、スイッチ不感時間および位相抵抗のアンバランスに関係するものであるが、すでに軽減されており、もはやトルク・リップル問題に大きく影響するものではない。

したがって、前述した問題のほとんど（たとえ全てではなくとも）を解決するモータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するシステムおよび方法を提供することが望ましい。

本発明は、モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するためのシステムおよび方法を提供する。詳細には、本発明は、一次の１周期のトルク・リップル成分に対処するものであり、特に、トルク・リップル誤差が最も顕著となる、振幅の小さい開ループの電圧モード・コントローラの動作において好適である。本明細書で示す例は、電動パワー・ステアリング支援コントローラに向けられているが、本発明は、任意の多相電動モータ・コントローラに適用可能であることを認識されたい。

新規であると考えられる本発明の特徴は、添付の請求項において詳細に述べられている。本発明は、以下の説明を添付図面とともに参照することによって、そのさらなる目的および優位性と共に、最も良く理解することができる。図面の複数の図において、同一の参照符号によって、同一の要素が識別される。

図１に、本発明によるモータ・コントローラを示す。実際には、ステアリング・システム２１を支援する三相モータ１７を制御するために、モータ・コントローラを用いる。モータ・コントローラには、ゲイン補償１０、入力変調器１２、位相接地１６、ＰＷＭ発生器１８、ゲート・ドライバ２０、インバータ２２（通常はＦＥＴスイッチからなる）、電圧検出器２４、プロセッサ２６、およびメモリ２８が含まれる。場合によっては、位相前進１４を、モータ速度の関数として信号遅延を補償するために、含めることができる。

電圧検出器回路２４では、モータ１７に対するモータ・コントローラの各位相における出力電圧を検出する。三相の電圧の振幅および位相は、多くの応用例によって測定され得るが、好ましくは、電圧、電流、速度、またはトルクの測定値の１つまたは複数をフィードバックする閉ループ・システムが用いられる。したがって、いくつかの典型的なデジタルの実施形態においては、瞬時の変調信号を表わす３つのデジタル値を、電圧検出器２４から得ることができる。図示した例では、三相Ａ、Ｂ、Ｃを用いる。しかし、本発明では、いかなる数の位相も用いることができる。電圧検出器回路２４は、独立した回路とすることもできるし、他の回路の１つ、たとえばプロセッサ２６に組み込むこともできる。加えて、電圧検出器２４は、モータ・コントローラの他の点に接続することができる。電圧検出器２４は、プロセッサ２６と結合されている。電圧検出器２４またはプロセッサ２６のいずれかを用いて、モータ・コントローラの異なる位相の出力電圧を比較して、それらの間のわずかな不一致も判断することができる。

プロセッサ２６は、モータ・コントローラの出力における位相の不一致を補正するためのゲイン補正を計算する。これについて以下に詳細に述べる。この例では、３つのゲイン補正（Ｇ_ａｄｄ ^Ａ，Ｇ_ａｄｄ ^Ｂ，Ｇ_ａｄｄ ^Ｃ）を計算して、メモリ２８に記憶するか、あるいはプロセッサ２６もしくはゲイン補償ステージ１０（ゲイン補正が加えられる）のレジスタに記憶する。好ましくは、ゲイン補償ステージ１０は、プロセッサ２６内に組み込まれている。動作中、ゲイン補償ステージ１０では、本来のゲイン、Ｇ_ｏｒｉｇ ^Ａ，Ｇ_ｏｒｉｇ ^Ｂ，Ｇ_ｏｒｉｇ ^Ｃ（すなわち、モータ・コントローラから電動パワー・ステアリング・システムへの必要なトルク支援が得られると外部で決定されたゲイン）を入力して、ゲイン補正因子Ｇ_ａｄｄ ^Ａ，Ｇ_ａｄｄ ^Ｂ，Ｇ_ａｄｄ ^Ｃを加える。次に、補償されたゲインは、入力変調器１２に加えられる。ゲイン・ステージ１０には、電圧検出器２４からの変調信号の振幅および位相角度の変化に依存して周期的に再ロード可能なレジスタが含まれる。言い換えれば、ゲインまたはゲイン補償が変化するときに、レジスタを更新することができる。好ましくは、更新はリアル・タイムで行なう。各位相に対する補償されたゲインは、一定とすることができるが、好ましくは、各位相に対するゲイン補正を、位相角度の関数としてリアル・タイムで調整する。これについては、後で詳細に説明する。

入力変調器１２は、モータ・コントローラの各位相に対して正弦曲線の駆動信号を与える。各正弦曲線は、３６０°の周りに対称的に分布される。図示した三相の例の場合、各位相は１２０°だけ分離されている（三相システムに対して、ｓｉｎ（θ），ｓｉｎ（θ＋１２０），ｓｉｎ（θ−１２０）として示す）。各位相の変調信号は好ましくは、各位相角度の正弦に、各位相に対する個々の補償されたゲインを乗じることによって、計算される。メモリ２８または他のレジスタ内に、標準化されたデジタル正弦曲線テンプレートが、ルックアップ・テーブル１５の形態で記憶されているが、これらの値を、必要に応じて計算してもよい。これらのテンプレートを、入力変調器１２内で利用して、補償されたゲインに乗じることで、振幅の適切な補正された正弦曲線の駆動信号が得られる。正弦曲線の信号に、位相接地１６を適用して、インバータ回路２２が行なう切り換えの量を減らす。実際には、プロセッサ２６による位相接地は、各動作位相における最も負の位相電圧を負の電源レールに規格化することによって、行なわれる。以下、ゲイン補償に対する位相接地について詳細に述べる。

プロセッサ２６は、ＰＷＭ発生器１８からのＰＷＭ信号をプログラミングすることによって、インバータ２２の６つのＦＥＴパワー・スイッチの切り換え手順を定める。切り換え手順によって、モータ・コントローラの出力の所望の周波数および振幅が規定される。ＰＷＭ発生器１８は、６つのパルス列（各位相に対して２つの相補的パルス列）を、ゲート・ドライブ２０に対して生成する。次に、ゲート・ドライブ２０は、各パワー・スイッチに対する６つのデジタル・パルス列（すなわちデジタル波形の３つの相補的対）をもたらす。ＰＷＭ発生器１８には、ゲート・ドライブ２０の変調周波数と、インバータ２２の上部および下部のＦＥＴパワー・スイッチ間のタイミング間隔とを維持するために、専用のタイマ・ブロックが含まれている。インバータ２２の各脚（位相）に対するパルス幅は、専用のレジスタによって生成される。

ゲート・ドライブ２０は、６つのＰＷＭ出力を生成する。これらのＰＷＭ出力は、ＴＴＬロジックと結びついて、バッテリ・パワーを三相の可変の交流に変換し、インバータＦＥＴを駆動する。出力波形のパルス幅は、モータ・コントローラの電気的回転数とともに、正弦波的に変化する。モータ・コントローラの電圧周波数は、変調周波数として知られている。動作中、周波数が比較的高いパルス幅変調周波数は、モータの巻き線インダクタンスによって除去される。結果として生じる位相電流は、変調周波数で流れる。一つの典型的な実施形態においては、２０キロヘルツのパルス幅変調周波数を用いる。何故なら、この周波数は、聴覚によって検出可能な範囲を超えているからである。当然のことながら、パルス幅変調信号の周波数および振幅は、モータ・コントローラの目的とする用途に応じて変化する。各出力は、１アンペアのオーダーのピーク電流を流すことができる。好ましくは、１アンペアのピーク電流は、パワー・スイッチを急速にターン・オンおよびターン・オフして、システムの効率を最大にし、かつ出力波形歪みを最小限にするには、十分である。

インバータ２２の６つのＦＥＴパワー・スイッチは、３つのインバータ脚を用いる三相のインバータ構成で配置される。このことは、当該技術分野において知られている。この三相の例では、各脚において、２つのパワー・スイッチが直列に配置される。好ましくは、最大で３つのスイッチを一度にターン・オンすることができ、インバータ脚ごとに１つのスイッチのみがアクティブである。好ましくは、１つのインバータ脚内の１つのスイッチの開始と、同じ脚内の相補的スイッチの終了との間に、時間間隔が存在して、１つのスイッチを流れる電流がほぼゼロに到達できるようになっている。時間間隔は好ましくは、パルス幅が変調される周期時間の約２％〜約５％のオーダーである。ＰＷＭ発生ブロック１８は、この時間間隔を、プロセッサ２６のコマンドの下で実現する。典型的な実施形態においては、この時間間隔はプロセッサ２６によって制御される。

三相電流は、瞬時の電流がゼロとなるようにモータを同時に流れ、１２０度だけ位相がずれ、正弦曲線の形状を有し、かつ振幅が同一であることが望ましい。言い換えれば、インバータ２２によって、バランスの取れた三相の正弦波電流が駆動されることが好ましい。しかし、パワーおよび駆動回路において成分に不一致があると、アンバランスな状態、すなわちトルク・リップルが生じる可能性がある。

場合によっては、モータ・コントローラには、位相前進１４が、プロセッサ２６の制御の下で含まれる。永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ：permanent magnet synchronous motor）などのモータの場合には、その誘導的な性質に起因して、モータの位相電流とその位相に印加される電圧との間の位相の遅れが、モータ速度に依存して変化する。モータ速度の増加に伴って、モータの位相電流が印加位相電圧に遅れる量は、ますます増加する。しかし、所望のモータ・トルクを生成すべき場合には、ロータ角度に対するモータ位相電流の関係を維持しなければならない。そのため位相前進１４では、モータ速度１９をフィードバック信号として用いることで、速度関連の遅れを、進み角を発生させることによって補償する。進み角は、ルックアップ・テーブル１５の前で、モータ位置信号に加えられる。モータ位置および速度のフィードバック１９は、たとえばモータ・シャフトの光電子エンコーダまたはレゾルバを通して直接測定することができる。これは、当該技術分野において知られている。別個の速度フィードバック装置、たとえばタコメータを用いて、モータ速度を判断することもできる。あるいは、モータ位置および速度１９を推定することを、測定されたモータ電圧および／または電流（すなわち起電力または起磁力）から、リアル・タイム・モデルを用いて、シャフト角速度を推定することによって行なうことができる。これも、当該技術分野において知られている。

通常は、モータ・コントローラの出力は、アンバランスな出力電圧または電流を補正しない開ループ・プロセスを用いて得られている。本発明は、この問題に、開ループ・モードの間にモータ・コントローラの電圧出力のバランスを取ることによって、対処する。当然のことながら、他の典型的な実施形態においては、閉ループ・システムを用いる。この場合、各位相において流れる電流を、測定または推定して、必要に応じてバランスを取る。これは、バランスの取れた電流が維持されるように印加電圧を変更することによって行なわれる。また電圧ループの周りで閉ループを用いて、印加電圧におけるアンバランスが確実に補正されるようにしてもよい。したがって、開ループのモードでは、モータ・コントローラ出力の振幅および周波数を電圧検出器２４およびプロセッサ２６によってモニタおよび測定して、トルク・リップルを得る。

図２に、一連のデジタル・ステップとしてメモリ２８のテーブルに記憶される理想的な正弦波を示す。３つの波、正弦波Ａ３０（ｓｉｎ（θ））、正弦波Ｂ３２（ｓｉｎ（θ＋１２０））、および正弦波Ｃ３４（ｓｉｎ（θ−１２０））が図示されている。基準として、正弦波Ａは、ゼロ度の位相においてゼロ交差をする。これらの正弦波に、トルク支援アルゴリズムからの電圧振幅ゲインと、プロセッサからのトルク・リップル用補償ゲインとを乗じる。この振幅全体は、ステアリング支援システムが要求するトルク支援の量に対応する。

可変振幅の正弦波を、良く知られた技術（位相接地と呼ばれる）によってさらに処理して、切り換え損失を減らす。これを、理想的な場合に対して図３に示す。この技術は、モータが応答するのは、絶対的な電圧ではなくて位相間の電圧差であるという事実に基づいている。結果として、時間の各瞬間において、各位相から同じ電圧を差し引くことを、最も負の電圧が負のレール上となるまで行なう。各位相は、１２０度の間隔で最も負であり、位相接地された位相となる。３つの波形が図示されている。すなわち、位相Ａ３１（−３０度〜＋２１０度において非ゼロ、および＋２１０度〜−３０度においてゼロ）、位相Ｂ３３（＋９０度〜−３０度において非ゼロ、および−３０度〜＋９０度においてゼロ）、および位相Ｃ３５（＋２１０度〜＋９０度において非ゼロ、および＋９０度〜＋２１０度においてゼロ）である。最も負の位相を負のレールにまでするために必要な電圧は、時間および振幅とともに変化することに注意されたい。結果として、この位相接地された位相を、リアル・タイムで計算しなければならない。この技術によって、切り換え損失が減る。何故なら、下部の３つのスイッチのうちの１つのスイッチが、１２０度の間隔で連続してオンとなるためである。その他の場合、本発明を用いない場合には、このスイッチは、ＰＷＭ周波数で切り換わる。図３に示した例では、すべての波形はバランスが取れているため、トルク・リップルは存在しない。

一旦、位相接地された波形が構成されたならば、プロセスの次のステップは、以前に詳しく述べたように、ＰＷＭパルス列を生成することである。変調用正弦曲線の振幅値が小さい場合には、ＰＷＭパルスは狭く、ゲート・ドライブまたはＦＥＴにおいて非線形性がわずかでも存在すると、モータ・コントローラの出力電圧幅に足されるか、あるいはそこから引かれる。たとえば、パルスの１％が全体値に足されて、切り換え周波数が２００ｋＨｚである場合、パルス幅は５００ｎｓとなる。５０ｎｓの変動が起こると、モータ電流および続いてトルクが１０％変化する。この５０ｎｓは、ゲート・ドライブにおける任意の２つのチャネル間のゲート・ドライブの伝搬不一致の結果であるか、あるいはＦＥＴパラメータ変動の結果である場合がある。この５０ｎｓ誤差は、パルス幅にかかわらず各パルスに加えられる。

位相接地された波形内にパワー・ステージ（ゲート・ドライブおよびＦＥＴ）によって導入される誤差を補正する補償手段としては、正弦曲線の振幅（ゲイン）のみが利用可能である。この制限があるために、位相接地された波形のバランスを取る必要性が難しくなっている。何故なら、これらの波形に対して直接アクセスすることができないからである。図４に、典型的な誤差を示す。同図では、位相接地された波形のうちの１つ（位相Ａ３１）が、位相ＢまたはＣよりも小さい振幅によって示されるオフセットを有し、その結果、位相Ａに対するモータ・コントローラの電圧振幅が低減されている。どの位相が不正確で、それがどれくらい不正確かは、出力電圧を測定することによって求まる。モータ・コントローラは、位相間で差動駆動を与えることによって動作するため、位相の１つを基準として選ぶことができ（すなわち、その位相への規格化）、補償する必要があるのは、３相のうちの最大でも２相だけである。図から分かるように、結果として生じるトルク・リップル３６によって駆動誤差が導入される原因は、振幅の変化だけではなく、振幅波形が小さいために生じるゼロ交差シフトである。言い換えれば、ゼロ交差が同時に起こらない−３０度および＋２１０度において、ＦＥＴの切り換えが不連続となる。なおこの例では、位相Ａを基準波形として用いている。

本発明が扱うトルク・リップル低減技術には２つの特徴が存在する。すなわち、（ｉ）オフセットを補正するために必要なゲインを、角度の関数として変えなければならない、（ｉｉ）影響を受ける位相の正弦波は、関連する位相接地された波形が非ゼロで、かつ補正する必要があるときに、ゼロを通過する、ということである。

図３から、位相の１つ（この例では位相Ａ）が、本来の正弦波（図２から）を基準としたときに、＋２１０度〜−３０度の区間（１２０度）において接地されていることが分かる。ハードウェアの構成のために、位相接地された波形に対する振幅変化は、対応する正弦曲線の振幅を変えることのみによって実施することができる。この例では、不一致の問題があるために、位相Ａ（図４における３１）は、位相接地された波形において負のゲイン・オフセットを示す。これを補正するために、第１の実施形態における簡単な解決方法は、一定のゲインを本来の正弦曲線波形に加えて、位相接地された波形を、残りの位相（ＢおよびＣ）の波形との間でバランスを取ることである。この正弦曲線（位相Ａ）のゲインの増加は、−３０度〜＋２１０度の区間においてである。一旦、さらなるゲイン（Ｇ_ａｄｄ）が決定されたら、この値を本来のゲイン（Ｇ_ｏｒｉｇ）に加えることを、対応する正弦波の角度が２４０度の区間内にあるならば行なう。

ゲインを加えることで、位相接地された波形（位相Ａ）の振幅を増加させて、残りの位相（ＢおよびＣ）の振幅に一致させることによって、トルク・リップルが５０％を超えて平坦化するが、ゼロ交差問題は対処されておらず、ゼロ交差不連続性に起因するトルク・リップル問題は依然として存在する。言い換えれば、本来の正弦曲線が０または１８０度にあるかまたはその近傍にあるときに、ゲインを加えても、その点での波形には影響しない。何故なら、任意のＡに対して、Ａ＊ｓｉｎ（０）＝０およびＡ＊ｓｉｎ（１８０）＝０であるからである。したがって、第１の実施形態のこの簡単化された解決方法に関して、依然として２つの問題が存在する。（ｉ）正弦波がゼロ振幅にあるか、あるいはその近傍にあるときには、位相Ａのゲインを変えても、必要なオフセットを得ることはできない、（ｉｉ）正弦曲線が、振幅を、角度の関数として変化させるため、可変のゲインが必要である。

後述するように、本発明の好ましい実施形態において、これらの問題の双方を軽減するさらに改善された補償方法が提供される。図３を再び参照して、補正すべき位相（この例では位相Ａ）を、３つの別個の領域に分割する。すなわち、（Ｉ）−３０度〜＋３０度、（ＩＩ）＋３０度〜＋１５０度、（ＩＩＩ）＋１５０度〜＋２１０度である。完全にするために、第４の範囲ＩＶとして＋２１０度〜−３０度を、位相Ａの範囲の外側に示す。ここでは、位相Ａは接地されている。以下の例では、必要なオフセットの量をΔＡで示す。必要なオフセットの量は、正のオフセットを加える必要があるときには、正である（本来値から変更値を引いたもの）。

領域ＩおよびＩＩＩでは、位相Ａは、第１の実施形態の場合の様には増加しない。その代わりに、位相ＢおよびＣが、必要なオフセット量だけ低減される。このようにして、０度および１８０度近傍に存在する問題は、回避される。領域Ｉでは、位相Ｃを用いてオフセットが生成される。何故なら、位相Ｃは、最も負の位相ではなく、そのピーク値近傍にあるからである。この結果、ポイント・ルックアップ・テーブルが固定されているときに０度近傍で起こる丸め問題を軽減することも促進される。領域ＩＩＩでは、位相Ｂを用いて、オフセットが生成される。 すべての領域において、一定のオフセットを維持するために、ゲインを角度の関数として調整しなければならない。領域ＩＩに対するオフセットは、位相Ａ単独の角度（Ｇ_ａｄｄ ^Ａによって示される）によって決定される。しかし、領域ＩおよびＩＩＩでは、オフセットは、角度ＢおよびＣ（それぞれ、Ｇ_ａｄｄ ^ＢおよびＧ_ａｄｄ ^Ｃによって示される）の関数である。

領域Ｉでは、
Ｇ_ａｄｄ ^Ｂ＝−ΔＡ／ｓｉｎ（θ_Ａ＋１２０）
ここで、ｓｉｎ（θ_Ａ＋１２０）は正であるので、Ｇ_ａｄｄ ^Ｂの符号は、Ｇ_ａｄｄ ^Ｂとは異なっていなければならない。
また、Ｇ_ａｄｄ ^Ｃ＝−ΔＡ／ｓｉｎ（θ_Ａ＋１２０）
領域ＩＩでは、
Ｇ_ａｄｄ ^Ａ＝ΔＡ／ｓｉｎ（θ_Ａ）
領域ＩＩＩでは、
Ｇ_ａｄｄ ^Ｂ＝−ΔＡ／ｓｉｎ（θ_Ａ−１２０）
Ｇ_ａｄｄ ^Ｃ＝−ΔＡ／ｓｉｎ（θ_Ａ−１２０）
表１に、補正すべき位相接地された波形の異なる領域において加えられるゲイン補償を、全体的なゲインに加えたものを、まとめる。

図５を参照して、図２の波形は、表１の好ましい実施形態により補正されている。特に興味深いのは、領域ＩおよびＩＩＩである。ここでは、位相Ｂ４２および位相Ｃ４４の正弦曲線の波形が低くなっており、位相接地後の０または１８０度近傍における位相Ａ４０のわずかなゼロ交差不連続性も補償されている。この結果、トルク・リップルにおける二次の効果が低減される。領域ＩＩでは、位相Ａは、それ自体によって補償することができる。領域ＩＶは、位相Ａが接地される自明な場合である。加えて、ゲインが、すべての領域において角度の関数として加えられる。そのため、一次のトルク・リップル効果がさらに低減される。その結果、電圧のバランスが取れて、結果として生じる位相接地波形が、図３の波形のように現れる。

図６を参照されたい。本発明には、モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するための方法も含まれる。本方法には、モータ・コントローラの各位相の出力電圧を測定する第１のステップ６０が含まれる。次のステップ６１には、モータ・コントローラの位相間の電圧不一致を判断することが含まれる。次のステップ６２には、モータ・コントローラの１つの位相を位相接地することが含まれる。実際には、位相接地するステップ６２には、各動作位相における最も負の位相電圧を負の電源レールに規格化することが含まれる。次のステップ６３には、電圧不一致を補償するための位相に対する補償ゲインを計算することが含まれる。次のステップ６４には、位相に対する補償ゲインをメモリ内に記憶することが含まれる。次のステップ６５には、モータを駆動するためのＰＷＭパルス列を構成することが含まれる。

ステップ６０および６１については、モータおよびコントローラが最初に互いに接続される場合に、組立ラインの最後において行なうことができる。この場合には、位相接地された電圧値を試験機器によって測定することができ、補正因子をメモリ２８に書き込むことができる。好ましい実施形態においては、２つの電圧値を、図４の交差点、すなわち−９０度（３３および３５）、３０度（３１および３５）、および１５０度（３１および３３）において測定して、全体で６つの読み取り値を得る。各波形３１、３３、および３５に対して平均値を別個に決定し、全体的な平均値も決定する。全体的な平均値を、各別個の平均値と比較して、どの波形が全体的な平均値に最も近いかを判断する。この最も近い全体的な平均波形は、すでに概説した補正方式において依然として不変である。残りの２つの波形は、交差点が全体的な平均の交差点の方向に移動するように、適切に調整する。メモリに書き込まれる実際のゲイン補正項目は、特定のシステム・パラメータの関数である。たとえば、ゲイン・オフセット＝１０００＊（全体平均値−交差平均値）。

好ましい実施形態においては、計算するステップ６３には、各位相に対するゲインを、位相角度の関数として、リアル・タイムで調整することが含まれる。補償ゲインには、調整されたゲインを角度の関数として含めること、および／またはオフセットを含めることができる。より好ましくは、計算するステップには、モータ・コントローラの動作角度を４つの領域に分割して、ゲインを領域ごとに補償することが含まれる。１つの位相の０度および１８０度の動作点に、領域のうちの２つがまたがっている。一方の領域には、１つの位相を位相接地することが含まれ、他方の領域には、１つの位相の動作領域が包含される。１つの位相は、角度の関数としてゲイン補償される。またがっている２つの領域において、残りの位相は、その２つの領域において１つの位相に対してオフセットされる。

本システムおよび方法は、部分的には、好ましくは以下の製品を用いて、実施される。６８ＨＣ７０８ＭＰ１６マイクロ・コントローラ（モトローラ社から販売されている）、またはＴＭＳ３２０Ｃ２４０デジタル信号プロセッサ（テキサス・インスツルメント社から販売されている）、ＩＲ２１３０ゲート・ドライブ集積回路（インターナショナル・レクティフィア（International Rectifier ）社から販売されている）、および＃ＩＲＦＰ０４８Ｎ金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（インターナショナル・レクティフィアから販売されている）。

本明細書で提案する解決方法は、トルク・リップルを低減するための費用効率の高い方法であり、低減を、何らかの付加的な回路を加えることなく電圧モード・モータ・コントローラにおける電圧のアンバランスを取り除くことによって行なうが、それでも、位相電圧振幅が小さい場合の非常に厳しい性能基準を満たしている。この方法は、あらゆるモジュールに対して特徴付けを行なって位相ごとを基準に問題を補正する出力電圧測定値に基づいている。実験的なデータによれば、本発明の補正技術によって１周期のトルク・リップル成分が５０％を超えて低減され、その結果、製造中のコントローラ不良が減少することが検証されている。

本発明では、電動パワー・ステアリング・システムの構成について詳しく述べているが、本発明には、任意の多相電動モータ・コントローラ・システムに対する他の応用例があり得る。多くの応用例において、モータは電圧源によって駆動されるが、モータに供給される位相電流を調整するために、電流ループは閉じている。この場合、位相電圧のアンバランスおよび結果として生じる電流のアンバランスは、電流ループによって補償される。閉電流を用いない応用例の場合には、位相電圧でさえモータに印加されていることを保証するために、閉電圧ループを用いることが多い。閉電流ループも閉電圧ループも使用されない応用例の場合に、本発明を利用して、トルク・リップル問題を軽減することができる。

本発明を特に、その特定の実施形態を参照して図示および説明してきたが、本発明の幅広い範囲から逸脱することなく、種々の変化を行なってもよいこと、およびその要素に対して均等物で置換してもよいことが、当業者によって理解される。加えて、本発明の不可欠な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更を行なってもよい。したがって本発明は、本明細書で開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明には、添付の請求項の範囲に含まれるすべての実施形態が含まれることが意図されている。

本発明によるモータ・コントローラを示すブロック・ダイアグラム。 図１のモータ・コントローラにおける位相変調を発生させるための理想的な正弦波を示すグラフ。 図２からの理想的な位相接地された波形を示すグラフ。 トルク・リップルを示す位相接地された波形を示すグラフ。 図６のプロセスによってシミュレートされるような開回路条件の間に測定される位相電圧を例示する図。 開回路および短絡回路条件を示すフロー・チャート・シミュレーション。

Claims (10)

1. モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するためのシステムであって、
   前記モータ・コントローラの各位相における出力電圧を検出する電圧検出器と、
   前記モータ・コントローラの各位相に対してゲイン補償を加えるように動作可能なゲイン・ステージと、
   モータを駆動するためのＰＷＭ駆動回路と、
   前記電圧検出器に結合された入力と前記ゲイン・ステージに結合された出力とを有するプロセッサであって、前記検出器からの前記モータ・コントローラの各位相における電圧を入力とし、位相間の電圧不一致を判断し、前記モータ・コントローラの最も負の位相を位相接地し、位相間の電圧不一致を補償するための位相に対する電圧ゲインを計算するプロセッサと、
   を備えるシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記プロセッサは、
   各動作位相における最も負の位相電圧を負の電源レールに規格化することによって位相接地すること、
   位相のゲインを位相角度の関数としてリアル・タイムで調整すること、または、
   前記モータ・コントローラの動作角度を４つの領域に分割することであって、異なる位相のゲインは該領域ごとに補償される、分割すること、
   のうちの少なくとも１つを行なう、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、更に、
   メモリを備え、前記プロセッサは、該メモリに、位相に対する補償電圧ゲインを記憶する、システム。
4. モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するための方法であって、
   前記モータ・コントローラの各位相の出力電圧を測定するステップと、
   前記モータ・コントローラの位相間の電圧不一致を判断するステップと、
   前記モータ・コントローラの１つの位相を位相接地するステップと、
   前記電圧不一致を補償するための位相に対する補償ゲインを計算するステップと、
   を備える方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、更に、
   位相に対しての補償ゲインをメモリに記憶するステップを備える、方法。
6. 請求項４に記載の方法において、
   前記計算するステップは、
   各位相に対して、ゲインを位相角度の関数としてリアル・タイムで調整すること、または、
   前記モータ・コントローラの動作角度を４つの領域に分割することであって、異なる位相のゲインは該領域ごとに補償される、分割すること、
   のうちの少なくとも１つを含む、方法。
7. モータ・コントローラにおけるトルク・リップルを低減するための方法であって、
   前記モータ・コントローラの各位相の出力電圧を測定するステップと、
   前記モータ・コントローラの位相間の電圧不一致を判断するステップと、
   前記モータ・コントローラの最も負の位相を位相接地するステップと、
   前記位相間の電圧不一致を補償するための位相に対する補償ゲインを、角度の関数として計算するステップと、
   モータを駆動するためのＰＷＭパルス列を構成するステップと、
   を備える方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記計算するステップは、
   各位相に対する補償ゲインをリアル・タイムで計算すること、または、
   前記モータ・コントローラの動作角度を４つの領域に分割することであって、異なる位相のゲインは該領域ごとに補償される、分割すること、
   のうちの少なくとも１つを含む、方法。
9. 請求項２に記載のシステム、請求項６に記載の方法、または請求項８に記載の方法のいずれかにおいて、
   前記領域のうちの２つは、１つの位相の０度および１８０度の動作点にまたがる、システムまたは方法。
10. 請求項９に記載のシステムまたは方法において、
    残りの位相は、前記２つの領域において前記１つの位相に対してオフセットされ、前記１つの位相は、非接地領域において補償される、システムまたは方法。

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