JP2007089287A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速回転領域でも誘起電圧により出力トルクが小さくならないように、ブラシレスモータを駆動制御することができるモータ制御装置の提供。
【解決手段】 所要のモータ出力に応じて、モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値を定め（Ｓ７，８）、定めたｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値がモータに流れるように、ｑ軸電圧及びｄ軸電圧を定め、定めたｑ軸電圧及びｄ軸電圧を三相変換した（Ｓ１５）三相電圧を印加してモータを駆動制御する（Ｓ１９）モータ制御装置において、モータの回転角速度を算出する手段（Ｓ５）と、算出した回転角速度及び所定のｑ軸電流値に基づき、ｄ軸電流目標値を補正する為のｄ軸電流補正値を演算する演算手段（Ｓ９）とを備え、演算したｄ軸電流補正値とｄ軸電流目標値とを加算した（Ｓ１１）補正ｄ軸電流目標値に対応する電流がモータに流れるように制御する（Ｓ１９）構成である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置等に使用され、所要のモータ出力に応じて、モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流及びｄ軸電流を定め、定めたｑ軸電流及びｄ軸電流がモータに流れるように、ｑ軸電圧及びｄ軸電圧を定め、定めたｑ軸電圧及びｄ軸電圧を三相変換して三相電圧を定め、定めた三相電圧を印加することによりモータを駆動制御するモータ制御装置に関するものである。

運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置は、トルクセンサが、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、操向車輪に連動する操舵補助用のモータを駆動制御しており、操舵補助用のモータには、近時、ブラシレスモータが使用されるようになっている。
ブラシレスモータの多くは、三相交流電圧により駆動制御され、制御を簡単にする為に、三相交流の電圧、電流を２軸直流で表す直交座標系に座標変換（ｄｑ変換）され、座標変換で得たｄ軸電流、ｑ軸電流に基づき駆動制御される。

即ち、所要のモータ出力を得る為に、ｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値（通常、ｄ軸電流目標値は０に設定される）を定め、定めたｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値がモータに流れるように、ｑ軸電圧及びｄ軸電圧を定め、定めたｑ軸電圧及びｄ軸電圧を三相変換して三相電圧を定め、定めた三相電圧をモータに印加する。

尚、ｄ軸は、三相交流電圧がつくる回転磁界の方向であって、ｄ軸電流の直流成分は基本波無効電流であり、ｑ軸はｄ軸に対してπ／２進んだ電圧の位相を取り、ｑ軸電流の直流成分は有効電流である。
特許文献１には、回転速度が所定範囲に達している場合、弱め界磁制御により回転駆動されるブラシレスモータを備えた電動パワーステアリング装置が記載されている。

特許文献２には、少なくともモータの回転速度、ｑ軸電流目標値、固定子巻線抵抗、固定子巻線リアクタンス及びモータ逆起電力定数に基づいて、電圧制限円上に動作点を設定するｄ軸電流値を演算により求め、この演算により求めたｄ軸電流値がｄ軸電流目標値よりも界磁を弱める電流値である場合には、この演算により求めたｄ軸電流値がｄ軸電流目標値となるように補正するステアリング制御装置が記載されている。
特開２００２−３４５２８１号公報 特許第３５５９２５８号公報

上述した永久磁石界磁式のブラシレスモータは、高速回転になると永久磁石界磁によるｑ軸の誘起電圧が大きくなって、ｑ軸電流を目標値どおりに流す為の電圧が確保できなくなり、結果として、図４の特性Ｃに示すように、高速回転領域ではｑ軸電流に比例するトルクが小さくなるという問題がある。
この問題を解決する為、従来は、高速側へ回転範囲を広げる為、ｄ軸電流を適当な値になるように制御し、永久磁石界磁による磁束を弱め、実質的にｑ軸の誘起電圧を小さくする弱め界磁制御が行なわれ、例えば、図４の特性Ｂに示すように、高速側へ回転範囲を僅かではあるが広げている。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、高速回転領域でも誘起電圧により出力トルクが小さくならないように、ブラシレスモータを駆動制御することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るモータ制御装置は、所要のモータ出力に応じて、モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値を定め、定めたｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値が前記モータに流れるように、ｑ軸電圧及びｄ軸電圧を定め、定めたｑ軸電圧及びｄ軸電圧を三相変換して三相電圧を定め、定めた三相電圧を印加することにより前記モータを駆動制御するモータ制御装置において、前記モータの回転角速度を算出する手段と、該手段が算出した回転角速度及び所定のｑ軸電流値に基づき、前記ｄ軸電流目標値を補正する為のｄ軸電流補正値を演算する演算手段とを備え、該演算手段が演算したｄ軸電流補正値と前記ｄ軸電流目標値とを加算して求めた補正ｄ軸電流目標値に対応する電流が前記モータに流れるように制御することを特徴とする。

第２発明に係るモータ制御装置は、前記演算手段が演算したｄ軸電流補正値の方向が、前記モータの界磁磁束を強める方向であるときは、該ｄ軸電流補正値に基づく前記ｄ軸電流目標値の補正を行なわないことを特徴とする。
尚、モータの界磁磁束を強める方向とは、永久磁石界磁が作る磁束の方向と同方向をいう。

第３発明に係るモータ制御装置は、前記所定のｑ軸電流値は、ｑ軸電流の最大制限値であることを特徴とする。

第１発明に係るモータ制御装置によれば、モータの回転角速度を算出し、算出した回転角速度、及び所定のｑ軸電流値に基づき、ｄ軸電流目標値を補正する為のｄ軸電流補正値を演算し、演算したｄ軸電流補正値とｄ軸電流目標値とを加算して求めた補正ｄ軸電流目標値に対応する電流がモータに流れるように制御するので、高速回転領域でも誘起電圧により出力トルクが小さくならないように、ブラシレスモータを駆動制御することができるモータ制御装置を実現することができる。

第２発明に係るモータ制御装置によれば、演算手段が演算したｄ軸電流補正値の方向が、モータの界磁磁束を強める方向であるときは、ｄ軸電流補正値に基づくｄ軸電流目標値の補正を行わないので、低速回転領域では効率が良く、高速回転領域では誘起電圧により出力トルクが小さくならないように、ブラシレスモータを駆動制御することができるモータ制御装置を実現することができる。

第３発明に係るモータ制御装置によれば、所定のｑ軸電流値は、ｑ軸電流の最大制限値であるので、ｑ軸電流目標値が最大制限値未満であっても出力トルクが小さくならないように、ブラシレスモータを駆動制御することができるモータ制御装置を実現することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るモータ制御装置を使用する電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。この電動パワーステアリング装置は、例えば舵取りの為のハンドル２７（操舵部材）と、ハンドル２７の操舵に応じて駆動される操舵補助用のモータ２と、モータ２の回転を減速歯車機構１８を介して舵取機構２３，２３に伝える伝動手段２４と、モータ２を駆動制御するコントローラ（モータ制御装置）１とを備えている。コントローラ１は、本発明に係るモータ制御装置の実施の形態であり、車両の走行速度を検出する車速検出器５が出力した車速信号が与えられている。

伝動手段２４は、ハンドル２７に連結された入力軸２６に図示しないトーションバーを介して連結される出力軸２９と、出力軸２９にユニバーサルジョイントを介して連結される連結軸３０と、連結軸３０にユニバーサルジョイントを介して連結されるピニオン軸３１と、ピニオン軸３１のピニオンに噛合するラック歯を有し、左右の操向輪Ａ，Ａに舵取機構２３，２３を介して連結されるラック軸３２とを備えている。入力軸２６及び伝動手段２４は操舵軸２５を構成している。

入力軸２６の周りには、ハンドル２７を操作することにより入力軸２６に加わる操舵トルクを、トーションバーに生じる捩れによって検出するトルク検出器３が配置されており、トルク検出器３が検出した操舵トルクに基づいて、コントローラ１がモータ２を駆動制御するように構成してある。
減速歯車機構１８は、モータ２の出力軸に繋がるウォームと、出力軸２９の途中に嵌合されるウォームホイールとを備えており、モータ２の回転をウォーム及ウォームホイールから出力軸２９に伝達するように構成してある。

このような構成の電動パワーステアリング装置では、ハンドル２７の操作による舵取り操作力を入力軸２６、トーションバー（図示せず）、出力軸２９、連結軸３０、及びピニオン軸３１を介してラック軸３２に伝達し、ラック軸３２を軸長方向へ移動させ、舵取機構２３，２３を作動させる。また、それと共に、トルク検出器３が検出した操舵トルクに基づき、コントローラ１がモータ２を駆動制御し、モータ２の駆動力を出力軸２９に伝達することにより、舵取り操作力を補助し、舵取りの為の運転者の労力負担を軽減する。

図２は、図１に示すコントローラ１内部の要部構成を示すブロック図である。このコントローラ１は、トルク検出器３が検出した操舵トルク値が、インタフェース４によりサンプリングされ、サンプリングされた操舵トルク値が、コントローラ１内のトルク−電流テーブル７に与えられる。トルク−電流テーブル７には、車速検出器５が検出し、インタフェース６がサンプリングした車速信号も与えられている。

トルク−電流テーブル７では、操舵トルク信号が所定の不感帯を超えると、操舵トルク信号の増加に従ってモータ電流の目標値が比例的に増加し、さらに操舵トルク信号が所定値以上になると目標値が飽和するような関数が、車速信号に応じて可変的に定められている。前記関数は車速信号が大となるに従って操舵トルク信号に対するモータ電流の目標値の比が小となると共に、目標値の飽和値が小となるように定められている。トルク−電流テーブル７が定めたモータ電流の目標値（ｑ軸電流目標値Ｉｑ１）は減算手段８へ与えられる。

操舵補助を行うブラシレスモータであるモータ２には、そのロータの回転位置を検出するロータ位置検出器２１が内蔵され、ロータ位置検出器２１が検出し出力した位置信号は、コントローラ１内の電気角演算回路２０に与えられ、電気角に換算されて、３相→ｄｑ変換器１１及びｄｑ→３相変換器１４に与えられる。ロータ位置検出器２１が検出し出力した位置信号は、コントローラ１内の機械角速度算出部２８にも与えられ、機械角速度（モータ回転数）に換算されて、Ｉｄ演算部１０に与えられる。
コントローラ１内の電流検出回路１９が、モータ２のＵ相界磁コイルＬｕ及びＶ相界磁コイルＬｖにそれぞれ流れる電流値Ｉｕ，Ｉｖを検出し、３相→ｄｑ変換器１１に与える。

３相→ｄｑ変換器１１は、与えられた電流値Ｉｕ，Ｉｖ及び電気角に基づき、ｄ軸電流値Ｉｄ２、ｑ軸電流値Ｉｑ２へｄｑ変換し、ｄ軸電流値Ｉｄ２を減算手段９へ、ｑ軸電流値Ｉｑ２を減算手段８へそれぞれ与える。
減算手段８は、トルク−電流テーブル７からのモータ電流の目標値（ｑ軸電流目標値Ｉｑ１）と、３相→ｄｑ変換器１１からのｑ軸電流値Ｉｑ２との差を演算し、その差をＰＩ制御部１２へ与える。
減算手段９は、Ｉｄ演算部１０からのｄ軸電流目標値Ｉｄ１と、３相→ｄｑ変換器１１からのｄ軸電流値Ｉｄ２との差を演算し、その差をＰＩ制御部１３へ与える。

Ｉｄ演算部１０は、以下によりｄ軸電流目標値Ｉｄ１を求める。
モータトルクＴは、ｑ軸電流Ｉｑに比例し、（１）式で表される。
Ｔ＝ＫｔＩｑ （１）
ｑ軸電流Ｉｑは、（２）式で表される。
Ｉｑ＝（Ｖｑ−Ｖqe）／Ｒ （２）
ｑ軸の誘起電圧Ｖqeは、（３）式で表される。
Ｖqe＝ωrm（Ｋｅ＋ｐＬｄＩｄ） （３）

モータが高速回転になると、ｑ軸の誘起電圧Ｖqeが大きくなり、一定のｑ軸電源電圧Ｖｑの下では、ｑ軸電流Ｉｑが目標値どおり流せなくなる。そこで、ｑ軸電流Ｉｑを流す為の電圧（巻線による電圧降下分）
Ｖqr＝ＲＩｑ （４）
を確保できる分に応じて、ｑ軸の誘起電圧Ｖqeを小さくすれば良い。このときのｑ軸の誘起電圧Ｖqeは、
Ｖqe＝Ｖｑ−Ｖqr （５）
であり、（５）式に（３），（４）式を代入すると、
ωrm（Ｋｅ＋ｐＬｄＩｄ）＝Ｖｑ−ＲＩｑ （６）

（６）式を変形すると、ｄ軸電流Ｉｄは（７）式となる。
Ｉｄ＝（Ｖｑ−ＲＩｑ）／ｐＬｄωrm−Ｋｅ／ｐＬｄ （７）
但し、ｑ軸電流Ｉｑを流すのに必要な電圧を確保できるモータの低速回転領域（Ｖｑ−Ｖqr＜０）では、Ｉｄ＝０とする。
ここで算出したｄ軸電流Ｉｄをｄ軸電流補正値Ｉｄ１′とする。

Ｔ；モータトルク[Ｎ・ｍ]
Ｖｑ；ｑ軸電源電圧[Ｖ] Ｖqe；ｑ軸誘起電圧[Ｖ]
Ｖqr；ｑ軸巻線電圧降下[Ｖ]
Ｉｄ；ｄ軸電流[Ａ] Ｉｑ；ｑ軸電流[Ａ]
ωrm；機械角速度[ｒａｄ／ｓ]
Ｋｔ＝Ｋｅ；トルク定数[Ｎ・ｍ／Ａ]
＝ｑ軸誘起電圧定数[Ｖｓ／ｒａｄ]
ｐ；モータ極対数
Ｒ；相抵抗
Ｌｄ；ｄ軸インダクタンス[Ｈ]

ＰＩ制御部１２，１３は、それぞれ与えられた差に基づき、ＰＩ制御の為のｑ軸電圧Ｖｑ、ｄ軸電圧Ｖｄをそれぞれ演算して、ｄｑ→３相変換器１４及びＩｄ演算部１０へ与える。ｄｑ→３相変換器１４は、与えられたｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄ及び電気角に基づき、ｄｑ逆変換（３相変換）して、３相の各電圧値を演算し、３相電圧指令部１５へ与える。３相電圧指令部１５は、与えられた各電圧値を３相電圧の各指令値（３相の各電流位相指令値）として、ＰＷＭ出力部１６へ与える。

ＰＷＭ出力部１６は、与えられた３相電圧の各指令値をパルス幅変調し、ＰＷＭ指令値としてモータ駆動回路１７へ与える。
モータ駆動回路１７は、与えられた各相のＰＷＭ指令値（パルス信号）により、各相の界磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗと図示しない電源及び接地端子との間をスイッチングして、モータ２をＰＷＭ駆動する。

以下に、このような構成のコントローラ１の操舵アシスト動作を、それを示す図３のフローチャートを参照しながら説明する。
コントローラ１は、先ず、トルク検出器３が検出し、インタフェース４によりサンプリングされた操舵トルク信号をトルク−電流テーブル７に読み込み（Ｓ１）、車速検出器５が検出し、インタフェース６によりサンプリングされた車速信号をトルク−電流テーブル７に読み込む（Ｓ３）。次いで、機械角速度算出部２８が算出した機械角速度ωrm（モータ回転数）をＩｄ演算部１０で読み込む（Ｓ５）。

コントローラ１は、次に、トルク−電流テーブル７でモータ電流の目標値（ｑ軸電流目標値Ｉｑ１）を決定する（Ｓ７）。次いで、Ｉｄ演算部１０で、ｄ軸電流目標値Ｉｄ１を演算する（Ｓ８）。通常は、Ｉｄ１＝０とする。
コントローラ１は、次に、Ｉｄ演算部１０で、ｄ軸電流補正値Ｉｄ１′を例えば（７）式により演算する（Ｓ９）。この際、（７）式のｑ軸電流Ｉｑは、ｑ軸電流の最大制限電流値とする。

コントローラ１は、次に、Ｉｄ演算部１０で、演算したｄ軸電流補正値Ｉｄ１′（Ｓ９）が、界磁磁束を強める方向（正／負号）であるか否かを判定する（Ｓ１０）。演算したｄ軸電流補正値Ｉｄ１′が、界磁磁束を強める方向でなければ、ｄ軸電流目標値Ｉｄ１（通常は０）にｄ軸電流補正値Ｉｄ１′を加算し、加算後の値をｄ軸電流目標値Ｉｄ１として補正を行う（Ｓ１１）。次いで、減算手段８で、モータ電流の目標値（ｑ軸電流目標値Ｉｑ１）とモータ電流（ｑ軸電流値Ｉｑ２）との差を演算し、減算手段９でｄ軸電流目標値Ｉｄ１とモータ電流（ｄ軸電流値Ｉｄ２）との差を演算する（Ｓ１３）。

コントローラ１は、演算した差（Ｓ１３）に基づき、ＰＩ制御部１２，１３及びｄｑ→３相変換器１４で、ＰＩ制御の為の演算及びｄｑ逆変換（３相変換）を実行して、３相の各電圧値を求め、３相電圧指令部１５で、３相電圧の各指令値（モータ電流指令値）及びモータの回転方向を決定する（Ｓ１５）。
コントローラ１は、次に、ＰＷＭ出力部１６で、３相電圧の各指令値をパルス幅変調してＰＷＭ指令値を決定しモータ駆動回路１７へ与える（Ｓ１７）。次いで、モータ駆動回路１７で、与えた各相のＰＷＭ指令値（パルス信号）により、各相の界磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗと図示しない電源及び接地端子との間をスイッチングして、モータ２の駆動電圧を出力し（Ｓ１９）リターンする。

コントローラ１は、演算したｄ軸電流補正値Ｉｄ１′（Ｓ９）が、界磁磁束を強める方向であれば（Ｓ１０）、補正（Ｓ１１）を行わずに、減算手段８でモータ電流の目標値（ｑ軸電流目標値Ｉｑ１）とモータ電流（ｑ軸電流値Ｉｑ２）との差を演算し、減算手段９でｄ軸電流目標値Ｉｄ１（通常は０）とモータ電流（ｄ軸電流値Ｉｄ２）との差を演算する（Ｓ１３）。
以上により、高速回転領域でも誘起電圧により出力トルクが小さくならないように、また、ｑ軸電流がモータの誘起電圧に影響されない低速回転領域では、効率良く、モータを駆動制御することが可能となり、例えば、図４の特性Ａに示すように、高速側へ回転範囲を広げることができる。

本発明に係るモータ制御装置を使用する電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。 図１に示すコントローラ内部の要部構成を示すブロック図である。 本発明に係るモータ制御装置の実施の形態であるコントローラの操舵アシスト動作を示すフローチャートである。 本発明に係るモータ制御装置の実施の形態であるコントローラの動作例を示すモータのトルク−回転数特性図である。

符号の説明

１ コントローラ（モータ制御装置）
２ モータ
３ トルク検出器
５ 車速検出器
７ トルク−電流テーブル
８，９ 減算手段
１１ ３相→ｄｑ変換器
１２，１３ ＰＩ制御部
１４ ｄｑ→３相変換器
１５ ３相電圧指令部
１６ ＰＷＭ出力部
１７ モータ駆動回路
１９ 電流検出回路
２８ 機械角速度算出部

Claims (3)

1. 所要のモータ出力に応じて、モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値を定め、定めたｑ軸電流目標値及びｄ軸電流目標値が前記モータに流れるように、ｑ軸電圧及びｄ軸電圧を定め、定めたｑ軸電圧及びｄ軸電圧を三相変換して三相電圧を定め、定めた三相電圧を印加することにより前記モータを駆動制御するモータ制御装置において、
   前記モータの回転角速度を算出する手段と、該手段が算出した回転角速度及び所定のｑ軸電流値に基づき、前記ｄ軸電流目標値を補正する為のｄ軸電流補正値を演算する演算手段とを備え、該演算手段が演算したｄ軸電流補正値と前記ｄ軸電流目標値とを加算して求めた補正ｄ軸電流目標値に対応する電流が前記モータに流れるように制御することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記演算手段が演算したｄ軸電流補正値の方向が、前記モータの界磁磁束を強める方向であるときは、該ｄ軸電流補正値に基づく前記ｄ軸電流目標値の補正を行なわない請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記所定のｑ軸電流値は、ｑ軸電流の最大制限値である請求項１又は２記載のモータ制御装置。

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