JP2007089398A - モータの位置を計算する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータのロータの絶対位置を決定する方法を提供し、更に転流事象の検出と制御を改良することを可能にする。
【解決手段】 出力軸に中間手段を介して接続されているモータの時間における瞬間での位置を計算する方法である。モータに設けられた感知手段を用いて時間における第１の場合での実際のロータ位置の第１の測定値を得る。次いで、出力軸に設けられた感知手段を用いて出力軸の回転速度を計算する。次いで、時間の上記第１の場合と時間における上記瞬間との間のモータの回転の変位を示すオフセットを出力軸の回転速度に基づいて計算する。そして、当該オフセットを加えることにより第１の場合に得られた回転位置の第１の測定値を修正して時間における瞬間での絶対モータ回転位置を示す出力を生成する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、モータの位置を計算する方法に関する。本発明は、特に電気的パワー・ステアリング・システムに使用のためであるがそれ専用ではない電気モータ制御戦略の改良に関する。

電気モータがコンパクトで効率的なステアリング・システムを生成するよう伝統的な油圧補助に取って代わる車両用の電気的パワー・ステアリング・システムを提供することは当該技術において既知である。ステアリング補助は、ステアリング・コラムにおけるトルクの尺度に応答してモータを駆動することにより与えられる。そのような用途においては、モータの出力特性、即ちモータ・トルクの良好な制御を有することは本質的である。

本発明に関連し、パワー・ステアリング・システムで用いられ得るその種の通常のモータ及び駆動回路は、３つの構成要素、即ち多相が星形に接続されている多相永久磁石ブラシなしモータと、ブリッジの各アームが頂部スイッチング手段及び底部スイッチング手段を備える多相ブリッジと、ロータ位置及び／又はモータ電流を検出するための感知手段とを備える。頂部及び底部スイッチング手段は、通常各々、単一のトランジスタ又は並列接続された２つ又はそれより多いトランジスタを備える。

制御戦略はトランジスタを駆動するために用いられる変調技術を制御し、それによりモータ巻線の電流をロータ位置の知識と一緒に制御し、従ってモータ・トルクを制御する。
伝統的に、そのようなモータ・システムは、制御戦略の機能を実行する専用の集積回路、例えば、モトローラＭＣ３３０３５集積回路（ＩＣ）により駆動される。これは、３相又は４相モータに対するモータ制御戦略を実施するのに必要な全ての機能を与える。当該ＩＣは、各アームにおいて、頂部トランジスタを駆動するための３つの出力と、底部トランジスタを駆動するための３つの出力とを与える。任意の所与のロータ位置に対して、ＩＣは、駆動回路の１つの頂部及び１つの底部トランジスタのみを使用可能化するため用いられる。この種のモータ制御の追加の特徴は、使用可能化された頂部及び底部のトランジスタがブリッジの異なるアーム上にあることである。

使用可能化された状態において、底部トランジスタのみがパルス幅変調され、使用可能化された頂部トランジスタは変調期間全体にわたりオン状態にある。底部トランジスタのパルス幅変調デューティを変えることは、モータ電圧を決定し、モータ電流レベル及び速度を制御するために用いられ得る。所望の頂部及び底部トランジスタの選択は、位置センサからのデータをモータ巻線に流れる電流の測定値と関係して解釈するＩＣの単純な制御戦略の下で実施される。この種の変調は、底部トランジスタのみがパルス幅変調されるので、底部のみ変調（bottom only modulation）と称される。

前述の底部制御を含む従来の転流の欠点は、開ループ電圧制御モードにおいて、結果として生じる全体のモータ電流レベル（従ってトルク）における過渡降下が１つの相から次の相に転流する際に発生することである。前述したパワー・ステアリング用途において、これらの過渡は、運転手によりステアリング・ホイールを通して感じられる。他の問題は、モータが減速するとき底部のみ変調を用いる貧弱な電力制御に起因してモータが方向を変えているとき起こる。

本発明の目的は、ロータ速度及び位置に関係なくモータ・トルクの正確な制御を与えて、モータ・トルク・リップルを最小にし且つモータからの音響雑音を最小にする改良されたモータ制御戦略を提供することにある。

本発明の第２の目的は、モータのロータの絶対位置を決定する手段を提供し、更に転流事象の検出と制御を改良することを可能にすることである。

本発明の上記目的を達成するため、本発明の第１の局面に従って、少なくとも３相を有する多相ブラシなしモータであって、当該モータの各相は多相ブリッジのアームに接続され、当該ブリッジの各アームは頂部スイッチング・デバイス及び底部スイッチング・デバイスを備え、前記スイッチング・デバイスは少なくとも１つのトランジスタを備える、多相ブラシなしモータのパルス幅変調を制御するための制御戦略において、
前記制御戦略は、相補パルス幅変調された入力が前記ブリッジの２つのアームにおける前記頂部及び底部スイッチング・デバイスに印加され、そのため前記２つのアームの各々において、前記頂部スイッチング・デバイスがオン状態にあり、一方前記底部スイッチング・デバイスはオフ状態にあり、そしてパルス幅変調のデューティ・サイクルの終わりで、前記２つのスイッチング・デバイスの状態が逆にされる第１の変調モードでもって前記スイッチング・デバイスを駆動する段階を備え、
前記パルス幅変調のデューティ・サイクル及びどのスイッチング・デバイスが変調されるかの選択は、感知手段の出力に応答して制御アルゴリズムにより実行されることを特徴とする。

この制御戦略において、ブリッジの所与のアームにおける頂部及び底部トランジスタに印加されたパルス幅変調された入力は相互に相補的であり、即ち、単一の変調期間の間、一方のトランジスタはオンであり、他方のトランジスタはオフ状態にあり、そして上記変調期間内のパルス幅変調デューティの終わりで、上記２つのトランジスタの状態が逆にされる。次いで、モータに印加された平均電圧は、上記２つのトランジスタのオン時間の比により決定される。従って、上記２つのトランジスタの状態は各変調期間の間に交換する。

この変調技術は、ブリッジの各アームにおけるトランジスタが互いを相補的に付勢されるので、相補変調として知られるであろう。印加されるモータ電圧の方向はＰＷＭサイクル毎に逆にされる。正味ゼロ・モータ電圧が、順方向電圧が逆方向電圧と同じ時間印加されるとき、正味ゼロ・モータ電圧が、５０％ＰＷＭデューティで印加され、印加される正味モータ電圧の逆転の際にブリッジ動作の不連続がない。このように、底部のみ変調技術において経験した制御の困難さが排除され、そして、ＥＰＡＳシステムに用いられるとき、ステアリング・ホイールの滑らかな反転を達成することができる。また、転流を切り替える相補モードを用いることにより、過渡がモータ電流の正の半サイクル及び負の半サイクルの双方に対して対称である。これに対し、このことは、より低い又は底部のみ制御の場合真実とならない。

好ましくは、この機能が各トランジスタのためのドライバＩＣに与えられない場合、インターロック遅延をも設けることができる。
インターロック遅延の付与は「シュート・スルー（ shoot-through）」を阻止する。シュート・スルーは、ブリッジの同じ脚部における頂部及び底部トランジスタが双方ターンオンされたとき生じる。ＭＯＳ−ＦＥＴ及び他のトランジスタは、ターンオン及びオフするのに有限の時間がかかり、そこでインターロック遅延は、頂部トランジスタをターンオフした後底部トランジスタのターンオンを遅延する（又はその逆にする）ため用いることができる。

好ましくは、感知手段は、モータに流れる電流を検出する電流センサと、モータのロータのロータ位置を検出する角度位置センサとを備え、双方のセンサの出力は制御アルゴリズムにより用いられる。

この場合、電流センサを読み取り、その測定された値を位置センサの出力に従って処理して「モータ電流」値を与え、ソフトウエアでこの「モータ電流」を要求された値と比較する適切なフィードバック制御アルゴリズムを適用し、そしてＰＷＭデューティを該制御アルゴリズムからの出力に従って調整することにより、モータ電流が制御される。

好ましくは、モータは３相モータから成り、従って３相ブリッジが用いられる。
ホール効果デバイスを位置センサとして用いることができ、そして、ホール・センサの出力を３ビット・ディジタル・コードとして表すように構成し得る。次いで、このディジタル・コードは、どのトランジスタがパルス幅変調されるかを決定する場合制御戦略により用いられることができる。

相補ＰＷＭモードにおいて、モータ相の丁度２つが、全ての３相が短期間導通するときの転流過渡を除く任意の所与の回転位置、典型的には底部のみ変調技術において用いられるであろう同じ２つの相で付勢され得る。このようにして、高コストの高解像度位置センサを用いる必要がない。

上記の変調スキームはモータ反転の間の底部のみ変調技術を越えた著しい改良を提供する一方、相補スキームの欠点は、それがブリッジ・フィルタ・キャパシタにおいてより高いリップル電流を発生する点にある。

従って、本発明の第２の局面に従って、我々は、３相を有する多相ブラシなしモータであって、当該モータの各相は多相ブリッジのアームに接続され、当該ブリッジの各アームは頂部スイッチング・デバイス及び底部スイッチング・デバイスを備え、前記スイッチング・デバイスは少なくとも１つのトランジスタを備える、多相ブラシなしモータのパルス幅変調を制御するための制御戦略において、
前記制御戦略は、第１の変調モードと第２の変調モードとから選択し、
前記第１の変調モードにおいて、前記ブリッジの少なくとも１つのアームにおける前記頂部スイッチング・デバイスと前記底部スイッチング・デバイスとは、相補パルス幅変調された入力が前記頂部及び底部スイッチング・デバイスに印加されることにより駆動され、そのため前記頂部スイッチング・デバイス及び底部スイッチング・デバイスのうちの一方がオン状態にある一方前記頂部スイッチング・デバイス及び底部スイッチング・デバイスのうちの他方はオフ状態にあり、パルス幅変調のデューティ・サイクルの終わりで前記２つのスイッチング・デバイスの状態が逆にされ、
前記第２のモードにおいて、パルス幅変調された入力が前記ブリッジの１つの前記アームにおける底部スイッチング・デバイスに印加され、一方前記ブリッジの前記アームの異なる方における頂部スイッチング・デバイスはオンにスイッチングされ、パルス幅変調のデューティ・サイクル及びどのスイッチング・デバイスが変調されるかの選択を制御アルゴリズムにより実行される
ことを特徴とする制御戦略を提供する。

好ましくは、制御アルゴリズムは、最も適切な変調技術を決定するため感知手段からの情報を用いる。
好ましくは、相補変調が低モータ速度で用いられ、モータ反転の良好な制御を与え、そして、底部のみＰＷＭが高モータ電流で用いられ、ブリッジ・フィルタ・キャパシタにおけるリップル電流を最小にする。制御アルゴリズムは、モータ駆動を一方のモードから他方のモードに最大モータ電流のほぼ半分のモータ電流で切り替え得る。

ブリッジから接地リターンにそして各モータ相及び／又は個々の相脚部において流れる電流は、これらのパスの直列抵抗の両端間の電位降下により感知され得る。
本発明の第３の局面は、相補変調と底部のみ変調のうちのいずれかが制御アルゴリズムにより選択されるときのソフト転流モード又はハード転流モードの実行である。

ソフト転流モードにおいては、終了相電流の低減速度が開始相電流の増大速度と整合するよう低減される。これは、さもなければ誘導性効果に起因して発生する不所望の電流過渡なしで第３相における電流を一定レベルに維持する利点を提供する。転流点での変化の低減した速度は、モータ相における誘起されたＥＭＦの大きさを低減し、また音響雑音を低減する。

好ましくは、ソフト転流の持続時間は、モータ電流及びロータ位置に応答して制御アルゴリズムにより低ロータ速度での性能を最適化し、且つ高ロータ速度でモータ・トルクの低下を最小にするように制御される。

代替として、ハード転流を用いてもよい。この場合、転流相電流の増大速度は、終了相電流の低減速度と整合するよう増大され、第３相において一定電流を維持し、さもなければ発生する電流（従ってトルク）の不所望な瞬時降下を再び克服する。そのようなハード転流の持続時間は、制御アルゴリズムにより又はソフトウエアにおいて制御され得る。

本発明の上記第２の目的を達成するため、本発明の第４の局面に従って、出力軸に中間手段を介して接続されるモータの時間における瞬間での位置を計算する方法は、
前記モータに設けられた感知手段を用いて時間における第１の場合での実際のロータ位置の第１の測定値を得るステップと、
前記出力軸に設けられた感知手段を用いて前記出力軸の回転速度を計算するステップと、
時間の前記第１の場合と時間における前記瞬間との間の前記モータの回転の変位を示すオフセットを前記出力軸の回転速度に基づいて計算するステップと、
前記オフセットを加えることにより前記第１の場合に得られた回転位置の第１の測定値を修正して時間における前記瞬間でのモータのロータ絶対位置を示す出力を生成するステップと
を備える。

好ましくは、モータ位置感知手段は、高精度の絶対モータ位置センサから成る。
代替として、モータ位置感知手段は、出力軸上の感知手段からの位置測定値とモータ上の位置センサの出力との組合わせを有する。

代替として、モータ位置感知手段は、出力軸上の絶対位置センサとモータのロータ上の増分形位置センサとの組合わせを有する。
好ましくは、モータ位置センサは、ホール効果センサから成り、該ホール効果センサは３ビット・ディジタル・コードを生成してもよい。電気的パワー・ステアリング・システムの場合、例えば、媒介手段はクラッチ及び／又はギヤボックスを備え、モータは出力軸をウォーム及びウォーム・ホイールを介して駆動してもよい。

電気的パワー・ステアリング・システムの場合ステアリング・コラムであろう出力軸の位置は、専用の位置センサから、又はルーカス・リニア・アレイ・トルク（Lucas Linear Array Torque）・センサのようなトルク・センサからの適切な出力から得ることができる。

ロータ位置センサ、即ち、ホール効果センサは、モータの電気角の絶対指示を与える。ホール・センサが状態を変えるときは常に、オフセットがゼロに設定される。全ての周期的サンプル時に出力軸速度が、出力軸位置センサから決定することができる。これは、最後の２つの軸位置測定値を比較することにより行うことができる。ギヤボックス比は、出力軸速度を乗算され、このオフセットを加えてもよい。ホール効果状態にオフセットを加えたものは、高解像度の絶対位置情報を決定することを可能にする。

このようして、全てのホール・センサ過渡におけるオフセットをリセットすることにより、バックラッシュ及び捩れのワインドアップ（wind-up）が最小にされ、そのため出力軸についての位置情報を用いてモータ・ロータの位置を指示することができる。

本発明の更なる局面に従って、絶対角度位置情報を用いて、モータ転流位置を種々のモータ動作条件下で最適化することができる。
転流位置は、転流事象が発生する位置を絶対モータ位置の読取りに応答して進め又は遅らせることにより変えることができる。これは、転流点で発生し得るトルク・ステップを、電流レベルが増大するときのモータにおける磁気作用の変化のため最小にする。転流点はまたモータ速度の関数として変えられ、より高いトルクをより高いモータ速度で与えることができ、こうして所与のバッテリ電圧に対するモータの定常状態のトルク／速度エンベロープを改善する。

要求された電流もまた、予測可能な負荷時モータ・トルク・リップルを最小にするため、当該電流をモータ電流、モータ速度及び絶対位置情報に応答して調整することにより制御され得る。

我々の発明の幾つかの実施形態は、添付図面に図示されている。
永久磁石で励起された電気モータにおける瞬時トルクは励起相における瞬時モータ電流に実質的に比例するように該瞬時トルクが制御され得ることは周知である。従って、モータ電流を制御することはまた、モータ・トルクを制御することになる。直接モータ・トルクを測定するよりモータ電流を測定するのはより安価であるので、電流制御システムが実施されている。

モータ及びパワー駆動回路の特有の実施形態が図１に示されている。図示のモータ（１）は３相ブラシなしＤＣモータであり、該モータの相は共に星形形態に接続されている。駆動回路は３相ブリッジを備える。該ブリッジの各アームは更に、電源供給ラインと接地との間に直列接続されている１対のトランジスタを備え、モータ巻線がその２つのトランジスタの間からタップ・オフされている。ＭＯＳ−ＦＥＴタイプのトランジスタが用いられている。各アームにおけるトランジスタは、本明細書において頂部トランジスタ（２、３、４）及び底部トランジスタ（５、６、７）とそれぞれ称される。

このタイプのモータ及び駆動回路は、１つの頂部電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を完全にオンに切り替え、且つパルス幅変調（ＰＷＭ）された制御信号を１つの底部ＦＥＴに印加するモトローラＭＣ３３０３５のような専用ＩＣを用いて制御されることが多い。特定のＦＥＴ（複数）は、電流情報と関係して角度位置センサから情報を復号するＩＣにより決定される。

一例では、モータ・ロータの角度位置は、ロータ磁石の張出し部の通過を検出するように置かれた磁気効果センサの使用を介して感知される。なお、そこにおいて、該センサは、センサ回路自身に対する磁気経路を与える一方センサをいずれの外部磁界からの効果を遮蔽する磁気遮蔽部を有するように構成されている。

動作において、モータ又はロータ磁石２７の磁極が感知要素を通過するとき生じる磁気回路が形成（メーク）される又は切られる（ブレークされる）毎に、感知要素は切り替わる。このスイッチング信号は、接続部（図示せず）を介してモータ制御回路に通される。

該ロータは背部鉄スリーブ２６を担持し、該背部鉄スリーブ２６は、ロータ・スリーブ２８により覆われた該背部鉄スリーブ２６の周縁部の周りにロータ磁石２７を固定せしめる。ロータがセンサ組立体３０及びモータ・ステータ（図示せず）に対して角度方向に運動するのを可能にするため、隙間又は空隙２９が設けられている。

図１２に示されるセンサ組立体は、ロータの弧又は外側セクションを囲む３つの要素デバイスである。センサ組立体内の要素３１のサイズと数は、形態、即ちモータのロータ磁極部材の数に応じて、ロータの円周部全体を覆う１つといずれの数との間で変わり得る。

センサ組立体は非磁性センサ担体３２を備え、該非磁性センサ担体３２には磁気感知要素３１が配置されている。これは磁気センサ背部鉄３３により囲まれ、該磁気センサ背部鉄３３は感知要素の周りの磁界強度を高めるよう作用し、スイッチングを助け且つ磁気干渉を排除し、そして重要なことは、通常、適切な非磁性センサ担体を作るであろう材料は機械的強度が低いので、センサ組立体にその機械的強固さを与える。

ホール効果感知手段からの出力信号は、３ビット・ディジタル・コードを与えるよう適合させ得る。３ビット・コードに対する必要性は、任意であり、例示によってのみこの適用において開示される好適な実施形態において用いられる。位置情報の１つ又は複数のビットを与える少なくとも１つ又は複数のセンサは、設計及び性能と、実際の動作適用に課された故障許容度制約条件とに左右されて用いられ得る。

モータ電流についての情報は、ブリッジから接地リターンに及び／又はモータの３つの相の各々において流れる電流を測定することにより得られる。
図１ａにおいて、単一の感知抵抗８のみが示されている。該抵抗に流れる電流を測定することは、該抵抗の両端間の電位降下を測定してオームの法則を適用することにより実施され得る。この単一の抵抗は、モータから接地リターンに流れる電流についての情報を与える。

代替として、抵抗８ａ、８ｂ、８ｃを図１ｂに示されるようにブリッジの各アームに対して設けることができる。これにより、各相における電流を測定することが可能になる、即ち、相脚部感知（phase leg sensing）である。

電流及び位置の双方の情報は、以下の制御戦略により用いることができる。
電流センサを読み出し、ホール効果センサからの３ビット・ディジタル・コードに従ってその測定された値を処理してモータ電流値を与え、ソフトウエアでこの「モータ電流」を要求された値と比較する適切なフィードバック制御アルゴリズムに適用し、ＰＷＭデューティを該制御アルゴリズムからの出力に従って調整することにより、モータ電流は制御される。ＰＷＭデューティは、ホール効果センサからの３ビット・ディジタル・コードに従って３相ブリッジの適切なトランジスタに印加される。モータ制御のこの方法は、マイクロプロセッサが既に存在することを仮定すると当該方法は電子的ハードウエアより部品が少なくてよいので有利である。

上記制御戦略と用いることができるモータ変調技術の一形式は、全てのモータ制御環境において底部トランジスタ５、６、７のみがパルス幅変調される一方、頂部トランジスタ２、３、４は制御戦略により決定されるオン状態かオフ状態かのいずれかである底部のみＰＷＭ変調として知られている。図２は、所与のホール効果スイッチ・コードに対してブリッジの各アームにおけるトランジスタの状態を示す底部のみ変調スキームを示す。この変調技術においては単一の変調チャネル、ＰＷＭ１のみが必要とされることが分かり得る。

通常の転流が用いられる上記制御戦略の欠点は、他の２つの相の転流の際に転流されてない相におけるモータ電流（及び従ってトルク）における過渡降下があることである。これは、モータの誘導性巻線における電流の早い変化を強制しようとすることから生じている。転流の際に生じる、モータ・トルクにおけるこの過渡降下は、モータがＥＰＡＳシステムにおいて動作しているときステアリング・ホイールで感じ且つ聞くことができる。

底部のみＰＷＭ変調技術の更なる欠点は、それがモータが逆転されたとき貧弱な電流制御を与えることにある。最も重要な逆転は、モータ電流符号が変えられそのため機械的パワーをステアリング・システムに入れる代わりにモータが機械的パワーをステアリング・システムから取り出す（即ち、出力軸の運動にブレーキをかける）逆転にある。そのような逆転下で、モータ電流を底部のみＰＷＭにより正確に制御することは難しい。

これは、ブリッジがそのような逆転下で非線形応答を有するからである。モータにブレーキがかかっているとき、回生電流がモータ巻線に発生される。底部のみスイッチングにより、これらの回生電流は、ブリッジが反転されるとき（即ち、頂部トランジスタがスイッチングされるとき）のみ流れることができる。こうして、ブリッジが反転されるとき、回生電流は非常に突然流れ始め、モータ電流（そして従ってトルク）において鋭い変化を生じさせる。トルクにおけるそのような鋭い変化は望ましくない。

ＥＰＡＳシステムにおいては、モータ逆転下で良好な電流制御を有することは本質的であり、モータ電流はモータの運動（そして従ってブレーキ動作）により頻繁に逆転される。

図３は、本発明の第１の局面を形成する相補ＰＷＭモードとして知られる交互ＰＷＭモードの一例の詳細を与える。それは、トランジスタが相補ＰＷＭ信号を用いて互いの相補パルス幅変調されるので、相補ＰＷＭとして知られる。この変調スキームにおいて、印加されたモータ電圧の方向は、ＰＷＭサイクル毎に反転される。従って、トランジスタは相互に相補的に付勢され、頂部及び底部トランジスタの双方は変調されることができることが分かり得る。２つのＰＷＭチャネル、即ちＰＷＭ１及びＰＷＭ２が必要とされることが分かり得る。

２つのＰＷＭチャネルは、図４に示されるような特徴を特徴付ける詳細を有する。ＰＷＭ−ＰＥＲＩＯＤ ５０は、１変調サイクルの全体時間である。ＰＷＭ１−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥ ５１は、ＰＷＭ１がハイ（即ち、トランジスタがターン「オン」されている）であるデューティ時間であり、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥ ５２は、ＰＷＭ２がハイ（即ち、トランジスタがターン「オン」されている）である時間である。正常な相補動作において、上記２つのチャネルは相補的であり、唯１つのトランジスタが一時にオンしており、トランジスタ同士は各変調期間の間毎度交換する。ＩＮＴＥＲＬＯＣＫ遅延５３がまたシュートスルーを防止するため設けられている。

動作において、正味ゼロ・モータ電圧は、順方向電圧が逆方向電圧と同じ時間印加されるとき５０％ＰＷＭデューティで印加される。こうして、このモードにおいては、印加される正味モータ電圧の反転の際にブリッジ動作に不連続が存在せず、従ってトルク過渡が発生しない。これは、ステアリング・ホイールの滑らかな反転をもたらす。

類似のＰＷＭモードが、ＡＣブラシなし駆動において共通に採用され、そこにおいて「フラックス（束）」ベクトルが３つの全てのモータ相を異なる程度に付勢することにより確立される。しかしながら、これは、高コストの高解像度位置センサを必要とする。相補ＰＷＭ技術においては、２つの相のみが所与のロータ位置で付勢され、そこで、ホール効果センサにより発生される３ビット・コードのような低解像度位置情報を採用することができる。

相補ＰＷＭ技術は、底部のみ変調中に発生する過渡が排除される利点を提供する。しかしながら、相補変調技術の欠点は、それが底部のみ変調より駆動回路においてより高いリップルを発生することである。

上記２つのＰＷＭモード間の欠点及び利点を考えて、図５に示される制御戦略は、底部のみ変調と相補変調の組合わせを採用する。相補変調は、モータの逆転の滑らかな制御を与えるためゼロのいずれの側の低い値の電流（例えば、±１０アンペア）に対して選択される。次いで、駆動段における電流リップルを最小にするため、より高い電流に対して制御戦略により、底部のみ変調に切り替えられる。上記２つのＰＷＭモード間を切り替えることは、電流感知手段と関係して制御アルゴリズムにより実施される。このデュアル変調制御戦略は本発明の第２の局面を形成する。

図１３は、図５に図示される種類のモータ制御戦略を組み込む電気的パワー・ステアリング・システムを図示する。電子的制御ユニット３４は、信号をイグニション・スイッチ３５、車両速度信号送出手段３６、診断手段３７、ＣＡＮインタフェース手段３８及びトルク・センサ電子的手段３９から受け取るよう適合されている。電子的制御ユニット３４は、種々の信号について動作し且つ付勢電流を放出してステアリング機構４０に付与されるパワー補助を制御する。

図示のように、ステアリング・ホイール４１は、ステアリング・リンケージ４２の動作をコラム軸４３を介して制御する。コラム軸４３に付与されるトルクは、電子的制御ユニット３４からの付勢電流の制御下で電子的アクチュエータ４４により増強される。

図５は、図１３に示されるコントローラ内に具体化されるであろう、ソフトウエア用語での種々の論理手段を図示する。この制御戦略において、相補９と底部のみ１０との双方の変調が採用されている。

相補変調は、低いモータ電流で、典型的には最大モータ電流の半分までで用いられる。電流感知手段からの出力が電流が事前設定値を越えたことを示す場合、底部のみ変調が採用される。制御戦略は、電流がこの事前設定値より下に戻り落ちた場合、変調を相補変調に戻すよう切り替える。

底部のみ変調が選択されたときの制御戦略は、底部ソフト転流１１か頂部ソフト転流１２かのいずれかを採用する。正しい転流戦略の選択は、底部転流又は頂部転流かのいずれが発生したかに応答して実施される。頂部転流事象又は底部転流事象のいずれかの完了の際、制御戦略は正常な底部のみ変調１０に戻る。

制御戦略はまた、底部ソフト転流１１か頂部ソフト転流１２かのいずれかから相補変調に直接戻るよう切り替えることができる。
底部のみ変調において、２つのタイプの転流事象が生じることができる。頂部転流は、ホール・センサが１つの頂部ＦＥＴをターンオフし且つ異なる頂部ＦＥＴをターンオンすることをもたらす状態を変えるとき生じる。ホール・センサ・コードは、転流のこの形式が図６に示されるように発生したとき変わる。

底部転流は、１つの底部ＦＥＴがターンオフしており且つ異なるＦＥＴがターンオンしているとき生じる。ホール・センサ・コードは、転流のこの形式が図７に示されるように発生したとき生じる。

上記２つの形式のソフト転流の目的を理解するため、正常な転流下でのモータの挙動を理解しなければならない。転流事象は、電流の流れを１つのモータ相において終了し、同等の電流の流れを第２のモータ相において開始し、そして第３のモータ相における公称一定電流を維持することから成る。上記３つのモータ相は星点に対して星形形態に接続されているので、該３つの相に流れる電流の和は、ゼロに維持しなければならない。しかしながら、開始相電流の増大速度が終了相電流の低減速度より小さく、そこで第３の（通常一定）相電流は瞬時に降下し、一方該３つの相電流の和をゼロに等しくする値を維持する。この降下は、モータ・トルクにおける過渡降下に対応する。

１つの解法は、一定の第３相電流をそして従って一定のモータ・トルクを維持するため、低減する相電流の低減速度と整合するように開始相電流の増大速度を増大することである。これはハード転流と称される。

このハード転流は「電圧ブースト」機能を実効的に用い、それによりＰＷＭデューティは転流過渡が存在する間短期間増大される。底部のみモードにおいて、転流されてない相における電流過渡の降下は、該相における電流の正及び負の双方の方向に対して対称的でない。これは図１５に示されている。従って、電圧ブーストの異なるレベルが、電流降下を電流の方向に応じて最小にするため要求される。相補モードにおいては、転流されてない相における降下は電流の流れの双方の方向に対して同じであり、従って電圧ブーストの唯１つのレベルがいずれの方向における所与の電流レベルに対して必要とされる。

別の解法は、開始相電流の増大速度と整合するよう終了相電流の低減速度を低減することを求めることである。上記２つが整合されるとき、第３相における結果として生じる電流は、転流事象中一定のままであり、従ってモータ・トルクもまた一定のままである。この解法はソフト転流と称される。

図８及び図１０は、底部のみ変調の間のホール・センサ出力コードの変化に応答して底部ソフト及び頂部ソフト転流を行うため採用される制御戦略を示す。
底部ソフト及び底部ハード転流技術の改良において、転流の持続時間、即ちその間転流が実行されるＰＷＭサイクルの数が、ソフトウエア制御下で調整される。これにより、転流機能を低ロータ速度で最適化するのを可能にし、モータ・トルクにおける降下を高ロータ速度で最小にする。これは、ソフト転流の場合に対する図８から図１１に図示されている。

ソフト及びハード転流技術は、パルス幅変調期間ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥを変えることにより実施することができる。底部ソフト及び頂部ソフト転流の場合、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥの値は、モータ・トルク及び速度に応答して制御戦略に従って変えられ得る。

このように底部ソフト変調を実施する一例が図８及び図９に示されている。底部ソフト変調状態に入る際に、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥは、ＰＷＭ１−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥと同じ値に初期化される。次いで、それは、所定数のＰＷＭサイクルにわたりゼロへ前進的に低減される。こうして、ＰＷＭサイクルの数は、制御ユニットによりモータ動作条件に従って決定される。

図９に提供される例において、制御戦略底部ソフト転流サブルーチンは、その間ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥが次のとおり低減されるＰＷＭサイクルの数を決定する。ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥの初期化（ステップ１３）後に、制御戦略は、次のＰＷＭサイクルが到達されたかを見るためチェックする（ステップ１４）。次のサイクルが到達されたとき、制御戦略は、転流が発生したか否かを決定すべき次のステップ１５に移動する。転流が発生した場合、底部ソフト転流ルーチンを出る（ステップ１８）。しかしながら、転流が生じなかった場合、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥは、モータ・トルク及び速度に依存する量だけ低減される（ステップ１６）。この低減後に、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥがゼロに等しいか又はそれより小さい場合（ステップ１７）、底部ソフト転流モードを出る。ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥが依然ゼロより大きい場合、ルーチンは、次のＰＷＭサイクルが到達されたかをチェックするため戻る（ステップ１４）。これが、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥがゼロに等しいかそれより小さくなり底部ソフト転流を出るまで繰り返される。

ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥがゼロに到達すると通常底部ソフト転流状態を出て、そしてＰＷＭ１の立上り縁及びＰＷＭ２の立下り縁は全ての毎度同期されたままである。
類似の変調技術が、図１０及び図１１に示される頂部ソフト転流に対して実施され得る。この場合、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥが、この状態に入る際にＰＷＭ−ＰＥＲＩＯＤと同じに初期化される。次いで、それは、所定数のＰＷＭサイクルにわたりゼロへ前進的に低減される。底部ソフト転流の場合におけるように、サイクル数は予め決められ、そしてこの状態から出ることが、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥがゼロに達するとき起こる。ＰＷＭ１の立上り縁及びＰＷＭ２の立下り縁は同期されたままである。

図１１は、頂部ソフト転流を実行するため制御戦略内に埋め込まれ得るソフト用語で論理手段に関し表された頂部ソフト転流ルーチンの例を与える。最初にＰＷＭモードを頂部ソフト転流に対して設定した（ステップ１９）後に、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥはＰＷＭ１−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥと同じ値に初期化される（ステップ２０）。次いで、制御ルーチンは、次のＰＷＭサイクルに達したかをチェックする（ステップ２１）。達しない場合、上記ルーチンは、次のサイクルに達するまでこの状態のままであり、そこから制御ルーチンは転流が生じたかを問い合わせる（ステップ２２）。転流が生じた場合、頂部ソフト転流を出る（ステップ２５）。転流が生じていない場合、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥの速度は、モータ・トルク及びモータ速度に依存する量だけ低減される（ステップ２３）。次いで、制御ルーチンは、ＰＷＭ２−ＨＩＧＨ−ＴＩＭＥの新しい値がゼロに等しいか又はそれより小さいかを見るためチェックする（ステップ２４）。そうである場合、頂部ソフト転流を出るが、しかし該新しい値がゼロより大きい場合、ルーチンは、それが到達すべき次のＰＷＭサイクルを待つ状態へ戻る（ステップ２１）。

モータ制御戦略に対する別の改良においては、高解像度絶対モータ・ロータ位置測定値を用いて、制御システム・アルゴリズムに、モータ電流が１組の相巻線から別の相巻線へ即ち各転流の位置へ切り替えられるロータ位置を最適化することができる。

典型的には、転流が起こるロータの位置はホール・センサの位置により決定され、転流はホール・センサ出力コードにおける変化により開始される。ホール・センサがステータに装着されているので、これらの転流位置は固定される。或る一定の条件下で、転流位置をステータに関して物理的に移動させることによりモータの性能を改善することができ、それは、転流で起こるトルクの不連続を低減又は排除するのを助けることができる。モータ電流が上昇するにつれ、ステータの電磁界はロータの磁界を歪ませる。この歪みは、相の作動角を実効的にシフトさせる。転流点をモータ・トルクの方向に進めることにより、当該歪みを補償することができる。必要とされる進み量はモータ電流の大きさに依存し、モータ電流が負であるとき当該進みもまた負（即ち、遅滞）である。

図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、モータ電流変動を電流整形技術の適用を通して最小にする仕方を示す。図１４（ａ）は整形なしのモータ・トルクを示す。図１４（ｂ）において、電圧ブースト信号がモータに印加されるが、なおこの信号は平滑化なしで生じるであろうモータ・トルク・リップル（即ち、図１４（ａ）に示されるトルク）の鏡像、又は逆である。この場合の結果として生じるモータ電流は、それが図１４（ｂ）に示されるように、位置に依存した電流及び印加されたブースト信号の和であるので、公称的にはリップルに無関係である。

転流点もまたモータ速度の関数として変えられ、より高いトルクを高モータ速度で与え、こうして所与のバッテリ電圧に対してモータの定常状態トルク／速度エンベロープを改善することができる。

高解像度絶対モータ位置データを用いて、転流点をソフトウエア制御下で変えることができる。これは、最適転流位置を各モータ動作条件に対して選択することを可能にする。
ステアリング・トルク・データを与えるためＥＰＡＳシステムに設けられたトルク・センサから得られた角度位置測定値と関係してホール効果スイッチを用いることにより高解像度位置情報を与えることができる。この絶対位置測定の動作は、以下のパラグラフに記載される。

モータ・ロータの角度位置は、ホール効果センサにより測定される。位置情報は、３６０°／（３×モータ極数）の解像度、例えば６極モータにおいて２０度の解像度を有する。トルク・センサにより与えられる角度位置データは、ステアリング軸上のウオーム・ホイールの角度位置についての情報を与える。モータ・クラッチが係合されるとき、ウオーム及びクラッチ・ギヤボックスを介してモータは、ウオーム・ホイールと物理的にリンクされる。従って、トルク・センサからの角度位置情報は、モータ・ロータについての角度位置情報を与える。ウオームの角度位置は、ホール・センサが状態を変える度にオフセットをゼロにリセットすることにより任意のスタート位置に関して既知であり、そしてトルク・センサはこの任意の位置に関して位置情報を与え、そこでモータの絶対位置を決定することができる。

モータの測定された角度位置を特定のホール効果センサ遷移の固定の角度位置（即ち、転流位置）に対して参照することにより、絶対モータ位置を高精度で計算することが可能である。トルク・センサからの角度位置がホール効果センサに対して転流のたびに参照される限り、ギヤボックスにおけるバックラッシュの効果と、高負荷の条件下でウオーム及びホイールにおける捩れのワインドアップとを補償することが可能である。必要とされる角度位置情報を与える適切なトルク・センサは、ルーカス（Lucas）線形アレイ・トルク・センサ又は８チャネル・センサである。

別の実施形態においては、モータ・トルク・リップルの或る一定の成分が予測可能であり、それはロータの角度位置に関連することが知られている。前述した高解像度の絶対モータ位置情報を用いて、このリップル成分を補償するため、要求されたモータ電流に対する補正量を決定することができる。このようにして、リップルがマップアウトされる（mapped out）ことができる。

更に、転流事象がホール効果センサにより知らされる時を観測することにより、高解像度絶対モータ位置の最後の２つの読取りから得られた速度値を用いて遅延時間を計算することができる。例えば、２°の進み角度が要求されるならば、速度測定値を用いて２°を走行するのにどのくらい時間がかかるかを決定することができる。次いで、この時間遅延は、制御戦略によりクロックされ、そして経過時間後に転流事象をトリガするため用いられることができる。

一つのその局面において本発明がＥＰＡＳシステムにおける使用に適した電気モータに対する改良したモータ制御戦略に関連し、当該ＥＰＡＳシステムにおいては２つの変調技術（駆動モード）がモータ条件に応じて用いられることが上記の記載から理解されるであろう。一方のモードにおいては、底部のみ変調が発生し、一方他方のモードにおいては、相補変調が生じ、駆動モードの選定は制御アルゴリズムにより選択される。幾つかの強化がまたモータ・トルク出力を改善するため記載されている。このようにして、基本的制御戦略を越えた相当の改良が実施され、モータからの改善されたトルク出力を結果として生じる。

改善されたモータ制御戦略が、パワー・ステアリング用途の文脈の中で記載されている。しかしながら、本制御戦略は、改善されたトルク出力を電気モータから与えることが望ましいいずれの用途における使用に対しても適していることが理解されるべきである。

図１のａ（図１ａ）及びｂ（図１ｂ）は、３相ブラシなしＤＣモータと、３相ブリッジを備える関連のパワー駆動回路とを示す。 図２は、用いられる底部のみ変調技術と、所与のホール・センサ及びコードに対する各トランジスタの電流状態とを示す。 図３は、本発明の第１の局面に従った相補ＰＷＭ戦略を図示する。 図４は、２つのＰＷＭ１及びＰＷＭ２信号を図示する。 図５は、本発明の第２の局面に従った相補及び底部のみ変調を用いる包括的な制御戦略を図示する。 図６は、頂部転流をもたらすホール・センサ・コード変化を示す。 図７は、底部転流をもたらすホール・センサ・コード変化を示す。 図８は、底部ソフト転流戦略の例を示す。 図９は、底部ソフト転流を実施するための制御ルーチンの例を示す。 図１０は、頂部ソフト転流の例を示す。 図１１は、頂部ソフト転流戦略を実施するためのソフトウエア制御ルーチンの例を示す。 図１２は、ロータ位置情報を得ることができるようなホール効果センサとモータ・アーマチュアとの関係を図示する。 図１３は、図５の制御戦略を具体化する電気的パワー・ステアリング・システムを概略的に図示する。 図１４の（ａ）及び（ｂ）は、位置に依存したリップルを最小にするためブースト電圧を印加することによる電流整形の使用を図示する。 図１５は、（ａ）相補スキームと（ｂ）底部のみ変調スキームとに対する正のＡサイクルにおける電流の過渡降下（dip）と負のＢサイクルにおける電流の過渡降下との関係を示す。

符号の説明

１ モータ
２，３，４ 頂部トランジスタ
５，６，７ 底部トランジスタ
８，８ｂ，８ｃ 抵抗
２６ 背部鉄スリーブ
２７ ロータ磁石
２８ ロータ・スリーブ
２９ 隙間又は空隙
３０ 組立体
３１ 磁気感知要素
３２ 非磁性センサ担体
３３ 磁気センサ背部鉄
３４ 電子的制御ユニット
３５ イグニション・スイッチ
３６ 車両速度信号送出手段
３７ 診断手段
３８ ＣＡＮインタフェース手段
３９ トルク・センサ電子的手段
４０ ステアリング機構
４１ ステアリング・ホイール
４２ ステアリング・リンケージ
４３ コラム軸
４４ 電子的アクチュエータ

Claims (6)

1. 出力軸に中間手段を介して接続されているモータの時間における瞬間での位置を計算する方法において、
   前記モータに設けられた感知手段を用いて時間における第１の場合での実際のロータ位置の第１の測定値を得るステップと、
   前記出力軸に設けられた感知手段を用いて前記出力軸の回転速度を計算するステップと、
   時間の前記第１の場合と時間における前記瞬間との間の前記モータの回転の変位を示すオフセットを前記出力軸の回転速度に基づいて計算するステップと、
   前記オフセットを加えることにより前記第１の場合に得られた回転位置の第１の測定値を修正して時間における前記瞬間での絶対モータ回転位置を示す出力を生成するステップと
   を備えるモータの位置を計算する方法。
2. 前記出力軸上の前記感知手段及び前記モータでの前記感知手段の双方は、角度位置センサを備える請求項１記載のモータの位置を計算する方法。
3. 前記出力軸上の前記感知手段は、角度位置の関数である出力信号を与えるトルク・センサを備え、
   前記モータでの前記感知手段はホール効果センサを備える
   請求項１記載のモータの位置を計算する方法。
4. 前記出力軸は、電気的に補助されるステアリング・システム内のステアリング・コラムを備え、
   前記中間手段は、クラッチと、ギヤボックスと、ウォーム・ホイール及びウォームとのうちのいずれか又はこれらの任意の組合わせを備える
   請求項１から３のいずれか一項に記載のモータの位置を計算する方法。
5. 出力軸の速度は、時間における前記第１の場合で得られた前記出力軸上の前記角度位置感知手段からの出力を、時間における前記瞬間で得られた前記出力軸上の前記角度位置感知手段からの出力と比較することにより計算される請求項２又は３に記載のモータの位置を計算する方法。
6. 前記モータ・ロータの速度は、前記出力軸の速度にギヤボックス比を乗算することにより得られる請求項５記載のモータの位置を計算する方法。

Images