JP2007267548A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータ起動時の注入電力を少なくすることにより、起動時の異音または振動を抑制でき、また、省エネルギー性にも優れたモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置５は、ロータならびにＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線を備えた構成の電動モータ３を駆動する。高周波電圧発生部３０は、大きさを一定に保持して所定周期で回転する回転定電圧ベクトルを印加するための電圧指令を生成する。ロータ角度推定部２５は、回転定電圧ベクトルが印加されているときの電動モータ３からの電流応答に基づいてロータ位相角を推定する。回転定電圧の大きさおよび回転速度は、Ｎ極判定のための磁気飽和電圧および磁気飽和回転速度から、極位置推定のための極位置推定電圧および極位置回転速度へと変化させられる。これらは、温度センサ２によって検出される電動モータ３の温度に基づいて定められる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのモータ制御装置に関する。ブラシレスモータは、たとえば、電動パワーステアリング装置における操舵補助力の発生源として利用される。

ブラシレスＤＣモータを駆動制御するためのモータ制御装置は、一般に、ロータの回転位置を検出するための位置センサの出力に応じてモータ電流の供給を制御するように構成されている。しかし、位置センサの耐環境性が問題となるうえ、高価な位置センサおよびこれに関連する配線がコストの削減を阻害し、かつ、小型化を阻害している。そこで、位置センサを用いることなくブラシレスＤＣモータを駆動するセンサレス駆動方式が提案されている。センサレス駆動方式は、ロータの回転に伴う誘起電圧を推定することによって、磁極の位相（ロータの電気角）を推定する方式である。

ロータ停止時および極低速回転時には、誘起電圧を推定できないので、別の方式で磁極の位相が推定される。具体的には、図２(a)に示すように、ロータ５０の回転中心を原点とする固定座標であるαβ座標の原点まわりにロータ５０の回転方向に沿って回転する高周波電圧ベクトル（大きさは一定）が形成されるように、高周波探査電圧がＵ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線５１，５２，５３に印加される。高周波電圧ベクトルは、ロータ５０の回転速度に対して十分に高速に回転する電圧ベクトルである。この高周波電圧ベクトルの印加に伴って、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線５１，５２，５３に電流が流れる。この三相の電流の大きさおよび方向をαβ座標上で表した電流ベクトルは、原点まわりに回転することになる。

ロータ５０のインダクタンスは、磁束方向に沿う磁極軸であるｄ軸と、これに直交するｑ軸（トルク方向に沿う軸）とで異なる値をとる。そのため、電流ベクトルの大きさは、ｄ軸に近い方向の場合に大きく、ｑ軸に近い方向の場合に小さくなる。その結果、図２(b)に示すように、電流ベクトルの終点は、αβ座標上において、ロータ５０のｄ軸方向を長軸とする楕円形の軌跡５５を描く。

したがって、電流ベクトルの大きさは、ロータ５０のＮ極方向およびＳ極方向において極大値を有する。すなわち、図３(a)に示すように、電流ベクトルの１周期において、その大きさは、２つの極大値を有する。この場合、電圧ベクトルの大きさが十分に大きければ、ステータの磁気飽和の影響により、ロータ５０のＮ極側の方がＳ極側よりもインダクタンスが小さくなり、Ｎ極方向の電流ベクトルの大きさが最大値をとることになる（曲線Ｌ１参照）。

そこで、十分に大きな高周波電圧ベクトルを印加してＮ極に対応した電流ベクトルの極大値を特定しておき（Ｎ極判定動作）、その後は、大きさを小さくした高周波電圧ベクトルを印加し、電流ベクトルの極大値に基づいて、ロータ５０の位相を推定することができる（極位置推定動作）。より具体的には、大きさが極大値をとるときの電流ベクトルのα軸成分Ｉ_αおよびβ軸成分Ｉ_βにより、ロータ５０の位相角（電気角）θは、θ＝Ｔan^-1（Ｉ_β／Ｉ_α）として求められる。
特許第３３１２４７２号公報 特開２０００−２８２８７３号公報 陳 志謙他、「外乱オブザーバと速度適応同定による円筒型ブラシレスＤＣモータの位置・速度センサレス制御」、電気学会論文誌 Ｄ，１１８巻７／８号、平成１０年

Ｎ極判定動作のためには、十分に大きな電圧を印加して、ステータ巻線の磁気飽和を生じさせる必要がある。
ところが、ロータの磁束密度は、温度に大きく依存するため、それに応じて、ステータ巻線の磁気飽和を引き起こすための電流値が変動する。したがって、このような温度依存性までをも考慮して、磁気飽和を生じさせるための電流値に対応した大電圧をステータ巻線に印加することにより、Ｎ極判定動作を確実に行う必要がある。

しかし、大電力の注入に伴って、電動モータから異音や振動が生じる問題があり、たとえば、電動パワーステアリング装置では、運転者に違和感を与えてしまうおそれがある。また、必要以上の大電力を必要とするから、省エネルギー性の観点からも問題がある。
そこで、この発明の目的は、電動モータ起動時の注入電力を少なくすることにより、起動時の異音または振動を抑制でき、また、省エネルギー性にも優れたモータ制御装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、電動モータ（３）の温度を検出または推定する温度検出手段（２８）と、この温度検出手段によって検出または推定される温度に基づいて、前記電動モータのステータが磁気飽和を起こすのに必要十分な磁気飽和電圧値を設定する磁気飽和電圧値設定手段（３５Ａ，Ｓ１２）と、前記温度検出手段によって検出または推定される温度に基づいて、前記電動モータのロータ（５０）の磁極位置を推定するのに必要十分な極位置推定電圧値を設定する極位置推定電圧値設定手段（３５Ｂ，Ｓ１４）と、前記磁気飽和電圧値設定手段によって設定された磁気飽和電圧値に従って、前記ロータの回転中心まわりを回転する回転定電圧ベクトルを形成するための磁気飽和用探査電圧を前記モータのステータ巻線（５１，５２，５３）に印加し、その後に、前記極位置推定電圧値設定手段によって設定された極位置推定電圧値に従って、前記ロータの回転中心まわりを回転する回転定電圧ベクトルを形成するための極位置推定用探査電圧を前記ステータ巻線に印加する探査電圧印加手段（３０）と、この探査電圧印加手段によって探査電圧を印加しているときの前記電動モータの応答に基づいて前記ロータの回転角を演算する回転角演算手段（２５）とを含むことを特徴とするモータ制御装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

この構成によれば、電動モータの温度に応じて、ステータの磁気飽和を生じさせるのに必要十分な磁気飽和電圧値および極位置推定のために必要十分な極位置推定電圧値が定められる。これらに従って、ロータの回転中心まわりで回転する回転定電圧ベクトルが形成されることにより、必要十分な電力を電動モータに注入して、Ｎ極判定動作およびその後の極位置推定動作を行わせることができる。より具体的には、磁気飽和電圧値に従って回転定電圧ベクトルが形成されている状態で電動モータの応答を調べることによって、ロータのＮ極位置を特定でき、さらに、極位置推定電圧値に従って回転定電圧ベクトルが形成されている状態で電動モータの応答を調べることによって、ロータの磁極位置を特定できる。こうして、ロータの回転角（電気角）を位置センサを用いることなく推定することができる。

このように、この発明では、電動モータの温度に応じて必要最低限の電力が注入されるので、電動モータの停止時や極低速回転時、すなわち、電動モータの起動時におけるロータ回転角の推定のために、電動モータに異音や振動が生じることを抑制することができる。それとともに、省エネルギー性も向上できる。
前記磁気飽和電圧値設定手段は、電動モータの温度を入力として、当該温度に対応する磁気飽和電圧値を出力するマップ（テーブル）で構成されていてもよい。同様に、極位置推定電圧値設定手段は、電動モータの温度を入力として、当該温度に対応する極位置推定電圧値を出力するマップ（テーブル）で構成されていてもよい。

磁気飽和電圧値および極位置推定電圧値は、たとえば、ステータ巻線に流すべき必要十分な電流値に基づいて求められる。この場合、ステータ巻線のインピーダンスは温度に依存し、インピーダンスは印加電圧の周波数に依存するので、回転定電圧ベクトルの回転速度についても、電動モータの温度に応じて可変設定することが好ましい。具体的には、前記温度検出手段によって検出または推定される温度に基づいて、前記磁気飽和電圧値に対応した磁気飽和回転速度を設定する磁気飽和回転速度設定手段（３６Ａ，Ｓ１２）と、前記温度検出手段によって検出または推定される温度に基づいて、前記極位置推定電圧値に対応した極位置推定回転速度を設定する極位置推定回転速度設定手段（３６Ｂ，Ｓ１４）とをさらに含むことが好ましい。これらは、温度を入力として各回転速度値を出力するマップ（テーブル）で構成されていてもよい。

また、探査電圧印加手段から印加される回転定電圧ベクトルの大きさを、磁気飽和電圧から極位置推定電圧へと漸次的に変更する手段（Ｓ１５）をさらに含むことが好ましい。また、探査電圧印加手段から印加される回転定電圧ベクトルの回転速度を磁気飽和回転速度から極位置推定回転速度へと漸次的に変更する手段（Ｓ１５）をさらに含むことが好ましい。これにより、ステータ巻線に流れる電流の急変を抑制できるから、電動モータによる駆動対象（たとえば、電動パワーステアリング装置における舵取り機構）やこれに連結された部材に対して不所望な動きや振動が生じることを抑制できる。

前記探査電圧印加手段は、前記ロータが回転停止または極低速回転（たとえば、２５０ｒｐｍ以下）しているときに、探査電圧をステータ巻線に印加するものであることが好ましい。また、前記探査電圧印加手段は、前記回転定電圧ベクトルがロータの回転よりも速く（好ましくは、２０倍以上の速さで）回転するように探査電圧を印加するものであることが好ましい。

前記回転角度演算手段は、前記探査電圧印加手段によって探査電圧を印加しているときに前記電動モータに流れる電流の極大値を検出する電流極大値検出手段（１９，Ｓ４）と、この電流極大値検出手段によって電流極大値が検出されるときの前記回転定電圧ベクトルの位相を特定する位相特定手段（２６，Ｓ５）とを含み、この特定された回転定電圧ベクトルの位相をロータ回転角の推定値として出力するものであってもよい。

前記モータ制御装置は、前記回転角演算手段が出力する回転角に基づいて、前記ロータを回転させるために前記ステータ巻線に印加する制御信号を生成する回転制御信号生成手段（１０，１３，１４，１５，１６，１７，１８，２０）をさらに含むことが好ましい。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するためのブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、車両のステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ１と、車両の舵取り機構２に操舵補助力を与える電動モータ３と、この電動モータ３を駆動制御するモータ制御装置５とを備えている。モータ制御装置５は、トルクセンサ１が検出する操舵トルクに応じて電動モータ３を駆動することによって、操舵状況に応じた適切な操舵補助を実現する。電動モータ３は、この実施形態では、三相ブラシレスＤＣモータであり、図２(a)に示すように、界磁としてのロータ５０と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３とを備えている。電動モータ３は、ロータの外部にステータを配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを配置したアウターロータ型のものであってもよい。

モータ制御装置５は、ｄ軸電流指令値生成部１１と、ｑ軸電流指令値生成部１２と、ｄ軸ＰＩ（比例積分）制御部１３と、ｑ軸ＰＩ制御部１４と、ｄ軸指示電圧生成部１５と、ｑ軸指示電圧生成部１６と、ｄ軸指示電圧およびｑ軸指示電圧を座標変換する座標変換部１７と、ＰＷＭ制御部１０と、駆動回路（インバータ回路）１８と、電流検出手段としての電流検出回路１９と、電流検出回路１９の出力を座標変換する座標変換部２０とを備えている。

ｄ軸電流指令値生成部１１は、電動モータ３のロータ磁極方向に沿うｄ軸電流成分の指示値を生成する。同様に、ｑ軸電流指令値生成部１２は、ｄ軸に直交するｑ軸（ただし、ｄｑ座標平面はロータ５０の回転方向に沿う平面である。）電流成分の指示値を生成する。電動モータ３のＵ相、Ｖ相およびＷ相に与えるべき電流（正弦波電流）の振幅を表す電流指令値Ｉ^*を用いると、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*は、次式(1)(2)のように表される。

したがって、ｄ軸電流指令値生成部１１は定数「０」を生成し、ｑ軸電流指令値生成部１２は操舵トルクに応じたｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を生成するように構成されている。より具体的には、ｑ軸電流指令値生成部１２は、操舵トルクに対応したｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を記憶したマップ（テーブル）によって構成されてもよい。
電流検出回路１９は、たとえば、電動モータ３のＵ相電流Ｉ_UおよびＶ相電流Ｉ_Vを検出する。その検出値は、座標変換部２０に与えられる。座標変換部２０は、次式(3)(4)に従って、Ｕ相電流Ｉ_UおよびＶ相電流Ｉ_Vを、ｄｑ座標上での電流成分、すなわち、ｄ軸電流Ｉ_dおよびｑ軸電流Ｉ_qに変換する。

モータ制御装置５は、さらに、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*に対するｄ軸電流Ｉ_dの偏差を演算するｄ軸電流偏差演算部２１と、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*に対するｑ軸電流Ｉ_qの偏差を演算するｑ軸電流偏差演算部２２とを備えている。これらが出力する偏差がそれぞれｄ軸ＰＩ制御部１３およびｑ軸ＰＩ制御部１４に与えられてＰＩ演算処理を受ける。そして、これらの演算結果に応じて、ｄ軸指示電圧生成部１５およびｑ軸指示電圧生成部１６によって、ｄ軸指示電圧Ｖ_d ^*およびｑ軸指示電圧Ｖ_q ^*が生成されて、座標変換部１７に与えられる。座標変換部１７は、次式(5)(6)(7)に従って、ｄ軸指示電圧Ｖ_d ^*およびｑ軸指示電圧Ｖ_q ^*をＵ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*に変換する。

ＰＷＭ制御部１０は、三相の電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*に応じて制御されたデューティ比の駆動信号を生成して駆動回路１８に与える。これにより、電動モータ３の各相には、電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*に応じたデューティ比で電圧が印加されることになる。
前記式(3)〜(7)の座標変換のためには、ロータ５０の位相角（電気角）θが必要である。そこで、モータ制御装置５は、ロータ位相角θを、位置センサを用いることなく推定するロータ角度推定部２５を備えている。このロータ角度推定部２５には、電流検出回路１９の出力が、高周波応答抽出部２４を介して与えられている。高周波応答抽出部２４は、たとえば、ハイパスフィルタである。

ロータ５０の停止時および極低速回転時（２５０ｒｐｍ以下）においてロータ５０の位相角θを推定するために、モータ制御装置５には、さらに、探査電圧印加手段としての高周波電圧発生部３０が備えられている。この高周波電圧発生部３０は、電動モータ３の定格周波数に比較して十分に高い周波数（たとえば、２００Hz）の高周波正弦電圧を、探査電圧として、電動モータ３のＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３に印加するための電圧指令値を生成し、ＰＷＭ制御部１０に与える。より具体的には、ロータ５０の回転を引き起こすことのない程度のデューティ比の高周波電圧の印加によって、Ｖ−Ｗ相通電、Ｗ−Ｕ相通電およびＵ−Ｖ相通電を順次繰り返させることにより、ロータ５０の回転中心まわりで空間的に回転する回転定電圧ベクトルである高周波電圧ベクトルを印加する。この高周波電圧ベクトルは、ロータ５０の回転中心を原点とする固定座標であるαβ座標の原点まわりに定速回転する一定の大きさの電圧ベクトルである（図２(a)参照）。

高周波電圧発生部３０は、ロータ５０の停止時および極低速回転時において、前述のような高周波電圧（探査電圧）の印加のための指令値を生成してＰＷＭ制御部１０に与える。ロータ５０の回転が十分に速くなると（たとえば、２５０ｒｐｍを超えると）、高周波電圧発生部３０は、高周波電圧指令の発生を停止する。
高周波応答抽出部２４は、ロータ５０の停止時および極低速回転時において、高周波電圧発生部３０が発生する高周波電圧の周波数に対応した周波数成分を電流検出回路１９の出力信号から抽出するフィルタ処理を実行する。また、高周波応答抽出部２４は、ロータ５０の回転が十分に速くなると（たとえば、２５０ｒｐｍを超えると）、前記フィルタ処理を行わず、電流検出回路１９の出力信号をロータ角度推定部２５へとスルーさせる。

したがって、ロータ角度推定部２５は、ロータ５０の停止時および極低速回転時には、高周波応答抽出部２４によって抽出される高周波成分に基づいてロータ位相角θを推定する。また、ロータ角度推定部２５は、ロータ５０の回転が十分に速くなると、高周波応答抽出部２４によるフィルタ処理を受けていない電流検出回路１９の出力を用いることにより、ロータ５０の回転に伴ってＵ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線５１，５２，５３に現れる誘起電圧を推定（たとえば、非特許文献１参照）し、これに基づいて、ロータ５０の位相角θを推定する。

ロータ角度推定部２５は、ロータ５０の停止時および極低速回転時において、ロータ５０の回転角を求めるために使用される計数手段としてのカウンタ２６を備えている。このカウンタ２６は、高周波電圧発生部３０の働きによって印加される高周波電圧ベクトルがα軸（Ｕ相方向に一致）に沿うとき（すなわち、高周波電圧ベクトルの位相が零のとき）に初期化されて計数動作を開始するように繰り返し動作する。カウンタ２６は、たとえば、高周波電圧の周期（高周波電圧ベクトルがロータ５０の電気角で３６０度回転するのに要する時間）Ｔをｎ等分（ｎは１周期当たりのサンプリング数。たとえばｎ＝３６０）した周期Ｔ／ｎ毎にカウントアップするもので、その出力は、高周波電圧ベクトルの位相を表す。そこで、図３に示すように、高周波応答抽出部２４の出力（電流）の極大値が検出された時点でカウンタ２６の計数値を参照すれば、この計数値はロータ５０の磁極位置（電流ベクトルの大きさが最大のときの高周波電圧ベクトルの位相角）を表す。なお、図３(a)は電流ベクトルの大きさの時間変化を表し、図３(b)は高周波電圧ベクトルのβ軸成分の時間変化を表し、図３(c)はカウンタ２６の計数値の時間変化を表している。

図４は、ロータ５０の停止時または極低速回転時におけるロータ位相角推定動作を説明するためのフローチャートであり、高周波電圧発生部３０の働きによって印加される高周波電圧ベクトルの１周期（１回転）に対応している。高周波電圧ベクトルの印加開始（位相角零）と同期してカウンタ２６が初期化されて計数が開始される（ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３）。一方、ロータ角度推定部２５は、高周波応答抽出部２４の出力の極大値を検出し（ステップＳ４）、極大値が検出されたときのカウンタ２６の計数値をロータ位相角推定値として出力する（ステップＳ５）。

前述のとおり、電流ベクトルの大きさは、電流ベクトルの方向がロータ５０のＮ極方向およびＳ極方向に向くときに極大値をとり、高周波電圧ベクトルの大きさがステータの磁気飽和を生じるほど大きい場合には、Ｎ極方向に向くときの電流ベクトルの大きさがＳ極方向に向くときの電流ベクトルの大きさよりも大きくなる（図３(a)の曲線Ｌ１参照）。
そこで、電動モータ３の起動時には、Ｎ極位置が不明であるので、高周波電圧発生部３０は、ステータの磁気飽和を生じさせることができる大きさの高周波電圧ベクトルを印加し、一方、ロータ角度推定部２５は、高周波電圧ベクトルの１周期中で電流ベクトルの大きさが最大値となるときのカウンタ２６の計数値に基づいてＮ極位置を判定するＮ極判定動作を行う。すなわち、高周波電圧ベクトルの１周期に２度現れる極大値のうちのいずれがＮ極に対応した極大値であるかが特定される。その後は、高周波電圧発生部３０は、磁気飽和を生じるほどは大きくない高周波電圧ベクトルを印加し、ロータ角度推定部２５は、Ｎ極判定動作によって特定された極大値に対応する極大値の位置でカウンタ２６の計数値を参照し、その計数値をロータ角度位置として出力する極位置推定動作（ロータ角度位置推定動作）を行う（図３(a)の曲線Ｌ２参照）。

Ｎ極判定動作およびその後の極位置推定動作のために、ロータ角度推定部２５は、モータ制御装置５に備えられたメモリ４０内に格納された温度−印加電圧テーブル３５および温度−回転速度テーブル３６を参照し、また、電動モータ３の近傍の温度を検出する温度センサ２８が検出する温度を参照するようになっている。
温度−印加電圧テーブル３５は、磁気飽和電圧テーブル３５Ａと、極位置推定電圧テーブル３５Ｂとを含む。磁気飽和電圧テーブル３５Ａは、磁気飽和電圧と温度との関係を規定したテーブルである。磁気飽和電圧とは、Ｎ極判定動作時にステータの磁気飽和を発生させるために高周波電圧発生部３０から発生させるべき必要十分な大きさの探査電圧である。一方、極位置推定電圧テーブル３５Ｂは、極位置推定電圧と温度との関係を規定したテーブルである。極位置推定電圧とは、Ｎ極判定動作後の極位置推定動作時において高周波電圧発生部３０から発生させるべき必要十分な大きさの探査電圧であり、ステータの磁気飽和が生じるほど大きくない電圧、すなわち、磁気飽和電圧よりも小さい電圧である。

温度−回転速度テーブル３６は、磁気飽和回転速度テーブル３６Ａと、極位置推定回転速度テーブル３６Ｂとを含む。磁気飽和回転速度テーブル３６Ａは、ステータに磁気飽和を生じさせるＮ極判定動作時における高周波ベクトルの回転速度と温度との関係を規定したテーブルである。ステータ巻線５１，５２，５３に流れる電流は、高周波電圧ベクトルの大きさおよび回転速度に依存する。そこで、温度に応じて定められる磁気飽和電圧に応じて、回転速度もまた温度に依存するように定められるようになっている。極位置推定回転速度テーブル３６Ｂは、極位置推定動作を行う際の高周波ベクトルの回転速度と温度との関係を規定したテーブルである。前述のとおり、ステータ巻線５１，５２，５３に流れる電流は、高周波電圧ベクトルの大きさおよび回転速度に依存するので、温度に応じて定められる極位置推定電圧に応じて、その回転速度もまた温度に依存するように定められるようになっている。

高周波電圧発生部３０が生成する電圧指令は、その電圧値の可変制御が可能であり、この電圧値は、ロータ角度推定部２５によって制御されるようになっている。また、高周波電圧発生部３０は、高周波電圧ベクトルの回転速度が可変制御可能であり、その回転速度は、ロータ角度推定部２５によって制御されるようになっている。
図５は、温度−印加電圧テーブル３５の一例を説明するための図であり、曲線Ａ１は磁気飽和電圧テーブル３５Ａに対応し、曲線Ｂ１は極位置推定電圧テーブル３５Ｂに対応している。また、図６は、温度−回転速度テーブル３６の一例を説明するための図であり、曲線Ａ２は磁気飽和回転速度テーブル３６Ａに対応し、曲線Ｂ２は極位置推定回転速度テーブル３６Ｂに対応している。

磁気飽和電圧テーブル３５Ａおよび磁気飽和回転速度テーブル３６Ａは、予め行う実験結果に従って定められる。具体的には、様々な温度環境下で、ステータの磁気飽和を生じさせるために必要十分な電流値が実験によって求められ、その電流値が達成されるように、磁気飽和電圧テーブル３５Ａおよび磁気飽和回転速度テーブル３６Ａが定められる。磁気飽和を生じさせるために必要な電流値は、電動モータ３の形状、ロータ５０の磁束密度、ステータの透磁率に依存する。このなかで、ロータ５０の磁束密度は、温度依存性が高く、そのために、ステータに磁気飽和を生じさせるための電流値が温度に依存することになる。さらに、ステータ巻線５１，５２，５３のインピーダンスもまた温度依存性が高いため、当該電流値を達成するために印加すべき高周波電圧ベクトルの大きさ（磁気飽和電圧）および回転速度（磁気飽和回転速度）が、温度に依存することになる。

このような温度依存性に応じて、ステータに磁気飽和を生じさせるための必要十分な（必要最低限の）電圧および回転速度が、個々の温度ごとの磁気飽和電圧および磁気飽和回転速度としてそれぞれ求められることにより、磁気飽和電圧テーブル３５Ａおよび磁気飽和回転速度テーブル３６Ａが作成される。
図５の曲線Ａ１の例では、常温（たとえば、２３〜２５℃程度）までの温度に対しては、一定の磁気飽和電圧が設定され、常温以上の温度に対しては、温度の増加に伴ってリニアに増加するように磁気飽和電圧が設定されている。また、図６の曲線Ａ２の例では、常温までの温度に対しては一定の磁気飽和回転速度が設定され、常温以上の温度に対しては、温度の増加に伴ってリニアに減少するように磁気飽和回転速度が設定されている。

極位置推定用テーブル３５Ｂおよび極位置推定回転速度テーブル３６Ｂも同様に、予め行う実験結果に従って定められる。具体的には、様々な温度環境下で、ステータの磁気飽和が生じるよりも低い範囲で、磁石極位置の推定に必要十分な電流の極大値を生じさせるために必要十分な電流値が実験によって求められ、その電流値が達成されるように、極位置推定電圧テーブル３５Ｂおよび極位置推定回転速度テーブル３６Ｂが定められる。磁石極位置の推定のために必要とされる電流値も、むろん、電動モータ３の形状、ロータ５０の磁束密度、ステータの透磁率に依存し、したがって、ロータ磁束密度の温度依存性に起因して、強い温度依存性を有することになる。そして、さらに、ステータ巻線５１，５２，５３のインピーダンスもまた温度依存性が高いため、当該電流値を達成するために印加すべき高周波電圧ベクトルの大きさ（極位置推定電圧）および回転速度（極位置推定回転速度）が、温度に依存することになる。
この温度依存性に応じて、必要十分な電圧および回転速度が、個々の温度ごとの極位置推定電圧および極位置推定回転速度としてそれぞれ求められることにより、極位置推定電圧テーブル３５Ｂおよび極位置推定回転速度テーブル３６Ｂが作成される。

図５の曲線Ｂ１の例では、常温（たとえば、２３〜２５℃程度）までの温度に対しては、一定の極位置推定電圧が設定され、常温以上の温度に対しては、温度の増加に伴ってリニアに増加するように極位置推定電圧が設定されている。また、図６の曲線Ｂ２の例では、常温までの温度に対しては一定の極位置推定回転速度が設定され、常温以上の温度に対しては、温度の増加に伴ってリニアに減少するように極位置推定回転速度が設定されている。

曲線Ａ１，Ｂ１の比較から理解されるとおり、いずれの温度においても、磁気飽和電圧は、極位置推定電圧よりも高く定められている。
図７は、電動モータ３の起動時におけるロータ位相角θの推定動作を説明するためのフローチャートであり、Ｎ極判定および極位置推定のための動作が示されている。
ロータ角度推定部２５は、温度センサ２８から電動モータ３の周辺温度を読み込み（ステップＳ１１）、磁気飽和電圧テーブル３５Ａおよび磁気飽和回転速度テーブル３６Ａを参照して、当該温度に対応した磁気飽和電圧および磁気飽和回転速度を決定する（ステップＳ１２）。これらの磁気飽和電圧および磁気飽和回転速度の各値が高周波電圧発生部３０に与えられることにより、高周波電圧発生部３０は、それらの値に応じた高周波電圧ベクトルを発生させるためにＵ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３に印加すべき電圧を表す電圧指令値を生成する。こうして、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の空間に印加される高周波電圧ベクトルに対する電流応答が、電流検出回路１９の出力に基づいてロータ角度推定部２５によって調べられ、高周波電圧ベクトルの一周期中における最大電流値に対応する高周波ベクトルの位相角が、Ｎ極位置として特定される。こうしてＮ極判定動作が行われる（ステップＳ１３）。

次に（たとえば所定時間経過後）、ロータ角度推定部２５は、極位置推定電圧テーブル３５Ｂおよび極位置推定回転速度テーブル３６Ｂを参照して、ステップＳ１で取得された温度に対応する極位置推定電圧および極位置推定回転速度の各値を取得する（ステップＳ１４）。
この取得された各値をそのまま高周波電圧発生部３０に与えると、高周波電圧ベクトルが急変することになり、運転者に対してステアリングホイールを介して違和感を与えてしまうおそれがある。より具体的には、高周波電圧ベクトルの回転速度の変化により、ステータ巻線５１，５２，５３のインピーダンスが変化し、ステータ巻線５１，５２，５３に流れる電流が変化する。そこで、ロータ角度推定部２５は、磁気飽和電圧から極位置推定電圧まで滑らかに変化する電圧値と、磁気飽和回転速度から極位置推定回転速度まで滑らかに変化する回転速度値とを、たとえば直線補間によって生成し、それらを高周波電圧発生部３０に与える。これによって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の空間に印加される高周波電圧ベクトルは、徐々に、極位置推定電圧および極位置推定回転速度に対応した電圧ベクトルへと変化していく（ステップＳ１５）。

高周波電圧ベクトルが極位置推定用の電圧および回転速度に対応したものになって安定するために必要な所定時間だけ経過した後、ロータ角度推定部２５は、極位置推定動作を行う（ステップＳ１６）。この極位置推定動作の詳細は、前述の図４を参照して説明したとおりである。
以上のように、この実施形態によれば、電動モータ３の温度に応じて、Ｎ極判定動作時にはステータの磁気飽和を生じさせるために必要十分な電力がステータ巻線５１，５２，５３に供給され、極位置判定動作時には極位置判定のために必要十分な電力がステータ巻線５１，５２，５３に供給されるようになっている。これにより、必要以上の大電力が電動モータ３に供給されることがないので、起動時の異音および振動を低減することができる。それとともに、必要最小限の電力が電動モータ３に注入されるので、省エネルギー性も向上することができる。

さらに、この実施形態では、磁気飽和用の電圧および回転速度での高周波ベクトル印加から、極位置推定用の電圧および回転速度での高周波ベクトル印加への変更が、直線補間等により、滑らかに行われるようになっている。これにより、電動モータ３に供給される電流の急変を抑制できるので、ロータ停止時または極低速回転状態におけるロータ位相角推定動作に起因する違和感を低減することができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、高周波電圧ベクトルの印加と同期して計数を行うカウンタ２６を用いてロータ位相角θを求めているが、カウンタ２６を用いずにロータ位相角θを求めてもよい。たとえば、電流の極大値が検出されたときの高周波電圧ベクトルのα軸成分Ｖ_αおよびβ軸成分Ｖ_βから、θ＝Ｔan^-1（Ｖ_β／Ｖ_α）によって、位相角θを求めてもよい。また、αβ座標における電流ベクトル（電流値が極大値のときの電流ベクトル）の成分Ｉ_α，Ｉ_βを求め、θ＝Ｔan^-1（Ｉ_β／Ｉ_α）によって、位相角θを求めてもよい。

また、前述の実施形態では、ロータ角度推定部２５は、高周波応答抽出部２４の出力を参照しているが、座標変換部２０で変換した後の電流成分Ｉ_d，Ｉ_qのノルム｛Ｉ_d ²＋Ｉ_q ²｝^1/2を電流ベクトルの大きさとして用い、これが極大値をとるときの高周波電圧ベクトルの位相をカウンタ２６の計数値によって求めるようにしてもよい。
さらに、前述の実施形態では、電動モータ３の温度を温度センサ２８によって検出し、その検出温度をロータ角度推定部２５が参照するようにしているが、専用の温度センサを用いず、演算によって電動モータ３の温度を推定するようにしてもよい。

具体的には、電動モータの主な損失は、ステータ巻線の抵抗成分によって発生する損失である銅損Ｐ₁、ステータのヒステリシスループによって発生する損失である鉄損Ｐ₂、および誘起電圧で流れる電流により発生する損失である渦電流損Ｐ₃である。これらは、個々の電動モータに固有の定数ｋ₁，ｋ₂，ｋ₃、通電電流Ｉ（アンペア）および周波数（モータ回転速度）（ヘルツ）を用いて、次式(8)(9)および(10)のように表される。

Ｐ₁＝ｋ₁Ｉ² (8)
Ｐ₂＝ｋ₂ｆ (9)
Ｐ₃＝ｋ₃ｆ² (10)
全損失は時間ｔの関数であり、これをＰ(t)＝Ｐ₁＋Ｐ₂＋Ｐ₃とする。損失は、電動モータの温度上昇分と周囲へと拡散分との和である。そこで、電動モータの熱容量Ｃ（Ｊ／ｋ）、表面積Ｓ（ｍ²）、外気温との温度差Ｔ、およびモータ表面熱伝達係数ｋ₄（Ｗ／ｍ²Ｋ）を用いると、時間ｔ＝０〜ｔ₀の間に発生する熱量に関して、次式(11)が成立する。

これを、次のように変形することによって微分方程式(12)が得られ、これを解くと、式(13)を得る。

時間ｔ＝０における温度差Ｔ(0)＝０とすれば、次式(14)が得られる。

したがって、定数ｋ₁，ｋ₂，ｋ₃を予め実験によって求めておき、通電電流Ｉおよび周波数ｆを測定すれば、演算によって、式(14)により、温度差Ｔ(t)を推定することができる。
この推定された温度差Ｔ(t)を、車室内等に設けられた汎用の温度計で検出される温度（外気温）に加算することによって、電動モータの温度を推定できる。

上記の他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するためのブロック図である。 高周波電圧ベクトルおよび電流ベクトルの回転を説明するための図である。 高周波電圧ベクトルの印加によるロータ位相角推定動作を説明するための図である。 ロータ位相角推定動作を説明するためのフローチャートである。 温度−印加電圧テーブルの一例を説明するための図である。 温度−回転速度テーブルの一例を説明するための図である。 電動モータの起動時におけるロータ位相角の推定動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

５…モータ制御装置、３５…温度−印加電圧テーブル、３６…温度−回転速度テーブル、５０…ロータ、５１〜５３…ステータ巻線

Claims (1)

1. 電動モータの温度を検出または推定する温度検出手段と、
   この温度検出手段によって検出または推定される温度に基づいて、前記電動モータのステータが磁気飽和を起こすのに必要十分な磁気飽和電圧値を設定する磁気飽和電圧値設定手段と、
   前記温度検出手段によって検出または推定される温度に基づいて、前記電動モータのロータの磁極位置を推定するのに必要十分な極位置推定電圧値を設定する極位置推定電圧値設定手段と、
   前記磁気飽和電圧値設定手段によって設定された磁気飽和電圧値に従って、前記ロータの回転中心まわりを回転する回転定電圧ベクトルを形成するための磁気飽和用探査電圧を前記モータのステータ巻線に印加し、その後に、前記極位置推定電圧値設定手段によって設定された極位置推定電圧値に従って、前記ロータの回転中心まわりを回転する回転定電圧ベクトルを形成するための極位置推定用探査電圧を前記ステータ巻線に印加する探査電圧印加手段と、
   この探査電圧印加手段によって探査電圧を印加しているときの前記電動モータの応答に基づいて前記ロータの回転角を演算する回転角演算手段とを含むことを特徴とするモータ制御装置。
   
   

Images