JP2009261102A - Motor controller - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a motor control device for sensorless driving of a brushless motor. The brushless motor is used, for example, as a source for generating a steering assist force in an electric power steering apparatus.
ブラシレス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。 A motor control device for driving and controlling a brushless motor is generally configured to control the supply of motor current in accordance with the output of a position sensor for detecting the rotational position of the rotor. However, the environmental resistance of the position sensor becomes a problem, and the expensive position sensor and the wiring associated therewith hinder the cost reduction and the size reduction. Therefore, a sensorless driving system that drives a brushless motor without using a position sensor has been proposed. The sensorless driving method is a method for estimating the phase of the magnetic pole (electrical angle of the rotor) by estimating the induced voltage accompanying the rotation of the rotor.
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4(a)に示すように、ロータ50の回転中心を原点とする二相固定座標である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。より具体的には、このような高周波電圧ベクトルが形成されるように、正弦波の高周波探査電圧であるセンシング信号が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。
Since the induced voltage cannot be estimated when the rotor is stopped and when rotating at a very low speed, the phase of the magnetic pole is estimated by another method. Specifically, as shown in FIG. 4A, a high-frequency voltage vector that rotates along the rotation direction of the
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4(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。
The inductance of the
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5(a)の曲線L2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)。
Therefore, the magnitude of the current vector has a maximum value in the N-pole direction and the S-pole direction of the
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を特定しておき、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の回転位置を推定することができる。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Iαおよびβ軸成分Iβにより、ロータ50の位相角(電気角)θは、θ=Tan-1(Iβ/Iα)として求められる。
前述のようなセンシング信号を用いた位置推定アルゴリズムでは、電流センサによって検出されるモータ電流にフィルタ処理を施すことにより、センシング信号に対応した電流応答成分を抽出して、ロータ回転位置を推定するようになっている。しかし、モータ温度等の周辺環境が変化すると、モータパラメータ(抵抗およびインダクタンス)が変化するため、必要な信号を抽出できなくなるおそれがある。これにより、正確なロータ回転位置を検出することができなくなるおそれがあり、モータの制御性能が悪くなる危惧がある。 In the position estimation algorithm using the sensing signal as described above, the motor current detected by the current sensor is filtered to extract the current response component corresponding to the sensing signal and to estimate the rotor rotational position. It has become. However, if the surrounding environment such as the motor temperature changes, the motor parameters (resistance and inductance) change, which may make it impossible to extract necessary signals. Thereby, there is a possibility that an accurate rotor rotational position cannot be detected, and there is a concern that the control performance of the motor is deteriorated.
そこで、この発明の目的は、センシング信号を用いて推定されたロータ回転位置の信頼性を検証することによって、モータ制御の信頼性を高めることができるモータ制御装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a motor control device capable of improving the reliability of motor control by verifying the reliability of the rotor rotational position estimated using the sensing signal.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、ロータ(50)と、このロータに対向するステータ(51〜53)とを備えたモータ(3)を制御するためのモータ制御装置(5)であって、正弦波状センシング信号をステータに注入するためのセンシング信号注入手段(21)と、前記モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段(9)と、このモータ電流検出手段によって検出されたモータ電流に基づいてロータ回転位置を推定する位置推定手段(20)と、この位置推定手段によって推定されたロータ回転位置の信頼性を検証する検証手段(25〜27;40,41)とを含む、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。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a motor control device for controlling a motor (3) including a rotor (50) and a stator (51-53) facing the rotor (50). 5) a sensing signal injection means (21) for injecting a sinusoidal sensing signal into the stator, a motor current detection means (9) for detecting the motor current flowing in the motor, and the motor current detection means Position estimation means (20) for estimating the rotor rotational position based on the detected motor current, and verification means (25-27; 40, 41) for verifying the reliability of the rotor rotational position estimated by this position estimation means And a motor control device. The alphanumeric characters in parentheses indicate corresponding components in the embodiments described later. The same applies hereinafter.
この構成によれば、正弦波状センシング信号をステータに注入したときのモータ電流応答をモータ電流検出手段によって検出することにより、そのモータ電流応答に基づいてロータ回転位置を推定することができる。この推定されたロータ回転位置の信頼性が検証手段によって検証される。これにより、モータ制御の信頼性を高めることができる。
請求項2記載の発明は、前記検証手段が、前記位置推定手段によって推定されたロータ回転位置に信頼性がないと判断したときに、モータを停止するモータ停止制御手段(28)をさらに含む、請求項1記載のモータ制御装置である。
According to this configuration, by detecting the motor current response when the sinusoidal sensing signal is injected into the stator by the motor current detection means, the rotor rotational position can be estimated based on the motor current response. The reliability of the estimated rotor rotational position is verified by the verification means. Thereby, the reliability of motor control can be improved.
The invention according to claim 2 further includes motor stop control means (28) for stopping the motor when the verification means determines that the rotor rotational position estimated by the position estimation means is not reliable. A motor control device according to
この構成によれば、ロータ回転位置に信頼性がないときにはモータが停止されるので、位置推定手段による演算結果が不正確なときには、その不正確な演算結果に基づく不適切なモータ制御が行われることがない。これにより、モータ制御の信頼性をより一層高めることができる。
請求項3記載の発明は、前記検証手段は、前記位置推定手段によって推定されたロータ回転位置に基づいてロータ回転速度を演算する第1ロータ回転速度演算手段(25)と、前記モータ電流検出手段によって検出されたモータ電流を周波数分析することによってロータ回転速度を演算する第2ロータ回転速度演算手段(26)と、前記第1ロータ回転速度演算手段によって求められたロータ回転速度と、前記第2ロータ回転速度演算手段によって求められたロータ回転速度とを比較する比較手段(27,S5)とを含むものである、請求項1または2記載のモータ制御装置である。
According to this configuration, since the motor is stopped when the rotor rotational position is not reliable, when the calculation result by the position estimation means is inaccurate, improper motor control based on the inaccurate calculation result is performed. There is nothing. Thereby, the reliability of motor control can be further improved.
According to a third aspect of the present invention, the verification means includes first rotor rotation speed calculation means (25) for calculating a rotor rotation speed based on the rotor rotation position estimated by the position estimation means, and the motor current detection means. The second rotor rotation speed calculation means (26) for calculating the rotor rotation speed by analyzing the frequency of the motor current detected by the rotor, the rotor rotation speed obtained by the first rotor rotation speed calculation means, and the second 3. The motor control device according to
この構成によれば、位置推定手段によって推定されたロータ回転位置に基づいて、ロータ回転速度(第1ロータ回転速度)が求められる。その一方で、モータ電流検出手段によって検出されるモータ電流の周波数分析を行うことによって、ロータ回転速度(第2ロータ回転速度)が演算される。第1ロータ回転速度は位置推定手段による演算結果を反映しているのに対して、第2ロータ回転速度は位置推定手段による演算から独立して求められている。そこで、これらの第1および第2ロータ回転速度が比較される。比較の結果、たとえば、第1および第2ロータ回転速度の差が所定の速度差閾値を超えていれば、位置推定手段が求めるロータ回転位置の信頼性が低いと判断できる。一方、第1および第2ロータ回転速度の差が前記速度差閾値以下であれば、位置推定手段が求めるロータ回転位置が充分な信頼性を有していると判断できる。こうして、位置推定手段が求めるロータ回転位置の信頼性を検証することができる。 According to this configuration, the rotor rotational speed (first rotor rotational speed) is obtained based on the rotor rotational position estimated by the position estimating means. On the other hand, the rotor rotational speed (second rotor rotational speed) is calculated by performing a frequency analysis of the motor current detected by the motor current detecting means. The first rotor rotation speed reflects the calculation result by the position estimation means, while the second rotor rotation speed is obtained independently from the calculation by the position estimation means. Therefore, the first and second rotor rotational speeds are compared. As a result of the comparison, for example, if the difference between the first and second rotor rotational speeds exceeds a predetermined speed difference threshold, it can be determined that the reliability of the rotor rotational position obtained by the position estimating means is low. On the other hand, if the difference between the first and second rotor rotational speeds is equal to or smaller than the speed difference threshold value, it can be determined that the rotor rotational position obtained by the position estimating means has sufficient reliability. In this way, the reliability of the rotor rotational position required by the position estimating means can be verified.
検証手段としては、他にも、前記位置推定手段(第1の位置推定手段)とは異なる手法でロータ回転位置を求める第2の位置推定手段(40)を設け、第1および第2の位置推定手段による演算結果を比較する構成をとることもできる。すなわち、第1および第2位置推定手段による演算結果の差が所定の位置差閾値を超えていれば、推定された位置に信頼性がないと判断でき、当該演算結果の差が前記位置差閾値以下であれば、推定された位置に信頼性があると判断できる。 In addition, as the verification means, second position estimation means (40) for obtaining the rotor rotational position by a method different from the position estimation means (first position estimation means) is provided, and the first and second positions are provided. It is also possible to take a configuration for comparing the calculation results by the estimation means. That is, if the difference between the calculation results by the first and second position estimation means exceeds a predetermined position difference threshold, it can be determined that the estimated position is not reliable, and the difference between the calculation results is the position difference threshold. If it is below, it can be judged that the estimated position is reliable.
前記第2の位置推定手段は、たとえば、モータ電流およびモータ電圧からモータの誘起電圧を求め、この誘起電圧に基づいてロータ回転位置を推定するものであってもよい。
さらにまた、前記第2の位置推定手段は、簡易なセンサを用いてロータ回転位置を推定(検出)するものであってもよい。
For example, the second position estimating means may obtain an induced voltage of the motor from the motor current and the motor voltage, and estimate the rotor rotational position based on the induced voltage.
Furthermore, the second position estimating means may estimate (detect) the rotor rotational position using a simple sensor.
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モータ3(電動モータ)と、このモータ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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram for explaining an electrical configuration of an electric power steering apparatus to which a motor control apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. The electric power steering apparatus includes a
モータ3は、この実施形態では、三相ブラシレスモータであり、図2に図解的に示すように、界磁としてのロータ50と、これに対向するステータに配置された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。モータ3は、ロータの外部にステータを対向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対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。
In this embodiment, the
モータ制御装置5は、マイクロコンピュータ7と、このマイクロコンピュータ7によって制御され、モータ3に電力を供給する駆動回路(インバータ回路)8と、モータ3の各相のステータ巻線に流れる電流を検出する電流センサ9とを備えている。
マイクロコンピュータ7は、CPUおよびメモリ(ROMおよびRAMなど)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、電流指令値生成部11と、PI(比例積分)制御部12と、指示電圧生成部13と、γδ/αβ座標変換部14と、αβ/UVW座標変換部15と、PWM制御部16と、UVW/αβ座標変換部17と、αβ/γδ座標変換部18と、偏差演算部19と、位置推定部20と、センシング信号生成部21と、加算部22と、回転速度演算部25と、周波数分析部26と、信頼性検証部27と、停止制御部28とを備えている。
The
The microcomputer 7 includes a CPU and a memory (such as a ROM and a RAM), and functions as a plurality of function processing units by executing a predetermined program. The plurality of function processing units include a current command
電流指令値生成部11は、モータ3のロータ磁極方向に沿うd軸電流成分の指令値Id *と、d軸に直交するq軸電流成分の指令値Iq *とを生成する。以下、これらをまとめて言うときには、「電流指令値Idq *」という。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り、d軸およびq軸は、ロータ50とともに回転する二相回転座標系(d−q)を規定する(図2参照)。
The current command
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Id *およびq軸電流指令値Iq *は、次式(1)(2)のように表される。
Id *=0 ……(1)
Iq *=−(3/2)1/2・I* ……(2)
したがって、電流指令値生成部11は、d軸電流指令値Id *=0を生成する一方で、トルクセンサ1によって検出される操舵トルクに応じたq軸電流指令値Iq *を生成する。より具体的には、操舵トルクに対応したq軸電流指令値Iq *を記憶したマップ(テーブル)を用いてq軸電流指令値Iq *が生成されるようになっていてもよい。モータ3が発生するトルクは、モータ電流に対応するから、電流指令値Idq *は、モータ3から発生させるべきトルクを指令するための「トルク指令値」と言い換えることもできる。
When the current command value I * representing the amplitude of the current (sine wave current) to be applied to the U phase, V phase and W phase of the
I d * = 0 (1)
I q * = − (3/2) 1/2・ I * (2)
Therefore, the current command
電流センサ9は、モータ3のU相電流IU、V相電流IVおよびW相電流Iwを検出する(以下、これらをまとめていうときには「三相検出電流IUVW」という)。その検出値は、所定のサンプリング周波数fsでサンプリングされてマイクロコンピュータ7に取り込まれ、UVW/αβ座標変換部17に与えられる。
UVW/αβ座標変換部17は、三相検出電流IUVWを、二相固定座標系(α−β)上での電流IαおよびIβ(以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Iαβ」という。)に座標変換する。二相固定座標系(α−β)とは、ロータ50の回転中心を原点として、ロータ50の回転平面内にα軸およびこれに直交するβ軸を定めた固定座標系である(図2参照)。座標変換された二相検出電流Iαβは、αβ/γδ座標変換部18に与えられる。
The
The UVW / αβ coordinate
αβ/γδ座標変換部18は、二相検出電流Iαβを、位置推定部20によって推定されるロータ回転位置θ^(以下、「推定回転位置θ^」という。)に従う二相回転座標系(γ−δ)上での電流IγおよびIδ(以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Iγδ」という。)に座標変換する。二相回転座標系(γ−δ)は、推定回転位置θ^にロータ50がある場合に、ロータ磁極方向に沿うγ軸と、このγ軸に直交するδ軸とによって規定される回転座標系である(図2参照)。推定回転位置θ^に誤差がなく、実際のロータ回転位置と一致しているとき、二相回転座標系(d−q)と二相回転座標系(γ−δ)とは一致する。
The αβ / γδ coordinate
二相検出電流Iγδは、偏差演算部19に与えられるようになっている。この偏差演算部19は、d軸電流指令値Id *に対するγ軸電流Iγの偏差、およびq軸電流指令値Iq *に対するδ軸電流Iδの偏差を演算する。これらの偏差がPI制御部12に与えられてそれぞれPI演算処理を受ける。そして、これらの演算結果に応じて、指示電圧生成部13によって、γ軸指示電圧Vγ *およびδ軸指示電圧Vδ *(以下、これらをまとめていうときには「二相指示電圧Vγδ *」という。)が生成されて、γδ/αβ座標変換部14に与えられる。
The two-phase detection current I γδ is supplied to the
γδ/αβ座標変換部14は、γ軸指示電圧Vγ *およびδ軸指示電圧Vδ *を、二相固定座標系(α−β)の指示電圧であるα軸指示電圧Vα *およびβ軸指示電圧Vβ *(以下、これらをまとめていうときには「二相指示電圧Vαβ *」という。)に座標変換する。この二相指示電圧Vαβ *は、αβ/UVW座標変換部15に与えられる。
αβ/UVW座標変換部15は、α軸指示電圧Vα *およびβ軸指示電圧Vβ *を三相固定座標系の指示電圧、すなわち、U相、V相およびW相の指示電圧VU *,VV *,VW *(以下、これらをまとめていうときには「三相指示電圧VUVW *」という。)に変換する。
The γδ / αβ coordinate
The αβ / UVW coordinate
PWM制御部16は、三相の指示電圧VU *,VV *,VW *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8に与える。これにより、モータ3の各相には、該当する相の指示電圧VU *,VV *,VW *に応じたデューティ比で電圧が印加されることになる。
このような構成によって、舵取り機構2に結合された操作部材としてのステアリングホイール(図示せず)に操舵トルクが加えられると、これがトルクセンサ1によって検出される。そして、その検出された操舵トルクに応じた電流指令値Idq *が電流指令値生成部11によって生成される。この電流指令値Idq *と二相検出電流Iγδとの偏差が偏差演算部19によって求められ、この偏差を零に導くようにPI制御部12によるPI演算が行われる。この演算結果に対応した二相指示電圧Vγδ *が指示電圧生成部13によって生成され、これが、座標変換部14,15を経て三相指示電圧VUVW *に変換される。そして、PWM制御部16の働きによって、その三相指示電圧VUVW *に応じたデューティ比で駆動回路8が動作することによって、モータ3が駆動され、電流指令値Idq *に対応したアシストトルクが舵取り機構2に与えられることになる。こうして、操舵トルクに応じて操舵補助を行うことができる。電流センサ9によって検出される三相検出電流IUVWは、座標変換部17,18を経て、電流指令値Idq *に対応するように二相回転座標系(γ−δ)で表された二相検出電流Iγδに変換された後に、偏差演算部19に与えられる。
The
With such a configuration, when a steering torque is applied to a steering wheel (not shown) as an operation member coupled to the steering mechanism 2, this is detected by the
回転座標系と固定座標系との間での座標変換のためには、ロータ50の回転位置を表す位相角(電気角)θが必要である。この位相角を表す推定回転位置θ^が位置推定部20によって生成され、γδ/αβ座標変換部14およびαβ/γδ座標変換部18に与えられるようになっている。
センシング信号生成部21は、ロータ50の位相角θを推定するために、ステータ巻線51〜53に正弦波状のセンシング信号を注入するセンシング信号注入手段として機能する。このセンシング信号生成部21は、モータ3の定格周波数に比較して十分に高いセンシング周波数fa(たとえば、fa=400Hz)の高周波正弦電圧(図5(b)参照)を、探査電圧として、モータ3のU相、V相およびW相のステータ巻線51,52,53に印加するためのセンシング信号を生成する。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高周波電圧ベクトルを印加することができるセンシング信号を生成する。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4(a)参照)。
In order to perform coordinate conversion between the rotating coordinate system and the fixed coordinate system, a phase angle (electrical angle) θ representing the rotational position of the
The
センシング信号生成部21は、この実施形態では、二相指示電圧Vαβ *に重畳すべきセンシング信号を生成する。このセンシング信号は、加算部22によって、二相指示電圧Vαβ *に重畳されるようになっている。
位置推定部20は、サンプリング周期Ts(=1/fs)ごとにUVW/αβ座標変換部17から与えられる二相検出電流Iαβに基づいて、ロータ50の回転位置を推定し、推定回転位置θ^を生成する。
In this embodiment, the sensing
The
そして、回転速度演算部25は、位置推定部20が生成する推定回転位置θ^に基づいて、ロータ50の回転速度ω1(角速度)を演算する。すなわち、制御周期(たとえば、サンプリング周期に等しい)毎に推定回転位置θ^が生成されると、前制御周期と今制御周期とにおける推定回転位置θ^の差に基づいて、回転速度ω1が演算される。この回転速度ω1は、位置推定部20における位置推定演算のために用いられる。
Then, the rotation
周波数分析部26は、たとえば、高速フーリエ変換(FFT)演算を行うことによって、三相検出電流IUVWの周波数分析を行う。三相検出電流IUVWの周波数スペクトルには、前記センシング周波数faの2倍の周波数2fa(たとえば、2fa=800Hz)の位置にピークが現れる。これは、三相検出電流IUVWが、一周期中にロータ50のN極およびS極に対応する2つのピークを持つからである。三相検出電流IUVWの周波数スペクトルには、さらに、センシング信号に対してロータ50の回転に対応する信号が重畳されて生成される「うなり成分」に対応するピークが現れる。たとえば、ロータ50が図2の反時計回り方向に回転速度ω2(角速度)で回転しているときには、うなり成分に対応するピークの周波数fbは、fb=2fa−2(ω2/2π)となる。逆に、ロータ50が図2の時計回り方向に回転速度ω2で回転しているときには、うなり成分に対応するピークの周波数fbは、fb=2fa+2(ω2/2π)となる。そこで、周波数分析部26は、センシング信号に対応したピーク周波数2faとうなり成分の周波数fbとの差δf(=|2fa−fb|=2(ω2/2π))を求め、これから回転速度ω2(=πδf)を求める。
The
信頼性検証部27は、回転速度演算部25によって求められる回転速度ω1と、周波数分析部26によって求められる回転速度ω2とを比較する。より具体的には、これらの2つの回転速度ω1,ω2の差Δω(=|ω1−ω2|)を所定の速度差閾値Thωと比較する。信頼性検証部27は、回転速度差Δωが速度差閾値Thω以下のとき、すなわち、2つの回転速度ω1,ω2がよく一致しているときには、位置推定部20によるロータ回転位置の推定精度が高く、したがって、推定回転位置θ^に信頼性があるものと判断する。一方、回転速度差Δωが速度差閾値Thωを超えているとき、すなわち、2つの回転速度ω1,ω2が顕著に相異しているときには、位置推定部20によるロータ回転位置の推定精度が低く、したがって、推定回転位置θ^に信頼性がないものと判断する。
The
停止制御部28は、信頼性検証部27によって、推定回転位置θ^に信頼性がないと判断されたことに応答して、モータ3の制御を停止させる。これにより、モータ3が不正確な推定回転位置θ^に基づいて不適切な制御を受けることが防がれる。
図3は、位置推定部20の構成を説明するためのブロック図である。位置推定部20は、電流値演算部31と、逆ノッチフィルタ32と、電流ピークタイミング抽出部33と、電流同期抽出部34と、ロータ位置演算部35とを備えている。
The
FIG. 3 is a block diagram for explaining the configuration of the
電流値演算部31は、電流ベクトルの大きさ、すなわち、電流の大きさIを求める。より具体的には、電流値演算部31は、UVW/αβ座標変換部17から与えられる二相検出電流Iαβに基づいて、電流の大きさIを演算する。たとえば、次式(3)に従って、電流の大きさIが演算される。
I={Iα 2+Iβ 2}1/2 …… (3)
逆ノッチフィルタ32は、電流値演算部31の出力からノイズ成分を除去する。電流の大きさIには、高周波電圧ベクトルの1周期中に2回の極大値が生じる。したがって、電流値演算部31の出力のうち、有意な信号成分の周波数は、センシング信号生成部21が生成するセンシング信号の周波数faの2倍程度の周波数を有する。そこで、逆ノッチフィルタ32は、センシング信号の周波数faの2倍の周波数を中心周波数fcとし、回転速度演算部25によって演算される回転速度ω1に対応する周波数α(=ω1/2π)の2倍の範囲fc±αの信号を通過させ、この範囲外の信号を除去する特性(逆ノッチフィルタ特性)を有している。
The current
I = {I α 2 + I β 2 } 1/2 (3)
The
電流ピークタイミング抽出部33は、逆ノッチフィルタ32の出力に基づき、電流値演算部31によって求められた電流の大きさIが極大値(ピーク値)をとるタイミング(極大値タイミング)を検出する。より具体的には、電流ピークタイミング抽出部33は、センシング信号周期毎にピークホールド処理を行い、そのセンシング信号周期中に電流の大きさIが極大値をとる極大値タイミングを抽出する。この極大値タイミングは、ロータ50の回転位置(位相)に対応する。
The current peak
電流同期抽出部34は、電流ピークタイミング抽出部33が極大値タイミングtを生成すると、これに応答して、そのタイミングtにおける二相検出電流Iαβ(t)をUVW/αβ座標変換部17から取り込んで出力する。
ロータ位置演算部35は、電流同期抽出部34から与えられる極大値タイミング二相検出電流Iαβ(t)を用いて、次式(4)に従って、推定回転位置θ^を演算する。
When the current peak
The rotor
θ^=Tan-1(Iβ/Iα) ……(4)
図4(a)は、センシング信号生成部21によって生成されてステータ巻線51,52,53に印加されるセンシング信号(回転探査電圧)に対応する高周波電圧ベクトルを示し、図4(b)は、高周波電圧ベクトルに対する電流ベクトルの応答を示す。回転探査電圧の印加により形成される高周波電圧ベクトルは、一定の大きさを有し、αβ座標の原点まわりに定速で回転する。このとき、ロータ50の極位置に応じて電流ベクトルの大きさが変化する。より具体的には、ロータ50のN極およびS極に対応する位置で電流ベクトルの大きさ、すなわち電流の大きさIが極大値をとり、それらに対して電気角で90度だけ異なる2つの位置で電流の大きさIが極小値をとる。その結果、電流ベクトルの終点は、αβ座標の原点のまわりに楕円形の軌跡55を形成することになる。その楕円形は、ロータ50のN極およびS極に対応する長軸方向を有する。
θ ^ = Tan −1 (I β / I α ) (4)
FIG. 4A shows a high-frequency voltage vector corresponding to a sensing signal (rotational exploration voltage) generated by the
図5(a)は、電流波形の一例を示す波形図である。すなわち、電流の大きさIの時間変化の一例が示されている。電流波形には、電流ベクトルの終点が形成する楕円形の軌跡55(図4(b)参照)の2つの長軸方向に対応した極大点P1,P2が現れる。
ロータ50の回転速度ωが高周波電圧ベクトルの回転速度に対して十分に小さいときには、高周波電圧ベクトルの1周期中に、電流の大きさIは、2度の極大点P1,P2をとる。この状態が図5(a)の曲線L2に示されている。
FIG. 5A is a waveform diagram showing an example of a current waveform. That is, an example of a time change of the current magnitude I is shown. In the current waveform, maximum points P1 and P2 corresponding to two major axis directions of an elliptical locus 55 (see FIG. 4B) formed by the end point of the current vector appear.
When the rotational speed ω of the
図6は、マイクロコンピュータ7によって所定の制御周期毎に繰り返し実行される処理の流れを説明するためのフローチャートである。ただし、高周波電圧ベクトルの1周期(センシング信号周期)中に2回現れる電流信号の極大のうちロータ50のN極に対応する極大を特定するための処理(N極判定処理)が、予め行われているものとする。N極判定処理には、公知の方法を適用することができる。たとえば、充分に大きな高周波電圧ベクトルを印加すると、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(図5(a)の曲線L1参照)。これを利用して、電流波形の2つの極大点のうちの一方をN極に対応する極大点として特定できる。
FIG. 6 is a flowchart for explaining the flow of processing that is repeatedly executed by the microcomputer 7 every predetermined control period. However, a process (N pole determination process) for specifying a maximum corresponding to the N pole of the
まず、センシング信号生成部21からセンシング信号がステータ巻線51〜53に注入される(ステップS1)。このセンシング信号の印加により、電流センサ9の出力から、図4(b)および図5(a)に示すような電流応答が得られる。
この電流応答に基づいて、より具体的には、三相検出電流IUVWをUVW/αβ座標変換部17で座標変換して得られる二相検出電流Iαβに基づいて、位置推定部20により、推定回転位置θ^が求められる(ステップS2)。さらに、この推定回転位置θ^に基づいて、回転速度演算部25によって、回転速度ω1が求められる(ステップS3)。
First, a sensing signal is injected from the
Based on this current response, more specifically, based on the two-phase detection current I αβ obtained by coordinate conversion of the three-phase detection current I UVW by the UVW / αβ coordinate
一方、周波数分析部26は、三相検出電流IUVWに対して周波数分析処理を行って、位置推定部20によって求められる推定回転位置θ^を用いることなく、ロータ50の回転速度ω2を求める(ステップS4)。
信頼性検証部27は、回転速度差Δω(=|ω1−ω2|)と速度差閾値Thωとを比較する(ステップS5)。回転速度差Δωが速度差閾値Thω以下であれば(ステップS5:YES)、信頼性検証部27は、推定回転位置θ^に信頼性があると判断する(ステップS6)。一方、回転速度差Δωが速度差閾値Thωを超えているときには(ステップS5:NO)、信頼性検証部27は、推定回転位置θ^に信頼性がないと判断する(ステップS7)。
On the other hand, the
The
信頼性検証部27によって推定回転位置θ^に信頼性がないと判断されると、停止制御部28は、モータ3を停止させる(ステップS8)。
以上のように、この実施形態によれば、推定回転位置θ^に基づいて求められた回転速度ω1と周波数分析によって求められた回転速度ω2との差と速度差閾値Thωとの大小に基づいて推定回転位置θ^の信頼性が評価されるようになっている。そして、たとえば、モータ温度等の周辺環境の変化のためにモータパラメータが変化した場合のように、位置推定精度が悪化し、推定回転位置θ^の信頼性が損なわれるような状況では、モータ3の制御が停止される。これにより、モータ3が不適切に制御されることを抑制できるので、モータ制御の信頼性を高めることができ、より適切に操舵補助を行うことができる。
If the
As described above, according to this embodiment, the difference between the rotational speed ω 1 obtained based on the estimated rotational position θ ^ and the rotational speed ω 2 obtained by frequency analysis and the speed difference threshold Thω are increased or decreased. Based on this, the reliability of the estimated rotational position θ ^ is evaluated. Then, for example, in a situation where the position estimation accuracy deteriorates and the reliability of the estimated rotational position θ ^ is impaired, as in the case where the motor parameters change due to changes in the surrounding environment such as the motor temperature, the
図7は、この発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。この図7において、前述の図1に示された各部に対応する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、位置推定部20の他に、この位置推定部20とは別のアルゴリズムによってロータ50の回転位置を推定するための検証用位置推定部40と、この検証用位置推定部40によって推定される推定回転位置θV^を用いて、位置推定部20が生成する推定回転位置θ^の信頼性を検証する信頼性検証部41とが設けられている。信頼性検証部41は、位置推定部20によって求められる推定回転位置θ^と、検証用位置推定部40によって求められる推定回転位置θV^とを比較する。より具体的には、これらの推定回転位置θ^,θV^の差Δθ^(=|θ^−θV^|)を所定の位置差閾値Thθと比較する。信頼性検証部41は、位置差Δθ^が位置差閾値Thθ以下のとき、すなわち、2つの推定回転位置θ^,θV^がよく一致しているときには、位置推定部20によるロータ回転位置の推定精度が高く、したがって、推定回転位置θ^に信頼性があるものと判断する。一方、位置差Δθ^が位置差閾値Thθを超えているとき、すなわち、2つの推定回転位置θ^,θV^が顕著に相異しているときには、位置推定部20によるロータ回転位置の推定精度が低く、したがって、推定回転位置θ^に信頼性がないものと判断する。
FIG. 7 is a block diagram for explaining the configuration of an electric power steering apparatus according to another embodiment of the present invention. In FIG. 7, portions corresponding to the respective portions shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
In this embodiment, in addition to the
停止制御部28は、信頼性検証部27によって、推定回転位置θ^に信頼性がないと判断されたことに応答して、モータ3を停止させる。これにより、不正確な推定回転位置θ^に基づいてモータ3が不適切に制御されることを防ぐことができる。
図8は、検証用位置推定部40の構成例を示すブロック図である。検証用位置推定部40は、信号処理部48と、ロータ位置推定部49とを備えている。信号処理部48は、二相指示電圧Vαβ *の高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された電圧フィルタ61と、二相検出電流Iαβの高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された電流フィルタ62とを有している。ロータ位置推定部49には、信号処理部48によって信号処理(フィルタリング)された後の二相指示電圧Vαβ *および二相検出電流Iαβが与えられるようになっている。ロータ位置推定部49は、モータ3の数学モデルであるモータモデルに基づき、モータ3の誘起電圧を外乱として推定する外乱オブザーバ65と、この外乱オブザーバ65が出力する推定誘起電圧から高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された推定値フィルタ66と、この推定値フィルタ66が出力する推定誘起電圧(フィルタリング後の値)に基づいて、ロータ50の推定回転位置θV^を生成する推定位置生成部67とを有している。そして、電圧フィルタ61によってフィルタリングされた二相指示電圧Vαβ *と、電流フィルタ62によってフィルタリングされた二相検出電流Iαβとが、ロータ位置推定部49の外乱オブザーバ65にそれぞれ入力されるようになっている。
The
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of the verification
図9は、外乱オブザーバ65およびこれに関連する構成の一例を説明するためのブロック図である。モータ3の数学モデルであるモータモデルは、たとえば、(R+pL)-1と表すことができる。ただし、Rは電機子巻線抵抗、Lはαβ軸インダクタンス、pは微分演算子である。モータ3には、二相指示電圧Vαβ *と誘起電圧Eαβ(α軸誘起電圧Eαおよびβ軸誘起電圧Eβ)とが印加されると考えることができる。
FIG. 9 is a block diagram for explaining an example of the
外乱オブザーバ65は、二相検出電流Iαβを入力としてモータ電圧を推定する逆モータモデル(モータモデルの逆モデル)68と、この逆モータモデル68によって推定されるモータ電圧と二相指示電圧Vαβ *との偏差を求める電圧偏差演算部69とで構成することができる。電圧偏差演算部69は、二相指示電圧Vαβ *に対する外乱を求めることになるが、図9から明らかなとおり、この外乱は誘起電圧Eαβに相当する推定値E^αβ(α軸誘起電圧推定値E^αおよびβ軸誘起電圧推定値E^β(以下、まとめて「推定誘起電圧E^αβ」という。)になる。逆モータモデル65は、たとえば、R+pLで表される。
The
推定値フィルタ66は、たとえば、a/(s+a)で表される低域通過フィルタで構成することができる。aは、設計パラメータであり、この設計パラメータaにより、推定値フィルタ66の遮断周波数ωcが定まる。
誘起電圧Eαβは、次の(5)式で表すことができる。ただし、KEは誘起電圧定数、θはロータ回転位置、ωはロータ回転速度である。
The estimated
The induced voltage E αβ can be expressed by the following equation (5). However, K E is an induced voltage constant, θ is a rotor rotational position, and ω is a rotor rotational speed.
なお、センシング信号に対する電流応答を用いる位置推定部20による位置推定は、ロータ50の回転速度が低中速域にあるときに一定以上の精度が得られる。これに対して、モータ3の誘起電圧を用いる検証用位置推定部40による位置推定は、中低速域において一定以上の精度を有する。したがって、信頼性検証部41による判断は、ロータ50の回転速度が、位置推定部20および検証用位置推定部40の両方の位置推定精度が高い中速域において行うようにしてもよい。
Note that the position estimation by the
以上、この発明の2つの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、推定回転位置θ^の信頼性を検証するための信頼性検証手段としては、モータ3の出力トルクを検出し、その出力トルクと電流指令値Idq *(トルク指令値)とを比較するようにしてもよい。モータ3の出力トルクとトルク指令値とが大きく相異しているとすれば、位置推定精度の悪化に伴うモータ制御不良と考えられるので、推定回転位置θ^の信頼性が低いと判断することができる。
As mentioned above, although two embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
For example, as a reliability verification means for verifying the reliability of the estimated rotational position θ ^, the output torque of the
また、ロータ50の回転位置を検出する簡易なセンサ(レゾルバほど高精度でない簡易なもの)を設け、このセンサの出力と推定回転位置θ^とを比較することで、推定回転位置θ^の信頼性を評価する構成としてもよい。
さらに、図1の構成において、周波数分析部26によって求められた回転速度ω2を時間積分することで、或る所定時間に渡るロータ回転位置の変化量(移動距離)を求めるようにしてもよい。この場合、位置推定部20が求める推定回転位置θ^の当該所定時間における変化量と、周波数分析および積分処理によって得られたロータ回転位置変化量とを大小比較して、推定回転位置θ^の信頼性を評価してもよい。
In addition, a simple sensor for detecting the rotational position of the rotor 50 (simple sensor that is not as accurate as the resolver) is provided, and by comparing the output of this sensor with the estimated rotational position θ ^, the reliability of the estimated rotational position θ ^ It is good also as a structure which evaluates property.
Further, in the configuration of FIG. 1, the amount of change (movement distance) of the rotor rotational position over a predetermined time may be obtained by time-integrating the rotational speed ω 2 obtained by the
また、たとえば、前述の実施形態では、電流の大きさIが極大値をとるときの二相検出電流Iαβを用いてロータ50の回転位置θを求めているが、電流の大きさIが極大値をとるときの二相指示電圧Vα *,Vβ *を用いて(図1および図7のライン23参照)、次式(7)に従って、推定回転位置θ^を求めるようにしてもよい。
θ^=Tan-1(Vβ */Vα *) …(7)
電圧ベクトルは大きさが一定であるので、歪みの生じている電流ベクトルに比較して、その位相の計算が容易である。したがって、式(7)の適用により、演算処理を簡素化できる。
Further, for example, in the above-described embodiment, the rotational position θ of the
θ ^ = Tan −1 (V β * / V α * ) (7)
Since the magnitude of the voltage vector is constant, the phase can be easily calculated as compared with the current vector in which distortion occurs. Therefore, the calculation process can be simplified by applying Expression (7).
電流の大きさIが極大値をとるときの電圧ベクトルの位相を求めるには、前記の式(7)に従う演算を行う代わりに、センシング信号の印加と同期して計数動作を行うカウンタを用いるようにしてもよい。具体的には、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を設ける。このカウンタは、たとえば、高周波電圧ベクトルの周期(センシング信号周期)Taをi等分(iは1周期当たりのサンプリング数。たとえばi=360)した周期Ta/i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5(c)に示すように、電流の大きさIの極大値が検出された時点でカウンタ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。 In order to obtain the phase of the voltage vector when the current magnitude I takes the maximum value, a counter that performs a counting operation in synchronization with the application of the sensing signal is used instead of performing the calculation according to the above equation (7). It may be. Specifically, a counter that is repeatedly operated so as to be initialized and to start a counting operation when the high-frequency voltage vector is along the α-axis (coincident with the U-phase direction) (that is, when the phase of the high-frequency voltage vector is zero). Is provided. For example, this counter counts up every period Ta / i obtained by dividing the period of the high-frequency voltage vector (sensing signal period) Ta into i equal parts (i is the number of samplings per period. For example, i = 360). The output represents the phase of the high frequency voltage vector. Therefore, as shown in FIG. 5 (c), if the count value of the counter is referred to when the maximum value of the current magnitude I is detected, the count value is obtained as the magnetic pole position of the rotor 50 (the magnitude of the current vector) Represents the phase angle of the high-frequency voltage vector when is maximum.
また、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置の駆動源としてのモータ3に本発明が適用された例について説明したが、この発明は、電動パワーステアリング装置以外の用途のモータの制御に対しても適用が可能である。
その他、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。
In the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
5…モータ制御装置、7…マイクロコンピュータ、9…電流センサ、50…ロータ、51,52,53…ステータ巻線
DESCRIPTION OF
Claims (3)
正弦波状センシング信号をステータに注入するためのセンシング信号注入手段と、
前記モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
このモータ電流検出手段によって検出されたモータ電流に基づいてロータ回転位置を推定する位置推定手段と、
この位置推定手段によって推定されたロータ回転位置の信頼性を検証する検証手段とを含む、モータ制御装置。 A motor control device for controlling a motor including a rotor and a stator facing the rotor,
Sensing signal injection means for injecting a sinusoidal sensing signal into the stator;
Motor current detecting means for detecting a motor current flowing through the motor;
Position estimating means for estimating the rotor rotational position based on the motor current detected by the motor current detecting means;
And a verification unit that verifies the reliability of the rotor rotational position estimated by the position estimation unit.
前記位置推定手段によって推定されたロータ回転位置に基づいてロータ回転速度を演算する第1ロータ回転速度演算手段と、
前記モータ電流検出手段によって検出されたモータ電流を周波数分析することによってロータ回転速度を演算する第2ロータ回転速度演算手段と、
前記第1ロータ回転速度演算手段によって求められたロータ回転速度と、前記第2ロータ回転速度演算手段によって求められたロータ回転速度とを比較する比較手段とを含むものである、請求項1または2記載のモータ制御装置。 The verification means includes
First rotor rotation speed calculation means for calculating the rotor rotation speed based on the rotor rotation position estimated by the position estimation means;
Second rotor rotation speed calculation means for calculating the rotor rotation speed by analyzing the frequency of the motor current detected by the motor current detection means;
The rotor rotation speed calculated | required by the said 1st rotor rotation speed calculating means and the comparison means which compares the rotor rotation speed calculated | required by the said 2nd rotor rotation speed calculation means are included. Motor control device.
Priority Applications (1)
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