JP2009261103A - 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(電気角)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(特許文献1参照)。 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 (electrical angle) 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 method for driving 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 (see Patent Document 1).
一方、モータ制御装置は、ロータの回転位置に基づいて、ステータの各相に正弦波状に変化する電圧を印加する正弦波駆動を行う。たとえば、電動パワーステアリング装置では、モータ制御装置は、トルクセンサによって検出される操舵トルクに基づいて、dq座標における二相電流の指令値、すなわち、d軸電流指令値およびq軸電流指令値を設定する。さらに、モータ制御装置は、モータに実際に流れているd軸電流およびq軸電流を検出し、各指令値に対するd軸電流およびq軸電流の偏差を求め、それらの偏差に対応したd軸電圧指令値およびq軸電圧指令値を演算する。そして、モータ制御装置は、d軸電圧指令値およびq軸電圧指令値を三相(U相,V相,W相)の電圧値に変換し、これらの値の電圧をモータの各相に印加する(特許文献2参照)。 On the other hand, the motor control device performs a sine wave drive that applies a voltage that changes in a sinusoidal manner to each phase of the stator based on the rotational position of the rotor. For example, in an electric power steering device, the motor control device sets a command value of a two-phase current in dq coordinates, that is, a d-axis current command value and a q-axis current command value, based on a steering torque detected by a torque sensor. To do. Further, the motor control device detects the d-axis current and the q-axis current actually flowing in the motor, obtains the deviation of the d-axis current and the q-axis current with respect to each command value, and the d-axis voltage corresponding to the deviation. The command value and the q-axis voltage command value are calculated. The motor control device converts the d-axis voltage command value and the q-axis voltage command value into three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) voltage values, and applies the voltages of these values to each phase of the motor. (See Patent Document 2).
低中速回転域では、d軸電流指令値を零とする一方で、q軸電流指令値を操舵トルクに応じた値に設定することにより、モータから必要なトルクを発生させることができる。しかし、高速回転域では、モータの逆起電力のために出力(トルク)が不足する。そこで、モータの出力を増加させるために、d軸電流指令値を零以外の有意値とし、界磁を弱める方向に電流を流す弱め磁束制御が行われる。
ところが、弱め磁束制御を行うと、誘起電圧が小さくなるから、誘起電圧の変化を正確に検出することができなくなる。そのため、センサレス駆動方式に弱め磁束制御を併用しようとすると、誘起電圧を用いたロータ位置推定の精度が悪くなる。その結果、モータをスムーズに駆動することができなくなるおそれがある。
そこで、この発明の目的は、弱め磁束制御に起因するロータ推定位置精度の低下を抑制し、これにより、モータのスムーズな駆動を阻害することなくセンサレス駆動方式と弱め磁束制御との併用を可能とするモータ制御装置を提供することである。
However, if the flux-weakening control is performed, the induced voltage becomes small, so that a change in the induced voltage cannot be detected accurately. For this reason, if the flux-weakening control is used in combination with the sensorless driving method, the accuracy of the rotor position estimation using the induced voltage is deteriorated. As a result, the motor may not be able to be driven smoothly.
Accordingly, an object of the present invention is to suppress a decrease in the estimated position accuracy of the rotor caused by the flux weakening control, thereby enabling the combined use of the sensorless driving method and the flux weakening control without hindering the smooth drive of the motor. A motor control device is provided.
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であって、前記ロータの回転によって生じるモータ誘起電圧を検出するモータ誘起電圧検出手段(9,35)と、このモータ誘起電圧検出手段によって検出されたモータ誘起電圧に基づいて、前記ロータの回転位置を求める位置推定手段(20,37)と、前記ロータの界磁を弱めて前記モータの出力を増加するための弱め磁束制御を行う弱め磁束制御手段(11,S7)と、この弱め磁束制御手段による弱め磁束制御に対して制限を加える制限手段(11,S8,S9)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。
The invention described in
この構成によれば、弱め磁束制御に対して制限が加えられることによって、弱め磁束制御が行われるときでも、モータ誘起電圧を大きな値に保つことができる。これにより、モータ誘起電圧を用いたロータ回転位置推定の精度が悪化することを抑制または防止できる。その結果、センサレス駆動方式と弱め磁束制御とを両立することができるので、弱め磁束制御が行われる状況でも、ロータ回転位置を正確に推定でき、モータのスムーズな駆動を可能とすることができる。 According to this configuration, by limiting the weak magnetic flux control, the motor induced voltage can be maintained at a large value even when the weak magnetic flux control is performed. Thereby, it can suppress or prevent that the precision of rotor rotation position estimation using a motor induced voltage deteriorates. As a result, both the sensorless driving method and the flux-weakening control can be achieved. Therefore, even when the flux-weakening control is performed, the rotor rotational position can be accurately estimated and the motor can be driven smoothly.
請求項2記載の発明は、前記モータ制御装置は、dq座標上のd軸電流およびq軸電流を制御するものであり、前記制限手段は、d軸電流指令値Id *を、次式(A)を満たす範囲に制限するものである、請求項1記載のモータ制御装置である。
Id *≧(K−ωφ)÷(ωLd) ……(A)
ただし、Kは予め定める電圧閾値、ωはロータの回転角速度、φは界磁によるステータ巻線鎖交磁束数最大値の√(3/2)、Ldはd軸インダクタンスである。
According to a second aspect of the present invention, the motor control device controls the d-axis current and the q-axis current on the dq coordinate, and the limiting means calculates the d-axis current command value I d * by the following formula ( The motor control device according to
I d * ≧ (K−ωφ) ÷ (ωL d ) (A)
Where K is a predetermined voltage threshold, ω is the rotational angular velocity of the rotor, φ is √ (3/2) of the maximum number of stator winding linkage magnetic fluxes due to the field, and L d is the d-axis inductance.
この構成によれば、弱め磁束制御のためのd軸電流指令値Id *に対して前記式(A)による制限が加えられることによって、ロータ回転位置推定演算のために必要な大きさのモータ誘起電圧が確保される。これにより、弱め磁束制御が行われるときでも、確実にロータ回転位置を正確に推定できるから、より一層、モータのスムーズな駆動が可能になる。
dq座標におけるモータの電圧方程式は、次の式(B)および(C)によって与えられる。このうち、式(C)の第2項および第3項の和である(ωLdId *+ωφ)の値が小さいと、誘起電圧変化を検出しにくくなり、モータをスムーズに駆動することが困難になる。
According to this configuration, the motor of the size required for the rotor rotational position estimation calculation is obtained by adding the restriction according to the formula (A) to the d-axis current command value I d * for the flux weakening control. An induced voltage is secured. As a result, even when the flux-weakening control is performed, the rotor rotational position can be accurately estimated reliably, so that the motor can be driven more smoothly.
The motor voltage equation in the dq coordinate is given by the following equations (B) and (C). Of these, if the value of (ωL d I d * + ωφ), which is the sum of the second term and the third term of the formula (C), is small, it is difficult to detect the induced voltage change, and the motor can be driven smoothly. It becomes difficult.
Vqはq軸電圧、
Rはステータ巻線抵抗、
ωはロータの回転角速度、
Ldはd軸インダクタンス
Lqはq軸インダクタンス
Id *はd軸電流指令値、
Iq *はq軸電流指令値、
φは界磁によるステータ巻線鎖交磁束数最大値の√(3/2)である。
V q is the q-axis voltage,
R is the stator winding resistance,
ω is the rotational angular speed of the rotor,
L d is d-axis inductance
L q is q-axis inductance
I d * is the d-axis current command value,
I q * is the q-axis current command value,
φ is √ (3/2) of the maximum number of stator winding interlinkage magnetic fluxes due to the field.
一方、弱め磁束制御では、d軸電流指令値Id *(<0)を有意値とすることによって、(ωLdId *+ωφ)の値を小さくし、トルク出力の増大が図られる。
そこで、誘起電圧変化から必要な精度でロータ回転位置を推定できるように電圧閾値Kを定め、次式(D)を満たすようにしておけば、弱め磁束制御が行われるときでも、モータ誘起電圧に基づくロータ回転位置の推定に支障がない。この式(D)をd軸電流指令値Id *について解くと、前記式(A)が得られる。
On the other hand, in the flux weakening control, the value of (ωL d I d * + ωφ) is reduced by increasing the d-axis current command value I d * (<0) to a significant value, thereby increasing the torque output.
Therefore, if the voltage threshold value K is determined so that the rotor rotational position can be estimated with necessary accuracy from the induced voltage change and the following equation (D) is satisfied, even when the flux-weakening control is performed, the motor induced voltage can be reduced. There is no problem in the estimation of the rotor rotation position based on it. When the equation (D) is solved for the d-axis current command value I d * , the equation (A) is obtained.
ωLdId *+ωφ≧K (D) ωL d I d * + ωφ ≧ K (D)
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、角速度演算部21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 *を生成するように動作する。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
一方、高速回転域(たとえば、800rpmを超える回転速度域)では、モータ3のトルク出力が不足するので、電流指令値生成部11は、d軸電流指令値Id *≠0に設定して、いわゆる弱め磁束制御を行い、モータ3の出力を増加させる。
電流指令値生成部11の動作の詳細は後述するが、この実施形態では、電流指令値生成部11は、角速度演算部21よって演算されるモータ回転角速度ωを加味して、電流指令値Idq *を設定するようになっている。
On the other hand, since the torque output of the
Although details of the operation of 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 current sensor 9 detects the U-phase current I U , the V-phase current I V and the W-phase current I W of the motor 3 (hereinafter referred to as “three-phase detection current I UVW ” when collectively referred to). The detected value is sampled at a predetermined sampling frequency f s , taken into the microcomputer 7, and given to the UVW / αβ coordinate
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δId、およびq軸電流指令値Iq *に対するδ軸電流Iδの偏差δIqを演算する。これらの電流偏差δId,δIq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
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。
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と、γδ/αβ座標変換部14によって生成される二相指示電圧Vαβ *とに基づいて、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 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
角速度演算部21は、位置推定部20によって求められる推定回転位置θ^に対して時間微分演算を行うことによって、ロータ50の回転角速度ωを演算する。この回転角速度ωは、電流指令値生成部11による電流指令値Idq *の生成のために用いられる。
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、信号処理部31と、ロータ位置推定部32とを備えている。信号処理部31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33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34とを有している。ロータ位置推定部32には、信号処理部31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32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35と、この外乱オブザーバ35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36と、この推定値フィルタ36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θ^を生成する推定位置生成部37とを有している。そして、電圧フィルタ33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34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32の外乱オブザーバ35にそれぞれ入力されるようになっている。
The angular
FIG. 3 is a block diagram for explaining the configuration of the
図4は、外乱オブザーバ35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. 4 is a block diagram for explaining an example of the
外乱オブザーバ35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)38と、この逆モータモデル38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39とで構成することができる。電圧偏差演算部39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4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38は、たとえば、R+pLで表される。
The
推定値フィルタ36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36の遮断周波数ωcが定まる。
誘起電圧Eαβは、次式(3)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 (3). However, K E is an induced voltage constant, θ is a rotor rotational position, and ω is a rotor rotational speed.
弱め磁束制御をしないとき、すなわち、d軸電流指令値Id *=0とするときには、破線で示す特性L1+,L1-に従ってq軸電流指令値Iq *が制限される。特性L1+は、一方向(たとえば右回り方向)へのトルクを発生させるために正のq軸電流指令値Iq *を設定するときの上限値を示し、特性L1-は他方向(たとえば左回り方向)へのトルクを発生させるために負のq軸電流指令値Iq *を設定するときの下限値を示す。この場合、モータ回転角速度ωの絶対値が所定の第1閾値ω1(たとえば、ω1=800rpm)以下の低中速回転域においては、q軸電流指令値Iq *の上限値および下限値はそれぞれ一定値α、−α(ただしαは正の定数)であり、モータ回転角速度ωの絶対値が前記第1閾値ω1を超える高速回転域においては、q軸電流指令値Iq *の上限値は、モータ回転角速度ωの増加に伴ってリニアに減少し、q軸電流指令値Iq *の下限値は、モータ回転角速度ωの絶対値の増加に伴ってリニアに増加する(絶対値が減少する)特性とされる。つまり、q軸電流指令値Iq *の上限値および下限値の絶対値は、第1閾値ω1以下の中低速回転域において一定値に保持される一方で、第1閾値ω1を超える高速回転域においてモータ回転角速度ωの増加に応じてリニアに減少する特性とされる。 When the flux-weakening control is not performed, that is, when the d-axis current command value I d * = 0, the q-axis current command value I q * is limited according to the characteristics L1 + and L1 − indicated by broken lines. Characteristic L1 + indicates an upper limit value when positive q-axis current command value I q * is set in order to generate torque in one direction (for example, clockwise direction), and characteristic L1 − indicates the other direction (for example, left direction). The lower limit value when the negative q-axis current command value I q * is set in order to generate torque in the rotation direction). In this case, the upper limit value and the lower limit value of the q-axis current command value I q * are respectively in a low and medium speed rotation range where the absolute value of the motor rotation angular speed ω is equal to or less than a predetermined first threshold value ω1 (for example, ω1 = 800 rpm) In the high speed region where the absolute value of the motor rotational angular velocity ω exceeds the first threshold ω1, the upper limit value of the q-axis current command value I q * is constant values α and −α (where α is a positive constant). The lower limit of the q-axis current command value I q * increases linearly as the absolute value of the motor rotational angular velocity ω increases (the absolute value decreases). ) Characteristic. That is, the absolute values of the upper limit value and the lower limit value of the q-axis current command value I q * are held at a constant value in the medium / low speed rotation range that is equal to or less than the first threshold value ω1, while In FIG. 4, the characteristic decreases linearly as the motor rotational angular velocity ω increases.
一方、弱め磁束制御をするときには、実線で示す特性L2+,L2-に従ってq軸電流指令値Iq *が制限される。特性L2+は、一方向(たとえば右回り方向)へのトルクを発生させるために正のq軸電流指令値Iq *を設定するときの上限値を示し、特性L2-は他方向(たとえば左回り方向)へのトルクを発生させるために負のq軸電流指令値Iq *を設定するときの下限値を示す。この場合、モータ回転角速度ωの絶対値が前記第1閾値ω1よりも大きな第2閾値ω2(>ω1。たとえば、ω2=900rpm)以下の回転速度域においては、q軸電流指令値Iq *の上限値および下限値はそれぞれ一定値α,−αである。そして、モータ回転角速度ωの絶対値が前記第2閾値ω2を超える回転速度域においては、q軸電流指令値Iq *の上限値は、モータ回転角速度ωの増加に伴って非線形に減少し、q軸電流指令値Iq *の下限値は、モータ回転角速度ωの絶対値の増加に伴って非線形に増加(絶対値が減少)する特性とされる。つまり、q軸電流指令値Iq *の上限値および下限値の絶対値は、第2閾値ω2以下の回転速度域において一定値に保持される一方で、第2閾値ω2を超える回転速度域においてモータ回転角速度ωの増加に応じて非線形に減少する特性とされる。 On the other hand, when the flux-weakening control is performed, the q-axis current command value I q * is limited according to the characteristics L2 + and L2 − indicated by the solid lines. Characteristic L2 + indicates the upper limit value when setting a positive q-axis current command value I q * in order to generate torque in one direction (e.g., clockwise), characteristic L2 - the other direction (e.g., left The lower limit value when the negative q-axis current command value I q * is set in order to generate torque in the rotation direction). In this case, in the rotational speed region where the absolute value of the motor rotational angular speed ω is equal to or smaller than the second threshold ω2 (> ω1, for example, ω2 = 900 rpm) larger than the first threshold ω1, the q-axis current command value I q * The upper limit value and the lower limit value are constant values α and −α, respectively. In the rotational speed range where the absolute value of the motor rotational angular speed ω exceeds the second threshold ω2, the upper limit value of the q-axis current command value I q * decreases nonlinearly as the motor rotational angular speed ω increases. The lower limit value of the q-axis current command value I q * is a characteristic that increases nonlinearly (absolute value decreases) as the absolute value of the motor rotational angular velocity ω increases. In other words, the absolute values of the upper limit value and the lower limit value of the q-axis current command value I q * are kept constant in the rotation speed range below the second threshold value ω2, while in the rotation speed range exceeding the second threshold value ω2. The characteristic is non-linearly decreasing as the motor rotational angular velocity ω increases.
q軸電流は、電動モータ3の出力トルクに対応する。したがって、弱め磁束制御を行わないときには、特性L1+,L1-から理解されるとおり、モータ回転角速度ωの絶対値が第1閾値ω1を超える高速回転域では、モータ回転角速度ωの絶対値の上昇に応じて、出力トルクが減少していき、或る回転速度ω10(たとえば、ω10=1500rpm)でトルクを発生することができなくなる。そこで、第1閾値ω1を超える高速回転域において、d軸電流指令値Id *を零以外の有意な値に設定して弱め磁束制御を行うことで、第1閾値ω1を超える高速回転域において、電動モータ3の出力を増加させることができる。
The q-axis current corresponds to the output torque of the
弱め磁束制御を行うときのq軸電流指令値Iq *の上限値Iq_uplimは下記式(5)で与えられ、その下限値Iq_downlimは下記式(6)で与えられる。ただし、上限値Iq_uplimは正のq軸電流指令値Iq *に対して適用され、下限値Iq_downlimは負のq軸電流指令値Iq *に対して適用される。 The upper limit value I q_uplim of the q-axis current command value I q * when the flux-weakening control is performed is given by the following formula (5), and the lower limit value I q_downlim is given by the following formula (6). However, the upper limit value I q_uplim is applied to the positive q-axis current command value I q * , and the lower limit value I q_downlim is applied to the negative q-axis current command value I q * .
φは界磁によるステータ鎖交磁束から計算されるdq座標上の磁束
(すなわち、界磁のU相、V相、W相ステータ巻線鎖交磁束数最大値の√(3/2))
ωはモータの電気角における回転角速度
Ldはd軸インダクタンス
Lqはq軸インダクタンス
Vlimは正弦波駆動が可能なdq座標での制限電圧
αは正の定数
である。
ω is the rotational angular velocity at the electrical angle of the motor L d is the d-axis inductance L q is the q-axis inductance V lim is the limit voltage α in the dq coordinate that allows sinusoidal driving, and α is a positive constant.
また、弱め磁束制御のためのd軸電流指令値Id *は、下記式(7)で与えられる。 Further, the d-axis current command value I d * for the flux weakening control is given by the following formula (7).
ただし、式(7)によって定められるd軸電流指令値Id *について、電流指令値生成部11は、さらに、下記式(8)で示すd軸電流上限値Id_limitを超えているかどうかを判断する。そして、式(7)に従って求められたd軸電流指令値Id *がd軸電流上限値Id_limitを超えている場合には、電流指令値生成部11は、Id *=Id_limitとして、d軸電流指令値Id *をd軸電流上限値Id_limitに制限する。つまり、d軸電流指令値Id *は、d軸電流上限値Id_limit以下に制限される。
However, for the d-axis current command value I d * determined by the equation (7), the current command
Id_limit=(K−ωφ)/(ωLd) …… (8)
図6は、弱め磁束制御を行うときの電流指令値生成部11の動作を説明するためのフローチャートである。電流指令値生成部11は、図5の特性L2+,L2-に従って、モータ回転角速度ωに対応する上限値Iq_uplimおよび下限値Iq_downlimを設定する(ステップS1)。さらに、電流指令値生成部11は、操舵トルク等に応じてq軸電流指令値Iq *を設定する(ステップS2)。
I d_limit = (K− ωφ ) / (ωL d ) (8)
FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the current command
次に、電流指令値生成部11は、q軸電流指令値Iq *と上限値Iq_uplimとを比較する(ステップS3)。もしも、q軸電流指令値Iq *が上限値Iq_uplimよりも大きければ(ステップS3:YES)、このq軸電流指令値Iq *に制限が加えられる。すなわち、その後の制御に用いるためのq軸電流指令値Iq *として上限値Iq_uplimが代入される(ステップS4)。
Next, the current command
一方、q軸電流指令値Iq *が上限値Iq_uplim以下であれば(ステップS3:NO)、次に、電流指令値生成部11は、q軸電流指令値Iq *と下限値Iq_downlimとを比較する(ステップS5)。もしも、q軸電流指令値Iq *が下限値Iq_downlim未満であれば(ステップS5:YES)、このq軸電流指令値Iq *に制限が加えられる。すなわち、その後の制御に用いるためのq軸電流指令値Iq *として下限値Iq_downlimが代入される(ステップS6)。
On the other hand, if the q-axis current command value I q * is equal to or lower than the upper limit value I q_uplim (step S3: NO), then the current command
ステップS2で設定されたq軸電流指令値Iq *が、上限値Iq_uplim以下(ステップS3:NO)で、かつ、下限値Iq_downlim以上(ステップS5:NO)の値であれば、そのq軸電流指令値Iq *がそのまま用いられる。
次に、電流指令値生成部11は、前記式(7)に従って、d軸電流指令値Id *(負値)を設定する(ステップS7)。さらに、電流指令値生成部11は、d軸電流指令値Id *と前記式(8)のd軸電流上限値Id_limit(負値)とを比較する(ステップS8)。もしも、d軸電流指令値Id *がd軸電流上限値Id_limitよりも小さければ(絶対値が大きければ)(ステップS8:YES)、このd軸電流指令値Id *に制限が加えられる。すなわち、その後の制御に用いるためのd軸電流指令値Id *としてd軸電流上限値Id_limitが代入される(ステップS9)。一方、d軸電流指令値Id *がd軸電流上限値Id_limit以上であれば(ステップS8:NO)、前記式(7)に従って設定されたd軸電流指令値Id *がそのまま用いられる。
If the q-axis current command value I q * set in step S2 is not more than the upper limit value I q_uplim (step S3: NO) and not less than the lower limit value I q_downlim (step S5: NO), the q The shaft current command value I q * is used as it is.
Next, the current command
こうして求められたq軸電流指令値Iq *およびd軸電流指令値Id *に基づいて、偏差演算部19においてd軸電流偏差δIdおよびq軸電流偏差δIqがそれぞれ求められる。さらにそれらの電流偏差δId,δIqに基づいて、PI制御部12によるPI演算処理が行われる。
図7は、正弦波駆動のためにd軸電圧指令値Vd *とq軸電圧指令値Vq *とに課される条件を示す図である。電動モータ3の各相の電圧が正弦波となるようにするためには、各相電圧の振幅を電源電圧Ed(駆動回路8に印加される電圧。バッテリ電圧で代用してもよい。)の1/2以下とする必要があり、d軸電圧Vdおよびq軸電圧Vqに関して、次式(9)が成立する必要がある。
Based on the q-axis current command value I q * and the d-axis current command value I d * thus obtained, the
FIG. 7 is a diagram showing conditions imposed on the d-axis voltage command value V d * and the q-axis voltage command value V q * for the sine wave drive. In order for the voltage of each phase of the
√(Vd 2+Vq 2)≦Ed√3/2√2=Vlim …… (9)
一方、定常状態でのq軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdは、次式(dq座標におけるモータの電圧方程式)のように表される。
√ (V d 2 + V q 2 ) ≦ E d √3 / 2√2 = V lim (9)
On the other hand, the q-axis voltage V q and the d-axis voltage V d in the steady state are expressed by the following equations (motor voltage equations in the dq coordinates).
d軸電流の絶対値が大きくなるほどモータ効率が低下するので、前記式(16)の条件を満たす絶対値が最小の値をd軸電流指令値Id *とすればよい。
A>0は自明であり、前記式(15)よりC>0であるので、次式(17)および(18)のとおりとなる。
Since the motor efficiency decreases as the absolute value of the d-axis current increases, the d-axis current command value I d * may be set to a value having the minimum absolute value that satisfies the condition of the equation (16).
Since A> 0 is self-evident and C> 0 from the above equation (15), the following equations (17) and (18) are obtained.
ここで、B2−AC≧0を満たさなければ、前記式(17)の値が虚数となり、この式(17)を満たすId *が存在しない。つまり、どのようなq軸電流指令値Iq *を設定しても、図7の円で示される制限電圧範囲内に収まらない。そこで、B2−AC≧0をIq *について解くと、下記式(19)が得られ、これが、制限電圧範囲内とするために、すなわち、正弦波駆動を行うために、q軸電流指令値Iq *に課される条件となる。 Here, if B 2 −AC ≧ 0 is not satisfied, the value of the equation (17) becomes an imaginary number, and there is no I d * that satisfies the equation (17). That is, no matter what q-axis current command value I q * is set, it does not fall within the limit voltage range indicated by the circle in FIG. Therefore, when B 2 -AC ≧ 0 is solved with respect to I q * , the following equation (19) is obtained, and in order to make it within the limit voltage range, that is, to perform sinusoidal drive, the q-axis current command This is a condition imposed on the value I q * .
したがって、q軸電流指令値Iq *を予め前記式(19)の範囲に制限し(図6のステップS3〜S6)、その後に、前記式(18)によりd軸電流指令値Id *を求めればよい(図6のステップS7)。これにより、制限電圧範囲内で最大の出力を得ることができる。
一方、前記式(11)の第2項および第3項の和、すなわち、ωLdId *+ωφが小さい場合には、モータ3の誘起電圧の変化が小さくなるため、位置推定部20における位置推定精度が悪くなる。そこで、この実施形態では、電圧閾値Kを用いて、下記式(20)が成立するように、d軸電流指令値Id *を制限し、弱め磁束制御に制限をかけるようにしている。電圧閾値Kは、ロータ回転位置を所要精度で推定するために必要な誘起電圧を確保できる値に設定される。
Therefore, the q-axis current command value I q * is limited in advance to the range of the equation (19) (steps S3 to S6 in FIG. 6), and then the d-axis current command value I d * is calculated by the equation (18). What is necessary is just to obtain | require (step S7 of FIG. 6). Thereby, the maximum output can be obtained within the limit voltage range.
On the other hand, when the sum of the second term and the third term of the equation (11), that is, ωL d I d * + ωφ is small, the change in the induced voltage of the
ωLdId *+ωφ≧K …… (20)
これをd軸電流指令値Id *について解くと、次式(21)が得られる。
Id *≦(K−ωφ)/(ωLd)=Id_limit …… (21)
図6におけるステップS8,S9の処理は、d軸電流指令値Id *に対してこのような制限をかけるための処理である。
ωL d I d * + ωφ ≧ K (20)
When this is solved for the d-axis current command value I d * , the following equation (21) is obtained.
I d * ≦ (K− ωφ ) / (ωL d ) = I d_limit (21)
The processes in steps S8 and S9 in FIG. 6 are processes for applying such a restriction to the d-axis current command value I d * .
以上のように、この実施形態によれば、弱め磁束制御が行われるときに、ωLdId *+ωφ(誘起電圧)が電圧閾値K以上となるように、d軸電流指令値Id *に対して制限がかけられる。これにより、高回転速度域において、弱め磁束制御を行って出力トルクの増加を図りつつ、精度の高い推定回転位置θ^を演算することが可能になる。したがって、高回転速度域において、出力トルクの増加と、スムーズなモータ3の制御とを両立することができる。こうして、弱め磁束制御による出力トルクの増加と、センサレス駆動方式の採用によるコストダウンとの両方の効果を同時に得ることができる。
As described above, according to this embodiment, when the flux-weakening control is performed, the d-axis current command value I d * is set so that ωL d I d * + ω φ (induced voltage) is equal to or higher than the voltage threshold K. There are restrictions on this. As a result, it is possible to calculate the estimated rotational position θ ^ with high accuracy while increasing the output torque by performing flux-weakening control in the high rotational speed range. Therefore, it is possible to achieve both an increase in output torque and smooth control of the
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、モータ3の誘起電圧は、弱め磁束制御を行うときだけでなく、低回転速度域においても小さくなるので、位置推定部20による位置推定精度は低回転速度域においては低くなる。そこで、誘起電圧定数φの大きなモータを用いることで、低回転速度域においても大きな誘起電圧を確保できる構成とするとよい。この場合には、高回転速度域における出力トルクが小さくなるが、この出力トルクの低下は、弱め磁束制御によって補うことができる。このような構成とすることで、全速度域において推定回転位置θ^の精度を高めることができ、かつ、充分な出力トルクを得ることができるので、モータ3をスムーズに駆動でき、かつ、充分な操舵補助力を舵取り機構2に付与することができる。しかも、低回転速度域におけるロータ回転角速度の推定のために別のアルゴリズムを適用する必要がないので、コストダウンを図ることができる。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form. For example, the induced voltage of the
また、たとえば、弱め磁束制御を行うときのq軸電流指令値Iq *の上限値Iq_uplimは、図5の特性L1+と特性L2+(最上限値)との間の値に定めればよく、同じく弱め磁束制御を行うときのq軸電流指令値Iq *の下限値Iq_downlimは、図5の特性L1-と特性L2-(最下限値)との間の値に定めればよい。したがって、たとえば、図5に二点鎖線で示す特性L3+,L3-のように特性L2+,L2-のよりも絶対値が低めの上限値Iq_uplimおよび下限値Iq_downlimが設定される特性にしてもよい。このような特性L3+,L3-は、たとえば、駆動回路8などの回路素子の特性のばらつき(製造ばらつき、温度変化、経年変化など)や、入力電圧(バッテリ電圧)の変動を考慮して、これらのばらつきや変動によらずに、特性L1+,L2+間に上限値Iq_uplimが収まり、特性L1-,L2-間に下限値Iq_downlimが収まるように定めてもよい。この場合、特性L3+,L3-は、下記式(22)および(23)に示すように、前記式(5)および式(6)の各右辺に定数k(0<k<1)を乗じて設定してもよい。
In addition, for example, if the upper limit value I q_uplim of the q-axis current command value I q * when performing the flux-weakening control is set to a value between the
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 addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.
5…モータ制御装置、7…マイクロコンピュータ、50…ロータ、51,52,53…ステータ巻線 5 ... Motor controller, 7 ... Microcomputer, 50 ... Rotor, 51, 52, 53 ... Stator winding
Claims (2)
前記ロータの回転によって生じるモータ誘起電圧を検出するモータ誘起電圧検出手段と、
このモータ誘起電圧検出手段によって検出されたモータ誘起電圧に基づいて、前記ロータの回転位置を求める位置推定手段と、
前記ロータの界磁を弱めて前記モータの出力を増加するための弱め磁束制御を行う弱め磁束制御手段と、
この弱め磁束制御手段による弱め磁束制御に対して制限を加える制限手段とを含む、モータ制御装置。 A motor control device for controlling a motor including a rotor and a stator facing the rotor,
Motor induced voltage detection means for detecting a motor induced voltage generated by rotation of the rotor;
Position estimating means for determining the rotational position of the rotor based on the motor induced voltage detected by the motor induced voltage detecting means;
A weak magnetic flux control means for performing a weak magnetic flux control for weakening the field of the rotor and increasing the output of the motor;
A motor control device including restriction means for restricting the weak magnetic flux control by the weak magnetic flux control means.
前記制限手段は、d軸電流指令値Id *を、次式(A)を満たす範囲に制限するものである、請求項1記載のモータ制御装置。
Id *≧(K−ωφ)÷(ωLd) ……(A)
ただし、Kは予め定める電圧閾値、ωはロータの回転角速度、φは界磁によるステータ巻線鎖交磁束数最大値の√(3/2)、Ldはd軸インダクタンスである。 The motor control device controls the d-axis current and the q-axis current on the dq coordinate,
The motor control device according to claim 1, wherein the limiting means limits the d-axis current command value I d * to a range satisfying the following expression (A).
I d * ≧ (K−ωφ) ÷ (ωL d ) (A)
Where K is a predetermined voltage threshold, ω is the rotational angular velocity of the rotor, φ is √ (3/2) of the maximum number of stator winding linkage magnetic fluxes due to the field, and L d is the d-axis inductance.
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