JP2009284728A - モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧飽和域においても円滑なモータ回転を実現することのできるモータ制御装置を提供すること。
【解決手段】電圧指令最大値演算部３１は、ｑ軸電流指令値Ｉq*に基づいて、発生しうるモータ１２の最大回転角速度を推定し、当該推定された最大回転角速度に対応するｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxを演算する。そして、電圧指令値制限部２８は、そのｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxを制限値として、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*についての電圧制限処理を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）のように円滑なモータ回転及び高い静粛性が要求される用途では、多くの場合、その駆動源としてブラシレスモータを採用し、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に正弦波通電を行なう構成が採用される。そして、このような構成におけるモータトルクの制御は、ｄ／ｑ座標系における電流制御に基づき行なうのが一般的となっている（例えば、特許文献１参照）。

また、車載電源（バッテリ）を用いるＥＰＳのように印加可能な電圧に上限のある場合には、通常、モータの高速回転時等、モータに印加される電圧が上昇する状況においては、当該印加電圧がその上限を超えないよう電圧制限処理（電圧ガード処理）が実行される。

具体的には、駆動回路等の規格・仕様に基づいて、予め当該電圧制限処理における制限値が決定される。そして、図５に示すように、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*との合成ベクトルＶdq*が、その予め設定された電圧制限値Ｖdq_limを超える場合、即ち電圧飽和時には、その補正後の合成ベクトルＶdq*が当該電圧制限値Ｖdq_lim以下となるように、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を補正する。

尚、この図５に示す例では、ｄ軸電圧指令値Ｖd*を維持した状態でｑ軸電圧指令値Ｖq*を低減するが、その他、電圧飽和突入後は、合成ベクトルＶdq*の角度が維持されるように、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を補正する構成を採用するものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２４７８７７号公報 特開平６−１５３５６９号公報

しかしながら、上記のように駆動回路等の規格・仕様に基づき予め設定された固定値を制限値として電圧制限処理を実行する場合、上記電圧飽和が発生する領域（電圧飽和域）においては、そのｑ軸電圧指令値Ｖq*がｄ軸電圧指令値Ｖd*に依存して変動することになる。そして、これによりトルクリップルが発生することになるという問題を抱えており、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、電圧飽和域においても円滑なモータ回転を実現することのできるモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ｄ／ｑ座標系における電流制御の実行によりモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段と、前記モータ制御信号に基づいてモータに三相の駆動電力を供給する駆動回路とを備えたモータ制御装置であって、モータ制御信号生成手段は、ｑ軸電流指令値に基づき前記モータの最大回転角速度を推定するとともに、ｄ軸及びｑ軸のそれぞれについて前記最大回転角速度に対応する電圧指令値の最大値を演算し、前記電流制御の基礎となるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を該各最大値以下に制限すること、を要旨とする。

上記構成によれば、ｄ軸電圧指令値に依存したｑ軸電圧指令値の変動を抑制することができる。その結果、電圧飽和域においても振動や騒音の発生を抑えて円滑なモータ回転を実現することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、前記最大回転角速度の推定は、電源電圧に基づき行なわれること、を要旨とする。
上記構成によれば、電源電圧の低下に伴う電圧飽和についても効果的に対応することができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の何れか一項に記載のモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置であること、を要旨とする。
上記構成によれば、電圧飽和域における円滑なモータ回転を実現して、より静粛性の高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明によれば、電圧飽和域においても円滑なモータ回転を実現することが可能なモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。

以下、本発明を電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のＥＰＳ１の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール（ステアリング）２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック５に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック５の往復直線運動に変換される。そして、このラック５の往復直線運動により操舵輪６の舵角が変更されるようになっている。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、その駆動源であるモータ１２がラック５と同軸に配置された所謂ラック型のＥＰＳアクチュエータであり、モータ１２が発生するアシストトルクは、ボールねじ機構（図示略）を介してラック５に伝達される。尚、本実施形態のモータ１２は、ブラシレスモータであり、ＥＣＵ１１から三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給を受けることにより回転する。そして、モータ制御装置としてのＥＣＵ１１は、このモータ１２が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する（パワーアシスト制御）。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４及び車速センサ１５が接続されている。そして、ＥＣＵ１１は、これらトルクセンサ１４及び車速センサ１５によりそれぞれ検出される操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、ＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ちパワーアシスト制御を実行する。

次に、本実施形態のＥＰＳの電気的構成について説明する。
図２は、本実施形態のＥＰＳの制御ブロック図である。同図に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段としてのマイコン１７と、モータ制御信号に基づいてモータ１２に三相の駆動電力を供給する駆動回路１８とを備えている。

尚、本実施形態の駆動回路１８は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位（アーム）として各相に対応する３つのアームを並列接続してなる周知のＰＷＭインバータであり、マイコン１７の出力するモータ制御信号は、駆動回路１８を構成する各スイッチング素子のオンｄｕｔｙ比を規定するものとなっている。そして、モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、同モータ制御信号に応答して各スイッチング素子がオン／オフすることにより、車載電源１９の直流電圧が三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に変換されてモータ１２に供給されるようになっている。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、モータ１２に通電される各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出するための電流センサ２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ、及びモータ１２の回転角θを検出するための回転角センサ２１が接続されている。そして、マイコン１７は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ１２の各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw及び回転角θ、並びに上記操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて駆動回路１８にモータ制御信号を出力する。

詳述すると、マイコン１７は、操舵系に付与するアシスト力の制御目標量として電流指令値を演算する電流指令値演算部２２と、上記駆動回路１８の作動制御するためのモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段としてのモータ制御信号生成部２４とを備えている。

電流指令値演算部２２は、上記トルクセンサ１４及び車速センサ１５により検出された操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、ｄ／ｑ座標系におけるｑ軸電流指令値Ｉq*を演算する。また、モータ制御信号生成部２４には、電流指令値演算部２２の出力するｑ軸電流指令値Ｉq*とともに、各電流センサ２０ｕ，２０ｖ，２０ｗにより検出された各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw、及び回転角センサ２１により検出された回転角θが入力される。尚、本実施形態では、ｄ軸電流指令値Ｉd*については、モータ制御信号生成部２４内において「Ｉd*＝０」が演算される。そして、モータ制御信号生成部２４は、これら各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw、及び回転角θ（電気角）に基づいて、ｄ／ｑ座標系における電流フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を生成する。

即ち、モータ制御信号生成部２４において、各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwは、回転角θとともに３相／２相変換部２５に入力され、同３相／２相変換部２５によりｄ／ｑ座標系のｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqに変換される。また、モータ制御信号生成部２４に入力されたｑ軸電流指令値Ｉq*は、上記ｑ軸電流値Ｉqとともに減算器２６ｑに入力され、ｄ軸電流指令値Ｉd*は、ｄ軸電流値Ｉdとともに減算器２６ｄに入力される。これら減算器２６ｄ，２６ｑにおいて演算されたｄ軸電流偏差ΔＩd及びｑ軸電流偏差ΔＩqは、それぞれ対応するＦ／Ｂ制御部２７ｄ，２７ｑに入力される。そして、これら各Ｆ／Ｂ制御部２７ｄ，２７ｑにおいて、その制御目標値であるｄ軸電流指令値Ｉd*及びｑ軸電流指令値Ｉq*に実電流であるｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqを追従させためのフィードバック制御が行われる。具体的には、Ｆ／Ｂ制御部２７ｄ，２７ｑは、入力されたｄ軸電流偏差ΔＩd及びｑ軸電流偏差ΔＩqに所定のＦ／Ｂゲイン（ＰＩゲイン）を乗ずることにより、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を演算する。

本実施形態では、これらｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*は、電圧指令値制限部２８に入力され、同電圧指令値制限部２８において、その値を所定の制限値内に制限する電圧制限処理（電圧ガード処理）が実行される。そして、その電圧処理後のｄ軸電圧指令値Ｖd**及びｑ軸電圧指令値Ｖq**は、回転角θとともに２相／３相変換部２９に入力され、同２相／３相変換部２９において三相の電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に変換される。

２相／３相変換部２９において演算された各電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*は、ＰＷＭ変換部３０に入力され、同ＰＷＭ変換部３０において、該各電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に対応するｄｕｔｙ指令値が生成される。そして、モータ制御信号生成部２４は、これら各ｄｕｔｙ指令値に示されるオンｄｕｔｙ比を有するモータ制御信号を生成し、マイコン１７は、そのモータ制御信号を、駆動回路１８を構成する各スイッチング素子（のゲート端子）に出力することにより、同駆動回路１８の作動、即ちモータ１２への駆動電力の供給を制御する。

（電圧制限処理）
次に、本実施形態における電圧制限処理の態様について説明する。
図２に示すように、本実施形態のマイコン１７では、そのモータ制御信号生成部２４には、電圧指令最大値演算部３１が設けられている。本実施形態では、この電圧指令最大値演算部３１には、上記電流指令値演算部２２により演算されたｑ軸電流指令値Ｉq*が入力されるようになっている。そして、同電圧指令最大値演算部３１は、そのｑ軸電流指令値Ｉq*に基づいて、発生しうるｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*の各最大値、即ちｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxを演算する。

具体的には、図３のフローチャートに示すように、電圧指令最大値演算部３１は、先ずｑ軸電流指令値Ｉq*に基づいて、発生しうるモータ１２の最大回転角速度ω_maxを推定する（ステップ１０１）。

即ち、図４に示すように、モータトルクＴは、モータ電流（ｑ軸電流値Ｉq）に依存し、モータ回転数Ｎ（回転角速度ω）は、モータトルクＴに対して負の比例関係を有する。つまり、モータ１２の回転角速度ωの上昇に伴い増大する逆起電力の影響により、その回転角速度ωが上昇するほど、モータコイルに通電可能なモータ電流は小さな値となる。換言すれば、モータコイルに通電される電流値（ｑ軸電流値Ｉq）により、そのモータ回転数Ｎの最大値、即ち発生しうる最大回転角速度ω_maxが決定される。

具体的には、同図に示すように、モータ電流値（ｑ軸電流値Ｉq）が「Ｉ１」である場合に発生しうるモータ回転数Ｎの最大値が「Ｎ１」であるとすれば、そのモータ電流値が当該「Ｉ１」よりも小さな「Ｉ２」である場合におけるモータ回転数Ｎの最大値「Ｎ２」は、より上記「Ｉ１」に対応する「Ｎ１」よりも大きな値となる。そして、モータ電流値が当該「Ｉ１」よりも大きな「Ｉ３」である場合におけるモータ回転数Ｎの最大値「Ｎ３」は、より上記「Ｉ１」に対応する「Ｎ１」よりも小さな値となる。

本実施形態のマイコン１７では、このようなモータ電流値（ｑ軸電流値Ｉq）とモータ回転数Ｎの最大値（最大回転角速度ω_max）との関係が、マップ形式で図示しないメモリ内に記憶されている。尚、本実施形態では、このモータ電流値（ｑ軸電流値Ｉq）とモータ回転数Ｎの最大値との関係は、車速Ｖに応じた複数のマップに記憶されている。そして、電圧指令最大値演算部３１は、上記電流指令値演算部２２から入力されるｑ軸電流指令値Ｉq*を、そのマップに参照することにより、当該ｑ軸電流指令値Ｉq*下において発生しうる最大回転角速度ω_maxを推定する。

そして、電圧指令最大値演算部３１は、以下に示すモータ電圧方程式に基づいて、その推定された最大回転角速度ω_maxに対応するｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxを演算する（ステップ１０２）。

Ｖd_max＝Ｒ×Ｉd*−ω_max×Ｌ×Ｉq* ・・・（１）
Ｖq_max＝ω_max×Ｌ×Ｉd*＋Ｒ×Ｉq*＋Φ×ω_max ・・・（２）
尚、「Ｒ」はモータ抵抗、「Ｌ」はモータインダクタンス、そして「Φ」はコイル鎖交磁束数である。

図２に示すように、本実施形態では、このようにして電圧指令最大値演算部３１により演算されたｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxは、上記電圧指令値制限部２８に入力される。そして、電圧指令値制限部２８は、そのｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxを制限値として、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*についての電圧制限処理を実行し、当該電圧制限処理後のｄ軸電圧指令値Ｖd**及びｑ軸電圧指令値Ｖq**を上記２相／３相変換部２９に出力する構成となっている。

即ち、駆動回路等の規格・仕様に基づき予め設定された固定値を制限値として電圧制限処理を実行する場合、電圧飽和域においては、そのｑ軸電圧指令値Ｖq*がｄ軸電圧指令値Ｖd*に依存して変動することになる。

しかしながら、上記構成のように、発生しうる最大回転角速度ω_maxを推定し、これに対応するｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxにより、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を制限することで、上記ｄ軸電圧指令値Ｖd*に依存したｑ軸電圧指令値Ｖq*の変動を抑制することができる。これにより、電圧飽和域においても振動や騒音の発生を抑えて円滑なモータ回転を実現することができる。その結果、ステアリングに伝達されるモータの振動が低減し、操舵フィーリングが向上するとともに、車室内にモータを設置する場合であっても低騒音なＥＰＳとすることができるようになる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、モータ電流値（ｑ軸電流値Ｉq）とモータ回転数Ｎの最大値（最大回転角速度ω_max）との関係は、車速Ｖに応じた複数のマップに記憶されることとした。しかし、これに限らず、電源電圧に応じた複数のマップに記憶される構成としてもよい。このように電源電圧に基づき最大回転角速度ω_maxを推定することで、電源電圧の低下に伴う電圧飽和についても効果的に対応することが可能になる。

・本実施形態では、特に言及しなかったが、ｄ軸電圧指令最大値Ｖd_max及びｑ軸電圧指令最大値Ｖq_maxを制限値とする際、その値に下限を設けてもよい。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの電気的構成を示す制御ブロック図。 ｑ軸電流指令値に基づく電圧指令値最大値演算の処理手順を示すフローチャート。 モータ電流値（ｑ軸電流値）とモータ回転数の最大値（最大回転角速度）との関係を示すＮ−Ｔ線図。 従来の電圧制限処理の態様を示す説明図。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、１０…ＥＰＳアクチュエータ、１１…ＥＰＳＥＣＵ、１２…モータ、１７…マイコン、１８…駆動回路、２２…電流指令値演算部、２４…モータ制御信号生成部、２８…電圧指令値制限部、３１…電圧指令最大値演算部、θ…回転角、Ｉq*…ｑ軸電流指令値、Ｖd*，Ｖd**…ｄ軸電圧指令値、Ｖq*，Ｖq**…ｑ軸電圧指令値、Ｖd_max…ｄ軸電圧指令最大値、Ｖq_max…ｑ軸電圧指令最大値、Ｎ…モータ回転数、Ｔ…モータトルク、ω_max…最大回転角速度。

Claims (3)

1. ｄ／ｑ座標系における電流制御の実行によりモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段と、前記モータ制御信号に基づいてモータに三相の駆動電力を供給する駆動回路とを備えたモータ制御装置であって、
   モータ制御信号生成手段は、ｑ軸電流指令値に基づき前記モータの最大回転角速度を推定するとともに、ｄ軸及びｑ軸のそれぞれについて前記最大回転角速度に対応する電圧指令値の最大値を演算し、前記電流制御の基礎となるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を該各最大値以下に制限すること、を特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記最大回転角速度の推定は、電源電圧に基づき行なわれること、
   を特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２の何れか一項に記載のモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置。

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