JP2010011543A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサの出力信号とロータ回転位置推定演算とを組み合わせることによって、コストの削減を図りながら精度の高いロータ回転位置を得ることができ、それによって、モータの制御を適切に行うことができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】ホール素子２０は、モータ３のロータに取り付けられた磁石の回転軸方向への漏れ磁束を検出し、ロータの回転位置に応じた信号を出力する。位置推定部２１は二相検出電流Ｉ_αβおよび二相指示電圧Ｖ_αβに基づいてロータの回転位置を推定する。位置補正部３０は、ホール素子２０の出力信号から特定される２つの回転位置候補のうち、位置推定部２１による推定結果に近い方を選択し、制御回転位置θ＾として出力する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブラシレスモータを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回転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。回転センサとしては、一般的には、ロータ回転位置（電気角）に対応した正弦波信号および余弦波信号を出力するレゾルバが用いられる。しかし、レゾルバは、高価であり、配線数が多く、また、設置スペースも大きい。そのため、ブラシレスモータを備えた装置のコスト削減および小型化が阻害されるという課題がある。

そこで、回転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。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、ステータに対してセンシング信号を注入し、このセンシング信号に対するモータの応答が検出される。このモータ応答に基づいて、ロータ回転位置が推定される。
特開２００３−１６４１８７号公報

しかし、センサレス駆動方式において推定されるロータ回転位置は必ずしも精度が高くなく、とくに、低速回転時には、モータの駆動をスムーズに行うことができなくなるおそれがある。
一方、レゾルバの代わりに、ロータに取り付けられた磁石の軸方向の漏れ磁束を検出するホール素子その他の磁気センサを回転センサとして用いれば、コストの削減を図ることができる。

しかし、１つの磁気センサの出力信号からは、２つの回転位置候補が得られるにすぎない。したがって、ロータ回転位置を一意に特定するためには、位相を９０度ずらして２つの磁気センサを配置する必要がある。そのため、充分なコスト削減効果が得られない。そればかりでなく、磁気センサを２つ搭載することによって、故障モードが増加するという問題がある。

そこで、この発明の目的は、磁気センサの出力信号とロータ回転位置推定演算とを組み合わせることによって、コストの削減を図りながら精度の高いロータ回転位置を得ることができ、それによって、モータの制御を適切に行うことができるモータ制御装置を提供することである。

前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（５５）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、ロータに取り付けられた磁石（５０ｍ）の回転軸方向への漏れ磁束（５７）を検出し、ロータの回転位置に応じた信号を出力する磁気センサ（２０）と、モータ電流およびモータ電圧に基づいてロータの回転位置を推定する回転位置推定手段（２１）と、前記磁気センサの出力信号と、前記回転位置推定手段による推定結果とを用いて、ロータの回転位置を特定する回転位置特定手段（３０）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。

この構成によれば、磁気センサの出力信号を用いることによって、ロータ回転位置の２つの候補が得られる。その一方で、モータ電流およびモータ電圧を利用することによって（磁気センサの出力信号を用いることなく）、ロータ回転位置が推定される。この推定されたロータ回転位置に基づいて、磁気センサの出力信号から得られた２つの回転位置のうちの一方を真値として選択することができる。これにより、精度の高いロータ回転位置が得られる。むろん、推定されたロータ回転位置に対して、磁気センサの出力信号に基づく補正を加えることによって、正確なロータ回転位置を求めてもよい。磁気センサによってロータ回転位置を一意に特定する必要がないので、磁気センサを１つだけ設ければ充分であるから、コストを充分に削減でき、また、故障モードも少ない。

前記磁気センサの例としては、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子を挙げることができる。また、前記磁気センサは、ロータ回転位置の変化に対してリニアに変化する出力信号を生成するものであってもよい。さらに具体的には、前記磁気センサは、ロータ電気角の３６０度を周期とした三角波状信号を生成するものであってもよい。また、前記磁気センサは、出力信号値に対して、２つのロータ電気角が該当するものであってもよい。

前記モータ制御装置は、回転位置特定手段によって特定された回転位置に基づいて、ステータに対する印加電圧を制御する手段（１１〜１８）をさらに含むものであってもよい。これより、正確なロータ回転位置に基づいて、モータを適切に制御することができる。
前記回転位置推定手段は、ステータにセンシング信号を注入するとともに、このセンシング信号に対する応答信号を検出して、検出された応答信号に基づいてロータ回転位置を推定する手段（２３，４１）を含むものであってもよい。また、前記回転位置推定手段は、モータの誘起電圧に基づいてロータ回転位置を推定する手段（４２）を含むものであってもよい。

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（車両用操舵装置の一例）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、車両を操向するための操作部材としてのステアリングホイール１０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、ステアリングホイール１０の回転角である操舵角を検出する舵角センサ４と、モータ３を駆動制御するモータ制御装置５と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の速度を検出する車速センサ６と、モータ３に備えられたロータの回転角を検出する磁気センサとしてのホール素子２０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および車速センサ６が検出する車速に応じてモータ３を駆動することによって、操舵状況および車速に応じた適切な操舵補助を実現する。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(a)に図解的に示すように、界磁としてのロータ５０と、このロータ５０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。

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２１と、回転速度演算部２２と、高周波電圧発生部２３と、位置補正部３０とを備えている。

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Ｉ_d ^*と、ｄ軸に直交するｑ軸電流成分の指令値Ｉ_q ^*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Ｉ_dq」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とともに回転する回転座標系を規定する（図２参照）。

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、電流指令値生成部１１は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*＝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および車速センサ６によって検出される車速に応じたｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を生成する。より具体的には、操舵トルクおよび車速に対応したｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を記憶したマップ（テーブル）を用いてｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*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Ｉ_dq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。

電流センサ９は、モータ３のＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_VおよびＷ相電流Ｉ_w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Ｉ_UVW」という）。その検出値は、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Ｉ_UVWを、二相固定座標系上での電流Ｉ_αおよびＩ_β（以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Ｉ_αβ」という。）に座標変換する。二相固定座標系とは、ロータ５０の回転中心を原点として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Ｉ_αβは、αβ／γδ座標変換部１８に与えられる。

αβ／γδ座標変換部１８は、二相検出電流Ｉ_αβを、位置補正部３０から生成されるロータ回転位置θ^（以下、「制御回転位置θ^」という。）に従う回転座標系（γ−δ）上での電流Ｉ_γおよびＩ_δ（以下、これらをまとめていうときには「検出電流Ｉ_γδ」という。）に座標変換する。この回転座標系（γ−δ）は、制御回転位置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。制御回転位置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、ｄｑ回転座標系とγδ回転座標系とは一致する。

検出電流Ｉ_γδ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Ｉ_d ^*に対するγ軸電流Ｉ_γの偏差、およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*に対するδ軸電流Ｉ_δ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Ｖ_γ ^*およびδ軸指示電圧Ｖ_δ ^*（以下、これらをまとめていうときには「指示電圧Ｖ_γδ」という。）が生成されて、γδ／αβ座標変換部１４に与えられる。

γδ／αβ座標変換部１４は、位置補正部３０から与えられる制御回転位置θ＾に基づいて、γ軸指示電圧Ｖ_γ ^*およびδ軸指示電圧Ｖ_δ ^*を、二相固定座標系の指示電圧であるα軸指示電圧Ｖ_α ^*およびβ軸指示電圧Ｖ_β ^*（以下、これらをまとめていうときには「二相指示電圧Ｖ_αβ」という。）に座標変換する。この二相指示電圧Ｖ_αβ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Ｖ_α ^*およびβ軸指示電圧Ｖ_β ^*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Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*（以下、これらをまとめていうときには「三相指示電圧Ｖ_UVW」という。）に変換する。
ＰＷＭ制御部１６は、三相の指示電圧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。

このような構成によって、舵取り機構２に結合されたステアリングホイール１０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および車速センサ６によって検出される車速に応じた電流指令値Ｉ_dq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Ｉ_dqと検出電流Ｉ_γδ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指示電圧Ｖ_γδ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Ｖ_UVW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Ｖ_UVW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Ｉ_dq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Ｉ_UVWは、座標変換部１７，１８を経て、電流指令値Ｉ_dqに対応するように回転座標系（γ−δ）で表された検出電流Ｉ_γδに変換された後に、偏差演算部１９に与えられる。

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。この位相角を表す制御回転位置θ^が位置補正部３０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。
位置補正部３０には、ホール素子２０の出力信号と、位置推定部２１によって推定される推定回転位置とが与えられている。ホール素子２０は、図３に図解的に示すように、ロータ５０のマグネット５０ｍとステータ５５とのギャップ５６に対向する位置に設けられ、両者間の漏れ磁束５７を検出するように配置されている。ロータ５０が回転することによって、ホール素子２０の位置における漏れ磁束５７の磁束密度が変化する。これに応じて、ホール素子２０は、ロータ５０の回転位置に応じた信号を出力することになる。

ホール素子２０は、たとえば、リニアホールＩＣからなる。このホール素子２０の出力信号（磁束密度に対応する磁束検出信号）は、図４(a)に示すように、ロータ回転角（電気角）に応じて三角波状に変化する。この図４(a)から理解されるとおり、ホール素子２０の出力信号からロータ回転角を一意に決定することはできず、２つの回転角候補が得られるにすぎない。位置補正部３０の基本的な機能は、ホール素子２０の出力信号から得られる２つの回転角候補のうちの一つを、位置推定部２１が求める推定位置に基づいて選択することである。

高周波電圧発生部２３は、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３にセンシング信号としての探査電圧を印加する探査電圧印加手段として機能する。この高周波電圧発生部２３は、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（図８(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に印加するための電圧指令値を生成し、ＰＷＭ制御部１６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２３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１６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２３は、高周波電圧指令の発生を停止する。
回転速度演算部２２は、位置補正部３０から所定の制御周期Ｔ毎に与えられる制御回転位置θ^の差分Δθ^を求めることにより、ロータ５０の回転速度ω（＝Δθ^）を生成する。

図４(a)および図４(b)は、位置補正部３０の働きを説明するための図であり、図４(a)はロータ回転位置（実際の電気角）に対するホール素子２０の出力信号の変化を示し、図４(b)は位置推定部２１によって演算される推定回転位置θ_eのロータ回転位置に対する変化を示す。また、図５は、位置補正部３０の動作を説明するためのフローチャートである。

ホール素子２０は、ロータ５０の磁極の接近および離隔に応じて周期的に変化する信号を出力する。その出力信号（磁束信号）は、図４(a)に示されているように、ロータ５０の電気角３６０度を周期とした三角波状の波形を有する。すなわち、たとえば、出力信号（検出する漏れ磁束の磁束密度）は、ロータ回転位置が０度（３６０度）および１８０度のときに零となり、ロータ回転位置が９０度のときに最大値Ｓmaxとなり、ロータ回転位置が２７０度のときに最小値Ｓminとなる。出力信号は、ロータ回転位置０度〜９０度の範囲ではリニアに増加し、ロータ回転位置９０度〜２７０度の範囲ではリニアに減少し、ロータ回転位置２７０度〜３６０度の範囲ではリニアに増加する。この出力信号からは、ロータ５０の回転位置を一意に特定することはできず、２つの回転位置候補θ_c1，θ_c2が得られるにすぎない。

一方、位置推定部２１は、ロータ回転角に一対一に対応する推定回転位置θ_eを出力するが、あくまで推定値であって、検出値ではないため、図４(b)に示すように、推定誤差εが不可避である。
位置補正部３０は、ホール素子２０の出力信号に基づいて２つの回転位置候補θ_c1，θ_c2を求める（図５のステップＳ１）。さらに、位置補正部３０は、求められた２つの回転位置候補θ_c1，θ_c2のうち、位置推定部２１によって求められた推定回転位置θ_eに近い方の１つの回転位置候補を制御回転位置θ＾として生成する（ステップＳ２：ＮＯ。ステップＳ３）。この制御回転位置θ＾が、座標変換部１４，１８における座標変換演算のために用いられる。

ホール素子２０の出力信号が最大値Ｓmax（図４(a)の例ではロータ回転位置９０度に対応）および最小値Ｓmin（図４(c)の例ではロータ回転位置２７０度に対応）の近傍の値をとるときは、位置推定部２１による推定誤差εのために、推定回転位置θ_eに基づいて１つの回転位置候補を特定することができない。そこで、最大値Ｓmaxおよび最小値Ｓminの近傍の所定範囲δ（推定誤差εに対応する出力範囲）内の出力信号に対しては、位置補正部３０は、直前の制御周期における制御回転位置θ＾に近い１つの回転位置候補を選択し、これを今制御周期における制御回転位置θ＾とする（ステップＳ２：ＹＥＳ。ステップＳ４）。

このようにして、この実施形態では、一つのホール素子２０の出力信号から得られる２つの回転位置候補θ_c1，θ_c2のうちの一つを推定回転位置θ_eに基づいて選択することによって、制御回転位置θ＾を求めるようにしている。これにより、１つのホール素子２０を用いて正確な制御回転位置θ＾を求めることが可能となるため、低コスト化を図りながら、モータ３をスムーズに駆動することができる。

より具体的には、レゾルバのような高精度で配線数の多い回転センサが必要ではなく、また、複数個のホール素子を要することもないので、コストの削減を図ることができ、故障モードが増加することもない。
そして、位置推定部２１によって求められる推定回転位置θ_eをそのまま用いる場合に比較すると、推定演算の誤差εの影響がないので、正確なロータ回転位置情報に基づいて、モータ３をスムーズに回転させることができる。

さらに、位置推定部２１による位置推定精度はあまり高くする必要がないから、高周波電圧発生部２３から注入されるセンシング信号による電流注入量を少なくすることができる。そのため、センシング信号の注入に起因する振動や異音を抑制または防止することができる。これにより、良好な操舵フィーリングが得られる。
図６は、位置推定部２１の構成を説明するためのブロック図である。位置推定部２１は、モータ３に流れるモータ電流（この実施形態では二相検出電流Ｉ_αβ）と、モータ３に印加されるモータ電圧（この実施形態では二相指示電圧Ｖ_αβ）とに基づいて、ロータ５０の回転位置を推定するものである。この位置推定部２１は、低速域位置推定部４１と、高速域位置推定部４２と、切換え部４３とを備えている。

低速域位置推定部４１は、モータ３の停止時および極低速回転時（たとえば、０〜１００ｒｐｍ）におけるロータ５０の位置推定に適合するように設計されており、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７が出力する二相検出電流Ｉ_αβと、γδ／αβ座標変換部１４が生成する二相指示電圧Ｖ_αβとに基づいて、ロータ５０の回転位置を推定する。以下、低速域用位置推定部４１によって推定されるロータ回転位置を「低速推定回転位置θ_L」という。

高速域位置推定部４２は、モータ３の高速回転時（たとえば、２００ｒｐｍ以上）におけるロータ５０の位置推定に適合するように設計されており、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７が出力する二相検出電流Ｉ_αβと、γδ／αβ座標変換部１４が生成する二相指示電圧Ｖ_αβとに基づいて、ロータ５０の回転位置を推定する。以下、高速域用位置推定部４２によって推定されるロータ回転位置を「高速推定回転位置θ^_H」という。

切換え部４３は、回転速度演算部２２によって求められる回転速度ωに基づいて、低速推定回転位置θ_Lおよび高速推定回転位置θ_Hのうちのいずれか一つを選択し、推定回転位置θ_eとして出力する。低速回転域と高速回転域との遷移領域である中速回転域については、低速推定回転位置θ_Lおよび高速推定回転位置θ_Hを回転速度ωに基づいて内分することによって、推定回転位置θ_eを求めるようにしてもよい。

図７は、低速域位置推定部４１の構成例を説明するためのブロック図である。低速域位置推定部４１は、高周波応答抽出部３８と、ロータ位置推定部３９とを備えている。高周波応答抽出部３８には、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７が出力する二相検出電流Ｉ_αβが与えられるようになっている。高周波応答抽出部３８は、たとえば、ハイパスフィルタであり、高周波電圧発生部２３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ＵＶＷ／αβ座標変換部１７の出力信号から抽出するフィルタ処理を実行する。ロータ位置推定部３９は、高周波応答抽出部３８によって抽出される高周波成分に基づいてロータ回転位置θ（位相角）を推定する。

具体的には、高周波電圧発生部２３からの高周波探査電圧の印加によって、図２(a)に示すように、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。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、ｄ軸方向とｑ軸方向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５４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、電圧ベクトルの大きさが図８(b)のように変化するのに対して、電流ベクトルの大きさは、図８(a)に示すように、その１周期中に、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の位相を推定することができる。より具体的には、大きさが最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（すなわち、二相検出電流Ｉ_αβ）により、低速推定回転位置θ_Lは、θ＝Ｔan^-1（Ｉ_β／Ｉ_α）として求めることができる。

ただし、この実施形態では、低速推定回転位置θ_Lは、電流ベクトルの大きさが極大値をとるときの二相指示電圧Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*を用いて、次の(3)式に従って求められるようになっている。これは、高周波電圧ベクトルは大きさが一定であるので、演算が容易であり、演算結果も正確だからである。
θ_L＝Ｔan^-1（Ｖ_β ^*／Ｖ_α ^*） …(3)
図９は、高速域位置推定部４２の構成例を示すブロック図である。高速域位置推定部４２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Ｖ_αβ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３１と、二相検出電流Ｉ_αβ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３２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Ｖ_αβおよび二相検出電流Ｉ_αβ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２５と、この外乱オブザーバ２５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２６と、この推定値フィルタ２６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の高速推定回転位置θ_Hを生成する推定位置生成部２７とを有している。そして、信号処理部４８の電圧フィルタ３１によってフィルタリングされた二相指示電圧Ｖ_αβと、電流フィルタ３２によってフィルタリングされた二相検出電流Ｉ_αβとが、ロータ位置推定部４９の外乱オブザーバ２５にそれぞれ入力されるようになっている。

図１０は、外乱オブザーバ２５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Ｖ_αβと誘起電圧Ｅ_αβ（α軸誘起電圧Ｅ_αおよびβ軸誘起電圧Ｅ_β）とが印加されると考えることができる。

外乱オブザーバ２５は、二相検出電流Ｉ_αβ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）３５と、この逆モータモデル３５によって推定されるモータ電圧と二相指示電圧Ｖ_αβとの偏差を求める電圧偏差演算部３６とで構成することができる。電圧偏差演算部３６は、二相指示電圧Ｖ_αβに対する外乱を求めることになるが、図１０から明らかなとおり、この外乱は誘起電圧Ｅ_αβ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３５は、たとえば、Ｒ＋ｐＬで表される。

推定値フィルタ２６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２６の遮断周波数ω_cが定まる。
誘起電圧Ｅ_αβは、次の(4)式で表すことができる。ただし、Ｋ_E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。

したがって、推定誘起電圧Ｅ^_αβが求まれば、次の(5)式に従って、高速推定回転位置θ_Hが求まる。この演算が、推定位置生成部２７によって行われるようになっている。

なお、ホール素子２０の出力信号にオフセットがある場合には、位置補正部３０において、そのオフセットを補正した信号を用いることが好ましい。オフセットの補正は、たとえば、舵角センサ４の出力信号を用いて行うことができる。モータ３と舵取り機構２とは、操舵角が零のときにロータ回転位置が零（電気角が零）となるように予め調整されて結合されている。そこで、操舵角が零のときにホール素子２０の出力信号が零となるようにオフセット値が補正される。すなわち、操舵角が零のときのホール素子２０の出力信号がオフセット値として求められる。そして、位置補正部３０では、ホール素子２０の出力信号からオフセット値を差し引いた値をホール素子２０の出力とみなし、このオフセット補正後の出力値に基づいてロータ回転位置候補が求められる。オフセット値は、操舵角が零となるたびに、更新すればよい。

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、ホール素子２０の出力信号から２つの回転位置候補θ_c1，θ_c2を求め、位置推定部２１による推定結果から、いずれかの回転候補位置を選択して制御回転位置θ＾としているが、位置推定部２１の推定結果に対して、ホール素子２０の出力信号に基づく補正を施す構成とすることもできる。すなわち、位置推定部２１によって推定回転位置θ_eが求められると、位置補正部３０は、ホール素子２０の出力信号から得られる２つの回転位置候補θ_c1，θ_c2のうち、当該推定回転位置θ_eに近い回転位置候補を選択する。そして、位置補正部３０は、その選択された回転位置候補と推定回転位置θ_eとの差を補正値として算出し、推定回転位置θ_eをその補正値で補正する。これにより、正確な制御回転位置θ＾が得られる。補正値の演算は、各制御周期で行われてもよいが、制御周期よりも長い時間間隔で補正値を求めるようにしてもよい。

高速域位置推定部４２による演算結果が選択される高速域においては、推定回転位置θ_eの誤差は少ない。したがって、高速域においては、推定回転位置θ_eをそのまま（補正することなく）、制御回転位置θ＾として用いても差し支えない。
また、探査用高周波電圧は、前述の実施形態では、三相指示電圧Ｖ_UVWに重畳しているが、指示電圧生成部１３が生成する指示電圧Ｖ_γδやγδ／αβ座標変換部１４が生成する二相指示電圧Ｖ_αβに重畳する構成としてもよい。

さらに、前述の実施形態では、低速域位置推定部４１は、探査用高周波電圧をステータに印加し、これに対する電流応答を検出することによって推定回転位置θ_eを求める構成であるが、低速域位置推定部は、探査用高周波電流（大きさ一定の回転電流ベクトルを形成するもの）をステータに印加し、これに対する電圧応答を検出する構成とすることもできる。

さらにまた、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を制御するために本発明が適用された場合について説明したが、この発明は、電動ポンプ式油圧パワーステアリング装置のためのモータの制御や、パワーステアリング装置以外の用途のモータ制御にも適用することができる。
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。

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。 モータの構成を説明するための図解図である。 ホール素子の配置を説明するための図解的な斜視図である。 ロータの位置に対するホール素子の出力（図４(a)）、および推定回転位置の変化（図４(b)）を説明するための図である。 位置補正部の動作を説明するためのフローチャートである。 位置推定部の構成を説明するためのブロック図である。 低速域位置推定部の構成例を説明するためのブロック図である。 高周波探査電圧（センシング信号）に対する電流応答を説明するための図である。 高速域位置推定部の構成例を示すブロック図である。 外乱オブザーバ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。

符号の説明

５…モータ制御装置、７…マイクロコンピュータ、２０…ホール素子、５０…ロータ、５０ｍ…マグネット、５１〜５３…ステータ巻線、５５…ステータ

Claims (1)

1. ロータと、このロータに対向するステータとを備えたモータを制御するためのモータ制御装置であって、
   ロータに取り付けられた磁石の回転軸方向への漏れ磁束を検出し、ロータの回転位置に応じた信号を出力する磁気センサと、
   モータ電流およびモータ電圧に基づいてロータの回転位置を推定する回転位置推定手段と、
   前記磁気センサの出力信号と、前記回転位置推定手段による推定結果とを用いて、ロータの回転位置を特定する回転位置特定手段とを含む、モータ制御装置。

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