JP2010178546A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角センサを用いない新たな制御方式でモータを制御する。
【解決手段】切換制御部４０は、モータ３の回転角速度ωに応じて第１モードと第２モードとの間で制御モードを切り換える。第１モードでは、仮想回転座標系であるγδ座標系のγ軸電流Ｉ_γでモータが駆動される。γδ座標系は、制御上の回転角である制御角θ_Ｃに従う座標系である。一方、操舵トルクＴがフィードバックされ、指示操舵トルクＴ^＊に操舵トルクＴを近づけるように、加算角αが生成される。この加算角αが制御角θ_Ｃの前回値θ_Ｃ(n-1)に加算されることにより、制御角θ_Ｃの今回値θ_Ｃ(n)が求められる。第２モードでは、検出操舵トルクＴに応じて二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊が設定されるとともに、誘起電圧推定部２７などの働きによってロータの回転角が推定される。この推定により求められた推定回転角θ_Ｅを用いてモータ３の制御が行われる。
【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、車両用操舵装置の駆動源として使用可能である。車両用操舵装置の一例は、電動パワーステアリング装置である。

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、ロータの回転角を検出するための回転角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。回転角センサとしては、一般的には、ロータ回転角（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、回転角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2007-267549号公報

上記のセンサレス駆動方式は、誘起電圧やセンシング信号を用いてロータの回転位置を推定し、その推定によって得られた回転位置に基づいてモータを制御するものである。しかし、この駆動方式は、いずれの用途にも適しているわけではなく、たとえば、車両の舵取り機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置の駆動源として用いられるブラシレスモータの制御に適用するには、改善の余地がある。具体的には、ロータ停止時および極低速回転時に適用されるセンシング信号を用いる方式は、電動パワーステアリング装置の駆動源としてのブラシレスモータに用いると、必ずしも満足な操舵フィーリングが得られない。

そこで、この発明の目的は、回転角センサを用いない新たな制御方式でモータを制御することができる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、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（５）であって、前記モータを制御する第１制御手段（２１，２２，２３，２４，２６，３１，３０，３３，３４Ａ，３４Ｂ，３５，３６Ａ，３６Ｂ）と、前記モータを制御する第２制御手段（２７，２８，３２，３０，３３，３４Ａ，３４Ｂ，３５，３６Ａ，３６Ｂ）と、前記第１制御手段によって前記モータを制御する第１モードと、前記第２制御手段によって前記モータを制御する第２モードとの間で制御モードを切り換える切換手段（４０，４１，４２）とを含み、前記第１制御手段は、制御上の回転角である制御角（θ_Ｃ）に従う回転座標系の軸電流値（Ｉ_γ ^＊）で前記モータを駆動する電流駆動手段（３１，３０，３３，３４Ａ，３４Ｂ，３５，３６Ａ，３６Ｂ）と、所定の演算周期毎に制御角の前回値に加算角（α）を加算することによって制御角の今回値を演算する制御角演算手段（２６）と、モータによって駆動される駆動対象に加えられる、モータトルク以外のトルク（Ｔ）を検出するためのトルク検出手段（１）と、前記駆動対象に加えられるべき指示トルク（Ｔ^＊）を演算する指示トルク演算手段（２１）と、前記トルク検出手段によって検出された検出トルクと指示トルクとに基づいて前記加算角を演算する加算角演算手段（２２，２３）とを含み、前記第２制御手段は、前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段（２７）と、この誘起電圧推定手段によって求められた推定誘起電圧に基づいてロータの回転角を推定する回転角推定手段（２８）とを含み、この回転角推定手段によって推定された推定回転角に基づいて前記モータを制御するものであり、制御モードが前記第２モードから前記第１モードに切り換られた時点で前記トルク検出手段によって検出される検出トルクを、当該切換時点における初期指示トルクとする切換初期値設定手段（４４）をさらに含む、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、第１制御手段によるモータ制御が行われる第１モードまたは第２制御手段によるモータ制御が行われる第２モードのいずれかが選択され、選択された制御モードでモータが制御される。第１制御手段によってモータが制御されるときには、制御角に従う回転座標系（γδ座標系。以下「仮想回転座標系」といい、この仮想回転座標系の座標軸を「仮想軸」という。）の軸電流値（以下「仮想軸電流値」という。）によってモータが駆動される一方で、制御角は、演算周期毎に加算角を加算することによって更新される。これにより、制御角を更新しながら、すなわち、仮想回転座標系の座標軸（仮想軸）を更新しながら、仮想軸電流値でモータを駆動することによって、必要なトルクを発生させることができる。こうして、回転角センサを用いることなく、モータから適切なトルクを発生させることができる。加算角は、検出トルクおよび指示トルクに基づいて（たとえば、指示トルクと検出トルクとの偏差に基づいて）、演算される。より具体的には、加算角演算手段は、検出トルクを指示トルクに近づけるように加算角を演算するトルクフィードバック制御手段で構成することができる。これにより、駆動対象に働く、モータトルク以外のトルクが指示トルクに導かれ、目的とする制御を実現できる。

一方、第２制御手段は、モータの誘起電圧を推定し、この推定された誘起電圧からロータの回転角を推定する。そして、その推定回転角に基づいて、モータへの通電制御を行うことによって、モータが駆動される。
推定誘起電圧が妥当な値を有するためには、モータが回転していることが必要であるから、モータ停止時および極低速回転時には第１制御手段によるモータ制御が適切である。これに対して、推定誘起電圧が妥当な値を有する状態、すなわち、モータが一定以上の速さで回転している状態では、第２制御手段によるモータ制御が適切である。より具体的には、たとえば、モータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いる場合に、第１制御手段による制御よりも第２制御手段による制御の方が、優れた操舵フィーリングが得られる場合がある。

そこで、この発明では、状況に応じて第１制御手段（第１モード）または第２制御手段（第２モード）のいずれかが選択されて、モータの制御のために適用される。第１制御手段は、指示トルクに応じて制御角を変化させるので、第２制御手段（第２モード）から第１制御手段（第１モード）に切り換わるときに、モータ発生トルクの急変が生じるおそれがある。そこで、この発明では、切換時点における検出トルクが初期指示トルクとして用いられる。これにより、モータ発生トルクの連続性を確保できる。よって、この発明のモータ制御装置を、たとえば電動パワーステアリング装置に適用した場合に、制御手段の切換えに伴う違和感の発生を回避できるので、良好な操舵フィーリングを実現できる。

請求項２記載の発明は、前記加算角演算手段において用いられる指示トルクを、前記切換初期値設定手段が設定した初期指示トルクから、前記指示トルク演算手段が演算した指示トルクまで徐変する徐変手段（４３）をさらに含む、請求項１記載のモータ制御装置である。
この構成によれば、第２制御手段（第２モード）から第１制御手段（第１モード）に切り換えられたときに、前記加算角演算手段において用いられる指示トルクが、初期指示トルクから前記指示トルク演算手段が演算する指示トルクまで徐変される。これにより、モータ発生トルクの変動を一層緩慢にすることができる。したがって、たとえば、電動パワーステアリング装置においては、より優れた操舵フィーリングを得ることができる。

請求項３記載の発明は、前記モータの回転角速度を演算する回転角速度演算手段（２９）をさらに含み、前記切換手段は、低回転角速度域では制御モードを前記第１モードに設定し、高回転角速度域では制御モードを前記第２モードに設定するものである、請求項１または２記載のモータ制御装置である。
この構成によれば、低回転角速度域では第１制御手段（第１モード）が選択され、高回転角速度域では第２制御手段（第２モード）が選択される。これにより、第１および第２制御手段（第１および第２モード）の切換えを適切に行うことができるので、モータをより適切に駆動することができる。したがって、たとえば、電動パワーステアリング装置において、良好な操舵フィーリングを実現することができる。

前記モータは、車両の舵取り機構（２）に駆動力を付与するものであってもよい。この場合に、前記トルク検出手段は、前記車両の操向のために操作される操作部材（１０）に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段（１）とすればよく、前記指示トルク設定手段は、指示操舵トルクを設定する指示操舵トルク設定手段（２１）とすればよい。したがって、前記加算角演算手段は、前記指示操舵トルク設定手段によって設定される指示操舵トルク（第２モードから第１モードへの切換時には徐変処理を受けた指示トルク）と前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクとに応じて（たとえば、それらの偏差に応じて）前記加算角を演算することになる。

この構成によれば、指示操舵トルクが設定され、たとえば、その指示操舵トルクと操舵トルク（検出値）との偏差に応じて前記加算角が演算される。これにより、操舵トルクが当該指示操舵トルクとなるように加算角が定められ、それに応じた制御角が定められることになる。したがって、指示操舵トルクを適切に定めておくことによって、モータから適切な駆動力を発生させて、これを舵取り機構に付与することができる。すなわち、ロータの磁極方向に従う回転座標系（ｄｑ座標系）の座標軸と前記仮想軸とのずれ量（負荷角）が指示操舵トルクに応じた値に導かれる。その結果、適切なトルクがモータから発生され、運転者の操舵意図に応じた駆動力を舵取り機構に付与できる。

前記モータ制御装置は、前記操作部材の操舵角を検出する操舵角検出手段（４）をさらに含み、前記指示操舵トルク設定手段は、前記操舵角検出手段によって検出される操舵角に応じて指示操舵トルクを設定するものであることが好ましい。この構成によれば、操作部材の操舵角に応じて指示操舵トルクが設定されるので、操舵角に応じた適切なトルクをモータから発生させることができ、運転者が操作部材に加える操舵トルクを操舵角に応じた値へと導くことができる。これにより、良好な操舵感を得ることができる。

前記指示操舵トルク設定手段は、前記車両の車速を検出する車速検出手段（６）によって検出される当該車速に応じて指示操舵トルクを設定するものであってもよい。この構成によれば、車速に応じて指示操舵トルクが設定されるので、いわゆる車速感応制御を行うことができる。その結果、良好な操舵感を実現できる。たとえば、車速が大きいほど、すなわち、高速走行時ほど指示操舵トルクを小さく設定することより、すぐれた操舵感が得られる。

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。 第１モードにおける前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。 操舵角に対する指示操舵トルクの特性例を示す図である。 第１モードにおけるγ軸指示電流値の設定例を示す図である。 第２モードにおけるｑ軸指示電流値の設定例を示す図である。 第２モードにおいて有効化される誘起電圧推定部および回転角推定部の構成を説明するためのブロック図である。 第１および第２モードの切換えに伴う動作を説明するためのフローチャートである。 指示操舵トルクの徐変処理を説明するための図である。

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Ｔを検出するトルクセンサ１と、車両の舵取り機構２に減速機構７を介して操舵補助力を与えるモータ３（ブラシレスモータ）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、舵角センサ４が検出する操舵角および車速センサ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５５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。

各相のステータ巻線５１，５２，５３の方向にＵ軸、Ｖ軸およびＷ軸をとった三相固定座標（ＵＶＷ座標系）が定義される。また、ロータ５０の磁極方向にｄ軸（磁極軸）をとり、ロータ５０の回転平面内においてｄ軸と直角な方向にｑ軸（トルク軸）をとった二相回転座標系（ｄｑ座標系。実回転座標系）が定義される。ｄｑ座標系は、ロータ５０とともに回転する回転座標系である。ｄｑ座標系では、ｑ軸電流のみがロータ５０のトルク発生に寄与するので、ｄ軸電流を零とし、ｑ軸電流を所望のトルクに応じて制御すればよい。ロータ５０の回転角（ロータ角）θ_Ｍは、Ｕ軸に対するｄ軸の回転角である。ｄｑ座標系は、ロータ角θ_Ｍに従う実回転座標系である。このロータ角θ_Ｍを用いることによって、ＵＶＷ座標系とｄｑ座標系との間での座標変換を行うことができる。

一方、この実施形態では、制御上の回転角を表す制御角θ_Ｃが導入される。制御角θ_Ｃは、Ｕ軸に対する仮想的な回転角である。この制御角θ_Ｃに対応する仮想的な軸をγ軸とし、このγ軸に対して９０°進んだ軸をδ軸として、仮想二相回転座標系（γδ座標系。仮想回転座標系）を定義する。制御角θ_Ｃがロータ角θ_Ｍに等しいとき、仮想回転座標系であるγδ座標系と実回転座標系であるｄｑ座標系とが一致する。すなわち、仮想軸としてのγ軸は実軸としてのｄ軸と一致し、仮想軸としてのδ軸は実軸としてのｑ軸と一致する。γδ座標系は、制御角θ_Ｃに従う仮想回転座標系である。ＵＶＷ座標系とγδ座標系との座標変換は、制御角θ_Ｃを用いて行うことができる。

制御角θ_Ｃとロータ角θ_Ｍとの差を負荷角θ_Ｌ（＝θ_Ｃ−θ_Ｍ）と定義する。
制御角θ_Ｃに従ってγ軸電流Ｉ_γをモータ３に供給すると、このγ軸電流Ｉ_γのｑ軸成分（ｑ軸への正射影）がロータ５０のトルク発生に寄与するｑ軸電流Ｉ_ｑとなる。すなわち、γ軸電流Ｉ_γとｑ軸電流Ｉ_ｑとの間に、次式(1)の関係が成立する。
Ｉ_ｑ＝Ｉ_γ・sinθ_Ｌ …(1)
再び図１を参照する。モータ制御装置５は、マイクロコンピュータ１１と、このマイクロコンピュータ１１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）１２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検出部１３とを備えている。

電流検出部１３は、モータ３の各相のステータ巻線５１，５２，５３に流れる相電流Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗ（以下、総称するときには「三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。これらは、ＵＶＷ座標系における各座標軸方向の電流値である。
マイクロコンピュータ１１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、指示操舵トルク設定部２１と、トルク偏差演算部２２と、ＰＩ（比例積分）制御部２３と、加算角リミッタ２４と、制御角演算部２６と、誘起電圧推定部２７と、回転角推定部２８と、角速度演算部２９と、第１指示電流値生成部３１と、第２指示電流値生成部３２と、電流偏差演算部３０と、ＰＩ制御部３３と、γδ／αβ変換部３４Ａと、αβ／ＵＶＷ変換部３４Ｂと、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部３５と、ＵＶＷ／αβ変換部３６Ａと、αβ／γδ変換部３６Ｂと、切換制御部４０と、指示電流値切換部４１と、角度切換部４２と、徐変部４３と、切換初期値設定部４４とが含まれている。

指示操舵トルク設定部２１は、舵角センサ４によって検出される操舵角と、車速センサ６によって検出される車速とに基づいて、指示操舵トルクＴ^＊を設定する。たとえば、図４に示すように、たとえば、操舵角が正の値（右方向へ操舵した状態）のとき指示操舵トルクＴ^＊は正の値（右方向へのトルク）に設定され、操舵角が負の値（左方向へ操舵した状態）のとき指示操舵トルクＴ^＊は負の値（左方向へのトルク）に設定される。そして、操舵角の絶対値が大きくなるに従って、その絶対値が大きくなるように（図４の例では非線型に大きくなるように）指示操舵トルクＴ^＊が設定される。ただし、所定の上限値（正の値。たとえば、＋６Ｎｍ）および下限値（負の値。たとえば−６Ｎｍ）の範囲内で指示操舵トルクＴ^＊の設定が行われる。また、指示操舵トルクＴ^＊は、車速が大きいほど、その絶対値が小さくなるように設定される。すなわち、車速感応制御が行われる。

トルク偏差演算部２２は、指示操舵トルク設定部２１によって設定される指示操舵トルクＴ^＊とトルクセンサ１によって検出される操舵トルクＴ（以下、区別するために「検出操舵トルクＴ」という。）との偏差（トルク偏差）ΔＴを求める。ＰＩ制御部２３は、このトルク偏差ΔＴに対するＰＩ演算を行う。すなわち、トルク偏差演算部２２およびＰＩ制御部２３によって、検出操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^＊に導くためのトルクフィードバック制御手段が構成されている。ＰＩ制御部２３は、トルク偏差ΔＴに対するＰＩ演算を行うことで、制御角θ_Ｃに対する加算角αを演算する。検出操舵トルクＴは、右方向操舵トルクに対しては正符号、左方向操舵トルクに対して負符号を有している。

加算角リミッタ２４は、ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αに対して制限を加える加算角制限手段である。より具体的には、加算角リミッタ２４は、所定の上限値ＵＬ（正の値）と下限値ＬＬ（負の値）との間の値に加算角αを制限する。上限値ＵＬおよび下限値ＬＬは、所定の制限値ω_max（ω_max＞０。たとえばω_max＝４５度）に基づいて定められる。この所定の制限値ω_maxは、たとえば、最大操舵角速度に基づいて定められる。最大操舵角速度とは、ステアリングホイール１０の操舵角速度として想定され得る最大値であり、たとえば、８００deg/sec程度である。

最大操舵角速度のときのロータ５０の電気角の変化速度（電気角での角速度。最大ロータ角速度）は、次式(2)のとおり、最大操舵角速度と、減速機構７の減速比と、ロータ５０の極対数との積で与えられる。極対数とは、ロータ５０が有する磁極対（Ｎ極とＳ極との対）の個数である。
最大ロータ角速度＝最大操舵角速度×減速比×極対数 …(2)
制御角θ_Ｃの演算間（演算周期）におけるロータ５０の電気角変化量の最大値（ロータ角変化量最大値）は、次式(3)のとおり、最大ロータ角速度に演算周期を乗じた値となる。

ロータ角変化量最大値＝最大ロータ角速度×演算周期
＝最大操舵角速度×減速比×極対数×演算周期 …(3)
このロータ角変化量最大値が一演算周期間で許容される制御角θ_Ｃの最大変化量である。そこで、前記ロータ角変化量最大値を制限値ω_max（＞０）とすればよい。この制限値ω_maxを用いて、加算角αの上限値ＵＬおよび下限値ＬＬは、それぞれ次式(4)(5)で表すことができる。

ＵＬ＝＋ω_max …(4)
ＬＬ＝−ω_max …(5)
加算角リミッタ２４による制限処理後の加算角αが、制御角演算部２６の加算器２６Ａにおいて、制御角θ_Ｃの前回値θ_Ｃ(n-1)（ｎは今演算周期の番号）に加算される（Ｚ^−１は信号の前回値を表す）。ただし、制御角θ_Ｃの初期値は予め定められた値（たとえば零）である。

制御角演算部２６は、制御角θ_Ｃの前回値θ_Ｃ(n-1)に加算角リミッタ２４から与えられる加算角αを加算する加算器２６Ａを含む。すなわち、制御角演算部２６は、所定の演算周期毎に制御角θ_Ｃを演算する。そして、前演算周期における制御角θ_Ｃを前回値θ_Ｃ(n-1)とし、これを用いて今演算周期における制御角θ_Ｃである今回値θ_Ｃ(n)を求める。
誘起電圧推定部２７は、モータ３の回転によって生じる誘起電圧を推定するものである。そして、回転角推定部２８は、誘起電圧推定部２７によって推定された誘起電圧に基づいて、ロータ５０の回転角の推定値（推定回転角）θ_Ｅを演算するものである。誘起電圧推定部２７および回転角推定部２８の具体例については、後述する。

角速度演算部２９は、推定回転角θ_Ｅを時間微分することによって、ロータ５０の回転角速度ωを求める。
角度切換部４２は、制御角演算部２６によって求められた制御角θ_Ｃと、回転角推定部２８によって求められた推定回転角θ_Ｅとのうちのいずれか一方を選択し、座標変換用の変換角θ_Ｓとして出力するものである。

第１指示電流値生成部３１は、制御上の回転角である前記制御角θ_Ｃに対応する仮想回転座標系であるγδ座標系の座標軸（仮想軸）に流すべき電流値を指示電流値として生成するものである。具体的には、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊およびδ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊（以下、これらを総称するときには「二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊」という。）を生成する。指示電流値生成部３１は、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を有意値とする一方で、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊を零とする。より具体的には、指示電流値生成部３１は、トルクセンサ１によって検出される検出操舵トルクＴに基づいてγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を設定する。

検出操舵トルクＴに対するγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊の設定例は、図５に示されている。検出操舵トルクＴが零付近の領域には不感帯ＮＲが設定されている。γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊は、不感帯ＮＲの外側の領域で急峻に立ち上がり、所定のトルク以上でほぼ一定値となるように設定される。これにより、運転者がステアリングホイール１０を操作していないときには、モータ３への通電が停止され、不必要な電力消費が抑制される。

第２指示電流値生成部３２は、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流値を指示電流値として生成するものである。具体的には、ｄ軸指示電流値Ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊という。）を生成する。さらに具体的には、第２指示電流値生成部３２は、ｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊を有意値とする一方で、ｄ軸指示電流値Ｉ_ｄ ^＊を零とする。より具体的には、第２指示電流値生成部３２は、トルクセンサ１によって検出される検出操舵トルクＴに基づいてｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊を設定する。

検出操舵トルクＴに対するｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊の設定例は、図６に示されている。検出操舵トルクＴは、たとえば右方向への操舵のためのトルクが正の値にとられ、左方向への操舵のためのトルクが負の値にとられている。また、ｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊は、モータ３から右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、モータ３から左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。ｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊は、検出操舵トルクＴの正の値に対しては正の値をとり、検出操舵トルクＴの負の値に対しては負の値をとる。検出操舵トルクＴが−Ｔ１〜Ｔ１（たとえば、Ｔ１＝０．４Ｎ・ｍ）の範囲（トルク不感帯）の微小な値のときには、ｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊は零とされる。また、ｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊は、車速センサ６によって検出される車速が大きいほど、その絶対値が小さく設定されるようになっている。これにより、低速走行時には大きな操舵補助力を発生させることができ、高速走行時には操舵補助力を小さくすることができる。

指示電流値切換部４１は、第１指示電流値生成部３１によって生成される二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊と、第２指示電流値生成部３２によって生成される二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊とのうちのいずれか一方を選択し、電流偏差演算部３０に供給するものである。
切換制御部４０は、角速度演算部２９によって求められた回転角速度ωに応じて、第１モードと第２モードとの間で制御モードを切り換え、モード切換指令を生成する。このモード切換指令に応じて、指示電流値切換部４１および角度切換部４２における切換えが実行される。第１モードにおいては、指示電流値切換部４１は第１指示電流値生成部３１が生成する二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊を選択して出力し、角度切換部４２は制御角演算部２６が生成する制御角θ_Ｃを選択して出力する。第２モードにおいては、指示電流値切換部４１は第２指示電流値生成部３２が生成する二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊を選択して出力し、角度切換部４２は回転角推定部２８が生成する推定回転角θ_Ｅを選択して出力する。

切換制御部４０からの切換指令は、切換初期値設定部４４にも与えられるようになっている。切換初期値設定部４４は、切換制御部４０からのモード切換指令が、第２モードから第１モードへの切換えを指令するものであるとき、当該指令に応答して、当該切換指令を受けた時点の検出操舵トルクＴを初期指示操舵トルクＴ_０として徐変部４３に設定する。徐変部４３は、通常は、指示操舵トルク設定部２１によって設定される指示操舵トルクＴ^＊をトルク偏差演算部２２へと通過させる一方、切換初期値設定部４４から初期指示操舵トルクＴ_０が設定されると、トルク偏差演算部２２に与える指示操舵トルクＴ^＊を、初期指示操舵トルクＴ_０から指示操舵トルク設定部２１による設定値へと漸次的に変化させる。

電流偏差演算部３０は、指示電流値切換部４１で選択された指示電流値Ｉ_γδ ^＊またはＩ_ｄｑ ^＊に対する二相検出電流Ｉ_γδ（γ軸検出電流Ｉ_γおよびδ軸検出電流Ｉ_δ）の偏差を演算する。具体的には、指示電流値切換部４１が二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊を出力するときには、電流偏差演算部３０は、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に対するγ軸検出電流Ｉ_γの偏差Ｉ_γ ^＊−Ｉ_γと、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊（＝０）に対するδ軸検出電流Ｉ_δの偏差Ｉ_δ ^＊−Ｉ_δとを演算する。また、指示電流値切換部４１が二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊を出力するときには、電流偏差演算部３０は、ｄ軸指示電流値Ｉ_ｄ ^＊（＝０）に対するγ軸検出電流Ｉ_γの偏差Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_γと、ｑ軸指示電流値Ｉ_ｑ ^＊に対するδ軸検出電流Ｉ_δの偏差Ｉ_ｑ ^＊−Ｉ_δとを演算する。γ軸検出電流Ｉ_γおよびδ軸検出電流Ｉ_δは、αβ／γδ変換部３６Ｂから電流偏差演算部３０に与えられるようになっている。

ＵＶＷ／αβ変換部３６Ａは、電流検出部１３によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相検出電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相検出電流Ｉ_ＶおよびＷ相検出電流Ｉ_Ｗ）を二相固定座標系であるαβ座標系の二相検出電流Ｉ_αおよびＩ_β（以下総称するときには「二相検出電流Ｉ_αβ」という。）に変換する。αβ座標系は、図２に示すように、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（図２の例ではＵ軸と同軸）を定めた固定座標系である。αβ／γδ変換部３６Ｂは、二相検出電流Ｉ_αβをγδ座標系の二相検出電流Ｉ_γおよびＩ_δ（総称するときには「二相検出電流Ｉ_γδ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部３０に与えられるようになっている。αβ／γδ変換部３６Ｂにおける座標変換には、角度切換部４２で選択された変換角θ_Ｓが用いられる。

ＰＩ制御部３３は、電流偏差演算部３０によって演算された電流偏差に対するＰＩ演算を行うことにより、モータ３に印加すべき二相指示電圧Ｖ_γδ ^＊（γ軸指示電圧Ｖ_γ ^＊およびδ軸指示電圧Ｖ_δ ^＊）を生成する。この二相指示電圧Ｖ_γδ ^＊が、γδ／αβ変換部３４Ａに与えられる。
γδ／αβ変換部３４Ａは、二相指示電圧Ｖ_γδ ^＊をαβ座標系の二相指示電圧Ｖ_αβ ^＊に変換する。この座標変換には、角度切換部４２で選択された変換角θ_Ｓが用いられる。二相指示電圧Ｖ_αβ ^＊は、α軸指示電圧Ｖ_α ^＊およびβ軸指示電圧Ｖ_β ^＊からなる。αβ／ＵＶＷ変換部３４Ｂは、二相指示電圧Ｖ_αβ ^＊に対して座標変換演算を行うことによって、三相指示電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊を生成する。三相指示電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、Ｕ相指示電圧Ｖ_Ｕ ^＊、Ｖ相指示電圧Ｖ_Ｖ ^＊およびＷ相指示電圧Ｖ_Ｗ ^＊からなる。この三相指示電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部３５に与えられる。

ＰＷＭ制御部３５は、Ｕ相指示電圧Ｖ_Ｕ ^＊、Ｖ相指示電圧Ｖ_Ｖ ^＊およびＷ相指示電圧Ｖ_Ｗ ^＊にそれぞれ対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路１２に供給する。
駆動回路１２は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がＰＷＭ制御部３５から与えられるＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、三相指示電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧がモータ３の各相のステータ巻線５１，５２、５３に印加されることになる。

電流偏差演算部３０およびＰＩ制御部３３は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、モータ３に流れるモータ電流が、指示電流値切換部４１によって選択された二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊または二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。
図３は、前記第１モードのときの前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。ただし、説明を簡単にするために、加算角リミッタ２４の機能は省略してある。

指示操舵トルクＴ^＊と検出操舵トルクＴとの偏差（トルク偏差）に対するＰＩ制御（Ｋ_Ｐは比例係数、Ｋ_Ｉは積分係数、１／ｓは積分演算子である。）によって、加算角αが生成される。この加算角αが制御角θ_Ｃの前回値θ_Ｃ(n-1)に対して加算されることによって、制御角θ_Ｃの今回値θ_Ｃ(n)＝θ_Ｃ(n-1)＋αが求められる。このとき、制御角θ_Ｃとロータ５０の実際のロータ角θ_Ｍとの偏差が負荷角θ_Ｌ＝θ_Ｃ−θ_Ｍとなる。

したがって、制御角θ_Ｃに従うγδ座標系（仮想回転座標系）のγ軸（仮想軸）にγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に従ってγ軸電流Ｉ_γが供給されると、ｑ軸電流Ｉ_ｑ＝Ｉ_γsinθ_Ｌとなる。このｑ軸電流Ｉ_ｑがロータ５０の発生トルクに寄与する。すなわち、モータ３のトルク定数Ｋ_Ｔをｑ軸電流Ｉ_ｑ（＝Ｉ_γsinθ_Ｌ）に乗じた値が、アシストトルクＴ_Ａ（＝Ｋ_Ｔ・Ｉ_γsinθ_Ｌ）として、減速機構７を介して、舵取り機構２に伝達される。このアシストトルクＴ_Ａを舵取り機構２からの負荷トルクＴ_Ｌから減じた値が、運転者がステアリングホイール１０に与えるべき操舵トルクＴである。この操舵トルクＴがフィードバックされることによって、この操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^＊に導くように系が動作する。つまり、検出操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^＊に一致させるべく、加算角αが求められ、それに応じて制御角θ_Ｃが制御される。

このように制御上の仮想軸であるγ軸に電流を流す一方で、指示操舵トルクＴ^＊と検出操舵トルクＴとの偏差ΔＴに応じて求められる加算角αで制御角θ_Ｃを更新していくことにより、負荷角θ_Ｌが変化し、この負荷角θ_Ｌに応じたトルクがモータ３から発生するようになっている。これにより、操舵角および車速に基づいて設定される指示操舵トルクＴ^＊に応じたトルクをモータ３から発生させることができるので、操舵角および車速に対応した適切な操舵補助力を舵取り機構２に与えることができる。すなわち、操舵角の絶対値が大きいほど操舵トルクが大きく、かつ、車速が大きいほど操舵トルクが小さくなるように、操舵補助制御が実行される。

このように、前記第１モードにおいて、回転角センサを用いることなくモータ３を適切に制御して、適切な操舵補助を行うことができる電動パワーステアリング装置を実現できる。これにより、構成を簡単にすることができ、コストの削減を図ることができる。 図７は、前記第２モードにおいて有効化される誘起電圧推定部２７および回転角推定部２８の構成を説明するためのブロック図である。誘起電圧推定部２７は、二相検出電流Ｉ_αβと二相指示電圧Ｖ_αβ ^＊とに基づいて、モータ３の誘起電圧を推定する。より具体的には、誘起電圧推定部２７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としての形態を有している。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。

誘起電圧推定部２７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）６５と、この逆モータモデル６５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６６とで構成することができる。電圧偏差演算部６６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７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６５は、たとえば、Ｒ＋ｐＬで表される。

誘起電圧Ｅ_αβは、次の(6)式で表すことができる。ただし、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数、θ_Ｍはロータ角、ωはロータ回転角速度である。

したがって、推定誘起電圧Ｅ^_αβが求まれば、次の(7)式に従って、推定回転角θ_Ｅが求まる。この演算が、回転角推定部２８によって行われる。

前記第２モードにおいては、検出操舵トルクＴに応じた二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊が設定され、モータ３の電流が当該二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊に収束するようにフィードバック制御が行われる。そして、推定誘起電圧Ｅ^_αβを用いてロータ５０の推定回転角θ_Ｅが求められ、この推定回転角θ_Ｅを用いて、γδ／αβ変換部３４Ａおよびαβ／γδ変換部３６Ｂにおける座標変換が行われることになる。こうして、第２モードにおいても、回転角センサを用いることなくモータ３を適切に制御して、適切な操舵補助を行うことができる。これにより、構成を簡単にすることができ、コストの削減を図ることができる。

前記第１モードにおいて有効化される構成部分が第１制御手段を構成し、前記第２モードにおいて有効化される構成部分が第２制御手段を構成している。具体的には、第１制御手段は、指示操舵トルク設定部２１、トルク偏差演算部２２、ＰＩ制御部２３、加算角リミッタ２４、制御角演算部２６、第１指示電流値生成部３１、電流偏差演算部３０、ＰＩ制御部３３、γδ／αβ変換部３４Ａ、αβ／ＵＶＷ変換部３４Ｂ、ＰＷＭ制御部３５、ＵＶＷ／αβ変換部３６Ａ、およびαβ／γδ変換部３６Ｂによって構成されている。また、第２制御手段は、誘起電圧推定部２７、回転角推定部２８、第２指示電流値生成部３２、電流偏差演算部３０、ＰＩ制御部３３、γδ／αβ変換部３４Ａ、αβ／ＵＶＷ変換部３４Ｂ、ＰＷＭ制御部３５、ＵＶＷ／αβ変換部３６Ａ、およびαβ／γδ変換部３６Ｂによって構成されている。すなわち、第１および第２制御手段は、電流偏差演算部３０、ＰＩ制御部３３、γδ／αβ変換部３４Ａ、αβ／ＵＶＷ変換部３４Ｂ、ＰＷＭ制御部３５、ＵＶＷ／αβ変換部３６Ａ、およびαβ／γδ変換部３６Ｂを共有している。

図８は、前記第１および第２モードの切換えに伴う動作を説明するためのフローチャートである。切換制御部４０は、角速度演算部２９によって演算される回転角速度ωを所定の切換閾値ω_ｔｈ（たとえば、ω_ｔｈ＝２００deg/sec）と比較する（ステップＳ１）。切換制御部４０は、回転角速度ωが切換閾値ω_ｔｈ未満のときには（ステップＳ１：ＹＥＳ）、前記第１モードを選択する（ステップＳ２）。すなわち、指示操舵トルクＴ^＊が達成されるように制御角θ_Ｃを演算周期毎に更新して負荷角θ_Ｌを調整するモータ制御（負荷角調整法）が実行される。一方、切換制御部４０は、回転角速度ωが切換閾値ω_ｔｈ以上のときには（ステップＳ１：ＮＯ）、前記第２モードを選択する（ステップＳ３）。すなわち、検出操舵トルクＴに対応した二相指示電流値Ｉ_ｑｄ ^＊が達成されるように、推定回転角θ_Ｅに基づいて、モータ３が制御される。つまり、低回転角速度域においては第１モードが選択され、高回転角速度域においては第２モードが選択される。

低回転角速度域では誘起電圧の推定が困難であるから、前記第１モードを選択することで、モータ３を適切に制御することができる。その一方で、高回転角速度域では誘起電圧を正確に推定できるので、前記第２モードを選択することによって優れた操舵フィーリングを実現することができる。
第１モードが選択されたとき（ステップＳ２）、切換初期値設定部４４は、その時点の検出操舵トルクＴを切換初期操舵トルクＴ_０として徐変部４３に設定する（ステップＳ４）。これに応答して、徐変部４３は、切換初期操舵トルクＴ_０から指示操舵トルク設定部２１による設定値まで指示操舵トルクＴ^＊を漸次的に変更する徐変処理を実行する（ステップＳ５）。これにより、操舵トルクの急変を抑制または防止できるから、モード切換時の操舵フィーリングを向上することができる。

図９は、徐変部４３による処理を説明するための図であり、指示操舵トルクＴ^＊の時間変化の一例が示されている。第２モードから第１モードへの切換えが発生すると、そのときの検出操舵トルクＴが切換初期操舵トルクＴ_０となる。図９の例は、切換初期操舵トルクＴ_０よりも指示操舵トルク設定部２１の設定値（狙いの指示操舵トルク）が低い場合を示している。そこで、徐変部４３は、切換初期操舵トルクＴ_０から指示操舵トルク設定部２１の設定値まで、指示操舵トルクＴ^＊を漸次的に（徐々に）減少させる。そして、徐変部４３は、指示操舵トルクＴ^＊が指示操舵トルク設定部２１の設定値に等しくなると、以後は、当該設定値をそのまま指示操舵トルクＴ^＊として出力する。

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、回転角センサを備えずに、専らセンサレス制御によってモータ３を駆動する構成について説明したが、レゾルバ等の回転角センサを備え、この回転角センサの故障時に前述のようなセンサレス制御を行う構成としてもよい。これにより、回転角センサの故障時にもモータ３の駆動を継続できるから、操舵補助を継続できる。

この場合、回転角センサを用いるときには、指示電流値切換部４１には、第２指示電流値生成部３２が生成する二相指示電流値Ｉ_ｄｑ ^＊を選択させ、γδ／αβ変換部３４Ａおよびαβ／γδ変換部３６Ｂにおける座標変換には回転角センサの出力を用いればよい。
さらに、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置にこの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にも、ステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システム、可変ギヤレシオ（ＶＧＲ）ステアリングシステムその他の車両用操舵装置に備えられたブラシレスモータの制御のために用いることができる。むろん、車両用操舵装置に限らず、他の用途のモータの制御のためにも本発明のモータ制御装置を適用できる。

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。

１…トルクセンサ、３…モータ、４…舵角センサ、５…モータ制御装置、１１…マイクロコンピュータ、２６…制御角演算部、４１…指示電流値切換部、４２…角度切換部、５０…ロータ、５１，５２，５２…ステータ巻線、５５…ステータ

Claims (3)

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、
   前記モータを制御する第１制御手段と、
   前記モータを制御する第２制御手段と、
   前記第１制御手段によって前記モータを制御する第１モードと、前記第２制御手段によって前記モータを制御する第２モードとの間で制御モードを切り換える切換手段とを含み、
   前記第１制御手段は、制御上の回転角である制御角に従う回転座標系の軸電流値で前記モータを駆動する電流駆動手段と、所定の演算周期毎に制御角の前回値に加算角を加算することによって制御角の今回値を演算する制御角演算手段と、モータによって駆動される駆動対象に加えられる、モータトルク以外のトルクを検出するためのトルク検出手段と、前記駆動対象に加えられるべき指示トルクを演算する指示トルク演算手段と、前記トルク検出手段によって検出された検出トルクと指示トルクとに基づいて前記加算角を演算する加算角演算手段とを含み、
   前記第２制御手段は、前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、この誘起電圧推定手段によって求められた推定誘起電圧に基づいてロータの回転角を推定する回転角推定手段とを含み、この回転角推定手段によって推定された推定回転角に基づいて前記モータを制御するものであり、
   制御モードが前記第２モードから前記第１モードに切り換られた時点で前記トルク検出手段によって検出される検出トルクを、当該切換時点における初期指示トルクとする切換初期値設定手段をさらに含む、
   モータ制御装置。
2. 前記加算角演算手段において用いられる指示トルクを、前記切換初期値設定手段が設定した初期指示トルクから、前記指示トルク演算手段が演算した指示トルクまで徐変する徐変手段をさらに含む、請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記モータの回転角速度を演算する回転角速度演算手段をさらに含み、
   前記切換手段は、低回転角速度域では制御モードを前記第１モードに設定し、高回転角速度域では制御モードを前記第２モードに設定するものである、請求項１または２記載のモータ制御装置。

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