JP2010213551A - 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ことができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】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。制御角θ_Ｃとロータ角θ_Ｍとの差（負荷角θ_Ｌ）に応じたアシストトルクが発生する。一方、検出操舵トルクＴがフィードバックされ、検出操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^＊に近づけるように、加算角αが生成される。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。偏角演算部２８は、二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊の電流ベクトルと検出電流値Ｉ_γδの電流ベクトルとの間の偏角θ_errを求める。この偏角の絶対値｜θ_err｜が所定のしきい値以上のとき、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が増加補正される。
【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その他の車両用操舵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ための手法は未だ確立されていない。そのため、別の方式によるセンサレス制御の実現が望まれている。

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、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（３１〜３６）と、前記制御角に加算すべき加算角（α）を演算する加算角演算手段（２２，２３）と、所定の演算周期毎に、前記加算角演算手段によって演算された加算角を制御角の前回値に加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段（２６）と、前記制御角に従う回転座標系における前記モータの実電流値（Ｉ_γδ）を求める実電流値演算手段（１３，３６）と、前記軸電流値（Ｉ_γδ ^＊）の電流ベクトルと前記実電流値演算手段によって求められる実電流値（Ｉ_γδ）の電流ベクトルとの偏角（θ_err）を演算する偏角演算手段（２８）と、前記偏角演算手段によって求められる偏角の絶対値が所定値以上のときに前記軸電流値を増加させる軸電流値補正手段（２７，２９）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、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。

さらに、この発明では、前記制御角に従う回転座標系における実電流値が求められる。そして、軸電流値の電流ベクトルと実電流値の電流ベクトルとの偏角が演算される。制御状態が正常であれば偏角の絶対値は小さな値に保持されるが、たとえば、モータトルク以外の外力によって駆動対象が高速に動かされたり大きな負荷が駆動対象に加えられたりすると、偏角の絶対値が大きくなる。偏角の絶対値が大きくなると、電流の制御性が悪くなり、モータに流れている電流に乱れが発生し、モータ制御が不安定になるおそれがある。そこで、この発明では、前記偏角の絶対値が所定値以上のときには、モータを駆動するための軸電流値を大きくするようにしている。これにより、実電流値の電流ベクトルにおいて軸電流値の電流ベクトルに平行な成分が大きくなるから、前記偏角の絶対値が小さくなる。その結果、電流の制御性を改善できるから、モータ制御を安定化できる。

請求項２記載の発明は、前記回転座標系は、第１座標軸（γ軸）およびこれに直交する第２座標軸（δ軸）で定義される直交座標系（γδ座標系）であり、前記電流駆動手段は、前記第１座標軸の軸電流値（Ｉ_γ ^＊）を有意値に設定する一方で、前記第２座標軸の軸電流値（Ｉ_δ ^＊）を零に設定するものであり、前記偏角演算手段は、前記第１座標軸の実電流値Ｉ_γと、前記第２座標軸の実電流値Ｉ_δとに基づいて、前記偏角θ_errをθ_err＝Ｔａｎ^−１（Ｉ_δ／Ｉ_γ）により求めるものである、請求項１記載のモータ制御装置である。

この構成では、第１座標軸の軸電流値のみが有意値とされるので、制御状態が正常であれば、第１座標軸の実電流値Ｉ_γが有意値となる一方で、第２座標軸の実電流値Ｉ_δは零付近の値をとる。駆動対象に加えられるモータトルク以外の外力等の影響で実電流値Ｉ_δの絶対値が大きくなると、偏角θ_errの絶対値が大きくなり、制御が不安定になる。そこで、第１座標軸の軸電流値を大きくすると、それに応じて第１座標軸の実電流値Ｉ_γが大きくなるから、偏角θ_errの絶対値が小さくなる。これにより、制御を安定化することができる。

前記モータ制御装置は、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（１）と、前記駆動対象に加えられるべき指示トルクを設定する指示トルク設定手段（２１）とをさらに含むものであってもよい。この場合に、前記加算角演算手段は、指示トルクと検出トルクとの偏差（トルク偏差）に応じて加算角を演算するものであってもよい。より具体的には、前記加算角演算手段は、前記検出トルクを前記指示トルクに近づけるように前記加算角を演算するフィードバック制御手段（２２，２３）を含むものであってもよい。

前記モータ制御装置は、加算角の絶対値を所定の制限値で制限する加算角制限手段（２４）をさらに含むものであってもよい。この構成によれば、加算角に適切な制限を加えることによって、実際のロータの回転に比して過大な加算角が制御角に加算されることを抑制できる。これにより、適切にモータを制御することができる。
前記制限値は、たとえば、次式によって定められた値であってもよい。ただし、次式における「最大ロータ角速度」とは、電気角でのロータ角速度の最大値である。

制限値＝最大ロータ角速度×演算周期
たとえば、モータの回転を所定の減速比の減速機構を介して車両用操舵装置の操舵軸に伝達している場合には、最大ロータ角速度は、最大操舵角速度（操舵軸の最大回転角速度）×減速比×極対数で与えられる。「極対数」とは、ロータが有する磁極対（Ｎ極とＳ極との対）の数である。

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ものであってもよい。また、前記指示トルク設定手段は、操舵トルクの目標値としての指示操舵トルクを設定するものであってもよい。そして、前記加算角演算手段は、前記指示トルク設定手段によって設定される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の偏差に応じて前記加算角を演算するものであってもよい。

この構成によれば、指示操舵トルクが設定され、こ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。 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。 γ軸指示電流値の設定例を示す図である。 軸電流値の電流ベクトル、実電流値の電流ベクトルおよびそれらの間の偏角を説明するための図である。 加算角リミッタの働きを説明するためのフローチャートである。 指示電流値の設定および補正を説明するためのフローチャートである。 操舵速度に応じた加算電流の設定例を示す特性図である。

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、直交座標系である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、指示電流値補正部２７と、偏角演算部２８と、偏角判定部２９と、指示電流値生成部３１と、電流偏差演算部３２と、ＰＩ制御部３３と、γδ／ＵＶＷ変換部３４と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部３５と、ＵＶＷ／γδ変換部３６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、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によって検出された操舵トルク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（＝Ｔ^＊−Ｔ）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。したがって、前記トルクフィードバック制御手段は、加算角αを演算する加算角演算手段を構成している。

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。
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に実線（既定値）で示されている。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。

指示電流値補正部２７は、指示電流値生成部３１によって生成されるγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を、必要時に既定値よりも大きな補正電流値（図５の二点鎖線参照）に増加補正するものである。たとえば、この実施形態では、指示電流値生成部３１によって生成されるγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（既定値）に所定のゲインｇ（＞１）を乗じることによって、補正後のγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（補正電流値）が求められる。むろん、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊の増加補正は、１よりも大きなゲインｇを既定値に乗じる他にも種々の態様で行うことができる。たとえば、指示電流値生成部３１が生成するγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（既定値）の上限値よりも大きな一定の値を補正後のγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（補正電流値）としてもよい。

電流偏差演算部３２は、指示電流値生成部３１によって生成され必要に応じて指示電流値補正部２７によって補正されたγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に対するγ軸検出電流値（γ軸実電流値）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軸検出電流値（δ軸実電流値）Ｉ_δの偏差Ｉ_δ ^＊−Ｉ_δとを演算する。γ軸検出電流値Ｉ_γおよびδ軸検出電流値Ｉ_δは、ＵＶＷ／γδ変換部３６から偏差演算部３２に与えられるようになっている。

ＵＶＷ／γδ変換部３６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値Ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相検出電流値Ｉ_Ｕ、Ｖ相検出電流値Ｉ_ＶおよびＷ相検出電流値Ｉ_Ｗ）をγδ座標系の二相検出電流値Ｉ_γおよびＩ_δ（以下総称するときには「二相検出電流値Ｉ_γδ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部３２に与えられるようになっている。ＵＶＷ／γδ変換部３６における座標変換には、制御角演算部２６で演算される制御角θ_Ｃが用いられる。

ＰＩ制御部３３は、電流偏差演算部３２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／ＵＶＷ変換部３４に与えられる。
γδ／ＵＶＷ変換部３４は、二相指示電圧Ｖ_γδ ^＊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３２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、指示電流値生成部３１によって設定される二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊に近づくように制御される。
偏角演算部２８は、二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊の電流ベクトル（以下、「指示電流ベクトル」という。）Ｉ^＊と二相検出電流値Ｉ_γδの電流ベクトル（以下、「実電流ベクトル」という。）Ｉとの偏角θ_errを演算する。図６に示すように、指示電流ベクトルＩ^＊とは、γδ座標平面において、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊をγ軸成分とし、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊をδ軸成分として表されるベクトルをいう。同様に、実電流ベクトルＩとは、γδ座標平面において、γ軸検出電流値Ｉ_γをγ軸成分とし、δ軸検出電流値Ｉ_δをδ軸成分として表されるベクトルをいう。

この実施形態では、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が有意値であり、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊が零とされるので、図６に示すように、指示電流ベクトルＩ^＊はγ軸方向に平行である。したがって、実電流ベクトルＩがγ軸に対してなす角が偏角θ_errであり、この偏角θ_errは次式(6)で与えられることになる。
θ_err＝Ｔａｎ^−１（Ｉ_δ／Ｉ_γ） ……(6)
一般には、指示電流ベクトルＩ^＊がγ軸に対してなす角θ^＊と、実電流ベクトルＩがγ軸に対してなす角θとを用いて、次式(7)によって偏角θ_errを求めることができる。δ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊を有意値とするときには、この式(7)を用いればよい。

θ_err＝θ−θ^＊
＝Ｔａｎ^−１（Ｉ_δ／Ｉ_γ）−Ｔａｎ^−１（Ｉ_δ ^＊／Ｉ_γ ^＊） ……(7)
正常な制御状態では、δ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊が零であるため、それに応じてδ軸検出電流値Ｉ_δは零付近の値をとる。したがって、偏角θ_errの絶対値は小さな値に保持される。これに対して、運転者がステアリングホイール１０を高速に操舵したり、路面からの大きな逆入力等のために大きな負荷がモータ３に加わったりすると、電流の制御性が悪くなり、δ軸検出電流値Ｉ_δが比較的大きな値をとる。これにより、偏角θ_errの絶対値が大きな値となる。このとき、制御上の負荷角θ_Ｌ（狙いのアシストトルクに相当する値）と実際の負荷角θ_Ｌ＋θ_errとの間に大きな誤差が生じており、制御異常となるおそれがある。

偏角判定部２９は、偏角θ_errの絶対値｜θ_err｜を所定のしきい値θ_th（θ_th＞０。たとえば、θ_th＝３０°）と比較し、偏角絶対値｜θ_err｜が当該しきい値θ_th以上であれば制御異常と判定し、偏角絶対値｜θ_err｜が当該しきい値θ_th未満であれば制御状態が正常であると判定する。この判定結果が、指示電流値補正部２７に与えられるようになっている。

指示電流値補正部２７は、偏角判定部２９の判定結果が「正常」であれば、指示電流値生成部３１によって生成された二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊（既定値。図５の実線参照）をそのまま電流偏差演算部３２に供給する。その一方で、指示電流値補正部２７は、偏角判定部２９の判定結果が「異常」であれば、指示電流値生成部３１によって生成された二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊を既定値よりも大きな補正電流値（図５の二点鎖線参照）に補正する。この補正後の二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊が電流偏差演算部３２に供給されることになる。

γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を大きくすると、それに応じてγ軸検出電流値Ｉ_γが大きくなる。すると、図６から理解されるとおり、γ軸検出電流値Ｉ_γに対するδ軸検出電流値Ｉ_δの比Ｉ_δ／Ｉ_γが小さくなるから、偏角絶対値｜θ_err｜が小さくなる。つまり、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を増加補正することにより、実電流方向ベクトルＩがγ軸に対してなす角が小さくなる。こうして、指示電流ベクトルＩ^＊と実電流ベクトルＩとの間の偏角絶対値｜θ_err｜を小さくすることができる。偏角絶対値｜θ_err｜が十分に小さく（たとえば、しきい値θth未満に）なれば、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊は既定値（指示電流値生成部３１が生成する値）に戻される。このようにして、電流制御性を改善することができ、制御異常から速やかに復帰することができる。

図３は、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）ΔＴ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。

このようにして、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、加算角リミッタ２４の働きを説明するためのフローチャートである。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を上限値ＵＬと比較し（ステップＳ１）、加算角αが上限値ＵＬを超えている場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、上限値ＵＬを加算角αに代入する（ステップＳ２）。したがって、制御角θ_Ｃに対して上限値ＵＬ（＝＋ω_max）が加算されることになる。

ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αが上限値ＵＬ以下であれば（ステップＳ１：ＮＯ）、加算角リミッタ２４は、さらに、その加算角αを下限値ＬＬと比較する（ステップＳ３）。そして、その加算角αが下限値未満であれば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、下限値ＬＬを加算角αに代入する（ステップＳ４）。したがって、制御角θ_Ｃに対して下限値ＬＬ（＝−ω_max）が加算されることになる。

ＰＩ制御部２３によって求められた加算角αが下限値ＬＬ以上上限値ＵＬ以下（ステップＳ３：ＮＯ）であれば、その加算角αがそのまま制御角θ_Ｃへの加算のために用いられる。
このようにして、加算角αを上限値ＵＬと下限値ＬＬとの間に制限（換言すれば、加算角αの絶対値を制限値ω_max以下に制限）することができるので、制御の安定化を図ることができる。より具体的には、電流不足時や制御開始時に制御不安定状態（アシスト力が不安定な状態）が発生しても、この状態から安定な制御状態への遷移を促すことができる。

図８は、偏角θ_errに応じた二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊の補正を説明するためのフローチャートである。指示電流値生成部３１は、検出操舵トルクＴに応じてγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を生成する（ステップＳ１１）。一方、偏角判定部２９は、偏角絶対値｜θ_err｜をしきい値θ_thと比較する（ステップＳ１２）。偏角絶対値｜θ_err｜がしきい値θ_th未満であれば（ステップＳ１２：ＮＯ）、指示電流値生成部３１が生成したγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（既定値）がそのまま用いられる。これに対して、偏角絶対値｜θ_err｜がしきい値θ_th以上であれば、指示電流値補正部２７の働きによって既定値を増加補正したγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（補正電流値）が用いられる。

なお、図１において二点鎖線で示すように、偏角判定部２９による判定結果に応じて二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊を補正する代わりに、操舵速度演算部４０によって操舵速度を求め、この操舵速度に応じて二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊を補正するようにしてもよい。操舵速度演算部４０は、舵角センサ４によって検出される操舵角を時間微分することによってステアリングホイール１０の操舵速度を求めるものであってもよい。

指示電流値補正部２７は、たとえば、図９に示す特性に従って、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（既定値）に加算電流ΔＩ_γを加算して補正後のγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊（補正電流値）を求める。すなわち、操舵速度が所定の第１しきい値ω１以下のときには加算電流ΔＩ_γは零とされる。当該第１しきい値ω１を超える操舵速度に対しては、第２のしきい値ω２（＞ω１）において所定の上限値に達するまでは単調に（図９の例ではリニアに）増加する特性に従って加算電流ΔＩ_γが設定される。第２のしきい値ω２を超える操舵速度に対しては、加算電流ΔＩ_γは前記上限値に設定される。

このような構成により、高速操舵時にはγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を大きくすることができるので、偏角絶対値｜θ_err｜を小さくすることができる。その結果、高速操舵時における制御異常を抑制したり、制御異常からの早期復帰を促したりすることができる。
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、指示電流値生成部３１において、操舵トルクおよび車速に応じて、所定のアシスト特性に従ってδ軸指示電流値Ｉ_δ ^＊を発生させるようにすればよい。
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、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、５０…ロータ、５１，５２，５２…ステータ巻線、５５…ステータ

Claims (2)

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、
   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、
   前記制御角に加算すべき加算角を演算する加算角演算手段と、
   所定の演算周期毎に、前記加算角演算手段によって演算された加算角を制御角の前回値に加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段と、
   前記制御角に従う回転座標系における前記モータの実電流値を求める実電流値演算手段と、
   前記軸電流値の電流ベクトルと前記実電流値演算手段によって求められる実電流値の電流ベクトルとの偏角を演算する偏角演算手段と、
   前記偏角演算手段によって求められる偏角の絶対値が所定値以上のときに前記軸電流値を増加させる軸電流値補正手段とを含む、モータ制御装置。
2. 前記回転座標系は、第１座標軸およびこれに直交する第２座標軸で定義される直交座標系であり、
   前記電流駆動手段は、前記第１座標軸の軸電流値を有意値に設定する一方で、前記第２座標軸の軸電流値を零に設定するものであり、
   前記偏角演算手段は、前記第１座標軸の実電流値Ｉ_γと、前記第２座標軸の実電流値Ｉ_δとに基づいて、前記偏角θ_errをθ_err＝Ｔａｎ^−１（Ｉ_δ／Ｉ_γ）により求めるものである、請求項１記載のモータ制御装置。
   

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