JP2011109805A - モータ制御装置および車両用操舵装置 - 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およびそれを備えた車両用操舵装置を提供する。
【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を指示操舵トルクＴ^＊に近づけるように、ＰＩ制御部２３によって、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。ゲイン変更部４０は、ＰＩ制御部２３の比例ゲインＫ_Ｐを、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きいほど小さくなる特性に従って可変設定する。
【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およびそれを備えた車両用操舵装置に関する。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、磁極の位相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およびそれを備えた車両用操舵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、前記駆動対象に作用させるべき指示トルク（Ｔ^＊）を設定する指示トルク設定手段（２１）と、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で前記モータを駆動する電流駆動手段（３０，３２〜３６）と、前記軸電流値の目標値である指示電流値（Ｉ_γ ^＊）を設定する指示電流設定手段（３０）と、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検出トルクとの偏差（ΔＴ）に対する比例積分演算によって、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（２３）と、前記比例積分演算における比例ゲインを前記指示電流設定手段によって設定される指示電流値が大きいほど小さくなるように設定するゲイン設定手段（４０，４５）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が、特許請求の範囲を実施形態に限定する趣旨ではない。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。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）が適値に導かれることによって、適切なトルクが発生する。

この発明では、駆動対象に加えられるべき指示トルク（モータトルク以外のトルクの指示値）が指示トルク設定手段によって設定される一方で、駆動対象に加えられる、モータトルク以外のトルクがトルク検出手段によって検出される。そして、指示トルクと検出トルクとの偏差（トルク偏差）に対する比例積分演算によって加算角が演算される。すなわち、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が構成されている。これにより、制御角を適切に制御することができ、指示トルクに応じたモータトルクをモータから発生させることができる。

さらに、この発明では、軸電流値の目標値である指示電流値が大きいほど小さくなるように（たとえば反比例）、前記比例積分演算における比例ゲインが可変設定される。これにより、指示電流値に対応した適切な比例ゲインを設定できるので、過不足のない制御応答を実現できる。その結果、モータトルクを指示トルクに良好に追従させることができる。

前記指示電流設定手段は、必要なモータトルク（モータ負荷）に応じて、指示電流値を可変設定するものであることが好ましい。より具体的には、必要なモータトルクの大きさが小さいほど、指示電流値を小さく設定するものであることが好ましい。
指示電流値を一定値に定めておくと、必要なモータトルク（すなわち、モータ負荷）が小さいときには、軸電流値の大部分がモータトルクに変換されず、無駄になるので、効率が悪くなる。そこで、たとえば、必要なモータトルクが小さいときほど、指示電流値を小さくすれば、効率のよいモータ制御が可能になる。

一方、指示電流値の変化は、モータトルクに影響するので、同じくモータトルクに影響する加算角を演算する加算角演算手段（トルクフィードバック制御手段）のゲインが一定値であると、応答に過不足が生じる。たとえば、加算角演算手段における比例積分演算を小さな指示電流値に適合するように設計すると、指示電流値が大きくなったときに、加算角の変化に対するモータトルクの変化量が大きくなりすぎるおそれがある。そのため、オーバーシュートが生じ、制御が不安定となり、不所望な振動が生じるおそれがある。逆に、大きな指示電流値に適合するように比例積分演算を設計すると、指示電流値が小さくなったときに、加算角の変化に対してモータトルクが充分に変化せず、したがって、充分な応答性が得られない。

そこで、この発明では、指示電流値が大きいほど小さくなるように、加算角演算手段の比例積分演算における比例ゲインが設定される。これにより、指示電流値の大小によらずに、過不足のないほぼ一定の応答が得られるから、モータを適切に制御することができる。
たとえば、前記指示電流設定手段は、前記トルク検出手段によって検出される検出トルクの大きさに応じて、前記指示電流値を可変設定するものであってもよい。より具体的には、前記指示電流設定手段は、検出トルクの大きさが小さいほど指示電流値の大きさを小さくし、検出トルクの大きさが大きいほど指示電流値の大きさを大きくするものであることが好ましい。

駆動対象に対しては、モータトルクと、モータトルク以外のトルク（以下「外部トルク」という。）とが加えられる。たとえば、外部トルクが大きいとき駆動対象に対して全体として大きなトルクが加えられ、外部トルクが小さいとき駆動対象に対して全体として小さなトルクが加えられるようにモータが制御されるとする。この場合、外部トルクが小さければ、モータトルク（アシストトルク）が小さくなり、外部トルクが大きければモータトルクが大きくなる。このとき、指示電流値を一定値としておくと、外部トルクが小さいときには、必要なモータトルクが小さい（すなわち、モータ負荷が小さい）ので、軸電流値の大部分が無駄になり、効率が悪くなる。そこで、外部トルク（すなわち検出トルク）に応じて指示電流を可変設定すると、必要なモータトルクに応じて指示電流値を可変設定できることになるから、モータを効率良く駆動することができる。この場合に、加算角演算手段の比例積分演算における比例ゲインを指示電流値が大きいほど小さくなるように定めることで、指示電流値の大小によらずに、適切な応答が得られる。

請求項２記載の発明は、前記比例積分演算における積分ゲインが、前記指示電流値によらずに一定に保持される、請求項１記載のモータ制御装置である。比例ゲインが加算角の変動（すなわちモータトルクの変動）に深く関係しているのに対して、積分ゲインは、ロータの回転に対する追従性により深く関係している。したがって、ロータの回転に対する追従性を保持するために、積分ゲインは、指示電流値によらずに大きく変化させないことが好ましく、一定値に保持することによって、ロータの回転に対して制御角を良好に追従させることができる。これにより、適切なモータトルクを発生させることができる。

請求項３記載の発明は、前記ゲイン設定手段が、前記比例積分演算における積分ゲインを、前記指示電流値に応じて変化させる（たとえば一次関数的に変化させる）、請求項１記載のモータ制御装置である。ロータの回転に対する追従性が損なわれない限度において、積分ゲインを指示電流値に応じて変化させることにより、より適切な制御応答が得られる可能性がある。

請求項４記載の発明は、前記ゲイン設定手段が、前記比例積分演算における積分ゲインを前記指示電流値に対して一次関数的に変化させるものであり、前記比例積分演算における積分項の前回値を、今回の積分ゲインを乗じ、かつ前回の積分ゲインで除することにより補正する積分項補正手段（４６）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、今演算周期において用いられる積分項の前回値を今演算周期における積分ゲインに対応した値に補正することができる。これにより、積分ゲインの変動によらずに、適切な応答を得ることができる。すなわち、積分項に過不足が生じることを抑制できるので、応答の過不足を抑制できる。

請求項５記載の発明は、車両の舵取り機構（２）に駆動力を付与するモータと、前記モータを制御する請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ制御装置とを含む、車両用操舵装置である。この構成によれば、たとえばモータ駆動効率向上のために指示電流値を可変設定する場合でも適切な応答が得られるので、モータを適切に駆動することができる。これにより、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を提供できる。

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。

この発明の第１の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。 操舵トルクリミッタの働きを説明するための図である。 γ軸指示電流値の設定例を示す図である。 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。 γ軸指示電流値に対する比例ゲインの変化を示す特性図である。 この発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。 図１０(a)は前記第２の実施形態における比例ゲインの特性を示す特性図であり、図１０(b)は前記第２の実施形態における積分ゲインの特性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Ｔｓ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、操舵トルクリミッタ２０と、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、指示電流値生成部３０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、ゲイン変更部４０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。

操舵トルクリミッタ２０は、トルクセンサ１によって検出される操舵トルクＴ_Ｓを所定の上限飽和値＋Ｔ_max（＋Ｔ_max＞０。たとえば＋Ｔ_max＝７Ｎｍ）と下限飽和値−Ｔ_max（−Ｔ_max＜０。たとえば−Ｔ_max＝−７Ｎｍ）との間に制限する。具体的には、操舵トルクリミッタ２０は、図５に示すように、上限飽和値＋Ｔ_maxと下限飽和値−Ｔ_maxの間では、トルクセンサ１の検出操舵トルクＴ_Ｓをそのまま出力する。また、操舵トルクリミッタ２０は、トルクセンサ１の検出操舵トルクＴ_Ｓが上限飽和値＋Ｔ_max以上であれば、上限飽和値＋Ｔ_maxを出力する。そして、操舵トルクリミッタ２０は、トルクセンサ１の検出操舵トルクＴ_Ｓが下限飽和値−Ｔ_max以下であれば、下限飽和値−Ｔ_maxを出力する。飽和値＋Ｔ_maxおよび−Ｔ_maxは、トルクセンサ１の出力信号が安定な領域（信頼性のある領域）の境界を画定するものである。つまり、トルクセンサ１の出力信号は、上限飽和値Ｔ_maxを超える区間、および下限飽和値−Ｔ_maxを下回る区間では不安定であり、実際の操舵トルクに対応しなくなる。換言すれば、飽和値＋Ｔ_max，−Ｔ_maxは、トルクセンサ１の出力特性に応じて定められる。操舵トルクリミッタ２０によって制限処理を受けた操舵トルクを、トルクセンサ１によって検出された操舵トルク（「検出操舵トルクＴ_Ｓ」）と区別するために、「検出操舵トルクＴ」ということにする。

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、操舵トルクリミッタ２０による制限処理を受けた操舵トルクＴ（検出操舵トルクＴ）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。

より具体的には、ＰＩ制御部２３は、比例要素２３ａと、積分要素２３ｂと、加算器２３ｃとを備えている。ただし、Ｋ_Ｐは比例ゲイン、Ｋ_Ｉは積分ゲイン、１／ｓは積分演算子である。比例要素２３ａによって比例積分演算の比例項（比例演算値）が求められ、積分要素２３ｂによって比例積分演算の積分項（積分演算値）が求められる。これらの演算結果（比例項および積分項）が加算器２３ｃで加算されることによって、加算角αが求められる。

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の既定値＝４５度）に基づいて定められる。この所定の制限値ω_maxの既定値は、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の既定値とすればよい。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３０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３０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３０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６に示されている。検出操舵トルクＴの絶対値｜Ｔ｜が零付近の範囲ＬＥでは、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊は、小さい値に設定される。検出操舵トルク絶対値｜Ｔ｜が範囲ＬＥ外の大きな値をとるときは、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊は、所定の上限値以下の範囲で、検出操舵トルク絶対値｜Ｔ｜が大きいほど大きな値に設定される。検出操舵トルク絶対値｜Ｔ｜が所定値以上の範囲では、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊は、上記上限値に設定される。このように、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への通電が抑制される。さらに、操舵トルクの大きさが小さく、したがってモータ負荷が小さいときには、モータ３に供給される電流が抑制される。これにより、不必要な電力消費を抑制して、効率的なモータ駆動が図られる。

電流偏差演算部３２は、指示電流値生成部３０によって生成された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。γ軸検出電流Ｉ_γおよびδ軸検出電流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γδ座標系の二相検出電流Ｉ_γおよびＩ_δ（以下総称するときには「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３０によって設定された二相指示電流値Ｉ_γδ ^＊に近づくように制御される。
ゲイン変更部４０は、加算角αを求めるためにＰＩ（比例積分）演算を行うＰＩ制御部２３のゲインを可変設定する。より具体的には、この実施形態では、ゲイン変更部４０は、指示電流値生成部３０が生成するγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に応じて、比例ゲインＫ_Ｐを可変設定する。この実施形態では、ＰＩ制御部２３における積分ゲインＫ_Ｉは、一定値に保持される。

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は比例ゲイン、Ｋ_Ｉは積分ゲイン、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。
この実施形態では、ＰＩ制御部２３は、検出操舵トルクＴを指示操舵トルクＴ^＊に一致させるために、アシストトルクを増加させる場合に加算角αを増加させ、アシストトルクを減少させる場合に加算角αを減少させるように動作するものとする。

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はゲイン変更部４０の動作の詳細を説明するための図であり、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に対する比例ゲインＫ_Ｐの変化を示す。ゲイン変更部４０は、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きいほど小さくなる特性に従って比例ゲインＫ_Ｐを可変設定する。より具体的には、ゲイン変更部４０は、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に反比例する特性に従って比例ゲインＫ_Ｐを可変設定する。すなわち、Ｉ_γ ^＊・Ｋ_Ｐ＝一定値、という関係が成立している。ただし、ゲイン変更部４０は、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が所定値以下の範囲では、比例ゲインＫ_Ｐを所定の上限値に設定する。これは、比例ゲインＫ_Ｐが大きくなりすぎないようにするためである。

このようにして、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊の大小に応じた適切な比例ゲインＫ_Ｐを設定できる。すなわち、図２から直ちに理解されるとおり、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きいときは、加算角αの変化に対するｑ軸電流Ｉ_ｑの変化が大きくなる。そのため、オーバーシュートが生じるおそれがあるから、制御が不安定となり、たとえば不所望な振動が生じるおそれがある。そこで、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きいときには、比例ゲインＫ_Ｐが小さい値に設定されることにより、制御応答が抑制される。逆に、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が小さいときには、加算角αに対するｑ軸電流Ｉ_ｑの変化が小さくなるから、制御応答が不足するおそれがある。そこで、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が小さいときには、比例ゲインＫ_Ｐが大きい値に設定されることにより、制御応答の増加が図られる。

こうして、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に反比例するように比例ゲインＫ_Ｐが設定されることによって、トルク偏差ΔＴに対するアシストトルクの変化量をほぼ一定にすることができるので、過不足のないほぼ一定の応答特性を得ることができる。すなわち、モータ３の効率を高めるために操舵トルクに応じて（すなわちモータ負荷に応じて）γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を可変設定する一方で、比例ゲインＫ_Ｐをγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に応じて可変設定することで、良好な応答特性を実現できる。これにより、モータ駆動の効率化と、良好な制御応答とを両立することができるので、省エネルギー性を確保しながら、優れた操舵フィーリングを実現できる。

一方、この実施形態では、ＰＷＭ制御部２３における積分ゲインＫ_Ｉは、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊によらずに一定値に保持されるようになっている。これは、積分ゲインＫ_Ｉが、ロータ５０の回転追従性に深く関与していて、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊とはあまり相互関係がないからである。したがって、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊によらずに積分ゲインＫ_Ｉを一定値としておくことによって、ロータ５０の回転に追従するように加算角αを設定することができる。これにより、たとえば、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊を小さくしたときでも、ロータ５０の回転に対する追従性を維持することができ、その結果、モータ３から安定したトルクを発生させることができる。

図９は、この発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を説明するためのブロック図である。この図９において、前述の図１の各部に対応する部分には図１と同じ符号を付して示す。
この実施形態では、ゲイン変更部４０に代えて設けられるゲイン変更部４５は、比例ゲインＫ_Ｐだけでなく積分ゲインＫ_Ｉも可変設定する。さらに、マイクロコンピュータ１１は、加算角αを演算するＰＩ制御部２３の積分項を補正する積分項補正部４６を、機能処理部として備えている。

図１０はゲイン変更部４５の働きを説明するための図であり、図１０(a)は比例ゲインＫ_Ｐの特性を示し、図１０(b)は積分ゲインＫ_Ｉの特性を示す。比例ゲインＫ_Ｐは、第１の実施形態の場合と同じく、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に反比例する特性に設定される。ただし、所定値以下のγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に対しては、比例ゲインＫ_Ｐは、所定の上限値に設定される。一方、ゲイン変更部４５は、この実施形態では、積分ゲインＫ_Ｉをγ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊に応じて可変設定する。すなわち、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きいほど積分ゲインＫ_Ｉを小さくする。より具体的には、積分ゲインＫ_Ｉは、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きくなるに従って一次関数的に緩やかに減少する特性に従って可変設定される。これにより、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊が大きくなるに従って過剰となるおそれがある制御応答をより適切に抑制でき、かつ、ロータ５０の回転に対する追従性も確保できる。

積分項補正部４６は、次式(6)に従って、積分項前回値∫(n-1)を補正する。ただし、次式(6)において、Ｋ_Ｉ(n)は今演算周期における積分ゲイン、Ｋ_Ｉ(n-1)は前演算周期における積分ゲイン、∫′(n-1)は積分項補正部４６による補正処理後の積分項前回値を表す。
∫′(n-1)＝∫(n-1)×Ｋ_Ｉ(n)／Ｋ_Ｉ(n-1) …… (6)
したがって、ＰＩ演算部２３における今演算周期における演算結果は、次式(7)により表される。ただし、Ｋ_Ｐ(n)は今演算周期における比例ゲイン、ΔＴ(n)は今演算周期におけるトルク偏差をそれぞれ表す。

α＝Ｋ_Ｐ(n)・ΔＴ(n)＋Ｋ_Ｉ(n)・ΔＴ(n)＋∫′(n-1) …… (7)
このように、積分項補正部４６は積分ゲインＫ_Ｉの変動に応じて積分項前回値∫(n-1)を補正する。これにより、積分ゲインＫ_Ｉを可変設定しつつ、積分項に過不足が生じることを抑制できるので、加算角αを適切に設定できる。これにより、モータ３を適切に制御できるので、良好な操舵フィーリングを実現できる。

以上、この発明の２つの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、ＰＩ制御部２３によって加算角αを求めているが、ＰＩ制御部２３に代えて、ＰＩＤ（比例・積分・微分）演算部を用いて加算角αを求める構成とすることもできる。
また、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（負荷角調整法による制御）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。

また、前述の第２の実施形態では、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊の増加に対して一次関数的に減少する特性に従って積分ゲインＫ_Ｉを可変設定することとしたが、γ軸指示電流値Ｉ_γ ^＊の増加に応じて非線形な特性で減少するように積分ゲインＫ_Ｉを可変設定してもよい。
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、２３…ＰＩ制御部、２６…制御角演算部、５０…ロータ、５１，５２，５３…ステータ巻線、５５…ステータ

Claims (5)

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、
   前記駆動対象に作用させるべき指示トルクを設定する指示トルク設定手段と、
   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、
   前記軸電流値の目標値である指示電流値を設定する指示電流設定手段と、
   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検出トルクとの偏差に対する比例積分演算によって、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、
   前記比例積分演算における比例ゲインを前記指示電流設定手段によって設定される指示電流値が大きいほど小さくなるように設定するゲイン設定手段と、
   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
   を含む、モータ制御装置。
2. 前記比例積分演算における積分ゲインが、前記指示電流値によらずに一定に保持される、請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記ゲイン設定手段は、前記比例積分演算における積分ゲインを、前記指示電流値に応じて変化させる、請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記ゲイン設定手段は、前記比例積分演算における積分ゲインを前記指示電流値に対して一次関数的に変化させるものであり、
   前記比例積分演算における積分項の前回値を、今回の積分ゲインを乗じ、かつ前回の積分ゲインで除することにより補正する積分項補正手段をさらに含む、請求項１記載のモータ制御装置。
5. 車両の舵取り機構に駆動力を付与するモータと、
   前記モータを制御するための、請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ制御装置とを含む、車両用操舵装置。

Images