JP2011230531A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 演算負荷を高めずに精度良く誘起電圧を計算して電気角を推定する。
【解決手段】 簡易誘起電圧演算部１１１は、モータ２０のインダクタンスＬによる電圧成分（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を含めない簡易誘起電圧ｅ’を計算する。補正ゲイン設定部１１３は、補正ゲインマップを参照して、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊が大きくなるほど小さくなる補正ゲインＫLを設定する。誘起電圧補正部１１４は、簡易誘起電圧ｅ’に補正ゲインＫLを乗算して誘起電圧ｅを求める。これにより、微分演算処理を行わずに精度良く誘起電圧を計算することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、永久磁石同期モータのセンサレス制御に関する。

従来から、電動パワーステアリング装置は、運転者のハンドル操作をアシストする電動モータと、運転者が操舵ハンドルに入力した操舵トルクに応じた目標アシストトルクを設定して電動モータを駆動制御する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）を備えている。電動モータとしてブラシレスＤＣモータを使用した電動パワーステアリング装置も一般化されている。ブラシレスＤＣモータは、インバータのスイッチング制御によりＵ相，Ｖ相，Ｗ相への通電が行われる。従って、ブラシレスＤＣモータを使用する場合には、回転子の電気角を検出するための回転角センサが設けられる。

回転角センサが故障した場合には、モータの制御が不能となる。そこで、回転角センサが故障した場合には、モータで発生する誘起電圧（逆起電力）に基づいて電気角を推定し、この推定した電気角（推定電気角）を使ってモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置が知られている。このように推定電気角を使ったモータの制御は、センサレス制御と呼ばれている。

センサレス制御においては、モータで発生する誘起電圧と角速度とが比例関係を有することを利用して、誘起電圧からモータ角速度を算出する。そして、センサレス制御の演算周期とモータ角速度とから、１周期あたりにモータが回転した角度を求め、１周期前の電気角にこの回転角度をモータ回転方向に加算することで現時点の電気角、つまり、推定電気角を算出する。こうしたセンサレス制御については、例えば、特許文献１に提案されている。

特開２００８−８７７５６号公報

ところが、モータで発生する誘起電圧には、モータコイルのインダクタンスＬによる電圧分（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）が含まれ、誘起電圧の計算に微分演算が必要となり、マイクロコンピュータの演算負担が高くなってしまう。かといって、インダクタンスＬによる電圧分を無視した簡易計算にすれば、マイクロコンピュータの演算負担は軽くなるものの、電気角の推定精度が低下してしまう。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、演算負荷を高めずに精度良く誘起電圧を計算して電気角を推定することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、永久磁石同期モータ（２０）で発生する誘起電圧を演算し、その演算値である演算誘起電圧に基づいて前記モータの電気角を推定する電気角推定手段（１１０）を備え、前記推定した電気角である推定電気角に基づいて前記モータを駆動制御するモータ制御装置において、
前記電気角推定手段（１１０）は、前記モータのインダクタンスによる電圧成分を含めない簡易誘起電圧を演算により求める簡易誘起電圧演算手段（１１１）と、前記簡易誘起電圧の誤差を補償するための補正ゲインとモータ電流との対応関係を記憶した補正ゲイン記憶手段（１１２）と、前記モータの駆動制御時におけるモータ電流に基づいて、前記補正ゲイン記憶手段から前記モータ電流に対応する前記補正ゲインを取得する補正ゲイン取得手段（１１３）と、前記補正ゲイン取得手段（１１３）により取得した補正ゲインを用いて前記簡易誘起電圧の誤差を補償する誤差補償手段（１１４）とを備えたことにある。

本発明のモータ制御装置は、永久磁石同期モータを駆動制御するものであり、その駆動制御にあたって必要となる電気角を電気角推定手段により推定する。電気角は、永久磁石同期モータで発生する誘起電圧に基づいて推定することができる。例えば、モータで発生する誘起電圧を所定時間毎に計算して求め、この誘起電圧からモータの推定角速度を計算する。そして、この推定角速度でモータが所定時間当たりに回転する量を電気角加算量として計算し、所定時間前の推定電気角に電気角加算量をモータ回転方向に加算することで推定電気角を算出するとよい。こうした演算処理は、マイクロコンピュータにより実施することができる。

モータで発生する誘起電圧は、モータに流れる電流と、モータに印加される電圧とから計算することができるが、その計算式には、モータのインダクタンスＬによる電圧成分（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）が含まれるため、電流の微分演算が必要となる。このため、電気角推定手段の演算負担が大きくなってしまう。そこで、本発明においては、電流の微分演算を行わずに電気角を推定するために、簡易誘起電圧演算手段と、補正ゲイン記憶手段と、補正ゲイン取得手段と、誤差補償手段とを備えている。

簡易誘起電圧演算手段は、モータのインダクタンスによる電圧成分を含めない簡易誘起電圧を演算により求める。簡易誘起電圧演算手段で演算された簡易誘起電圧には、インダクタンスによる電圧成分だけ誤差が生じる。この誤差は、モータ電流とモータ角速度とに応じて変化する。また、モータで発生する誘起電圧はモータ角速度に比例することから、インダクタンスによる電圧成分を含めない簡易誘起電圧と実際の誘起電圧との比は、モータ電流と相関関係を有することになる。そこで、補正ゲイン記憶手段は、この簡易誘起電圧の誤差を補償するための補正ゲインとモータ電流との対応関係を記憶している。補正ゲイン取得手段は、モータの駆動制御時におけるモータ電流に基づいて、補正ゲイン記憶手段からモータ電流に対応する補正ゲインを取得する。そして、誤差補償手段が、補正ゲイン取得手段により取得した補正ゲインを用いて簡易誘起電圧の誤差を補償する。

従って、電流の微分演算を行わなくても精度良く誘起電圧を推定することができる。この結果、マイクロコンピュータの演算負荷を高めずに精度良く電気角を推定することができる。また、マイクロコンピュータに高い演算処理能力を必要としなく、低コストにて実施することができる。尚、補正ゲイン記憶手段は、補正ゲインとモータ電流との対応関係をマップあるいは計算式にて記憶しておくとよい。また、モータ電流としては、モータを駆動制御するためのモータ指令電流であってもよいし、実際にモータに流れた実電流であってもよい。

本発明の他の特徴は、前記補正ゲイン記憶手段（１１２）は、前記モータ電流が大きくなるほど小さくなる値に設定される補正ゲイン（ＫL）を記憶し、前記誤差補償手段（１３４）は、前記簡易誘起電圧に前記補正ゲインを乗じた値を前記演算誘起電圧とすることにある。

実際の誘起電圧（ｅ）に対する簡易誘起電圧（ｅ’）の比（ｅ’／ｅ）は、モータ電流が大きくなるほど大きくなる。そこで、本発明においては、モータ電流が大きくなるほど小さくなる値に設定される補正ゲイン（ＫL）を記憶しており、簡易誘起電圧に補正ゲインを乗じた値を演算誘起電圧として求める。従って、簡易誘起電圧の誤差を簡単に補償することができる。尚、補正ゲインは、１以下の正の値である。

本発明の他の特徴は、車両のステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを出力する永久磁石同期モータ（２０）を駆動制御するモータ制御装置（１００）であることにある。

この場合、操舵ハンドルからステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ（２１）と、前記操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクが大きくなるほど前記操舵アシストトルクが大きくなるようにモータ指令電流を演算するモータ指令電流演算手段（１０１）と、前記モータの電気角を検出するための回転角センサ（２２）と、前記回転角センサの異常を検出するためのセンサ異常検出手段（１３１）と、前記モータ指令電流演算手段により演算されたモータ指令電流にしたがって、前記回転角センサの異常が検出されていないときには前記回転角センサにより検出された電気角を用いて前記モータを駆動制御し、前記回転角センサの異常が検出されているときには前記電気角推定手段により算出された推定電気角を用いて前記モータを駆動制御する（１３２）とよい。

本発明においては、車両の電動パワーステアリング装置の電気アクチュエータとして永久磁石同期モータを備えており、この永久磁石同期モータを駆動制御する。モータ制御装置は、操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクが大きくなるほど操舵アシストトルクが大きくなるようにモータ指令電流を演算し、モータに流れる電流がモータ指令電流に追従するようにモータの通電を制御する。この場合、回転角センサにより検出された電気角を用いて、モータに流す電流の位相を制御する。回転角センサに異常が発生したときには、そのままモータを駆動制御することができなくなる。そこで、回転角センサの異常を検出するためのセンサ異常検出手段を備え、回転角センサの異常が検出されたときには、推定電気角を用いてモータを駆動制御する。

操舵アシストの制御に加えて、電気角の推定演算処理を行おうとすると、マイクロコンピュータの演算負担が大きくなってしまう。そこで、本発明においては、微分演算処理の要らない簡易誘起電圧と、予め記憶された補正ゲインとを用いて推定電気角を演算するため、演算負担が少なくてすむ。この結果、低コストにて、操舵アシスト制御にセンサレス制御を適切に組み込むことが可能となる。

本発明の他の特徴は、前記補正ゲイン記憶手段は、前記補正ゲイン（ＫL）と前記モータ指令電流（Ｉｑ＊）との対応関係を記憶し、前記補正ゲイン取得手段は、前記モータ指令電流に基づいて、前記補正ゲイン記憶手段から前記モータ指令電流に対応する前記補正ゲインを取得することにある。

本発明においては、モータ電流として、モータ指令電流を用いる。従って、補正ゲイン記憶手段には、補正ゲインとモータ指令電流との対応関係が記憶されており、補正ゲイン取得手段が、モータ指令電流に基づいて、モータ指令電流に対応する補正ゲインを取得する。

尚、上記説明においては、発明の理解を助けるために、実施形態に対応する発明の構成に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、発明の各構成要件を前記符号によって規定される実施形態に限定させるものではない。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 アシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。 電気角推定部の処理を表す機能ブロック図である。 アシストマップを表すグラフである。 誘起電圧の計算説明に用いるモータの回路図である。 簡易誘起電圧の誤差特性を表すグラフである。 モータ電流に応じて変化する実誘起電圧に対する簡易誘起電圧の比を表すグラフである。 補償ゲインマップを表すグラフである。 変形例としての電気角推定部の処理を表す機能ブロック図である。 変形例としての電気角推定部の処理を表す機能ブロック図である。

以下、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置について図面を用いて説明する。図１は、同実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成を表している。

この電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル１１の操舵操作により転舵輪を転舵するステアリング機構１０と、ステアリング機構１０に組み付けられ操舵アシストトルクを発生する電動モータ２０と、電動モータ２０を駆動するためのモータ駆動回路３０と、電動モータ２０の作動を制御する電子制御装置１００とを主要部として備えている。以下、電子制御装置１００をアシストＥＣＵ１００と呼ぶ。アシストＥＣＵ１００は、本発明のモータ制御装置に相当する。

ステアリング機構１０は、操舵ハンドル１１の回転操作により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲを転舵するための機構で、操舵ハンドル１１を上端に一体回転するように接続したステアリングシャフト１２を備える。このステアリングシャフト１２の下端には、ピニオンギヤ１３が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ１３は、ラックバー１４に形成されたラック歯と噛み合って、ラックバー１４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー１４の両端には、タイロッド１５Ｌ，１５Ｒを介して左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲのナックル（図示略）が操舵可能に接続されている。左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲは、ステアリングシャフト１２の軸線回りの回転に伴うラックバー１４の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。

ラックバー１４には、電動モータ２０が組み付けられている。電動モータ２０は、本発明の永久磁石同期モータに相当するものであり、本実施形態においては、その代表例である３相ブラシレスＤＣモータが用いられる。電動モータ２０（以下、単にモータ２０と呼ぶ）の回転軸は、ボールねじ機構１６を介してラックバー１４に動力伝達可能に接続されていて、その回転により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲに転舵力を付与して操舵操作をアシストする。ボールねじ機構１６は、減速機および回転−直線変換器として機能するもので、モータ２０の回転を減速するとともに直線運動に変換してラックバー１４に伝達する。

ステアリングシャフト１２には、操舵トルクセンサ２１が設けられる。操舵トルクセンサ２１は、例えば、ステアリングシャフト１２の中間部に介装されたトーションバー（図示略）の捩れ角度をレゾルバ等により検出し、この捩れ角に基づいてステアリングシャフト１２に働いた操舵トルクＴｒを検出する。操舵トルクＴｒは、正負の値により操舵ハンドル１１の操作方向が識別される。本実施形態においては、操舵ハンドル１１の右方向への操舵時における操舵トルクＴｒを正の値で、操舵ハンドル１１の左方向への操舵時における操舵トルクＴｒを負の値で示す。尚、本実施形態においては、トーションバーの捩れ角度をレゾルバにより検出するが、エンコーダ等の他の回転角センサにより検出することもできる。

モータ２０には、回転角センサ２２が設けられる。この回転角センサ２２は、モータ２０内に組み込まれ、モータ２０の回転子の回転角度位置に応じた検出信号を出力するもので、例えば、レゾルバにより構成される。回転角センサ２２は、モータ２０の回転角θｍを表す検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。アシストＥＣＵ１００は、この回転角θｍからモータ２０の電気角θｅを検出する。尚、モータ２０の電気角θｅは、回転角センサ２２により検出された電気角と、後述する推定により求めた電気角との２種類あるため、両者を区別する必要がある場合には、回転角センサ２２により検出された電気角を実電気角θｅａと呼び、推定により求めた電気角を推定電気角θｅｂと呼ぶ。また、本実施形態においては、回転角センサ２２としてレゾルバを使用しているが、エンコーダ等の他の回転角センサを用いることもできる。

モータ駆動回路３０は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor）からなる６個のスイッチング素子３１〜３６により３相インバータ回路を構成したものである。具体的には、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２とを直列接続した回路と、第３スイッチング素子３３と第４スイッチング素子３４とを直列接続した回路と、第５スイッチング素子３５と第６スイッチング素子３６とを直列接続した回路とを並列接続し、各直列回路における２つのスイッチング素子間（３１−３２，３３−３４，３５−３６）からモータ２０への電力供給ライン３７を引き出した構成を採用している。

モータ駆動回路３０には、モータ２０に流れる電流を検出する電流センサ３８が設けられる。この電流センサ３８は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに流れる電流をそれぞれ検出し、その検出した電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwに対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の電流値をモータ相電流Ｉuvwと総称する。また、モータ駆動回路３０には、モータ２０の端子電圧を検出する電圧センサ３９が設けられる。電圧センサ３９は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の端子電圧をそれぞれ検出し、その検出した電圧値Ｖu,Ｖv，Ｖwに対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の端子電圧をモータ端子電圧Ｖuvwと総称する。

モータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６は、それぞれゲートがアシストＥＣＵ１００に接続され、アシストＥＣＵ１００から出力されるＰＷＭ制御信号によりデューティ比が制御される。これによりモータ２０の駆動電圧が目標電圧に調整される。

アシストＥＣＵ１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを主要部として構成される。アシストＥＣＵ１００は、操舵トルクセンサ２１、回転角センサ２２、電流センサ３８、電圧センサ３９、および、車速を検出する車速センサ２５を接続し、操舵トルクＴｒ、回転角θｍ、モータ相電流Ｉu，Ｉv，Ｉw、モータ端子電圧Ｖu,Ｖv，Ｖw、車速ｖを表す検出信号を入力する。そして、入力した検出信号に基づいて、運転者の操舵操作に応じた最適な操舵アシストトルク（以下、単にアシストトルクと呼ぶ）が得られるようにモータ２０に流す指令電流を演算し、その指令電流が流れるようにモータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６のデューティ比を制御する。

次に、電動パワーステアリング装置の電源供給系統について説明する。電動パワーステアリング装置は、車載電源装置８０から電源供給される。車載電源装置８０は、定格出力電圧１２Ｖの一般的な車載用のバッテリ８１と、エンジンの回転により発電する定格出力電圧１４Ｖのオルタネータ８２とを並列接続して構成される。車載電源装置８０には、電源供給元ライン８３と接地ライン８４が接続される。電源供給元ライン８３は、制御系電源ライン８５と駆動系電源ライン８６とに分岐する。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００に電源供給するための電源ラインとして機能する。駆動系電源ライン８６は、モータ駆動回路３０とアシストＥＣＵ１００との両方に電源供給する電源ラインとして機能する。

制御系電源ライン８５には、イグニッションスイッチ８７が接続される。駆動系電源ライン８６には、主電源リレー８８が接続される。この主電源リレー８８は、アシストＥＣＵ１００からの制御信号によりオンしてモータ２０への電力供給回路を形成するものである。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００の電源＋端子に接続されるが、連結ライン９０を介して、主電源リレー８８よりも負荷側となる駆動系電源ライン８６にも接続される。また、制御系電源ライン８５には、イグニッションスイッチ８７よりも負荷側（アシストＥＣＵ１００側）にダイオード８９がアノードを車載電源装置８０側に向けて設けられる。連結ライン９０には、ダイオード９１がアノードを駆動系電源ライン８６側に向けて設けられる。従って、連結ライン９０を介して駆動系電源ライン８６から制御系電源ライン８５には電源供給できるが、制御系電源ライン８５から駆動系電源ライン８６には電源供給できないような回路構成となっている。駆動系電源ライン８６および接地ライン８４は、モータ駆動回路３０の電源入力部に接続される。また、接地ライン８４は、アシストＥＣＵ１００の接地端子にも接続される。

次に、アシストＥＣＵ１００が行うモータ２０の制御について説明する。アシストＥＣＵ１００は、モータ２０の回転子に設けられた永久磁石の磁界が貫く方向にｄ軸、ｄ軸に直交する方向（ｄ軸に対して電気角がπ／２だけ進んだ方向）にｑ軸を定めたｄ−ｑ座標を用いた電流ベクトル制御によってモータ２０の回転を制御する。電気角θｅは、Ｕ相コイルを貫く軸とｄ軸との回転角となる。電流ベクトルのｄ軸成分をｄ軸電流と呼び、ｑ軸成分をｑ軸電流と呼ぶ。ｑ軸電流は、ｑ軸方向に磁界が発生するように作用する。従って、ｑ軸電流は、モータトルクを発生させる。一方、ｄ軸電流は、ｄ軸方向に磁界を発生させるため、モータトルクを発生できず、弱め界磁制御に使用される。アシストＥＣＵ１００は、最大のモータトルク効率を得るために、電流ベクトルがｑ軸上を移動するように電流位相を制御する（ｄ軸電流をゼロ）。

アシストＥＣＵ１００は、こうした電流ベクトル制御を行うにあたって、電気角θｅを検出することによりｄ−ｑ座標を定める。この電気角θｅは、回転角センサ２２により検出される回転角信号から求められるが、回転角センサ２２が故障した場合には、電気角θｅを求めることができない。そこで、アシストＥＣＵ１００は、回転角センサ２２が故障した場合には、後述する処理により推定電気角θｅｂを算出し、その推定電気角θｅｂを使って電流ベクトル制御を行う。推定電気角θｅｂを使って行うモータ制御をセンサレス制御と呼ぶ。

次に、アシストＥＣＵ１００の機能について図２を用いて説明する。図２は、アシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。アシストＥＣＵ１００は、アシスト電流指令部１０１を備えている。アシスト電流指令部１０１は、図４に示すように、操舵トルクＴｒと車速ｖとに応じて目標アシストトルクＴ＊を設定するためのアシストマップを記憶している。アシスト電流指令部１０１は、操舵トルクセンサ２１から出力される操舵トルクＴｒ及び車速センサ２５から出力される車速ｖを入力して、このアシストマップを参照することにより目標アシストトルクＴ＊を計算する。この場合、目標アシストトルクＴ＊は、操舵トルクＴｒの増加にしたがって増加するとともに車速ｖの増加にしたがって減少する。尚、図４は、右方向の操舵時におけるアシストマップであって、左方向の操舵時におけるアシストマップは、右方向のものに対して操舵トルクＴｒと目標アシストトルクＴ＊の符号をそれぞれ反対（つまり負）にしたものとなる。アシスト電流指令部１０１は、計算した目標アシストトルクＴ＊をトルク定数で除算することにより、ｄ−ｑ座標におけるｑ軸指令電流Ｉｑ＊を算出する。また、アシスト電流指令部１０１は、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊をゼロ（Ｉｄ＊＝０）に設定する。

このように計算されたｑ軸指令電流Ｉｑ＊とｄ軸指令電流Ｉｄ＊は、フィードバック制御部１０２に出力される。フィードバック制御部１０２は、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸実電流Ｉｑを減算した偏差ΔＩｑを算出し、この偏差ΔＩｑを使った比例積分制御によりｑ軸実電流Ｉｑがｑ軸指令電流Ｉｑ＊に追従するようにｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を計算する。同様に、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸実電流Ｉｄを減算した偏差ΔＩｄを算出し、この偏差ΔＩｄを使った比例積分制御によりｄ軸実電流Ｉｄがｄ軸指令電流Ｉｄ＊に追従するようにｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を計算する。

ｑ軸実電流Ｉｑおよびｄ軸実電流Ｉｄは、モータ２０のコイルに実際に流れた３相電流の検出値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標の２相電流に変換したものである。この３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwからｄ−ｑ座標の２相電流Ｉｄ，Ｉｑへの変換は、３相／２相座標変換部１０３によって行われる。３相／２相座標変換部１０３は、電気角選択部１３２から出力される電気角θｅを入力し、その電気角θｅに基づいて、電流センサ３８により検出した３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標の２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。

３相座標からｄ−ｑ座標に変換する変換行列Ｃは次式（１）にて表される。

尚、電気角選択部１３２は、後述するが、回転角センサ２２の異常が検出されていないときは、モータ２０の実電気角θｅａを電気角θｅとして出力し、回転角センサ２２の異常が検出されているときは、モータ２０の推定電気角θｅｂを電気角θｅとして出力する。

フィードバック制御部１０２により算出されたｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊は、２相／３相座標変換部１０５に出力される。２相／３相座標変換部１０５は、電気角選択部１３２から出力される電気角θｅに基づいて、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換して、その変換した３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭ信号発生部１０６に出力する。ＰＷＭ信号発生部１０６は、３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応したＰＷＭ制御信号をモータ駆動回路３０のスイッチング素子３１〜３６に出力する。これによりモータ２０が駆動され、目標アシストトルクＴ＊に追従したアシストトルクがステアリング機構１０に付与される。

回転角センサ２２から出力される回転検出信号は、実電気角変換部１３０とセンサ異常検出部１３１とに出力される。実電気角変換部１３０は、回転角センサ２２により出力される回転検出信号からモータ２０の実電気角θｅａを算出し、算出した実電気角θｅａを電気角選択部１３２に出力する。センサ異常検出部１３１は、回転角センサ２２から出力される回転検出信号に基づいて、回転角センサ２２の異常を検出する。回転角センサ２２としてレゾルバを採用した場合には、レゾルバ内の検出用コイルや励磁用コイルが断線したり絶縁不良を起こしたりすることが考えられる。そこで、センサ異常検出部１３１は、検出用コイルの出力信号の振幅を監視し、その振幅が予め設定した許容範囲から外れた場合には、センサ異常と判定する。また、検出用コイルは、出力信号がπ／２だけ位相がずれるように一対設けられるため、２つの出力信号を比較して異常を検出することもできる。例えば、一方の検出用コイルから正弦波信号が出力されているときに、他方の検出用コイルから一定値信号が出力されているときなど、２つの出力信号の組み合わせが矛盾するケースにおいても異常であると判定することができる。センサ異常検出部１３１は、このようにして回転角センサ２２の異常の有無を判定し、異常の有無を表すセンサ異常判定信号Ｆを出力する。センサ異常検出部１３１は、例えば、異常有りと判定した場合には、センサ異常判定信号Ｆを「１」に設定し、異常無しと判定した場合にはセンサ異常判定信号Ｆを「０」に設定する。

回転角センサ２２に異常が発生した場合には、電気角を検出できなくなるため、電流ベクトル制御にてモータ２０を駆動できなくなる。そこで、アシストＥＣＵ１００には、回転角センサ２２の異常時においてもモータ２０の回転制御を継続できるように、電気角を推定する電気角推定部１１０を備えている。電気角推定部１１０は、センサ異常判定信号（Ｆ＝１）を入力すると作動を開始する。電気角推定部１１０は、マイクロコンピュータのプログラム制御により実施される機能に着目すると、図３に示すように、簡易誘起電圧演算部１１１と、補正ゲインマップ記憶部１１２と、補正ゲイン設定部１１３と、誘起電圧補正部１１４と、推定角速度演算部１１５と、電気角加算量演算部１１６と、回転方向推定部１１７と、推定電気角演算部１１８とから構成される。

ここで、モータ２０で発生する誘起電圧の計算方法について説明する。図５に示すように、モータ２０のＵ相の誘起電圧をｅu、Ｖ相の誘起電圧をｅv、Ｗ相の誘起電圧をｅwとすると、誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwは次式（２），（３），（４）にて求められる。
ｅu＝Ｖu−Ｉu・Ｒ−Ｌ・（ｄＩu／ｄｔ）−Ｖm ・・・（２）
ｅv＝Ｖv−Ｉv・Ｒ−Ｌ・（ｄＩv／ｄｔ）−Ｖm ・・・（３）
ｅw＝Ｖw−Ｉw・Ｒ−Ｌ・（ｄＩw／ｄｔ）−Ｖm ・・・（４）
ここで、Ｒは各相のコイルの巻線抵抗、Ｌは各相のコイルのインダクタンス、Ｖmは中点電圧である。中点電圧Ｖmは、Ｖm＝（Ｖu＋Ｖv＋Ｖw）／３として計算することができる。

誘起電圧の計算式（２）、（３）、（４）には、インダクタンスＬによる電圧成分を表す微分項が含まれる。このため、この計算式を用いて演算する場合には、マイクロコンピュータの演算負担が大きくなる。そこで、簡易誘起電圧演算部１１１は、微分項を除いた次式（５）、（６）、（７）にて３相の誘起電圧を簡易計算する。この場合、簡易誘起電圧演算部１１１は、電圧センサ３９から出力されるモータ端子電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを表す検出信号と、電流センサ３８から出力されるモータ相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを表す検出信号とを入力して計算する。
ｅu＝Ｖu−Ｉu・Ｒ−Ｖm ・・・（５）
ｅv＝Ｖv−Ｉv・Ｒ−Ｖm ・・・（６）
ｅw＝Ｖw−Ｉw・Ｒ−Ｖm ・・・（７）

簡易誘起電圧演算部１１１は、次式（８）により、３相の誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwを２相のｄ−ｑ座標系における誘起電圧ｅｄ，ｅｑに変換し、次式（９）により、モータ２０の誘起電圧ｅ’を求める。以下、微分項を除いて計算した誘起電圧ｅ’を簡易誘起電圧ｅ’と呼ぶ。

簡易誘起電圧演算部１１１は、簡易誘起電圧ｅ’の演算結果を誘起電圧補正部１１４に出力する。尚、式（８）における電気角θｅは、現時点において推定されている電気角となる。つまり、後述するように所定の短い周期で繰り返し計算される推定電気角θｅｂの最新値が使用される。

誘起電圧補正部１１４は、簡易誘起電圧演算部１１１により演算された簡易誘起電圧ｅ’と補正ゲイン設定部１１３により設定された補正ゲインＫLとを入力し、簡易誘起電圧ｅ’に補正ゲインＫLを乗じることにより、補正した誘起電圧ｅを演算する（ｅ＝ＫL・ｅ’）。

補正ゲイン設定部１１３は、アシスト電流指令部１０１からｑ軸指令電流Ｉｑ＊を入力するとともに、補正ゲインマップ記憶部１１２に記憶されている補正ゲインマップを参照して、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊に応じた補正ゲインＫLを設定し、補正ゲインＫLを誘起電圧補正部１１４に出力する。補正ゲインマップ記憶部１１２は、図８に示すように、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊と補正ゲインＫLとの対応関係を設定した補正ゲインマップを記憶している。ｑ軸指令電流Ｉｑ＊は、本発明のモータ電流、あるいは、モータ指令電流に相当する。

ここで補正ゲインＫLの設定について説明する。上記のように簡易計算式を用いてモータ２０の誘起電圧（簡易誘起電圧）を演算した場合、図６に示すように、簡易誘起電圧には、モータ２０の角速度および電流値に応じた誤差Δｅが発生する。図６は、代表的なモータ電流値ごとに、モータ角速度に対応する誘起電圧の誤差（簡易誘起電圧−実誘起電圧）をプロットした特性図である。

誘起電圧は、基本的にモータ角速度に比例するという特性を有する。従って、実誘起電圧に対する簡易誘起電圧の比を求めた場合、その比（簡易誘起電圧／実誘起電圧）は、図７に示すように、モータ電流に応じた値となり、モータ電流が大きくなるほど大きくなる。このため、簡易誘起電圧とモータ電流とが分かれば、実誘起電圧に相当する誘起電圧を求めることができる。つまり、図７に示した特性に基づいて、モータ電流に応じた誘起電圧比（簡易誘起電圧／実誘起電圧）の逆数を、簡易誘起電圧に乗じることで実誘起電圧に相当する誘起電圧を求めることができる。

そこで、本実施形態においては、図８に示ように、モータ電流に応じた誘起電圧比の逆数を補正ゲインＫLとして設定した補正ゲインマップを予め作成して補正ゲインマップ記憶部１１２に記憶しておく。この補正ゲインマップにおいては、補正ゲインＫLは、１以下の正の値であって、モータ電流が大きくなるほど小さくなる値に設定される。この場合、補正ゲイン設定部１１３は、補正ゲインマップにおけるモータ電流としてｑ軸指令電流Ｉｑ＊を用いて、補正ゲインマップからｑ軸指令電流Ｉｑ＊に対応した補正ゲインＫLを設定する。

従って、誘起電圧補正部１１４により演算された誘起電圧ｅ、つまり、簡易誘起電圧ｅ’に補正ゲインＫLを乗算した誘起電圧ｅ（＝ＫL・ｅ’）は、簡易演算により生じる誤差が補償されて、実誘起電圧に近い値となる。誘起電圧補正部１１４により演算された誘起電圧ｅは、推定角速度演算部１１５に出力される。

推定角速度演算部１１５は、モータ２０で発生する誘起電圧ｅとモータ角速度とが比例関係を有することを利用して、モータ角速度ωを次式（１０）により推定する。
ω＝ｅ／Ｋｅ ・・・（１０）
Ｋｅは、モータ２０の角速度と誘起電圧との関係を表すモータ誘起電圧定数〔Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）〕である。以下、推定されたモータ角速度ωを推定角速度ωと呼ぶ。

推定角速度演算部１１５は、演算結果である推定角速度ωを電気角加算量演算部１１６に出力する。電気角推定部１１０は、マイクロコンピュータにより所定の短い演算周期にて各種の演算処理を行う。従って、推定角速度ωと演算周期とから、１演算周期の間にモータ２０の回転子が回転した電気角を求めることができる。そこで、電気角加算量演算部１１６は、１演算周期の間にモータ２０の回転子が回転した電気角を電気角加算量Δθとして計算する。

この場合、電気角を加算する方向、つまり、モータ２０の回転方向を判別する必要があるため、電気角加算量演算部１１６は、回転方向推定部１１７からモータ２０の回転方向を表す情報を入力する。回転方向推定部１１７は、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒの向きをモータ２０の回転方向とみなして、操舵トルクＴｒの向き（符号）を表す情報として出力する。

電気角加算量Δθは次式（１１）により算出される。
Δθ＝Ｋｆ・ｓｉｇｎ（Ｔｒ）・ω ・・・（１１）
ここでＫｆは、モータ角速度（ｒａｄ／ｓ）から１演算周期のあいだにモータ２０の回転子が回転する電気角（ｒａｄ）を求めるための定数であり、演算周期（ｓ）に相当する。また、ｓｉｇｎ（Ｔｒ）は、操舵トルクＴｒの符号（ステアリングシャフト１２に働くトルクの方向）を表し、操舵トルクＴｒが正の値またはゼロであればｓｉｇｎ（Ｔｒ）＝１、操舵トルクＴｒが負の値であればｓｉｇｎ（Ｔｒ）＝−１となる。

電気角加算量演算部１１６は、演算結果である電気角加算量Δθを推定電気角演算部１１８に出力する。推定電気角演算部１１８は、１周期前の演算タイミングで算出した推定電気角θｅｂ(n-1)を記憶しており、この推定電気角θｅｂ(n-1)に電気角加算量Δθを加算することにより現在の推定電気角θｅｂ(n)を算出する。推定電気角θｅｂ(n)は、次式（１２）にて表される。
θｅｂ(n)＝θｅｂ（n-1)＋Δθ ・・・（１２）

この場合、推定電気角θｅｂ（n-1)の初期値は、センサ異常検出部１３１により回転角センサ２２の異常が検出される直前の値としている。推定電気角演算部１１８は、回転角センサ２２の異常が検出されていない時から、実電気角変換部１３０が出力する実電気角θｅａを入力して記憶更新し、センサ異常検出部１３１の出力するセンサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２の異常を表す「１」に切り替わったことを検出すると、異常検出直前の実電気角θｅａを推定電気角θｅｂ（n-1)に設定して、上述した推定電気角θｅｂ(n)の演算を開始する。また、その後は、算出した推定電気角θｅｂ(n)を次の演算周期における式（１２）での推定電気角θｅｂ（n-1)として使用するため、推定電気角θｅｂ(n)を推定電気角θｅｂ（n-1)として逐次記憶更新する。以下、推定電気角θｅｂ(n)を単に推定電気角θｅｂと呼ぶ。

推定電気角演算部１１８は、算出した推定電気角θｅｂを電気角選択部１３２に出力する。電気角選択部１３２は、実電気角θｅａと推定電気角θｅｂとを入力し、センサ異常検出部１３１からセンサ異常判定信号Ｆを読み込んで、センサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２が異常であることを表す「１」である場合には推定電気角θｅｂを選択する。また、センサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２が正常であることを表す「０」である場合には実電気角θｅａを選択する。電気角選択部１３２は、選択した実電気角θｅａまたは推定電気角θｅｂを電気角θｅとして出力する。

電気角θｅは、３相／２相座標変換部１０４，２相／３相座標変換部１０５に出力され、上述した座標変換演算に用いられる。従って、アシストＥＣＵ１００は、回転角センサ２２の異常が検出されているときは、推定電気角により定義されるｄ−ｑ座標を使って電流ベクトル制御を行う。

以上説明した本実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、モータ２０のインダクタンスＬによる電圧分を含めない簡易誘起電圧ｅ’を計算するとともに、モータ電流と補正ゲインとの関係を記憶した補正ゲインマップを参照して簡易誘起電圧ｅ’を補正して誘起電圧誤差を補償する。従って、アシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータの演算負担の軽減と、電気角の推定精度確保とを両立することができる。このため、回転角センサ２２の異常時においても、良好にモータ２０を駆動制御することができる。また、マイクロコンピュータに高い演算処理能力を必要としなく、低コストにて実施することができる。

以上、本実施形態の電動パワーステアリング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、簡易誘起電圧ｅ’に補正ゲインＫLを乗じて誘起電圧ｅを計算したが、図９に示すように、補正ゲインＫLを推定角速度演算部１１５に入力し、推定角速度ωの計算時に補正ゲインＫLを乗じるようにしても実質的に実施形態と同一である。この場合、モータ角速度ωは、次式（１３）により計算される。
ω＝ＫL・ｅ’／Ｋｅ ・・・（１３）

また、図１０に示すように、補正ゲインＫLを電気角加算量演算部１１６に入力し、電気角加算量Δθの計算時に補正ゲインＫLを乗じるようにしても実質的に実施形態と同一である。この場合、電気角加算量Δθは次式（１４）により計算される。
Δθ＝ＫL・Ｋｆ・ｓｉｇｎ（Ｔｒ）・ω ・・・（１４）

また、本実施形態においては、モータ電流と補正ゲインとの対応関係を補正ゲインマップという形態で記憶しているが、補正ゲインマップに代えて、モータ電流に応じて変化する補正ゲインＫLを定義した関数を記憶しておき、その関数を用いて補正ゲインＫLを計算するようにしてもよい。

また、本実施形態では、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒの方向をモータ２０の回転方向とみなして推定電気角を演算するが、操舵角センサ等、モータ２０の回転方向を検出できるセンサを備えている場合には、そのセンサの検出値を使ってモータ２０の回転方向を推定するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、推定電気角の初期値θｅｂ（n-1)として、回転角センサ２２の異常が検出される直前の実電気角θｅａの値を用いているが、それに代えて固定値など任意の値を用いても良い。これは、初期の推定電気角が実電気角と相違していても、モータ２０が回転しているうちに、電流ベクトルの方向に永久磁石が引き寄せられて同期するからである。

また、本実施形態においては、モータ２０の発生するトルクをラックバー１４に付与するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置について説明したが、モータ２０の発生するトルクをステアリングシャフト１２に付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置であってもよい。

また、本実施形態においては、電動パワーステアリング装置のモータを制御対象としているが、制御対象は、必ずしも、電動パワーステアリング装置のモータに限るものではない。

１０…ステアリング機構、１１…操舵ハンドル、２０…電動モータ、２１…操舵トルクセンサ、２２…回転角センサ、２５…車速センサ、３０…モータ駆動回路、３８…電流センサ、３９…電圧センサ、１００…電子制御装置（アシストＥＣＵ）、１０１…アシスト電流指令部、１０２…フィードバック制御部、１０３…３相／２相座標変換部、１０５…２相／３相座標変換部、１０６…ＰＷＭ制御信号発生部、１１０…電気角推定部、１１１…簡易誘起電圧演算部、１１２…補正ゲインマップ記憶部、１１３…補正ゲイン設定部、１１４…誘起電圧補正部、１１５…推定角速度演算部、１１６…電気角加算量演算部、１１７…回転方向推定部、１１８…推定電気角演算部、１３０…実電気角変換部、１３１…センサ異常検出部、１３２…電気角選択部、ｅ…誘起電圧、ｅ’…簡易誘起電圧、ＫL…補正ゲイン、θｅｂ…推定電気角、θｅａ…実電気角。

Claims (5)

1. 永久磁石同期モータで発生する誘起電圧を演算し、その演算値である演算誘起電圧に基づいて前記モータの電気角を推定する電気角推定手段を備え、前記推定した電気角である推定電気角に基づいて前記モータを駆動制御するモータ制御装置において、
   前記電気角推定手段は、
   前記モータのインダクタンスによる電圧成分を含めない簡易誘起電圧を演算により求める簡易誘起電圧演算手段と、
   前記簡易誘起電圧の誤差を補償するための補正ゲインとモータ電流との対応関係を記憶した補正ゲイン記憶手段と、
   前記モータの駆動制御時におけるモータ電流に基づいて、前記補正ゲイン記憶手段から前記モータ電流に対応する前記補正ゲインを取得する補正ゲイン取得手段と、
   前記補正ゲイン取得手段により取得した補正ゲインを用いて前記簡易誘起電圧の誤差を補償する誤差補償手段と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記補正ゲイン記憶手段は、前記モータ電流が大きくなるほど小さくなる値に設定される補正ゲインを記憶し、
   前記誤差補償手段は、前記簡易誘起電圧に前記補正ゲインを乗じた値を前記演算誘起電圧とすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 車両のステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを出力する永久磁石同期モータを駆動制御するモータ制御装置であることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 操舵ハンドルからステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
   前記操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクが大きくなるほど前記操舵アシストトルクが大きくなるようにモータ指令電流を演算するモータ指令電流演算手段と、
   前記モータの電気角を検出するための回転角センサと、
   前記回転角センサの異常を検出するためのセンサ異常検出手段と、
   前記モータ指令電流演算手段により演算されたモータ指令電流にしたがって、前記回転角センサの異常が検出されていないときには前記回転角センサにより検出された電気角を用いて前記モータを駆動制御し、前記回転角センサの異常が検出されているときには前記電気角推定手段により算出された推定電気角を用いて前記モータを駆動制御することを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
5. 前記補正ゲイン記憶手段は、前記補正ゲインと前記モータ指令電流との対応関係を記憶し、
   前記補正ゲイン取得手段は、前記モータ指令電流に基づいて、前記補正ゲイン記憶手段から前記モータ指令電流に対応する前記補正ゲインを取得することを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。

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