JP2017127105A - モータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの入力側に混入する高調波の外乱を推定し、推定された外乱推定値を入力側にフィードバックして外乱を相殺する機能を具備したモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】電流指令値を電流制御部で電圧指令値としてモータを駆動すると共に、モータの電流検出値が前記電流指令値にフィードバックされているモータ制御装置において、モータの入力側に混入する外乱を推定し、推定された外乱推定値を入力側にフィードバックして外乱を相殺する外乱オブザーバを具備する。【選択図】図５

Description

本発明は、電流指令値に基づきＰＷＭ制御のための電圧制御指令値を演算し、電圧制御指令値によりインバータ（モータ駆動回路）を介してモータを駆動するモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置に関し、特にモータの入力側に混入する高調波の外乱を推定し、外乱推定値をモータ入力側にフィードバックして外乱を相殺する外乱オブザーバを具備したモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を搭載し、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ制御のDutyの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、電源としてのバッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｓとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。舵角θを検出する舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、モータ２０に連結された回転センサから得ることもできる。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等を含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図２に示されるような構成となっている。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０からの操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２からの車速Ｖｓは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１は操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。演算された電流指令値Ｉｒｅｆ１は最大出力制限部３２で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Ｉｒｅｆ２が減算部３３に加算入力される。減算部３３にはモータ電流検出値ｉが減算入力されており、減算された偏差ΔＩ（＝Ｉｒｅｆ２−ｉ）は電流制御部３４でＰＩ（比例積分）等の電流制御をされ、電流制御された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３５に入力されてDutyを演算され、Dutyを演算されたＰＷＭ信号でインバータ３６を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出器３７で検出され、減算部３３に入力されてフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置において、従来の技術では、外乱オブザーバは入力の指令通りにモータ電流が出力されているかを監視し、それらに差異が生じる場合、その差を無くすように動作する。即ち、扱う対象がモータ電流の基本波成分であり、トルクリップルの原因となる高調波成分でない点が問題である。

特許第４３０７１５４号公報

モータ制御装置若しくは電動パワーステアリング装置における外乱ノイズの除去に関して、特許第４３０７１５４号公報（特許文献１）には外乱オブザーバ回路を設けてノイズを除去する手法が開示されている。即ち、特許文献１では、電流制御ループ内に外乱オブザーバを設け、入力の指令値通りにモータ電流が出力しているかを監視し、それらに差異（偏差）が生じる場合に、その差異を無くすように動作する。

しかしながら、特許文献１の外乱オブザーバでは、制御対象をモータ電流の基本波成分としているため、５次や７次といった高調波成分についてのノイズを除去できない課題があり、トルクリップルを抑制できない。また、モータのトルクリップルの低減には、別途フィルタや補償回路の追加が必要であり、電流制御系の構成が複雑化するという問題がある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、モータの入力側に混入する高調波の外乱を推定し、推定された外乱推定値を入力側にフィードバックして外乱を相殺する機能を具備したモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、電流指令値を電流制御部で電圧指令値としてモータを駆動すると共に、前記モータの電流検出値が前記電流指令値にフィードバックされているモータ制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記モータの入力側に混入する外乱を推定し、推定された外乱推定値を前記入力側にフィードバックして前記外乱を相殺する外乱オブザーバを具備することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記外乱が、前記モータの相電流に重畳する高調波成分であることにより、或いは前記外乱オブザーバが、前記電流検出値を入力する前記モータの逆モデルと、前記外乱が混入する前の前記電圧制御指令値を抽出するフィルタと、前記逆モデルの出力及び前記フィルタの出力の偏差を前記外乱推定値とする減算部とで構成されていることにより、或いは前記モータの抵抗成分をＲ、インダクタンス成分をＬ、ｓをラプラス演算子としたとき、前記モータのモデルを１／（Ｌ・ｓ＋Ｒ）とし、フィルタ時定数Ｔ_ｆを用いて、前記逆モデルを（Ｌ・ｓ＋Ｒ）／（Ｔ_ｆ・ｓ＋１）とし、前記フィルタを１／（Ｔ_ｆ・ｓ＋１）としていることにより、より効果的に達成される。

本発明のモータ制御装置によれば、モータの相電流に重畳する高調波成分を電流ループに混入する外乱とみなし、推定された外乱推定値をフィードバックして外乱を相殺しているので、モータ電流の高調波成分を抑制することができる。このような高調波成分の抑制によりモータのトルクリップルを抑制でき、別途回路を追加する必要がなく、電流制御系の構成を簡素化できる効果を有する。

上記モータ制御装置を電動パワーステアリング装置に搭載することにより、信頼性高いＥＣＵを具備した電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 モータの構造例を示す構造図である。 モータの磁束密度の一例を示す特性図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を特性図である。 本発明の動作例を特性図である。

本発明のモータ制御装置によれば、モータの相電流に重畳する高調波成分（例えば５次、７次）を電流ループに混入する外乱とみなし、外乱混入前の電圧制御指令値をフィルタで抽出し、モータ逆モデルとの偏差から外乱を推定している。外乱推定値をフィードバックして外乱を相殺しているので、モータ電流の高調波成分を抑制することができる。このような高調波成分の抑制によりモータのトルクリップルを抑制でき、別途回路（ハードウェア）を追加する必要がなく、電流制御系の構成を簡素化できる効果を有する。

図３は、モータのロータ２０１及びステータ２０２の構造例を断面斜視的に示しており、ステータ２０２のスロット部２０２Ａに発生する磁束密度波形（半周期分）は、理想的には図４の実線のようになる。しかしながら、実際には鉄心の磁気飽和により破線のように波形歪みを生じ、５次高調波成分が発生する。この５次高調波成分が誘導起電力、更には相電流に５次高調波成分を重畳させる。

ここで、モータ電流の高調波成分が及ぼす悪影響について説明する。

誘導起電力（ＥＭＦ）、相電流共に、基本波以外に５次高調波及び７次高調波を含んでいると想定すると、相電圧のＥＭＦ（逆起電圧）ｅ_ｕ，ｅ_ｖ，ｅ_ｗに関して下記数１が成り立ち、相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗに関して下記数２が成り立つ。

数１において、相電圧の基本波成分に対する５次高調波及び７次高調波の含有率をそれぞれγ_５及びγ_７とすると、数１は下記数３となる。

ただし、ω_ｅは電気角速度［rad/sec］、Ｋ_ｅは起電力係数［V/(rad/sec)］である。

また、数２において、相電流の基本波成分に対する５次高調波及び７次高調波の含有率をそれぞれδ_５及びδ_７とすると、数２は下記数４となる。

ただし、Ｉａは基本波成分の電流振幅［Ａ］である。

このとき、トルクＴｍ［Ｎｍ］は、下記数５で表わされる。

ただし、ω_ｍは機械角速度［rad/sec］である。

数５に数３及び数４を代入して整理すると、下記数６が成立する。

数６より、ＥＭＦ（逆起電圧）及び相電流に重畳する５次高調波成分及び７次高調波成分が、トルクの第６次高調波成分、第１２次高調波成分の原因となることが確認できる。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図５は本発明の構成例を示しており、相電流に重畳する高調波成分を電流ループに注入される外乱δと見なす。ＰＩ制御部３４と伝達関数“１／（Ｌ・ｓ＋Ｒ）”のモータモデル２００との間に外乱オブザーバ１００が設けられている。Ｒはモータの抵抗成分、Ｌはモータのインダクタンス成分、Ｔｆはフィルタ時定数であり、外乱オブザーバ１００はモータの逆モデル１０１と、フィルタ１０２と、偏差としての外乱推定値δ^＊を求める減算部１０３と、外乱δが混入する加算部１０５と、外乱δを相殺する減算部１０４とで構成されている。逆モデル１０１の伝達関数は“（Ｌ・ｓ＋Ｒ）／（Ｔ_ｆ・ｓ＋１）”であり、フィルタ１０２の伝達関数は“１／（Ｔ_ｆ・ｓ＋１）”である。

モータモデル２００の出力であるモータ電流検出値ｉは、下記数７で表される。

また、外乱オブザーバ１００の減算部１０３から出力される外乱推定値δ^＊は、下記数８で表される。

つまり、モータ電流検出値ｉが逆モデル１０１を経ることにより、その出力Ｉ_１は下記数９となる。
（数９）
Ｉ_１＝（Ｖｒｅｆ−δ^＊＋δ）／（Ｔ _ｆ ・ｓ＋１）
フィルタ１０２の入力は“Ｖｒｅｆ−δ^＊”であり、その出力Ｉ_２は下記数１０である。
（数１０）
Ｉ_２＝（Ｖｒｅｆ−δ^＊）／（Ｔ _ｆ ・ｓ＋１）
よって、減算部１０３の出力である外乱推定値δ^＊は上記数８となる。
ここで、数８を数７に代入すると、数１１が成立する。

ただし、モータ巻線の時定数τ＝Ｌ／Ｒである。

ここで、図６は伝達関数１／（１＋ｓτ）の角周波数特性を示しており、図７は伝達関数ｓＴｆ／（１＋ｓＴｆ）の角周波数特性を示している。図７の伝達関数Ｇ_Ｈ（ｓ）＝ｓＴｆ／（１＋ｓＴｆ）において、各周波数ωが遮断周波数ωＨより十分小さい、即ちω＜＜ωＨの関係が成り立つ場合、下記数１２と近似できる。

この関係を数１１に適用すると、下記数１３となり、出力電流ｉは外乱δの影響を受けない。

なお、モータ巻線の時定数τと外乱オブザーバ１００のフィルタ時定数Ｔｆとは、

の関係、即ち、

の関係を満足する必要がある。

上述のように本発明によれば、外乱オブザーバが電流ループのマイナーループとして組み込まれており、モータの入力側に混入する高調波成分（例えば５次、７次）の外乱を推定し、外乱推定値を入力側にフィードバックして外乱を相殺しているので、モータ電流の高調波成分を抑制することができ、トルクリップルも抑制できる。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
２０ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１ 電流指令値演算部
３４ 電流制御部
３５ ＰＷＭ制御部
３６ インバータ
１００ 外乱オブザーバ
１０１ モータ逆モデル
１０２ フィルタ
２００ モータモデル

Claims (5)

1. 電流指令値を電流制御部で電圧指令値としてモータを駆動すると共に、前記モータの電流検出値が前記電流指令値にフィードバックされているモータ制御装置において、
   前記モータの入力側に混入する外乱を推定し、推定された外乱推定値を前記入力側にフィードバックして前記外乱を相殺する外乱オブザーバを具備したことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記外乱が、前記モータの相電流に重畳する高調波成分である請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記外乱オブザーバが、
   前記電流検出値を入力する前記モータの逆モデルと、前記外乱が混入する前の前記電圧制御指令値を抽出するフィルタと、前記逆モデルの出力及び前記フィルタの出力の偏差を前記外乱推定値とする減算部とで構成されている請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータの抵抗成分をＲ、インダクタンス成分をＬ、ｓをラプラス演算子としたとき、前記モータのモデルを１／（Ｌ・ｓ＋Ｒ）とし、フィルタ時定数Ｔ_ｆを用いて、前記逆モデルを（Ｌ・ｓ＋Ｒ）／（Ｔ_ｆ・ｓ＋１）とし、前記フィルタを１／（Ｔ_ｆ・ｓ＋１）としている請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ制御装置を搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシストトルクを付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置。