JP2022093137A - モータの制御装置、制御方法、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者が感じる操舵フィーリングを改善する。【解決手段】モータの制御装置は、プロセッサと、プロセッサの動作を制御するプログラムを記憶するメモリとを備える。プロセッサは、プログラムに従って、切替信号に応答して、ｎ（ｎは３以上の整数）相通電制御からｎ－１相通電制御に切り替えることと、トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得することと、獲得したトルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成することと、０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲においてプレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成することと、電流指令値に基づいてｎ－１相通電制御を行うこととを実行する。【選択図】図６

Description

本開示は、モータの制御装置、制御方法、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置に関する。

一般の自動車は、電動モータ（以降、単に「モータ」と表記する。）およびモータの制御装置を備える電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）を搭載している。電動パワーステアリング装置は、運転者のハンドル（またはステアリングホイール）操作を、モータを駆動することによりアシストする装置である。

電動パワーステアリング装置に搭載されるモータまたはインバータの一部に不具合が生じた場合であってもモータ駆動を継続させて、運転者のハンドル操作をアシストする技術が開発されている。不具合の例は、モータの巻線の断線またはインバータに含まれるスイッチ素子の故障などである。そのような不具合が特定の巻線への電力供給にのみ影響を及ぼす場合、残りの正常な巻線に電力を供給し続けることによってモータ駆動を継続させることが可能となる。

特許文献１は、通常、３相の巻線を導通する通電制御を行い、モータの巻線のいずれかの相に通電不良が生じた場合、正常な残りの２相の巻線を通電する通電制御を行うことによって、アシストを継続することが可能な電動パワーステアリング装置を開示している。この電動パワーステアリング装置において、発生するモータトルクがアシスト力目標値を下回ることによって操舵速度が減速する減速区間において、加速制御を実行することによりモータの回転角速度が上昇する。これにより、減速区間において、運転者が操舵操作に引っ掛かりを覚えることを抑制できるとされている。

特許第５０２９３１２号

モータやインバータに不具合が生じた場合において、運転者のハンドル操作のアシストを継続するときに運転者が感じる操舵感を改善することが望まれる。

本開示の実施形態は、ｎ相の巻線を通電する通電制御からｎ－１相の巻線を通電する通電制御に切り替えたときに運転者が感じる操舵フィーリングを改善することが可能なモータの制御装置、当該制御装置を備えるモータモジュール、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置、および、モータの制御方法を提供する。

本開示の制御装置は、非限定的で例示的な実施形態において、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータを備える電動パワーステアリング装置に用いられる、前記モータを制御するための制御装置であって、前記ｎ相の巻線を通電するｎ相通電制御、または、ｎ－１相の巻線を通電するｎ－１相通電制御を行うことが可能であり、プロセッサと、前記プロセッサの動作を制御するプログラムを記憶するメモリと、を備え、前記プロセッサは、前記プログラムに従って、切替信号に応答して、前記ｎ相通電制御から前記ｎ－１相通電制御に切り替えることと、トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得することと、獲得した前記トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成することと、０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲において前記プレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成することと、前記電流指令値に基づいて前記ｎ－１相通電制御を行うことと、を実行する。

本開示のモータモジュールは、非限定的で例示的な実施形態において、モータと、上記の制御装置と、を備える。

本開示の電動パワーステアリング装置は、非限定的で例示的な実施形態において、上記のモータモジュールを備える。

本開示の制御方法は、非限定的で例示的な実施形態において、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータを備える電動パワーステアリング装置に用いられる、前記モータを制御するための制御方法であって、前記ｎ相の巻線を通電するｎ相通電制御、または、ｎ－１相の巻線を通電するｎ－１相通電制御を前記モータに適用することが可能であり、切替信号に応答して、前記ｎ相通電制御から前記ｎ－１相通電制御に切り替えることと、トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得することと、獲得した前記トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成することと、０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲において前記プレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成することと、前記電流指令値に基づいて前記ｎ－１相通電制御を行うことと、を包含する。

本開示の例示的な実施形態によると、ｎ相の巻線を通電する通電制御からｎ－１相の巻線を通電する通電制御に切り替えたときに運転者が感じる操舵フィーリングを改善することが可能なモータの制御装置、当該制御装置を備えるモータモジュール、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置、および、モータの制御方法が提供される。

図１は、本開示の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成例を模式的に示す図である。 図２は、本開示の実施形態に係る制御装置の構成の典型例を示すブロック図である。 図３は、本開示の実施形態に係る制御装置のプロセッサが実行する処理の機能ブロックを例示する機能ブロック図である。 図４は、トルク制御部の構成例を示す機能ブロック図である。 図５は、電流制御部の構成例を示す機能ブロック図である。 図６は、電流指令値演算部の構成例を示す機能ブロック図である。 図７Ａは、Ｕ相失陥時における２相通電制御による相電流波形を例示するグラフである。 図７Ｂは、Ｕ相失陥時における２相通電制御によるモータトルク波形を例示するグラフである。 図８は、本開示の実施形態におけるディザ電流波形の例を示すグラフである。 図９は、比較例におけるディザ電流波形を示すグラフである。 図１０は、ディザ制御に用いるディザ電流波形を例示するグラフである。 図１１は、チャタリングが発生している相電流にディザ制御を適用した後の相電流波形を例示するグラフである。 図１２は、ディザ制御を適用しない場合の操舵角および操舵トルクの測定結果を示すグラフである。 図１３は、ディザ制御を適用した場合の操舵角および操舵トルクの測定結果を示すグラフである。

本発明者等が検討した結果、特許第５０２９３１２号に開示されるような減速区間においてハンドルの操舵角を保持しようとした場合、モータ電流にチャタリングが生じてモータトルクが振動し、結果として、ハンドルに振動が発生し得ることがわかった。意図しないこの振動は、運転者が感じる操舵感を悪化させてしまう。特許第５０２９３１２号に開示された加速制御を実行したとしても、この悪化を防ぐことが困難である。

本発明者等は、電流指令値の演算にディザ制御を適用することによって操舵感の悪化を抑制し得ることを見出し本発明に至った。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電動パワーステアリング装置に搭載されるモータの制御装置、制御方法、当該制御装置を備えるモータモジュール、および、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

以下の実施形態は、例示であり、本開示による電動パワーステアリング装置に搭載されるモータの制御装置、制御方法は、以下の実施形態に限られない。例えば、以下の実施形態で示される数値、ステップ、そのステップの順序等は、あくまでも一例であり、技術的に矛盾が生じない限りにおいて種々の改変が可能である。以下に説明する各実施形態は、あくまでも例示であり、技術的に矛盾が生じない限りにおいて種々の組み合わせが可能である。

［１．電動パワーステアリング装置１０００の構成］
図１は、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１０００の構成例を模式的に示す図である。

電動パワーステアリング装置１０００（以降、「ＥＰＳ」と表記する。）は、ステアリングシステム５２０、および補助トルクを生成する補助トルク機構５４０を有する。ＥＰＳ１０００は、運転者がハンドルを操作することによって発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより、運転者の操作の負担が軽減される。

ステアリングシステム５２０は、例えば、ハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを備える。

補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、舵角センサ５４２、自動車用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００、モータ５４３、減速ギア５４４、インバータ５４５およびトーションバー５４６を備える。操舵トルクセンサ５４１は、トーションバー５４６の捩じれ量を検出することにより、ステアリングシステム５２０における操舵トルクを検出する。舵角センサ５４２は、ハンドルの操舵角を検出する。なお、操舵トルクは、操舵トルクセンサの値ではなく、演算より導出される推定値であってもよい。操舵角は角度センサの出力値に基づいて演算することも可能である。

ＥＣＵ１００は、操舵トルクセンサ５４１、舵角センサ５４２、車両に搭載された車速センサ（不図示）などによって検出される検出信号に基づいてモータ駆動信号を生成し、インバータ５４５に出力する。例えば、インバータ５４５は、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の擬似正弦波である三相交流電力にモータ駆動信号に従って変換し、モータ５４３に供給する。モータ５４３は、例えば表面磁石型同期モータ（ＳＰＭＳＭ）またはスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）であり、三相交流電力の供給を受けて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ５４３は、減速ギア５４４を介してステアリングシステム５２０に生成した補助トルクを伝達する。以降、ＥＣＵ１００を、ＥＰＳの制御装置１００と記載することとする。

制御装置１００とモータとはモジュール化され、モータモジュールとして製造および販売される。モータモジュールはモータおよび制御装置１００を備え、ＥＰＳに好適に利用される。または、制御装置１００は、モータとは独立して、ＥＰＳを制御するための制御装置として製造および販売され得る。

［２．制御装置１００の構成例］
図２は、本実施形態に係る制御装置１００の構成の典型例を示すブロック図である。制御装置１００は、例えば、電源回路１１１と、角度センサ１１２と、入力回路１１３と、通信Ｉ／Ｆ１１４と、駆動回路１１５と、ＲＯＭ１１６と、プロセッサ２００とを備える。制御装置１００は、それらの電子部品を実装したプリント配線基板（ＰＣＢ）として実現され得る。

車両に搭載された車速センサ３００、操舵トルクセンサ５４１および舵角センサ５４２が、プロセッサ２００に電気的に接続され、車速センサ３００、操舵トルクセンサ５４１および舵角センサ５４２からプロセッサ２００に、それぞれ、車速、操舵トルクおよび操舵角が送信される。

制御装置１００は、インバータ５４５（図１を参照）に電気的に接続される。制御装置１００は、インバータ５４５が有する複数のスイッチ素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）のスイッチング動作を制御する。具体的には、制御装置１００は、各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号（以降、「ゲート制御信号」と表記する。）を生成してインバータ５４５に出力する。

制御装置１００は、トーショントルクなどに基づいてトルク指令値を生成し、例えばベクトル制御によってモータ５４３のトルクおよび回転速度を制御する。制御装置１００は、ベクトル制御に限らず、他のクローズドループ制御を行い得る。回転速度は、単位時間（例えば１分間）にロータが回転する回転数（ｒｐｍ）または単位時間（例えば１秒間）にロータが回転する回転数（ｒｐｓ）で表される。ベクトル制御は、モータに流れる電流を、トルクの発生に寄与する電流成分と、磁束の発生に寄与する電流成分とに分解し、互いに直交する各電流成分を独立に制御する方法である。

電源回路１１１は、外部電源（不図示）に接続されており、回路内の各ブロックに必要なＤＣ電圧を生成する。生成されるＤＣ電圧は例えば３Ｖまたは５Ｖである。

角度センサ１１２は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。または、角度センサ１１２は、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ１１２は、ロータの回転角を検出してプロセッサ２００に出力する。制御装置１００は、角度センサ１１２の代わりに、モータの回転速度、加速度を検出する速度センサ、加速度センサを備え得る。

入力回路１１３は、電流センサ（不図示）によって検出されたモータ電流値（以下、「実電流値」と表記する。）を受け取って、実電流値のレベルをプロセッサ２００の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をプロセッサ２００に出力する。入力回路１１３の典型例は、アナログデジタル変換回路である。

プロセッサ２００は、半導体集積回路であり、中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロプロセッサとも称される。プロセッサ２００は、ＲＯＭ１１６に格納された、モータ駆動を制御するための命令群を記述したコンピュータプログラムを逐次実行し、所望の処理を実現する。プロセッサ２００は、ＣＰＵを搭載したＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＡＳＳＰ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒｏｄｕｃｔ）を含む用語として広く解釈される。プロセッサ２００は、実電流値およびロータの回転角などに従って電流指令値を設定してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成し、駆動回路１１５に出力する。

通信Ｉ／Ｆ１１４は、例えば、車載のコントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）に準拠してデータの送受信を行うための入出力インタフェースである。

駆動回路１１５は、典型的にはゲートドライバ（またはプリドライバ）である。駆動回路１１５は、ゲート制御信号をＰＷＭ信号に従って生成し、インバータ５４５が有する複数のスイッチ素子のゲートにゲート制御信号を与える。駆動対象が低電圧で駆動可能なモータであるとき、ゲートドライバは必ずしも必要とされない場合がある。その場合、ゲートドライバの機能は、プロセッサ２００に実装され得る。

ＲＯＭ１１６は、プロセッサ２００に電気的に接続される。ＲＯＭ１１６は、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ１１６は、プロセッサ２００にモータ駆動を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。

図３は、本開示の例示的な実施形態に係る制御装置１００のプロセッサ２００が実行する処理（またはタスク）の機能ブロックを例示する機能ブロック図である。本開示の例示的な実施形態におけるプロセッサ２００は、トルク制御部２１０および電流制御部２２０を含む複数の機能ブロックによって実現され得る。

操舵トルクセンサ５４１によって検出されたトーショントルクＴ_ｔｏｒがトルク制御部２１０に入力する。トルク制御部２１０はトーショントルクＴ_ｔｏｒに基づいてトルク指令値Ｔ_ｒｅｆを生成する。

本実施形態におけるモータは、巻線同士がスター結線された３相モータである。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相を流れる相電流が、それぞれ、実電流値Ｉ_ｍとして電流センサによって検出される。実電流値Ｉ_ｍ、モータの電気角θ_ｍおよびトルク指令値Ｔ_ｒｅｆが電流制御部２２０に入力する。電流制御部２２０は、実電流値Ｉ_ｍ、モータの電気角θ_ｍおよびトルク指令値Ｔ_ｒｅｆに基づいて、Ｕ、ＶおよびＷ相についてのデューティ指令値Ｄｕｔｙ_ｕ、Ｄｕｔｙ_ｖ、Ｄｕｔｙ_ｗをそれぞれ演算して、駆動回路１１５に出力する。なお、トルク制御部２１０および電流制御部２２０のそれぞれの機能は後で詳細に説明する。

それぞれの機能ブロックの処理は、典型的に、ソフトウェアのモジュール単位でコンピュータプログラムに記述され、ＲＯＭ１１６に格納される。ただし、ＦＰＧＡなどを用いる場合、これらの機能ブロックの全部または一部は、ハードウェア・アクセラレータとして実装され得る。

各機能ブロックをソフトウェア（またはファームウェア）として制御装置１００に実装する場合、そのソフトウェアの実行主体は、プロセッサ２００であり得る。本開示のモータの制御装置は、ある実施形態において、プロセッサ２００と、プロセッサ２００の動作を制御するプログラムを記憶するメモリ１１６とを備える。プロセッサ２００は、プログラムに従って、（１）切替信号に応答して、３相通電制御から２相通電制御に切り替えることと、（２）トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得することと、（３）獲得したトルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成することと、（４）０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲においてプレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成することと、（５）電流指令値に基づいて２相通電制御を行うことと、を実行する。

各機能ブロックをソフトウェアおよび／またはハードウェアとして制御装置１００に実装する場合、他の一態様において、本開示のモータの制御装置１００は、故障検知部２２４から出力される切替信号に応答して、３相通電制御から２相通電制御に切り替え、電流制御部２２０に含まれる電流指令値演算部２２１によって演算される電流指令値に基づいて２相通電制御を行う。電流指令値演算部２２１は、トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得し、獲得したトルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成するプレ電流指令値演算部２２１ａと、０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲においてプレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成するディザ制御部２２１ｂとを含む。

図４は、トルク制御部２１０の構成例を示す機能ブロック図である。

図示される例において、トルク制御部２１０は、応答性位相制御部２１１、ベースアシスト演算部２１２、安定性位相補償部２１３、トルク微分補償部２１４および加算器２１５を含む。

応答性位相制御部２１１は、運転者がハンドルを操作するときに操舵周波数が取り得る範囲内においてアシストゲインを調整し、トーションバーの剛性を補償する。本実施形態において、上記範囲の例は５Ｈｚ以下である。応答性位相制御部２１１はトーショントルクＴ_ｔｏｒを取得する。応答性位相制御部２１１は、操舵周波数が５Ｈｚ以下であるときにトーショントルクＴ_ｔｏｒに１次の位相補償を適用することによって応答性位相補償トルクＴ_ｒｃを生成する。１次の位相補償は数１の数式の伝達関数によって表される。

ここで、ｓはラプラス変換子であり、ｆ_１は伝達関数のゼロ点の周波数（Ｈｚ）であり、ｆ_２は伝達関数の極の周波数（Ｈｚ）である。ゲイン（またはループゲイン）を縦軸にとり、周波数の対数を横軸にとったグラフはゲイン線図と呼ばれる。ゲイン線図において、ゼロ点は、ゲインカーブと０ｄＢを示す横軸との交点を意味し、極はゲインカーブの極大点を意味する。例えば、極の周波数を零点よりも大きくすることで位相進み補償を適用することができる。その周波数の間隔が大きいほど、位相進み量が多くなる。

ベースアシスト演算部２１２は、入力データとして応答性位相補償トルクＴ_ｒｃおよび車速ｖを取得する。ベースアシスト演算部２１２は、応答性位相補償トルクＴ_ｒｃおよび車速ｖに基づいてベースアシストトルクＴ_ｂａを生成する。例えば、ベースアシスト演算部２１２は、応答性位相補償トルクＴ_ｒｃ、車速ｖと、ベースアシストトルクＴｂａとの対応を規定するルックアップテーブル（ＬＵＴ）を有し得る。ベースアシスト演算部２１２は、ＬＵＴを参照して、応答性位相補償トルクＴ_ｒｃおよび車速ｖに基づいて、対応関係にあるベースアシストトルクＴ_ｂａを決定することができる。さらに、ベースアシスト演算部２１２は、応答性位相補償トルクＴ_ｒｃの変動量に対するベースアシストトルクＴ_ｂａの変化量の比率によって規定される傾きに基づいてベースアシストゲインｋを決定することができる。

安定性位相補償部２１３は、入力データとしてベースアシストトルクＴ_ｂａおよびベースアシストゲインｋを取得する。安定性位相補償部２１３は、ベースアシストトルクＴ_ｂａおよびベースアシストゲインｋに基づいて安定性位相補償トルクＴ_Ｓｃを生成する。安定性位相補償部２１３は、例えば、安定化補償器を用いてベースアシストトルクＴ_ｂａに安定性位相補償を適用することができる。安定化補償器は、ベースアシストゲインｋに応じて周波数特性が可変である２次以上の伝達関数を有し得る。２次以上の伝達関数は、応答性のパラメータωおよびダンピングのパラメータζを用いて表される。２次以上の伝達関数は、例えば数２の数式によって表すことができる。伝達関数の次数を２次とすることで伝達関数の特性にダンピングを与えることができる。ダンピングを変えることで位相特性を調整することが可能となる。

ここで、ｓはラプラス変換子であり、ω_１はゼロ点の周波数であり、ω_２は極の周波数であり、ζ_１はゼロ点のダンピングであり、ζ_２は極のダンピングである。ゲイン線図において、ゼロ点は、ゲインカーブと０ｄＢを示す横軸との交点を意味し、極はゲインカーブの極大点を意味する。極の周波数ω_２はゼロ点の周波数ω_１よりも小さい。

トルク微分補償部２１４は、トーショントルクＴ_ｔｏｒの時間変化量に基づいて微分補償トルクＴ_ｄｃを演算する。トルク微分補償部２１４は、例えば数３の数式によって表される伝達関数に基づいて微分補償トルクＴ_ｄｃを演算することができる。ここでＴは時定数である。

加算器２５１は、安定性位相補償トルクＴ_Ｓｃおよび安定性位相補償トルクＴ_Ｓｃに基づいてトルク指令値Ｔ_ｒｅｆを生成する。具体的に説明すると、加算器２５１は、安定性位相補償トルクＴ_Ｓｃに微分補償トルクＴ_ｄｃを加算してトルク指令値Ｔ_ｒｅｆを生成する。

上述したトルク制御部２１０によれば、トルク微分補償および位相進み補償を適用することで、トーショントルクに対するモータトルクの応答性を高めることが可能となる。その結果、後述するデッドポイント後に生じ得るモータトルクの急激な出力変動が抑えられ、操舵感を向上させることができる。

図５は、電流制御部２２０の構成例を示す機能ブロック図である。図６は、電流指令値演算部２２１の構成例を示す機能ブロック図である。

図示される例において、電流制御部２２０は、電流指令値演算部２２１、電圧指令値演算部２２２、ＰＷＭ変調部２２３および故障検知部２２４を含む。電流制御部２２０は、例えばベクトル制御に従って、トルク指令値Ｔ_ｒｅｆに基づいて電圧指令値Ｖ_ｒｅｆを演算する。電流制御部２２０は、電圧指令値Ｖ_ｒｅｆを基づいてＰＷＭ信号であるデューティ指令値Ｄｕｔｙを生成し、駆動回路１１５に出力する。

電流制御部２２０は、電流指令値Ｉ_ｒｅｆに基づいて、正常時の制御において３相の巻線を通電する３相通電制御を行い、異常時の制御において３相のうちの２相の巻線を通電する２相通電制御を行う。

先ず、本実施形態における故障検知について説明する。

本実施形態において、電流制御部２２０は、正常時の制御および異常時の制御を含む制御モードに応じてモータの巻線を通電することが可能である。例えば、正常とは、巻線の断線またはインバータに含まれるスイッチ素子のオープンまたはショート故障など不具合が生じていない状態を意味する。異常は、上記の不具合が生じている状態を意味する。

電流制御部２２０は、制御モードとして正常時の制御が選択されているとき、３相の巻線を通電する３相通電制御を行い、制御モードとして異常時の制御が選択されているとき、２相の巻線を通電する２相通電制御を行うことが可能である。

故障検知部２２４は、３相の巻線の中に通電できない巻線があるかどうかを監視し、巻線またはインバータに含まれるスイッチ素子の故障を検知する。故障検知の一例として、故障検知部２２４は、３相の相電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗと、３相の電流指令値Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕ}、Ｉ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＩ_{ｒｅｆ＿ｗ}とのそれぞれの差分に基づいて巻線またはスイッチ素子の故障を相毎に検知することが可能である。３相の相電流は、それぞれ、例えばインバータの各相のレグに含まれるシャント抵抗によって検出することができる。故障検知の他の例として、故障検知部２２４は、電流値を推定して故障相を特定することができる。または、故障検知部２２４は、スイッチ素子（典型例はＭＯＳＦＥＴ）のドレイン－ソース間の電圧Ｖ_ｄｓを監視し、所定の閾値電圧とＶ_ｄｓとを比較することによって、スイッチ素子の故障を検知することができる。ただし、故障検知は、これらの手法に限られず、故障検知に関する公知の手法を広く用いることができる。

故障検知は、モータを制御するためのＥＣＵ（制御装置１００）に搭載されるプロセッサ２００によって行われる必要は必ずしもなく、例えば、プロセッサ２００にＣＡＮによって通信可能に接続された、別のＥＣＵに搭載されるプロセッサよっても行われ得る。

故障検知部２２４は、通電できない相の故障を検出したことに応答して故障検知信号ＦＤを生成する。故障検知部２２４は、巻線またはスイッチ素子の故障を検知すると、故障検知信号ＦＤを電流指令値演算部２２１に通知する。電流指令値演算部２２１は、故障検知信号ＦＤを切替信号として受信する。例えば、故障検知信号ＦＤがアサートされると、電流指令値演算部２２１は、それに応答して、制御装置１００のモータ制御を３相通電制御から２相通電制御に切り替える。

故障検知部２２４は、例えばインバータのＵ相のレグに含まれるハイサイドスイッチ素子の故障を検知すると、故障検知信号ＦＤをアサートする。この故障をＵ相失陥と記載する。電流指令値演算部２２１は、アサートされた故障検知信号ＦＤに応答して、３相通電制御から、３相のうちの、Ｕ相以外のＶ、Ｗ相の巻線を通電する２相通電制御に切り替える。同様に、故障検知部２２４は、例えばインバータのＶ相のレグに含まれるハイサイドスイッチ素子の故障を検知すると、故障検知信号ＦＤをアサートする。この故障をＶ相失陥と記載する。電流指令値演算部２２１は、アサートされた故障検知信号ＦＤに応答して、３相通電制御から、３相のうちの、Ｖ相以外のＵ、Ｗ相の巻線を通電する２相通電制御に切り替える。故障検知部２２４は、例えばインバータのＷ相のレグに含まれるハイサイドスイッチ素子の故障を検知すると、故障検知信号ＦＤをアサートする。この故障をＷ相失陥と記載する。電流指令値演算部２２１は、アサートされた故障検知信号ＦＤに応答して、３相通電制御から、３相のうちの、Ｗ相以外のＵ、Ｖ相の巻線を通電する２相通電制御に切り替える。

図示される例において、電流指令値演算部２２１は、プレ電流指令値演算部２２１ａおよびディザ制御部２２１ｂを含む。

電流指令値演算部２２１は、トルク指令値Ｔ_ｒｅｆ、モータの電気角θ_ｍおよび、３相の相電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗを含むモータの実電流値Ｉ_ｍを獲得する。電流指令値演算部２２１は、獲得したトルク指令値Ｔ_ｒｅｆ、モータの電気角θ_ｍ、３相の相電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖおよびＩ_ｗに基づいて、３相の電流指令値Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕ}、Ｉ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＩ_{ｒｅｆ＿ｗ}を演算する。

制御装置１００が正常時のモータ制御を行うとき、３相モータの出力は、例えば数４の数式によって表すことができる。Ｕ、ＶおよびＷ相の相電圧は、それぞれ、数５、数６および数７の数式で表される。ここで、Ｔはモータトルク［Ｎｍ］であり、Ｐｎは極対数であり、Ψ_ｆは鎖交磁束［ｗｂ］であり、ωはモータの電気角θ_ｍの角速度［ｒａｄ／ｓ］である。Ψ_ｆはモータの実電流値Ｉ_ｍとモータのリアクタンスＬの積（Ｉ_ｍ・Ｌ）で表される。ωはθ_ｍを時間微分することで得られる。

本実施形態では、Ｕ、ＶおよびＷ相のうちのＵ相の通電に不具合が生じた場合を仮定し、ＶおよびＷ相の巻線を通電する２相通電制御を行う異常時のモータ制御の例を説明する。この２相通電制御において、各相電流は数８の数式で与えられる。ｉ_{２ｐｈａｓｅ}は、Ｕ相、Ｖ相に流れる相電流であり、モータの実電流値Ｉ_ｍに相当する。

数式５から８を数式４に適用して整理すると数９の数式が得られる。さらに、数式９をｉ_{２ｐｈａｓｅ}について整理すると数１０の数式が得られる。ここでφは位相オフセット［ｒａｄ］である。Ｕ相の通電に不具合が生じた場合、φ＝０である。Ｖ相の通電に不具合が生じた場合、φ＝π／３である。Ｗ相の通電に不具合が生じた場合、φ＝－π／３である。

２相通電制御においては、数式１１に示されるように最大電流値制限が設定される。相電流を最大電流値に制限し、電流ｉ_{２ｐｈａｓｅ}をトルク指令値Ｔ_ｒｅｆに対するプレ電流指令値としている。より詳細には、Ｕ相のプレ電流指令値Ｉ_{ｐｒｅｆ＿ｕ}はゼロとする。Ｖ相のプレ電流指令値Ｉ_{ｐｒｅｆ＿ｖ}はｉ_{２ｐｈａｓｅ}とする。Ｗ相のプレ電流指令値Ｉ_{ｐｒｅｆ＿ｗ}は－ｉ_{２ｐｈａｓｅ}とする。本明細書において、後述するディザ制御を適用する前の電流指令値をプレ電流指令値と呼び、ディザ制御を適用した後の電流指令値と区別することとする。

プレ電流指令値演算部２２１ａは、数１１の数式に基づいてプレ電流指令値Ｉ_{ｐｒｅｆ＿ｖ}、Ｉ_{ｐｒｅｆ＿ｗ}を演算して生成する。数１１の数式は、数１２の数式で表されるトルク定数Ｋ_ｔ［Ｎｍ／Ａｒｍｓ］を用いて電流ｉ_{２ｐｈａｓｅ}を表す。

ディザ制御部２２１ｂは、０から２πまでの電気角の範囲のうちの、デッドポイントの範囲においてプレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成する。ディザ制御部２２１ｂは、０から２πまでの電気角の範囲のうちの、デッドポイントの範囲以外の範囲においてプレ電流指令値にディザ制御を適用せずに、プレ電流指令値を電流指令値として決定する。

図７Ａは、Ｕ相失陥時における２相通電制御による相電流波形を例示するグラフである。図７Ｂは、Ｕ相失陥時における２相通電制御によるモータトルク波形を例示するグラフである。図７Ａおよび図７Ｂに、それぞれ、最大電流値制限を適用した相電流およびモータトルクの波形が例示されている。

本実施形態における３相通電制御および２相通電制御では、相電流の総和がゼロになるように相電流が制御される。２相通電制御においてＵ相の巻線を流れる電流は常にゼロとなるために、Ｖ相とＷ相とを流れる相電流の和がゼロとなる電気角が生じる。デッドポイントはこの電気角を意味する。図７Ａまたは図７Ｂにおいて、デッドポイントは、π／２または（３／２）πである。

デッドポイントの範囲は、デッドポイントおよびその前後の電気角の範囲を意味する。デッドポイントの範囲において、電流を指令してもモータに電流を流すことができないために、モータトルクがトルク指令値（または目標モータトルク）を下回る。デッドポイントの範囲は、π／４≦θ＋φ＜（３／４）π、または、（５／４）π≦θ＋φ＜（７／４）πの条件を満たす電気角の範囲を含む。本実施形態において、Ｕ相が失陥した場合、位相オフセットφはゼロである。デッドポイントの範囲は、π／４≦θ＜（３／４）π、または、（５／４）π≦θ＜（７／４）πの電気角の範囲に相当する。

図７Ｂに例示されるように、デッドポイント付近において、モータ出力が著しく低下する。デッドポイントの範囲と、デッドポイント以外の範囲との間でモータトルクの差が大きくなってしまい、トーショントルクの変動量が大きくなる。これが、デッドポイント付近においてハンドルの操舵角を保持しようとした場合、運転者が感じる操舵感をさらに悪化させてしまう要因となり得る。

ディザ制御部２２１ｂは、ディザ電流ｉ_{Ｄｉｔｈｅｒ}を数１３の数式に基づいて演算し、プレ電流指令値Ｉ_Ｐｒｅｆおよびディザ電流ｉ_{Ｄｉｔｈｅｒ}に基づいて電流指令値Ｉ_ｒｅｆを生成する。ここで、Ａ_{Ｄｉｔｈｅｒ}はディザ振幅であり、ｆ_{Ｄｉｔｈｅｒ}はディザ周波数である。ディザ電流ｉ_{Ｄｉｔｈｅｒ}は周期的な電流波形で表される。ディザ制御部２２１ｂは、デッドポイントの範囲以外の範囲では、数１４の数式に示されるようにディザ電流ｉ_{Ｄｉｔｈｅｒ}にゼロを設定する。ディザ電流ｉ_{Ｄｉｔｈｅｒ}にゼロを設定することは、実質的にディザ制御を適用しないことを意味する。

図８は、本実施形態におけるディザ電流波形の例を示すグラフである。図９は、比較例におけるディザ電流波形を示すグラフである。比較例によるディザ電流は数１５の数式で表される。本実施形態では、比較例によるディザ電流と比較して、ディザ電流を与える数１３の数式において、（１）ディザ電流の絶対値をとる点（図８を参照）、（２）右辺の最終項のｓｉｎ関数の出力にバイアスとして「－１」を付加している点が工夫されている。これらの工夫によって、デッドポイントの範囲においてディザ制御の効果を得ることが可能となる。

ディザ制御部２２１ｂは、プレ電流指令値がゼロ以上であるとき、プレ電流指令値からディザ電流を減算して電流指令値を生成し、プレ電流指令値がゼロ未満であるとき、プレ電流指令値にディザ電流を加算して電流指令値を生成する。換言すると、ディザ制御部２２１ｂは、数１６に示す条件が成立する場合、数１７の数式に基づいて電流指令値を生成し、数１６に示す条件が成立しない場合、数１８の数式に基づいて電流指令値を生成する。

ディザ制御部２２１ｂは、数１９の数式で与えられる、ディザ制御を適用した後の３相の電流指令値Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕ、}Ｉ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＩ_{ｒｅｆ＿ｗ}を出力する。なお、Ｕ相失陥時におけるＵ相の電流指令値Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕ}はゼロである。

図１０は、ディザ制御に用いるディザ電流波形を例示するグラフである。図１１は、チャタリングが発生している相電流にディザ制御を適用した後の相電流波形を例示するグラフである。

上述したように、２相通電制御では電流制限をかけているために、比較例によるディザ電流をプレ電流指令値に適用しても、電流チャタリングの抑制が不十分となり、その結果、ディザ制御の効果が得られない課題がある。これに対し、本実施形態によるディザ電流をプレ電流指令値に適用すれば、電流チャタリングが適切に抑制され、結果として、ディザ制御の十分な効果が得られる。

再び、図５を参照する。

電圧指令値演算部２２２は、電流指令値Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕ、}Ｉ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＩ_{ｒｅｆ＿ｗ}を取得する。電圧指令値演算部２２２は、電流指令値Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕ、}Ｉ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＩ_{ｒｅｆ＿ｗ}に基づいて電圧指令値Ｖ_{ｒｅｆ＿ｕ、}Ｖ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＶ_{ｒｅｆ＿ｗ}を演算する。Ｕ相失陥時における２相通電制御において、Ｖ_{ｒｅｆ＿ｕ}はゼロである。

ＰＷＭ変調部２２３は、電圧指令値Ｖ_{ｒｅｆ＿ｕ、}Ｖ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＶ_{ｒｅｆ＿ｗ}を取得する。ＰＷＭ変調部２２３は、電圧指令値Ｖ_{ｒｅｆ＿ｕ、}Ｖ_{ｒｅｆ＿ｖ}およびＶ_{ｒｅｆ＿ｗ}に基づいてデューティ指令値Ｄｕｔｙ_ｕ、Ｄｕｔｙ_ｖおよびＤｕｔｙ_ｗをそれぞれ演算して駆動回路１１５に出力する。

本発明者等は、プレ電流指令値にディザ制御を適用して得られる効果を、実車測定を行うことで確認した。実車測定において、２相通電制御を行い、デッドポイントの範囲で電流にチャタリングが生じているときにディザ制御の適用をオフからオンに切り替えることによってディザ制御の効果を測定した。

実車測定の条件は以下のとおりである：
（１）トルク定数Ｋ_ｔ：０．０４５２［Ｎｍ／Ａｒｍｓ］、（２）極対数Ｐｎ：４、（３）ディザ振幅Ａ_{Ｄｉｔｈｅｒ}：２［Ｎｍ］、（４）ディザ周波数ｆ_{Ｄｉｔｈｅｒ}：３０［Ｈｚ］、（５）モータの種類：ブラシレスモータ。ディザ振幅Ａ_{Ｄｉｔｈｅｒ}およびディザ周波数ｆ_{Ｄｉｔｈｅｒ}は変数として設定され、ＥＰＳが搭載される車種やモータの種類によって適宜決定され得る。

図１２は、ディザ制御を適用しない場合の操舵角および操舵トルクの測定結果を示すグラフである。図１３は、ディザ制御を適用した場合の操舵角および操舵トルクの測定結果を示すグラフである。グラフにおいて、破線は操舵角［ｄｅｇ］を示し、実線は操舵トルク［Ｎｍ］を示す。

ディザ制御を適用しない場合と比較して、ディザ制御を適用した場合、電流チャタリングが抑制された。その結果、ハンドルの振動も抑制され、具体的には、操舵トルクの変動量が５［Ｎｍ］程度減少することがわかった。

本実施形態に係るモータの制御装置１００によれば、モータの巻線のいずれかの相に通電不良が生じた場合において正常な相の残りの巻線を通電する通電制御を行うときに運転者が感じる操舵フィーリングを改善することが可能となる。例えば、２相通電制御を行うときに生じ得る、デッドポイント付近における電流チャタリングを抑制し、かつ、操舵トルク変動量を低減することが可能となる。これらの効果はハンドル操作の安全性の向上に寄与し得る。

本実施形態によるモータの制御装置または制御方法は、２個のインバータを用いてモータを駆動する、いわゆるダブルインバータ駆動を行うことが可能な二重巻線モータの制御装置としても利用され得る。例えば、２個のインバータの一方におけるＵ相が失陥した場合、２個のインバータを利用してＶ相およびＷ相の巻線を通電する２相通電制御を継続して行うことが可能となる。

本開示の実施形態は、車両に搭載されるＥＰＳを制御するためのモータの制御装置に利用され得る。

２００：プロセッサ、２１０：トルク制御部、２１１：応答性位相補償部、２１２：ベースアシスト演算部、２１３：安定性位相補償部、２１４：トルク微分補償部、２１５：加算器、２２０：電流制御部、２２１：電流指令値演算部、２２１ａ：プレ電流指令値演算部。２２１ｂ：ディザ制御部、２２２：電圧指令値演算部、２２３：ＰＷＭ変調部、２２４：故障検知部

Claims (12)

1. ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータを備える電動パワーステアリング装置に用いられる、前記モータを制御するための制御装置であって、
   前記ｎ相の巻線を通電するｎ相通電制御、または、ｎ－１相の巻線を通電するｎ－１相通電制御を行うことが可能であり、
   プロセッサと、
   前記プロセッサの動作を制御するプログラムを記憶するメモリと、
   を備え、
   前記プロセッサは、前記プログラムに従って、
   切替信号に応答して、前記ｎ相通電制御から前記ｎ－１相通電制御に切り替えることと、
   トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得することと、
   獲得した前記トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成することと、
   ０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲において前記プレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成することと、
   前記電流指令値に基づいて前記ｎ－１相通電制御を行うことと、
   を実行する制御装置。
2. 前記プロセッサは、０から２πまでの前記電気角の範囲のうちの、前記デッドポイントの範囲以外の範囲において前記プレ電流指令値にディザ制御を適用せずに、前記プレ電流指令値を前記電流指令値として決定する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記デッドポイントの範囲は、π／４≦θ＋φ＜（３／４）π、または、（５／４）π≦θ＋φ＜（７／４）πの条件を満たす電気角の範囲を含み、ここで、θは前記電気角であり、φは位相オフセットである、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記プロセッサは、ディザ電流を数１の数式に基づいて演算し、前記プレ電流指令値および前記ディザ電流に基づいて前記電流指令値を生成し、
   

   

   ここで、ｉ_{Ｄｉｔｈｅｒ}は前記ディザ電流であり、Ａ_{Ｄｉｔｈｅｒ}はディザ振幅であり、ｆ_{Ｄｉｔｈｅｒ}はディザ周波数である、請求項３に記載の制御装置。
5. 前記プロセッサは、
   前記プレ電流指令値がゼロ以上であるとき、前記プレ電流指令値から前記ディザ電流を減算して前記電流指令値を生成し、
   前記プレ電流指令値がゼロ未満であるとき、前記プレ電流指令値に前記ディザ電流を加算して前記電流指令値を生成する、請求項４に記載の制御装置。
6. 前記プロセッサは、
   トーショントルクを取得することと、
   操舵周波数が所定範囲内にあるときに前記トーショントルクに１次の位相補償を適用することによって位相補償トルクを生成することと、
   前記位相補償トルクに基づいて前記トルク指令値を生成することと、
   をさらに実行する、請求項１から５のいずれかに記載の制御装置。
7. 前記１次の位相補償は数２の数式の伝達関数によって表され、
   

   

   ここで、ｓはラプラス変換子であり、ｆ_１は前記伝達関数のゼロ点の周波数であり、ｆ_２は前記伝達関数の極の周波数である、請求項６に記載の制御装置。
8. 前記プロセッサは、
   前記トーショントルクの時間変化量に基づいて微分補償トルクを演算し、
   前記位相補償トルクおよび前記微分補償トルクに基づいて前記トルク指令値を生成する、請求項６または７に記載の制御装置。
9. 前記プロセッサは、前記ｎ相の巻線の中に通電できない巻線があるかどうかを監視し、
   前記通電できない巻線を検出したことに応答して前記切替信号を生成し、
   前記ｎ相の巻線のうちの、通電できない巻線以外のｎ－１相の巻線を通電することによって前記ｎ－１相通電制御を行う、請求項１から８のいずれかに記載の制御装置。
10. モータと、
    請求項１から９のいずれかに記載の制御装置と、
    を備えるモータモジュール。
11. 請求項１０に記載のモータモジュールを備える電動パワーステアリング装置。
12. ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータを備える電動パワーステアリング装置に用いられる、前記モータを制御するための制御方法であって、
    前記ｎ相の巻線を通電するｎ相通電制御、または、ｎ－１相の巻線を通電するｎ－１相通電制御を前記モータに適用することが可能であり、
    切替信号に応答して、前記ｎ相通電制御から前記ｎ－１相通電制御に切り替えることと、
    トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値を獲得することと、
    獲得した前記トルク指令値、モータの電気角およびモータの実電流値に基づいてプレ電流指令値を生成することと、
    ０から２πまでの電気角の範囲のうちのデッドポイントの範囲において前記プレ電流指令値にディザ制御を適用することによって電流指令値を生成することと、
    前記電流指令値に基づいて前記ｎ－１相通電制御を行うことと、
    を包含する制御方法。

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