JP2023173527A - モータ制御装置、電動アクチュエータおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の複雑化を避けながら各種外乱を精度よく抑制する。【解決手段】電流指令値と実電流値との差分値に基づいて電圧指令値を算出する指令値算出部と、上記実電流値とモータの回転角度とに基づいて当該モータの回転数を推定する回転数推定部と、上記実電流値と上記モータの回転数推定値とに基づいてトルク外乱を推定するトルク外乱推定部と、推定された上記トルク外乱を抑制するための、上記電流指令値に加算される抑制値を算出するトルク外乱抑制部と、を備える。【選択図】 図３

Description

本発明は、モータ制御装置、電動アクチュエータおよび電動パワーステアリング装置に関する。

従来、モータ制御においては様々な外乱（ノイズ）に対する対策が求められている。
外乱としては、例えば、電圧ノイズ、電流検出ノイズ、角度検出ノイズ、トルク外乱などが知られている。トルク外乱については、モータ自身が持っているトルク外乱と、外部から伝達されるトルク外乱について対策が求められている。
モータ自身が持っているトルク外乱としては、例えばコギングトルクや、電気子反作用によるトルクリップルや、クーロン摩擦などが知られている。外部から伝達されるトルク外乱としては、例えばモータ軸に接続された装置・システムからの逆入力トルクや、機械共振や、セルフアライニングトルクなどが知られている。
例えば特許文献１には、トルク外乱のみを抑制する外乱オブザーバを備えたモータ制御装置が提案されている。

特開２０１６－１６３３７０号公報

しかしながら、各種の外乱それぞれに対応した各種の抑制機能をすべて搭載すると構成が複雑化し、抑制機能同士が互いに干渉する虞もある。
そこで、本発明は、構成の複雑化を避けながら各種外乱を精度よく抑制することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置の一態様は、電流指令値と実電流値との差分値に基づいて電圧指令値を算出する指令値算出部と、上記実電流値とモータの回転角度とに基づいて当該モータの回転数を推定する回転数推定部と、上記実電流値と上記モータの回転数推定値とに基づいてトルク外乱を推定するトルク外乱推定部と、推定された上記トルク外乱を抑制するための、上記電流指令値に加算される抑制値を算出するトルク外乱抑制部と、を備える。

このようなモータ制御装置によれば、回転数推定部で滑らかな推定信号の取得が可能であるため、精度の高いトルク外乱の推定および抑制が可能となる。また、回転数推定部、トルク外乱推定部およびトルク外乱抑制部を経るフィードバック型の制御により、上述した各種の外乱も同時に抑制されることが確認された。
上記のモータ制御装置において、上記電流指令値に加算される前の上記抑制値に作用するハイパスフィルタを更に備えることが好ましい。ハイパスフィルタによってトルク外乱の直流成分が除去されるため、特定周波数の外乱を抑制するノッチフィルタのような機能が実現される。

また、上記のモータ制御装置において、上記抑制値が加算される前の上記電流指令値に作用して制御帯域を設定する帯域設定部を更に備えることも好ましい。帯域設定部により、電流指令値に含まれるノイズが抑制されるとともに、電流追従性の向上が図られる。
また、上記のモータ制御装置において、上記指令値算出部は、上記差分値に基づいたＰＩＤ制御で上記電圧指令値を算出するＰＩＤ制御部を有することが好ましい。ＰＩＤ制御により、電流指令値通りの実電流をモータに流すための精度の高い電圧指令値が得られる。

また、ＰＩＤ制御部を有する上記指令値算出部は、上記ＰＩＤ制御部の出力に作用するローパスフィルタと、上記電圧指令値を上記ローパスフィルタの出力側から入力側に遅延を伴って正帰還させる遅延要素と、を更に有することが好ましい。実電流値に含まれた電流検出ノイズがローパスフィルタによってカットされるので、ノイズ抑制の精度が更に向上する。
上記課題を解決するために、本発明に係る電動アクチュエータの一態様は、上記いずれかのモータ制御装置と、上記モータ制御装置によって制御された電圧が印加されるモータと、を備える。

このような電動アクチュエータによれば、モータ制御装置による制御で各種の外乱が抑制されるので電流指令値通りの実電流がモータに流れて所望の出力が得られる。
上記課題を解決するために、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一態様は、上記いずれかのモータ制御装置と、上記モータ制御装置によって制御された電圧が印加されるモータと、上記モータによって駆動されるパワーステアリング機構と、を備える。
このような電動パワーステアリング装置によれば、電流指令値通りの実電流がモータに流れて所望の出力が得られるので、ステアリングに対するアシスト精度が高い。

本発明によれば、構成の複雑化を避けながら各種外乱を精度よく抑制することができる。

電動パワーステアリング装置の実施形態を模式的に示す構成図である。 コントロールユニットの機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 電圧指令値演算部の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 回転数推定部の具体的な機能構成を示すブロック図である。 図３に示す制御系における伝達関数の近似式を示す図である。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合の１Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合の１０Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合の１００Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合のトルク外乱の周波数と抑制効果との対応関係を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合の１Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合の１０Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合の１００Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果を示すグラフである。 カットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合のトルク外乱の周波数と抑制効果との対応関係を示すグラフである。 電圧ノイズに対する伝達特性を示すグラフである。 電流検出ノイズに対する伝達特性を示すグラフである。 角度検出ノイズに対する伝達特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、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、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。また、先に説明した図に記載の要素については、後の図の説明において適宜に参照する場合がある。

本明細書において、電源からの電力を、三相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の巻線を有する三相モータに供給する電動アクチュエータを例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電動アクチュエータも本開示の範疇である。

図１は、電動パワーステアリング装置の実施形態を模式的に示す構成図である。
本実施形態の電動パワーステアリング装置１００は、操向ハンドル１と、コラム軸２と、減速ギア３と、ユニバーサルジョイント４Ａ、４Ｂと、ピニオンラック機構５と、操向車輪のタイロッド６とを有したステアリング機構を備えている。また、電動パワーステアリング装置１００は、トルクセンサ１０と、モータ２０と、コントロールユニット３０と、イグニションキー１１と、車速センサ１２と、バッテリ１４を備えている。モータ２０とコントロールユニット３０とを併せたものが、本発明の電動アクチュエータの一実施形態に相当し、コントロールユニット３０は、本発明のモータ制御装置の一実施形態に相当する。上記ステアリング機構はモータ２０によって駆動される。

操向ハンドル１のコラム軸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を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、操向ハンドル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、操向ハンドル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。
トルクセンサ１０は、操向ハンドル１から伝達された運転手のハンドル操作による操舵トルクＴｈを検出する。

パワーステアリング装置１００を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、電源であるバッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１から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Ｖｈとに基づいて、アシストマップ等を用いて操舵の補助トルクを算出する。
そして、コントロールユニット３０は、算出した補助トルクを発生するように、モータ２０に供給する電流Ｉを制御する。モータ２０には、コントロールユニット３０によって制御された電圧が印加され、その制御された電圧によって電流Ｉが制御される。モータ２０の駆動によって発生する補助トルクが運転手のハンドル操作の補助力（操舵補助力）として操舵系に付与され、運転手は軽い力でハンドル操作を行うことができる。

ハンドル操作によって出力された操舵トルクＴｈと車速Ｖｈからどの程度の補助トルクが生じるかによって、ハンドル操作におけるフィーリングの善し悪しが決まる。また、補助トルクを得るために必要な電流Ｉをモータ２０に流す精度により、電動パワーステアリング装置の性能が大きく左右される。

コントロールユニット３０は、例えば、プロセッサと、記憶装置等の周辺部品とを含む
コンピュータを備えてよい。プロセッサは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）であってよい。
記憶装置は、半導体記憶装置、磁気記憶装置および光学記憶装置のいずれかを備えてよい。記憶装置は、レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置として使用されるＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを含んでよい。

コントロールユニット３０は、各情報処理を実行するための以下に説明する専用のハードウエアにより構成されてもよい。
例えば、コントロールユニット３０は、汎用の半導体集積回路中に設定される機能的な論理回路を備えてもよい。例えばコントロールユニット３０はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：Field-Programmable Gate Array）等のプログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）等を有していてもよい。

図２は、コントロールユニット３０の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。
コントロールユニット３０は、電流指令値演算部４０と、電圧指令値演算部４５と、２相／３相変換部４６と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部４７と、インバータ４８と、３相／２相変換部４９とを備え、モータ２０をベクトル制御で駆動する。モータ２０は一例として３相モータである。
電流指令値演算部４０、電圧指令値演算部４５、２相／３相変換部４６、ＰＷＭ制御部４７および３相／２相変換部４９の機能は、例えばコントロールユニット３０のプロセッサが、記憶装置に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。

電流指令値演算部４０は、操舵トルクＴｈや車速Ｖｈに基づいてモータ２０に流すべきｄｑ２軸の電流それぞれを示した電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０を算出する。
一方で、モータ２０の各相に流れる電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは、各層に備えられた電流センサ６０、６１、６２で検出され、検出された電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは３相／２相変換部４９でｄｑ２軸の実電流値ｉｄ、ｉｑに変換されてフィードバックされる。

電圧指令値演算部４５には電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０が入力され、フィードバックされた実電流値ｉｄ、ｉｑも入力される。電圧指令値演算部４５は、電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０と実電流値ｉｄ、ｉｑとの差分値が０となるような電圧指令値ｖｑ、ｖｄを算出する。２相／３相変換部４６は、電圧指令値ｖｄ、ｖｑを３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃに変換する。

ＰＷＭ制御部４７は、３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃに基づいてＰＷＭ制御されたゲート信号を生成する。インバータ４８は、ＰＷＭ制御部４７で生成されたゲート信号によって駆動され、３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃが示す電圧をモータ２０の各相に印加する。その結果、モータ２０には、電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０の示す電流が供給される。

レゾルバ６３は、モータ２０のモータ角度（回転角）θを検出し、検出されたモータ角度θは電流指令値演算部４０にフィードバックされてベクトル制御に使用される。レゾルバ６３に替えてモータ回転角センサが用いられてもよい。なお、電流指令値演算部４０には、モータ角度θの変化に基づいて算出されたモータ２０の回転角速度ωが、モータ角度θと共に、あるいはモータ角度θに替えて、入力されてもよい。

図３は、電圧指令値演算部４５の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。図３には、モータ２０のモデルも示されている。図３には、代表としてｑ軸の制御機能が示されているが、電圧指令値演算部４５はｄ軸についても同様の制御機能を有している。
モータ２０の機能は、電気特性２１と、トルク定数Ｋ_Ｔと、機械特性２３と、積分要素２４と、ＥＭＦ（逆起電圧）係数Ｋ_Ｅとを有するモデルで表される。

モータ２０の電気特性２１に対して電圧が入力されることで実電流が発生する。電気特性２１に対して入力される電圧値には電圧ノイズが含まれる。電気特性２１のゲインは、インダクタンスＬ[Ｈ]および抵抗Ｒ[Ω]により１／(Ｌｓ＋Ｒ)と表される。実電流は電流センサ６０、６１、６２で検出され、検出値には電流検出ノイズが含まれる。
実電流にトルク定数Ｋ_Ｔ[Ｎｍ／Ａ]が作用することでモータトルクが発生する。

モータトルクが機械特性２３に入力されることでモータ２０の角速度が発生する。機械特性２３のゲインは、慣性Ｊ[ｋｇｍ^２]および粘性Ｄ[Nm/(rad/s)]により１／（Ｊｓ＋Ｄ）と表される。
モータ２０の角速度は積分要素２４を経てモータ角度θとなる。モータ角度θはレゾルバ６３（またはモータ回転角センサ）によって検出され、検出値には角度検出ノイズが含まれる。

角速度にＥＭＦ係数Ｋ_Ｅ[V/(rad/s)]が作用することで逆起電圧が発生し、逆起電圧は電気特性２１の入力に反映される。
電圧指令値演算部４５は、制御帯域設定部７０と、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御部７１と、ローパスフィルタ７２と、第１の遅延要素７３と、第２の遅延要素７５と、外乱抑制部７６とを備えている。

制御帯域設定部７０は、上記電流指令値Ｉｑ０が入力されて電流指令値にゲインＧ_ｒｅｆを作用させることで、コントロールユニット３０によるモータ２０の電流制御における制御帯域を設定する。制御帯域設定部７０は、後述する抑制値が加算される前の電流指令値Ｉｑ０に作用する。制御帯域設定部７０のゲインＧ_ｒｅｆは、
Ｇ_ｒｅｆ＝ω_ｒｅｆ／（ｓ＋ω_ｒｅｆ）
但し、
ｓ：ラプラス演算子
ω_ｒｅｆ[rad/s]：電流制御帯域
と表される。

ＰＩＤ制御部７１は、電流指令値Ｉｑ０とｑ軸実電流値ｉｑとの差分値Δｑが入力され、当該差分値Δｑに基づいてＰＩＤ制御によって電圧指令値ｖｑを算出する。ＰＩＤ制御部７１におけるゲインＧ_ＰＩＤは、
Ｇ_ＰＩＤ＝｛ω_ｃＬ＋（Ｒ／２）｝[１＋｛ω_ｃ／（２ｓ）｝＋｛ｓ／（２ω_ｃ）｝]
但し、
ｓ：ラプラス演算子
ω_ｃ[rad/s]：外乱抑制帯域
Ｌ[Ｈ]：前記モータのインダクタンス
Ｒ[Ω]：前記モータの抵抗
と表される。

ローパスフィルタ７２は、ＰＩＤ制御部７１の出力である電圧指令値ｖｑに作用して、ｑ軸実電流値ｉｑに含まれる電流検出ノイズをカットする。ローパスフィルタ７２におけるゲインＧ_ＬＰＦは、
Ｇ_ＬＰＦ＝ω_ＬＰＦ／（ｓ＋ω_ＬＰＦ）
但し、
ｓ：ラプラス演算子
ω_ＬＰＦ[rad/s]：カットオフ周波数
と表される。

第１の遅延要素７３は、遅延を伴うフィードバックによって逆起電圧抑制器として機能する。第１の遅延要素７３におけるゲインＧ_ｄｌｙは、
Ｇ_ｄｌｙ＝ｅ^{-Ｔｄｌｙ・ｓ}
但し、
Ｔｄｌｙ[μｓ]：電流制御周期
と表される。

第２の遅延要素７５は、フィードバックループにおける遅延を意味する。第２の遅延要素７５におけるゲインＧ_ＤＬＹは、
Ｇ_ＤＬＹ＝ｅ^{-ＴＤＬＹ・ｓ}
但し、
ＴＤＬＹ[μｓ]：電流センサ６０、６１、６２による電流検出からインバータ４８の出力におけるデューティー反映までの演算時間
と表される。

外乱抑制部７６は、制御の外乱を抑制するための、電流指令値Ｉｑ０に対して加算される抑制値を、ｑ軸実電流値ｉｑとモータ角度θとに基づいて算出する。外乱抑制部７６は、回転数推定部８０と、トルク外乱推定部８１と、トルク外乱抑制部８２と、ハイパスフィルタ８３とを備えている。
回転数推定部８０は、ｑ軸実電流値ｉｑとモータ角度θからモータ２０の回転数を推定する。回転数推定部８０によって滑らかな回転数推定値が得られる。

図４は、回転数推定部８０の具体的な機能構成を示すブロック図である。
図４に示す機能ブロックは、下記式（１）、式(２)に相当している。

但し、
ｚ＝Ｃｅ^λｓ
λ：特性根
ｊ[ｋｇｍ^２]：制御上のモータの慣性
ｄ[Nm/(rad/s)]：制御上のモータの粘性
ｋ_Ｔ[Ｎｍ／Ａ] ：制御上のモータのトルク定数
ｋ：制御上のモータの剛性
ｉ：ｑ軸実電流値
ｘ_１：モータ角度。
即ち、回転数推定部８０にはｑ軸実電流値ｉとモータ角度ｘ_１が入力され、回転数推定部８０から回転数推定値ｘ_２（＾付）が出力される。回転数推定部８０の第１ブロック５１、第２ブロック５２および第３ブロック５３は、式（１）の第１項、第２項および第３項にそれぞれ対応する。回転数推定部８０の第４ブロック５４は、式(２)の第２項に対応する。第１ブロック５１には回転数推定値ｘ_２（＾付）が入力され、第２ブロック５２および第４ブロック５４にはモータ角度ｘ_１が入力され、第３ブロック５３にはｑ軸実電流値ｉが入力される。第１ブロック５１、第２ブロック５２および第３ブロック５３の出力は、互いに加算されて積分要素５５に入力される。積分要素５５および第４ブロック５４の出力が互いに加算されて回転数推定値ｘ_２（＾付）となる。

図３に戻って説明を続ける。
回転数推定部８０における伝達関数Ｇωは、下記式（３）中の行列Ｔで表される。

但し、
ω_ｅｓｔ[rad/s]：回転数推定値
ω_ｏｂｓ[rad/s]：回転数推定におけるカットオフ角周波数

トルク外乱推定部８１は、ｑ軸実電流値ｉｑと回転数推定値とに基づいてトルク外乱を推定する。トルク外乱推定部８１における伝達関数Ｇ_ＴＲＱは、下記式（４）中の行列Ｔで表される。

但し、Δτ_ｅｓｔはトルク外乱推定値である。

トルク外乱抑制部８２は、推定されたトルク外乱を抑制するための、電流指令値ｉｑに加算される抑制値を算出する。トルク外乱抑制部８２におけるゲインＧ_ｃｍｐは、下記式（５）で表される。

但し、ω_ｃは外乱抑制帯域である。

ハイパスフィルタ８３は、電流指令値Ｉｑ０に加算される前の抑制値に作用して、トルク外乱の直流成分を除去する。ハイパスフィルタ８３の作用により、特定周波数の外乱を抑制するノッチフィルタのような機能が実現される。ハイパスフィルタ８３のゲインＧ_ＨＰＦは、カットオフ周波数ω_ＨＰＦにより、Ｇ_ＨＰＦ＝ｓ／（ｓ＋ω_ＨＰＦ）と表される。
外乱抑制部７６は、トルク外乱の推定によって精度よくトルク外乱を抑制するとともに、電圧ノイズ、電流検出ノイズおよび角度検出ノイズについても抑制することができる。

図５は、図３に示す制御系における伝達関数の近似式を示す図である。
制御系における伝達関数は、外乱抑制部７６の特性補償の部分と、電流制御系の一巡伝達関数の部分と、感度関数の部分とに大別される。外乱抑制部７６の特性補償の部分は、外乱抑制部７６における機械系の特性補償を表しており、実機側の機械系に相当する部分と制御側の機械系に相当する部分とを含む。実機側の機械系とは、モータ２０における実際の機械特性であり、制御側の機械系とは、制御のために制御側に設定された機械特性である。

電流制御系の一巡伝達関数の部分は、モータ２０の実機部分と、ＰＩＤ制御部７１から第２の遅延要素７５に至る制御のメイン部分とを含む。
感度関数の部分は、電圧ノイズΔｖについて近似的にゼロであり、電流検出ノイズΔｉおよびトルク外乱Δτについては１次のハイパスフィルタ特性となっていて、角度検出ノイズΔθについては２次のハイパスフィルタ特性となっている。従って、図３に示す制御系では、外乱抑制部７６によって各種のノイズのいずれについてもノイズ抑制が実現されることが分かる。

図６～図８は、カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合の外乱抑制部７６のシミュレーション検証結果を示すグラフである。
図６には、１Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果が示され、図７には、１０Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果が示され、図８には、１００Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果が示されている。
図６～図８に示された各グラフの横軸はいずれも時間を示している。

図６に示すシミュレーション検証では、図６（Ａ）に細い実線で示されているように、０[Ａ]に固定されたｑ軸電流指令値が用いられ、トルク外乱として、図６（Ｄ）に細い実線で示されている１Ｈｚのトルク外乱[Ｎｍ]が付与された。トルク外乱の振幅は±０．２１[Ｎｍ]である。このトルク外乱により、図６（Ａ）に太い実線で示された実電流[Ａ]が生じるとともに、図６（Ｂ）に太い実線で示された回転数[ｒｐｍ]が生じる。

外乱抑制部７６の回転数推定部８０では、図６（Ｂ）に細い実線で示されているように回転推定値[ｒｐｍ]が算出され、太い実線で示された回転数に近い推定値が得られている。トルク外乱推定部８１では、図６（Ｅ）に示されるようにトルク外乱推定値[Ｎｍ]が算出され、図６（Ｄ）に細い実線で示されているトルク外乱に近い推定値が得られている。トルク外乱抑制部８２では、図６（Ｃ）に示されるようにトルク外乱の抑制値[Ａ]が算出される。カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚであるため、算出された抑制値[Ａ]が、図６（Ｆ）に示されるようにそのまま外乱抑制部７６から出力される。その結果、図６（Ｄ）に太い実線で示されように、抑制後のモータトルクは±０．０１[Ｎｍ]となり、－２７[ｄＢ]という大きな抑制効果が確認された。

図７に示すシミュレーション検証でも、図７（Ａ）に細い実線で示されているように、０[Ａ]に固定されたｑ軸電流指令値が用いられた。また、トルク外乱としては、図７（Ｂ）に細い実線で示されている１０Ｈｚのトルク外乱[Ｎｍ]が付与された。トルク外乱の振幅は±０．２１[Ｎｍ]である。このトルク外乱により、図７（Ａ）に太い実線で示された実電流[Ａ]が生じる。図７に示すシミュレーション検証では、図７（Ｂ）に太い実線で示されように、抑制後のモータトルクは±０．０７５[Ｎｍ]となり、－８[ｄＢ]の抑制効果が確認された。

図８に示すシミュレーション検証でも、図８（Ａ）に細い実線で示されているように、０[Ａ]に固定されたｑ軸電流指令値が用いられた。また、トルク外乱としては、図８（Ｂ）に細い実線で示されている１００Ｈｚのトルク外乱[Ｎｍ]が付与された。トルク外乱の振幅は±０．２１[Ｎｍ]である。このトルク外乱により、図８（Ａ）に太い実線で示された実電流[Ａ]が生じる。図８に示すシミュレーション検証では、図８（Ｂ）に太い実線で示されように、抑制後のモータトルクは±０．２５[Ｎｍ]となり、１．５[ｄＢ]の増大となった。

図９は、カットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合のトルク外乱の周波数と抑制効果との対応関係を示すグラフである。
図９の横軸はトルク外乱の周波数を示す対数軸であり、図９の縦軸は、上段のグラフでは抑制後のモータトルクの振幅を示し、下段のグラフでは位相を示している。グラフに示されている丸印の箇所は、図６～図８に示すシミュレーション検証結果に相応している。
図９の上段に示された振幅のグラフから、グラフカットオフ周波数ω_ＨＰＦが０Ｈｚである場合は、抑制後のモータトルクの振幅が約４０Ｈｚ以下の帯域で０[ｄＢ]を下回るため、約４０Ｈｚ以下の帯域でトルク外乱が抑制されることが確認された。

図１０～図１２は、カットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合の外乱抑制部７６のシミュレーション検証結果を示すグラフである。
図１０には、１Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果が示され、図１１には、１０Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果が示され、図１２には、１００Ｈｚのトルク外乱におけるシミュレーション検証結果が示されている。
図１０～図１２に示された各グラフの横軸はいずれも時間を示している。

図１０に示すシミュレーション検証では、図１０（Ａ）に細い実線で示されているように、０[Ａ]に固定されたｑ軸電流指令値が用いられ、トルク外乱として、図１０（Ｂ）に細い実線で示されている１Ｈｚのトルク外乱[Ｎｍ]が付与された。トルク外乱の振幅は±０．２１[Ｎｍ]である。このトルク外乱により、図１０（Ａ）に太い実線で示された実電流[Ａ]が生じる。図１０（Ｂ）に太い実線で示されように、抑制後のモータトルクは±０．２１[Ｎｍ]となり、０[ｄＢ]で増減なしであった。

図１１に示すシミュレーション検証でも、図１１（Ａ）に細い実線で示されているように、０[Ａ]に固定されたｑ軸電流指令値が用いられた。また、トルク外乱としては、図１１（Ｂ）に細い実線で示されている１０Ｈｚのトルク外乱[Ｎｍ]が付与された。トルク外乱の振幅は±０．２１[Ｎｍ]である。このトルク外乱により、図１１（Ａ）に太い実線で示された実電流[Ａ]が生じる。図１１に示すシミュレーション検証では、図１１（Ｂ）に太い実線で示されように、抑制後のモータトルクは±０．０３[Ｎｍ]となり、－１７[ｄＢ]の抑制効果が確認された。

図１２に示すシミュレーション検証でも、図１２（Ａ）に細い実線で示されているように、０[Ａ]に固定されたｑ軸電流指令値が用いられた。また、トルク外乱としては、図１２（Ｂ）に細い実線で示されている１００Ｈｚのトルク外乱[Ｎｍ]が付与された。トルク外乱の振幅は±０．２１[Ｎｍ]である。このトルク外乱により、図１２（Ａ）に太い実線で示された実電流[Ａ]が生じる。図１２に示すシミュレーション検証では、図１２（Ｂ）に太い実線で示されように、抑制後のモータトルクは±０．２５[Ｎｍ]となり、１．５[ｄＢ]の増大となった。

図１３は、カットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合のトルク外乱の周波数と抑制効果との対応関係を示すグラフである。
図１３の横軸はトルク外乱の周波数を示す対数軸であり、図１３の縦軸は、上段のグラフでは抑制後のモータトルクの振幅を示し、下段のグラフでは位相を示している。グラフに示されている丸印の箇所は、図１０～図１２に示すシミュレーション検証結果に相応している。
図１３の上段に示された振幅のグラフから、グラフカットオフ周波数ω_ＨＰＦが５Ｈｚである場合は、抑制後のモータトルクの振幅が約５０Ｈｚ以下の帯域で０[ｄＢ]を下回り、特に１０Ｈｚの近傍で振幅が最小値となる。即ち、１０Ｈｚ前後の特定帯域でトルク外乱が抑制されることが確認された。

図１４は、電圧ノイズに対する伝達特性を示すグラフである。
図１４の横軸は電圧ノイズの周波数を示す対数軸である。図１４の縦軸は、上段のグラフでは電圧ノイズの振幅を示し、下段のグラフでは位相を示している。
図１４のグラフには、外乱抑制部７６を備えない場合の伝達特性が実線で示され、外乱抑制部７６を備えた場合の伝達特性が点線で示されている。電圧ノイズに対する伝達関数は、電圧ノイズの周波数の全範囲で感度が低減されることが確認された。従って、電圧ノイズは外乱抑制部７６によって周波数の全範囲で抑制される。

図１５は、電流検出ノイズに対する伝達特性を示すグラフである。
図１５の横軸は電流検出ノイズの周波数を示す対数軸である。図１５の縦軸は、上段のグラフでは電流検出ノイズの振幅を示し、下段のグラフでは位相を示している。
図１５には、外乱抑制部７６を備えない場合の伝達特性が細い実線で示されている。また、外乱抑制帯域ω_ｃが１[Ｈｚ]である場合の伝達特性が太い実線で示され、外乱抑制帯域ω_ｃが１０[Ｈｚ]である場合の伝達特性が細い点線で示されている。また、外乱抑制帯域ω_ｃが１００[Ｈｚ]である場合の伝達特性が太い点線で示され、外乱抑制帯域ω_ｃが１０００[Ｈｚ]である場合の伝達特性が一点鎖線で示されている。
図１５に示す検証結果から、電流検出ノイズに対する伝達特性は、外乱抑制帯域ω_ｃ以下の領域について、ゲインがハイパスフィルタ特性のように低減していることが確認された。従って、電流検出ノイズは外乱抑制部７６によってハイパスフィルタのように低減される。

図１６は、角度検出ノイズに対する伝達特性を示すグラフである。
図１６の横軸は角度検出ノイズの周波数を示す対数軸である。図１６の縦軸は、上段のグラフでは角度検出ノイズの振幅を示し、下段のグラフでは位相を示している。
図１６には、外乱抑制部７６を備えない場合の伝達特性が細い実線で示されている。また、外乱抑制帯域ω_ｃが１[Ｈｚ]である場合の伝達特性が太い実線で示され、外乱抑制帯域ω_ｃが１０[Ｈｚ]である場合の伝達特性が細い点線で示されている。また、外乱抑制帯域ω_ｃが１００[Ｈｚ]である場合の伝達特性が太い点線で示され、外乱抑制帯域ω_ｃが１０００[Ｈｚ]である場合の伝達特性が一点鎖線で示されている。
図１６に示す検証結果から、角度検出ノイズに対する伝達特性も、外乱抑制帯域ω_ｃ以下の領域について、ゲインがハイパスフィルタ特性のように低減していることが確認された。従って、角度検出ノイズも外乱抑制部７６によってハイパスフィルタのように低減される。

各種のノイズが精度よく抑制されることにより、モータ２０とコントロールユニット３０とを備えた電動アクチュエータでは、電流指令値通りの実電流がモータ２０に流れて所望の出力が得られる。また、図１に示す電動パワーステアリング装置１００では、モータ２０で所望の出力が得られるため、ステアリングに対するアシスト精度が高い。

なお、上記説明では、パワーステアリング装置への応用例が示されているが、本発明の電動アクチュエータやモータ制御装置は、車両の駆動系やロボットなど幅広い分野への応用が可能である。即ち、本発明の実施形態や適用範囲は、パワーステアリング装置のみに限定されるものではない。

１００…電動パワーステアリング装置、１…操向ハンドル、２…コラム軸、
３…減速ギア、４Ａ、４Ｂ…ユニバーサルジョイント、５…ピニオンラック機構、
６…操向車輪のタイロッド、１０…トルクセンサ、１１…イグニションキー、
１２…車速センサ、１４…バッテリ、２０…モータ、３０…コントロールユニット、
４０…電流指令値演算部、４５…電圧指令値演算部、４６…２相／３相変換部、
４７…ＰＷＭ制御部、４８…インバータ、４９…３相／２相変換部、
６０、６１、６２…電流センサ、６３…レゾルバ、７０…制御帯域設定部、
７１…ＰＩＤ制御部、７２…ローパスフィルタ、７３…第１の遅延要素、
７５…第２の遅延要素、７６…外乱抑制部、８０…回転数推定部、
８１…トルク外乱推定部、８２…トルク外乱抑制部、８３…ハイパスフィルタ

Claims (7)

1. 電流指令値と実電流値との差分値に基づいて電圧指令値を算出する指令値算出部と、
   前記実電流値とモータの回転角度とに基づいて当該モータの回転数を推定する回転数推定部と、
   前記実電流値と前記モータの回転数推定値とに基づいてトルク外乱を推定するトルク外乱推定部と、
   推定された前記トルク外乱を抑制するための、前記電流指令値に加算される抑制値を算出するトルク外乱抑制部と、
   を備えたモータ制御装置。
2. 前記電流指令値に加算される前の前記抑制値に作用するハイパスフィルタを更に備える請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記抑制値が加算される前の前記電流指令値に作用して制御帯域を設定する帯域設定部を更に備える請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記指令値算出部は、前記差分値に基づいたＰＩＤ制御で前記電圧指令値を算出するＰＩＤ制御部を有する請求項１に記載のモータ制御装置。
5. 前記指令値算出部は、前記ＰＩＤ制御部の出力に作用するローパスフィルタと、前記電圧指令値を前記ローパスフィルタの出力側から入力側に遅延を伴って正帰還させる遅延要素と、を更に有する請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御された電圧が印加されるモータと、
   を備えた電動アクチュエータ。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御された電圧が印加されるモータと、
   前記モータによって駆動されるパワーステアリング機構と、
   を備えた電動パワーステアリング装置。

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