JP3235112B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はモータ制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】モータ制御技術の１つに，ロボットの制
御系をはじめ多くの分野で用いられているソフトウエア
・サーボ方式というものがある。この方式は，モータに
流れる電流を検出し，この検出電流値と電流目標値との
偏差を求め，この偏差に応じてＰＩＤなどの補償を行な
うフィードバック制御において，偏差の演算，ＰＩＤ補
償等をソフトウエア上で実行するものである。ソフトウ
エア・サーボ方式は，フィードバック・ゲインなどのパ
ラメータをソフトウエア上で容易に調整することができ
るので，制御系構成のフレキシビリティが大きい，ハー
ドウエアの小形化および上位コンピュータとのインタフ
ェースが容易である等の利点をもっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来のソフトウエア・サーボ・フィードバック電流制
御方式においては，フィードバック演算をモータの電気
的時定数に対応する速度で行なう必要がある。このため
低電圧用のＤＣモータなど電気的時定数が小さいモータ
の制御では，制御系の高速化が重大な問題となり，高速
プロセッサを利用する必要が生じ，コントローラが高価
になる。

【０００４】この点を図６を参照して具体的に説明す
る。

【０００５】モータ駆動部15はたとえば，４個のスイッ
チング素子を含むＨブリッジ駆動法にしたがうＰＷＭ
（Pulse Width Modulation）パルスを用いたチョッパ動
作によってモータ30を駆動制御するものである。電機子
電流検出部21によってモータ30の電機子電流が検出され
る。電流偏差演算部31において，与えられた電流目標値
と検出電流との偏差が演算される。この偏差は制御部32
に与えられる。制御部32は比例制御，積分制御，比例積
分微分（ＰＩＤ）制御等を行なうものである。この制御
部32から得られる操作量（電圧または電流値）の極性が
極性判別部13で判別されるとともに，上記操作量に基づ
いてデューティ演算部14においてＰＷＭパルスのデュー
ティ比が決定される。これらの判別された極性と決定さ
れたデューティ比はモータ駆動部15に与えられる。モー
タ駆動部15はこれらに基づいてＨブリッジ型に配線され
た４個のスイッチング素子をオン，オフ制御してモータ
10を駆動する。

【０００６】電流目標値の算出，電流偏差演算部31にお
ける演算，制御部32における演算，極性判別部13におけ
る判別処理，およびデューティ演算部14における演算は
すべてあらかじめ設定されたプログラムにしたがってＣ
ＰＵによって行なわれる。すなわちＣＰＵ内部で行なわ
れる処理のための機能ブロックがＡ−Ａ線の左側に示さ
れている。

【０００７】電流目標値の演算は，制御対象によっても
異なるが，後述する電動式パワー・ステアリング装置に
おけるＤＣモータ制御の場合２ｍｓｅｃ程度の制御周期
で行なえばよい。

【０００８】これに対して，制御部32を含むモータ制御
のための制御周期は，最低でもモータ30の電気的時定数
の数分の一にする必要がある。モータの電気的時定数を
１ｍｓｅｃ程度とすると，制御周期は200 μｓｅｃ以下
である必要があり，きわめて高速の演算が要求される。
そのために高速演算が可能なＣＰＵを用いる必要があ
り，それは高価である。

【０００９】また，電機子電流検出部21に少しでもノイ
ズが入ると，このノイズは瞬時にフィードバックされ，
制御部32に入るので，モータ30の正確な制御を達成する
のが困難となる。

【００１０】この発明は，モータの電気的時定数に応じ
た速度での演算が必要ないモータ制御装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明によるモータ制
御装置は，与えられた電流目標値に応じてモータ制御の
ための電流操作量を決定する目標値応答部，上記目標値
応答部において決定された電流操作量を電圧操作量に変
換する印加電圧演算部，上記印加電圧演算部から与えら
れる電圧操作量に応じてモータを駆動するモータ駆動手
段，およびモータに生じる外乱を推定し，この外乱を表
わす値を上記目標値応答部にフィードフォワードする外
乱補償部から構成され，上記外乱補償部は，上記目標値
応答部で決定された電流操作量またはモータに与えられ
る電圧操作量を検出する操作量検出部と，モータに流れ
る電機子電流を検出する電機子電流検出部と，上記操作
量検出部の検出操作量に関する値と上記電機子電流検出
部の検出電機子電流に関する値との差に基づいて外乱を
表わす値を推定する外乱推定部と，上記外乱推定部で推
定された外乱を表わす値に作用させる補償要素とを備
え，上記補償要素が作用された外乱を表わす値が上記目
標値応答部にフィードフォワードされることを特徴とす
る。

【００１２】

【００１３】

【００１４】この発明の実施態様では，上記外乱推定部
は，電流操作量と電機子電流との差に基づいて外乱を推
定する。

【００１５】この発明の他の実施態様では，上記外乱推
定部は，モータへの印加電圧と検出された電機子電流と
に基づいて外乱を推定する。

【００１６】

【００１７】

【作用】この発明では基本的には目標値応答部（手段）
によってモータ制御が行なわれる。目標値が与えられる
と，この目標値に応じて目標値応答部によってモータに
与える操作量が決定され，この操作量に基づいてモータ
が駆動される。

【００１８】そして，モータの逆起電力などの外乱が生
じたときにはこの外乱が検出され，外乱補償部から目標
値応答部にフィードフォワードされ，この外乱による制
御の乱れが補償される。

【００１９】

【発明の効果】目標値応答部は与えられる目標値に応答
すればよいのでその演算周期は目標値の演算周期と同じ
でよい。

【００２０】また，外乱補償部における演算周期は外乱
の変動速度に応じた周期でよく，これはそれほど短くな
い。

【００２１】このようにしてこの発明によると，目標値
応答部および外乱補償部のいずれの制御周期もモータの
電気的時定数に応じたものとする必要がなく，比較的遅
い速度で制御しても充分なモータ制御が達成できること
となる。このようにして，目標値応答部および外乱補償
部をソフトウエア上で実現する場合にも，演算速度の比
較的遅いＣＰＵを用いることができるので，コントロー
ラを低廉化することが可能となる。さらに，印加電圧変
換部において電流操作量が電圧操作量に変換されている
から，モータの温度変化による電機子抵抗の変動やモー
タ駆動手段における特性変動も容易に補償することがで
きる。

【００２２】

【実施例】この発明によるモータ制御装置および方法
は，ロボットの駆動モータ等の種々の分野で用いられる
モータの制御に適用することができるが，その応用例の
一つとして電動式パワー・ステアリング装置におけるモ
ータ制御装置において，電流目標値を作成する部分につ
いてまず説明しておく。

【００２３】図１は電動式パワー・ステアリング装置が
適用されるステアリング機械系の一例を示す構成図であ
る。

【００２４】操舵ハンドル48の回転力はハンドル軸を経
てピニオン・ギヤを含むステアリング・ギヤ43に伝達さ
れ，さらに上記ピニオン・ギヤによりラック軸45に伝達
され，ナックル・アーム等を経て車輪46が転向される。
また，コントロール装置40により制御駆動される操舵ア
シスト（補助）モータ（ＤＣモータ）30の回転力はピニ
オン・ギヤを含むステアリング・ギヤ44とラック軸45と
の噛み合いによりラック軸45に伝達され，ハンドル48に
よる操舵を補助することになる。ハンドル48とモータ30
の回転軸はギヤ43，44およびラック軸45により機械的に
連結されている。操舵トルク・センサ41により操舵トル
ク（捩りトルク）が検出され，また車速センサ42により
車速が検出され，後述するようにこれらの検出トルク，
車速等に基づいてコントロール装置40はモータ30を制御
する。コントロール装置40およびモータ30には車両に搭
載されたバッテリィ47からその動作電力が供給される。

【００２５】コントロール装置40は，電流検出器，モー
タ30を駆動する駆動回路，モータ30の全体的な制御を統
括するコンピュータ（ＣＰＵ，たとえばマイクロプロセ
ッサ），メモリ，コンピュータと上記の入，出力機器と
のインターフェイス回路等から構成されている。図３に
示す電流目標値発生部，および図４および図５に示す後
述するこの発明の実施例によるモータ制御装置は，コン
トロール装置40に内蔵されたコンピュータの各種機能を
ブロック的に，他の入，出力機器，各種回路を示すブロ
ックとともに描いたものと位置付けることができる。

【００２６】図３はモータ30を制御するための電流目標
値を発生する部分を示している。

【００２７】アシスト指令部50にはトルク・センサ41の
検出トルクＶ_T と車速センサ42の検出車速Ｖ_S とが与え
られる。アシスト指令部50内のアシスト・トルク値指示
関数部52は検出トルクＶ_T に応じてモータ30によって発
生すべきアシスト・トルクを表わす指令値を出力する。
また乗算定数関数部51は検出車速Ｖ_Sに応じて定数を発
生し，この定数が乗算演算部53において上記のアシスト
・トルク指令値に乗じられる。この結果，乗算演算部53
から出力されるアシスト・トルク値（またはモータ電流
指令値）は，図２に示すように，検出トルクＶ_T と検出
車速Ｖ_S によって定められた値となる。

【００２８】図２は，操舵トルクＶ_T に応じて，一定範
囲の操舵トルクＶ_T に対してはこれにほぼ比例するモー
タ電流が流れ（アシスト・トルクが発生し），上記範囲
を超えるとある一定のモータ電流が流れる（アシスト・
トルクが発生する）ように，そして，車速Ｖ_S に応じ
て，車速Ｖ_S が速いときにはモータ電流（アシスト・ト
ルク）を少なくし，車速Ｖ_S が遅いときにはモータ電流
（アシスト・トルク）を多くするように，モータ30を制
御するためのアシスト指令が発生することを表わしてい
る。

【００２９】検出トルクＶ_T は位相補償部54にも与えら
れ，この位相補償部54によって検出トルクＶ_T の微分値
が乗算演算部53の出力に加算されることにより，最終的
にアシスト指令部50の出力（基準電流指令値）となる。

【００３０】この基準電流指令値には粘性補償部60およ
び慣性補償部70の制御出力が加算（または減算）された
のち，電流目標値として出力される。

【００３１】粘性補償部60は基本的には舵角の中立位置
へ戻す力，すなわち復元力を生じさせるものである。こ
の粘性補償部60にはハンドル48の舵角，舵角速度および
車速が与えられ，それらに応じた出力が得られる。

【００３２】慣性補償部70はモータ30のロータ慣性があ
たかも小さくなったかのように制御するもので，急ハン
ドル時にモータ30がハンドルの回転に追従しないことに
より生じる重さを解消したり，手放し時の戻りスピード
を速くしたりするように作用する。舵角加速度がこの慣
性補償部に与えられ，それに応じた出力が得られる。

【００３３】図４はこの発明の実施例によるモータ制御
装置の構成を機能ブロック図で示すものである。この図
において，図６に示すものと同一物には同一符号を付
し，その説明を省略する。

【００３４】モータ制御装置は，目標値応答部10と外乱
補償部20とから構成されている。

【００３５】目標値応答部10において，与えられる電流
目標値（図３に示す部分から上述のように生成される）
と外乱補償部20から与えられる外乱補償値とが加算部11
で加算され，電流操作量となる。この電流操作量は印加
電圧演算部12において電圧操作量に変換される。具体的
には印加電圧演算部12は，入力する電流操作量にモータ
30の電機子抵抗Ｒを乗じることにより電圧操作量を算出
する。

【００３６】この電圧操作量が極性判別部13およびデュ
ーティ演算部14に与えられ，モータ駆動部15によってモ
ータ30が駆動されるのは上述した従来例と同じである。

【００３７】外乱補償部20は，電機子電流検出部21，電
流操作量検出部22，補償要素23および外乱推定部24を含
んでいる。この実施例では，外乱推定は電流操作量と検
出電機子電流との差に基づいて行なわれる。電流操作量
検出部22と電機子電流検出部21のゲインは，たとえばと
もに１に設定される。電流操作量検出部22を経て得られ
る電流操作量と，電機子電流検出部21によって検出され
た電機子電流との差が外乱推定部24で算出され，補償要
素23に与えられる。

【００３８】補償要素23はここでは１または一次遅れ要
素（ロウ・パス・フィルタ要素）１／（τｓ＋１）で与
えられる。外乱推定部24で得られた外乱値に補償要素23
を乗じた値が目標値応答部10に与えられ，電流目標値に
加算される。

【００３９】このように，与えられた電流目標値に対応
する電流（または電圧）操作量が目標値応答部10で得ら
れ，基本的にはこの操作量に基づいてモータ30が駆動さ
れる。電流目標値の演算周期が２ｍｓｅｃであれば目標
値応答部の制御周期も２ｍｓｅｃでよい。

【００４０】そして，逆起電力等の外乱がモータ30にお
いて生じたときにこの外乱による変動分が外乱補償部20
で補償される。外乱の変動速度はそれほど速くない。た
とえばモータの誘起電圧の変動周波数が50Ｈｚであれば
その10倍の500 Ｈｚ（２ｍｓｅｃ）程度の制御周期で外
乱補償部20が動作すればよい。

【００４１】このようにして，目標値応答部10および外
乱補償部20の制御周期はモータ30の電気的時定数に応じ
たものとする必要がないので，この制御装置を安価なＣ
ＰＵで実現することができるようになる。

【００４２】上記実施例では，電流操作量が生成される
箇所から電機子電流が検出される箇所までの間のソフト
ウエア上および実際の回路上のパラメータ等の変動によ
る誤差も外乱補償部20によって補償される。たとえばモ
ータ30の温度変化による電機子抵抗Ｒの変動やモータ駆
動部15における特性変動も補償することができる。ま
た，モータの電機子抵抗Ｒの値に応じて印加電圧演算部
12のゲインを決定すればよいので，フィードバック制御
に比べてゲイン調整も簡単である。

【００４３】図５はこの発明の他の実施例を示してい
る。

【００４４】この実施例では，外乱推定がモータ30の印
加電圧と検出電機子電流値とを用いて行なわれている。

【００４５】目標値応答部10において，電流目標値が印
加電圧演算部12によってＲ倍されて印加電圧目標値が求
められ，さらにこの印加電圧目標値に加算部11によって
外乱補償値が加算されることにより電圧操作量が得られ
る。この電圧操作量が極性判別部13およびデューティ演
算部14に与えられることにより，モータ駆動部15によっ
てモータ30が駆動される。

【００４６】モータ駆動部15からモータ30に印加される
電圧が電圧操作量検出部27によって検出される。この検
出部27はたとえば電圧計により実現される。

【００４７】検出部27によって検出された電圧操作量は
外乱推定部24において規範モデル25によって電流に変換
される。規範モデル25はたとえば１／Ｒの値を検出電圧
に乗じることにより電流を算出する。規範モデル25を通
して算出された電流と，電機子電流検出部21によって検
出された電流との差が減算部26で演算され，補償要素28
に与えられる。

【００４８】補償要素28はこの実施例ではＲまたはＲ／
（τｓ＋１）の値をもつ定数で，外乱推定部24で得られ
る差電流にこの定数が乗じられることにより外乱補償値
が求められる。この外乱補償値は目標値応答部10の加算
部11に与えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パワー・ステアリング機械系の一例を示す構成
図である。

【図２】操舵トルクおよび車両速度に基づいて基準電流
指令値を求めるためのグラフである。

【図３】電流目標値を生成する部分を示す機能ブロック
図である。

【図４】この発明によるモータ制御装置の実施例の構成
を示す機能ブロック図である。

【図５】他の実施例によるモータ制御装置の構成を示す
機能ブロック図である。

【図６】従来のソフトウエア・サーボ制御装置の構成を
示す機能ブロック図である。

【符号の説明】

10 目標値応答部 15 モータ駆動部 20 外乱補償部 21 電機子電流検出部 22 電流操作量検出部 23，28 補償要素 24 外乱推定部 27 電圧操作量検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 5/00 B62D 5/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 与えられた電流目標値に応じてモータ制
   御のための電流操作量を決定する目標値応答部， 上記目標値応答部において決定された電流操作量を電圧
   操作量に変換する印加電圧演算部， 上記印加電圧演算部から与えられる電圧操作量に応じて
   モータを駆動するモータ駆動手段，およびモータに生じ
   る外乱を推定し，この外乱を表わす値を上記目標値応答
   部にフィードフォワードする外乱補償部から構成され， 上記外乱補償部は， 上記目標値応答部で決定された電流操作量またはモータ
   に与えられる電圧操作量を検出する操作量検出部と， モータに流れる電機子電流を検出する電機子電流検出部
   と， 上記操作量検出部の検出操作量に関する値と上記電機子
   電流検出部の検出電機子電流に関する値との差に基づい
   て外乱を表わす値を推定する外乱推定部と， 上記外乱推定部で推定された外乱を表わす値に作用させ
   る補償要素とを備え， 上記補償要素が作用された外乱を表わす値が上記目標値
   応答部にフィードフォワードされる， モータ制御装置。
2. 【請求項２】 上記外乱推定部が，電流操作量と電機子
   電流との差に基づいて外乱を推定する，請求項１に記載
   のモータ制御装置。
3. 【請求項３】 上記外乱推定部が，モータへの印加電圧
   と検出された電機子電流とに基づいて外乱を推定する，
   請求項１に記載のモータ制御装置。