JP3624737B2

JP3624737B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP3624737B2
Application number: JP07730599A
Authority: JP
Inventors: 康憲柵木; 由之柴田
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2019-03-23
Also published as: JP2000279000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二相回転磁束座標系（ｄｑ座標系）で記述され得るベクトル制御により、指令トルクに応じたモータの制御を行うモータ制御装置に関し、特に、指令トルクが低い状態におけるモータの回転数を増加させ、モータの応答性を向上させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
二相回転磁束座標系（ｄｑ座標系）で記述され得るベクトル制御により、指令トルクに応じたモータの制御を行うモータ制御装置の例として、電気モータ（以下、単にモータという）により操舵をアシストする電動パワーステアリング装置がある。
このような電動パワーステアリング装置は、ハンドルに加わる操舵トルクをトルクセンサにより検出し、この検出した操舵トルクに応じたアシストトルクとなるようにモータをベクトル制御することにより、操舵のアシストを行なうようになっている。
【０００３】
このベクトル制御は図略のモータ制御装置により行われ、このモータ制御装置は、トルクセンサの検出値に基づく指令トルクの演算、モータの各相（例えば、ｕ，ｖ相）の電流検出（例えば、ｕ，ｖ相の各電流検出値ｉｕ，ｉｖ）、電流のｄｑ変換、電流偏差演算、指令電圧値演算、ｄｑ逆変換、ＰＷＭ制御パターン出力の各演算を行なうようになっている。
通常、目標値及フィードバック値の偏差演算をＣＰＵで行ない、その偏差に応じた指令値に応じて制御量を制御している。このようなモータ制御装置は、一般に、位置、速度及び電流のフィードバックループを備えている。このようなフィードバックループのうち電流フィードバックループにおいては、電流はカレントトランスフォーマ（ＣＴ）で検出され、その出力はアナログ増幅器で増幅され、その増幅器の出力が所定の周期でサンプリングされる。そして、検出された各相の電流がｄｑ変換され、そのｄ軸成分とｑ軸成分とが、各軸の目標値に等しくなるように制御されている。負荷電流のｄ軸成分は無効電流を意味し、負荷電流のｑ軸成分はモータが同期モータであり励磁磁界の大きさが一定である場合には、モータのトルクに比例する。従って、電流のフィードバック制御は、同期モータの場合には、検出された負荷電流のｄ軸成分が零となり、ｑ軸成分が出力トルクの目標値に等しくなるように制御される。
【０００４】
一般に、このような電動パワーステアリングに用いるモータの特性は図７に示すようになっており、モータトルクτ’とモータ回転数Ｎとの関係は実線ａで示すように、モータトルクτ’が大きくなるに従ってモータの回転数Ｎが低くなるような特性になっている。また、モータトルクτ’とモータ電流Ｉとの関係は実線ｂで示すように、モータトルクτ’が大きくなるに従ってモータ電流Ｉが大きくなるようになっている。この図７に示すモータの場合、定格電流はＩ１となっている。
このようにモータには、上述したような特性があるため、特に、電動パワーステアリングに用いるモータの場合、車両の特性、車両重量などに応じて車種毎に、最適なモータを選択する必要がある。
例えば、モータトルクτ’とモータ回転数Ｎとの関係が図７中実線ａ、モータトルクτ’とモータ電流Ｉとの関係が実線ｂで示す特性のモータを用いると、ハンドルを中立状態から素早く操舵した時、ハンドルの切り始めに引っ掛かったような操舵感覚、いわゆる「引っ掛かり感」が生じてしまったとする。これはモータトルクτ’が小さい状態のときのモータの回転数Ｎが低いことが原因となっている。このような場合には、モータトルクτ’が小さい状態のときのモータの回転数Ｎが高いモータに変更する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなモータトルクτ’が小さい状態のときのモータの回転数Ｎが高いモータを使用すると、図７中点線ａ’で示すように、モータトルクτ’が小さい状態のときに、高回転Ｎ２（＞Ｎ１）が得られるものの、モータトルクτ’とモータ電流Ｉとの関係が点線ｂ’で示すようになり、モータの定格電流がＩ２（＞Ｉ１）となってしまい、結局、消費電力の大きい大型のモータが必要となってしまう。
このため、限られたスペースに設置する電動パワーステアリング装置においては、モータの消費電力を低く押さえこと、モータを小型化することが重要となる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、モータを大型化することなく、低い指令トルクにおけるモータ回転数を高くできるモータ制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための発明の構成は、界磁電流の方向をｄ軸方向に、このｄ軸と直交する方向をｑ軸方向にもつ二相回転磁束座標系で記述され得るベクトル制御により、指令トルクに応じたモータの制御を行なうモータ制御装置において、前記指令トルクがゼロの状態におけるモータの電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流がモータの界磁を弱めるような所定値となるように補正するｄ軸電流補正手段と、前記指令トルクがゼロの状態から増加する場合には、前記ｄ軸電流がゼロになるように前記所定値を補正する所定値補正手段とを備えていることを特徴とするものである。すなわち、この構成により、通常、指令トルクがゼロの状態ではｄ軸電流がゼロであるが、モータの界磁を弱めるようにｄ軸電流を所定値にできる。この状態で、指令トルクがゼロの状態から増加する場合、ｄ軸電流がゼロになるように、所定値が補正され、モータの界磁を弱める制御が解除される。
【０００８】
また、前記所定値補正手段は、前記指令トルクがゼロの状態から増加するに従って、前記所定値を徐変させる徐変手段を備えていることを特徴とするものである。すなわち、この構成により、所定値が徐変されるので、モータの界磁を弱める制御が徐々に解除される。
【０００９】
また、前記ｄ軸電流補正手段は、前記指令トルクが所定トルクを超えた後は、前記ｄ軸電流をゼロにする補正解除手段を備えていることを特徴とするものである。すなわち、この構成により、指令トルクが所定トルクを超えた後は、直ちに、ｄ軸電流がゼロとなり、モータの界磁を弱める制御が解除される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態における電動パワーステアリング装置８０のハードウェア構成図を示す。
ステアリングシャフト１０の一端には、ハンドル１１が取り付けられ、他端にはギヤボックス１２に軸承されたピニオン軸１３が結合されている。ピニオン軸１３は、ギヤボックス１２に嵌装されたラック軸１４に噛合され、このラック軸１４の両端は図示していないが、ボールジョイント等を介して操向車輪に連結されている。また、ステアリングシャフト１０には、アシストトルクを発生するブラシレス直流モータＭが、歯車１７を介して連結されている。この直流モータＭには、駆動回路１１３より電流検出器１１５を介して３相より成るモータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給されている。
【００１１】
更に、ステアリングシャフト１０には、運転者からハンドル１１に加えられたマニュアル操舵力の大きさ及びその方向（操舵トルクτ）を検出するためのトルク検出器１５及び、ステアリングシャフト１０の操舵角φを検出するフォトインタラプタ３０が設けられている。フォトインタラプタ３０の出力はカウンタ３２に入力され、操舵角φに変換されて出力される。この操舵角φは、入力インターフェイス（ＩＦ）１１４を介してＣＰＵ１１０に入力され、ＣＰＵ１１０の演算により操舵角速度（ｄφ／ｄｔ）が検出される。
【００１２】
モータＭには、モータＭの回転角を検出する回転角センサ（エンコーダ）Ｅが設けられており、ＣＰＵ１１０は、回転角センサＥが出力するモータＭの所定微小回転角の回転数ｎを入力することにより、モータＭの回転角θを検出する。即ち、この回転数ｎは、モータＭが所定方向に回転した際には増加し、その逆方向に回転した際には減少する。
【００１３】
モータ制御装置１００は、前記のＣＰＵ１１０、ＲＯＭ１１１、ＲＡＭ１１２、駆動回路１１３、入力インターフェイス（ＩＦ）１１４、電流検出器１１５等から構成されている。駆動回路１１３は、チョッパ制御等により駆動電流を正弦波にしてモータＭに電力を供給する。
モータ制御装置１００は、上記の操舵トルクτ、操舵角φ及び、車速計５０により検出される車両速度ｕを入力インターフェイス（ＩＦ）１１４を介してＣＰＵ１１０に入力し、これらの入力値から所定のトルク計算により指令トルクτ^＊を求め、モータＭをベクトル制御するためのｄ軸とｑ軸の各電流指令値（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を決定する。
【００１４】
本第１実施例におけるモータ制御装置１００の制御ブロック・ダイアグラムを図２に、ベクトル制御処理のゼネラル・フローチャートを図３にそれぞれ示す。図３は、図２の制御ブロック・ダイアグラムの内のソフトウェアによって構成されている範囲の各制御ブロックの動作等をその制御処理の実行順序に従って記載したものである。
【００１５】
このベクトル制御処理（図３）では、まず最初に、ステップ４０５により初期設定及び初期診断等の初期処理を実行する。次にステップ４１０では、モータＭの駆動制御に必要な物理量の入力を行う。この物理量とは、操舵トルクτ、操舵角φ、車両速度ｕ、モータ駆動電流の検出値ｉｕ，ｉｖ、モータＭの所定微小回転角の回転数ｎ等である。
ステップ４１５では、次式（１）に従って、モータＭに指令する指令トルクτ^＊を算出する。
τ^＊＝Ｇ（τ，ｕ，φ，ｄφ／ｄｔ） …（１）
ただし、ここでＧは、所定のトルク計算を実行する関数である。
【００１６】
ステップ４２０では、図２の制御ブロック２０７に相当するトルク電流変換を次式（２）に従って実行する。
ｉｑ^＊＝ｈ（τ^＊） …（２）
ただし、ここでｈは、所定のトルク電流変換を実行する関数である。
【００１７】
ステップ４２５では、図２の制御ブロック２０５に相当するｄｑ変換を実行する。これにより、ｄ軸及びｑ軸の測定電流（フィード・バック電流）ｉｄｆ，ｉｑｆが得られる。ステップ４３０では、図２の制御ブロック２０１、２０２、即ち、後述のｄ軸電流補正処理（図４）に相当する指令電流補正を実行する。
本発明の最も大きな特徴は、後述する様に、このステップ４３０のより具体的な実現方式にある。
【００１８】
ステップ４３５では、図２の制御ブロック２０３、２０４に相当する電流偏差演算を次式（３）に従って実行する。
ΔＩｄ＝Ｉｄ−ｉｄｆ，
ΔＩｑ＝ｉｑ^＊−ｉｑｆ …（３）
ただし、ここで、ΔＩｄ，Ｉｄはそれぞれｄ軸の電流偏差及び、ステップ４３０によるｄ軸補正電流ｉｄによる補正後の指令電流である。ΔＩｑ，ｉｑ^＊はそれぞれｑ軸の電流偏差及びｑ軸の電流指令値である。
【００１９】
ステップ４４０では、図２のＰＩ制御ブロックに相当する所定のＰＩ制御を実行する。ステップ４４５では、図２の制御ブロック２０６に相当するｄｑ逆変換を実行する。これにより、ｄ軸及びｑ軸の各指令電圧Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊が、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対する指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗにそれぞれ変換される。ステップ４５０では、ＰＷＭ信号を駆動回路１１３に対して出力する。
【００２０】
ステップ４５５では、モータＭの駆動（ベクトル制御処理）を終了する条件が成立するか否かの判定を行う。モータ制御装置１００の故障等が検知された場合、車両のイグニッションキーがＯＦＦ状態になった場合等にこの終了条件が成立する。本終了条件が成り立たない場合には、ステップ４１０に処理を戻し、ステップ４１０以下の処理を繰り返し実行する。
【００２１】
図４に、前述した本第１実施例におけるｄ軸電流補正処理の詳細フローチャートを示す。本ｄ軸電流補正処理は、図３のステップ４３０に示されるサブルーチンとして呼び出されるものである。
本ｄ軸電流補正処理では、まず最初に、図２の制御ブロック２０１に相当するステップ５１０により、ｄ軸の補正電流ｉｄの値を次式（４）に従って決定する。
ｉｄ＝Ｃ＋ｆ（τ^＊） …（４）
ただし、ここで、ＣはモータＭの界磁を弱めることができる所定値、ｆ（τ^＊）は指令トルクτ^＊に応じたｄ軸の補正電流を求める関数である。なお、Ｃ＜０、ｆ（τ^＊）≧０である。
【００２２】
図２の制御ブロック２０２に相当するステップ５２０では、次式（５）に従って指令トルクτ^＊に応じた補正後の指令電流Ｉｄを決定する。
Ｉｄ＝ｉｄ^＊＋ｉｄ …（５）
ただし、ここでｉｄ^＊はｄ軸の電流指令値で、ｉｄ^＊＝０である。
これにより、図５に示すように、モータトルクτ’とモータ回転数Ｎとの関係が実線Ａに示すようになり、モータトルクτ’が小さい領域Ｅにおけるモータ回転数Ｎを高めることができる。また、モータトルクτ’とモータ電流Ｉとの関係は実線Ｂとなる。
このように指令トルクτ^＊がゼロの状態で、界磁電流成分である補正後の指令電流Ｉｄが、従来はＩｄ＝ｉｄ^＊＝０となるが、モータの界磁を弱める所定値Ｃ（＜０）となるように補正後の指令電流Ｉｄを制御でき、指令トルクτ^＊が増加するに従って、この指令電流Ｉｄがゼロとなるようにできるため、特に、指令トルクτ^＊が小さい領域ＥにおけるモータＭの界磁を弱めることが可能となる。これにより、指令トルクτ^＊が小さい領域ＥにおけるモータＭの回転数Ｎを従来のモータ制御装置よりも高できる。
【００２３】
従って、第１の実施形態によれば、指令トルクτ^＊が小さい状態では、界磁電流成分である補正後の指令電流Ｉｄをモータの界磁を弱める所定値Ｃ（＜０）にすることにより、モータの界磁を弱め、操舵が必要になる（指令トルクτ^＊が大きくなる）に従って界磁を弱める制御を徐々に解除し、界磁電流成分である補正後の指令電流Ｉｄ＝０とするので、小型のモータを使用しても、急操舵の際に操舵が引っ掛かったような感覚、いわゆる「引っ掛り感」が生じることがない。
この実施形態においては、指令トルクτ^＊がτｐのとき、ｉｄ＝０となるように所定値Ｃを決定しているが、指令トルクτ^＊が最大のときにｉｄ＝０となるようにしても良い。このようにした場合には、指令トルクτ^＊の値がゼロから最大値になる手前まで、補正後の指令電流Ｉｄが補正されることになる。
【００２４】
図６に、第２の実施形態における指令電流補正処理のフローチャートを示す。本指令電流補正処理は、図３のステップ４３０に示されるサブルーチンとして呼び出されるものである。
【００２５】
本指令電流補正処理では、まず最初に、ステップ６１０により、指令トルクτ^＊が所定値τｏよりも大きいか否かを判定し、指令トルクτ^＊が所定値τｏよりも小さい場合には次のステップ６２０へ処理を移す。このステップ６２０では、第１の実施形態の図４のフローチャートのステップ５１０と同様に、ｄ軸の補正電流ｉｄの値を前記式（４）に従って決定する。
次に、ステップ６３０では、第１の実施形態の図４のフローチャートのステップ５２０と同様に、前記式（５）に従って指令トルクτ^＊に応じた補正後のｄ軸の指令電流Ｉｄを決定する。
【００２６】
前記ステップ６１０の判定が、指令トルクτ^＊が所定値τｏよりも大きい場合には、ｉｄ＝０にし、次のステップ６３０へ処理を移し、前記式（５）に従って指令トルクτ^＊に応じた補正後の指令電流Ｉｄを決定する。
これにより、指令トルクτ^＊が小さい領域のみで、第１の実施形態と同様に、モータの回転数Ｎを高くすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、指令トルクがゼロの状態におけるモータの電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流が、モータの界磁を弱めるような所定値となるように補正され、モータの界磁を弱める指令トルクがゼロの状態から増加する場合、電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流がゼロになるように所定値を補正するので、指令トルクが小さい状態（ゼロ付近）におけるモータの回転数を定格電流の大きいモータに交換することなく、モータの回転数を増加させることができ、指令トルクが急激に変化した場合でもモータの応答性を向上できる。
また、電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流がゼロになるように所定値を補正する際、所定値を徐々に補正にするので、指令トルクが大きくなりモータの回転数を高くする必要がない領域においてモータの回転数を滑らかに減少させることができる。
また、電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流がゼロとなるように所定値を補正する際、指令トルクが所定値を超えたときに、ゼロにするようにしたので、指令トルクが大きくなりモータの回転数を高くする必要がない領域ではモータの回転数を直ちに低下させることができる。
本発明は、電動パワーステアリング装置に限らず、指令トルクに対してモータを制御する例えば、ロボットのダイレクトティーチングなどに用いられるモータ制御装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施形態における電動パワーステアリング装置８０のハードウェア構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるモータ制御装置１００の制御ブロック・ダイアグラム。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態におけるベクトル制御処理のゼネラル・フローチャート。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるｄ軸電流補正処理のフローチャート。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるモータ特性を示すグラフ。
【図６】本発明の第２の実施形態におけるｄ軸電流補正処理のフローチャート。
【図７】モータの特性を示すグラフ。
【符号の説明】
Ｍ … ブラシレス直流モータ
Ｅ … 回転センサ（エンコーダ）
１５ … トルク検出器
１００ … モータ制御装置
１１３ … 駆動回路
ｎ … モータＭのロータの微小回転回数
θ … モータＭのロータの回転角
τ … 操舵トルク
τ^＊ … 指令トルク
τ’ … モータトルク
φ … 操舵角
ｕ … 車両速度
ｉｄ^＊ … 補正前のｄ軸の指令電流
ｉｑ^＊ … 補正前のｑ軸の指令電流
ｉｄ … ｄ軸の補正電流
Ｉｄ … 補正後のｄ軸の指令電流
ｉｄｆ … ｄ軸の測定電流（フィード・バック電流）
ｉｑｆ … ｑ軸の測定電流（フィード・バック電流）
ΔＩｄ … ｄ軸の電流偏差
ΔＩｑ … ｑ軸の電流偏差
ｆ … 指令トルクτ^＊に応じたｄ軸の補正電流ｉｄを求める関数

Claims

界磁電流の方向をｄ軸方向に、このｄ軸と直交する方向をｑ軸方向にもつ二相回転磁束座標系で記述され得るベクトル制御により、指令トルクに応じたモータの制御を行なうモータ制御装置において、前記指令トルクがゼロの状態におけるモータの電機子電流のｄ軸成分であるｄ軸電流がモータの界磁を弱めるような所定値となるように補正するｄ軸電流補正手段と、前記指令トルクがゼロの状態から増加する場合には、前記ｄ軸電流がゼロになるように前記所定値を補正する所定値補正手段とを備えていることを特徴とするモータ制御装置。
前記所定値補正手段は、前記指令トルクがゼロの状態から増加するに従って、前記所定値を徐変させる徐変手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記ｄ軸電流補正手段は、前記指令トルクが所定トルクを超えた後は、前記ｄ軸電流をゼロにする補正解除手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。