JP4385276B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブラシレスモータのためのモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、３相ブラシレスモータは、３相巻線（Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線）が組み込まれたステータと、界磁束を発生する永久磁石が固定されたロータとを有している。電気角１２０度ずつ位相がずれた正弦波状の電流（正弦波電流）を各相巻線に供給すると、各相巻線に流れる電流による合成磁界が回転し、この回転磁界の影響を受けてロータが回転する。
【０００３】
各相巻線に供給すべき電流値（各相電流指令値）は、たとえば、電動パワーステアリング装置の場合であれば、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに応じて設定される電流指令値（各相巻線に供給すべき正弦波電流の振幅）に対して、いわゆる三相分相処理を施すことによって求められる。すなわち、ロータの回転位置（モータ角度）をθ_reとして、電流指令値Ｉ^*に対して三相分相処理を施して得られるＵ相電流指令値ｉ_ua ^*、Ｖ相電流指令値ｉ_va ^*およびＷ相電流指令値ｉ_wa ^*は、それぞれ下記式(1)，(2)，(3)に従って求められる。
【０００４】
【数１】

【０００５】
【特許文献１】
特開平９−９３９９８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
モータ角度θ_reは、たとえば、モータに関連して設けられたレゾルバなどの回転角センサの出力信号を、ノイズ除去のためのローパスフィルタに通した後、適当な周期でサンプリングすることによって検出される。このために、実際のモータ角度に対して、回転角センサの出力信号に基づいて検出されるモータ角度θ_reに遅れが生じることがあった。すなわち、モータの回転速度が低速のときには特に問題にならないが、モータの回転速度が高速になると、ローパスフィルタでの処理による遅延などが原因で、実際のモータ角度に対して、回転角センサの出力信号に基づいて検出されるモータ角度θ_reに遅れが生じる。
【０００７】
このような遅れが生じると、実際のモータ角度に対して各相電流指令値ｉ_ua ^*，ｉ_va ^*，ｉ_wa ^*の位相が遅れるために、モータの力率が低下し、モータから発生されるトルクが電流指令値Ｉ^*に応じたトルクよりも小さくなってしまう。そして、モータの出力トルクの低下は、電動パワーステアリング装置の場合であれば、操舵補助の応答性やステアリングホイールの収斂性の悪化を招くおそれがある。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、ブラシレスモータのモータ角度の検出遅れに起因する出力トルクの低下を防止できるモータ制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ブラシレスモータ（Ｍ）に付設された回転角センサ（Ｓ）の出力信号に基づいて、上記ブラシレスモータのモータ角度θ _ｒｅ を検出するモータ角度検出手段（３，２３）と、このモータ角度検出手段によって検出されるモータ角度θ _ｒｅ に基づいて、上記ブラシレスモータのモータ角度の時間変化率であるモータ角速度を検出するモータ角速度検出手段（２４）と、上記モータ角度検出手段によって検出されるモータ角度θ _ｒｅ を上記モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度ω _ｒｅ に応じて補正するモータ角度補正手段（２５）と、このモータ角度補正手段による補正後のモータ角度θ _ｒｅ ’に基づいて、上記ブラシレスモータを駆動制御する駆動制御手段（２２，２６）とを含み、上記モータ角度補正手段は、上記モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度ω _ｒｅ がω _０ 以上のときには、
θ _ｒｅ ’＝θ _ｒｅ ＋ｋ(ω _ｒｅ −ω _０ )
ただし、
ω _０ ：モータ角速度−出力トルク特性において、モータの出力トルクが低下し始める時点でのモータ角速度
ｋ：定数
に従って、補正後のモータ角度θ _ｒｅ ’を生成し、上記モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度ω _ｒｅ がω _０ よりも小さいときには、
θ _ｒｅ ’＝θ _ｒｅ
に従って、補正後のモータ角度θ _ｒｅ ’を生成することを特徴とするモータ制御装置（８）である。
【００１０】
なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
上記の構成によれば、モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度（ω _ｒｅ ）が、モータ角速度−出力トルク特性において、モータの出力トルクが低下し始める時点でのモータ角速度（ω _０ ）以上のときには、モータ角度検出手段によって検出されるモータ角度（θ_ｒｅ）がモータ角速度に応じて補正され、その補正後のモータ角度（θ_ｒｅ’）に基づいて、ブラシレスモータが駆動制御される。また、モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度（ω _ｒｅ ）が、モータ角速度−出力トルク特性において、モータの出力トルクが低下し始める時点でのモータ角速度（ω _０ ）よりも小さいときには、モータ角度検出手段によって検出されるモータ角度に基づいて、ブラシレスモータが駆動制御される。
これにより、モータ角度検出手段によって検出されるモータ角度に対する補正の内容が、実際のモータ角度に対してモータ角度検出手段によって検出されるモータ角度が有する遅れを補償する内容のものであれば、モータ角度の検出遅れに起因するブラシレスモータの出力トルクの低下を防止できる。
【００１２】
請求項１記載のモータ制御装置は、ブラシレスモータからの発生トルクをステアリング機構に与えて操舵補助する電動パワーステアリング装置において、上記ブラシレスモータを駆動制御するためのモータ制御手段として適用されてもよい。すなわち、このような電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ（Ｍ）からの発生トルクをステアリング機構（７）に与えて操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、ブラシレスモータ（Ｍ）に付設された回転角センサ（Ｓ）と、この回転角センサの出力信号に基づいて、上記ブラシレスモータ（Ｍ）を駆動制御するモータ制御手段とを含み、上記モータ制御手段として、請求項１記載のモータ制御装置が適用されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置と言い換えることができる。請求項１記載のモータ制御装置が適用されていることによって、ブラシレスモータの出力トルクの低下に伴って操舵補助の応答性やステアリングホイールの収斂性が悪化することを防止でき、良好な操舵フィーリングを得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置が適用された電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。ステアリングホイール５に加えられた操舵トルクは、ステアリングシャフト６を介して、ステアリング機構７に伝達される。ステアリング機構７には、モータＭから発生する駆動力が、操舵補助力として、図示しないギヤ機構を介して、またはダイレクトドライブ方式によって、機械的に伝達されるようになっている。
【００１４】
モータＭは、たとえば、３相ブラシレスモータであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応した巻線（電機子巻線）Ｗｕ，Ｗｖ，Ｗｗが組み込まれたステータと、界磁束を発生する永久磁石が固定されたロータとを有している。また、モータＭには、ロータに関連して、そのロータの回転位置（モータ角度）に応じた信号を出力するレゾルバなどの回転角センサＳが付設されている。
モータＭは、ステアリングホイール５に加えられる操舵トルクなどに基づいて、モータ制御装置８によって駆動制御されるようになっている。モータ制御装置８は、モータＭに駆動電流を供給する駆動回路１と、駆動回路１からモータＭへの駆動電流の供給を制御する制御部２と、回転角センサＳの出力信号からノイズ成分を除去するためのローパスフィルタなどを含む信号処理回路３と、モータＭに流れる電流（Ｕ相電流およびＶ相電流）を検出するモータ電流検出回路４とを備えている。信号処理回路３およびモータ電流検出回路４の出力信号は、制御部２に入力されるようになっている。
【００１５】
駆動回路１は、２個のスイッチング素子（たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴ）の直列回路が３つ並列に接続され、この並列回路が直流電源とアースとの間に直列に接続された３相インバータ回路の構成を有している。各直列回路は、モータＭのＵ相、Ｖ相またはＷ相に一対一に対応づけられて、２つのスイッチング素子の接続点でそれぞれ対応する相端子に接続されている。
制御部２は、マイクロコンピュータを含む構成であって、このマイクロコンピュータが実行するプログラム処理によって実現される機能処理部を実質的に備えている。この機能処理部には、モータＭの電流指令値（目標電流値）Ｉ^*を設定する目標電流設定部２１、ならびに、目標電流設定部２１によって設定された電流指令値Ｉ^*に対して三相分相処理を施して、各相巻線Ｗｕ，Ｗｖ，Ｗｗに供給すべき電流値であるＵ相電流指令値ｉ_ua ^*、Ｖ相電流指令値ｉ_va ^*およびＷ相電流指令値ｉ_wa ^*を演算する三相分相処理部２２が含まれる。
【００１６】
目標電流設定部２１は、たとえば、ステアリングホイール５に加えられた操舵トルクおよびこの電動パワーステアリング装置が搭載された車両の走行速度（車速）に基づいて、モータＭの電流指令値Ｉ^*を設定する。
制御部２が備えている機能処理部にはさらに、信号処理回路３の出力信号を所定の周期でサンプリングして、モータＭのモータ角度θ_re（を表すデータ）を取得するサンプリング部２３、このサンプリング部２３によって取得されたモータ角度θ_reを時間微分して、モータＭのロータの回転角速度（モータ角速度）ω_reを演算するモータ角速度演算部２４、ならびに、このモータ角速度演算部２４によって演算されたモータ角速度ω_reに基づいて、サンプリング部２３によって取得されたモータ角度θ_reを補正するモータ角度補正部２５が含まれる。
【００１７】
モータ角度補正部２５による補正後のモータ角度θ_re’は、三相分相処理部２２に与えられるようになっている。三相分相処理部２２は、そのモータ角度補正部２５から与えられる補正後のモータ角度θ_re’に基づいて、目標電流設定部２１によって設定される電流指令値Ｉ^*に対して三相分相処理を施すことにより、Ｕ相電流指令値ｉ_ua ^*、Ｖ相電流指令値ｉ_va ^*およびＷ相電流指令値ｉ_wa ^*を演算する。すなわち、三相分相処理部２２は、下記式(4)，(5)，(6)に従って、それぞれＵ相電流指令値ｉ_ua ^*、Ｖ相電流指令値ｉ_va ^*およびＷ相電流指令値ｉ_wa ^*を演算する。
【００１８】
【数２】

【００１９】
そして、三相分相処理部２２で演算されるＵ相電流指令値ｉ_ua ^*、Ｖ相電流指令値ｉ_va ^*およびＷ相電流指令値ｉ_wa ^*と、モータ電流検出回路４の出力信号に基づいて求められる各相巻線に実際に流れている電流値との偏差が、制御信号生成部２６で演算され、さらに制御信号生成部２６で、その偏差に基づいて所定の制御演算（たとえば、ＰＩ（比例・積分）演算）が行われることにより、駆動回路１に与えるべきＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号が生成される。制御信号生成部２６で生成されたＰＷＭ制御信号が駆動回路１に与えられると、駆動回路１に含まれるスイッチング素子がオン／オフし、そのオン／オフに応じた駆動電流が駆動回路１からモータＭに供給される。
【００２０】
サンプリング部２３によって取得されるモータ角度θ_reは、信号処理回路３における信号処理（ローパスフィルタによる処理）およびサンプリング部２３におけるサンプリング間隔が原因で、実際のモータ角度に対して遅れ（１次遅れ）を有している。そのため、サンプリング部２３によって取得されるモータ角度θ_reをそのまま三相分相処理部２２に与えると、実際のモータ角度に対して各相電流指令値ｉ_ua ^*，ｉ_va ^*，ｉ_wa ^*の位相が遅れるために、モータＭの力率が低下し、モータＭからの出力トルクが電流指令値Ｉ^*に応じたトルクよりも小さくなる。
【００２１】
そこで、三相分相処理部２２には、モータ角度補正部２５による補正後のモータ角度θ_re’が与えられるようになっている。モータ角度補正部２５は、サンプリング部２３によって取得されるモータ角度θ_reに対して、モータ角速度ω_reに応じた補正値ｆ(ω_re)を加算する補正を施すことにより、実際のモータ角度の変化にほぼ追従して変化する（つまり、実際のモータ角度に対して遅れを有していない）モータ角度θ_re’を生成する。このモータ角度θ_re’を生成するための演算を式で表せば、下記式(7)のようになる。
【００２２】
θ_re’＝θ_re＋ｆ(ω_re) ・・・・・・(7)
サンプリング部２３によって取得されたモータ角度θ_reが有する遅れは、１次遅れであるから、補正値ｆ(ω_re)は、その１次遅れを補償できる値であればよく、たとえば、下記式(8)に従って定められる値であってもよい。
ｆ(ω_re)＝ｋ（ω_re−ω₀） ・・・・・・(8)
ここで、上記式(8)中におけるｋおよびω₀は、いずれも定数であり、たとえば、実験によって求められたモータＭのモータ角速度−出力トルク特性に基づいて定められている。すなわち、モータＭの理想的なモータ角速度−出力トルク特性が図２に実線で示すような曲線で表されるのに対して、サンプリング部２３によって取得されるモータ角度θ_reを三相分相処理部２２に与えて、モータＭを駆動制御する実験を行った結果、図２において二点鎖線で示すようなモータ角速度−出力トルク特性が得られた場合、モータＭの出力トルクが低下し始める時点でのモータ角速度が上記式(8)中における定数ω₀とされる。また、その実験で得られたモータ角速度−出力トルク特性が理想的なモータ角速度−出力トルク特性に近似するように、上記式(8)中における定数ｋが定められる。
【００２３】
これにより、モータ角度θ_reの有する１次遅れが補正値ｆ(ω_re)＝ｋ（ω_re−ω₀）によって良好に補償され、実際のモータ角度に対して遅れを有していないモータ角度θ_re’が生成される。よって、この補正後のモータ角度θ_re’が三相分相処理部２２に与えられることにより、実際のモータ角度に対して位相遅れを有していない各相電流指令値ｉ_ua ^*，ｉ_va ^*，ｉ_wa ^*を生成することができ、電流指令値Ｉ^*に応じたトルクをモータＭから発生させることができる。
【００２４】
なお、モータ角速度ω_reが定数ω₀よりも小さい場合は、補正値ｆ(ω_re)＝０とされて、サンプリング部２３によって取得されたモータ角度θ_reに対する補正は行われない。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の実施形態で実施することもできる。たとえば、サンプリング部２３によって取得されたモータ角度θ_reが有する１次遅れを補償するための補正値ｆ(ω_re)を、
ｆ(ω_re)＝θ_re（１＋ｋ'ω_re） ・・・・・・(9)
としてもよい。この場合、上記式(9)中のｋ'は、実験によって求めたモータＭのモータ角速度−出力トルク特性に基づいて定められる定数であり、具体的には、サンプリング部２３によって取得されるモータ角度θ_reを三相分相処理部２２に与えて、モータＭを駆動制御する実験を行った結果、図２において二点鎖線で示すようなモータ角速度−出力トルク特性が得られた場合に、その実験で得られたモータ角速度−出力トルク特性が理想的なモータ角速度−出力トルク特性に近似するように定められるとよい。
【００２５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記モータ制御装置の制御対象であるモータの角速度−出力トルク特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 駆動回路
２ 制御部
３ 信号処理回路（モータ角度検出手段）
８ モータ制御装置
２１ 目標電流設定部
２２ 三相分相処理部（駆動制御手段）
２３ サンプリング部（モータ角度検出手段）
２４ モータ角速度演算部（モータ角速度検出手段）
２５ モータ角度補正部（モータ角度補正手段）
２６ 制御信号生成部（駆動制御手段）
Ｍ モータ
Ｓ 回転角センサ

Claims (1)

1. ブラシレスモータに付設された回転角センサの出力信号に基づいて、上記ブラシレスモータのモータ角度θ _ｒｅ を検出するモータ角度検出手段と、
   このモータ角度検出手段によって検出されるモータ角度θ _ｒｅ に基づいて、上記ブラシレスモータのモータ角度の時間変化率であるモータ角速度ω _ｒｅ を検出するモータ角速度検出手段と、
   上記モータ角度検出手段によって検出されるモータ角度θ _ｒｅ を上記モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度ω _ｒｅ に応じて補正するモータ角度補正手段と、
   このモータ角度補正手段による補正後のモータ角度θ _ｒｅ ’に基づいて、上記ブラシレスモータを駆動制御する駆動制御手段とを含み、
   上記モータ角度補正手段は、上記モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度ω _ｒｅ がω _０ 以上のときには、
   θ _ｒｅ ’＝θ _ｒｅ ＋ｋ(ω _ｒｅ −ω _０ )
   ただし、
   ω _０ ：モータ角速度−出力トルク特性において、モータの出力トルクが低下し始める時点でのモータ角速度
   ｋ：定数
   に従って、補正後のモータ角度θ _ｒｅ ’を生成し、
   上記モータ角速度検出手段によって検出されるモータ角速度ω _ｒｅ がω _０ よりも小さいときには、
   θ _ｒｅ ’＝θ _ｒｅ
   に従って、補正後のモータ角度θ _ｒｅ ’を生成することを特徴とするモータ制御装置。

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