JP5070867B2 - モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置に関するものである。
従来、電動パワーステアリング装置(EPS)等に用いられるモータ制御装置の多くには、電力供給線の断線や駆動回路の接点故障等によってモータの何れかの相(U,V,Wの何れか)に通電不良が生じた場合に、該異常の発生を検出可能な異常検出手段が設けられている。そして、当該異常の発生を検出した場合には、速やかにモータ制御を停止してフェールセーフを図る構成が一般的となっている。
しかしながら、EPSにおいては、こうしたモータ制御の停止に伴い、そのステアリング特性が大きく変化する。即ち、運転者が的確なステアリング操作を行うためには、より大きな操舵力が要求されることになる。この点を踏まえ、従来、上記のように通電不良相の発生を検出した場合であっても、当該通電不良発生相以外の相を通電相としてモータ制御を継続するモータ制御装置がある(例えば、特許文献1)。そして、このような構成を採用することで、通電相の減少に伴うトルクリップルの発生はあるものの、操舵系に対するアシスト力の付与を継続して、フェールセーフに伴う運転者の負担の増大を回避することができる。
特開2003−26020号公報
ところで、EPSにおいては、素早いステアリング操作の発生時等には、その基底速度を超えた高速領域でのモータ回転が要求される場合があり、このような場合、弱め界磁制御を実行することによって、その高速操舵時の追従性を確保する方法がある。
即ち、EPSのような高い静粛性が要求される用途におけるモータ駆動は、通常、所謂正弦波通電により行われ、当該正弦波通電を行うためのモータ制御信号の生成・出力は、多くの場合、検出された各相の相電流値をd/q座標系のd,q軸電流値に変換し、当該d/q座標系でのフィードバック制御を実行することにより行われる。そして、上記弱め界磁制御は、そのフィードバック制御におけるd軸電流指令値を、モータの回転角速度に応じた負の値とすることにより行われる。つまり、負方向のd軸電流を流すことにより生ずるd軸電機子反作用による減磁起磁力を利用し、永久磁石磁束の存在するd軸方向の磁束を減少させることにより、基底速度を超えた高速領域までモータの運転範囲を拡大するのである。
しかしながら、上記従来例のように、通電不良相の発生時に当該通電不良発生相以外の相を通電相としてモータ制御を継続する構成では、こうした弱め界磁制御の実行により、モータが逆回転する可能性がある。即ち、上記従来例は、d軸電流指令値を「0」とするd軸非干渉制御を前提としているが、図5に示すような二相駆動時(同図に示される例は、U相異常、V,W相通電時)に、負方向のd軸電流指令値に基づくフィードバック制御を実行した場合には、図6に示すように、負方向のq軸電流が発生することになる(領域αに示す部分)。その結果、ステアリング操作の方向と逆方向にアシスト力が付与されるおそれがあり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、運転可能な回転速度領域が広く且つ通電不良相発生時の非通常制御においてもモータに逆回転の生じないモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段と、前記モータ制御信号に基づいてモータに三相の駆動電力を供給する駆動回路とを有し、前記モータ制御信号出力手段は、電流指令値としてd/q座標系のd軸電流指令値及びq軸電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、検出されるモータの各相電流値を前記d/q座標系のd軸電流値及びq軸電流値に変換し該d軸電流値及びq軸電流値を前記演算されたd軸電流指令値及びq軸電流指令値に追従させるべくフィードバック制御を実行することにより前記モータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段とを備えるとともに、前記モータの回転角速度に応じて前記d軸電流指令値を負の値とする弱め界磁制御を行うモータ制御装置であって、前記モータの何れかの相に通電不良が発生した場合に、該異常の発生を検出可能な異常検出手段を備え、前記モータ制御信号出力手段は、前記異常が検出された場合には、該異常発生相以外の相を通電相として前記フィードバック制御を実行することにより前記モータ制御信号の出力を実行するとともに、該異常検出時には、前記d軸電流指令値が0となるように制御すること、を要旨とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。
上記構成によれば、通常時には、弱め界磁制御の実行により、モータの運転範囲を拡張することができ、且つ通電不良相の発生時における非通常制御(二相を通電相とするモータ駆動)には、d軸電流値が0となるように制御し、弱め界磁制御を停止することで、モータの逆回転を回避することができる。そして、このようなモータ制御装置を電動パワーステアリング装置に適用することにより、通電不良相の発生時においても、ステアリング操作の方向と逆方向にアシスト力を付与する状況を発生させることなく、アシスト力の付与を継続して運転者の負担を軽減することができる。
本発明によれば、運転可能な回転速度領域が広く且つ通電不良相発生時の非通常制御においてもモータの逆回転が生じないモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することができる。
以下、本発明を電動パワーステアリング装置(EPS)に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1は、本実施形態のEPS1の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール(ステアリング)2が固定されたステアリングシャフト3は、ラックアンドピニオン機構4を介してラック5に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト3の回転は、ラックアンドピニオン機構4によりラック5の往復直線運動に変換される。そして、このラック5の往復直線運動により操舵輪6の舵角が変更されるようになっている。
また、EPS1は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのEPSアクチュエータ10と、該EPSアクチュエータ10の作動を制御する制御手段としてのECU11とを備えている。
本実施形態のEPSアクチュエータ10は、その駆動源であるモータ12がラック5と同軸に配置された所謂ラック型のEPSアクチュエータであり、モータ12が発生するアシストトルクは、ボールねじ機構(図示略)を介してラック5に伝達される。尚、本実施形態のモータ12は、ブラシレスモータであり、ECU11から三相(U,V,W)の駆動電力の供給を受けることにより回転する。そして、モータ制御装置としてのECU11は、このモータ12が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する(パワーアシスト制御)。
本実施形態では、ECU11には、トルクセンサ14及び車速センサ15が接続されている。そして、ECU11は、これらトルクセンサ14及び車速センサ15によりそれぞれ検出される操舵トルクτ及び車速Vに基づいて、EPSアクチュエータ10の作動、即ちパワーアシスト制御を実行する。
次に、本実施形態のEPSの電気的構成について説明する。
図2は、本実施形態のEPSの制御ブロック図である。同図に示すように、ECU11は、モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段としてのマイコン17と、モータ制御信号に基づいてモータ12に三相の駆動電力を供給する駆動回路18とを備えている。
尚、本実施形態の駆動回路18は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位(アーム)として各相に対応する3つのアームを並列接続してなる周知のPWMインバータであり、マイコン17の出力するモータ制御信号は、駆動回路18を構成する各スイッチング素子のオンduty比を規定するものとなっている。そして、モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、同モータ制御信号に応答して各スイッチング素子がオン/オフすることにより、車載電源(図示略)の直流電圧が三相(U,V,W)の駆動電力に変換されてモータ12に供給されるようになっている。
本実施形態では、ECU11には、モータ12に通電される各相電流値Iu,Iv,Iwを検出するための電流センサ21u,21v,21w、及びモータ12の回転角θを検出するための回転角センサ22が接続されている。そして、マイコン17は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ12の各相電流値Iu,Iv,Iw及び回転角θ、並びに上記操舵トルクτ及び車速Vに基づいて駆動回路18にモータ制御信号を出力する。
さらに詳述すると、マイコン17は、操舵系に付与するアシスト力の制御目標量として電流指令値を演算する電流指令値演算手段としての電流指令値演算部23と、電流指令値演算部23により算出された電流指令値に基づいてモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段としてのモータ制御信号生成部24とを備えている。
電流指令値演算部23は、上記トルクセンサ14及び車速センサ15により検出された操舵トルクτ及び車速Vに基づいて、d軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*を演算し、モータ制御信号生成部24に出力する。一方、モータ制御信号生成部24には、電流指令値演算部23により算出されたこれらd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*とともに、各電流センサ21u,21v,21wにより検出された各相電流値Iu,Iv,Iw、及び回転角センサ22により検出された回転角θが入力される。そして、モータ制御信号生成部24は、これら各相電流値Iu,Iv,Iw、及び回転角θ(電気角)に基づいて、d/q座標系における電流フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を生成する。
即ち、モータ制御信号生成部24において、各相電流値Iu,Iv,Iwは、回転角θとともに3相/2相変換部25に入力され、同3相/2相変換部25によりd/q座標系のd軸電流値Id及びq軸電流値Iqに変換される。また、電流指令値演算部23の出力するq軸電流指令値Iq*は、上記q軸電流値Iqとともに減算器26qに入力され、d軸電流指令値Id*は、d軸電流値Idとともに減算器26dに入力される。尚、本実施形態では、電流指令値演算部23は、後述する弱め界磁制御を行わない場合には、d軸電流値Idとして「0」を出力する(Id*=0)。これら減算器26d,26qにおいて演算されたd軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqは、それぞれ対応するF/B制御部27d,27qに入力される。そして、これら各F/B制御部27d,27qにおいて、電流指令値演算部23が出力するd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*に実電流であるd軸電流値Id及びq軸電流値Iqを追従させためのフィードバック制御が行われる。
具体的には、F/B制御部27d,27qは、入力されたd軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqに所定のF/Bゲイン(PIゲイン)を乗ずることにより、d軸電圧指令値Vd*及びq軸電圧指令値Vq*を演算する。そして、各F/B制御部27d,27qにより演算されたこれらd軸電圧指令値Vd*及びq軸電圧指令値Vq*は、回転角θとともに2相/3相変換部28に入力され、同2相/3相変換部28において三相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換される。
2相/3相変換部28において演算された各電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*は、PWM変換部30に入力され、同PWM変換部30において、該各電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に対応するduty指令値αu,αv,αwが生成される。そして、モータ制御信号生成部24は、これら各duty指令値αu,αv,αwに示されるオンduty比を有するモータ制御信号を生成し、マイコン17は、そのモータ制御信号を、駆動回路18を構成する各スイッチング素子(のゲート端子)に出力することにより、同駆動回路18の作動、即ちモータ12への駆動電力の供給を制御する。
また、本実施形態では、電流指令値演算部23には、モータ12の回転角速度ωが入力される。そして、電流指令値演算部23は、この入力される回転角速度ωに応じてd軸電流指令値Id*を負の値とする弱め界磁制御を実行する。即ち、モータ12の回転角速度ωが増加するに従い各相のモータコイル12u,12v,12wに生ずる逆起電力もまた増大するため、モータの回転速度には上限(基底速度)がある。しかしながら、d軸電流指令値Id*を負の値として負方向のd軸電流を流すことで、d軸電機子反作用による減磁起磁力を利用して、d軸方向の磁束を減少させることが可能である。そして、本実施形態では、モータ12の回転角速度ωに応じて、このような弱め界磁制御を実行することにより、基底速度を超えた高速領域までモータ12の運転範囲を拡張する構成となっている。
(異常発生時の制御態様)
次に、本実施形態のECUにおける異常発生時の制御態様について説明する。
図2に示すように、本実施形態のECU11では、マイコン17には、EPS1に何らかの異常が生じた場合に、該異常の態様を特定するための異常判定部31が設けられている。そして、ECU11(マイコン17)は、この異常判定部31により特定(判定)された異常の態様に応じて、モータ12の制御モードを変更する。
詳述すると、異常判定部31には、EPSアクチュエータ10の機械的構成の異常を検出するための異常信号S_trが入力されるようになっており、同異常判定部31は、この入力される異常信号S_trに基づいて、EPS1における機械系統の異常を検出する。また、異常判定部31には、モータ12の各相電流値Iu,Iv,Iw、及び回転角速度ω、並びに各相のduty指令値αu,αv,αw等が入力される。そして、異常判定部31は、これら各状態量に基づいて、トルクセンサ14の異常、或いはモータ12への電力供給系統における異常、即ち、過電流の発生や、動力線(モータコイルを含む)の断線や駆動回路18の接点不良等に起因する通電不良相の発生等を検出する。
例えば、通電不良相発生の検出は、X相(X=U,V,W)の相電流値Ixが所定値Ith以下(|Ix|≦Ith)、且つ回転角速度ωが断線判定の対象範囲内(|ω|≦ω0)である場合に、該相に対応するduty指令値αxが所定値Ith及び判定対象範囲を規定する閾値ω0に対応する所定範囲(αLo≦αx≦αHi)にない状態が継続するか否かにより行われる。
即ち、図3のフローチャートに示すように、異常判定部31は、検出される相電流値Ix(の絶対値)が所定値Ith以下であるか否かを判定し(ステップ101)、所定値Ith以下である場合(|Ix|≦Ith、ステップ101:YES)には、続いて回転角速度ω(の絶対値)が所定の閾値ω0以下であるか否かを判定する(ステップ102)。そして、回転角速度ωが所定の閾値ω0以下である場合(|ω|≦ω0、ステップ102)には、duty指令値αxが上記の所定範囲(αLo≦αx≦αHi)内にあるか否かを判定し(ステップ103)、所定範囲内にない場合(ステップ103:NO)には、該X相に通電不良が生じているものと判定する(ステップ104)。
そして、相電流値Ixが所定値Ithよりも大きい場合(|Ix|>Ith、ステップ101:NO)、回転角速度ωが閾値ω0よりも大きい場合(|ω|>ω0、ステップ102:NO)、又はduty指令値αxが上記所定範囲内にある場合(αLo≦αx≦αHi、ステップ103:YES)には、X相に通電不良が生じていないと判定する(X相正常、ステップ105)。
つまり、相電流値Ixが所定値Ith以下となるほどの回転角速度ωではないにも関わらず、極端なduty指令値αxが出力されている場合には、当該X相に通電不良が生じているものと判定することができる。そして、本実施形態では、異常判定部31が、U,V,Wの各相について、上記判定を実行することにより、通電不良が発生した相を特定する構成となっている。
尚、説明の便宜のため図3のフローチャートでは省略したが、上記判定は、電源電圧がモータ12を駆動するために必要な規定電圧以上である場合を前提として行われる。そして、最終的な異常検出の判断は、所定ステップ104において通電不良が生じているものと判定される状態が所定時間以上継続したか否かにより行われる。
本実施形態では、ECU11(マイコン17)は、この異常判定部31における異常判定の結果に基づいて、モータ12の制御モードを切り替える。具体的には、異常判定部31は、上記のような通電不良検出を含む異常判定の結果を異常検出信号S_tmとして出力し、電流指令値演算部23及びモータ制御信号生成部24は、その入力される異常検出信号S_tmに応じたd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*の演算、及びモータ制御信号の生成を実行する。そして、これにより、マイコン17におけるモータ12の制御モードが切り替えられるようになっている。
さらに詳述すると、本実施形態のECU11は、通常時の制御モードである「通常制御モード」、及びモータ12の駆動を停止すべき異常が発生している場合の制御モードである「アシスト停止モード」、並びにモータ12の各相の何れかに通電不良が生じた場合の制御モードである「二相駆動モード」、以上の大別して3つの制御モードを有している。そして、異常判定部31の出力する異常検出信号S_tmが「通常制御モード」に対応するものである場合には、電流指令値演算部23及びモータ制御信号生成部24は、上記のような通常時のd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*の演算、及びモータ制御信号の生成を実行する。
一方、異常判定部31の出力する異常検出信号S_tmが「アシスト停止モード」である場合には、電流指令値演算部23及びモータ制御信号生成部24は、モータ12の駆動を停止すべく、d軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*の演算、及びモータ制御信号の生成を実行する。尚、「アシスト停止モード」が選択される場合としては、機械系統の異常や、トルクセンサ14に異常が発生した場合のほか、電力供給系統における異常発生時については、過電流が生じた場合等が挙げられる。また、「アシスト停止モード」には、直ちにモータ12の駆動を停止する場合のほか、モータ12の出力を徐々に低減する、即ちアシスト力を徐々に低減した後に停止させる場合があり、この場合、モータ制御信号生成部24は、その出力するq軸電流指令値Iq*の値(絶対値)を徐々に低減する。そして、マイコン17は、モータ12の停止後、駆動回路18を構成する各スイッチング素子を開状態とし、図示しない電源リレーを開放する構成となっている。
また、「二相駆動モード」に対応する異常検出信号S_tmには、通電不良発生相を特定する情報が含まれている。そして、異常判定部31の出力する異常検出信号S_tmがこの「二相駆動モード」に対応するものである場合、モータ制御信号生成部24は、当該通電不良発生相以外の二相を通電相とするモータ制御信号の生成を実行する(例えば、U相が通電不良相である場合には、V,W相、図5参照)。また、電流指令値演算部23は、「二相駆動モード」に対応する異常検出信号S_tmが入力された場合には、上記弱め界磁制御を実行しない、即ちその出力するd軸電流指令値Id*の値を「0」とする(Id*=0)。そして、これにより、負方向のq軸電流の発生(図6参照)、即ちモータ12が逆回転しステアリング操作の方向と逆方向にアシスト力が付与される状況の発生を回避する構成となっている。
次に、マイコンによる上記異常判定及び制御モードの切り替え処理について説明する。
図4のフローチャートに示すように、マイコン17は、先ず何らかの異常が発生したか否かを判定し(ステップ201)、異常が発生したと判定した場合(ステップ201:YES)には、続いてその異常が電力供給系統の異常であるか否かを判定する(ステップ202)。次に、ステップ202において、電力供給系統の異常が発生したと判定した場合(ステップ202:YES)、マイコン17は、当該電力供給系統の異常が、通電不良相の発生であるか否かを判定する(ステップ203)。そして、通電不良相が発生したと判定した場合(ステップ203:YES)には、上記弱め界磁制御を停止(禁止)して、当該通電不良相以外の残る二相を通電相とするモータ制御信号の出力を実行する(二相駆動モード、ステップ204)。
尚、上記ステップ201において、特に異常はないと判定した場合(ステップ201:NO)には、マイコン17は、通常のモータ制御信号の出力を実行する(通常制御モード、ステップ205)。そして、上記ステップ202において、電力供給系統以外の異常が発生したと判定した場合(ステップ202:NO)、又は上記ステップ203において、通電不良相の発生以外の異常が発生したと判定した場合(ステップ203:NO)には、モータ12の駆動を停止するためのモータ制御信号の出力、及び電源リレーの開放等を実行する。
以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
○マイコン17(電流指令値演算部23)は、モータ12の回転角速度ωに応じてd軸電流指令値Id*を負の値とする弱め界磁制御を実行する。また、マイコン17は、EPS1における異常判定を実行し、該異常判定において、電力供給系統の異常が発生したと判定した場合(ステップ202:YES)には、当該電力供給系統の異常が、通電不良相の発生であるか否かを判定する(ステップ203)。そして、通電不良相が発生したと判定した場合には、上記弱め界磁制御を停止(禁止)して、当該通電不良相以外の残る二相を通電相とするモータ制御信号の出力を実行する(二相駆動モード、ステップ204)。
上記構成によれば、通常時には、弱め界磁制御の実行により、モータの運転範囲を拡張することができ、且つ通電不良相の発生時には、残る二相を通電相としてモータ駆動を継続することにより、アシスト力の付与を継続して運転者の負担を軽減することができる。そして、当該二相を通電相とする二相駆動時には、弱め界磁制御を停止することで、モータ12の逆回転に伴うステアリング操作の方向と逆方向へのアシスト力付与の発生を回避することができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置(EPS)に具体化したが、EPS以外の用途に用いられるモータ制御装置に具体化してもよい。
・本実施形態では、モータ制御装置としてのECU11は、大別して、「通常制御モード」、「アシスト停止モード」、及び「二相駆動モード」の3つの制御モードを有することとした。しかし、異常発生時におけるモータ制御の形態は、これらのモードに限るものではない。つまり、通電不良相発生時に該通電不良発生相以外の二相を通電相としてモータ制御を実行する場合において、弱め界磁制御を実行しない構成であればよい。また、異常検出(判定)の方法についても、本実施形態の構成に限るものではない。
電動パワーステアリング装置(EPS)の概略構成図。 EPSの電気的構成を示すブロック図。 通電不良相検出の処理手順を示すフローチャート。 異常判定及び制御モードの切り替えの処理手順を示すフローチャート。 通電不良発生相以外の二相を通電相とする二相駆動の態様を示す説明図。 二相駆動時におけるモータの逆転を示す説明図。
符号の説明
1…電動パワーステアリング装置(EPS)、10…EPSアクチュエータ、11…EPSECU、12…モータ、12u,12v,12w…モータコイル、17…マイコン、18…駆動回路、23…電流指令値演算部、24…モータ制御信号生成部、31…異常判定部、Ix,Iu,Iv,Iw…相電流値、Id…d軸電流値、Iq…q軸電流値、Id*…d軸電流指令値、Iq*…q軸電流指令値、ω…回転角速度。

Claims (2)

  1. モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段と、前記モータ制御信号に基づいてモータに三相の駆動電力を供給する駆動回路とを有し、前記モータ制御信号出力手段は、電流指令値としてd/q座標系のd軸電流指令値及びq軸電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、検出されるモータの各相電流値を前記d/q座標系のd軸電流値及びq軸電流値に変換し該d軸電流値及びq軸電流値を前記演算されたd軸電流指令値及びq軸電流指令値に追従させるべくフィードバック制御を実行することにより前記モータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段とを備えるとともに、前記モータの回転角速度に応じて前記d軸電流指令値を負の値とする弱め界磁制御を行うモータ制御装置であって、
    前記モータの何れかの相に通電不良が発生した場合に、該異常の発生を検出可能な異常検出手段を備え、
    前記モータ制御信号出力手段は、前記異常が検出された場合には、該異常発生相以外の相を通電相として前記フィードバック制御を実行することにより前記モータ制御信号の出力を実行するとともに、該異常検出時には、前記d軸電流指令値が0となるように制御すること、を特徴とするモータ制御装置。
  2. 請求項1に記載のモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置。
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