JP5109554B2 - モータ制御装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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。

通常、電動パワーステアリングや伝達比可変装置等、モータを駆動源とする車両用の電動装備は、車載電源（バッテリ）とモータとの間に設けられた駆動回路と、該駆動回路にモータ制御信号を出力する制御手段とからなるモータ制御装置を備えて構成されている。

一般に、このようなモータ制御装置は、その駆動対象への過大な電流供給、即ち過電流の発生を検出する機能を有しており、当該過電流検出に基づいて、その駆動回路を構成する各スイッチング素子の短絡故障等といった緊急性の高い異常の発生を検知する（例えば、特許文献１参照）。そして、そのような異常を検知した場合には、モータに対する駆動電力の供給を停止して速やかにフェールセーフを図る構成となっている。
特開２００３−２１９６７５号公報

ところで、上記車両用の電動装備に採用されるモータ制御装置のように、その使用環境（電源電圧やモータの回転角速度）が必ずしも一様ではないものにおいては、当該使用環境の変化により、特に異常が発生していないにも関わらず、上記のような過電流が発生する場合がありうる。このため、従来、その駆動回路、及び該駆動回路とバッテリとの間の電力供給経路を構成する配線やスイッチング素子には、通常時に発生する電流値よりも高い定格電流値を有するものを採用するのが一般的となっており、それが、重量及びコストを増加させる一因となっていた。

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、電力供給経路及び駆動回路を構成する配線やスイッチング素子の定格電流値を上げることなく、高い信頼性を確保することのできる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、モータと直流電源との間の電力供給経路の途中に設けられて前記モータに供給する駆動電力を生成する駆動回路と、モータ制御信号の出力を通じて前記駆動回路の作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記モータに通電されるモータ電流値をモータ電流指令値に追従させるべく電流フィードバック制御の実行により前記モータ制御信号を生成するモータ制御装置において、電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、前記モータの回転角速度を検出する回転角速度検出手段とを備えるとともに、前記駆動回路に供給される電源電流には予め許容可能な電源電流最大値が設定されるものであって、前記制御手段は、前記電源電圧及び回転角速度に基づき、前記駆動回路への入力電力、前記駆動回路の出力する出力電力、及び前記駆動回路における損失電力との間に成立する関係から前記電源電流が前記電源電流最大値以下となる前記モータ電流値を演算し、該演算された値以下に前記モータ電流指令値を制限することにより、任意の前記電源電圧及び前記回転角速度において、前記電源電流が前記電源電流最大値以下に制限されること、を要旨とする。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段は、前記電源電圧に基づいて前記駆動回路に入力すべき必要最大電力を演算し、該必要最大電力に基づいて前記モータ電流値の制限値を演算すること、を要旨とする。

上記各構成によれば、電源電圧やモータの回転角速度が一様ではない使用環境下においても、非異常発生時の過電流発生を抑えて安定的にモータ制御を行うことができる。その結果、電力供給経路及び駆動回路を構成する配線や各スイッチング素子の定格電流値を上げることなく、高い信頼性を確保することができ、ひいては、その重量及びコストの低減を図ることができるようになる。

請求項３に記載の発明は、前記制御手段は、前記電源電圧が予め設定された規定電圧を超える場合には、前記必要最大電力として前記モータの定格電力に相当する値を演算すること、を要旨とする。

即ち、電源電圧が規定電圧であることを前提に設計されたシステムでは、その電源電圧が規定電圧を超える値となることで、モータの定格電力を超える駆動電力の供給がなされる可能性があり、これにより異常発熱等の不具合が発生するおそれがある。しかしながら、上記構成によれば、こうした過剰な電力供給の発生を未然に防ぐことができ、その結果、より高い信頼性を確保することができるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２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、より高い安定性及び信頼性を確保するとともに、重量及びコストの低減を図ることができる。

本発明によれば、電力供給経路及び駆動回路を構成する配線やスイッチング素子の定格電流値を上げることなく、高い信頼性を確保することが可能な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、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２と直流電源である車載電源（バッテリ）１６との間の電力供給経路Ｌｐの途中に設けられてモータ１２に供給する駆動電力を生成する駆動回路１７と、モータ制御信号の出力を通じて駆動回路１７の作動を制御する制御手段としてのマイコン１８とを備えてなる。

尚、図３に示すように、本実施形態の駆動回路１７は、直列に接続された一対のスイッチング素子１９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１８の出力するモータ制御信号は、駆動回路１７を構成する各スイッチング素子１９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１９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１９がオン／オフすることにより、車載電源１６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１８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１７にモータ制御信号を出力する。

詳述すると、マイコン１８は、操舵系に付与するアシスト力、即ちモータトルクの制御目標値としてモータ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により算出されたモータ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*（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ｄ軸電流指令値Ｉd*及びｑ軸電流指令値Ｉq*（Ｉq**）は、上記ｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqとともに、それぞれ対応する減算器２６ｄ，２６ｑに入力される。尚、本実施形態では、通常制御時、電流指令値演算部２３は、ｄ軸電流指令値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*（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２９に入力され、同ＰＷＭ変換部２９において、該各電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に応じたモータ制御信号が生成される。そして、マイコン１８は、そのモータ制御信号を、駆動回路１７を構成する各スイッチング素子１９（のゲート端子）に出力することにより、同駆動回路１７の作動、即ちモータ１２への駆動電力の供給を制御する構成となっている。

（過電流抑制制御）
次に、本実施形態における過電流抑制制御の態様について説明する。
上述のように、使用環境（電源電圧やモータの回転角速度）が必ずしも一様ではない用途に用いられるモータ制御装置においては、当該使用環境の変化により、特に異常が発生していないにも関わらず、車載電源１６から駆動回路１７へと過大な電流の通電、即ち過電流が発生する場合がありうる。そして、特に、電源電圧の低下時においては、その電圧の低下に伴う駆動回路１７への入力電力の不足を補うべく同駆動回路１７を構成する各スイッチング素子１９のオン時間が増大することにより、上記過電流の発生が助長され、これが更なる電源電圧の低下を招くという悪循環に陥る可能性がある。

この点を踏まえ、本実施形態では、車載電源１６から駆動回路１７に入力される電源電流Ｉinには、予めその通電が許容される電源電流最大値Ｉin_maxが設定されるとともに、制御手段としてのマイコン１８は、当該電源電流最大値Ｉin_maxに対応するモータ電流値Ｉmを演算する。そして、本実施形態のマイコン１８は、そのモータ制御信号を生成するための電流フィードバック制御に用いられるモータ電流指令値（ｑ軸電流指令値Ｉq*）を、上記演算により求められた電源電流最大値Ｉin_maxに対応する値以下に制限することにより、上記のような非異常発生時における過電流の発生を抑制する構成となっている。

ここで、この場合における「モータ電流値」とは、仮にモータ１２が直流モータであるとした仮定した場合において、駆動回路１７からモータ１２に供給される電流値のことである（後述する（３）〜（５）式参照）。即ち、本実施形態のモータ１２は、ブラシレスモータであるため、モータ電流値Ｉmは、ｄ軸電流値Ｉd及びｑ軸電流値Ｉqの二乗和の平方根、つまり、Ｉm＝√（Ｉd＾２＋Ｉq＾２）であり（「＾２」は二乗を示す）、「Ｉd＝０」であるならば、「Ｉm＝Ｉq」となる。そして、ｄ／ｑ座標系においては、ｄ軸電流が励磁成分、ｑ軸電流が負荷トルクに対応する成分であることから、本実施形態では、その電源電流最大値Ｉin_maxに対応するモータ電流値Ｉmをｑ軸電流値Ｉqに換算した値が、後述する電流制限値Ｉq_maxとなる。

詳述すると、図２に示すように、本実施形態のマイコン１８には、上記予め設定された電源電流最大値Ｉin_maxに対応するモータ電流値Ｉmを演算し、これをｑ軸電流値Ｉqに換算した電流制限値Ｉq_maxとして出力する電流制限値演算部３１が設けられている。また、電流指令値演算部２３とモータ制御信号生成部２４との間には、電流制限部３２が介在されている。そして、本実施形態では、この電流制限部３２により、電流指令値演算部２３の出力するｑ軸電流指令値Ｉq*が電流制限値Ｉq_max以下に制限され、その制限処理が施された後のｑ軸電流指令値Ｉq**がモータ制御信号生成部２４に入力されるようになっている。

さらに詳述すると、本実施形態では、マイコン１８には、車載電源１６と駆動回路１７との間の電力供給経路Ｌｐに設けられた電圧センサ３３により検出された電源電圧Ｖinが入力されるようになっている。また、マイコン１８は、上記回転角センサ２２により検出された回転角θを微分することによりモータ１２の回転角速度ωを検出する。即ち、本実施形態では、電圧センサ３３、回転角センサ２２、及びマイコン１８により、電源電圧検出手段及び回転角速度検出手段が構成されている。そして、本実施形態のマイコン１８（電流制限値演算部３１）は、これら検出された電源電圧Ｖin、回転角速度ω、及びｄ軸電流値Ｉdに基づいて、上記電流制限値Ｉq_maxの演算を実行する。

具体的には、電流制限値演算部３１は、次の（１）式により電流制限値Ｉq_maxを演算する。

（但し、Ｋt：トルク定数、Ｒ：モータ抵抗）
即ち、駆動回路１７への入力電力Ｐin、駆動回路１７の出力する出力電力Ｐout、及び駆動回路１７における損失電力Ｐlossとの間には、次の（２）式に示される関係が成立する。

Ｐin＝Ｐout＋Ｐloss ・・・（２）
従って、以下の（３）〜（５）式にそれぞれ示される入力電力Ｐin、出力電力Ｐout、及び損失電力Ｐlossを上記（２）式に代入し整理することにより（６）式が得られる（「＾２」は二乗を意味する）。

Ｐin＝Ｖin×Ｉin ・・・（３）
Ｐout＝Ｋt×Ｉm×ω ・・・（４）
Ｐloss＝Ｒ×Ｉm＾２ ・・・（５）
Ｉin＝（Ｋt×Ｉm×ω＋Ｒ×Ｉm＾２）／Ｖin ・・・（６）
そして、この（６）式を電源電流Ｉinがその電源電流最大値Ｉin_max以下となるように電流制限値Ｉq_maxで解くことにより、上記（１）式が導出される。

（作用・効果）
次に、以上のように構成された本実施形態のモータ制御装置の作用・効果について説明する。

上記（６）式に示されるように、電源電流Ｉinは、出力電力Ｐout（及び損失電力Ｐloss）が等しい場合には電源電圧Ｖinが低いほど、また、入力電力Ｐinが等しい場合には、モータ１２の回転角速度ωが大きいほど、より大きな値、即ち過電流の発生しやすい状況になる。

しかしながら、本実施形態の構成では、上記（１）式に基づき演算される電流制限値Ｉq_maxは、例えば、図４に示すように、回転角速度ωが大きいほど、予め設定された電源電流最大値Ｉin_maxを上回る電源電流Ｉinが発生しないような小さな値となる。そして、上記のように、モータ１２に駆動電力を供給するための電流フィードバック制御において、そのｑ軸電流指令値Ｉq*を、電源電流最大値Ｉin_maxに対応する値、即ち電流制限値Ｉq_max以下に制限することで、どのような電源電圧Ｖin及び回転角速度ωであっても、予め設定された電源電流最大値Ｉin_maxを超える電源電流Ｉinは発生しなくなる。

つまり、上記構成によれば、電源電圧やモータの回転角速度が一様ではない使用環境下においても、非異常発生時の過電流発生を抑えて安定的にモータ制御を行うことができる。その結果、電力供給経路Ｌp及び駆動回路１７を構成する配線や各スイッチング素子１９の定格電流値を上げることなく、高い信頼性を確保することができ、ひいては、その重量及びコストの低減を図ることができるようになる。

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、電流制限値演算部３１は、電源電圧Ｖin（並びに回転角速度ω及びｄ軸電流値Ｉd）に基づいて、電流制限値Ｉq_maxの演算を実行することとした。しかし、これに限らず、例えば、図５に示すように、マイコン１８に入力電力演算部４０を設け、該入力電力演算部４０において、電源電圧Ｖinに基づき駆動回路１７に入力すべき必要最大電力Ｐin_maxを演算する。そして、電流制限値演算部４１は、この必要最大電力Ｐin_maxに基づいて、電流制限値Ｉq_maxを演算する構成としてもよい。

即ち、上記（３）式より（Ｐin_max＝Ｖin×Ｉin_max）、上記（１）式は、次の（７）式のように変形することが可能である。

そして、電源電圧Ｖinに応じた適切な必要最大電力Ｐin_maxを演算し、当該必要最大電力Ｐin_maxを（７）式に代入することにより演算される電流制限値Ｉq_max以下にｑ軸電流指令値Ｉq*を制限することで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

具体的には、図６に示すように、上記（３）式に従い、電源電圧Ｖinに比例した必要最大電力Ｐin_maxが演算される構成とするとよい。これにより、電源電圧Ｖinがどのような値であっても、予め設定された電源電流最大値Ｉin_maxを超える電源電流Ｉinは発生しなくなる。

更に、電源電圧Ｖinが予め設定された規定電圧Ｖ０（例えば１２Ｖ）を超える場合には、その必要最大電力Ｐin_maxをモータ側の定格電力（例えば６００Ｗ）に相当する値Ｐ０で一定とする構成としてもよい。

つまり、電源電圧Ｖinが規定電圧Ｖ０であることを前提に設計されたシステムでは、その電源電圧Ｖinが規定電圧Ｖ０を超える値となることで、モータの定格電力を超える駆動電力の供給がなされる可能性があり、これにより異常発熱等の不具合が発生するおそれがある。しかしながら、上記構成によれば、こうした過剰な電力供給の発生を未然に防ぐことができ、その結果、より高い信頼性を確保することができるようになる。

・本実施形態では、特に言及しなかったが、弱め界磁制御等といったｄ軸電流を変化させる特殊制御を行わない場合、即ちｄ軸電流指令値Ｉd*を常に「０」とする場合（Ｉd*＝０）には、上記（１）（７）式からｄ軸電流値Ｉdを削除するとよい。

・また、本実施形態では、本発明をブラシレスモータ用のモータ制御装置に具体化したが、ブラシ付き直流モータ用のモータ制御装置に具体化してもよい。尚、その場合には、上記のように（１）（７）式からｄ軸電流値Ｉdを削除した式を用いるとよい。

・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。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 本実施形態のＥＰＳの制御ブロック図。 本実施形態のＥＰＳの電気的構成を示すブロック図。 電流値をモータ回転数との関係を示す説明図。 別例のＥＰＳの制御ブロック図。 電源電圧と必要最大電力との関係を示す説明図。

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、１６…車載電源、１７…駆動回路、１８…マイコン、１９…スイッチング素子、２３…電流指令値演算部、２４…モータ制御信号生成部、３１，４１…電流制限値演算部、３２…電流制限部、４０…入力電力演算部、Ｌp…電力供給経路、Ｉd…ｄ軸電流値、Ｉq…ｑ軸電流値、Ｉd*…ｄ軸電流指令値、Ｉq*，Ｉq**…ｑ軸電流指令値、Ｖin…電源電圧、Ｉin…電源電流、Ｉin_max…電源電流最大値、Ｉm…モータ電流値、Ｉq_max…電流制限値、Ｐin…入力電力、Ｐout…出力電力、Ｐloss…損失電力、Ｐin_max…必要最大電力、Ｖ０…規定電圧、ω…回転角速度。

Claims (4)

1. モータと直流電源との間の電力供給経路の途中に設けられて前記モータに供給する駆動電力を生成する駆動回路と、モータ制御信号の出力を通じて前記駆動回路の作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記モータに通電されるモータ電流値をモータ電流指令値に追従させるべく電流フィードバック制御の実行により前記モータ制御信号を生成するモータ制御装置において、
   電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、
   前記モータの回転角速度を検出する回転角速度検出手段とを備えるとともに、
   前記駆動回路に供給される電源電流には予め許容可能な電源電流最大値が設定されるものであって、
   前記制御手段は、前記電源電圧及び回転角速度に基づき、前記駆動回路への入力電力、前記駆動回路の出力する出力電力、及び前記駆動回路における損失電力との間に成立する関係から前記電源電流が前記電源電流最大値以下となる前記モータ電流値を演算し、該演算された値以下に前記モータ電流指令値を制限することにより、任意の前記電源電圧及び前記回転角速度において、前記電源電流が前記電源電流最大値以下に制限されること、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において、
   前記制御手段は、前記電源電圧に基づいて前記駆動回路に入力すべき必要最大電力を演算し、該必要最大電力に基づいて前記モータ電流値の制限値を演算すること、
   を特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記制御手段は、前記電源電圧が予め設定された規定電圧を超える場合には、前記必要最大電力として前記モータの定格電力に相当する値を演算すること、
   を特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項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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