JP5130716B2 - モータ制御装置および電気式動力舵取装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置および電気式動力舵取装置に関するものである。

従来より、車両のステアリングホイールによる操舵を補助するモータのトルクリップルを低減するものとして、例えば、下記特許文献１に開示されている電動パワーステアリング装置が知られている。この電動パワーステアリング装置は、モータのトルクリップルの発生を抑制するようにトルクリップル補償部で演算される補償電流を、モータ負荷に応じて変化させるだけでなく、モータの回転速度に応じても変化させる。これにより、モータ負荷の変動に加え、運転状況に応じてモータの回転速度が刻々変化しても、適切な補償電流が電流制御部によりモータに与えられることとなり、トルクリップルの発生が十分に低減され得る。

例えば、図８に示すように、上記トルクリップル補償部で演算される補償電流を電流制御部によりモータに与えることにより、トルクリップルを含んでいる補償前トルクＴ₁（図８に示す実線）を、補償後トルクＴ₂（図８に示す破線）のようにトルクリップルの発生を十分に低減するように補償する。
特開２００４−３２８８１４号公報

しかし、上記特許文献１では、トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期に一致する場合のみを考慮しており、トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期と異なる場合を考慮していない。通常採用されるマイコンでは、高性能なものを除き、そのリソースの制約等により、トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期よりも長くなる。

トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期よりも長い場合、モータの回転速度が早くなるほど、電気角ズレが生じ位相が合わずに制御されるため、トルクリップル低減の効果が減少する。さらにモータの回転速度が速くなると、トルクリップル補償部で演算される補償電流に基づき補償されたモータのトルクリップル（補償後のトルクリップル）が補償前のトルクリップルよりも悪化してしまう場合がある。

例えば、図８に示すように、トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期よりも長い場合に上述のように演算された補償電流をモータに与えても、モータの回転速度が所定速度以上になると、補償後トルクＴ₃（図８に示す一点鎖線）のトルクリップルが補償前トルクＴ₁のトルクリップルよりも悪化してしまう。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、トルクリップルを低減し得るモータ制御装置および電気式動力舵取装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１のモータ制御装置では、モータの回転角を検出する回転角検出手段と、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータにおける誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑えるために当該モータに流すべき補償電流指令値を、前記回転角および所定の目標電流指令値に基づき演算する補償電流演算手段と、前記補償電流指令値に基づき前記所定の目標電流指令値を補正する補正手段と、前記補正手段によって補正された後の前記所定の目標電流指令値に対応する電流が前記モータに流れるように当該モータに対してフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御による前記モータの電流制御系を構成する制御手段と、を備え、前記補償電流演算手段の演算周期が前記制御手段の制御周期よりも長いモータ制御装置において、前記補正手段による補正後の前記所定の目標電流指令値に基づき前記制御手段により制御された前記モータのトルクリップルが、前記補正手段による補正前の前記所定の目標電流指令値に基づき前記制御手段により制御された当該モータのトルクリップルに等しくなるときにおける、前記モータの前記回転速度を第１の閾値とした場合、前記補償電流演算手段は、前記回転速度が前記第１の閾値以上であるときには、前記補償電流指令値を０（ゼロ）にすることを技術的特徴とする。

特許請求の範囲に記載の請求項２のモータ制御装置では、請求項１記載のモータ制御装置において、前記第１の閾値よりも遅い所定の回転速度を第２の閾値とした場合、前記補償電流演算手段は、前記回転速度が前記第２の閾値以上でありかつ前記第１の閾値以上でないときには前記補償電流指令値を前記回転速度が速くなるほど減少させるように演算し、前記回転速度が前記第２の閾値以上でないときには前記補償電流指令値を前記トルクリップルの発生を抑えるために当該モータに流すべき電流指令値にするように演算することを技術的特徴とする。

特許請求の範囲に記載の請求項３の電気式動力舵取装置では、前記所定の目標電流指令値は、車両操舵のための操作に応じて決定される電流指令値であって、この操舵に応じた操舵補助力をモータにより発生させて操舵を補助する電気式動力舵取装置において、請求項１または２に記載のモータ制御装置によって、前記モータの駆動制御を行うことを技術的特徴とする。

請求項１の発明では、トルクリップルの発生を抑えるために当該モータに流すべき補償電流指令値を演算する補償電流演算手段の演算周期が、補正手段によって補正された後の所定の目標電流指令値に対応する電流がモータに流れるように当該モータに対してフィードバック制御を行う制御手段の制御周期よりも長いモータ制御装置において、補正手段による補正後の所定の目標電流指令値に基づく制御手段により制御されたモータのトルクリップルが、補正手段による補正前の上記所定の目標電流指令値に基づき制御手段により制御された当該モータのトルクリップルに等しくなるときにおける、モータの回転速度を第１の閾値とした場合、補償電流演算手段は、モータの回転速度が第１の閾値以上であるときには、補償電流指令値を０（ゼロ）にする。

これにより、モータの回転速度が上記第１の閾値以上でないときには、補正手段による補正後の所定の目標電流指令値に基づき制御手段によりモータを制御して当該モータのトルクリップルを低減させる。一方、モータの回転速度が上記第１の閾値以上になると補償電流指令値が０（ゼロ）となり、トルクリップルの補償が行なわれない。したがって、モータの回転速度が上記第１の閾値以上であるときには補償後のトルクリップルが補償前のトルクリップルよりも悪化することがなく少なくとも補償前のトルクリップルを維持するので、トルクリップルを低減することができる。

請求項２の発明では、補償電流演算手段は、モータの回転速度が第２の閾値以上でありかつ第１の閾値以上でないときには回転速度が速くなるほど補償電流指令値を減少させるように演算し、回転速度が第２の閾値以上でないときには補償電流指令値をトルクリップルの発生を抑えるために当該モータに流すべき電流指令値にするように演算する。

これにより、上記第２の閾値を操舵状況に応じて設定することで、モータの回転速度が上記第１の閾値以上でないときでも、補償電流指令値を適切に演算することができる。したがって、モータの回転速度が上記第１の閾値以上でないときでも、トルクリップルを低減することができる。

請求項３の発明では、請求項１または２に記載のモータ制御装置によって、車両操舵のための操作に応じた操舵補助力をモータにより発生させて操舵を補助する。これにより、モータの回転速度が速くなり上記第１の閾値以上になると補償電流指令値が０（ゼロ）となり、補償後のトルクリップルが補償前のトルクリップルよりも悪化することがない等の、請求項１または２の各発明による作用・効果を享受した電気式動力舵取装置を実現することができる。したがって、モータの回転速度が速くなった場合でも、トルクリップルを低減することができる電気式動力舵取装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜１ 全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電気式動力舵取装置１の構成を、それに関連する車両構成と共に示す概略図である。この電気式動力舵取装置１は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、ハンドル操作（操舵操作）における運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させるブラシレスモータ６と、その操舵補助力をラック軸に伝達するボールねじ駆動部６１と、ブラシレスモータ６のロータの回転位置を検出するレゾルバ等の位置検出センサ６２と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、トルクセンサ３や車速センサ４、位置検出センサ６２からのセンサ信号に基づきモータ６を駆動制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。

このような電気式動力舵取装置１を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、トルクセンサ３は、その操作による操舵トルクを検出し、操舵トルクを示す操舵トルク信号Ｔｓを出力する。一方、車速センサ４は、車両の速度（車速）を検出し、車速を示す車速信号Ｖｓを出力する。制御装置としてのＥＣＵ５は、それら操舵トルク信号Ｔｓおよび車速信号Ｖｓと、位置検出センサ６２によって検出されるロータの回転位置を示す回転位置信号Ｓｒとに基づいて、モータ６を駆動する。

これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力がボールねじ駆動部６１を介してラック軸に加えられることにより、操舵操作における運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクによる操舵力とモータ６の発生する操舵補助力との和によって、ラック軸が往復運動を行う。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る図略の連結部材を介して図略の車輪に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて上記車輪の向きが変わる。

＜２ モータ制御の概要＞
本実施形態におけるモータ６は、永久磁石からなる界磁としてのロータ（以下「回転界磁」ともいう）と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相コイルからなるステータとから構成される正弦波駆動のブラシレスモータである。

このモータ６に適切な操舵補助力を発生させるためにＵ相、Ｖ相およびＷ相のコイルに流すべき電流の目標値すなわち各相の電流指令値は、次式で表される。
ｉ^*u＝Ｉ^*ｓｉｎθre ・・・（１ａ）
ｉ^*v＝Ｉ^*ｓｉｎ（θre−２π／３） ・・・（１ｂ）
ｉ^*w＝Ｉ^*ｓｉｎ（θre−４π／３）＝−ｉ^*u−ｉ^*v ・・・（１ｃ）
ここで、ｉ^*uはｕ相電流指令値、ｉ^*vはｖ相電流指令値、ｉ^*wはｗ相電流指令値であり、θｒｅは、ｕ相コイルを基準として時計回りにとった回転界磁の角度（「電気角」と呼ばれる）である。ただし、ロータの機械角をθｍ、極数を２ｐとしたとき、電気角はθｒｅ＝ｐ・θｍとなる。

通常、ブラシレスモータに印加すべき電圧の指令値は、電流目標値とモータ電流の検出値との偏差に基づく制御演算によって算出されるが、位相遅れを低減するために、この制御演算ではｄ−ｑ座標で電流指令値が表現され、ｄ軸およびｑ軸電流指令値に基づき電圧指令値が算出される。ここで、ｄ−ｑ座標は、永久磁石からなる回転界磁（ロータ）と同期して回転する回転座標系であって、回転界磁の磁束方向をｄ軸とし、ｄ軸と直交する方向をｑ軸とする。上記各相の電流指令値ｉ^*u、ｉ^*v、ｉ^*wは交流であるが、このｄ−ｑ座標によれば電流指令値が直流となる。

上記式（１ａ）〜（１ｃ）で表現される各相の電流指令値をｄ−ｑ座標で表すと次のようになる。
ｉ^*d＝０ ・・・（２ａ）
ｉ^*q＝−√（３／２）Ｉ^* ・・・（２ｂ）
ここで、ｉ^*dはｄ軸電流指令値、ｉ^*qはｑ軸電流指令値である。

一方、モータ電流については、電流検出器でｕ相電流およびｖ相電流が検出されると、その検出結果からｄ軸電流検出値ｉdおよびｑ軸電流検出値ｉqが次式により算出される。
ｉd＝√２｛ｉvｓｉｎθre−ｉuｓｉｎ（θre−２π／３）｝・・・（３ａ）
ｉq＝√２｛ｉvｃｏｓθre−ｉuｃｏｓ（θre−２π／３）｝・・・（３ｂ）
ここで、ｉuはｕ相電流検出値、ｉvはｖ相電流検出値であり、θｒｅは上記電気角である。

本実施形態では、上記のｄ軸電流における指令値ｉ^*dと検出値ｉdとの偏差ｅd＝ｉ^*d−ｉd、および、上記のｑ軸電流における指令値ｉ^*qと検出値ｉqとの偏差ｅq＝ｉ^*q−ｉqが打ち消されるように、後述の電流制御部２００によってモータ６に対するフィードバック制御が行われる。

＜３ 制御装置の構成＞
本実施形態では、電気式動力舵取装置１における制御装置であるＥＣＵ５において、モータ６に対する上記のようなフィードバック制御が行われる。図２は、このＥＣＵ５の電気的構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、位相補償器１１２と、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略記する）１０と、モータ駆動部とから構成される。

マイコン１０は、その内部のメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、目標電流演算部１１４と、指令電流方向指定部１１６と、収斂性補正部１１７と、トルクリップル補償部１１８と、加算器１２０，１２１，１２２と、減算器１２３，１２４と、ｄ軸電流ＰＩ制御部１２６と、ｑ軸電流ＰＩ制御部１２８と、ｄ−ｑ／３相交流座標変換部１３２と、符号反転加算器１３４と、３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８と、正弦波ＲＯＭテーブル１４０と、ロータ角速度演算部１４２とからなるモータ制御部として機能する。

モータ駆動部は、モータ制御部としてのマイコン１０から出力される電圧指令値に基づき、ｕ相、ｖ相およびｗ相からなる３相のブラシレスモータ６を駆動するハードウェア（回路）であって、３相ＰＷＭ変調部１５０と、モータ駆動回路１５２と、ｕ相電流検出器１５６と、ｖ相電流検出器１５４と、ロータ角度位置検出器１６２とから構成される。

本実施形態では、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、トルクセンサ３から出力される操舵トルク信号Ｔｓが上記構成のＥＣＵ５に入力されると共に、車速が車速センサ４によって検出され、車速センサ４から出力される車速信号ＶｓもＥＣＵ５に入力される。

ＥＣＵ５では、入力された操舵トルク信号Ｔｓに対して位相補償器１１２により位相補償が施され、その位相補償後の信号は、目標電流演算部１１４に入力される。一方、車速センサ４から出力される車速信号Ｖｓは、ＥＣＵ５における目標電流演算部１１４と収斂性補正部１１７とに入力される。また、モータ６に取り付けられた位置検出センサ６２から出力される回転位置信号Ｓｒが、ＥＣＵ５におけるロータ角度位置検出器１６２に入力され、ロータ角度位置検出器１６２は、モータ６のロータである回転界磁（永久磁石）の回転位置すなわち電気角θｒｅを示す信号を出力する。この電気角θｒｅを示す信号は、トルクリップル補償部１１８、正弦波ＲＯＭテーブル１４０およびロータ角速度演算部１４２に入力される。

目標電流演算部１１４は、上記操舵トルク信号Ｔｓと上記車速信号Ｖｓとに基づき、モータ６に供給すべき電流の値である電流目標値Ｉtを算出する。具体的には、適切な操舵補助力を発生させるためにモータ６に供給すべき電流の目標値と操舵トルクとの関係を車速をパラメータとして示すテーブル（「アシストマップ」と呼ばれる）が目標電流演算部１１４内に予め保持されており、目標電流演算部１１４は、このアシストマップを参照して電流目標値Ｉtを設定する。

この電流目標値Ｉtは、既述の式（２ｂ）で表されるｑ軸電流に相当する電流指令値を示す符号付きの値であって、その正負は、操舵補助の方向、すなわち右方向操舵を補助する方向のトルクをモータ６に発生させるべきか、左方向操舵を補助する方向のトルクをモータ６に発生させるべきかを示している。

指令電流方向指定部１１６は、上記電流目標値Ｉtの正負を示す信号すなわち操舵補助の方向を示す信号（以下「方向信号」という）Ｓdirを生成し、この方向信号Ｓdirは収斂性補正部１１７に入力される。また、ロータ角速度演算部１４２は、ロータ角度に相当する電気角θｒｅを示す信号に基づきロータ角速度ωｒｅを算出し、このロータ角速度ωｒｅを示す信号も収斂性補正部１１７に入力される。

収斂性補正部１１７は、これらの信号と車速信号Ｖｓとに基づき、車両収斂性を確保するための補償電流値ｉcを算出する。加算器１２０は、この補償電流値ｉcを上記の電流目標値Ｉtに加算し、その結果得られる加算値をｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０として出力する。このｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０は、操舵補助のためにモータ６が発生すべきトルクに対応する電流の指令値であり、加算器１２２に入力される。一方、ｄ軸電流はトルクに関与しないので、ｄ軸電流指令値の基本となるｄ軸基本電流指令値ｉ^*d_０は、ｉ^*d_０＝０として加算器１２１に入力される。

トルクリップル補償部１１８は、モータ６における誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑制するためにモータ６に流すべき補償電流の指令値を演算する補償電流演算手段として機能するものであって、電気角θｒｅおよびｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０に基づき、ｄ軸電流補償値Δｉdおよびｑ軸電流補償値Δｉqを上記補償電流の指令値として求める（詳細は後述）。これらの電流補償値Δｉd，Δｉqは、加算器１２１，１２２にそれぞれ入力される。

加算器１２１は、入力されるｄ軸電流補償値Δｉdを上記のｄ軸基本電流指令値ｉ^*d_０に加算することによりｄ軸電流指令値ｉ^*dを求め、加算器１２２は、入力されるｑ軸電流補償値Δｉqを上記のｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０に加算することによりｑ軸電流指令値ｉ^*qを求める。すなわち、
ｉ^*d＝ｉ^*d_０＋Δｉd ・・・（４ａ）
ｉ^*q＝ｉ^*q_０＋Δｉq ・・・（４ｂ）
である。これらの式（４ａ）（４ｂ）は、適切な操舵補助力を得るためにモータ６に流すべき電流の目標電流指令値が、トルクリップルの抑制のためにｄ軸電流補償値Δｉdおよびｑ軸電流補償値Δｉqに基づき補正されることを示している。

ｕ相電流検出器１５６とｖ相電流検出器１５４は、モータ駆動回路１５２からモータ６に供給される電流のうちｕ相電流とｖ相電流をそれぞれ検出し、ｕ相電流検出値ｉuとｖ相電流検出値ｉvをそれぞれ出力する。正弦波ＲＯＭテーブル１４０は、角度θの各種の値とｓｉｎθの各種の値とを互いに対応付けて格納しており、ロータ角度位置検出器１６２からの信号の示す電気角θｒｅに対応する正弦波値ｓｉｎθｒｅを出力する。

３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８は、この正弦波値ｓｉｎθｒｅを用いて、式（３ａ）（３ｂ）により、上記のｕ相電流検出値ｉuおよびｖ相電流検出値ｉvを、ｄ−ｑ座標上の値すなわちｄ軸電流検出値ｉdおよびｑ軸電流検出値ｉqに変換する。このようにして得られたｄ軸電流検出値ｉdおよびｑ軸電流検出値ｉqは、減算器１２３および減算器１２４にそれぞれ入力される。

減算器１２３は、加算器１２１からのｄ軸電流指令値ｉ^*dと３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８からのｄ軸電流検出値ｉdとの偏差であるｄ軸電流偏差ｅd＝ｉ^*d−ｉdを算出し、ｄ軸電流ＰＩ制御部１２６は、このｄ軸電流偏差ｅdに対する比例積分制御演算によってｄ軸電圧指令値ｖ^*dを求める。

一方、減算器１２４は、加算器１２２からのｑ軸電流指令値ｉ^*qと３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８からのｑ軸電流検出値ｉqとの偏差であるｑ軸電流偏差ｅq＝ｉ^*q−ｉqを算出し、ｑ軸電流ＰＩ制御部１２８は、このｑ軸電流偏差ｅqに対する比例積分制御演算によってｑ軸電圧指令値ｖ^*qを求める。

すなわち、次式によりｄ軸電圧指令値ｖ^*dおよびｑ軸電圧指令値ｖ^*qを算出する。
ｖ^*d＝Ｋｐ｛ｅd＋（１／Ｔｉ）∫ｅdｄｔ｝ ・・・（５ａ）
ｖ^*q＝Ｋｐ｛ｅq＋（１／Ｔｉ）∫ｅqｄｔ｝ ・・・（５ｂ）
ここで、Ｋｐは比例ゲインであり、Ｔｉは積分時間である。

ｄ−ｑ／３相交流座標変換部１３２は、上記のｄ軸電圧指令値ｖ^*dおよびｑ軸電圧指令値ｖ^*qを３相交流座標上の値であるｕ相電圧指令値ｖ^*uおよびｖ相電圧指令値ｖ^*vに変換する。そして、符号反転加算器１３４は、それらの相電圧指令値ｖ^*uおよびｖ^*vからｗ相電圧指令値ｖ^*wを算出する。すなわち、各相の電圧指令値ｖ^*u、ｖ^*v、ｖ^*wが次式により算出される。
ｖ^*u＝√(2/3)｛ｖ^*dｃｏｓθre−ｖ^*qｓｉｎθre｝ ・・・（６ａ）
ｖ^*v＝√(2/3)｛ｖ^*dｃｏｓ(θre−2π/3)−ｖ^*qｓｉｎ(θre−2π/3)｝・（６ｂ）
ｖ^*w＝−ｖ^*u−ｖ^*v ・・・（６ｃ）
３相ＰＷＭ変調部１５０は、上記のようにして算出された各相電圧指令値ｖ^*u、ｖ^*v、ｖ^*wにそれぞれ応じたデューティ比のＰＷＭ信号Ｓu、Ｓv、Ｓwを生成する。

モータ駆動回路１５２は、例えば電力用ＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子を用いて構成されるＰＷＭ電圧形インバータであって、各スイッチング素子を上記ＰＷＭ信号Ｓu、Ｓv、Ｓwによってオン／オフさせることにより、ブラシレスモータ６に印加すべき各相電圧ｖu、ｖv、ｖwを生成する。これらの各相電圧ｖu、ｖv、ｖwは、ＥＣＵ５から出力されてモータ６に印加される。この電圧印加に応じてモータ６の各相ｕ、ｖ、ｗのコイル（不図示）に電流が流れ、モータ６はその電流に応じて操舵補助のためのトルクＴｍを発生させる。

モータ６に流れる電流のうちｕ相電流ｉuとｖ相電流ｉvは、既述のようにｕ相電流検出器１５６とｖ相電流検出器１５４によってそれぞれ検出され、３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１３８によってｄ−ｑ座標上の電流値ｉd、ｉqに変換される。これらｄ−ｑ座標上の電流値ｉd、ｉqのうちｄ軸電流検出値ｉdは減算器１２３に、ｑ軸電流検出値ｉqは減算器１２４に、それぞれ入力される。これにより、所望の操舵補助力をモータ６によって発生させるべく、ｄ軸電流検出値ｉdがｄ軸電流指令値ｉ^*dに、ｑ軸電流検出値ｉqがｑ軸電流指令値ｉ^*qにそれぞれ等しくなるように、フィードバック制御が行われる（この制御は「電流制御」と呼ばれる）。

＜４ 電流制御系＞
上記のように本実施形態では、操舵トルクや車速に応じて適切な操舵補助が行われるようにモータ電流の目標電流指令値が設定され、その目標電流指令値がトルクリップルの補償等のために補正され、この補正後の目標値（ｄ軸電流指令値ｉ^*dおよびｑ軸電流指令値ｉ^*q）の電流がモータ６に流れるようにフィードバック制御が行われる。ＥＣＵ５のうちこのような電流制御を行う部分（以下「電流制御部」という）２００は、図２において点線で囲まれた部分に相当する。本実施形態では、モータ６の制御手段であるこの電流制御部２００のうち、モータ駆動部に相当する部分はハードウェア的に実現されており、モータ駆動部に相当する部分以外は、既述のように、マイコン１０が所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現されている。そして、この電流制御部２００とモータ６および位置検出センサ６２とにより、フィードバックループを有する電流制御系が構成される。

図６は、この電流制御系の周波数特性を示すボード線図である。ｄ軸電流指令値ｉ^*dを入力としｄ軸電流検出値ｉdを出力とする場合とｑ軸電流指令値ｉ^*qを入力としｑ軸電流検出値ｉqを出力とする場合のいずれの場合も、この電流制御系の閉ループ伝達関数に対するボード線図は、図６に示すようになる。図６に示されているように、この電流制御系は、実用的な周波数範囲においては、周波数が増大するにしたがって、ゲインが１（デシベル値では０）から低下し位相遅れが大きくなるという周波数特性を有している。

＜５ トルクリップル補償部の構成および動作＞
既述のように、トルクリップルの発生を抑制するためにモータ６に流すべき補償電流の指令値、すなわちｄ軸電流補償値Δｉdおよびｑ軸電流補償値Δｉqは、トルクリップル補償部１１８によって演算される。本実施形態では、このトルクリップル補償部１１８も、マイコン１０が所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現されている。図３は、このトルクリップル補償部１１８の機能的構成を示すブロック図である。このトルクリップル補償部１１８は、微分器１２と、周波数算出部１４と、ゲイン・位相決定部１６と、減算器１８と、基本補償電流決定部２０と、振幅決定部２２と、修正率算出部２４と、操舵速度ゲイン決定部２５と、２個の乗算器２６，２８とを備えており、微分器１２および減算器１８には、電気角θｒｅを示す信号が入力され、振幅決定部２２には、ｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０が入力される。

微分器１２は、電気角θｒｅを示す信号を微分することにより、ロータ角速度ωｒｅすなわちモータ６の回転角速度に相当する値（電気角換算の回転角速度）を算出する。周波数算出部１４は、このロータ角速度ωｒｅからモータ６のトルクリップルの周波数ｆを算出する（このｆは補償電流の周波数に相当する）。すなわち、次式により周波数ｆを算出する。
ｆ＝Ｓ・ωｒｅ／（２π） ・・・（７）
ここで、Ｓはモータ６のスロット数である。

ゲイン・位相決定部１６は、図６に示したボード線図に相当する周波数特性マップすなわち電流制御系の周波数特性を示す周波数特性マップ１６ａを保持しており（具体的には、周波数特性マップ１６ａに相当するデータがマイコン１０内のメモリに予め格納されている）、この周波数特性マップ１６ａを参照することにより、上記周波数ｆに対応する電流制御系のゲインＧｆおよび位相差Δθｅを求める。上述のように、電流制御系では、周波数が増大するにしたがって、ゲインが１から低下し位相遅れが大きくなるので、ゲイン・位相決定部１６により求まるゲインＧｆは１以下であり（デシベルで表すと負値）、位相差Δθｅは負値である。このようなゲインＧｆおよび位相差Δθｅは、修正率算出部２４および減算器１８にそれぞれ入力される。

減算器１８は、電気角θｒｅから上記の位相差Δθｅを減算し、その減算結果θｒｅ−Δθｅを修正電気角θｍｒｅとして出力する。この減算により、電流制御系の周波数特性による位相遅れが補償されることになる。このようにして電流制御系における位相遅れが補償された修正電気角θｍｒｅは、基本補償電流決定部２０に入力される。

基本補償電流決定部２０は、電気角とｄ軸およびｑ軸電流補償値との関係を示すテーブルを補償電流マップ２０ａとして保持しており（具体的には、補償電流マップ２０ａに相当するデータがマイコン１０内のメモリに予め格納されている）、この補償電流マップ２０ａを参照することにより、上記修正電気角θｍｒｅに対応するｄ軸電流単位補償値Δｉd_０およびｑ軸電流単位補償値Δｉq_０を求める。以下、この補償電流マップ２０ａの作成方法について説明する。

モータ６の無負荷誘導起電力波形が歪んでいる場合に各相の電流ｉu，ｉv，ｉwとして正弦波電流を流すと、トルクリップルが発生する。しかし、無負荷誘導起電力の各時点における各相の瞬時値ｅ_０u，ｅ_０v，ｅ_０wが既知であれば、モータ６の出力トルクを一定値（例えば１［Ｎｍ］）としトルクリップルを生じさせないような各相の電流ｉu，ｉv，ｉwを求めることができる。例えば、出力トルクを一定値Ｔとしトルクリップルを生じさせない各相電流値ｉu，ｉv，ｉwを次式により求めることができる。
ｉu＝｛（ｅ_０u−ｅ_０v）＋（ｅ_０u−ｅ_０w）｝Ｔ
／｛(ｅ_０u−ｅ_０v)^２＋(ｅ_０u−ｅ_０w)^２＋(ｅ_０w−ｅ_０v)^２｝・・・（８ａ）
ｉv＝｛Ｔ−（ｅ_０u−ｅ_０w）ｉu｝／（ｅ_０v−ｅ_０w） ・・・（８ｂ）
ｉw＝｛Ｔ−（ｅ_０u−ｅ_０v）ｉu｝／（ｅ_０w−ｅ_０v） ・・・（８ｃ）

上記式により求められた各相電流値ｉu，ｉv，ｉwを次式によりｄ−ｑ座標上の値に変換することで、トルクリップルを生じさせずに出力トルクを一定値Ｔとするようなｄ軸電流値ｉdおよびｑ軸電流値ｉqを得ることができる。
ｉd＝√２｛ｉvｓｉｎθ−ｉuｓｉｎ（θ−２π／３）｝ ・・・（９ａ）
ｉq＝√２｛ｉvｃｏｓθ−ｉuｃｏｓ（θ−２π／３）｝ ・・・（９ｂ）
ただし、θは電気角である。

そこで本実施形態では、以下のようにして補償電流マップ２０ａを作成する。まず、図４に示すように、モータ６の各相の無負荷誘導起電力（誘起電圧）の瞬時値ｅ_０u，ｅ_０v，ｅ_０wの実測データを電気角の各種の値について求めておく。そして、この実測データを用いて、モータ６がトルクリップルを生じさせることなく単位トルク（１［Ｎｍ］）を出力するのに必要なｄ軸電流値ｉd_０１およびｑ軸電流値ｉq_０１を算出すると共に（式（８ａ）〜（９ｂ）参照）、無負荷誘導起電力波形が歪んでいない場合にモータ６が単位トルクを出力するのに必要なｄ軸電流値ｉd_０２およびｑ軸電流値ｉq_０２を求める（この場合、出力トルクはｑ軸電流に比例し、ｄ軸電流は０とすればよいので、ｑ軸およびｄ軸電流ｉq_０２，ｉd_０２は容易に求めることができる）。そして、両者の差であるΔｉd_０＝ｉd_０１−ｉd_０２およびΔｉq_０＝ｉq_０１−ｉq_０２をそれぞれｄ軸電流単位補償値Δｉd_０およびｑ軸電流単位補償値Δｉq_０とし、これらの単位補償値Δｉd_０およびΔｉq_０と電気角の各種の値とを対応付けるテーブルを、補償電流マップ２０ａとして予めメモリに格納しておく。例えば、図４に示すような無負荷誘導起電力波形の実測データに基づき、図５に示すように電気角と対応付けられるｄ軸電流単位補償値Δｉd_０およびｑ軸電流単位補償値Δｉq_０を求め、これらに基づき補償電流マップ２０ａを作成する。

基本補償電流決定部２０は、上記のようにして作成された補償電流マップ２０ａを参照することにより、上記修正電気角θｍｒｅに対応するｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０を求める。これらのｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０は、単位トルク当たりの電流補償値として振幅決定部２２に入力される。

モータ６の出力トルクをＴとしたとき、トルクリップルの発生を抑制するためにモータ６に流すべきｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdは、それぞれ、上記のｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０のＴ倍の値となる。したがって、ｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdを得るには、モータ負荷に相当する物理量に応じた係数を上記のｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０に乗算すればよい。例えば、モータ６の出力トルクに対応する値であるｑ軸電流の検出値ｉqまたはｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０に応じた係数をｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０に乗算することにより、モータ負荷に比例する値としてｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdを算出すればよい。本実施形態における振幅決定部２２は、それに入力されるｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０に相当するモータトルク値を求め、求めたトルク値をｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０に乗算することにより、ｑ軸電流基本補償値Δｉq_１およびｄ軸電流基本補償値Δｉd_１を求める。このようにして求められたｑ軸電流基本補償値Δｉq_１およびｄ軸電流基本補償値Δｉd_１は、乗算器２６および２８にそれぞれ入力される。

修正率算出部２４は、電流制御系のゲインとしてゲイン・位相決定部１６から出力されるゲインＧｆの逆数１／Ｇｆを修正率Ｒｍとして算出する。この修正率Ｒｍは、乗算器２６および２８に入力される。

操舵速度ゲイン決定部２５は、図７に示す操舵速度ゲインマップ２５ａを保持しており（具体的には、操舵速度ゲインマップ２５ａに相当するデータがマイコン１０内のメモリに予め格納されている）、この操舵速度ゲインマップ２５ａを参照することにより、上記ロータ角速度ωｒｅに対応する操舵速度ゲインＧωを求める。

上記操舵速度ゲインマップ２５ａは、図７に示すように、右方向操舵を補助する方向を＋方向、左方向操舵を補助する方向を−方向にとると、ロータ角速度ωｒｅが第１の閾値ω_１以上である場合には操舵速度ゲインＧω＝０（ゼロ）に設定し、ロータ角速度ωｒｅが第１の閾値ω_１の９０％（第２の閾値ω_２）以上でない場合には操舵速度ゲインＧω＝１に設定し、ロータ角速度ωｒｅが第２の閾値ω_２以上でありかつ第１の閾値ω_１以上でない場合にはロータ角速度ωｒｅが速くなるほど操舵速度ゲインＧωを１から０（ゼロ）にかけて減少させるように設定している。ここで、上記第１の閾値ω_１は、加算器１２１、１２２により求められた電流指令値ｉ^*d、ｉ^*qに基づいて制御されたモータ６のトルクリップル（補償後トルクリップル）が、電流補償値Δｉd，Δｉqを考慮することなく基本電流指令値ｉ^*d_０、ｉ^*q_０に基づいてモータ６を制御した場合の当該モータ６のトルクリップル（補償前トルクリップル）に等しくなるときのロータ角速度である。このようにして求められた操舵速度ゲインＧωは、修正率Ｒｍと同様に、乗算器２６および２８に入力される。

乗算器２６は、修正率Ｒｍおよび操舵速度ゲインＧωを上記のｑ軸電流基本補償値Δｉq１に乗算することによりｑ軸電流補償値Δｉqを求め、乗算器２８は、修正率Ｒｍおよび操舵速度ゲインＧωを上記のｄ軸電流基本補償値Δｉd_１に乗算することによりｄ軸電流補償値Δｉdを求める。このような修正率Ｒｍの乗算により、電流制御系の周波数特性によるゲイン低下が補償されることになる。また、このような操舵速度ゲインＧωの乗算により、ｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdがロータ角速度ωｒｅに基づき演算されることになる。

上記のようにして得られたｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdは、トルクリップル補償部１１８から出力され、既述のように、ｑ軸電流補償値Δｉqはｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０に、ｄ軸電流補償値Δｉdはｄ軸基本電流指令値ｉ^*d_０にそれぞれ加算される（式（４ａ）（４ｂ）参照）。そして、これにより得られるｑ軸電流指令値ｉ^*qおよびｄ軸電流指令値ｉ^*dは、電流制御部２００を含む電流制御系に目標値として与えられる。

＜６ 効果＞
このように本実施形態に係る電気式動力舵取装置１では、トルクリップル抑制のための補償電流の指令値の設定において、モータ負荷に相当する物理量であるｑ軸基本電流指令値ｉ^*q_０に比例したｑ軸電流基本補償値Δｉq_１およびｄ軸電流基本補償値Δｉd_１が算出されるだけでなく、電流制御系の周波数特性によるゲイン低下が補われるように、ゲイン・位相決定部１６および修正率算出部２４によって得られた修正率Ｒｍがｑ軸電流基本補償値Δｉq_１およびｄ軸電流基本補償値Δｉd_１に乗算される。そして、この乗算結果であるｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdがトルクリップル抑制のための補償電流の指令値として使用される。したがって、運転状況に応じてモータ６の回転速度が変化すると、ｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdによって示される指令値としての補償電流の振幅が回転速度の変化に応じて修正される。さらに上記実施形態では、電流制御系の周波数特性による位相遅れが補われるように、ゲイン・位相決定部１６によって求められた位相差Δθｅ（負値）に応じて電気角θｒｅが修正される。そして、その結果得られる修正電気角θｍｒｅに対応するｑ軸電流単位補償値Δｉq_０およびｄ軸電流単位補償値Δｉd_０が補償電流マップ２０ａから求められ、これらに基づき、上記のｑ軸電流補償値Δｉqおよびｄ軸電流補償値Δｉdが決定される。

このように上記本実施形態では、トルクリップル抑制のためにモータ６に流すべき補償電流の振幅がモータ負荷の変動に応じて変化するだけでなく、モータ６の回転速度に応じて（したがって補償電流の周波数に応じて）電流制御系の周波数特性の影響を相殺すべく、指令値としての補償電流の振幅および位相が修正される。また、この修正によってモータ６における実際の補償電流と誘起電圧との間の位相ずれが解消されるので、モータ負荷に応じた補償電流の位相調整は不要となる。したがって、モータ負荷の変動に加え、運転状況に応じてモータ６の回転速度が刻々変化しても、適切な補償電流がモータ６に与えられ、これにより、トルクリップルの発生を十分に抑制することができる。

また、本実施形態に係る電気式動力舵取装置１では、マイコン１０（モータ制御装置）によって、モータ６のトルクリップルの発生を抑えるために当該モータ６に流すべき電流補償値Δｉd、Δｉqを演算するトルクリップル補償部１１８の演算周期と、電流補償値Δｉd、Δｉqを加算した電流指令値ｉ^*d、ｉ^*qがモータ６に流れるように当該モータ６に対してフィードバック制御を行う電流制御部２００の制御周期とが異なる場合に、ロータ角速度ωｒｅが第１の閾値ω_１以上であるときには、電流補償値Δｉd、Δｉqを０（ゼロ）にする。

上述のように、トルクリップル補償部１１８の演算周期が電流制御部２００の制御周期よりも長い場合、ロータ角速度ωｒｅが速くなるにしたがって、電気角ズレが生じ位相が合わずに制御されるため、トルクリップル低減の効果が減少してしまう。

そこで、上述のように、ロータ角速度ωｒｅが上記第１の閾値ω_１以上である場合には操舵速度ゲインＧω＝０（ゼロ）を電流補償値Δｉd、Δｉqに乗算する。これにより、ロータ角速度ωｒｅが上記第１の閾値ω_１以上であるときには電流補償値Δｉd、Δｉqが０（ゼロ）となり、トルクリップルの補償が行なわれない。したがって、ロータ角速度ωｒｅ（モータの回転速度）が上記第１の閾値ω_１以上であるときには補償後のトルクリップルが補償前のトルクリップルよりも悪化することがなく少なくとも補償前のトルクリップルを維持するので、トルクリップルを低減することができる。

さらに、本実施形態に係る電気式動力舵取装置１では、マイコン１０（モータ制御装置）によって、車両操舵のための操作に応じた操舵補助力をモータにより発生させて操舵を補助する。これにより、ロータ角速度ωｒｅが速くなり上記第１の閾値ω_１以上になると電流補償値Δｉd、Δｉqが０（ゼロ）となり、補償後のトルクリップルが補償前のトルクリップルよりも悪化することがない等の、請求項１〜４の各発明による作用・効果を享受した電気式動力舵取装置を実現することができる。したがって、モータ６のロータ角速度ωｒｅが速くなった場合でも、トルクリップルを低減することができる電気式動力舵取装置を提供することができる。

＜７ 変形例＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果が得られる。
（１）上記実施形態では、電気式動力舵取装置１の駆動源として３相ブラシレスモータ６が使用されているが、３相以外の相数のブラシレスモータを使用した場合においても、上記と同様の構成により同様の効果が得られる。
（２）操舵速度ゲインマップ２５ａは、図７に示すように、ロータ角速度ωｒｅが第２の閾値ω_２（第１の閾値ω_１の９０％）以上でない場合には操舵速度ゲインＧω＝１に設定し、ロータ角速度ωｒｅが第２の閾値ω_２以上でありかつ第１の閾値ω_１以上でない場合にはロータ角速度ωｒｅが速くなるほど操舵速度ゲインＧωを１から０（ゼロ）にかけて減少させるように設定することに限らず、操舵状況等にあわせて上記第２の閾値ω_２を状況に応じて適宜変更するように設定してもよい。これにより、電流補償値Δｉd、Δｉqを適切に演算することができる。

本発明の実施形態に係る電気式動力舵取装置の構成を示す構成図である。 電気式動力舵取装置のＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 本実施形態によるトルクリップル補償部の機能的構成を示すブロック図である。 上記実施形態におけるブラシレスモータの無負荷誘導起電力（誘起電圧）を示す電圧波形図である。 上記実施形態においてトルクリップル補償のためにモータに流すべき補償電流を示す電流波形図である。 上記実施形態における電流制御系の周波数特性を示すボード線図である。 図３に示す操舵速度ゲイン決定部の制御処理に用いられる操舵速度ゲインマップの例を示す説明図である。 トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期に一致する場合のトルクリップル補償の効果と、トルクリップル補償部の演算周期が電流制御部の制御周期と異なる場合のトルクリップル補償の効果とを例示する波形図である。

符号の説明

１…電気式動力舵取装置
５…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６…ブラシレスモータ
１０…マイクロコンピュータ（モータ制御装置）
１２…微分器（回転速度検出手段）
１４…周波数算出部
１６…ゲイン・位相決定部
１６ａ…周波数特性マップ
１８…減算器
２０…基本補償電流決定部
２０ａ…補償電流マップ
２２…振幅決定部
２４…修正率算出部
２５…操舵速度ゲイン決定部
２５ａ…操舵速度ゲインマップ
２６，２８…乗算器
６２…位置検出センサ
１１４…目標電流演算部
１１８…トルクリップル補償部（補償電流演算手段）
１２１，１２２…加算器（補正手段）
１２３，１２４…減算器
１２６…ｄ軸電流ＰＩ制御部
１２８…ｑ軸電流ＰＩ制御部
１５０…３相ＰＷＭ変調部
１５２…モータ駆動回路
１６２…ロータ角度位置検出器（回転角検出手段）
２００…電流制御部（制御手段）
Ｔｓ…操舵トルク信号
ｉ^*d_０…ｄ軸基本電流指令値（目標電流指令値）
ｉ^*q_０…ｑ軸基本電流指令値（目標電流指令値）
Δｉd…ｄ軸電流補償値（補償電流指令値）
Δｉq…ｑ軸電流補償値（補償電流指令値）
ｉ^*d…ｄ軸電流指令値（補正後の所定の目標電流指令値）
ｉ^*q…ｑ軸電流指令値（補正後の所定の目標電流指令値）
ｉd…ｄ軸電流検出値
ｉq…ｑ軸電流検出値
ｅd…ｄ軸電流偏差
ｅq…ｑ軸電流偏差
θｒｅ…電気角（モータの回転角）
ω_１…第１の閾値
ω_２…第２の閾値
ωｒｅ…ロータ角速度（モータの回転速度）
Δθｅ…電流制御系の位相差
Ｇｆ…電流制御系のゲイン
Ｇω…操舵速度ゲイン
θｍｒｅ…修正電気角
Ｒｍ…修正率

Claims (3)

1. モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記モータにおける誘導起電力波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を抑えるために当該モータに流すべき補償電流指令値を、前記回転角および所定の目標電流指令値に基づき演算する補償電流演算手段と、
   前記補償電流指令値に基づき前記所定の目標電流指令値を補正する補正手段と、
   前記補正手段によって補正された後の前記所定の目標電流指令値に対応する電流が前記モータに流れるように当該モータに対してフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御による前記モータの電流制御系を構成する制御手段と、
   を備え、前記補償電流演算手段の演算周期が前記制御手段の制御周期よりも長いモータ制御装置において、
   前記補正手段による補正後の前記所定の目標電流指令値に基づき前記制御手段により制御された前記モータのトルクリップルが、前記補正手段による補正前の前記所定の目標電流指令値に基づき前記制御手段により制御された当該モータのトルクリップルに等しくなるときにおける、前記モータの前記回転速度を第１の閾値とした場合、
   前記補償電流演算手段は、前記回転速度が前記第１の閾値以上であるときには、前記補償電流指令値を０（ゼロ）にすることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記第１の閾値よりも遅い所定の回転速度を第２の閾値とした場合、
   前記補償電流演算手段は、前記回転速度が前記第２の閾値以上でありかつ前記第１の閾値以上でないときには前記補償電流指令値を前記回転速度が速くなるほど減少させるように演算し、前記回転速度が前記第２の閾値以上でないときには前記補償電流指令値を前記トルクリップルの発生を抑えるために当該モータに流すべき電流指令値にするように演算することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記所定の目標電流指令値は、車両操舵のための操作に応じて決定される電流指令値であって、この操舵に応じた操舵補助力をモータにより発生させて操舵を補助する電気式動力舵取装置において、
   請求項１または２に記載のモータ制御装置によって、前記モータの駆動制御を行うことを特徴とする電気式動力舵取装置。

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