JP5252190B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ブラシレスモータを駆動するためのモータ制御装置に関する。ブラシレスモータは、たとえば、電動パワーステアリング装置における操舵補助力の発生源として利用される。

ブラシレスモータを駆動制御するためのモータ制御装置は、一般に、ロータの回転角を検出するための回転角センサの出力に応じてモータ電流の供給を制御するように構成されている。回転角センサとしては、たとえば、ロータ回転角（電気角）に対応した正弦波信号および余弦波信号を出力するレゾルバが用いられる。
回転角センサの故障（信号線の断線故障や短絡故障を含む）が生じると、ロータ回転角を特定することができなくなるから、ブラシレスモータの駆動制御を継続できなくなる。

この問題は、回転角センサを用いることなくブラシレスモータを駆動するセンサレス駆動方式の併用によって緩和される。センサレス駆動方式は、ロータの回転に伴う誘起電圧を推定することによって、磁極の位相（ロータの電気角）を推定する方式である。
また、回転角センサは耐環境性が問題となるうえ、高価な位置センサおよびこれに関連する配線がコストの削減を阻害し、かつ、小型化を阻害している。この問題に対処するために、回転角センサを用いずに、センサレス駆動方式だけでブラシレスモータを駆動することも提案されている（特許文献１）。
特開２００７−３０７９４０号公報

誘起電圧の推定は、モータ電圧指令値、モータ電流およびモータパラメータを用いて行うことができる。しかし、ロータの回転角速度が低くなるほど、誘起電圧の推定精度が悪くなり、それに応じてロータ回転角の推定精度が悪くなる。そのため、回転角速度がある程度以下の領域では、センサレス駆動方式によっては、必ずしもモータを適切に制御することができなくなるおそれがある。

たとえば、電動パワーステアリング装置の駆動源として用いるブラシレスモータをセンサレス駆動方式で駆動する場合に、モータが適切に制御されなければ、操舵補助のための制御系を適切に作動させることができなくなるおそれがある。そのため、操舵感が悪くなるおそれがある。
そこで、この発明の目的は、推定回転角によるモータの制御を適切に行うことができるモータ制御装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ロータ（５０）と、このロータに対向するステータ（５５）とを備えたモータ（１）を制御するためのモータ制御装置（１０）であって、前記ロータの回転角を推定するための回転角推定手段（３１）と、前記ロータの回転角速度を求める手段（２３）と、前記ロータの回転角速度の大きさが所定値以上であることを条件に、前記回転角推定手段によって求められた推定回転角に基づいて前記モータを駆動制御する制御手段（１５〜２１，２６，２９，３０）とを含み、前記制御手段は、前記モータを駆動するための基本指令値を設定する基本指令値設定手段（１５）と、この基本指令値に係数（ゲイン）を乗算する手段（２８）と、前記回転角速度の大きさが前記所定値以下のときに零であり、当該所定値を超えて大きくなるに従って大きくなるように前記係数を設定する係数設定手段（２７）とを含む、モータ制御装置である。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。

この構成によれば、ロータの回転角速度の大きさが所定値（ロータ回転角の推定可能な下限値以上の値）以上であることを条件に、推定回転角によるモータの駆動制御を行うようにしている。すなわち、回転角速度の大きさが前記所定値未満のときには、推定回転角に基づくモータの制御は行わない。これにより、推定回転角によるモータの制御を適切に行うことができる。すなわち、推定回転角の信頼性が低下する低回転角速度領域では推定回転角がモータの制御に用いられないので、モータの制御を安定化できる。
また、この発明では、回転角速度の大きさが前記所定値を超える場合に、回転角速度の大きさが大きいほど大きくなるように設定された係数が基本指令値に乗じられる。これにより、推定回転角に基づくモータの駆動制御が行われていない状態から、推定回転角に基づくモータの駆動制御を行う状態へと移行するときに、モータが急に大きなトルクを発生することを抑制または防止できる。
たとえば、このモータ制御装置を電動パワーステアリング装置の駆動源としてのモータの制御に適用する場合に、モータの駆動制御の開始に伴って操作トルクが急変することを抑制または防止できる。これにより、運転者に与える違和感を緩和または解消できる。

前記制御手段は、モータ電圧指令値を生成するモータ電圧指令値生成手段（１９Ａ，１９Ｂ）を含むものであってもよい。そして、前記モータ制御装置は、モータ電圧指令値に応じてモータを駆動する駆動手段（１３）と、モータ電流を検出する電流検出手段（１１）とをさらに含むことが好ましい。この場合に、前記回転角推定手段は、モータ電圧指令値およびモータ電流から前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段（３９，４０）と、推定された誘起電圧に基づいて推定回転角を演算する演算手段（４１）とを含むものであってもよい。

前記モータ制御装置は、モータの回転角を検出する回転角検出手段（２，２２）と、前記回転角検出手段に故障が生じているか否かを判定する故障判定手段（２５）とをさらに含むものであってもよい。この場合に、前記制御手段は、前記回転角検出手段に故障が生じていない通常時には前記検出回転角に基づいて前記モータを制御し、前記回転角検出手段の故障時には前記回転角推定手段によって推定された推定回転角に基づいて前記モータを制御するものであることが好ましい。これにより、回転角検出手段の故障時には、センサレス駆動方式に移行して、モータの駆動を継続することができる。

請求項２記載の発明は、前記回転角速度を平滑化する平滑化手段（２４）をさらに含み、前記係数設定手段は、前記平滑化手段によって平滑化された回転角速度に基づいて前記係数を設定するものである、請求項１記載のモータ制御装置である。

この構成によれば、回転角速度が急変した場合でも、その変化が平滑化手段によって緩和されるので、それに応じて基本指令値も急変することなく緩やかな変化を示す。これにより、モータが急に大きなトルクを発生することをより一層確実に抑制または防止できる。

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を適用した電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するためのブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、車両のステアリングホイールに加えられる操作トルクを検出するトルクセンサ７と、車両の速度を検出する車速センサ８と、車両の舵取り機構３に操舵補助力を与えるモータ１と、このモータ１を駆動制御するモータ制御装置１０とを備えている。モータ制御装置１０は、トルクセンサ７が検出する操作トルクおよび車速センサ８が検出する車速に応じてモータ１を駆動することによって、操舵状況に応じた適切な操舵補助を実現する。モータ１は、たとえば、三相ブラシレスモータであり、図２に図解的に示すように、界磁としてのロータ５０と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線５１，５２，５３を含むステータ５５とを備えている。モータ１は、ロータの外部にステータを配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを配置したアウターロータ型のものであってもよい。

モータ制御装置１０は、電流検出部１１、信号処理部としてのマイクロコンピュータ１２、および駆動回路１３を有する。このモータ制御装置１０に、モータ１内のロータの回転角を検出するレゾルバ２（回転角センサ）とともに、前述のトルクセンサ７および車速センサ８が接続されている。
電流検出部１１はモータ１のステータ巻線５１，５２，５３を流れる電流を検出する。より具体的には、電流検出部１１は、３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）のステータ巻線５１，５２，５３における相電流をそれぞれ検出する電流検出器を有する。

マイクロコンピュータ１２は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、基本目標電流値演算部１５と、ｄｑ軸目標電流値演算部１６と、ＰＩ（比例積分）制御部１９Ａと、電圧指令値生成部１９Ｂと、γδ／αβ座標変換部２０Ａと、αβ／ＵＶＷ座標変換部２０Ｂと、ＰＷＭ制御部２１と、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７Ａと、αβ／γδ座標変換部１７Ｂと、偏差演算部１８と、回転角算出部２２と、回転角速度演算部２３と、平滑化部２４と、センサ故障判定部２５と、推定回転角使用判定部２６と、ゲイン設定部２７と、乗算器２８と、第１スイッチ２９と、第２スイッチ３０と、回転角推定部３１と、切換え部３２とを備えている。

基本目標電流値演算部１５は、トルクセンサ７により検出される操作トルクと、車速センサ８により検出される車速とに基づいて、モータ１の基本目標電流値Ｉ^*を演算する。基本目標電流値Ｉ^*は、たとえば、操作トルクの大きさが大きいほど大きく、車速が小さい程大きくなるように定められる。
ｄｑ軸目標電流値演算部１６は、基本目標電流値Ｉ^*に基づいて、モータ１のロータ磁極方向に沿うｄ軸電流成分の目標値（ｄ軸目標電流値Ｉ_d ^*）と、ｄ軸に直交するｑ軸電流成分の目標値（ｑ軸目標電流値Ｉ_q ^*）とを生成する。以下、これらをまとめていうときには、「目標電流値Ｉ_dq」という。

モータ１のＵ相、Ｖ相およびＷ相に与えるべき電流（正弦波電流）の振幅を表す基本目標電流値Ｉ^*を用いると、ｄ軸目標電流値Ｉ_d ^*およびｑ軸目標電流値Ｉ_q ^*は、次式(1)(2)のように表される。

したがって、ｄｑ軸目標電流値演算部１６は、ｄ軸目標電流値Ｉ_d ^*＝０を生成する一方で、トルクセンサ７によって検出される操作トルクに応じたｑ軸目標電流値Ｉ_q ^*を生成する。

電流検出部１１は、モータ１のＵ相電流Ｉ_u、Ｖ相電流Ｉ_vおよびＷ相電流Ｉ_wを検出する（以下、これらをまとめていうときには「三相検出電流Ｉ_uvw」という）。その検出値は、ＵＶＷ／αβ座標変換部１７Ａに与えられる。
ＵＶＷ／αβ座標変換部１７Ａは、三相検出電流Ｉ_uvwを、二相固定座標系（α−β）上での電流Ｉ_αおよびＩ_β（以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Ｉ_αβ」という。）に座標変換する。二相固定座標系（α−β）とは、ロータ５０の回転中心を原点として、ロータ５０の回転平面内にα軸およびこれに直交するβ軸を定めた固定座標系である（図２参照）。座標変換された二相検出電流Ｉ_αβは、αβ／γδ座標変換部１７Ｂに与えられる。

αβ／γδ座標変換部１７Ｂは、二相検出電流Ｉ_αβを、制御上のロータ回転角θ^（以下、「制御回転角θ^」という。）に従う二相回転座標系（γ−δ）上での電流Ｉ_γおよびＩ_δ（以下、これらをまとめていうときには「二相検出電流Ｉ_γδ」という。）に座標変換する。二相回転座標系（γ−δ）は、制御回転角θ^にロータ５０がある場合に、ロータ磁極方向に沿うγ軸と、このγ軸に直交するδ軸とによって規定される回転座標系である。制御回転角θ^に誤差がなく、実際のロータ回転角と一致しているとき、二相回転座標系（ｄ−ｑ）と二相回転座標系（γ−δ）とは一致する。制御回転角θ^は、回転角算出部２２または回転角推定部３１によって演算され、切換え部３２によって選択されたロータ回転角である。

二相検出電流Ｉ_γδは、偏差演算部１８に与えられるようになっている。この偏差演算部１８は、ｄ軸目標電流値Ｉ_d ^*に対するγ軸電流Ｉ_γの偏差、およびｑ軸目標電流値Ｉ_q ^*に対するδ軸電流Ｉ_δの偏差を演算する。これらの偏差がＰＩ制御部１９Ａに与えられてそれぞれＰＩ演算処理を受ける。そして、これらの演算結果に応じて、電圧指令値生成部１９Ｂによって、γ軸電圧指令値Ｖ_γ ^*およびδ軸電圧指令値Ｖ_δ ^*（以下、これらをまとめていうときには「二相電圧指令値Ｖ_γδ」という。）が生成されて、γδ／αβ座標変換部２０Ａに与えられる。

γδ／αβ座標変換部２０Ａは、γ軸電圧指令値Ｖ_γ ^*およびδ軸電圧指令値Ｖ_δ ^*を、二相固定座標系（α−β）の電圧指令値であるα軸電圧指令値Ｖ_α ^*およびβ軸電圧指令値Ｖ_β ^*（以下、これらをまとめていうときには「二相電圧指令値Ｖ_αβ」という。）に座標変換する。この二相電圧指令値Ｖ_αβは、αβ／ＵＶＷ座標変換部２０Ｂに与えられる。

αβ／ＵＶＷ座標変換部２０Ｂは、α軸電圧指令値Ｖ_α ^*およびβ軸電圧指令値Ｖ_β ^*を三相固定座標系の電圧指令値、すなわち、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*（以下、これらをまとめていうときには「三相電圧指令値Ｖ_uvw」という。）に変換する。
ＰＷＭ制御部２１は、三相の電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に応じて制御されたデューティ比の駆動信号を生成して駆動回路１３に与える。これにより、モータ１の各相には、該当する相の電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に応じたデューティ比で電圧が印加されることになる。

このような構成によって、舵取り機構３に結合された操作部材としてのステアリングホイール（図示せず）に操作トルクが加えられると、これがトルクセンサ７によって検出される。そして、その検出された操作トルクおよび車速に応じた目標電流値Ｉ_dqがｄｑ軸目標電流値演算部１６によって生成される。この目標電流値Ｉ_dqと二相検出電流Ｉ_γδとの偏差が偏差演算部１８によって求められ、この偏差をゼロに導くようにＰＩ制御部１９ＡによるＰＩ演算が行われる。この演算結果に対応した二相電圧指令値Ｖ_γδが電圧指令値生成部１９Ｂによって生成され、これが、座標変換部２０Ａ，２０Ｂを経て三相電圧指令値Ｖ_uvwに変換される。そして、ＰＷＭ制御部２１の働きによって、その三相電圧指令値Ｖ_uvwに応じたデューティ比で駆動回路１３が動作することによって、モータ１が駆動され、目標電流値Ｉ_dqに対応したアシストトルクが舵取り機構３に与えられることになる。こうして、操作トルクおよび車速に応じて操舵補助を行うことができる。電流検出部１１によって検出される三相検出電流Ｉ_uvwは、座標変換部１７Ａ，１７Ｂを経て、目標電流値Ｉ_dqに対応するように二相回転座標系（γ−δ）で表された二相検出電流Ｉ_γδに変換された後に、偏差演算部１８に与えられる。

回転座標系と固定座標系との間での座標変換のためには、ロータ５０の回転角（位相角、すなわち電気角）θが必要である。この回転角を表す制御回転角θ^が、レゾルバ２の出力を用いて回転角算出部２２で生成されるか、または回転角推定部３１での推定演算によって推定されるようになっている。そして、いずれかによって演算された制御回転角θ＾が、切換え部３２から、αβ／γδ座標変換部１７Ｂおよびγδ／αβ座標変換部２０Ａに与えられるようになっている。以下、回転角算出部２２で検出される回転角を「検出回転角θ_S」といい、回転角推定部３１で推定される回転角を「推定回転角θ_E」という。

回転角速度演算部２３は、回転角推定部３１から所定の制御周期（たとえば２００μｓｅｃ）毎に与えられる推定回転角θ_Eの差分Δθ_Eを制御周期で除算することにより、ロータ５０の回転角速度ωを演算する。
平滑化部２４は、回転角速度演算部２３によって生成される回転角速度ωに対して平滑化処理を行う。この平滑化処理は、たとえば、ローパスフィルタによって行うことができる。

センサ故障判定部２５は、レゾルバ２の故障の有無を判定する。たとえば、センサ故障判定部２５は、レゾルバ２の信号線２ａに導出される信号を監視することによって、レゾルバ２の故障、信号線２ａの断線故障、信号線２ａの接地故障を検出することができる。より具体的には、レゾルバ２とモータ制御装置１０との間の信号線２ａをプルアップ抵抗を介して電源電位に接続したり、プルダウン抵抗を介して接地電位に接続したりする構成をとることができる。この場合、信号線２ａが断線すると、当該信号線２ａには、レゾルバ２からの信号（正弦信号または余弦信号）が導出されなくなり、代わりに、当該信号線２ａは、電源電位または接地電位に固定される。そこで、センサ故障判定部２５は、信号線２ａが電源電位または接地電位に固定されているかどうかを判定することで、レゾルバ２の故障（信号線の故障を含む）の有無を判定することができる。むろん、レゾルバ２の故障検出には、その他の公知の方法を適用してもよい。

切換え部３２は、センサ故障判定部２５による判定結果に応じて、検出回転角θ_Sまたは推定回転角θ_Eを選択し、その選択した回転角を制御回転角θ＾として出力する。すなわち、センサ故障判定部２５がレゾルバ２の故障が生じていないと判定している通常時には、切換え部３２は、検出回転角θ_Sを制御回転角θ＾として出力する。一方、センサ故障判定部２５がレゾルバ２に故障が生じていると判定しているとき、すなわち、レゾルバ２の故障時には、推定回転角θ_Eを選択して制御回転角θ＾として出力する。これにより、回転角センサとしてのレゾルバ２を用いないセンサレス駆動方式によってモータ１が駆動される状態となる。つまり、レゾルバ２の故障時にも、モータ１の駆動を継続して、操舵補助力を舵取り機構３に与えることができる。

推定回転角使用判定部２６は、センサ故障判定部２５によってレゾルバ２に故障が生じていると判定されていて、したがって、切換え部３２によって推定回転角θ_Eが制御回転角θ＾として選択されているときに、この推定回転角θ_Eを用いた制御の可否を判定するものである。具体的には、推定回転角使用判定部２６は、回転角速度演算部２３によって求められる回転角速度ωに基づいて、推定回転角θ_Eの使用の可否を判定する。

より具体的には、推定回転角使用判定部２６は、回転角速度の大きさ｜ω｜が所定値ω_th（ω_th＞０。たとえば、ロータの回転速度で２００ｒｐｍに相当する値）を超えていて、推定回転角θ_Eの精度が充分であると判断できるときには、推定回転角θ_Eの使用を許可する。すなわち、基本目標電流値演算部１５と乗算器２８との間の第１スイッチ２９をオン状態とし、ＰＷＭ制御部２１と駆動回路１３との間の第２スイッチ３０をオン状態とする。これにより、モータ１は、基本目標電流値Ｉ^*に基づき、推定回転角θ_Eを用いて、駆動制御される。

一方、推定回転角使用判定部２６は、回転角速度の大きさ｜ω｜が前記所定値ω_th以下であり、推定回転角θ_Eが充分な精度を有していないと判断できるときには、推定回転角θ_Eの使用を禁止する。具体的には、第１スイッチ２９および第２スイッチ３０をいずれもオフ状態とする。これにより、モータ１から電流制御器が切り離されることになり、モータ１の駆動が停止される。

こうして、推定回転角θ_Eを用いたセンサレス駆動状態のときに、推定回転角θ_Eの信頼性が低いときには、推定回転角θ_Eを用いたモータ１の駆動制御が停止されるので、精度の低い推定回転角θ_Eに起因してモータ１の不適切な制御が行われることを回避できる。
推定回転角使用判定部２６は、また、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態としてモータ１の駆動を停止したときに、回転角推定部３１の内部状態をリセットして初期化する。より具体的には、回転角推定部３１の内部変数をリセットする。これにより、回転角速度の大きさ｜ω｜が増加して所定値ω_thに達して第１および第２スイッチ２９，３０がオン状態となったときに、モータ１から急に大きなトルクが発生することを回避できる。ただし、後述のゲイン設定部２７などの働きによって、モータ１から急に大きなトルクが発生することは回避できるので、回転角推定部３１の内部状態は必ずしもリセットする必要はなく、たとえば、第１および第２スイッチ２９，３０がオフ状態とされる直前の状態を維持するようにしてもよい。

第１および第２スイッチ２９，３０は、ソフトウェア処理によるスイッチ機能であってもよいし、アナログスイッチやリレー等のハードウェアスイッチであってもよい。これらは、前述のとおり、推定回転角使用判定部２６の判定結果に応じて、オン／オフするように制御される。また、第１および第２スイッチ２９，３０は、センサ故障判定部２５がレゾルバ２に故障が生じていないと判定しているときには、オン状態に制御される。

第１および第２スイッチ２９，３０がオフ状態のとき、モータ１は、外力によって回転される。この場合の外力は、運転者がステアリングホイールに加える操作トルクである。この外力によってモータ１が駆動されることによってモータ電流が生じると、この電流が電流検出部１１によって検出される。回転角推定部３１は、このモータ電流（ＵＶＷ／αβ座標変換部１７Ａで変換された二相検出電流Ｉ_αβ）と、γδ／αβ座標変換部２０Ａから与えられる二相電圧指令値Ｖ_αβ（第１スイッチ２９がオフのときは零）とに基づいて、推定回転角θ_Eを演算することができる。すなわち、第１および第２スイッチ２９，３０がオフ状態のときにも、推定回転角θ_Eが求められ、それに基づいて回転角速度演算部２３において回転角速度ωが求められるようになっている。

ゲイン設定部２７は、平滑化部２４によって平滑化された回転角速度の大きさ｜ω｜に応じてゲインを設定する。このゲインが、乗算器２８において基本目標電流値Ｉ^*に乗じられるようになっている。ゲイン設定部２７は、たとえば、図３に示す特性でゲインを設定する。すなわち、回転角速度の大きさ｜ω｜が前記所定値ω_th（この例ではロータの回転角速度２００ｒｐｍに相当する値）以下のときに零であり、この所定値ω_thを超えて大きくなるに従って上限値「１」まで単調に（図３の例ではリニアに）増加するようにゲインが定められる。このような特性でゲインを設定することによって、第１および第２スイッチ２９，３０がオフの状態から、回転角速度の大きさ｜ω｜が所定値ω_thに達して第１および第２スイッチ２９，３０がオン状態に切り換わったときに、ｄｑ軸目標電流値演算部１６に与えられる基本目標電流値Ｉ^*が小さな値に抑制される。その結果、モータ１から急に大きなトルクが発生されることを回避でき、運転者に操舵違和感を与えることを抑制できる。

しかも、この実施形態では、回転角速度ωを平滑化部２４で平滑化し、この平滑化された回転角速度ωの大きさに応じてゲインを設定するようにしているので、回転角速度の大きさ｜ω｜が急増した場合でも、ゲインの変化を抑制することができる。これにより、モータ１のトルクの大きさが急増することを抑制できるから、操舵違和感を抑制できる。
図４は、回転角推定部３１の構成例を示すブロック図である。回転角推定部３１は、信号処理部３５と、ロータ角推定部３６とを備えている。

信号処理部３５は、二相電圧指令値Ｖ_αβの高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された電圧フィルタ３７と、二相検出電流Ｉ_αβの高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された電流フィルタ３８とを有している。
ロータ角推定部３６には、信号処理部３５によって信号処理（フィルタリング）された後の二相電圧指令値Ｖ_αβおよび二相検出電流Ｉ_αβが与えられるようになっている。ロータ角推定部３６は、モータ１の数学モデルであるモータモデルに基づき、モータ１の誘起電圧を外乱として推定する外乱オブザーバ３９と、この外乱オブザーバ３９が出力する推定誘起電圧から高周波成分を除去する低域通過フィルタで構成された推定値フィルタ４０と、この推定値フィルタ４０が出力する推定誘起電圧（フィルタリング後の値）に基づいて、ロータ５０の推定回転角θ_Eを生成する推定回転角生成部４１とを有している。そして、信号処理部３５の電圧フィルタ３７によってフィルタリングされた二相電圧指令値Ｖ_αβと、電流フィルタ３８によってフィルタリングされた二相検出電流Ｉ_αβとが、ロータ角推定部３６の外乱オブザーバ３９に入力されるようになっている。この外乱オブザーバ３９と推定値フィルタ４０とによって、モータ１の誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段が構成されている。

図５は、外乱オブザーバ３９およびこれに関連する構成の一例を説明するためのブロック図である。モータ１の数学モデルであるモータモデルは、たとえば、（Ｒ＋ｐＬ）^-1と表すことができる。ただし、Ｒは電機子巻線抵抗、Ｌはαβ軸インダクタンス、ｐは微分演算子である。モータ１には、二相電圧指令値Ｖ_αβと誘起電圧Ｅ_αβ（α軸誘起電圧Ｅ_αおよびβ軸誘起電圧Ｅ_β）とが印加されると考えることができる。

外乱オブザーバ３９は、二相検出電流Ｉ_αβを入力としてモータ電圧を推定する逆モータモデル（モータモデルの逆モデル）４２と、この逆モータモデル４２によって推定されるモータ電圧と二相電圧指令値Ｖ_αβとの偏差を求める電圧偏差演算部４３とで構成することができる。電圧偏差演算部４３は、二相電圧指令値Ｖ_αβに対する外乱を求めることになるが、図５から明らかなとおり、この外乱は誘起電圧Ｅ_αβに相当する推定値Ｅ^_αβ（α軸誘起電圧推定値Ｅ^_αおよびβ軸誘起電圧推定値Ｅ^_β（以下、まとめて「推定誘起電圧Ｅ^_αβ」という。）になる。逆モータモデル４２は、たとえば、Ｒ＋ｐＬで表される。

このように、この実施形態では、外乱オブザーバ３９は、二相固定座標系の電圧指令値Ｖ_αβおよび検出電流Ｉ_αβを用いて推定誘起電圧Ｅ^_αβを求める構成であるので、モータ１の回転速度の影響を受けることなく誘起電圧を推定できる。これにより、回転速度変動の生じやすい電動パワーステアリング装置に使用されるモータ１のロータ回転角推定精度の向上に寄与できる。

推定値フィルタ４０は、たとえば、ａ／（ｓ＋ａ）で表される低域通過フィルタで構成することができる。ａは、設計パラメータであり、この設計パラメータａにより、推定値フィルタ４０の遮断周波数ω_cが定まる。
誘起電圧Ｅ_αβは、次の(3)式で表すことができる。ただし、Ｋ_Eは誘起電圧定数、θはロータ回転位置、ωはロータ回転速度である。

したがって、推定誘起電圧Ｅ^_αβが求まれば、次の(4)式に従って、推定回転角θ_Eが求まる。この演算が、推定回転角生成部４１によって行われるようになっている。

図６は、回転角速度演算部２３における回転角速度ωの推定演算を説明するための図であり、回転角推定部３１が生成する推定回転角θ_Eの時間変化の一例が示されている。回転角推定部３１は、所定の制御周期毎に推定回転角θ_Eを生成する。回転角速度演算部２３は、推定回転角θ_Eの制御周期間の差分Δθ_Eを制御周期で除算して回転角速度ωを求める。

しかし、推定回転角θ_Eは０°〜３６０°の範囲で変化するので、０°と３６０°の間では推定回転角θ_Eの変化が不連続になる。そのため、推定回転角θ_Eの今回値と前回値との差分を求めるだけでは正確な回転角速度ωを求めることができない場合がある。すなわち、図６は、ロータ５０が正方向（たとえば、ステアリングホイールの右回り方向に対応）に回転している状況を示しているが、破線の部分で推定回転角θ_Eの今回値と前回値との差分をとると、負の値となる。これをそのまま用いて回転角速度ωを求めると、この回転角速度ωは、ロータ５０が負方向（たとえば、ステアリングホイールの左回り方向に対応）に回転していることを表す負値となる。

そこで、この実施形態では、回転角速度演算部２３は、推定回転角θ_Eの今回値と前回値との差が１８０°以上の場合は前回値または今回値に３６０°を加えて、当該前回値と今回値との差分Δθ_Eを演算する。すなわち、ロータ５０が正方向に回転しているときには今回値に３６０°を加えて差分Δθ_Eを演算する。また、ロータ５０が負方向に回転しているときには前回値に３６０°を加えて差分Δθ_Eを演算する。ロータ５０の回転方向の判定は、たとえば、前制御周期において求めた回転角速度ωの符号を用いて行うことができる。このように、前回値または今回値に３６０°を加えて差分Δθ_Eを求める演算を、以下では「速度補正演算」という。

図７は、マイクロコンピュータ１２が所定の制御周期毎に繰り返し実行する処理を説明するためのフローチャートである。マイクロコンピュータ１２は、トルクセンサ７、車速センサ８、レゾルバ２、および電流検出部１１の各出力信号を取り込む（ステップＳ１）。基本目標電流値演算部１５は、トルクセンサ７が検出した操作トルクおよび車速センサ８が検出した車速に基づいて、基本目標電流値Ｉ^*を演算する（ステップＳ２）。一方、センサ故障判定部２５は、信号線２ａに導出される信号に基づいて、レゾルバ２の故障の有無を判定する（ステップＳ３）。

レゾルバ２に故障がなければ（ステップＳ３：ＮＯ）、第１および第２スイッチ２９，３０はオン状態に保持され、切換え部３２によって、回転角算出部２２が算出する検出回転角θ_S（レゾルバ出力による回転角）が制御回転角θ＾として選択される（ステップＳ４）。これにより、レゾルバ２の出力信号を用いながら基本目標電流値Ｉ^*に基づいてモータ１を駆動する通常の制御が実行される（ステップＳ５）。

より具体的には、ｄｑ軸目標電流値演算部１６によってｄ軸目標電流値Ｉ_d ^*およびｑ軸目標電流値Ｉ_q ^*が設定される。また、電流検出部１１が検出する三相検出電流Ｉ_uvwが、座標変換部１７Ａ，１７Ｂで座標変換され、γ軸電流Ｉ_γおよびδ軸電流Ｉ_δが求められる。偏差演算部１８は、ｄ軸電流偏差δＩ_d（＝Ｉ_d ^*−Ｉ_γ）およびｑ軸電流偏差δＩ_q（＝Ｉ_q ^*−Ｉ_δ）を求める。ＰＩ制御部１９Ａは、電流偏差δＩ_d，δＩ_qに対するＰＩ（比例積分）演算等を行い、このＰＩ演算に基づいて、電圧指令値生成部１９Ｂによって、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が生成される。これらが座標変換部２０Ａ，２０Ｂにおいて座標変換されることによって、ＵＶＷ相の電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*が生成される。これらの電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に対応するＰＷＭ制御信号がＰＷＭ制御部２１によって生成される。αβ／γδ座標変換部１７Ｂおよびγδ／αβ座標変換部２０Ａにおける座標変換演算には、レゾルバ２の出力信号に基づいて回転角算出部２２によって算出される検出回転角θ_Sが制御回転角θ＾として用いられる（ステップＳ４）。

一方、センサ故障判定部２５によって、レゾルバ２に故障が生じていると判定されると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、切換え部３２によって、回転角推定部３１が演算する推定回転角θ_Eが制御回転角θ＾として選択される（ステップＳ６）。
推定回転角使用判定部２６は、回転角速度ωが推定回転角θ_Eの精度を確保するのに充分な条件を満たしているかどうかを判断するために、回転角速度演算部２３が生成する回転角速度ωを蓄積する（ステップＳ７）。たとえば、時系列に従って連続する所定回（たとえば８回）の制御周期において求められた所定個（たとえば８個）の回転角速度ωが蓄積される。

この蓄積された所定個の回転角速度ωに基づいて、推定回転角使用判定部２６は、モータ１が一定方向に回転しているかどうかを判断する（ステップＳ８）。具体的には、蓄積された前記所定個の回転角速度ωが全て同符号かどうかを判断する。
さらに、推定回転角使用判定部２６は、前記蓄積した所定個の回転角速度ωの平均値ω_avを求め、この平均値ω_avの絶対値｜ω_av｜（回転角速度ωの大きさを表す値）が前記所定値ω_th以上で、かつ、上限値ω_NL以下かどうかを判断する（ステップＳ９）。上限値ω_NLは、たとえば、モータ１の無負荷回転速度に対応する値である。前記平均値の絶対値｜ω_av｜が上限値ω_NL以下であれば、回転角速度ωの値が妥当な範囲内にあることが分かる。平均値の絶対値｜ω_av｜が上限値ω_NLを超えていれば、回転角推定部３１における推定精度が悪く、回転角速度ωの演算に問題が生じていることが分かる。また、平均値の絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th以上であれば、回転角推定部３１によって充分な精度の推定回転角θ_Eを演算できる状態であることが分かる。平均値の絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th未満ならば、充分な精度の推定回転角θ_Eが得られないおそれがある。

さらにまた、推定回転角使用判定部２６は、回転角速度演算部２３における前述の速度補正演算が一定時間内に所定回数以上（たとえば１ｍｓｅｃ間に２回以上）発生したかどうかを判断する（ステップＳ１０）。速度補正演算が一定時間内に所定回数以上発生したとすれば（ステップＳ１０：ＮＯ）、回転角推定部３１によって演算される推定回転角θ_Eが乱数的な値となっている可能性があるから、推定回転角θ_Eの精度が悪くなっている状態である可能性が高い。

蓄積した所定個の回転角速度ωの符号がすべて一致し（ステップＳ８：ＹＥＳ）、当該所定個の回転角速度ωの平均値の絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th以上かつ上限値ω_NL以下であり（ステップＳ９：ＹＥＳ）、一定時間内の速度補正演算回数が所定回数未満（ステップＳ１０：ＹＥＳ）であるとき、推定回転角使用判定部２６は、第１および第２スイッチ２９，３０をオン状態に制御する（ステップＳ１１）。この場合、ゲイン設定部２７は、平滑化部２４で平滑化された回転角速度ωの大きさ｜ω｜に基づいてゲインを設定し（ステップＳ１２）、このゲインが乗算器２８によって基本目標電流値Ｉ^*に乗じられる（ステップＳ１３）。このゲインを乗じた基本目標電流値Ｉ^*に基づいて、モータ１の駆動制御が行われる（ステップＳ５）。

これに対して、ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０のいずれかの判断が否定されるときには、推定回転角使用判定部２６は、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態に制御する（ステップＳ１４）。すなわち、回転方向が反転したとき（ステップＳ８：ＮＯ）、所定個の回転角速度ωの平均値の絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th未満のとき（ステップＳ９：ＮＯ）、所定個の回転角速度ωの平均値の絶対値｜ω_av｜が上限値ω_NLを超えているとき（ステップＳ９：ＮＯ）、および一定時間内の速度補正演算回数が所定回数以上のとき（ステップＳ１０：ＮＯ）には、第１および第２スイッチ２９，３０がオフ状態に制御される（ステップＳ１４）。これにより、モータ１の駆動が停止されるので、精度の不充分な推定回転角θ_Eを用いた制御を回避できる。

第１および第２スイッチ２９，３０がオフ状態のときにも、回転角推定部３１における推定演算は継続されており、したがって、回転角速度演算部２３における回転角速度ωの演算も行われている。この回転角速度ωを用いてステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０の判断が行われる。その結果、たとえば、運転者がステアリングホイールを一方向に操作することによって、ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０の判断がいずれも肯定され、推定回転角θ_Eが充分な精度を有する状態になると、第１および第２スイッチ２９，３０がオン状態となり（ステップＳ１１）、推定回転角θ_Eを用いたセンサレス制御が行われる（再開される）ことになる。

このように、この実施形態では、レゾルバ２に故障が発生したときには、回転角推定部３１によって求められる推定回転角θ_Eを制御回転角θ＾として用いたセンサレス制御（レゾルバ２の出力信号を用いずに行うモータ制御）に切り換えられる。これにより、レゾルバ２が故障した後にも、モータ１の駆動を継続でき、操舵補助力を舵取り機構３に与えることができる。

そして、センサレス制御の実行中は、回転角速度ωが一定の条件（ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０）を満たしており、推定回転角θ_Eが充分な精度を有していることを条件に、推定回転角θ_Eに基づくモータ１の制御が許容される。とくに、回転角速度の大きさ｜ω｜が所定値ω_th以上（この実施形態では所定個の連続する回転角速度ωの平均値ω_avの絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th以上）であることを推定回転角θ_Eに基づく制御を許容するための条件としている。これにより、推定回転角θ_Eに基づくモータ１の制御を適切に行うことができる。すなわち、精度の高い推定回転角θ_Eを用いることによって、モータ１を効率良く駆動することができ、充分なトルクを発生させることができる。

さらに、この実施形態では、基本目標電流値Ｉ^*に対して回転角速度ωに応じたゲインを乗じるようにしているので、センサレス制御が再開されるとき（ステップＳ１１）に、モータ１から急に大きなトルクが発生されることがない。これにより、操舵違和感を緩和できる。しかも、回転角速度ωを平滑化し、この平滑化処理後の回転角速度ωに応じてゲインを設定する構成であるので、ステアリングホイールが急操作されて回転角速度ωが急激に立ち上がる状況であっても、モータ１の発生トルクが急増することがない。これにより、操舵違和感をより一層効果的に緩和できる。

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、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、回転角推定部３１によって推定される推定回転角θ_Eを用いて回転角速度ωを演算する構成としているが、図１に二点鎖線６０で示すように、ステアリングホイールの操舵角を検出する舵角センサ９が備えられている場合には、この舵角センサ９によって検出される操舵角からモータ１の回転角速度を推定する構成としてもよい。

また、前述の実施形態では、推定回転角θ_Eによるモータ１の駆動制御を禁止するときに、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態に制御するようにしているが、第１および第２スイッチ２９，３０を設ける代わりに、たとえば、二相電圧指令値Ｖ_αβを強制的に零とするようにしてもよい。また、二相固定座標系（α−β）でモータ１の電流を零に制御する構成としてもよい。

さらにまた、前述の実施形態では、所定個の回転角速度ωの平均値ω_avの絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th未満のとき（ステップＳ９：ＮＯ）には、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態とするようにしているが（ステップＳ１４）、この場合には、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態とするか否かについて、さらに追加の判断ステップを加えてもよい。たとえば、所定個の回転角速度ωの平均値ω_avの絶対値｜ω_av｜が所定値ω_th未満のとき（ステップＳ９：ＮＯ）には、当該所定個（たとえば８個）の回転角速度ωのうちの一定個数（たとえば６個）以上の回転角速度の大きさ｜ω｜が所定値ω_th未満かどうかをさらに判断し、この条件が満たされたときに、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態に制御することとしてもよい。ただし、回転方向が反転したとき（ステップＳ８：ＮＯ）、所定個の回転角速度ωの平均値ω_avの絶対値｜ω_av｜が上限値ω_NLを超えているとき（ステップＳ９：ＮＯ）、および一定時間内の速度補正演算回数が所定回数以上のとき（ステップＳ１０：ＮＯ）には、前記追加の判断ステップを経ることなく、第１および第２スイッチ２９，３０をオフ状態に制御（ステップＳ１４）することが好ましい。

また、前述の実施形態では、回転角速度の大きさ｜ω｜に応じたゲインを基本目標電流値Ｉ^*に乗じるようにしているが、このゲインを目標電流値Ｉ_dqに乗じる構成としてもよい。
また、前述の実施形態では、回転角センサとしてのレゾルバ２の故障時に推定回転角θ_Eを用いたセンサレス制御を行う構成について説明したが、回転角センサを備えずに、専ら、推定回転角θ_Eを用いたセンサレス制御によってモータ１を駆動する構成としてもよい。

また、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置の駆動源としてのモータ１を制御するために本発明が適用された場合について説明したが、この発明は、電動パワーステアリング装置以外の用途のモータ制御にも適用することができる。とくに、外力が加えられる機構に対して当該外力を補助するためのモータが結合される構成の場合に、この発明のモータ制御装置を適用すると効果的である。

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。

この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するためのブロック図である。 モータの構成および座標系を説明するための図である。 回転角速度の大きさに応じたゲインの特性を説明するための特性図である。 回転角推定部の構成例を示すブロック図である。 外乱オブザーバおよびこれに関連する構成の一例を説明するためのブロック図である。 回転角速度の推定演算を説明するための図である。 マイクロコンピュータが所定の制御周期毎に繰り返し実行する処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０…モータ制御装置、１１…電流検出部、１２…マイクロコンピュータ、２８…乗算器、２９…第１スイッチ、３０…第２スイッチ、５０…ロータ、５１〜５３…ステータ巻線、５５…ステータ

Claims (2)

1. ロータと、このロータに対向するステータとを備えたモータを制御するためのモータ制御装置であって、
   前記ロータの回転角を推定するための回転角推定手段と、
   前記ロータの回転角速度を求める手段と、
   前記ロータの回転角速度の大きさが所定値以上であることを条件に、前記回転角推定手段によって求められた推定回転角に基づいて前記モータを駆動制御する制御手段とを含み、
   前記制御手段は、
   前記モータを駆動するための基本指令値を設定する基本指令値設定手段と、
   この基本指令値に係数を乗算する手段と、
   前記回転角速度の大きさが前記所定値以下のときに零であり、当該所定値を超えて大きくなるに従って大きくなるように前記係数を設定する係数設定手段とを含む、モータ制御装置。
2. 前記回転角速度を平滑化する平滑化手段をさらに含み、
   前記係数設定手段は、前記平滑化手段によって平滑化された回転角速度に基づいて前記係数を設定するものである、請求項１記載のモータ制御装置。

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