JP5297126B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵トルク信号及び速度信号に基づいてモータトルクを制御して操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置に関し、特に、シンクロナスリラクタンスモータを用いて操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、車両の操舵トルクの大きさに応じた補助トルクを電動機（モータ）によって発生させ、この補助トルクをステアリング系に伝達して、運転者が操舵する操舵力を軽減させるための操舵力支援装置である。このような電動パワーステアリング装置に用いられるモータとしては、例えば、シンクロナスリラクタンスモータが挙げられる。このようなシンクロナスリラクタンスモータは、回転子（ロータ）にマグネットを用いないで、回転子側の鋼板層に発生するリラクタンストルクによって回転動作を行うモータであり、一般的には、固定子（ステータ）側には３相巻線が施され、回転子側にはフラックスバリアと称する空気の溝（空気層）が鋼板層の内部に施された構造となっている。シンクロナスリラクタンスモータは、このような構造によって高価な希土類磁石等を使用しなくても回転トルク（以下、単にトルクという）が得られるため、低コスト化が可能であってリサイクル性にも優れている。

また、一般のブラシレスモータのトルク−電流特性が線形であるのと異なり、シンクロナスリラクタンスモータはトルク−電流特性が非線形であるため、目標トルクとモータ回転速度とを用いて目標電流と電流進角（誘起電圧に対する電機子電流の進み位相角）を算出している。このとき、電流進角については目標トルクの絶対値を３つのポイント[すなわち、目標トルクの絶対値（Ｔ）が最大回転速度のときの目標トルク（Ｔ１）より小さい領域（Ｔ＜Ｔ１の領域）、目標トルクの絶対値（Ｔ）がトルク−電流特性で非線形カーブと線形カーブの中間にあたる目標トルク（Ｔ３）との間にある領域（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ３の領域）、及び、目標トルクの絶対値（Ｔ）がＴ３より大きい領域（Ｔ３＜Ｔの領域）]に分けて進角補正項を求め、回転速度ごとに進角補正項を算出している。なお、算出された目標電流は三相電流又はｄ軸電流・ｑ軸電流の電流形態で出力している。

このような方法によってシンクロナスリラクタンスモータのトルク制御を行う技術は、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。これらの文献に記載の技術では、ロータの位置及び速度を検出してトルク指令を求めることによって、シンクロナスリラクタンスモータのトルク−電流特性が非線形であっても低出力トルクから高出力トルクまでトルク制御を行うことを意図している。なお、特許文献１では、最大回転速度（Ｎ３）と現在の回転速度（Ｎ）との差分の絶対値を入力の一部として進角補正項（ＡＸ）を算出している。また、特許文献２では、現在の回転速度（Ｎ）を入力とする関数（ＡＤＣ）の出力により進角補正項（ＡＸ）を算出している。すなわち、ＡＸ＝ＡＤＣ×Ｎとしている。
特許第３２０９８５３号公報 特許第３２０９８５４号公報

しかしながら、前記従来の技術は目標電流や電流進角を求める条件が複雑であるため、シンクロナスリラクタンスモータのトルク制御を行うための演算処理時間が長くかかったり、演算処理に必要とされるＣＰＵの処理能力やメモリ容量が大きくなってしまったりする問題点がある。また、シンクロナスリラクタンスモータは電源電圧の状態によって出力できるトルクの大きさと回転速度が変化するが、特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、電源電圧の変動を考慮していないので、バッテリ電圧を用いる電動パワーステアリング装置に適用することは難しい問題点がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、非線形なトルク−電流特性を有するシンクロナスリラクタンスモータを用いて簡単な演算処理で良好なトルク制御を行うことができる電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、請求項１に係る発明の電動パワーステアリング装置は、操舵入力検出部からの操舵入力信号に基づいて同期モータを駆動し、操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、少なくとも前記操舵入力信号に基づいて前記同期モータの目標トルクを算出する目標トルク算出部と、前記目標トルク算出部からの信号に基づいて前記同期モータへの目標電流を算出する目標電流算出部とを備え、前記目標電流算出部は、前記目標トルクの変化に対応付けて、当該目標トルクを発生させるために必要なモータ電流実効値及びモータ電流位相が記述されたマップを備え、該マップは少なくとも定常域用マップと高出力域用マップの２つからなり、前記目標電流算出部が、前記目標トルク算出部で算出された目標トルク及び前記マップを参照することにより、当該目標トルクに対応するモータ電流実効値とモータ電流位相とを算出し、該算出されたモータ電流実効値と当該モータ電流位相とによってｄ軸電流及びｑ軸電流を算出し、該算出されたｄ軸電流及びｑ軸電流を用いて前記同期モータを駆動させる構成を採っている。

請求項１に係る発明によれば、目標トルク及びマップを参照することで目標電流実効値及び目標電流位相を算出し、この目標電流実効値及び目標電流位相によってｄ軸電流及びｑ軸電流を算出し、このｄ軸電流及びｑ軸電流を用いて同期モータを駆動制御するため、トルク−電流特性が非線形な同期モータの目標トルク制御を、モータ電流の最適化を実現しながら遂行することができる。
また、請求項１に係る発明によれば、目標電流算出部が定常域用マップ（最大トルクマップ）及び高出力域用マップ（最大出力）を備えているため、高次関数を用いた近似値演算などの複雑な演算を要することなく、目標トルクに応じた目標電流実効値及び目標電流位相を簡易かつ迅速に求めることができる。

また、請求項２に係る発明の電動パワーステアリング装置は、請求項１に記載の構成において、前記目標電流算出部は、前記同期モータに出力される駆動電力のデューティ比が所定値以上の場合に、前記定常域用マップから前記高出力域用マップに切り替えて前記マップを用いることを特徴としている。

請求項２に係る発明によれば、同期モータに出力される駆動電力のデューティ比が所定値以上の場合に、定常域用マップから高出力域用マップに切り替えてマップを用いるため、例えば、高出力を要しない場面では消費電力が少なくて済む定常域用マップを用いる一方、高出力を要する場面（駆動電力のデューティ比が所定値以上）では高出力域用マップを用いるなどといったように、操舵状況に応じてマップを切り替えて用いることができる。
したがって、請求項２に係る発明によれば、操舵状況に応じてマップを切り替えて用いることにより、十分な最大出力を得る一方で消費電力を抑制することができるため、操舵フィーリングの優れた電動パワーステアリング装置を、消費電力を抑制しながら実現することができる。

本発明によれば、トルク−電流特性が非線形な同期モータの目標トルク制御を、モータ電流の最適化を実現しながら、簡易かつ迅速に遂行することができる。

《実施形態》
以下、図面を参照しながら、本発明におけるシンクロナスリラクタンスモータを用いた電動パワーステアリング装置の実施形態について詳細に説明する。

（電動パワーステアリング装置１）
図１は、本発明の実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータを備える電動パワーステアリング装置１の全体構成図である。
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１はステアリングホイール２を有していて、ステアリングホイール２はステアリング軸３を介してピニオン軸４に連結されている。運転者がステアリングホイール２を操作して生じる操舵トルクは、ステアリング軸３を介してピニオン軸４に伝達される。ピニオン軸４にはステアリング系に作用する操舵トルクを検出する磁歪式のトルクセンサ５及びトルク伝達部６が取り付けられており、トルク伝達部６は、ステアリング系に補助トルクを加えるための電動機（電気モータ）７に接続されている。なお、電動機７として、シンクロナスリラクタンスモータが用いられている。また、トルクセンサ５として、磁歪式のもののほか、光学式トルクセンサなど、他の形式のトルク検出素子を用いてもよい。

電動パワーステアリング装置１は、いわゆるラック・アンド・ピニオン式の構成となっていて、ピニオン軸４の下端に設けられたピニオン４Ａは、ラック軸８に形成されたラック歯８Ａと噛み合わされ、ピニオン軸４の回転がラック軸８の軸方向の変位に変換されて操向輪９，９を転舵させる。また、トルクセンサ５から制御装置１０へ操舵トルク信号Ｔを出力している。制御装置１０は、トルクセンサ５から出力された操舵トルク信号Ｔと速度センサ１１から出力された車両の速度信号ｖとに基づいて補助トルクを算出し、３相の電動機駆動電圧Ｖ_Oを電動機７に出力して電動機７を制御している。

また、トルク伝達部６は、詳細は図示されていないが、電動機７の回転トルクによってウォームギア（図示せず）を介してピニオン軸４を回転させるように構成されている。このようにして、電動機７の補助トルクは、トルク伝達部６を介してピニオン軸４に伝達され、さらにピニオン４Ａとラック歯８Ａを介して、ラック軸８からステアリング系に伝達されて操向輪９を転舵させるように構成されている。なお、図１には、ステアリング系の主要部を図示してある。

このような構成によって、運転者がステアリングホイール２を操作して車両の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸３に加えられた操舵トルクに基づく回転力は、ピニオン４Ａからラック歯８Ａを介してラック軸８の軸方向の直線運動に変換されて操向輪９，９の走行方向を変化させるように作用する。このとき、同時に、ステアリング軸３に付設されたトルクセンサ５は、ステアリングホイール２による運転者の操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置１０へ出力している。また、速度センサ１１が車両の速度信号ｖを検出して制御装置１０へ出力している。

制御装置１０は、操舵トルク信号Ｔ及び速度信号ｖに基づいた目標信号と、電動機７の回転角を示す角度信号θとに基づいて電動機７を駆動させるための電動機駆動電圧Ｖ_０を発生する。このとき、制御装置１０は、電動機電流Ｉ_０、及び角度信号θ_０を用いて、電動機駆動電圧Ｖ_０をｄ軸（磁束軸）とこれに電気的に直交するｑ軸（トルク軸）とに分解して制御するｄｑベクトル変換を行う。電動機７は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相の電動機駆動電圧Ｖ_０に基づいて回転駆動し、３相交流電流Ｉ_ＡＣ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が流れる。

これによって、電動機７の回転トルクに基づく補助操舵力は、トルク伝達部６を介して、ステアリング軸３に連結されたピニオン軸４に作用し、ラック・アンド・ピニオン機構によってラック軸８に伝達される。以上のようにして、電動機７を駆動させることによって、ステアリングホイール２に加えられる運転者による操舵力が軽減される。

（シンクロナスリラクタンスモータ３５の構成及び動作）
ここで、図１に示す電動パワーステアリング装置１の電動機７として用いられるシンクロナスリラクタンスモータ３５の一般的な構成及び動作について説明する。
図２は、一般的なシンクロナスリラクタンスモータ３５の断面図である。このシンクロナスリラクタンスモータ３５は、回転子３０が４個の磁極（２極対）を有し、固定子２０が２４個のスロット２３を有している。

シンクロナスリラクタンスモータ３５の固定子２０には、固定子本体２１と、その内周面２２に形成された複数個のスロット２３、及びＴ字状の歯（ティース）２４が設けられている。また、回転子３０には、回転子本体３１に対して、所定の幅及び長さを有する線状の複数のフラックスバリア（空気層）３２が設けられて、複数の鋼板リブ（リブ）３３が形成されている。この鋼板リブ（リブ）３３の両端部は、回転子３０の外周部に設けられている。回転子本体３１は電磁鋼板などの磁性体物質で構成されている。複数のフラックスバリア３２は空気層とするほか、樹脂性などの非磁性物質で形成してもよい。複数のフラックスバリア３２は、ｄ軸（磁束軸）を境界にし、機械的に４５度傾斜したｑ軸（トルク軸）を中心にして放射状に配置されている。したがって、ｑ軸を中心とした複数のフラックスバリア３２及び鋼板リブ３３の組が、放射状に４組設けられている。また、ｄ軸は、回転子軸と直交しており、鋼板リブ３３の両端部において鋼板リブ３３の軸と一致している。

このように構成されたシンクロナスリラクタンスモータ３５の動作について説明する。まず、固定子２０のスロット２３に巻回された巻線コイル（図示せず）に三相交流電流を流すと歯２４に磁界が発生し、回転子３０を介して磁束が他の歯２４に戻る。回転子本体３１の内部には複数のフラックスバリア３２が設けられているため、磁束の通りやすい方向（ｄ軸方向）と磁束の通りにくい方向（ｑ軸方向）が生じる。このｄ軸磁束とｑ軸磁束との差（磁気抵抗差）によってリラクタンストルクが発生し、回転子３０が所定の方向に回転する。

このとき、歯（ティース）２４に対向するフラックスバリア３２及び鋼板リブ３３は、回転子３０が回転しても、磁束の変化は少ないのでトルクリップルの発生要因とはなり難い。しかしながら、隣接する歯２４の間に形成された微小なスロット開口部２３ａとフラックスバリア３２（あるいは、鋼板リブ３３）との相対的な位置関係によって、回転子３０の回転時にトルクリップルが発生する。すなわち、固定子２０のスロット開口部２３ａと回転子３０の鋼板リブ３３が対向したときと、固定子２０のスロット開口部２３ａと回転子３０のフラックスバリア３２が対向したときとで磁束が変化するため、固定子２０と回転子３０の相対的な位置の変化によって（つまり、回転子３０が回転することによって）、回転子３０の回転トルクにトルクリップルが発生する。そこで、フラックスバリア３２の形状を変更してトルクリップルの発生を抑える公知の技術を採用してもよい。

（モータ制御システム４０）
次に、本実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータを用いた電動パワーステアリング装置１のモータ制御システム４０について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータを用いた電動パワーステアリング装置１のモータ制御システム４０の構成を示すブロック図である。なお、このモータ制御システム４０の機能は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏなどを備えるコンピュータ及びこのコンピュータにインストールされた所定のプログラムによって実現される。

図３に示すモータ制御システム４０は、ＥＰＳ（電動パワーステアリング）制御部４１と、モータ制御部５１とによって構成されている。ＥＰＳ制御部４１は、目標トルク算出部４２を備えている。モータ制御部５１は、目標電流算出部５２と、３相２軸変換部５３と、ｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部５４と、ｄ軸（磁束軸）ＰＩ制御部５５と、２軸３相変換部５６と、ＰＷＭ変換部５７と、モータ（シンクロナスリラクタンスモータ）５８とを備えている。なお、目標電流算出部５２は、最大トルクマップ（定常域用マップ）５２ａと、最大出力マップ（高出力域用マップ）５２ｂとを備えている。

ＥＰＳ制御部４１の目標トルク算出部４２は、トルクセンサ信号、車速、及びモータ（シンクロナスリラクタンスモータ）５８の回転速度を入力され、モータ５８が出力すべき目標トルクを算出し、この目標トルクをモータ制御部５１の目標電流算出部５２へ出力する。すなわち、ＥＰＳ制御部４１からモータ制御部５１へ送信する目標値は、目標トルクの値である。

また、モータ制御部５１において、目標電流算出部５２は、入力された目標トルクから目標電流実効値Ｉと目標電流位相θとを算出する。ここで算出される目標電流実効値Ｉと目標電流位相θは、（ａ）モータ５８が最大トルクＴ（最小の電流実効値で出せる最大のトルク）を出せるように算出されるか、または、（ｂ）モータ５８が最大出力Ｗ（最小の電流実効値で出せる最大の出力）を出せるように算出される。なお、最大出力Ｗは、Ｗ（ｗａｔｔ）＝Ｔ×Ｎを意味する。ただし、Ｎはモータ５８の回転速度である。ここで、目標電流算出部５２は、（ａ）最大トルクＴを目標値とする場合と、（ｂ）最大出力Ｗを目標値とする場合との切り替えは、後記するように、３相インバータからなるＰＷＭ変換部５７から出力される信号（駆動電流）のデューティ（ＤＵＴＹ）比の大きさに基づいて行っている。

なお、目標電流算出部５２が行う目標電流の算出方法は、目標トルクが得られるように目標３相電流又は目標ｄ軸電流・目標ｑ軸電流を算出し、電流フィードバック系に還元することによって実現している。すなわち、モータ制御はモータ５８に流れる電流を制御するものであるので、目標トルクから目標３相電流又は目標ｄ軸電流・目標ｑ軸電流を算出してモータ制御を行っている。

より具体的には、目標電流算出部５２は、最大トルクマップ（定常域用マップ）５２ａ及び最大出力マップ（高出力域用マップ）５２ｂを備え、これらのうちいずれかを切り替えて用い、目標トルクから目標電流を算出する。最大トルクＴの目標値を求めるための最大トルクマップ５２ａと、最大出力Ｗの目標値を求めるための最大出力マップ５２ｂとの切り替えは、３相インバータからなるＰＷＭ変換部５７の出力のデューティ（ＤＵＴＹ）比の大きさを基準として行う。つまり、ＰＷＭ変換部５７の出力のデューティ比が所定値未満ならば、最大トルクマップ５２ａに切り替え、所定値以上ならば、最大出力マップ５２ｂに切り替える。このようにして、目標電流算出部５２が目標トルクから算出した目標電流実効値Ｉと目標電流位相θは、３相２軸変換部５３へ出力される。

３相２軸変換部５３は、目標電流実効値Ｉと目標電流位相θとを入力して、モータ５８の３相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを、モータ５８の回転子の磁束軸（励磁軸）であるｄ軸の電流（目標ｄ軸電流Ｉｄ）と、このｄ軸に対して電気的に９０度回転した軸であるｑ軸の電流（目標ｑ軸電流Ｉｑ）との２軸電流（ｄｑ軸電流）に変換するものである。なお、目標ｑ軸電流Ｉｑの値はモータ５８の発生トルクＴ_Ｍに比例し、目標ｄ軸電流Ｉｄの値は励磁電流に比例する。また、必要に応じて目標ｄ軸電流Ｉｄと目標ｑ軸電流Ｉｑとを変化させて、「進角」を行うこともできる。すなわち、目標ｄ軸電流Ｉｄと目標ｑ軸電流Ｉｑとを制御することによって、ブラシレスモータの弱め界磁制御に相当する制御を行っている。このようにして弱め界磁制御相当の効果を出しつつ、目標トルクを制御して操舵フィーリングの改善を図っている。

ｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部５４は、目標ｑ軸電流Ｉｑを入力して偏差信号が減少するように、Ｐ（比例）制御及びＩ（積分）制御を行ってｑ軸電圧Ｖｑを生成し、このｑ軸電圧Ｖｑを２軸３相変換部５６へ出力する。また、ｄ軸（磁束軸）ＰＩ制御部５５は、目標ｄ軸電流Ｉｄを入力して加算器（図示せず）の出力信号が減少するようにＰＩ制御を行ってｄ軸電圧Ｖｄを生成し、このｄ軸電圧Ｖｄを２軸３相変換部５６へ出力する。

２軸３相変換部５６は、ｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部５４の出力信号Ｖｑとｄ軸（磁極軸）ＰＩ制御部５５の出力信号Ｖｄとの２軸信号を３相信号ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに変換する。ＰＷＭ変換部５７は、入力された３相信号ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの大きさに比例したパルス幅のＯＮ／ＯＦＦ信号［ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号］であるＤＵＴＹ信号（ＤＵＴＹ Ｕ，ＤＵＴＹ Ｖ，ＤＵＴＹ Ｗ）を生成してモータ５８へ出力する。なお、２軸３相変換部５６及びＰＷＭ変換部５７は、モータ５８の角度信号θが入力され、回転子３０（図２参照）の磁極位置に応じたタイミングで信号が出力される。

次に、図３を参照し、本発明の実施形態に係る主要部分の動作について説明する。
まず、ＥＰＳ制御部４１の目標トルク算出部４２は、図示しない操舵入力検出部から入力された操舵入力信号（すなわち、トルクセンサ信号、車速信号、及びモータ回転速度信号）に基づいて、モータ（シンクロナスリラクタンスモータ）５８が出力する目標トルクを算出し、この目標トルクをモータ制御部５１の目標電流算出部５２へ出力する。

すると、目標電流算出部は、入力された目標トルク値を発生させるために必要なモータ電流実効値（目標電流実効値）Ｉとモータ電流位相（目標電流位相）θとを算出し、この目標電流実効値Ｉと目標電流位相θを３相２軸変換部５３へ出力する。そして、３相２軸変換部５３が、目標電流実効値Ｉと目標電流位相θとに基づいて目標ｑ軸電流Ｉｑ及び目標ｄ軸電流を算出することにより、ＰＷＭ変換部５７が目標ｑ軸電流Ｉｑ及び目標ｄ軸電流とに基づいてＰＷＭ制御を行ってモータ（シンクロナスリラクタンスモータ）５８を駆動させる。

ここで、モータ制御部５１の目標電流算出部５２は、入力された目標トルクの値よりモータ電流実効値（目標電流実効値）Ｉとモータ電流位相（目標電流位相）θとを算出する２つのマップを備えている。すなわち、目標電流算出部５２は、定常域用マップである最大トルクマップ５２ａと、高出力域用マップである最大出力マップ５２ｂとを備えている。

そして、ＰＷＭ変換部５７からモータ（シンクロナスリラクタンスモータ）５８へ出力される駆動電力のデューティ比が所定値以上になったとき、定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）から高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）に切り替え、デューティ比が所定値以下になったとき、高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）から定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）に切り替える。

例えば、デューティ比が８０％以上になったとき、定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）から高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）に切り替える。また、デューティ比が７０％以下に下がったときは、高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）から定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）に切り替える。なお、デューティ比が上昇し、定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）から高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）に切り替える基準となる値（８０％）よりも、デューティ比が下降し、高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）から定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）に切り替えるときの基準となる値（７０％）を低くしているのは、ヒステリシス特性を与え、切り替えの基準となる境界値近傍で、ノイズなどの影響によって意図しない切り換えが発生しないようにするためである。

図４は、図３に示す目標電流算出部５２が備える最大トルクマップ５２ａの特性図であり、横軸に目標トルク、縦軸に目標電流実効値Ｉと目標電流位相θを表わしている。また、図５は、図３に示す目標電流算出部５２が備える最大出力マップ５２ｂの特性図であり、横軸に目標トルク、縦軸に目標電流実効値Ｉと目標電流位相θを表わしている。
目標電流算出部５２が、図４に示すような最大トルクマップ５２ａ（定常域用マップ）、及び図５に示すような最大出力マップ５２ｂ（高出力域用マップ）を備えることにより、高次関数を用いた近似値演算などを行わなくても、入力された目標トルクの値に応じた目標電流実効値Ｉと目標電流位相θを一義的に求めることができる。

なお、定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）を用いた場合と比較して、高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）を用いた場合、モータ５８の最大出力を増やすことができる。すなわち、高出力域用マップ（最大出力マップ５２ｂ）のときは、定常域用マップ（最大トルクマップ５２ａ）と同じトルクＴでモータ５８の回転速度Ｎが上げられるので、Ｗ＝Ｔ×Ｎの関係から最大出力Ｗを増加させることができる。

図６は、図３に示す３相２軸変換部５３が目標電流実効値Ｉと目標電流位相θからｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸電流Ｉｄを求める特性図である。
目標電流算出部５２が、図４の最大トルクマップ又は図５の最大出力マップによって目標トルクから目標電流実効値Ｉと目標電流位相θを求めると、３相２軸変換部５３が、図６の特性図に示すように、最大トルクマップ又は最大出力マップごとに目標電流実効値Ｉと目標電流位相θからｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄを求める。すなわち、目標電流実効値Ｉと目標電流位相θが分かっていれば、ｑ軸電流ＩｑはＩｑ＝Ｉｓｉｎθによって求められ、ｄ軸電流ＩｄはＩｄ＝Ｉｃｏｓθによって求められる。このようにして求められたｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸電流Ｉｄに基づいて２軸３相変換を行った後にＰＷＭ制御を行ってモータ５８の制御を行う。

図７は、高出力域用マップ及び定常域用マップのトルク−回転速度特性であり、横軸に目標トルク、縦軸に回転速度を表わしている。また、図８は、高出力域用マップ及び定常域用マップのトルク−電流特性であり、横軸に目標トルク、縦軸に電流を表わしている。

図７に示すように、高出力域用マップのときは、定常域用マップと同じ目標トルクＴのとき、モータ５８の回転速度Ｎが大きくなるので最大出力Ｗを増加させることができる。しかしながら、図８に示すように、同じ目標トルクＴを出すために必要な電流が定常域用マップのときより多くなるので、高回転を必要としないときは、より消費電流が少なくて済む定常域用マップに切り替えている。このように、必要に応じて定常域用マップと高出力域用マップを適宜に切り換えて、操舵状況に応じて十分な最大出力を得られるようにするとともに、消費電流を抑制するようにしている。

以上説明したように、本実施形態のシンクロナスリラクタンスモータを用いたモータ制御システム４０は、ＥＰＳ制御部４１からモータ制御部５１へ送信する目標値を目標トルクとし、モータ制御部５１は、入力された目標トルクから目標電流実効値Ｉと目標電流位相θを算出している。ここで算出する目標電流実効値Ｉと目標電流位相θは、最大トルク（最小の電流実効値で出せる最大のトルク）を出せるように算出するか、最大出力（最小の電流実効値で出せる最大の出力）を出せるように算出するかの切り換えを、３相インバータで構成されるＰＷＭ変換部５７の出力のデューティ比を用いて行っている。

本実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータを用いた電動パワーステアリング装置１によれば、ＥＰＳ制御部４１からモータ制御部５１へ入力した目標トルクから目標電流実効値Ｉと目標電流位相θとを算出する際に、最大トルクが出せるように算出するか、最大出力が出せるように算出するかを、３相インバータ出力のデューティ比によって切り換える。これによって、トルク−電流特性が非線形であるシンクロナスリラクタンスモータを用いても、比較的線形性のあるトルク制御を簡易な演算で行うことができる。

また、本実施形態の電動パワーステアリング装置１によれば、シンクロナスリラクタンスモータを目標トルクによって制御することにより、電動パワーステアリング装置の制御性（トルク−電流特性の線形性）が一段と改善される。また、ステアリングの連続切り返しや据え切りなどでモータの高出力によるパワーアシストが必要な場合でも、定常域用マップと高出力域用マップを適切に切り換えてトルク制御を行っているので、出力不足を起こしにくく、適正なパワーアシストを行うことが可能となる。すなわち、シンクロナスリラクタンスモータは、一般のブラシレスモータの弱め界磁制御に相当するｄ軸電流の制御を行うことができるので、電流−トルク特性が非線形であっても最適にモータ制御を行ってパワーアシストを実行することが可能となる。言い換えると、一般のブラシレスモータの弱め界磁制御に相当する制御として、本実施形態のシンクロナスリラクタンスモータでは目標トルクに対する進角補正を行っているので、より適切なトルク制御を行うことができる。

さらに、本実施形態のパワーステアリング装置１によれば、シンクロナスリラクタンスモータのモータパラメータ（トルク定数ｋｔ）の影響を最小限にすることにより、ＥＰＳ制御部４１とモータ制御部５１とを独立して設計することができる。言い換えると、ＥＰＳ制御部４１からモータ制御部５１へ入力するモータパラメータを目標電流から目標トルクにすることで、ＥＰＳ制御部４１とモータ制御部５１とを独立して設計することができる。その結果、電動パワーステアリング装置１の設計工数を削減させることが可能となる。ただし、ＥＰＳ制御部４１から出力した目標トルクを次のＥＰＳ制御の周期までに実トルクが応答しないことが条件となる。すなわち、ＥＰＳ制御部４１よりモータ制御部５１の周波数特性の方が良好であることが条件となる。

《比較例》
ここで、比較例として、一般的なブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置のモータ制御システムについて説明する。
図９は、ブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置のモータ制御システムの構成を示すブロック図である。

図９に示すモータ制御システム１００は、ＥＰＳ制御部１０１と、弱め界磁制御部１０３、ｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部１０４、ｄ軸（磁束軸）ＰＩ制御部１０５、２軸３相変換部１０６、ＰＷＭ制御部１０７、及びブラシレスモータ１０８を備えるモータ制御部１０２とによって構成されている。なお、図９に示すブラシレスモータ１０８を用いたモータ制御システム１００は、図３に示すシンクロナスリラクタンスモータ（モータ５９）を用いたモータ制御システム４０と比較すると、ＥＰＳ制御部４１の代わりに目標ｑ軸電流を直接ｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部１０４へ出力するＥＰＳ制御部１０１を備え、また、抵抗制御で始動又は減速を行ったり、高速回転時に弱め界磁電流の制御を行ったりする弱め界磁制御部１０３を備えている点で異なり、他の構成は原則として同様である。

次に、図９に示すブラシレスモータを用いたモータ制御システムの動作について、図３に示すシンクロナスリラクタンスモータを用いたモータ制御システムの動作との相違点を説明する。
ブラシレスモータ１０８は目標ｑ軸電流Ｉｑがトルクに比例するので、ＥＰＳ制御部１０１からモータ制御部１０２のｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部１０４へ目標ｑ軸電流Ｉｑを直接入力する。一方、モータ制御部１０２の弱め界磁制御部１０３からｄ軸（磁束軸）ＰＩ制御部１０５へ目標ｄ軸電流Ｉｄが入力されるが、この目標ｄ軸電流Ｉｄはブラシレスモータ１０８のトルクには影響しない。したがって、ブラシレスモータ１０８を用いたモータ制御システム１００ではトルク−電流特性は良好な線形性を示す。

図９に示すように、従来の電動パワーステアリング装置では、ＥＰＳ制御部１０１の出力パラメータとして目標電流（ブラシレスモータの場合は目標ｑ軸電流）をモータ制御部１０２のｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部１０４へ直接送信している。これは、ブラシレスモータ１０８の電流−トルク特性が１次線形であるので可能である。これにより、仮にモータ（ブラシレスモータ１０８）が変更されたとしても、電動パワーステアリング装置のアシストマップにトルク定数の変化をキャンセルするゲインを乗算するだけよい。

一方、シンクロナスリラクタンスモータを変更する場合、一般のブラシ付きモータやブラシレスモータのように電流に対して出力されるトルクの特性（トルク−電流特性）が線形ではないので、ＥＰＳ制御部１０１からの出力を電流（目標ｑ軸電流）で表すと、ＥＰＳ制御部１０１側のマップを変更する必要がある。つまり、シンクロナスリラクタンスモータのトルク−電流特性ごとに、ＥＰＳ制御部１０１のマップを変えなければならない。

以上を要約すると、ブラシレスモータのトルクＴ１は、Ｔ１＝ＰＮ×φ×Ｉｑであるので、ブラシレスモータはｑ軸電流ＩｑでトルクＴ１が決まる。一方、シンクロナスリラクタンスモータのトルクＴ２は、Ｔ２＝ＰＮ×（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｑ×Ｉｄであるので、シンクロナスリラクタンスモータはｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸電流ＩｄでトルクＴ１が決まる。但し、Ｐは極数、φは磁束、Ｎはモータ回転速度、Ｌｄはｄ軸のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸のインダクタンスである。

そこで、トルク−電流特性が非線形であるシンクロナスリラクタンスモータにおいては、目標トルクとモータ回転速度とを用いて目標電流と電流進角を算出している。このとき、電流進角については目標トルクの絶対値を３つの領域に分けて回転速度ごとに進角補正項を算出している。

図１０は、シンクロナスリラクタンスモータのトルク−電流特性、及びトルク−回転速度特性を示す図であり、横軸に目標トルク縦軸に回転速度及び電流を表わしている。すなわち、目標トルクの絶対値を３つの領域に分けて回転速度ごとに進角補正項を算出する場合は、図１０に示すように、目標トルクの絶対値（Ｔ）が最大回転速度のときの目標トルク（Ｔ１）より小さい領域（Ｔ＜Ｔ１の領域）、目標トルクの絶対値（Ｔ）がトルク−電流特性で非線形カーブと線形カーブの中間にあたる目標トルク（Ｔ３）との間にある領域（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ３の領域）、及び、目標トルクの絶対値（Ｔ）がＴ３より大きい領域（Ｔ３＜Ｔの領域）の３領域に分けて進角補正項を求め、回転速度ごとに進角補正項を算出している。ところが、このような手法で進角補正項を算出すると演算処理が複雑になってしまうので、前述の実施形態で述べたような手法でトルク制御を行うことによって簡単な演算処理で線形性のあるトルク制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータを備える電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 一般的なシンクロナスリラクタンスモータの断面図である。 本発明の実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータを用いた電動パワーステアリング装置のモータ制御システムの構成を示すブロック図である。 図３に示す目標電流算出部が備える最大トルクマップの特性図である。 図３に示す目標電流算出部が備える最大出力マップの特性図である。 図３に示す３相２軸変換部が目標電流実効値と目標電流位相からｑ軸電流及びｄ軸電流を求める特性図である。 高出力域用マップ及び定常域用マップのトルク−回転速度特性である。 高出力域用マップ及び定常域用マップのトルク−電流特性である。 ブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置のモータ制御システムの構成を示すブロック図である。 シンクロナスリラクタンスモータのトルク−電流特性、及びトルク−回転速度特性を示す図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリングホイール
３ ステアリング軸
４ ピニオン軸
４Ａ ピニオン
５ トルクセンサ
６ トルク伝達部
７ 電動機
８ ラック軸
８Ａ ラック歯
９ 操向輪
１０ 制御装置
１１ 速度センサ
Ｔ 操舵トルク信号
ｖ 速度信号
Ｖ_０ 電動機駆動電圧
２０ 固定子
２１ 固定子本体
２２ 内周面
２３ スロット
２３ａ スロット開口部
２４ 歯（ティース）
３０ 回転子
３１ 回転子本体
３２ フラックスバリア（空気層）
３３ 鋼板リブ
３５ シンクロナスリラクタンスモータ
４０、１００ モータ制御システム
４１、１０１ ＥＰＳ（電動パワーステアリング）制御部
４２ 目標トルク算出部
５１、１０２ モータ制御部
５２ 目標電流算出部
５２ａ 最大トルクマップ
５２ｂ 最大出力マップ
５３ ３相２軸変換部
５４、１０４ ｑ軸（トルク軸）ＰＩ制御部
５５、１０５ ｄ軸（磁束軸）ＰＩ制御部
５６、１０６ ２軸３相変換部
５７、１０７ ＰＷＭ変換部
５８ モータ（シンクロナスリラクタンスモータ）
１０３ 弱め界磁制御部
１０８ ブラシレスモータ

Claims (2)

1. 操舵入力検出部からの操舵入力信号に基づいて同期モータを駆動し、操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、
   少なくとも前記操舵入力信号に基づいて前記同期モータの目標トルクを算出する目標トルク算出部と、
   前記目標トルク算出部からの信号に基づいて前記同期モータへの目標電流を算出する目標電流算出部とを備え、
   前記目標電流算出部は、前記目標トルクの変化に対応付けて、該目標トルクを発生させるために必要なモータ電流実効値及びモータ電流位相が記述されたマップを備え、該マップは少なくとも定常域用マップと高出力域用マップの２つからなり、
   前記目標電流算出部が、前記目標トルク算出部で算出された目標トルク及び前記マップを参照することにより、当該目標トルクに対応するモータ電流実効値とモータ電流位相とを算出し、該算出されたモータ電流実効値と当該モータ電流位相とによってｄ軸電流及びｑ軸電流を算出し、該算出されたｄ軸電流及びｑ軸電流を用いて前記同期モータを駆動させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記目標電流算出部は、前記同期モータに出力される駆動電力のデューティ比が所定値以上の場合に、前記定常域用マップから前記高出力域用マップに切り替えて前記マップを用いることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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